JP3987950B2 - Dc−dcコンバータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数のトランスを有するDC−DCコンバータに関し、特に、トランスの短絡開放アブノーマル試験を行った場合でも装置を安全に保護することができるDC−DCコンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、図3に示すように、複数のトランスを接続して総合容量を大きくした構成のフライバック方式のDC−DCコンバータが知られている。
詳しくは、トランスT1,T2の1次巻線T1a,T2aが直列にスイッチング素子Q1に接続され、2次巻線T1b,T2bの一端がそれぞれダイオードD1,D2のアノードに接続され、2次巻線T1b,T2bの他端がコンデンサC1の負極側に共通接続され、ダイオードD1,D2のカソードがコンデンサC1の正極側に共通接続され、トランスT1,T2の補助巻線T1c,T2cが並列に接続されている。
【0003】
また、トランスT1,T2には、それぞれの温度が溶断規定温度になったときに溶断する温度ヒューズTF1,TF2が熱結合されている。
従来のDC−DCコンバータに対して、直流電源1から直流電圧が加えられた場合、まず、直流電源1からヒューズF1、起動抵抗R1を介してコンデンサC2に電流が流れ始め、コンデンサC2の電圧が上昇して制御回路7が起動し、ハイレベルとローレベルを交互に繰り返すPWM信号が制御回路7からスイッチング素子Q1のゲートに出力される。
【0004】
この結果、スイッチング素子Q1がオンオフ制御されてトランスT1,T2に設けられた1次巻線T1a,T2aから2次巻線T1b,T2bに順次にエネルギーが誘起され、2次巻線T1b,T2bに誘起されたエネルギーがダイオードD1,D2とコンデンサC1により整流平滑されて負荷4に出力電圧が供給される。
さらに、コンデンサC1の両端に生じる出力電圧を電圧検出回路10により検出してその検出信号を制御回路7に帰還することで、制御回路7は出力電圧が一定になるようにスイッチング素子Q1のオン期間を制御する。
【0005】
ところで、DC−DCコンバータに対する動作試験項目の1つとして、トランスの短絡開放アブノーマル試験が規定されている。
例えば、図3に示す従来のDC−DCコンバータに対して、図4に示すような試験項目に従ってトランスの短絡開放アブノーマル試験を行なった場合について説明する。
【0006】
(1)1次巻線の短絡
図4(1)に示すように、スイッチSW1asを一時的に開放状態で1次巻線T1aに接続しておき、DC−DCコンバータが動作中に、トランスT1の1次巻線T1aに並列接続されているスイッチSW1asを短絡した場合、トランスT1の2次巻線T1bが有するインダクタンス成分Lが最小になる。
すなわち、トランスT1の1次巻線T1aから2次巻線T1bへのエネルギーの誘起がなくなるので、負荷4に供給すべき電力をトランスT2から単独で供給するようになる。
この結果、動作中のトランスT2の発熱温度が徐々に上昇し、トランスT2と熱結合されている温度ヒューズTF2の温度が溶断規定温度に達すると、温度ヒューズTF2が溶断され、トランスT2の温度上昇に起因して発生する発煙または発火が防止される。
【0007】
(2)2次巻線の短絡
図4(2)に示すように、スイッチSW1bsを一時的に開放状態で2次巻線T1bに接続しておき、DC−DCコンバータが動作中に、トランスT1の2次巻線T1bに並列接続されているスイッチSW1bsを短絡した場合、トランスT1の1次巻線T1aが有するインダクタンス成分Lが最小になる。
すなわち、トランスT1の1次巻線T1aから2次巻線T1bへのエネルギーの誘起がなくなるので、負荷4に供給すべき電力をトランスT2から単独で供給するようになる。
この結果、1次巻線の短絡と同様に、動作中のトランスT2の発熱温度が徐々に上昇し、トランスT2と熱結合されている温度ヒューズTF2の温度が溶断規定温度に達すると、温度ヒューズTF2が溶断され、トランスT2の温度上昇に起因して発生する発煙または発火が防止される。
【0008】
(3)1次巻線の開放
図4(3)に示すように、スイッチSW1aoを一時的に短絡状態で1次巻線T1aに接続しておき、DC−DCコンバータが動作中に、トランスT1の1次巻線T1aに直列接続されているスイッチSW1aoを開放した場合、トランスT1,T2の1次巻線T1a,T1bに流れる電流が0になり、負荷4への電力供給が停止される。
【0009】
(4)2次巻線の開放
図4(4)に示すように、スイッチSW1boを一時的に短絡状態で2次巻線T1bに接続しておき、DC−DCコンバータが動作中に、トランスT1の2次巻線T1bに直列接続されているスイッチSW1boを開放した場合、負荷4に供給すべき電力をトランスT2から単独で供給するようになる。
この結果、動作中のトランスT2の発熱温度が徐々に上昇し、トランスT2と熱結合されている温度ヒューズTF2の溶断規定温度に達すると、温度ヒューズTF2が溶断され、トランスT2の温度上昇に起因して発生する発煙または発火が防止される。
【0010】
なお、上述したトランスの短絡開放アブノーマル試験の(1)〜(4)はトランスT1に対して行ったが、同様の試験項目をトランスT2に対して行っても同様の結果が得られることは言うまでもない。
このように、従来のDC−DCコンバータでは、トランスの短絡開放アブノーマル試験の結果、発煙または発火が防止され、DC−DCコンバータが安全に保護されるという利点を有している。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述したトランスの短絡開放アブノーマル試験(1),(2),(4)では、一方のトランスを用いてスイッチング動作が継続され、さらに、トランスの発熱温度が上昇して一方の温度ヒューズが溶断されるまでスイッチング動作が継続されるので、信頼性の低下にも繋がっていた。また、耐熱性能の良いトランスが必要であり、コストアップの一因になっていた。
また、トランスの個数分だけ温度ヒューズを設ける必要があり、コストアップの一因になっていた。さらに、部品点数が多くなり実装スペースが必要になるので、装置の小型化を妨げていた。
【0012】
このように、従来のDC−DCコンバータにあっては、トランスの短絡開放アブノーマル試験において、発煙または発火を防止して装置を安全に保護するために、部品点数が増え、その結果、コストアップ、小型化の妨げ、信頼性の低下が生じるといった問題があった。
このため、トランスの短絡開放アブノーマル試験を行った場合にスイッチング動作が停止して装置を安全に保護することができる簡易な回路構成のDC−DCコンバータが切望されていた。
【0013】
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、複数のトランスを用いてDC−DCコンバータを構成した場合に、トランスの短絡開放アブノーマル試験に対してスイッチング動作が停止して装置を安全に保護することができる簡易な回路構成のDC−DCコンバータを提供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】
請求項1記載の発明は、上記課題を解決するため、直流電源から入力された直流電圧を別の直流電圧に変換して出力するDC−DCコンバータにおいて、直流電源に直列に接続され過電流を遮断する過電流遮断手段と、前記過電流遮断手段に直列に接続される複数のトランスの1次巻線と、前記複数のトランスの1次巻線に直列に接続されるスイッチング素子と、並列に直接接続される前記複数のトランスの2次巻線と、前記複数のトランスの2次巻線に誘起される電圧を整流平滑する第1の整流平滑回路と、前記第1の整流平滑回路からの電圧と第1の基準電圧との誤差電圧に応じて帰還信号を出力する電圧検出回路と、並列に直接接続される前記複数のトランスの補助巻線と、前記複数のトランスの補助巻線に誘起される電圧を整流平滑する第2の整流平滑回路と、前記第2の整流平滑回路からの電圧が第2の基準電圧よりも過電圧になったときに停止信号を出力する過電圧検出回路と、前記電圧検出回路からの帰還信号に応じて前記スイッチング素子のオン期間を制御するとともに、前記過電圧検出回路からの停止信号に応じて前記スイッチング素子の動作を停止する制御回路とを備え、前記トランスの短絡開放アブノーマル試験として、前記トランスの1次巻線又は2次巻線に対して短絡試験を行った場合には、前記過電流遮断手段が過電流を遮断するように動作し、前記トランスの1次巻線又は2次巻線に対して開放試験を行った場合には、前記スイッチング素子の動作を停止することを要旨とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
図1は、本発明の一実施の形態に係るDC−DCコンバータの構成を示す回路図である。なお、図1に示すDC−DCコンバータは、図3に示す従来のDC−DCコンバータの構成と同一または相当部分には同じ符号を付している。
【0019】
直流電源1には、過電流を遮断するヒューズF1(過電流遮断手段)が直列に接続されており、さらに、ヒューズF1に直列にトランスT1の1次巻線T1a、トランスT2の1次巻線T2aが順次接続され、トランスT2aの1次巻線に直列にスイッチング素子Q1のドレインが接続され、このスイッチング素子のソースが直流電源1に接続されている。
トランスT1,T2の2次巻線T1b,T2bは、第1の整流平滑回路3のダイオードD1のアノードに並列に共通接続されている。第1の整流平滑回路3には、ダイオードD1とコンデンサC1が設けらており、トランスT1,T2の2次巻線T1b,T2bに誘起される電圧を整流平滑して負荷4に出力する。
【0020】
第1の整流平滑回路3に設けられたコンデンサC1の両端子には、その電圧と基準電圧Vref との誤差電圧を検出して帰還信号を制御回路7に出力する電圧検出回路10が設けられている。
上述したトランスT1,T2には、1次巻線T1a,T2aと磁気結合された補助巻線T1c,T2cがそれぞれ設けられており、図1に示すように、補助巻線T1c,T2cが第2の整流平滑回路5のダイオードD3のアノードに並列に共通接続されている。
【0021】
第2の整流平滑回路3には、ダイオードD3とコンデンサC2が設けられており、トランスT1,T2の補助巻線T1c,T2cに誘起される電圧を整流平滑してOVP(過電圧検出回路)6および制御回路7に出力する。なお、第2の整流平滑回路3に設けられたコンデンサC2の一端は起動抵抗R1、ヒューズF1を介して直流電源に接続されており、直流電源1から直流電圧が加えられた場合に、直流電源1からヒューズF1、起動抵抗R1を介してコンデンサC2に電流が流れ始め、コンデンサC2の電圧が上昇して制御回路7を起動する。
【0022】
OVP6は、基準電圧を発生するツェナーダイオードを有し、第2の整流平滑回路5に誘起される電圧がツェナーダイオードの基準電圧よりも大きくなると、過電圧が入力されているので停止信号を制御回路7に出力する。
制御回路7は、電圧検出回路10からの帰還信号に応じてスイッチング素子Q1のオン期間を制御するとともに、OVP6からの停止信号に応じてPWM信号の発振動作を停止してローレベルの信号をスイッチング素子Q1のゲートに出力してスイッチング動作を停止する。
なお、本実施の形態においては、説明を簡略化するため、トランスT1,T2を用いて構成しているが、3つ以上のトランスを用いて構成してもよい。
【0023】
次に、図1を参照して、本発明の一実施の形態に係るDC−DCコンバータの通常時の動作について説明する。
直流電源1から直流電圧が加えられた場合、直流電源1からヒューズF1、起動抵抗R1を介してコンデンサC2に電流が流れ始め、コンデンサC2の電圧が徐々に上昇して制御回路7が起動され、制御回路7からPWM信号がスイッチング素子Q1のゲートに出力される。
【0024】
この結果、スイッチング素子Q1がオンオフ制御されてトランスT1,T2に設けられた1次巻線T1a,T2aから2次巻線T1b,T2bに順次にエネルギーが誘起され、2次巻線T1b,T2bに誘起されたエネルギーがダイオードD1とコンデンサC1により整流平滑されて負荷4に出力電圧が供給される。
さらに、コンデンサC1の両端に生じる出力電圧を電圧検出回路10により検出してその誤差電圧に応じて帰還信号を制御回路7に帰還することで、制御回路7は出力電圧が一定になるようにスイッチング素子Q1のオン期間を制御する。
【0025】
次に、図4に示す4種類の試験項目からなるトランスの短絡開放アブノーマル試験を行なった場合の本発明の一実施の形態に係るDC−DCコンバータの動作について説明する。
【0026】
(1)1次巻線の短絡
図4(1)に示すように、スイッチSW1asを一時的に開放状態で1次巻線T1aに接続しておき、DC−DCコンバータが動作中に、トランスT1の1次巻線T1aに並列接続されているスイッチSW1asを短絡した場合、トランスT1の2次巻線T1bが有するインダクタンス成分Lが最小になる。
同時に、トランスT1,T2いずれも2次巻線間が直接に並列接続されているため、トランスT2の2次巻線T2bが有するインダクタンス成分Lが最小になる。
【0027】
さらに、トランスT2の2次巻線T2bが有するインダクタンス成分Lが最小になると、同時に、トランスT2の1次巻線T2aが有するインダクタンス成分Lが最小になる。
このため、スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間には、直流電源1からヒューズF1、スイッチSW1as、トランスT2の1次巻線T2aを介して過大な電流が流れてヒューズF1が溶断するか、あるいは、スイッチング素子Q1が素子破損すると、さらに、過電流が流れてヒューズF1が溶断し、DC−DCコンバータの動作が停止する。この結果、1次巻線の短絡試験に対して、DC−DCコンバータによる発煙または発火が防止される。
【0028】
このように、直流電源に過電流遮断手段を直列接続し、過電流遮断手段に直列に複数のトランスの1次巻線およびスイッチング素子を接続し、複数のトランスの2次巻線を並列に共通接続し、複数のトランスの2次巻線に誘起される電圧を整流平滑回路により整流平滑して直流電圧を出力するように構成しておき、トランスの1次巻線に対して短絡試験を行った場合には、ヒューズが過電流を遮断するように動作するので、DC−DCコンバータのスイッチング動作が停止して装置を安全に保護することができる。
【0029】
(2)2次巻線の短絡
図4(2)に示すように、スイッチSW1bsを一時的に開放状態で2次巻線T1bに接続しておき、DC−DCコンバータが動作中に、トランスT1の2次巻線T1bに並列接続されているスイッチSW1bsを短絡した場合、トランスT1,T2の2次巻線T1b,T2bが有するインダクタンス成分Lが最小になる。
同時に、トランスT1,T2いずれも2次巻線間が直接に並列接続されているため、トランスT1,T2の1次巻線T1a,T2aが有するインダクタンス成分Lが最小になる。
【0030】
このため、スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間には、直流電源1からヒューズF1、トランスT1,T2の1次巻線T1a,T2aを介して過大な電流が流れてヒューズF1が溶断するか、あるいは、スイッチング素子Q1が素子破損すると、さらに、過電流が流れてヒューズF1が溶断し、DC−DCコンバータの動作が停止する。この結果、1次巻線の短絡試験に対して、DC−DCコンバータによる発煙または発火が防止される。
【0031】
このように、直流電源に過電流遮断手段を直列接続し、過電流遮断手段に複数のトランスの1次巻線を接続し、複数のトランスの2次巻線を並列に共通接続し、複数のトランスの2次巻線に誘起される電圧を整流平滑回路により整流平滑して直流電圧を出力するように構成しておき、トランスの2次巻線に対して短絡試験を行った場合には、ヒューズが過電流を遮断するように動作するので、DC−DCコンバータのスイッチング動作が停止して装置を安全に保護することができる。
【0032】
(3)1次巻線の開放
図4(3)に示すように、スイッチSW1aoを一時的に短絡状態で1次巻線T1aに接続しておき、DC−DCコンバータが動作中に、トランスT1の1次巻線T1aに直列接続されているスイッチSW1aoを開放した場合、直流電源1、ヒューズF1、トランスT1の1次巻線T1a、トランスT2の1次巻線T2a、スイッチング素子Q1のドレイン、スイッチング素子Q1のソースの順に流れていたオン時の電流ループが切断されるため、スイッチング動作が停止される。従って、トランスの1次巻線に対して、開放試験を行った場合にはスイッチング素子の動作を停止することができ、装置を安全に保護することができる。
【0033】
(4)2次巻線の開放
図4(4)に示すように、スイッチSW1boを一時的に短絡状態で2次巻線T1bに接続しておき、DC−DCコンバータが動作中に、トランスT1の2次巻線T1aに直列接続されているスイッチSW1boを開放した場合、開放した側の1次巻線T1aに過大なサージ電圧が発生する。このサージ電圧は、図1に示すように、1次巻線T1aと磁気結合している補助巻線T1cにも同時に発生する。
そして、補助巻線T1cにサージ電圧が誘起して過電圧が発生し、ダイオードD3を介してコンデンサC2を充電してOVP6の基準電圧よりも高い電圧に到達すると、OVP6は停止信号を制御回路7に出力する。この結果、制御回路7はOVP6からの停止信号に応じてPWM信号の発振動作を停止してローレベルの信号をスイッチング素子Q1に出力するので、スイッチング素子Q1の動作が停止される。
【0034】
このように、直流電源に直列に複数のトランスの1次巻線及びスイッチング素子を接続し、並列に複数のトランスの2次巻線を共通接続し、複数のトランスの2次巻線に誘起される電圧を第1の整流平滑回路により整流平滑して出力するように構成しておき、さらに、トランスに設けられ1次巻線と磁気結合された補助巻線に誘起される電圧を第2の整流平滑回路により整流平滑し、この第2の整流平滑回路からの電圧が第2の基準電圧よりも過電圧になったときに過電圧検出回路から停止信号を出力し、この停止信号に応じてスイッチング素子の動作を停止するよう制御回路により制御するので、トランスの2次巻線に対して、開放試験を行った場合にはスイッチング素子の動作を停止することができ、破損部品を発生させることなく電源を停止することができ、装置を安全に保護することができる。
【0035】
なお、上述したトランスの短絡開放アブノーマル試験の(1)〜(4)はトランスT1に対して行ったが、同様の試験をトランスT2に対して行っても同様の結果が得られることは言うまでもない。
【0036】
(第1の変形例)
図2は、本発明の一実施の形態に係るDC−DCコンバータの第1の変形例の構成を示す回路図である。
本変形例の特徴は、図2に示すように、補助巻線T1cが第2の整流平滑回路5のダイオードD4のアノードに直列に接続され、補助巻線T2cが第2の整流平滑回路5のダイオードD3のアノードに直列に接続され、ダイオードD3,D4のカソードが共通接続されていることにある。
【0037】
この第2の整流平滑回路5からの電圧が第2の基準電圧よりも過電圧になったときにOVP6(過電圧検出回路)から停止信号を出力し、この停止信号に応じてスイッチング素子Q1の動作を停止するよう制御回路7により制御するので、トランスの2次巻線に対して、開放試験を行った場合にはスイッチング素子の動作を停止することができ、装置を安全に保護することができる。
【0038】
以上ように、トランスの1次巻線及び2次巻線に対して、トランスの短絡開放アブノーマル試験を行った場合でも、温度ヒューズのような保護回路がなくともDC−DCコンバータのスイッチング動作を停止させることができ、DC−DCコンバータの小型化およびコスト低減に寄与することができる。
【0040】
【発明の効果】
請求項1記載の発明によれば、直流電源に直列に過電流遮断手段を接続し、過電流遮断手段に直列に複数のトランスの1次巻線及びスイッチング素子を接続し、複数のトランスの2次巻線を並列に直接接続し、複数のトランスの2次巻線に誘起される電圧を第1の整流平滑回路により整流平滑して直流電圧を出力するように構成しておき、トランスの短絡開放アブノーマル試験として、トランスの1次巻線又は2次巻線に対して短絡試験を行った場合には、過電流遮断手段が過電流を遮断するように動作するので、DC−DCコンバータのスイッチング素子の動作が停止して装置を安全に保護することができる。
【0041】
また、直流電源に直列に複数のトランスの1次巻線及びスイッチング素子を接続し、並列に複数のトランスの2次巻線を直接接続し、複数のトランスの2次巻線に誘起される電圧を第1の整流平滑回路により整流平滑して直流電圧を出力するように構成しておき、さらに、複数のトランスに設けられ1次巻線と磁気結合されるとともに並列に直接接続される補助巻線に誘起される電圧を第2の整流平滑回路により整流平滑し、この第2の整流平滑回路からの電圧が第2の基準電圧よりも過電圧になったときに過電圧検出回路から停止信号を出力し、この停止信号に応じてスイッチング素子の動作を停止するよう制御回路により制御するので、トランスの短絡開放アブノーマル試験として、トランスの1次巻線又は2次巻線に対して、開放試験を行った場合にはスイッチング素子の動作を停止することができ、破損部品を発生させることなく装置を安全に保護することができる。
【0042】
この結果、従来のDC−DCコンバータに設けられた複数の温度ヒューズを削減することができ、かつ、DC−DCコンバータとして安全サイドに保護できるため、部品コストの低減、装置の小型化、信頼性の向上に寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施の形態に係るDC−DCコンバータの構成を示す回路図である。
【図2】本発明の一実施の形態に係るDC−DCコンバータの第1の変形例の構成を示す回路図である。
【図3】従来のDC−DCコンバータの構成を示す回路図である。
【図4】DC−DCコンバータに対して、行われるトランスの短絡開放アブノーマル試験の試験項目と試験内容を示す図である。
【符号の説明】
1 直流電源
3 第1の整流平滑回路
4 負荷
5 第2の整流平滑回路
6 OVP(過電圧検出回路)
7 制御回路
10 電圧検出回路
C1,C2 コンデンサ
D1,D3 ダイオード
F1 ヒューズ
Q1 スイッチング素子
R1 起動抵抗
T1,T2 トランス
T1a,T2a 1次巻線
T1b,T2b 2次巻線
T1c,T2c 補助巻線
Claims (1)
- 直流電源から入力された直流電圧を別の直流電圧に変換して出力するDC−DCコンバータにおいて、
直流電源に直列に接続され過電流を遮断する過電流遮断手段と、
前記過電流遮断手段に直列に接続される複数のトランスの1次巻線と、
前記複数のトランスの1次巻線に直列に接続されるスイッチング素子と、
並列に直接接続される前記複数のトランスの2次巻線と、
前記複数のトランスの2次巻線に誘起される電圧を整流平滑する第1の整流平滑回路と、
前記第1の整流平滑回路からの電圧と第1の基準電圧との誤差電圧に応じて帰還信号を出力する電圧検出回路と、
並列に直接接続される前記複数のトランスの補助巻線と、
前記複数のトランスの補助巻線に誘起される電圧を整流平滑する第2の整流平滑回路と、
前記第2の整流平滑回路からの電圧が第2の基準電圧よりも過電圧になったときに停止信号を出力する過電圧検出回路と、
前記電圧検出回路からの帰還信号に応じて前記スイッチング素子のオン期間を制御するとともに、前記過電圧検出回路からの停止信号に応じて前記スイッチング素子の動作を停止する制御回路とを備え、
前記トランスの短絡開放アブノーマル試験として、
前記トランスの1次巻線又は2次巻線に対して短絡試験を行った場合には、前記過電流遮断手段が過電流を遮断するように動作し、前記トランスの1次巻線又は2次巻線に対して開放試験を行った場合には、前記スイッチング素子の動作を停止することを特徴とするDC−DCコンバータ。
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