CN107482890B

CN107482890B - Dc-dc转换器

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Publication number: CN107482890B
Application number: CN201710013824.6A
Authority: CN
Inventors: 饴井俊裕
Original assignee: SMK Corp
Current assignee: SMK Corp
Priority date: 2016-06-07
Filing date: 2017-01-09
Publication date: 2019-11-29
Anticipated expiration: 2037-01-09
Also published as: TWI665854B; US9837896B1; JP6504114B2; TW201743548A; DE102017111015B4; DE102017111015A1; US20170353106A1; JP2017221013A; CN107482890A

Abstract

本发明提供一种DC‑DC转换器，其电路构成简单且不设置冗余电源电路，即使开关晶体管Tr1在能动状态下异常工作，也继续向负载RL供给直流电力。在具有第一开关晶体管的直流电压转换电路部与直流输入电源之间，连接与直流电压转换电路部同样地将直流输入电源的输入电压降压并转换成不同的直流电压的保护电路部，第一开关晶体管在能动状态下工作的情况下，在使第一开关晶体管在能动状态下工作的状态下，向负载供给用保护电路部转换得到的直流电压的直流电力。

Description

DC-DC转换器

技术领域

本发明涉及一种通过开关晶体管的断开闭合工作，将直流输入电压转换成适合于负载的稳定的直流电压的DC-DC转换器，更详细而言，涉及一种对于开关晶体管的故障具有容错功能的DC-DC转换器。

背景技术

DC-DC转换器是将不稳定的直流输入电压转换成稳定的直流输出电压并向负载输出的部件，作为用直流电压工作的各种电子设备的电源使用。根据其工作原理，DC-DC转换器分为用变压器使输入电压升降的绝缘型、用开关晶体管使流经电感器的电流断续并将直流输入电压转换成不同电压或极性的直流输出电压的非绝缘型，在输入电压与输出电压之间不存在较大差异的上述各电子设备中，采用了能够由比较简单的电路元件构成的非绝缘型DC-DC转换器。

以下，使用图3，说明在专利文献1中记载的以往的降压型DC-DC转换器100。DC-DC转换器100具备：将直流的输入电压Vi降压并输出到连接负载RL的高压侧输出端子32a与低压侧输出端子33a间的直流电压转换部10、后述的异常判定电路4以及保护电路7。直流输入电源30在高压侧电源端子30a与低压侧电源端子30b之间产生直流的输入电压Vi，如图所示，通过将二极管D1、开关晶体管Tr1以及开关晶体管Tr2串联连接在高压侧电源端子30a与低压侧电源端子30b之间从而形成闭路，所述二极管D1以直流电压转换部10的低压侧至高压侧为正向。

二极管D1与开关晶体管Tr1的连接点A经由电感器L1与另一侧成为高压侧输出端子32a的高压侧连接线32连接，另外，二极管D1的连接点A的另一侧与布线在低压侧电源端子30b与低压侧输出端子33a间的低压侧连接线33连接。为了向连接于高压侧输出端子32a与低压侧输出端子33a间的负载RL供给稳定的输出电流Io、输出电压Vo的直流电力，在高压侧连接线32与低压侧连接线33间连接有电容器C1。

开关晶体管Tr1由FET(场效应晶体管)构成，由从恒压控制电路40向开关晶体管Tr1的栅极输出的驱动信号断开闭合控制。始终闭合控制(导通控制)成为保护电路2的开关晶体管Tr2，并闭合控制(导通控制)开关晶体管Tr1，在饱和状态下工作期间，电流从直流输入电源30流向电感器L1，并对电容器C1充电，成为输出电压Vo的电容器C1的充电电压通过电感器L1的自感成为比输入电压Vi低的电压。另外，断开控制(截止控制)开关晶体管Tr1，在切断状态下工作期间，存储在电感器L1中的电能通过二极管D1而成为环流的充电电流并对电容器C1充电，维持成为输出电压Vo的电容器C1的充电电压。

由于能够利用单位时间中的开关晶体管Tr1的闭合控制时间来控制输出电压Vo的电压，所以恒压控制电路40按如下方式进行恒压控制：根据输出电压Vo，对闭合控制开关晶体管Tr1的驱动信号的导通占空比进行负反馈，使输出电压Vo成为负载RL的工作电压。因此，恒压控制电路40具有连接在高压侧连接线32与低压侧连接线33间的一对分压电阻R1、R2，用误差放大器41对分压电阻R1、R2的连接点的电压、以负载RL的工作电压为基础调整为预定电位的基准电源电压Vref进行比较，并输出给脉冲宽度调制电路PWM。脉冲宽度调制电路PWM用误差放大器41的比较信号对从发送器OSC输出的一定周期的发送信号进行脉冲宽度调制，并输出给驱动电路42，驱动电路42将根据误差放大器41的比较信号调整了导通占空比而成的驱动信号输出给开关晶体管Tr1的栅极。由此，例如，在输出电压Vo比负载RL的工作电压高的情况下，由于从驱动电路42向开关晶体管Tr1的栅极输出使导通占空比降低的驱动信号，并缩短了单位时间内的导通控制时间，所以输出电压Vo下降。相反地，在输出电压Vo比负载RL的工作电压低的情况下，由于向开关晶体管Tr1的栅极输出使导通占空比增加的驱动信号，并延长单位时间内的导通控制时间，所以输出电压Vo上升，由此，输出电压Vo被恒压控制为按负载RL不同的预定的工作电压。

另一方面，当由于打雷等某些原因恒压控制电路40的脉冲宽度调制电路PWM等发生故障，且从驱动电路42向开关晶体管Tr1的栅极(基极)输出将开关晶体管Tr1设为能动状态的一定电位的驱动信号时，DC-DC转换器100作为始终将开关晶体管Tr1设为闭合状态(接通状态)，并用开关晶体管Tr1的导通电阻消耗输入电力并输出比输入电压低的输出电压的串联调节器(降压器电路)工作。

然而，在尽可能降低开关晶体管Tr1中的开关损耗而高效率地将输入电压转换成直流输出电压的DC-DC转换器中，与采取了散热对策的功率MOS、功率晶体管不同，由于使用了不能散发由导通电阻产生的热能的开关晶体管Tr1，所以会成为发热而发生火灾这样的重大事故发生的原因。而且，即使开关晶体管Tr1在能动状态下工作，由于输出电压、输出电流不会较大地从设定值变动，所以不能够从外部发现开关晶体管Tr1在能动状态下工作的异常，发生火灾的危险变高。

因此，在专利文献1记载的DC-DC转换器100中，着眼于当开关晶体管Tr1在能动状态下异常工作时，开关晶体管Tr1不以预定周期断开闭合工作，开关晶体管Tr1的与电感器L1的连接侧的连接点A的电压Vd不变化，在与连接点A连接的异常判定电路4中，在比预定周期长的检测期间中连接点A的电压Vd不变化的情况下，判定为开关晶体管Tr1在能动状态下工作。

另外，在高压侧电源端子30a与开关晶体管Tr1间连接成为保护电路7的开关晶体管Tr2，在开关晶体管Tr2的栅极上连接异常判定电路4。开关晶体管Tr2通常由从异常判定电路4输出的驱动信号闭合控制(导通控制)，在异常判定电路4判定为开关晶体管Tr1在能动状态下工作的情况下，断开控制(截止控制)，并停止从直流输入电源30向开关晶体管Tr1的电流供给，由此，能够预防开关晶体管Tr1的异常发热。在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5811237号公报

发明内容

发明要解决的问题

根据上述以往的DC-DC转换器100，开关晶体管Tr1在能动状态下工作的情况下，由于停止向开关晶体管Tr1的电流供给，使直流电压转换部10的工作停止的失效保护起作用，所以能够防止由开关晶体管Tr1的发热导致的火灾事故的发生于未然。然而，由于未考虑容错，所以当检测到开关晶体管Tr1的异常工作时，也停止向负载RL的直流电力的供给，例如，在用于飞机的飞行、汽车的行驶以及电梯的升降等系统的情况下，不向这些系统供给直流电力，还会成为引起有生命危险的重大事故的原因。

因此，通常，在DC-DC转换器100中增加了容错功能的情况下，将与上述直流电压转换部10同一构成的冗余电源电路并联配设在与直流输入电源30和负载RL连接的高压侧输出端子32a和低压侧电源端子30b之间，在检测到使之通常工作的直流电压转换部10的开关晶体管Tr1的异常工作的情况下，使冗余电源电路起动并工作。

然而，当按这种方式并联设置同一构成的冗余电源电路时，DC-DC转换器100整体的电路构成复杂且大型化。而且，由于开关晶体管Tr1异常工作的直流电压转换部10在具有发热危险的状态下并联并继续工作，所以需要设置使发生了故障的直流电压转换部10的工作停止的单元，另外，需要设置切换为向冗余电源电路的工作的切换单元。特别是，由于向冗余电源电路的工作的切换不能够在起动冗余电源电路后立即供给稳定的输出电压的直流电力，所以，向冗余电源电路的工作切换而不中断对负载RL的直流电力供给这种切换控制是存在困难的。

本发明考虑这样的以往问题点而作出，其目的在于提供一种DC-DC转换器，其电路构成简单且不设置冗余电源电路，即使开关晶体管Tr1在能动状态下异常工作，也继续向负载RL供给直流电力。

另外，其目的在于提供一种DC-DC转换器，即使使直流电压转换部的开关晶体管Tr1在能动状态下连续工作，也没有发热的危险。

用于解决问题的手段

为了达成上述目的，权利要求1所述的DC-DC转换器具备：第一开关晶体管，与直流输入电源串联连接，并与直流输入电源形成闭路；第一驱动电路，向第一开关晶体管的控制端子输出第一驱动信号，所述第一驱动信号以预定周期断开闭合控制第一开关晶体管；第一电容器，连接在一对高压侧连接线与低压侧连接线间，所述高压侧连接线和低压侧连接线与负载连接；第一电感器，由于第一开关晶体管的断开闭合工作从直流输入电源流出的电流断续，并将一对高压侧连接线与低压侧连接线间的输出电压转换成与直流输入电源的输入电压不同的直流电压；直流电压转换电路部，具有第一恒压控制电路，所述第一恒压控制电路根据一对高压侧连接线与低压侧连接线间的输出电压，利用第一驱动信号控制第一开关晶体管的闭合时间，并恒压控制输出电压；异常判定电路，具有第一比较电路，所述第一比较电路对第一开关晶体管的与第一电感器的连接侧的连接点A的电压Vd、阈值电压Vth进行比较，所述阈值电压Vth在第一开关晶体管开关工作期间的连接点A的电压Vd的变动范围内任意设定，对电压Vd和阈值电压Vth进行比较得到的极性在比驱动信号的预定周期长的检测期间内不变化的情况下，判定为第一开关晶体管在能动状态下工作；以及保护电路部，连接在直流输入电源与直流电压转换电路部之间，在异常判定电路判定为第一开关晶体管在能动状态下工作时转移至保护工作模式，并执行直流电压转换电路部的保护工作，所述DC-DC转换器的特征在于，保护电路部具有：第二开关晶体管，连接在直流输入电源与第一开关晶体管间；第二驱动电路，始终向第二开关晶体管的控制端子输出闭合控制第二开关晶体管的第二驱动信号，在保护工作模式下，输出以预定周期断开闭合控制第二开关晶体管的第二驱动信号；第二电容器，连接在直流电压转换电路部的输入侧的一对高压侧连接线与低压侧连接线间；第二电感器，在保护工作模式下，由于第二开关晶体管的断开闭合工作从直流输入电源流出的电流断续，将第二电容器的两端的电压转换成使直流输入电源的输入电压降压而成的直流电压；以及第二恒压控制电路，在保护工作模式下，根据第二电容器的两端的电压，利用第二驱动信号控制第二开关晶体管的闭合时间，并恒压控制第二电容器的两端的电压。

第一开关晶体管的与第一电感器的连接侧的连接点A的电压Vd在第一开关晶体管反复饱和状态与切断状态并正常开关工作期间的变动范围内发生变动，异常判定电路的第一比较电路对电压Vd和阈值电压Vth进行比较得到的极性在第一开关晶体管断开闭合的预定周期内变化。当第一开关晶体管在能动状态下工作时，由于输入电压Vi大致一定，连接点A的电压Vd也保持大致一定的电位，所以，根据即使是比第一开关晶体管断开闭合的预定周期长的检测期间，第一比较电路对电压Vd和阈值电压Vth进行比较得到的极性也不变化，异常判定电路判定第一开关晶体管在能动状态下工作，保护电路部转移至保护工作模式。

在保护工作模式中，通过第二开关晶体管以预定周期断开闭合工作，第二电感器将第二电容器的两端的电压转换成使直流输入电源的输入电压降压而成的直流电压。由于第二电容器的两端的电压由第二恒压控制电路恒压控制为使直流输入电源的输入电压降压而成的稳定电压，所以一对高压侧连接线与低压侧连接线间的输出电压经由在能动状态下工作的第一开关晶体管，以使输入电压降压而成的稳定电压供给至负载。

由于在能动状态下工作的第一开关晶体管的高压侧的电压与使直流输入电源的输入电压降压而成的第二电容器的两端的电压大致相等，所以施加至第一开关晶体管的电压值由于保护电路部转移至保护工作模式而下降，即使第一开关晶体管在能动状态下工作，也没有异常发热的危险。

权利要求2所述的DC-DC转换器的特征在于，第二恒压控制电路相对于连接到负载的一对高压侧连接线与低压侧连接线间的输出电压对第二电容器的两端的电压进行恒压控制，使得由施加至第一开关晶体管的两端电压导致的第一开关晶体管的发热量不超过第一开关晶体管的最大散热量。

在能动状态下工作的第一开关晶体管中的电压下降Vtr是连接到负载的一对高压侧连接线与低压侧连接线间的输出电压和第二电容器的两端的电压之间的电位差，在能动状态下工作的第一开关晶体管的发热量与Vtr的平方成正比。通过相对于连接到负载的一对高压侧连接线与低压侧连接线间的输出电压对第二电容器的两端的电压进行恒压控制，能够将第一开关晶体管的发热量控制为第一开关晶体管的最大散热量以下。

权利要求3所述的DC-DC转换器的特征在于，具备通知单元，所述通知单元在异常判定电路判定为第一开关晶体管在能动状态下工作时，向外部通知判定结果。

通知单元向外部通知不显露在外部的第一开关晶体管的异常工作。

发明的效果

根据权利要求1的发明，即使直流电压转换电路部的开关晶体管异常工作，也能够不停止发生故障的直流电压转换电路部的工作，向负载持续供给使输入电压下降而成的输出电压的直流电力，且无需并联设置相当于直流电压转换电路部的其他冗余电源电路。

另外，即使使直流电压转换电路部的开关晶体管在能动状态下工作，也没有开关晶体管的异常发热的危险。

根据权利要求2的发明，即使使第一开关晶体管在能动状态下工作，也能够可靠地使之不异常发热并防止火灾的发生。

根据权利要求3的发明，由于通知单元向外部通知不显露在外部的第一开关晶体管的异常工作，所以能够向使用者传达开关晶体管的发热的危险，或在安全地停止DC-DC转换器的工作后，采取直流电压转换电路部的故障位置的修理、更换等修复手段。

附图说明

图1是本申请发明的一实施方式的降压型DC-DC转换器1的电路图。

图2是异常判定保护控制部11的框图。

图3是以往的DC-DC转换器100的电路图。

具体实施方式

本发明的一个实施方式的DC-DC转换器1是将12V的直流输入电压Vi转换成5V的直流输出电压Vo的降压型DC-DC转换器1。以下，使用图1和图2说明该降压型DC-DC转换器1。图1是降压型DC-DC转换器1的电路图，与图3所示以往的DC-DC转换器100相比可知，不变更DC-DC转换器100的基本构成并增加保护电路2而成。因此，由于主要的电路构成与上述以往的降压型DC-DC转换器100共用，所以对于实质相同或同样地起作用的构成，赋予相同的编号并省略其详细说明。

直流输入电源30是直流输入电压Vi的电压变动为10％左右的不稳定电源，通过在+12V的高压侧电源端子30a与0V的低压侧电源端子30b之间串联连接构成保护电路2的一部分的开关晶体管Tr2、构成直流电压转换部10的一部分的开关晶体管Tr1以及以低压侧至高压侧为正向的二极管D1，从而形成闭路。

开关晶体管Tr1、Tr2均为P沟道FET(场效应晶体管)，开关晶体管Tr1的栅极与由控制用IC构成的恒压控制电路40的驱动电路42连接，并由从驱动电路42输出的驱动信号导通、截止控制。另外，开关晶体管Tr2的栅极与保护电路2的后述的驱动电路21的输出连接，通常由从驱动电路21输出的驱动信号导通控制，当检测到开关晶体管Tr1在能动状态下工作时，由驱动信号导通、截止控制。在这里，开关晶体管Tr1、Tr2的导通控制是指将该开关晶体管Tr1、Tr2设为饱和状态而闭合控制漏极-源极间，截止控制是指设为切断状态而断开控制漏极-源极间。

从驱动电路42输出的驱动信号例如是在1μsec的固定周期T中反复0V的导通时间和+12V的截止时间的脉冲信号。在从驱动电路42向开关晶体管Tr1的栅极输出+0V的驱动信号期间，导通控制开关晶体管Tr1，并导通控制开关晶体管Tr2。通常来说，对电容器C1充电的充电电流从直流输入电源30向电感器L1流动。成为该导通控制时间中的输出电压Vo的、电容器C1的充电电压由于电感器L1的自感，成为比+12V的输入电压Vi低的+5V的电压。

另外，当从驱动电路42向开关晶体管Tr1的栅极输出+12V的驱动信号时，截止控制开关晶体管Tr1，截止控制时间期间，存储在电感器L1中的电能通过二极管D1成为环流的充电电流，并以与充电电压同极性对电容器C1充电，将由于负载RL的电力消耗而下降的输出电压Vo(电容器C1的充电电压)维持在+5V。

利用恒压控制电路40，恒压控制为该输出电压Vo成为负载RL的工作电压。恒压控制电路40具备：一对分压电阻R1、R2，连接在连接负载RL的高压侧连接线32的连接点B1与低压侧连接线33间；误差放大器41，对分压电阻R1、R2的连接点的电压、以负载RL的工作电压为基础调整为预定电位的基准电源电压Vref进行比较；脉冲宽度调制电路PWM1，用误差放大器41的输出对从发送器OSC1输出的1MHz固定频率的三角波或锯齿波等信号进行脉冲宽度调制；以及驱动电路42，将从脉冲宽度调制电路PWM1输出的被调制信号作为驱动信号并向开关晶体管Tr1的栅极输出。

在输出电压Vo比负载RL的工作电压高的情况下，通过脉冲宽度调制电路PWM1缩短控制脉冲信号的1μsec的固定周期T中的导通时间，向开关晶体管Tr1的栅极输出使导通占空比下降而成的驱动信号。结果，缩短了开关晶体管Tr1的单位时间内的导通控制时间，输出电压Vo下降。相反地，在输出电压Vo比负载RL的工作电压低的情况下，由于向开关晶体管Tr1的栅极输出使导通占空比增加而成的驱动信号，并延长单位时间内的导通控制时间，所以输出电压Vo上升，输出电压Vo被恒压控制为按负载RL不同的预定的工作电压。

在利用正常工作的恒压控制电路40将输出电压Vo恒压控制为作为负载RL的工作电压的5V的降压型DC-DC转换器1中，例如，向开关晶体管Tr1的栅极输出导通占空比为44％的驱动信号并开关控制开关晶体管Tr1，将12V的直流输入电压Vi转换成5V的输出电压Vo。在这里，开关晶体管Tr1正常开关工作期间的开关晶体管Tr1与电感器L1之间的连接点A的电位在导通控制开关晶体管Tr1期间成为与高压侧电源端子30a的电位相等的+12V，在截止控制期间成为从低压侧电源端子30b的接地电位下降了约0.5V由二极管D1导致的二极管下降量Vf的-0.5V，并在-0.5V至+12V之间变化。

如图2所示，在异常判定保护控制部11中具备：为了监视开关晶体管Tr1与电感器L1之间的连接点A的电位使检测用端子SW与连接点A连接的异常判定电路4、与异常判定电路4的输出连接的RS触发器电路5。异常判定电路4和RS触发器电路5被连接在恒流电路6与低压侧电源端子30b之间，并将利用恒流电路6转换成稳定电位的直流输入电源30作为电源工作，所述恒流电路6与高压侧电源端子30a连接。

异常判定电路4具备对连接点A的电压Vd和阈值电压Vth进行比较的未图示的比较电路，所述阈值电压Vth任意设定在开关晶体管Tr1开关工作期间的电压Vd的变动范围内。在本实施方式中，由于连接点A的电压Vd在0.5V至+5V之间变动，所以将所述阈值电压Vth设定在之间的+0.5V。

在开关晶体管Tr1正常开关工作期间，比较电路的极性至少在1μsec的固定周期T内反转。另一方面，当脉冲宽度调制电路PWM1等由于某些原因发生故障，向开关晶体管Tr1的栅极输出的驱动信号成为一定电位时，由于开关晶体管Tr1在能动状态下工作，且直流输入电压Vi为大致一定的电位，所以连接点A的电压Vd也成为一定电位，比较电路的输出的极性在固定周期T内不反转。因此，在设定为比驱动电路42的固定周期T长的2μsec的检测期间中比较电路的输出的极性一次也不反转的情况下，异常判定电路4判定为在能动状态下异常工作，通常将“L”电平的输出反转为“H”电平并输出给RS触发器电路5的置位(set)输入。

RS触发器电路5在“L”电平的复位信号被输入后，输出“L”电平的输出信号，直到被输入来自异常判定电路4的“H”电平的置位信号。另一方面，当从异常判定电路4输入判定为开关晶体管Tr1在能动状态下工作的“H”电平的置位信号时，输出“H”电平的输出信号，直到接着输入“L”电平的复位信号。

RS触发器电路5的输出与驱动电路21和输出端子FLAG连接，所述输出端子FLAG与未图示的警报显示装置连接。保护电路2在输出了判定为开关晶体管Tr1正常工作的“L”电平的输出信号期间，在通常工作模式下工作，驱动电路21向开关晶体管Tr2的栅极连续地输出导通控制开关晶体管Tr2的+0V的驱动信号。另一方面，从RS触发器电路5输出判定为开关晶体管Tr1在能动状态下工作的“H”电平的输出信号期间，保护电路2在保护工作模式下工作，驱动电路21根据由后述的脉冲宽度调制电路PWM2输出的被调制信号，向开关晶体管Tr2的栅极输出导通、截止控制开关晶体管Tr2的驱动信号。另外，从输出端子FLAG输入“H”电平的输出信号的警报显示装置显示开关晶体管Tr1正在异常工作。

如图1所示，保护电路2形成在作为直流电压转换部10的输入侧的直流输入电源30侧，由与直流电压转换部10的各电路元件同样地起作用的电路元件构成。即，在高压侧电源端子30a与低压侧电源端子30b之间，在由开关晶体管Tr1和二极管D1形成的闭路的直流输入电源30侧，形成有相对于高压侧电源端子30a和低压侧电源端子30b串联连接了开关晶体管Tr2和以低压侧至高压侧为正向的二极管D2而成的闭路。

另外，在开关晶体管Tr2与二极管D2的连接点和开关晶体管Tr1的输入侧(源极)之间，连接有电感器L2，在电感器L2与开关晶体管Tr1的连接点B2和低压侧连接线33间连接有电容器C2，所述电容器C2在保护电路2在保护工作模式下工作期间将开关晶体管Tr1的输入侧设为稳定的直流电压。

保护电路2在通常工作模式下工作期间，始终导通控制开关晶体管Tr2，如果忽视流过直流电流的开关晶体管Tr2和电感器L2的电压下降，则在开关晶体管Tr1上施加直流的输入电压Vi，直流电压转换电路部10使输入电压Vi降压，向负载RL供给恒压控制的输出电压Vo的直流电力。

当保护电路2转移至保护工作模式时，开关晶体管Tr2由从驱动电路21输出的驱动信号导通、截止控制。在导通控制开关晶体管Tr2的期间，电流从直流输入电源30向电感器L2流动，并对电容器C2充电，成为开关晶体管Tr1的高压侧的直流电压的对电容器C2的充电电压由于电感器L2的自感而成为使输入电压Vi下降而成的电压。另外，在开关晶体管Tr2被截止控制且在切断状态下工作期间，存储在电感器L2中的电能通过二极管D2而成为环流的充电电流，对电容器C2充电并维持电容器C2的充电电压，所述电容器C2的充电电压成为开关晶体管Tr1的高压侧的直流电压。

如果将开关晶体管Tr1的导通电阻设为r，将连接点B2侧的源极的电压(电容器C2的充电电压)与连接点A侧的漏极的电压(输出电压Vo)间的差电压设为Vtr，则开关晶体管Tr1在能动状态下工作期间的开关晶体管Tr1的发热量用(Vtr)²/r表示。在这里，如上所述，当保护电路2转移至保护工作模式时，由于开关晶体管Tr1的连接点B2侧的源极的电压下降至与输入电压Vi相比充分低的电压，与连接点A侧的漏极的输出电压Vo的差电压Vtr下降，所以发热量急剧减少，异常发热的危险消失。

然而，在本实施方式中，在保护电路2中还具备恒压控制电路12，如图2所示，其内置在异常判定保护控制部11中，恒压控制电路12进行恒压控制以使开关晶体管Tr1的发热量不超过最大散热量Qmax，即，恒压控制成为(Vtr)²/r<Qmax的差电压Vtr。

恒压控制电路12具备：偏置电源24，输出直流偏置电压，所述直流偏置电压相当于恒压控制的目标差电压Vtrset；误差放大器23，将反转输入端子与SET端子连接，并经由偏置电源24将非反转输入端子与SENCE端子连接；脉冲宽度调制电路PWM2，用误差放大器23的输出对从发送器OSC2输出的1MHz固定频率的三角波或锯齿波等信号进行脉冲宽度调制；以及驱动电路21，将在保护电路2的保护工作模式下从脉冲宽度调制电路PWM2输出的被调制信号作为驱动信号并向开关晶体管Tr2的栅极输出。

连接误差放大器23的反转输入端子的SET端子与高压侧连接线32的电感器L2和开关晶体管Tr1的连接点B2连接。经由偏置电源24连接非反转输入端子的SENCE端子与高压侧连接线32的连接点C连接，所述高压侧连接线32与负载RL连接。由此，误差放大器23对在输出电压Vo上加了直流偏置电压Voff而成的电压与开关晶体管Tr1的高压侧的电压进行比较。保护电路2在保护工作模式下工作期间，在电感器L1中流过直流的输出电流，如果忽视在电感器L1的电压下降，则误差放大器23将开关晶体管Tr1的高压侧与低压侧的差电压Vtr和由直流偏置电压Voff规定的目标差电压Vtrset进行比较。

在差电压Vtr比目标差电压Vtrset高的情况下，通过脉冲宽度调制电路PWM2缩短控制脉冲信号的固定周期T中的导通时间，向开关晶体管Tr2的栅极输出使导通占空比下降而成的驱动信号。结果，缩短开关晶体管Tr2的单位时间内的导通控制时间，电容器C2的充电电压即开关晶体管Tr1的高压侧的电压下降，差电压Vtr下降并接近目标差电压Vtrset。相反地，在差电压Vtr比目标差电压Vtrset低的情况下，由于向开关晶体管Tr2的栅极输出使导通占空比增加而成的驱动信号，并延长单位时间内的导通控制时间，所以电容器C2的充电电压上升，差电压Vtr上升并接近目标差电压Vtrset，反复进行该过程，开关晶体管Tr1两端的电压被恒压控制为目标差电压Vtrset。

在本实施方式中，由于将直流输入电压Vi设为12V，将通常工作期间的恒压控制的输出电压Vo设为5V，所以将目标差电压Vtrset设为1V，并使用输出1V的直流电压的偏置电源24。

由此，即使开关晶体管Tr1在能动状态下继续工作，施加到开关晶体管Tr1的导通电阻r的两端的电压也被恒压控制为1V，无论直流输入电压Vi、输出电压Vo的电压如何，开关晶体管Tr1不会异常发热。

由于按上述方式用警报显示装置的显示向使用者传达开关晶体管Tr1在能动状态下工作且保护电路2在保护工作模式下工作这一情况，所以在能够使DC-DC转换器1的工作安全地停止之后，能够修理故障位置并使之恢复。

此外，保护电路2在保护工作模式下工作期间，解决由于某些理由使开关晶体管Tr1成为能动状态的故障原因，开关晶体管Tr1再次开始开关工作的情况下，由于异常判定电路4判定为正常工作并向RS触发器电路5输出“L”电平的复位信号，所以保护电路2将开关晶体管Tr2恢复为始终导通控制开关晶体管Tr2的通常工作模式，直流电压转换部10返回正常工作。

在上述各实施方式中，使用了P沟道FET或N沟道FET作为开关晶体管Tr1、Tr2，但也可以设为将漏极与源极的连接颠倒而成的N沟道FET或P沟道FET，另外，也可以是双极晶体管。

另外，保护电路2在保护工作模式下工作时工作的恒压控制电路12是恒压控制开关晶体管Tr1的差电压Vtr的电路，也可以是恒压控制电容器C2的充电电压，并恒压控制开关晶体管Tr1的高压侧的电压。

另外，在上述实施方式中，说明了在异常判定电路4判定为开关晶体管Tr1在能动状态下工作时，用通过警报显示装置上的显示来通知开关晶体管Tr1的异常工作的例子，但也可以用警报音等发音等其他方法传达给使用者。

另外，在上述实施方式中，以开关晶体管Tr1由于驱动信号异常而在能动状态下工作的情况为例进行了说明，但也能够应用于由于开关晶体管Tr1本身的故障或电路元件间的连接异常等其他原因开关晶体管Tr1在能动状态下工作的情况。

工业可利用性

本发明适于将晶体管用于非绝缘型DC-DC转换器的开关元件的DC-DC转换器。

标号说明

1 降压型DC-DC转换器

2 保护电路

4 异常判定电路

10 直流电压转换部

30 直流输入电源

32 高压侧连接线

33 低压侧连接线

40 恒压控制电路

50 反转型DC-DC转换器

Vi 输入电压

Vo 输出电压

L1 电感器

L2 电感器

Tr1 开关晶体管

Tr2 开关晶体管

RL 负载

C1 电容器(电容)

C2 电容器(电容)

Claims

1.一种DC-DC转换器，具备：

第一开关晶体管，与直流输入电源串联连接，并与直流输入电源形成闭路；

第一驱动电路，向第一开关晶体管的控制端子输出第一驱动信号，所述第一驱动信号以预定周期断开闭合控制第一开关晶体管；

第一电容器，连接在一对高压侧连接线与低压侧连接线间，所述高压侧连接线和低压侧连接线与负载连接；

第一电感器，由于第一开关晶体管的断开闭合工作从直流输入电源流出的电流断续，并将一对高压侧连接线与低压侧连接线间的输出电压转换成与直流输入电源的输入电压不同的直流电压；

直流电压转换电路部，具有第一恒压控制电路，所述第一恒压控制电路根据一对高压侧连接线与低压侧连接线间的输出电压，利用第一驱动信号控制第一开关晶体管的闭合时间，并恒压控制输出电压；

异常判定电路，具有第一比较电路，所述第一比较电路对第一开关晶体管的与第一电感器的连接侧的连接点A的电压Vd、阈值电压Vth进行比较，所述阈值电压Vth在第一开关晶体管开关工作期间的连接点A的电压Vd的变动范围内任意设定，对电压Vd和阈值电压Vth进行比较得到的极性在比第一驱动信号的所述预定周期长的检测期间内不变化的情况下，判定为第一开关晶体管在能动状态下工作；以及

保护电路部，连接在直流输入电源与直流电压转换电路部之间，在异常判定电路判定为第一开关晶体管在能动状态下工作时转移至保护工作模式，并执行直流电压转换电路部的保护工作，

所述DC-DC转换器的特征在于，所述保护电路部具有：

第二开关晶体管，连接在直流输入电源与第一开关晶体管间；

第二驱动电路，始终向第二开关晶体管的控制端子输出闭合控制第二开关晶体管的第二驱动信号，在保护工作模式下，输出以预定周期断开闭合控制第二开关晶体管的第二驱动信号；

第二电容器，连接在直流电压转换电路部的输入侧的一对高压侧连接线与低压侧连接线间；

第二电感器，在保护工作模式下，由于第二开关晶体管的断开闭合工作从直流输入电源流出的电流断续，将第二电容器的两端的电压转换成使直流输入电源的输入电压降压而成的直流电压；以及

第二恒压控制电路，在保护工作模式下，根据第二电容器的两端的电压，利用第二驱动信号控制第二开关晶体管的闭合时间，并恒压控制第二电容器的两端的电压，

第二恒压控制电路将第二电容器的两端的电压恒压控制为比连接到负载的一对高压侧连接线与低压侧连接线间的输出电压稍高的电压，使得由施加至第一开关晶体管的两端的电压所导致的第一开关晶体管的发热量不超过第一开关晶体管的最大散热量。

2.根据权利要求1所述的DC-DC转换器，其特征在于，具备通知单元，所述通知单元在异常判定电路判定为第一开关晶体管在能动状态下工作时，向外部通知判定结果。