JP2009508461A - スイッチング電源の動作方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、工業用の空冷式のスイッチング電源の動作方法に関する。ここでは、スイッチング電源内に配置された熱源によって影響される温度をサーモエレメント（１１，１２，１３，１４，１５）によって測定し、制御装置に通知し、異なる測定点に配置された少なくとも２つのサーモエレメント（１１，１２，１３，１４，１５）によって測定された温度を、該制御装置に通知し、温度パターンと比較する。既知の温度パターンと比較することにより、全体的な熱的状況を連続的に検出し、この熱的状況から制御装置に対する設定を導出することができる。

Description

本発明は、工業用の空冷式のスイッチング電源の次のような動作方法に関する。すなわち、スイッチング電源内に配置された熱源によって影響される温度をサーモエレメントによって測定し、制御装置に通知する動作方法に関する。さらに本発明は、この方法を実施するためのスイッチング電源に関する。

スイッチング電源は周知である。これは、負荷と電源網とを接続するためのクロック制御される変換器である。このクロック周波数は電源網の周波数を大幅に上回るので、整流器を有する電源トランスに対して構成サイズが格段に小さくなる。スイッチング電源は出力側において、非常に異なる装置に給電するための直流電圧を供給する。

通常、このようなスイッチング電源はパルス幅変調（ＰＷＭ）と、調整される一定の出力電圧とによって動作する。ここで伝送可能な出力は、スイッチング電源の構成と使用条件とに依存する。ここでは、とりわけ温度条件に注意しなければならない。というのも、スイッチング電源内に配置された構成要素は、所定の温度領域内でしか動作してはならないからである。したがって、伝送可能な公称出力に関してスイッチング電源の製造者は、データシートに最大周辺温度を記載しなければならない。それより高い周辺温度に対して、通常はいわゆるディレーティングが設けられる。その際には、製造者はデータシートに、より高い周辺温度で素子の損傷を回避するために最大伝送可能出力をどの程度低減しなければならないかを記載する。

高い周辺温度以外にも、スイッチング電源の過熱を引き起こす原因が他にもある。その例に、排熱不足や短絡による過負荷がある。

それゆえ、過熱時に素子を損傷から保護するために従来技術では、熱的状態を監視し、限界値を超える場合にはスイッチング電源の一時的または全面的な遮断を行う装置および方法が知られている。

ＪＰ７０１５９５３Ａ１にたとえば、出力側の短絡時に遮断を行うための温度制御される保護回路を有するスイッチング電源が記載されている。温度センサによってスイッチング素子の近傍において温度を測定し、この温度をアナログ／デジタル変換器においてデジタル信号に変換する。デジタル温度信号が供給される時間測定器によって、短絡発生後に、測定された温度に依存して、スイッチング素子の遮断時点が求められる。

ＪＰ２００４２９７８８６Ａ１に、スイッチング電源における温度センサの中央の配置が記載されている。この１つのセンサによって、たとえばスイッチング素子、トランスおよび整流器等の複数のコンポーネントを測定することができる。

製造者 Power Integration Inc. の製造者の TOPSwitch 製品シリーズは、温度監視されるＰＷＭ制御部を有する。このようなＰＷＭ制御部では、阻止層温度が所定の値を超えると直ちに、アナログ回路によって該ＰＷＭ制御部のスイッチング素子がスイッチオフされるように構成される。下方閾値を下回ると、スイッチング素子は再びクロック開始し、スイッチング電源は通常動作で動作する。

さらに、スイッチング電源において使用するために設けられるトランジスタが公知である。このトランジスタは、組み込まれたサーモセンサを有する。ここでは、サーモセンサチップはトランジスタ上に配置されており、該トランジスタのゲート端子およびソース端子に接続されている。熱的過負荷の場合には、サーモセンサチップはゲート端子とソース端子とを短絡する。ゲート端子に前置接続された抵抗によって、駆動制御電圧は閾値を下回り、負荷スイッチング回路は遮断される。

したがって、従来技術で公知であるスイッチング電源の温度監視の特徴は、スイッチング電源自体のコンポーネントの保護に関する。基本的にはこのコンポーネントは、ＰＷＭ制御部およびスイッチング素子である。熱的過負荷によって常に、温度の低減後に再度の動作可能状態が識別されるか、または操作員がスイッチング電源を再びスイッチオンするまで、該スイッチング電源は遮断し、クロック送信しなくなる。

本発明の基礎となる課題は、従来技術の改善を実現するための方法および装置を提供することである。

本発明ではこのことは、冒頭に述べた形式の方法において次のようにして実現される。すなわち、異なる測定点に配置された少なくとも２つのサーモエレメントによって測定された温度を制御装置に通知し、該測定された温度と温度パターンとを比較することによって実現される。

本方法を実施するためのスイッチング電源には、異なる測定点に配置された少なくとも２つのサーモエレメントと制御装置とが設けられており、該制御装置は、測定された温度と温度パターンとを比較するための手段を有する。

このような構成により、検査されるのは素子の温度または素子のグループの温度だけではなくなる。既知の温度パターンと比較することにより、全体的な熱的状況を連続的に検出し、この熱的状況から制御装置に対する設定を導出することができる。前記サーモエレメントは、温度パターンにおける適切な位置に所属する測定値を供給する。

このことによって、スイッチング電源自体の素子による熱展開も、外部の熱源による熱展開も検出される。これに相応して、周辺空気の温度変化に起因する熱的状況の変化、または、隣接する機器または装置の放射状態の変化に対して応答することもできる。

本発明の簡単な構成では、少なくとも２つの温度パターンを設定し、測定された温度が該温度パターンのうち１つに近似する場合、スイッチング電源の状態変化がトリガされる。このようにして、操作員に対し、クリティカルな動作状態を指示する手間、または変化した制御値を設定する手間が小さくなる。

このような構成では、伝送可能な出力のレベルを温度パターンに依存して決定し、測定された温度が該温度パターンのいずれか１つに近似する場合に、該伝送可能な出力の値を、該温度パターンに対して決定された値に設定すると有利である。このようにして伝送可能な出力は、その時点の全体の熱的状態に連続的に適合され、個々の素子の熱的状態にのみ依存することがなくなる。このことにより、効率およびフェールセーフティの改善が実現される。

また、スイッチング電源の可能な取り付け位置に、空気冷却によって引き起こされる固有の温度分布を温度パターンとして割り当て、測定された温度とこの温度パターンとを比較することによって該スイッチング電源の取り付け位置を検出することも有利である。このようにして、オペレータに対し、不利な取り付け位置を表示するか、最大伝送可能出力を、得られる空気流状態に適合することができる。

有利には、サーモエレメントによって測定された温度は温度経過として記憶される。損傷の場合、または調査作業ないしは保守作業時には、過去の時間にわたる熱的状況を評価することができる。これによって、代替装置の選択または動作条件の変化に関する推定を導き出すことができる。

本方法を実施するためのスイッチング電源の有利な実施形態は、少なくとも２つの温度パターンを設定するための手段と、測定された温度が該温度パターンのうち１つに近似するかを検出するための手段と、該スイッチング電源の状態を変化するための手段とを有する。このような手段によって、設定された温度パターンに依存してスイッチング素子の動作状態を熱的条件に適合するか、または、表示状態の変化によって操作員に対して熱的な限界値を表示することができる。

有利にはさらに、伝送可能な出力を設定するための手段が設けられている。測定された温度と温度パターンの相応の点との比較によって、温度パターンに近づいていることが識別された場合、該温度パターンに割り当てられた最大伝送可能出力が設定される。このようにしてスイッチング電源は、幅広い温度領域にわたって、素子が未だ熱的に耐えられる最大可能出力で動作することができる。このことにより、固定的に設定された熱的負荷以上で遮断する従来のスイッチング電源とは対照的に、活用の最適化を実現することができる。

本発明の有利な特徴として挙げられる位置検出を行うために、スイッチング電源に少なくとも２つのサーモエレメントが次のように配置される。すなわち、スイッチング電源の位置変化によって、測定される温度の変化が生じるように配置される。その際には、空気冷却によって得られる次のような効果、すなわち、下側でケーシングの通気スリットを通って流入する空気は上方で漏出する空気より低温であるため、位置検出を簡単に行うことができる効果が利用される。

本発明を以下で、添付図を参照して例解する。以下の図面が概略的に示されている：
図１：スイッチング電源の構成。

図１に、スイッチング電源を上方から見た様子が示されている。ケーシング１はこの図では、コンポーネントが見えるように、前面カバーなしで示されている。スイッチング電源の個々のコンポーネントの配置と図中の取り付け位置は、従来技術に相応する。しかし、別の配置または取り付け位置も可能である。

プリント基板２の左下に、入力端子７が示されている。この入力端子７を介して、スイッチング電源は電源電圧に接続される。その隣に入力コンデンサ９が設けられている。この入力コンデンサ９は通常、電解コンデンサとして構成される。

プリント基板２に対して垂直に１次側冷却体３が配置されており、この１次側冷却体３に２つのスイッチング素子５が取り付けられている。

その右側において、ケーシング１の上方領域にトランス４が設けられている。その下に出力コンデンサ１０が配置されている。この出力コンデンサ１０は電解コンデンサとして構成されている。

ケーシング１の右縁部に２次側ダイオード６が示されている。これにも冷却体１６が設けられており、出力コンデンサ１０とともに２次側の整流回路を構成する。

右下に出力端子８が配置されており、これに負荷を接続することができる。ケーシング１は通常、下側と上側とに通気スリットを有し、これによって、下側から冷気が周辺温度でケーシング内部に到達し、ここで、熱を排出するコンポーネントによって加熱され、温度上昇されて上側に漏出する。

本発明ではスイッチング電源に、図中の５つのサーモエレメント１１〜１５のうち少なくとも２つが配置されている。測定点の選択は、スイッチング電源に課される要求に依存する。

全般的な冷却特性を検出するためには、両サーモエレメント１１および１２はケーシング１の下側および上側の縁部に存在するのが有利である。このような構成では下側のサーモエレメント１１は、下側から流入した周辺空気の温度を測定し、上側のサーモエレメント１２は、加熱された排気の温度を測定する。その際には、スイッチング電源の開発中に、試行によって少なくとも２つの温度パターンが求められる。温度パターンとは、所定の動作状態で個々の測定点で同時に生じる温度のグループを指す。

最適な温度パターンはたとえば、推奨された取り付け位置と、完全な出力伝送のための最大許容可能な周辺温度の場合に得られる。第２の温度パターンは、取り付け位置が変化した場合、または周辺温度が過度に高い場合に得られる。有利にはさらに、異なる取り付け位置と異なる動作条件との場合に得られる複数の温度パターンも求められる。

通常は電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）として構成されるスイッチング素子５の温度は有利には、直接隣接して配置されたサーモエレメント１３によって測定される。さらに、サーモエレメント１４をトランス４に隣接して配置し、サーモエレメント１５を２次側ダイオード６に隣接して配置することにより、これら２つのコンポーネントの温度を測定することも有利である。

したがって、図中の実施例では５つのサーモエレメント１１〜１５が設けられており、これによって温度パターンとして、５つの温度の個々のグループが得られる。

試行で求められた温度パターンは、動作中に測定される温度と比較するためにスイッチング電源の制御装置へ供給される。こうするためにはたとえば、メモリエレメントとマイクロコントローラないしはデジタル信号プロセッサが、適切な手段である。

測定された温度と温度パターンとを比較する際には、測定された温度に最も相応する温度パターンが求められる。このことはたとえば、まず各測定点において、測定点の測定された温度と個々の温度パターンの相応の温度との個々の差値が求められるように行われる。ここで所定の温度パターンの差値のグループでは、差値の和が最小値を成す。スイッチング電源において、クリティカルな使用条件に起因して、または特に温度に脆弱なコンポーネントに起因して、１つまたは複数の測定点の監視を強化しなければならない場合、このような測定点に所属する差値をより高く重みづけする。

スイッチング電源の動作に対しては、各温度パターンに所定の目標状態を割り当てる。その際に有利なのは、特定の最大伝送可能出力の設定である。つまり、スイッチング電源の制御装置は、その時点で最も相応する温度パターンに依存してスイッチング素子を制御する。このようにして、スイッチング電源は熱的な過負荷の場合にも、温度が高くなった場合にはより低い伝送可能出力を設定することにより、持続的に動作することができる。その際に有利なのは、スイッチング電源が完全に遮断するクリティカルな温度パターンを定義することである。このことはたとえば、測定された温度がクリティカルな温度パターンに近似する出力側の短絡時に必要である。したがって、従来技術より有利な点は、不所望の熱的状態で自動的なディレーティングが行われることである。また、特に良好な冷却状態の場合（たとえば低い周辺温度の場合）に、より高い伝送可能出力を設定することもできる。

変化する条件にスイッチング電源がより迅速に適合されるようにするためには、その時点で測定された温度が最も相応する温度パターンの他に、個々の測定点の温度経過がこれから展開する温度パターンも決定的に重要である。その際には、温度がより高いレベルの温度パターンに移動するかまたはより低いレベルの温度パターンに移動するかが連続的に検査される。このようにしてたとえば、クリティカルな温度パターンに達する前に出力低減を行うことができ、この出力低減によって場合によっては、スイッチング電源の完全な遮断を回避することができる。

最大伝送可能出力の設定の他に、オペレータに対して適切な光学的信号または音響的信号によって、クリティカルな熱的状態に達すること、またはクリティカルな熱的状態に達したことを表示することも有利である。オペレータに対してたとえば、スイッチング素子が不所望の位置に取り付けられたこと、または、ケーシング１の排気スリットが覆われていることを表示することができる。スイッチング電源が逆に取り付けられている場合、縁部に存在する両サーモエレメント１１および１２の測定される温度値は交換される。このことは、本来は上側で比較的高温の排気を測定しなければならないサーモエレメント１２が、流入した低温の周辺空気の温度を測定し、他方のサーモエレメント１１が高温の排気を測定していることを意味する。したがってこの熱的状況は、開発段階ではスイッチング電源が逆に取り付けられた試行で求められた温度パターンに最も相応する。このような温度パターンには適切な通知信号が割り当てられており、これによって、測定された温度がこの温度パターンに近似することが信号をトリガする。取り付け位置は、個々のコンポーネントの配置に基づいて重要である。たとえば出力コンデンサ１０は、トランス４の下方の比較的低温の領域に存在しなければならない。

所与の熱的状態の微分評価を行う際には、存在する測定点を複数のグループに分割し、各グループに固有の温度パターンを割り当てるのが有利である。その際、試行ではたとえば、一般的な冷却特性を判定し、縁部に存在するサーモエレメント１１および１２に関して複数の温度パターンの取り付け位置を検出し、構成要素を監視するために、付加的に、内部に存在するサーモエレメント１３〜１５の温度パターンも検出する。スイッチング電源の動作は、測定点の個々のグループにおける熱的条件にしたがう。

しばしばスイッチング電源は、周辺空気の一定でない温度で動作することが多い。その際に有利なのは、測定された温度の経過を後の評価のために記憶する記憶手段を設けることである。スイッチング電源がたとえば所望の出力を供給しない場合、サービス員は、下方の縁部に配置されたサーモエレメント１１によって測定された温度経過を評価することにより、スイッチング電源が所望の出力を供給しないことが、流入した冷気の温度が過度に高いことに起因するか否かを求めることができる。その際には、冷気を付加的なスイッチ盤換気手段等の適切な手段によって冷却することができる。

スイッチング電源の構成を示す。

Claims (9)

1. 工業用の空冷式のスイッチング電源の動作方法であって、
   該スイッチング電源内に配置された熱源によって影響される温度をサーモエレメント（１１，１２，１３，１４，１５）によって測定し、制御装置に通知する動作方法において、
   異なる測定点に配置された少なくとも２つのサーモエレメント（１１，１２，１３，１４，１５）によって測定された温度を、該制御装置に通知し、温度パターンと比較することを特徴とする、動作方法。
2. 少なくとも２つの温度パターンを設定し、
   前記測定された温度が該温度パターンのうち１つに近似する場合、前記スイッチング電源の状態変化をトリガする、請求項１記載の動作方法。
3. 伝送可能な出力のレベルを温度パターンに依存して決定し、
   前記測定された温度が該温度パターンのうち１つの温度パターンに近似する場合に、該伝送可能な出力の値を、該１つの温度パターンに対して決定された値に設定する、請求項１または２記載の動作方法。
4. 前記スイッチング電源の可能な取り付け位置に、空気冷却によって引き起こされる固有の温度分布を温度パターンとして割り当て、
   前記測定された温度と該温度パターンとを比較することによって、該スイッチング電源の取り付け位置を検出する、請求項１から３までのいずれか１項記載の動作方法。
5. 前記サーモエレメント（１１，１２，１３，１４，１５）によって測定された温度を温度経過として記憶する、請求項１から４までのいずれか１項記載の動作方法。
6. 請求項１から５までのいずれか１項記載の動作方法を実施するためのスイッチング電源において、
   異なる測定点に配置された少なくとも２つのサーモエレメント（１１，１２，１３，１４，１５）と、制御装置とが設けられており、
   該制御装置は、測定された温度と温度パターンとを比較するための手段を有することを特徴とする、スイッチング電源。
7. 少なくとも２つの温度パターンを設定するための手段と、
   前記測定された温度が該温度パターンのうち１つに近似するかを検出するための手段と、
   前記スイッチング電源の状態を変化するための手段とが設けられている、請求項６記載のスイッチング電源。
8. 伝送可能な出力を設定するための手段が設けられている、請求項６または７記載のスイッチング電源。
9. 前記少なくとも２つのサーモエレメント（１１，１２，１３，１４，１５）は、スイッチング電源の位置変化によって測定される温度が変化するように配置される、請求項６から８までのいずれか１項記載のスイッチング電源。

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