(57)【要約】  制御回路と、第１電気コイルと、第１電気コイルに関わり、制御回路に応じ、第１電子制御スイッチの閉状態に応じて第１電気コイルを蓄電するようにされた第１電子制御スイッチと、第２電子制御スイッチが閉じたときに、第１電気コイル両端間でほぼ短絡するようにされ、制御回路に応じ、第１電気コイルを蓄電または放電するようにされていない第２電子制御スイッチと、を含む電力変換装置である。【選択図】  ２Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
制御回路と、
第１電気コイルと、
前記第１電気コイルに関連し、前記制御回路に応じる第１電子制御スイッチであって、前記第１電子制御スイッチが閉じた状態に対応し、前記第１電気コイルを蓄電するようにした前記第１電子制御スイッチと、
第２電子制御スイッチが閉じたときに前記第１電気コイル両端間でほぼ短絡するようにした前記第２電子制御スイッチであって、前記制御回路に応じ、前記第１電気コイルを蓄電または放電するようにされていない前記第２電子制御スイッチと、を含む電力変換装置。
【請求項２】
前記第１電子制御スイッチ両端間の電圧がほぼゼロのときだけ、前記第１電子制御スイッチを閉じるようにする前記制御回路を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項３】
前記第２電子制御スイッチ両端間の電圧がほぼゼロのときだけ、前記第２電子制御スイッチを閉じるようにする前記制御回路を特徴とする請求項２に記載の電力変換装置。
【請求項４】
前記第２電子制御スイッチ両端間の電圧がほぼゼロのときだけ、前記第２電子制御スイッチを閉じるようにする前記制御回路を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項５】
前記第１電気コイルに磁気結合された第２電気コイルをさらに含み、
前記第２電気コイル両端間でほぼ短絡するように前記第２電子制御スイッチは前記第２電気コイルに接続され、前記第２電気コイル両端間の短絡が前記第１電気コイルに反映されることにより前記第１電気コイル両端間で前記ほぼ短絡することを特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項６】
前記制御回路に応じる第３電子制御スイッチであって、ほぼ短絡した前記第２電子制御スイッチまたは前記第２電気コイルと協働するようにした前記第３電子制御スイッチをさらに含む請求項５に記載の電力変換装置。
【請求項７】
前記第３電子制御スイッチ両端間の電圧がほぼゼロのときだけ、前記第３電子制御スイッチを閉じるようにした前記制御回路を特徴とする請求項６に記載の電力変換装置。
【請求項８】
前記第１電気コイルの所定電流値に応じて前記ほぼ短絡するようにした前記制御回路を特徴とする請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項９】
前記制御回路が周期的なパルス幅変調機能を含み、前記周期の所定の時点まで前記ほぼ短絡を維持するようした前記制御回路を特徴とする請求項８に記載の電力変換装置。
【請求項１０】
前記電力変換装置が、バックコンバータ、ブーストコンバータ、フライバック・コンバータ、フォワード型コンバータ、プッシュプル型コンバータ、ハーフブリッジ型コンバータのうちの一つである請求項１に記載の電力変換装置。
【請求項１１】
第１電気コイルを提供することと、
前記提供された第１電気コイルを交互に蓄電、放電することと、
少なくとも一つのスイッチを介し、前記第１電気コイルの所定電流値に応じて前記第１電気コイル両端間でほぼ短絡することを含み、
前記少なくとも一つのスイッチは前記提供された第１電気コイルを前記交互に蓄電、放電することに関わらない電力変換方法。
【請求項１２】
第１電子制御スイッチの交互の開閉状態に応じて、前記第１電気コイルを前記交互に蓄電、放電するようにした前記第１電子制御スイッチを提供することと、
前記提供された第１電子制御スイッチ両端間の電圧をモニターすることと、を含み、
前記提供された第１電子制御スイッチ両端間の電圧がほぼゼロのときだけ、前記提供された第１電子制御スイッチの状態を変化させる請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
第２電子制御スイッチの閉状態に応じて、前記ほぼ短絡するようにした前記第２電子制御スイッチを提供することと、
前記提供された第２電子制御スイッチ両端間の電圧がほぼゼロのときだけ、前記第２電子制御スイッチを閉じることと、をさらに含む請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
第２電子制御スイッチの閉状態に応じて、前記ほぼ短絡するようにした前記第２電子制御スイッチを提供することと、
前記提供された第２電子制御スイッチ両端間の電圧がほぼゼロのときだけ、前記第２電子制御スイッチを閉じることと、をさらに含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
前記提供された第１電気コイルと磁気結合する第２電気コイルを提供することをさらに含み、
前記提供された第２電気コイル両端間のほぼ短絡を反映して前記第１電気コイル両端間で前記ほぼ短絡することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
第３電子制御スイッチを提供することをさらに含み、
少なくとも部分的に前記提供された第３電子制御スイッチの閉状態に応じて、前記提供された第２電気コイル両端間で前記ほぼ短絡することを特徴とする請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
前記第３電子制御スイッチ両端間の電圧がほぼゼロのとき、前記閉状態に入る前記第３電子制御スイッチを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
所定の周期に従って、前記提供された第１電気コイルを前記交互に蓄電、放電し、前記所定の周期の所定の時点まで前記ほぼ短絡することを維持することを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
制御回路と、
エネルギー変換のための電磁誘導手段と、
前記エネルギー変換のための電磁誘導手段に関連し、前記制御回路に応じる第１電子制御スイッチであって、前記第１電子制御スイッチの閉状態に応じて前記エネルギー変換のための電磁誘導手段を蓄電するようにした前記第１電子制御スイッチと、
第２電子制御スイッチが閉じたときに、前記第１電気コイル両端間でほぼ短絡するようにした前記第２電子制御スイッチであって、前記制御回路に応じ、前記エネルギー変換のための電磁誘導手段を蓄電または放電するようにされていない前記第２電子制御スイッチと、を含む電力変換装置。
【請求項２０】
前記第１電子制御スイッチ両端間の電圧がほぼゼロのときだけ、前記第１電子制御スイッチを閉じるようにする前記制御回路を特徴とする請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電力変換装置に関し、特に電力変換装置の電気コイルにおいてスイッチ回路を配置した電力変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電力変換システムは、直流（ＤＣ）または交流（ＡＣ）電力を入力として、概して入力電力と違う電圧のＤＣまたはＡＣ出力電力に変換する。出力電圧または出力電流に応じて出力電力が制御される。
【０００３】
昇圧型コンバータとしても知られるブーストコンバータは、出力電圧が入力電圧より高い電力変換装置である。トランジスタなど少なくとも一つの第１電子制御スイッチ、電気コイルなど少なくとも一つの一次蓄電素子、ダイオードや第２電子制御スイッチなどの追加素子を含む、スイッチ方式電力供給の一つである。概して、電子制御スイッチとダイオードは電気コイルと出力の間に配置され、第１電子制御スイッチが閉じられるのに応じて、流れる電流は交互に電気コイルを蓄電し、第１電子制御スイッチが開くと負荷を通る。電流は、負荷を通るとき、ダイオードまたは第２電子制御スイッチを通過する。
【０００４】
降圧型コンバータとしても知られるバックコンバータは、出力電圧が入力電圧より低い電力変換装置である。トランジスタなど少なくとも一つの第３電子制御スイッチ、電気コイルなど少なくとも一つの二次蓄電素子、ダイオードや第４電子制御スイッチなどの追加素子を含む、スイッチ方式電力供給の一つである。概して、電子制御スイッチとダイオードは入力電源と電気コイルの間に配置され、第３電子制御スイッチが閉じるのに応じて、電流が交互に負荷を通って電気コイルを蓄電し、第３電子制御スイッチが開くと電気コイルを放電しながら負荷へ進む。電気コイルが負荷へ放電するとき、ダイオードと第４電子制御スイッチは電気コイルに直列である。
【０００５】
フライバック・コンバータは出力電圧が入力電圧より高いまたは低いコンバータである。少なくとも一つの電子制御スイッチ、少なくとも一つの電気コイルを含む蓄電素子で、具体的には絶縁の付加的利点で変圧比を高くした変圧器、ダイオードや追加電子制御スイッチなど少なくとも一つの追加素子を含む、スイッチ方式電力供給の一つである。概して、変圧器の一次電気コイルは電子制御スイッチと入力電圧との間に接続され、変圧器の二次電気コイルは追加素子と出力との間に接続される。
【０００６】
上で列挙した電力変換装置は、複数の形態の中から例示したもので、これに限るものではない。
【０００７】
高密度装置への要求が高まり、常に、スイッチング周波数がより高い電力供給を必要としている。スイッチング周波数が高いほど、定格電力供給が小さく、電力供給に対する動的応答が早くなる。様々なスイッチング形態での損失は、少なくとも、部分的には、スイッチング損失、つまり、電子制御スイッチの一つがオフ状態（スイッチが開く）からオン状態（スイッチが閉じる）に変わるときと、オン状態からオフ状態に変わるときのものである。電子制御スイッチでスイッチング過渡電流がある時間流れると、そこでのノンゼロ電圧やそこを通る電流と同様、そのスイッチでスイッチング損失を起こす。スイッチング周波数が高くなると、スイッチングに関わる損失の関連部分が増す。
【０００８】
ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）とは、スイッチでの電圧がゼロまたはほぼゼロでスイッチの状態がオフからオンに変わると定義される。ＺＶＳは、スイッチが閉じている間、著しくスイッチング損失量を減らす。
【０００９】
その内容を参照することにより本明細書に援用する、ニュートンによる１９８７年６月９日発行、米国特許第４，６７２，３０３は、バックコンバータ・インライン・スイッチのゼロ電圧スイッチングを備えることより、高周波数におけるスイッチング損失を削減したＤＣ／ＤＣコンバータに関する。残念ながら、その設定には、ＤＣ／ＤＣコンバータの動作周波数を小さくした負荷で増加させるか、そうでなければ、電気コイルのピークツーピーク電流を負荷に依存させないで、高電流を小負荷の入力―出力間で循環させる必要がある。その内容を参照することにより本明細書に援用する、ヴィンサーリによる２００６年１２月２６日発行、米国特許第７，１５４，２５０は、クランプ相を備えたバックブーストＤＣ−ＤＣスイッチング電力変圧装置に関する。残念ながら、ヴィンサーリの方法は、電気コイルを蓄電し放電するのに用いられるスイッチング装置の特定の設定とタイミングで得られるクランプ相を必要とするため、広域のコンバータには適用できない。
【００１０】
広域にわたる負荷と入力電圧の状態で固定動作周波数のためにゼロ電圧スイッチングを達成する方法は、求められているものの従来技術では提供できていない。
【発明の概要】
【００１１】
それ故、従来技術の欠点の少なくともいくつかを克服することが本発明の主目的である。変圧器の巻線を配置した一実施形態において、電気コイル蓄電素子の電流がその短絡状態を維持し、電気コイル電流の経時的変化がほぼゼロで、電力変換装置においてエネルギー変換機能を果たすスイッチに関係なく短絡状態に至るように設定された一実施形態によりこれを提供する。ゼロ電圧スイッチング状態に至るためにこの状態が維持される。このように入力電圧と出力負荷に関わらず、固定コンバータスイッチング周波数でゼロ電圧スイッチング状態に至るのが望ましい。例示的な実施形態では、追加電気コイルが提供され、一実施形態では、変圧器の追加巻線である追加電気コイルが第１電気コイルに磁気結合し、短絡状態が追加電気コイル両端間で作られる。
【００１２】
一実施形態では、スイッチが入ると、スイッチに関わるキャパシタンスが十分に放電するように、蓄電素子を流れる電流を調整し、ゼロ電圧スイッチング状態に至る。一好実施形態では、損失のない、つまり、係るキャパシタンスから放出されたエネルギーを回路にリサイクルする。一好実施形態では、ゼロ電圧スイッチング状態に至るために得られた電流値が、実際にＺＶＳに至るために必要な最小電流を超えないように制御される。一好実施形態では、さらに帯域幅に制限されない、ゼロ電圧スイッチング状態を提供する。さらなる本発明の特徴や利点を以下の図面と説明で明らかにする。
【００１３】
本発明をさらに理解し、どのように実現するかを示すため、単に例として、付随の図面を参照する。全体を通して、類似の要素または部分は、同様な符号で表す。
【００１４】
図面を詳しく参照するにおいて、その詳細は、例として、また、本発明の好適な実施形態の例示的考察のみを目的とし、本発明の原理と概念の最も有用であり、理解しやすい説明であると思われるものを提供するためにあることを強調する。このため、発明の基本的理解に必要であること以上に発明の構造的詳細を詳しく示すことなく、当業者に発明のいくつかの形態をどう実際に具体化するかを図面の説明で明らかにするものである。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【００１６】
【００１７】
【００１８】
【００１９】
【００２０】
【００２１】
【００２２】
【００２３】
【００２４】
【００２５】
【００２６】
【００２７】
【００２８】
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【００３３】
【００３４】
【００３５】
【００３６】
【００３７】
【００３８】
【００３９】
【００４０】
【００４１】
【００４２】
【００４３】
【図１Ａ】従来技術として知られる共振型バックコンバータのハイレベル回路図である。
【図１Ｂ】従来技術による共振型バックコンバータとして、図１Ａのバックコンバータの動作グラフを示す。
【図１Ｃ】従来技術による図１Ａのバックコンバータの動作グラフで、電気コイル電流が周期ごとに負になることを示す。
【図２Ａ】一実施形態による共振型バックコンバータのハイレベル回路図で、短絡状態を作るための電気コイルに関わる双方向スイッチを含む。
【図２Ｂ】一実施形態による図２Ａの共振型バックコンバータの動作グラフを示す。
【図３Ａ】一実施形態による磁気結合した一対の電気コイルを備えた共振型バックコンバータのハイレベル回路図である。
【図３Ｂ】一実施形態による図３Ａの共振型バックコンバータの動作グラフを示す。
【図３Ｃ】一実施形態による磁気結合した一対の電気コイルを備え、短絡閉回路にコンデンサのない、共振型バックコンバータのハイレベル回路図である。
【図３Ｄ】一実施形態による図３Ｃの共振型バックコンバータの動作グラフを示す。
【図４Ａ】一実施形態による磁気結合した一対の電気コイルを備えた共振型ブーストコンバータのハイレベル回路図である。
【図４Ｂ】一実施形態による図４Ａの共振型ブーストコンバータの動作グラフを示す。
【図４Ｃ】一実施形態による磁気結合した一対の電気コイルを備え、短絡閉回路にコンデンサのない、共振型ブーストコンバータのハイレベル回路図である。
【図４Ｄ】一実施形態による図４Ｃの共振型ブーストコンバータの動作グラフを示す。
【図５Ａ】一実施形態による磁気結合した複数の電気コイルを備えた共振型フライバック・コンバータのハイレベル回路図である。
【図５Ｂ】一実施形態による図５Ａの共振型フライバック・コンバータの動作グラフを示す。
【図５Ｃ】一実施形態による磁気結合した複数の電気コイルを備え、短絡閉回路に蓄電コンデンサのない、共振型フライバック・コンバータのハイレベル回路図である。
【図５Ｄ】一実施形態による図５Ｃの共振型フライバック・コンバータの動作グラフを示す。
【図６Ａ】一実施形態による磁気結合した複数の電気コイルを備えたシングルエンド・フォワード型コンバータのハイレベル回路図である。
【図６Ｂ】一実施形態による図６Ａのシングルエンド・フォワード型コンバータの動作グラフを示す。
【図７】従来技術によるフルブリッジ・フェイズシフト型コンバータのハイレベル回路図である。
【図８Ａ】一実施形態による磁気結合した複数の電気コイルを備えたプッシュプル型コンバータのハイレベル回路図である。
【図８Ｂ】一実施形態による図８Ａのプッシュプル型コンバータの動作グラフを示す。
【図９Ａ】一実施形態による磁気結合した複数の電気コイルを備えたハーフブリッジ型コンバータのハイレベル回路図である。
【図９Ｂ】一実施形態による図９Ａのハーフブリッジ型コンバータの動作グラフを示す。
【図１０Ａ】一実施形態による磁気結合した複数の電気コイルと出力に同期整流器を備えたプッシュプル型コンバータのハイレベル回路図である。
【図１０Ｂ】一実施形態による図１０Ａのプッシュプル型コンバータの動作グラフを示す。
【図１１Ａ】一実施形態による磁気結合した複数の電気コイルと出力に同期整流器を備えたハーフブリッジ型コンバータのハイレベル回路図である。
【図１１Ｂ】一実施形態による図１１Ａのハーフブリッジ型コンバータの動作グラフを示す。
【図１２】一実施形態による制御回路のハイレベル回路図で、図３Ａの共振型バックコンバータに適している。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明はそのアプリケーションにおいて以下の記載及び図面に述べる具体的構成や部品配置に限定されないことを理解されるべきである。本発明は他の実施形態でも適用でき、様々の方法で実用化、実施される。又、ここで使用するフレーズや用語は説明のためのものであり、それに限定されるものではないことを理解されるべきである。
【００４５】
複数のコンバータ、具体的にはバックコンバータ、ブーストコンバータ、フライバック・コンバータ、シングルエンド・フォワード型コンバータ、プッシュプル型コンバータ、ハーフブリッジ型コンバータに関連して本発明を説明するが、これに限定するものではなく、どのような電力変換装置構成においても等しく本発明の開示を適用し得る。
【００４６】
図１Ａは従来技術として知られている共振型バックコンバータのハイレベル回路図を示し、入力コンデンサ１０、第１電子制御スイッチ２０、第２電子制御スイッチ３０、電気コイル４０、出力コンデンサ５０を含む。ｎチャネル金属酸化物半導体電界効果トランジスタ（ＮＭＯＳＦＥＴ）として、第１、第２電子制御スイッチ２０、３０を説明するが、これに限定するものはない。入力コンデンサ１０はＶＩＮで表記する入力電圧に接続される。ＶＩＮの正側に関連する入力コンデンサ１０の第１端子は第１電子制御スイッチ２０のドレインに接続される。入力コンデンサ１０の第２端子は第２電子制御スイッチ３０のソースに接続され、出力コンデンサ５０の第１端子に接続される。第１電子制御スイッチ２０のソースは第２電子制御スイッチ３０のドレインに接続され、電気コイル４０の第１端子、接点２５と表記する接点に接続される。電気コイル４０の第２端子は出力コンデンサ５０の第２端子に接続される。ＶＯＵＴと表記する出力電圧は出力コンデンサ５０に生じ、その正極は電気コイル４０の第２端子に関連する。第１電子制御スイッチ２０と第２電子制御スイッチ３０のゲートは従来技術で知られている制御回路（図示せず）へ接続される。電気コイル４０の電圧は、ＶＯＵＴに対して接点２５で測定し、ＶＬと表記する。それを通って接点２５から流れる電流をＩＬと表記する。
【００４７】
図１Ｂは、従来技術による共振型バックコンバータのように第１、第２電子制御スイッチ２０、３０を動かす制御回路と協働する、図１Ａのバックコンバータの動作グラフを示し、ｘ軸は時間をｙ軸は電圧と電流をそれぞれ任意の単位で表している。図１Ｃは、従来技術による共振型バックコンバータのように第１、第２電子制御スイッチ２０、３０を動かす制御回路と協働する、図１Ａのバックコンバータの動作のグラフを示し、ｘ軸は時間をｙ軸は電圧と電流をそれぞれ任意の単位で表している。図１Ｂ及び１Ｃのグラフは、第１、第２電子制御スイッチ２０、３０のゲートソース電圧、電気コイル４０両端間の電圧ＶＬ、電気コイル４０の電流ＩＬを表している。簡略化のために、各図１Ｂ、１Ｃは図１Ａと一緒に説明する。
【００４８】
図１Ｂに示すように動作中、Ｔ１の時点で電気コイル４０間の電圧ＶＬは−ＶＯＵＴに等しく、従って接点２５の電位はゼロである。第１電子制御スイッチ２０が入ると、接点２５の電圧がゼロであるため、そのスイッチングはゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）とはならない。時点Ｔ１以後、第１電子制御スイッチ２０によりＶＩＮが接点２５に接続されるので、電気コイル４０の電流ＩＬが
式：ｄＩＬ／ｄｔ＝ＶＬ／Ｌ
に従って増加する。ここでＬは電気コイル４０のインダクタンスである。Ｔ２の時点で第１電子制御スイッチ２０が切れる。接点２５の電圧は接点２５のキャパシタンスの放電に応じて降下し始め、第２電子制御スイッチ３０が閉じられる時点Ｔ３まで降下し続ける。これが一般的なＺＶＳである。接点２５の電圧がＶＯＵＴより低くなるとき、即ち電気コイル４０の電圧ＶＬが負になるとき、電気コイル４０の電流ＩＬは減少し始め、第２電子制御スイッチ３０が切れる時点Ｔ４まで減少し続ける。電気コイルの電流ＩＬは第２電子制御スイッチ３０のボディダイオードを通って流れるので接点２５の電圧はゼロに維持される。Ｔ１に関して上述したように、第１電子制御スイッチ２０が入る時点Ｔ５では、第１電子制御スイッチ２０両端間の電圧はＶＥＳＴであるため、そのスイッチングはＺＶＳとはならない。
【００４９】
図１Ｃに示す共振型バックコンバータの実施形態において、時点Ｔ１で電気コイル４０両端間の電圧ＶＬはＶＩＮ−ＶＯＵＴに等しく、従って接点２５の電位がＶＩＮになる。第１電子制御スイッチ２０が入ると、接点２５の電圧がＶＩＮであるため、そのスイッチングはＺＶＳとなる。時点Ｔ１以後、ＶＩＮは第１電子制御スイッチ２０により接点２５に接続されるので、電気コイル４０の電流ＩＬが
式：ｄＩＬ／ｄｔ＝ＶＬ／Ｌ
に従って増加する。ここでＬは電気コイル４０のインダクタンスである。時点Ｔ２で第１電子制御スイッチ２０が切れる。接点２５のキャパシタンスの放電に応じて、接点２５の電圧が降下し始め、第２電子制御スイッチ３０が閉じられる時点Ｔ３まで降下し続ける。これが一般的なＺＶＳである。接点２５の電圧がＶＯＵＴより低くなるとき、即ち電気コイル４０の電圧ＶＬが負になるとき、電気コイル４０の電流ＩＬは減少し始め、電流がゼロに落ちる時点Ｔ４まで減少し続ける。時点Ｔ４以後、電気コイル４０の電流ＩＬは、第２電子制御スイッチ３０が切れる時点Ｔ５まで逆に流れる。電気コイル４０の電流ＩＬが負であるため、第２電子制御スイッチ３０のボディダイオードを流れず、接点２５のキャパシタンスの充電に応じて接点２５の電圧は上昇し始め、第１電子制御スイッチ２０が入る時点Ｔ６まで上昇し続ける。これが一般的なＺＶＳである。一具体的実施形態では、接点２５の電圧がＶＩＮに上昇するように、ＩＭＩＮと表わす、電気コイル４０の電流ＩＬが達する電流最小値を選定し、Ｔ１時点でのゼロ電圧スイッチングを確実にする。欠点は、Ｌ及びΙΜＩΝ値の関数であるため、時点Ｔ５を制御できないことである。そのため、出力電流が変化すると、サイクル時間Ｔをそれに応じて変化させない限りＺＶＳを維持できない。
【００５０】
図２Ａは、一実施形態での共振型バックコンバータ５５のハイレベル回路図を示し、入力コンデンサ１０、第１電子制御スイッチ２０、第２電子制御スイッチ３０、電気コイル４０、出力コンデンサ５０、第３電子制御スイッチ６０を含む。第１、第２電子制御スイッチ２０、３０は、一実施形態で、ＮＭＯＳＦＥＴから成る。第３電子制御スイッチ６０は双方向性電子制御スイッチである。入力コンデンサ１０の第１端子は第１電子制御スイッチ２０のドレインと入力電圧ＶＩＮの正極に接続される。入力コンデンサ１０の第２端子は第２電子制御スイッチ３０のソースと出力コンデンサ５０の第１端子に接続される。第１電子制御スイッチ２０のソースは、第２電子制御スイッチ３０のドレイン、電気コイル４０の第１端子、第３電子制御スイッチ６０の第１端子に接続され、接点を２５と表記する。記憶素子電気コイル４０の第２端子は、出力コンデンサ５０の第２端子と第３電子制御スイッチ６０の第２端子に接続される。第１、第２電子制御スイッチ２０、３０のゲートと第３電子制御スイッチ６０の制御入力は、図１２において後述するように、制御回路（図示せず）に接続される。出力コンデンサ５０両端間の電圧をＶＯＵＴと表記し、その正極は電気コイル４０の第２端子に結び付けられる。電気コイル４０両端間の電圧を、出力ＶＯＵＴに対し接点２５で測定し、ＶＬと表記する。接点２５から電気コイル４０を通って流れる電流をＩＬと表記する。
【００５１】
図２Ｂは、図２Ａの共振型バックコンバータ５５の動作グラフを示し、ｘ軸は時間をｙ軸は電圧及び電流を任意の単位で表している。図２Ｂのグラフは、第１、第２電子制御スイッチ２０、３０のゲート−ソース電圧、第３電子制御スイッチ６０のゲートあるいは制御信号、電圧ＶＬ、電流ＩＬを示している。簡略化のために、図２Ａと図２Ｂを一緒に説明する。
【００５２】
動作中、Ｔ１時点で電気コイル４０の電圧ＶＬはＶＩＮ−ＶＯＵＴに等しい。即ち接点２５の電位はＶＩＮである。第１電子制御スイッチ２０が入ると、接点２５の電圧が電圧ＶＩＮに等しいため、そのスイッチングはＺＶＳになる。図１Ａ−１Ｃに関して上述したように、電気コイル４０間の正電圧に応じて電気コイル４０の電流ＩＬが増加する。時点Ｔ２で第１電子制御スイッチ２０が切れる。時点Ｔ２以後、接点２５のキャパシタンスの放電に応じて接点２５の電圧が降下し始め、電気コイル４０の電流ＩＬの変化率が小さくなり接点２５の電圧がＶＯＵＴより低くなるとき、即ち電気コイル４０の電圧ＶＬが負になると、電気コイル４０の電流ＩＬは減少し始める。好適な一実施形態では、電気コイル４０の電流ＩＬの最大値が出力に必要な最小電流となるように、第１電子制御スイッチ２０がオンとなっている時間を選定する。時点Ｔ３で電気コイル４０の電圧ＶＬが−ＶＯＵＴに降下すると、第２電子制御スイッチ３０両端間の電圧はゼロになり、制御回路は第２電子制御スイッチ３０をオンにする、つまり、ＺＶＳである。
【００５３】
時点Ｔ３以後、電気コイル４０の電流ＩＬは、値を線形に減少させながら、第２電子制御スイッチ３０を流れる。時点Ｔ４で、電気コイル４０の電流ＩＬ値がゼロとなり、その後出力コンデンサ５０により供給されるエネルギーで、電気コイル４０の電流ＩＬ値が減少し続けて負となる。電気コイル４０の電流ＩＬは減少し続け、時点Ｔ５で電流がΙΜＩΝに達して、第２電子制御スイッチ３０が切れる。接点２５のキャパシタンスが蓄電するにつれて接点２５の電圧は上昇し、電気コイル４０の電流ＩＬの変化率は小さくなる。時点Ｔ６で、接点２５の電圧がＶＯＵＴ値まで上昇する。即ち電気コイル４０両端間の電圧降下がない。後述する制御回路は第３電子制御スイッチ６０を閉じ、従って電気コイル４０間に実質、短絡を生じる。短絡により記憶素子電気コイル４０両端間の電圧はゼロのままなので、電流変化ｄｌ／ｄｔもまたゼロとなり、時点Ｔ６から電流値と方向が維持される。時点Ｔ７で、スイッチ６０を開き、電気コイル４０の電圧ＶＬが再び上昇してＶＩＮ−ＶＯＵＴ値に達するとともに電気コイル４０の電流ＩＬが上昇し始める。サイクルの終わりの時点であるＴ８は、上述した時点Ｔ１に等しく、第１電子制御スイッチ両端間の電圧は再びゼロになる。即ち、接点２５の電圧がＶＩＮに達し、第１電子制御スイッチ２０がＺＶＳ下で再び閉じられる。
【００５４】
好適な一実施形態では、時点Ｔ６においてＩＭＩＮと表記される電気コイル４０の電流ＩＬ値が、ＶＩＮの値が最大となり、設計上の負荷が最大となる条件の下、時点Ｔ８の接点２５の電位がＶＩＮに達するのに必要な最小の値となるように、第２電子制御スイッチ３０をオンにしている時間を選定する。さらに好適な一実施形態では、第２電子制御スイッチ３０をオンにしている時間をＩＭＩＮがＶＩＮの関数となるように選定する。第３電子制御スイッチ６０の動作は、電気コイル４０の充電あるいは放電と関係しないので、サイクルをＴまで広げることができる。上記のように、第３電子制御スイッチ６０両端間の電圧は電圧ＶＬであり、それ故に第３電子制御スイッチ６０は正負、両方の電圧下で動作できる必要がある。
【００５５】
図３Ａは、一実施形態により、一対の磁気結合した電気コイルを備えた共振型バックコンバータ１５５のハイレベル回路図を示している。共振型バックコンバータ１５５は、入力コンデンサ１０、複数の電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０、第１電気コイル４０、出力コンデンサ５０、複数の追加のコンデンサ８０、９０、１００、第２電気コイル１９０を含む。各電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０は、一実施形態で、ＮＭＯＳＦＥＴである。
【００５６】
入力コンデンサ１０の第１端子は、第１電子制御スイッチ２０のドレインに接続される。入力コンデンサ１０の第２端子はコンデンサ１００の第１端子、電子制御スイッチ３０のソース、電子制御スイッチ７０のソース、コンデンサ９０の第１端子、コンデンサ８０の第１端子、電子制御スイッチ６０のソース，出力コンデンサ５０の第１端子、共有ポイントに接続される。一実施形態では、共有ポイントはアース端子となる。電子制御スイッチ２０のソースは、電子制御スイッチ３０のドレイン、コンデンサ１００の第２端子、第１電気コイル４０の第１端子に接続され、接点を２５で表わす。第１電気コイル４０の第２端子は、出力コンデンサ５０の第２端子に接続される。電子制御スイッチ７０のドレインは、コンデンサ９０の第２端子と第２電気コイル１９０の第１端子に接続される。第２電気コイル１９０の第２端子は、コンデンサ８０の第２端子と電子制御スイッチ６０のドレインに接続される。電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０のゲートは、図１２において後述するように、制御回路（図示せず）に接続される。一次、第２電気コイル４０、１９０は、磁気結合し、電気コイル４０、１９０の第１端子の極性が同じになるように配置される。入力コンデンサ１０両端間の電圧をＶＩＮ、出力コンデンサ５０両端間の電圧をＶＯＵＴと表記する。第１電気コイル４０両端間の電圧は、第１端子と第２端子間で測定し、ＶＬと表記する。接点２５から第１電気コイル４０を流れる電流をＩＬと表記する。簡略化のために、共振型バックコンバータ１５５は、第１電気コイル４０と第２電気コイル１９０の巻線比を１：１とし、ゆえに第２電気コイル１９０両端間の電圧もＶＬとなる。
【００５７】
図３Ｂは、共振型バックコンバータ１５５の動作グラフを示し、ｘ軸は時間をｙ軸は電圧と電流を任意の単位で表わしている。図３Ｂのグラフは、電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０のゲート−ソース電圧、電圧ＶＬ、電流ＩＬを示している。簡略化のために、図３Ａと図３Ｂを一緒に説明する。
【００５８】
動作中、時点Ｔ１で電気コイル４０の電圧ＶＬはＶＩＮ−ＶＯＵＴに等しい。即ち接点２５の電位はＶＩＮである。第１電子制御スイッチ２０が入ると、接点２５の電圧が電圧ＶＩＮに等しいため、そのスイッチングはＺＶＳになる。この時、電子制御スイッチ６０はオンで、電子制御スイッチ７０はオフである。第２電気コイル１９０は記憶素子電気コイル４０と磁気結合しているので、第２電気コイル１９０両端間の電圧は同様にＶＩＮ−ＶＯＵＴとなり、電子制御スイッチ６０がオン、即ち閉じられているので、電子制御スイッチ７０両端間の電圧はＶＩＮ−ＶＯＵＴである。
【００５９】
図１Ａ−１Ｃに関して上述したように、第１電気コイル４０の電圧ＶＬが正の値をとるのに応じて、電流ＩＬは線形に増加する。時点Ｔ２で、第１電子制御スイッチ２０が切れ、電子制御スイッチ６０も同様に切れる。時点Ｔ２以後、接点２５のキャパシタンスの放電に応じて接点２５の電圧が降下する。第１電気コイル４０を通る電流ＩＬの変化率が小さくなり始め、接点２５の電圧がＶＯＵＴより低くなるとき、即ち第１電気コイル４０の電圧が負になると、電流ＩＬは減少し始める。好適な一実施形態では、第１電気コイル４０の電流ＩＬの最大値が必要とされる負荷電流を供給するのに十分であるように第１電子制御スイッチ２０をオンにしている時間を選定する。時点Ｔ３で、第１電気コイル４０の電圧ＶＬが−ＶＯＵＴまで降下し、第２電子制御スイッチ３０両端間の電圧がゼロになるＺＶＳで、制御回路は第２電子制御スイッチ３０をオンにする。第１電気コイル４０の電圧ＶＬは、第２電気コイル１９０にも同様に反映され、その結果、インダクタ１９０両端間の電圧は時点Ｔ２以後降下する。コンデンサ８０は充電し始め、コンデンサ９０は放電し始める。コンデンサ８０と９０の容量を、時点Ｔ２でコンデンサ９０に蓄電されたエネルギーが、時点Ｔ３でコンデンサ８０に蓄電されたエネルギーよりも小さくなるように選定し、時点Ｔ３で電子制御スイッチ７０両端間の電圧がゼロとなるＺＶＳ下で、スイッチ７０が入る。
【００６０】
時点Ｔ３後、第１電気コイル４０を流れる電流ＩＬが線形に値を減少させながら第２電子制御スイッチ３０を流れる。時点Ｔ４で、第１電気コイル４０を流れる電流ＩＬの値はゼロになり、その後、出力コンデンサ５０が供給するエネルギーで、電流ＩＬの値は減少し続け、負になる。時点Ｔ５で、電流がＩＭＩＮに達すると、第２電子制御スイッチ３０が切れる。後述するように、入力電圧が最大かつ出力電流が最大である制限の下、時点Ｔ８で接点２５の電圧がＶＩＮに等しくなるようにＩＭＩＮを設定する。好適な一実施形態では、ＩＭＩＮをＶＩＮの関数となるように設定する。接点２５のキャパシタンスが充電されるのに応じて接点２５の電圧が上昇すると、第１電気コイル４０の電流ＩＬの変化率が小さくなり始め、接点２５の電圧がＶＯＵＴに上昇する、即ち第１電気コイル４０の電圧ＶＬがゼロになる時点Ｔ６でゼロになる。ゼロ電圧降下が第２電気コイル１９０に反映されると、電子制御スイッチ７０がオンであるため、電子制御スイッチ６０両端間の電圧降下はゼロになる。後述する制御回路は、ＺＶＳ下で電子制御スイッチ６０を閉じると、第２電気コイル１９０間に実質、短絡を生じ、それが電気コイル４０へ反映される。短絡により第２電気コイル１９０両端間の電圧はゼロのままなので、電流の変化ｄｌ／ｄｔもまたゼロであり、それが第１電気コイル４０に反映され、その電流はコイル１９０へ誘起される。時点Ｔ７でスイッチ７０が開き、電流を逆にコイル４０へ誘起すると、第２電気コイル１９０の短絡を解除して第１電気コイル４０と第１電気コイル４０の電圧ＶＬが再びＶＩＮ−ＶＯＵＴの値に上昇し、第１電気コイル４０の電流ＩＬが上昇し始める。サイクルの終りである時点Ｔ８は上述した時点Ｔ１に等しく、第１電子制御スイッチ両端間の電圧は再度ゼロ、即ち接点２５の電圧がＶＩＮに達し、第１電子制御スイッチ２０は再度ＺＶＳ下で閉じる。電子制御スイッチ６０と７０は、第１電気コイル４０の充電や放電に関わらず動作するので、サイクルをＴまで広げることができる。
【００６１】
一実施形態に関わり、図３Ｃは、一対の磁気結合した電気コイルを備えるが短絡路に追加のコンデンサを備えない共振型バックコンバータ１６５のハイレベル回路図を示している。図３Ｄは、図３Ｃの共振型バックコンバータ１６５の動作グラフを示し、ｘ軸は時間、ｙ軸は電圧と電流を任意の値で表わしている。簡略化のために、図３Ｃと図３Ｄを一緒に説明する。共振型バックコンバータ１６５は、コンデンサ８０と９０が設けられていないこと以外、あらゆる点で図３Ａの共振型バックコンバータ１５５と同様な構成である。図３Ｄのグラフは電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０のゲート−ソース電圧、電圧ＶＬ、電流ＩＬを示している。
【００６２】
図３Ａと３Ｂに関して上述したように、動作中、時点Ｔ２で電子制御スイッチ６０が切れず、時点Ｔ３で電子制御スイッチ７０が入らないこと以外、共振型バックコンバータ１６５は、あらゆる点で、共振型バックコンバータ１５５と同様に動作する。上述のように、時点Ｔ２で電子制御スイッチ２０が切れるので、時点Ｔ３で−ＶＯＵＴに達するまで電圧ＶＬが降下する。共振型バックコンバータ１６５において、電圧ＶＬがゼロに達すると電子制御スイッチ６０が切れ、電子制御スイッチ７０が入る。電圧ＶＬと電子制御スイッチ６０両端間の電圧がゼロとなるので、電子制御スイッチ７０両端間の電圧もゼロになる。従って、電子制御スイッチ７０のスイッチングはＺＶＳ下で行われる。
【００６３】
一実施形態に関わり、図４Ａは共振型ブーストコンバータ２００のハイレベル回路図を示し、図４Ｂは図４Ａの共振型ブーストコンバータ２００の動作グラフを示す。ここで、ｘ軸は時間を、ｙ軸は電圧を表す。簡略化のために、図４Ａと図４Ｂを一緒に説明する。出力コンデンサであるコンデンサ１０の電圧をＶＯＵＴ、入力コンデンサであるコンデンサ５０の電圧をＶＩＮと表記し、電気コイル４０と１９０の極性が反転すること以外、共振型ブーストコンバータ２００は、あらゆる点で図３Ａの共振型バックコンバータ１５５と同様の構成である。図４Ｂのグラフは、電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０のゲート−ソース電圧、電圧ＶＬ、電流ＩＬを示す。
【００６４】
動作中、時点Ｔ１で第１電気コイル４０の電圧ＶＬがＶＩＮなので、接点２５の電位はゼロになる。電子制御スイッチ３０をオンにするスイッチングはＺＶＳであり、電子制御スイッチ６０が切れ、電子制御スイッチ７０が入る。第２電気コイル１９０は第１電気コイル４０と磁気結合しているので、第２電気コイル１９０両端間の電圧は同様にＶＩＮであり、電子制御スイッチ７０がオン、即ち閉じているので電子制御スイッチ６０両端間の電圧はＶＩＮである。
【００６５】
第１電気コイル４０の正電圧に応じて電流ＩＬが線形に増加する。時点Ｔ２で電子制御スイッチ３０が切れ、電子制御スイッチ７０も同様に切れる。時点Ｔ２以後、接点２５のキャパシタンスの充電に応じて接点２５の電圧が上昇し始める。第１電気コイル４０の電流ＩＬの変化率が小さくなり始め、接点２５の電圧がＶＩＮに達するとき、即ち第１電気コイル４０の電圧ＶＬが負になると、電流が減少し始める。好適な一実施形態では、第１電子制御スイッチ２０をオンにしている時間を、電流ＩＬの最大値が必要とされる負荷電流を供給するのに十分であるように選定する。時点Ｔ３で、第１電気コイル４０の電圧ＶＬが−（ＶＯＵＴ−ＶＩＮ）に降下すると、電子制御スイッチ２０両端間の電圧がゼロとなり、制御回路は電子制御スイッチ２０をオンにする。第１電気コイル４０の電圧ＶＬは、同様に第２電気コイル１９０に反映され、その結果インダクタ１９０両端間の電圧は時点Ｔ２以後、降下する。コンデンサ９０が充電し始め、コンデンサ８０は放電し始める。コンデンサ８０と９０の容量は、時点Ｔ２でコンデンサ８０に蓄えられるエネルギーが、時点Ｔ３でコンデンサ９０に蓄えられるエネルギーよりも小さくなるように選定される。これにより時点Ｔ３で電子制御スイッチ６０両端間の電圧はゼロであり、従ってスイッチ６０はＺＶＳの下でスイッチが入る。時点Ｔ３以後、第１電気コイル４０を流れる電流ＩＬは、その大きさを線形に減少させて電子制御スイッチ２０を流れる。時点Ｔ４で第１電気コイル４０を流れる電流ＩＬの大きさはゼロであり、その後、出力コンデンサ１０が供給したエネルギーで、電流ＩＬの大きさは減少し続け、負になる。時点Ｔ５で第１電気コイル４０を流れる電流ＩＬがＩＭＩＮに達すると電子制御スイッチ２０が切れる。後述するように、最大入力電圧、最大出力電流の制限の下、接点２５での電圧が時点Ｔ８でゼロになるようにＩＭＩＮを設定するのが好ましい。好適な一実施形態では、ＩＭＩＮをＶＩＮの関数となるように設定する。接点２５のキャパシタンスが放電されるのに応じて接点２５の電圧が降下すると、第１電気コイル４０の電流ＩＬの変化率が小さくなり始め、接点２５の電圧がＶＩＮに降下する時点Ｔ６、即ち第１電気コイル４０の電圧ＶＬがゼロになるときに、ゼロになる。ゼロ電圧降下が第２電気コイル１９０へ反映されると、電子制御スイッチ６０が入っているので、電子制御スイッチ７０両端間の電圧降下はゼロとなる。後述する制御回路はＺＶＳの下で電子制御スイッチ７０を閉じ、それにより第２電気コイル１９０の両端で効果的に短絡を生じ、それが第１電気コイル４０へ反映される。短絡により第２電気コイル１９０両端間の電圧はゼロのままなので、電流変化ｄｌ／ｄｔもゼロである。時点Ｔ７でスイッチ６０が入ると、第２電気コイル１９０と第１電気コイル４０の短絡が解除され、電圧ＶＬは再度ＶＩＮ値へ上昇し、電流ＩＬも増加し始める。サイクルの終わりである時点Ｔ８は上述したように時点Ｔ１に等しく、電子制御スイッチ３０両端間の電圧は再度ゼロ、即ち接点２５の電圧がゼロに達し、電子制御スイッチ３０は再度ＺＶＳの下で閉じられる。電子制御スイッチ６０と７０は、第１電気コイル４０の充電や放電に関わらず動作するので、サイクルをＴまで拡張することができる。
【００６６】
一実施形態に関わり、図４Ｃは、短絡ループに蓄電コンデンサを備えない共振型ブーストコンバータ２１０のハイレベル回路図を示し、図４Ｄは図４Ｃの共振型ブーストコンバータ２１０の動作グラフを示す。ここで、ｘ軸は時間をｙ軸は電圧と電流を任意単位で表している。簡略化のために、図４Ｃと４Ｄを一緒に説明する。コンデンサ８０と９０が提供されていない以外、共振型ブーストコンバータ２１０は、あらゆる点で、図４Ａの共振型ブーストコンバータ２００と同様な構成である。図４Ｄのグラフは、電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０のゲート−ソース電圧、電圧ＶＬ、電流ＩＬを示している。
【００６７】
図４Ａと４Ｂに関して上述したように、動作中、時点Ｔ２で電子制御スイッチ７０が切れず、時点Ｔ３で電子制御スイッチ６０が入らないこと以外、共振型ブーストコンバータ２１０は、あらゆる点で、共振型ブーストコンバータ２００と同様に動作する。上述のように、時点Ｔ２で電子制御スイッチ３０が切れるので、時点Ｔ３で−（ＶＯＵＴ−ＶＩＮ）に達するまで第１電気コイル４０の電圧ＶＬが降下する。共振型ブーストコンバータ２１０において、電圧ＶＬがゼロに達すると、電子制御スイッチ７０が切れ、電子制御スイッチ６０が入る。電圧ＶＬがゼロで、電子制御スイッチ７０両端間の電圧がゼロであるため、電子制御スイッチ６０両端間の電圧もゼロである。このように、電子制御スイッチ６０はＺＶＳの下でスイッチが入る。
【００６８】
図５Ａは、共振型フライバック・コンバータ３００のハイレベル回路図を示し、入力コンデンサ１０、複数の電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０、複数の電気コイル４０、１８０、１９０、出力コンデンサ５０、複数の追加のコンデンサ８０、９０、１００、１１０を含む。各電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０は、一実施形態では、ＮＭＯＳＦＥＴで構成される。
【００６９】
入力コンデンサ１０の第１端子は、電気コイル４０の第１端子に接続される。入力コンデンサ１０の第２端子は、コンデンサ１００の第１端子、電子制御スイッチ２０のソース、共有ポイントに接続され、一実施形態では、共有ポイントはアース端子である。コンデンサ１００の第２端子は、電気コイル４０の第２端子と電子制御スイッチ２０のドレインに接続され、接点を２５と表記する。出力コンデンサ５０の第１端子は、電気コイル１８０の第１端子に接続される。出力コンデンサ５０の第２端子は、電子制御スイッチ３０のソース、コンデンサ１１０の第１端子、共有ポイントに接続される。電気コイル１８０の第２端子は、コンデンサ１１０の第２端子と電子制御スイッチ３０のドレインに接続され、接点を３５と表記する。電気コイル１９０の第１端子は、コンデンサ９０の第１端子と電子制御スイッチ７０のドレインに接続される。コンデンサ９０の第２端子は、電子制御スイッチ７０のソース、コンデンサ８０の第１端子、電子制御スイッチ６０のソース、共有ポイントに接続される。コンデンサ８０の第２端子は、電気コイル１９０の第２端子と電子制御スイッチ６０のドレインに接続される。図１２に関して後述するように、電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０のゲートは、制御回路（図示せず）に接続される。電気コイル４０、１８０、１９０は相互に磁気結合され、簡略化のため、電気コイル４０、１８０、１９０の巻線比を１：１：１とし、電気コイル４０の第１端子、電気コイル１８０の第２端子、電気コイル１９０の第１端子の極性が同じになるように配置されるものとして共振型フライバック・コンバータ３００を説明する。入力コンデンサ１０両端間の電圧をＶＩＮ、出力コンデンサ５０両端間の電圧をＶＯＵＴと表記する。電気コイル４０両端間の電圧は、その第１端子と第２端子間で測定し、ＶＬと表記する。電気コイル４０を流れる電流をＩＰ、電気コイル１８０を流れる電流をＩＳと表記する。
【００７０】
図５Ｂは、図５Ａの共振型フライバック・コンバータ３００の動作グラフを示し、ｘ軸は時間、ｙ軸は電圧を任意単位で表わしている。図５Ｂのグラフは、電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０のゲート−ソース電圧と電圧ＶＬを示している。簡略化のため、図５Ａと５Ｂの動作を一緒に説明する。
【００７１】
時点Ｔ１で、電気コイル４０の電圧ＶＬはＶＩＮで、従って、接点２５の電位はゼロである。電子制御スイッチ２０が入るとき、その両端の電圧はゼロなので、それはＺＶＳの下のスイッチングとなる。電子制御スイッチ６０はオンであり、電子制御スイッチ７０はオフである。電気コイル１９０は電気コイル４０と磁気結合しているので、電気コイル１９０両端間の電圧は同様にＶＩＮとなり、電子制御スイッチ６０がオン、即ち閉じられているので、電子制御スイッチ７０両端間の電圧はＶＩＮである。電気コイル１８０両端間の電圧は同様にＶＩＮである。
【００７２】
電気コイル４０の正電圧に応じて、電気コイル４０の電流ＩＰは線形に増加する。時点Ｔ２で第１電子制御スイッチ２０が切れ、電子制御スイッチ６０も同様に切れる。好適な一実施形態では、時点Ｔ２で電気コイル４０の電流ＩＰが所望の出力電圧ＶＯＵＴを提供するのに必要な最小値に上昇するように電子制御スイッチ２０をオンにしている時間を設定する。このように電気コイル４０の電流ＩＰが電気コイル１８０に電流ＩＳとして誘起されるため、コンデンサ１１０を放電すると、接点３５の電位が降下して時点Ｔ３でゼロになり、電圧ＶＬは−ＶＯＵＴへ降下する。コンデンサ８０が充電し始め、コンデンサ９０が放電し始める。時点Ｔ２でコンデンサ９０に蓄えられるエネルギーが、時点Ｔ３でコンデンサ８０に蓄えられるエネルギーよりも小さくなるように、コンデンサ８０と９０の容量を選定する。これにより、時点Ｔ３で電子制御スイッチ７０両端間の電圧がゼロになり、従ってＺＶＳの下でスイッチ７０が入る。
【００７３】
時点Ｔ３以後、電気コイル１８０の電流ＩＳが線形に減少して電子制御スイッチ３０を流れる。時点Ｔ４で、電気コイル１８０の電流ＩＳはゼロとなり、出力コンデンサ５０が供給するエネルギーで、減少し続けて負になる。時点Ｔ５で電流がＩＭＩＮに達すると、第２電子制御スイッチ３０が切れる。最大入力電圧及び最大出力電流の制限の下で、時点Ｔ８での接点２５の電圧がゼロに達するようにＩＭＩＮを設定する。好適な一実施形態では、ＶＩＮの関数となるようにＩＭＩＮを設定する。接点３５のキャパシタンスが充電されるのに応じて接点３５の電圧が上昇すると、電気コイル１８０の電流ＩＳの変化率が小さくなり始め、接点３５の電圧がＶＯＵＴに上昇する時点Ｔ６、即ち電気コイル１８０の電圧ＶＬがゼロになるときに、ゼロになる。ゼロ電圧降下が電気コイル１９０に反映されると、電子制御スイッチ７０はオンであるので、電子制御スイッチ６０両端間の電圧降下はゼロとなる。後述する制御回路は、ＺＶＳの下で電子制御スイッチ６０を閉じるので、電気コイル１９０の両端で効果的な短絡を生じ、それが電気コイル４０と電気コイル１８０に反映される。短絡により電気コイル１９０両端間の電圧はゼロのままなので、電流変化ｄｌ／ｄｔもゼロである。時点Ｔ７でスイッチ７０が開くと、電気コイル１９０、１８０、４０の短絡が解除され、電流ＩＰはコンデンサ１００として示す、接点２５のキャパシタンスを放電するので、電気コイル４０の電圧がＶＩＮ値へ再び上昇する。サイクルの終わりである時点Ｔ８は、上述するように時点Ｔ１に等しく、電子制御スイッチ２０両端間の電圧は再度ゼロ、即ち接点２５の電圧はゼロに達し、電子制御スイッチ２０は再度ＺＶＳの下で閉じられる。電子制御スイッチ６０と７０は、電気コイル４０の充電や放電に関わらず動作するので、サイクルをＴまで拡張することができる。
【００７４】
一実施形態に関わり、図５Ｃは短絡回路ループにコンデンサを備えない共振型フライバック・コンバータ３１０のハイレベル回路図を示し、図５Ｄは図５Ｃの共振型フライバック・コンバータ３１０の動作グラフを示す。ここで、ｘ軸は時間を、ｙ軸は電圧を任意単位で表している。簡略化のために、図５Ｃと図５Ｄを一緒に説明する。コンデンサ８０と９０を備えないこと以外、共振型フライバック・コンバータ３１０はあらゆる点で図５Ａの共振型フライバック・コンバータ３００と同様な構成である。図５Ｄのグラフは、電子制御スイッチ２０、３０、６０、７０のゲート−ソース電圧と電圧ＶＬを示している。
【００７５】
図５Ａと５Ｂに関して上述したように、動作中、時点Ｔ２で電子制御スイッチ６０が切れず、時点Ｔ３で電子制御スイッチ７０が入らないこと以外、共振型フライバック・コンバータ３１０は、あらゆる点で、共振型フライバック・コンバータ３００と同様に動作する。上述のように、時点Ｔ２で電子制御スイッチ２０が切れるので、時点Ｔ３で−ＶＯＵＴに達するまで電圧ＶＬが降下する。共振型フライバック・コンバータ３１０において、電圧ＶＬがゼロに達すると、電子制御スイッチ６０が切れ、電子制御スイッチ７０が入る。電圧ＶＬがゼロ、電子制御スイッチ６０両端間の電圧がゼロであるので、電子制御スイッチ７０両端間の電圧もゼロとなる。従って、電子制御スイッチ７０はＺＶＳの下でスイッチが入る。
【００７６】
一実施形態に関わり、図６Ａは、複数の磁気結合した電気コイルを備えたシングルエンド・フォワード型コンバータ４００のハイレベル回路図を示し、入力コンデンサ１０、複数の電子制御スイッチ２０、６０、７０、２００、電気コイル１５０、複数の電気コイル４０、１６０、１７０、１９０、出力コンデンサ５０、コンデンサ１００、一対のダイオード１３０、１４０を含む。一実施形態では、電子制御スイッチ２０、６０、７０、２００はＮＭＯＳＦＥＴである。
【００７７】
入力コンデンサ１０の第１端子は電気コイル４０の第１端子と電気コイル１６０の第１端子に接続されている。入力コンデンサ１０の第２端子は、コンデンサ１００の第１端子、電子制御スイッチ２０のソース、電子制御スイッチ２００のソース、共有ポイントに接続され、一実施形態では、共有ポイントはアース端子となる。コンデンサ１００の第２端子は、電気コイル４０の第２端子と電子制御スイッチ２０のドレインに接続され、その接点を２５と表記する。電気コイル１６０の第２端子は、電子制御スイッチ２００のドレインに接続される。電気コイル１７０の第１端子は、ダイオード１３０のアノードに接続される。電気コイル１７０の第２端子は、ダイオード１４０のアノード、出力コンデンサ５０の第１端子、共有ポイントに接続される。ダイオード１４０のカソードは、ダイオード１３０のカソードと電気コイル１５０の第１端子に接続される。電気コイル１５０の第２端子は、出力コンデンサ５０の第２端子に接続される。電気コイル１９０の第１端子は電子制御スイッチ７０のドレインに接続され、電気コイル１９０の第２端子は電子制御スイッチ６０のドレインに接続される。電子制御スイッチ６０のソースは電子制御スイッチ７０のソースと共有ポイントに接続される。電気コイル４０、１６０、１７０、１９０は磁気結合され、電気コイル４０の第１端子、電気コイル１６０の第２端子、電気コイル１７０の第１端子、電気コイル１９０の第１端子は極性が同じになるように配置される。電気コイル４０両端間の電圧は、第１端子と第２端子間で測定され、ＶＬと表記する。簡略化のために、フォワード型コンバータ４００は、電気コイル４０、１６０、１７０、１９０の巻線比率が１：１：１：１であるとして説明するが、これに限定するものではない。
【００７８】
図６Ｂは図６Ａのシングルエンド・フォワード型コンバータ４００の動作のグラフを示し、ｘ軸は時間をｙ軸は電圧を任意単位で表している。図６Ｂのグラフは電子制御スイッチ２０、６０、７０、２００のゲート−ソース電圧と電圧ＶＬを示す。簡略化のために、図６Ｂと図６Ａの動作を一緒に説明する。
【００７９】
動作中、時点Ｔ１で電圧ＶＬはＶＩＮであるので、接点２５の電位はゼロである。電子制御スイッチ２０が入るとき、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。電子制御スイッチ６０はオンであり、電子制御スイッチ７０はオフである。さらに、電子制御スイッチ２００がオフなので、シングルエンド・フォワード型コンバータ４００は、この段階では従来技術として知られている標準的シングルエンド・フォワード型コンバータと同様に動作する。
【００８０】
時点Ｔ２で電子制御スイッチ２０が切れる。接点２５のキャパシタンスの充電に応じて、接点２５の電圧は上昇し、従って電圧ＶＬは降下し始める。電圧ＶＬがゼロになる時、電気コイル１９０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ６０両端間の電圧はゼロなので、電子制御スイッチ７０両端間の電圧もゼロになる。電子制御スイッチ７０が入ると、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。電子制御スイッチ６０が切れる。接点２５のキャパシタンスは充電し続けて時点Ｔ３で２＊ＶＩＮに達し、その後電圧ＶＬが−ＶＩＮとなると、電子制御スイッチ２００のドレインにおける電位はゼロになる。時点Ｔ３で電子制御スイッチ２００が入るとき、その両端の電圧がゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。
【００８１】
当業者に知られているように、シングルエンド・フォワード型コンバータにおいて、電子制御スイッチ２０がオンの間に蓄えられた磁気エネルギーは、サイクルの終了までに放電されなければいけない。それを行う方法は、ヴィンシアレリによる１９８４年４月３日発行の米国特許第４，４４１，１４６を含む多くの文献に記載されており、その全体の内容を参照により本願に援用する。本実施形態において、蓄えられたエネルギーは電気コイル１６０を通して放電され、電気コイル１６０を流れる電流は時間と共に線形に減少し、時点Ｔ４でゼロとなる。電流は減少し続け、時点Ｔ４以後、負となる。本明細書で後述するように、時点Ｔ８で接点２５の電位がゼロに達するために、時点Ｔ５で接点２５のキャパシタンスが十分放電するのに必要な最小負電流に達する電流レベルとなるように、電子制御スイッチ２００がオンである時間を選定する。時点Ｔ５で電子制御スイッチ２００が切れると、接点２５のキャパシタンスの放電に応じて、接点２５の電圧が降下し始め、時点Ｔ６でＶＩＮに達する。従って、電圧ＶＬが上昇し、時点Ｔ６でゼロに達する。これにより、電気コイル１９０両端間の電圧もゼロで、電子制御スイッチ７０両端間の電圧がゼロなので、電子制御スイッチ６０両端間の電圧もゼロである。
【００８２】
電子制御スイッチ６０が入るとき、その両端の電圧がゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。ここで、電気コイル１６０を流れる電流が電気コイル１９０に誘起され、電圧ＶＬがゼロである限り電流は固定値を維持する。時点Ｔ７で電子制御スイッチ７０が切れると、電気コイル１９０を流れる電流は電気コイル４０に誘起される。接点２５のキャパシタンスの放電に応じて接点２５の電圧は降下し続け、時点Ｔ８でゼロに達する。従って、電圧ＶＬが上昇し、時点Ｔ８でＶＩＮに達する。ここで、電子制御スイッチ２０が入ると、その両端の電圧がゼロなので、そのスイッチングオンはＺＶＳである。
【００８３】
ダイオード１３０、１４０と協働する電気コイル１５０、１７０の動作は当業者によく知られている。電気コイル１７０両端間の電圧はＶＬである。電圧ＶＬがＶＩＮの時、ダイオード１３０が導通し、電気コイル１５０を流れる電流が上昇する。電圧ＶＬが−ＶＩＮに等しくなると、ダイオード１３０を導通せず、従って電気コイル１５０を流れる電流は減少する。
【００８４】
図７は、従来技術に関わり、フルブリッジ・フェイズシフト型コンバータ５００のハイレベル回路図を示している。フルブリッジ・フェイズシフト型コンバータ５００は、入力コンデンサ１０、出力コンデンサ５０、一対のダイオード１３０、１４０、複数の追加コンデンサ２２０、２３０、２７０、２８０、複数の電子制御スイッチ２４０、２５０、２９０、３００、複数の電気コイル１５０、２６０、３１０、３２０を含む。電子制御スイッチ２４０、２５０、２９０、３００は一般的にはＮＭＯＳＦＥＴである。
【００８５】
入力コンデンサ１０の第１端子は、コンデンサ２２０の第１端子、電子制御スイッチ２４０のドレイン、コンデンサ２７０の第１端子、電子制御スイッチ２９０のドレインに接続される。入力コンデンサ１０の第２端子は、コンデンサ２３０の第１端子、電子制御スイッチ２５０のソース、コンデンサ２８０の第１端子、電子制御スイッチ３００のソース、及び通常、アース端子となる共有ポイント（図示せず）に接続される。コンデンサ２２０の第２端子は、コンデンサ２３０の第２端子、電子制御スイッチ２４０のソース、電子制御スイッチ２５０のドレイン、電気コイル２６０の第１端子に接続される。電気コイル２６０の第２端子は、コンデンサ２７０の第２端子、コンデンサ２８０の第２端子、電子制御スイッチ２９０のソース、電子制御スイッチ３００のドレインに接続される。出力コンデンサ５０の第１端子は、電気コイル１５０の第１端子に接続され、出力コンデンサ５０の第２端子は、電気コイル３１０の第１端子、電気コイル３２０の第１端子、共有ポイントに接続される。電気コイル１５０の第２端子は、ダイオード１３０のカソードとダイオード１４０のカソードに接続される。電気コイル３１０の第２端子はダイオード１３０のアノードに接続され、電気コイル３２０の第２端子はダイオード１４０のアノードに接続される。電気コイル２６０、３１０、３２０は磁気結合し、電気コイル２６０の第２端子、電気コイル３１０の第２端子、電気コイル３２０の第１端子の極性が同じになるように配置される。フルブリッジ・フェイズシフト型コンバータ５００は、少なくとも入力電圧と出力電流の範囲の固定の周波数で動作しながら、ＺＶＳを可能にする。フルブリッジ・フェイズシフト型コンバータ５００の動作は、従来技術として良く知られているので、簡略化のために、これ以上説明しない。
【００８６】
一実施形態に関わり、図８Ａは複数の磁気結合した電気コイルを備えたプッシュプル型コンバータ５５０のハイレベル回路図を示している。後述するように、プッシュプル型コンバータ５５０は、入力電圧と負荷電流の範囲で、図７のフルブリッジ・フェイズシフト型コンバータ５００と同様な構成で動作するゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を可能にする。プッシュプル型コンバータ５５０は、入力コンデンサ１０、複数の電子制御スイッチ２０、６０、７０、２００、電気コイル１５０、複数の電気コイル４０、１６０、１９０、３１０、３２０、出力コンデンサ５０、複数の追加コンデンサ８０、９０、１００、３３０、一対のダイオード１３０、１４０を含む。一実施形態では、電子制御スイッチ２０、６０、７０、２００はＮＭＯＳＦＥＴで構成される。
【００８７】
入力コンデンサ１０の第１端子は、極性を点で表した電気コイル４０の第１端子と電気コイル１６０の第１端子に接続される。入力コンデンサ１０の第２端子は、コンデンサ１００の第１端子、電子制御スイッチ２０のソース、コンデンサ３３０の第１端子、電子制御スイッチ２００のソース、共有ポイント（図示せず）に接続される。一実施形態では共有ポイントはアース端子となる。コンデンサ１００の第２端子は、極性を点で表した電気コイル４０の第２端子と電子制御スイッチ２０のドレインに接続され、接点を２５と表記する。電気コイル１６０の第２端子は、電子制御スイッチ２００のドレインとコンデンサ３３０の第２端子に接続され、接点を２０５と表記する。点で極性を表した電気コイル３１０の第１端子は、ダイオード１３０のアノードに接続される。電気コイル３１０の第２端子は、極性を点で表した電気コイル３２０の第１端子、出力コンデンサ５０の第１端子、共有ポイントに接続される。電気コイル３２０の第２端子はダイオード１４０のアノードに接続される。極性を点で表した電気コイル１５０の第１端子は、ダイオード１３０のカソードとダイオード１４０のカソードに接続される。電気コイル１５０の第２端子は出力コンデンサ５０の第２端子に接続される。極性を点で表した電気コイル１９０の第１端子は、電子制御スイッチ７０のドレインとコンデンサ９０の第１端子に接続される。電気コイル１９０の第２端子は電子制御スイッチ６０のドレインとコンデンサ８０の第１端子に接続される。電子制御スイッチ６０のソースはコンデンサ８０の第２端子、コンデンサ９０の第２端子、電子制御スイッチ７０のソース、共有ポイントに接続される。電気コイル４０、１６０、３１０、３２０、１９０は磁気結合し、実施形態では巻線比が１：１：１：１：１としているがこれに限定するものではない。電気コイル４０両端間の電圧は、第１端子と第２端子の間で測定され、ＶＬと表記する。
【００８８】
図８Ｂは、図８Ａのプッシュプル型コンバータ５５０の動作グラフを示し、ｘ軸は時間をｙ軸は電圧を任意単位で表している。図８Ｂのグラフは電子制御スイッチ２０、６０、７０、２００のゲート−ソース電圧と電圧ＶＬを示している。簡略化のために、図８Ａと８Ｂの動作を一緒に説明する。
【００８９】
動作中、時点Ｔ１で電圧ＶＬはＶＩＮであり、接点２５の電位は従ってゼロになる。電子制御スイッチ２０がはいるとき、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。電子制御スイッチ７０はオン、電子制御スイッチ６０はオフである。
【００９０】
時点Ｔ２は出力電圧を維持する制御回路フィードバックループに応じて選択され、後述するように、この時点で電子制御スイッチ２０を切る。接点２５の電位は接点２５のキャパシタンスの充電に応じて上昇を開始して時点Ｔ３でＶＩＮに達する、即ち電圧ＶＬは時点Ｔ３でゼロに降下する。電圧ＶＬがゼロになると、電気コイル１９０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ７０両端間の電圧がゼロなので、電子制御スイッチ６０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ６０が入り、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。ここで、電気コイル１５０を流れる電流は電気コイル１９０に反映される。
【００９１】
時点Ｔ４で電子制御スイッチ７０が切れる。接点２５のキャパシタンスの充電に応じて、接点２５の電圧は、時点Ｔ５で２＊ＶＩＮに達する、即ち電圧ＶＬが−ＶＩＮに等しくなるまで、時点Ｔ１と対称になるように上昇する。さらに、時点Ｔ４以後、接点２０５の電圧は、接点２０５のキャパシタンスの放電に応じて降下し、時点Ｔ５でゼロに達する。電子制御スイッチ２００が入るとき、その両端の電圧がゼロのため、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。
【００９２】
時点Ｔ６で、電子制御スイッチ２００が切れる。接点２５の電圧が降下し始め、接点のキャパシタンスの放電に応じて、時点Ｔ７でＶＩＮに達する、即ち時点Ｔ７で電圧ＶＬがゼロになる。電圧ＶＬがゼロのため、電気コイル１９０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ６０両端間の電圧がゼロのため、電子制御スイッチ７０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ７０が入るとき、その両端の電圧がゼロのため、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。従って、電圧ＶＬはゼロに固定され、電気コイル１５０を流れる電流は電気コイル１９０に反映される。
【００９３】
時点Ｔ８で電子制御スイッチ６０が切れ、接点２５の電圧が接点２５のキャパシタンスの放電に応じて降下し続け、時点Ｔ９でゼロに達する。即ち時点Ｔ９で電圧ＶＬはＶＩＮに上昇する。時点Ｔ９で電子制御スイッチ２０が入るとき、その両端の電圧がゼロのため、そのスイッチングはＺＶＳとなる。
【００９４】
一実施形態に関わり、図９Ａはハーフブリッジフェーズシフト型コンバータ５６０を示している。後述するように、ハーフブリッジフェーズシフト型コンバータ５６０は、入力電圧と出力電流の範囲で図７のフルブリッジ・フェイズシフト型コンバータと同様な構成で動作し、ゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を可能にする。ハーフブリッジ型コンバータ５６０は、入力コンデンサ１０、出力コンデンサ５０、一対のダイオード１３０、１４０、複数の追加コンデンサ８０、９０、２２０、２３０、２７０、２８０、複数の電子制御スイッチ６０、７０、２４０、２５０、複数の電気コイル１５０、１９０、２６０、３１０、３２０を含む。電子制御スイッチ６０、７０、２４０、２５０は、一実施形態ではＮＭＯＳＦＥＴで構成される。
【００９５】
入力コンデンサ１０の第１端子は、コンデンサ２２０の第１端子、電子制御スイッチ２４０のドレイン、コンデンサ２７０の第１端子に接続される。入力コンデンサ１０の第２端子は、コンデンサ２３０の第１端子、電子制御スイッチ２５０のソース、コンデンサ２８０の第１端子、共有ポイント（図示せず）に接続される。一実施形態では共通ポイントはアース端子となる。コンデンサ２２０の第２端子は、コンデンサ２３０の第２端子、電子制御スイッチ２４０のソース、電子制御スイッチ２５０のドレイン、電気コイル２６０の第１端子に接続される。その接点を２４５と表記する。極性を点で表した電気コイル２６０の第２端子は、コンデンサ２７０の第２端子とコンデンサ２８０の第２端子に接続される。出力コンデンサ５０の第１端子は、電気コイル１５０の第１端子に接続され、出力コンデンサ５０の第２端子は、電気コイル３１０の第１端子、極性を点で表した電気コイル３２０の第１端子、共有ポイントに接続される。極性を点で表した電気コイル１５０の第２端子はダイオード１３０のカソードとダイオード１４０のカソードに接続される。極性を点で表した電気コイル３１０の第２端子はダイオード１３０のアノードに接続され、電気コイル３２０の第２端子はダイオード１４０のアノードに接続される。極性を点で表した電気コイル１９０の第１端子は電子制御スイッチ７０のドレインとコンデンサ９０の第１端子に接続される。電気コイル１９０の第２端子はドレイン電子制御スイッチ６０のドレインとコンデンサ８０の第１端子に接続される。電子制御スイッチ６０のソースは、コンデンサ８０の第２端子、コンデンサ９０の第２端子、電子制御スイッチ７０のソース、共有ポイントに接続される。電気コイル２６０、３１０、３２０、１９０は磁気結合されている。コンデンサ２７０、２８０は、入力電圧ＶＩＮを電圧分割するように配置され、従って電気コイル２６０の第２端子の電圧はＶＩＮ／２に維持される。
【００９６】
図９Ｂは図９Ａのハーフブリッジ型コンバータ５６０の動作グラフを示し、ここでｘ軸は時間をｙ軸は電圧を任意単位で表している。図９Ｂのグラフは、電子制御スイッチ６０、７０、２４０、２５０のゲート−ソース電圧と電圧ＶＬを示している。簡略化のために、図９Ａと９Ｂの動作を一緒に説明する。
【００９７】
動作中、時点Ｔ１で電圧ＶＬはＶＩＮ／２、従って接点２４５の電位はＶＩＮとなる。電子制御スイッチ２４０が入るとき、その両端の電圧がゼロのため、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。電子制御スイッチ７０はオン、電子制御スイッチ６０はオフである。
【００９８】
時点Ｔ２で電子制御スイッチ２４０が切れる。接点２４５のキャパシタンスの放電に応じて、接点２４５の電位が降下し始め、時点Ｔ３でＶＩＮ／２に達する。即ち時点Ｔ３でＶＬはゼロになる。電圧ＶＬがゼロになると、電気コイル１９０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ７０両端間の電圧がゼロのため、電子制御スイッチ６０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ６０が入るとき、その両端の電圧がゼロのため、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。電気コイル１５０を流れる電流は電気コイル１９０に反映される。
【００９９】
時点Ｔ４で電子制御スイッチ７０が切れる。接点２４５のキャパシタンスの放電に応じて、接点２４５の電圧が降下し続け、時点Ｔ５でゼロに達する。即ち、電圧ＶＬは−ＶＩＮ／２になる。時点Ｔ５で電子制御スイッチ２５０が入るとき、その両端の電圧がゼロのため、そのスイッチングはＺＶＳになる。時点Ｔ５からＴ９までの動作は、時点Ｔ１からＴ５までの動作と完全に対称になる。
【０１００】
時点Ｔ６で電子制御スイッチ２５０が切れると、接点２４５の電圧が接点２４５のキャパシタンスの充電に応じて上昇し始め、時点Ｔ７でＶＩＮ／２に達する。即ち電圧ＶＬは時点Ｔ７でゼロになる。電圧ＶＬがゼロのため、電気コイル１９０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ６０両端間の電圧はゼロなので、電子制御スイッチ７０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ７０が入るとき、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。電気コイル１５０を流れる電流は電気コイル１９０へ反映される。
【０１０１】
時点Ｔ８で電子制御スイッチ６０が切れると、接点２４５のキャパシタンスの充電に応じて接点２４５の電圧が上昇し続けて時点Ｔ９でＶＩＮに達し、電気コイル両端間の電圧ＶＬは上昇しＶＩＮ／２に達する。時点Ｔ９で電子制御スイッチ２４０が入るとき、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。
【０１０２】
一実施形態に関わり、図１０Ａは、複数の磁気結合した電気コイルの同期整流による、プッシュプル型コンバータ６００のハイレベル回路図を示している。プッシュプル型コンバータ６００は、ダイオード１３０、１４０を電子制御スイッチ１３０、１４０に置き換える以外は、図８Ａのプッシュプル型コンバータ５５０と同様な構成である。また、電気コイル１５０のインダクタンスは各半サイクル中、電流が負となるように選定される。一実施形態では電子制御スイッチ１３０、１４０はそれぞれＮＭＯＳＦＥＴで構成される。電子制御スイッチ１３０のソースは電気コイル３１０の第１端子に接続され、電子制御スイッチ１４０のソースは電気コイル３２０の第２端子に接続される。電子制御スイッチ１３０のドレインは、電子制御スイッチ１４０のドレインと電気コイル１５０の第１端子に接続される。電気コイル４０、１６０、３１０、３２０は相互に磁気結合され、別に電気コイル１５０、１９０は相互に磁気結合される。簡略化のために、磁気結合された対の電気コイル間の巻線比を１：１として、プッシュプル型コンバータ６００を説明する。電気コイル４０、１６０、３１０、３２０は、電気コイル４０の第１端子、電気コイル１６０の第２端子、電気コイル３１０の第１端子、電気コイル３２０の第１端子の極性が同じになるように配置されている。電気コイル１５０、１９０は、電気コイル１９０の第１端子と電気コイル１５０の第１端子の極性が同じになるように配置されている。電気コイル４０両端間の電圧をＶＬと表記し、第１端子と第２端子間で測定される。電気コイル１５０を流れる電流はＩＬと表記する。
【０１０３】
図１０Ｂは、図１０Ａのプッシュプル型コンバータ６００の動作グラフを示し、ｘ軸は時間をｙ軸は電圧を任意単位で表わしている。図１０Ｂのグラフは、電子制御スイッチ２０、６０、７０、１３０、１４０、２００のゲート−ソース電圧と電圧ＶＬを示している。簡略化のために、図１０Ａと１０Ｂの動作を一緒に説明する。
【０１０４】
動作中、時点Ｔ１で電圧ＶＬはＶＩＮであり、接点２５の電位は従ってゼロである。電子制御スイッチ２０が入るとき、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。電子制御スイッチ６０、１３０もオンである。時点Ｔ２で電子制御スイッチ２０が切れる。一実施形態では、所望の固定出力電圧ＶＯＵＴを確保するように、電子制御スイッチ２０が入っている時間を決定する。接点２５のキャパシタンスの充電に応じて、接点２５の電圧が上昇し、時点Ｔ３でＶＩＮに達する。従って電圧ＶＬはゼロであり、各電気コイル１６０、３１０、３２０両端間の電圧もゼロである。電子制御スイッチ１３０両端間の電圧と同様に、各電気コイル３１０、３２０両端間の電圧がゼロなので、電子制御スイッチ１４０両端間の電圧もゼロである。時点Ｔ３で電子制御スイッチ１４０が入り、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。
【０１０５】
電子制御スイッチ１３０、１４０がオンのため、電流ＩＬが電子制御スイッチ１３０、１４０を流れ、直列接続された電気コイル３１０、３２０で短絡するように機能する。電気コイル１５０両端間の電圧は−ＶＯＵＴであり、従って電流ＩＬが減少し、時点Ｔ４で負になる。好適な一実施形態では、後述する時点Ｔ５で、磁化電流を考慮しながら、負電流ＩＬが達する値で電気コイル３２０両端間の電圧がＶＩＮまで上昇できるように、電子制御スイッチ１３０がオンである時間を選定する。時点Ｔ５で電子制御スイッチ１３０が切れる。電流ＩＬは電子制御スイッチ１４０と電気コイル３２０を流れる。電気コイル３２０を流れる負電流ＩＬは、電子制御スイッチ１４０のソースと共有ポイントの間で測定された電気コイル３２０両端間の電圧を増加させ、これにより、電圧ＶＬが減少し、電気コイル１６０両端間の電圧を増加させる。従って、接点２５の電圧が増加し、接点２０５の電圧が減少する。
【０１０６】
電気コイル３２０両端間の電圧が増加するにつれ、電子制御スイッチ１３０のドレインとその出力間で測定された電気コイル１５０両端間の電圧が減少する。時点Ｔ６で電気コイル３２０両端間の電圧がＶＯＵＴであり、電気コイル１５０両端間の電圧がゼロである。電気コイル１９０両端間の電圧もそれ故にゼロであり、電子制御スイッチ６０両端間の電圧もゼロのため、電子制御スイッチ７０両端間の電圧はゼロである。従って時点Ｔ６で電子制御スイッチ７０が入り、その両端の電圧がゼロのため、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。負電流ＩＬは従って電気コイル１９０へ反映され、固定値を維持する。さらに、電気コイル３２０両端間の電圧はＶＯＵＴに固定され、従って電圧ＶＬは−ＶＯＵＴに固定される。
【０１０７】
時点Ｔ７で電子制御スイッチ６０が切れ、電圧ＶＬの固定が解除される。電気コイル３２０両端間の電圧は上昇し続ける。時点Ｔ８で電気コイル３２０両端間の電圧がＶＩＮに達し、従って接点２０５の電圧はゼロであり、接点２５の電圧は２＊ＶＩＮである。従って、時点Ｔ７で電子制御スイッチ２００が入り、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。そして、電圧ＶＬは−ＶＩＮに固定される。このように、プッシュプル型コンバータ６００の動作の前半のサイクルが完了する。後半のサイクルは前半と対称であるので、簡略化のために、説明しない。
【０１０８】
生じた負電流ＩＬの最小値は出力電流の関数ではないので、電子制御スイッチ２０、６０、７０、１３０、１４０、２００はいかなる負荷でもゼロ電圧スイッチングに至り、電子制御スイッチ６０、７０は電気コイル４０に関するエネルギー変換には関与しない利点がある。
【０１０９】
一実施形態に関わり、図１１Ａは、記憶素子電気コイルと磁気結合する追加電気コイルを備えた、同期整流による、ハーフブリッジ型コンバータ７００のハイレベル回路図を示す。ハーフブリッジ型コンバータ７００は、ダイオード１３０、１４０が電子制御スイッチ１３０、１４０に置き換えられる以外は、図９Ａのハーフブリッジフェーズシフト型コンバータ５６０と同様な構成である。電気コイル１５０のインダクタンスは各半サイクル中、電流が負になるように選定される。電子制御スイッチ１３０、１４０は一実施形態ではそれぞれＮＭＯＳＦＥＴで構成される。電子制御スイッチ１３０のソースは電気コイル３１０の第２端子に接続され、電子制御スイッチ３２０のソースは電気コイル３２０の第２端子に接続される。電子制御スイッチ１３０のドレインは電子制御スイッチ１４０のドレインと電気コイル１５０の第２端子に接続される。電気コイル２６０は電気コイル３１０、３２０に磁気結合され、一実施形態では、電気コイル２６０が変圧器の一次巻線となり、電気コイル３１０、３２０が変圧器の二次巻線となる。電気コイル１５０、１９０は、別に、磁気結合している。電気コイル２６０、３１０、３２０は電気コイル３１０の第２端子、電気コイル３２０の第１端子、電気コイル２６０の第１端子の極性が同じになるように配置される。電気コイル１５０、１９０は電気コイル１５０の第２端子と電気コイル１９０の第１端子の極性が同じになるように配置される。電圧ＶＬは、その第１端子と第２端子間で測定された、電気コイル２６０両端間の電圧降下である。
【０１１０】
図１１Ｂは、図１１Ａのハーフブリッジ型コンバータ７００の動作グラフを示し、ｘ軸は時間をｙ軸は電圧を任意単位で表している。図１１Ｂのグラフは、電子制御スイッチ６０、７０、１３０、１４０、２４０、２５０のゲート−ソース電圧と電圧ＶＬを示している。簡略化のために、図１１Ａと１１Ｂの動作を一緒に説明する。
【０１１１】
動作中、時点Ｔ１で電圧ＶＬはＶＩＮ／２、即ち接点２４５の電位はＶＩＮである。電子制御スイッチ２４０が入るとき、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。電圧ＶＬは従ってＶＩＮ／２で固定される。電子制御スイッチ６０と１３０もオンである。時点Ｔ２で電子制御スイッチ２４０はオフである。所望の出力電圧ＶＯＵＴを確保するように、電子制御スイッチ２４０が入る時間を決定する。接点２４５の電圧は接点２４５のキャパシタンスの放電に応じて降下を始め、時点Ｔ３でＶＩＮ／２に達する。従って、電気コイル３１０と３２０両端間の電圧と同様、電圧ＶＬはゼロである。時点Ｔ３で電子制御スイッチ１４０が入る。電気コイル３１０、３２０両端間の電圧がゼロであるので、電子制御スイッチ１３０両端間の電圧と同様、電子制御スイッチ１４０両端間の電圧がゼロで、従ってそのスイッチングはＺＶＳで行われる。
【０１１２】
電子制御スイッチ１３０、１４０がオンであるので、電流ＩＬは電子制御スイッチ１３０、１４０を流れ、一実施形態では、変圧器の二次巻線となる電気コイル３１０、３２０を有効に短絡する。電気コイル１５０両端間の電圧は−ＶＯＵＴであるので、電流ＩＬは減少する。時点Ｔ４で電流ＩＬはゼロに達する。ＩＬは減少し続け、時点Ｔ５で電流ＩＬは負の値に達する。本明細書で後述するように、この負の電流により、磁化電流を考慮して、電気コイル３２０両端間の電圧をＶＩＮ／２に上げることができる。時点Ｔ５で電子制御スイッチ１３０が切れる。ここで、電流ＩＬは電子制御スイッチ１４０と電気コイル３２０を流れる。電気コイル３２０を流れる負電流ＩＬは、電子制御スイッチ１４０のソースと共有ポイント間で測定される電気コイル３２０両端間の電圧を増加させ、それによって電圧ＶＬの減少をもたらす。このようにして接点２４５の電位が下がる。
【０１１３】
電気コイル３２０両端間の電圧が増加するにつれ、電子制御スイッチ１３０のドレインとその出力間で測定した電気コイル１５０両端間の電圧が減少する。時点Ｔ６で電気コイル３２０両端間の電圧はＶＯＵＴであり、電気コイル１５０両端間の電圧はゼロである。電気コイル１９０両端間の電圧もゼロであり、電子制御スイッチ６０両端間の電圧もゼロなので、電子制御スイッチ７０両端間の電圧はゼロである。時点Ｔ６で電子制御スイッチ７０が入るとき、その両端の電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。従って、負電流ＩＬは電気コイル１９０に反映され、固定値を維持する。さらに、電気コイル３２０両端間の電圧はＶＯＵＴに固定され、従って電圧ＶＬは−ＶＯＵＴに固定される。
【０１１４】
時点Ｔ７で電子制御スイッチ６０が切れ、電圧ＶＬの固定が解除される。電気コイル３２０両端間の電圧は上昇し続ける。時点Ｔ８で電気コイル３２０両端間の電圧はＶＩＮ／２に達し、従って接点２４５の電圧はゼロになる。そして、電子制御スイッチ２５０が入り、その両端間電圧はゼロなので、そのスイッチングはＺＶＳで行われる。このようにハーフブリッジ型コンバータ７００の動作のサイクル前半が完了する。サイクルの後半は前半と対称であるので、簡略化のために説明はしない。
【０１１５】
生じた負電流ＩＬは出力電流の関数ではないので、電子制御スイッチ６０、７０、１３０、１４０、２４０、２５０はいかなる負荷でもゼロ電圧スイッチングに至り、電子制御スイッチ６０、７０が電気コイル２６０に関するエネルギー変換には関与しない利点がある。
【０１１６】
一実施形態に関わり、図１２は図３Ａの共振型バックコンバータ１５５の制御に適し、適切な論理修正を行うことにより図２Ａ−１１のどのコンバータとでも使用できる制御回路８００のハイレベル回路図を示す。制御回路８００は、クロック部８１０、複数のゼロ電圧検出器８２０、８３０、８４０、最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０、ＰＷＭ部８６０、ＲＥＦ部８７０、最小電流機能８８０、複数フリップフロップ（Ｆ．Ｆ．）８９０、９００、９１０、９２０、複数ＯＲゲート９３０、９４０、９５０、９６０、一対のインバータ９７０、９８０、ＡＮＤゲート９９０、複数のバッファ１０００、１０１０、１０２０、１０３０を含む。制御回路８００の外部には、複数のレジスタ１０４０、１０５０、１０６０、ＲＴ、コンデンサＣＴがある。フリップフロップ８９０、９００、９１０、９２０は、一実施形態ではＳ−Ｒフリップフロップである。
【０１１７】
レジスタＲＴの第１端子はクロック部８１０の第１入力に接続され、コンデンサＣＴの第１端子はクロック部８１０の第２入力に接続され、各レジスタＲＴとコンデンサＣＴの第２端子は通常接地される。クロック部８１０の出力は、最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０の第１入力、ＰＷＭ部８６０の第１入力、Ｆ．Ｆ．９２０のリセット入力、ＯＲゲート９５０の第１入力、ＯＲゲート９６０の第１入力に接続される。各ゼロ電圧検出器８２０、８３０、８４０の入力は、それぞれ、図３Ａの共振型バックコンバータ１５５の各電子制御スイッチ３０、６０、７０のドレインに接続される。ゼロ電圧検出器８２０の出力は、最小電流機能８８０の第１入力とＡＮＤゲート９９０の第１入力に接続される。ゼロ電圧検出器８３０の出力は、ＯＲゲート９６０の第２入力に接続される。ゼロ電圧検出器８４０の出力は、Ｆ．Ｆ．９１０のリセット入力とＦ．Ｆ．９２０のセット入力に接続される。レジスタ１０４０、１０５０の各第１端子は、それぞれ、最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０の第２、第３入力に接続され、レジスタ１０４０、１０５０の各第２端子は通常接地される。最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０の第４入力は電流ＩＬの電圧表示に接続される。最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０の第１出力はＯＲゲート９３０の第１入力に接続され、最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０の第２出力はＯＲゲート９３０の第２入力に接続される。
【０１１８】
ＰＷＭ部８６０の第１入力は電流ＩＬを表す電圧に接続される。ＰＷＭ部８６０の第２入力は共振型バックコンバータ１５５のエラー増幅器Ｅ／Ａの出力に接続され、ＰＷＭ部８６０の第３入力はＦ．Ｂで表記するエラー増幅器の入力に接続される。ＰＷＭ部８６０の出力はＦ．Ｆ．８９０のセット入力とインバータ９７０の入力に接続される。ＲＥＦ部８７０の出力は最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０の第５入力、ＰＷＭ部８６０の第５入力と最小電流機能８８０の第２入力に接続される。レジスタ１０６０の第１端子は最小電流機能８８０の第３入力に接続され、レジスタ１０６０の第２端子は通常接地される。最小電流機能８８０の第４入力は電子制御スイッチ３０のドレインに接続される。最小電流機能８８０の出力はＯＲゲート９５０の第２入力に接続される。ＯＲゲート９３０の出力はＯＲゲート９４０の第１入力に接続される。ＯＲゲート９４０の第２入力はインバータ９７０の出力に接続され、ＯＲゲート９４０の出力はＦ．Ｆ．８９０のリセット入力に接続される。ＡＮＤゲート９９０の第２入力はインバータ９８０の出力に接続され、ＡＮＤゲート９９０の出力はＦ．Ｆ．９００のセット入力に接続される。ＯＲゲート９５０の出力はＦ．Ｆ．９００のリセット入力に接続され、ＯＲゲート９６０の出力はＦ．Ｆ．９１０のセット入力に接続される。Ｆ．Ｆ．８９０の出力はインバータ９８０の入力及びバッファ１０００を介して電子制御スイッチ２０のゲートへ接続される。Ｆ．Ｆ．９００の出力はバッファ１０１０を介して電子制御スイッチ３０のゲートに接続され、Ｆ．Ｆ．９１０の出力はバッファ１０２０を介して電子制御スイッチ６０のゲートに接続され、Ｆ．Ｆ．９２０の出力はバッファ１０３０を介して電子制御スイッチ７０のゲートに接続される。
【０１１９】
最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０は、レジスタ１０４０を使い、ＲＥＦ部８７０の出力と協働して、最大許容デューティサイクルを決定し、最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０は、レジスタ１０５０を使い、ＲＥＦ部８７０の出力と協働して、最大許容電流を決定する。最小電流機能はレジスタ１０６０を使い、ＲＥＦ部８７０の出力と協働して、上記のような電子制御スイッチ２０のゼロ電圧スイッチングに至るのに必要な最小電流を決定する。
【０１２０】
動作中、時点Ｔ１から時点Ｔ２の間に、電流ＩＬが予め定めた値に上昇するか、予め定められたコンバータのデューティサイクルに到達すると、最大電流又は最大デューティサイクル機能８５０はＯＲゲート９３０、９４０を介してＦ．Ｆ．８９０をリセットするように動作するので、電子制御スイッチ２０を切る。上記のように、その後電流ＩＬは電圧ＶＬが負になると減少し始める。電子制御スイッチ２０がオンになっている時間は、電流ＩＬの感知値とエラー増幅器Ｅ／Ａの出力に応じ、ＰＷＭ部８６０が制御する。このように、Ｆ．Ｆ．８９０をパルス幅変調することにより、電子制御スイッチ２０のパルス幅変調のデューティサイクルを調整し、プリセット値に至る。
【０１２１】
上記のように時点Ｔ３で電子制御スイッチ３０はオンである。電子制御スイッチ３０のドレイン電圧がゼロとなるのに応じて、ゼロ電圧検出器で時点Ｔ３を決定する。即ち、ドレイン電圧がゼロになる時、ゼロ電圧検出器８２０はＡＮＤゲート９９０に高電圧を出力する。Ｆ．Ｆ．８９０の出力がゼロ、即ち、電子制御スイッチ２０がオフならば、ＡＮＤゲート９８０の両入力はハイになり、それによりＦ．Ｆ．９００をセットする。従って上記のように電子制御スイッチ３０が入る。上記のように、時点Ｔ５で電流ＩＬが所望の最小値に達すると、ＯＲゲート９５０を介してＦ．Ｆ．９００をリセットするように最小電流機能８８０が動作し、それにより電子制御スイッチ３０を切る。電子制御スイッチ３０のドレイン電圧がゼロかつゼロ電圧検出器８２０の出力がハイのとき、即ち時点Ｔ５でのみ、電子制御スイッチ３０を切るように最小電流機能８８０が動作する。
【０１２２】
上記のように、時点Ｔ３で電子制御スイッチ７０両端間の電圧はゼロになる。Ｆ．Ｆ．９２０をセットし、Ｆ．Ｆ．９１０をリセットするように、ゼロ電圧検出器８４０は動作するので、バッファ１０２０を介して電子制御スイッチ６０を切り、バッファ１０３０を介して電子制御スイッチ７０を入れる。上記のように、時点Ｔ６で電子制御スイッチ６０両端間の電圧はゼロである。Ｆ．Ｆ．９１０をセットするようにゼロ電圧検出器８３０は動作するので、バッファ１０２０を介して電子制御スイッチ６０を入れる。
【０１２３】
このように、一実施形態では、電気コイルに関する短絡状態によってコンバータの電気コイルを流れる電流を維持する設定を備え、電力変換装置のエネルギー変換機能を果たすためのスイッチとは無関係に、短絡状態に達する。ゼロ電圧スイッチング状態に至るために、この状態を維持する。代表的実施形態では、電気コイルに磁気結合する第２電気コイルを備え、第２電気コイルを通して短絡状態を作る。
【０１２４】
明確化のため、本発明の特徴を別々の実施形態で説明したが、それらを組み合わせて一つの実施形態とすることも可能である。また逆に、簡略化のため別々の実施形態で説明した本発明の様々な特徴を、別々に、または、副次的に適切な組み合わせで提供することもできる。
【０１２５】
別に定義しない限り、ここで使用した技術、科学用語の全ては、本発明の属する技術分野に通常の知識を有する者が共通に理解する意味と同じである。ここで開示したものと同様または同じ方法が、本発明を実施、試験するために用いられるが、ここで、適切な方法を開示している。
【０１２６】
ここで述べた全ての出版物、特許出願、特許及びその他の資料が、参照としてそのまま本願に組み込まれている。矛盾がある場合には、定義を含み本願明細書が優先する。さらに、材料、方法、事例は、単に説明のためのものであり、それに限定するものではない。
【０１２７】
本発明が、具体的に上述したものに限定されないことを当業者は理解されたい。むしろ本発明の範囲は、添付のクレームにより定義され、上述した様々な特徴の組み合わせ、または副次的な組み合わせの両方、並びに、従来技術とは別に先で説明したものを読んだ当業者が想起するであろう、その変形、改良を含む。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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