JP5615435B2 - ブートストラップ調整電源 - Google Patents

Description

本発明は、ブートストラップ調整電源に関する。

ブートストラップ電源は知られている。多くのブートストラップ電源回路は、民生用電子装置で使用されている。例えば、典型的なゲートドライバＩＣは、ブートストラップ電源とともに動作するように設計されている。

図１は、負荷１２に電力を供給する典型的なブートストラップ電源装置１０を示している。電源１４は、関連する限流抵抗器１６と整流器１８を有する。ローサイドＩＧＢＴ２０が既知の方法でオンオフに切り替わる。ハイサイドＩＧＢＴ２２が上側ゲートドライバ２４によって制御される。ブートストラップコンデンサ２６が上側ゲートドライバ２４に電力を供給する。

電源１４は、ローサイドＩＧＢＴ２０が導通しているときにブートストラップコンデンサ２６を充電する。ローサイドＩＧＢＴ２０がオフに切り替わると、ブートストラップコンデンサ２６はフローティング状態となる。この状態では、ブートストラップコンデンサ２６は、上側ゲートドライバ２４およびハイサイドＩＧＢＴ２２のエミッタと接続される。ローサイドＩＧＢＴ２０がオフのときは、ローサイドＩＧＢＴにわたる電圧降下によりブートストラップコンデンサ２６を充電するために使用される電圧が実際上変更される。このような条件下では、上側ゲートドライバ２４のための電源が無調整となる。これは、多くの状況で望ましくない。例えば、無調整の電源は高圧用途では使用が制限される。

高圧装置では、ローサイドＩＧＢＴ２０にわたる電圧降下は、電源１４に比べてかなり大きくなりうる。これにより、ブートストラップコンデンサ２６の充電電圧に大きな変動が生じ、上側ゲートドライバ２４のために望ましい電圧範囲に維持することが難しくなる。電圧の大きな変動は、ＩＧＢＴ２０，２２の切換性能にも悪影響がある。

図１に示す典型的な装置の他の制限は、ブートストラップコンデンサ２６の充電速度が比較的遅いことである。これにより、ダイオード１８と直列に比較的大きい抵抗器１６を接続することが必要となる。限流抵抗器１６は、最初にオンに切り替わるときの高い電圧変動率から上側ゲートドライバ２４を保護し、ブートストラップコンデンサ２６の充電速度を制限する。いくつかの高圧状況においては、ブートストラップコンデンサ２６の充電に利用可能な時間は非常に限られており、充電速度が十分に迅速でなければ図１の装置は有用でない。

例示的な電源は、ローサイドスイッチとハイサイドスイッチを含む。ドライバが、ハイサイドスイッチの動作を制御する。ブートストラップコンデンサが、ドライバに電力を供給する。エネルギ貯蔵部が、ブートストラップコンデンサと並列接続されており、ブートストラップコンデンサの電圧降下を制御する。電圧調整器が、ブートストラップコンデンサと並列接続されており、ブートストラップコンデンサに供給される電流を制限するとともにブートストラップコンデンサの電圧を調整する。

ブートストラップコンデンサからスイッチを制御するドライバへの電力供給を制御する例示的な方法は、ブートストラップコンデンサと並列にエネルギ貯蔵部を設けることを含む。エネルギ貯蔵部は、ブートストラップコンデンサの電圧がドライバの電力供給に使用される所望電圧よりも降下するかどうかを制御する。ブートストラップコンデンサの電圧は、ブートストラップコンデンサと並列接続されたリニア調整器を使用して調整される。

開示された例示的実施例の種々の特徴および利点は、以下の詳細な説明により当業者に明らかとなる。詳細な説明に付随する図面を以下に簡単に説明する。

従来技術に係るブートストラップコンデンサ電源装置の概略説明図である。 本発明の実施例に従って設計された電源装置の概略説明図である。 本発明に従って設計された他の電源装置の概略説明図である。 本発明の実施例に従って設計された電源を含むエレベータ装置の選択された部分を示す概略説明図である。

図２は、負荷４２に電力を供給する電源４０を概略的に示している。一例では、負荷４２はＤＣバスである。一例では、ＤＣバスは高圧ＤＣバスである。一例では、ＤＣバスの電圧は１２０ボルトを超える。エレベータ装置で使用される例では、電圧は約７５０ボルト〜１２００ボルトでありうる。

ローサイドスイッチ４４とハイサイドスイッチ４６が負荷４２に供給される電力を制御する。ハイサイドスイッチ４６は、上側ゲートドライバ４８によって制御される。ブートストラップコンデンサ５０が、上側ゲートドライバ４８に電力を供給する。

電源５２が、限流抵抗器５４および整流器５６と直列接続されている。一例では、電源５２は高圧電源である。

図示の例は、ブートストラップコンデンサ５０と並列接続されたエネルギ貯蔵部６０と、同様にブートストラップコンデンサ５０と並列接続された電圧調整器６２と、を含む。エネルギ貯蔵部６０は、エネルギ貯蔵部６０の電圧がブートストラップコンデンサ５０の電圧よりも降下するまでブートストラップコンデンサ５０の電圧が降下するのを防止するように、ブートストラップコンデンサ５０と並列に電圧を加える。換言すると、エネルギ貯蔵部６０は、ブートストラップコンデンサ５０の電圧が降下するかどうかに関していくらかの制御を提供する。このようなエネルギ貯蔵部６０の特徴により、例えば、ブートストラップコンデンサ５０として比較的安価なコンデンサを使用することが可能となる。

さらに、エネルギ貯蔵部６０は、電源５２が上側ゲートドライバ４８に供給可能な最大電圧よりも高い電圧となることを可能にする。エネルギ貯蔵部６０の存在により、ブートストラップコンデンサ５０のより迅速でかつより効果的な充電が促進される。

電圧調整器６２は、ブートストラップコンデンサ５０の電圧を調整する。一例では、リニア調整器が使用される。電圧調整器６２は、ブートストラップコンデンサ５０への突入電流を制限し、これにより、比較的安価なコンデンサの使用が容易になる。

図示の例では、エネルギ貯蔵部６０および電圧調整器６２によってローサイドスイッチ４４がオフに切り替わることに関連する電圧降下の影響が抑制されるので、高圧装置におけるブートストラップ電源の使用が可能になる。エネルギ貯蔵部６０と電圧調整器６２は、ブートストラップコンデンサ５０と上側ゲートドライバ４８の電圧が急激に上昇しないようにこれらを保護する。また、エネルギ貯蔵部６０および電圧調整器６２により、従来のブートストラップ電力装置に比べてブートストラップコンデンサ５０の迅速な充電が容易になる。

図３は、エネルギ貯蔵部６０がコンデンサ７０である他の例示的な電源４０を概略的に示している。ブートストラップコンデンサ５０とエネルギ貯蔵コンデンサ７０のキャパシタンスは、コンデンサ７０の電圧がブートストラップコンデンサ５０の電圧よりも降下するまでブートストラップコンデンサ５０の電圧が降下しないように選択される。

図３の例の電圧調整器６２は、ツェナーダイオード７２を含むリニア調整器である。ツェナーダイオード７２の破壊電圧は、調整器６２がブートストラップコンデンサ５０を有効に充電することができるように、ブートストラップコンデンサ５０の所望電圧よりも高くなるように選択される。一例では、ツェナーダイオード７２の破壊電圧は、上側ゲートドライバ４８に電力を供給するためのブートストラップコンデンサ５０の所望電圧よりも約０．７ボルト高い。この例のリニア調整器は、基部がツェナーダイオード７２と直列接続されたトランジスタ７４を含む。この例には、調整器抵抗器７６および調整器コンデンサ７８も含まれている。

図３の例では、スイッチ４４，４６はＩＧＢＴである。例によっては、ＦＥＴや他の半導体スイッチなどの他の形態のスイッチも使用可能である。

図２，図３の例示的な電源４０は、種々の状況で使用可能である。図４は、エレベータ装置８０におけるこのような電源の例示的な使用を示している。電源４０は、エレベータ巻上機８４に関連する駆動装置８２に電力を供給するために使用される。昇降路８８内におけるエレベータかご８６の移動は、巻上機８４の動作によって制御される。エレベータ装置の構成要素は、高圧を要し、エネルギ貯蔵部６０と電圧調整器６２を含む電源により、エレベータ装置の高圧環境においてブートストラップ電源形態の使用が可能になる。

図示の例示的電源の特徴の１つは、エレベータ駆動装置では、高価な絶縁変圧器やゲート駆動回路のための独立したスイッチモード電源の必要性がなくなることである。エレベータ駆動装置では、各々の電源スイッチ（例えば、図３のＩＧＢＴ４４，４６）は、スイッチを制御するようにゲートを駆動することができる絶縁された電源を要する。絶縁変圧器やゲート駆動回路のための独立したスイッチモード電源を使用する典型的な方法により、エレベータ装置の駆動電源にかなりのコストが追加されるおそれがある。図示の例示的な装置では、コスト削減が可能であり、上側ゲートドライバ４８に電力を供給する堅牢な解決法が実現される。

図示の例により、上側ＩＧＢＴゲートドライバ電源のためのコストおよび空間が最適化された解決法が提供される。例示的な電源は、比較的迅速な充填とローサイドスイッチの比較的大きい最低オンタイムを可能にすることで、そうでなければパルス幅変調に課される制約を最小にする。

上述の説明は、本質的に例示的なものであり、限定的なものではない。開示された実施例の変更および改良は、当業者には明らかであり、本発明の趣旨から必ずしも逸脱するものではない。本発明に与えられる法的保護の範囲は、以下の請求項の検討によってのみ判断することができる。

Claims (15)

1. ローサイドスイッチと、
   ハイサイドスイッチと、
   ハイサイドスイッチの動作を制御するドライバと、
   ドライバに電力を供給するブートストラップコンデンサと、
   ブートストラップコンデンサと並列接続されたエネルギ貯蔵部と、
   ブートストラップコンデンサと並列接続され、ブートストラップコンデンサに供給される電流を制限するとともにブートストラップコンデンサの電圧を調整する電圧調整器と、を有することを特徴とする電源。
2. エネルギ貯蔵部は、第２のコンデンサであることを特徴とする請求項１記載の電源。
3. 第２のコンデンサは、第２のコンデンサの電圧がブートストラップコンデンサの電圧よりも降下するまで、ブートストラップコンデンサの電圧が所望電圧よりも降下することを防ぐことを特徴とする請求項２記載の電源。
4. 電圧調整器は、リニア電圧調整器であることを特徴とする請求項１記載の電源。
5. 電圧調整器は、電源がブートストラップコンデンサを充電するように選択された破壊電圧を有するツェナーダイオードを含むことを特徴とする請求項４記載の電源。
6. ツェナーダイオードの破壊電圧は、ブートストラップコンデンサの所望電圧よりも高いことを特徴とする請求項５記載の電源。
7. ツェナーダイオードの破壊電圧は、ブートストラップコンデンサの所望電圧よりも約０．７ボルト高いことを特徴とする請求項６記載の電源。
8. 電圧調整器は、ツェナーダイオードと直列接続された基部を有するトランジスタを含み、トランジスタとツェナーダイオードとは、ブートストラップコンデンサと並列接続されていることを特徴とする請求項５記載の電源。
9. ローサイドスイッチおよびハイサイドスイッチに連結されたＤＣバスを有し、これらのスイッチによってＤＣバスへの電力供給が制御されていることを特徴とする請求項１記載の電源。
10. ＤＣバスは、高圧ＤＣバスであることを特徴とする請求項９記載の電源。
11. ブートストラップコンデンサからハイサイドスイッチを制御するドライバへの電力供給制御方法であって、
    ブートストラップコンデンサと並列接続されたエネルギ貯蔵部を設け、このエネルギ貯蔵部は、ブートストラップコンデンサの電圧がドライバに電力供給するために使用される所望電圧よりも降下するかどうかを制御し、
    ブートストラップコンデンサと並列接続されたリニア調整器を使用してブートストラップコンデンサの電圧を調整するステップをそれぞれ含むことを特徴とする電力供給制御方法。
12. ブートストラップコンデンサに供給される電流を制限するためにリニア調整器を使用することを特徴とする請求項１１記載の電力供給制御方法。
13. エネルギ貯蔵部は、コンデンサであり、エネルギ貯蔵コンデンサの電圧がブートストラップコンデンサの電圧よりも降下するまで、ブートストラップコンデンサの電圧が所望電圧よりも降下することを防ぐことを含むことを特徴とする請求項１１記載の電力供給制御方法。
14. ＤＣバスに供給される電力を制御するためにハイサイドスイッチを使用することを特徴とする請求項１１記載の電力供給制御方法。
15. ＤＣバスは、高圧ＤＣバスであることを特徴とする請求項１４記載の電力供給制御方法。

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