JP3369621B2 - 両方向性調整電圧路を組込んでいるｄ．ｃ．チョッパ調整方法および装置 - Google Patents

両方向性調整電圧路を組込んでいるｄ．ｃ．チョッパ調整方法および装置

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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、一般的に調整された
Ｄ．Ｃ．あるいはＡ．Ｃ．出力電圧への無調整Ｄ．Ｃ．
入力電圧の調整あるいは変換に関し、特にＤ．Ｃ．チョ
ッパ調整器および両方向性調整電圧路を組込んでいる調
整方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】Ｄ．Ｃ．に対するＤ．Ｃ．調整器あるい
は変換器は正確に調整されたＤ．Ｃ．電圧が要求される
適用において使用されるが、バッテリのような１次Ｄ．
Ｃ．電源からの有効な電圧は容認できない大きさの範囲
にわたって変化する。多くの調整器が過去において提案
されており、それには図１に示された基本的な順変換器
あるいは“バック”調整器10も含まれている。バッテリ
12からの調整されていないＤ．Ｃ．電圧ＶINは、負荷18
にスイッチ14およびエネルギ蓄積インダクタ16を通って
供給される。ダイオード20の陰極はスイッチとインダク
タ16の接続部に接続され、ダイオードの陽極はアースに
接続される。平滑キャパシタ22は負荷18を横切って接続
される。制御装置24は、インダクタ16に供給される入力
電圧ＶINを“チョップ”するためにスイッチ14を周期的
に開閉する。
【０００３】スイッチ14が閉じられる時、電流は矢印26
によって示された方向にスイッチ14およびインダクタ16
を通ってバッテリー12から負荷18に流れる。ダイオード
20は逆バイアスされ、導電しない。スイッチ14が開かれ
る時、インダクタ16はバッテリー12から接続が遮断され
る。インダクタ16中における逆方向起電力（ＥＭＦ）は
ダイオード20を順バイアスにし、電流が矢印26の方向に
インダクタ16を通って負荷18に流れ続けることを可能に
し（インダクタ16に蓄積されたエネルギはインダクタを
電流源として動作させる）、順バイアスダイオード20は
アースへの閉回路を完成する。
【０００４】インダクタ16およびダイオード20は“フラ
イホイール”の配置を構成し、矢印26の方向にインダク
タ16から負荷18中に電流を流す。負荷18は、スイッチ14
が開いているか閉じているかにかかわらず連続的に電流
を消費する。キャパシタ22は負荷18を横切る電圧の時間
平均値に対して充電され、平滑にされたあるいは調整さ
れたＤ．Ｃ．出力電圧ＶOUT を供給する。
【０００５】出力電圧ＶOUT はスイッチ14の装荷率（デ
ューティサイクル：スイッチが各周期中に閉じられる時
間の割合）を変えることによって調整される。この動作
は、パルス幅変調（ＰＷＭ）として技術的に良く知られ
ている。出力電圧ＶOUT は装荷率が１００％近くに増加
される時にＶINにほぼ等しく、装荷率が０％にほぼ等し
い時にゼロにほぼ等しいくなる。予め定められた値への
出力電圧ＶOUT の調整はＶOUT の実際の値を検知するこ
とによって実行され、ＶOUT が予め定められた値より低
下する場合に装荷率を増加し、ＶOUT が予め定められた
値より増加する場合に装荷率を減少する。この構成にお
いて、出力電圧ＶOUT は入力電圧ＶINを越えることはで
きない。
【０００６】調整器10は、インダクタ16が負荷18を通る
全電流に適応しなければならず、必然的に大きくて重く
なければならないということが欠点である。これは、空
間および重量が厳密に維持されなければならない適用に
おいては容認できない。
【０００７】スイッチ14が開いているとき、全負荷電流
はダイオード20を通って流れるので調整器10は非効率で
あるいう欠点がある。ダイオード20は回路中に約１ボル
トの電圧降下を導き、電流と電圧降下の積に等しい電力
を消費する。この消費電力損失は出力電圧に反比例し、
低い電圧の適用において過度となる。
【０００８】図２は、“プッシュプル式”あるいはさら
に正確には“プッシュプッシュ式”配置における“チョ
ッパ”と結合した図１のバック調整器を含んでいる調整
器30を示す。同様の素子は同じ参照符号によって示され
ている。調整器30において、インダクタ16は変成器32の
１次巻線の中央タップに接続され、１次巻線の反対の端
部はチョッパスイッチ34および36を通ってアースに接続
される。変成器32の２次巻線の中央タップは接地され、
２次巻線の反対の端部は整流器ダイオード38および40の
陽極に接続される。ダイオード38および40の陰極は、キ
ャパシタ22および負荷18に共に接続される。
【０００９】スイッチ３４および３６はチョッパを構成
し、典型的に５０％の装荷率によって交替で駆動され
る。特に、スイッチ３４はスイッチ３６が開く時に閉じ
られ、閉じる時に開かれる。これは交互の方向に変成器
３２の２次巻線に誘導される電流を生じ、ダイオード３
８および４０によって脈動するＤ．Ｃ．に整流され、変
換される。脈動するＤ．Ｃ．は、キャパシタ２２によっ
て平滑なＤ．Ｃ．に変換される。
【００１０】調整器３０は、変成器３２によって入力電
圧ＶＩＮよりも高い出力電圧ＶＯＵＴの生成を可能にす
る。しかしながら、全負荷電流は依然としてインダクタ
１６およびダイオード２０を通って流れなければなら
ず、基本的な調整器１０における１つのスイッチと異な
って入力電流における２つのスイッチが存在する。典型
的に、スイッチ１４，３４および３６はスイッチングト
ランジスタとして構成され、ダイオードと同様の方法で
回路中に電圧降下を誘導する。これは、低い入力電圧の
過度の電力損失を生ずる。大抵の従来の変成器は、８８
％を越える効率を達成することはできなかった。
【００１１】図３は、本発明者の１人であるGilbert I.
Cardwell,Jr.による1990年７月24日の米国特許第4,943,
903 号明細書において開示されている調整器50を示す。
調整器50において、第１の変成器52は２つの部分52ａお
よび52ｂを含んでいる中央タップ付１次巻線および２つ
の部分52ｃおよび52ｄを有する中央タップ付２次巻線を
有する。１次巻線部分52ａおよび52ｂの中央タップはイ
ンダクタ16に接続され、部分52ａおよび52ｂの反対の端
部はスイッチ56および58を通ってアースに接続される。
２次巻線部分52ｃおよび52ｄの中央タップはバッテリ12
に接続される。
【００１２】第２の変成器５４は２つの１次巻線５４ａ
および５４ｂと中央タップ付２次巻線とを有し、２次巻
線は調整器３０と同じ方法でダイオード３８および４０
に接続される。巻線５４ａの１端部はスイッチ３４を通
ってアースに接続され、巻線５４ｂの１端部はスイッチ
３６を通ってアースに接続される。巻線５４ａおよび５
４ｂの反対の端部は、それぞれ巻線５２ｃおよび５２ｄ
の両端部に接続される。
【００１３】動作において、スイッチ34，56は典型的に
５０％の装荷率でスイッチ36，58と交互に駆動される。
スイッチ14は出力電圧ＶOUT を調整するために可変装荷
率によって上記のように駆動される。これは、第１の変
成器52の中央タップに電圧を生成することによって達成
され、これはスイッチ14の装荷率が増加すると増加す
る。
【００１４】スイッチ34あるいは36の閉は、それぞれ巻
線54ａ，52ｃあるいは54ｂ，52ｄの直列結合を横切って
電圧ＶINを供給する。スイッチ14が０％の装荷率によっ
て駆動される場合、１次巻線部分52ａおよび52ｂの中央
タップの電圧はゼロとなり、部分52ａおよび52ｂを横切
る電圧もゼロとなる。変成器の作用のため、２次巻線部
分52ｃおよび52ｄを横切る電圧もまたゼロとなる。巻線
54ａあるいは54ｂを横切る電圧はＶINに等しい。変成器
54の巻線比が１であると仮定すると、ＶOUT はＶINに等
しくなる。
【００１５】スイッチ14が約１００％の装荷率で駆動さ
れる場合、１次巻線部分52ａおよび52ｂの中央タップの
電圧はＶINに実質的に等しくなる。変成器の作用のた
め、変成器52の巻線比によって割算されたＶINに等しい
電圧が巻線部分52ｃおよび52ｄを横切って誘導される。
例示的に巻線比を５：１と仮定すると、巻線部分52ｃお
よび52ｄを横切る誘導電圧はＶIN／５となる。１次巻線
部分54ａあるいは54ｂを横切る電圧は、ＶIN（バッテリ
12からの電圧）＋ＶIN／５（巻線部分52ｃあるいは52ｄ
からの電圧）、すなわち１．２×ＶINに等しい。
【００１６】変成器52はバック調整器10によって生成さ
れる電圧の一部分を加え、スイッチ14の装荷率が増加す
ると連続的に変化しやすく入力電圧ＶINまで増加する。
調整器50は調整器30より効果的であり、入力電流の主部
分は誘導素子であり消費損失を受けにくい巻線54ａ，52
ｃあるいは54ｂ，52ｄを通って流れる。入力電流は、主
電流路におけるスイッチ34あるいは36の１つのみを通っ
て流れる。少量の入力電流（この場合、最大値で１７
％）のみが調整器10を含んでいる補助あるいは調整電流
路を通って流れ、それによって上記のような電力損失を
受けやすい。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】上記の装置はその本質
的な構造のため、調整器50は単方向性の調整のみが可能
である。換言すると、入力電圧に調整電圧を加えること
は可能であるが、それから調整電圧を減ずることはでき
ない。変成器52の巻線比は、入力および出力電圧ＶINお
よびＶOUT が予め定められた（通常、平均あるいは領域
の中央の）設計値である時にスイッチ14が５０％の装荷
率で駆動され、巻線部分52ｃあるいは52ｄを横切る調整
電圧は最大調整電圧の半分であるように選択される。変
成器54の巻線比は、ＶINの予め定められた設計値＋最大
調整電圧の半分が巻線部分54ａあるいは54ｂを横切って
供給され、ＶOUT の予め定められた設計値は負荷18を横
切って生じるように選択される。換言すると、ＶINおよ
びＶOUT がそれらの領域の中央である時、調整電圧はそ
の領域の中央となる。
【００１８】これは９５％の効率を達成できるが、シス
テムが小さい入力電圧領域（例えば、±５％）を有する
場合のみ可能である。
【００１９】
【課題を解決するための手段】本発明による両方向性
Ｄ．Ｃ．チョッパ電圧調整方法および装置において、無
調整Ｄ．Ｃ．入力電圧は入力と同じ電圧を有する第１の
チョップ信号を生成する高い電力のチョッパ、および第
１のチョップ信号と同期してそれよりも低い電圧を有す
る第２の、または調整されたチョップ信号を生成する低
電力チョッパによって生成される。第１および第２のチ
ョップ信号は、Ｄ．Ｃ．に変換されるＡ．Ｃ．出力信号
を生成する変成器によって代数的に結合される。
【００２０】第２のチョップ信号は、電圧が出力電圧を
増加するために加わる場合に第１のチョップ信号に関し
て同じ極性を有し、電圧が出力電圧を減少するために減
じられる場合に第１のチョップ信号に関して反対の極性
を有することによって制御される。第２のチョップ信号
は時間の部分を加え、時間の残りを減算するために通常
制御される。この方法において、電力変成器は幅広い範
囲にわたって出力電圧に対する入力電圧の比率を変化で
きる。
【００２１】エネルギ蓄積インダクタは、電圧加算およ
び減算を平均する高電力チョッパ路において供給され
る。高電力チョッパ動作は始動中に流れる入力電流を制
限するために断続的に中断され、スイッチは危険な電圧
サージを生ずることのない中断を許容するために図７の
実施例において設けられる。加えて、図７の付加された
スイッチは出力変成器中にインダクタに蓄積されたエネ
ルギを放電し、それによって出力電圧に影響を与える。
【００２２】本調整器は図３に示された従来の調整器に
関して改善し、それにおけるエネルギ蓄積インダクタは
同じ調整領域の従来の調整器におけるインダクタよりも
小さくすることができる。これは本発明の調整器が両方
向性調整（加算および減算モードの両方）を行うためで
あり、それによって対応する回路素子を使用する従来の
調整器の２倍の調整範囲が得られる。
【００２３】本発明によって２倍の調整範囲が同じ巻線
比によって得られるので、調整電圧を生成する変成器の
巻線比は従来の調整器の対応する変成器の半分である。
これは変成器の寸法および重量が従来技術よりも減少さ
れることを可能にし、また設計者は同じ寸法および重量
を使用し、幅広い調整範囲を達成するように選択するこ
ともできる。
【００２４】本発明のこれらおよびその他の特性および
利点は、添付図面と共に以下の詳細な説明から当業者に
明らかとなるであろう。
【００２５】
【実施例】本発明によるＤ．Ｃ．チョッパ電圧調整器
は、全体を60として図４に示されている。上記のよう
に、本調整器60は図３に示された従来の調整器50におけ
る直接的な改良である。この改良を容易に比較および認
識するため、素子は図３において使用されたのと同じ参
照符号によって図４に示されている。しかしながら、本
発明によって素子が接続される方法は、調整器50と基本
的に異なる方法によって調整器60を動作させることが理
解されるであろう。
【００２６】調整器６０において、バック調整器１０は
除去され、バッテリ１２は第１の変成器５２の１次巻線
部分５２ａおよび５２ｂの中央タップに直接接続されて
いる。エネルギ蓄積インダクタ６２は、バッテリ１２と
変成器５２の２次巻線部分５２ｃおよび５２ｄの中央タ
ップの間に接続される。従来の調整器５０のインダクタ
１６がバック調整器１０の一部分であり、調整器６０に
は含まれていないということが理解されるであろう。本
調整器６０のインダクタ６２は、従来の調整器５０にお
ける対応する回路素子を有さない。
【００２７】スイッチ34，36，56および58は、出力電圧
ＶOUT 、電圧ＶIN、出力電流および、または入力電流を
検知し、検知されたパラメータを命令電圧ＶC あるいは
別の命令値と比較し、それによって調整を制御する制御
装置64によって制御される。幾つかの適用において、出
力電圧ＶOUT は命令電圧ＶC における変化に応じて変化
できる。この場合、出力電圧ＶOUT は調整のための命令
電圧ＶC に比較される。別の適用において、出力電圧Ｖ
OUT は変化入力電圧ＶINの存在で一定であることが所望
される。この場合、出力電圧は基準電圧に比較される。
さらに別の適用において、出力電流は調整される制御パ
ラメータであり、制御装置に組込まれた制御法則はこれ
らの変化に適応できる。
【００２８】スイッチ34および36は典型的に５０％の装
荷率で交互に駆動され、巻線部分54ａあるいは54ｂ、52
ｃあるいは52ｄおよびインダクタ62の直列結合を横切る
矩形波の形態で第１のチョップ信号を生成するために入
力電圧ＶINを周期的に遮断する第１のチョッパを構成す
る。
【００２９】スイッチ56および58はスイッチ34および36
と同期的に（周波数、可変位相のように）駆動され、そ
れぞれ１次巻線部分52ａあるいは52ｂを横切る矩形波の
形態で第２のチョップ信号を生成する入力電圧ＶINを周
期的に中断する第２のチョッパを構成する。第２のチョ
ップ信号は変成器52によって変圧され、さらに第１のチ
ョップ信号と同期する第３のチョップ信号のように巻線
部分52ｃあるいは52ｄを横切って発生するが、小さな電
圧および第１のチョップ信号の極性と同じあるいは反対
の極性を有する。
【００３０】第２のチョッパを調べる簡単な方法は、１
次巻線部分52ａあるいは52ｂを横切る信号を無視し、巻
線部分52ｃあるいは52ｄを横切る第２のチョップ信号を
生成するときに変成器52と共同してスイッチ56および58
を考慮することである。この場合、第２のチョップ信号
は上記第３のチョップ信号に対応する。
【００３１】どちらかの場合、スイッチ34および36によ
ってチョップされた信号は負荷18への供給のための主電
力信号を構成する。スイッチ56および58によってチョッ
プされた信号は比較的低い電力の調整信号を構成し、調
整された出力電圧ＶOUT を供給するために変成器52によ
って主電力信号と代数的に結合される。
【００３２】変成器52および54の巻線部分の極性は巻線
の黒い丸印によって示されている。以下の説明におい
て、巻線部分の“反対の端部”は丸印の端部と反対の巻
線部分の端部と意味するものとする。
【００３３】調整器60は加算モードにおいてスイッチ3
4，58あるいは36，56を共に閉じ、あるいは減算モード
においてスイッチ34，56あるいは36，58を共に閉じるこ
とによって動作される。動作は、以下のような４つの可
能なケースに関して説明される。
【００３４】ケースＩ−加算モード、スイッチ34，58は
閉、スイッチ36，56は開。
【００３５】電流は、バッテリ12からインダクタ62、巻
線部分52ｃおよび54ａ、およびスイッチ34を通ってアー
スまで流れる。この電流は２次巻線部分52ｃの丸印の端
部に流れ、１次巻線部分52ｂの丸印の端部からスイッチ
58を通ってアースまで流れる誘導電流を生じる。部分52
ｂの丸印の端部が部分52ｂの反対の端部（バッテリ12）
に関して負（アース）であるので、電流は部分52ｂを通
りバッテリ12からスイッチ58を通ってアースまで流れ
る。電流は、バッテリ12からアースまで部分52ｃを通っ
て流れる。これは、バッテリ12から流れる電流を平均値
よりも大きくする。
【００３６】部分52ａおよび52ｂの中央タップ（部分52
ｂの反対の端部）は、バッテリ12から入力電圧ＶINを受
信する。したがって、部分52ｂの丸印の端部は反対の端
部に関して負である。変成器52の作用により、２次巻線
部分52ｃの丸印の端部はその反対の端部に関して負であ
る。その結果、変成器52の変成比によって割算されたＶ
INと等しい値を有する電圧が部分52ｃに誘導される。例
示的に変成比を５：１と仮定すると、部分52に誘導され
た電圧はＶIN／５となる。この電圧はＶINと同じ極性を
有する。このように、変成器54の１次巻線部分54ａに供
給された電圧はＶIN（バッテリ12からの電圧）＋ＶIN／
５（２次巻線部分52ｃを横切る電圧）、あるいは１．２
×ＶINマイナスインダクタ62を横切る電圧に等しい。イ
ンダクタ62を横切る電圧はインダクタ電流を増加させ
る。
【００３７】ケースII−減算モード、スイッチ34，56は
閉、スイッチ36，58は開。
【００３８】電流は、バッテリ12からインダクタ62、巻
線部分52ｃおよび54ａ、およびスイッチ34を通ってアー
スまで流れる。この電流は２次巻線部分52ｃの丸印の端
部中に流れ、スイッチ56を通り、１次巻線部分52ａの丸
印の端部からアースを経てバッテリ12まで流れる誘導電
流を促す。部分52ａの丸印の端部は部分52ａの反対の端
部（アース）に関して正（バッテリ12）であるが、電流
は部分52ｃを通ってアースからバッテリ12中へ供給され
た電圧の方向と反対に流れる。これは、バッテリ12から
流れ出る電流を平均値よりも小さくする。
【００３９】スイッチ５６はアースに部分５２ａの反対
の端部を接続する。部分５２ａおよび５２ｂの中央タッ
プ（部分５２ａの丸印の端部）は、バッテリ１２から入
力電圧ＶＩＮを受信する。このように、部分５２ａの丸
印の端部は、反対の端部に関して正である。変成器５２
の作用により、２次巻線部分５２ｃの丸印の端部はその
反対の端部に関して正である。その結果、ＶＩＮ／５に
等しい値を有する部分に電圧が誘起し、ＶＩＮと反対極
性である。したがって変成器５４の１次巻線部分５４ａ
に供給された電圧がＶＩＮ（バッテリ１２からの電圧）
−ＶＩＮ／５（２次巻線部分５２ｃを横切る電圧）、あ
るいは０．８×ＶＩＮ プラスインダクタ６２を横切る電
圧に等しい。インダクタを横切る電圧はインダクタ電流
を低下させる。
【００４０】ケースIII −加算モード、スイッチ36，56
は閉、スイッチ34，58は開。
【００４１】電流は、バッテリ12からインダクタ62、巻
線部分52ｄおよび54ｂ、およびスイッチ36を通ってアー
スまで流れる。この電流は２次巻線部分52ｄの丸印の端
部へ流れ出、スイッチ56を通ってアースに１次巻線部分
52ａの丸印の端部中に誘導電流を流す。部分52ａの丸印
の端部が部分52ａの反対の端部（アース）に関して正
（バッテリ12）であるので、電流は部分52ａを通ってバ
ッテリ12からスイッチ56を通りアースまで流れる。電流
は、部分52ｄを通ってバッテリ12からアースに流れる。
これは、ケースＩと同様にバッテリ12から流れる平均値
よりも電流を大きくする。
【００４２】部分52ａおよび52ｂの中央タップ（部分52
ａの丸印の端部）は、バッテリ12から入力電圧ＶINを受
ける。したがって、部分52ａの丸印の端部は反対の端部
に関して正である。変成器52の作用により、２次巻線部
分52ｄの反対の端部は、その丸印の端部に関して負に強
制される。ＶIN／５に等しい値およびＶINと同じ極性を
有する電圧が部分52ｄに誘導される。このように、変成
器の１次巻線部分54ｂに供給された電圧は、１．２×Ｖ
IN−インダクタ62を横切る電圧に等しい。電圧は、ケー
スＩと同じ方法でインダクタ電流を増加させる。
【００４３】ケースIV−減算モード、スイッチ36，58は
閉、およびスイッチ34，56は開。
【００４４】電流は、バッテリ12からインダクタ62、巻
線部分52ｄおよび54ｂ、およびスイッチ36を通ってアー
スまで流れる。この電流は２次巻線部分52ｄの丸印の端
部へ流れ、スイッチ58を通り、１次巻線部分52ｂの反対
の端部の外部のアースからバッテリ12中に誘導電流を流
す。部分52ｂの丸印の端部は部分52ｂの反対の端部（バ
ッテリ12）に関して負（アース）であるが、電流は部分
52ｄを通ってアースからバッテリ12に流れる。これは、
ケースIIと同様にバッテリ12の外部を流れる平均値より
も電流を小さくする。
【００４５】部分52ａおよび52ｂの中央タップ（部分52
ｂの反対の端部）は、バッテリ12から入力電圧ＶINを受
ける。このように、部分52ｂの丸印の端部は反対の端部
に関して負である。変成器52の作用により、２次巻線部
分52ｄの丸印の端部はその反対の端部に関して負に強制
される。その結果、ＶIN／５に等しくＶINに関して同じ
極性を有する電圧が部分52ｄに誘導される。このよう
に、変成器54の１次巻線部分54ｂに供給された電圧は、
０．８×ＶIN＋インダクタ62を横切る電圧に等しい。イ
ンダクタ62を横切る電圧は、ケースIIと同様にインダク
タ電流を低下させる。
【００４６】上記のように、スイッチ34および36は５０
％の装荷率で交替に駆動される。スイッチ34が閉じてい
る時間中、スイッチ58が閉じられ、スイッチ56が加算モ
ード（ケースＩ）を生成するために開かれ、その後スイ
ッチ56が閉じスイッチ58が減算モード（ケースII）を生
成するために開かれる。電圧の調整は、加算および減算
モードの適当な装荷率を変化することによって実行され
る。検知された出力電圧ＶOUT （あるいは別の制御され
たパラメータ）が予め定められた設計値より低下する
時、制御装置64はスイッチ56（減算モード）よりも比較
的長い時間スイッチ58（加算モード）を閉じさせるの
で、調整器60は減算モードよりも加算モードで動作し、
出力電圧ＶOUT が増加する。装荷率は、大きな偏差に高
い補正を与えるために予め定められた設計電圧からの検
知された電圧の偏差の大きさが増加するとき増加され
る。
【００４７】検知された出力電圧ＶOUT （あるいは入力
電圧ＶIN）が予め定められた目的値以上に増加する時、
制御装置64はスイッチ56（減算モード）に比較して短い
時間スイッチ58（加算モード）を閉じるので、調整器60
は加算モードよりも減算モードで動作する。動作は、ス
イッチ36が閉じている間は本質的に同様であり、スイッ
チ56は加算モード（ケースIII ）に対して閉じられ、ス
イッチ58は減算モード（ケースIV）に対して閉じられ
る。
【００４８】変成器54の２次巻線を横切って誘導された
電圧はＡ．Ｃ．である。Ａ．Ｃ．出力電圧が所望される
適用において、ダイオード38，40およびキャパシタ22は
除去され、出力電圧はこのＡ．Ｃ．電圧によって構成さ
れる。ダイオード38および40はＡ．Ｃ．電圧を整流して
脈動するＤ．Ｃ．電圧を生成し、平滑なＤ．Ｃ．出力電
圧ＶOUT を生成するためにキャパシタ22によって平滑さ
れる。
【００４９】図４は、スイッチ66および68が調整器60を
駆動する別の方法を可能にするためにどのように設けら
れるかをさらに示す。スイッチ66および68はそれぞれ巻
線部分52ａおよび52ｂを横切って接続され、所望な方法
で制御装置64によって制御される。スイッチ66および、
または68は部分52ａおよび52ｂの１つあるいは両方を短
絡するために閉じられる。両方が閉じられれば加算も減
算も行われない動作モードが可能である。インダクタ損
失期間は、この選択が使用される場合半減される。１次
巻線部分52ａおよび52ｂを完全に開くためにスイッチ56
および58の両方を同時に開くことも可能である。
【００５０】調整器60において、加算モードあるいは減
算モードを生成するために２つのスイッチを同時に閉じ
ることが必要である。図５は、スイッチ34，36，56およ
び58がそれぞれＮＰＮバイポーラトランジスタ72，74，
76および78によって置換された調整器70を示す。ダイオ
ード80および82は逆並列に各トランジスタ76，78のエミ
ッタ・コレクタを横切って接続される。この配置は、減
算モードを生成するためにスイッチ72または74のみを閉
じることが必要であるので、スイッチの制御を簡単にす
る。バイポーラトランジスタ76および78が逆並列のダイ
オードを本質的に含む金属酸化物半導体電界効果トラン
ジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）によって置換されることが可能
であり、その場合においてダイオード80および82は除去
される。
【００５１】調整器70の動作を図６のタイミング図を参
照に説明する。トランジスタ72，74，76および78のベー
スに制御装置90によって供給された駆動信号は、それぞ
れＤ72，Ｄ74，Ｄ76およびＤ78として示される。トラン
ジスタ72，74，76および78のコレクタの電圧は、それぞ
れＶ72，Ｖ74，Ｖ76およびＶ78として示される。さらに
変成器52の２次巻線の中央タップ84における電圧Ｖ84、
インダクタ62を通る電流Ｉ62、変成器52の１次巻線の中
央タップ86を通る電流Ｉ86、バッテリ12から流れ出る電
流Ｉ88およびトランジスタ76のコレクタを通って流れる
電流Ｉ76が示される。
【００５２】ケースＩ−加算モード、Ｄ72およびＤ78高
レベル。
【００５３】トランジスタ72および78はターンオンされ
る。２次巻線の部分52ｃから１次巻線の部分52ｂ中に誘
導された電流は、トランジスタ78を通ってアースまで部
分52ｂの丸印の端部から流れる。部分52ｂの丸印の端部
はアースに接続され、部分52ｃに誘導されるＶINと同じ
極性を有する電圧を生ずる。この動作は、調整器60のス
イッチ34および58を閉じることに匹敵する。
【００５４】ケースII−減算モード、Ｄ72高レベル。
【００５５】減算モードは、トランジスタ72のみをター
ンオンすることによって生成される。電圧は部分52ａを
横切って誘導されるので、丸印の端部は反対の端部に関
して正である。部分52ｃを通って流れる電流の増加は、
部分52ａの反対の端部がアースより負に１つのダイオー
ドが低下するまで部分52ａにおいて誘導電圧を増加させ
る。これはダイオード80を順バイアスし、部分52ｃから
誘導される電流がアースからダイオード80および部分52
ａを通ってバッテリ12中に流れることを可能にする。
【００５６】これは、反対の端部に関して部分52ｃの丸
印の端部を正にするので、部分52ａおよび52ｂの丸印の
端部はまた反対の端部に関して正である。電流は部分52
ｃの丸印の端部中に流れ、部分52ａの丸印の端部からあ
るいは部分52ｂの反対の端部へ流れる。トランジスタ78
がターンオフされ、ダイオード82が逆バイアスされるの
で、電流は部分52ｂを通って流れることはできない。
【００５７】部分52ａの反対の端部はダイオード80を通
ってアースに効果的に接続され、部分52ｃに誘導される
ＶINと同じ極性を有する電圧をドットによって生じさせ
る。この動作は調整器60のスイッチ34および56を閉じる
ことに匹敵し、ダイオード80はスイッチ56の機能を実行
する。
【００５８】ケースIII −加算モード、Ｄ74およびＤ76
高レベル。
【００５９】トランジスタ74および76は、ターンオンさ
れる。２次巻線部分52ｄから１次巻線部分52ａ中に誘導
された電流は、巻線52ａの反対の端部からトランジスタ
76を通ってアースに流れる。部分52ａの反対の端部はア
ースに接続され、部分52ｄに誘導されるＶINと同じ極性
を有する電圧を生ずる。この動作は、調整器60のスイッ
チ36および56を閉じることに匹敵する。
【００６０】ケースIV−減算モード、Ｄ74高レベル。
【００６１】減算モードは、トランジスタ７４のみをタ
ーンオンすることによって生成される。電圧は部分５２
ｂを横切って丸印の端部は反対の端部に関して負である
ように誘導される。部分５２ｄを通って流れる電流の増
加は、部分５２ｄの反対の端部がアースより負に１つの
ダイオードが低下するまで誘導電圧を増加させる。これ
はダイオード８２を順バイアスし、部分５２ｄから誘導
される電流がアースからダイオード８２および部分５２
ｂを通ってバッテリ１２中に流すことを可能にする。
【００６２】これは部分52ａおよび52ｂの丸印の端部が
反対の端部に関して負であるように反対の端部に関して
部分52ｄの丸印の端部を負にさせる。電流は部分52ｄの
丸印の端部から流れ、部分52ａの丸印の端部からあるい
は部分52ｂの丸印の端部へ流れなければならない。トラ
ンジスタ76がターンオフされ、ダイオード80が逆バイア
スされるので、電流は部分52ａを通って流れることがで
きない。
【００６３】端部52ｂの丸印の端部はダイオード82を通
ってアースに効果的に接続され、部分52ｄに誘導される
ＶINに関して反対の電極を有する電圧を生ずる。この動
作は調整器60のスイッチ36および58を閉じることに匹敵
し、ダイオード82はスイッチ58の機能を実行する。
【００６４】トランジスタ76および78のコレクタ電圧が
加算および減算モードの間で僅かに変化することが注目
されている。加算モードにおいて電圧はアース電位であ
り、減算モードにおいて電圧はアースの負の１ダイオー
ド降下（約１ボルト）である。この小さな差は、調整器
70における切替え損失の１期間を除去する。
【００６５】本調整器60は従来の調整器50を改善し、そ
れにおけるエネルギ蓄積インダクタ62は調整器50におけ
るインダクタ16の半分の大きさを必要とするに過ぎな
い。これは（加算および減算モードの両方の）両方向性
の調整を行うためであり、対応する回路素子を使用する
調整器50の２倍の調整の領域が得られる。小さく軽いイ
ンダクタ62は、寸法および重量の制約が調整器50の使用
を制限する適用において調整器60が使用されることを可
能にする。
【００６６】２倍の調整領域は本発明による同じ巻線比
で得られるので、調整電圧を生成する変成器52の調整率
は調整器50における対応する変成器の半分でよい。これ
は変成器52の寸法および重量が従来よりも減少されるこ
とを可能にする。
【００６７】本調整器60は従来の調整器50における本質
的な素子であるダイオード20を含んでいるバック調整器
10を除去し、それによってそれに関連したエネルギー消
費損失を除去する。
【００６８】基本的な調整器６０あるいは７０における
問題は、入力電圧ＶＩＮの最初の供給を制御することが
難しいことである。バッテリ１２が調整器６０あるいは
７０に最初に接続される時、ゼロ電圧は負荷１８から変
成器５４の１次巻線に反射される。全入力電圧ＶＩＮは
インダクタ６２および１次巻線５４ａおよび５４ｂを横
切って効果的に供給され、スイッチ３４および３６を破
壊するのに十分に高いレベルまで迅速に入力電流を増加
させる。スイッチ３４および３６はこの電圧が入力電流
を制限するために生ずる前に共に開かれなければならな
い。しかしながら、インダクタ６２におけるバックＥＭ
Ｆはスイッチ３４および３６を横切って供給され、きび
しい損失を生ずるのに十分に高い。
【００６９】図７には調整器100 が示され、それにおけ
る付加的な素子は始動中に過度の電流が流れるのを防ぐ
ために基本的な調整器60に付加される。スイッチ102 お
よび104 は54ａと34の接続部とバッテリ12、および54ｂ
と36の接続部とバッテリ12の間にそれぞれ接続される。
ダイオード106 および108 はそれぞれスイッチ102 およ
び104 と直列に接続され、ダイオード106 および108 の
陰極はバッテリ12に接続される。始動制御装置110 が付
加的に設けられ、スイッチ102 および104 を制御する制
御装置64と共同する。
【００７０】始動中、スイッチ34，36，56および58は、
入力電流の流れを減少する減算モードにおいてもっぱら
動作するために交互に制御される。スイッチ34，36，56
および58は、過度のレベルまで増加するために入力電流
に不十分である長さの時間閉じられる。ダイオード106
および108 はこの動作中に逆バイアスされ、スイッチ10
2 および104 を通る電流を阻止する。
【００７１】スイッチ34，36，56および58は開かれ、ス
イッチ102 および104 の１つが閉じられる。スイッチ10
2 が閉じられると仮定すると、インダクタ62のバックＥ
ＭＦは入力電流と同じ方向に部分52ｃおよび54ａ、スイ
ッチ102 およびダイオード106 を通って流れる電流を生
ずる。この電流は変成器54の２次巻線中に誘導され、負
荷18に供給される。負荷18による電力消費は、スイッチ
34，36，38および40が調整器100 中にさらにエネルギを
供給するために再び閉じられ、予め定められた設計レベ
ルまで出力電圧ＶOUT を増加するのに十分に低いレベル
まで電流を減少する。動作は閉じたスイッチ104 と本質
的に類似する。
【００７２】スイッチ３４，３６，５６および５８の動
作は、インダクタ６２中にエネルギの安全な段階的な増
加量を供給するためにスイッチ１０２および１０４の動
作を交互に行い、インダクタ６２から負荷１８中にエネ
ルギを放電する。スイッチ１０２および１０４を開閉す
るタイミングは、大きな範囲にわたって変えられる。典
型的に、スイッチ１０２はスイッチ３４が開かれる時に
閉じられ、スイッチ１０４はスイッチ３６が開かれると
閉じられる。しかしながら、スイッチ１０２および１０
４はスイッチ３４，３６，５６および５８よりもゆっく
りとターンオフされる場合、部分５４ａおよび５４ｂの
漏洩インダクタンスに誘導されるような様々な誘導性電
流はインダクタ６２あるいは負荷１８中に放電され、そ
れによって非消費スナップ機能を提供する。
【００７３】図７の配置は、実質上電力が始動中に調整
器100 で消費されない点で好ましい。全入力電力（低い
損失は除く）は負荷18に直接供給されるか、インダクタ
62に蓄積され、続いてそこから負荷18に供給される。
【００７４】本発明の複数の実施例が示され、説明され
ているが、様々な変化および別の実施例が本発明の精神
および目的から逸脱することなしに当業者によって行わ
れるであろう。したがって、本発明は明確に説明された
実施例にのみ限定されるものではない。種々の変更が企
図され、特許請求の範囲に限定されたような本発明の技
術的範囲から逸脱することなしに行われる。
【図面の簡単な説明】
【図１】基本的な従来の電圧調整器あるいは変換器を示
している概略回路図。
【図２】別の従来の調整器を示している概略回路図。
【図３】本発明が直接的な改善を構成する従来の調整器
を示している概略回路図。
【図４】本発明による電圧調整器の１実施例概略回路
図。
【図５】トランジスタスイッチおよび逆並列ダイオード
を含んでいる調整器の概略回路図。
【図６】図４の調整器の動作を示すタイミング図。
【図７】非電力消費始動スイッチの配置を含む調整器の
概略回路図。
【符号の説明】
ＶIN…入力電圧，ＶOUT …出力電圧，34,36,56,58 …電
力チョッパ，52,54 …変成器，62…インダクタ。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 カーン・テー・ル アメリカ合衆国、カリフォルニア州 92708、ファウンテン・バレイ、ヘムロ ック・ストリート 16360 (72)発明者 ギルバート・アイ・カードウエル、ジュ ニア アメリカ合衆国、カリフォルニア州 90274、パロス・バーデス・ペニンシュ ラ、イーストベール・ロード 27601 (56)参考文献 特開 平１−109880（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−284166（ＪＰ，Ａ) 特開 平２−246773（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−12667（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−15148（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−304772（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−176535（ＪＰ，Ａ) 特公 昭47−12449（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 3/28

Claims (9)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 調整されていないＤ．Ｃ．入力電圧を受
    けて調整された出力電圧を生成するための調整器におい
    て、 前記入力電圧の端子に接続された中央タップと第１の部
    分および第２の部分を有する中央タップ付１次巻線およ
    び第１の部分と第２の部分を有する中央タップ付２次巻
    線を有する第１の変成器と、 前記第１の変成器の中央タップ付２次巻線の第１の部分
    おとび第２の部分にそれぞれ直列に接続された第１の部
    分および第２の部分を有する１次巻線および出力を取り
    出す２次巻線を有する第２の変成器と、 前記第１の変成器の２次巻線の第１の部分と前記第２の
    変成器の１次巻線の第１の部分に直列に接続された第１
    のスイッチ手段および前記第１の変成器の２次巻線の第
    ２の部分と前記第２の変成器の１次巻線の第２の部分に
    直列に接続された第２のスイッチ手段と、 前記第１の変成器の１次巻線の第１の部分に直列に接続
    された第３のスイッチ手段および前記第１の変成器の１
    次巻線の第２の部分に直列に接続された第４のスイッチ
    手段と、 前記第１の変成器の２次巻線の中央タップと前記入力電
    圧の端子との間に挿入されたエネルギ蓄積インダクタ手
    段と、 第１のスイッチ手段と第４のスイッチ手段とを閉じかつ
    第２のスイッチ手段と第３のスイッチ手段とを開く第１
    のモードと、第１のスイッチ手段と第３のスイッチ手段
    とを閉じかつ第２のスイッチ手段と第４のスイッチ手段
    とを開く第２のモードと、第１のスイッチ手段と第４の
    スイッチ手段とを開きかつ第２のスイッチ手段と第３の
    スイッチ手段とを閉じる第３のモードと、第１のスイッ
    チ手段と第３のスイッチ手段とを開きかつ第２のスイッ
    チ手段と第４のスイッチ手段とを閉じる第４のモードと
    のうちのいずれかを選択する制御手段とを備えた調整
    器。
  2. 【請求項２】 第１の変成器の２次巻線に誘起する電圧
    が第２の変成器の１次巻線に供給される電圧より小さい
    電圧である請求項１記載の調整器。
  3. 【請求項３】 制御手段が第３のスイッチ手段および第
    ４のスイッチ手段の閉時間と開時間の比率を制御する請
    求項１記載の調整器。
  4. 【請求項４】 第３のスイッチ手段および第４のスイッ
    チ手段が、スイッチングトランジスタに逆並列に接続さ
    れたダイオードをそれぞれ具備している請求項１記載の
    調整器。
  5. 【請求項５】 第１のモードと第３のモードは入力電圧
    よりも高い出力を生成し、第２モードと第４モードは入
    力電圧よりも低い出力を生成するように第１の変成器の
    巻線の極性が設定されている請求項１記載の調整器。
  6. 【請求項６】 制御手段が互いに実質的に同期して第１
    および第２のスイッチ手段の両方を断続的に開き、 第１および第２のスイッチ手段の両方が開かれる時にイ
    ンダクタ手段に蓄積されたエネルギを第２の変成器の１
    次巻線中に放電するために制御手段によって閉じられる
    始動スイッチ手段をさらに具備し、 前記始動スイッチ手段が、インダクタ手段、第１の変成
    器の２次巻線の第１の部分および第２の変成器の１次巻
    線の第１の部分と直列に接続された第５のスイッチ手段
    と、インダクタ手段、第１の変成器の２次巻線の第２の
    部分および第２の変成器の１次巻線の第２の部分と直列
    に接続された第６のスイッチ手段とを有し、 制御手段が、第２の変成器の１次巻線の第１の部分中に
    インダクタ手段に蓄積された前記エネルギを放電するた
    め第５のスイッチ手段を閉じ、第２の変成器の１次巻線
    の第２の部分中にインダクタ手段に蓄積された前記エネ
    ルギを放電するため第６のスイッチ手段を閉じる請求項
    １記載の調整器。
  7. 【請求項７】 制御手段が第１の変成器の１次巻線の第
    １および第２の部分を短絡するスイッチ手段をさらに具
    備している請求項１記載の調整器。
  8. 【請求項８】 第１の変成器の２次巻線に誘起する電圧
    が第２の変成器の１次巻線に供給される電圧より小さい
    電圧となるよう第１の変成器が予め定められる巻線比を
    有している請求項７記載の調整器。
  9. 【請求項９】 制御手段が出力電圧を検知し、予め定め
    られた値にほぼ等しい出力電圧を生ずるように前記第１
    のモード乃至第４のモードを選択する請求項１記載の調
    整器。
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