JP2009016998A

JP2009016998A - スイッチング回路

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Publication number: JP2009016998A
Application number: JP2007174011A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Kikuchi; 義行菊地; Yukitsugu Hirota; 幸嗣廣田
Original assignee: Calsonic Kansei Corp
Current assignee: Marelli Corp
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2007-07-02
Publication date: 2009-01-22
Anticipated expiration: 2027-07-02
Also published as: JP4920509B2

Abstract

【課題】装置に依存することなく良好なノイズ特性と損失特性を実現することができるスイッチング回路を提供すること。
【解決手段】フィードバック回路部４１を備える規範電圧波形追従駆動部４によりスイッチング素子を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路１において、フィードバック回路部４１を備える規範電圧波形追従駆動部４へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成部３を備えた。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング回路の技術分野に属する。

従来のスイッチング回路では、電界効果型出力トランジスタのゲート電圧をフィードバックしている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００５−２１８０６８号公報（第２−７頁、全図）

しかしながら、従来のスイッチング回路にあっては、ノイズ特性と損失特性が充分ではなかった。

本発明は、上記問題点に着目してなされたもので、その目的とするところは、装置に依存することなく良好なノイズ特性と損失特性を実現することができるスイッチング回路を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では、フィードバック構成部によりスイッチング素子を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路において、前記フィードバック構成部へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成手段を備えた、ことを特徴とする。

よって、本発明にあっては、装置に依存することなく良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

以下、本発明のスイッチング回路を実現する実施の形態を、請求項１，２，３，４，５に係る発明に対応する実施例１と、請求項１，２，３，４に係る発明に対応する実施例２に基づいて説明する。

まず、構成を説明する。
図１は実施例１のスイッチング回路のブロック図である。
実施例１のスイッチング回路１は、制御パルス生成部２、規範電圧波形生成部３、規範電圧波形追従駆動部４、負荷５、電源６を主要な構成としている。
制御パルス生成部２は、規範電圧波形追従駆動部４を駆動制御するための波形となる制御パルスを生成し出力する。
規範電圧波形生成部３は、予めノイズと損失が要求される所定の値を満たす入力波形（本明細書において規範波形と呼ぶ）を生成し出力する。
規範電圧波形追従駆動部４は、入力される規範波形によりオンオフのスイッチシングを行う駆動部である。
負荷５は、スイッチングによる電圧のオンオフで駆動するものである。
電源６は、負荷５の駆動のための電源を供給する。

実施例１のスイッチング回路の規範電圧波形生成部３について、さらに詳細に説明する。
図２は実施例１のスイッチング回路のブロック図である。
実施例１のスイッチング回路１において、規範電圧波形生成部３は、汎用波形生成部３１と固有特性追加部３２を主要な構成としている。
汎用波形生成部３１は、機器固有の特性に関係なく、汎用的に高調波が少ない波形を、制御パルスから生成する。
固有特性追加部３２は、機器固有の特性に合わせて特定の周波数成分が少なくなるよう汎用波形生成部３１からの波形に特性の追加を行う。

汎用波形生成部３１と固有特性追加部３２について、さらに具体的な例を説明する。
図３は実施例１のスイッチング回路のブロック図である。
実施例１では、汎用波形生成部３１として、RCローパスフィルタ３１１を設けている。また、固有特性追加部３２として、RCツインTノッチフィルタ３２１を設けている。

図４はRCローパスフィルタ３１１の回路構成を示す図である。
図５はRCローパスフィルタ３１１の周波数特性を示すグラフ図である。
RCローパスフィルタ３１１は、信号ラインに設けた抵抗Ｒ１と信号ラインとグランドの間に設けたコンデンサＣ１からなり、図５に周波数特性を示すように高調波の通過を抑制する。
図６はRCツインTノッチフィルタ３２１の回路構成を示す図である。図７はRCツインTノッチフィルタ３２１の等価回路を示す説明図である。図８はRCツインTノッチフィルタ３２１の周波数特性を示すグラフ図である。
RCツインTノッチフィルタ３２１は、信号ラインに直列に設けた抵抗Ｒ２及び抵抗Ｒ３と、抵抗Ｒ２，Ｒ３と並行に設けたコンデンサＣ３及びコンデンサＣ４と、抵抗Ｒ２と抵抗Ｒ３の間とグランドの間に設けたコンデンサＣ２と、コンデンサＣ３及びＣ４の間とグランドの間に設けた抵抗Ｒ４とからなる。

RCツインTノッチフィルタ３２１は、π型等価特性で置き換えると図７のようになり、伝達特性は、以下の数式１、数式２のようになる。

そして、図８に示すようにノッチ周波数近傍の周波数成分の通過を抑制する。

図９は、実施例１のRCツインTノッチフィルタ３２１を組み込んだスイッチング回路の回路構成を示す図である。
図９に示す回路構成では、説明上、RCローパスフィルタ３１１を組み込んでいないものについて説明する。この図９のスイッチング回路１では、RCツインTノッチフィルタ３２１、規範電圧波形追従駆動部４として設けたフィードバック回路部４１、負荷５として設けたモータの等価回路部５１、電源６を主要な構成としている。
フィードバック回路部４１は、抵抗Ｒ４〜Ｒ９、コンデンサＣ５、ダイオードＤ１，Ｄ２、トランジスタＱ１〜Ｑ６、電源Ｖ１、インダクタンスＬ１、パワートランジスタＭ１を主要な構成とし、フィードバック構成により、設定された波形を安定して出力する。
モータの等価回路部５１は、抵抗Ｒ１０、コンデンサＣ６，Ｃ７、ダイオードＤ３、インダクタンスＬ２〜Ｌ４、等価回路上の定電流成分Ｋ１を主要な構成とし、例えばPWM制御パルスにより回転駆動を行なう。

作用を説明する。
[良好なノイズ特性と損失特性の生成作用]
実施例１のスイッチング回路１では、まず、制御パルス生成部２が立上り及び立下りを有するパルス、例えばPWMパルスを出力する。
規範電圧波形生成部３では、立上り又は立下りのタイミングを用いて、規範波形を生成する。より具体的には、例えばRCローパスフィルタ３１１で折線波形を丸めた波形を生成する。
規範電圧波形追従駆動部４では、例えばフィードバック回路部４１により、規範電圧波形と出力電圧波形の差分を求め、差分がなくなるようにスイッチング素子を駆動することで、規範電圧波形に追従した出力電圧波形が得られる。
これにより、ノイズ及び損失の緻密な制御が可能となる。

本来、スイッチング回路における電磁ノイズと損失はトレードオフの関係にあり、スイッチング時の出力波形によりほぼ決まるものである。ノイズの少ない波形を実現するために、パワー素子のゲート側を調節するフィードフォワード構成を考えることができる。しかしながら、フィードフォワード構成を考えると、ゲート駆動インピーダンスを増やすことで容易にノイズを規定レベルまで低減できるが、これに伴い損失が増加するため、損失に耐えうる放熱構造をとらざるを得なくなり、装置が大型化してしまう。
また、フィードフォワード構成を考えると、出力波形はスイッチング素子の特性（ミラー効果等）に支配され、ゲート側で出力をきめ細かく制御することは困難であり、構成が複雑になる。

実施例１のスイッチング回路１では、フィードバック構成を取る規範電圧波形追従駆動部４を備えるため、スイッチング素子の特性の影響を受けにくくし、規範電圧波形生成部３で生成した規範波形を規範電圧波形追従駆動部４に入力することにより、規範波形との差分を少なくするようにしてスイッチング素子を駆動する。これにより装置に依存しないノイズ特性と損失特性を実現する。

さらに、実施例１のスイッチング回路１では、規範電圧波形生成部３を、汎用波形生成部３１であるRCローパスフィルタ３１１と、固有特性追加部３２であるRCツインTノッチフィルタ３２１で構成している。
規範電圧波形生成部３を、汎用波形生成部３１であるRCローパスフィルタ３１１は、機器固有の特性に関係の無い汎用的に高調波が少ない規範波形を生成し（図５参照）、固有特性追加部３２であるRCツインTノッチフィルタ３２１は、機器固有の特性に合わせて特定の周波数成分が少なくなる特性を追加する（図８参照）。

これにより、より理想的な波形にフィードバック構成により近づけたスイッチング回路の駆動を行えるのみでなく、それぞれの機器に最適なノイズ特性及び損失特性を持たせる。言い換えると、装置に固有のノイズ伝達特性を対策した細かい制御を行う回路構成にすることができる。よって、さらに良好なノイズ特性と損失特性を実現する。
実施例１のスイッチング回路１に対して、例えば負荷５やスイッチング素子などについて複数種類に対応しなければならない装置に用いられる場合、その設計を含めた製造では、固有特性追加部３２であるRCツインTノッチフィルタ３２１のノッチ周波数の変更のみで対応することが可能となる。
このように実施例１のスイッチング回路１は、多種の生産に非常に有利である。

次に、固有特性を追加する作用について、さらに説明する。
図１０は実施例１のRCツインTノッチフィルタ３２１を組み込んだスイッチング回路の回路構成における各部の信号のタイムチャートである。
図９中に示すＡ点の信号を図１０の線１００ａとし、Ｂ点の信号を線１００ｂとし、Ｃ点の信号を線１００ｃ、Ｄ点の信号を線１００ｄ、Ｅ点の信号を線１００ｅとする。

実施例１のスイッチング回路１では、図１０に示すように、制御パルス生成部２から出力される制御パルスに対して、所定の周波数近傍の領域の通過を抑制する。これにより、制御パルス生成部２からの出力波形を、良好なノイズ特性と損失特性をもたらす波形にし、フィードバック回路部４１へ出力する（図１０の線１００ａ参照）。そして、パワートランジスタＭ１からのモータ５１（等価回路）への出力は、Ｄ点からフィードバックにおける帰還を行い（図１０の線１００ｄ参照）、入力される規範波形との偏差を小さくしつつパワートランジスタＭ１の駆動を行なう。
これにより、図１０の線１００ｂ〜１００ｅに示すように、良好な特性を保ちつつ、負荷であるモータ５１の制御を行うことができる。

また、実施例１のスイッチング回路１では、汎用波形生成部３１を図４に示すRCローパスフィルタ３１１で構成し、固有特性追加部３２を図６で示すRCツインTノッチフィルタ３２１で構成することにより、両方とも、ともにＲＣ、つまり抵抗とコンデンサのみで構成することができ、非常にコストを抑制した構成にすることができる。

次に、効果を説明する。
実施例１のスイッチング回路にあっては、下記に列挙する効果を得ることができる。

(1)フィードバック回路部４１を備える規範電圧波形追従駆動部４によりスイッチング素子を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路１において、フィードバック回路部４１を備える規範電圧波形追従駆動部４へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成部３を備えたため、装置に依存することなく良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

(2)規範電圧波形生成部３は、組み込まれる回路装置のノイズ伝達特性に依存せずに、ノイズと損失を小さくした波形にして出力する汎用波形生成部３１と、組み込まれる回路装置のノイズ伝達特性を考慮して、特性の追加加工を波形に行い出力する固有特性追加部３２を備えるため、さらに良好なノイズ特性と損失特性を実現することができ、且つ多種の生産に非常に有利なスイッチング回路にすることができる。

(3)汎用波形生成部３１は、RCローパスフィルタ３１１で構成したため、抵抗とコンデンサのみの構成でコストを抑制でき、簡素な構造で信頼性を高めることができ、制御パルス生成部２のパルスを丸めるようにして規範波形を生成して、装置に依存することなく良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

(4)及び(5)固有特性追加部３２は、RCツインTノッチフィルタ３２１で構成したため、抵抗とコンデンサのみの構成でコストを抑制でき、簡素な構造で信頼性を高めることができ、特定周波数の近傍における通過を抑制して、装置に依存することなく良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

実施例２のスイッチング回路は、固有特性追加部を３次LCノッチフィルタで構成した例である。
構成を説明する。
図１１は実施例２のスイッチング回路のブロック図である。
実施例２のスイッチング回路１では、固有特性追加部３２として、３次LCノッチフィルタ３２２を設けている。
図１２は実施例２における固有特性追加部３２である３次LCノッチフィルタ３２２の回路構成を示す図である。
３次LCノッチフィルタ３２２は、信号ライン上にコンデンサＣ２１を設け、これと並行にインダクタンスＬ２１を設ける。そして、コンデンサＣ２１及びインダクタンスＬ２１の上流側とグランドの間に、直列にインダクタンスＬ２２とコンデンサＣ２２を設け、コンデンサＣ２１及びインダクタンスＬ２１の下流側とグランドの間に、直列にインダクタンスＬ２３とコンデンサＣ２３を設ける。
その他構成は、実施例１と同様であるので説明を省略する。

作用を説明する。
実施例２では、固有特性追加部３２として３次LCノッチフィルタ３２２を用いている。
３次LCノッチフィルタ３２２でも、ノッチ周波数近傍の通過を抑制するようにして、汎用波形生成部３１からの波形に装置固有の特性を合わせて、所望されるノイズ特性及び損失特性を実現する規範波形を生成して、フィードバック構成の規範電圧波形追従駆動部４、例えばフィードバック回路部４１へ出力する。
また、３次LCノッチフィルタ３２２は、コンデンサとインダクタンスのみで構成され、コストを抑制し、簡素な構成により信頼性を高くする。

効果を説明する。
実施例２のスイッチング回路においては、上記(1)〜(3)に加えて以下の効果を有する。
(4)´固有特性追加部３２は、３次LCノッチフィルタ３２２で構成したため、コンデンサとインダクタンスのみの構成でコストを抑制でき、簡素な構造で信頼性を高めることができ、特定周波数の近傍における通過を抑制して、装置に依存することなく良好なノイズ特性と損失特性を実現することができる。

以上、本発明のスイッチング回路を実施例１、実施例２に基づき説明してきたが、具体的な構成については、これらの実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に係る発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
実施例１では、負荷の例としてモータを挙げているが、照明や他の動作装置など、他のものであってもよい。

実施例１のスイッチング回路のブロック図である。実施例１のスイッチング回路のブロック図である。実施例１のスイッチング回路のブロック図である。 RCローパスフィルタの回路構成を示す図である。 RCローパスフィルタの周波数特性を示すグラフ図である。 RCツインTノッチフィルタの回路構成を示す図である。 RCツインTノッチフィルタの等価回路を示す説明図である。 RCツインTノッチフィルタの周波数特性を示すグラフ図である。実施例１のRCツインTノッチフィルタを組み込んだスイッチング回路の回路構成を示す図である。実施例１のRCツインTノッチフィルタを組み込んだスイッチング回路の回路構成における各部の信号のタイムチャートである。実施例２のスイッチング回路のブロック図である。実施例２における固有特性追加部である３次LCノッチフィルタの回路構成を示す図である。

符号の説明

１スイッチング回路
２制御パルス生成部
３規範電圧波形生成部
３１汎用波形生成部
３１１ RCローパスフィルタ
３２固有特性追加部
３２１ RCツインＴノッチフィルタ
３２２３時LCノッチフィルタ
４規範電圧波形追従駆動部
４１フィードバック回路部
５負荷
５１モータの等価回路部
６電源
１００ａ〜１００ｅ（信号波形の状態を示す）線
Ｃ１〜Ｃ７コンデンサ
Ｃ２１〜Ｃ２３コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ３ダイオード
Ｌ１〜Ｌ４インダクタンス
Ｌ２１〜Ｌ２３インダクタンス
Ｍ１パワートランジスタ
Ｑ１〜Ｑ６トランジスタ
Ｒ１〜Ｒ１０抵抗
Ｖ１電源
Ｋ１（等価回路上の）定電流成分

Claims

フィードバック構成部によりスイッチング素子を駆動して負荷を作動させるスイッチング回路において、
前記フィードバック構成部へ入力する信号波形を、予めノイズ特性と損失特性を設定した波形にして出力する規範電圧波形生成手段を備えた、
ことを特徴とするスイッチング回路。
請求項１に記載のスイッチング回路において、
前記規範電圧波形生成手段は、
組み込まれる回路装置のノイズ伝達特性に依存せずに、ノイズと損失を小さくした波形にして出力する汎用波形生成手段と、
組み込まれる回路装置のノイズ伝達特性を考慮して、特性の追加加工を波形に行い出力する固有特性追加手段と、
を備えることを特徴とするスイッチング回路。
請求項２に記載のスイッチング回路において、
前記汎用波形生成手段は、ローパスフィルタで構成したことを特徴とするスイッチング回路。
請求項２又は請求項３に記載のスイッチング回路において、
前記固有特性追加手段は、ノッチフィルタで構成したことを特徴とするスイッチング回路。
請求項２又は請求項３に記載のスイッチング回路において、
前記固有特性追加手段は、ツインＴ型フィルタで構成したことを特徴とするスイッチング回路。