JP2014204660A - シングルエンド形制御、力率補正および低出力リプルを備えた集積コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】入力段の電圧レギュレータを必要とせずに後段のコンバータの制御で力率改善と出力リップルを低減できる集積コンバータを提供する。【解決手段】フィルターコンデンサ１１３およびブーストインダクタ１２の両方が、ブリッジ整流器１１２に直列に接続され、ブーストインダクタ１２のもう一端が第１のダイオード１３１および第２のダイオード１３２に連結される。エネルギ蓄積コンデンサ１４の一端が接地され、もう一端が第１のトランスＴ１に連結される。フライバックコンバータ１５は、第２のトランスＴ２、整流ダイオード１５３およびコンデンサ１５４を含む。フライバックコンバータ１５の一次巻線１５１が、電圧レギュレータ１３の一次巻線１３３に電気的に連結される。整流ダイオード１５３の一端がフライバックコンバータ１５の二次巻線１５２に連結され、もう一端がコンデンサ１５４に直列に連結される。【選択図】図３

Description

本発明は、コンバータに、および特にシングルエンド形制御、力率補正（ＰＦＣ）および低出力リプルを備えた集積コンバータに関する。

図１は、従来の電力変換回路を例示し、この従来の電力変換回路は、整流化回路９１、ＰＦＣ（力率補正）回路９２、ＤＣ（直流）／ＤＣコンバータ９３、前部コントローラ９４および後部コントローラ９５を含む。ＰＦＣ回路９２は、整流化回路９１およびＤＣ／ＤＣコンバータ９３におよびその間に連結される。

ＰＦＣ回路９２は、ＡＣ供給を取得するために整流化回路９１を通してＡＣ（交流）供給源９０に連結される。ＰＦＣ回路９２は、ブーストインダクタ９２１、コンデンサ９２２、ダイオード９２３およびスイッチ９２４を含む。

整流化回路９１は、ＡＣ電源９０に連結される。スイッチ９２４は、ブーストインダクタを通して整流化回路９１の出力端に連結される。コンデンサ９２２は、スイッチ９２４と並列に接続される。スイッチ９２４の導通を制御し、かつ制御信号を出力することによって更にコンデンサ９２２の蓄積電圧を制御するために、前部コントローラ９４がスイッチ９２４の制御端に連結される。

コンバータ９３は、ＰＦＣ回路９２に連結されて、したがって、直流を得る。コンバータ９３は、それぞれ一次および二次側に位置する２本の巻線９３１、９３２およびスイッチ９３３を含む。制御信号を出力することによってスイッチ９３３の導通を制御するために、後部コントローラ９５がスイッチ９３３の制御端に連結される。

したがって、従来の回路は力率を押し上げて変更する目的を達成するために前部ＰＦＣ回路９２を用い、一方、後部コンバータ９３が前部回路９２を用いて、負荷使用をもたらすために電圧を出力して電圧調整を続行する。全回路が２組のトランジスタスイッチ９２４、９３３およびコントローラ９４、９５を用いる必要があるので、導電損失はより大きい。さらに、前部回路９２の出力コンデンサ９２２の電圧応力はブースティング電圧と共に増大する。それゆえに、コンデンサ９２２を考慮する時、より高い電圧を備えたコンデンサが安全目的のために選択されなければならず、それがコストの増大を引き起こす。その上、また、より高い出力リプルを生成するために、出力電圧はより有意に変動し、出力電圧はより不安定になり、それが後部負荷に影響を及ぼすかもしれない。

本発明は、前部回路コントローラ（電圧レギュレータ）を必要とせずに後部回路（バック−ブーストコンバータ）で単一コントローラを単に利用するだけである集積コンバータを提供する。

本発明はさらに、より高い効率、より安定している出力電圧およびより低コストを備えた集積コンバータを提供する。

本発明は、更に前部回路のエネルギ蓄積コンデンサの電圧仕様に関する要求のレベルを低下させることができる集積コンバータを提供する。

本発明の集積コンバータは、入力ユニット、ブーストインダクタ、電圧レギュレータ、エネルギ蓄積コンデンサ、バック−ブーストコンバータ、シングルエンド形スイッチおよび制御ユニットを含む。入力ユニットは、電源によって伝達される電力信号を受信する。ブーストインダクタは、入力ユニットに電気的に連結される。

電圧レギュレータは、第１のダイオード、第２のダイオードおよび第１のトランスを含み、電圧レギュレータは、それらのダイオードを通してブーストインダクタに、かつ第１のトランスを通してバック−ブーストコンバータに電気的に連結される。第１のトランスは、一次巻線および二次巻線を含む。二次巻線は、それらのダイオードに電気的に連結される。一次巻線は、バック−ブーストコンバータに電気的に連結される。エネルギ蓄積容量は、ブーストインダクタおよび電圧レギュレータに電気的に連結される。

制御ユニットは、シングルエンド形スイッチに電気的に連結され、一方、任意選択で、第１のトランスの誘導起電力を変更し、かつ更に、二者択一的に第１のダイオードまたは第２のダイオードを切替えるために、シングルエンド形スイッチがバック−ブーストコンバータに電気的に連結される。

１つの好ましい実施態様において、バック−ブーストコンバータが一次巻線および二次巻線を含む。バック−ブーストコンバータの一次巻線が、電圧レギュレータの一次巻線に電気的に連結される。集積コンバータはまた、以下の関係式を満たす：Ｖ_＋＝Ｖ_ｐ１＋Ｖ_ｃ２、ここでＶ_＋はバック−ブーストコンバータの入力電圧を示し、Ｖ_ｐ１は電圧レギュレータの一次巻線の誘導電圧を示し、および、Ｖ_ｃ２はエネルギ蓄積コンデンサの分割された電圧を示す。

電圧レギュレータのトランスの誘導起電力は、二者択一的にダイオード構成部品を切替えるために、シングルエンド形スイッチによって変更されることができる。さらに、ブーストインダクタとエネルギ蓄積コンデンサとの間のエネルギを交換する目的が、二者択一的に前述のオン／オフを切替えることを通して達成されることができる。エネルギ蓄積コンデンサの電圧応力が入力電圧とともに変化する事実のために、より低電圧を備えたコンデンサ構成部品が選択されることができ、およびしたがって、コストが節約されることができる。

バック−ブーストコンバータは、バック−ブーストコンバータの二次巻線に連結される整流ダイオードを更に含むことができる。シングルエンド形スイッチの一端が、バック−ブーストコンバータの一次巻線に連結される。これのもう一端が、制御ユニットに連結される。制御ユニットが、パルス幅変調コントローラであることができ、一方、シングルエンド形スイッチがトランジスタスイッチであることができる。これのドレイン端子がバック−ブーストコンバータの一次巻線に連結され、これのゲート端子が制御ユニットに連結され、および、これのソース端子が接地される。

好ましい一実施態様において、制御ユニットがブリッジ整流器を含むことができ、フィルターコンデンサを更に含むことができる。フィルターコンデンサは、ブーストインダクタと並列に接続される。入力ユニットはＥＭＩ（電磁干渉）フィルタを更に含むことができ、それは電源とブリッジ整流器におよびその間に連結される。

他の好ましい実施態様において、ブーストインダクタおよび電圧レギュレータの第１のトランスが、共通鋼心を共有する集積構造体である。

本発明の最初の目的および利点が、以下の記述を読み取る際に、かつ添付の図面への参照の際に明白になり、そこにおいて：

従来の電力変換回路の模式図である； 本発明に従うＰＦＣを所有するシングルエンド形制御を備えた集積コンバータの模式図である； 本発明の第１の好ましい実施態様に従うＰＦＣを所有するシングルエンド形制御を備えた集積コンバータの回路を例示する；および、 本発明に従うブーストインダクタと電圧レギュレータのトランスとの間の構造上の集積化の模式図である。

本発明に従う前述の詳細および他の利点および目的が得られる方法を完全に理解するために、本発明のより詳細な説明がその最良の意図されたモードおよび特定の実施態様を参照することで与えられる。本発明の以下の記述は、本発明の一般的な原理を例示するためになされてかつ限定する意味に取られるべきでなく；それは、本発明の種々の実施態様を例示することを意図される。そのようなものとして、検討される特定の変更は、本発明の有効範囲に関する限定として解釈されるべきでない。種々の等価物、変化および変更が本発明の範囲内においてなされることができることは当業者に明白であり、かつ、この種の等価実施態様が本願明細書に含まれるべきであることが理解される。下記で提示される記述内に用いられる用語は、たとえそれが本発明のある種の特定の実施態様の詳細な説明と連動して用いられていても、その最も幅広い合理的な方法で解釈されることを意図される。特定の用語は、下記で強調されさえすることができる；しかしながら、任意の限定された方法で解釈されることを意図される任意の用語が、この詳細な説明セクション内にそのようなものとして明白にかつ詳細に定められる。文脈条件が可能にするところで、単一のまたは複数の用語がまた、それぞれ、複数のまたは単一の用語を含むことができる。さらに、単語「または」が２つ以上の項目のリスト内の他の項目から排他的な単一項目だけを意味するように明白に限定されない限り、その時、この種のリスト内の「または」の使用は、（ａ）リスト内の任意の単一項目、（ｂ）リスト内の項目の全てまたは（ｃ）リスト内の項目の任意の組合せを含むと解釈されるべきである。

本発明の好ましい実施態様および態様が、本発明の有効範囲、構造および手順を説明するために記述される。明細書の好ましい実施態様に加えて、本発明は他の実施態様に広く適用されることができる。

図２は、本発明に従ってＰＦＣを所有するシングルエンド形制御を備えた集積コンバータの図である。図は、ＰＦＣを所有するシングルエンド形制御を備えた集積コンバータが、入力ユニット１１、ブーストインダクタ１２、電圧レギュレータ１３、エネルギ蓄積コンデンサ１４、バック−ブーストコンバータ１５およびシングルエンド形スイッチ１６２とともに制御ユニット１６１を主に含むことを例示する。入力ユニット１１は、電源１０、例えば交流電流供給源によって伝達される電力信号を受信するために用いられる。

入力ユニット１１は、電源１０とブーストインダクタ１２におよびそれらの間に連結される。電圧レギュレータ１３は、一方でブーストインダクタ１２に、更に、他方ではエネルギ蓄積コンデンサ１４に連結される。バック−ブーストコンバータ１５は調節された電気信号を受信するために電圧レギュレータ１３の出力に連結され、および、制御ユニット１６１はブーストインダクタ１２とエネルギ蓄積コンデンサ１４との間のエネルギ交換を制御するためにシングルエンド形スイッチ１６２を通してバック−ブーストコンバータ１５に連結される。

代わりとして、電圧レギュレータ１３は第１のダイオード１３１、第２のダイオード１３２および第１のトランスＴ１を含む。電圧レギュレータ１３は、ブーストインダクタ１２に電気的に連結されるべきそれらのダイオード１３１、１３２を用いてかつバック−ブーストコンバータ１５に電気的に連結されるべき第１のトランスＴ１を用いる。第１のトランスＴ１は、一次巻線１３３および二次巻線１３４を含む。二次巻線１３４は、それらのダイオード１３１、１３２に電気的に連結される。一次巻線１３３は、バック−ブーストコンバータ１５に電気的に連結され、２つのダイオード１３１、１３２は、並列に連結される。

電圧レギュレータ１３の状態は、制御ユニット１６の動作によって切替えられることができる。すなわち、第１のトランスＴ１の誘導起電力は変更されることができ、したがって、任意選択で、次のように２つの状況のうち１つを引き起こすことができる：第２のダイオード１３２がそうでない時、第１のダイオード１３１が導電状態にあるか、または、その逆である。

図３は、本発明に従う第１の実施態様の回路を例示する。図２は、また、より明確にかつ詳細に本発明のシングルエンド形制御およびＰＦＣを備えた集積コンバータの回路を実証するために提供される。

この実施態様において、入力ユニット１１はＥＭＩフィルタ１１１、ブリッジ整流器１１２およびフィルターコンデンサ１１３を含む。ＥＭＩフィルタ１１１は、ブリッジ整流器１１２に電気信号エネルギを伝達するために一方ではブリッジ整流器１１２の入力端に、および他方では電源１０に連結される。

フィルターコンデンサ１１３およびブーストインダクタ１２の両方が、ブリッジ整流器１１２に直列に接続され、一方フィルターコンデンサ１１３が、ブーストインダクタ１２と並列に接続される。フィルターコンデンサ１１３の一端が、接地される。フィルターコンデンサ１１３は、ブーストインダクタ１２から電流の交流分を濾波することができてかつ高周波ノイズを除去することができる。

ブーストインダクタ１２の一端が、ブリッジ整流器１１２の入力に連結され、その時これのもう一端が第１のダイオード１３１および第２のダイオード１３２に連結される。エネルギ蓄積コンデンサ１４の一端が接地され、一方、これのもう一端が第１のトランスＴ１に連結される。

バック−ブーストコンバータ１５が、第２のトランスＴ２、整流ダイオード１５３およびコンデンサ１５４を含む。第２のトランスＴ２の１次側が一次巻線１５１によって、および２次側が二次巻線１５２によってセットされる。バック−ブーストコンバータ１５の一次巻線１５１が、電圧レギュレータ１３の一次巻線１３３に電気的に連結される。整流ダイオード１５３の一端がバック−ブーストコンバータ１５の二次巻線１５２に連結され、および、これのもう一端がコンデンサ１５４に直列に連結される。

シングルエンド形スイッチ１６２の一端がバック−ブーストコンバータ１５の一次巻線１５１に連結され、および、これのもう一端が制御ユニット１６１に連結される。制御ユニット１６１が、パルス幅変調コントローラであることができる。シングルエンド形スイッチ１６２が、トランジスタスイッチであることができる。シングルエンド形スイッチ１６２のドレイン端子がバック−ブーストコンバータ１５の一次巻線１５１に連結され、これのゲート端子が制御ユニット１６１に連結され、および、これのソース端子がトランジスタ１６３を通して接地される。

パルス幅変調コントローラが、シングルエンド形スイッチ１６２を制御するために制御信号を送信する。すなわち、シングルエンド形スイッチ１６２が導電状態にある時、電気信号が連続でブーストインダクタ１２、第１のダイオード１３１、第１のトランスＴ１および第２のトランスＴ２を通過する。エネルギは、結局バック−ブーストコンバータ１５から出力される。シングルエンド形スイッチ１６２が不導体状態にある時、第１のトランスＴ１から第２のトランスＴ２まで伝達される代わりに、電気信号がブーストインダクタ１２、第２のダイオード１３２およびエネルギ蓄積コンデンサ１４を通して伝達される。２つの動作モードは、ブーストインダクタ１２がエネルギ蓄積およびエネルギ放出に関してエネルギ蓄積コンデンサ１４と協同する状況に等しい。

別の実施態様において、回路が次のように関係式を所有する：Ｖ_＋＝Ｖ_ｐ１＋Ｖ_ｃ２、ここでＶ_＋がバック−ブーストコンバータ１５の入力電圧を示し、Ｖ_ｐ１が電圧レギュレータ１３の一次巻線１３３の出力電圧を示し、Ｖ_ｃ２がエネルギ蓄積コンデンサ１４の分割された電圧を示す。電圧レギュレータ１３の第１のトランスＴ１の２つの側の巻線巻回の比率を調節することによって、その１次側の出力電圧Ｖ_ｐ１が制御されることができ、したがって、バック−ブーストコンバータ１５の入力電圧Ｖ_＋を制御することができる。

したがって、本発明の回路構成は、ＰＦＣの機能が正確に実行されることができる一方、前部および後部回路（電圧レギュレータおよびバック−ブーストコンバータ）が単一制御ユニットを共有し、および結果として、必要な構成部品の数が減少させられることができると共に、回路の複雑さが簡単にされることができるという事実を特徴とする。とりわけこれの結果として、スイッチングの周波数および前部スイッチ（電圧レギュレータ）の導電損失が減少させられることができ、および、したがって、回路の全効率が向上されることができる。

更に、より一般的なスイッチ構成部品が電圧レギュレータの出力電圧に対する適切な調節によって使用される唯一のシングルエンド形スイッチとして選択されることができる。前述の特別に対応する関係の下で、エネルギ蓄積コンデンサの電圧応力は、電圧レギュレータによって引き起こされる変換電圧の不一致（すなわち巻線巻回の比率に従うＶ_ｐ１とＶ_ｓ１の間の不一致）の代わりに入力電圧の増加とともに変化する。従って、エネルギ蓄積コンデンサの電圧仕様に対するオプションは、従来技術のそれらと比較するとより柔軟である、すなわち、より低電圧仕様が選択されることができる。その上、より小さい大きさを備えた出力リプルが生成されることができるので、出力電圧の変動はより小さく、したがってより安定した出力電圧が後部負荷に供給されることができる。

電圧レギュレータおよびバック−ブーストコンバータは、力率を補正して、回路の複雑さを簡単にしてかつ構成部品の数を減少する目的を達成するために単一スイッチおよび制御ユニットを共有する。

好ましい一実施態様において、それらの２個の磁気部品、ブースト導体１２および電圧レギュレータの第１のトランスＴ１が一組の鋼心をマージして共有するとみなされることができ、したがって、図４で分かるように、構造上の集積化を達成することができる。これによって、適用された製品の空間使用の効率が向上されることができ、および、同時に、ノイズ干渉が減少されることができる。

上記の記述は、説明のために本発明の徹底的な理解を提供するために好ましい実施態様の特定の詳細で記載された。しかしながら、特定の詳細が本発明を実施するために必要とされないことは当業者に明白である。したがって、本発明の特定の実施態様の上記の記述は例証の目的および記述だけのために提示され、かついかなる形であれ本発明の有効範囲を限定すると解釈されるべきでない。それらは、本発明を網羅的であるかまたは開示される厳密な形式に限定することを意図されず；明らかに、多くの修正変更が、上記の教示からみて可能である。実施態様は、本発明の原理およびその実用的用途を最もよく説明し、それによって他の当業者が、本発明および種々の変更を備えた種々の実施態様を意図される特定の使用に適するように最もよく利用することを可能にするために選択されて記述された。以下の請求項およびそれらの等価物が本発明の有効範囲を定めることが意図される。

本発明の上記の実施態様は、例証となるだけであることを意図される。数多くの代替実施態様が、以下の請求項の範囲内において、当業者によって考案されることができる。

１０ 電源
１１ 入力ユニット
１２ ブーストインダクタ
１３ 電圧レギュレータ
１４ エネルギ蓄積コンデンサ
１５ バック−ブーストコンバータ
１６ 制御ユニット
１１１ ＥＭＩフィルタ
１１２ ブリッジ整流器
１１３ フィルターコンデンサ
１３１ 第１のダイオード
１３２ 第２のダイオード
１３３ 一次巻線
１３４ 二次巻線
１５１ 一次巻線
１５２ 二次巻線
１５３ 整流ダイオード
１５４ コンデンサ
１６１ 制御ユニット
１６２ シングルエンド形スイッチ
１６３ トランジスタ
Ｔ１ 第１のトランス
Ｔ２ 第２のトランス

Claims (5)

1. 集積コンバータであって：
   電源によって伝達される電力信号を受信するための入力ユニット；
   前記入力ユニットに電気的に連結されるためのブーストインダクタ；
   バック−ブーストコンバータ；
   電圧レギュレータであって：
   第１のダイオード；
   第２のダイオード；および
   第１のトランスであって：
   前記バック−ブーストコンバータに電気的に連結されるための一次巻線；ならびに
   前記第１のダイオードおよび前記第２のダイオードに電気的に連結されるための二次巻線であって、前記電圧レギュレータが、前記第１のダイオードおよび前記第２のダイオードを通して前記ブーストインダクタに電気的に連結され、かつ前記第１のトランスを通して前記バック−ブーストコンバータに電気的に連結される二次巻線；を備える第１のトランス、を備える電圧レギュレータ、
   前記ブーストインダクタおよび前記電圧レギュレータに電気的に連結されるためのエネルギ蓄積コンデンサ；
   前記バック−ブーストコンバータに電気的に連結されるためのシングルエンド形スイッチ；ならびに
   前記電圧レギュレータの前記第１のトランスの起電力を任意選択で変更し、かつ、更に、前記第１のダイオードまたは前記第２のダイオードを二者択一的に切替えるために、前記シングルエンド形スイッチに電気的に連結されるための制御ユニットを備える集積コンバータ。
2. 前記バック−ブーストコンバータが、一次巻線および二次巻線を備え、前記バック−ブーストコンバータの前記一次巻線が、前記電圧レギュレータの前記一次巻線に電気的に連結され、および、シングルエンド形制御および力率補正を備えた前記集積コンバータがさらに以下の関係式を満たし：Ｖ_＋＝Ｖ_ｐ１＋Ｖ_ｃ２、ここでＶ_＋が前記バック−ブーストコンバータの前記入力電圧を示し、Ｖ_ｐ１が前記電圧レギュレータの前記一次巻線の誘導電圧を示し、および、Ｖ_ｃ２が前記エネルギ蓄積コンデンサの分割された電圧を示すことを特徴とする請求項１に記載の集積コンバータ。
3. 前記バック−ブーストコンバータが、前記バック−ブーストコンバータの前記二次巻線に連結される整流ダイオードを更に備え、前記シングルエンド形スイッチの一端が前記バック−ブーストコンバータの前記一次巻線に連結され、および、前記シングルエンド形スイッチのもう一端が前記制御ユニットに連結されることを特徴とする請求項２に記載の集積コンバータ。
4. 前記制御ユニットが、パルス幅変調コントローラであり、前記シングルエンド形スイッチが、トランジスタスイッチであり、前記シングルエンド形スイッチのドレイン端子が前記バック−ブーストコンバータの前記一次巻線に連結され、前記シングルエンド形スイッチのゲート端子が前記制御ユニットに連結され、および、前記シングルエンド形スイッチのソース端子が接地されることを特徴とする請求項３に記載の集積コンバータ。
5. 前記入力ユニットが、ブリッジ整流器を備え、前記制御ユニットが、フィルターコンデンサを更に備え、前記フィルターコンデンサが、前記ブーストインダクタと並列に接続され、前記入力ユニットが、前記電源と前記ブリッジ整流器におよびその間に連結される電磁干渉フィルタを更に備え、ならびに、前記ブーストインダクタおよび前記電圧レギュレータの前記第１のトランスが、鋼心を共有する集積構造体であることを特徴とする請求項１に記載の集積コンバータ。