JP2892280B2 - 電力コンバータ - Google Patents

電力コンバータ

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JP2892280B2
JP2892280B2 JP6132017A JP13201794A JP2892280B2 JP 2892280 B2 JP2892280 B2 JP 2892280B2 JP 6132017 A JP6132017 A JP 6132017A JP 13201794 A JP13201794 A JP 13201794A JP 2892280 B2 JP2892280 B2 JP 2892280B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、電力コンバータに関す
る。
【０００２】
【従来の技術】電力コンバータは、例えばトランス及び
スイッチ群等の電力伝送部品（コンポーネント）及び該
電力伝送コンポーネントの動作を制御して所望の動作特
性を達成する制御回路を含む。例えば、マサチューセッ
ツ州アンドーバのビクターコーポレーション社によって
販売されているタイプの零電流スイッチング（以下ＺＣ
Ｓと称する）コンバータは米国特許第4,415,959号、第
4,441,146号及び第4,675,797号にも開示されており、か
かるコンバータにおいては、電力伝送コンポーネントは
プリント配線基板上に搭載されたディスクリートな（個
別の）部品からなっている。
【０００３】図１においては、単純化された形のＺＣＳ
コンバータが示されており、このコンバータに含まれる
メインパワートランス１０は１次及び２次巻線１２、１
４を含んでいる。これらの巻線は、ＺＣＳコンバータの
１次側及び２次側域１６，１８を形成する。このＺＣＳ
コンバータにおいては、連続して生ずるエネルギ伝達サ
イクルの間に１次側から２次側への量子化された（間欠
的な）エネルギの順次伝達によって電力変換がなされ
る。各エネルギ伝達サイクルは、スイッチ２０を流れる
電流がほぼ零になる毎に閉成しかつ次に開放する動作に
よって開始かつ終了する。制御回路２２は、スイッチ２
０の開閉を制御し、所望電圧のコンバータ出力電力を生
ずるように変化する周波数にてエネルギ伝達サイクルが
順次生起する。電圧センサ２４がＶoutを検知し、Ｖout
の情報すなわち制御情報が制御回路の一部に帰還され
て、制御回路は該スイッチ２０をオンオフせしめる。
【０００４】安全上の観点等から、コンバータの１次側
及び２次側が互いに絶縁されていることが重要になるこ
とがある。そこで、２次側から１次側への制御情報の伝
送が、通常、アイソレーション素子を介してなされる。
例えば、トランスにおいて、２つの巻線が単一の導磁性
コアに巻回され、互いに隣接する発光及び受光素子から
なる光カップラが用いられ、この光カップラは制御回路
に含まれる。
【０００５】電力コンバータの製造においては、該制御
回路は、電力変換部を担う回路基板と同じ基板上に個別
電子部品を搭載することにより形成されることが多い。
あるいは、メインの電力変換部を担う親基板上に搭載さ
れるべきアセンブリを形成する別の子基板上に個別電子
部品を搭載することもある（１９９２年９月２１日出願
の米国特許出願第０７／９４７，９３７号参照）。
【０００６】パワーキューブ（Powercube)社及びＧＥ(G
eneral Electric)社は、ＡＣ整流ブロック、ＰＷＭ変換
ブロック、制御アセンブリブロック及び出力整流ブロッ
クのモジュラー構成ブロックを回路基板上のワイヤ、コ
ネクタあるいは電導路により互いに接続することを提案
している。
【０００７】
【発明の概要】本願発明による電力コンバータにおいて
は、電流的に絶縁（アイソレーション）された巻線を有
するトランスが電力コンバータ装置の１次側領域及び２
次側領域を形成する。第１回路アセンブリは、入力電源
への接続ポートに電流的に結合した１次側回路を含んで
いる。この１次側回路は電力コンバータ装置の制御動作
に用いられる制御情報を送受するための１次側連絡子す
なわちコミュニケータを含んでいる。第２回路アセンブ
リは、負荷への接続のためのポートに電流的に結合した
２次側回路を含んでいる。この２次側回路は、上記した
制御情報を送受する２次側連絡子すなわちコミュニケー
タを含んでいる。これらの第１及び第２回路アセンブリ
は、互いに機械的に分離自在である。なんとなれば、各
回路アセンブリが電流的にアイソレーションされてい
て、該１次側及び２次側連絡子をして上記制御情報を通
過せしめるべく協働せしめるように互いに相対的に配置
されるように形成されているからである。
【０００８】本発明の実施例は、次の如き特徴を有す
る。上記した連絡子すなわちコミュニケータは、複数の
巻線からなり、当該制御情報はこれらの巻線間の磁気結
合を介して伝送される。このために、搬送波を変調する
ことによって該制御情報を伝送する回路が設けられてい
る。上記した磁気結合は、当該巻線にリンクする導磁性
コアを用いても用いなくても達成され得る。また、これ
らの巻線は別々の回路基板上に形成されている。第１及
び第２回路アセンブリは、例えば、絶縁材からなり分割
自在な保護ハウジングによって囲繞されている。これら
のハウジングは各結合面にて結合する。電力変換部は該
回路アセンブリ様基板と同じ基板上に搭載され得る。
【０００９】本発明の他の特徴は、制御回路にある。第
１回路は、囲繞されて、第１個別ユニットを形成し、か
つ第２個別ユニットとして囲繞された第２回路から供給
される制御情報に応答すべく接続されている。これら２
つの個別ユニットは、電流的に隔離された経路を介して
制御情報を伝送する回路の副次的部分を各々含んでい
る。
【００１０】本発明の他の特徴によれば、個々の電力コ
ンバータが単一の包括的デザインに対応しかつ個々の電
力コンバータが、当該包括的デザインにおいて用いられ
た異なる部分を組み合せることによって異なる動作特性
を有するような態様にて個々の電力コンバータを製造す
るに用いる制御回路を提供する方法が得られる。異なる
バージョンの第１個別制御回路が、異なるバージョンの
第２個別制御回路と同様に供給される。製造される電力
コンバータの各々に対して、上記第１及び第２個別制御
回路が選択されて、各電力コンバータの望ましい動作特
性が得られる。すなわち、選択された異なるバージョン
は、組み合されて制御情報を交換して所望の動作特性を
達成する。
【００１１】本発明の他の特徴によれば、電力コンバー
タの１次側回路アセンブリは電力変換トランスの１次巻
線を含む。スイッチが設けられ、このスイッチが１次側
アセンブリの入力ポートから１次巻線への電力の供給を
制御する。２次回路アセンブリは、電力変換トランスの
２次巻線と、該スイッチをいつ開放及び閉成すべきかに
有用な制御情報を受信する制御回路とからなる。１次及
び２次回路アセンブリは、個別コンポーネントとして囲
繞されており、互いに近接して配置され、導磁性コアを
介して電力トランスを構成する１次及び２次巻線のカッ
プリングを達成し、更に、１次及び２次回路アセンブリ
間の制御情報の交換を許容するのみである。
【００１２】本発明の他の特徴においては、電力コンバ
ータ内の１次側領域と２次側領域との間の制御情報伝送
のためのアイソレーション（分離）装置が設けられてい
る。第１伝送回路は、制御情報によってキャリア信号を
電気的に変調する。第１及び第２電流的アイソレーショ
ン連絡子は、上記１次側及び２次側領域の間において該
キャリア信号を送信かつ受信する。該第２連絡子によっ
て伝送された信号に応答して、第２連絡子は、該制御情
報に対応した電気信号を生成する。
【００１３】本発明による実施例は、以下の特徴を備え
ている。すなわち、該キャリア信号は高周波の電気的発
振である。また、第１及び第２連絡子は、導電性の巻線
からなる。更に、上記した電気的変調は振幅変調であ
る。本発明の他の特徴においては、電力コンバータ内の
電気的に独立な１次側及び２次側回路の間において制御
情報を伝送する方法が提供される。キャリア信号が制御
情報によって変調されて、電流的に分離（アイソレーシ
ョン）された連絡子を介して該１次側及び２次側領域の
間に伝送される。伝送された変調キャリア信号は検波さ
れかつ復調されて制御情報が再生される。
【００１４】本発明の他の特徴においては、電源に電流
的に結合しかつ負荷に電流的に結合した２次側回路と協
働する１次側回路の共通回路を共用するような異なる電
力コンバータ回路を製造する方法が提供される。そし
て、１次側及び２次側回路部は、電流アイソレーション
経路を介して１次側及び２次側回路の間制御情報伝送を
なす連絡子を含んでいる。各回路においては、その１次
側回路部においてＰ種類の特性の１つを呈し、その２次
側回路部においてはＱ種類の特性の１つを呈し、従っ
て、組み合せ回路においては、Ｐ×Ｑ種類の異なる回路
が存在するのである。よって、この方法においては、Ｐ
種類の１次側回路部を各々実現するＰ種類のコンポーネ
ントを供給し、Ｑ種類の２次側回路を各々実現するＱ種
類のコンポーネントを供給し、そして、これらのＰ種類
のコンポーネントの中から選んでコンポーネントとこれ
らのＱ種類のコンポーネントの中から選んだコンポーネ
ントとを組み合せることによってＰ×Ｑ種類の異なる特
性を有する複数の回路を形成するのである。
【００１５】本発明による利点としては、制御系の１次
側部分及び２次側部分の間が数千ボルトのオーダーにて
電気的にアイソレーションされており、その一方で、磁
気結合を許容しかつ容量結合を最小にしている。よって
得られる制御回路及びコンバータは非常にコンパクトで
あり、製造容易にして安価である。比較的少ない種類の
コンポーネントを用いて非常に多種類の動作特性を有す
るコンバータを形成することが出来る。
【００１６】本発明の他の特徴及び有利な点は以下の発
明の詳細な説明及び特許請求の範囲の記載からも明らか
となる。
【００１７】
【実施例】図２において、ＺＣＳ電力コンバータ２６
は、一次側制御サブアセンブリ（以下ローブと称する）
３２及び二次側制御サブアセンブリ（以下ローブと称す
る）３０からなる制御回路２８を含んでいる。ローブ３
２及び３０は共にメイン回路基板３４の上に他の電力変
換コンポーネント（図示せず）と共に搭載されている。
上記した２つのローブは共に搭載されて磁気結合を介し
て情報を伝送するものの、これらのローブは互いに電流
的にアイソレーションされた物理的に独立なコンポーネ
ントであり、ローブの間には電気的接続は存在しない。
【００１８】図３（Ａ）ないし（Ｅ）において、制御情
報は２次側巻線４２と一次側巻線４０との間の磁気的結
合を介して２次側ローブ３０から１次側ローブ３２に伝
送される。図３（Ｃ）からも明らかなように、２つの巻
線４０、４２は、各々、２つのローブ３２、３０を形成
する絶縁材の中に別々に囲繞された２つの小さな回路基
板４８、５０の表面４４、４６の上に形成されている。
これらの２つの巻線は１オンス銅ホイルの通常のエッチ
ングにより２つの基板の導電層上に形成されている。各
巻線は例えば図示した如く４回巻である。各巻線の導体
部分は８ミル幅であり隣接ターン間の距離は７ミルであ
る。これらの隣接ターン間の巻幅及びスペースは従来の
印刷回路基板エッチング技術によって許容される範囲に
おいて出来るだけ小さくされている。このことは巻線に
必要とされる表面積を最小にする一方印刷回路基板の経
済的な製造を可能にする。これらの回路基板はこれらロ
ーブが互いに搭載された時約０．１インチの間隔をおい
て２つの巻線が配置されるように筐体の中に保持され
る。この場合、２つの巻線を結合する導磁性コアを必要
とせず、巻線及び基板の適当な配置によって筐体を介し
かつ２つのローブ間のエアギャップを介して磁気結合が
形成される。
【００１９】上記した如く形成される一対の巻線によっ
て“緩結合”トランスが得られる。このことは、巻線に
電流が流れた時に生ずる磁束の一部のみが他の巻線に鎖
交することを意味する。例えば、図５は非導磁性空間10
2によって分離された一対の巻線４０、４２の断面を示
している。巻線４２に流れる時間変化電流は磁力線104,
106及び108を形成する。これらの磁力線のうちの一部
すなわち108のみが巻線４０に鎖交し他の巻線に電圧を
誘起する。そして、残りの磁力線すなわち 104, 106は
電圧を誘起しない。
【００２０】１つの例においては、緩結合トランスは２
次巻線４０において８ターンを有し、一次巻線４０にお
いて２ターンを有し、これらの巻線は８ミルの巻幅で隣
接ターンの距離は７ミル（０．００７インチ≒１．７８
ミクロン）の１オンス銅エッチングによって形成され、
これらの巻線は０．１インチだけ離れており、結合係数
は公称１５％（すなわちｋ＝０．１５）であり、一次及
び二次巻線の公称自己インダクタンスは、各々、３６０
ナノヘンリー及び６０ナノヘンリーである。
【００２１】図３（Ａ）ないし（Ｅ）において、該２つ
の回路基板上には二次側集積回路５３及び２つの一次側
集積回路５２、５４を含む他の回路コンポーネントが搭
載されている。これらの集積回路は、全てローブを囲む
筐体の表面に近い頂面を有すべくマウントされている。
このことは、集積回路の頂面とローブを囲む筐体との間
の経路に沿った熱抵抗を最小にする。また、一次及び二
次回路基板上に図３（Ｂ）及び３Ｄに示される個別（デ
ィスクリートな）抵抗及びコンデンサ５１並びにディス
クリート部品３３が搭載されている。
【００２２】一次側回路基板上の小なる漏洩インダクタ
ンストランス６６は２つのＵ字形状の導磁性コア片６
８、７０を有し、これらのコア片は基板に設けられた孔
を貫通して閉じた導磁性通路を形成する（図３
（Ｃ））。この導磁性通路は巻線４０、４２と同様では
あるが図示していない一対の巻線であって、該印刷回路
基板の反対側の孔を囲む一対の巻線に鎖交するトランス
６６は集積回路５２から信号を運ぶ結合メカニズムとし
て用いられており、メインスイッチ２０のゲートを駆動
する。この構造についての詳細は米国特許出願第 07/80
5,474号に開示されてる。この米国特許出願は漏洩イン
ダクタンストランスを用いた高能率フローティングゲー
ト駆動回路と題して1991年１２月１１日に出願されたも
のであり、以下においてはゲートドライバ出願と称され
る。
【００２３】２列の接続端子７２，７４が両面に導電線
を担う回路基板の突起として形成されている。上記した
２つのローブの筐体はエポキシ材料（例えば、カリフォ
ルニア州サンノゼの日東電工販売の「ノボラック」）で
ある。図４において、ローブ３０、３２の外側面は結合
雌雄形状のプラグ及びソケット８０、８２、８４及び８
６を有する。プラグはソケットの開口部よりやや大なる
外側リムを有しプラグ及びソケットが結合しせめられた
ときにスナップ動作を与える。ローブは一度結合せしめ
られると、回路基板３４の上の対応する孔列８８、９２
端子７２、７４を差し込んで半田付けすることにより基
板３４の上にマウントされる。上記したスナップ結合及
び端子の半田付けの組合せは強力な機械的な支持力を与
えるのである。
【００２４】図６において、製造の１モードにおいて、
２つの小なる印刷回路基板４８、５０がブリッジ110, 1
12によって結合せしめられる。基板上に電導路及び巻線
が形成されて個別部品がマウントされた後に結合した基
板が１つの動作において囲繞されるのである。この筐体
は図６において実線によって示され破線で示される内部
部分のオーバモールディングをなす。次いで、２つのサ
ブアセンブリが例えばルーチングによって切り離されて
ブリッチから離される。
【００２５】図７に示す如く、電力コンバータ２３の一
例としての制御回路２２においては、二次側ローブ３０
が出力電圧検知分圧器２４を含んでいる。分圧器２４の
２つの抵抗は図３（Ｂ）において示した個別部品５１の
中にある。分圧器２４は図３（Ｂ）の集積回路５０の一
部をなす誤差増幅器124に供給されて回路５０の一部で
ある基準電圧Ｖref１と比較される。Ｔrimと書かれた入
力電圧によって内部基準電圧Ｖref１を押し上げてコン
バータの出力電圧設定を変化させる。誤差増幅器124の
出力はアイソレーション素子122の二次側121に供給され
る電流Ｉinである。この二次側121は電流Ｉinに応じた
情報をアイソレーション素子122の一次側122このアイソ
レーション素子に含まれる巻線４０、４２の間の磁気結
合を介して電装する。
【００２６】このアイソレーション素子の一次側120は
一次側ローブ３２の一部である。この一次側120は電流
Ｉinに比例して変化する出力電流Ｉoutを生成する。199
2年９月２１日出願の米国特許出願第 07/947,937号に開
示された如き入力荷電圧保護回路128はＩoutに影響を与
えるように接続されている。すなわち、入力荷電圧状態
において電流を分流せしめるのである。又、一次側ロー
ブにおいては電流‐周波数コンバータ126が設けられ、
このコンバータ126はアイソレーション素子の一次側か
らのＩout情報を受けて、ゼロ電流スイッチングコント
ローラ（ＺＣＳコントローラ）130に供給される周波数
信号を生成する。スイッチ２０を流れる時間変化電流値
を示す信号Ｉsenseはまた変流器400によってゼロ電流ス
イッチングコントローラに供給される。ゼロ電流スイッ
チングコントローラ130はこの周波数信号及びＩsenseの
値を用いてＶref１（又はＴrim入力電圧）及び分圧器２
４の分圧比によって定まる設定値のコンバータ出力電圧
を調整する周期にてゼロ電流スイッチングにおけるスイ
ッチ２０のオン及びオフを実行する。ＺＣＳコントロー
ラ130は、上記したゲートドライバ出願で既に述べた如
く漏洩インダクタンストランス６６を介してゲートドラ
イバ回路301に信号を送る。ゲートドライバ回路301は、
同じくゲートドライバ出願において述べた如くゼロ電流
のときにスイッチ２０のターンオン及びターンオフをな
す。ＺＣＳコントローラ130は、米国特許第 4,441,146
号に示された如く、リセットスイッチ134のターンオン
及びターンオフを制御する信号を送出する。
【００２７】一次側グランド136及び二次側グランド138
は互いに独立で電流的にアイソレーションされており、
互いにフローティング状態とすることもできる。アイソ
レーション素子122は二次側ローブ３０の誤差増幅器か
らの制御情報Ｉinを受け入れて、これを一次側ローブ３
２の電流‐周波数コンバータ126に供給する。この制御
情報すなわち誤差信号Ｉinは直流から数百ＫＨｚ範囲の
周波数成分を含むアナログ電流である。かかる誤差信号
は上記した如き種類の小なる緩結合トランスの巻線の間
に直接かつ容易に伝送されることは出来ない。（上記し
たトランスとは二次側巻線４２が８回巻であり、一次巻
線が２回巻きであり、各巻線は１オンス度コイルからな
り８ミル幅であり各ターンの間の距離は７ミルであり巻
線間の距離は０．１インチである。）しかしながらかか
るトランスは高周波信号の伝達には用いられ得る。この
場合の高周波信号とは、例えば、１０ＭＨｚである。よ
って、アイソレーション素子122の１つの実施例におい
ては、高周波キャリア信号がＩinによって振幅変調され
て巻線４２に供給される。そしてこの高周波信号が巻線
４０に供給されて、高周波キャリア信号が検波回路によ
って除去される。
【００２８】図８はアイソレーション素子122の回路例
を示し、この回路においては、二次側121の中で巻線４
２がＡＣ帰還発振器の形のアイソレーション駆動回路14
4によって駆動される。このアイソレーション駆動回路1
44の発振周波数は、例えば360ｎＨの巻線４２の自己イ
ンダクタンスと、例えば２０ｐＦのコンデンサ140の容
量及び回路の寄生容量（例えば３ｐＦ）の組合せによっ
て定まる。この例においては、発振器の動作周波数は５
５ＭＨｚのオーダーにある。巻線４２の両端の発振振幅
は入力電流信号Ｉinの振幅と共に変化する。
【００２９】二次側巻線４２によって誘起された磁界は
一次巻線４０における電圧を誘起する。一次側120の設
置を基準としたアイソレーション検知器146が巻線４０
上の振幅の変化等とともに変化する出力電流Ｉoutを供
給する。巻線４０の両端に誘起されるＡＣ信号の電圧振
幅変化は、200mＶ以内であって、ＮＰＮトランジスタＱ
５に供給される。このＡＣ信号の負の方向への変動はＱ
５のエミッタを接地レベル以下に引き下げてトランジス
タＱ５のベース電流を生ぜしめる。トランジスタＱ５は
数百ＭＨｚの領域に遮断周波数ｆｔを有する広帯域素子
であり、従ってそのコレクタ及びベース電流は振幅変調
されたキャリア周波数の負のピークに追従する。コンデ
ンサ129及び抵抗127の組合せはトランジスタＱ５のコレ
クタ電流の高周波キャリア周波数成分の大部分がコンデ
ンサの低インピーダンスを経てグランドに流れるように
する。抵抗127を流れる電流はダイオードとして接続さ
れた一対のトランジスタＱ６及びＱ７に流れ、カレント
ミラーを形成する。
【００３０】トランジスタＱ６を流れる電流はトランジ
スタＱ７及びＱ８のコレクタもミラー電流となる。トラ
ンジスタＱ６、Ｑ７及びＱ８は数ＭＨｚの遮断周波数ｆ
ｔを有するＰＮＰトランジスタであり、Ｑ７及びＱ８の
コレクタ電流はトランジスタＱ６を流れる電流の高周波
キャリア成分には応答しない。よってトランジスタＱ７
及びＱ８のコレクタを流れる電流は該振幅変調信号の振
幅に比例する平均値を有し、よってＩｉｎに比例してい
る。この電流はトランジスタＱ８からの電流Ｉoutとし
てミラー出力される。よって、電流Ｉoutは電流Ｉinに
追従する。トランジスタＱ７からのミラー電流はトラン
ジスタＱ５と同じタイプであり、ダイオードとして接続
されたトランジスタＱ９に流れる。トランジスタＱ７の
コレクタを流れる電流の振幅の変化によるトランジスタ
Ｑの両端電圧の変化はトランジスタＱ５のベース電圧を
してトランジスタＱ５のエミッタがグランドの数十ｍＶ
以内にある電圧に維持せしめる。このことは検波回路の
直線性及び精確性を改善する。
【００３１】上記した振幅変調は高周波キャリアを用い
て巻線間に制御情報を伝達する一つの方法であるが、周
波数変調のような別な変調技術を用いることもできる。
図３（Ｃ）及び図７に示した如く、集積回路５２は電流
‐周波数コンバータ126、ＺＣＳコントローラ130及び過
電圧保護回路を含む。集積回路５４はリセットスイッチ
134及びダイオード135を含み、更にメインスイッチ２０
のゲートを駆動するゲートドライバ301を含むこともで
きる。図３（Ｃ）に示す如く、集積回路５４及びリセッ
トコンデンサ133は二次側の回路基板５０の端部を越え
て延在する一次側回路基板４８の端部に位置することが
わかる。このことはこれらの部品すなわち集積回路５４
及びリセットコンデンサ133に生ずる電圧波形が鋭い立
上り及び立下りの都度大きな変化を示す故になされてい
る。例えば、400ＶＤＣの入力電圧のもとで動作するユ
ニットにおいては図７においてＶdと示された電圧は通
常２０ナノセカンドのオーダーの立上り及び立下り時間
で550Ｖの変化をする。これらの部品を図示した如く配
置することによって、これらの一次側部品及び二次側回
路基板５０の間の規制容量結合が最小になされ、高い割
合の電圧変化に伴う一次側及び二次側の間の望ましから
ざるノイズ信号の不要な結合が最小になされる。
【００３２】電気機械的に独立なローブ３０、３２を有
する１つの利点は、殆ど全ての場合、ＤＣ‐ＤＣコンバ
ータの一次側（二次側）回路に用いられる部品の値が一
次側（二次側）機能仕様にのみ依存し、二次側（一次
側）機能仕様には独立に選択されるという事実から導か
れる。よって、例えば、ＤＣ‐ＤＣコンバータに適用さ
れる入力及び出力電圧規格の可能な組合せが多数ある一
方、かかる組合せの各々は、コンバータ入力電圧の関数
である値を有する一次側部品の組合せ及びコンバータ出
力電圧の関数である二次側部品の組合せに要因化され
る。
【００３３】一例として、図９及び図７を参照すると、
入力電圧（Ｖin）及び出力電圧（Ｖout）の組合せの為
の１８の異なる可能なコンバータが示されている。６つ
の異なる可能な出力電圧の各々はコンバータ二次側回路
における分圧器２４を形成する２つの抵抗Ｒ１及びＲ２
の値の異なる組合せを要求する。各値の組合せは、出力
電圧の特定な値に関連し入力電圧の値には無関係であ
る。コンバータの一次側回路におけるトランジスタＦＥ
Ｔの崩壊電圧Ｖdmax、すなわち、ＦＥＴのタイプは入力
電圧の関数としてのみ定まり、出力電圧とは無関係であ
る。コンバータ一次側回路における過電圧保護回路にお
ける抵抗Ｒ３及びＲ４の値は、米国特許出願第 07/947,
937号において検討された如く、Ｖdmaxすなわち入力電
圧の関数であり出力電圧には無関係である。
【００３４】図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示した如く、図
１０（Ａ）にリストアップした３種類の一次側ローブ及
び図１０（Ｂ）にリストアップした６つの異なる二次側
ローブを組合せることによって図９にリストアップした
１８種類のパワーコンバータを形成することができる。
可能なコンバータの数に対する異なるローブの数の比は
異なるコンバータの数が増大するにつれてより良くな
る。例えば、１０種類の一次側ローブと１０種類の二次
側ローブのトータル２０種類のローブの組合せによって
100種類のパワーコンバータを形成することが出来るの
である。
【００３５】従って、入力又は出力電圧に対応する値を
有する部品からなる２つの種類の一次側及び二次側制御
回路を組合せることによって非常に多種類のコンバータ
の製造を少ない種類のローブによって達成することが可
能となる。このことは、Ｎより小さいＭ種類の一次側及
び二次側ローブを用いかつ適当なローブの組合せによっ
て制御回路を形成することによって異なる入力及び出力
特性を有するＮ種類のパワーコンバータを製造すること
が出来る。これらのローブは電気機械的に独立である
故、ローブの選択及び組合せは非常に簡単である。出力
電圧設定点及び入力過電圧設定点の他のコンバータ特性
は製造におけるコンバータの要因となる。例えば、出力
電流制限値、フォールドバック（Foldback）電流制限特
性（フの字垂下特性）及び出力過電圧保護制限等の二次
側パラメータのコンポーネント値は二次側特性の所望の
組合せの関数であり（例えば、出力電圧及び出力電
流）、一次側特性（例えば入力電圧）からは独立してい
る。同様に、入力低電圧遮断限界等の一次側パラメータ
を設定するために用いられる部品の値は例えば入力電圧
あるいは入力電流の如き所望の一次側特性にのみの関数
であり例えば出力電圧の如き二次側コンバータ特性とは
独立である。制御回路を電気機械的に独立な１次側及び
２次側ローブ対内に設けることは、例えば５０ワットを
越える高電力変換用コンバータにおけるが如く、電力変
換コンポーネントを組み入れることが非実用的な場合
に、好適である。
【００３６】米国特許出願第 07/914,347号に開示され
たタイプのコンバータが図１１に示されている。コンバ
ータアセンブリ500は５０Ｗないしを150Ｗの直流電力を
変換するに適当なものである。かかるコンバータにおい
て、トランス１０、コンデンサ246 、248及び出力イン
ダクタ250等の電力変換部（図７参照）は制御回路ロー
ブ３０，３２に比して大であり、従ってローブの一部と
してバッケージングされない。又ダイオード300, 302及
びＦＥＴスイッチ２０の相対的な大きさ及び放熱の必要
性の為にこれらの部品もローブの中に含まれない。
【００３７】５０Ｗ以下の低い電力コンバータにおいて
は、電力変換部の制御及び他の回路に対する大きさは余
り変化せず、従って電力変換部は一次側及び二次側回路
の残りの部分を搭載する基板上に直接組み込まれること
もできる。図１２及び図１３（Ａ）ないし（Ｈ）におい
ては、例えば、コンバータは一次側コンバータセクショ
ン202及び二次側コンバータセクション200からなりこれ
らは互いにスナップ結合され得る。２つの導磁性コア21
0,212を加えさらに突出したアルミナヒートシンク208を
加えることによって、非常にコンパクトなパワーコンバ
ータ204が形成される。
【００３８】図１４（Ａ）ないし（Ｅ）においては、基
板２２０，２２２の境界線２２４の右側においては図３
（Ｃ）の基板５０、４８に類似している。境界線２２４
の左側は付加的な電力変換コンポーネントが搭載されて
いる。１つの大事なコンポーネントは電力変換トランス
２３０であり、このトランス２３０は各ボード２２２，
２２０に形成された二次及び一次巻線２３２，２３４及
びこの２つの基板の４つの矩形の穴２３６，２３８，２
４０，２４２の中に配置された２つの導磁性コア２１
０，２１２からなる。図１４（Ａ）ないし（Ｅ）におい
ては、巻線２４０及び２４２の各々が導磁性コアの異な
る面を囲む孔の周りに巻回されているように示されてい
る。しかしながら、図１５（Ａ）ないし（Ｃ）に示され
る如く各巻線は互いに種々の対応にて設けられトランス
の漏洩インダクタンスはこの巻線配置によって種々に変
化する。
【００３９】図１５（Ａ）においては、巻線がコアの同
じ側に配置されている。図１５（Ｂ）においては巻線は
コアの反対側に配置されている。図１５（Ｃ）において
は一対の巻線がコアの両側に配列され、一次巻線及び二
次巻線の双方が直列に接続された巻線対によって形成さ
れている。図１５（Ａ）に示す如きコアの同一側に巻線
が巻回されたトランスはコアの反対側に巻線が配置され
たトランスに比してより低い漏洩インダクタンスを呈す
る。
【００４０】図１４（Ａ）ないし（Ｅ）においては、回
路基板220, 222は例えば６層の多層基板であり、巻線24
0,242は基板の多層の各層に設けられたサブ巻線の孔を
介したハンダによって直列又は並列接続されて形成され
ている。図１４に示した大きさのコンバータにおいて
は、６層の各々に設けられた１回巻の巻線が並列に接続
された１回巻の巻線から６層の各々に７回巻された巻線
を直列接続して４２回巻の巻線までを経済的に作ること
が出来る。一次及び二次巻線はトランスの異なる巻数比
を形成するために異なる巻数を有することがある。
【００４１】図１６に示した如く包埋材料600は回路基
板602aないし602dのエッジを流れて４つの穴の各々の表
面を囲む。このことは、１つの基板上の導電路604から
他の基板上の導電路606までコアを介した導電路を除く
絶縁を形成する。制御回路コンポーネントの値が“要因
化”され（例えば、種々の一次側及び二次側コンポーネ
ントの値は各々、所望の一次及び二次動作特性の関数と
される）と同様に、一次側及び二次側巻線の巻数も要因
化され得る。なんとなれば、一次及び二次巻数は、トラ
ンスコアの“電圧‐時間”能力によって、各々入力及び
出力電圧に関連しているからである。よって、比較的緩
やかに電気機械的に分離された一次及び二次ローブアセ
ンブリを多数の有用なコンバータとして組合せるために
上記した要因化の考えを図１２乃至図１４に示される完
全なパワーコンバータに適用することができる。
【００４２】パワーコンバータの他のコンポーネントは
図７に示す２つのダイオード３００，３０２を含む集積
回路２４４、共振コンデンサ２４６、出力フィルタコン
デンサ２４８及び出力フィルタチョーク２５０を含んで
いる。電力変換コンポーネントはローブを形成する囲繞
体の表面に近い頂面を有すべくマウントされており、集
積回路の頂面とヒートシンクスリーブ２０８の間の経路
に沿う熱抵抗を最小にしている。
【００４３】コンバータの為の端子ピンを回路基板に付
着される個別の金属片によって形成することができる。
この端子ピンはプラス及びマイナス入力290, 292及びプ
ラス及びマイナス入力及びトリム（Ｔrim)ピン294, 29
6, 298を含む。例えば図２及び図１１の３０，３２並び
に図１２及び図１３（Ａ）ないし（Ｈ）の200及び202に
よって示される２つのローブの電気機械的独立性は例え
ば１０ＭＨｚ以上の比較的高い周波数のキャリア信号を
変調しがいキャリア周波数よりもかなり低い情報帯域
（例えば数百ＫＨｚの帯域）を有する制御情報を用いる
ことにより得られる。このようにして、一対の小さく空
間利用率の良い電流的アイソレーションがなされた巻線
を用いて緩結合トランスを形成して、巻線を貫通する閉
じた導磁性通路を必要とすることなく二次及び一次の間
に情報を運ぶことが出来る。図３、図５及び図１４に示
した例においては、巻線が非導磁性材料を介して完全に
結合している。しかし、他の利点を損なうことなく結合
を増すために巻線の近傍に導磁性材料を用いることがで
きる。
【００４４】例えば、図１７（Ａ）において、導磁性デ
ィスク600が用いられており、各ローブ３０，３２の中
に存在し前記ディスクの両側に形成される制御巻線（図
示せず）の間の結合度を増大せしめている。このディス
クは、ローブを囲む包埋材料の中に形成された凹部602
の中に嵌挿されている。図１７（Ｂ）において、小さな
導磁性ロッド604は同様な目的を達成する。このロッド
は各ローブにおける穴606, 608を貫通し各巻線の中央を
貫通する。導磁性材料はローブの中にモールディングす
ることも出来るし、図示した如く別々の部材として付加
することもできる。各場合において、ローブの電気機械
的独立性は導磁性材料の存在によって損なわれることは
なくこの導磁性材料はローブに鎖交する閉じた経路を形
成はしない。
【００４５】他の実施例は以下の請求項の中にある。例
えば他のタイプの制御情報が二次側から一次側に帰還せ
しめられる。この帰還は一次側から二次側への情報伝送
をも含む。絶縁された巻線についての種々の巻数比が用
いられる。例えば１：１、２：１、３：１であり、この
場合、最初の数字が一次側の巻数を示している。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ゼロ電流スイッチング電力（パワー）コンバ
ータの全体の回路図である。
【図２】 パワーコンバータのコントローラの斜視図で
ある。
【図３】 コントローラの一部断面各面図である。
【図４】 コントローラの２つのローブの展開図であ
り、回路基板の一部も示している。
【図５】 ２つのローブの中の回路基板の断面図であ
る。
【図６】 ２つのローブの囲繞体の平面図である。
【図７】 ゼロ電流スイッチングコンバータの回路図で
ある。
【図８】 図７のアイソレーション素子の回路図であ
る。
【図９】 組合せパワーコンバータの性能特性を示す図
である。
【図10】 ２つのローブの為の抵抗値を示す表である。
【図11】 パワーコンバータアセンブリの展開図であ
る。
【図12】 回路基板にマウントされたパワーコンバータ
の斜視図である。
【図13】 図１１のコンバータの各面図である。
【図14】 図１２のコンバータの各面図である。
【図15】 トランス巻線の配列を示す全体図である。
【図16】 図１２のパワーコンバータの一部の断面図で
ある。
【図17】 導磁性コアによって結合された制御ローブの
展開図である。
【主要部分の符号の説明】
１０ パワートランス １２，１４ 一次及び二次巻線 １６，１８ 一次側及び二次側領域 ２０ メインスイッチ ２２ 制御回路 ２４ 電圧検知器 ３０，３２ 一次側及び二次側制御サブアセンブリ
（ローブ）
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭52−115116（ＪＰ，Ａ) 実開 平３−97386（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭63−198387（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H02M 3/00 - 3/44

Claims (41)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 電力コンバータ装置であって、 前記電力コンバータ装置の一次側及び二次側を形成しか
    つ電流的にアイソレーションされた巻線を有するトラン
    スと、 前記一次側の電源から前記二次側の負荷に前記トランス
    を介して電力を供給するスイッチと、 入力電源に接続されるべきポートに電流的に結合し、前
    記スイッチの動作のタイミング制御に用いられる制御情
    報を送受するための一次側連絡子を含む一次側回路を有
    して前記トランスの１次側に結合した第１回路アセンブ
    リと、 負荷に接続さるべきポートに電流的に結合され、前記制
    御情報を送信又は受信するための二次側連絡子を含む二
    次側回路を有して前記トランスの２次側に結合した第２
    回路アセンブリと、からなり、 前記第１及び第２回路アセンブリは、当初、互いにアセ
    ンブリとして機械的に分離されており、互いに電流的に
    アイソレーションされており、前記一次側及び二次側連
    絡子が協働して前記制御情報を伝送することが出来るよ
    うに互いに配置されていることを特徴とする電力コンバ
    ータ装置。
  2. 【請求項２】 請求項１記載の電力コンバータ装置であ
    って、 前記連絡子は巻線からなり、前記制御情報は前記巻線の
    電磁的結合を介して伝送されることを特徴とする電力コ
    ンバータ装置。
  3. 【請求項３】 前記制御情報をキャリヤ信号を変調する
    ことによって伝送する回路を有することを特徴とする請
    求項１記載の電力コンバータ装置。
  4. 【請求項４】 前記結合は前記巻線に鎖交する導磁性コ
    アを用いることなく達成されることを特徴とする請求項
    ２記載の電力コンバータ装置。
  5. 【請求項５】 前記巻線に鎖交する導磁性コアを有する
    ことを特徴とする請求項２記載の電力コンバータ装置。
  6. 【請求項６】 前記巻線は別々の回路基板の表面上に形
    成されることを特徴とする請求項２記載の電力コンバー
    タ装置。
  7. 【請求項７】 前記第１及び第２回路アセンブリは機械
    的に分離された保護ハウジング内に各々囲繞されている
    ことを特徴とする請求項１記載の電力コンバータ装置。
  8. 【請求項８】 前記保護ハウジングは絶縁囲繞体である
    ことを特徴とする請求項７記載の電力コンバータ装置。
  9. 【請求項９】 前記２つの回路アセンブリの為の保護ハ
    ウジングは接合面において接合し前記接合面において結
    合されていることを特徴とする請求項８記載の電力コン
    バータ装置。
  10. 【請求項１０】 前記結合は電磁的結合であることを特
    徴とする請求項９記載の電力コンバータ装置。
  11. 【請求項１１】 回路基板と、前記回路基板上にマウン
    トされる電力変換コンポーネントとからなり、前記回路
    アセンブリは前記回路基板上にマウントされていること
    を特徴とする請求項１記載の電力コンポーネント装置。
  12. 【請求項１２】 電力コンバータ装置であって、前記電
    力コンバータ装置の一次側及び二次側を形成する電流的
    にアイソレーションされた巻線を有するトランスと、 前記一次側の電源から前記二次側の負荷に前記トランス
    を介して電力を供給するスイッチと、 前記トランスの１次側に結合して前記スイッチを制御し
    かつ入力電源に接続さるべきポートに電流的に結合しか
    つ印刷回路基板上に形成された一次側巻線を有する一次
    側回路アセンブリと、 前記トランスの２次側に結合しで負荷に接続さるべきポ
    ートに電流的に結合されかつ第２の印刷回路基板上に形
    成された二次側巻線を有する二次側回路アセンブリと、
    からなり、 前記第１及び第２回路アセンブリは結合面を有する機械
    的に分離されたハウジング内に別々に囲繞されて、前記
    回路アセンブリは電流的に互いにアイソレーションされ
    て、前記ハウジングは前記結合面にて互いに結合されて
    前記一次側及び二次側巻線が協働して前記制御情報を前
    記結合面を経て伝送することを特徴とする電力コンバー
    タ装置。
  13. 【請求項１３】 電力コンバータコントロール回路装置
    であって、第１ディスクリート物理ユニットを形成すべ
    く囲繞され、第２ディスクリート物理ユニットに囲繞さ
    れた第２回路から受信する制御情報に応答すべく接続さ
    れた第１回路と、前記２つの物理ユニットが機械的に互
    いに分離自在であり、かつ、電流的にアイソレーション
    された電磁的経路を経て前記制御情報を伝送する装置の
    サブパートを各々有することを特徴とする電力コンバー
    タ制御回路装置。
  14. 【請求項１４】 複数の電力コンバータの各々が単一の
    物理的構成に適合し、前記電力コンバータの各々が前記
    物理的構成内に用いられる異なるコンバータによって達
    成される異なる動作特性を有するモードにて複数の電力
    コンバータを製造するに用いる制御回路を提供する方法
    であって、 前記電力コンバータの動作制御に用いられる制御情報を
    送信又は受信する一次側連絡子を含む第１ディスクリー
    ト制御回路の異なるバージョンを提供し、 前記制御情報を送信又は受信する二次側連絡子を含む第
    ２ディスクリート制御回路の異なるバージョンを提供
    し、 前記第１及び第２回路アセンブリは、当初、互いに機械
    的に分離されており、 互いに電流的にアイソレーションされ、前記一次側及び
    二次側連絡子を前記制御情報を伝送するために協働せし
    めるべく互いに相対的に位置決めされ、 前記複数の電力コンバータの各々が製造される際に、前
    記第１及び第２制御回路の異なるバージョンを選択して
    前記電力コンバータの所望の動作特性を達成し、 前記所望の動作特性を達成すべく前記制御情報を伝送す
    るような配置に該選択された異なるバージョンの第１及
    び第２制御回路を組合せることを特徴とする方法。
  15. 【請求項１５】 電力コンバータであって、 電力変換トランスの一次巻線と、前記一次巻線に一次側
    アセンブリの入力ポートからの電力を供給するスイッチ
    と、前記スイッチの開閉を制御する一次側制御回路と、
    からなる一次側回路アセンブリと、 前記電力変換トランスの二次巻線を含む二次側回路アセ
    ンブリと、 前記スイッチの開閉時期を定めるに有用な制御情報を受
    信する制御回路と、からなり、 前記一次及び二次回路アセンブリは個別のコンポーネン
    トとして囲繞され、前記電力トランスの一次側及び二次
    側巻線の間に導磁性コアを介した結合を生ずるように違
    いに近接して配設され前記一次側回路アセンブリ及び二
    次側回路アセンブリ間の制御情報の伝送をなすことを特
    徴とする電力コンバータ。
  16. 【請求項１６】 前記制御回路は前記回路アセンブリの
    各々における電流的にアイソレーションされたコンポー
    ネントを含むことを特徴とする請求項１５記載のパワー
    コンバータ。
  17. 【請求項１７】 前記電流的にアイソレーションされた
    コンバータは巻線からなり、前記制御情報は前記巻線間
    の電磁結合を介して伝送されることを特徴とする請求項
    １６記載の電力コンバータ。
  18. 【請求項１８】 前記制御回路はキャリア信号を変調す
    ることによって前記制御情報を伝送する素子を含むこと
    を特徴とする請求項１５記載の電力コンバータ。
  19. 【請求項１９】 前記電磁的結合は前記巻線に鎖交する
    導磁性コアを用いることなくなされることを特徴とする
    請求項１７記載の電力コンバータ。
  20. 【請求項２０】 前記巻線に鎖交する導磁性コアを有す
    ることを特徴とする請求項１７記載の電力コンバータ。
  21. 【請求項２１】 前記巻線は異なる回路基板の表面上に
    形成されていることを特徴とする請求項１７記載の電力
    コンバータ。
  22. 【請求項２２】 前記一次側及び二次側アセンブリは機
    械的に分離された保護ハウジング内に各々囲繞されてい
    ることを特徴とする請求項１５記載の電力コンバータ。
  23. 【請求項２３】 前記保護ハウジングは絶縁性囲繞体か
    らなることを特徴とする請求項２２記載の電力コンバー
    タ。
  24. 【請求項２４】 前記アセンブリのハウジングは接合面
    の各々を見て接合しかつ前記接合面にて結合することを
    特徴とする請求項２２記載の電力コンバータ。
  25. 【請求項２５】 電力コンバータの一次側及び二次側回
    路間に制御情報を伝送するアイソレーション装置であっ
    て、前記制御情報によってキャリア信号を電気的に変調
    する第１伝送回路と、前記一次側及び二次側回路の間に
    前記キャリア信号を送信しかつ受信するための電流的に
    アイソレーションされた第１及び第２連絡子と、前記第
    ２連絡子によって伝送される信号に応じて前記制御情報
    に対応する電気信号を生成する第２伝送回路と、からな
    り、前記第１及び第２伝送回路は機械的に互いに分離自
    在でありかつ前記連絡子の少なくとも１つは前記伝送回
    路の１つと共にパッケージされていることを特徴とする
    アイソレーション装置。
  26. 【請求項２６】 前記キャリア信号は高周波電気的発振
    からなることを特徴とする請求項２５のアイソレーショ
    ン装置。
  27. 【請求項２７】 前記第１及び第２連絡子は導電性巻線
    からなることを特徴とする請求項２５記載のアイソレー
    ション装置。
  28. 【請求項２８】 前記巻線の結合は前記巻線に鎖交する
    導磁性コアを用いることなくなされていることを特徴と
    する請求項２７記載のアイソレーション装置。
  29. 【請求項２９】 前記電気的変調は振幅変調であること
    を特徴とする請求項２５記載のアイソレーション装置。
  30. 【請求項３０】 電力コンバータ内の機械的に分離され
    た一次側及び二次側回路の間に制御情報を伝送する方法
    であって、 前記制御情報によってキャリア信号を変調し、前記一次
    側及び二次側回路の間に電流的にアイソレーションされ
    た連絡子を介して該変調されたキャリア信号を伝送する
    ことを特徴とする方法。
  31. 【請求項３１】 該伝送された変調キャリアを検波して
    変調して前記制御情報を再生することを特徴とする請求
    項３０記載の方法。
  32. 【請求項３２】 電力変換に用いられる回路であって、 １次側基板に搭載されかつ該電力変換の制御のために用
    いられる制御信号の送信又は受信をなす１次側連絡子を
    有する１次側回路と、 ２次側基板に搭載されかつ前記制御信号の送信又は受信
    をなす２次側連絡子を有する２次側回路と、からなり、 前記１次側及び２次側回路の少なくとも一方が対応する
    基板の放熱側の面に搭載された放熱素子を含み、 前記１次側基板及び前記２次側基板の各々の該放熱側の
    面は、他方の基板には向き合わないことを特徴とする装
    置。
  33. 【請求項３３】 請求項３２記載の装置であって、前記１次側又は２次側基板の１つの基板の両側面にコン
    ポーネントが搭載されており、 前記１次側及び２次側基板は互いに向き合って内部スペ
    ースを画定し、前記内部スペース内に前記コンポーネン
    トの１つ以上を配したことを特徴とする装置。
  34. 【請求項３４】 請求項３２記載の装置であって、 前記１次側及び２次側基板は互いに平行に配置されてい
    ることを特徴とする装置。
  35. 【請求項３５】 請求項３２記載の装置であって、 前記１次側及び２次側基板は、装置のエッジを画定し、
    前記装置は前記装置を回路基板上に搭載するための導電
    性端子を前記エッジに沿って更に有することを特徴とす
    る装置。
  36. 【請求項３６】 請求項３２記載の装置であって、 前記１次側及び２次側基板は、当初、互いに機械的に分
    離されており、互いに電流的にアイソレーションされて
    おり、かつ前記１次側及び２次側連絡子が協働して前記
    制御情報を中継出来るように配置されていることを特徴
    とする装置。
  37. 【請求項３７】 請求項３２記載の装置であって、 前記１次側回路は、トランスの１次巻線を含み、前記２
    次側回路は、前記トランスの２次巻線を含み、前記１次
    及び２次巻線は電流的にアイソレーションされているこ
    とを特徴とする装置。
  38. 【請求項３８】 請求項３２記載の装置であって、 前記連絡子は、巻線からなり、前記制御情報は、前記巻
    線間の電磁結合によって中継されることを特徴とする装
    置。
  39. 【請求項３９】 請求項３８記載の装置であって、 電磁結合は前記巻線に鎖交する導磁性コアを用いないで
    なされていることを特徴とする装置。
  40. 【請求項４０】 ２つの別々の基板に各々搭載されてか
    つ互いに平行かつ近接して協働する２つのサブ回路と、
    １組の導電性端子群とを有する回路であって、 前記端子群は、前記回路を回路基板に搭載するために前
    記回路のエッジに沿って設けられており、 前記端子群は、前記基板の一方の端子エッジに沿って搭
    載された第１組の導電性端子群と、他方の基板の端子エ
    ッジに沿って搭載された第２組の導電性端子群と、から
    なり、前記第１組の端子群の各端子は前記第１組の端子
    群に対応する前記第２組の端子群の各端子のいずれとも
    対向していないことを特徴とする回路。
  41. 【請求項４１】 請求項４０記載の回路であって、 前記第１及び第２導電性端子群は、前記回路の端子エッ
    ジの長さ方向に沿って、互いに重なり合わないセグメン
    ト群を占めていることを特徴とする回路。
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