CN1677822B - 降压型dc-dc变流器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种降压型DC-DC变流器。不用设置高于输入电压的特别的电压电路，而使用N沟道型MOS晶体管构成具有良好特性的DC-DC变流器。在直流电源的负极侧和输出用电容器(8)的负极侧之间，串联连接N沟道型MOS晶体管(11)和扼流线圈(12)。具有根据电阻(9、10)对输入电压的分压向MOS晶体管(11)的栅极施加脉冲信号的PWM电路(14)。在直流电源的正极侧和负极侧之间提供向MOS晶体管(11)的栅极施加脉冲信号的电源。PWM电路(14)的脉冲信号是由与输出用电容器(8)的输出电压对应的电压形成的，通过光电耦合器(16)将该脉冲信号输入到N沟道型MOS晶体管(11)的栅极上。

Description

降压型DC-DC变流器
技术领域
本发明涉及降压型DC-DC变流器，尤其涉及能够在宽的输入电压范围中取出稳定的电压的降压型DC-DC变流器。
背景技术
已经公知的降压型DC-DC变流器使用切换元件使输入电压断续来将其变换成低于输入电压的直流电压。例如，特开平5-91732号公报(文献1)所公开的降压型DC-DC变流器使用N沟道型FET作为切换元件，将在该FET(FET：Field effect transistor场效应晶体管)断开期间在电抗器中所蓄积的能量产生的电压与输入电压相加，提供给FET驱动用的PWM(PWM：Pulse-width modulation脉宽调制)驱动电路。
而且，特开平8-33322号公报中公开的降压型DC-DC变流器设有对应于作为半导体开关的P沟道型FET的接通/断开进行充放电的电路，在该充放电电路的充电电压示出异常值时停止输出，以便能够可靠地防止过压。
如上所述，以往，使用N沟道型或P沟道型FET作为降压型DC-DC变流器的切换元件。在驱动N沟道型FET的情况下，为了向栅极施加比作为电源电压的漏极电压高的电压，必须有上述文献1中所记载的升压电路。
与此相对，P沟道型FET由于只要使栅极的电压低于源极就可以驱动，因此电路结构比较简单。
但是，在FET的结构上，难以制作出比N沟道型FET具有良好接通特性和切换特性的P沟道型FET，并且存在耐压低和电流容量低的倾向，因此不能作出特性良好的电路。
尤其是，在输入电压变动的用途中要求良好的动作时是不够的。例如，在使用反冲起动器进行起动操作的发动机发电机中使用的降压型DC-DC变流器中，必须在低旋转范围内开始发动机控制，在起动后也必须与高发动机转数产生的发生功率相对应。作为一例，对降压型DC-DC变流器的输入电压在5～450伏(V)的范围内变动，但在使用N沟道FET的电路中，根据这样的电压范围的输入来构成发动机发电机的控制电源是非常困难的。
并且，为了从发动机转数低且DC-DC变流器不能输出最大的电压的早期开始最大限地取出发电机的输出电压，要求使FET为接通状态(实质性的100％占空比)。但是，在以往的N沟道FET驱动方式中，因为在FET断开的期间对升压电路进行充电，因此必须有FET的断开期间，不能够以100％占空比来驱动。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够确保稳定的输出电压，并且结构简单，电压上升特性良好的降压型DC-DC变流器。
为了达到上述目的，本发明的第1特征在于，具有：直流电源，其通过对发动机发电机产生的三相交流进行整流而得到；开关单元，由连接直流电源的至少一个MOS晶体管构成；至少一个电抗器，在上述MOS晶体管接通期间利用直流电源充电；输出用电容器，通过上述MOS晶体管和上述电抗器与上述直流电源连接，向负载供给电流；脉冲宽度调制电路，输入与该输出用电容器的输出电压对应的电压，将预定占空比的脉冲信号加到上述MOS晶体管的栅极上；以及驱动电路，其通过绝缘电路将从上述脉冲宽度调制电路输出的脉冲信号输入到上述MOS晶体管的栅极上，上述MOS晶体管是N沟道型，在上述直流电源的负极侧和上述输出用电容器的负极侧之间顺序串联连接上述N沟道型MOS晶体管和上述电抗器，在上述直流电源的正极侧和负极侧之间提供上述驱动电路的电源。
并且，本发明的第2特征在于，上述脉冲宽度调制电路的脉冲信号是由与上述输出用电容器的输出电压对应的电压形成的，通过绝缘电路将上述脉冲信号输入给上述N沟道型MOS晶体管的栅极。
根据第1特征，能够使用容易获得良好的接通特性和切换特性的N 沟道型MOS晶体管制作出具有良好的特性的电路。而且，由于将该N沟道型MOS晶体管设置在直流电源的负极侧，所以不需要用于把高于输入电压的驱动电压施加到栅极上的电路。
而且，在输入电压低于要求输出电压低时，可以以100％占空比来驱动MOS晶体管，可以大幅度地改善输出电压对输入电压的上升特性。
根据第2特征，可以用例如光电耦合器等绝缘电路调整N沟道型MOS晶体管的漏极侧、输出用电容器、N沟道型MOS晶体管的源极侧的电位差异。
附图说明
图1是表示包括本发明的一实施方式的电源装置的发动机发电机的主要部分的结构的方框图。
图2是表示降压变流器的基本结构的电路图。
图3是降压变流器的具体的电路图。
图4是RCC的具体的电路图。
图5是表示电源电路的动作的流程图。
图6是表示发电机转数和发电机输出电压、降压变流器的输出电压、以及RCC的输出电压的关系的图。
具体实施方式
下面参照附图对本发明的一实施方式进行详细说明。图1是表示使用了包括本发明的一实施方式的N沟道型MOSFET的电源装置的发动机发电装置的结构的方框图。作为发动机发电装置，最好是，例如，不具备电池，或虽然具备电池，但具有在电池过放电的情况下可以通过手动来起动的反冲起动器。该发动机发电机具有发电机1、整流电路2、DC-DC降压变流器电路3、自激振荡型变流器(RCC)4及ECU5。发电机1由发动机进行驱动，例如在额定运转状态中输出交流320V的3相交流。该3相交流由整流电路2进行整流，变成例如直流450V的电压输入到降压型DC-DC变流器电路(以下，简称为“降压变流器”)3中。降压变流器3 通过利用半导体开关的切换(switching)进行的占空比控制，将输入的交流降压为规定的直流电压，例如40V。
降压变流器3的输出侧与RCC4的一级侧连接，RCC4的二级侧与驱动发电机1的发动机的控制装置即ECU5连接。这样，将在发电机1中产生的3相交流整流，利用降压变流器3降压为例如40V，进而，在RCC4中作为例如15V的稳定电压的控制电源，提供给ECU5。
图2是表示降压变流器3的基本电路结构的图。该降压变流器3是无变压器的非绝缘型。图中，在所述整流电路2的输出侧(电压Vin)的正极侧和负极侧之间，设有输入用电容器6、续流二极管7、输出用电容器8、输出电压检测用电阻9、10。
在直流电源的负极侧和输出用电容器8的负极侧之间，串联连接有N沟道型MOS-FET11和降压用的扼流线圈(电抗器)12。为了向FET11的栅极施加电压而设置了驱动电路13。驱动电路13输出用于使FET11导通/截止(接通/断开)的驱动信号。设有用于形成PWM信号(脉冲宽度调制信号)的PWM电路14，该PWM信号决定驱动电路13所输出的驱动信号的占空比(接通时间比)。PWM电路14具有产生基准电压(三角波)Vref的振荡电路(详细情况参照图3)23，该基准电压Vref决定PWM信号的占空比。设有将该基准电压Vref和由电阻9、10分压后的电压进行比较的比较器15。
在由电阻9、10分压后的电压小于三角波的基准电压Vref时，由于PWM电路14维持FET11的接通状态，所以以100％的占空比输出PWM信号。另一方面，在由电阻9、10分压后的电压大于三角波的基准电压Vref时，PWM电路14以根据基准电压Vref和电阻9、10的分压所决定的不到100％的占空比输出PWM信号。
根据从PWM电路14输出的PWM信号，驱动电路13向FET11的栅极供给驱动信号，输出用电容器8以与FET11的接通时间比相对应的电压充电。由输出用电容器8平滑后的平均充电电压为输出电压Vout。输出电压Vout与RCC4的一级侧连接。
图3是整流电路2及降压变流器3的电路图，图4是表示RCC4的具 体的电路图示例，和图1、图2相同的符号表示相同和等同的部分。图3中，整流电路2由二极管桥电路构成。输入用电容器6对由整流电路2整流后的发电机1的输出进行充电和平滑，形成直流电压。驱动电路13包括光电耦合器16、反相缓冲器17、形成反相缓冲器17的电源电压的齐纳二极管18和电容器19。当向反相缓冲器17供给电源电压时，反相缓冲器17的输出被供给FET11的栅极，FET11接通。输出用电容器8仅在FET11接通的期间充电。
光电耦合器16具有发光二极管20和光电晶体管21，发光二极管20的阴极与PWM电路14的比较器15的输出侧相连接。因此，在来自PWM电路14的PWM信号为接通的期间，发光二极管20被驱动，当光电晶体管21导通，反相缓冲器17的输入反转时，FET11断开。
光电耦合器16的发光二极管20由来自PWM电路14的PWM信号所激励，根据该PWM信号的占空比决定光电晶体管21的接通时间比即FET11的占空比。
在代表输出电压Vout的电压(由电阻9和10分压)超过了振荡电路23中形成的三角波的基准电压Vref时，PWM电路14以不到100％的占空比输出PWM信号。对由电阻9、10进行的分压进行设定使得在输出电压Vout超过了规定值(例如40V)时输出所述100％占空比的PWM信号，决定占空比使得输出电压总是限制在40V。
在图4中，RCC4具有由一级侧线圈24、25和二级侧线圈26、27构成的变压器28。一级侧线圈24、25与具有FET29、晶体管30、及光电晶体管31的自激振荡电路连接。光电晶体管31和输出侧的齐纳二极管32及发光二极管33一起，构成将二级侧控制为恒定电压的反馈电路。
与RCC4的一级侧连接的降压变流器3的输出用电容器8的充电电压即输出电压Vout由电阻34a、34b及34c分压后被施加到FET29的栅极上。当FET29接通时，电流流过线圈24，在线圈25中产生与绕线比相对应的电压。线圈25中产生的电压使得电容器35的电压上升，晶体管30接通。由于晶体管30接通FET29断开。当晶体管30接通时，电容器35通过其基极进行放电，经过规定时间后晶体管30断开。由此，FET29再次接通。
由于FET29断开，在二级侧的线圈26、27中产生与各自的绕线比对应的电压，输出用电容器36、37被充电。当输出用电容器37的电压超过规定值(例如15V)时，发光二极管33被激励(付勢する)，光电晶体管31接通。这样，电容器35被充电，此时晶体管31以恒量接通，FET29的栅极电压降低，FET29再次断开。结果，在一级线圈24中无电流通过，在二级侧上产生的电压降低。
这样，RCC4进行自激振荡。并且，包括二级侧线圈27的二级侧电路的输出电压保持在规定值即15V。可以从二级侧线圈26获得与线圈27的输出电压不同的输出电压(例如17V)。
二级侧线圈26、27的输出电压作为用于起动和控制发动机发电机的电源被使用。
利用流程图来说明上述动作。在图5中，在步骤S1开始发电，输入电力。在步骤S2，把PWM电路14的占空比设定为100％。另外，这里的100％是指用于将FET11实质性地维持在接通状态的占空比，例如，也包括占空比在95％左右。通过将PWM电路14设定为100％占空比，当FET11实质性地接通时，随着发电机的输出电压的上升，输出电压Vout增大。在输出电压增大到大于等于规定值(例如40V)以前维持步骤S1，如果输出电压Vout增大到大于等于规定值，步骤S3为肯定，进入到步骤S4。在步骤S4，PWM电路14输出占空比不到100％的PWM信号，驱动电路13根据该PWM信号切换FET11。即，控制切换的占空比使输出电压Vout维持在40V。
图6示出发电机1的转数和电压的关系。图中，电压Vin表示发电机1的输出电压，电压Vout表示降压变流器3的输出电压，电压VRCC表示包括RCC4的二级侧线圈27的二级侧电路的输出电压。如图所示，随着发电机1的转数上升，电压Vin增大，然而Vout与发电机1的转数增大无关，通过占空比控制来将其限制在规定值(例如40V)，抑制其上升。并且，电压VRCC通过RCC4的自激振荡作用，稳定在规定值(例如，15V)。
在电压Vout达到规定值即40V以前RCC4开始动作，设定FET29的 栅极电压使电压VRCC产生规定值即15V。如图6所示，电压VRCC在小于等于使电压Vout达到40V的转数的低转数范围内产生15V的稳定电压。这样，由于自激振荡型变流器具有变压器的升压功能，从而可以通过该升压功能在低转数范围内得到超过电压Vin的稳定的输出电压VRCC。
根据本实施方式，象使用反冲起动器进行发动机的起动操作时那样，在发动机的低旋转范围内，利用由发电机感应的低电压也能够得到足够的输出电压，可以确保用于使ECU上升的稳定的电源。
另一方面，在发动机起动后，随着转数的上升，在从发电机产生了高输出电压之后，也可以通过使用N沟道FET的高速切换来限制输出电压，利用小型的自激振荡型变流器进行高效率的运转。
此外，包括本发明的降压变流器的控制电源除了发动机发电机的ECU以外，可以作为发动机的扼流开度控制用电动机、点火装置、电池充电用、发动机的起动器用电源等各种电源装置来使用。

Claims (1)

1.一种降压型DC-DC变流器，具有：
直流电源，其通过对发动机发电机产生的三相交流进行整流而得到；
开关单元，其由连接直流电源的至少一个MOS晶体管构成；
至少一个电抗器，其在上述MOS晶体管接通的期间利用上述直流电源进行充电；
输出用电容器，其通过上述MOS晶体管和上述电抗器与上述直流电源连接，向负载供给电流；
脉冲宽度调制电路，其输入与该输出用电容器的输出电压对应的电压，将预定占空比的脉冲信号施加到上述MOS晶体管的栅极上；以及
驱动电路，其通过绝缘电路将从上述脉冲宽度调制电路输出的脉冲信号输入到上述MOS晶体管的栅极上，
上述MOS晶体管是N沟道型，
在上述直流电源的负极侧和上述输出用电容器的负极侧之间顺序串联连接上述N沟道型MOS晶体管和上述电抗器，
在上述直流电源的正极侧和负极侧之间提供上述驱动电路的电源，
其中，降压型DC-DC变流器还包括串联连接在所述输出用电容器的两端的第一电阻和第二电阻，并且
其中，所述脉冲宽度调制电路将所述输出电压的由所述第一电阻和第二电阻分压后的电压与基准电压进行比较，当由所述第一电阻和第二电阻分压后的电压小于所述基准电压时，所述脉冲宽度调制电路以100％的占空比输出所述脉冲信号，而当由所述第一电阻和第二电阻分压后的电压大于所述基准电压时，所述脉冲宽度调制电路以根据所述基准电压和由所述第一电阻和第二电阻分压后的电压所决定的小于100％的占空比输出所述脉冲信号。
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