JP2018527868A - 公称キャパシタ電圧を低減するためのコンバータ回路 - Google Patents

Abstract

本発明は、公称キャパシタ電圧を低減するためのコンバータ回路１に関する。コンバータ回路１は、入力電圧Ｖ_Ｇを受け取るように構成される入力ノードＴＩ_１と、ロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２に出力電圧Ｖ_Ｏを供給するように構成される出力ノードＴＯ_１、ＴＯ_２と、入力電圧がキャパシタＣ_１、Ｃ_２とロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２との間で分けられるようにロードに結合されるキャパシタＣ_１、Ｃ_２であって、入力電圧Ｖ_Ｇと出力電圧Ｖ_Ｏの間の差電圧に一致する電圧に充電されるように構成されるキャパシタＣ_１、Ｃ_２と、を有する。

Description

本発明は、電源の分野に関する。特に、本発明は、公称キャパシタ電圧を低減するためのコンバータ回路に関する。

多くの高出力デバイスは、プレコンディショナ段を必要とし、すなわち、高出力デバイスが広範囲の入力電圧で動作することを可能にするＤＣ−ＤＣ電力コンバータを必要とする。高出力デバイスの代表的な例は、Ｘ線又は磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）のような医療アプリケーションで広く使用されている高電圧生成器（High-Voltage Generator、ＨＶＧ）である。ＨＶＧは、８０ｋＷのレンジの電力を供給する。

プレコンディショナは、概して、生（raw）の調整されていない電圧を供給され、この電圧は、多くの場合、整流された三相電源電圧である。プレコンディショナに関する仕様は、それが広いレンジの、例えば公称値プラス／マイナス５０％の入力電圧を扱えることを必要としうる。しかしながら、出力電圧は、十分に調整されなければならない。仕様は、例えば５％のレンジの最大ピーク間リップルを設定することができる。更に、これらの仕様は、１００ｋＷを越える高電力を供給する間も満たされなければならない。

高電力のため、線形的な調整は実行不可能である。スイッチングモードの電源によりこのようなプレコンディショナを実現する場合、すべての電力コンポーネントは、高いストレスに支配される。

欧州特許出願公開第1815582B1号公報は、入力電圧を受け取る入力端子を有するプレコンディショナ回路を記述しており、前記プレコンディショナは、ロードに印加するために前記入力電圧を変更し、プリコンディショナ回路は、少なくとも２つのプレコンディショナモジュールを有し、各プレコンディショナモジュールは、個々のロードモジュールへの接続ために入力及び出力を有する。

スイッチングモードコンバータトポロジを改善するニーズがありうる。

これらのニーズは、独立請求項の主題によって達成される。他の例示的な実施形態は、従属請求項及び以下の記述から明らかである。

本発明の一見地は、公称キャパシタ電圧を低減するためのコンバータ回路に関する。コンバータ回路は、入力電圧を受け取るように構成される入力ノードと、第１のロード及び第２のロードにそれぞれ第１の出力電圧及び第２の出力電圧を供給するように構成される第１の出力ノード及び第２の出力ノードと、を有する。コンバータ回路は、第１の出力ノードと第１の選択ノードとの間に結合される第１のインダクタと、第２の出力ノードと第２の選択ノードとの間に結合される第２のインダクタと、を有する。第１のスイッチが、第１の選択ノードを、第２の出力ノード又はグラウンドに接続するように構成され、第２のスイッチが、第２の選択ノードを、第１の出力ノード又は入力電圧ノードに接続するように構成される。第１のキャパシタは、入力電圧が第１のキャパシタと第１のロードとの間で分圧されるように第１のロードに結合され、第１のキャパシタは、入力電圧と第１の出力電圧との間の差電圧に一致する電圧に充電されるように構成される。第２のキャパシタは、入力電圧が第２のキャパシタと第２のロードの間で分圧されるように第２のロードに結合され、第２のキャパシタは、入力電圧と第２の出力電圧との間の差電圧に一致する電圧に充電されるように構成される。第１のキャパシタは、第１のロードとグラウンドとの間に結合され、第２のキャパシタは、第２の出力ノードと、入力電圧を受け取るように構成される入力ノードとの間に結合される。

言い換えると、パワーコンバータのキャパシタは、出力電圧に充電されるのではなく、入力電圧及び出力電圧の電圧差に充電される。入力電圧は、コンバータに供給される電圧であり、出力電圧は、コンバータによってロードに供給される電圧に一致し、２以上のロードがありえ、その結果、２以上の出力電圧を生じさせることができる。

言い換えると、更に、パワースイッチの電圧ストレスが低減され、ゆえに、スイッチのスイッチング性能及びスイッチング特性を改善し、スイッチのサービス時間及び耐久性を改善する。

供給電圧がロードとキャパシタとの間で分圧されるように、パワーコンバータのロード及びキャパシタが接続される。このようにして、これらの素子の各々は、より低い電圧を扱える。

言い換えると、分圧器が入力電圧を２つの電圧に分ける回路の形で提供されるように、パワーコンバータのキャパシタ及びロードが結合され、２つの電圧は、第１の電圧として、ロードに供給され、入力電圧の第１の部分を表す出力電圧、及び第２の電圧として、キャパシタに供給され、入力電圧の第２の部分を表すキャパシタ電圧である。分圧は、例えばロード及びキャパシタのような分圧器のコンポーネントの間で入力電圧を分配する結果である。

更に、第２の本発明の見地は、第１の見地による、又は、第１の見地の任意の実現形態による、コンバータ回路を有する高電圧供給モジュールに関し、高電圧供給モジュールは、コンバータ回路から受け取られる出力電圧を、高電圧供給としてロードに提供するように構成される。

本発明により、キャパシタは、ロードとグラウンドとの間に結合される。これは、有利には、低減された耐電圧又は低減された絶縁耐力又は低減された公称キャパシタ電圧をもつキャパシタを使用することを可能にする。

本発明により、キャパシタは、ロードと、入力電圧を受け取るように構成される入力ノードとのの間に結合される。これは、有利には、キャパシタの公称電圧を低減することを可能にする。

本発明により、２つのキャパシタのうち第１のキャパシタは、２つのロードのうちの第１のロードと、グラウンドとの間に結合され、２つのキャパシタのうちの第２のキャパシタは、２つのロードのうちの第２のロードと、入力ノードとの間に結合される。これは、有利には、低電圧コンポーネント又は低電圧キャパシタを使用することを可能にする。

本発明により、コンバータ回路は、インダクタを有する。これは、有利には、磁気エネルギーの形でエネルギーを周期的に記憶し放出することによって、電力変換を実施することを可能にする。

本発明により、コンバータ回路は、スイッチを有する。これは、有利には、リアクタンスコンポーネントにおいてエネルギーを周期的に記憶し放出することによって実施される電力変換プロセスを制御することを可能にする。

本発明の例示的な実施形態によれば、コンバータ回路は、インターリーブ方式のバック（buck）コンバータであり、コンバータ回路は、２つのインダクタ及び２つのスイッチを有する。

本発明のこれらの及び他の見地は、以下に記述される実施形態から明らかになり、それらを参照して説明される。

本発明の例示的な実施形態は、添付の図面を参照して以下に記述される。

本発明及びその効果のより完全な評価は、添付の図面を参照することにより明確に理解される。図面は一定の縮尺で描かれていない。

本発明を説明するためのインターリーブ方式のバックコンバータトポロジを示す概略図。 一例による、公称キャパシタ電圧を低減するためのコンバータ回路を示す概略図。 一例による、高電圧供給モジュールを示す概略図。

図面の図示は、全く概略的なものであり、縮尺関係又はサイズ情報を提供することを意図しない。それぞれ異なる図面において、同様の又は同一の構成要素は、同一の参照番号を付与されている。

概して、同一の部分、ユニット、エンティティ又はステップは、説明において同じ参照符号を付与されている。

本発明の実施形態における技術的な解決策は、添付の図面を詳細に参照して、本発明の実施形態において以下に明確に及び完全に記述される。

図１は、本発明を説明するためのインターリーブ方式のバックコンバータトポロジの概略図を示す。

スイッチングモード電力コンバータは、リアクタンスコンポーネントにおいてエネルギーを周期的に記憶し放出することによって、電力変換を実施する。このプロセスは、電力スイッチによって制御される。

例えばバックコンバータ、ブーストコンバータ、バックブーストコンバータ又はフルブリッジコンバータのような異なる電力コンバータトポロジが、インダクタ内にエネルギーを記憶し、すなわち、それらは、インダクタの巻線に流れる電流から生じる磁界のエネルギーストレージを提供する。

キャパシタＣ_１、Ｃ_２及びスイッチＳ_１、Ｓ_２は、ロードと並列に接続されるので、それらは、供給電圧Ｖ_ＩＮに関係なく、値Ｖ_Ｏの調整された電圧に支配される。全体の出力電流は、両方のロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２の間に部分的に分配され、これは更に、インダクタＬ_１、Ｌ_２の電流を最小限にする。

その結果、電力コンポーネントのストレスは、独立したバックコンバータに基づく通常のインプリメンテーションよりもずっと低く、通常のインプリメンテーションでは、例えばすべてのスイッチが、電源電圧に支配される。

図１に示す他の参照符号は、図２に関連して以下に詳細に記述される。

図２は、本発明の例示的な実施形態による公称キャパシタ電圧を低減するためのコンバータ回路の概略図を示す。インターリーブ方式のバックコンバータの形のコンバータ回路の基本動作は、２つのインダクタＬ_１、Ｌ_２の電流が、２つのスイッチＳ_１、Ｓ_２によって制御されるようにする。

図２は、公称キャパシタ電圧を低減するためのコンバータ回路を示し、コンバータ回路は、入力ノードＴＩ_１、２つの出力ノードＴＯ_１、ＴＯ_２、２つのロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２、２つのキャパシタＣ_１、Ｃ_２、２つの電力スイッチＳ_１、Ｓ_２を有する。入力ノードＴＩ_１は、入力電圧Ｖ_Ｇを受け取るように構成され、入力電圧Ｖ_Ｇは、コンバータ回路に提供される。

出力ノードＴＯ_１、ＴＯ_２は、２つのロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２に出力電圧Ｖ_Ｏを供給するように構成される。

２つのロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２は、出力電圧Ｖ_Ｏを受け取るように構成される。

供給電圧がキャパシタＣ_２とロードＲ_Ｌ２との間で分けられるように、ロードＲ_Ｌ２及びキャパシタＣ_２が接続される。このようにして、これらの構成要素の各々は、より低い電圧を扱える。言い換えると、キャパシタＣ_２は、入力ノードＴＩ_１と出力ノードＴＯ_２との間に接続される。

２つのキャパシタＣ_１、Ｃ_２、は、２つのロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２に結合されており、入力電圧Ｖ_Ｇと出力電圧Ｖ_Ｏ１又はＶ_Ｏ２との間の差電圧に一致する電圧に充電されるように構成される。

本発明により、コンバータ回路１は、２つのインダクタＬ_１、Ｌ_２を有する。第１のインダクタＬ_１は、第１の出力ノードＴＯ_１と第１の選択ノードＳＮ_１との間に結合され、第２のインダクタＬ_２は、第２の出力ノードＴＯ_２と第２の選択ノードＳＮ_２との間に結合される。

本発明により、コンバータ回路は、２つのスイッチＳ_１、Ｓ_２を有する。２つのスイッチＳ_１、Ｓ_２は、トランジスタのようなスイッチング素子でありえ、２つのスイッチＳ_１、Ｓ_２は、金属−酸化物−半導体電界効果トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ、ＭＯＳ−ＦＥＴ又はＭＯＳ ＦＥＴ）、又はｎチャネルＩＧＦＥＴ（絶縁ゲート電界効果トランジスタ）、又はダイオードによって、提供されることができる。第１のスイッチＳ_１は、第１の選択ノードＳＮ_１を、第２の出力ノードＴＯ_２又はグラウンドＧ_１に接続するように構成され、第２のスイッチＳ_２は、第２の選択ノードＳＮ_２を、第１の出力ノードＴＯ_１又は入力電圧ノードＶ_Ｇに接続するように構成される。本発明の例示的な実施形態により、第１のキャパシタＣ_１は、第１のロードＲ_Ｌ１とグラウンドＧ_１との間に結合されることができる。

本発明の例示的な実施形態により、キャパシタに関する仕様は、キャパシタが耐える必要がある最大電圧に対して低減される。

本発明の例示的な実施形態により、より正確には、キャパシタは、Ｖ_Ｇ−Ｖ_Ｏ１又はＶ_Ｇ−Ｖ_Ｏ２に充電される。例えば、コンバータに供給される電圧又は入力電圧がＶ_Ｇ＝６００Ｖであり、コンバータによって供給される電圧又は出力電圧がＶ_Ｏ１＝４００Ｖである場合、キャパシタは、図１に示すように従来のトポロジでは４００Ｖに充電されるが、図２に示すトポロジにおいて用いられるキャパシタは、わずか２００Ｖ、すなわち差電圧Ｖ_Ｇ−Ｖ_Ｏ１に充電される。

本発明の例示的な実施形態によれば、キャパシタは、ロードと並列にではなく、ロードと、制御された電圧との間に結合される。上述したように、キャパシタは、Ｖ_Ｇ−Ｖ_Ｏ１又はＶ_Ｇ−Ｖ_Ｏ２に充電される。

本発明の例示的な実施形態によれば、それぞれ異なるロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２における電圧Ｖ_Ｏ、すなわち出力電圧として提供される電圧Ｖ_Ｏは、同じである必要はない。言い換えると、コンバータ回路１は、個々の異なるロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２に同時に異なる出力電圧Ｖ_Ｏを提供することができる。これらの異なるロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２の出力電圧Ｖ_Ｏが、同じでない場合であってもキャパシタＣ_１、Ｃ_２は、なお低減された電圧から利益を得る。唯一の違いは、キャパシタＣ_１、Ｃ_２がそれぞれ異なる電圧に充電されることである。

図３は、本発明の例示的な実施形態に従って、高電圧供給モジュールの概略図を示す。

高電圧供給モジュール１００は、低減された公称キャパシタ電圧を有するコンバータ回路１を有することができる。

コンバータ回路１は、任意のデュアル出力スイッチングモード電源において使用されることができる。特に、コンバータ回路１は、高電力を扱えるプリレギュレータのために使用されることができる。

本発明の例示的な実施形態により、コンバータ回路１は、プレコンディショナ段、すなわち、高出力デバイスが広範囲な入力電圧により動作することを可能にするＤＣ−ＤＣ電力コンバータにおいて使用されることができる。

本発明の例示的な実施形態により、高電圧供給モジュール１００は、コンバータ回路１から受け取られる出力電圧Ｖ_Ｏを、ロードＲ_Ｌ１、Ｒ_Ｌ２に対する高電圧電源として提供するように構成されることができる。

本発明の例示的な実施形態により、高電圧供給モジュール１００は、１つの特性セットの利用可能な電力を、指定された要求を満たす別の特性セットに変換するデバイスでありうる。

本発明の実施形態は、それぞれ異なる主題に関して記述されていることに留意すべきである。特に、ある実施形態は、方法タイプの請求項に関して記述されているが、他の実施形態は、装置タイプの請求項に関して記述されている。

しかしながら、当業者であれば、上述の記述から、他の場合が特に示されない限り、主題の１つのタイプに属する特徴の組み合わせに加えて、個々の異なる主題に関する特徴間の任意の組み合わせが、本願明細書によって開示されていると考えられることが分かるであろう。

しかしながら、すべての特徴は、これらの特徴の簡単な総和より多くの相乗効果を伴って組み合わせられることができる。

本発明は、図面及び上述の説明において詳しく図示され記述されているが、このような図示及び記述は、制限的ではなく、説明的又は例示的であると考えられることができる。本発明は、開示される実施形態に制限されない。

開示された実施形態に対する他の変更例が、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求項に記載の本発明を実施する当業者によって、理解され達成されることができる。

請求項において、「含む、有する（comprising）」という語は他の構成要素又はステップを除外せず、不定冠詞「a」又は「an」は複数性を除外しない。単一のプロセッサ又はコントローラ又は他のユニットは、請求項に列挙される幾つかのアイテムの機能を果たすことができる。

特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙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使用されることができないことを示さない。請求項における参照符号は、請求項の範囲を制限するものとして解釈されるべきでない。

Claims (5)

1. 公称キャパシタ電圧を低減するためのコンバータ回路であって、
   入力電圧を受け取る入力ノードと、
   第１のロード及び第２のロードにそれぞれ第１の出力電圧及び第２の出力電圧を供給する第１の出力ノード及び第２の出力ノードと、
   前記第１の出力ノードと第１の選択ノードとの間に結合される第１のインダクタと、
   前記第２の出力ノードと第２の選択ノードとの間に結合される第２のインダクタと、
   前記第１の選択ノードを、前記第２の出力ノード又はグラウンドのいずれかに接続する第１のスイッチと、
   前記第２の選択ノードを、前記第１の出力ノード又は前記入力電圧ノードのいずれかに接続する第２のスイッチと、
   前記入力電圧が第１のキャパシタと前記第１のロードとの間で分けられるように前記第１のロードに結合される第１のキャパシタであって、前記入力電圧と前記第１の出力電圧との間の差電圧に一致する電圧に充電されるように構成される第１のキャパシタと、
   前記入力電圧が第２のキャパシタと前記第２のロードとの間で分けられるように前記第２のロードに結合される第２のキャパシタであって、前記入力電圧と前記第２の出力電圧との間の差電圧に一致する電圧に充電されるよう構成される第２のキャパシタと、
   を有し、前記第１のキャパシタが、前記第１のロードとグラウンドとの間に結合され、前記第２のキャパシタが、前記第２の出力ノードと、前記入力電圧を受け取る前記入力ノードとの間に結合される、コンバータ回路。
2. 前記第１のロードが、前記入力ノードと前記第１の出力ノードとの間に接続される、請求項１に記載のコンバータ回路。
3. 前記第２のロードが、前記第２の出力ノードとグラウンドとの間に接続される、請求項１又は２に記載のコンバータ回路。
4. 前記コンバータ回路が、インターリーブ方式のバックコンバータである、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のコンバータ回路。
5. 請求項１乃至４のいずれか１項に記載のコンバータ回路を有する高電圧供給モジュールであって、前記コンバータ回路から受け取られる出力電圧を、高電圧供給としてロードに供給するように構成される、高電圧供給モジュール。

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