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公開番号2025009996
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-01-20
出願番号2024103670
出願日2024-06-27
発明の名称HSCコンバータを用いた出力電圧生成方法
出願人株式会社村田製作所
代理人個人
主分類H02M 3/155 20060101AFI20250109BHJP(電力の発電,変換,配電)
要約【課題】一次巻線を有さない変圧器を含み、入力電圧の4分の1の出力電圧を供給するHSCコンバータを提供する。
【解決手段】HSC電圧変換モジュールは、入力電圧と、一次巻線を有さず、磁気コアによって磁気的に結合された二次巻線を含む変圧器と、変圧器及び入力電圧に接続された第1のスイッチブリッジ及び第2のスイッチブリッジと、変圧器の単一のノードに接続され、入力電圧の4分の1の出力電圧を供給する出力キャパシタと、を含む。
【選択図】図2
特許請求の範囲【請求項１】
ＨＳＣ電圧変換モジュールであって、
入力電圧と、
一次巻線を有さず、磁気コアによって磁気的に結合された二次巻線を含む変圧器と、
前記変圧器及び前記入力電圧に接続された第１のスイッチブリッジ及び第２のスイッチブリッジと、
前記変圧器の単一のノードに接続され、前記入力電圧の４分の１の出力電圧を供給する出力キャパシタと、を含む、ＨＳＣ電圧変換モジュール。
続きを表示（約 1,400 文字）【請求項２】
前記第１のスイッチブリッジと前記変圧器との間に接続された第１の共振回路と、
前記第２のスイッチブリッジと前記変圧器との間に接続された第２の共振回路と、をさらに含む、請求項１に記載のＨＳＣ電圧変換モジュール。
【請求項３】
前記第１の共振回路は、第１の共振キャパシタを含み、
前記第２の共振回路は、第２の共振キャパシタを含み、
前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路は、前記変圧器の漏れインダクタンスを利用する、請求項２に記載のＨＳＣ電圧変換モジュール。
【請求項４】
前記第１のスイッチブリッジ及び前記第２のスイッチブリッジの各々は、直列に接続された第１のスイッチ、第２のスイッチ、及び第３のスイッチを含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のＨＳＣ電圧変換モジュール。
【請求項５】
前記変圧器の前記二次巻線は、第１の巻線及び第２の巻線を含む、請求項１～３のいずれか一項に記載のＨＳＣ電圧変換モジュール。
【請求項６】
前記ＨＳＣ電圧変換モジュールは、双方向性である、請求項１～３のいずれか一項に記載のＨＳＣ電圧変換モジュール。
【請求項７】
コンバータであって、
入力電圧を受ける入力端子と、
前記入力電圧を挟んで並列に接続された第１のスイッチブリッジであって、
直列に接続された第１のスイッチ、第２のスイッチ、及び第３のスイッチと、
前記第１のスイッチと前記第２のスイッチとの間の第１のノードと、
前記第２のスイッチと前記第３のスイッチとの間の第３のノードと、を含む、第１のスイッチブリッジと、
第２のスイッチブリッジであって、
直列に接続された第４のスイッチ、第５のスイッチ、及び第６のスイッチと、
前記第４のスイッチと前記第５のスイッチとの間の第２のノードと、
前記第５のスイッチと前記第６のスイッチとの間の第４のノードと、を含む、第２のスイッチブリッジと、
出力キャパシタと、
変圧器であって、
互いに物理的に接続されて二次巻線群を画定し、磁気コアによって磁気的に結合された第１の二次巻線及び第２の二次巻線を含む単一の巻線と、
前記出力キャパシタに接続された単一のタップと、を含む、変圧器と、
前記第１のノードと前記単一の巻線の第１の端部との間に接続された第１の共振回路と、
前記第２のノードと前記単一の巻線の前記第１の端部とは反対側の前記単一の巻線の第２の端部との間に接続された第２の共振回路と、
前記第１の出力キャパシタに接続されて前記入力電圧の４分の１の第１の出力電圧を供給する出力端子と、を備える、コンバータ。
【請求項８】
前記第１の共振回路は、第１の共振キャパシタを含み、
前記第２の共振回路は、第２の共振キャパシタを含み、
前記第１の共振回路及び前記第２の共振回路は、前記変圧器の漏れインダクタンスを利用する、請求項７に記載のコンバータ。
【請求項９】
前記コンバータは、電力が前記入力端子から前記出力端子へ、及び前記出力端子から前記入力端子へ流れることができるように双方向性である、請求項７又は８に記載のコンバータ。

発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣ－ＤＣコンバータに関する。より具体的には、本発明は、入力電圧の４分の１の出力電圧を供給するハイブリッドスイッチドキャパシタ（ＨＳＣ：ｈｙｂｒｉｄｓｗｉｔｃｈｅｄ－ｃａｐａｃｉｔｏｒ）コンバータに関する。
続きを表示（約 2,600 文字）【背景技術】
【０００２】
第１段がＬＬＣ共振コンバータであり、第２段が負荷端（ＰＯＬ：ｐｏｉｎｔ－ｏｆ－ｌｏａｄ）コンバータである２段変換を使用することが知られている。ＬＬＣ共振コンバータは、一次側又は高電圧（ＨＶ：ｈｉｇｈ－ｖｏｌｔａｇｅ）側にゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：ｚｅｒｏ－ｖｏｌｔａｇｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を有し、二次側又は低電圧（ＬＶ：ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ）側にゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ：ｚｅｒｏ－ｃｕｒｒｅｎｔｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を有する中間バスコンバータとして使用される。絶縁が必要とされない場合、第１段は、無調整ゼロ電圧スイッチングスイッチドキャパシタコンバータであることがある。
【０００３】
コンバータの実装面積のサイズを低減するために、第１段及び第２段において高いスイッチング周波数の動作が必要とされる。しかしながら、特に第１段（すなわち、１ＭＨｚ～２ＭＨｚ）での高周波の動作は、より高い損失（すなわち、スイッチング損失、ゲート駆動損失、及び導通損失）をもたらす。いくつかの用途では、例えばスイッチング損失及び導通損失を含む損失を低減するために、第１段に高い降圧比（ｓｔｅｐ－ｄｏｗｎｒａｔｉｏ）が望ましいことがある。４８Ｖ電力送達用途では、第１段の降圧比は８：１であり、６Ｖ中間バスを提供する。４８Ｖの入力電圧を６Ｖの中間バス電圧に低減することにより、高い効率を維持しながら、より高い電力密度が可能になる。スイッチドキャパシタ（ＳＣ：ｓｗｉｔｃｈｅｄ－ｃａｐａｃｉｔｏｒ）コンバータは高い変換比を提供するが、ＳＣコンバータはフローティングドライバの要件並びに必要とされるスイッチ及びセラミックキャパシタの数に関して複雑であるとともにかさばる。センタータップ付き整流器を有するＬＬＣコンバータは、複雑さを減じながら高い変換比を提供するが、絶縁が必要とされないときには、電力密度が増加するので、非絶縁トポロジーが好ましい。低出力電圧用途では、センタータップ付き整流器を有するＬＬＣコンバータを使用することができるが、このトポロジーは、二次巻線がスイッチングサイクルの半分の間導通しているので、銅利用率が最適ではない。
【０００４】
高い降圧比のために、スイッチドキャパシタコンバータ及びＬＬＣコンバータの制限を克服するハイブリッドスイッチドキャパシタ（ＨＳＣ）コンバータを使用することが知られている。ＨＳＣコンバータは、スイッチドキャパシタコンバータの利点と、変圧器ベースのコンバータの高い降圧比能力とを組み合わせる。キャパシタ（コンデンサ）及び磁気デバイスを通じてエネルギーを伝送することによって、効率及び電力密度を大幅に改善することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、既知のＨＳＣコンバータは、入力電圧の４分の１の出力電圧を供給することができない。出力電圧が入力電圧の４分の１である用途では、異なるトポロジー、例えばＬＬＣトポロジーが必要とされる。ＬＬＣコンバータでは、二次巻線の電流を半波整流するため、電流ピーク値が大きく、損失が発生する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の例示的な実施形態は、一次巻線を有さない変圧器を含み、入力電圧の４分の１の出力電圧を供給するＨＳＣコンバータを提供する。
例示的な実施形態によれば、ＨＳＣ電圧変換モジュールは、入力電圧と、一次巻線を有さず、磁気コアによって磁気的に結合された二次巻線を含む変圧器と、変圧器及び入力電圧に接続された第１のスイッチブリッジ及び第２のスイッチブリッジと、変圧器の単一のノードに接続され、入力電圧の４分の１の出力電圧を供給する出力キャパシタと、を含む。
【０００７】
ＨＳＣ電圧変換モジュールは、第１のスイッチブリッジと変圧器との間に接続された第１の共振回路と、第２のスイッチブリッジと変圧器との間に接続された第２の共振回路とをさらに含んでもよい。第１の共振回路は、第１の共振キャパシタを含んでもよく、第２の共振回路は、第２の共振キャパシタを含んでもよく、第１の共振回路及び第２の共振回路は、変圧器の漏れインダクタンスを利用してもよい。
【０００８】
第１のスイッチブリッジ及び第２のスイッチブリッジの各々は、直列に接続された第１のスイッチ、第２のスイッチ、及び第３のスイッチを含んでもよい。変圧器の二次巻線は、第１の巻線及び第２の巻線を含んでもよい。ＨＳＣ電圧変換モジュールは双方向性であってもよい。
【０００９】
本発明の例示的な実施形態によれば、コンバータは、入力電圧を受ける入力端子と、入力電圧を挟んで並列に接続された第１のスイッチブリッジであって、直列に接続された第１のスイッチ、第２のスイッチ、及び第３のスイッチと、第１のスイッチと第２のスイッチとの間の第１のノードと、第２のスイッチと第３のスイッチとの間の第３のノードと、を含む、第１のスイッチブリッジと、第２のスイッチブリッジであって、直列に接続された第４のスイッチ、第５のスイッチ、及び第６のスイッチと、第４のスイッチと第５のスイッチとの間の第２のノードと、第５のスイッチと第６のスイッチとの間の第４のノードと、を含む、第２のスイッチブリッジと、出力キャパシタと、変圧器であって、互いに物理的に接続されて二次巻線群を画定し、磁気コアによって磁気的に結合された第１の二次巻線及び第２の二次巻線を含む単一の巻線と、出力キャパシタに接続された単一のタップと、を含む、変圧器と、第１のノードと単一の巻線の第１の端部との間に接続された第１の共振回路と、第２のノードと単一の巻線の第１の端部とは反対側の単一の巻線の第２の端部との間に接続された第２の共振回路と、第１の出力キャパシタに接続されて入力電圧の４分の１の第１の出力電圧を供給する出力端子と、を含む。
【００１０】
第１の共振回路は、第１の共振キャパシタを含んでもよく、第２の共振回路は、第２の共振キャパシタを含んでもよく、第１の共振回路及び第２の共振回路は、変圧器の漏れインダクタンスを利用してもよい。
（【００１１】以降は省略されています）

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