JP6122137B2

JP6122137B2 - 隔離式電源転換装置及びその電源転換方法

Info

Publication number: JP6122137B2
Application number: JP2015545631A
Authority: JP
Inventors: 晴財潘; 伯彦陳; 大勝洪
Original assignee: HEP Tech Co Ltd
Current assignee: HEP Tech Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2013-11-11
Publication date: 2017-04-26
Anticipated expiration: 2033-11-11
Also published as: EP2930836A1; WO2014086093A1; EP2930836A4; CN103856054A; JP2016502837A

Description

本発明は電源転換装置に関し、特に隔離式電源転換装置及びその電源転換方法に関する。

隔離型電気エネルギー伝送システムと一般の接触型電気エネルギー伝送システムの最大の相違点は、以下のとおりである。隔離型電気エネルギー伝送システムは、エネルギー伝送に電力線を経由する必要がなく、隔離型変圧器電磁カップリングを利用し、エネルギーを一次側から二次側回路へと伝送するものである。しかし、隔離型変圧器は、そのカップリングの先天的な不良要因により、電力の転換効率が低い。よって、従来の隔離型電気エネルギー伝送システムでは、しばしば共振式インピーダンス対応方式を利用し、電源転換効率を高めている。しかし、インピーダンス対応回路方式を用いて実現する回路は、変圧器カップリング係数パラメーターの影響を非常に受け易く、予期の効果を達成できないため、電源転換効率が低いままである。また、電気エネルギー伝送システムの出力電圧は、ロード電圧より大きくなければ、出力端の電位を克服し、エネルギーをロードに伝送することはできない。よって、隔離型電気エネルギーの伝送回路においては、しばしば比較的大きな巻線数比の変圧器がなければ、電圧を必要な電圧に上昇させることはできない。こうして、変圧器のジュール熱損はコイルの巻線数比の増加に従い増加し、これにより電源転換効率は低下してしまう。

上述の発明の背景を鑑み、本発明の目的は負電位元を提供しロード電圧のバリアを補償することで変圧器のコイル巻線数比を低下させ、ジュール熱損を下げることで電源転換効率を高めるため、変圧器一次側エネルギーはよりスムーズに、より効率的にロードに伝送され、電源転換効率を増進できる隔離式電源転換装置及びその電源転換方法を提供することにある。

本発明による隔離式電源転換装置，パルスパワーサプライ１００の電気エネルギーを転換後、ロード２００に出力する。
該隔離式電源転換装置は、隔離式変圧器及びオートチャージポンプ（ａｕｔｏｃｈａｒｇｅｐｕｍｐ）回路を有する。
該隔離式変圧器は、一次側及び二次側を有し、且つ一次側とパルスパワーサプライとは電気的に連接し、二次側は、第一端及び第二端を有する。
オートチャージポンプ回路の片側は、隔離式変圧器に電気的に連接し、もう一つの側は、ロードに電気的に連接する。
該オートチャージポンプ回路は、第一ダイオード、第一キャパシタンス、インダクタンス、第二キャパシタンスを有する。
該第一ダイオードの正極は、二次側の第二端に連接し、その負極は、二次側の第一端に電気的に連接する。
該第一キャパシタンスで、その一端は、二次側の第一端と第一ダイオードの負極に電気的に連接する。
該インダクタンスの一端は、第一キャパシタンスのもう一つの端に連接し、もう一つの端は、第一ダイオードの負極に電気的に連接する。
該第二キャパシタンスは、ロードに並列接続し、且つその一端は、第一キャパシタンスとインダクタンスに連接し、もう一つの端は、第一ダイオードの正極と該二次側の第二端に連接する。

本発明による隔離式電源転換装置において、該インダクタンスは、第二ダイオードを通して、該第一ダイオードの負極に電気的に連接する。また、該第二ダイオードの正極は、該第一ダイオードの負極に連接し、その負極は、該インダクタンスに連接する。

本発明による隔離式電源転換装置において、該隔離式変圧器の二次側の第一端上には、第三ダイオードを設置し、且つ該第三ダイオードの負極は、該第一ダイオードの負極と該第一キャパシタンスに連接し、その正極は、該二次側に連接する。

本発明による隔離式電源転換装置において、該第一キャパシタンスは、無極性キャパシタンスである。

本発明による隔離式電源転換装置において、該第二キャパシタンスは、非電解キャパシタンスである。

本発明による隔離式電源転換装置の電源転換方法は、以下のステップを有する。
Ａ．該パルスパワーサプライが電気エネルギーを出力すると、該隔離式変圧器の一次側に対して充電し、該インダクタンス、該第一キャパシタンスと該第二キャパシタンスは、該ロードに対してエネルギーを放出する。
Ｂ．該パルスパワーサプライが電気エネルギーの出力を停止すると、該隔離式変圧器の二次側は、該インダクタンス、該第一キャパシタンスと該第二キャパシタンスに対して充電し、これにより該第二キャパシタンスは、該ロードに対してエネルギー放出を持続し、Ｃ．該第一ダイオードに導通し、該第一キャパシタンスと該インダクタンスに反対方向の電圧を生じさせ、該第二キャパシタンスに対して充電し、これにより該第二キャパシタンスは該ロードに対するエネルギー放出を持続する。

本発明による電源転換方法のステップＣ後には、ステップＡ〜ステップＣを繰り返し執行するステップをさらに有する。

本発明による電源転換方法のステップＢにおいて、該隔離式変圧器の二次側は、該第一キャパシタンスと該インダクタンスが形成する共振回路を通して、その貯蔵エネルギーを該第二キャパシタンスに伝導する。

本発明による電源転換方法のステップＢにおいて、該第一キャパシタンスと該インダクタンス形成の共振回路を通過後、該第一キャパシタンスの電圧ストレス極性は反転し、該第一ダイオードは導通し、ステップＣに進む。

本発明による前述の電源転換方法のパルスパワーサプライは、電子スイッチを有し、該電子スイッチの導通時、該パルスパワーサプライは電気エネルギーを出力し、該電子スイッチがオフになると、該パルスパワーサプライは電気エネルギーの出力を停止する。

本発明によるオートチャージポンプ回路は、パルスパワーサプライの電気エネルギーを受け取り、ロードに給電する。
且つ該パルスパワーサプライは、第一出力端及び第二出力端を有し、該オートチャージポンプ回路は、第一ダイオード、第一キャパシタンス、インダクタンス及び第二キャパシタンスを有する。
該第一ダイオードの正極は、該パルスパワーサプライの第二出力端に連接し、その負極は、該パルスパワーサプライの第一出力端に電気的に連接する。
該第一キャパシタンスの一端は、該電源の第一出力端と該第一ダイオードの負極に連接する。
該インダクタンスの一端は、該第一キャパシタンスのもう一つの端に連接し、もう一つの端は、該第一ダイオードの負極に電気的に連接する。
該第二キャパシタンスは、該ロードに並列接続し、且つその一端は該第一キャパシタンスと該インダクタンスに連接し、もう一つの端は、該第一ダイオードの正極と該二次側の第二端に連接する。

本発明によるオートチャージポンプ回路において該インダクタンスは第二ダイオードを通して、該第一ダイオードの負極に電気的に連接する。また、該第二ダイオードの正極は、該第一ダイオードの負極に連接し、その負極は、該インダクタンスに連接する。

本発明の実施形態を応用する特徴の一つは、隔離式電源転換装置及びその電源転換方法により、電源転換時に、負電位元を提供し償ロード電圧のバリアを補償し、こうして隔離式変圧器のコイル巻線数比を低下させ、ジュール熱損を引き下げて電源転換効率を高め、これにより隔離式変圧器の一次側エネルギーはよりスムーズにより効率的にロードに伝送され、電源転換効率を増進できる。

本発明の一実施形態による隔離式電源転換装置の回路図である。各ステップの同等回路図である。各ステップの同等回路図である。各ステップの同等回路図である。本発明の一実施形態による第一キャパシタンスの電圧波型図である。本発明の一実施形態による出力電圧と電流の波型図である。

図１に示すとおり、本発明一実施形態の隔離式電源転換装置は、パルスパワーサプライ１００の電気エネルギーを転換後、ロード２００に出力し、且つパルスパワーサプライ１００は、電力源Ｖｉｎ及び電子スイッチＳＷを有する。隔離式電源転換装置は、隔離式変圧器１０及びオートチャージポンプ（ａｕｔｏｃｈａｒｇｅｐｕｍｐ）回路２０を有する。

隔離式変圧器１０は本実施形態中では、非接触式変圧器（ｎｏｎｃｏｎｔａｃｔｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）で、且つ分離設置可能な一次側１１及び二次側１２を有する。一次側１１とパルスパワーサプライ１００とは電気的に連接し、二次側１２は、第一端１２１及び第二端１２２を有する。当然、実際に実施する際には、一次側と二次側を分離できない変圧器に置換することもできる。

オートチャージポンプ回路２０の片側は、隔離式変圧器１０に電気的に連接し、もう一つの側は、ロード２００に電気的に連接する。オートチャージポンプ回路２０は、２個のダイオード（第一ダイオードＤ１と第二ダイオードＤ２）、２個のキャパシタンス（第一キャパシタンスＣ１と第二キャパシタンスＣ２）及び１個のインダクタンスＬを有する。これらパーツの連接関係は、以下のとおりである。第一ダイオードＤ１の正極は、二次側１２の第二端１２２に連接し、その負極は、二次側１２の第一端１２１に電気的に連接する。第一キャパシタンスＣ１は、無極性キャパシタンスで、その一端は、二次側１２の第一端１２１と第一ダイオードＤ１の負極に電気的に連接する。第二ダイオードＤ２の正極は、第一キャパシタンスＣ１に連接する。インダクタンスＬの一端は、第一キャパシタンスＣ１のもう一つの端に連接し、もう一つの端は第二ダイオードＤ２の負極に連接する。
第二キャパシタンスＣ２は、非電解キャパシタンスで、ロード２００に並列接続し、且つその一端は、第一キャパシタンスＣ１とインダクタンスＬに連接し、もう一つの端は、第一ダイオードＤ１の正極と二次側１２の第二端１２２に連接する。

また、回路がフィードバックを生じ隔離式変圧器１０の動作へ影響を及ぼすことを避けるため、隔離式変圧器１０は、その二次側１２第一端の線路上に、第三ダイオードＤ３をさらに設置する。第三ダイオードＤ３の正極は、二次側１２の第一端１２１に連接し、その負極は、第一ダイオードＤ１の負極、第二ダイオードＤ２の正極と第一キャパシタンスＣ１に連接する。

本実施形態において、これらキャパシタンスＣ１〜Ｃ２、インダクタンスＬ、入力電圧、出力電圧、隔離式変圧器１０の巻線数比、及びロード２００の電気抵抗は、下表に示す。

上述の構造設計と規格において、下述の電源転換方法を利用することで、電源転換効率を増進する目的を達成することができる。その方法は、以下のステップを有する。
Ａ．図２に示すとおり、電子スイッチＳＷをオンにすると、パルスパワーサプライ１００の電力源は、電気エネルギーを出力し、隔離式変圧器１０の一次側１１に対して充電し、インダクタンスＬ、第一キャパシタンスＣｌと第二キャパシタンスＣ２ロード２００に対してエネルギーを放出する。
Ｂ．図３に示すとおり、電子スイッチＳＷをオフにすると、パルスパワーサプライ１００の電力源Ｖｉｎは停止し、電気エネルギーを出力し、隔離式変圧器１０の二次側１２インダクタンスＬ、第一キャパシタンスＣ１に対して充電し、第一キャパシタンスＣ１とインダクタンスＬが形成する共振回路を通して、その貯蔵エネルギーを第二キャパシタンスＣ２に伝導し、こうして第二キャパシタンスＣ２はロード２００に対してエネルギーを放出し続ける。
Ｃ．図４に示すとおり、第一キャパシタンスＣ１とインダクタンスＬが共振後、第一キャパシタンスＣ１電圧ストレスの極性は反転し、こうして第一ダイオードＤ１に導通し、こうして第一キャパシタンスＣ１とインダクタンスＬとは反対方向の電圧を生じ、第二キャパシタンスＣ２に対して充電し、これにより第二キャパシタンスＣ２はロード２００に対してエネルギーを放出し続ける。

ステップＡ〜ステップＣを一回執行する毎に、一周期の動作を完成する。よって、隔離式電源転換装置の持続動作の状況において、ステップＣ後には、隔離式電源転換装置が動作を停止するまで、ステップＡ〜ステップＣを繰り返す。

図５に示すとおり、上述のオートチャージポンプ回路２０の設計を通して、毎回の動作周期において、第一キャパシタンスＣ１の電圧ストレスＶｃｌは自動的に負電位を提供し、第一ダイオードＤ１に導通し、これにより第一ダイオードＤ１導通前後の全体回路構造を改変し、負圧を通してロード２００の電圧が生じるバリアを補償する。こうして、隔離式変圧器１０のコイル巻線数比を低下させ、ジュール熱損を引き下げ、且つ隔離式変圧器１０一次側のエネルギーをよりスムーズに、より効率的にロード２００に伝送し、さらに電源転換効率を高めることができる。

また、図６に示すとおり、本実施形態において、隔離式電源転換装置の出力電圧が５Ｖの状況下で、その出力電圧リップル波はわずかに０．２Ｖ前後で、出力電圧の約４％である。つまり、本発明の隔離電源転換装置の回路設計は、出力電圧リップル波が低いという効果をも同時に備えているため、第二キャパシタンスＣ２が使用寿命の短い電解キャパシタンスを使用しなくともよく、これにより隔離電源転換装置の使用寿命を延長することができる。

このほか、第二ダイオードＤ２の設計はさらにロード２００付近の回路の回路フィードバックの発生を効果的に防止でき、こうして回路全体をより安定させられ、これにより隔離電源転換装置のエネルギー転換を高め、リップル波を抑制する効果を達成する。当然、実際に実施する際には、第二ダイオードＤ２を使用しなくとも、リップル波抑制の目的を達成することができる。

さらに、本発明のオートチャージポンプ回路２０は、変圧器が生じる電気エネルギーを受け取る回路構造に使用する他、パルスパワーサプライの電気エネルギーを受け取る回路設計上にも適用でき、出力電圧リップル波を低下させる目的を達成することができる。

１０隔離式変圧器
１１一次側
１２二次側
１２１第一端
１２２第二端
２０オートチャージポンプ回路
１００パルスパワーサプライ
２００ロード
Ｄ１第一ダイオード
Ｄ２第二ダイオード
Ｄ３第三ダイオード
Ｃ１第一キャパシタンス
Ｃ２第二キャパシタンス
Ｌインダクタンス
ＳＷ電子スイッチ
Ｖｉｎ電力源

Claims

隔離式電源転換装置であって、パルスパワーサプライの電気エネルギーを転換後、ロードに出力し、前記隔離式電源転換装置は、隔離式変圧器、オートチャージポンプ回路を有し、
前記隔離式変圧器は、一次側及び二次側を有し、且つ前記一次側と前記パルスパワーサプライとは電気的に連接し、前記二次側は、第一端及び第二端を有し、
前記オートチャージポンプ回路の片側は、前記隔離式変圧器に電気的に連接し、もう一つの側は、前記ロードに電気的に連接し、前記オートチャージポンプ回路は、第一ダイオード、第一キャパシタンス、インダクタンス、第二キャパシタンスを有し、
前記第一ダイオードの正極は、前記二次側の第二端に連接し、その負極は、前記二次側の第一端に電気的に連接し、
前記第一キャパシタンスの一端は、前記二次側の第一端と前記第一ダイオードの負極に電気的に連接し、
前記インダクタンスの一端は、前記第一キャパシタンスのもう一つの端に連接し、もう一つの端は、前記第一ダイオードの負極に電気的に連接し、
前記第二キャパシタンスは、前記ロードに並列接続し、且つその一端は、前記第一キャパシタンスと前記インダクタンスに連接し、もう一つの端は、前記第一ダイオードの正極と前記二次側の第二端に連接し、
該オートチャージポンプ回路は負電位元を提供してロード電圧のバリアを補償することで、電源転換効率を高めることを特徴とする隔離式電源転換装置。
前記インダクタンスは、第二ダイオードを通して前記第一ダイオードの負極に電気的に連接し、
前記第二ダイオードの正極は、前記第一ダイオードの負極に連接し、その負極は、前記インダクタンスに連接することを特徴とする請求項１に記載の隔離式電源転換装置。
前記隔離式変圧器の二次側の第一端上には、第三ダイオードを設置し、且つ前記第三ダイオードの負極は、前記第一ダイオードの負極と前記第一キャパシタンスに連接し、その正極は、前記二次側に連接することを特徴とする請求項１に記載の隔離式電源転換装置。
前記第一キャパシタンスは、無極性キャパシタンスであることを特徴とする請求項１に記載の隔離式電源転換装置。
前記第二キャパシタンスは、非電解キャパシタンスであることを特徴とする請求項１に記載の隔離式電源転換装置。
前記請求項１記載の隔離式電源転換装置の隔離式電源転換装置の電源転換方法は、以下のステップを有し、
Ａ．前記パルスパワーサプライが電気エネルギーを出力すると、前記隔離式変圧器の一次側に対して充電し、前記インダクタンス、前記第一キャパシタンスと前記第二キャパシタンスは、前記ロードに対してエネルギーを放出し、
Ｂ．前記パルスパワーサプライが電気エネルギーの出力を停止すると、前記隔離式変圧器の二次側は、前記インダクタンス、前記第一キャパシタンスと前記第二キャパシタンスに対して充電し、これにより前記第二キャパシタンスは、前記ロードに対してエネルギー放出を持続し、
Ｃ．前記第一ダイオードに導通し、前記第一キャパシタンスと前記インダクタンスに反対方向の電圧を生じさせ、前記第二キャパシタンスに対して充電し、これにより前記第二キャパシタンスは前記ロードに対するエネルギー放出を持続することを特徴とする請求項１に記載の隔離式電源転換装置の隔離式電源転換装置の電源転換方法。
前記ステップＣ後には、ステップＡ〜ステップＣを繰り返し執行するステップをさらに有することを特徴とする請求項６に記載の電源転換方法。
前記ステップＢにおいて、前記隔離式変圧器の二次側は、前記第一キャパシタンスと前記インダクタンスが形成する共振回路を通して、その貯蔵エネルギーを前記第二キャパシタンスに伝導することを特徴とする請求項６に記載の電源転換方法。
前記ステップＢにおいて、前記第一キャパシタンスと前記インダクタンスが形成する共振回路を通過後、前記第一キャパシタンスの電圧ストレス極性は反転し、前記第一ダイオードは導通し、ステップＣに進むことを特徴とする請求項８に記載の電源転換方法。
前記パルスパワーサプライは、電子スイッチを有し、
前記電子スイッチの導通時、前記パルスパワーサプライは電気エネルギーを出力し、
前記電子スイッチがオフになると、前記パルスパワーサプライは電気エネルギーの出力を停止することを特徴とする請求項８に記載の電源転換方法。
オートチャージポンプ回路は、パルスパワーサプライの電気エネルギーを受け取り、ロードに給電し、且つ前記パルスパワーサプライは、第一出力端及び第二出力端を有し、
前記オートチャージポンプ回路は、第一ダイオード、第一キャパシタンス、インダクタンス、第二キャパシタンスを有し、
前記第一ダイオードの正極は、前記パルスパワーサプライの第二出力端に連接し、その負極は、前記パルスパワーサプライの第一出力端に電気的に連接し、
前記第一キャパシタンスの一端は、前記パルスパワーサプライの第一出力端と前記第一ダイオードの負極に電気的に連接し、
前記インダクタンスの一端は、前記第一ダイオードの負極及び前記第一キャパシタンスの一端に電気的に連接し、もう一つの端は、前記第一キャパシタンスのもう一つの端に連接し、
前記第二キャパシタンスは、前記ロードに並列接続し、且つその一端は、前記第一キャパシタンスと前記インダクタンスに連接し、もう一つの端は、前記第一ダイオードの正極と前記パルスパワーサプライの前記第二出力端に連接し、
前記オートチャージポンプ回路は、負電位を提供し、ロードの電圧が生じるバリアを補償し、電源転換効率を高めることを特徴とするオートチャージポンプ回路。
前記インダクタンスは、第二ダイオードを通して、前記第一ダイオードの負極に電気的に連接し、
前記第二ダイオードの正極は、前記第一ダイオードの負極に連接し、その負極は、前記インダクタンスに連接することを特徴とする請求項１１に記載のオートチャージポンプ回路。