JP2005312139A - 直流−直流変換装置の過電流保護回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】装置の大形化や高価格化を招くことなく、変圧器の磁気飽和を防いで過電流によるスイッチング素子等の保護を可能とする。
【解決手段】直流電源1、変圧器2、スイッチング素子3、ダイオード4等からなるフライバックコンバータ方式の直流−直流変換装置において、スイッチング素子3を流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流検出用の抵抗6と、ダイオード10、コンデンサ11及び放電抵抗12からなり、かつ、前記電圧信号を一定期間保持する電圧保持手段と、この電圧保持手段の出力電圧が規定値以上であるときにスイッチング素子3をオフさせるためのコンパレータ7及び制御回路9からなる制御手段とを備える。
【選択図】図1
【解決手段】直流電源1、変圧器2、スイッチング素子3、ダイオード4等からなるフライバックコンバータ方式の直流−直流変換装置において、スイッチング素子3を流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流検出用の抵抗6と、ダイオード10、コンデンサ11及び放電抵抗12からなり、かつ、前記電圧信号を一定期間保持する電圧保持手段と、この電圧保持手段の出力電圧が規定値以上であるときにスイッチング素子3をオフさせるためのコンパレータ7及び制御回路9からなる制御手段とを備える。
【選択図】図1
Description
本発明は、半導体スイッチング素子の動作により負荷に直流電力を供給する直流電源としての直流−直流変換装置において、起動時または出力短絡時の過電流から回路を保護するための過電流保護回路に関するものである。
図4は、この種の過電流保護回路の従来技術を示している。
図4において、1は直流電源、2は一次巻線2aの一端が直流電源1の正極に接続された変圧器、3は直流電源1の負極と一次巻線1aの他端との間に直列に接続されたMOSFET等の半導体スイッチング素子、4は変圧器2の二次巻線2bの一端にアノードが接続されたダイオード、5はそのカソードと二次巻線2bの他端との間に接続されたコンデンサであり、これらによって直流−直流変換装置が構成されている。
また、過電流保護回路は、スイッチング素子3に直列接続された電流検出用の抵抗6と、基準電圧発生器(直流基準電圧源)8と、その基準電圧(制限レベル)が非反転入力端子に入力され、かつ、反転入力端子に前記抵抗6の一端の電圧が入力されるコンパレータ7と、このコンパレータ7の出力信号が入力された制御回路9とから構成されており、制御回路9の出力信号によりスイッチング素子3のオンオフが制御されるようになっている。
図4において、1は直流電源、2は一次巻線2aの一端が直流電源1の正極に接続された変圧器、3は直流電源1の負極と一次巻線1aの他端との間に直列に接続されたMOSFET等の半導体スイッチング素子、4は変圧器2の二次巻線2bの一端にアノードが接続されたダイオード、5はそのカソードと二次巻線2bの他端との間に接続されたコンデンサであり、これらによって直流−直流変換装置が構成されている。
また、過電流保護回路は、スイッチング素子3に直列接続された電流検出用の抵抗6と、基準電圧発生器(直流基準電圧源)8と、その基準電圧(制限レベル)が非反転入力端子に入力され、かつ、反転入力端子に前記抵抗6の一端の電圧が入力されるコンパレータ7と、このコンパレータ7の出力信号が入力された制御回路9とから構成されており、制御回路9の出力信号によりスイッチング素子3のオンオフが制御されるようになっている。
上記従来技術の動作を、図5を参照しつつ説明する。
まず、スイッチング素子3がオンすると、変圧器2の一次巻線2aに直流電源電圧が印加される。直流電源電圧をE、一次巻線2aのインダクタンスをL、スイッチング素子3のオン期間をTonとすると、スイッチング素子3のオン期間中、変圧器2の一次電流IdはE×Ton/Lだけ増加して変圧器2にエネルギーが蓄積される。
まず、スイッチング素子3がオンすると、変圧器2の一次巻線2aに直流電源電圧が印加される。直流電源電圧をE、一次巻線2aのインダクタンスをL、スイッチング素子3のオン期間をTonとすると、スイッチング素子3のオン期間中、変圧器2の一次電流IdはE×Ton/Lだけ増加して変圧器2にエネルギーが蓄積される。
次に、スイッチング素子3をオフすると、変圧器2の二次側に起電力V2が図示した極性で発生し、ダイオード4及びコンデンサ5を介して二次電流が流れる。ダイオード4の導通によってコンデンサ5の端子電圧がV2とほぼ等しくなり、この電圧は変圧器2の二次電流を減少させる方向に作用する。この動作により、スイッチング素子3のオフ期間中、変圧器2に蓄えられたエネルギーはコンデンサ5に放出され、最終的に負荷(図示せず)に供給される。
スイッチング素子3が再度、オンすると、変圧器2の一次側に再び電流が流れるが、図5に[通常時]として示すように、オンした直後の電流値は、前回オフする直前の電流値よりも、放出されたエネルギーに相当する分だけ減少している。変圧器2の変圧比の設定及びスイッチング素子3のオン期間、オフ期間の長さを制御することによる伝達エネルギー量の制御により、コンデンサ5の定常的な電圧を所望の値に保つことができる。以上の動作は、フライバックコンバータ方式の直流−直流変換装置としてよく知られている。
上記回路において、過電流によりスイッチング素子3等が損傷するのを防ぐために、抵抗6、コンパレータ7、基準電圧発生器8、制御回路9からなる過電流保護回路が設けられている。抵抗6は、スイッチング素子3を流れる電流Idに比例した電圧Vdを発生し、この電圧Vdはコンパレータ7の反転入力端子に入力される。
電圧Vdが基準電圧発生器8により設定された制限レベルを超えると、コンパレータ7から「Low」レベルのオフ指令が出力され、制御回路9の動作によってスイッチング素子3の電流Idを減少させる。ここで、制御回路9は、スイッチング周期によって定まる次のオンタイミングまではスイッチング素子3を再度オンさせないように設定されており、本来のスイッチングよりも短い周期でスイッチング素子3がオンオフを繰り返す、いわゆるチャタリングを防止するようにしている。
電圧Vdが基準電圧発生器8により設定された制限レベルを超えると、コンパレータ7から「Low」レベルのオフ指令が出力され、制御回路9の動作によってスイッチング素子3の電流Idを減少させる。ここで、制御回路9は、スイッチング周期によって定まる次のオンタイミングまではスイッチング素子3を再度オンさせないように設定されており、本来のスイッチングよりも短い周期でスイッチング素子3がオンオフを繰り返す、いわゆるチャタリングを防止するようにしている。
なお、半導体素子を流れる電流が保護レベルに達したことの検出信号が一定時間内に設定回数以上検出された場合に、半導体素子を継続的にオフさせる制御信号を駆動停止制御回路から出力させて半導体素子を保護するようにした保護回路が、特許文献1に記載されている。
図4に示した従来技術において、直流−直流変換装置の起動時にはコンデンサ5の電圧が0[V]であり、スイッチング素子3がオン状態からオフに移行してダイオード4が導通しても変圧器2の二次側には電圧が印加されない。このため、二次電流は減少しないことになり、その状態でスイッチング素子3が再度オンされると、前回オフする直前の電流値とほぼ等しい値から一次電流Idが増加し始める。これにより、電流Idが制限レベルを超えると前述した過電流保護回路の動作によってスイッチング素子3がオフする。
ここで、コンデンサ5の静電容量が大き過ぎなければ、上記動作を繰り返すうちにコンデンサ5が充電されて電圧が上昇し、スイッチング素子3のオフ期間中に一次電流Idが減少するようになり、電流Idが制限レベルにかからない範囲で運転されるようになる。
ここで、コンデンサ5の静電容量が大き過ぎなければ、上記動作を繰り返すうちにコンデンサ5が充電されて電圧が上昇し、スイッチング素子3のオフ期間中に一次電流Idが減少するようになり、電流Idが制限レベルにかからない範囲で運転されるようになる。
しかしながら、直流電源1が停電した場合などに出力電圧を一定期間保持する目的でコンデンサ5の静電容量を大きくした場合には、コンデンサ5の電圧が上昇するまでに時間がかかるため、図5の[起動時]の動作波形に示す如く、一次電流Idが減少しない期間が長く続く。このとき、スイッチング素子3のオン直後に電流Idはすでに制限レベルを超えている状態となるが、回路の動作遅れ時間tdに起因してスイッチング素子3のオン期間が僅かに残り、その間、電流Idは更に増加する。これがスイッチング周期ごとに繰り返されることにより、一次電流Idは制限レベルを超えて増加し続けることになる。
特に、電流Idの増加によって変圧器2の磁心が磁気飽和を起こすと、変圧器2の一次巻線2aのインダクタンスLが小さくなるため電流増加率が更に大きくなり、一次電流Idは制限レベルの10倍近くまで達することがある。これによる回路の損傷を防ぐためには、変圧器2の磁心を大形化して飽和しにくくするか、スイッチング素子3の容量を大きくする必要があるが、これらの対策を採ると装置の大形化、高価格化を招く。
上述したような一次電流Idの過電流状態は、直流−直流変換装置の出力側が短絡した場合にも起こり得るものである。
一方、前述した特許文献1に記載された保護回路では、駆動停止制御回路が発振器やカウンタ、フリップフロップ等により構成されており、回路構成が複雑であるという問題がある。
上述したような一次電流Idの過電流状態は、直流−直流変換装置の出力側が短絡した場合にも起こり得るものである。
一方、前述した特許文献1に記載された保護回路では、駆動停止制御回路が発振器やカウンタ、フリップフロップ等により構成されており、回路構成が複雑であるという問題がある。
そこで本発明は、装置の大形化や高価格化、回路の複雑化を招くことなく、変圧器の磁気飽和を防いで過電流によるスイッチング素子等の保護を可能とした直流−直流変換装置の過電流保護回路を提供しようとするものである。
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、直流電源の両端に、変圧器の一次巻線と半導体スイッチング素子との直列回路が接続されると共に、前記変圧器の二次巻線にダイオードが接続され、前記スイッチング素子のオン期間に前記変圧器に蓄積されたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ期間に前記ダイオードを介して負荷に供給する直流−直流変換装置において、
前記スイッチング素子を流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流検出手段と、
この電流検出手段に接続された整流回路、及び前記整流回路の出力側に接続されたコンデンサ、並びに前記コンデンサの放電回路からなり、かつ、前記電圧信号を一定期間、保持可能とした電圧保持手段と、
この電圧保持手段の出力電圧が規定値以上であるときに前記スイッチング素子をオフさせる制御手段と、を備えたものである。
前記スイッチング素子を流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流検出手段と、
この電流検出手段に接続された整流回路、及び前記整流回路の出力側に接続されたコンデンサ、並びに前記コンデンサの放電回路からなり、かつ、前記電圧信号を一定期間、保持可能とした電圧保持手段と、
この電圧保持手段の出力電圧が規定値以上であるときに前記スイッチング素子をオフさせる制御手段と、を備えたものである。
また、請求項2に記載するように、前記コンデンサの放電時定数は、スイッチング素子を流れる電流の制限レベルからの超過量に応じて電圧保持時間が長くなるように調節される。
本発明によれば、半導体スイッチング素子を流れる電流の超過量に応じて電圧保持手段による保持時間が長くなり、その出力電圧を前記規定値と比較するコンパレータを備えた制御手段により前記スイッチング素子のオフ期間が長くなるように制御が行われる。このため、直流−直流変換装置の起動時や出力短絡時においてスイッチング素子を流れる電流の増加が抑制され、スイッチング素子に一次巻線が接続された変圧器の磁気飽和や、過電流による素子または回路の損傷を防止することができる。
また、変圧器の大形化やスイッチング素子の大容量化を回避して装置全体の小形軽量化、低価格化が可能になる。
更に、図4に示したような従来技術に僅かな回路部品を付加するだけで実現可能であり、この点でも低価格化に寄与する。
また、変圧器の大形化やスイッチング素子の大容量化を回避して装置全体の小形軽量化、低価格化が可能になる。
更に、図4に示したような従来技術に僅かな回路部品を付加するだけで実現可能であり、この点でも低価格化に寄与する。
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1はこの実施形態の構成を示す回路図であり、図4と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
図1において、抵抗6の一端とコンパレータ7の反転入力端子との間にはダイオード10が図示の極性で接続されており、そのカソードと基準電圧発生器8の負極との間には、コンデンサ11と放電用の抵抗12との並列回路が接続されている。
なお、抵抗6は本発明における電流検出手段を、ダイオード10、コンデンサ11及び放電用の抵抗12は電圧保持手段を、基準電圧発生器8、コンパレータ7及び制御回路9はスイッチング素子3の制御手段を、それぞれ構成している。ここで、スイッチング素子3はMOSFETに限定されず、バイポーラトランジスタ等でも良いのは言うまでもない。
図1はこの実施形態の構成を示す回路図であり、図4と同一の構成要素には同一の参照符号を付して説明を省略し、以下では異なる部分を中心に説明する。
図1において、抵抗6の一端とコンパレータ7の反転入力端子との間にはダイオード10が図示の極性で接続されており、そのカソードと基準電圧発生器8の負極との間には、コンデンサ11と放電用の抵抗12との並列回路が接続されている。
なお、抵抗6は本発明における電流検出手段を、ダイオード10、コンデンサ11及び放電用の抵抗12は電圧保持手段を、基準電圧発生器8、コンパレータ7及び制御回路9はスイッチング素子3の制御手段を、それぞれ構成している。ここで、スイッチング素子3はMOSFETに限定されず、バイポーラトランジスタ等でも良いのは言うまでもない。
次に、この実施形態の動作を図2,図3を参照しつつ説明する。
図2は、図1の実施形態における通常時及び起動時の動作を示す波形図である。
通常時において、コンデンサ11の電圧Vdが基準電圧発生器8による制限レベルを超えない場合には、スイッチング素子3のオンオフに応じて、図5と同様に一次電流Idが変化する。
また、この実施形態ではダイオード10及びコンデンサ11が設けられているため、スイッチング素子3がオフした後は、電圧Vdは僅かに低下しながらも一定期間保持される。
図2は、図1の実施形態における通常時及び起動時の動作を示す波形図である。
通常時において、コンデンサ11の電圧Vdが基準電圧発生器8による制限レベルを超えない場合には、スイッチング素子3のオンオフに応じて、図5と同様に一次電流Idが変化する。
また、この実施形態ではダイオード10及びコンデンサ11が設けられているため、スイッチング素子3がオフした後は、電圧Vdは僅かに低下しながらも一定期間保持される。
一方、図2の起動時において、b1として示すようにIdが制限レベルを僅かに上回ったとしても、スイッチング素子3の次のオンのタイミングt1では、Vdはコンデンサ12の放電動作によって既に制限レベル以下に低下しているので、動作には影響しない。
また、b2として示すように、Idが制限レベルを大きく超えると、スイッチング素子3の次のオンのタイミングt2でもVdは制限値を超えるようになり、破線で示すように次のオン自体が行われなくなる(1パルス休止という)。
Idが更に大きくなると、スイッチング素子3のオンパルスの休止期間が長くなり(複数のパルスが休止される)、その間、回路損失や僅かに上昇したコンデンサ5の電圧により電流Idが次第に減少する。
また、b2として示すように、Idが制限レベルを大きく超えると、スイッチング素子3の次のオンのタイミングt2でもVdは制限値を超えるようになり、破線で示すように次のオン自体が行われなくなる(1パルス休止という)。
Idが更に大きくなると、スイッチング素子3のオンパルスの休止期間が長くなり(複数のパルスが休止される)、その間、回路損失や僅かに上昇したコンデンサ5の電圧により電流Idが次第に減少する。
ここで、本実施形態では、コンデンサ11の静電容量と抵抗12の抵抗値との積である放電時定数を、スイッチング素子3のスイッチング周期に合わせて調節しておくものとする。図1の構成において、ある時刻から時間tを経過した後のコンデンサ11の電圧Vdは、初期値をVd0とすると数式1によって表される。
[数式1]
Vd=Vd0exp(−t/RC)
ここで、Rは抵抗12の抵抗値、Cはコンデンサ11の静電容量である。
Vd=Vd0exp(−t/RC)
ここで、Rは抵抗12の抵抗値、Cはコンデンサ11の静電容量である。
図3は、Idの通常時及び起動時の波形と、放電時定数に応じたVdの波形とを示している。
この実施形態では、装置の起動時にスイッチング素子3のオン直後のIdがその制限レベルを40%超えると、前述したダイオード10、コンデンサ11及び抵抗12による電圧保持動作により、スイッチング素子3の本来の次回のオンのタイミングではVdが制限レベルを超えるように放電時定数を設定し、これによってスイッチング素子3をオンさせない(前述した1パルス休止)こととしている。ちなみにこの放電時定数では、Idがその制限レベルを97%超えると、本来の次回及び次々回(合計2回の休止)のタイミングでスイッチング素子3がオンしなくなる。
すなわち、コンデンサ11及び抵抗12による放電時定数を適宜選択することにより、電流Idが制限レベルを超えた場合にその超過量に応じて電圧保持期間が長くなり、スイッチング素子3のオンによる電流の増加が抑制されることになる。
この実施形態では、装置の起動時にスイッチング素子3のオン直後のIdがその制限レベルを40%超えると、前述したダイオード10、コンデンサ11及び抵抗12による電圧保持動作により、スイッチング素子3の本来の次回のオンのタイミングではVdが制限レベルを超えるように放電時定数を設定し、これによってスイッチング素子3をオンさせない(前述した1パルス休止)こととしている。ちなみにこの放電時定数では、Idがその制限レベルを97%超えると、本来の次回及び次々回(合計2回の休止)のタイミングでスイッチング素子3がオンしなくなる。
すなわち、コンデンサ11及び抵抗12による放電時定数を適宜選択することにより、電流Idが制限レベルを超えた場合にその超過量に応じて電圧保持期間が長くなり、スイッチング素子3のオンによる電流の増加が抑制されることになる。
一方、通常動作中のIdの過電流に対しては、スイッチング素子3の次回のオンのタイミングでVdは制限レベルの84%まで低下しているので、パルス休止は行われない。このため、スイッチング素子3の不要なパルス休止による直流−直流変換装置の出力低下を回避することができる。
以上のように本実施形態によれば、従来のように変圧器2の磁心を大形化して飽和を防止したり、スイッチング素子3を大容量化するといった対策によることなく、起動時や出力短絡時の過電流を防止することができる。
また、過電流を防止するには、通常時と起動時とでスイッチング素子3の動作モードを異ならせたり、制限レベルが異なる複数のコンパレータを用いて過電流レベルに応じてスイッチング動作の休止時間を変える等の方法も考えられるが、これらの方法と比べた場合にも、回路構成の複雑化やコスト増加を招くことなく過電流の抑制が可能になる。
また、過電流を防止するには、通常時と起動時とでスイッチング素子3の動作モードを異ならせたり、制限レベルが異なる複数のコンパレータを用いて過電流レベルに応じてスイッチング動作の休止時間を変える等の方法も考えられるが、これらの方法と比べた場合にも、回路構成の複雑化やコスト増加を招くことなく過電流の抑制が可能になる。
なお、図1におけるダイオード10に代えて、例えばオペアンプとダイオードとの組み合わせによる信号整流回路(いわゆる理想ダイオード)を用いることも可能である。また、コンデンサ11の放電回路としては、オペアンプ等による定電流回路等を用いることができるのは言うまでもない。
更に、図1における放電用の抵抗12は、直流電源1の負極電位=接地電位の条件で、ダイオード10のアノード−カソード間に接続しても良い。
更に、図1における放電用の抵抗12は、直流電源1の負極電位=接地電位の条件で、ダイオード10のアノード−カソード間に接続しても良い。
1:直流電源
2:変圧器
2a:一次巻線
2b:二次巻線
3:半導体スイッチング素子
4,10:ダイオード
5,11:コンデンサ
6,12:抵抗
7:コンパレータ
8:基準電圧発生器
9:制御回路
2:変圧器
2a:一次巻線
2b:二次巻線
3:半導体スイッチング素子
4,10:ダイオード
5,11:コンデンサ
6,12:抵抗
7:コンパレータ
8:基準電圧発生器
9:制御回路
Claims (2)
- 直流電源の両端に、変圧器の一次巻線と半導体スイッチング素子との直列回路が接続されると共に、前記変圧器の二次巻線にダイオードが接続され、前記スイッチング素子のオン期間に前記変圧器に蓄積されたエネルギーを前記スイッチング素子のオフ期間に前記ダイオードを介して負荷に供給する直流−直流変換装置において、
前記スイッチング素子を流れる電流を検出して電圧信号に変換する電流検出手段と、
この電流検出手段に接続された整流回路、及び前記整流回路の出力側に接続されたコンデンサ、並びに前記コンデンサの放電回路からなり、かつ、前記電圧信号を一定期間、保持可能とした電圧保持手段と、
この電圧保持手段の出力電圧が規定値以上であるときに前記スイッチング素子をオフさせる制御手段と、
を備えたことを特徴とする直流−直流変換装置の過電流保護回路。 - 請求項1に記載した直流−直流変換装置の過電流保護回路において、
前記スイッチング素子を流れる電流の制限レベルからの超過量に応じて電圧保持時間が長くなるように前記コンデンサの放電時定数を調節することを特徴とする直流−直流変換装置の過電流保護回路。
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP2010073067A (ja) * | 2008-09-19 | 2010-04-02 | Fdk Corp | 電流検出回路 |
US7852647B2 (en) | 2007-10-19 | 2010-12-14 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Switching power supply digital control circuit protecting from magnetic saturation effects |
CN107342689A (zh) * | 2017-07-07 | 2017-11-10 | 成都启臣微电子股份有限公司 | 一种反激式开关电源的变压器防饱和控制系统 |
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2004
- 2004-04-20 JP JP2004123599A patent/JP2005312139A/ja active Pending
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CN107342689B (zh) * | 2017-07-07 | 2019-04-30 | 成都启臣微电子股份有限公司 | 一种反激式开关电源的变压器防饱和控制系统 |
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