JP5316976B2 - 電流推定回路 - Google Patents
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Description
一方、正電圧である整流器3の出力電圧は、抵抗101、102からなる分圧回路によって分圧される。乗算器107は、この分圧された電圧に上記誤差信号を乗じる演算を実行し、その演算結果を電流指令として出力する。電流誤差増幅器108は、この電流指令に対する上記インダクタ電流の誤差を検出し、その誤差を示す誤差信号を出力する。そこで、PWMコンパレータ110は、この誤差信号とキャリア信号109とを比較し、この誤差信号の大きさに対応するデューティ比のゲート制御信号を出力する。
しかしながら、インダクタの種類によっては、電流が増加するほどインダクタンス値が低下するものが存在する。例えば、芯材としてダストコアを用いたものなどは、電流の増加に伴ってインダクタンス値が低下する傾向を示す。
また、インダクタのインダクタンス値は、該インダクタを流れる電流の変化幅が同じであっても、つまり、該電流の(最大値−最小値)が同じであっても、直流重畳分(DC成分)によって変化し、一般的には、この直流重畳分が大きいほどインダクタンス値が低くなる。
特許文献2に記載の技術では、このようなインダクタンス値の変化に対応できないので、インダクタに流れる電流を安定に推定することが困難である。
前記電流検出手段と前記キャパシタとの間に、該キャパシタからの放電電流を阻止する放電阻止回路を設けてもよい。この放電阻止回路は、前記放電電流を阻止するダイオードを備えることができる。また、前記放電阻止回路は、前記スイッチ素子がオンおよびオフになるタイミングでオンおよびオフされるスイッチ回路を備えてもよい。
前記電流検出手段からの信号電圧が零のときに相当する基準電圧と、前記キャパシタの端子電圧のいずれか高い方の電圧を前記インダクタに流れる電流を推定する電圧として選択する電圧選択手段を更に備えることができる。
前記キャパシタの端子電圧の増加率を+di/dt、前記入力電圧の瞬時値の絶対値をvin,前記直流出力電圧の瞬時値をvoとすると、(+di/dt)・(vo−vin)/vinを計算することにより前記キャパシタの端子電圧の減少率を算出するようにしてもよい。
さらに、この発明によれば、インダクタのインダクタンス値の変化によってスイッチ素子に流れる電流の増加率が変化した場合に、その変化した増加率に見合った減少率でキャパシタが放電されることになるので、上記インダクタンス値が変化してもインダクタに流れる電流を精度良く推定することが可能である。
図11に示す従来例では、ダイオード6に流れる電流、つまり、MOSFET5のオフ期間においてインダクタ4に流れる電流をACカレント・トランスであるACCT8aによって検出している。しかし、この発明の実施形態では、制御回路100に追加した図1に示す電流推定回路200によって上記オフ期間でのインダクタを推定するようにしているので、ACCT8aが削除されている。
+di/dt=vin/L (1)
また、MOSFET5がオフしている期間にインダクタ4に流れる電流の減少率を(−di/dt)とすると、この電流減少率は下記(2)式のように表される。
−di/dt=(vo−vin)/L (2)
(1)、(2)式からLを消去すると下記(3)式が得られる。
−di/dt={(vo−vin)/vin}×(+di/dt) (3)
この(3)式から明らかなように、上記電流減少率(−di/dt)は、上記電流増加率(+di/dt)に比例係数(vo−vin)/vinを乗じることによって求めることができる。
この実施形態では、上記両分圧回路の分圧比が等しくなるように抵抗101〜104の値を設定してある。したがって、(3)式の比例係数(vo−vin)と上記各分圧回路の出力電圧値vin’、vo’とには下記(4)式の関係が成立することになる。
(vo−vin)/vin=(vo’−vin’)/vin’ (4)
電圧制御電流源204は、MOSFET5のオフ期間に上記減少率(−di/dt)に従ってキャパシタ201を放電させる。これにより、キャパシタ201の端子電圧値vsの減少率は、MOSFET5のオフ期間にインダクタ4に流れる電流の減少率と一致することになる。
つまり、キャパシタ201の端子電圧値vsは、MOSFET5のオン期間に上記電流増加率(+di/dt)に従った増加率で増加し、MOSFET5のオフ期間に上記電流減少率(−di/dt)に従った減少率で減少することになる。
このように、この実施形態によれば、キャパシタ201の端子電圧値vsがインダクタ4に流れる電流に対応するので、図11に示すACCT8aを使用していないにもかかわらず、MOSFET5のオフ期間にインダクタ4に流れる電流をキャパシタ201の端子電圧値vsから推定することが可能である。
これらの図において、(a)はMOSFET5のオン期間およびオフ期間を規定するPWMコンパレータ110(図1参照)の出力信号vpwmの波形を、(b)はMOSFET5のオン期間におけるキャパシタ201の端子電圧の波形(実線参照)およびMOSFET5のオフ期間におけるキャパシタ201の端子電圧の波形(点線参照)を、(c)はインダクタ4に流れる電流の波形をそれぞれ例示している。
微分回路500aは、入力キャパシタ501、帰還抵抗502およびオペアンプ503を備える周知の構成を有し、入力キャパシタ501が上記キャパシタ201の代用手段としても活用される。入力キャパシタ501の一端はオペアンプ(演算増幅器)503の反転入力端子に接続され、オペアンプ503の非反転入力端子には基準電位である接地電位が入力され、帰還抵抗502はオペアンプ503の反転入力端子と出力端子の間に接続されている。
ここで、図1に示す電流検出回路300の出力電圧visが上昇中であるとすると、キャパシタ501は放電阻止回路400を介して端子電圧がvis(=vs)となるように充電される。このとき、キャパシタ501の充電電流iは、放電阻止回路400→キャパシタ501→抵抗502→オペアンプ503の出力端子という経路で流れる。そして、キャパシタ501の静電容量をC501とすると、(1/C501)∫idt=vsという関係が成立するので、キャパシタ501の充電電流iは電圧vis(=vs)の微分値に相当することになる。
一方、オペアンプ503の反転入力端子は、イマジナリショートにより接地電位(0ボルト)におかれるので、帰還抵抗502の抵抗値をR502とすると、オペアンプ503の出力電圧−i・R502も電圧vis(=vs)の微分値に比例した値となる。
なお、図3に示す電流推定回路200に設けられている微分回路500も、図5、図6に例示したような構成を持たせることができる。
この放電阻止回路400では、PWMコンパレータ110(図1参照)の出力信号vpwmを用いてスイッチ回路402aが制御されるので、つまり、MOSFET5がオンになるタイミングでスイッチ回路402aがオンされ、MOSFET5がオフになるタイミングでスイッチ回路402aがオフされるので、ダイオード402の接合容量や逆回復特性の影響でキャパシタ201が充電もしくは放電されるという上記の不都合が回避される。
なお、スイッチ回路402aには、その寄生容量がキャパシタ201やキャパシタ501の容量よりも小さく、さらには、そのオンオフ動作に伴うキャパシタ201やキャパシタ501の電荷変化が小さい回路構成のものを選ぶことが望ましい。
図8に上記単電源を使用する制御回路に組み込まれる電流推定回路200の構成例を示す。この電流推定回路200の放電阻止回路400bは、オペアンプ401bと、このオペアンプ401bの出力端子に直列接続されたスイッチ回路402bと、オペアンプ401bの非反転入力端子にそれぞれの一端が接続された分圧抵抗403b、404bと、オペアンプ401bの反転入力端子に一端が接続された抵抗405bと、オペアンプ401bの反転入力端と出力端子との間に接続した抵抗406bとを備えている。
一方、この電流推定回路200の微分回路500bは、図5に示す微分回路500aと同等の構成を有するものの、オペアンプ503bの非反転入力端子に基準電位としてバイアス電圧Vbias1が印加される。また、図5の帰還抵抗502に相当する帰還抵抗502bが、オペアンプ503bの反転入力端子と出力端子の間に接続されている。
上記分圧抵抗403b、404bの分圧比は、図1に示す電流検出回路300の出力信号visが零の場合にオペアンプ401bの非反転入力端子の電圧がVbias1となるように調整され、これによって、上記信号値visが零の場合にオペアンプ401bの出力電圧visbが零になる。
この図9に示すように、上記電圧vsb、visbおよびvsは、バイアス電圧Vbias1を基準電位として変化する。
なお、上記単電源を用いる構成は、図3、図5に示す電流推定回路200にも適用することができる。その場合、ダイオード402をスイッチ回路と看做すことができる。
また、図9(A)、図9(B)から明らかなように、バイアス電圧Vbias1を、電流検出回路300からの信号visの信号電圧が零のときの基準電圧として信号visbに置き換えて、前記最大値回路207の一方の入力信号とすることもできる。
また、上述の実施の形態においては、交流電源1からの交流電圧を本発明の入力電圧とし、これを全波整流したものをスイッチング電源装置への入力としたが、これに限定されるものではなく、バッテリーなどの直流電源の直流電圧を本発明の入力電圧としてもよい。この場合、実施の形態は力率改善回路ではないスイッチング電源装置となる。
さらに、上述の実施の形態においては、昇圧回路を例にとりあげたが、本発明の思想はこれに限定されるものではなく、降圧回路や極性逆転型回路などにも適用することができる。
2a,2b 直流出力端子
3 全波整流器
4 インダクタ
5 MOSFET
6 ダイオード
7 平滑キャパシタ
8,8a ACCT
100 制御回路
101,102,103,104 抵抗
105 電圧誤差増幅器
106 基準電圧
107 乗算器
108 電流誤差増幅器
109 キャリア信号
110 PWMコンパレータ
111 ゲートドライバ
200 電流推定回路
201 キャパシタ
202 サンプル・ホールド回路
203 乗算器
204 電圧制御電流源
205 減算器
206 除算器
207 最大値回路
300 電流検出回路
400,400b 放電阻止回路
401,401b オペアンプ(演算増幅器)
401a ボルテージフォロア回路
402 ダイオード
402a,402b スイッチ回路
403b,404b,405b,406b 抵抗
500,500a,500b 微分回路
501,501b,505 キャパシタ
502,502b,504 抵抗
503,503b オペアンプ(演算増幅器)
Claims (12)
- スイッチ素子のオン、オフに伴うインダクタのエネルギー蓄積、放出作用を利用して交流または直流の入力電圧を直流出力電圧に変換するスイッチング電源装置において、前記インダクタに流れる電流を推定する電流推定回路であって、
前記スイッチ素子に流れる電流を検出して対応する信号電圧を出力する電流検出手段と、
前記電流検出手段からの信号電圧によって充電されるキャパシタと、
前記キャパシタの端子電圧の増加率を算出する手段と、
前記入力電圧の瞬時値の絶対値および前記直流出力電圧の瞬時値を検出する瞬時値検出手段と、
前記キャパシタの端子電圧の増加率、前記入力電圧の瞬時値の絶対値および前記直流出力電圧の瞬時値に基づいて、前記スイッチ素子のオフ期間における前記キャパシタの端子電圧の減少率を算出する手段と、
前記スイッチ素子のオフ期間において、前記キャパシタの端子電圧が前記減少率に従って減少するように前記キャパシタを放電させる放電手段と、を備え、
前記インダクタに流れる電流を前記キャパシタの端子電圧から推定することを特徴とする電流推定回路。 - 前記電流検出手段は、カレント・トランスを備えることを特徴とする請求項1に記載の電流推定回路。
- 前記カレント・トランスはACカレント・トランスであることを特徴とする請求項2に記載の電流推定回路。
- 前記電流検出手段と前記キャパシタとの間に、該キャパシタからの放電電流を阻止する放電阻止回路を設けたことを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の電流推定回路。
- 前記放電阻止回路は、前記放電電流を阻止するダイオードを備えることを特徴とする請求項4に記載の電流推定回路。
- 前記放電阻止回路は、前記スイッチ素子がオンおよびオフになるタイミングでオンおよびオフされるスイッチ回路を備えることを特徴とする請求項4に記載の電流推定回路。
- 前記キャパシタの端子電圧の増加率を算出する手段が微分回路であることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の電流推定回路。
- 前記微分回路は、前記キャパシタを微分演算要素として使用した構成を有することを特徴とする請求項7に記載の電流推定回路。
- 前記微分回路は前記キャパシタの一端が反転入力端子に接続された演算増幅器を有し、該演算増幅器の非反転入力端子には基準電位が入力され、前記演算増幅器の反転入力端子と出力端子の間に抵抗が接続されていることを特徴とする請求項8に記載の電流推定回路。
- 前記電流検出手段からの信号電圧と前記キャパシタの端子電圧のいずれか高い方の電圧を前記インダクタに流れる電流を推定する電圧として選択する電圧選択手段を更に備えることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の電流推定回路。
- 前記電流検出手段からの信号電圧が零のときに相当する基準電圧と、前記キャパシタの端子電圧のいずれか高い方の電圧を前記インダクタに流れる電流を推定する電圧として選択する電圧選択手段を更に備えることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の電流推定回路。
- 前記キャパシタの端子電圧の増加率を+di/dt、前記入力電圧の瞬時値の絶対値をvin,前記直流出力電圧の瞬時値をvoとすると、(+di/dt)・(vo−vin)/vinを計算することにより前記キャパシタの端子電圧の減少率を算出することを特徴とする請求項1に記載の電流推定回路。
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