JP2004510399A - パワーコンバータの連続モードの制限 - Google Patents

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Abstract

【課題】パワーコンバータのトランスの1次巻線の電源電圧をチョッピングするスイッチ(6)の制御回路(20)に関する。
【解決手段】前記スイッチの閉じた後の所定時間後の閉じた状態の前記スイッチの電流を検出する手段(45)と、前記電流のスレッシュホールド(Ilim)に対する比較器(40)とを有し、比較の結果は前記チョッピングスイッチの閉成サイクルの始めに近い所定の時間間隔の間考慮される。
【選択図】図4

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は低電圧スイッチモード電源のパワーコンバータに関する。特に本発明は絶縁電源、つまり、入力電圧(例えば交流電源システム)と調整された直流出力電圧との間に共通点のない電源に関する。絶縁はパルス幅変調制御スイッチに関連する1次巻線と、ダイオードとキャパシタを有し出力電圧を提供する2次巻線とを有するトランス手段により得られる。
【0002】
【従来の技術】
図1は本発明が関連するスイッチモード電源の従来の例を示す。2つの入力P,Nは交流電圧Vac、例えば主電圧をうけとる。電圧Vacはダイオードブリッジ1により整流、例えば全波整流される。ブリッジ1の交流入力端子は端子P,Nに接続され、整流出力端子2,3は電圧Vrを提供する。電圧Vrは、一般に、実際のスイッチモード電源の入力端子を形成する端子2,3に結合するキャパシタC1により平滑される。
【0003】
図1のコンバータはいわゆるフライバックコンバータで、逆相位相点をもつトランス4が、端子2と3の間に、スイッチ6と直列接続の1次巻線5を有する。巻線5の位相点はスイッチ6の端子に接続され、その他方の端子は端子3に接続される。スイッチ6はスイッチモードで非可聴高周波(一般に20kHz以上)で接続される。トランス4の2次巻線7は、直流出力電圧Voutが提供される端子Sp,Snの間のキャパシタC2に関連する。巻線7の位相点はダイオードD1により端子Spに接続され、ダイオードD1のカソードは端子Spに接続される。巻線7の他方の端子は端子Snに接続される。接地点3とSnとはキャパシタCiにより相互に絶縁されている。
【0004】
スイッチ6がオンになると、巻線7の位相点は負電位となる。従ってダイオードD1はオフとなり、従って電流は1次巻線5に蓄積される。スイッチ6がオフになると、巻線5と7の位相点は両方共正となる。ダイオードD1は正にバイアスされる。従ってキャパシタC2は2次巻線7に伝達されるパワーにより充電される。
【0005】
スイッチ6(例えばMOSトランジスタ)は、図1の実施例では、その電子制御回路と共に回路10の中に集積化されている。この集積回路の例はSTマイクロエレクトロニクス会社から販売される商品名VIPERである。回路VIPERは、正電源をうけとる入力端子Vddと、接地3に接続される電圧基準端子Vssと、発振周波数を条件づける端子OSCとを有する。回路10は、さらに、キャパシタC5に直列の抵抗R5により接地3に接続されて調整ループを補償する端子COMPをふくむ。最後に、端子12が集積化Nチャネルトランジスタのドレインに接続され、そのソースは端子Vssに接続される。トランジスタ6のゲートは制御回路11(CTRL)の出力に接続される。回路11は、比較器(図示なし)を有し、その第1入力は内部電圧基準を受容し、その第2入力は、内部的に、正の電源端子に接続される。制御、つまりスイッチ6の制御パルスの幅の修飾は集積回路10の調整ループを用いてその供給電圧(Vdd−Vss)を保持するように行われる。このタイプの調整はトランスの1次側で行われる。出力電圧は又2次側の測定にもとづいて、直流的に絶縁された素子(例えば光カップラ)により回路10に伝達されて行われる。端子OSCは回路10のローカル電源13と接地の間の抵抗R3とキャパシタC3の直列回路の中点に接続される。抵抗R3とキャパシタC3は発振周波数を設定する。ローカル電源電圧をフィルタするキャパシタC4が端子13と端子3の間に接続される。
【0006】
フライバック型コンバータの問題は、パワーコンバータの出力で短絡が発生したとき、ダイオードD1とトランス4が保護されないことにある。従って、それらはトランスを介して流れる強い電流の効果のもとで、破壊される危険がある。さらに、トランスの溶融は直流絶縁を断絶する。これはパワーコンバータが主電源により給電されるときに特に危険である。技術基準はこの型のパワーコンバータの短絡耐久力持続期間を定めている。
【0007】
スイッチモードコンバータへの応用において、回路10のローカル電源線13は、しばしば、図1に示すように、ダイオードD2により、トランス4の補助巻線8の位相点に接続される。この場合、補助巻線8の他端は整流電圧の基準端子3に接続される。補助巻線8は回路10に供給電圧Vddを提供する機能がある。従って出力電圧は補助巻線8と2次巻線7の間の変圧比により設定される。補助巻線8は、出力電圧のイメージを与え、該巻線は2次巻線と直接の位相関係を有する。
【0008】
上記組立体において、電流検出器(図示なし)をスイッチ6と直列にもうけることができる。検出の結果は比較器に提供され、電流がスレッシュホールドを超えると論理回路を介してスイッチ6を開く。従って2次巻線に伝送されるパワー量が減少する。さらに、補助巻線8は2次巻線7と直接の位相関係にあるので、2次巻線の両端にあらわれる電圧降下は、キャパシタC4の値に依存する時間の後、回路10の電源線で測定することができる。回路10の供給電源はスイッチ6のオフを保証する動作に不十分となる。
【0009】
図2,3A,3B,3Cは上述のパワーコンバータの正常時と2次側短絡時の動作を示す。図2は正常動作における補助巻線8の両端の電圧Vauxの形を示す。図3A,3B,3Cは、トランスの2次巻線が短絡したときの電圧Vaux、スイッチ6の電流I、回路10のローカル電流電圧Vddを示す。
【0010】
正常動作では、スイッチ6がオフになると(時間t1)、電圧Vauxは負の値から減磁値VDEMに急激に増加する。値VDEMにはスイッチ6のオフに対応する若干のスプリアス発振の後到達する。減磁が完了すると(時間t2)、電圧Vauxは降下し、スイッチ6がオンになるまで(時間t3)、ゼロ電圧を中心に振動を示す。時間t3で電圧Vauxは再び負になる。2次巻線7の両端のキャパシタC2でフィルタされる前の波形も同じである。
【0011】
端子SpとSnの間が短絡すると(図3A−3C)、スイッチ6の電流は前述の検出回路によりImaxに制限される(時間t10からt11まで)。従って回路10の電源電圧Vdd徐々に減少する(図3C)。この徐々の減少はスレッシュホールドVddOFFに達し、それ以下では回路10はもはや十分な電圧を受容しない。この時間t11からスイッチ6はオフとなり2次側に電流が伝送されない。しかし、このことは一般にパワーコンバータに備わっているスタート回路を再スタートさせる。この再スタートはローカル電源電圧Vddを徐々に上昇させる。この電圧が回路10の動作スレッシュホールド(VddON)に到達すると(時間t12)、高い電流のサージが再び発生する(時間t12からt13)。電圧Vauxは各電流ピークで振動を示す(図3A)。
【0012】
図2と図3A−3Cでは、図のスケールが異なる。図2では電源電圧のスイッチモード期間が示される(10マイクロ秒のオーダ)。図3A−3Cでは、ローカル電源電圧Vddが降下する時間t10とt11の間には数個のスイッチングサイクルがあり、例えば約100ミリ秒続く。
【0013】
技術基準によると、トランスが大電流Imax(図3B)に耐えるデューティ比を定める。Imaxは、制限されてはいるが、正常なコンバータの動作の正常な電流Inomよりはるかに大きい。例えば、正常電流2アンペアに対し、制限電流は10アンペアのオーダである。
【0014】
上記従来の技術の問題点はトランス4がその最大電力に強要されることにある。従って、補助巻線はスプリアスノイズを発生する(図3A)。このノイズは正常状態でも発生するが、その振幅は2次巻線の短絡時にはるかに大きい。従って、補助電圧が降下しても制御回路の自立給電に十分な振幅がしばしば存在する。
【0015】
別の問題点はスイッチ6の最小導通期間に関係する。実際、スイッチ6はターンオンの後急速にターンオフすることが可能でなければならない。さもなければ、補助回路の低いローカル供給電圧のもとでの減磁が行われず、従ってもはや電流を制御することはできない。
【0016】
本発明の目的は従来のコンバータの欠点を克服した絶縁スイッチモード電力供給タイプのパワーコンバータを提供することにあり、特に、出力端子の短絡に耐えるものを提供することにある。
【0017】
第1の解決は補助巻線の完全な減磁により条件づけられるようにコンバータスイッチのスタート回路の再スタートをさせることであろう。減磁の終了を検出することにより、コンバータがもはや連続動作モード(サイクル毎に減磁されない)にないことが確認される。補助電圧つまり減磁点の制御はスイッチの電流の制御を保証する。従って回路10の周波数は低下し、結果として電流ピークが低下する。さらに連続モードへの切換えの問題は抑圧され、コンバータは非連続モードを維持する。
【0018】
しかし、上述の解決は補助電圧の測定が可能であることを必要とする。現在、VIPERと同様に、スイッチとその制御回路は集積化されているので、補助電圧にアクセスできる端子は存在しない。
【0019】
別の欠点は、連続モードでの動作を禁止することにより、2倍電圧コンバータ(220又は110ボルト)の構成が禁止されることである。実際、2倍電圧コンバータでは、220ボルトに対しては非連続動作モードが提供され、110ボルトに対しては連続動作モードが提供される。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明の目的は制御回路とスイッチの集積化、特にVIPER型の回路とその対応する数の端子と互換性のある解決を提供することにある。本発明は又コンバータの連続モードでの動作を可能とする解決を提供することを目的とする。
【0021】
【課題を解決するための手段】
より特定すると、本発明はパワーコンバータトランスの1次巻線の供給電圧を断続するスイッチを制御する回路を提供するもので、スイッチの各ターンオンに続く所定時間の後のオン状態のスイッチの電流を検出する手段と、この電流のスレッシュホールドに関する比較器をふくみ、該比較器の出力は前記スイッチのオンサイクルの始めの近傍の所定の時間の間考慮される。
【0022】
本発明の実施例によると、前記結果は前記スイッチのターンオン時定に関して所定の遅延を伴って考慮される。
【0023】
本発明の実施例によると、回路は前記比較器により提供される結果に従って供給電圧のスイッチング周波数を修飾する手段をふくむ。
【0024】
本発明の実施例によると、回路はスイッチと集積化される。
【0025】
本発明の実施例によると、前記電流のスレッシュホールドは連続モードでのコンバータの動作を許すか又は許さないように選択される。
【0026】
本発明は又トランスの1次巻線の逆転位相点に電流を供給するスイッチを制御する回路をふくむ電圧コンバータを提供する。前記トランスの巻線はキャパシタと関連して調整されたD.C.出力電圧を提供する。
【0027】
本発明の実施例によると、発振周波数を設定するための制御回路の入力端子が抵抗により供給電圧に接続される。該抵抗の値は所望の最小スイッチング周波数に従って選択される。
【0028】
【発明の実施の形態】
異なる図で同じ部材は同じ参照番号で示される。図2,3A−3C,5A−5F及び6のスケールは同じではない。本発明の理解に必要な素子のみが図示され記述される。特に、VIPERタイプの集積回路の内部構造は本発明の議論に有用な素子のみを詳説する。その構造の他の部分及びその回路の動作は周知である。
【0029】
図4は本発明による供給電圧断続スイッチの制御回路の実施例を示す。図4の例はスイッチ6を集積化した回路20の場合に関する(例えばNチャネルMOSトランジスタ)。この回路は周知のVIPER回路で集積化されている素子を有する。
【0030】
前述と同様に、又図4では図示しないが、本発明による回路は入力に整流されフィルタされた電圧をうけとるコンバータに属する。この電圧は、例えば、AC供給電圧を整流しフィルタすることによって得られる。しかし、他の実施としては、入力電圧はD.C.ソースをふくむ他の供給源からのものでもよい。
【0031】
従来、スイッチ6は、入力電圧が印加される端子の間で、絶縁トランスの1次巻線(図1の5)と直列に接続されている。スイッチ6は比較的高い周波数(例えば数十kHz)でパルス幅変調制御されている。集積回路20の端子12はトランジスタ6のドレインに対応し、1次巻線の位相点に接続される。回路20の端子22は電圧基準端子Vssに対応し、入力電圧の基準電位に接続される(図1の端子3)。回路20は低いD.C.電圧Vddを供給される。この電圧、前述と同様に、トランスの補助巻線(図1の8)に再生される。補助巻線は、本実施例では、調整されたD.C.出力電圧を提供するトランスの2次巻線と直接の位相関係を有する。電圧Vddを再生するための手段は、例えば、図1のダイオードD2とキャパシタC4から構成される。
【0032】
ローカル供給電圧Vddは回路20の端子23にも提供され、又、抵抗R3とキャパシタC3の直列回路にも提供される。この直列回路の中間端子24は回路20の発振周波数の設定に用いられる。
【0033】
スイッチ6はMOSトランジスタのゲートに印加される信号Vgにより制御される。信号Vgは従来の回路25(PWM)により提供され、トランジスタ6の制御パルスの幅を修飾してコンバータの出力電圧を調整する。実際には、回路25は、入力として基準電圧と供給電圧Vdd(又はこれに比例する電圧)をうけとる集積化された比較器をふくむ。比較器はその出力で回路20の端子26にあらわれる信号に従って制御される電流源に関連する。端子26は、例えば図1と同様に、調整ループを構成する抵抗R5とキャパシタC5の直列回路により接地3に接続される。端子26は内部的には調整ループのエラー増幅器の出力に対応する。回路25はさらに入力を端子24に結合したブロックOSC27から発振周波数を受けとる。回路25の詳細な構成は示さず、本発明の目的ではない。
【0034】
オン状態でのスイッチ6の電流を制限する機能を実施するために、回路20は、非逆転入力をスイッチ6の電流の測定のために素子31に接続し、逆転入力を端子26に接続した比較器30をふくむ。素子31は例えばトランジスタ6のソース電流を測定してそれを電圧に変換してその情報を比較器30に送る。比較器30の逆転入力の電圧レベルは調整ループのエラー増幅器の出力レベルに対応し、構造により、最大電圧に制限される。別の例として、端子26は任意の適応電圧基準に接続してもよい。例えば、2次側での測定による調整の場合には(図示なし)、端子26は光カップラ(又はこれと同様のもの)のトランジスタに接続して電流制御点を提供する。
【0035】
比較器30の出力は、回路29(TIME GEN)により制御されるスイッチ28を介してブロック25に接続される。回路29の機能はスイッチ28のターンオフをスイッチ6の各オンサイクルの始めと同期させることにある。これは、ターンオン時の電流ピークの誤り検出を防止する。
【0036】
本発明の特徴は、スイッチ6の電流と基準電流との比較結果を使用することにあり、必要なら、供給電圧のスイッチング周波数を修飾する。この目的のために、回路20は第2比較器40をふくみ、その第1入力はスイッチ6の電流に対応する情報をうけとり、その第2入力は制限電流(ブロック41,Ilim)に関連する制御ポイントに結合する。好ましくは、制御ポイントは固定基準に対応する。比較器40の第1入力は、例えば、素子45に接続されてトランジスタ6のソース電流を測定するか、又は、素子31の結果を利用する。比較器40の出力は、スイッチ42を介して積分器43に接続される。積分器の出力は、端子24と接地の間に接続される電流源44を制御する。積分器の機能は、スイッチ42のターンオン周波数で設定される2つの測定期間の間の比較の結果を累積することにある。スイッチ42は回路29により制御される。回路29は、スイッチ6のターンオンのスイッチ42のターンオンに関する遅延を決定し、さらに、スイッチ42の導通期間を決定する。
【0037】
図5A,5B,5C,5D,5E及び5Fは本発明によるパワーコンバータ、特にその制御回路の動作をタイムダイヤグラムで示す。図5Aはトランジスタ6のゲートの制御信号Vgの形の例である。図5Bはスイッチ28の制御信号Vbの形の例である。図5Cはスイッチ42の制御信号Vsの形の例である。図5Dはスイッチ6の電流Idの例である。図5Eは積分器43の入力の電圧Viを示す。図5Fはソース44で設定される電流Iを示す。図5のタイムダイヤグラムは、左側に正常動作サイクルを、右側に短絡時のサイクルを示す。
【0038】
時刻t1にスイッチ6がオンになったとする(図5A)。スイッチングによる電流ピークの後(t1−t5)、電流Idはトランスの1次巻線の磁化に従って徐々に増加し、スイッチ6はオフとなる(t3)。スイッチ6のパルスの期間(t1−t3,図5A)は一般に2−3マイクロ秒である(スイッチング周波数は1kHzより大)。
【0039】
スイッチ28の制御信号Vbは正常時に高い、つまり、スイッチ28は正常時にオン状態である。回路29は、スイッチ6の各ターンオンの後、短時間(200−300ナノ秒)だけそれをオフにする。信号Vbのパルスが低い期間、つまり制御回路が比較器30の比較結果を考慮しない期間は、磁化サイクルの始期のスプリアス電流ピークの期間に対応する。スプリアスパルスを考慮しないという事実は図5Dで点線によりサイクルの始期の電流ピークにより示す。図5Bの例では信号Vbは時間t1とt5の間で低い。比較の中断は、スイッチングによるスプリアスノイズの影響のもとで電流制限手段の活性化を避けることができる。
【0040】
スイッチ42は正常時にオフで、つまり信号Vsはハイのときにオンに活性化する。従って、比較器40による比較の結果は、スイッチ6の各オンサイクルの短期間の間だけ考慮され、回路43により積分される。この目的は各オンサイクルの始期でトランジスタ6の電流を制限電流と比較することである。しかし、スプリアスピークを考慮することは避けなければならない。従って、スイッチ42のターンオンはピークが消滅した時間t5に発生する。例えば、このターンオンはスイッチ28のターンオンと同時である。信号Vsのターンオン期間はスイッチ6のオン期間に比べて短く選択される。例えば、200−300ナノ秒(t5−t4,図5C)の期間が磁化サイクルの始期で電流を考慮することを可能にする。
【0041】
比較器40により提供される結果、つまり積分器43の入力は図5Eに示される。正常動作では電流は基点から増加する、つまり完全な減磁が各サイクル毎に行われる。従って、比較の結果は制限電流スレッシュホールドを超えたことを示さない。ソース44の電流Iは従って修飾されない。
【0042】
短絡の場合には(図5の右側)、同じ時間間隔が与えられる。それらは、アポストロフィ(’)を伴ってタイムダイヤグラムの左側と同じ符号で示される。2次側が短絡されるので減磁は完全ではない。その結果、大きな電流ピークの後(t’1−t’5)、トランスの1次巻線の電流増加はゼロから開始するのではなく、短絡電流Iccから開始する。この値が制限電流Ilimより大きいと、比較器40により与えられる結果は正で、積分器43は電流源44の制御を修飾する。これは時間t’5からの電流Iの増加の結果となる。この増加は積分器43で実行されるパルス積分の効果(t’5−t’4)により漸進的である。時間t’4からは電流Iは次のサイクルまで一定である。
【0043】
図6はトランスの2次側が短絡のときの3つの連続するサイクルを異なるスケールで示す。電流Iは構造で定まるソース44の最大電流に達するまで、ステップ状に増加する。
【0044】
端子24でサンプルされる電流Iの増加はブロック27により提供される周波数を低下させる。従って、スイッチ6のスイッチング周波数が低下し、完全な減磁が再び行われるようになる。
【0045】
図5のタイムダイヤグラムの右側に示す例は短絡が発生したサイクルと対応しない。実際、トランスの減磁の不定に対して、それを連続モードでスイッチングさせるには、2−3サイクルが必要である。
【0046】
減磁の不足が考慮される電流の所定値Ilimは応用に依存し、特に、トランスの連続動作モードを所望するか否かに依存する。
【0047】
十分に低い電流Ilimを選択すると、連続モードへの切換えは禁止される。実際、スイッチ6の電流が基点からスタートしないとすぐに電流源44が活性化される。しかし、選択されるスレッシュホールドは検出パルスの期間に依存する。
【0048】
本発明の好ましい実施例によると、トランスの連続モードへの切換えが許され、一方トランスを流れる電流を制限する。これは所定のスレッシュホールドまでの連続モードを許すことになる。この場合、電流Ilimの値は、好ましくは、トランスの最大電流の1/4と3/4の間(例えば1/2)である。
【0049】
動作を連続モードに保つことの利点は、コンバータを2倍電圧応用で使用することができることにある。本発明の利点は、従来のVIPER集積回路に比べて、提供される解決は追加の端子を必要とせずに完全に集積可能なことにある。
【0050】
本発明の別の利点は、正常動作時でも比較器30で設定される最大電流値Imaxに達していなければ、この最大値より小さな制限値Ilimを選択することによりトランスが保護されることにある。
【0051】
電流源44の影響は、抵抗R3の値を修飾することにより発振周波数に適応させることができる。比較的低い抵抗R3を選択すると電流源44がその最大電流に達したときでも、発振が保証される。比較的高い抵抗R3を選択すると、例えば電流Iの値がソースが提供できる最大値に達したときに、発振が停止する。
【0052】
従って、本発明の利点は、最少スイッチング周波数を設定できる点にある。
【0053】
別の利点は、パワーコンバータのスタートが改善されることにある。実際、回路がスタートするとき、トランスの2次側のキャパシタ(C2,図1)は完全に放電されている。従って、コンバータは一時的に短絡としてふるまう。本発明を実施することによりコンバータの動作のはじめの数ミリ秒の電流を制限することができる。
【0054】
もちろん、本発明は当業者に容易な種々の変更、修飾、改良が可能である。特に、比較器、積分器、及び電流源の機能の実現は上述の機能的記述にもとづいて当業者に容易である。さらに、印加されるスレッシュホールドと素子の値の選択は応用と認可に依存し、連続動作モードに依存せず、従って、当業者により適応される。
【図面の簡単な説明】
【図1】
従来のパワーコンバータを示す。
【図2】
従来のパワーコンバータの動作波形を示す。
【図3】
従来のパワーコンバータの動作波形を示す。
【図4】
本発明によるパワーコンバータの集積化された回路のブロック図である。
【図5】
本発明による制御回路の動作のタイムダイヤグラムである。
【図6】
本発明による制御回路の動作のタイムダイヤグラムである。
【符号の説明】
6 スイッチ
20 制御回路
28 スイッチ
30 第1の比較器
40 第2の比較器
41 制限電流(Ilim)
42 スイッチ
43 積分器
44 電流源

Claims (7)

  1. パワーコンバータのトランスの1次巻線のスイッチング電源電圧のためのスイッチ(6)を制御する制御回路(20)において、
    前記スイッチの各ターンオンに続く所定時間後のオン状態での前記スイッチを流れる電流を検出する手段(45)と、
    前記検出された電流を制限するための第1の比較器(30)と、
    前記電流のスレッシュホールド(Ilim)に関する第2の比較器(40)とを有し、
    前記第2の比較器の比較の結果は前記スイッチのオンサイクルの始めの近傍のあらかじめ定められる期間を考慮に入れることを特徴とする制御回路(20)。
  2. 前記結果は前記スイッチ(6)のターンオンの時間に関し所定の遅延を考慮する請求項1記載の制御回路。
  3. 前記第2比較器(40)により提供される結果に従って電源電圧の周波数を修飾する手段(43,44)がふくまれる、請求項1又は2に記載の制御回路。
  4. 前記スイッチ(6)と一体に集積化されている請求項1−3のひとつに記載の制御回路。
  5. 前記電流のスレッシュホールド(Ilim)は連続モードでのコンバータの動作を許すか否かにより選択される請求項1−4のひとつに記載の制御回路。
  6. トランス(4)の1次巻線(5)の逆相位相点に電流を供給するスイッチ(6)を制御する回路(20)をふくみ、前記トランスの2次巻線(7)はキャパシタ(C2)と関連して調整されたD.C.出力電圧を提供する電圧コンバータにおいて、
    前記制御回路(20)は請求項1−5のひとつに記載のものである、電圧コンバータ。
  7. 発振周波数を設定するために、前記制御回路の入力端子(24)が抵抗(R3)により電源電圧(Vdd)に接続され、前記抵抗の値は所望の最少スイッチング周波数に従って選択される、請求項6記載の電圧コンバータ。
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