JP6865295B2 - 電源切替装置及び当該電源切替装置を操作する方法 - Google Patents

Description

本願は、欧州特許出願ＥＰ１７１６１１３０．４の優先権を主張し、その内容は参照によりここに組み込まれる。

本発明は、電源切替装置及び当該電源切替装置を操作する方法に関する。

特許文献１が、少なくとも１つのパワーＦＥＴを制御する回路を開示している。ユニポーラ入力電圧がコントローラから入力端子に印加される。入力端子は変更される。その結果バイポーラ電圧が変圧器のために当該変圧器の二次側で出力電圧として現れる。出力電圧の正のパルスはダイオードを通ってゲート電極に達し、ＦＥＴの入力容量（入力静電容量、入力キャパシタンス）をチャージする。このようにしてＦＥＴはスイッチオンされる。同時に、コンデンサがツェナーダイオードを介して充電される。次の負のパルスのために、ツェナーダイオードはブレークダウンし、入力容量と並列に接続されたトランジスタが開くようにコンデンサは放電する。結局、入力容量は放電され、ＦＥＴは閉塞される。公知の回路は、ＦＥＴの駆動電圧のレベルが入力電圧のデューティーサイクルに依存し、またコントローラが回路を作動させるために必要な電力を供給しなければならないという不都合を有する。

特許文献２は、ＭＯＳＦＥＴを駆動させるための絶縁駆動回路を開示している。

特許文献３は、制御信号を高出力切替トランジスタ、すなわちＩＧＢＴに供給するために駆動回路を開示している。

特許文献４は、パワーＭＯＳＦＥＴを駆動するための駆動回路を開示している。パワーＭＯＳＦＥＴは、抵抗器に並列に接続されたコンデンサに予備電圧を与えることで駆動される。コンデンサは、２つの低電力ＭＯＳＦＥＴトランジスタと抵抗器によって充放電される。

ＵＳ４４６１９６６Ａ（ＤＥ３０４５７７１Ａ１に対応） ＵＳ２０１４／０３６７５６３Ａ１ ＵＳ２００３／０１６４７２１Ａ１ ＵＳ５０１９７１９Ａ

本発明の目的は、フレキシブルに且つ簡単に使用でき、操作できる電源切替装置を提供することである。特に、本発明の目的は、プラグアンドプレイモジュールとして構成され容易に設置できる電源切替装置を提供することである。

この目的は、請求項１の特徴を有する電源切替装置によって達成される。本発明の電源切替装置は、緩衝回路、フィルタ回路、変圧器、回復回路、調整回路、及び電源スイッチを集積し、電源切替装置がコントローラに及び／又は電力ステージに接続される方法を心配せずに様々な用途で操作できるプラグアンドプレイモジュールとして作用する。電力ステージからの入力電圧は第１入力端子により緩衝回路に印加される。対応して、コントローラからの制御電圧が第２入力端子を介して緩衝回路に印加される。コントローラは、正のユニポーラ制御電圧又は負のユニポーラ制御電圧又は交流制御電圧を与えてもよい。したがって、電源切替装置は、標準的な利用可能なコントローラによって、特にユニポーラ制御電圧を与える簡単なコントローラによって操作される。好ましくは、電源切替装置は第３入力端子を有する。第３入力端子は基準ノードを与える。第３入力端子は特に、電力ステージとコントローラの共通グラウンドに接続される。緩衝回路は、入力電圧及び制御電圧に依存する緩衝出力電圧を与える。緩衝出力電圧は制御電圧に一致し、ユニポーラ（単極性）又はバイポーラ（両極性）である。緩衝回路のために、コントローラは必要な電力に影響されない、というのも必要な電力は電力ステージにより与えられるからである。好ましくは、緩衝回路は第３入力端子に接続される。フィルタ回路は、緩衝出力電圧の直流成分を阻止して交流一次側電圧を与えるように設計される。フィルタ回路の入力端子は、緩衝回路の出力端子に接続している。フィルタ回路はローカットフィルタ（低域カットフィルタ）として作用する。好ましくは、フィルタ回路は変圧器の一次側巻き線と相互作用する。変圧比に依存して、交流一次側電圧は変圧器によって交流二次側電圧に変換される。さらに、変圧器のために、二次側は一次側から分離している。回復回路は二次側に配置されている。回復回路によって、制御電圧が、変圧器の二次側でそのデューティーサイクル又は周波数に影響を与えることなく復元される。回復回路は、阻止された直流成分が交流二次側電圧に少なくとも部分的に加えられ、ユニポーラ調整電圧が得られるように設計される。阻止された直流成分を加えることで、電源スイッチの駆動電圧のレベルが制御電圧のデューティーサイクルから独立する。デューティーサイクルは、パルス幅（パルス持続時間）と切替周期の比である。ゆえに、デューティーサイクルはデューティー比とも呼ばれる。調整電圧は２つの電圧レベルを有する。電圧レベルに依存して、調整回路は駆動電流を制御する。例えば、第１電圧レベルでは、駆動電流は電源スイッチの内部容量を充電するのに対して、第２電圧レベルでは、駆動電流は電源スイッチの内部容量を放電する。電源スイッチがスイッチオン及びスイッチオフされるように、電源スイッチの内部容量は駆動電圧を与える。電源スイッチがスイッチオンされるように、充電された内部容量は駆動電圧の第１レベルを与え、電源スイッチがスイッチオフされるように、放電された内部容量は駆動電圧の第２レベルを与える。好ましくは、電源スイッチはＭＯＳＦＥＴ、特にｎチャネルＭＯＳＦＥＴである。この場合、内部容量はゲート−ソース−静電容量であり、駆動電圧ゲート−ソース−電圧である。それに代えて、電源スイッチはバイポーラ接合トランジスタ（ＢＪＴ）又は絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）である。バイポーラ接合トランジスタの場合、駆動電圧はベース−エミッタ信号、特にベース−エミッタ電圧である。複数の出力端子が電源スイッチに接続している。例えば、複数の出力端子はＭＯＳＦＥＴのドレインとソースに又はバイポーラ接合トランジスタのエミッタとコレクタに接続している。

回復コンデンサによって、直流成分が交流二次側電圧に加えられる。この加えられた直流成分のために、回復回路の出力電圧又は調整電圧がユニポーラになる。ユニポーラ調整電圧によって、駆動電圧のレベルが制御電圧のデューティーサイクルから独立する。阻止素子が二次側巻き線と回復コンデンサの直列接続部に並列に接続している。阻止素子はダイオードである。好ましくは、二次側巻き線と回復コンデンサの直列接続部はノードＮ _２ 及びノードＮ _３ に接続している。回復コンデンサはノードＮ _２ に接続している一方、二次側巻き線はノードＮ _３ に接続している。ダイオードがノードＮ _２ 及びノードＮ _３ に接続している。ダイオードの流れ方向がノードＮ _３ からノードＮ _２ に向かうように、ダイオードは接続している。ダイオードはノードＮ _３ からノードＮ _２ への電流流れを可能にする。阻止素子は、回復回路の出力においてユニポーラ調整電圧を可能にする。さらに、阻止機能のために、阻止素子は駆動損失を減少させる。

スイッチオン回路は電源スイッチを入れるよう機能する一方、スイッチオフ回路は電源スイッチを切るよう機能する。スイッチオン回路は調整電圧の第１電圧レベルで作動する一方、スイッチオフ回路は調整電圧の第２電圧レベルで作動する。調整電圧が第１電圧レベルを有するとき、電源スイッチが入れられるように阻止素子は駆動電流の流れを許可する。阻止素子はダイオードである。スイッチオン回路の阻止素子とフィルタ回路の阻止素子は好ましくは共同で操作される。両方の阻止素子がダイオードとして設計されている場合、これらのダイオードは同じ流れ方向を有する。好ましくは、阻止素子は抵抗器に直列に接続している。好ましくは、ダイオードと抵抗器の直列接続はノードＮ _２ に及び電源スイッチに、特にＭＯＳＦＥＴのゲート端子に接続している。好ましくは、ダイオードの流れ方向はノードＮ _２ から電源スイッチに向けられる。例えば、電源スイッチはＭＯＳＦＥＴであり、駆動信号は阻止素子を通る駆動電流であり、それによりＭＯＳＦＥＴの内部容量、すなわちゲート−ソース静電容量が駆動電流によって充電される。ゲート−ソース静電容量は、電源スイッチを入れる駆動電圧を与える。特に、第１電圧レベルは０に等しくない。

調整電圧が第２電圧レベルを有するとき、電源スイッチが切られるように制御スイッチは切替状態を有する。好ましくは、制御スイッチはバイポーラ接合トランジスタである。例えば、第２電圧レベルが０であり、電源スイッチが切られるように駆動電流が電源スイッチの内部容量を放電するとき、制御スイッチは入れられる。好ましくは、スイッチオフ回路は正に１つの制御スイッチを有し、それは特にバイポーラ接合トランジスタである。好ましくは、バイポーラ接合トランジスタはＰＮＰバイポーラ接合トランジスタである。好ましくは、制御スイッチのコレクタ端子は電源スイッチのソース端子に接続しているのに対して、制御スイッチのエミッタ端子は電源スイッチのゲート端子に接続している。好ましくは、制御スイッチのバイアス端子はノードＮ _２ に接続した抵抗器に接続している。好ましくは、電源スイッチのソース端子と制御スイッチのコレクタ端子はノードＮ _３ に接続している。

内部容量は比較的小さいので、電源スイッチのスイッチオン及びスイッチオフは、内部容量の充電又は放電によって迅速に行われる。ゆえに、電源切替装置は高い開閉頻度（切替周波数）を可能にする。

請求項２に従う電源切替装置は、フレキシブルで簡単な使用及び操作を保証する。ローカットフィルタとして作用ために、フィルタ回路はフィルタコンデンサとフィルタ抵抗器を有する。好ましくは、フィルタコンデンサとフィルタ抵抗器は直列接続され、変圧器の一次側巻き線と相互作用する。フィルタ回路は、緩衝出力電圧の直流成分を簡単且つ確実に阻止できる。

請求項３に従う電源切替装置は、フレキシブルで簡単な使用及び操作を保証する。フィルタコンデンサと一次側巻き線は二次のフィルタを構築する。好ましくは、フィルタ抵抗器は、フィルタコンデンサと一次側巻き線の直列接続に直列に接続される。直列接続は、緩衝出力電圧の直流成分を阻止することができる。

請求項４に従う電源切替装置は、フレキシブルで簡単な使用及び操作を保証する。緩衝回路のために、コントローラに影響を与えずに必要な電力が供給される。好ましくは、緩衝回路はシュミットトリガー又はトーテムポール対の少なくとも１つである。

請求項５に従う電源切替装置は、フレキシブルで簡単な使用及び操作を保証する。電圧安定化回路が、緩衝回路に印加される本質的に一定の出力電圧を保証する。したがって、電源切替装置は、入力電圧の特性から独立して操作される。例えば、電圧安定化回路はツェナーダイオードを基礎とする。好ましくは、電圧安定化回路はレギュレータ、例えば低損失レギュレータ（ＬＤＯレギュレータ）を有する。

請求項６に従う電源切替装置は、簡単な操作を保証する。電圧レベルに依存して、調整回路は駆動電流を制御し、電源スイッチの内部容量を充電又は放電し、電源スイッチを入れる又は切る。調整回路は電源スイッチの内部容量を使用するので、駆動電圧を与えるために外部コンデンサは必要でない。

請求項１に従う電源切替装置は、フレキシブルで簡単な使用及び操作を保証する。保護回路は、電源スイッチの電流と電圧の少なくとも１つを測定するために、少なくとも１つの測定素子を有する。電源スイッチの電流及び／又は電圧に依存して、保護回路は、電源スイッチが所定の望まれない操作領域において現在操作されているかどうか検出する。保護回路は、過電流保護、短絡回路保護及び過熱保護などの保護特徴の少なくとも１つをもたらす。さらに、切替損失を計算して、それを最悪条件と比較するために、電圧及び電流測定が使用でき、過度の電力損失を検出し及び／又は過電圧保護をもたらすことができる。

請求項１に従う電源切替装置は、フレキシブルで簡単な使用及び操作を保証する。保護スイッチは、望まれない操作領域での操作が検出されると電源スイッチを切る。好ましくは、保護スイッチが入れられたときに内部容量が放電され、電源スイッチが切られるように、保護スイッチは電源スイッチの内部容量に並列に接続される。好ましくは、保護スイッチはＭＯＳＦＥＴである。

請求項１に従う電源切替装置は、フレキシブルで簡単な使用及び操作を保証する。保護スイッチが入れられると、内部容量が放電され、電源スイッチが切られる。好ましくは、保護スイッチはｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして設計される。好ましくは、保護スイッチのドレイン端子が電源スイッチのゲート端子に接続しており、保護スイッチのソース端子が電源スイッチのソース端子に接続している。好ましくは、制御ユニットが保護スイッチのゲート端子に接続しており、保護信号をゲート端子に与える。

請求項７に従う電源切替装置は、フレキシブルで簡単な使用及び操作を保証する。保護回路は、電源スイッチ電流と電源スイッチ電圧の少なくとも１つを制御ユニットに与える。電源スイッチ電流及び／又は電源スイッチ電圧に依存して、制御ユニットは、電源スイッチの操作ポイントを少なくとも１つの所定の望まれない操作領域と比較する。制御ユニットは、操作ポイントが前記少なくとも１つの望まれない操作領域内にある時に保護信号を与える。保護信号は、警告信号として使用されてもよく及び／又は電源スイッチを切るために使用されてもよい。例えば、制御ユニットはＩＣ、マイクロコントローラ又はＦＰＧＡとして設計される。

請求項１に従う電源切替装置は、フレキシブルで簡単な使用及び操作を保証する。供給電圧が保護回路を強化するために供給されるように、付加的な二次側供給巻き線が既に存在する変圧器に結合される。供給巻き線の変圧比は必要な供給電力を定める。保護回路は、供給電圧を安定化させるため及び本質的に一定の入力電圧を制御ユニットに供給するために安定化回路を有してもよい。安定化回路は、ダイオード、ツェナーダイオード及びコンデンサを有する。ダイオードがノードＮ_４に接続し、二次側供給巻き線がノードＮ_３に接続するように、ダイオードと二次側供給巻き線は直列に接続している。ダイオードの流れ方向はノードＮ_４に向けられる。ツェナーダイオードとコンデンサは、ノードＮ_３及びノードＮ_４に並列に接続している。ツェナーダイオードのアノードはノードＮ_３に接続し、ツェナーダイオードのカソードはノードＮ_４に接続している。

さらに、本発明の目的は、電源切替装置を操作するためのフレキシブルで簡単な方法を提供することである。

この目的は、請求項８のステップを有する電源切替装置を操作する方法によって達成される。本発明に従う方法の利点は、前に既に述べた本発明に従う電源切替装置の利点に一致する。

本発明の更なる特徴、利点及び詳細は、付属の図面に言及する実施形態の以下の記載から明らかとなろう。

電源切替装置の概略図を示す図である。 図１の電源切替装置の調整回路の概略図を示す図である。 調整回路の入力での第１電圧レベルと第２電圧レベルを有する調整電圧の時間図を示す図である。 第１電圧レベルが調整回路に印加されたときの調整回路の等価回路を示す図である。 第２電圧レベルが調整回路に印加されたときの調整回路の等価回路を示す図である。

図１は、プラグアンドプレイモジュールとして設計された電源切替装置１を示す。電源切替装置１は、３つの入力端子ｉｎ_１，ｉｎ_２，ｉｎ_３と、２つの出力端子ｏｕｔ_１，ｏｕｔ_２を有する。電力ステージ（不図示）からの入力電圧Ｖ_ｉｎが、第１入力端子ｉｎ_１に印加される。コントローラ（不図示）からのユニポーラ制御電圧Ｖ_Ｇが第２入力端子ｉｎ_２に印加される。制御電圧Ｖ_Ｇは好ましくは、ＰＷＭ信号である。電力ステージとコントローラの共通のアースが第３入力端子ｉｎ_３に適用される。

電源切替装置１は、緩衝回路３の上流で第１入力端子ｉｎ_１に接続した電圧安定化回路２を有する。電圧安定化回路２は、ダイオードＤ_１、ツェナーダイオードＺ_Ｖｃｃ及びコンデンサＣ_Ｖｃｃを有する。ダイオードＤ_１は、第１入力端子ｉｎ_１及び第１ノードＮ_１に接続している。ツェナーダイオードＺ_Ｖｃｃ及びコンデンサＣ_Ｖｃｃの並列接続が、第１ノードＮ_１及び基準ノードＮ_０に接続している。基準ノードＮ_０は第３入力端子ｉｎ_３に接続している。

電圧安定化回路２が安定化された入力電圧Ｖ_ｃｃを緩衝回路３に供給するように、第１ノードＮ_１は緩衝回路３に接続している。緩衝回路３が安定化された入力電圧Ｖ_ｃｃ及び制御電圧Ｖ_Ｇに依存するユニポーラ緩衝出力電圧Ｖ_ｂを与えるように、第２入力端子ｉｎ_２は緩衝回路３に接続している。緩衝回路３は、電圧増幅器と電流増幅器の少なくとも１つを有する。例えば、緩衝回路３はシュミットトリガー又はトーテムポール対として設計される。緩衝回路３は基準ノード_０に接続している。緩衝回路３のために、必要な電力が電力ステージによって供給され、コントローラは必要な電力に影響されない。

緩衝回路３はフィルタ回路４に接続している。フィルタ回路４は、緩衝出力電圧Ｖ_ｂの直流成分Ｖ_ＤＣを阻止して、交流一次側電圧Ｖ_１を与えるよう機能する。フィルタ回路４は、直列に接続したフィルタ抵抗器Ｒ_ｐとフィルタコンデンサＣ_ｐを有する。フィルタ抵抗器Ｒ_ｐとフィルタコンデンサＣ_ｐの直列接続は、緩衝回路３及び変圧器５に接続している。フィルタ抵抗器Ｒ_ｐとフィルタコンデンサＣ_ｐの直列接続は、変圧器５の一次巻き線６に直列に接続している。一次側巻き線６はさらに基準ノードＮ_０に接続している。フィルタ抵抗器Ｒ_ｐ、フィルタコンデンサＣ_ｐ及び一次側巻き線６の直列接続のために、フィルタ回路４はローカットフィルタとして作用する。

二次側では、変圧器５は、二次側巻き線７及び二次側供給巻き線８を有する。一次側巻き線６及び二次側巻き線７は第１変圧比を定める。変圧器５が第１変圧比に依存して交流二次側電圧Ｖ_２を与えるように、交流一次側電圧Ｖ_１は二次側に変圧される。変圧器５は一次側を二次側から分離する。

回復回路９が二次側巻き線７に接続している。回復回路９は、阻止された直流成分Ｖ_ＤＣを二次側電圧Ｖ_２に加え、調整回路１０の入力電圧であるユニポーラ調整電圧Ｖ_Ｄを与える。回復回路９は、回復コンデンサＣ_Ｓ及び阻止素子Ｄ_ｒを有する。回復コンデンサＣ_Ｓは二次側巻き線７に直列に接続している。回復コンデンサＣ_Ｓと二次側巻き線７の直列接続は、第２ノードＮ_２及び第３ノードＮ_３に接続している。阻止素子Ｄ_ｒは、それが回復コンデンサＣ_Ｓ及び二次側巻き線７の直列接続に並列に接続するように、第２ノードＮ_２及び第３ノードＮ_３に接続している。阻止素子Ｄ_ｒはダイオードとして設計されている。調整電圧Ｖ_Ｄは阻止素子Ｄ_ｒに掛かる電圧である。

調整回路１０は、スイッチオン回路１１及びスイッチオフ回路１２を有する。調整電圧Ｖ_Ｄが第１電圧レベルＶ_Ｄ１を有するとき、スイッチオン回路１１は電源スイッチ１３をスイッチオンするのに対し、調整電圧Ｖ_Ｄが第２電圧レベルＶ_Ｄ２を有するとき、スイッチオフ回路１２は電源スイッチ１３をスイッチオフする。

調整電圧Ｖ_Ｄは図３に示されており、ｔが時間を示す。調整電圧Ｖ_Ｄは加えられた直流成分Ｖ_ＤＣのためにユニポーラであり、制御電圧Ｖ_Ｇに基本的に一致する。切替期間Ｔ_Ｓ内で、調整電圧Ｖ_Ｄは、Ｄ・Ｔ_Ｓの期間の間第１電圧レベルＶ_Ｄ１を有し、（１−Ｄ）・Ｔ_Ｓの期間の間第２電圧レベルＶ_Ｄ２を有する。Ｄは、電源スイッチ１３のデューティーサイクルを示す。第２電圧レベルＶ_Ｄ２は基本的に０である。第１電圧レベルＶ_Ｄ１は正数である。

電源スイッチ１３はｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして設計される。ドレイン端子Ｄが第１出力端子ｏｕｔ_１に接続しているのに対し、ソース端子Ｓが第２出力端子ｏｕｔ_２に接続している。電源スイッチ１３は、ゲート端子Ｇとソース端子Ｓの間でゲート−ソース静電容量Ｃ_ＧＳを有する。

スイッチオン回路１１は阻止素子Ｄ_ｏｎと抵抗器Ｒ_ｏｎを有し、これらは直列に接続されている。阻止素子Ｄ_ｏｎはダイオードである。阻止素子Ｄ_ｏｎと抵抗器Ｒ_ｏｎの直列接続は、第２ノードＮ_２に及びゲート端子Ｇに接続している。第３ノードＮ_３はソース端子Ｓに接続している。調整電圧Ｖ_Ｄが第１電圧レベルＶ_Ｄ１を有するとき、スイッチオン回路１１は、ゲート−ソース静電容量Ｃ_ＧＳを充電する駆動電流ｉを与え、電源スイッチ１３をスイッチオンする駆動電圧Ｖ_ＧＳを与える。これは図４に示されている。

スイッチオフ回路１２は制御スイッチＳ_１を有する。制御スイッチＳ_１はバイポーラ接合トランジスタとして設計される。好ましくは、バイポーラ接合トランジスタはＰＮＰバイポーラ接合トランジスタである。制御スイッチＳ_１のコレクタ端子Ｃはソース端子Ｓに接続しているのに対して、制御スイッチＳ_１のエミッタ端子Ｅはゲート端子Ｇに接続している。制御スイッチＳ_１のバイアス端子Ｂが、第２ノードＮ_２に接続している抵抗器Ｒ_ｏｆｆに接続している。調整電圧Ｖ_Ｄが第２電圧レベルＶ_Ｄ２、すなわち本質的に０を有するとき、スイッチオン回路１１はダイオードＤ_ｏｎにより阻止（遮断）され、制御スイッチＳ_１は、駆動電圧Ｖ_ＧＳとエミッタ端子Ｅ及びバイアス端子Ｂを介する電流のためにスイッチオンされる。ゲート−ソース静電容量Ｃ_ＧＳが駆動電流ｉによって放電され、電源スイッチ１３がスイッチオフされるように、制御スイッチＳ_１は短絡回路として作用する。スイッチオフ回路１２は図５に示されている。

さらに、電源スイッチ１３が望まれない操作領域で操作されるかどうか検出するために、電源切替装置１は保護回路１４を有する。二次側供給巻き線８は、保護回路１４の電力供給のために使用される供給電圧Ｖ_３を与える。一次側巻き線６及び二次側供給巻き線８は、必要な供給電圧Ｖ_３に依存する第２変圧比を定める。保護回路１４は、安定化された供給電圧Ｖ_ｂｉａｓを与える安定化回路１５を有する。安定化された供給電圧Ｖ_ｂｉａｓは制御ユニット１６に印加される。

安定化回路１５は、ダイオードＤ_ｂｉａｓ、ツェナーダイオードＺ_ｂｉａｓ及びコンデンサＣ_ｂｉａｓを有する。ダイオードＤ_ｂｉａｓ及び二次側供給巻き線８は直列に接続されている。二次側供給巻き線８は第３ノードＮ_３に接続している。ダイオードＤ_ｂｉａｓは第４ノードＮ_４に接続している。ツェナーダイオードＺ_ｂｉａｓ及びコンデンサＣ_ｂｉａｓは、第３ノードＮ_３と第４ノードＮ_４に並列に接続している。したがって、制御ユニット１６は電源スイッチ１３と同じアースを共有する。

保護回路１４は、電源スイッチ電流ｉ_ｐを測定するために測定素子１７を有する。測定した電源スイッチ電流ｉ_ｐ’は制御ユニット１６に供給される。さらに、電源スイッチ電圧Ｖ_Ｐが制御ユニット１６に与えられる。電源スイッチ電圧Ｖ_Ｐは、特に電源スイッチ１３のドレイン−ソース電圧である。電源スイッチ電流ｉ_ｐ’及び／又は電源スイッチ電圧Ｖ_Ｐに依存して、制御ユニット１６は、電源スイッチ１３が望まれない操作領域内で操作されるか否かを決定する。電源スイッチ１３が望まれない操作領域内で操作される場合、制御ユニット１６は保護信号ｐを創出する。保護信号ｐは特に電圧信号である。

保護回路１４は、電源スイッチ１３が望まれない操作領域内で操作される場合に電源スイッチ１３をスイッチオフするよう機能する保護スイッチＳ_２を有する。保護スイッチＳ_２は、ゲート−ソース静電容量Ｃ_ＧＳに並列に接続している。保護スイッチＳ_２は、それがスイッチオンされるとゲート−ソース静電容量Ｃ_ＧＳに短絡を与える。

保護スイッチＳ_２はｎチャネルＭＯＳＦＥＴとして設計される。保護スイッチＳ_２のドレイン端子ｄがゲート端子Ｇに接続しているのに対して、保護スイッチＳ_２のソース端子ｓはソース端子Ｓに接続している。制御ユニット１６は保護スイッチＳ_２のゲート端子ｇに接続しており、保護信号ｐをゲート端子ｇに供給する。

電源切替装置１は、プラグアンドプレイモジュールとして作用し、電源スイッチ１３のソース端子Ｓが固定電圧又は浮遊電圧に接続している多数の用途のために使用できる。電源切替装置１は、絶縁トポロジー、浮遊ソース電力装置を備えた従来の非絶縁トポロジー又は接続電力装置の慣習にとらわれない方法を用いたトポロジーで利用されるスイッチなどの浮遊ソースを有するスイッチのための適切な駆動・調整スキームを設計するのに通常必要となる努力を省く。絶縁トポロジーにおいて使用されたとしても、電源切替装置１は電力ステージを使用することで強化される。潜在的用途の現実の例は、フライバック、フォワード、プッシュプル、ハーフブリッジ、フルブリッジ等の絶縁トポロジー、また降圧型、昇圧型及び昇降圧コンバーターなどの高電位側スイッチ又は浮遊ソーススイッチを有する非絶縁トポロジーである。電源切替装置１又は回路トポロジーにおいて全ての可能な方法で接続したそれらの多くが、それぞれのスイッチ１３用の専用の電源を構築せずに同じ電力ステージアースを共有する同じコントローラを使用して容易に駆動できるので、電源切替装置１を使用することで、駆動と調整の問題が解決される。さらに、電源切替装置１は、過電流保護、短絡回路保護及び過熱保護などの様々な保護特徴をもたらす。

電源切替装置１は、電源スイッチ１３のソース接続にかかわらず作動できる、と言うのも、それが変圧器５を使用し、電源スイッチ１３をオンすることが望まれるときに正数となる絶縁差動ゲート−ソース電圧Ｖ_ＧＳ又は電源スイッチ１３をオフすることが望まれるときに殆ど０の電圧を与えるからである。電源切替装置１は、バイポーラ又はユニポーラ制御電圧Ｖ_Ｇにより作動される。好ましくは、コントローラは、ユニポーラ制御電圧Ｖ_Ｇのみ、すなわちアースに対して正の又は負の電圧のみ生じる。したがって、電源切替装置１は、必要な駆動電圧Ｖ_ＧＳを与えるために分離又は専用の電源を必要とする。緩衝回路３のために、必要な電力は電力ステージによって供給され、コントローラは必要な電力に影響されない。電圧安定化回路２は、低損失レギュレータ（ＬＤＯ）として設計されてもよい。フィルタ回路４は、ユニポーラ緩衝出力電圧Ｖ_ｂにおける直流成分Ｖ_ＤＣを遮断し、それで結局交流一次側電圧Ｖ_１が交流二次側電圧Ｖ_２に変換される。回復回路９は、変圧器５の変圧比に従って遮断された直流成分Ｖ_ＤＣを回復する。回復回路９のために、駆動電圧Ｖ_ＧＳのレベルはデューティーサイクルＤに依存しない。阻止素子又はダイオードＤ_ｒは、二次側電圧Ｖ_２の負の部分を遮断してゲート駆動損失を減少させるために使用される。阻止素子又はダイオードＤ_ｏｎと抵抗器Ｒ_ｏｎは、ゲート−ソース静電容量Ｃ_ＧＳを充電して、制御電圧Ｖ_Ｇが高いときに電源スイッチ１３をオンするために使用されるのに対し、制御スイッチＳ_１（ＰＮＰバイポーラ接合トランジスタ）は、ゲート−ソース静電容量Ｃ_ＧＳを放電して、制御電圧Ｖ_Ｇが低いときに電源スイッチ１３をオフするために使用される。これら電源スイッチ１３の全てがそのソース端子又はエミッタ端子に対する差動駆動信号を必要とするので、電源切替装置１は、ＭＯＳＦＥＴ、バイポーラ接合トランジスタ又はＩＧＢＴとして設計された電源スイッチ１３により作動する。

さらには、電源切替装置１は様々な保護特徴を与える。制御ユニット１６は電源スイッチ１３と同じアースを共有するので、電流・電圧情報がそれに直接供給される。電源スイッチ電流ｉ_ｐ及び電源スイッチ電圧Ｖ_Ｐが利用できるので、望まれない操作領域及び安全操作領域を計算することで過電流保護、短絡回路保護及び過熱保護がもたらされる。加えて、切替電力損失及び温度上昇が計算され、見積もられる。さらに、電圧・電流測定が、切替損失を計算してそれを最悪条件と比較するために使用され、過度の電力損失を検出し及び／又は過電圧保護を与えることができる。安全操作のいずれかの違反が検出されると、制御ユニット１６は、保護信号ｐを、すなわちハイゲートパルスを保護スイッチＳ_２に創出し、それにより電源スイッチ１３が切られ、したがって保護される。

１ 電源切替装置
３ 緩衝回路
４ フィルタ回路
５ 変圧器
９ 回復回路
１０ 調整回路
１３ 電源スイッチ
ｉｎ_１ 第１入力端子
ｉｎ_２ 第２入力端子
ｉ，Ｖ_ＧＳ 駆動信号
Ｖ_１ 一次側電圧
Ｖ_２ 二次側電圧
Ｖ_ｂ 緩衝出力電圧
Ｖ_ＤＣ 直流成分
Ｖ_Ｇ 制御電圧
Ｖ_ｉｎ 入力電圧

Claims (8)

1. −電力ステージからの入力電圧（Ｖ_ｉｎ）を印加するための第１入力端子（ｉｎ_１）、
   −コントローラからの制御電圧（Ｖ_Ｇ）を印加するための第２入力端子（ｉｎ_２）、
   −前記入力電圧（Ｖ_ｉｎ）及び前記制御電圧（Ｖ_Ｇ）に依存する緩衝出力電圧（Ｖ_ｂ）を与えるための緩衝回路（３）、
   −前記緩衝出力電圧（Ｖ_ｂ）の直流成分（Ｖ_ＤＣ）を阻止し、一次側電圧（Ｖ_１）を与えるためのフィルタ回路（４）、
   −前記一次側電圧（Ｖ_１）を二次側電圧（Ｖ_２）に変換する変圧器（５）、
   −阻止された前記直流成分（Ｖ_ＤＣ）を前記二次側電圧（Ｖ_２）に少なくとも部分的に加え、ユニポーラ調整電圧（Ｖ_Ｄ）を与えるための回復回路（９）、
   −第１出力端子（ｏｕｔ _１ ）及び第２出力端子（ｏｕｔ _２ ）に接続していて、駆動信号（ｉ，Ｖ _ＧＳ ）によって制御される電源スイッチ（１３）、
   −前記ユニポーラ調整電圧（Ｖ _Ｄ ）に依存して前記駆動信号（ｉ，Ｖ _ＧＳ ）を与えるための調整回路（１０）、及び
   −望まれない操作領域における前記電源スイッチ（１３）の操作を検出するための保護回路（１４）を有する、電源切替装置であって、
   前記回復回路（９）は阻止素子（Ｄ_ｒ）を有し、前記阻止素子（Ｄ_ｒ）はダイオードであり、前記変圧器（５）の二次側巻き線（７）と回復コンデンサ（Ｃ_ｓ）の直列接続に並列に接続しており、
   −−スイッチオン回路（１１）が前記調整回路（１０）の一部であり、阻止素子（Ｄ_ｎ）を有し、前記阻止素子（Ｄ_ｎ）は、ダイオードであり、前記ユニポーラ調整電圧（Ｖ_Ｄ）が第１電圧レベル（Ｖ_Ｄ１）を有するときに前記電源スイッチ（１３）がスイッチオンされるように、駆動電流（ｉ）の流れを可能にし、
   −−スイッチオフ回路（１２）が前記調整回路（１０）の一部であり、正に１つの制御スイッチ（Ｓ_１）を有し、前記ユニポーラ調整電圧（Ｖ_Ｄ）が第２電圧レベル（Ｖ_Ｄ２）を有するときに前記電源スイッチ（１３）がスイッチオフされるように、前記制御スイッチは駆動電流（ｉ）の流れを可能にし、
   −−前記電源スイッチ（１３）がスイッチオンされるように、前記電源スイッチ（１３）の充電された内部容量（Ｃ_ＧＳ）が駆動電圧（Ｖ_ＧＳ）の第１レベルを与え、且つ前記電源スイッチ（１３）がスイッチオフされるように、放電された内部容量（Ｃ_ＧＳ）が前記駆動電圧（Ｖ_ＧＳ）の第２レベルを与えるように、前記調整回路（１０）は前記電源スイッチ（１３）に接続しており、
   前記保護回路（１４）は、望まれない操作領域における操作が検出されたときに前記電源スイッチ（１３）をスイッチオフするための保護スイッチ（Ｓ _２ ）を有し、
   −−前記保護スイッチ（Ｓ _２ ）は、前記電源スイッチ（１３）の前記内部容量（Ｃ _ＧＳ ）に並列に接続しており、
   −−前記変圧器（５）は、供給電圧（Ｖ _３ ）を前記保護回路（１４）に与えるための二次側供給巻き線（８）を有する、電源切替装置。
2. 前記フィルタ回路（４）は、直列に接続されたフィルタコンデンサ（Ｃ_ｐ）とフィルタ抵抗器（Ｒ_ｐ）を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の電源切替装置。
3. 前記フィルタ回路（４）は、前記変圧器（５）の一次側巻き線（６）に直列に接続したフィルタコンデンサ（Ｃ_ｐ）を有する、ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源切替装置。
4. 前記緩衝回路（３）は電圧増幅器と電流増幅器の少なくとも１つを有する、ことを特徴とする請求項１〜３の少なくとも一項に記載の電源切替装置。
5. 電圧安定化回路（２）が、前記緩衝回路（３）の上流で前記第１入力端子（ｉｎ_１）に接続している、ことを特徴とする請求項１〜４の少なくとも一項に記載の電源切替装置。
6. 前記ユニポーラ調整電圧（Ｖ_Ｄ）の前記第１電圧レベル（Ｖ_Ｄ１）では、前記駆動電流（ｉ）は前記電源スイッチ（１３）の前記内部容量（Ｃ_ＧＳ）を充電し、且つ前記ユニポーラ調整電圧（Ｖ_Ｄ）の前記第２電圧レベル（Ｖ_Ｄ２）では、前記駆動電流（ｉ）は前記電源スイッチ（１３）の前記内部容量（Ｃ_ＧＳ）を放電するように、前記調整回路（１０）は前記電源スイッチ（１３）に接続している、ことを特徴とする請求項１〜５の少なくとも一項に記載の電源切替装置。
7. 前記保護回路（１４）は、電源スイッチ電流（ｉ_ｐ）と電源スイッチ電圧（Ｖ_Ｐ）の少なくとも１つに依存して保護信号（ｐ）を与えるための制御ユニット（１６）を有する、ことを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の電源切替装置。
8. 電源切替装置を操作する方法であって、
   −請求項１〜７の少なくとも一項に記載の電源切替装置（１）を供給し、
   −電力ステージからの入力電圧（Ｖ_ｉｎ）を前記第１入力端子（ｉｎ_１）に印加し、
   −コントローラからのユニポーラ制御電圧（Ｖ_Ｇ）を前記第２入力端子（ｉｎ_２）に印加し、
   −前記緩衝回路（３）によって前記入力電圧（Ｖ_ｉｎ）及び前記ユニポーラ制御電圧（Ｖ_Ｇ）に依存するユニポーラ緩衝出力電圧（Ｖ_ｂ）を与え、
   −前記フィルタ回路（４）によって前記ユニポーラ緩衝出力電圧（Ｖ_ｂ）の直流成分（Ｖ_ＤＣ）を阻止し、交流一次側電圧（Ｖ_１）を与え、
   −前記変圧器（５）によって前記交流一次側電圧（Ｖ_１）を交流二次側電圧（Ｖ_２）に変換し、
   −前記回復回路（９）によって、阻止された前記直流成分（Ｖ_ＤＣ）を前記交流二次側電圧（Ｖ_２）に少なくとも部分的に加え、ユニポーラ調整電圧（Ｖ_Ｄ）を与え、
   −前記調整回路（１０）により前記ユニポーラ調整電圧（Ｖ_Ｄ）に依存して前記電源スイッチ（１３）を制御し、及び
   −望まれない操作領域における操作が検出されたときに前記保護スイッチ（Ｓ _２ ）により前記電源スイッチ（１３）をスイッチオフする、ステップを有する方法。

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