JP2021191228A - 電力コンバータ - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の一実施形態によれば、図10Bは、図10AのSHB LLC共振コンバータ1000の1次スイッチングデバイスS1、S1、S3及びS4を動作させる信号のための3レベル変調方式を示す。スイッチングデバイスS1及びS1を動作させる信号は相補的であり、スイッチングデバイスS3及びS4を動作させるための信号も相補的である。実際には、位相レッグのシュートスルーを回避するために、相補スイッチ信号の各対の間にわずかなデッドタイムが挿入される。この実施形態では、出力電圧又は出力電流に基づいて、制御回路は、第1、第2、第3、及び第4スイッチ制御信号S1〜S4を、第1変調方式に従って生成するように構成可能である。第1変調方式は、(i)−(iv)が成立している。
(i)第1及び第2スイッチ制御信号が互いに実質的に相補的であり、第3及び第4スイッチ制御信号が互いに実質的に相補的である。
(ii)第1、第2、第3、及び第4スイッチ制御信号が共通のスイッチング周期で周期的である。
(iii)共通のスイッチング周期内において、(1)前記各スイッチ制御信号には、2つの立ち上がりエッジと2つの立ち下がりエッジがあり、(2)第1スイッチ制御信号の第1立ち上がりエッジは、第4スイッチ制御信号の第1立ち上がりエッジよりも第1所定時間だけ遅れ、一方、第1スイッチ制御信号の第2立ち上がりエッジは、第4スイッチ制御信号の第2立ち上がりエッジよりも進んでいるか、又は(3)第1スイッチ制御信号の第1立ち上がりエッジが、第4スイッチ制御信号の第1立ち上がりエッジよりも第1所定時間進んでおり、一方、第1スイッチ制御信号の第2立ち上がりエッジは、第4スイッチ制御信号の第2立ち上がりエッジよりも第2所定時間だけ遅れている。
(iv)制御回路は、スイッチング周期、第1所定時間、及び第2所定時間を変化させる、電力変換器を提供する。
この詳細な説明では、動作の分析を簡略化するために、図10Aに示すように入力コンデンサCin及び出力コンデンサCOのリップル電圧は、無視できると想定しており、それぞれ定電圧源VinとVOで表すことができる。また、本明細書の半導体回路要素はそれぞれ、その「オン」又は導通状態では抵抗がゼロであると仮定している。(即ち、それらは短絡と見なす)。但し、1次スイッチングデバイスの出力容量は無視できないものとする。
本発明の実施形態の3レベル変調方式は、直列接続されたLr−Cr−Lm共振回路の両端で、DC及びAC成分を含む制御可能な位相レッグ出力電圧VABを生成する。この実施形態では、LLC共振コンバータ動作中に、共振コンデンサCrがDC成分を遮断するので、AC成分のみがトランスTRの1次側巻線に現れる。デバイススイッチング周波数fswが下記式3で表される共振周波数frに等しく、期間φ=0の場合、出力電圧Voは、位相レッグ出力電圧VABの整流AC成分とトランスTRの電圧ゲインの積の平均に等しくなる。トランスTRの電圧ゲインは巻数比NS/NPであり、ここでNS及びNPはそれぞれ2次側巻線と1次側巻線の巻数であるため、出力電圧Voは下記式4になる。持続時間φの望ましい値に対して、スイッチング周波数frが固定されている場合、整流されたAC成分の平均電圧は減少する。従って、出力電圧Voも低下する。よって、本発明の実施形態の3レベル変調方式を使用して、スイッチング周波数frに影響を与えることなく出力電圧Voを調整することができる。
パワーデバイスの「オン」抵抗は、伝導損失を引き起こす。図10AのSHB LLC共振コンバータ1000において、1次スイッチングデバイスS1〜S4は、それらが導通しているときに伝導損失を引き起こす。図13は、本発明の実施形態の3レベル変調方式の下で、デッドタイムの影響を考慮せずに、1次スイッチングデバイスS1〜S4における制御スイッチ電圧S1〜S4、スイッチング周期Tsw中にそれらを流れる同時電流I1〜I4を示す。電流I1〜I4は同じ二乗平均平方根(RMS)値を持っているので、1次スイッチングデバイス間で熱ストレスのバランスが均等になる。その結果、これらのデバイスではより長い寿命が期待でき、SHB LLC共振コンバータ1000の信頼性が向上する。
理想的には、本発明の実施形態の3レベル変調方式の下で上部及び下部コンデンサ(例えば、コンデンサCin1及びCin2)が同じ電力を共振タンクに供給するとき、それらのDCリンクコンデンサ電圧は、追加の制御なしで自動的に調整される。但し、等価直列抵抗(ESRs)とDCリンクコンデンサの容量のパラメータの不整合、及びスイッチ制御又はゲート信号のタイミングの不整合の両方とも、実際のSHB LLC共振コンバータでは避けられない。これらの不整合により、DCリンクコンデンサの電圧の不均衡が生じる。
上述のように、最大効率は、SHB LLC共振コンバータが共振周波数fr、又は共振周波数frに非常に近い動作点で動作するときに達成される。広い出力電圧範囲を実現するために、従来の制御はスイッチング周波数fswを変調してDC電圧ゲインを調整する。但し、スイッチング周波数制御により、動作点が回路の最大効率から離れる。更に、非常に広い出力電圧範囲の場合、そのようなスイッチング周波数制御でも、固定された回路パラメータによって必要なDC電圧ゲインを達成できない。
本発明の実施形態は、他の2次側トポロジを有するSHB LLC共振コンバータにも等しく適用可能であり、同様の有益な狭いデバイススイッチング周波数で広い出力電圧範囲を提供する。本発明の一実施形態によれば、図16A及び16Bはそれぞれ、(i)2次側にフルブリッジ同期整流器を備えたSHB LLC共振コンバータ1600、及び(ii)2次側にセンタータップ付きトランスTR及び同期整流器S5及びS6を備えたSHB LLC共振コンバータ1650である。SHB LLC共振コンバータ1600では、制御回路1601は、図10Bに関して議論された方法を組合せることができる。図10Bの方法は、1次側のスイッチングデバイスS1〜S4及び2次側のスイッチングデバイスS5〜S8を動作させるための信号を生成する従来の2次側制御方式を有する。SHB LLC共振コンバータ1650では、制御回路1651は、図10Bに関して議論された方法を組合せることができる。図10Bの方法は、1次側のスイッチングデバイスS1〜S4及び2次側スイッチングデバイスS5及びS6を動作させるための信号を生成する従来の2次側制御方式を有する。本発明の実施形態は、SHB LLC共振コンバータ1600の2次側のスイッチングデバイスS5〜S8、又はSHB LLC共振コンバータ1650の2次側スイッチングデバイスS5〜S6が存在するSHB LLC共振コンバータにも等しく適用可能である。共振コンバータは、ダイオードに置き換えられる。
Claims (14)
- 出力電圧又は出力電流を少なくとも1つの負荷に供給するため、電圧源からの入力信号を受信する電力コンバータであって、
(a)1次側回路と、(b)2次側回路と、(c)制御回路とを備え、
(a)前記1次側回路は、(i)直列接続された第1組及び第2組スイッチングデバイスと、(ii)LC共振回路と、(iii)絶縁トランスとを有し、
(i)前記第1組及び第2組スイッチングデバイスは、それぞれ、直列接続された複数のスイッチングデバイスを有し、各前記スイッチングデバイスは、スイッチ制御信号によって制御され、前記入力信号は、直列接続された前記第1組及び第2組スイッチングデバイスの両端へ供給され、
(ii)前記LC共振回路は、前記第1組スイッチングデバイスの第1節点及び前記第2組スイッチングデバイスの第2節点との間に接続され、
(iii)前記絶縁トランスは、第1及び第2巻線を有し、
第1巻線は、前記LC共振回路の第3及び第4節点の間に接続され、
(b)前記2次側回路は、前記絶縁トランスの第2巻線と並列に接続され、
前記2次側回路は、フィルタコンデンサを有し、
前記フィルタコンデンサは、少なくとも1つの負荷に前記出力電圧又は前記出力電流を供給し、
(c)前記制御回路は、
任意の時点で2つ以上の変調方式のうちの1つを選択し、
前記出力電圧、前記出力電流、前記入力信号、及び1つ以上の外部制御信号のうちの少なくとも1つに基づいて、選択された前記変調方式の下で前記1次側回路の前記スイッチングデバイスを動作させる前記スイッチ制御信号を供給し、
前記出力電圧又は前記出力電流に基づいて前記スイッチングデバイスを動作させるものであり、
第1変調モード及び第2変調モードで動作するように構成されており、
前記第1変調モード下では、3つの異なる電圧レベルからなる前記出力電圧を生成するために前記スイッチングデバイスを動作させ、前記第2変調モード下では、2つの異なる電圧レベルからなる前記出力電圧を生成するために前記スイッチングデバイスを動作させる、電力コンバータ。 - 請求項1に記載の電力コンバータであって、
前記変調方式の1つが対称変調方式として動作し、
前記対称変調方式では、前記対をなす第1組及び第2組スイッチングデバイスの各組における前記スイッチングデバイスへの前記スイッチ制御信号は相補的であり、
前記対をなす第1組及び第2組スイッチングデバイスのそれぞれは、第1及び第2スイッチングデバイスを有し、
前記第1組スイッチングデバイスの前記第1スイッチングデバイスを動作させる前記スイッチ制御信号及び前記第2組スイッチングデバイスの前記第2スイッチングデバイスを動作させる前記スイッチ制御信号は、
同期されており、
50%のデューティサイクルのスイッチング信号である、電力コンバータ。 - 請求項1に記載の電力コンバータであって、
前記変調方式の1つが非対称変調方式として動作し、
前記非対称変調方式では、前記対をなす第1組及び第2組スイッチングデバイスの各組における前記スイッチングデバイスへのスイッチ制御信号が相補的であり、
前記対をなす第1組及び第2組スイッチングデバイスのそれぞれは、第1及び第2スイッチングデバイスを有し、
前記第1組スイッチングデバイスの第1スイッチングデバイスを動作させる前記スイッチ制御信号及び前記第2組スイッチングデバイスの第2スイッチングデバイスを動作させる前記スイッチ制御信号は、
共通のスイッチング周波数下で動作する25%デューティサイクル信号であり、
互いに180度位相シフトしている、電力コンバータ。 - 請求項1に記載の電力コンバータであって、
前記第1組スイッチングデバイスの両端に接続された第1入力コンデンサと、
前記第2組スイッチングデバイスの両端に接続された第2入力コンデンサとを更に備え、
第1組スイッチングデバイスは、第1組スイッチ制御信号によって制御され、
第2組スイッチングデバイスは、第2組スイッチ制御信号によって制御され、
第1入力コンデンサの電圧が第2入力コンデンサの電圧より高い場合、前記制御回路は、第1組スイッチ制御信号の遷移を遅延させ、第2組スイッチ制御信号の遷移を同じ量だけ時間的に進め、
第1入力コンデンサの電圧が第2入力コンデンサの電圧よりも低い場合、前記制御回路は、第1組スイッチ制御信号の遷移を早め、第2組スイッチ制御信号の遷移を遅延させる、電力コンバータ。 - 請求項1に記載の電力コンバータであって、
前記制御回路は、周波数シフト、位相シフト、デューティサイクルシフト、及びそれらの組合せの何れかを使用し、選択された前記変調方式間を遷移する、電力コンバータ。 - 請求項1に記載の電力コンバータであって、
前記第1組スイッチングデバイスは、第1及び第2スイッチングデバイスを備え、
前記第2組スイッチングデバイスは、第3及び第4スイッチングデバイスを備え、
(i)第1及び第4スイッチングデバイスが両方とも非導通の場合、第1及び第2節点の両端の電圧は第1電圧レベルであり、
(ii)第1及び第4スイッチングデバイスのうちの1つが導通している場合、第1及び第2節点の両端の電圧は第2電圧レベルであり、
(iii)第1及び第4スイッチングデバイスが両方とも導通している場合、第1及び第2節点の両端の電圧は第3電圧レベルであり、
前記第1電圧レベルは接地であり、前記第2電圧レベルは前記入力信号の略半分であり、前記第3電圧レベルは前記入力信号と略同レベルである、電力コンバータ。 - 請求項1に記載の電力コンバータであって、
前記第1組スイッチングデバイスは、第1スイッチングデバイス及び第2スイッチングデバイスを有し、
前記第2組スイッチングデバイスは、第3スイッチングデバイス及び第4スイッチングデバイスを有し、
前記第1スイッチングデバイス、前記第2スイッチングデバイス、前記第3スイッチングデバイス及び前記第4スイッチングデバイスは、第1スイッチ制御信号、第2スイッチ制御信号、第3スイッチ制御信号及び第4スイッチ制御信号によってそれぞれ制御され、
第1変調方式では、(i)−(iv)が成立しており、
(i)前記第1及び第2スイッチ制御信号が互いに実質的に相補的であり、前記第3及び第4スイッチ制御信号が互いに実質的に相補的であり、
(ii)前記第1、第2、第3、及び第4スイッチ制御信号が共通のスイッチング周期で周期的であり、
(iii)前記共通のスイッチング周期内において、(1)と、(2)又は(3)とを満たし、
(1)前記各スイッチ制御信号には、2つの立ち上がりエッジと2つの立ち下がりエッジがあり、
(2)前記第1スイッチ制御信号の第1立ち上がりエッジは、前記第4スイッチ制御信号の第1立ち上がりエッジよりも第1所定時間だけ遅れ、前記第1スイッチ制御信号の第2立ち上がりエッジは、前記第4スイッチ制御信号の第2立ち上がりエッジよりも進んでおり、
(3)前記第1スイッチ制御信号の前記第1立ち上がりエッジは、前記第4スイッチ制御信号の前記第1立ち上がりエッジよりも前記第1所定時間進んでおり、前記第1スイッチ制御信号の前記第2立ち上がりエッジは、前記第4スイッチ制御信号の前記第2立ち上がりエッジよりも第2所定時間だけ遅れており、
(iv)前記制御回路は、前記スイッチング周期、前記第1所定時間、及び前記第2所定時間を変化させる、電力コンバータ。 - 請求項7に記載の電力コンバータであって、
前記制御回路は、第1変調方式とは異なる第2変調方式に従い、前記第1、第2、第3、及び第4スイッチ制御信号を生成するように構成可能であり、
前記第2変調方式は、対称変調方式として動作し、
前記第1及び第2変調方式のうちの1つは、可変周波数変調を含み、
前記第1及び第2変調方式のうちの1つは、定周波数変調制御を含み、
前記制御回路は、第1期間、前記第1変調方式の下で前記電力コンバータを動作させ、第2期間、前記第2変調方式の下で前記電力コンバータを動作させることによって、前記電力コンバータのゲインを変化させる、電力コンバータ。 - 出力電圧又は出力電流を少なくとも1つの負荷に供給するため、電圧源から入力信号を受信するための第1及び第2入力端子を有する電力コンバータであって、
(a)1次及び2次巻線を備えるトランスと、(b)1次側回路と、(c)2次側回路とを備え、
(b)1次側回路は、(i)第1、第2、第3及び第4の直列接続されたスイッチングデバイスと、(ii)共振タンク回路とを有し、
(i)前記スイッチングデバイスは、前記第1及び第2端子の両端に接続されており、前記第1及び第2スイッチングデバイスは、それぞれ、第1及び第2スイッチング制御信号によって制御され、前記第3及び第4スイッチングデバイスは、それぞれ、第3及び第4相補的スイッチ制御信号によって制御され、
(ii)前記共振タンク回路は、(1)前記第1及び第2スイッチングデバイスとの間の共通節点である第1節点と、前記第3及び第4スイッチングデバイスと間の共通節点である第2節点との間、及び(2)前記トランスの前記1次巻線に結合されている共振回路であり、
(c)前記2次側回路は、前記トランスの前記2次巻線に結合されており、前記2次側回路は、前記負荷へ前記出力電圧又は出力電流を供給するフィルタコンデンサを備え、制御信号は、共通のスイッチング周期を持つ周期的なものであり、
(iii)前記共通のスイッチング周期内に、
(1)各スイッチ制御信号が2つの立ち上がりエッジと2つの立ち下がりエッジを持ち、且つ、
(2)前記第1スイッチ制御信号の第1立ち上がりエッジは、前記第4スイッチ制御信号の第1立ち上がりエッジに第1所定時間遅延し、前記第1スイッチ制御信号の第2立ち上がりエッジは、前記第4スイッチ制御信号の第2立ち上がりエッジに第2所定時間先行するか、又は(3)前記第1スイッチ制御信号の前記第1立ち上がりエッジは、前記第4スイッチ制御信号の前記第1立ち上がりエッジに前記第1所定時間先行し、前記第1スイッチ制御信号の前記第2立ち上がりエッジは、前記第4スイッチ制御信号の前記第2立ち上がりエッジに前記第2所定時間遅延するか何れかであり、
(iv)前記制御回路は、
前記スイッチング周期、前記第1所定時間、及び前記第2所定時間を変化させ、
前記出力電圧又は前記出力電流に基づいて、前記スイッチングデバイスを動作させ、
第1変調モード及び第2変調モードで動作するように構成され、
前記第1変調モード下では、3つの異なる電圧レベルからなる前記出力電圧を生成するために前記スイッチングデバイスを動作させ、前記第2変調モード下では、2つの異なる電圧レベルからなる前記出力電圧を生成するために前記スイッチングデバイスを動作させる、電力コンバータ。 - 出力電圧又は出力電流を少なくとも1つの負荷に供給するため、電圧源から入力信号を受信する電力コンバータであって、
(a)1次側回路と、(b)2次側回路と、(c)制御回路とを備え、
(a)前記1次側回路は、(i)直列接続された第1組及び第2組スイッチングデバイスと、(ii)LC共振回路と、(iii)絶縁トランスとを有し、
(i)前記第1組及び第2組スイッチングデバイスは、それぞれ、直列接続された複数のスイッチングデバイスを有し、各前記スイッチングデバイスは、スイッチ制御信号によって制御され、前記入力信号は、直列接続された前記第1組及び第2組スイッチングデバイスの両端へ供給され、
(ii)前記LC共振回路は、前記第1組スイッチングデバイスの第1節点及び前記第2組スイッチングデバイスの第2節点との間に接続され、
(iii)前記絶縁トランスは、第1及び第2巻線を備え、
第1巻線は、前記LC共振回路の第3及び第4節点の間に接続され、
(b)前記2次側回路は、前記絶縁トランスの第2巻線と並列に接続され、
前記2次側回路は、フィルタコンデンサを有し、
前記フィルタコンデンサは、前記少なくとも1つの負荷に前記出力電圧及び前記出力電流の少なくとも一方を供給するように適合されており、
(c)前記制御回路は、
前記出力電圧又は前記出力電流に基づいて、前記スイッチングデバイスを動作させ、
第1変調モード及び第2変調モードで動作するように構成され、
前記第1変調モード下では、3つの異なる電圧レベルからなる前記出力電圧を生成するように前記スイッチングデバイスを動作させ、前記第2変調モード下では、2つの異なる電圧レベルからなる前記出力電圧を生成するように前記スイッチングデバイスを動作させる、電力コンバータ。 - 請求項1〜請求項10の何れか1つに記載の電力コンバータであって、
前記制御回路は、第3変調モードで動作するように更に構成されており、前記第3変調モードでは、前記スイッチングデバイスはゼロ電圧レベルを生成するように動作する、電力コンバータ。 - 請求項11に記載の電力コンバータであって、
前記制御回路は、前記第1変調モードでの動作と前記第2変調モードでの動作との間に、前記第3変調モードで動作する、電力コンバータ。 - 請求項1〜請求項12の何れか1つに記載の電力コンバータであって、
前記制御回路は、第4変調モードで動作するように更に構成されており、前記第4変調モード下では、前記第1組スイッチングデバイスの一方の2つのパルス毎の1つのデューティ比が増加し、前記第2組スイッチングデバイスの一方の2つのパルス毎の1つのデューティ比が増加し、又は、前記第1組スイッチングデバイスの一方の2つのパルス毎の1つデューティ比が減少し、前記第2組スイッチングデバイスの一方の2つのパルス毎の1つのデューティ比が減少する、電力コンバータ。 - 請求項13に記載の電力コンバータであって、
前記制御回路は、前記第1変調モードでの動作と前記第2変調モードでの動作との間に、前記第4変調モードで動作する、電力コンバータ。
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