JP2012143071A - Power supply and electronic apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電源装置に関し、特に電源装置を起動したときに流れる貫通電流を緩和する回路に関する。 The present invention relates to a power supply device, and more particularly to a circuit that reduces a through current that flows when the power supply device is started.
共振型のスイッチング電源装置は、電力の変換効率に優れるとともに、スイッチング動作の波形が正弦波となることによるノイズの少なさや、部品点数の少なさといった特徴を備えている。とりわけ、電流共振型のコンバータでは、ハーフブリッジ方式が採用されることが多い。このハーフブリッジ方式では、2つのスイッチング素子を直列に接続したスイッチング回路が直流入力電圧に対して並列に接続される。 The resonance type switching power supply device is excellent in power conversion efficiency, and has features such as low noise due to the waveform of the switching operation being a sine wave and a small number of components. In particular, in a current resonance type converter, a half bridge method is often adopted. In this half-bridge system, a switching circuit in which two switching elements are connected in series is connected in parallel to a DC input voltage.
しかし、スイッチング電源装置では、動作開始直後においては共振回路が安定に動作しないため、一方のスイッチング素子と他方のスイッチング素子のボディダイオードとを経路として流れる貫通電流が発生する。貫通電流は、スイッチング素子にダメージを与えてしまうおそれがある。なお、ボディダイオードは、静電破壊を防止するために、ゲート・ソース間に設けられるダイオードであり、寄生ダイオードや内蔵ダイオードと呼ばれることもある。 However, in the switching power supply device, since the resonance circuit does not operate stably immediately after the operation starts, a through current that flows through one switching element and the body diode of the other switching element is generated. The through current may damage the switching element. The body diode is a diode provided between the gate and the source in order to prevent electrostatic breakdown, and is sometimes called a parasitic diode or a built-in diode.
そこで、特許文献1では、この課題を解決するために、ボディダイオードに流れる電流を電流状態検出回路により検出し、ボディダイオードに電流が流れている間は、2つのスイッチング素子のオン/オフ切り替えを行わないようにすることが提案されている。 Therefore, in Patent Document 1, in order to solve this problem, the current flowing through the body diode is detected by the current state detection circuit, and the two switching elements are switched on / off while the current flows through the body diode. It has been proposed not to do so.
しかし、特許文献1に記載された発明では、ボディダイオードに電流が流れなくなったらすぐに一方のスイッチング素子から他方のスイッチング素子への切り替えを行う。このボディダイオードに電流が流れなくなってすぐのタイミングでは、コンデンサとリーケージインダクタンスに流れている電流は小さい。そのため、このタイミングでスイッチング素子のオンオフを切り替えるとスイッチング素子の出力容量や、スイッチング素子に並列に接続された電圧共振用のコンデンサを充放電する時間が多く必要となってします。つまり、一方のスイッチング素子をオフに切り替えてから、他方のスイッチング素子をオンに切り替えるまでの待機時間(デッドタイム)を長く確保しておかなければならなかった。 However, in the invention described in Patent Document 1, switching from one switching element to the other switching element is performed as soon as no current flows through the body diode. At the timing immediately after no current flows through the body diode, the current flowing through the capacitor and the leakage inductance is small. For this reason, switching the switching element on and off at this timing requires a lot of time to charge and discharge the switching element output capacitance and the voltage resonance capacitor connected in parallel to the switching element. That is, it is necessary to ensure a long standby time (dead time) from when one switching element is switched off to when the other switching element is switched on.
そこで、本発明は、共振型の電源装置の起動時に発生する貫通電流を低減することを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to reduce a through current generated when a resonance type power supply device is started.
本発明の電源装置は、直流電源に対して並列に接続された回路であって、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子とを直列に接続した回路、直列共振回路、整流平滑回路、駆動信号生成回路および比較回路を備える。直列共振回路は、第2のスイッチング素子に対して並列に接続され、トランスの一次巻線と共振コンデンサとにより形成された回路である。整流平滑回路は、第1のスイッチング素子または第2のスイッチング素子がオンとなる期間にトランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑する回路である。駆動信号生成回路は、整流平滑回路の出力電圧をフィードバックして第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子とを交互に駆動する駆動信号を生成する回路である。比較回路は、共振コンデンサの両端電圧と所定の基準電圧とを比較する回路である。とりわけ、駆動信号生成回路は、電源装置が動作を開始してから直列共振回路が定常状態に移行するまでの期間は、比較回路の比較結果に対応した駆動信号を生成する。一方、駆動信号生成回路は、直列共振回路が定常状態に移行した後の期間は、比較回路の比較結果を使用せずに、整流平滑回路の出力電圧に対応した駆動信号を生成する。基準電圧は、たとえば、直流電源から供給される電源電圧の二分の一の大きさの電圧である。 A power supply device of the present invention is a circuit connected in parallel to a DC power supply, and includes a circuit in which a first switching element and a second switching element are connected in series, a series resonant circuit, a rectifying / smoothing circuit, and a drive A signal generation circuit and a comparison circuit are provided. The series resonant circuit is a circuit that is connected in parallel to the second switching element and is formed by a primary winding of the transformer and a resonant capacitor. The rectifying and smoothing circuit is a circuit that rectifies and smoothes a voltage generated in the secondary winding of the transformer during a period in which the first switching element or the second switching element is turned on. The drive signal generation circuit is a circuit that generates a drive signal for alternately driving the first switching element and the second switching element by feeding back the output voltage of the rectifying and smoothing circuit. The comparison circuit compares the voltage across the resonance capacitor with a predetermined reference voltage. In particular, the drive signal generation circuit generates a drive signal corresponding to the comparison result of the comparison circuit during a period from when the power supply device starts operating until the series resonance circuit shifts to a steady state. On the other hand, the drive signal generation circuit generates a drive signal corresponding to the output voltage of the rectifying / smoothing circuit without using the comparison result of the comparison circuit during the period after the series resonance circuit shifts to the steady state. The reference voltage is, for example, a voltage having a half of the power supply voltage supplied from the DC power supply.
本発明によれば、駆動信号生成回路が、電源装置が動作を開始してから直列共振回路が定常状態に移行するまでの期間は、比較回路の比較結果に対応した駆動信号を生成する。これにより、電源装置の起動時に発生する貫通電流を低減できる。また、電源電圧の二分の一の大きさの電圧を基準電圧とすれば、スイッチング切り替え時のデッドタイムを短く設定することが可能であるため、制御性が向上する。例えば、本発明の電源装置では、スイッチング周波数に対する追従性が向上しているため、スイッチング周波数を高くしやすい。 According to the present invention, the drive signal generation circuit generates a drive signal corresponding to the comparison result of the comparison circuit during a period from when the power supply device starts operating until the series resonance circuit shifts to a steady state. Thereby, the through current generated when the power supply device is activated can be reduced. Further, if a voltage having a half of the power supply voltage is set as the reference voltage, the dead time at the time of switching switching can be set short, so that controllability is improved. For example, in the power supply device of the present invention, since the followability to the switching frequency is improved, it is easy to increase the switching frequency.
[実施例1]
発明の実施形態について述べる。図1(A)はハーフブリッジ方式を採用した電流共振型の電源装置を示している。図1(A)において、商用の交流電源1から供給される交流電圧は、全波整流回路2により整流され、平滑コンデンサ3に出力される。平滑コンデンサ3は全波整流電圧を平滑し、これにより直流電圧Vdcが得られる。ここで、商用の交流電源1、全波整流回路2および平滑コンデンサ3は、直流電源を構成している。
[Example 1]
Embodiments of the invention will be described. FIG. 1A shows a current resonance type power supply device adopting a half-bridge method. In FIG. 1A, an AC voltage supplied from a commercial AC power source 1 is rectified by a full-
平滑コンデンサ3の両端に抵抗4、5が直列に接続される。抵抗4、5は、直流電圧Vdcを抵抗比に応じて分圧する分圧回路を形成している。ここでは、抵抗4、5の抵抗値は同一としているため、抵抗4、5の接続点AにはVdc×0.5の電圧が生じる。分割回路の出力である0.5Vdcが比較器6へ入力される。このように、抵抗4、5は、直流電源から供給される電源電圧を分圧して直流電源の電源電圧Vdcの二分の一の大きさの電圧を基準電圧として出力する分圧回路として機能する。
制御回路7は、比較器6とフォトカプラ21から入力された信号に応じて、スイッチング素子であるハイサイドFET8とローサイドFET9を駆動する駆動信号の周波数を可変制御する。ハイサイドFET8の駆動端子(ゲート)に入力される駆動信号をVQ1と呼ぶ。ローサイドFET9の駆動端子(ゲート)に入力される駆動信号をVQ2と呼ぶ。図1(A)が示すように、ハイサイドFET8とローサイドFET9はハーフブリッジ形式で接続されている。つまり、第1のスイッチング素子であるハイサイドFET8と第2のスイッチング素子であるローサイドFET9とを直列に接続した回路が形成されており、この回路は、直流電源に対して並列に接続されている。電圧共振コンデンサ10の一端はローサイドFET9のドレインに接続され、他端はソースに接続されている。
The
図1(A)において、トランス11は、1次側と2次側とが絶縁された絶縁トランスである。ここでは、トランス11が励磁インダクタンス12とリーケージインダクタンス13との等価回路で示されている。電流共振コンデンサ14は、トランスの一次巻線であるリーケージインダクタンス13と直列共振回路を構成している。この直列共振回路は、第2のスイッチング素子であるローサイドFET9に対して並列に接続されている。
In FIG. 1A, a
ダイオード15A、15Bはトランス11の2次側巻線に生じる電圧を整流する整流回路を構成するダイオードである。コンデンサ16は、ダイオード15A,15Bで整流された電圧を平滑するための平滑回路としてのコンデンサである。このように、ダイオード15A、15Bおよびコンデンサ16は、第1のスイッチング素子または第2のスイッチング素子がオンとなる期間にトランス11の二次巻線に発生する電圧を整流して平滑する整流平滑回路として機能している。負荷抵抗17は、本発明の電源装置に接続される負荷を示している。
The diodes 15 </ b> A and 15 </ b> B are diodes that constitute a rectifier circuit that rectifies the voltage generated in the secondary winding of the
シャントレギュレータ19は、基準電圧を発生する電圧源、比較器およびトランジスタにより構成されている。シャントレギュレータ19は、内部の基準電圧とトランス11の2次側に生じた電圧とを比較し、両者の差に応じた電流(誤差信号)を出力する。ここでは、2次側に生じた電圧として、整流平滑回路の出力電圧Voutを採用している。フォトカプラ21は、シャントレギュレータ19より出力された誤差信号をトランス11の1次側に設けられた制御回路7へ伝達する回路を構成している。このように、整流平滑回路の出力電圧Voutは、誤差信号に変換されて制御回路7へフィードバックされる。なお、フォトカプラ21の発光素子側には発光素子に流れる電流を制限する制限する制限抵抗20が設けられている。
The
図1(B)は制御回路7のブロック図を示したものである。制御回路7は、整流平滑回路の出力電圧をフィードバックとして第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子とを交互に駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成回路の一例である。制御回路7は、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子とが交互にオンとなるように駆動信号を出力する。つまり、ハイサイドFET8がオンのときは、ローサイドFET9が必ずオフになる。また、ローサイドFET9がオンのときは、ハイサイドFET8が必ずオフになる。ただし、本実施例では、両方のFETがオフになるデットタイムが確保される。
FIG. 1B shows a block diagram of the
図1(B)において、比較器6は、共振コンデンサの両端電圧と所定の基準電圧とを比較する比較回路として機能する。比較器6は、接続点Aより入力された電圧値である0.5Vdcと、電流共振コンデンサ14の電圧値Vcrを比較し、比較結果をカウンタ27とモードSW28へ出力する。カウンタ27は比較器6の出力の切り替わり回数(電圧値Vcrが0.5Vdcに対して一致した回数)を計数する計数回路として機能する。カウンタ27のカウント値はカウント比較器30へ入力される。カウント比較器30は、設定値保持部29に予め設定されて保持されている設定値と、カウンタ27から入力されたカウント値を比較し、比較結果をモードSWに出力する。設定値は、電源装置が動作を開始してから直列共振回路が定常状態に移行するまでの期間の長さに対応した値である。この期間において、比較器6の出力は設定値と同数の回数だけ変化する。つまり、設定値は、この期間に、電圧値Vcrが0.5Vdcに対して一致した回数を、実験またはシミュレーションによって求めることで決定された回数である。電圧値Vcrが0.5Vdcに対して一致した回数が設定値になると、制御回路7は、直列共振回路が定常状態に移行したと認識できる。
In FIG. 1B, the comparator 6 functions as a comparison circuit that compares the voltage across the resonant capacitor with a predetermined reference voltage. The comparator 6 compares the voltage value 0.5 Vdc input from the connection point A with the voltage value Vcr of the
モードSW28は、カウント比較器30の比較結果が2つの入力が不一致であることを示している間、オンとなる。すなわち、モードSW28は、比較器26の比較結果を示す信号をゲートドライバ31へスルー出力する。モードSW28は、カウント比較器30での比較結果が2つの入力が一致していることを示している場合、オフとなる。すなわち、モードSW28は、比較器6とゲートドライバ31の接続を切断する。ゲートドライバ31は、ハイサイドFET8とローサイドFET9の各ゲートに駆動信号を出力する。モードSW28からの入力信号がある場合、ゲートドライバ31は、モードSW28からの入力信号に対応した駆動信号をハイサイドFET8とローサイドFET9に出力する。モードSW28からの入力信号がない場合、ゲートドライバ31は、発振器32の入力信号に対応した駆動信号を出力する。ゲートドライバ31は、電源装置の起動時の1回目のみ初期パルス設定保持部33に設定されている初期パルス設定時刻を参照し、初期パルス設定時刻に対応した駆動信号をハイサイドFET8に出力する。初期パルスの駆動が終了すると、モードSW28がオンとなり、比較器6の出力がゲートドライバ31へ接続される。
The mode SW28 is turned on while the comparison result of the
図2を用いて本実施例の電源装置の動作について説明する。とりわけ、実施例1の制御回路7は、電源装置が動作を開始してから直列共振回路が定常状態に移行するまでの期間は、比較回路の比較結果に対応した駆動信号を生成する。一方、直列共振回路が定常状態に移行した後の期間は、制御回路7は、比較回路の比較結果を使用せずに、整流平滑回路の出力電圧に対応した駆動信号を生成する。
The operation of the power supply apparatus according to this embodiment will be described with reference to FIG. In particular, the
時刻Hにおいて電源装置を起動する。なお、時刻HにおいてハイサイドFET8をオンする前に共振回路をリセットする目的でローサイドFET9をオンさせてもよい。その場合、ローサイドFET9をオフさせた以降、本実施例の制御が適用できる。時刻H以降、制御回路7は初期パルス設定値時間にわたり、ゲートドライバ31の出力状態を維持する。このとき電流の経路はハイサイドFET8→トランス11→電流共振コンデンサ14であ。電流共振コンデンサ14の電圧が徐々に上昇する。制御回路7は、カウンタまたはタイマーを用いて時刻Hからの経過時間を計測する。
At time H, the power supply device is activated. Note that the
時刻Hから時刻Nまで、電源装置が動作を開始してから直列共振回路が定常状態に移行するまでの期間である。そこで、実施例1では、制御回路7が、電流共振コンデンサ14の両端電圧Vcrが基準電圧に一致したタイミングごとに、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子とを交互にオンに切り替えるよう駆動信号を生成する。つまり、両端電圧Vcrが基準電圧に一致したタイミングが、ハイサイドFET8とローサイドFET9の切り替えタイミングとなる。
This is a period from time H to time N until the series resonance circuit shifts to a steady state after the power supply device starts operating. Therefore, in the first embodiment, the
時刻Iで、制御回路7は、ハイサイドFET8をオフに切り替える。制御回路7は、時刻Iからの経過時間が所定のデッドタイムに到達すると、ローサイドFET9をオンに切り替える。時刻Hから時刻Iまでの期間の長さは、リーケージインダクタンス13と電流共振コンデンサ14で構成される共振回路の共振周期より短い任意の時間とする。また、制御回路7は、時刻Iで、モードSW28をオンに切り替える。これにより、ゲートドライバ31は、比較器6の出力に応じて駆動信号を出力する。電流共振コンデンサ14の電圧値VcrがVdcの0.5を上回ったタイミングで、ゲートドライバ31は、ハイサイドFET8をオフに切り替え、ローサイドFET9をオンに切り替える。また、ゲートドライバ31は、電流共振コンデンサ14の電圧値VcrがVdcの0.5を下回ったタイミングで、ハイサイドFET8をオンに切り替え、ローサイドFET9をオフに切り替える。
At time I, the
時刻Iから時刻Jまでの期間で、共振電流Iresは2つの状態を遷移する。まず、トランス11→電流共振コンデンサ14→ローサイドFET9と電流が流れることで、電流共振コンデンサ14の電圧Vcrは上昇を続ける。トランス11に蓄えられたエネルギーが放出されると、共振電流Iresの向きが反転し、電流共振コンデンサ14→トランス11→ハイサイドFET8と電流が流れ、電流共振コンデンサ14の電圧Vcrは徐々に下降する。
During the period from time I to time J, the resonance current Ires changes between two states. First, the voltage Vcr of the
時刻Jで電流共振コンデンサ14の電圧Vcrが電圧Vdcの0.5を下回ると、比較器6の出力信号が切り替わる。比較器6の出力信号の切り替わりに応答して、ゲートドライバ31は、ローサイドFET9をオフに切り替える。さらに、時刻Jからデッドタイムが経過したタイミングで、ゲートドライバ31は、ハイサイドFET8をオンに切り替える。
When the voltage Vcr of the
ここで、電流共振コンデンサ14の電圧VcrがVdcの0.5を一旦超え後にVdcの0.5に再び一致するということは、電流共振コンデンサ14が放電されるように共振電流Iresの向きが変わったことを意味する。つまり、共振電流Iresは、電流共振コンデンサ14→トランス11→ローサイドFET9の向きで流れている。そのため、時刻Jで、ローサイドFET9をオフに切り替え、さらにデッドタイムが経過するのを待つと、共振電流Iresは電流共振コンデンサ14→トランス11→ハイサイドFET8のボディダイオードという経路で流れる。この状態で、ハイサイドFET8をオンに切り替えることで、貫通電流の発生なくZVS(ゼロ・ボルテージ・スイッチング)を達成することが可能となる。
Here, the fact that the voltage Vcr of the
時刻J以降、共振電流Iresは電流共振コンデンサ14→トランス11→ハイサイドFET8と流れるため、電流共振コンデンサ14の電圧Vcrは下降を続ける。トランス11に蓄えられたエネルギーが放出されると、共振電流Iresの向きが反転し、ハイサイドFET8→トランス11→電流共振コンデンサ14と共振電流Iresが流れ、電流共振コンデンサ14の電圧Vcrが上昇する。
After time J, the resonance current Ires flows from the
時刻Kで、電流共振コンデンサ14の電圧Vcrが電圧Vdcの0.5を上回ると、比較器6の出力信号が切り替わる。比較器6の出力信号の切り替わりに応答して、ゲートドライバ31は、ハイサイドFET8をオフに切り替える。さらに、時刻Kからデッドタイムが経過すると、ゲートドライバ31は、ローサイドFET9をオンに切り替える。以後、制御回路7は、時刻Nまで同様の制御を繰り替える。
When the voltage Vcr of the
時刻Nで、直列共振回路は定常状態に移行する。よって、時刻N以降、制御回路7は、フォトカプラ21を経て入力されたトランス11の二次側からの誤差信号に応じて発振器32が発振する周波数にてスイッチング素子を切り替える。なお、時刻N以降において、ハイサイドFET8のオン/オフとローサイドFET9のオフ/オンとを切り替える周期の逆数である切り替え周波数は、直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数とする。
At time N, the series resonant circuit shifts to a steady state. Therefore, after time N, the
時刻Nは、カウンタ27でカウントされた比較器6の出力信号に基づくスイッチング素子の切り替え回数が、設定値保持部29に保持されている設定値と一致したタイミングである。カウント比較器30は、計数回路が計数した回数が所定の設定値になったかどうかに基づいて、直列共振回路が定常状態に移行したかどうかを判定する判定回路として機能する。
Time N is a timing at which the switching number of switching elements based on the output signal of the comparator 6 counted by the
スイッチング素子の切り替え回数が設定値と一致すると、カウント比較器30の出力信号が切り替わり、モードSW28がオフに切り替わる。よって、ゲートドライバ31への入力信号は発振器32からの入力信号のみとなり、ゲートドライバ31は、発振器32が発振する周波数に応じて駆動信号の切り替えを行う。発振器32は、整流平滑回路の出力電圧に対応した周波数で発振する発振回路の一例である。このように、制御回路7は、直列共振回路が定常状態に移行した後の期間は、発振器32から出力される信号に対応した駆動信号を出力する。
When the number of switching times of the switching element coincides with the set value, the output signal of the
実施例1の制御回路7は、電源装置が動作を開始してから直列共振回路が定常状態に移行するまでの期間は、比較回路の比較結果に対応した駆動信号を生成する。一方、直列共振回路が定常状態に移行した後の期間は、制御回路7は、比較回路の比較結果を使用せずに、整流平滑回路の出力電圧に対応した駆動信号を生成する。これにより、実施例1では、電源装置の起動時に発生するハーフブリッジ形式のスイッチング素子とダイオードに流れる貫通電流を抑制することが可能となる。よって、スイッチング素子へのストレスを緩和でき、その結果、電源装置の信頼性を向上させることができる。さらに、さらに、Vdcの0.5の電圧を基準に制御することで、共振電流Iresが比較的に多く流れているときにスイッチング素子の切り替えが行われる。よって、電圧共振コンデンサ10の充放電時間を短くできる。その結果デッドタイムを短く設定することが可能となる。
The
なお、発振器32が出力する信号の周波数は、ハイサイドFET8とローサイドFET9との切り替え周波数に相当する。共振回路が安定した状態(定常状態)に移行した後における切り替え周波数は、実験により、トランス11のリーケージインダクタンス13と電流共振コンデンサ14とにより構成される共振回路の共振周波数よりも高い周波数とするとよいことがわかっている。
The frequency of the signal output from the
[実施例2]
実施例2は、実施例1の変形例であり、制御回路7の内部構成とその周辺の回路構成が異なっている。そのため、実施例1に関してすでに説明済みの個所には同一の参照符号を付与することで説明の簡潔化を図る。
[Example 2]
The second embodiment is a modification of the first embodiment, and the internal configuration of the
図3(A)、図3(B)において、制御回路7は、CPUやDSPにより構成可能な機能部を備えている。抵抗23は、直列共振回路に対して挿入された抵抗であって、直列共振回路に流れる電流を電圧に変換する抵抗として機能する。つまり、抵抗23は、共振回路に流れる共振電流Iresを検出する抵抗である。共振回路に流れる共振電流の電流値は抵抗23によって電圧に変換されて、その電圧の値が積分器24で積分される。積分器24が出力する積分値は、比較器26の一方の端子へ入力される。比較器26の他方の端子には、直流の入力電圧Vdcを分圧回路によって分圧することで得られた分圧値が入力される。比較器26は、積分器24より入力された積分値と、分圧値とを比較し、比較結果をカウンタ27とモードSW28へ出力する。このように、比較器26は、電流共振コンデンサ14の両端電圧として抵抗23によって検知された電圧を用いて基準電圧と比較する比較回路として機能する。分圧回路を形成している抵抗4と抵抗5は同じ抵抗値であるたため、分圧値は、0.5・Vdcとなる。
3A and 3B, the
カウンタ27は比較器26の出力値の切り替わり回数をカウントする。カウンタ27のカウント値はカウント比較器30の一方の入力端子へ入力される。カウント比較器30の他方の端子には設定値保持部29に保持されている設定値が入力される。カウント比較器30は、カウント値と設定値とを比較し、比較結果をモードSW28に出力する。モードSW28は、カウント比較器30の比較結果に応じて、比較器26の比較結果をゲートドライバ31に渡すか、渡さないかを切り替える。例えば、モードSW28は、カウント値が設定値に一致するようになるまでの間にわたってオンとなり、比較器26の出力結果をゲートドライバ31へスルーさせる。カウント比較器30での比較結果がカウント値と設定値とが一致したことを示す値になると、モードSW28は、オフに切り替わり、比較器26とゲートドライバ31との接続を切断する。つまり、比較器26の出力値は、ゲートドライバ31へ出力されないようになる。上述したように、ゲートドライバ31は、ハイサイドFET8とローサイドFET9のゲートに駆動信号を出力する。ゲートドライバ31は、モードSW28と発振器32とから信号を入力されるが、モードSW28からの入力信号を優先する。モードSW28から信号が入力されるときは、ゲートドライバ31は、この信号に基づいてハイサイドFET8のオン/オフとローサイドFET9のオフ/オンとを切り替える。モードSW28からの信号が入力されないときは、ゲートドライバ31は、発振器32からの入力信号に応じて、ハイサイドFET8のオン/オフとローサイドFET9のオフ/オンとを切り替える。
The counter 27 counts the number of switching of the output value of the
(動作説明)
図4は実施例2における回路動作を時間の経過とともに示している。時刻Oで、電源装置は、動作を開始する。制御回路7はゲートドライバ31を通じてハイサイドFET8を駆動する。比較器26は、積分器24の出力と分圧値である0.5Vdcとの比較を開始する。ハイサイドFET8がオンされることにより、ハイサイドFET8→トランス11→電流共振コンデンサ14の経路で共振電流Iresが流れる。時刻Pで、共振電流Iresの積分値が0.5Vdcと一致する。これにより、比較器26の出力がローからハイに反転する。比較器26の反転した出力値はモードSW28を経由してゲートドライバ31へ入力される。ゲートドライバ31は、比較器26から入力された信号に応じた駆動信号を出力することで、ハイサイドFET8をオフに切り替える。時刻Pからデッドタイムが経過すると、ゲートドライバ31は、ローサイドFET9がオンに切り替わるよう駆動信号を出力する。比較器26の出力はカウンタ27にも入力され、カウンタ27のカウント値が0から1に進む。
(Description of operation)
FIG. 4 shows the circuit operation in the second embodiment over time. At time O, the power supply device starts operating. The
時刻Pから時刻Qまでの期間では、共振電流Iresの反転が発生する。共振電流Iresは電流共振コンデンサ14→トランス11→ローサイドFET9の経路で流れる。そのため、積分器24の積分値は徐々に減少していく。
In the period from time P to time Q, the resonance current Ires is inverted. The resonance current Ires flows through the path of the
時刻Qで、比較器26では共振電流Iresの積分値と分圧値である0.5Vdcが一致する。その結果、比較器26の出力がハイからローへ反転する。比較器26の反転した出力は、モードSW28を経由して、ゲートドライバ31へ入力される。ゲートドライバ31は、比較器26の信号に応じた駆動信号を出力することで、ローサイドFET9をオフに切り替える。さらに、時刻Qからデッドタイムが経過すると、ゲートドライバ31は、ハイサイドFET8がオンに切り替わるよう駆動信号をハイサイドFET8のゲートへ出力する。比較器26の出力はカウンタ27にも入力されるため、カウンタ27のカウント値が1から2に進む。
At time Q, in the
時刻Qから時刻Rまでの期間では、共振電流Iresの反転が発生する。そのため、ハイサイドFET8→トランス11→電流共振コンデンサの経路で共振電流Iresは流れる。よって、積分器24の積分値が徐々に上昇していく。時刻Rでは、再び、積分器24の積分値が分圧値に一致するため、比較器26の出力がローからハイへ反転する。比較器26の出力はモードSW28を経由してゲートドライバ31へ入力される。ゲートドライバ31は、比較器26からの信号に対応した駆動信号をハイサイドFET8に出力することで、ハイサイドFET8をオフに切り替える。時刻Rからデッドタイムが経過すると、ゲートドライバ31は、ローサイドFET9がオンに切り替わるよう駆動信号を出力する。比較器26の出力はカウンタ27にも入力され、カウンタ27のカウント値が2から3に進む。
In the period from time Q to time R, the resonance current Ires is inverted. Therefore, the resonance current Ires flows through the path of the
その後、時刻Sでカウンタ27のカウント値が設定値(例:5)と一致するようになるまでは、ゲートドライバ31は比較器26の出力に応じた駆動信号をハイサイドFET8とローサイドFET9へ出力する。
Thereafter, until the count value of the
時刻Sで、カウンタ27のカウント値と設定値が一致すると、カウント比較器30は出力をローからハイに切り替えることで、モードSW28をオンからオフに切り替える。時刻Oから時刻Sまでは共振回路の動作が不安定な期間である。それゆえ、時刻Oから時刻Sまでは、ゲートドライバ31が共振回路に流れる共振電流Iresと入力電圧の半分である分圧値との比較結果に基づいてハイサイドFET8とローサイドFET9とを切り替える。
When the count value of the counter 27 matches the set value at time S, the
モードSW28がオフになると、ゲートドライバ31には発振器32からの信号のみが入力される。ゲートドライバ31は、時刻S以降で、発振器32の出力信号にしたがってハイサイドFET8とローサイドFET9とが択一的にオンとオフとを繰り返すようハイサイドFET8とローサイドFET9を駆動する。時刻S以降の期間は共振回路が安定に動作する期間である。よって、時刻S以降の期間では、トランス11の出力側の電圧のフィードバックによって動作する発振器32からの信号にしたがってハイサイドFET8とローサイドFET9とを切り替える。
When the
実施例2では、2つスイッチング素子の切り替えが、電流共振コンデンサ14の電圧がVdcの1/2の電圧を基準として制御される。電流共振コンデンサ14の電圧がVdcの1/2であるとき、共振電流Iresはこれからオンされるスイッチング素子のボディダイオードを流れている。そのため、電源装置の動作開始時にハーフブリッジ形式で接続された2つのスイッチング素子のうち一方と、他方のスイッチング素子のボディダイオードとを流れる貫通電流が抑制される。さらに、直流の入力電圧Vdcの1/2の電圧を基準とすることで、電圧共振コンデンサ10の充放電時間を短くできる。よって、デッドタイムを短く設定することが可能となる。
In the second embodiment, the switching of the two switching elements is controlled based on the voltage of the
[比較例]
比較例としての共振型のスイッチング電源装置の回路図を図5(A)に示す。実施例1や実施例2と共通する部分には同一の参照符号を付与することで説明を省略する。図1と図5(A)とを比較すると、制御回路7の周辺回路とその動作が異なっている。制御回路7には、スイッチング電源装置が起動するとすぐに、シャントレギュレータ19およびフォトカプラ21によってフィードバックされる基準電圧に対する出力電圧Voutの誤差信号に応じてスイッチング制御を実行する。つまり、制御回路7は、フォトカプラ21の受光素子であるフォトトランジスタに流れる電流の大きさに比例して制御回路7に内蔵されていうる不図示の発振器の発振周波数を変化させる。発振周波数が変化することによりハイサイドFET8とローサイドFET9とのスイッチング周波数も変化し、トランス11の一次側から二次側に伝送されるエネルギー量も変化する。その結果、二次側の出力電圧Voutのレベルが可変制御される。スイッチング周波数は、ハイサイドFET8とローサイドFET9とを交互にオンにする周期の逆数である。
[Comparative example]
A circuit diagram of a resonance type switching power supply device as a comparative example is shown in FIG. The same reference numerals are assigned to portions common to the first embodiment and the second embodiment, and description thereof is omitted. When FIG. 1 is compared with FIG. 5A, the operation of the peripheral circuit of the
図5Bに図5Aに示した電源回路のうち一次側の共振回路を構成する部分について示す。図5Bにおいて、ボディダイオードD1はハイサイドFET8についてのボディダイオードであり、ボディダイオードD2はローサイドFET9に対するボディダイオードである。
FIG. 5B shows a portion constituting the primary side resonance circuit in the power supply circuit shown in FIG. 5A. In FIG. 5B, the body diode D1 is a body diode for the high-
<安定動作状態>
図6は図5Bに示した共振回路の動作波形を示している。共振電流Iresは共振回路に流れる電流である。駆動信号VQ1はハイサイドFET8を駆動するためにゲートに入力される信号である。駆動信号VQ2はローサイドFET9を駆動するためにゲートに入力される信号である。電流IQ1はハイサイドFET8に流れる電流である。電流IQ2はローサイドFET9に流れる電流である。電圧Vcrは電流共振コンデンサ14の両端電圧を示している。
<Stable operation state>
FIG. 6 shows operation waveforms of the resonance circuit shown in FIG. 5B. The resonance current Ires is a current flowing through the resonance circuit. The drive signal VQ1 is a signal input to the gate in order to drive the
まず、期間Aは、ハイサイドFET8がオンとなり、ローサイドFET9がオフとなる期間である。共振電流Iresは、ハイサイドFET8→リーケージインダクタンス13→電流共振コンデンサ14の経路で流れる。よって、トランス11の一次巻線の励磁インダクタンス12とリーケージインダクタンス13を介して電流共振コンデンサ14にエネルギーが蓄えられ電流共振コンデンサ14の電圧Vcrが上昇する。
First, the period A is a period in which the high-
期間Bは、ハイサイドFET8もローサイドFET9もともにオフとなるデッドタイムである。期間Bにおいて、電流はローサイドFET9のボディダイオードD2→リーケージインダクタンス13→電流共振コンデンサ14の経路で流れる。ボディダイオードD2に電流が流れている状態で、ローサイドFET9をオンにすることでZVSが実現される。
The period B is a dead time when both the high-
期間Cは、ハイサイドFET8がオフとなり、ローサイドFET9がオンとなる期間である。期間Cにおいて、電流共振コンデンサ14への充電が継続し、リーケージインダクタンス13が蓄えたエネルギーを放出し終わると、共振電流の向きが変わる。つまり、電流共振コンデンサ14→リーケージインダクタンス13→ローサイドFET9の経路で電流が流れる。このとき電流共振コンデンサ14の電圧は低下する。
The period C is a period in which the
期間Dは、ハイサイドFET8もローサイドFET9もともにオフとなるデッドタイムである。期間Dにおいて、電流は電流共振コンデンサ14→リーケージインダクタンス13→D1の経路で電流が流れる。ボディダイオードD1に電流が流れている状態で、ハイサイドFET8をオンすることでZVSが実現される。
The period D is a dead time when both the high-
以上のように電源回路の動作が安定した定常状態においては、リーケージインダクタンス13と電流共振コンデンサ14が共振動作を行いながら、ハイサイドFET8とローサイドFET9のスイッチング周波数を可変制御する。これにより、トランス11の一次巻き線に印加される電圧が変化し、トランス11の二次側へ伝達するエネルギーが制御される。
As described above, in the steady state where the operation of the power supply circuit is stable, the switching inductances of the high-
<不安定動作状態>
ところで、比較例の共振型のスイッチング電源装置では、動作開始の直後に、図5(B)に示した共振回路が安定に動作しない。そのため、一方のスイッチング素子と他方のスイッチング素子のボディダイオードとを経路として流れる貫通電流が発生し、スイッチング素子にダメージを与えてしまうおそれがある。
<Unstable operation state>
By the way, in the resonance type switching power supply of the comparative example, the resonance circuit shown in FIG. 5B does not operate stably immediately after the operation starts. Therefore, a through current that flows through one switching element and the body diode of the other switching element is generated, which may cause damage to the switching element.
図7を用いてスイッチング電源装置の動作開始直後の動作について説明する。動作開始直後に、時刻Eで、制御回路7はハイサイドFET8をオンにし、ローサイドFET9をオフのままとする。このとき電流はハイサイドFET→リーケージインダクタンス13→電流共振コンデンサ14の経路で流れるため、電流共振コンデンサ14の電圧Vcrが徐々に上昇する。図7が示すように、動作開始前において、電流共振コンデンサ14の電圧Vcrはゼロである。そのため、リーケージインダクタンス13には高い電圧がかかる。そのため、図7が示すように、共振電流Iresの傾きが大きくなる。
The operation immediately after the start of the operation of the switching power supply device will be described with reference to FIG. Immediately after the start of operation, at time E, the
時刻Fで、制御回路7は、ハイサイドFET8をオフにし、デッドタイムを経て、ローサイドFET9をオンにする。時刻F以後では、電流がリーケージインダクタンス13→電流共振コンデンサ14→D2の経路で流れる。
At time F, the
時刻Gで、制御回路7は、ローサイドFET9をオフにし、デッドタイムを経て、ハイサイドFET8をオンにする。このとき、リーケージインダクタンス13に蓄えられたエネルギーは放出しきっていないため、電流は継続して、リーケージインダクタンス13→電流共振コンデンサ14→ボディダイオードD2の経路で流れている。そのため、時刻Gで、ハイサイドFET8をオンにしてしまうと、ボディダイオードD2内のキャリアが消滅するまでの期間はハイサイドFET8→ボディダイオードD2(逆回復)の経路で入力電圧Vdcと接地端子(GND)を短絡した電流が流れる。この電流は、時間当たりの傾きdi/dtが大きい。そのため、スイッチング素子の内部に構成される寄生トランジスタがオンし、スイッチング素子に多大なストレスを与える。これは、場合によってはスイッチング素子の破壊をもたらす。これが貫通電流である。
At time G, the
よって、実施例1や実施例2で説明したように、制御回路7が共振回路に流れる共振電流Iresを監視し、入力電圧Vdcの半分程度を基準としてスイッチング周波数を制御することで、貫通電流が流れないようになる。実施例1や実施例2では、入力電圧Vdcの1/2を基準として採用したが、スイッチング素子の破壊が生じない程度の貫通電流であれば流れてもよい。そのため、基準電圧をどの程度の値にするかは、スイッチング素子の耐圧に依存することになる。よって、基準電圧を0.5Vdcに対して±α程度となる範囲で決定すればよい。ここで、αは、採用するスイッチング素子の耐圧に依存した係数である。
Therefore, as described in the first and second embodiments, the
なお、本発明にかかる電源装置は、画像形成装置、複写機、複合機、画像読取装置、情報処理装置など、各種の電子機器の定電圧供給用の電源装置として使用されてもよい。この場合、これらの電子機器の動作を制御するコントローラや駆動部としてのモータ類は、電源装置から電力を供給されて動作する。 The power supply apparatus according to the present invention may be used as a power supply apparatus for supplying constant voltage to various electronic devices such as an image forming apparatus, a copying machine, a multifunction peripheral, an image reading apparatus, and an information processing apparatus. In this case, a controller that controls the operation of these electronic devices and motors as drive units operate with power supplied from the power supply device.
Claims (8)
前記第2のスイッチング素子に対して並列に接続され、トランスの一次巻線と共振コンデンサとにより形成された直列共振回路と、
前記第1のスイッチング素子または前記第2のスイッチング素子がオンとなる期間に前記トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑する整流平滑回路と、
前記整流平滑回路の出力電圧をフィードバックして前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子とを交互に駆動する駆動信号を生成する駆動信号生成回路と、
前記共振コンデンサの両端電圧と基準電圧とを比較する比較回路と
を備え、
前記駆動信号生成回路は、電源装置が動作を開始してから前記直列共振回路が定常状態に移行するまでの期間は、前記比較回路の比較結果に対応した前記駆動信号を生成し、前記直列共振回路が定常状態に移行した後の期間は、前記比較回路の比較結果を使用せずに、前記整流平滑回路の出力電圧に対応した前記駆動信号を生成することを特徴とする電源装置。 A circuit connected in parallel to the direct current power source and connecting the first switching element and the second switching element in series;
A series resonant circuit connected in parallel to the second switching element and formed by a primary winding of the transformer and a resonant capacitor;
A rectifying and smoothing circuit for rectifying and smoothing a voltage generated in the secondary winding of the transformer during a period in which the first switching element or the second switching element is turned on;
A drive signal generation circuit for generating a drive signal for alternately driving the first switching element and the second switching element by feeding back an output voltage of the rectifying and smoothing circuit;
A comparison circuit for comparing a voltage across the resonant capacitor and a reference voltage;
The drive signal generation circuit generates the drive signal corresponding to the comparison result of the comparison circuit during a period from when the power supply device starts operating until the series resonance circuit shifts to a steady state, and the series resonance circuit A power supply apparatus that generates the drive signal corresponding to the output voltage of the rectifying / smoothing circuit without using the comparison result of the comparison circuit during a period after the circuit shifts to a steady state.
前記駆動信号生成回路は、前記電源装置が動作を開始してから前記直列共振回路が定常状態に移行するまでの期間は、前記共振コンデンサの両端電圧が前記基準電圧に一致したタイミングごとに、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子とを交互にオンに切り替えるよう前記駆動信号を生成することを特徴とする請求項1または2に記載の電源装置。 A voltage dividing circuit that divides a power supply voltage supplied from the DC power supply and outputs a voltage having a half of the power supply voltage as the reference voltage;
In the period from when the power supply device starts operating until the series resonant circuit transitions to a steady state, the drive signal generation circuit is configured at each timing when the voltage across the resonant capacitor matches the reference voltage. The power supply device according to claim 1, wherein the drive signal is generated so that the first switching element and the second switching element are alternately turned on.
前記整流平滑回路の出力電圧に対応した周波数で発振する発振回路を備え、
前記直列共振回路が定常状態に移行した後の期間は、前記発振回路から出力される信号に対応した前記駆動信号を出力することを特徴とする請求項1ないし3のいずれか1項に記載の電源装置。 The drive signal generation circuit includes:
An oscillation circuit that oscillates at a frequency corresponding to the output voltage of the rectifying and smoothing circuit;
4. The drive signal corresponding to a signal output from the oscillation circuit is output during a period after the series resonant circuit has shifted to a steady state. 5. Power supply.
前記計数回路が計数した回数が所定の設定値になったかどうかに基づいて、前記直列共振回路が定常状態に移行したかどうかを判定する判定回路と
を備えることを特徴とする請求項1ないし4のいずれか1項に記載の電源装置。 A counting circuit that counts the number of times the voltage across the resonant capacitor matches the reference voltage;
5. A determination circuit for determining whether or not the series resonant circuit has shifted to a steady state based on whether or not the number of times counted by the counting circuit has reached a predetermined set value. The power supply device according to any one of the above.
前記比較回路は、前記共振コンデンサの両端電圧として前記抵抗によって検知された前記電圧を用いて前記基準電圧と比較することを特徴とする請求項1ないし5のいずれか1項に記載の電源装置。 A resistor inserted into the series resonant circuit, further comprising a resistor that converts a current flowing through the series resonant circuit into a voltage;
6. The power supply device according to claim 1, wherein the comparison circuit compares the reference voltage with the voltage detected by the resistor as a voltage across the resonance capacitor. 6.
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Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105703755A (en) * | 2014-12-12 | 2016-06-22 | 三星Sdi株式会社 | Gate driver and method of driving the same |
JP2019505158A (en) * | 2016-02-12 | 2019-02-21 | フィリップス ライティング ホールディング ビー ヴィ | DC / DC resonant converter, power factor correction using resonant converter, and corresponding control method |
JP2021191062A (en) * | 2020-05-27 | 2021-12-13 | 富士電機株式会社 | Switching control circuit and llc converter |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005051918A (en) * | 2003-07-28 | 2005-02-24 | Sony Corp | Switching power supply |
JP2009027803A (en) * | 2007-07-18 | 2009-02-05 | Sony Corp | Switching power supply |
-
2010
- 2010-12-28 JP JP2010293800A patent/JP2012143071A/en active Pending
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005051918A (en) * | 2003-07-28 | 2005-02-24 | Sony Corp | Switching power supply |
JP2009027803A (en) * | 2007-07-18 | 2009-02-05 | Sony Corp | Switching power supply |
Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN105703755A (en) * | 2014-12-12 | 2016-06-22 | 三星Sdi株式会社 | Gate driver and method of driving the same |
JP2019505158A (en) * | 2016-02-12 | 2019-02-21 | フィリップス ライティング ホールディング ビー ヴィ | DC / DC resonant converter, power factor correction using resonant converter, and corresponding control method |
JP2021191062A (en) * | 2020-05-27 | 2021-12-13 | 富士電機株式会社 | Switching control circuit and llc converter |
JP7472654B2 (en) | 2020-05-27 | 2024-04-23 | 富士電機株式会社 | Switching control circuit, LLC converter |
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