JP6288202B2

JP6288202B2 - 定出力電圧を得るための改善されたｄｃ−ｄｃ変圧装置

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Inventors: 佳樂代; 宇曹; 可志王
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Description

本発明は、DC−DC変圧装置に関し、特に補助回路により定出力電圧を得るための改善されたDC−DC変圧装置に関する。

DC/DC（直流−直流）変換装置は、直流入力電圧を定直流出力電圧に効率的に変換する電圧変換器であり、これらの変圧器の例はブリッジ回路、Bulk、Boostなどを含む。すなわち、これらの変圧回路を用いることで、大きい不安定な入力直流（DC）電源または交流（AC）電源から変換して所望の定出力電圧を得ることができる。

動作過程中において、不安定な入力直流電源の入力電圧値が上下に変動することがよくあり、変動範囲が狭いほど、上述の変圧回路の効率が高くなる（すなわち、回路の損失が低くなる）。従って、効率的な変圧回路を得るために、その利得範囲をより小さく設定する必要がよくある。

しかし、入力電源の電圧変動範囲が大きいと、効率的な変圧回路が一般的に小さい利得範囲を有するので、当該効率的な変圧回路を直接に適用することができない。

電圧変動範囲の大きい入力電源に直接に適用することが可能な効率的な変圧回路を実現するために、一般的に変圧回路と電源の間に補助変圧回路を設置する。変圧回路の入力電圧範囲が所定範囲を超えるときに、補助変圧回路は該大きい入力電圧範囲を小さくして変圧回路に適応させることができる。例えば、変圧回路の所定入力電圧範囲を２４−３６V と仮定する。入力電圧が１２−４８Vであると、所定入力範囲を超える。この場合、一般的に補助変圧回路により入力電圧の幅を２４−３６Vに下げてから、上述の変圧回路の入力端子に印加する。

また、例えば、中国特許（ＣＮ２００７８００５１９１５．３）は、Buck変換器を含むことができる前置調整器段と、チャージポンプを含むことができる後置変換器段とを含むDC/DC変換器を提供する。前置調整器段または後置変換器段の出力端子から伸びるフィードバックパスにより該前置調整器段のデューティ比を制御する。デューティ比に応じて、前置調整器は可変量で入力DC電圧を下げ、かつ、後置変換器は正または負の整数または分数値で前置調整器の出力端の電圧を上げるまたは下げる。

しかし、このような設計は他の問題をもたらす。例えば、入力電圧が所定範囲内にあるかまたは所定範囲を超えるかのいずれにかかわらず、主回路に結合された補助変圧回路は、後段の変圧回路より前置されるので、常に動作状態にあり、かつそれ故にエネルギーを消費する。つまり、補助変圧回路を使用する必要がない（例えば、入力回路が所定範囲内にある）状況において、主回路と電源の間に設置された補助変圧回路はやむなくエネルギーを消費する。

上述したことからわかるように、このような設計は、回路の全体効率をうまく上げることができない。前置される補助変圧回路が入力電圧範囲を小さくすると同時に損失をもたらしてしまい、そのため、利得範囲をより小さく設計することで変圧回路にもたらした利点（損失低減）も相殺されるからである。

中国特許出願第２００７８００５１９１５．３号明細書

本発明の第１の方面は、直流電源電圧を出力する直流電圧源と、入力電圧を設定値を持つ出力電圧に変換するための主回路と、前記直流電圧源に結合された補助回路であって、前記入力電圧が変動して所定範囲を超えるときに前記主回路に結合されて、出力電圧が設定値を持つ前記出力電圧に保たれるようにする、前記補助回路とを含む、DC-DC変圧装置に関する。前記入力電圧が前記所定範囲を超えるときに、前記補助回路を前記主回路に結合させることは、前記補助回路を前記主回路の入力端子に結合させることを含む。前記入力電圧が前記所定範囲を超えるときに、前記補助回路を前記主回路に結合させることは、前記補助回路を前記主回路の出力端子に結合させることを含む。前記入力電圧変動の定格上限は、前記所定範囲の上限に等しい。前記入力電圧変動の定格範囲の前記所定範囲からの超過値は、前記所定範囲の上限と下限の差分よりも小さい。

前記DC−DC変圧装置は、第１のエネルギー蓄積回路と第２のエネルギー蓄積回路とをさらに含み、前記補助回路の２つの出力端子と前記第２のエネルギー蓄積回路の２つの端子とが電気的に接続されており、前記第１のエネルギー蓄積回路の両端と前記直流電圧源の出力端子とが接続されており、及び、前記補助回路が主回路に結合されるときに、前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行い、かつその後に前記第２のエネルギー蓄積回路に蓄積されたエネルギーが前記主回路を経由して負荷に伝送される。

前記DC−DC変圧装置は、第１のエネルギー蓄積回路と第２のエネルギー蓄積回路とをさらに含み、前記補助回路の２つの出力端子と前記第２のエネルギー蓄積回路の２つの端子とが電気的に接続されており、前記第１のエネルギー蓄積回路の両端と主回路の出力端子とが接続されており、及び、前記補助回路が主回路に結合されるときに、前記第２のエネルギー蓄積回路が負荷出力端子に対して追加的な補充電圧を提供する。前記DC−DC変圧装置において、前記第１のエネルギー蓄積回路及び第２のエネルギー蓄積回路がコンデンサーである。

前記DC−DC変圧装置は、前記主回路及び補助回路が第２のエネルギー蓄積回路に対して充電または放電を行うよう制御するコントローラをさらに含み、及び、前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行うよう前記コントローラが制御するときに、前記主回路は第２のエネルギー蓄積回路に対して放電を行わず、または、前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行うよう前記コントローラが制御するときに、前記主回路は前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行わない。前記DC−DC変圧装置は、前記第２のエネルギー蓄積回路と並列に接続されるスイッチをさらに含み、前記入力電圧が前記所定範囲を超えていないときに、前記スイッチがオンになる。

前記DC−DC変圧装置において、前記所定範囲の下限は第１の閾値と第２の閾値とを含み、前記入力電圧が前記第１の閾値よりも高いときに、前記補助回路を前記主回路に結合させ、前記入力電圧が前記第２の閾値よりも低いときに、前記補助回路を前記主回路から遮断する。前記補助回路は、補助変圧器と補助スイッチとを含み、前記変圧器と前記補助スイッチとが直列に前記直流電圧源の２つの出力端子に接続される。前記DC−DC変圧装置において、前記主回路はハーフブリッジLLC回路を含み、前記ハーフブリッジLLC回路は主変圧器を含む。

本発明の第２の方面は、主回路と補助回路とを含むDC-DC変圧装置が定電圧を出力するよう制御するための方法であって、入力電圧を検出することと、検出された入力電圧が所定範囲内にあるか否かを判定することと、前記検出された入力電圧が所定範囲内にあると、スイッチを制御することで前記補助回路を前記主回路に結合させることとを含む、方法に関する。

前記方法において、前記補助回路を前記主回路に結合させることは、前記補助回路を前記主回路の入力端子に結合させることを含む。前記方法において、前記補助回路を前記主回路に結合させることは、前記補助回路を前記主回路の出力端子に結合させることを含む。前記主回路は、ハーフブリッジLLC回路を含む。前記補助回路は、補助変圧器及び第１の補助スイッチを含む。

前記方法は、前記第１の補助スイッチが一定の周波数でオンまたはオフになるときに、前記補助回路が前記主回路に結合され、前記第１の補助スイッチがオフにされるときに、前記補助回路が前記主回路に結合されないことをさらに含む。

前記DC−DC変圧装置は、第１のエネルギー蓄積回路（C1）と第２のエネルギー蓄積回路（C2）とをさらに含み、前記補助回路の２つの出力端子と前記第２のエネルギー蓄積回路の２つの端子とが電気的に接続されており、前記第１のエネルギー蓄積回路の両端と直流電圧源の出力端子とが接続されており、及び、前記補助回路が主回路に結合されるときに、前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行い、かつその後に前記第２のエネルギー蓄積回路に蓄積されたエネルギーが前記主回路を経由して負荷に伝送される。

前記DC−DC変圧装置は、第１のエネルギー蓄積回路（C1）と第２のエネルギー蓄積回路（C2）とをさらに含み、前記補助回路の２つの出力端子と前記第２のエネルギー蓄積回路の２つの端子とが電気的に接続されており、前記第１のエネルギー蓄積回路の両端と主回路の出力端子とが接続されており、及び、前記補助回路が主回路に結合されるときに、前記第２のエネルギー蓄積回路が負荷出力端子に対して追加的な補充電圧を提供する。

前記方法は、前記第２のエネルギー蓄積回路と並列に接続されるスイッチをさらに含み、前記入力電圧が前記所定範囲を超えていないときに、前記スイッチがオンになる。前記方法は、コントローラを用いて前記主回路及び補助回路が第２のエネルギー蓄積回路に対して充電または放電を行うよう制御することをさらに含み、前記コントローラを用いて前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行うよう制御するときに、前記主回路は第２のエネルギー蓄積回路に対して放電を行わず、または、前記コントローラを用いて前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行うよう制御するときに、前記主回路は第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行わないことを含む。

本開示とその特徴及び利点のより完全な理解は、以下の説明を添付の図面とともに参照することにより得られるであろう。添付の図面において、同一の部分については同一の符号を付する。

本発明の実施例によるDC-DC変圧装置の回路図を例示する。図１に示す補助回路がエネルギー出力を行うときの電流波形図及び第２の回路部分におけるエネルギー蓄積回路C1から負荷側へのエネルギー出力を行うときの電流の波形図を例示する。本発明の他の実施例によるDC-DC変圧装置の回路図を例示する。本発明のさらに他の実施例によるDC-DC変圧装置の回路図を例示する。補助回路がエネルギー出力を行うときの電流波形図及び主回路からエネルギー蓄積回路C1へのエネルギー出力を行うときの電流の波形図を例示する。本発明の他の実施例によるDC-DC変圧装置の回路図を例示する。

以下、具体的な実施例及び添付の図面とともに本発明をさらに詳細に説明するが、当業者には、以下の説明及び添付の図面が例示に過ぎず、本発明の保護範囲がこれに限定されるものではないことを認めるであろう。添付の図面における同一または類似の符号が付されたコンポーネントは類似の動作が可能である。添付の図面に示される具体的な構造は可能な例示に過ぎず、当業者は、本発明の要旨及び範囲から逸脱することなく、必要に応じて修正を発明の範囲内で行うことが可能である。

前置される補助回路が入力電圧範囲を小さくするときにもたらすエネルギー損失を回避するために、本発明は、改善された補助回路を導入し、入力電圧が所定範囲を超えるときに、コントローラにより該補助変圧回路を主回路に結合させて該入力電圧を所定範囲内に変換し、入力回路の電圧が所定範囲内にあるときに、コントローラにより該補助回路を遮断して該補助回路によるエネルギーの消費を回避する。

本発明の実施例において、補助回路の出力端子は主回路の入力端子に結合される。該接続モードにおいて、補助回路の出力端子が主回路の入力端子に結合されるときに、主回路に対して放電を行う。本発明の他の実施例において、補助回路の出力端子は主回路の出力端子に結合される。該モードにおいて、補助回路の出力端子が主回路の出力端子に結合されるときに、出力端子の負荷に追加的な補充電圧を提供する。

図１は、本発明の実施例による直列モードのDC-DC変圧装置の回路図を例示する。図１において、該DC-DC変圧装置は、直流電源、第１の回路部分、第２の回路部分及び第３の回路部分を含む。

第１の回路部分は、スイッチQ1 １１１、変圧器１１２、ダイオード１１３、コンデンサー１１４を含む。本明細書において、第１の回路は補助回路とも呼ばれる。従って、本明細書を通して、「第１の回路部分」と「補助回路」という用語は取り替えて用いられるものとする。第２の回路部分は、コンデンサーC1 １２１及びコンデンサーC2 １２２を含む。本発明の実施例において、「コンデンサー」という用語は「エネルギー蓄積回路」または「エネルギー蓄積素子」とも呼ばれる。第３の回路部分は、スイッチQ2 １３１、スイッチQ3 １３２、変圧器１３４、インダクタンス１３３を含む。本明細書において、第３の回路部分は「主回路」とも呼ばれる。従って、本明細書を通して、「第３の回路部分」と「主回路」という用語は取り替えて用いられるものとする。

図１に示すように、直流電源Vinの２つの出力端子がノード１及びノード２に結合される。変圧器１１２の一次側において、１つの入力端子がノード２に結合され、もう１つの入力端子がスイッチQ1 １１１を経由してノード３に結合される。変圧器１１２の二次側において、１つの出力端子がダイオード１１３を経由してノード4に結合され、もう１つの出力端子がノード5に結合される。コンデンサー１１４は、ノード１とノード２の間に結合される。コンデンサー１１４は、入力電圧に大きい変動が発生するときに緩和する役割を果たして回路システムを保護するために用いられる。

第２の回路部分におけるコンデンサーC1 １２１の２つの端子はそれぞれノード６及びノード７に結合される。第２の回路部分におけるコンデンサーC2 １２２の２つの端子はそれぞれノード４及びノード５に結合される。

なお、図１に示すように、スイッチQ2 １３１はノード４とノード８の間に結合され、スイッチQ3 １３２はノード８とノード９の間に結合される。ノード８はインダクタンス１３３を経由して変圧器１３４の一次側における１つの入力端子に結合され、ノード９はコンデンサー１３０を経由して変圧器１３４の一次側におけるもう１つの入力端子に結合される。

変圧器１３４の二次側は複数の二次側部分を含むことができる。図１における実施例で示すように、変圧器１３４の二次側は例えば２つの二次側部分１３５、１３６を含むことができる。二次側部分１３５における１つの出力端子はダイオード１３７を経由してノード１０に結合される。二次側部分１３６における１つの出力端子はダイオード１３８を経由してノード１０にも結合される。二次側部分１３５、１３６は１つの出力端子を共用し、かつ該共用される出力端子はノード１２に結合される。コンデンサー１３９及び負荷抵抗Rの両方はノード１１とノード１２の間に結合される。

第３の回路部分において、インダクタンス１３３、変圧器１３４の一次側における寄生インダクタンス及びコンデンサー１３０はハーフブリッジLLC回路を構成する。スイッチQ2 １３１、スイッチQ3 １３２を制御することで、ハーフブリッジLLC回路は図２のI_part3で示したエネルギー伝送時の電流波形を実現することができる。

本発明の回路システム（すなわち、DC-DC変圧装置）は、スイッチQ１１１１、スイッチQ2 １３１、スイッチQ3 １３２のオン及びオフを制御するためのコントローラ（図示せず）をさらに含むことができる。本発明の実施例において、コントローラによりスイッチQ１１１１をオフにするときに、補助回路は回路システム全体には機能しない。つまり、補助回路は主回路の入力端子に結合されない。コントローラによりスイッチQ１１１１を一定の周波数でオン及びオフにするときに、変圧器の一次側回路に電流を誘導し、それによって、変圧器の二次側にエネルギーを伝送する。このとき、補助回路が主回路に結合され、それによって、回路システム全体に機能する。

本発明の目的は、定電圧の出力を実現することにある。図１の実施例において、直流電源Vinの入力範囲は、例えば３６−７２Vとすることができる。所望のDC−DC変圧装置の定出力電圧を１２Vと仮定すると、出力利得は１／３−１／６となる。しかし、変圧器１３４の変圧比が３であることを考慮すると、利得変化率（すなわち、最大利得と最小利得の比）の範囲は２−１となる。利得変化率が大きいので、LLC回路の特性によって、利得変化率の範囲を２−１に設置するのなら、すべての利得範囲内において良い効果を得ることは困難である。

ここで、ハーフブリッジLLC回路の利得変化率を１−１．５に設定する。つまり、所定の入力電圧範囲は４８−７２V、出力電圧は１２Vとする。このとき、入力電圧が３６であると、４８−７２Vの範囲を超えることを意味している。入力電圧が所定の入力電圧範囲（つまり、４８−７２V）を超えた場合にも正常に動作できることを確保するために、本発明の実施例では、コンデンサーC1 １２１に加えて、コンデンサーC2 １２２をさらに提供して追加エネルギーを提供する。

具体的には、入力電圧が３６であるときに、コンデンサーC1 １２１上の電圧は３６Vとなる。このとき、コントローラによりスイッチQ1 １１１を制御して、主回路と直列に接続されるように補助回路を回路システム中に結合させる。補助回路が主回路に直列に結合され、これによって、補助回路におけるコンデンサーC2 １２２も回路システムに結合される。

コンデンサーC2 １２２上の電圧を１２Vに設置し、これによって、主回路の入力側上の電圧は４８V（すなわち、コンデンサーC1 １２１上の電圧３６VとコンデンサーC2 １２２上の電圧１２Vとの合計）となる。つまり、入力電圧が３６Vである（所定の入力電圧範囲４８−７２Vを超える）場合に、コンデンサーC1 １２２を加えて追加的な１２Vの電圧を提供することで、主回路の入力側の電圧は４８Vになり（所定の入力電圧範囲内にあり）、よって、回路システムは依然として正常に動作可能である。つまり、全出力エネルギーのうち、１／４のエネルギーは第１の回路部分を経由して第２の回路部分に伝送される。

入力電圧が所定の入力電圧範囲内にあるときに、コントローラによりスイッチQ1 １１１がオフになるよう制御して、回路システムから補助回路を遮断し、これによってコンデンサーC2 １２２を主回路から遮断する。コンデンサーC2 １２２が回路システム中に結合されない（すなわち、補助回路が動作しない）ので、動作中においてコンデンサーC1 １２１のみがエネルギーを伝送する。このとき、第３の回路部分に入力された電流はパルスであるので、パルス電流はコンデンサーC2 １２２を経由して第３の回路部分に流入する。

入力電圧が所定の入力圧範囲を超えるときに、コントローラによりスイッチQ1 １１１を一定の周波数でオン及びオフにして、補助回路を主回路に結合させ、これによってコンデンサーC2 １２２は回路システムに結合される。

上記からわかるように、補助回路を提供することで、入力エネルギーを部分的に調整することができ、これによって、小さい所定入力範囲に適応し、回路システム全体の効率を上げる。

また、本発明の実施例において、入力電圧の変動範囲の定格上限を所定の入力電圧範囲の上限に等しく設定することができる。

ここで、入力電圧の定格上限、定格下限及び定格範囲については、入力電圧がこの範囲内へ変動すると、回路デバイス、機能が正常に使用可能とでき、入力電圧がこの範囲外へ変動すると、保護手段（該保護手段は本発明に係る範囲内にならない）を採用することが必要となる場合がある。つまり、入力電圧の変動は自由的であり、ロードされた回路及びそのデバイスが正常に使用可能または相対的に正常に使用可能にすることができる、電圧範囲を定格上限、定格下限及び定格範囲として設定する。

なお、入力電圧の変動範囲に対して定格下限を設定することもでき、かつ、変動範囲の所定の入力電圧範囲からの超過値が該所定の入力電圧範囲の上限と下限の間の差分よりも小さくなるように定格下限を設定することができ、これは、主回路を使用する確率が補助回路を使用する確率よりも高くなることが望ましいからである。

以上のように入力電圧の変動範囲に対する設定が例示的なものに過ぎず、本発明がこれに限定されるものではないことは、理解されるべきである。

また、本発明の実施例において、入力電圧が所定の入力電圧範囲内にあるか否かについての判定は、制御ロジックにより実現することができる。例として、該制御ロジックは、単一チップのような電子デバイスを採用して実現された制御コンポーネントとすることができる。入力電圧に対する判定を行うときに、入力電圧を検出し、そして、入力電圧が主回路の利得範囲に基づいて計算された電圧値範囲にあるか否かを、閾値に基づいて判定する。該電圧値範囲内にあれば、補助回路を投入する。該電圧値範囲内になければ、補助回路を投入しない。

本発明の実施例において、スイッチデバイスが頻繁にオンとオフにされることが回避されるように、入力電圧が該電圧値範囲内にあるか否かを判定するための閾値は、一定値に限らず、範囲とすることができる。本発明の実施例において、該閾値は第１の閾値と第２の閾値とを含み、かつ、入力電圧が第１の閾値よりも高いときに、補助回路を主回路に結合させ、入力電圧が第２の閾値よりも低いときに、補助回路を主回路から遮断する。ここで所定電圧入力範囲の下限を２つの閾値として限定するが、閾値の数はこれに限らず、任意の数であってもよい。

図１に示す回路システムにおいて、補助回路が第２の回路部分にエネルギーを入力するときにエネルギーが第２の回路部分から主回路に伝送されないことが要求される。エネルギーが同時に第２の回路部分に伝送入力されるとともに第２の回路部分から伝送出力されると、第１の回路部分を流れるエネルギーの総エネルギーに対する比率を制御することができないからである。

図２は、図１に示す補助回路がC2 １２２に対して充電するときにダイオード１１３を流れる電流の波形図及び主回路を経由して負荷にエネルギーを伝送するときにスイッチQ2 １３１を流れる電流の波形図を例示する。図２に示すように、I_part1は、補助回路が第２の回路部分におけるコンデンサーC2 １２２に充電を行う場合を示しており、I_part３は第２の回路部分におけるコンデンサーC1 １２１とコンデンサーC2 １２２が一緒に主回路に対して放電を行う場合を示している。

第１の回路部分を流れるエネルギーの総エネルギーに対する比率をよりよく制御するために、波形I_part1と波形I_part3との位相をずらすことが好ましい。

ハーフブリッジLLC回路におけるスイッチQ2 １３１及びスイッチQ3 １３２に対する制御と組み合わせて、図１に示す補助回路におけるスイッチQ1 １１１を制御することにより、図２における波形I_part1と波形I_part3との位相をずらすことができる。

具体的に、補助回路が主回路に結合される状況において、すなわち、スイッチQ1 １１１のオンとオフを交互に行うときに、コントローラによりスイッチQ1 １１１の周波数を制御することで、第１の回路部分の電流がダイオード１１３を流れて第２の回路部分におけるコンデンサーC２１２２に対して充電を行うようにすることができ、かつ、このときにスイッチQ2がオフになる。このとき、第２の回路部分におけるコンデンサーC1 １２１は第３の回路部分にエネルギーを伝送しない。補助回路がコンデンサーC2 １２２に対してもうそれ以上充電を行わない、すなわち、充電が完了するときに、スイッチQ2はオンになる。このとき、コンデンサーC1 １２１とコンデンサーC2 １２２は一緒に第３の回路部分にエネルギーを伝送し、これによってエネルギーを負荷に伝送する。

第１の回路部分が第２の回路部分におけるコンデンサーC2 １２２にエネルギーを伝送するときに第２の回路部分におけるコンデンサーC1 １２１が第３の回路部分にエネルギーを伝送しないように、スイッチQ1 １１１の周波数をコントローラにより制御することもできる。

補助回路の出力端子が主回路の入力端子に結合されるときに、主回路の入力と補助回路の入力が並列に電源電圧に接続されるので、位相がずらされないと、主回路と補助回路上の電流は両回路の一次側上の抵抗値の比率に基づいて割り当てられる。

これによって、波形I_part1と波形I_part3をずらすと、抵抗の比率の影響を受けることなく、第１の回路部分を流れる電流の大きさを容易に制御することができる。

図３は、本発明の他の実施例によるDC-DC変圧装置の回路図を例示する。図３に例示するDC−DC変圧装置の回路構造は概して、図１に例示するDC−DC変圧装置の回路構造に類似する。しかし、図１に示す回路構造と比べて、図３に示す回路構造はスイッチQ4 ３２３をさらに追加した。簡単のため、図１に示す回路部分に類似する図３における回路部分について説明をここで省略する。

図３に示すように、第２の回路部分におけるスイッチQ４３２３はノード６とノード４の間に結合され、コンデンサーC2 ３２２と並列になる。

補助回路が主回路に結合されないときに、すなわち、入力電圧が所定範囲を超えていないときに、コントローラによりスイッチQ４３２３をオンにし、これによってコンデンサーC2 ３２２を短絡して、電流がC2 ３２２及びそれに対応する補助回路上のインピーダンス、インダクタンスを流れるなどの要因の回路全体に対する影響を遮断し、それによって回路システムにおけるエネルギーの伝送により有益である。

図４は、本発明のさらに他の実施例によるDC-DC変圧装置の回路図を例示する。
図４に示すように、DC-DC変圧装置４００は、直流電源、第１の回路部分、第２の回路部分及び第３の回路部分を含む。

第１の回路部分は、スイッチQ１４１１、変圧器４１３、ダイオード４１４、コンデンサー４１２を含む。本明細書において、第１の回路は補助回路とも呼ばれる。従って、本明細書を通して、「第１の回路部分」と「補助回路」という用語は取り替えて用いられるものとする。第２の回路部分は、コンデンサーC1 ４２１、コンデンサーC2 ４２２及び負荷抵抗４２３を含む。第３の回路部分は、スイッチQ2 ４３１、スイッチQ3 ４３２、変圧器４３６、インダクタンス４３４、コンデンサー４３５を含む。本明細書において、第３の回路部分は「主回路」とも呼ばれる。従って、本明細書を通して、「第３の回路部分」と「主回路」という用語は取り替えて用いられるものとする。

図４に示すように、第１の回路部分は直流電源の２つの出力端子に結合される。第１の回路部分において、コンデンサー４１２がノード１とノード２の間に結合される。インダクタンス４１３の一次側とスイッチQ1 ４１１とが直列に接続され、かつ、これらの両方がノード１とノード２の間にも結合される。コンデンサー４１２は、入力電圧に大きい変動が発生するときに緩和の役割を果たして回路システムを保護し、かつ、入力電圧の波形を安定させるために用いられる。

第２の回路部分において、負荷抵抗４２３がノード３とノード６の間に結合される。コンデンサーC2 ４２２がノード３とノード４の間に結合される。ノード４はダイオード４１４を経由して変圧器４１３の二次側の１つの端子に接続される。ノード３は変圧器４１３の二次側のもう１つの端子に接続される。コンデンサーC１４２１がノード５とノード６の間に結合される。

第３の回路部分において、コンデンサー４３３が直流電圧の両端に接続される。スイッチQ2 ４３１がノード８とノード１０の間に結合される。スイッチQ３４３２がノード９とノード１０の間に結合される。インダクタンス４３４の１つの端子はノード１０に結合され、もう１つの端子は変圧器４３６の１つの端子に結合される。変圧器４３６のもう１つの端子はコンデンサー４３５を経由してノード９に結合される。

変圧器４３６の二次側は複数の二次側部分を含むことができる。図４における実施例に示すように、変圧器４３６の二次側は例えば２つの二次側部分４３７、４３８を含むことができる。二次側部分４３７における１つの出力端子はダイオード４３９を経由してノード７に結合される。二次側部分４３８における１つの出力端子も、もう１つのダイオード４３０を経由してノード７に結合される。二次側部分４３７、４３８は１つの出力端子を共用し、かつ該共用される出力端子はノード５に結合される。

図４の実施例において、直流電源Vinの入力範囲は、例えば３６−７２Vとすることができる。所望のDC−DC変圧装置の定出力電圧を１２Vと仮定すると、出力利得は１／３−１／６となる。しかし、変圧器４３６の変圧比が３であることが考慮されると、利得変化率（すなわち、最大利得と最小利得の比）の範囲は２−１となる。利得変化率が大きいので、LLC回路の特性によって、利得変化率の範囲を２−１に設置するのなら、すべての利得範囲内において良い効果を得ることが困難である。

ここで、ハーフブリッジLLC回路の利得変化率を１−１．５に設定し、つまり、所定の入力電圧範囲は４８−７２V、出力電圧は１２Vとする。なお、入力電圧は３６であると、４８−７２Vの範囲を超えることを意味している。入力電圧が所定の入力電圧範囲を超えた場合にも正常に動作できることを確保するために、本発明の実施例では、コンデンサーC1 ４２１に加えて、コンデンサーC2 ４２２をさらに提供して追加的な補充エネルギーを提供する。

具体的に、所定電圧範囲が４８−７２Vである場合に、１２Vの定電圧を出力することが要求されるので、出力利得の範囲は１／４−１／６となる。出力利得範囲が１／４−１／６である場合に、入力電圧が３６Vであると（４８−７２Vの所定電圧範囲を超えると）、変圧装置の出力電圧は最大で９Vとなる。

１２Vの定電圧を出力することを確保するために、追加的な容量を提供して３Vの補償電圧を提供することで、出力電圧が１２Vに保たれるようにしなければならない。図４に示すような回路システムにおいて、補助回路を主回路上に並列させることで電圧補償を実現する。

入力電圧（例えば、３６V）が４８−７２Vの所定電圧範囲を超えるときに、第３の回路部分を第１の回路部分に並列させることで、コンデンサーC2 ４２２を回路システム中に結合させる。このとき、コンデンサーC1 ４２１上の電圧は９Vとなる。コンデンサーC2 ４２２上の電圧を３Vに設置することで、出力端子の出力電圧が１２Vとなることを確保する。全出力エネルギーのうち、１／４のエネルギーは第１の回路部分を経由して第２の回路部分に伝送される。

入力電圧が所定の入力電圧範囲内にあるときに、コントローラ（図示せず）によりスイッチQ1 ４１１をオフにし、それによって、補助回路を遮断して、コンデンサーC2 ４２２が回路システム中に結合されない（すなわち、補助回路が動作しない）ようにする。

入力電圧が所定の入力電圧範囲を超えるときに、コントローラにより一定の周波数でスイッチQ1が交互にオン及びオフになるよう制御して、補助回路を主回路に結合させ、これによってコンデンサーC2 ４２２は回路システム中に結合されて、回路システムの負荷出力端子に補充電圧を提供する。

また、本発明の実施例において、入力電圧が所定の入力電圧範囲内にあるか否かについての判定は、制御ロジックにより実現することができる。例として、該制御ロジックは、ワンチップマイコンのような電子デバイスを採用して実現された制御コンポーネントとすることができる。入力電圧に対する判定を行うときに、入力電圧を検出し、そして、入力電圧が主回路の利得範囲に基づいて計算された電圧値範囲にあるか否かを、閾値に基づいて判定する。該電圧値範囲内にあれば、補助回路を投入する。該電圧値範囲内になければ、補助回路を投入しない。

本発明の実施例において、スイッチデバイスが頻繁にオンとオフにされることが回避されるように、入力電圧が該電圧値範囲内にあるか否かを判定するための閾値は、固定値に限らず、範囲とすることができる。本発明の実施例において、該閾値は第１の閾値と第２の閾値とを含み、かつ、入力電圧が第１の閾値よりも高いときに、補助回路を主回路に結合させ、入力電圧が第２の閾値よりも低いときに、補助回路を主回路から遮断する。ここで所定電圧入力範囲の下限を２つの閾値として限定するが、閾値の数はこれに限らず、任意の数であってもよい。

図４に示す回路システムにおいて、補助回路が第２の回路部分にエネルギーを入力するときにエネルギーが第２の回路部分から主回路に伝送されないことが要求される。エネルギーが同時に第２の回路部分に伝送入力されるとともに第２の回路部分から伝送出力されると、第１の回路部分を流れるエネルギーの全エネルギーに対する比率を制御することができないからである。

図５は、補助回路がエネルギー出力を行うときの電流波形図及び主回路からコンデンサーC1 ４２１へのエネルギー出力を行うときの電流の波形図を例示する。I_part1は補助回路がコンデンサーC2 ４２２にエネルギーを入力する場合を示しており、I_part3は主回路がコンデンサーC1 ４２１にエネルギーを出力する場合を示している。

図４に示す補助回路におけるスイッチQ1 ４１１を制御することにより、図５における波形I_part1と波形I_part3との位相をずらすことができる。

具体的に、補助回路が主回路に結合される状況において、すなわち、スイッチQ1 ４１１のオンとオフを交互に行うときに、コントローラによりスイッチQ1 ４１１の周波数を制御することで、第１の回路部分が第２の回路部分におけるコンデンサーC２４２２にエネルギーを伝送しないときに第３の回路部分が第２の回路におけるC1 ４２１にエネルギーを伝送するようにすることができる。

第１の回路部分が第２の回路部分におけるコンデンサーC2 ４２２にエネルギーを伝送するときに第３の回路部分が第２の回路部分におけるコンデンサーC1 ４２１にエネルギーを伝送しないように、スイッチQ1 ４１１の周波数をコントローラにより制御することもできる。

つまり、第３の回路部分がコンデンサーC１４２１に対して充電を行うときにコンデンサーC2 ４２２が放電を行い、第１の回路部分がコンデンサーC2 ４２２に対して充電を行うときにコンデンサーC１４２１が放電を行う。これによって、コンデンサーC１４２１とコンデンサーC2 ４２２は交互に動作して、位相がずらされる。

補助回路の出力端子が主回路の出力端子に結合されるときに、位相がずらされないと、主回路と補助回路上の電流は変圧器二次側の抵抗値の比率に基づいて割り当てられる。これによって、波形I_part1と波形I_part3をずらすと、抵抗の比率の影響を受けることなく、第１の回路部分を流れる電流の大きさを容易に制御することができる。

一方、補助回路の出力が主回路の出力端子に結合されるときに、位相がずらされないと（すなわち、位相重なりが存在する状況）、全回路の効率（すなわち、補助回路と主回路の総効率、効率＝出力電力／入力電力）の計算は乗算により得られる。例えば、補助回路の効率が７０％、主回路の効率が９０％であれば、位相が重なるときに、それらの総効率は、補助回路の効率×主回路の効率＝７０％×９０％＝６３％となる。位相が完全にずらされると（位相重なりが全く存在しない状況）、それらの総効率は、（a×補助回路の効率＋ｂ×主回路の効率）／（a＋ｂ）＝７０％〜９０％となる。ただし、aは補助回路が主回路の出力端子に対して出力を行う時間（すなわち、補助回路がコンデンサーC2 ４２２にエネルギーを入力する時間）であり、ｂは主回路が出力を行う時間（すなわち、主回路がコンデンサーC1 ４２１にエネルギーを出力する時間）。上記からわかるように、補助回路の出力が主回路の出力端子に結合されるときに、位相がずらされる場合（すなわち、位相重なりが全く存在しない状況）の方が総効率が高い。

図６は、本発明の他の実施例による並列モードのDC-DC変圧装置の回路図を例示する。図６に例示するDC−DC変圧装置の回路構造は大体図４に例示するDC−DC変圧装置の回路構造に類似する。しかし、図４に示す回路構造と比べて、図６に示す回路構造はスイッチQ4 ６２４をさらに追加した。簡単のため、図１に示す回路部分に類似する図６における回路部分について説明をここで省略する。

図６に示すように、スイッチQ４６２４はノード３とノード４の間に結合され、コンデンサーC2 ６２２と並列になる。

補助回路が主回路に結合されないときに、すなわち、入力電圧が所定範囲を超えていないときに、コントローラによりスイッチQ４６２４をオンにし、これによってコンデンサーC2 ６２２を短絡して、電流がC2 ６２２及びそれに対応する補助回路上のインピーダンス、インダクタンスを流れるなどの要因による回路全体に対する影響を遮断し、それによって回路システムにおけるエネルギーの伝送により有益である。

上述した実施例では、主回路の適応電圧範囲が入力電圧の上限以上である状況を説明した。しかし、主回路の適応電圧範囲の上限が入力電圧範囲の上限よりも低くてもよいことは、理解されるべきである。主回路の適応電圧範囲の上限が入力電圧の上限よりも低いのなら、上述した内容から適切な調整を行って実施することもできるが、入力電圧が主回路の適応電圧範囲の上限以上の位置にあると、調整によりC2に負の電圧を印加することが必要となり、補助回路はエネルギーを主回路に伝送しないが、補助回路に戻るように主回路のエネルギーを逆に誘導し、それによって一定の損失が生じ、従って、実施例の効率がより高くなる。

本発明の実施例において、直流電圧源は、安定な直流電源電圧を負荷に提供することができる電子装置であり、例えば、乾電池、蓄電池、直流発電機などを採用することができる。

本発明の実施例において、スイッチは、アナログ回路とディジタル回路に広く用いられる電界効果トランジスタ、例えば、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を採用することができる。ただし、MOSFETはその動作キャリアの極性によって、「N型」と「P型」の２つのタイプに分けられ、一般的にNMOSFETとPMOSFETとも呼ばれる。

本発明の実施例において、「コントローラ」または「制御ロジック」は、ハードウェアまたはソフトウェアにより実現することができる。例えば、「コントローラ」または「制御ロジック」は、汎用プロセッサ、デジタルシグナルプロセッサ（DSP）、特定用途向け集積回路（ASIC）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）または他のプログラム可能な論理装置、個別のゲートまたはトランジスターロジック、個別のハードウェア部品、あるいは、ここで記述した機能を実施するように設計されたこれらの任意の組み合わせを採用することができる。汎用プロセッサは、マイクロプロセッサとすることができるが、代替案において、該プロセッサは任意の通常のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、またはステートマシンとすることができる。プロセッサは、コンピュータ設備の組み合わせ、例えばＤＳＰとマイクロプロセッサの組み合わせ、複数のマイクロプロセッサ、ＤＳＰコアと連動する１つ以上のマイクロプロセッサ、または任意のこのような構成として実現することができる。

ソフトウェアにより実現する場合、「コントローラ」または「制御ロジック」はファームウェア、ミドルウェアまたはマイクロコードで実現することができる。必要なタスクを実行するためのプログラムコードまたはコードセグメントを記憶媒体あるいは他の記憶装置などのコンピュータ可読媒体またはプロセッサ可読媒体に記憶することができる。プロセッサはこれら必要なタスクを実行することができる。コードセグメントは、プロシージャ、関数、サブプログラム、プログラム、ルーチン、サブルーチン、モジュール、ソフトウェアパッケージ、クラス、または命令、データ構造体、もしくはプログラムステートメントの任意の組合せを表すことができる。コードセグメントは、情報、データ、引数、パラメータ、またはメモリ内容を受け渡し、および／または受信することにより、他のコードセグメントまたはハードウェア回路に結合されるようにできる。情報、引数、パラメータ、データなどは、メモリ共有、メッセージパッシング、トークンパッシング、ネットワーク伝送などを含む、任意の好適な手段を使用して受け渡されるか、転送されるか、または伝送されるようにできる。

本明細書の説明において、「結合」という用語は、コンポーネント間の直接接続を意味することができ、コンポーネント間の間接接続を意味することもできる。また、「結合」という用語は、有線接続を意味することができ、無線接続を意味することもでき、種々の他の接続さえ含み得る。

本明細書の説明において、「充電」は、エネルギーがコンデンサーのようなエネルギー蓄積素子に流入することを意味することができる。本明細書の説明において、「放電」は、エネルギーがコンデンサーのようなエネルギー蓄積素子から流出することを意味することができる。

以上、本発明の各実施例を説明したが、上記実施例が例示的なものに過ぎず、限定的なものではないことが理解されるべきである。当業者には明白であろうが、本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、各種の変更が行われうる。従って、本発明の広さおよび範囲は、上述した例示的な実施例に限定されることはなく、添付した特許請求の範囲及びその均等物に従って解釈すべきである。

Claims

直流電源電圧を出力する直流電圧源と、
入力電圧を設定値を持つ出力電圧に変換するための主回路と、
前記直流電圧源に結合された補助回路であって、前記入力電圧が変動して所定範囲を超えるときに前記主回路に結合されて、出力電圧が設定値を持つ前記出力電圧に保たれるようにする、前記補助回路と、
第１のエネルギー蓄積回路と第２のエネルギー蓄積回路とを含み、前記第１のエネルギー蓄積回路及び第２のエネルギー蓄積回路が直列に接続されており、前記補助回路の２つの出力端子と前記第２のエネルギー蓄積回路の２つの端子とが電気的に接続されており、前記第１のエネルギー蓄積回路の両端と前記直流電圧源の出力端子とが接続されており、
前記補助回路が主回路に結合されるときに、前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行い、かつその後に前記第２のエネルギー蓄積回路に蓄積されたエネルギーが前記主回路を経由して負荷に伝送されることを特徴とする、DC-DC変圧装置。
前記入力電圧が前記所定範囲を超えるときに前記補助回路を前記主回路に結合させることは、前記補助回路を前記主回路の入力端子に結合させることを含むことを特徴とする請求項１に記載のDC−DC変圧装置。
直流電源電圧を出力する直流電圧源と、
入力電圧を設定値を持つ出力電圧に変換するための主回路と、
前記直流電圧源に結合された補助回路であって、前記入力電圧が変動して所定範囲を超えるときに前記主回路に結合されて、出力電圧が設定値を持つ前記出力電圧に保たれるようにする、前記補助回路と、
第１のエネルギー蓄積回路と第２のエネルギー蓄積回路とをさらに含み、前記第１のエネルギー蓄積回路及び第２のエネルギー蓄積回路が直列に接続されており、前記補助回路の２つの出力端子と前記第２のエネルギー蓄積回路の２つの端子とが電気的に接続されており、前記第１のエネルギー蓄積回路の両端と主回路の出力端子とが接続されており、及び、前記補助回路が主回路に結合されるときに、前記第２のエネルギー蓄積回路が負荷の出力端子に対して追加的な補充電圧を提供することを特徴とするDC−DC変圧装置。
前記入力電圧が前記所定範囲を超えるときに前記補助回路を前記主回路に結合させることは、前記補助回路を前記主回路の出力端子に結合させることを含むことを特徴とする請求項３に記載のDC−DC変圧装置。
前記入力電圧変動の定格上限は、前記所定範囲の上限に等しいことを特徴とする請求項１または請求項３に記載のDC−DC変圧装置。
前記入力電圧変動の定格範囲の前記所定範囲からの超過値は、前記所定範囲の上限と下限の差分よりも小さいことを特徴とする請求項１または請求項３に記載のDC−DC変圧装置。
前記第１のエネルギー蓄積回路及び第２のエネルギー蓄積回路がコンデンサーであることを特徴とする請求項１または請求項３に記載のDC−DC変圧装置。
前記主回路及び補助回路が第２のエネルギー蓄積回路に対して充電または放電を行うよう制御するコントローラをさらに含み、及び、前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行うよう前記コントローラが制御するときに、前記主回路は第２のエネルギー蓄積回路に対して放電を行わず、または、前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行うよう前記コントローラが制御するときに、前記主回路は第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行わないことを特徴とする請求項７に記載のDC−DC変圧装置。
前記第２のエネルギー蓄積回路と並列に接続されるスイッチをさらに含み、前記入力電圧が前記所定範囲を超えていないときに、前記スイッチがオンになることを特徴とする請求項７に記載のDC−DC変圧装置。
前記所定範囲の下限は第１の閾値と第２の閾値とを含み、及び、前記入力電圧が前記第１の閾値よりも高いときに、前記補助回路を前記主回路に結合させ、前記入力電圧が前記第２の閾値よりも低いときに、前記補助回路を前記主回路から遮断することを特徴とする請求項５に記載のDC−DC変圧装置。
前記補助回路は、補助変圧器と補助スイッチとを含み、前記変圧器と前記補助スイッチとが直列に前記直流電圧源の２つの出力端子に接続されることを特徴とする請求項７に記載のDC−DC変圧装置。
前記主回路はハーフブリッジLLC回路を含み、前記ハーフブリッジLLC回路は主変圧器を含むことを特徴とする請求項７に記載のDC−DC変圧装置。
DC-DC変圧装置が定電圧を出力するよう制御する方法であって、前記DC-DC変圧装置は、主回路と補助回路とを含み、前記方法は、
入力電圧を検出することと、
検出された入力電圧が所定範囲内にあるか否かを判定することと、
前記検出された入力電圧が所定範囲内にあると、スイッチを制御することで前記補助回路を前記主回路に結合させることとを含み、
前記DC-DC変圧装置は第１のエネルギー蓄積回路（C1）と第２のエネルギー蓄積回路（C2）とをさらに含み、前記第１のエネルギー蓄積回路及び第２のエネルギー蓄積回路が直列に接続されており、前記補助回路の２つの出力端子と前記第２のエネルギー蓄積回路の２つの端子とが電気的に接続されており、前記第１のエネルギー蓄積回路の両端と直流電圧源の出力端子とが接続されており、及び、前記補助回路が主回路に結合されるときに、前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行い、かつその後に前記第２のエネルギー蓄積回路に蓄積されたエネルギーが前記主回路を経由して負荷に伝送されることを特徴とする方法。
前記補助回路を前記主回路に結合させることは、前記補助回路を前記主回路の入力端子に結合させることを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
DC-DC変圧装置が定電圧を出力するよう制御する方法であって、前記DC-DC変圧装置は、主回路と補助回路とを含み、前記方法は、
入力電圧を検出することと、
検出された入力電圧が所定範囲内にあるか否かを判定することと、
前記検出された入力電圧が所定範囲内にあると、スイッチを制御することで前記補助回路を前記主回路に結合させることとを含み、
前記DC-DC変圧装置は第１のエネルギー蓄積回路（C1）と第２のエネルギー蓄積回路（C2）とをさらに含み、前記第１のエネルギー蓄積回路及び第２のエネルギー蓄積回路が直列に接続されており、前記補助回路の２つの出力端子と前記第２のエネルギー蓄積回路の２つの端子とが電気的に接続されており、前記第１のエネルギー蓄積回路の両端と主回路の出力端子とが接続されており、及び、前記補助回路が主回路に結合されるときに、前記第２のエネルギー蓄積回路が負荷出力端子に対して追加的な補充電圧を提供することを特徴とする方法。
前記補助回路を前記主回路に結合させることは、前記補助回路を前記主回路の出力端子に結合させることを含むことを特徴とする請求項１５に記載の方法。
前記主回路は、ハーフブリッジLLC回路を含むことを特徴とする請求項１３または請求項１５に記載の方法。
前記補助回路は、補助変圧器及び第１の補助スイッチを含むことを特徴とする請求項１３または請求項１５に記載の方法。
前記第１の補助スイッチが一定の周波数でオンとオフになるときに、前記補助回路が前記主回路に結合され、前記第１の補助スイッチがオフにされるときに、前記補助回路が前記主回路に結合されないことを含むことを特徴とする請求項１８に記載の方法。
前記第２のエネルギー蓄積回路と並列に接続されるスイッチをさらに含み、前記入力電圧が前記所定範囲を超えていないときに、前記スイッチがオンになることを特徴とする請求項１３または１５に記載の方法。
前記コントローラを用いて前記主回路及び補助回路が第２のエネルギー蓄積回路に対して充電または放電を行うよう制御し、前記コントローラを用いて前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行うよう制御するときに前記主回路が第２のエネルギー蓄積回路に対して放電を行わないこと、または、前記コントローラを用いて前記補助回路が前記第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行うよう制御するときに前記主回路が第２のエネルギー蓄積回路に対して充電を行わないことを含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。