CN108011533A - 感应负载驱动电路 - Google Patents

Abstract

提供不产生发热，能够在感应负载的停止时的电流减少中实现高的响应性，能够实现比以往高的响应且高效的电流控制的感应负载驱动电路。在具有开关电源电路的感应负载驱动电路中，作为在感应负载的电流减少时发生该感应负载的反电动势的同时回收的能量回收电路，包括：回收用变压器，在同一铁芯中具有与感应负载串联并且相互逆极性地连接的电阻值不同的两个初级侧线圈和与开关变压器的初级侧连接的一个次级侧线圈；以及回收控制元件，与两个初级侧线圈中的电阻值相对小的小电阻初级侧线圈串联地配置，根据基于来自控制电路的回收指令信号的由第二脉冲信号发生装置发生的脉冲信号而动作，控制在小电阻初级侧线圈中流过的电流，控制电路通过在感应负载的电流减少时调整针对回收控制元件的由第二脉冲信号发生装置发生的脉冲信号的脉冲宽度，对回收控制元件进行一定时间的断开控制，在发生感应负载的反电动势的同时在回收用变压器的电阻值相对大的大电阻初级侧线圈中流过电流，从而使芯磁通变化而向对应的次级侧线圈传递能量。

Description

感应负载驱动电路

技术领域

本发明涉及例如用于驱动电磁阀、马达等感应负载的电路，详细而言，涉及对利用PWM控制方式的开关电源的电路结构组合能量回收电路来进行电流控制的感应负载驱动电路。

背景技术

马达、电磁阀等具有线圈分量并将电能经由电磁力变换为机械性的运动的感应负载作为致动器被用于各种装置。在感应负载的驱动控制方式中，大致上有脉冲宽度调制、所谓PWM(pulse width modulation，脉宽调制)控制和比例控制。前者在对负载进行接通/断开控制时，使脉冲宽度的占空比、即接通/断开比值根据输入信号的大小变化，后者通过使与负载串联地连接的控制元件的两端电压可变地使其损耗来进行控制。

作为PWM方式，有使用例如如专利文献1所述的开关电源的电路结构，通过使商用的高的交流电压成为低的直流电压而稳定地供给到感应负载的驱动电路，进行电流控制的方式。

具体而言，在使用开关电源电路的感应负载驱动电路100中，如图5(a)的基本结构所示，首先通过桥二极管113对来自供给电源112的交流进行整流，进而用平滑电容器114平滑化，将由此得到的直流根据指令信号121，通过由FET(Field Effect Transistor：场效应晶体管)等半导体元件构成的开关元件115的开关变换为脉冲波的交流后，送入到开关变压器116，将交流电压降压变换为预定的交流电压。

在该感应负载驱动电路100中进行电流控制的情况下，在开关变压器116的初级侧对输入侧直流进行交流变换时，在控制电路中，根据指令信号121，以成为预定的脉冲波宽(开关的接通/断开循环的接通时间)的方式，从例如PWM控制器(PWM-IC)等脉冲信号发生装置124发生脉冲信号。另外，能够通过基于指令信号和由输出侧的电流传感器125检测的结果的反馈控制，调整脉冲波宽度来进行开关，所以即使电源以及负载变动，输出电流仍被保持为恒定，得到稳定化的直流。

在该方式中，通过开关变压器116，针对初级侧的能量，对开关元件115进行接通/断开开关而成为高频交流，使由此得到的电流从初级侧线圈Lp向次级侧线圈Ls电磁感应，从而传递能量，通过成为高频交流而变压器自身小型即可，因为发热少所以效率高。针对这样传递的交流电流，用次级侧的整流二极管117进行整流而流入到感应负载111，但用二极管整流后的感应电流成为断续波形，所以在直接地流入到感应负载时，感应负载的两端电压大幅变动。因此，成为为了对其进行平滑化，在次级侧配置平滑电容器118，将平滑化后的直流输出到感应负载111的结构。

该次级侧的平滑电容器118的电容越小电路响应越高速。另一方面，未被电容器完全平滑而使脉动电压变大，所以电流控制的稳定性恶化。因此，通过使PWM周期进一步高速化，即使电容器电容小也能够吸收脉动电流，能够实现高响应化，但感应负载电流断开时的响应性如以下所述在构造上延迟。

即，为了使感应负载电流断开，需要使开关变压器初级侧的开关元件115恒定断开而停止向变压器次级侧的感应，使平滑电容器118完全地放电。但是，在平滑电容器的电容相对负载产生的反电动势充分小的情况下，在平滑电容器放电时，如图5(b)所示，感应负载的换流电流101对平滑电容器118逆向地进行充电，同时在变压器次级侧线圈Ls中也经由整流二极管流过换流电流。此时，在初级侧线圈Lp中，虽然是相比于感应负载的换流时间可忽略的程度的时间，但经由FET的内置二极管还流过感应电流102。另外，变压器次级侧线圈的阻抗也低，所以感应负载断开时的换流电流大部分经由整流二极管而流过。其结果，响应性与具有二极管换流电路的驱动电路等价，花费响应时间。

这样，在利用PWM方式的开关电源的电路结构的感应负载驱动电路中，效率虽高，但响应性存在问题，无法实现感应负载电流的减少速度的控制。相对于此，比例控制方式是通过在控制元件的两端处对电压进行可变调整而任其损耗来控制的方式，所以存在发热的问题。

现有技术文献

专利文献1：日本特开2012-217238号公报

专利文献2：日本特开平07-59397号公报

发明内容

另一方面，在功率是100W以下这样的输出小的通常的电磁阀等的情况下，在负载中积蓄的能量通过发热而被消耗，但消耗的能量少到几瓦特，所以作为进行电力回收的成本效益/性价比并不适当，所以未进行能量的回收。其在马达驱动装置中也是同样的，在低输出的系统中，再生能量通过发热被消耗。在无大功率的电磁阀的现状下，无需能量回收，所以具有用于此的机构的驱动电路也实质上未构建。

然而，在需要驱动电压在一般地使用的DC48V以上的电源的负载的情况下，负载电力变大，在减少感应负载的电流时，产生浪涌电压，其能量由于发热被消耗，所以存在浪费。进而，不论在什么样的驱动方式中，都需要AC-DC电源或者DC-DC(升压)电源，使电路规模变大。

此外，例如，还有如专利文献2所述的那样在感应负载驱动装置中具备以在感应负载的停止时能够确保负载电流的良好的下降沿的方式回收换流能量的单元的情况。在专利文献2中，在感应负载的非驱动时使负载电流环流的环流路中配置变压器的次级侧绕组，设置使次级侧绕组或者初级侧绕组短路的开关单元，在感应负载的停止时使该开关单元断开。由此，在次级侧绕组中在使负载电流收敛的方向上产生高压，降低负载电流，将在变压器的初级侧发生电流而积蓄到感应负载的能量在电源中再生。

但是，即使在使感应负载断开时在变压器次级侧流过电流，由于其电压变化仅为1次，所以无法使能量有效地返回到初级侧。即使使与次级侧绕组并联连接的开关单元接通/断开，变压器绕组的电流电路也未被切断，所以无法瞬时地切断次级侧变压器的线圈电流，感应负载的能量消耗不充分，所以感应负载的响应性不充分。

本发明的目的鉴于上述问题，提供一种即使在感应负载是大型的情况下也不会产生发热，能够在感应负载的停止时的电流减少中实现高的响应性，能够实现比以往高的响应且高效的电流控制的感应负载驱动电路。

为了实现上述目的，方案1记载的发明的感应负载驱动电路具有：开关电源电路；以及控制电路，根据指令信号和所述开关电源电路的输出侧的检测结果，调整由脉冲信号发生装置发生的脉冲信号的脉冲宽度来控制开关元件的接通/断开开关，该开关电源电路具备：整流桥二极管，对来自电源的交流进行整流；初级侧平滑电容器，对整流后的直流进行平滑化；开关变压器，通过基于来自脉冲信号发生单元的脉冲信号的周期下的开关元件的接通/断开开关将由所述初级侧平滑电容器平滑化后的直流变换为脉冲波的交流，将由此得到的电压变压为预先决定的交流电压并传递到次级侧；次级侧二极管，对传递到次级侧的交流进行整流；以及次级侧平滑电容器，对整流后的直流进一步进行平滑并将其输出，

所述感应负载驱动电路还具备：能量回收电路，在所述感应负载的电流减少时发生该感应负载的反电动势的同时将其回收，

所述能量回收电路包括：回收用变压器，在同一铁芯中具有与所述感应负载串联并且相互逆极性地连接的电阻值不同的两个初级侧线圈和与所述开关变压器的初级侧连接的一个次级侧线圈；以及回收控制元件，与所述两个初级侧线圈中电阻值相对小的小电阻初级侧线圈串联地配置，根据基于来自所述控制电路的回收指令信号的由第二脉冲信号发生装置发生的脉冲信号动作，控制在所述小电阻初级侧线圈中流过的电流，

所述控制电路在所述感应负载的电流减少时，调整针对所述回收控制元件的由所述第二脉冲信号发生装置发生的脉冲信号的脉冲宽度，对所述回收控制元件进行一定时间的断开控制，从而在发生所述感应负载的反电动势的同时，在所述回收用变压器的电阻值相对大的大电阻初级侧线圈中流过电流，从而使芯磁通变化而向对应的次级侧线圈传递能量。

方案2记载的发明的感应负载驱动电路在方案1记载的感应负载驱动电路中，还具备与所述回收用变压器的所述大电阻初级侧线圈串联地配置，以使所述小电阻初级侧线圈的所述回收控制元件断开时的电压成为恒定的方式，限制流入到所述大电阻初级侧线圈的电流的第二回收控制元件。

根据本发明的感应负载驱动电路，通过在开关电源电路结构中还具备利用初级侧线圈与感应负载串联连接的回收用变压器的能量回收电路，能够在与电源侧绝缘的感应负载的电流减少时发生该感应负载的反电动势的同时良好地对其回收，所以也无发热损失而高效地实现感应负载电流的停止时的高响应。特别，通过用相互逆极性的大电阻和小电阻这两个线圈构成能量回收电路的回收用变压器的初级侧在稳定状态中无感应化而防止负载电流增加时的电流上升速度的延迟，同时，经由被PWM驱动控制的回收控制元件控制小电阻初级侧线圈的电流，通过设为这样的结构，能够高速地控制感应负载停止时的负载电流减少速度，所以具有能够比以往高效并且高响应地进行感应负载的电流控制这样的效果。

附图说明

图1是本发明的一个实施例的感应负载驱动电路的概略结构图。

图2是示出有无能量回收电路时的电磁阀下降特性的曲线图(横轴：时间[msec]、纵轴：电流[A])。

图3是示出图2的能量回收时的电力回收特性的曲线图(横轴：时间[msec]、纵轴：回收电力[W]和电磁阀电流[A])。

图4是示出对图1的能量回收电路进行改良而得到的结构的部分电路图。

图5是示出具有开关电源电路的现有的感应负载驱动电路的例子的概略结构图，(a)是电流控制电路图，(b)是示出感应负载电流断开时的动作的部分电路图。

(符号说明)

1、100：感应负载驱动电路；10：开关电源电路；11、111：电磁阀(感应负载)；12、112：供给电源；13、113：桥二极管；14、114：平滑电容器(初级侧)；15、115：开关元件；16、116：开关变压器；LP、Lp：初级侧线圈；LS、Ls：次级侧线圈；17、35、117：整流二极管；18、118：平滑电容器(次级侧)；20：控制电路；21、121：指令信号；24、124：脉冲信号发生装置；25、125：电流传感器；30、40：能量回收电路；31：回收用变压器；LP1：大电阻初级侧线圈；LP2：小电阻初级侧线圈；RLS：回收用次级侧线圈；32：回收控制元件；33：第二脉冲信号发生装置；41：第二回收控制元件。

具体实施方式

本发明中的感应负载驱动电路具有：开关电源电路以及控制电路，该控制电路根据指令信号和开关电源电路的输出侧的检测结果，调整由脉冲信号发生装置发生脉冲信号的脉冲宽度来控制开关元件的接通/断开开关。该开关电源电路具备：整流桥二极管，对来自电源的交流进行整流；初级侧平滑电容器，对整流后的直流进行平滑化；开关变压器，通过基于来自脉冲信号发生装置的脉冲信号的周期下的开关元件的接通/断开开关将由所述初级侧平滑电容器平滑化后的直流变换为脉冲波的交流，将由此得到的电压变压为预先决定的交流电压而传递到次级侧；次级侧二极管，对传递到次级侧的交流进行整流；以及次级侧平滑电容器，对整流后的直流进一步进行平滑化而输出，所述感应负载驱动电路还具备在感应负载的电流减少时在发生该感应负载的反电动势的同时对其回收的能量回收电路。

通过以上的结构，在本发明中，通过能量回收电路，在感应负载的电流减少时，能够不伴随消耗所致的发热而良好地回收该感应负载的反电动势，能够实现感应负载的停止时的高的响应性。

即，本发明的能量回收电路包括：回收用变压器，在同一铁芯中具有与感应负载串联并且相互逆极性地连接的电阻值不同的两个初级侧线圈和与所述开关变压器的初级侧连接的一个次级侧线圈；以及回收控制元件，与所述两个初级侧线圈中的电阻值相对小的小电阻初级侧线圈串联地配置，根据基于来自所述控制电路的回收指令信号的由第二脉冲信号发生装置发生的脉冲信号进行动作，控制在所述小电阻初级侧线圈中流过的电流，所述控制电路在所述感应负载的电流减少时调整针对所述回收控制元件的由所述第二脉冲信号发生装置发生脉冲信号的脉冲宽度，对所述回收控制元件进行一定时间的断开控制，从而在发生所述感应负载的反电动势的同时，在所述回收用变压器的电阻值相对大的大电阻初级侧线圈中流过电流，从而使芯磁通变化而向对应的次级侧线圈传递能量。

在以上的能量回收电路中，小电阻初级侧线圈按照电阻损失可忽略的程度减小绕组电阻即可。在向感应负载的电流恒定时，根据线圈电阻值的平衡，电流大部分流到小电阻初级侧线圈而使变压器芯励磁，但在电流的增加速度相对小电阻初级侧线圈的电感大的情况下，通过在逆朝向地卷绕的大电阻初级侧线圈中流过电流，无感应化而防止电流响应的延迟。

另外，在增加感应负载电流的减少速度的情况下，通过对回收控制元件进行一定时间的断开，所有电流要流入到大电阻初级侧线圈，所以在大电阻初级侧线圈的两端处发生高电压，变更变压器芯的励磁，所以在回收用变压器的次级侧线圈中流过感应电流，而回收能量。此时，通过使利用控制电路进行PWM驱动控制的回收控制元件的占空比可变，能够高速地控制感应负载电流的减少速度。

另外，在本发明中，还具备与所述回收用变压器的所述大电阻初级侧线圈串联地配置的第二回收控制元件，能够以使所述小电阻初级侧线圈的所述回收控制元件断开时的电压成为恒定的方式，限制流到所述大电阻初级侧线圈的电流。由此，即使电流变少而大电阻初级侧线圈的两端电压减少，也能够抑制向次级侧线圈的传递量减少，并且能够通过第二回收控制元件的损失量，实现感应负载电流的减少速度的高速化。

【实施例】

图1示出本发明的一个实施例的感应负载驱动电路的概略结构图。在本实施例的感应负载驱动电路1中，作为基本结构具备开关电源电路10。即，具备：桥二极管13，对来自供给电源12的交流进行整流；初级侧平滑电容器14，对整流后的直流进行平滑化；开关元件(FET)15，以基于通过控制电路20利用脉冲信号发生装置24发生的脉冲信号的周期，将由初级侧平滑电容器14平滑化后的直流进行接通/断开开关，将其变换为脉冲波的交流；开关变压器16，将脉冲波交流从初级侧线圈LP向次级侧线圈LS变压为预先确定的电压而传递；次级侧整流二极管17，对传递到次级侧的交流进行整流；以及次级侧平滑电容器18，对整流后的直流进一步进行平滑化而送到感应负载(电磁阀)11。

另外，在开关电源电路10的输出侧配置有电流传感器25，在控制电路20中，根据指令信号21和由电流传感器25检测的结果，进行电流的反馈控制。

另外，在本实施例中，在具备以上的结构的开关电源电路10中，还设置有回收电磁阀电流减少时的反电动势的能量回收电路30。该能量回收电路30具备初级侧与电磁阀11串联连接的回收用变压器31，通过对该初级侧线圈进行PWM控制，向次级侧传递能量。

具体而言，回收用变压器31是在同一铁芯中具有与电磁阀11串联并且相互逆极性地连接的电阻值相对大的大电阻初级侧线圈LP1和电阻值相对小的小电阻初级侧线圈LP2这两个初级侧线圈、以及与开关变压器16的初级侧连接的一个回收用次级侧线圈RLS的结构。另外，具备回收控制元件32，该回收控制元件32与两个初级侧线圈中的小电阻初级侧线圈LP2串联地配置，根据基于来自控制电路20的回收指令信号的由第二脉冲信号发生装置33产生的脉冲信号进行动作，控制在小电阻初级侧线圈LP2中流过的电流。

在该能量回收电路30中，大电阻初级侧线圈LP1和小电阻初级侧线圈LP2为逆极性，所以通过在电流增加时这些大电阻初级侧线圈LP1和小电阻初级侧线圈LP2被励磁而无感应化，防止电磁阀电流的上升速度的延迟。

另外，在本实施例中，在电磁阀11的电流减少时，控制电路20通过使针对回收控制元件32的来自第二脉冲信号发生装置33的脉冲信号的脉冲宽度变化，对回收控制元件32进行一定时间的断开控制，在发生电磁阀11的反电动势的同时在大电阻初级侧线圈LP1中流过电流，从而使芯磁通变化而向回收用次级侧线圈RLS传递能量。

伴随于此，所有电流要流入到大电阻初级侧线圈LP1，所以在大电阻初级侧线圈LP1的两端处发生高电压，改变变压器芯的励磁，所以在回收用次级侧线圈RLS中流过感应电流而回收能量。此时，通过使PWM驱动控制的回收控制元件32的占空比可变，能够高速地控制电磁阀电流的减少速度。

在此，示出通过与不具有能量回收电路30的感应负载驱动电路的比较试验确认由能量回收电路30起到的效果而得到的结果。在本比较试验中，与由图5(a)所示的现有的开关电源电路结构构成的感应负载驱动电路100对照，在该感应负载驱动电路100的结构中组合能量回收电路30的结构而成的图1所示的感应负载驱动电路1中，测定电磁阀停止时的电磁阀电流的减少，比较其下降特性。图2的曲线图示出结果。

在图2中，在作为时间轴的横轴中，将从电磁阀电流恒定状态使电磁阀停止时(电流供给停止时)设为0(msec)，在纵轴中示出沿着时间经过的电流值(A)。

如从图2明确可知，相对作为无能量回收电路30而电磁阀的电动势未被回收的对照的感应负载驱动电路的情况的电流值的变化曲线X，在通过能量回收电路30回收电磁阀的电动势的图1的感应负载驱动电路1中的电流值的变化曲线Y中，电磁阀电流的减少(下降)速度大，其响应性变得非常高。

进而，经时地测定在图2中测定出的反电动势的回收中的电磁阀电流减少时的回收电力，相对时间：横轴(msec)，在纵轴上，取回收电力(W)，在图3的曲线图中，示出其变化曲线Z。如从该图3可知，回收电力在电磁阀电流刚刚开始减少之后急剧增大，由能量回收电路30回收电动势对电磁阀电流的减少时的高响应作出贡献。

此外，在图1的能量回收电路30中，在反电动势的回收进行而电流变小时，大电阻初级侧线圈LP1的两端电压减少，回收也降低。因此，通过设为以图1所示的能量回收电路30的结构为基本，如图4所示，还具备与大电阻初级侧线圈LP1串联地配置的第二回收控制元件(FET)41的能量回收电路40的结构，能够消除该问题。

即，在能量回收电路40中，能够以使小电阻初级侧线圈LP2的回收控制元件32为断开状态时的电压成为恒定的方式，用第二回收控制元件41限制在大电阻初级侧线圈LP1中流过的电流，因此，即使大电阻初级侧线圈LP1的两端电压减少，也能够抑制向回收用次级侧线圈RLS的传递量减少，并且能够利用第二回收控制元件41的损失量，实现电磁阀电流的减少速度的高速化。

Claims (2)

1.一种感应负载驱动电路，具有：

开关电源电路；以及

控制电路，根据指令信号和所述开关电源电路的输出侧的检测结果，调整由脉冲信号发生装置发生的脉冲信号的脉冲宽度来控制开关元件的接通/断开开关，

该开关电源电路具备：

整流桥二极管，对来自电源的交流进行整流；

初级侧平滑电容器，对整流后的直流进行平滑化；

开关变压器，通过基于来自脉冲信号发生单元的脉冲信号的周期下的开关元件的接通/断开开关将由所述初级侧平滑电容器平滑化后的直流变换为脉冲波的交流，将由此得到的电压变压为预先确定的交流电压并传递到次级侧；

次级侧二极管，对传递到次级侧的交流进行整流；以及

次级侧平滑电容器，对整流后的直流进一步进行平滑并将其输出，

所述感应负载驱动电路的特征在于还具备：

能量回收电路，在所述感应负载的电流减少时发生该感应负载的反电动势并且将其回收，

所述能量回收电路包括：

回收用变压器，在同一铁芯中具有与所述感应负载串联并且相互逆极性地连接的电阻值不同的两个初级侧线圈和与所述开关变压器的初级侧连接的一个次级侧线圈；以及

回收控制元件，与所述两个初级侧线圈中电阻值相对小的小电阻初级侧线圈串联地配置，根据基于来自所述控制电路的回收指令信号的由第二脉冲信号发生装置发生的脉冲信号而动作，控制在所述小电阻初级侧线圈中流过的电流，

所述控制电路在所述感应负载的电流减少时，调整针对所述回收控制元件的由所述第二脉冲信号发生装置发生的脉冲信号的脉冲宽度，对所述回收控制元件进行一定时间的断开控制，从而在发生所述感应负载的反电动势的同时，在所述回收用变压器的电阻值相对大的大电阻初级侧线圈中流过电流，从而使芯磁通变化而向对应的次级侧线圈传递能量。

2.根据权利要求1所述的感应负载驱动电路，其特征在于还包括：

第二回收控制元件，与所述回收用变压器的所述大电阻初级侧线圈串联地配置，以使所述小电阻初级侧线圈的所述回收控制元件为断开时的电压成为恒定的方式，限制流到所述大电阻初级侧线圈的电流。