CN103430436A

CN103430436A - 电源电路

Info

Publication number: CN103430436A
Application number: CN2012800115729A
Authority: CN
Inventors: 石关晋一; 佐藤俊彰
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2011-03-22
Filing date: 2012-02-10
Publication date: 2013-12-04
Anticipated expiration: 2032-02-10
Also published as: EP2690769B1; JP2012200081A; WO2012127926A1; CN103430436B; EP2690769A4; JP5229345B2; ES2624505T3; EP2690769A1

Abstract

本发明的目的在于提供一种能以简单的电路结构来可靠地检测电压异常的电源电路。为此，本发明在提供用于向开关元件提供控制信号的控制电源电压的电源电路中，设置了开关电源（1），该开关电源（1）具有利用所需数量的输出电路（1ｂ，1ｃ）向开关元件提供控制电源电压的功能、以及使输出电路（1a）的输出电压保持一定的反馈控制的功能；以及监视电路（3），该监视电路（3）基于反馈控制所使用的输出电路（1a）的输出电压来监视控制电源电压，在异常时，向开关元件（71、72）的控制装置、即CPU(8)输出使控制信号的输出停止的信号。

Description

电源电路

技术领域

本发明涉及使用开关电源的电源电路。

背景技术

在像逆变器电路那样具有开关元件的功率转换装置中，需要用于向开关元件的控制端子提供驱动信号（直流电压）的电源电路。此外，为了使开关元件稳定地工作，需要电源电路提供稳定的电压。若该电压由于打雷等引起的短时间的电流切断等而产生异常下降，则无法保证开关元件的稳定工作。在具有代表性的开关元件、即IGBT（Insulated Gate BipolarTransistor：绝缘栅双极晶体管）的控制端子（栅极）上，为了使元件进入导通状态所需的最低的栅极电压阈值（Vth）例如为6V左右的电压。然而，通常在栅极电压较低的情况下，集电极·发射极之间的饱和电压较高，并处于没有足够的电流流过、且损耗较大的状态。因此，通常进行如下的驱动电压控制：即，提供超过10V左右的栅极电压来使其进行导通动作，并在想要截止时使栅极电压变为近似于0V。

换言之，栅极电压大约为6～10V的范围是不稳定的工作区域。因此，若用于驱动IGBT的栅极电压在开关元件的工作过程中下降，则会产生IGBT的异常发热、误动作。对于逆变器电路的情况，若IGBT未按照设想的那样进行动作，则可能无法检测到电源间的短路，或引起发热过大等不良情况的发生。

另一方面，电源电路的故障等也可能会导致栅极电压过大的情况。若所提供的栅极电压超过IGBT的栅极耐压，则IGBT可能会发生故障。

为此，提出了如下方案：即，设置判定栅极电压是否异常的单元，并在异常时使IGBT截止（例如，参照专利文献1）。此外，本申请人提出了一种基于同样目的的不同方案，图4示出了本申请人实施的对用于栅极电压的电源电压是否异常进行判定的电路例。在图4中，栅极驱动用的光耦合器（以下简称为驱动用耦合器）51根据由CPU（未图示）提供的栅极信号（例如导通指令为5V、截止指令为0V的信号）向IGBT52提供栅极电压（例如导通指令为15V）。对于驱动用耦合器51，基于栅极电压的控制电源电压被提供在两个电路53、54之间。

此外，两个电路53、54之间连接有稳压二极管55与光耦合器56的输入侧的发光二极管56d的串联体。光耦合器56的输出侧的光电晶体管56t的发射极接地，与集电极相连的电路58经由电阻57而被上拉。

在电路53、54间的电压正常时，稳压二极管55导通使得发光二极管56d被点亮，光耦合器56导通，因此电路58的电位变为低电平。若两个电路53、54间的电压下降，则稳压二极管55变为非导通，使得发光二极管56d熄灭，光耦合器56截止，因此电路58的电位变为高电平，并将此作为异常信号输出。基于异常信号使来自CPU的栅极信号输出停止（输出0V），由此使IGBT52截止，从而能避免在控制电压下降的状态下、使用IGBT52。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特开2003－125588号公报(图14)

发明内容

发明所要解决的技术问题

一般而言，在逆变器电路中使用多个开关元件。这里，以使用IGBT作为开关元件为例来进行说明，由于IGBT的臂、基准电位不同，因此无法在各IGBT的栅极驱动中使用公共的电源电路，需要多个相互绝缘的电源电路。因此，为了在上述多个IGBT的控制电压下降时分别使其截止，在专利文献1的电源电路中，需要分别对每个IGBT设置异常判定的电路。此外，即使在图4的电源电路中，也至少需要对每个电源电路（电路53、54）设置异常判定的电路。由此，在现有的电源电路中，需要对每个电源电路或每个IGBT设置异常判定的电路，因此所需的安装元器件数量会增加。其结果是，电路结构变得复杂，导致基板大型化、成本上升。

另外，与上述那样的控制电压下降相反，控制电压也可能会上升，该情况下也会产生同样的问题。

有鉴于上述现有的问题，本发明的目的在于提供一种能以简单的电路结构来可靠地检测电压异常的电源电路。

解决技术问题所采用的技术方案

（1）本发明为一种电源电路，该电源电路提供控制电源电压，该控制电源电压用于向开关元件提供控制信号，其特征在于，包括：开关电源，该开关电源具有以下功能：即，通过所需数量的输出电路向所述开关元件提供所述控制电源电压的功能、以及使某个输出电路的输出电压保持一定的反馈控制的功能；以及监视电路，该监视电路基于所述反馈控制中所使用的输出电路的输出电压、来监视所述控制电源电压，并在该控制电源电压产生异常时，输出使所述控制信号的输出停止的信号。

在上述结构的电源电路中，若应当通过反馈控制而稳定的输出电压变为异常的值，则其它输出电路的输出电压也会变为异常的值。因此，即使不对每个输出电路的电压进行监视，也能利用反馈控制所使用的输出电路的输出电压来对整个开关电源的电压进行监视。因此，基于该输出电压来判断开关电源本身或者开关电源的输入产生了某种异常，从而停止向开关元件输出控制信号，由此能保护开关元件。

（2）在上述（1）的电源电路中，监视电路可以在控制电源电压异常下降时，输出使控制信号的输出停止的信号。

即，若应当通过反馈控制而稳定的输出电压产生异常下降，则其它输出电路的输出电压也会下降。因此，能够基于该输出电压来保护开关元件。

（3）上述（2）的电源电路也可以包括调节器电路，该调节器电路使开关电源所输出的电压降低到规定的固定电压，并将其输出，在基于输出电路的输出电压的对象电压比基于该固定电压的基准电压要低时，监视电路向开关元件的控制装置输出使控制信号的输出停止的信号。

在该情况下，即使调节器电路的输入电压下降，由于调节器电路原本就输出使输入电压下降后的固定电压，因此在输入电压低于固定电压之前，仍会持续输出固定电压，基准电压不会改变。因此，当对象电压低于基准电压时，判断开关电源本身或者开关电源的输入处于某种异常状态，从而停止向开关元件输出控制信号，由此能保护开关元件。

（4）另外，在上述（3）的电源电路中，调节器电路也可以由多级调节器构成，并且越处于后级，输出的固定电压越低。

在该情况下，越是后级的调节器，即使其输入电压越低，也能保持输出电压，因此易于确保最后一级调节器的输出低于固定电压为止的时间。即，对于最后一级调节器，即使开关电源的输出电压产生异常下降，也能在从该时刻起较长的时间内，维持固定电压的输出。

（5）另外，在上述（3）或（4）的电源电路中，优选为在开关元件的控制电源电压降低得比能使该开关元件进行正常动作的规定电压还要低之前，对象电压降低得比基准电压还要低。

由此，能够避免开关元件在监视电路对开关元件进行保护之前进行异常动作。

（6）另外，在上述（1）的电源电路中，监视电路也可以在控制电源电压异常上升时，输出使控制信号的输出停止的信号。

即，若应当通过反馈控制而稳定的输出电压产生异常上升，则其它输出电路的输出电压也会上升。因此，能够基于该输出电压来保护开关元件。

（7）另外，上述（6）的电源电路也可以包括调节器电路，该调节器电路使开关电源所输出的电压降低到规定的固定电压，并将其输出，在基于输出电路的输出电压的对象电压比基于该固定电压的基准电压要高时，监视电路向开关元件的控制装置输出使控制信号的输出停止的信号。

在该情况下，即使调节器电路的输入电压上升，调节器电路也会持续输出固定电压，基准电压不会改变。因此，当对象电压高于基准电压时，判断开关电源本身或者开关电源的输入处于某种异常状态，从而停止向开关元件输出控制信号，由此能保护开关元件。

（8）另外，在上述（3）、（4）、（5）或（7）的电源电路中，对象电压和基准电压优选为是从开关电源的输出侧的公共接地（GND）电位观察到的电压。

在该情况下，能够直接将相对于公共接地电位的两个系统的电压作为监视电路的两个输入，无需使其相互绝缘，因此简化了电路结构。

（9）另外，在上述（8）的电源电路中，优选为控制装置的电源电压与对象电压及基准电压同样、也是从接地（GND）电位观察到的电压。

在该情况下，能够将监视电路的输出直接输入到控制装置，无需使其相互绝缘，因此简化了电路结构。

（10）另外，上述（3）、（4）、（5）或（7）的电源电路中，控制装置的电源电压也可以使用调节器电路的输出电压。

在该情况下，控制装置的电源电压稳定。

（11）另外，在上述（1）～（10）的任一电源电路中，开关元件可以是多个构成功率转换电路的电压驱动型元件。

在该情况下，若由于开关电源的输出电压产生异常下降而导致作为控制信号的栅极电压下降，则可能会引起IGBT、MOSFET等电压驱动型元件的异常发热、开关不良，但通过停止提供栅极电压，能够将上述情况防患于未然。

发明效果

根据本发明的电源电路，能以简单的电路结构来可靠地检测电压的异常，并保护开关元件。

附图说明

图1是以本发明的一个实施方式所涉及的电源电路为中心的电路图。

图2是表示调节器电路的电压变化等的图。

图3是表示图1的各部分的电压变化及监视电路的输出变化的图。

图4是用于对栅极电压用的电源电压的异常进行判定的现有的电路例。

具体实施方式

图1是以本发明的一个实施方式所涉及的电源电路为中心的电路图。图中，电源电路以开关电源1、调节器电路2、监视电路3、以及控制装置8为主要构成要素来构成。开关电源1通过如图示那样将开关变压器10、整流电路11、开关元件（例如IGBT）12、控制器13、平滑电容器C0、C11、C12、C2、C3以及二极管D11、D12、D2、D3相连接而得以构成。

利用整流电路11对由商用交流电源4提供的交流电压进行全波整流，并利用平滑电容器C0进行平滑。利用经平滑后的电压，并经由开关元件12，使电流流过开关变压器10的输入侧线圈100。控制器13对开关元件12进行PWM控制，从而实现高频开关。利用该开关使输出侧的多个线圈101～103中感应出与各自的匝数比相对应的电压。所感应出的电压分别经由二极管D11、D12、D2、D3及平滑电容器C11、C12、C2、C3进行整流、平滑，并构成输出电路1a、1b、1c。线圈101为带有中心抽头的线圈，输出电路1a例如输出15V和7V。

对于输出电路1b～1c，虽然仅图示了两个电路，但实际上，根据作为负载的开关元件来设置所需要的数量。输出电路1b、1c向驱动用耦合器（栅极驱动用的光耦合器）5、6提供控制电源电压，该控制电源电压用于向IGBT、即开关元件71、72提供控制信号（栅极电压）。作为控制装置的CPU8向驱动用耦合器5、6提供基于栅极电压理论值的栅极信号。

开关元件71、72构成逆变器、整流器等功率转换电路7，设置有与实际应用的电路相对应的数量的开关元件，并对这些开关元件或动作相同的元件公共地设置有驱动用耦合器。然而，开关元件的用途不限于功率转换电路，也可以用作其它各种开关。对于输出电路，在满足公共的基准电位、必要电压等条件时，有时也会采用对多个驱动用耦合器进行输出的结构。另外，CPU8例如从调节器电路2的输出接收3.3V的供电。

另一方面，输出电路1a的15V的额定输出电压用于反馈控制。即，若应当为15V的电压变得高于15V，则控制器13进行动作，以降低PWM控制的占空比，从而降低开关变压器10的输出电压。相反，若应当为15V的电压变得低于15V，则控制器13进行动作，以提高PWM控制的占空比，从而提高开关变压器10的输出电压。利用这种反馈控制，维持了由开关电源1的各个输出电路输出的电压，而不会与规定值产生较大偏离。特别是将反馈控制所使用的输出电路1a的电压维持在了极小的变动范围内（例如15V输出在±0.25V的精度、即14.75～15.25V的范围内）。

相反，若输出电路1a的电压在该变动范围内，则其它输出电路1b、1c的电压也会被维持在正常的允许范围内。此外，若应当通过反馈控制而稳定的输出电路1a的电压由于交流电压下降等而产生异常下降，则其它输出电路1b、1c的输出电压也会下降。因此，即使不对每个输出电路的电压进行监视，也能基于反馈控制所使用的输出电路1a的输出电压来对开关电源1的所有输出的电压进行监视。

因此，基于输出电路1a的电压来对整个开关电源1的输出电压的异常下降进行监视。监视电路3即为实现上述目的的电路，利用例如电阻R1、R2对反馈电压（输入到控制器13的电压）进行分压，并提供给比较器31的一个输入端子。将该电压作为要与后述的基准电压Vr进行比较的对象电压Vin。

另一方面，输出电路1a中的7V的电路与调节器电路2相连。调节器电路2是将调节器（三端子调节器）和电解电容器构成为一组、并将两组、即两级连接后得到的电路。即，前级的调节器21将输入电压（7V）降低到固定电压5V并输出。该输出经由电解电容器C5而成为后级的调节器22的输入。后级的调节器22将输入电压（5V）降低到固定电压3.3V并输出。该输出经由电解电容器C6而被提供给监视电路3。在监视电路3中，利用例如电阻R3、R4对3.3V的电压进行分压，并提供给调节器31的另一个输入端子。将该电压作为基准电压Vr。

另外，在输出电路1a中的7V和15V之间公共的电路为接地（GND）电位，对象电压Vin及基准电压Vr也是相对于公共的接地电位的电压。因此，能够将相对于公共的接地电位的两个系统的电压直接作为监视电路3的两个输入，无需使其相互绝缘，因此简化了电路结构。此外，由于CPU8也是公共接地电位，因此进一步简化了电路结构。

当开关电源1的输出电压正常时，所设定的电阻R1、R2及R3、R4的分压比使对象电压Vin略高于基准电压Vr。此时的比较器31的输出例如为高（H）电平（正常）。CPU8将该输出作为表示开关电源1的输出电压的正常状态来处理。

接着，对开关电源1的输出电压由于短时间的电源切断、控制器13的异常而产生异常下降时的动作进行说明。

首先，说明调节器电路2的动作。图2是表示调节器电路2的电压变化的图。另外，对于各个调节器，通常确定了能输出所需要的固定输出电压的输入电压范围，但这里为了便于说明，假设只要输入电压在固定输出电压以上就能输出电压。

若在时刻t1产生异常，则输出电路1a的7V电压会逐渐下降，最终变为0V。前级的调节器21的输出在时刻t1以后仍会暂时维持在5V，但在输出电路1a的电压低于5V的时刻t2以后，会逐渐下降，最终变为0。后级的调节器22的输出在时刻t2以后仍会暂时维持在3.3V，但在调节器21的输出电压低于3.3V的时刻t3以后，会逐渐下降，最终变为0。

如上所述，后级调节器22的输出在产生异常的时刻t1以后、时刻t3以前，能维持固定电压的输出电压3.3V。

图3是表示各部分的电压变化及监视电路3的输出变化的图。若在时刻tx产生异常，则开关元件71、72用的控制电源电压、即输出电路1b或1c的输出电压会逐渐下降，并在时刻tz进入开关元件的不稳定工作区域，最终变为0V。

基于反馈电压的对象电压Vin在时刻tx以后逐渐下降，并最终变为0V。另一方面，由于调节器电路2的上述作用，基准电压Vr在产生异常后仍会暂时维持电压。因此，在产生异常后的例如时刻ty，对象电压Vin变得低于基准电压Vr，使得监视电路3中的比较器31的输出从高电平变为低电平。该变化导致CPU8停止向开关元件71、72各自的驱动用耦合器5、6发送栅极信号。因此，由驱动用耦合器5、6提供给开关元件71、72的栅极电压消失，开关元件71、72截止。

另外，虽然在上述时刻ty，开关元件71、72用的控制电源电压会稍许下降，但在该时刻下，还不会在开关元件71、72中产生异常发热、误动作。反过来讲，预先对基准电压Vr及电阻R1、R2的分压比进行了设定，从而能在开关元件71、72可能产生异常发热、误动作之前，使监视电路3的输出反转，并检测出异常。

如上所述，即使调节器电路2的输入电压下降，由于调节器电路2原本就输出使输入电压下降后的固定电压，因此在输入电压低于固定电压之前，仍会持续输出固定电压。因此，基准电压不发生改变。因而，当对象电压Vin低于基准电压Vr时，能够通过停止向开关元件71、72输出控制信号来保护开关元件71、72。这里，通过预先将CPU8的电源电压作为调节器电路2的输出电压，从而能使CPU8在更长的期间内持续动作，能更可靠地进行保护动作。此外，如上所述，即使不对每个输出电路的电压进行监视，也能基于反馈控制所使用的输出电路1a的输出电压来对整个开关电源1的电压进行监视。

此外，在上述实施方式中以电压的异常下降为例进行了说明，但在电压异常上升时，只要使该监视电路（3）采用在对象电压高于基准电压时进行异常检测的结构，就能获得相同的效果。

具体而言，另外再并列设置一个图1所示的监视电路3，并使得例如在正常时，对象电压Vin低于基准电压Vr。若由于电压的异常上升导致对象电压Vin变得高于基准电压Vr，则只要通过比较器31的输出的反转来检测出异常状态，并停止向驱动用耦合器5、6发送栅极信号即可。将此时的基准电压Vr设定为例如对象电压Vin不会超过IGBT的栅极耐压值的值即可。

即，根据这种电源电路，能以简单的电路结构来可靠地检测出电压的异常（下降或上升），并保护开关元件。在开关元件是构成逆变器电路或整流器电路等功率转换电路的IGBT的情况下，若由于开关电源的输出电压产生异常下降导致作为控制信号的栅极电压下降，则可能会引起IGBT的异常发热、开关不良。然而，在该情况下，也能通过停止提供栅极电压来将上述情况防患于未然。此外，若由于开关电源的输出电压产生异常上升导致作为控制信号的栅极电压变高，则可能会引起IGBT的故障。然而，在该情况下，也能通过停止提供栅极电压来将上述情况防患于未然。

另外，对于调节器电路2的调节器，可以是一级，也可以根据输入电压、所需的负载电压而设为三级以上。在多级的情况下，通过使越后级的调节器输出的固定电压越低，从而能容易地确保最后一级的调节器的输出低于固定电压为止的时间。即，对于最后一级调节器，即使开关电源的输出电压产生异常下降，也能在从该时刻起较长的时间内，维持固定电压的输出。

另外，上述实施方式中的开关元件71、72采用了IGBT，但对于MOSFET等依赖于驱动电压来改变开关状态的其它开关元件，也能期待同样的效果。

标号说明

1:开关电源

1a:输出电路

2:调节器电路

3:监视电路

8:CPU(控制装置)

71,72:开关元件(IGBT)

Claims

1.一种电源电路，该电源电路提供控制电源电压，该控制电源电压用于向开关元件（71、72）提供控制信号，其特征在于，包括：

开关电源（1），该开关电源（1）具有以下功能：即，通过所需数量的输出电路向所述开关元件（71、72）提供所述控制电源电压的功能、以及使某个输出电路的输出电压保持一定的反馈控制的功能；以及

监视电路（3），该监视电路（3）基于所述反馈控制中所使用的输出电路（1a）的输出电压、来监视所述控制电源电压，并在该控制电源电压产生异常时，输出使所述控制信号的输出停止的信号。

2.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，

所述监视电路（3）在所述控制电源电压异常下降时，输出使所述控制信号的输出停止的信号。

3.如权利要求2所述的电源电路，其特征在于，

包括调节器电路（2），该调节器电路（2）使所述开关电源（1）所输出的电压降低到规定的固定电压，并将其输出，

在基于所述输出电路（1a）的输出电压的对象电压比基于所述固定电压的基准电压要低时，所述监视电路（3）向所述开关元件（71、72）的控制装置（8）输出使控制信号的输出停止的信号。

4.如权利要求3所述的电源电路，其特征在于，

所述调节器电路（2）由多级调节器构成，并且越处于后级，输出的固定电压越低。

5.如权利要求3或4所述的电源电路，其特征在于，

在所述开关元件（71、72）的控制电源电压降低得比能使该开关元件进行正常动作的规定电压还要低之前，所述对象电压降低得比所述基准电压还要低。

6.如权利要求1所述的电源电路，其特征在于，

所述监视电路（3）在所述控制电源电压异常上升时，输出使所述控制信号的输出停止的信号。

7.如权利要求6所述的电源电路，其特征在于，

在基于所述输出电路（1a）的输出电压的对象电压比基于所述固定电压的基准电压要高时，所述监视电路（3）向所述开关元件（71、72）的控制装置（8）输出使控制信号的输出停止的信号。

8.如权利要求3、4、5或7所述的电源电路，其特征在于，

所述对象电压和所述基准电压是从所述开关电源（1）的输出侧的公共接地（GND）电位观察到的电压。

9.如权利要求8所述的电源电路，其特征在于，

所述控制装置（8）的电源电压与所述对象电压及所述基准电压同样、也是从所述接地（GND）电位观察到的电压。

10.如权利要求3、4、5或7所述的电源电路，其特征在于，

所述控制装置（8）的电源电压使用所述调节器电路（2）的输出电压。

11.如权利要求1至10的任一项所述的电源电路，其特征在于，

所述开关元件（71、72）是多个构成功率转换电路的电压驱动型元件。