JP2006526976A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

アップコンバータにおいて、スイッチング素子は、集積制御回路によって、そして、インダクタの二次巻線によって制御される。高い力率及び低いTHDが達成される一方で、集積制御回路のデザインは比較的単純である。

Description

本発明は、
-誘導素子と、
-前記誘導素子に結合される一方向性素子と、
-前記誘導素子及び前記一方向性素子に結合されるスイッチング素子と、
-集積回路を有し前記スイッチング素子の制御電極に結合され、交互に、前記スイッチング素子を伝導性にして前記スイッチング素子を伝導状態に維持し、前記スイッチング素子を非伝導性にして前記スイッチング素子を非伝導状態に維持する、制御回路と、
を有するDC-DCコンバータに関する。

本発明は更に、ランプに電源供給するための電子バラスト回路に関する。

冒頭段落に記載のDC−DCコンバータは、集積回路UC3852のためのテキサスインスツルメンツアプリケーションノートU-132から知られている。通常のアプリケーションにおいて、DC-DCコンバータは、整流器を介して本線電源によって電源供給される。このような通常のアプリケーションにおいて、DC-DCコンバータは、整流化された正弦波の形状を有する電圧を供給される。高い力率及び低いTHDを生じるために、制御回路は、スイッチング素子の伝導状態を、電源から引き出される平均電流が実質的にDC-DCコンバータの入力に存在する電圧の形状に等しい形状を有する一方で電圧及び電流間の移相が実質的にゼロであるように、制御する。既知のDC-DCコンバータにおいて、スイッチング素子の伝導状態の制御は、集積回路によって完全に実現される。得られる力率は高く、THDは低い。しかし、集積回路が、スイッチング素子を制御するために必要な全てのエネルギーを供給しなければならないので、集積回路の電源部は、複雑であり、従って製造がより困難である。

代替的に、DC-DCコンバータに、誘導素子に磁気的に結合される1つ又は複数の二次巻線を備えることによって集積回路を省略し、これらの二次巻線によってスイッチング素子を制御することが可能である。このようなDC-DCコンバータは、米国特許第5,440,475号に開示されている。このようなDC-DCコンバータの制御回路は比較的単純であるが、実際には、多くの場合力率補正及びTHD抑制は、限られた程度しか実現されることができないことが分かった。より詳細には、DC-DCコンバータによって供給される電力量が調整可能であるアプリケーションにおいて、又は、本線供給電圧の振幅の強い変化の場合である。

本発明は、制御回路が比較的単純で従って安価である一方で、制御回路は、スイッチング素子を、比較的高い力率が得られる一方でTHDが比較的低いように制御する、DC−DCコンバータを提供することを目的とする。

従って、冒頭段落に記載のDC−DCコンバータは、本発明によれば、前記制御回路は、前記誘導素子に磁気的に結合されるとともに前記スイッチング素子の制御電極に電気的に結合される二次巻線を更に有し、前記二次巻線は、前記スイッチング素子を伝導性にするためのエネルギーの一部を前記スイッチング素子の前記制御電極に直接供給し、前記スイッチング素子は、前記集積回路によって発生される信号によって非伝導性にされ、前記二次巻線にかかる電圧によって伝導状態及び非伝導状態に維持されることを特徴とする。

本発明によるDC−DCコンバータにおいては、スイッチング素子の制御は制御回路に含まれる集積回路によって部分的に実現されるので、制御の精度が保証される。しかし、スイッチング素子を伝導にするために必要なエネルギーは、大部分が二次巻線によって制御電極に直接供給されるのであり、集積回路を介して制御電極に供給されないので、集積回路の電源部は、限られた量のエネルギーしか供給しなくてよく、従って、比較的単純であってよい。

前記二次巻線が前記スイッチング素子を伝導性にするための前記エネルギーの全てを前記スイッチング素子の前記制御電極に直接供給する、本発明による回路装置の実施例において良好な結果が得られた。

前記集積回路が前記スイッチング素子を伝導性にするための前記エネルギーの一部を供給する、本発明によるDC−DCコンバータの実施例においても良好な結果が得られた。これらの実施例において、スイッチング素子を伝導性にするためのエネルギーは、二次巻線及び集積回路の両方によって供給される。その結果、スイッチング素子は比較的急速に伝導性になり、これによりスイッチング素子のエネルギー損失は制限される。

本発明によるDC−DCコンバータにおいて、前記制御回路は、好適には、前記DC-DCコンバータが臨界モードで動作するように前記スイッチング素子を制御するための手段を備える。臨界モードにおいて、誘導素子を通じて電流が実質的にゼロに等しくなったとき、スイッチング素子は伝導性にされる。一方向性素子において逆回復損失がないので、この動作モードでのエネルギー損失が最小化されることが分かっている。DC-DCコンバータが臨界モードにおいて動作させられ、本線電源によって整流器を介して電源供給される場合、本線電源の期間の半分の間、スイッチング素子が伝導性である（オンタイム） 時間を実質的に一定に保持することによって、良好な力率が得られることができる。これは、好適には、前記制御回路に含まれる前記スイッチング素子のオンタイムを計時するためのタイマと、前記スイッチング素子の前記制御電極に存在する電圧によって前記タイマを作動させるための手段とによって実現される。この後者の電圧が閾値を上回ると、タイマは、開始され、これにより、スイッチング素子が、該タイマが開始される時間と実質的に同じ瞬間に伝導性になる。通常、タイマーは集積回路の一部である。重要な利点は、タイマを開始するための信号及びスイッチング素子を非伝導性にするための信号が、集積回路の同じピンを介して交換され、このため集積回路が比較的少量のピンのみを必要とする、ということである。

その単純なデザイン並びにその高い力率及び低いTHDのため、本発明によるDC-DCコンバータは、ランプに電源供給するための電子バラスト回路における使用に非常に適切である。

本発明の一実施例が、図面を用いて更に説明される。

図1において、K1及びK2は、直流電圧を供給する供給電圧源への接続のための入力端子である。通常のアプリケーションにおいて、入力端子K1及びK2は、入力が本線電源に接続されている整流器のそれぞれの出力端子に接続されている。従って、入力端子K1及びK2間にある直流電圧は、整流化された正弦波の形状を有する。入力端子K1及びK2は、誘導素子L1、スイッチング素子S1及びオーム抵抗R1の直列回路によって接続されている。スイッチング素子S1及びオーム抵抗R1の直列回路は、ダイオードD1及びコンデンサC1の直列回路によって短絡される。ダイオードD1は、一方向性素子を形成する。出力端子を形成する端子K3は、ダイオードD1及びコンデンサC1の共通端子に接続されている。入力端子K2は、更に、出力端子を形成する。二次巻線L2、コンデンサC2及びオーム抵抗R4の直列回路が、入力端子K2とスイッチング素子S1の制御電極との間に接続されている。二次巻線L2は、誘導素子L1と磁気的に結合される。集積回路ICの入力／出力端子G／ZCDは、スイッチング素子S1の制御電極に接続されている。スイッチング素子の制御電極で電圧を制限するためのツェナーダイオードZが、スイッチング素子の制御電極と入力端子K2との間に接続されている。図1において、ICの中身は、破線によって回路の残りと区別される。入力／出力端子G／ZCDは、電流源Istartの出力に結合される。スイッチング素子S2は、スイッチング素子S1の制御電極と入力端子K2との間に結合される。スイッチング素子S2の制御電極は、回路部LAの出力端子に接続されている。回路部LAの出力端子は、回路部LAの第1の入力端子Sに、レジスタR5によって接続されている。レジスタR5は、ダイオードD2によって短絡される。コンデンサC5は、回路部LAの第1の入力端子Sと入力端子K2との間に接続されている。コンパレータCOMP1の第1の入力端子は、スイッチング素子S1の制御電極に接続されている。コンパレータCOMP1の第2の入力端子は、基準電圧源Vzcd(ref)に接続されている。コンパレータCOMP1の出力端子は、スイッチング素子S3の制御電極に接続されている。スイッチング素子S3は、入力端子K2とコンパレータCOMP3の第1の入力端子との間に接続されていて、コンデンサC6によって短絡される。コンパレータCOMP3の第1の入力端子は、更に電流源イオンの出力にも接続されている。コンパレータCOMP3の第2の入力端子は、回路部Vrefgenの出力端子に接続されている。回路部Vrefgenは、スイッチング素子S1のオンタイムを表す基準信号を発生させるための回路部である。回路部Vrefgenの入力端子は、集積回路ICの入力端子VOに接続されている。入力端子VOは、更にオーム抵抗R6及びコンデンサC4の共通端子にも接続されている。オーム抵抗R6及びコンデンサC4の直列回路は、端子K3と入力端子K2との間に接続されている。コンデンサC4は、オーム抵抗R7によって短絡される。コンパレータCOMP3の出力端子は、回路部LAの第2の入力端子R1に接続されている。電流源Ｉｏｎ、コンデンサC6、スイッチング素子S3、コンパレータCOMP3及び回路部Vrefgenは、スイッチング素子S1のオンタイムを計時するためのタイマを合わせて形成する。オーム抵抗R2及びR3の直列回路は、端子K3及び入力端子K2間に接続されている。オーム抵抗R3は、コンデンサC3によって短絡される。オーム抵抗R2及びR3の共通端子は、集積回路ICの第2の入力端子OVCに接続されている。スイッチング素子S1及びオーム抵抗R1の共通端子は、更に、ダイオードD3及びオーム抵抗R7の直列回路によって第2の入力端子OVCにも接続されている。第2の入力端子OVCは、コンパレータCOMP2の第1の入力端子に接続されている。コンパレータCOMP2の第2の入力端子は、基準電圧源Vovc(ref)の出力に接続されている。コンパレータCOMP2の出力端子は、回路部LAの第3の入力端子R2に接続されている。

図1において示される回路の動作は、次の通りである。

スイッチオンした後、直流電圧が入力端子K1及びK2間にある。DC-DCコンバータのスイッチオンの直後には、スイッチング素子S2は非伝導であり、電流源Istartがスイッチング素子S1の制御電極に電流を供給する。その結果、制御電極における電圧は増加し、スイッチング素子S1は初めて伝導するようになる。電流は、誘導素子L1、スイッチング素子S1及びオーム抵抗R1を通じて入力端子K1から入力端子K2に流れ始める。誘導素子L1及び二次巻線L2間の磁気結合のため、誘導素子L1にかかる電圧は、スイッチング素子S1を伝導状態に維持する、二次巻線L2にかかる電圧を発生させる。スイッチング素子Ｓ１が伝導性になるのとほぼ同じ瞬間に、スイッチング素子S1の制御電極の電圧が、基準電圧源Vzcd(ref)によって発生する基準電圧を上回り、コンパレータCOMP1の出力端子の電圧が、ハイからローに変化し、このため、スイッチング素子S3は非伝導になり、電流源IonがコンデンサC6を充電し始める。回路部Vrefgenの出力端子に存在する電圧は、スイッチング素子S1のオンタイムを表す。コンデンサC6にかかる電圧が回路部Vrefgenの出力端子の電圧を上回ると、コンパレータCOMP3の出力端子の電圧がハイからローに変化する。その結果、回路部LAの出力端子の電圧はローからハイに変化し、スイッチング素子S2は伝導性になり、スイッチング素子S1は非伝導性になる。このときスイッチング素子S1の制御電極の電圧が基準電圧源Vzcd(ref)によって発生する基準電圧より低いので、コンパレータCOMP1の出力端子の電圧が、ローからハイに変化し、このため、スイッチング素子S3が伝導性になり、コンデンサC6は放電される。換言すれば、電流源Ion、コンデンサC6、スイッチング素子S3、コンパレータCOMP3及び回路部Vrefgenによって形成されるタイミング回路は、リセットされる。

回路部LAの出力端子の電圧がローからハイに変化するのと同じ瞬間に、コンデンサC5がオーム抵抗R5を通じて充電され始める。オーム抵抗R5及びコンデンサC5は、コンデンサC5にかかる電圧が、従って、回路部LAの第1の入力端子の電圧も、非常に急速に増加するように寸法決めされる。第1の入力端子Sの電圧が閾値を上回ると、回路部LAの出力端子の電圧が、ハイからローに変化し、このため、コンデンサC5は放電され、スイッチング素子S2は、短い時間だけ伝導性にされた後、再び、非伝導性にされる。その結果、スイッチング素子S1が伝導性になる前にスイッチング素子S2は非伝導性にされる。スイッチング素子S1がスイッチング素子S2を介して非伝導性になった直後に、誘導素子L1を通じる電流は、入力端子K1から、誘導素子L1、ダイオードD1及びコンデンサC1を通じて入力端子K2に流れる。誘導素子L1を通じる電流はこのとき減少しているので、L1にかかる電圧の極性が変わる。その結果、二次巻線L2にかかる電圧の極性も変わり、このため、二次巻線L2がスイッチング素子S1の制御電極の電圧を、スイッチング素子S1を非伝導状態に維持するのに十分に低くする。その結果、スイッチング素子S1は、集積回路ICによって非伝導性にされる。スイッチング素子S1は、続いて二次巻線L2によって非伝導状態に維持される。

スイッチング素子S1が非伝導である間、誘導素子L1を通じる電流は続いてゼロに減少する。誘導素子L1と寄生容量との間の共振のため、誘導素子L1にかかる電圧の極性は、従って二次巻線L2にかかる電圧も、誘導素子L1を通じる電流がゼロになった直後に反転される。これらの寄生容量が、誘導素子L1、ダイオードD1及びスイッチング素子S1の共通端子間、そして、入力端子及び出力端子K1、K2及びK3間に存在する。その結果、スイッチング素子S1は伝導性になり、増加する電流が再び誘導素子L1、スイッチング素子S1及びオーム抵抗R1を通じて流れる。誘導素子L1にかかる電圧によって発生する二次巻線L2にかかる電圧は、スイッチング素子S1を伝導状態に維持する。スイッチング素子S1が伝導性にされる瞬間に、オンタイマがコンパレータCOMP1を介して作動され、上述の動作状態のシーケンスが繰り返される。スイッチング素子S1のオンタイムが集積回路IC内の電子部品によって制御されるので、オンタイム制御は比較的正確であり、高い力率及び低いTHDを結果として生じる。しかし、スイッチング素子を伝導状態にするエネルギーは集積回路ICによってではなく二次巻線L2によって供給される。結果として、集積回路ICは、非常に単純な供給部を有することができる。

動作中、コンデンサC4は、コンデンサC1からオーム抵抗R6を介して充電される。同時に、コンデンサC4は、オーム抵抗R7によって放電される。コンデンサC1にかかる電圧が増加すると、入力端子VOの電圧であるコンデンサC4にかかる電圧も増加する。入力端子VOの電圧が増加されると回路部Vrefgenはより低い基準信号を発生させ、このためスイッチング素子S1のオンタイムが減少する。コンデンサC1にかかる電圧が、従って入力端子VOの電圧も減少すると、スイッチング素子S1のオンタイムは類似した方法で増加される。従って、コンデンサC1にかかる電圧は、入力端子K1及びK2間にある入力電圧の振幅の変化又は出力端子K2及びK3間に接続された負荷の変動に関わらず所望の値で維持される。

コンデンサC1にかかる電圧及び／又はレジスタR1を通じる電流が突然増加する場合、これに従って入力端子OVCに存在する電圧は増加する。入力端子OVCの電圧が基準電圧源Voc(ref)によって発生される電圧を上回ると、コンパレータCOMP2の出力端子の電圧は、ローからハイに変化し、回路部LAの第2の入力端子R2における電圧についても同じである。これは、回路部LAの出力端子における電圧がローからハイに変化する結果となり、このため、入力端子OVCの電圧が基準電圧源Voc(ref)によって発生される基準電圧より高い限り、スイッチング素子S1がスイッチング素子S2を介して非伝導性にされ非伝導状態に維持される。従って、DC-DCコンバータは、DC-DCコンバータを損傷し得る高電圧及び高電流の発生に対して保護される。

本発明によるDC-DCコンバータの実施例を示す。

Claims (6)

1. -誘導素子と、
   -前記誘導素子に結合される一方向性素子と、
   -前記誘導素子及び前記一方向性素子に結合されるスイッチング素子と、
   -集積回路を有し前記スイッチング素子の制御電極に結合され、交互に、前記スイッチング素子を伝導性にして前記スイッチング素子を伝導状態に維持し、前記スイッチング素子を非伝導性にして前記スイッチング素子を非伝導状態に維持する、制御回路と、
   を有するDC-DCコンバータにおいて、
   前記制御回路は、前記誘導素子に磁気的に結合されるとともに前記スイッチング素子の制御電極に電気的に結合される二次巻線を更に有し、前記二次巻線は、前記スイッチング素子を伝導性にするためのエネルギーの一部を前記スイッチング素子の前記制御電極に直接供給し、前記スイッチング素子は、前記集積回路によって発生される信号によって非伝導性にされ、前記二次巻線にかかる電圧によって伝導状態及び非伝導状態に維持されることを特徴とするDC−DCコンバータ。
2. 請求項１に記載のDC-DCコンバータにおいて、前記二次巻線は、前記スイッチング素子を伝導性にするための前記エネルギーの全てを前記スイッチング素子の前記制御電極に直接供給する、DC−DCコンバータ。
3. 請求項１に記載のDC-DCコンバータにおいて、前記集積回路は、前記スイッチング素子を伝導性にするための前記エネルギーの一部を供給する、DC−DCコンバータ。
4. 請求項1乃至3の何れか1項に記載のDC-DCコンバータにおいて、前記制御回路は、当該DC-DCコンバータが臨界モードで動作するように前記スイッチング素子を制御するための手段を備える、DC−DCコンバータ。
5. 請求項4に記載のDC-DCコンバータにおいて、前記制御回路は前記スイッチング素子のオンタイムを計時するためのタイマと、前記スイッチング素子の前記制御電極に存在する電圧によって前記タイマを作動させるための手段とを有する、DC−DCコンバータ。
6. 請求項1乃至5の何れか1項に記載のDC-DCコンバータを有する、ランプに電源供給するための電子バラスト回路。

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