JP4359026B2 - 交流電圧から低電力整流低電圧を発生させる電気回路装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流線路電圧から低電力整流低電圧を生じる電気回路装置を提供せんとするにある。
本明細書において、低電力とは、５ワットよりも低い電力を意味するものとする。
【０００２】
【従来の技術】
上述した目的のために、主として、５０Ｈｚの変圧器を有する電源が用いられている。これらの電源は大型で、重く、それほど効率的でない。特に、これらの電源は、負荷が遮断されている場合でも、多くのエネルギーを消費する。
【０００３】
或いはまた、切換えモードの電源を用いることもできる。通常の切換えモードの電源は、単一の回路段のみから、一般にフライバックコンバータから成っている。
【０００４】
このような切換えモードの電源を、欧州で一般的な２３０ボルトの電源電圧で動作させたい場合には、比較的高価な６００ボルトのスイッチングトランジスタが必要となる。
【０００５】
多くの分野では、更に、２３０ボルトの高入力電圧によりスイッチング損失を高くする。
【０００６】
更に、入力電圧が高い場合には、主要なインダクタンスが高い変圧器を必要とする。従って、コアの断面積を大きくするか、又は巻線の巻回数を多くするか、又はこれらの双方を行った変圧器のみを用い得るにすぎない。
【０００７】
このようなフライバックコンバータには、調整に失敗した場合に、出力電圧及び出力電力を急激に増大させてしまうという欠点がある。
【０００８】
出力電圧が誤って急激に増大しても、低電圧側に接続された負荷を保護するためには、追加の保護回路を設置する必要がある。
【０００９】
上述した欠点により、５ワットよりも低い電力範囲の切換えモード電源の製造費を５０Ｈｚの変圧器電源よりも高価にしてしまう。
【００１０】
無変圧器パワーパックは、欧州特許第０２２９９５０号明細書に記載されており既知であり、このパワーパックは容量性の入力段を有している。このような容量性の入力段は米国特許第３、３５５、６５０号明細書及びドイツ国特許第４０３７７２２号明細書にも開示されている。
【００１１】
このような容量性の入力段は一般にいかなる線路絶縁も行わず、従って、絶縁された低電圧で動作させる必要がある電流消費装置を動作させるのに適していない。
【００１２】
更に、このような容量性の入力段を極めて低い出力電圧に対して用いる場合には、比較的大きな入力キャパシタが必要となる。
【００１３】
このような小型の電源をしばしば、数日、数カ月又は数年に亙って動作中として、その期間のうちかなりの部分で無負荷状態（スタンバイ状態）にあるものとすると、総合的に現在のあらゆる小型の電源は、全電流消費量に関してかなりのコスト要因となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、交流線路電圧から低電力整流低電圧を生ぜしめ、家庭や業界において低電圧で動作させる必要のある電流消費装置の絶縁給電を可能にする電気回路装置を提供せんとするにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、交流電圧から低電力整流低電圧を発生させる電気回路装置であって、
この電気回路装置は、中間回路を介して組み合わされた２つの回路ブロックを有し、これら２つの回路ブロックのうちの第１の回路ブロックに線路電圧が与えられ、第２の回路ブロックの出力端から低電圧を取出しうるようになっており、
第１の回路ブロックでは、線路電圧が整流器を介して整流されるとともに電圧リミッタ回路を介して制限されて、バスキャパシタに印加されるようになっており、
前記バスキャパシタが第２の回路ブロックの入力端に接続され、
この第２の回路ブロックでは、バスキャパシタに印加される中間回路電圧が半ブリッジを交互動作モードで動作させるようになっており、
この半ブリッジの半ブリッジ点には、一次回路が接続されており、
この一次回路は、電位絶縁モードで、二次回路と相互作用するようになっており、
この二次回路には、少なくとも１つの出力整流ダイオード及び好ましくは出力フィルタユニットが一体化されており、
前記二次回路には、この二次回路の前記出力整流ダイオードの下流で低電圧用のタップが設けられている
電気回路装置により達成される。
【００１６】
本発明によれば、例えば２３０ボルト又は１１０ボルトの家庭用の電源からの電気エネルギーを、例えば６ボルトの電位的に絶縁された電圧に変換する低価格で低電力（例えば、２ワット）の電源が得られる。
【００１７】
本発明の重要な特徴は、２つの回路ブロックを組み合わせ、そのうちの第１の回路ブロックが容量性の入力段を構成し、この容量性の入力段が、電圧及び電流を制限した中間回路電圧を発生させ、この中間回路電圧を第２の回路ブロックに対する入力電圧として作用させることである。
【００１８】
第２の回路ブロックは、まず基本的には、代表的に中間回路電圧の約半分である直流成分を有する代表的に約５０ボルトの交流電圧を生じる、交互動作モードで非対称なトランジスタ半ブリッジを有し、この場合、この比較的低い電圧レベルにある交流電圧が変圧器の一対の巻線により低電圧に逓降され、次に整流される。
【００１９】
本発明の主たる特徴は、出力電位と入力電位とを絶縁させた状態で容量性の入力段とその下流の半ブリッジとが首尾よく一体化されるということである。
【００２０】
この場合、容量性の入力段は入力電圧を減少させ、これを整流し、入力電力を制限する。
【００２１】
このようにして発生される中間回路電圧は最大に制限される。
【００２２】
高周波線路絶縁変圧器は、逓降された電圧で動作する下流の第２の回路ブロック内に配置される為、小型で軽量な変圧器を用いることができる。
【００２３】
中間回路電圧を制限することにより、最大出力値も制限され、従ってパワーパックの出力側、すなわち、低電圧側での過電圧保護を省略することができる。
【００２４】
更に、二次側では出力ダイオードを１つしか必要としない。しかし、二方向整流器を設けることもできる。
【００２５】
本発明の他の重要な特徴は、トランジスタ半ブリッジが交互動作モードで駆動されるということである。
【００２６】
電源の出力変化分を交互動作モードのクロック発生器又はスイッチングトランジスタに帰還させることは原理的に必要でない。その理由は、交互動作モードのクロック発生器又はスイッチングトランジスタのデューティサイクルが固定であっても、出力特性を極めて良好にすることができる為である。このことは他の切換えモードの電源トポロギーに比べて有利なことである。半ブリッジ又は交互動作モードクロックのデューティサイクルｐはｐ＝ｔon／Ｔとして規定される。ここで、ｔonは、実施例でより詳細に規定する特定のトランジスタのオン時間であり、Ｔは、スイッチングサイクルの持続時間である。このことは、実施例につきより詳細に説明する。
【００２７】
最大の電圧上昇は代表的に公称電圧からほんの２０％であり、最大電流は代表的に公称電流からほんの６０％であることを実験により確かめた。
【００２８】
しかし、出力を良好に調整する必要がある場合には、帰還を行うことが可能である。
【００２９】
更に、各トランジスタが導通した瞬時にこのトランジスタにまたがって殆ど電圧が印加されず、従って、ＥＭＣフィルタリングを達成するのにほんの僅かな努力しか必要とせず、しかもトランジスタにおける電力損失が著しく減少するようにすることができる。しかし、この効果は完全にあらゆる動作点で達成されるようにする必要はない。この効果は、所望とするすべての動作点に対し複数のパラメータの関数として達成させることができる。
【００３０】
中間回路電圧を逓降させて得られた電圧で第２の回路ブロックを動作させることにより、第２の回路ブロックのすべての半導体をこれらの駆動素子と一緒に低電圧ＩＣと集積化することができるという他の利点が得られる。これらＩＣは、動作電圧が代表的に１００ボルトよりも低い集積回路を意味するものとする。更に、第１の回路ブロックの半導体の何れにも中間回路電圧よりも高いいかなる電圧も印加されない為、これらの半導体も同様に同じＩＣと集積化しうるが、第１の回路ブロックの整流器ダイオードは、耐過電流能力を有するために集積化できない。
【００３１】
更に、多くの分野に適した非調整動作以外に、調整動作も廉価に達成することができる。
【００３２】
調整動作は半ブリッジのデューティサイクルにより行うのが好ましい。半ブリッジのデューティサイクルは固定周波数の動作を可能にし、従って、簡単なＥＭＣフィルタリングを達成する。更に、半ブリッジ信号のための駆動信号は、固定周波数の動作の場合には、例えば、中間回路電圧による調整よりも著しく廉価に生ぜしめることができる。半ブリッジのデューティサイクルにより調整を行うことにより、５０Hz入力信号による且つ中間回路電圧の調整による中間回路電圧の変動分が出力電圧に伝達されるのを回避でき、従って生じる電圧変動を常に補正しうる。
このことは、以下の実施例で詳細に説明する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図面に示す実施例につき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下で特別に述べないかぎり、以下の説明は常にすべての図面に当てはまるものである。
図面は、交流線路電圧Ｕlineから整流低電圧Ｕlow を生ぜしめる電気回路装置１を示す。
【００３４】
この電気回路装置は、原理的に、互いに組み合わせた２つの回路ブロック２及び３より成る。これらの２つの回路ブロックを互いに組み合わせてある為、電圧及び電流を制限した中間回路電圧ＵZ が第１の回路ブロック２と第２の回路ブロック３との間の接続点に印加される。回路ブロック２は、電圧及び電流が制限されている中間回路電圧が回路ブロック３に得られるようにする。この電圧及び電流の制限を以下に詳細に説明する。
【００３５】
この目的のために、第１の回路ブロック２に線路電圧Ｕlineを与える。線路電圧Ｕlineは入力キャパシタ４に線路電流を与え、この線路電流が整流器５に供給され、これにより整流される。
【００３６】
整流器５の２つの出力導線はオン‐オフスイッチ６により互いに接続されており、このオン‐オフスイッチ６は、第２の回路ブロック３に向う方向に導通するダイオード７と直列に接続されている。
【００３７】
オン‐オフスイッチ６及びダイオード７と並列にバスキャパシタ８が接続されており、このバスキャパシタに中間回路電圧ＵZ が印加される。この回路装置によれば、整流器５の２つの出力導線が、一方では、ダイオード７を経てバスキャパシタ８に接続され、他方では、これら２つの出力導線を短絡しうるスイッチ６に接続されている。これにより、中間回路キャパシタとも称しうるバスキャパシタ８における入力電流が中間回路電圧ＵZ を形成でき、この中間回路電圧があまりにも高くなるおそれがある場合には、スイッチ６をターンオンさせることにより、この処理を中断させることができる。重要な要素は、中間回路電圧ＵZ が電圧制限されているということ、及び第１の回路ブロック２が制限されている電流のみを供給するということである。
【００３８】
電流制限は入力キャパシタ４によりほぼ達成され、電圧制限はオン‐オフスイッチ６により達成される。電圧制限はスイッチ６の調整駆動により行われる。この調整駆動を、例えば調整器２１及び２２で示す。図面に示してあるように、調整器２１及び２２は入力値として常に中間回路電圧ＵZ を有する。その理由は、さもないと、入力値が許容できない程度に高くなるおそれがある為である。
【００３９】
線路電圧が１００〜２３０ボルトであるものとすると、代表的に約５０ボルト付近の中間回路電圧ＵZ がバスキャパシタ８に印加される。
【００４０】
従って、この回路は、整流器５から到来する電流がスイッチ６に流れるか、或いは中間回路キャパシタ８に流れるかという認識に基づくものである。従って、スイッチ６及び中間回路キャパシタ８は整流器５に並列に接続され、この場合、ダイオード７が減結合の作用をする。
【００４１】
中間回路電圧ＵZ は、交互動作モードのトランジスタ半ブリッジ19ａ，19ｂを附勢し、その半ブリッジ点１０に一次回路１１が接続されている。この一次回路１１は、キャパシタ１２及びその下流の随意の直列コイル１３を介して、変圧器一次コイル１４を有する変圧器回路に組み込まれる。
【００４２】
交互動作モードは、駆動回路20ａを介してトランジスタ半ブリッジ19ａ，19ｂに与えられる。
【００４３】
二次側では、対応する変圧器コイル１６が二次回路１５と一体化されている。導通方向が低電圧Ｕlow に対するタップに向う方向である出力ダイオード１７が付加的に設けられている。これには、二次回路１５のキャパシタ１８が並列に接続されている。
【００４４】
従って、第２の回路ブロック３はほぼ、出力端で整流を行う非対称の半ブリッジより成っている。ここに記載したユニットは、原理的に、変圧器コイル１４及び１６を介して結合された２つの回路１１及び１５を設けて直流入力電圧を低電圧Ｕlow に減少させるようにした直流‐直流コンバータより成っている。
【００４５】
従って、第２の回路ブロックは、出力端がキャパシタ１２を経て変圧器に接続されている半ブリッジの回路に加えて、（この場合）変圧器の二次巻線の下流の一方向整流部と、容量的に出力を濾波するキャパシタ１８とを有する。キャパシタ１２は変圧器１４、１６と直列に接続されており、このキャパシタは、本例では直流減結合部材とみなすべきであり、その電圧は各サイクル中ほんのわずかしか変化しない。
【００４６】
しかし、キャパシタ１２における電圧を各サイクル中かなり変化するようにした例も可能である（共振コンバータの場合）。
【００４７】
図示の直列コイル１３は一般に、変圧器１４、１６の漏洩インダクタの形態をしている。
【００４８】
図１の場合、スイッチは電子素子の形態をしている。図２及び３は一般的なスイッチング素子を示している。他の基本的な要因は、交互動作モードのスイッチのデューティサイクルを５０％からずらしうるようにすることである。特に、この場合、デューティサイクルｐは、スイッチングサイクルの持続時間Ｔに対するオン時間ｔonの比を意味するものとする。ここに、ｔonはトランジスタ19ａのオン時間である。
【００４９】
この場合、電気出力は、オン‐オフスイッチ19ｂがオン状態の間、順方向コンバータの原理に応じて二次側に伝達される。
【００５０】
オン‐オフスイッチにＭＯＳＦＥＴトランジスタを用いることは特別な特徴となる。その理由は、これらのトランジスタはダイオードブリッジに対して必要なダイオード９ａ及び９ｂをすでに含んでいる為である。
【００５１】
従って、半ブリッジは２つのＭＯＳＦＥＴトランジスタを接続することにより得ることができる。ＭＯＳＦＥＴトランジスタにはキャパシタもすでに含まれている。
【００５２】
この構成の主たる特徴は、トランジスタを滅勢状態でターンオンしうるということである。この目的のために、遅延を導入し、この遅延により、一方のトランジスタがターンオフしてから他方のトランジスタがターンオンするまでに時間をかけるようにする。この遅延時間中に、漏洩インダクタ１３を流れる電流が変圧器の半ブリッジトランジスタのドレイン‐ソース間キャパシタを再充電し、次にターンオンすべきトランジスタにまたがって電圧が残存しないようにする。再充電すべきキャパシタは、半ブリッジトランジスタのドレイン‐ソース間キャパシタと半ブリッジトランジスタの他のキャパシタとの双方を有するようにすることができること、明らかである。必要に応じ、１つ又は２つのキャパシタを外部設置することもできる。
【００５３】
この回路装置の他の重要な特徴は、一次回路１１と二次回路１５との間が電位的に絶縁されているということである。従って、一次回路１１と二次回路１５との間の変圧器は、本質的に電位絶縁のために用いられている。
【００５４】
中間回路電圧は約５０ボルトであり、所望の低電圧は約５ボルトである為、ほんの僅かな費用しかかからない簡単な変圧器を用いることができる。しかし、この回路は、適切な変圧器を用いれば、高出力電圧を生じるのにも適している。
【００５５】
図１は、低電圧Ｕlow における変化を低電圧の調整に用いない実施例を示しているが、図２及び３による実施例は、低電圧における変化を低電圧の調整に用いる可能な方法を示す。しかし、図２及び３の実施例によれば、調整器２１又は２２が中間回路電圧ＵZ により駆動されるが、図１による実施例では、スイッチ６を駆動するのにも調整器２１又は２２が必要であるということに特に注意すべきである。しかし、いかなる場合にも、調整器２１又は２２は入力電圧として中間回路電圧ＵZ を有し、この中間回路電圧が許容し得ない程度に高く上昇するのを回避するようにする必要がある。
【００５６】
図２は、低電圧Ｕlow を調整するために、入力信号を第２の回路ブロック３の出力端から取出す調整器２０を介して交互動作モードのクロック周波数、又はデューティサイクルを生ぜしめる実施例を示す。
【００５７】
この目的のために、調整器２０は第２の回路ブロック３の出力端に接続され、交互動作モードで切換わる２つのスイッチ19ａ及び19ｂを動作させる。
【００５８】
図２では、中間回路電圧ＵZ が他の調整器２１により調整される。この調整器２１の入力信号はこの中間回路電圧ＵZ のみであり、その出力信号がオン‐オフスイッチ６を動作させる。
【００５９】
この回路装置では、中間回路電圧ＵZ が第２の回路ブロックからの帰還なしにほぼ一定に保たれ、出力電圧Ｕlow は第２の回路ブロックの対応する調整回路を介して一定値に補正されるようにする。この場合、調整回路は、第２の回路ブロック３のうち、交互動作モードのデューティサイクルのために応答する素子を動作させる。
【００６０】
オン‐オフスイッチ６はＭＯＳＦＥＴトランジスタとするのが好ましく、その駆動電極を調整器２１に接続する。
【００６１】
変形例として、図３に、交互動作モードのために応答しうる素子20ａが調整器ではなく駆動装置であり、従って回路装置の出力端に接続されていない本発明の一実施例を示す。この場合、半導体スイッチ19ａ及び19ｂはそれぞれ回路装置の出力端に存在する電圧とは無関係に駆動される。
【００６２】
しかし、本発明のこの実施例では、回路装置の出力信号が取出されて調整器２２に供給され、この調整器が電気／電子スイッチ６を動作させることにより中間回路電圧ＵZ を補正する。
【００６３】
更に、１つの出力ダイオード１７しか設けられていない点に特に注意すべきである。その理由は、意図する分野の事例にとって一方向の整流で充分である為である。それにもかかわらず、二方向整流を行うこともできること勿論である。図４に示す実施例では、二次側に二方向整流器５´が設けられている。
【００６４】
それ以外では、この実施例の動作モードは前述したものに対応する。
【００６５】
更に、図５には、互いに逆方向に巻装した巻線の代りに同一方向に巻装した巻線を有する変圧器を用いた実施例を示す。
【００６６】
本発明は、このような変圧器であって、図５に示すように、図２及び３により直流成分を除去するキャパシタ１２を２つのサブキャパシタ１２´及び１２″に分割した実施例にも用いることができることも銘記すべきである。
【００６７】
半ブリッジ点１０は前述したようにスイッチ19ａ及び19ｂ間に接続され、一次回路１１は半ブリッジ点１０から出発してその他端をもって２つのサブキャパシタ１２´及び１２″間に接続されている。
【００６８】
更に、図６には、インダクタ２６が出力ダイオード１７と直列に接続され、ダイオード２５が出力ダイオード１７の陰極と、二次コイル１６の、出力ダイオード側とは反対側の端部との間に逆極性で接続された実施例を示す。
この場合、誘導性の出力濾波が行われる。
【００６９】
主電源はそのままではスタンバイモードでの電力消費量を制限する将来の基準を満足できないが、本発明によれば、テレビジョンやビデオレコーダ等における個別のスタンバイ用電源を得ることもできるという特別な利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 低電圧を調整しない本発明の一実施例を示す回路図である。
【図２】 半ブリッジの周波数又はデューティサイクルにより低電圧を調整する本発明の他の実施例を示す回路図である。
【図３】 中間回路電圧により低電圧を調整する本発明の更に他の実施例を示す回路図である。
【図４】 二次側を二方向整流とした本発明の更に他の実施例を示す回路図である。
【図５】 キャパシタ回路を異ならせた本発明の更に他の実施例を示す回路図である。
【図６】 誘導性出力濾波を行う本発明の更に他の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 電気回路装置
２ 第１の回路ブロック
３ 第２の回路ブロック
４ 入力キャパシタ
５ 整流器
５´ 二方向整流器
６ オン‐オフスイッチ
７ ダイオード
８ バスキャパシタ
９ａ 半ブリッジの第１ダイオード
９ｂ 半ブリッジの第２ダイオード
１０ 半ブリッジ点
１１ 一次回路
１２ 直流成分除去用キャパシタ
１２´ 直流成分除去用サブキャパシタ
１２″ 直流成分除去用サブキャパシタ
１３ 直列コイル
１４ 変圧器一次コイル
１５ 二次回路
１６ 変圧器二次コイル
１７ 出力ダイオード
１８ 出力キャパシタ（平滑キャパシタ）
19ａ 第１半導体スイッチ
19ｂ 第２半導体スイッチ
２０ 調整器（交互動作モード）
20ａ 駆動装置（交互動作モード）
２１ 調整器
２２ 調整器
２５ ダイオード
２６ インダクタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流線路電圧から低電力整流低電圧を生じる電気回路装置を提供せんとするにある。
本明細書において、低電力とは、５ワットよりも低い電力を意味するものとする。
【０００２】
【従来の技術】
上述した目的のために、主として、５０Ｈｚの変圧器を有する電源が用いられている。これらの電源は大型で、重く、それほど効率的でない。特に、これらの電源は、負荷が遮断されている場合でも、多くのエネルギーを消費する。
【０００３】
或いはまた、切換えモードの電源を用いることもできる。通常の切換えモードの電源は、単一の回路段のみから、一般にフライバックコンバータから成っている。
【０００４】
このような切換えモードの電源を、欧州で一般的な２３０ボルトの電源電圧で動作させたい場合には、比較的高価な６００ボルトのスイッチングトランジスタが必要となる。
【０００５】
多くの分野では、更に、２３０ボルトの高入力電圧によりスイッチング損失を高くする。
【０００６】
更に、入力電圧が高い場合には、主要なインダクタンスが高い変圧器を必要とする。従って、コアの断面積を大きくするか、又は巻線の巻回数を多くするか、又はこれらの双方を行った変圧器のみを用い得るにすぎない。
【０００７】
このようなフライバックコンバータには、調整に失敗した場合に、出力電圧及び出力電力を急激に増大させてしまうという欠点がある。
【０００８】
出力電圧が誤って急激に増大しても、低電圧側に接続された負荷を保護するためには、追加の保護回路を設置する必要がある。
【０００９】
上述した欠点により、５ワットよりも低い電力範囲の切換えモード電源の製造費を５０Ｈｚの変圧器電源よりも高価にしてしまう。
【００１０】
無変圧器パワーパックは、欧州特許第０２２９９５０号明細書に記載されており既知であり、このパワーパックは容量性の入力段を有している。このような容量性の入力段は米国特許第３、３５５、６５０号明細書及びドイツ国特許第４０３７７２２号明細書にも開示されている。
【００１１】
このような容量性の入力段は一般にいかなる線路絶縁も行わず、従って、絶縁された低電圧で動作させる必要がある電流消費装置を動作させるのに適していない。
【００１２】
更に、このような容量性の入力段を極めて低い出力電圧に対して用いる場合には、比較的大きな入力キャパシタが必要となる。
【００１３】
このような小型の電源をしばしば、数日、数カ月又は数年に亙って動作中として、その期間のうちかなりの部分で無負荷状態（スタンバイ状態）にあるものとすると、総合的に現在のあらゆる小型の電源は、全電流消費量に関してかなりのコスト要因となる。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は、交流線路電圧から低電力整流低電圧を生ぜしめ、家庭や業界において低電圧で動作させる必要のある電流消費装置の絶縁給電を可能にする電気回路装置を提供せんとするにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、交流電圧から低電力整流低電圧を発生させる電気回路装置であって、
この電気回路装置は、中間回路を介して組み合わされた２つの回路ブロックを有し、これら２つの回路ブロックのうちの第１の回路ブロックに線路電圧が与えられ、第２の回路ブロックの出力端から低電圧を取出しうるようになっており、
第１の回路ブロックでは、線路電圧が整流器を介して整流されるとともに電圧リミッタ回路を介して制限されて、バスキャパシタに印加されるようになっており、
前記バスキャパシタが第２の回路ブロックの入力端に接続され、
この第２の回路ブロックでは、バスキャパシタに印加される中間回路電圧が半ブリッジを交互動作モードで動作させるようになっており、
この半ブリッジの半ブリッジ点には、一次回路が接続されており、
この一次回路は、電位絶縁モードで、二次回路と相互作用するようになっており、
この二次回路には、少なくとも１つの出力整流ダイオード及び好ましくは出力フィルタユニットが一体化されており、
前記二次回路には、この二次回路の前記出力整流ダイオードの下流で低電圧用のタップが設けられている
電気回路装置により達成される。
【００１６】
本発明によれば、例えば２３０ボルト又は１１０ボルトの家庭用の電源からの電気エネルギーを、例えば６ボルトの電位的に絶縁された電圧に変換する低価格で低電力（例えば、２ワット）の電源が得られる。
【００１７】
本発明の重要な特徴は、２つの回路ブロックを組み合わせ、そのうちの第１の回路ブロックが容量性の入力段を構成し、この容量性の入力段が、電圧及び電流を制限した中間回路電圧を発生させ、この中間回路電圧を第２の回路ブロックに対する入力電圧として作用させることである。
【００１８】
第２の回路ブロックは、まず基本的には、代表的に中間回路電圧の約半分である直流成分を有する代表的に約５０ボルトの交流電圧を生じる、交互動作モードで非対称なトランジスタ半ブリッジを有し、この場合、この比較的低い電圧レベルにある交流電圧が変圧器の一対の巻線により低電圧に逓降され、次に整流される。
【００１９】
本発明の主たる特徴は、出力電位と入力電位とを絶縁させた状態で容量性の入力段とその下流の半ブリッジとが首尾よく一体化されるということである。
【００２０】
この場合、容量性の入力段は入力電圧を減少させ、これを整流し、入力電力を制限する。
【００２１】
このようにして発生される中間回路電圧は最大に制限される。
【００２２】
高周波線路絶縁変圧器は、逓降された電圧で動作する下流の第２の回路ブロック内に配置される為、小型で軽量な変圧器を用いることができる。
【００２３】
中間回路電圧を制限することにより、最大出力値も制限され、従ってパワーパックの出力側、すなわち、低電圧側での過電圧保護を省略することができる。
【００２４】
更に、二次側では出力ダイオードを１つしか必要としない。しかし、二方向整流器を設けることもできる。
【００２５】
本発明の他の重要な特徴は、トランジスタ半ブリッジが交互動作モードで駆動されるということである。
【００２６】
電源の出力変化分を交互動作モードのクロック発生器又はスイッチングトランジスタに帰還させることは原理的に必要でない。その理由は、交互動作モードのクロック発生器又はスイッチングトランジスタのデューティサイクルが固定であっても、出力特性を極めて良好にすることができる為である。このことは他の切換えモードの電源トポロギーに比べて有利なことである。半ブリッジ又は交互動作モードクロックのデューティサイクルｐはｐ＝ｔon／Ｔとして規定される。ここで、ｔonは、実施例でより詳細に規定する特定のトランジスタのオン時間であり、Ｔは、スイッチングサイクルの持続時間である。このことは、実施例につきより詳細に説明する。
【００２７】
最大の電圧上昇は代表的に公称電圧からほんの２０％であり、最大電流は代表的に公称電流からほんの６０％であることを実験により確かめた。
【００２８】
しかし、出力を良好に調整する必要がある場合には、帰還を行うことが可能である。
【００２９】
更に、各トランジスタが導通した瞬時にこのトランジスタにまたがって殆ど電圧が印加されず、従って、ＥＭＣフィルタリングを達成するのにほんの僅かな努力しか必要とせず、しかもトランジスタにおける電力損失が著しく減少するようにすることができる。しかし、この効果は完全にあらゆる動作点で達成されるようにする必要はない。この効果は、所望とするすべての動作点に対し複数のパラメータの関数として達成させることができる。
【００３０】
中間回路電圧を逓降させて得られた電圧で第２の回路ブロックを動作させることにより、第２の回路ブロックのすべての半導体をこれらの駆動素子と一緒に低電圧ＩＣと集積化することができるという他の利点が得られる。これらＩＣは、動作電圧が代表的に１００ボルトよりも低い集積回路を意味するものとする。更に、第１の回路ブロックの半導体の何れにも中間回路電圧よりも高いいかなる電圧も印加されない為、これらの半導体も同様に同じＩＣと集積化しうるが、第１の回路ブロックの整流器ダイオードは、耐過電流能力を有するために集積化できない。
【００３１】
更に、多くの分野に適した非調整動作以外に、調整動作も廉価に達成することができる。
【００３２】
調整動作は半ブリッジのデューティサイクルにより行うのが好ましい。半ブリッジのデューティサイクルは固定周波数の動作を可能にし、従って、簡単なＥＭＣフィルタリングを達成する。更に、半ブリッジ信号のための駆動信号は、固定周波数の動作の場合には、例えば、中間回路電圧による調整よりも著しく廉価に生ぜしめることができる。半ブリッジのデューティサイクルにより調整を行うことにより、５０Hz入力信号による且つ中間回路電圧の調整による中間回路電圧の変動分が出力電圧に伝達されるのを回避でき、従って生じる電圧変動を常に補正しうる。
このことは、以下の実施例で詳細に説明する。
【００３３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明を図面に示す実施例につき説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
以下で特別に述べないかぎり、以下の説明は常にすべての図面に当てはまるものである。
図面は、交流線路電圧Ｕlineから整流低電圧Ｕlow を生ぜしめる電気回路装置１を示す。
【００３４】
この電気回路装置は、原理的に、互いに組み合わせた２つの回路ブロック２及び３より成る。これらの２つの回路ブロックを互いに組み合わせてある為、電圧及び電流を制限した中間回路電圧ＵZ が第１の回路ブロック２と第２の回路ブロック３との間の接続点に印加される。回路ブロック２は、電圧及び電流が制限されている中間回路電圧が回路ブロック３に得られるようにする。この電圧及び電流の制限を以下に詳細に説明する。
【００３５】
この目的のために、第１の回路ブロック２に線路電圧Ｕlineを与える。線路電圧Ｕlineは入力キャパシタ４に線路電流を与え、この線路電流が整流器５に供給され、これにより整流される。
【００３６】
整流器５の２つの出力導線はオン‐オフスイッチ６により互いに接続されており、このオン‐オフスイッチ６は、第２の回路ブロック３に向う方向に導通するダイオード７と直列に接続されている。
【００３７】
オン‐オフスイッチ６及びダイオード７と並列にバスキャパシタ８が接続されており、このバスキャパシタに中間回路電圧ＵZ が印加される。この回路装置によれば、整流器５の２つの出力導線が、一方では、ダイオード７を経てバスキャパシタ８に接続され、他方では、これら２つの出力導線を短絡しうるスイッチ６に接続されている。これにより、中間回路キャパシタとも称しうるバスキャパシタ８における入力電流が中間回路電圧ＵZ を形成でき、この中間回路電圧があまりにも高くなるおそれがある場合には、スイッチ６をターンオンさせることにより、この処理を中断させることができる。重要な要素は、中間回路電圧ＵZ が電圧制限されているということ、及び第１の回路ブロック２が制限されている電流のみを供給するということである。
【００３８】
電流制限は入力キャパシタ４によりほぼ達成され、電圧制限はオン‐オフスイッチ６により達成される。電圧制限はスイッチ６の調整駆動により行われる。この調整駆動を、例えば調整器２１及び２２で示す。図面に示してあるように、調整器２１及び２２は入力値として常に中間回路電圧ＵZ を有する。その理由は、さもないと、入力値が許容できない程度に高くなるおそれがある為である。
【００３９】
線路電圧が１００〜２３０ボルトであるものとすると、代表的に約５０ボルト付近の中間回路電圧ＵZ がバスキャパシタ８に印加される。
【００４０】
従って、この回路は、整流器５から到来する電流がスイッチ６に流れるか、或いは中間回路キャパシタ８に流れるかという認識に基づくものである。従って、スイッチ６及び中間回路キャパシタ８は整流器５に並列に接続され、この場合、ダイオード７が減結合の作用をする。
【００４１】
中間回路電圧ＵZ は、交互動作モードのトランジスタ半ブリッジ19ａ，19ｂを附勢し、その半ブリッジ点１０に一次回路１１が接続されている。この一次回路１１は、キャパシタ１２及びその下流の随意の直列コイル１３を介して、変圧器一次コイル１４を有する変圧器回路に組み込まれる。
【００４２】
交互動作モードは、駆動回路20ａを介してトランジスタ半ブリッジ19ａ，19ｂに与えられる。
【００４３】
二次側では、対応する変圧器コイル１６が二次回路１５と一体化されている。導通方向が低電圧Ｕlow に対するタップに向う方向である出力ダイオード１７が付加的に設けられている。これには、二次回路１５のキャパシタ１８が並列に接続されている。
【００４４】
従って、第２の回路ブロック３はほぼ、出力端で整流を行う非対称の半ブリッジより成っている。ここに記載したユニットは、原理的に、変圧器コイル１４及び１６を介して結合された２つの回路１１及び１５を設けて直流入力電圧を低電圧Ｕlow に減少させるようにした直流‐直流コンバータより成っている。
【００４５】
従って、第２の回路ブロックは、出力端がキャパシタ１２を経て変圧器に接続されている半ブリッジの回路に加えて、（この場合）変圧器の二次巻線の下流の一方向整流部と、容量的に出力を濾波するキャパシタ１８とを有する。キャパシタ１２は変圧器１４、１６と直列に接続されており、このキャパシタは、本例では直流減結合部材とみなすべきであり、その電圧は各サイクル中ほんのわずかしか変化しない。
【００４６】
しかし、キャパシタ１２における電圧を各サイクル中かなり変化するようにした例も可能である（共振コンバータの場合）。
【００４７】
図示の直列コイル１３は一般に、変圧器１４、１６の漏洩インダクタの形態をしている。
【００４８】
図１の場合、スイッチは電子素子の形態をしている。図２及び３は一般的なスイッチング素子を示している。他の基本的な要因は、交互動作モードのスイッチのデューティサイクルを５０％からずらしうるようにすることである。特に、この場合、デューティサイクルｐは、スイッチングサイクルの持続時間Ｔに対するオン時間ｔonの比を意味するものとする。ここに、ｔonはトランジスタ19ａのオン時間である。
【００４９】
この場合、電気出力は、オン‐オフスイッチ19ｂがオン状態の間、順方向コンバータの原理に応じて二次側に伝達される。
【００５０】
オン‐オフスイッチにＭＯＳＦＥＴトランジスタを用いることは特別な特徴となる。その理由は、これらのトランジスタはダイオードブリッジに対して必要なダイオード９ａ及び９ｂをすでに含んでいる為である。
【００５１】
従って、半ブリッジは２つのＭＯＳＦＥＴトランジスタを接続することにより得ることができる。ＭＯＳＦＥＴトランジスタにはキャパシタもすでに含まれている。
【００５２】
この構成の主たる特徴は、トランジスタを滅勢状態でターンオンしうるということである。この目的のために、遅延を導入し、この遅延により、一方のトランジスタがターンオフしてから他方のトランジスタがターンオンするまでに時間をかけるようにする。この遅延時間中に、漏洩インダクタ１３を流れる電流が変圧器の半ブリッジトランジスタのドレイン‐ソース間キャパシタを再充電し、次にターンオンすべきトランジスタにまたがって電圧が残存しないようにする。再充電すべきキャパシタは、半ブリッジトランジスタのドレイン‐ソース間キャパシタと半ブリッジトランジスタの他のキャパシタとの双方を有するようにすることができること、明らかである。必要に応じ、１つ又は２つのキャパシタを外部設置することもできる。
【００５３】
この回路装置の他の重要な特徴は、一次回路１１と二次回路１５との間が電位的に絶縁されているということである。従って、一次回路１１と二次回路１５との間の変圧器は、本質的に電位絶縁のために用いられている。
【００５４】
中間回路電圧は約５０ボルトであり、所望の低電圧は約５ボルトである為、ほんの僅かな費用しかかからない簡単な変圧器を用いることができる。しかし、この回路は、適切な変圧器を用いれば、高出力電圧を生じるのにも適している。
【００５５】
図１は、低電圧Ｕlow における変化を低電圧の調整に用いない実施例を示しているが、図２及び３による実施例は、低電圧における変化を低電圧の調整に用いる可能な方法を示す。しかし、図２及び３の実施例によれば、調整器２１又は２２が中間回路電圧ＵZ により駆動されるが、図１による実施例では、スイッチ６を駆動するのにも調整器２１又は２２が必要であるということに特に注意すべきである。しかし、いかなる場合にも、調整器２１又は２２は入力電圧として中間回路電圧ＵZ を有し、この中間回路電圧が許容し得ない程度に高く上昇するのを回避するようにする必要がある。
【００５６】
図２は、低電圧Ｕlow を調整するために、入力信号を第２の回路ブロック３の出力端から取出す調整器２０を介して交互動作モードのクロック周波数、又はデューティサイクルを生ぜしめる実施例を示す。
【００５７】
この目的のために、調整器２０は第２の回路ブロック３の出力端に接続され、交互動作モードで切換わる２つのスイッチ19ａ及び19ｂを動作させる。
【００５８】
図２では、中間回路電圧ＵZ が他の調整器２１により調整される。この調整器２１の入力信号はこの中間回路電圧ＵZ のみであり、その出力信号がオン‐オフスイッチ６を動作させる。
【００５９】
この回路装置では、中間回路電圧ＵZ が第２の回路ブロックからの帰還なしにほぼ一定に保たれ、出力電圧Ｕlow は第２の回路ブロックの対応する調整回路を介して一定値に補正されるようにする。この場合、調整回路は、第２の回路ブロック３のうち、交互動作モードのデューティサイクルのために応答する素子を動作させる。
【００６０】
オン‐オフスイッチ６はＭＯＳＦＥＴトランジスタとするのが好ましく、その駆動電極を調整器２１に接続する。
【００６１】
変形例として、図３に、交互動作モードのために応答しうる素子20ａが調整器ではなく駆動装置であり、従って回路装置の出力端に接続されていない本発明の一実施例を示す。この場合、半導体スイッチ19ａ及び19ｂはそれぞれ回路装置の出力端に存在する電圧とは無関係に駆動される。
【００６２】
しかし、本発明のこの実施例では、回路装置の出力信号が取出されて調整器２２に供給され、この調整器が電気／電子スイッチ６を動作させることにより中間回路電圧ＵZ を補正する。
【００６３】
更に、１つの出力ダイオード１７しか設けられていない点に特に注意すべきである。その理由は、意図する分野の事例にとって一方向の整流で充分である為である。それにもかかわらず、二方向整流を行うこともできること勿論である。図４に示す実施例では、二次側に二方向整流器５´が設けられている。
【００６４】
それ以外では、この実施例の動作モードは前述したものに対応する。
【００６５】
更に、図５には、互いに逆方向に巻装した巻線の代りに同一方向に巻装した巻線を有する変圧器を用いた実施例を示す。
【００６６】
本発明は、このような変圧器であって、図５に示すように、図２及び３により直流成分を除去するキャパシタ１２を２つのサブキャパシタ１２´及び１２″に分割した実施例にも用いることができることも銘記すべきである。
【００６７】
半ブリッジ点１０は前述したようにスイッチ19ａ及び19ｂ間に接続され、一次回路１１は半ブリッジ点１０から出発してその他端をもって２つのサブキャパシタ１２´及び１２″間に接続されている。
【００６８】
更に、図６には、インダクタ２６が出力ダイオード１７と直列に接続され、ダイオード２５が出力ダイオード１７の陰極と、二次コイル１６の、出力ダイオード側とは反対側の端部との間に逆極性で接続された実施例を示す。
この場合、誘導性の出力濾波が行われる。
【００６９】
主電源はそのままではスタンバイモードでの電力消費量を制限する将来の基準を満足できないが、本発明によれば、テレビジョンやビデオレコーダ等における個別のスタンバイ用電源を得ることもできるという特別な利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 低電圧を調整しない本発明の一実施例を示す回路図である。
【図２】 半ブリッジの周波数又はデューティサイクルにより低電圧を調整する本発明の他の実施例を示す回路図である。
【図３】 中間回路電圧により低電圧を調整する本発明の更に他の実施例を示す回路図である。
【図４】 二次側を二方向整流とした本発明の更に他の実施例を示す回路図である。
【図５】 キャパシタ回路を異ならせた本発明の更に他の実施例を示す回路図である。
【図６】 誘導性出力濾波を行う本発明の更に他の実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
１ 電気回路装置
２ 第１の回路ブロック
３ 第２の回路ブロック
４ 入力キャパシタ
５ 整流器
５´ 二方向整流器
６ オン‐オフスイッチ
７ ダイオード
８ バスキャパシタ
９ａ 半ブリッジの第１ダイオード
９ｂ 半ブリッジの第２ダイオード
１０ 半ブリッジ点
１１ 一次回路
１２ 直流成分除去用キャパシタ
１２´ 直流成分除去用サブキャパシタ
１２″ 直流成分除去用サブキャパシタ
１３ 直列コイル
１４ 変圧器一次コイル
１５ 二次回路
１６ 変圧器二次コイル
１７ 出力ダイオード
１８ 出力キャパシタ（平滑キャパシタ）
19ａ 第１半導体スイッチ
19ｂ 第２半導体スイッチ
２０ 調整器（交互動作モード）
20ａ 駆動装置（交互動作モード）
２１ 調整器
２２ 調整器
２５ ダイオード
２６ インダクタ
Claims (17)
- 交流電圧から低電力整流低電圧を発生させる電気回路装置であって、
この電気回路装置は、中間回路を介して組み合わされた２つの回路ブロックを有し、これら２つの回路ブロックのうちの第１の回路ブロックに線路電圧が与えられ、第２の回路ブロックの出力端から低電圧を取出しうるようになっており、
第１の回路ブロックでは、線路電圧が整流器を介して整流されるとともに電圧リミッタ回路を介して制限されて、バスキャパシタに印加されるようになっており、
前記バスキャパシタが第２の回路ブロックの入力端に接続され、
この第２の回路ブロックでは、バスキャパシタに印加される中間回路電圧が半ブリッジを交互動作モードで動作させるようになっており、
この半ブリッジの半ブリッジ点には、一次回路が接続されており、
この一次回路は、電位絶縁モードで、二次回路と相互作用するようになっており、
この二次回路には、少なくとも１つの出力整流ダイオード及び好ましくは出力フィルタユニットが一体化されており、
前記二次回路には、この二次回路の前記出力整流ダイオードの下流で低電圧用のタップが設けられており、
前記中間回路電圧を電気／電子駆動スイッチを介して調整することにより前記低電圧を調整し、この電気／電子駆動スイッチは前記バスキャパシタを通して入力電流を取出しうるようになっている電気回路装置。 - 請求項１に記載の電気回路装置において、前記半ブリッジが半導体スイッチであることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１又は２に記載の電気回路装置において、前記半ブリッジとして２つの半導体スイッチが設けられ、各半導体スイッチがダイオードをも有していることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜３のいずれか一項に記載の電気回路装置において、前記一次回路と前記二次回路との間が電位的に絶縁されていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜４のいずれか一項に記載の電気回路装置において、前記低電圧は調整されるようになっていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項５に記載の電気回路装置において、前記低電圧の調整及び交互動作モードのデューティサイクルの発生との双方又はいずれか一方が調整器により行われ、この調整器の入力信号は第２の回路ブロックの出力端から取出されるようになっていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項５又は６に記載の電気回路装置において、前記電気／電子駆動スイッチは、前記中間回路電圧と、前記第２の回路ブロックの出力端から取出した信号とにより調整器を介して動作されるようになっていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜７のいずれか一項に記載の電気回路装置において、前記出力整流ダイオードは１つのみ設けられていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気回路装置において、容量性出力濾波手段が電気回路装置に設けられていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜８のいずれか一項に記載の電気回路装置において、誘導性出力濾波手段が電気回路装置に設けられていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜１０のいずれか一項に記載の電気回路装置において、直列コイルが変圧器の漏洩インダクタの形態をしていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気回路装置において、半ブリッジ点と一次回路との間に、直流成分を除去するキャパシタが設けられていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜１１のいずれか一項に記載の電気回路装置において、前記半ブリッジ点側とは異なる前記一次回路の端部がサブキャパシタを介して半ブリッジの端部に接続されていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電気回路装置において、互いに逆方向に巻装された巻線を有する変圧器が用いられていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜１３のいずれか一項に記載の電気回路装置において、互いに同一方向に巻装された巻線を有する変圧器が用いられていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の電気回路装置において、半ブリッジが非対称に動作するようになっていることを特徴とする電気回路装置。
- 請求項１〜１５のいずれか一項に記載の電気回路装置において、半ブリッジが５０％のデューティサイクルで動作するようになっていることを特徴とする電気回路装置。
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