JP3202692U - 電力変換システム - Google Patents

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Abstract

【課題】電子装置の動作状態に基づいて出力電力を変更することができる電力変換システムを提供する。【解決手段】電力変換システムは、隔離変圧器３０、共振モジュール２０、スイッチングモジュール１０及び出力制御装置を含み、隔離変圧器は、一次巻線３１０及び複数の二次巻線３２０ａ〜３２０ｄを含む。二次巻線と一次巻線の間は、少なくとも結合距離を有し、隔離変圧器の漏れインダクタンスが結合距離の増加に伴って増加する。共振モジュールは、一次巻線及びスイッチングモジュールに電気接続する。出力制御装置は、制御器及び複数の出力制御モジュール４０を含み、制御器は、出力制御モジュールに接続し、各出力制御モジュールは、そのうち１つの二次巻線に接続する。制御器は、電子裝置の動作状態に基づいて出力制御装置の少なくとも１つの出力制御モジュールを駆動し、そのうち１つの必要電力に対応する動作電力を出力させる。【選択図】図１

Description

本考案は、電力変換システムに関し、且つ特に、電子装置の動作状態に基づき、出力電力を変化させることができる電力変換システムに関する。
ダイオード又はショットキー(Schottky)ダイオードの整流回路は、ダイオード、ショットキーダイオードの順方向のオン電圧が大きく、請求回路の損耗が電源変換器の主な損耗となっている。金属酸化物半導体電界効果トランジスタは、導電抵抗が低く、開閉時間が短く、入力抵抗が高く、低電圧大電流の電源変換器の好適な整流素子となっており、金属酸化物半導体電界効果トランジスタの制御の特長に基づき、同期整流技術が誕生している。
従来の複数組の出力を具備する電源変換器は、複数組の同期整流ユニットを含み、電子装置の起動時、前記複数組の同期整流ユニットが同時に起動し、電力を電子装置に出力する。電子装置をオフにする時、複数組の同期整流ユニットが同時にオフにされて、電子装置への電力の出力を停止する。前記の同期整流ユニットの制御法好きは、簡易制御の利点を備えるが、電子装置が軽負荷又は非軽負荷状態のいずれに動作しているかに関わらず、電源変換器が出力する電力は、固定値であり、これは、電源変換器の電子装置が軽負荷に動作している時の損耗を高くさせている。
特開２００２−２３１５３８号公報
本考案は、電子装置の動作状態に基づいて出力電力を変更することができる電力変換システムを提供する。
本考案の電力変換システムは、電子装置の異なる動作状態における複数の必要電力を提供することに用いられる。電力変換システムは、隔離変圧器、共振モジュール、スイッチングモジュール及び出力制御装置を含む。隔離変圧器は、一次巻線及び複数の二次巻線を含み、各一次巻線と二次巻線の間に結合距離を有する。共振モジュールは、一次巻線に電気接続し、スイッチングモジュールは、該共振モジュールに電気接続する。出力制御装置は、制御器及び複数の出力制御モジュールを含み、制御器は、出力制御モジュールに接続し、各出力制御モジュールは、そのうち１つの二次巻線に接続する。制御器は、電子裝置の動作状態に基づいて出力制御装置の少なくとも１つの出力制御モジュールを駆動させ、同期整流ユニットに同期整流を行わせ、そのうち１つの必要電力に対応する動作電力を出力する。
本考案の電力変換システムは、制御器を介して、同期整流ユニットが同期整流を行うか否か、又は出力スイッチのオン又はオフを制御し、隔離変圧器の漏れインダクタンスを変更し、電力変換システムに異なる必要電力に対応する動作電力を出力させる。
本考案の電力変換システムは、電子装置の動作状態に基づいて出力電力を変更することができる。
本考案の第１実施例の電力変換システムの回路ブロック図である。 本考案の第１実施例の電力変換システムの回路図である。 本考案の電源変換システムの出力電流と整流スイッチ及び出力スイッチの切り換えのタイミング図である。 本考案の電源変換システムの軽負荷時の第１〜第４電力スイッチゲートが信号極を制御する、相対する一次側の電流及び電圧波形である。 本考案の電源変換システムの軽負荷時の第１〜第４電力スイッチゲートが信号極を制御する、相対する一次側の電流及び電圧波形である。 本考案の電源変換システムの中負荷時の第１〜第４電力スイッチゲートが信号極を制御する、相対する一次側の電流及び電圧波形である。 本考案の電源変換システムの中負荷時の第１〜第４電力スイッチゲートが信号極を制御する、相対する一次側の電流及び電圧波形である。 本考案の電源変換システムの満負荷時の第１〜第４電力スイッチゲートが信号極を制御する、相対する一次側の電流及び電圧波形である。 本考案の電源変換システムの満負荷時の第１〜第４電力スイッチゲートが信号極を制御する、相対する一次側の電流及び電圧波形である。 本考案の隔離変圧器の断面図である。 本考案の隔離変圧器の第１動作状態の漏れインダクタンス及び磁束密度の分布図である。 本考案の隔離変圧器の第２動作状態の漏れインダクタンス及び磁束密度の分布図である。 本考案の隔離変圧器の第３動作状態の漏れインダクタンス及び磁束密度の分布図である。 本考案の第２実施例の電力変換システムの回路図である。
図１を参照し説明するが、それは、本考案の第１実施例の電力変換システムの回路ブロック図である。電力変換システムは、入力電圧Ｖｉを受け、複数組の出力電圧Ｖｏを生成する。図１において、電力変換システムは、隔離変圧器３０により区分けされる一側と二次側を含む。隔離変圧器３０は、一次巻線３１０及び二次巻線３２０ａ〜３２０ｄを含む。電力変換システムの一次側は、フルブリッジスイッチングモジュール１０、共振モジュール２０及び一次巻線３１０を含み、電力変換システムの二次側は、出力制御装置４０及び一次巻線３１０に結合する二次巻線３２０ａ〜３２０ｄを含み、そのうち、出力制御装置４０は、出力制御モジュール４００ａ〜４００ｄを含み、各出力制御モジュール４００ａ〜４００ｄは、同期整流ユニット(図１に示す第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄ)及び出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を含む。
図２を参照し説明するが、それは、本考案の第１実施例の電力変換システムの回路図である。フルブリッジスイッチングモジュール１０は、入力電圧Ｖｉに電気接続し、第１電力スイッチＱＡ、第２電力スイッチＱＢ、第３電力スイッチＱＣ及び第４電力スイッチＱＤを含む。第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤは、それぞれ金属酸化物半導体電界効果トランジスタである。第１電力スイッチＱＡ及び第３電力スイッチＱＣのドレインが入力電圧Ｖｉに接続し、第１電力スイッチＱＡのソースが第２電力スイッチＱＢのドレイン及び共振モジュール２０に電気接続し、第３電力スイッチＱＣのソースが第４電力スイッチＱＤのドレイン及び隔離変圧器３０の一次巻線３１０に電気接続する。第２電力スイッチＱＢ及び第４電力スイッチＱＤのソースが入力電圧Ｖｉに接続する。
図２に示すように、第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤは、それぞれダイオードＤに並列接続し、そのうち、第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤのドレインがダイオードＤの陰極に接続し、第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤのソースがダイオードＤの陽極に接続する。ダイオードＤは、例えば、第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤの内部の本体ダイオードであることができる。また、第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤのドレイン及びソース間に更にコンデンサＣを並列接続し、コンデンサＣは、例えば、第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤの内部の寄生コンデンサであることができる。
共振モジュール２０は、直列接続した共振インダクタＬｒ、隔離直流コンデンサＣｂ及び励起インダクタを含む。本実施例において、励起インダクタは、隔離変圧器３０の一次巻線３１０により実現される。共振モジュール２０は、第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤにゼロ電圧スイッチングの特性を達成させることに用いられ、スイッチング損失を減少し、更に電力変換システムの効率を増加させる。
出力制御装置４０は、数量が二次巻線３２０ａ〜３２０ｄに対応した第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄ及び第１〜第４出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を含む。図１及び図２に示すように、第１同期整流ユニット４１０ａは、二次巻線３２０ａ及び第１出力スイッチＳＷ１に接続し、第２同期整流ユニット４１０ｂは、二次巻線３２０ｂ及び第２出力スイッチＳＷ２に接続し、第３同期整流ユニット４１０ｃは、二次巻線３２０ｃ及び第３出力スイッチＳＷ３に接続し、第４同期整流ユニット４１０ｄは、二次巻線３２０ｄ及び第４出力スイッチＳＷ４に接続する。
図２に示すように、第１同期整流ユニット４１０ａは、請求スイッチＱ１，Ｑ２を含み、第２同期整流ユニット４１０ｂは、請求スイッチＱ３，Ｑ４を含み、第３同期整流ユニット４１０ｃは、請求スイッチＱ５，Ｑ６を含み、第４同期整流ユニット４１０ｄは、請求スイッチＱ７，Ｑ８を含む。請求スイッチＱ１のソースは、請求スイッチＱ２のソース及び出力コンデンサＣoに接続し、請求スイッチＱ１，Ｑ２のドレインは、二次巻線３２０ａに電気接続する。請求スイッチＱ３のソースは、請求スイッチＱ４のソースに接続し、請求スイッチＱ３，Ｑ４のドレインは、それぞれ二次巻線３２０ｂに電気接続する。請求スイッチＱ５のソースは、請求スイッチＱ６のソースに接続し、請求スイッチＱ５，Ｑ６のドレインは、それぞれ二次巻線３２０ｃに電気接続する。請求スイッチＱ７のソースは、請求スイッチＱ８のソースに接続し、請求スイッチＱ７，Ｑ８のドレインは、それぞれ二次巻線３２０ｄに電気接続する。請求スイッチＱ１〜Ｑ８のゲートＳＲ１〜ＳＲ８は、それぞれ制御器４２０に電気接続し、制御器４２０が出力する制御信号を受け、オン又はオフのスイッチング動作を行い、これにより、同期整流の効果を提供する。
電力変換システムは、フィルタＬ１〜Ｌ８を更に含むことができる。図２に示すように、フィルタＬ１〜Ｌ８は、それぞれインダクタである。フィルタＬ１及びフィルタＬ２は、二次巻線３２０ａの両端及び出力スイッチＳＷ１に接続し、フィルタＬ３及びフィルタＬ４は、二次巻線３２０ｂの両端及び出力スイッチＳＷ２に接続し、フィルタＬ５及びフィルタＬ６は、二次巻線３２０ｃの両端及び出力スイッチＳＷ３に接続し、フィルタＬ７及びフィルタＬ８は、二次巻線３２０ｄの両端及び出力スイッチＳＷ４に接続する。
第１〜第４出力スイッチＳＷ１〜ＳＷは、それぞれ制御器４２０の控制を受けてオフ(turn off)又はオン(turn on)される。ここで、特に説明すべきこととして、本考案の電力変換システムは、電子装置の異なる動作状態における複数の要求電力を提供することに用いられるので、制御器４２０は、電子装置の動作状態に基づいて制御装置中の少なくとも１つの制御モジュール４００ａ〜４００ｄに電子装置の動作時の必要電力を出力させる。そのうち、制御器４２０は、可以選擇藉由控制第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄ又は第１〜第４出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を制御することによって、電力変換システムに電子装置の動作時に必要な電力を出力させることを選択することができる。
共振モジュール２０の共振インダクタＬｒ及び隔離変圧器３０は、併せて固定漏れインダクタンスを提供する。共振を発生してゼロ電圧スイッチングを完成するため、第１電力スイッチＱＡ及び第２電力スイッチＱＢ(又は第３電力スイッチＱＣ及び第４電力スイッチＱＤ)の制御信号間に明らかに一定のデッド時間(dead time)が存在する。いわゆるデッド時間は、１つの開閉周期内において、制御回路（図示せず）が第１電力スイッチＱＡ及び第２電力スイッチ時間ＱＢ(第３電力スイッチＱＣ及び第４電力スイッチＱＤ)に同時にオフ(turn off)状態となる持続時間(そのうち、制御回路は、第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤのゲートＳ１〜Ｓ４に電気接続し、制御信号を出力し、第１〜第４電力スイッチＱＡ〜ＱＤをオン又はオフにする)であり、図４ａに示すような時間区間ｔ２〜ｔ３（ｔ４〜ｔ５）である。一般的に、漏れインダクタンスが大きいほど、デット時間が長くなる。
図２及び図４ａを同時に参照し、そのうち、図４ａは、電力変換システムの電子装置が軽負荷に動作（例えば、満負荷の２０％）時の一次側電流及び電圧波形を示す。第１状態（即ち、図４ａに示す時間ｔ１〜ｔ２)において、図２が示す第１電力スイッチＱＡ及び第４電力スイッチＱＤがオフ(turn off)になり、第２電力スイッチＱＢ及び第３電力スイッチＱＣがオン(turn on)になり、故に、入力電圧Ｖｉが第２電力スイッチＱＢ、第３電力スイッチＱＣ、共振コンデンサＣb、共振インダクタＬｒを経た後、一次巻線３１０から二次巻線３２０ａ〜３２０ｄに結合伝達される。この期間において、隔離変圧器３０の一次側電流(Ip)が緩やかに上昇し、共振インダクタＬｒが同時に充電してエネルギーを蓄える。
第２状態（即ち、図４ａに示す時間ｔ２〜ｔ３）において、図２で示す第２電力スイッチＱＢがオフ(第１電力スイッチＱＡ及び第４電力スイッチＱＤがオフを維持し、第３電力スイッチＱＣがオンを維持する)であり、隔離変圧器３０の一次側電流(Ip)が上昇を停止する。しかしながら、レンツの法則に基づき、共振インダクタＬｒの電流は、必ず持続性を保持するので、共振インダクタＬｒの電流は、同じ方向への流動を継続する。この時、一次側電流(Ip)は、第２電力スイッチＱＢのドレインソース間に並列するコンデンサＣに対して充電を行い、第１電力スイッチＱＡのドレインソース間に並列するコンデンサＣに対して放電を行い、第２電力スイッチＱＢのドレインソース間に並列するコンデンサＣの電圧が入力電圧Ｖｉになるまで行われる。
第３状態(即ち、図４ａに示す時間ｔ３〜ｔ４)中の時間ｔ３の時、ゼロ電圧区間が終了し、この時、第１電力スイッチＱＡのドレインソースブリッジ電圧が放電され、ゼロ電圧まで降下し、続いて、第１電力スイッチＱＡのドレインソース間に跨るダイオードＤがオンになり、第１電力スイッチＱＡ上のドレインソースがゼロ電圧に固定され、第１電力スイッチＱＡにゼロ電圧スイッチング(Zero Voltage Switching, ZVS)を達成させ、更に、スイッチング損失を減少する。同時に、隔離変圧器３０の一次側電圧(Vp)がゼロとなる。
第４段階(即ち、図４ａに示す時間ｔ４〜ｔ５)において、共振状態で開始し、第３電力スイッチＱＣがオフになり(即ち、時間ｔ４)、共振インダクタＬｒの電流が持続性を必ず保持することにより、一次側電流(Ip)は、第３電力スイッチＱＣのドレインソース間に並列するコンデンサＣに対して充電を行い、第４電力スイッチＱＤのドレインソース間に並列するコンデンサＣに対して放電を行い、第４電力スイッチＱＣのドレインソース間に並列するコンデンサＣの電圧が入力電圧Ｖｉに等しくなるまで行い、且つ第４電力スイッチＱＤのドレインソースブリッジ電圧がゼロ電圧になるまで放電される(ＶＱ４曲線参照)。
図４ａに示す時間ｔ５において、第３電力スイッチ ＱＣドレインソースに並列するコンデンサＣの両端のブリッジ電圧が入力電圧に等しく、且つ第４電力スイッチＱＤのドレインソース間に並列するコンデンサＣの両端のブリッジ電圧がゼロに降下し、第４電力スイッチＱＤのドレインソース間に並列するダイオードＤをオンにして共振を完成させる。同時に、第４電力スイッチＱＤのドレインソースに並列するダイオードＤがオンとなった後、第４電力スイッチＱＤをオンにさせ、第４電力スイッチＱＤのドレインソースのブリッジ電圧がゼロ電位になり、従って、第４電力スイッチＱＤがゼロ電圧スイッチングを行う。
第五段階(即ち、図４ａに示す時間ｔ５〜ｔ７)において、共振インダクタＬｒ両端の電圧は、入力電圧Ｖｉに等しく、従って、一次側電流(Ip)が線形的減少を呈する。そのうち、時間ｔ６である時、一次側電圧(Vp)は、第４電力スイッチＱＤがオンになる瞬間にまだ負電位に変換されておらず、この部分が，デューティサイクル損失(duty cycle loss)である。そのうち、漏れインダクタンスが大きくなるほどデューティサイクル損失が大きくなる。ここで、特に説明すべきこととして、デューティサイクル損失は、下式で表すことができる:
Figure 0003202692


そのうち、
Ｌｒが共振インダクタのインダクタンス値であり、
Ｉｐが電力変換システムの一次側電流であり、
Ｖｐが電力変換システムの一次側電圧である。
前記の図４ａに示す電力変換システムは、電子裝置が軽負荷に動作している（例えば、満負荷の２０％）時に供給される一次側電流及び電圧の波形であり、図５ａ及び図６ａは、それぞれ電子装置が中負荷に動作（例えば、満負荷の５０％）時の一次側の電流及び電圧の波形、及び電子装置が満負荷に動作時の一次側の電流及び電圧の波形を示す。特に説明すべきこととして、電子装置の必要電流が高まり、電力変換システムが出力する電流も対応して増加する時、デューティサイクル損失が電流の上昇によって増加する。前記のデューティサイクル損失は、入力電圧Ｖｉの維持時間(hold-up time)を減少させ、電力変換システムの全体的効率を低下させる。
デューティサイクル損失を更に低下させ、電力変換システムの全体的効率を高めるため、出力制御装置４０の出力制御モジュール４００ａ〜４００ｄの制御方法を更に変更する必要がある。
一般的に、電子装置が満負荷で動作時の必要電力が最大であるので、電力変換システムが電子装置に出力する電流も比較的大きくなり、電子装置が軽負荷で動作時の必要電力は最小であるので、電力変換システムが電子装置に出力する電流も相対して比較的小さくなる。
本考案の電力変換システムは、電子装置の必要電流の大きさに応じて、同期整流装置４０の動作モードを調整することができ、電力変換システムに電子装置が満負荷時に比較的大きな電流を提供させ、電子装置が軽負荷で動作時に比較的小さな電流を提供させ、これにより電力消耗を低減する。
本考案の出力制御装置のうちの１つの動作状態において、制御器４２０は、出力制御モジュール４００ａ〜４００ｄ中の同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄにより同期整流を行うかによって出力電力を決定する時、電力変換システムは、以下の４種の動作モードを含む。図２を参照し、第１動作モードにおいて、制御器４２０は、請求スイッチＱ１〜Ｑ８のゲートＳＲ１〜ＳＲ８の動作状態を制御し、第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄのうちの１つに同期整流を行わせ、電力変換システムに第１電流Ｉ１を出力させる。ここで、例えば、請求スイッチＱ１、Ｑ２に制御器４２０が出力する的制御信号に基づいてオン及びオフのスイッチングを行わせることができ、同期整流を行い(図３の０〜ｔ１区間)、二次巻線３２０ａに結合する電力を出力端に伝達することができる。
第２動作モードにおいて、制御器４２０は、請求スイッチＱ１〜Ｑ８のゲートＳＲ１〜ＳＲ８の動作状態を制御し、第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄのそのうち２つに同期整流を行わせ(図３のｔ１〜ｔ２区間)、電力変換システムに第２電流Ｉ２を出力させ、そのうち、第２電流Ｉ２が第１電流Ｉ１より大きい。
第３動作モードにおいて、制御器４２０は、請求スイッチＱ１〜Ｑ８のゲートＳＲ１〜ＳＲ８の動作状態を制御し、第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄ中の３つに同期整流を行わせ(図３中のｔ２〜ｔ３区間)、電力変換システムに第３電流Ｉ３を出力させ、第３電流Ｉ３が第２電流Ｉ２より大きい。
第４動作モードにおいて、制御器４２０が請求スイッチＱ１〜Ｑ８のゲートＳＲ１〜ＳＲ８の動作状態を制御し、第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄに同時に同期整流を行わせ(図３のｔ３以降の区間)、電力変換システムに第４電流Ｉ４を出力させ、そのうち、第４電流Ｉ４が第３電流Ｉ３より大きい。図３が示すのは、対応する電力変換システムの出力電流及び請求スイッチの切り換えタイミング図である。電子装置の動作モードに基づいて第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄを分段式に駆動し、電力変換システムの電子装置が軽負荷に動作する時の電力損耗を低減し、省エネルギーの効果を達成する。
本考案の出力制御装置のうち１つの動作状態において、制御器４２０が出力制御モジュール４００ａ〜４００ｄ中の第１〜第４出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ４が同期してオンを行うかによって出力電力を決定する時、電力変換システムは、以下の４種の動作モードを含むことを説明範例とする。特に説明すべきこととして、この４種の動作モードの動作時、制御器４２０は、第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄ全てに持続的に同期整流を行う。図２及び図３を参照し、第１動作モードにおいて、制御器４２０は、第１出力スイッチＳＷ１をオンにし、電力変換システムに第１電流Ｉ１を出力させ、第２動作モードにおいて、制御器４２０が第１出力スイッチＳＷ１及び第２出力スイッチＳＷ２をオンにし、電力変換システムに第２電流Ｉ２を出力させ、第３動作モードにおいて、制御器４２０が第１〜第３出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ３をオンにし、電力変換システムに第３電流Ｉ３を出力させ、第４動作モードにおいて、制御器４２０が第１〜第４出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ４をオンにし、電力変換システムに第４電流Ｉ４を出力させる。
また、更に、隔離変圧器３０の一次巻線３１０及び二次巻線３２０ａ〜３２０ｄの配列方式に合わせ、全体の電力消耗を更に有効に制御することができる。
図７を参照し説明するが、それは、本考案の隔離変圧器の断面図である。隔離変圧器３０は、巻線フレーム３３０、磁芯３４０を更に含み、磁芯３４０は、巻線フレーム３３０の周囲に被せ設けられる。一次巻線３１０及び二次巻線３２０ａ〜３２０ｄは、それぞれ巻線フレーム３３０上に設けられる。ここで説明すべきこととして、図７において、隔離変圧器３０は、１つの一次巻線３１０及び４つの二次巻線３２０ａ〜３２０ｄを含み、二次巻線３２０ａ〜３２０ｄが等間隔に巻線フレーム３３０上に設けられ、一次巻線３１０は、巻線フレーム３３０上に巻き付けられ、位於各二次巻線３２０ａ〜３２０ｄの一側(例えば、左側)に位置し、且つ隔離変圧器３０の側面断面からみて、一次巻線３１０及び二次巻線３２０ａ〜３２０ｄは、交錯配列を呈する。
電力を隔離変圧器３０の一次巻線３１０に印加する時、二次側回路は、出力制御装置４０の出力制御モジュール４００ａ〜４００ｄの異なる動作に応じて異なる電力出力を有し、以下に３種の異なる動作状態で説明を行う。
図２を参照し説明するが、第１動作状態において、第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄの請求スイッチＱ１〜Ｑ８は、何れも制御器４２０の制御信号を受けて同期整流を行い、或は第１〜第４出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ４が制御器４２０の制御信号を受けてオンになる時(図３のｔ３以降の区間)、二次巻線３２０ａ〜３２０ｄは、電磁感応を経て電力出力を発生する。同時に、一次巻線３１０及び二次巻線３２０ａ〜３２０ｄの間に持続結合不完全を発生して漏れインダクタンスを発生し、図８に示すのは、図７に対応する隔離変圧器３０の漏れインダクタンス、磁束密度及び温度分布図である。図８から分かるように、隔離変圧器３０の漏れインダクタンスは、一次巻線３１０と二次巻線３２０a〜３２０ｄの間の結合距離が短い箇所が最低であり、且つ漏れインダクタンスは、一次巻線３１０と二次巻線３２０ａ〜３２０ｄの間の結合距離の増加に伴って増加する。図７に示すような一次巻線３１０と二次巻線３２０ａ〜３２０ｄが交錯配列を呈することにより、隔離変圧器３０の漏れインダクタンスが一定範囲内で変動する。
第２動作状態において、図７に示す第１同期整流ユニット４１０ａの請求スイッチＳＲ１，ＳＲ２のみが制御器４２０の制御信号を受けて同期整流を行い、請求スイッチＳＲ３，ＳＲ４，ＳＲ５，ＳＲ６，ＳＲ７，ＳＲ８が何れもオフであるか、第１出力スイッチＳＷ１が制御器４２０の制御信号を受けてオンである時(図３の０〜ｔ１区間)、二次巻線３２０ａのみが電磁感応を経て電力出力を発生する。図９に示すように、一次巻線３１０と二次巻線３２０ａの間の結合距離が短い箇所は、隔離変圧器３０の漏れインダクタンスが低く、一次巻線３１０と二次巻線３２０ａ間の?合距離が増加するについて、隔離変圧器３０の漏れインダクタンスも増加する。
第３動作状態において、図７に示す第１同期整流ユニット４１０ａ及び第４同期整流ユニット４１０ｄの請求スイッチＳＲ３，ＳＲ４，ＳＲ５，ＳＲ６のみが制御器４２０の制御信号を受けて同期整流を行い、請求スイッチＳＲ１、ＳＲ１、ＳＲ７、ＳＲ８が何れもオフであるか、第１出力スイッチＳＷ１及び第４出力スイッチＳＷ４が制御器４２０の制御信号を受けてオンとなる時、二次巻線３２０ｂ、３２０ｃのみが電磁感応を受けて電力出力を発生する。図９に示すように、一次巻線３１０及び二次巻線３２０ａ〜３２０ｄの間の結合距離が短い箇所は、隔離変圧器３０の漏れインダクタンスが最も低く、一次巻線３１０及び二次巻線３２０ａ〜３２０ｄ間の結合距離が増加するにつれて、隔離変圧器３０の漏れインダクタンスも増加する。
前記内容から分かるように、隔離変圧器３０の二次巻線３２０ａ〜３２０ｄの同期整流を行う数量及びその一次巻線３１０との間の結合距離を制御することで、隔離変圧器３０の漏れインダクタンスを有効に調整することができ、このように、電力変換システムは、電子裝置の要求電力の違いに応じて相応する動作電力を出力することができる。二次巻線３２０ａ〜３２０ｄをオンにし一次巻線３１０と電磁結合を発生させ、動作電力を出力するには、二次巻線３２０ａ〜３２０ｄ後端に接続する同期整流ユニットが同期整流を行う必要がある。例えば、図２に示すような第１同期整流ユニット４１０ａが同期整流を行う場合、一次巻線３１０が二次巻線３２０ａの電気エネルギーに結合して初めてインダクタＬ１，Ｌ２を経由して出力でき、漏れインダクタンスを発生し、デューティサイクル損失を減少する。言い換えれば、図２に示すような第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄの同期整流を行うかを制御し、隔離変圧器３０の漏れインダクタンスを変更することができる。下表１(漏れインダクタンス値は、ただ例とする測定データである)が示すのは、第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄの同期整流を行うか否かに対応して発生する漏れインダクタンスである。
Figure 0003202692















表１において、「同期整流」は、第１〜第４同期整流ユニット中のうちの少なくとも１つが同期整流を行うことを示し、一次巻線３１０がその上に接続する二次巻線３２０ａ〜３２０ｄに結合し、電力を電子装置に出力する。「オフ」は、第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄ中の少なくとも１つが同期整流動作を行わず、且つ電子装置へ電力を出力する動作をしないことを表す。
隔離変圧器３０の漏れインダクタンスを変化させることによって、デューティサイクル損失を有効に減縮することができる。そのうち、図４ｂに示すのは、対応する電源供給器が２０％の負荷時に第１〜第４電力スイッチゲートが信号極を制御する、相対する一次側の電流及び電圧の波形である。図４ｂにおいて、時間ｔ５−ｔ６’が示すのは、隔離変圧器３０の二次巻線３２０ａ〜３２０ｄのオン数量及びその一次巻線３１０との間の結合距離を制御し、隔離変圧器３０の漏れインダクタンスを変更した後のデューティサイクル損失であり、それは、図４ａに示すデューティサイクル損失(即ち、時間ｔ５−ｔ６)より短く、言い換えれば、図４ｂが示す時間ｔ６’−ｔ６は、デューティサイクル損失が変更された(即値、減縮)の部分である。
図５ｂ及び図６ｂは、それぞれ本考案の電源供給器が５０％、１００％の負荷時の第１〜第４電力スイッチゲートが信号極を制御する、相対する一次側の電流及び電圧の波形であり、そのうち、時間ｔ５−ｔ６が示すのは、隔離変圧器３１０の二次巻線３２０ａ〜３２０ｄのオン数量及びその一次巻線３１０との間の結合距離を制御して隔離変圧器３０の漏れインダクタンスを変更していないデューティサイクル損失であり、時間ｔ５−ｔ６’が示すのは、隔離変圧器３０の二次巻線３２０ａ〜３２０ｄのオン数量及びその一次巻線３１０との間の結合距離を制御して隔離変圧器３０の漏れインダクタンスを変更した後のデューティサイクル損失である。
また、隔離変圧器３０が局部的に熱を蓄積して損壊することを回避する為、前表１に基づいて第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄが同期整流を行う順序を変更することができ、例えば、制御器４２０は、同期整流を行う同期整流ユニットを徐々に開放する方式で同期整流ユニットを制御し、隔離変圧器３０が蓄熱を発生する問題を防止することができる。更に、制御器４２０により同期整流を行う同期整流ユニットと巻線フレーム３３０の中心軸の間の距離を徐々に収束開放する方式で同期整流ユニットを制御し、隔離変圧器３０が蓄熱を発生する問題を防止する。即ち、第１同期整流ユニット４１０ａ、第４同期整流ユニット４１０ｄ、第２同期整流ユニット４１０ｂ及び第３同期整流ユニット４１０ｃの順で単独で同期整流を行う。
また、例えば、表１に示す第１状態及び第２状態において、何れも単一の同期整流ユニットのみを開放し、その他の３つの同期整流ユニットを停止し、且つ開放した同期整流ユニットは、隔離変圧器３０の断面中心線の両側の相応する位置に位置させ、両者の漏れインダクタンスの差を小さくする。従って、電力変換システムの動作時、順に第１同期整流ユニット４１０ａ及び第４同期整流ユニット４１０ｄを順に開放し、二次巻線３２０ａ及び３２０ｄにそれぞれ電子装置に電力を伝達させる。このように、磁芯３４０の特定位置に位置する二次巻線のみが長時間電力を電子装置に伝達して熱の蓄積を招く問題を有効に回避することができる。
当然ながら、実際の動作時、隔離変圧器３０の断面中心線の両側の相応する位置に位置する同期整流ユニットのみが順序の違いに従ってスイッチングを行うように限定するものではなく、ただ互いに近い漏れインダクタンス（例えば、５μＨ未満）値を提供可能な状態が対応する同期整流ユニットは、何れも順に開放でき、隔離変圧器３０が熱の蓄積を発生する問題を防止する。
上記のように、本考案の電力変換システムは、以下のような電力変換方法を利用して電子装置に異なる動作状態の要求電力を提供することができる。
先ず、隔離変圧器３０を提供し、隔離変圧器３０は、少なくとも１つの一次巻線３１０及び複数の二次巻線（例えば、図２が示す二次巻線３２０ａ〜３２０ｄ）を含み、そのうち、各二次巻線３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄと一次巻線３１０の間の少なくとも１つの結合距離を有する。言い換えれば、一次巻線３１０と二次巻線３２０ａ〜３２０ｄの距離は、何れも異なることができ、或は、各二次巻線３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄと一次巻線３１０との間の距離は、同一であることができる。隔離変圧器３０の一次巻線３１０は、共振モジュール２０に電気接続し、共振モジュール２０は、フルブリッジスイッチングモジュール１０を介して、入力電圧Ｖｉに電気接続する。隔離変圧器３０の各二次巻線３１０は、同期整流ユニット(例えば、図２が示す第１〜第４整流單元４１０ａ〜４１０ｄ)に電気接続し、同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄは、フィルタＬ１〜Ｌ８を介して電子装置に接続する。
続いて、電子装置の動作モード、即ち、電子装置が軽負荷、中負荷、又は満負荷状態に動作しているかをセンシングし、電子装置の対応する動作モードにおける動作電力に基づいて第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ，４１０ｂ，４１０ｃ，４１０ｄ中の少なくとも１つに同期整流を行わせ、それにより隔離変圧器３０の漏れインダクタンスを変更する。
隔離変圧器３０の漏れインダクタンスが変化する時、隔離変圧器３０の一次側電流(Ip)が変化すれば、隔離変圧器の二次巻線３２０ａ〜３２０ｄに結合する電力も変化し、電子装置に伝達する電力を変化させ、電子装置の相応する動作モードに適合する動作電力を出力する。
図１１を合わせて参照し説明するが、それは、本考案の第３実施例の電力変換システムの回路図である。図１１に示す電力変換システムは、フルブリッジスイッチングモジュール１０、共振モジュール２０、変圧器３０及び出力制御装置４０を含み、変圧器３０は、互いに結合する一次巻線３１０及び二次巻線３２０ａ〜３２０ｄを含む。
ここで特に説明すべきこととして、図１１が示すフルブリッジスイッチングモジュール１０及び共振モジュール２０の回路構造及び動作方法は、何れも図２が示すフルブリッジスイッチングモジュール１０及び共振モジュール２０と同一である。言い換えれば、図１１が示す変圧器３０及び出力制御装置４０の構造は、図２が示す変圧器３０及び出力制御装置４０と異なる。
図１１において、変圧器３０は、センタータップ式変圧器であり、故に図２が示す変圧器３０に比較し、体積が小さい特長を備え、図２が示す変圧器３０は、倍流の特長を備える。出力制御モジュール４０は、第１〜第４同期整流ユニット４１０ａ〜４１０ｄ、制御器４２０及び第１〜第４出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ４を含む。第１同期整流ユニット４１０ａは、二次巻線３２０ａに接続し、第２同期整流ユニット４１０ｂは、二次巻線３２０ｂに接続し、第３同期整流ユニット４１０ｃは、二次巻線３２０ｃに接続し、第４同期整流ユニット４１０ｄは、二次巻線３２０ｄに接続する。
第１同期整流ユニット４１０ａは、請求スイッチＱ１，Ｑ２を含み、第２同期整流ユニット４１０ｂは、請求スイッチＱ３，Ｑ４を含み、第３同期整流ユニット４１０ｃは、請求スイッチＱ５，Ｑ６を含み、第４同期整流ユニット４１０ｄは、請求スイッチＱ７，Ｑ８を含む。請求スイッチＱ１，Ｑ２のソースは、それぞれ接地され、請求スイッチＱ１，Ｑ２のドレインは、二次巻線３２０ａの両端に電気接続し、フィルタＬ１は、二次巻線３２０ａのセンタータップ端。請求スイッチＱ３，Ｑ４のソースは、それぞれ接地され、請求スイッチＱ３，Ｑ４のドレインは、二次巻線３２０ａの両端に電気接続し、フィルタＬ２は、二次巻線３２０ｂのセンタータップ端に接続する。請求スイッチＱ５，Ｑ６のソースは、接地され、請求スイッチＱ５，Ｑ６のドレインは、二次巻線３２０ｂの両端に電気接続し、フィルタＬ３は、二次巻線３２０ｃのセンタータップ端に接続する。請求スイッチＱ７，Ｑ８のソースは、それぞれ接地され、請求スイッチＱ７，Ｑ８のドレインは、二次巻線３２０ｄの両端に電気接続し、フィルタＬ４は、二次巻線３２０ｄのセンタータップ端に接続する。請求スイッチＱ１〜Ｑ８のゲートＳＲ１〜ＳＲ８、及び第１〜第４出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、それぞれ制御器４２０に電気接続する。請求スイッチＱ１〜Ｑ８のゲートＳＲ１〜ＳＲ８は、制御器４２０が出力する制御信号を受け、オン又はオフのスイッチング動作を行い、これにより同期整流の効果を提供する。第１〜第４出力スイッチＳＷ１〜ＳＷ４は、制御器４２０が出力する制御信号を受けてオンまたはオフを行う。変圧器３０の二次巻線３２０ａ、３２０ｂのセンタータップ端は、出力コンデンサＣｏに電気接続する。
図１１が示す本考案の第３実施例の電力変換システムのその他の各部材の効果及び関連説明は、何れも実際上、図２に示す第２実施例の電力変換システムと同じであるので、ここでは記載しない。図１１に示す電力変換システムは、少なくとも図１及び図２が示す電力変換システムと同じ機能を達成することができる。
なお、本考案では好ましい実施例を前述の通り開示したが、これらは決して本考案に限定するものではなく、当該技術を熟知する者なら誰でも、本考案の精神と領域を脱しない均等の範囲内で各種の変動や潤色を加えることができることは勿論である。
１０ フルブリッジスイッチングモジュール
２０ 共振モジュール
３０ 隔離変圧器
３１０ 一次巻線
３２０ａ，３２０ｂ，３２０ｃ，３２０ｄ 二次巻線
３３０ 巻線フレーム
３４０ 磁芯
４０ 出力制御モジュール
４００ａ〜４００ｄ 出力制御モジュール
４１０ａ 第１同期整流ユニット
４１０ｂ 第２同期整流ユニット
４１０ｃ 第３同期整流ユニット
４１０ｄ 第４同期整流ユニット
４２０ 制御器
Ｃ コンデンサ
Ｃｂ 隔離直流コンデンサ
Ｃｏ 出力コンデンサ
Ｌｐ 一次側電流
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３，Ｌ４，Ｌ５，Ｌ６，Ｌ７，Ｌ８ フィルタ
Ｌｒ 共振インダクタ
ＱＡ 第１電力スイッチ
ＱＢ 第２電力スイッチ
ＱＣ 第３電力スイッチ
ＱＤ 第４電力スイッチ
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５，Ｑ６，Ｑ７，Ｑ８ 整流スイッチ
Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４，ＳＲ１，ＳＲ２，ＳＲ３，ＳＲ４，ＳＲ５，ＳＲ６，ＳＲ７，ＳＲ８ ゲート
ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４ 出力スイッチ
Ｖｉ 出力電圧
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｐ 一次側電圧
ＶＱ４ 第４電力スイッチドレイン−ソース間電圧

Claims (9)

  1. 異なる動作状態における複数の要求電力を提供することに用いる電力変換システムであって、該電力変換システムは、
    隔離変圧器であり、一次巻線及び複数の二次巻線を含み、該複数の二次巻線と該一次巻線の間に少なくとも１つの結合距離を有し、該隔離変圧器の漏れインダクタンスが該結合距離の増加に伴って増加する隔離変圧器と、
    該一次巻線に電気接続する共振モジュールと、
    該共振モジュールに電気接続するスイッチングモジュールと、
    制御器と複数の出力制御モジュールを含み、該制御器が該出力制御モジュールに電気接続し、各出力制御モジュールがそのうち１つの二次巻線に電気接続する出力制御装置と、
    を含み、そのうち、該制御器が該電子装置の動作状態に基づいて該出力制御装置の少なくとも１つの出力制御モジュールにそのうち１つの要求電力に対応する動作電力を出力させる、電力変換システム。
  2. 各前記出力制御モジュールは、同期整流ユニットを含み、該制御器は、該同期整流ユニットに電気接続し、各二次巻線は、そのうち１つの同期整流ユニットに少なくとも接続し、該制御器は、該電子装置の動作状態に基づいて少なくとも１つの同期整流ユニットに同期整流を行わせ、そのうち１つの要求電力に対応する動作電力を出力させる請求項１に記載に電力変換システム。
  3. 各前記出力制御モジュールは、同期整流ユニット及び出力スイッチを含み、各出力スイッチは、それぞれそのうち１つの同期整流ユニットに電気接続し、該制御器は、該電子装置の動作状態に基づき、該出力制御装置のうち少なくとも１つの出力スイッチをオンにし、そのうち１つの要求電力に対応する動作電力を出力させる請求項１に記載に電力変換システム。
  4. 前記二次巻線は、それぞれ該一次巻線の両側に配列され、該制御器は、該一次巻線の両側に接続する同一の該結合距離を有する該二次巻線の該同期整流ユニットを交錯させ、同期整流を行わせる請求項１に記載に電力変換システム。
  5. 前記制御器は、該隔離変圧器を駆動し、互いに近い漏れインダクタンスを発生する該同期整流ユニットを交錯させ、同期整流を行わせる請求項１に記載に電力変換システム。
  6. 前記隔離変圧器は、更に、
    巻線フレームであり、該二次巻線が等間隔に該巻線フレームに設けられ、該一次巻線が該巻線フレーム上に巻き付けられ、各該二次巻線の一側に位置し、該一次巻線及び該二次巻線に交錯配列を呈させる巻線フレームと、
    巻線フレームに被せ設けられる磁芯と、
    を含む請求項１に記載に電力変換システム。
  7. 前記制御器は、該同期整流ユニットに順に従って同期整流を行わせ、同期整流を行わせる同期整流ユニットと該巻線フレームの中心軸との間の距離を徐々に収束させる請求項４に記載に電力変換システム。
  8. 前記二次巻線と該一次巻線の間の結合距離は、何れも互いに異なる請求項１に記載に電力変換システム。
  9. 前記隔離変圧器の該漏れインダクタンスが徐々に増加し、該電力変換システムが出力する該動作電力が徐々に低下する請求項１に記載に電力変換システム。
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