JP2007295795A - 電源装置におけるトランスレス型安全絶縁のための方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電源装置においてトランスレス型安全絶縁を形成させる方法と装置を提供する。
【解決手段】１つの例示的な調整電力変換装置が、その電力変換装置の１次回路に含められる入力端子を含む。出力端子が、電力変換装置の２次回路に含められる。また、第１の安全キャパシタと第２の安全キャパシタを含む複数の安全キャパシタも含む。複数の安全キャパシタのそれぞれは、１次回路に結合されたそれぞれの第１の端子と、２次回路に結合されたそれぞれの第２の端子とを含む。複数の安全キャパシタは、１次回路を２次回路から直流絶縁する。パワー・スイッチが１次回路に含められる。パワー・スイッチは、パワー・スイッチの切り換えにより、複数の安全キャパシタを介して１次回路と２次回路の間でエネルギーが伝達されるように結合される。１次回路と２次回路の間で実質的に伝達されるエネルギーのすべては、複数の安全キャパシタを介する。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般に、電子回路に関し、より具体的には、本発明は、電力調整が存在する回路に関する。

電気デバイスは動作するのに電力を必要とする。多くの電気デバイスは、スイッチモード変換装置を使用して電力を供給される。スイッチモード変換装置は、しばしば、調整されていない電圧入力を調整された出力電圧に変換するように設計される。一部のアプリケーションでは、入力電圧は、危険である可能性があり、したがって、電力変換装置の入力と出力の間で安全絶縁が要求される。電力変換装置の入力と出力の間で、この安全絶縁を実現する１つの一般的な方法は、電力変換装置の中に変圧器を含めることである。変圧器は、電力変換装置の入力を変換装置の出力から電気的に絶縁し、したがって、出力において、電力変換回路の入力に存在する電圧からの保護を提供する。しかし、電力変換装置内に変圧器を含めて、安全絶縁をもたらすことは、電力変換装置の複雑さおよび費用を増大させる。
英国標準ＢＳ ＥＮ１３２４００：１９９５

本発明は、例として、限定としてではなく、添付の図に詳細に示される。

トランスレス型安全絶縁を有する電源供給調整器に関連する例が開示される。以下の説明では、本発明の完全な理解を与えるために、多数の特定の詳細が説明される。しかし、それらの特定の詳細は、本発明を実施するのに使用されなくてもよいことが、当業者には明白となろう。実施に関連する周知の方法は、本発明を不明瞭にするのを回避するために、詳細には説明されていない。

本明細書全体にわたって「一実施形態」または「ある実施形態」への言及は、その実施形態に関連して説明されるある特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも１つの実施形態に含まれることを意味する。このため、本明細書全体にわたる様々な箇所における「一実施形態に関して」または「ある実施形態では」という句の出現は、必ずしもすべて同一の実施形態に言及しているのではない。さらに、以下に説明され、かつ／または図面に示される特定の特徴、構造、特性、組み合わせ、および/または部分的組み合わせは、本発明の教示による１つまたは複数の実施形態において任意の適切な形で組み合わせられてもよい。

以下に説明するとおり、本発明の教示による一部の例示的な電源供給調整器は、電力変換装置または電源装置の入力端子と出力端子の間における静電結合を利用して、変圧器の使用なしに安全要件を満たすように、電気絶縁または直流絶縁を実現する。例示すると、図１が、入力電圧Ｖ_IN１０３を受け取るように結合された入力端子１０２と、例えば、電圧Ｖ_OUT１２９のような、調整された出力を提供するように結合された、絶縁された出力端子１０４とを有する調整電源装置または調整電力変換装置１０１の例示的な概略図を示す。

図示される例では、電力変換装置は、１次回路１０６と２次回路１０８の間に結合された複数の安全キャパシタ１１７、１１９を含む。一例では、インダクタ１０９が、１次回路１０６に含められ、安全キャパシタ１１７とパワー・スイッチ１１３に結合され、スイッチ１１３は、図示される例では、安全キャパシタ１１９にも結合されている。図示される例では、パワー・スイッチ１１３は、絶縁フィードバック１１５に応答して制御回路１１１の制御下で切り換えを行って、本発明の教示に従って２次回路１０８の出力端子における出力量を調整するように結合される。本開示では、「絶縁フィードバック」とは、制御回路１１１によって受け取られるフィードバックが、本発明の教示に従って、電力変換装置１０１の出力端子または２次回路１０８から電気絶縁されることを意味する。様々な例では、絶縁フィードバック１１５の電気絶縁は、本発明の教示に従って、１次側の調整で、または、例えば、オプトカプラ、または別の適切な代替の使用で実現されることが可能である。

前述したとおり、複数の安全キャパシタ、つまり、絶縁キャパシタが、電力変換装置１０１内に含められて、本発明の教示に従って、電力変換装置の１次回路と２次回路の間で直流絶縁をもたらす。特に、複数の安全キャパシタ１１７、１１９の誘電領域が、本発明の教示に従って、電力変換装置１０１の１次回路１０６と２次回路１０８の間に絶縁バリアを設ける。その結果、電力変換装置１０１の入力端子１０２と電力変換装置１０１の出力端子１０４の間のＤＣ（直流）電圧は、電力変換装置のいずれのスイッチのいずれの状態に関しても、電力変換装置１０１の入力端子１０２と出力端子１０４の間でＤＣ電流を全く生じさせない。代わりに、入力端子１０２は、本発明の教示に従って安全キャパシタを備えた絶縁バリア１１０を含めることで、電力変換装置１０１の出力端子１０４から直流絶縁される。したがって、図１に示される例では、入力端子１０２から直流絶縁されない、絶縁バリア１１０の左側の電力変換装置１０１内の回路全体は、１次回路１０６と呼ばれる。同様に、出力端子１０４から直流絶縁されない、絶縁バリア１１０の右側の電力変換装置１０１内の回路全体は、２次回路１０８と呼ばれる。

動作の際、いかなるＤＣ電流も、電力変換装置１０１の入力端子１０２と出力端子１０４の間で直接に流れることは不可能である。というのは、入力端子１０２と出力端子１０４の間に全くＤＣ電気接続が存在しないからである。しかし、複数の絶縁キャパシタまたは安全キャパシタ１１７、１１９は、それでも、エネルギー伝達キャパシタの役割をして、パワー・スイッチ１１３の切り換えに応答して、複数の絶縁キャパシタまたは安全キャパシタ１１７、１１９によってもたらされる静電結合を介して絶縁バリア１１０を通り抜けて、電力変換装置１０１の入力端子１０２と出力端子１０４の間でエネルギーが流れることを可能にする。動作の際、電力変換装置１０１の１次回路１０６と２次回路１０８の間で実質的に伝達されるすべてのエネルギーは、本発明の教示に従って、複数の絶縁キャパシタまたは安全キャパシタ１１７、１１９を介して絶縁バリア１１０を通り抜けて伝達される。したがって、電力変換装置１０１は、本発明の教示に従って、出力端子１０４からの入力端子１０２のトランスレス型安全絶縁を伴う、調整された電力をもたらす。

一例では、安全絶縁キャパシタは、例えば、英国標準ＢＳ ＥＮ１３２４００：１９９５などの標準規格書によって定義されるとおり絶縁をもたらすことを特に目的として設計され、構造化された、Ｙ１安全キャパシタなどの、Ｙキャパシタである。例えば、アプリケーションに依存して、回路設計者は、Ｙ１安全キャパシタを、本発明の教示に従って、容認できる性能をもたらす最小の値を有する安全キャパシタ１１７、１１９として使用する。

図１の例では、ダイオード１２１が、インダクタ１２３に結合され、インダクタ１２３は、図示されるとおり、２次回路２０８におけるキャパシタ１２５と抵抗器１２７に結合されている。図示される例では、インダクタ１２３は、エネルギーの流れが、絶縁フィードバック１１５に応答して、制御回路１１１の制御下でパワー・スイッチ１１３の切り換えによって制御されるエネルギー伝達要素である。一例では、パワー・スイッチ１１３はトランジスタであり、絶縁フィードバック１１５は、電力変換装置１０１の出力を表す信号であるが、電力変換装置１０１の出力から電気絶縁されている。動作の際、制御回路１１１は、パワー・スイッチ１１３を切り換えて、入力端子１０２から安全キャパシタ１１７、１１９を通り、インダクタ１２３を通るエネルギーの伝達を調整して、本発明の教示に従って電力変換装置１０１の出力端子１０４における出力量を調整する。調整される出力量には、例えば、抵抗器１２７の両端のＶ_OUT１２９のような出力電圧、または電力変換装置１０１の出力端子１０４における出力電流、あるいはそれらの任意の組み合わせが含まれる。

図２は、本発明の教示によるトランスレス型安全絶縁を有する電力変換装置２０１のさらなる詳細を伴う例を全体的に示す別の概略図である。図示される例に示されるとおり、電力変換装置２０１は、本発明の教示に従って図１の電力変換装置１０１といくつかの類似点を共有する。図示される例では、電力変換装置２０１は、Ｖ_IN２０３を受け取るように結合された入力端子２０２を含む。図示される例では、図２の入力電圧Ｖ_IN２０３は、ＡＣ（交流）電圧である。図示される例では、キャパシタＣ１ ２３５上で実質的にＤＣの電圧を提供するように、ダイオードＤ１ ２３３、ダイオードＤ２ ２４３、ヒューズ抵抗器ＲＦ１ ２３１、キャパシタＣ１ ２３５が電力変換装置２０１の入力に結合されている。

インダクタ２０９が、電力変換装置２０１の入力側に含められ、パワー・スイッチを含むコントローラ２１１が、絶縁フィードバック信号２１５に応答して切り換えを行って、電力変換装置２０１の出力を調整するように結合される。図示される例では、コントローラ２１１は、カリフォルニア州サンノゼ所在のパワー・インテグレーションズ株式会社からのＬｉｎｋＳｗｉｔｃｈ−ＴＮファミリの電源供給集積回路からのＬＮＫ３０４Ｐ電源供給コントローラである。ＬＮＫ３０４Ｐは、オン／オフ制御として知られる制御スキームを使用する。ＰＷＭ電流モード、ＰＷＭ電圧モード、自励発振、ヒステリシス、共振、擬似共振、その他の可変周波数制御スキームを含め、他の一般的な制御スキームが、本発明の教示からやはり、利益を得ながら、使用されてもよいことは理解できるであろう。したがって、他の適切な電源供給コントローラまたはスイッチング・デバイスも、本発明の教示に従ってＬＮＫ３０４Ｐ電源供給集積回路の代わりに使用されることが可能であることに留意されたい。

図示される例に示されるとおり、キャパシタＣ２ ２４１が、コントローラ２１１のバイパス端子ＢＰに結合され、コントローラ２１１のフィードバック端子ＦＢが、オプトカプラ２３６のトランジスタ２３７部分から絶縁フィードバック２１５を受け取るように結合される。図示されるとおり、オプトカプラ２３６のＬＥＤ（発光ダイオード）２３９部分が、電力変換装置２０１の出力に結合されて、例えば、Ｖ_OUT２２９のような、電力変換装置２０１の出力量を感知する。

図２に示される例示的な電力変換装置２０１の出力側で、インダクタＬ２ ２２３が、図示されるとおり、ダイオードＤ３ ２２１とキャパシタＣ５ ２２５に結合される。ツェナ・ダイオードＶＲ１ ２４５、抵抗器Ｒ１ ２２７、オプトカプラ２３６のＬＥＤ２３９部分が、図示されるとおり、電力変換装置２０１の出力端子２０４の両端間に結合される。さらに、図２に示される例は、抵抗器Ｒ２ ２２４が、ツェナ・ダイオードＶＲ１の両端に結合されていることも示す。図示される例では、インダクタ２２３は、本発明の教示に従って、エネルギーの流れが、絶縁フィードバック２１５に応答して、コントローラ２１１内に含まれるパワー・スイッチの切り換えによって制御される、エネルギー伝達要素である。

電力変換装置２０１の入力端子２０２と出力端子２０４を絶縁するために、本発明の教示に従って、絶縁キャパシタまたは安全キャパシタＣ３ ２１７とＣ４ ２１９が、図示されるとおり含められ、キャパシタＣ３ ２１７とキャパシタＣ４ ２１９のそれぞれの誘電領域を有する絶縁バリア２１０を形成して、直流絶縁をもたらす。図示されるとおり、安全キャパシタＣ３ ２１７と安全キャパシタＣ４ ２１９は、電力変換装置２０１内の１次回路２０６と２次回路２０８の間に結合される。図示される例では、安全キャパシタ２１７、２１９は、本発明の教示に従って、電力変換装置２０１内のＹ１安全キャパシタであるとともに、エネルギー伝達キャパシタでもある。

キャパシタ２１７、２１９による静電結合は、本発明の教示に従って、電力変換装置２０１の絶縁バリア２１０を通り抜けて入力端子２０２と出力端子２０４の間でエネルギーの伝達を可能にする。加えて、キャパシタ２１７、２１９の誘電領域によって形成される絶縁バリア２１０によって与えられる絶縁は、本発明の教示に従って、電力変換装置２０１内に変圧器なしに、安全絶縁を提供する。動作の際、コントローラ２１１は、内部パワー・スイッチを切り換えて、入力端子２０２から、安全キャパシタ２１７、２１９によって形成される絶縁バリア２１０を通り抜けて、インダクタ２２３を通るエネルギーの伝達を調整して、本発明の教示に従って電力変換装置２０１の出力端子２０４における出力量を調整する。したがって、電力変換装置２０１は、本発明の教示に従って、出力端子２０４からの入力端子２０２のトランスレス型安全絶縁を伴う、調整された電力を与えることができる。

図２に示される特定の例では、安全キャパシタ２１７、２１９は、定格２５０ＶＡＣの２．２ｎＦキャパシタである。異なる静電容量値を有するキャパシタも、それらのキャパシタが、本発明の教示に従って、前述したとおり、入力端子２０２と出力端子２０４の間で安全絶縁を与え、エネルギーを伝達する限り、使用されることが可能であることが理解されよう。一例では、ユーザは、本発明の教示に従って、所与のアプリケーションに関する一般的な低電力の使用において、容認できる性能をもたらす最小の値を使用することに留意されたい。

図３は、本発明の教示によるトランスレス型安全絶縁を有する１次調整型の容量性絶縁された電力変換装置３０１の例を全体的に示す。図示される例に示されるとおり、電力変換装置３０１は、本発明の教示に従って、図１と図２に示される電力変換装置といくつかの類似点を共有する。図示される例では、電力変換装置３０１は、Ｖ_IN３０３を受け取るように結合された入力端子３０２を含む。図示される例では、１次回路３０６と２次回路３０８が、電力変換装置３０１内に含められる。図示されるとおり、安全キャパシタ３１７、３１９を含む複数の安全キャパシタが、１次回路３０６と２次回路３０８の間に結合される。複数の安全キャパシタ３１７、３１９の誘電領域は、絶縁バリア３１０を形成し、バリア３１０は、１次回路３０６を２次回路３０８から直流絶縁する。制御回路３１１に応答して切り換えられて、１次回路と２次回路の間におけるエネルギーの伝達を調整するパワー・トランジスタＱ１ ３１３が、１次回路３０６に含められる。１次回路と２次回路の間で伝達されるすべてのエネルギーは、本発明の教示に従って、複数の安全キャパシタ３１７、３１９を介して絶縁バリア３１０を通る。

図示される例では、１次側調整は、図示されるとおり、制御回路３１１のコントローラ入力に制御情報を供給するように結合された回路要素インダクタＬ１ ３０９、ダイオード３４７、キャパシタ３４９で実現される。一例では、例えば、抵抗器３５１、３５３を含む抵抗分圧ネットワークを、オプションとして、本発明の教示に従って、制御回路３１１のコントローラ入力に制御情報を供給するように含めてもよい。２次回路３０８では、インダクタＬ２ ３２３、ダイオード３２１、キャパシタ３２５が、電力変換装置３０１の出力において、図示されるとおり、結合されて、本発明の教示に従って出力端子３０４において調整された出力量Ｖ_OUT３２９を提供する。

図４〜図６は、本発明の教示によるトランスレス型安全絶縁を有する、他の容量性絶縁された電力変換装置の概略図を全体的に示す。図示される例に示されるとおり、図４〜図６に示される電力変換装置は、本発明の教示に従って、図１〜図３に示される電力変換装置といくつかの類似点を共有する。図示される例では、図４〜図６に示される例示的な電力変換装置の各電力変換装置は、１次回路と２次回路の間に結合された複数の安全キャパシタＣＹ１、ＣＹ２を含む。複数の安全キャパシタＣＹ１、ＣＹ２の誘電領域で形成される絶縁バリアは、本発明の教示に従って１次回路と２次回路を直流絶縁する。

図示されるとおり、図４〜図６に示される例示的な電力変換装置のそれぞれは、それぞれの電力変換装置の１次回路側に含められる電源供給コントローラＵ１を使用して、それぞれの電力変換装置の安全キャパシタを介して、１次回路と２次回路の間におけるエネルギーの伝達を調整する。図６に示される例では、電源供給コントローラＵ１は、１次側調整スキームで結合され、図４〜図５に示される例では、電源供給コントローラＵ１は、絶縁フィードバックを受け取るように結合される。したがって、図示される各例では、１次回路と２次回路は、直流絶縁され、１次回路と２次回路の間で伝達されるすべてのエネルギーは、本発明の教示に従って、複数の安全キャパシタを介して絶縁バリアを通る。

それぞれの図示される例では、電力コントローラＵ１は、カリフォルニア州サンノゼ所在のパワー・インテグレーションズ株式会社からのＬｉｎｋＳｗｉｔｃｈ−ＴＮファミリの電源供給集積回路からのＬＮＫ−ＴＮ電源供給コントローラである。図２で説明される例と同様に、図４〜図６に示される特定の例に含まれるＬＮＫ−ＴＮ電源供給コントローラは、オン／オフ制御として知られる制御スキームを使用する。ＰＷＭ電流モード、ＰＷＭ電圧モード、自励発振、ヒステリシス、共振、擬似共振、その他の可変周波数制御スキームを含め、他の一般的な制御スキームを、本発明の教示からやはり、利益を得ながら、使用することもできるのは理解される通りである。したがって、他の適切な電源供給コントローラまたはスイッチング・デバイスも、本発明の教示に従ってＬＮＫ‐ＴＮ電源供給集積回路の代わりに使用できることに留意されたい。

以上の詳細な説明では、本発明の方法と装置を、本発明の方法と装置の特定の例示的な実施形態に関連して説明してきた。しかし、本発明のより広い趣旨と範囲を逸脱することなく、その実施形態に様々な変形や変更を加えてもよいことが明白であろう。したがって、本明細書と図は、限定的ではなく、例示的であると見なされるべきである。

本発明の教示によるトランスレス型安全絶縁を有する例示的な電源供給回路図を全体的に示す概略図である。 本発明の教示によるトランスレス型安全絶縁を有する電源供給回路図のさらなる詳細を伴う例を全体的に示す概略図である。 本発明の教示によるトランスレス型安全絶縁を有する別の例示的な電源供給回路図を全体的に示す概略図である。 本発明の教示によるトランスレス型安全絶縁を有するさらに別の例示的な電源供給回路図を全体的に示す概略図である。 本発明の教示によるトランスレス型安全絶縁を有するさらに別の例示的な電源供給回路図を全体的に示す概略図である。 本発明の教示によるトランスレス型安全絶縁を有する別の例示的な電源供給回路図を全体的に示す概略図である。

符号の説明

１０１ 電力変換装置、１０２、１０４ 端子、１０３、１２９ 電圧、１０６、１０８ 回路、１０９、１２３ インダクタ、１１０ 絶縁バリア、１１１ 制御回路、１１３ パワー・スイッチ、１１５ フィードバック信号、１１７、１１９、１２５ キャパシタ、１２１ ダイオード、１２７ 抵抗器

Claims (12)

1. 電力変換装置の１次回路に含められた入力端子と、
   前記電力変換装置の２次回路に含められた出力端子と、
   前記１次回路に結合されたそれぞれの第１の端子と、前記２次回路に結合されたそれぞれの第２の端子とをそれぞれが含み、前記１次回路を前記２次回路から直流絶縁する、第１の安全キャパシタと第２の安全キャパシタを含む複数の安全キャパシタと、
   前記１次回路に含められ、切り換えにより、前記１次回路と前記２次回路の間で伝達されるエネルギーの実質的にすべてが、前記複数の安全キャパシタを介するように、前記複数の安全キャパシタを介して前記１次回路と前記２次回路の間でエネルギーを伝達させるように結合されたパワー・スイッチとを含む、電力変換装置。
2. 前記第１の安全キャパシタと前記第２の安全キャパシタはＹ安全キャパシタを含む請求項１に記載の電力変換装置。
3. 絶縁フィードバック信号に応答して前記スイッチの前記切り替えを調整するように結合された制御回路をさらに含む請求項１に記載の電力変換装置。
4. 前記制御回路によって受け取られて、電力変換装置の出力量を調整するように結合される前記絶縁フィードバック信号を生成するように前記出力端子に結合されたオプトカプラをさらに含む請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記電力変換装置の前記１次回路と前記２次回路の間における前記直流絶縁は、前記電力変換装置における任意のスイッチの任意の状態に関して保たれる請求項１に記載の電力変換装置。
6. 前記電力変換装置の前記１次回路と前記２次回路の間における前記直流絶縁は、前記１次回路と前記２次回路の間における前記複数の安全キャパシタの誘電領域で形成された絶縁バリアを使用して行われる請求項１に記載の電力変換装置。
7. 電力変換装置の１次回路を使用して入力電圧を受け取るステップと、
   前記電力変換装置の前記１次回路に含められたパワー・スイッチを切り換えるステップと、
   前記パワー・スイッチを切り換える前記ステップに応答して、前記１次回路と前記２次回路の間に結合された前記複数の安全キャパシタを介して、前記電力変換装置の前記１次回路と前記２次回路の間でエネルギーを、前記１次回路と前記２次回路の間で伝達されるエネルギーの実質的にすべてが複数の安全キャパシタを介するように、伝達させるステップと、
   前記複数の安全キャパシタを使用して前記１次回路を前記２次回路から直流絶縁するステップとを含む、電力を供給する方法。
8. 前記２次回路の出力端子における出力量を表す絶縁フィードバック信号を受け取るステップをさらに含む請求項７に記載の電力を供給する方法であって、
   前記パワー・スイッチの前記切り換えは、前記絶縁フィードバック信号に応答する、方法。
9. 前記出力端子に結合された発光ダイオードを有するオプトカプラに応答して、前記絶縁フィードバック信号を生成するステップをさらに含む請求項８に記載の電力を供給する方法であって、
   前記絶縁フィードバック信号は、前記パワー・スイッチを切り換えるように結合された制御回路に結合された前記オプトカプラのトランジスタによって生成される、方法。
10. 前記スイッチを前記切り換えるステップに応答して、前記出力端子における出力量を調整するステップをさらに含む請求項８に記載の電力を供給する方法。
11. 前記複数の安全キャパシタは、Ｙ安全キャパシタを含む請求項７に記載の電力を供給する方法。
12. 前記複数の安全キャパシタを使用して前記１次回路を前記２次回路から直流絶縁するステップは、前記複数の安全キャパシタの誘電領域を使用して、前記１次回路と前記２次回路の間に絶縁バリアを設けるステップを含む請求項７に記載の電力を供給する方法。

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