JP2023128808A - synchronous rectifier circuit - Google Patents

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Abstract

To provide a synchronous rectifier circuit that suppresses inrush current from an output side when a voltage source is connected to the output side and the synchronous rectifier circuit is controlled in a constant current mode as a bidirectional converter.SOLUTION: The synchronous rectifier circuit controls in a constant current mode as a bidirectional converter. The synchronous rectifier circuit includes a converter unit including a switching element and an inductor and a control circuit including an error amplifier and a PWM circuit. When a voltage monitor value of an output voltage of the converter unit is input into an error amplifying device of the error amplifier and control is started in a constant current mode, an input to the error amplifying device is switched to a current monitor value of an output current of the inductor.SELECTED DRAWING: Figure 3

Description

本発明は、同期整流回路に関し、より詳細には、チョッパ回路を用いた双方向コンバータとして動作する同期整流回路に関する。 The present invention relates to a synchronous rectifier circuit, and more particularly to a synchronous rectifier circuit that operates as a bidirectional converter using a chopper circuit.

直流電力を直流電力に変換する変換装置であるＤＣ－ＤＣコンバータには、降圧コンバータ、昇圧コンバータ、力行／回生が可能な双方向コンバータ等がある。回路形式としては、ダイオードを用いた非同期整流型と、スイッチング素子のみで制御する同期整流型とが知られている。 DC-DC converters, which are conversion devices that convert DC power to DC power, include step-down converters, step-up converters, bidirectional converters capable of power running/regeneration, and the like. As circuit types, an asynchronous rectification type using diodes and a synchronous rectification type controlled only by switching elements are known.

図１に、従来の同期整流型のチョッパ回路を用いたＤＣ－ＤＣコンバータの概略の構成を示す。ＤＣ－ＤＣコンバータ１０は、同期整流型のチョッパ回路を用いたコンバータ部１１と、エラーアンプ２１およびＰＷＭ回路２２を含む制御回路部１２とから構成されている。制御回路部１２は、定電流モードでコンバータ部１１を制御している。エラーアンプ２１は、コンバータ部１１のインダクタ電流値CURR_MONと基準電流値CURR_REFとの差分に応じた駆動信号DRIVEをＰＷＭ回路２２に出力する。ＰＷＭ回路２２では、入力された駆動信号DRIVEと、内部で生成した鋸歯状波とをコンパレータで比較しＰＷＭ変調する。変調されたパルスを、コンバータ部１１のスイッチング素子に供給し、チョッパ回路を制御する。 FIG. 1 shows a schematic configuration of a DC-DC converter using a conventional synchronous rectification chopper circuit. The DC-DC converter 10 includes a converter section 11 using a synchronous rectifier chopper circuit, and a control circuit section 12 including an error amplifier 21 and a PWM circuit 22. The control circuit section 12 controls the converter section 11 in constant current mode. The error amplifier 21 outputs a drive signal DRIVE to the PWM circuit 22 according to the difference between the inductor current value CURR_MON of the converter section 11 and the reference current value CURR_REF. The PWM circuit 22 compares the input drive signal DRIVE with an internally generated sawtooth wave using a comparator and performs PWM modulation. The modulated pulse is supplied to the switching element of the converter section 11 to control the chopper circuit.

また、起動時に生ずる突入電流を防止するためのソフトスタート回路を備えたＤＣ－ＤＣコンバータが知られており、さらに、再起動時、ソフトスタートから定電流モード等に切り替える際の突入電流を防止する構成も知られている（例えば特許文献１参照）。 In addition, a DC-DC converter is known that is equipped with a soft start circuit to prevent inrush current that occurs at startup, and also to prevent inrush current when switching from soft start to constant current mode, etc. at restart. The configuration is also known (for example, see Patent Document 1).

特開２０１８－１３３９１５号公報Japanese Patent Application Publication No. 2018-133915

従来のＤＣ－ＤＣコンバータの出力側に電圧源を接続し、双方向コンバータとして動作させる場合、コンバータ部の出力端子電圧は、出力側に接続された出力電圧源によって異なる。従って、同期整流型ＤＣ－ＤＣコンバータの場合、出力電流の向き（力行／回生）は、出力しようとする電圧値Voutと、出力側に接続された出力電圧源の電圧値Voとの大小で決まる。チョッパ回路の出力電圧Voutは、入力側電圧源の電圧値VinとＰＷＭ回路２２のデューティ比の積で決まる。すなわち、電圧値Vinとデューティ比の積が電圧値Voより高ければ力行動作となり、電圧値Vinとデューティ比の積が電圧値Voより低ければ回生動作となる。電圧値Vinとデューティ比の積が電圧値Voに等しければ、電流のやり取りは発生せず、電流値はゼロとなる。 When a voltage source is connected to the output side of a conventional DC-DC converter to operate it as a bidirectional converter, the output terminal voltage of the converter section varies depending on the output voltage source connected to the output side. Therefore, in the case of a synchronous rectification type DC-DC converter, the direction of the output current (power running/regeneration) is determined by the magnitude of the voltage value Vout to be output and the voltage value Vo of the output voltage source connected to the output side. . The output voltage Vout of the chopper circuit is determined by the product of the voltage value Vin of the input side voltage source and the duty ratio of the PWM circuit 22. That is, if the product of the voltage value Vin and the duty ratio is higher than the voltage value Vo, the power operation is performed, and if the product of the voltage value Vin and the duty ratio is lower than the voltage value Vo, the regeneration operation is performed. If the product of the voltage value Vin and the duty ratio is equal to the voltage value Vo, no current exchange occurs and the current value becomes zero.

従来のソフトスタート回路は、コンバータ部の出力電圧が０Ｖから緩やかに上昇するように、エラーアンプの出力を設定している。従って、出力しようとする電圧値Vout＜出力電圧源の電圧値Voとなり、制御開始直後は回生動作を始め、出力電圧源からコンバータ部１１に突入電流が流れ込んでしまうという問題があった。 In the conventional soft start circuit, the output of the error amplifier is set so that the output voltage of the converter section gradually increases from 0V. Therefore, there is a problem in that the voltage value to be outputted is Vout<the voltage value Vo of the output voltage source, and immediately after the start of control, a regenerative operation is started and an inrush current flows into the converter section 11 from the output voltage source.

例えば、非同期整流型のＤＣ－ＤＣコンバータを使用した一般的な直流電源装置、電子負荷装置の動作に当てはめると、定電流モードで動作させた場合、電流０Ａから制御を開始するようになっている。この場合、駆動信号DRIVEは、出力電流０Ａから基準電流値CURR_REFの電流値に達するように出力を制御する。このため、制御を開始した瞬間に関しては、必ずＰＷＭ回路２２のデューティ比がゼロからスタートしてしまう。上記の場合と同様に、出力しようとする電圧値Vout＜出力電圧源の電圧値Voとなり、制御開始直後は回生動作を始め、出力電圧源からコンバータ部１１に突入電流が流れ込んでしまう。 For example, when applied to the operation of a general DC power supply device or electronic load device that uses an asynchronous rectification type DC-DC converter, when operated in constant current mode, control starts from a current of 0 A. . In this case, the drive signal DRIVE controls the output so that the output current reaches the reference current value CURR_REF from 0A. Therefore, at the moment when control is started, the duty ratio of the PWM circuit 22 always starts from zero. Similarly to the above case, the voltage value to be outputted is Vout<the voltage value Vo of the output voltage source, and immediately after the start of control, the regenerative operation is started, and a rush current flows into the converter section 11 from the output voltage source.

図２に、従来のＤＣ－ＤＣコンバータの制御開始時の電流立上り波形を示す。双方向コンバータとして電流モードで１５Ａの回生電流が流れるように定電流モードで制御した場合のシミュレーション結果である。制御開始直後は、４０Ａ以上に達する突入電流が流れてしまうことが分かる。上記した実機への応用に際して、定電流モードでの制御において意図しない過大な電流は、被試験体として使用される蓄電池やインバータなどの評価において障害になり、最悪の場合試験体の破損につながる恐れがある。 FIG. 2 shows a current rising waveform at the start of control of a conventional DC-DC converter. These are simulation results when a bidirectional converter is controlled in constant current mode so that a regenerative current of 15 A flows in current mode. It can be seen that immediately after the start of control, an inrush current reaching 40 A or more flows. When applied to the above-mentioned actual equipment, unintended excessive current during control in constant current mode may cause problems in the evaluation of storage batteries, inverters, etc. used as test objects, and in the worst case, may lead to damage to the test object. There is.

本発明の目的は、出力側に電圧源を接続し、双方向コンバータとして定電流モードで制御する場合に、出力側からの突入電流を抑制する同期整流回路を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a synchronous rectifier circuit that suppresses inrush current from the output side when a voltage source is connected to the output side and the converter is controlled in constant current mode as a bidirectional converter.

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、双方向コンバータとして定電流モードで制御する同期整流回路であって、スイッチング素子およびインダクタを含むコンバータ部と、エラーアンプとＰＷＭ回路を含む制御回路とを備え、前記コンバータ部の出力電圧の電圧モニタ値が前記エラーアンプの誤差増幅器に入力され、前記定電流モードで制御を開始すると、前記誤差増幅器の入力を前記インダクタの出力電流の電流モニタ値に切り替えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, one embodiment of the present invention is a synchronous rectifier circuit controlled in constant current mode as a bidirectional converter, which includes a converter section including a switching element and an inductor, an error amplifier and a PWM. a control circuit including a circuit, when a voltage monitor value of the output voltage of the converter unit is input to an error amplifier of the error amplifier and control is started in the constant current mode, the input of the error amplifier is input to the output of the inductor. The feature is that the current is switched to a current monitor value.

本発明によれば、双方向コンバータとして定電流モードで制御する場合に、動作開始直後の駆動信号を、直前の出力電圧に応じた電圧モニタ値から制御するので、出力側からの突入電流を抑制することが可能となる。 According to the present invention, when controlling in constant current mode as a bidirectional converter, the drive signal immediately after the start of operation is controlled from the voltage monitor value according to the immediately previous output voltage, so rush current from the output side is suppressed. It becomes possible to do so.

従来の同期整流型のチョッパ回路を用いたＤＣ－ＤＣコンバータの概略の構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a DC-DC converter using a conventional synchronous rectification chopper circuit. 従来のＤＣ－ＤＣコンバータの制御開始時の電流立上り波形を示す図である。FIG. 2 is a diagram showing a current rising waveform at the start of control of a conventional DC-DC converter. 本発明の一実施形態にかかる同期整流回路の概略の構成を示す図である。1 is a diagram showing a schematic configuration of a synchronous rectifier circuit according to an embodiment of the present invention. 本実施形態の同期整流回路の制御開始時の電流立上り波形を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a current rising waveform at the start of control of the synchronous rectifier circuit of the present embodiment. 本実施形態の同期整流回路を含む試験装置における電流立上り波形を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing a current rising waveform in a test device including the synchronous rectifier circuit of the present embodiment.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。 Embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

図３は、本発明の一実施形態にかかる同期整流回路の概略の構成を示す。同期整流回路１００は、同期整流型のチョッパ回路を用いたコンバータ部１０１と、エラーアンプ１２１およびＰＷＭ回路１２２を含む制御回路部１０２とから構成されている。コンバータ部１０１は、入力側の直流電圧源１１１を含み、コンデンサＣ１、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、インダクタＬ、およびコンデンサＣ２から構成される同期整流型のチョッパ回路である。コンバータ部１０１の出力には、出力側の直流電圧源１０３が接続され、双方向コンバータとして動作する。 FIG. 3 shows a schematic configuration of a synchronous rectifier circuit according to an embodiment of the present invention. The synchronous rectification circuit 100 includes a converter section 101 using a synchronous rectification chopper circuit, and a control circuit section 102 including an error amplifier 121 and a PWM circuit 122. The converter section 101 is a synchronous rectification chopper circuit including a DC voltage source 111 on the input side, and composed of a capacitor C1, switching elements S1 and S2, an inductor L, and a capacitor C2. An output-side DC voltage source 103 is connected to the output of the converter section 101, and operates as a bidirectional converter.

コンバータ部１０１のインダクタＬの出力には電流検知素子が設けられ、出力電流に応じた電流モニタ値CURR_MONが制御回路部１０２に入力される。制御回路部１０２は、定電流モードによる制御では、コンバータ部１０１の電流モニタ値CURR_MONと基準電流値CURR_REFとの差分に応じた駆動信号DRIVEをＰＷＭ回路１２２に出力する。ＰＷＭ回路１２２では、入力された駆動信号DRIVEと、鋸歯状波生成回路１３２で生成した鋸歯状波とをコンパレータ１３３で比較し、ＰＷＭ変調する。変調されたパルスを、コンバータ部１０１のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２に供給し、チョッパ回路を制御して、コンバータ部１０１から所望の出力電流が得られるようにする。 A current detection element is provided at the output of the inductor L of the converter section 101, and a current monitor value CURR_MON corresponding to the output current is input to the control circuit section 102. In the constant current mode control, the control circuit section 102 outputs a drive signal DRIVE to the PWM circuit 122 according to the difference between the current monitor value CURR_MON of the converter section 101 and the reference current value CURR_REF. In the PWM circuit 122, a comparator 133 compares the input drive signal DRIVE with the sawtooth wave generated by the sawtooth wave generation circuit 132, and performs PWM modulation. The modulated pulses are supplied to switching elements S1 and S2 of converter section 101 to control the chopper circuit so that a desired output current can be obtained from converter section 101.

コンバータ部１０１の出力には電圧検知素子が設けられ、出力電圧に応じた電圧モニタ値VOLT_MONが制御回路部１０２に入力される。本実施形態のエラーアンプ１２１は、さらにスイッチＳＷを備え、電流モニタ値CURR_MONと電圧モニタ値VOLT_MONとを切り替えて、誤差増幅器１３１の入力端子に入力することができる。 A voltage detection element is provided at the output of the converter section 101, and a voltage monitor value VOLT_MON corresponding to the output voltage is input to the control circuit section 102. The error amplifier 121 of this embodiment further includes a switch SW, and can switch between the current monitor value CURR_MON and the voltage monitor value VOLT_MON and input the current monitor value CURR_MON and the voltage monitor value VOLT_MON to the input terminal of the error amplifier 131.

エラーアンプ１２１における動作を詳述する。図３は、双方向コンバータとして定電流モードによる制御開始前の状態を示している。誤差増幅器１３１の反転入力端子には、スイッチＳＷを介して、電圧モニタ値VOLT_MONの分電圧が入力されており、電圧モニタ値VOLT_MONに比例した駆動信号DRIVEが、エラーアンプ１２１から出力される。従って、コンパレータ１３３では、出力しようとする電圧値が、出力側の直流電圧源１０３の電圧値Voと同じになるようにデューティ比が設定され、ＰＷＭ回路１２２からスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御する。 The operation of the error amplifier 121 will be described in detail. FIG. 3 shows the bidirectional converter in a state before starting control in constant current mode. A divided voltage of the voltage monitor value VOLT_MON is input to the inverting input terminal of the error amplifier 131 via the switch SW, and a drive signal DRIVE proportional to the voltage monitor value VOLT_MON is output from the error amplifier 121. Therefore, in the comparator 133, the duty ratio is set so that the voltage value to be outputted is the same as the voltage value Vo of the DC voltage source 103 on the output side, and the PWM circuit 122 controls the switching elements S1 and S2.

双方向コンバータとして定電流モードによる制御を開始すると、開始と同時に誤差増幅器１３１の反転入力端子には、スイッチＳＷを介して、電流モニタ値CURR_MONと基準電流値CURR_REFとの差分に応じた電圧が入力される。誤差増幅器１３１は積分回路を形成し、上述したように、電流モニタ値CURR_MONと基準電流値CURR_REFとの差分に応じた駆動信号DRIVEをＰＷＭ回路１２２に出力する。 When control in constant current mode is started as a bidirectional converter, at the same time as the start, a voltage corresponding to the difference between the current monitor value CURR_MON and the reference current value CURR_REF is input to the inverting input terminal of the error amplifier 131 via the switch SW. be done. The error amplifier 131 forms an integration circuit, and outputs the drive signal DRIVE to the PWM circuit 122 according to the difference between the current monitor value CURR_MON and the reference current value CURR_REF, as described above.

この構成によれば、制御開始直後の駆動信号DRIVEの値は、スイッチＳＷを切り替える直前の出力電圧に応じた電圧モニタ値に比例した値からスタートするので、ＰＷＭ回路１２２のデューティ比は、出力側の直流電圧源１０３の電圧値Voとなるように、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２を制御する。従って、制御開始直後に回生動作が生ずることはなく、出力電圧源１０３からコンバータ部１０１への突入電流を抑制することできる。 According to this configuration, the value of the drive signal DRIVE immediately after the start of control starts from a value proportional to the voltage monitor value corresponding to the output voltage immediately before switching the switch SW, so the duty ratio of the PWM circuit 122 is set on the output side. The switching elements S1 and S2 are controlled so that the voltage value Vo of the DC voltage source 103 is reached. Therefore, the regenerative operation does not occur immediately after the start of control, and the rush current from output voltage source 103 to converter section 101 can be suppressed.

図４に、本実施形態の同期整流回路の制御開始時の電流立上り波形を示す。電流モードで１５Ａの回生電流が流れるように定電流制御した場合のシミュレーション結果である。制御開始直後の突入電流が抑制され、回生電流がゼロからスムーズに立ち上がっていることが分かる。 FIG. 4 shows a current rising waveform at the start of control of the synchronous rectifier circuit of this embodiment. These are simulation results when constant current control is performed in current mode so that a regenerative current of 15 A flows. It can be seen that the inrush current immediately after the start of control is suppressed, and the regenerative current rises smoothly from zero.

図５に、本実施形態の同期整流回路を含む試験装置における電流立上り波形を示す。同期整流回路１００を含む試験装置の出力に、直流電源を接続する。試験装置は、電流設定値－１Ａ（回生動作）、定電流モードに設定され、直流電源は、電圧設定値１０００Ｖに設定されている。試験装置の出力に１０００Ｖが印加された状態で、試験装置の出力をＯＮした時の波形を示している。上記のシミュレーション結果と同様に、制御開始直後の突入電流が抑制され、回生電流がゼロから－１Ａまでスムーズに立ち上がっていることが分かる。 FIG. 5 shows a current rising waveform in a test device including the synchronous rectifier circuit of this embodiment. A DC power supply is connected to the output of the test device including the synchronous rectifier circuit 100. The test device was set to a constant current mode with a current setting value of -1A (regenerative operation), and the DC power supply was set to a voltage setting value of 1000V. The waveform is shown when the output of the test device is turned on with 1000V applied to the output of the test device. Similar to the above simulation results, it can be seen that the inrush current immediately after the start of control is suppressed, and the regenerative current rises smoothly from zero to -1A.

１０，１００ 同期整流回路
１１，１０１ コンバータ部
１２，１０２ 制御回路部
２１，１２１ エラーアンプ
２２，１２２ ＰＷＭ回路を含む
１０３，１１１ 直流電圧源
１３１ 誤差増幅器
１３２ 鋸歯状波生成回路
１３３ コンパレータ 10,100 Synchronous rectifier circuit 11,101 Converter section 12,102 Control circuit section 21,121 Error amplifier 22,122 Including PWM circuit 103,111 DC voltage source 131 Error amplifier 132 Sawtooth wave generation circuit 133 Comparator

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、双方向コンバータとして定電流モードで制御する同期整流回路であって、スイッチング素子およびインダクタを含むコンバータ部と、エラーアンプとＰＷＭ回路を含み、前記スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記コンバータ部の出力電圧の電圧モニタ値を前記エラーアンプの誤差増幅器に入力して、前記コンバータ部の出力電圧が、前記コンバータ部の出力に接続された電圧源の電圧値と等しくなるように制御し、前記定電流モードで制御を開始すると、前記誤差増幅器の入力を前記インダクタの出力電流の電流モニタ値に切り替えることを特徴とする。 In order to achieve such an object, one embodiment of the present invention is a synchronous rectifier circuit that is controlled in a constant current mode as a bidirectional converter, and includes a converter section including a switching element and an inductor, an error amplifier and a PWM. and a control circuit for controlling the switching element, the control circuit inputting a voltage monitor value of the output voltage of the converter section to an error amplifier of the error amplifier, and adjusting the output voltage of the converter section. is controlled to be equal to the voltage value of the voltage source connected to the output of the converter section, and when control is started in the constant current mode, the input of the error amplifier is set to the current monitor value of the output current of the inductor. It is characterized by switching.

本発明は、このような目的を達成するために、一実施態様は、双方向コンバータとして定電流モードで制御する同期整流回路であって、スイッチング素子およびインダクタを含むコンバータ部と、エラーアンプとＰＷＭ回路を含み、前記スイッチング素子を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、制御開始時において、前記コンバータ部の出力電圧の電圧モニタ値を前記エラーアンプの誤差増幅器に入力して、前記コンバータ部の出力電圧が、前記コンバータ部の出力に接続された電圧源の電圧値と等しくなるように制御し、前記定電流モードで制御を開始すると、前記誤差増幅器の入力を前記インダクタの出力電流の電流モニタ値に切り替えることを特徴とする。

In order to achieve such an object, one embodiment of the present invention is a synchronous rectifier circuit that is controlled in a constant current mode as a bidirectional converter, and includes a converter section including a switching element and an inductor, an error amplifier and a PWM. a control circuit that controls the switching element, and the control circuit inputs a voltage monitor value of the output voltage of the converter section to an error amplifier of the error amplifier at the time of starting control , and controls the switching element. When the output voltage of the converter section is controlled to be equal to the voltage value of the voltage source connected to the output of the converter section, and control is started in the constant current mode, the input of the error amplifier is controlled to be equal to the voltage value of the voltage source connected to the output of the converter section. It is characterized by switching to a current monitor value.

Claims (1)

双方向コンバータとして定電流モードで制御する同期整流回路であって、
スイッチング素子およびインダクタを含むコンバータ部と、
エラーアンプおよびＰＷＭ回路を含む制御回路とを備え、
前記コンバータ部の出力電圧の電圧モニタ値が前記エラーアンプの誤差増幅器に入力され、前記定電流モードで制御を開始すると、前記誤差増幅器の入力を前記インダクタの出力電流の電流モニタ値に切り替えることを特徴とする同期整流回路。 A synchronous rectifier circuit that is controlled in constant current mode as a bidirectional converter,
a converter section including a switching element and an inductor;
Equipped with a control circuit including an error amplifier and a PWM circuit,
When the voltage monitor value of the output voltage of the converter section is input to the error amplifier of the error amplifier and control is started in the constant current mode, the input of the error amplifier is switched to the current monitor value of the output current of the inductor. Features a synchronous rectifier circuit.
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