JP5286017B2 - 絶縁型コンバータ - Google Patents
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Description
上記絶縁型コンバータは、フルブリッジ型コンバータであり、一次側にスイッチQ1〜Q4からなる励磁回路を有し、二次側にダイオードD1及びD2からなるセンタータップ整流回路を備え、インダクタLo1及びコンデンサCoからなる平滑化回路を有している。この従来の絶縁型コンバータにおいては、トランスT1の一次巻線n1と直列にコンデンサC1が設けられ、トランスT1が偏励磁の状態となることを防止している(例えば、特許文献1参照)。
すなわち、偏励磁用のコンデンサが小さい場合、トランスT1に印加できる電圧が小さいものとなり、コンバータの効率が低下してしまう。
さらに、励磁する際に極性を変えた信号を印加するため、電極に極性を有するものは使用できないことから、大容量で高価な部品を使用せざるを得なくなる
このため、従来のコンバータは、大容量の偏励磁防止用のコンデンサを使用するため、製造コストが増大してしまうという問題がある。
以下、本発明の第1の実施形態による絶縁型コンバータを図面を参照して説明する。図1は同実施形態による絶縁型コンバータの構成例を示すブロック図である。
この図において、絶縁型コンバータは、スイッチQ1〜Q4と、トランスT1と、ダイオードD1と、ダイオードD2と、インダクタLo1と、コンデンサCoとを有している。ここで、スイッチQ1〜Q4は、トランジスタ、IGBTなどのスイッチング素子を用いることができる。
ここで、絶縁型コンバータの入力端子TVHには直流電源(バッテリ)DVの高圧側が接続され、入力端子TVLには直流電源DVの低圧側が接続されている。また、絶縁型コンバータの出力端子ToHとToLとの間にはRLが接続されている。
スイッチQ1は、入力端子Ti1が入力端子TVHに接続されている。スイッチQ2は、入力端子Ti2がスイッチQ1の出力端子To1に接続され、出力端子To2が出力端子TVLに接続されている。スイッチQ3は、入力端子Ti3が入力端子TVHに接続されている。スイッチQ4は、入力端子Ti4がスイッチQ3の出力端子To3に接続され、出力端子To4が出力端子TVLに接続されている。
以下、スイッチQ1の出力端子To1とスイッチQ2の入力端子Ti2との接続点を接続点Aとし、スイッチQ3の出力端子To3とスイッチQ4の入力端子Ti4との接続点を接続点Bとする。ここで、上記接続点Aが一次巻線n1の一方の端子TAに接続され、上記接続点Bが一次巻線n1の他方の端子TBに接続されている。
これにより、2次巻線n2、n3とダイオードD1及びD2とにより、センタータップ整流回路が構成されている。
上記インダクタLo1は、一端がセンタータップに接続され、他端が出力端子に接続されている。コンデンサC0は、一端がインダクタLo1の一端に接続され、他端が接地されている。
これにより、インダクタLo1及びコンデンサC0により、平滑回路が構成されている。
電圧測定部2は、1次巻線n1の端子TBの電圧VBを測定する。ここで、スイッチQ3及びスイッチQ2がオンであり、スイッチQ1及びスイッチQ4がオフの場合、電圧VBは正の電圧値(負の励磁)となり、一方、スイッチQ3及びスイッチQ2がオフであり、スイッチQ1及びスイッチQ4がオンの場合(正の励磁)、電圧VBは接地電位となる。
MOSトランジスタM1は、nチャネル型であり、ドレインが抵抗R1を介して電源V1の高電圧側の端子に接続され、ゲートが抵抗R2を介して端子TAに接続され、ソースが接地されている。また、MOSトランジスタM1は、ゲートがショットキーダイオードSD及び抵抗R3の並列接続された回路を介して接地されている。
ここで、ショットキーダイオードSDは、カソードがMOSトランジスタM1のゲートに接続され、アノードが接地されている。
ダイオードD3は、アノードがMOSトランジスタM2のドレインに接続され、カソードが電源V1の高電圧側の端子に接続されている。
定電流源CVは、MOSトランジスタM2のドレイン方向に定電流Iを出力する。
コンデンサC1は、一方の端子がMOSトランジスタM2のドレインと接続され、他方の端子が接地されている。
ダイオードD4は、アノードがMOSトランジスタM2のドレインに接続されている。
コンデンサC2及び抵抗R5は、並列に接続されており、一方の端子がダイオードD4のカソードと接続され、他方の端子が接地されている。
ここで、電圧測定部1は、測定電圧として端子TAの電圧VAを測定し、一次巻線n1が正に励磁(一次側巻線にP1方向:正方向に電流が流れている状態)されている時間幅に対応した電圧値VSAを出力する。
同様に、電圧測定部2は、測定電圧として端子TBの電圧VBを測定し、一次巻線n2が負に励磁(一次側巻線にP2方向:負方向に電流が流れている状態)されている時間幅に対応した電圧値VSBを出力する。
制御回路3は、入力される電圧値VSAと電圧値VSBとの電圧差により、一次側巻線n1を正負に例示する時間幅を調整する。
B = (L×ILp)/(N×S)
上記式において、
B:トランスT1の鉄心の磁束密度
L:励磁インダクタンス
ILp:励磁電流
N:1次巻線の巻数
S:鉄心の断面積
ΔB=(E×T)/(N×S)
と変換でき、Eは印加する電圧、Tは電圧を印加する時間であるため、印加する電圧を変化させずに固定値とすれば、ΔB∝Tとなる。
したがって、一次巻線n1に正負に流した際において、制御定回路3は、電圧測定部1の測定する「一次巻線n1に対して方向P1(正方向)に励磁電流を流した場合の時間幅TA」と、電圧測定部2の測定する「一次巻線n1に対して方向P1と反対の方向P2(負方向)に励磁電流を流した場合の時間幅TB」との差分ΔTABにより、励磁の偏りを検出している。
ここで、制御回路3は、電圧値VSAから電圧値VSBを減算し、差分ΔVSABを算出し、この差分ΔVSABが正の数値の場合、すなわち、方向P1に励磁電流が流れる時間幅TA(スイッチQ1及びQ4がオンの時間幅であり、スイッチQ3及びQ2がオフの時間幅)が、方向P2に励磁電流が流れる時間幅TB(スイッチQ3及びQ2がオンの時間幅であり、スイッチQ1及びQ4がオフの時間幅)に比較して長いことを検出する。
また、制御回路3は、差分ΔVSABが0のとき、各スイッチのオンオフ動作による磁束密度Bの偏りがないことを検出する。
そして、制御回路3は、上記計算式から差分ΔVSABを0とする時間幅TT1及びTT2を求め、この時間幅によりオン状態とする制御信号を、スイッチQ1及びQ4の制御端子(図示せず)、あるいはスイッチQ3及びQ2スイッチの制御端子(図示せず)に対して出力し、Q1及びQ4とスイッチQ3及びQ2とのオンオフ動作を行う。
また、制御回路3は、差分ΔVSABが負の数値のとき、スイッチQ3びQ2がオンの時間幅TT2を短くし、一次側巻線n1を負に励磁する励磁電流が流れる時間を差分ΔVSABに対応して低下させ、一方、スイッチQ1及びQ4がオンの時間幅TT1を長くし、一次側巻線n1を正に励磁する励磁電流が流れる時間を差分ΔVSABに対応して増加させ、差分ΔVSABが0となるように制御する。
また、上記制御回路3が差分ΔVSABを用いて計算式により時間幅T11及びT12を求める構成として説明したが、この制御回路3を、差分ΔVSABに対応した時間幅T11を補正する係数αと、時間幅T12を補正する係数βとをテーブルとして記憶する構成としても良い。
P1方向に電流が流れると、(端子TAの電圧VTA)>(端子TBの電圧VTB)となり、MOSトランジスタM1のゲートには、「Hレベル(MOSトランジスタM1の閾値電圧より高い電圧レベル)が印加され、MOSトランジスタM1はオン状態となる。
これにより、MOSトランジスタM1のドレインは「Lレベル(MOSトランジスタの閾値電圧以下の電圧レベル)」レベルとなり、MOSトランジスタM2は、オフ状態となる。
そして、コンデンサC1に充電された電圧が、コンデンサC2に充電されている電圧に対してダイオードD4の順方向電圧を加算した電圧より高くなると、ダイオードD4を介してコンデンサC2に対して電流が流れ、コンデンサC2を充電する。
このコンデンサC2に充電される電圧値は、MOSトランジスタM2がオフとなると充電が停止されるため、MOSトランジスタM2がオフの間の時間幅TAに対応した電圧値VAとなる。
A/D変換部10は、アナログ電圧である電圧値VAをデジタル値に変換して出力する。
以下、本発明の第2の実施形態による絶縁型コンバータを図面を参照して説明する。図2は同実施形態による絶縁型コンバータの構成例を示すブロック図である。図2と同様な構成については同一の符号を付し、その説明を省略する。
トランス1Aは、第1の実施形態のトランスT1と異なり、二側次巻線n4がサンプリング用に設けられている。他の絶縁型コンバータの構成については、第1の実施形態と同様のため、説明を省略する。
オペアンプAPは、非反転入力端子(+端子)が抵抗R10を介して電源V2の高電圧側の端子に接続され、反転入力端子(−端子)が抵抗R15を介して接地され、出力端子が抵抗R14を介して上記反転入力端子に接続されている。
この構成により、オペアンプAPと抵抗R14及び抵抗R15とにより、非反転増幅回路が形成されている。
抵抗R11及び抵抗R13との接続点は、コンデンサC3及び抵抗R12の並列接続の回路を介して接地されている。
また、オペアンプAPは、出力端子が抵抗R16を介して、A/D変換部10に接続されている。
コンデンサC4は、抵抗R16及びA/D変換部10の接続点と、接地点との間に介挿されている。これにより、コンデンサC4と抵抗R16とはノイズフィルタを構成している。
スイッチQ1及びスイッチQ4がオンし、スイッチQ3及びスイッチQ2がオフしている場合、端子T2Aの電圧が+となり、抵抗R11を介して方向P1に対して電流が流れ、コンデンサC3が充電される。
一方、スイッチQ3びスイッチQ2がオンし、スイッチQ1及びスイッチQ4がオフしている場合、端子T2Aの電圧が−となり、抵抗R11を介して方向P2に対して電流が流れ、コンデンサC3が放電される。
このコンデンサC3の電圧が上記非反転増幅回路により、抵抗R14及び抵抗R15の抵抗値により設定された増幅度により増幅され、アナログ電圧値として、上記ノイズフィルタを介してA/D変換部10に対して出力される。
A/D変換部10は、上記アナログ電圧値をデジタル電圧値に変換して出力する。
制御回路5は、上記デジタル電圧値が基準電圧Vdst(非反転増幅回路にて基準電圧Vstを増幅し、A/D変換部10によりデジタル値とした数値)より高い数値のとき、スイッチQ1及びQ4がオンの時間幅TT1を短くし、一次側巻線n1を正に励磁する励磁電流が流れる時間をデジタル電圧値に対応して短くし、一方、スイッチQ3びQ2がオンの時間幅TT2を長くし、一次側巻線n1を負に励磁する励磁電流が流れる時間をデジタル電流値に対応して増加させ、デジタル電流値が基準電圧Vdstと同様となるように制御する。
ここで、制御回路5には、第1の実施形態と同様に、入力される上記デジタル電圧値により、各スイッチをオンする時間幅T1及びT2を算出する式が記憶されており、この式に対して、入力される上記デジタル電圧値を代入し、時間幅T1及びT2を算出して、各スイッチのオンオフの制御を行う。
すなわち、制御回路5は、デジタル電圧値に対応する係数αとβとをテーブルから読み出し、予め設定されている基準の時間幅T11、T12にそれぞれ乗算し、補正後の時間幅T11及びT12とにより、スイッチQ1及びQ4とスイッチQ3及びQ2とのオン状態を、計算式の場合と同様に制御するようにしてもよい。ここで、制御回路5は、上記テーブルに、デジタル電圧値の数値を量子化した予想される最大の差分から0の間にて、n段階(例えば、256段階)に分割して、それぞれの段階の範囲内に入るデジタル電圧値に対し、その段階に対応して上記係数α及びβを記憶している。
3,5…制御回路
10…A/D変換部
C1,C2,C3,C4,Co…コンデンサ
D1,D2,D3,D4…ダイオード
DV…バッテリ
Lo1…インダクタ
n1…一次巻線
n2、n3、n4…二次巻線
Q1,Q2,Q3,Q4…スイッチ
R1,R2,R3,R4,R5,R10,R11,R12,R13,R14,R15,R16…抵抗
AP…オペアンプ
CV…定電流源
M1,M2…MOSトランジスタ
SD…ツェナーダイオード
T1,T1A…トランス
V1,V2…電源
Claims (4)
- 直流電源と、
トランスと、
前記直流電源により前記トランスの一次側巻き線を正負に励磁する励磁回路と、
前記一次側巻き線の両端の電圧を測定電圧として測定する電圧測定部と
を有し、
前記励磁回路が前記測定電圧に基づいて、前記一次側巻き線の励磁を制御し、
前記電圧測定部が前記一次側巻き線の一端の電圧と、他端の電圧とを各々検出し、
前記励磁回路が前記一端と前記他端との電圧波形の時間幅の差分に応じ、前記一次側巻き線を正負に励磁する前記時間幅を制御する
ことを特徴とする絶縁型コンバータ。 - 前記励磁回路が、前記一端と前記他端との電圧波形の時間幅それぞれにおいて定電流を積分し、その積分した電圧値の差分により前記一次側巻き線を正負に励磁する前記時間幅を制御することを特徴とする請求項1に記載の絶縁型コンバータ。
- 前記励磁回路が、予め前記差分毎に対応し、前記時間幅を計算する計算式を有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁型コンバータ。
- 前記励磁回路が、予め前記差分毎に対応し、前記時間幅に対して乗算する比例係数を設定したテーブルを有していることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の絶縁型コンバータ。
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