JPH08242536A - ブーストコンバータ - Google Patents

ブーストコンバータ

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JPH08242536A
JPH08242536A JP7303208A JP30320895A JPH08242536A JP H08242536 A JPH08242536 A JP H08242536A JP 7303208 A JP7303208 A JP 7303208A JP 30320895 A JP30320895 A JP 30320895A JP H08242536 A JPH08242536 A JP H08242536A
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boost
capacitors
voltage
capacitor
switch
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JP7303208A
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Mark E Jacobs
エリオット ジャコブズ マーク
Richard W Farrington
ウィリアム ファーリントン リチャード
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    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208Arrangements for improving power factor of AC input
    • HELECTRICITY
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単相及び三相の両方のAC入力用途に対して
適合するスプリットブーストコンバータを提供する。こ
のコンバータは、二つの別個の独立した出力コンデンサ
上に蓄えられた二つの同一であるが、ただし、並列にな
り得ない出力電圧を提供する。 【解決手段】 本発明によると、二つの動作モードをサ
ポートし、二つのパワースイッチが、同時に、或は交互
に動作される。各モードとも、ブースト誘導子のサイズ
の低減という長所を維持する。第一のモードにおいて
は、並列回路状態でのコンデンサの充電及び直列接続状
態でのこれらの放電によって、誘導子内のリプル電流が
大幅に低減され、結果として、より小さな誘導子の使用
が許される。第二のモードにおいては、これらコンデン
サは、ずれた時間間隔で充電及び放電され、類似の結果
が達成される。この回路は、入力電圧が、その二つの出
力コンデンサの電圧を超えるという前提で、動作可能で
ある。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はオフライン整流器内の前
置パワー処理段として使用される複数の出力を持つブー
ストコンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】ブーストコンバータは、高パワー力率用
途において、ラインコンディショナとして一般的に使用
されている。このブースト段は、AC入力を処理し、典
型的には、400V或は800VのDC出力電圧を発生
する。ブーストコンバータは、典型的には、正弦入力電
圧から派生される実質的により低い入力DC電圧から高
い出力電圧(つまり、400V或は800V)を提供す
るために選択されるトポロジ−である。700から80
0Vの中間DCバス電圧が必要とされるような高いAC
入力電圧(つまり、320から480VAC)を持つ用
途に対しては、通常、整流器の全体としての効率を維持
するためにソフトスイッチドブーストが使用される。一
方、より低いAC入力電圧を持つ用途に対しては、ブー
ストダイオードのターンオフをスローダウンするための
単純なスナバが使用され、これのみで、96−98%の
ブースト効率を確保することが可能である。最近に、幾
つかの新たなトポロジーが提唱されている。この方法に
おいては、半導体のスイッチング損失が、補助的な能動
回路を加えることによって最小にされる。補助回路の追
加は、立派な解決策ではあるが、ただし、これは、結果
として、コスト及び複雑さの増大を招く。
【0003】Y.Jiang 及びF.C.Lee による最近の論文
『Three-Level Boost Converter forApplication in Si
ngle Phase Power Factor Correction 』、Virginia Po
wer Electronics Center (CPEC)Power Electronics S
eminar Porceedings 、Virginia Polytechnic Institute
and State University、 Blacksburg、 Virginia、 pp.12
7-133は、高電圧の単相用途に対して使用するための、
通常の出力電圧のおおむね半分(つまり、V0 /2)に
定格された半導体デバイスを収容するブースト段に対す
る構成を示唆する。彼等によって3レベルブーストと称
されるJiang 及びLee の回路は、二つの、並列にはなり
得ないが、ただし、同一の、出力電圧を提供する。この
構成によると、半導体デバイス間の最大電圧ストレスが
低減され、高効率を維持するためには、ゼロ電圧スイッ
チングトポロジがそれほど必須ではなくなる。全ての半
導体デバイス間の電圧ストレスが通常の出力バス電圧の
半分に低減されるのに加えて、この3レベルブースト
は、EMI性能を犠牲にすることなしに、ブースト誘導
子のサイズも低減する。
【0004】
【課題を解決するための手段】本発明においては、請求
項1に記載されるようなスプリットブーストコンバータ
が提供される。
【0005】本発明によると、単相及び三相両方のAC
入力用途に対して適当な、DC入力電圧が変動するよう
な状況に対しても適用可能な、スプリットブーストコン
バータが開示される。このブーストコンバータは、二つ
の別個の独立した出力コンデンサ上に蓄えられた二つの
同一であるが、ただし、並列にはなり得ない出力電圧を
提供する。最低の動作可能な入力電圧を、これら二つの
出力電圧の各電圧レベルよりも低くないある値に制限す
るような回路トポロジによって効率が向上される。この
実現は、二つの動作モードをサポートする。この二つの
モードの第一のモードにおいては、この二つのパワース
イッチが同時に動作され、利用可能なシリコンデバイス
の使用が最適化され、他方において、ブースト誘導子の
サイズの低減という長所も維持される。つまり、並列回
路の状態でのコンデンサの充電及び直列接続の状態での
これらの放電によって、誘導子内のリプル電流が大幅に
低減され、より小さなサイズの誘導子の使用が可能にな
る。第二の動作モードにおいては、これらコンデンサが
ずれた時間間隔にて充電及び放電され、誘導子サイズの
類似の低減が達成される。この回路は、両方のモードに
おいて、入力電圧がその二つの出力コンデンサの個々の
電圧を超えるという前提で、動作可能である。
【0006】以下の一例としての実施例においては、F
ETが、(補助的な)能動スイッチとして使用される。
ただし、この回路トポロジは、このタイプの半導体スイ
ッチに制限されるものではない。
【0007】
【実施例】図1には提唱されるブースト段の実現が示さ
れる。誘導子LF はブースト誘導子であり、コンデンサ
1 及びC2 は出力コンデンサであり、Q1 及びQ2
能動スイッチであり、そしてD1 は受動スイッチ、つま
り、ブーストダイオードである。コンデンサC1 及びC
2 は、相対的に大きく、これらの間の電圧は、1スイッ
チング周期を通じて本質的に一定である。これら二つの
出力コンデンサは、直列ではないために、提唱されるブ
ースト段は、図1において抵抗体RL1及びRL2によって
示されるような二つの独立した負荷を供給する。このよ
うなコンバータのパワースイッチを駆動するための制御
回路は周知であり、ここでは説明されない。
【0008】このコンバータは、二つの異なるモードの
いずれかで動作することができる。モード1において
は、スイッチQ1 及びQ2 は、同時に、つまり、同期的
にターンオン・オフする。このコンバータによって1ス
イッチング期間を通じて経験される二つのトポロジカル
ステージ(位相学的な段階)が図2及び3の略図に示さ
れ、コンバータの動作を表わす理想波形が図4に示され
る。
【0009】モード1においては、図2に示されるよう
に、二つのスイッチQ1 とQ2 が時刻t0 において同時
にターンオンされる。すると、二つのコンデンサC1
2は、ダイオードD1 が導通してないために、並列に
接続される。ブースト誘導子LF を通じて流れる電流
は、おおむね(VIN−V0 /2)/LF に等しい線型速
度にて増加する。同時刻t0 において、エネルギが、出
力コンデンサC1 及びC2 内に蓄積及び/或は負荷に運
ばれるが、ただし、これは、条件V0 /2<VIN<V0
が保持されることを前提とする。この後者の条件が満た
されることが、このトポロジが、三相の6ダイオードブ
リッジに一つのブースト段が続く、ここに解説されるよ
うな三相用途に対してよく適合することの要件である。
Jiang 及びLee によって提唱される3レベルブーストと
同様に、ブースト誘導子が入力電圧源との直列結合及び
出力コンデンサの並列結合を通じて電流を蓄積するよう
にされ、結果として、誘導子を通じて流れるリプル電流
が従来のブースト段と比較して大きく低減される。次
に、時刻t1 において、能動スイッチQ1 及びQ2 の両
方がターンオフされ、誘導子LF がダイオードD1 によ
ってリセットされ、結果として、今度は、図3に示され
るように、コンデンサC1 とC2 の直列結合が得られ
る。注意すべきことは、モード1においては、パワーが
全時間を通じて入力から負荷に運ばれ、このために、二
つの出力コンデンサC1 及びC2 を通じて流れるrms
電流が低減される点である。これは、コンデンサは、一
般的に、最大rms電流をサポートするように格付けさ
れるために重要な特徴である。この回路の波形が図4に
示される。これら波形には、誘導子の電流ILF、二つの
スイッチングデバイスの電流IQ1及びIQ2、及びそれら
の電圧降下VQ1及びVQ2が含まれる。ダイオードの電流
D1及びその電圧降下VD1も示される。電圧降下VGQ1
及びVGQ2 は、FETスイッチQ1 及びQ2 に加えられ
るゲート・ツウ・ソース電圧を表わす。
【0010】スイッチQ1 及びQ2 が、同時に同一の導
通状態にて同期的に動作できることが上に述べられた
が、これらは、交互にターンオン・オフすることもで
き、この動作は、ここでモード2と定義される。このモ
ード2において、このコンバータが1スイッチング周期
を通じて経験するトポロジカルステージ(位相学的な段
階)が図5から8に示され、コンバータの、モード2の
動作を表わす理想波形が図9に示される。モード2にお
ける動作は、モード1の動作との関連でこのコンバータ
に対して説明されたそれと類似する。主な差異は、モー
ド2においては、ブースト誘導子の電流リプルの有効周
波数が2倍となり、また、モード1の場合とは異なり、
パワーが入力から出力に継続して運ばれないことであ
る。
【0011】図5においては、Q1 は、導通しており、
一方、Q2 及びD1 は、オープン、つまり、導通してい
ない。この状態においては、コンデンサC1 は、誘導子
Fを通じて電流IINによって充電されている。
【0012】図6に示されるこれに続く接続ステージに
おいて、スイッチQ1 及びQ2 の両方が非導通状態にバ
イアスされ、一方、ダイオードD1 は導通状態となる。
このステージにおいては、電流IINがコンデンサC2
充電する。
【0013】図7に示されるステージにおいては、スイ
ッチQ2 が導通状態にバイアスされ、一方、ダイオード
1 は非導通状態となる。入力電流IINは、コンデンサ
2の充電を続行する。
【0014】図8に示される次のステージにおいて、ス
イッチQ1 及びQ2 は両方とも非導通状態となり、コン
デンサC2 及びC2 は両方ともダイオードD1 を通じて
INによって直列に充電される。
【0015】上の説明から、両方の出力コンデンサ間
に、V0 /2の電圧を維持するために二つの独立した電
圧制御ループが必要であるかのように見えるが、モード
1においては、これら二つの出力コンデンサの一つの間
の電圧を制御することによって、第二の出力コンデンサ
間の電圧も制御できることがわかる。この特徴は、この
回路の動作に生来的なものであり、3レベルブーストと
比較してのもう一つの長所である。これは、モード1の
場合のように、両方のスイッチがターンオンされると、
二つの出力コンデンサが結果として並列となり、図10
に示されるように、より高い出力電圧を持つコンデンサ
が他方の出力コンデンサ内に放電することを許されると
いう事実に起因する。第二のモードにおいては、二つの
コンデンサは同一の入力電流に交互に接続され、一方、
直列接続されている間は、これらは互いに放電し合う。
従って、正しく平衡された電圧動作を確保するために、
これら二つの負荷を厳密に整合することは必要とされな
い。コンピュータシミュレーションは、50%の負荷の
不平衡があった場合でも、二つの出力コンデンサ間に
は、結果として、数ボルトの不平衡が発生するのみであ
ることを示す。
【0016】このスプリットブース概念を一般化して、
各々が付随する一つのスイッチ及びダイオードを持つ追
加の出力コンデンサを提供することによって、マルチレ
ベルブースト段を実現することも可能である。さらに、
任意の時間においてオープン或はクローズされているス
イッチの数に依存して入力電流リプルの規模を制御する
ことができるマルチレベルブースト段を実現することも
可能である。図11は、3つの出力コンデンサC1 、C
2 及びC3 ;3つのスイッチQ1 、Q2 及びQ3 、及び
二つのダイオードD1 及びD2 を使用するスプリットブ
ーストを示す。このコンバータにおいては、ある入力電
圧を与えられた場合の電流リプルの規模が、図12及び
13に示されるように、一度に、一つのスイッチが、閉
じられているか、或は二つのスイッチの組合わせが、閉
じられているかのいずれかに依存する、二つの可能な代
替の一つとして制御される。こうして得られる入力電流
のスロープを制御できる能力は、入力電流をより良い精
度にて要求される基準に合わせて整形するために、及
び、入力誘導子のサイズを低減するために使用すること
ができる。この第二の特徴は、多くの高パワー電源にお
いては、磁気機構のサイズが全体としての設計を決定す
るために、しばしば、非常に重要である。
【0017】3出力スプリットブーストトポロジは、特
に、モード1にて動作している場合、従来のブーストと
比較して、EFT導通損失及びFETスイッチング損失
の両面において、生来的な効率上の長所を持つ。加え
て、ブーストダイオードの導通損失及びスイッチング損
失も、要求されるブーストダイオードがより低い電圧定
格を持つことができるために低減される。
【0018】図12に示されるモードは、スイッチQ2
及びQ3 の独立した導通、及びスイッチQ1 、Q2 及び
3 の同時的な導通を許す。さらに、図13のモード
は、スイッチQ1 とQ2 の同時的な導通、並びにQ1
3 の同時的な導通を許す。
【0019】モード1におけるFETスイッチング損失
の改善に関して説明すると、典型的なFETの場合の2
5Vドレイン・ツウ・ソース電圧に対する出力容量C
02225は、以下の式によって近似することができ
る。
【0020】
【数1】 ここで、V は、FETドレイン・ツウ・ソース電圧
の定格であり、Rdsは、25°CにおけるFETオン抵
抗である。従来のブーストにおいては、FET出力コン
デンサを反復的に放電することに起因するパワー損失
は、以下によって表わすことができる。
【0021】
【数2】 ここで、Vdsは、スイッチング時におけるFETのドレ
イン・ツウ・ソース電圧であり、fs は、スイッチング
周波数である。
【0022】両方の回路に対して同一のFETシリコン
面積が使用されるものと想定してスプリットブーストに
対する等価損失を計算することができる。スプリットブ
ーストは、各EFTに対して半分の電圧定格のみを要求
するために、総FETオン抵抗は、約4の係数だけ低減
される。スプリットブーストには二つのFETが要求さ
れるために、各FETは、等価の従来のブーストの約半
分のオン抵抗を持つ。FET出力容量は、上のC0ss25
に対する式から計算できる。この分析の結果は、スプリ
ットブーストのFET出力容量を放電するための結果と
しての総スイッチング損失は、従来のブーストに対する
それの約70%であることを示す。
【0023】スプリットブーストに対するFET導通損
失も、従来のブーストコンバータのそれと比較して良好
である。入力電圧VIN及び出力電圧V0 を持つ従来のブ
ーストの場合に要求される衝撃係数Dは
【数3】 である。出力電流I0 に対する導通に起因するFET損
失Pb
【数4】 である。ここで、Rdsは、FETオン抵抗である。この
式からの置換及び簡素化の結果として以下が得られる。
【数5】 一方、スプリットブーストの場合は、各出力コンデンサ
がV0 /2に充電されるものと想定すると、衝撃係数D
【数6】 である。スプリットブーストの場合の総導通損失Ps
は、各々のFETがRds/2のオン抵抗を持つため、等
しいシリコン面積を維持するためには
【数7】 である。置換及び簡素化の結果として、以下が得られ
る。
【数8】 これは、従来のブーストに対する式の半分である。従っ
て、任意の入力電圧VIN(ここで、V0 /2<VIN<V
0 )に対する従来のブーストに対するスプリットブース
トのFET導通損失の比は、同一の総FETシリコン面
積に対して、0.5である。このスイッチング損失及び
誘導子損失低減は、入力電圧のレンジが説明のように制
限された時(つまり、V0 /2<VIN<V0 が満たされ
る場合)のスプリットブーストの長所を実証するもので
ある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理を具現する三相、6ダイオードブ
リッジを持つブーストコンバータの略図である。
【図2】図1の回路の第一の動作モードの二つのステー
ジの略図である。
【図3】図1の回路の第一の動作モードの二つのステー
ジの略図である。
【図4】図1のブーストコンバータの第一のモードにて
動作しているときの波形を示す。
【図5】図1の回路の第二の動作モードのステージの略
図である。
【図6】図1の回路の第二の動作モードのステージの略
図である。
【図7】図1の回路の第二の動作モードのステージの略
図である。
【図8】図1の回路の第二の動作モードのステージの略
図である。
【図9】図1のブーストコンバータの第二のモードにて
動作しているときの波形である。
【図10】コンデンサ電圧の等化の説明を助けるための
回路トポロジの略図である。
【図11】3つの出力コンデンサ、3つのスイッチ、及
び2つのダイオードを持つマルチレベルスプリットブー
ストコンバータの略図である。
【図12】図11の回路の動作モードを説明するための
二つのステージの略図である。
【図13】図11の回路の動作モードを説明するための
二つのステージの略図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード ウィリアム ファーリントン アメリカ合衆国 75149 テキサス,メス クワイト,ナンバー 100,サムエル ブ ウルヴァード 4725

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 ブーストコンバータであって、これが:
    整流されたAC電圧から得たDC電圧を受け入れるため
    の入力;この入力に接続された誘導子(LF );各々が
    第一及び第二の出力に接続された第一及び第二のコンデ
    ンサ(C1 、C2 );第一及び第二のコンデンサをそれ
    ぞれ直列接続及び並列接続に交互に接続するための第一
    及び第二のパワースイッチ(Q1 、Q2 )を含み、 第一のコンデンサと第一のパワースイッチの共通ノード
    を第二のコンデンサと第二のパワースイッチの共通ノー
    ドに接続するダイオードスイッチ(D1 )が含まれ、こ
    のダイオードスイッチ(D1 )が、第一と第二のパワー
    スイッチが同時に非導通状態にあるときは、導通状態に
    バイアスされて、第一と第二のコンデンサを直列接続に
    接続し、一方、第一と第二のパワースイッチが導通状態
    にあるときは、非導通状態にバイアスされて、第一と第
    二のコンデンサを電気的に互いに絶縁することを特徴と
    するブーストコンバータ。
  2. 【請求項2】 第一と第二のパワースイッチが同時に導
    通状態に及び同時に非導通状態にバイアスされることを
    特徴とする請求項1のブーストコンバータ。
  3. 【請求項3】 第一と第二のパワースイッチが交互に導
    通状態に及び交互に非導通状態にバイアスされることを
    特徴とする請求項1のブーストコンバータ。
  4. 【請求項4】 第三の出力に接続された、第一のコンデ
    ンサ及び第一のパワースイッチに対して直列に接続され
    た第三のコンデンサ(C3 ) 第二のコンデンサ及び第二のパワースイッチに対して直
    列に接続された第三のパワースイッチ(Q3 );及び第
    一のスイッチと第三のコンデンサ及び第二のコンデンサ
    と第三のスイッチに共通のノードに接続された第二のダ
    イオードスイッチ(D2 )がさらに含まれることを特徴
    とする請求項1のブーストコンバータ。
JP7303208A 1994-11-22 1995-11-22 ブーストコンバータ Pending JPH08242536A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US08/344309 1994-11-22
US08/344,309 US5627455A (en) 1994-11-22 1994-11-22 Boost topology with two outputs for power factor correction application

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH08242536A true JPH08242536A (ja) 1996-09-17

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ID=23349977

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Application Number Title Priority Date Filing Date
JP7303208A Pending JPH08242536A (ja) 1994-11-22 1995-11-22 ブーストコンバータ

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US (2) US5627455A (ja)
EP (1) EP0714160A3 (ja)
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