JP2013532944A - Ａｃ／ｄｃ低電圧電力供給装置及びａｃ／ｄｃ電圧を降圧する方法 - Google Patents

Abstract

交流／直流（Alternating Current/Direct Current：ＡＣ／ＤＣ）低電圧電力供給装置は、電力源によって与えられた電圧を所定の値まで降圧するための降圧ユニットを具備しており、電力源は、所定値以下の電圧を提供する。本降圧ユニットは、エネルギー蓄積装置又は負荷装置をＡＣ電源につなげる接続を入り切りするためのスイッチを具備している。
【選択図】図６

Description

本出願は、ＡＣ／ＤＣ低電圧電力供給装置に関し、より詳細には、入力電圧振幅をサンプリングすることを要部とする電圧コンバータに関する。

きれいなＤＣ電力を必要とする電子装置がますます増えてきているのに伴って、電力コンバータが関心の的になってきている。業界では今日、例えばノートパソコンの充電器、電話器の充電器などの持ち運びする用途のための小型ＡＣ−ＤＣアダプタを提供しようとしている。装置の電力密度は着実に向上してきている。技術が向上するとともに、電力効率のより高い装置が入手し易くなったので、コンバータのＡＣ−ＤＣ変換効率及びサイズは、かなり改善されてきている。

ＡＣからＤＣに変換するための典型的な方法は、リニアコンバータを使用するものである。リニアコンバータは、変圧器を使って降圧し、レギュレータを使ってその出力電圧を整えている。この構成は、効率が低いことが難点となり得る。加えて、５０Ｈｚ〜６０Ｈｚからなる電源周波数で動作するシステム用に必要とされる変圧器のサイズは、持ち運びする用途には大きすぎる。

ＡＣからＤＣに変換するための第２の典型的な方法は、スイッチモード電力供給装置を使用するものである。スイッチモード電力供給装置は、小型且つ高効率であり持ち運びする用途に適しているため、大きな市場があることが分かっている。しかし、スイッチモード電力供給装置は、高調波及び力率の課題をもたらす可能性のある、望ましくない非線形性を有している。

開示されているのは、交流／直流（Alternating Current/Direct Current：ＡＣ／ＤＣ）低電圧電力供給装置である。本装置は、電力源によって与えられた電圧を所定の値まで降圧するための降圧ユニットを具備している。この降圧ユニットは、エネルギー蓄積装置又は負荷装置をＡＣ電源につなげる接続を入り切りするためのスイッチを具備している。

入力ＡＣ電圧及び標本化パルスのグラフ表示である。 ＡＣ−ＤＣ変換の例示的な概略図である。 電力供給装置例の概略図である。 整流電圧及び出力電圧の各波形を実測したグラフ表示である。 装置の効率の、その出力に対する依存性を表したグラフ表示である。 標本化パルス及びキャパシタ電圧のグラフ表示である。

種々の国際基準及び国際規格を満たすためには、力率補正（Power Factor Correction：ＰＦＣ）段とその後段のＤＣ−ＤＣ段といった、２段構成が必要となり得る。この手法はうまく働くものの、制御ループが２つあるために、システムがいっそう複雑になる。構成を２段にする手法では、ブーストＰＦＣ回路によって良好なＰＦＣ能力及び高効率が得られるため、多くの場合、第１段にブーストＰＦＣ回路を使用する。しかしながら、第１段にこの回路を使用すると電圧出力が高くなり、そのために定格電圧が高いキャパシタが必要になり、その結果、サイズが大きくなるとともにコストが増大することになる。

単一段構成は、ＰＦＣ段及びＤＣ−ＤＣ段を単一の回路段に統合して、制御の複雑性を低減したものである。ＰＦＣ補正は、ブリッジ整流器を使わなくても達成することができる。加えて、単一段の手法は、あまり複雑にならず、したがって小型化につながる解決策を提供するものである。

別の単一段コンバータの応用例では、ＤＣＭモードでＰＦＣを利用してＰＦＣ補正を実現する場合があり、単一のスイッチによって制御されるフライバックコンバータを使って、整った出力ＤＣ電圧を実現することができる。このタイプのコンバータは、２つのトランジスタでクランプされたフライバックコンバータを、単一段コンバータとして、ブーストＰＦＣと一体化したもので構成することができる。

前述の構成はブーストＰＦＣを使用するものであり、良質のブーストインダクタと、それとは別のインダクタ又は変圧器と、ブリッジ整流器とを必要とし、そのためにサイズが大きくなる。これらの構成は、放熱能力が高く、電流能力が高く、且つ損失が低い、優良な整流器を必要とする。整流器の伝導損及びダイオードの順方向電圧降下が、達成可能な効率の制約となっている。そのため、これらの制約に取り組み、電流経路中の開閉器の数量を減らし、それによって効率を増大させるべく、多くのブリッジレスＰＦＣ構成が提案されてきた。

ブリッジレスＳＥＰＩＣコンバータを使用することは、電圧を昇圧又は降圧する簡単な手段でありながら、第１段において高電圧キャパシタを不要にするものである。更に、ブリッジレス方式を採用することによって、周期的に切り替わるコンポーネントの数量も大幅に削減され、その結果、効率が向上する。このＳＥＰＩＣコンバータはＤＣＭモードで動作し、良好なＰＦＣを達成する。更に、ＳＥＰＩＣコンバータでは、ＭＯＳＦＥＴ装置を制御するのに絶縁された駆動部は不要であり、コンポーネントの必要数量が減少する。代表的な１００ワット（Ｗ）のコンバータは、高負荷における力率を０．９としたときに、８９％を超える効率で動作することができる。

入力インダクタが低周波数で動作するという要件のために、サイズが大きくならざるを得ないことに留意されたい。更に、出力キャパシタも、リップル電圧を抑制するように大きくしなければならない。５０ＨｚＡＣ電源に対し、回路の出力には、１００Ｈｚのリップルも生じる。ＳＥＰＩＣは高次のコンバータであるため、制御ループは、不安定性を回避するように注意を払って設計しなければならない。

上記の構成は、第１段の電圧を下げ、それによって後段のコンポーネントを小型化しながら、高効率を達成しようとするものである。そういった構成の難点は、より多くのインダクタを使用することに起因して大型化しかねないことである。

更なる構成として、整流器、開閉器、及び出力キャパシタを含むことができる。この構成は、入力ＡＣ波を整流し、スイッチでチョップするものである。スイッチは、入力電圧が所要の電圧よりも低いときだけ入力をキャパシタに接続するものであり、それによって、第１段のキャパシタが遭遇する電圧の振れを制限するとともに、キャパシタの定格電圧をより低く、サイズをより小さくできるようにしている。この構成は、電気的絶縁の役割を果たすことができず、電流に高調波ひずみを発生する可能性がある。入力は直接的にチョップされるため、電流高調波が高くなる可能性があり、高調波規格を満たすには、更なるフィルタ処理が必要となり得る。

電流の電力は、次式によって規定される。

Ｐ＝ＩＵ、 式（１）
式中、Ｉは負荷を流れる電流であり、Ｕは、その負荷に印加される電圧である。

電圧及び電流が変動する場合、平均電力

は、次のように与えられる。

式中、ｕ_ｎ及びｉ_ｎは、それぞれ電圧及び電流の瞬間値である。それらの値ｕ_ｎ及びｉ_ｎは、所定の測定ピッチで測定される。それらのアナログ値をアナログ−デジタルコンバータによってデジタル化し、共に掛け合わせて平均電力

を得る。

ここで図１を参照する。同図は主電圧Ｕのグラフを提示している。ＡＣ／ＤＣ低電圧電力供給装置のサンプリング素子は、電力源の電圧が所定の範囲にあるときに、負荷装置を電力源に接続し、前記電圧が範囲外のときにその電力源から前記負荷装置を切断するように構成される。換言すると、電力源の電圧が所定範囲内にあるときに、負荷に電圧が印加される。電力源の電圧が所定範囲内にあるときだけ、負荷に電圧が印加され、その電圧が所定範囲から外れているときは、電圧は負荷から切断されることになる。したがって、出力部において、ＡＣ／ＤＣ低電圧電力供給装置は、一連の、所定の振幅をもったエネルギーインパルスＥを提供する。それらのインパルスは、キャパシタ又は蓄電池といった任意の蓄電素子又は装置を充電するのに使用することができる。

目下の技術的解決策の目標は、１００Ｗの最大定格電力で、１．５Ｖ〜４８Ｖの広いＤＣ出力電圧範囲にわたり、小型で効率的な無変圧器ＡＣ−ＤＣ変換を実現することである。加えて、負荷に加わるＡＣ源の一部分を開閉するというチョッパ式の性質に起因するＥＭＣ／ＥＭＩ効果を低減するには、フロントエンド高調波フィルタが望ましい場合がある。

図２は、無変圧器ＡＣ−ＤＣコンバータの一例である。本例のコンバータは、高電圧ＡＣ入力を監視し、ＡＣ電圧波形全体のうちの低電圧部分だけをＤＣ−ＤＣコンバータまで通過させて、安定なＤＣ供給源を発生するものである。制御部は、継続的にそのＡＣ入力を監視する。このＡＣ入力は、電力グリッド中の変圧器を開閉してオン／オフさせることに起因して、移相シフトが起こる場合があった。本制御部は、パルス化信号を介して（図２に示すように、「ＡＣ入力を通過させるパルス幅」によって）スイッチを制御し、（図２に「チョップ後のＡＣ」によって示されているように）ＡＣ信号のうちの低い方の電圧部分だけを通過させる。次いで、内部整流器は、このチョップ後のＡＣ信号を整流して、（図２に「キャパシタを用いずに整流」と記されているように）正のみのチョップ後ＡＣ整流化信号を形成する。留意すべきは、出力電圧が低い値に設定されており、且つＡＣ波形のうちの負部分をＤＣ−ＤＣ段まで通過させる必要がない場合は、整流工程に含まれるあらゆる損失を回避するために、この整流機能を迂回してもかまわないということである。大きな電圧リップルをフィルタで除去するために、出力部に大型のキャパシタを使用して、（図２に「キャパシタを用いた整流」と記されているように）電圧リップルが大幅に減少したＤＣ−ＤＣコンバータへの出力を発生させることができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ（例えばバックコンバータ）は、リップルを含んだ入力を更に整えて、（図２に「ＤＣ Ｏ／Ｐ」と記されているように）安定なＤＣ出力を提供することができる。

図３は、無変圧器ＡＣ−ＤＣコンバータ例のシステムブロック図である。安全上の理由から、入力部１０５において、過電圧／電流保護コンポーネント１００をいくつか、チップの外でシステムに組み込んでもかまわない。本コンバータは、システムが電源プラグにプラグ接続された初期段階の間に電源電圧Ｖ_ＤＤＴを提供してサンプリングネットワーク１２０及びデジタル制御部１４０を立ち上げるために、内蔵電源供給ブロック１１０（全波整流器）を装備することができる。次いで、サンプリングネットワーク１２０及びデジタル制御部１４０は、入力周波数、零交差、及び入力振幅といった情報を得るために、ＡＣ入力を継続的に監視する。全波整流器１３５は、入力電圧を整流することができる。スイッチ１４５は、ゲートドライバ１５５によって駆動されることになるが、このドライバは、制御部１４０によって制御されることになる。スイッチ１４５によって標本化されることになる電圧、及びＤＣ−ＤＣコンバータ１９０によって提供されることになる電圧は、それぞれ電圧センサ１８０及び２００によって検知されることになる。センサ１８０及び２００からのデータは、制御部１４０によって収集されることになる。アナログ−デジタル変換は、ＡＤＣ１３０、１６０、及び１７０によって実施されることになる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１９０及び低ドロップアウトレギュレータ２１０は、リップルが乗った入力電圧を、入力の最小値よりも低い、安定した出力電圧が発生されるように変換することができる。ＤＣ−ＤＣコンバータ１９０が提供する電圧は、キャパシタ２２０を充電することができる。キャパシタ２２０は、負荷２３０の両端で放電されることになる。

変換の第２段でバックコンバータを使用することによって、極めて効率的で、十分に整えられた供給源を実現することができる。開閉動作を行うための制御部は、ＦＰＧＡ上で具現化することができる。

ＭＯＳＦＥＴスイッチ、キャパシタ、及び単一バックインダクタを除くコンバータの他のコンポーネントは全て、チップ上に集積化することができる。デジタル制御部を具現化することによって、極めてプログラム性が高く、極めて効率的なコンバータを実現することができる。バックコンバータは、９５％に近い効率を実現できるため、チョッピング段によって全体の効率が決まることになる。ＬＴスパイスを使って、１つはｒｄｓ ｏｎ（「オン抵抗」）が３０ミリオーム（ｍΩ）、もう１つはｒｄｓ ｏｎが３００ｍΩの２種類のＭＯＳＦＥＴモデルについて、上記第１段のシミュレーション結果を実施した。

図４は、実験による曲線であって、第１段の出力部で得られた波形を１０×の減衰率にしたもの（上の曲線）及びＤＣ−ＤＣ出力部で得られた波形（下の曲線）を示している。

ＤＣ−ＤＣ出力は１０ボルトに設定され、第１段の最小電圧は２０ボルトを超える電圧に設定された。出力部でのリップルが非常に低い、１０．５ボルトのきれいなＤＣ信号が得られた。

図５は、出力電力に対する第１段の効率のグラフであり、２種類のＭＯＳＦＥＴの「オン抵抗」値について示している。「オン抵抗」が３０ｍΩのＭＯＳＦＥＴは、ほとんどの負荷条件に対し８９％を超える効率を発揮している。図５は、ＭＯＳＦＥＴの「オン抵抗」の増大に伴って効率が低下することをはっきりと示している。スイッチング損失を最小限に抑えるには、第１段に「オン抵抗」が低いＭＯＳＦＥＴを選択するのがよい。更に、整流器も、損失を最小限に抑えるように選択することが可能である。入力をチョップすることから生じる高調波電流を減衰させるために、ＥＭＩフィルタを一緒に使用してもかまわない。更に、絶縁が主要な懸案事項であるような用途では、第２段に、単純なバックコンバータに代えてフライバックＤＣ−ＤＣコンバータを使用して、変圧器で絶縁することも可能である。

図６は、図３に示された例示的なシステムに関連する種々の波形を表している。入力ＡＣ電圧３１０は、そのＡＣ電圧が所定の値を達成したときに標本化される。得られたパルス３２０は、図３の装置のキャパシタ２２０を充電する。制御部１４０は、キャパシタの電圧３００を実質的に一定に保持するようにプログラムされている。一実施形態では、制御部１４０は、電圧３００が所定値（例えば、１．５Ｖ、６Ｖ、９Ｖ、１２Ｖ、２４Ｖ、又は特定の実施態様に適した他の任意の電圧）を下回っているときに、スイッチ１４５を作動させることができる。本コンバータは、負荷でエネルギーが消費されていないときに自動的に待機状態に入り込み、必要に応じて負荷に所定電圧を提供することができる。

前に説明した電力供給装置は、ＬＥＤ照明、電話器、ＰＤＡ、カメラ、コンピュータ、再充電可能装置、又は他の任意の適切な低電圧装置といった低電圧負荷に通電するのに使用することができる。留意すべきは、前に説明した電力供給装置であれば、損失を最小限に抑えられる（約５％）ということである。
実施形態
１．負荷への接続が可能な交流／直流（Alternating Current/Direct Current：ＡＣ／ＤＣ）低電圧電力供給装置。
２．電力源によって与えられた電圧を所定の値まで降圧するための降圧ユニットを更に備えている、実施形態１の装置。
３．降圧ユニットが、ＡＣ電圧が所定の範囲にあるときＡＣ正弦波のある期間のある位相において、エネルギー蓄積装置又は負荷装置をＡＣ電源に接続するように構成されたスイッチを備えている、上記実施形態のいずれかの装置。
４．降圧ユニットが、電圧が範囲外のときにＡＣ電源からエネルギー蓄積装置又は負荷装置を切断するように構成されたスイッチを備えている、上記実施形態のいずれかの装置。
５．エネルギー蓄積装置の電圧が所定値以上であるときに待機の位置になるようにスイッチが構成されている、上記実施形態のいずれかの装置。
６．前記電圧が所定値よりも低いときに作動させられるようにスイッチが構成されている、上記実施形態のいずれかの装置。
７．前記エネルギー蓄積装置の電圧が所定値以上のときに開くような態様でスイッチを制御するように構成された制御部を更に備えている、上記実施形態のいずれかの装置。
８．前記電圧が前記所定値より低いときに閉じるような態様でスイッチを制御するように構成された制御部を更に備えている、上記実施形態のいずれかの装置。
９．入力ＡＣ電圧、整流電圧、及び出力電圧から成る群より選択された少なくとも１つの電圧を測定するように構成された少なくとも１つセンサを更に備えている、上記実施形態のいずれかの装置。
１０．標本化電圧パルスを整流するためのユニットを更に備えている、上記実施形態のいずれかの装置。
１１．パルススキッピング変調バックコンバータを更に備えている、上記実施形態のいずれかの装置。
１２．蓄電池、キャパシタ、及び／又はそれらの任意の組合せから成る群よりエネルギー蓄積装置が選択される、上記実施形態のいずれかの装置。
１３．低電圧機器内で、且つ低電圧機器に対して通電するように電力供給装置が具現化されている、上記実施形態のいずれかの装置。
１４．電話器、ＰＤＡ、カメラ、コンピュータ、再充電可能装置、及び／又はそれらの任意の組合せから成る群より低電圧家庭電化製品が選択される、上記実施形態のいずれかの装置。
１５．電圧サンプリングが、サンプリング位相、標本化電圧、それらの設定誤差、及び／又はそれらの任意の組合せから成る群より選択される少なくとも１つのパラメータを含んでいる、上記実施形態のいずれかの装置。
１６．エネルギー蓄積パラメータ及び／又はエネルギー供給パラメータに応動して所定の電圧範囲を制御するようになされた制御ユニットを更に備えている、上記実施形態のいずれかの装置。
１７．上記実施形態のいずれかに従って負荷に低電圧を提供する方法。

開示されているのは、交流／直流（Alternating Current/Direct Current：ＡＣ／ＤＣ）電力供給装置である。本装置は、電力源によって与えられた電圧を所定の値まで降圧するための降圧ユニットを具備している。この降圧ユニットは、エネルギー蓄積装置又は負荷装置をＡＣ電源につなげる接続を入り切りするためのスイッチを具備している。

Claims (20)

1. 負荷への接続が可能なＡＣ／ＤＣ電力供給装置であって、
   電力源によって提供された電圧を第１の所定値まで降圧するための降圧ユニットを備え、前記降圧ユニットが、エネルギー蓄積装置又は負荷装置を交流（Alternating Current：ＡＣ）電源に、前記ＡＣ電圧が所定の範囲にあるときのＡＣ正弦波のある期間のある位相において接続し、前記電圧が範囲外にあるときに、前記エネルギー蓄積装置又は負荷装置を前記ＡＣ電源から切断するように構成されたスイッチを備え、
   前記スイッチが、前記エネルギー蓄積装置の電圧が第２の所定値以上であるときに待機の位置になり、前記電圧が前記第２の所定値より低いときに作動させられるように構成されている、ＡＣ／ＤＣ電力供給装置。
2. 前記エネルギー蓄積装置の前記電圧が前記第２の所定値以上のときに開き、前記電圧が前記第２の所定値より低いときに閉じるような態様で前記スイッチを制御するように構成された制御部を更に備えている、請求項１に記載の電力供給装置。
3. 入力ＡＣ電圧、整流電圧、及び出力電圧から成る群より選択された少なくとも１つの電圧を測定するように構成された少なくとも１つセンサを更に備えている、請求項１に記載の電力供給装置。
4. 標本化電圧パルスを整流するためのユニットを更に備えている、請求項１に記載の電力供給装置。
5. パルススキッピング変調バックコンバータを更に備えている、請求項１に記載の電力供給装置。
6. 前記エネルギー蓄積装置が、蓄電池、キャパシタ、及びそれらの任意の組合せから成る群より選択されたものである、請求項１に記載の電力供給装置。
7. 前記電力供給装置が、低電圧機器内で、且つ低電圧機器に対して通電するように具現化されている、請求項１に記載の電力供給装置。
8. 前記低電圧機器が、電話器、ＰＤＡ、カメラ、コンピュータ、再充電可能装置、及びそれらの任意の組合せから成る群より選択されたものである、請求項１に記載の電力供給装置。
9. 前記電圧サンプリングが、サンプリング位相、標本化電圧、それらの設定誤差、及びそれらの任意の組合せから成る群より選択される少なくとも１つのパラメータを含んでいる、請求項１に記載の電力供給装置。
10. エネルギー蓄積パラメータ及びエネルギー供給パラメータに応動して前記所定の電圧範囲を制御する制御ユニットを更に備えている、請求項１に記載の電力供給装置。
11. 負荷に電圧を提供する方法であって、
    電力源によって提供された電圧を所定値まで降圧するように適合された降圧ユニットを備えた交流（Alternating Current：ＡＣ）低電圧電力供給装置を提供するステップと、
    前記電圧を降圧するステップであって、エネルギー蓄積装置又は負荷装置をＡＣ電源に、前記ＡＣ電圧が指定の範囲にあるときにＡＣ正弦波のある期間のある位相において接続するステップ、及び前記電圧が範囲外にあるときに前記エネルギー蓄積装置又は負荷装置を前記ＡＣ電源から切断するステップを含む降圧するステップとを含み、
    前記降圧するステップが、前記エネルギー蓄積装置の電圧が所定値以上であるときに待機位置の状態を構築するステップを更に含み、前記電圧が前記所定値より低いときに作動させられる、方法。
12. 前記エネルギー蓄積装置の前記電圧が所定値以上のときに開き、前記電圧が前記所定値より低いときに閉じるような態様で前記スイッチを制御するステップを更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
13. 入力ＡＣ電圧、整流電圧、及び出力電圧から成る群より選択された少なくとも１つの電圧を測定するステップを更に含んでいる、請求項１２に記載の方法。
14. ＡＣ／ＤＣの標本化電圧パルスを整流するステップを更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
15. パルススキッピング変調バックコンバータを利用するステップを更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
16. 前記エネルギー蓄積装置が、蓄電池、キャパシタ、及びそれらの任意の組合せから成る群より選択されたものである、請求項１１に記載の方法。
17. 低電圧機器に通電するステップを更に含んでいる、請求項１１に記載の方法。
18. 前記低電圧機器が、電話器、ＰＤＡ、カメラ、コンピュータ、再充電可能装置、及びそれらの任意の組合せから成る群より選択されたものである、請求項１１に記載の方法。
19. 電圧サンプリングが、サンプリング位相、標本化電圧、それらの設定誤差、及びそれらの任意の組合せから成る群より選択される少なくとも１つのパラメータを含んでいる、請求項９に記載の方法。
20. 制御ユニットを利用して、エネルギー蓄積パラメータ及びエネルギー供給パラメータに応動して前記所定の電圧範囲を制御するステップを更に含んでいる、請求項９に記載の方法。