JP2001069751A

JP2001069751A - バックコンバータ

Info

Publication number: JP2001069751A
Application number: JP2000213249A
Authority: JP
Inventors: Gerhard Lang; ラングゲルハード
Original assignee: Braun GmbH
Current assignee: Braun GmbH
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 2000-07-13
Publication date: 2001-03-16
Also published as: DE19932379A1; KR20010049751A; CN100392966C; EP1069672A3; EP1069672A2; US6452369B1; CN1280414A; HK1033391A1; TW591861B

Abstract

(57)【要約】【課題】蓄電池の充電用に設計された、直送構造のバ
ックコンバータを提供する。【解決手段】本発明は、制御可能スイッチ（LS）と、
制御可能スイッチ（LS）を制御するデバイスと、バック
コンバータの出力電圧を検出するデバイス（R2）と、バ
ックコンバータの出力電流を検出するデバイス（RM）
と、バックコンバータの入力電圧を検出するデバイス
（R1）とを備える、自励発振型バックコンバータを目的
とする。ここで制御デバイスは、出力電流レベルが出力
電圧と入力電圧により変化するように、制御可能スイッ
チ（LS）を制御する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流コンバータ、
すなわち、制御可能スイッチ、制御可能スイッチを制御
するデバイス、出力電流を検出するデバイスを備えたバ
ックコンバータに関する。

【０００２】

【従来の技術】バックコンバータ、すなわち直流電圧ダ
ウンコンバータは、ＤＥ１９６１２３６５により知ら
れている。バックコンバータは、発振器であらかじめ決
められたスイッチング周波数で振動する。コンバータの
出力電圧を負荷から独立させておくためには、出力電圧
を、電子スイッチを制御する制御デバイスに、一致する
ように調節された占有率で供給する。コイルを流れる電
流があらかじめ設定された値を超えるのを避けるため
に、制御デバイスは検出抵抗を用いて、電子スイッチの
放電期間中にコイルに流れる電流を補足的に検出する。
この時必要であれば、電流は電子スイッチにより遮断さ
れている。またこれにより、出力電圧が好ましくない高
電圧をとるのを避けることができる。

【０００３】ＤＥ３３１０６７８によって、さらに
直流電圧ダウンコンバータが知られており、前述のＤＥ
１９６１２３６５により知られるバックコンバータ
とは、スイッチング周波数をあらかじめ設定する発振器
を持たず、自励発振型である点で相違する。つまり、電
子スイッチは、コイルを流れる電流が制限値を超えるま
で放電状態が保たれ、出力電圧が所定値より下がるまで
非放電状態が保たれる。ＷＯ９８／２４１７０によっ
て、自励発振型のバックコンバータが知られており、そ
の振動特性は出力電圧によってのみ決定され、コイル電
流を制限するための検出抵抗付きのデバイスを追加的に
備える。

【０００４】したがって、識別された全てのバックコン
バータは、それぞれの出力電圧により制御される。コイ
ルを流れる電流は、電子スイッチが閉じている場合にの
み検出でき、この接続における検出は電流制限のみを目
的として使う。

【０００５】ＤＥ３９２１９５５によって、電力出
力を制御できるスイッチンッグ制御装置が知られてい
る。ここでは、制御を目的として、出力電圧と出力電流
が検出される。しかし、出力電流は電子スイッチが開い
ている時にのみ検出される。

【０００６】ＥＰ０７５２７４８によって、電池を
充電するバックコンバータが知られている。このバッ
クコンバータは、電子スイッチとコイルを流れる電流と
を検出する電流検出抵抗を備え、電池の電圧が所定値を
下回ると電子スイッチをオンとオフに切り替える。この
ように、時間平均の定充電電流が出される。電池が再充
電されて所定値を超える電圧レベルに達すると、電子ス
イッチがバックコンバータの出力電圧に基づき制御さ
れ、出力電圧が一定に保たれる。

【０００７】ＷＯ９９／１３５５９によって、出力電
流を電流検出抵抗により検出し、電流を一定レベルに保
つ、自励発振型バックコンバータが知られている。しか
し、入力電圧が上昇するにつれて、出力電流もそれに伴
って上昇する。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、特に
蓄電池の充電用に設計された、直送構造のバックコンバ
ータを提供することである。すなわち本バックコンバー
タは、特定の瞬間において支配する入力電圧に関係な
く、蓄電池の特定の充電状態および主な周囲条件（温
度）に適応した電流を供給する。ほぼ空になった蓄電池
が比較的多量の電流を吸い上げるのに対し、ほぼ全充電
された蓄電池は少量の電流しか吸い上げられないことに
注目すべきである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明のバックコンバー
タが、出力電流レベルを調節するデバイスをそれぞれの
出力及び入力電圧の機能として備えることで、目的が達
成される。本発明のバックコンバータを蓄電池の充電用
に使用することを考慮すれば、バックコンバータの出力
電圧は接続された蓄電池によりあらかじめ決められて、
蓄電池の特定の充電状態を反映する。こうして、バック
コンバータは蓄電池の特定の充電状態に適応した電流を
一定に供給する。

【００１０】本発明のバックコンバータは、制御可能ス
イッチと、制御可能スイッチを制御するデバイスと、バ
ックコンバータの出力電圧を検出するデバイスと、バッ
クコンバータの出力電流を検出するデバイスを備える。
たとえば、入力端子を介して、バックコンバータは電源
と連結する。当技術分野に公知の方法で、バックコンバ
ータは入力端子に存在する入力電圧をより低い出力電圧
に下げる働きをする。好ましくは、蓄電池はその出力端
子に接続する。充電中は、電池の電圧は非常にゆっくり
としか変化しないので、本発明のバックコンバータの動
作モードを、まず、電池電圧により求められる定出力電
圧の場合について説明する。

【００１１】制御可能スイッチ、好ましくは電子スイッ
チ、特にトランジスタ、は、当技術分野に公知の方法で
制御される、すなわち連続周期で開閉される。スイッチ
を閉じた状態で、すなわちトランジスタのオン期間、電
流は入力端子からスイッチとコイルを通じて蓄電池へ流
れ、磁気エネルギーをコイルに蓄積させる。スイッチを
開いた状態で、すなわちトランジスタのオフ期間、磁気
エネルギーが電気エネルギーに変換され、電流がコイル
から蓄電池に流れる。このプロセスでは、回路はダイオ
ードを介して当技術分野で公知の方法で閉じられてい
る。本発明のバックコンバータの出力電流を検出するデ
バイスは、好ましくは電流検出抵抗で、電子スイッチの
オン期間およびオフ期間中のバックコンバータの出力電
流を検出する。本発明のバックコンバータの制御デバイ
スは、出力電流が第１の所定値まで下降した時にスイッ
チを閉じ、出力電流が第２の所定値まで上昇した時にス
イッチを開く。このように、本発明のバックコンバータ
はその出力電流により制御されるので、この出力電流は
入力電圧の大きさに依存しない。しかしながら、本発明
のバックコンバータは、バックコンバータの出力電圧の
上昇に伴い、第１および第２の所定値が変化して、スイ
ッチが以前より長く開いているように設計されており、
したがってバックコンバータの時間平均出力電流が下が
る。

【００１２】好適実施例において、本発明のバックコン
バータはさらに、バックコンバータの入力電圧がより高
い状態においても、第１および第２の所定値が変化し
て、スイッチが以前より長く開いているように設計され
ている。このように、電子スイッチのいわゆる蓄積遅延
時間が補償され、特にスイッチを切り替える必要がある
大電圧において、スイッチが遅れて開き、ゆえに、理想
的バックコンバータの場合は、より大きい出力電流とな
る。したがって、本発明のバックコンバータを異なる入
力電圧で動作させても、出力電流の大きさに影響しない
ので問題はない。

【００１３】本発明のバックコンバータは、好ましくは
自励発振型である。すなわち制御可能スイッチの開閉を
制御する発振器を持たない。しかし、本発明のバックコ
ンバータは、バックコンバータをスイッチオフにできる
ように制御入力を備えている。例えば、バックコンバー
タに連結された蓄電池が全充電状態に達した時に、それ
に対応する信号を発する充電制御デバイスにより実現さ
れる。

【００１４】とりわけ単純で故に経済的な構造をもたら
すバックコンバータにおいて、本発明は制御デバイスと
して、ヒステリシスのある第１比較器と、第１基準電圧
源を備える。第１比較器のヒステリシスは、第１比較器
の出力が「低い」か「高い」かによって第１基準電圧源
が二つの異なった基準電圧を供給することで生じる。

【００１５】有利なバックコンバータは、入力電圧が低
すぎてバックコンバータの適切な動作を確保できない時
に、バックコンバータのスイッチを切る装置を更に備え
る。すなわち、入力端子における電圧が最小入力電圧よ
りも低い時、バックコンバータは自動的に止まる。

【００１６】蓄電池の充電にとりわけ有利なバックコン
バータは本発明に従って構成されるので、その出力抵抗
値は低入力電圧において実質的に無限大である。例え
ば、バックコンバータ回路から出力端子を切断する制御
可能スイッチの少なくとも一つを開くか、出力端子間の
電流を妨げることにより達成される。このように、バッ
クコンバータの出力端子に連結された蓄電池は、バック
コンバータの入力端子が（誤って）短絡するか、あるい
はこれらの出力端子に電池電圧より低い電圧が存在して
いる時、バックコンバータを介して放電できないことを
保証する。

【００１７】

【発明の実施の形態】本発明について、図面に記載され
た実施形態を参考にして以下に説明する。本発明のバッ
クコンバータのさらなる実施形態については、この詳細
な説明で解説している。

【００１８】図面において、図１で示す本発明のバック
コンバータは、制御可能スイッチLSと、入力端子Ueと第
１の出力端子Ua+間で、当技術分野で公知の方法で直列
に接続されたコイルLを備える。制御可能スイッチLSと
コイルL間の接続点は、自由輪ダイオードDの陽極に連結
している。自由輪ダイオードDの陰極は、接地および電
流検出抵抗RMの一端に接続している。電流検出抵抗RMの
もう一端は第２の出力端子Ua-に接続している。第１抵
抗R1は、入力端子UeとポイントBの間に挿入されてい
る。ポイントBは、第２抵抗R2を介して第１出力端子U
a+に連結し、第３抵抗R3を介して第２出力端子Ua-に連
結している。ポイントBはさらに第１比較器K1の反転入
力に接続しており、第１比較器K1の出力は駆動体TRを介
し制御可能スイッチLSの制御入力に接続している。第１
比較器K1の反転入力は、入力端子Ueと接地間に接続され
た第１の基準電圧源U1に連結している。

【００１９】第１比較器K1と第１の基準電圧源U1は、基
準電圧源U1から供給される基準電圧Uref1（ポイントA）
が二つの異なる値を取るように相互接続されている。こ
れは、第１比較器K1の出力が「高い」か「低い」かによ
り、すなわち第１比較器K1は、そのブレークオーバ電圧
（ポイントA）の値が復帰電圧（ポイントA）の値と異な
るのでヒステリシスを持つのである。ポイントBにおけ
る支配的な電位は抵抗R1、R2、R３およびRMにわたる電
圧降下によって求められる量のことで、したがって入力
電圧、出力電圧および出力電流に依存する。入力電圧
は、第１、第３および電流検出抵抗により分割され、出
力電圧は第２、第３抵抗により分割される。第１比較器
K1は、ポイントBの電圧とポイントAの電圧を比較する。
ポイントBの電圧がポイントAの電圧よりも低い限り、第
１比較器K1の出力は「高い」で、逆の場合も同様であ
る。つまり、ポイントBの電圧がポイントAの電圧を超え
ている限り、第１比較器K1の出力は「低い」。

【００２０】本発明のバックコンバータについての、好
適実施例を図２に示す。本実施例は、低入力電圧がある
場合にバックコンバータを止める装置がある点と、バッ
クコンバータに連結された蓄電池を、低入力電圧がある
場合にバックコンバータから放電するのを防ぐ装置があ
る点で、図１の本発明のバックコンバータと相違する。

【００２１】低入力電圧がある場合にバックコンバータ
を止める装置は、入力端子Ueと接地間に接続された第２
基準電圧源U2と、第２比較器K2を備える。第２比較器K2
は、その非反転入力を第１比較器の出力に連結し、反転
入力を第２基準電圧源U2に連結、そして出力を駆動体TR
に連結している。第２比較器K2は、第１比較器K1の出力
電圧と第２基準電圧源U2が供給する第２基準電圧Uref2
を比較する。入力電圧が低いとき、すなわち入力電圧が
第２基準電圧Uref2を下回ると、第２比較器K2の出力は
「低い」のままで、制御可能スイッチLSを駆動体TRを介
して開いた状態に保ち、バックコンバータの発振を止め
る。しかしながら入力電圧が第２基準電圧Uref2を超え
ていると、第２比較器K２の出力電圧は第１比較器K1の
出力電圧に追随する、すなわち制御可能スイッチLSは第
１比較器K1によって、第２比較器K2と駆動体TRを介し制
御される。

【００２２】バックコンバータに接続された蓄電池を、
低入力電圧がある場合にバックコンバータから放電する
のを防ぐ装置は、第２抵抗R2と第１出力端子Ua+間に配
置されて、その制御入力が第１０抵抗R10を介して入力
端子Ueに連結された、第２の制御可能スイッチSを備え
る。第２の制御可能スイッチSは、好ましくは電子スイ
ッチ、例えばトランジスタを備え、そのベースが第１０
抵抗R10に接続されている。入力電圧が低い時、第２の
制御可能スイッチSが開き、バックコンバータの出力抵
抗値が実質的に無限大となって蓄電池が第２および第３
抵抗R2、R3を通って放電するのを防ぐ。

【００２３】図３によると、第１基準電圧源U1は、入力
端子Ueと接地間に直列に接続された第４、第５および第
６抵抗R4、R5、R6を備え、陽極が接地と第６抵抗R6の一
端に接続されて陰極が第４、第５抵抗R4、R5に接続され
た第１ツエナーダイオードZD1を備える。第６抵抗R6の
もう一端は、第１比較器K1（ポイントA）の非反転入力
と第８抵抗R8の一端に連結されている。第８抵抗R8のも
う一端は第７抵抗R7を介して入力端子Ueに連結され、第
９抵抗R9を介して第１比較器K1の出力に連結されてい
る。第２基準電圧源U2は、陽極が接地に接続され、陰極
が第２比較器K2の反転入力に接続され、また第１１抵抗
を介して入力端子Ueに接続された第２ツエナーダイオー
ドZD2を備える。

【００２４】第１基準電圧源により生成された基準電圧
Uref1（ポイントA）は、第５および第６抵抗R5、R６を
介して分割されたツエナー電圧であり、第４抵抗R4およ
び第１ツエナーダイオードZD1を介して入力電圧から生
み出される。上述したように、第１比較器K1の出力が
「高い」か「低い」かによって、基準電圧は異なった２
つの値を持つ。第１比較器K1の出力が「高い」時は、ポ
イントAの電圧（ブレークオーバ電圧）は分割されたツ
エナー電圧と第６、第７および第８抵抗R6、R7、R8を介
して分割された入力電圧によって求められる。これに反
し、第１比較器K1の出力が「低い」時は、第９抵抗R9が
第６および第８抵抗R6、R8で構成される直列回路に並列
に接続される。したがって、ポイントAでの電圧（復帰
電圧）は、分割されたツエナー電圧と、一方で第６、第
７および第８抵抗R6、R7、R8、他方で第７、第９抵抗R
7、R9を介して分割された入力電圧によって求められ
る。ブレークオーバ電圧と復帰電圧の差がヒステリシス
電圧である。同時に第７抵抗R7および第９抵抗R９は、
第１比較器K1に対するプルアップ抵抗として働く。

【００２５】第１比較器K1の出力が「低い」限り、すな
わち第１比較器K1の出力電圧が第２基準電圧源U2の基準
電圧Uref2を超えない限り、第２比較器K2の出力は同様
に「低く」保たれる。このように、駆動体TRは駆動され
ず、制御可能スイッチLSは開いたまま保たれる。これに
反し、第１比較器K1の出力が「高い」時、すなわち第１
比較器K1の出力電圧が第２基準電圧源U2の基準電圧Uref
2を超えると、第２比較器K2の出力は同様に「高く」保
たれる。これにより、ターンオフ信号が停止制御入力を
介して第２比較器K2の出力に送られなければ、駆動体TR
が駆動する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のバックコンバータのブロック図であ
る。

【図２】図１で示す本発明のバックコンバータの好適実
施例を示したブロック図である。

【図３】本発明のバックコンバータの回路図である。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】制御可能スイッチ（LS）と、制御可能ス
イッチ（LS）を制御するデバイスと、バックコンバータ
の出力電圧を検出するデバイス（R2）と、バックコンバ
ータの出力電流を検出するデバイス（RM）と、バックコ
ンバータの入力電圧を検出するデバイス（R1）と、を備
える、バックコンバータであって、前記制御デバイス
は、出力電流レベルが出力電圧と入力電圧により調節さ
れるように、制御可能スイッチ（LS）を制御する、バッ
クコンバータ。
【請求項２】低入力電圧がある時に、前記バックコン
バータを止める装置を備えることを特徴とする、請求項
１に記載のバックコンバータ。
【請求項３】低入力電圧時のバックコンバータの出力
抵抗値が実質的に無限大であることを特徴とする、請求
項１又は２に記載のバックコンバータ。
【請求項４】前記制御デバイスは、ヒステリシスのあ
る第１比較器（K1）と、第１基準電圧源（U1）と、を備
えることを特徴とする、請求項１、２および３のいずれ
か一項に記載のバックコンバータ。
【請求項５】前記第１基準電圧源（U1）より供給され
る基準電圧（Uref1）は、前記第１比較器（K1）の出力
が「低い」か「高い」かにより、二つの異なる値をとる
ことを特徴とする、請求項４に記載のバックコンバー
タ。
【請求項６】前記バックコンバータは自励発振型であ
ることを特徴とする、請求項４又は５に記載のバックコ
ンバータ。
【請求項７】前記バックコンバータは、該バックコン
バータをターンオフできるように制御入力（停止）を備
えることを特徴とする、請求項６に記載のバックコンバ
ータ。
【請求項８】前記バックコンバータの出力電流は、制
御可能スイッチ（LS）のオン期間及びオフ期間のいずれ
の間においても検出できることを特徴とする、上記請求
項のいずれか一項に記載のバックコンバータ。