(57)【要約】フライバック交流／直流変換装置及びその変換方法を提供する。前記裝置は、整流回路Ｒと、電子スイッチＳＷと、フライバック変圧器１０と、オートチャージポンプ回路２０とを備える。前記フライバック変圧器１０はプライマリーサイド及びセカンダリサイドを有し、且つ前記プライマリーサイド、前記整流回路Ｒ及び前記電子スイッチＳＷは電気的に接続される。前記オートチャージポンプ回路２０の一側は前記フライバック変圧器１０のセカンダリサイドに電気的に接続され、他側は前記負荷２００に電気的に接続されることで、電源変換効率が高まり、且つ出力電圧のリップルが抑制される。また、本発明は前記フライバック交流／直流変換装置の電源変換方法を更に提供する。
2016539621.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
交流電源の電気エネルギーが変換された後、負荷に出力されるフライバック交流／直流変換装置であって、前記フライバック交流／直流変換装置は、
前記交流電源に接続され、且つ前記交流電源の電気エネルギーが受電された後に直流電源に変換されて出力される整流回路と、
前記整流回路に電気的に接続される電子スイッチと、
プライマリーサイド及びセカンダリサイドを有し、且つ前記プライマリーサイドの二端は前記整流回路及び前記電子スイッチにそれぞれ電気的に接続され、前記セカンダリサイドは第一端及び第二端を有するフライバック変圧器と、
その一側が前記フライバック変圧器に電気的に接続され、他側が前記負荷に電気的に接続されるオートチャージポンプ回路とを備え、
前記オートチャージポンプ回路は、
その正極が前記セカンダリサイドの第二端に接続され、その負極が前記セカンダリサイドの第一端に電気的に接続される第一ダイオードと、
その一端が前記第一ダイオードの負極に接続される第一キャパシタと、
その一端が前記第一キャパシタの他端に接続され、他端が前記第一ダイオードの負極に電気的に接続されるインダクタと、
前記負荷に並列接続され、且つその一端が前記第一キャパシタ及び前記インダクタに接続され、他端が前記第一ダイオードの正極及び前記セカンダリサイドの第二端に接続される第二キャパシタと、
を更に備えることを特徴とするフライバック交流／直流変換装置。
【請求項２】
前記オートチャージポンプ回路は、その一端が前記フライバック変圧器のセカンダリサイドの第一端に接続され、他端が前記第一ダイオードの負極に接続される第二ダイオードを更に備え、前記第一ダイオードは前記第二ダイオードを介して前記フライバック変圧器のセカンダリサイドの第一端に電気的に接続されることを特徴とする、
請求項１に記載のフライバック交流／直流変換装置。
【請求項３】
前記第二ダイオードの正極は前記フライバック変圧器のセカンダリサイドの第一端に接続され、負極は前記第一ダイオードの負極に接続されることを特徴とする、
請求項２に記載のフライバック交流／直流変換装置。
【請求項４】
前記オートチャージポンプ回路は、一端が前記第一ダイオードの負極に接続され、他端が前記インダクタに接続される第三ダイオードを更に備え、前記インダクタは前記第三ダイオードを介して前記第一ダイオードの負極に電気的に接続されることを特徴とする、
請求項１に記載のフライバック交流／直流変換装置。
【請求項５】
前記第三ダイオードの正極は前記第一ダイオードの負極に接続され、負極は前記インダクタに接続されることを特徴とする、
請求項４に記載のフライバック交流／直流変換装置。
【請求項６】
前記電子スイッチが導通されることで、前記整流回路から出力される直流電源により前記フライバック変圧器のプライマリーサイドに対する充電が行われ、前記インダクタ、前記第一キャパシタ及び前記第二キャパシタにより前記負荷に対する放電が行われる工程Ａと、
前記電子スイッチが切断されることで前記整流回路から出力される直流電源が遮断され、前記フライバック変圧器のセカンダリサイドにより前記インダクタ、前記第一キャパシタ及び前記第二キャパシタに対する充電が行われ、且つ前記第二キャパシタにより前記負荷に対して持続的に放電が行われる工程Ｂと、
前記フライバック変圧器の放電が停止されると、前記インダクタの蓄電により前記第一キャパシタに対する充電が行われ、前記第一キャパシタの交差電圧の極性が反転し、且つ前記第二キャパシタにより前記負荷に対する放電が行われる工程Ｃと、
前記第一ダイオードが導通されることで、前記第一キャパシタ及び前記インダクタにより１つ前の工程とは反対方向の電圧が発生され、且つ前記第二キャパシタに対する充電が行われ、前記第二キャパシタにより前記負荷に対して持続的に放電が行われる工程Ｄとを含むことを特徴とする、
請求項１記載のフライバック交流／直流変換装置の電源変換方法。
【請求項７】
工程Ｄの後には、工程Ａ乃至工程Ｄが重複して実行される１つの工程を更に含むことを特徴とする、
請求項６に記載のフライバック交流／直流変換装置の電源変換方法。
【請求項８】
工程Ｂにおいて、前記フライバック変圧器のセカンダリサイドは前記第一キャパシタ及び前記インダクタにより形成される共振回路であり、その蓄電が前記第二キャパシタに導電されることを特徴とする、
請求項６に記載のフライバック交流／直流変換装置の電源変換方法。
【請求項９】
工程Ｃにおいて、前記第一キャパシタ及び前記インダクタにより共振回路が形成された後、前記インダクタの蓄電により前記第一キャパシタに対する充電が行われ、前記第一キャパシタの交差電圧の極性が反転し、且つ前記インダクタの交差電圧が前記第二キャパシタの交差電圧より大きい場合、前記第一ダイオードが導通され、工程Ｄに進むことを特徴とする、請
求項８に記載のフライバック交流／直流変換装置の電源変換方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源変換に関し、更に詳しくは、フライバック交流／直流変換装置及びその変換方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
フライバック電気エネルギー伝送システムと一般的な接触型電気エネルギー伝送システムとの最も大きな違いは、フライバック電気エネルギー伝送システムは電線を経由せずにエネルギーを直接伝送できる点であり、フライバック変圧器による電磁カップリングを利用してエネルギーがプライマリーサイドからセカンダリサイドの回路に伝送される、しかしながら、フライバック変圧器自体のカップリング不良の要因により、電力変換効率が低下した。このため、従来のフライバック電気エネルギー伝送システムは、共振式インピーダンス整合方式を利用して電源変換効率を高めている。但し、インピーダンス整合回路方式により実現された回路は、フライバック変圧器の結合係数パラメータの影響を受けやすく、予期した効果を達成できず、電源変換効率が低下した。
【０００３】
このほか、電気エネルギー伝送システムの出力電圧が負荷電圧より大きくなければ、出力端の電位を克服させてエネルギーを負荷に伝送させることができない。このため、フライバック電気エネルギー伝送回路は、往々にして大きな巻数比の変圧器を使用しなければ電圧を必要な電圧まで高めることができなかった。故に、コイル巻回数が増加するにつれてフライバック変圧器の銅損も増加し、電源変換効率の低下に繋がった。
【０００４】
このように、上述の従来のフライバック電気エネルギー伝送システムは、構造及び使用上、明らかに不便であり、欠陥が存在し、改善が強く望まれている。問題を解決するために関係各社が尽力しているが、長年最適な設計を発見できずにいる。一般的な製品は、適切な構造により上述の問題を解決することができていないため、関係業者にとって解決が急がれる問題であった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、フライバック交流／直流変換装置及びその変換方法を提供することを主目的とし、負電位を提供して負荷電圧の障害を補償し、変圧器のコイル巻数比を低下させて、銅損を低減させることで電源変換効率を高め、変圧器のプライマリーサイドのエネルギーがよりスムーズ且つ効率的に負荷に伝送されるようにして、電源変換効率を更に向上させる。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は以下の技術方法を採用して実現する。本発明に係るフライバック交流／直流変換装置は、交流電源の電気エネルギーが変換された後、負荷に出力される。前記フライバック交流／直流変換装置は、前記交流電源に接続され、且つ前記交流電源の電気エネルギーが受電された後に直流電源に変換されて出力される整流回路と、前記整流回路に電気的に接続される電子スイッチと、プライマリーサイド及びセカンダリサイドを有し、且つ前記プライマリーサイドの二端は前記整流回路及び前記電子スイッチにそれぞれ電気的に接続され、前記セカンダリサイドは第一端及び第二端を有するフライバック変圧器と、その一側が前記フライバック変圧器に電気的に接続され、他側が前記負荷に電気的に接続されるオートチャージポンプ回路とを備える。前記オートチャージポンプ回路は、その正極が前記セカンダリサイドの第二端に接続され、その負極が前記セカンダリサイドの第一端に電気的に接続される第一ダイオードと、その一端が前記第一ダイオードの負極に接続される第一キャパシタと、その一端が前記第一キャパシタの他端に接続され、他端が前記第一ダイオードの負極に電気的に接続されるインダクタと、前記負荷に並列接続され、且つその一端が前記第一キャパシタ及び前記インダクタに接続され、他端が前記第一ダイオードの正極及び前記セカンダリサイドの第二端に接続される第二キャパシタとを含む。
【０００７】
本発明の目的は、以下の技術的措置を採用して実現する。
好ましくは、前述のフライバック交流／直流変換装置は、前記オートチャージポンプ回路は、その一端が前記フライバック変圧器のセカンダリサイドの第一端に接続され、他端が前記第一ダイオードの負極に接続される第二ダイオードを更に備え、前記第一ダイオードは前記第二ダイオードを介して前記フライバック変圧器のセカンダリサイドの第一端に電気的に接続される。
好ましくは、前述のフライバック交流／直流変換装置は、前記第二ダイオードの正極は前記フライバック変圧器のセカンダリサイドの第一端に接続され、負極は前記第一ダイオードの負極に接続される。
好ましくは、前述のフライバック交流／直流変換装置は、前記オートチャージポンプ回路は、一端が前記第一ダイオードの負極に接続され、他端が前記インダクタに接続される第三ダイオードを更に備え、前記インダクタは前記第三ダイオードを介して前記第一ダイオードの負極に電気的に接続される。
好ましくは、前述のフライバック交流／直流変換装置は、前記第三ダイオードの正極は前記第一ダイオードの負極に接続され、負極は前記インダクタに接続される。
【０００８】
本発明の目的は以下の技術方法を採用して実現する。本発明は前述のフライバック交流／直流変換装置の電源変換方法を提供し、以下の工程を含む。
前記電子スイッチが導通されることで、前記整流回路から出力される直流電源により前記フライバック変圧器のプライマリーサイドに対する充電が行われ、前記インダクタ、前記第一キャパシタ及び前記第二キャパシタにより前記負荷に対する放電が行われる工程Ａ。
前記電子スイッチが切断されることで前記整流回路から出力される直流電源が遮断され、前記フライバック変圧器のセカンダリサイドにより前記インダクタ、前記第一キャパシタ及び前記第二キャパシタに対する充電が行われ、且つ前記第二キャパシタにより前記負荷に対して持続的に放電が行われる工程Ｂ。
前記フライバック変圧器の放電が停止されると、前記インダクタの蓄電により前記第一キャパシタに対する充電が行われ、前記第一キャパシタの交差電圧の極性が反転し、且つ前記第二キャパシタにより前記負荷に対する放電が行われる工程Ｃ。
前記第一ダイオードが導通されることで、前記第一キャパシタ及び前記インダクタにより１つ前の工程とは反対方向の電圧が発生され、且つ前記第二キャパシタに対する充電が行われ、前記第二キャパシタにより前記負荷に対して持続的に放電が行われる工程Ｄ。
【０００９】
本発明の目的は以下の技術的措置を更に採用して実現する。
好ましくは、前述の電源変換方法は、工程Ｄの後には、工程Ａ乃至工程Ｄが重複して実行される１つの工程を更に含む。
好ましくは、前述の電源変換方法は、工程Ｂにおいて、前記フライバック変圧器のセカンダリサイドは前記第一キャパシタ及び前記インダクタにより形成される共振回路であり、その蓄電が前記第二キャパシタに導電される。
好ましくは、前述の電源変換方法は、工程Ｃにおいて、前記第一キャパシタ及び前記インダクタにより共振回路が形成された後、前記インダクタの蓄電により前記第一キャパシタに対する充電が行われ、前記第一キャパシタの交差電圧の極性が反転し、且つ前記インダクタの交差電圧が前記第二キャパシタの交差電圧より大きい場合、前記第一ダイオードが導通され、工程Ｄに進む。
【発明の効果】
【００１０】
上述の技術方法により、本発明に係るフライバック交流／直流変換装置及びその変換方法は、以下の長所及び有益な効果を少なくとも有する。本発明の設計により、電源変換時に、負電位を提供することで負荷電圧の障害を補償し、前記フライバック変圧器のコイル巻数比を低下させることで、銅損が低減されて電源変換効率が向上し、前記フライバック変圧器のプライマリーサイドのエネルギーがよりスムーズ且つ効率的に負荷に伝送され、電源変換効率が更に向上する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の好ましい実施形態のフライバック交流／直流変換装置を示す回路図である。
【図２】本発明の各工程を示す等価回路である。
【図３】本発明の各工程を示す等価回路である。
【図４】本発明の各工程を示す等価回路である。
【図５】本発明の各工程を示す等価回路である。
【図６】本発明の第一キャパシタの電圧波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
上述の説明は本発明の技術方法の概略であり、本発明の技術手段をより明快に理解し、明細書の内容に従って実施できるようにするため、また、本発明の上述及び他の目的、特徴及び長所をより明確に理解できるようにするため、以下に好ましい実施形態を例示し、且つ図を組み合わせて、詳細に説明する。
【００１３】
本発明が予期する発明の目的を達成するために採用する技術手段及び効果について、更に詳述し、以下では図と好ましい実施形態を組み合わせて、本発明に係るフライバック交流／直流変換装置及びその変換方法に基づく具体的な実施方式、構造、特徴及びその効果について、詳細に説明する。
【００１４】
図１に示すように、本発明の好ましい実施形態に係るフライバック交流／直流変換装置は、交流電源１００の電気エネルギーが変換された後に、負荷２００に出力される。前記フライバック交流／直流変換装置は、整流回路Ｒと、電子スイッチＳＷと、フライバック(Flyback)変圧器と、オートチャージポンプ(auto charge pump)回路２０とを備える。前記整流回路Ｒは前記交流電源１００に接続され、且つ本実施形態ではブリッジ整流器であり、前記交流電源１００の電気エネルギーが受電された後、直流電源に変換されて出力される。当然ながら、実際の実施では、ブリッジ整流器が使用される以外、センタータップ、真空管、或いはその他の構造の整流器を使用して同じ目的を達成させてもよい。
【００１５】
前記電子スイッチＳＷは前記整流回路Ｒに電気的に接続され、前記整流回路Ｒから出力される直流電源が制御されて導通されるか、或いは遮断される。
【００１６】
前記フライバック変圧器１０はプライマリーサイド１１及びセカンダリサイド１２を有する。前記プライマリーサイド１１の二端は前記整流回路Ｒ及び前記電子スイッチＳＷにそれぞれ電気的に接続され、前記セカンダリサイド１２は第一端１２１及び第二端１２２を有する。
【００１７】
前記オートチャージポンプ回路２０は、一側が前記フライバック変圧器１０に電気的に接続され、他側が前記負荷２００に電気的に接続される。前記オートチャージポンプ回路２０は、３つのダイオード（第一ダイオードＤ１、第二ダイオードＤ２及び第三ダイオードＤ３）と、２つのキャパシタ（第一キャパシタＣ１及び第二キャパシタＣ２）と、１つのインダクタＬとを備える。上述の複数の部材の接続関係は下述のようになる。前記第二ダイオードＤ２の正極が前記フライバック変圧器１０のセカンダリサイド１２の第一端１２１に接続される。
【００１８】
前記第一ダイオードＤ１は、正極が前記セカンダリサイド１２の第二端１２２に接続され、負極が前記第二ダイオードＤ２の負極に接続され、前記第二ダイオードＤ２を介して前記セカンダリサイド１２の第一端１２１に電気的に接続される。
前記第一キャパシタＣ１の一端は前記第一ダイオードＤ１の負極及び第二ダイオードＤ２の負極に接続される。
【００１９】
前記第三ダイオードＤ３の正極は前記第一キャパシタＣ１、第一ダイオードＤ１の負極及び第二ダイオードＤ２の負極に接続される。
【００２０】
前記インダクタＬは、一端が前記第一キャパシタＣ１の他端に接続され、他端が前記第三ダイオードＤ３の負極に接続され、前記第三ダイオードＤ３を介して前記第一ダイオードＤ１の負極に電気的に接続される。
前記第二キャパシタＣ２は非電解キャパシタであり、前記負荷２００に並列接続され、且つ一端が前記第一キャパシタＣ１及び前記インダクタＬに接続され、他端が前記第一ダイオードＤ１の正極及び前記セカンダリサイド１２の第二端１２２に接続される。
【００２１】
本実施形態において、上述のキャパシタＣ１〜Ｃ２、前記インダクタＬ、入力電圧、出力電圧、前記電子スイッチＳＷのスイッチング周波数、及び前記負荷２００の規格は下の表１に示す。
【００２２】
【表１】
2016539621.tif 000003
【００２３】
このように、上述の構造設計及び規格に下述の電源変換方法を組み合わせて、電源変換効率を向上させる目的を達成させる。前記方法は、以下の工程を含む。
【００２４】
前記電子スイッチＳＷが導通されることで、前記整流回路Ｒから出力される直流電源により前記フライバック変圧器１０のプライマリーサイド１１に対する充電が行われ、前記インダクタＬ、前記第一キャパシタＣ１及び前記第二キャパシタＣ２により前記負荷２００に対して放電が行われる工程Ａ（図２参照）。
前記電子スイッチＳＷが切断されることで整流回路Ｒの直流電源が遮断され、前記フライバック変圧器１０のセカンダリサイド１２により前記インダクタＬ及び前記第一キャパシタＣ１に対する充電が行われ、且つ前記第一キャパシタＣ１及び前記インダクタＬにより形成される共振回路は、その蓄電が前記第二キャパシタＣ２に導電されることで、前記第二キャパシタＣ２が前記負荷２００に対して持続的に放電を行う工程Ｂ（図３参照）。
前記フライバック変圧器１０の放電が停止されると、前記第一キャパシタＣ１及び前記インダクタＬが共振を発生させ、前記インダクタＬの蓄電により前記第一キャパシタＣ１に対する充電が行われ、前記第一キャパシタＣ１の交差電圧の極性が反転し、この際、前記第二キャパシタＣ２は前記負荷２００に対して持続的に放電を行う工程Ｃ（図４参照）。
前記インダクタＬの交差電圧が前記第二キャパシタＣ２の交差電圧より大きい場合、前記第一ダイオードＤ１が導通され、前記第一キャパシタＣ１及び前記インダクタＬにより工程Ｃとは反対方向の電圧が発生され、且つ前記第二キャパシタＣ２に対する充電が行われ、前記第二キャパシタＣ２により前記負荷２００に対して持続的に放電が行われる工程Ｄ（図５参照）。
【００２５】
工程Ａ乃至工程Ｄが各１回実行された後に、１回の周期的動作が完成する。このため、前記フライバック交流／直流変換装置が持続的に動作する状況において、工程Ｄの後に、継続して工程Ａ乃至工程Ｄが重複して実行され、前記フライバック交流／直流変換装置の動作が停止されるまで続く。
【００２６】
これにより、上述の前記オートチャージポンプ回路２０の設計により、毎回の動作周期中に、前記第一キャパシタＣ１の交差電圧Ｖｃ１は図６に示すように、自動的に負電位を提供し、前記第一ダイオードＤ１が導通され、前記第一ダイオードＤ１の導通前後の回路構造全体が改変され、且つ負電圧により負荷２００の電圧が発生させる障害を補償する。このように、前記フライバック変圧器１０のコイル巻数比が低下することで、銅損が低減し、且つ前記フライバック変圧器１０のプライマリーサイドのエネルギーがよりスムーズ且つ効率的に負荷２００に伝送され、電源変換効率が更に高まる。同時に、低い出力電圧のリップルの効果を有し、前記第二キャパシタＣ２の耐用年数を延長させる効果を更に達成させる。
【００２７】
また、前記第二ダイオードＤ２及び前記第三ダイオードＤ３の設計により、回路が発生させる回流が前記フライバック変圧器１０及び前記オートチャージポンプ回路２０の動作にそれぞれ影響を与えないように有効的に防止させ、回路全体をより安定させる。これにより、前記フライバック交流／直流変換装置のエネルギー変換及びリップル抑制の効果を高める。当然ながら、実際の実施においては、前記第二ダイオードＤ２及び前記第三ダイオードＤ３を使用せずとも、電源変換効率を高めてリップルを抑制させる目的を達成可能である。
【００２８】
上述は本発明の好ましい実施形態にすぎず、本発明に形式上の制限を課すものではない。本発明の好ましい実施形態を記載しているが、これによって本発明を限定させるものではなく、本分野に習熟する技術者ならば、本発明の技術方法の範囲を逸脱せずに、上述の技術内容に変更或いは修飾等の変化を加えて同様の効果を有する実施形態を実現でき、但し、本発明の技術方法の内容を逸脱しなければ、本発明の技術に実質的に基づいた上述の実施形態への如何なる簡単な改修、同様の変化及び修飾も、均しく本発明の技術方法の範囲内に含まれる。
【符号の説明】
【００２９】
１０：フライバック変圧器
１１：プライマリーサイド
１２：セカンダリサイド
１２１：第一端
１２２：第二端
２０：オートチャージポンプ回路
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３：ダイオード
Ｃ１、Ｃ２：キャパシタ
Ｌ：インダクタ
Ｒ：整流器
ＳＷ：電子スイッチ
１００：交流電源
２００：負荷
【図１】
2016539621.tif 000004
【図２】
2016539621.tif 000005
【図３】
2016539621.tif 000006
【図４】
2016539621.tif 000007
【図５】
2016539621.tif 000008
【図６】
2016539621.tif 000009
【国際調査報告】
2016539621.tif 000010
2016539621.tif 000011
2016539621.tif 000012
2016539621.tif 000013
2016539621.tif 000014