DE112009004513T5

DE112009004513T5 - Leistungsfaktorkorrekturwandler

Info

Publication number: DE112009004513T5
Application number: DE112009004513T
Authority: DE
Inventors: Yoshijuki Uno
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-03-18
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2012-05-31
Also published as: JP5104946B2; WO2010106701A1; CN102356537A; CN102356537B; JPWO2010106701A1; US8427853B2; US20120235649A1

Abstract

Es wird ein Leistungsfaktorkorrektur(PFC)-Wandler gebildet, der unabhängig davon, ob der Betriebsmodus ein Dauerstrommodus oder ein Modus lückenden Stroms ist, eine optimale Oberwellenunterdrückung und Leistungsfaktorverbesserung vornimmt. Der PFC-Wandler umfasst eine Diodenbrücke (B1), die eine von einer Wechselstromeingangsstromversorgung Vac eingespeiste Wechselspannung gleichrichtet, eine Reihenschaltung mit einem Induktor (L1) und einem Schaltelement (Q1), eine Gleichtrichterglättungsschaltung, die mit dem Schaltelement (Q1) parallel geschaltet ist und eine Diode (D1) und einen Glättungskondensator (C1) umfasst, und eine digitale Signalverarbeitungsschaltung (13), die das Ein- und Abschalten des Schaltelements (Q1) so steuert, dass der von der Wechselstromeingangsstromversorgung Vac eingespeiste Eingangsstrom eine der Wechselspannung ähnliche Form annimmt. Der durch den Induktor (L1) in dem Abschaltzeitraum des Schaltelements (Q1) fließende Strom wird durch Verwenden eines Stromdetektionswiderstands (R3) detektiert, der Betriebsmodus wird auf der Grundlage des Induktorstroms IL bei einer vorbestimmten Zeit ermittelt und das Schaltelement (Q1) wird gemäß dem Betriebsmodus optimal gesteuert.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft einen AC/DC-Wandler, in den eine Versorgungswechselspannung eingespeist wird und der eine Gleichspannung ausgibt, und betrifft insbesondere einen PFC-Wandler (PFC kurz vom engl. Power Factor Correction, Leistungsfaktorkorrektur), der den Leistungsfaktor verbessert.
Stand der Technik
Allgemeine Schaltnetzgeräte, die eine übliche Wechselstromversorgung als Eingangsstromversorgung aufnehmen, Bewirken ein Gleichrichten und Glätten der üblichen Wechselstromversorgung und wandeln dadurch die übliche Wechselstromversorgung in eine Gleichspannung um, und da die Gleichspannung dann unter Verwenden eines DC/DC-Wandlers umgeschaltet wird, wird der Eingangsstrom lückend und wird signifikant weg von einer Sinuswelle verzerrt. Dies bewirkt die Erzeugung von Oberwellenströmen.
In Japan, Europa und andernorts gibt es Bestimmungen bezüglich Oberwellenströmen, die gemäß Nutzung, Eingangsleistung und dergleichen klassifiziert sind. Demgemäß werden bei den Stromversorgungen von elektrischen Haushaltsgeräten, die derartige Bestimmen einhalten müssen, Leistungsverbesserungsschaltungs(PFC)wandler, wie sie in Patentschrift 1 und Patentschrift 2 beschrieben werden, vorgesehen.
Im Allgemeinen wird ein PFC-Wandler durch eine Zerhackerschaltung gebildet und arbeitet so, dass die Wellenform des Eingangsstroms eine Form ähnlich der Wellenform der Eingangsspannung annimmt, so dass mit anderen Worten die Wellenform des Eingangsstroms die Form einer Sinuswelle der gleichen Phase annimmt. Demgemäß werden Oberwellenströme auf einen gewissen Wert oder darunter gesenkt.
Hier wird eine beispielhafte Konfiguration des in Patentschrift 1 beschriebenen PFC-Wandlers beruhend auf 1 beschrieben. Bei dem PFC-Wandler von 1 richtet ein Gleichrichterblock R eine eingespeiste Wechselspannung gleich und ein Eingangskondensator Cin entfernt Hochfrequenzkomponenten. Wenn ein Schalter 10 eingeschaltet wird, sammelt sich elektromagnetische Energie in einem Induktor L. Wird der Schalter 10 abgeschaltet, wird die Energie in dem Induktor L mittels einer Gleichrichterdiode D zu einem Kondensator Cout übermittelt und es wird eine Versorgungsspannung zu einem Verbraucher geliefert. Wird der Schalter 10 wieder eingeschaltet, wird die Diode D abgeschaltet und die Versorgungsspannung wird von dem Kondensator Cout ausgegeben. In eine so genannte One-Cycle-Control-IC (OCC-Schaltung, Schaltung zur Steuerung innerhalb eines Taktzyklus) 20 werden Spannungen eines Eingangsstromdetektionswiderstands Rs und von Ausgangsspannungsdetektionswiderständen R1 und R2 eingespeist, und diese steuert den Arbeitszyklus des Schalters 10 so, dass der eingespeiste Wechselstrom die gleiche Phase wie die eingespeiste Wechselspannung annimmt.
Patentschrift 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichung (Übersetzung der PCT-Anmeldung) Nr. 2006-513682 Patentschrift 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldung Veröffentlichung Nr. 2006-187140
Durch die Erfindung zu lösende Probleme
Da aber angenommen wird, dass der PFC-Wandler von Patentschrift 1 in einem Dauerstrommodus arbeiten wird, werden, wenn der PFC-Wandler in einem Modus lückenden Stroms arbeitet, wenn die Last leicht ist, in dem Eingangsstrom Verzerrungen erzeugt.
Der PFC-Wandler von Patentschrift 2 ist weiterhin ein mehrphasiger PFC-Wandler und arbeitet, wie angenommen wird, in einem Modus lückenden Stroms, und unter der Voraussetzung, dass der Einschaltzeitraum während eines einzelnen Zeitraums der üblichen Wechselstromversorgung konstant gehalten wird, nimmt der Eingangsstrom die Form einer Sinuswelle an, selbst wenn keine Detektion und Steuerung des Stroms ausgeführt werden. Wenn aber in Wirklichkeit ein Zustand eintritt, in dem die Last zunimmt und der PFC-Wandler in einem Dauerstrommodus arbeitet, werden in dem Eingangsstrom Verzerrungen erzeugt.
Demgemäß besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen PFC-Wandler vorzusehen, der unabhängig davon, ob der Betriebsmodus ein Dauerstrommodus oder ein Modus lückenden Stroms ist, eine optimale Oberwellenunterdrückung und Leistungsfaktorverbesserung vornimmt.
Mittel zum Lösen der Probleme
Zum Lösen des vorstehenden Problems ist die vorliegende Erfindung wie folgt ausgebildet.
Ein PFC-Wandler mit: einer Gleichrichterschaltung, die eine Wechselspannung gleichrichtet, die von einer Wechelstromeingangsstromversorgung eingespeist wird, einer Reihenschaltung, die neben der Gleichrichterschaltung angeschlossen ist und einen Induktor und ein Schaltelement umfasst, einer Gleichrichterglättungsschaltung, die mit dem Schaltelement parallel geschaltet ist, Schaltsteuermittel zum Steuern des Schaltelements, so dass ein Eingangsstrom, der von der Wechselstromeingangstromversorgung eingespeist wird, eine Form ähnlich der Wechselspannung annimmt, und Stromdetektionsmittel zum Detektieren eines durch den Induktor fließenden Stroms; umfasst:
Betriebsmodusermittlungsmittel zum Ermitteln, ob ein Betriebsmodus ein Dauerstrommodus oder ein Modus lückenden Stroms ist,
wobei in einem Fall, da der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, das Schaltsteuermittel das Schaltelement so steuert, dass ein mittlerer Wert des durch den Induktor fließenden Stroms, der durch das Stromdetektionsmittel detektiert wird, sich in der Form einer Sinuswelle ändert, und in einem Fall, da der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, das Schaltsteuermittel einen Einschaltzeitraum des Schaltelements so steuert, dass er während eines Spannungsänderungszeitraums der Wechselstromeingangsstromversorgung konstant ist, so dass sich ein Spitzenwert des durch den Induktor fließenden Stroms in der Form einer Sinuswelle ändert.
Ein PFC-Wandler mit
einer ersten Reihenschaltung, die parallel zu Ausgangsports geschaltet ist und ein erstes Schaltelement und ein erstes Gleichrichterelement umfasst; einem Induktor, der zwischen einem Verbindungspunkt des ersten Schaltelements und des ersten Gleichrichterelements und einem ersten Eingangsanschluss einer Wechselstromeingangsstromversorgung angeschlossen ist,
einer zweiten Reihenschaltung, die parallel zu den Ausgangsports geschaltet ist, ein zweites Schaltelement und ein zweites Gleichrichterelement umfasst und bei der ein Verbindungspunkt des zweiten Schaltelements und des zweiten Gleichrichterelements mit einem zweiten Eingangsanschluss der Wechselstromeingangsstromversorgung verbunden ist,
einer Glättungsschaltung, die parallel zu den Ausgangsports geschaltet ist,
Schaltsteuermittel zum Steuern der Schaltelemente, so dass ein von der Wechselstromeingangsstromversorgung eingespeister Eingangsstroms eine Form ähnlich einer Wechselspannung annimmt, und
Stromdetektionsmittel zum Detektieren eines durch den Induktor fließenden Stroms
umfasst ferner:
Betriebsmodusermittlungsmittel zum Ermitteln, ob ein Betriebsmodus ein Dauerstrommodus oder ein Modus lückenden Stroms ist,
wobei in einem Fall, da der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, das Schaltsteuermittel die Schaltelemente so steuert, dass ein mittlerer Wert des durch den Induktor fließenden Stroms, der durch das Stromdetektionsmittel detektiert wird, sich in der Form einer Sinuswelle ändert, und in einem Fall, da der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, das Schaltsteuermittel Einschaltzeiträume der Schaltelemente so steuert, dass sie während eines Spannungsänderungszeitrams der Wechselstromeingangsstromversorgung konstant sind, so dass sich ein Spitzenwert des durch den Induktor fließenden Stroms in der Form einer Sinuswelle ändert.
Die Ermittlung des Betriebsmodus wird unter Verwenden eines der folgenden Verfahren (a) bis (f) durchgeführt.

(a) Wenn L einen Induktivitätswert des Induktors bezeichnet, Vin die Wechselspannung bezeichnet, Vo eine Ausgangsspannung des PFC-Wandlers bezeichnet, Ton den Einschaltzeitraum bezeichnet und Toff einen Abschaltzeitraum des Schaltelements/der Schaltelemente bezeichnet und ein Detektionswert eines durch das Stromdetektionsmittel an einem mittleren Punkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements/der Schaltelemente abgetasteten Stroms durch I_Lav bezeichnet wird, eingestuft, wenn I_Lav – (1/2) × {(Vo – Vin)/L} × Toff im Wesentlichen positiv ist, das Betriebsmodusermittlungsmittel den Betriebsmodus als Dauerstrommodus, und wenn I_Lav – (1/2) × {(Vo – Vin)/L} × Toff im Wesentlichen negativ ist, eingestuft das Betriebsmodusermittlungsmittel den Betriebsmodus als den Modus lückenden Stroms.
(b) Wenn L einen Induktivitätswert des Induktors bezeichnet, Vin die Wechselspannung bezeichnet, Vo eine Ausgangsspannung des PFC-Wandlers bezeichnet, Ton den Einschaltzeitraum bezeichnet und Toff einen Abschaltzeitraum des Schaltelements/der Schaltelemente bezeichnet und ein Detektionswert eines durch das Stromdetektionsmittel an einem Endpunkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements/der Schaltelemente abgetasteten Stroms durch ILp bezeichnet wird, eingestuft, wenn ILp – {(Vo – Vin)/L} × Toff im Wesentlichen positiv ist, das Betriebsmodusermittlungsmittel den Betriebsmodus als Dauerstrommodus, und wenn ILp – {(Vo – Vin)/L} × Toff im Wesentlichen negativ ist, eingestuft das Betriebsmodusermittlungsmittel den Betriebsmodus als den Modus lückenden Stroms.
(c) Wenn ein Detektionswert eines an einem mittleren Punkt eines Abschaltzeitraums des Schaltelements/der Schaltelemente abgetasteten Stroms, der von dem Stromdetektionsmittel detektiert wird, kleiner als ein Detektionswert eines Stroms ist, der an einem mittleren Punkt eines Einschaltzeitraums des Schaltelements/der Schaltelemente abgetastet wird, wird der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms eingestuft und ansonsten wird der Betriebsmodus als Dauerstrommodus eingestuft.
(d) Ferner ist eine Schaltelementspannungsdetektionsschaltung vorgesehen, die eine Spannung zwischen Anschlüssen des Schaltelements/der Schaltelemente detektiert, und die Ermittlung erfolgt auf der Grundlage einer Änderung der von der Schaltelementspannungsdetektionsschaltung während eines Abschaltzeitraums des Schaltelements/der Schaltelemente detektierten Spannung. D. h. wenn die Spannung zwischen den Anschlüssen des Schaltelements/der Schaltelemente nicht konstant ist und während des Abschaltzeitraums des Schaltelements fällt, wird der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms eingestuft, und wenn die Spannung konstant ist, wird der Betriebsmodus als Dauerstrommodus eingestuft.
(e) Ferner ist eine Hilfsspule vorgesehen, die mit dem Induktor gekoppelt ist, und die Ermittlung wird auf der Grundlage einer Änderung der in der Hilfsspule während eines Abschaltzeitraums des Schaltelements/der Schaltelemente erzeugten Spannung vorgenommen. D. h. wenn die Spannung, die während des Abschaltzeitraums des Schaltelements/der Schaltelemente in der Hilfsspule erzeugt wird, nicht konstant ist und fällt, wird der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms eingestuft, und wenn die Spannung konstant ist, wird der Betriebsmodus als Dauerstrommodus eingestuft.
(f) Die Ermittlung wird auf der Grundlage eines von dem Stromdetektionsmittel unmittelbar vor dem Einschalten des Schaltelements/der Schaltelemente abgetasteten Stromwerts vorgenommen. D. h. wenn der Strom, der unmittelbar vor dem Einschalten des Schaltelements/der Schaltelemente durch den Induktor fließt, null ist, wird der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms eingestuft, und wenn der durch den Induktor unmittelbar vor dem Einschalten des Schaltelements/der Schaltelemente fließende Strom nicht null ist, wird der Betriebsmodus als Dauerstrommodus eingestuft.

Ferner sind das Schaltsteuermittel und das Betriebsmodusdetektionsmittel des PFC-Wandlers der vorliegenden Erfindung typischerweise durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) gebildet, der von dem Stromdetektionsmittel detektierte digitale Werte enthält.
Vorteile
Erfindungsgemäß wird der Betriebsmodus entweder als Dauerstrommodus oder Modus lückenden Stroms ermittelt, und die Wellenform des Stroms wird so ausgelegt, dass sie eine ähnliche Form und gleiche Phase wie die Wellenform der Spannung gemäß des ermittelten Modus aufweist, und daher werden unabhängig vom Gewicht der Last Oberwellenunterdrückung und der Leistungsfaktor verbessert.
Ferner kann die Modusermittlung durch Ausführen von Stromwertabtastung bis zu zweimal pro Schaltzeitraum ausgeführt werden, und daher ist der Aufwand arithmetischer Verarbeitung klein und die Beanspruchung des Prozessors, etwa des DSP, ist klein. Folglich kann auch ein Prozessor mit einer vergleichsweise niedrigen Geschwindigkeit verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Schaltplan eines in Patentschrift 1 beschriebenen PFC-Wandlers.
2 ist ein Schaltplan eines PFC-Wandlers 101 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
3 zeigt Diagramme, die verschiedene Steuerverfahren veranschaulichen, die von einer digitalen Signalverarbeitungsschaltung 13 in dem PFC-Wandler 101 gemäß der ersten Ausführungsform verwendet werden.
4 zeigt Spannungs- und Stromwellenformdiagramme für den PFC-Wandler 101 gemäß der ersten Ausführungsform für einen Einheitsschaltzeitraum in einem Zustand, in dem die Steuerung in einem Dauerstrommodus ausgeführt wird.
5 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus in dem PFC-Wandler 101 gemäß der ersten Ausführungsform veranschaulichen.
6 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 201 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
7 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus veranschaulichen, der von einer digitalen Signalverarbeitungsschaltung 13 in der Schaltnetzteilvorrichtung 201 gemäß der zweiten Ausführungsform verwendet wird.
8 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 202 gemäß einer dritten Ausführungsform.
9 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus veranschaulichen, der von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 13 in der Schaltnetzteilvorrichtung 202 gemäß der dritten Ausführungsform verwendet wird.
10 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus eines PFC-Wandlers gemäß einer vierten Ausführungsform veranschaulichen.
11 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus eines PFC-Wandlers gemäß einer fünften Ausführungsform veranschaulichen.
12 zeigt Diagramme, die das Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus des PFC-Wandlers gemäß der fünften Ausführungsform veranschaulichen und ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus auf der Grundlage eines mittleren Stromwerts I_Lav eines Einschaltzeitraums eines Schaltelements Q1 veranschaulichen.
13 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus eines PFC-Wandlers gemäß einer sechsten Ausführungsform veranschaulichen.
14 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 203 gemäß einer siebten Ausführungsform.
15 zeigt Diagramme, die Stromwege bei vier Zeitpunkten in einem PFC-Wandler 104 in 14 veranschaulichen.
«Erste Ausführungsform»
Unter Bezug auf 2 bis 5 wird ein PFC-Wandler gemäß einer erfindungsgemäßen Ausführungsform beschrieben.
2 ist ein Schaltplan eines PFC-Wandlers 101 gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. In 2 bezeichnen die Symbole P11 und P12 Eingangsports des PFC-Wandlers 101 und die Symbole P21 und P22 bezeichnen Ausgangsports des PFC-Wandlers 101. Eine Wechselstromeingangsstromversorgung Vac, die eine übliche Wechselstromversorgung ist, wird zu den Eingangsports P11 und P12 eingespeist, und eine Lastschaltung 20 ist mit den Ausgangsports P21 und P22 verbunden.
Die Lastschaltung 20 ist zum Beispiel eine Schaltung eines elektronischen Geräts, das zum Beispiel durch einen DC/DC-Wandler Stromversorgung oder einen DC/DC-Wandler desselben erhält.
Eine Diodenbrücke B1, die eine Gleichrichterschaltung ist, die eine Wechselspannung der Wechselstromeingangsstromversorgung Vac einer Vollwellengleichrichtung unterzieht, ist in einer Eingangsstufe des PFC-Wandlers 101 vorgesehen. Zusätzlich zu einem Stromdetektionswiderstand R3 ist eine Reihenschaltung aus einem Induktor L1 und einem Schaltelement Q1 mit der Ausgangsseite der Diodenbrücke B1 verbunden. Eine Gleichrichterglättungsschaltung, die aus einer Diode D1 und einem Glättungskondensator C1 gebildet ist, ist mit den Anschlüssen des Schaltelements Q1 parallel geschaltet. Durch den Induktor L1, das Schaltelement Q1, die Diode D1 und den Glättungskondensator C1 ist eine verstärkende Zerhackerschaltung gebildet.
Zwischen den Anschlüssen der Ausgangsseite der Diodenbrücke B1 ist eine Eingangsspannungsdetektionsschaltung 11 vorgesehen. Ferner ist zwischen den Ausgangsports P21 und P22 eine Ausgangsspannungsdetektionsschaltung 12 vorgesehen. Eine digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 ist durch einen DSP gebildet und steuert den PFC-Wandler 101 durch digitale Signalverarbeitung. In die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 wird mit anderen Worten ein Ausgangssignal der Eingangsspannungsdetektionsschaltung 11 eingegeben und diese detektiert die die momentane Spannung der eingespeisten Wechselstromeingangsstromversorgung. Weiterhin wird ein Ausgangssignal der Ausgangsspannungsdetektionsschaltung 12 eingegeben und eine Ausgangsspannung detektiert. Ferner wird das Schaltelement Q1 bei einer vorbestimmten Schaltfrequenz ein- und ausgeschaltet.
Eine Verarbeitungseinrichtung für Schaltsteuersignale für das Schaltelement Q1, d. h. die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13, entspricht dem ”Schaltsteuermittel” der vorliegenden Erfindung. Weiterhin entspricht der Stromdetektionswiderstand R3 dem ”Stromdetektionsmittel” der vorliegenden Erfindung.
Die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 ist mit einem Port zum Ausführen von Kommunikation mit der Lastschaltung 20 ausgestattet und führt zum Beispiel Datenkommunikation aus, erhält und gibt Signale aus, sendet kontinuierlich den Zustand oder dergleichen des Wandlers und sendet die Eingangsspannung, die Ausgangsspannung, den Ausgangsstrom und dergleichen zur Lastschaltung (elektronisches Gerät) und spiegelt einen Lastzustand und dergleichen wider, der von der Lastschaltungsseite in der Schaltsteuerung erhalten wird.
3 zeigt Diagramme, die verschiedene Verfahren zum Steuern des PFC-Wandlers 101 veranschaulichen, die von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 13 verwendet werden. 3(A) und 3(B) veranschaulichen jeweils eine Stromwellenform für einen einzelnen Zeitraum der Wechselstromeingangsstromversorgung. Hier ist eine Wellenform IL die Wellenform eines durch den Induktor L1 in dem in 2 gezeigten PFC-Wandler 101 fließenden Stroms. Ip ist eine Hüllkurve von Spitzenwerten des Stroms (Spitzenstrom) und Ia ist eine Hüllkurve von Mittelwerten des Stroms (mittlerer Strom). Zwecks einfacherer Darstellung ist aber in Fällen, da die Schaltfrequenz des PFC-Wandlers 101 extrem gering ist, die Wellenform des durch den Induktor L1 fließenden Stroms als dreieckförmige Welle unter Verwenden einer für das Auge sichtbaren Frequenz gezeigt.
3(A) ist ein Wellenformdiagramm für einen Dauerstrommodus und 3(B) ist ein Wellenformdiagramm für einen Modus lückenden Stroms. Somit gibt es in dem in 3(A) gezeigten Dauerstrommodus für den durch den Induktor L1 des PFC-Wandlers 101 fließenden Strom keine Zeiträume, in denen der Stromwert für jede Speicherung und Entladung von Erregungsenergie in und von dem Induktor L1 des PFC-Wandlers 101 null wird. Dagegen gibt es in dem in 3(B) gezeigten Modus lückenden Stroms Zeiträume, in denen der Stromwert für jede Speicherung und Entladung von Erregungsenergie in und von dem Induktor L1 des PFC-Wandlers 101 null wird.
4 zeigt Spannungs- und Stromwellenformdiagramme für den PFC-Wandler 101 für einen Einheitsschaltzeitraum in einem Zustand, in dem die Steuerung in einem Dauerstrommodus ausgeführt wird.
Die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 führt die Schaltsteuerung so aus, dass der Eingangsstrom des PFC-Wandlers 101, d. h. der mittlere Wert des durch den Induktor L1 fließenden Stroms, eine Form ähnlich einer vollwellengleichgerichteten Wellenform annimmt. Somit werden infolge des Fließens eines Eingangsstroms, der eine ähnliche Form und gleiche Phase wie die Eingangsspannung aufweist, Oberwellen unterdrückt und der Leistungsfaktor verbessert.
In 4 ist (A) eine Stromwellenform eines Mittelwerts Ii eines durch den Induktor L1 fließenden Stroms für eine Einheit des halben Zeitraums der üblichen Stromversorgung, (B) ist ein Wellenformdiagramm des durch den Induktor L1 in einem Einheitschaltzeitraum fließenden Stroms, der durch den Vergrößerungsteil der Zeitachse von (A) gezeigt ist, und (C) ist ein Wellenformdiagramm der Drain-Source-Spannung Vds des Schaltelements Q1.
In dem Einschaltzeitraum des Schaltelements Q1 fließt der Strom IL durch den Induktor L1 und der Strom IL nimmt mit einem Gradienten zu, der durch die Spannung zwischen den Anschlüssen des Induktors L1 und die Induktivität des Induktors L1 bestimmt wird. Danach nimmt in dem Abschaltzeitraum des Schaltelements Q1 der Strom IL mit einem Gradienten ab, der durch die Spannung zwischen den Anschlüssen des Induktors L1 und die Induktivität des Induktors L1 bestimmt wird. Somit ändert sich der durch den Induktor L1 fließende Strom IL durch den Schaltzeitraum in der Breite einer Stromwelligkeit ΔIL.
5 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln des Betriebsmodus veranschaulichen. 5(A) ist ein Wellenformdiagramm des Induktorstroms in dem Dauerstrommodus und 5(B) ist ein Wellenformdiagramm des Induktorstroms in dem Modus lückenden Stroms.
Wenn der Wert des durch den Induktor L1 bei dem Abschaltzeitpunkt des Schaltelements Q1 fließenden Stroms (Spitzenwert) durch ILp bezeichnet ist und der Wert des durch den Induktor L1 bei dem Einschaltzeitpunkt des Schaltelements Q1 fließenden Stroms (niedrigster Wert) durch ILb bezeichnet ist, wird der Mittelwert des durch den Induktor L1 in dem Einschaltzeitraum des Schaltelements Q1 fließenden Stroms (mittlerer Strom) durch die folgende Beziehung ausgedrückt. I_Lav1 = (ILp + ILb)/2 (1)
Der durch den Induktor L1 in dem Abschaltzeitraum des Schaltelements Q1 fließende Strom nimmt linear ab, und wenn der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, ist daher ein mittlerer Stromwert I_Lav2 des Induktors L1 bei einem Zeitpunkt in der Mitte des Abschaltzeitraums des Schaltelements Q1 gleich dem mittleren Stromwert I_Lav1. Wenn andererseits der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, ist I_Lav1 > I_Lav2, wie in 5(B) gezeigt ist.
Folglich findet die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 einen ersten Stromwert ILav1 durch Ausführen von Abtasten bei einem mittleren Punkt ts1 des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1, findet einen zweiten Stromwert ILav2 durch Ausführen von Abtasten bei einem mittleren Punkt ts2 des Abschaltzeitraums des Schaltelements Q1, und wenn I_Lav = I_Lav2, wird der Betriebsmodus als Dauerstrommodus ermittelt, und wenn I_Lav1 > I_Lav2, wird der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms ermittelt.
Da das dem Gate des Schaltelements Q1 gelieferte Schaltsteuersignal ein Signal ist, das von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 13 erzeugt wird, und die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 den Zeitpunkt ts1 in der Mitte des Einschaltzeitraums und den Zeitpunkt ts2 an dem mittleren Punkt des Abschaltzeitraums kennt (unter Steuerung). Demgemäß kann zum Beispiel ohne Eingeben eines Zeitsteuersignals von außen eine fallende Spannung des Stromdetektionswiderstands R3 bei den vorstehend erwähnten Zeitpunkten abgetastet werden.
Wenn der Betriebsmodus als Dauerstrommodus ermittelt wurde, wird der mittlere Wert I_Lav des durch den Induktor L1 fließenden Stroms durch Abtasten des durch den Induktor L1 bei einem Zeitpunkt am mittleren Punkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1 fließenden Stroms gefunden, und der Einschaltzeitraum Ton und der Abschaltzeitraum Toff des Schaltelements Q1 werden so gesteuert, dass sich der mittlere Wert I_Lav in Form einer Sinuswelle ändert.
Wenn weiterhin der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms ermittelt wurde, wird der Einschaltzeitraum Ton des Schaltelements Q1 während des gesamten Zeitraums der üblichen Stromversorgung konstant gehalten. Ferner wird der Einschaltzeitraum Ton einer Regelung gemäß der Ausgangsspannung unterzogen.
Bei dem Modus lückenden Stroms wird die Steuerung mit Hilfe eines der folgenden Verfahren ausgeführt, um zum Beispiel den Einschaltzeitraum Ton des Schaltelements Q1 während des gesamten Zeitraums der üblichen Stromversorgung konstant zu halten.

(1) Während des Detektierens des Zeitraums der üblichen Stromversorgung ändert die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 den Einschaltzeitraum in Einheiten des Zeitraums der üblichen Stromversorgung.
(2) Das Ansprechvermögen einer Steuereinrichtung (”Spannungskompensator” in Schaltungsterminologie), die eine Ausgangsspannung des PFC-Wandlers 101 detektiert und die Länge des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1 einer Regelung unter Verwenden der detektierten Ausgangsspannung unterzieht, wird im Einklang mit dem Zeitraum der üblichen Stromversorgung verringert.

«Zweite Ausführungsform»
6 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 201 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 201 in 6 ist mit einem PFC-Wandler 102 und einem DC/DC-Wandler 50 ausgestattet. Mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 50 ist eine Last 60 verbunden.
Eine Wechselstromeingangsstromversorgung Vac, die eine übliche Wechselstromversorgung ist, wird zu den Eingangsports P11 und P12 des PFC-Wandlers 102 eingespeist, und der DC/DC-Wandler 50 wird mit einem Ausgangsabschnitt des PFC-Wandlers 102 verbunden. Der PFC-Wandler 102 ist mit einer Diodenbrücke B1, die die Wechselstromeingangsstromversorgung Vac einer Vollwellengleichrichtung unterzieht, einem Induktor L1, der mit dem Ausgang der Diodenbrücke B1 verbunden ist, einem Schaltelement Q1, einer Diode D1, einem Glättungskondensator C1, einem Stromdetektionswiderstand R4, der mit dem Schaltelement Q1 in Reihe geschaltet ist, einer Eingangsspannungsdetektionsschaltung 11 und einer Schaltelementspannungsdetektionsschaltung 14 ausgestattet. Durch den Induktor L1, das Schaltelement Q1, die Diode D1 und den Glättungskondensator C1 ist eine verstärkende Zerhackerschaltung gebildet.
Der DC/DC-Wandler 50 ist mit einem Transformator T1, einem in Reihe mit einer ersten Schleife Lp des Transformators T1 geschalteten Schaltelement Q2 und einer Gleichrichterglättungsschaltung, die mit einer zweiten Spule Ls des Transformators T1 verbunden ist und eine Diode D2 und einen Kondensator C2 umfasst, ausgestattet.
Weiterhin gibt die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13, die an einer ersten Seite des Transformators T1 vorgesehen ist, nicht nur ein Schaltsteuersignal zu dem Schaltelement Q1 des PFC-Wandlers 102 aus, sondern gibt auch ein Schaltsteuersignal zu dem Schaltelement Q2 des DC/DC-Wandlers 50 aus. Ferner wird elf Detektionssignal der Ausgangsspannungsdetektionsschaltung 12 durch eine Isolierungsschaltung 16 eingegeben, wodurch eine Ausgangsspannung detektiert wird. Dann wird eine Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 50 durch zum Beispiel Steuern des Einschaltverhältnisses des Schaltelements Q2 stabilisiert.
Weiterhin wird in die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 eine Detektionsspannung der Eingangsspannungsdetektionsschaltung 11 des PFC-Wandlers 102, eine Detektionsspannung der Ausgangsspannungsdetektionsschaltung 12 und eine fallende Spannung des Stromdetektionswiderstands R4 eingespeist, und diese sieht gemäß diesen Werten ein Schaltsteuersignal bezüglich des Einschaltzeitraums und des Abschaltzeitraums zu dem Gate des Schaltelements Q1 vor. Das Schaltelement Q1 wird mit anderen Worten so gesteuert, dass der Eingangsstrom des PFC-Wandlers 102 eine ähnliche Form wie die Wellenform der Eingangsspannung annimmt. Ferner kommuniziert die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 durch eine Isolierungsschaltung 17 mit der Last 60, sendet die Zustände des PFC-Wandlers 102 und des DC/DC-Wandlers 50 zu der Last 60 und gibt einen Lastzustand und dergleichen wider, die von der Last 60 in der Schaltsteuerung erhalten werden.
Die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 liest wie nachstehend beschrieben während des Abschaltzeitraums des Schaltelements Q1 eine Detektionsspannung der Schaltelementspannungsdetektionsschaltung 14 aus und ermittelt den Betriebsmodus auf der Grundlage der Spannungsänderung zwischen den Anschlüssen des Schaltelements Q1.
7 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus veranschaulichen, das von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 13 verwendet wird.
Durch Abtasten der Spannung des Stromdetektionswiderstands R4 an dem mittleren Punkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1 wird ein Mittelwert I_Lav des durch den Induktor L1 in dem Einschaltzeitraum des Schaltelements Q1 fließender Strom gefunden. Weiterhin wird durch Abtasten der Detektionsspannung der Schaltelementspannungsdetektionsschaltung 14 unmittelbar vor dem Abschalten des Schaltelements Q1 der Spitzenwert ILp des durch den Induktor L1 fließenden Stroms gefunden.
Wenn der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, wie in 7(A) veranschaulicht ist, bleibt, wenn das Schaltelement Q1 abgeschaltet ist, die Diode D1 in dem Abschaltzeitraum eingeschaltet, und daher wird die Spannung zwischen den Anschlüssen des Schaltelements Q1 die Ausgangsspannung Vo des PFC-Wandlers 102.
Wenn der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, wie in 7(B) veranschaulicht ist, wird bis zum Erreichen des Einschaltzeitpunkts des Schaltelements Q1 das Leiten in der Diode D1 gestoppt und daher fällt die Spannung Vds zwischen den Anschlüssen des Schaltelements Q1 aufgrund der Resonanz zwischen der parasitären Kapazität in der Schaltung und der ersten Spule Lp des Transformators T1.
Wenn daher die Spannung Vds zwischen den Anschlüssen in dem Abschaltzeitraum des Schaltelements Q1 geprüft wird und sie konstant gleich Vo ist, wird der Betriebsmodus als der Dauerstrommodus eingestuft, wogegen bei Fallen von Vds der Betriebsmodus als der Modus lückenden Stroms eingestuft wird.
Wenn der Betriebsmodus als Dauerstrommodus ermittelt wurde, wird der mittlere Wert I_Lav des durch den Induktor L1 fließenden Stroms durch Abtasten des durch den Induktor L1 bei einem Zeitpunkt am mittleren Punkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1 fließenden Stroms gefunden, und der Einschaltzeitraum Ton und der Abschaltzeitraum Toff des Schaltelements Q1 werden so gesteuert, dass sich der mittlere Wert I_Lav in Form einer Sinuswelle ändert.
Wenn ferner der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms ermittelt wurde, wird der Einschaltzeitraum Ton des Schaltelements Q1 während des gesamten Zeitraums der üblichen Stromversorgung konstant gehalten. Weiterhin wird der Einschaltzeitraum Ton einer Regelung gemäß der Ausgangsspannung unterzogen.
Das Steuerverfahren, bei dem der Einschaltzeitraum Ton des Schaltelements Q1 während des gesamten Zeitraums der üblichen Stromversorgung in dem Modus lückenden Stroms konstant gehalten wird, ist das gleiche wie das in der ersten Ausführungsform beschriebene Verfahren. Es kann mit anderen Worten eines der folgenden Verfahren verwendet werden: (1) ein Verfahren, bei dem die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 den Einschaltzeitraum in Einheiten des Zeitraums der üblichen Stromversorgung ändert, während sie den Zeitraum der üblichen Stromversorgung detektiert, und (2) ein Verfahren, bei dem das Ansprechvermögen einer Steuereinrichtung (Spannungskompensator), die eine Ausgangsspannung des PFC-Wandlers 102 detektiert und die Länge des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1 einer Regelung unter Verwenden der Ausgangsspannung unterzieht, im Einklang mit dem Zeitraum der üblichen Stromversorgung verringert wird. In dem Fall, da die Steuerung unter Verwenden von Verfahren (2) ausgeführt wird, kann die in 6 veranschaulichte digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 die Ausgangsspannung des DC/DC-Wandlers 50 als Wert verwenden, der zu der Ausgangsspannung des PFC-Wandlers 102 proportional ist.
«Dritte Ausführungsform»
8 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 202 gemäß einer dritten Ausführungsform.
Die Schaltnetzteilvorrichtung 202 in 8 ist mit einem PFC-Wandler 103 und einem DC/DC-Wandler 50 ausgestattet. Mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 50 ist eine Last 60 verbunden.
Eine Wechselstromeingangsstromversorgung Vac, die eine übliche Wechselstromversorgung ist, wird zu den Eingangsports P11 und P12 des PFC-Wandlers 103 eingespeist, und der DC/DC-Wandler 50 wird mit einem Ausgangsabschnitt des PFC-Wandlers 103 verbunden. Der PFC-Wandler 103 ist mit einer Diodenbrücke 81, die die Wechselstromeingangsstromversorgung Vac einer Vollwellengleichrichtung unterzieht, einem Induktor L1, der mit dem Ausgang der Diodenbrücke B1 verbunden ist, einem Schaltelement Q1, einer Diode D1, einem Glättungskondensator C1, einem Stromdetektionswiderstand R4, der mit dem Schaltelement Q1 in Reihe geschaltet ist, und einer Eingangsspannungsdetektionsschaltung 11 ausgestattet. Durch den Induktor L1, das Schaltelement Q1, die Diode D1 und den Glättungskondensator C1 ist eine verstärkende Zerhackerschaltung gebildet.
Der Unterschied zu der in 6 gezeigten Schaltnetzteilvorrichtung 201 ist, dass die Schaltelementspannungsdetektionsschaltung 14 durch den Induktor 11, der eine Hilfsspule aufweist, ersetzt ist. Andere Komponenten sind die gleichen wie die in 6 gezeigten.
Die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 liest wie nachstehend beschrieben während des Abschaltzeitraums des Schaltelements Q1 die Spannung der Hilfsspule des Induktors L1 aus und ermittelt den Betriebsmodus auf der Grundlage der Änderung dieser Spannung.
9 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus veranschaulichen, das von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 13 verwendet wird.
Durch Abtasten der Spannung des Stromdetektionswiderstands R4 an dem mittleren Punkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1 wird ein Mittelwert ILav des durch den Induktor L1 in dem Einschaltzeitraum des Schaltelements Q1 fließenden Stroms gefunden.
Wenn der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, wie in 9(A) gezeigt ist, bleibt, wenn das Schaltelement Q1 abgeschaltet ist, die Diode D1 in dem Abschaltzeitraum eingeschaltet, und daher ist die Spannung Vb der Hilfsspule das Produkt der Ausgangsspannung Vo des PFC-Wandlers 103 und eines Windungsverhältnisses zwischen der Hauptspule und der Hilfsspule.
Wenn der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, wie in 9(B) veranschaulicht ist, wird bis zum Erreichen des Einschaltzeitpunkts des Schaltelements Q1 das Leiten in der Diode D1 gestoppt und daher fällt die Spannung Vb der Hilfsspule des Induktors L1 aufgrund der Resonanz zwischen der Hauptspule des Induktors L1 und der parasitären Kapazität in der Schaltung und der Zeitpunkt tz tritt ein, bei dem die Spannung Vb kleiner als 0 V wird.
Wenn daher die Spannung Vb der Hilfsspule des Induktors L1 in dem Abschaltzeitraum von Q1 geprüft wird und kontinuierlich konstant ist, wird der Betriebsmodus als Dauerstrommodus eingestuft, wogegen der Betriebsmodus als der Modus lückenden Stroms eingestuft wird, wenn es einen Zeitpunkt gibt, bei dem die Spannung Vb null oder eine negative Spannung wird.
Wenn der Betriebsmodus als Dauerstrommodus ermittelt wurde, wird der mittlere Wert ILav des durch den Induktor L1 fließenden Stroms durch Abtasten des durch den Induktor L1 bei einem Zeitpunkt am mittleren Punkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1 fließenden Stroms gefunden, und der Einschaltzeitraum Ton und der Abschaltzeitraum Toff des Schaltelements Q1 werden so gesteuert, dass sich der mittlere Wert ILav in Form einer Sinuswelle ändert.
Wenn ferner der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms ermittelt wurde, wird der Einschaltzeitraum Ton des Schaltelements Q1 während des gesamten Zeitraums der üblichen Stromversorgung konstant gehalten. Weiterhin wird der Einschaltzeitraum Ton einer Regelung gemäß der Ausgangsspannung unterzogen.
Das Steuerungsverfahren, das von der digitalen Signalverarbeitungsschaltung 13 verwendet wird, wenn der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, ist das gleiche wie das in der ersten und zweiten Ausführungsform.
«Vierte Ausführungsform»
10 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus in dem PFC-Wandler gemäß der vierten Ausführungsform veranschaulichen. Die Konfiguration des PFC-Wandlers ist die gleiche wie die der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform. Die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 ermittelt den Betriebsmodus auf der Grundlage des Werts des durch den Induktor L1 bei einem vorbestimmten Zeitpunkt fließenden Stroms.
Wenn der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, wie in 10(A) veranschaulicht ist, fließt ein Strom ILb bei einem Einschaltzeitpunkt des Schaltelements Q1 durch den Induktor L1. Wenn der Stromwert ILb nicht null ist, wird der Betriebsmodus als der Dauerstrommodus ermittelt.
Wenn dagegen der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, ist der Strom ILb in dem Induktor L1 zum Einschaltzeitpunkt des Schaltelements Q1 null. Wenn demgemäß der Strom ILb null ist, kann der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms oder als kritischer Modus ermittelt werden.
Wenn der Betriebsmodus als Dauerstrommodus ermittelt wurde, wird der mittlere Wert ILav des durch den Induktor L1 fließenden Stroms durch Abtasten des durch den Induktor L1 bei einem Zeitpunkt am mittleren Punkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1 fließenden Stroms gefunden, und der Einschaltzeitraum Ton und der Abschaltzeitraum Toff des Schaltelements Q1 werden so gesteuert, dass sich der mittlere Wert ILav in Form einer Sinuswelle ändert.
Wenn ferner der Betriebsmodus als Modus rückenden Stroms ermittelt wurde, wird der Einschaltzeitraum Ton des Schaltelements Q1 während des gesamten Zeitraums der üblichen Stromversorgung konstant gehalten. Weiterhin wird der Einschaltzeitraum Ton einer Regelung gemäß der Ausgangsspannung unterzogen.
«Fünfte Ausführungsform»
11 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus in dem PFC-Wandler gemäß der fünften Ausführungsform veranschaulichen. Die Konfiguration des PFC-Wandlers ist die gleiche wie die der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform. Die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 ermittelt den Betriebsmodus auf der Grundlage der Änderung des durch den Induktor L1 fließenden Stroms.
Wenn der Induktivitätswert des Induktors L1 durch L bezeichnet ist, die von der Wechselstromeingangsstromversorgung (übliche Stromversorgung) eingespeiste Wechselspannung durch Vin bezeichnet ist, die Ausgangsspannung des PFC-Wandlers durch Vo bezeichnet ist, der Einschaltzeitraum und der Ausschaltzeitraum des Schaltelements Q1 durch Ton und Toff bezeichnet sind, die Änderung des durch den Induktor L1 in dem Einschaltzeitraum des Schaltelements Q1 fließenden Stroms durch ΔI_Lon bezeichnet ist und die Änderung des durch den Induktor L1 in dem Abschaltzeitraum des Schaltelements Q1 fließenden Stroms durch ΔI_Loff bezeichnet ist, ΔI_Lon = (Vin/L)Ton (2) ΔI_Loff = {(Vo – Vin)/L}Toff (3).
Wenn der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, wie in 11(A) veranschaulicht, ΔIIon = ΔIIoff.
Wenn der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, wie in 11(B) veranschaulicht, ΔILon < ΔILoff. Dies bedeutet aber nicht, dass ein Strom während des gesamten Abschaltzeitraums Toff in dem Modus lückenden Stroms durch den Induktor fließt, und ΔILoff ist ein virtueller Wert.
12 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus unter Verwenden der Polarität einer Differenz eines mittleren Stromwerts ILav während des Einschaltzeitraums des Schaltelements Q1 durch Verwenden der vorstehend beschriebenen Beziehung veranschaulichen.
Wenn sich der Betriebsmodus in dem Dauerstrommodus befindet I_Lav > ΔILoff/2 = (1/2) × {(Vo – Vin)/L}Toff (4), und wenn sich der Betriebsmodus in dem Modus lückenden Stroms befindet I_Lav < ΔILoff/2 = (1/2) × {(Vo – Vin)/L}Toff (5).
Daher wird aus Ij = I_Lav – (1/2) × {(Vo – Vin)/L}Toff (6), wenn Ij > 0, der Betriebsmodus als Dauerstrommodus ermittelt, und
wenn Ij < 0, wird der Betriebsmodus als Modus lückenden Stroms ermittelt.
Der mittlere Stromwert I_Lav in dem Einschaltzeitraum des Schaltelements Q1 wird durch Ausführen von Abtasten am mittleren Punkt des Einschaltzeitraums gefunden. Vo und Vin werden ferner ebenfalls durch Abtasten gefunden. Die Induktivität des Induktors L1 ist vorab bekannt, und daher wird der Beurteilungswert Ij auf der Grundlage dieser Werte berechnet und der Betriebsmodus wird durch Ermitteln der Polarität dieses Werts ermittelt.
«Sechste Ausführungsform»
13 zeigt Diagramme, die ein Verfahren zum Ermitteln eines Betriebsmodus in dem PFC-Wandler gemäß der sechsten Ausführungsform veranschaulichen. Die Konfiguration des PFC-Wandlers ist die gleiche wie die der in 2 gezeigten ersten Ausführungsform. Die digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 ermittelt den Betriebsmodus auf der Grundlage der Änderung des durch den Induktor L1 fließenden Stroms.
Wenn der Spitzenstrom unmittelbar vor dem Abschalten des Schaltelements Q1 durch ILp bezeichnet ist,
wenn der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, ILp > ΔILoff = {(Vo – Vin)/L}Toff (7), und wenn der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, ILp < ΔILoff = {(Vo – Vin)/L}Toff (8).
Daher wird aus Ij = ILp – {(Vo – Vin)/L}Toff (9), wenn Ij > 0, der Betriebsmodus als Dauerstrommodus ermittelt, und
wenn Ij < 0, wird der Betriebsmodus als lückender Betriebsmodus ermittelt.
Der Spitzenstrom ILp wird durch Abtasten unmittelbar vor dem Abschalten des Schaltelements Q1 gefunden. Vo und Vin werden ferner ebenfalls durch Abtasten gefunden. Die Induktivität des Induktors L1 ist vorab bekannt, und daher wird der Beurteilungswert Ij auf der Grundlage dieser Werte berechnet und der Betriebsmodus wird durch Ermitteln der Polarität dieses Werts ermittelt.
«Siebte Ausführungsform»
14 ist ein Schaltplan einer Schaltnetzteilvorrichtung 203 gemäß einer siebten Ausführungsform. 15 zeigt weiterhin Diagramme, die Stromwege bei vier Zeitpunkten in einem PFC-Wandler 104 veranschaulichen.
Der in 14 veranschaulichte PFC-Wandler 104 ist mit einem Induktor und zwei Schaltelementen ohne eine dazwischen gesetzte Diodenbrücke ausgestattet und ist ein diodenbrückenloser PFC-Wandler.
In 14 bezeichnen die Symbole P11 und P12 Eingangsanschlüsse des PFC-Wandlers 104 und die Symbole P21 und P22 bezeichnen Ausgangsanschlüsse des PFC-Wandlers 104. Eine Wechselstromeingangsstromversorgung Vac, die eine übliche Wechselstromversorgung ist, wird zu den Eingangsanschlüssen P11 und P12 eingespeist, und ein DC/DC-Wandler 100 ist mit den Ausgangsanschlüssen P21 und P22 verbunden.
Eine Last 99 ist mit dem Ausgang des DC/DC-Wandlers 100 verbunden und dieser wird eine Gleichspannung, die durch den DC/DC-Wandler 100 stabilisiert wurde, geliefert.
In einer Eingangsstufe des PFC-Wandlers 104 ist eine Eingangsspannungsdetektionsschaltung 11 vorgesehen, und damit ist ein Induktor L1 an einer einzelnen Leitung in Reihe geschaltet. Neben dem Induktor L1 ist eine Brückenschaltung, die auf den Dioden D1 und 2 und den Schaltelementen Q1 und Q2 beruht, angeschlossen. Zwischen den Sourcen und Massen der Schaltelemente Q1 und Q2 sind Stromdetektionswiderstände R21 und R22 angeschlossen. Eine Glättungsschaltung, die aus einem Glättungskondensator C1 besteht, ist mit dem Ausgang der Brückenschaltung parallel geschaltet.
15(A) veranschaulicht einen Stromweg in der positiven Hälfte des Zyklus der Wechselstromeingangsstromversorgung, wenn die Schaltelemente Q1 und Q2 beide in einem Einschaltzustand sind, und 15(B) veranschaulicht einen Stromweg in der positiven Hälfte des Zyklus der Wechselstromeingangsstromversorgung, wenn die Schaltelemente Q1 und Q2 beide in einem Abschaltzustand sind.
15(C) veranschaulicht weiterhin einen Stromweg in der negativen Hälfte des Zyklus der Wechselstromeingangsstromversorgung, wenn die Schaltelemente Q1 und Q2 beide in einem Einschaltzustand sind, und 15(D) veranschaulicht einen Stromweg in der negativen Hälfte des Zyklus der Wechselstromeingangsstromversorgung, wenn die Schaltelemente Q1 und Q2 beide in einem Abschaltzustand sind.
In der positiven Hälfe des Zyklus der Wechselstromeingangsstromversorgung fließt ein Strom durch den in 15(A) veranschaulichten Weg und die Erregungsenergie sammelt sich in dem Induktor L1, wenn sich Q1 und Q2 in dem eingeschalteten Zustand befinden, und wenn Q1 und Q2 sich in dem abgeschalteten Zustand befinden, fließt ein Strom durch den in 15(B) veranschaulichten Pfad und die Erregungsenergie wird von dem Induktor L1 entladen. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein Strom durch eine parasitäre Diode von Q2. In der negativen Hälfe des Zyklus der Wechselstromeingangsstromversorgung fließt analog ein Strom durch den in 15(C) veranschaulichten Weg und die Erregungsenergie sammelt sich in dem Induktor L1, wenn sich Q1 und Q2 in dem eingeschalteten Zustand befinden, und wenn Q1 und Q2 sich in dem abgeschalteten Zustand befinden, wird zu dem in 15(D) gezeigten Zeitpunkt die Erregungsenergie wird von dem Induktor L1 entladen. Zu diesem Zeitpunkt fließt ein Strom durch eine parasitäre Diode von Q1.
Der Stromdetektionswiderstand R21 ist vorgesehen, um den durch den Induktor L1 in dem Einschaltzeitraum von Q1 in der positiven Hälfe des Zyklus der Wechselstromeingangsstromversorgung fließenden Strom zu detektieren. Der Stromdetektionswiderstand R22 ist ferner vorgesehen, um den durch den Induktor L1 in dem Einschaltzeitraum von Q2 in der negativen Hälfe des Zyklus der Wechselstromeingangsstromversorgung fließenden Strom zu detektieren. Die in 11 veranschaulichte digitale Signalverarbeitungsschaltung 13 detektiert einen Mittelwert des durch den Induktor L1 fließenden Stroms durch Abtasten der fallenden Spannungen der Stromdetektionswiderstände R21 und R22 in den Mitten der Einschaltzeiträume der Schaltelemente Q1 und Q2.
Die vorliegende Erfindung kann analog auf diese Art von diodenbrückenlosem PFC-Wandler angewendet werden.
Bezugszeichenliste

B1: Diodenbrücke
C1: Glättungskondensator
C2: Kondensator
D1, D2: Dioden
L1: Induktor
Q1, Q2: Schaltelemente
R3, R4: Stromdetektionswiderstände
T1: Transformator
Toff: Abschaltzeitraum
Ton: Einschatzeitraum
Vac: Wechselstromeingangsstromversorgung
11: Eingangsspannungsdetektionsschaltung
12: Ausgangsspannungsdetektionsschaltung
13: digitale Signalverarbeitungsschaltung
14: Schaltelementspannungsdetektionsschaltung
16, 17: Isolierungsschaltungen
20: Lastschaltung
50: DC/DC-Wandler
60: Last
101 to 104: PFC-Wandler
201 bis 203: Schaltnetzteilvorrichtungen

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

JP 2006-513682 [0006]
JP 2006-187140 [0006]

Claims

Leistungsfaktorkorrekturwandler mit einer Gleichrichterschaltung, die eine von einer Wechselstromeingangsstromversorgung eingespeiste Wechselspannung gleichrichtet; einer Reihenschaltung, die neben der Gleichrichterschaltung angeschlossen ist und einen Induktor und ein Schaltelement umfasst; einer Gleichrichterglättungsschaltung, die mit dem Schaltelement parallel geschaltet ist; Schaltsteuermittel zum Steuern des Schaltelements, so dass ein von der Wechselstromeingangsstromversorgung eingespeister Eingangsstroms eine der Wechselspannung ähnliche Form annimmt; und Stromdetektionsmittel zum Detektieren eines durch den Induktor fließenden Stroms; wobei der Leistungsfaktorkorrekturwandler umfasst: Betriebsmodusermittlungsmittel zum Ermitteln, ob ein Betriebsmodus ein Dauerstrommodus oder ein Modus lückenden Stroms ist; wobei in einem Fall, da der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, das Schaltsteuermittel das Schaltelement so steuert, dass ein mittlerer Wert des durch den Induktor fließenden Stroms, der durch das Stromdetektionsmittel detektiert wird, sich in der Form einer Sinuswelle ändert, und in einem Fall, da der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, das Schaltsteuermittel einen Einschaltzeitraum des Schaltelements so steuert, dass er während eines Spannungsänderungszeitraums der Wechselstromeingangsstromversorgung konstant ist, so dass sich ein Spitzenwert des durch den Induktor fließenden Stroms in der Form einer Sinuswelle ändert.
Leistungsfaktorkorrekturwandler mit einer ersten Reihenschaltung, die parallel zu Ausgangsports geschaltet ist und ein erstes Schaltelement und ein erstes Gleichrichterelement umfasst; einem Induktor, der zwischen einem Verbindungspunkt des ersten Schaltelements und des ersten Gleichrichterelements und einem ersten Eingangsanschluss einer Wechselstromeingangsstromversorgung angeschlossen ist; einer zweiten Reihenschaltung, die parallel zu den Ausgangsports geschaltet ist, ein zweites Schaltelement und ein zweites Gleichrichterelement umfasst und bei der ein Verbindungspunkt des zweiten Schaltelements und des zweiten Gleichrichterelements mit einem zweiten Eingangsanschluss der Wechselstromeingangsstromversorgung verbunden ist; einer Glättungsschaltung, die mit den Ausgangsports parallel geschaltet ist, Schaltsteuermittel zum Steuern des Schaltelements, so dass ein von der Wechselstromeingangsstromversorgung eingespeister Eingangsstroms eine einer Wechselstromeingangsstromversorgungsspannung ähnliche Form annimmt; und Stromdetektionsmittel zum Detektieren eines durch den Induktor fließenden Stroms; wobei der Leistungsfaktorkorrekturwandler umfasst: Betriebsmodusermittlungsmittel zum Ermitteln, ob ein Betriebsmodus ein Dauerstrommodus oder ein Modus lückenden Stroms ist; wobei in einem Fall, da der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, das Schaltsteuermittel das Schaltelement so steuert, dass ein mittlerer Wert des durch den Induktor fließenden Stroms, der durch das Stromdetektionsmittel detektiert wird, sich in der Form einer Sinuswelle ändert, und in einem Fall, da der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, das Schaltsteuermittel einen Einschaltzeitraum des Schaltelements so steuert, dass er während eines Spannungsänderungszeitraums der Wechselstromeingangsstromversorgung konstant ist, so dass sich ein Spitzenwert des durch den Induktor fließenden Stroms in der Form einer Sinuswelle ändert.
Leistungsfaktorkorrekturwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass, wenn L einen Induktivitätswert des Induktors bezeichnet, Vin die Wechselspannung bezeichnet, Vo eine Ausgangsspannung des Leistungsfaktorkorrekturwandlers bezeichnet, Ton den Einschaltzeitraum bezeichnet und Toff einen Ausschaltzeitraum des Schaltelements bezeichnet, und ein Detektionswert eines durch das Stromdetektionsmittel an einem mittleren Punkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements abgetasteten Stroms durch I_Lav bezeichnet wird, wenn I_Lav – (1/2) × {(Vo – Vin)/L} × Toff im Wesentlichen positiv ist, das Betriebsmodusermittlungsmittel ermittelt, dass der Betriebsmodus der Dauerstrommodus, und wenn I_Lav – (1/2) × {(Vo – Vin)/L} × Toff im Wesentlichen negativ ist, das Betriebsmodusermittlungsmittel ermittelt, dass der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist.
Leistungsfaktorkorrekturwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass, wenn L einen Induktivitätswert des Induktors bezeichnet, Vin die Wechselspannung bezeichnet, Vo eine Ausgangsspannung des Leistungsfaktorkorrektur-Wandlers bezeichnet, Ton einen Einschaltzeitraum bezeichnet und Toff einen Ausschaltzeitraum des Schaltelements bezeichnet, und ein Detektionswert eines durch das Stromdetektionsmittel an einem Endpunkt des Einschaltzeitraums des Schaltelements abgetasteten Stroms durch ILp bezeichnet ist, wenn ILp – {(Va – Vin)/L} × Toff im Wesentlichen positiv ist, das Betriebsmodusermittlungsmittel ermittelt, dass der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist, und wenn ILp – {(Vo – Vin)/L} × Toff im Wesentlichen negativ ist, das Betriebsmodusermittlungsmittel ermittelt, dass der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist.
Leistungsfaktorkorrekturwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn ein Detektionswert eines an einem mittleren Punkt eines Abschaltzeitraums des Schaltelements abgetasteten Stroms, der von dem Stromdetektionsmittel detektiert wird, kleiner als ein Detektionswert eines Stroms ist, der an einem mittleren Punkt eines Einschaltzeitraums des Schaltelements abgetastet wird, der von dem Stromdetektionsmittel detektiert wird, das Betriebsmodusermittlungsmittel ermittelt, dass der Betriebsmodus der Modus lückenden Stroms ist, und andernfalls ermittelt, dass der Betriebsmodus der Dauerstrommodus ist.
Leistungsfaktorkorrekturwandler nach Anspruch 1 oder 2, welcher weiterhin eine Schaltelementspannungsdetektionsschaltung umfasst, die eine Spannung zwischen Anschlüssen des Schaltelements detektiert, wobei das Betriebsmodusermittlungsmittel die Ermittlung auf der Grundlage einer von der Schaltelementspannungsdetektionsschaltung detektierten Änderung einer Spannung während eines Abschaltzeitraums des Schaltelements vornimmt.
Leistungsfaktorkorrekturwandler nach Anspruch 1 oder 2, welcher weiterhin eine Hilfsspule umfasst, die mit dem Induktor gekoppelt ist, wobei das Betriebsmodusermittlungsmittel die Ermittlung auf der Grundlage einer Änderung einer Spannung vornimmt, die in der Hilfsspule während eines Abschaltzeitraums des Schaltelements erzeugt wird.
Leistungsfaktorkorrekturwandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Betriebsmodusermittlungsmittel die Ermittlung auf der Grundlage eines von dem Stromdetektionsmittel unmittelbar vor dem Einschalten des Schaltelements abgetasteten Stromwerts vornimmt.
Leistungsfaktorkorrekturwandler nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Schaltsteuermittel und das Betriebsmodusdetektionsmittel durch einen digitalen Signalprozessor (DSP) gebildet sind, der einen von dem Stromdetektionsmittel detektierten digitalen Wert enthält.