JP4683997B2 - 同期整流型コンバータ - Google Patents

Description

本発明は、一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に主電源及びメインスイッチを備えた同期整流型コンバータに関するものである。

従来の同期整流型コンバータは、一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に主電源及びメインスイッチを備え、さらに、二次側に整流スイッチ及び転流スイッチを備え、出力と前記メインスイッチの制御端子との間に制御回路を備えてある（例えば、特許文献１の従来例参照）。
特開２００２−３５４８００公報

しかし、従来の同期整流型コンバータは、主電源及び負荷電流に急激な変化があった場合などに出力電圧が定電圧制御値を越える場合にはトランスを経由して入力回路側に電力が逆流する電力回生という現象が発生し、これにより電源が破損するおそれがあった。これは、一次側に設けたメインスイッチがスイッチング停止し、二次側に設けた同期整流スイッチがオンを続けるためにトランスが定常時動作状態と比較し過励磁されるためである。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、電力回生が起こった場合でも回生を徐々に行なうことで安定した出力電力を供給する同期整流型コンバータを提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係る同期整流型コンバータは、一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に主電源及びメインスイッチを備えた同期整流型コンバータであって、この同期整流型コンバータの出力と前記メインスイッチの制御端子との間に制御回路を備えてあり、この制御回路は電源動作時に前記主電源及び負荷電流に急激な変化があった場合でも、前記メインスイッチの制御端子にＰＷＭ信号を出力するように構成してあることを特徴とする。

前記制御回路は、前記出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御手段とを備え、このＰＷＭ制御手段は、前記出力電圧検出手段で制御された比較電圧信号と基準信号とを比較する比較手段を設け、この比較手段で出力した前記ＰＷＭ信号を前記メインスイッチの制御端子に出力するように構成してあることを特徴とする。

前記比較手段は、前記基準信号が前記比較電圧信号に達するまで正論理の場合はハイレベル、負論理の場合はローレベルの前記ＰＷＭ信号を出力するように構成してあることを特徴とする。
また、前記基準信号に前記同期整流型コンバータの入力電流を用いていることを特徴とする。
又は、前記基準信号に前記制御回路内のクロックを用いていることを特徴とする。

前記出力電圧検出手段と、前記ＰＷＭ制御手段とを絶縁素子で介し、前記ＰＷＭ制御手段に設けた絶縁素子に分圧抵抗素子を接続してあることを特徴とする。
また、前記絶縁素子でフォトカプラを用いていることを特徴とする。

前記同期整流型コンバータの主回路を複数台並列に接続してあることを特徴とする。

本発明によれば、電源動作時において、主電源及び負荷電流に急激な変化等があった場合でも、メインスイッチの制御端子にＰＷＭ信号を常に出力するように制御したことにより、急激な電力回生を防止することができ、その結果、メインスイッチとこれと同期する整流スイッチが破損することを防止し、安定した出力電力を供給することができる効果がある。

本発明によれば、同期整流型コンバータの主回路を並列に接続した場合において、電源動作時に主電源及び負荷電流に急激な変化等があった場合でも、メインスイッチの制御端子にＰＷＭ信号を常に出力するように制御したことにより、他のコンバータに電流が流れこむことを防止することができ、その結果、安定した出力電力を供給することができる効果がある。

発明を実施するための最良の形態の回路図を図１に示す。図１図示の同期整流型コンバータの主回路は、一次・二次間をトランス１で絶縁し、一次側に主電源２及びメインスイッチ３を備えてある。また、本実施例においては、二次側に整流スイッチ４、転流スイッチ５、出力インダクタ６、平滑コンデンサ７及び負荷８を備えてある。また、出力とメインスイッチ３の制御端子との間に制御回路１０を備えてある。この制御回路１０は電源動作時に主電源２及び負荷電流に急激な変化があった場合でも、メインスイッチ３の制御端子にＰＷＭ信号を出力するように構成してある。具体的構成については後述する。

制御回路１０は、出力電圧を検出する出力電圧検出回路２０と、ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御回路３０とを備えてある。先ず、出力電圧検出回路２０の一実施例を図２に示す。

図２に示す出力電圧検出回路２０は、出力電圧を検出する出力電圧検出抵抗２１，２２と、これら出力電圧検出抵抗２１，２２で検出した出力電圧を誤差増幅するオペアンプ２３と、電圧変換用のフォトダイオード２４とを備えてある。また、オペアンプ２３の出力端子とフォトダイオード２４のカソードと接続してある。なお、本発明に係る出力電圧検出回路２０は、この実施例に限定されない。以降実施例に係る出力電圧検出回路２０の作用については、この回路で説明する。

続いて、ＰＷＭ制御回路３０Ａの一実施例を図３に示す。図３図示のＰＷＭ制御回路３０Ａは、前記フォトダイオード２４を受けるフォトトランジスタ３１と、このフォトトランジスタ３１と接続する分圧抵抗３３，３４と、この分圧抵抗３３，３４との分岐点に接続するバッファ３５と、このバッファ３５に伝達される比較電圧信号と、同期整流型コンバータの主回路の入力電流検出信号とを比較するコンパレータ３２と、このコンパレータ３２に接続して、ＰＷＭ信号を出力するバッファ３６とを接続してある。フォトトランジスタ３１のエミッタは接地してあり、コレクタは分圧抵抗３４に接続してある。分圧抵抗３３の一端は補助電源電圧検出端子に接続してある。以上のような構成より負論理を展開する。

なお、バッファ３５，３６は必ずしも設ける必要はない。これについては以下の実施例においても同様である。また、本実施例ではコンパレータ３２の基準信号として入力電流検出信号を用いているが、制御回路１０の内部で生成された基準三角波や基準のこぎり波を用いてもよい。これについても以下の実施例においても同様である。

以上のように構成されている同期整流型コンバータは以下のように作用する。先ず、通常時については、従来の同期整流型コンバータとほぼ同様の作用をするため、説明を省略する。

続いて、負荷急変した場合、出力電圧は急激に上昇する。これを出力電圧検出回路２０に設けた出力電圧検出抵抗２１，２２で検出し、オペアンプ２３で誤差増幅した後にフォトカプラ２４，３１に出力される。本実施例では、オペアンプ２３の出力端子とフォトダイオード２４のカソードが接続されているとともに、フォトトランジスタ３１のコレクタが分圧抵抗３４とバッファ３５とを介してコンパレータ３２に接続してあるため、コンパレータ３２の検出端子にはローレベルの比較電圧信号が出力される。

コンパレータ３２では、比較電圧信号と入力電流検出信号とを比較して、ＰＷＭ信号を出力する。この波形図については図７に図示する。なお、図７では正論理で展開した場合を示してあるが、負論理と正論理とは信号が反転したことのみの相違であるため、図７に基づいて説明する。

図７に図示するように、比較電圧信号がレベル１にある場合は、入力電流検出信号がレベル１に達するまで、ＰＷＭ信号を出力し続ける。レベル２及びレベル３の場合も同様に、入力電流検出信号がレベル２並びにレベル３に達するまで、ＰＷＭ信号を出力し続ける。このコンパレータ３２ではＰＷＭ信号に変換するため、レベル１ではオン期間が短いＰＷＭ信号を出力し、レベル２、レベル３と上がっていく毎にオン期間が長くなる。

本実施例においては、分圧抵抗３４を設けたことにより、レベル１のように比較電圧信号が微少量であっても、コンパレータ３２で信号を検出することが可能であるため、ＰＷＭ信号を出力することができる。ＰＷＭ信号はバッファ３６を介して同期整流型コンバータの主回路に設けたメインスイッチ３の制御端子に出力される。

以上より、負荷急変が起こった場合でも、メインスイッチ３の制御端子にＰＷＭ信号を常に出力するように制御したことにより、急激な電力回生を防止することができ、その結果、メインスイッチ３とこれと同期する整流スイッチ４が破損することを防止し、安定した出力電力を供給することができる。

続いて、ＰＷＭ制御回路３０の第一変形例を図４に示す。図４図示のＰＷＭ制御回路３０Ｂは、前記フォトダイオード２４を受けるフォトトランジスタ３１のエミッタに分圧抵抗３４を接続し、コレクタには別の分圧抵抗３３とバッファ３５を接続してある。分圧抵抗３４は接地してある。その他の回路構成については図３図示のＰＷＭ制御回路３０Ａとほぼ同様であるため、説明を省略する。また、作用についても図３図示のＰＷＭ制御回路３０Ａとほぼ同様であるため、説明を省略する。

続いて、ＰＷＭ制御回路３０の第二変形例を図５に示す。図５図示のＰＷＭ制御回路３０Ｃは、前記フォトダイオード２４を受けるフォトトランジスタ３１のエミッタに分圧抵抗３４を介して補助電源電圧検出端子に接続し、コレクタには別の分圧抵抗３３とバッファ３５を接続してある。この分圧抵抗３３は接地してある。その他の回路構成については前記ＰＷＭ制御回路３０Ａ，３０Ｂとほぼ同様であるため、説明を省略する。

以上のように構成されている同期整流型コンバータは以下のように作用する。先ず、通常時については、従来の同期整流型コンバータとほぼ同様の作用をするため、説明を省略する。

続いて、負荷急変した場合、出力電圧は急激に上昇する。これを出力電圧検出回路２０に設けた出力電圧検出抵抗２１，２２で検出し、オペアンプ２３で誤差増幅した後にフォトカプラ２４，３１に出力される。本実施例では、オペアンプ２３の出力端子とフォトダイオード２４のカソードが接続されているとともに、フォトトランジスタ３１のエミッタがバッファ３５を介してコンパレータ３２に接続してあるため、コンパレータ３２の検出端子にはハイレベルの比較電圧信号が出力される。要するに、本実施例では正理論が展開される。

コンパレータ３２では、比較電圧信号と入力電流検出信号とを比較して、ＰＷＭ信号を出力する。図７に図示するように、比較電圧信号がレベル１にある場合は、入力電流検出信号がレベル１に達するまで、ＰＷＭ信号を出力し続ける。レベル２及びレベル３の場合も同様に、入力電流検出信号がレベル２並びにレベル３に達するまで、ＰＷＭ信号を出力し続ける。このコンパレータ３２ではＰＷＭ信号に変換するため、レベル１ではオン期間が短いＰＷＭ信号を出力し、レベル２、レベル３と上がっていく毎にオン期間が長くなる。

本実施例においては、分圧抵抗３４を設けたことにより、レベル１のように比較電圧信号が微少量であっても、コンパレータ３２で信号を検出することが可能であるため、ＰＷＭ信号を出力することができる。ＰＷＭ信号はバッファ３６を介して同期整流型コンバータの主回路に設けたメインスイッチ３の制御端子に出力される。

以上より、負荷急変が起こった場合でも、メインスイッチ３の制御端子にＰＷＭ信号を常に出力するように制御したことにより、急激な電力回生を防止することができ、その結果、メインスイッチ３とこれと同期する整流スイッチ４が破損することを防止し、安定した出力電力を供給することができる。

続いて、ＰＷＭ制御回路３０の第三変形例を図６に示す。図６図示のＰＷＭ制御回路３０Ｄは、前記フォトダイオード２４を受けるフォトトランジスタ３１のエミッタに分圧抵抗３４を接続し、分圧抵抗３３，３４の分岐点にバッファ３５を接続してある。分圧抵抗３３は接地してある。その他の回路構成については図５図示のＰＷＭ制御回路３０Ｃとほぼ同様であるため、説明を省略する。また、作用についても図３図示のＰＷＭ制御回路３０Ｃとほぼ同様であるため、説明を省略する。

なお、本実施例では、同期整流型コンバータの主回路は、一次・二次間をトランス１で絶縁し、一次側に主電源２及びメインスイッチ３を備え、二次側に整流スイッチ４、転流スイッチ５、出力インダクタ６、平滑コンデンサ７及び負荷８を備えてあるが、必ずしもこのような構成にする必要はなく、同期整流型コンバータであれば、いずれの回路構成であっても、本発明は実施可能である。

制御回路１０においても、電源動作時に主電源及び負荷電流に急激な変化があった場合でも、メインスイッチ３の制御端子にＰＷＭ信号を出力するように構成してあれば、前記実施例に限定されない。また、実施例では比較電圧信号を生成するためにフォトカプラ２４，３１を備えてあるが、その他の絶縁部材、例えば、トランスなども用いることも可能である。

また、本実施例においては、一台の同期整流型コンバータに対して、一台の制御回路１０を設けてあるが、本発明では、複数台の同期整流型コンバータの主回路を並列に接続することが可能であり、複数台の同期整流型コンバータに対して、一台の制御回路１０を設けることが可能である。このような構成にした場合に、電源動作時において、主電源及び負荷電流に急激な変化等があった場合でも、メインスイッチ３の制御端子にＰＷＭ信号を常に出力するように制御したことにより、他のコンバータに電流が流れこむことを防止することができる。また、本実施例においては、制御回路１０に回路構成を用いて説明したが、集積回路化やデジタル回路化しても、本発明を構成することが可能である。

本発明によれば、電源動作時において、主電源及び負荷電流に急激な変化等があった場合でも、メインスイッチの制御端子にＰＷＭ信号を常に出力するように制御したことにより、急激な電力回生を防止することができ、その結果、メインスイッチとこれと同期する整流スイッチが破損することを防止し、安定した出力電力を供給することができ、産業上利用可能である。

本発明によれば、複数台の同期整流型コンバータの主回路を並列に接続した場合において、電源動作時に主電源及び負荷電流に急激な変化等があった場合でも、メインスイッチの制御端子にＰＷＭ信号を常に出力するように制御したことにより、他のコンバータに電流が流れこむことを防止することができ、その結果、安定した出力電力を供給することができ、産業上利用可能である。

本発明に係る同期整流型コンバータの基本回路を示した回路図である。 本発明に係る同期整流型コンバータの要部における一実施例の回路図である。 同じく本発明に係る同期整流型コンバータの要部における一実施例の回路図である。 図３図示要部の第一の変形例を示した回路図である。 図３図示要部の第二の変形例を示した回路図である。 図３図示要部の第三の変形例を示した回路図である。 本発明に係る同期整流型コンバータの要部における動作波形図である。

符号の説明

１ トランス
２ 主電源
３ メインスイッチ
４ 整流スイッチ
５ 転流スイッチ
６ 出力インダクタ
７ 平滑コンデンサ
８ 負荷
１０ 制御回路
２０ 出力電圧検出回路
２１，２２ 出力電圧検出抵抗
２３ オペアンプ
２４ フォトダイオード
３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ ＰＷＭ制御回路
３１ フォトトランジスタ
３２ コンパレータ
３３，３４ 分圧抵抗
３５，３６ バッファ

Claims (5)

1. 一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に主電源及びメインスイッチを備えた同期整流型コンバータであって、この同期整流型コンバータの出力と前記メインスイッチの制御端子との間に制御回路を備えてあり、この制御回路は電源動作時に前記主電源及び負荷電流に急激な変化があった場合でも、前記メインスイッチの制御端子にＰＷＭ信号を出力するように構成し、前記制御回路は、前記出力電圧を検出する出力電圧検出手段と、前記ＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ制御手段とを備え、このＰＷＭ制御手段は、前記出力電圧検出手段で制御された比較電圧信号と基準信号とを比較する比較手段を設け、この比較手段で出力した前記ＰＷＭ信号を前記メインスイッチの制御端子に出力するように構成してあり、さらに、前記基準信号に前記トランスの一次巻線の出力電流を用いていることを特徴とする同期整流型コンバータ。
2. 前記比較手段は、前記基準信号が前記比較電圧信号に達するまで正論理の場合はハイレベル、負論理の場合はローレベルの前記ＰＷＭ信号を出力するように構成してあることを特徴とする請求項１記載の同期整流型コンバータ。
3. 前記出力電圧検出手段と、前記ＰＷＭ制御手段とを絶縁素子で介し、前記ＰＷＭ制御手段に設けた絶縁素子に分圧抵抗素子を接続してあることを特徴とする請求項１又は２記載の同期整流型コンバータ。
4. 前記絶縁素子でフォトカプラを用いていることを特徴とする請求項３記載の同期整流型コンバータ。
5. 前記同期整流型コンバータの主回路を複数台並列に接続してあることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の同期整流型コンバータ。

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