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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2024-12-03
(45)【発行日】2024-12-11
(54)【発明の名称】電力変換器におけるバルクコンデンサ加熱回路
(51)【国際特許分類】
H02M 3/28 20060101AFI20241204BHJP
【ＦＩ】
H02M3/28 H
【請求項の数】
15
(21)【出願番号】P 2023512660
(86)(22)【出願日】2020-08-25
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2023-09-20
(86)【国際出願番号】 CN2020111051
(87)【国際公開番号】W WO2022040908
(87)【国際公開日】2022-03-03
【審査請求日】2023-04-20
(73)【特許権者】
【識別番号】521227078
【氏名又は名称】アステック インターナショナル リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】110000659
【氏名又は名称】弁理士法人広江アソシエイツ特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】ディン，チュンユー
(72)【発明者】
【氏名】リュ，ジュン
(72)【発明者】
【氏名】ル，カイトン
(72)【発明者】
【氏名】リャン，ボ
【審査官】清水 康
(56)【参考文献】
【文献】特開２００７－２８８９８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００７－１６６７７９（ＪＰ，Ａ）
【文献】中国特許出願公開第１０７０７０１９０（ＣＮ，Ａ）
【文献】特開２００７－２０２２８５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１２／０１２６７５３（ＵＳ，Ａ１）
【文献】特開２００７－２５０８２６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１９－００９９４０（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｈ０２Ｍ １／００ － ７／９８
Ｂ６０Ｌ １／００ － ３／１２
Ｂ６０Ｌ ７／００ － １３／００
Ｂ６０Ｌ １５／００ － ５８／４０
Ｈ０２Ｊ ７／００ － ７／１２
Ｈ０２Ｊ ７／３４ － ７／３６
Ｈ０１Ｍ １０／５２ － １０／６６７
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
バルクコンデンサを含む電源回路と、前記バルクコンデンサを加熱するために前記電源回路に結合された補助回路であって、スイッチング装置を含む補助回路と、
該補助回路に結合された制御回路であって、前記バルクコンデンサが放電および充電することを可能にして前記バルクコンデンサに関連する温度を上昇させ、前記バルクコンデンサに関連する等価直列抵抗の値を低減させるための前記スイッチング装置を制御する制御信号を生成するように構成された制御回路と
を備え、
前記補助回路が、第１の巻線および第２の巻線を有する誘導装置を含み、前記第１の巻線が、前記電源回路の前記バルクコンデンサと前記補助回路の前記スイッチング装置との間に結合される、電力変換器。
【請求項2】
前記スイッチング装置がオンすると、前記バルクコンデンサが前記第１の巻線に放電するように結合される、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項3】
前記補助回路が、前記誘導装置の前記第２の巻線と前記電源回路の前記バルクコンデンサとの間に結合されたダイオードを含む、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項4】
前記スイッチング装置がオフすると、前記第２の巻線が、前記ダイオードを介して前記バルクコンデンサを充電するように結合される、請求項３に記載の電力変換器。
【請求項5】
前記誘導装置がトランスを含み、前記第１の巻線が前記トランスの一次巻線であり、前記第２の巻線が前記トランスの二次巻線である、請求項１に記載の電力変換器。
【請求項6】
前記誘導装置が結合インダクタを含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項7】
前記制御回路が、固定デューティサイクルを有する前記制御信号を生成するように構成される、請求項１から６のいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項8】
前記補助回路が、開ループフライバックコンバータトポロジを含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項9】
前記電源回路が電力を受け取ることに応答して、前記制御回路が前記スイッチング装置を制御するための前記制御信号を生成するように構成される、請求項１から８のいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項10】
前記バルクコンデンサのパラメータが定められた閾値を超えることに応答して、前記制御回路が、前記制御信号の生成を停止するように構成される、請求項１から９のいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項11】
前記制御信号がＰＷＭ制御信号である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項12】
前記制御信号が可変周波数を有する、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項13】
前記電源回路がブリッジ整流回路を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項14】
前記電源回路が力率補正回路を含む、請求項１から１３のいずれか一項に記載の電力変換器。
【請求項15】
前記制御回路が、アナログ回路および／またはデジタル回路を含む、請求項１から１４のいずれか一項に記載の電力変換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示は、電力変換器におけるバルクコンデンサ加熱回路に関する。
【背景技術】
【0002】
この節では、必ずしも従来技術ではない本開示に関連する背景情報を提供する。
【0003】
電力変換器は、入力電圧と電流を出力電圧と電流に変換する。電力コンバータは、一般に、コンバータの入力および／または出力の近くに配置された１つまたは複数のバルクコンデンサを含む。バルクコンデンサは、一般に、例えば、負荷過渡、入力電源過渡などに起因する大きな電圧偏差を防止するために使用される。
【発明の概要】
【0004】
この節では、本開示の概要を提供するが、その全範囲またはその特徴のすべての包括的な開示ではない。
【0005】
本開示の一態様によれば、電力変換器は、バルクコンデンサを有する電源回路と、バルクコンデンサを加熱するために電源回路に結合された補助回路と、補助回路に結合された制御回路とを含む。補助回路はスイッチング装置を含む。制御回路は、バルクコンデンサが放電および充電することを可能にしてバルクコンデンサに関連する温度を上昇させバルクコンデンサに関連する等価直列抵抗の値を低減させるためのスイッチング装置を制御する制御信号を生成するように構成される。
【0006】
さらなる態様および適用可能な領域が、本明細書で提供される説明から明らかになるであろう。本開示の様々な態様は、個別に、または１つもしくは複数の他の態様と組み合わせて実施することができることを理解されたい。本明細書の説明および特定の例は、例示のみを目的としており、本開示の範囲を限定することを意図していないことも理解されたい。
【0007】
本明細書で説明される図面は、選択された実施形態のみの例示を目的としており、すべての可能な実施態様ではなく、本開示の範囲を限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0008】
【図1】本開示の１つの例示的な実施形態による、バルクコンデンサを有する電源回路と、バルクコンデンサを加熱するために電源回路に結合された補助回路とを含む電力変換器のブロック図である。
【図3】別の例示的な実施形態による、バルクコンデンサを有する電源回路と、トランス、ダイオード、およびバルクコンデンサに充放電させるように制御可能なスイッチング装置を有する補助回路とを含む電力変換器の電気接続図である。
【図7】別の例示的な実施形態による、結合インダクタ、ダイオード、およびバルクコンデンサに充放電させるように制御可能なスイッチング装置を有する補助回路を含む電力変換器の電気接続図である。
【図8】さらに別の例示的な実施形態による、電源回路のバルクコンデンサを加熱するための、さらにスナバ回路を含む補助回路の電気接続図である。
【図9】別の例示的な実施形態による、ＡＣ／ＤＣブースト力率補正（ＰＦＣ：Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）トポロジを有する電源回路および図３の補助回路を含む電力変換器の電気接続図である。
【図12】さらに別の例示的な実施形態による、パルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）制御信号を生成するための制御回路の電気接続図である。
【図13】別の例示的な実施形態による可変周波数変調（ＶＦＭ：Ｖａｒｉａｂｌｅ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御信号を生成するための制御回路の電気接続図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
図面のうちのいくつかの図を通して、対応する参照番号は対応する（しかし必ずしも同一ではない）部分および／または特徴を示す。
【0010】
例示的な実施形態は、本開示が徹底したものであり当業者に範囲を十分に伝えるように提供される。本開示の実施形態の完全な理解が得られるよう、特定の構成要素、装置、および方法の例など、多数の特定の詳細が説明される。特定の詳細が用いられる必要がないこと、例示的な実施形態が多くの異なる形態で具体化され得ること、およびそのいずれもが本開示の範囲を限定するように解釈されるべきではないことは、当業者には明らかであろう。いくつかの例示的な実施形態では、周知のプロセス、周知の装置構造、および周知の技術は詳細には説明されない。
【0011】
本明細書で使用される用語は、特定の例示的な実施形態のみを説明するためのものであり、限定することを意図するものではない。本明細書で使用される場合、単数形の「１つの（ａ、ａｎ）」および「その（ｔｈｅ）」は、文脈が明らかにそうでないことを示さない限り、複数形も含むことを意図してもよい。「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「備えた（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含んだ（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」、および「有した（ｈａｖｉｎｇ）」という用語は包括的であり、したがって、記載された特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらのグループの存在または追加を排除するものではない。本明細書に記載された方法のステップ、手順、および動作は、実行の順序として具体的に特定されない限り、必ずしも説明または図示された特定の順序でそれらの実行を必要とすると必ずしも解釈されるべきではない。追加のまたは代替のステップが使用されてもよいことも理解されたい。
【0012】
第１、第２、第３などの用語は、様々な要素、構成要素、領域、層および／または部分を説明するために本明細書で使用される場合があるが、これらの要素、構成要素、領域、層および／または部分は、これらの用語によって限定されるべきではない。これらの用語は、ある要素、構成要素、領域、層または部分を別の領域、層または部分と区別するためだけに使用されてもよい。「第１」、「第２」などの用語、および他の数字用語は、本明細書で使用される場合、文脈によって明確に示されない限り、順序を意味しない。したがって、以下で説明する第１の要素、構成要素、領域、層または部分は、例示的な実施形態の教示から逸脱することなく、第２の要素、構成要素、領域、層または部分と呼ぶことができる。
【0013】
「内側（ｉｎｎｅｒ）」、「外側（ｏｕｔｅｒ）」、「真下（ｂｅｎｅａｔｈ）」、「下（ｂｅｌｏｗ）」、「下方（ｌｏｗｅｒ）」、「上（ａｂｏｖｅ）」、「上方（ｕｐｐｅｒ）」などの空間的に相対的な用語は、本明細書では、図に示されたある要素または特徴と別の要素または特徴との関係を説明するのに説明を容易にするために使用されることがある。空間的に相対的な用語は、図に示されている向きに加えて、使用中または動作中の装置の異なる向きを含むことが意図されてもよい。例えば、図中の装置がひっくり返された場合、他の要素または特徴の「下（ｂｅｌｏｗ）」または「真下（ｂｅｎｅａｔｈ）」と記載された要素は、先の他の要素または特徴の「上（ａｂｏｖｅ）」に置かれる。したがって、用語例「下（ｂｅｌｏｗ）」は、上と下の両方の向きを含むことができる。装置は、他の方向に向けられ（９０度または他の向きに回転され）てもよく、本明細書で使用される空間的に相対的な記述子はそれに応じて解釈される。
【0014】
次に、添付図面を参照して例示的な実施形態をより完全に説明する。
【0015】
本開示の１つの例示的な実施形態による電力変換器が図１に示されており、全体として参照番号１００で示されている。図１に示すように、電力変換器１００は、電源回路１０２と、補助回路１０４と、制御回路１０６とを含む。電源回路１０２は、バルクコンデンサ１０８を含む。補助回路１０４は、バルクコンデンサ１０８を加熱するために電源回路１０２に結合されている。図示のように、補助回路１０４はスイッチング装置１１０を含む。制御回路１０６は補助回路１０４に結合されている。制御回路１０６は、バルクコンデンサ１０８が放電および充電することを可能にしてコンデンサ１０８に関連する温度を上昇させバルクコンデンサ１０８に関連する等価直列抵抗（ＥＳＲ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ）の値を低減させるためのスイッチング装置１１０を制御する制御信号１１２を生成するように構成される。
【0016】
バルクコンデンサ１０８のような電解コンデンサは、通常いくつかの要素を含む。例えば、図２は、図１のバルクコンデンサ１０８の等価回路を示す。図示のように、バルクコンデンサ１０８は、キャパシタンスＣと、キャパシタンスＣと並列の抵抗Ｒと、ＥＳＲ２２０と、等価直列インダクタンス（ＥＳＬ：Ｅｑｕｉｖａｌｅｎｔ Ｓｅｒｉｅｓ ｉｎｄｕｃｔａｎｃｅ）２２２とを含む。抵抗Ｒは、バルクコンデンサの誘電体の絶縁抵抗を表す。ＥＳＲ２２０とＥＳＬ２２２は、キャパシタンスＣと抵抗Ｒとに直列であり、それぞれバルクコンデンサ１０８内の抵抗性要素と誘導性要素との組み合わせを表す。
【0017】
いくつかの例では、バルクコンデンサ１０８および／または本明細書に開示した他のバルクコンデンサのいずれか１つは、大きなキャパシタンスを有することができる（例えば、図２のキャパシタンスＣ）。コンデンサ１０８の容量は、電力コンバータ１００の電圧偏差を低減するのに役立てることができる。例えば、電圧偏差は、一般に、キャパシタンスが増加するにつれて低減する。したがって、バルクコンデンサ１０８および／または本明細書に開示した他のバルクコンデンサのいずれか１つは、例えば１００μＦ～１ｍＦを超える範囲のキャパシタンスを有することができる。
【0018】
バルクコンデンサ１０８に関連するＥＳＲ（例えば、図２のＥＳＲ２２０）は、温度に依存することがある。例えば、バルクコンデンサ１０８の周囲温度が低下（または上昇）すると、そのＥＳＲ値が上昇（または低下）することがある。例えば、低温環境（例えば、摂氏－２５度未満、摂氏－２５度～摂氏２０度、摂氏２０度を超える温度など）では、電力コンバータ１００が起動され、バルクコンデンサ１０８の周囲温度が上昇すると、コンデンサのＥＳＲが大幅に経時変化する可能性がある。そのような例では、バルクコンデンサ１０８の周囲温度が上昇するにつれ、コンデンサのＥＳＲは１０倍変化する可能性がある。いくつかの例では、摂氏－４０度でのバルクコンデンサ１０８のインピーダンス比は、摂氏２０度でのインピーダンス比よりも１０倍以上高くなる場合がある。
【0019】
電力コンバータ１００が低温環境下で起動すると、増加したＥＳＲが電力コンバータ１００の動作に悪影響を及ぼす可能性がある。例えば、電力コンバータ１００が低温環境で始動すると、コンバータ１００は、ＥＳＲの増加に（少なくとも部分的に）よりバルクコンデンサ１０８で大きなリップル電圧を受ける可能性がある。これは、例えば、バルクコンデンサ１０８が電力コンバータ１００の出力に結合される（例えば、出力バルクコンデンサの）場合に起こる可能性がある。場合によっては、この大きなリップル電圧により、出力電圧調整精度の低下、過電圧保護回路の起動、制御ループの不安定性などが起きる可能性がある。他の例では、例えば、バルクコンデンサ１０８が電力コンバータ１０の入力に結合されている（例えば、入力バルクコンデンサの）場合に、ＥＳＲの増加により、フィルタ効果を低下させる可能性がある高周波ノイズがバルクコンデンサ１０８の両端間に起きる恐れがある。
【0020】
しかし、コンデンサ１０８を強制的に充放電させることにより、バルクコンデンサ１０８のＥＳＲ値を低下させることができる。例えば、コンデンサ１０８の充電／放電は、バルクコンデンサ１０８内の電解質を活性化し、コンデンサ１０８に関連する温度を経時的に上昇させることができる。この温度変化は、例えば、充放電の頻度に基づいてもよい。温度が上昇する結果として、コンデンサ１０８のＥＳＲ値は、適切なレベルまで低減することができる。ＥＳＲ値が低減されることにより、コンデンサ１０８の両端間でのリップル電圧、ノイズなどを最小化することができる。
【0021】
図１の例では、補助回路のスイッチング装置１１０をバルクコンデンサ１０８に結合して、バルクコンデンサを強制的に充放電させることができる。このような例では、バルクコンデンサ１０８は、スイッチング装置１１０の状態に基づいて充放電されてもよい。このように、（生成された制御信号１１２により）スイッチング装置１１０がオンとオフすると、バルクコンデンサ１０８は（例えば、電圧源として、）充放電することができる。例えば、バルクコンデンサ１０８は、スイッチング装置１１０がオフである（例えば、その開放状態にある）ときに充電し、スイッチング装置１１０がオンである（例えば、その閉状態にある）ときにその蓄積エネルギーを放電することができる。したがって、バルクコンデンサ１０８は、スイッチング装置１１０がオフのときに充電電流を受け取ることができ、スイッチング素子１１０がオンのときに、バルクコンデンサ１０８は、放電電流を供給することができる。このような例では、コンデンサ１０８は、スイッチング装置１１０のスイッチング周期ごとに一回充放電してもよい。
【0022】
いくつかの例では、電力コンバータ１００のパラメータに基づいて補助回路１０４を作動させて、コンデンサ１０８を加熱（例えば予熱）するための充電／放電プロセスを開始することができる。例えば、低温環境において電力コンバータ１００が電源投入されると、制御回路１０６は、電力コンバータ１００が入力電力を受け取ることに応答して、スイッチング装置１１０を制御するための制御信号１１２を生成することができる。例えば、制御回路１０６は、電力コンバータ１００のパラメータ（例えば、入力電流、入力電圧など）を感知し、感知したパラメータに応答して制御信号１１２の生成を開始することができる。そのような例では、バルクコンデンサ１０８は、入力電力で最初に充電されてもよい。
【0023】
制御回路１０６は、バルクコンデンサ１０８のパラメータが定められた閾値を超えることに応答して、スイッチング装置１１０を制御するための制御信号１１２の生成を停止することができる。このような例では、スイッチング装置１１０をオフとすることができ、補助回路１０４の動作を停止させて、コンデンサ１０８を加熱するための充電／放電プロセスを停止することができる。例えば、ＥＳＲとコンデンサ１０８に関連した温度との関係は既知としてもよい。そのような例では、制御回路１０６は、コンデンサ１０８に関連した温度を感知し、その温度が定められた値（例えば、摂氏１０度、摂氏２０度、摂氏３０度など）を超えて上昇した場合に制御信号１１２の生成を停止することができる。そのような例では、先の定められた温度は、コンデンサ１０８に関連する所望のＥＳＲに基づいて決定されてもよい。他の例では、制御回路１０６は、コンデンサのＥＳＲ値を決定し（例えば、感知された電流に基づいて）、そのＥＳＲ値が定められた値（例えば、０．１オーム、０．０９オームなど）を下回る（例えば、超過する）ときに制御信号１１２の生成を停止することができる。さらに他の例では、制御回路１０６は、バルクコンデンサ１０８の充電および／または放電の回数が定められた閾値を超えると、制御信号１１２の生成を停止することができる。
【0024】
バルクコンデンサ１０８は、電力コンバータ１００が始動期間に入る前に加熱され（例えば、予熱され）てもよい。したがって、低温環境で電力コンバータ１００が電源投入されると、電力コンバータ１００が始動期間（例えば、コンバータの実効キャパシタンスが充電されてコンバータが所望の安定した出力電圧を供給することが可能となる期間）に入る前にコンデンサ１０８を加熱してコンデンサのＥＳＲを所望の値まで低下させることができる。他の例では、加熱プロセスは、始動プロセスの一部（例えば、始動プロセスの最初の部分）であってもよい。コンデンサ１０８が所望の温度に加熱される（例えば、そのＥＳＲが所望の値まで低下する）と、電力コンバータ１００は、その始動プロセスに入ること、それを継続すること等が可能となる。
【0025】
スイッチング装置１１０に供給される制御信号１１２は、任意の適切な周波数を有することができる。周波数は固定であっても可変であってもよい。例えば、制御信号１１２は、設定された周波数または変化する周波数を有していてもよい。制御信号１１２が変化する周波数を有する例では、制御回路１０６は、可変周波数変調（ＶＦＭ：Ｖａｒｉａｂｌｅ－Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）制御を提供してもよい。周波数は、バルクコンデンサ１０８の高周波充電／放電を確実にするのに適した値（例えば、１０ｋＨｚ～１ＭＨｚの範囲）を有してもよい。その結果、コンデンサ１０８に関連する温度が所望の値に達するように、バルクコンデンサ１０８を所望の回数だけ充電／放電することができる。
【0026】
さらに、制御信号１１２は、固定または可変のデューティサイクルを有することができる。例えば、スイッチング装置１１０のオン時間（例えば、コンデンサ１０８の放電時間）とスイッチング装置１１０のオフ時間（例えば、コンデンサ１０８の充電時間）とを固定としてもよい。そのような例では、スイッチング装置１１０の状態に基づいてコンデンサ１０８に供給される充電電流およびコンデンサ１０８によって供給される放電電流は、充電／放電サイクルごとに実質的に一定にすることができる。他の例では、デューティサイクルは変化してもよい。そのような例では、制御信号はパルス幅変調（ＰＷＭ：Ｐｕｌｓｅ Ｗｉｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｅｄ）信号であってもよい。
【0027】
制御信号１１２（したがって、スイッチング装置１１０）のオン時間とオフ時間ならびに充電電流と放電電流は、出力電圧が確立される前にコンデンサ１０８が十分に加熱されることを確保するよう、様々なパラメータに基づいて決定することができる。例えば、パラメータは、コンデンサ１０８の電荷容量、電源始動時間（例えば、入力電圧が受けた時から出力電圧が確立される時までの時間）などを含むことができる。
【0028】
いくつかの例では、図１の補助回路１０４は、スイッチング装置１１０に加えて１つまたは複数の構成要素を含むことができる。例えば、図３は、バルクコンデンサＣ１を有する電源回路３０２と、スイッチング装置、誘導装置およびダイオード（例えば、整流ダイオード）Ｄ７を有する補助回路３０４とを含む電力コンバータ３００を示す。いくつかの例では、誘導装置（例えば、トランス、結合インダクタなど）は、絶縁を可能にする限り、物理的に小さい装置であってもよい。
【0029】
図３の特定の例では、スイッチング装置はＭＯＳＦＥＴ Ｑ４として示され、誘導装置はトランスＴＸ１として示されている。他の例では、他の適切なスイッチング装置および／または誘導装置を使用することができる。補助回路３０４は、図１の電源回路１０２および／またはバルクコンデンサを有する別の他の適切な電源回路と共に使用可能である。
【0030】
図３の例では、補助回路３０４のＭＯＳＦＥＴ Ｑ４、トランスＴＸ１およびダイオードＤ７は、フライバックコンバータトポロジで構成されている。より具体的には、補助回路３０４は、開ループフライバックコンバータトポロジを有する。このように、図３の例では、補助回路３０４のＭＯＳＦＥＴ Ｑ４はフィードバックなしで制御される。
【0031】
図示のように、トランスＴＸ１の一次巻線Ｐ１は、バルクコンデンサＣ１とＭＯＳＦＥＴ Ｑ４との間に結合されている。具体的には、図３の例では、一次巻線Ｐ１は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４のドレイン端子に結合されている。ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４のソース端子は基準電圧（例えば、接地）に結合されている。図示のように、ダイオードＤ７は、トランスＴＸ１の二次巻線Ｓ１とバルクコンデンサＣ１との間に結合されている。具体的には、二次巻線Ｓ１はダイオードＤ７のアノードに結合され、バルクコンデンサＣ１はダイオードＤ７のカソードに接続されている。
【0032】
図３の特定の例では、バルクコンデンサＣ１と補助回路３０４の構成要素とは、コンデンサＣ１が充放電することを確実にするように結合される。例えば、図３に示すように、バルクコンデンサＣ１は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４がオンすると、トランスの一次巻線Ｐ１への電圧源として放電するように結合される。この間、バルクコンデンサＣ１からの電流は、一次巻線Ｐ１およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ４を通って基準電圧まで放電される。その結果、一次巻線電流が増加し、トランスＴＸ１はエネルギーを蓄積する。
【0033】
さらに、図３に示すように、トランスＴＸ１の二次巻線Ｓ１は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４がオフすると、バルクコンデンサＣ１を充電するように結合される。例えば、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４がオフのとき、トランスの一次巻線Ｐ１に蓄積されたエネルギーは、二次巻線Ｓ１に伝達される。この間、二次巻線Ｓ１のエネルギーが放電され、二次巻線Ｓ１からダイオードＤ７を通ってコンデンサＣ１に流れる電流が、バルクコンデンサＣ１を充電させる。
【0034】
バルクコンデンサＣ１の充電／放電プロセスを図４～図６に示す。例えば、図４～図６は、コンデンサ電流Ｉ＿Ｃ１、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４に流れる電流Ｉ＿Ｑ４、およびダイオードＤ７に流れる電流Ｉ＿Ｄ７、それぞれのグラフ４００，５００，６００を示す。図示のように、グラフ４００，５００，６００は、バルクコンデンサＣ１の充電および放電サイクルに対応する連続した期間Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３を含む。具体的には、期間Ｔ１はコンデンサＣ１の放電サイクルに対応し、期間Ｔ２はコンデンサＣ１の次の充電サイクルに対応し、期間Ｔ３はコンデンサＣ１のもう１つの放電サイクルに対応する。
【0035】
例えば、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４は、期間Ｔ１の間オンである。この期間の間、コンデンサＣ１は、その蓄積したエネルギーを放出することで、図４に示すように電流Ｉ＿Ｃ１がコンデンサから流れる。コンデンサ電流は、図５の期間Ｔ１の間に増加する電流Ｉ＿Ｑ４によって示されるように、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４（また上述のように一次巻線Ｐ１）を通して流れる。期間Ｔ１の間、図６に示すように、ダイオードＤ７には電流が流れない。
【0036】
ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４は、期間Ｔ２の間オフである。このため、図５に示すように、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４には電流が流れない。期間Ｔ２の間、上述したように、トランスＴＸ１に蓄積されたエネルギーが解放されてコンデンサＣ１に戻るため、ダイオード電流Ｉ＿Ｄ７およびコンデンサ電流Ｉ＿Ｃ１は急増し、次いで、時がたつにつれ減少する（図６および図７を参照）。このように、この期間中、コンデンサＣ１は、トランスＴＸ１に蓄えられたエネルギーから充電される。
【0037】
期間Ｔ３の間、上述したように、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４が再びオンし、一次巻線Ｐ１およびＭＯＳＦＥＴ Ｑ４を通ってバルクコンデンサＣ１が再び放電される。バルクコンデンサＣ１のこの充電／放電プロセスは、必要に応じて繰り返してもよい。
【0038】
ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４は、任意の適切な制御回路によって制御されてもよい。図３の特定の例では、電力コンバータ３００は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４を制御するための信号源Ｖ４によって表される制御回路を含む。そのような例では、信号源Ｖ４は、抵抗器Ｒ３を介してＭＯＳＦＥＴ Ｑ４のゲート端子に制御信号を供給することができる。いくつかの例では、信号源Ｖ４によって供給される制御信号は、上述したように、任意の適切な周波数および／または固定もしくは可変のデューティサイクルを有することができる。
【0039】
いくつかの例では、電力コンバータ３００の１つまたは複数のパラメータに基づいて、補助回路３０４を作動および／または停止して、バルクコンデンサＣ１の充電／放電プロセスを開始および／または停止することができる。例えば、信号源Ｖ４は、上述したように、電力コンバータ３００が入力電力を受け取ることに応答してその制御信号を生成するように制御されてもよい。そのような例では、バルクコンデンサ１０８は、最初に入力電力で充電され、次にＭＯＳＦＥＴ Ｑ４がオンするときに放電されてもよい。さらに、バルクコンデンサ１０８のパラメータが定められた閾値を超過する（例えば、超えて増加するおよび／または下回って低下する）ことに応答して、信号源Ｖ４は、その制御信号の生成を停止するように制御されてもよい。バルクコンデンサ１０８に関連するパラメータは、例えば、温度、ＥＳＲ値、充電および／または放電の回数などであってもよい。信号源Ｖ４がその制御信号の生成を停止すると、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４はオフ（例えば、開放）のままであり、補助回路３０４は動作が停止される。
【0040】
さらに、図３の電力コンバータ３００は、入力電圧と電流を出力電圧と電流に変換するための１つまたは複数の構成要素を含むことができる。例えば、図３に示すように、電源回路３０２は、４つのダイオードＤ６、Ｄ８、Ｄ９、Ｄ１０を有するオプションの整流回路３１４を含む。図３の例では、ダイオードＤ６，Ｄ８，Ｄ９，Ｄ１０は、交流電源Ｖ３からの交流電力を直流電力に変換するフルブリッジ構成で構成されている。他の例では、別の適切な整流回路を使用することができる。図３には示されていないが、電源回路３０２は、１つまたは複数の電力スイッチング装置、インダクタ、コンデンサなどをさらに含んでもよい。
【0041】
いくつかの例では、図３の補助回路３０４は、上で説明したような別の適切な誘導装置を含むことができる。例えば、図７には、図３の電源回路３０２と制御回路（例えば、信号源Ｖ４）と、図３のＭＯＳＦＥＴ Ｑ４およびダイオードＤ７、ならびに結合インダクタＣＩを含む補助回路７０４とを含む電力コンバータ７００が示されている。補助回路７０４は、電源回路３０２内のバルクコンデンサＣ１を加熱するための図３の補助回路３０４と同様に機能する。例えば、バルクコンデンサＣ１は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４がオンのときに電圧源として結合インダクタの巻線Ｗ１に放電し、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４がオフのときに結合インダクタの巻線Ｗ２から（さらにダイオードＤ７を通って）流れる電流で充電することができる。
【0042】
他の例では、本明細書に開示した補助回路のいずれか１つは、電圧スパイクを抑制するためのスナバ回路を含むことができる。例えば、図８は、本明細書に開示した電源回路のいずれか１つ、および／または別の適切な電源回路と共に使用することができる補助回路８０４を示す。図８の補助回路８０４は、図３の補助回路３０４と実質的に同様であるが、トランスＴＸ１の一次巻線Ｐ１の両端に結合されたスナバ回路８４０を含む。図示のように、スナバ回路８４０は、コンデンサＣ２、抵抗器Ｒ２、およびダイオードＤ２を含む。コンデンサＣ２と抵抗器Ｒ２とは並列に結合されており、コンデンサＣ２と抵抗器Ｒ２との並列接続と一次巻線Ｐ１との間にはダイオードＤ２が結合されている。図８の例では、コンデンサＣ２は、例えば、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４が状態を変化させることに起因する電圧スパイクによって発生するエネルギーを吸収することができる。
【0043】
さらに、本明細書に開示する補助回路のいずれか１つは、少なくとも１つのバルクコンデンサを有する任意の適切な電力変換器（例えば、スイッチング電力変換器）に使用することができる。例えば、補助回路は、ＡＣ／ＤＣ、ＤＣ／ＡＣおよび／またはＤＣ／ＤＣ電力変換を提供するために、例えばバック、ブースト、バックブーストなどのトポロジのような様々なコンバータトポロジを有する電源回路と共に使用することができる。いくつかの例では、電源回路のブーストトポロジはＰＦＣ回路を含んでもよい。例えば、図９～図１１は、様々なブーストＰＦＣトポロジを有する電源回路９０２、１００２、１１０２と、図３の補助回路３０４と、補助回路３０４のＭＯＳＦＥＴ Ｑ４を制御するための図３の制御回路（例えば、信号源Ｖ４）とを含む電力変換器９００、１０００、１１００を示す。具体的には、図９の電源回路９０２はＡＣ／ＤＣブースト力率補正（ＰＦＣ：Ｐｏｗｅｒ Ｆａｃｔｏｒ Ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）トポロジを有し、図１０の電源回路１００２はＡＣ／ＤＣブリッジレスブーストＰＦＣトポロジを有し、図１１の電源回路１１０２はトーテムポールブリッジレスブーストＰＦＣトポロジを有する。図１０の電源回路１００２において、ダイオードＤ６，Ｄ７，Ｄ８，Ｄ９の一部または全部を、希望するならＭＯＳＦＥＴ（例えば、ＳｉＣ ＭＯＳＦＥＴ）に置き換えてもよい。さらに、図１１の電源回路１１０２において、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ１、Ｑ５の一部または全部を、希望するならダイオードに置き換えてもよい。
【0044】
さらに、本明細書に開示する制御回路は、補助回路内のスイッチング装置を制御するための制御信号を生成するための任意の適切な回路を含むことができる。例えば、制御回路は、アナログ制御回路、デジタル制御回路、またはハイブリッド制御回路（例えば、デジタル制御回路とアナログ回路）を含んでもよい。デジタル制御回路は、１つまたは複数の種類のデジタル制御回路で実装されてもよい。例えば、デジタル制御回路はそれぞれ、例えば、デジタルシグナルコントローラ（ＤＳＣ）、デジタルシグナルプロセッシング（ＤＳＰ）、マイクロコントローラ、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ：Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ－Ｓｐｅｃｉｆｉｃ ＩＣ）などのデジタルコントローラを含むことができる。
【0045】
いくつかの例では、制御回路は、上述のようにＰＷＭ制御またはＶＦＭ制御を実現することができる。例えば、図１２はＰＷＭ制御を採用した制御回路１２０６を示し、図１３はＶＦＭ制御を採用した制御回路１３０６を示している。いくつかの例では、制御回路１２０６は、図１２に示すように、トランジスタＱ１０、Ｑ１１を駆動するための信号を供給する論理構成要素Ｕ３を含むことができる。同様に、制御回路１３０６は、図１３に示すように、トランジスタＱ８、Ｑ９を駆動するためのクロック信号ＣＬＫ（例えば、５０％のデューティサイクルを有する）を供給する電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ－Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）１３５０を含むことができる。
【0046】
制御回路１２０６、１３０６のいずれか１つを使用して、本明細書に開示する補助回路のいずれか１つにおけるスイッチング装置を制御することができる。例えば、図１２のトランジスタＱ１０，Ｑ１１を、論理構成要素Ｕ３により制御することで、図３の補助回路３０４内のＭＯＳＦＥＴ Ｑ４を制御するためのＰＷＭ制御信号を生成する。さらに、図１３のトランジスタＱ８，Ｑ９を、ＶＣＯ１３５０により制御することで、図３の補助回路３０４内のＭＯＳＦＥＴ Ｑ４を制御するためのＶＦＭ制御信号を生成する。
【0047】
さらに、制御回路１２０６、１３０６は、それらの関連する補助回路の動作を停止させることができる。そのような例では、制御回路１２０６、１３０６は、補助回路の動作を停止させるためのイネーブル信号を受信、生成などをすることができる。例えば、図１２の論理構成要素Ｕ３および図１３のＶＣＯ１３５０は、イネーブル信号によって作動することができる。イネーブル信号が供給されない場合、論理構成要素Ｕ３およびＶＣＯ１３５０の動作を停止することができる。その結果、図１２および図１３のトランジスタＱ８，Ｑ９，Ｑ１０，Ｑ１１を駆動するための信号が供給されず、トランジスタＱ８，Ｑ９，Ｑ１０，Ｑ１１は、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４を制御するための制御信号を生成しない。このような例では、ＭＯＳＦＥＴ Ｑ４はオフのままとなり、補助回路３０４の動作を停止させて充電／放電プロセスを停止することができる。
【0048】
本明細書に開示した補助回路を使用することにより、電力コンバータ内のバルクコンデンサを短時間で効果的に加熱することができる。少なくとも部分的にその加熱により、バルクコンデンサ（例えば、電解コンデンサ）に関連するＥＳＲ値を低減することができる。その結果、高いＥＳＲ値（例えば、低温環境における）に起因する電力コンバータ内のリップル電圧、ノイズなどを最小限に抑えることができる。このように、補助回路により、過電圧保護の起動の防止、出力リップルの過剰仕様の削減、制御ループの安定性の向上が可能となる。
【0049】
実施形態の前述の説明は、例示および説明の目的で提供されている。網羅的であること、または本開示を限定することを意図するものではない。特定の実施形態の個々の要素または特徴は、一般に、その特定の実施形態に限定されず、該当する場合には、交換可能であり、具体的に図示または説明されていなくても、選択された実施形態で使用することができる。同じことは、また多くの方法で変更されてもよい。そのような変形は、本開示からの逸脱と見なされるべきではなく、すべてのそのような修正は、本開示の範囲内に含まれるよう意図されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
