SEPIC給電バックコンバータ
【解決手段】シングルエンド一次インダクタンスコンバータ(SEPIC)給電バックコンバータは、第1の信号に従って開閉するよう構成された第1のスイッチと、第1のスイッチおよびエネルギ源に結合され、第1の組の1または複数の受動素子を備えたSEPIC部と、第1のスイッチに結合され、第2の組の1または複数の受動素子を備えたバックコンバータ部とを備える。第1のスイッチが閉じられている間、SEPIC部は、第1の組の受動素子の少なくとも一部にエネルギ源からのエネルギを蓄えると共にバックコンバータ部にエネルギを供給するよう構成されており、バックコンバータ部は、負荷にエネルギを供給すると共に第2の組の受動素子の少なくとも一部にエネルギを蓄えるよう構成されている。第1のスイッチが開かれている間、SEPIC部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を負荷に供給するよう構成されており、バックコンバータ部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を負荷に供給するよう構成されている。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【0001】
現代の電子デバイスは、しばしば、電力変換を必要とする。例えば、ノート型コンピュータおよび携帯電話などのバッテリ式デバイスは、バッテリに低電圧および高電流を供給することを求めるマイクロプロセッサを備えることが多い。バックコンバータは、DC−DC電力変換の用途にしばしば用いられる降圧型コンバータの一種である。図1は、従来のバックコンバータを示す概略図である。バックコンバータ100は、スイッチS1BおよびS2Bが交互にオンオフされるよう同期されるため、同期バックコンバータとも呼ばれる。
【0002】
変換効率および過渡応答は、降圧型コンバータの重要なパラメータである。変換効率は、電力変換中の電力損失量を決定し、過渡応答は、負荷電流または電源電圧の変化に対するコンバータの応答速度を決定する。図1に示した従来のトポロジにおいて、スイッチおよび寄生損失は、スイッチモード周波数に正比例し、積分インダクタLBUCKの値は、一次過渡応答を決定して反比例するため、変換効率を増大させると共に過渡応答を改善することは困難であることが多い。
【図面の簡単な説明】
【0003】
【図1】従来のバックコンバータを示す概略図。
【図2A】SEPIC給電バックコンバータの一実施形態を示す概略図。
【図2B】図2Aのデバイス200の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図。
【図2C】タイミング、電圧、および、電流の総和式(summation expression)と共に、図2Aのデバイス200のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフ。
【図2D】S1SBスイッチがターンオフされた時にゲート電荷取り出し(GCE)プロセスを実行するよう構成されたSFBコンバータの一実施形態を示す概略図。
【図2E】図2AのSFBコンバータ200に備えられた整流マトリクスの一実施形態を示す概略図。
【図3】従来のバックコンバータのS1Bスイッチおよび比較的同一のSFBコンバータ実施形態のS1SBスイッチに関するターンオンまたはターンオフ損失比(K)を示すグラフ。
【図4A】バックコンバータ100のスイッチS1Bに関するターンオンおよびターンオフ損失の一次近似を示すグラフ。
【図4B】スイッチのデューティサイクル(D)のスイッチ電圧、スイッチ電流、および、スイッチ電力損失およびそれらの式と共に、SFBコンバータ250のスイッチS1SBに関するターンオンおよびターンオフ損失の一次近似を示すグラフ。
【図5A】電圧、電流、および、伝達関数(M)と共に、単一磁気の電磁的に結合されたSEPIC給電バックコンバータの一実施形態を示す概略図。
【図5B】図5Aのコンバータ500の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す概略図。
【図5C】タイミング、電圧および電流の総和式と共に、図5Aのデバイス500のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフ。
【図5D】GCEプロセス中のSFBコンバータを示す概略図。
【図5E】図5AのSFBコンバータ500に備えられた整流マトリクスを示す概略図。
【図6A】電圧、電流、および、伝達関数(M)と共に、多相型の電磁結合単一磁気SFBコンバータの一実施形態を示す概略図。
【図6B】図6Aのコンバータ600の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図。
【図6C】タイミング、電圧および電流の総和式と共に、図6Aのデバイス600のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフ。
【図7A】SFBコンバータの別の実施形態を示す概略図。
【図7B】図7AのSFBコンバータ700の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図。
【図7C】タイミング、電圧および電流の総和式と共に、図7AのSFBコンバータ700のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフ。
【図8A】電流および寸法の式と共に、従来のバックコンバータの誘電巻線を示す図。
【図8B】電流および寸法の式と共に、SFBコンバータの誘電巻線を示す図。
【図8C】電流および寸法の式と共に、SFBコンバータの誘電巻線を示す図。
【図8D】電流および寸法の式と共に、SFBコンバータの誘電巻線を示す図。
【図8E】従来のバックコンバータおよびSFBコンバータの導電損失比を示すグラフ。
【図9】SFBコンバータ(例えば、SFB200、500、600、または、700)と標準的なバックコンバータのインダクタのセット/リセット比を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0004】
本発明は、処理、装置、システム、および/または、物質の組成を含む多くの方法で実装できる。本明細書では、これらの実装または本発明が取りうる任意の他の形態を、技術と呼ぶ。一般に、開示された処理の工程の順序は、本発明の範囲内で変更されてもよい。特に言及しない限り、タスクを実行するよう構成されるものとして記載されたプロセッサまたはメモリなどの構成要素は、ある時間にタスクを実行するよう一時的に構成された一般的な構成要素として、または、タスクを実行するよう製造された特定の構成要素として実装されてよい。本明細書では、「プロセッサ」という用語は、1または複数のデバイス、回路、および/または、コンピュータプログラム命令などのデータを処理するよう構成された処理コアを指すものとする。
【0005】
以下では、本発明の原理を示す図を参照しつつ、本発明の1または複数の実施形態の詳細な説明を行う。本発明は、かかる実施形態に関連して説明されているが、どの実施形態にも限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものであり、多くの代替物、変形物、および、等価物を含む。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細事項が記載されている。これらの詳細事項は、例示を目的としたものであり、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てがなくとも特許請求の範囲に従って実施可能である。簡単のために、本発明に関連する技術分野で周知の技術事項については、本発明が必要以上にわかりにくくならないように、詳細には説明していない。
【0006】
シングルエンド一次インダクタンスコンバータ(SEPIC)給電バック(SFB)コンバータの実施形態を開示する。コンバータは、バックコンバータ部とガルバニック的に結合または電磁的に結合されたSEPIC部を備える。SEPIC部およびバックコンバータ部は、スイッチを共有する。スイッチが閉じられている間、SEPIC部は、エネルギ源からのエネルギを蓄えると共にバックコンバータ部にエネルギを供給するよう構成されており、バックコンバータ部は、SEPIC部から受け取ったエネルギを負荷に供給すると共にエネルギを蓄えるよう構成されている。スイッチが開かれている間、SEPIC部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を負荷に供給するよう構成されており、バックコンバータ部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を負荷に供給するよう構成されている。
【0007】
図2Aは、SEPIC給電バックコンバータの一実施形態を示す概略図である。簡単のため、寄生効果のない理想的な回路が図示されている。この例において、デバイス200は、バックコンバータ部に結合されたSEPIC部を備える。スイッチS1SBが、SEPIC部およびバックコンバータ部の両方に結合される。後に詳述するように、SEPIC部およびバックコンバータ部は、ガルバニック的に結合される。SEPIC部は、スイッチS2S(SEPIC部関連スイッチとも呼ぶ)と、結合インダクタT1AおよびT1B、コンデンサC2、随意的な入力コンデンサC1を含む一組の受動素子とを備える。エネルギ源Ein(バッテリなど)が、入力ノードAおよびEでインダクタに結合される。エネルギ源の負端子は、接地端子とも呼ばれる。バックコンバータ部は、スイッチS2B(バックコンバータ部関連スイッチとも呼ぶ)と、一組の受動素子とを備える。この例では、受動素子は、インダクタT1Cを含む。負荷Rが、インダクタT1Cの端子と入力源の負端子との間に随意的に結合される。スイッチS1SBは、第1のスイッチング信号に従って開閉するよう構成される。スイッチS2BおよびS2Sは、第2のスイッチング信号に従って開閉するよう構成される。図の実施形態において、スイッチング信号は、制御部206によって提供され、制御部は、一部の実施形態においては随意的にSFBコンバータに含まれる。様々な実施形態において、制御部は、SFBコンバータ回路に結合された別個の構成要素であってもよいし、回路に統合された構成要素であってもよい。第1および第2のスイッチング信号は、互いに反対になるように同期される。換言すれば、S1SBが開いている時にS2BおよびS2Sが閉じ、逆もまた同様である。簡単のため、以下では、コンバータ回路においてインダクタは同じインダクタンスを有すると仮定する。他の実施形態において、異なるインダクタンス値が用いられてもよい。コンバータの伝達関数(すなわち、入力電圧Einに対する出力電圧EOUTの比)は、以下のように表される:
M=D/(2−D)
ここで、Dは、S1SBに関連するスイッチング信号のデューティサイクルであり、D={1−[(Ein−Eout)/(Ein+Eout)]}である。
【0008】
図の実施形態において、積分機能を提供するために、入力コンデンサC1、中間コンデンサC2、出力コンデンサC3が備えられている。S2BおよびS2Sは、ゲート端子を備えるトランジスタを用いて実装される。S2Sのゲート端子に共通モードドライブを提供して、S2Sのトランジスタをオンオフすることによってスイッチを開閉するために、随意的な駆動インダクタT1Dが、回路に備えられる。しかしながら、T1Dは、この例において、実質的には電力変換機能を実行しない。一部の実施形態において、駆動インダクタT1Dは、半導体ドライバまたは任意のその他の適切なドライバに置き換えられる。
【0009】
図2Bは、図2Aのデバイス200の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図である。この例において、誘導巻線T1A、T1B、T1C、および、T1Dは、同じ磁心を共有する。
【0010】
図2Cは、タイミング、電圧および電流の総和式と共に、図2Aのデバイス200のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフである。図の例において、Tは、スイッチング信号の期間を表し、tONは、スイッチS1SBが閉じている(換言すると、スイッチの実装に用いられるトランジスタがオンになっている)期間を表し、tOFFは、S1SBが開いている(トランジスタがオフである)期間を表す。スイッチング信号のデューティサイクルは、Dで表される。
【0011】
図2Aおよび2Cを参照すると、tONの間、S1SBは閉じており、S2BおよびS2Sは開いている。DC電流I1およびI3が、それぞれ、インダクタT1AおよびT1Bを流れる。したがって、エネルギ源からのエネルギは、SEPIC部のインダクタに蓄えられる。この期間中、SEPIC部は、負荷にエネルギを直接供給しないが、バックコンバータ部にエネルギ源からのエネルギを供給する。同時に、電流I6が、T1Cを通して流れる。したがって、エネルギは、バックコンバータ部のインダクタに蓄えられる。図2Cよると、I2(グラフJ)は、コンデンサC2を通る電流であり、I9(グラフP)は、コンデンサC3を通る電流である。tONの間、C2およびC3は、放電(セット)し、電流IOUTが、負荷に供給される。したがって、バックコンバータ部は、tONの間、負荷にエネルギを供給する。
【0012】
再び図2Aおよび2Cを参照すると、tOFFの間、S1SBは開いており、S2BおよびS2Sは閉じている。インダクタT1AおよびT1Bは、DC電流を維持する。SEPIC部は、実質的にインダクタにエネルギを蓄えることなく、スイッチS2Sを通して、蓄えられたエネルギの少なくとも一部を負荷に供給する。閉じられたスイッチS2SはSEPIC部および負荷の間の電気路を形成し、その電気路はDC連続性(DC continuity)を有するため、エネルギ伝達プロセスは、変圧動作を必要としない。したがって、回路はガルバニック的に結合されると考えられる。バックコンバータ部は、tOFF中に、インダクタに蓄えられたエネルギの少なくとも一部を供給する。しかしながら、バックコンバータ部は、tOFF中、実質的にエネルギを蓄えない。C2およびC3は、この期間中に充電(リセット)する。次いで、ON/OFFサイクルが、繰り返される。
【0013】
一部の実施形態において、SFBコンバータは、ターンオフ損失を低減しターンオフ速度を向上させるために、ゲート取り出しプロセス(gate extraction process)を実装するよう構成される。図2Dは、S1SBスイッチがターンオフされた時にゲート電荷取り出し(gate charge extraction)(GCE)プロセスを実行するよう構成されたSFBコンバータの一実施形態を示す概略図である。この例において、デバイス250は図2Aに示したデバイス200と同様のものである。スイッチS1SB、S2BおよびS2Sは、金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を用いて実装される。ドライバDR1およびDR2の出力は、MOSFETのゲートに結合されており、トランジスタをオンオフするスイッチング信号を提供する。ドライバのリターン端子262および264は、それぞれ、MOSFETのソースに連結される。tOFFの間、MOSFET S1SBのゲート端子に印加される電圧が下がって、デバイスをオフにする。しかしながら、インダクタT1Aは、電流を維持し、したがって、電流268をゲートからドライバへ流れさせることにより、MOSFETのゲート−ソース間の静電容量に蓄積した電荷を取り出す。したがって、電流268は、GCE電流と呼ばれる。インダクタT1BがT1Aと結合されているので、電流270がT1Bに誘導される。電流270は、GCE誘導電流と呼ばれ、電流268と反対方向のループに流れる。電流268および270は、併せてターンオフ電流を形成する。GCEプロセスにより、SFBコンバータ250は、速いターンオフ時間と低いターンオフ損失を有することができる。
【0014】
一部の実施形態において、SFBコンバータは、静電容量セット/リセットプロセスを用いて寄生エネルギを含むことにより、コンバータのターンオン特性を改善するために、整流マトリクスを備える。図2Eは、図2AのSFBコンバータ200に備えられた整流マトリクスの一実施形態を示す概略図である。図の例において、整流マトリクス280は、一組のダイオードおよびコンデンサを備える。整流マトリクスのノードB、C、E、および、Fは、SFBコンバータ200のノードB、C、E、および、Fに結合される。コンデンサCcom1、Ccom2、および、Ccom3に関連する電圧は、以下のように表される:
ECcom1=ECcom2=(Ein+Eout)/2、および
ECcom3=(Ein−Eout)/2
【0015】
図3は、従来のバックコンバータのS1Bスイッチおよび比較的同一のSFBコンバータ実施形態のS1SBスイッチに関するターンオンまたはターンオフ損失比(K)を示すグラフである。この例では、SFBコンバータ250のスイッチS1SBのターンオンまたはターンオフ損失が、従来のバックコンバータ100のスイッチS1Bと比較されている。この例において、コンバータ100および250は、同一の特性を備えたスイッチと同じEinおよびIoutとを有すると仮定されるため、比較的同一であると考えられる。スイッチは、同じ速さで開閉すると仮定される。スイッチがターンオンされた時(すなわち、スイッチが閉じられた時)、スイッチ両端の電圧は、瞬時にゼロに落ちないため、ターンオン損失を引き起こす。スイッチがターンオフされた時(すなわち、スイッチが開かれた時)も、スイッチを通る電流は、瞬時にゼロに落ちないため、ターンオフ損失を引き起こす。従来のバックコンバータ100のターンオンおよびターンオフ損失を、直線300で示すように1とする。
【0016】
バックコンバータ100のターンオン損失に対するSFBコンバータ250のターンオン損失比の一次近似式は、以下のように表される:
KSFBon=1/(2−D)3
ここで、Dは、スイッチング信号のデューティサイクルである。Dの関数としての損失曲線は、図の曲線302に対応する。
【0017】
バックコンバータのターンオフ損失に対するSFBコンバータのターンオフ損失の比の一次近似式は、以下のように表される:
KSFBoff=a2/[2Ein2(2−D)]
ここで、aは、デバイスの相互コンダクタンス特性に対応し、Einは、コンバータの入力電圧に対応する。損失曲線は、曲線304に対応する。
【0018】
バックコンバータの総損失(ターンオン損失+ターンオフ損失)に対するSFBコンバータの総損失の比の一次近似式は、以下のように表される:
KSFBTotal=0.5(KSFBon+KSFBoff)
損失曲線は、曲線306に対応する。
【0019】
図4Aは、バックコンバータ100のスイッチS1Bに関するターンオンおよびターンオフ損失の一次近似を示すグラフである。スイッチのデューティサイクル(D)に関して、スイッチ電圧、スイッチ電流、および、スイッチ電力とそれらの式も示されている。
【0020】
図4Bは、スイッチのデューティサイクル(D)のスイッチ電圧、スイッチ電流、および、スイッチ電力およびそれらの式と共に、SFBコンバータ250のスイッチS1SBに関するターンオンおよびターンオフ損失の一次近似を示すグラフである。SFBコンバータ250のスイッチS1SBに関する動作電流IDが、バックコンバータ100のスイッチS1Bに関する動作電流IDよりも著しく小さいため、ターンオン損失は大幅に低減される。S1SBのターンオンに関連するターンオン損失の一次近似は、以下のように表される:
PLossSFBon=[0.25(Ein+Eout)・Iout/(2−D)]・Tturn-on・f
ここで、Einは、コンバータの入力電圧に対応し、Ioutは、コンバータの出力電圧に対応し、Dは、スイッチング信号のデューティサイクルに対応し、Tturn-onは、スイッチをオンにするのに必要な時間に対応し、fは、スイッチング信号の周波数に対応する。
【0021】
S1SBのターンオフに関連するターンオフ損失の一次近似は、以下のように表される:
PLossSFBoff=0.5a・[Iout/(2−D)]・Tturn-off・f
ここで、aは、デバイスの相互コンダクタンス特性(この例では、2ボルト)に対応し、Ioutは、コンバータの出力電流に対応し、Dは、スイッチング信号のデューティサイクルに対応し、Tturn-offは、スイッチのターンオフ時間に対応し、fは、スイッチング信号の周波数に対応する。
【0022】
いくつかの他のSEPIC給電バックコンバータのトポロジが存在する。図5Aは、電圧、電流、および、伝達関数(M)と共に、単一磁気の電磁的に結合されたSEPIC給電バックコンバータの一実施形態を示す概略図である。この例に示したコンバータ500は、電磁的に結合されたSEPIC部およびバックコンバータ部を備える。これらの部分は、S1SBがターンオフされると、SEPIC部から負荷にエネルギを伝達するガルバニック経路がないため、電磁的に結合されていると考えられ、インダクタT1CおよびT1Dが、変圧器として機能し、SEPIC巻線T1AおよびT1Bに蓄えられたエネルギを負荷に伝達する。図5Bは、図5Aのコンバータ500の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す概略図である。
【0023】
図5Cは、タイミング、電圧、および、電流の総和式と共に、図5Aのデバイス500のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフである。
【0024】
図5Dは、GCEプロセス中のSFBコンバータを示す概略図である。この例に示したSFBコンバータ550は、図5Aのコンバータ500と同様のものである。SFBコンバータ550は、電磁的に結合されている。この図に示すように、S1SBがオフになると、GCE電流568が、GCE誘導電流570と反対方向に流れ、スイッチS1SBのゲート・ソース間の静電容量の電荷が速やかに取り除かれる。
【0025】
図5Eは、図5AのSFBコンバータ500に備えられた整流マトリクスを示す概略図である。整流マトリクスのノードB、C、および、Eは、SFBコンバータ500のノードB、C、および、Eに結合される。コンデンサCcom1およびCcom2に関連する電圧は、以下のように表される:
ECcom1=ECcom2=(Ein+Eout)/2
【0026】
一部の実施形態において、SFBは、多相コンバータとして構成される。図6Aは、電圧、電流、および、伝達関数(M)と共に、多相型の電磁結合単一磁気SFBコンバータの一実施形態を示す概略図である。この例において、コンバータ600は、インダクタT1AおよびT1BおよびスイッチS1Sを備える第1のSEPIC部と、インダクタT1EおよびT1FおよびスイッチS2Sを備える第2のSEPIC部とを備える。SEPIC部のインダクタは、電磁的に結合される。入力および出力は、誘導巻線を備える変圧器によって分離される。コンバータは、さらに、インダクタT1CおよびT1GおよびスイッチS1Bを備える第1のバックコンバータ部と、インダクタT1DおよびT1HおよびスイッチS2Bを備える第2のバックコンバータ部とを備える。バックコンバータ部のインダクタも、電磁的に結合される。スイッチS1SBは、第1のSEPIC部を第1のバックコンバータ部に結合し、スイッチS2SBは、第2のSEPIC部を第2のバックコンバータ部に結合する。図5Eに示したものと同様の整流マトリクスがコンバータに備えられている。
【0027】
図6Bは、図6Aのコンバータ600の磁気的構造を、電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図である。
【0028】
図6Cは、タイミング、電圧、および、電流の総和式と共に、図6Aのデバイス600のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフである。スイッチS1SBおよびS2SBのスイッチング信号は、位相オフセットを有する。スイッチS1BおよびS1SBのスイッチング信号は、互いに逆であり、スイッチS2BおよびS2SBのスイッチング信号は、互いに逆である。スイッチS1SB、S1S、および、S1Bを制御する第1のスイッチング信号は、スイッチS2SB、S2S、および、S2Bを制御する第2のスイッチング信号に対する位相オフセットを有する。第1のスイッチング信号は、スイッチS1SBが閉状態の時に、第1のSEPIC部がエネルギを蓄え、第1のバックコンバータ部が負荷にエネルギを供給しつつエネルギを蓄えるように、そして、スイッチS1SBが開状態の時に、第1のSEPIC部および第1のバックコンバータ部の両方が負荷にエネルギを供給するように、スイッチS1SB、S1S、および、S1Bを協調的に動作させる。第2のスイッチング信号により、スイッチS2BS、S2S、および、S2Bは、第2のSEPIC部および第2のバックコンバータ部を同様に動作させるよう機能する。
【0029】
上記の例は、二相分離SFBコンバータを示しているが、一部のコンバータの実施形態は、同様に結合された追加のSEPICおよびバックコンバータ部を備えてN相SFBコンバータを形成するよう構成される。
【0030】
図7Aは、SFBコンバータの別の実施形態を示す概略図である。この例において、SFBコンバータ700は、電磁的に結合される。様々な実施形態において、T1CおよびT1Dは、単一の導体に一体化されてもよいし、複数の導体として分離されてもよい。図7Bは、図7AのSFBコンバータ700の磁気的構造を、電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図である。図5Eと同様の整流マトリクスが、随意的に、コンバータのノードB、C、および、Eに結合される。図7Cは、タイミング、電圧、および、電流の総和式と共に、図7AのSFBコンバータ700のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフである。電流I2(グラフJ)に示すように、SEPICのインダクタの一方T1Bは、主に、GCEプロセス中に電流を伝導する。したがって、SFBコンバータ700では、ターンオフエネルギ損失が、SFBコンバータの実施形態200および500よりもさらに小さくなる。
【0031】
従来のバックコンバータと比較すると、SFBコンバータは、SFBコンバータ内での誘電巻線の配置方法から、導電損失が低減される。図8Aないし図8Dは、電流および寸法の式と共に、従来のバックコンバータおよびいくつかのSFBコンバータの誘電巻線を示す図である。図8Aでは、バックコンバータ100の4つの誘導巻線T1A、T1B、T1C、および、T1Dを示す。誘電巻線は、同じ磁心を共有する。同じ磁気巻線が、図8B、図8C、および、図8Dにも示されており、それぞれ、SFBコンバータ200、500、および、700に対応する。バックコンバータおよびSFBコンバータの巻線は、同じ磁心面積、窓面積、および、巻数を有するため、寸法的に同一である。しかしながら、コンバータのトポロジが異なると、個々の巻線を通る電流の量が異なる。コンバータが、同一の出力電力を有し、同じ抵抗を有する巻線を備えると仮定すると、電流値が異なるために、巻線において消散されるエネルギ量が異なる。
【0032】
図8Eは、従来のバックコンバータおよびSFBコンバータの導電損失比を示すグラフである。グラフは、従来のバックコンバータ100と、SFBコンバータ200、500、および700との損失比を比較したものである。コンバータは、同じ値の個別の構成要素を有し、同じEinおよびIOUTを有すると仮定する。スイッチは、同じ速さで開閉すると仮定される。導電損失比(K)は、デューティサイクルで表される。直線800で示すように、バックコンバータ100の導電損失比を1とする。
【0033】
SFB200の導電損失比は、曲線802で示され、以下のように表現される:
K=2(1−D+D2)/(2−D)2
【0034】
SFB500および700の導電損失比は、同じである。Dの関数としての損失比は、曲線804で示され、以下のように表現される:
K=(2−0.5D)/(2−D)2
【0035】
SFBコンバータは、さらに、より速い過渡応答特性を有する。比較的同一の従来のバックコンバータと比較すると、SFBコンバータの積分インダクタの過渡EMF(セット)ボルト秒(Et)および積分インダクタのMMF(リセット)ボルト秒(Et)は、共に低い。図9は、SFBコンバータ(例えば、SFB200、500、600、または、700)と標準的なバックコンバータのインダクタのセット/リセット比を示すグラフである。比Kは、伝達関数Mで表現される。従来のバックコンバータ100のセット比およびリセット比を共に1であると仮定し、直線900で示す。同じ受動素子の値、出力、および、スイッチングデューティサイクルを備えたSFBコンバータのリセット比は、直線902で示され、以下のように表現される:
KSFBreset=[(1+M)/2]2
ここで、M=D/(2−D)である。
【0036】
SFBコンバータのセット比は、直線904で示され、以下のように表現される。
KSFBset=(1+M)/2
【0037】
前述の実施形態は、理解しやすいように少し詳しく説明されているが、本発明は、提供された詳細事項に限定されるものではない。本発明を実施する多くの代替方法がある。開示された実施形態は、例示であり、限定を意図するものではない。
【背景技術】
【0001】
現代の電子デバイスは、しばしば、電力変換を必要とする。例えば、ノート型コンピュータおよび携帯電話などのバッテリ式デバイスは、バッテリに低電圧および高電流を供給することを求めるマイクロプロセッサを備えることが多い。バックコンバータは、DC−DC電力変換の用途にしばしば用いられる降圧型コンバータの一種である。図1は、従来のバックコンバータを示す概略図である。バックコンバータ100は、スイッチS1BおよびS2Bが交互にオンオフされるよう同期されるため、同期バックコンバータとも呼ばれる。
【0002】
変換効率および過渡応答は、降圧型コンバータの重要なパラメータである。変換効率は、電力変換中の電力損失量を決定し、過渡応答は、負荷電流または電源電圧の変化に対するコンバータの応答速度を決定する。図1に示した従来のトポロジにおいて、スイッチおよび寄生損失は、スイッチモード周波数に正比例し、積分インダクタLBUCKの値は、一次過渡応答を決定して反比例するため、変換効率を増大させると共に過渡応答を改善することは困難であることが多い。
【図面の簡単な説明】
【0003】
【図1】従来のバックコンバータを示す概略図。
【図2A】SEPIC給電バックコンバータの一実施形態を示す概略図。
【図2B】図2Aのデバイス200の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図。
【図2C】タイミング、電圧、および、電流の総和式(summation expression)と共に、図2Aのデバイス200のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフ。
【図2D】S1SBスイッチがターンオフされた時にゲート電荷取り出し(GCE)プロセスを実行するよう構成されたSFBコンバータの一実施形態を示す概略図。
【図2E】図2AのSFBコンバータ200に備えられた整流マトリクスの一実施形態を示す概略図。
【図3】従来のバックコンバータのS1Bスイッチおよび比較的同一のSFBコンバータ実施形態のS1SBスイッチに関するターンオンまたはターンオフ損失比(K)を示すグラフ。
【図4A】バックコンバータ100のスイッチS1Bに関するターンオンおよびターンオフ損失の一次近似を示すグラフ。
【図4B】スイッチのデューティサイクル(D)のスイッチ電圧、スイッチ電流、および、スイッチ電力損失およびそれらの式と共に、SFBコンバータ250のスイッチS1SBに関するターンオンおよびターンオフ損失の一次近似を示すグラフ。
【図5A】電圧、電流、および、伝達関数(M)と共に、単一磁気の電磁的に結合されたSEPIC給電バックコンバータの一実施形態を示す概略図。
【図5B】図5Aのコンバータ500の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す概略図。
【図5C】タイミング、電圧および電流の総和式と共に、図5Aのデバイス500のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフ。
【図5D】GCEプロセス中のSFBコンバータを示す概略図。
【図5E】図5AのSFBコンバータ500に備えられた整流マトリクスを示す概略図。
【図6A】電圧、電流、および、伝達関数(M)と共に、多相型の電磁結合単一磁気SFBコンバータの一実施形態を示す概略図。
【図6B】図6Aのコンバータ600の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図。
【図6C】タイミング、電圧および電流の総和式と共に、図6Aのデバイス600のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフ。
【図7A】SFBコンバータの別の実施形態を示す概略図。
【図7B】図7AのSFBコンバータ700の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図。
【図7C】タイミング、電圧および電流の総和式と共に、図7AのSFBコンバータ700のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフ。
【図8A】電流および寸法の式と共に、従来のバックコンバータの誘電巻線を示す図。
【図8B】電流および寸法の式と共に、SFBコンバータの誘電巻線を示す図。
【図8C】電流および寸法の式と共に、SFBコンバータの誘電巻線を示す図。
【図8D】電流および寸法の式と共に、SFBコンバータの誘電巻線を示す図。
【図8E】従来のバックコンバータおよびSFBコンバータの導電損失比を示すグラフ。
【図9】SFBコンバータ(例えば、SFB200、500、600、または、700)と標準的なバックコンバータのインダクタのセット/リセット比を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【0004】
本発明は、処理、装置、システム、および/または、物質の組成を含む多くの方法で実装できる。本明細書では、これらの実装または本発明が取りうる任意の他の形態を、技術と呼ぶ。一般に、開示された処理の工程の順序は、本発明の範囲内で変更されてもよい。特に言及しない限り、タスクを実行するよう構成されるものとして記載されたプロセッサまたはメモリなどの構成要素は、ある時間にタスクを実行するよう一時的に構成された一般的な構成要素として、または、タスクを実行するよう製造された特定の構成要素として実装されてよい。本明細書では、「プロセッサ」という用語は、1または複数のデバイス、回路、および/または、コンピュータプログラム命令などのデータを処理するよう構成された処理コアを指すものとする。
【0005】
以下では、本発明の原理を示す図を参照しつつ、本発明の1または複数の実施形態の詳細な説明を行う。本発明は、かかる実施形態に関連して説明されているが、どの実施形態にも限定されない。本発明の範囲は、特許請求の範囲によってのみ限定されるものであり、多くの代替物、変形物、および、等価物を含む。以下の説明では、本発明の完全な理解を提供するために、多くの具体的な詳細事項が記載されている。これらの詳細事項は、例示を目的としたものであり、本発明は、これらの具体的な詳細事項の一部または全てがなくとも特許請求の範囲に従って実施可能である。簡単のために、本発明に関連する技術分野で周知の技術事項については、本発明が必要以上にわかりにくくならないように、詳細には説明していない。
【0006】
シングルエンド一次インダクタンスコンバータ(SEPIC)給電バック(SFB)コンバータの実施形態を開示する。コンバータは、バックコンバータ部とガルバニック的に結合または電磁的に結合されたSEPIC部を備える。SEPIC部およびバックコンバータ部は、スイッチを共有する。スイッチが閉じられている間、SEPIC部は、エネルギ源からのエネルギを蓄えると共にバックコンバータ部にエネルギを供給するよう構成されており、バックコンバータ部は、SEPIC部から受け取ったエネルギを負荷に供給すると共にエネルギを蓄えるよう構成されている。スイッチが開かれている間、SEPIC部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を負荷に供給するよう構成されており、バックコンバータ部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を負荷に供給するよう構成されている。
【0007】
図2Aは、SEPIC給電バックコンバータの一実施形態を示す概略図である。簡単のため、寄生効果のない理想的な回路が図示されている。この例において、デバイス200は、バックコンバータ部に結合されたSEPIC部を備える。スイッチS1SBが、SEPIC部およびバックコンバータ部の両方に結合される。後に詳述するように、SEPIC部およびバックコンバータ部は、ガルバニック的に結合される。SEPIC部は、スイッチS2S(SEPIC部関連スイッチとも呼ぶ)と、結合インダクタT1AおよびT1B、コンデンサC2、随意的な入力コンデンサC1を含む一組の受動素子とを備える。エネルギ源Ein(バッテリなど)が、入力ノードAおよびEでインダクタに結合される。エネルギ源の負端子は、接地端子とも呼ばれる。バックコンバータ部は、スイッチS2B(バックコンバータ部関連スイッチとも呼ぶ)と、一組の受動素子とを備える。この例では、受動素子は、インダクタT1Cを含む。負荷Rが、インダクタT1Cの端子と入力源の負端子との間に随意的に結合される。スイッチS1SBは、第1のスイッチング信号に従って開閉するよう構成される。スイッチS2BおよびS2Sは、第2のスイッチング信号に従って開閉するよう構成される。図の実施形態において、スイッチング信号は、制御部206によって提供され、制御部は、一部の実施形態においては随意的にSFBコンバータに含まれる。様々な実施形態において、制御部は、SFBコンバータ回路に結合された別個の構成要素であってもよいし、回路に統合された構成要素であってもよい。第1および第2のスイッチング信号は、互いに反対になるように同期される。換言すれば、S1SBが開いている時にS2BおよびS2Sが閉じ、逆もまた同様である。簡単のため、以下では、コンバータ回路においてインダクタは同じインダクタンスを有すると仮定する。他の実施形態において、異なるインダクタンス値が用いられてもよい。コンバータの伝達関数(すなわち、入力電圧Einに対する出力電圧EOUTの比)は、以下のように表される:
M=D/(2−D)
ここで、Dは、S1SBに関連するスイッチング信号のデューティサイクルであり、D={1−[(Ein−Eout)/(Ein+Eout)]}である。
【0008】
図の実施形態において、積分機能を提供するために、入力コンデンサC1、中間コンデンサC2、出力コンデンサC3が備えられている。S2BおよびS2Sは、ゲート端子を備えるトランジスタを用いて実装される。S2Sのゲート端子に共通モードドライブを提供して、S2Sのトランジスタをオンオフすることによってスイッチを開閉するために、随意的な駆動インダクタT1Dが、回路に備えられる。しかしながら、T1Dは、この例において、実質的には電力変換機能を実行しない。一部の実施形態において、駆動インダクタT1Dは、半導体ドライバまたは任意のその他の適切なドライバに置き換えられる。
【0009】
図2Bは、図2Aのデバイス200の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図である。この例において、誘導巻線T1A、T1B、T1C、および、T1Dは、同じ磁心を共有する。
【0010】
図2Cは、タイミング、電圧および電流の総和式と共に、図2Aのデバイス200のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフである。図の例において、Tは、スイッチング信号の期間を表し、tONは、スイッチS1SBが閉じている(換言すると、スイッチの実装に用いられるトランジスタがオンになっている)期間を表し、tOFFは、S1SBが開いている(トランジスタがオフである)期間を表す。スイッチング信号のデューティサイクルは、Dで表される。
【0011】
図2Aおよび2Cを参照すると、tONの間、S1SBは閉じており、S2BおよびS2Sは開いている。DC電流I1およびI3が、それぞれ、インダクタT1AおよびT1Bを流れる。したがって、エネルギ源からのエネルギは、SEPIC部のインダクタに蓄えられる。この期間中、SEPIC部は、負荷にエネルギを直接供給しないが、バックコンバータ部にエネルギ源からのエネルギを供給する。同時に、電流I6が、T1Cを通して流れる。したがって、エネルギは、バックコンバータ部のインダクタに蓄えられる。図2Cよると、I2(グラフJ)は、コンデンサC2を通る電流であり、I9(グラフP)は、コンデンサC3を通る電流である。tONの間、C2およびC3は、放電(セット)し、電流IOUTが、負荷に供給される。したがって、バックコンバータ部は、tONの間、負荷にエネルギを供給する。
【0012】
再び図2Aおよび2Cを参照すると、tOFFの間、S1SBは開いており、S2BおよびS2Sは閉じている。インダクタT1AおよびT1Bは、DC電流を維持する。SEPIC部は、実質的にインダクタにエネルギを蓄えることなく、スイッチS2Sを通して、蓄えられたエネルギの少なくとも一部を負荷に供給する。閉じられたスイッチS2SはSEPIC部および負荷の間の電気路を形成し、その電気路はDC連続性(DC continuity)を有するため、エネルギ伝達プロセスは、変圧動作を必要としない。したがって、回路はガルバニック的に結合されると考えられる。バックコンバータ部は、tOFF中に、インダクタに蓄えられたエネルギの少なくとも一部を供給する。しかしながら、バックコンバータ部は、tOFF中、実質的にエネルギを蓄えない。C2およびC3は、この期間中に充電(リセット)する。次いで、ON/OFFサイクルが、繰り返される。
【0013】
一部の実施形態において、SFBコンバータは、ターンオフ損失を低減しターンオフ速度を向上させるために、ゲート取り出しプロセス(gate extraction process)を実装するよう構成される。図2Dは、S1SBスイッチがターンオフされた時にゲート電荷取り出し(gate charge extraction)(GCE)プロセスを実行するよう構成されたSFBコンバータの一実施形態を示す概略図である。この例において、デバイス250は図2Aに示したデバイス200と同様のものである。スイッチS1SB、S2BおよびS2Sは、金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を用いて実装される。ドライバDR1およびDR2の出力は、MOSFETのゲートに結合されており、トランジスタをオンオフするスイッチング信号を提供する。ドライバのリターン端子262および264は、それぞれ、MOSFETのソースに連結される。tOFFの間、MOSFET S1SBのゲート端子に印加される電圧が下がって、デバイスをオフにする。しかしながら、インダクタT1Aは、電流を維持し、したがって、電流268をゲートからドライバへ流れさせることにより、MOSFETのゲート−ソース間の静電容量に蓄積した電荷を取り出す。したがって、電流268は、GCE電流と呼ばれる。インダクタT1BがT1Aと結合されているので、電流270がT1Bに誘導される。電流270は、GCE誘導電流と呼ばれ、電流268と反対方向のループに流れる。電流268および270は、併せてターンオフ電流を形成する。GCEプロセスにより、SFBコンバータ250は、速いターンオフ時間と低いターンオフ損失を有することができる。
【0014】
一部の実施形態において、SFBコンバータは、静電容量セット/リセットプロセスを用いて寄生エネルギを含むことにより、コンバータのターンオン特性を改善するために、整流マトリクスを備える。図2Eは、図2AのSFBコンバータ200に備えられた整流マトリクスの一実施形態を示す概略図である。図の例において、整流マトリクス280は、一組のダイオードおよびコンデンサを備える。整流マトリクスのノードB、C、E、および、Fは、SFBコンバータ200のノードB、C、E、および、Fに結合される。コンデンサCcom1、Ccom2、および、Ccom3に関連する電圧は、以下のように表される:
ECcom1=ECcom2=(Ein+Eout)/2、および
ECcom3=(Ein−Eout)/2
【0015】
図3は、従来のバックコンバータのS1Bスイッチおよび比較的同一のSFBコンバータ実施形態のS1SBスイッチに関するターンオンまたはターンオフ損失比(K)を示すグラフである。この例では、SFBコンバータ250のスイッチS1SBのターンオンまたはターンオフ損失が、従来のバックコンバータ100のスイッチS1Bと比較されている。この例において、コンバータ100および250は、同一の特性を備えたスイッチと同じEinおよびIoutとを有すると仮定されるため、比較的同一であると考えられる。スイッチは、同じ速さで開閉すると仮定される。スイッチがターンオンされた時(すなわち、スイッチが閉じられた時)、スイッチ両端の電圧は、瞬時にゼロに落ちないため、ターンオン損失を引き起こす。スイッチがターンオフされた時(すなわち、スイッチが開かれた時)も、スイッチを通る電流は、瞬時にゼロに落ちないため、ターンオフ損失を引き起こす。従来のバックコンバータ100のターンオンおよびターンオフ損失を、直線300で示すように1とする。
【0016】
バックコンバータ100のターンオン損失に対するSFBコンバータ250のターンオン損失比の一次近似式は、以下のように表される:
KSFBon=1/(2−D)3
ここで、Dは、スイッチング信号のデューティサイクルである。Dの関数としての損失曲線は、図の曲線302に対応する。
【0017】
バックコンバータのターンオフ損失に対するSFBコンバータのターンオフ損失の比の一次近似式は、以下のように表される:
KSFBoff=a2/[2Ein2(2−D)]
ここで、aは、デバイスの相互コンダクタンス特性に対応し、Einは、コンバータの入力電圧に対応する。損失曲線は、曲線304に対応する。
【0018】
バックコンバータの総損失(ターンオン損失+ターンオフ損失)に対するSFBコンバータの総損失の比の一次近似式は、以下のように表される:
KSFBTotal=0.5(KSFBon+KSFBoff)
損失曲線は、曲線306に対応する。
【0019】
図4Aは、バックコンバータ100のスイッチS1Bに関するターンオンおよびターンオフ損失の一次近似を示すグラフである。スイッチのデューティサイクル(D)に関して、スイッチ電圧、スイッチ電流、および、スイッチ電力とそれらの式も示されている。
【0020】
図4Bは、スイッチのデューティサイクル(D)のスイッチ電圧、スイッチ電流、および、スイッチ電力およびそれらの式と共に、SFBコンバータ250のスイッチS1SBに関するターンオンおよびターンオフ損失の一次近似を示すグラフである。SFBコンバータ250のスイッチS1SBに関する動作電流IDが、バックコンバータ100のスイッチS1Bに関する動作電流IDよりも著しく小さいため、ターンオン損失は大幅に低減される。S1SBのターンオンに関連するターンオン損失の一次近似は、以下のように表される:
PLossSFBon=[0.25(Ein+Eout)・Iout/(2−D)]・Tturn-on・f
ここで、Einは、コンバータの入力電圧に対応し、Ioutは、コンバータの出力電圧に対応し、Dは、スイッチング信号のデューティサイクルに対応し、Tturn-onは、スイッチをオンにするのに必要な時間に対応し、fは、スイッチング信号の周波数に対応する。
【0021】
S1SBのターンオフに関連するターンオフ損失の一次近似は、以下のように表される:
PLossSFBoff=0.5a・[Iout/(2−D)]・Tturn-off・f
ここで、aは、デバイスの相互コンダクタンス特性(この例では、2ボルト)に対応し、Ioutは、コンバータの出力電流に対応し、Dは、スイッチング信号のデューティサイクルに対応し、Tturn-offは、スイッチのターンオフ時間に対応し、fは、スイッチング信号の周波数に対応する。
【0022】
いくつかの他のSEPIC給電バックコンバータのトポロジが存在する。図5Aは、電圧、電流、および、伝達関数(M)と共に、単一磁気の電磁的に結合されたSEPIC給電バックコンバータの一実施形態を示す概略図である。この例に示したコンバータ500は、電磁的に結合されたSEPIC部およびバックコンバータ部を備える。これらの部分は、S1SBがターンオフされると、SEPIC部から負荷にエネルギを伝達するガルバニック経路がないため、電磁的に結合されていると考えられ、インダクタT1CおよびT1Dが、変圧器として機能し、SEPIC巻線T1AおよびT1Bに蓄えられたエネルギを負荷に伝達する。図5Bは、図5Aのコンバータ500の磁気的構造を、それに伴う電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す概略図である。
【0023】
図5Cは、タイミング、電圧、および、電流の総和式と共に、図5Aのデバイス500のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフである。
【0024】
図5Dは、GCEプロセス中のSFBコンバータを示す概略図である。この例に示したSFBコンバータ550は、図5Aのコンバータ500と同様のものである。SFBコンバータ550は、電磁的に結合されている。この図に示すように、S1SBがオフになると、GCE電流568が、GCE誘導電流570と反対方向に流れ、スイッチS1SBのゲート・ソース間の静電容量の電荷が速やかに取り除かれる。
【0025】
図5Eは、図5AのSFBコンバータ500に備えられた整流マトリクスを示す概略図である。整流マトリクスのノードB、C、および、Eは、SFBコンバータ500のノードB、C、および、Eに結合される。コンデンサCcom1およびCcom2に関連する電圧は、以下のように表される:
ECcom1=ECcom2=(Ein+Eout)/2
【0026】
一部の実施形態において、SFBは、多相コンバータとして構成される。図6Aは、電圧、電流、および、伝達関数(M)と共に、多相型の電磁結合単一磁気SFBコンバータの一実施形態を示す概略図である。この例において、コンバータ600は、インダクタT1AおよびT1BおよびスイッチS1Sを備える第1のSEPIC部と、インダクタT1EおよびT1FおよびスイッチS2Sを備える第2のSEPIC部とを備える。SEPIC部のインダクタは、電磁的に結合される。入力および出力は、誘導巻線を備える変圧器によって分離される。コンバータは、さらに、インダクタT1CおよびT1GおよびスイッチS1Bを備える第1のバックコンバータ部と、インダクタT1DおよびT1HおよびスイッチS2Bを備える第2のバックコンバータ部とを備える。バックコンバータ部のインダクタも、電磁的に結合される。スイッチS1SBは、第1のSEPIC部を第1のバックコンバータ部に結合し、スイッチS2SBは、第2のSEPIC部を第2のバックコンバータ部に結合する。図5Eに示したものと同様の整流マトリクスがコンバータに備えられている。
【0027】
図6Bは、図6Aのコンバータ600の磁気的構造を、電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図である。
【0028】
図6Cは、タイミング、電圧、および、電流の総和式と共に、図6Aのデバイス600のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフである。スイッチS1SBおよびS2SBのスイッチング信号は、位相オフセットを有する。スイッチS1BおよびS1SBのスイッチング信号は、互いに逆であり、スイッチS2BおよびS2SBのスイッチング信号は、互いに逆である。スイッチS1SB、S1S、および、S1Bを制御する第1のスイッチング信号は、スイッチS2SB、S2S、および、S2Bを制御する第2のスイッチング信号に対する位相オフセットを有する。第1のスイッチング信号は、スイッチS1SBが閉状態の時に、第1のSEPIC部がエネルギを蓄え、第1のバックコンバータ部が負荷にエネルギを供給しつつエネルギを蓄えるように、そして、スイッチS1SBが開状態の時に、第1のSEPIC部および第1のバックコンバータ部の両方が負荷にエネルギを供給するように、スイッチS1SB、S1S、および、S1Bを協調的に動作させる。第2のスイッチング信号により、スイッチS2BS、S2S、および、S2Bは、第2のSEPIC部および第2のバックコンバータ部を同様に動作させるよう機能する。
【0029】
上記の例は、二相分離SFBコンバータを示しているが、一部のコンバータの実施形態は、同様に結合された追加のSEPICおよびバックコンバータ部を備えてN相SFBコンバータを形成するよう構成される。
【0030】
図7Aは、SFBコンバータの別の実施形態を示す概略図である。この例において、SFBコンバータ700は、電磁的に結合される。様々な実施形態において、T1CおよびT1Dは、単一の導体に一体化されてもよいし、複数の導体として分離されてもよい。図7Bは、図7AのSFBコンバータ700の磁気的構造を、電圧、電流、および、SEPIC給電バック結合と共に示す図である。図5Eと同様の整流マトリクスが、随意的に、コンバータのノードB、C、および、Eに結合される。図7Cは、タイミング、電圧、および、電流の総和式と共に、図7AのSFBコンバータ700のタイミング、電圧、および、電流を示した一連のグラフである。電流I2(グラフJ)に示すように、SEPICのインダクタの一方T1Bは、主に、GCEプロセス中に電流を伝導する。したがって、SFBコンバータ700では、ターンオフエネルギ損失が、SFBコンバータの実施形態200および500よりもさらに小さくなる。
【0031】
従来のバックコンバータと比較すると、SFBコンバータは、SFBコンバータ内での誘電巻線の配置方法から、導電損失が低減される。図8Aないし図8Dは、電流および寸法の式と共に、従来のバックコンバータおよびいくつかのSFBコンバータの誘電巻線を示す図である。図8Aでは、バックコンバータ100の4つの誘導巻線T1A、T1B、T1C、および、T1Dを示す。誘電巻線は、同じ磁心を共有する。同じ磁気巻線が、図8B、図8C、および、図8Dにも示されており、それぞれ、SFBコンバータ200、500、および、700に対応する。バックコンバータおよびSFBコンバータの巻線は、同じ磁心面積、窓面積、および、巻数を有するため、寸法的に同一である。しかしながら、コンバータのトポロジが異なると、個々の巻線を通る電流の量が異なる。コンバータが、同一の出力電力を有し、同じ抵抗を有する巻線を備えると仮定すると、電流値が異なるために、巻線において消散されるエネルギ量が異なる。
【0032】
図8Eは、従来のバックコンバータおよびSFBコンバータの導電損失比を示すグラフである。グラフは、従来のバックコンバータ100と、SFBコンバータ200、500、および700との損失比を比較したものである。コンバータは、同じ値の個別の構成要素を有し、同じEinおよびIOUTを有すると仮定する。スイッチは、同じ速さで開閉すると仮定される。導電損失比(K)は、デューティサイクルで表される。直線800で示すように、バックコンバータ100の導電損失比を1とする。
【0033】
SFB200の導電損失比は、曲線802で示され、以下のように表現される:
K=2(1−D+D2)/(2−D)2
【0034】
SFB500および700の導電損失比は、同じである。Dの関数としての損失比は、曲線804で示され、以下のように表現される:
K=(2−0.5D)/(2−D)2
【0035】
SFBコンバータは、さらに、より速い過渡応答特性を有する。比較的同一の従来のバックコンバータと比較すると、SFBコンバータの積分インダクタの過渡EMF(セット)ボルト秒(Et)および積分インダクタのMMF(リセット)ボルト秒(Et)は、共に低い。図9は、SFBコンバータ(例えば、SFB200、500、600、または、700)と標準的なバックコンバータのインダクタのセット/リセット比を示すグラフである。比Kは、伝達関数Mで表現される。従来のバックコンバータ100のセット比およびリセット比を共に1であると仮定し、直線900で示す。同じ受動素子の値、出力、および、スイッチングデューティサイクルを備えたSFBコンバータのリセット比は、直線902で示され、以下のように表現される:
KSFBreset=[(1+M)/2]2
ここで、M=D/(2−D)である。
【0036】
SFBコンバータのセット比は、直線904で示され、以下のように表現される。
KSFBset=(1+M)/2
【0037】
前述の実施形態は、理解しやすいように少し詳しく説明されているが、本発明は、提供された詳細事項に限定されるものではない。本発明を実施する多くの代替方法がある。開示された実施形態は、例示であり、限定を意図するものではない。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
シングルエンド一次インダクタンスコンバータ(SEPIC)給電バックコンバータであって、
第1の信号に従って開閉するよう構成された第1のスイッチと、
前記第1のスイッチおよびエネルギ源に結合され、第1の組の1または複数の受動素子を備えたSEPIC部と、
前記第1のスイッチと結合され、第2の組の1または複数の受動素子を備えたバックコンバータ部と、
を備え、
前記第1のスイッチが閉じられている間、前記SEPIC部は、前記第1の組の受動素子の少なくとも一部にエネルギ源からのエネルギを蓄えると共に前記バックコンバータ部にエネルギを供給するよう構成されており、前記バックコンバータ部は、負荷にエネルギを供給すると共に前記第2の組の受動素子の少なくとも一部にエネルギを蓄えるよう構成されており、
前記第1のスイッチが開かれている間、前記SEPIC部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を前記負荷に供給するよう構成されており、前記バックコンバータ部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を前記負荷に供給するよう構成されている、コンバータ。
【請求項2】
請求項1に記載のコンバータであって、前記バックコンバータ部は、前記SEPIC部にガルバニック的に結合される、コンバータ。
【請求項3】
請求項1に記載のコンバータであって、前記バックコンバータ部は、前記SEPIC部に電磁的に結合される、コンバータ。
【請求項4】
請求項1に記載のコンバータであって、さらに、前記第1の信号に対応する制御信号を供給するよう構成された制御部を備える、コンバータ。
【請求項5】
請求項1に記載のコンバータであって、前記SEPIC部は、さらに、第2の信号に従って開閉するよう構成されたSEPIC部関連スイッチを備える、コンバータ。
【請求項6】
請求項1に記載のコンバータであって、前記バックコンバータ部は、さらに、第2の信号に従って開閉するよう構成されたバックコンバータ部関連スイッチを備える、コンバータ。
【請求項7】
請求項6に記載のコンバータであって、さらに、前記第2の信号に対応する制御信号を供給するよう構成された制御部を備える、コンバータ。
【請求項8】
請求項1に記載のコンバータであって、前記コンバータの伝達関数は、D/(2−D)に対応し、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応する、コンバータ。
【請求項9】
請求項1に記載のコンバータであって、前記第1のスイッチは、金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を備える、コンバータ。
【請求項10】
請求項1に記載のコンバータであって、前記第1のスイッチは、ゲート、ソース、および、ドレインを有するトランジスタを備える、コンバータ。
【請求項11】
請求項10に記載のコンバータであって、さらに、前記第1のスイッチに結合されたドライバを備え、
前記第1のスイッチの前記ゲートおよび前記ソースは、ゲート・ソース間静電容量を形成し、
前記トランジスタのターンオフ時間の間に、前記ゲート・ソース間静電容量から電荷が、前記ドライバによって取り出される、コンバータ。
【請求項12】
請求項11に記載のコンバータであって、
前記第1の組の受動素子は、複数の結合インダクタを含み、
前記トランジスタのターンオフ時間の間に、ゲート電荷取り出し(GCE)電流が、前記トランジスタおよび前記ドライバ間に流れ、GCE誘導電流が、前記インダクタに誘導され、
前記GCE電流および前記GCE誘導電流は、反対方向に流れる電流であり、併せてターンオフ電流を形成する、コンバータ。
【請求項13】
請求項10に記載のコンバータであって、さらに、前記第1のスイッチの前記ゲートおよび前記ソースに結合されたドライバを備える、コンバータ。
【請求項14】
請求項10に記載のコンバータであって、さらに、ドライバ出力端子およびドライバリターン端子を有するドライバを備え、前記ドライバ出力端子は、前記第1のスイッチの前記ゲートに結合され、前記ドライバリターン端子は、前記第1のスイッチの前記ソースに結合されている、コンバータ。
【請求項15】
請求項1に記載のコンバータであって、前記第1のスイッチのターンオンに関連するターンオン損失の一次近似PLossSFBonは、[0.25(Ein+Eout)・Iout/(2−D)]・Tturn-on・fであり、Einは、前記コンバータの入力電圧に対応し、Eoutは、前記コンバータの出力電圧に対応し、Ioutは、前記コンバータの出力電流に対応し、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応し、Tturn-onは、前記第1のスイッチのターンオン時間に対応し、fは、前記第1の信号の周波数に対応する、コンバータ。
【請求項16】
請求項1に記載のコンバータであって、前記第1のスイッチのターンオフに関連するターンオフ損失の一次近似PLossSFBoffは、0.5a・[Iout/(2−D)]・Tturn-off・fであり、aは、デバイスの相互コンダクタンス特性に対応し、Ioutは、前記コンバータの出力電流に対応し、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応し、Tturn-offは、前記第1のスイッチのターンオン時間に対応し、fは、前記第1の信号の周波数に対応する、コンバータ。
【請求項17】
請求項1に記載のコンバータであって、
前記第1の組の受動素子は、第1のインダクタおよび第2のインダクタを含み、
前記第1のスイッチが閉じられている間、前記SEPIC部は、前記第1および第2のインダクタにエネルギを蓄えると共に前記バックコンバータ部にエネルギを供給するよう構成され、
前記第1のスイッチが開かれている間、前記SEPIC部は、前記第1および第2のインダクタに蓄えられた前記エネルギの少なくとも一部を前記負荷に供給するよう構成されている、コンバータ。
【請求項18】
請求項1に記載のコンバータであって、
前記第2の組の受動素子は、インダクタを含み、
前記第1のスイッチが閉じられている間、前記バックコンバータ部は、前記SEPIC部から供給された少なくとも一部のエネルギを前記負荷に供給すると共に前記インダクタにエネルギを蓄えるよう構成され、
前記第1スイッチが開かれている間、前記バックコンバータ部は、前記インダクタに蓄えられた前記エネルギの少なくとも一部を前記負荷に供給するよう構成されている、コンバータ。
【請求項19】
請求項1に記載のコンバータであって、さらに、整流マトリクスを備える、コンバータ。
【請求項20】
請求項1に記載のコンバータであって、
前記SEPIC部は第1のSEPIC部であり、前記バックコンバータ部は第1のバックコンバータ部であり、
前記コンバータは、さらに、
第2のスイッチ信号に従って開閉するよう構成された第2のスイッチと、
前記第2のスイッチおよび前記エネルギ源に結合され、第3の組の受動素子を備えた第2のSEPIC部と、
前記第1のバックコンバータ部に結合され、第4の組の1または複数の受動素子と、さらなるバックコンバータ部関連スイッチとを備えた第2のバックコンバータ部と、
を備え、
前記第1の信号および前記第2の信号は、位相オフセットを有する、コンバータ。
【請求項21】
請求項1に記載のコンバータであって、前記コンバータは、2(1−D+D2)/(2−D)2、1.5{[1−(D/.75)]+(D2/.75)}/(2−D)2、または、(2−0.5D)/(2−D)2の一次近似導電損失比を有し、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応する、コンバータ。
【請求項22】
請求項1に記載のコンバータであって、前記コンバータは、近似的に[(1+M)/2]2であるインダクタリセット比KSFBresetを有し、M=D/(2−D)であり、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応する、コンバータ。
【請求項23】
請求項1に記載のコンバータであって、前記コンバータは、近似的に(1+M)/2であるインダクタセット比KSFBsetを有し、M=D/(2−D)であり、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応する、コンバータ。
【請求項24】
DC−DCコンバータであって、
スイッチS1SB、スイッチS2B、スイッチS2S、コンデンサC2、インダクタT1A、インダクタT1B、および、インダクタT1Cを備え、
前記インダクタT1Aの第1の端子が、エネルギ源の第1の端子に結合され、
前記コンデンサC2の第1の端子、前記インダクタT1Aの第2の端子、および、前記スイッチS1SBの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第1の端子、S1SBの第2の端子、および、S2Bの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第2の端子およびS2Sの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Bの第1の端子およびS2Bの第2の端子が、前記エネルギ源の第2の端子に結合するよう構成され、
前記コンデンサC2の第2の端子、前記インダクタT1Bの第2の端子、および、S2Sの第2の端子が結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項25】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、コンデンサC1およびコンデンサC3を備え、
前記コンデンサC1の第1の端子が、前記インダクタT1Aの前記第1の端子に結合され、前記コンデンサC1の第2の端子が、前記インダクタT1Bの前記第1の端子に結合され、
前記コンデンサC3の第1の端子が、前記インダクタT1Cの前記第2の端子に結合され、前記コンデンサC3の第2の端子が、前記インダクタT1Bの前記第1の端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項26】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1A、T1B、および、T1Cは、誘導結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項27】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1Cの前記第2の端子は、負荷に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項28】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記インダクタT1Aの前記第2の端子、前記インダクタT1Cの前記第1の端子、前記インダクタT1Bの前記第1の端子、および、前記インダクタT1Bの前記第2の端子に結合された整流マトリクスを備える、DC−DCコンバータ。
【請求項29】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、インダクタT1Dを備え、前記インダクタT1Dの第1の端子が、前記スイッチS2Bのゲート端子に結合され、前記インダクタT1Dの第2の端子が、前記スイッチS2Sのゲート端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項30】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記スイッチS1SBに信号を供給するよう構成された制御部を備える、DC−DCコンバータ。
【請求項31】
DC−DCコンバータであって、
スイッチS1SB、スイッチS2B、スイッチS2S、コンデンサC2、インダクタT1A、インダクタT1B、インダクタT1C、および、インダクタT1Dを備え、
前記インダクタT1Aの第1の端子が、エネルギ源の第1の端子に結合され、
前記インダクタT1Aの第2の端子、前記インダクタT1Bの第1の端子、および、スイッチS1SBの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第1の端子、前記インダクタT1Dの第1の端子、前記スイッチS1SBの第2の端子、前記スイッチS2Bの第1の端子、スイッチS2Sの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第2の端子および前記インダクタT1Dの第2の端子が結合され、
前記コンデンサC2の第2の端子、前記スイッチS2Bの第2の端子、および、前記スイッチS2Sの第2の端子が結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項32】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、コンデンサC1およびコンデンサC3を備え、
前記コンデンサC1の第1の端子が、前記インダクタT1Aの前記第1の端子に結合され、前記コンデンサC1の第2の端子が、前記コンデンサC2の前記第2の端子に結合され、
前記コンデンサC3の第1の端子が、前記インダクタT1Cの前記第2の端子に結合され、前記コンデンサC3の第2の端子が、前記コンデンサC2の前記第2の端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項33】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1A、T1B、T1C、および、T1Dは、誘導結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項34】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1Cの前記第2の端子およびT1Dの前記第2の端子は、負荷に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項35】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記インダクタT1Bの前記第2の端子、前記インダクタT1Cの前記第1の端子、および、前記コンデンサC2の前記第2の端子に結合された整流マトリクスを備える、DC−DCコンバータ。
【請求項36】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記スイッチS1SBに信号を供給するよう構成された制御部を備える、DC−DCコンバータ。
【請求項37】
DC−DCコンバータであって、
インダクタT1A、インダクタT1B、インダクタT1C、インダクタT1D、インダクタT1E、インダクタT1F、インダクタT1G、インダクタT1H、コンデンサC2、スイッチS1SB、スイッチS2SB、スイッチS1S、スイッチS2S、スイッチS1B、および、スイッチS2B、を備え、
前記インダクタT1Aの第1の端子、前記インダクタT1Fの第1の端子、および、エネルギ源の第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Aの第2の端子、前記インダクタT1Bの第1の端子、および、前記スイッチS1SBの第1の端子が結合され、
前記スイッチS1SBの第2の端子、前記スイッチS1Sの第1の端子、および、前記インダクタT1Cの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第2の端子および前記インダクタT1Dの第1の端子が結合され、
前記コンデンサC2の第1の端子、前記スイッチS1Sの第2の端子、および、前記スイッチS2Sの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Dの第2の端子、前記スイッチS2SBの第1の端子、および、前記スイッチS2Sの第2の端子が結合され、
前記インダクタT1Eの第2の端子および前記インダクタT1Fの第2の端子が結合され、
前記スイッチS1Bの第1の端子および前記インダクタT1Gの第1の端子が結合され、
前記スイッチS2Bの第1の端子および前記インダクタT1Hの第1の端子が結合され、
前記スイッチS1Bの第2の端子および前記スイッチS2Bの第2の端子が、第1の出力端子に結合され、
前記インダクタT1Gの第2の端子および前記インダクタT1Hの第2の端子が、第2の出力端子に結合され、
前記インダクタT1C、前記インダクタT1D、前記インダクタT1G、および、前記インダクタT1Hは、電磁的に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項38】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、コンデンサC1およびコンデンサC3を備え、
前記コンデンサC1の第1の端子が、前記インダクタT1Aの前記第1の端子に結合され、前記コンデンサC1の第2の端子が、接地端子に結合され、
前記インダクタC3の第1の端子が、前記第1の出力端子に結合され、前記インダクタC3の第2の端子が、前記第2の出力端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項39】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1AおよびT1Bは、誘導結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項40】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、前記第1の出力端子および前記第2の出力端子は、負荷に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項41】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、ノードB、ノードC、および、ノードEに結合された整流マトリクスを備える、DC−DCコンバータ。
【請求項42】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記スイッチS1SBに信号を供給するよう構成された制御部を備える、DC−DCコンバータ。
【請求項43】
DC−DCコンバータであって、
スイッチS1SB、スイッチS2B、コンデンサC2、インダクタT1A、インダクタT1B、および、インダクタT1Cを備え、
前記インダクタT1Aの第1の端子が、エネルギ源の第1の端子に結合され、
前記インダクタT1Aの第2の端子、前記インダクタT1Bの第1の端子、および、前記スイッチS1SBの第1の端子が結合され、
前記スイッチS1SBの第2の端子、前記インダクタT1Cの第1の端子、および、前記スイッチS2Bの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第2の端子が、第1の出力端子に結合され、
前記コンデンサC2の第1の端子および前記インダクタT1Bの第2の端子が結合され、
前記コンデンサC2の第2の端子および前記スイッチS2Bの第2の端子が、第2の出力端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項44】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、インダクタT1Dを備え、前記インダクタT1Dの第1の端子が、前記インダクタT1Cの前記第1の端子に結合され、前記インダクタT1Dの第2の端子が、前記インダクタT1Cの前記第2の端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項45】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、コンデンサC1およびコンデンサC3を備え、
前記コンデンサC1の第1の端子が、前記インダクタT1Aの前記第1の端子に結合され、前記コンデンサC1の第2の端子が、前記第2の出力端子に結合され、
前記コンデンサC3の第1の端子が、前記インダクタT1Cの前記第2の端子に結合され、前記コンデンサC3の第2の端子が、前記第2の出力端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項46】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、前記第1の出力端子は、負荷に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項47】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記インダクタT1Aの前記第2の端子、前記インダクタT1Cの前記第1の端子、および、前記第2の出力端子に結合された整流マトリクスを備える、DC−DCコンバータ。
【請求項48】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記スイッチS1SBに信号を供給するよう構成された制御部を備える、DC−DCコンバータ。
【請求項1】
シングルエンド一次インダクタンスコンバータ(SEPIC)給電バックコンバータであって、
第1の信号に従って開閉するよう構成された第1のスイッチと、
前記第1のスイッチおよびエネルギ源に結合され、第1の組の1または複数の受動素子を備えたSEPIC部と、
前記第1のスイッチと結合され、第2の組の1または複数の受動素子を備えたバックコンバータ部と、
を備え、
前記第1のスイッチが閉じられている間、前記SEPIC部は、前記第1の組の受動素子の少なくとも一部にエネルギ源からのエネルギを蓄えると共に前記バックコンバータ部にエネルギを供給するよう構成されており、前記バックコンバータ部は、負荷にエネルギを供給すると共に前記第2の組の受動素子の少なくとも一部にエネルギを蓄えるよう構成されており、
前記第1のスイッチが開かれている間、前記SEPIC部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を前記負荷に供給するよう構成されており、前記バックコンバータ部は、蓄えたエネルギの少なくとも一部を前記負荷に供給するよう構成されている、コンバータ。
【請求項2】
請求項1に記載のコンバータであって、前記バックコンバータ部は、前記SEPIC部にガルバニック的に結合される、コンバータ。
【請求項3】
請求項1に記載のコンバータであって、前記バックコンバータ部は、前記SEPIC部に電磁的に結合される、コンバータ。
【請求項4】
請求項1に記載のコンバータであって、さらに、前記第1の信号に対応する制御信号を供給するよう構成された制御部を備える、コンバータ。
【請求項5】
請求項1に記載のコンバータであって、前記SEPIC部は、さらに、第2の信号に従って開閉するよう構成されたSEPIC部関連スイッチを備える、コンバータ。
【請求項6】
請求項1に記載のコンバータであって、前記バックコンバータ部は、さらに、第2の信号に従って開閉するよう構成されたバックコンバータ部関連スイッチを備える、コンバータ。
【請求項7】
請求項6に記載のコンバータであって、さらに、前記第2の信号に対応する制御信号を供給するよう構成された制御部を備える、コンバータ。
【請求項8】
請求項1に記載のコンバータであって、前記コンバータの伝達関数は、D/(2−D)に対応し、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応する、コンバータ。
【請求項9】
請求項1に記載のコンバータであって、前記第1のスイッチは、金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を備える、コンバータ。
【請求項10】
請求項1に記載のコンバータであって、前記第1のスイッチは、ゲート、ソース、および、ドレインを有するトランジスタを備える、コンバータ。
【請求項11】
請求項10に記載のコンバータであって、さらに、前記第1のスイッチに結合されたドライバを備え、
前記第1のスイッチの前記ゲートおよび前記ソースは、ゲート・ソース間静電容量を形成し、
前記トランジスタのターンオフ時間の間に、前記ゲート・ソース間静電容量から電荷が、前記ドライバによって取り出される、コンバータ。
【請求項12】
請求項11に記載のコンバータであって、
前記第1の組の受動素子は、複数の結合インダクタを含み、
前記トランジスタのターンオフ時間の間に、ゲート電荷取り出し(GCE)電流が、前記トランジスタおよび前記ドライバ間に流れ、GCE誘導電流が、前記インダクタに誘導され、
前記GCE電流および前記GCE誘導電流は、反対方向に流れる電流であり、併せてターンオフ電流を形成する、コンバータ。
【請求項13】
請求項10に記載のコンバータであって、さらに、前記第1のスイッチの前記ゲートおよび前記ソースに結合されたドライバを備える、コンバータ。
【請求項14】
請求項10に記載のコンバータであって、さらに、ドライバ出力端子およびドライバリターン端子を有するドライバを備え、前記ドライバ出力端子は、前記第1のスイッチの前記ゲートに結合され、前記ドライバリターン端子は、前記第1のスイッチの前記ソースに結合されている、コンバータ。
【請求項15】
請求項1に記載のコンバータであって、前記第1のスイッチのターンオンに関連するターンオン損失の一次近似PLossSFBonは、[0.25(Ein+Eout)・Iout/(2−D)]・Tturn-on・fであり、Einは、前記コンバータの入力電圧に対応し、Eoutは、前記コンバータの出力電圧に対応し、Ioutは、前記コンバータの出力電流に対応し、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応し、Tturn-onは、前記第1のスイッチのターンオン時間に対応し、fは、前記第1の信号の周波数に対応する、コンバータ。
【請求項16】
請求項1に記載のコンバータであって、前記第1のスイッチのターンオフに関連するターンオフ損失の一次近似PLossSFBoffは、0.5a・[Iout/(2−D)]・Tturn-off・fであり、aは、デバイスの相互コンダクタンス特性に対応し、Ioutは、前記コンバータの出力電流に対応し、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応し、Tturn-offは、前記第1のスイッチのターンオン時間に対応し、fは、前記第1の信号の周波数に対応する、コンバータ。
【請求項17】
請求項1に記載のコンバータであって、
前記第1の組の受動素子は、第1のインダクタおよび第2のインダクタを含み、
前記第1のスイッチが閉じられている間、前記SEPIC部は、前記第1および第2のインダクタにエネルギを蓄えると共に前記バックコンバータ部にエネルギを供給するよう構成され、
前記第1のスイッチが開かれている間、前記SEPIC部は、前記第1および第2のインダクタに蓄えられた前記エネルギの少なくとも一部を前記負荷に供給するよう構成されている、コンバータ。
【請求項18】
請求項1に記載のコンバータであって、
前記第2の組の受動素子は、インダクタを含み、
前記第1のスイッチが閉じられている間、前記バックコンバータ部は、前記SEPIC部から供給された少なくとも一部のエネルギを前記負荷に供給すると共に前記インダクタにエネルギを蓄えるよう構成され、
前記第1スイッチが開かれている間、前記バックコンバータ部は、前記インダクタに蓄えられた前記エネルギの少なくとも一部を前記負荷に供給するよう構成されている、コンバータ。
【請求項19】
請求項1に記載のコンバータであって、さらに、整流マトリクスを備える、コンバータ。
【請求項20】
請求項1に記載のコンバータであって、
前記SEPIC部は第1のSEPIC部であり、前記バックコンバータ部は第1のバックコンバータ部であり、
前記コンバータは、さらに、
第2のスイッチ信号に従って開閉するよう構成された第2のスイッチと、
前記第2のスイッチおよび前記エネルギ源に結合され、第3の組の受動素子を備えた第2のSEPIC部と、
前記第1のバックコンバータ部に結合され、第4の組の1または複数の受動素子と、さらなるバックコンバータ部関連スイッチとを備えた第2のバックコンバータ部と、
を備え、
前記第1の信号および前記第2の信号は、位相オフセットを有する、コンバータ。
【請求項21】
請求項1に記載のコンバータであって、前記コンバータは、2(1−D+D2)/(2−D)2、1.5{[1−(D/.75)]+(D2/.75)}/(2−D)2、または、(2−0.5D)/(2−D)2の一次近似導電損失比を有し、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応する、コンバータ。
【請求項22】
請求項1に記載のコンバータであって、前記コンバータは、近似的に[(1+M)/2]2であるインダクタリセット比KSFBresetを有し、M=D/(2−D)であり、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応する、コンバータ。
【請求項23】
請求項1に記載のコンバータであって、前記コンバータは、近似的に(1+M)/2であるインダクタセット比KSFBsetを有し、M=D/(2−D)であり、Dは、前記第1の信号のデューティサイクルに対応する、コンバータ。
【請求項24】
DC−DCコンバータであって、
スイッチS1SB、スイッチS2B、スイッチS2S、コンデンサC2、インダクタT1A、インダクタT1B、および、インダクタT1Cを備え、
前記インダクタT1Aの第1の端子が、エネルギ源の第1の端子に結合され、
前記コンデンサC2の第1の端子、前記インダクタT1Aの第2の端子、および、前記スイッチS1SBの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第1の端子、S1SBの第2の端子、および、S2Bの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第2の端子およびS2Sの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Bの第1の端子およびS2Bの第2の端子が、前記エネルギ源の第2の端子に結合するよう構成され、
前記コンデンサC2の第2の端子、前記インダクタT1Bの第2の端子、および、S2Sの第2の端子が結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項25】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、コンデンサC1およびコンデンサC3を備え、
前記コンデンサC1の第1の端子が、前記インダクタT1Aの前記第1の端子に結合され、前記コンデンサC1の第2の端子が、前記インダクタT1Bの前記第1の端子に結合され、
前記コンデンサC3の第1の端子が、前記インダクタT1Cの前記第2の端子に結合され、前記コンデンサC3の第2の端子が、前記インダクタT1Bの前記第1の端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項26】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1A、T1B、および、T1Cは、誘導結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項27】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1Cの前記第2の端子は、負荷に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項28】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記インダクタT1Aの前記第2の端子、前記インダクタT1Cの前記第1の端子、前記インダクタT1Bの前記第1の端子、および、前記インダクタT1Bの前記第2の端子に結合された整流マトリクスを備える、DC−DCコンバータ。
【請求項29】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、インダクタT1Dを備え、前記インダクタT1Dの第1の端子が、前記スイッチS2Bのゲート端子に結合され、前記インダクタT1Dの第2の端子が、前記スイッチS2Sのゲート端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項30】
請求項24に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記スイッチS1SBに信号を供給するよう構成された制御部を備える、DC−DCコンバータ。
【請求項31】
DC−DCコンバータであって、
スイッチS1SB、スイッチS2B、スイッチS2S、コンデンサC2、インダクタT1A、インダクタT1B、インダクタT1C、および、インダクタT1Dを備え、
前記インダクタT1Aの第1の端子が、エネルギ源の第1の端子に結合され、
前記インダクタT1Aの第2の端子、前記インダクタT1Bの第1の端子、および、スイッチS1SBの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第1の端子、前記インダクタT1Dの第1の端子、前記スイッチS1SBの第2の端子、前記スイッチS2Bの第1の端子、スイッチS2Sの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第2の端子および前記インダクタT1Dの第2の端子が結合され、
前記コンデンサC2の第2の端子、前記スイッチS2Bの第2の端子、および、前記スイッチS2Sの第2の端子が結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項32】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、コンデンサC1およびコンデンサC3を備え、
前記コンデンサC1の第1の端子が、前記インダクタT1Aの前記第1の端子に結合され、前記コンデンサC1の第2の端子が、前記コンデンサC2の前記第2の端子に結合され、
前記コンデンサC3の第1の端子が、前記インダクタT1Cの前記第2の端子に結合され、前記コンデンサC3の第2の端子が、前記コンデンサC2の前記第2の端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項33】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1A、T1B、T1C、および、T1Dは、誘導結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項34】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1Cの前記第2の端子およびT1Dの前記第2の端子は、負荷に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項35】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記インダクタT1Bの前記第2の端子、前記インダクタT1Cの前記第1の端子、および、前記コンデンサC2の前記第2の端子に結合された整流マトリクスを備える、DC−DCコンバータ。
【請求項36】
請求項31に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記スイッチS1SBに信号を供給するよう構成された制御部を備える、DC−DCコンバータ。
【請求項37】
DC−DCコンバータであって、
インダクタT1A、インダクタT1B、インダクタT1C、インダクタT1D、インダクタT1E、インダクタT1F、インダクタT1G、インダクタT1H、コンデンサC2、スイッチS1SB、スイッチS2SB、スイッチS1S、スイッチS2S、スイッチS1B、および、スイッチS2B、を備え、
前記インダクタT1Aの第1の端子、前記インダクタT1Fの第1の端子、および、エネルギ源の第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Aの第2の端子、前記インダクタT1Bの第1の端子、および、前記スイッチS1SBの第1の端子が結合され、
前記スイッチS1SBの第2の端子、前記スイッチS1Sの第1の端子、および、前記インダクタT1Cの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第2の端子および前記インダクタT1Dの第1の端子が結合され、
前記コンデンサC2の第1の端子、前記スイッチS1Sの第2の端子、および、前記スイッチS2Sの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Dの第2の端子、前記スイッチS2SBの第1の端子、および、前記スイッチS2Sの第2の端子が結合され、
前記インダクタT1Eの第2の端子および前記インダクタT1Fの第2の端子が結合され、
前記スイッチS1Bの第1の端子および前記インダクタT1Gの第1の端子が結合され、
前記スイッチS2Bの第1の端子および前記インダクタT1Hの第1の端子が結合され、
前記スイッチS1Bの第2の端子および前記スイッチS2Bの第2の端子が、第1の出力端子に結合され、
前記インダクタT1Gの第2の端子および前記インダクタT1Hの第2の端子が、第2の出力端子に結合され、
前記インダクタT1C、前記インダクタT1D、前記インダクタT1G、および、前記インダクタT1Hは、電磁的に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項38】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、コンデンサC1およびコンデンサC3を備え、
前記コンデンサC1の第1の端子が、前記インダクタT1Aの前記第1の端子に結合され、前記コンデンサC1の第2の端子が、接地端子に結合され、
前記インダクタC3の第1の端子が、前記第1の出力端子に結合され、前記インダクタC3の第2の端子が、前記第2の出力端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項39】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、前記インダクタT1AおよびT1Bは、誘導結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項40】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、前記第1の出力端子および前記第2の出力端子は、負荷に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項41】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、ノードB、ノードC、および、ノードEに結合された整流マトリクスを備える、DC−DCコンバータ。
【請求項42】
請求項37に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記スイッチS1SBに信号を供給するよう構成された制御部を備える、DC−DCコンバータ。
【請求項43】
DC−DCコンバータであって、
スイッチS1SB、スイッチS2B、コンデンサC2、インダクタT1A、インダクタT1B、および、インダクタT1Cを備え、
前記インダクタT1Aの第1の端子が、エネルギ源の第1の端子に結合され、
前記インダクタT1Aの第2の端子、前記インダクタT1Bの第1の端子、および、前記スイッチS1SBの第1の端子が結合され、
前記スイッチS1SBの第2の端子、前記インダクタT1Cの第1の端子、および、前記スイッチS2Bの第1の端子が結合され、
前記インダクタT1Cの第2の端子が、第1の出力端子に結合され、
前記コンデンサC2の第1の端子および前記インダクタT1Bの第2の端子が結合され、
前記コンデンサC2の第2の端子および前記スイッチS2Bの第2の端子が、第2の出力端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項44】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、インダクタT1Dを備え、前記インダクタT1Dの第1の端子が、前記インダクタT1Cの前記第1の端子に結合され、前記インダクタT1Dの第2の端子が、前記インダクタT1Cの前記第2の端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項45】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、コンデンサC1およびコンデンサC3を備え、
前記コンデンサC1の第1の端子が、前記インダクタT1Aの前記第1の端子に結合され、前記コンデンサC1の第2の端子が、前記第2の出力端子に結合され、
前記コンデンサC3の第1の端子が、前記インダクタT1Cの前記第2の端子に結合され、前記コンデンサC3の第2の端子が、前記第2の出力端子に結合されている、DC−DCコンバータ。
【請求項46】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、前記第1の出力端子は、負荷に結合される、DC−DCコンバータ。
【請求項47】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記インダクタT1Aの前記第2の端子、前記インダクタT1Cの前記第1の端子、および、前記第2の出力端子に結合された整流マトリクスを備える、DC−DCコンバータ。
【請求項48】
請求項43に記載のDC−DCコンバータであって、さらに、前記スイッチS1SBに信号を供給するよう構成された制御部を備える、DC−DCコンバータ。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図9】
【図2A】
【図2B】
【図2C】
【図2D】
【図2E】
【図3】
【図4A】
【図4B】
【図5A】
【図5B】
【図5C】
【図5D】
【図5E】
【図6A】
【図6B】
【図6C】
【図7A】
【図7B】
【図7C】
【図8A】
【図8B】
【図8C】
【図8D】
【図8E】
【図9】
【公表番号】特表2011−505790(P2011−505790A)
【公表日】平成23年2月24日(2011.2.24)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2010−536907(P2010−536907)
【出願日】平成20年11月14日(2008.11.14)
【国際出願番号】PCT/US2008/012822
【国際公開番号】WO2009/073078
【国際公開日】平成21年6月11日(2009.6.11)
【出願人】(510154833)カリフォルニア・パワー・リサーチ・インコーポレーテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】CALIFORNIA POWER RESEARCH INCORPORATED
【Fターム(参考)】
【公表日】平成23年2月24日(2011.2.24)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年11月14日(2008.11.14)
【国際出願番号】PCT/US2008/012822
【国際公開番号】WO2009/073078
【国際公開日】平成21年6月11日(2009.6.11)
【出願人】(510154833)カリフォルニア・パワー・リサーチ・インコーポレーテッド (1)
【氏名又は名称原語表記】CALIFORNIA POWER RESEARCH INCORPORATED
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]