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技術 ゲート双方向デュアルレール直列共振コンバータ電源

出願人 ハーマンインターナショナルインダストリーズインコーポレイテッド
発明者 エリックマシューベイカー
出願日 2016年12月26日 (4年10ヶ月経過) 出願番号 2016-251303
公開日 2017年7月6日 (4年4ヶ月経過) 公開番号 2017-121172
状態 特許登録済
技術分野 DC‐DCコンバータ
主要キーワード ハーフサイクル 二次スイッチ パルス列出力 立ち上がりエッジ検出器 スイッチセット 一次スイッチ スイッチング遷移 立ち上がりエッジ信号
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2017年7月6日)のものです。
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図面 (14)

課題

ゲート双方向共振DC−DCコンバータを提供すること。

解決手段

スイッチング段は、第1の複数のスイッチS1,S2を含む。変圧器T1は、一次巻線Lp1と複数の二次巻線Ls1,Ls2とを有し、一次巻線は、交流を受け取るように構成される。第2の複数のスイッチS3,S4は、複数の二次巻線のうちの第1の二次巻線に第1の共振フィルタを通して結合されて、第1の電圧出力を提供する。第3の複数のスイッチS5,S6は、複数の二次巻線のうちの第2の二次巻線に第2の共振フィルタを通して結合されて、第2の電圧出力を提供する。第2の電圧出力は、第1の電圧出力とは反対の極性を有する。コントローラは、第1の複数のスイッチのオンオフ状態と、第1の電圧出力または第2の電圧出力の絶対値が基準電圧を超えるか否かを含む基準とに従って、第2の複数のスイッチと3の複数のスイッチを制御するように構成される。

概要

背景

増幅器は、回路または負荷の駆動に適切なように信号レベルを分離または調整するように設計された電子回路を含む。音声文脈においては、音声増幅器は、約20ヘルツ(Hz)から20キロヘルツ(kHz)の周波数を有する信号に対して動作するように構成されてよい。例えば、音声増幅器は、ラインレベル音声信号ラウドスピーカまたは他の音響再生装置の駆動に適したレベル増幅するように構成されてよい。

音声増幅器の回路配置は、電力効率消費電力(dissipation)、線形性、回路の複雑さ等の基準のバランスを取るように構築されてよい。同様に、増幅器の電源は、様々な要件に基づいて構成されてよい。これらの要件は、増幅器の回路配置と、他のプラットフォームベースパラメータとに左右され得る。例として、電源は、平均電流レベル、最大許容リップル電圧電源出力インピーダンス、及び、ピーク電流制限と、コンポーネントスペース費用制限等の電気とは関係のない問題を考慮するように構成されてよい。

概要

ゲート双方向共振DC−DCコンバータを提供すること。スイッチング段は、第1の複数のスイッチS1,S2を含む。変圧器T1は、一次巻線Lp1と複数の二次巻線Ls1,Ls2とを有し、一次巻線は、交流を受け取るように構成される。第2の複数のスイッチS3,S4は、複数の二次巻線のうちの第1の二次巻線に第1の共振フィルタを通して結合されて、第1の電圧出力を提供する。第3の複数のスイッチS5,S6は、複数の二次巻線のうちの第2の二次巻線に第2の共振フィルタを通して結合されて、第2の電圧出力を提供する。第2の電圧出力は、第1の電圧出力とは反対の極性を有する。コントローラは、第1の複数のスイッチのオンオフ状態と、第1の電圧出力または第2の電圧出力の絶対値が基準電圧を超えるか否かを含む基準とに従って、第2の複数のスイッチと3の複数のスイッチを制御するように構成される。

目的

第2の複数のスイッチは、第1の共振フィルタを通して複数の二次巻線のうちの第1の二次巻線に結合されて、第1の電圧出力を提供する

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

バルク電圧から交流を生成するように構成された第1の複数のスイッチを含むスイッチング段と、一次巻線と複数の二次巻線とを有する変圧器であって、前記一次巻線は前記交流を受け取るように構成された前記変圧器と、前記複数の二次巻線のうちの第1の二次巻線に第1の共振フィルタを介して結合されて、第1の電圧出力を提供する第2の複数のスイッチと、前記複数の二次巻線の第2の二次巻線に第2の共振フィルタを通して結合されて、前記第1の電圧出力と反対の極性の第2の電圧出力を提供する第3の複数のスイッチと、前記第1の複数のスイッチのオンオフ状態と、前記第1の電圧出力または前記第2の電圧出力の絶対値が基準電圧を超えるか否かを含む基準とに従って、前記第2の複数のスイッチと前記第3の複数のスイッチを制御するように構成されたコントローラと、を備える、システム

請求項2

前記第1の複数のスイッチは、交互に動作して前記交流を生成するように構成された第1のスイッチ及び第2のスイッチを含む、請求項1に記載のシステム。

請求項3

前記コントローラは、前記第1の電圧出力の前記絶対値も前記第2の電圧出力の前記絶対値も前記基準電圧を超えないとき、前記第2の複数のスイッチの第1のスイッチと前記第3の複数のスイッチの第1のスイッチを、前記第1の複数のスイッチの前記第1のスイッチとオンオフ時間を同期するように設定し、且つ、前記第2の複数のスイッチの第2のスイッチと前記第3の複数のスイッチの第2のスイッチを前記第1の複数のスイッチの前記第2のスイッチとオンオフ時間を同期させるように設定するように、さらに構成された、請求項2に記載のシステム。

請求項4

前記コントローラは、前記第1の電圧出力の前記絶対値と前記第2の電圧出力の前記絶対値の少なくとも1つが前記基準電圧を超えるとき、前記第1の電圧出力または前記第2の電圧出力の1つまたは複数から前記変圧器の前記二次巻線の1つまたは複数に電流が逆流するための経路を提供するように前記第2の複数のスイッチと前記第3の複数のスイッチを制御するようにさらに構成された、請求項1に記載のシステム。

請求項5

前記第1の共振フィルタは、前記変圧器と一体になった第1のインダクタを含み、前記第2の共振フィルタは、前記変圧器と一体になった第2のインダクタを含む、請求項1に記載のシステム。

請求項6

前記第1の共振フィルタは、前記変圧器とは別個の第1のインダクタを含み、前記第2の共振フィルタは、前記変圧器とは別個の第2のインダクタを含む、請求項1に記載のシステム。

請求項7

前記第1の電圧出力または第2の電圧出力が基準電圧を超えるか否かを決定するように構成された比較器と、前記第1の複数のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジにあるか否かを示す立ち上がりエッジ信号を生成するように構成された第1の検出器と、立ち上がりエッジ信号を受信して、出力を提供する双方向イネーブル回路であって、(i)前記第1の電圧出力または第2の電圧出力が基準電圧を超えるとき、立ち上がりエッジが検出されると、前記立ち上がりエッジ信号を調整して、双方向モードに前記第2及び第3の複数のスイッチを制御し、且つ、(ii)それ以外の場合、前記立ち上がりエッジ信号の調整を控えて、前記第2及び第3の複数のスイッチをフォワードモードに制御するように構成された前記双方向イネーブル回路と、をさらに備える、請求項1に記載のシステム。

請求項8

前記第1の複数のスイッチを駆動する信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を生成するように構成された第2の検出器と、前記立ち下がりエッジ信号と前記双方向イネーブル回路の前記出力とに基づいて、第2及び第3の複数のスイッチの駆動信号を生成するように構成されたフリップフロップと、をさらに備える、請求項7に記載のシステム。

請求項9

前記基準は、前記双方向イネーブル回路へのマイクロコントローラ制御のディスエーブル信号入力であって、設定されると、前記双方向イネーブル回路が前記双方向モードに入るのを妨げる前記マイクロコントローラ制御のディスエーブル信号入力、または、前記双方向イネーブル回路への温度ディスエーブル入力であって、設定されると、前記双方向イネーブル回路が前記双方向モードに入るのを妨げる前記温度ディスエーブル入力、の1つまたは複数をさらに含む、請求項7に記載のシステム。

請求項10

第1及び第2の電圧出力を提供する直列共振コンバータの双方向モードコントローラを備えるシステムであって、前記直列共振コンバータは、変圧器の第1の巻線パルス列出力を提供するように構成された第1及び第2のスイッチと、前記変圧器の第1の二次巻線に接続された第3及び第4のスイッチと、前記変圧器の第2の二次巻線に接続された第5及び第6のスイッチとを含み、前記コントローラは、前記第1の電圧出力も前記第2の電圧出力の絶対値もどちらも基準電圧を超えないとき、第1モードで、前記第3及び第6のスイッチを前記第1の電圧出力のための前記第1のスイッチとオンオフ時間が状態同期するように設定し、且つ、前記第4及び第5のスイッチを前記第2の電圧出力のための前記第2のスイッチとオンオフ時間が状態同期するように設定し、且つ、前記第1の電圧出力または前記第2の電圧出力の前記絶対値の少なくとも1つが前記基準電圧を超えるとき、第2モードで、前記第1の電圧出力または前記第2の電圧出力の1つまたは複数から前記変圧器の前記第1の二次巻線または前記第2の二次巻線の1つまたは複数に電流が逆流する経路を提供するように前記第3、第4、第5及び第6のスイッチを制御するように構成された、前記システム。

請求項11

前記第1の電圧出力が前記基準電圧を超えるか否かを決定するように構成された第1の比較器であって、前記基準電圧を超える前記第1の電圧出力は、前記第1の電圧出力に対するレールポンピングを示す、前記第1の比較器と、前記第2の電圧出力が前記基準電圧の逆数を超えるか否かを決定するように構成された第2の比較器であって、前記基準電圧の前記逆数を超える前記第2の電圧出力は、前記第2の電圧出力に対するレールポンピングを示す、前記第2の比較器と、をさらに備える、請求項10に記載のシステム。

請求項12

前記第1のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを示す第1の立ち上がりエッジ信号を生成するように構成された第1の立ち上がりエッジ検出器と、前記第2のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを示す第2の立ち上がりエッジ信号を生成するように構成された第2の立ち上がりエッジ検出器と、前記第1の電圧出力が前記基準電圧を超え、且つ、前記第1のスイッチを駆動する前記信号が前記立ち上がりエッジ上にあるとき、前記第3及び第4のスイッチを前記第2モードに制御する出力を提供するように構成された第1の双方向イネーブル回路と、前記第2の電圧出力が前記基準電圧を超え、且つ、前記第2のスイッチを駆動する前記信号が前記立ち上がりエッジ上にあるとき、前記第5及び第6のスイッチを前記第2モードに制御する出力を提供するように構成された第2の双方向イネーブル回路と、をさらに備える、請求項10に記載のシステム。

請求項13

前記第1のスイッチを駆動する前記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を生成するように構成された第1の立ち下がりエッジ検出器と、前記第1のスイッチを駆動する前記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かと、前記第1の双方向イネーブル回路の前記出力とに基づいて、前記第3及び第5のスイッチの駆動信号を生成するように構成された第1のフリップフロップと、をさらに備える、請求項12に記載のシステム。

請求項14

前記第2のスイッチを駆動する前記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を生成するように構成された第2の立ち下がりエッジ検出器と、前記第2のスイッチを駆動する前記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かと、前記第2の双方向イネーブル回路の前記出力とに基づいて、前記第4及び第6のスイッチの駆動信号を生成するように構成された第2のフリップフロップと、をさらに備える、請求項13に記載のシステム。

請求項15

直列共振コンバータであって、変圧器の一次巻線にパルス列出力を提供する第1及び第2のスイッチと、前記変圧器の第1の一次巻線に接続された第3及び第4のスイッチと、前記変圧器の第2の一次巻線に接続された第5及び第6のスイッチとを含む前記直列共振コンバータの双方向モードコントローラによって、第1及び第2の電圧出力を提供することと、前記第1の電圧出力も前記第2の電圧出力の絶対値もどちらも基準電圧を超えないとき、前記第3及び第5のスイッチを前記第1の電圧出力のための前記第1のスイッチとオンオフ時間が状態同期するように設定し、且つ、前記第4及び第6のスイッチを前記第2の電圧出力のための前記第2のスイッチとオンオフ時間が状態同期するように設定することと、前記第1の電圧出力と、前記第2の電圧出力の前記絶対値との少なくとも1つが前記基準電圧を超えるとき、前記第1の電圧出力または前記第2の電圧出力の1つまたは複数から前記変圧器の前記第1の二次巻線または前記第2の二次巻線の1つまたは複数に電流が逆流するための経路を提供するように前記第3、第4、第5及び第6のスイッチを制御することと、を含む、方法。

請求項16

前記第1の電圧出力が前記基準電圧を超えるか否かを第1の比較器によって決定することであって、前記基準電圧を超える前記第1の電圧出力は、前記第1の電圧出力へのレールポンピングを示す、前記第1の比較器によって決定することと、前記第2の電圧出力が前記基準電圧の逆数を超えるか否かを第2の比較器によって決定することであって、前記基準電圧の前記逆数を超える前記第2の電圧出力は、前記第2の電圧出力に対するレールポンピングを示す、前記第2の比較器が決定することと、をさらに含む、請求項15に記載の方法。

請求項17

前記第1のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを示す第1の立ち上がりエッジ信号を第1の立ち上がりエッジ検出器によって生成することと、前記第2のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを示す第2の立ち上がりエッジ信号を第2の立ち上がりエッジ検出器によって生成することと、前記第1の電圧出力が前記基準電圧を超え、且つ、前記第1のスイッチを駆動する前記信号が前記立ち上がりエッジ上にあるとき、前記第3及び第4のスイッチを双方向モードに制御する出力を第1の双方向イネーブル回路によって提供することと、前記第2の電圧出力が前記基準電圧を超え、且つ、前記第2のスイッチを駆動する前記信号が前記立ち上がりエッジ上にあるとき、前記第5及び第6のスイッチを双方向モードに制御する出力を第2の双方向イネーブル回路によって提供することと、をさらに備える、請求項15に記載の方法。

請求項18

前記第1のスイッチを駆動する前記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を第1の立ち下がりエッジ検出器によって生成することと、前記第1のスイッチを駆動する前記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かと、前記第1の双方向イネーブル回路の前記出力とに基づいて、前記第3及び第5のスイッチの駆動信号を第1のフリップフロップによって生成することと、をさらに含む、請求項17に記載の方法。

請求項19

前記第2のスイッチを駆動する前記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を第2の立ち下がりエッジ検出器によって生成することと、前記第2のスイッチを駆動する前記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かと、前記第2の双方向イネーブル回路の前記出力とに基づいて、前記第4及び第6のスイッチの駆動信号を第2のフリップフロップによって生成することと、をさらに含む、請求項17に記載の方法。

請求項20

マイクロプロセッサ制御のディスエーブル信号入力、または、温度ディスエーブル入力の1つまたは複数に応答して、前記双方向イネーブル回路が双方向モードに入るのを妨げることをさらに含む、請求項15に記載の方法。

技術分野

0001

本明細書に開示の態様は、一般的に、入力からデュアル出力セット、いずれか1つの出力から他の出力へ、または、いずれか若しくは両方の出力から入力へ、直流的に絶縁された障壁を介して電力を伝達できるゲート双方向共振DC−DCコンバータに関する。

背景技術

0002

増幅器は、回路または負荷の駆動に適切なように信号レベルを分離または調整するように設計された電子回路を含む。音声文脈においては、音声増幅器は、約20ヘルツ(Hz)から20キロヘルツ(kHz)の周波数を有する信号に対して動作するように構成されてよい。例えば、音声増幅器は、ラインレベル音声信号ラウドスピーカまたは他の音響再生装置の駆動に適したレベル増幅するように構成されてよい。

0003

音声増幅器の回路配置は、電力効率消費電力(dissipation)、線形性、回路の複雑さ等の基準のバランスを取るように構築されてよい。同様に、増幅器の電源は、様々な要件に基づいて構成されてよい。これらの要件は、増幅器の回路配置と、他のプラットフォームベースパラメータとに左右され得る。例として、電源は、平均電流レベル、最大許容リップル電圧電源出力インピーダンス、及び、ピーク電流制限と、コンポーネントスペース費用制限等の電気とは関係のない問題を考慮するように構成されてよい。

課題を解決するための手段

0004

第1の例示の実施形態において、スイッチング段は、バルク電圧から交流を生成するように構成された第1の複数のスイッチを含む。変圧器は、一次巻線と、複数の二次巻線とを有し、一次巻線は交流を受けるように構成される。第2の複数のスイッチは、第1の共振フィルタを通して複数の二次巻線のうちの第1の二次巻線に結合されて、第1の電圧出力を提供する。第3の複数のスイッチは、第2の共振フィルタを通して複数の二次巻線のうちの第2の二次巻線に結合されて、第2の電圧出力を提供する。第2の電圧出力は、第1の電圧出力と反対の極性を有する。コントローラは、第1の複数のスイッチのオンオフ状態と、第1の電圧出力または第2の電圧出力の絶対値が基準電圧を超えるか否かを含む基準とに従って、第2の複数のスイッチと第3の複数のスイッチを制御するように構成される。

0005

第2の例示の実施形態において、システムは、第1及び第2の電圧出力を提供する直列共振コンバータ双方向モードコントローラを備える。直列共振コンバータは、変圧器の一次巻線にパルス列出力を提供するように構成された第1及び第2のスイッチと、変圧器の第1の二次巻線に接続された第3及び第4のスイッチと、変圧器の第2の二次巻線に接続された第5及び第6のスイッチとを備える。コントローラは、第1の電圧出力も第2の電圧出力の絶対値も基準電圧を超えないとき、第1モードで、第3及び第6のスイッチを第1の電圧出力のための第1のスイッチとオンオフ時間を状態同期するように設定し、第4及び第5のスイッチを第2の電圧出力のための第2のスイッチとオンオフ時間を状態同期するように設定するよう構成される。コントローラは、また、第1の電圧出力または第2の電圧出力の絶対値の少なくとも1つが基準電圧を超えるとき、第2モードで、第1の電圧出力または第2の電圧出力の1つまたは複数から変圧器の第1の二次巻線または第2の二次巻線の1つまたは複数に電流が逆流する経路を提供するように第3、第4、第5及び第6のスイッチを制御するように構成される。

0006

第3の例示の実施形態において、方法は、直列共振コンバータの双方向モードコントローラが第1及び第2の電圧出力を提供することを含み、直列共振コンバータは、変圧器の一次巻線にパルス列出力を提供する第1及び第2のスイッチと、変圧器の第1の二次巻線に接続された第3及び第4のスイッチと、変圧器の第2の二次巻線に接続された第5及び第6のスイッチとを備える。方法は、また、第1の電圧出力も第2の電圧出力の絶対値も基準電圧を超えない時、第3及び第4のスイッチを第1の電圧出力のための第1のスイッチとオンオフ時間を状態同期するように設定し、第4及び第6のスイッチを第2の電圧出力のための第2のスイッチとオンオフ時間を状態同期するように設定することを含む。方法は、また、第1の電圧出力または第2の電圧出力の絶対値の少なくとも1つが基準電圧を超える時、第1の電圧出力または第2の電圧出力の1つまたは複数から変圧器の第1の二次巻線または第2の二次巻線の1つまたは複数に電流が逆流するための経路を提供するように第3、第4、第5及び第6のスイッチを制御することを含む。

0007

本開示の実施形態は、添付した特許請求の範囲に詳細に示されている。しかしながら、添付図面と共に以下の詳細な説明を参照することにより、様々な実施形態の他の特徴が、より明らかとなり、よく理解されよう。
本願明細書は、例えば、以下の項目も提供する。
(項目1)
バルク電圧から交流を生成するように構成された第1の複数のスイッチを含むスイッチング段と、
一次巻線と複数の二次巻線とを有する変圧器であって、上記一次巻線は上記交流を受け取るように構成された上記変圧器と、
上記複数の二次巻線のうちの第1の二次巻線に第1の共振フィルタを介して結合されて、第1の電圧出力を提供する第2の複数のスイッチと、
上記複数の二次巻線の第2の二次巻線に第2の共振フィルタを通して結合されて、上記第1の電圧出力と反対の極性の第2の電圧出力を提供する第3の複数のスイッチと、
上記第1の複数のスイッチのオンオフ状態と、上記第1の電圧出力または上記第2の電圧出力の絶対値が基準電圧を超えるか否かを含む基準とに従って、上記第2の複数のスイッチと上記第3の複数のスイッチを制御するように構成されたコントローラと、
を備える、システム。
(項目2)
上記第1の複数のスイッチは、交互に動作して上記交流を生成するように構成された第1のスイッチ及び第2のスイッチを含む、上記項目に記載のシステム。
(項目3)
上記コントローラは、上記第1の電圧出力の上記絶対値も上記第2の電圧出力の上記絶対値も上記基準電圧を超えないとき、上記第2の複数のスイッチの第1のスイッチと上記第3の複数のスイッチの第1のスイッチを、上記第1の複数のスイッチの上記第1のスイッチとオンオフ時間を同期するように設定し、且つ、上記第2の複数のスイッチの第2のスイッチと上記第3の複数のスイッチの第2のスイッチを上記第1の複数のスイッチの上記第2のスイッチとオンオフ時間を同期させるように設定するように、さらに構成された、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目4)
上記コントローラは、上記第1の電圧出力の上記絶対値と上記第2の電圧出力の上記絶対値の少なくとも1つが上記基準電圧を超えるとき、上記第1の電圧出力または上記第2の電圧出力の1つまたは複数から上記変圧器の上記二次巻線の1つまたは複数に電流が逆流するための経路を提供するように上記第2の複数のスイッチと上記第3の複数のスイッチを制御するようにさらに構成された、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目5)
上記第1の共振フィルタは、上記変圧器と一体になった第1のインダクタを含み、上記第2の共振フィルタは、上記変圧器と一体になった第2のインダクタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目6)
上記第1の共振フィルタは、上記変圧器とは別個の第1のインダクタを含み、上記第2の共振フィルタは、上記変圧器とは別個の第2のインダクタを含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目7)
上記第1の電圧出力または第2の電圧出力が基準電圧を超えるか否かを決定するように構成された比較器と、
上記第1の複数のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジにあるか否かを示す立ち上がりエッジ信号を生成するように構成された第1の検出器と、
立ち上がりエッジ信号を受信して、出力を提供する双方向イネーブル回路であって、(i)上記第1の電圧出力または第2の電圧出力が基準電圧を超えるとき、立ち上がりエッジが検出されると、上記立ち上がりエッジ信号を調整して、双方向モードに上記第2及び第3の複数のスイッチを制御し、且つ、(ii)それ以外の場合、上記立ち上がりエッジ信号の調整を控えて、上記第2及び第3の複数のスイッチをフォワードモードに制御するように構成された上記双方向イネーブル回路と、
をさらに備える、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目8)
上記第1の複数のスイッチを駆動する信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を生成するように構成された第2の検出器と、
上記立ち下がりエッジ信号と上記双方向イネーブル回路の上記出力とに基づいて、第2及び第3の複数のスイッチの駆動信号を生成するように構成されたフリップフロップと、
をさらに備える、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目9)
上記基準は、上記双方向イネーブル回路へのマイクロコントローラ制御のディスエーブル信号入力であって、設定されると、上記双方向イネーブル回路が上記双方向モードに入るのを妨げる上記マイクロコントローラ制御のディスエーブル信号入力、または、上記双方向イネーブル回路への温度ディスエーブル入力であって、設定されると、上記双方向イネーブル回路が上記双方向モードに入るのを妨げる上記温度ディスエーブル入力、の1つまたは複数をさらに含む、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目10)
第1及び第2の電圧出力を提供する直列共振コンバータの双方向モードコントローラを備えるシステムであって、上記直列共振コンバータは、変圧器の第1の巻線にパルス列出力を提供するように構成された第1及び第2のスイッチと、上記変圧器の第1の二次巻線に接続された第3及び第4のスイッチと、上記変圧器の第2の二次巻線に接続された第5及び第6のスイッチとを含み、上記コントローラは、
上記第1の電圧出力も上記第2の電圧出力の絶対値もどちらも基準電圧を超えないとき、第1モードで、上記第3及び第6のスイッチを上記第1の電圧出力のための上記第1のスイッチとオンオフ時間が状態同期するように設定し、且つ、上記第4及び第5のスイッチを上記第2の電圧出力のための上記第2のスイッチとオンオフ時間が状態同期するように設定し、且つ、
上記第1の電圧出力または上記第2の電圧出力の上記絶対値の少なくとも1つが上記基準電圧を超えるとき、第2モードで、上記第1の電圧出力または上記第2の電圧出力の1つまたは複数から上記変圧器の上記第1の二次巻線または上記第2の二次巻線の1つまたは複数に電流が逆流する経路を提供するように上記第3、第4、第5及び第6のスイッチを制御する
ように構成された、上記システム。
(項目11)
上記第1の電圧出力が上記基準電圧を超えるか否かを決定するように構成された第1の比較器であって、上記基準電圧を超える上記第1の電圧出力は、上記第1の電圧出力に対するレールポンピングを示す、上記第1の比較器と、
上記第2の電圧出力が上記基準電圧の逆数を超えるか否かを決定するように構成された第2の比較器であって、上記基準電圧の上記逆数を超える上記第2の電圧出力は、上記第2の電圧出力に対するレールポンピングを示す、上記第2の比較器と、
をさらに備える、
上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目12)
上記第1のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを示す第1の立ち上がりエッジ信号を生成するように構成された第1の立ち上がりエッジ検出器と、
上記第2のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを示す第2の立ち上がりエッジ信号を生成するように構成された第2の立ち上がりエッジ検出器と、
上記第1の電圧出力が上記基準電圧を超え、且つ、上記第1のスイッチを駆動する上記信号が上記立ち上がりエッジ上にあるとき、上記第3及び第4のスイッチを上記第2モードに制御する出力を提供するように構成された第1の双方向イネーブル回路と、
上記第2の電圧出力が上記基準電圧を超え、且つ、上記第2のスイッチを駆動する上記信号が上記立ち上がりエッジ上にあるとき、上記第5及び第6のスイッチを上記第2モードに制御する出力を提供するように構成された第2の双方向イネーブル回路と、
をさらに備える、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目13)
上記第1のスイッチを駆動する上記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を生成するように構成された第1の立ち下がりエッジ検出器と、
上記第1のスイッチを駆動する上記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かと、上記第1の双方向イネーブル回路の上記出力とに基づいて、上記第3及び第5のスイッチの駆動信号を生成するように構成された第1のフリップフロップと、
をさらに備える、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目14)
上記第2のスイッチを駆動する上記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を生成するように構成された第2の立ち下がりエッジ検出器と、
上記第2のスイッチを駆動する上記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かと、上記第2の双方向イネーブル回路の上記出力とに基づいて、上記第4及び第6のスイッチの駆動信号を生成するように構成された第2のフリップフロップと、
をさらに備える、上記項目のいずれかに記載のシステム。
(項目15)
直列共振コンバータであって、変圧器の一次巻線にパルス列出力を提供する第1及び第2のスイッチと、上記変圧器の第1の一次巻線に接続された第3及び第4のスイッチと、上記変圧器の第2の一次巻線に接続された第5及び第6のスイッチとを含む上記直列共振コンバータの双方向モードコントローラによって、第1及び第2の電圧出力を提供することと、
上記第1の電圧出力も上記第2の電圧出力の絶対値もどちらも基準電圧を超えないとき、上記第3及び第5のスイッチを上記第1の電圧出力のための上記第1のスイッチとオンオフ時間が状態同期するように設定し、且つ、上記第4及び第6のスイッチを上記第2の電圧出力のための上記第2のスイッチとオンオフ時間が状態同期するように設定することと、
上記第1の電圧出力と、上記第2の電圧出力の上記絶対値との少なくとも1つが上記基準電圧を超えるとき、上記第1の電圧出力または上記第2の電圧出力の1つまたは複数から上記変圧器の上記第1の二次巻線または上記第2の二次巻線の1つまたは複数に電流が逆流するための経路を提供するように上記第3、第4、第5及び第6のスイッチを制御することと、
を含む、方法。
(項目16)
上記第1の電圧出力が上記基準電圧を超えるか否かを第1の比較器によって決定することであって、上記基準電圧を超える上記第1の電圧出力は、上記第1の電圧出力へのレールポンピングを示す、上記第1の比較器によって決定することと、
上記第2の電圧出力が上記基準電圧の逆数を超えるか否かを第2の比較器によって決定することであって、上記基準電圧の上記逆数を超える上記第2の電圧出力は、上記第2の電圧出力に対するレールポンピングを示す、上記第2の比較器が決定することと、
をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目17)
上記第1のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを示す第1の立ち上がりエッジ信号を第1の立ち上がりエッジ検出器によって生成することと、
上記第2のスイッチを駆動する信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを示す第2の立ち上がりエッジ信号を第2の立ち上がりエッジ検出器によって生成することと、
上記第1の電圧出力が上記基準電圧を超え、且つ、上記第1のスイッチを駆動する上記信号が上記立ち上がりエッジ上にあるとき、上記第3及び第4のスイッチを双方向モードに制御する出力を第1の双方向イネーブル回路によって提供することと、
上記第2の電圧出力が上記基準電圧を超え、且つ、上記第2のスイッチを駆動する上記信号が上記立ち上がりエッジ上にあるとき、上記第5及び第6のスイッチを双方向モードに制御する出力を第2の双方向イネーブル回路によって提供することと、
をさらに備える、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目18)
上記第1のスイッチを駆動する上記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を第1の立ち下がりエッジ検出器によって生成することと、
上記第1のスイッチを駆動する上記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かと、上記第1の双方向イネーブル回路の上記出力とに基づいて、上記第3及び第5のスイッチの駆動信号を第1のフリップフロップによって生成することと、
をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目19)
上記第2のスイッチを駆動する上記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを示す立ち下がりエッジ信号を第2の立ち下がりエッジ検出器によって生成することと、
上記第2のスイッチを駆動する上記信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かと、上記第2の双方向イネーブル回路の上記出力とに基づいて、上記第4及び第6のスイッチの駆動信号を第2のフリップフロップによって生成することと、
をさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
(項目20)
マイクロプロセッサ制御のディスエーブル信号入力、または、温度ディスエーブル入力の1つまたは複数に応答して、上記双方向イネーブル回路が双方向モードに入るのを妨げることをさらに含む、上記項目のいずれかに記載の方法。
摘要
スイッチング段は、バルク電圧から交流を生成するように構成された第1の複数のスイッチを含む。変圧器は、一次巻線と複数の二次巻線とを有し、一次巻線は、交流を受け取るように構成される。第2の複数のスイッチは、複数の二次巻線のうちの第1の二次巻線に第1の共振フィルタを通して結合されて、第1の電圧出力を提供する。第3の複数のスイッチは、複数の二次巻線のうちの第2の二次巻線に第2の共振フィルタを通して結合されて、第2の電圧出力を提供する。第2の電圧出力は、第1の電圧出力とは反対の極性を有する。コントローラは、第1の複数のスイッチのオンオフ状態と、第1の電圧出力または第2の電圧出力の絶対値が基準電圧を超えるか否かを含む基準とに従って、第2の複数のスイッチと3の複数のスイッチを制御するように構成される。

図面の簡単な説明

0008

簡単な電力増幅器ブロック図である。
パルス幅変調の実施態様を有する簡単なスイッチング電力増幅器のブロック図を示す。
仮想インダクタ電流を強調した図を示す。
ゲート双方向直列共振コンバータの例示の図を示す。
ゲート双方向直列共振コンバータの第1の動作モードの例示の図を示す。
ゲート双方向直列共振コンバータの第2の動作モードの例示の図を示す。
ゲート双方向直列共振コンバータの第3の動作モードの例示の図を示す。
次側電流を示した、ゲート双方向直列共振コンバータの第2の動作モードの例示の図を示す。
連続導通モード(CCM)動作で二次側電流を示した、ゲート双方向直列共振コンバータの第4の動作モードの例示の図を示す。
双方向スイッチ制御の例示の図を示す。
ゲート双方向直列共振コンバータの代替形式の例示の図を示す。
ゲート双方向直列共振コンバータのフルブリッジ同時導通形式の例示の図を示す。
ゲート双方向直列共振コンバータのフルブリッジ交互導通形式の例示の図を示す。

実施例

0009

必要に応じ、本発明の詳細な実施形態をここに開示する。しかしながら、開示の実施形態は、様々な代替の形態で具体化し得る本発明を例示したものに過ぎないことは理解されたい。図面は、必ずしも縮尺どおりではなく、特定のコンポーネントの詳細を示すために一部の特徴を強調または最小化している場合がある。よって、本明細書に開示の特定の構造及び機能の詳細は、制限と解釈するのではなく、本発明を様々に採用する当業者に教示するための典型的な基礎として解釈されたい。

0010

図1は、簡単な電力増幅器102のブロック図100である。図100に示しているような電力増幅器102は、正の極性から負の極性に時間で交互に入れ替わる交流(AC)電圧である基準信号または入力信号104を受け取り、入力信号104の振幅を大きくして出力信号106を提供するように、動作する。出力信号106は、次に、負荷108に結合されてよい。ある例においては、負荷108は、電気エネルギー機械エネルギーに変換するトランスデューサであってよい。

0011

電力増幅器102は、簡単な直流(DC)電源レールセットVout、すなわち、正の極性のレールVout+が1つと、負の極性の第2のレールVout−を有する何らかの簡単な装置を用いて、正と負の電圧の両方を出力してよい。レールは、電力増幅器102が取り出し得る電力を提供するように構成された電力コンバータ110によって生成されてよい。ある例においては、電力コンバータ110は、複数段を備えてよく、または、他の例においては、ACまたはDC電源114に接続された単段を備えてよい。電力コンバータ110の装置は、本来的に、最大スループット電力能力と共に、各出力Ro1及びRo2に関連付けられた等価直列インピーダンスを有する。最大スループット電力能力は、装置の基礎となるコンポーネント、費用、効率、及び、物理的な空間に対する考慮事項等、様々な要因によって制限され得る。電力コンバータ110の最大能力の制限を補うために、電力コンバータ110の出力118に電気的に接続された、電流が電力増幅器102に流れるための低インピーダンス経路を提供するコンデンサ116内にエネルギーを蓄えてよい。電力増幅器102の出力は一方向にスイングするので、電力増幅器の出力に接続された負荷108からの電力需要が増加するのに応じて、レール電圧Voutはディップ急降下)する。

0012

図2は、パルス幅変調(PWM)の実施態様を有する簡単なスイッチング電力増幅器202のブロック図200を示す。例示のD級スイッチング電力増幅器202は、スイッチング段204を備え、スイッチング段204のスイッチS1及びS2は、交互に導通してスイッチング段出力206を提供する。スイッチング段出力206は、出力段208に提供され、出力段208において、スイッチング段出力206は、インダクタLfとコンデンサCfとを含むフィルタによって平均化されて出力信号106を生成する。PWMを用いることによって、電力増幅器202の効率は、標準的な線形電力増幅器102の設計より大幅に向上し得る。しかしながら、スイッチング段204のスイッチング段出力206は、パルス列であり、出力信号106において入力音声信号104をより忠実再構成するためにパルス列を時間平均しなければならない。

0013

図200に示された簡単なスイッチング電力増幅器202は一例に過ぎず、I級等の他のスイッチモード設計または他のD級設計を使用してよいことに留意されたい。それとは関係なく、電力増幅器102と比較して、スイッチング電力増幅器202の出力が一方向にスイングすると、多くの設計において、反対側のレールVoutは出力段208の循環電流が原因で、バンプし得る。

0014

図3は、仮想インダクタ電流302を強調した図300を示す。示すように、インダクタ電流302は、図2に示す簡単なD級電力増幅器202のスイッチング段のスイッチング段出力206の例を表す。注目すべきは、負荷108への電流が電力増幅器202を単方向に流れていても、インダクタ電流302は、両方のDCレールVout(例えば、正のレールVout+と負のレールVout−)から取り出すことができる。

0015

電力増幅器202のスイッチング段204のスイッチング段出力206が、50%の有効デューティーサイクルを有するとき、正のレールVout+(スイッチS1がオン)からインダクタに引き出される電流は、負のレールVout−によって放電され(スイッチS2がオン)、レールVoutに関して平均すると引き出しはゼロになる。しかしながら、電力増幅器202の出力信号106が、片方の極性のスイッチの方にスイングすると、そのスイッチは、相対的に大きいデューティーサイクルを有し、反対側のスイッチは、相対的に低いデューティーサイクルを有する。このような状況においては、電流は、インダクタLfに蓄えられ出力信号106が向かっている極性とは反対の充電が上昇する。

0016

例えば、スイッチS1がオンで、スイッチS2がオフのとき、スイッチS1のデューティーサイクルは50%より大きく、正のレールVout+から流れるインダクタ内の平均電流は上昇し、出力インピーダンスRo1及びRo2が原因で、レールVout+を落ち込ませる。スイッチS2がオンでスイッチS1がオフの間、この電流は、インダクタLfを流れ続けるが、この時流れは負のレールVout−からとなる。これによって、例えば、図1のC2として示す負のレールコンデンサ(単数または複数)の充電が増える。

0017

スイッチング電力増幅器202が再生している周波数が低下するので、出力スイング中、反対側のレールVoutによって蓄えられた充電量によって、増幅器202の素子が処理するには高すぎることのある電圧を生成する場合がある。結果として、素子に、アバランシェ降伏等の問題が発生することがある。これらの問題に対処する一方法は、一方のレールVoutから他方のレールVoutに移動する電荷がそれらのレールVout上に生じさせる電圧上昇を最小にするように、大量のエネルギーの蓄えを使用することである。

0018

図4は、ゲート双方向直列共振電力コンバータ402の例示の図400を示す。ゲート双方向電力コンバータ402は、絶対電位の高い方から低い方の領域に電流が流れるのを可能にし得る電力コンバータである。従って、ゲート双方向電力コンバータ402によって、電力増幅器202は、例えば、レールを安定させるために、過度の量のエネルギーの蓄えを使用することなしに、高音量、低周波数の増幅等、より多くの電力が必要とされる状況により良く対処することができる。

0019

双方向電力コンバータ402は、一次巻線Lp1と二次巻線Ls1及びLs2とを有する変圧器T1を備える。変圧器T1は、共振インダクタLk1、Lk2、Lk3及びLk4も備える。本明細書に記載の例においては、共振インダクタは、変圧器T1と一体になっている。しかしながら、他の例においては、共振インダクタLkは、外部で実現される部品として実施されてよいことに留意されたい。共振インダクタLk1及びLk3は、Ls1二次巻線と直列に接続され、共振インダクタLk2及びLk4は、Ls2二次巻線と直列に接続される。一体型の変圧器T1は、図示のように、接地され得るセンタータップ出力も提供する。

0020

図400に示すように、ゲート双方向直列共振コンバータ402は、一体型変圧器T1の一次巻線Lp1にハーフブリッジ404と、コンデンサCr1及びCr2を介して一体型変圧器T1に結合された一体型変圧器T1の二次側のLs1及びLs2の2つのハーフブリッジ406とを組み合わせている。ハーフブリッジ404は、スイッチS1及びS2を備え、スイッチS1及びS2によって、電源114からの電圧Viは、フィルタコンデンサCf1及びCf2を通して、一次巻線Lp1にいずれの方向にも印加できる。コンデンサCf1及びCf2は、T1へのオフセットが平均してゼロになるのを確実にするように働く。ハーフブリッジ406の第1のハーフブリッジによって、変圧器T1のLs1とセンタータップの間の電圧のVo+出力への印加がフィルタコンデンサCf3を通していずれの方向にも可能になり、ハーフブリッジ406の第2のハーフブリッジによって、変圧器T1のセンタータップとLs2の間の電圧のVo−出力への印加がフィルタコンデンサCf4を通していずれの方向にも可能になる

0021

スイッチS1〜S6は、一体の本体ダイオードを有する金属酸化膜半導体電界効果トランジスタMOSFET)、内部に同されたまたは外部の逆並列ダイオードを有する絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等の様々なタイプのスイッチング素子を用いて実施されてよい。スイッチS3〜S6は、スイッチS1及びS2の状態等の要因に基づいて、ゲート双方向スイッチ制御408によって生成された信号によって制御されてよい。以下に詳細に記載するように、スイッチS1〜S6の制御を通して、ゲート双方向直列共振コンバータ402は、複数の動作モードを支援する。

0022

図5は、ゲート双方向直列共振コンバータ402の第1の動作モードの例示の図500を示す。フォワードモードと称される第1モードにおいては、電力は、一次巻線Lp1(Vi−Virtn)から、二次巻線Ls1及びLs2、次に、Vo+及びVo−へと流れる。軽負荷では、T1の磁化インダクタンスは、S1とS2の両方で、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)を達成できる。T1内の磁化インダクタンスは、各スイッチの遷移時に、電流を蓄える。IT1は、Lp1への電流及び変圧器T1の磁化電流を指してよい。この電流は、式1(以下に記載)に記載するように最大まで上昇してよい。電流は、両方のスイッチがオフ(デッドタイム)である休止時間の間、ほぼ一定なので、ZVSに必要な最小デッドタイム(t2〜t3)は、式2(以下に記載)を用いて求めてよい。

0023

図6は、ゲート双方向直列共振コンバータ402の第2の動作モードの例示の図600を示す。第2の動作モードも、電力が入力側から変圧器T1を通して出力側に流れるので、同様にフォワードモードと称してよく、ここで、エネルギーは、Cf3及びCf4に蓄えられて、増幅器202によって使われる。図600はフォワードモードを示すので、例では、エネルギーは、入力から出力の方向にのみ移動する。図600から分かるように、この動作モードは、素子をオンにする前に電圧が完全には遷移しないので、ZVSに近いのと共に、一次側スイッチS1及びS2のゼロ電流スイッチング(ZCS)を生じる。

0024

変圧器T1の二次巻線(例えば、Ls1及びLs2)の両方が同時に導通するので、インダクタLk1及びLk2は、並列になってLk1_2を形成する。ここで、Lk1_2=0.5*Lk1=0.5*Lk2である。インダクタLk3及びLk4は、反対向きの電流を有し、十分に結合されている。従って、それらのインダクタンスは相殺される。外部の等価コンデンサであってよいCr1及びCr2も、このモードでは並列になり、Cr1_2を形成する。ここで、Cr1_2=Cr1+Cr2である。変圧器T1を通る電流の形は、Lk1_2とCr1_2の共振に大きく影響を受ける。このタンク共振周波数fr_1は、式3(以下に記載)の公式に等しく、コンバータ402のスイッチング周波数より大きく設計される。

0025

共振タンクを通るピーク電流は、入力で入手可能な電圧、スイッチング周波数、及び、タンクインピーダンスによって制限される。タンクを通る最大電流を決定する式を図4に示す(以下に記載)。ここで、nは、一次巻数に対する二次巻数の比である。これは、二次レールVo+とVo−間でショートが発生した時、または、入力側が完全に充電され、出力側が完全に放電されて、起動電流を制限する時、一次側素子が損傷を受けないように、タンクの安全なインピーダンスを決定するのに有用である。

0026

第2モードにおいては、スイッチS3〜S6には触れずに、素子内の同梱または寄生受動ダイオードを用いて、二次巻線を通電する。この動作モードのトポロジは、電圧が倍にされた2次巻線を有する固定周波数直列共振コンバータのトポロジであると考えてよい。このシステムの共振部分のゲインAvは、2つの出力間に抵抗負荷RLを有するコンバータの電圧出力を予測するために変圧器の巻数比と共に使用できる。このゲインは、式5で(下記のように)Avとして示されている。



ここで、
RL:Vo+からVo−の間に置かれた抵抗負荷
fsw:スイッチング周波数
n: 変圧器の二次巻線と一次巻線の巻数比Ns/Np
Cr:Cr1_2、ここで、Cr1_2=Cr1+Cr2
Lr:Lk1_2、ここで、Lk1_2=0.5*Lk1=0.5*Lk2

0027

図7は、ゲート双方向直列共振コンバータ402の第3の動作モードの例示の図700を示す。第3の動作モードは、第2モードの変形である、第3の動作モードにおいては、負荷は、出力Vo+とVo−間にあるのではなく、主に1つの出力上にある。ここでは、共振タンクのインダクタンスは、負荷がかかっている出力に応じて、Lk1+Lk3またはLk2+Lk4のいずれかである。式6(以下に記載)に示すように、共振周波数を計算するとき、コンデンサCr1またはCr2のうちの1つのみが使用される。

0028

この構成においては、インダクタンスがかなり大きくなり、かつ、静電容量のみが半減するので、共振周波数は低減され、より共振に近い動作が可能になる。そうすると、1つのレールのみにショートがあり他方にないとき、一次側のスイッチで入手可能なピーク電流は、(以下に記載する)式7に示す値に等しくなる。

0029

図700の波形は、より低い共振周波数動作を示す。ここでは、ゲート双方向直列共振コンバータ402は、固定デッドタイムで動作させると、S1及びS2でZVSを失い始める。しかしながら、S1及びS2は、図示のように、ターンオフ時、各スイッチがターンオフに駆動される直前に、電流がゼロ近くに遷移することによって、ソフトスイッチングされる。

0030

起動時、ゲート双方向直列共振コンバータ402に異なる負荷がかかるとき、T1変圧器のLp1の一次側スイッチS1及びS2のサイズを決めてタンク値を計算するとき、式4を用いてよい。従って、時間に依存する非対称の負荷があるとき、ゲート双方向直列共振コンバータ402は、第3モードで動作する。よって、ピーク電流能力は、一次巻線Lp1電圧と二次巻線Lsから一次巻線Lp1に戻る反射電圧との差によって駆動されてよい。一般的に、固定周波数直列共振コンバータは、電圧差によって電流フローを促し、タンクインピーダンスによって電流を制限する。

0031

図8は、二次側の電流を示す、(例えば、図600と同じ)ゲート双方向直列共振コンバータ402の第2の動作モードの例示の図800を示す。図800に示すように、コンバータ402は、モード2で動作しており、エネルギーは、一次巻線Lp1から二次巻線(例えば、Ls1、Ls2)にのみ流れている。二次電流は、ILS1及びILS2として図800に示しており、このモードでは位相がずれて、出力Vo+とVo−を反対の極性で同時に充電している。

0032

ここまでは、ゲート双方向直列共振コンバータ402の動作のトポロジは、スイッチングされて固定周波数直列共振コンバータのトポロジと同じように動作する。しかしながら、ゲート双方向直列共振コンバータ402は、二次側スイッチS3〜S6を双方向動作にするようにさらにゲート制御でき、これによって、電流は、いずれか一方の二次巻線(例えば、Ls1、Ls2)から、他の二次巻線(例えば、Ls2、Ls1)に流れる、または、電圧差によって促され、タンクインピーダンスによって制限された一次巻線Lp1に逆流するのを可能にする。

0033

図9は、連続導通モード(CCM)動作で、二次側の電流が示された、ゲート双方向直列共振コンバータ402の第4の動作モードの例示の図900を示す。

0034

上記のように、スイッチモード増幅器202が十分に低い周波数に駆動されるとき、ゲート双方向直列共振コンバータ402の出力Voは、負荷が著しく非対称になり得る。こうなると、エネルギーは、負荷がかかったレールから増幅器出力106に移動するが、エネルギーは、スイッチモード増幅器202の出力段208のフィルタに蓄えられたエネルギーを通して、負荷がかかった出力106から負荷がかかっていない出力部106にも移動する。

0035

二次側スイッチS3〜S6をアクティブにゲート制御することによって、電流は、絶対値の大きさが最大の方から小さいどちらの方向にも流れることができる。特に、二次スイッチは、一次側スイッチS1及びS2とオンオフ時間が同期している。より詳細には、S1は、S3及びS6と同期しており、S2は、S4及びS5と同期している。これによって、全てのゲート駆動信号を、スイッチング遷移間のデッドタイムが固定の2つの180度の位相シフトパルス列から導くことができるので、必要な駆動信号を送るのが簡単になる。

0036

ゲート双方向直列共振コンバータ402がアクティブにゲート制御されてモード4になると、共振周波数は、モード2及び3と比較してシフトされて、T1の二次側の各ハーフブリッジは、式8によって与えられる共振周波数を有する。この場合、二次巻線(例えば、Ls1またはLs2)の一方の電流フロー反転が原因で、2つの巻線は、並列であるかのように働き、よって、共振容量は、Cr1とCr2の両方の並列組み合わせであり、有効共振インダクタンスは、Lk1またはLk2の有効共振インダクタンスの半分に密結合インダクタンスLk3=Lk4を足したものになる。二次側ハーフブリッジ406のピーク電流能力はこの時、最大電圧を有する出力406と、他方の出力406または変圧器T1の一次巻線の反射電圧Viのいずれかとの差によって制限される。1つの出力から他の出力に電流を伝えるとき、ピーク電流は、式9に示すようになる。ここで、Vo+は、Vout1に等しく、Vo−は、Vout2に等しい。

0037

図900に示すように、双方向スイッチS3〜S6をイネーブルにして、電流は二次巻線Ls2において逆方向になる。電流フローは、一次側ハーフブリッジ404でも反転し、エネルギーを蓄えるのに使われるコンデンサCf1及びCf2に充電を送り戻す。正の出力Vo+のハーフブリッジスイッチS3及びS4は、ターンオン時(ZVS)とターンオフ時(ZCS)の両方で、ソフトスイッチングされる。しかしながら、負側の素子S5及びS6は、ターンオン時にはハードスイッチングされ、ターンオフ時にはほぼソフトスイッチングされる。

0038

第4モードの共振周波数をスイッチング周波数より少し低くすることによって、素子の寄生または同梱ダイオードのハードリカバリを最小限にすることができる。これは、MOSFET等の素子を二次側スイッチS3〜S6として使用するとき、素子の信頼性という点で有益あり得る。

0039

次側電力素子の双方向モードへの出入り(例えば、第4モードへの出入り)をゲート制御することによって、ゲート双方向直列共振コンバータ402のより効率的な動作を可能にする。双方向モードを常に使用することは可能である。しかしながら、同期駆動信号を使用することによって、直列共振タンク内に追加の循環電流が起こることがあり、それによって、電力が入力から出力への一方向のものである場合、損失が増える。上述のように、入念な設計によって、ゲート双方向直列共振コンバータ402は、スイッチング周波数により近いより低い共振周波数を利用することができ、それによって、エネルギーが電圧出力406の高い方から入力Viまたは他方の出力406のいずれかに移動するとき、循環電流を最小限にする。

0040

二次側電力素子上の双方向スイッチS3〜S6のゲート制御のトリガは、供給出力電圧(単数または複数)406、供給出力電圧(単数または複数)406の導関数、増幅器の入力信号104、増幅器の出力信号106、または、増幅器の電力素子がどれだけの電圧を許容できるかに依存する他の入力等、多くの入力に基づいて選択できる。

0041

図10は、ゲート双方向スイッチ制御408の例示の図1000を示す。図に示すように、図1000は、二次側スイッチS3〜S6の双方向性選択制御の回路の例を示している。この例の制御バージョンにおいては、電源出力Vo+及びVo−は、比較器1002−A及び1002−B(集合的に1002)を用いて、固定の基準電圧Vref+及びVref−と比較される。例えば、第1の比較器1002−Aを用いて、電源出力Vo+がVref+より大きいか否かを決定してよく、第2の比較器1002−Bを用いて、電源出力Vo−がVref−より小さいか否かを決定してよい。Vref−は、電圧インバータ1004を用いてVref+から生成してよい。従って、電源出力Vo+またはVo−のいずれかの絶対値が基準電圧Vrefの絶対値を超えると、比較器1002の出力のノードは、引き下げ(または、実装によっては、引き上げ)られてよい。

0042

双方向イネーブル回路群1006は、電源出力の1つまたは両方の絶対値が高すぎて、アクションが必要となると、比較器1002の出力の変化を双方向モードへの要求と解釈する。ある例においては、第1の双方向イネーブル回路1006−Aは、スイッチS1の状態を駆動するまたはその他の方法で示す駆動信号入力に基づいて、スイッチS3及びS6のAドライブの双方向モードイネーブルメントを制御してよく、第2の双方向イネーブル回路1006−Bは、スイッチS2の状態を駆動するまたはその他の方法で示す駆動信号に基づいて、スイッチS4及びS5のBドライブの双方向モードイネーブルメントを制御してよい。

0043

双方向スイッチS3〜S6への適切な駆動信号を作成するとき、ゲート双方向スイッチ制御408は、一次側駆動信号S1及びS2のそれぞれが立ち上がりエッジまたは立ち下がりエッジ上にあるか否かを検出する。1つの可能性として、立ち下がりエッジ検出器1010−Aは、スイッチS1の駆動信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを検出してよく、立ち上がりエッジ検出器1012−Aは、スイッチS1の駆動信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを検出してよく、立ち下がりエッジ検出器1010−Bは、スイッチS2の駆動信号が立ち下がりエッジ上にあるか否かを検出してよく、立ち上がりエッジ検出器1012−Bは、スイッチS2の駆動信号が立ち上がりエッジ上にあるか否かを検出してよい。

0044

双方向イネーブル回路群1006は、立ち上がりエッジ検出器1012からの信号を受信してよく、スイッチS3及びS6のAドライブと、スイッチS4及びS5のBドライブを生成するセット/リセット(S/R)フリップフロップ1014にその信号を提供する前に、その信号を調整してよい。

0045

ある例においては、フリップフロップ1014へのリセット入力は、立ち下がりエッジ検出器1010の出力に接続されてよく、フリップフロップ1014へのセット入力は、双方向イネーブル回路1006の出力に接続されてよい。例えば、立ち下がりエッジ検出器1010−Aの出力は、スイッチS3及びS6のAドライブを生成するフリップフロップ1014−Aへのリセット入力に接続されてよく、立ち上がりエッジ検出器1012−Aの出力は、双方向イネーブル回路群1006−Aの入力に接続されてよく、双方向イネーブル回路1006−Aの出力は、フリップフロップ1014−Aのセット入力に接続されてよく、立ち下がりエッジ検出器1010−Bの出力は、スイッチS4及びS5のBドライブを生成するフリップフロップ1014−Bへのリセット入力に接続されてよく、立ち上がりエッジ検出器1012−Bの出力は、双方向イネーブル回路群1006−Bの入力に接続されてよく、双方向イネーブル回路1006−Bの出力は、フリップフロップ1014−Bへのセット入力に接続されてよい。従って、双方向イネーブル回路群1006が許す限り、S/Rフリップフロップ1014は、スイッチS1及びS2の駆動信号の立ち下がりエッジでリセットされ、逆に、S/Rフリップフロップ1014は、スイッチS1及びS2の駆動信号の立ち上がりエッジでセットされる。

0046

一つの可能性として、双方向イネーブル回路群1006の各ブロックは、AND論理ゲートとして実施してよく、AND論理ゲートは、任意の他の保護入力と共に、立ち上がりエッジ出力とレールセンス出力の両方が高くない限り、対応するS/Rフリップフロップ1014の設定を許可しない。任意の1つの入力によって、二次スイッチ(例えば、図400の例のS3〜S6)をオフ状態のままにしてよく、電流がスイッチのダイオード部分のみを流れるようにする。一次側スイッチ(例えば、図400の例のS1及びS2)と同期して二次スイッチをトリガすることによって、外部センサ(単数または複数)を用いて電流がゼロと交差する箇所を見つけることなく、スイッチング時の電流を最小限にすることができる。A及びBの双方向ドライブが両方、同時にオンにならないように、追加の回路群を任意で追加してよい。両方が同時にオンになると、1つまたは複数の回路素子を損傷したり破壊したりする場合がある。

0047

表1は、簡単な双方向イネーブル回路群1006の論理記述する真偽表の例を示す。スイッチイネーブリング論理は、スイッチセットの両方に関して同じなので、この表の論理XOR関数であるA XOR Bドライブのいずれかに関して示す。

0048

双方向イネーブル回路群1006への他の入力(図示せず)は、マイクロプロセッサ制御のディスエーブル、温度ディスエーブル、起動状態ディスエーブル、または、ゲート双方向直列共振コンバータ402の双方向性をディスエーブルするのに適切とみなされる任意の他の関数または入力(例えば、電源レール電圧の導関数、増幅器入力信号レベル、増幅器出力信号レベル、または、増幅器の電力素子がどれくらいの電圧を許容できるかに依存する他の入力)の1つまたは複数を含んでよい。

0049

この共振トポロジにおいては、スイッチをオン、オフすると、図8に示すように電流の共振がゼロ近くまで下がるので、最高効率が実現される。二次スイッチ(例えば、S3〜S6)が、一次スイッチ(例えば、S1及びS2)と同期している以外の時に、オン及びオフするように命令される場合、電力素子内で起こる理想的でないスイッチングが原因のスイッチと逆並列ダイオード間の電流の急速な転流が原因で損失が増加し得る。

0050

一次スイッチの立ち下がりエッジ上で二次側スイッチをトリガすることによっても、コンバータは機能できるが、この場合も、電流は、どちらの一次スイッチもオンでないデッドタイム中、ゼロに近い状態にならないことがある。従って、このような状況においては、双方向直列共振コンバータ402は、相対的に大きい損失を受けることがある。

0051

図11は、ゲート双方向直列共振コンバータ402の代替の形態の例示の図1100を示す。デュアルレールの固定周波数双方向直列共振コンバータ402の簡単な形態に関する上記の図と比較して、図1100に示すコンバータ402の形態は、変圧器の一方の巻線と、関連する二次側スイッチの制御とに関して異なっている。より詳細には、変圧器の巻線Ls2の極性を逆にして、二次側ハーフブリッジ406を互いに位相がずれるように駆動することができる。スイッチングの一方のハーフサイクルは、正の出力、Vo+を充電し、他方のハーフサイクルでは、負の出力Vo−を充電する。ゲート双方向直列共振コンバータ402の構造の他の形態は、2つの同時導通または交互導通のハーフブリッジを組み合わせて、フルブリッジを形成してよく、ここで、出力は両方とも、各ハーフサイクルで充電される。

0052

図12は、ゲート双方向直列共振コンバータ402’’のフルブリッジ同時導通形式の例示の図1200を示す。ゲート双方向直列共振コンバータ402と比較すると、図1200のゲート双方向直列共振コンバータ402’は、二次巻線Ls1及びLs2と反対の極性の追加の二次巻線Ls3及びLs4と、追加の共振インダクタLk5、Lk6、Lk7及びLk8とをさらに備える。共振インダクタLk5及びLk6は、Ls3二次巻線に直列に接続され、共振インダクタLk6及びLk8は、Ls4二次巻線に直列に接続される。二次巻線Ls3とLs4の間のセンタータップ出力は、接地される。従って、ゲート双方向直列共振コンバータ402’は、一体型変圧器T1の一次巻線Lp1のハーフブリッジ404と、二次側のフルブリッジとを組み合わせており、二次側のフルブリッジは、コンデンサCr1及びCr2を介して一体型変圧器T1の二次巻線Ls1及びLs2に、ならびにコンデンサCr3及びCr4を介して二次巻線Ls3及びLs4に結合されている。スイッチS3〜S6と同様に、スイッチS7〜S10は、スイッチS1及びS2の状態等の要因に基づいて、ゲート双方向スイッチ制御408によって生成される信号に制御されてよい。

0053

図13は、ゲート双方向直列共振コンバータ402’のフルブリッジ交互導通形式の例示の図1300を示す。図1200に示すゲート双方向直列共振コンバータ402’のフルブリッジ同時導通形式と比較して、図1300に示すコンバータ402’の形式は、変圧器の巻線Ls2及びLs3の極性の反転に関して異なっており、二次側フルブリッジの位相を互いにずらすことができる。

0054

一般的に、ゲート双方向直列共振コンバータ402は、入力からデュアル出力セットに、いずれか1つの出力から他方の出力に、または、いずれか若しくは両方の出力から入力に、直流的に絶縁された障壁を介して電力を伝達してよい。ゲート双方向直列共振コンバータ402は、二次側出力が各ハーフスイッチングサイクルで一次側電力素子と同時にスイッチングできるモード、または、各ハーフスイッチングサイクルで一次側素子と交互にスイッチングできる等、様々なモードで機能してもよい。

0055

本明細書に記載のプロセス、システム、方法、ヒューリスティックス等に関して、このようなプロセス等のステップは、ある一定の順序シーケンスに従って起こるとして記載したが、このようなプロセスは、記載のステップを本明細書に記載の順序以外の順序で行って実践できることが理解されよう。一定のステップは、同時に行うことができ、他のステップを追加することができ、または、本明細書に記載の一定のステップを省略できることも理解されよう。言い換えれば、本明細書のプロセスの記載は、一定の実施形態を示す目的のためであり、請求項を制限するものと解釈してはならない。

0056

例示の実施形態を記載したが、これらの実施形態は、発明の可能な形式を全て記載することを意図していない。むしろ、明細書で使用した表現は、制限ではなく説明のための表現であり、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく、様々な変更を行ってよいことは理解されよう。さらに、様々な実施形態の特徴を組み合わせて、発明のさらなる実施形態を形成してよい。

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