JPH03502636A - 二重モードフライバック電源 - Google Patents

二重モードフライバック電源

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JPH03502636A
JPH03502636A JP1505809A JP50580989A JPH03502636A JP H03502636 A JPH03502636 A JP H03502636A JP 1505809 A JP1505809 A JP 1505809A JP 50580989 A JP50580989 A JP 50580989A JP H03502636 A JPH03502636 A JP H03502636A
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JP1505809A
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ハンクツク,ドナルド・ジエイ
ロブソン,ロナルド・アール
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ヒユーズ・エアクラフト・カンパニー
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    • H02M3/00Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
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    • H02M3/28Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 二重モードフライバック電源 発明の背景 発明の分野 本発明は電源に関する。特に本発明はフライバック変成器を含む電源に関する。
本発明はここで特定の適用に対する例示的な実施例に関して記載されるが、本発 明はそれに限定されないことを理解すべきである。当業者は、その技術的範内の 付加的な変形、適用、実施例および本発明が非常に役立つ付加的な分野を認識す るであろう。
関連技術に関する記載 通常のイオンおよびプラズマ源は典型的にDC付勢ガス放電室を含む。初めに、 大きな電圧がそこに含まれたガスからの電子(プラズマ)放電をもたらすように ガス室に供給される。プラズマ放電の前に、室は微小な電流を引出し本質的に開 放回路となっている。プラズマ放電に続いて、室を横断する電圧は実質上減少し 室は比較的高い電流を誘導する。それ故に、動作の過程中において通常のイオン およびプラズマ源内に含まれるガス放電室は2つの異質の電気特性の組を表示す る。
最初のプラズマ放電前後の室の電気パラメータにおける不均衡は、一般的に1対 の独立した電源の利用を特徴とする特に、高電圧/低電流の電源および低電圧/ 高電流の電源の両者が最初に室に適用される。各電源は、例えば通常のパルス幅 変調フライバックインバータ電源によって実現され得る。
各フライバックインバータ内に含まれる変成器の巻線比は、所望された電気的性 能を生じさせるために適当に調整される。
高電圧電源は、ガス内の電子の最初の放電を開始させるように所望された多量の 電圧を提供する。プラズマ放電に続いて、高電圧電源は、定常動作を通して室に 電力を供給するための低電圧/高電流電源を残して解放される。この方法におい て、特定の間隔内でガス室の電力要求を満たすようにそれぞれ設計された別々の 電源は、室の動作中に順次利用される。
不運にも、各放電室に対して1対の電源を設けることは一般的に高価である。さ らに、かなり複雑な補助回路装置が放電室の電気特性の変化に応じて分離した電 源を結合或いは解放するために必要とされる。さらに、室内の電子放電と高電圧 電源の消勢との間の期間の時間内において、潜在的に多量な電流が室内を通過す る。この変化の期間内の多量の電流は、プラズマ放電に続くガス室のインピーダ ンスにおける減少のために生じる。結果として、変化の期間内における室の電力 消費は典型的に実質上増加する。この付加された電力消費はまた、放電室および それと関連した構成要素に応力を加える。
したがって単一ガス放電室を駆動するための1対の別々の電源の使用は、付加的 な制御回路装置を要求しかつ一般的に高価で効率が悪い。
したがって技術において、そこに接続された負荷のインピーダンスの変化に応じ た動作モード間で自動的に変化することが可能な単一電源の必要性が存在する。
発明の概要 接続された負荷のインピーダンスの変化に応じた動作モードの間で自動的に変化 することが可能な単一電源に対する技術における要求は、本発明の二重モードフ ライバック電源によって解決される。本発明の二重モード電源は、入力電圧およ び電流を提供するための入力電圧源を含む。電源はまた、第2の巻線に機能的に 結合した負荷へ第1の電流を供給するための第1、第2および第3の巻線を有す る第1の変成器も含む。第1の巻線は入力電圧源に結合される。フィードバック 回路は、負荷を通る電流に応じた第1の信号および閾値電圧を超過した負荷電圧 に応じた第2の信号を提供する。さらに本発明の電源は、第1および第2の信号 に応じた第1の変成器の第1の巻線を通る入力電流を制御するためのスイッチを 含む。第1の変成器の第3の巻線に機能的に結合した第1の巻線を有する第2の 変成器は、第3の巻線を通る電流に応じて負荷へ第2の電流を供給する。
図面の簡単な説明 第1図は通常のパルス幅変調されたフライバックインバータ電源の部分的に概略 な部分的ブロック図を示す。
第2図は本発明の二重モードフライバック電源の好ましい実施例の部分的に概略 な部分的ブロック図を示す。
第3図は本発明の電源の好ましい実施例に結合したガス放主室を通る時間を関数 とした電流および電圧のグラフである。
発明の詳細な説明 本発明の二重モードフライバック電源によって提示された改良点を詳細に認識す るために、通常のフライバックインバータ電源の動作が簡単に記載される。第1 図は通常のパルス幅変調フライバックインバータ電源10′の部分的に概略な部 分的ブロック図を示す。通常のフライバック電源10′ は入力電圧Viaを供 給する電圧源15′によって駆動される。電源15’に結合した変成器20′内 に貯蔵されたエネルギは、周期的にトランジスタスイッチ30′ にパルスを送 ることによって調整される。各サイクル内で変成器20′内に貯蔵されたエネル ギを変化させることによって、負荷RLへ放出された電力は制御され、調整され る。
通常の電源10’の変成器20′は第1、第2および第3の巻線N1、N2およ びN3を含む。第1の巻線N1を通りそれ故に第2の巻線N2を通る電流は、ト ランジスタスイッチ30′によって制御される。第2の巻線N2は、スイッチ3 0′の導電しない期間内においてダイオード35′を通してコンデンサ40′お よび負荷R,に電流を提供する。一定の負荷電圧の供給を要求する適用において 、電圧センサ(例えば電位差計)50′ はRLを横断する電圧を感知し、それ 故にパルス幅変調装置60′に信号を送る。パルス幅変調装置60′ は、電圧 センサ50′の出力と比較される内部基準電圧を発生する。この比較に応じて、 トランジスタ30’に供給される“オン”パルスの期間(幅)は巻線N1それ故 に巻線N2を通る電流を適当に規定するように調整される。この方法において、 電源10’ はそのインピーダンスの変動に応じた負荷RLを横断する比較的一 定の電圧を維持するように機能的に作用する。
不運にも負荷RLのインピーダンスが十分に増加する状況下では、RLを横断す る電圧が所望された数値より高くなる傾向がある。この過度的な負荷電圧の増加 は、パルス幅変調装置60′によるフィードバック作用にもかかわらず高インピ ーダンス負荷を生じる。巻線N3およびダイオード65′は、変成器20′を通 した負荷電圧反射がトランジスタスイッチ30′を損傷するのを防ぐために設け られている。すなわち巻線N3を横断する電圧がViaを超過するとき、ダイオ ード65′ は導通して入力電圧源15’ に戻る電流を生じる。これは巻線N 2とN3の巻線比によって決定される値に負荷の両端の最大電圧を効果的にクラ ンプする。この故に、負荷RLの両端間に生じ得る最大限の電圧は巻線N3およ びダイオード65′ によって限定される。
発明の背景において記載したように、通常のイオン源内に含まれたガス放電室は 、最初のプラズマ放電に続いて電圧および電流の非常に異なる値を要求する。放 電室の異なる状態によって生じた分岐した電源の要求は、放電室に並列な1対の 電源10’を接続することによって、通常満足されている。
放電室はR,Lによって第1図に象徴的に表される。各電源10′ は放電室の 状態の1つの動作する要求を満たすために調整される。変調装置60′内の基準 電圧および変成器20′の巻線比は、最初のプラズマ放電の前或いは後に室にサ ービスするために各型[10’を適当に適合させるために調整される。
それにもかかわらず、前に論議したようにこの電源10’の重複は典型的に高価 であり、ガス放電室の電気特性における変化に応じた適切な電源10′を結合す るための比較的複雑な制御回路装置を要求する。
本発明の二重モードフライバック電源は、通常のイオンまたはプラズマ源内に含 まれたガス放電室に電力を供給することに関して上述された難点を実質的に克服 する。第2図は本発明の二重モードフライバック電源lOの好ましい実施例の部 分的に概略的な部分的ブロック図を示す。本発明の電源1oは第1の変成器20 およびそれに結合された第2の変成器25を含む。トランジスタスイッチ30は 第1の変成器20に結合しており、一方変成器20および25の両者は出力回路 32に結合している。出力回路32およびスイッチ30はフィードバック回路5 oによって連結されている。第2図の実施例において、電源1oは出力回路32 内に含まれたガス放電室12を含む負荷を駆動する。
前述のように、室12はそこでのプラズマ放電の発生の前には実効的に開放回路 として現れる。本発明の電源1oは、コンデンサ40に充電することによってプ ラズマ放電を行わせるのに十分な室12を横断する調整された放電電圧を与える 。プラズマ放電に続いて、室12のインピーダンスは実質上減少される。
したがって電源10は、室12を横断する比較的一定の定常状態動作電圧を維持 するためにコンデンサ40および室12の両者に調整された電流を供給する。し たがって、本発明の二重モードフラ・rバック電源10は主として高電圧或いは 室12のインピーダンスにしたがった一定の電流モードで動作する。
第2図に示されるように、本発明の電源lOは電圧源15によって駆動される。
電圧源15は一定の電圧Vlfiを電源lOに供給し、それによって所望された 電流を提供する。電圧源工5は第1の変成器20に直接結合している。変成器2 0は第1、第2および第3の巻線N1、N2およびN3を含む。第1の巻線N1 は、第2および第3の巻線N2、N3とは逆方向に巻回されている。第2図にお いて巻線比N1:N2:N3は181:1になるように選択されているが、他の 負荷がガス放電室12に置換されるときに巻線比は必要に応じて調整し得る。変 成器20はまた、第2の変成器25、トランジスタスイッチ30、および出力回 路32に結合されている。第2図に示されるような実施例において、変成器20 は例えばパルスエンジニャリング社から市販された60ワツトの# 62936 フライバツク変成器によって実現される。
第1の変成器20の第1の巻線N1およびそれ故に第2の巻線N2を通る電流は 、トランジスタスイッチ30によって制御される。スイッチ30はフィードバッ ク回路50によって周期的に“オン“にパルス駆動される。スイッチ30がオン にされるとき、第1の巻線N1を通る電流のためエネルギは変成器2゜内に貯蔵 される。スイッチ30をオンにしているとき1.ダイオード35は第2の巻線N 2を通る電流を阻止する。スイッチ3゜がオフにされた後、巻線N1を通る電流 は止まり、エネルギは巻線N2による電流導電を介して出力回路32に移される 。
この方法において、第1の変成器20から出力回路32に放出された電力はスイ ッチ30がオンである間の間隔を調整することによって制御される。第2図の実 施例において、例えば2N6547のようなバイポーラトランジスタはスイッチ 3゜として作用するために電源10に設けられる。しかし、スイッチ30は他の 同様の定格のバイポーラトランジスタおよびIRF250のようなMOSFET によって実現されることもできる。
出力回路32はダイオード35、コンデンサ40.ガス放電室12を含む。技術 において知られるように、プラズマ放電は典型的に300乃至1000ボルトの ような大きい放電電圧の印加によって室12内に生じる。プラズマ放電に先立っ て、室12には本質的に電流は流れない。結果として、放電電圧はコンデンサ4 0に第1および第2の変成器2oおよび25からの電流を充電することによって 生じる。コンデンサ40の値は、室12を横断する電圧が所望された放電電圧に 傾斜する比率を制御するように調整される。プラズマ放電に続いて室12のイン ピーダンスは非常に減少され、定常動作が第1の変成器2oによって電流がコン デンサ40および室12の両者に供給される期間に開始され、その一方ダイオー ド35は導電している。ダイオード35が導電しない期間、室12の電流要求は コンデンサ4oによって満足される。第2図の実施例において、ダイオード35 は高電流ダイオードlN581Bに相当した電流処理能力を有するように選択さ れる。したがって出力回路32は、室32を横断する大きい放電電圧を印加し、 また定常状態においてそこへ比較的一定の電流を供給する二重の目的を果たす。
フィードバック回路50は閾値検出器60、電流センサ70、およびパルス幅変 調装置80を含む。閾値検出器60は放電室12に並列であり、そこでの最初の プラズマ放電の発生に先立つ室12を横断する電圧を限定するように機能する。
好ましい実施例において、閾値検出器60は室12内のプラズマ放電を誘起する ために必要な電圧(典型的に300乃至1oooボルト)とほぼ等しい破壊電圧 を有するツェナーダイオード(図示されていない)を含む。ツェナーダイオード は、放電電圧が閾値を超過するときに電流を導電することによって室12を横断 する電圧を制限する。電流・電圧変換装置(図示されていない)は、ツェナー電 流をパルス幅変調装置80に供給される制御電圧に変換するための閾値検出器6 0内に含まれる。当業者は前記方法酸いは他の既知の技術にしたがって、適切な 閾値検出器を使用することが可能である。
電流センサ70は典型的に、室12に直列に接続されている小さな抵抗を含む。
パルス幅変調装置80は室12を通る電流を決定するためのこの直列に接続した 抵抗の両端間の電圧にタップで取出す。したがって、室12を横断する電圧は閾 値検出器60による放電の前に所望された電圧で保持される。同様に、プラズマ 放電に続いて電流センサ70はパルス幅変調装置80が比較的一定の電流が室1 2を通って流れるようにスイッチ30を制御することを可能にする。
パルス幅変調装置80は、変成器20の第1の巻線N1を通る電流を制御するた めのトランジスタスイッチ30のベースに周期的にパルスを送る。調整装置80 は、閾値検出器60および電流センサ70によって生じた制御電圧に応じてスイ ッチ30に適用されたパルスの“幅”或いは持続期間を調整する。例えば最初の プラズマ放電に続く定常動作の間に、変調装置8oは電流センサ70によって供 給された制御電圧に応じたトランジスタ30に供給されたパルスの幅を調整する 。この方法において、室12を通る電流は第1の変成器20を通る電流を制御す ることによって調整される。第1図の実施例において、パルス幅変調装置80は 典型的に20から50kHzの間の一定の周波数で動作する。本発明の電源10 はこの周波数の範囲内の動作に限定されないことを理解すべきである。。前記規 格を満足するパルス幅変調装置は容易に市販品から入手される。
第2の変成器25は、電源10がプラズマ放電を誘起するのに十分な大きさの放 電室12を横断する電圧を生じさせることを可能にする。例えば、前記のように 最初に室12はプラズマ放電の発生の前に本質的に開放回路として現れる。第1 の変成器20からの電流は、室12を横断する電圧を増加させるコンデンサ40 を充電する。結局、第1の変成器20の第3の巻線N3を横断する電圧はVl、 を超過し、そこに結合されたダイオード65は電流を第2の変成器25の第1の 巻線に流す。変成器25の第1の巻線を通る電流は、電流をその第2の巻線内に 誘導する。第2の巻線を通って流れる電流は、第3のダイオード67を通ってコ ンデンサ40に放出される。この方法において、室12を横断する電圧は閾値検 出器60の閾値電圧が限界を超過するまで増加する。閾値検出器60について前 述したように、パルス幅変調装置80およびスイッチ30は、最初のプラズマ放 電が生じるまで閾値電圧について室12を横断する電圧を調整するように作用す る。室12を横断する電圧はそのとき、最初のプラズマ放電に続く定常状態の動 作電圧に実質上減少する。
入力電圧viaは一般的に、ダイオード65を逆バイアスにし、かつ電流が第2 の変成器25内に流れるのを防ぐように定常状態の空電圧より大きくなるように 選択される。この方法において、第2の変成器25は室12内のプラズマ放電に 続く電源lOの残余部分から効果的に自動的に結合を解除される。変成器25に 対して選択された巻線比は、室12の放電電圧に関して変化する。例えば第2図 の特定の実施例において、変成器25は18:1の巻線比を有するパルスエンジ ニャリング社のフェライトインバータ逓昇変圧器# 6185によって実現され る。
それ故に自動的に切替えられ、負荷に対する電圧の調整された電力の供給或いは そのインピーダンスの変化に応じた負荷に対する電流の調整された電力の供給を 行うことが、本発明の特徴である。放電室12を含む負荷のある上述の適用にお いて、この特徴によって電源10は室12の各動作モードの電力要求を独立して 満足させ得る。発明の背景において述べたように、別々の外部から制御される通 常の電源は典型的な2端子ガス放電室の各動作モードを典型的に要求する。この 故に、電源の重複および外部制御回路装置の必要性を除去することによって、本 発明の二重モード電源10は確かに可変性の負荷適用において通常の電源に対し て利点を提供する。
第2図に示された本発明の実施例の二重モード動作は、さらに第3図を参照して 説明される。特に第3図は、時間を関数とする放電室12の電流および電圧のグ ラフである。時間t0において電源15は付勢され、はぼ28ボルトの電圧V0 を電源10に印加する。時間t。において電流センサ7oは室12を通る電流を 検出せず、それ故にスイッチ3oに供給されたパルスの幅を増加するようにパル ス幅変調装置12に信号を送る。
続く第1の変成器20を通る1組の電流およびその後のコンデンサ40の充電は 、第3図に示されるように室12を通る電圧VCHの上昇を誘導する。室12を 横断する電圧を増加する結果として巻線N3を横断する電圧は結局V1゜を超過 し、それによって電流が第2の変成器25を通して流す。検出器6oの閾値電圧 が時間t、に達するまで(典型的に300乃至1000ボルト)、変成器25は ダイオード67を通って電流をコンデンサ4゜に供給する。上述したように検出 器60は室12を横断する電圧を限定し、所望された室数電電圧が達成される変 調装置8oに信号を送る。それに応じて、変調装置80はスイッチ3oに供給さ れたパルスの幅を制御することによって、変成器2oおよび25からコンデンサ 40および検出器60へ放電された電流を制御する。この方法において、電源1 0は室12を横断する調整された放電電圧を設定する。
時間t2において、プラズマ放電が室12内において生じ、そのインピーダンス を結果として減少させる。それ故に、第3図に示されるように室12を横断する 電圧は減少し、一方そこを流れる電流は増加する。室12を横断する電圧が減少 するとき、巻線N3の両端の電圧は結局V0以下になる。このとき、ダイオード 65は逆バイアスになり、変成器25を通る電流を阻止する。加えて、時間t3 の後で電流センサ70、パルス幅変調装置80、トランジスタスイッチ30のフ ィードバック作用を通じて、室12を通る電流ICHは定常値について調整され る。したがって、本発明の電源lOは室12のインピーダンスの変化に応じた電 圧および電流の調整モードの間の自動的な変化に適合することは明白である。
以上、本発明は特定の適用に関する特定の実施例に関して記載されてきた。当業 者はこの発明の技術的範囲内における付加的な変形、適用を認めるであろう。例 えば、変成器の巻線比およびフィードバック回路は、ガス放電室と異なるインピ ーダンス特性を有する負荷に対して電力を供給するように変えられ得る。さらに 、本発明はここに記載されたフィードバック回路内で利用される特定の電圧およ び電流を感知する装置に限定されない。当業者は、本発明の原理が結合した負荷 の両端間の電圧、電流或いは電力を感知するための他の回路或いは装置を拡張し 得ることを認識するであろう。さらに、パルス幅変調とは異なる手段が、本発明 の技術的範囲から逸脱することなく負荷のインピーダンスの変化に応じた変成器 を通る電流を制御するために使用され得る。それ故に、任意のおよびすべてのこ のような適用、変形および実施例は添付の請求の範囲に包含されるものである。
FIG、  3 X際調査報告 m−1wn1え、−1−2PCT/uS 89101249国際調査報告

Claims (9)

    【特許請求の範囲】
  1. 1.入力電圧および入力電流を提供するための入力電圧源手段と、 第1、第2および第3の巻線を有し、前記第2の巻線に結合した負荷に第1の電 流を供給し、前記第1の巻線は前記入力電圧源手段と結合されている変成器を含 む第1の変成器手段と、 前記負荷を通る電流に応じた第1の信号、および閾値電圧を超過する前記負荷電 圧に応じた第2の信号を提供するフィードバック回路手段と、 前記第1および第2の信号に応じた前記第1の巻線を通る前記入力電流を制御す るためのスイッチ手段と、前記第3の巻線を通る電流に応じた前記負荷に第2の 電流を供給するための前記第3の巻線に結合した第2の変成器手段とを具備する ことを特徴とする、二重モードフライバック電源。
  2. 2.前記フィードバック回路がさらに、前記負荷を通る電流に応じた前記第1の 信号を生じさせるための電流センサ手段を含む請求項1記載の電源。
  3. 3.前記フィードバック回路がさらに、前記閾値電圧を超過する前記負荷を横断 する電圧に応じた前記第2の信号を発し、前記負荷電圧が前記閾値電圧を超過す るのを防ぐための閾値検出器手段を含む請求項2記載の電源。
  4. 4.前記フィードバック回路がさらに、前記第1および第2の信号に応じて前記 スイッチ手段にパルス信号を送るためのパルス幅変調装置手段を含む請求項3記 載の電源。
  5. 5.前記第2の変成器手段が第1および第2の巻線を存する第2の変成器を含み 、前記第2の変成器の前記第1の巻線は前記第1の変成器の前記第3の巻線に機 能的に結合され、前記第2の変成器の前記第2の巻線は前記負荷に機能的に結合 している請求項1記載の電源。
  6. 6.さらに前記負荷を前記第2の巻線に結合するダイオードを含む請求項1記載 の電源。
  7. 7.さらに前記負荷と並列に接続されるコンデンサを含む請求項6記載の電源。
  8. 8.第1、第2および第3の巻線を備え、第1の巻線は第1の方向に巻回され、 第2および第3の巻線は第2の方向に巻回されている第1の変成器と、 前記第1の変成器に電圧および電流を供給するための手段と、 前記第1の変成器の前記第1の巻線に結合されたトランジスタスイッチと、 互いに逆方向に巻回された第1および第2の巻線を有する第2の変成器と、 前記第1の変成器の前記第3の巻線および前記第2の変成器の前記第1の巻線に 結合される第1のダイオードと、前記第2の変成器の前記第2の巻線に結合され 、並列に接続されるコンデンサおよび負荷を含む出力回路と、前記第1の変成器 の前記第2の巻線を前記出力回路に結合するための第2のダイオードと、 前記出力回路に結合される閾値検出器回路と、前記負荷を通る電流を感知するた めの電流感知手段と、前記トランジスタ、前記閾値検出器、前記電流感知手段に 結合されたパルス幅変調装置とを具備することを特徴とする二重モード電源。
  9. 9.a)入力電圧および入力電流を提供し、b)第1の電流を前記入力電流に応 じ負荷を含む出力回路に供給し、 c)閾値電圧を超過する前記負荷を横断する電圧に応じて第1の信号を発生し、 d)前記負荷を通る電流に応じて第2の信号を発生し、e)前記第1および第2 の信号に応じて前記入力電流を制御し、 f)第2の電流を、前記入力電流および前記負荷を横断する前記電圧に応じて前 記出力回路に供給するステップを具備することを特徴とする負荷に電力を供給す る方法。
JP1505809A 1988-09-26 1989-03-23 二重モードフライバック電源 Pending JPH03502636A (ja)

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US07/249,135 US4835669A (en) 1988-09-26 1988-09-26 Dual mode flyback power supply

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US (1) US4835669A (ja)
EP (1) EP0413749B1 (ja)
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