JP2009183138A - 共振型ｄｃ／ｄｃコンバータに用いられるコントローラ - Google Patents

Abstract

【課題】共振型ＤＣ／ＤＣコンバータに用いられ、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータが最適動作周波数、すなわち異なる出力負荷または入力条件下において共振周波数で動作するコントローラを得る。
【解決手段】コントローラ（３）は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）のスイッチを制御するように構成されていて、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）の出力電圧（Ｖｏ）を検出し、検出された出力電圧（Ｖｏ）にしたがってパルス幅変調信号を生成するためのパルス幅変調制御ユニット（３１）と、固定周波数信号を生成するための固定周波数信号生成ユニット（３２）と、パルス幅変調信号と固定周波数信号とを合成して、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）のスイッチを動作させるように構成された駆動信号を生成するための論理合成ユニット（３３）とを含む。
【選択図】図３

Description

この発明は、コントローラに関し、特に共振型ＤＣ／ＤＣコンバータに使用するコントローラに関する。

従来においては、図１に示すように、ハーフブリッジＬＬＣ共振型直流コンバータ１１が、周波数変調コントローラ１２によって制御される。周波数変調コントローラ１２は、ハーフブリッジＬＬＣ共振型直流コンバータ１１の出力電圧を検出し、動作条件が変わるとスイッチング制御信号を変化させて、出力電圧を必要なレベルに維持する。ハーフブリッジＬＬＣ共振型直流コンバータ１１は２つのスイッチ（図示せず）を含み、スイッチング制御信号は第１および第２の駆動信号（図２参照）を含む。

しかしながら、スイッチング制御信号の周波数が出力電圧によって変化するので、コンバータ１１は、最適動作点から外れやすくなるような切換制御信号の変化の範囲を有し、その結果として、変化によって生じる不確実性を克服するために大きい設計余裕をもつことになる。さらに、ハーフブリッジＬＬＣ共振型直流コンバータ１１固有の可変周波数特性により、制御の複雑さが増大する。

したがって、本発明の目的は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータに用いられ、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータが最適動作周波数、すなわち異なる出力負荷または入力条件下において共振周波数で動作するコントローラを提供することである。

本発明によれば、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチを制御するために共振型ＤＣ／ＤＣコンバータに用いられるコントローラを得ることができる。コントローラは、パルス幅変調制御ユニット、固定周波数信号生成ユニットおよび論理合成ユニットを含む。
パルス幅変調制御ユニットは、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を検出し、検出された出力電圧にしたがってパルス幅変調信号を生成するために、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータに電気的に接続される。
固定周波数信号生成ユニットは、固定周波数信号を生成するために、パルス幅変調制御ユニットに電気的に接続される。
論理合成ユニットは、パルス幅変調信号と固定周波数信号とを合成するためにパルス幅変調ユニットおよび固定周波数信号生成ユニットに電気的に接続され、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチを駆動するのに適合する駆動信号を生成する。

本発明の他の特徴および利点は、図面を参照して行う以下の好ましい実施の形態の詳細な説明によって明らかとなろう。

図３に関して、本発明のコントローラ３の好ましい実施の形態は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２に用いられる。共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（Ｖｏ）が必要条件に適合するように、コントローラ３は共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチを制御する。この実施形態において、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、対称形のハーフブリッジＬＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、第１および第２のスイッチ２１、２２を含む。したがって、コントローラ３は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の第１および第２のスイッチ２１、２２の両方を制御する。さらに、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２は、コンデンサ２３、共振インダクタ２４、トランス２５および２つの同期整流器２６、２７を含む。同期整流器２６、２７は、トランス２５の二次コイルに電気的に接続される。共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２は公知技術であるので、ここでは、簡潔にするために、このコンバータに関する詳細な説明は省略する。ここで、本発明のコントローラ３は、例えば非対称ＬＬＣ、フルブリッジＬＬＣ、対称形ハーフブリッジＬＣ、非対称ＬＣおよびフルブリッジＬＣ共振型ＤＣ／ＤＣコンバータなどのような他のタイプの共振型ＤＣ／ＤＣコンバータにも適用できる点に注意されたい。

コントローラ３は、パルス幅変調ユニット３１、固定周波数信号生成ユニット３２および論理合成ユニット３３を含む。
パルス幅変調ユニット３１は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２に電気的に接続され、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（Ｖｏ）を検出し、検出された出力電圧（Ｖｏ）にしたがってパルス幅変調信号を生成する。パルス幅変調信号の波形の例が、図４（Ｉ）に示される。

固定周波数信号生成ユニット３２は、固定周波数信号を生成するためのパルス幅変調制御ユニット３１に電気的に接続され、固定周波数信号の波形の例が図４（ＩＩ）に示される。この実施形態において、固定周波数信号生成ユニット３２は、パルス幅変調制御ユニット３１からパルス幅変調信号を受け取り、固定周波数信号を生成するための同期信号としてパルス幅変調信号を使用する。特に、固定周波数信号発生ユニット３２は、固定周波数信号を生成するための同期信号として、パルス幅変調信号の立ち上がりエッジを使用する。

論理合成ユニット３３は、パルス幅変調制御ユニット３１および固定周波数信号生成ユニット３２に電気的に接続され、パルス幅変調信号と固定周波数信号とを合成して、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の第１および第２のスイッチ２１、２２を動作させるのに適した駆動信号を生成する。

以下の説明では、固定周波数信号生成ユニット３２で生成される固定周波数信号は、第１の固定周波数信号と呼ばれる。論理合成ユニット装置３３は、第１の固定周波数信号から図４（ＩＩＩ）に示すような第２の固定周波数信号を生成する。第２の固定周波数信号は、第１の固定周波数信号と等しい周波数を有し、第１の固定周波数信号と逆の位相を有する。本実施形態において、論理合成ユニット３３は、パルス幅変調信号および第１の固定周波数信号上で乗算合成を実行し、第１の駆動信号と呼ばれる図４（ＩＶ）に示すような駆動信号を生成して、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の第１のスイッチ２１を動作させる。さらに、論理合成ユニット３３は、パルス幅変調信号および第２の固定周波数信号上で乗算合成を実行し、第２の駆動信号と呼ばれる図４（Ｖ）に示すような駆動信号を生成して、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の第２のスイッチ２２を動作させる。

パルス幅変調信号は、パルス幅変調制御ユニット３１によって検出される共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（Ｖｏ）の電圧レベルと反対に変化するデューティサイクルを有する。ここで、パルス幅変調信号が一定の周期を有する点に注意を要する。したがって、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（Ｖｏ）の電圧レベルがあまりに低いことをパルス幅変調制御ユニット３１が検出すると、パルス幅変調信号が一定の周期を有するので、パルス幅変調信号の信号レベルの低い時間を減少させるように、パルス幅変調制御ユニット３１はパルス幅変調信号のデューティサイクルを上昇させる。したがって、第１および第２のスイッチ２１、２２がＯＮになっている時間が増加し、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（Ｖｏ）が上昇する。一方、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（Ｖｏ）の電圧レベルがあまりに高いことをパルス幅変調制御ユニット３１が検出すると、パルス幅変調信号が一定の周期を有するので、パルス幅変調信号の信号レベルの低い時間を増加させるように、パルス幅変調制御ユニット３１はパルス幅変調信号のデューティサイクルを減少させる。したがって、第１および第２のスイッチ２１、２２がＯＮになっている時間が減少し、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（Ｖｏ）が低下する。その結果、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（Ｖｏ）は、安定したレベルに維持される。

上述の説明から、パルス幅変調制御ユニット３１が、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の出力電圧（Ｖｏ）に基づいて、単にパルス幅変調信号のデューティサイクルを制御することがわかる。さらに、パルス幅変調制御ユニット３１は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の共振電流を検出するように構成され、検出された出力電圧（Ｖｏ）および共振電流にしたがってパルス幅変調信号を生成することがより好ましい。共振電流の波形の例が、図４（ＶＩ）に示される。たとえば、共振電流および出力電圧（Ｖｏ）間の変調誤差が比較され、パルス幅変調信号のデューティサイクルを制御するために二重ループ制御を形成してもよい。

ここで、パルス幅変調信号が固定周波数信号より小さい周波数を有する点に注意を要する。特に、パルス幅変調信号の周波数は、固定周波数信号の周波数の１／１０より大きくない。さらに、第１および第２の駆動信号は、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の第１および第２のスイッチ２１、２２を動作させるためだけでなく、同期整流器２６、２７を動作させるためにも構成されている。

さらに、好ましい実施形態において、第１および第２の固定周波数信号およびパルス幅変調信号を結合して、第１および第２の駆動信号を生成し、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の制御を行うので、すべての負荷条件において最適動作点（すなわち、実質的に一定の共振周波数を有している）での共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の動作を確実にすることができる。さらに、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２の第１および第２のスイッチ２１、２２を制御するために第１および第２の駆動信号を用いることによって、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２内の共振インダクタ２４やトランス２５などの磁性部品のための最適設計をより容易に達成することができる。

さらに、この実施形態では、パルス幅変調信号の立ち上がりエッジが第１の固定周波数信号を生成するための同期信号として固定周波数信号生成ユニット３２で用いられるので、第１の固定周波数信号についてのサイクルのパルスがパルス幅変調信号の各デューティサイクルにおいて常に高い信号レベルにあることを確実にすることができる。それによって、図４（ＶＩ）に示すように、共振電流に対して常にアクティブな状態を確実にする。好ましい実施形態において、パルス幅変調信号の立ち上がりエッジが第１の固定周波数信号を生成するための同期信号として使われたが、他の実施形態として、パルス幅変調信号の立下りエッジが第１の固定周波数信号を生成するための同期信号として使われてもよい。このように、本発明は、この態様に限られていない。

つまり、本発明によるコントローラ３は、構造において比較的単純であり、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチ２１、２２の制御は固定周波数信号およびパルス幅変調信号を用いて行われ、共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２がすべての負荷条件で最適動作点で動作することが確実にされる。単純構造を有することは別として、コントローラ３は共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ２のスイッチ２１、２２のスイッチング回数を減らし、スイッチ２１、２２のストレスを減らすことができる。従って、本発明の目的は、達成される。

本発明が最も実際的で好ましい実施形態と考えられることに関連して記載されたが、本発明は開示された実施形態に限られるものではなく、すべてのこの種の変更および同様な構成を含むように、最も広い解釈の範囲内に含まれるさまざまな構成をカバーすることを目的とするものと理解されるものである。

周波数変調コントローラによって制御される従来のハーフブリッジＬＬＣ共振型直流コンバータの例を示すブロック図である。 従来例におけるスイッチング制御信号を示す波形図である。 共振型ＤＣ／ＤＣコンバータに接続される本発明のコントローラの好ましい実施形態を示す図解図である。 （Ｉ）〜（ＶＩ）は、それぞれ好ましい実施形態の動作に関連する複数の信号を示す波形図である。

符号の説明

２ コンバータ
２１、２２ スイッチ
２３ コンデンサ
２４ 共振インダクタ
２５ トランス
２６，２７ 同期整流器
３ コントローラ
３１ パルス幅変調制御ユニット
３２ 固定周波数信号生成ユニット
３３ 論理合成ユニット

Claims (8)

1. 共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）のスイッチを制御するために前記共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に用いられるコントローラ（３）において、
   前記共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）に電気的に接続され、前記共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）の出力電圧（Ｖｏ）を検出し、検出された前記出力電圧（Ｖｏ）にしたがってパルス幅変調信号を生成するためのパルス幅変調制御ユニット（３１）、
   固定周波数信号を生成するために前記パルス幅変調制御ユニット（３１）に電気的に接続される固定周波数信号生成ユニット（３２）、および
   前記パルス幅変調制御ユニット（３１）および前記固定周波数信号生成ユニット（３２）に電気的に接続され、前記パルス幅変調信号と前記固定周波数信号とを合成して、前記共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）のスイッチを動作させる駆動信号を生成するための論理合成ユニット（３３）を含むことを特徴とする、コントローラ。
2. 前記固定周波数信号生成ユニット（３２）が前記パルス幅変調制御ユニット（３１）から前記パルス幅変調信号を受信し、前記固定周波数信号を生成するための同期信号として前記パルス幅変調信号を使用することを特徴とする、請求項１に記載のコントローラ。
3. 前記固定周波数信号生成ユニット（３２）が前記固定周波数信号を生成するための同期信号として前記パルス幅変調信号の立ち上がりエッジを使用することを特徴とする、請求項２に記載のコントローラ。
4. さらに、前記パルス幅変調制御ユニット（３１）が前記共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）の共振電流を検出するように構成され、検出された前記出力電圧（Ｖｏ）および前記共振電流にしたがって前記パルス幅変調信号を生成することを特徴とする、請求項１に記載のコントローラ。
5. 前記パルス幅変調信号が前記固定周波数信号より小さい周波数を有することを特徴とする、請求項４に記載のコントローラ。
6. 前記パルス幅変調信号の周波数が前記固定周波数信号の周波数の１／１０より大きくないことを特徴とする、請求項５に記載のコントローラ。
7. 前記論理合成ユニット（３３）が前記駆動信号を生成するために前記パルス幅変調信号および前記固定周波数信号上で乗算合成を行うことを特徴とする、請求項１に記載のコントローラ。
8. 前記パルス幅変調信号が、前記パルス幅変調制御ユニット（３１）によって検出される前記共振型ＤＣ／ＤＣコンバータ（２）の出力電圧（Ｖｏ）の電圧レベルと反対に変化するデューティサイクルを有することを特徴とする、請求項１に記載のコントローラ。

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