JP4448979B2 - ユニバーサル切換電力変換器 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流と直流の両方の広い範囲の電圧レベルが印加され、受け取った電圧を、たとえば通信における、少なくとも1つの負荷に給電するのに適する調整された電圧レベルに変換するユニバーサル切換電力変換器に関する。
【0002】
従って、このユニバーサル切換電力変換器は、非常に融通性があり、その全体的機能は高く、その操作と制御は簡単である。
【0003】
【従来の技術】
交流(AC)本線または直流(DC)源に区別されずに接続され、受け取った電圧を負荷に適する電圧に変換する切換電力変換器は、参照により本出願に組み込まれる米国特許US−A−5,414,610から知られている。
【0004】
この文献に提案された電力変換器によると、この変換器は、AC主電源からの電圧が印加される第1入力端子対と、DC電圧源からの電圧が印加される第2入力端子対を含み、印加される電圧が、負荷に適する電圧レベルに変換される。
【0005】
前記各入力端子対は、切換装置を備える一次回路にそれぞれ接続される。制御手段は、両方の切換装置の導通期間中に、変圧器の少なくとも1つの一次巻線中にエネルギーを蓄えるために、2つの切換装置の切換動作を制御する。2つの切換装置は、同時に切り換えられ、すなわち、その導通期間および非導通期間が一致する。前記エネルギーは、前記切換装置の非導通期間中に、負荷に電圧レベルを印加するために、変圧器の二次巻線中に放出される。
【0006】
米国特許US−A−5,414,610に提案された電力変換器は、その切換装置の操作モードのために、変圧器を効率的に用いていない。
【0007】
その結果、電力変換器の全体的性能が悪く、コンパクトで高性能な装置が必要とされる用途では欠点になる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、切換素子の数を減らした、高度な全体的性能を有する切換電力変換器を開発する必要がある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明のユニバーサル切換電力変換器は、広い範囲の入力電圧で作動する高度な全体的性能を提供し、その結果非常に融通性があり、負荷の変化に素早く応答する出力電圧を提供する。この変換器は、ACまたはDC電圧源からの第1電圧が印加される入力端子を含み、前記入力端子は、印加される電圧のレベルに応じて、選択手段を介して第1の一次回路または第2の一次回路に接続される。
【0010】
各一次回路は、それぞれ、一次巻線と切換装置の直列の組合せと並列接続された蓄電コンデンサを含む。前記一次回路の1つは、AC電圧源に接続されるので、第1整流手段を含む。
【0011】
2つの一次巻線は、少なくとも1つの二次巻線と共に変圧器を形成し、二次巻線は第2整流手段に接続され、その出力において整流電圧を生成し、この整流電流はフィルタ手段でろ過され、その出力において、負荷に印加される調整された第2電圧を生成する。
【0012】
単一の制御手段は、第2電圧を表す信号に基づいて、負荷が変化する場合に第2電圧を調節するために、入力端子に接続した一次回路に属する切換装置の導通期間を適合させ、かつ変圧器の鉄心を減磁し、入力端子に接続された切換装置の非導通期間中にその飽和を避けるために、入力端子に接続されない一次回路に属する切換装置の導通期間を適合させる。
【0013】
したがって、2つの切換装置は、相補的に切り換えられ、入力端子に接続されない一次回路は、能動保持のように、変圧器の鉄心中に蓄えられたエネルギーを減磁する回路として働く。
【0014】
本発明のより詳しい説明は、添付の図面に基づいて、以下の記述中でなされる。
【0015】
【発明の実施の形態】
図1は、入力端子11−1、11−2の両端間の電圧源から印加された第1電圧を、出力端子19−1、19−2の両端間の第2電圧に変換するユニバーサル切換電力変換器の簡略ブロック図を示す。
【0016】
AC本線またはDC電圧源である電源電圧は、第1電圧を供給し、この電圧の特性に基づいて、選択手段11が、入力端子11−1、11−2を、第1導体対13−1、13−3または第2導体対13−2、13−3に自動的に接続させる。
【0017】
それぞれ、第1導体対13−1、13−3は、ある範囲のAC電圧を受け取るように適合され、第2導体対13−2、13−3は、ある範囲のDC電圧を受け取るように適合される。導体13−3は、ユニバーサル切換電力変換器に対する共通電圧基準レベルを表す。
【0018】
図2は、切換電力変換器20の好ましい実施形態に対応する回路の詳細な電気的な図であり、この変換器は、第1の一次回路および第2の一次回路と、二次回路と、出力電圧ループとを含む。
【0019】
第1の一次回路は、第1導体対13−1、13−3と並列接続された第1整流手段12を含み、その出力は、第1蓄電コンデンサ14−2に接続される。このコンデンサは、第1の一次巻線14と第1切換装置14−1、たとえば、電界効果トランジスタまたはMOSFETの直列の組合せと並列接続される。
【0020】
第2の一次回路は、第2導体対13−2、13−3に接続される。また第2の一次回路は、前記第2導体対13−2、13−3と並列接続され、第2の一次巻線15と第2切換装置15−1、たとえば、電界効果トランジスタまたはMOSFETの直列の組合せと並列接続する第2蓄積コンデンサ15−2を含む。
【0021】
変圧器Tは、少なくとも1つの第1の一次巻線14、第2の一次巻線15、二次巻線16を含む。
【0022】
入力端子11−1、11−2がAC電圧を受け取ると、入力端子は、第1導体対13−1、13−3にそれぞれ接続され、したがって、第1整流器12、たとえば全波整流器は、AC本線から印加されたAC電圧を整流し、その出力において整流された正弦波電圧を生成する。この電圧は、第1コンデンサ14−2によってろ過され、第1巻線14に供給されて、第1切換装置14−1の導通間中に二次巻線16に直接移される。
【0023】
変換器20の二次側は、整流電圧をろ過するフィルタ手段18にその出力が接続された二次整流手段17と並列接続される二次巻線16を含む。フィルタ18の出力は、ユニバーサル切換電力変換器の出力端子19−1、19−2に印加される。
【0024】
第2整流器17は、二次巻線16から受け取った電圧を整流し、ろ過されると、負荷に適する第2電圧が、出力端子19−1、19−2の両端間に生成される。
【0025】
第2整流器17は、第1整流器アーム17−1および第2整流器アーム17−2によって形成され、第1分岐17−1は実際の整流器アームであり、第2アームはフリーフロー整流器アームであり、同期整流器として働くがその作動は従来の技術において知られているので、説明しない。第2整流器17は、自己駆動式同期整流器として作動するための手段を含むことができる。
【0026】
パルス幅変調器PWMのような制御手段を通る出力電圧ループは、出力端子19−1、19−2の両端間の電圧レベルを調節するために、入力端子11−1に接続された切換装置の導通期間を適合させ、かつ入力端子11−1に接続された切換装置の非導通期間中に、変換器Tを減磁して、鉄心が飽和状態になるのを防ぐために、入力端子11−1に接続されない切換装置の導通期間を適合させる。
【0027】
これを行うために、パルス幅変調器PWMは、1つの出力端子19−1上の電圧レベルを表す信号を受け取り、各切換装置の導通期間をそれぞれ生じさせる。
【0028】
その結果、2つの切換装置14−1および15−1は、パルス幅変調器PWMによって相補的に切換えられる。
【0029】
変圧器Tの減磁は、入力端子11−1に接続された切換装置の非導通期間中に行われ、したがって、変圧器Tの鉄心中に蓄えられたエネルギーを放出して第2コンデンサ15−2を充電し放出する、第2の一次回路を通る放出経路が形成される。この目的で、第2切換装置15−1が導通される。その後、フィルタ18に含まれる蓄電コンデンサ18−2が、その電圧レベルを出力端子19−1、19−2に印加する。
【0030】
今までの説明から、端子11−1が線13−1に接続されたとき、第2の一次回路によって放出回路が形成され、端子11−1が線13−2に接続されたとき、第1の一次回路によって放出回路が形成されるという結論が引き出される。
【0031】
変換器20の他の実施形態においては、入力端子11−1、11−2は、DC電圧源からの第1電圧を受け取り、したがって、導体13−1、13−3は第1の一次回路に直接接続される。すなわち、整流器12は存在しない。変換器20の操作は、今まで説明したものと同様である。
【0032】
したがって、本発明のユニバーサル切換電力変換器は、能動保持と共に、順方向変換器として働く。
【0033】
入力端子11−1、11−2がDC電圧源から第1電圧を受け取る操作モードでは、そのレベルが今までに説明したものと異なり、これらの端子は、選択手段11によってそれぞれ第2導体対13−2、13−3に接続される。
【0034】
印加されたDC電圧は、第2コンデンサ15−2によってろ過され、第2の一次巻線15は、第2切換装置15−1の導通期間中にエネルギーを蓄える。次に、第2整流器17は、コンデンサ18−2に供給された電流を整流して、出力端子19−1、19−2の両端間に第2電圧を生成する。
【0035】
前記第2切換装置15−1の非導通期間中に、第2の一次巻線15は、導通期間中に蓄えたエネルギーを2次巻線16に放出する。前記巻線を通って流れる電流は、第2整流器17によって整流され、その出力において整流電圧を生成し、それがフィルタ18によってろ過され、出力端子19−1、19−2の両端間に第2電圧を供給する。
【0036】
この操作モードにおいて、第1の一次回路は、変圧器Tの鉄心に蓄えられたエネルギーのために第1コンデンサ14−2を充電し放出する経路を含む。この目的で、第1切換装置14−1が導通される。
【0037】
本発明のユニバーサル切換電力変換器は、第1の一次回路が変圧器Tの鉄心中に蓄えられたエネルギーの放出経路を提供する時、能動保持し、その出力が順方向モードとなって、フライバック変換器として働く。
【0038】
今までの説明の結果、ユニバーサル切換電力変換器は、高い全体的性能、高い集積度(サイズにおけるコンパクト)を提供し、そのコストは、従来のAC/DC変換器またはDC/DC変換器と比較して安い。一次側の回路が重複しているために、一定の操作条件下で、変換器の効率が大幅に改善され、広い範囲の入力電圧で働くことができるので、大きな操作上の融通性を与える、したがって電圧源の特性が供給の際に変動する市場に特に適用されるからである。
【0039】
他の実施形態においては、変圧器Tの鉄心中に蓄えられたエネルギーの放出経路を提供する補助負荷を一次回路の蓄電コンデンサと並列接続することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるユニバーサル切換電力変換器の機能ブロック図である。
【図2】本発明による切換電力変換器の実施形態の略図である。
【符号の説明】
T 変圧器
PWM パルス幅変調器
11 選択手段
11−1、11−2 入力端子
12 第1整流手段
13−1、13−2、13−3 導体
14 第1の一次巻線
14−1 第1切換装置
14−2 第1蓄電コンデンサ
15 第2の一次巻線
15−1 第2切換装置
15−2 第2蓄電コンデンサ
16 二次巻線
17 第2整流手段
17−1 第1整流器アーム
17−2 第2整流器アーム
18 第2フィルタ手段
18−2 蓄電コンデンサ
19−1、19−2 出力端子
20 切換電力変換器
Claims (7)
- 電圧源から第1電圧を受け取り、第1切換装置(14−1)を備える第1の一次回路または第2切換装置(15−1)を備える第2の一次回路に第1電圧を印加する入力端子(11−1、11−2)と、少なくとも第1の一次巻線(14)と、第2の一次巻線(15)と、二次巻線(16)とを備える変圧器(T)と、前記第1切換装置(14−1)の導通期間および前記第2切換装置(15−1)の導通期間を決定する制御手段(PWM)とを含むユニバーサル切換電力変換器であって、前記第1の一次回路が、前記第1の一次巻線(14)と前記第1切換装置(14−1)の直列の組合せと並列接続された第1蓄電コンデンサ(14−2)を含み、前記第2の一次回路が、前記第2の一次巻線(15)と前記第2切換装置(15−1)の直列の組合せと並列接続された第2蓄電コンデンサ(15−2)を含み、前記制御手段(PWM)が、出力端子(19−1、19−2)の両端間の第2電圧を調節するために、前記入力端子(11−1、11−2)に接続された切換装置の導通期間を適合させ、前記入力端子(11−1、11−2)に接続された切換装置の非導通期間中に変圧器(T)を減磁するために、前記入力端子(11−1、11−2)に接続されない切換装置の導通期間を適合させることを特徴とする電力変換器。
- 選択手段(11)が、前記入力端子(11−1、11−2)を介して印加された前記第1電圧のレベルに基づいて、前記入力端子(11−1、11−2)を、第1導体対(13−1、13−3)または第2導体対(13−2、13−3)に接続させることを特徴とする請求項1に記載の電力変換器。
- 前記第1の一次回路が、順方向変換器として機能するために、前記第1の導体対(13−1、13−3)を介して前記入力端子(11−1、11−2)に接続され、前記第2の一次回路が、能動保持回路として機能することを特徴とする請求項1または2に記載の電力変換器。
- 前記第2の一次回路が、フライバック変換器として機能するために、前記第2の導体対(13−2、13−3)を介して前記入力端子(11−1、11−2)に接続され、前記第1の一次回路が、能動保持回路として機能することを特徴とする請求項1から3のいずれか一項に記載の電力変換器。
- 前記二次巻線(16)が、前記二次巻線(16)を通って流れる電流を整流する第2整流手段(17)と並列接続され、前記出力端子(19−1、19−2)の両端間に前記第2電圧を生成するために、その出力において、フィルタ手段(18)でろ過される整流電圧を生成することを特徴とする請求項1から4のいずれか一項に記載の電力変換器。
- 前記第2整流手段(17)が、自励同期整流器として機能する手段を含むことを特徴とする請求項5に記載の電力変換器。
- 電力変換器が、印加された前記第1電圧を整流する前記第1の導体対(13−1、13−3)と並列接続された第1整流手段(12)を含むことを特徴とする請求項2に記載の電力変換器。
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