JP6418402B2 - 新規のシールドを用いてノイズ低減された電力変換装置及び電力変換方法 - Google Patents

Description

関連案件の相互参照
本願は、２０１３年２月２２日に出願された「Transformer shield to mitigate common-mode noise due to interwinding capacitance in non-isolated power supply」と題された米国仮出願番号第６１／７６８，１１２の利益を主張し、その内容は、参照として本明細書にその全体が組み込まれている。

本明細書において提供される背景技術の説明は、本開示の文脈を、概して提示することを目的としている。現在明記された複数の発明者の成果は、本背景技術の欄に記載された成果の限りにおいて、並びに、それ以外の場合は、出願時に従来技術としての資格はないかもしれない記載の態様として、明示または黙示のいずれも問わず、本開示に対する従来技術として認められない。

高効率スイッチモード電力変換装置は、より小さい部品のサイズ（例えば、変圧器およびインダクタ）および最適な効率の利益を利用して高スイッチング周波数で動作する。しかし、これらの利益は、増加された電磁波干渉（ＥＭＩ）を犠牲にしている。電力変換装置内で急速に変化する電圧信号および電流信号は、複数の回路素子の間の相互インダクタンスまたは容量性結合を通じて不要なノイズを内部的に誘発する。スイッチモード電力変換装置の外部に（３０ＭＨｚより低い周波数で）伝搬する一方向のノイズは、電力変換装置に電力を供給する複数の電力線を通じて逆方向であり、その結果、複数のＥＭＩ源を放射するように作用する。

本発明の様々な態様および実施形態は、以下にさらに詳細に記載される。

実施形態において、電力変換装置は、第１の端部および第２の端部を有する第１のインダクタと、第１の端部および第２の端部を有する第１のキャパシタと、第１の端部および第２の端部を有し、第１のインダクタに磁気的に結合された第２のインダクタと、トランジスタのスイッチングを制御する制御回路とを含み、第１のインダクタは、第１の端部にて直流電圧電源に電気的に接続され、第２の端部にてトランジスタの第１の電力リード線およびダイオードのアノードに電気的に接続され、第１のキャパシタは、第１のキャパシタの第１の端部にて、直流電圧電源に電気的に結合され、第１のキャパシタの第２の端部にて、ダイオードのカソードに電気的に結合され、第２のインダクタの第１の端部は、電気的に開放され、第２のインダクタの第２の端部は、第２のキャパシタを介して接地に電気的に結合される。

他の実施形態において、電力変換装置は、第１の端部および第２の端部を有する第１のインダクタと、第１の端部および第２の端部有し、第１のインダクタに磁気的に結合された第２のインダクタと、トランジスタのスイッチングを制御する制御回路を含み、第１のインダクタは、第１の端部にて第１のキャパシタに電気的に接続され、第２の端部にてトランジスタの第１の電力リード線およびダイオードのアノードに電気的に接続され、第２のインダクタの第１の端部は、電気的に開放され、第２のインダクタの第２の端部は、第２のキャパシタを介して接地に電気的に結合される。

さらに他の実施形態において、電力変換装置は、第２のインダクタに磁気的に結合された第１のインダクタと、第１のインダクタに電気的に接続されたトランジスタと、トランジスタのスイッチングを制御する制御回路とを含み、第２のインダクタの第１の端部は、電気的に開放され、第２のインダクタの第２の端部は、第２のキャパシタを介して接地に電気的に結合され、トランジスタが、制御回路によりオンおよびオフを繰り返しスイッチされたとき、カレントループがトランジスタ、第１のインダクタ、第２のインダクタおよび第２のキャパシタを通じて形成され、カレントループによって、電力変換装置により生成されるスイッチングノイズの量を低減させる。

例として提案されるこの開示の様々な実施形態では、以下の図を参照しつつ詳細に記載され、同様の番号は、同様の要素を参照する。

誘電シールドを用いて電磁波干渉（ＥＭＩ）を低減するために変更されたバックブースト電力変換装置の例である。

図１の電力変換装置で利用可能な誘電シールド付きのインダクタの例である。

図１に示す変更されたバックブースト電力変換装置の複数のＥＭＩ試験結果を示す。

下記の開示された方法やシステムは、一般に、さらには、具体的な例および／または具体的な実施形態に関しても、記載され得る。参照が、詳細な例および／または実施形態に対してなされる場合、基本的原則のいずれかが記載されることに留意し、単一の実施形態に限定されないが、特に断らない限り、当業者によって理解されるように、本明細書に記載されたいずれかの他の方法およびシステムで利用するために拡張されてよい。

本開示は、二段階の入力フィルタを用いることなく、電力変換装置によって生成されたコモンモード電流の量を効果的に低減する方法を記載する。解決法は、一方の端部が電気的に開放され、他方の端部がキャパシタを通じて変換装置のリターンライン（例えば、接地）に接続された変圧器巻線の形態のシールドを伴う。この巻線は、電力変換装置内でコモンモードノイズが局在された状態を維持することにより、コモンモードノイズを複数の電力線からそらすことに役立つ。

図１は、誘電シールドを用いて電磁波干渉（ＥＭＩ）を低減するために変更されたバックブースト電力変換装置の例である。図１に示すように、電力変換装置は、第１のフィルタ１１０、整流器１２０、第２のフィルタ１３０、第３のフィルタ１４０、関連するバイアス回路１５２を有する制御回路１５０、第１のインダクタＬ１、第１のインダクタＬ１に磁気的に結合された第２のインダクタＬ２、第１のキャパシタＣ１、第２のキャパシタＣ２、ダイオードＤ１、トランジスタＱ１、抵抗器Ｒ１および発光ダイオード（ＬＥＤ）ロードＬ_ＬＥＤを含む。

図１の例示的な制御回路１５０は、ＬＥＤロードＬ_ＬＥＤを駆動することが可能なＬＥＤドライバーであってよく、関連するバイアス回路１５２は、製造業者の推奨に適合することを理解されたい。しかし、図１の制御回路１５０および関連するバイアス回路１５２は、非限定的な例とみなされ、本開示に照らして当業者に、電力変換装置に利用可能な基本的なスイッチ制御機能の限り、ほぼ無限の形態をとることができる制御回路１５０が提供されると認識されるべきである。

動作中、交流（ＡＣ）電力が、第１のフィルタ１１０を通じて整流器１２０に供給される。整流器１２０は、ＡＣ電力を利用して、整流された電圧Ｖ_Ｒを発生させる。電流は、それからフィルタ１３０および１４０を通って、第１のインダクタＬ１、キャパシタＣ１、ダイオードＤ１、トランジスタＱ１、抵抗器Ｒ１および制御回路１５０がバックブースト電力変換装置として構成される、ノードＮ_１へ向かう。つまり、制御回路１５０は、第１のインダクタＬ１およびダイオードＤ１が、直列に配置された２またはそれより多くの発光ダイオード（ＬＥＤ）などの負荷に電力を供給するためにその後使用され得る第１のキャパシタＣ１の両端に使用電圧を発生させるために、所望の周波数でトランジスタＱ１をオンおよびオフにスイッチさせる。図１の例では、バックブーストトポロジーを利用する一方、いずれか他の周知のまたは後に開発される電力トポロジーが採用されてよいことは認識されるべきである。

動作中、トランジスタＱ１の一定のスイッチングが第１のインダクタＬ１の両端の大きな電圧スイングｄＶ／ｄｔを生成する。第１のインダクタＬ１および複数のシールド巻線（すなわち、第２のインダクタＬ２）間の寄生結合により、この急速に変化する電圧が、方程式Ｉ_Ｐ＝Ｃ_Ｐ＊ｄＶ／ｄｔに基づいて、寄生巻線間のキャパシタＣ_Ｐ（図１に示されていない）の両端の電流Ｉ_Ｐを比例的に駆動する。第２のインダクタＬ２は、電源のリターン経路（すなわち、接地）に接続されているので、コモンモード電流の多くが、電力線に戻されることが防止される。その代わりに、トランジスタＱ１がオンおよびオフを繰り返しスイッチされるとき、カレントループＩ_Ｌが、抵抗器Ｒ１、トランジスタＱ１、第１のインダクタＬ１、第２のインダクタＬ２および第２のキャパシタＣ２を通じて形成される。このカレントループＩ_Ｌによって_、電力変換装置により生成されるスイッチングノイズの量を低減させる。

この解決法が最も効果的であるために、第２のキャパシタＣ２は、可能な限りまたは実用的な範囲で、接地（または他のリターン）および第２のインダクタＬ２の両方の近くにあるべきである。これは、ループインピーダンス、特に寄生インダクタンスを明らかに低減し、コモンモード電流の最短経路を確保する。

上記記載されたアプローチを利用すると、電力変換装置に電力を供給する複数の電力リード線に注入され得るノイズが少ない。このように、より少ないフィルタリングが要求され、第２の（パイ−トポロジー）フィルタ１３０は、実質的により小さい（およびより低価格な）複数の部品で実現し得る。

図２は、図１の電力変換装置で利用可能な誘電シールドを有するインダクタＬ１の例である。図２に示すように、フェライトコア２１０（または同等のデバイス）は、第２のインダクタＬ２（端部Ｌ２ _Ａ およびＬ２ _Ｂ を有する）の複数の巻線で区切られた第１のインダクタＬ１（端部Ｌ１_ＡおよびＬ１_Ｂを有する）の複数の巻線が設けられている。インダクタ端部Ｌ１_ＡおよびＬ１_Ｂは、電力変換装置に接続されている。インダクタ端部Ｌ２ _Ａ は、電気的に開放される一方、インダクタ端部Ｌ２ _Ｂ は、接地（または別のリターンライン）に容量的に結合されている。

インダクタＬ１およびＬ２のそれぞれの巻線の数は、必要に応じて、または、さもなければ望ましいように変えることができる。しかし、第１のインダクタＬ１の半巻線（またはより多い）の間に第２のインダクタＬ２の少なくとも１つの巻線が存在することが想定される。他の複数の実施形態では、しかし、図２の一般的な巻線の実例に限定されない。例えば、インダクタＬ２の複数の巻線は、インダクタＬ１の複数の巻線の一方の側に全体的に配置されてよく、または、代替的にインダクタＬ２の複数の巻線は、インダクタＬ２がコア２２０に接触しないように、インダクタＬ１の複数の巻線上に配置されてよい。

図３は、図１に示す変更されたバックブースト電力変換装置の複数のＥＭＩ試験結果を示す。グラフ３１０（上）は、誘電シールド（すなわち、インダクタＬ２およびキャパシタＣ２を含まない）を使用しない図１の回路の複数のＥＭＩ試験結果を示す一方、グラフ３２０（下）は、誘電シールドを用いた図１の回路の複数のＥＭＩ試験結果を示す。領域３１２および３２２のそれぞれに示すように、ノイズ低減は、約１０メガヘルツ領域で１５ｄｂに近づくピークノイズ低減で、誘電シールドを使用して実質的に改善されている。

本発明は、例として提案されている具体的な実施形態に関連して説明されてきたが、一方、多くの代替、修正および変形が当業者に明らかであろうことは明白である。したがって、本明細書に記載された本発明の複数の実施形態は、例示を意図したものであり、限定的ではない。本発明の範囲を逸脱することなく、変更が行われてよい。
［項目１］
第１の端部および第２の端部を有する第１のインダクタと、
第１の端部および第２の端部を有する第１のキャパシタと、
第１の端部および第２の端部を有し、上記第１のインダクタと磁気的に結合された第２のインダクタと、
トランジスタのスイッチングを制御する制御回路と
を備え、
上記第１のインダクタは、上記第１の端部にて直流電圧電源に電気的に接続され、上記第２の端部にて上記トランジスタの第１の電力リード線およびダイオードのアノードに電気的に接続され、
上記第１のキャパシタは、上記第１のキャパシタの上記第１の端部にて上記直流電圧電源に電気的に結合され、上記第１のキャパシタの上記第２の端部にて上記ダイオードのカソードに電気的に結合され、
上記第２のインダクタの上記第１の端部は、電気的に開放され、上記第２のインダクタの上記第２の端部は、第２のキャパシタを介して接地と電気的に結合される、電力変換装置。
［項目２］
上記トランジスタがオンおよびオフを繰り返しスイッチされたとき、上記トランジスタ、上記第１のインダクタ、上記第２のインダクタおよび上記第２のキャパシタを通じてカレントループが形成され、上記カレントループによって、上記電力変換装置により生成されるスイッチングノイズの量を低減させる、項目１に記載の電力変換装置。
［項目３］
上記第２のキャパシタは、上記カレントループ内の寄生インピーダンスを明らかに最小化するように、上記第２のインダクタおよび接地に対して極めて近接に配置される、項目２に記載の電力変換装置。
［項目４］
上記第１のインダクタおよび上記第２のインダクタを磁気的に結合するフェライトコアをさらに備える、項目２または３に記載の電力変換装置。
［項目５］
上記第２のインダクタの少なくとも１つの巻線は、上記第１のインダクタの少なくとも複数の半巻線の間に存在する、項目４に記載の電力変換装置。
［項目６］
上記第２のキャパシタの上記第１の端部と上記第２のキャパシタの上記第２の端部との間で直列に結合された２またはそれより多くの発光ダイオードをさらに備える、項目１から５のいずれか一項に記載の電力変換装置。
［項目７］
第１の端部および第２の端部を有する第１のインダクタと、
第１の端部および第２の端部を有し、上記第１のインダクタに磁気的に結合された第２のインダクタと、
トランジスタのスイッチングを制御する制御回路と
を備え、
上記第１のインダクタは、上記第１の端部にて第１のキャパシタに電気的に接続され、上記第２の端部にて上記トランジスタの第１の電力リード線に電気的に接続され、
上記第２のインダクタの上記第１の端部は、電気的に開放され、上記第２のインダクタの上記第２の端部は、第２のキャパシタを介して接地に電気的に結合される、電力変換装置。
［項目８］
上記第１のインダクタ、ダイオード、上記第１のキャパシタおよび上記トランジスタは、バックブースト電力変換装置を提供するように構成され、上記ダイオードのアノードは、上記第１のインダクタの上記第２の端部に電気的に接続される、項目７に記載の電力変換装置。
［項目９］
上記トランジスタがオンおよびオフを繰り返しスイッチされるとき、カレントループが上記トランジスタ、上記第１のインダクタ、上記第２のインダクタおよび上記第２のキャパシタを通じて形成され、上記カレントループによって、上記電力変換装置により生成されるスイッチングノイズの量を低減させる、項目７または８に記載の電力変換装置。
［項目１０］
上記第２のキャパシタは、上記カレントループ内の寄生インピーダンスを明らかに最小化するように、上記第２のインダクタおよび接地に対して極めて近接に配置される、項目９に記載の電力変換装置。
［項目１１］
上記第１のインダクタに電気的に結合され、上記電力変換装置に電力を供給する複数の電力リード線に対して上記電力変換装置により生成されたノイズの量を低減する１または複数のノイズフィルタをさらに備える、項目９または１０に記載の電力変換装置。
［項目１２］
上記第１のインダクタおよび上記第２のインダクタを磁気的に結合するフェライトコアをさらに備える、項目７から１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。
［項目１３］
上記第２のインダクタの少なくとも１つの巻線は、上記第１のインダクタの少なくとも複数の半巻線の間に存在する、項目１２に記載の電力変換装置。
［項目１４］
上記第２のキャパシタの上記第１の端部および上記第２のキャパシタの上記第２の端部の間で直列に結合された２またはそれより多くの発光ダイオードをさらに備える、項目７から１３のいずれか一項に記載の電力変換装置。
［項目１５］
トランジスタに電気的に結合された第１のインダクタおよび上記第１のインダクタに磁気的に結合された第２のインダクタを含む電力変換装置に通じる直流電圧電源を供給すべく入力電圧を整流する段階と、
出力電圧を供給するように上記トランジスタをスイッチする段階と、
を備え、
上記第２のインダクタの第１の端部は、電気的に開放され、上記第２のインダクタの第２の端部は、キャパシタを介して接地に電気的に結合される、電力変換方法。
［項目１６］
上記トランジスタがオンおよびオフを繰り返しスイッチされたとき、カレントループが上記トランジスタ、上記第１のインダクタ、上記第２のインダクタおよび上記キャパシタを通じて形成され、上記カレントループによって、上記電力変換装置により生成されるスイッチングノイズの量を低減させる、項目１５に記載の電力変換方法。
［項目１７］
フェライトコアは、上記第１のインダクタおよび上記第２のインダクタを磁気的に結合する、項目１５または１６に記載の電力変換方法。
［項目１８］
上記第２のインダクタの少なくとも１つの巻線は、上記第１のインダクタの少なくとも複数の半巻線の間に存在する、項目１７に記載の電力変換方法。
［項目１９］
上記出力電圧を利用して、少なくとも２またはそれより多くの発光ダイオードに電力を供給する段階
をさらに備える、項目１５から１８のいずれか一項に記載の電力変換方法。

Claims (16)

1. 電力変換装置であって、
   第１の端部および第２の端部を有する第１のインダクタと、
   第１の端部および第２の端部を有する第１のキャパシタと、
   第１の端部および第２の端部を有し、前記第１のインダクタと磁気的に結合された第２のインダクタと、
   トランジスタのスイッチングを制御する制御回路と
   を備え、
   前記第１のインダクタは、前記第１の端部にて直流電圧電源に電気的に接続され、前記第２の端部にて前記トランジスタの第１の電力リード線およびダイオードのアノードに電気的に接続され、
   前記第１のキャパシタは、前記第１のキャパシタの前記第１の端部にて前記直流電圧電源に電気的に結合され、前記第１のキャパシタの前記第２の端部にて前記ダイオードのカソードに電気的に結合され、
   前記第２のインダクタの前記第１の端部は、電気的に開放され、前記第２のインダクタの前記第２の端部は、第２のキャパシタを介して接地と電気的に結合され、
   前記トランジスタがオンおよびオフを繰り返しスイッチされたとき、前記トランジスタ、前記第１のインダクタ、前記第２のインダクタおよび前記第２のキャパシタを通じてカレントループが形成され、前記カレントループによって、前記電力変換装置により生成されるスイッチングノイズの量を低減させる、電力変換装置。
2. 前記第２のキャパシタは、前記カレントループ内の寄生インピーダンスを明らかに最小化するように、前記第２のインダクタおよび接地に対して極めて近接に配置される、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタを磁気的に結合するフェライトコアをさらに備える、請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. 前記第２のインダクタの少なくとも１つの巻線は、前記第１のインダクタの少なくとも複数の半巻線の間に存在する、請求項３に記載の電力変換装置。
5. 前記第１のキャパシタの前記第１の端部と前記第１のキャパシタの前記第２の端部との間で直列に結合された２またはそれより多くの発光ダイオードをさらに備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の電力変換装置。
6. 電力変換装置であって、
   第１の端部および第２の端部を有する第１のインダクタと、
   第１の端部および第２の端部を有し、前記第１のインダクタに磁気的に結合された第２のインダクタと、
   トランジスタのスイッチングを制御する制御回路と
   を備え、
   前記第１のインダクタは、前記第１の端部にて第１のキャパシタに電気的に接続され、前記第２の端部にて前記トランジスタの第１の電力リード線に電気的に接続され、
   前記第２のインダクタの前記第１の端部は、電気的に開放され、前記第２のインダクタの前記第２の端部は、第２のキャパシタを介して接地に電気的に結合され、
   前記トランジスタがオンおよびオフを繰り返しスイッチされるとき、カレントループが前記トランジスタ、前記第１のインダクタ、前記第２のインダクタおよび前記第２のキャパシタを通じて形成され、前記カレントループによって、前記電力変換装置により生成されるスイッチングノイズの量を低減させる、電力変換装置。
7. 前記第１のインダクタ、ダイオード、前記第１のキャパシタおよび前記トランジスタは、バックブースト電力変換装置を提供するように構成され、前記ダイオードのアノードは、前記第１のインダクタの前記第２の端部に電気的に接続される、請求項６に記載の電力変換装置。
8. 前記第２のキャパシタは、前記カレントループ内の寄生インピーダンスを明らかに最小化するように、前記第２のインダクタおよび接地に対して極めて近接に配置される、請求項６または７に記載の電力変換装置。
9. 前記第１のインダクタに電気的に結合され、前記電力変換装置に電力を供給する複数の電力リード線に対して前記電力変換装置により生成されたノイズの量を低減する１または複数のノイズフィルタをさらに備える、請求項６から８のいずれか一項に記載の電力変換装置。
10. 前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタを磁気的に結合するフェライトコアをさらに備える、請求項６から９のいずれか一項に記載の電力変換装置。
11. 前記第２のインダクタの少なくとも１つの巻線は、前記第１のインダクタの少なくとも複数の半巻線の間に存在する、請求項１０に記載の電力変換装置。
12. 前記第１のキャパシタの前記第１の端部および前記第１のキャパシタの前記第２の端部の間で直列に結合された２またはそれより多くの発光ダイオードをさらに備える、請求項６から１１のいずれか一項に記載の電力変換装置。
13. トランジスタに電気的に結合された第１のインダクタおよび前記第１のインダクタに磁気的に結合された第２のインダクタを含む電力変換装置に通じる直流電圧電源を供給すべく入力電圧を整流する段階と、
    出力電圧を供給するように前記トランジスタをスイッチする段階と、
    を備え、
    前記第２のインダクタの第１の端部は、電気的に開放され、前記第２のインダクタの第２の端部は、キャパシタを介して接地に電気的に結合され、
    前記トランジスタがオンおよびオフを繰り返しスイッチされたとき、カレントループが前記トランジスタ、前記第１のインダクタ、前記第２のインダクタおよび前記キャパシタを通じて形成され、前記カレントループによって、前記電力変換装置により生成されるスイッチングノイズの量を低減させる、電力変換方法。
14. フェライトコアは、前記第１のインダクタおよび前記第２のインダクタを磁気的に結合する、請求項１３に記載の電力変換方法。
15. 前記第２のインダクタの少なくとも１つの巻線は、前記第１のインダクタの少なくとも複数の半巻線の間に存在する、請求項１４に記載の電力変換方法。
16. 前記出力電圧を利用して、少なくとも２またはそれより多くの発光ダイオードに電力を供給する段階
    をさらに備える、請求項１３から１５のいずれか一項に記載の電力変換方法。

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