JP2005039975A

JP2005039975A - 電流共振型コンバータ装置

Info

Publication number: JP2005039975A
Application number: JP2003277135A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Saito; 圭之齋藤
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-07-18
Filing date: 2003-07-18
Publication date: 2005-02-10

Abstract

【課題】軽負荷時に十分なゲインを確保し、かつ重負荷時には異常発振を起こすことのない電流共振型コンバータ装置を提供する。
【解決手段】電流共振型の電流コンバータ装置において、コンバータトランスの２次側負荷に供給される負荷電圧を検出して１次側のコンバータ制御回路にフィードバックする際に、負荷に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出回路の検出出力に基づいて、演算増幅器のゲインを調整する。これにより、軽負荷時から重負荷時までゲイン特性が安定化し、重負荷時のゲイン上昇による異常発振を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、電流共振型コンバータ装置に関し、特に、演算増幅器により定電圧制御を行っている装置において軽負荷時のステップレスポンスを改善した電流共振型コンバータ装置に関する。

従来の電流共振型コンバータ装置としては、図３に示すようなものがある。この電流共振型コンバータ装置では、直流電源１のプラス端子とマイナス端子間にスイッチング素子（ＮＰＮトランジスタ）２と３の直列回路が接続され、スイッチング素子３と並列にコンバータトランス４の１次巻線４ａと共振用コンデンサ５の直列回路が接続されている。
そして、コンバータトランス４の２次巻線４ｂには整流用ダイオード６が接続され、半波整流された電圧が、平滑用コンデンサ７、９及びリップル成分カット用のチョークコイル８からなる平滑回路により平滑されて、負荷回路１０に供給される。

負荷回路１０に供給される直流電圧は、分割抵抗器１１及び１２からなる電圧検出器によって検出され、検出電圧が演算増幅器１３の反転端子に供給される。そして、演算増幅器１３において、基準電源１５の基準電圧と比較され、この比較結果の誤差電圧がフォトカプラ１６の発光ダイオード１６ａのカソードに供給される。発光ダイオード１６ａは、流れた電流量に応じた光を発し、この光がフォトカプラ１６のフォトトランジスタ１６ｂに伝わってフォトトランジスタ１６ｂを導通させ、コンバータ制御回路１７に制御信号が送られる。

コンバータ制御回路１７の２つの出力端子には、位相が１８０度異なる２種類のパルスが出力され、この２種類のパルスによって、スイッチング素子２と３が交互にオンオフ制御される。そして、コンバータ制御回路１７は、演算増幅器１３の出力に応じて変化するフォトトランジスタ１６ｂを流れる電流量に基づいて、スイッチング素子２とスイッチング素子３をオンオフする周波数を制御する。これにより、コンバータトランス４の１次巻線４ａを流れる電流が変化し、この変化に連動して２次巻線４ｂを流れる電流も変化するので、負荷に加えられる出力電圧が定電圧制御される。

また、従来、直流出力電圧の変化に応じて検出電流に対するゲイン調整回路のゲインを自動的に調整する場合に、動作範囲全体にわたって直流出力電圧を安定化するスイッチング電源回路（例えば、特許文献１参照。）や、過渡的に負荷電流が変動して、電源電圧が変動する場合に、配線の線路抵抗による過渡的な電圧効果による影響を効果的に排除し、負荷装置に対して安定した電源電圧を供給できるようにした電源装置（例えば、特許文献２参照）が知られている。

すなわち、特許文献１に記載のものは、商用交流電源を入力源とする機器の入力回路に設けられるスイッチング電源回路に関するものであり、直流出力電圧の変化に応じて検出電流に対するゲイン調整回路のゲインを自動的に調整しようとする場合、ゲインの変化が不連続となり、動作が不安定となるか負荷電圧に微小変動が生じるという問題点に鑑み、動作範囲全体に亘って適確かつ安定に入力電流の高調波成分を低減し、入力力率の改善を行うようにしたものである。

また、特許文献２に記載のものは、レーダ装置のように、消費電力が過渡的に変動するシステムに使用される電源装置に関し、負荷装置から発生する負荷電流による駆動電圧の変動を検出し、この検出結果に基づいて制御電圧を算出して駆動電圧の変動を抑制するものである。これにより、安定した電圧を負荷に供給できるとともに、軽負荷時においても、駆動電圧の変動分を検出して、その検出結果に応じて駆動電圧を制御するので、不要な電力を削減できるとしている。
特開２０００−１３９０７３号公報特開２０００−２７８９３５号公報

しかしながら、一般に、共振型コンバータ装置においては、図４に示すように、負荷回路１０が重い負荷の場合と、軽い負荷の場合とで、演算増幅器１３のゲイン（利得）が変化するという問題が生じる。そして、このようなゲイン特性の下で、負荷回路１０に急激な負荷変動（例えば、最大負荷の３０％）が発生したような場合、重負荷時と軽負荷時とでコンバータ制御回路１７の応答に変化が生じてしまうという問題がある。
すなわち、図５Ａに示すように、重負荷時には負荷変動に対するステップレスポンスがよく、つまりコンバータ制御回路１７への応答が速く、出力電圧のオーバーシュート、アンダーシュートが少ないのであるが、軽負荷時に負荷変動が起こると、軽負荷時はゲインが下がっているため、図５Ｂに示すように、負荷変動に対してステップレスポンスが悪く、つまりコンバータ制御回路１７への応答が遅く、出力電圧にオーバーシュート、アンダーシュートが発生してしまう。このため、負荷システムに障害が発生する恐れがあるという問題があった。

この負荷システムへの障害を防ぐための対策として、軽負荷時にも十分なゲインを確保するために、演算増幅器１３のゲインを上げる方法が考えられるが、この場合には、図６に示すように、軽負荷時から重負荷時まで全体的に一律にゲインが上昇するため、重負荷時のゲイン上昇により異常発振が発生して、不安定な出力電圧状態となるという弊害があった。

本発明は、軽負荷時に十分なゲインを確保し、かつ重負荷時には異常発振を起こすことのない電流共振型コンバータ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の電流共振型コンバータ装置は、直流電源と、１次巻線と２次巻線を有するコンバータトランスと、該直流電源に直列に接続され、かつ交互にオンオフ制御される第１及び第２のスイッチング素子の直列回路と、該第２のスイッチング素子と並列に接続される前記コンバータトランスの前記１次巻線と共振用コンデンサの直列回路と、コンバータトランスの２次巻線と接続され、該２次巻線に得られる電力を整流平滑して負荷に供給する整流平滑回路と、第１及び第２のスイッチング素子に接続され、これらのスイッチング素子のオンオフの周波数を制御するコンバータ制御回路と、負荷に供給される負荷電圧を検出して増幅する演算増幅器と、該演算増幅器の出力電圧変化を検出してコンバータ制御回路にフィードバックする光結合手段を備えた電流共振型コンバータ装置において、負荷に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出回路と、該負荷電流検出回路の検出出力に基づいて、上記演算増幅器のゲインを調整するゲイン調整回路を備えたことを特徴とする。

そして、本発明に用いられるゲイン調整回路は、負荷が軽いときは演算増幅器のゲインを上げる方向に演算増幅器の帰還インピーダンスを調整し、負荷が重いときは演算増幅器のゲインを下げる方向に演算増幅器の帰還インピーダンスを調整することを特徴とする。

本発明の電流共振型コンバータ装置によれば、軽負荷時に急激な負荷変動があっても、負荷電圧検出増幅器のゲインをあげて誤差電圧をフィードバックするので、出力電圧の変化（オーバーシュート、アンダーシュート）が抑制される。これにより、出力電圧精度を要求されるシステムにおいて、急激な負荷変動があっても出力電圧精度を保証できる。また、重負荷時には、軽負荷時と比べて負荷電圧検出増幅器の利得を下げるので、重負荷時の急激な電圧変動によって負荷システムに障害が発生することを防ぐことができる。
また、負荷電圧の急激な変動により、出力保護回路（過電圧保護、過電流保護）が誤動作することを防止し、電源の信頼性を上げることができる。

図１は本発明の電流共振型コンバータ装置の全体構成を示す回路図である。
図３に示す従来の電流共振型コンバータ回路と同じ構成部分は同一符号を付して示している。

図１に示す本発明の電流共振型コンバータ装置において、直流電源１は通常商用電源を整流平滑したものであり、そのプラス端子はスイッチング素子として動作するＮＰＮトランジスタ２のコレクタに接続され、直流電源１のマイナス端子は同じくスイッチング素子として動作するＮＰＮトランジスタ３に接続される。ＮＰＮトランジスタ２と３は直列に接続され、それぞれのベース電極がコンバータ制御回路１７に接続されている。ＮＰＮトランジスタ３のコレクタ−エミッタ間には、コンバータトランス４の１次巻線４ａと共振用コンデンサ５の直列回路が接続され、この１次巻線４ａのインダクタンスＬと共振用コンデンサ５のキャパシタンスＣとで直列共振回路が形成される。

コンバータトランス４の２次巻線４ｂの一端は整流用ダイオード６のアノードに接続され、整流用ダイオード６のカソードはリップル成分除去用のチョークコイル８を介して負荷１０に接続されている。そして、チョークコイル８の両端には平滑用のコンデンサ７と９の一端が接続され、平滑用コンデンサ７と９の他端は、コンバータトランス４の２次巻線４ｂの他端に接続されている。

また、負過電圧（＋Ｖ_ｃｃ）を検出するために抵抗器１１と１２の直列回路が負荷１０の一方の端子とアース間に接続され、抵抗器１１と１２の接続点が演算増幅器１３の反転端子（−端子）に接続される。演算増幅器１３の非反転端子（＋端子）には、基準電圧源を構成する電池１５が接続されている。そして、演算増幅器１３の反転端子（−端子）と演算増幅器１３の出力端子は帰還用インピーダンス１４を介して接続されている。

演算増幅器１３の出力端子は、フォトカプラ１６を構成する発光ダイオード１６ａのカソードに接続される。フォトカプラ１６は発光ダイオード１６ａとフォトトランジスタ１６ｂとから構成され、発光ダイオード１６ａのアノードとフォトトランジスタ１６ｂのコレクタはそれぞれ異なる電源端子に接続されている。フォトトランジスタ１６ｂのエミッタ端子はコンバータ制御回路１７に接続される。

また、負荷１０の他端には負荷電流検出用の抵抗器１８が設けられ、この抵抗器１８の両端は負荷電流検出回路１９に接続されている。負荷電流検出回路１９はゲイン調整回路２０に接続され、このゲイン調整回路２０の出力が帰還用インピーダンス１４に供給されている。以上が本発明の電流共振型コンバータ装置の実施の形態の構成である。

次に、本発明の電流共振型コンバータ装置の実施の形態の動作を説明する。
ＮＰＮトランジスタ２と３は交互にオンオフ制御されるので、ＮＰＮトランジスタ２がオンのときは、直流電源１のプラス端子、ＮＰＮトランジスタ２、コンバータトランス４の１次巻線４ａ、共振用コンデンサ５及び直流電源１のマイナス端子の閉回路が形成されて共振用コンデンサ７が充電される。

ＮＰＮトランジスタ２のベース電圧が下がり、ＮＰＮトランジスタ２がオフになると、今度はオフ状態にあったＮＰＮトランジスタ３がオンになるので、共振用コンデンサ５に充電された電荷がトランスの１次巻線４ａとＮＰＮトランジスタ３を通して放電し、この充放電を繰り返すことにより、共振用コンデンサ５とコンバータトランス４の１次巻線４ａとで共振回路が形成され、この共振周波数の交流電圧がコンバータトランス４の１次巻線４ａの両端に発生する。

このように発生した交流電圧はコンバータトランス４の１次巻線４ａと２次巻線４ｂの巻線比に応じた電圧に変換されて、２次巻線４ｂの両端に２次側電圧として出力され、ダイオード６、平滑コンデンサ７、チョークコイル８、平滑コンデンサ９を経て負荷回路１０に供給される。

負荷回路１０に供給される電圧は、抵抗器１１及び１２からなる負荷電圧検出回路により検出され、演算増幅器１３の反転入力端子（−）に供給される。そして、演算増幅器１３において非反転端子（＋）に供給される基準電圧源１５の基準電圧と比較され、誤差電圧が演算増幅器１３の出力端子に取り出される。

この演算増幅器１３の出力により、フォトカプラ１６の発光ダイオード１６ａを流れる電流量が制御され、これによって光結合しているフォトトランジスタ１６ｂを流れる電流も変化する。
そして、このフォトトランジスタ１６ｂを流れる電流変化がコンバータ制御回路１７に伝達され、コンバータ制御回路１７はこの検出電流変化に基づいて、ＮＰＮトランジスタ２とＮＰＮトランジスタ３をオンオフする周波数を変化させ、これによって、２次側の出力電圧を安定化させるようにしている。

また、コンバータトランス４の２次巻線４ｂの他端と負荷回路１０との間には、負荷電流を検出するための抵抗器１８が設けられ、この抵抗器１８を流れる電流が負荷電流検出回路１９によって検出される。すなわち、軽負荷時は小さい電流が検出され、重負荷時は大きい電流が検出される。

そして、負荷電流検出回路１９で検出された電流が、ゲイン調整回路２０に供給され、ゲイン調整回路２０は、軽負荷時には、演算増幅器１３のゲインを増大するように帰還インピーダンス１４を制御し、重負荷時には演算増幅器１３のゲインを増大することがないように、すなわち通常状態とするように制御する。図２は、このゲインの制御状態を示した図であり、この図の斜線部に示すように、軽負荷時はゲインを上昇させるように補正するが、重負荷時は補正前の状態を保つようにしている。

本例によれば、軽負荷時には十分なゲインを確保し、かつ重負荷時には異常発振を起こすことのない電流共振型コンバータ装置が提供される。したがって、軽負荷時から重負荷時にいたるまでゲイン特性が安定化し、重負荷時のゲイン上昇による異常発振を防止することができる。

なお、本例ではスイッチング素子としてＮＰＮトランジスタ２、３を用いているが、ＮＰＮトランジスタの代わりに、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）を用いて同じ回路が構成できることは言うまでもない。

本発明の電流共振型コンバータ装置の実施の形態を示す回路図である。本発明の電流共振型コンバータ装置に用いられる帰還増幅器のゲインと負荷変動の関係を示す図である。従来の電流共振型コンバータ装置を示す回路図である。従来の電流共振型コンバータ装置に用いられる帰還増幅器の負荷変動に対するゲイン特性を示す図である。軽負荷時と重負荷時の出力負荷の変動に対するレスポンス特性を示す図である。軽負荷時のレスポンスを改善するためにゲインを上げた場合の負荷変動に対するゲイン特性を示す図である。

符号の説明

１・・・直流電源、２、３・・・スイッチング素子（ＮＰＮトランジスタ）、４・・・コンバータトランス、５・・・共振用コンデンサ、６・・・ダイオード、７、９・・・平滑コンデンサ、８・・・チョークコイル、１０・・・負荷回路、１１、１２・・・電圧検出用抵抗器、１３・・・演算増幅器、１４・・・帰還用インピーダンス、１５・・・基準電源、１６・・・フォトカプラ、１７・・・コンバータ制御回路、１８・・・電流検出用抵抗器、１９・・・負荷電流検出回路、２０・・・ゲイン調整回路

Claims

直流電源と、
１次巻線と２次巻線を有するコンバータトランスと、
該直流電源に直列に接続され、かつ交互にオンオフ制御される第１及び第２のスイッチング素子の直列回路と、
該第２のスイッチング素子と並列に接続される前記コンバータトランスの前記１次巻線と共振用コンデンサの直列回路と、
前記コンバータトランスの前記２次巻線と接続され、該２次巻線に得られる電力を整流平滑して負荷に供給する整流平滑回路と、
前記第１及び第２のスイッチング素子に接続され前記スイッチング素子のオンオフの周波数を制御するコンバータ制御回路と、
前記負荷に供給される負荷電圧を検出して増幅する演算増幅器と、
該演算増幅器の出力電圧変化を検出して前記コンバータ制御回路にフィードバックする光結合手段を備えた電流共振型コンバータ装置において、
前記負荷に流れる負荷電流を検出する負荷電流検出回路と、
該負荷電流検出回路の検出出力に基づいて、前記演算増幅器のゲインを調整するゲイン調整回路を備えたことを特徴とする電流共振型コンバータ装置。
前記ゲイン調整回路は、負荷が軽いときは前記演算増幅器のゲインを上げる方向に前記演算増幅器の帰還インピーダンスを調整し、前記負荷が重いときは前記演算増幅器のゲインを下げる方向に前記演算増幅器の帰還インピーダンスを調整することを特徴とする請求項１に記載の電流共振型コンバータ装置。