JP4712071B2 - H−ブリッジdc−dcコンバーターに応用する共振回路 - Google Patents
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Description
H-ブリッジ(H-Bridge)DC-DCコンバーターは幅広い操作範囲(Vinmax/Vinmin)を備えるため、回路の設計応用においてより弾力性を備える。
コンバーターの主動式スイッチ部品はハード切換え(Hard Switching)を使用する状況において、切換え過程は理想的な状態ではないため、スイッチ切換え時にはターンオン(TurnOn)及びターンオフ(Turn Off)の損失等切換え損失を生じる。またハード切換えの方式を使用するため、スイッチは切換え時に、もし線路等価キャパシターがスイッチ上においてサージ電圧を発生するなら、スイッチ部品の寿命を短縮してしまう。
H-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路は主に、H- ブリッジコンバーター、第一共振回路、第二共振回路を含み、
該H-ブリッジコンバーターは不安定なDC電流を安定したDC電流に転換し、
該H-ブリッジコンバーターは第一主動式スイッチ部品と第二主動式スイッチ部品、デュアルコイルを備えエネルギー貯蔵部品とすることができる接続インダクター、第一受動式スイッチ部品と第二受動式スイッチ部品を含み、
該第一共振回路は該H-ブリッジコンバーターの降圧端に設置し、第一主動式スイッチ部品のターンオフ損失を低下させ、
該第一共振回路は第一インダクター、第二インダクター、第一補助インダクター、第一受動式スイッチ部品、第二受動式スイッチ部品、第一補助インダクターを含み、
該第二インダクターはプライマリーコイルと補助コイルを含み、
該第二共振回路は該H- ブリッジコンバーターの昇圧端に設置し、第二主動式スイッチ部品のターンオン損失を低下させ、
該第二共振回路は第二補助インダクター、第三主動式スイッチ部品、第四主動式スイッチ部品、第三キャパシター、第四キャパシター、第二補助インダクターを含む。
該H-ブリッジコンバーターの降圧端に設置し、第一主動式スイッチ部品のターンオフ損失を低下させる第一共振回路と、
該H-ブリッジコンバーターの昇圧端に設置し、第二主動式スイッチ部品のターンオン損失を低下させる第二共振回路と、
を含み、
該H-ブリッジコンバーターは、
第一主動式スイッチ部品及び第二主動式スイッチ部品と、
デュアルコイルを備え、エネルギー貯蔵部品とすることができる接続インダクターと、 第一受動式スイッチ部品と第二受動式スイッチ部品と、
を含み、
該第一共振回路は、第一インダクター、第二インダクター、第一補助インダクター、第一受動式スイッチ部品、第二受動式スイッチ部品、第一補助キャパシターを含み、
該第二インダクターはプライマリーコイルと補助コイルを含み、
該第二共振回路は第二補助インダクター、第三主動式スイッチ部品、第四主動式スイッチ部品、第二キャパシター、第三キャパシター、第四キャパシター、第二補助キャパシターを含み、
前記第一共振回路と第二共振回路の接続構造は、
該第一補助キャパシターが第一補助受動式スイッチ部品に直列接続し、第一主動式スイッチ部品の両端に併接し、さらに第二補助受動式スイッチ部品のマイナス端を第一補助インダクターに直列接続後、さらに第二インダクターの補助コイルに連接し、さらに第一補助キャパシターと第一補助受動式スイッチ部品の連接点に接続し、第二補助受動式スイッチ部品のプラス端は入力電源のマイナス端に接続することを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路としている。
請求項2の発明は、請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第一インダクターは第一共振回路或いは第二共振回路の任意の位置に設置することができることを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路としている。
請求項3の発明は、請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第一インダクターは電流変化の勾配を制限し、任意の主動式スイッチ部品の導通時、該第一インダクターは電流の変化勾配を制限し、該各主動式スイッチ部品のターンオン損失を低下させることができることを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路としている。
請求項4の発明は、請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第一補助インダクターは第二インダクターの補助コイルの漏感とすることができることを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路としている。
請求項5の発明は、請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第二インダクターのプライマリーコイル及び補助コイルは同一鉄芯を共用することを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路としている。
請求項6の発明は、請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第二共振回路後端にはさらに、DC-ACコンバーターを設置することができ、それは第五主動式スイッチ部品、第六主動式スイッチ部品、第七主動式スイッチ部品、第八主動式スイッチ部品を含み、
該第五主動式スイッチ部品の両端には第三補助キャパシターを設置し、該第六主動式スイッチ部品の両端には第四補助キャパシターを設置し、該第七主動式スイッチ部品の両端には第五補助キャパシターを設置し、該第八主動式スイッチ部品の両端には第六補助キャパシターを設置し、
出力電圧端の前端には出力インダクター及び出力キャパシターにより構成する共振回路を設置し、完全なDC-ACコンバーターを構成することを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路としている。
請求項7の発明は、請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記H- ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路は降圧方式と昇圧方式に応用可能であることを特徴とするH-ブリッジDC-DC コンバーターに応用する共振回路としている。
請求項8の発明は、H-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法は以下を含み、
(A1)第一主動式スイッチ部品の導通時、電流は第二インダクターを流れ、エネルギーを第二インダクター中に貯蔵し、この時、第二インダクターのプライマリーコイル上ではある電圧を感応し、この時、第一補助キャパシター上ではなお一切の電圧がなく、第二インダクター補助コイルもまたある電圧を感応し、第二主動式スイッチ部品両端の電圧は所定の電圧まで充電を開始し、第三、四主動式スイッチ部品は同時にオフ状態で、第二補助インダクター上のエネルギーは第四主動式スイッチ部品のバイパスダイオードと第四キャパシターが生じる共振を通して放電し、
(A2)第二主動式スイッチ部品両端の電圧が所定の電圧まで充電された後、第三主動式スイッチ部品は導通を開始し、
(A3)第一主動式スイッチ部品のオフ時、第一インダクターの電圧極性は導通時と反対で、第一インダクターの電流は第一補助受動式スイッチ部品を流れる時、第一補助キャパシターに対して充電を行い、第二インダクターの補助コイルが感応した電圧極性は、ステップ(A1)第一主動式スイッチ部品導通時と反対で、第一補助受動式スイッチ部品はバックワードバイアスで、導通することはできず、
(A4)第一補助キャパシターの電圧が一杯まで充電され、第一補助キャパシター上の電圧が入力電圧より大きい、或いは等しい時、第一インダクターの電流は第一補助キャパシターへの充電を停止し、この時、第二インダクター補助コイルが感応する電圧極性は、やはり第一主動式スイッチ部品導通時と反対で、第二補助受動式スイッチ部品はやはりバックワードバイアスで、導通することはできず、
(A5)第四主動式スイッチ部品の導通時、第三主動式スイッチ部品は同期にオフとなり、この時、第二補助キャパシター上の電圧は第四主動式スイッチ部品と第二補助インダクターの放電ルートを通してゼロ電圧までの放電を開始することを特徴とするH- ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法としている。
請求項9の発明は、請求項8記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法において、前記H-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法はさらに以下を含み、
第一主動式スイッチ部品の導通時、電流は第二インダクターを流れ、エネルギーを第二インダクター中に貯蔵し、この時、第二インダクターはプライマリーコイル上で電圧を感応し、第二インダクターが補助コイル上で感応した電圧極性と第一主動式スイッチ部品導通時は反対で、第二補助受動式スイッチ部品両端はフォワードバイアスで、よって導通状態を呈し、この時、第一補助キャパシター内に貯蔵されたエネルギーは第一補助インダクターを通して、共振原理を利用し、第一キャパシターへと回送されることを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法としている。
請求項10の発明は、H-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を昇圧方式に応用する方法は以下を含み、
(B1)第二主動式スイッチ部品の導通時、電流は第二インダクターを流れ、エネルギーを第二インダクター中に貯蔵し、この時、第二インダクターがプライマリーコイル上で感応する電圧は入力電圧と等しく、この時、第一補助キャパシター上には一切の電圧がなく、第二インダクターの補助コイルが感応した電圧極性は、第三主動式スイッチ部品と第四主動式スイッチ部品を同時にオフ状態とし、第二補助インダクターと第四キャパシターは共振を発生し、第四主動式スイッチ部品のバイパスダイオードを通してエネルギーを第四キャパシターへと伝送し、
(B2)第四キャパシター両端の電圧が所定の電圧まで充電されると、第三主動式スイッチ部品は導通を開始し、
(B3)第二主動式スイッチ部品のオフ時、第一インダクターの電圧極性はステップ(B1)に掲示する導通時と相同で、第一インダクターの電流は第二受動式スイッチ部品を流れた後、即第四キャパシターに対して充電を行うことができ、しかも第一インダクターの電流は第二補助キャパシターに対しても充電を行うことができ、第二補助キャパシターの電圧が一杯まで充電され、第二補助キャパシター上の電圧が出力電圧より大きい或いは等しい時、第一インダクターの電流は第二補助キャパシターへの充電を停止し、
(B4)第四主動式スイッチ部品の導通時、第三主動式スイッチ部品は同期にオフとなり、この時、第二補助キャパシター上のエネルギーは、第四主動式スイッチ部品及び第二補助インダクターの放電ルートを通して、ゼロ電圧まで放電を開始し、第四キャパシター上のエネルギーは、第四主動式スイッチ部品及び第二補助インダクターの放電ルートを通して放電を開始することを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法としている。
該H-ブリッジコンバーターは、不安定な直流電力を安定した直流電力に転換することができ、第一主動式スイッチ部品SW1及び第二主動式スイッチ部品SW2を含み、デュアルコイルを備え、エネルギー貯蔵部品とすることができる第二接続インダクターL2、第一受動式スイッチ部品D1と第二受動式スイッチD2を含む。
該第二インダクターL2はプライマリーコイルL21、補助コイル(Auxiliary winding)L22を含み、該第一補助インダクターLr1も該第二インダクターL2の補助コイル(Auxiliary winding)L22の漏感とすることもできる。
第二組共振回路は主に第二主動式スイッチ部品SW2のターンオン損失(Turn-On Loss)を低下させ、しかもH-ブリッジコンバーターの昇圧端に設置し、第三主動式スイッチ部品SW3及び第四主動式スイッチ部品SW4の操作を通して、第二補助キャパシターCr2のエネルギーを、第二補助インダクターLr2との共振原理を通して、第二補助インダクターLr2へと伝達し、さらに第二補助インダクターLr2と第四キャパシターC4の共振を通してエネルギーを第四キャパシターC4に伝達する。
上記の該第一共振回路と第二共振回路の連接構造は、第一補助キャパシターCr1が第一補助受動式スイッチ部品DS1に直接接続し、第一主動式スイッチ部品SW1の両端に併設し、さらに第二補助受動式スイッチ部品DS1のマイナス端を第一補助インダクターLr1に直列接続後、さらに第二インダクターL2の補助コイルL22に連接し、さらに第一補助キャパシターCr1と第一補助受動式スイッチ部品DS1の連接端に連接し、第二補助受動式スイッチ部品Dr1のプラス端は入力電力V1のマイナス端に連接する。
〔降圧方式〕
図1の回路を降圧方式(Buck-Side)に応用する時には、以下の5段階に分けられる。
図1を降圧方式に応用する第一作動概略図である図2に示すように、第一主動式スイッチ部品SW1の導通時、電流は第二インダクターL2を流れ、エネルギーを第二インダクターL2中に保存する。この時、第二インダクターL2はプライマリーコイルL21上で電圧VL2pを感応する。この時、第一補助キャパシターCr1上にはまだ何の電圧もなく、第二インダクターL2の補助コイルL22も電圧VL2Sを感応する。第二主動式スイッチ部品SW2両端の電圧(つまり、台の補助キャパシターCr2上の電圧)は所定の電圧まで充電を開始され、第三、四主動式スイッチ部品SW3、SW4は同時にオフ状態となる。第二補助インダクターLr2上のエネルギーは、第四主動式スイッチ部品SW4のバイパスダイオードと第四キャパシターC4を通して共振を生じ放電を行う。
またこの時、第二インダクターL2補助コイルL22が感応する電圧VL2S極性は、図1に示す第一主動式スイッチ部品SW1 導通時と反対であるため、第一補助受動式スイッチ部品Dr1はバックワードバイアスである。よって導通することはできない。
昇圧方式下で、共振回路と主要な回路間の操作方式において、第一主動式スイッチ部品SW1は永遠に導通している。
図1の回路を昇圧方式に応用する時には、以下の4段階に分けられる。
図1を昇圧方式に応用する第一作動概略図である図7に示すように、第二主動式スイッチ部品SW2の導通時、電流は第二インダクターL2を流れ、エネルギーを第二インダクターL2中に貯蔵する。この時、第二インダクターL2プライマリーコイルL21上感応電圧VL2Pは入力電圧V1と等しい。この時、第一補助キャパシターCr1上には一切の電圧がなく、第二インダクターL2補助コイルL22が感応する電圧VL2S極性は、第三主動式スイッチ部品SW3及び第四主動式スイッチ部品SW4を同時にオフ状態とする。第二補助インダクターLr2と第四キャパシターC4は共振を生じ、第四主動式スイッチ部品SW4のバイパスダイオードを通して、エネルギーを第四キャパシターC4へと伝送する。
2 第二共振回路
C1 第一キャパシター
C2 第二キャパシター
C3 第三キャパシター
C4 第四キャパシター
Cr1 第一補助キャパシター
Cr2 第二補助キャパシター
Cr3 第三補助キャパシター
Cr4 第四補助キャパシター
Cr5 第五補助キャパシター
Cr6 第六補助キャパシター
Co 出力キャパシター
D1 第一受動式スイッチ部品
D2 第二受動式スイッチ部品
Ds1 第一補助受動式スイッチ部品
Dr1 第二補助受動式スイッチ部品
L1 第一インダクター
L2 第二インダクター
L21 プライマリーコイル
L22 補助コイル
Lr1 第一補助インダクター
Lr2 第二補助インダクター
Lo 出力インダクター
SW1 第一主動式スイッチ部品
SW2 第二主動式スイッチ部品
SW3 第三主動式スイッチ部品
SW4 第四主動式スイッチ部品
SW5 第五主動式スイッチ部品
SW6 第六主動式スイッチ部品
SW7 第七主動式スイッチ部品
SW8 第八主動式スイッチ部品
V1 入力電圧
V2 出力電圧
Claims (10)
- 不安定な直流電流を安定した直流電流に転換するH-ブリッジコンバーターと、
該H-ブリッジコンバーターの降圧端に設置し、第一主動式スイッチ部品のターンオフ損失を低下させる第一共振回路と、
該H-ブリッジコンバーターの昇圧端に設置し、第二主動式スイッチ部品のターンオン損失を低下させる第二共振回路と、
を含み、
該H-ブリッジコンバーターは、
第一主動式スイッチ部品及び第二主動式スイッチ部品と、
デュアルコイルを備え、エネルギー貯蔵部品とすることができる接続インダクターと、 第一受動式スイッチ部品と第二受動式スイッチ部品と、
を含み、
該第一共振回路は、第一インダクター、第二インダクター、第一補助インダクター、第一受動式スイッチ部品、第二受動式スイッチ部品、第一補助キャパシターを含み、
該第二インダクターはプライマリーコイルと補助コイルを含み、
該第二共振回路は第二補助インダクター、第三主動式スイッチ部品、第四主動式スイッチ部品、第二キャパシター、第三キャパシター、第四キャパシター、第二補助キャパシターを含み、
前記第一共振回路と第二共振回路の接続構造は、
該第一補助キャパシターが第一補助受動式スイッチ部品に直列接続し、第一主動式スイッチ部品の両端に併接し、さらに第二補助受動式スイッチ部品のマイナス端を第一補助インダクターに直列接続後、さらに第二インダクターの補助コイルに連接し、さらに第一補助キャパシターと第一補助受動式スイッチ部品の連接点に接続し、第二補助受動式スイッチ部品のプラス端は入力電源のマイナス端に接続することを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路。 - 請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第一インダクターは第一共振回路或いは第二共振回路の任意の位置に設置することができることを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路。
- 請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第一インダクターは電流変化の勾配を制限し、任意の主動式スイッチ部品の導通時、該第一インダクターは電流の変化勾配を制限し、該各主動式スイッチ部品のターンオン損失を低下させることができることを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路。
- 請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第一補助インダクターは第二インダクターの補助コイルの漏感とすることができることを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路。
- 請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第二インダクターのプライマリーコイル及び補助コイルは同一鉄芯を共用することを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路。
- 請求項1記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記第二共振回路後端にはさらに、DC-ACコンバーターを設置することができ、それは第五主動式スイッチ部品、第六主動式スイッチ部品、第七主動式スイッチ部品、第八主動式スイッチ部品を含み、
該第五主動式スイッチ部品の両端には第三補助キャパシターを設置し、該第六主動式スイッチ部品の両端には第四補助キャパシターを設置し、該第七主動式スイッチ部品の両端には第五補助キャパシターを設置し、該第八主動式スイッチ部品の両端には第六補助キャパシターを設置し、
出力電圧端の前端には出力インダクター及び出力キャパシターにより構成する共振回路を設置し、完全なDC-ACコンバーターを構成することを特徴とするH- ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路。 - 請求項1記載のH- ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路において、前記H-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路は降圧方式と昇圧方式に応用可能であることを特徴とするH- ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路。
- H-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法は以下を含み、
(A1)第一主動式スイッチ部品の導通時、電流は第二インダクターを流れ、エネルギーを第二インダクター中に貯蔵し、この時、第二インダクターのプライマリーコイル上ではある電圧を感応し、この時、第一補助キャパシター上ではなお一切の電圧がなく、第二インダクター補助コイルもまたある電圧を感応し、第二主動式スイッチ部品両端の電圧は所定の電圧まで充電を開始し、第三、四主動式スイッチ部品は同時にオフ状態で、第二補助インダクター上のエネルギーは第四主動式スイッチ部品のバイパスダイオードと第四キャパシターが生じる共振を通して放電し、
(A2)第二主動式スイッチ部品両端の電圧が所定の電圧まで充電された後、第三主動式スイッチ部品は導通を開始し、
(A3)第一主動式スイッチ部品のオフ時、第一インダクターの電圧極性は導通時と反対で、第一インダクターの電流は第一補助受動式スイッチ部品を流れる時、第一補助キャパシターに対して充電を行い、第二インダクターの補助コイルが感応した電圧極性は、ステップ(A1)第一主動式スイッチ部品導通時と反対で、第一補助受動式スイッチ部品はバックワードバイアスで、導通することはできず、
(A4)第一補助キャパシターの電圧が一杯まで充電され、第一補助キャパシター上の電圧が入力電圧より大きい、或いは等しい時、第一インダクターの電流は第一補助キャパシターへの充電を停止し、この時、第二インダクター補助コイルが感応する電圧極性は、やはり第一主動式スイッチ部品導通時と反対で、第二補助受動式スイッチ部品はやはりバックワードバイアスで、導通することはできず、
(A5)第四主動式スイッチ部品の導通時、第三主動式スイッチ部品は同期にオフとなり、この時、第二補助キャパシター上の電圧は第四主動式スイッチ部品と第二補助インダクターの放電ルートを通してゼロ電圧までの放電を開始することを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法。 - 請求項8記載のH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法において、前記H-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法はさらに以下を含み、
第一主動式スイッチ部品の導通時、電流は第二インダクターを流れ、エネルギーを第二インダクター中に貯蔵し、この時、第二インダクターはプライマリーコイル上で電圧を感応し、第二インダクターが補助コイル上で感応した電圧極性と第一主動式スイッチ部品導通時は反対で、第二補助受動式スイッチ部品両端はフォワードバイアスで、よって導通状態を呈し、この時、第一補助キャパシター内に貯蔵されたエネルギーは第一補助インダクターを通して、共振原理を利用し、第一キャパシターへと回送されることを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法。 - H-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を昇圧方式に応用する方法は以下を含み、
(B1)第二主動式スイッチ部品の導通時、電流は第二インダクターを流れ、エネルギーを第二インダクター中に貯蔵し、この時、第二インダクターがプライマリーコイル上で感応する電圧は入力電圧と等しく、この時、第一補助キャパシター上には一切の電圧がなく、第二インダクターの補助コイルが感応した電圧極性は、第三主動式スイッチ部品と第四主動式スイッチ部品を同時にオフ状態とし、第二補助インダクターと第四キャパシターは共振を発生し、第四主動式スイッチ部品のバイパスダイオードを通してエネルギーを第四キャパシターへと伝送し、
(B2)第四キャパシター両端の電圧が所定の電圧まで充電されると、第三主動式スイッチ部品は導通を開始し、
(B3)第二主動式スイッチ部品のオフ時、第一インダクターの電圧極性はステップ(B1)に掲示する導通時と相同で、第一インダクターの電流は第二受動式スイッチ部品を流れた後、即第四キャパシターに対して充電を行うことができ、しかも第一インダクターの電流は第二補助キャパシターに対しても充電を行うことができ、第二補助キャパシターの電圧が一杯まで充電され、第二補助キャパシター上の電圧が出力電圧より大きい或いは等しい時、第一インダクターの電流は第二補助キャパシターへの充電を停止し、
(B4)第四主動式スイッチ部品の導通時、第三主動式スイッチ部品は同期にオフとなり、この時、第二補助キャパシター上のエネルギーは、第四主動式スイッチ部品及び第二補助インダクターの放電ルートを通して、ゼロ電圧まで放電を開始し、第四キャパシター上のエネルギーは、第四主動式スイッチ部品及び第二補助インダクターの放電ルートを通して放電を開始することを特徴とするH-ブリッジDC-DCコンバーターに応用する共振回路を降圧方式に応用する方法。
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