JP4198379B2 - Dc/dcコンバータを具えた電源装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明はDC/DCコンバータ(変換器)を具えた電源装置に関するものである。こうした電源装置は、電源または(スイッチモード)電源、あるいは(例えば移動無線用の)充電装置に用いることができ、これらの装置ではAC/DCコンバータ及びDC/DCコンバータによって、AC幹線電圧をDC電源電圧に変換する。
【0002】
【従来の技術】
非対称のハーフブリッジトポロジを有するコンバータは基本的には既知である。既知のコンバータは、ハーフブリッジのスイッチ素子のゼロ電圧スイッチングを有する。これらのスイッチ素子は、一定周波数を有するパルス幅変調した制御信号によって制御する。変圧器のコアの最適なリセットが保証されており、変圧器の漏洩インダクタンスを用いる。これらのスイッチ素子の電力負荷は、これらのスイッチ素子を用いなければ往々にして用いられるブロッキングコンバータ(フライバックコンバータ)に比べて低減されている。非対称のハーフブリッジ変換器によるEMI(Electro Magnetic Interference:電磁障害)負荷は小さい。
【0003】
非対称のハーフブリッジ変換器として構成したDC/DCコンバータは、米国特許第5,808,879号(図9)より既知であり、これは、第1及び第2スイッチ素子(MOSFET−トランジスタとして構成したスイッチ素子)を含むハーフブリッジを具え、このハーフブリッジにDC電圧を供給し、即ちこのハーフブリッジを、第1DC電位(「+」電源電位)と第2DC電位(「−」基準電位、通常接地電位に等しい)との間に配置している。変圧器の1次巻線及びこの1次巻線に直列接続したキャパシタから構成される回路分岐を、前記第1DC電位に接続した前記第1スイッチ素子に並列接続している。前記キャパシタは、前記2個のスイッチ素子の接続点と前記1次巻線との間に配置している。容量性の出力フィルタを、前記DC/DCコンバータの出力に並列に配置している。この容量性の出力フィルタと前記変圧器の2次巻線との間にダイオードを配置している。前記コンバータの1次側から2次側にエネルギーを搬送する場合には、1次側の電流は、一方では、スイッチオフ(開放)状態の前記第1スイッチ素子に並列接続した、前記1次巻線及びキャパシタを含む回路分岐を通って流れて、他方では、スイッチオン(閉路)状態の前記第2スイッチ素子も通って流れる。
【0004】
米国特許第5,808,879号に記載のコンバータは、前記第2スイッチ素子のみに過電流保護が必要であるという点で有利である。スイッチ素子の破壊に至る過電流は、コンバータのスイッチオン段階中、及び過負荷の場合に発生し得る。コンバータをスイッチオンした(オン状態に切り換えた)際には、前記変圧器の1次巻線に直列接続したキャパシタがまだ電荷を有していない。従って、前記第2スイッチ素子をスイッチオンした直後の段階では、このスイッチ素子を通って流れて前記キャパシタを充電する電流が大幅に増加する。従って、コンバータのスイッチオン段階では、前記第2スイッチ素子を過電流から保護すべきである。スイッチオンされて、前記変圧器の1次側から2次側へのエネルギーの転送中に電流が流れるスイッチ素子は、過負荷の場合の過電流から保護すべきである。上述したコンバータでは、このスイッチ素子は前記第2スイッチ素子である。
【0005】
米国特許第5,808,879号に記載のコンバータはさらに、前記変圧器の1次側の入力電力を測定することによって、いわゆるバーストモードを自動的に設定することができるという利点を有する。このバーストモードは、負荷の待機動作のために低減した消費電力で使用され、前記コンバータを短い期間中に交互にスイッチオフ及びスイッチオンすることを特徴とする。特に前記2個のスイッチ素子を同時にスイッチオフすると、前記コンバータがスイッチオフされる。前記コンバータをスイッチオフしている間は、このコンバータの無負荷損失が最小である。前記コンバータをスイッチオンすると、前記キャパシタの出力電圧が設定値に達するまで前記出力キャパシタが充電される。このスイッチオン及びスイッチオフの系列が、利用可能な出力電圧での低消費電力を実現する。前記バーストモードは小負荷のみに意味がある、というのはさもなければ、動作の休止中に出力電圧が急激に降下するからである。バーストモードを自動的に動作状態及び不動作状態にするために、前記コンバータの入力電力または出力電力を測定することができる。前記変圧器による出力側と入力側との間の電気絶縁はブリッジ型である必要がないので、入力電力を測定することは、出力電力を測定することに比べてコスト効率が良い。前記入力電力は、入力電圧と入力電流とを測定することによって測定することが好ましい。ここでは入力電流の測定は、単に前記第2スイッチ素子を流れる電流を測定することによって可能であり、これは測定抵抗(分流抵抗)を前記第2スイッチ素子に直列接続するだけであり、ここでは前記第2スイッチ素子が、このスイッチ素子に結合した前記DC電圧源への唯一の電流径路であるので、このことは非常に簡単である。前記測定抵抗を前記基準電位(接地電位)に接続した際には、電流を測定することが特に簡単であり、即ち前記基準電位に対する前記測定抵抗の電圧を測定することができる。
【0006】
Phua Chee Heng、Ramesh Orugantiによる会議の寄稿"Family of Two-Switch Soft-Switched Asymmetrical PWM DC/DC Converters"、PESC 1994より、降圧リセットTRC2−コンバータと称する、非対称のハーフブリッジコンバータのさらに前のバージョンが知られている。しかしこのコンバータは、米国特許第5,808,879号の図9のコンバータの上述した2つの利点を有しない。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
上述したコンバータは、出力電圧の制御付きで、あるいは制御なしで設計することができる。制御を設ける場合には、コンバータの出力電圧を通常、光カプラを有する帰還分岐経由で帰還させて、光カプラがコストの増加を招き、1次側の制御回路に光カプラを加えて、この制御回路は、現在のコンバータの出力電圧に応じて、スイッチ素子に供給する制御信号のデューティサイクルを適応させて、出力電圧を一定に保つ。出力電圧の制御なしでは、特に入力電圧及び出力電流が変動する場合の、コンバータの出力電圧の変動の増加をさらに考慮すべきである。
【0008】
本発明の目的は、米国特許第5,808,879号のコンバータの前述した利点を有して、可能な最小の許容誤差範囲で出力電圧を発生し、さらにコスト効率の高い非対称のハーフブリッジコンバータを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この目的は、請求項1に記載のコンバータによって達成することができる。1次側に制御ループを具えれば、帰還径路を実現するために光カプラが不要になってコストの節減になる。ここでは1次側の制御ループを、1次側に位置する回路構成要素によって実現する。
【0010】
1次側の制御ループでは、特に変圧器の1次側から2次側に電力を伝送する期間中に、前記スイッチ素子を制御するために使用する制御信号のデューティサイクルを適応させることによって、1次巻線に印加する電圧を所定の固定値に設定することが好ましい。
【0011】
無制御で動作させる際には、1次巻線の電圧、従ってこれに応じたDC/DCコンバータの出力電圧が許容範囲外に変動する。この変動の原因は、入力電圧の変動、入力電圧のリップル、及び特に集積回路によって実現される制御回路の生産技術上の許容誤差にもとづく調整可能なデューティサイクルの許容誤差である。1次巻線の電圧、あるいはコンバータの出力電圧のそれぞれの変動に対抗するために、1次側の制御を用いる。前記スイッチ素子を制御するための1次側の制御用に調整すべき制御信号は、特にパルス幅変調したものであり、即ちデューティサイクルを調整することによって制御信号の調整を行う。請求項2は、追加的なキャパシタを有する変形例を示すものである。
【0012】
請求項3は、1次巻線と容量素子との間の電位を取り出すことによって、DC/DCコンバータをスイッチオンする際の1次巻線の電圧の測定値を得るために、本発明による電源装置をどの程度に構成するかを示すものである。エネルギーの転送期間中に、前記第2DC電位に結合した前記第2スイッチ素子をオン状態にし、かつ前記容量素子を前記第1DC電位に結合しているので、前記容量素子と前記1次巻線との間の電位は、スイッチングサイクル内の瞬時にかかわらず、1次側から2次側へのエネルギーの転送期間中の前記変圧器の1次巻線の電圧を表わし、従ってこのようにして、多くの用途(例えば移動電話用の充電装置)向けに十分な許容誤差を以ってコンバータの出力電圧を設定することができる。基本的には、ハーフブリッジの他の状態において1次側から2次側へのエネルギーの転送が存在する際には、あるいはハーフブリッジの2つの状態において全波整流が存在する際には、この装置は1次側の制御でも動作する。
【0013】
請求項4〜7は、本発明による電源装置の好適例を規定したものである。請求項6に記載の、好適例のさらなる変形例は、誘導性の出力フィルタ及び/または全波整流の使用を含むものである。請求項8は、本発明によるDC/DCコンバータに関するものである。請求項9及び10は、本発明による回路装置、及び本発明によるDC/DCコンバータに関するものであり、このコンバータは1次側の制御ループを利用するものである。請求項11は、本発明による回路装置を有する電気装置に関するものであり、この電気装置は例えば、移動電話用の充電装置である。
本発明のこれら及び他の要点は、以下の図面を参照した実施例の説明より明らかになる。
【0014】
【発明の実施の形態】
図1に、AC/DCコンバータ2及びDC/DCコンバータ3を具えた電源装置を有する電気装置1を示す。電気装置1は、AC幹線電圧(例えば230ボルト)UACをDC電源電圧U0に変換するものである。まずAC幹線電圧UACを、AC/DCコンバータ2によってDC電圧Viに変換して、このDC電圧ViをDC/DCコンバータ3用の入力電圧として用いて、コンバータ3によってDC電源電圧U0に変換する。電気装置1は、(スイッチモード)電源、あるいは好適には移動電話用の充電装置である。AC/DCコンバータは既知であり、コンバータ2についてはこれ以上説明しない。本発明はむしろDC/DCコンバータ3の実現に関するものであり、これについては図2または図4によってより詳細に説明する。
【0015】
図2に、DC/DCコンバータ3の第1の変形例を示す。このコンバータの入力にDC電圧Viを供給して、このDC電圧を2個のスイッチ素子4、5の直列結合に供給する。そして正の電源電位(+)をスイッチ素子4の端子に接続する。基準電位(−)、即ち接地電位をスイッチ素子5に接続して、スイッチ素子5の他の端子をスイッチ素子4に接続する。容量素子6、及び容量素子6に直列接続した変圧器7の1次巻線から構成される回路分岐をスイッチ素子4に並列接続して、変圧器7の巻線方向(巻線の方向性/極性)をドット(点)で表わす。ダイオード8の陰極と変圧器7の2次巻線の他の端子との間に、ここではキャパシタ9の形態の容量性の出力フィルタを配置する。DC/DCコンバータ3のDC出力電圧U0を容量性の出力フィルタ9から取り出す。
【0016】
スイッチ素子4及び5を、所定のデューティサイクルで交互にオンまたはオフ状態にする。スイッチ素子4をスイッチオフ(オフ状態に)して、スイッチ素子5をスイッチオン(オン状態に)すると、コンバータ3の1次側から変圧器7経由でコンバータ3の2次側にエネルギーの搬送が行われる。そしてDC電圧Viが、容量素子6及び変圧器7の1次巻線から構成される回路分岐を通って、スイッチ素子5も通る電流を発生させる。そして図に示すように、変圧器7の1次巻線の電圧V0が降下する。そして変圧器7の選択した巻線方向、及びダイオード8の利用可能な極性によって、電流がダイオード8を通って変圧器7の2次巻線に流れる。第2スイッチ素子5を通って流れる電流が存在する際には、変圧器7の1次及び2次巻線の巻線方向は、変圧器7の1次側から2次側へのエネルギーの流れが本質的に存在するように選択する。電流がダイオード8を通って流れるので、キャパシタ9が充電され、そして/あるいは接続した負荷に電流が流れる。
【0017】
スイッチ素子4をオン状態にしてスイッチ素子5をオフ状態にした場合には、電圧V0の極性が反転して、容量素子6、スイッチ素子4、及び変圧器7の1次巻線を通って電流が流れる。コンバータ3のこの動作状態では、変圧器7のコアの磁化が低減される(変圧器コアのリセット)。
【0018】
図3に、図2に示すDC/DCコンバータを1次側の制御ループによって拡張した回路を示す。この制御ループは、容量素子6と変圧器7の1次巻線との間の点を制御回路10の入力に接続して、この点に存在する電位であって、変圧器7の1次巻線の電圧V0を表わす電位Vp1が制御回路10に供給されるようにすることを意味している。制御回路10は電位Vp1に応じて、スイッチ素子4を制御する制御信号a1及びスイッチ素子5を制御する制御信号a2を発生する。制御信号a1及びa2のデューティサイクルを制御回路10によって設定し適応させて、コンバータ3の1次側から2次側にエネルギーが流れる際に下降する変圧器7の1次巻線の電圧が、所定の電圧値に制御されるようにする。この制御によって、出力電圧U0が電圧V0に応じて設定されるようになる。この1次側の制御ループは、入力電圧Viの変動、リップル(特に100Hz以上)の不所望な影響、及び通常は集積回路によって実現する制御回路10についての製造許容誤差にもとづく制御信号a1及びa2のデューティサイクルの設定中の精度不良の不所望な影響に対抗して、使用可能なDC出力電圧U0を、コンバータ3によって得られるようにする。好適な実施例では、制御信号a1及びa2のデューティサイクルを設定することのみによって制御を変化させる。しかし基本的には、制御信号a1及びa2の周波数を前記目的に適応させることも可能であるが、このことは1次側の制御ループの複雑性を増加させる。回路の変形例では、キャパシタ6と変圧器7の1次巻線との間の点を、さらなるキャパシタ11によって基準電位に接続する(キャパシタ11への接続は破線で示す)。
【0019】
図4に、DC/DCコンバータの変形例を示す。その基本構造は、コンバータ3の構造に極めて類似している。直列配置した2個のスイッチ素子20及び21にDC電圧Viを供給し、ここで電源電位(+)をスイッチ素子20に接続して基準電位(−)をスイッチ素子21に接続する。しかしこの場合には、基準電位に接続したスイッチ素子21の回路分岐を、変圧器23の1次巻線と容量素子22との直列結合に並列接続する。コンバータの出力の方向に順方向を有するダイオード24を、キャパシタ25によって実現する容量性の出力フィルタ25と変圧器23の2次巻線との間に配置する。コンバータの出力電圧U0はキャパシタ25から取り出す。
【0020】
図3とは逆に、ここでは変圧器23の1次巻線と2次巻線とが反転した極性を有する。従って、スイッチ素子20をオフ状態にしてスイッチ素子21をオン状態にした際に、コンバータ3の1次側から2次側へのエネルギーの転送が生じる。そして、変圧器23の1次巻線、スイッチ素子21、及び容量素子22を通って電流が流れる。変圧器23の1次巻線では、電圧V0が図に示す方向に降下して、これにより、電流がダイオード24を通ってキャパシタ25及び/またはコンバータ3の出力に接続した負荷に流れ込む。そして1次側から2次側に流れるエネルギーが、容量素子22によって供給される。スイッチ素子20をオフ状態にしてスイッチ素子21をオン状態にすると、この容量素子が充電されて、これにより電圧Viによって発生する電流が、スイッチ素子20、変圧器23の1次巻線、及び容量素子22を通って流れるが、電流がこの方向に流れる際には、コンバータ3の1次側から変圧器23の1次巻線を通って2次側にエネルギーが転送されることがない。
【0021】
また図4に示すコンバータの変形例は、1次側の制御ループを有する。このことは、変圧器23の1次巻線と容量素子22との間に存在する電位Vp2を取り出して、制御回路26に供給することを意味している。この電位Vp2は、コンバータ3の1次側から2次側へのエネルギーの流れが存在する際の、変圧器23の1次巻線に存在する電圧V0を表わし、この電位Vp2を、制御信号b1及びb2のデューティサイクルを設定することによって所定値に制御して、制御信号b1及びb2は、それぞれスイッチ素子20及び21を制御するために使用し、これらの信号は制御回路26によって発生し、即ち電圧V0も所定値に制御する。また図4に示す変形例では、追加的なキャパシタ(図示せず)をオプションとして挿入することができ、そしてこの追加的なキャパシタが、キャパシタ22と変圧器23の1次巻線との間の点を電源電位に接続する。
【0022】
図2または図4に示すコンバータの変形例は、変圧器7または変圧器23のそれぞれの1次巻線に存在する電圧であって、コンバータの1次側から2次側へのエネルギーの転送中に常に所定値に制御すべき電圧V0を、スイッチングサイクル中の時点にかかわらず、それぞれ電位Vp1またはVp2で表わして、これらの電位を制御変数として用いることができるという点で有利である。容量素子6をそれぞれ電源電位(+)または基準電位(−)に接続して、他方では、それぞれ変圧器7の1次巻線あるいは変圧器23の1次巻線の端子を、スイッチ素子4と5の間、あるいはスイッチ素子20と21の間の端子に接続しているので、このことが可能である。図2及び図3に示すコンバータの変形例では、それぞれのハーフブリッジのスイッチ素子の一方のみ、即ちスイッチ素子5に、初期段階の過電流に対する保護を行い、かつコンバータ3が過負荷である際に保護を行う過電流保護を設けることができる。他方では、図4のコンバータは2個のスイッチ素子20及び21に可電流保護素子を必要とし、これにより、スイッチ素子20を初期段階の過電流から保護して、スイッチ素子21をコンバータの過負荷から保護する。
【0023】
図2及び図3に示すコンバータの変形例はさらに、電圧Vi及びスイッチ素子4を流れる電流を測定することによってコンバータ3の入力電力を測定することができるという点で有利であり、このため測定抵抗(分流器)(図示せず)をスイッチ素子5と基準電位(接地電位)との間に配置して、接地に接続した測定抵抗によって、前記電流を容易に、かつ高信頼性で測定することができる。さらに図3及び図4の実施例を、変圧器7の巻線を他の方向に選択するように根本的に変更することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による電源装置を有する電気装置を示す図である。
【図2】 電源装置に使用するDC/DCコンバータを示す図である。
【図3】 1次側の制御ループを有する図2のコンバータを示す図である。
【図4】 図3に示すコンバータの変形例を示す図である。
【符号の説明】
1 電気装置
2 AC−DCコンバータ
3 DC−DCコンバータ
4 スイッチ素子
5 スイッチ素子
6 容量素子
7 変圧器
8 ダイオード
9 キャパシタ
10 制御回路
11 キャパシタ
20 スイッチ素子
21 スイッチ素子
22 容量素子
23 変圧器
24 ダイオード
25 キャパシタ
26 制御回路
Claims (11)
- DC/DCコンバータを具えた電源装置において、
第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子から構成されるハーフブリッジを具えて、前記電源装置の動作中に、前記ハーフブリッジを第1DC電位と第2DC電位との間に接続し、
さらに変圧器を具えて、該変圧器の1次巻線を第1容量素子と共に、前記第1スイッチ素子に並列接続する回路分岐内に含めて、該回路分岐内で前記容量素子を前記1次巻線に直列接続し、
さらに、前記各スイッチ素子用の制御信号を適応させることによって、前記変圧器の前記1次巻線の電圧を制御する1次側の制御ループを具え、
前記1次側の制御ループは前記第1容量素子と前記変圧器の1次巻線との間の点を、前記点に現れる電位に従い前記制御信号を適応する制御回路の入力と接続する、電源装置。 - 前記第1容量素子と前記1次巻線との接続点を、第2容量素子によって、前記DC電位のうち前記第2スイッチ素子の端子に結合した方に接続したことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。
- 前記第1容量素子の端子を前記第1DC電位に接続して、前記第2スイッチ素子の端子を前記第2DC電位に接続したことを特徴とする請求項1または2に記載の電源装置。
- 前記第1スイッチ素子を電源電位に結合して、前記第2スイッチ素子を基準電位に結合して、前記第1スイッチ素子をオフ状態にして前記第2スイッチ素子をオン状態にした際に、1次側から2次側にエネルギーの搬送が行われるようにしたことを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
- 前記第1スイッチ素子を基準電位に結合して、前記第2スイッチ素子を電源電位に結合して、前記第1スイッチ素子をオン状態にして前記第2スイッチ素子をオフ状態にした際に、1次側から2次側にエネルギーの搬送が行われるようにしたことを特徴とする請求項3に記載の電源装置。
- 前記1次巻線を前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子との間の点に接続して、前記1次巻線の他の端子を前記第1容量素子に接続して、前記1次巻線と前記容量素子との間の電位の制御を行うことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の電源装置。
- ダイオード及び容量性の出力フィルタを前記変圧器の2次側に配置して、エネルギーが前記変圧器の1次側から2次側に流れる際に、電流が前記ダイオードを通って前記容量性の出力フィルタに流れるようにしたことを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の電源装置。
- DC/DCコンバータにおいて、
第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子から構成されるハーフブリッジを具えて、前記コンバータの動作中に、前記ハーフブリッジを第1DC電位と第2DC電位との間に接続し、
さらに変圧器を具えて、該変圧器の1次巻線を第1容量素子と共に、前記第1スイッチ素子に並列接続する回路分岐内に含めて、該回路分岐内で前記容量素子を前記1次巻線に直列接続し、
さらに、前記各スイッチ素子用の制御信号を適応させることによって、前記変圧器の前記1次巻線の電圧を制御する1次側の制御ループを具え、
前記1次側の制御ループは前記第1容量素子と前記変圧器の1次巻線との間の点を、前 記点に現れる電位に従い前記制御信号を適応する制御回路の入力と接続する、DC/DCコンバータ。 - DC/DCコンバータを具えた電源装置において、
第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子から構成されるハーフブリッジを具えて、前記電源装置の動作中に、前記ハーフブリッジを電源電位と基準電位との間に接続し、
さらに変圧器を具えて、該変圧器の1次巻線を容量素子と共に、前記第1スイッチ素子に並列接続する回路分岐内に含めて、該回路分岐内で前記容量素子を前記1次巻線に直列接続して、前記容量素子の端子を前記電源電位に接続して、前記第2スイッチ素子の端子を前記基準電位に接続して、電流が前記第2スイッチ素子を通って流れる際に、前記変圧器の1次側から2次側にエネルギーの流れが生じるように、前記変圧器の1次巻線及び2次巻線の巻線方向を選択し、
さらに前記スイッチ素子用の制御信号を適応させることによって、前記変圧器の前記1次巻線の電圧を制御する1次側の制御ループを具え、
前記1次側の制御ループは前記容量素子と前記変圧器の1次巻線との間の点を、前記点に現れる電位に従い前記制御信号を適応する制御回路の入力と接続する、電源装置。 - DC/DCコンバータにおいて、
第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子から構成されるハーフブリッジを具えて、電源装置の動作中に、前記ハーフブリッジを電源電位と基準電位との間に接続し、
さらに変圧器を具えて、該変圧器の1次巻線を第1容量素子と共に、前記第1スイッチ素子に並列接続する回路分岐内に含めて、該回路分岐内で前記容量素子を前記1次巻線に直列接続して、前記容量素子の端子を前記電源電位に接続して、前記第2スイッチ素子の端子を前記基準電位に接続して、電流が前記第2スイッチ素子を通って流れる際に、本質的に前記変圧器の1次側から2次側にエネルギーの流れが生じるように、前記変圧器の1次巻線及び2次巻線の巻線方向を選択し、
さらに前記スイッチ素子用の制御信号を適応させることによって、前記変圧器の前記1次巻線の電圧を制御する1次側の制御ループを具え、
前記1次側の制御ループは前記第1容量素子と前記変圧器の1次巻線との間の点を、前記点に現れる電位に従い前記制御信号を適応する制御回路の入力と接続する、DC/DCコンバータ。 - AC電圧をDC電源電圧に変換する電気装置であって、請求項1〜7のいずれかに記載の電源装置、または請求項9に記載の電源装置を具えていることを特徴とする電気装置。
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