JP4203768B2 - Dc−dc変換器 - Google Patents
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Description
前記スイッチ制御回路は、
前記第1の整流平滑回路の直流出力電圧を示す信号を検出して前記第1の整流平滑回路の出力電圧を一定に制御するための電圧帰還信号を形成する電圧帰還信号形成回路と、
前記第2の整流平滑回路から前記スイッチ制御回路に供給する制御電源電圧が所定値よりも低いか否かを判定し、前記制御電源電圧が前記所定値よりも低くない時に第1の信号を出力し、前記制御電源電圧が前記所定値よりも低い時に第2の信号を出力する制御電源電圧判定回路と、
前記電圧帰還信号形成回路の出力に応答して前記第1の整流平滑回路の出力電圧を一定に制御するためのパルスを形成して前記スイッチの制御端子に送るスイッチ制御パルス発生回路と、
参照電圧を発生する参照電圧発生回路と、
前記電圧帰還信号形成回路に接続された一方の入力端子と前記参照電圧発生回路に接続された他方の入力端子と前記スイッチのオン・オフ制御を間欠的に停止するための出力を前記スイッチ制御パルス発生回路に供給する出力端子とを有する間欠制御用比較器とを有している。
前記参照電圧発生回路は、前記制御電源電圧判定回路に接続されており、且つ前記間欠制御用比較器をヒステリシス動作させるために下限参照電圧とこの下限参照電圧よりも高い上限参照電圧とを選択的に発生するものである。
前記スイッチのオン期間に同期して傾斜電圧を発生する傾斜電圧発生手段と、
前記電圧帰還信号形成回路の出力端子に接続された一方の入力端子と前記傾斜電圧発生手段の出力端子に接続された他方の入力端子とを有して前記傾斜電圧発生手段の出力と前記電圧帰還信号とを比較する帰還制御用比較器と、
所定の周期でパルスを発生する発振器と、
前記発振器の出力端子に接続された一方の入力端子と前記間欠制御用比較器の出力端子に接続された他方の入力端子とを有し、前記間欠制御用比較器の出力が前記スイッチをオン・オフするためのパルスの通過の禁止を示している時に前記発振器の出力パルスの通過を禁止する論理回路と、
前記論理回路の出力端子に接続された第1の入力端子と前記帰還制御用比較器の出力端子に接続された第2の入力端子とを有するRSフリップフロップと、
前記RSフリップフロップの出力に基づいて前記スイッチを駆動する駆動手段とから成ることが望ましい。
前記スイッチのオン期間に同期して傾斜電圧を発生する傾斜電圧発生手段と、
前記電圧帰還信号形成回路の出力端子に接続された一方の入力端子と前記傾斜電圧発生手段の出力端子に接続された他方の入力端子とを有して前記傾斜電圧発生手段の出力と前記電圧帰還信号とを比較する帰還制御用比較器と、
所定の周期でパルスを発生する発振器と、
前記発振器に接続された第1の入力端子と前記帰還制御用比較器に接続された第2の入力端子とを有するRSフリップフロップと、
前記RSフリップフロップの出力端子に接続された一方の入力端子と前記間欠制御用比較器の出力端子に接続された他方の入力端子とを有し、前記間欠制御用比較器の出力が前記スイッチをオン・オフするためのパルスの通過の禁止を示している時に前記RSフリップフロップの出力パルスの通過を禁止する論理回路と、
前記論理回路の出力に基づいて前記スイッチを駆動する駆動手段と
で構成することができる。
スイッチ制御パルス発生回路18は出力電圧検出回路17に光結合され且つ電流検出抵抗8にライン23によって接続され且つライン24によってスイッチ7の制御端子に接続され、スイッチ7をオン・オフ制御するためのスイッチ制御パルスを形成する。なお、電流検出抵抗8が図1において、スイッチ制御パルス発生回路18の外側に示されているが、電流検出抵抗8をスイッチ制御パルス発生回路18の一部と考えることもできる。スイッチ制御パルス発生回路18の詳細は後述する。
間欠指令発生回路19はライン25、28によってスイッチ制御パルス発生回路18に接続され、スイッチ制御パルス発生回路18の中に含まれている直流出力電圧の大きさの情報を含む電圧帰還信号Vfに基づいて負荷15が軽負荷か否かを判定し、軽負荷の時にスイッチ制御パルスを間欠的に発生させるための間欠指令を形成し、これをライン28によってスイッチ制御パルス発生回路18に送る。
制御電源電圧判定回路20はライン26によって制御電源端子16aに接続され且つライン27によって間欠指令発生回路19に接続され、制御電源端子16aの電圧Vccが所定値よりも低くない時即ち所定値よりも高い時に第1の信号を出力し、所定値よりも低い時に第2の信号を出力するものである。この詳細は後述する。
なお、図3は定格負荷即ち通常負荷時の図1及び図2の各部の状態を示し、図4は間欠動作を開始する直前の図1及び図2の各部の状態を示し、図5は正常負荷時、間欠動作時,及び間欠動作周期変更時における図1及び図2の各部の状態を示す。
発振器35は図3(B)及び図4(B)に示すように例えば20〜100kHzの高い周波数のクロックパルスを発生し、これをANDゲート37を介してRSフリップフロップ36のセット入力端子Sに供給する。
参照電圧発生回路45は第2の比較器44をヒステリシス動作させるための参照電圧Vrを発生するものであって、第1及び第2の参照電圧源46、47と、第1及び第2のNOT回路48、49と、第1、第2、第3及び第4のスイッチS1、S2、S3、S4と、第1、第2、第3及び第4の抵抗R1、R2、R3、R4とから成る。即ち、前記参照電圧発生回路45は、第2の比較器44の負入力端子と共通端子即ちグランド端子16bとの間に接続された第1のスイッチS1と第1の抵抗R1と第1の参照電圧源46との直列回路と、第2の比較器44の負入力端子とグランド端子16bとの間に接続された第2のスイッチS2と第2の抵抗R2と第2の参照電圧源47との直列回路と、第1の抵抗R1と第1の参照電圧源46との直列回路に対して並列に接続された第3のスイッチS3と第3の抵抗R3との直列回路と、第2の抵抗R2と第2の参照電圧源47との直列回路に対して並列に接続された第4のスイッチS4と第4の抵抗R4との直列回路と、第2の比較器44の出力がスイッチ7のオン・オフ制御を示している時に第1のスイッチS1をオン制御するために第2の比較器44の出力端子を第1のスイッチS1の制御端子に接続する手段と、第2の比較器44の出力がスイッチ7のオン・オフ制御の停止を示している時に第2のスイッチS2をオン制御するために第2の比較器44の出力端子を第1のNOT回路48を介して第2のスイッチS2の制御端子に接続する手段と、制御電源電圧判定回路20から第1の信号(低レベル信号)が得られている時に第3のスイッチS3をオン制御するために制御電源電圧判定回路20の出力ライン27を第2のNOT回路49を介して第3のスイッチS3の制御端子に接続する手段と、制御電源電圧判定回路20から第2の信号(高レベル信号)が得られている時に第4のスイッチS4をオン制御するために制御電源電圧判定回路20の出力ライン27を第4のスイッチS4の制御端子に接続する手段とから成り、図5(C)に示す第1、第2、第3及び第4のレベルの参照電圧V1、V2、V3、V4を選択的に送出する。なお、第1の参照電圧源46は図5(C)に示す第2のレベルV2の参照電圧を発生する。第2の参照電圧源47は第4のレベルV4の参照電圧を発生する。
なお、第3の比較器51はヒステリシス特性を有することが望ましいが、ヒステリシス特性を有していなくとも本発明に従う効果を得ることができる。即ち、制御電源電圧Vccが基準電圧V52をアンダ−シュ−トしている間は第3の比較器51は高レベル出力を発生し続けるので、このアンダ−シュ−ト期間に間欠指令を阻止して図5のt6〜t7期間と同様な動作状態を得ることができる。
第1のレベルV1の参照電圧Vrは、図5のt2〜t3、t4〜t5期間に示すように、図5(D)に示す第2の比較器44の出力V44が高レベルであり且つ図5(F)に示す第3の比較器51の出力V51が低レベル即ち第1の信号の時に発生する。換言すれば、第1のレベルV1の参照電圧Vrの発生期間は、制御電源電圧Vccが所定基準電圧V52よりも高い値に保たれている状態において、電圧帰還信号Vfが第1のレベルV1側から第4のレベルV4に向かって徐々に増大して第4のレベルV4に達した時点(例えばt2)から電圧帰還信号Vfが第4のレベルV4側から第1のレベルV1に向かって徐々に減小して第1のレベルV1に達する時点(例えばt3)までの期間である。
第4のレベルV4の参照電圧Vrは、第2及び第3の比較器44、51の出力V44、V51の両方が低レベルの時に発生する。換言すれば、制御電源電圧Vccが所定基準電圧V52よりも高く保たれている状態において、電圧帰還信号Vfが第1のレベルV1に達した時点(例えばt3)から第4のレベルV4に達する時点(例えばt4)までの期間に第4のレベルV4の参照電圧Vrが発生する。
第2のレベルV2の参照電圧Vrは、図5(D)のa〜b、c〜d、e〜t7期間に示すように、第2の比較器44の出力V44が高レベルであり且つ第3の比較器51の出力V51が高レベル(第2の信号)の期間に発生する。換言すれば、制御電源電圧Vccが所定基準電圧V52まで低下した時点t6から所定レベル(UTP)に戻る時点t7までの期間内において、電圧帰還信号Vfが第3のレベルV3から第2のレベルV2まで低下する期間(例えばa〜b)に第2のレベルV2の参照電圧Vrが発生する。
第3のレベルV3の参照電圧Vrは、第3の比較器51の出力V51が高レベルであり且つ第2の比較器44の出力V44が低レベルの期間に発生する。換言すれば、第3の比較器51の出力V51が高レベルの第2の信号となる期間t6〜t7において、電圧帰還信号Vfが第2のレベルV2から第3のレベルV3まで上昇する期間(例えばb〜c)において第3のレベルV3の参照電圧Vrが発生する。
t7時点で制御電源電圧VccがUTPまで戻ると、第3の比較器51の出力V51が低レベルになり、t1〜t6期間と同様な動作が生じる。
また、軽負荷時の効率改善のために単位時間当りのスイッチング回数を低下させても、制御電源電圧Vccが異常に低下しないので、スイッチ制御回路2の動作停止が発生せず、DC-DCコンバ−タの安定的駆動が可能になる。
また、直流入力電圧の変動等によって制御電源電圧Vccの低下がある程度生じてもスイッチ制御回路2の動作停止が生じない。従って、効率向上と動作の安定性との両方を満足したDC-DCコンバ−タを得ることができる。
(1) 図1のDC−DC変換回路1は、周知のフォワ−ド型DC−DCコンバ−タ回路、周知の対のスイッチを有するハ−フブリッジ型DC−DC変換回路、又は変形ハ−フブリッジ型DC−DC変換回路、又は4個のスイッチをブリッジに接続したブリッジ型インバ−タ回路とこの出力段に接続した整流平滑回路とから成る変換回路、又は2個のスイッチとトランスとの組み合せから成るプッシュプル型インバ−タと整流平滑回路との組み合せから成る変換回路とすることができる。要するに、DC−DC変換回路1は、1つ又は複数のスイッチをオン・オフ制御する形式のあらゆる回路に置き変えることができる。
(2) スイッチ7のオンオフ繰返し周波数即ちスイッチング周波数を一定としないで、負荷の大きさに応じて変えることができる。
(3) 電流検出抵抗8の電圧から図3(E)、図4(E)の鋸波状の電流検出信号Viを得る代りに、図8に示すようにコンデンサCとこの充電用抵抗Rと放電用スイッチSWとから成る鋸波発生回路70を設け、直流電源端子+Vの電圧によって抵抗Rを介してコンデンサCを充電し、コンデンサCから図9(B)に示す傾斜電圧Vcをスイッチ7のオンに同期して得ることができる。この場合、図9(B)に示す傾斜電圧Vcが電圧帰還信号Vfに達した時に、RSフリップフリップ36が図9(C)に示す第1の比較器40の出力V40でリセットされ、RSフリップフリップ36の反転出力によってスイッチSWがオンになり、コンデンサCが放電する。
(4) 間欠指令発生回路19の第2の比較器44をヒステリシス特性付き比較器として、参照電圧発生回路45を単一の基準電圧源とすることができる。この場合、第3の比較器51の出力V51によって第2の比較器44のヒステリシス幅を変える回路を設ける。
(5) スイッチ7をバイポ−ラトランジスタ、IGBT(絶縁ゲ−ト型バイポ−ラトランジスタ)等の別の半導体スイッチング素子にすることができる。
(6) 発光ダイオ−ド34とホトトランジスタ41との光結合の部分を電気的結合回路とすることができる。
(7) 電流検出抵抗8の代りにホ−ル素子等の磁電変換装置による電流検出手段を設けることができる。
(8) ANDゲ−ト37をこれと等価な別の論理回路とすることができる。
(9) 間欠指令発生回路19を電流検出信号Viが所定値よりも低いか否かの検出に基づいて軽負荷状態か否かを検出する回路に変形することができる。
(10) 図2のANDゲート37を図2で点線で示すようにRSフリップフロップ36と駆動回路38との間に移し、ここのRSフリップフロップ36の出力と第2の比較器44との出力を入力させることができる。この場合、発振器35の出力をRSフリップフロップ36に直接に供給する、
2 スイッチ制御回路
6 トランス
7 スイッチ
9、10 第1及び第2の整流平滑回路
18 スイッチ制御パルス形成回路
19 間欠指令発生回路
20 制御電源電圧判定回路
Claims (5)
- 対の直流入力端子と、トランスと、前記対の直流入力端子間に前記トランスを介して接続された少なくとも1つのスイッチと、前記スイッチの制御端子に接続されたスイッチ制御回路と、前記トランスと負荷との間に接続された第1の整流平滑回路と、前記トランスと前記スイッチ制御回路の電源端子との間に接続された第2の整流平滑回路とを有するDC−DC変換器であって、
前記スイッチ制御回路が、
前記第1の整流平滑回路の直流出力電圧を示す信号を検出して前記第1の整流平滑回路の出力電圧を一定に制御するための電圧帰還信号を形成する電圧帰還信号形成回路と、
前記第2の整流平滑回路から前記スイッチ制御回路に供給する制御電源電圧が所定値よりも低いか否かを判定し、前記制御電源電圧が前記所定値よりも低くない時に第1の信号を出力し、前記制御電源電圧が前記所定値よりも低い時に第2の信号を出力する制御電源電圧判定回路と、
前記電圧帰還信号形成回路の出力に応答して前記第1の整流平滑回路の出力電圧を一定に制御するためのパルスを形成して前記スイッチの制御端子に送るスイッチ制御パルス発生回路と、
参照電圧を発生する参照電圧発生回路と、
前記電圧帰還信号形成回路に接続された一方の入力端子と前記参照電圧発生回路に接続された他方の入力端子と前記スイッチのオン・オフ制御を間欠的に停止するための出力を前記スイッチ制御パルス発生回路に供給する出力端子とを有する間欠制御用比較器と
を有し、
前記参照電圧発生回路は、前記制御電源電圧判定回路に接続されており、且つ前記間欠制御用比較器をヒステリシス動作させるために下限参照電圧とこの下限参照電圧よりも高い上限参照電圧とを選択的に発生するものであり、且つ前記制御電源電圧判定回路から前記第1の信号が得られている時に前記下限参照電圧として第1のレベルの参照電圧を発生し、前記制御電源電圧判定回路から前記第2の信号が得られている時に前記下限参照電圧として第1のレベルよりも高い第2のレベルの参照電圧を発生し、前記制御電源電圧判定回路から前記第2の信号が得られている時に前記上限参照電圧として第2のレベルよりも高い第3のレベルの参照電圧を発生し、前記制御電源電圧判定回路から前記第1の信号が得られている時に前記上限参照電圧として第3のレベルよりも高い第4のレベルの参照電圧を発生する回路から成ることを特徴とするDC−DC変換器。 - 前記参照電圧発生回路は、前記間欠制御用比較器の前記他方の入力端子と共通端子との間に接続された第1のスイッチと第1の抵抗と第1の参照電圧源との直列回路と、前記間欠制御用比較器の前記他方の入力端子と共通端子との間に接続された第2のスイッチと第2の抵抗と第2の参照電圧源との直列回路と、前記第1の抵抗と前記第1の参照電圧源との直列回路に対して並列に接続された第3のスイッチと第3の抵抗との直列回路と、前記第2の抵抗と前記第2の参照電圧源との直列回路に対して並列に接続された第4のスイッチと第4の抵抗との直列回路と、前記間欠制御用比較器の出力が前記スイッチのオン・オフ制御を示している時に前記第1のスイッチをオン制御する手段と、前記間欠制御用比較器の出力が前記スイッチのオン・オフ制御の停止を示している時に前記第2のスイッチをオン制御する手段と、前記制御電源電圧判定回路から前記第1の信号が得られている時に前記第3のスイッチをオン制御する手段と、前記制御電源電圧判定回路から前記第2の信号が得られている時に前記第4のスイッチをオン制御する手段とから成ることを特徴とする請求項1記載のDC−DC変換器。
- 前記所定値は、前記第2の整流平滑回路の定格出力電圧よりも低く且つ前記スイッチ制御回路の動作を維持することができる許容最低電圧又はこれよりも高い値であることを特徴とする請求項1又は2記載のDC−DC変換器。
- 前記スイッチ制御パルス発生回路は、
前記スイッチのオン期間に同期して傾斜電圧を発生する傾斜電圧発生手段と、
前記電圧帰還信号形成回路の出力端子に接続された一方の入力端子と前記傾斜電圧発生手段の出力端子に接続された他方の入力端子とを有して前記傾斜電圧発生手段の出力と前記電圧帰還信号とを比較する帰還制御用比較器と、
所定の周期でパルスを発生する発振器と、
前記発振器の出力端子に接続された一方の入力端子と前記間欠制御用比較器の出力端子に接続された他方の入力端子とを有し、前記間欠制御用比較器の出力が前記スイッチをオン・オフするためのパルスの通過の禁止を示している時に前記発振器の出力パルスの通過を禁止する論理回路と、
前記論理回路の出力端子に接続された第1の入力端子と前記帰還制御用比較器の出力端子に接続された第2の入力端子とを有するRSフリップフロップと、
前記RSフリップフロップの出力に基づいて前記スイッチを駆動する駆動手段と、
とから成ることを特徴とする請求項1又は2又は3記載のDC−DC変換器。 - 前記スイッチ制御パルス発生回路は、
前記スイッチのオン期間に同期して傾斜電圧を発生する傾斜電圧発生手段と、
前記電圧帰還信号形成回路の出力端子に接続された一方の入力端子と前記傾斜電圧発生手段の出力端子に接続された他方の入力端子とを有して前記傾斜電圧発生手段の出力と前記電圧帰還信号とを比較する帰還制御用比較器と、
所定の周期でパルスを発生する発振器と、
前記発振器に接続された第1の入力端子と前記帰還制御用比較器に接続された第2の入力端子とを有するRSフリップフロップと、
前記RSフリップフロップの出力端子に接続された一方の入力端子と前記間欠制御用比較器の出力端子に接続された他方の入力端子とを有し、前記間欠制御用比較器の出力が前記スイッチをオン・オフするためのパルスの通過の禁止を示している時に前記RSフリップフロップの出力パルスの通過を禁止する論理回路と、
前記論理回路の出力に基づいて前記スイッチを駆動する駆動手段と、
とから成ることを特徴とする請求項1又は2又は3記載のDC−DC変換器。
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