(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御可能な直流出力定電流を有する定電流源と、
上記定電流源に接続され、コンデンサおよび１つ以上のインダクタを備える共振回路と、
上記共振回路に接続され、トランスおよび出力を有する絶縁バックコンバータとを備え、
上記共振回路のインダクタの少なくとも１つは上記トランスに直接接続され、上記定電流源の出力は上記トランスに接続され、
上記共振回路は、上記絶縁バックコンバータのスイッチを、ソフトスイッチング条件の下でスイッチングできるようにすることを特徴とする共振コンバータ。
【請求項２】
上記定電流源は、スイッチング動作を利用して定出力電流を発生させるスイッチモード型定電流源であることを特徴とする請求項１記載の共振コンバータ。
【請求項３】
上記定電流源の入力に接続された力率改善（ＰＦＣ）ブーストコンバータを更に備え、
上記ＰＦＣブーストコンバータは、上記定電流源の入力に電圧を供給することを特徴とする請求項１記載の共振コンバータ。
【請求項４】
上記ＰＦＣブーストコンバータは、上記定電流源の入力にＤＣ入力電圧を供給し、
上記絶縁バックコンバータは、該絶縁バックコンバータの出力にＤＣ出力電圧を供給することを特徴とする請求項３記載の共振コンバータ。
【請求項５】
上記絶縁バックコンバータは、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータ又はプッシュプルコンバータのうちの１つであることを特徴とする請求項１記載の共振コンバータ。
【請求項６】
上記絶縁バックコンバータは、プッシュプルコンバータであり、
上記プッシュプルコンバータは、
第１の１次巻線と、第２の１次巻線と、第１の２次巻線と、第２の２次巻線とを有するトランスと、
上記第１の１次巻線と上記定電流源間に接続された第１の１次スイッチと、
上記第２の１次巻線と上記定電流源間に接続された第２の１次スイッチとを有し、
上記定電流源は、上記第１の１次巻線と第２の１次巻線間で、１次センタタップを形成するノードに接続されることを特徴とする請求項５記載の共振コンバータ。
【請求項７】
上記プッシュプルコンバータは、
上記第１の２次巻線と上記プッシュプルコンバータの出力間に接続された第１の２次ダイオードと、
上記第２の２次巻線と上記プッシュプルコンバータの出力間に接続された第２の２次ダイオードとを有することを特徴とする請求項６記載の共振コンバータ。
【請求項８】
上記プッシュプルコンバータは、
上記第１の１次巻線と上記第１の１次スイッチ間に接続された第１の１次インダクタと、
上記第２の１次巻線と上記第２の１次スイッチ間に接続された第２の１次インダクタとを有することを特徴とする請求項６記載の共振コンバータ。
【請求項９】
上記プッシュプルコンバータは、
上記第１の２次巻線と上記プッシュプルコンバータの出力間に接続された第１の２次インダクタと、
上記第２の２次巻線と上記プッシュプルコンバータの出力間に接続された第２の２次インダクタとを有することを特徴とする請求項６記載の共振コンバータ。
【請求項１０】
上記プッシュプルコンバータは、
上記第１の２次巻線と上記プッシュプルコンバータの出力間に接続された第１の２次スイッチと、
上記第２の２次巻線と上記プッシュプルコンバータの出力間に接続された第２の２次スイッチとを有することを特徴とする請求項６記載の共振コンバータ。
【請求項１１】
上記絶縁バックコンバータは、フルブリッジコンバータであり、
上記フルブリッジコンバータは、
第１の１次巻線と、第１の２次巻線と、第２の２次巻線とを有するトランスと、
上記第１の１次巻線の第１の端子と上記定電流源間に接続された第１の１次スイッチと、
上記第１の１次巻線の第２の端子と上記定電流源間に接続された第２の１次スイッチと、
上記第１の１次巻線の第１の端子と上記定電流源間に接続された第３の１次スイッチと、
上記第１の１次巻線の第２の端子と上記定電流源間に接続された第４の１次スイッチとを有し、
上記第１の１次スイッチ及び第３の１次スイッチは、第１の共通ノードを介して上記第１の端子に接続され、
上記第２の１次スイッチ及び第４の１次スイッチは、第２の共通ノードを介して上記第２の端子に接続されることを特徴とする請求項５記載の共振コンバータ。
【請求項１２】
上記フルブリッジコンバータは、
上記第１の２次巻線と上記フルブリッジコンバータの出力間に接続された第１の２次ダイオードと、
上記第２の２次巻線と上記フルブリッジコンバータの出力間に接続された第２の２次ダイオードとを有することを特徴とする請求項１１記載の共振コンバータ。
【請求項１３】
上記フルブリッジコンバータは、
上記第１の１次巻線の第１の端子と上記第１及び第３の１次スイッチの上記第１の共通ノード間に接続された１次インダクタを有することを特徴とする請求項１１記載の共振コンバータ。
【請求項１４】
上記フルブリッジコンバータは、
上記第１及び第２の２次巻線間の上記第１の共通ノードと上記フルブリッジコンバータの出力との間に接続された２次インダクタを有することを特徴とする請求項１１記載の共振コンバータ。
【請求項１５】
上記フルブリッジコンバータは、
上記第１の２次巻線と上記フルブリッジコンバータの出力間に接続された第１の２次スイッチと、
上記第２の２次巻線と上記フルブリッジコンバータの出力間に接続された第２の２次スイッチとを有することを特徴とする請求項１１記載の共振コンバータ。
【請求項１６】
上記絶縁バックコンバータは、ハーフブリッジコンバータであり、
上記ハーフブリッジコンバータは、
第１の１次巻線と、第１の２次巻線と、第２の２次巻線とを有するトランスと、
上記第１の１次巻線の第１の端子と上記定電流源間に接続された第１の１次スイッチと、
上記第１の端子と上記定電流源間に接続された第２の１次スイッチとを有し、
上記第１及び第２の１次スイッチは、共通ノードを介して上記第１の端子に接続されることを特徴とする請求項５記載の共振コンバータ。
【請求項１７】
上記ハーフブリッジコンバータは、
上記第１の２次巻線と上記ハーフブリッジコンバータの出力間に接続された第１の２次ダイオードと、
上記第２の２次巻線と上記ハーフブリッジコンバータの出力間に接続された第２の２次ダイオードとを有することを特徴とする請求項１６記載の共振コンバータ。
【請求項１８】
上記ハーフブリッジコンバータは、
上記第１の１次巻線の第１の端子と上記共通ノード間に接続された１次インダクタを有することを特徴とする請求項１６記載の共振コンバータ。
【請求項１９】
上記ハーフブリッジコンバータは、
上記第１及び第２の２次巻線間の共通ノードと上記ハーフブリッジコンバータの出力との間に接続された２次インダクタを有することを特徴とする請求項１６記載の共振コンバータ。
【請求項２０】
上記ハーフブリッジコンバータは、
上記第１の２次巻線と上記ハーフブリッジコンバータの出力間に接続された第１の２次スイッチと、
上記第２の２次巻線と上記ハーフブリッジコンバータの出力間に接続された第２の２次スイッチとを有することを特徴とする請求項１６記載の共振コンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータの回路トポロジに関する。特に、本発明は、２ステージ構成の共振コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣ／ＤＣコンバータでは、直流入力電圧は、低い直流出力電圧に変換される。一般に、出力電圧は精度よく安定化される必要があり、安全性の要求に適合させるために、入出力間絶縁が必要である。
【０００３】
図１は、従来技術の２ステージコンバータ１００のブロック図である。この２ステージコンバータ１００は、力率改善（Power Factor Correction、以下、ＰＦＣという。）ブーストコンバータ１２０と、絶縁バックコンバータ１４０とを備える。ＰＦＣブーストコンバータ１２０は、絶縁バックコンバータ１４０に直流高電圧を供給する。絶縁バックコンバータ１４０は、直流高電圧を直流低電圧に変換する。
【０００４】
他の従来技術を含むこのような２ステージコンバータでは、第２ステージのスイッチは、ハードスイッチング条件で動作し、結果として、大きなスイッチング損失を発生し、それによってコンバータの総合効率に影響を及ぼし、スイッチング周波数を制限することとなる。さらに、第２ステージでは、異常状態、たとえば出力短絡期間における過電流保護を提供するために、電流制限回路が必要とされる。過電流保護の必要性によって、制御回路の複雑さが増大する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この技術分野において必要なことは、スイッチング損失を低減した簡素化されたＤＣ／ＤＣコンバータの設計である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一側面においては、共振コンバータは、制御可能な定電流源（controllable current source）と、定電流源に接続された共振回路と、共振回路に接続された絶縁バックコンバータを備える。この絶縁バックコンバータは出力を有する。この共振回路によって、絶縁バックコンバータのスイッチをソフトスイッチング条件の下でスイッチすることを可能にする。
【０００７】
いくつかの実施の形態では、制御可能な定電流源は、スイッチモード型定電流源である。定電流源の入力に接続された力率改善（ＰＦＣ）ブーストコンバータを更に備え、このＰＦＣブーストコンバータは、定電流源の入力に電圧を供給するようにしてもよい。このＰＦＣブーストコンバータは、定電流源の入力に直流の入力電圧を供給し、絶縁バックコンバータは、この絶縁バックコンバータの出力に直流の出力電圧を供給するようにしてもよい。絶縁バックコンバータは、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータ又はプッシュプルコンバータのうちのいずれか１つであってもよい。
【０００８】
いくつかの実施の形態では、絶縁バックコンバータは、プッシュプルコンバータであり、このプッシュプルコンバータは、第１の１次巻線と、第２の１次巻線と、第１の２次巻線と、第２の２次巻線とを有するトランスと、第１の１次巻線と定電流源間に接続された第１の１次スイッチと、第２の１次巻線と定電流源間に接続された第２の１次スイッチとを有し、定電流源は、第１の１次巻線と第２の１次巻線間で、１次センタタップを形成するノードに接続される。
【０００９】
いくつかの実施の形態では、プッシュプルコンバータは、第１の２次巻線とプッシュプルコンバータの出力間に接続された第１の２次ダイオードと、第２の２次巻線とプッシュプルコンバータの出力間に接続された第２の２次ダイオードとを有する。
【００１０】
いくつかの実施の形態では、プッシュプルコンバータは、第１の１次巻線と第１の１次スイッチ間に接続された第１の１次インダクタと、第２の１次巻線と第２の１次スイッチ間に接続された第２の１次インダクタとを有する。
【００１１】
いくつかの実施の形態では、プッシュプルコンバータは、第１の２次巻線とプッシュプルコンバータの出力間に接続された第１の２次インダクタと、第２の２次巻線とプッシュプルコンバータの出力間に接続された第２の２次インダクタとを有する。
【００１２】
いくつかの実施の形態では、プッシュプルコンバータは、第１の２次巻線とプッシュプルコンバータの出力間に接続された第１の２次スイッチと、第２の２次巻線とプッシュプルコンバータの出力間に接続された第２の２次スイッチとを有する。
【００１３】
いくつかの実施の形態では、絶縁バックコンバータは、フルブリッジコンバータであり、このフルブリッジコンバータは、第１の１次巻線と、第１の２次巻線と、第２の２次巻線とを有するトランスと、第１の１次巻線の第１の端子と定電流源間に接続された第１の１次スイッチと、第１の１次巻線の第２の端子と定電流源間に接続された第２の１次スイッチと、第１の１次巻線の第１の端子と定電流源間に接続された第３の１次スイッチと、第１の１次巻線の第２の端子と定電流源間に接続された第４の１次スイッチとを有し、第１の１次スイッチ及び第３の１次スイッチは、共通ノードを介して第１の端子に接続され、第２の１次スイッチ及び第４の１次スイッチは、共通ノードを介して第２の端子に接続される。
【００１４】
いくつかの実施の形態では、フルブリッジコンバータは、第１の２次巻線とフルブリッジコンバータの出力間に接続された第１の２次ダイオードと、第２の２次巻線とフルブリッジコンバータの出力間に接続された第２の２次ダイオードとを有する。
【００１５】
いくつかの実施の形態では、フルブリッジコンバータは、第１の１次巻線の第１の端子と第１及び第３の１次スイッチの共通ノード間に接続された１次インダクタを有する。
【００１６】
いくつかの実施の形態では、フルブリッジコンバータは、第１及び第２の２次巻線間の共通ノードとフルブリッジコンバータの出力との間に接続された２次インダクタを有する。
【００１７】
いくつかの実施の形態では、フルブリッジコンバータは、第１の２次巻線とフルブリッジコンバータの出力間に接続された第１の２次スイッチと、第２の２次巻線とフルブリッジコンバータの出力間に接続された第２の２次スイッチとを有する。
【００１８】
いくつかの実施の形態では、絶縁バックコンバータは、ハーフブリッジコンバータであり、ハーフブリッジコンバータは、第１の１次巻線と、第１の２次巻線と、第２の２次巻線とを有するトランスと、第１の１次巻線の第１の端子と定電流源間に接続された第１の１次スイッチと、第１の端子と定電流源間に接続された第２の１次スイッチとを有し、第１及び第２の１次スイッチは、共通ノードを介して第１の端子に接続される。
【００１９】
いくつかの実施の形態では、ハーフブリッジコンバータは、第１の２次巻線とハーフブリッジコンバータの出力間に接続された第１の２次ダイオードと、第２の２次巻線とハーフブリッジコンバータの出力間に接続された第２の２次ダイオードとを有する。
【００２０】
いくつかの実施の形態では、ハーフブリッジコンバータは、第１の１次巻線の第１の端子と共通ノード間に接続された１次インダクタを有する。
【００２１】
いくつかの実施の形態では、ハーフブリッジコンバータは、第１及び第２の２次巻線間の共通ノードとハーフブリッジコンバータの出力との間に接続された２次インダクタを有する。
【００２２】
いくつかの実施の形態では、ハーフブリッジコンバータは、第１の２次巻線とハーフブリッジコンバータの出力間に接続された第１の２次スイッチと、第２の２次巻線とハーフブリッジコンバータの出力間に接続された第２の２次スイッチとを有する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】従来技術の２ステージコンバータのブロック図を示す。
【図２】本発明の原理にしたがう２ステージ共振コンバータの一実施の形態のブロック図を示す。
【図３】本発明の原理にしたがうプッシュプルコンバータを用いた２ステージ共振コンバータの一実施の形態のブロック図を示す。
【図４Ａ】本発明の原理にしたがう２ステージ共振コンバータの第１ステージの一実施の形態における動作波形図を示す。
【図４Ｂ】本発明の原理にしたがう２ステージ共振コンバータの第２ステージの一実施の形態における動作波形図示す。
【図５】本発明の原理にしたがうプッシュプルコンバータを用いた２ステージ共振コンバータの他の実施の形態のブロック図を示す。
【図６】本発明の原理にしたがうプッシュプルコンバータを用いた２ステージ共振コンバータの他の実施の形態のブロック図を示す。
【図７】本発明の原理にしたがうフルブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータの一実施の形態のブロック図を示す。
【図８】本発明の原理にしたがうフルブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータの他の実施の形態のブロック図を示す。
【図９】本発明の原理にしたがうフルブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータの他の実施の形態のブロック図を示す。
【図１０】本発明の原理にしたがうハーフブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータの一実施の形態のブロック図を示す。
【図１１】本発明の原理にしたがうハーフブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータの他の実施の形態のブロック図を示す。
【図１２】本発明の原理にしたがうハーフブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータの他の実施の形態のブロック図を示す。
【図１３】本発明の原理にしたがう制御可能な定電流源の一実施の形態のブロック図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下の説明では、この技術分野における通常の知識を有する者が、本願発明に係る物を生産し、使用することができるように記載され、特許出願及びその要件にしたがってなされる。明細書に記載された実施の形態に対するさまざまな変形は、本願発明の技術分野の当業者にとって明らかであり、ここに記載される一般的な原理を、他の実施の形態に適用することができる。したがって、本発明は、記載された実施の形態に限定されるものと意図しておらず、この明細書に記載される原理及び特徴に適合した最も広い範囲で解釈されるものとする。
【００２５】
図２には、本発明の原理にしたがう２ステージ共振コンバータ２００の一実施の形態のブロック図を示す。２ステージ共振コンバータ２００は、制御可能な定電流源（controllable current source）２３０の入力に接続される力率改善（power factor correction、以下、ＰＦＣという。）ブーストコンバータ２２０を含んでおり、定電流源２３０は、共振回路付き絶縁バックコンバータ（resonant tank circuit and isolated buck-type converter）２４０に接続される。ＰＦＣブーストコンバータ２２０は、直流高電圧を、制御可能な定電流源２３０に供給する。定電流源２３０は、一定の直流電流を、絶縁バックコンバータ２４０へ供給し、絶縁バックコンバータ２４０は、この直流電流を直流低電圧に変換する。絶縁バックコンバータ２４０は、この直流低電圧をその出力へ供給する。いくつかの実施の形態では、制御可能な定電流源２３０は、スイッチモード型の定電流源である。また、いくつかの実施の形態では、絶縁バックコンバータ２４０は、ハーフブリッジコンバータ、フルブリッジコンバータ、又はプッシュプルコンバータのうちのいずれか１つである。
【００２６】
図３には、本発明の原理にしたがうプッシュプルコンバータを用いた２ステージ共振コンバータ３００の一実施の形態のブロック図を示す。２ステージ共振コンバータ３００は、制御可能な定電流源３３０と、トランス３４０とを有する。トランス３４０は、第１の１次巻線Ｐ１と、第２の１次巻線Ｐ２と、第１の２次巻線Ｓ１と、第２の２次巻線Ｓ２とを有する。定電流源３３０は、第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２間で、１次センタタップを形成するノード３４２に接続される。第１の１次スイッチ３４４は、第１の１次巻線Ｐ１と定電流源３３０間に接続される。第２の１次スイッチ３４６は、第２の１次巻線Ｐ２と定電流源３３０間に接続される。
【００２７】
いくつかの実施の形態では、第１の２次ダイオード３５６は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次ダイオード３５８は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続される。絶縁バックコンバータの出力は、負荷抵抗３５４に接続されてもよい。出力コンデンサ３６０は、トランス３４０と絶縁バックコンバータの出力間で並列に接続されてもよい。第１の１次インダクタ３５２は、第１の１次巻線Ｐ１と第１の１次スイッチ３４４間に接続され、第２の１次インダクタ３５０は、第２の１次巻線Ｐ２と第２の１次スイッチ３４６間に接続されてもよい。共振コンデンサ３４８は、制御可能な定電流源３３０とトランス３４０間で並列に接続されてもよい。第１の１次インダクタ３５２及び第２の１次インダクタ３５０とともに、共振コンデンサ３４８は、共振回路を形成する。
【００２８】
図４Ａには、本発明の原理にしたがう２ステージ共振コンバータの第１ステージの一実施の形態における動作波形図を示す。図４Ｂには、本発明の原理にしたがう２ステージ共振コンバータの第２ステージの一実施の形態における動作波形図を示す。図４Ａ及び図４Ｂを説明するために、図３の２ステージ共振コンバータ３００を、図１３の制御可能な定電流源１３００とともに用いて一例を示し、この例について、以下でさらに詳細に説明する。
【００２９】
図４Ａの動作波形図では、最下段から最上段に向かって、信号波形は、スイッチ１３４０のゲート駆動波形（Ｖｇ―Ｑ１）、スイッチ１３４０のドレイン電流波形（ＩＤ−Ｑ１）、ダイオード１３３０の電流波形（ＩＤ１）、及びインダクタ１３５０の電流波形（Ｉ−Ｌ１）である。スイッチ１３４０（Ｑ１）がターンオンすると、入力電圧Ｖｉｎが第１ステージのダイオード１３３０（Ｄ１）に印加され、ダイオード１３３０（Ｄ１）は、ターンオフする。第１ステージのスイッチ１３４０（Ｑ１）は、インダクタ電流を導通させる。この期間では、エネルギは、入力電源１３１０（Ｖｉｎ）から第２ステージへ伝送されるとともに、その期間内に、第１ステージのインダクタ１３５０（Ｌ１）に蓄積される。第１ステージのスイッチ１３４０（Ｑ１）がターンオフした後、第１ステージのダイオード１３３０（Ｄ１）がインダクタ電流を導通させ、蓄積されたインダクタのエネルギは、第２ステージに伝送され続ける。
【００３０】
図４Ｂの動作波形図では、最下段から最上段に向かって、１次スイッチ３４６のゲート駆動波形（Ｖｇ−Ｑ３）、１次スイッチ３４４のゲート駆動波形（Ｖｇ−Ｑ２）、１次スイッチ３４４のドレイン電流波形（ＩＤ−Ｑ２）、２次ダイオード３５８の電流波形（ＩＤ３）、及び１次スイッチ３４４のドレイン−ソース間電圧波形（Ｖｄ−Ｑ２）の信号波形が示されている。時刻Ｔ０で、１次スイッチ３４４（Ｑ２）は、ターンオンし、１次スイッチ３４６（Ｑ３）は、ターンオフする。２次ダイオード３５８（Ｄ３）及び２次ダイオード３５６（Ｄ２）が両方ともオフなので、トランスの２次側はオープンである。トランスの１次側の電流は、励磁電流であり、１次スイッチ３４４（Ｑ２）、第１の１次インダクタ３５２（Ｌｒ２）及び第１の１次巻線Ｐ１を流れ、ＭＯＳＦＥＴである１次スイッチ３４４（Ｑ２）の出力容量を放電する。ターンオン時点で、１次スイッチ３４４のドレイン電流（ＩＤ−Ｑ２）は、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを流れ、１次スイッチ３４４の両端電圧（Ｖｄ−Ｑ２）は、およそゼロとなり、ＺＶＳ（ゼロ電圧スイッチング）条件で１次スイッチ３４４（Ｑ２）をターンオンさせることとなる。１次スイッチ３４４（Ｑ２）のターンオン損失は低くなる。時刻Ｔ１で、１次スイッチ３４４のドレイン電流（ＩＤ−Ｑ２）は、ゼロに達し、１次スイッチ３４４（Ｑ２）のボディダイオードはゼロ電流スイッチングでターンオフし、その電流は、方向を変えて、１次スイッチ３４４（Ｑ２）の正方向のパス（ドレイン−ソース）に変わる。
【００３１】
時刻Ｔ１から、２次ダイオード３５８（Ｄ３）は、ターンオンし、導通し始める。トランスの２次巻線Ｓ２の電圧は、Ｖｏにクランプされる。Ｎが１次巻線の２次巻線に対する巻数比なので、したがってトランスの１次巻線Ｐ１の電圧は、Ｎ×Ｖｏにクランプされる。共振コンデンサ３４８（Ｃｒ）は、第１の１次インダクタ３５２（Ｌｒ２）とで共振し、１次スイッチ３４４のドレイン電流（ＩＤ−Ｑ２）は、ゼロから上昇する。１次スイッチ３４４のドレイン電流（ＩＤ−Ｑ２）は、２つの部分に分けることができ、１つは、Iｄ３／Ｎに等しく、トランスを介して２次側に電力伝送する共振部分であり、他の１つは、励磁部分である。時刻Ｔ２で、共振部分はゼロに減少する。したがって、２次ダイオード３５８（Ｄ３）はＺＣＳ（ゼロ電流スイッチング）条件でターンオフし、スイッチング損失が減少する。時刻Ｔ２から時刻Ｔ３の期間で、２次ダイオード３５７の電流（Ｉ−Ｄ３）がゼロとなるので、トランスの２次側は、「オープン」である。トランスの１次側では、励磁電流だけが残ることになる。
【００３２】
時刻Ｔ３で、１次スイッチ３４４（Ｑ２）は、駆動信号によってターンオフされる。小さな励磁電流だけが１次スイッチ３４４（Ｑ２）を流れるので、これはほぼＺＣＳでのターンオフである。時刻Ｔ３〜時刻Ｔ４の期間は、「デッドタイム」であり、デッドタイムでは、１次スイッチ３４４（Ｑ２）及び１次スイッチ３４６（Ｑ３）はオフである。トランスの１次側では、励磁電流は、以下の２つの部分からなる。すなわち、（１）１次スイッチ３４４のドレイン電流（Ｉｄ−Ｑ２）の部分であり、これは、１次スイッチ３４４（Ｑ２）のドレインからソースに流れ、１次スイッチ３４４（Ｑ２）の出力容量を充電する。（２）１次スイッチ３４６のドレイン電流（Ｉｄ−Ｑ３）の部分であり、これは、１次スイッチ３４６（Ｑ３）のソースからドレインに流れ、１次スイッチ３４６（Ｑ３）の出力容量を放電する。時刻Ｔ４で、１次スイッチ３４４のドレイン電流（ＩＤ−Ｑ２）がゼロに減少し、すべての励磁電流は、ＭＯＳＦＥＴである１次スイッチ３４６（Ｑ３）のボディダイオードを流れている。１次スイッチ３４６（Ｑ３）は、ＺＶＳ条件で駆動信号によってターンオンする。次の１／２周期では、同様の動作メカニズムが繰り返される。
【００３３】
図５には、本発明の原理にしたがうプッシュプルコンバータを用いた２ステージ共振コンバータ５００の他の実施の形態のブロック図を示す。２ステージ共振コンバータ５００は、制御可能な定電流源５３０と、トランス５４０とを有する。トランス５４０は、第１の１次巻線Ｐ１と、第２の１次巻線Ｐ２と、第１の２次巻線Ｓ１と、第２の２次巻線Ｓ２とを有する。制御可能な定電流源５３０は、第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２間で、１次センタタップを形成するノード５４２に接続される。第１の１次スイッチ５４４は、第１の１次巻線Ｐ１と定電流源５３０間に接続され、第２の１次スイッチ５４６は、第２の１次巻線Ｐ２と定電流源５３０間に接続される。
【００３４】
いくつかの実施の形態では、第１の２次ダイオード５５６は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次ダイオード５５８は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続される。第１の２次インダクタ５５２は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次インダクタ５５４は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続されてもよい。共振コンデンサ５４８（Ｃｒ）は、制御可能な定電流源５３０とトランス５４０間で並列に接続されてもよい。第１の２次インダクタ５５２及び第２の２次インダクタ５５４とともに、共振コンデンサ５４８（Ｃｒ）は、共振回路を形成する。絶縁バックコンバータの出力は、負荷抵抗５５０に接続されてもよい。出力コンデンサ５６０は、トランス５４０と絶縁バックコンバータの出力間で並列に接続されてもよい。接地端子５６２は、トランス５４０と絶縁バックコンバータの出力間に接続されてもよい。
【００３５】
図６には、本発明の原理にしたがうプッシュプルコンバータを用いた２ステージ共振コンバータ６００におけるさらなる他の実施の形態のブロック図を示す。２ステージ共振コンバータ６００は、制御可能な定電流源６３０と、トランス６４０とを有する。トランス６４０は、第１の１次巻線Ｐ１と、第２の１次巻線Ｐ２と、第１の２次巻線Ｓ１と、第２の２次巻線Ｓ２とを有する。制御可能な定電流源６３０は、第１の１次巻線Ｐ１と第２の１次巻線Ｐ２間で、１次センタタップを形成するノード６４２に接続される。第１の１次スイッチ６４４は、第１の１次巻線Ｐ１と定電流源６３０間に接続され、第２の１次スイッチ６４６は、第２の１次巻線Ｐ２と定電流源６３０間に接続される。
【００３６】
いくつかの実施の形態では、第１の１次インダクタ６５２は、第１の１次巻線Ｐ１と第１の１次スイッチ６４４間に接続され、第２の１次インダクタ６５０は、第２の１次巻線Ｐ２と第２の１次スイッチ６４６間に接続される。共振コンデンサ６４８は、定電流源６３０とトランス６４０間で並列に接続されてもよい。第１の１次インダクタ６５２及び第２の１次インダクタ６５０とともに、共振コンデンサ６４８は、共振回路を形成する。第１の２次スイッチ６５６は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次スイッチ６５８は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続されてもよい。絶縁バックコンバータの出力は、負荷抵抗６５４に接続されてもよい。出力コンデンサ６６２は、トランス６４０と絶縁バックコンバータの出力間で並列に接続されてもよい。接地端子６６０は、トランス６４０と絶縁バックコンバータの出力間に接続されてもよい。
【００３７】
図７には、本発明の原理にしたがうフルブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータ７００の一実施の形態のブロック図を示す。
【００３８】
２ステージ共振コンバータ７００は、制御可能な定電流源７３０と、トランス７４０とを有する。トランス７４０は、第１の１次巻線Ｐ１と、第１の２次巻線Ｓ１と、第２の２次巻線Ｓ２とを有する。第１の１次スイッチ７４２は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源７３０間に接続される。第２の１次スイッチ７４４は、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子と定電流源７３０間に接続される。第３の１次スイッチ７４６は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源７３０間に接続される。第４の１次スイッチ７４８は、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子と定電流源７３０間に接続される。第１の１次スイッチ７４２及び第３の１次スイッチ７４６は、共通ノード７５０を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子に接続される。第２の１次スイッチ７４４及び第４の１次スイッチ７４８は、共通ノード７５２を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子に接続される。
【００３９】
いくつかの実施の形態では、第１の２次ダイオード７６０は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次ダイオード７６２は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続される。絶縁バックコンバータの出力は、負荷抵抗７５８に接続されてもよい。出力コンデンサ７６４は、トランス７４０と絶縁バックコンバータの出力間で並列に接続されてもよい。１次インダクタ７５６は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と、第１の１次スイッチ７４２及び第３の１次スイッチ７４６の共通ノード７５０との間に接続されてもよい。共振コンデンサ７５４は、定電流源７３０とトランス７４０間で並列に接続されてもよい。１次インダクタ７５６とともに、共振コンデンサ７５４は、共振回路を形成する。
【００４０】
図８には、本発明の原理にしたがうフルブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータ８００の他の実施の形態のブロック図を示す。２ステージ共振コンバータ８００は、制御可能な定電流源８３０と、トランス８４０とを有する。トランス８４０は、第１の１次巻線Ｐ１と、第１の２次巻線Ｓ１と、第２の２次巻線Ｓ２とを有する。第１の１次スイッチ８４２は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源８３０間に接続される。第２の１次スイッチ８４４は、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子と定電流源８３０間に接続される。第３の１次スイッチ８４０は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源８３０間に接続される。第４の１次スイッチ８４８は、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子と定電流源８３０間に接続される。第１の１次スイッチ８４２及び第３の１次スイッチ８４０は、共通ノード８５０を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子に接続される。第２の１次スイッチ８４４及び第４の１次スイッチ８４８は、共通ノード８５２を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子に接続される。
【００４１】
いくつかの実施の形態では、第１の２次ダイオード８５８は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次ダイオード８６０は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続される。２次インダクタ８６２は、第１の２次巻線Ｓ１の第２の端子と第２の２次巻線Ｓ２の第１の端子との間で形成される共通ノードと絶縁バックコンバータの出力間に接続されてもよい。絶縁バックコンバータの出力は、負荷抵抗８５６に接続されてもよい。出力コンデンサ８６４は、トランス８４０と絶縁バックコンバータの出力間で並列に接続されてもよい。共振コンデンサ８５４は、定電流源８３０とトランス８４０間で並列に接続されてもよい。２次インダクタ８６２とともに、共振コンデンサ８５４は、共振回路を形成する。
【００４２】
図９には、本発明の原理にしたがうフルブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータ９００におけるさらなる他の実施の形態のブロック図を示す。２ステージ共振コンバータ９００は、制御可能な定電流源９３０と、トランス９４０とを有する。トランス９４０は、第１の１次巻線Ｐ１と、第１の２次巻線Ｓ１と、第２の２次巻線Ｓ２をと有する。第１の１次スイッチ９４２は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源９３０間に接続される。第２の１次スイッチ９４４は、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子と定電流源９３０間に接続される。第３の１次スイッチ９４６は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源９３０間に接続される。第４の１次スイッチ９４８は、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子と定電流源９３０間に接続される。第１の１次スイッチ９４２及び第３の１次スイッチ９４６は、共通ノード９５０を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子に接続される。第２の１次スイッチ９４４及び第４の１次スイッチ９４８は、共通ノード９５２を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子に接続される。
【００４３】
いくつかの実施の形態では、１次インダクタ９５６は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と、第１の１次スイッチ９４２及び第３の１次スイッチ９４６の共通ノード９５０との間に接続される。共振コンデンサ９５４は、定電流源９３０とトランス９４０間に接続されてもよい。１次インダクタ９５６とともに、共振コンデンサ９５４は、共振回路を形成する。第１の２次スイッチ９６０は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次スイッチ９６２は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続されてもよい。絶縁バックコンバータの出力は、負荷抵抗９５８に接続されてもよい。出力コンデンサ９６６は、トランス９４０と絶縁バックコンバータの出力間で並列に接続されてもよい。接地端子９６４は、トランス９４０と絶縁バックコンバータの出力間に接続されてもよい。
【００４４】
図１０には、本発明の原理にしたがうハーフブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータ１０００の一実施の形態のブロック図を示す。２ステージ共振コンバータ１０００は、制御可能な定電流源１０３０と、トランス１０４０とを有する。トランス１０４０は、第１の１次巻線Ｐ１と、第１の２次巻線Ｓ１と、第２の２次巻線Ｓ２とを有する。第１の１次スイッチ１０４２は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源１０３０間に接続される。第２の１次スイッチ１０４４は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源１０３０間に接続される。第１の１次スイッチ１０４２及び第２の１次スイッチ１０４４は、共通ノード１０４６を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子に接続される。
【００４５】
いくつかの実施の形態では、第１の２次ダイオード１０５８は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次ダイオード１０６０は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続される。絶縁バックコンバータの出力は、負荷抵抗１０５６に接続されてもよい。出力コンデンサ１０６２は、トランス１０４０と絶縁バックコンバータの出力間で並列に接続されてもよい。１次インダクタ１０５４は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と、第１の１次スイッチ１０４２及び第２の１次スイッチ１０４４の共通ノード１０４６との間に接続されてもよい。第１の共振コンデンサ１０４８及び第２の共振コンデンサ１０５０は、定電流源１０３０とトランス１０４０間に接続されてもよい。第１の共振コンデンサ１０４８及び第２の共振コンデンサ１０５０は、共通ノード１０５２から第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子に接続されてもよい。１次インダクタ１０５４とともに、第１の共振コンデンサ１０４８及び第２の共振コンデンサ１０５０は、共振回路を形成する。
【００４６】
図１１には、本発明の原理にしたがうハーフブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータ１１００の他の実施の形態のブロック図を示す。２ステージ共振コンバータ１１００は、制御可能な定電流源１１３０と、トランス１１４０とを有する。トランス１１４０は、第１の一次巻線Ｐ１と、第１の２次巻線Ｓ１と、第２の２次巻線Ｓ２とを有する。第１の１次スイッチ１１４２は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源１１３０間に接続される。第２の１次スイッチ１１４４は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源１１３０間に接続される。第１の１次スイッチ１１４２及び第２の１次スイッチ１１４４は、共通ノード１１４６を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子に接続される。
【００４７】
いくつかの実施の形態では、第１の２次ダイオード１１５６は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次ダイオード１１５８は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続される。絶縁バックコンバータの出力は、負荷抵抗１１５４に接続されてもよい。出力コンデンサ１１６２は、トランス１１４０と絶縁バックコンバータの出力間で並列に接続されてもよい。２次インダクタ１１６０は、第１の２次巻線Ｓ１及び第２の２次巻線Ｓ２の共通ノードと絶縁バックコンバータの出力間に接続されてもよい。第１の共振コンデンサ１１４８及び第２の共振コンデンサ１１５０は、定電流源１１３０とトランス１１４０間に接続されてもよい。第１の共振コンデンサ１１４８及び第２の共振コンデンサ１１５０は、共通ノード１１５２を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子に接続されてもよい。２次インダクタ１１６０とともに、第１の共振コンデンサ１１４８及び第２の共振コンデンサ１１５０は、共振回路を形成する。
【００４８】
図１２には、本発明の原理にしたがうハーフブリッジコンバータを用いた２ステージ共振コンバータ１２００のさらなる他の実施の形態のブロックを示す。２ステージ共振コンバータ１２００は、制御可能な定電流源１２３０と、トランス１２４０とを有する。トランス１２４０は、第１の１次巻線Ｐ１と、第１の２次巻線Ｓ１と、第２の２次巻線Ｓ２とを有する。第１の１次スイッチ１２４２は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源１２３０間に接続される。第２の１次スイッチ１２４４は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と定電流源１２３０間に接続される。第１の１次スイッチ１２４２及び第２の１次スイッチ１２４４は、共通ノード１２４６を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子に接続される。
【００４９】
いくつかの実施の形態では、第１の２次スイッチ１２５８は、第１の２次巻線Ｓ１と絶縁バックコンバータの出力間に接続され、第２の２次スイッチ１２６０は、第２の２次巻線Ｓ２と絶縁バックコンバータの出力間に接続される。絶縁バックコンバータの出力は、負荷抵抗器１２５６に接続されてもよい。出力コンデンサ１２６４は、トランス１２４０と絶縁バックコンバータの出力間で並列に接続されてもよい。接地端子１２６２は、トランス１２４０と絶縁バックコンバータの出力間に接続されてもよい。１次インダクタ１２５４は、第１の１次巻線Ｐ１の第１の端子と第１の１次スイッチ１２４２及び第２の１次スイッチ１２４４の共通ノード１２４６間に接続されてもよい。第１の共振コンデンサ１２４８及び第２の共振コンデンサ１２５０は、定電流源１２３０とトランス１２４０間に接続されてもよい。第１の共振コンデンサ１２４８及び第２の共振コンデンサ１２５０は、共通ノード１２５２を介して、第１の１次巻線Ｐ１の第２の端子に接続されてもよい。１次インダクタ１２５４とともに、第１の共振コンデンサ１２４８及び第２の共振コンデンサ１２５０は、共振回路を形成する。
【００５０】
図１３には、本発明の原理にしたがう制御可能な定電流源１３００の一実施の形態のブロック図を示す。定電流源１３００は、入力電圧源１３１０と、入力コンデンサ１３２０と、第１ステージダイオード１３３０と、第１ステージスイッチ１３４０と、第１ステージインダクタ１３５０とを有する。入力コンデンサ１３２０は、入力供給電圧Ｖｉｎを生成する入力電圧源１３１０と、第１ステージダイオード１３３０に並列に接続される。一実施の形態では、第１ステージスイッチ１３４０は、エンハンスメントモードのＮチャネルＭＯＳＦＥＴである。ただし、他のタイプのスイッチを同様に用いることができる。第１ステージスイッチ１３４０の第１の端子（すなわち、ドレイン端子）は、入力電圧源１３１０の正の端子及び入力コンデンサ１３２０の第１の端子に接続される。第１ステージスイッチ１３４０の第３の端子（すなわち、ソース端子）は、第１ステージダイオード１３３０のカソード端子に接続され、第１ステージインダクタ１３５０の第１の端子に接続される。入力コンデンサ１３２０の第２の端子は、入力電圧源１３１０の負側端子に接続され、第１ステージダイオード１３３０のアノード端子に接続される。さらに、第１ステージダイオード１３３０のアノード端子は、入力電圧源１３１０の負側端子にも接続される。この定電流源１３００については、上述した図２〜３、及び図５〜１２に関連して示し、説明したが、いかなる制御可能な定電流源を用いることができる。さらに、図１３に示された構成以外の他の定電流源を実施の形態の変形例として用いることができる。
【００５１】
本発明は、この発明の構成に関する原理及び動作の理解を容易にするために詳細を取り込んだ特定の実施の形態に関して記載されている。特定の実施の形態及び詳細な説明において、そのような詳細を用いることによって、本明細書に添付される請求の範囲が制限されるものではない。他のさまざまな変形が実施できることは当業者にとって容易かつ明らかであり、請求の範囲によって規定されるように、等価物、あるいは均等物は、発明の精神と範囲から逸脱することなく、説明のために選択された実施の形態の構成要素を置換されてもよい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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