JP2006087238A

JP2006087238A - スイッチング電源回路

Info

Publication number: JP2006087238A
Application number: JP2004270249A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Akusawa; 好幸阿久澤
Original assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Current assignee: Mitsubishi Electric Engineering Co Ltd
Priority date: 2004-09-16
Filing date: 2004-09-16
Publication date: 2006-03-30

Abstract

【課題】放射線の影響によってソフトスタート回路が一時的に誤動作すると、ソフトスタート基準電圧が０Ｖにリセットされるためソフトスタート回路のコンデンサが放電する。このため、ソフトスタート回路が正常動作に復帰すると、コンデンサの充電を開始してソフトスタート基準電圧の再生成を行うため直流電圧の低下を招いてしまう課題があった。
【解決手段】ソフトスタート基準電圧回路２２により生成されたソフトスタート基準電圧がリセットされると、コンデンサ２５の放電を制限する抵抗３１を設ける。
【選択図】図２

Description

この発明は、例えば、宇宙環境で使用されるスイッチング電源回路に関するものである。

従来のスイッチング電源回路は、スイッチング素子をオンオフすることにより、直流電源回路を断続して交流電圧を生成し、その交流電圧を整流して直流電圧を出力するが、そのスイッチング素子を駆動するパルス信号を生成する際、その直流電圧をゆっくり立ち上げるため、起動指令を受けると徐々に上昇するソフトスタート基準電圧を生成するソフトスタート回路を設け、そのソフトスタート基準電圧に応じてパルス信号を生成する。

特開２００１−１２８４４５公報（図２３）

従来のスイッチング電源回路は以上のように構成されているので、製造コストの高額化を避けるために耐放射線部品を使用せずに組み立てられた場合、宇宙環境に設置されると、放射線の影響によってソフトスタート回路が一時的に誤動作する場合がある。ソフトスタート回路が一時的に停止すると、ソフトスタート基準電圧が０Ｖにリセットされるためソフトスタート回路のコンデンサが放電する。このため、ソフトスタート回路が正常動作に復帰すると、コンデンサの充電を開始してソフトスタート基準電圧の再生成を行うため直流電圧の低下を招いてしまう課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、放射線の影響によってソフトスタート回路が一時的に停止しても、直流電圧の低下を防止することができるスイッチング電源回路を得ることを目的とする。

この発明に係るスイッチング電源回路は、パルス生成手段により生成されたソフトスタート基準電圧がリセットされると、コンデンサの放電を制限する放電制限手段を設けたものである。

以上のように、この発明によれば、パルス生成手段により生成されたソフトスタート基準電圧がリセットされると、コンデンサの放電を制限する放電制限手段を設けるように構成したので、放射線の影響によってソフトスタート回路が一時的に誤動作しても、直流電圧の低下を防止することができる効果がある。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるスイッチング電源回路を示す構成図であり、図において、直流電源１は電界効果トランジスタ（以下、ＴＲという）２とトランス３の一次巻線が直列に挿入されている直流電源回路を構成している。
スイッチング回路１１は直流電源回路を断続して交流電圧を生成するスイッチング手段を構成し、整流回路１２はダイオード１３，１４から構成され、スイッチング回路１１により生成された交流電圧を整流する機能を備えている。平滑回路１５はインダクタ１６及びコンデンサ１７から構成され、整流回路１２の出力電圧を平滑化して直流電圧を生成し、その直流電圧を負荷１８に印加する機能を備えている。なお、整流回路１２及び平滑回路１５から整流手段が構成されている。

パルス幅変調制御回路１９は起動指令を受けると図２のコンデンサ２５の充電を開始して徐々に上昇するソフトスタート基準電圧を生成し、そのソフトスタート基準電圧に応じてパルス信号又は平滑回路１５から出力されたフィードバック信号（フィードバック信号は直流電圧に相当する）と設定電圧の差分に応じてパルス信号を生成するパルス生成手段を構成している。
ゲート駆動回路２０はパルス幅変調制御回路１９により生成されたパルス信号にしたがってスイッチング回路１１のＴＲ２を駆動するスイッチ駆動手段を構成している。

図２はパルス幅変調制御回路１９の内部を示す構成図であり、図において、設定電圧発生回路２１は予め設定された電圧を発生する機能を備え、起動指令を受けるとコンデンサ２５の充電を開始する。
ソフトスタート基準電圧回路２２は抵抗２３，２４及びコンデンサ２５から構成され、設定電圧発生回路２１から設定電圧が印加されると、コンデンサ２５が充電されることにより上昇するコンデンサ２５の端子電圧（ソフトスタート基準電圧）を出力する機能を備えている。ソフトスタート回路２６は起動指令を受けると内部スイッチがオン状態になり、ソフトスタート基準電圧回路２２から出力されたソフトスタート基準電圧を誤差増幅回路２７に与え、停止指令を受けると内部スイッチがオフ状態になり、ソフトスタート基準電圧回路２２から出力されたソフトスタート基準電圧を遮断する機能を備えている。

誤差増幅回路２７は起動指令を受けてから直流電圧の立ち上げが完了するまでの間、ソフトスタート回路２６から出力されたソフトスタート基準電圧をパルス幅変調比較回路２９に与える一方、直流電圧の立ち上げが完了すると、平滑回路１５から出力されたフィードバック信号と設定電圧発生回路２１から出力された設定電圧を比較し、両電圧の差分電圧をパルス幅変調比較回路２９に出力する機能を備えている。

発振回路２８は三角波信号を発振する機能を備え、パルス幅変調比較回路２９は発振回路２８から発振された三角波信号と誤差増幅回路２７から出力されたソフトスタート基準電圧又は差分電圧を比較して、生成するパルス信号のパルス幅を決定する。

駆動回路３０はパルス幅変調比較回路２９により生成されたパルス信号をゲート駆動回路２０に出力する機能を備え、抵抗３１は例えば放射線の影響を受けることによってソフトスタート回路２６の内部スイッチがオフ状態になり、その結果、ソフトスタート基準電圧が０Ｖにリセットされたとき、ソフトスタート基準電圧回路２２からソフトスタート回路２６に向けて流れる電流を抑制して、コンデンサ２５の放電を制限する放電制限手段を構成している。

次に動作について説明する。
スイッチング電源回路は、直流電圧を例えば半導体デバイスに出力する場合、半導体デバイスの破損を防止する観点から、ゆっくり直流電圧を立ち上げるソフトスタートを実施する。
具体的には次の通りである。

まず、パルス幅変調制御回路１９の設定電圧発生回路２１は、図示せぬスタート回路等から起動指令を受けると、ソフトスタート基準電圧回路２２に対して設定電圧を印加することにより、コンデンサ２５の充電を開始する。
設定電圧発生回路２１から設定電圧が印加される以前の状態では、ソフトスタート基準電圧回路２２のコンデンサ２５には電荷が蓄積されていないため、コンデンサ２５の端子電圧であるソフトスタート基準電圧は０Ｖであるが、設定電圧発生回路２１から設定電圧が印加されると、コンデンサ２５には電荷が蓄積されていくため、コンデンサ２５の端子電圧であるソフトスタート基準電圧が徐々に上昇する。

ソフトスタート回路２６は、図示せぬスタート回路等から起動指令を受けると内部スイッチがオン状態になるため、ソフトスタート基準電圧回路２２から出力されたソフトスタート基準電圧を誤差増幅回路２７に与える。ただし、ソフトスタート回路２６の内部にある半導体素子の影響により、誤差増幅回路２７に与えるソフトスタート基準電圧が若干シフトする場合がある。
誤差増幅回路２７は、起動指令を受けてから直流電圧の立ち上げが完了するまでの間、ソフトスタート回路２６から出力されたソフトスタート基準電圧をパルス幅変調比較回路２９に出力する。
直流電圧の立ち上げが完了すると、誤差増幅回路２７は、平滑回路１５から出力されたフィードバック信号と設定電圧発生回路２１から出力された設定電圧を比較し、両電圧の差分電圧をパルス幅変調比較回路２９に出力する。
即ち、誤差増幅回路２７は、ソフトスタート基準電圧と差分電圧を比較し、小さい方の電圧を選択して出力する。

パルス幅変調比較回路２９は、発振回路２８から発振された三角波信号と誤差増幅回路２７から出力されたソフトスタート基準電圧又は差分電圧を比較して、生成するパルス信号のパルス幅を決定する。
即ち、ソフトスタートの初期段階では、直流電圧を低く抑えるためパルス幅が短いパルス信号を生成し、その後、徐々に直流電圧を高くするためパルス幅が徐々に長くなるようにパルス信号を生成する。
駆動回路３０は、パルス幅変調比較回路２９がパルス信号を生成すると、そのパルス信号をゲート駆動回路２０に出力する。

ゲート駆動回路２０は、パルス幅変調制御回路１９により生成されたパルス信号にしたがって直流電源回路のＴＲ２を駆動する。
これにより、スイッチング回路１１のＴＲ２がスイッチングすることになるので、直流電源回路が断続されて交流電圧が生成される。
整流回路１２は、スイッチング回路１１により生成された交流電圧を整流し、平滑回路１５は、整流回路１２の出力電圧を平滑化して直流電圧を生成し、その直流電圧を負荷１８に印加する。

以上により、ゆっくり直流電圧を立ち上げるソフトスタートが実現されるが、スイッチング電源回路が宇宙環境に設置された場合、例えば、放射線の影響を受けることによってソフトスタート回路２６が誤動作し、ソフトスタート回路２６の内部スイッチがオフ状態になることがある。
この場合、ソフトスタート基準電圧が強制的に０Ｖにリセットされることになるため、ソフトスタート基準電圧回路２２のコンデンサ２５に蓄積されている電荷の放電が開始されるが、抵抗３１が挿入されていない場合、多くの電流がソフトスタート基準電圧回路２２からソフトスタート回路２６に向けて流れ、極めて短時間にコンデンサ２５の電荷量が減少する。

このように、コンデンサ２５の電荷量が減少した場合、その後、ソフトスタート回路２６が正常動作に復帰して内部スイッチがオン状態になると、コンデンサ２５の充電を開始してソフトスタート基準電圧の再生成を行うため、一時的に直流電圧の低下を招いてしまうことになる。即ち、コンデンサ２５の電荷量が元に戻るまでの間、直流電圧の低下を招く不具合が発生する。
そこで、この実施の形態１では、コンデンサ２５の電荷量の減少を抑制して、一時的な直流電圧の低下を軽減するため、抵抗３１を挿入することにより時定数を大きくして、ソフトスタート基準電圧回路２２からソフトスタート回路２６に向けて流れる電流を抑制するようにしている。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、ソフトスタート基準電圧回路２２により生成されたソフトスタート基準電圧がリセットされると、コンデンサ２５の放電を制限する抵抗３１を設けるように構成したので、放射線の影響によってソフトスタート回路が一時的に誤動作しても、直流電圧の低下を軽減することができる効果を奏する。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、ソフトスタート基準電圧回路２２の出力側に抵抗３１を設け、図３に示すように、抵抗３３とダイオード３４の並列回路を用いて放電制限手段を構成してもよい。
即ち、上記実施の形態１の場合、抵抗値が大きな抵抗３１を用いる程、時定数が大きくなるため、コンデンサ２５の放電抑制効果が高まるが、抵抗３１に大きな抵抗値を用いると、ソフトスタート回路２６が正常に動作しているときの電流量が少なくなり過ぎて誤動作を招くおそれがある。

そこで、この実施の形態２では、上記の不具合を解消するため、抵抗３３とダイオード３４の並列回路を用いるようにしている。
このように、並列回路を用いれば、ソフトスタート回路２６が正常に動作している通常時では、ソフトスタート基準電圧回路２２を通じて電流が流れるため上記実施の形態１の不具合を解消することができる。なお、この場合、大きな抵抗値の抵抗３３を使用することができるので、コンデンサ２５の放電を効果的に抑制することができる。

実施の形態３．
図４はこの発明の実施の形態３によるスイッチング電源回路を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
スタート回路４１は起動指令又は停止指令を出力する機能を備え、コンデンサ放電回路４２はスタート回路４１から停止指令を受けるとソフトスタート基準電圧回路２２のコンデンサ２５を放電させるコンデンサ放電手段を構成している。

スタート回路４１が起動指令を出力する場合には、上記実施の形態１，２と同様の動作となるが、スタート回路４１が停止指令を出力する場合には、コンデンサ放電回路４２がソフトスタート基準電圧回路２２のコンデンサ２５を瞬間的に放電させる点で上記実施の形態１，２と相違している。
即ち、スイッチング電源回路を停止する場合、次回のソフトスタートに備えてソフトスタート基準電圧回路２２のコンデンサ２５に蓄積されている電荷を放電しておく必要があるが、上記実施の形態１，２のようにコンデンサ放電回路４２が実装されていない場合、コンデンサ２５に蓄積されている電荷が自然に放電されるまで待つ必要があるため、その放電が完了するまでに多くの時間を要する。

そこで、この実施の形態３では、コンデンサ２５を瞬間的に放電させて、スイッチング電源回路の早期のリスタートを可能にするため、スタート回路４１から停止指令を受けるとソフトスタート基準電圧回路２２のコンデンサ２５を瞬間的に放電させるコンデンサ放電回路４２を設けている。
コンデンサ放電回路４２は、スタート回路４１から停止指令を受けると、例えば、コンデンサ２５と並列に接続されているスイッチ４３（図５を参照）をオンすることにより、コンデンサ２５の電荷を強制的に放電させるようにする。

以上で明らかなように、この実施の形態３によれば、スタート回路４１から停止指令を受けるとソフトスタート基準電圧回路２２のコンデンサ２５を放電させるコンデンサ放電回路４２を設けるように構成したので、スイッチング電源回路の早期のリスタートを可能にすることができる効果を奏する。

実施の形態４．
図６はこの発明の実施の形態４によるスイッチング電源回路を示す構成図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
同期整流回路５１はＴＲ５２，５３から構成され、スイッチング回路１１により生成された交流電圧を同期整流する同期整流手段を構成している。ゲート駆動回路５４はパルス幅変調制御回路１９から出力されたパルス信号でＴＲ５２，５３を駆動し、その結果、ＴＲ２がオンのときＴＲ５２をオン及びＴＲ５３をオフし、ＴＲ２がオフのときＴＲ５２をオフ及びＴＲ５３をオンすることにより、同期整流を実現している。ダイオード５５は平滑回路１５の出力端子間に接続されている。

上記実施の形態１〜３では、コンデンサ２５の放電を制限する抵抗３１等が設けられているパルス幅変調制御回路１９が実装されているものについて示したが、この実施の形態４では、パルス幅変調制御回路１９に抵抗３１等が設けらているか否かは問わず、次の不具合を解消するためのものである。
即ち、ゲート駆動回路５４は、放射線の影響を受けることによってパルス幅変調制御回路１９が停止すると、ＴＲ５２をオフしてＴＲ５３をオンすることになる。そのため、その停止期間によっては平滑回路１５のインダクタ１６とコンデンサ１７とが共振して、平滑回路１５の出力電圧が大幅に負電圧に振れる現象が発生し、負荷１８を破損するおそれがある（平滑回路１５の出力端子間にダイオード５５が接続されていない場合）。

そこで、この実施の形態４では、平滑回路１５の出力電圧が大幅に負電圧に振れる現象を防止するため、平滑回路１５の出力端子間にダイオード５５を接続している。
ダイオード５５は、平滑回路１５のインダクタ１６とコンデンサ１７が共振すると導通し、共振による逆電流がダイオード５５に流れるため、平滑回路１５の出力電圧が大幅に負電圧に振れる現象を防止することができる。
よって、この実施の形態４によれば、共振の発生による負荷１８の破損を防止することができる効果を奏する。

実施の形態５．
図７はこの発明の実施の形態５によるスイッチング電源回路を示す構成図であり、図において、図６と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
遮断検出回路５６はパルス幅変調制御回路１９のソフトスタート基準電圧回路２２により生成されたソフトスタート基準電圧を監視し、そのソフトスタート基準電圧が０ＶにリセットされるとＴＲ５２，５３のオフを指示する遮断指令をゲート駆動回路５４に出力する機能を備えている。なお、遮断検出回路５６はスイッチ駆動手段を構成している。

上記実施の形態４では、平滑回路１５の出力端子間にダイオード５５を接続することにより、平滑回路１５の出力電圧が大幅に負電圧に振れる現象を防止するものについて示したが、放射線の影響を受けることによってパルス幅変調制御回路１９が停止したとき、同期整流回路５１のＴＲ５２，５３をオフして、平滑回路１５の共振を防止するようにしてもよい。

即ち、放射線の影響を受けることによってパルス幅変調制御回路１９が停止すると、上述したように、ソフトスタート基準電圧が強制的に０Ｖにリセットされるため、遮断検出回路５６が、ソフトスタート基準電圧が０Ｖにリセットされたことを検出すると遮断指令をゲート駆動回路５４に出力する。
ゲート駆動回路５４は、遮断検出回路５６から遮断指令を受けると、同期整流回路５１のＴＲ５２，５３をオフして、平滑回路１５の共振を防止する。
これにより、この実施の形態５によれば、平滑回路１５の出力電圧が大幅に負電圧に振れる現象を防止して、負荷１８の破損を防止することができる効果を奏する。

実施の形態６．
図８はこの発明の実施の形態６によるスイッチング電源回路を示す構成図であり、図において、図６と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
遮断検出回路５７はパルス幅変調制御回路１９の誤差増幅回路２７の出力電圧（ソフトスタート基準電圧又は差分電圧）を監視し、その出力電圧が設定電圧以下になると、ＴＲ５２，５３のオフを指示する遮断指令をゲート駆動回路５４に出力する機能を備えている。なお、遮断検出回路５７はスイッチ駆動手段を構成している。

即ち、放射線の影響を受けることによってパルス幅変調制御回路１９が停止すると、上述したように、ソフトスタート基準電圧が強制的に０Ｖにリセットされるため、誤差増幅回路２７の出力電圧が設定電圧以下となる。
遮断検出回路５７は、その出力電圧が設定電圧以下であることを検出すると遮断指令をゲート駆動回路５４に出力する。
ゲート駆動回路５４は、遮断検出回路５７から遮断指令を受けると、同期整流回路５１のＴＲ５２，５３をオフして、平滑回路１５の共振を防止する。
これにより、この実施の形態６によれば、平滑回路１５の出力電圧が大幅に負電圧に振れる現象を防止して、負荷１８の破損を防止することができる効果を奏する。

この発明の実施の形態１によるスイッチング電源回路を示す構成図である。この発明の実施の形態１によるパルス幅変調制御回路の内部を示す構成図である。この発明の実施の形態２によるパルス幅変調制御回路の内部を示す構成図である。この発明の実施の形態３によるスイッチング電源回路を示す構成図である。この発明の実施の形態３によるソフトスタート基準電圧回路の一部を示す構成図である。この発明の実施の形態４によるスイッチング電源回路を示す構成図である。この発明の実施の形態５によるスイッチング電源回路を示す構成図である。この発明の実施の形態６によるスイッチング電源回路を示す構成図である。

符号の説明

１直流電源、２ＴＲ、３トランス、１１スイッチング回路、１２整流回路（整流手段）、１３，１４ダイオード、１５平滑回路（整流手段）、１６インダクタ、１７コンデンサ、１８負荷、１９パルス幅変調制御回路（パルス生成手段）、２０ゲート駆動回路（スイッチ駆動手段）、２１設定電圧発生回路、２２ソフトスタート基準電圧回路、２３，２４抵抗、２５コンデンサ、２６ソフトスタート回路、２７誤差増幅回路、２８発振回路、２９パルス幅変調比較回路、３０駆動回路、３１抵抗（放電制限手段）、３３抵抗（放電制限手段）、３４ダイオード（放電制限手段）、４１スタート回路、４２コンデンサ放電回路（コンデンサ放電手段）、４３スイッチ、５１同期整流回路（同期整流手段）、５２，５３ＴＲ、５４ゲート駆動回路（スイッチ駆動手段）、５５ダイオード、５６，５７遮断検出回路（スイッチ駆動手段）。

Claims

直流電源回路を断続して交流電圧を生成するスイッチング手段と、上記スイッチング手段により生成された交流電圧を整流して直流電圧を出力する整流手段と、起動指令を受けるとコンデンサの充電を開始して徐々に上昇するソフトスタート基準電圧を生成し、そのソフトスタート基準電圧に応じてパルス信号又は上記整流手段から出力された直流電圧と設定電圧の差分に応じてパルス信号を生成するパルス生成手段と、上記パルス生成手段により生成されたパルス信号にしたがって上記スイッチング手段のスイッチング素子を駆動するスイッチ駆動手段と、上記パルス生成手段により生成されたソフトスタート基準電圧がリセットされると、上記コンデンサの放電を制限する放電制限手段とを備えたスイッチング電源回路。
コンデンサの放電を抑制する抵抗を用いて放電制限手段を構成したことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源回路。
コンデンサの放電を抑制する抵抗と、上記抵抗と並列に接続され、上記コンデンサの放電を阻止するダイオードとを用いて放電制限手段を構成したことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源回路。
停止指令を受けるとコンデンサを放電させるコンデンサ放電手段を設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のうちのいずれか１項記載のスイッチング電源回路。
直流電源回路を断続して交流電圧を生成するスイッチング手段と、上記スイッチング手段により生成された交流電圧を同期整流して平滑化する同期整流手段と、起動指令を受けると徐々に上昇するソフトスタート基準電圧を生成し、そのソフトスタート基準電圧に応じてパルス信号又は上記同期整流手段から出力された直流電圧と設定電圧の差分に応じてパルス信号を生成するパルス生成手段と、上記パルス生成手段により生成されたパルス信号にしたがって上記スイッチング手段及び上記同期整流手段のスイッチング素子を駆動するスイッチ駆動手段と、上記同期整流手段の出力端子間に接続されたダイオードとを備えたスイッチング電源回路。
直流電源回路を断続して交流電圧を生成するスイッチング手段と、上記スイッチング手段により生成された交流電圧を同期整流して平滑化する同期整流手段と、起動指令を受けると徐々に上昇するソフトスタート基準電圧を生成し、そのソフトスタート基準電圧に応じてパルス信号又は上記同期整流手段から出力された直流電圧と設定電圧の差分に応じてパルス信号を生成するパルス生成手段と、上記パルス生成手段により生成されたパルス信号にしたがって上記スイッチング手段及び上記同期整流手段のスイッチング素子を駆動する一方、上記パルス生成手段により生成されたソフトスタート基準電圧がリセットされると、上記同期整流手段のスイッチング素子をオフするスイッチ駆動手段とを備えたスイッチング電源回路。