JP2005094890A - Switching power circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング素子を含むスイッチング電源回路に係わり、特に入力過電圧からスイッチング素子等を保護する機能を有するスイッチング電源回路に関する。 The present invention relates to a switching power supply circuit including a switching element, and more particularly to a switching power supply circuit having a function of protecting a switching element and the like from an input overvoltage.
エンジンとモータとを組み合わせて動力源としたハイブリッド型自動車が知られている。この種の自動車は、通常、モータに接続された高圧バッテリと、トランスを介して低圧側に配置される低圧バッテリとを備える2バッテリ型車両として構成されることが多い。高圧バッテリは、車両加速時においてモータを駆動してエンジンをアシストする一方、車両減速時においてはモータの回生作用(発電機として機能させること)によって充電されるようになっている。他方、低圧バッテリは、車両の制御回路の電源として利用されるようになっている。 A hybrid vehicle using a combination of an engine and a motor as a power source is known. This type of automobile is usually often configured as a two-battery vehicle including a high-voltage battery connected to a motor and a low-voltage battery arranged on the low-voltage side via a transformer. The high-voltage battery assists the engine by driving a motor during vehicle acceleration, and is charged by a regenerative action of the motor (functioning as a generator) during vehicle deceleration. On the other hand, the low voltage battery is used as a power source for a control circuit of a vehicle.
上記のような2バッテリ型車両においては、高圧バッテリから低圧バッテリへの電力供給は、DC−DCコンバータを用いて行われる。このDC−DCコンバータは、直流の入力電圧をスイッチング素子よりなるインバータ回路によって交流電圧に変換したのち、この交流電圧をトランスによって降圧し、このトランスの出力電圧を整流回路等によって再び直流電圧に変換するという機能を有するものである。このDC−DCコンバータを上記の2バッテリ型車両に適用した場合には、車両減速時のモータ回生による高圧バッテリへの充電により、高圧バッテリの出力電圧(すなわち、インバータ回路への直流入力電圧)がインバータ回路のスイッチング素子の耐圧を超えて急上昇し、その結果、これらのスイッチング素子に不具合が生じる可能性がある。 In the two battery type vehicle as described above, power is supplied from the high voltage battery to the low voltage battery using a DC-DC converter. This DC-DC converter converts a DC input voltage into an AC voltage by an inverter circuit composed of switching elements, then steps down the AC voltage with a transformer, and converts the output voltage of the transformer into a DC voltage again with a rectifier circuit or the like. It has the function to do. When this DC-DC converter is applied to the above-described two-battery type vehicle, the output voltage of the high-voltage battery (that is, the DC input voltage to the inverter circuit) is generated by charging the high-voltage battery by motor regeneration during vehicle deceleration. There is a possibility that the switching element of the inverter circuit will rapidly increase beyond the withstand voltage, and as a result, a malfunction may occur in these switching elements.
このため、従来より、2バッテリ型車両に搭載されるDC−DCコンバータでは、インバータ回路の直流入力電圧が所定値を超えた場合にインバータ回路の動作を停止させることにより、回路を保護することが行われている。 For this reason, conventionally, in a DC-DC converter mounted on a two-battery type vehicle, the circuit can be protected by stopping the operation of the inverter circuit when the DC input voltage of the inverter circuit exceeds a predetermined value. Has been done.
例えば、特許文献1の図1には、高圧バッテリからの入力直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、交流電圧を変圧するトランスと、トランスの出力電圧を整流する整流器と、整流回路の出力電圧を平滑して低圧バッテリに給電する平滑回路と、低圧バッテリ側から電源電力を給電されてインバータ回路のスイッチングを制御するコントローラとを備えたDC−DCコンバータが記載されている(以下、第1方式のDC−DCコンバータという。)。コントローラは、インバータ回路に入力される直流電圧が所定値以上となる場合に、入力直流電圧が過電圧であると判定してインバータ回路の上アーム側スイッチング素子および下アーム側スイッチング素子の両方をオフするようになっているが、その際、コントローラは、入力直流電圧が過電圧であるとの判定を、整流器の入力電圧または出力電圧に基づいて行うようになっている。なお、特許文献1の図1では図示が省略されているが、2次側のコントローラが1次側のインバータ回路のスイッチング素子を停止させるためには、コントローラからインバータ回路へのスイッチング信号の伝達がトランス等の絶縁回路を介して行われる必要がある。
For example, FIG. 1 of
そして、上記の特許文献1には、トランスの二次側(特にトランスの二次コイルから平滑回路までのいずれかの部位)の電圧に基づいてインバータ回路への入力過電圧を判定するので、簡素な回路構成により入力過電圧を検出することができる、との記載がある。
And in said
また、特許文献1の図13には、インバータ回路と、降圧トランスと、整流回路と、チョークコイルと、入力過電圧検出回路と、コントローラと、入力側平滑コンデンサと、出力側平滑コンデンサと、低圧バッテリの電圧を定電圧化してコントローラに電源電圧として供給する定電圧回路とを有するDC−DCコンバータが記載されている(以下、第2方式のDC−DCコンバータという。)。入力過電圧検出回路は、インバータ回路のスイッチング素子をオフしてその耐圧を確保するために、高圧バッテリの電圧が所定値を超えたかどうかを判定するためのものであり、高圧バッテリの電圧を分圧する抵抗分圧回路と、所定のしきい値電圧を発生する定電圧回路と、抵抗分圧回路の出力分圧と定電圧回路からのしきい値電圧とを比較するコンパレータと、コンパレータの出力を入出力絶縁可能に出力するフォトカプラ回路と、低圧バッテリの電圧から入出力絶縁された直流電源電圧を形成してコンパレータおよびフォトカプラ回路に電源電圧として印加する制御用電源電圧形成回路とを有している。なお、特許文献1の図13では図示が省略されているが、2次側のコントローラが1次側のインバータ回路のスイッチング素子を停止させるためには、コントローラからインバータ回路へのスイッチング信号の伝達がトランス等の絶縁回路を介して行われる必要がある。
FIG. 13 of
そして、上記の特許文献1には、コントローラがフォトカプラ回路を介して供給されるコンパレータ出力に基づいて入力過電圧を検出すると、インバータ回路のスイッチング素子をオフすることができる、という記載がある。
しかしながら、上記第1方式のDC−DCコンバータでは、コントローラが2次側電圧に基づいて入力過電圧を検出し、絶縁回路(トランス)を介して1次側のスイッチング素子を停止させるようになっているので、入力過電圧の検出はコントローラの性能に左右され、コントローラが遅い場合には入力過電圧検出の遅れが甚だしい。また、絶縁回路における伝達遅れもある。このため、インバータ回路への入力直流電圧の急上昇に追随して速やかにインバータ回路の動作を停止させることが困難であった。特に2次側で入力過電圧を検出すべく、トランスの2次側から出力されるパルス電圧を波形成形回路によって積分するようにしていることから、その電圧検出には相当な時間を要し、応答性のよい保護制御を行うことが困難であった。 However, in the DC-DC converter of the first system, the controller detects an input overvoltage based on the secondary side voltage, and stops the primary side switching element via the insulation circuit (transformer). Therefore, the detection of the input overvoltage depends on the performance of the controller. When the controller is slow, the input overvoltage detection delay is significant. There is also a transmission delay in the insulation circuit. For this reason, it has been difficult to quickly stop the operation of the inverter circuit following the sudden rise in the input DC voltage to the inverter circuit. In particular, the pulse voltage output from the secondary side of the transformer is integrated by the waveform shaping circuit in order to detect the input overvoltage on the secondary side. It was difficult to perform good protection control.
また、上記第2方式のDC−DCコンバータでは、1次側電圧に基づいて入力過電圧を検出しているものの、インバータ回路の動作を停止させる制御を行うのは2次側に配置されたコントローラであることから、1次側から2次側への信号伝達(入力過電圧の検出)にフォトカプラが必要となり、また、トランス等の絶縁回路を介した2次側から1次側への信号伝達(スイッチング信号の停止)に遅れが生ずることから、十分に速やかな信号伝達を行うことは困難であった。 In the second type DC-DC converter, the input overvoltage is detected based on the primary side voltage, but the control for stopping the operation of the inverter circuit is performed by the controller arranged on the secondary side. For this reason, a photocoupler is required for signal transmission (detection of input overvoltage) from the primary side to the secondary side, and signal transmission from the secondary side to the primary side via an insulation circuit such as a transformer ( Since a delay occurs in the switching signal stop), it is difficult to transmit the signal sufficiently quickly.
このように、従来のDC−DCコンバータでは、2次側のコントローラで生ずる電圧検出処理の時間遅れや、2次側から1次側へのスイッチング信号伝達経路に設けられる絶縁回路で生ずる信号伝達の時間遅れ等が無視できないほど大きかったので、スイッチング素子を入力過電圧から保護するための保護動作を高速化することが困難であり、事実上、有効に回路保護を行うことができなかった。 As described above, in the conventional DC-DC converter, the time delay of the voltage detection processing that occurs in the controller on the secondary side and the signal transmission that occurs in the insulating circuit provided in the switching signal transmission path from the secondary side to the primary side. Since the time delay is so large that it cannot be ignored, it is difficult to speed up the protection operation for protecting the switching element from the input overvoltage, and the circuit protection cannot be effectively performed in practice.
本発明はかかる問題に鑑みてなされたもので、その目的は、入力過電圧からスイッチング素子を効果的に保護することができるスイッチング電源回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object thereof is to provide a switching power supply circuit capable of effectively protecting a switching element from an input overvoltage.
本発明のスイッチング電源回路は、交流電圧を変圧するトランスと、4つのスイッチング素子を含んでトランスの1次側に配置されスイッチング素子のスイッチング動作により直流入力電圧を交流電圧に変換してトランスに供給する第1の変換回路と、トランスの2次側に配置されトランスの交流出力電圧を直流出力電圧に変換する第2の変換回路と、トランスの1次側に配置され直流入力電圧を監視する入力電圧監視回路と、トランスの1次側に配置され入力電圧監視回路が入力過電圧状態を検知したとき4つのスイッチング素子のうちの少なくとも2つのスイッチング素子のスイッチング動作を停止させることにより第1の変換回路を流れる電流を遮断する電流遮断回路とを備えている。 The switching power supply circuit of the present invention includes a transformer for transforming AC voltage and four switching elements, and is arranged on the primary side of the transformer. The switching operation of the switching element converts the DC input voltage into AC voltage and supplies it to the transformer. A first conversion circuit that is arranged on the secondary side of the transformer, a second conversion circuit that converts the AC output voltage of the transformer to a DC output voltage, and an input that is arranged on the primary side of the transformer and monitors the DC input voltage A voltage conversion circuit, and a first conversion circuit disposed on a primary side of the transformer and stopping a switching operation of at least two of the four switching elements when the input voltage monitoring circuit detects an input overvoltage state And a current interruption circuit for interrupting the current flowing through the.
ここで、「トランス」は、降圧用、昇圧用、いずれの変圧器でもよい。「入力過電圧状態」とは、直流入力電圧が、予め設定された許容電圧レベルを超えた状態をいう。 Here, the “transformer” may be either a step-down transformer or a step-up transformer. The “input overvoltage state” refers to a state in which the DC input voltage exceeds a preset allowable voltage level.
本発明のスイッチング電源回路では、トランスの1次側において直流入力電圧の監視が行われる。直流入力電圧の過電圧状態が検知されたとき、トランスの1次側に配置された電流遮断回路が作動し、4つのスイッチング素子のうちの少なくとも2つのスイッチング素子のスイッチング動作が停止する。これにより、第1の変換回路を流れる電流が遮断され、回路素子の耐圧を超えるようなサージ電圧が第1および第2の変換回路に流れることが回避される。直流入力電圧の過電圧状態の検知をトランスの1次側で行うと共に、その検知結果に基づいて、同じ1次側に設けられた電流遮断回路を直接に(絶縁回路を介さずに)駆動するようにしていることから、過電圧状態の発生時から保護動作開始までの時間が短くなる。 In the switching power supply circuit of the present invention, the DC input voltage is monitored on the primary side of the transformer. When an overvoltage state of the DC input voltage is detected, the current interrupt circuit arranged on the primary side of the transformer is activated, and the switching operation of at least two of the four switching elements is stopped. As a result, the current flowing through the first conversion circuit is cut off, and a surge voltage exceeding the withstand voltage of the circuit element is prevented from flowing through the first and second conversion circuits. An overvoltage state of the DC input voltage is detected on the primary side of the transformer, and a current interrupt circuit provided on the same primary side is directly driven (without going through an insulating circuit) based on the detection result. Therefore, the time from the occurrence of the overvoltage state to the start of the protection operation is shortened.
4つのスイッチング素子は、トランスの上流側および下流側にそれぞれに配置されトランスに流れる電流の方向が第1の電流方向となるように第1の電流経路を形成する第1および第2のスイッチング素子と、トランスの上流側および下流側にそれぞれに配置されトランスに流れる電流の方向が第1の電流方向とは逆の第2の電流方向となるように第2の電流経路を形成する第3および第4のスイッチング素子とを含むように構成するのが好ましい。 The four switching elements are arranged on the upstream side and the downstream side of the transformer, respectively, and form the first current path so that the direction of the current flowing through the transformer is the first current direction. And a third current path that is arranged on the upstream side and the downstream side of the transformer and that forms a second current path so that a direction of a current flowing through the transformer is a second current direction opposite to the first current direction. The fourth switching element is preferably included.
電流遮断回路は、入力電圧監視回路が入力過電圧状態を検知したときに、第2および第4のスイッチング素子のスイッチング動作を停止させるように動作するのが好ましいが、第1および第2の電流経路を共に遮断できる限り、他の組み合わせでスイッチング素子ののスイッチング動作を停止させるようにしてもよい。例えば、第1および第3のスイッチング素子のスイッチング動作を停止させるようにしてもよい。あるいは、第1および第4のスイッチング素子のスイッチング動作、または、第2および第3のスイッチング素子のスイッチング動作を停止させるようにしてもよい。あるいは、4つのスイッチング素子のすべてのスイッチング動作を停止させるようにしてもよい。 The current cutoff circuit preferably operates to stop the switching operation of the second and fourth switching elements when the input voltage monitoring circuit detects an input overvoltage state, but the first and second current paths As long as both can be cut off, the switching operation of the switching element may be stopped by another combination. For example, the switching operations of the first and third switching elements may be stopped. Alternatively, the switching operation of the first and fourth switching elements or the switching operation of the second and third switching elements may be stopped. Alternatively, all the switching operations of the four switching elements may be stopped.
本発明のスイッチング電源回路は、特に、高圧バッテリと低圧バッテリとを備えた車両に好適に適用される。この場合、第1の変換回路に入力される直流入力電圧が高圧バッテリから供給され、第2の変換回路から出力される直流出力電圧が低圧バッテリに供給されるように構成するのが好ましい。高圧バッテリがモータに接続されたものであって、このモータの回生動作によって高圧バッテリの充電が行われると共に、高圧バッテリからモータへの電流供給が行われるように構成されたものである場合に特に好適に適用される。 The switching power supply circuit of the present invention is particularly suitably applied to a vehicle including a high voltage battery and a low voltage battery. In this case, it is preferable that the DC input voltage input to the first conversion circuit is supplied from the high voltage battery and the DC output voltage output from the second conversion circuit is supplied to the low voltage battery. Especially when the high-voltage battery is connected to the motor, and the high-voltage battery is charged by the regenerative operation of the motor and the current is supplied from the high-voltage battery to the motor. It is preferably applied.
本発明のスイッチング電源回路によれば、直流入力電圧の過電圧状態の検知をトランスの1次側で行うと共に、その検知結果に基づいて、同じ1次側に設けられた電流遮断回路を直接に(絶縁回路を介さずに)駆動するようにしたので、過電圧状態の発生時から保護動作開始までの時間が短くなる。したがって、過電圧印加時のサージ電圧から回路素子を確実に保護することができる。 According to the switching power supply circuit of the present invention, the overvoltage state of the DC input voltage is detected on the primary side of the transformer, and on the basis of the detection result, the current cutoff circuit provided on the same primary side is directly ( Since the drive is performed (without going through an insulating circuit), the time from the occurrence of the overvoltage state to the start of the protection operation is shortened. Therefore, the circuit element can be reliably protected from the surge voltage when the overvoltage is applied.
以下、本発明を実施するための最良の形態(以下、単に実施の形態という。)について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter simply referred to as an embodiment) will be described in detail with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源回路の構成を表すものである。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a configuration of a switching power supply circuit according to an embodiment of the present invention.
本実施の形態のスイッチング電源回路は、高圧バッテリBHから出力される第1の直流電圧を、より低い第2の直流電圧に変換して低圧バッテリBLに供給するDC−DCコンバータとして機能するものである。このスイッチング電源回路は、1次側高圧ラインL1Hと1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられたインバータ回路1と、1次側コイル21および2次側コイル22,23を有するトランス2と、トランス2の2次側に設けられた整流回路3と、2次側電源ラインL2に設けられたチョークコイル4と、インバータ回路1のスイッチング動作を制御する制御回路5と、インバータ回路1と制御回路5との間に設けられた絶縁回路部6とを備えている。高圧バッテリBHおよびインバータ回路1はトランス2の1次側に位置し、整流回路3、チョークコイル4、制御回路5および低圧バッテリBLはトランス2の2次側に位置する。低圧バッテリBLは、2次側電源ラインL2と接地との間に設けられている。このスイッチング電源回路はまた、1次側高圧ラインL1Hと1次側低圧ラインL1Lとの間にインバータ回路1と並列に設けられた入力側平滑コンデンサ7と、2次側電源ラインL2と接地との間に低圧バッテリBLと並列に設けられた出力側平滑コンデンサ8とを備え、インバータ回路1におけるスイッチング素子(後述)の動作による電圧の乱れを平滑化している。
The switching power supply circuit of the present embodiment functions as a DC-DC converter that converts the first DC voltage output from the high-voltage battery BH into a lower second DC voltage and supplies it to the low-voltage battery BL. is there. This switching power supply circuit includes an
インバータ回路1は、高圧バッテリBHから出力される第1の直流電圧を単相の交流電圧(ほぼ矩形波状の交流電圧)に変換する単相インバータ回路であり、本発明における「第1の変換回路」の一具体例に対応する。このインバータ回路1は、制御回路5から出力されるスイッチング信号51〜54によってそれぞれ駆動される4つのスイッチング素子11,12,13,14を有する。スイッチング素子としては、例えばMOS(Metal-Oxide-Semiconductor) トランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)が用いられるが、スイッチング素子であれば、これらに限られるものではない。。
The
スイッチング素子11はトランス2の1次側コイル21の一端21Aと1次側高圧ラインL1Hとの間に設けられ、スイッチング素子12は1次側コイル21の他端21Bと1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられている。スイッチング素子13はトランス2の1次側コイル21の他端21Bと1次側高圧ラインL1Hとの間に設けられ、スイッチング素子14は1次側コイル21の一端21Aと1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられている。ここで、スイッチング素子11〜14が、それぞれ、本発明における「第1〜第4のスイッチング素子」の一具体例に対応する。
The switching
スイッチング素子11,12がオンすることにより、1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子11、1次側コイル21およびスイッチング素子12を通って1次側低圧ラインL1Lに至る第1の電流経路に電流が流れる一方、スイッチング素子13,14がオンすることにより1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子13、1次側コイル21およびスイッチング素子14を通って1次側低圧ラインL1Lに至る第2の電流経路に電流が流れるようになっている。したがって、スイッチング素子11,13は電流経路上において常に1次側コイル21の高圧側(上流側)に位置し、スイッチング素子12,14は電流経路上において常に1次側コイル21の低圧側(下流側)に位置することになる。そこで、以後の説明では、適宜、スイッチング素子11,13を高圧側スイッチング素子と総称し、スイッチング素子12,14を低圧側スイッチング素子と総称する。
When the switching
トランス2はインバータ回路1によって変換された交流電圧を降圧し、一対の2次側コイル22,23から、互いに180度位相が異なる交流電圧を出力するものである。この場合、降圧の度合いは、1次側コイル21と2次側コイル22,23の巻数比によって定まる。2次側コイル22と2次側コイル23との接続点Cは接地されている。
The
整流回路3は、一対のダイオード31、32により構成された単相全波整流回路であり、本発明における「第2の変換回路」の一具体例に対応する。ダイオード31の一端はトランス2の2次側コイル22の一端22Aに接続され、ダイオード32の一端は2次側コイル23の一端23Aに接続されている。ダイオード31、32の各他端同士は互いに接続され、チョークコイル4の一端に接続されている。この整流回路3は、トランス2から出力される交流電圧の各半波期間をそれぞれダイオード31、32によって個別に整流して直流電圧を得るものである。
The rectifier circuit 3 is a single-phase full-wave rectifier circuit composed of a pair of
チョークコイル4および出力側平滑コンデンサ8は、整流回路3で得られた直流電圧を平滑化し、得られた直流電圧を第2の直流電圧として低圧バッテリBLに給電するようになっている。
The choke coil 4 and the output-
制御回路5は、低圧バッテリBLから出力される第2の直流電圧を電源電圧として動作し、スイッチング信号51〜54を出力するようになっている。
The
絶縁回路部6は、それぞれトランス等からなる絶縁回路61〜64を含んでいる。絶縁回路61〜64は、それぞれ、トランス2の1次側と2次側とを隔絶しつつ、制御回路5から出力されたスイッチング信号51〜54をインバータ回路1に伝達する機能を有する。絶縁回路部6を介して2次側に伝達されたスイッチング信号51〜54はそれぞれ、インバータ回路1のスイッチング素子11〜14の制御端子(ここでは、ゲート)に印加され、各スイッチング素子のオンオフ(開閉)動作を制御するようになっている。
The insulating
本実施の形態のスイッチング電源回路はさらに、トランス2の1次側に、入力電圧監視回路9と、遮断スイッチ15A,15Bとを備えている。
The switching power supply circuit of the present embodiment further includes an input
入力電圧監視回路9は、分圧抵抗91,92と、コンパレータ93と、定電圧回路94とを有する。分圧抵抗91,92は、1次側高圧ラインL1Hと1次側低圧ラインL1Lとの間に直列に配置されている。分圧抵抗91,92の接続点Dからは、両者の抵抗値の比に応じた分圧VDが出力される。定電圧回路94は、高圧バッテリBHを電源として動作し、一定の基準電圧VRを出力するものである。コンパレータ93は、分圧抵抗91,92からの分圧VDと定電圧回路94からの基準電圧VRとを比較し、その結果に応じて(具体的には、分圧VDが基準電圧VRを越えると)、スイッチング遮断信号95を出力するようになっている。なお、コンパレータ93は、高圧バッテリBHから作られた電圧Vaを電源電圧として動作するようになっている。
The input
遮断スイッチ15A,15Bは、本発明における「電流遮断回路」の一具体例に対応するもので、それぞれ、低圧側スイッチング素子12,14の各ゲートと1次側低圧ラインL1Lとの間に配置されている。遮断スイッチ15A,15Bは、コンパレータ93からスイッチング遮断信号95が与えられると、それぞれオン(閉)状態になり、低圧側スイッチング素子12,14の各ゲートと1次側低圧ラインL1Lとの間をショートさせることにより、低圧側スイッチング素子12,14のスイッチング動作を強制的に停止させるようになっている。
The cutoff switches 15A and 15B correspond to a specific example of the “current cutoff circuit” in the present invention, and are respectively disposed between the gates of the low-voltage
次に、以上のような構成のスイッチング電源回路の動作を説明する。 Next, the operation of the switching power supply circuit having the above configuration will be described.
2次側に配置された制御回路5は、2次側に配置された低圧バッテリBLから供給される電力、もしくは、1次側の高圧バッテリBHからトランス2によって電圧変換され2次側の電源ラインL2を介して供給される電力を基に動作し、スイッチング信号51〜54を出力する。スイッチング信号51〜54は、絶縁回路部6を介して1次側に伝達され、インバータ回路1のスイッチング素子11〜14の各ゲートにそれぞれ印加される。
The
インバータ回路1は、制御回路5からのスイッチング信号51〜54に基づいて、高圧バッテリBHから出力される直流電圧をスイッチングすることにより交流電圧を生成し、トランス2に印加する。具体的には、インバータ回路1のスイッチング素子11,12がオン状態のときは、1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子11、1次側コイル21およびスイッチング素子12を通って1次側低圧ラインL1Lに至る第1の電流経路に電流が流れる。一方、スイッチング素子13,14がオン状態のときは、1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子13、1次側コイル21およびスイッチング素子14を通って1次側低圧ラインL1Lに至る第2の電流経路に電流が流れる。これにより、トランス2の1次側コイル21にはほぼ矩形波状の交流電圧が印加される。
The
1次側コイル21に印加される交流電圧に呼応して、トランス2の2次側コイル22,23には、1次側電圧よりも低い電圧の交流電圧が生ずる。整流回路3の一対のダイオード31、32は、トランス2から出力される交流電圧の各半波期間をそれぞれダイオード31、32によって個別に整流する単相全波整流を行う。これにより、直流電圧が得られる。この直流電圧はさらにチョークコイル4によって平滑化され、低圧バッテリBLの充電に供される。
In response to the AC voltage applied to the
入力電圧監視回路9のコンパレータ93は、分圧抵抗91,92の接続点Dにおける分圧VDと、定電圧回路94からの基準電圧VRとを比較し、分圧VDが基準電圧VRを超えると、入力過電圧と判断し、スイッチング遮断信号95を出力する。このスイッチング遮断信号95は、遮断スイッチ15A,15Bを閉状態に変化させる。これにより、低圧側スイッチング素子12,14のゲートが1次側低圧ラインL1Lに接続されて低電位(低圧側接地レベル)になるため、低圧側スイッチング素子12,14はスイッチング動作を停止し、オフ(開)状態に保持される。これにより、第1および第2の電流経路が共に遮断され、インバータ回路1には電流が流れなくなる。この結果、トランス2は2次側に電力を供給できなくなり、また、インバータ回路1のスイッチング素子11〜14にはサージ電圧が発生しなくなる。したがって、たとえ、高圧バッテリBHの出力電圧がスイッチング素子11〜14の耐圧近くまで上昇したとしても、これらの素子がダメージを受けるのを回避することができる。また、トランス2の2次側においても、スイッチングに伴って整流回路3のダイオード31,32の耐圧を超えるようなサージ電圧が発生することがないので、これらのダイオードも保護される。
The
ここで、入力電圧監視回路9における入力過電圧検出動作の高速性について考察する。本実施の形態では、入力電圧監視回路9が1次側に配置されているため、例えば従来のDC−DCコンバータに比べて、より高速な検出が可能である。その理由は次の通りである。
Here, the high speed of the input overvoltage detection operation in the input
第1に、従来の第1方式のDC−DCコンバータでは、2次側に配置されたコントローラが2次側のパルス状の交流電圧を積分して入力過電圧を検出しているので、その検出の遅れが甚だしいのに対し、本実施の形態では、コンパレータ93によって1次側の直流電圧を直接検出しているからである。
First, in the conventional first-system DC-DC converter, the controller arranged on the secondary side detects the input overvoltage by integrating the pulsed AC voltage on the secondary side. This is because the delay is significant, but in the present embodiment, the DC voltage on the primary side is directly detected by the
第2に、従来の第1方式のDC−DCコンバータでは、2次側に配置されたコントローラ自身がスイッチング信号を出力停止レベルに固定させ、これを絶縁回路(トランス)を介して1次側に伝達するようになっているので、この絶縁回路における伝達遅れが生ずるのに対し、本実施の形態では、1次側で検出した結果を同じ1次側の遮断スイッチ15A,15Bに伝達するだけでよいので、絶縁回路を経由する必要がなく、伝達遅れが殆ど生じないからである。このことは、従来の第2方式のDC−DCコンバータとの比較においても同様である。第2方式のDC−DCコンバータでは、1次側で入力過電圧を検出してはいるものの、実際にインバータ回路の動作を停止させる制御を行うのは2次側のコントローラだからである。すなわち、第2方式のDC−DCコンバータでは、トランス等の絶縁回路を介した2次側から1次側への信号伝達(スイッチング信号の停止)を行う必要があり、無視できないほどの伝達遅れが生ずるのである。
Secondly, in the conventional first-system DC-DC converter, the controller arranged on the secondary side fixes the switching signal to the output stop level, and this is transferred to the primary side via an insulation circuit (transformer). In this embodiment, only the result detected on the primary side is transmitted to the same primary side cut-
入力直流電圧の上昇開始からインバータ回路のスイッチング停止までの時間を試算してみると、第1方式のDC−DCコンバータでは、上記のように、2次側での検出動作(積分処理)による遅延と、2次側から1次側への伝達に伴う遅延とが大きいことから、数msecを要する。また、第2方式のDC−DCコンバータでは、2次側から1次側への伝達に伴う遅延が存在することから、数百μsecを要する。これに対し、本実施の形態では、主たる遅延要因は、コンパレータ93の比較動作に由来する遅延のみであることから、数十μsec程度に抑えられる。
When the time from the start of the input DC voltage rise to the switching stop of the inverter circuit is estimated, in the first DC-DC converter, as described above, the delay due to the detection operation (integration process) on the secondary side And since the delay accompanying transmission from the secondary side to the primary side is large, several msec is required. Further, in the second type DC-DC converter, there is a delay accompanying transmission from the secondary side to the primary side, and therefore, several hundreds of microseconds are required. On the other hand, in the present embodiment, the main delay factor is only the delay derived from the comparison operation of the
このように、本実施の形態のスイッチング電源回路によれば、トランス2の1次側に入力過電圧を検出する入力電圧監視回路9を設けると共に、同じ1次側にスイッチング素子12,14のスイッチング動作を強制的に停止させるための遮断スイッチ15A,15Bを設けるようにしたので、従来のDC−DCコンバータに比べて、入力過電圧に対する保護動作を極めて高速に行うことができる。したがって、入力過電圧から回路素子を確実に保護することができる。特に、例えば2バッテリ型車両のように、入力過電圧状態が頻繁に生ずるような過酷な用途においても高い信頼性を得ることができる。
Thus, according to the switching power supply circuit of the present embodiment, the input
<変形例1>
なお、本実施の形態では、遮断スイッチ15A,15Bを、それぞれ、低圧側スイッチング素子12,14と1次側低圧ラインL1Lとの間に配置するようにしたが、これに代えて、例えば図2に示したように、遮断スイッチ15A,15Bを、それぞれ、低圧側スイッチング素子12,14と絶縁回路64,62との間に配置するようにしてもよい。なお、図2において、図1に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。この場合には、スイッチング信号54,52が、遮断スイッチ15A,15Bによって直接遮断されることにより、低圧側スイッチング素子12,14のスイッチング動作が停止する。この場合においても、上記第1の実施の形態の場合と同様の効果が得られる。
<
In the present embodiment, the cutoff switches 15A and 15B are arranged between the low-voltage
[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described.
図3は本発明の第2の実施の形態に係るスイッチング電源回路の構成を表すものである。この図において、図1に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、適宜説明を省略する。 FIG. 3 shows a configuration of a switching power supply circuit according to the second embodiment of the present invention. In this figure, the same components as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted as appropriate.
上記第1の実施の形態では、入力電圧監視回路9からのスイッチング遮断信号95によって低圧側スイッチング素子12,14のスイッチング動作を停止させるようにしたが、本実施の形態は、高圧側スイッチング素子11,13のスイッチング動作を停止させるようにしたものである。この場合には、高圧側スイッチング素子11,13の接地レベルが低圧側スイッチング素子12,14の接地レベルとは異なっているので、上記第1の実施の形態の場合のように、スイッチング遮断信号95によって開閉する遮断スイッチ15A,15Bを用いて高圧側スイッチング素子11,13を直接制御することはできない。
In the first embodiment, the switching operation of the low-voltage
そこで、本実施の形態では、信号レベルを隔絶しつつ信号内容のみを伝達することができるフォトカプラ16A,16Bを用いて、高圧側スイッチング素子13,11のスイッチング動作をそれぞれ停止させるようにしている。具体的には、フォトカプラ16Aのフォトトランジスタを高圧側スイッチング素子13のゲートとドレインとの間に配置すると共に、フォトカプラ16Aのフォトダイオードをスイッチング遮断信号95によって駆動するようにする。同様に、フォトカプラ16Bのフォトトランジスタを高圧側スイッチング素子11のゲートとドレインとの間に配置すると共に、フォトカプラ16Bのフォトダイオードをスイッチング遮断信号95によって駆動するようにする。その他の構成は、上記第1の実施の形態(図1)の場合と同様である。なお、実際には、コンパレータ93の出力側に、図示しないバッファ回路が設けられる。
Therefore, in the present embodiment, the switching operation of the high-voltage
本実施の形態では、コンパレータ93からバッファ回路(図示せず)を介して出力されるスイッチング遮断信号95によってフォトカプラ16A,16Bが動作すると、高圧側スイッチング素子13,11の各ゲートが低電位(高圧側接地レベル)に設定されるので、それらの2つのスイッチング素子がスイッチング動作を停止し、オフ(開)状態に保持される。これにより、インバータ回路1における2つの電流経路(第1および第2の電流経路)が共に遮断されるので、スイッチング動作に伴うサージ電圧の発生がなくなり、スイッチング素子11〜14やダイオード31,32等の回路素子が保護される。この場合においても、高速の入力過電圧検出に基づく高速のスイッチング動作遮断処理が行われるという上記第1の実施の形態の場合と同様の効果が得られる。
In the present embodiment, when the
<変形例2>
なお、例えば図4に示したように、フォトカプラ16A,16Bを、それぞれ、高圧側スイッチング素子13,11と絶縁回路64,62との間に配置し、コンパレータ93の出力側に図示しないインバータ回路を設けるようにしてもよいる。図4では、図3に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。この場合には、コンパレータ93からインバータ回路(図示せず)を介して出力されるスイッチング遮断信号95によってフォトカプラ16A,16Bが動作し、スイッチング信号54,52をそれぞれ直接遮断することにより、高圧側スイッチング素子13,11のスイッチング動作が停止してオフ(開)状態に保持される。この場合においても、上記第2の実施の形態の場合と同様の効果が得られる。
<
For example, as shown in FIG. 4, the
[第3の実施の形態]
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。
[Third Embodiment]
Next, a third embodiment of the present invention will be described.
上記第1および第2の実施の形態では、入力電圧監視回路9の出力であるスイッチング遮断信号95によってスイッチング動作を停止させるのは、低圧側スイッチング素子12,14または高圧側スイッチング素子11,13のいずれかであった。
In the first and second embodiments, the switching operation is stopped by the switching
これに対し、本実施の形態は、図5に示したように、2つの低圧側スイッチング素子のうちのいずれか一方(ここでは、低圧側スイッチング素子14)と、2つの高圧側スイッチング素子11,13のうちのいずれか一方(ここでは、高圧側スイッチング素子11)とを停止させるようにしたものである。低圧側スイッチング素子14と高圧側スイッチング素子11とがオフ(開)状態に保持されるので、インバータ回路1における2つの電流経路(第1および第2の電流経路)が共に遮断されてスイッチング動作に伴うサージ電圧の発生がなくなり、スイッチング素子11〜14やダイオード31,32等の回路素子が保護される。この場合においても、高速の入力過電圧検出に基づく高速のスイッチング動作遮断処理が行われるという上記第1の実施の形態の場合と同様の効果が得られる。
On the other hand, in the present embodiment, as shown in FIG. 5, one of the two low-voltage side switching elements (here, the low-voltage side switching element 14) and the two high-voltage
<変形例3>
なお、例えば図6に示したように、フォトカプラ16Bを高圧側スイッチング素子11と絶縁回路61との間に配置すると共に、遮断スイッチ15Bを高圧側スイッチング素子14と絶縁回路62との間に配置するようにしてもよい。なお、図6において、図5に示した構成要素と同一の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。この場合には、コンパレータ93からインバータ回路(図示せず)を介して出力されるスイッチング遮断信号95によってフォトカプラ16Bおよび遮断スイッチ15Bが動作し、スイッチング信号51,52をそれぞれ直接遮断することにより、スイッチング素子11,14のスイッチング動作が停止してオフ(開)状態に保持される。この場合においても、上記第3の実施の形態の場合と同様の効果が得られる。
<Modification 3>
For example, as shown in FIG. 6, the
なお、2つの低圧側スイッチング素子12,14のうちの低圧側スイッチング素子12と、2つの高圧側スイッチング素子11,13のうちの高圧側スイッチング素子13とを停止させてオフ(開)状態に保持するようにしてもよい。
The low voltage
以上、実施の形態および実施例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらに限定されず、種々の変形が可能である。例えば、上記各実施の形態では、インバータ回路1に形成される第1および第2の電流経路を遮断するために、第1の電流経路上のいずれか一方のスイッチング素子と第2の電流経路上のいずれか一方のスイッチング素子の2つだけをオフ(開)状態に保持するようにしたが、本発明はこれに限られず、4つすべてのスイッチング素子をオフ状態にするようにしてもよい。但し、例えば2バッテリ型車両のように、過酷な環境条件下で使用されるものに適用できるようなフォトカプラを安価で入手することは容易ではないので、この点を考慮すると、上記第1の実施の形態(図1)で示したように、フォトカプラを用いずに済む方法(低圧側スイッチング素子12,14のみを動作停止させる方法)がより好ましい。
Although the present invention has been described with reference to the embodiment and the examples, the present invention is not limited to these, and various modifications can be made. For example, in each of the above embodiments, in order to cut off the first and second current paths formed in the
また、上記各実施の形態では、2バッテリ型車両への適用を想定して説明したが、インバータ回路への入力直流電圧が過大になる可能性のある他の用途への適用も可能であることはもちろんである。 Further, in each of the above embodiments, the description has been made on the assumption that it is applied to a two-battery type vehicle. However, the present invention can also be applied to other uses in which the input DC voltage to the inverter circuit may be excessive. Of course.
1…インバータ回路、2…トランス、3…整流回路、4…チョークコイル、5…制御回路、6…絶縁回路部、7…入力側平滑コンデンサ、8…出力側平滑コンデンサ、11〜14…スイッチング素子、9…入力電圧監視回路、15A,15B…遮断スイッチ、16A,16B…フォトカプラ、91,92…分圧抵抗、93…コンパレータ、94…定電圧回路、BH…高圧バッテリ、BL…低圧バッテリ。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
4つのスイッチング素子を含んで前記トランスの1次側に配置され、前記スイッチング素子のスイッチング動作により直流入力電圧を交流電圧に変換して前記トランスに供給する第1の変換回路と、
前記トランスの2次側に配置され、前記トランスの交流出力電圧を直流出力電圧に変換する第2の変換回路と、
前記トランスの1次側に配置され、前記直流入力電圧を監視する入力電圧監視回路と、
前記トランスの1次側に配置され、前記入力電圧監視回路が入力過電圧状態を検知したとき、前記4つのスイッチング素子のうちの少なくとも2つのスイッチング素子のスイッチング動作を停止させることにより、前記第1の変換回路を流れる電流を遮断する電流遮断回路と
を備えたことを特徴とするスイッチング電源回路。 A transformer that transforms AC voltage;
A first conversion circuit that includes four switching elements and is arranged on the primary side of the transformer, converts a DC input voltage into an AC voltage by a switching operation of the switching element, and supplies the AC voltage to the transformer;
A second conversion circuit disposed on the secondary side of the transformer and converting an AC output voltage of the transformer into a DC output voltage;
An input voltage monitoring circuit disposed on a primary side of the transformer and monitoring the DC input voltage;
When the input voltage monitoring circuit is disposed on the primary side of the transformer and detects an input overvoltage state, the switching operation of at least two switching elements of the four switching elements is stopped, whereby the first A switching power supply circuit comprising: a current cutoff circuit that cuts off a current flowing through the conversion circuit.
前記トランスの上流側および下流側にそれぞれに配置され、前記トランスに流れる電流の方向が第1の電流方向となるように第1の電流経路を形成する第1および第2のスイッチング素子と、
前記トランスの上流側および下流側にそれぞれに配置され、前記トランスに流れる電流の方向が前記第1の電流方向とは逆の第2の電流方向となるように第2の電流経路を形成する第3および第4のスイッチング素子と
を含むことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。 The four switching elements are:
First and second switching elements disposed on the upstream side and the downstream side of the transformer, respectively, and forming a first current path so that a direction of a current flowing through the transformer is a first current direction;
A second current path is formed on each of the upstream side and the downstream side of the transformer, and forms a second current path so that the direction of the current flowing through the transformer is a second current direction opposite to the first current direction. The switching power supply circuit according to claim 1, comprising: 3 and a fourth switching element.
ことを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源回路。 3. The switching power supply circuit according to claim 2, wherein the current cutoff circuit stops switching operations of the second and fourth switching elements when the input voltage monitoring circuit detects an input overvoltage state. 4.
ことを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源回路。 3. The switching power supply circuit according to claim 2, wherein the current cutoff circuit stops switching operations of the first and third switching elements when the input voltage monitoring circuit detects an input overvoltage state. 4.
ことを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源回路。 The current interrupt circuit stops the switching operation of the first and fourth switching elements or the switching operation of the second and third switching elements when the input voltage monitoring circuit detects an input overvoltage state. The switching power supply circuit according to claim 2.
ことを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源回路。 3. The switching power supply circuit according to claim 2, wherein the current cutoff circuit stops all switching operations of the four switching elements when the input voltage monitoring circuit detects an input overvoltage state. 4.
前記第1の変換回路に入力される前記直流入力電圧は前記第1のバッテリから供給され、前記第2の変換回路から出力される前記直流出力電圧は前記第2のバッテリに供給される
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載のスイッチング電源回路。
A switching power supply circuit mounted on a vehicle including a first battery that outputs a higher DC voltage and a second battery that outputs a lower DC voltage,
The DC input voltage input to the first conversion circuit is supplied from the first battery, and the DC output voltage output from the second conversion circuit is supplied to the second battery. The switching power supply circuit according to claim 1, wherein the switching power supply circuit is characterized in that:
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