(57)【要約】第１段に電力変圧器（ｐｏｗｅｒ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）の一次側が存在し、第２段に二次側が存在する２段のスイッチング電源が提供される。上記第１段（ステージ１）は、整流器１４の入力部に接続されたＥＭＩフィルタ１２を含んでいる。上記整流器の出力部は、自己振動、ハーフブリッジ型の共振インバータ１６に接続されており、このインバータは、電力源１０からの絶縁を提供する変圧器１８の一次側とのオープンループで動作する。ライン変動を補償するためにフィードフォワード制御が用いられ、これは、入力電圧の変動と比較して非常に小さい出力電圧の変動を与える。第２段（ステージ２）では、変圧器１８の二次側が、検知される電流と所望の値との差を表すエラー信号を用いて出力電流を調節するＰＷＭ制御回路３４を含むポストレギュレータ回路２０に入力を提供する。
2004519987.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電力源を負荷部に接続する２段スイッチング電源であって、
前記電力源から電力を受け取り、出力部を有する入力回路と、前記出力部に接続された自己振動、ハーフブリッジ型の共振インバータと、変圧器の一次側であって、前記インバータは該一次側とのオープンループで動作し、前記変圧器は前記電力源からの絶縁を与える当該変圧器の一次側とを有する第１段と、
前記変圧器の二次側と、この二次側に接続され、前記負荷部の両端に接続された出力部を持つポストレギュレータ回路とを有する第２段と
を有する２段スイッチング電源。
【請求項２】
前記電力源が交流電力源であり、前記入力回路が整流器を有する請求項１記載のスイッチング電源。
【請求項３】
前記電力源が交流電力源であり、前記入力回路が整流器である請求項１記載のスイッチング電源。
【請求項４】
前記負荷部が、当該電源を介して前記交流電力源から電荷を受け取るバッテリである請求項２記載のスイッチング電源。
【請求項５】
前記入力回路が、前記交流電力源に接続された入力部と前記整流器に接続された出力部とを持つＥＭＩフィルタを更に有する請求項２記載のスイッチング電源。
【請求項６】
前記共振インバータがソリッドステートデバイスの第１のペアを有し、これらデバイスのそれぞれが制御入力部を有すると共に、前記第１段が、前記インバータの自己振動を引き起こすために前記デバイスの第１のペアに制御入力信号を供給する方形波電流源を更に有する請求項２記載のスイッチング電源。
【請求項７】
前記ソリッドステートデバイスの第１のペアが、相補的に動作するＭＯＳＦＥＴである請求項６記載のスイッチング電源。
【請求項８】
前記インバータが、第１、第２及び第３の二次側を持つ変流器を更に有し、前記第１及び第２の二次側が前記デバイスの第１のペアの前記制御入力部を駆動するようにそれぞれ接続されており、前記第３の二次側が前記方形波電流源に制御信号を供給するために該方形波電流源に接続された請求項６記載のスイッチング電源。
【請求項９】
前記変流器が、制御巻線と、この制御巻線に接続された三角波形を持つ電流を生成する電流発生源とを更に含む請求項８記載のスイッチング電源。
【請求項１０】
前記波形が、共振電流と同期し、入力電圧に比例した振幅を有する請求項９記載のスイッチング電源。
【請求項１１】
ハーフブリッジ部の中間における電圧の方形波形を直流成分のない三角波形に変えるＲＣフィルタを更に有する請求項９記載のスイッチング電源。
【請求項１２】
前記ポストレギュレータ回路が、前記変圧器の二次側に接続されたコンバータを有する請求項２記載のスイッチング電源。
【請求項１３】
前記コンバータが、各チャネルが遮断されたときに非導通に向けられる同期整流器の役割を果たすソリッドステートデバイスの第２のペアを有し、これらデバイスのそれぞれが制御入力部を有する請求項１２記載のスイッチング電源。
【請求項１４】
前記第２段が、検知される電流と所望の値との差を表すエラー信号を用いて前記出力電流を調節するために前記ソリッドステートデバイスの第２のペアの制御入力電圧の制御を提供するパルス幅変調制御回路を更に有する請求項１３記載のスイッチング電源。
【請求項１５】
前記デバイスの第２のペアが、ＭＯＳＦＥＴである請求項１３又は１４記載のスイッチング電源。
【請求項１６】
前記負荷部が、当該電源を介して前記交流電力源から電荷を受け取るバッテリである請求項１４記載のスイッチング電源。
【請求項１７】
前記電力源が電力のソースであり、前記入力回路が前記電力源を前記インバータに接続する請求項１記載のスイッチング電源。
【請求項１８】
入力ライン変動を補償するために、前記第１段においてフィードフォワード制御が用いられる請求項２又は１７記載のスイッチング電源。
【請求項１９】
前記インバータがソリッドステートデバイスの第１のペアを有し、これらデバイスのそれぞれが制御入力部を有すると共に、前記第１段が、前記インバータの自己振動を引き起こすように前記デバイスに制御入力信号を供給する方形波電流源を更に有する請求項１７記載のスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、広くはスイッチング電源に関し、より詳細には、変圧器（ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ）の分離を伴う２段スイッチングコンバータに関する。本発明が特別な有用性を見出す一つの領域は、ハイエンドバッテリ充電器に関連している。
【０００２】
【従来の技術】
ほぼ全ての電気器具のサイズの低減に対しての増大する要求を、現在利用可能なスイッチング電源を用いて満たすことは難しい。関連技術のデバイス本来の幾つかの特徴が、望ましい目標の達成に対して影響する。例えば、通常、コンバータ全体がかなり広い範囲の入力電圧に対処するよう設計されなければならず、これは、効率を低下させる。また、磁性及びフィルタ素子のサイズの低減は、高いコンバータ損失を伴う高いスイッチング周波数を必要とする。高い損失は、メイントランジスタの両端の大きな電圧スパイクを避けるために変圧器の漏れインダクタンスに蓄積されるエネルギーを放散する必要性のため、高周波数の動作につきもの（ｉｎｈｅｒｅｎｔ）である。また、フィードバック信号の絶縁の実現は、費用がかかると共にかさばり、負荷電圧の要求が変化する場合には、コンバータ全体が再設計されなければならない。
【０００３】
ハイエンドバッテリ充電器に現在用いられているスイッチング電源は、一般に、１段のオフラインコンバータ１を使用し、フライバックコンバータを最もよく使用する。整流され、フィルタリングされたライン電圧ＶＭが、電源（ｍａｉｎ）からの絶縁を与え、出力電圧ＶＲを調節する上記コンバータに印加される。充電電流ＩＣＨを調節するために、上記コンバータは出力部からのフィードバック信号を必要とする。フィードバックは、通常、信号を制御部３に伝え、絶縁を与える光結合素子（ｏｐｔｏｃｏｕｐｌｅｒ）２により与えられる。典型的な回路が、図１に示されている。本発明は、現在の技術に関連する１つ又はそれ以上の問題又は欠点を克服するように向けられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、とりわけ、以下の特徴及び利点を有する電源を提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
確認コピー（ＣＯＮＦＩＲＭＡＴＩＯＮ ＣＯＰＹ）
１．回路の２つの異なる段において入力電圧の変動の補償が行われ、これは、より小さい調節範囲のための各部分の設計を可能にし、より効率的な回路をもたらす。
２．各段の低減された調節範囲は、また、部品の低減された電圧及び電流ストレスをもたらし、これは、同じ性能を提供するより低コストの部品の使用を可能にする。
３．負荷電圧の要求の変化は、第２段のみの再設計により対応され得る。
４．電源から絶縁された第２段において出力調節が行われ、これにより、フィードバック信号の絶縁が必要とされない。
【０００６】
この目的のために、本発明は、請求項１に記載の２段スイッチング電源を提供する。有利な形態は、従属請求項において規定されている。
【０００７】
本発明による一形態では、二次側のコンバータを従来の関連技術において用いられているダイオードのより少ない損失の同期整流器として用いることにより、効率がより向上する。
【０００８】
好ましい形態では、第１段は、ハーフブリッジ、共振型の自己振動回路であり、非常に低いスイッチング損失、漏れエネルギーの回復、及びライン整流器後の電圧へのスイッチの電圧のクランプを伴うゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）と共に動作する。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明のスイッチング電源は、第１段及び第２段を有しており、これらは図２のブロック図にＳ１及びＳ２として示されている。第１段Ｓ１では、通常の交流（ＡＣ）電流源１０から供給される電力が、四角形１２によって表されている共通ＥＭＩ（ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）フィルタを通って送られる。フィルタ１２は整流器１４に接続され、この整流器の出力部は、自己振動、ハーフブリッジ型の共振インバータ１６に接続されており、インバータ１６は、出力で電力源１０からの絶縁を提供する変圧器１８とのオープンループで動作する。ライン変動を補償するために、より詳細には後述するフィードフォワード制御が用いられる。このフィードフォワード制御は、入力電圧変化と比較して非常に小さい出力電圧変化を与える。第２段Ｓ２では、電圧器１８の二次側が、好ましい実施の形態は後で論じられるポストレギュレータ回路に入力を供給し、この回路の出力部は、本発明のスイッチング電源から電荷を受け取るバッテリとして示されている負荷部２２の両端に接続されている。レギュレータ２０は、四角形２４により示されている変圧器の追加の巻線を介して負荷部２２の正側に接続されており、キャパシタＣ１は負荷部２２に並列に接続されている。
【００１０】
段（Ｓｔａｇｅ）１の部分の好ましい実施の形態が、図３の模式図に示されている。ハーフブリッジ部１６は、図３にＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２の形態で示されている一対のソリッドステートスイッチングデバイスを含んでおり、これらは相補的に動作する。回路の自己振動は、方形波電流源２６を用いてＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２用のゲート信号を生成することにより引き起こされる。上記ＭＯＳＦＥＴのゲートは、ＭＯＳＦＥＴの制御入力部である。３つの二次側Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を有する変流器により、正弦波インダクタ電流が検知される。二次側Ｓ１，Ｓ２は、パワーＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２のゲートをそれぞれ駆動し、第３の二次側Ｓ３は、電流源２６に制御信号を供給する。
【００１１】
調節なしの動作では、図４に三角波により示されている磁化電流が、正弦波３０により示されている共振インダクタ電流に等しい場合に、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２に関するゲート電圧の極性の変化が生じる。このように、上記ハーフブリッジ部により供給される電圧は、参照符号３２により示されている方形波である。発振の条件は、Ｃ． Ｃｈａｎｇ及びＧ． Ｂｒｕｎｉｎｇの「Ｓｅｌｆ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂａｌｌａｓｔ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｖｉａ Ｒｅｌａｙ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｐｐｒｏａｃｈ」（ＡＰＥＣ １９９９）、Ｃ． Ｃｈａｎｇ及びＧ． Ｂｒｕｎｉｎｇの「Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｌｆ−Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｉｎｖｅｒｔｅｒ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｂａｌｌａｓｔｓ」（ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｎ Ｐｏｗｅｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ， ｖｏｌ． １４， ｎｏ． ３， Ｍａｙ １９９９， ｐｐ．５３３−５４０）に記載されている。
【００１２】
図５は、変流器の制御巻線に与えられる電流を生成するための電流源の好ましい実施の形態の電気回路図である。生成される電流は、共振電流と同期のとられた三角波であり、入力電圧に比例した振幅を有している。単純なＲＣフィルタが、ハーフブリッジ部の中間点の電圧の方形波形を直流（ＤＣ）成分のない三角波形に変える。波形の振幅は、入力電圧に比例する。生成された三角波形は、比例電流を生成するバイポーラトランジスタのベースを駆動するために用いられる。上記バイポーラトランジスタは単向デバイスであるので、１つのトランジスタは波形の正の部分のために必要とされ、他のトランジスタは負の部分のために必要とされる。交差する点のあたりにおいていくらかの歪みが予想されるが、共振タンクの入力部における電流と電圧との間の位相ずれはピーク電流の値により制御されるので、歪みは回路の動作に大きな影響を及ぼさない。上記波形は、図４と同じように見えるが、ここでは、三角波形はブリッジ電圧から生成され、その振幅は入力電圧に比例する。
【００１３】
段２の好ましい実施の形態は、インバータ段の電力変圧器の二次側における電圧を使用するコンバータであり、図６に示されている。従来の全波整流器、又は同期整流器を伴うバージョンは、上記負荷部に送られる電流の制御を提供することができない。２つのＭＯＳＦＥＴＱ５，Ｑ６は、同期整流器の役割を果たすが、その向きはチャネルが遮断されたときに内部の本体の（ｉｎｔｅｒｎａｌ ｂｏｄｙ）ダイオードが導通しないことを確実にする。導通時間は、平均出力電流を調節するために制御され得る。パルス幅変調（ＰＷＭ）制御回路３４は、抵抗器Ｒｓｅｎｓｅを介して検知される電流と基準電圧Ｖｒｅｆにより決定される所望の電流との差を表すエラー信号を使用して出力電流を調節するために、ゲート電圧に制御を提供する。
【００１４】
上述したことから、本発明は、新規の、改善された２段動作のスイッチング電源を提供することが理解されるであろう。第１段は、自己振動、ハーフブリッジ、共振インバータを有しており、このインバータは、出力で有用なラインからの絶縁を提供する変圧器とのオープンループで動作する。フィードフォワード制御がライン変動を補償するために用いられる。このフィードフォワード制御は、入力電圧変動に対して非常に小さい出力電圧変動を与える。第２段は、インバータの動作により入力電圧の変動が既に除去されるか、又は大きく低減されるために非常に小さい入力電圧変動に関して最適化され得る負荷調節用のコンバータを有している。これは、サイズの低減、効率の点で非常に有利であり、特に、全般的な入力ライン充電器に関して有利である。
【００１５】
上記２つの段のそれぞれが異なるアプリケーションに独立して用いられ得ることを述べることが重要である。例えば、上記段１のインバータの開示された実施の形態は、安定器（ｂａｌｌａｓｔ）アプリケーションにおいてランプを駆動するため、及びバッテリの充電に関する開示されたポストレギュレータを駆動するために用いられ得る。開示されたシステムでは、制限された入力範囲が、ポストレギュレータの磁気素子及びフィルタリング素子がコスト及びサイズの改善に関して最適化されることを可能にする。出力調節を提供するコンバータが絶縁される必要がないので、フィードバック信号の絶縁はもはや必要ではない。また、提案されたシステムは、設計のモジュール製（ｍｏｄｕｌａｒｉｔｙ）を可能にする。すなわち、二次側の種々の負荷調節コンバータが、同じ自己振動ハーフブリッジ及び変圧器と共に使用され得る。これは、コンバータ全体を再設計する必要をなくす。また、複数の出力部が必要である場合に１つ以上のモジュールが用いられ得る。電流源１０は必ずしも交流電源である必要はなく、太陽（ｓｏｌｏｒ）又は他の直流電源であってもよいことにも注意されたい。
【００１６】
本発明の他の観点及び特徴は、図面の検討、開示されたもの及び添付の特許請求の範囲から得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ハイエンドバッテリ充電器に現在用いられている典型的なスイッチング電源の模式図である。
【図２】本発明のブロック図である。
【図３】図２のブロック図の第１段の部分の好ましい実施の形態の電気回路図である。
【図４】本発明の動作に関連する電圧及び電流の波形の図である。
【図５】回路の第１段の他の部分の好ましい実施の形態の電気回路図である。
【図６】本発明の回路の第２段の好ましい実施の形態の電気回路図である。
【国際公開パンフレット】
2004519987.tif 000003
2004519987.tif 000004
2004519987.tif 000005
2004519987.tif 000006
2004519987.tif 000007
2004519987.tif 000008
2004519987.tif 000009
2004519987.tif 000010
2004519987.tif 000011
2004519987.tif 000012
2004519987.tif 000013
2004519987.tif 000014
2004519987.tif 000015
2004519987.tif 000016
【国際調査報告】
2004519987.tif 000017
2004519987.tif 000018
2004519987.tif 000019