JP2022537565A - Ａｃ電圧から電力を供給するためのデバイス - Google Patents

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Abstract

【解決手段】本明細書は、AC電圧から電圧を供給するためのデバイスに関し、このデバイスは、－容量性素子(120) と、－容量性素子(120) の端子間のハーフブリッジ構成の２つのスイッチ(132H, 132L)と、－AC電圧を印加するための端子(102, 104)と、－AC電圧を印加するための端子の１つ(104) をスイッチ(132H, 132L)間の接合ノード(136) に接続する第１の巻線(162) を有する変圧器(160) と、－スイッチ(132H, 132L)を切り替えて、変圧器(160) の第２の巻線(164) を通って流れるAC電流(I164)を受けて、AC電流の周波数に、及び／又はAC電流を受けたときに対するAC電流の位相シフトに作用することにより、デバイスによって供給される電圧を調節するように構成されている一又は複数の回路(170, 180, 140)とを備えている。

Description

本開示は一般に電子回路に関し、より具体的にはAC電圧から電力を供給することができるデバイスに関する。
様々なデバイスは、電力供給網の電圧とは異なる電圧によって電気的に電力が供給される。例えば、接続された物体、携帯電話、デジタルタブレットなどの携帯電子機器は、電池などの電力貯蔵部を備えている。電池は、例えば５Ｖの典型的なDC電圧で充電される。更に、この電圧を使用して、機器に直接電力を供給してもよい。電力供給デバイスにより、典型的には略230 Ｖ(rms.)及び50Hz又は略120 Ｖ(rms.)及び60Hzで電気回路網のAC電圧からこの電圧を得ることができる。
実施形態は、AC電圧から電力を供給する既知のデバイスの不利点の全て又は一部を克服する。
実施形態は、同一の供給電力に関して既知のデバイスより加熱を低下させる電力供給デバイスを提供する。
実施形態は、既知のデバイスの変換効率より高い変換効率を有する電力供給デバイスを提供する。
実施形態は、特にコンパクトな電力供給デバイスを提供する。
従って、実施形態は、入力端子に印加されるAC電圧から２つの出力端子間にDC電圧を供給するためのデバイスであって、
－ 第１の容量性素子と、
－ 前記第１の容量性素子の端子間のハーフブリッジの２つの第１のスイッチと、
－ 前記第１の容量性素子の端子間に電気的に直列に接続されている２つの第２のスイッチと、
－ 前記第１のスイッチ間の接合ノードと前記入力端子の一方との間に配置されている第１の巻線を有する変圧器と
を備えており、前記入力端子の他方は、前記第２のスイッチ間の接合ノードに連結されており、
－ 前記出力端子間に電気的に直列に接続されている２つの第２の容量性素子、及び、前記出力端子の一方と前記変圧器の第２の巻線との間に夫々配置されている２つの第３のスイッチを有している、DC電圧を供給する全波整流回路と、
－ 前記第１のスイッチを切り替えて前記第２のスイッチを制御するように構成されている回路と、
－ 前記デバイスによって供給される電圧を制御するように構成されている回路であって、スイッチング周波数に、及び／又は、前記第２の巻線を通って流れるAC電流が方向を変える時点と前記第３のスイッチの切り替えの次の時点との間の遅延に作用する前記回路と
を更に備えている、デバイスを提供する。
実施形態によれば、前記デバイスは、
－ DC電圧の値を与える電圧センサと、
－ 前記スイッチング周波数に、及び／又は前記DC電圧の値に基づく前記遅延に作用するように構成されている回路と
を備えている。
実施形態によれば、前記デバイスは、前記AC電圧の各半波で、少なくとも前記半波の中央段階中に前記第２のスイッチの１つをオンにするように構成されている回路を備えており、前記第２のスイッチの１つは前記半波の符号の関数である。
実施形態によれば、前記デバイスは、前記第１のスイッチの切り替えのデューティ比に作用することにより、電流設定値に応じて、前記入力端子を通って流れる電流の移動平均を調整するように構成されている回路を備えている。
実施形態によれば、前記電流設定値は、前記AC電圧の値とコンダクタンス値を乗算した結果を表す値を有する。
実施形態によれば、前記デバイスは、前記コンダクタンス値に作用することにより、前記第１の容量性素子の電圧の値を調整するように構成されている回路を備えている。
実施形態によれば、前記デバイスは、前記第１の容量性素子の端子の少なくとも１つに関して、前記入力端子の１つを前記第１の容量性素子の端子に連結する追加の容量性素子を備えている。
実施形態によれば、前記デバイスは、前記中央段階間の移行段階中に前記第２のスイッチを遮断するように構成されている回路を備えている。
実施形態によれば、前記デバイスは、前記移行段階後の前記中央段階中にオンにされる前記第２のスイッチに所定の電圧値を得るべく、各移行段階で前記第１のスイッチの切り替えのデューティ比を徐々に変えるように構成されている回路を備えている。
実施形態によれば、各移行段階後の前記中央段階は、前記AC電圧が前記所定の電圧値を有する時点で開始する。
実施形態によれば、各中央段階後の前記移行段階は、前記AC電圧が前記所定の電圧値を有する時点で開始する。
実施形態によれば、前記デバイスは、切り替えの時点で前記第１のスイッチの各々の端子間にゼロ電圧を得るように構成されている回路を備えている。
実施形態によれば、前記変圧器は１未満の結合係数を有する。
実施形態によれば、前記第１のスイッチはHEMTタイプのトランジスタである。
実施形態は、上記に定められているようなデバイスを備えている、USB-C コネクタにより電力を供給するデバイスを提供する。
前述及び他の特徴及び利点は、添付図面を参照して本発明を限定するものではない実例として与えられる以下の特定の実施形態に詳細に記載されている。
AC電圧から電力を供給するデバイスの実施形態を概略的に示す図である。 図１のデバイスの動作を概略的に示すタイミング図である。 AC電圧から電力を供給するデバイスの別の実施形態を概略的且つ部分的に示す図である。 AC電圧から電力を供給するデバイスの別の実施形態を部分的且つ概略的に示す図である。 図４のデバイスによって実行される方法の例を示すフローチャートである。 図５の方法を実行するときの図４のデバイスの動作を示すタイミング図である。 図１のデバイスの全波整流回路の例を示す図である。 図１のデバイスの全波整流回路の別の例を示す図である。
同様の特徴が、様々な図面で同様の参照符号によって示されている。特に、様々な実施形態に共通する構造的特徴及び／又は機能的特徴は同一の参照符号を有してもよく、同一の構造特性、寸法特性及び材料特性を有してもよい。
明瞭化のために、本明細書に記載されている実施形態の理解に有用なステップ及び要素のみが示されて詳細に記載されている。
特に指定されていない場合、共に接続された２つの要素を参照するとき、これは、導体以外のいかなる中間要素も無しの直接接続を表し、共に連結された２つの要素を参照するとき、これは、これら２つの要素が接続され得るか、又は一若しくは複数の他の要素を介して連結され得ることを表す。
以下の開示では、特に指定されていない場合、「前」、「後ろ」、「最上部」、「底部」、「左」、「右」などの絶対位置、若しくは「上方」、「下方」、「上側」、「下側」などの相対位置を限定する文言、又は「水平」、「垂直」などの向きを限定する文言を参照するとき、この文言は図面の向きを指す。
特に指定されていない場合、「約」、「略」、「実質的に」及び「程度」という表現は、該当する値の１０％の範囲内、好ましくは５％の範囲内を表す。
図１は、値Vin のAC電圧から電力を供給するデバイス100 の実施形態を概略的に示す。
AC電圧は電気回路網の電圧であり、前提として記載されているような電圧及び周波数の値を有することが好ましい。これは限定ではなく、AC電圧は、他の電圧値、好ましくは略1.5 kV未満のピーク値、及び／又は、好ましくは略１kHz 未満の他の周波数を有してもよい。例えば、電圧は、搭載されたデバイス、例えば車両のオルタネータ、又は搭載された電力供給網によって供給されてもよい。
AC電圧は、デバイス100 の入力端子を形成するノード102 及びノード104 に印加される。このAC入力電圧が相及び中性点を有する回路網の電圧である場合、ノード102 及びノード104 への印加の２つの相／中性点方向が可能である。デバイス100 は、ノード102 及びノード104 に連結されている、好ましくは接続されている電圧センサ(V) 105 を備えていることが好ましい。電圧センサ105 は、入力電圧の値Vin を毎回与える。
デバイス100 は、電子デバイス（不図示）に電力を供給するための電圧を端子106 及び端子108 間に供給する。このため、端子106 及び端子108 はデバイスの出力端子を形成している。デバイス100 は、電力を供給すべき電子デバイスへの電気接続を可能にするコネクタ110 を備えていることが好ましい。例えば、コネクタ110 は、現在USB-C コネクタと称されるＣタイプのUSB （「ユニバーサルシリアルバス」）コネクタである。出力端子106, 108は、例えばUSB-C コネクタのピンの一部に相当する。この例は限定ではなく、記載された実施形態は、電子デバイスへの通常の接続モードと適合する。
デバイス100 によって供給される電圧は、例えば５ＶのDC電圧であることが好ましい。このように、デバイスはAC／DCコンバータを形成している。例として、デバイス100 によって供給される電力は、動作中にゼロと最大電力との間で異なってもよい。最大電力は、例えば500 Ｗ未満であり、好ましくは100 Ｗ以下であり、より好ましくは100 Ｗである。この例は限定ではなく、デバイスは他のDC電圧レベルを供給してもよい。
デバイス100 は、２つの端子122H及び端子122Lを有する容量性素子120 を備えている。容量性素子120 は、端子122H及び端子122L間にコンデンサ又は電気的に並列及び／若しくは直列に接続されているコンデンサの集合体を有している、例えば、このようなコンデンサによって形成されていることが好ましい。
デバイス100 は、容量性素子120 の端子122H及び端子122L間にスイッチ130H及びスイッチ130Lを直列に備えている。デバイス100 は、容量性素子120 の端子122H及び端子122L間にスイッチ132H及びスイッチ132Lを直列に更に備えている。より正確には、端子122Hはスイッチ130H及びスイッチ132Hに連結されており、好ましくは接続されている。端子122Lはスイッチ130L及びスイッチ132Lに連結されており、好ましくは接続されている。ノード134 がスイッチ130L及びスイッチ130Hを直列に連結しており、好ましくは直列に接続している。ノード136 がスイッチ132H及びスイッチ132Lを直列に連結しており、好ましくは直列に接続している。
スイッチ130H, 130L, 132H, 132Lはトランジスタを有しているか、又はトランジスタによって形成されていることが好ましい。トランジスタは、電界効果タイプ、例えばMOS タイプのトランジスタであることが好ましい。そのため、トランジスタのチャネルタイプは通常、トランジスタによって遮断される電圧の符号及びトランジスタに与えられる制御信号に応じて定められる。スイッチ130H, 130L, 132H, 132Lを形成するトランジスタは、例えばガリウムヒ素半導体を含む高電子移動度トランジスタ（HEMT）タイプのトランジスタであることがより好ましい。このようなトランジスタは、オン状態で特に高いコンダクタンスを有し、特に高い電力効率を可能にする。トランジスタは、好ましくはノーマリーオフタイプのトランジスタであるが、ノーマリーオンタイプのトランジスタであってもよい。記載された実施形態を、例えばD. Bergogne らの文献「Normally-On SiC JFETs in power converters: Gate driver and safe operation」2010 6th International Conference on Integrated Power Electronics Systems, Nuremberg, 2010, p. 1-6に記載されているようなノーマリーオンタイプのトランジスタに適合させることは当業者の技能の範囲内である。
スイッチ130H, 130Lは、例えば制御回路138 (DRV) によって制御される。実施形態によれば、制御回路138 はAC電圧の値Vin を受信する。そのため、制御回路138 は、ノード102 の電位がノード104 の電位より大きい場合、すなわち、ノード104 及びノード102 間のAC電圧が正の半波である場合、スイッチ130Hが導電性を有し（オンであり）、スイッチ130Lが非導電性を有する（オフである）ように構成されている。同様に、ノード102 の電位がノード104 の電位より小さい場合、すなわち、ノード104 及びノード102 間のAC電圧が負の半波である場合、スイッチ130Lがオンであり、スイッチ130Hがオフである。これは限定ではなく、半波の符号が取り替えられてもよく、及び／又はスイッチ130H, 130Lが、図３～図５に関連して以下に記載されているような他の実施形態に従って制御されてもよい。
スイッチ132H, 132Lは、制御回路140 (DRV) によって制御される。動作中、制御回路140 は、スイッチ132H及びスイッチ132Lを交互にオンにすることができる。オンにされなかったスイッチはオフである。言い換えれば、スイッチ132H及びスイッチ132Lは反対に切り替えられる。このように、スイッチは制御されたハーフブリッジを形成している。各切り替えは、ハーフブリッジのスイッチの一方がオンである状態からハーフブリッジのスイッチの他方がオンである状態への切り替えに相当する。各切り替えステップにより、特にハーフブリッジの２つのスイッチが切り替え中に同時的にオンになるのを避けることができる。例えば、これらのステップを容易にするために、ハーフブリッジのスイッチの各々が、トランジスタのソースによって形成されたアノード及びトランジスタのドレインによって形成されたカソードを有するダイオードを有しているトランジスタであってもよい。記載された実施形態は、制御されたハーフブリッジの通常の切り替えステップと適合する。
従って、各スイッチ132H, 132Lはオン状態からオフ状態に連続的に切り替わる。この一連の状態又はサイクルは、スイッチング周波数と称される周波数ｆで繰り返される。スイッチ132Hのオン／オフ状態は、スイッチ132Hのオン状態の継続時間対サイクルの継続時間全体の比によって各サイクルで定められるデューティ比αで制御される。スイッチング周波数及びデューティ比は、例えば制御回路140 によって受信される。デューティ比αを与える回路の非制限例が図３～６に関連して以下に記載されている。変形例として、デューティ比は、スイッチ132Lのオン状態の継続時間対サイクルの継続時間全体の比によって定められる。
スイッチング周波数ｆは、AC電圧の周波数より高いスイッチング周波数の範囲内であり、例えばAC電圧の周波数より10倍、好ましくは100 倍、より好ましくは1,000 倍高い。例として、スイッチング周波数の範囲は、50 kHzと10 MHzとの間であり、好ましくは100 kHzと３MHz との間である。
AC電圧が印加されるノードの一方（ノード102 ）はノード134 に連結されており、好ましくは接続されている。ノード102 とノード134 との間の接合部分に電流センサ150 (I) が設けられていることが好ましい。電流センサ150 は、ノード102 を通ってデバイス100 に入る電流の値Iin を常時与える。ノード102 とノード134 との間の接合部分は、電流センサ150 が存在する場合であっても、10ｍΩ未満、より好ましくは５ｍΩ未満の抵抗値を有することが好ましい。
AC電圧が印加されるノードの他方のノード（ノード104 ）は、変圧器160 の巻線162 によってノード136 に連結されており、好ましくは接続されている。言い換えれば、巻線162 はノード104 とノード136 との間に配置されている。変圧器160 は別の巻線164 を更に有している。変形例では、電流センサ150 は、ノード102 とノード134 との間の代わりに、ノード104 と変圧器160 との間、又は変圧器160 とノード136 との間に配置されている。
変圧器160 は、巻線162 と巻線164 との間に変圧器の１未満の結合係数に対応する漏れインダクタンスを有する。変圧器160 は、巻線162 と巻線164 との間に１未満、例えば0.8 と0.98との間の結合係数を有することが好ましい。変圧器160 は、スイッチング周波数の範囲の少なくとも１つの周波数、例えばスイッチング周波数の範囲の全ての値に関して、このような結合係数を有する。結合係数の効果は、外部インダクタンスを直列に追加することによって得られてもよい。
デバイス100 は、巻線164 を横切って連結されている、好ましくは接続されている回路170 を更に備えている。回路170 は、端子106 及び端子108 に連結されており、好ましくは接続されている。回路170 は、デバイス100 によって供給される電圧を端子106 及び端子108 間に供給するように構成されている。
好ましい実施形態によれば、回路170 は、出力端子106 及び出力端子108 間に直列に連結されている、好ましくは接続されている２つの容量性素子172H, 172Lを有している。従って、ノード173 が容量性素子172H及び容量性素子172Lを直列に連結しており、好ましくは接続している。容量性素子172H, 172Lは、コンデンサ又は直列及び／若しくは並列に接続されている複数のコンデンサを夫々有してもよく、又はこのようなコンデンサによって形成されてもよい。
回路170 は、出力端子106 及び出力端子108 間に電気的に直列に連結されている、好ましくは接続されている２つのスイッチ174H, 174Lを有していることが好ましい。スイッチ174H, 174Lは、好ましくはトランジスタである。従って、ノード175 がスイッチ174H及びスイッチ174Lを電気的に直列に連結しており、好ましくは接続している。スイッチ174H, 174Lは、例えば回路170 に含まれている制御回路176 (DRV) によって制御される。スイッチ174H及びスイッチ174Lは、制御されたハーフブリッジを形成している。巻線164 は、ノード173 及びノード175 を互いに連結しており、好ましくは接続している。従って、スイッチ174H, 174Lは、夫々の端子106, 108を巻線164 に連結しており、好ましくは接続している。言い換えれば、スイッチ174H, 174Lは、夫々の端子106, 108と巻線164 との間に配置されている。
動作中、スイッチ132H, 132Lを切り替えることにより、電流I164が、スイッチング周波数ｆで巻線164 に両方向に交互に流れる。例として、スイッチ174H, 174Lの切替時間が、例えば、電流値I164（センサ177 ）に基づき、及び／又は（例えば制御回路140 から生じる）スイッチング周波数に関する同期信号178 に基づき制御回路176 によって決定される。例として、電流I164がノード173 からノード175 に流れる場合、スイッチ174Hがオンになり、スイッチ174Lがオフになり、容量性素子172Hが充電される。電流I164がノード175 からノード173 に流れる場合、スイッチ174Lがオンになり、スイッチ174Hがオフになり、容量性素子172Lが充電される。従って、回路170 が変圧器160 の巻線164 を流れるAC電流を受けて、各容量性素子が２方向の一方に流れる電流を受けて、コネクタ110 の出力端子106 及び出力端子108 間に正のDC電圧を発生させる。
従って、回路170 は、巻線164 の両方向に流れる電流を受けて、この電流に基づきDC出力電圧を供給する。従って、回路170 は、DC電圧を供給する全波整流回路を形成している。回路170 の上述した好ましい実施形態は限定されず、回路170 は、好ましくは両方向に巻線164 を流れる電流を受けるように適合されたあらゆる回路と置き替えられてもよい。このような回路は、２方向の一方に流れる電流を受けるように夫々配置された２つの容量性素子を有していることが好ましい。２つのスイッチの一方又は他方をオンにすることにより、電流が２方向の一方又は他方に流れ得ることが好ましい。
変圧器160 は、巻線164 の代わりに複数の巻線を有してもよい。そのため、回路170 は、これらの巻線を流れる一又は複数の電流を受けるように適合されたあらゆる全波整流回路によって置き換えられてもよい。スイッチをオンにすることにより、この電流又はこれらの電流が流れ得ることが好ましい。回路170 を置き換えることができるこのような回路の例が、図７及び図８に関連して以下に記載されている。
更に、２つの巻線のみを有する変圧器、及び、変圧器を流れる電流を受けるための１つの回路がここに記載されているが、３以上の巻線を有する変圧器が設けられてもよい。そのため、変圧器の巻線を流れる電流を受けるための複数の回路が設けられてもよい。変形例として、変圧器は、ノード104 及びノード136 間に巻線を直列に有する複数の変圧器と置き替えられてもよい。
デバイス100 は、回路180 (CTRL)を更に備えている。回路180 は、出力端子106 及び出力端子108 間の、デバイス100 によって供給される出力電圧の値Vsを受信する。値Vsは、例えば端子106 及び端子108 に接続されている電圧センサ182 (V) によって与えられる。回路180 は出力電圧を制御する。回路180 は、出力電圧を調節又は調整することが可能であり、すなわち、出力電圧の値Vsを設定値Vrefと等しくすることが可能であることが好ましい。設定値Vrefは一定であり、すなわち、例えば５ＶのDC出力電圧に相当することが好ましい。これは限定ではなく、設定値Vrefは経時的に変わってもよい。
実施形態によれば、電圧値Vsを設定値Vrefと等しくするために、回路180 は、AC電流I164の周波数、すなわち、スイッチ132H及びスイッチ132Lのハーフブリッジのスイッチング周波数ｆに作用する。値Vsが設定値Vrefより小さい場合、周波数ｆを減少させる。図２に関連して以下に示されているように、このため、出力電圧の値Vsが増加する。同様に、値Vsが設定値Vrefより大きい場合、周波数ｆを増加させる。このため、出力電圧の値Vsが減少する。従って、周波数ｆは調節変数の機能を果たし、設定値に応じて値Vsを調整すべく調節変数に作用する。調整すべき値及び設定値から調節変数を得る方法は、本明細書に詳細に記載されておらず、記載された実施形態は、調整すべき値及び設定値から調節変数を得るための通常の方法と適合する。
実施形態によれば、電圧値Vsを設定値Vrefと等しくするために、回路180 は、AC電流I164とこの電流を２方向で受けるサイクルとの位相シフトＤに作用する。言い換えれば、スイッチ174H及びスイッチ174Lの切り替えサイクルは、AC電流I164の２方向の切り替えに対して位相シフトされる。位相シフトＤは、電流I164が方向を変える時点と、スイッチ174H及びスイッチ174Lを切り替える次の時点との間の遅延に相当する。値Vsが設定値Vrefより大きい場合、位相シフトＤを増加させる。図２に関連して以下に示されているように、このため、出力電圧の値Vsが減少する。同様に、値Vsが設定値Vrefより小さい場合、位相シフトＤを減少させ、その結果、出力電圧の値Vsが増加する。従って、位相シフトＤは調節変数の機能を果たし、設定値に応じて値Vsを調整すべく調節変数に作用する。
変形例として、回路180 は２つの位相シフト値を与える。位相シフト値の一方は、電流I164がノード173 からノード175 に流れ始める時点に対する、スイッチ174Lがオンになってスイッチ174Hがオフになる時点の遅延に相当する。位相シフト値の他方の値は、電流I164がノード175 からノード173 に流れ始める時点に対する、スイッチ174Hがオンになってスイッチ174Lがオフになる時点の遅延に相当する。
従って、回路180 は、周波数ｆ及び／又は位相シフトＤに作用することにより、設定値Vrefに対して出力電圧の値Vsを調整することが好ましい。設定値Vrefに対して出力電圧の値Vsを調整するために、回路180 は周波数ｆ及び位相シフトＤに同時的又は順に作用することがより好ましい。変形例として、回路180 は、値Vsを調整することなく値Vsを制御する。この変形例では、所望の電圧値Vsに対応する周波数ｆ及び位相シフトＤの値は、供給電流、デバイス100 によって受ける電圧及び／又は電流の値などの様々な動作パラメータに応じて予め定められている。
周波数閾値、例えばスイッチング周波数範囲の上限、及び位相シフト閾値、例えばゼロ位相シフトを選択することが好ましい。第１の動作モードでは、回路180 は、周波数ｆが周波数閾値未満のままである限り、位相シフト閾値と等しい位相シフトＤを維持することにより、周波数ｆに作用する。周波数ｆが周波数閾値に達する場合、回路180 は第２の動作モードに切り替わる。第２の動作モードでは、回路180 は、位相シフトＤが位相シフト閾値より大きいままである限り、周波数閾値と等しく周波数ｆを維持することにより、位相シフトＤに作用する。位相シフトＤが位相シフト閾値に達する場合、回路180 は第１の動作モードに切り替わる。
調節された電圧をAC電圧から得るために、AC電圧からコンデンサなどの電力貯蔵部に供給することを可能にする入力段階、次に、電力貯蔵部の電圧を調整された出力電圧に変換する出力段階を設けることが可能である。
２つの段階の間に電力貯蔵部を備えるこのようなデバイスと比較して、デバイス100 のスイッチはより少なく、デバイス100 の電力効率はより高い。スイッチの数がより少ないため、同一の供給電力で、よりコンパクトなデバイスを得ることが可能である。電力効率がより高いため、電力を節約して動作中の加熱を低下させることが可能である。
デバイス100 は、換気していない壁コンセントに配置されていることが好ましい。小型化を高めて動作中の加熱を低下させることにより、デバイス100 などのデバイスを備えた換気していない壁コンセントの形成が容易になる。
デバイス100 は、切り替えの時点でスイッチ132H及びスイッチ132Lの各々の端子間にゼロ電圧を得るように構成されている不図示の回路を更に備えていることが好ましい。スイッチのハーフブリッジのこのような動作モードは、ZVS 「ゼロ電圧スイッチング」タイプと称される。記載された実施形態は、通常のZVS タイプのスイッチング回路と適合する。このため、部品の大きさを減少させること、及び／又は効率を高めること、及び／又はスイッチング周波数範囲の上限を上げることが可能になる。
図２は、図１のデバイスの動作を概略的に示すタイミング図である。より正確には、図２は、スイッチ132Hの制御信号S132、巻線164 の電流I164、スイッチ174Hを制御するための信号S174、及び回路170 （ここでは容量性素子172H及び容量性素子172L）によって受ける電力P170の形状を示す。電流I164は代数値で表されており、正の値がノード173 からノード175 への流れ方向に対応し、負の値が他方の方向に対応する。
スイッチ132L及びスイッチ132Hの２つの切り替えサイクルが示されている。容量性素子120, 172H, 172L の電圧及びAC入力電圧は、これら２つのサイクル中に大幅に変化する時間がない。図示されている例は、入力電圧の正の半波中（ノード102 の電位がノード104 の電位より高い間）に0.5 程度のデューティ比αで行われている。
信号S132は最初に高状態であるため、スイッチ132Hはオンであり、スイッチ132Lはオフである。このため、電流I164が増加する。変圧器の結合係数を１未満に選択することにより、この結合係数に起因する漏れインダクタンスによって、電流I164が増加する割合を制限することが可能である。
最初に負の値の電流I164は時点t0でゼロになる。時点t1で、位相シフトＤに対応する遅延後、最初に低レベルの信号S174は高レベルに切り替わる。従って、スイッチ174Hがオンになり、スイッチ174Lがオフ状態に切り替わる。時点t1から、電流I164は時点t0と時点t1との間より遅く増加する。時点t1から、回路170 は電力を受けて、この受けた電力P170は増加する。
時点t2で、信号S132は低レベルに切り替わる。従って、スイッチ132Hがオフ状態に切り替わり、スイッチ132Lがオンになる。この時点t2から、最大値に達した電流I164及び受けた電力P170が減少する。周波数ｆが低いほど、電流I170が増加する時間が長くなり、電流によって達する最大値が高くなる。言い換えれば、周波数ｆが低いほど、漏れインダクタンスに関連したインピーダンスが低くなり、電流I164を増加させる。従って、受けた電力の最大値が増加する。従って、周波数ｆが減少すると、出力電圧の値Vsが増加する。同様に、周波数ｆが増加すると、出力電圧の値Vsが減少する。
時点t3で、電流I164はゼロになる。時点t3後、位相シフトＤに対応する遅延が経過しない限り、スイッチ174H及びスイッチ174Lは夫々オン状態及びオフ状態のままである。電流の方向が反転する、すなわち、容量性素子172Hが放電する。これは、回路170 によって変圧器160 に戻される電力に対応する。その後、電力P170は、代数値で負の値210 をとる。位相シフトＤが大きいほど、回路170 によって戻される電力が増加する。このため、出力電圧の値Vsが減少する。同様に、位相シフトＤが減少すると、出力電圧が増加する。
図３は、値Vin のAC電圧から電力を供給するデバイス300 の実施形態を部分的且つ概略的に示す。
デバイス300 は、同一又は同様に配置されている、図１のデバイス100 と同一の要素を備えている。これらの要素は、ここでは再度説明されない。回路138, 140, 176, 180は図３に示されていない。デバイス300 は、要素が更に追加されたデバイス100 に相当する。より正確には、これらの追加された要素は、スイッチ132H及びスイッチ132Lの切り替えのデューティ比αの値を生成するのに適合された回路の例を形成している。
デバイス300 は、電流センサ150 によって与えられる入力電流の値Iin を受信する回路310 (CTRL)を備えている。回路310 はデューティ比αを与える。より正確には、回路310 は、スイッチ132H及びスイッチ132Lの各切り替えサイクル中の値Iin の平均値、すなわち値Iin の移動平均又はスライディング平均を電流設定値Irefと等しくするように構成されている。例として、例えば周波数ｆより低い遮断周波数を有する低域通過フィルタにより値Iin をフィルタ処理することにより、移動平均を得る。
値Iin の移動平均を設定値Irefと等しくするために、回路310 はデューティ比αに作用する。言い換えれば、回路310 は、設定値Irefに応じて入力電流を調整するためにデューティ比αを調節変数として使用する。
設定値Irefは、AC入力電圧の値Vin とコンダクタンス値Ｇとの（乗算回路320 による）乗算の結果（Iref＝G×Vin ）に相当することが好ましい。従って、ノード102 を通って入る電流、すなわち、例えば電気回路網によって供給される電流の値Iin はAC電圧に比例する。このため、電気回路網の様々な無効電力の発生を回避することが可能である。このため、EN 61000-3-2規格などの、電気回路網で消費される電流の高調波レベルに関する様々な規格に準拠してデバイス300 を容易に製造することが可能である。
デバイスは、容量性素子120 の端子122H及び端子122Lに結合されている、例えば接続されている回路330 (MAX) を更に備えていることが好ましい。例として、回路330 は、AC入力電圧の各半波中に達する端子122H及び端子122L間の電圧の最大値VMを与える。最大値VMは、コンダクタンス値Ｇを与える回路340 (CTRL)によって受信される。回路340 は、コンダクタンス値Ｇに作用することにより、最大値VMを設定値VCref と等しくするように構成されている。言い換えれば、回路340 は、設定値Irefに応じて容量性素子120 の充電を調整するためにコンダクタンスＧを調節変数として使用する。回路340 は、調整すべき値及び設定値から調節変数を得るための既知の方法と適合する。具体的な例として、回路340 によって調整される値は最大値VMを有するが、回路340 によって調整される値は、容量性素子120 の電圧を表すあらゆる値、又はこの電圧レベルの変化量に関連する変化量を有するあらゆる値であってもよい。
図１及び図３に関連して上述されている実施形態では、別個の回路138, 140, 176, 180, 310, 320, 330, 340、すなわち回路の集合体が記載されている。他の実施形態によれば、これらの回路の全て又は一部は、メモリ及びマイクロプロセッサなどの処理ユニットを有するデジタル回路と置き換えられている。このデジタル回路は、置き換える回路の機能を実行するように構成されており、すなわち、メモリは、処理ユニットによって実行されると、上述した機能を実行させるプログラムを有している。
図４は、AC電圧から電力を供給するデバイス400 の実施形態を部分的且つ概略的に示す。
デバイス400 は、同一又は同様に配置されている、図１のデバイス100 の要素と同一又は同様の要素を備えている。これらの要素は、再度詳細に説明されない。
デバイス400 は、メモリ412 (MEM) 及び処理ユニット414 (CPU) を有する回路410 (CTRL)を備えている。図１に関連して記載されている回路138, 140, 176, 180の機能の全て又は一部が回路410 によって実行されることが好ましい。図３に関連して上述されている回路138, 140, 176, 180の機能の全て又は一部が回路410 によって更に実行されることがより好ましい。
デバイス400 は、端子104 及び端子122Lを連結する、好ましくは接続する容量性素子420 を更に備えていることが好ましい。変形例として、デバイス400 は、端子104 及び端子122Hを連結する、好ましくは接続する（点線で示されている）容量性素子422 を備えている。デバイス400 は、容量性素子420 及び容量性素子422 の両方を備えていることがより好ましい。容量性素子420 及び／又は容量性素子422 は、コンデンサ又は直列及び／若しくは並列に電気的に接続されているコンデンサを有しており、又はこのようなコンデンサによって形成されている。
デバイス400 は、容量性素子420 の電圧の値V420を与える電圧センサ430 、及び容量性素子120 の電圧の値V120を与える電圧センサ332 を更に備えている。変形例として、電圧センサ332 は、容量性素子422 の電圧のセンサと置き換えられている。
図５は、図４のデバイス400 によって実行される方法の例を示す。より正確には、メモリ412 に含まれるプログラムを処理ユニット414 によって実行すると、図５の方法が実行される。図６は、図５の方法を実行するときのデバイス400 の動作を示すタイミング図である。より正確には、図６は、AC入力電圧の２つの連続した反対の正負の半波中のAC入力電圧の値Vin 、容量性素子120 の電圧V120、スイッチ130Hの電圧V130H 、スイッチ130Lの電圧V130L 、及び入力端子102 を通って入る電流の代数値Iin を示す。
AC入力電圧は、（各半波の開始及び終わりで）比較的低い値及び（各半波の中途部分で）比較的高い値を絶対値で連続的にとる。容量性素子120 は、AC電圧の値が高い場合に電力を受けて、AC電圧の値が低い場合にこの電力を元の状態に戻す。容量性素子120 がこの役割を果たし得るために、100 ｎＦを超えて、例えば100 μＦ未満であり、好ましくは10μＦ未満の静電容量値が容量性素子120 に選択される。
貯蔵段階及び引き出し段階から、AC電圧Vin の周波数の２倍の周波数で容量性素子120 の電圧が変化する。電圧は最小値Vminと最大値VMとの間で変化する。
最大値と最小値との差は、容量性素子120 の電圧の振幅変化に相当する。この振幅は、上述したような２つの段階間の電力貯蔵デバイスの貯蔵素子の振幅に対して増加してもよく、電力貯蔵電圧の余りにも強い変化は第２の段階の動作の問題を引き起こす。デバイスが最大電力で動作するとき、電圧変化の振幅が最大値VMの１０％を超えるように、容量性素子120 の静電容量値が選択されていることが好ましい。例として、この容量値は100 μＦより低く、好ましくは10μＦより低い。そのため、容量性素子120 は一又は複数のセラミックタイプのコンデンサで形成されてもよく、ケミカルコンデンサに対して寿命及び効率を高めることが可能である。
正の半波の中央部分にある動作段階610 では、スイッチ130Hはオン状態であり、スイッチ130Lはオフ状態である。この方法は、動作段階610 中に２つのステップ510 及びステップ512 を有する。
ステップ510 （Iin を制御する）で、スイッチ132H及びスイッチ132Lの各切り替えサイクルに亘って平均して（Ｇ×Vin に等しい）設定値Irefに等しい電流Iin を得ることができるデューティ比αの値に作用する。これは、図３の回路310 の機能に対応する。
ステップ512 （|Vin| ＜Vth ？）で、AC入力電圧の値Vin を電圧閾値Vth と比較する。値Vin が電圧閾値Vth より大きい場合（Ｎ）、方法はステップ510 に戻る。それ以外の場合、方法は、動作段階610 を終了するステップ520 （切断する）に進む。
変形例として、ステップ512 で値Vin が電圧閾値Vth 未満になるまで、ステップ510 及びステップ512 を並列に実行する。
コンダクタンス値Ｇは、２つの連続した半波中に大幅に変化しない。そのため、段階610 中に値Iin 及び値Vin は比例する。正弦AC電圧の示されている状況では、入力電流は、入力電圧と同相で正弦波部分に追従する。
動作段階620 はステップ520 から開始する。このステップ520 では、スイッチ130H及びスイッチ130Lの両方をオフにする。従って、入力端子102 が切断されて、段階620 全体に亘って電流Iin はゼロのままである。
例として、方法は、段階620 中に２つの連続したステップ530 及びステップ532 を有する。
ステップ530 中（αを傾斜させる間）、デューティ比を徐々に所定の値にし、すなわち、デューティ比を、スイッチ132H及びスイッチ132Lの切り替えサイクルの時間より長い時間、例えば10倍以上より長い時間の範囲内で所定の値にする。デューティ比を、より好ましくは動作段階620 の継続時間の半分に加えて、動作段階620 の継続時間の10％より長い時間の範囲内で所定の値にすることが好ましい。
ステップ532 中（Vin ＝VLまで待機する間）、デューティ比を所定のデューティ比の値に維持し、電圧Vin 及び電圧V130L が等しくなるか又は実質的に等しくなるまで待機する。電圧V130L は、容量性素子420 の電圧の値V420に対応する。このステップの後、方法は、段階620 を終了するステップ540 （Ｌを接続する）に進む。
ステップ540 で、スイッチ130Lをオンにする。スイッチ130Hはオフのままである。電圧Vin 及び電圧V130L が実質的に等しくなるまで待機することにより、スイッチ130Hをオンにする時点でスイッチ130Hによって容量性素子420 の充電電流又は放電電流を略ゼロに減少させることが可能になる。そのため、効率、及び／又はデバイスの部品の損傷という様々な問題が回避される。
ステップ540 は、スイッチ130Lがオンであり、スイッチ130Hがオフである点を除いて、動作段階610 と同様又は同一の動作段階630 の開始を示す。動作段階630 は、ステップ510 及びステップ512 と夫々同様又は同一のステップ550 及びステップ552 を有する。動作段階630 は、ステップ520 と同様又は同一のステップ560 （切断する）で停止する。
動作段階640 はステップ560 から開始し、ステップ560 でスイッチ130H及びスイッチ130Lをオフにする。段階620 中と同様に、電流Iin はゼロである。段階620 と同様に、段階640 は２つのステップ570 及びステップ572 を有する。ステップ570 （αを傾斜させる）は、ステップ530 と同一又は同様である。
ステップ572 中（Vin ＝VHまで待機する間）、デューティ比は所定のデューティ比の値で維持され、AC電圧Vin 及びスイッチ130Hの電圧V130H が等しくなるか又は実質的に等しくなるまで待機する。電圧値V130H は、電圧値V120と電圧値V420との差に対応する。
ステップ572 後、方法は、段階640 を終了するステップ580 （Ｈを接続する）に進み、新たな段階610 を開始する。ステップ580 で、スイッチ130Lをオンにする。スイッチ130Hはオフのままである。
従って、図３のデバイス300 の動作と比較して、回路310 の機能、すなわち、設定値に等しい入力電流の値Iin を得るためにデューティ比に作用する機能は、段階610 及び段階630 のみに限定されている。各半波の中央にある段階610 及び段階630 は、AC電流Iin がゼロになる移行段階と交互に行われる。このため、デューティ比が値０及び値１の一方に近づく動作モードが回避され得る。従って、図４、図５及び図６のデバイス400 におけるスイッチ132H及びスイッチ132Lの切り替えの実行は、図３のデバイス300 より簡単である。
ステップ540 でのスイッチ130Lの電圧（すなわち、電圧V420）が所定の電圧値を有するように、ステップ532 中に達するデューティ比の所定値が選択されていることが好ましい。ステップ580 でのスイッチ130Hの電圧（すなわち、電圧V420）が絶対値で同一の所定の電圧値を有するように、ステップ572 中に達するデューティ比の所定値が選択されていることが好ましい。
上記の例では、段階620 及び段階640 は２つの別個のステップを夫々有するが、これら２つのステップは、夫々の電圧V130L, V130Hが段階の終わりに所定の電圧値に達し得るあらゆるステップと置き替えられてもよい。
ステップ532 及びステップ572 に共通の所定値は、段階620 及び段階640 の開始を決定する電圧閾値Vth と等しいため、AC電圧Vin がゼロになるときに対して夫々対称的な期間620 を得ることが可能であることが好ましい。このため、電流Iin で偶数次高調波を減少させることが可能である。
電流の高調波レベルが上述したEN 61000-3-2規格などの規格に準拠するために、段階620 及び段階640 が十分に短いように、ステップ532 及びステップ572 に共通する所定の電圧値及び電圧閾値Vth が選択されていることが好ましい。
図７は、変圧器160 が巻線164 （図１）の代わりに２つの端子780H及び端子780L間に電気的に直列に接続されている２つの巻線764H及び巻線764Lを有する場合に、図１のデバイスの回路170 を置き替えることができる全波整流回路770 の例を示す。
回路770 は、同一又は同様に配置されている、図１の回路170 の要素と同一又は同様の要素を有している。これらの要素は、再度詳細に説明されない。相違点のみが強調されている。
図７の回路770 は、図１の回路170 とは以下の点で異なる。
－ スイッチ174H及びスイッチ174L（図１）が、端子780Hを出力端子106 に連結する、好ましくは接続するスイッチ774H、及び端子780Lを出力端子108 に連結する、好ましくは接続するスイッチ774Lと置き替えられている。
－ 容量性素子172H及び容量性素子172Lの接合ノード173 が、巻線764H及び巻線764Lの接合ノード782 に連結されている、好ましくは接続されている。
点線で示されている変形例では、回路770 は、端子780Hを出力端子108 に連結するスイッチ774L' 、及び好ましくは端子780Lを出力端子106 に連結するスイッチ774H' を更に有している。
動作中、スイッチ774H及びスイッチ774Lは、スイッチ174H及びスイッチ174Lに関して上述した制御と同一又は同様に制御される。
図８は、更に変圧器160 が巻線164 （図１）の代わりに２つの巻線864H及び巻線864Lを有する場合に、図１のデバイスの回路170 を置き替えることができる全波整流回路870 の別の例を示す。巻線864Hは端子880H及び端子880H' を有し、巻線864Lは端子880L及び端子880L' を有している。
回路870 は、同一又は同様に配置されている、図１の回路170 の要素と同一又は同様の要素を有している。これらの要素は、再度詳細に説明されない。相違点のみが強調されている。
回路870 は、以下の点で図１の回路170 とは異なる。スイッチ174H及びスイッチ174L（図１）は、
－ 端子880Hを出力端子106 に連結する、好ましくは接続するスイッチ874H、及び端子880Lを出力端子108 に連結する、好ましくは接続するスイッチ874L、
－ 端子880H' を出力端子106 に連結する、好ましくは接続するスイッチ874H' 、及び端子880L' を出力端子108 に連結する、好ましくは接続するスイッチ874L' 、
－ 端子880Hをノード173 に連結する、好ましくは接続するスイッチ875H、及び端子880Lをノード173 に連結する、好ましくは接続するスイッチ875L、並びに、
－ 端子880H' をノード173 に連結する、好ましくは接続するスイッチ875H' 、及び端子880L' をノード173 に連結する、好ましくは接続するスイッチ875L'
と置き換えられている。
動作中、スイッチ874H及びスイッチ874L、並びにスイッチ874H' 及びスイッチ874L' は、スイッチ174H及びスイッチ174Lに関して上述した制御と同一又は同様に制御される。
様々な実施形態及び変形例が述べられている。当業者は、これらの様々な実施形態及び変形例のある特徴を組み合わせることができると理解し、他の変形例が当業者に想起される。特に、センサ105 、センサ150 、センサ182 及びセンサ430 などのセンサ又は回路138 、回路140 、回路170 、回路180 、回路310 、回路320 、回路330 、回路340 又は回路410 などの回路によって与えられる上述した値の各々は、上述した値を表すあらゆる値と置き替えられてもよい。
最後に、本明細書に記載されている実施形態及び変形例の実際の実施は、上述されている機能的な表示に基づく当業者の技能の範囲内である。
本特許出願は、参照によって本明細書に組み込まれている仏国特許出願第19／06463 号明細書の優先権を主張している。

Claims (15)

  1. 入力端子(102, 104)に印加されるAC電圧から２つの出力端子(106, 108)間にDC電圧を供給するためのデバイスであって、
    － 第１の容量性素子(120) と、
    － 前記第１の容量性素子(120) の端子間のハーフブリッジの２つの第１のスイッチ(132H, 132L)と、
    － 前記第１の容量性素子(120) の端子(132H, 132L)間に電気的に直列に接続されている２つの第２のスイッチ(130H, 130L)と、
    － 前記第１のスイッチ(132H, 132L)間の接合ノード(136) と前記入力端子の一方(104) との間に配置されている第１の巻線(162) を有する変圧器(160) と
    を備えており、前記入力端子の他方(102) は、前記第２のスイッチ間の接合ノード(134) に連結されており、
    － 前記出力端子間に電気的に直列に接続されている２つの第２の容量性素子(172H, 172L)、及び、前記出力端子の一方と前記変圧器の第２の巻線(164) との間に夫々配置されている２つの第３のスイッチ(174H, 174L)を有している、DC電圧を供給する全波整流回路(170) と、
    － 前記第１のスイッチ(132H, 132L)を周波数(f) で切り替えて前記第２のスイッチを制御するように構成されている回路(140, 138; 410) と、
    － 前記デバイスによって供給される電圧を制御するように構成されている回路(176; 410)であって、前記周波数(f) に、及び／又は、前記第２の巻線(164) を通って流れるAC電流が方向を変える時点と前記第３のスイッチ(174H, 174L)の切り替えの次の時点との間の遅延に作用する前記回路と
    を更に備えている、デバイス。
  2. － DC電圧の値を与える電圧センサ(182) と、
    － 前記周波数に、及び／又は前記DC電圧の値に基づく前記遅延に作用するように構成されている回路(180) と
    を備えている、請求項１に記載のデバイス。
  3. 前記AC電圧の各半波で、少なくとも前記半波の中央段階(610, 630)中に前記第２のスイッチの１つをオンにするように構成されている回路(138; 410)を備えており、前記第２のスイッチの１つは前記半波の符号の関数である、請求項１に記載のデバイス。
  4. 前記第１のスイッチ(132H, 132L)の切り替えのデューティ比（α）に作用することにより、電流設定値(Iref)に応じて、前記入力端子(102, 104)を通って流れる電流の移動平均を調整するように構成されている回路(310, 320; 410) を備えている、請求項１～３のいずれか１つに記載のデバイス。
  5. 前記電流設定値(Iref)は、前記AC電圧の値(Vin) とコンダクタンス値(G) を乗算した結果を表す値を有する、請求項４に記載のデバイス。
  6. 前記コンダクタンス値(G) に作用することにより、前記第１の容量性素子(120) の電圧の値(VM, V120)を調整するように構成されている回路(330, 340; 410) を備えている、請求項５に記載のデバイス。
  7. 前記第１の容量性素子(120) の端子の少なくとも１つ(122L)に関して、前記入力端子の１つ(104) を前記第１の容量性素子(120) の端子に連結する追加の容量性素子(420) を備えている、請求項６に記載のデバイス。
  8. 前記中央段階(610, 630)間の移行段階(620, 640)中に前記第２のスイッチ(130H, 130L)を遮断するように構成されている回路(410) を備えている、請求項３～７のいずれか１つに記載のデバイス。
  9. 前記移行段階後の前記中央段階(610, 630)中にオンにされる前記第２のスイッチ(130H, 130L)に所定の電圧値を得るべく、各移行段階(620, 640)で前記第１のスイッチ(132H, 132L)の切り替えのデューティ比（α）を徐々に変えるように構成されている回路を備えている、請求項８に記載のデバイス。
  10. 各移行段階(620, 640)後の前記中央段階(610, 630)は、前記AC電圧が前記所定の電圧値を有する時点で開始する、請求項９に記載のデバイス。
  11. 各中央段階(610, 630)後の前記移行段階(620, 640)は、前記AC電圧が前記所定の電圧値を有する時点で開始する、請求項９又は１０に記載のデバイス。
  12. 切り替えの時点で前記第１のスイッチ(132H, 132L)の各々の端子間にゼロ電圧を得るように構成されている回路を備えている、請求項１～１１のいずれか１つに記載のデバイス。
  13. 前記変圧器(160) は１未満の結合係数を有する、請求項１～１２のいずれか１つに記載のデバイス。
  14. 前記第１のスイッチ(132H, 132L)はHEMTタイプのトランジスタである、請求項１～１３のいずれか１つに記載のデバイス。
  15. 請求項１～１４のいずれか１つに記載のデバイスを備えている、USB-C コネクタにより電力を供給するデバイス。
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