JP4163959B2 - 電力コンバータに対する初期バイアス及びイネーブル信号を供給するための方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は一般的には絶縁形コンバータ回路、より詳細には、コンバータの出力を参照する制御回路に対する初期バイアス及びイネーブル信号（initial bias and enabel signal）を供給するための手段に係る。

絶縁形コンバータ（isolated converters）における共通の課題として、とりわけコンバータの始動時或いは再開時に、一次び出力回路の両方に対して適切なバイアスを供給する問題がある。通常は、（例えば、PWM（pulse width modulated）方式の）コントローラが入力側に配置され、帰還信号が光結合器を介して供給される一方で、同期整流器は変圧器巻線から自己駆動される。このアプローチには２つの短所が存在する。第一に、光結合器を用いると、一般的には、調整ループの帯域幅が制限されるとともに、周囲温度及び印刷回路基板（PCB）の温度も約８５度C以下に制限される。第二に、この自己駆動同期アプローチは、一般的には高周波に対しては良好な解決手段ではない。

加えて、過剰電圧保護（over-voltage protection, OVP）等の保護は出力側で行うことを必要とされ、このために単に過剰電圧保護のために追加の光絶縁装置（opto-isolator）が必要となる。従って、出力側に制御回路を配置する方が有利である。主要な課題は、コンバータが始動される前に、必要とされる初期バイアス電圧（initial bias voltage）を供給することにある。一つの解決手段は、別個の絶縁形コンバータを設け、これによってバイアス電圧を供給するやり方である。ただし、この解決手段では追加の磁気コア（magnetic core）が必要となり、仮に、プレーナマグネティクス（planar magnetics）を採用した場合は、多量の基板空間が占有される。

本発明は上述の問題に対する解決手段を提供する。

本発明による装置は、コアレス絶縁形変圧器、及びこれと関連する電子回路を、コンバータのコンバータの出力を参照信号として用いる制御/駆動回路に対する初期バイアス及びイネーブル信号を供給するために用いる。変圧器の一次及び二次巻線をマルチ層PCB内に埋め込むことで、変圧器が回路基板（PCB）のトップ面及びボタム面の空間を占有しないようにすることで改善が図られる。コンバータの出力側と参照（比較）される場合には、制御回路の動作を始動するために、初期バイアス電圧が必要となる。そして、完全な調節及び駆動信号は出力側で生成される。

コアレス変圧器は、典型的な変圧器とは異なり、いかなる磁気コアも用いない。従って、一次巻線と二次巻線との間の結合を、幾何及びPCB上への積層を適切にすることで可能な限り良好にすることが重要となる。磁気結合（magnetic coupling）はエアー（空気）を通じて行なわれるため、この構造は小さな磁化インダクタンス（magnetizing inductance）と大きな漏れインダクタンス（leakage inductance）を有する。前者は、変圧器の巻線間に加えることができる電圧秒曲線（volt-seconds）に制約を課し、後者は漏れインダクタンスが補償されるような正確な巻数比を要求する。加えて、コアレス変圧器の巻き線の幾何（構造）、並びにPCB上への積層を適切に行うことで、漏れインダクタンスを最小化し、より高い有効（実効）巻線比を達成することが求められる。

さらに、この変圧器は、より高い周波数、例えば、５００ｋHz以上で動作するように最適化される。磁気コアが存在しないため、コアレス変圧器の巻線のインダクタンスは非常に小さい。この事実のために、コアレス変圧器が妥当な用途、サイズ及び効率を有するためには、より高い周波数での動作が要求される。コアレス変圧器の使用法には以下が考えられる：

a)全時間を通じての動作。この場合は、変圧器はコンバータの出力側に配置された回路に対して必要なバイアスを供給する。
b)始動時或いは（例えば、過剰電流或いは過剰電圧保護等の故障状態後の）再開時の際の所定の時間期間においてのみ動作。コアレス変圧器の効率は磁化電流が大きなために比較的低く、このため、このモードの方が望ましい。

本発明のこれら目的、長所、及び特徴が、以下の詳細な説明を、単に例示として本発明の原理を図解する添付の図面を参照しながら読むことで一層明白となるものである。

次に、図面、より具体的には、図１との関連で、本発明の一つの実施例による初期バイアス回路について説明する。この回路は、発振器４２、ドライバ４３、コアレス絶縁変圧器５８、整流ダイオード５９及びコンデンサ６０を備える。発振器４２は、通常は、コンバータの入力側の出力を参照として用いる（入力側と比較される）保護/制御回路４１によって生成されるイネーブル（ENABLE）入力信号１０２によって制御される。始動/停止（START/STOP）信号１００がアクティブな状態においては、保護/制御回路４１は、イネーブル信号１０２を生成し、これが発振器４２に結合（供給）される。イネーブル信号１０２がアクティブ（例えば、論理高値）になると、発振器４２が起動され、発振器４２は短い持続期間の高周波（例えば、５００ｋHz以上）出力パルス１０１を生成する。この高周波パルス１０１の周波数は、好ましくは、少なくとも約５００ｋHzとされ、持続期間は、例えば、約１００ナノ秒とされる。この短いパルス１０１はドライバ４３に供給され、するとドライバ４３は、コンバータの入力側と比較される一次巻線N_pを介してコアレス絶縁変圧器５８を駆動する。コンバータの出力側と比較される二次巻線N_ｓからのパルスは、ダイオード５９によって整流され、コンデンサ６０内に供給され、コンデンサ６０は、時間ｔ＝ｔ_１において、電圧曲線V_CCS（図３の（E）曲線）における電圧V₃レベルまで充電される。電圧曲線V_CCSにおけるレベルV₃は、それぞれ、コンバータの出力側と比較される図２のコントローラ６０２及びドライバ６０１の始動電圧より高くなるように選択される。

図２は図１の発明を利用する絶縁形DC/DCコンバータを示す。このコンバータは、AC/DC或いはDC/ACコンバータであっても構わない。一例として、フォワードコンバータが用いられるが、ただし、本発明は特定のトポロジに制限されるものではない。このフォワードコンバータは、一次側電力コントローラブルスイッチ５００、絶縁電力変圧器４００、整流器４０２、４０３、出力コイル４０５及び出力コンデンサ４０４を備える。整流ダイオード４０２、４０３の代りに、同期整流器、例えば、MOSFETSを用いることもできる。抵抗８０１、８０３、トランジスタ８０２（例えば、MOSFET）、ツェナーダイオード８０４、及びコンデンサ８０５から成る始動回路は従来の構成である。ダイオード７０１の一端は巻線N₃に接続され、他端は抵抗７０２に接続される。これら２つのコンポーネントと巻線N₃とが一体となって、コンバータがいったん始動されると、コンバータの出力側の制御回路６０２に対してバイアス電圧を供給する。（図２に一つの解決手段として示される）巻線N₃と同一のバイアス電圧を供給する機能を有する追加の巻線を、別個の巻線として絶縁電力変圧器４００に加えることも、或いは別個の巻線として出力コイル４０５に接続することもでき、いずれもごく普通に見られるやり方である。

このフォワードコンバータの動作について説明すると、トランジスタ５００がオンされると、正の電圧が電力絶縁変圧器４００の巻線N₁とN₃の間に加えられる。すると、整流ダイオード４０２が順バイアスされ、電流がコイル４０５内に流れ込み、コンデンサ４０４が充電され、負荷４０６に供給される。トランジスタ５００がターンオフされると、巻線N₁とN₃上の電圧の極性が反転する一方で、巻線N_２上の電圧が正となり、変圧器４００は順方向バイアスダイオード４０１を介してリセットされる。このリセットの方法は単に例示にすぎず、これは、アクティブリセットを含め、任意の他の周知の手段にて達成することもできる。巻線N₃の極性が反転されると、ダイオード４０２は逆バイアスされ、ダイオード４０３は順バイアスされ、コイル４０５はダイオード４０３を介してコンデンサ４０４及び負荷４０６へと放電する。

始動回路は以下のように動作する。コンデンサ８０５がトランジスタ８０２及び抵抗８０１を介してツェナーダイオード８０４の電圧とトランジスタ８０２の閾値電圧との間の差に等しい電圧に充電される。抵抗８０３はツェナーダイオード８０４及びトランジスタ８０２に対するバイアス電流を供給する。この始動回路は、コンバータの入力側の保護/制御回路４１、並びに発振器４２、ドライバ４３、コアレス絶縁変圧器５８、ダイオード５９及びコンデンサ６０から成る初期バイアス回路に電圧V_CCPを供給する。

図２に示すコンバータの動作は、開始/停止信号１００によって始動される。この開始/停止信号１００は保護/制御回路４１を起動し、すると保護/制御回路４１はイネーブル信号１０２を生成し、これによって発振器４２が始動される。上述のように、発振器４２は、典型的には、パルス持続期間T_pより一桁長い、T_sなる反復速度（T_ｓ>>図３のパルス列（C)のｔ_ｐ）を有する狭いパルスを生成し、これがドライバ４３に供給される。コアレス絶縁コンバータ５８は、ドライバ４３にて生成されるパルス１０１と類似するパルス１０３にて駆動される。正の電圧パルスが変圧器５８の巻線N_pに加えられると（巻線N_pの端に点が付されているのは入力側リターンV_INに対して正であることを示す）、巻線N_s上の電圧も正となり（この端に点が付されていることは他方の端に対して正であることを示す）、ダイオード５９が順バイアスされる。コンデンサ６０は、巻線N_pとN_sに正の電圧が加えられる度に充電され、時間ｔ＝ｔ_１の後にその最大値V₃に達する。この値V₃は、巻数比N_s/N_p、パルス１０３のパルス幅ｔ_ｄと期間T_s、及び電圧V_CCPを適当に選択することで、コントローラ６０２に対する始動電圧より高くなるように選択される。

イネーブル信号１０２がアクティブ状態となると、発振器４２が起動され、ドライバ４３に対するパルス１０１の生成を開始し、ドライバ４３はコアレス絶縁変圧器５８を駆動する。関連する波形が図３に示される。ダイオード５９は変圧器５８の二次巻線N_sからの正のパルスを整流し、コンデンサ６０が所定の電圧に充電される。コントローラ６０２は、コンデンサ６０上の電圧V_CCSがその始動閾値に（時間ｔ＝ｔ_１において）達するまで不能にされる。この電圧が始動閾値に達すると、コントローラ６０２が動作を開始し、この実施例では、駆動変圧器５０１を介して一次側電力スイッチ５００に対する駆動信号６０３を生成する。コントローラ６０２が動作を開始するとただちに、コンデンサ６０上の電圧は下降し始める。巻線N₃上の電圧が十分に上昇し、ダイオード７０１が順バイアスとなり、コンデンサ６０が電流制限抵抗７０２介して充電されるようになるまでこの下降は続く。コンデンサ６０上の電圧の下降は、この電圧が時間ｔ＝ｔ_２において、巻線N₃上の電圧の大きさから、ダイオード７０１間のフォワード電圧降下と抵抗７０２間の電圧降下を引いた値にて定まる定常値V₄に達するまで落ちる。一つの実施例においては、発振器４２は、電圧V_CCSがその定常値V₄に達してから所定の時間だけ経過した後に（図３におけるT＝ｔ_３において）不能にされ、コントローラ６０２及びドライバ６０１に対するバイアス電圧V_CCSは、この時点以降は、電力絶縁変圧器４００の巻線N₃のみから供給される。時間期間ｔ_３-ｔ_２の間は、バイアス電圧は、コアレス絶縁変圧器５８と巻線N₃の両方から供給されることに注意する。

図４Aに示す本発明のもう一つの実施例においては、発振器４２が不能にされる時点は、トランジスタ５００（図２参照）に加えられる正のパルスの振幅と幅に基づいて駆動信号５０２から決定される。このやり方で、発振器４２は、コントローラ６０２が動作を開始し、短なパルス形式の駆動信号５０２の生成を開始した直後の、所定の時点ｔ＝ｔ_３の前に不能にされる。一つの可能な回路実現が図４Aに示される。この実現においては、ダイオード５０３、抵抗５０４、コンデンサ５０５及び抵抗５０６から成る追加の回路５０９が、トランジスタ５００のゲートから電圧パルス５０２を受信する。コンデンサ５０５上の電圧は、電圧パルス５０２の振幅と持続期間、コンデンサ５０５の容量、及び抵抗５０４、５０６の抵抗に依存する。コンデンサ５０６上の電圧が比較器５０７にて参照電圧V_Rと比較され、コンデンサ５０６上の電圧が参照電圧V_Rを超える場合は、比較器５０７はその出力上に論理低値の信号５１０を生成し、これが保護/制御回路４１に供給され、発振器４２が不能とされる。図４Aの回路を用いた場合でも、コントローラ６０２、従ってコンバータが動作してない場合、或いは巻線N₃（図２）上の電圧がバイアス電圧V_CCSを供給するのに十分に大きくない場合は、発振器４２を所定の時間ｔ＝ｔ_３の後に不能にすることが望ましい。このような状態は、例えば、過剰電流保護（over-current protection）が起動された場合に発生する。この状態では、コンバータは非常に小さな衝撃係数にて動作し、このため、非常に狭い電圧パルス５０２では比較器５０７（図４A）をトリップできず、巻線N₃（図２）上の狭いパルスではコンデンサ６０上にコントローラ６０２の動作に必要とされる最小電圧を十分には提供できなくなる。

幾つかの或いはすべての保護が起動された場合（例えば、回路のショート、過剰電流、過剰電圧、或いは過剰温度が発生した場合）は、コンバータは、しばしは、いわゆるしゃっくりモード（hiccup mode）に入る。このモードにおいては、コンバータが保護状態の発生により自動的に遮断（shut down）された場合、コンバータは所定の動作期間にて再開を試みる。保護/制御回路４１は、図３の単一のパルス波形（B）ではなく、パルス列から成るイネーブル信号１０２を生成するように設計される。例えば、示される実施例においては、このパルスの持続期間は約５ミリ秒とされ、不能期間は約９５ミリ秒とされ、パルスの総期間は約１００ミリ秒とされる。保護/制御回路４１は回路５０９（図４A）からの信号５１０の状態に基づいて、パルス列としてのイネーブル信号１０２を生成すべきか決定される。このイネーブル信号１０２がアクティブとなると、コンデンサ６０が電圧レベルV₃に充電され、コントローラ６０２が起動され、コンバータは再開を試みる。コンバータが始動しない場合、或いは保護状態のために再度遮断された場合は、回路５０９は、トランジスタ５００（図２）に対する駆動信号５０２が存在しないことを検出し、保護/制御回路４１を不能にさせる論理低値の信号５１０を生成する。発振器４２は、残りの９５ミリ秒間は不能となる。この不能期間の終端において、保護/制御回路４１は、論理高値のイネーブル信号１０２を生成し、コンバータは再開を試みる。上述の実施の形態を用いて、コンバータの出力側からの信号を参照として用いてオン/オフ制御を行うこともできる。上述のアクティブ及び不能期間の持続時間は単に例示にすぎず、特定の用途に合わせて調節できることに注意する。

図４Bに示す本発明のさらにもう一つの実施例においては、コンバータは、コンバータの出力側と比較されるオン/オフ信号６６０にて起動される。保護回路９００は、コントローラ６０２を信号６５０にて起動或いは不能にする。出力側からオン/オフ制御を行うためには、開始/停止信号１００がアクティブとなり、これにより保護/制御回路４１が起動され、保護/制御回路４１にて、しゃっくりモードの場合について上で述べたように、単一のパルス波形ではなく、パルス列から成るイネーブル信号１０２が生成される。初期バイアス回路は保護回路９００に対しても電圧V_CCSを供給することに注意する。オン/オフ信号６６０がアクティブになると、コントローラ６０２が起動され、コンバータは上述のような通常の動作モードに入る。イネーブル信号１０２の不能化期間（inactive period）によりコンバータの最大ターンオン時間が決まることに注意する。

加えて、絶縁形コンバータにおいては、図５に示すように、入力電圧の過小或いは過剰電圧保護の際に、或いはコンバータがターンオン或いはターンオフされる際に、コンバータの入力側と比較される起動或いは不能信号を供給し、これに基づいてコンバータの出力側と比較されるコントローラ６０２を始動或いは不能にすることも有効となる。

図５の回路においては、保護/制御回路４１が起動されると、発振器４２が起動され、バイアス回路は、上述のように、ただし、連続的に動作する。初期時間ｔ＝ｔ_３の後に発振器４２の周波数が変更され、例えば、低減され、或いはドライバ４３に対する（V_CCPとは異なる）電源電圧V_CCが低減され、或いはこの両方が同時に遂行され、電力消費が最小にされる一方で、コアレス絶縁変圧器５８の二次巻線N_s上には引き続きパルスが供給される。出力側の制御回路は巻線N_sからの正のパルスをダイオード７５０、コンデンサ７５２、及び抵抗７５４から成るピーク検出器回路にて検出することで、このモジュールが入力側から起動されたことについての情報を得る。

コンデンサ７５２と抵抗７５４にて決まる時定数は、コンデンサ７５２間の電圧が、例えば、コンバータのスイッチング期間と同程度に低い、所定の時間内に減衰するように選択される。比較器８６５はコンデンサ７５２間の電圧を検出し、検出された電圧がV_refより落ちると、コントローラ６０２（図２）を不能にする。時定数を短くするほど、コントローラ６０２を不能にする際の遅延は短くなる。発振器４２が起動されている限り、コンデンサ７５２間にはV_refより高い電圧が存在し、コントローラ６０２は入力側から起動され、このためコンバータも起動されることに注意する。コンデンサ７５２間の電圧がいったん閾値電圧V_refより落ちると、比較器８６５はコントローラ６０２に対して不能信号を生成する。こうすることで、入力側と比較される（入力側の信号を参照として用いる）オン/オフ機能が出力側で検出され、これに基づいてコントローラ６０２が不能にされる。入力側で発振器４２を不能にし、出力側でコンデンサ７５２上の電圧降下を検出することで、オン/オフ機能が、入力側から、コンバータの出力側のコントローラへと転送される。

上述の実施例は、単に本発明の新規な特徴を解説するための例示にすぎない。本発明はもっぱら添付のクレームにてカバーされ、本発明の意図及び範囲から逸脱するものとみなされない全てのバリエーションを包含するものである。当業者においては明白であると考えられるこれら全ての変更がクレーム及びこれらの均等物の範囲内に含まれるものと解されるものである。

本発明の実施例による絶縁形コアレス変圧器を用いるバイアス回路の機能図である。 本発明の一つの実施例による、コンバータの出力を参照として用いる制御/駆動回路に対して初期バイアスを供給するために、図１のコアレス変圧器を備えるバイアス回路を用いる絶縁形DC/DCコンバータの略図である。 図１のバイアス回路の特徴的な波形の図である。 図１のバイアス回路に対する一つの代替実施例の部分略図である。 図１のバイアス回路に対するもう一つの代替実施例の部分略図である。 図１のバイアス回路に対するさらにもう一つの代替実施例の部分略図である。

符号の説明

４１ 保護/制御回路
４２ 発振器
５８ コアレス絶縁形変圧器
５０７ 比較器
６０２ コントローラ
９００ 保護回路

Claims (15)

1. 入力側と出力側を有するスイッチモード電力コンバータ内で用いられるバイアス回路であって、該スイッチモード電力コンバータの該入力側から電気的に絶縁された、該スイッチモード電力コンバータの出力側に配置された制御回路に対して初期電力を供給するバイアス回路において、
   プリント回路板（ＰＣＢ）の複数層上に形成された巻線を有する絶縁形コアレス変圧器（５８）であって、イネーブル信号により起動されるとき駆動手段によりパルス繰り返し速度の期間に対して短い持続期間の高周波パルスにて該変圧器が駆動されるようになっている絶縁形コアレス変圧器（５８）と、
   該コアレス変圧器を駆動する駆動手段と、
   該コアレス変圧器の出力の所に複数の整流されたパルスを供給する整流器手段（５９）と、
   該整流されたパルスを平滑化するためのコンデンサ手段（６０）であって、該平滑化され整流されたパルスにより、該スイッチモード電力コンバータの出力側に配置された該制御回路（６０２）に電力を供給するための電圧が、始動的に発生されるようになっているコンデンサ手段（６０）と、を備えることを特徴とするバイアス回路。
2. 該駆動手段が、
   該回路にて生成されたパルスに応答して該高周波パルスを生成する発振器手段（４２）と、
   該発振器手段の出力に応答して該コアレス変圧器を駆動するドライバ（４３）と、を備える請求項1記載のバイアス回路。
3. さらに、オン/オフ機能を備え、該オン/オフ機能が入力側から発せられた信号に応答して、該コアレス変圧器と、従って出力側に配置された該制御回路を不能にする装置（６６０、９００、６５０）を備える請求項1記載のバイアス回路。
4. さらに、出力側から発せられた信号に応答して、該コアレス変圧器と、従って、該制御回路を不能にする装置を備える請求項1記載のバイアス回路。
5. 該イネーブル信号が所定の持続期間を有する単一のパルスから成る請求項1記載のバイアス回路。
6. 該イネーブル信号が所定の持続時間と所定の期間を有するパルス列から成る請求項1記載のバイアス回路。
7. 該イネーブル信号が単一のパルスから成り、該パルスの持続時間が該イネーブル信号の開始から該コンバータが動作を開始するまでの時間にて定められる請求項1記載のバイアス回路。
8. 該イネーブル信号が該単一パルスの期間とこれに続く所定の不能期間を有する請求項７記載のバイアス回路。
9. 該発振器が、ある所定の時間の後に、低減された周波数にて連続的に動作する請求項２記載のバイアス回路。
10. 該発振器が、該コンバータが動作を開始した後に、低減された周波数にて連続的に動作する請求項２記載のバイアス回路。
11. 該コアレス変圧器を駆動する該駆動手段からの電圧が、所定の時間の後に低減される請求項1記載のバイアス回路。
12. 該コアレス変圧器を駆動する該駆動手段からの電圧が、該コンバータが動作を開始した後に低減される請求項１記載のバイアス回路。
13. さらに、該コアレス変圧器の出力側にセンサを備え、該センサが該コアレス変圧器がもはや出力してないことを検出したとき、これに応答して該制御回路を不能にする請求項1記載のバイアス回路。
14. さらに、該コンバータが動作してないことを検出するための該バイアス回路の入力側に接続されたセンサ/制御回路（４１）を備え、該センサ/制御回路が該コンバータの動作に対する不能期間を始動する請求項1記載のバイアス回路。
15. 電力コンバータの出力側に配置された制御回路に対して初期バイアス及びイネーブル信号を供給するためにコアレス変圧器を用いる方法であって、
    該コアレス変圧器（５８）を短い接続期間の高周波パルスを用いて駆動するステップと、
    プリント回路板（ＰＣＢ）複数の層上に形成された巻線を有し、イネーブル信号により起動されるとき駆動手段によりパルス繰り返し速度の期間に対して短い持続期間の高周波パルスにて該変圧器が駆動されるようになっている該コアレス変圧器（５８）を用いて二次制御回路を起動するステップと、
    該コンバータ及び関連する回路の出力を参照信号として用いる該制御回路を用いて該電力コンバータに初期バイアスを供給することで、該電力コンバータを一次側から適切にバイアスするステップと、を含むことを特徴とする方法。

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