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課題

方法は電力供給器エネルギ転送要素に含まれるシールド巻線巻数を計算することを含む。

解決手段

当該計算は、電力供給器の入力導体において低ノイズ電流を得るようになされる。この方法はさらに、シールド巻線についての巻数を増加させることと、電力供給器を動作させることと、実質的にノイズ電流を低減するようシールドインピーダンスの値を調節することとを含む。装置は、エネルギ転送要素とシールドインピーダンスとを有する電力供給器を含む。このエネルギ転送要素は、エネルギ転送要素の外側で終端する端部を有するシールド巻線を含む。シールドインピーダンスは、シールド巻線の当該外側で終端する端部と電力供給器の入力導体との間に結合される。シールドインピーダンスは、入力導体においてノイズ電流を実質的に低減するようゼロではない有限インピーダンス値を有する。

概要

背景

背景情報
携帯電話携帯情報端末(personal digital assistants;PDA)、ラップトップなどといった多くの電気装置はdc電力源を必要とする。電力は通常高電圧のac電力として壁の差込口から供給されるので、この高電圧のac電力を、多くの電気機器のために利用可能なdc電力に変換するために、典型的には電力供給器と呼ばれる装置が必要になる。さらに、電力供給器はしばしば、安全機関要件合致するよう、あるタイプの電気的絶縁を高電圧ac電力源とdc電力との間に与えなければならない。利用可能なdc電力は、電力供給器によって装置に直接的に与えられ得るか、または、再充電可能なバッテリ充電し、当該バッテリが立ち代わって装置にエネルギを与えるよう用いられ得る。しかし、バッテリは蓄積したエネルギが尽きると充電が必要となる。動作において、電力供給器は、コントローラを用いて、負荷とも一般的に呼ばれ得る電気装置に供給される出力電力を調節し得る。このコントローラは、負荷へのエネルギの転送を調節する。一例では、コントローラは、電力スイッチを制御して、センサからのフィードバック情報応答してオンおよびオフ切換え、高電圧ac電源から出力へとエネルギパルスを転送し得る。

電力供給器におけるすべての導体は、電界を通って、電力供給器の外部のスペース電気的に結合される。電界における任意の2つの点の間には電圧差が存在する。したがって、電力供給器におけるすべての導体と、当該電力供給器の外側の任意の基準位置との間の電圧が存在する。この任意の基準位置はしばしば、アースグランドと呼ばれ、ときに単純にアースまたはグランドと呼ばれる。導体とアースとの間の電圧は、正、負、またはゼロであり得る。

電界および関連する電圧の結合は、電気回路において、典型的に浮遊容量として示される。導体とアースとの間の電圧が値を変化させると、当該電圧は、浮遊容量において、導体をアースに結合する変位電流を作り出す。大きな割合の電圧変化により、かなりの変位電流が作り出され得る。この変位電流と呼ばれる電流伝導電流と異なる。変位電流は、空間において、導体における電荷動きと均等である変化する電界である。導体における電荷の動きである電流は伝導電流と呼ばれる。

dc電流は、時間に対して一定の値を有する。対照的に、ac電流は時間とともに変動する値である。一般的な電流はdc電流とac電流との合計であり得る。伝導電流は、dc電流とac電流との合計であり得る。しかしながら、変位電流はただac電流のみである。なぜならば、ac電流は変化する電界に対して均等であるからである。

電流は閉路の中を流れる。言い換えれば、ある場所を離れるすべての電流について、同じ場所に戻る同じ大きさの電流が必ず存在する。この閉路の法則は、変位電流および伝導電流の両方に当てはまる。ある電流閉路は、変位電流および伝導電流の両方を含み得る。

電力供給器は典型的に、規制機関によって指定された制限に合致するよう、その入力導体においてノイズ電流を制限しなければならない。2つ以上の導体において同時に同じ大
きさおよび方向(電力供給器に向かう方向または電力供給器から離れる方向)を有する電流は、コモンモード電流と呼ばれる。2つの導体において、大きさが同じであるが方向が異なる電流は差動電流と呼ばれる。

入力導体におけるコモンモード電流は一般的に、電力供給器が受取る電力に寄与しないノイズ電流である。その一方、入力電圧源によって与えられる差動電流は、電力供給器が受取る電流を供給する。コモンモード電流は主に、電力供給器における高電圧の高速スイッチングから発生する。変化する電圧によって作り出される変位電流は、電力供給器の入力導体を含む路上のその元々の場所に戻るので、規制機関によって制限されるノイズ電流に寄与する。

コモンモード電流を低減する1つの方法は、入力導体に誘導的な構成要素を配置することである。これらの構成要素はときに、コモンモードインダクタまたはコモンモードチョークと呼ばれる。コモンモードインダクタは、共通の磁心上に2つ以上の巻線を有する。当該磁心において、巻線は入力導体にて、同じ方向に流れるコモンモードノイズ電流に対して対抗し、その一方電力供給器に電力を与える差動電流には取るに足らないほどの対抗しか与えない。入力導体におけるコモンモードインダクタの利用に対する好ましい代替例は、電力節約の目的のために電力供給器に既に存在するエネルギ転送要素に特別の巻線を加えることである。

電力供給器におけるエネルギ転送要素は、ときにトランスフォーマと呼ばれ、磁心上に複数の巻線を有する誘導的な構成要素である。動作の間、当該トランスフォーマは電力供給器の入力側(一次側と呼ばれる)と電力供給器の出力側(二次側と呼ばれる)との間でのエネルギの転送を可能にする。トランスフォーマはさらに、電力供給器の入力と出力との間にガルバニック絶縁を与える。ガルバニック絶縁は、入力導体と出力導体との間をdc電流が流れるのを防止する特性である。電力変換のために必要な巻線は電力巻線である。「特別な巻線」は、電力変換機能関与しない付加的な巻線である。シールディング機能および電力変換機能の両方を与え得る巻線は、たとえば制御回路の構成要素を動作させるようバイアス電圧を与えるバイアス巻線であり、特別な巻線ではなく電力巻線と考えられる。

特別な巻線はしばしば、平衡巻線および相殺巻線と呼ばれる。これらはときに、シールド巻線の一般的なカテゴリ内に含まれ、動作するために電力供給器に必要とされる電力変換巻線とは異なる。特別な巻線の目的は、電力供給器の入力導体を含まない路への変位電流を制限することである。変位電流がエネルギ転送要素内に残り、均等な伝導電流がエネルギ転送要素の端子をはるかに超えないことが望ましい。これらの特別な巻線は、適切な位置に適切な強度で電界を導入し、所望の路を取るように変位電流を導くことによりそれらの目的を達成する。

概要

方法は電力供給器のエネルギ転送要素に含まれるシールド巻線の巻数を計算することを含む。当該計算は、電力供給器の入力導体において低ノイズ電流を得るようになされる。この方法はさらに、シールド巻線についての巻数を増加させることと、電力供給器を動作させることと、実質的にノイズ電流を低減するようシールドインピーダンスの値を調節することとを含む。装置は、エネルギ転送要素とシールドインピーダンスとを有する電力供給器を含む。このエネルギ転送要素は、エネルギ転送要素の外側で終端する端部を有するシールド巻線を含む。シールドインピーダンスは、シールド巻線の当該外側で終端する端部と電力供給器の入力導体との間に結合される。シールドインピーダンスは、入力導体においてノイズ電流を実質的に低減するようゼロではない有限インピーダンス値を有する。

目的

コモンモード電流を低減する1つの方法は、入力導体に誘導的な構成要素を配置することである

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

方法であって、電力供給器エネルギ転送要素に含まれるシールド巻線巻数を計算することを含み、前記シールド巻線の前記巻数は、前記電力供給器が前記電力供給器の入力導体において低いノイズ電流を有するよう計算され、前記方法はさらに、前記シールド巻線についての巻数を前記計算された巻数より大きくなるように増加させることと、前記電力供給器を動作させることと、前記入導体における前記ノイズ電流を実質的に低減させるよう、前記シールド巻線と前記電力供給器の入力導体との間に結合されるインピーダンスの値を調節することとを含む、方法。

請求項2

前記シールド巻線についての巻数を前記計算された巻数よりも大きくなるように増加させることは、ゼロのインピーダンス値で動作する電力供給器のために、前記電力供給器の入力導体における前記ノイズ電流を増加させることを含む、請求項1に記載の方法。

請求項3

前記電力供給器の前記入力導体において低いノイズ電流を達成するよう前記シールド巻線の前記巻数を計算することは、ゼロのインピーダンス値で動作する電力供給器のために、前記電力供給器の入力導体において実質的にゼロのノイズ電流を達成するよう前記シールド巻線の巻数を計算することを含む、請求項1に記載の方法。

請求項4

前記インピーダンスの値を調整することは、前記電力供給器の前記入力導体と出力導体との間の電圧波形を観察することと、前記シールド巻線と前記電力供給器の入力導体との間に結合される前記インピーダンスの値を、前記電圧波形が極性反転させるまで調節することとを含む、請求項1に記載の方法。

請求項5

前記電圧波形が極性を反転させた後、前記電圧波形の振幅を低減するよう前記インピーダンスの値を調節することをさらに含む、請求項4に記載の方法。

請求項6

前記電圧波形の振幅を低減するよう前記インピーダンスの値を調節することは、前記電力供給器の入力導体において実質的にゼロのノイズ電流を達成するよう前記インピーダンスの値を調節することを含む、請求項5に記載の方法。

請求項7

前記電圧波形が極性を反転させた後、前記電圧波形の振幅が最も低い振幅になるまで前記インピーダンスの値を調節することをさらに含む、請求項4に記載の方法。

請求項8

前記入力導体と前記出力導体との間の前記電圧波形を観察することは、前記シールド巻線と前記入力導体との間に結合される前記インピーダンスなしで前記電圧波形を観察することを含み、前記方法はさらに、前記電圧波形の観察の後で、前記シールド巻線と前記入力導体との間に前記インピーダンスを挿入することをさらに含む、請求項4に記載の方法。

請求項9

前記シールド巻線の前記計算された巻数は10未満であり、前記巻数を増加させることは、約1または2だけ巻数を増加させることを含む、請求項1に記載の方法。

請求項10

前記シールド巻線の前記計算された巻数が10より多く、前記巻数を増加させることは前記巻数を約10%から約20%の範囲で増加させることを含む、請求項1に記載の方法。

請求項11

前記計算された巻数を有するシールド巻線は第1の電圧を作り出し、前記増加された巻数を有するシールド巻線は第2の電圧を作り出し、前記第2の電圧は前記第1の電圧より大きい、請求項1に記載の方法。

請求項12

シールド電流を実質的に一次ノイズ電流と等しくする量だけ前記第2の電圧を低減するよう前記インピーダンスの値を調節することをさらに含む、請求項11に記載の方法。

請求項13

低いノイズ電流を達成するよう前記シールド巻線の巻数を計算することは、前記エネルギ転送要素の電力巻線における巻数と同様の巻数を有するよう前記シールド巻線を設計することを含む、請求項1に記載の方法。

請求項14

前記エネルギ転送要素は、前記エネルギ転送要素に対して外部からアクセス可能シールド端子を含み、前記インピーダンスは、前記シールド端子と前記電力供給器の入力導体との間に結合される、請求項1に記載の方法。

請求項15

前記入力導体および前記出力導体は前記電力供給器の非スイッチング導体である、請求項1に記載の方法。

請求項16

電力供給器であって、第1の端部と第2の端部とを有するシールド巻線を含むエネルギ転送要素を含み、前記第1の端部は前記エネルギ転送要素に対して内側で終端され、前記第2の端部は、前記エネルギ転送要素に対して外側で終端され、前記電力供給器はさらに、前記シールド巻線の前記第2の端部と前記電力供給器の入力導体との間に結合されるシールドインピーダンスを含み、前記入力導体においてノイズ電流を実質的に減少させるよう、前記シールドインピーダンスはゼロでない有限のインピーダンス値を有する、電力供給器。

請求項17

前記エネルギ転送要素はさらに、第1の外部端子と、第2の外部端子と、前記第1の外部端子と前記第2の外部端子との間に結合される電力巻線と、前記シールド巻線の前記第2の端部に結合される第3の外部端子とを含み、前記シールドインピーダンスは、前記第3の外部端子と前記入力導体との間に結合される、請求項16に記載の電力供給器。

請求項18

前記入力導体は前記電力供給器の非スイッチング導体である、請求項16に記載の電力供給器。

請求項19

前記シールド巻線は平衡巻線を含む、請求項16に記載の電力供給器。

請求項20

前記シールド巻線は相殺巻線を含む、請求項16に記載の電力供給器。

請求項21

前記シールド巻線は平衡巻線と相殺巻線とを含む、請求項16に記載の電力供給器。

請求項22

前記シールドインピーダンスはキャパシタを含む、請求項16に記載の電力供給器。

請求項23

前記電力供給器はac−dc電力供給器である、請求項16に記載の電力供給器。

請求項24

前記シールド巻線は電圧を作り出し、前記シールドインピーダンスの値は、シールド電流を実質的に一次ノイズ電流と等しくする量だけ前記電圧を低減するよう構成される、請求項16に記載の電力供給器。

請求項25

前記シールドインピーダンスを有する前記電力供給器の前記入力導体と出力導体との間で観察される電圧波形は、前記シールドインピーダンスが取除かれた場合に前記入力導体と前記出力導体との間で観察される電圧波形の極性の反転したものである、請求項16に記載の電力供給器。

請求項26

前記シールドインピーダンスを有する前記電力供給器の前記入力導体と出力導体との間で観察される前記電圧波形の振幅は、前記電圧波形の最も小さい振幅である、請求項25に記載の電力供給器。

請求項27

前記シールド巻線は、シールドインピーダンスの値がゼロである電力供給器においてノイズ電流を実質的にゼロに低減するよう構成される第1の巻数を有し、前記シールド巻線は、前記シールドインピーダンスの値がゼロである前記電力供給器においてゼロよりも大きくなるように前記ノイズ電流を増加させるよう構成される付加的な第2の巻数を有する、請求項16に記載の電力供給器。

請求項28

前記エネルギ転送要素の前記シールドインピーダンスは、前記シールド巻線における前記付加的な第2の巻数の増加されたノイズ電流を実質的に低減するよう構成されるゼロではない有限のシールドインピーダンス値を有する、請求項27に記載の電力供給器。

技術分野

0001

技術分野
この開示は一般的には電力供給器に関し、特定的には、電力供給器をスイッチングする際においてコモンモードノイズ電流を低減させるための方法および装置に関するが、これらに限定されない。

背景技術

0002

背景情報
携帯電話携帯情報端末(personal digital assistants;PDA)、ラップトップなどといった多くの電気装置はdc電力源を必要とする。電力は通常高電圧のac電力として壁の差込口から供給されるので、この高電圧のac電力を、多くの電気機器のために利用可能なdc電力に変換するために、典型的には電力供給器と呼ばれる装置が必要になる。さらに、電力供給器はしばしば、安全機関要件合致するよう、あるタイプの電気的絶縁を高電圧ac電力源とdc電力との間に与えなければならない。利用可能なdc電力は、電力供給器によって装置に直接的に与えられ得るか、または、再充電可能なバッテリ充電し、当該バッテリが立ち代わって装置にエネルギを与えるよう用いられ得る。しかし、バッテリは蓄積したエネルギが尽きると充電が必要となる。動作において、電力供給器は、コントローラを用いて、負荷とも一般的に呼ばれ得る電気装置に供給される出力電力を調節し得る。このコントローラは、負荷へのエネルギの転送を調節する。一例では、コントローラは、電力スイッチを制御して、センサからのフィードバック情報応答してオンおよびオフ切換え、高電圧ac電源から出力へとエネルギパルスを転送し得る。

0003

電力供給器におけるすべての導体は、電界を通って、電力供給器の外部のスペース電気的に結合される。電界における任意の2つの点の間には電圧差が存在する。したがって、電力供給器におけるすべての導体と、当該電力供給器の外側の任意の基準位置との間の電圧が存在する。この任意の基準位置はしばしば、アースグランドと呼ばれ、ときに単純にアースまたはグランドと呼ばれる。導体とアースとの間の電圧は、正、負、またはゼロであり得る。

0004

電界および関連する電圧の結合は、電気回路において、典型的に浮遊容量として示される。導体とアースとの間の電圧が値を変化させると、当該電圧は、浮遊容量において、導体をアースに結合する変位電流を作り出す。大きな割合の電圧変化により、かなりの変位電流が作り出され得る。この変位電流と呼ばれる電流伝導電流と異なる。変位電流は、空間において、導体における電荷動きと均等である変化する電界である。導体における電荷の動きである電流は伝導電流と呼ばれる。

0005

dc電流は、時間に対して一定の値を有する。対照的に、ac電流は時間とともに変動する値である。一般的な電流はdc電流とac電流との合計であり得る。伝導電流は、dc電流とac電流との合計であり得る。しかしながら、変位電流はただac電流のみである。なぜならば、ac電流は変化する電界に対して均等であるからである。

0006

電流は閉路の中を流れる。言い換えれば、ある場所を離れるすべての電流について、同じ場所に戻る同じ大きさの電流が必ず存在する。この閉路の法則は、変位電流および伝導電流の両方に当てはまる。ある電流閉路は、変位電流および伝導電流の両方を含み得る。

0007

電力供給器は典型的に、規制機関によって指定された制限に合致するよう、その入力導体においてノイズ電流を制限しなければならない。2つ以上の導体において同時に同じ大
きさおよび方向(電力供給器に向かう方向または電力供給器から離れる方向)を有する電流は、コモンモード電流と呼ばれる。2つの導体において、大きさが同じであるが方向が異なる電流は差動電流と呼ばれる。

0008

入力導体におけるコモンモード電流は一般的に、電力供給器が受取る電力に寄与しないノイズ電流である。その一方、入力電圧源によって与えられる差動電流は、電力供給器が受取る電流を供給する。コモンモード電流は主に、電力供給器における高電圧の高速スイッチングから発生する。変化する電圧によって作り出される変位電流は、電力供給器の入力導体を含む路上のその元々の場所に戻るので、規制機関によって制限されるノイズ電流に寄与する。

0009

コモンモード電流を低減する1つの方法は、入力導体に誘導的な構成要素を配置することである。これらの構成要素はときに、コモンモードインダクタまたはコモンモードチョークと呼ばれる。コモンモードインダクタは、共通の磁心上に2つ以上の巻線を有する。当該磁心において、巻線は入力導体にて、同じ方向に流れるコモンモードノイズ電流に対して対抗し、その一方電力供給器に電力を与える差動電流には取るに足らないほどの対抗しか与えない。入力導体におけるコモンモードインダクタの利用に対する好ましい代替例は、電力節約の目的のために電力供給器に既に存在するエネルギ転送要素に特別の巻線を加えることである。

0010

電力供給器におけるエネルギ転送要素は、ときにトランスフォーマと呼ばれ、磁心上に複数の巻線を有する誘導的な構成要素である。動作の間、当該トランスフォーマは電力供給器の入力側(一次側と呼ばれる)と電力供給器の出力側(二次側と呼ばれる)との間でのエネルギの転送を可能にする。トランスフォーマはさらに、電力供給器の入力と出力との間にガルバニック絶縁を与える。ガルバニック絶縁は、入力導体と出力導体との間をdc電流が流れるのを防止する特性である。電力変換のために必要な巻線は電力巻線である。「特別な巻線」は、電力変換機能関与しない付加的な巻線である。シールディング機能および電力変換機能の両方を与え得る巻線は、たとえば制御回路の構成要素を動作させるようバイアス電圧を与えるバイアス巻線であり、特別な巻線ではなく電力巻線と考えられる。

0011

特別な巻線はしばしば、平衡巻線および相殺巻線と呼ばれる。これらはときに、シールド巻線の一般的なカテゴリ内に含まれ、動作するために電力供給器に必要とされる電力変換巻線とは異なる。特別な巻線の目的は、電力供給器の入力導体を含まない路への変位電流を制限することである。変位電流がエネルギ転送要素内に残り、均等な伝導電流がエネルギ転送要素の端子をはるかに超えないことが望ましい。これらの特別な巻線は、適切な位置に適切な強度で電界を導入し、所望の路を取るように変位電流を導くことによりそれらの目的を達成する。

発明が解決しようとする課題

0012

電力供給器においてコモンモード電流を低減する目的のためにシールド巻線を含むエネルギ転送要素を設計および構成する周知の方法が開発されてきた。これらの方法は、当該エネルギ転送要素の巻線の巻数が少ない場合に困難に直面する。これらの従来の方法は、シールド巻線が電力変換巻線の巻数に近い整数の巻数を有する場合に最も効果的である。

0013

出力電圧に対する入力電圧の比が非常に大きいまたは非常に小さい電力供給器への適用の場合、電力巻線は1または2の巻数と同じぐらい少ない巻数しか有し得ない。このような場合、従来のシールド巻線に、変位電流の所望な低減を達成するのに必要な巻数を与えることは不可能となり得る。シールド巻線が作り出す電界が小さすぎる場合、当該巻線は
あまり効果的ではなくなる。シールド巻線が作り出す電界が大きすぎる場合、この巻線は、コモンモード電流の減少ではなく増加を引起し得る。

0014

この発明の非限定的かつ非網羅的な実施例が以下の図面を参照して記載される。さまざまな図を通じて、別の態様で特定されていなければ、同様の参照符号は同様の部分を指す。

図面の簡単な説明

0015

本発明の教示に従った例示的なac−dc電力供給器を示す概略図である。
本発明の教示に従った例示的なエネルギ転送要素の中における浮遊キャパシタンスおよびノイズ電流をより詳細に示す、図1のac−dc電力供給器の例示的な部分の概略図である。
本発明の教示に従った、例示的な電力供給器における例示的な電圧および電流を示す例示的な簡略化された電気回路モデルの概略図である。
本発明の教示に従った例示的な方法を示すフロー図である。

実施例

0016

詳細な説明
エネルギ転送要素において変位電流を調節するための方法および装置の例をここで記載する。以下の記載では、多くの具体的な詳細が記載され、実施例の完全な理解を提供する。しかしながら、当業者ならば、これらの具体的な詳細の1つ以上なくても、または他の方法、構成要素、材料などを用いて、ここで記載した技術が実施され得るということを認識するであろう。別の例では、周知の構造、材料、または動作はある局面を不明確にするのを避けるよう詳細には示されないか、または記載されない。

0017

この明細書を通じて、「一実施例」、「実施例」、「一例」または「例」に対する参照は、実施例または例と関連して記載される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも1つの実施例に含まれるということを意味する。したがって、「一実施例では」、「ある実施例では」、「一例」、または「ある例」という、この明細書を通じてさまざまな場所に現れるこれらのフレーズは、必ずしも同じ実施例または例をすべて指しているわけではない。さらに、これらの特定の特徴、構造、または特性は1つ以上の実施例または例において任意の好適なコンビネーションおよび/またはサブコンビネーション組合されてもよい。さらに、ここで与えられる図面は、当業者への説明目的のためであり、当該図面は必ずしも尺度決めされて描かれているわけではないということが理解される。

0018

図1における例示的な概略図100は、本発明の教示に従って、電力供給器100の要素、電圧、および電流を示す。一般的な浮遊インピーダンスZPE 142、ZTE 150、およびZSE 154は、電力供給器100のさまざまな部分とアース基準156との間の結合を示す。浮遊インピーダンスZPE 142、ZTE 150、およびZSE 154は、典型的にはキャパシタンスによって占められるが、同様に誘導および抵抗要素を含んでもよい。図1に示される電流(たとえば106および108)はノイズ電流である。図1は、電力供給器100によって受取られるとともに供給される電力に寄与する電流を示していない。

0019

図1の例に示されるように、ac入力電圧VACは、ライン端子102と中性端子104との間の電力供給器100の入力に加えられる。全波ブリッジ整流器105が、このac入力電圧VACを受取り、dc入力キャパシタ112上にてdc入力電圧VDC 114を作り出す。一例では、dc入力キャパシタ112の導体は電力供給器100の入力導体と考えられる。dc入力電圧VDC 114は電力巻線(すなわち、エネルギ転送要素116の一次巻線118)とスイッチS1 144に結合される。一例では、スイッチS1 14
4はコントローラ回路の制御の下で開閉する。コントローラ回路は、この発明の特徴を不明確にするのを避けるよう示されていない。

0020

エネルギ転送要素116は、エネルギ転送要素の内側の巻線を終端させる内部終端部を有し、エネルギ転送要素の外部の巻線を終端させる外部終端部を有する。内部端子は、エネルギ転送要素の外部の回路に伝導電流を運ばず、当該回路から伝導電流を運ばない。内部終端部は、エネルギ転送要素の外側からはアクセス可能である必要はない。外部終端部は、エネルギ転送要素の外側からアクセス可能である。外部終端部は、エネルギ転送要素の外側の回路に伝導電流を運ぶか、または当該回路から伝導電流を運ぶ。一例では、外部終端部は、トランスフォーマの外部の回路に伝導電流を運ぶかまたは当該回路から伝導電流を運ぶトランスフォーマの外部のピンポスト、またはパッドであってもよい。一例では、内部端子が、トランスフォーマの外部の回路に伝導電流を運ばないかまたは当該回路から伝導電流を運ばないトランスフォーマの外部ピン、ポスト、またはパッドに機械的に結合され得る。トランスフォーマの製造において、トランスフォーマの外部ピン、ポスト、またはパッドを用いて、伝導電流を運ばないことになる巻線の一端を固定するのがときに便利である。このような終端部は、この開示において内部終端部である。図1は、巻線118が、2つの外部終端部(すなわち、端子101および端子103)を有し、巻線120が1つの内部終端部と1つの外部終端部117とを有し、巻線122が1つの内部終端部と1つの外部終端部117とを有し、巻線124が2つの外部終端部(すなわち端子107および端子109)を有することを示す。

0021

エネルギ転送要素116の二次巻線124は整流器128に結合され、負荷134による使用のために出力キャパシタ130上に出力電圧VO 132を作り出す。エネルギ転送要素116は、高い透磁率を有する材料のコア126を含む。一例では、コア126の材料はフェライトである。巻数がNPである一次巻線118と巻数がNSである二次巻線124とに加えて、エネルギ転送要素116は巻数がNPである平衡巻線120と、巻数がNCである相殺巻線122とを含む。「平衡」および「相殺」という用語は、エネルギ転送要素116内の電界に対するシールド巻線(すなわち平衡巻線120および相殺巻線122)の動作をさらに示すとともに、異なるタイプのシールド巻線の存在を認識するようこの開示において用いられる。

0022

図1に示された例では、平衡巻線120の一端と相殺巻線122の一端とが外部端子(たとえば外部終端部117)にて結合される。外部終端部117は、エネルギ転送要素116の外部であるシールドインピーダンスZSHIELD 110の一端に結合される。シールドインピーダンスZSHIELD 110の他端は、一次巻線118の非スイッチング端部に結合される。他の例では、シールドインピーダンスZSHIELD 110は、シールド巻線の外部終端部と、たとえばdc入力キャパシタ112のいずれかの端部のようなスイッチングではない任意の入力導体との間に結合され得る。

0023

スイッチS1 144のスイッチングにより、スイッチング電圧VS1 146が作り出される。このスイッチング電圧VS1 146は、浮遊インピーダンスZPE 142、ZTE 150、およびZSE 154においてそれぞれノイズ電流ICM 140、ITE148、およびISE 152を作り出す。浮遊インピーダンスは一般的には、キャパシタンス、インダクタンス、および抵抗を含み得る。電流ICM 140、ITE 148、およびISE 152といったノイズ電流と当該ノイズ電流の路とを作り出す結合の性質は、この開示において以下で詳細が説明された後で明らかとなるであろう。

0024

図1を引続き参照して、浮遊インピーダンスZPE 142におけるノイズ電流ICM 140は、入力導体160におけるノイズ電流ICML106と、中性入力導体162におけるノイズ電流ICMN 108とを形成するよう分割する。高周波数のノイズ電流に対し
短絡回路として本質的に電圧源が現れ、これによりライン端子102および中性端子140が本質的にノイズ電流ICM 140に対して共通になる。したがって、一例では、ノイズ電流ICM 140はノイズ電流ICML 106とノイズ電流ICMN 108との合計である。

0025

ノイズ電流ICM 140は、回路構成要素の値によって、浮遊インピーダンスZTE 150におけるノイズ電流ITE148、浮遊インピーダンスZSE 154におけるノイズ電流ISE 152、および外部シールドインピーダンスZSHIELD 110におけるノイズ電流ISHIELD 138に関係付けられる。これにより、外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の両端に亘って電圧VZSH 136が作り出される。一例では、回路構成要素の値は、ノイズ電流ICM 140の大きさを、規制要件に合致するレベルにまで低減するように選択される。

0026

構成要素のいくつかの値は、電力節約のための要件によって固定され、浮遊量の値は通常設計者の管理下にないが、構成要素の他の値は、電力節約機能に実質的に影響を与えることなくノイズ電流ICM 140の大きさに影響を与えるよう広い範囲に亘って調節され得る。たとえば、平衡巻線120の巻数NB、相殺巻線122の巻数NC、および外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の値は、設計者の裁量で、ノイズ電流ICM 140を受入可能なレベルにまで低減するよう調節され得る。

0027

図2は、エネルギ転送要素116内における、浮遊キャパシタンスおよびノイズ電流の付加的な詳細とともに、図1の部分を示す概略図200である。図2において明らかであるのは、一次巻線118上の電圧VP、平衡巻線120上の電圧VB、平衡巻線122上の電圧VC、および二次巻線124上の電圧VSの極性である。巻線118、120、122、および124上の電圧の大きさは、当業者にはわかるように、当該巻線上の巻数の比に比例する。したがって、巻線118、120、122、および124上の電圧の波形は、同じ形状を有し、すべての巻線上において同時に遷移が起こる。

0028

図2はさらに、巻線118、120、122、および124と、コア126と、浮遊インピーダンスZTE 150とをアース基準156に結合するエネルギ転送要素116の内部浮遊キャパシタンス220、230、240、および250を示す。図2から、エネルギ転送要素116の巻線上のスイッチング電圧が、アースに対する浮遊キャパシタンス220、230、240、および250ならびに浮遊インピーダンスZTE 150を含む閉路においてどのように変位電流および伝導電流を作り出すことができるか容易にわかる。たとえば、一次巻線118上の電圧VPは、変位電流としてキャパシタンス220を通過する伝導電流IPE 210を作り出し得、これにより変位電流ITE148に寄与するとともに変位電流ICM 140により戻る。キャパシタンス220、230、240、および250は、エネルギ転送要素116の構造に亘って変位電流を結合する実際の分散キャパシタンスの集中したものを示すということが理解される。

0029

図3は、図2に示される電力供給器100の部分の単純な電気回路モデル300の一例である。電圧源330、320、310、および345はそれぞれ、エネルギ転送要素116の巻線118、120、122、および124上の電圧を示す。キャパシタ335、325、315、および340はそれぞれ、エネルギ転送要素116の浮遊キャパシタンス220、230、240、および250を示す。

0030

図3は、電力供給器の入力上の非スイッチング導体と、電力供給器の出力上の非スイッチング導体との間で計測される電圧である電圧VPS 305を特定する。たとえば、VPS
305は、dc入力キャパシタ112の一端と、図1における出力キャパシタ130の一端との間の電圧であり得る。

0031

図3回路モデル分析は、十分な大きさの電圧源VB 320およびVC310について、ノイズ電流ICM 140をゼロにするよう外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の値が調節され得るということを示す。一例では、シールド巻線は、エネルギ転送要素に対して内部の一次巻線118に結合されるシールド巻線120および122を有する従来の構成のために必要とされる電圧よりも高い電圧を作り出すよう設計される。図2の例では、外部シールドインピーダンスZSHIELD 110は、シールド電流ISHIELD 138を一次ノイズ電流IPE 210と実質的に等しくするのに必要な量である電圧VZSH
136だけ、シールド巻線からのより高い電圧を低減する。

0032

図3は、一次巻線118の巻数NPよりも二次巻線124の巻数NSがはるかに小さい実際の場合の電圧VPS 305の波形の例を含む。ノイズ電流ICM 140を実質的にゼロにするよう外部シールドインピーダンスZSHIELD 110を調節するために電圧VPSの波形が用いられ得るということが、回路モデルの分析または検討のいずれかからわかり得る。

0033

外部シールドインピーダンスZSHIELD 110が無限であり、これによりノイズ電流ICM 140から電圧源VB 320およびVC310の影響を効果的に取除く場合、電圧VPS 305の波形は電圧源330、320、310、および345上の電圧源VP,VB,VCおよびVsの波形の負の値にそれぞれなる。電圧源320および310上の電圧源VBおよびVCが十分に大きい場合、外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の有限値はシールド電流ISHIELD 138を実質的に一次ノイズ電流IPE 210と等しくするよう選択され得、これによりノイズ電流ICM 140を実質的にゼロにする。ノイズ電流ICM 140がゼロの場合、電圧VPS 305は、浮遊インピーダンスZSE 154およびZTE 150の値に依存するとともにVSに比例する波形を有する、ゼロとVSとの間の値である。

0034

実質的にゼロのノイズ電流ICM 140に対応する値から、外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の値のさらなる低減により、ノイズ電流ICM 140が負の方向に増加することになり、さらにVSに比例する波形で電圧VPS 305の大きさが増加する。したがって、電圧VPS 305の波形は、電流の直接的な計測なしに、実質的にゼロのノイズ電流ICM 140を達成するよう実験的に外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の値を調節するのに有用である。

0035

所望より高い外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の値は、電圧VP、VB,VC、およびVSの波形と反対の極性である電圧VPS 305についての波形を作り出す。所望より低い外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の値は、電圧VPS 305について、電圧VP、VB,VC、およびVSの波形と同じ極性である波形を作り出す。本発明の教示に従うと、外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の所望の値は、電圧VPS 305について、反対の極性の波形を作り出す2つの値の間に存在し得る。さらに、シールドインピーダンスZSHIELD 110についての好ましい値は、電圧VPS 305の最小の大きさを導き得る。

0036

外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の所望の値は、実質的にゼロのインピーダンスで起こる大きさと、実質的に無限のインピーダンスで起こる大きさとから、入力導体(たとえば入力導体160および162)におけるコモンモードノイズ電流を実質的に低減するゼロではない有限値である。

0037

一例では、外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の所望の値は、キャパシタを用いて実現される。当業者ならば、キャパシタの値が低いほどインピーダンスの値が高く
なるということを理解するであろう。言い換えれば、より小さい値のキャパシタンスはより大きなインピーダンスを有する。外部シールドインピーダンスZSHIELD 110の所望の値には、電圧VPS 305の波形が極性を反転させるまで、インピーダンスの値を徐々に増加させるまたは徐々に減少させることのいずれかによって到達され得るということが理解される。

0038

図4は、本発明の教示に従った、エネルギ転送要素116といったエネルギ転送要素において変位電流を調節する方法の例を示すフロー図400である。ブロック405において開始した後、ブロック410において、低ノイズ電流のためにシールド巻線を有するエネルギ転送要素を設計する技術が用いられる。一例では、エネルギ転送要素の設計は、エネルギ転送要素のシールド巻線について巻数を計算することを含む。たとえば、あるシールド巻線についての巻数は、シールドインピーダンスがない電力供給器(たとえばゼロに等しいシールドインピーダンス値)が約ゼロのノイズ電流で動作するように計算され得る。これらの技術は、たとえば、パワーインテグレーション社(Power Integrations, Inc.)、サンノゼ(San Jose)、カリフォルニア(California)から入手可能なPIエキスパートデザインソフトウェアスイート(PI Expert Design Software Suite)v.6.6におけるPIトランスフォーマ・デザイナーツール(PI Transformer Designer tool)といったソフトウェアツールにおいて自動化され得る。

0039

しかしながら、シールド巻線について計算された巻数が小さい(たとえば10未満)ならば、シールド巻線における巻数をただ調節するだけではノイズ電流をなくすことは難しい場合がある。したがって、ブロック415では、シールド巻線の巻数が、確立された技術により計算された数を超えて増加される。10未満の巻数の場合、典型的には1回または2回の巻の増加で十分である。10より多い巻数の場合、典型的には10%と20%との間の増加で十分である。シールドインピーダンスのない電力供給器(たとえばゼロに等しいシールドインピーダンス値)の場合、シールド巻線における巻数の増加はノイズ電流の増加を引起し得る。したがって、ここで開示される例に従ったシールド巻線は、シールドインピーダンス値がゼロである電力供給器においてノイズ電流を実質的にゼロに低減するよう構成される第1の巻数を含み得る。さらに、このシールド巻線は、シールドインピーダンス値がゼロである電力供給器においてゼロより大きくノイズ電流を増加させるよう構成される付加的な第2の巻数を有し得る。このシールド巻線における巻数の増加によるノイズ電流の増加は、シールドインピーダンスの追加および調整(後述する)により、後で低減または除去され得る。

0040

次いでブロック420では、エネルギ転送要素が、当該エネルギ転送要素のシールド端子にてシールド巻線の一端が外部からアクセス可能になるように構成される。ブロック425では、電力変換器がエネルギ転送要素と共に動作される。ブロック430では、電力供給器の入力および出力間の電圧の波形がシールド端子開回路により観察される。

0041

ブロック435では、インピーダンス要素が、電圧波形が観察されている間に、電力供給器のシールド端子と入力導体との間に挿入される。インピーダンスは、この電圧波形が極性を反転し、シールド端子開回路と反対の極性になるまで小さな増加量で変化される。一例では、インピーダンス要素キャパシタである。他の例では、外部シールドインピーダンスZSHIELD 110は、抵抗器、キャパシタ、およびインダクタといった異なるタイプの要素のネットワークを含んでもよい。

0042

ブロック440では、インピーダンスは、シールド端子開回路とは反対の極性を有する電圧波形の最も低い振幅を与えるよう複数の許容値から選択される。このプロセスはブロック445において完了し得る。

0043

要約書において記載されたものを含む、この発明の例示的な実施例の上記の記載は、この発明を開示されたそのままの形態に制限または限定するよう意図されるものではない。この発明の具体的な実施例およびこの発明についての例はここでは例示的な目的のために記載されるが、当業者が認識するであろうように、この発明の範囲内でさまざまな修正例が可能である。

0044

これらの修正例は、上記の詳細な説明に鑑みて、この発明に対してなされ得る。特許請求の範囲において用いられる用語は、当該明細書において開示される具体的な実施例にこの発明を限定するよう解釈されるべきではない。そうではなく、この発明の範囲は特許請求の範囲によって全体的に決定されるべきであり、特許請求の範囲は確立された請求項の解釈の原則に従って解釈されることになる。

0045

100電力供給器、116エネルギ転送要素、120,122シールド巻線、160,162入力導体、ICM 140,ITE148,ISE 152ノイズ電流、ZSHIELD 110シールドインピーダンス。

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