JP2008527966A - 電源システム - Google Patents

Abstract

電源システム１は、第１ハウジング２に配置される電源変換器３０を備える電源ブリック３を備える。電源変換器３０は、交流本線入力電圧ＶＭを、当該交流本線入力電圧ＶＭより高い周波数を有する交流出力電圧へ変換する。電源回路７は、直流電圧ＰＶｉをアプリケーション８へ供給する。電源回路７及びアプリケーション８の両方は、第１ハウジング２から機械的に分離された第２ハウジング６に配置される。ケーブル５は、交流出力電圧ＶＯを電源回路７へ供給するために、電源ブリック３及び電源回路７を相互接続する。電源回路７は、直流電圧ＰＶｉをアプリケーション８へ供給するために、交流出力電圧ＶＯを整流する整流器回路ＲＥ１、ＲＥ２及びＲＥ３を備える。

Description

本発明は、機械的に分離された電源ブリック及びアプリケーションを有する電源回路を備える電源システムに関する。本発明は、更に、前記電源システムにおいて用いる電源ブリック、及び前記電源システムにおいて用いる電源回路に関する。

多くのアプリケーション（用途、応用装置）において、電源出力電圧を必要とするアプリケーションから機械的に分離されている電源が用いられる。斯様なアプリケーションは、例えば、ラップトップ、インクジェットプリンタ、ＬＣＤモニタ、又は携帯型ハンドヘルド装置などである。電源ブリックとも呼ばれる機械的に分離された電源は、交流本線電圧を、主周波数を有する１つの又は複数の低交流電圧へ、又は１つ又は複数の直流電圧へ変換する。

約１００Ｗ以下のアプリケーションに関して、これらの既存の電源ブリックは、電子的に及び熱的に適切に設計されている場合、損失を容易に扱い得る。１００Ｗ〜１６０Ｗの間のアプリケーションに関しては、損失に対処するために多くの特別な対策が実施される必要がある。約１６０Ｗを越えるアプリケーションに関しては、極端な損失が、電源ブリックの有用な設計を可能にさせない。

本発明の目的は、低損失を有する電源ブリックを提供することである。

本発明の第１の態様は、請求項１に記載の電源システムを提供する。本発明の第２の態様は、請求項９に記載の機械的に分離された電源システムにおいて用いる電源ブリックを提供する。本発明の第３の態様は、前記電源システムにおいて用い、請求項１０に記載の整流器及び変圧器を備える電源回路を提供する。有利な実施例は、従属項に規定される。

本発明の第１の態様に従う電源システムは、電源ブリックと、電源回路及びアプリケーションの組合せとを有する。電源ブリック及び前記組合せは、機械的に分離されたハウジングに配置される。ケーブルは、電源ブリックの交流出力電圧を電源回路へ転送する。電源ブリックは、交流本線入力電圧を、当該交流本線入力電圧よりも高い周波数を有する交流出力電圧へ変換する変換器を有する。例えば、50Hz（又は60Hz）の周波数を有する交流本線入力電圧は、kHz又はMHzの範囲の周波数を有する交流出力電圧に変換される。電源回路は、交流出力電圧を整流する整流器回路を備え、アプリケーションへ直流出力電圧を供給する。

米国特許第5,737,203号は、単一電源から複数のレギュレート出力を提供する電源変換回路を開示する。ハーフ又はフルブリッジを含む電源スイッチング段は、直流入力電圧を、準方形波である交流出力電圧に変換する。電源回路は、交流出力電圧を受け取り、３つの電源電圧を供給するために、３つの電源変換器を備える。３つの電源変換器のうちのそれぞれは、直列共振コンデンサと直列に配置される一次巻線を有する変圧器を備える。一次巻線及びコンデンサの直列接続は、交流出力電圧を受けるように接続される。変圧器の二次巻線は、直列出力電圧を得るために、整流器へ接続される。フィルタは、電源電圧を得るために、直流出力電圧をフィルタする。しかし、全てのこれらの回路及びアプリケーションは、同一のハウジングに存在し、このハウジングは、電源回路における高損失のせいにより、比較的大きくある必要がある。

完全な電源とアプリケーションとを機械的に分離することによって、アプリケーションのハウジングの容積を低減することが既知である。完全な電源は、分離されたハウジングに収容され、電源ブリックと呼ばれる。アプリケーションは、電源ブリックから必要とされる直流電圧を受け取る。電源ブリックは、ケーブルを介して電源電圧をアプリケーションへ供給する。本発明において、電源スイッチング段及び関連する変圧器のみが、アプリケーションのハウジングから取り出されており、整流器は、アプリケーションのハウジングに残される。好ましくは、本線からの絶縁(mains-isolation)が、電源ブリックの変圧器において提供される。これにより、電源ブリックの交流出力電圧が別の振幅に変圧される必要がある場合、アプリケーションにおいて本線からの絶縁を必要としない小さいＨＦ変圧器を用いることが可能になる。小さいＨＦ変圧器及び整流器の組合せは、電源回路と呼ばれる。電源ブリックは、この場合、交流電圧を電源回路へ供給し、電源回路は、アプリケーションによって必要とされる直流電圧を生成する。電源回路及びアプリケーションは、同一のハウジングに存在する。結果として、電源ブリックにおける損失は、下げられ、電源ブリックのハウジングはより小さくなる、又は同一のハウジングが用いられる場合は電源ブリックはより高い電力を供給し得る。電源回路及びアプリケーションが分離されたユニットとして呼ばれるが、通常、アプリケーションは、電源回路を備えるように理解され得ることを特記される必要がある。本文書において、アプリケーションは、電源回路を除いたアプリケーションのユニットを言及しており、これにより、電源回路は、電源電圧をアプリケーションのユニットへ供給するユニットとして規定される。

請求項２に記載の発明に従う実施例において、変換器は、交流本線電圧を、前記より高い前記周波数を有する交流出力電圧に変換するハーフ又はフルブリッジ変換器を備えるを備える。

請求項３に記載の発明に従う実施例において、電源変換器が、接触された場合に安全でない状況を防ぐために、交流本線電圧の振幅よりも低い振幅を有する交流出力電圧を供給する。

請求項４に記載の発明に従う実施例において、電源変換器が、接触された場合に安全でない状況を防ぐために、本線からの絶縁を提供するように構成される。

請求項５に記載の発明に従う実施例において、電源変換器が、直流本線入力電圧を得るために、交流本線入力電圧を整流する整流器を備える。事前条件設定器(preconditioner)は、直流本線入力電圧を受け、出力において事前条件設定された電圧を供給する。ＬＬＣ変換器は、事前条件設定された電圧を、本線から絶縁された交流出力電圧に変換する。事前条件設定器及びＬＬＣ変換器の斯様な直列接続は、交流本線入力を、高効率を有する交流出力電圧へ変換することが可能である一方で、前記本線から引かれる高調波は最小化される。ＬＬＣ変換器は、ハーフブリッジ又はフルブリッジのスイッチング段に基づく変換器であり、負荷は、第１インダクタ及び第１コンデンサの直列接続に直列に接続される。第２インダクタは、負荷に並列に配置される。全体として、２つのインダクタ及び１つのコンデンサが必要とされ、省略形としてＬＬＣになる。

請求項６に記載の発明に従う実施例において、電源回路は、交流出力電圧を、所定の出力振幅を有する変圧交流出力電圧に変圧する変圧器を備える。整流器回路は、直流出力電圧を得るために、変圧交流出力電圧を整流する。斯様な変圧器は、高周波数交流出力電圧を所望のレベルへ変圧することを可能にする。高周波数交流出力電圧の周波数が十分に高く選択される場合、変圧器の寸法は比較的小さくされ得る。

請求項７に記載の発明に従う実施例において、変換器が、交流本線電圧の周波数よりも少なくとも１００倍高い周波数を有する交流出力電圧を供給する。これにより、比較的小さい高周波数変圧器の使用が可能になる。

請求項８に記載の発明に従う実施例において、電源回路及びアプリケーションが、携帯型ハンドヘルド装置、インクジェットプリンタ、ラップトップ、陰極線管若しくはマトリックスディスプレイを備えるモニタ又はテレビ、のリストからの１つであるユニットを形成する。より一般的に、本発明は、電源ブリックの寸法が最小であるべきアプリケーションに関して特に興味深い。言い換えると、本発明に従う電源ブリックは、電源ブリックの規定される寸法に関して可能な限り大きい出力電力を供給することが可能である。

これら及び他の態様は、以下に記載される実施例から明らかであり、これらを参照にして説明される。

異なる図面における同一の参照符号は、同一の意味又は同一の機能を有する同一の項目を参照する。指数iが後に続く大文字の組合せによって示される項目は、大文字によって示される項目のうちの任意の一つを示すのに用いられる。これらの項目のうちの特定の１つは、ある数が後に続く大文字の同一の組合せによって示される。

図１は、本発明に従う、分離されたハウジングに配置される、電源ブリックと電源回路およびアプリケーションの組合せとを備える電源システムの実施例を示す。

電源ブリック３は、電源変換器３０を含むハウジング２を備える。電源変換器３０は、本線４から交流本線入力電圧ＶＭを受け、交流出力電圧ＶＯを供給する。電源変換器３０は、50又は60Hzの比較的低周波数を有する交流本線入力電圧ＶＭを、当該交流本線入力電圧ＶＭの周波数よりも高い周波数を有する交流出力電圧ＶＯに変換する。

ハウジング２から機械的に分離された更なるハウジング６は、電源回路７及びアプリケーション８を備える。電源回路７は、交流出力電圧ＶＯをケーブル５を介して電源ブリック３から受ける。電源回路７は、直流電圧PViをアプリケーション８へ供給する。図１に示される例において、電源回路７は、５つの直流電圧PV1〜PV5をアプリケーション８へ供給する。容易な理解のために、電源回路７及びアプリケーション８は、分離した項目として示されるが、実際には、電源回路７は、アプリケーション８と一緒にして、アプリケーションとしても言及される。

整流器回路ＲＥ２は、平滑化コンデンサＣ２の両端の直流電圧ＰＶ２を得るために、交流出力電圧ＶＯを整流する。直流出力電圧ＰＶ２のレベルは、交流出力電圧ＶＯのピーク値とほぼ同一である。当然、直流出力電圧ＰＶ２の実際のレベルは、この電源出力におけるアプリケーションの負荷によって引かれる電流により、通常、このピーク値よりも幾分か低い。整流器ＲＥ２は、フルブリッジ整流器であるように示されるが、代替的に１つの整流器要素が用いられ得る。しかし、斯様な１つの整流器は、電源ブリック３に非対称的な負荷を生じさせる。

変圧器Ｔ１は、一次巻線の両端に交流出力電圧ＶＯを受け、交流出力電圧ＶＯを二次巻線の両端において変圧交流出力電圧ＶＴ１へ変圧する。変圧交流出力電圧ＶＴ１は、整流器回路ＲＥ１へ供給される。整流器回路ＲＥ１は、平滑化コンデンサＣ１の両端において直流出力電圧ＰＶ１を生成するために、電圧ＶＴ１を整流する。変圧器Ｔ１の一次巻線及び二次巻線の巻線の数の比率は任意に選択され得るので、直流出力電圧のレベルＰＶ１を任意に選択することが可能である。例のみとして、整流器回路ＲＥ１は、フルブリッジ整流器を備える。整流器ＲＥ１は、フルブリッジ整流器であるように示されるが、代替的に１つの整流器要素が用いられ得る。しかし同様に、斯様な１つの整流器は、電源ブリック３に非対称的な負荷を生じさせる。

変圧器Ｔ２は、一次巻線の両端に交流出力電圧ＶＯを受け、交流出力電圧ＶＯを二次巻線の両端において変圧交流出力電圧ＶＴ２へ変圧する。変圧交流出力電圧ＶＴ２は、整流器回路ＲＥ３へ供給され、整流器回路ＲＥ３は、平滑化コンデンサＣ３及びＣ４のそれぞれの両端において直流出力電圧ＰＶ４及びＰＶ５を生成するために、電圧ＶＴ２を整流する。整流器回路ＲＥ３は、２つの逆並列配置ダイオードを備える。ダイオードのうちの１つは、コンデンサＣ３へ第１極性である整流された電圧を供給する一方で、もう１つのダイオードは、コンデンサＣ４へ第１極性とは逆の極性にある整流された電圧を供給する。同様に、変圧器Ｔ２の一次巻線及び二次巻線の巻線の数の比率は任意に選択され得るので、直流出力電圧のレベルＰＶ４及びＰＶ５を任意に選択することが可能である。例として、整流器回路ＲＥ３は、単一の位相整流化に関して２つの整流器ダイオードを備える。斯様なトポロジーは、好ましくは、例えば音声増幅器などのように、対称的正及び負の電源電圧が必要とされる場合、用いられる。

ＤＣ−ＤＣ変換器９は、直流出力電圧ＰＶ１を受け、平滑化コンデンサＣ５の両端に直流出力電圧ＰＶ３を供給する。斯様なＤＣ−ＤＣ変換器は、直流出力電圧ＰＶ３が、交流出力電圧ＶＯを直接整流することによって可能なものよりも高い精度を有して必要とされる場合、特に有利である。変圧器Ｔ１及びＴ２は、絶縁された直流出力電圧PViが必要とされる場合、又は交流出力電圧ＶＯを直接整流することによって可能なものよりも低い又は高いレベルを有する電圧である場合、特に有利である。ＤＣ−ＤＣ変換器９は、アップコンバータ又はダウンコンバータであり得、変圧器Ｔ１及びＴ２は、交流出力電圧ＶＯを、より低い又はより高い振幅に変圧し得る。

電源ブリック３のハウジング２は、整流器REiの損失が電源ブリック３の温度上昇へもはや寄与しないので、比較的小さくあり得る。更に、当然、(所望であれば)ヒートシンクを含むこれらの整流器REiは、電源ブリック３においてスペースを必要としない。ハウジング６における必要とされるスペースの余分な量が非常に限られるので、整流器REiは、小さい。また、変圧器Ｔ１及びＴ２は、交流出力電圧ＶＯの周波数が交流本線入力電圧の周波数よりも高いので、小さい。変圧器Ｔ１及びＴ２が、本線電圧ＶＭを変圧する必要がある変圧器と比較して非常に小さい高周波数変圧器であるように、変換器３０の周波数を本線４の周波数よりもかなり高く選択することが有利である。好ましくは、変換器の周波数は、本線の周波数よりも少なくとも１００倍高いように選択される。

図２は、電源ブリックの電源変換器の実施例のブロック図を示す。電源変換器３０は、整流された及びバッファされた本線電圧ＶＲを得るために、交流本線電圧ＶＭを整流及びバッファする整流器及びバッファコンデンサ３１を備える。ハーフ又はフルブリッジ変換器３２は、整流された本線電圧ＶＲを、交流本線電圧ＶＭよりも高い周波数を有する交流出力電圧ＶＯへ変換する。斯様なハーフ又はフルブリッジ変換器３２は、当該分野において周知である。代替的に、単一のトランジスタ共振変換器が、高周波数交流出力電圧を得るために用いられ得る。斯様なこれらのいわゆるＥ級変換器は、送信器アプリケーションから、及び小型蛍光灯に関する電子駆動装置から既知である。

図３は、電源ブリックの電源変換器の別の実施例のブロック図を示す。電源変換器３０は、整流された本線入力電圧ＶＲを得るために、交流本線入力電圧ＶＭを整流する整流器３１を備える。事前条件設定器３３は、事前条件設定された出力電圧ＶＰを供給するために、直流本線入力電圧ＶＲを受け、ＬＬＣ変換器３４は、事前条件設定された電圧ＶＰを、本線から分離された交流出力電圧ＶＯに変換する。事前条件設定器及びＬＬＣ変換器の斯様な直列接続は、当該分野において既知である。

図４は、電源システムの別の実施例を示す。この電源システムは、図１に示される電源システムに基づく。ここにおいて、直流出力電圧ＰＶ１、ＰＶ４及びＰＶ５を生成する代替態様が示される。

ここで、変圧器Ｔ１は、２つの直列接続二次巻線を有し、これらの二次巻線の中央点は、通常接地である参照電圧へ接続される。整流器回路ＲＥ１は、この場合、フルブリッジ整流器の代わりに、２つの単一整流器（通常ダイオード）を備える。ダイオードは、同一に極性を付けられ、平滑化コンデンサＣ１において相互接続される。同様に、電源ブリックの対称的負荷が得られる。

変圧器Ｔ２は、一次巻線の両端に交流出力電圧ＶＯを受け、この場合交流出力電圧ＶＯを、対応する二次巻線の両端において２つの変換交流出力電圧ＶＴ２及びＶＴ３へ変圧する。二次巻線は、直列に配置され、これらの接続点は、参照電圧に接続される。変圧交流出力電圧ＶＴ２及びＶＴ３は、整流器回路ＲＥ３へ供給され、整流器回路ＲＥ３は、平滑化コンデンサＣ３及びＣ４のそれぞれの両端において直流出力電圧ＰＶ４及びＰＶ５を生成するために、電圧ＶＴ２及びＶＴ３を整流する。同様に、変圧器Ｔ２の一次巻線及び二次巻線の巻線の数の比率は任意に選択され得るので、直流出力電圧のレベルＰＶ４及びＰＶ５を任意に選択することが可能である。整流器回路ＲＥ３は、この場合、フルブリッジ整流器を備え、このフルブリッジ整流器の入力は、二次巻線の直列接続の両端において接続され、このフルブリッジ整流器の出力は、平滑化コンデンサＣ３及びＣ４の直列接続の両端において配置される。コンデンサＣ３及びＣ４の接続部は、参照電圧に接続される。斯様なトポロジーは、好ましくは、例えば音声増幅器などのように、対称的正及び負の電源電圧が必要とされ、電源ブリックの対称的な負荷が得られるべき場合に、用いられる。

上述の実施例は、本発明を制限するよりも例証すること、及び当業者が添付の請求項の範囲から逸脱することなく多くの代替的な実施例を設計し得ることを特記されるべきである。

例えば、変圧器Ｔ１及びＴ２は、自動変圧器であり得る。斯様な変圧器は、一次及び二次巻線を有する変圧器よりも小さい。示される整流器の構成は、例証のためのみであり、例えば、電圧乗算整流器回路も用いられ得る。

請求項において、如何なる参照符号も請求項を制限するように解釈されてはならない。「有する」という動詞及びその活用形の使用は、請求項に記載される以外の異なる他の要素又はステップの存在を排除しない。単数形の構成要素は、複数個の斯様な構成要素の存在を排除しない。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されていることができないと示すものではない。本発明は、いくつかの個別の構成要素を有するハードウェアを用いて、及び適切にプログラムされた計算機を用いて実施され得る。いくつかの手段を列挙している装置請求項において、これらの手段のいくつかは１つの同じハードウェアの項目によって、実施化することが可能である。特定の手段が、相互に異なる従属請求項において引用されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが有利になるように使用されていることができないと示すものではない。

図１は、本発明に従う、分離されたハウジングに配置される、電源ブリックと電源回路およびアプリケーションの組合せとを備える電源システムの実施例を示す。 図２は、電源ブリックの電源変換器の実施例のブロック図を示す。 図３は、電源ブリックの電源変換器の別の実施例のブロック図を示す。 図４は、電源システムの別の実施例を示す。

Claims (10)

1. 電源システムであって、
   −第１ハウジングと、交流本線入力電圧を、当該交流本線入力電圧よりも高い周波数を有する交流出力電圧に変換する電源変換器と、を備える電源ブリックと、
   −直流電圧をアプリケーションに供給する電源回路であって、当該電源回路及び前記アプリケーションの両方が、前記第１ハウジングから機械的に分離された第２ハウジングに配置される、電源回路と、
   −前記電源ブリック及び前記電源回路を相互接続し、前記交流出力電圧を前記電源回路へ供給するケーブルと、
   を備え、
   −前記電源回路が、前記直流電圧を前記アプリケーションに供給するために、前記交流出力電圧を整流する整流器回路を備える、
   電源システム。
2. 前記電源変換器が、整流本線電圧を得るために前記交流本線電圧を整流する整流器と、前記整流本線電圧を、当該交流本線入力電圧よりも高い前記周波数を有する前記交流出力電圧に変換するハーフ又はフルブリッジ変換器と、を備える電源ブリックと、を備える、請求項１に記載の電源システム。
3. 前記電源変換器が、前記交流本線電圧の振幅よりも低い振幅を有する前記交流出力電圧を供給するように構成される、請求項１に記載の電源システム。
4. 前記電源変換器が、本線からの絶縁を提供するように構成される、請求項１に記載の電源システム。
5. 前記電源変換器が、
   −直流本線入力電圧を得るために、前記交流本線入力電圧を整流する整流器と、
   −事前条件設定された電圧を供給するために、前記直流本線入力電圧を受ける事前条件設定器と、
   −前記事前条件設定された電圧を、本線から絶縁された交流出力電圧に変換するＬＬＣ変換器と、
   を備える、請求項１に記載の電源システム。
6. 前記電源回路が、所望の出力振幅を有する変圧交流出力電圧を得るために、前記交流出力電圧を変圧する変圧器を備え、前記整流器回路が、前記直流出力電圧を得るために前記変圧交流出力電圧を整流するように構成される、請求項１に記載の電源システム。
7. 前記電源変換器が、前記交流本線電圧の前記周波数よりも少なくとも１００倍高い周波数を有する前記交流出力電圧を供給するように構成される、請求項１に記載の電源システム。
8. 前記電源回路及び前記アプリケーションが、携帯型ハンドヘルド装置、インクジェットプリンタ、ラップトップ、陰極線管若しくはマトリックスディスプレイを備えるモニタ若しくはテレビ、又は電子駆動ガス放電灯、のリストからの１つであるユニットを形成する、請求項１に記載の電源システム。
9. 請求項１に記載の前記機械的に分離された電源システムにおいて用いる電源ブリックであって、前記交流本線入力電圧よりも高い周波数を有する前記交流出力電圧を供給する前記変換器を備える電源ブリック。
10. 請求項６に記載の電源システムにおいて用いる電源回路であって、前記変圧器及び前記整流器回路を備える、電源回路。

Images