JP4785595B2 - 複数電圧の直流電圧コンバーター - Google Patents

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Description

本発明は、ソフトスイッチングを備え、単一の変圧器を有し、出力において複数の独立した調整された電圧を生成できる直流電圧コンバーターに関する。本発明は複数の調整された電圧を必要とする如何なる種類の装置にも適する。
現在、入力電圧から複数の独立した調整された出力電圧を生成する多くの構成が存在する。それらの1つは、提供されるべき調整された出力電圧と同数の独立したコンバーターを用いる構成である。各コンバーターは、調整された出力電圧を単一の入力電圧から生成し、そしてこの電圧を生成するために、ガルバニ絶縁素子(変圧器)及びレギュレーションループを有する。この構成は調整される出力電圧と同数の変圧器を必要とするので、その数に比例して、コストが高くなる。更に種々のコンバーターの相互同期は達成し難く、また更なる外部部品の追加を必要とする。
別の可能な構成は、望ましくは絶縁されていないDC/DCコンバーターを、変圧器と絶縁された主コンバーターの2次側に接続する構成である。この主コンバーターの変圧器は、入力電圧と出力電圧の間でガルバニック絶縁を実現する。DC/DCコンバーターは、主コンバーターの出力で並列に構成される。この構成は、一部の性能(低スイッチ損失、DC/DCコンバーターの主コンバーターとの同期)が追求された場合に、比較的複雑になる。
最後に、別の構成は、単一のガルバニック絶縁変圧器を有する単一のDC/DCコンバーターを用いる構成、及び変圧器において、提供されるべき調整された出力電圧と同数の2次巻線を用いる構成である。例えば、変圧器は1次巻線と2次巻線を有し、各2次巻線は調整された出力電圧を生成するために用いられる。スイッチは、1次巻線と直列に配される。このスイッチは、コンバーターの1つの出力の電圧信号を入力した時に受信されるパルス幅変調回路(PWM)の出力により制御される。この装置は、所望の調整された電圧と同数の巻線を変圧器の2次側に用い、それらのそれぞれを整流及びフィルターし、及びそれらの1つを用い、装置を従動させることができるので、実現が簡単であるという利点を有する。この構成の問題は、スレーブに用いられる出力のみが完全に調整される事である。他の出力は、それらの端子に存在する負荷に応じて変化し、それらは低負荷において増加する傾向がある。この構成の主な欠点は、従って、出力間に亘る調整の面であまり効果が無い事である。
仏国特許発明第2738417号明細書
本発明の目的は、上述の欠点の全て又は一部を軽減することである。
本発明は、ソフトスイッチングを備える直流電圧コンバーターに関する。前記直流電圧コンバーターは、1次巻線と2次巻線を有する変圧器を有する。コンバーターの1次側は半ブリッジ構成の型であり、2つのスイッチにより入力電源に結合できる。コンバーターの2次側は疑似共振半波型であり、少なくとも1つの第1の直流電圧を第1の負荷に供給し、1つの第2の直流電圧を第2の負荷に供給する。前記第2の直流電圧は、前記第1の直流電圧より低い。前記直流電圧コンバーターはまた、固定周波数において、パルス幅変調により、前記第1の直流出力電圧に応じて、2つのスイッチを交互に制御する第1の制御手段を有する。前記直流電圧コンバーターはまた、共振回路を有する。前記共振回路は、2次巻線に半波共振電流を生じ、前記第1の負荷の端子に接続された第1のコンデンサーを充電し、前記第1の直流電圧を生成する。前記直流電圧コンバーターはまた、誘導性回路を更に有する。前記誘導性回路は、前記2次巻線と前記第2の負荷の端子に接続された第2のコンデンサーとの間に接続され、電流を生成し、共振電流の半波の一部が2次巻線に流れる間に、前記第2のコンデンサーを充電し、前記第2の直流電圧を生成する。
誘導性回路は、より詳細には、第1のインダクタンスと直列の第1の整流ダイオード、及び第3のスイッチを有する。前記第3のスイッチは、共振電流の半波の一部が2次巻線に流れる間、閉じられる。第2の制御手段は、第3のスイッチを、パルス幅変調により、第2の直流出力に応じて制御するよう設計される。
第1の実施例では、前記共振回路は、第2のインダクタンスと直列に配された第2の整流ダイオード、及び共振コンデンサーを有する。これらの部品の集合は、変圧器の2次巻線の端子に接続される。そして第1のコンデンサーは、前記共振コンデンサーの端子に、平滑コイルにより接続される。
第2の実施例では、前記共振回路は、第2のインダクタンスと直列に前記2次巻線と第1のコンデンサーの間に配された第2の整流ダイオード、及び前記1次巻線と直列に配されたコンデンサーを有する。前記コンデンサーは、2次側に反映され、前記第2のインダクタンスと共振することを目的とする。
両方の実施例で、第2のインダクタンスは、2次側に反映される変圧器の漏れインダクタンス、又は2次側に反映される変圧器の漏れインダクタンス及び2次巻線と前記第1の負荷との間に配された追加のインダクタンスから成る直列インダクタンスである。
本発明は、限定されない例を用いて与えられる、図を参照する以下の説明を読むことでより理解されるだろう。
本発明では、複数の調整された電圧は、2次側の電流共振と共に動作するソフトスイッチングを備えたコンバーターにより生成される。2次側の共振電流は、第1の調整された電圧を供給する第1の出力の端子間に配されたコンデンサーを充電するために用いられる。他の調整された電圧は、コンバーターの2次巻線の端子に接続されたポストレギュレーション手段により生成される。
本発明は、図1乃至3に示される2つの実施例を通じて説明される。勿論、これらの2つの実施例は、単に例として与えられる。提案されるポストレギュレーション回路は、2次側の電流共振と共に動作するソフトスイッチングを備えた如何なる種類のコンバーターと接続されても良い。
これら2つの実施例では、コンバーターは主要な調整された電圧Vs1及びポストレギュレーションされた電圧Vs2を供給する。
図1を参照すると、コンバーターは、1次側に半ブリッジ構成を有する絶縁変圧器Trfを、及び2次側に半波整流機能を備える疑似共振回路を有する。より詳細には、1次側回路は、入力電圧Veを供給する電源SVの端子間に直列に配された2つのスイッチT1及びT2を備える半ブリッジ回路を有する。スイッチT1及びT2は、通常、MOSFETトランジスターである。半ブリッジ回路の中間点は、変圧器Trfの1次巻線Lpの点を記された端子に対応する第1の端子に接続される。1次巻線Lpの点を記されていない端子に対応する他方の端子は、大容量を有するコンデンサーCdpを経由して、スイッチT2に接続される電源SVの端子に接続される。スイッチT1及びT2は、出力電圧Vs1に応じて、パルス幅変調回路に基づき生成される制御信号Drv1及びDrv2により駆動される。また変圧器Trfは巻数比mを有する。
変圧器Trfの2次巻線Lsの点を記されていない端子は、インダクタンスLf及び整流ダイオードD1により、共振コンデンサーCr1の第1の端子に結合される。このコンデンサーの他方の端子は、2次巻線Lsの点を記された端子に結合される。2次側に反映される、変圧器Trfの漏れインダクタンスに対応するインダクタンスLfは、あるいは、追加のインダクタンスで補完される。平滑コイルL1は、インダクタンスLf−コンデンサーCr1接合及び電圧Vs1を供給するコンバーターの第1の出力の端子間に置かれたコンデンサーCs1の端子の間に接続される。コンデンサーCs1の他方の端子は、2次巻線Lsの点を記された端子に接続される。インダクタンスL1の機能は、電圧Vs1を供給する出力により供給される電流を平滑化することである。この出力の端子間に直列に配された抵抗R1、R2のブリッジは、パルス幅変調制御ブロックPWM1に電圧Vs1で表される電圧を提供する。この制御ブロックは既知の構造であり、制御信号Drv1及びDrv2を供給する。このようなブロックの構造は、例えば特許文献1に開示されている。
このコンバーターの動作方式は、当業者によく知られており、詳細は特許文献1に説明されている。スイッチT1及びT2の制御信号Drv1及びDrv2は、交互に完了する。前記トランジスターが、これら2つの信号の動作周期の間、2つの場合にオフ状態となるよう、デッドタイムは、これらスイッチの切り替え動作の間であると考えられる。スイッチT1及びT2のオン時間の比は、出力電圧Vs1を規定する。コンバーターのこの部分の動作方式は、図2A乃至2Hを参照して後に詳細に説明される。
電圧Vs1に基づき電圧Vs2を生成するために、ポストレギュレーション手段は、2次巻線Lsと漏れインダクタンスLfから成る直列インダクタンスの端子に接続される。インダクタンスLf−ダイオードD1接合は整流ダイオードD2により、インダクタンスLrの第1の端子に結合される。インダクタンスLrの他方の端子は、スイッチT3により、負荷コンデンサーCs2の第1の端子に結合される。スイッチT3は、通常、MOSFETトランジスターであり、インダクタンスLrの電流の出現を遅らせるよう制御される。コンデンサーCs2の他方の端子は、2次巻線Lsの点を記された端子に接続される。スイッチT3が閉じられる時、インダクタンスLrの端子間の電圧は正である。インダクタンスLrを流れる電流は、1次側の電圧が反転するまで増加する。次の周期の間、電流ILrがゼロに達した時、スイッチT3は開く。この電流は、負荷により消費される平均電流により減少し、所望の出力値Vs2と比較されるコンデンサーCs2の端子間の平均電圧Vs2の調整を保証する。この電圧の値は、スイッチT3の位相遅延の管理により直接引き出される。この出力の端子間に配された抵抗ブリッジR3、R4は、制御ブロックPWM2に電圧Vs2で表される電圧を提供する。このブロックは、トランジスターT3の制御信号を生成する。この信号は、コンバーターの2次側の電流共振の時間の一部の間、アクティブである。
制御ブロックPWM2は基本的に、測定値と所望の調整された値の間の平均差で表される電圧をVs2に供給する積分回路INT、Lsを流れる電流と同期した電圧ランプを生成する回路RAMP、電圧ランプと積分回路の出力電圧を比較する比較回路COMP、トランジスターT3のゲートを充電するのに十分な電流を供給する電源駆動回路D、及びコンデンサーC3及びダイオードD3から成る電圧シフト回路を有する。積分回路INTは、入力として抵抗ブリッジR3、R4の中間点に現れる電圧V1及び基準電圧VREFを受信する。電圧V1は、差動増幅器AEの正の入力に印加される。そして電圧VREFは増幅器AEの負の入力に、抵抗R5を経由して印加される。増幅器AEの負の入力及び出力は、コンデンサーC1により、積分器の構成を得るよう、そして測定値と所望の調整された電圧の間の平均差を表す電圧VintをVs2に供給するよう、結合される。
更にランプ回路RAMPは、アースとインダクタンスLf−ダイオードD2接合の間に直列に配される、2つのダイオードD4、D5及び抵抗R6を有する。2つのダイオードD4及びD5は、それらがオン状態の時に、電流がインダクタンスLf−ダイオードD2接合へ向かって流れるようにする。2つのダイオードD4及びD5の間の節点は、コンデンサーC2の第1の端子に、ダイオードD6を経由して、抵抗R7と直列に接続される。コンデンサーC2の他方の端子は、アースに接続される。ダイオードD6は、コンデンサーC2を放電する電流を流す。最後に抵抗R8は、電源端子Vccと抵抗R7−コンデンサー接合の間に接続され、ダイオードD6がオフ状態の時、コンデンサーC2を充電する。このランプ発生器は、次の方法で動作する。インダクタンスLf−ダイオードD1接合における電圧が正の場合、ダイオードD4、D5及びD6はオフ状態であり、コンデンサーは抵抗R8により提供される電流で充電される。R8は、正のランプ傾きを決定する。そしてインダクタンスLf−ダイオードD1接合の電圧が負の時、コンデンサーはD6及びR7により放電される。抵抗R7は負のランプ傾きを決定する。
積分回路INTにより供給される電圧Vintは、回路RAMPにより生成された電圧ランプと、比較回路COMPにより比較される。そして比較回路COMPは、VC2>Vintの場合に高レベルの電圧信号を、その他の場合に低レベルの電圧信号を供給する。この出力信号は、駆動回路Dにより増幅され、トランジスターT3のゲートを制御する。コンデンサーC3は、駆動回路Dの出力とトランジスターT3のゲートの間に挿入され、トランジスターT3のゲートに印加される電圧をシフトし、トランジスターT3のゲート電位がソース電位より大きくなるようにする。このコンデンサーは、駆動回路Dの出力がロー状態の時に、トランジスターT3のソースとゲートの間に接続されたダイオードD3により、電位Vs2まで充電される。
回路の全体の動作方式は、図2A乃至2Hに示される。
図2A及び2Bは、スイッチT1及びT2の制御信号Drv1及びDrv2の波形を示す。図2Cは、2次巻線Lsの端子間の電圧VLSの変化を示す。図2Dは、ダイオードD1を流れる電流ID1を示す。図2E及び2Fは、それぞれトランジスターT3の制御信号及びインダクタンスLrを流れる電流を表す。図2G及び2Hは、それぞれ巻線Ls及び巻線Lpを流れる電流Is及びIpを示す。Lsを流れる電流はダイオードD1及びインダクタンスLrを流れる電流の和である。
これらの図で、TはスイッチT1及びT2の開/閉周期の間隔を示す。2つのスイッチT1及びT2が開いているデッドタイムtmは、スイッチの閉状態のそれぞれの間に現れる。第1のデッドタイムtm1は、スイッチT1を閉じる前に現れ、第2のデッドタイムtm2はスイッチT2を閉じる前に現れる。スイッチT1は時間[tm1,αT]の間に閉じられ、及びスイッチT2は時間[αT+tm2,T]の間に閉じられる。残りの時間の間、スイッチは開状態である。
一般に、スイッチT1及びT2は開放され、その間、前記トランジスターの1つが端子間のゼロ電位で導通する前に、1次側の電流(励磁電流及び1次側に反映される2次電流iLsから生じる)が1次側の電圧の遷移を生じる。これは、スイッチをソフトスイッチングさせ、従ってスイッチ損失を減少させる。
時間[tm1,αT]の間、スイッチT1は閉じられる。入力電圧Veは、1次巻線及びコンデンサーCdpの端子に印加される。ダイオードD1はそしてオフになる。1次巻線Lpを流れる電流Ip(電圧Veを1次巻線Lp及びコンデンサーCdpの端子間に印加することにより生成され、巻数比mで1次側へ反映される平均出力電流により増加する、変圧器Trfの巻線Lpを流れる励磁電流に等しい)は増加し、時刻αTに最大値に達する。次にスイッチT1は開放され、スイッチT2は開放されたままである。電流Ipは十分に大きく、この時、スイッチT2の端子間の電圧を自然に降下させ、そしてスイッチT2が閉じた時、ゼロ電位でのソフトスイッチングを保証する。スイッチT2は、デッドタイムtm2の後に閉じる。漏れインダクタンスLfは、続いてコンデンサーCr1と共振し始める。共振電流ID1は、次にダイオードD1を流れる。1次巻線を流れる電流Ipは、次に、電流ID1の逆相に同期した正弦波に従い減衰を始める。この減衰は、1次側に反映される誘導性回路の電流により強められる。スイッチT2の開放時に、電流Ipは、スイッチT1の端子の電圧を降下させるのに十分な程高い。そして従ってゼロ電位におけるソフトスイッチングが保証される。スイッチT1は再び閉じられ、再び新たな動作周期が始まる。
スイッチT2の導通段階の間、スイッチT3は、インダクタンスLfの電流の出現を遅らせるよう、そして従ってVs1より低い電圧Vs2を生成するよう制御される。トランジスターT3は、αTの後、時刻t2で閉じられる。正の電圧がインダクタンスの端子に印加され、従ってインダクタンスに増加する電流ILrが流れ、この電流が負荷コンデンサーCs2を充電する。この電流の増加は、Lsの端子間の電圧が反転した時、つまり、1次側でスイッチT2が開放され、スイッチT1が閉じられた時に、妨げられる。インダクタンスLrは非常に大きな負電位が掛かっているので、電流ILrは急速に降下する。スイッチT3は次に、電流ILrがゼロになった時に開放される。調整された電圧Vs2は、従ってコンデンサーCs2の端子間で得られる。
スイッチT3は非常に弱い電圧に制御され、ゼロ電流で開閉するので、ポストレギュレーションは非常に容易に達成される。出力Vs2の調整は、主コンバーターと同期する。
第2の実施例は、図3に示される。本実施例は、スイッチの切り替えの間、ゼロ電流モード又は2次電流遮断モードで動作できるコンバーターに関する。
図3のコンバーターの図は、図1とは共振部品の位置及び動作モードが異なる。図1の回路では、2次側に反映される変圧器Trfの漏れインダクタンスLfは、小容量のコンデンサーCr1と共振する。図3の回路では、漏れインダクタンスLfは、コンバーターの1次側のコンデンサーCdpの位置に置かれたコンデンサーCrと共振する。漏れインダクタンスLfは、2次側に反映されるコンデンサーCrと共振する。コンデンサーCr1及びCdpは、除去され、そして、もはや2次側に共振コンデンサーがないので、平滑コイルL1はもはや役に立たない。図3の他の部分は、図1と同じである。
図1と同様の方法で、つまりスイッチT1及びT2を切り替えることにより、このコンバーターを動作させることが可能である。電流Ipは1次側電圧の遷移を自然に生じる。しかしながら、有利な動作モードでは、電流ID1がゼロでない間、スイッチT2は開放される。これは、出力電力に関わらず、tm2におけるソフトスイッチングの改善を助ける。このモードでは、従って、回路がVS1を生成するのを妨げるようになっている。更に、追加の調整された電圧を生成するポストレギュレーション手段は、図1の構成と同じ方法で動作する。
以上に説明された好適な実施の形態による、図3のコンバーターの動作方法は、図4A乃至4Hにより説明される。
図4A及び4Bは、図2A及び2Bと同じく、スイッチT1及びT2の制御信号Drv1及びDrv2の波形を示す。図4Cは、図2Cと同じく、2次巻線Lsの端子間の電圧VLSの変化を示す。図4Dは、ダイオードD1を流れる電流ID1を示す。図4Eは、スイッチT3の制御信号Drv3を示す。図4Fは、インダクタンスLrを流れる電流ILrを示す。図4Gは、2次巻線Lsを流れる電流Isを示す。そして図4Hは、1次巻線Lpを流れる電流Ipを示す。
このコンバーターは、電流ID1がゼロでない間、スイッチT2が開放される事を除いて、概して図1のコンバーターと同様に動作する。
ポストレギュレーションの観点から、このコンバーターは、図1のコンバーターと同じ利点を有する。
別の動作モードは、誘導性回路(Lr、D2、T3)を、特にVs1に対してVs2が非常に低い値である時、Lfを用いる共振回路ではなく、2次巻線Lsの一部に、又は特定の絶縁された2次巻線に接続することによる。
本発明の第1のコンバーターの電気回路図である。 図1のコンバーターの動作方法を説明する電流及び電圧のタイミング図を示す。 発明の第2のコンバーターの電気回路図である。 図3のコンバーターの動作方法を説明する電流及び電圧のタイミング図を示す。
符号の説明
AE 差動増幅器
C1 コンデンサー
C2 コンデンサー
C3 コンデンサー
Cdp コンデンサー
COMP 比較回路
Cr 共振コンデンサー
Cr1 共振コンデンサー
Cs1 第1の負荷コンデンサー
Cs2 第2の負荷コンデンサー
D 電源駆動回路
D1 第1の整流ダイオード
D2 第2の整流ダイオード
D3 ダイオード
D4 ダイオード
D5 ダイオード
D6 ダイオード
Drv1 スイッチT1の制御信号
Drv2 スイッチT2の制御信号
Drv3 スイッチT3の制御信号
ILr インダクタンスLrを流れる電流
ILs 2次電流
INT 積分回路
Ip 1次巻線を流れる電流
Is 2次巻線を流れる電流
L1 平滑コイル
Lf 漏れインダクタンス
Lp 1次巻線
Lr インダクタンス
Ls 2次巻線
PWM1 第1の制御ブロック
PWM2 第2の制御ブロック
R1 抵抗
R2 抵抗
R3 抵抗
R4 抵抗
R5 抵抗
R6 抵抗
R7 抵抗
R8 抵抗
RAMP ランプ回路
SV 電源
T スイッチT1及びT2の開/閉周期
T1 スイッチ
T2 スイッチ
T3 スイッチ
Trf 変圧器
V1 抵抗R3、R4の間に現れる電圧
Vcc 電源端子
Vint 積分回路INTにより供給される電圧
LS 2次巻線の端子間電圧
Vdp コンデンサーCdpの端子間電圧
Ve 入力電圧
Vr コンデンサーCrの端子間電圧
VREF 基準電圧
Vs1 第1の直流出力電圧
Vs2 第2の直流出力電圧
m 巻数比
tm デッドタイム
tm1 第1のデッドタイム
tm2 第2のデッドタイム

Claims (9)

  1. ソフトスイッチングを備える直流電圧コンバーターであって、
    コンバーターの1次側は、半ブリッジ構成の型であり2つのスイッチ(T1、T2)により入力電源(SV)に結合でき、コンバーターの2次側は、疑似共振半波型であり少なくとも1つの第1の直流電圧(Vs1)を第1の負荷に供給し、1つの第2の直流電圧(Vs2)を第2の負荷に供給し、前記第2の直流電圧(Vs2)は、前記第1の直流電圧(Vs1)より低く、1次巻線(Lp)及び2次巻線(Ls)を有する変圧器(Trf)、
    固定周波数において、パルス幅変調により、前記第1の直流出力(Vs1)に応じて、2つのスイッチ(T1、T2)を交互に制御する第1の制御手段(PWM1)
    を有し、
    2次巻線(Ls)に半波共振電流を生じ、前記第1の負荷の端子に接続された第1のコンデンサー(Cs1)を充電し、前記第1の直流電圧(Vs1)を生成する共振回路(Lf、Cr1、D1;Lf、Cr、D1)を更に有し、
    前記2次巻線と前記第2の負荷の端子に接続された第2のコンデンサー(Cs2)との間に接続され、電流を生成し、共振電流の半波の一部が2次巻線(Ls)に流れる間に、前記第2のコンデンサーを充電し、前記第2の直流電圧(Vs2)を生成する誘導性回路(D2、Lr、T3)を更に有する
    ことを特徴とする、直流電圧コンバーター。
  2. 誘導性回路は、第1のインダクタンス(Lr)と直列の第1の整流ダイオード(D2)、及び第3のスイッチ(T3)を有し、前記第3のスイッチ(T3)は、共振電流の半波の一部が2次巻線(Ls)に流れる間、閉じられることを特徴とする、請求項1記載のコンバーター。
  3. 第2の制御手段(PWM2)は、第3のスイッチ(T3)を、パルス幅変調により、第2の直流出力(Vs2)に応じて制御するよう設計されることを特徴とする、請求項2記載のコンバーター。
  4. 前記共振回路は、第2のインダクタンス(Lf)と直列に配された第2の整流ダイオード(D1)、及び共振コンデンサー(Cr1)を有し、前記部品の集合は、変圧器の2次巻線の端子に接続され、そして第1のコンデンサー(Cs1)は、前記共振コンデンサー(Cr1)の端子に、平滑コイル(L1)により接続されることを特徴とする、請求項1乃至3記載のコンバーター。
  5. 第2のインダクタンス(Lf)は、2次側に反映される変圧器の漏れインダクタンスであることを特徴とする、請求項4記載のコンバーター。
  6. 第2のインダクタンス(Lf)は、2次側に反映される変圧器の漏れインダクタンス及び2次巻線と前記第2の負荷との間に配される追加のインダクタンスから成る直列インダクタンスであることを特徴とする、請求項5記載のコンバーター。
  7. 前記共振回路は、第2のインダクタンス(Lf)と直列に前記2次巻線(Ls)と第1のコンデンサー(Cs1)の間に配された第2の整流ダイオード(D1)、及び前記1次巻線(Lp)と直列に配されたコンデンサー(Cr)を有し、前記コンデンサーは、2次側に反映され、前記第2のインダクタンス(Lf)と共振することを目的とすることを特徴とする、請求項1乃至3記載のコンバーター。
  8. 第2のインダクタンス(Lf)は、2次側に反映される変圧器の漏れインダクタンスであることを特徴とする、請求項7記載のコンバーター。
  9. 第2のインダクタンス(Lf)は、2次側に反映される変圧器の漏れインダクタンス及び2次巻線と前記第1の負荷との間に配される追加のインダクタンスから成る直列インダクタンスであることを特徴とする、請求項8記載のコンバーター。
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