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公開番号2020115739
公報種別公開特許公報(A)
公開日20200730
出願番号2019236926
出願日20191226
発明の名称フライバックコンバータ
出願人ツェットエフ、フリードリッヒスハーフェン、アクチエンゲゼルシャフト,ZF FRIEDRICHSHAFEN AG
代理人個人,個人,個人
主分類H02M 3/28 20060101AFI20200703BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】DC電源のサイズを縮小することによって、PCBの配置に関する問題を解決した改良されたDC電源を提供する。
【解決手段】DC電源(フライバックコンバータ)は、一次巻線11および2つ以上の二次巻線12を有するトランスを備える。一次巻線の一方の端部は、DC電源に接続される。各二次巻線は、それぞれ出力に接続される。各出力は、ゲートドライバ回路に高電圧および低電圧を供給する。ゲートドライバ回路は、IGBTのゲート‐エミッタ電圧またはパワーMOSFETのゲート‐ソース電圧を供給する。フライバックコンバータは、十分に電気的に絶縁されている。複数のゲートドライバ回路は1つのフライバックコンバータを共有することができる。したがって、DC電源を実装するスペースを縮小することができる。
【選択図】図3
特許請求の範囲【請求項1】
フライバックコンバータであって、
一次巻線および2つ以上の二次巻線を有するトランスを備え、
前記一次巻線の一方の端部は、DC電源に接続され、
各二次巻線は、それぞれ出力に接続され、各出力は、ゲートドライバ回路に高電圧および低電圧を供給し、前記ゲートドライバ回路は、IGBTのゲート‐エミッタ電圧またはMOSFETのゲート‐ソース電圧を供給する、フライバックコンバータ。
続きを表示(約 1,100 文字)【請求項2】
前記一次巻線の他方の端部は、フライバック電力変換のために、スイッチングデバイスに接続されることを特徴とする、請求項1に記載のフライバックコンバータ。
【請求項3】
前記スイッチングデバイスがMOSFETであることを特徴する、請求項2に記載のフライバックコンバータ。
【請求項4】
前記フライバックコンバータは、さらに、フライバックコンバータコントローラ回路に接続されたフィードバック回路を備え、前記フィードバック回路の電圧を参照することによって、前記二次巻線の電圧を調整するために前記スイッチングデバイスをスイッチオンおよびスイッチオフすることを特徴とする、請求項2または3に記載のフライバックコンバータ。
【請求項5】
前記フィードバック回路は、前記トランスと磁気的に結合されたフィードバック巻線と、整流回路と、平滑回路と、を備えることを特徴とする、請求項4に記載のフライバックコンバータ。
【請求項6】
前記整流回路はダイオードを備え、前記ダイオードのアノードは、前記トランスと磁気的に結合された前記フィードバック巻線の、極性ドットの付いた端部以外の端部に接続され、前記ダイオードのカソードは、下流の前記平滑回路に接続されることを特徴とする、請求項5に記載のフライバックコンバータ。
【請求項7】
前記平滑回路は、前記整流回路の下流に配置されたキャパシタを備え、前記キャパシタの一方の端部は、前記ダイオードのカソードに接続され、また前記キャパシタの前記一方の端部は、第1抵抗によって前記フライバックコンバータコントローラ回路にも接続され、前記キャパシタの他方の端部は、接地され、また、前記トランスと磁気的に結合された前記フィードバック巻線の極性ドットの付いた端部にも接続され、前記キャパシタの前記他方の端部は、第2抵抗によって前記フライバックコンバータコントローラ回路にも接続されることを特徴とする、請求項5に記載のフライバックコンバータ。
【請求項8】
前記低電圧は、前記IGBTのエミッタまたは前記MOSFETのソースの電位に対する負の電圧であることを特徴とする、請求項1〜7の何れか一項に記載のフライバックコンバータ。
【請求項9】
前記高電圧および前記低電圧は、ツェナーダイオードを使用するシャントレギュレータによって調整されることを特徴とする、請求項1〜8の何れか一項に記載のフライバックコンバータ。
【請求項10】
前記フライバックコンバータおよび全ての前記ゲートドライバ回路は、単一のプリント回路基板上に実装されることを特徴とする、請求項1〜8の何れか一項に記載のフライバックコンバータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【0001】
本発明は、フライバックコンバータに関する。
続きを表示(約 4,200 文字)【背景技術】
【0002】
パワーMOSFETまたはIGBTのようなスイッチングデバイスを使用して(通常>60Vの)DC高電圧が処理されるパワーエレクトロニクス機器では、各スイッチングデバイスのゲート‐ソースまたはゲート‐エミッタ電圧としてのスイッチング信号は、独立したゲートドライバ回路によって供給されることが多い。スイッチング信号として電流を供給するためのゲートドライバ回路の能力は、デバイスを強制的にスイッチオンまたはスイッチオフするためにゲートキャパシタを正または負にすばやく蓄積するのに、十分な大きさである。一方、人間の安全性を高度に優先する必要があるため、DC高電圧ラインが電気的に絶縁されて、グランドからフロートされる必要がある間、ゲートドライバ回路の入力信号回路は、ハウジングボックス(または車体等)に電気的に接地され、比較的な低電圧回路の基準電位を安定させることが望ましい。
【0003】
図1を参照すると、ほとんどの場合、ゲートドライバ回路2は、入力信号と、DC高電圧ラインに接続されたスイッチングデバイスにゲート電圧としてスイッチング信号を供給する出力と、の間に、電気的絶縁機能を有するよう設計されている。ゲートドライバ回路2は、通常、出力信号としてゲート電圧を供給するために補助的なDC電源1を必要とする。補助的なDC電源1は、高スピードスイッチングへの最近の要求に応じて、ゲートドライバ回路2のより近くに配置されることが望ましい。パワーMOSFET3のゲート‐ソース電圧を供給する、絶縁ゲートドライバ回路は、周囲から電気的に絶縁される必要がある。この補助的なDC電源1も絶縁される必要がある(DC高電圧は、周囲から破線内側で電気的に絶縁されている)。また、それは安定したDC電源である必要もある。
【0004】
パワーエレクトロニクスの分野では、多くの場合、図2に示すように、パワーMOSFET3のようなスイッチングデバイスの一対が、1つのデバイスモジュール5にパッケージされている。時には、3対のスイッチングデバイスが、1つにパッケージされることさえある。極端な場合、6対または7対のスイッチングデバイスが、1つにパッケージされる。パワーMOSFET3は、IGBTおよびダイオードの対に置き換えられてもよい。そのような場合、各スイッチングデバイスに必要な絶縁ゲートドライバ回路2は、好適には、単一のPCB(Printed Circuit Board/プリント回路基板)4上に実装される。スイッチングデバイスおよびゲートドライバ回路の物理的構成は、各スイッチングデバイス用のゲート駆動信号の伝搬遅延を最小限とし、また各ゲートドライバ回路間で信号の伝搬が不均一となるのを回避することを考慮したうえで、可及的に適切な構成とすべきである。上述のように、DC電源1は、ゲート‐ソース電圧またはゲート‐エミッタ電圧用の低電圧および高電圧を、絶縁ゲートドライバ回路2に供給する。したがってDC電源1も、好適には同一のPCB4上に実装される。図2の場合、これは、各々がDC電源1を備える2つの絶縁ゲートドライバ回路2が、単一のPCB4上に実装されることを意味する。したがって、複数のパワーMOSFETまたはIBGTを駆動させる必要がある場合、PCBの配置にはいくつかの制限がある。3対のスイッチングデバイスが1つのパッケージに組み立てられている場合、単一のPCB上に実装されたゲートドライバ回路の数は6である。ゲートドライバ回路の数は、それぞれ、6対の場合には12、7対の場合には14である。スイッチングデバイスの数が増える場合、PCBの配置状態は、ますます制限される。さらに、市場ではパッケージ自体のサイズをコンパクト化することさえ要求される。そのため、対応してPCBをより小さくすることが求められる。この要求によっても、PCBの配置状態がより厳しく制限される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
これらの理由から、パワーエレクトロニクス機器の技術分野では、上述の問題を解決する新しい補助的なDC電源を提供する必要がある。具体的には、DC電源のサイズを縮小することによって、PCBの配置に関する問題を解決する、新しく、かつ改良されたDC電源が必要なのである。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様は、一次巻線および2つ以上の二次巻線を有するトランスを備えるフライバックコンバータを提供することである。一次巻線の一方の端部は、DC電源に接続される。各二次巻線は、それぞれ出力に接続される。各出力は、ゲートドライバ回路に高電圧および低電圧を供給する。ゲートドライバ回路は、IGBTのゲート‐エミッタ電圧またはパワーMOSFETのゲート‐ソース電圧を供給する。
【0007】
フライバックコンバータを用いて、ゲートドライバ回路をトランスの二次巻線と接続することによって、ゲートドライバ回路を周囲から容易に絶縁することができる。トランスは、フライバックコンバータの必要不可欠な部分である。したがって、フライバックコンバータは、上述の絶縁ゲートドライバ回路に適したDC電源である。さらに、複数の二次巻線が複数の出力として使用されるため、複数のゲートドライバ回路が、1つのフライバックコンバータを補助的なDC電源として共有することができる。
【図面の簡単な説明】
【0008】
パワーMOSFETとしてのスイッチングデバイス用の、従来の駆動システムの概略図である。
パワーMOSFETとしてのスイッチングデバイス用の、別の従来の駆動システムの概略図であり、1対のスイッチングデバイスがパワーMOSFETとして、1つのモジュールにパッケージされている。
本発明の実施形態によるフライバックコンバータの概略図である。
図3に示すフライバックコンバータを使用する、パワーMOSFETとしてのスイッチングデバイス用の駆動システムの概略図である。
本発明の別の実施形態による、特に二次巻線の数が2を超える場合のフライバックコンバータの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【0009】
図3および図4を参照すると、本発明の実施形態によるフライバックコンバータが概略的に示される。フライバックコンバータは、一次巻線11および2つの二次巻線12を有するトランスを備える。一次巻線11の、極性ドットの付いた端部は、Vdcと記された外部DC電源に接続されている。各二次巻線12は、それぞれ(出力1および出力2と記された)出力に接続されている。各出力は、ゲートドライバ回路2に高電圧および低電圧を供給する。ゲートドライバ回路2は、IGBT(図示せず)のゲート‐エミッタ電圧またはパワーMOSFET3(図4参照)のゲート‐ソース電圧を供給する。一次巻線11の(極性ドットの付いた端部以外の)他方の端部は、スイッチングデバイス、すなわち、このフライバック電力変換を代表するMOSFETに接続されている。一次巻線の両方の端部は、スナバ回路にも接続されている。この場合スナバ回路は、MOSFETがスイッチされる間に一次巻線の両方の端部の間で常に発生する異常電圧を抑制するために実装されている。したがって、こうした異常電圧に起因するMOSFETの故障を回避することができる。
【0010】
フライバックコンバータは、さらに、フライバックコンバータコントローラ回路に接続されたフィードバック回路を備える。フィードバック回路は、フィードバック制御によって、二次巻線の電圧を調整するために使用される。フィードバック回路は、フィードバック巻線13、ダイオードD1、およびキャパシタC1を備える。ダイオードD1のアノードは、フィードバック巻線13の極性ドットの付いていない端部に接続されている。キャパシタC1の一方の端部は、ダイオードD1のカソードに接続されている。またキャパシタC1のこの一方の端部は、第1抵抗R1によってフライバックコンバータコントローラ回路にも接続されている。キャパシタC1の他方の端部は、接地され、また、トランスと磁気的に結合されたフィードバック巻線13の極性ドットの付いた端部にも接続されている。またキャパシタC1のこの他方の端部は、第2抵抗R2によってフライバックコンバータコントローラ回路にも接続されている。
【0011】
この実施形態においてはMOSFET3が使用されている。しかしながら当業者は、IGBTが使用される場合にもフライバックコンバータの回路配置が基本的に同一である、と理解するであろう。
【0012】
低電圧は、IGBTのエミッタまたはパワーMOSFETのソースの電位に対する負の電圧である。それは、ゲートを強制的にスイッチオフするために使用される。高電圧および低電圧は、ツェナーダイオードを使用するシャントレギュレータによって調整される。
【0013】
フライバックコンバータおよび全てのゲートドライバ回路は、単一のプリント回路基板4上に実装されている。パワーMOSFETの対は、デバイスモジュール5にパックされている。
【0014】
ここで図5を参照すると、本発明の別の実施形態によるフライバックコンバータが示される。このフライバックコンバータでは、二次巻線の数が2を超える。3以上の二次巻線が、トランスと磁気的に結合されている。
【0015】
特定の実施形態を参照して、上記で本発明を説明した。しかしながら、この記載は、本発明の例示であり、したがって本発明を限定するものと解釈されるべきではない。添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の真の精神および範囲から逸脱することなく、当業者には、多様な変更および応用が念頭に浮かぶであろう。

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