JP2009545945A - 磁気的に結合されるスイッチ制御回路を備える直流−直流電力変換器 - Google Patents

Abstract

本発明は、電力変換器であり、制御可能な第１スイッチと、ダイオードと、制御可能な第２スイッチと、第２ダイオードと、１次巻線及び２次巻線を備える変圧器とを持つ電力変換器であって、前記変圧器の前記２次巻線が、前記第１スイッチのための制御回路の少なくとも一部を形成する電力変換器に関する。前記１次巻線の両端間の交流電圧の結果として、同期交流電圧が、前記２次巻線において誘導され、前記同期交流電圧は、前記第２スイッチと基本的に同期して前記第１スイッチを制御するのに用いられ得る。

Description

本発明は、十分に整流された正弦波電力信号であって、前記整流された信号の電圧ピークが、望ましい出力電圧より高くなり得る、十分に整流された正弦波電力信号を予め調整するための直流−直流電力変換器に関する。

直流−直流電力変換器は、当業界では既知であり、ランプに電力を供給するのに用いられ得る。これらの変換器は、入力部及び出力部を有し、各部は、例えば、ＦＥＴ又は任意の他の適切なパワースイッチによって実施されるスイッチを少なくとも１つ有する。変換器は、スイッチを制御することによって動作され、これは、デジタル制御回路によって行われ得る。これらの変換器の設計及び実現における難しさは、スイッチの少なくとも１つ、通常、入力部におけるスイッチが、高電圧端子に接続されることにある。その場合、当業界においてフロートスイッチ(floating switch)と呼ばれるこのようなスイッチのための制御信号もまた、デジタル制御回路では実現しがたい高電圧成分を少なくとも１つ有するであろう。当業界では、電子機器を相対的に高い電圧で動作させるためにレベルシフトＩＣを用いること、又は大きな変圧器を用いることが、知られている。レベルシフトＩＣを用いることの不利な点は、レベルシフトＩＣが利用され得る電圧範囲が限られていることであり、このことは、数百ボルトで動作する電力変換器におけるこれらの素子の使用を妨げる。大きな変圧器は、重く、高価であるという不利な点を持つ。

本発明の目的は、上述の不利な点の少なくとも１つを解決する、フロートスイッチのための制御回路を有する直流−直流電力変換器を提供することにある。

本発明は、請求項１に記載の電力変換器を提供する。前記電力変換器は、制御可能な第１スイッチ及びダイオードを備える入力部と、制御可能な第２スイッチ及び第２ダイオードを含む出力部と、１次巻線及び２次巻線を備える変圧器とを有し、前記２次巻線は、前記第１スイッチを制御するための制御回路の少なくとも一部である。前記変圧器の前記１次巻線は、前記入力部から前記出力部へ伝達される平均電力に関連する基本的に一定の成分と、前記第２スイッチの切り換えに関連する基本的に交流の成分とを有する電流を伝導するよう構成される。前記１次巻線の両端間の交流電圧成分の結果として、前記２次巻線において、同期交流電圧が誘導される。これが、前記第２スイッチと基本的に同期して前記第１スイッチを制御するために用いられ得る。前記第１スイッチを制御するのにほんのわずかな電力しか必要とされないことから、前記変圧器は、大きい寸法にされる又は重くする必要がない。

本発明による電力変換器の実施例においては、前記変圧器の前記２次巻線は、前記第１スイッチの制御端子に直接接続され、非常に少ない素子によるトポロジをもたらす。

本発明による電力変換器の別の実施例においては、前記変圧器の前記２次巻線は、コンデンサによって前記第１スイッチの制御端子に結合され、前記入力部における電圧が、非常に低い、例えば約ゼロである場合であっても、前記第１スイッチを動作させることが可能になるという利点を持つ。

本発明による電力変換器の更に別の実施例においては、前記変圧器の前記２次巻線は、コンデンサ及び抵抗の直列接続によって前記第１スイッチの制御端子に結合され、前記２次巻線の両端間の電圧中の妨害高周波成分が、前記第１スイッチの前記制御端子に入力されないという利点を持つ。

本発明による電力変換器の他の実施例においては、前記第１スイッチの制御端子にツェナーダイオードが結合され、少なくとも前記制御端子を過電圧による損傷から保護する。

本発明による電力変換器の更に他の実施例においては、前記第１スイッチの両端間にシャント抵抗が存在し、前記電力変換器の容易な始動を促進する。

本発明による電力変換器の別の他の実施例においては、前記第１スイッチの制御端子に信号処理回路が結合され、これは、前記第１スイッチの最適な切り換えを供給する。

本発明による電力変換器のもっと他の実施例においては、前記第２スイッチのための制御信号を生成するために制御回路が存在する。

本発明による電力変換器のまた更に別の実施例においては、前記第２スイッチのための制御信号として方形波信号が用いられ、前記第１スイッチの非常に正確な切り換えという利点を供給する。

以下、添付図面を参照して本発明をより詳細に説明する。

本発明による電力変換器の第１実施例の概略図である。 本発明による電力変換器の第２実施例の概略図である。

図面において、同様の参照符号は、同様の素子を指す。図１は、簡略化された、本発明による電力変換器１００の概略図を示している。変換器１００は、入力電力を受け取るために第１入力端子１０及び第２入力端子２０を有する。前記入力電力は、一般に、直流電圧であり、とりわけ、整流された交流電圧である。第１入力端子１０と、第２入力端子２０との間には、制御可能な第１スイッチ３０及び第１ダイオード４０の直列接続が接続され、第１スイッチ３０と第１ダイオード４０とは共通ノード４２を持つ。第１スイッチ３０は、ゲート（端子）３１、並びにチャネル端子３２及び３３を持つ。第１出力端子５０と、第２出力端子６０との間には、制御可能な第２スイッチ７０及び第２ダイオード８０の直列接続が接続され、制御可能な第２スイッチ７０と第２ダイオード８０とは共通ノード８１を持つ。第２スイッチ７０のゲート（端子）７１は、制御信号生成器７４に接続される。ノード４２と、ノード８１との間には、変圧器９０の１次巻線９１が設けられる。変圧器９０の２次巻線９２は、ノード４２とゲート３１との間に接続される。

動作中、入力端子１０及び２０の間には入力電圧Ｖ_ｉｎが存在し、出力端子５０及び６０の間には出力電圧Ｖ_ｏｕｔが存在する。出力電圧は、例えば、出力端子５０、６０間に接続されるコンデンサ又は容量性負荷（図示せず）によって、望ましいレベルにおいて基本的に一定に保たれる。制御信号生成器７４は、第２スイッチ７０のゲート７１にスイッチング信号を供給する。これにより、電流が１次巻線９１を流れる。第１スイッチ３０及び第２スイッチ７０が、導通するよう切り換えられる場合の例においては、１次巻線９１の両端間に電圧Ｖ_ｉｎが存在し、電流が、第１入力端子１０から、第１スイッチ３０を通り、１次巻線９１を介して、第２スイッチ７０を通り、第２出力端子６０へ流れる。その後、第２スイッチ７０が、導通しないよう切り換えられる場合、第２ダイオード６０が、整流し、電流は、１次巻線９１から第１出力端子５０へ流れるであろう。その場合、１次巻線９１の両端間の電圧は、Ｖ_ｉｎからＶ_ｉｎ−Ｖ_ｏｕｔへ減少するであろう。ここで、Ｖ_ｉｎ−Ｖ_ｏｕｔは、常にＶ_ｉｎより小さいと仮定される。故に、スイッチ７０を繰り返しオン及びオフに切り換えることは、１次巻線９１の両端間に方形波電圧をもたらし、１次及び２次変圧器巻線９１、９２間の磁気結合のために、２次巻線９２の両端間にも方形波電圧Ｖ_ｓをもたらし、Ｖ_ｓは、１次巻線９１の両端間の電圧に１次巻線９１と２次巻線９２との間の巻数比を掛けたものに等しい。１次巻線９１の両端間の電圧は、１次巻線を通る電流を基本的に一定値に保つようにスイッチ７０を動作させることによって、平均値が基本的にゼロに保たれている方形波である。変圧器９０は電圧の直流成分を変圧することは出来ないことから、Ｖ_ｓには直流成分がない。１次巻線９１の両端間の電圧が、第２スイッチ７０の切り換えによって減少する場合、２次巻線９２に誘導される電圧Ｖ_ｓも高い値から低い値に減少する。変圧器９０の巻数比は、Ｖ_ｓの低い値が、第１スイッチ３０をオフに切り換えるのに十分に低く、Ｖ_ｓの高い値が、第１スイッチ３０をオンに切り換えるのに十分に高いように選択される。

図２は、本発明の実施例による電力変換器２００の図を示している。電力変換器２００は、付加的な電気素子が追加された、図１に図示されているような電力変換器１００を有する。図２においては、第１寄生容量４１及び第２寄生容量７５が示されている。これらの寄生容量は、図１に図示されているような電力変換器１００の実際的な実施を実現する場合にも存在し得ることに注意されたい。第２寄生容量７５により、第２ダイオード８０の整流は、滑らかに行われ、第１寄生容量４１により、第１ダイオード４０の整流は、滑らかに行われる。

過電圧によって第１スイッチ３０に損傷を来たさないようにするために、オプションのツェナーダイオード９４が利用されてもよい。なぜなら、前記オプションのツェナーダイオード９４は、第１スイッチ３０のゲート端子３１と、ソース端子３３との間の電圧を安全値に制限するからである。過電圧は、とりわけ、入力電圧Ｖ_ｉｎが、低い値、例えば約０ボルトに達する場合に起こり得る。オプションの直流阻止コンデンサ９５は、入力電圧Ｖ_ｉｎが、低下し、出力電圧Ｖ_ｏｕｔより小さくなる場合に生じるあらゆる直流成分にフィルタをかけるために存在し、２次巻線９２の両端間の電圧Ｖ_ｓ中の妨害直流成分が第１スイッチ３０のゲート３１に入力されないという利点を持つ。直流阻止コンデンサ９５は、第１スイッチ３０のゲート３１と、チャネル端子３３との間の電圧が、負になり、第１スイッチ３０が、この状況下で導通しなくなるという利点も持つ。直流阻止コンデンサの他の利点は、入力電圧Ｖ_ｉｎのゼロ交差における第１スイッチ３０のゲート−ソース電圧を増大させ得ることにあり、従って、入力電圧Ｖ_ｉｎのゼロ交差における第１スイッチ３０の切り換えを可能にする。

方形波電圧Ｖ_ｓの望ましくない高調波含有率を抑えるために直流阻止コンデンサ９５と共にフィルタを形成するよう抵抗９３が付加されてもよく、２次巻線９２の両端間の電圧中の妨害高周波成分が第１スイッチ３０のゲート３１に入力されないという利点を持つ。更に、信号処理回路９６が示されている。前記信号処理回路９６は、２次巻線９２において誘導される電圧Ｖ_ｓを、前記電圧Ｖ_ｓが第１スイッチ３０のゲート３１に印加される前に、処理するよう構成される。信号処理回路９６は、例えば、第１スイッチ３０のゲート端子３１における方形波電圧を、制御信号生成器７４によって供給される第２スイッチ７０のゲート端子７１におけるスイッチング信号に対して遅延させるよう構成され得る。一般に、信号処理回路９６は、第１スイッチ３０の最適切り換えを供給するよう構成され得る。制御信号生成器７４は、例えばパルス幅変調を利用することによって、出力電圧Ｖ_ｏｕｔを望ましい値に保つよう構成され得る。Ｖ_ｏｕｔを望ましいレベルに保つために負荷キャパシタ８５が利用されてもよい。Ｖ_ｏｕｔが相対的に低い値にある場合、スイッチ７０が導通していない場合に第２ダイオード８０を流れる電流が、負荷キャパシタ８５をそれが望ましい値に達するまで充電するであろう。前記値は、例えば第２スイッチ７０のデューティサイクルによって実現され得る。Ｖ_ｏｕｔが相対的に高い場合、電流は第２ダイオード８０を流れることが出来ず、負荷キャパシタ８５は、負荷電流によって放電されるであろう。

更に、第１スイッチ３０は、シャント抵抗３４によって分流される。これは、電力変換器２００を始動するために利用され、即ち、電力変換器の容易な始動を促進する。シャント抵抗３４が省かれる場合、スイッチ７０が動作される場合に電流路が形成されず、第１スイッチ３０を導通するよう切り換えるためには付加的な回路が必要である。

実際的な実施においては、入力電圧Ｖ_ｉｎは、実効値で３４７ボルトと、４８０ボルトとの間であってもよく、出力電圧Ｖ_ｏｕｔは、４８０ボルトであってもよい。その場合、第１スイッチ３０は、９００ボルトＭＯＳＦＥＴであってもよい。第１ダイオード４０は、高電圧ダイオードであるべきであるが、複数のダイオードの直列接続によっても実施され得る。第２スイッチ７０及び第２ダイオード８０は、高電圧素子、例えば、６００ボルト素子であり得る。３１０ワットの出力電力が達成され得る。これは、電力変換器を、例えば、ランプに、又は３つまでのランプにさえも、電力を供給するのに利用可能にする。第２スイッチ７０は、約50kHz乃至約250kHzの周波数で動作される。第２スイッチ７０は、別個の素子であってもよく、又は制御信号生成器の機能を更に有し得る制御ＩＣに組み込まれてもよい。一般に、本発明は、上の例において示されている変換器の他に、例えば付加的な電源アプリケーションのための直流−直流変換器などの様々な電力変換器に適用され得る。

本願明細書には本発明の詳細な実施例が必要に応じて開示されているが、開示されている実施例は、様々な形態で実施され得る本発明の単なる例示的なものにすぎないことを理解されたい。それ故、本願明細書で開示されている特定の構造及び機能の詳細は、限定するものと解釈されるべきではなく、単に、請求項の根拠にすぎず、事実上全ての適切な詳細構造において本発明を様々に用いるよう当業者に教示するための代表的な基礎にすぎないと解釈されるべきである。更に、単に、或る手段が、互いに異なる従属項において列挙されているという事実は、これらの手段の組み合わせが有利には用いられ得ないことを示さない。

更に、本願明細書で用いられている用語及び語句は、本発明を限定することを目的とはしておらず、正しくは、本発明の理解できる説明を供給することを目的としている。本願明細書で用いられている単数形表記は、１つ又は２つ以上のものと定義されている。本願明細書で用いられている「別の」という用語は、少なくとも第２の、又はそれ以上の、と定義されている。本願明細書で用いられている「含む」及び／又は「持つ」という用語は、「有する」（即ち、オープンランゲージ）と定義されている。本願明細書で用いられている「結合される」という用語は、必ずしも、直接的にではなく、必ずも、ワイヤによってではなく、「接続される」と定義されている。

Claims (10)

1. 電力変換器であり、
   − 第１入力端子と、
   − 第２入力端子と、
   − 前記第１入力端子に接続される制御可能な第１スイッチであって、制御端子を有する制御可能な第１スイッチと、
   − 前記第１スイッチと、前記第２入力端子との間に接続される第１ダイオードと、
   − 第１出力端子と、
   − 第２出力端子と、
   − 前記第２出力端子に接続される制御可能な第２スイッチと、
   − 前記第１出力端子と、前記第２スイッチとの間に接続される第２ダイオードと、
   − １次巻線及び２次巻線を持つ変圧器とを有する電力変換器であって、
   − 前記１次巻線が、前記第１スイッチ及び前記第１ダイオードの間のノードと、前記第２スイッチ及び前記第２ダイオードの間のノードとの間に接続され、
   − 前記２次巻線が、前記第１スイッチを制御するための制御回路の一部を形成し、前記２次巻線が、前記第１スイッチの前記制御端子に結合され、前記第１スイッチを制御する制御電圧を生成するよう構成される電力変換器。
2. 請求項１に記載の電力変換器であって、前記２次巻線が、直接、前記第１スイッチの前記制御端子に接続される電力変換器。
3. 請求項１に記載の電力変換器であって、前記２次巻線が、コンデンサを介して、前記第１スイッチの前記制御端子と結合される電力変換器。
4. 請求項１に記載の電力変換器であって、前記２次巻線が、静電容量と抵抗との直列接続を介して、前記第１スイッチの前記制御端子と接続される電力変換器。
5. 請求項１乃至４のいずれか一項に記載の電力変換器であって、前記第１スイッチの前記制御端子とチャネル端子との間にツェナーダイオードが接続される電力変換器。
6. 請求項１乃至５のいずれか一項に記載の電力変換器であって、前記第１スイッチと並列にシャント抵抗が接続される電力変換器。
7. 請求項１乃至６のいずれか一項に記載の電力変換器であって、前記第１スイッチのための制御信号を処理するための信号処理回路が設けられる電力変換器。
8. 請求項１乃至７のいずれか一項に記載の電力変換器であって、前記第２スイッチを制御するための制御信号を生成するための制御信号生成器を更に有する電力変換器。
9. 請求項８に記載の電力変換器であって、前記制御信号が、方形波信号である電力変換器。
10. 請求項１乃至９のいずれか一項に記載の電力変換器であって、少なくとも１つのランプが装着される電力変換器。

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