CN105874699A

CN105874699A - 直流-直流转换器

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Publication number: CN105874699A
Application number: CN201480072051.3A
Authority: CN
Inventors: 饴井俊裕
Original assignee: SMK Corp
Current assignee: SMK Corp
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-09-26
Publication date: 2016-08-17
Anticipated expiration: 2034-09-26
Also published as: US20160336863A1; TWI669889B; CN105874699B; JP2016029865A; TW201605156A; DE112014006836T5; JP5811246B1; WO2016013130A1; US9906141B2

Abstract

在直流‑直流转换器中，对切换晶体管的与一次绕组连接的连接侧的连接点(A)的电压Vd、在切换晶体管进行切换动作期间的连接点(A)的电压Vd的变动范围内而设定的阈值电压Vth进行比较，当对电压Vd和阈值电压Vth作了比较后的极性在比对切换晶体管进行切换控制的驱动信号的特定周期长的检测期间Td中并未改变时，判定为是存在切换晶体管会发热的危险的主动状态下的动作。

Description

直流-直流转换器

技术领域

本发明涉及一种将直流电压转换为适于负载的稳定的直流电压的直流-直流转换器，更详细而言，涉及一种通过切换晶体管的开闭动作来使在变压器的一次绕组中流动的电流产生断续，并将变压器的一次侧的直流输入电压转换为相异的直流输出电压再从变压器的二次侧输出的绝缘型直流-直流转换器。

背景技术

直流-直流转换器是将直流的输入电压转换为相异的直流输出电压并朝负载输出的构件，在笔记本电脑等各种电气设备内的以相异的直流电压而动作的各电子电路中都存在，将输入电压转换为该电子电路所需要的稳定的直流电压并输出。直流-直流转换器基于其动作原理可分成通过切换晶体管使在电感中流动的电流产生断续并将直流输入电压转换为相异的电压或极性的直流输出电压的非绝缘型、通过变压器来使输入电压升降的绝缘型，但是，作为转换成与直流输入电压间的电位差较大的输出电压的转换器，在移动电话、携带音乐播放器等移动电子设备的充电器或AC转换器中，采用绝缘型的直流-直流转换器。

图4是表示以往的绝缘型直流-直流转换器的一例的返驰转换器100的图，图中，符号10a为直流电源1的高压侧端子，符号10b为低压侧端子，符号11a为变压器11的一次绕组，符号11b为变压器11的二次输出绕组。相对于直流电源10而与变压器11的一次绕组11a作串联连接的切换晶体管Tr1例如由FET(场效晶体管)所构成，并通过从驱动电路3输出至切换晶体管Tr1的闸极的驱动信号进行接通断开控制。在切换晶体管Tr1被闭合控制(接通控制)并以饱和状态进行动作期间，从直流输入电源10对变压器11的一次绕组11a流入励磁电流，若切换晶体管Tr1被作开控制(断开控制)，则因在闭合控制期间中流动于一次绕组11a的励磁电流而积蓄在变压器11中的电力会从二次输出绕组11b放出。

在变压器11的二次侧，设置有构成整流平滑化电路的整流用二极管15和平滑电容器16，将二次输出绕组11b的输出作整流平滑化，并将直流电源1的输入电压Vin转换为高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间的输出电压Vo，然后朝连接在高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间的负载输出。在一对输出线20a、20b之间，设置有将上述输出电压Vo与对应负载的额定规格所设定的设定电压作比较的电压监视电路12，构成定电压控制电路的变压器11的二次侧的电压监视电路12和一次侧的驱动电路3通过进行光耦合的光耦合发光组件13和光耦合受光组件14进行连接。

电压监视电路12仅在高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间的输出电压Vo超过设定电压时，对光耦合发光组件13进行发光控制，若光耦合受光组件14接收了从光耦合发光组件13发出的光，则对驱动电路3输出表示输出电压Vo为超过设定电压的状态的限制信号。由于能够基于单位时间中的切换晶体管Tr1的闭合控制时间的增减，来对根据积蓄在变压器11中的电力而增减的输出电压Vo进行控制，因此，驱动电路3通过限制信号来进行PWM调变或PFM调变而对驱动信号的导通占空比进行可变控制，在从光耦合受光组件14接收到限制信号的期间，使对切换晶体管Tr1进行闭合控制的驱动信号的导通占空比降低，在未接收到限制信号的期间，则使导通占空比增加。

藉此，例如，当输出电压Vo超过设定电压时，从驱动电路3对切换晶体管Tr1的闸极输出使导通占空比作了降低的驱动信号，使单位时间内的接通控制时间缩短，因此，输出电压Vo降低。相反，当输出电压Vo比设定电压低时，将导通占空比作了增加的驱动信号输出至切换晶体管Tr1的闸极，使单位时间内的接通控制时间延长，因此，输出电压Vo一直上升直到超过设定电压为止，反复进行上述动作，将输出电压Vo定电压控制为特定的设定电压。

一般而言，在此种直流-直流转换器中，若是成为过负载或者是输出线短路等非预期的异常动作状态，则会有发生负载的电路破损或者是造成火灾等的危险，因此，设置有能检测出输出电压的降低或输出电流的异常上升等并将输出线20a、20b阻断的保护电路(专利文献1、2)。

此外，亦周知有下述直流-直流转换器，设置有将熔丝与变压器11的一次绕组11a串联连接，当在一次绕组11a中所流动的电流超过特定的额定电流时，通过熔丝来将电流切断的保护电路。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2011-244659号公报

专利文献2：日本特开平6-284714号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

此种构成的直流-直流转换器100有时会因打雷或者其他的某些原因而导致驱动电路3的进行PWM调变或PFM调变的调变电路等发生故障，并对切换晶体管Tr1的闸极(基极)输出一定电位的驱动信号，使切换动作停止并持续以直流偏压状态来进行动作。此时，切换晶体管Tr1以主动状态进行动作，并持续从直流电源10流出基于串联连接的变压器11的一次绕组11a和切换晶体管Tr1的电阻值所决定的电流。

然而，在使切换晶体管Tr1的切换损失尽可能降低而以高效率将输入电压转换为直流输出电压的直流-直流转换器中，与使用考虑了散热措施的功率MOS或者功率晶体管的串联式稳压器相异，因导通电阻所产生的热量无法发散，因此，会有导致切换晶体管Tr1发热并发生火灾这一重大事故的危险性。

另一方面，由于即便切换晶体管Tr1以主动状态进行动作，也会因由负载导致的电力消耗而使输出电压和输出电流降低，而不会超过会被判定为异常动作的判定值，因此，在专利文献1、2等所记载的保护电路中，无法检测到上述异常动作，此外，由于许多直流-直流转换器被配置在电气设备的框体内，因此，无法从外部通过目视或感觉而检测出切换晶体管Tr1的异常发热，存在直到从电气设备的内部起火为止均无法发现异常动作的可能。

此外，即便在将熔丝与变压器11的一次绕组11a作了串联连接的直流-直流转换器中，在切换晶体管Tr1以主动状态进行动作时所流动的电流也不会超过熔丝的额定电流，无法通过熔丝来将该电流阻断。

即、虽然驱动电路3的调变电路等故障并连续输出将切换晶体管Tr1设为主动状态的驱动信号的现象极少发生，但是，若是一旦发生此种故障，则在以往的直流-直流转换器中，无法将此故障检测出来，存在以高机率导致火灾事故这一极为重大的问题。

本发明有鉴于此种以往的问题点而进行，其目的在于提供一种通过简单的电路构成来检测出切换晶体管Tr1在主动状态下的异常动作的直流-直流转换器。

此外，其目的在于提供一种不需对已有的直流-直流转换器的构成作变更，便能够在以主动状态进行动作的切换晶体管Tr1发生异常发热之前，停止从直流输入电源进行的输入，以防止火灾发生于未然的直流-直流转换器。

解决技术问题所采用的技术方案

为了达成上述目的，技术方案1所记载的直流-直流转换器包括：变压器，其具有一次绕组和二次输出绕组；切换晶体管，其串联连接于将一次绕组励磁的直流电源的低压侧端子和一次绕组之间；驱动电路，其朝切换晶体管的控制端子输出以特定周期对切换晶体管进行接通、断开控制的驱动信号；以及定电压控制电路，其根据变压器的二次侧的一对高压侧输出线和低压侧输出线间的输出电压，对由驱动信号所致的切换晶体管的接通时间作控制，以对输出电压进行定电压控制，该直流-直流转换器还包括：比较电路，其对于切换晶体管的与一次绕组连接的连接侧的连接点A的电压Vd、在切换晶体管进行切换动作期间的连接点A的电压Vd的变动范围内而任意设定的阈值电压Vth进行比较；以及异常判定电路，当比较电路的对电压Vd和阈值电压Vth作了比较后的极性在比驱动信号的前述特定周期长的检测期间Td中并未改变时，该异常判定电路判定为是在主动状态下的切换晶体管的动作。

切换晶体管的与电感连接的连接侧的连接点A的电压Vd在切换晶体管反复成为饱和状态和阻断状态而正常地进行切换动作期间的变动范围中变动，比较电路的对电压Vd和阈值电压Vth作了比较后的极性在切换晶体管进行接通断开的特定周期内进行变化。若切换晶体管以主动状态进行动作，则输入电压Vi保持为大致一定，连接点A的电压Vd亦保持为大致一定的电位，因此，比较电路的对电压Vd和阈值电压Vth作了比较后的极性就算是在比切换晶体管进行接通断开的特定周期长的检测期间Td中，也不会改变，因此，异常判定电路能够据此而与切换晶体管的正常的切换动作相区分，并判定出是主动状态下的动作。

技术方案2所记载的直流-直流转换器包括：变压器，其具有一次绕组、一次副绕组以及二次输出绕组；切换晶体管，其串联连接于将一次绕组励磁的直流电源的低压侧端子和一次绕组之间；驱动电路，其朝切换晶体管的控制端子输出以特定周期对切换晶体管进行接通、断开控制的驱动信号；以及定电压控制电路，其根据变压器的二次侧的一对高压侧输出线和低压侧输出线间的输出电压，对由驱动信号所致的切换晶体管的接通时间进行控制，以对输出电压进行定电压控制，该直流-直流转换器还包括：比较电路，其使一次副绕组的一端与前述直流电源的低压侧端子或高压侧端子连接，并对在切换晶体管进行切换动作期间的一次副绕组的另一端的电压Vd的变动范围内而任意设定的阈值电压Vth作比较；以及异常判定电路，当比较电路的对电压Vd和阈值电压Vth作了比较后的极性在比驱动信号的前述特定周期长的检测期间Td中并未改变时，该异常判定电路判定为是在主动状态下的切换晶体管的动作。

一次副绕组的并未与直流电源直接连接的另一端的电压在切换晶体管反复成为饱和状态和阻断状态而正常进行切换动作期间的变动范围中变动，比较电路的对电压Vd和阈值电压Vth作了比较后的极性在切换晶体管进行接通断开的特定周期内变化。若切换晶体管以主动状态进行动作，则输入电压Vi保持为大致一定，并且一次副绕组的另一端的电压亦保持为大致一定的电位，因此，比较电路的对电压Vd和阈值电压Vth作了比较后的极性就算是在比切换晶体管进行接通断开的特定周期长的检测期间Td中，也不会改变，因此，异常判定电路能够据此而与切换晶体管的正常的切换动作相区分，并判定出是主动状态下的动作。

技术方案3所记载的直流-直流转换器的特征为，包括保护电路，当异常判定电路判定为是在主动状态下的切换晶体管的动作时，该保护电路对连接于前述直流输入电源和一次绕组之间的紧急停止开关进行断开控制。

若异常判定电路判定出切换晶体管的主动状态的动作，则紧急停止开关被作断开控制，使从直流输入电源流动至切换晶体管的电流停止，因此，不会产生因主动状态的动作所导致的切换晶体管的发热。

发明效果

依据技术方案1或技术方案2的发明，即便驱动电路的一部分或切换晶体管自身发生有故障，切换晶体管以主动状态进行动作，亦能够将该主动状态的动作与正常的切换动作相区分并进行判定，因此，能够形成对使用者告知切换晶体管的发热的危险或者是将直流-直流转换器的动作停止等的预防火灾发生于未然的火灾避免手段。

此外，由于仅需要对切换晶体管的与一次绕组连接的连接侧的连接点A或者是一次副绕组的依据切换动作而产生电压变动的另一端的电压Vd作监视，便能够检测出切换晶体管的主动状态的动作，因此，仅需要对现有的直流-直流转换器附加比较电路和异常判定电路，便能够检测出在至今为止的保护电路中无法检测出来的异常动作。

依据技术方案3的发明，在切换晶体管异常发热之前便能使该发热停止，从而能够防止火灾发生于未然。

附图说明

图1是本发明一实施方式的直流-直流转换器1的电路图。

图2是保护电路2的区块图。

图3是本发明另一实施方式的直流-直流转换器30的电路图。

图4是以往的绝缘型直流-直流转换器100的电路图。

具体实施方式

本发明一实施方式的直流-直流转换器是将141V的直流输入电压Vi转换为5V的直流输出电压Vo的返驰型直流-直流转换器1，以下，使用图1和图2，针对此直流-直流转换器1作说明。图1为降压型直流-直流转换器1的电路图，与图4中所示的以往的直流-直流转换器100作比较可知，其并没有对直流-直流转换器100的基本构成作改变,而是追加了保护电路2和被连接于直流输入电源10的高压侧端子10a与切换晶体管Tr1之间的作为紧急停止开关的切换晶体管Tr2。故而，在主要的电路构成上与上述以往的降压型的直流-直流转换器100是共通的，因此，针对实质性相同或者具有同样作用的构成，标注相同的符号，并省略其详细的说明。

直流输入电源10是对于100V的商用交流电源作了整流平滑化处理后的直流输入电压Vi会产生10％左右的电压变动的不稳定的电源，在+141V的高压侧端子10a和0V的低压侧端子10b之间，将上述的切换晶体管Tr2和变压器11的一次绕组11a以及成为主切换组件的切换晶体管Tr1作串联连接，藉此形成闭合电路。

切换晶体管Tr1为N通道FET(场效晶体管)，切换晶体管Tr2为P通道FET，切换晶体管Tr1使闸极与构成定电压控制电路的一部分的驱动电路3作连接，并藉由从驱动电路3所输出的驱动信号而被接通、断开控制。此外，切换晶体管Tr2使闸极与保护电路2的后述的RS触发器电路5的输出作连接，并藉由RS触发器电路5的输出信号而被接通、断开控制。在此，所谓切换晶体管Tr1、Tr2的接通控制，是指使该切换晶体管Tr1、Tr2成为饱和状态而将汲极-源极之间作闭合控制，所谓断开控制，是指使该切换晶体管Tr1、Tr2成为切断状态而将汲极-源极之间作断开控制。

从驱动电路3所输出的驱动信号是例如以800nS的固定周期T而反复H准位和L准位的输出的脉冲信号。在从驱动电路3对切换晶体管Tr1的闸极输出H准位的驱动信号期间，对切换晶体管Tr1作接通控制，以从直流输入电源10对变压器11的一次绕组11a输入励磁电流。在此接通控制期间，由于整流用二极管15的方向与想要在二次输出绕组11b中流动的感应电流的方向相反，因此，通过励磁电流使变压器11的铁心被磁化，从而积蓄电能。

然后，若是从驱动电路3对切换晶体管Tr1的闸极输出L准位的驱动信号，则切换晶体管Tr1被断开控制，在断开控制期间，在变压器11的铁心中所积蓄的电能被释放，并从二次输出绕组11b通过整流用二极管15而流出将平滑电容器16充电的充电电流，在平滑电容器16的两端的高压侧输出线20a和低压侧输出线20b之间出现有输出电压Vo(平滑电容器16的充电电压)。

通过由电压监视电路12和驱动电路3所构成的定电压控制电路来进行控制，以使输出电压Vo达到负载的动作电压、即设定电压。当输出电压Vo比设定电压更高时，从光耦合受光组件14接收了限制信号的驱动电路3通过内置的脉冲宽度调变电路PWM，使驱动信号的800nS的固定周期T中的H准位的时间缩短，导通占空比降低后的驱动信号被输出至切换晶体管Tr1的闸极。其结果是，切换晶体管Tr1的单位时间内的接通控制时间被缩短，输出电压Vo降低。相反地，当输出电压Vo比设定电压更低时，由于导通占空比增加后的驱动信号被输出至切换晶体管Tr1的闸极，单位时间内的接通控制时间被延长，因此，输出电压Vo上升，通过反复进行上述控制，输出电压Vo被定电压控制为设定电压。

如图1、2所示，本实施方式的保护电路2包括；为了对切换晶体管Tr1和变压器11的一次绕组11a之间的连接点A的电位作监视而使检测用端子Da与连接点A作连接的异常判定电路4；以及与异常判定电路4的输出作连接的RS触发器电路5。异常判定电路4和RS触发器电路5被连接到与高压侧端子10a作连接的定电流电路6和低压侧端子10b之间，并将通过定电流电路6而被转换为稳定电位的直流输入电源10作为电源而动作。

异常判定电路4具备未图示的比较电路，该比较电路对于连接点A的电压Vd和在切换晶体管Tr1进行切换动作期间的电压Vd的变动范围内所任意设定的阈值电压Vth作比较。在本实施方式中，由于连接点A的电压Vd在输入电压Vi的0V到基于+141V再加上根据一次绕组11a和二次输出绕组11b的绕组比所出现的电压之间变动，因此，将前述阈值电压Vth例如设定为此范围中的+20V。

当切换晶体管Tr1正在进行正常的切换动作时，比较电路的极性至少会在800nS的固定周期T内而反转。另一方面，若是驱动电路3的脉冲宽度调变电路PWM等因某些原因而发生故障，而使对切换晶体管Tr1的闸极输出的驱动信号达到一定电位，则切换晶体管Tr1以主动状态进行异常动作，直流输入电压Vi成为大致一定的电位，因此，连接点A的电压Vd亦成为一定的电位，比较电路的输出的极性在固定周期T内并不会反转。故而，当在设定为比驱动信号的固定周期T长的2μsec的检测期间Td中，比较电路的输出的极性并未作任何反转的情况时，异常判定电路4判定其进行主动状态下的异常动作，并将通常“L”准位的输出变为“H”准位，而对于RS触发器电路5的置位输入作输出。

RS触发器电路5在被输入了“L”准位的重置信号之后，直到被输入有来自异常判定电路4的“H”准位的置位信号为止，均对切换晶体管Tr2的闸极输出“L”准位的输出信号，从而对切换晶体管Tr2进行接通控制，使由切换晶体管Tr1的切换动作进行的通常动作持续进行。另一方面，若是从异常判定电路4输入有“H”准位的置位信号，则直到下一次被输入有“L”准位的重置信号为止，均对切换晶体管Tr2的闸极输出“H”准位的输出信号，从而对切换晶体管Tr2进行断开控制。其结果是，从直流输入电源10朝切换晶体管Tr1流动的电流被阻断，因主动状态下的动作所导致的切换晶体管Tr1的发热停止。

当使切换晶体管Tr1变为主动状态的故障原因得以解决并成为进行切换动作的状态的情况时，通过对RS触发器电路5输入“L”准位的重置信号，从而能够对切换晶体管Tr2进行接通控制，使其恢复至正常的动作。

虽然在上述实施方式中，将因切换晶体管Tr1的切换动作而导致电压有所变动的一次绕组11a的一侧的连接点A的电压Vd与阈值电压Vth作了比较，但是，若变压器11具有副绕组，则亦可将并未与直流输入电源10连接的副绕组的另一端的电压Vd与阈值电压Vth作比较，并判定切换晶体管Tr1的主动状态的异常动作。图3是变压器11具有一次副绕组11c的本发明另一实施方式的直流-直流转换器30的电路图，一次副绕组11c的一端与直流输入电源10的低压侧端子10b连接，另一端与异常判定电路4的检测用端子Da连接。其他的构成与直流-直流转换器1相同，因此，在图中标注相同的符号，并省略其说明。

在一次副绕组11c的另一端出现的电压与一次绕组11a的电压变动成正比地变动，因此，可将此一次副绕组11c的另一端的电位与阈值电压Vth作比较，并与上述例子相同地，通过异常判定电路4来判定异常。在此情况下，阈值电压Vth根据一次绕组11a和一次副绕组11c的绕组比，在其变动范围内任意作设定。关于相对于一次绕组11a的一次副绕组11c的绕组相位，由于只要能够检测出一次副绕组11c的电位有无反转即可，因此不论是何种绕组相位均可。另外，也可不将一次副绕组11c的一端连接到低压侧端子10b，而是连接到高压侧端子10a。

虽然在上述实施方式中对返驰型转换器作了说明，但是，亦可适用于自励式返驰转换器、顺向型转换器、推挽式转换器、全桥式转换器等其他绝缘型的直流-直流转换器。

此外，在上述实施方式中，作为切换晶体管Tr1、Tr2，使用了P信道FET和N信道FET，但是，亦可使用将汲极和源极的连接设为相反的N信道FET和P信道FET，此外，亦可使用双极晶体管。此外，只要当异常判定电路4判定出切换晶体管Tr1的主动状态的动作时，能够将从直流输入电源10朝切换晶体管Tr1流动的电流阻断，则紧急停止开关的构成并不被限定于晶体管。

此外，当异常判定电路4判定出切换晶体管Tr1的主动状态的动作时，亦能够在对紧急停止开关进行接通控制的同时，或者是相互独立地启动未图示的警报手段，并通过警报声或警报显示来向用户通知异常动作状态。

此外，虽然在上述实施方式中对因驱动信号的异常而导致切换晶体管Tr1以主动状态来动作的例子作了说明，但是，亦适用于因切换晶体管Tr1自身的故障或者是电路组件间的连接异常等其他原因而导致切换晶体管Tr1以主动状态来动作的情况。

工业上的可利用性

本发明可适用于在绝缘型的直流-直流转换器的切换组件中使用有晶体管的直流-直流转换器。

(符号说明)

1：直流-直流转换器

2：保护电路

3：驱动电路

4：异常判定电路

10：直流输入电源

11：变压器

11a：一次绕组

11b：二次输出绕组

11c：一次副绕组

12：电压监视电路(定电压控制电路)

20a：高压侧输出线

20b：低压侧输出线

30：直流-直流转换器

Vi：输入电压

Vo：输出电压

Tr1：切换晶体管

Tr2：切换晶体管(紧急停止开关)

Td：检测时间

T：驱动信号的周期

Claims

1.一种直流-直流转换器，包括：

变压器，该变压器具有一次绕组和二次输出绕组；

切换晶体管，该切换晶体管串联连接于将一次绕组励磁的直流电源的低压侧端子和一次绕组之间；

驱动电路，该驱动电路朝切换晶体管的控制端子输出以特定周期对切换晶体管进行接通、断开控制的驱动信号；以及

定电压控制电路，该定电压控制电路根据变压器的二次侧的一对高压侧输出线和低压侧输出线间的输出电压，对由驱动信号所致的切换晶体管的接通时间进行控制，以对输出电压进行定电压控制，

其特征在于，还包括：

比较电路，该比较电路对切换晶体管的与一次绕组连接的连接侧的连接点(A)的电压Vd、在切换晶体管进行切换动作期间的连接点(A)的电压Vd的变动范围内而任意设定的阈值电压Vth进行比较；以及

异常判定电路，当比较电路的对电压Vd和阈值电压Vth作了比较后的极性在比驱动信号的前述特定周期长的检测期间Td中并未改变时，该异常判定电路判定为是在主动状态下的切换晶体管的动作。

2.一种直流-直流转换器，包括：

变压器，该变压器具有一次绕组、一次副绕组和二次输出绕组；

其特征在于，还包括：

比较电路，该比较电路使一次副绕组的一端与前述直流电源的低压侧端子或高压侧端子进行连接，并对在切换晶体管进行切换动作期间的一次副绕组的另一端的电压Vd的变动范围内而任意设定的阈值电压Vth进行比较；以及

3.如权利要求1或2所记载的直流-直流转换器，其特征在于，

包括保护电路，当异常判定电路判定为是在主动状态下的切换晶体管的动作时，该保护电路对连接于前述直流输入电源和一次绕组之间的紧急停止开关进行断开控制。