JP4271673B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、直流入力電圧をスイッチングして得られるスイッチング出力を電圧変換トランスの出力巻線に取り出すように構成されたスイッチング電源装置に係り、特に直流入力電圧を検出する電圧検出回路を有するスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device configured to extract a switching output obtained by switching a DC input voltage to an output winding of a voltage conversion transformer, and more particularly, a switching power supply having a voltage detection circuit for detecting a DC input voltage. Relates to the device.
一般に、ハイブリッドカー(Hybrid Electric Vehicle )には、ワイパー、ヘッドライト、ルームライト、オーディオ機器、空調機および各種計器類等の車両搭載機器を駆動するための電源として、例えば12ボルト程度の低圧の直流電圧を出力する低圧バッテリ(以下、低圧バッテリという。)が搭載されると共に、モータを駆動するための電源として、例えば400V程度の高圧の直流電圧を出力する高圧バッテリが搭載されている。通常、このような低圧バッテリに対する充電は、エンジンの回転を利用して駆動される交流発電機からの交流出力電圧を整流して高圧の直流電圧を得ると共に、この直流入力電圧をスイッチング電源装置を用いてより低圧の直流電圧に変換してから低圧バッテリに供給することで行われる。なお、高圧バッテリに対する充電は、上記したエンジン側からの直流入力電圧を高圧バッテリに供給することで行われる。このスイッチング電源装置は、例えば特許文献1に記載されているように、直流入力電圧をインバータ回路によって交流電圧に一旦変換したのち、その交流電圧を電圧変換トランスで変圧すると共に整流回路等によって再び直流電圧に変換することで電圧変換を行うものである。 Generally, a hybrid electric vehicle (Hybrid Electric Vehicle) has a low-voltage direct current of about 12 volts as a power source for driving on-vehicle equipment such as wipers, headlights, room lights, audio equipment, air conditioners and various instruments. A low-voltage battery (hereinafter referred to as a low-voltage battery) that outputs a voltage is mounted, and a high-voltage battery that outputs a high-voltage DC voltage of about 400 V, for example, is mounted as a power source for driving the motor. Usually, such a low-voltage battery is charged by rectifying an AC output voltage from an AC generator driven by the rotation of the engine to obtain a high-voltage DC voltage, and using this DC input voltage as a switching power supply. It is performed by using a low-voltage DC voltage after being converted to a lower-voltage battery. Note that the high-voltage battery is charged by supplying the DC input voltage from the engine side to the high-voltage battery. In this switching power supply device, as described in Patent Document 1, for example, a DC input voltage is once converted into an AC voltage by an inverter circuit, and then the AC voltage is transformed by a voltage conversion transformer and is again DC by a rectifier circuit or the like. Voltage conversion is performed by converting the voltage.
ところで、エンジン側から供給される直流入力電圧がスイッチング電源装置の内部回路の耐圧を超えると内部回路を破壊する虞がある。そのため、内部回路が破壊されないように、その直流入力電圧を常に監視しておくことが重要となる。このことは、上記ハイブリッドカーに搭載されたスイッチング電源装置に限られるものではなく、一般的なスイッチング電源装置にも当てはまるものである。 By the way, if the DC input voltage supplied from the engine side exceeds the withstand voltage of the internal circuit of the switching power supply device, the internal circuit may be destroyed. Therefore, it is important to always monitor the DC input voltage so that the internal circuit is not destroyed. This is not limited to the switching power supply device mounted on the hybrid car, but also applies to a general switching power supply device.
例えば、特許文献2では、直流入力電圧を検出するための電圧検出回路が設けられている。この電圧検出回路は、電圧変換トランスの出力巻線に発生する電圧を検出した後、演算により直流入力電圧を推定するようになっている。
For example, in
しかし、特許文献2の技術では、ひとたび、スイッチング電源装置のスイッチング動作が停止し、出力巻線に電圧が発生しなくなると、直流入力電圧を検出することができなくなる。このように、特許文献2の技術では、直流入力電圧を常に検出することが極めて困難であるという問題がある。
However, in the technique of
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、直流入力電圧を常に検出することの可能なスイッチング電源装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of such problems, and an object of the present invention is to provide a switching power supply device capable of always detecting a DC input voltage.
本発明のスイッチング電源装置は、電源本体部に電圧検出部が接続されたものである。電圧検出部は、3つのトランスコイル(第1トランスコイル、第2トランスコイル、第3トランスコイル)を含んで構成された電圧検出用トランスと、スイッチング素子と、検出信号線とを有している。ここで、第1トランスコイルは1次側に設けられ、第1電源と接続されるようになっている。第2トランスコイルは2次側に設けられ、検出信号線と接続されるようになっている。第3トランスコイルは第1トランスコイルと磁気的に結合するように設けられ、スイッチング素子のオンオフに応じて第2電源から直流電圧が断続的に印加されるようになっている。このように、電圧検出部は、第1電源の出力端に直接接続されるようになっている。 The switching power supply device of the present invention is such that a voltage detector is connected to a power supply body. The voltage detection unit includes a voltage detection transformer configured to include three transformer coils (a first transformer coil, a second transformer coil, and a third transformer coil), a switching element, and a detection signal line. . Here, the first transformer coil is provided on the primary side, and is connected to the first power source. The second transformer coil is provided on the secondary side and is connected to the detection signal line. The third transformer coil is provided so as to be magnetically coupled to the first transformer coil, and a DC voltage is intermittently applied from the second power source in accordance with on / off of the switching element. As described above, the voltage detection unit is directly connected to the output terminal of the first power supply.
本発明のスイッチング電源装置では、電圧検出部において、スイッチング素子がスイッチング動作すると、第2電源からの直流電圧がパルス状の電圧に変換され、第3トランスコイルにパルス状の電流が流れる。すると、第1トランスコイルに電力が伝送されてパルス状の電流が生じ、この第1トランスコイルの電流により、第2トランスコイルにパルス状の電圧が誘起される。ここで、第1トランスコイルを流れるパルス状の電流は、第1電源からの直流入力電圧の情報を含んでいるので、第2トランスコイルに誘起される電圧も第1電源からの直流入力電圧の情報を含むこととなる。このように、第1電源からの直流入力電圧の情報を含んだ電圧が、電圧検出部によって第1電源の出力端から直接検出される。 In the switching power supply device of the present invention, when the switching element performs a switching operation in the voltage detection unit, the DC voltage from the second power supply is converted into a pulsed voltage, and a pulsed current flows through the third transformer coil. Then, electric power is transmitted to the first transformer coil to generate a pulsed current, and a pulsed voltage is induced in the second transformer coil by the current of the first transformer coil. Here, since the pulsed current flowing in the first transformer coil includes information on the DC input voltage from the first power supply, the voltage induced in the second transformer coil is also the DC input voltage from the first power supply. Information will be included. As described above, the voltage including the information of the DC input voltage from the first power supply is directly detected from the output terminal of the first power supply by the voltage detection unit.
上記第1トランスコイル、第2トランスコイルおよび第3トランスコイルは、第1トランスコイルおよび第2トランスコイルの極性と、第3トランスコイルの極性とが互いに逆向きとなるように磁気結合されると共に、スイッチング素子がオフのときにのみ第1トランスコイルに電流を流す第1電流制御素子と、スイッチング素子がオフのときにのみ第2トランスコイルに電流を流す第2電流制御素子を電圧検出部にそれぞれ設けることが好ましい。 The first transformer coil, the second transformer coil, and the third transformer coil are magnetically coupled so that the polarities of the first transformer coil and the second transformer coil and the polarities of the third transformer coil are opposite to each other. The voltage detection unit includes a first current control element that allows current to flow through the first transformer coil only when the switching element is off, and a second current control element that allows current to flow through the second transformer coil only when the switching element is off. Each is preferably provided.
この場合、スイッチング素子をオンすると、第3トランスコイルには電流が流れる一方、第1トランスコイルおよび第2トランスコイルには電流が流れないので、電圧検出用トランスにエネルギーが蓄積される。その後、スイッチング素子をオフすると、蓄積されたエネルギーが第1トランスコイルに開放され、第1トランスコイルに電流が流れる。このように、第1トランスコイルと第3トランスコイルでは、電流の流れる位相が逆となるので、第2電源からの直流電圧の大きさに依存しない電圧が第2トランスコイルに誘起される。 In this case, when the switching element is turned on, a current flows through the third transformer coil, but no current flows through the first transformer coil and the second transformer coil, so that energy is accumulated in the voltage detection transformer. Thereafter, when the switching element is turned off, the stored energy is released to the first transformer coil, and a current flows through the first transformer coil. Thus, since the phase in which the current flows is reversed between the first transformer coil and the third transformer coil, a voltage independent of the magnitude of the DC voltage from the second power supply is induced in the second transformer coil.
また、整流回路の直流出力電圧が第1電源の直流入力電圧より低くなるように電源本体部が設定されているとき、すなわち電源本体部が降圧型のときは、第3トランスコイルを2次側に設けることが好ましい。また、整流回路の直流出力電圧が第1電源の直流入力電圧より高くなるように電源本体部が設定されているとき、すなわち電源本体部が昇圧型のときは、第3トランスコイルを1次側に設けることが好ましい。つまり、第3トランスコイルを低圧側に設けることが好ましい。このようにすると、電圧検出部を高耐圧部品で構成する必要がなくなる。 Further, when the power supply main body is set so that the DC output voltage of the rectifier circuit is lower than the DC input voltage of the first power supply, that is, when the power supply main body is a step-down type, the third transformer coil is connected to the secondary side. It is preferable to provide in. Further, when the power supply main body is set so that the DC output voltage of the rectifier circuit is higher than the DC input voltage of the first power supply, that is, when the power supply main body is a step-up type, the third transformer coil is connected to the primary side. It is preferable to provide in. That is, it is preferable to provide the third transformer coil on the low voltage side. In this way, it is not necessary to configure the voltage detection unit with high voltage components.
本発明のスイッチング電源装置によれば、第2電源から第3トランスコイルに直流電圧を印加すると共に、第1電源からの直流入力電圧の情報を含んだ電圧を、第1電源の出力端から直接検出するようにしたので、電源本体部のスイッチング動作が停止した後であっても、直流入力電圧を検出することができる。したがって、直流入力電圧を常に検出することができる。 According to the switching power supply device of the present invention, a DC voltage is applied from the second power supply to the third transformer coil, and a voltage including information on the DC input voltage from the first power supply is directly applied from the output terminal of the first power supply. Since the detection is made, it is possible to detect the DC input voltage even after the switching operation of the power supply main body is stopped. Therefore, it is possible to always detect the DC input voltage.
また、第1トランスコイルおよび第2トランスコイルの極性と、第3トランスコイルの極性とが互いに逆向きとなるように、これら第1トランスコイル、第2トランスコイルおよび第3トランスコイルを磁気結合すると共に、第1電流制御素子および第2電流制御素子を電圧検出部にそれぞれ設けた場合は、第2電源からの直流電圧(または整流回路からの直流出力電圧)の大きさに依存しない電圧を第2トランスコイルに誘起させることができる。これにより、第2電源からの直流電圧の変動や、電圧変換トランスの2次側で発生するサージ電圧による直流出力電圧の変動などの影響を受けないので、直流入力電圧をより一層精度良く検出することができる。 In addition, the first transformer coil, the second transformer coil, and the third transformer coil are magnetically coupled so that the polarities of the first transformer coil and the second transformer coil and the polarities of the third transformer coil are opposite to each other. In addition, when the first current control element and the second current control element are provided in the voltage detection unit, a voltage that does not depend on the magnitude of the DC voltage from the second power supply (or the DC output voltage from the rectifier circuit) is provided. Two transformer coils can be induced. As a result, it is not affected by fluctuations in the DC voltage from the second power supply or fluctuations in the DC output voltage due to the surge voltage generated on the secondary side of the voltage conversion transformer. be able to.
また、電源本体部が降圧型のときは第3トランスコイルを2次側に設け、昇圧型のときは第3トランスコイルを1次側に設けた場合は、電圧検出部の耐圧を低くすることができる。これにより、電圧検出部を安価に製造することができる。 Further, when the power supply main body is a step-down type, the third transformer coil is provided on the secondary side, and when the power source body is a step-up type, the third transformer coil is provided on the primary side. Can do. Thereby, a voltage detection part can be manufactured cheaply.
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は、本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表すものである。このスイッチング電源装置は、高圧バッテリHB(第1電源)から供給される高圧の直流入力電圧Vinを、より低い直流出力電圧Voutに変換して、低圧バッテリLB(第2電源)に供給するDC−DCコンバータとして機能するものであり、後述するように2次側がセンタタップ型カソードコモン接続のスイッチング電源装置である。 FIG. 1 shows a configuration of a switching power supply apparatus according to an embodiment of the present invention. This switching power supply device converts the high-voltage DC input voltage Vin supplied from the high-voltage battery HB (first power supply) into a lower DC output voltage Vout and supplies it to the low-voltage battery LB (second power supply). The switching power supply functions as a DC converter, and the secondary side is a center tap type cathode common connection as will be described later.
このスイッチング電源装置は、電源本体部10と、電源本体部10に並列に接続された電圧検出部20と、電圧検出部20に接続された保持部26と、保持部26に接続された比較部27と、電源本体部10に接続された制御回路17とを備えたものである。
The switching power supply device includes a power supply
まず、電源本体部10の構成について説明する。電源本体部10は、1次側巻線11Aおよび2次側巻線11B,11Cを含んで構成された3巻線型のトランス11を有している。トランス11の1次側には平滑コンデンサ12、インバータ回路13および共振用インダクタ14が、2次側には整流回路15および平滑回路16がそれぞれ設けられている。平滑コンデンサ12およびインバータ回路13は一次側高圧ラインL1Hと1次側低圧ラインL1Lとの間に、共振用インダクタ14はインバータ回路13と1次側巻線11Aとの間にそれぞれ設けられている。
First, the configuration of the power supply
また、1次側高圧ラインL1Hに入力端子T1が、1次側低圧ラインL1Lに入力端子T2がそれぞれ設けられており、これら入力端子T1,T2が高圧バッテリHBの出力端子と接続されるようになっている。また、平滑回路16の高圧側のラインである出力ラインL0に出力端子T3が、平滑回路16の低圧側のラインである接地ラインLGに出力端子T4がそれぞれ設けられており、これら出力端子T3,T4が低圧バッテリLBの入出力端子と接続されるようになっている。
An input terminal T1 is provided on the primary high voltage line L1H, and an input terminal T2 is provided on the primary low voltage line L1L. These input terminals T1 and T2 are connected to the output terminal of the high voltage battery HB. It has become. Further, an output terminal T3 is provided on the output line L0 which is a high voltage side line of the smoothing
インバータ回路13は、高圧バッテリHBから出力される直流入力電圧Vinをほぼ矩形波状の単相交流電圧に変換する単相インバータ回路である。このインバータ回路13は、制御回路17から供給されるスイッチング信号によってそれぞれ駆動される4つのスイッチング素子13A,13B,13C,13Dをフルブリッジ接続してなるフルブリッジ型のスイッチング回路である。スイッチング素子としては、例えば、MOS−FET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor )やIGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor )などの素子が用いられる。
The
スイッチング素子13Aは、トランス11の1次側巻線11Aの一端と1次側高圧ラインL1Hとの間に設けられ、スイッチング素子13Bは1次側巻線11Aの他端と1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられている。スイッチング素子13Cは1次側巻線11Aの他端と1次側高圧ラインL1Hとの間に設けられ、スイッチング素子13Dは1次側巻線11Aの一端と1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられている。上記した共振用インダクタ14は、スイッチング素子13A,13Dの接続点と1次側巻線13Aの一端との間に接続されている。
The switching
これより、インバータ回路13は、スイッチング素子13A,13Bのオン動作により、1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子13A、1次側巻線11Aおよびスイッチング素子13Bを通って1次側低圧ラインL1Lに至る第1の電流経路に電流が流れる一方、スイッチング素子13C,13Dのオン動作により、1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子13C、1次側巻線11A、共振用インダクタ14およびスイッチング素子13Dを通って1次側低圧ラインL1Lに至る第2の電流経路に電流が流れるようになっている。
Thus, the
トランス11は、1次側巻線11Aおよび2次側巻線11B,11Cの極性が互いに同じ向きとなるように磁気結合された磁気素子である。トランス11の一対の2次側巻線11B,11CはセンタタップCで互いに接続され、このセンタタップCが接地ラインLGを介して出力端子T4に接続されている。つまり、このスイッチング電源装置はセンタタップ型のものである。これより、このトランス11は、インバータ回路13によって変換された交流電圧を変圧(降圧)し、一対の2次側巻線11B,11Cの各端部A,Bから、互いに180度位相が異なる交流電圧VO1,VO2を出力するようになっている。なお、この場合の変圧の度合いは、1次側巻線11Aと2次側巻線11B,11Cとの巻数比によって定まる。
The
なお、共振用インダクタ14は、コイル部品を実際に配置してもよいが、これに代えて、またはこれと共に、トランス11のリーケージインダクタンス(図示せず)や配線などを含めた直列インダクタンスを利用して構成してもよい。
The
整流回路15は、一対のダイオード15A,15Bからなる単相全波整流型のものである。ダイオード15Aのアノードは2次側巻線11Bの一端Aに、ダイオード15Bのアノードは2次側巻線11Cの一端Bにそれぞれ接続されている。ダイオード15A,15Bの各カソード同士は、接続点Dにおいて互いに接続されると共に、出力ラインLOに接続されている。つまり、この整流回路15はカソードコモン接続の構造を有しており、トランス11の交流出力電圧VO1,VO2の各半波期間をそれぞれダイオード15A,15Bによって個別に整流して直流電圧を得るようになっている。
The
平滑回路16は、チョークコイル16Aと平滑コンデンサ16Bとを含んで構成されている。チョークコイル16Aは、出力ラインLOに挿入配置されており、その一端は接続点Dに、その他端は出力端子T3にそれぞれ接続されている。平滑コンデンサ16Bは、チョークコイル16Aの他端と接地ラインLGとの間に接続されている。平滑回路16は、このような構成により、整流回路15で整流された直流電圧を平滑化して直流出力電圧Voutを生成し、これを出力端子T3,T4から低圧バッテリLBに給電するようになっている。
The smoothing
次に、電圧検出部20およびその他の部分の構成について説明する。電圧検出部20は、トランス21(電圧検出用トランス)と、ダイオード22(第1整流素子)、ダイオード23(第2整流素子)、スイッチング素子24、ドライブ回路25および一対の検出信号線W1,W2を有している。
Next, the configuration of the
トランス21は、1次側巻線21A(第1トランスコイル)、2次側巻線21B(第2トランスコイル)および2次側巻線21C(第3トランスコイル)を含み、1次側巻線21Aおよび2次側巻線21Bの極性と、2次側巻線21Cの極性とが互いに逆向きとなるように磁気結合されてなる3巻線型のフライバックトランスである。
The
1次側巻線21Aおよび2次側巻線21Bは互いに等しい極性を有しており、2次側巻線21Cは1次側巻線21Aおよび2次側巻線21Bの極性と逆の極性を有している。 The primary side winding 21A and the secondary side winding 21B have the same polarity, and the secondary side winding 21C has a polarity opposite to that of the primary side winding 21A and the secondary side winding 21B. Have.
また、1次側巻線21Aはダイオード22を介して高圧バッテリHBの出力端子に、2次側巻線21Bはダイオード23を介して保持部26に、2次側巻線21Cはスイッチング素子24を介して低圧バッテリLBの入出力端子にそれぞれ接続されている。
The primary winding 21A is connected to the output terminal of the high voltage battery HB via the
より具体的には、1次側巻線21Aの一端はダイオード22のアノードに、1次側巻線21Aの他端は入力端子T2にそれぞれ接続されている。ダイオード22のカソードは入力端子T1に接続されている。2次側巻線21Bの一端はダイオード23のアノードに、2次側巻線21Bの他端は検出信号線W2の一端にそれぞれ接続されている。ダイオード23のカソードは検出信号線W1の一端に接続されている。検出信号線W1および検出信号線W2のそれぞれの他端は保持部26に接続されている。なお、検出信号線W2は出力端子T4にも接続されている。2次側巻線21Cの一端は出力端子T3に、2次側巻線21Cの他端はスイッチング素子24の一端にそれぞれ接続されている。スイッチング素子24の他端は出力端子T4に接続されている。上記スイッチング素子24は、スイッチング素子24をオン・オフさせるためのスイッチング信号を供給するドライブ回路25にも接続されている。なお、ドライブ回路25には出力端子T3,T4から電力が供給されるようになっている。
More specifically, one end of the primary side winding 21A is connected to the anode of the
これより、トランス21は、いわゆる逆位相断続モードで使用されるようになっている。この逆位相断続モードとは、入出力の位相が互いに逆になる態様を指しており、具体的には、スイッチング素子24がオンして出力端子T3,T4から2次側巻線21Cに電流が供給されても、1次側巻線21Aおよび2次側巻線21Bのそれぞれの経路に電流は流れず、スイッチング素子24がオフして電流の供給が停止すると、これらの経路に電流が流れるという、電流の位相変化の態様を指している。このトランス21は、スイッチング素子24をオン・オフさせて1次側巻線21Aの経路に電流を流すと、高圧バッテリHBからの直流入力電圧の情報を含んだ電圧が2次側巻線21Bに誘起されるようになっているが、その詳細は動作の説明の際に述べることとする。
Thus, the
上記したスイッチング素子24には、例えば、上記したスイッチング素子13A,13B,13C,13Dよりも耐圧の低い素子が、ダイオード22,23には、例えば、電流容量の小さなダイオードがそれぞれ用いられている。
For example, an element having a lower withstand voltage than the
保持部26は、例えば、検出信号線W1およびW2の間にコンデンサCと抵抗Rが並列に接続された回路である。この保持部26は、2次側巻線21Bの他端とダイオード23のカソードとの間、すなわち検出信号線W1と検出信号線W2との間に誘起された電圧V3のうちピーク電圧Vpを所定の時間保持すると共に、その保持している電圧Vpを比較部27に供給するようになっている。
The holding
比較部27は、例えば、コンパレータを含んで構成されており、保持部26から入力された電圧Vpの絶対値と基準電圧Vrefの絶対値との大小関係を判定し、保持部26から入力された電圧Vpの絶対値の方が大きい場合に、制御回路17から出力されるスイッチング信号を停止させるための制御信号Sを出力するようになっている。
The
次に、以上のような構成のスイッチング電源装置の動作について説明する。以下、電源本体部10の動作、本実施の形態における特徴部分である電圧検出部20の動作原理、電圧検出部20の周辺回路の動作について、順次説明する。
Next, the operation of the switching power supply device configured as described above will be described. Hereinafter, the operation of the power supply
まず、電源本体部10の動作について説明する。
First, the operation of the power supply
インバータ回路1のスイッチング素子13A,13Bがオンすると、スイッチング素子13Aからスイッチング素子13Bの方向に電流が流れ、トランス11の2次側巻線11B,11Cに現れる電圧VO1,VO2がダイオード15Bに対して逆方向となり、ダイオード15Aに対して順方向となる。このため、2次側巻線11Bからダイオード15Aを通って出力ラインLOに電流が流れる。
When the
次に、スイッチング素子13Bがオフし、スイッチング素子13Cがオンすると、トランス11の2次側巻線11Cに現れる電圧[−VO2]は、ダイオード15Bに対して順方向となる。このため、2次側巻線11Cからダイオード52を通って出力ラインLOに電流が流れる。
Next, when the switching
スイッチング素子13C,13Dがオンすると、スイッチング素子13Cからスイッチング素子13Dの方向に電流が流れ、トランス11の2次側巻線11B,11Cに現れる電圧[−VO1]、[−VO2]がダイオード52に対して順方向になる一方、ダイオード15Aに対して逆方向となる。このため、2次側巻線11Cからダイオード15Bを通って出力ラインLOに電流が流れる。
When the
次に、スイッチング素子13Cがオフし、スイッチング素子13Bがオンすると、トランス11の2次側巻線11Bに現れる電圧[−VO1]はダイオード15Aに対して順方向となる。このため、2次側巻線11Bからダイオード15Aを通って出力ラインLOに電流が流れる。
Next, when the switching element 13C is turned off and the
このようにして、電源本体部10は、高圧バッテリHBから供給された直流入力電圧Vinを直流出力電圧Voutに変圧(降圧)し、その変圧した直流出力電圧Voutを低圧バッテリLBに給電する。
In this way, the power supply
次に、図2ないし図6を参照して、電圧検出回路20の動作原理およびその周辺回路の動作について説明する。
Next, the operation principle of the
図2(A)〜(E)は直流入力電圧Vinが内部回路が破壊されない範囲内(以下、「安全な範囲内」とする)のうち下方にあるときの各波形図の一例を、図3(A)〜(E)は直流入力電圧Vinが安全な範囲内のうち上方にあるときの各波形図の一例を、図4(A)〜(E)は直流入力電圧Vinが安全な範囲の上限である基準電圧Vref の絶対値よりも大きくなったときの各波形図の一例をそれぞれ表すものである。図5はスイッチング素子24がオンしたときの動作について、図6はスイッチング素子24がオフしたときの動作についてそれぞれ説明するためのものである。
2A to 2E show examples of waveform diagrams when the DC input voltage Vin is below the range in which the internal circuit is not destroyed (hereinafter referred to as “safe range”). FIGS. 4A to 4E show examples of waveform diagrams when the DC input voltage Vin is at the upper side within the safe range, and FIGS. 4A to 4E show the DC input voltage Vin within the safe range. Each of the waveform diagrams when the reference voltage Vref, which is the upper limit, is larger than the absolute value is shown. FIG. 5 is for explaining the operation when the switching
なお、図2(A),図3(A),図4(A)はドライブ回路25から出力されるスイッチング信号Q1を、図2(B),図3(B),図4(B)は2次側巻線21Cに流れる電流I1を、図2(C),図3(C),図4(C)は1次側巻線21Aに流れる電流I2を、図2(D),図3(D),図4(D)は2次側巻線21Bに誘起される電圧V3を、図1(E),図3(E),図4(E)はスイッチング素子24の電圧Vdsを、図2(F),図3(F),図4(F)は電圧検出部20の出力電圧(検出端子T5,T6間の電圧Vp)をそれぞれ表している。
2A, 3A, and 4A show the switching signal Q1 output from the
図2(A),図3(A),図4(A),図5に示したように、ドライブ回路25からパルス状のスイッチング信号Q1が出力されて、スイッチング素子24がオンすると、出力端子T3,T4から供給された電流I1が、図2(B),図3(B),図4(B)に示したように、傾きV1/L1で増加しながら2次側巻線21Cに流れる。ここで、V1は2次側巻線21Cの電圧(=Vout)、L1は2次側巻線21Cのインダクタンスである。このとき、ダイオード22,23には逆バイアス電圧Vdが誘起されるので、2次側巻線21B,Cの経路には電流は流れない。これにより、スイッチング素子24がオンの間、トランス21にエネルギーが蓄積される。なお、スイッチング素子24は、電源本体部10のスイッチング素子13A,13B,13C,13Dと同期してオン・オフしているとは限らない。
As shown in FIGS. 2 (A), 3 (A), 4 (A), and 5, when the pulsed switching signal Q1 is output from the
その後、図6に示したように、スイッチング素子をオフすると、蓄積されたエネルギーが1次側巻線21Aに開放され、電流I2が、図2(C),図3(C),図4(C)に示したように、傾き[−(Vin+Vf)/L2]で減少しながら1次側巻線21Aに流れる。ここで、Vfはダイオードの順方向電圧、L2は1次側巻線21Aのインダクタンスである。なお、電流I2は、1次側巻線21Aの経路を流れている間、直流入力電圧Vinの情報を含んでいるが、直流出力電圧Voutの情報を含んでいない。 Thereafter, as shown in FIG. 6, when the switching element is turned off, the stored energy is released to the primary side winding 21A, and the current I2 is changed to FIG. 2 (C), FIG. 3 (C), FIG. As shown in C), the current flows to the primary winding 21A while decreasing with a slope [− (Vin + Vf) / L2]. Here, Vf is the forward voltage of the diode, and L2 is the inductance of the primary winding 21A. The current I2 includes information on the DC input voltage Vin while flowing through the path of the primary winding 21A, but does not include information on the DC output voltage Vout.
1次側巻線21Aに電流I2が流れると、図2(D),図3(D),図4(D)に示したように、ダイオード23のカソードと2次側巻線21Bの他端との間に電圧V3が誘起される。ここで、電圧V3は、ダイオード23の順方向を正にとると、電流I2が流れている間は、n2/n1x(Vin+Vf)−Vf(=ピーク電圧Vp)であり、電流I2が停止するとゼロになる。ここで、n1は1次側巻線21Aの巻き数、n2は2次側巻線21Bの巻き数である。なお、電圧V3は、上記電流I2と同様、直流入力電圧Vinの情報を含んでいるが、直流出力電圧Voutの情報を含んでいない。このとき、2次側巻線21Cには電流は流れていないが、スイッチング素子24には、図2(E),図3(E),図4(E)に示したように、電圧V3に直流出力電圧Voutを加えた値の電圧Vds(=n3/n2xV3+Vout)が生じている。このように、Vdsは直流出力電圧Voutの情報を含んでいる。なお、n3は2次側巻線21Cの巻き数である。
When the current I2 flows through the primary side winding 21A, as shown in FIGS. 2D, 3D, and 4D, the cathode of the
ピーク電圧Vpが2次側巻線21Bに誘起されると、図2(F),図3(F),図4(F)に示したように、保持部26はその電圧を所定の時間保持すると共に、比較部27に出力する。
When the peak voltage Vp is induced in the secondary winding 21B, the holding
比較部27は、保持部26からピーク電圧Vpが入力されると、そのピーク電圧Vpと基準電圧Vrefとの大小関係を判定する。ここで、基準電圧Vrefは、安全な範囲内の上限の値Vmaxに順方向電圧Vfを加えた値をn1/n2で除した値から順方向電圧Vfを減じた値(n2/n1x(Vmax+Vf)−Vf)とする。
When the peak voltage Vp is input from the holding
図2(F)や図3(F)に示したような大きさのピーク電圧Vpが入力されると、比較部27は、直流入力電圧Vinは安全な範囲内にあると判定して、例えば、何も出力しない。一方、図4(F)に示したような大きさのピーク電圧Vpが入力されると、比較部27は、直流入力電圧Vinは安全な範囲を超えていると判定して、例えば、制御回路17から出力されるスイッチング信号を停止させるための制御信号を出力する。制御回路17は、例えば、この信号を受信すると、スイッチング信号の出力を停止する。このようにして、内部回路は過大な直流入力電圧Vinから保護される。
When the peak voltage Vp having the magnitude as shown in FIG. 2F or FIG. 3F is input, the
スイッチング信号の出力を停止したのち、図2(F)や図3(F)に示したような大きさのピーク電圧Vpが入力されると、比較部27は、直流入力電圧Vinは安全な範囲内に戻ったと判定して、例えば、制御信号の出力を停止し、その結果、制御回路17からスイッチング信号が出力される。
After the output of the switching signal is stopped, when the peak voltage Vp having the magnitude as shown in FIG. 2 (F) or FIG. 3 (F) is input, the
次に、電圧検出回路20の測定精度等について説明する。図7は、直流入力電圧Vinと、2次側巻線21Bに発生するピーク電圧Vpとの関係の一例をグラフで表すものである。このグラフの傾きがn2/n1に、切片がn2/n1xVf−Vfにそれぞれ対応している。この図では、直流出力電圧Voutの値が互いに異なる3種類の電圧Vx1,Vx2,Vx3のときのグラフがそれぞれ示されている。
Next, the measurement accuracy of the
この図から、直流出力電圧Voutの値が変動したとしても、2次側巻線21Bに発生するピーク電圧Vpの値は変動していないことが確認できる。これは、1次側巻線21Aおよび2次側巻線21Bの極性と、2次側巻線21Cの極性とが互いに逆向きとなるように、これら1次側巻線21A、2次側巻線21Bおよび2次側巻線21Cを磁気結合すると共に、ダイオード22,23の順方向の向きがスイッチング素子24がオンからオフに変化した後に1次側巻線21Aおよび2次側巻線21Bに流れる電流の方向と等しい方向となるように、ダイオード22,23を配置して、1次側巻線21Aおよび2次側巻線21Bの経路と、2次側巻線21Cの経路とに流れる電流の位相が互いに逆になるようにし、その結果、直流出力電圧Voutの情報がピーク電圧Vpに含まれないようにしたためである。従って、上記特許文献2のように、わざわざレギュレータを設けて、直流出力電圧Voutを安定化させる必要はない。
From this figure, it can be confirmed that even if the value of the DC output voltage Vout varies, the value of the peak voltage Vp generated in the secondary winding 21B does not vary. This is because the primary side winding 21A and the secondary side winding 21B and the secondary side winding 21C have opposite polarities to each other such that the primary side winding 21A and the secondary side winding 21C have opposite polarities. The
また、これらのグラフはいずれもほぼ完全な線形となっているので、ピーク電圧Vpを単純にコンパレータに入力するだけで直流入力電圧Vinを精度良く検出することが可能である。従って、上記特許文献2のように、わざわざ演算回路を用いてピーク電圧Vpを補正する必要はない。なお、直流入力電圧Vinをより精度良く検出するには、検出された直流入力電圧Vinの値が外部環境の温度変化に応じて変動しないことが好ましく、例えば、ピーク電圧Vpが順方向電圧Vfのゆらぎを無視できる程度に大きくなるように、n1およびn2の値を設定することが好ましい。
Since these graphs are almost completely linear, the DC input voltage Vin can be detected with high accuracy by simply inputting the peak voltage Vp to the comparator. Therefore, unlike the above-described
なお、電圧検出回路20は、高圧バッテリHBの出力端の接続された入力端子T1,T2から信号を直接検出しているので、電源本体部10の動作が停止したとしても、ピーク電圧Vpの検出が可能である。
Since the
このように、本実施の形態のスイッチング電源装置によれば、電圧検出部20の1次側巻線21Aを高圧バッテリHBの出力端の接続された入力端子T1,T2に接続することにより、直流入力電圧Vinの情報を含む電圧を高圧バッテリHBの出力端から直接検出するようにしたので、直流出力電圧Voutが変動した場合であっても、直流入力電圧Vinの値を精度良く検出することができる。また、電源本体部10のスイッチング動作が停止したとしても、電圧検出部20が直流入力電圧Vinの情報を含む電圧を検出することができるようにしたので、直流入力電圧Vinの値を常に検出することができる。
As described above, according to the switching power supply device of the present embodiment, the primary winding 21A of the
また、電圧検出回路20はほぼ完全な線形の入出力特性を有しているので、わざわざ演算回路を用いる必要はなく、これにより、直流入力電圧Vinの検出速度を向上させることができる。また、直流出力電圧Voutが変動したとしても、検出された直流入力電圧Vinの値への影響は無いので、レギュレータを設ける必要はない。
In addition, since the
また、スイッチング素子24の接続された巻線(2次側巻線21C)を低圧側である2次側に設けることにより、耐圧の低いスイッチング素子24を使用することができるので、電圧検出部20を安価に製造することができる。
Further, since the switching
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。 Although the present invention has been described with reference to the embodiment, the present invention is not limited to this embodiment, and various modifications can be made.
例えば、上記実施の形態では、出力端子T3,T4に接続された低圧バッテリLBに2次側巻線21Cを接続していたが、その低圧バッテリLBとは別個の低圧バッテリLBを設け、これを2次側巻線21Cに接続してもよい。 For example, in the above embodiment, the secondary winding 21C is connected to the low voltage battery LB connected to the output terminals T3 and T4. However, the low voltage battery LB is provided separately from the low voltage battery LB. It may be connected to the secondary winding 21C.
また、上記実施の形態では、2次側巻線21Bに誘起された電圧が保持部26を介して比較部27に入力されるように構成することにより、2次側巻線21Bから比較部27へ入力される電圧が常にピーク電圧Vpと等しい値になっていたが、保持部26を介さずに2次側巻線21Bに誘起された電圧が比較部27に直接入力されるように構成してもよい。ただし、この場合は、比較部27へ入力される電圧がピーク電圧Vpと等しい値になるのは、1次側巻線21Aに電流I2が流れている間だけなので、例えば、その間に比較部27から制御回路17に入力される信号だけを有効な信号として判定することの可能なサンプリング機構を制御回路17に設けることが必要となる。
Moreover, in the said embodiment, it comprises so that the voltage induced in the secondary side winding 21B may be input into the
また、上記実施の形態では、スイッチング電源装置の回路構成を具体的に挙げて説明したが、回路構成はこれに限定されるものではない。例えば、インバータ回路を、8つのスイッチング素子を用いたフルブリッジ型、2つのスイッチング素子を用いたフォワード型、または2つもしくは4つのスイッチング素子を用いたハーフブリッジ型により構成してもよい。また例えば、図8に示したように、インバータ回路およびトランスを、昇圧型のフライバックコンバータ18により構成してもよい。
In the above embodiment, the circuit configuration of the switching power supply device has been specifically described, but the circuit configuration is not limited to this. For example, the inverter circuit may be configured by a full bridge type using eight switching elements, a forward type using two switching elements, or a half bridge type using two or four switching elements. Further, for example, as shown in FIG. 8, the inverter circuit and the transformer may be configured by a boost
なお、電源本体部を降圧型とした場合は、スイッチング素子24およびスイッチング素子24の接続された巻線21Dを低圧側である2次側に設けることが好ましい。一方、電源本体部を昇圧型とした場合は、スイッチング素子24およびスイッチング素子24の接続された巻線を低圧側である1次側に設けることが好ましい。このように、スイッチング素子24およびスイッチング素子24の接続された巻線を低圧側に設けることにより、耐圧の低いスイッチング素子を使用することができ、本実施の形態と同様、電圧検出部を安価に製造することができる。
When the power source main body is a step-down type, it is preferable to provide the switching
10…電源本体部、11,21…トランス、11A,21A,21D…1次側巻線、11B,21B,21C…2次側巻線、12…平滑コンデンサ、13…インバータ回路、13A,13B,13C,13D,24…スイッチング素子、14…共振用インダクタ、15…整流回路、15A,15B,22,23…ダイオード、16…平滑回路、6,16A…チョークコイル、16B…平滑コンデンサ、17…制御回路、18…フライバックコンバータ、20…電圧検出部、25…ドライブ回路、26…保持部、27…比較部、C…コンデンサ、HB…高圧バッテリ、I1…スイッチング素子に接続された2次側巻線に流れる電流、I2…電圧検出部の1次側巻線に流れる電流、L1…スイッチング素子に接続された2次側巻線のインダクタンス、L2…電圧検出部の1次側巻線のインダクタンス、L1H…1次側高圧ライン、L1L…1次側低圧ライン、LB…低圧バッテリ、LO…出力ライン、LG…接地ライン、n1…電圧検出部の1次側巻線の巻き数、n2…ダイオードに接続された2次側巻線の巻き数、n3…スイッチング素子に接続された2次側巻線の巻き数、Q1…ドライブ回路のスイッチング信号、R…抵抗、S…制御信号、T1,T2…入力端子、T3,T4…出力端子、V1…スイッチング素子に接続された2次側巻線の電圧、V3…電圧検出部の出力電圧、Vd…逆バイアス電圧、Vds…電圧検出部のスイッチング素子の電圧、Vf…ダイオードの順方向電圧、Vref…基準電圧、Vp…ピーク電圧(保持部の出力電圧)、Vin…直流入力電圧、Vout…直流出力電圧、W1…検出信号線。
DESCRIPTION OF
Claims (5)
電圧検出用トランスと、スイッチング素子と、検出信号線とを有する電圧検出部と
を備え、
前記電圧検出用トランスが、
前記第1電源と接続される1次側の第1トランスコイルと、
前記検出信号線と接続される2次側の第2トランスコイルと、
前記第1トランスコイルと磁気的に結合するように設けられ、前記スイッチング素子のオンオフに応じて前記第2電源から直流電圧が断続的に印加される第3トランスコイルと
を含むことを特徴とするスイッチング電源装置。 A power source body unit that switches a DC input voltage input from the first power source to convert the AC voltage into an AC voltage, and outputs a DC output voltage obtained by transforming and rectifying the AC voltage to the second power source;
A voltage detection unit having a voltage detection transformer, a switching element, and a detection signal line;
The voltage detecting transformer is
A primary first transformer coil connected to the first power source;
A second transformer coil on the secondary side connected to the detection signal line;
A third transformer coil provided so as to be magnetically coupled to the first transformer coil and to which a DC voltage is intermittently applied from the second power source according to on / off of the switching element. Switching power supply.
前記電圧検出部は、スイッチング素子がオフのときにのみ前記第1トランスコイルに電流を流すように配置された第1整流素子と、スイッチング素子がオフのときにのみ前記第2トランスコイルに電流を流すように配置された第2整流素子とを有する
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 The first transformer coil, the second transformer coil, and the third transformer coil are magnetically coupled so that the polarities of the first transformer coil and the second transformer coil and the polarities of the third transformer coil are opposite to each other. ,
The voltage detector includes a first rectifier element arranged to flow a current to the first transformer coil only when the switching element is off, and a current to the second transformer coil only when the switching element is off. The switching power supply according to claim 1, further comprising: a second rectifying element arranged to flow.
前記保持部で保持された電圧の絶対値が基準電圧の絶対値より大きい場合に、前記スイッチング回路のスイッチング動作を停止させるための制御信号を出力する比較部と
を備える
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 A holding unit for holding the output voltage of the detection signal line after the switching element has changed from on to off;
And a comparator that outputs a control signal for stopping the switching operation of the switching circuit when the absolute value of the voltage held by the holding unit is larger than the absolute value of a reference voltage. The switching power supply device according to 1.
前記第3トランスコイルは、前記電圧検出用トランスにおける2次側に設けられている
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。 The power source body is configured such that the DC output voltage is lower than the DC input voltage,
The switching power supply according to any one of claims 1 to 3, wherein the third transformer coil is provided on a secondary side of the voltage detecting transformer.
前記第3トランスコイルは、前記電圧検出用トランスにおける1次側に設けられている
ことを特徴とする請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。
The power supply body is configured such that the DC output voltage is higher than the DC input voltage,
The switching power supply according to any one of claims 1 to 3, wherein the third transformer coil is provided on a primary side of the voltage detecting transformer.
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