(57)【要約】      （修正有）【課題】素子の数量を減らして、エネルギーの変換時の損失を抑制するシングルステージ交直変換器を提供する。【解決手段】交直変換器２は、蓄電ユニット２３、磁性ユニット２１及びスイッチユニット２２を備える。磁性ユニット２１は、蓄電ユニット２３及びスイッチユニット２２に電気的に接続され、コア２１１、第一巻線２１２、第二巻線２１３、第三巻線２１４及び少なくとも一つの出力巻線２１５を有する。第一巻線２１２は、コア２１１に結合されて、第一電気エネルギーを受けてコア２１１に送る。第二巻線２１３は、コア２１１に結合されて、第二電気エネルギーを蓄電ユニットに２３保存する。第三巻線２１４は、コア２１１に結合されて、第二電気エネルギーを受けてコア２１１に送る。出力巻線２１５は、コア２１１に結合され、コア２１１は第一電気エネルギー及び第二電気エネルギーを変換して、出力巻線２１５を介して第三電気エネルギーを出力する。【選択図】図２
2009291064.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蓄電ユニットと、
前記蓄電ユニットに電気的に接続される磁性ユニットと、
前記磁性ユニットに電気的に接続されるスイッチユニットとを備え、
前記磁性ユニットは、
コアと、
前記コアにカップリングされて、第一電気エネルギーを受けて前記コアに送る第一巻線と、
前記コアにカップリングされて、第二電気エネルギーを前記蓄電ユニットに保存する第二巻線と、
前記コアにカップリングされて、前記第二電気エネルギーを受けて前記コアに送る第三巻線と、
前記コアにカップリングされて、前記コアが前記第一電気エネルギー及び前記第二電気エネルギーを変換し、これを介して第三電気エネルギーをカップリング出力する少なくとも一つの出力巻線とを有することを特徴とする、シングルステージ交直変換器。
【請求項２】
前記第一巻線、前記第二巻線、前記第三巻線及び前記出力巻線は、巻回する形式で前記コアに設けられることを特徴とする、請求項１に記載のシングルステージ交直変換器。
【請求項３】
さらに、前記磁性ユニットに電気的に接続されて、前記第一電気エネルギーを出力する電源供給ユニットを備えることを特徴とする、請求項１に記載のシングルステージ交直変換器。
【請求項４】
さらに、前記第一巻線及び前記電源供給ユニットに電気的に接続される第一整流ユニットを備えることを特徴とする、請求項３に記載のシングルステージ交直変換器。
【請求項５】
前記電源供給ユニットは、さらに、交流電源に基づき前記第一電気エネルギーを出力する整流器を備えることを特徴とする、請求項３に記載のシングルステージ交直変換器。
【請求項６】
前記スイッチユニットは、前記第一巻線及び前記第三巻線の前記コアに対する電気エネルギーの蓄積をコントロールするか、または、前記コアの第二巻線及び前記出力巻線に対するエネルギー放出をコントロールすることを特徴とする、請求項１に記載のシングルステージ交直変換器。
【請求項７】
さらに、
前記第二巻線及び前記蓄電ユニットに電気的に接続される第二整流ユニットと、
前記第一巻線及び前記第三巻線に電気的に接続される第三整流ユニットとを備えることを特徴とする、請求項１に記載のシングルステージ交直変換器。
【請求項８】
前記磁性ユニットは、複数の出力巻線を有し、前記出力巻線はそれぞれ前記コアにカップリングされることを特徴とする、請求項１に記載のシングルステージ交直変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、変換器に関し、特にシングルステージ交直変換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
力率（power factor）とは、有効電力（real power）の皮相電力（apparent power）に対する比率であり、または、電圧波形と電流波形が形成する位相のずれを意味し、ずれのある角のコサイン（cosine）で表す。このうち、力率が０から１の間であれば、回路における負荷は抵抗性負荷、または、容量性負荷、または、インダクタンス性負荷を意味する。
【０００３】
理論的には、力率が１であれば、回路における負荷は純抵抗性負荷であり、負荷における電圧波形及び電流波形は同じ位相を有することを意味する。力率が１ではない場合、回路における負荷は容量性負荷、または、インダクタンス性負荷であり、一部の皮相電力は有効電力に変換され、他の部分の皮相電力は無効電力（reactive power）に変換される。このうち、有効電力は、例えば、モーター回転時の消費電力のように、実際の負荷動作を行なう際に生じる消費電力であり、無効電力は、実際の負荷動作を行なう際に生じるエネルギーの損失である。
【０００４】
無効電力によるエネルギーの損失を低下させるために、従来の技術で、交直変換回路が開示されている。図１に示したように、従来の交直変換器１は、交流電源１６、フルブリッジ整流器１１、第一変圧器１２、第二変圧器１３及びスイッチ１４を備える。このうち、第一変圧器１２は、それぞれフルブリッジ整流器１１及び第二変圧器１３に電気的に接続され、スイッチ１４は第二変圧器１３に電気的に接続される。
【０００５】
交流電源１６は、交流信号Ｓ01をフルブリッジ整流器１１に出力して、フルブリッジ整流器１１は交流信号Ｓ01出力に基づき直流信号Ｓ02を出力して、それを第一変圧器１２に送信する。第一変圧器１２は直流信号Ｓ02を受信して、直流信号Ｓ02及びスイッチ１４の開閉状態に基づいて、第二変圧器１３から直流信号Ｓ03を負荷１５に出力させる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述の従来の交直変換回路１は、第一変圧器１２及び第二変圧器１３を介して信号の変換を行う。しかしながら、２つの変圧器を経て作動することにより、２度の変換による損失が発生する。
【０００７】
また、現在の電子デバイスのデザインは、軽、薄、短、小の傾向が強く、第一変圧器１２と第二変圧器１３を統合して単一の素子にすることが可能ならば、素子の数量を減らして、電子デバイスの体積を小さくして、さらに軽くすることが可能で、変換時の損失を低くすると同時に、生産コストを削減し、効率を高めることができる。したがって、本発明は、素子の数量を減らして、エネルギーの変換時の損失を少なくすることができるシングルステージ交直変換器を提供することを課題とする。
【０００８】
したがって、本発明は、素子の数量を減らして、エネルギーの変換時の損失を抑制することができるシングルステージ交直変換器を提供することを課題とする。
【０００９】
上記課題を解決するために、本発明は、素子の数量を減らして、エネルギーの変換時の損失を抑制することができるシングルステージ交直変換器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、本発明のシングルステージ交直変換器は、蓄電ユニット、磁性ユニット及びスイッチユニットを備える。磁性ユニットは、蓄電ユニット及びスイッチユニットに電気的に接続され、さらに、コア、第一巻線、第二巻線、第三巻線及び少なくとも一つの出力巻線を有する。このうち、第一巻線は、コアにカップリングされて、第一電気エネルギーを受けてコアに送る。第二巻線は、コアにカップリングされて、第二電気エネルギーを蓄電ユニットに蓄積する。第三巻線は、コアにカップリングされて、第二電気エネルギーを受けてコアに送る。出力巻線は、コアにカップリングされ、このうち、コアは第一電気エネルギー及び第二電気エネルギーを変換して、出力巻線を介して第三電気エネルギーをカップリング出力する。
【００１１】
このように、本発明のシングルステージ交直変換器は、第一巻線、第二巻線、第三巻線及び出力巻線が同じコアにカップリングされている。従来の技術にくらべ、本発明のシングルステージ交直変換器は、磁性ユニットが一つしか使用されていないため、電気エネルギーの変換時の損失を少なくすると同時に、空間の節約ができることで生産コストの削減が可能である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のシングルステージ交直変換器は、第一巻線、第二巻線、第三巻線及び出力巻線が同じコアにカップリングされている。従来の技術にくらべ、本発明のシングルステージ交直変換器は、磁性ユニットが一つしか使用されていないため、電気エネルギーの変換時の損失を少なくすると同時に、空間の節約ができることで生産コストの削減が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】従来の交直変換器を示す回路図である。
【図２】本発明の好適な実施例のシングルステージ交直変換器を示す回路図である。
【図３】スイッチユニットがＯＮ状態のときのシングルステージ交直変換器の動作を示す回路図である。
【図４】スイッチユニットがＯＦＦ状態のときのシングルステージ交直変換器の動作を示す回路図である。
【図５Ａ】本発明の好適な実施例のシングルステージ交直変換器の他の例を示す図解図である。
【図５Ｂ】本発明の好適な実施例のシングルステージ交直変換器のさらに他の例を示す図解図である。
【図５Ｃ】本発明の好適な実施例のシングルステージ交直変換器の別の例を示す図解図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図を参照しながら、本発明の好適な実施例におけるシングルステージ交直変換器について説明する。
【００１５】
図２を参照しながら説明する。本発明の好適な実施例におけるシングルステージ交直変換器は、磁性ユニット２１、スイッチユニット２２及び蓄電ユニット２３を備える。このうち、磁性ユニット２１は、それぞれスイッチユニット２２及び蓄電ユニット２３に電気的に接続される。本実施例においては、さらに、電源供給ユニット２４を備え、これは磁性ユニット２１に電気的に接続される。
【００１６】
磁性ユニット２１は、コア２１１、第一巻線２１２、第二巻線２１３、第三巻線２１４及び少なくとも一つの出力巻線２１５を備える。このうち、第一巻線２１２、第二巻線２１３、第三巻線２１４及び出力巻線２１５は、それぞれコア２１１にカップリングされる。本実施例において、第一巻線２１２、第二巻線２１３、第三巻線２１４及び出力巻線２１５は、コア２１１に巻回される形式で設けられる。コア２１１の様態は、Ｅ形コアまたはＵ形コア、またはＩ形コア等であるが、ここでは特定のものに制限されるものではな
い。
【００１７】
スイッチユニット２２は、切換信号ケーブルが送る切換信号Ｓ12によって、ＯＮ状態かＯＦＦ状態かにコントロールされる。さらに、スイッチユニット２２は、第一巻線２１２及び第三巻線２１４のコア２１１に対する電気エネルギーの蓄積をコントロールするか、コア２１１の第二巻線２１３及び出力巻線２１５に対するエネルギー放出をコントロールする。動作上は、切換信号Ｓ12は、パルス幅調整（pulse width modulation, PWM）信号である。これは、アナログ信号またはデジタル信号で、マイクロコントロールユニットによって発生される。本実施例において、スイッチユニット２２は、トランジスタのような三端子素子である。
【００１８】
また、本実施例のシングルステージ交直変換器２は、さらに第一整流ユニット２５、第二整流ユニット２６及び第三整流ユニット２７を備える。第一整流ユニット２５は第一巻線２１２及び電源供給ユニット２４に、第二整流ユニット２６は第二巻線２１３及び蓄電ユニット２３に、第三整流ユニット２７は第一巻線２１２及び第三巻線２１４にそれぞれ電気的に接続される。
【００１９】
しかしながら、本実施例においては、第二整流ユニット２６及び第三整流ユニット２７の接続方式は制限されない。この技術を熟知する者であれば、第二整流ユニット２６を第二巻線２１３及び接地端子ＧＮＤに電気的に接続するか、第三整流ユニット２７を第三巻線２１４及び蓄電ユニット２３に電気的に接続して、同様の機能を達成することも可能である。実際には、第一整流ユニット２５、第二整流ユニット２６及び第三整流ユニット２７として、それぞれダイオードが用いられる。
【００２０】
引き続き、図２を参照しながら説明する。電源供給ユニット２４は、交流電源２４１及び整流器２４２を備える。整流器２４２は、磁性ユニット２１に電気的に接続される。交流電源２４１は、交流信号Ｓ11を整流器２４２に出力して、整流器２４２は交流信号Ｓ11に基づき第一電気エネルギーＥ1を出力する。本実施例において、整流器２４２は、ハーフブリッジ形式の整流器か、フルブリッジ形式の整流器である。
【００２１】
以下に、シングルステージ交直変換器２の詳細な動作について説明する。図３に示すように、スイッチユニット２２は、切換信号ケーブルを介して送信された切換信号Ｓ12によって、ＯＮ状態かＯＦＦ状態かをコントロールする。さらに、スイッチユニット２２がＯＮ状態となり、電源供給ユニット２４が第一エネルギーＥ1を出力した時、電源供給ユニット２４、第一整流ユニット２５、第一巻線２１２及びスイッチユニット２２が回路を形成して、第一巻線２１２が第一電気エネルギーＥ1を受けてコア２１１に送る。また、蓄電ユニット２３、第三巻線２１４、第三整流ユニット２７及びスイッチユニット２２が回路を形成して、第三巻線２１４が第二電気エネルギーＥ2を受けてコア２１１に送る。
【００２２】
さらに、図４を参照しながら説明する。スイッチユニット２２が、切換信号ケーブルから送信された切換信号Ｓ12によってコントロールされてＯＦＦ状態になった時、第一巻線２１２及び第三巻線２１４は、それぞれ第一電気エネルギーＥ1及び第二電気エネルギーＥ2を受け取らなくなる。
【００２３】
この時、第二巻線２１３、第二整流ユニット２６、蓄電ユニット２３が回路を形成するため、コア２１１が第二巻線２１３に対して電気エネルギーを放出することで、第二巻線２１３が第二電気エネルギーＥ2を蓄電ユニット２３に蓄積する。また、出力巻線２１５、第四整流ユニット２８及び負荷２９が回路を形成するため、コア２１１が出力巻線２１５に対して電気エネルギーを放出することで、第四巻線２１５が第三電気エネルギーＥ3を負荷２９に出力する。
【００２４】
簡単に言えば、上述の動作において、スイッチユニット２２がＯＮ状態である時、第一巻線２１２及び第三巻線２１４は、電気エネルギーを変換してコア２１１に送り、磁気エネルギーの状態でコアに蓄積し、スイッチユニット２２がＯＦＦ状態の時、コア２１１は蓄積した磁気エネルギーを再び変換して第二巻線２１３及び出力巻線２１５に送って電気エネルギーの状態で出力する。
【００２５】
本実施例において、蓄電ユニット２３はコンデンサーを備えて、負荷２９は直流負荷である。それは、例えば、発光ダイオードやマイクロプロセッサ等を含む。
【００２６】
また、上述の構造において、蓄電ユニット２３は、交流電源２４１が交流信号Ｓ11の出力を短時間停止した場合、その蓄積した電気エネルギーを放出することにより、保持時間（hold-up time）において、負荷が必要とする電気エネルギーを提供し続ける。
【００２７】
さらに、本実施例では、この構造において、異なるコントロール方式によって、シングルステージ交直変換器２の動作を連続ＯＮモード（continuous-current-conduction mode）または不連続ＯＮモード（discontinuous-current-conduction mode）にすることができる。
【００２８】
また、図５Ａに示すように、本実施例の磁性ユニット２１は、相互に並列接続する複数の出力巻線２１５を備えていてもよい。ここで、同じ巻数を有する各出力巻線２１５は、コア２１１にカップリングされて、負荷２９を駆動させる。しかしながら、本実施例においては、各出力巻線が同じ巻数である必要はなく、必要に応じて、各々異なる巻数の出力巻線を使用することで、各負荷を起動させることが可能であり、ここでは各出力巻線の巻数は制限されるものではない。
【００２９】
また、図５Ｂに示すように、本実施例の磁性ユニット２１は、相互に直列接続する複数の出力巻線２１５、２１５ａ、２１５ｂを備えていてもよい。ここで、異なる巻数を有する出力巻線２１５、２１５ａ、２１５ｂはコア２１１にカップリングされて、それぞれ対応する負荷２９、２９ａ、２９ｂを駆動する。また、図５Ｃに示すように、本実施例の磁性ユニット２１は、複数の出力巻線２１５、２１５ａ、２１５ｂを備えていてもよく、それぞれの異なる巻数を有する巻線２１５，２１５ａ、２１５ｂはコア２１１にカップリングされて、対応する負荷２９、２９ａ、２９ｂを駆動する。しかしながら、この技術を熟知する者にとっては、図５Ｂ及び図５Ｃにおける各出力巻線が同じ巻数を有し、各出力巻線がさらに同じ負荷を駆動することが可能であることは当然知っていることであり、ここでは各出力巻線の巻数は制限されるものではない。
【００３０】
このように、本発明のシングルステージ交直変換器は、第一巻線、第二巻線、第三巻線及び出力巻線が同じコアに巻回されて設けられている。従来の技術にくらべ、本発明のシングルステージ交直変換器は、磁性ユニットが一つしか使用されていないため、電気エネルギーの変換時の損失を少なくすると同時に、空間の節約ができることで生産コストの削減が可能である。また、本発明のシングルステージ交直変換器は、蓄電ユニットによって、負荷に低リプル電圧を有する第三電気エネルギーを提供する。また、本発明の蓄電ユニットは、シングルステージ交直変換器に充分な保持時間を提供する。これは、短時間内において、交流信号の整流器への入力が停止した場合、前記蓄電ユニットが負荷に必要な電気エネルギーを提供することで、負荷の正常な作動を維持させることを意味する。
【００３１】
以上、本発明の実施例を図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施例に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更などがあっても、本発明に含まれる。
【符号の説明】
【００３２】
１    交直変換器
１１  フルブリッジ整流器
１２  第一変圧器
１３  第二変圧器
１４  スイッチ
１５  負荷
１６  交流電源
２    シングルステージ交直変換器
２１  磁性ユニット
２１１  コア
２１２  第一巻線
２１３  第二巻線
２１４  第三巻線
２１５  出力巻線
２２  スイッチユニット
２３  蓄電ユニット
２４  電源供給ユニット
２４１  交流電源
２４２  整流器
２５、２６、２７、２８  整流ユニット
２９  負荷
Ｅ1  第一電気エネルギー
Ｅ2  第二電気エネルギー
Ｅ3  第三電気エネルギー
ＧＮＤ  接地端子
Ｓ01、Ｓ11  交流信号
Ｓ02、Ｓ03  直流信号
Ｓ12  切換信号
【図１】
2009291064.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009291064.tif 000006
【図５Ａ】
2009291064.tif 000007
【図５Ｂ】
2009291064.tif 000008
【図５Ｃ】
2009291064.tif 000009