(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インターリーブされたフォワード電圧コンバータであって、
第１のコンバータ段であって、
巻線比Ｎを有し、第１の一次巻線と第１の二次巻線とを有する第１の変圧器であって、前記第１の一次巻線が、入力電圧のソースに結合される第１の端子と、第２の端子とを有し、前記第１の二次巻線が、第１及び第２の端子を有する、前記第１の変圧器と、
前記第１の一次巻線の第２の端子に結合される第１のスイッチングトランジスタと、
前記第１の二次巻線の第２の端子に結合される第１のダイオードと、
を含む、前記第１のコンバータ段と、
第２のスイッチングトランジスタと、
前記第１の二次巻線の第１の端子に結合されるフィルタインダクタと、
第３のスイッチングトランジスタと、
第２のコンバータ段であって、
巻線比Ｎを有し、第２の一次巻線と第２の二次巻線とを有する第２の変圧器であって、前記第２の一次巻線が、第１の端子と基準電圧源に結合される第２の端子とを有し、前記第２の二次巻線が、第１の端子と前記基準電圧源に結合される第２の端子とを有する、前記第２の変圧器と、
前記入力電圧のソースと前記第２の一次巻線の第１の端子との間に結合される第４のスイッチングトランジスタと、
前記フィルタインダクタの前記第１の端子と前記第２の二次巻線の第１の端子との間に結合される第２のダイオードと、
を含む、前記第２のコンバータ段と、
前記第３のスイッチングトランジスタに直列に結合される第３のダイオードと、
を含み、
前記第２のスイッチングトランジスタが前記第１の一次巻線の第２の端子と前記第２の一次巻線の第１の端子との間に結合され、前記第３のスイッチングトランジスタと前記第３のダイオードとが前記第１の二次巻線の第２の端子と前記第２の二次巻線の第１の端子との間に結合される、コンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載のコンバータであって、
前記フィルタインダクタの前記第１の端子と前記基準電圧源との間に結合されるフリーホイールダイオードを更に含む、コンバータ。
【請求項３】
請求項１に記載のコンバータであって、
前記第２のスイッチングトランジスタが第１の位相を有する第１の信号により制御され、前記第３のスイッチングトランジスタが前記第１の位相と逆の第２の位相を有する第２の信号により制御される、コンバータ。
【請求項４】
コンバータ間で直列又は並列接続を提供するようにインターリーブされたフォワード電圧コンバータを動作させる方法であって、
第１及び第２の変圧器を提供することであって、前記第１の変圧器が第１の一次巻線と第１の二次巻線とを有し、前記第２の変圧器が第２の一次巻線と第２の二次巻線とを有し、前記第１及び第２の一次巻線の各々が入力電圧のソースに結合される正の端子を有し、前記第１及び第２の二次巻線の各々がフィルタインダクタの第１の端子に結合される正の端子を有する、前記第１及び第２の変圧器を提供することと、
互いに１８０度位相がずれた第１のトランジスタの対を駆動することによって前記第１及び第２の一次巻線の並列オペレーションを提供することであって、一方のトランジスタが前記第２の一次巻線の正の端子を前記入力電圧のソースに接続し、他方のトランジスタが前記第１の一次巻線の負の端子を基準電位に接続する、前記並列オペレーションを提供することと、
前記第１の一次巻線の負の端子と前記第２の一次巻線の正の端子との間に結合される第３のトランジスタを駆動することによって前記第１及び第２の一次巻線の直列オペレーションを提供することと、
前記第１の二次巻線の負の端子を第１のダイオードを介して前記基準電位に結合し、前記第２の二次巻線の正の端子を第２のダイオードを介して前記フィルタインダクタの前記第１の端子に結合することによって、前記第１及び第２の二次巻線の並列オペレーションを提供することと、
前記第１の二次巻線の負の端子と前記第２の二次巻線の正の端子との間で第４のトランジスタを駆動することによって、前記第１及び第２の二次巻線の直列オペレーションを提供することと、
を含む、方法。
【請求項５】
請求項４に記載の方法であって、
前記第４のトランジスタと直列に第３のダイオードを提供することを更に含む、方法。
【請求項６】
請求項４に記載の方法であって、
前記入力電圧のソースが所定の閾値より低いときに前記第１のトランジスタの対が動作される、方法。
【請求項７】
請求項４に記載の方法であって、
前記入力電圧のソースが所定の閾値より高いときに前記第３のトランジスタが動作される、方法。
【請求項８】
請求項６に記載の方法であって、
前記第４のトランジスタが、前記コンバータの出力電圧を増大させるように動作される、方法。
【請求項９】
請求項７に記載の方法であって、
前記第１及び第２の二次巻線が並列に接続される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、概して、インターリーブされたフォワード電圧コンバータに関し、特に、幅広い入力及び出力ダイナミックレンジを有するコンバータに関連する。
【背景技術】
【０００２】
プッシュ・プッシュコンバータとしても知られている、インターリーブされたフォワード電圧コンバータが当業界で既知である。図１は、従来技術のインターリーブされたフォワード電圧コンバータ１００の一例を示す。コンバータ１００において、入力電圧Ｖｉｎのソースが、第１のコンバータ段の第１の変圧器Ｔ１の正の端子に結合される。変圧器Ｔ１の他方の端子は、第１のスイッチングトランジスタＱ１を介して接地に接続される。トランジスタＱ１はパルス生成器１０２により駆動される。変圧器Ｔ１の二次巻線が、接地に接続される負の端子と、ダイオードＤｆ１を介してフィルタインダクタＬｆの一つの端子に接続される正の端子とを有する。変圧器Ｔ２を含む第２のコンバータ段が、電圧のソースに接続される一次巻線の正の端子と、トランジスタＱ２を介して接地に接続される負の端子とを有する。トランジスタＱ２のゲートが、パルス生成器１０６により駆動される。変圧器Ｔ２の二次巻線は、接地に接続される負の端子と、ダイオードＤｆ２を介してフィルタインダクタＬｆの入力端子に接続される正の端子とを有する。ダイオードＤｆ１及びＤｆ２は、ノードＶｆｉｌｔにおいて接続される。フリーホイールダイオードＤｆｗが、ノードＶｆｉｌｔに接続される。レジスタＲＬとして示される負荷が、インダクタＬｆの他方の側で端子に接続される。出力キャパシタＣｏが、負荷レジスタＲＬの両端に結合される。
【０００３】
トランジスタＱ１及びＱ２は、互いから１８０度位相をずらして切り替えられ、ゲート駆動信号（図示せず）のパルス幅変調（ＰＷＭ）によって出力電圧レギュレーションが実施される。図１の回路のオペレーションを、トランジスタＱ１及びＱ２のデューティサイクルが３０％である図２に関連して説明する。図２において、３０％デューティサイクルでの回路のオペレーションのための波形が概して２００として示されている。トランジスタＱ１及びＱ２を介する電流は、波形Ｉ（Ｑ１）及びＩ（Ｑ２）により示されている。フリーホイールダイオードＤｆｗを介する電流は、波形Ｉ（Ｄｆｗ）により示されている。ノードＶｆｉｌｔにおける電圧はＶｆｉｌｔとして示され、出力電圧はＶｏｕｔとして示されている。Ｖｏｕｔにおける電圧は、リップルを見ることができるように、拡大された電圧スケールで示されている。このデューティサイクルでは、第１のコンバータ及び第２のコンバータにより生成される電圧が端子Ｄｆｉｌｔにおいて加算され、増大された電圧が端子Ｖｏｕｔにおいて利用可能である。
【０００４】
図１の回路のオペレーションを、トランジスタＱ１及びＱ２のデューティサイクルが７０％である図３に関連して説明する。図２に示したものと同じ波形を図３において概して３００として示す。これら２つのトランジスタのデューティサイクルは、これら２つのトランジスタにＯＮ時間をオーバーラップさせ得るが、トランジスタを介する電流はオーバーラップせず、オーバーラップの期間の間ノードＶｆｉｌｔにおいて付加的な電圧が生成されない。フリーホイールダイオードを介する電流、及びノードＶｆｉｌｔ及びＶｏｕｔ両方における電圧は純ＤＣである。
【０００５】
この従来のインターリーブされたフォワード電圧コンバータのための出力電圧は、
０．５より小さい場合、Ｖｏｕｔ＝（Ｖｉｎ／Ｎ）・２・Ｄ  （式１）
０．５より大きい場合、Ｖｏｕｔ＝（Ｖｉｎ／Ｎ）  （式２）
である。ここで、Ｖｉｎは入力電圧であり、Ｖｏｕｔは出力電圧であり、Ｎは変圧器の巻線比であり、ＤはトランジスタＱ１及びＱ２のためのデューティサイクルである。
【０００６】
従って、デューティサイクルが５０％を超える場合、出力電圧は増大し得ない。
【発明の概要】
【０００７】
インターリーブされたフォワード電圧コンバータの記載される例において、第１のインバータ段が第１の変圧器を含み、第１の変圧器が、巻線比Ｎ１、及び入力電圧のソースに結合される一つの端子と第１のスイッチングトランジスタに結合される別の端子とを有する一次巻線を有する。第１の変圧器のための第１の二次巻線が、フィルタインダクタの第１の端子に結合される第１の端子と、第１のダイオードに結合される第２の端子とを有する。第２のコンバータ段が第２の変圧器を含み、第２の変圧器が、巻線比Ｎ２、及び入力電圧のソースに結合される一つの端子と第２のスイッチングトランジスタに結合される別の端子とを有する一次巻線を有する。第２の変圧器のための第２の二次巻線が、第２のダイオードを介してフィルタインダクタの第１の端子に結合される第１の端子と、基準電圧源に結合される第２の端子とを有する。第３のダイオードが、第２の変圧器のための第２の二次巻線の第１の端子と第１の変圧器の第１の二次巻線の第２の端子との間に結合される。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】従来技術のインターリーブされた電圧コンバータの概略図である。
【０００９】
【図２】３０％デューティサイクルでの図１の回路の一連の波形グラフである。
【００１０】
【図３】７０％デューティサイクルでの図１の回路の一連の波形グラフである。
【００１１】
【図４】例示の実施例のインターリーブされたフォワード電圧コンバータの概略図である。
【００１２】
【図５】３０％デューティサイクルでの図４の回路の一連の波形グラフである。
【００１３】
【図６】７０％デューティサイクルでの図４の回路の一連の波形グラフである。
【００１４】
【図７】例示の実施例の別のインターリーブされたフォワード電圧コンバータの概略図である。
【００１５】
【図８】図７の回路の一連の波形グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
図４は、例示の実施例のインターリーブされたフォワード電圧コンバータ４００の概略図である。図４において、第１のコンバータが、入力電圧Ｖｉｎのソースに結合される一次巻線４１０の正の端子を有する第１の変圧器Ｔ１を含む。変圧器Ｔ１の一次巻線４１０の負の端子は、トランジスタＱ１を介して接地に結合される。トランジスタＱ１のゲートは、パルス生成器４０２に結合される。変圧器Ｔ１の二次巻線４１２は、ノードＶｆｉｌｔにおいてフィルタインダクタの第１の端子に接続される正の端子を有する。二次巻線４１２の負の端子は、ダイオードＤｆ１を介して接地に接続される。第２のコンバータが、入力電圧Ｖｉｎのソースに接続される一次巻線４１４の正の端子を有する変圧器Ｔ２を含む。一次巻線４１４の負の端子は、トランジスタＱ２を介して接地に結合される。トランジスタＱ２のゲートは、パルス生成器４０６に結合される。変圧器Ｔ２の二次巻線４１６は、ダイオードＤｆ２を介してノードＶｆｉｌｔに接続される正の端子を有する。フリーホイールダイオードＤｆｗが、ノードＶｆｉｌｔから接地へ結合される。レジスタＲＬとして示される負荷が、フィルタインダクタＬｆの第２の端子から接地へ結合される。第３のダイオードＤｓが、変圧器Ｔ２の二次巻線４１６の正の端子を、変圧器Ｔ１の二次巻線４１２の負の端子に接続する。
【００１７】
図４の回路のオペレーションを、図５及び図６に関連して説明する。図５は、３０％デューティサイクルでの図４の回路のオペレーションを示す。図６は、７０％デューティサイクルでの図４の回路のオペレーションを示す。トランジスタＱ１及びＱ２は、互いから１８０度位相をずらして切り替えられ、ゲート駆動信号（図示せず）のパルス幅変調（ＰＷＭ）によって出力電圧レギュレーションが実施される。
【００１８】
図５を図２と比較すると、トランジスタＱ１及びＱ２を介する電流は、図２において別々に示されており、図５において組み合わされて示されている。しかし、図２及び図５を比較すると波形は同一である。フリーホイールダイオードＤｆｗを介する電流が、図２及び図５両方において考察される場合、それらは同一である。同様に、電圧Ｖｆｉｌｔは、出力電圧Ｖｏｕｔが同一であるので、図２及び図５両方において同一である。デューティサイクルが５０％を超えるとダイオードＤｓは自動で２つのコンバータを直列にする。従って、これら２つのコンバータによりつくられる電圧が直列で加わり得る。ダイオードＤｓを介する電流を図６ではＩ（Ｄｓ＿ｐ）として示し、これは、一つのトランジスタのみが導通している場合を除く、ダイオードを介して流れる電流を示す。フリーホイールダイオードＤＦＷを介する電流は、図３に示すものと同じであり、ノードＶｆｉｌｔにおける電圧は、トランジスタＱ１及びＱ２両方が導通しているとき正のピークを有する矩形波である。出力電圧は図２に示すようにリップルを有するが、１４０Ｖでの電圧は、図３に示すような波形を有する図１の従来技術回路によりつくられる１００Ｖの電圧より著しく高い。
【００１９】
例示の実施例の別の態様を概して７００として図７に示す。図７の回路は、直列又は並列いずれかで接続される入力、及び入力電圧における更に一層幅広い変動を扱うために直列又は並列いずれかで接続される出力で動作し得る。回路７００は、オペレーションの一つのモードから別のモードへオンザフライで（on-the-fly）へシフトし得る。回路７００は、一次巻線７１０を有する第１の変圧器Ｔ１を含む第１のコンバータを有し、一次巻線７１０は、入力電圧Ｖｉｎのソースに接続される正の端子を有する。一次巻線７１０の負の端子は、トランジスタＱｐ２を介して接地に結合され、トランジスタＱｓを介して第２のコンバータの変圧器Ｔ２の一次巻線７１４に結合される。トランジスタＱｐ２のゲートはパルス生成器７０４に接続され、トランジスタＱｓのゲートはパルス生成器７０６に接続される。変圧器Ｔ１の二次巻線７１２は、ノードＶｆｉｌｔにおいてフィルタインダクタＬＦの第１の端子に接続される正の端子を有する。二次巻線７１２の負の端子は、ダイオードＤｆ１を介して接地に結合される。変圧器Ｔ２を含む第２のコンバータは、トランジスタＱｐ１を介して入力電圧Ｖｉｎのソースに結合される一次巻線７１４を有する。トランジスタＱｐ１のゲートはパルス生成器７０２に接続される。７１４の負の端子は接地に接続される。第２の段の二次巻線７１６は、接地に接続される負の端子と、ダイオードＤｆ２を介してフィルタインダクタＬｆの第１の端子に接続される正の端子とを有する。第２のコンバータ段の二次巻線７１６の正の端子は、ダイオードＤｓ及びトランジスタＱｓｅｃの直列接続を介して第１のコンバータ段の二次巻線７１２の負の端子に結合される。トランジスタＱｓｅｃのゲートは、インバータ７０８を介してトランジスタＱｓのゲートに結合される。フリーホイールダイオードＤｆｗが、接地とフィルタインダクタＬｆの第１の端子との間に結合される。レジスタＲＬとして示される負荷が、フィルタインダクタＬｆの第２の端子に接続される。
【００２０】
図７の回路は、入力電圧における一層大きな変動を扱うことができる。入力電圧が閾値より低い場合、変圧器Ｔ１及びＴ２の２つの一次巻線７１０、７１４は並列に接続され得る。入力電圧が閾値より高い場合、変圧器Ｔ１及びＴ２の２つの一次巻線７１０、７１４は直列に接続され得る。一次巻線７１０、７１４が並列に接続される場合、変圧器Ｔ１及びＴ２の二次巻線７１２、７１６は、電圧ブーストを得るために直列に接続され得る。逆に、一次巻線７１０、７１４が直列に接続される場合、二次巻線７１２、７１６は、出力電圧を低減するために並列に接続され得る。一つのモードから別のモードへの回路のオペレーションは、オンザフライで変更され得る。従って、入力電圧変動を扱うために一層の柔軟性が達成される。
【００２１】
一次巻線７１０、７１４を並列に接続するために、２つのトランジスタＱｐ１及びＱｐ２が用いられる。トランジスタＱｐ１及びＱｐ２は互いから１８０度位相をずらして切り替えられ、ゲート駆動信号（図示せず）のパルス幅変調（ＰＷＭ）によって出力電圧レギュレーションが実施される。一次巻線７１０、７１４を直列に接続するトランジスタＱｓはオフにされる。トランジスタＱｓｅｃは、インバータ７０８を介してトランジスタＱｓのゲートに接続されるゲートを有する。従って、トランジスタＱｓがＯＦＦである場合、トランジスタＱｓｅｃがオンにされ得る。デューティサイクルが５０％を超えるとき、ダイオードＤｓ及びトランジスタＱｓｅｃの作用により二次巻線７１２、７１６が直列に置かれ得る。一次巻線７１０、７１４を並列に接続し、二次巻線７１２、７１６を直列に接続させることによって電圧ブーストが得られ得、それにより、コンバータを一層低い入力電圧で動作させ得る。
【００２２】
一次巻線７１０、７１４を直列に接続するために、トランジスタＱｓが用いられる。出力電圧は、トランジスタＱｓ（図示せず）に対してゲート駆動信号のパルス幅変調（ＰＷＭ）によりレギュレートされる。トランジスタＱｐ１及びＱｐ２は、この構成において用いられない。従って、２つの巻線７１０、７１４は、電圧源と接地との間で直列になる。トランジスタＱｓｅｃは、インバータ７０８を介してトランジスタＱｓのゲートに接続されるゲートを有する。従って、トランジスタＱｓがＯＮである場合、トランジスタＱｓｅｃがＯＦＦとされ得、二次巻線７１２、７１６がダイオードＤｆ１及びＤｆ２を介して並列となり得る。一次巻線７１０、７１４が直列に接続され、二次巻線７１２、７１６が並列に接続される場合、出力で電圧降下が起こり得、それにより、レギュレータを一層高い入力電圧から動作させ得る。
【００２３】
一次巻線及び二次巻線両方が並列に接続され得、又は一次巻線及び二次巻線両方が直列に接続され得る（図示せず）が、これは、上述のように電圧ブースト又は電圧降下のいずれかを生成するためにコンバータの巻線比を変えることを利用しない。
【００２４】
図８は、Ｑｓがアクティブである図７の回路のための波形を示す。頂部のグラフは、トランジスタＱｐ１及びＱｐ２を介するそれぞれの電流Ｉ（Ｑｐ１）及びＩ（Ｑｐ２）が、上述のように、一次巻線が直列に置かれるときそれらのトランジスタが用いられないため、ゼロであることを示す。トランジスタＱｓを介する電流Ｉ（Ｑｓ）を、４５％のデューティサイクルでの２番目の波形に示す。底部の波形に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔに小さなリップルが存在する。
【００２５】
並列オペレーションの間、トランジスタＱｐ１及びＱｐ２はゼロからＤｍａｘの間のデューティサイクルでアクティブである。Ｄｍａｘは、変圧器の消磁のための充分な時間を可能にし得る最大デューティサイクルである。Ｑｐ１及びＱｐ２両方がＯＮであるときトランジスタＱｓｅｃはＯＮである。回路は、Ｖｏｕｔ＝（Ｖｉｎ／Ｎ）・２・Ｄの転送比で、インターリーブされたフォワード電圧コンバータとなり、ここで、Ｄはゼロより大きくＤｍａｘより小さい。
【００２６】
直列オペレーションの間、トランジスタＱｓが、ゼロからＤｍａｘの間のデューティサイクルを有し、トランジスタＱｐ１及びＱｐ２はＯＦＦである。回路は、Ｖｏｕｔ＝（Ｖｉｎ／Ｎ）・ＤのＡＤＣの転送比で、シングルフォワードコンバータとなり、ここで、ＤはゼロからＤｍａｘの間である。
【００２７】
従って、例示の実施例において、インターリーブされたフォワード電圧コンバータは、出力電圧を生成する際の一層の柔軟性を有する。
【００２８】
少なくとも一つの例において、第１のインバータ段が、フィルタインダクタに結合される第１の二次巻線を有する第１の変圧器を有する。第２のコンバータ段が、フィルタインダクタに結合される第２の二次巻線を有する第２の変圧器を有する。コンバータのデューティサイクルが５０％を超えるとき第１及び第２の二次巻線を自動で直列に接続するように、ダイオードが第１及び第２の二次巻線間に結合される。インターリーブされたフォワード電圧コンバータが、２つの一次巻線を並列又は直列構成のいずれかで接続し得る。２つの二次巻線は、並列又は直列構成のいずれかで接続され得る。並列の２つの一次巻線及び直列の２つの二次巻線を有することは、コンバータを一層低い入力電圧で動作させ得る。直列の２つの一次巻線及び並列構成の２つの二次巻線を有することは、コンバータを一層高い入力電圧で動作させ得る。
【００２９】
少なくとも一つのバージョンにおいて、第１のコンバータ段が第１の変圧器を含み、第１の変圧器が、巻線比Ｎ１、及び入力電圧のソースに結合される一つの端子と第１のスイッチングトランジスタ及び第２のスイッチングトランジスタに結合される別の端子とを有する一次巻線を有する。第１の変圧器のための第１の二次巻線が、フィルタインダクタの第１の端子に結合される第１の端子と、第１のダイオード及び第３のスイッチングトランジスタに結合される第２の端子とを有する。第２のコンバータ段が第２の変圧器を含み、第２の変圧器が、巻線比Ｎ２、及び入力電圧のソースに結合される一つの端子と基準電圧源に結合される別の端子とを有する一次巻線を有する。第２の二次巻線のための第２の変圧器が、第２のダイオードへのフィルタインダクタの第１の端子に結合される第１の端子と、基準電圧源に結合される第２の端子とを有する。第３のトランジスタは、第１の変圧器の第１の二次巻線の第２の端子と、第２の変圧器の第２の二次巻線の第１の端子との間に結合される。
【００３０】
少なくとも一つの他のバージョンにおいて、第１のインバータ段が、フィルタインダクタに結合される第１の二次巻線を有する第１の変圧器を含む。第２のコンバータ段が、フィルタインダクタに結合される第２の二次巻線を有する第２の変圧器を含む。コンバータのデューティサイクルが５０％を超えるとき第１及び第２の二次巻線を自動で直列に接続するように、ダイオードが第１及び第２の二次巻線間に結合される。
【００３１】
また、例示の実施例は、インターリーブされたフォワード電圧コンバータを、コンバータ間の直列又は並列接続を提供するように動作させる方法を含み、この方法は、電圧のソースに結合される正の端子を有する一次巻線を各々が有し、フィルタインダクタの一つの端子に結合される正の端子を有する二次巻線を各々が有する、変圧器に提供することを含む。
【００３２】
一次巻線の並列オペレーションが、代替として、一方のトランジスタが第１の一次巻線の正の端子と直列であり、他方のトランジスタが第２の一次巻線の負の端子と直列である、互いに１８０度位相がずれたトランジスタの第１の対を駆動することによって提供される。一次巻線の直列オペレーションが、代替として、第１の一次巻線の負の端子と第２の一次巻線の正の端子との間に結合される第３のトランジスタを駆動することによって提供される。二次巻線の並列オペレーションが、第１の二次巻線の負の端子を第１のダイオードを介して基準電位に結合すること、及び第２の二次巻線の正の端子を第２のダイオードを介してフィルタインダクタの第１の端子に結合することにより提供される。二次巻線の直列オペレーションが、代替として、第１の二次巻線の負の端子と第２の二次巻線の正の端子との間で第４のトランジスタを駆動することによって提供される。
【００３３】
本発明の特許請求の範囲内で、説明した例示の実施例に変形が成され得、多くの他の実施例が可能である。
【図１】
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【図２】
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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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