JP2005168199A - 負荷回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 フィードバック手段の構成を簡素化しつつ、負荷への最適な制御を広範囲にかつ高い精度で行なう負荷回路を提供する。
【解決手段】 マイコン15は、電池14の状態を監視した電流検出回路13からの監視結果に基づき、トランジスタ５，７に与えるパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２のオン，オフ周期や、オン時間およびオフ時間を個々に可変制御する。これにより、電池14への最適な制御を広範囲にかつ高い精度で行なうことができる。また、トランジスタ５，７への制御が、単独のマイコン15で行なえるので、フィードバック手段としての実装面積が小さく済む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、スイッチング手段を備えたコンバータ部により電池などの負荷に電力を供給する負荷回路に関する。

従来この種の負荷回路の一例として、例えば特許文献１の図３にあるようなハーフブリッジ型のスイッチング電源回路を利用したものが知られている。図３は、こうしたハーフブリッジ型回路を備えた負荷回路の一例を示すものであるが、１は例えばＡＣ100Ｖを供給する交流電源、２は全波整流器としてのダイオードブリッジ回路であり、交流電源１からの入力電圧がダイオードブリッジ回路２により整流され、このダイオードブリッジ回路２の整流出力が、チョークコイル３と第１のスイッチング手段であるトランジスタ５と、第２のスイッチング手段であるトランジスタ７とからなる直列回路に供給されるようになっている。

トランジスタ５のコレクタ・エミッタ間には、ダイオード６が逆並列接続されると共に、トランジスタ７のコレクタ・エミッタ間には、別なダイオード８が逆並列接続される。トランス９の１次巻線９ａのドット側は、トランジスタ５のエミッタとトランジスタ７のコレクタとの接続点に接続され、１次巻線９ａの非ドット側はコンデンサ10の一端に接続される。また、コンデンサ10の他端は、基準電位ラインであるトランジスタ７のエミッタへ接続される。

一方、トランス９の２次巻線９ｂのドット側には、ダイオード11のアノードが接続されると共に、２次巻線９ｂの非ドット側には、別なダイオード12のアノードが接続される。また、ダイオード11，12のカソードどうしが接続され、この接続点と２次巻線９ｂのセンタータップ９ｃとの間には、負荷である電池14が接続され、上記一対のトランジスタ５，７とトランス９の他に、トランス９の１次巻線９ａとＬＣ共振回路をなすコンデンサ10と、ダイオード６，８と、出力回路を構成するダイオード11，12とにより、ハーフブリッジ型のコンバータ部４を構成する。

そして、前記コンバータ部４は、トランジスタ５，７が交互にオン，オフすることにより、トランス９の１次巻線９ａにダイオードブリッジ回路２からの整流出力が断続的に印加され、これによりトランス９の２次巻線９ｂに、１次巻線９ａと２次巻線９ｂとの巻数比に比例した電圧が誘起されると共に、ダイオード11，12を介して電池14に充電電力を供給するようにしている。

一方、電池14への充電電流に基づき、トランジスタ５，７の動作ひいては電池14を最適に制御するフィードバック手段として、この充電電流を検出する電流検出回路13と、トランジスタ５，７の周期を決定する発振回路18と、発振回路18からのＨ（ハイ）レベルまたはＬ（ロー）レベルの発振信号Ｓ11を、２個のトランジスタ５，７が交互にオン，オフするパルス駆動信号Ｓ１’，Ｓ２’に分離する位相分離回路19とを備えて構成される。また位相分離回路19は、２個のトランジスタ５，７を交互にオン，オフさせる際に、これらの各トランジスタ５，７に送られるパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２が同時にオフになるように、デッドタイムを設けるＯＦＦ遅延回路20を備えている。

なお、ＯＦＦ遅延回路20はフォトカプラ16，17の発光素子へそれぞれ接続され、フォトカプラ16の受光素子はトランジスタ７のベースへ、またフォトカプラ17の受光素子はトランジスタ６のベースへそれぞれ接続される。

上記構成についてその作用を説明すると、交流電源１からの交流入力電圧はダイオードブリッジ回路２により整流され、このダイオードブリッジ回路２の整流出力が、チョークコイル３を介してコンバータ部４の入力側に印加される。一方、前記フィードバック手段では、発振回路18から一定周波数のパルス発振信号Ｓ11が生成され、これを受けた位相分離回路19がパルス発振信号Ｓ11の位相分離を行うことで、ハイ，ローが対称な２つのパルス駆動信号Ｓ１’，Ｓ２’を生成する。そしてこの２つのパルス駆動信号はＯＦＦ遅延回路20へ入力され、パルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２のハイレベルからローレベルへの切り替りと、ローレベルからハイレベルへの切り替り時において、双方のパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２が共にローになるようにデットタイムを設けて、フォトカプラ16とフォトカプラ17へ出力するようにしている。

今、フォトカプラ17からハイレベルのパルス駆動信号Ｓ１がトランジスタ５のベースへ入力されたとすると、このときにはトランジスタ７のベースはローレベルであるため、トランジスタ５はオン状態となる一方で、トランジスタ７はオフ状態となり、ダイオードブリッジ回路２で全波整流された電圧が、チョークコイル３を介して、トランス９の１次巻線９ａおよびコンデンサ10に印加される。これによりコンデンサ10は充電されると共に、２次巻線９ｂのドット側を正極性とした電圧が誘起され、ダイオード11が導通して電池14に充電電流が供給される。

続いてフォトカプラ17からトランジスタ５のベースへ入力されるパルス駆動信号Ｓ１がハイレベルからローレベルになると、トランジスタ５はオフ状態となる。この時には、ＯＦＦ遅延回路20の作用によりトランジスタ７もオフ状態を保ったままであるが、トランス９の一次巻線９ａを流れる電流によってダイオード８が導通し、一次巻線９ａに蓄えられたエネルギーがダイオード８を介して循環するので、コンデンサ10の充電は継続するとともに、２次巻線９ｂのドット側を正極性とした電圧誘起も継続される。

次にフォトカプラ16からハイレベルのパルス駆動信号Ｓ２がトランジスタ７のベースへ入力されると、このときにはトランジスタ５のベースはローレベルであるため、トランジスタ７がオン状態となる一方で、トランジスタ５はオフ状態となる。１次巻線９ａに蓄えられたエネルギーがコンデンサ10に全て移動すると、トランジスタ７を介してコンデンサ10に蓄えられた電荷の放電が始まり、１次巻線９ａにはそれまでとは逆方向の共振電流が流れるようになる。すると、トランス９の２次巻線９ｂには、非ドット側を正極性とする電圧が誘起され、ダイオード11は非道通状態となり、今度はダイオード12が導通して、電池14に充電電流が供給される。

その後、トランジスタ７へのパルス駆動信号Ｓ２がローレベルに切り替わると、今度はダイオード６が導通してコンデンサ10の電荷をコンバータ回路４の入力側に戻す。コンデンサ10が完全に放電した時点では、トランジスタ５のベースにハイレベルのパルス駆動信号Ｓ１が与えられるので、上述の動作に戻って電池14に充電電流を供給する。

また、フィードバック手段を構成する電流検出回路13は、電池14を流れる充電電流を監視し、その監視結果を発振回路18にフィードバックする。これを受けて発振回路18は、電池14への充電電流が一定になるように、パルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２の一群の発振周波数を可変制御する。
特開平６−２８４７１３号公報

上記図３の従来例に開示される負荷回路は、トランジスタ５，７のベースへ入力するパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２が、発振回路18からのパルス発振信号Ｓ11の周波数が固定値である関係で一定の周期となり、トランジスタ５，７のオン，オフ時間を任意に変更することができない。そのため、２次側回路における電流制御精度が悪いものとなる。また、発振回路18はパルス発振信号Ｓ11の周波数を大きく可変することができないので、負荷である電池14の変化に対する電流制御の範囲が狭く、最適な出力電流（充電電流）の制御を広範囲にかつ高い精度で行なうことができない。さらには、フィードバック手段として発振回路18，位相分離回路19およびＯＦＦ遅延回路20が設けられるため、部品点数が多くなって、これらの回路を実装する基板面積を広く取らなければならず、負荷回路の小型化が難しいといった問題もあった。

本発明は上記問題点に鑑み、フィードバック手段の構成を簡素化しつつ、負荷への最適な制御を広範囲にかつ高い精度で行なうことができる負荷回路を提供することをその目的とする。

本発明における負荷回路は、上記目的を達成するために、スイッチング手段を備えたコンバータ部から、負荷へ電力を供給すると共に、フィードバック手段を備えた負荷回路において、前記フィードバック手段は前記スイッチング手段の周期、若しくはオン時間またはオフ時間を制御する制御手段により構成される。

上記構成により、制御手段は、負荷の状態を監視した結果に基づいて、スイッチング手段に与えるパルス駆動信号の周期や、オン時間およびオフ時間を制御するので、従来のようなパルス群単位での制御に比べて、負荷への最適な制御を広範囲にかつ高い精度で行なうことができる。また、こうしたスイッチング手段への制御が、単独の制御手段で行なえるので、フィードバック手段としての実装面積が小さく済み、負荷回路の小型化を図ることができる。

本発明の負荷回路によれば、フィードバック手段の構成を簡素化しつつ、負荷への最適な制御を広範囲にかつ高い精度で行なうことが可能になる。

以下、本発明の好ましい負荷回路について、図１および図２を参照して説明する。尚、図３の従来の負荷回路と構成と動作が重複するものについては同一の符号を付し、その説明を省略する。

負荷回路の全体構成を示す図１において、コンバータ部４を含めた交流電源１から電池14に至る主回路の構成は、図３に示す従来例と共通しているが、ここでは電池14の状態を監視してトランジスタ５，７を制御するフィードバック手段として、ワンチップのマイクロコンピュータ（以下、マイコンという）15が、電流検出回路13とフォトカプラ16，17との間に接続される。このマイコン15は、電流検出回路13の監視結果に基づき、負荷14への充電電流が最適な値となるように、スイッチング素子であるトランジスタ５，７に与えられるパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２のオン，オフ周期、あるいはオン時間またはオフ時間のいずれかをそれぞれ任意に可変制御するものである。

図２にマイコン15内部の機能構成を示す。各構成とその動作について説明をすると、22はフォトカプラ17を介してトランジスタ５にパルス駆動信号Ｓ１を出力する第１のＰＷＭ（パルス幅制御）出力手段であり、また23はフォトカプラ16を介してトランジスタ７にパルス駆動信号Ｓ２を出力する第２のＰＷＭ（パルス幅制御）出力手段である。また、ＰＷＭ出力手段22，23から出力されるパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２を交互にオン，オフさせ、かつ各パルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２のターンオンまたはターンオフ時に、双方のパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２が同時にオフになるデッドタイムを持たせるために、これらのＰＷＭ出力手段22，23を共通に制御するパルス駆動信号生成手段24が設けられる。さらに25は、電流検出手段13からのアナログ監視信号をデジタル変換するアナログ／デジタル変換手段であり、このアナログ／デジタル変換手段25からのデジタル符号化された監視信号に基づき、各ＰＷＭ出力手段22，23が、個々のパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２におけるオン時間またはオフ時間（デューティー）、あるいはオン，オフ周期（ＰＦＭ制御の場合）を最適に制御するようになっている。

なお、各ＰＷＭ出力手段22，23は、トランス９の１次巻線９ａとコンデンサ10との共振回路の共振周波数よりも高い周波数のパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２をトランジスタ５，７に出力する。これにより、各トランジスタ５，７において零電流スイッチング動作をさせ、これらの各トランジスタ５，７のスイッチング損失を低減するようにしている。

次に、上記マイコン15を備えた本実施例における負荷回路の作用を説明する。交流電源１からの交流入力電圧はダイオードブリッジ回路２により整流され、このダイオードブリッジ回路２の整流出力が、チョークコイル３を介してコンバータ部４の入力側に印加される。一方、マイコン15の各ＰＷＭ出力手段21，22は、デッドタイムを有しながら交互にオン，オフするパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２を生成して、このパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２をフォトカプラ17，16を通じてトランジスタ５，７にそれぞれ供給する。

フォトカプラ17からハイレベルのパルス駆動信号Ｓ１がトランジスタ５のベースへ入力されると、別なトランジスタ７のベースはローレベルであるため、トランジスタ５はオン状態となる一方で、トランジスタ７はオフ状態となり、ダイオードブリッジ回路２で全波整流された電圧が、チョークコイル３を介して、トランス９の１次巻線９ａおよびコンデンサ10に印加される。これによりコンデンサ10は充電されると共に、２次巻線９ｂのドット側を正極性とした電圧が誘起され、ダイオード11が導通して電池14に充電電流が供給される。

次に、フォトカプラ17からトランジスタ５のベースへ入力されるパルス駆動信号Ｓ１がハイレベルからローレベルになると、トランジスタ５はオフ状態となる。この時には、ＯＦＦ遅延回路20の作用によりトランジスタ７もオフ状態を保ったままであり、トランス９の一次巻線９ａに蓄えられたエネルギーがダイオード８を介して循環するので、コンデンサ10の充電は継続するとともに、２次巻線９ｂのドット側を正極性とした電圧誘起も継続され、ダイオード11を通して電池14に充電電流が供給される。

その後、フォトカプラ16からハイレベルのパルス駆動信号Ｓ２がトランジスタ７のベースへ入力されると、このときにはトランジスタ５のベースはローレベルであるため、トランジスタ７がオン状態となる一方で、トランジスタ５はオフ状態となる。この時点では、１次巻線９ａに蓄えられたエネルギーにより引き続きコンデンサ10を充電しているが、やがてオン状態にあるトランジスタ７を介してコンデンサ10の放電が始まり、１次巻線９ａにはそれまでとは逆方向の共振電流が流れる。すると、トランス９の２次巻線９ｂには非ドット側を正極性とする電圧が誘起され、ダイオード12が導通して電池14に充電電流が供給される。

さらに、トランジスタ７へのパルス駆動信号Ｓ２がローレベルに切り替わると、今度はダイオード６が導通してコンデンサ10の電荷をコンバータ回路４の入力側に戻す。コンデンサ10が完全に放電した時点では、トランジスタ５のベースにハイレベルのパルス駆動信号Ｓ１が与えられるので、上述の動作に戻って電池14に充電電流を供給する。

上記一連の動作において、フィードバック手段を構成する電流検出回路13は、電池14を流れる充電電流を監視し、その監視信号をマイコン15のアナログ／デジタル変換手段25に送出する。マイコン15のアナログ／デジタル変換手段25からパルス駆動信号生成手段23に送られるデジタル監視信号によって、各ＰＷＭ出力手段21，22は、電池14に与えられる充電電流が適正値になるように、トランジスタ５，７に供給するパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２のデューティ（周期を固定したオン時間またはオフ時間）を可変する。マイコン15は、従来例のように、パルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２の一群の発振周波数ではなく、個々のパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２におけるオン時間またはオフ時間を、電池14の充電電流に応じて細かく制御するので、高い精度で電池14への充電電流を適正値に制御することが可能になると共に、負荷である電池14の変化に対する電流制御の範囲も広くなる。なお、本実施例では、２つのＰＷＭ出力手段21，22により、パルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２のパルス幅を制御しているが、ＰＦＭ出力手段によりパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２のオン，オフ周期を可変させてもよい。

以上のように本実施例では、スイッチング手段であるトランジスタ５，７を備えたコンバータ部４から、負荷である電池14へ電力を供給すると共に、電池14の状態を例えば電流検出手段13で監視して各トランジスタ５，７を制御するフィードバック手段を備えた負荷回路において、このフィードバック手段はトランジスタ５，７のオン時間またはオフ時間を任意に可変制御するＰＷＭ出力手段21，22を備えた制御手段たるマイコン15により構成している。

この場合、マイコン15は、電池14の状態を監視した電流検出回路13からの監視結果に基づいて、トランジスタ５，７に与えるパルス駆動信号Ｓ１，Ｓ２のオン，オフ周期や、オン時間およびオフ時間を個々に可変制御するので、従来のようなパルス群単位での制御に比べて、電池14への最適な制御を広範囲にかつ高い精度で行なうことができる。また、こうしたトランジスタ５，７への制御が、単独のマイコン15で行なえるので、フィードバック手段としての実装面積が小さく済み、負荷回路の小型化を図ることができる。

また本実施例におけるマイコン15は、トランス９の１次巻線９ａとコンデンサ10とにより構成される共振回路の共振周波数より少し高い周波数で、トランジスタ５，７のスイッチング動作を制御するものなので、各トランジスタ５，７のゼロ電流スイッチングを実現し、トランジスタ５，７のスイッチングに伴なうノイズを低減することができる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で適宜変更が可能である。例えば、スイッチング素子であるトランジスタ５，７はＦＥＴを用いてもよく、電流検出回路13はトランス９の一次側へ設けるようにしても良い。また、トランス９の二次側の負荷としては誘導コイル等を接続することも可能であり、電磁加熱調理器等への適用も可能である。さらに、負荷の状態を監視する手段として、例えば負荷電圧を監視する電圧検出手段を設けてもよい。

本実施例における負荷回路の一例を示す回路図である。 同上、マイクロコンピュータの内部機能構成の一例を示すブロック図である。 従来の負荷回路の一例を示す回路図である。

符号の説明

４ コンバータ部
５，７ トランジスタ（スイッチング手段）
14 電池（負荷）
15 マイコン（フィードバック手段，制御手段）

Claims (1)

1. スイッチング手段を備えたコンバータ部から、負荷へ電力を供給すると共に、フィードバック手段を備えた負荷回路において、
   前記フィードバック手段は前記スイッチング手段の周期、若しくはオン時間またはオフ時間を制御する制御手段により構成されることを特徴とする負荷回路。
   
   

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