JP2013027301A - 電力変換装置用制御装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】従来の電力変換装置は、重い負荷のとき、電力制御が困難であり、軽い負荷のとき、電圧制御が困難であるとともに、電力効率が比較的低い。
【解決手段】電力変換装置用の制御装置において、制御端子は、電力変換装置を制御するための制御信号を提供できる。制御信号の1周期は、第1の時間間隔および第2の時間間隔を有する。制御回路は、第1の時間間隔に、トランス回路の一次巻線を流れる一次電流およびトランス回路の二次巻線を流れる二次電流を増加させることができ、第2の時間間隔に、一次電流の増加を終了させることができる。制御回路は、第1の時間間隔を一次巻線に供給される入力電圧に反比例させるようにも制御することができる。
【選択図】図3
【解決手段】電力変換装置用の制御装置において、制御端子は、電力変換装置を制御するための制御信号を提供できる。制御信号の1周期は、第1の時間間隔および第2の時間間隔を有する。制御回路は、第1の時間間隔に、トランス回路の一次巻線を流れる一次電流およびトランス回路の二次巻線を流れる二次電流を増加させることができ、第2の時間間隔に、一次電流の増加を終了させることができる。制御回路は、第1の時間間隔を一次巻線に供給される入力電圧に反比例させるようにも制御することができる。
【選択図】図3
Description
本発明は、電力変換装置用制御装置に関する。
図1は、従来のDC−DCコンバータ100の回路図を示す。このDC−DCコンバータ100は、トランス102と、このトランス102の一次巻線に直列に接続されたスイッチSW0とを有する。制御信号106は、スイッチSW0を制御して、DC−DCコンバータ100の出力電力を制御する。一例として、制御信号106は、スイッチSW0をオンにして、トランス102の一次巻線を電源(例えば、DC電圧VDC)に接続して、トランス102の一次巻線に一次電流IPを流れさせることができる。それに応じて、二次電流ISがトランス102の二次巻線を流れ、インダクタLを通って、DC−DCコンバータ100の出力端子に流れる。その間に、インダクタLは、磁気エネルギーを蓄える。また、制御信号106は、スイッチSW0をオフにして、一次巻線を電源から切り離して、一次電流IPを遮断することができる。そうしている間に、インダクタLは、磁気エネルギーを電気エネルギーに変換して、DC−DCコンバータ100の出力端子に電力を放出する。制御信号106は、スイッチSW0のデューティ比を大きくして、DC−DCコンバータ100の出力を大きくしたり、またスイッチSW0のデューティ比を小さくして、DC−DCコンバータ100の出力を小さくしたりすることができる。
一次電流IPが指定の範囲内、例えば|IP|<ISPECなどのとき、トランス102の磁束密度104を、一次電流IPに直線的に比例させることができる。このような状況では、一次巻線から二次巻線に伝達される電力量を、一次電流IPによって制御することができる。他方において、一次電流IPが非飽和領域を越える場合、例えば|IP|>ISATUなどの場合、トランスに固有の性質に起因して、トランス102の磁束密度104は、実質的に不変のままである。非飽和領域の閾値ISATUは、上述の指定の範囲の閾値ISPECより大きい。従って、一次電流IPが非飽和領域を越える場合、一次電流IPは、トランス102の電力伝達を制御できないであろう。
DC−DCコンバータ100では、制御信号106が、一定の頻度でスイッチSW0をオンにする。一方では、DC−DCコンバータ100が重い負荷に電力を供給する場合、制御信号106は、スイッチSW0のデューティ比を大きくして、DC−DCコンバータ100が重い負荷に十分に電力を供給するようにできる。本明細書で使用する「重い負荷」は、「軽い負荷」に比べて相対的に大きい電力を消費する負荷を意味する。不都合なことに、スイッチSW0のデューティ比がデューティ比閾値より大きくなると、一次電流IPは、トランス102の非飽和領域を越え、トランス102の電力伝達は、適切に制御されないであろう。他方では、DC−DCコンバータ100が軽い負荷に電力を供給する場合、制御信号106は、スイッチSW0のデューティ比を小さくできる。本明細書で使用する「軽い負荷」は、重い負荷に比べて相対的に小さい電力を消費する負荷を意味する。しかし、DC−DCコンバータ100は、一定の頻度でスイッチSW0のスイッチオン動作を行うので、DC−DCコンバータ100が軽い負荷に電力を供給するとき、DC−DCコンバータ100の電力効率は比較的低い。
図2Aは、別の従来のDC−DCコンバータ200の回路図を示す。DC−DCコンバータ200は、LLC(インダクタ−インダクタ−コンデンサ)共振コンバータである。DC−DCコンバータ200は、負荷214に出力電力を供給する。図2Aに示すように、DC−DCコンバータ200は、1対のスイッチSW1およびSW2と、コンデンサ202と、インダクタ204と、トランス208と、整流器212とを有する。インダクタ210は、トランス208の一次巻線の等価インダクタを表す。デューティ比50%のパルス幅変調(PWM)信号206は、SW1とSW2を交互にオンにして、振動電流IOSCがコンデンサ202、インダクタ204、およびインダクタ210を流れるようにする。PWM信号206は、スイッチSW1およびSW2のスイッチング周波数f206を制御することによって、DC−DCコンバータ200の出力電力を制御できる。
より具体的には、DC−DCコンバータ200は、コンデンサ202、インダクタ204、トランス208、および負荷214によって決まる共振周波数fRを有する。PWM信号206は、DC−DCコンバータ200が負荷214により大きい電力を供給するように、スイッチSW1およびSW2のスイッチング周波数f206を共振周波数fRに近付けるように制御することもできるし、またDC−DCコンバータ200が負荷214により小さい電力を供給するように、スイッチング周波数f206を共振周波数fRから離れるように制御することもできる。
しかし、LLC共振コンバータ固有の性質によって、負荷214が軽い負荷の場合、出力電圧VOUT対スイッチング周波数f206の変化率は、大きすぎるかまたは小さすぎる。一例として、図2Bは、DC−DCコンバータ200が軽い負荷に電力を供給するときの、出力電圧VOUT対スイッチング周波数f206の関係図を示す。図2Bに示すように、スイッチング周波数f206が指定周波数fN1より低いとき、出力電圧VOUT対スイッチング周波数f206の変化率は、比較的大きく、出力電圧VOUTは不安定であろう。スイッチング周波数f206が指定周波数fN1より大きいとき、スイッチング周波数f206が高くなるにつれて、出力電圧VOUTは限界電圧VLMに近付く。その結果、DC−DCコンバータ200は、出力電圧VOUTを適切に制御できないであろう。
一実施形態において、電力変換装置用制御装置は、制御端子と、この制御端子に接続された制御回路とを有する。制御端子は、電力変換装置を制御するための制御信号を提供する。制御信号の1周期は、第1の時間間隔と、第2の時間間隔とを有する。制御回路は、第1の時間間隔に、トランス回路の一次巻線を流れる一次電流およびトランス回路の二次巻線を流れる二次電流を増加させ、第2の時間間隔に、一次電流の増加を終了させる。制御回路は、第1の時間間隔を一次巻線に供給される入力電圧に反比例させるようにさらに制御する。
特許請求の範囲に記載する本発明に関する実施形態の特徴および利点は、図面を参照した以下の詳細説明が進むに連れて、明らかになるであろう。複数の図面において、同じ符号は、同じ要素を表している。
以下、本発明の実施形態について、詳細に説明する。本発明について、これらの実施形態に関して説明するが、本発明をこれらの実施形態に限定するつもりはないことが理解されるであろう。それどころか、本発明は、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範囲内に含みうる代替形態、変更形態、および均等物を包含することを意図している。
さらに、本発明の以下の詳細説明においては、本発明を徹底的に理解してもらうために、数多くの具体的な詳細を記載する。しかし、本発明をこれらの具体的な詳細なしに実施しうることを、当業者は理解するであろう。他の場合には、本発明の態様を不要に分かりにくくしないように、公知の方法、手順、コンポーネントおよび回路は、詳細には説明しない。
本発明による実施形態は、例えばDC−DCコンバータなどの電力変換装置と、この電力変換装置用の制御装置とを提供する。制御装置は、電力変換装置のトランス回路によって行われる電力変換を制御できる。一実施形態では、制御装置は、トランス回路の一次巻線を流れる電流を制御して、電力変換装置の出力電圧を設定レベルに調節する。有利なことに、制御装置は、一次巻線を流れる電流がトランス回路の非飽和領域内になるように制御できる。トランス回路の非飽和領域においては、一次巻線を流れる電流によって、電力変換装置の出力を適切に制御できる。
図3は、本発明の一実施形態による、DC−DCコンバータ300の一例のブロック図を示す。DC−DCコンバータ300は、トランス式DC−DCコンバータである。図3に示すように、DC−DCコンバータ300は、制御回路340、スイッチ回路342、変換回路344、およびフィードバック回路348を有する。制御回路340または制御装置は、スイッチ回路342を制御する制御信号330を提供する制御端子を有して、出力端子314に接続された負荷(図示せず)への変換回路344からの出力電力を制御している。制御回路340は、フィードバック回路348からDC−DCコンバータ300の出力電圧VOUTを示すフィードバック信号VFBも受け取り、フィードバック信号VFBに応じて制御信号330を調節する。制御回路340は、制御信号330を調節して、出力電力VOUTを設定レベルVSETに制御できる。
より具体的には、変換回路344は、例えば図3に磁気的に結合された一次巻線304と二次巻線306として示されている、トランスを有する。制御信号330は、周期信号でもよい。制御信号330の各周期TCYCは、オン時間間隔TON(本明細書では「第1の時間間隔」とも呼ぶ)と、オフ時間間隔TOFF(本明細書では「第2の時間間隔」とも呼ぶ)とを有する。一実施形態では、制御信号330の周期TCYCは、オン時間間隔TONと、オフ時間間隔TOFFとの合計に等しい。制御信号330は、スイッチ回路342を制御して、オン時間間隔TONに、一次巻線304を流れる一次電流IPと、二次巻線306を流れる二次電流ISとを増加させることができる。一例として、オン時間間隔TONでは、制御信号330は、一次巻線304が入力端子312から入力電力を受け取るように、スイッチ回路を制御する。制御信号330は、スイッチ回路342をさらに制御して、オフ時間間隔TOFFに、一次電流IPの増加を終了させることができる。一例として、オフ時間間隔TOFFでは、制御信号330は、一次巻線304の電流経路を切断するようにスイッチ回路342を制御するので、一次電流IPは遮断される。従って、制御回路340は、比TON/TCYC(1周期TCYC内のオン時間間隔TONの周期TCYCに対する比)を制御して、DC−DCコンバータ300の出力電力を制御することができる。例えば、制御回路340は、出力端子314に接続された負荷がより多くの電力を消費する場合、比TON/TCYCを大きくして出力電力を大きくでき、また出力端子314に接続された負荷がより少ない電力を消費する場合、比TON/TCYCを小さくして出力電力を小さくできる。制御回路340はまた、出力電圧VOUTが設定レベルVSETより小さい場合、比TON/TCYCを大きくしたり、また出力電圧VOUTが設定レベルVSETより大きい場合、比TON/TCYCを小さくしたりすることもできる。結果として、出力電圧VOUTは、設定レベルVSETに調節される。
一実施形態では、オン時間間隔TONの間に、一次巻線304を流れる一次電流IPは、例えばゼロアンペアなどの指定のレベルからピークレベルIPMAXまで増加できる。ピークレベルIPMAXは、次の式で与えられてもよい。
IPMAX=V’ IN×TON/LM (1)
上式で、V’ INは、一次巻線304の両端間の入力電圧を表し、LMは、一次巻線304の等価インダクタンスを表す。制御回路340は、オン時間間隔TONを、例えば一次巻線304の両端間の電圧などの一次巻線304に供給される入力電圧V’ INに反比例させるように制御する。一例として、制御回路340は、ピークレベルIPMAXがK/LMに等しくなるように、オン時間間隔TONをK/V’ INに等しくなるように制御できる。係数Kおよび等価インダクタンスLMは、定数にすることができる。ひいては、ピークレベルIPMAXを、制御信号330の複数の周期において、実質的に一定にすることができる。本明細書で使用する「実質的に一定」は、例えば回路構成部品が理想的でないことなどから、ピークレベルIPMAXは変わることがあるが、その範囲が比較的狭くて無視しうるくらいの範囲内で変わりうることを意味する。係数Kは、ピークレベルIPMAXがトランスの非飽和領域内になるように、例えばピークレベルIPMAXがトランスの非飽和領域の閾値ISATUより小さくなるように、設定することができる。
IPMAX=V’ IN×TON/LM (1)
上式で、V’ INは、一次巻線304の両端間の入力電圧を表し、LMは、一次巻線304の等価インダクタンスを表す。制御回路340は、オン時間間隔TONを、例えば一次巻線304の両端間の電圧などの一次巻線304に供給される入力電圧V’ INに反比例させるように制御する。一例として、制御回路340は、ピークレベルIPMAXがK/LMに等しくなるように、オン時間間隔TONをK/V’ INに等しくなるように制御できる。係数Kおよび等価インダクタンスLMは、定数にすることができる。ひいては、ピークレベルIPMAXを、制御信号330の複数の周期において、実質的に一定にすることができる。本明細書で使用する「実質的に一定」は、例えば回路構成部品が理想的でないことなどから、ピークレベルIPMAXは変わることがあるが、その範囲が比較的狭くて無視しうるくらいの範囲内で変わりうることを意味する。係数Kは、ピークレベルIPMAXがトランスの非飽和領域内になるように、例えばピークレベルIPMAXがトランスの非飽和領域の閾値ISATUより小さくなるように、設定することができる。
有利なことに、制御回路340は、DC−DCコンバータ300が重い負荷に電力を供給するか、軽い負荷に電力を供給するかにかかわらず、一次電流IPをトランスの非飽和領域内になるように制御することができ、従って、制御回路340は、DC−DCコンバータ300の出力電力を適切に制御できる。さらに、DC−DCコンバータ300が軽い負荷に電力を供給する場合、制御回路340は、比TON/TCYCを小さくするように、制御信号330の周期TCYCを長くできる。制御信号330の周期TCYCを長くすると、スイッチ回路342のスイッチング周波数fSWが低下し、従って、スイッチ回路342で行われるスイッチオン動作回数が減少する。その結果、電力消費が減少し、電力効率が向上する。
図4Aは、本発明の一実施形態による、DC−DCコンバータ400Aの一例の回路図を示す。図4Aについて、図3と合わせて説明する。図4Aの例では、DC−DCコンバータ400Aは、フォワードコンバータである。図4Aに示すように、制御回路340は、第1の回路418、第2の回路416、およびエラー増幅器428を有する。変換回路344は、トランス402(例として、磁気的に結合された一次巻線404と二次巻線406として示す)、整流器(例として、ダイオードD1およびD2を有する)、インダクタL1、およびフィルタコンデンサC1を有する。フィードバック回路348は、直列に接続された抵抗R1およびR2を有する。図4Aの例では、図3のスイッチ回路342は、一次巻線404に直列に接続されたスイッチQ1を有し、図3の制御信号330は、PWM(パルス幅変調)制御信号を有する。
一実施形態では、制御回路340は、変換回路344の電力変換を制御するために、スイッチQ1を交互にオンオフするPWM制御信号を生成する。制御回路340は、DC−DCコンバータ300の出力電圧VOUTに直線的に比例するフィードバック信号VFB(例として、抵抗R2の両端間の電圧)をさらに受け取る。制御回路340は、出力電圧VOUTを設定レベルVSETに調節するために、フィードバック信号VFBに応じてスイッチQ1のデューティ比を調節する。さらに、制御回路340は、出力電圧VOUTを適切に制御できるように、一次巻線404を流れる一次電流IPをトランス402の非飽和領域内になるように制御する。
より具体的には、PWM制御信号は、オン時間間隔TONにスイッチQ1をオンにし、オフ時間間隔TOFFにスイッチQ1をオフにする。スイッチQ1のデューティ比は、比TON/TCYCに等しい。一方では、スイッチQ1がオンになると、一次電流IPが、一次巻線404およびスイッチQ1を通ってグランドに流れる。一次巻線404は入力端子312から電力を受け取り、一次電流IPおよびトランス402の磁束密度が増加する。それに応じて、二次電流ISが、二次巻線406、ダイオードD1およびインダクタを通って出力端子314に流れ、二次電流ISは、一次電流IPの増加につれて増加する。インダクタL1は、二次電流ISがインダクタL1を流れるとき、磁気エネルギーを蓄える。他方では、スイッチQ1がオフになると、一次電流IPは遮断される。インダクタL1は、磁気エネルギーを電気エネルギーに変換して、出力端子314に電力を放出する。電流は、グランドから、並列に接続されたダイオードD1およびD2を介して、そしてインダクタL1を介して、出力端子314に流れることができる。こうして、制御回路340は、スイッチQ1のデューティ比を大きくすることによって、DC−DCコンバータ400Aの出力電圧VOUTを大きくすることができ、またスイッチQ1のデューティ比を小さくすることによって、出力電圧VOUTを小さくすることができる。
一実施形態において、第1の回路418は、第2の回路416からの第2の信号426に従って第1の信号424を生成し、第2の回路は、第1の回路418からの第1の信号424に従って第2の信号426を生成する。第2の回路416は、PWM制御信号のオン時間間隔TONを制御し、第1の回路418は、PWM制御信号のオフ時間間隔TOFFを制御する。
より具体的には、図4Aの例において、第2の回路416は、TONタイマを有し、第1の回路418は、TOFFタイマ420を有する。一実施形態では、TONタイマ416は、例えば第1の信号424の立ち上がりなどの、第1のトリガ信号に応えて時間測定を開始する。TONタイマ416はまた、第1のトリガ信号に応えて、PWM制御信号を例えば論理ハイレベルなどの第1のレベルに制御し、オン時間間隔TONが終了すると、PWM制御信号を例えば論理ローレベルなどの第2のレベルに変更する。一例として、第1の信号424の立ち上がりが発生した場合、TONタイマ416は、第2の信号426およびPWM制御信号が論理ハイになるように制御するとともに、時間測定を開始する。オン時間間隔TONが終了すると、TONタイマ416は、第2の信号426を論理ローになるように変更して、PWM制御信号を論理ローに変更する。図4Aの例では、PWM制御信号が論理ハイの場合、スイッチQ1はオンになり、PWM制御信号が論理ローの場合、オフになる。さらに、TOFFタイマ420は、PWM制御信号のレベルの変化に応えて、時間測定を開始し、オフ時間間隔TOFFが終了すると、第1のトリガ信号を生成する。一例として、PWM制御信号が論理ハイレベルから論理ローレベルに変更された場合、TOFFタイマ420は、第2の信号426の立下りを検出できる。第2の信号426の立下りに応えて、TOFFタイマ420は、第1の信号424が論理ローになるように制御するとともに、時間測定を開始する。オフ時間間隔TOFFが終了すると、TOFFタイマ420は、第1の信号424を論理ローレベルから論理ハイレベルに変更する。その結果、TONタイマ416は、第1の信号424の立ち上がりを検出できる。
一実施形態では、TONタイマ416は、例えば一次巻線404の両端間の電圧などの、一次巻線404に供給される入力電圧VINを受け取り、オン時間間隔TONを入力電圧VINに反比例させるように制御する。こうして、一次電流IPは、トランス402の非飽和領域内の一定のピークレベルIPMAXを有しうる。さらに、図4Aの例において、TOFFタイマ420は、出力電圧VOUTを示す増幅信号VCOMPを受け取り、オフ時間間隔TOFFを増幅信号VCOMPに反比例させるように制御する。より具体的には、例えばオペレーショナル・トランスコンダクタンス・アンプなどのエラー増幅器428は、フィードバック信号VFBを基準信号VREFと比較して、増幅信号VCOMPを制御する。基準信号VREFは、例えば出力電圧VOUTのターゲットレベルなどの、設定レベルVSETに従って設定される。フィードバック信号VFBが基準信号VREFより大きい場合、例えば出力電圧VOUTが設定レベルVSETより大きい場合、エラー増幅器428は、増幅信号VCOMPを小さくして、オフ時間間隔TOFFが長くなる。従って、スイッチQ1のデューティ比が小さくなって、出力電圧VOUTを小さくする。フィードバック信号VFBが基準信号VREFより小さい場合、例えば出力電圧VOUTが設定レベルVSETより小さい場合、エラー増幅器428は、増幅信号VCOMPを大きくして、オフ時間間隔TOFFが短くなる。従って、スイッチQ1のデューティ比が大きくなって、出力電圧VOUTを大きくする。その結果、出力電圧VOUTは、設定レベルVSETに調節される。
一実施形態では、DC−DCコンバータ400Aは、フィードバック信号VFBを基準信号VREFと比較する比較器(図4Aに図示せず)をさらに有する。フィードバック信号VFBが基準信号VREFより大きい場合、例えば出力電圧VOUTが設定レベルVSETより大きい場合、比較器は、TONタイマ416を無効にして、PWM制御信号を論理ローに維持することができる。出力電圧VOUTを、それに応じて小さくすることができる。出力電圧VOUTが設定レベルVSETまで下がると、比較器は、TONタイマ416を有効にして、第1の信号426を生成させることができる。
図4Aの例では、第1の回路418はタイマを有するが、本発明はそのように限定されない。別の実施形態では、タイマは、発振器に置き換えられている。図4Bは、本発明の一実施形態による、DC−DCコンバータ400Bの一例の回路図を示す。図4Bの例では、第1の回路418は、電圧制御発振器(VCO)422を有する。図4Bについて、図4Aと合わせて説明する。
VCO422は、例えば第1の信号424の立ち上がりなどの前述の第1のトリガ信号を周波数fSWで生成でき、この周波数fSWを増幅信号VCOMPに比例させるように制御する。一実施形態では、フィードバック信号VFBが基準信号VREFより大きい場合、例えば出力電圧VOUTが設定レベルVSETより大きい場合、エラー増幅器428が増幅信号VCOMPを小さくして、例えばPWM制御信号の周波数fSWなどの第1の信号424の周波数fSWが低くなる。従って、PWM制御信号の周期TCYCが長くなり、スイッチQ1のデューティ比が小さくなって、出力電圧VOUTを小さくする。フィードバック信号VFBが基準信号VREFより小さい場合、例えば出力電圧VOUTが設定レベルVSETより小さい場合、エラー増幅器428が増幅信号VCOMPを大きくして、例えばPWM制御信号のスイッチング周波数fSWなどの第1の信号424の周波数fSWが高くなる。従って、PWM制御信号の周期TCYCが短くなり、スイッチQ1のデューティ比が大きくなって、出力電圧VOUTを大きくする。結果として、出力電圧VOUTは、設定レベルVSETに調節される。
図4Aおよび図4Bの例では、制御回路340は、フォワードコンバータ400Aおよび400Bを制御しているが、本発明は、そのように限定されない。制御回路340は、プッシュプルコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、およびフルブリッジコンバータなどの他の用途にも使用できる。図5、図6および図7は、本発明の実施形態による、それぞれプッシュプルコンバータ500、ハーフブリッジコンバータ600、およびフルブリッジコンバータ700の例の回路図を示す。図5、図6および図7について、図3、図4Aおよび図4Bと合わせて説明する。
図5を参照する。変換回路344のトランス回路502は、一次巻線504および508と、これらの一次巻線504および508に磁気的に結合された二次巻線506および510とを有する。一次巻線504と508は、同じ巻線数NPを有してもよいが、必ずしもそうである必要はない。二次巻線506と510は、同じ巻線数NSを有してもよいが、必ずしもそうである必要はない。DC−DCコンバータ500は、一次巻線504および508にそれぞれ接続されたスイッチQ2およびQ1を有する。
制御回路340は、第2の信号426を受け取り、この信号426に従ってスイッチQ1およびQ2を制御するための制御信号PWM1およびPWM2を生成するマルチプレクサ532を有する。このマルチプレクサ532は、制御信号PWM1とPWM2を交互に生成する。一例として、マルチプレクサ532は、信号426の第1の周期に制御信号PWM1を生成し、信号426の第1の周期の直後の信号426の第2の周期に制御信号PWM2を生成し、さらに、信号426の第2の周期の直後の信号426の第3の周期に制御信号PWM1を生成する。
動作に関する一実施形態では、信号426の第1の周期において、スイッチQ1は、オン時間間隔TONの間、制御信号PWM1によってオンにされ、オフ時間間隔TOFFの間、制御信号PWM1によってオフにされる。また、スイッチQ2は、信号426の第1の周期にオフにされる。スイッチQ1がオンになると、一次電流IPが、入力端子312から一次巻線508を通ってグランドに流れて、一次電流IPは増加する。それに応じて、二次電流ISが、二次巻線506、ダイオードD1およびインダクタL1を通って出力端子314に流れ、インダクタL1が磁気エネルギーを蓄える。スイッチQ1がオフになると、一次電流IPは遮断され、インダクタL1は、出力端子314に電力を放出する。電流は、グランドからダイオードD1およびD2を介して、そしてインダクタL1を介して出力端子314に流れることができる。同様に、信号426の第2の周期において、スイッチQ2は、オン時間間隔TONの間、制御信号PWM2によってオンにされ、オフ時間間隔TOFFの間、制御信号PWM2によってオフにされる。また、スイッチQ1は、信号426の第2の周期にオフにされる。スイッチQ2がオンになると、一次電流IPが、入力端子312から一次巻線504を通ってグランドに流れて、一次電流IPは増加する。それに応じて、二次電流ISが、二次巻線510、ダイオードD2およびインダクタL1を通って出力端子314に流れ、インダクタL1が磁気エネルギーを蓄える。スイッチQ2がオフになると、一次電流IPは遮断され、インダクタL1は、出力端子314に電力を放出する。電流は、グランドからダイオードD1およびD2を介して、そしてインダクタL1を介して出力端子314に流れることができる。
図6を参照する。変換回路344のトランス回路602は、一次巻線604と、この一次巻線604に磁気的に結合された二次巻線606および608とを有する。変換回路344は、入力端子312とグランドとの間に接続された、例として直列接続のコンデンサC3およびC4として示す、コンデンサ分割器をさらに有する。一次巻線604の一方の端子は、コンデンサC3およびC4の接続ノードに接続され、一次巻線604の他方の端子は、スイッチQ1を介してグランドに接続されるとともに、スイッチQ2を介して出力端子314に接続されている。
一実施形態では、制御回路340は、制御信号PWM1とPWM2を交互に生成する。図6の制御信号PWM1とPWM2の生成プロセスは、図5のプロセスと同様である。一実施形態では、コンデンサC3およびC4は、同じ静電容量を有してもよいが、必ずしもそうである必要はない。スイッチQ1およびQ2がオフのとき、一次巻線604の入力電圧、例えばコンデンサC3およびC4の接続ノードの電圧を、入力電圧VINの半分に等しくできる。
動作に関する一実施形態では、信号426の第1の周期において、スイッチQ1は、オン時間間隔TONの間、制御信号PWM1によってオンにされ、オフ時間間隔TOFFの間、制御信号PWM1によってオフにされる。また、スイッチQ2は、信号426の第1の周期にオフにされる。スイッチQ1がオンになると、一次電流IP’が、コンデンサ分割器から一次巻線604を通ってグランドに流れ、一次電流IP’は増加する。それに応じて、二次電流ISが、二次巻線606、ダイオードD1およびインダクタL1を通って出力端子314に流れ、インダクタL1が磁気エネルギーを蓄える。スイッチQ1がオフになると、一次電流IP’は遮断され、インダクタL1は、出力端子314に電力を放出する。同様に、信号426の第2の周期において、スイッチQ2は、オン時間間隔TONの間、制御信号PWM2によってオンにされ、オフ時間間隔TOFFの間、制御信号PWM2によってオフにされる。また、スイッチQ1は、信号426の第2の周期にオフである。スイッチQ2がオンになると、一次電流IP’が、入力端子312から一次巻線604を通ってコンデンサ分割器に流れ、一次電流IP’は増加する。それに応じて、二次電流ISが、二次巻線608、ダイオードD2およびインダクタL1を通って出力端子314に流れ、インダクタL1が磁気エネルギーを蓄える。スイッチQ2がオフになると、一次電流IP’は遮断され、インダクタL1は、出力端子314に電力を放出する。
図7を参照する。変換回路344のトランス回路702は、一次巻線704と、この一次巻線704に磁気的に結合された二次巻線706および708とを有する。DC−DCコンバータ700は、スイッチQ1、Q2、Q3およびQ4を有する。一次巻線704の一方の端子は、スイッチQ1を介してグランドに接続されるとともに、スイッチQ2を介して入力端子312に接続されている。一次巻線704の他方の端子は、スイッチQ4を介してグランドに接続されるとともに、スイッチQ3を介して入力端子312に接続されている。
一実施形態では、制御回路340は、第1の対の制御信号PWM1およびPWM3と、第2の対の制御信号PWM2およびPWM4とを交互に生成する。一例として、制御回路340は、信号426の第1の周期に第1の対の制御信号PWM1およびPWM3を生成し、この信号426の第1の周期の直後の信号426の第2の周期に、第2の対の制御信号PWM2およびPWM4を生成し、さらに、この信号426の第2の周期の直後の信号426の第3の周期に、第1の対の制御信号PWM1およびPWM3を生成する。
動作に関する一実施形態において、信号426の第1の周期では、スイッチQ1およびQ3は、オン時間間隔TONの間、制御信号PWM1およびPWM3によってオンにされ、オフ時間間隔TOFFの間、制御信号PWM1およびPWM3によってオフにされる。また、スイッチQ2およびQ4は、信号426の第1の周期にオフである。スイッチQ1およびQ3がオンになると、一次電流IPが、入力端子312からスイッチQ3、一次巻線704およびスイッチQ1を通ってグランドに流れて、一次電流IPは増加する。それに応じて、二次電流ISが、二次巻線706、ダイオードD1およびインダクタL1を通って出力端子314に流れ、インダクタL1が磁気エネルギーを蓄える。スイッチQ1およびQ3がオフになると、一次電流IPは遮断され、インダクタL1は、出力端子314に電力を放出する。同様に、信号426の第2の周期において、スイッチQ2およびQ4は、オン時間間隔TONの間、制御信号PWM2およびPWM4によってオンにされ、オフ時間間隔TOFFの間、制御信号PWM2およびPWM4によってオフにされる。また、スイッチQ1およびQ3は、信号426の第2の周期にオフである。スイッチQ2およびQ4がオンになると、一次電流IPが、入力端子312からスイッチQ2、一次巻線704およびスイッチQ4を通ってグランドに流れて、一次電流IPは増加する。それに応じて、二次電流ISが、二次巻線708、ダイオードD2およびインダクタL1を通って出力端子314に流れ、インダクタL1が磁気エネルギーを蓄える。スイッチQ2およびQ4がオフになると、一次電流IPは遮断され、インダクタL1は、出力端子314に電力を放出する。
有利なことに、図5、図6および図7のDC−DCコンバータに関係する例えばQ1、Q2、Q3およびQ4などのスイッチを制御する制御信号のオン時間間隔TONが、DC−DCコンバータの一次巻線の両端間の電圧に反比例するように制御されるので、一次巻線を流れる電流は、実質的に一定のピークレベルを有することができる。一次巻線を流れる電流のピークレベルを、トランス回路の非飽和領域内にすることができる。
図8は、本発明の一実施形態による、DC−DCコンバータが行う動作例のフロー図800を示す。図8について、図3、図4A、図4B、図5、図6および図7と合わせて説明する。
ブロック802において、制御信号がトランス回路を制御する。制御信号は、周期信号でもよく、制御信号の各周期は、オン時間間隔TONおよびオフ時間間隔TOFFを有する。一例として、制御信号には、本明細書に記載の信号330、426、PWM、PWM1、PWM2、PWM3およびPWM4を含む。トランス回路には、トランス回路402、502、602および702を含む。
ブロック804において、制御回路340が、オン時間間隔TONに、トランス回路の一次巻線を流れる一次電流と、トランス回路の二次巻線を流れる二次電流とを増加させる。一例として、オン時間間隔TONに、制御回路340は、一次巻線が電源から電力を受け取るように対応するスイッチをオンにする。
ブロック806において、制御回路340は、オフ時間間隔TOFFに一次電流の増加を終了させる。一例として、オフ時間間隔TOFFに、制御回路340は、一次巻線の電流経路を切断するように対応するスイッチをオフにする。
ブロック808において、制御回路340は、オン時間間隔TONを一次巻線に供給される入力電圧に反比例させるように制御する。結果として、一次巻線を流れる一次電流は、トランス回路の非飽和領域内の実質的に一定のピークレベルを有する。
要約すると、本発明による実施形態は、DC−DCコンバータと、このDC−DCコンバータを制御する制御装置とを提供する。このDC−DCコンバータは、トランスを有する。制御装置は、例えば一次電流がトランスの一次巻線を流れる期間などの時間間隔を、一次巻線に供給される入力電圧に反比例させるように制御する。従って、一次電流は、トランスの磁束密度に関係する非飽和領域内である。その結果として、制御装置は、DC−DCコンバータの出力を適切に制御できる。本発明は、通信デバイス、自動車用デバイス、アダプタ、充電器等における個別電源などの種々の用途に使用することができる。
これまでの説明および図面は本発明の実施形態を表しているが、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の原理の精神および範囲から逸脱することなく、これらの実施形態に種々の追加、変更および代替を行いうることが理解されるであろう。本発明の原理から逸脱することなしに特定の環境および動作要件に具体的に適合される、本発明の実践において使用される形態、構造、配置、割合、材料、要素、コンポーネントやその他の多くの変更を行って、本発明を使用しうることを、当業者は理解するであろう。従って、本開示の実施形態は、全ての面において説明であり、限定ではないと見なされるものである。本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその法的均等物に示されており、これまでの説明に限定されるものではない。
100、200,300、400A、400B、500、600、700 DC−DCコンバータ
102、208、402 トランス
104 磁束密度
106、330 制御信号
202、C1〜C4、CR コンデンサ
204、L、L1、LR インダクタ
206 パルス幅変調信号
210、LM 一次巻線の等価インダクタ
212 整流器
214 負荷
312 入力端子
304、404、504、508、604、704 一次巻線
306、406、506、510、606、608、706、708 二次巻線
314 出力端子
340 制御回路
342 スイッチ回路
344 変換回路
348 フィードバック回路
416 第2の回路、TONタイマ
418 第1の回路
420 TOFFタイマ
422 電圧制御発振器
424 第1の信号
426 第2の信号
428 エラー増幅器
502、602、702 トランス回路
532 マルチプレクサ
D1、D2 ダイオード
f206 スイッチング周波数
fR 共振周波数
fN1 指定周波数
IP、IP’ 一次電流
IS 二次電流
IOSC 振動電流
NP、NP’、NS 巻線数
PWM、PWM1〜PWM4 PWM制御信号
Q1〜Q4 スイッチ
R1、R2 抵抗
SW0〜SW2 スイッチ
TON オン時間間隔
TOFF オフ時間間隔
VCOMP 増幅信号
VDC DC電圧
VFB フィードバック信号
VIN 入力電圧
V’IN 一次巻線304の両端間の入力電圧
VLM 限界電圧
VOUT 出力電圧
VREF 基準信号
102、208、402 トランス
104 磁束密度
106、330 制御信号
202、C1〜C4、CR コンデンサ
204、L、L1、LR インダクタ
206 パルス幅変調信号
210、LM 一次巻線の等価インダクタ
212 整流器
214 負荷
312 入力端子
304、404、504、508、604、704 一次巻線
306、406、506、510、606、608、706、708 二次巻線
314 出力端子
340 制御回路
342 スイッチ回路
344 変換回路
348 フィードバック回路
416 第2の回路、TONタイマ
418 第1の回路
420 TOFFタイマ
422 電圧制御発振器
424 第1の信号
426 第2の信号
428 エラー増幅器
502、602、702 トランス回路
532 マルチプレクサ
D1、D2 ダイオード
f206 スイッチング周波数
fR 共振周波数
fN1 指定周波数
IP、IP’ 一次電流
IS 二次電流
IOSC 振動電流
NP、NP’、NS 巻線数
PWM、PWM1〜PWM4 PWM制御信号
Q1〜Q4 スイッチ
R1、R2 抵抗
SW0〜SW2 スイッチ
TON オン時間間隔
TOFF オフ時間間隔
VCOMP 増幅信号
VDC DC電圧
VFB フィードバック信号
VIN 入力電圧
V’IN 一次巻線304の両端間の入力電圧
VLM 限界電圧
VOUT 出力電圧
VREF 基準信号
Claims (20)
- 電力変換装置用の制御装置であって、
前記電力変換装置を制御し、かつその1周期に第1の時間間隔および第2の時間間隔を備える制御信号を提供するように構成された制御端子と、
前記制御端子に接続された制御回路であって、前記第1の時間間隔に、トランス回路の一次巻線を流れる一次電流および前記トランス回路の二次巻線を流れる二次電流を増加させ、前記第2の時間間隔に、前記一次電流の増加を終了させ、かつ前記第1の時間間隔を前記一次巻線に供給される入力電圧に反比例させるように制御する前記制御回路と
を備える制御装置。 - 前記制御信号は、前記第1の期間の間に、前記一次電流をピークレベルまで増加させ、前記ピークレベルは、前記制御信号の複数の周期において実質的に一定である、請求項1に記載の制御装置。
- 前記一次巻線に直列に接続されたスイッチをさらに備え、前記スイッチは、前記制御信号によって交互にオンオフされる、請求項1に記載の制御装置。
- 前記制御回路は、第1のタイマを備え、前記第1のタイマは、トリガ信号に応えて時間測定を開始するとともに、前記トリガ信号に応えて前記制御信号を第1のレベルに制御し、前記第1の時間間隔が終了すると、前記制御信号を第2のレベルに変更し、かつ前記第1の時間間隔を前記入力電圧に反比例させるように制御する、請求項1に記載の制御装置。
- 前記制御回路は、前記第1のタイマに接続された第2のタイマをさらに備え、前記第2のタイマは、前記制御信号のレベルの変化に応えて時間測定を開始し、前記第2の時間間隔が終了すると、前記トリガ信号を生成する、請求項4に記載の制御装置。
- 前記第2のタイマは、前記電力変換装置の出力電圧が設定レベルより大きい場合、前記第2の時間間隔を長くし、前記出力電圧が前記設定レベルより小さい場合、前記第2の時間間隔を短くする、請求項5に記載の制御装置。
- 前記制御回路は、前記第1のタイマに接続され、ある周波数で前記トリガ信号を生成するように構成された発振器をさらに備える、請求項4に記載の制御装置。
- 前記発振器は、前記電力変換装置の出力電圧が設定レベルより大きい場合、前記周波数を下げ、前記出力電圧が前記設定レベルより小さい場合、前記周波数を上げる、請求項7に記載の制御装置。
- 前記電力変換装置は、フォワードコンバータ、プッシュプルコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、およびフルブリッジコンバータから成るグループの中から選択される変換回路を備える、請求項1に記載の制御装置。
- 電力変換装置の制御方法であって、
1周期に第1の時間間隔および第2の時間間隔を備える制御信号を使用してトランス回路を制御するステップと、
前記第1の時間間隔に、前記トランス回路の一次巻線を流れる一次電流および前記トランス回路の二次巻線を流れる二次電流を増加させるステップと、
前記第2の時間間隔に、前記一次電流の前記増加ステップを終了させるステップと、
前記第1の時間間隔を前記一次巻線に供給される入力電圧に反比例させるように制御するステップと
を備える方法。 - 前記一次電流の前記増加ステップは、前記第1の時間間隔の間に、前記一次電流をピークレベルまで増加させるステップを備える、請求項10に記載の方法。
- 前記第1の時間間隔の前記制御ステップは、前記ピークレベルが前記制御信号の複数の周期において実質的に一定になるように制御するステップを備える、請求項11に記載の方法。
- トリガ信号に応えて時間測定を開始するステップと、前記トリガ信号に応えて前記制御信号を第1のレベルに制御するステップと、
前記第1の時間間隔が終了すると、前記制御信号を第2のレベルに変更するステップと
をさらに備える、請求項10に記載の方法。 - 前記制御信号の前記周期が終了すると、前記トリガ信号を生成するステップと、
電力変換装置の出力電圧が設定レベルより大きい場合、前記周期を長くするステップと、
前記出力電圧が前記設定レベルより小さい場合、前記周期を短くするステップと
をさらに備える、請求項13に記載の方法。 - 電力変換装置であって、
一次巻線および二次巻線を備え、1周期が第1の時間間隔および第2の時間間隔を備える、複数の周期で動作するように構成されたトランス回路と、
前記トランス回路に接続された制御回路であって、前記第1の時間間隔に、前記一次巻線を流れる一次電流および前記二次巻線を流れる二次電流を増加させ、前記第2の時間間隔に、前記一次電流の増加を終了させ、かつ前記第1の時間間隔を前記一次巻線に供給される入力電圧に反比例させるように制御することができる前記制御回路と
を備える電力変換装置。 - 前記制御回路は、前記第1の時間間隔の間に、前記一次電流をピークレベルまで増加させ、前記ピークレベルが前記複数の周期において実質的に一定である、請求項15に記載の電力変換装置。
- 前記二次巻線に接続され、前記第1の時間間隔にエネルギーを蓄え、前記第2の時間間隔にエネルギーを放出するインダクタをさらに備える、請求項15に記載の電力変換装置。
- 前記制御回路は、前記電力変換装置の出力電圧が設定レベルより大きい場合、前記第1のトリガ信号の前記周期を長くし、前記出力電圧が前記設定レベルより小さい場合、前記周期を短くする、請求項15に記載の電力変換装置。
- 前記一次巻線に直列に接続されたスイッチをさらに備え、前記スイッチは、前記制御回路によって交互にオンオフされる、請求項15に記載の電力変換装置。
- フォワードコンバータ、プッシュプルコンバータ、ハーフブリッジコンバータ、およびフルブリッジコンバータから成るグループの中から選択される変換回路をさらに備える、請求項15に記載の電力変換装置。
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