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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen sanft schaltenden Gleichstromwandler
zum Umwandeln einer Spannung einer Eingangsleistung in eine andere
Spannung.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
sanft schaltender Gleichstromwandler zum Umwandeln der Spannung
einer Eingangsleistung in eine gewünschte Spannung zum Ausgeben kann
in seiner Wirksamkeit durch Senken des Schaltungsverlusts mit einer
sanft schaltenden Technologie sehr verbessert werden. Dementsprechend macht
sie es möglich,
die passiven Komponenten, wie etwa eine Drosselspule und einen Kondensator, durch
Erhöhen
der Ansteuerfrequenz eines Schaltelements zu verkleinern. Somit
ist als Beispiel für
einen herkömmlichen
sanft schaltenden Gleichstromwandler ein sanft schaltender Gleichstromwandler
in der japanischen Patentveröffentlichung
Nr. 2004-129393 offenbart.
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Dieses
Patentdokument 1 umfasst eine Hilfsresonanzschaltung, in der zwei
in Reihe verbundene Hauptschalter und eine Resonanzdrossel und ein Hilfsschalter
miteinander in Reihe geschaltet sind. Die Hauptschalter werden abwechselnd
ein-/ausgeschaltet, und wenn ein erster Schalter, der einer der beiden
Hauptschalter ist, eingeschaltet ist, sammelt sich elektrische Energie
von einer Gleichstrom-Leistungsquelle,
die mit einem Anschluss an der Eingangsseite verbunden ist, in einer
Glättungsdrossel und
wenn ein zweiter Schalter, der der andere der beiden Hauptschalter
ist, eingeschaltet ist, wird die in der Glättungsdrossel angesammelte
elektrische Energie an eine Last entladen, die mit einem Anschluss an
der Ausgangsseite verbunden ist. Des Weiteren weist/weisen beide
oder einer der Hauptschalter die Kapazität(en) zum Zuführen der
elektrischen Energie zur Resonanzdrossel von der Ausgangsseite auf, wenn
der Hilfsschalter eingeschaltet ist, um dadurch die elektrische
Energie für
die Resonanzaktivität
der Kapazität(en)
und der Resonanzdrossel zu nutzen.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
im Patentdokument 1 offenbarte Schaltung erfordert jedoch die Resonanzdrossel
und die aus einem Hilfsschalter und einer Diode bestehende Hilfsresonanzschaltung
zur Verhinderung einer Rückwärtsleitung,
was zu einer Größen- und
Kostenzunahme bei der Schaltung führt. Da außerdem elektrischer Strom zur
Hilfsresonanzschaltung des Hilfsschalters und der Diode, die in
Reihe geschaltet sind, fließt,
hat es die Besorgnis gegeben, dass das Auftreten von Verlusten im
Hilfsschalter und in der Diode zu einer Verringerung der Effizienz
führen
könnte.
Da sie ferner eine Schaltung zum Steuern des Hilfsschalters und
eine Leistungsquellenschaltung erfordert, hat es das Problem einer
Zunahme der Schaltungsgröße gegeben.
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Zur
Lösung
der vorstehenden Probleme umfasst die vorliegende Erfindung einen
sanft schaltenden Gleichstromwandler zum Umwandeln einer Eingangsspannung
in eine andere Spannung, wobei der Wandler eine Resonanzschaltung
umfasst,
wobei eine Gleichrichtungsschaltung mit einer Leistungsquelle
verbunden ist,
ein erster Anschluss der Gleichrichtungsschaltung mit
einem ersten Anschluss eines ersten Schaltelements mit einem Steuerungsanschluss
zum Steuern eines elektrischen Hauptstroms verbunden ist,
ein
zweiter Anschluss des ersten Schaltelements mit einem ersten Anschluss
einer Primärspule
eines Transformators mit Primär-
und Sekundärspulen
verbunden ist,
ein zweiter Anschluss der Primärspule des
Transformators mit einem zweiten Anschluss der Gleichrichtungsschaltung
verbunden ist,
der zweite Anschluss des ersten Schaltelements
und ein erster Anschluss einer ersten Diode miteinander verbunden
sind,
ein zweiter Anschluss der ersten Diode mit einem ersten
Anschluss eines ersten Kondensators verbunden ist,
ein zweiter
Anschluss des ersten Kondensators und der zweite Anschluss der Gleichrichtungsschaltung miteinander
verbunden sind,
eine zweite Diode und ein zweiter Kondensator
mit dem ersten Schaltelement parallel verbunden sind,
der erste
Anschluss des ersten Schaltelements und ein erster Anschluss einer
dritten Diode miteinander verbunden sind,
ein zweiter Anschluss
der dritten Diode mit einem ersten Anschluss eines zweiten Schaltelements
mit einem Steuerungsanschluss zum Steuern des elektrischen Hauptstroms
verbunden ist,
ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements und
ein erster Anschluss der Sekundärspule
des Transformators miteinander verbunden sind, und
ein zweiter
Anschluss der Sekundärspule
des Transformators und der zweite Anschluss des ersten Schaltelements
miteinander verbunden sind.
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Zur
Lösung
der vorstehenden Probleme umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden
Gleichstromwandler zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine
andere Spannung, wobei der Wandler eine Resonanzschaltung umfasst,
wobei
eine Gleichrichtungsschaltung mit einer Leistungsquelle verbunden
ist,
ein erster Anschluss der Gleichrichtungsschaltung mit
einem ersten Anschluss eines ersten Schaltelements mit einem Steuerungsanschluss
zum Steuern eines elektrischen Hauptstroms verbunden ist,
ein
zweiter Anschluss des ersten Schaltelements mit einem ersten Anschluss
einer Primärspule
eines Transformators mit Primär-
und Sekundärspulen
verbunden ist,
ein zweiter Anschluss der Primärspule des
Transformators mit einem ersten Anschluss eines ersten Kondensators
verbunden ist,
der zweite Anschluss des ersten Schaltelements
und ein erster Anschluss einer ersten Diode miteinander verbunden
sind,
ein zweiter Anschluss der ersten Diode mit einem zweiten
Anschluss der Gleichrichtungsschaltung verbunden ist,
ein zweiter
Anschluss des ersten Kondensators und der zweite Anschluss der Gleichrichtungsschaltung miteinander
verbunden sind,
eine zweite Diode und ein zweiter Kondensator
mit dem ersten Schaltelement parallel verbunden sind,
der erste
Anschluss des ersten Schaltelements und ein erster Anschluss einer
dritten Diode miteinander verbunden sind,
ein zweiter Anschluss
der dritten Diode mit einem ersten Anschluss eines zweiten Schaltelements
mit einem Steuerungsanschluss zum Steuern des elektrischen Hauptstroms
verbunden ist,
ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements und
ein erster Anschluss der Sekundärspule
des Transformators miteinander verbunden sind, und
ein zweiter
Anschluss der Sekundärspule
des Transformators und der zweite Anschluss des ersten Schaltelements
miteinander verbunden sind.
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Zur
Lösung
der vorstehenden Probleme umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden
Gleichstromwandler zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine
andere Spannung, wobei der Wandler eine Resonanzschaltung umfasst,
wobei
ein erster Anschluss einer mit einer Leistungsquelle verbundenen
Gleichrichtungsschaltung mit einem ersten Anschluss einer Primärspule eines Transformators
mit Primär-
und Sekundärspulen
verbunden ist,
ein zweiter Anschluss der Primärspule des
Transformators mit einem ersten Anschluss eines ersten Schaltelements
mit einem Steuerungsanschluss zum Steuern eines elektrischen Hauptstroms
verbunden ist,
ein zweiter Anschluss des ersten Schaltelements
und ein zweiter Anschluss der Gleichrichtungsschaltung miteinander
verbunden sind,
der erste Anschluss des ersten Schaltelements
und ein erster Anschluss einer ersten Diode miteinander verbunden
sind,
ein zweiter Anschluss der ersten Diode und ein erster Anschluss
eines ersten Kondensators miteinander verbunden sind,
ein zweiter
Anschluss des ersten Kondensators und ein zweiter Anschluss der
Gleichrichtungsschaltung miteinander verbunden sind,
eine zweite
Diode und ein zweiter Kondensator mit dem ersten Schaltelement parallel
verbunden sind,
der erste Anschluss des ersten Schaltelements
und ein erster Anschluss der Sekundärspule des Transformators miteinander
verbunden sind,
ein zweiter Anschluss der Sekundärspule des
Transformators und ein erster Anschluss einer dritten Diode miteinander
verbunden sind,
ein zweiter Anschluss der dritten Diode mit
einem ersten Anschluss eines zweiten Schaltelements mit einem Steuerungsanschluss
zum Steuern des elektrischen Hauptstroms verbunden ist,
der
zweite Anschluss des zweiten Schaltelements mit dem zweiten Anschluss
der Gleichrichtungsschaltung verbunden ist.
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Ferner
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler
zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine andere Spannung, wobei
der Wandler einen Kondensator des vorstehend beschriebenen Aufwärtswandlers
als Leistungsquelle aufweist und mit dem vorstehend beschriebenen
Abwärtswandler
verbunden ist,
wobei der Aufwärtswandler mit der Resonanzschaltung
verbunden ist und der Abwärtswandler
mit der Resonanzschaltung verbunden ist.
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Des
Weiteren umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler
zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine andere Spannung, wobei
der Wandler einen Kondensator des vorstehend beschriebenen Abwärtstyp-Gleichstromwandlers
als Leistungsquelle aufweist und mit dem vorstehend beschriebenen
Aufwärtswandler
verbunden ist,
wobei der Abwärtswandler mit der Resonanzschaltung
verbunden ist, der Aufwärtswandler
mit der Resonanzschaltung verbunden ist und die Primärspule des
Transformators in der Resonanzschaltung des Abwärtswandlers allgemein als Drosselspule
für den Aufwärtswandler
und den Abwärtswandler
eingesetzt wird.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler
zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine andere Spannung, wobei
der Umwandler eine Steuerungsschaltung umfasst,
wobei eine
Gleichrichtungsschaltung mit einer Leistungsquelle verbunden ist,
ein
erster Anschluss der Gleichrichtungsschaltung und ein erster Anschluss
eines Induktors miteinander verbunden sind,
ein zweiter Anschluss
des Induktors und ein erster Anschluss eines ersten Schaltelements
mit einem Steuerungsanschluss zum Steuern eines elektrischen Hauptstroms
miteinander verbunden sind,
ein zweiter Anschluss des ersten
Schaltelements und ein zweiter Anschluss der Gleichrichtungsschaltung miteinander
verbunden sind,
der zweite Anschluss des ersten Schaltelements
und ein erster Anschluss einer ersten Diode miteinander verbunden
sind,
der Abwärtswandler
zwischen einem zweiten Anschluss der ersten Diode und einem zweiten
Anschluss der Gleichrichtungsschaltung verbunden ist,
der Abwärtswandler
mit der Gleichrichtungsschaltung verbunden ist,
wobei das erste
Schaltelement eingeschaltet wird, wenn die Spannung kleiner oder
gleich einem gewünschten
Eingangsspannungswert ist, und das erste Schaltelement ausgeschaltet
wird, wenn die Spannung den gewünschten
Eingangsspannungswert übersteigt.
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Ferner
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
der den Transformator mit Primär-
und Sekundärspulen
verwendet, wobei der Kopplungskoeffizient zwischen den Primär- und den
Sekundärspulen
des Transformators im Bereich von 0,2 bis 0,9 liegt.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
der mit einer Zeitdauer versehen ist, in der das erste und das zweite Schaltelement
beide abgeschaltet sind, wobei das erste Schaltelement zumindest
dann eingeschaltet wird, nachdem das zweite Schaltelement eingeschaltet
worden ist.
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Des
Weiteren umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler
mit:
einer ersten Ansteuerschaltung zum Ansteuern und Steuern
eines ersten Schaltelements;
einer zweiten Ansteuerschaltung
zum Ansteuern und Steuern eines zweiten Schaltelements,
einem
Eingangsspannungserfassungsabschnitt zum Erfassen einer Eingangsschaltung,
einem
Eingangsstromerfassungsabschnitt zum Erfassen eines Eingangsstroms,
einem
Ausgangsspannungserfassungsabschnitt zum Erfassen einer Ausgangsspannung,
einem
Ausgangsspannungseinstellabschnitt zum Einstellen einer Ausgangsspannung,
und
einer Steuerungsschaltung zum Steuern dieser Komponenten,
wobei
die Steuerungsschaltung die erste Ansteuerschaltung und die zweite
Ansteuerschaltung so steuert, dass die Formen der Spannungswellenform
im Eingangsspannungserfassungsabschnitt und die Stromwellenform
im Eingangsstromserfassungsabschnitt zueinander passen und dass
ebenso die Spannungswerte im Ausgangsspannungserfassungsabschnitt
und im Ausgangsspannungseinstellabschnitt zueinander passen.
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Ferner
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
wobei das erste Schaltelement eingeschaltet wird, wenn das zweite Schaltelement
eingeschaltet worden ist und wenn die Potenzialdifferenz zwischen
dem einem Anschluss des ersten Schaltelements und dem anderen Anschluss
des ersten Schaltelements 0 V beträgt.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
wobei das erste Schaltelement eingeschaltet wird, wenn das zweite Schaltelement
eingeschaltet worden ist und Leistung an die zweite Diode austeilt.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
wobei der Transformator mit den Primär- und Sekundärspulen
durch ein hochwärmeleitendes
Harz geformt wird, wobei ein Metall oder anorganischer keramischer
Füllstoff in
ein hochwärmeleitendes
Harz gemischt ist, in dem eine anisotrope Struktur in der Harzkomponente
vorhanden ist.
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Ferner
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
der den Transformator mit den Primär- und Sekundärspulen
verwendet, wobei die Sekundärspule
in zwei oder mehrere geteilt ist.
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Des
Weiteren umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
wobei das zweite Schaltelement ein Schaltelement mit einer Gegenspannung
verwendet.
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Zur
Lösung
der vorstehenden Probleme umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden
Gleichstromwandler zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine
andere Spannung, mit:
einem ersten Schaltelement mit einem
ersten Anschluss, der mit der Eingangsseite verbunden ist, und einem
Steuerungsanschluss zum Steuern eines elektrischen Hauptstroms des
sanft schaltenden Gleichstromwandlers,
einer Primärspule eines
Transformators mit Primär- und
Sekundärspulen,
die mit einem zweiten Anschluss des ersten Schaltelements verbunden
ist;
einer Diode mit einem ersten Anschluss, der mit einer ersten
Anschlussseite des ersten Schaltelements verbunden ist;
einem
zweiten Schaltelement mit einem ersten Anschluss, der mit einem
zweiten Anschluss der Diode verbunden ist; und
der Sekundärspule des
Transformators, mit einem ersten Anschluss, der mit einem zweiten
Anschluss des zweiten Schaltelements verbunden ist und einem zweiten
Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des ersten Schaltelements
verbunden ist.
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Zur
Lösung
der vorstehenden Probleme umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden
Gleichstromwandler zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine
andere Spannung, mit:
einem ersten Schaltelement mit einem
ersten Anschluss, der mit der Eingangsseite verbunden ist, und mit
einem Steuerungsanschluss zum Steuern eines elektrischen Hauptstroms
in Richtung des sanft schaltenden Gleichstromwandlers,
einer
ersten Diode mit einem ersten Anschluss, der mit einem zweiten Anschluss
des ersten Schaltelements verbunden ist,
einer Primärspule eines
Transformators mit Primär- und
Sekundärspulen,
die mit dem zweiten Anschluss des ersten Schaltelements verbunden
ist,
einer zweiten Diode mit einem ersten Anschluss, die mit
einer ersten Anschlussseite des ersten Schaltelements verbunden
ist,
einem zweiten Schaltelement mit einem ersten Anschluss,
der mit einem zweiten Anschluss einer zweiten Diode verbunden ist;
und
einer Sekundärspule
des Transformators, mit einem ersten Anschluss, der mit einem zweiten
Anschluss des zweiten Schaltelements verbunden ist, und einem zweiten
Anschluss, der mit dem zweiten Anschluss des ersten Schaltelements
verbunden ist.
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Zur
Lösung
der vorstehenden Probleme umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden
Gleichstromwandler zum Umwandeln einer Eingangsspannung in eine
andere Spannung, mit:
einem ersten Schaltelement mit einem
Steuerungsanschluss zum Steuern eines elektrischen Hauptstroms des
sanft schaltenden Gleichstromwandlers,
einer Primärspule eines
Transformators mit Primär- und
Sekundärspulen,
die mit einem ersten Anschluss des ersten Schaltelements verbunden
ist,
der Sekundärspule
des Transformators, die mit dem ersten Anschluss des ersten Schaltelements
verbunden ist,
einer Diode mit einem ersten Anschluss, der
mit dem anderen Anschluss der Sekundärspule des Transformators verbunden
ist; und
einem zweiten Schaltelement mit einem ersten Anschluss,
der mit einem zweiten Anschluss der Diode verbunden ist,
wobei
ein zweiter Anschluss des zweiten Schaltelements mit einem zweiten
Anschluss des ersten Schaltelements verbunden ist.
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Des
Weiteren umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
der mit einer Zeitdauer versehen ist, in der das erste und das zweite
Schaltelement beide abgeschaltet sind, wobei das erste Schaltelement
zumindest dann eingeschaltet wird, nachdem das zweite Schaltelement
eingeschaltet worden ist.
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Ferner
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
wobei das erste Schaltelement eingeschaltet wird, wenn das zweite Schaltelement
eingeschaltet worden ist und wenn die Potenzialdifferenz zwischen
dem einen Anschluss des ersten Schaltelements und dem anderen Anschluss
des ersten Schaltelements 0 V ist.
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Weiterhin
umfasst die Erfindung einen sanft schaltenden Gleichstromwandler,
wobei das erste Schaltelement eingeschaltet wird, wenn das zweite Schaltelement
eingeschaltet worden ist und Leistung an die zweite Diode austeilt.
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Der
sanft schaltende Gleichstromwandler gemäß der Erfindung erlaubt eine
wesentliche Verringerung des Verlusts im Kondensatorbe trieb durch Umfassen
einer aus einem Transformator bestehenden Resonanzschaltung.
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Ferner
kann der Schaltverlust wesentlich reduziert werden und es ist ein
Hochfrequenzbetrieb möglich,
was die Größen- und
Kostenreduzierungen beim Transformator und Kondensator erlaubt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Schaltungsansicht, die die Konfiguration eines Abwärts-/Aufwärtswandlers
einer ersten Ausführungsform
gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 ist
ein Zeitdiagramm, das den Betrieb der 1 zeigt;
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3 ist
eine Ansicht, die den Betrieb der 1 zeigt;
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4 ist
eine Schaltungsansicht, die die Konfiguration eines Abwärtswandlers
einer zweiten Ausführungsform
gemäß der Erfindung
zeigt;
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5 ist
eine Ansicht, die den Betrieb der 4 veranschaulicht;
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6 ist
eine Schaltungsansicht, die die Konfiguration eines Aufwärtswandlers
einer dritten Ausführungsform
gemäß der Erfindung
zeigt;
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7 ist
eine Ansicht, die den Betrieb der 6 veranschaulicht;
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8 ist
eine Schaltungsansicht, die die Konfiguration eines Abwärts-/Aufwärtswandlers
einer vierten Ausführungsform
gemäß der Erfindung
zeigt;
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9 ist
eine Schaltungsansicht, die die Konfiguration eines Abwärts-/Aufwärtswandlers
einer fünften
Ausführungsform
gemäß der Erfindung
zeigt;
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10 ist
eine Schaltungsansicht, die die Konfiguration eines Abwärts-/Aufwärtswandlers
einer sechsten Ausführungsform
gemäß der Erfindung zeigt;
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11 ist
eine Ansicht, die den Betrieb der 10 veranschaulicht;
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12 ist
eine Konfigurationsansicht eines Transformators einer siebten Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
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13 ist
eine Ansicht, die die Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten
des Transformators der 12 und dem Wirkungsgrad des
sanft schaltenden Gleichstromwandlers zeigt;
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14 ist
eine Konfigurationsansicht eines Transformators einer achten Ausführungsform
gemäß der Erfindung;
und
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15 ist
eine Konfigurationsansicht, die die Konfiguration eines Abwärts-/Aufwärtswandlers
einer neunten Ausführungsform
gemäß der Erfindung zeigt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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(AUSFÜHRUNGSFORM 1)
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Zunächst wird
eine erste Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschrieben.
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1 ist
eine Schaltungsansicht eines sanft schaltenden Gleichstromwandlers,
der die erste Ausführungsform
der Erfindung ist. Diese Ausführungsform
ist ein Abwärts-/Aufwärtswandler,
der sowohl den Aufwärtsvorgang
des Ausgebens einer Spannung, die höher als die Eingangsspannung
ist, als auch den Abwärtsvorgang
des Ausgebens einer Spannung, die niedriger als die Eingangsspannung ist,
erlaubt.
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Die
Konfiguration der 1 wird wie folgt beschrieben:
eine handelsübliche
Wechselstrom-Leistungsquelle 1 wird an eine Gleichrichtungsschaltung 2 angelegt,
zweiweggleichgerichtet und über
eine Filterschaltung, die aus einem Induktor 3 mit einer
Spule und einem Kondensator 4 besteht, in einen Gleichstrom
umgewandelt. Dabei wird unter der Annahme, dass die Hochpotenzialseite
der Gleichrichtungsschaltung 2 ein Punkt a und die Niedrigpotenzialseite der
Punkt b ist, der Punkt a mit einem Kollektoranschluss eines IGBT 101 als
Hauptschaltelement verbunden und die Kathode und Anode einer Diode 102 werden
zwischen dem Kollektor und Emitter des IGBT 101 verbunden.
Ferner wird ein Beschaltungskondensator 103 mit dem IGBT 101 parallel
verbunden. Mit einem Punkt a ist ein Anodenanschluss einer Diode 104 verbunden
und mit einem Kathodenanschluss der Diode 104 ist ein Kollektoranschluss
eines IGBT 105 als Hilfsschaltelement verbunden. Unter
der Annahme, dass der Emitteranschluss des IGBT 101 ein
Punkt c ist, ist eine Primärspule 108a eines
Transformators 108 zwischen dem Punkt c und dem Punkt b
verbunden und eine Sekundärspule 108b des
Transformators 108 ist zwischen dem Emitteranschluss des
IGBT 105 und dem Punkt c verbunden. Mit dem Punkt c ist
eine Kathode einer Diode 106 verbunden und ein Anodenanschluss
der Diode 106 ist mit Masse verbunden. Ein Kondensator 107 ist
zwischen dem Punkt b und der Masse verbunden. Eine Spannung der
handelsüblichen
Wechselstrom-Leistungsquelle 1 wird
in eine Eingangsspannungserfassungsschal tung 116 eingegeben
und ein Eingangsstromerfassungselement 109 erfasst die Eingangsspannung
der handelsüblichen
Wechselstrom-Leistungsquelle 1,
die dann mit einer Eingangsstromerfassungsschaltung 110 verbunden wird,
und die Ausgangsspannung am Punkt b wird in eine Ausgangsspannungserfassungsschaltung 113 eingegeben.
Die Ausgänge
der Eingangsstromerfassungsschaltung 110, der Ausgangsspannungserfassungsschaltung 113 und
eines Ausgangsspannungseinstellabschnitts 115 werden in
eine Steuerungsschaltung 114 eingegeben und Ansteuerschaltungen 111, 112 werden
mit den Steueranschlüssen
der IGBTs 101, 105 jeweils von der Steuerschaltung 114 verbunden.
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Als
nächstes
werden die Betriebsvorgänge beschrieben.
Zunächst
erfolgt die Beschreibung, wenn sich die IGBTs 101, 105 im
ausgeschalteten Zustand befinden. Die Ausgänge der Ansteuerschaltungen 111, 112 sind
0 V, so dass sich die IGBTs 101, 105 im ausgeschalteten
Zustand befinden und kein elektrischer Strom durch sie hindurchfließt. Zu diesem
Zeitpunkt wird die handelsübliche
Wechselstrom-Leistungsquelle 1 durch
die Gleichrichtungsschaltung 2 zweiweggleichgerichtet und
eine durch eine Glättungsschaltung
des Kondensators 4 geglättete
Spannung wird an den Kondensator 103 angelegt. Als nächstes wird
der Vorgang von den Zeiten t1 bis t6 beschrieben. Ein Ansteuersignal
wird zur Zeit t1 an den IGBT 101 angelegt, jedoch während der elektrische
Strom zur Schleife der Diode 104, des IGBT 105,
des Transformators 108b und der Diode 102 aufgrund
der in dem Transformator 108b angesammelten Energie fließt, so dass
der elektrische Strom nicht zum IGBT 101 fließt. Mit
anderen Worten, wenn der IGBT 101 während einer Zeitdauer, in der
der elektrische Strom zur Diode 102 fließt, eingeschaltet
wird, werden eine Nullspannungsschaltung (nachstehend als ZVS bezeichnet)
und eine Nullstromschaltung (nachstehend als ZCS bezeichnet) ermöglicht,
so dass kein Schaltungsverlust auftritt. Als nächstes beginnt der Strom zur
Zeit t2 zum IGBT 101 zu fließen und der zur Diode 104,
dem IGBT 105, dem Transformator 108b und dem Kondensator 4 fließende Strom
nimmt allmählich
ab und hört
zur Zeit t4 auf zu fließen.
Wenn die IGBTs 101, 105 zur Zeit t4 abgeschaltet
werden, ist der Strom zum IGBT 101 unterbrochen und der
Strom fließt
von der Zeit t4 bis zur Zeit t5 zum Beschaltungskondensator 103 und dann
nimmt die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT 101 um
den dv/dt zu, der durch die Kapazität des Beschaltungskondensator 103 und
den Wert des abbrechenden Stroms bestimmt wird. Mit anderen Worten,
das Mäßigen des dv/dt
der Spannung zwischen dem Kollektor und Emitter des IGBT 101 durch
den Beschaltungskondensator 103 ermöglicht das ZVS, so dass der
Abschaltverlust reduziert werden kann. Inzwischen fließt kein
Strom durch den IGBT 105, so dass kein Abschaltverlust
auftritt. Wenn der IGBT 105 zur Zeit t6 eingeschaltet wird,
fließt
der Strom zu der Schleife der Diode 104, des IGBT 105,
des Transformators 108b und des Beschaltungskondensators 103 und die
in den Beschaltungskondensator 103 geladene Ladung wird
herausgezogen. Zu dieser Zeit wird das Gefälle di/dt des Stroms beim Einschalten
durch Streuinduktivität
des Transformators 108b auf den ZCS-Zustand gemäßigt, so
dass der Abschaltverlust reduziert werden kann. Hierbei wird unter
der Annahme, dass die Zeitdifferenz von t6 bis t1 Δt ist, der IGBT 105 durch Δt früher als
der IGBT 101 eingeschaltet, um die Ladung des Beschaltungskondensators 103 herauszuziehen,
wodurch der zum IGBT 101 fließende Einschaltstoßstrom unterdrückt wird.
Der optimale Wert dieses Δt
ist am wirksamsten, wenn der IGBT 101 in dem Augenblick
eingeschaltet wird, wenn die Spannung zwischen dem Kollektor und dem
Emitter des IGBT 101 0 V beträgt.
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Als
nächstes
zeigt 3 die Beziehung zwischen dem Tastgrad und dem
Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis des
IGBT 101. Dabei wird das Verhältnis zwischen der Eingangsspannung
und der Ausgangsspan nung als Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis bezeichnet.
Wenn das Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis weniger
als eins beträgt,
handelt es sich um den Abwärtsvorgang,
und wenn es größer als
eins ist, handelt es sich um den Aufwärtsvorgang. Wie in 3 gezeigt
ist, beträgt
das Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis eins,
wenn der Tastgrad des IGBT 101 50% beträgt und der Abwärtsvorgang
ist möglich,
wenn der Tastgrad auf weniger als 50% gebracht wird, wogegen der
Aufwärtsvorgang
möglich
ist, wenn der Tastgrad auf mehr als 50% gebracht wird.
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Als
nächstes
wird der Vorgang der Steuerungsschaltung beschrieben. Die Eingangsspannungserfassungsschaltung 116 erfasst
die Spannung der handelsüblichen
Wechselstrom-Leistungsquelle 1 und die erfasste Spannung
wird in die Steuerungsschaltung 114 eingegeben. Das Eingangsstromerfassungselement 109 erfasst
die Eingabe des elektrischen Stroms aus der handelsüblichen
Wechselstrom-Leistungsquelle 1 und die Eingangsstromerfassungsschaltung 110 wandelt
das Ausgangssignalniveau des Eingangsstromerfassungselements 109 in
ein Signal um, das für
das Eingangsniveau der Steuerungsschaltung 114 geeignet
ist. Der Ausgangsspannungseinstellabschnitt 115, der eine Schnittstelle
für einen
Benutzer zum Einstellen der Ausgangsspannung ist, sendet das Signal
an die Steuerungsschaltung 114 nach Maßgabe des feststehenden Ausgangs.
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Die
Steuerungsschaltung 114 steuert die Ansteuerzeitabläufe der
Ansteuerschaltungen 111, 112 nach Maßgabe des
Eingangsstroms, der Ausgangsspannung und des Ausgangssignals von
dem Ausgangsspannungseinstellabschnitt 115. Der Ansteuerzeitablauf
wird so gesteuert, dass er eine Sinuswelle durch das Eingangsstromerfassungselement
ist, und wird auch so gesteuert, dass er ein gewünschter Ausgangsspannungswert
ist. Mit einer solchen Steuerung erreicht der Leistungsfaktor etwa
100%, wodurch er die Unterdrückung
von Oberschwingungen erlaubt. Auf die Diode 104 kann verzichtet
wer den, solange der IGBT 105 ein Sperrtyp ist. Eine ähnliche Wirkung
kann erzielt werden, wenn das Stromerfassungselement 109 den
zur Primärspule
des Transformators 108 fließenden Strom erfasst.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist die Ausführungsform mit der aus den
IGBTs, den Dioden, dem Beschaltungskondensator und dem Transformator
bestehenden Hilfsresonanzschaltung versehen, wodurch das ZVS/ZCS-Einschalten
und das ZVS-Ausschalten und eine wesentliche Verringerung der Verluste
ermöglicht.
Der Schaltverlust kann wesentlich reduziert werden, so dass der
Hochfrequenzbetrieb möglich
ist, was die Größen- und
Kostenverringerungen beim Transformator und Kondensator erlaubt.
Ferner ist durch Steuern des Tastgrads des IGBT 101 eine
Ausgabe von Abwärts
zu Aufwärts
möglich.
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(AUSFÜHRUNGSFORM 2)
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4 ist
eine Schaltungsansicht, die eine zweite Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Diese Ausführungsform
ist ein sanft schaltender Gleichstromwandler vom Aufwärtstyp.
In 4 sind dieselben Bezugszeichen denselben Komponenten
wie jenen in den 1 bis 3 zugeteilt.
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Es
wird die Konfiguration der 4 beschrieben.
In 4 unterscheidet sich die Ausführungsform von der Ausführungsform
1 an dem Punkt, an dem ein Kathodenanschluss einer Diode 401 mit
dem Punkt c verbunden ist und ein Anodenanschluss der Diode 401 mit
dem Punkt b verbunden ist und eine Primärspule 402a eines
Losekopplungstransformators 402 mit dem Punkt c und der
Seite der positiven Elektrode eines Ausgangskondensators 107 verbunden
ist.
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Als
nächstes
werden die Betriebsvorgänge beschrieben.
Der Vorgang, wenn die IGBTs 101, 105 sich im abgeschalteten
Zustand befinden, ist derselbe wie jener in der ersten Ausführungsform.
Wenn der IGBT 101 eingeschaltet ist, fließt der elektrische Strom
zum IGBT 101, dem Transformator 402a, dem Kondensator 107 und
dem Kondensator 4, sowie zu der handelsüblichen Wechselstrom-Leistungsquelle 1,
der Gleichrichtungsschaltung 2, dem Induktor 3, dem
IGBT 101, dem Transformator 402a und dem Kondensator 107.
Wenn die IGBTs 101, 105 zu einer vorgegebenen
Zeit abgeschaltet werden, fließt
der Strom durch die in dem Transformator 402a angesammelte
Energie zu dem Transformator 402a, dem Kondensator 107 und
der Diode 401, und ebenso fließt der Strom zu der handelsüblichen
Wechselstrom-Leistungsquelle 1, der Gleichrichtungsschaltung 2,
dem Induktor 3, dem Beschaltungskondensator 103,
dem Transformator 402a und dem Kondensator 107,
wodurch sich der Beschaltungskondensator 103 auflädt. Wegen
des sich aufladenden Beschaltungskondensators 103 ist der
dv/dt der Spannung zwischen dem Kollektor und Emitter des IGBT 101 verringert,
so dass er das ZVS realisiert, was die Reduzierung des Abschaltverlustes
erlaubt. Als nächstes
wird, wenn der IGBT 105 eingeschaltet ist, die in dem Beschaltungskondensator 103 geladene Ladung
durch die Diode 104, den IGBT 105, den Transformator 402b und
den Beschaltungskondensator 103 entladen. Zu dieser Zeit
wird das Gefälle di/dt
des fließenden
Stroms so modifiziert, dass es durch die Streuinduktivität des Transformators 402b zum
ZCS-Zustand wird, so dass der Einschaltverlust verringert werden
kann. Als nächstes
wird der IGBT 101 eingeschaltet, nachdem der Beschaltungskondensator 103 entladen
worden ist, das heißt,
der IGBT 101 kann bei 0 V Spannung zwischen dem Kollektor
und dem Emitter des IGBT 101 eingeschaltet werden, das
ZVS (Nullspannungsschalten) wird erreicht, wodurch kein Einschaltverlust
im IGBT 101 auftritt. Durch Wiederholen der vorstehenden
Vorgänge
kann die Eingangsspannung in eine gewünschte Abwärtsspannung umgewandelt und
ausgegeben werden.
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Als
nächstes
zeigt 5 die Beziehung zwischen dem Tastgrad und dem
Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis des
IGBT 101. Wie in 5 gezeigt ist,
beträgt
das Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis bei
einem Tastgrad von 100% eins, und das Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis wird kleiner, wenn der
Tastgrad verkürzt
wird. Somit ist ein hoch präziser
Abwärts-/Aufwärtsvorgang
durch Steuern des Tastgrads des IGBT 101 möglich. Ferner
kann auf die Diode 104 verzichtet werden, solange der IGBT 105 ein
Sperrtyp ist.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist die Ausführungsform mit der aus den
IGBTs, den Dioden, dem Beschaltungskondensator und dem Transformator
bestehenden Hilfsresonanzschaltung versehen, wodurch das ZVS/ZCS-Einschalten
und das ZVS-Abschalten ermöglicht
werden und eine wesentliche Verringerung der Verluste zugelassen
ist. Der Schaltverlust kann wesentlich reduziert werden, so dass
der Hochfrequenzbetrieb möglich
ist, was Größen- und
Kostenverringerungen beim Transformator und Kondensator erlaubt.
Des Weiteren ist ein hoch präziser
Abwärts-/Aufwärtsvorgang
durch Steuern des Tastgrads des IGBT 101 möglich.
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(AUSFÜHRUNGSFORM 3)
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6 ist
eine Schaltungsansicht, die eine dritte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Diese Ausführungsform
ist ein sanft schaltender Gleichstromwandler vom Aufwärtstyp.
In 6 sind dieselben Bezugszeichen denselben Komponenten
wie jenen in den 1 bis 5 zugewiesen.
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Es
wird die Konfiguration der 6 beschrieben.
In 6 ist der Induktor zwischen dem Punkt a und dem
Punkt d verbunden, der Kondensator 4 ist zwischen dem Punkt
d und dem Punkt b verbunden, eine Primärspule 608a eines
Transformators 608 ist zwischen dem Punkt d und dem Punkt
e verbunden und ein IGBT 601 ist zwischen dem Punkt d und
dem Punkt b verbunden, wobei ein Kollektoranschluss des IGBT 601 mit
dem Punkt d verbunden ist und ein Emitteranschluss davon mit dem
Punkt b verbunden ist. Mit dem Kollektoranschluss des IGBT 601 ist
ein Kathodenanschluss einer Diode 602 verbunden und mit
dem Emitteranschluss des IGBT 601 ist ein Anodenanschluss
der Diode 602 verbunden. Ferner ist ein Beschaltungskondensator 603 mit
dem IGBT 601 parallel verbunden. Der Anodenanschluss der
Diode 604 ist vom Punkt d über eine Sekundärspule 608b des
Transformators 608 verbunden und der Kathodenanschluss
ist mit dem Kollektoranschluss des IGBT 605 verbunden,
dessen Emitteranschluss mit dem Punkt b verbunden ist. Des Weiteren
ist mit dem Punkt d ein Anodenanschluss einer Diode 606 verbunden
und mit deren Kathodenanschluss ist der Anschluss der positiven
Elektrode des Kondensators 107 verbunden. Die negative
Elektrode des Kondensators 107 ist mit dem Punkt b verbunden.
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Als
nächstes
werden die Betriebsvorgänge beschrieben.
Der Vorgang, bei dem sich die IGBTs 601, 605 im
abgeschalteten Zustand befinden, ist derselbe wie jener in der ersten
Ausführungsform. Wenn
der IGBT 605 eingeschaltet wird, fließt die in den Beschaltungskondensator 603 geladene
Ladung über
den Transformator 608b zu der Diode 604 und dem
IGBT 605. Zu dieser Zeit wird das Gefälle di/dt des von dem Beschaltungskondensator 603 fließenden Stroms
durch die Streuinduktivität
des Transformators 608b zur Umsetzung des ZCS modifiziert. Aufgrund
dieses Merkmals wird die Reduzierung des Einschaltverlusts erreicht.
Als nächstes
fließt,
wenn die Ladespannung des Beschaltungskondensators 0 V beträgt, der
Strom durch die im Transformator 608b angesammelte Energie
zu der Schleife der Diode 602, des Transformators 608a,
der Diode 604 und des IGBT 605. Der IGBT 601 ist
während
einer Zeitdauer, zu der der Strom zur Diode 602 fließt, eingeschaltet.
Somit ist der IGBT 601 in dem Zustand, in dem die Spannung
zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT 601 nicht
positiv angelegt ist, eingeschaltet, wodurch das ZVS und ZCS ohne
Auftreten eines Abschaltverlusts realisiert werden. Als nächstes fließt, wenn
die Energie des Transformators 608b ausläuft, der
Strom von der handelsüblichen Wechselstrom-Leistungsquelle 1 zum
IGBT 601 über die
Gleichrichtungsschaltung 2, den Induktor 3 und den
Transformator 608a sowie vom Kondensator 4 zu
dem Transformator 608a und dem IGBT 601. Als nächstes werden
die IGBTs 601, 605 zu einer gewünschten
Zeit abgeschaltet und dann fließt
der Strom zum Laden zu dem Beschaltungskondensator 603.
Zu dieser Zeit, wenn der Beschaltungskondensator durch die Ladezeit
dv/dt, die durch den abbrechenden Strom und die Kapazität des Beschaltungskondensators 603 bestimmt
wird, moderat auflädt, kann
das ZVS umgesetzt werden und der Abschaltverlust im IGBT kann reduziert
werden. Der Strom fließt
durch die im Transformator 608a angesammelte Energie zur
Diode 606, dem Kondensator 107 und dem Kondensator 4 und
ebenso fließt
der Strom von der handelsüblichen
Wechselstrom-Leistungsquelle 1 zu der Gleichrichtungsschaltung 2,
dem Induktor 3, dem Transformator 608a, der Diode 606 und
dem Kondensator 4, um die Spannungen an den beiden Anschlüssen des
Kondensators 4 zu erhöhen.
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7 zeigt
das Verhältnis
zwischen dem Tastgrad und dem Aufwärts-/Abwärts-Verhältnis des IGBT 601.
Wenn der Tastgrad des IGBT 601 Null wird oder der IGBT 601 sich
im abgeschalteten Zustand befindet, wird die Spannung des Kondensators 4 an den
Kondensator 607 ausgegeben und das Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis beträgt eins. Wie in 7 gezeigt
ist, nimmt das Abwärts-/Aufwärts- Verhältnis mit
steigendem Tastgrad zu. Auf die Diode 604 kann verzichtet
werden, solange der IGBT 605 ein Sperrtyp ist.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist die Ausführungsform mit der aus dem
IGBT, der Diode, dem Beschaltungskondensator und dem Transformator bestehenden
Hilfsresonanzschaltung versehen, wodurch das ZVS/ZCS-Einschalten
und das ZVS-Abschalten ermöglicht
werden und eine wesentliche Verringerung der Verluste gestattet
ist. Der Schaltverlust kann wesentlich reduziert werden, so dass der
Hochfrequenzbetrieb möglich
ist, was Größen- und
Kostenverringerungen beim Transformator und Kondensator erlaubt.
Des Weiteren ist ein hoch präziser
Aufwärts-/Abwärtsvorgang
durch Steuern des Tastgrads des IGBT 601 möglich.
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(AUSFÜHRUNGSFORM 4)
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8 ist
eine Schaltungsansicht, die eine vierte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Diese Ausführungsform
ist ein sanft schaltender Gleichstromwandler vom Abwärts-/Aufwärts-Typ.
In 8 sind dieselben Bezugszeichen denselben Komponenten
wie jenen in den 1 bis 7 zugewiesen.
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Es
wird die Konfiguration der 8 beschrieben.
In 8 ist die Konfiguration so ausgeführt, dass
dieselbe Schaltung wie jene in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
3 mit dem Punkt a und dem Punkt b verbunden ist, und dieselbe Schaltung
wie jene in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 2 ist mit dem Punkt
e und dem Punkt b verbunden.
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Als
nächstes
wird der Betriebsvorgang beschrieben. Die in dem Kondensator 607 erzeugte Spannung
führt den
Aufwärtsvorgang ähnlich wie
in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 3 durch. Fer ner
führt die
in dem Kondensator 107 mit dem Kondensator 607 als
Leistungsquelle erzeugte Spannung den Abwärtsvorgang ähnlich wie in der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform
2 durch. Die Beziehung zwischen dem Tastgrad und dem Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis des
IGBT 601 ist dieselbe wie jene in 7 und die
Beziehung zwischen dem Tastgrad und dem Abwärts-/Aufwärts-Verhältnis des IGBT 101 ist
dieselbe wie jene in 5.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, erlaubt die Ausführungsform den Abwärts-/Aufwärtsvorgang
in Kombination mit den beiden Schaltungen von Aufwärtsschaltung
und Abwärtsschaltung.
Da der Aufwärtsvorgang
und der Abwärtsvorgang
unabhängig gesteuert
werden können,
erlauben sie ferner eine spezielle Einstellung der Ausgangsspannung,
so dass die Abwärts-
und Aufwärtsvorgänge mit
größerer Präzision umgesetzt
werden können.
Außerdem ermöglicht es
das sanfte Schalten, den Schaltverlust zu reduzieren, was den Hochfrequenzvorgang
erlaubt. Aufgrund dieses Merkmals kann die Größe der passiven Komponenten,
wie etwa des Transformators und des Kondensators, reduziert werden,
so dass die Größen- und
Kostenverringerung im gesamten System realisiert werden kann.
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(AUSFÜHRUNGSFORM 5)
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9 ist
eine Schaltungsansicht, die eine fünfte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Diese Ausführungsform
ist ein sanft schaltender Gleichstromwandler vom Abwärts-/Aufwärts-Typ.
In 9 sind dieselben Bezugszeichen denselben Komponenten
wie jenen in den 1 bis 8 zugewiesen.
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Es
wird die Konfiguration der 9 beschrieben.
In 9 ist dieselbe Schaltung wie jene in der vorstehend
beschriebenen Ausführungsform
2 mit dem Punkt a und dem Punkt b verbunden und dieselbe Schaltung
wie jene in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 3 ist mit dem Punkt
d und dem Punkt b verbunden. Ein Transformator 908 besteht aus
einer Primärspule 908a und
zwei Sekundärspulen 908b, 908c,
wobei der Transformator 908b mit dem Punkt c und der Transformator 908c mit
dem Punkt d verbunden ist.
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Als
nächstes
werden die Betriebsvorgänge beschrieben.
Der Vorgang, wenn sich die IGBTs 101, 605 in dem
abgeschalteten Zustand befinden, ist derselbe wie jener in der ersten
Ausführungsform.
Zunächst
wird der Abwärtsvorgang
beschrieben. Der elektrische Strom fließt zum Weg der Diode 104,
des IGBT 105, des Transformators 908b und der
Diode 102 zu der Zeit, wenn der IGBT 101 eingeschaltet wird,
so dass kein Strom zum IGBT 101 fließt. Somit wird das so genannte
ZVS/ZCS-Einschalten realisiert. Als nächstes fließt, wenn die Energie im Transformator 908b verbraucht
ist, der Strom zum Weg des IGBT 101, des Transformators 908a,
der Diode 606, des Kondensators 107 und des Kondensators 4. Als
nächstes
fließt,
wenn die IGBTs 101, 105 zu einer gewünschten
Zeit abgeschaltet werden, der Ladestrom zum Beschaltungskondensator 103 und
die Spannung zwischen dem Kollektor und dem Emitter des IGBT 101 steigt
moderat um dv/dt an, der durch die Kapazität des Beschaltungskondensators 103 und
den abbrechenden Strom des IGBT 101 bestimmt wird. Mit
diesem moderaten dv/dt kann das ZVS realisiert werden und der Abschaltverlust
kann reduziert werden. Als nächstes
fließt
der Strom zum Weg der Diode 606, des Kondensators 107 und
der Diode 401 mit der Energie des Transformators 908a. Durch
Wiederholen der vorstehenden Vorgänge wird der Abwärts-/Aufwärts-Vorgang
erreicht.
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Als
nächstes
wird der Aufwärtsvorgang
beschrieben. Für
den Aufwärtsvorgang
ist es erforderlich, dass sich der IGBT 101 stets im eingeschalteten Zustand
befindet. Der IGBT 105 befindet sich im abgeschalteten
Zustand. Zu der Zeit, wenn der IGBT 601 eingeschaltet wird,
fließt
der elektrische Strom zum Weg des Transformators 908c,
der Diode 604, des IGBT 605 und der Diode 602,
so dass kein Strom zum IGBT 601 fließt. Somit wird das so genannte ZVS/ZVS-Einschalten
erreicht. Als nächstes
wird die Energie des Transformators 908c verbraucht und
der Strom fließt
zu dem Weg des IGBT 101, des Transformators 908a,
des IGBT 601 und des Kondensators 4 zum Sammeln
von Energie im Transformator 908a. Als nächstes werden
die IGBTs 601, 605 zu einer gewünschten
Zeit eingeschaltet, der Ladestrom fließt zum Beschaltungskondensator 603 und
die Spannung zwischen dem Kollektor und Emitter des IGBT 601 steigt
moderat um dv/dt an, der durch die Kapazität des Beschaltungskondensators 103 und
den abbrechenden Strom des IGBT 601 bestimmt wird. Mit diesem
moderaten dv/dt kann das ZVS realisiert und der Abschaltverlust
reduziert werden. Als nächstes fließt mit der
Energie des Transformators 908a der Strom zum Weg der Diode 606,
des Kondensators 107 und der Diode 401. Durch
Wiederholen der vorstehenden Vorgänge wird der Aufwärtsvorgang
erzielt.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, kann die Ausführungsform die Aufwärtswandler-Drosselspule und
die Abwärtswandler-Drosselspule
zusammen als eine Komponente ausführen, was die Größenreduzierung
im Transformator erlaubt und auch die Größen- und Kostenverringerung
des Systems erlaubt.
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(AUSFÜHRUNGSFORM 6)
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10 ist
eine Schaltungsansicht, die eine sechste Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung zeigt. Diese Ausführungsform
ist ein sanft schaltender Gleichstromwandler vom Abwärts-/Aufwärtstyp.
In 10 sind dieselben Bezugszeichen denselben Komponenten
wie jenen in den 1 bis 9 zugewiesen.
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Es
wird die Konfiguration der 10 beschrieben.
In 10 ist ein Induktor 1005 von der handelsüblichen
Wechselstrom-Leistungsquelle 1 über die Gleichrichtungsschaltung 2 und
den IGBT 1001 zwischen dem Induktor 1005 und dem
Punkt b verbunden. Mit einem Kollektoranschluss des IGBT 1001 ist
ein Anodenanschluss der Diode 1002 verbunden und ein Kathodenanschluss
der Diode 1002 ist mit dem Punkt h verbunden. Die Konfiguration
ist so ausgeführt,
dass der Punkt a und der Punkt b in der vorstehend beschriebenen
Ausführungsform
2 mit dem Punkt h bzw. dem Punkt b verbunden sind.
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Als
nächstes
werden die Betriebsvorgänge unter
Bezugnahme auf 11 beschrieben. Der Schaltvorgang
wird auf den IGBT 1001 angewendet, um einen Eingangsstrom
fließen
zu lassen, wenn der Ausgangswert der Eingangsspannungserfassungsschaltung
einen vorbestimmten Wert oder weniger hat, und wenn der Ausgangswert
ein vorbestimmter Wert oder mehr ist, wird der Schaltvorgang des
IGBT 1001 angehalten, um den Vorgang, den Strom zu einem
Kondensator 1003 fließen
zu lassen, auszuführen.
Mit einem solchen Vorgang wird die Leitungsdauer des IGBT 1001 so
kurz wie möglich
gemacht und der IGBT 1001 arbeitet nur in einem Bereich,
in dem die Eingangsspannung niedrig ist, so dass die elektrische
Leistung, die der IGBT 1001 verbraucht, reduziert werden
kann. Damit wird es ermöglicht,
den Leistungsfaktor mit hoher Wirksamkeit zu verbessern. Ferner
wird im Fall des Abwärtsvorgangs
durch Ausführen
desselben Vorgangs wie jenes in der vorstehend beschriebenen Ausführungsform
2 der sanft schaltende Vorgang möglich
und der Schaltverlust wird verringert.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, erlaubt die Ausführungsform eine wesentliche
Verringerung des Verlusts im Aufwärtswandler durch Einstellen
des Schaltvorgangs des Aufwärtswandlers,
aufgrund der Eingangsspannung zu arbeiten oder anzuhalten. Des Weiteren
kann die sanft schaltende Technologie auch auf den Abwärtswandler
angewendet werden, was einen niedrigeren Verlust im Abwärts-/Aufwärts-Gleichstromwandler
vorsieht, wodurch eine sehr hohe Wirksamkeit zugelassen wird.
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(AUSFÜHRUNGSFORM 7)
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12 ist
eine Konfigurationsansicht eines Transformators, die eine siebte
Ausführungsform darstellt.
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Ein
Transformator 1210 der 12 besitzt eine
Primärspule 1201,
eine Sekundärspule 1202, ein
hochwärmeleitendes
Harz 1203 und einen Eisenkern 1204. Dieser Transformator 1210 umfasst
die Primär-
und Sekundärspulen
und den Eisenkern mit hoher relativer magnetischer Permeabilität und eine ausgezeichnete
hohe Frequenzcharakteristik. Dieser Eisenkern ist mit einem Spalt
versehen, um den Kopplungskoeffizienten zwischen den Primär- und Sekundärspulen
zu schwächen.
Die Umgebung und das Innere des Transformators sind mit dem hochwärmeleitenden
Harz zementiert. Das hochwärmeleitende
Harz kann durch ein Verfahren des Mischens eines Metalls oder anorganischen
keramischen Füllstoffs
mit Hochwärmeleitungsfähigkeit
zu einem Harz und andere Verfahren hergestellt werden.
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Mehr
im Besonderen ist die Zusammensetzung des hochwärmeleitenden Elements bevorzugt ein
Hochwiderstandselement mit einer Wärmeleitfähigkeit von 5W/mK oder mehr
und einer Volumenwiderstandsfähigkeit
von 10E6 Ω/cm oder mehr, und mehr bevorzugt
ein isolierendes Element mit einer Volumenwiderstandsfähigkeit
von 10E16 Ω/cm oder mehr. Das hochwärmeleitfähige Element
ist bevorzugt ein Harz, das eine Epoxidharzzusammensetzung und andere
Zusammensetzungen aufweist, und als spezielles Beispiel für das Material
kann ein Material verwendet werden, das aus einem wärmehärtbaren
Kunststoff hergestellt werden kann, wobei die wärmehärtbare Harzzusammensetzung
eine Epoxidharzzusammensetzung und einen anorganischen Füllstoff
aufweist (beispielsweise einen anorganischen keramischen Füllstoff),
wobei die Epoxidharzzusammensetzung ein Epoxidharzmonomer mit einem
Mesogen umfasst, und der Mesogengehalt in der Epoxidharzzusammensetzung
31 Gew.-% oder mehr beträgt.
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13 ist
eine graphische Darstellung, die die Beziehung zwischen dem Kopplungskoeffizienten
des Transformators und dem Austauschwirkungsgrad des sanft schaltenden
Gleichstromwandlers zeigt. Von dem Testergebnis, wie in 12 gezeigt,
kann durch Einstellen des Kopplungskoeffizienten des Transformators
auf den Bereich von 0,2 bis 0,9 ein Austauschwirkungsgrad von über 90%
erzielt werden.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, stellt die Ausführungsform den Austauschwirkungsgrad
von über
90% durch Einstellen des Kopplungskoeffizienten des Losekopplungstransformators,
der mit dem hochwärmeleitfähigen Harz
bedeckt ist, bis zum Bereich von 0,2 bis 0,9 sicher. Ferner wird
die Wärmestrahlung
mit dem hochwärmeleitfähigen Harz
verbessert, was das Weglassen oder eine Größenreduzierung eines Kühlsystems
erlaubt, wodurch eine Größen- und
Kostenreduzierung des Systems ermöglicht wird.
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(AUSFÜHRUNGSFORM 8)
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14 ist
eine Konfigurationsansicht eines Transformators, der eine achte
Ausführungsform
der Erfindung darstellt.
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Die
Konfiguration des Transformators der 14 unterscheidet
sich von jener der vorstehend beschriebenen Ausführungsform 7 in dem Punkt,
an dem die erstere mit zwei Sekundärspulen versehen ist. Mit einer
solchen Konfiguration kann der Transformator, der für die in
der vorstehenden Ausführungsform
5 beschriebene Schaltung eingesetzt wird, in einer einzelnen Struktur
konfiguriert werden, so dass die Größenreduzierung erreicht werden
kann.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, ist die Ausführungsform mit zwei Sekundärspulen
versehen, was die Größenreduzierung
des Transformators erlaubt, wodurch die Größen- und Kostenverringerung der
Schaltung gestattet wird.
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(AUSFÜHRUNGSFORM 9)
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15 ist
eine Schaltungsansicht, die eine neunte Ausführungsform der Erfindung zeigt.
Diese Ausführungsform
zeigt einen sanft schaltenden Gleichstromwandler vom Abwärts-/Aufwärtstyp.
In 15 sind dieselben Bezugszeichen denselben Komponenten
wie jenen in 1 zugewiesen.
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Diese
Ausführungsform
unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform in dem Punkt der Verwendung
eines IGBT 1501 mit Sperrspannung als das Schaltelement.
Was den Betrieb betrifft, so kann dieselbe Konfiguration wie in
der ersten Ausführungsform übernommen
werden.
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Wie
vorstehend beschrieben ist, verwendet die Ausführungsform den IGBT 1501 mit
Sperrspannung, wodurch auf die Diode 104 der ersten Ausführungsform
verzichtet werden kann und die Größen-, Kosten- und Verlustverringerungen
der Schaltung realisiert werden können.
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Nachdem
die Ausführungsformen
1 bis 9 hauptsächlich
mit den Beispielen des IGBT beschrieben worden sind, ist der sanft
schaltende Gleichstromwandler jedoch nicht auf den IGBT beschränkt und
es wird den Fachleuten auf dem Gebiet ersichtlich, dass ähnliche
Wirkungen im Leistungs-MOSFET oder in anderen Halbleitervorrichtungen
mit isolierter Steuerelektrode und bipolaren Transistoren erzielt
werden können.