(57)【要約】  AC入力電圧VinをDC出力電圧に変換するAC/DC変換器は、インダクタ、インダクタに選択的に接続されるキャパシタ、複数のスイッチ、およびコントローラを含む。コントローラは、複数のスイッチ、インダクタ、およびキャパシタを含み、Vin>Voutの時の間にバック変換器として動作し、Vin<-Voutの時の間に反転バック変換器として動作する。コントローラは、複数のスイッチのデューティサイクルを調節して、所望の一定の出力レベルにDC出力電圧Voutを調整する。
2013538544.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
AC入力電圧VinをDC出力電圧Voutに変換するためのAC/DC変換器であって：
インダクタと；
Vin>Voutの時にAC入力電圧の正の半サイクルの間、エネルギの格納と電流の供給との間で前記インダクタを交互に設定する第1および第2のスイッチと；
Vin<-Voutの時にAC入力電圧の負の半サイクルの間、エネルギの格納と電流の供給との間で前記インダクタを交互に設定する第3および第4のスイッチと；
前記第1、第2、第3および第4のスイッチを制御するように構成されたコントローラと；
を具備することを特徴とするAC/DC変換器。
【請求項２】
前記コントローラは、AC入力電圧VinとDC出力電圧Voutとを比較するように構成された比較回路を含むことを特徴とする請求項1に記載のAD/DC変換器。
【請求項３】
前記コントローラはまた、AC入力電圧VinとDC出力電圧Voutとの比較に依存して、前記第1、第2、第3および第4のスイッチのスイッチングを制御するスイッチ制御回路を含むことを特徴とする請求項2に記載のAC/DC変換器。
【請求項４】
前記コントローラは、DC出力電圧Voutと比較したAC入力電圧Vinに依存して、前記第1、第2、第3および第4のスイッチのスイッチングを制御するスイッチ制御回路を含むことを特徴とする請求項1に記載のAC/DC変換器。
【請求項５】
Vin>Voutの時にAC入力電圧の正の半サイクルの間、前記コントローラは、周波数ｆおよびデューティサイクルDで前記第1のスイッチをオンおよびオフに切り替えるように構成され、周波数ｆおよびデューティサイクル（1-D）で前記第2のスイッチをオンおよびオフに切り替えるように構成されることを特徴とする請求項1に記載のAC/DC変換器。
【請求項６】
Vin<-Voutの時にAC入力電圧の負の半サイクルの間、前記コントローラは、周波数ｆおよびデューティサイクルDで前記第3のスイッチをオンおよびオフに切り替えるように構成され、周波数ｆおよびデューティサイクル（1-D）で前記第4のスイッチをオンおよびオフに切り替えるように構成されることを特徴とする請求項5に記載のAC/DC変換器。
【請求項７】
前記コントローラは、Dを調節し、DC出力電圧Voutを調整するように構成されたパルス幅変調器を含むことを特徴とする請求項6に記載のAC/DC変換器。
【請求項８】
AC入力電圧VinをDC出力電圧Voutに変換するためのAC/DC変換器であって：
インダクタと；
前記インダクタに選択的に接続されるキャパシタと；
複数のスイッチと；
Vin>Voutの時の間にバック変換器として動作するように、複数のスイッチ、インダクタおよびキャパシタを設定し、Vin<-Voutの時の間に反転バック変換器として動作するように、複数のスイッチ、インダクタおよびキャパシタを設定するコントローラと；
を具備することを特徴とするAC/DC変換器。
【請求項９】
前記複数のスイッチは、Vin>Voutの時の間にバック変換器のトランジスタを切り替える機能をする第1および第2のスイッチを含むことを特徴とする請求項8に記載のAC/DC変換器。
【請求項１０】
前記複数のスイッチはまた、Vin<-Voutの時の間に反転バック変換器のトランジスタを切り替える機能をする第3および第4のスイッチを含むことを特徴とする請求項9に記載のAC/DC変換器。
【請求項１１】
前記コントローラは：
Vin>Voutの時の間に、共通の周波数fと、各々デューティサイクルDおよびデューティサイクル（1-D）とで前記第1および第2のスイッチをオンおよびオフに切り替え；
Vin<-Voutの時の間に、共通の周波数fと、各々デューティサイクルDおよびデューティサイクル（1-D）とで前記第3および第4のスイッチをオンおよびオフに切り替える；
ように構成されることを特徴とする請求項10に記載のAC/DC変換器。
【請求項１２】
前記コントローラは、第1および第3のスイッチのデューティサイクルDを調節することによって、および第2および第4のスイッチのデューティサイクル（1-D）を調節することによってDC出力電圧を調整するように構成されたパルス幅変調器を含むことを特徴とする請求項11に記載のAC/DC変換器。
【請求項１３】
AC入力電圧VinをDC出力電圧Voutに変換する方法であって：
バック変換器を使用してDC出力電圧Voutへ正の半サイクルの間にAC入力電圧を変換する過程と；
反転バック変換器を使用してDC出力電圧Voutへ負の半サイクルの間にAC入力電圧を変換する過程と；
を具備することを特徴とする方法。
【請求項１４】
正および負の半サイクルの間にAC入力電圧をDC出力電圧に変換する過程は、前記バック変換器および前記反転バック変換器のスイッチのデューティサイクルを調節することによって実行されることを特徴とする請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
バック変換器を使用してDC出力電圧VoutへAC入力電圧を正の半サイクルで変換する過程は：
Vin>Voutの時を判断する過程と；
Vin>Voutであると判断される間、AC入力電圧をDC出力電圧Voutに変換する過程と；
を具備することを特徴とする請求項13に記載の方法。
【請求項１６】
反転バック変換器を使用してDC出力電圧VoutへAC入力電圧を負の半サイクルで変換する過程は：
Vin<-Voutの時を判断する過程と；
Vin<-Voutであると判断される間、AC入力電圧をDC出力電圧Voutに変換する過程と；
を具備することを特徴とする請求項13に記載の方法。
【請求項１７】
バック変換器および反転バック変換器は、共通のインダクタを共有する結合されたバックおよび反転バック変換回路を具備することを特徴とする請求項13に記載のAC/DC変換器。
【請求項１８】
AC入力電圧VinをDC出力電圧Voutに変換するためのAC/DC変換器であって：
Vin>Voutの時およびVin<-Voutの時を判断するための手段と；
Vin>Voutの時の間、DC出力電圧Voutへ正の半サイクルの間にAC入力電圧を変換するための第1の変換手段と；
Vin<-Voutの時の間、DC出力電圧Voutへ負の半サイクルの間にAC入力電圧を変換するための第2の変換手段と；
を具備することを特徴とするAC/DC変換器。
【請求項１９】
前記第1の変換手段および前記第2の変換手段を制御するための手段をさらに具備することを特徴とする請求項18に記載のAC/DC変換器。
【請求項２０】
前記第1の変換手段は、第1のスイッチング手段を含み；
前記第2の変換手段は、第2のスイッチング手段を含み；
前記コントローラは、一定のレベルでDC出力電圧Voutを維持するために、前記第1および第2のスイッチング手段を制御するように構成されることを特徴とする請求項19に記載のAC/DC変換器。
【請求項２１】
AC入力電圧VinをDC出力電圧Voutに変換するためのAC/DC変換器であって：
インダクタと；
キャパシタと；
AC入力電圧VinをDC出力電圧Voutに変換するために、前記インダクタに対して前記キャパシタを選択的に接続および分離するように構成された複数のスイッチと；
を具備することを特徴とするAC/DC変換器。
【請求項２２】
前記AC/DC変換器は、ブリッジ整流器を使用することなく、AC入力電圧VinをDC出力電圧Voutに変換するように構成されることを特徴とする請求項21に記載のAC/DC変換器。
【請求項２３】
前記AC/DC変換器は、ステップダウン変圧器を使用することなく、AC入力電圧をDC出力電圧Voutにステップダウンするように構成されることを特徴とする請求項21に記載のAC/DC変換器。
【請求項２４】
前記インダクタ、キャパシタ、および前記複数のスイッチのスイッチは、Vin>Voutの時の間にバック変換器として構成されることを特徴とする請求項21に記載のAC/DC変換器。
【請求項２５】
前記インダクタ、キャパシタ、および前記複数のスイッチのスイッチは、Vin<-Voutの時の間に反転バック変換器として構成されることを特徴とする請求項21に記載のAC/DC変換器。
【請求項２６】
前記複数のスイッチの１つまたは複数のスイッチは、軽負荷状態の間に前記インダクタから前記キャパシタを絶縁するように構成され、前記キャパシタが前記軽負荷状態の間に負荷への電源として機能できるようにすることを特徴とする請求項21に記載のAC/DC変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、電力変換に関し、具体的には、交流電流（AC）を直流電流（DC）に変換するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの家庭や産業用の機械およびデバイスは、交流電流（AC）主電源が提供するAC電力から整流された直流（DC）電源によって電力供給される。AC-DC整流は通常、図１に示すように構成された４つのダイオード102-1、102-2、102-3および102-4からなるブリッジ整流器104（即ち“ダイオードブリッジ”）を使用して達成される。ブリッジ整流器104は、AC入力電圧Vinの正および負の半サイクルを、一定の極性の全波整流された波形に変換する（図2Aおよび2Bを参照）。負荷108にわたって所望の一定のDC出力電圧Voutを生成するために、整流された波形は、平滑回路によってフィルタ処理され、最も単純な形式の平滑回路は、ブリッジ整流器104の出力に接続された平滑キャパシタ106を含む。平滑キャパシタ106は、図2Cに示す通り、AC入力電圧Vinの低い部分の間、ピーク電圧Vpeakの近傍にDC出力電圧Voutを維持するように機能する。平滑キャパシタ106によるフィルタ処理の後さらに、ACリップルの一部分がDC出力Vout上に重ね合わされる。リップルは、用途に依存して許容され、または許容されない。リップルが許容されない用途では、リップルを許容レベルに低減するために追加のフィルタ処理が採用されうる。
【０００３】
図1のAC/DC変換器100は、AC入力電圧Vinのピーク電圧Vpeakの近傍にDC出力電圧Voutを生成する（図2Cを参照）。しかし、多くの用途では、さらにより低い電圧を要求する。例えば、多くの機械およびデバイスは、12ボルトDCまたはそれより低いDC電圧を要求するが、中心タップが120ボルトRMS（平方根）である住居の主電源が約170Vである。要求されたレベルにDC電圧を低減するために、ステップダウン変圧器、即ちDC-DC変換器302（即ち、“バック変換器”）が使用される。図3は、DC-DC変換器302の使用を示す。DC-DC変換器302は、スイッチ（通常、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET））304、ダイオード（または代わりに、第2のMOSFET）306、インダクタ308、フィルタキャパシタ310、およびパルス幅変調器（PWM）制御312を含む。PWM制御312は、60Hzの回線周波数よりさらに高い固定周波数ｆ（通常、1kHzより高い周波数）で、スイッチ304の開閉を制御する。スイッチ304がターンオンされる時、電流は、スイッチ304を介して流れ、インダクタ308、次いでフィルタキャパシタ310および負荷108に流れる。増加電流により、インダクタ308の磁場が増大し、エネルギがインダクタの磁場に格納される。スイッチ304がターンオフされる時、インダクタ308にわたる電圧降下は迅速に、極性を反転し、インダクタ308に格納されたエネルギは、負荷108への電流源として使用される。スイッチ304が周期T毎にオンになる時（tON）の割合によって、DC出力電圧Voutは、判断される（ここで、T=1/f）。具体的には、Vout=DVin（dc）であり、ここで、D=tON/Tは、“デューティサイクル”として知られ、Vin（dc）は、ブリッジ整流器104の出力で提供されるソースDC入力電圧である。PWM制御312は、フィードバック経路で構成され、デューティサイクルDを調節することによって、DC出力電圧Voutを調整することができる。
【０００４】
図3のAC/DC変換器は、図1のAC/DC変換器がDC電圧をより低いDC電圧にステップダウンできないことに対して取り組む一方で、従来のAC/DC変換器のもう1つの周知の課題‐低い力率（low  power  factor）に取り組むものではない。AC/DC変換器の力率は、0と1との間の無次元数であって。AC電源からの有効電力がどれくらい効率的に負荷に伝送されるかを示す。低い力率のAC/DC変換器は、伝送された同じ有効電力量に対して高い力率を有する変換器よりも、主電源からより多くの電流を引き出す。低い力率は、入力電流Iinに対する入力電圧Vinの位相の不一致に起因して、または入力電流Iinの形状を歪ませる非線形負荷の作用により、起こる。後者の状況は、ダイオードブリッジ104を使用する上記説明した図1および3に記載のような、力率補正されていない（non  power  factor  corrected）AC/DC変換器で生じる。図1のAC/DC変換器100のフィルタキャパシタ106（および同様に、図３のAC/DC変換器300のフィルタキャパシタ310）は、ほとんどの時間、ピーク電圧Vpeakの近傍に充電されたままである。これは、瞬間AC線間電圧Vinがほとんどの時間、フィルタキャパシタ106の電圧を下回ることを意味する。従って、ブリッジ整流器104のダイオード102-1、102-2、102-3、102-4は、各AC半サイクルの小さな部分の間だけ導電し、それにより、主電源から引き出された入力電流Iinが、図4に示す通り、一連の狭いパルスになる。入力電流IinがAC入力電圧Vinに対して同位相である一方、Iinが歪められ、故にライン周波数（line  frequency）の高調波を多く含むことが分かる。高調波は、力率を減少させ、変換効率を低減し、AC主電源ジェネレータおよび配電システムに望ましくない発熱をもたらす。高調波はまた、他の電気機器の性能に干渉しうるノイズを生成する。
【０００５】
高調波を低減して、力率を増やすために、従来のAC/DC変換器はしばしば、力率補正（PFC）前置レギュレータを備えている。PFC前置レギュレータは、さまざまな方法で形成されうる。１つの手法では、図5の力率補正されたAC/DC変換器500に示す通り、ブリッジ整流器104とDC-DC変換器302との間に接続されたPFCブースト変換器502を採用する。PFCブースト変換器502は、インダクタ504、スイッチ506、ダイオード508、出力キャパシタ510およびPFC制御512を含む。PFC制御512は、スイッチ506のオンおよびオフ状態を制御する。スイッチ506がオンに切り替えられる時、主電源からの電流は、インダクタ504を通過し、インダクタの磁場内でエネルギが上昇して格納される。この時間の間、DC-DC変換器302および負荷108への電流は、キャパシタ510の電荷によって供給される。スイッチ506がターンオフされる時、インダクタ504にわたる電圧は、電流における任意の降下を妨げるように瞬時に極性を反転して、電流は、インダクタ504、ダイオード508およびDC-DC変換器302へ流れ、キャパシタ510を同様に再充電する。極性が反転すると、インダクタ504にわたる電圧は、ソース入力DC電圧を増加させ、それにより入力DC電圧を上げる。PFCブースト変換器502の出力電圧は、PFC制御回路512によって提供されるオン-オフスイッチ制御信号のデューティサイクルDに依存する。具体的には、PFCブースト変換器502の出力電圧は、1/(1-D)に比例し、ここでDは、デューティサイクルであり、(1-D)は、スイッチ506がオフであるスイッチングサイクルT（即ち、整流期間(commutation  period)）の割合である。デューティサイクルDの設定に追加して、PFC制御512により、DC-DC変換器302および負荷108は、AC入力電圧Vinの正弦曲線の形状に概ね追従する電流を強制的に引き出し、それにより高調波を低減して、AC/DC変換器500の力率を増やす。
【０００６】
力率補正されたAC/DC変換器500は、多くの用途に適している。しかし、それは多くの欠点を有する。先ず、AC/DC変換器は、特にAC-DC電力変換が、のフロントエンドにPFCブースト変換器502と最終段階にDC-DC変換器302との２つの段階を必要とするので、所望の効率よりも低い。第2に、変換器500は、2つの制御回路を実装するのに必要な部品を含む多数の部品を有し（PFC制御512およびPWM制御312）、設計上の複雑性及びコストを高めて、変換器500がより故障に弱くなる。第3に、PFCブースト変換器502は、とても高い電圧を生成し、変換器の部品にストレスを加え、安全上の懸念が増す。
【０００７】
従って、ブリッジ整流器を使用することに起因する力率の低下を回避して、力率の低下を防ぐ電圧ブースタを必要とせず、多数の部品を有しない、ACからDCに変換するのに効率的なAC/DC変換方法および装置が望まれる。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
交流電流（AC）を直流電流（DC）に変換するための方法および装置が望まれる。AC主電源によって提供されうるようなAC入力電圧VinをDC出力電圧に変換する例示的なAC/DC変換器は、インダクタ、キャパシタ、複数のスイッチ、およびコントローラを含む。コントローラは、複数のスイッチ、インダクタ、およびキャパシタを、Vin>Voutの時の間にバック変換器として動作するように設定し、Vin<-Voutの時の間に反転バック変換器として動作するように設定する。コントローラは、複数のスイッチのデューティサイクルを調節して、DC出力電圧Voutを所望の一定の出力レベルに調整する。
【０００９】
本発明のAC/DC変換器は、AC入力電圧VinをDC出力電圧Voutに直接変換し、即ちAC-DC変換を実行するためにブリッジ整流器または変圧器の必要がない。直接的なAC-DC変換は、ブリッジ整流器の使用に起因して力率が低下する問題を回避し、専用の力率補正の前置レギュレータ回路の必要性をなくし、結果として少ない部品数およびエネルギ効率のある設計をもたらす。
【００１０】
本発明の上記要約された例示的な実施形態および他の例示的な実施形態の構造および動作の説明を含む、本発明のさらなる特徴および利点は、添付の図面を参照して詳細にここで説明され、同一の参照番号は、同一または機能的に類似の要素を示すのに使用される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図1は、従来の交流電流/直流電流（AC/DC）変換器の回路図である。
【図２Ａ】図2Aは、図1のAC/DC変換器のAC入力に印加されたAC入力電圧Vinの信号図である。
【図２Ｂ】図２Bは、図1のAC/DC変換器のブリッジ整流器の出力で生成される、フィルタ処理されていない全波整流された電圧波形の信号図である。
【図２Ｃ】図２Cは、平滑キャパシタによってフィルタ処理された後、図１のAC/DC変換器のDC出力電圧の信号図である。
【図３】図3は、おそらくブリッジ整流器および平滑キャパシタを単に使用するものよりも低いレベルに、DC電圧出力をステップダウンするためのステップダウンバック変換器を備えるAC/DC変換器の回路図である。
【図４】図4は、図1および図3のAC/DC変換器によって使用されるブリッジ整流器が、高調波の多い狭いパルスのAC/DC電源から、どのように電流を引き出すかを示す信号図である。
【図５】図5は、ステップダウンバック変換器と、AC/DC変換器のブリッジ整流器によって引き起こされる力率の低下を補正する力率補正ブースト変換器とを有するAC/DC変換器の回路図である。
【図６】図6は、本発明の実施形態によるAC/DC変換器の回路図である。
【図７】図7は、図6のAC/DC変換器に供給されるAC入力電圧Vinと、AC/DC変換器によって生成されるDC出力電圧Voutおよびその反転の-Voutに対するVinの関係の信号図とを示す。
【図８】図8は、図6のAC/DC変換器のスイッチが、図6のAC/DC変換器によって生成されるDC出力電圧Voutおよびその反転の-Voutと比較したAC入力電圧Vinの瞬間電圧に依存して、どのように切り替えおよび駆動されるかを示すテーブルである。
【図９】図9は、図6のAC/DC変換器が、Vin>Voutの時、AC入力電圧の正の半サイクルの時間の間、どのようにバック変換器に帰着して動作するかを示す回路図である。
【図１０】図10は、図6のAC/DC変換器が、Vin<-Voutの時、AC入力電圧の負の半サイクルの時間の間、どのように反転バック変換器に帰着して動作するかを示す回路図である。
【図１１】図11は、図6のAC/DC変換器のコントローラの一部を形成して、AC入力電圧VinとDC出力電圧Voutとを比較して、Vin>VoutおよびVin<-Voutの何れかである時を判断する比較回路の回路図である。
【図１２】図12は、図6のAC/DC変換器のコントローラの一部を形成して、図6のAC/DC変換器のスイッチの切り替えを制御するように動作するスイッチ制御回路の回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
図6を参照すると、本発明の実施形態による交流電流／直流電流（AC/DC）変換器600が示される。AC/DC変換器600は、第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608、インダクタ610、平滑キャパシタ612およびコントローラ614を含む。第1のスイッチ602は、AC入力の1つの端子とインダクタ610の第1の端子との間に接続され、第2のスイッチ604は、インダクタ610の第1の端子とAC入力の逆極性端子との間に接続され、第3のスイッチ606は、AC入力とインダクタ610の第2の端子との間に接続され、第4のスイッチ608は、インダクタ610の第2の端子と正のDC出力端子との間に接続される。コントローラ614は、DC出力電圧と比較した瞬間AC入力電圧Vinに依存して、第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608のスイッチングを制御するためのスイッチ駆動信号を生成し、第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608のデューティサイクルを選択的に調節し、それによりDC出力電圧Voutは、以下詳細に説明する通り、所望のレベルに維持される。
【００１３】
AC/DC変換器600の構成要素は、個別素子、１つまたは複数の集積回路（IC）チップ、または個別素子およびICチップの組み合わせを含む。1つの実施形態では、コントローラ614と第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608とは、標準相補型金属酸化膜半導体（CMOS）組立工程に従って製造された単一のICチップに統合され、第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608は、金属酸化膜半導体電界効果トランジスタ（MOSFET）を含む。もう1つの実施形態では、第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608は、第1のICチップに形成され、コントローラは、第2のICチップに形成される。第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608が上記説明した例示的な実施形態におけるシリコンベースのMOSFETを含む一方で、他のタイプのスイッチングデバイスは、従来のスイッチ、ダイオード、リレー、または他の半導体ベース若しくは非半導体ベースのスイッチングデバイスを含んで使用されうる。例えば、高速なスイッチング速度を必要とする用途において、高電子移動度トランジスタ（HEMT）またはヘテロ接合バイポーラトランジスタ（HBT）等の、化合物半導体ベースのトランジスタデバイスは、シリコンベースのMOSFETの代わりに、第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608を実装するために使用されうる。この開示の目的のために、用語“スイッチ”は、全てのこれらタイプのスイッチおよび任意の他の適切なスイッチングデバイスを含むように、その最も広い意味で使用される。インダクタ610およびキャパシタ612はまた、1つまたは複数のICチップに統合されてもよく、またはこれらデバイスの1つまたは両方は、1つまたは複数のICチップの外部ピンに接続された個別素子でもよい。
【００１４】
AC/DC変換器600は、ダイオードブリッジまたはステップダウン変圧器を必要とすることなく、AC電源によって提供されうるようなAC入力電圧VinをDC出力電圧Voutに直接変換するように構成される。直接変換は、コントローラ614を使用して第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608のon/off状態を制御および調節することによって達成される。より具体的には、DC出力電圧Voutと比較した瞬間AC入力電圧Vinに依存して、スイッチは、ターンオンされ（閉じられ）、ターンオフされ（開かれ）、デューティサイクルDのスイッチ駆動信号によって駆動され、またはデューティサイクル（1‐D）の相補スイッチ駆動信号によって駆動される。スイッチ駆動信号（図6の符号“D”）および相補スイッチ駆動信号（図6の符号“1‐D”）は、周期的（または半周期的）であり、共通の、固定されたスイッチング周波数f=1/Tを有し、ここでTは、スイッチング周期である。図7の信号図および図8のスイッチングテーブルに示す通り、Vin>Voutの時、第1のスイッチ602は、デューティサイクルtON/T=Dでスイッチ駆動信号によって駆動され、第2のスイッチ604は、デューティサイクル（T-tON）/T=（1-D）で相補スイッチ駆動信号によって駆動され、第3のスイッチ606は、ターンオフされ、第4のスイッチ608は、ターンオンされる。Vin<-Voutの時、第1のスイッチ602は、ターンオフされ、第2のスイッチ604は、ターンオンされ、第3のスイッチ606は、デューティサイクルDでスイッチ駆動信号によって駆動され、第4のスイッチは、デューティサイクル（1-D）で相補スイッチ駆動信号によって駆動される。最後に、Vinが-Voutより大きいがVoutより小さい、即ち|Vin|<Voutの時、第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608は、ターンオフされる。
【００１５】
AC/DC変換器600のDC出力電圧は、D|Vin|に等しく、ここで|Vin|は、瞬間AC入力電圧の絶対値である。1つの実施形態によると、コントローラ614は、デューティサイクルDを調節し、DC出力電圧Voutを調整し、それによりVoutが一定のレベルに維持される。デューティサイクルDはまた、AC/DC変換器600の力率を改善するように管理されうる。Dが本明細書で説明した例示的な実施形態において、一定のレベルでDC出力電圧Voutを維持するように調節され、一般にVout、D、およびVinは、全て変数である。従って、Voutは、必ずしも一定のレベルで維持される必要がない。
【００１６】
AC/DC変換器600は、統合された（即ち、結合された）バック変換器(buck  converter)と反転バック変換器とを含むことを理解することによって、Vout=D|Vin|であることが直ちに分かる。Vin>Voutの時、AC入力波形の正の半サイクルの間、第3のスイッチ606がオフであり、第4のスイッチ608がオンであり、AC/DC変換器600は、図9に示す通り、バック変換器600Aに帰着し、バック変換器600Aとして動作する。第1および第2のスイッチ602および604は、バック変換器のハイサイドおよびローサイドスイッチとして機能し、デューティサイクルDでスイッチ駆動信号とデューティサイクル（1-D）で相補スイッチ駆動信号とによって各々駆動される。第1および第2のスイッチ602および604は故に、Vin>Voutの時、AC入力電圧の正の半サイクルの間にエネルギを格納すること、および電流を供給することの間で交互にインダクタ610を設定し、DC出力電圧Vout=DVinを提供する。
【００１７】
Vin<-Voutの時、AC入力波形の負の半サイクルの間、第1のスイッチ602がオフであり、第2のスイッチ604がオンであり、AC/DC変換器600は、図10に示す通り、“反転”バック変換器600Bとして言及することができるものに帰着し、バック変換器600Bとして動作する。第3および第4のスイッチ606および608は、各々スイッチ駆動信号Dおよび相補スイッチ駆動信号（1-D）によって駆動される。反転バック変換器600Bは、負の入力電圧Vinを反転し、D|Vin|に等しい出力電圧Voutを生成するために、Vin<-Voutの時、AC入力電圧の負の半サイクルの間、エネルギを格納すること、および電流を供給することの間でインダクタ610を、第3および第4のスイッチ606および608のスイッチ動作によって交互に設定する。故に、正および負の半サイクルの両方を考慮すると、AC/DC変換器600は、DC出力電圧Vout=D|Vin|を生成する。
【００１８】
AC/DC変換器600のコントローラ614は、Vin>VoutまたはVin<-Voutであるかを判断するために、AC入力電圧VinとDC出力電圧Voutとを連続的に比較する比較回路を含む。図11は、このタスクを実行する例示的な比較回路1100の図である。比較回路1100は、第1および第2の比較器1102および1104と、反転増幅器1106と、抵抗1108および1110を含む第1の分圧器と、抵抗1112および1114を含む第2の分圧器とを備える。第1の分圧器は、AC入力電圧を、縮小されたAC入力電圧αVinに縮小し、それにより電圧は、第1の変換器1102の許容可能な入力電圧範囲限度内になる。第2の分圧器は、DC出力電圧を、縮小されたDC出力電圧αVoutを生成するために、同じ量だけ縮小する。第1の比較器1102は、縮小されたAC入力電圧αVinと縮小されたDC出力電圧αVoutとを比較し、Vin>Voutの時に高出力電圧と、Vin<Voutの時に低出力電圧とを生成する。反転増幅器1106は、縮小され反転されたDC出力電圧-αVoutを生成するために、縮小されたDC出力電圧αVoutを反転する。第2の比較器1104は、縮小され反転されたDC出力電圧-αVoutと縮小されたAC入力電圧αVinとを比較し、Vin<-Voutの時に高出力電圧と、Vin>-Voutの時に低出力電圧とを生成する。
【００１９】
AC/DC変換器600のコントローラ614はまた、図12に示す通り、スイッチ制御回路1200を含み、第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608のスイッチングを制御する。スイッチ制御回路1200は、誤差増幅器1202と、パルス幅変調器（PWM）1204と、第1、第2、第3および第4のスイッチ602、604、606および608のスイッチングを制御するオン/オフ状態を有するスイッチ1206-1216とを含む。誤差増幅器1202は、DC出力電圧Voutと、所望のDC出力電圧Voutに等しく、その電圧Voutを定義する精密参照電圧Vrefとを比較し、VrefおよびVout間の差に基づき誤差信号εを生成する。PWM1204は、上記スイッチ駆動信号（図12の符号“D”）および相補スイッチ駆動信号（図12の符号“1-D”）を生成し、誤差信号εに基づきDを調節し、それによりDC出力電圧Voutを調整する機能をスイッチ制御回路1200に提供する。スイッチ1206-1216は、図11の比較回路1100の第1および第2の比較器1102および1104の出力によって制御され、図8のスイッチングテーブルに従って、第1、第2、第3及び第4のスイッチ602、604、606および608のスイッチング状態を制御する。
【００２０】
上記例示的な実施形態では、スイッチ制御回路1200は、図8のスイッチングテーブルに従い、スイッチ606、604、606および608の開閉を制御するものとして説明される。もう１つの実施形態では、コントローラ614は代替的に、またはさらには、軽負荷状態（light  load  condition）の間にスイッチ608を開いたまま維持するように構成される（ここで、軽負荷状態は、用途に依存し、設計において確立および設定されるものである）。残りのスイッチ602、604および606は、図8のスイッチングテーブルに従って動作するように構成され、または負荷616に対する影響がないまま、全く切り替えられないように構成される。故に、軽負荷状態の間、キャパシタ612は、負荷616への電源として機能する。
【００２１】
本発明の各種実施形態が説明された一方、それらは、例示的であって限定的に示されたものではない。当業者であれば、形式および詳細における各種変更が本発明の精神および範囲から逸脱することなく、例示的な実施形態に対して行われうることが分かる。従って、本発明の範囲は、例示的な実施形態の詳細によって限定されるべきでない。むしろ、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲、およびその範囲に記載されたものと均等な全範囲によって定められるべきである。
【符号の説明】
【００２２】
６１４  コントローラ
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４】
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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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【国際調査報告】
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