(57)【要約】【課題】パワーの消費ロスが少ない自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータを提供する。【解決手段】パルス幅モジュレート・コントローラ１０によってパワー・エレクトロニック・スイッチＱ５に切り換え作動させるように駆動することによって、入力されるパワーＶＣＣを第一の変圧器Ｔ１と、同期整流電気回路１２と、パワー保存装置１４とを介してロード１６に伝送し、前記同期整流電気回路１２がＮチャネルＦＥＴ１８のドレインＤを前記第一の変圧器Ｔ１の二次側の一端Ｂを接続し、ソースＳをフライ・ホイール・ダイオードＤ２の正極端を接続し、前記フライ・ホイール・ダイオードＤ２の負極端を前記第一の変圧器Ｔ１の二次側の他端Ａに接続し、前記ＮチャネルＦＥＴ１８のコントロール端Ｇが抵抗Ｒと容量Ｃを介して誘導コイルＬの一端に接続し、且つその誘導コイルＬの他端をＮチャネルＦＥＴ１８のソース端Ｓに接続する。【選択図】図３
0003104580.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
パルス幅モジュレート・コントローラによってパワー・エレクトロニック・スイッチの切り換え作動を駆動することによって、入力されるパワーを第一の変圧器と、同期整流回路と、パワー保存装置とを介してロードに伝送するようにした、自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータであって、
前記同期整流電気回路がＮチャネルＦＥＴのドレインを前記第一の変圧器の二次側の一端に接続し、かつソースをフライ・ホイール・ダイオードの正極に接続し、且つ前記のフライ・ホイール・ダイオードの負極を前記第一の変圧器の二次側の他端に接続し、且つ前記ＮチャネルＦＥＴのコントロール端が抵抗と容量を介して誘導コイルの一端に接続され、且つその誘導コイルの他端がＮチャネルＦＥＴのソース端に接続してなることを特徴とする自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータ。
【請求項２】
前記パワー保存装置は、少なくとも一つの第二の変圧器の一次側の巻回コイルと一つのパワー保存容量とを有することを特徴とする請求項１に記載の自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータ。
【請求項３】
前記誘導コイルとして第二の変圧器の二次側の巻回コイルを利用する構成としたことを特徴とする請求項１に記載の自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータ。
【請求項４】
前記パルス幅モジュレート・コントローラを第二の変圧器の二次側の巻回コイルに接続すると共に、その第二の変圧器の二次側の巻回コイルより援助予備用パワーを取得することを特徴とする請求項１に記載の自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータ。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は、自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータに係わり、特に変圧器による自己励磁作用を利用すると共に、変圧器の二次側の巻回コイルに誘導電気エネルギーを生成することによって、ＮチャネルＦＥＴ（電界効果トランジスタ）をコントロールすることにより動機的整流の目的を図る順路方向導通式のパワー・コンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
切り換え式パワー・サプライ・デバイス（ＳＰＳ）は、すでに広範的に情報製品と家庭電気製品などに利用されており、電気節約意識の台頭と、電子製品に対する軽薄短小の設計などのニーズに対応するために、切り換え式パワー・サプライ・デバイスの仕事効率とそのパワー密度の向上が既に現在のデザイナーの最も緊急的に達成しようとする大切な目標となっている。
【０００３】
従来では、既知の直流パワー・サプライ・デバイス、例えば、エキスチェンジ式パワー・サプライ・デバイス（ＡＣ／ＤＣスイッチング電源）などにおいては、その変圧器の仕様を縮小するために、大体高い周波数のパルス幅モジュレート（ＰＷＭ）手段によって直出力電圧をコントロールするようにした従来の順路方向導通式のパワー・コンバータの電気回路を図１に示す。それは、主に、パワー・スイッチＱ１と、変圧器Ｔ１と、ダイオードＤ１，Ｄ２，Ｄ３と、出力インダクタンスＬと、出力容量Ｃとからなり、その基本的な仕事原理については後記のように詳述する。つまり、パルス幅モジュレート・コントローラＵ１によってパワー・スイッチＱ１を導通（ＯＮ）させるようにコントロールする場合、入力電圧Ｖ１が変圧器Ｔ１のイニシャル巻回コイルＮ１にパワーを供給し、この時、その巻回コイルにおいては、ますます電流を流すようになりつつあり、且つパワーをその中に保存する。それと同時に、変圧器のセカンダリ巻回コイルＮ２には前記のイニシャル巻回コイルＮ１と同じような極性の電圧を誘導生成し、そのため、パワーが順路方向に沿ってセカンダリ巻回コイルＮ２へ移転し、且つダイオードＤ１と出力インダクタンスＬを経由してロードに伝送する。この際、ダイオードＤ２が逆方向バイアス状態に処し、且つダイオードＤ２が順路方向ダイオードとなっている。
【０００４】
パワー・スイッチＱ１がシャット・ダウン（ＯＦＦ）される場合に、変圧器Ｔ１における巻回コイルの極性が逆転し、こうすると、ダイオードＤ１が逆方向バイアスになって導通しなくなり（ＯＦＦ）、また、ダイオードＤ２が導通状態になり（ＯＮ）、且つそのダイオードＤ２が普段ではフライ・ホイール・ダイオードと称される。この際、ロードのパワーの供給が、出力インダクタンスＬと、出力容量Ｃとの保存していたパワーをダイオードＤ２を介して供給するようになり、これらの説明から分かるように、出力インダクタンスＬがパワーを保存するための素子といえる。
【０００５】
また、図１に示すように、変圧器Ｔ１の作用は、一次側の電気回路と二次側の電気回路との間に隔離する効果を生成させ、且つ、巻回コイルの巻回数の比の関係によってロードの要する出力電圧を算出することができる。
【０００６】
図１に合せて図２を参照するに、順路方向導通式パワー・コンバータ・ダイオードの逆方向導通電圧と導通電流の波形を示す。ダイオードＤ１が導通する場合に、その両端部より逆方向導通電圧Ｖｒｒｍを量って取得することができると共に、導通電流Ｉｃを量って取得することができる。図２に示すように、時間がｔ０−ｔ１の場合に、ダイオード同士Ｄ１，Ｄ２の導通のエキスチェンジ・タイムであり、この場合では、ダイオードＤ１の導通電流Ｉｃがますます上昇し、且つ逆方向導通電圧Ｖｒｒｍが依然として高い電位を保持し、そのため、コンバータがそのダイオード同士Ｄ１，Ｄ２のエキスチェンジ期間に大きいほうのエキスチェンジ・ロスを生成する。
【考案の開示】
【考案が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のそれぞれの課題に鑑みて、本考案は、従来の順路方向導通式のパワー・コンバータの出力インダクタンスＬを変圧器の一次側の巻回コイルに取り替えること共に、順路方向導通するダイオードＤ１をＮチャネルＦＥＴに取り替え、その変圧器の自己励磁作用を利用すると共に、その変圧器の二次側の巻回コイルに電気エネルギーを誘導生成させることによってＮチャネルＦＥＴをコントロールすることにより電源の順路方向導通の転換の同期の整流の目的を図る、自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータを提供することをその主要な解決しようとする課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記のそれぞれの課題を解消するために、本考案は、一種の自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータを提供し、それは、パルス幅モジュレート・コントローラによって、パワー・エレクトロニック・スイッチのスイッチングを駆動することにより、入力パワーを第一の変圧器と、同期整流電気回路と、パワー保存装置とを介してロードに伝送し、その中では、前記同期整流電気回路がＮチャネルＦＥＴのドレインを第一の変圧器の二次側の一端を接続し、且つソースをフライ・ホイール・ダイオードの正極端を接続し、且つ前記フライ・ホイール・ダイオードの負極を第一の変圧器の二次側の他の端部に接続し、それと同時に、ＮチャネルＦＥＴのコントロール端を抵抗と容量を介して誘導コイルの一端に接続し、且つその誘導コイルの他端がＮチャネルＦＥＴのソース端に接続するようにした。
【０００９】
前記の説明においては、前記パワー保存装置には、少なくとも一つの第二の変圧器との一次側巻回コイルとパワー保存容量とを備え、且つ、前記誘導コイルは前記第二の変圧器の二次側巻回コイルとなる。そのため、本考案は、順路方向へパワーを提供する場合に、第二の変圧器の一次側巻回コイルにおいてパワーを蓄え、且つ第二の変圧器の自己励磁作用によって前記の第二の変圧器の二次側巻回コイルにパワーを誘導生成させると共に、ＮチャネルＦＥＴのコントロール端に伝送し、それによってＮチャネルＦＥＴに導通させる（ＯＮさせる）。
【００１０】
入力パワーがない場合に、第一の変圧器がパワーを供給できなくなり、この際、第二の変圧器の一次側巻回コイルがその極性を改変し、且つ蓄えたパワーをフライ・ホイール・ダイオードを介してロードに伝送することによって、ロードに仕事をし続けさせて電気が切れることが生じないようにし、第二の変圧器の二次側の巻回コイルも同時にその極性を改変することによってＮチャネルＦＥＴにシャット・オフさせるように駆動する（ＰＦＦさせる）。
【００１１】
また、本考案は、ロードのない場合に給電を実行する際に、その二次側巻回コイルの誘導パワーがＮチャネルＦＥＴの臨界駆動電圧点より小さくなり、それによってＮチャネルＦＥＴに導通させないように作用する。
【００１２】
また、前記のことと共に、本考案による自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータは、二次側の巻回コイルの誘導し得たパワーをパルス幅モジュレート・コントローラの使用に供することができ、パルス幅モジュレート・コントローラの援助予備用のパワーとなることができ、且つロードのない場合の給電時に、依然として安定な仕事電源をパルス幅モジュレート・コントローラに給電し作動させることができ、こうすると、且つパルス幅モジュレート・コントローラはロードのない給電時に自動的にその周波数を低下させることができるので、コンバータのロスを減少することができる。
［作用］
そのため、本考案による自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータは、その主要な目的が、ＮチャネルＦＥＴによって従来のダイオードを取替え、且つ誘導コイルを利用し、順路方向へ給電する時にＮチャネルＦＥＴに導通させるように駆動する。それらによって、電気回路のパワーの消耗を減少することによって、仕事効率とパワー密度を向上する。且つロードのない場合に、全体のパワーのロスを極めて小さくすることによって、法定の所要する入力パワーが１Ｗ以下に設定する。
【考案を実施するための最良の形態】
【００１３】
図３は、本考案の自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータの電気回路を示す説明図であり、本考案は、パルス幅モジュレート・コントローラ１０によってパワー・エレクトロニック・スイッチＱ５に切り換え作動させるように駆動することによって、入力されるパワーＶＣＣを第一の変圧器Ｔ１と、同期整流電気回路１２と、パワー保存装置１４とを介してロード１６に伝送する。その中では、同期整流電気回路１２がＮチャネルＦＥＴ１８のドレインＤを第一の変圧器Ｔ１の二次側の一端Ｂを接続し、且つソースＳをフライ・ホイール・ダイオードＤ２の正極端（Ｐ）を接続し、且つフライ・ホイール・ダイオードＤ２の負極端（Ｎ）を第一の変圧器Ｔ１の二次側の他端Ａに接続し、それと同時に、ＮチャネルＦＥＴ１８のコントロール端Ｇが抵抗Ｒと容量Ｃを介して誘導コイルＬの一端に接続し、且つその誘導コイルＬの他端をＮチャネルＦＥＴ１８のソース端Ｓに接続する。
【００１４】
さらに、図３を参照し、交流電力ＡＣが先に電磁気干渉保護電気回路１１を経由してパワーの保護と電磁気干渉の保護を実行し、それから、整流ろ波電気回路１３を経由して交流電力ＡＣを整流し、且つ交流電力ＡＣを低交流リプルを含有する直流電力に変更する。その直流電力がまた、パワー要素修正電気回路１５を経由して全体のパワーシステムのパワー要素を改善することによって法規の要求を満足するように措置し、また、直流電力がパワー要素修正電気回路１５を介してそのパワー要素を改善してから、本考案の仕事用の入力パワーＶＣＣを取得できる。
【００１５】
また、さらに図３を参照し、パワー保存装置１４には、第二変圧器Ｔ２の一次側巻回コイルＴ２１と、少なくとも一つのパワー保存用容量Ｃｒと、少なくとも一つの抵抗Ｒ１，Ｒ２．．．などを備えており、且つ前記誘導コイルＬとして第二変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２を利用する。
【００１６】
パルス幅モジュレート・コントローラ１０がパワー・エレクトロニック・スイッチＱ５に導通させるように（ＯＮさせるように）コントロールする場合に、入力パワーＶＣＣが第一の変圧器Ｔ１の一次側端を介して二次側端へ伝送され、且つ第二の変圧器Ｔ２の一次側巻回コイルＴ２１を介してロード１６へ伝送する。この際、第二の変圧器Ｔ２の一次側巻回コイルＴ２１が同時にパワーを蓄え、且つ二次側巻回コイルＴ２２がパワーを誘導生成することによってＮチャネルＦＥＴ１８に導通させるように駆動することにより、パワーを供給する回路を形成し、パワーをロード１６の使用に供するように提供する。
【００１７】
パルス幅モジュレート・コントローラ１０がパワー・エレクトロニック・スイッチＱ５にシャット・ダウンさせるように（ＯＦＦさせるように）駆動する場合に、第一の変圧器Ｔ１の一次側には入力パワーＶＣＣの給電はないため、第一の変圧器Ｔ１の二次側がロード１６へ給電しなくなる。この時、第二の変圧器Ｔ２の一次側巻回コイルＴ２１がその極性を変更し、且つその蓄えたパワーをフライ・ホイール・ダイオードＤ２を介してロード１６へ伝送し、ロード１６に仕事し続けさせて、電気が切れないように作用する。第二の変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２も同時にその極性を変更することによってＮチャネルＦＥＴ１８にシャット・ダウンさせるように（ＯＦＦさせるように）駆動する。
【００１８】
前記の説明において、パルス幅モジュレート・コントローラ１０が、パワー・エレクトロニック・スイッチＱ５に導通（ＯＮ）またはシャット・ダウン（ＯＦＦ）させるように駆動する場合に、他の第二の変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２がパルス幅モジュレート・コントローラ１０のある予備用電源端に接続され、それによって予備用電源を前記のパルス幅モジュレート・コントローラ１０の使用に提供する。
【００１９】
また、図３に合せて図４を参照するに、それらの本考案のＮチャネルＦＥＴの逆方向導通電圧と導通電流波形の様子に示すように、時間ｔ０−ｔ１の際に、ＮチャネルＦＥＴがシャット・ダウン（ＯＦＦ）の状態に処するので、導通電流Ｉｃを流さなくなり、それと同時に、ＮチャネルＦＥＴ１８のドレインＤとソースＳとの間の逆方向導通電圧Ｖｒｒｍが第一の変圧器Ｔ１のエネルギーのリークの際の二次側に生成される電圧になり、それは降下電圧値であり、この際、導通電流Ｉｃが流さないため、パワーの消費損失はない。
【００２０】
また、時間ｔ２−ｔ３においては、ＮチャネルＦＥＴ１８が導通状態（ＯＮ）に処するので、導通電流Ｉｃが流すことがあり、それと同時に、ＮチャネルＦＥＴ１８のドレインＤとソースＳとの間の逆方向導通電圧Ｖｒｒｍの電圧値がほぼゼロになっている。この場合では、その逆方向導通電圧Ｖｒｒｍの値がほぼゼロになっているので、パワーの消費損失はない。
【００２１】
前記の説明から分かるように、本考案は、ＮチャネルＦＥＴ１８が導通（ＯＮ）とシャット・ダウン（ＯＦＦ）の時に、エキスチェンジを実行する際の消費するパワーの損失が極めて小さくなることを利用することによって、その給電の効率を向上し、仕事温度を降下させることができる。
【００２２】
図３を参照しながら、図５は、本考案のロードがない場合のＮチャネルＦＥＴ１８の駆動信号の波形を示す説明図である。本考案は、ロードのない場合に給電を実行する時、第二の変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２の誘導生成するパワーがＮチャネルＦＥＴ１８の臨界駆動電圧点より小さくなることがあるので、ＮチャネルＦＥＴ１８を導通させないようにする。第二の変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２の誘導生成するパワーがロードのない時のＮチャネルＦＥＴ１８の駆動信号Ｓ１である。
【００２３】
図３を参照しながら、図６は本考案のロードがフルになる場合のＮチャネルＦＥＴの駆動信号の波形を示す説明図である。本考案は、そのロードがフルになる場合に、給電を実行する時、第二の変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２の誘導生成するパワーがＮチャネルＦＥＴ１８の臨界駆動電圧点より大きくなることがあり、それによって、ＮチャネルＦＥＴ１８が導通される。第二の変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２の誘導生成するパワーは、ロードがフルになる場合に、ＮチャネルＦＥＴ１８の駆動信号Ｓ２となっている。
【００２４】
また、図３に示すように、本考案は、第二の変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２の誘導生成するパワーをパルス幅モジュレート・コントローラ１０の使用に供することができ、パルス幅モジュレート・コントローラ１０の予備用パワーとなると共に、ロードのない給電時に依然として安定な仕事パワーをパルス幅モジュレート・コントローラ１０の使用に提供することができる。こうすると、また、パルス幅モジュレート・コントローラ１０がロードのない場合に自動的に周波数を降下させることを合わせると、コンバータの損失（ロス）を減少することができる。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
前記に説明したように、本考案による自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータによると、順路方向導通状態にパワーを提供する場合に、第二の変圧器Ｔ２の一次側巻回コイルＴ２１にパワーを作り出し、且つ第二の変圧器Ｔ２の自己励磁作用を利用することによって、第二の変圧器Ｔ２の二次巻回コイルＴ２２にパワーを誘導生成させると共に、ＮチャネルＦＥＴ１８のコントロール端Ｇに伝送し、ＮチャネルＦＥＴ１８に導通させるように（ＯＮさせるように）駆動する。
【００２６】
また、本考案は、ロードのない場合に給電を実行する際に、第二の変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２の誘導生成するパワーがＮチャネルＦＥＴ１８の臨界駆動電圧点より小さくなることになるので、ＮチャネルＦＥＴ１８に導通させないように作用をする。
【００２７】
また、本考案による自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータによると、第二の変圧器Ｔ２の二次側巻回コイルＴ２２の誘導生成するパワーを利用することによって、パルス幅モジュレート・コントローラ１０の使用に提供でき、パルス幅モジュレート・コントローラ１０の予備用パワーを形成することができると共に、ロードのない給電時に、依然として安定の仕事パワーをパルス幅モジュレート・コントローラ１０に提供でき、また、パルス幅モジュレート・コントローラ１０がロードのない場合に自動的に周波数を降下することができるので、コンバータの損失を減少することができる。
【００２８】
そのため、本考案による自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータによると、ＮチャネルＦＥＴ１８によって従来のダイオードを取り替えることができると共に、誘導コイルが順路方向導通時に給電する場合にパワーを誘導生成させることができ、ＮチャネルＦＥＴ１８に導通させるように駆動でき、電気回路のパワーの消費を減少でき、仕事効率とパワー密度を向上できる。また、市内電力が存在しているが、システムがシャット・ダウンされる場合に、つまり、ロードのない場合では、最低の入力パワー消費を取得でき、パワーを節約できるので、その全体のパワー消費損失がかなり小さくなり、法規の所要する入力パワーが１Ｗ以下になるニーズに対応できる。
【００２９】
また、前記に説明したのは、単に本考案の実施可能な具体的な実施例に過ぎなく、本考案の出願請求の範囲の要旨に基づいて実施される相同または相似する他の変更や一部転用などの実施の形態のものも本考案の主張範囲内に納入されるべきことが言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来の順路方向導通式パワー・コンバータの電気回路を示す説明図である。
【図２】従来の順路方向導通式パワー・コンバータのダイオードの逆方向導通電圧と導通電流波形を示す説明図である。
【図３】本考案の自己励磁式同期整流電気回路を有する順路方向導通式パワー・コンバータの電気回路を示す説明図である。
【図４】本考案のＮチャネルＦＥＴの逆方向導通電圧と導通電流波形を示す説明図である。
【図５】本考案のロードのない場合のＮチャネルＦＥＴの駆動信号の波形を示す説明図である。
【図６】本考案のロードのフルになる場合のＮチャネルＦＥＴの駆動信号の波形を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ｃ      出力容量
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３    ダイオード
Ｌ      出力インダクタンス
Ｑ１    パワー・スイッチ
Ｔ１    変圧器
１０    パルス幅モジュレート・コントローラ
１１    電磁気干渉保護電気回路
１２    同期整流電気回路
１３    整流ろ波電気回路
１４    パワー保存装置
１５    パワー要素修正電気回路
１６    ロード
１８    ＮチャネルＦＥＴ
Ｔ１    第一の変圧器
Ｔ２    第二の変圧器
ＶＣＣ  入力パワー
Ｑ５    パワー・エレクトロニック・スイッチ
Ｄ２    フライ・ホイール・ダイオード
【図１】
0003104580.tif 000003
【図２】
0003104580.tif 000004
【図３】
0003104580.tif 000005
【図４】
0003104580.tif 000006
【図５】
0003104580.tif 000007
【図６】
0003104580.tif 000008