JPH0549251A - 電力スイツチングデバイスにおけるスイツチング損失を最小にするための方法 - Google Patents

電力スイツチングデバイスにおけるスイツチング損失を最小にするための方法

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JPH0549251A
JPH0549251A JP4009107A JP910792A JPH0549251A JP H0549251 A JPH0549251 A JP H0549251A JP 4009107 A JP4009107 A JP 4009107A JP 910792 A JP910792 A JP 910792A JP H0549251 A JPH0549251 A JP H0549251A
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power
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 従来技術に比較してより高い効率で、電力ス
イッチングデバイスにおけるスイッチング損失を最小に
することにある。 【構成】 入力電圧によって動作し、電力スイッチング
デバイスのターン・オン周期中においてエネルギーを入
力から出力に伝送することができるスイッチングコンバ
ータを、上記各電力スイッチングデバイスと並列に接続
し、これによって、上記各電力スイッチングデバイスの
両端にゼロ近傍の電圧が存在するとき、上記各電力スイ
ッチングデバイスをオンさせる。上記スイッチングコン
バータは能動電力スイッチングのストレス緩和手段とし
て動作する。 【効果】 上記電力スイッチングデバイスにおけるスイ
ッチング損失を最小にする一方、非常に効率的な方法で
上記電力スイッチングデバイスの動作のためのエネルギ
ーを供給する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、例えばパワートランジ
スタやダイオードなどの電力スイッチングデバイスに関
し、特に、例えばパルス幅変調される電力スイッチング
デバイスなどの電力スイッチングデバイスにおけるスイ
ッチング損失を減少させるための方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】図２に、従来の突入電流（ｂｕｃｋ ｃ
ｕｒｒｅｎｔ）レギュレータを示す。当該従来のレギュ
レータは、出力ポートの両端に必要とされる出力電圧Ｖ
０に従って、もしくは必要とされる出力電流Ｉ０に従っ
て、インダクタＬ０を流れる電流の大きさを制御するパ
ルス幅変調（ＰＷＭ）される電力スイッチングデバイス
Ｓ１を備える。スイッチングデバイスＳ１はその一例と
して、当該装置の入力ポートの両端に接続される電圧源
Ｖｓによって電源供給されるトランジスタで図示されて
いる。例えばダイオードである１方向性スイッチングデ
バイスＤ１は、上記スイッチングデバイスＳ１がオフさ
れたときにインダクタＬ０において流れる電流のための
パスを提供する。電力スイッチングデバイスＳ１は、そ
の制御電極又はゲートに印加される制御パルスに応答し
てオン又はオフされる。なお、出力ポートの両端に電解
キャパシタＣ０が接続される。
【０００３】スイッチングデバイスＳ１は、有限のター
ン・オフ時間と有限のターン・オン時間を有し、ダイオ
ードＤ１は、それがオフされたとき、逆のリカバリー電
流をスイッチングデバイスＳ１に流す。スイッチングデ
バイスＳ１のスイッチング過渡状態中におけるこれらの
理想的でない状態の結果は、それを流れる電流と、その
両端生じる電圧が同時に存在し、このことが当該スイッ
チングデバイスにおいて損失を生じさせる。このスイッ
チング損失は動作周波数に比例し、従って、これは高い
周波数動作に対する大きな制限となる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】スイッチング損失は、
磁気素子や容量素子の大きさを減少させるためには、例
えば電力コンバータにおいて必要とされる電力スイッチ
ングデバイスなどの、高いスイッチング周波数での電力
スイッチングデバイスの使用に対して大きな制限事項の
１つとなる。
【０００５】この重要な問題点を解決するために、これ
まで幾つかのスナバ回路が提案されており、この要旨に
関係する他の特許のなかで、米国特許第４，６６９，０
２３号がある。しかしながら、すべての従来技術のスナ
バ回路は、ただ単に低い効率を有するという欠点を有
し、その結果、スナバ回路自身の非効率性によってほと
んど電力利得がないという結果によって、電力スイッチ
ング装置における電力損失の節約に注意を払ってきた。
従来技術のスナバ回路の状態の低い効率の理由は、次の
通りである。
【０００６】一般に、スナバ回路の目的は、電力のスイ
ッチングに関係する、電圧と電流の主たる電力のスイッ
チングデバイスのストレスを除去することにあり、多く
のスナバ回路は非常に非効率的な技術を用い、結果とし
て全体の効率の低下をもたらしている。
【０００７】ほとんどの従来技術のスナバ回路におい
て、電力スイッチングデバイスは、次の２つの結果を有
する回路に対してエネルギーを供給するために用いられ
る：１）付加的なストレスは電力スイッチングデバイス
において生じ、そして、２）小さな抵抗を有する電力ス
イッチングデバイスが選択されるが、これは、小さい抵
抗は通常高いスイッチング速度と互換性がないので、そ
の動作サイクルのスイッチング部に対するハンディキャ
ップの１つである。
【０００８】他の構成において、当該回路によって用い
られるエネルギーは電源から取り出され、その入力に戻
される。従って、全体的に低い効率で実行される。この
種のゼロ電圧スイッチングコンバータの一例が、米国特
許第４，９５９，７６４号において開示されている。
【０００９】本発明の目的は、従来技術に比較してより
高い効率で、電力スイッチングデバイスにおけるスイッ
チング損失を最小にすることにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段及び作用】上記の目的を達
成するため、本発明は、入力電圧源の両端に接続された
入力を有するとともに、出力を有する電気回路において
接続された１個又は複数の電力スイッチングデバイスの
各々におけるスイッチング損失を最小にするための方法
であって、入力電圧によって動作し、上記電力スイッチ
ングデバイスのターン・オン周期中においてエネルギー
を入力から出力に伝送することができるスイッチングコ
ンバータ手段を、上記各電力スイッチングデバイスと並
列に接続し、これによって、上記各電力スイッチングデ
バイスの両端にゼロ近傍の電圧が存在するとき、上記各
電力スイッチングデバイスをオンさせるステップを含む
ことを特徴とする。
【００１１】本発明に係る１つの好ましい態様におい
て、１次巻線と２次巻線を有する変圧器は、入力電圧の
両端に、第１のスイッチング手段が直列に接続された１
次巻線を有する一方、２次巻線が出力の両端に第２の１
方向性のスイッチング手段と直列に接続されて設けら
れ、キャパシタが各電力スイッチングデバイスと並列に
接続される。後者の電力スイッチングデバイスは、上記
第１のスイッチング手段がオンとされた後にのみ電力ス
イッチングデバイスがオンされ、これによって、上記電
力スイッチングデバイスは、その両端の電圧がゼロ近傍
の電圧になったときにオンするように、制御される。
【００１２】もう１つの好ましい態様において、当該変
圧器の１次巻線は、電力スイッチングデバイスの両端に
第１のスイッチング手段と直列に接続されるように設け
られ、２次巻線は出力の両端に第２の１方向性のスイッ
チング手段と直列に接続され、キャパシタが各電力スイ
ッチングデバイスに並列に接続されて設けられる。後者
の電力スイッチングデバイスは、上記第１のスイッチン
グ手段がオンされた後にのみ電力スイッチングデバイス
はオンされ、これによって、上記電力スイッチングデバ
イスはその両端の電圧がゼロ近傍の電圧になったときに
オンするように、制御される。
【００１３】本発明は、例えば、ブースト（ｂｏｏｓ
ｔ）コンバータ又はバック（ｂｕｃｋ）コンバータ、順
方向（ｆｏｒｗａｒｄ）コンバータ、プッシュプルコン
バータなどの、多くの異なったコンバータ又はレギュレ
ータのトポロジーにおいて用いてもよい。
【００１４】
【発明の効果】本発明において、スイッチングＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータは、能動電力スイッチングのストレス緩和
手段として動作し、この結果、非常に効率的な方法で、
過渡電圧又は過渡電流が緩和された電力スイッチングデ
バイスにおけるスイッチング損失を最小にするととも
に、上記電力スイッチングデバイスの動作のためにエネ
ルギーを供給する。さらに、すべてのエネルギーは非常
に効率的な方法で入力から出力へ結合して伝送され、こ
れによって、全体的に高い効率を達成する。
【００１５】さらに、本発明は、パルス幅変調された
（ＰＷＭ）コンバータを非常に高い周波数で、及び／又
は非常に高い効率で動作させることができ、その結果、
より小さな大きさの電力システムを実現することができ
る。また、上記電力スイッチングデバイスのスイッチン
グのエッジをより緩やかにすることによって、所望され
ない電磁的なスイッチング雑音の伝送を減少させること
ができる。
【００１６】
【実施例】本発明は、添付の図面と以下の実施例の記述
から容易に理解することができるであろう。
【００１７】上述した従来の回路の変形であり、本発明
に係る一実施例である好ましい回路を図１に示す。当該
実施例は、電力スイッチングデバイスＳ１のスイッチン
グ周期中において、入力電圧によって動作しかつエネル
ギーを入力から出力に伝送させることができる低電力ス
イッチングＤＣ−ＤＣコンバータ１０を、電力スイッチ
ングデバイスＳ１と並列に接続することによって構成さ
れる。スイッチングコンバータ１０の目的は、電力スイ
ッチングデバイスＳ１の両端の電圧を、そのターン・オ
ン（電流の立ち上がり）の周期及びそのターン・オフ
（電流の立ち下がり）の周期中において、ゼロ電圧近く
にセットし、これによって当該スイッチング損失を大幅
に減少させることにある。
【００１８】図１の好ましい実施例において、スイッチ
ングコンバータ１０は変圧器Ｔ１を備え、当該変圧器Ｔ
１の１次巻線ｗＰは、入力電圧Ｖｓの両端に、図１にお
いてトランジスタとして示されスイッチングデバイスＳ
２と直列に接続されるように設けられる。変圧器Ｔ１の
２次巻線ｗＳは、図１においてダイオードとして示され
ている１方向性スイッチングデバイスＤ２と直列に接続
されるように設けられる。また、電力スイッチングデバ
イスＳ１の両端にキャパシタＣ１が接続される。
【００１９】スイッチングコンバータ１０の動作は、図
３乃至図８によって図示されている。図３は図１の装置
における典型的な波形を示し、図４乃至図８は、互いに
連続する５個の時間周期中で当該装置において設定され
る電流のパルスを示す。
【００２０】＜周期ｔ０からｔ１まで（図４）＞主たる
スイッチングデバイスＳ１がオフされ、インダクタ電流
ＩＤ１がダイオードＤ１を介して流れると考えられる。
スイッチングデバイスＳ１がオンされる前に、時刻ｔ０
においてスイッチングデバイスＳ２はオンされる。電流
Ｉｗｓは変圧器Ｔ１の２次巻線と、ダイオードＤ２とを
介して流れる。変圧器Ｔ１の等価的なインダクタンスＬ
ｅのために、時刻ｔ１においてその電流がインダクタン
スＬ０に流れる電流値ＩＬに等しくなるまで、当該電流
が、ゼロから開始して、ｎＶｓ／Ｌｅの比（ここで、ｎ
は変圧器Ｔ１の２次巻線のターン数と１次巻線のターン
数との比である。）の速度で線形的に大きくなる。
【００２１】＜周期ｔ１からｔ２まで（図５）＞変圧器
Ｔ１の２次巻線はすべての電流ＩＬを供給し、ダイオー
ドＤ１を流れる電流はゼロとなり、ダイオードＤ１はオ
フ状態になり、これによって、ダイオードＤ１の端子の
両端の電圧を上昇させる。電流Ｉｗｓは制御される速度
で大きくなるため、ダイオードＤ１のターン・オフは緩
やかに行われ、すなわち逆のリカバリー電流はゼロに近
づく。スイッチングデバイスＳ２はいまだオン状態であ
るので、電流Ｉｗｓは流れ続け、キャパシタＣ１の両端
の電圧は時刻ｔ２においてゼロに減少する。キャパシタ
Ｃ１の放電は、キャパシタＣ１と等価インダクタンスＬ
ｅの共振回路によって本来正弦的である。時刻ｔ２にお
いて、もし電流Ｉｗｓがいまだ電流ＩＬよりも大きいな
らば、余分な電流がその電圧を上昇させるように試みる
が、このことは、スイッチングデバイスＳ１であり反対
方向で並列に接続される（ａｎｔｉ−ｐａｒａｌｌｅ
ｌ）真性ダイオードがこの電圧を入力電圧Ｖｓにクラン
プするために生じることはない。
【００２２】＜周期ｔ２からｔ３まで（図６）＞スイッ
チングデバイスＳ１の両端の電圧がゼロに近づく時刻ｔ
２において、このスイッチングデバイスＳ１を、非常に
小さいスイッチング損失でオンさせることができる。時
刻ｔ２とｔ３との間に、電流Ｉｗｓは減少し、時刻ｔ３
においてゼロとなり、スイッチングデバイスＳ２はその
スイッチングデバイスＳ２を流れる小さい電流のみでオ
フにされる。スイッチングデバイスＳ２のターン・オン
及びターン・オフの両方を小さな値の導通電流で行わせ
ることができるので、そのスイッチング損失を非常に小
さくすることができる。電流Ｉｗｓと電流ＩＳ１の和は
電流ＩＬの瞬時値に等しく、スイッチングデバイスＳ１
を流れる電流ＩＳ１は、電流ＩｗＳの低下に等しい速度
でゼロから大きくなる。
【００２３】＜周期ｔ３からｔ４まで（図７）＞時刻ｔ
３とｔ４との間において、変圧器Ｔ１の２次巻線におけ
る電流はゼロであり、スイッチングデバイスＳ１は導通
電流ＩＬを流す。
【００２４】＜周期ｔ４からｔ５まで（図８）＞時刻ｔ
４において、スイッチングデバイスＳ１はオフされる。
そのとき、電流ＩＬはキャパシタＣ１によって提供され
る。スイッチングデバイスＳ１の両端の電圧ＶＳ１は、
電圧値Ｖｓから低下して時刻ｔ５においてゼロになり、
ダイオードｄ１はオンされる。スイッチングデバイスＳ
１のターン・オフ中において、キャパシタＣ１は、スイ
ッチングデバイスＳ１のターン・オフ中における損失が
非常に小さな値で保持されるように、電流ＩＬのほとん
どすべてを供給する。
【００２５】当該装置の動作に関する上述の記述から明
らかなように、電力スイッチングデバイスＳ１の両端の
電圧がゼロに近づくときのみ電力スイッチングデバイス
Ｓ１を切り換えることができるようにすべきであり、こ
のことは、ダイオードＤ１の両端の電圧が入力電圧Ｖｓ
の値に等しくなるときに生じる。再び図１に参照する
と、イネーブルパルスＥＮに応答して制御パルスを発生
するために設けられる適当な制御手段１１によってスイ
ッチングデバイスＳ１は制御される。当該イネーブルパ
ルスＥＮは、ダイオードＤ１の両端の電圧ＶＤ１を測定
しかつ当該電圧ＶＤ１が入力電圧値Ｖｓに近づくとき上
記イネーブルパルスを発生するために接続された電圧検
出デバイス１２によって発生される。図３は、スイッチ
ングデバイスＳ２がまずオンされ、次いで、主たるスイ
ッチングデバイスＳ１の両端の電圧がゼロ近くになると
き、スイッチングデバイスＳ１は、無損失の方法でオン
にされる。
【００２６】本発明に係るスイッチング電流コンバータ
を用いる利点は、当該コンバータのすべての電力が入力
から出力へ結合していることにあり、これによって、全
体的に高い効率を達成するという結果をもたらす。
【００２７】さらに、電流コンバータは、ダイオードＤ
１の故障の場合に自動的に電圧源Ｖｓの保護を提供す
る。実際のところ、ダイオードＤ１が電圧源に対して短
絡回路を生じさせるとき、出力電圧ＶＤ１はゼロであ
り、上述したように、電圧検出デバイス１２はスイッチ
ングデバイスＳ１がオンとなることを禁止する。従っ
て、供給される電圧Ｖｓにおいて短絡回路を生じさせな
いことは、より多くの耐故障動作のために直列接続され
た２個の冗長なダイオードＤ１を設けることは通常の方
法であるという従来技術の装置において達成できること
なので、このことは可能である。本発明によれば余分な
ダイオードをなくし、効率を増加させている。
【００２８】前述の実施例は好ましいものとして記述し
たが、本発明は、例えば、ブースト・コンバータ、順方
向コンバータ、プッシュプルコンバータなどの多くの他
のコンバータのトポロジーに適用してもよい。例えば、
図９は、本発明の装置を備えた典型的なブーストコンバ
ータの回路を示している。図９に図示されたスイッチン
グコンバータ１０は、主たるスイッチングデバイスＳ１
がちょうどオンされる前に、コンバータ１０の入力電流
が当該主たるスイッチングデバイスＳ１の両端の電圧を
ゼロにさせるということを除いて、図１のバックコンバ
ータのための方法と同様の方法で動作する。この場合の
波形は図３に図示したものと同様である。図１０は、本
発明の装置を備えた典型的な順方向コンバータの回路を
示す。図１１は本発明の装置を備えたＰＷＭプッシュプ
ルコンバータの（それ自体で知られている）典型的な回
路を示す。この装置は、変圧器Ｔ２と、２個の電力スイ
ッチングデバイスＳ１及びＳ１’を備える。本発明によ
れば、各電力スイッチングデバイスと並列に、図９に図
示されるように、スイッチングコンバータ１０，１０’
が設けられる。各能動スイッチングコンバータは、上述
したように、対応する電力スイッチングデバイスを制御
し、その電力スイッチングデバイスのためのストレスの
緩和手段として動作する。
【００２９】上記の開示内容から、変形例、変更例、及
び等価な装置は、本発明の範囲から逸脱することなし
に、当業者に明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る一実施例である突入電流レギュ
レータの回路図である。
【図２】 従来の突入電流レギュレータの回路図であ
る。
【図３】 図１の装置の動作を示すタイミングチャート
である。
【図４】 図３の周期ｔ０からｔ１までの図１の装置の
動作を示す回路図である。
【図５】 図３の周期ｔ１からｔ２までの図１の装置の
動作を示す回路図である。
【図６】 図３の周期ｔ２からｔ３までの図１の装置の
動作を示す回路図である。
【図７】 図３の周期ｔ３からｔ４までの図１の装置の
動作を示す回路図である。
【図８】 図３の周期ｔ４からｔ５までの図１の装置の
動作を示す回路図である。
【図９】 好ましい第１のタイプのコンバータへの本発
明の適用を示す回路図である。
【図１０】 好ましい第２のタイプのコンバータへの本
発明の適用を示す回路図である。
【図１１】 好ましい第３のタイプのコンバータへの本
発明の適用を示す回路図である。
【符号の説明】
Ｓ１，Ｓ１’…電力スイッチングデバイス、 Ｓ２…スイッチングデバイス、 Ｄ１，Ｄ２…１方向性スイッチングデバイス、 Ｃ０…電解キャパシタ、 Ｃ１，Ｃ１’…キャパシタ、 Ｌ０…インダクタ、 Ｔ１，Ｔ２…変圧器、 Ｌｅ…変圧器Ｔ１の等価インダクタンス、 ｗＰ…変圧器Ｔ１の１次巻線、 ｗＳ…変圧器Ｔ１の２次巻線、 Ｖｓ…電圧源、 １０，１０’…電力スイッチングＤＣ−ＤＣコンバー
タ、 １１…制御回路、 １２…電圧検出デバイス。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 入力電圧源の両端に接続された入力を有
    するとともに、出力を有する電気回路において接続され
    た１個又は複数の電力スイッチングデバイスの各々にお
    けるスイッチング損失を最小にするための方法であっ
    て、 入力電圧によって動作し、上記電力スイッチングデバイ
    スのターン・オン周期中においてエネルギーを入力から
    出力に伝送することができるスイッチングコンバータ手
    段を、上記各電力スイッチングデバイスと並列に接続
    し、これによって、上記各電力スイッチングデバイスの
    両端にゼロ近傍の電圧が存在するとき、上記各電力スイ
    ッチングデバイスをオンさせるステップを含むことを特
    徴とする方法。
  2. 【請求項２】 上記スイッチングコンバータ手段を接続
    するステップは、 １次巻線と２次巻線とを有する変圧器手段を設け、上記
    １次巻線を上記入力電圧の両端に、第１のスイッチング
    手段を直列に接続することと、 上記２次巻線を上記出力の両端に第２の１方向性のスイ
    ッチング手段と直列に接続することと、 キャパシタ手段を上記各電力スイッチングデバイスと並
    列に接続することと、 上記第１のスイッチング手段がオンされた後にのみ、上
    記電力スイッチングデバイスをオンさせ、これによっ
    て、上記電力スイッチングデバイスの両端がゼロ近傍電
    圧になるときに、上記電力スイッチングデバイスがオン
    されることとを含むことを特徴とする請求項１記載の方
    法。
  3. 【請求項３】 上記スイッチングコンバータ手段を接続
    するステップは、 １次巻線と２次巻線とを有する変圧器手段を設け、上記
    １次巻線を上記電力スイッチングデバイスの両端に、第
    １のスイッチング手段と直列に接続することと、 上記２次巻線を上記出力の両端に第２の１方向性のスイ
    ッチング手段と直列に接続することと、 キャパシタ手段を上記各電力スイッチングデバイスと並
    列に接続することと、 上記第１のスイッチング手段がオンされた後にのみ、上
    記電力スイッチングデバイスをオンさせ、これによっ
    て、上記電力スイッチングデバイスの両端がゼロ近傍電
    圧になるときに、上記電力スイッチングデバイスがオン
    されることとを含むことを特徴とする請求項１記載の方
    法。
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