JP2009225658A - バックコンバータにおいて用いるためのコントローラおよびバックコンバータの制御方法 - Google Patents

バックコンバータにおいて用いるためのコントローラおよびバックコンバータの制御方法 Download PDF

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Abstract

【課題】バックコンバータを制御するための方法および装置が開示される。
【解決手段】1つの局面において、積分器は、バックコンバータのスイッチ中の電流を表わす電流検出信号を受けるように結合され、電流検出信号を積分し、第1の入力信号を生成する。ランプ波発生器は、スイッチと同一のスイッチング周期を有する発振信号を受けるように結合され、発振信号に応じて区分線形ランプ波信号を生成する。区分線形ランプ波信号は、スイッチのスイッチング周期内に、傾きが有限で線形の複数のセグメントが後に続く実質的に傾きが0の遅延セグメントを有する。乗算器は、区分線形ランプ波信号を乗算し、第2の入力信号を生成し、駆動信号発生器は、第1および第2の入力信号に応じて生成される第3の入力信号を受けるよう結合され、スイッチを制御するように結合される駆動信号を生成し、バックコンバータの出力電圧を実質的に調節する。
【選択図】図1

Description

背景
開示の分野
この発明は、概して電源に関し、より具体的には、この発明は、交流(AC)−直流(DC)電源に関する。
背景情報
AC電力線の基本周波数の倍数の周波数を有する電流を、高調波という。高調波は、発電および配電システムにとって負担になる。したがって、監督機関は、電力線から電源に流れる高調波に規制を課している。
スイッチング電源を、入力電流が入力電圧に正比例するよう制御し、電源が動力源に抵抗器として見えるようにすることができることは周知である。こういった技術は、たとえば、ブーストトポロジー、バックブーストトポロジー、フライバックトポロジー、およびSEPIC(single ended primary inductor converter)トポロジーなどの、この技術分野において知られる多くの異なるトポロジーを用いるスイッチング電源の入力で、高調波を低減するのに成功している。こういったトポロジーの各々において、電源が動力源に抵抗器として見えるようにするこの技術は、AC−DC電源が、入力で、低高調波要求を満たすことを可能にするのに十分である。
しかしながら、電源が動力源に抵抗器として見えるようにする前述の技術は、バックスイッチングコンバータトポロジーに適用される場合は、低高調波要求を満たさない。他のコンバータトポロジーは、AC入力電圧のサイクル全体を通じて入力から電流を取り込むが、バックコンバータは、入力電圧が出力電圧よりも大きいときのみ入力から電流を取り込む。したがって、電源は、AC入力電圧のサイクルの一部分の間のみ抵抗器として見え、その他のときは開路として見える。その結果、AC入力は、容認可能な限度を超える高調波を有する。
この発明は、添付の図面中に図示される、限定するものではない例示的な実施例によって説明される。図中、似た参照符号は、同様な構成要素を示す。
この発明の教示に従って、この発明の1つの例を用いてAC動力源から流れる高調波を低減するAC−DC電源の1つの例を示す図である。 この発明の教示に従う図1の電源のコントローラの1つの例をより詳細に説明する図である。 この発明の教示に従うコントローラの構成要素の詳細部分を含むAC−DC電源の別の例を示す図である。 この発明の教示に従う1つの例に対する値を有する遅延区分線形ランプ波の顕著な特徴例を示す図である。 この発明の教示に従う方法例を示すフロー図である。
詳細な説明
スイッチングパワーコンバータを用い新規のコントローラを備えるAC−DC電源の入力で、高調波を低減するための回路および方法の例を、この明細書中で開示する。以下の説明では、この発明への十分な理解を与えるために、多数の特定の詳細が明らかにされる。しかしながら、この発明を実施するためにその特定の詳細を用いる必要はないことが当業者には明らかになるであろう。他の例では、周知の材料または方法は、この発明を曖昧にしないために、詳細には説明されていない。
この明細書全体を通して、「1つの実施例」、「ある実施例」、「1つの例」または「ある例」の記載は、その実施例に関連して説明される特定の特徴、構造または特性が、この発明の少なくとも1つの実施例または例に含まれることを意味する。したがって、「1つの実施例において」、「ある実施例において」、「1つの例において」、または「ある例において」という表現が、この明細書全体を通してさまざまな場所に現われても、必ずしもすべてが同じ実施例を参照しない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、1つ以上の実施例において、任意の適切な方法で組合されてもよい。
多くのAC−DC電源は、AC入力電流の高調波成分が少ないことを求められる。AC電圧をDC電圧に変える単純で低コストの回路は、そのAC入力電流が、AC電力線の基本周波数の倍数の周波数に大きな振幅を含むため、通常、不適格な結果をもたらす。
以下に説明するように、この発明の1つの例において、この明細書で説明のために開示する方法および装置は、スイッチ電流の積分値と、AC−DC電源がバックコンバータトポロジーを用いてその入力で低高調波要求を満たすことを可能にする特別な特性を有する遅延区分線形ランプ波とを用いる。別の例において、遅延区分線形ランプ波は、フライバックコンバータまたは任意の他の適切なパワーコンバータトポロジーも制御し、この発明の教示に従うAC−DC電源の入力での低減された高調波要求に応えてもよい。
したがって、図1は、スイッチングコンバータを制御し、AC入力での低高調波要求に応えるAC−DC電源100のある例を示す機能ブロック図である。整流器110は、電圧VACを有するAC入力105を受け、小さなフィルタコンデンサC1 115上に、整流されたDC電圧VRECT120を生成する。図1の例において、整流器110は、全波ブリッジ整流器である。整流されたDC電圧VRECT120は、共通入力帰線180に関して測定される。この例において、コンデンサC1 115は、高周波スイッチング電流またはスイッチ電流ID150の蓄積場所を提供するのに十分に大きいが、整流されたDC電圧VRECT120が、AC入力105で、電圧VACの毎サイクル中に2回実質的に0になることを可能にするのに十分に小さい。
当業者は、図1における、ダイオードD1 125、インダクタL1 130、コンデンサC2 135、スイッチS1 160、および負荷145の構成例は、ローサイドスイッチを有するバックコンバータであることを認識するであろう。ローサイドスイッチの一端の電位は、入力帰線180と同一の電位である。入力帰線180は、整流器110の負のDC端子である。図1の例において、ローサイドスイッチを有するバックコンバータは、その入力で、整流されたDC電圧VRECT120を受ける。
これに代わるある例において、ローサイドスイッチの代わりにハイサイドスイッチを備えるバックコンバータは、その入力で、整流されたDC電圧VRECT120を受けてもよい。ハイサイドスイッチの一端の電位は、整流器110の正のDC端子と同一の電位である。
他の例において、変圧器分離を有するパワーコンバータの周知の構成も、この発明の実
施例の教示の恩恵を受けることができる。変圧器分離を有するバックコンバータの1つの例は、単スイッチフォワードコンバータである。
変圧器分離と複数のスイッチとを有するバックコンバータ構成は、複数のスイッチ中の電流を検出することによってこの発明の教示の恩恵を受けることができる。複数のスイッチとともに変圧器分離を用いるバックコンバータ構成の例は、2スイッチフォワードコンバータ、プッシュプルバックコンバータ、ハーフブリッジバックコンバータ、およびフルブリッジバックコンバータである。
この発明のさまざまな例に従って、パワーコンバータのさまざまな構成は、その入力で、整流されたDC電圧VRECTを受ける。ダイオードD1 125の機能は、スイッチで実現化されることがあってもよく、S1 160は、ローサイドスイッチまたはハイサイドスイッチであろうと、単一のスイッチまたは複数のうちの1つのスイッチであろうと、電流を、整流されたDC電圧VRECT120へか、整流されたDC電圧VRECT120からかのいずれかで伝導するスイッチであることが理解される。
図1の例におけるローサイドスイッチを備えるバックコンバータは、出力コンデンサC2 135および負荷145上に、出力電圧VO140を生成する。この例において、コントローラ165は、出力コンデンサC2 135および負荷145上の出力電圧VO140を、1対の電圧検出端子170で検出する。コントローラ165は、スイッチS1 160中のスイッチ電流ID150も、検出された電流信号155として検出する。
任意の多くの既知の電流検出方法を用いて、検出された電流信号155を生成してもよい。たとえば、スイッチ電流ID150は、検出された電流信号155を電圧または電流として生成する変流器で検出されてもよい。別の例において、スイッチ電流ID150は、個別抵抗の両端の電圧として検出されてもよい。さらに別の例において、スイッチ電流ID150は、スイッチS1 160に対して用いられる金属酸化物半導体電界効果トランジスタ(MOSFET)のドレインとソース間の電圧として検出されてもよい。1つの例において、コントローラ165およびスイッチS1 160は、同一の集積回路上にある。
図1の例において、コントローラ165は、スイッチS1 160を制御または周期的に開閉する駆動信号175を生成し、実質的に出力電圧VO140を調節し、その一方で、AC入力105での低高調波を維持する。
図2は、この発明の教示に従う図1の電源例のコントローラ165の1つの例をより詳細に示す機能ブロック図200である。図示するように、検出されたスイッチ電流IDSENSE205は、リセット可能な積分器210によって受けられる。この例において、リセット可能な積分器210は、リセット信号を受けたときに初期化されることができるものである。リセット可能な積分器210は、検出された電流IDSENSE205を積分し、積分された電流信号225とも呼ばれてもよい第1の入力信号を、スイッチS1 160が閉じている時間中に生成する。この例において、開スイッチは、電流を伝導しない。閉スイッチは、電流を伝導してもよい。1つの例において、リセット可能な積分器210は、スイッチS1 160が開いているときに、0の初期状態にリセットされる。図2の例において、積分された電流信号225は、電圧VINTである。
図2の例において、差動増幅器290は、電圧検出端子170で、出力電圧VO140を受ける。差動増幅器290は、出力電圧VO140の大きさを拡大し、出力電圧VO140に比例し共通入力帰線180を基準とした出力検出電圧VOS295を生成する。
エラー信号は、実際の値と所望される値の間の差を表わす信号である。実際の値と所望される値は両方とも、基準値に比例する。図2の例において、エラー増幅器280は、電源の出力電圧に比例する差動増幅器290からの出力検出電圧を受けるように結合される。エラー増幅器280は、次に、出力検出電圧VOS295と基準電圧VREF285の間の増幅された差であるエラー信号275を生成する。図2の例において、エラー信号275は、エラー電圧VEである。基準電圧VREF285は、出力電圧VO140の所望される値に比例する。図2において、エラー増幅器280は、高周波信号の増幅を低減するローパスフィルタを含む。図2の例において、増幅の低減は、図1のAC入力電圧VAC105の周波数の何分の1かよりも高い周波数に影響を与える。したがって、エラー信号275VEは、実質的に、図1のAC入力電圧VAC105の数サイクルの期間にわたって平均化された出力電圧VO140の実際の値と所望される値との間の増幅された差を表わす。
図示する例において、発振器回路240は、スイッチS1 160を切換えるための信号およびタイミング情報を提供する。発振器回路240からのクロック信号245は、スイッチングサイクルのスイッチング周期TSを決定する。1スイッチングサイクルのスイッチング周期TSは、典型的に、AC入力105での電圧の1サイクルの周期よりも大幅に小さい。1つの例において、1スイッチングサイクルのスイッチング周期TSは、約16マイクロ秒であり、一方AC入力105での電圧の1サイクルの周期は、約16ミリ秒である。したがって、1つの例において、スイッチは、AC入力105での電圧の1サイクル中に、約1000回切り換わる。
図2の例において、発振器回路240は、クロック信号245と同一のスイッチング周期TSを有する信号250を生成する。この例に従い、ランプ波発生器またはランプ波発生器回路255は、信号250を受け、クロック信号245と実質的に同一のスイッチング周期TSを有する電圧VRAMPであるランプ波信号260を生成する。ランプ波信号260の特徴は、この開示中で後述する。図2の例において、ランプ波発生器回路255は、信号250の一部からランプ波信号260を構築する。別の例において、別のランプ波発生器回路は、クロック信号245のみからランプ波信号260を構築してもよい。
図示する例において、乗算器回路265は、エラー信号275をエラー電圧VEとして受け、ランプ波信号260を電圧VRAMPとして受ける。乗算器回路265は、エラー信号275VEとランプ波信号260VRAMPの積を正規化電圧VNORMによって除算した拡大されたランプ波信号270を生成する。したがって、図2の例において、乗算器回路265の出力は、ランプ波信号260に比例する電圧kVRAMPである。したがって、拡大されたランプ波信号270は、ランプ波信号260VRAMPとエラー信号275VEの両方に応じる。
図示する例において、比較器235は、図2において積分された電流信号225VINTとして説明される第1の入力信号と、図2において拡大されたランプ波信号270の電圧kVRAMPとして説明される第2の入力信号とを受ける。図2において、比較器235の出力は、積分された電流信号225VINTの電圧が、拡大されたランプ波信号270の電圧kVRAMPを超えるときに、論理レベルがハイになる。
図2の例において、フリップフロップ220とも呼ばれてもよい駆動信号発生器は、ラッチとして構成され、そのクロック入力でクロック信号245を受け、そのD入力でバイアス電圧VBIAS230を高論理レベルとして受け、そのリセット入力で比較器235の出力を受ける。フリップフロップ220の出力Qは、スイッチS1 160の駆動信号175である。図示する例において、スイッチS1 160は、駆動信号175が高論理レベルのとき、閉じている。スイッチS1 160は、駆動信号175が低論理レベルのとき、開いている。
したがって、図示する例において、フリップフロップ220は、積分された電流信号225と拡大されたランプ波信号220の両方に応じて生成される入力信号を受けるように結合され、スイッチS1 160を制御するように結合される駆動信号175を生成し、電源の出力電圧VO140を実質的に調節する。
リセット可能な積分器210は、そのリセット入力で、フリップフロップ220の相補出力215を受ける。したがって、リセット可能な積分器210は、スイッチS1 160が開いているときに、リセットされる。
次に、図3は、この発明の教示に従うコントローラ165の別の例を備えるAC−DC電源300の別の例を示す。図3のAC−DC電源300の例において、出力電圧VO140は、図2の差動増幅器290なしに検出される。図3のAC−DC電源は、連結されるインダクタ305上にある検出巻線340を用い、出力電圧VO140を検出する。図示する例に従って、ダイオードD2 330は、検出巻線340上に現われる電圧を、コンデンサC4 335が、共通入力帰線180を基準とした出力電圧VO140に比例する出力検出電圧VOS295まで荷電されるように整流する。
図3の例において、電流検出信号155は、リセット可能な積分器325が受ける。リセット可能な積分器325は、大きさIDSENSEがスイッチ電流ID150に比例する電流源310を含む。電流源310は、コンデンサC3 320を荷電し、電圧VINTである積分された電流信号225を生成する。スイッチS2 315は、フリップフロップ220の相補出力で信号215がハイになるとき、積分された電流信号225を、0にリセットする。図3の例において、スイッチS1 160およびスイッチS2 315は、MOSFETである。
図4は、この発明の教示に従うランプ波信号260の1つの例の特徴を示すグラフ400である。グラフ400の縦軸は、1の値に正規化された最大振幅を有するランプ波信号260の相対振幅を示す。グラフ400の横軸は、スイッチング周期の開始後の時間を、スイッチング周期全体の百分率として示す。0%は周期の開始に対応し、100%は周期の終わりに対応する。
図示した例に示すように、ランプ波信号260は、実質的に直線である部分で構成される。したがって、グラフ400のランプ波信号260の例は、区分線形である。グラフ400のランプ波信号260の例における各直線は、セグメントである。水平(傾き0)でも垂直(傾き無限大)でもないセグメントは、グラフ400において、傾きが有限で線形である。ランプ波信号260の傾きが有限で線形のセグメントは、傾きがランプ波信号260の最大振幅で0の水平セグメント440の後に続く。水平セグメント440は、スイッチング周期の開始と傾きが有限で線形の第1のセグメントとの間の遅延を構成する。したがって、ランプ波信号260は、遅延区分線形ランプ波と呼ばれる。
傾きが有限の区分線形ランプ波信号260の各部分は、ランプ波のセグメントである。図4の例は、傾きが有限で線形の3つのセグメント、傾き1 410、傾き2 420、および傾き3 430を有する遅延区分線形ランプ波を示す。他の例において、ランプ波信号260は、傾きが有限で線形の3つを超えるセグメントか、傾きが有限で線形の3つ未満のセグメントかのいずれかを有してもよい。
グラフ400は、ランプ波信号260の例が、その最大値から始まり、最大値を、点405で値が減少し始めるまで維持することを示す。点405は、遅延の終わりにあたり、遅延の終わりは、1つの例においては、スイッチング周期の約5.5%が経過したときに
起こる。遅延後、点405で、ランプ波信号260の振幅は、線形の傾き「傾き1 410」で減少し、スイッチング周期の約53%で、最大振幅の約0.272倍である点415に達する。点415から、ランプ波信号260の振幅は、線形の傾き「傾き2 420」で減少し、スイッチング周期の約75%で、最大振幅の約0.139倍である点425に達する。点425から、ランプ波信号260の振幅は、線形の傾き「傾き3 430」で減少し、スイッチング周期の約99%で、最大振幅の約0.059倍である点435に達する。他の例においては、点405、415、425、および435における大きさおよび時間の値は、図4の例における値と異なり、特定の用途のためのAC−DC電源の所望される特性を達成してもよいことが理解される。
最後に、図5は、この発明の教示に従う方法例を説明するフロー図500を示す。ブロック510における開始後、積分器は、ブロック520において初期化される。次に、電源スイッチは、ブロック530において閉じる。次に、この例においては、ブロック540において、積分器は、電源スイッチ中の電流を積分する。ブロック550において、ランプ波信号が生成される。次に、ブロック560において、検出された出力電圧および基準値からエラー信号が生成される。ブロック570において、ランプ波信号の振幅は、エラー信号に従って拡大される。積分された電流信号の振幅は、判断ブロック580において、拡大されたランプ波信号の振幅と比較される。積分された電流信号が、拡大されたランプ波信号未満の場合は、ブロック540において、積分を続ける。積分された電流信号が拡大されたランプ波信号未満でない場合は、ブロック590において、スイッチが開く。積分器は、ブロック520において再び初期化され、フローを繰返す。
上述の詳細な説明において、この発明の方法および装置は、その特定の例示的な実施例を参照して説明された。しかしながら、この発明のより広い趣旨および範囲から逸脱することなしにそれに対するさまざまな変形および変更がなされてもよいことは明白であるだろう。したがって、この明細書および図面は、限定するものではなく、例示するものと見なされるべきである。
100 AC−DC電源、105 AC入力VAC、130 インダクタL1、140 出力電圧VO、145 負荷、150 スイッチ電流ID、160 スイッチS1、165 コントローラ、180 共通入力帰線、205 検出されたスイッチ電流IDSENSE、210 積分器、220 駆動信号発生器、235 比較器、240 発振器、255 ランプ波発生器、265 乗算器、305 接続されるインダクタ、340 検出巻線。

Claims (20)

  1. バックコンバータにおいて用いるためのコントローラであって、
    前記バックコンバータのスイッチ中の電流を表わす電流検出信号を受けるように結合される積分器を備え、前記積分器は、前記電流検出信号を積分し、第1の入力信号を生成し、
    前記スイッチと同一のスイッチング周期を有する発振信号を受けるように結合されるランプ波発生器をさらに備え、前記ランプ波発生器は、前記発振信号に応じて区分線形ランプ波信号を生成し、前記区分線形ランプ波信号は、前記スイッチの前記スイッチング周期内に、傾きが有限で線形の複数のセグメントが後に続く実質的に傾きが0の遅延セグメントを有し、
    前記区分線形ランプ波信号を乗算し、第2の入力信号を生成する乗算器と、
    前記第1および前記第2の入力信号に応じて生成される第3の入力信号を受けるように結合され、前記スイッチを制御するように結合される駆動信号を生成し、前記バックコンバータの出力電圧を実質的に調節する駆動信号発生器とをさらに備える、コントローラ。
  2. 前記遅延セグメントは、前記スイッチング周期のほぼ開始から前記スイッチング周期の約5.5%が経過するまで、実質的に前記区分線形ランプ波信号の最大振幅である、請求項1に記載のコントローラ。
  3. 前記遅延セグメントは、前記スイッチング周期内に、傾きが有限で線形の約3つのセグメントが次に続く、請求項1に記載のコントローラ。
  4. 第1のセグメントは、前記区分線形ランプ波信号のほぼ最大振幅で始まり、前記区分線形ランプ波信号の実質的最大振幅の約0.272倍で終端する、請求項1に記載のコントローラ。
  5. 第2のセグメントは、第1のセグメントのほぼ終端で始まり、前記区分線形ランプ波信号の実質的最大振幅の約0.139倍で終端する、請求項1に記載のコントローラ。
  6. 第3のセグメントは、第2のセグメントのほぼ終端で始まり、前記区分線形ランプ波信号の実質的最大振幅の約0.059倍で終端する、請求項1に記載のコントローラ。
  7. 第1のセグメントは、前記遅延セグメントのほぼ終端で始まり、前記スイッチング周期の約53%が経過したときに終端する、請求項1に記載のコントローラ。
  8. 第2のセグメントは、第1のセグメントのほぼ終端で始まり、前記スイッチング周期の約75%が経過したときに終端する、請求項1に記載のコントローラ。
  9. 第3のセグメントは、第2のセグメントのほぼ終端で始まり、前記スイッチング周期の約99%が経過したときに終端する、請求項1に記載のコントローラ。
  10. 前記スイッチは、前記コントローラと同一の集積回路に含まれる、請求項1に記載のコントローラ。
  11. 前記スイッチは、前記バックコンバータのローサイドスイッチである、請求項1に記載のコントローラ。
  12. 前記バックコンバータは、変圧器分離を含む、請求項1に記載のコントローラ。
  13. 前記乗算器は、前記区分線形ランプ波信号と前記バックコンバータの前記出力電圧中のエラーを表わすエラー信号とに応じた拡大されたランプ波信号を生成するように結合される、請求項1に記載のコントローラ。
  14. 前記バックコンバータは、結合されるインダクタ上に、検出巻線を含み、前記エラー信号を生成するために用いられる出力検出電圧を検出する、請求項13に記載のコントローラ。
  15. 前記ランプ波発生器によって受けられるように結合される発振信号と、前記駆動信号発生器によって受けられるように結合されるクロック信号とを生成するように結合される発振器をさらに備える、請求項1に記載のコントローラ。
  16. バックコンバータの制御方法であって、
    前記バックコンバータのスイッチ中の電流を表わす信号を積分し、積分された電流信号を生成するステップと、
    区分線形ランプ波信号と前記バックコンバータの出力電圧に応じて生成されるエラー信号とに応じて拡大されたランプ波信号を生成するステップとを備え、前記区分線形ランプ波信号は、前記スイッチのスイッチング周期内に、傾きが有限で線形の複数のセグメントが後に続く実質的に傾きが0の遅延セグメントを含み、
    前記拡大されたランプ波信号を前記積分された電流信号と比較し、前記バックコンバータの前記出力電圧を実質的に調節するために、前記スイッチを制御する駆動信号を生成するステップを備える、方法。
  17. 前記区分線形ランプ波信号は、前記スイッチング周期のほぼ開始から前記スイッチング周期の約5.5%が経過するまで、実質的に前記区分線形ランプ波信号の最大振幅である遅延セグメントを含む、請求項16に記載の方法。
  18. 前記区分線形ランプ波信号は、前記スイッチング周期の約5.5%が経過した後に始まる第1のセグメントを含む、請求項16に記載の方法。
  19. 前記区分線形ランプ波信号は、前記スイッチング周期の約53%が経過した後に始まる第2のセグメントを含む、請求項16に記載の方法。
  20. 前記区分線形ランプ波信号は、前記スイッチング周期の約75%が経過した後に始まる第3のセグメントを含む、請求項16に記載の方法。
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