JP4240486B2 - Input / output isolation type DC-DC converter device - Google Patents
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Description
本発明は、入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置に関し、特に入力電源電圧に応じてスイッチング制御状態を変更する入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置に関する。 The present invention relates to an input / output isolation type DC-DC converter device, and more particularly to an input / output isolation type DC-DC converter device that changes a switching control state in accordance with an input power supply voltage.
アイドルストップを行うアイドルストップ車やハイブリッド車では、高電圧バッテリ及び発電機を含む高電圧電源系と、電気負荷及び低電圧バッテリを含む低電圧電源系とを装備する2電源方式の車両用電源装置とが知られている。この2電源方式の車両用電源装置では、高電圧電源系から低電圧電源系に送電するために種々の形式のDC−DCコンバータが採用される。この2電源方式の車両用電源装置の一例として、本出願人の出願になる下記の特許文献1がある。
しかしながら、上記した従来の入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置を2電源方式の車両用電源装置用いる場合、DC−DCコンバータのスイッチング素子を制御するためのコントローラは、低電圧電源系の電位レベルを基準とする電源電圧により駆動されるのが通常である。 However, when the above-described conventional input / output isolation type DC-DC converter apparatus is used for a two-power-source vehicle power supply apparatus, the controller for controlling the switching element of the DC-DC converter is the potential level of the low-voltage power supply system. Usually, it is driven by a power supply voltage with reference to.
したがって、この場合、入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置の入力側回路は高電圧電源系となり、この入力側回路側の電気状態を検出するための検出回路は高電圧電源系の電位レベルを基準とする電源電圧により駆動されることになる。その結果、入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置の入力側回路の電気的状態に関する信号をコントローラに伝送するためにはフォトカプラやパルストランスなどの入出力絶縁分離回路を介設することが必要となる。 Therefore, in this case, the input side circuit of the input / output isolation type DC-DC converter device is a high voltage power supply system, and the detection circuit for detecting the electrical state of the input side circuit side has the potential level of the high voltage power supply system. It is driven by a reference power supply voltage. As a result, it is necessary to provide an input / output isolation circuit such as a photocoupler or pulse transformer in order to transmit a signal related to the electrical state of the input side circuit of the input / output isolation type DC-DC converter device to the controller. It becomes.
ところが、フォトカプラのように入出力間を電気絶縁しつつ信号を伝送する従来の入出力絶縁分離回路は高価であり、更に、このような入出力絶縁分離回路は伝送信号をパルス信号形式に変換することを要求するため、入出力絶縁分離型DC−DCコンバータの入力側回路で検出した複数種類の状態信号をコントローラへ伝送することは、回路負担の増大を伴う故にコスト的に大きな負担となっていた。 However, the conventional input / output isolation circuit that transmits signals while electrically isolating the input and output, such as a photocoupler, is expensive, and such an input / output isolation circuit converts the transmission signal into a pulse signal format. Therefore, transmitting a plurality of types of status signals detected by the input-side circuit of the input / output isolation type DC-DC converter to the controller is accompanied by an increase in the circuit load, which is a large cost burden. It was.
本発明は上記問題点に鑑みなされたものであり、回路負担の増大を抑止しつつ種々の動作安全性に関する検出信号を利用可能な入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置を提供することをその目的としている。 The present invention has been made in view of the above problems, and it is an object of the present invention to provide an input / output isolation type DC-DC converter device that can use detection signals relating to various operational safety while suppressing an increase in circuit burden. It is aimed.
本発明の入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置は、スイッチング素子を断続して直流電源から印加される入力電源電圧を交流電圧に変換して出力する入力側回路、前記交流電圧を整流して出力電圧を外部に出力する出力側回路、及び、前記入力側回路から前記出力側回路を電気絶縁分離しつつ前記入力側回路から前記出力側回路に交流電力を伝送するトランスを有するDC−DCコンバータ回路と、検出した前記入力電源電圧の大きさに応じたパルス幅又はオン・デューティ比を有するパルス信号を入出力絶縁分離回路を通じて出力する入力状態モニタ回路と、前記DC−DCコンバータ回路の出力電圧の電位レベルを基準とする電源電圧により作動するとともに、前記入力電源電圧及び前記DC−DCコンバータ回路の出力電圧に応じて前記スイッチング素子を制御するコントローラとを備え、前記入力状態モニタ回路は、前記入力側回路の異常状態を検出した場合に、前記入力状態モニタ回路が出力する前記パルス信号のパルス周期を変更し、前記コントローラは、前記パルス周期変更を判別することにより前記入力側回路の異常状態を判別することを特徴としている。 An input / output isolation type DC-DC converter device according to the present invention includes an input side circuit that intermittently switches a switching element to convert an input power supply voltage applied from a DC power source into an AC voltage and outputs the AC voltage, and rectifies the AC voltage. DC-DC converter having an output side circuit for outputting output voltage to the outside, and a transformer for transmitting AC power from the input side circuit to the output side circuit while electrically isolating the output side circuit from the input side circuit A circuit, an input state monitor circuit for outputting a pulse signal having a pulse width or an on-duty ratio corresponding to the detected magnitude of the input power supply voltage through an input / output isolation circuit, and an output voltage of the DC-DC converter circuit The power supply voltage is based on the potential level of the input power supply, and is responsive to the input power supply voltage and the output voltage of the DC-DC converter circuit. And a controller for controlling the switching elements Te, the input status monitor circuit, when detecting an abnormal state of the input-side circuit, and changing the pulse period of the pulse signal in which the input status monitor circuit outputs, The controller determines an abnormal state of the input side circuit by determining the change of the pulse period.
すなわち、この発明によれば、入出力絶縁分離型DC−DCコンバータの出力側回路の電位基準の電源電圧が給電されるコントローラに対して、この入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置の入力側回路に印加される入力電源電圧の大きさに応じたパルス幅又はオン・デューティ比を有するパルス信号を発生させ、このパルス信号を通常はフォトカプラである入出力絶縁分離回路を通じてコントローラに送信する入力状態モニタ回路を設置する。 That is, according to the present invention, the input side of the input / output isolation type DC-DC converter device is connected to the controller supplied with the power supply voltage of the potential reference of the output side circuit of the input / output isolation type DC-DC converter. An input that generates a pulse signal having a pulse width or an on-duty ratio corresponding to the magnitude of the input power supply voltage applied to the circuit, and transmits this pulse signal to the controller through an input / output isolation circuit, which is usually a photocoupler. Install a condition monitor circuit.
これにより、コントローラは入力側の直流電源からこの入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置に印加される入力電源電圧の大きさを検出することができる。 Thus, the controller can detect the magnitude of the input power supply voltage applied to the input / output isolation type DC-DC converter device from the DC power supply on the input side.
更に、この発明では、入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置の入力側回路のその他の電気状態を検出し、この検出状態に応じて上記パルス信号のキャリア周期(キャリヤ周波数)を変更することによりコントローラに送信する。これにより、高価なフォトカプラやその両側のパルス信号送受信回路を要する入出力絶縁分離型信号伝送系を複数設けることなく、入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置の入力側回路の複数の電気状態を出力側のコントローラに伝達することができる。したがって、本発明によれば、回路負担の増大を抑止しつつ種々の動作安全性に関する検出信号を利用可能な入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置を実現することができる。 Further, according to the present invention, by detecting other electrical states of the input side circuit of the input / output isolation type DC-DC converter device, the carrier period (carrier frequency) of the pulse signal is changed according to the detected state. Send to controller. As a result, a plurality of electrical states of the input side circuit of the input / output isolation / separation type DC-DC converter device can be provided without providing a plurality of input / output isolation / separation type signal transmission systems requiring expensive photocouplers and pulse signal transmission / reception circuits on both sides thereof. Can be transmitted to the controller on the output side. Therefore, according to the present invention, it is possible to realize an input / output isolation type DC-DC converter device that can use detection signals related to various operational safety while suppressing an increase in circuit burden.
好適な態様において、入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置の入力側回路のスイッチング素子は入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置の出力電圧とその目標電圧との偏差を0とするべくPWM(パルス幅変調)制御される。以下、このスイッチング素子のデューティ比(オン・デューティ比を言う)を増大すると、入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置の出力電圧は増大するものと仮定する。この時、入力状態モニタ回路は、入力側の直流電源からこの入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置に印加される入力電源電圧が増大するとデューティ比(又はパルス幅)が減少するパルス信号を発生するものとする。このようにすると、このパルス信号のデューティ比(又はパルス幅)の範囲内に上記スイッチング素子のデューティ比(又はパルス幅)を制限することにより、この入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置に入力する入力電源電圧の変化によるスイッチング素子の耐圧保護を容易に行うことができる。この詳細は実施例に記述既述するものとする。 In a preferred embodiment, the switching element of the input side circuit of the input / output isolation type DC-DC converter device is PWM (zero) so that the deviation between the output voltage of the input / output isolation type DC-DC converter device and its target voltage is zero. Pulse width modulation). Hereinafter, it is assumed that when the duty ratio (referred to as the on-duty ratio) of the switching element is increased, the output voltage of the input / output isolation type DC-DC converter device is increased. At this time, the input state monitoring circuit generates a pulse signal whose duty ratio (or pulse width) decreases when the input power supply voltage applied to the input / output isolation type DC-DC converter device from the DC power supply on the input side increases. It shall be. In this way, by limiting the duty ratio (or pulse width) of the switching element within the range of the duty ratio (or pulse width) of the pulse signal, the input / output isolation type DC-DC converter device is input. Thus, the withstand voltage protection of the switching element due to the change of the input power supply voltage can be easily performed. This detail is described in the embodiment.
好適な態様において、前記入力側回路は、前記スイッチング素子を内蔵して前記入力電源電圧を前記交流電圧に変換するインバータ回路と、前記直流電源と前記インバータ回路との間の電気的接続を開閉する主電源スイッチと、互いに直列接続された副電源スイッチ及び突入電流制限抵抗器により構成されて前記主電源スイッチに並列接続される突入電流制限抵抗回路とを備え、前記入力状態モニタ回路は、前記副電源スイッチへのオフ指令時に前記副電源スイッチに流れる電流が所定しきい値を超えた電流異常状態を検出した場合に、前記パルス周期の変更を行うことを特徴としている。このようにすれば、上記効果に加えて、回路負担の増大を抑止しつつ突入電流制限抵抗回路の異常を早期に検出できる。 In a preferred aspect, the input-side circuit opens and closes an inverter circuit that incorporates the switching element and converts the input power supply voltage to the AC voltage, and an electrical connection between the DC power supply and the inverter circuit. A main power switch, and a sub power switch and an inrush current limiting resistor connected in series with each other, and an inrush current limiting resistor circuit connected in parallel to the main power switch. The pulse cycle is changed when an abnormal current state in which the current flowing through the sub power switch exceeds a predetermined threshold value when an off command is issued to the power switch is detected. In this way, in addition to the above effects, an abnormality of the inrush current limiting resistor circuit can be detected at an early stage while suppressing an increase in circuit load.
好適な態様において、前記入力状態モニタ回路は、前記入力電源電圧が所定しきい値を超えた過電圧入力状態を検出した場合に前記パルス周期の変更を行うことを特徴としている。このようにすれば、回路負担の増大を抑止しつつ過大な入力電源電圧の上昇を検出することができる。 In a preferred aspect, the input state monitor circuit changes the pulse period when detecting an overvoltage input state in which the input power supply voltage exceeds a predetermined threshold value. In this way, it is possible to detect an excessive increase in input power supply voltage while suppressing an increase in circuit load.
好適な態様において、前記入力状態モニタ回路は、前記リーク電流異常状態が検出され、かつ、前記過電圧入力状態が検出されないAモードと、前記リーク電流異常状態が検出されず、かつ、前記過電圧入力状態が検出されないBモードと、前記リーク電流異常状態が検出されず、かつ、前記過電圧入力状態が検出されたCモードと、前記リーク電流異常状態が検出され、かつ、前記過電圧入力状態が検出されたDモードとを有し、前記各モードに対して互いに異なるパルス周期を割り当てることを特徴としている。このようにすれば、入力電源電圧と複数種類の異常状態とを入力側回路からコントローラに単一の入出力絶縁分離回路により伝送することができ、回路負担の増大を抑止しつつ、装置安全性の一層の向上を図ることができる。 In a preferred aspect, the input state monitoring circuit includes an A mode in which the leakage current abnormal state is detected and the overvoltage input state is not detected, the leakage current abnormal state is not detected, and the overvoltage input state is detected. B mode in which no leakage current is detected, the leakage current abnormal state is not detected, the C mode in which the overvoltage input state is detected, the leakage current abnormal state is detected, and the overvoltage input state is detected And a different pulse period is assigned to each mode. In this way, the input power supply voltage and a plurality of types of abnormal conditions can be transmitted from the input side circuit to the controller by a single input / output isolation circuit, preventing an increase in circuit burden and ensuring device safety. Can be further improved.
好適な態様において、前記入力状態モニタ回路は、前記A、Bモードにおいて、前記入力電源電圧の増加に応じて減少するデューティ比又はパルス幅をもつPWMパルス信号を前記コントローラに送信し、前記コントローラは、前記DC−DCコンバータ回路の出力電圧を一定とするための前記DC−DCコンバータの前記スイッチング素子に印加するPWM制御を、前記入力状態モニタ回路から受信した前記PWMパルス信号のデューティ比又はパルス幅の範囲内に制限することを特徴としている。このようにすれば、入力状態モニタ回路から受信した安全なデューティ比範囲を利用することにより、DC−DCコンバータ回路を簡単に安全デューティ比範囲で駆動することができる。 In a preferred aspect, the input state monitoring circuit transmits a PWM pulse signal having a duty ratio or a pulse width that decreases with an increase in the input power supply voltage to the controller in the A and B modes, and the controller The PWM pulse signal applied to the switching element of the DC-DC converter for making the output voltage of the DC-DC converter circuit constant, the duty ratio or pulse width of the PWM pulse signal received from the input state monitor circuit It is characterized by being limited within the range. In this way, the DC-DC converter circuit can be easily driven within the safe duty ratio range by using the safe duty ratio range received from the input state monitor circuit.
好適な態様において、前記入力状態モニタ回路は、前記入力電源電圧の増加に応じて変化するパルス間隔と、第1の異常状態を示す第1の周期とをもつ第1のパルス信号と、前記入力電源電圧の増加に応じて変化するパルス間隔と、第2の異常状態を示す第2の周期とをもつ第2のパルス信号とのどちらかを選択して出力し、前記第1のパルス信号のパルス立ち下がりエッジと第2のパルス信号のパルス立ち下がりエッジとは、同一タイミングに設定される。このようにすれば、モードの切り替えすなわち第1のパルス信号と第2のパルス信号とを切り替える場合でもパルス間隔カウントを正確に実施することができ、入力電源電圧の検出の信頼性を更に向上することができる。 In a preferred aspect, the input state monitor circuit includes a first pulse signal having a pulse interval that changes in response to an increase in the input power supply voltage, a first period indicating a first abnormal state, and the input Either a pulse interval that changes in accordance with an increase in power supply voltage or a second pulse signal having a second period indicating a second abnormal state is selected and output, and the first pulse signal The pulse falling edge and the pulse falling edge of the second pulse signal are set at the same timing. In this way, even when the mode is switched, that is, when the first pulse signal and the second pulse signal are switched, the pulse interval count can be accurately performed, and the reliability of the detection of the input power supply voltage is further improved. be able to.
好適態様において、前記入力状態モニタ回路は、前記入力電源電圧の増加に応じて変化しないパルス間隔を有して第3の異常状態を示す第3のパルス信号と前記第1信号と第2信号とのどれかを選択して出力し、前記第3のパルス信号のパルス周期は、前記第1パルス信号又は第2信号のパルス周期よりも長く設定され、前記第1又は第2のパルス信号から前記第3のパルス信号への移行に際して前記コントローラが受信するパルス信号のパルス間隔は前記入力電源電圧に相当しない範囲に設定されることを特徴としている。このようにすれば、第1パルス信号又は第2パルス信号から第3パルス信号への移行に際してパルス間隔が入力電源電圧の可能な範囲を必ず逸脱するため、第3の異常状態を早期に検出することができるとともに入力電源電圧の誤検出も生じない。 In a preferred aspect, the input state monitor circuit includes a third pulse signal indicating a third abnormal state with a pulse interval that does not change according to an increase in the input power supply voltage, the first signal, and the second signal. And the pulse period of the third pulse signal is set to be longer than the pulse period of the first pulse signal or the second signal, and the first pulse signal or the second pulse signal The pulse interval of the pulse signal received by the controller at the time of transition to the third pulse signal is set in a range not corresponding to the input power supply voltage. In this way, since the pulse interval always deviates from the possible range of the input power supply voltage when shifting from the first pulse signal or the second pulse signal to the third pulse signal, the third abnormal state is detected early. In addition, the input power supply voltage is not erroneously detected.
好適な態様において、前記入力状態モニタ回路は、前記入力電源電圧の増加に応じて変化しないパルス間隔を有して第3の異常状態を示す第3のパルス信号と前記第1信号と第2信号とのどれかを選択して出力し、前記第3のパルス信号のパルス間隔は、前記第1パルス信号又は第2信号のパルス間隔の最大値よりも長く設定されている。 In a preferred aspect, the input state monitoring circuit includes a third pulse signal, a first signal, and a second signal that indicate a third abnormal state with a pulse interval that does not change according to an increase in the input power supply voltage. And the pulse interval of the third pulse signal is set to be longer than the maximum value of the pulse interval of the first pulse signal or the second signal.
このようにすれば、カウントするパルス信号のパルス間隔が第1パルス信号と第2のパルス信号とのパルス間隔の最大値(入力電源電圧の最大値)を超えた時点にて第3の異常状態を判別することができ、この異常に素早く対処することができるとともに入力電源電圧の誤検出も生じない。 In this way, the third abnormal state occurs when the pulse interval of the pulse signal to be counted exceeds the maximum value of the pulse interval between the first pulse signal and the second pulse signal (maximum value of the input power supply voltage). This abnormality can be quickly dealt with and no erroneous detection of the input power supply voltage occurs.
本発明の入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置の好適実施例を図面を参照して以下に説明する。ただし、本発明は下記の実施例に限定されるものではなく、その他の公知の技術又はそれと同等の機能をもつ技術の組み合わせにより本発明の技術思想を実現しても良いことは当然である。 A preferred embodiment of an input / output isolation type DC-DC converter device of the present invention will be described below with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and it is obvious that the technical idea of the present invention may be realized by a combination of other known techniques or techniques having functions equivalent thereto.
この実施例の2電源方式の車両用電源装置のブロック回路図を図1に示す。 FIG. 1 shows a block circuit diagram of the vehicle power supply device of the two power supply system of this embodiment.
(全体回路の説明)
実施例1の入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置を図1を参照して説明する。
(Description of the entire circuit)
The input / output isolation type DC-DC converter apparatus of Example 1 will be described with reference to FIG.
1は高電圧のバッテリ(本発明で言う直流電源)、2は第1の主電源スイッチ、4は突入電流制限抵抗器、5は第2の主電源スイッチ、6は平滑コンデンサ、7は三相交流モータMに三相交流電力を給電する三相インバータ回路、8はMOSトランジスタからなる副電源スイッチ、9は三相インバータ回路7に低電圧の電源電圧を印加する電圧変換回路である。
DESCRIPTION OF
電圧変換回路9は、トランスを内蔵する入出力絶縁分離型のDC−DCコンバータ回路90、それを制御するコントローラ91、回路保護用情報を検出してコントローラ91に出力する入力状態モニタ回路92、回路保護用情報を入力状態モニタ回路92からコントローラ91へ入出力絶縁分離可能に伝送する一つのフォトカプラ93とを有している。
The voltage conversion circuit 9 includes an input / output isolation type DC-
バッテリ1の正極端子は主電源スイッチ2を通じて電圧変換回路9の高電位側の電源入力端子に接続され、バッテリ1の負極端子は主電源スイッチ5を通じて電圧変換回路9の高電位側の電源入力端子に接続されている。副電源スイッチ8および突入電流制限抵抗器4は直列接続されて突入電流制限回路を構成し、この突入電流制限回路は主電源スイッチ2と並列に接続されている。
The positive terminal of the
DC−DCコンバータ回路90は、トランス内蔵型の種々公知のDC−DCコンバータ回路により構成されることができる。この実施例で採用したDC−DCコンバータ回路については後述するものとする。
The DC-
コントローラ91は、入力されたDC−DCコンバータ回路90の出力電圧Voが所定の目標レベルとなるようにDC−DCコンバータ回路90に内蔵されたスイッチング素子を、上記回路保護用情報が許容する範囲にてPWM制御する。コントローラ91には図示しない定電圧回路から電源電力を給電される。この定電圧回路は、DC−DCコンバータ回路90の出力電圧又は図示しない低電圧バッテリの電位レベルを基準電位とするバッテリ1の電位レベルを基準とする直流電圧を形成してコントローラ91にその電源電圧として印加する。上記した低電圧バッテリの電力によりコントローラ91のための電源電圧を形成する場合、この低電圧バッテリの低電位レベルはDC−DCコンバータ回路90の一対の出力端うちの低電位ラインの電位レベルに等しくされることが好適である。コントローラ91の電源電圧をDC−DCコンバータ回路90の出力電圧Voの電位レベルを基準として作成することにより、コントローラ91の種々の回路処理が簡単となる。
The
入力状態モニタ回路92は、突入電流制限抵抗器4の電圧降下ΔVと、DC−DCコンバータ回路90の入力電源電圧Viとが入力される。入力状態モニタ回路92は、これら入力情報に基づき形成した上記回路保護用情報をPWM(パルス幅変調)形式のパルス信号によりコントローラ91に出力する。入力状態モニタ回路92には図示しない定電圧回路から電源電力を給電される。この定電圧回路は、バッテリ1の電位レベルを基準とする必要な大きさの直流電圧を形成して入力状態モニタ回路92に電源電圧として印加する。入力状態モニタ回路92の電源電圧をバッテリ1の電位レベルを基準として作成することにより、入力状態モニタ回路92に入力情報として入力される電圧降下ΔV及び入力電源電圧Viの処理が簡単となる。
The input
フォトカプラ93は、それぞれ電源電圧レベルが互いに独立する入力状態モニタ回路92からコントローラ91への信号伝送を入出力絶縁分離しつつ行う。
The
電圧変換回路9に対してバッテリ1の直流電力を投入するには、まず主電源スイッチ5と副電源スイッチ8とをオンし、突入電流制限抵抗器4を通じて平滑コンデンサ6を所定レベルまで充電した後、主電源スイッチ2をオンする。これにより、回路特に平滑コンデンサ6に大きな突入電流が流れ込むのを防止することができる。
In order to input the DC power of the
なお、図1では、副電源スイッチ8および突入電流制限抵抗器4はバッテリ1の正極端子側に配置されているが、バッテリ1の負極端子側に配置してもよい。また、副電源スイッチ8は、図1に示すMOSトランジスタの他、IGBTやバイポーラトランジスタ更には電磁リレーなどでもよい。
In FIG. 1, the auxiliary power switch 8 and the inrush
バッテリ1から電圧変換回路9に直流電力が投入されると、DC−DCコンバータ回路90は出力電圧Voを目標電圧に収束させるために内蔵のスイッチング素子をPWM制御し、電気負荷に給電する。
When DC power is input from the
(DC−DCコンバータ回路90の説明)
次に、この実施例で採用したDC−DCコンバータ回路90について図2を参照して説明する。まず、回路構成を説明する。
(Description of DC-DC converter circuit 90)
Next, the DC-
DC−DCコンバータ回路90は、トランスT1、T2、スイッチング素子Q1、Q2、Q3、Q4、コンデンサC1、C2、C3からなる。スイッチング素子Q1〜Q4のデューティ比は、出力電圧Voと目標電圧値との偏差に基づいてコントローラ91によりPWM制御される。トランスT1は一次コイルW1、W2と二次コイルW3を有し、トランスT2は一次コイルW4、W5と二次コイルW6とを有する。コンデンサC3は、リップル低減のための出力側平滑コンデンサである。スイッチング素子Q3、Q4は整流回路を構成している。10はDC−DCコンバータ回路90の高電位側の入力端である。20はDC−DCコンバータ回路90の低電位側の入力端であり、主スイッチQ1とコンデンサC1との接続点でもある。30は、コンデンサC1とコンデンサC2と一次コイルW2との接続点、40は、主スイッチQ1と副スイッチQ2と一次コイルW4と一次コイルW5との接続点である。コイルW1、W2、W4、W5とコンデンサC1、C2とスイッチング素子Q1、Q2とは、主電源スイッチ2、5と突入電流制限抵抗器4と副電源スイッチ8とともに入力側回路11を構成している。コイルW3、W6と出力平滑コンデンサC3とスイッチング素子Q3、Q4とは出力側回路21を構成している。
The DC-
入力側回路11のうちDC−DCコンバータ回路90に属する回路部分について説明する。デッドタイムを無視すれば主スイッチQ1と副スイッチQ2とは交互動作され、スイッチング素子Q1、Q2を構成するMOSトランジスタの寄生ダイオードDを通過する電流以外の回路電流の流れは、主スイッチQ1がオンした時に形成される主スイッチ回路と、副スイッチQ2がオンした時に形成される副スイッチ回路とに基づいて考えることが簡単である。主スイッチ回路は、接続点10、一次コイルW1、W4、主スイッチQ1、接続点20、バッテリ1を結ぶ第一回路部、並びに、接続点20、コンデンサC1、コイルW2、W5、主スイッチQ1、接続点20を結ぶ第二回路部とからなる。副スイッチ回路は、接続点10、コイルW1、W4、接続点40、副スイッチQ2、コンデンサC2、接続点30、コンデンサC1、接続点20、バッテリ1を結ぶ第三回路部と、接続点40、副スイッチQ2、コンデンサC2、コイルW2、W5、接続点40を結ぶ第四回路部とをからなる。また、バッテリ1から、一次コイルW1、W4、一次コイルW2、W5、コンデンサC1を経てバッテリ1に至るコンデンサC1充電回路が形成されている。
A circuit portion belonging to the DC-
出力側回路21について説明する。この実施例の出力側回路は従来周知の同期整流平滑回路により構成されている。出力スイッチQ3、Q4は原理的には相補動作するので、出力スイッチQ3がオンした時に形成される第五回路部と、出力スイッチQ4がオンした時に形成される第六回路部とに区分することができる。第五回路部は、接続点60、出力スイッチQ3、コイルW6、コンデンサC3、接続点60を結ぶ回路であり、第六回路部は、接続点60、出力スイッチQ4、コイルW3、コンデンサC3、接続点60を結ぶ回路である。50は出力側回路21の出力端である。出力スイッチQ3、Q4のどちらか又両方をダイオードに置換してもよい。出力スイッチQ3は主スイッチQ1とほぼ同じ動作状態をもち、出力スイッチQ3は副スイッチQ2とほど同じ動作状態をもつ。スイッチング素子Q1〜Q4の動作タイミングを図3に示し、コイルW1〜W6の電圧変化を図4に模式図示する。
The
上記したDC−DCコンバータ回路90の動作を説明する。
The operation of the above-described DC-
図3に示すように、スイッチング素子Q1,Q3は同期動作し、スイッチング素子Q2,Q4は同期動作し、スイッチング素子Q1,Q2は相補動作し、スイッチング素子Q3,Q4は相補動作する。主スイッチQ1オン、副スイッチQ2オフである状態をモード1、主スイッチQ1オフ、副スイッチQ2オンである状態をモード2と称する。バッテリ1からの入力電流をi1、コンデンサC1の充放電電流をi2、コンデンサC2の充放電電流をi3と呼ぶ。モード1にてスイッチング素子Q1,Q3がオンし、スイッチング素子Q2,Q4がオフする。モード2にてスイッチング素子Q1,Q3がオフし、スイッチング素子Q2,Q4がオンする。
As shown in FIG. 3, the switching elements Q1 and Q3 operate synchronously, the switching elements Q2 and Q4 operate synchronously, the switching elements Q1 and Q2 operate complementarily, and the switching elements Q3 and Q4 operate complementary. A state in which the main switch Q1 is on and the sub switch Q2 is off is referred to as
主スイッチQ1がオンし、副スイッチQ2がオフするモード1を説明する。
主スイッチQ1のオンにより、バッテリ1から一次コイルW1、W4を経てきた電流i1は、先行する後述のモード2にて一次コイルW5、W2を経てコンデンサC1に向かう流れから転流して、直接に接続点20に向かう。これにより、入力電流i1は時間的に増加し、トランスT2においては、一次コイルW4の起磁力(アンペアターン)i1と一次コイルW5の起磁力(アンペアターン)i2とが形成される。また、後述するモード2にて蓄電されて高電圧となっているコンデンサC1は、一次コイルW2、W5、主スイッチQ1を通じて、電流i2で放電する。この電流i2は放電方向に時間的に増加する流れとなる。この実施例では、一次コイルW4の起磁力(アンペアターン)i1が形成する磁束の向きは、一次コイルW5の起磁力(アンペアターン)i2が形成する磁束の向きに等しくなるようにする。その結果、これらの起磁力(アンペアターン)の和(i1+i2)に対応する磁束φ2が形成される。二次コイルW6には、磁束φ2の変化に応じた大きさの二次電圧V6が形成される。二次コイルW6の巻き向きは、モード1において電流i3を出力する向きとなる向きとされる。負荷3を抵抗とみなせば、二次電圧V6に比例した大きさの電流i3が流れる。したがって、理想的にはこの電流i3はこのモード期間において所定振幅の略直流電流となる。トランスT2からの電流i3の流出に応じて、一次コイルW4を流れる電流i1、及び、一次コイルW5を流れる電流i2がそれぞれ増加する。すなわち、一次コイルW4を流れる電流i1と、一次コイルW5を流れる電流i2とは、トランスT2の励磁電流と電流i3とに対応するので、一次コイルW5を流れる電流i2からトランスT2の励磁電流を差し引いた電流と一次コイルW4を流れる電流i1とが、二次コイルW6から電流i3として出力される。結局、主スイッチQ1がオンしている期間には、トランスT2において、一次コイルW4の電流増大による第一の向きへの起磁力(アンペアターン)の増加と、一次コイルW5の放電方向への電流の増加による起磁力(アンペアターン)の増加との合計である合成起磁力(アンペアターン)により、二次コイルW6に二次電圧が形成され、電流i3が出力される。この時、トランスT1は、チョークコイルとして作動する。つまり、主スイッチQ1がオンしている期間には、トランスT2において、一次コイルW4の電流増加による磁束増加と、この上記磁束増加を助長する一次コイルW5の充電方向における電流増加による磁束増加とにより、二次コイルW6から電流i3が出力され、電流i3を出力するための電力エネルギーは一次コイルW4、W5から供給される。
When the main switch Q1 is turned on, the current i1 that has passed through the primary coils W1 and W4 from the
主スイッチQ1をオフし、副スイッチQ2をオンするモード2を参照して説明する。
A description will be given with reference to
バッテリ1から一次コイルW1、W4を経て接続点40に至る電流i1は、主スイッチQ1のオフによる接続点40の電位上昇により減少傾向となる。接続点40から一次コイルW5、W2を経て流れる電流i2’はコンデンサC1を充電する。バッテリ1から一次コイルW1、W4を通じて流入する電流ic2はコンデンサC2を流れてコンデンサC1を充電する。したがって、電流i1はi2’とic2との和すなわち、コンデンサC1の充電電流i2に等しい。この時、一次コイルW1の電流i1の減少によりトランスT1のある方向への磁束は減少する。この時、一次コイルW2における電流変化、すなわち、図7に示す放電電流i2から図8に示す充電電流i2’への変化は、上記した一次コイルW1の電流i1の減少によるトランスT1のある方向への磁束の減少を助長する向きとされる。これにより、二次コイルW3には、一次コイルW1における電流i1の変化(増加から減少)と、一次コイルW2における電流変化(i2から反対向きのi2’)とにより、電流i4を出力する向きに電圧V3を発生する。この電圧は上記電流変化による磁束変化率に比例する大きさの略直流電圧となる。二次コイルW3の巻き向きは、モード2において電流i4が出力される向きとされる。負荷3を抵抗とすれば、電圧V4の大きさに比例する電流i4が流れる。理想的にはこの電流i4はこのモード期間において所定振幅の略直流電流となる。トランスT1からの電流i4の流出に応じて、一次コイルW1を流れる電流i1、及び、一次コイルW2を流れる電流i2’がそれぞれ増加するので、一次コイルW2を流れる電流i2’からトランスT1の励磁電流を差し引いた電流と一次コイルW1を流れる電流i1とが二次コイルW3から電流i4として出力される。結局、主スイッチQ1がオフしている期間には、トランスT1において、一次コイルW1の電流減少による起磁力(アンペアターン)の減少と、一次コイルW2のコンデンサC1充電方向への電流の増加による起磁力(アンペアターン)の増加との合計である合成起磁力(アンペアターン)により、二次コイルW3に二次電圧が形成され、電流i4が出力される。この時、トランスT2は、チョークコイルとして作動する。つまり、主スイッチQ1がオフしている期間には、トランスT1において、一次コイルW1の電流減少による磁束減少と、この上記磁束減少を助長する一次コイルW2の放電方向における電流変化による磁束減少とにより、二次コイルW3から電流i4が出力され、電流i4を出力するための電力は一次コイルW1、W2から供給される。なお、コンデンサC2と副スイッチQ2とは、本質的にクランプ回路として、主スイッチQ1のオフ時のサージ電圧発生を防止する。スイッチング素子Q1のデューティ比を増大することによりバッテリ1からDC−DCコンバータ回路90に流れ込む電流が増大し、DC−DCコンバータ回路90の出力電圧Voが増大する。したがって、コントローラ91は、DC−DCコンバータ回路90の出力電圧Voを読み込み、この出力電圧Voとあらかじめ記憶されている目標電圧とを比較し、出力電圧Voが目標電圧より小さい場合に主スイッチQ1のオンデューティ比を増大し、出力電圧Voが目標電圧より高い場合に主スイッチQ1のオンデューティ比を減少するフィードバックPWM制御を行い、出力電圧Voを目標電圧に収束させる。
The current i1 from the
(入力電源電圧に基づくスイッチング素子のデューティ比制限動作)
次に、DC−DCコンバータ回路90特にそのスイッチング素子Q1の保護動作について説明する。
(Duty ratio limiting operation of switching element based on input power supply voltage)
Next, the protection operation of the DC-
スイッチング素子Q1のソース・ドレイン間の電圧Vdsは、入力電源電圧をVi、スイッチング素子Q1のデューティ比(オン・デューティ比)をDとする時、Vi/(1−D)に略等しい。つまり、スイッチング素子Q1のソース・ドレイン間の電圧Vdsの最大値Vdsmaxは、その時のスイッチング素子Q1のオン・デューティ比DをDmaxとする時、Vin/(1−Dmax)を超えることはない。そこで、入力電源電圧Viの増大につれてオン・デューティ比Dの最大値Dmaxを減少していけば、上記最大値Vdsmaxが一定値すなわちスイッチング素子Q1のソース・ドレイン間の耐圧Vdsthを超えるのを防止することができる。当然、入力電源電圧Viが小さい場合にはデューティ比(Duty)の許容最大値は大きく設定でき、入力電源電圧Viが大きい場合にはデューティ比(Duty)の許容最大値は小さく設定されねばならない。スイッチング素子Q1のソース・ドレイン間電圧Vdsをその最大値Vdsmax以下にすることができるデューティ比(Duty)の許容範囲(Duty変更許可範囲)と入力電源電圧Viとの組み合わせを図5に示す。 The voltage Vds between the source and the drain of the switching element Q1 is substantially equal to Vi / (1-D) when the input power supply voltage is Vi and the duty ratio (on-duty ratio) of the switching element Q1 is D. That is, the maximum value Vdsmax of the source-drain voltage Vds of the switching element Q1 does not exceed Vin / (1-Dmax) when the on-duty ratio D of the switching element Q1 at that time is Dmax. Therefore, if the maximum value Dmax of the on-duty ratio D is decreased as the input power supply voltage Vi increases, the maximum value Vdsmax is prevented from exceeding a constant value, that is, the breakdown voltage Vdsth between the source and drain of the switching element Q1. be able to. Of course, when the input power supply voltage Vi is small, the allowable maximum value of the duty ratio (Duty) can be set large, and when the input power supply voltage Vi is large, the allowable maximum value of the duty ratio (Duty) must be set small. FIG. 5 shows a combination of the allowable range (Duty change permission range) of the duty ratio (Duty) that allows the source-drain voltage Vds of the switching element Q1 to be equal to or lower than the maximum value Vdsmax and the input power supply voltage Vi.
図5において、Vmaxはスイッチング素子Q1の理論的な最高耐圧値(Vdsmaxに相当)、VxxはVmaxに所定の安全率(1より小さい定数)を掛けた実用最高耐圧値である。DLは入力電源電圧Viが実用最高耐圧値Vxxである時のデューティ比(Duty)の実用最大値であり、スイッチング素子Q1の耐圧からみて理論的に可能なデューティ比(Duty)の最大値から所定デューティ比Δdだけ小さい値に設定されている。おなじく、DHは入力電源電圧Viが非常に小さい場合におけるデューティ比(Duty)の実用最大値であり、スイッチング素子Q1の耐圧からみて理論的に可能なデューティ比(Duty)の最大値から所定デューティ比Δdだけ小さい値に設定されている。結局、スイッチング素子Q1は図5において破線ハッチングした領域で使用可能なことがわかる。 In FIG. 5, Vmax is a theoretical maximum withstand voltage value (corresponding to Vdsmax) of the switching element Q1, and Vxx is a practical maximum withstand voltage value obtained by multiplying Vmax by a predetermined safety factor (a constant smaller than 1). DL is the practical maximum value of the duty ratio (Duty) when the input power supply voltage Vi is the practical maximum withstand voltage value Vxx, and is determined from the maximum possible duty ratio (Duty) in view of the withstand voltage of the switching element Q1. The duty ratio is set to a small value by Δd. Similarly, DH is the practical maximum value of the duty ratio (Duty) when the input power supply voltage Vi is very small, and the predetermined duty ratio is determined from the maximum value of the duty ratio (Duty) theoretically possible in view of the breakdown voltage of the switching element Q1. The value is set to be smaller by Δd. As a result, it can be seen that the switching element Q1 can be used in the hatched area in FIG.
コントローラ91によりなされる入力電源電圧Viに応じたスイッチング素子Q1のデューティ比制限制御の一例を図6に示すフローチャートを参照して説明する。
An example of the duty ratio restriction control of the switching element Q1 according to the input power supply voltage Vi performed by the
まず、入力電源電圧Viを読み込み(S200)、予め記憶する入力電源電圧Viと許容できるデューティ比(オン・デューティ比)Dの最大値Dmaxとの関係を示すテーブルから入力電源電圧Viに対応するデューティ比Dの最大値Dmaxを抽出し(S202)、現在のデューティ比Dの指令を読み込む(S204)。なお、後述するように上記テーブルを用いずに、入力状態モニタ回路92から入力するパルス信号のデューティ比をそのまま上記デューティ比Dの最大値Dmaxとして採用しても良く、入力状態モニタ回路92から入力するパルス信号のパルス幅を上記デューティ比Dの最大値Dmaxにおけるパルス幅として採用しても良い。
First, the input power supply voltage Vi is read (S200), and the duty corresponding to the input power supply voltage Vi is determined from a table indicating the relationship between the input power supply voltage Vi stored in advance and the maximum value Dmax of the allowable duty ratio (on-duty ratio) D. The maximum value Dmax of the ratio D is extracted (S202), and the current duty ratio D command is read (S204). As will be described later, the duty ratio of the pulse signal input from the input
次に、現在のデューティ比Dがデューティ比Dの最大値Dmaxより大きいかどうかを判定し(S206)、大きければ、最大値Dmaxを次回のデューティ比Dとして採用し、そうでなければ現在のデューティ比Dを次回のデューティ比Dとして採用する(S210)。このようにすることにより、入力電源電圧Viの急上昇によるスイッチング素子Q1の耐圧破壊を防止することができる。もちろん、図6に示すソフトウエア処理の代わりに同等の機能をもつハードウエア回路により処理され得ることは当然である。 Next, it is determined whether or not the current duty ratio D is larger than the maximum value Dmax of the duty ratio D (S206). If the current duty ratio D is larger, the maximum value Dmax is adopted as the next duty ratio D. The ratio D is adopted as the next duty ratio D (S210). By doing so, it is possible to prevent the breakdown voltage of the switching element Q1 from being suddenly increased by the input power supply voltage Vi. Of course, it can be naturally processed by a hardware circuit having an equivalent function instead of the software processing shown in FIG.
(入力状態モニタ回路92の説明)
次に、入力状態モニタ回路92の一例を図7を参照して説明する。ただし、この入力状態モニタ回路92の回路機能を他のハードウエア回路で実現したりソフトウエア処理により実現してもよいことは、もはや当然の事項である。たとえば、発振周期が異なる複数の発振器を設ける代わりに共通の発振器の発振周期を必要に応じて変更したり、発振器を常時発振させるのではなく、発振が必要な場合にのみ発振させるようにしてもよい。
(Description of Input Status Monitor Circuit 92)
Next, an example of the input
入力状態モニタ回路92は、漏れ電流検出回路100、過電圧検出回路200、鋸歯状パルス発振器300、400、矩形波パルス発振器500、マルチプレクサ600、抵抗分圧回路700、コンパレータ800、各種の論理ゲート900、1000、1100、1200、1300を有している。なお、鋸歯状パルス発振器300、400、マルチプレクサ600及びコンパレータ800はPWMパルス信号発生回路を構成するが、公知の他の回路によりPWMパルス信号を発生しても良い。
The input
漏れ電流検出回路100は、副電源スイッチ8の漏れ電流が大きい場合にハイレベル、小さい場合にローレベルの漏れ電流検出信号S1をマルチプレクサ600及びナンドゲート1300に出力する。過電圧検出回路200は、バッテリ1の電圧が異常に高い場合にハイレベル、そうでない場合にローレベルの過電圧検出信号S2をアンドゲート1000及びナンドゲート1300に出力し、またNOT回路1400を通じてアンドゲート900に出力する。鋸歯状パルス発振器300は10μsec周期で鋸歯状パルスを発振し、鋸歯状パルス発振器400は20μsec周期で鋸歯状パルスを発振し、矩形波パルス発振器500は40μsec周期で矩形波パルスを発振している。マルチプレクサ600は、漏れ電流が小さく、漏れ電流検出信号S1がローレベルの場合に発振器300の出力をコンパレータ800に出力し、漏れ電流が大きく、漏れ電流検出信号S1がハイレベルの場合に発振器400の出力をコンパレータ800に出力する。これにより、コンパレータ800は、漏れ電流が小さい場合には10μsec周期でバッテリ電圧(入力電源電圧)Viの大きさに比例したデューティ比(Duty)を出力する。また、コンパレータ800は、漏れ電流が大きい場合には20μsec周期でバッテリ電圧(入力電源電圧)Viの大きさに比例したデューティ比(Duty)のPWMパルス信号を出力する。
The leakage
過電圧検出回路200は、バッテリ1の電圧が異常に高くない場合にNOT回路1400を通じてANDゲート900を開き、アンドゲート1000を閉じるため、コンパレータ800からPWMパルス信号をオア回路1100を通じてアンドゲート1200に出力する。ナンドゲート1300は漏れ電流が小さくかつバッテリ1の電圧が異常に高くない場合にアンドゲート1200を開いているため、上記PWMパルス信号はアンドゲート1200及び図示しないバッファ増幅器を通じてフォトカプラ93に出力される。また、過電圧検出回路200は、バッテリ1の電圧が異常に高い場合にANDゲート900を閉じ、アンドゲート1000を開くため、発振器500から40μsec周期の矩形波パルス信号(デューティ比50%)がノアゲート1100を通じてアンドゲート1200に出力される。ナンドゲート1300は漏れ電流が小さくかつバッテリ1の電圧が異常に高い場合にアンドゲート1200を開いているため、上記矩形波パルス信号はアンドゲート1200及び図示しないバッファ増幅器を通じてフォトカプラ93に出力される。
The
次に、漏れ電流が大きくかつバッテリ1の電圧も異常に高い場合には、ナンドゲート1300の出力はローレベルとなってアンドゲート1200を閉じ、フォトカプラ93にはローレベルが出力され、入力状態モニタ回路92からコントローラ91への信号送信が停止される。上記説明された入力状態モニタ回路92からコントローラ91への情報送信により、コントローラ91は入力電源電圧Viの大きさに応じたデューティ比のPWMパルス信号を受け取ると同時に、副電源スイッチ8の漏れ電流及び入力電源電圧Viの異常高電圧状態を単一フォトカプラ93を用いるだけでモニタすることができる。
Next, when the leakage current is large and the voltage of the
(漏れ電流検出回路100及び過電圧検出回路200の説明)
次に、漏れ電流検出回路100及び過電圧検出回路200の一例を図8を参照して説明する。突入電流制限回路は主電源スイッチ2と並列に設けても良く、図8に示すように突入電流制限回路を主電源スイッチ5と並列に設けてもよい。図8において、Xは副電源スイッチ8と突入電流制限抵抗器4との接続点、Yは副電源スイッチ8とバッテリ1と主電源スイッチ5との接続点、Zは突入電流制限抵抗器4と主電源スイッチ5との接続点である。図8において、100は漏れ電流検出回路、200は過電圧検出回路である。240aはバッテリ1の電圧の低電位レベルを基準とする電源電圧を発生する定電源電圧回路であり、後述するオペアンプ、コンパレータに電源電圧を印加している。240bは、しきい値電圧発生用の分圧回路に電源電圧を印加する定電源電圧回路であり、抵抗310、320を直列してなる抵抗分圧回路と、抵抗210、220を直列してなる抵抗分圧回路とに電源電圧を印加している。
(Description of Leakage
Next, an example of the leakage
漏れ電流検出回路100は、反転電圧増幅回路250とコンパレータ290とを有しており、反転電圧増幅回路250は、入力抵抗260、帰還抵抗270およびオペアンプ280からなるオペアンプ式反転電圧増幅回路により構成されている。接続点Xの電位Vxは入力抵抗260を通じてオペアンプ280のー入力端に入力され、オペアンプ280の+入力端は接続点Zに接続されている。コンパレータ290のー入力端にはオペアンプ280が出力する信号電圧Vsが入力され、コンパレータ290の+入力端にはしきい値電圧Vthが入力される。このしきい値電圧Vthは抵抗310、320を直列接続してなる抵抗分圧回路により形成される。反転電圧増幅回路250の電圧増幅率は、入力抵抗260と帰還抵抗270との抵抗比により規定される。
The leakage
接続点Zの電位を0Vと仮定して、漏れ電流検出回路100の漏れ電流検出動作を説明する。主電源スイッチ2をオンし、主電源スイッチ5および副電源スイッチ8をオフした状態にて、接続点Xの電位Vxを入力抵抗260を通じてオペアンプ280の−入力端に読み込む。接続点Zの電位を0Vと仮定しているので接続点Xの電位は相対的に負となり、オペアンプ280の信号電圧Vsは+となる。コンパレータ290はこの信号電圧Vsとしきい値電圧Vthとを比較して信号電圧Vsがしきい値電圧Vthより大きい場合に副電源スイッチ8の漏れ電流が異常に大きいことを示すローレベル電位(たとえば0V)を出力し、そうでない場合にハイレベル電位(正電位)を出力する。この漏れ電流検出回路100によれば、信号電位Vxが負電位(接続点Zを0Vとする時)であるにもかかわらず、オペアンプ280の−入力端の電位は仮想接地されているとみなすことができ、かつ、反転電圧増幅回路250の出力電圧Vsは正側に振れるため、反転電圧増幅回路250およびコンパレータ290に制御電源240aから0〜所定の正電位Vdの範囲の電源電圧を印加することができる。
The leakage current detection operation of the leakage
過電圧検出回路200は、入力電源電圧Viが所定の最大許容電圧値を超えたかどうかを判定する回路であって、抵抗180、190からなる分圧回路、抵抗210、220からなる分圧回路、及びコンパレータ230により構成されている。バッテリ1の電圧は、抵抗180、190からなる分圧回路により分圧されてコンパレータ230の+入力端に入力される。抵抗210、220からなる抵抗分圧回路はしきい値電圧をコンパレータ230のー入力端に印加している。コンパレータ230は、バッテリ1の電圧すなわち入力電源電圧Viがこのしきい値電圧を超える場合にそれを警報する過電圧判定信号としてハイレベルを出力する。なお、D1、D2は、反転増幅器280の−入力端子に入力される信号電圧Vxがなんらかの要因により異常に高くなったり、異常に低くなったりするのをクランプ作用により防止するためのクランプダイオードである。
The
次に、フォトカプラ93を通じて入力された上記モニタ情報に基づくコントローラ91の対応動作を説明する。コントローラ91は、フォトカプラ93を通じて入力される単一のパルス信号に基づいて、図9に示す下記の4つの異なるモードでスイッチング素子Q1の耐圧保護及び副電源スイッチ8の監視を行う。Aモードは、漏れ電流が大きく、かつ入力電源電圧Viが異常に高くない場合である。コントローラ91は、DC−DCコンバータ回路90のPWM制御を行うとともに、外部に副電源スイッチ8の漏れ電流増大を警告する。Bモードは、漏れ電流が小さく、かつ入力電源電圧Viが異常に高くない場合である。コントローラ91は、DC−DCコンバータ回路90のPWM制御を行うとともに、外部に副電源スイッチ8の漏れ電流増大を警告しない。Cモードは、漏れ電流が小さく、入力電源電圧Viが異常に高い場合である。入力電源電圧Viが異常に高い場合にはスイッチング素子Q1に印加される電圧が許容範囲を超える可能性が生じるため、コントローラ91は、DC−DCコンバータ回路90のPWM制御を停止させるとともに、外部に副電源スイッチ8の漏れ電流増大を警告しない。Dモードは、漏れ電流が大きく、かつ入力電源電圧Viが異常に高く場合である。コントローラ91は、DC−DCコンバータ回路90のPWM制御を停止させるとともに、外部に副電源スイッチ8の漏れ電流増大を警告する。コントローラ91によるこのような制御自体はマイコン制御などにより容易に実現できることであるため、フローチャートの図示は省略する。
Next, the corresponding operation of the
(スイッチング素子Q1のPWM制御の追加説明)
次に、この実施例におけるコントローラ91によるスイッチング素子Q1のフィードバックPWM制御について追加説明する。この実施例では、図7に示すコンパレータ800は、入力電源電圧Viに対して図5に示す斜線L1に相当する数量関係をもつデューティ比をもつPWMパルス信号を出力するように設定されている。なお、Vxxは上記で言う入力電源電圧Viが異常に大きいかどうかをしきい値電圧に相当する。これにより、コントローラ91は、スイッチング素子Q1に出力するPWMパルス信号のデューティ比が、フォトカプラ93を通じて入力されるPWMパルス信号のデューティ比を超える場合に、強制的にフォトカプラ93を通じて入力されるPWMパルス信号のデューティ比に制限するだけで、スイッチング素子Q1への印加電圧を制限以内とすることができる。また、フォトカプラ93を通じて40μsec周期の矩形波パルス信号(デューティ比50%)を受信する場合及び全くパルス信号を受信しない場合にはスイッチング素子Q1のスイッチングを停止する。
(Additional explanation of PWM control of switching element Q1)
Next, feedback PWM control of the switching element Q1 by the
(実施例効果)
この実施例によれば、入力電源電圧Viの過大が検出されてスイッチング素子Q1のPWM制御を禁止する状態が、入力電源電圧Viの過大が検出されず、スイッチング素子Q1をPWM制御可能な状態よりも、フォトカプラ93を通じてコントローラ91に入力されるパルス信号の周期が長く設定されている。これにより、スイッチング素子Q1の制御が可能な状態は素早く検出することができる。
(Example effect)
According to this embodiment, an excessive state of the input power supply voltage Vi is detected and the PWM control of the switching element Q1 is prohibited. An excessive state of the input power supply voltage Vi is not detected and the switching element Q1 can be PWM controlled. In addition, the period of the pulse signal input to the
更に、フォトカプラ93からのパルス信号入力がないDモードにおいては、このパルス信号のデューティ比が0となるために、このパルス信号のデューティ比以下に常に抑制されるスイッチング素子Q1のデューティ比がコントローラ91による入力電源電圧Viの過大認識以前にハードウエア回路により0に容易に制限できるため、スイッチング素子Q1に対する保護が良好となる。
Further, in the D mode in which no pulse signal is input from the
(変形態様1)
上記実施例では、検出した入力電源電圧の大きさに応じたデューティ比を有するPWMパルス信号をフォトカプラ(入出力絶縁分離回路)93を通じてコントローラ91に伝送し、漏れ電流の大きさによりこのPWMパルス信号の周期を変更したが、その代わりに、検出した入力電源電圧の大きさに応じたパルス幅を有するPWMパルス信号をフォトカプラ(入出力絶縁分離回路)93を通じてコントローラ91に伝送し、漏れ電流の大きさによりこのPWMパルス信号の周期を変更するようにしてもよい。
(Modification 1)
In the above embodiment, a PWM pulse signal having a duty ratio corresponding to the detected magnitude of the input power supply voltage is transmitted to the
電圧の大きさに応じたパルス幅のパルス信号を発生する回路、このパルス信号の周期を変更する回路は図示説明するまでもなく、ハードウエア回路やソフトウエア処理により容易に実現できることは明らかである。この場合、コントローラ91は、フォトカプラ93を通じて受信したパルス信号から抽出したパルス幅の範囲に、スイッチング素子Q1を制御するPWMパルス信号のデューティ比を制限する。入力状態モニタ回路92がフォトカプラ93を通じて出力するパルス信号のパルス幅は、スイッチング素子Q1の許容可能な最大デューティ比におけるパルス幅とされる。このようにすれば、上記実施例と同様の効果を奏することができる。
It is obvious that a circuit for generating a pulse signal having a pulse width corresponding to the magnitude of the voltage and a circuit for changing the period of the pulse signal can be easily realized by a hardware circuit or software processing, without needing to be described. . In this case, the
(変形態様2)
変形態様1では、モードA、Bにて入力電圧Viに相当するパルス幅(パルス幅期間とも言う)をもつPWMパルス信号をフォトカプラ93を通じてコントローラ91に伝送し、漏れ電流の大きさによりこのPWMパルス信号の周期を変更した。この変形態様2では、モードA、Bにて入力電圧Viに相当(比例)するパルス間隔期間(=パルス周期ーパルス幅期間)をもつPWMパルス信号をフォトカプラ93を通じてコントローラ91に伝送し、漏れ電流の大きさによりこのPWMパルス信号の周期を変更することもできる(図10参照)。
(Modification 2)
In
(変形態様3)
上記したパルス幅期間又はパルス間隔期間の長さにより入力電圧Viを伝送する場合、モードAとモードBとによる周期切り替えによりコントローラ91が、受信したパルス信号のパルス幅期間又はパルス間隔期間を誤ってカウントすることを避ける必要がある。そこで、この変形態様では、上記モード切替にもかかわらず、モードA送信用のパルス信号電圧SaとモードB送信用のパルス信号電圧Sbを同期させることによりコントローラ91による上記誤カウントを防止している。
(Modification 3)
When the input voltage Vi is transmitted according to the length of the pulse width period or the pulse interval period described above, the
以下、図10を参照して一例を具体的に説明する。入力状態モニタ回路92は、モードB送信用のパルス信号電圧の奇数番目(又は偶数番目)のパルス電圧を間引くことによりモードA送信用のパルス信号電圧を形成している。このようにすれば、図7において発振器300及びマルチプレクサ600を省略することができる。ただし、モードBを送信する場合には、コンパレータ800が出力するパルス電圧のうち奇数番目(又は偶数番目)のパルス電圧を間引く間引き回路を通じて、コンパレータ800からアンドゲート900に間引き済みのパルス信号電圧を出力する。当然、モードAを送信する場合には、この間引き回路をバイパスしてコンパレータ800からアンドゲート900にパルス信号電圧を直接出力すればよい。図10において、Stは発振器400が出力する鋸歯状パルス電圧である。なお、鋸歯状パルス電圧を二値化した矩形波パルス電圧を間引く代わりに、上記と同様に鋸歯状パルス電圧波形にてパルス電圧の間引きを行ってもよいことは明らかである。
Hereinafter, an example will be specifically described with reference to FIG. The input
次に、この変形態様3でなされるコントローラ91による入力電圧Viの読み込みの一例について以下説明する。まず、パルス立ち下がりエッジtxから次のパルス立ち上がりエッジまでをカウントし、モードBであればそれを入力電圧Vi相当信号と見なし、モードAであればそれから10μsを差し引いて入力電圧Vi相当信号と見なせばよい。どちらのモードにおいてもコントローラ91のパルス間隔開始時点は同タイミングで発生するため、入力電圧Vi算出の基礎となるパルス間隔時間のカウント処理が簡単となり、それを誤ることがない。
Next, an example of reading of the input voltage Vi by the
つまり、この変形態様では、入力電圧(入力電源電圧)Viに相当するパルス間隔のカウント開始時点であるパルス立ち下がりエッジを、二つのパルス信号で実質的に同一タイミングに設定するので、パルス信号切り替えにおいてパルス間隔のカウントを正確に実施することができ、入力電源電圧の検出の信頼性を更に向上することができる。 That is, in this modification, the pulse falling edge, which is the count start point of the pulse interval corresponding to the input voltage (input power supply voltage) Vi, is set to substantially the same timing with the two pulse signals, so the pulse signal switching In this case, the pulse interval can be accurately counted, and the reliability of detection of the input power supply voltage can be further improved.
(変形態様4)
この変形態様4では、図10に示すようにCモードの周期をAモードの周期及びBモードの周期よりも長くした。これにより、各周期を誤って判定することがない。また、この変形態様では、モードA、モードBからモードCへの切り替えの際に、コントローラ91がカウントするところの入力電圧Viに関連する時間が決して入力電圧Viに相当する時間とならないようにモードA送信用のパルス信号電圧のタイミングを設定する。すなわち、たとえばコントローラ91が、モードA又はモードB送信用のパルス信号電圧の立ち下がり時点からの経過時間を入力電圧Vi相当時間としてカウントしている最中にモードC送信用のパルス信号Scのパルス立ち上がりエッジが入力されると、それにより入力電圧Vi相当時間が確定し、コントローラ91は誤ったデューティ比を算出してしまう。そこで、この変形態様では、モードA又はB送信用のパルス信号電圧の立ち下がりエッジ(入力電圧Vi相当時間のカウント開始時点)からデューティ比の最大値に相当する値を超えて遅延したタイミングにてモードC送信用のパルス信号Scの立ち上がりエッジが生じるように制御する。これにより、上記問題を解決することができる。
(Modification 4)
In this modified
すなわち、モードC送信用のパルス信号Scのパルス周期は、モードA送信用のパルス信号Sa又はモードB送信用のパルス信号Sbのパルス周期よりも長く設定され、パルス間隔Tcをパルス間隔Tbより長くしているため、モードA送信用のパルス信号Sa又はモードB送信用のパルス信号SbからモードC送信用のパルス信号Scへの移行に際してモードCを早期に検出することができるとともに入力電源電圧の誤検出も生じない。 That is, the pulse period of the pulse signal Sc for mode C transmission is set longer than the pulse period of the pulse signal Sa for mode A transmission or the pulse signal Sb for mode B transmission, and the pulse interval Tc is longer than the pulse interval Tb. Therefore, the mode C can be detected at the time of transition from the pulse signal Sa for mode A transmission or the pulse signal Sb for mode B transmission to the pulse signal Sc for mode C transmission, and the input power supply voltage There is no false detection.
(変形態様5)
この変形態様5では、図10に示すようにCモードのパルス間隔TcをAモードのパルス間隔Ta及びBモードのパルス間隔Tbよりも長くした。これにより、モードC送信用のパルス信号Scは、コントローラ91がこのモードC送信用のパルス信号Scから入力電圧Vi相当時間をカウントする場合にこの入力電圧Vi相当時間が通常の入力電圧Viに相当する時間で終了することがない。図10を参照して更に具体的に説明すると、コントローラ91はパルス立ち下がりエッジtxから入力電圧Vi相当時間のカウントを開始し、次に入力するパルス立ち上がりエッジにてこの入力電圧Vi相当時間を確定する。この態様では、モードC送信用のパルス信号Scのパルス間隔期間Tc(=略モードA送信用のパルス信号電圧のパルス周期)をモードA送信用のパルス信号電圧Saのパルス間隔期間Tbの最大値よりも長く設定しているため、パルス信号Scの送信によりコントローラ91は自己がカウントしたパルス間隔期間を入力電圧Vi相当時間と誤認することはない。また、モードCへの移行を速やかに検出することが可能となる。
(Modification 5)
In this modified
なお、最後に付言すると、パルス電圧をインバータで反転すると、パルス幅期間はパルス間隔期間となり、パルス間隔期間はパルス幅期間となり、パルス立ち上がりエッジとパルス立ち下がりエッジは逆転する。このような変更は上記実施例の範疇に含まれることは当然である。 Note that, finally, when the pulse voltage is inverted by an inverter, the pulse width period becomes a pulse interval period, the pulse interval period becomes a pulse width period, and the pulse rising edge and the pulse falling edge are reversed. Such a change is naturally included in the category of the above embodiment.
1 バッテリ(入力電源)
2 主電源スイッチ
4 突入電流制限抵抗器
5 主電源スイッチ
6 平滑コンデンサ
7 三相インバータ回路
8 副電源スイッチ
9 電圧変換回路
90 DC−DCコンバータ回路
91 コントローラ
92 入力状態モニタ回路
93 フォトカプラ
100 電流検出回路
200 過電圧検出回路
1 Battery (input power)
2
Claims (8)
検出した前記入力電源電圧の大きさに応じたパルス幅又はオン・デューティ比を有するパルス信号を入出力絶縁分離回路を通じて出力する入力状態モニタ回路と、
前記DC−DCコンバータ回路の出力電圧の電位レベルを基準とする電源電圧により作動するとともに、前記入力電源電圧及び前記DC−DCコンバータ回路の出力電圧に応じて前記スイッチング素子を制御するコントローラと、
を備え、
前記入力状態モニタ回路は、
前記入力側回路の異常状態を検出した場合に、前記入力状態モニタ回路が出力する前記パルス信号のパルス周期を変更し、
前記コントローラは、
前記パルス周期変更を判別することにより前記入力側回路の異常状態を判別することを特徴とする入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置。 An input side circuit that intermittently switches the switching element and converts an input power supply voltage applied from a DC power source into an AC voltage and outputs the output voltage, an output side circuit that rectifies the AC voltage and then outputs the output voltage to the outside, And a DC-DC converter circuit having a transformer that transforms the input side circuit from the input side circuit to the output side circuit and transmits AC power while electrically isolating the output side circuit from the input side circuit;
An input state monitor circuit that outputs a pulse signal having a pulse width or an on-duty ratio according to the detected magnitude of the input power supply voltage through an input / output isolation circuit;
A controller that operates with a power supply voltage based on a potential level of an output voltage of the DC-DC converter circuit and controls the switching element in accordance with the input power supply voltage and the output voltage of the DC-DC converter circuit;
With
The input state monitor circuit includes:
When an abnormal state of the input side circuit is detected, the pulse period of the pulse signal output by the input state monitor circuit is changed,
The controller is
An input / output insulation-separated DC-DC converter device, wherein an abnormal state of the input side circuit is determined by determining the change of the pulse period.
前記入力側回路は、
前記スイッチング素子を内蔵して前記入力電源電圧を前記交流電圧に変換するインバータ回路と、前記直流電源と前記インバータ回路との間の電気的接続を開閉する主電源スイッチと、互いに直列接続された副電源スイッチ及び突入電流制限抵抗器により構成されて前記主電源スイッチに並列接続される突入電流制限抵抗回路とを備え、
前記入力状態モニタ回路は、
前記副電源スイッチへのオフ指令時に前記副電源スイッチに流れる電流が所定しきい値を超えた電流異常状態を検出した場合に、前記パルス周期の変更を行うことを特徴とする入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置。 In the input / output isolation type DC-DC converter device according to claim 1,
The input side circuit is:
An inverter circuit that incorporates the switching element and converts the input power supply voltage to the AC voltage; a main power switch that opens and closes an electrical connection between the DC power supply and the inverter circuit; An inrush current limiting resistor circuit configured by a power switch and an inrush current limiting resistor and connected in parallel to the main power switch;
The input state monitor circuit includes:
The input / output isolation type, wherein the pulse cycle is changed when an abnormal current state in which the current flowing through the sub power switch exceeds a predetermined threshold is detected when the sub power switch is turned off. DC-DC converter device.
前記入力状態モニタ回路は、
前記入力電源電圧が所定しきい値を超えた過電圧入力状態を検出した場合に前記パルス周期の変更を行うことを特徴とする入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置。 In the input / output isolation type DC-DC converter device according to claim 1,
The input state monitor circuit includes:
An input / output isolation type DC-DC converter device, wherein the pulse period is changed when an overvoltage input state in which the input power supply voltage exceeds a predetermined threshold is detected.
前記入力状態モニタ回路は、
前記リーク電流異常状態が検出され、かつ、前記過電圧入力状態が検出されないAモードと、前記リーク電流異常状態が検出されず、かつ、前記過電圧入力状態が検出されないBモードと、前記リーク電流異常状態が検出されず、かつ、前記過電圧入力状態が検出されたCモードと、前記リーク電流異常状態が検出され、かつ、前記過電圧入力状態が検出されたDモードとを有し、前記各モードに対して互いに異なるパルス周期を割り当てることを特徴とする入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置。 In the input / output isolation type DC-DC converter device according to claim 2 and 3,
The input state monitor circuit includes:
The A mode in which the leakage current abnormal state is detected and the overvoltage input state is not detected, the B mode in which the leakage current abnormal state is not detected and the overvoltage input state is not detected, and the leakage current abnormal state Are detected, and the overvoltage input state is detected in the C mode, and the leakage current abnormal state is detected, and the overvoltage input state is detected in the D mode. An input / output isolation type DC-DC converter device characterized by assigning different pulse periods to each other.
前記入力状態モニタ回路は、
前記A、Bモードにおいて、前記入力電源電圧の増加に応じて減少するデューティ比又はパルス幅をもつPWMパルス信号を前記コントローラに送信し、
前記コントローラは、
前記DC−DCコンバータ回路の出力電圧を一定とするための前記DC−DCコンバータの前記スイッチング素子に印加するPWM制御を、前記入力状態モニタ回路から受信した前記PWMパルス信号のデューティ比又はパルス幅の範囲内に制限することを特徴とする入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置。 In the input / output isolation type DC-DC converter device according to claim 4,
The input state monitor circuit includes:
In the A and B modes, a PWM pulse signal having a duty ratio or a pulse width that decreases as the input power supply voltage increases is transmitted to the controller,
The controller is
The PWM control applied to the switching element of the DC-DC converter for making the output voltage of the DC-DC converter circuit constant is the duty ratio or pulse width of the PWM pulse signal received from the input state monitor circuit. An input / output isolation type DC-DC converter device characterized by being limited within a range.
前記入力状態モニタ回路は、
前記入力電源電圧の増加に応じて変化するパルス間隔と、第1の異常状態を示す第1の周期とをもつ第1のパルス信号と、
前記入力電源電圧の増加に応じて変化するパルス間隔と、第2の異常状態を示す第2の周期とをもつ第2のパルス信号と、
のどちらかを選択して出力し、
前記第1のパルス信号のパルス立ち下がりエッジと第2のパルス信号のパルス立ち下がりエッジとは、同一タイミングに設定されることを特徴とする入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置。 In the input / output isolation type DC-DC converter device according to claim 1,
The input state monitor circuit includes:
A first pulse signal having a pulse interval that changes in response to an increase in the input power supply voltage, and a first period indicating a first abnormal state;
A second pulse signal having a pulse interval that changes in response to an increase in the input power supply voltage and a second period that indicates a second abnormal state;
Select one of these to output,
The input / output isolation type DC-DC converter device characterized in that the pulse falling edge of the first pulse signal and the pulse falling edge of the second pulse signal are set at the same timing.
前記入力状態モニタ回路は、前記入力電源電圧の増加に応じて変化しないパルス間隔を有して第3の異常状態を示す第3のパルス信号と前記第1信号と第2信号とのどれかを選択して出力し、
前記第3のパルス信号のパルス周期は、前記第1パルス信号又は第2信号のパルス周期よりも長く設定され、
前記第1又は第2のパルス信号から前記第3のパルス信号への移行に際して前記コントローラが受信するパルス信号のパルス間隔は前記入力電源電圧に相当しない範囲に設定されることを特徴とする入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置。 In the input / output isolation type DC-DC converter device according to claim 6,
The input state monitor circuit has a pulse interval that does not change according to an increase in the input power supply voltage, and indicates any one of the third pulse signal indicating the third abnormal state, the first signal, and the second signal. Select and output
The pulse period of the third pulse signal is set longer than the pulse period of the first pulse signal or the second signal,
The pulse interval of the pulse signal received by the controller at the time of transition from the first or second pulse signal to the third pulse signal is set in a range not corresponding to the input power supply voltage. Insulation separation type DC-DC converter device.
前記入力状態モニタ回路は、前記入力電源電圧の増加に応じて変化しないパルス間隔を有して第3の異常状態を示す第3のパルス信号と前記第1信号と第2信号とのどれかを選択して出力し、
前記第3のパルス信号のパルス間隔は、前記第1パルス信号又は第2信号のパルス間隔の最大値よりも長く設定されていることを特徴とする入出力絶縁分離型DC−DCコンバータ装置。 In the input / output isolation type DC-DC converter device according to claim 6,
The input state monitor circuit has a pulse interval that does not change according to an increase in the input power supply voltage, and indicates any one of the third pulse signal indicating the third abnormal state, the first signal, and the second signal. Select and output
The input / output isolation type DC-DC converter device characterized in that the pulse interval of the third pulse signal is set longer than the maximum value of the pulse interval of the first pulse signal or the second signal.
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