JP2017506872A - スイッチングコンバータおよび電気エネルギを変換するための方法 - Google Patents
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Abstract
Description
、および 。この解決策は、並列に接続された複数のブーストコンバータに基づく。この解決策は非常に小さな電力の用途で利点を有するが、技術は他の用途に適していない。
−強磁性コア、
−強磁性コア上の一次巻線、
−オン状態にある時、一次巻線を入力電力に接続する第1の制御可能な一次スイッチ
−一次巻線を負荷に接続する第2の一次スイッチを備え、
第1の制御可能な一次スイッチが、一次制御パルスによって制御されて一次パルスがコア内に磁束を作り出す間にその電流を増大することによって一次巻線を付勢し、そして
一次パルスの間で一次巻線が、負荷に磁束のエネルギを放出し、それによって一次巻線の電流が減少し、コンバータの効率を向上させるためにコンバータが、強磁性コア上に二次巻線を備えた二次回路を更に備え、ならびに一次巻線の電流の前記減少中に二次回路が二次巻線および/または別のエネルギ源のエネルギを一次巻線に伝達するように配置されることを特徴とするコンバータを提供することによって達成される。一実施態様によればこれはこの種の状況においてここで二次巻線の位置の磁束が、一次巻線の位置の磁束より小さい、および/または、二次巻線の合計電流が一次巻線の合計電流未満である。
−第1の一次スイッチが、第一相で入力電圧のパルスを強磁性コアの一次巻線に接続するように制御され、
−その後に、一次巻線から放出されたエネルギが、第二相で第2の一次スイッチを介して負荷に導かれ、それによって一次巻線の電流が減少され、
その方法が、変換の効率を向上させるために、二次巻線および/または別のエネルギ源のエネルギが、一次巻線の電流の前記減少中に一次巻線に伝達されることを特徴とする。
−強磁性コア、
−強磁性コア上の一次巻線、
−強磁性コア上の二次巻線、
−第1の制御可能な一次スイッチであって、前記第一相で、オン状態およびオフ状態を有するように連結され、前記一次スイッチの前記オンおよびオフ状態に対応する状態を有する一次制御パルスによって制御可能に連結され、スイッチがオン状態に設定される時、一次巻線を入力電力に接続し、磁束の増大がさらに二次巻線内の二次電流を増大するように、制御パルスのオフ状態によって、一次スイッチがオフ状態に設定されるまで、コア内に磁束を作り出すためにその電流を増大するように一次巻線を付勢する一次スイッチ、
−制御可能な二次スイッチであって、オン状態およびオフ状態を有するように連結され、前記オンおよびオフ状態に対応する位相を有する二次制御パルスによって制御可能に連結され、スイッチがオン状態に設定される時、二次巻線を入力電力に接続するように連結され、負荷に対して二次巻線を付勢する二次スイッチを備え、
前記第二相において一次巻線が強磁性コアに磁気エネルギを放出する時、一次パルスの状態が、前記一次スイッチのオフの状態に対応する時、前記第二相において、前記二次巻線が、直接オン状態に制御される二次スイッチ経由で入力電力の前記二次制御パルスによって付勢されるように連結され、
コンバータを向上した効率で動作させるために、前記二次巻線が、強磁性コア内に生じる等しくない磁束をそのようにもたらすように一次巻線からある距離に位置づけられる;および/または、磁束の増大を低下させる二次巻線の反対側の電流方向の理由で強磁性コアの磁束が二次巻線の位置でより小さく等しくないように、前記一次および二次巻線の少なくとも1つが、この種の形状または直径を有する。
−第一相で入力電圧のパルスを強磁性コアの一次巻線に接続するように制御される第1の一次スイッチを制御するステップ、
−第二相で第2の一次スイッチを介して負荷に導かれる一次巻線から、その後にエネルギを放出し、それによって一次巻線の電流が減少されるステップを含み、
−二次巻線の変換エネルギの効率を向上させるために一次巻線および/または別のエネルギ源の電流の前記減少中に一次巻線にエネルギを伝達するステップを特徴とする方法。
−第二相中に、一次巻線から負荷へのエネルギの放出を増大するために入力電圧のパルスを強磁性コアの二次巻線に接続するように第1の二次スイッチを制御するステップ、および
−第一相中にコアの二次巻線から放出されたエネルギを、第2の二次スイッチを介して負荷に導くステップを含む。
−第一相で、コア内に磁束を作り出すためにその電流を増大するように一次巻線を付勢する一次制御パルスによって第1の制御可能スイッチを制御するステップ、
−前記一次制御パルスによって前記制御パルス中に一次巻線を入力電力に接続するために第1の制御可能な一次スイッチをオン状態にスイッチするステップ、
−第二相で一次パルスのすぐ後に前記二次パルス中にオン状態の第2のスイッチ経由で入力電力の二次パルスによって二次巻線を付勢するステップ、
−前記第1の制御可能な一次スイッチをオフ状態に設定することによって、一次パルスのオン状態の間に磁束の磁気エネルギを負荷に放出するように一次巻線を方向付け、それによって一次巻線の電流が減少するステップを含む。
コンデンサCPは、スイッチングトランジスタTによってインダクタLに連結される。
トランジスタは、パルス発生器Gから供給される例えば10μs長の短いパルスによってオン状態に制御される。トランジスタは、したがってコンデンサCPからインダクタLに短い電流パルスを接続する。トランジスタTのオフ状態中にインダクタLのエネルギが、負荷コンデンサCおよび負荷RにダイオードスイッチD1を介して導かれる。ダイオードスイッチは、コンデンサCに充填されたエネルギがインダクタまたは入力電源に放出することを防ぐ。
U=30V
Iu=0.038...0.040A
Pin=U*Iin=1.17+/−0.03W
Uc=30.11V
Ic=0.030A
Pout=Uc*Ic=0.903W
η=Pout/Pin=77.2%
U=入力電圧
Iu=一次電流
Pin=電源からコンバータに供給される電力
Uc=一次巻線によって供給される電圧
Ic=負荷電流
Pout=負荷への電力
η=コンバータの効率
測定はしたがって、この従来技術回路の効率が77.2%であったことを示す。
U=Ut=30V
Ne=25
Nt=38
Iin=0.105A
Pin=Ue*Iin=3.15W
Uc=28.03...28.22V
Ic=0.104A
Pout=Uc*Iin=2.925W+/−0.01W
η=Pout/Pin=92.8%
U=入力電圧
Ut=二次巻線の電圧
NeおよびNtは、それぞれ一次および二次巻線の巻数である
Iin=電源からコンバータに供給される電流
Pin=電源からコンバータに供給される電力
Uc=一次巻線によって供給される電圧
Ic=負荷電流
Pout=負荷に対する電力
η=コンバータの効率
−位相1では負荷電圧−Uc=−57Vおよび入力電圧U=30Vの両方が二次巻線に影響を及ぼす。これらの電圧の差異は27Vであり、ここでこの例では事実上の反対電圧は−27Vであり、それは前の例におけるもの、すなわち−Uc=−29Vとほぼ同じである。位相1では一次巻線が入力電圧U=30Vに接続され、それが二次巻線内に電圧を引き起こし、かつ二次巻線内の二次電圧、−Ucおよびインダクタンスに従って二次巻線内の、および前の例におけるのと類似した方法で一次巻線内の電流を上昇させる;
−位相2では入力電圧Uおよび負荷電圧−Ucの両方が、一次巻線に影響を及ぼす。反対電圧は、この例で−27Vであり、それによって二次回路から一次回路への低下する順方向電圧を考慮してそれが29Vであった以前の例と比較して、反対電圧は2Vだけより低い。この状況で、所定の等式がコンバータの位相2に対してより長い時間間隔を与える;
−位相2に対する計算上の時間長さは、所定の式dt=(Ne/Nt)*L2*dIe/(Uc−(Ne/Nt)*U)を用いて導き出されることができる。本実施態様において式の他の値は電圧Uc以外図2Aの実施態様におけるものと同じであり、Ucはここで値Uc=U−56.5V−0.5V=27Vを有する。式は、ここでdt=16.3μsを与え、それは測定値とマッチする。
C、CP、C3 コンデンサ
D1、D2 ダイオードスイッチ
d1 一次巻線の内径
d2 二次巻線の内径
F 強磁性コア
G パルス発生器
G1、G2 パルス
I1 一次巻線L1の電流
L インダクタ
L1 一次インダクタ巻線
L2 二次インダクタ巻線
L3 別々のインダクタ
P 入力電源
R 負荷
T スイッチングトランジスタ
T1 第1の一次スイッチ
T2 第2のスイッチ、二次スイッチ、第2の二次スイッチ、第2の一次スイッチ
U 入力電圧
Claims (22)
- 電力を変換するためのスイッチングコンバータであって、そのカップリング内に:
−強磁性コア(F)、
−前記強磁性コア(F)上の一次巻線(L1)、
−前記強磁性コア(F)上の二次巻線(L2)、
−第1の制御可能な一次スイッチ(T1)であって、前記制御可能な一次スイッチ(T1)がオン状態に設定される時、前記一次巻線(L1)を入力電力(P)に接続し、磁束の増大がさらに前記二次巻線(L2)内の二次電流(I2)を増大するように、前記コア(F)内に前記磁束を作り出すためにその電流(I1)を増大するように前記一次巻線(L1)を付勢するように一次制御パルス(G1)によって制御可能に連結される一次スイッチ(T1)、
−前記一次巻線(L1)を負荷に接続するために連結される第2の一次スイッチ(D1)を備え、
前記一次巻線(L1)が磁気エネルギを放出する時、前記一次パルス(G1)のすぐ後に、前記二次巻線(L2)が、制御されるスイッチ(T2)経由で入力電力(P)の二次パルス(G2)によって付勢されるように制御可能に連結され、
前記スイッチングコンバータを、向上した効率で動作させるために、
−前記二次巻線(L2)が、等しくない磁束が前記強磁性コア(F)内に生じるのを促進する構造によってそのように前記一次巻線(L1)からある距離に位置づけられ;および/または
−前記一次巻線(L1)および二次巻線(L2)の少なくとも1つが、前記磁束の増大を低下させる前記二次巻線(L2)の反対側の電流方向の理由で前記強磁性コア(F)の前記磁束が前記二次巻線(L2)の位置でより小さく等しくない、この種の形状または直径を有することを特徴とするスイッチングコンバータ。 - 請求項1に記載のスイッチングコンバータであって、前記スイッチングコンバータが、第一相および第二相で電力を変換するように連結され、前記コンバータがそのカップリング内に:
−第1の制御可能な一次スイッチ(T1)であって、前記第一相で、オン状態およびオフ状態を有するように連結され、前記一次スイッチ(T1)の前記オンおよびオフ状態に対応する状態を有する一次制御パルス(G1)によって制御可能に連結され、前記スイッチ(T1)がオン状態に設定される時、前記一次巻線(L1)を入力電力(P)に接続し、前記磁束の増大がさらに前記二次巻線(L2)内の前記二次電流(I2)を増大するように、前記制御パルスの(G1)オフ状態によって、前記一次スイッチ(T1)がオフ状態に設定されるまで、前記コア(F)内に磁束を作り出すためにその電流(I1)を増大するように前記一次巻線(L1)を付勢する一次スイッチ(T1)、
−前記一次巻線(L1)を負荷に接続するために連結される第2の一次スイッチ(D1)、
−制御可能な二次スイッチ(T2)であって、オン状態およびオフ状態を有するように連結され、前記二次スイッチ(T2)の前記オンおよびオフ状態に対応する状態を有する二次制御パルス(G2)によって制御可能に連結され、前記二次スイッチ(T2)がオン状態に設定される時、前記二次巻線(L2)を入力電力(P)に接続するように連結され、前記二次巻線(L2)を付勢する、二次スイッチ(T2)を備え、
前記第二相で前記一次巻線(L1)が前記負荷に前記磁気エネルギを放出する時、前記一次パルスの(G1)状態が前記一次スイッチ(T1)のオフ状態に対応する時、前記第二相で、前記二次巻線(L2)が、直接オン状態に制御される前記二次スイッチ(T2)経由で入力電力(P)の前記二次制御パルス(G2)によって付勢されるように連結され、
前記スイッチングコンバータを向上した効率で動作させるために、前記二次巻線(L2)が、前記強磁性コア(F)内に生じる等しくない磁束をそのように供給するために前記一次巻線(L1)からある距離に位置づけられる;および/または
前記一次巻線(L1)および二次巻線(L2)の少なくとも1つが、前記磁束の増大を低下させる前記二次巻線(L2)の反対側の電流方向の理由で前記強磁性コア(F)の前記磁束が前記二次巻線(L2)の位置でより小さく等しくない、この種の形状または直径(d1、d2)を有することを特徴とするスイッチングコンバータ。 - それが、前記二次電流(I2)に対して反対電圧を生成するために前記連結手段(L3、C3、A3)内に反対電圧手段を備え、前記反対電圧手段が、以下:前記二次回路のインダクタンス(L3)およびコンデンサ(C、C3)およびアキュムレータの少なくとも1つを備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチングコンバータ。
- それが、前記カップリング内に前記二次巻線(L2)を、入力電力(P)のパルスによって付勢されない状態に制御可能に設定する(G2)二次スイッチ(T2)を備え、前記カップリングの2次側が、前記二次コイルそれ自体の自己インダクタンスを有するインダクタンス(L2)を備え、それが前記二次電流(l2)変化と比例した電圧を生成し、前記インダクタンスが更なるインダクタンスまたは前記インダクタンス(L3)を含むことを特徴とする請求項1、2または3に記載のスイッチングコンバータ。
- それが、第二相で、前記二次巻線(L2)が入力電力(P)のパルスによって付勢されない状態にあるように接続される回路(図2C)を備え、および前記回路において、前記二次回路が電流の方向に前記二次電流(I2)変化と比例した電圧(Us=LsxdIs/dt)を生成するこの種の自己インダクタンスLs(L2)を含み、それが次いで、別々の入力電力の二次パルスと類似した方法で影響を与え、前記インダクタンスが、請求項3内に言及されたインダクタンスを備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチングコンバータ。
- 前記二次巻線(L2)側で前記カップリングが、以下:インダクタ(L3)、コンデンサ(C、C3)、アキュムレータ(A3)の少なくとも1つである追加電圧源を備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチングコンバータ。
- 前記二次回路のインダクタンス(L2)が、前記一次回路のインダクタンス(L1)より大きいことを特徴とする請求項1に記載のスイッチングコンバータ。
- 前記二次巻線が、スイッチ(D2)によって前記負荷に連続的に接続され、およびそれに応じてさらに前記一次電流(I1)および二次電流(I2)の減少位相中にこれらの両方の電流が、前記負荷にエネルギを放出し、前記カップリングが任意選択で前記二次スイッチ(T2)なしで実現されることを特徴とする請求項6または7に記載のスイッチングコンバータ。
- 前記二次巻線(L2)側が、以下:インダクタ、コンデンサ(C)の少なくとも1つである追加電圧源を含むことを特徴とする請求項1に記載のスイッチングコンバータ。
- 前記二次巻線(L2)の内径(d2)と前記コア(F)の外径との間の距離が、前記一次巻線(L1)の内径(d1)と前記コアの外径との間の距離を越えることを特徴とする請求項7に記載のスイッチングコンバータ。
- それが、前記二次巻線(L2)と直列にインダクタ(L3)を備え、前記インダクタ(L3)が前記コア(F)とは別々であることを特徴とする請求項4に記載のスイッチングコンバータ。
- 前記強磁性コア(F)が、トロイドまたは多角形のような閉形状を有することを特徴とする請求項1−11のいずれかに記載のスイッチングコンバータ。
- 前記一次巻線(L1)および前記二次巻線(L2)が前記コア(F)上の分離された位置を有し、好ましくは、前記コア(F)の両側に位置づけられることを特徴とする請求項12に記載のスイッチングコンバータ。
- 前記一次巻線(L1)および二次巻線(L2)が、前記強磁性コア(F)の前記磁束が前記二次巻線(L2)の位置でより小さな前記磁気コア(F)の経路に沿って等しくないように前記磁気コア(F)上に配置されることを特徴とする請求項1−13のいずれかに記載のスイッチングコンバータ。
- 前記一次巻線(L1)および二次巻線(L2)の巻線が、前記二次巻線(L2)の反対側の電流方向が前記磁束の増大を低下させるようになされることを特徴とする請求項1−14のいずれかに記載のスイッチングコンバータ。
- 前記一次巻線(L1)および二次巻線(L2)の巻線が、前記二次巻線(L2)の位置のより小さな磁束が、前記第二相中に前記二次巻線(L2)内により小さな反対電圧を誘発し、それゆえに前記一次電流(I1)および二次電流(I2)の低減中に前記第二相で前記二次巻線(L2)によってより少ない入力電力(P)を消費するようにされることを特徴とする請求項1−15の一項に記載のスイッチングコンバータ。
- 前記コンバータが、前記強磁性コア(F)上に二次巻線(L2)を備えた二次回路を更に備え、および前記二次回路が、前記一次巻線(L1)の電流の前記減少中に前記一次巻線(L1)に前記二次巻線(L2)および/または別のエネルギ源のエネルギを伝達するように配置されることを特徴とする請求項1−16の一項に記載のスイッチングコンバータ。
- 電力を変換するためのスイッチングコンバータであって:
−強磁性コア、
−前記強磁性コア上の一次巻線、
−オン状態にある時、前記一次巻線を入力電力に接続する第1の制御可能な一次スイッチ、
−前記一次巻線を負荷に接続する第2の一次スイッチを備え、
前記第1の制御可能な一次スイッチ(T1)が、前記コア内に磁束を作り出すために一次パルス(G1)中にその電流(I1)を増大することによって前記一次巻線(L1)を付勢するように一次制御パルス(G1)によって制御され、および
一次パルス(G1)の間で前記一次巻線(L1)が、前記負荷に前記磁束のエネルギを放出し、それによって前記一次巻線(L1)の電流(I1)が減少し(I1)、
前記コンバータの効率を向上させるために、前記コンバータが、前記強磁性コア(F)上に二次巻線(L2)を備えた二次回路を更に備え、および前記二次回路が、前記一次巻線(L1)の電流(I1)の前記減少中に前記一次巻線(L1)に前記二次巻線(L2)および/または別のエネルギ源のエネルギを伝達するように配置され、前記二次回路のエネルギの前記伝達が、
−前記第二相で前記二次巻線(L2)が、入力電力のパルスによって付勢されない状態にあるように接続される回路(図2C)であって、および前記回路内の前記二次回路が、電流の方向に前記二次電流変化と比例した電圧(Us=LsxdIs/dt)を生成するこの種の自己インダクタンスLs(L2)を含み、それが次いで、別々の入力電力の二次パルスと類似した方法で影響を与え、そこにおいて前記二次巻線(L2)が前記負荷にスイッチ(D2)によって連続的に接続され、およびそれに応じてさらに前記一次電流(I1)および二次電流(I2)の減少位相中にこれらの電流が、前記負荷(LOAD、R、C)にエネルギを放出し、前記カップリングが任意選択で前記二次スイッチ(T2)なしで実現される回路、または任意選択で
−制御可能な二次スイッチ(T2)であって、オン状態およびオフ状態を有するように連結され、前記一次二次スイッチ(T2)の前記オンおよびオフ状態に対応する状態を有する二次制御パルス(G2)によって制御可能に連結され、前記スイッチ(T2)がオン状態に設定される時、前記二次巻線(L2)を入力電力(P)に接続するように連結され、前記負荷に前記二次巻線(L2)を付勢する二次スイッチ(T2)によって配置されることを特徴とするスイッチングコンバータ。 - 電力を変換するための方法であって:
−第1の一次スイッチ(T1)が、第一相で入力電圧(U)のパルスを強磁性コア(F)の一次巻線に接続するように制御され(G1)、
−その後に、前記一次巻線(L1)から放出されたエネルギが、第二相で第2の一次スイッチ(D1)を介して負荷に導かれ、それによって前記一次巻線(L1)の電流が減少され、
この方法が、前記変換の効率を向上させるために、前記二次巻線(L2)および/または別のエネルギ源のエネルギが前記一次巻線(L1)の電流(I1)の前記減少中に前記一次巻線(L1)に伝達されることを特徴とする方法。 - 電力を変換するための方法であって:
−第一相で、入力電圧(U)のパルス(G1)を強磁性コア(F)の一次巻線(L1)に接続するために制御されるように第1の一次スイッチ(T1)を制御し、
−第二相で第2の一次スイッチ(T2)を介して負荷に導かれるように前記一次巻線(L1)からその後にエネルギを放出し、それによって前記一次巻線(L1)の前記電流(I1)が減少され、
−前記二次巻線(L2)の変換エネルギの効率を向上させるために、前記一次巻線および/または別のエネルギ源に前記一次巻線(L1)の電流(I1)の前記減少中に前記一次巻線(L1)にエネルギを伝達することを特徴とする方法。 - 請求項20に記載の方法であって、
−前記第二相中に第1の二次スイッチ(T2)が、前記一次巻線(L1)から前記負荷へのエネルギの放出を増大するために入力電圧(U)のパルス(G2)を前記強磁性コア(F)の二次巻線(L2)に接続するように制御され、および
−前記第一相中に前記コア(F)の前記二次巻線(L2)から放出されたエネルギが、第2の二次一次スイッチ(D1)を介して前記負荷に導かれることを特徴とする方法。 - 電力を変換するために連結される、請求項1−15のいずれかに記載のスイッチングコンバータによって電力を変換する方法であって、
前記方法が:
−前記第一相で、前記コア(F)内に磁束を作り出すためにその電流(I1)を増大するように前記一次巻線(L1)を付勢する一次制御パルス(G1)によって前記第1の制御可能スイッチ(T1)を制御する(515)ステップ、
−前記一次制御パルス(G1)によって、前記制御パルス(G1)中に前記一次巻線(L1)を入力電力(P)に接続するために前記第1の制御可能な一次スイッチ(T1)をオン状態にスイッチする(512)ステップ、
−前記第二相で、前記一次パルス(G1)のすぐ後に前記二次パルス(G2)中にオン状態の前記第2の一次スイッチ(T2)経由で入力電力(P)の二次パルス(G2)によって前記二次巻線(L2)を付勢する(513)ステップ、
−前記第1の制御可能な一次スイッチ(T1)をオフ状態に設定することによって、前記一次パルス(G1)のオン状態の間に前記負荷に前記磁束の磁気エネルギを放出し、それによって前記一次巻線(L1)の電流(I1)が減少するように前記一次巻線(L1)を方向付ける(514)ステップを含むことを特徴とする方法。
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