JP5599911B2 - 共通コア力率改善共振形コンバータ - Google Patents
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Description
本発明は、力率改善コンバータに関し、特に、共通コア力率改善共振形コンバータに関する。
一般に、力率改善コンバータの回路構造では、通常、エネルギー蓄積装置としてインダクタを用いる。インダクタは、エネルギーが負荷に移動するような力率改善効果を達成するために昇圧トポロジ制御アーキテクチャとさらに組み合わせる。
このタイプのコンバータの出力電圧は、ライン電源の電圧よりも高くなければならない。よって、当該回路は、低圧出力には適さない。そのため、当該回路をフォワード型コンバータなどの降圧回路タイプに交換する必要がある。しかしながら、この回路では、高い力率機能を提供することができない。
このタイプのコンバータの出力電圧は、ライン電源の電圧よりも高くなければならない。よって、当該回路は、低圧出力には適さない。そのため、当該回路をフォワード型コンバータなどの降圧回路タイプに交換する必要がある。しかしながら、この回路では、高い力率機能を提供することができない。
一般的に昇圧コンバータは、高力率改善を達成するために高力率を発生させ出力を調整するアナログ乗算器や他の回路素子などの複合制御回路を必要とする。また、上述した構造は、電磁干渉（ＥＭＩ）を低減させるために周波数ジッタ、疑似共振又は谷値スイッチングの機能を有する回路をさらに必要とする。
また、力率改善に昇圧トポロジ制御アーキテクチャを導入することにより、出力電圧は、６００Ｖなど高い電圧レベルまで上昇する。そのため、このフレームワークにおいてスイッチング素子を選択する際は、ドレイン−ソース間耐電圧素子（例えば、６００Ｖよりも高い電力成分）を考慮しなければならない。
この点に関し、既存の技術では、上述した問題を解決するために、図１に示したように力率改善共振形コンバータが提供される。
力率改善共振形コンバータ１００は、ソフトスイッチング用の部品１１０を用いるので、入力ライン電圧がキャパシタンスＣＰを充電して電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰを生成する。そして、エネルギー移動動作は、素子１２０を通したソフトスイッチング動作によって行われ、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰが出力電力に変換される。
力率改善共振形コンバータ１００は、ソフトスイッチング用の部品１１０を用いるので、入力ライン電圧がキャパシタンスＣＰを充電して電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰを生成する。そして、エネルギー移動動作は、素子１２０を通したソフトスイッチング動作によって行われ、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰが出力電力に変換される。
さらに、力率改善共振形コンバータ１００の電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰを最大でも入力ライン電圧と同じ電圧レベルまで充電する。そのため、比較的低い耐電圧素子を用いることができる。しかしながら、力率改善共振形コンバータは、２つの個別のインダクタ（それぞれ、素子１１０と１２０）を採用しており、５つのダイオードを用いることで実施されるので、回路素子のコスト及び体積が増加し部品の伝導損も増加してしまう。そのため、力率改善回路は、なお改善が必要とされる。
上記に鑑みて、本開示は、回路素子のコスト及び体積を低減する共通コア力率改善共振形コンバータを提供するものである。また、比較的低い耐電圧スイッチ及びキャパシタンス素子を選択することができる。そして、この回路アーキテクチャは、電磁干渉を低減させ良好な力率を持つことができる。
本開示は、エネルギー変換回路を備える共通コア力率改善共振形コンバータを提供するものである。前記エネルギー回路は、第１の端子、第２の端子及び第３の端子を含む。前記エネルギー変換回路の前記第１の端子は、入力ライン電圧を受け、前記エネルギー変換回路の前記第２の端子は、グランドに連結され、前記エネルギー変換回路の前記第３の端子は、出力電力を発生させる。また、前記エネルギー変換回路は、結合インダクタ、電荷蓄積コンデンサ、スイッチ、第１のダイオード及び第２のダイオードを含む。
本開示の本実施形態によると、前記エネルギー変換回路は、制御信号に応じて、スイッチング動作によって、前記入力ライン電圧を前記結合インダクタ、及び前記電荷蓄積コンデンサを充電して、電荷蓄積コンデンサ電圧を発生させる。
そして、前記エネルギー変換回路は、前記制御信号に応じて、前記結合インダクタ、前記電荷蓄積コンデンサ、前記スイッチ、前記第１のダイオード、及び前記第２のダイオードのスイッチング動作によって、前記結合インダクタ及び前記電荷蓄積コンデンサを放電可能にするとともに出力負荷にエネルギーを転移可能にさせる。さらに、スイッチング動作制御を利用して出力電圧又は電流調整を提供することができる。
そして、前記エネルギー変換回路は、前記制御信号に応じて、前記結合インダクタ、前記電荷蓄積コンデンサ、前記スイッチ、前記第１のダイオード、及び前記第２のダイオードのスイッチング動作によって、前記結合インダクタ及び前記電荷蓄積コンデンサを放電可能にするとともに出力負荷にエネルギーを転移可能にさせる。さらに、スイッチング動作制御を利用して出力電圧又は電流調整を提供することができる。
本開示は、共通コア力率改善共振形コンバータを提供するものである。入力ライン電力を取得しエネルギー変換動作を行って電力を出力するために、異なる共振形回路をスイッチング動作によって作動させる。その結果、本開示によって電圧変換損が低減し、回路素子のコスト及び体積が低減する。また、比較的低い耐電圧素子を選択することができる。さらに、より良い電磁干渉低減効果が維持されより良い力率が得られる。
図２は、本開示の共通コア力率改善共振形コンバータの回路図である。図３は、図２の共通コア力率改善共振形コンバータの詳細な回路図の一実施形態である。図２を参照すると、共通コア力率改善共振形コンバータ２００は、結合インダクタ力率改善共振形コンバータと呼ぶこともできる。共通コア力率改善共振形コンバータ２００は、エネルギー変換回路２１０を含む。
エネルギー変換回路２１０は、第１の端子２１１、第２の端子２１２及び第３の端子２１３を含む。エネルギー変換回路２１０の第１の端子２１１は、入力ライン電圧ＶＩＮを受け、エネルギー変換回路２１０の第２の端子２１２は、グランドＧＮＤに連結され、エネルギー変換回路２１０の第３の端子２１３は、出力電力ＶＯを発生させる。
さらに、エネルギー変換回路２１０は、結合インダクタ、電荷蓄積コンデンサ、スイッチ、第１のダイオード及び第２のダイオードを含む。エネルギー変換回路２１０の結合インダクタ、電荷蓄積コンデンサ、スイッチ、第１のダイオード及び第２のダイオードは、図３の実施形態に示される。また、電荷蓄積コンデンサの体積は、非常に小さくすることができる。
上記に基づき、制御信号ＣＳ１に基づいて、結合インダクタ及び電荷蓄積コンデンサが共振形回路を構成するように、エネルギー変換回路２１０の結合インダクタ、電荷蓄積コンデンサ、スイッチ、第１のダイオード及び第２のダイオードによってスイッチング動作を行い、入力ライン電力から電力取得動作を行う。そのため、入力ライン電力を結合インダクタの磁化インダクタンス及びエネルギーを蓄積する電荷蓄積コンデンサに対して充電して、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰを発生させる。
電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰが上昇し続け、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰが、予め設定された電圧レベル（例えば、適切な電圧レベル）に達すると、制御信号ＣＳ１に基づいて、入力ライン電力からの蓄積エネルギーを出力に送ることができる。
すなわち、エネルギー変換回路２１０によって、結合インダクタ及び電荷蓄積コンデンサが、エネルギー変換回路２１０の結合インダクタ、電荷蓄積コンデンサ、スイッチ、第１のダイオード及び第２のダイオードのスイッチング動作を通してエネルギーを放電したり変換したりすることが可能となり、結合インダクタの磁化インダクタンス及び電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰにおける蓄積エネルギーが、出力電力ＶＯに変換される。
すなわち、エネルギー変換回路２１０によって、結合インダクタ及び電荷蓄積コンデンサが、エネルギー変換回路２１０の結合インダクタ、電荷蓄積コンデンサ、スイッチ、第１のダイオード及び第２のダイオードのスイッチング動作を通してエネルギーを放電したり変換したりすることが可能となり、結合インダクタの磁化インダクタンス及び電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰにおける蓄積エネルギーが、出力電力ＶＯに変換される。
本実施形態では、入力ライン電力を出力電力ＶＯに変換するための動作モードには、結合インダクタ素子の磁化インダクタンスにおける蓄積エネルギーを移動させることだけでなく、電荷蓄積コンデンサ素子における電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰを放電することも含まれる。
電圧ＶＣＰは、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰがエネルギー変換によって出力電力ＶＯに変換される間に０Ｖに向けて降圧され第２のダイオードによってクランプされる。また、入力ライン電圧ＶＩＮは、交流電圧（ＡＣ電圧）又は直流電圧（ＤＣ電圧）であってもよい。力率改善には、交流電圧がより適切である。
電圧ＶＣＰは、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰがエネルギー変換によって出力電力ＶＯに変換される間に０Ｖに向けて降圧され第２のダイオードによってクランプされる。また、入力ライン電圧ＶＩＮは、交流電圧（ＡＣ電圧）又は直流電圧（ＤＣ電圧）であってもよい。力率改善には、交流電圧がより適切である。
共通コア力率改善共振形コンバータ２００のこの実施形態は、上述したように、スイッチング動作によって実施することができる。
まず、本実施形態は、エネルギー変換回路２１０の結合インダクタ及び電荷蓄積コンデンサによって電力及びエネルギーを取得してから、取得した電力をエネルギー変換によって出力電力ＶＯに変換して、良好な出力電圧又は出力電流調整を提供して、より良い力率を得る。
まず、本実施形態は、エネルギー変換回路２１０の結合インダクタ及び電荷蓄積コンデンサによって電力及びエネルギーを取得してから、取得した電力をエネルギー変換によって出力電力ＶＯに変換して、良好な出力電圧又は出力電流調整を提供して、より良い力率を得る。
上記は、共通コア力率改善共振形コンバータ２００における部品の動作に関連した連結構造の簡単な説明に過ぎない。エネルギー変換回路２１０の結合インダクタ、電荷蓄積コンデンサ、スイッチ、第１のダイオード及び第２のダイオードの間の接続については、以下の実施例において説明する。
図３を参照すると、共通コア力率改善共振形コンバータ３００には、エネルギー変換回路３１０と、制御部３４０と、電圧変換部３５０と、負荷部３６０とが含まれる。
本実施形態では、エネルギー変換回路３１０の動作は、図２のエネルギー変換回路２１０の実施を参照してもよい。そのため、説明は繰り返さない。
本実施形態では、エネルギー変換回路３１０の動作は、図２のエネルギー変換回路２１０の実施を参照してもよい。そのため、説明は繰り返さない。
エネルギー変換回路３１０は、第１の端子３１１、第２の端子３１２及び第３の端子３１３を含む。エネルギー変換回路３１０には、結合インダクタ３２０（図２のエネルギー変換回路２１０の結合インダクタに対応）、電荷蓄積コンデンサ３３０（図２のエネルギー変換回路２１０の電荷蓄積コンデンサに対応）、スイッチＳＷ１（図２のエネルギー変換回路２１０のスイッチに対応）、ダイオードＤ１（図２のエネルギー変換回路２１０の第１のダイオードに対応）、ダイオードＤ２（図２のエネルギー変換回路２１０の第２のダイオードに対応）が含まれる。
結合インダクタ３２０は、共通コア変圧器である。結合インダクタ３２０は、一次側及び二次側を含む。結合インダクタ３２０の一次側の第１の端子は、入力ライン電圧ＶＩＮを受けるために結合インダクタ３２０の第１の端子に連結されるが、結合インダクタ３２０の一次側の第２の端子及び二次側の第１の端子は、同一の極性を有する。図３において点線で示したように、結合インダクタ３２０の一次側及び二次側は、反対の極性を有する。
結合インダクタ３２０は、第１のコイルＬ１及び第２のコイルＬ２をさらに有する。第１のコイルＬ１の第１の端子は、結合インダクタ３２０の一次側の第１の端子であり、第１のコイルＬ１の第２の端子は、結合インダクタ３２０の一次側の第２の端子である。第２のコイルＬ２の第１の端子は、結合インダクタ３２０の二次側の第１の端子であり、第２のコイルＬ２の第２の端子は、結合インダクタ３２０の二次側の第２の端子である。
スイッチＳＷ１の第１の端子は、結合インダクタ３２０の一次側の第２の端子に連結される。スイッチＳＷ１の第２の端子は、結合インダクタ３２０の二次側の第２の端子及び電荷蓄積コンデンサ３３０の第１の端子に連結される。さらに、スイッチＳＷ１の制御端子は、制御信号ＣＳ１を受け、当該制御信号ＣＳ１によってオン／オフ制御がなされる。
さらに、スイッチＳＷ１は、Ｎ型トランジスタによって実施することもできる。例えば、Ｎ型トランジスタのドレインは、結合インダクタ３２０の一次側の第２の端子に連結され、Ｎ型トランジスタのソースは、結合インダクタ３２０の二次側の第２の端子に連結され、Ｎ型トランジスタのゲートは、例えば、制御信号ＣＳ１を受ける。
しかしながら、実施されるスイッチは、Ｎ型トランジスタに限定されるものではなく、Ｐ型トランジスタ又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を実施に用いることもできる。また、電荷蓄積コンデンサ３３０は、キャパシタンスＣＰを含む。例えば、キャパシタンスＣＰは、電荷蓄積コンデンサ３３０として実施される。
しかしながら、実施されるスイッチは、Ｎ型トランジスタに限定されるものではなく、Ｐ型トランジスタ又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）を実施に用いることもできる。また、電荷蓄積コンデンサ３３０は、キャパシタンスＣＰを含む。例えば、キャパシタンスＣＰは、電荷蓄積コンデンサ３３０として実施される。
ダイオードＤ１のアノードは、結合インダクタ３２０の二次側の第１の端子に連結され、ダイオードＤ１のカソードは、エネルギー変換回路３１０の第３の端子３１３に連結されて出力電力ＶＯを発生させる。電荷蓄積コンデンサ３３０の第１の端子は、スイッチＳＷ１の第２の端子に連結され、電荷蓄積コンデンサ３３０の第１の端子は、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰを発生させ、電荷蓄積コンデンサ部品３３０の第２の端子は、グランドＧＮＤに連結される。
ダイオードＤ２のアノードは、電荷蓄積コンデンサ部品３３０の第２の端子に連結され、ダイオードＤ２のカソードは、電荷蓄積コンデンサ部品３３０の第１の端子に連結される。制御部３４０を適用して入力ライン電圧ＶＩＮ、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰ又は出力電力ＶＯを受け、入力ライン電圧ＶＩＮ、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰ又は出力電力ＶＯの電圧レベルに従って制御信号ＣＳ１を発生させる。
例えば、制御方法を用いる。制御部３４０が、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧レベルが０Ｖであると検知すると、高論理レベルの制御信号ＣＳ１がスイッチＳＷ１に提供され、スイッチＳＷ１がオンとなる。制御部３４０が、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧レベルが入力ライン電圧ＶＩＮの１／２（すなわち、（１／２）*ＶＩＮ）であると検知すると、低論理レベルの制御信号ＣＳ１がスイッチＳＷ１に提供され、スイッチＳＷ１がオフとなる。
電圧変換部３５０は、交流電圧ＶＡＣを受け当該交流電圧ＶＡＣを入力ライン電圧ＶＩＮに変換するためにエネルギー変換回路３１０の第１の端子３１１に連結される。
さらに、電圧変換部３５０は、例えば、ブリッジ整流器やフィルタを含んで、ブリッジ整流器やフィルタによって交流電圧ＶＡＣを整流したりフィルタにかけたりするので、交流電圧ＶＡＣが入力ライン電圧ＶＩＮに変換されて出力される。
さらに、電圧変換部３５０は、例えば、ブリッジ整流器やフィルタを含んで、ブリッジ整流器やフィルタによって交流電圧ＶＡＣを整流したりフィルタにかけたりするので、交流電圧ＶＡＣが入力ライン電圧ＶＩＮに変換されて出力される。
負荷部３６０の第１の端子は、エネルギー変換回路３１０の第３の端子３１３に連結され、負荷部３６０の第２の端子は、グランド端子ＧＮＤに連結される。
本実施形態では、負荷部３６０は、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１を含む。コンデンサＣ１の第１の端子は、エネルギー変換回路３１０の第３の端子３１３に連結され、コンデンサＣ１の第２の端子は、グランドＧＮＤに連結される。抵抗Ｒ１の第１の端子は、コンデンサＣ１の第１の端子に連結され、抵抗Ｒ１の第２の端子は、コンデンサＣ１の第２の端子に連結される。
本実施形態では、負荷部３６０は、コンデンサＣ１及び抵抗Ｒ１を含む。コンデンサＣ１の第１の端子は、エネルギー変換回路３１０の第３の端子３１３に連結され、コンデンサＣ１の第２の端子は、グランドＧＮＤに連結される。抵抗Ｒ１の第１の端子は、コンデンサＣ１の第１の端子に連結され、抵抗Ｒ１の第２の端子は、コンデンサＣ１の第２の端子に連結される。
以上、共通コア力率改善共振形コンバータ３００の内部部品の連結構造を簡単に説明した。以下、共通コア力率改善共振形コンバータ３００の動作を説明する。
まず、入力ライン電圧ＶＩＮを発生させるために、交流電圧ＶＡＣを電圧変換部３５０によって変換し整流する。一方、制御部３４０は、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰが０Ｖであることを検知し、そして、制御部３４０は、スイッチＳＷ１を行うための高論理レベルの制御信号ＣＳ１を発生させる。
スイッチＳＷ１がオンになることによって、エネルギー変換回路３１０における結合インダクタ３２０の結合インダクタの第１のコイルＬ１及び電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰは、共振形回路を構成して、第１のコイルＬ１の磁化インダクタンス及び電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰに入力ライン電圧ＶＩＮを充電する。
そのため、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧が上昇し続ける。すなわち、スイッチＳＷ１がオンになると、入力ライン電圧ＶＩＮは、結合インダクタ３２０の一次側の磁化インダクタンスを通して電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰを充電する。
スイッチＳＷ１がオンになることによって、エネルギー変換回路３１０における結合インダクタ３２０の結合インダクタの第１のコイルＬ１及び電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰは、共振形回路を構成して、第１のコイルＬ１の磁化インダクタンス及び電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰに入力ライン電圧ＶＩＮを充電する。
そのため、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧が上昇し続ける。すなわち、スイッチＳＷ１がオンになると、入力ライン電圧ＶＩＮは、結合インダクタ３２０の一次側の磁化インダクタンスを通して電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰを充電する。
制御部３４０が電荷蓄積コンデンサの電圧レベルがある電圧、例えば、入力ライン電圧の１／２（すなわち、（１／２）*ＶＩＮ）に達したことを検知すると、制御部３４０は、スイッチＳＷ１を切断するために低論理レベルの制御信号ＣＳ１を発生させる。
スイッチＳＷ１の切断によって、電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰ及び結合インダクタ３２０の第２のコイルＬ２が共振形回路を構成するため、第２のコイルＬ２の磁化インダクタンス及び電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰが放電され、第２のコイルＬ２の磁化インダクタンス及び電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰの電荷における磁力によってエネルギー変換が行われ出力電力ＶＯ用の電気エネルギーへと変換する。
スイッチＳＷ１の切断によって、電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰ及び結合インダクタ３２０の第２のコイルＬ２が共振形回路を構成するため、第２のコイルＬ２の磁化インダクタンス及び電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰが放電され、第２のコイルＬ２の磁化インダクタンス及び電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰの電荷における磁力によってエネルギー変換が行われ出力電力ＶＯ用の電気エネルギーへと変換する。
すなわち、エネルギー移動動作による第２のコイルＬ２の磁化インダクタンスのエネルギー放出及び電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰの放電により、エネルギーは、出力電力ＶＯに変換され、出力電力ＶＯのエネルギーは、負荷３６０に移動する。
つまり、スイッチＳＷ１がオフになると、結合インダクタ３２０の極性が逆になるため、結合インダクタ３２０の一次側の電流が切断される。結合インダクタ３２０の二次側の電流が発生するので、第２のコイルＬ２の磁化インダクタンスにおける磁力が放出し始め、電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰの電圧が放出され、結合インダクタ３２０の二次側を通して出力電力ＶＯへ移動する。
つまり、スイッチＳＷ１がオフになると、結合インダクタ３２０の極性が逆になるため、結合インダクタ３２０の一次側の電流が切断される。結合インダクタ３２０の二次側の電流が発生するので、第２のコイルＬ２の磁化インダクタンスにおける磁力が放出し始め、電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰの電圧が放出され、結合インダクタ３２０の二次側を通して出力電力ＶＯへ移動する。
エネルギーを放出した後で、制御スイッチＳＷ１が次にオンするスイッチング周期（この場合、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧レベルが０Ｖである）を待ち、そして、上述した前記動作が繰り返される。上述した共振形回路のスイッチング動作によると、電圧取得及びエネルギー移動はそれぞれ、良好な出力電圧又は電流調整を提供し、より良い力率を得ることもできる。
上記の電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰは、入力ライン電圧ＶＩＮの１／２（すなわち、（１／２）*ＶＩＮ）と等しくすることができる。しかしながら、本開示は、この例に制限されるものではない。電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧レベルは、任意の適切な電圧レベル（すなわち、デフォルトの電圧レベル）において設計可能である。
以下は、共通コア力率改善共振形コンバータ３００がどのようにしてより良い力率を得るかを説明するものである。
まず、電流ＩL1は、結合インダクタ３２０の一次側を流れる。
電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの初期電圧値及び、入力ライン電圧ＶＩＮの１／２まで充電される電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧値はそれぞれ、以下の式（１），（２），（３）に示される。
電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの初期電圧値及び、入力ライン電圧ＶＩＮの１／２まで充電される電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧値はそれぞれ、以下の式（１），（２），（３）に示される。
ここで、ｔONは、電荷蓄積コンデンサ部品３３０のキャパシタンスＣＰの電圧が０Ｖから入力ライン電圧ＶＩＮの１／２まで充電される時間であるスイッチＳＷ１の導通時間である。これは、固定値であり、共振形回路の共振周期に関係するものでなければならない。
従って、スイッチＳＷ１がオンした時に、式（１），（２），（３）によって計算される結合インダクタ３２０の第１のコイルＬ１を流れる信号スイッチング周期の平均ピーク電流値ＩL1,pesk(avg)(t)に対する近似計算を式（４）に示す。
また、入力ライン電圧ＶＩＮと交流電圧ＶＡＣとの関係を以下の式（５）に示す。
そして、共通コア力率改善共振形コンバータ３００が、不連続導通モード（ＤＣＭ）のスイッチング周波数ＦSW1において動作すると、流れる信号スイッチング周期平均入力ライン電流Ｉin,avg(t)を式（６）によって計算することができる。式（６）は、以下に示す。
ここで、ＦSW1は、スイッチＳＷ１のスイッチング周波数であり、ＴSW1は、スイッチＳＷ１のスイッチング周期であり、ＦSW1は、ＴSW1の逆数、例えば、
である。式（６）によると、Ｉin,avg(t)は、ｓｉｎωｔに対して比例することが示されている。正弦波形は、図４に示したように、交流電圧ＶＡＣとして得られる。
図４を参照すると、図４は、本開示における共通コア力率改善共振形コンバータの動作波形を示す。ここで、曲線Ｓ１は、入力ライン電圧ＶＩＮ、曲線Ｓ２は、電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰ、曲線Ｓ３は、スイッチＳＷ１がオンになると結合インダクタ３２０の一次側の第１のコイルＬ１を流れるインダクタ電流ＩL1(t)、曲線Ｓ４は、スイッチＳＷ１が変化すると、電荷蓄積コンデンサ３３０のキャパシタンスＣＰを流れる平均入力ライン電流Ｉin,avg(t)である。
図４から分かるように、平均入力ライン電流Ｉin,avg(t)の正弦波形（曲線Ｓ４）と入力ライン電圧ＶＩＮ（曲線Ｓ１）は、同一である。そのため、共通コア力率改善共振形コン
バータは、良好な力率を得ることができる。また、第１のコイルＬ１の各周期のインダクタ電流ＩL1(t)は、伝統的な鋸歯状の波形ではなく、放物線状の波形に近似する。電磁干渉効果を
良好に低減させることが期待される。
バータは、良好な力率を得ることができる。また、第１のコイルＬ１の各周期のインダクタ電流ＩL1(t)は、伝統的な鋸歯状の波形ではなく、放物線状の波形に近似する。電磁干渉効果を
良好に低減させることが期待される。
制御スイッチＳＷ１のオン／オフは、スイッチＳＷ１の導電を制御するために、変動周波数制御モード、つまり、入力ライン電圧ＶＩＮ及び電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧レベルを検知することによって制御させる。
しかしながら、本開示の実施は限定されるものではない。パルス幅（ＰＷＭ）固定周波数制御法を用いてスイッチＳＷ１導通を制御し、スイッチＳＷ１の導通時間ｔONを制御することもできる。
しかしながら、本開示の実施は限定されるものではない。パルス幅（ＰＷＭ）固定周波数制御法を用いてスイッチＳＷ１導通を制御し、スイッチＳＷ１の導通時間ｔONを制御することもできる。
以下に一例を説明する。共通コア力率改善共振形コンバータ３００の入力ライン電力Ｐin(t)は、式（７）で計算することができる。近似式（７）は、以下に示す。
共通コア力率改善共振形コンバータ３００の出力電力Ｐout(t)は、式（８）で計算することができる。近似式（８）は、以下に示す。
ここで、ηは、入力ライン電力Ｐin(t)と出力電力Ｐout(t)との間の効率である。
本実施形態では、キャパシタンスＣＰ上の電荷蓄積コンデンサ３３０の電荷蓄積コンデンサ電圧ＶＣＰの電圧レベルは、最大でも入力ライン電圧ＶＩＮの１／２（すなわち（１／２）*ＶＩＮ）まで充電される。
そのため、比較的低い耐電圧キャパシタンスＣＰを実施することができる。また、本開示で適用された入力ライン電圧ＶＩＮは、交流電圧である。しかしながら、本開示は、本実施形態に限定されるものではなく、入力ライン電圧ＶＩＮは、直流電圧を用いることもできる。
そのため、比較的低い耐電圧キャパシタンスＣＰを実施することができる。また、本開示で適用された入力ライン電圧ＶＩＮは、交流電圧である。しかしながら、本開示は、本実施形態に限定されるものではなく、入力ライン電圧ＶＩＮは、直流電圧を用いることもできる。
本開示は、共通コア力率改善共振形コンバータを提供するものである。異なる共振形回路をスイッチング動作によって作動させ、電力を取得しエネルギー変換動作を行って電力を出力する。その結果、良好な出力電圧、電流調整を発生させ、より良い力率を得ることもできる。
また、電荷蓄積コンデンサの電圧は、比較的低い耐電圧のスイッチング素子及び容量性素子を実施できるように、最大でも入力ライン電圧ＶＩＮの１／２まで充電されるので、回路素子のコスト及び体積も低減させることができる。さらに、本開示のエネルギー変換回路は、結合インダクタ、電荷蓄積コンデンサ、スイッチ及び２つのダイオードを用いることによって実施される。先行技術による力率改善共振形コンバータと比較すると、本開示は、回路の体積を効果的に低減することができ、部品からの伝導損を低減することができる。
本発明について、例示的実施形態に関連して説明してきたが、添付の請求項によって定義される、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく修正や変更を行うことができることは当業者には明らかである。
２００ 共通コア力率改善共振形コンバータ
２１０ エネルギー変換回路
２１１ 第１の端子
２１２ 第２の端子
２１３ 第３の端子
２１０ エネルギー変換回路
２１１ 第１の端子
２１２ 第２の端子
２１３ 第３の端子
Claims (9)
- 共通コア力率改善共振形コンバータであって、
入力ライン電圧が入力される第１の端子、グランドに連結された第２の端子、及び出力電力を出力する第３の端子を有するエネルギー変換回路であって、
一次側及び二次側を有する共通コア変換器であって、前記一次側の第１の端子が前記エネルギー変換回路の前記第１の端子に連結され、前記一次側の第２の端子及び前記二次側の第１の端子が同一の極性を有する結合インダクタと、
第１の端子と第２の端子を有する電荷蓄積コンデンサと、
スイッチであって、前記スイッチの第１の端子が前記一次側の前記第２の端子に連結され、前記スイッチの第２の端子が前記二次側の第２の端子に連結され、前記スイッチの制御端子には制御信号が入力され、前記電荷蓄積コンデンサの前記第１の端子が前記スイッチの前記第２の端子に連結され、前記電荷蓄積コンデンサの前記第２の端子が前記グランドに連結されるスイッチと、
第１のダイオードであって、前記第１のダイオードのアノードが前記二次側の前記第１の端子に連結され、前記第１のダイオードのカソードが前記エネルギー変換回路の前記第３の端子に連結される第１のダイオードと、
第２のダイオードであって、前記第２のダイオードのアノードが前記電荷蓄積コンデンサの前記第２の端子に連結され、前記第２のダイオードのカソードが前記電荷蓄積コンデンサの前記第１の端子に連結される第２のダイオードと、
を有する、エネルギー変換回路を備え、
前記エネルギー変換回路は、
制御信号に応じて、前記結合インダクタ、前記電荷蓄積コンデンサ、前記スイッチ、前記第１のダイオード、及び前記第２のダイオードのスイッチング動作を通じて、前記入力ライン電圧を前記結合インダクタ及び前記電荷蓄積コンデンサに充電して、電荷蓄積コンデンサ電圧を発生させ、
次に、前記制御信号に応じて、前記結合インダクタ、前記電荷蓄積コンデンサ、前記スイッチ、前記第１のダイオード、及び前記第２のダイオードのスイッチング動作を通じて、前記結合インダクタ及び前記電荷蓄積コンデンサを放電可能にするとともに出力負荷にエネルギーを転移可能にさせることによって、前記結合インダクタ及び前記電荷蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギーを前記出力電力に変換する
ことを特徴とする共通コア力率改善共振形コンバータ。 - 前記結合インダクタは、
前記一次側の前記第１の端子を第１の端子とするとともに、前記二次側の前記第２の端子を第２の端子とする第１のコイルと、
前記二次側の前記第１の端子を第１の端子とするとともに、前記二次側の前記第２の端子を第２の端子とする第２のコイルと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の共通コア力率改善共振形コンバータ。 - 前記電荷蓄積コンデンサはコンデンサを有することを特徴とする請求項１に記載の共通コア力率改善共振形コンバータ。
- 前記スイッチは、ｎ型トランジスタ、ｐ型トランジスタ、又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１に記載の共通コア力率改善共振形コンバータ。
- 前記入力ライン電圧もしくは前記電荷蓄積コンデンサ電圧が入力される、又は、パルス幅変調固定周波数モードを通じて制御して前記制御信号を出力する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の共通コア力率改善共振形コンバータ。
- 前記エネルギー変換回路の前記第１の端子に連結されて交流電圧が入力されるとともに、当該交流電圧を前記入力ライン電圧に変換する電圧変換部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の共通コア力率改善共振形コンバータ。
- 前記エネルギー変換回路の前記第３の端子に連結された第１の端子、及び、前記グランドに連結された第２の端子を有する負荷部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の共通コア力率改善共振形コンバータ。
- 前記負荷部は、
前記エネルギー変換回路の前記第３の端子に連結された第１の端子、及び、前記グランドに連結された第２の端子を有するコンデンサと、
前記コンデンサの前記第１の端子に連結された第１の端子、及び、前記コンデンサの前記第２の端子に連結された第２の端子を有する抵抗と、
を備えることを特徴とする請求項７に記載の共通コア力率改善共振形コンバータ。 - 前記入力ライン電圧は交流電圧又は直流電圧であることを特徴とする請求項１に記載の共通コア力率改善共振形コンバータ。
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