JPH08308224A - 電力ブースタモジュール - Google Patents

電力ブースタモジュール

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JPH08308224A
JPH08308224A JP7250926A JP25092695A JPH08308224A JP H08308224 A JPH08308224 A JP H08308224A JP 7250926 A JP7250926 A JP 7250926A JP 25092695 A JP25092695 A JP 25092695A JP H08308224 A JPH08308224 A JP H08308224A
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JP
Japan
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converter
power
load
current switching
energy transfer
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Application number
JP7250926A
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English (en)
Inventor
Patrizio Vinciarelli
パトリツィオ・ヴィンチアレッリ
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VLT Corp
Original Assignee
VLT Corp
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Publication date
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    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02M—APPARATUS 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
    • H02M3/00—Conversion of dc power input into dc power output
    • H02M3/22—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac
    • H02M3/24—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters
    • H02M3/28—Conversion 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
    • H02M3/285—Single converters with a plurality of output stages connected in parallel

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  • Power Engineering (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Ignition Installations For Internal Combustion Engines (AREA)
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Abstract

(57)【要約】 複数の零電流スイッチング（ＺＣＳ）コンバータを並列
接続して同期運転することにより各コンバータによって
負荷への供給電力を自然に分担するようにしたＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ装置を構成する電力ブースタモジュール。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の背景】この発明は零電流スイッチング形の直流
−直流電力変換器すなわちいわゆるＤＣ−ＤＣコンバー
タに関して、特にフォワード形零電流スイッチング形Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータの組み合せからなるＤＣ−ＤＣコン
バータアレイ（array)に関する。
【０００２】例えば、米国特許第4415959号（特公平２
−47196号に対応する）に開示された種類のシングルエ
ンド形フォワード零電流スイッチングコンバータ、直列
共振コンバータ又はその他の共振コンバータにおいて
は、直流源からの電力が一連のエネルギー伝達サイクル
毎に転送されて負荷に供給されるべき電力に変換され
る。各エネルギー伝達サイクルの周期は回路における実
効インダクタンス（Ｌ）及びキャパシタンス（Ｃ）によ
って定まる特有時定数によって支配される。電源と直列
にスイッチング素子が接続されている。このスイッチン
グ素子は負荷における電圧を検出するフィードバックル
ープを備えた制御器によって略零電流の時点でオン・オ
フされる。フィードバックループは負荷における電圧が
所望のレベルに保たれるように各エネルギー伝達サイク
ル間の時間間隔を調整する。コンバータの電力定格はＬ
及びＣの値に依存する。この種のコンバータは一般に20
0ワットまでの電力を供給する。
【０００３】それ以上の電力を供給する一つの方法は単
に電機的構成部品の規格を増大することである。別の方
法は複数のＤＣ−ＤＣコンバータを並列に組み合せて、
しかし独立に動作させることである。その場合組合せに
おけるＤＣ−ＤＣコンバータのあるものは飽和し、一方
他のものは負荷によって必要とされる電力の不足分を埋
め合わせる。 第３の方法では、複数のＤＣ−ＤＣコン
バータを同じ周波数でコヒーレントにスイッチングせし
めないで電力を分担せしめる。ところが、かかる非コヒ
ーレンスなコンバータアレイはうなり周波数（ビート）
を生じることになる。
【０００４】
【発明の要約】この発明は、複数の零電流スイッチング
ＤＣ−ＤＣコンバータにおける固有のパルス性エネルギ
ー量子化により電力分担をなす構成を提供出来るという
着想から導かれた。この発明の全体的特徴は、零電流ス
イッチングＤＣ−ＤＣコンバータを含む電力ブースタモ
ジュールのエネルギー伝達サイクルが零電流スイッチン
グコンバータ群からなるコンバータアレイすなわち組合
せコンバータ装置内で発生せしめられた信号パルス列に
応答して開始され、これにより電力ブースタモジュール
が組合せコンバータ装置内でコヒーレントに動作して負
荷に供給される電流の一部を分担することができるよう
になっていることである。
【０００５】後述の実施例は次の特徴を備えている。電
力ブースタモジュールの等価インダクタンス（Ｌｂ）及
びキャパシタンス（Ｃｂ）によって規定される、エネル
ギー伝達サイクルの持続時間は、組合せコンバータ装置
内の他のモジュールにおいて生じるエネルギー伝達サイ
クルの持続時間に一致する。これは同じ組合せコンバー
タ装置内で動作させようとするモジュールに対して同じ
ＬＣ積を指定することによって与えられる。この条件は
各モジュール間の電力分担を一定の電力比にすることに
なるが、この比自体はキャパシタンス比によって制御さ
れる。別の実施例では、駆動モジュール及びブースタモ
ジュールからなるデイジーチェーン（daisy chain)アレ
イすなわち順次チェーン配列がある。駆動モジュールは
負荷における電圧を検出し且つエネルギー伝達サイクル
の周波数を制御するフィードバックループを含んでお
り、このエネルギー伝達サイクルはリップル及び雑音を
低減させるために当該デイジーチェーンに沿って時間的
に遅延させられている。他の実施例では、リップル及び
雑音を低減するために移相器を通して駆動されるブース
タモジュールの位相配列がある。 互いに一致したエネ
ルギー伝達サイクル時定数を持った複数の零電流スイッ
チングコンバータのこのような時間又は位相制御された
配列は多数のモジュールによりコヒーレントな電力分担
によって負荷に任意に大量の電力を供給するのに有効で
ある。
【０００６】その他の利点及び特徴は実施例についての
次の説明及び特許請求の範囲から明らかになるであろ
う。
【０００７】
【実施例の説明】構造及び動作 第１図において、組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置１０
は入力電圧レベル（Ｖin）の電源１２からの直流電力を
出力電圧レベル（Ｖout）で負荷１４に供給できるよう
に変換する。装置１０は電源１２と負荷１４との間に接
続された零電流スイッチングコンバータ１６と、制御器
１８とを備えている。制御器１８は入力が負荷１４にお
ける電圧レベルを検出するために一対の直列接続の抵抗
２０，２２間に接続され、且つ出力がコンバータ１６に
おけるスイッチング素子（第１図には示されていない）
にスイッチング信号を供給するためにコンバータ１６に
接続されている。コンバータ１６、制御器１８及び抵抗
２０，２２は共に駆動モジュール２４を形成している。
【０００８】負荷１４に供給することのできる電流の量
を増大するための電力ブースタモジュール２６は駆動モ
ジュール２４と並列に接続されている。電力ブースタモ
ジュール２６は入力及び出力ポート２９，３１を通して
電源１２と負荷１４との間に接続された零電流スイッチ
ングコンバータ２８と、出力がコンバータ２８のスイッ
チング素子（第１図には示されていない）にスイッチン
グ信号を供給する制御器３０とからなっている。制御器
３０の入力は制御パルス列を受けるために制御入力ポー
ト３１を介して発生器１８の出力に接続されている。
【０００９】第２図において、コンバータ１６及び２８
は一つ以上のスイッチング素子、例えばコンバータ１６
におけるスイッチング素子２３及びコンバータ２８にお
けるスイッチング素子３２を含む形式のものでよい。コ
ンバータ１６，２８は、それぞれ
【００１０】
【外１】
【００１１】の特性時定数を規定するインダクタンス及
びキャパシタンスＬｄ，Ｃｄ及びＬｂ，Ｃｂによってそ
れぞれ特徴づけられている。駆動モジュール２４におい
ては、制御器１８は負荷における電圧を基準電圧と比較
して直流電圧出力をタイマ５２に供給する誤差増幅器５
０を備えている。タイマ５２は負荷における電圧を所望
のレベルに維持するためにスイッチ２３，３２がオンオ
フされるべき間隔を示すパルスを発生する。タイマ５２
はスイッチ制御器５４に接続されており、この制御器に
よりスイッチ２３が実質的に零電流でオンオフされ、又
タイマ５２は制御出力ポート５６を介して制御器３０に
接続されており、この制御器により、制御された時間遅
延の後に、スイッチ３２が実質的に零電流でオンオフさ
れる。
【００１２】動作時には、第３図及び第４図に示される
ように、電力ブースタモジュール２６において時点ｔ1
でポート３１を介して制御器３０によりパルスが受信さ
れる。スイッチ制御回路によって決定される遅延の後
に、時点ｔ2において、制御器３０はスイッチ３２をオ
ンにする。そこでコンバータ２８における電流Ｉは上昇
して低下し、ついに時点ｔ3において零に達する。制御
器３０はこの零電流状態を検出して、時点ｔ3において
スイッチ３２をオフにする。時点ｔ4において別のパル
スがポート３１に現れて上記行程が繰り返される。この
ようにコンバータ１６，２８のエネルギー伝達サイクル
は同じ周波数においてではあるが、両サイクル間の時間
遅延を伴って行われる。
【００１３】第５図のコンバータアレイすなわち組合せ
コンバータ装置においては、コンバータ１６，２８は米
国特許第4415959号に開示されたフォワード形シングル
エンド形のものでよい。それで両コンバータはそれぞれ
変圧器４０，４０′、整流器ダイオード４２，４２′、
整流器ダイオード４４，４４′、コンデンサ４６，４
６′、及びインダクタ４８，４８′からなっている。変
圧器４０，４０′は一次巻線自己インダクタンスＬ1 d，
Ｌ1 b、二次巻線自己インダクタンスＬ2 d，Ｌ2 b、及び相
互インダクタンスＭｄ，Ｍｂによって特徴づけられてい
る。両変圧器は又二次漏れインダクタンスＬ2 d e＝（Ｌ1
dＬ2 d−Ｍb）2／Ｌ1 d，Ｌ2 b e＝（Ｌ1 bＬ2 b−Ｍb）2／Ｌ
1 bによって特徴づけられる。各コンバータにおいて、二
次漏れインダクタンス及びキャパシタンスがそれぞれ
【００１４】
【外２】
【００１５】の特有時定数を規定している。両コンバー
タにおける変圧器及びコンデンサの仕様は両コンバータ
の特有時定数の値が十分に接近していて負荷１４に供給
されるべき電流の両コンバータ間での自然な分担が行わ
れるように定められている。この分担は必ずしも５０／
５０である必要はなく、それどころか両キャパシタンス
の比に対応している。
【００１６】第６図及び第７図について述べると、組み
合せコンバータ（コンバータアレイ）は一つ以上の付加
的電力ブースタ（例えば、電力ブースタ６０）を含むよ
うに拡張することができる。電力ブースタはデイジーチ
ェーン（順次チェーン状）に配列されて、各電力ブース
タ６０がより前の電力ブースタにおけるエネルギー伝達
サイクルの発生に対応して信号パルス列をチェーンにお
ける次の電力ブースタに供給するようになっている。そ
して各電力ブースタはそれ自体のエネルギー伝達サイク
ルのそれぞれがチェーンにおける前のブースタからのパ
ルス列における各信号パルスに応答して（しかも遅延し
て）トリガされる。第７図はそれぞれモジュール２４，
２５，６０におけるスイッチ１，２，３の、結果として
生じる状態を示している。
【００１７】このように、（モジュールの数によってだ
け制限される）より多量の電力を負荷に供給することが
できる。負荷電流は自然に分担される。リップル及び雑
音は低減される。他の実施例 例えば、第８図及び第９図について述べると、電力コン
バータ配列は任意の数Ｎの同一の電力ブースタ（例え
ば、ブースタ７０，７２，７４）で形成することができ
る。各ブースタの制御入力ポートは移相器７６に接続さ
れており、この移相器は（それぞれブースタ７４，７
２，７０における）スイッチ１，２，３がオンにされる
べき間隔を示すパルスを（タイマ５２のような）タイマ
７８から受ける。そして移相器７６はスイッチトリガ用
信号パルス列をブースタのそれぞれに供給してスイッチ
ングを起こさせる。第９図に示されたように、種々のブ
ースタにおけるスイッチングは 360／Ｎ度の間隔で位相
配列されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置
を示す構成図である。
【図２】本発明による組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置
を示す構成図である。
【図３】電力ブースタの構成図である。
【図４】第２図及び第３図に関する波形図である。
【図５】フォワード形シングルエンド形のＤＣ−ＤＣコ
ンバータを用いた組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置を示
す回路図である。
【図６】デイジーチェーンコンバータ配列の構成図及び
関連の波形図である。
【図７】デイジーチェーンコンバータ配列の構成図及び
関連の波形図である。
【図８】位相制御式コンバータ配列の構成図及び関連の
波形図である。
【図９】位相制御式コンバータ配列の構成図及び関連の
波形図である。
【主要部分ノ符号の説明】
１０ 組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置 １２ 電源 １４ 負荷 １６ 零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ １８，３０ 制御器 ２４ 駆動モジュール ２６ 電力ブースタモジュール ２８ 零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ ２９ 入力ポート ３１ 制御入力ポート ３３ 出力ポート ５２，７８ タイマ ５４ スイッチ制御器 ６０ 付加的電力ブースタモジュール ７０，７２，７４ 電力ブースタモジュール ７６ 移相器

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一つの第１零電流スイッチン
    グＤＣ−ＤＣコンバータを有して電源からの電力を負荷
    に供給される電力に変換する組合せ装置でありかつその
    エネルギー伝達サイクルに対応する周波数のパルス列を
    生成するパルス発生器を含む組合せ装置に用いる電力ブ
    ースタモジュールであって、 前記電源に接続可能な電力入力ポートと、 前記負荷に接続可能な電力出力ポートと、 前記電力入力ポートを通して前記電源から電力を受け且
    つ一連の量子化エネルギー伝達サイクルにおいて前記電
    力出力ポートを通して前記負荷に電力を供給するように
    接続された第２零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコンバー
    タと、 前記パルス発生器に接続された制御入力ポートと、 前記制御入力ポートを介して前記パルス列を受信して前
    記パルス列に応答して前記第２零電流スイッチング変換
    器の前記量子化エネルギー伝達サイクルの開始をトリガ
    し、前記第２零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ
    によって定まる時刻において前記量子化エネルギー伝達
    サイクルを終了させる制御手段と、 からなり、 前記第１及び第２零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコンバ
    ータは、自身を流れる電流が零の時点で前記量子化エネ
    ルギー伝達サイクルの開始及び終了をなすスイッチング
    素子と、前記量子化エネルギー伝達サイクルの時間長を
    定める特性時定数を定める実効インダクタンス及びキャ
    パシタンスを有し、 これにより、前記負荷に供給される電流の所望部分の提
    供のための自然の分担が行われるようにすることを特徴
    とする電力ブースターモジュール。
  2. 【請求項２】 前記特性時定数が前記組合せ装置の前記
    量子化エネルギー伝達サイクルの各々の持続時間に充分
    接近していて、これにより負荷電流の自然の分担をなす
    ようになっていることを特徴とする特許請求の範囲第１
    項に記載の電力ブースタモジュール。
  3. 【請求項３】 前記組合せ装置が、駆動キャパシタンス
    を持っている駆動モジュールを備え、且つ前記駆動キャ
    パシタンス及び前記駆動モジュールのキャパシタンスが
    前記負荷に供給される電流の分担を与えるように前記ブ
    ースタモジュールのキャパシタンス及び駆動キャパシタ
    ンスの比が選ばれていることを特徴とする特許請求の範
    囲第２項に記載の電力ブースタモジュール。
  4. 【請求項４】 前記駆動モジュールが与えるのとは異な
    る比率の前記負荷への電流を与えることを特徴とする特
    許請求の範囲第３項記載の電力ブースタモジュール。
  5. 【請求項５】 前記ブースタモジュールの前記量子化エ
    ネルギー伝達サイクルの発生時点が前記駆動モジュール
    における前記エネルギー伝達サイクルの発生時点より遅
    延させられていて、前記負荷への電圧に含まれるリップ
    ルが低減されていることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項に記載の電力ブースタモジュール。
  6. 【請求項６】 前記量子化エネルギー伝達サイクルに対
    応する信号パルス列を生成してこれを付加的電力ブース
    タモジュールに供給して前記付加的ブースタモジュール
    において生じる量子化エネルギー伝達サイクルを調整す
    る手段を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第
    １項に記載の電力ブースタモジュール。
  7. 【請求項７】 複数の他の電力ブースタモジュールを含
    み、前記他の電力ブースタモジュールのそれぞれが、前
    記他の電力ブースタモジュールのうちの１から与えられ
    るパルス列に応答してトリガされて生ずる一連の量子化
    エネルギー伝達サイクルにおいて前記負荷に電力を供給
    するようになっていることを特徴とする特許請求の範囲
    第６項に記載の電力ブースタモジュール。
  8. 【請求項８】 前記組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置
    が、一連のエネルギー伝達サイクルにおいて電力を前記
    電源から前記負荷に供給する複数の他の電力ブースタモ
    ジュールと、 前記パルス列に応答し且つ前記他の電力ブースタモジュ
    ールの各々及び前記電力ブースタモジュールによる使用
    のための複数の位相シフトしたパルス列を生成する位相
    制御回路と、を備えていることを特徴とする特許請求の
    範囲第１項に記載の電力ブースタモジュール。
  9. 【請求項９】 前記のパルス列の位相が、前記電力ブー
    スタモジュールの数をＮとして、360 ／Ｎ度の間隔でシ
    フトされていて、それによりリップルが低減されること
    を特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の電力ブース
    タモジュール。
  10. 【請求項１０】 前記の零電流スイッチングＤＣ−ＤＣ
    コンバータがシングルエンドの順方向（フォワード）形
    式のものであることを特徴とする特許請求の範囲第１項
    から第９項までのいずれか一つに記載の電力ブースタモ
    ジュール。
  11. 【請求項１１】 前記の零電流スイッチングＤＣ−ＤＣ
    コンバータが共振形のものであることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項から第９項までのいずれか一つに記載
    の電力ブースタモジュール。
  12. 【請求項１２】 電源からの電力を負荷に供給さるべき
    電力に変換する組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置であっ
    て、 各々が特有の時定数を有する少なくとも２つの零電流ス
    イッチングＤＣ−ＤＣコンバータと、 前記零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータをトリガ
    して各零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータ毎の所
    定周期のエネルギー伝達サイクルを生成するトリガ手段
    と、からなり、 前記零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコンバータの時定数
    は互いに十分に近い値であって前記負荷への電流の自然
    な分担がなされるようになっていることを特徴とする組
    合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
  13. 【請求項１３】 前記零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコ
    ンバータの各々の時定数はインダクタンスとキャパシタ
    ンスによって定まり、かつ当該キャパシタンスが前記負
    荷への電流の自然な分担を達成するように選択されてい
    ることを特徴とする特許請求の範囲第１２項記載の組合
    せＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
  14. 【請求項１４】 前記零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコ
    ンバータにおけるエネルギー伝達サイクルの相互間に位
    相差が与えられて前記負荷への供給電圧のリップルが低
    減せしめられることを特徴とする特許請求の範囲第１２
    項記載の組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
  15. 【請求項１５】 前記零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコ
    ンバータは互いに順次チェーン状に接続され、そのいず
    れか１はこれに先行するものによってトリガされかつこ
    れに後続するものをトリガするようになされていること
    を特徴とする特許請求の範囲第１２項記載の組合せＤＣ
    −ＤＣコンバータ装置。
  16. 【請求項１６】 前記零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコ
    ンバータは互いに 360°／Ｎ（Ｎは前記零電流スイッチ
    ングＤＣ−ＤＣコンバータの数）の間隔だけ移相せしめ
    られていることを特徴とする特許請求の範囲第１４項記
    載の組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
  17. 【請求項１７】 前記零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコ
    ンバータはシングルエンド形かつ順方向形であることを
    特徴とする特許請求の範囲第１２ないし第１６項のいず
    れか１に記載の組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
  18. 【請求項１８】 前記零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコ
    ンバータは共振形であることを特徴とする特許請求の範
    囲第１２ないし第１６項のいずれか１に記載の組合せＤ
    Ｃ−ＤＣコンバータ装置。
  19. 【請求項１９】 前記零電流スイッチングＤＣ−ＤＣコ
    ンバータの各々に順に位相シフトしたパルス列を供給す
    る回路を有することを特徴とする特許請求の範囲第１４
    項記載の組合せＤＣ−ＤＣコンバータ装置。
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