JP5826559B2 - スイッチング電源装置及びその制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源装置及びその制御方法に関し、詳しくは、負荷のショート等の異常発生時にスイッチング動作を停止して装置を保護するための技術に関する。

従来、ノートパソコン、液晶テレビ、プラズマテレビ、ゲーム機等のデジタル機器や家庭用娯楽機器用として、スイッチング電源装置が利用されており、特に、高効率が要求される電源では、電流共振（ＬＬＣ）コンバータを備えたスイッチング電源装置が広く採用されている。

電流共振コンバータは、スイッチング周波数のパルス周波数変調（ＰＦＭ）制御により、所望の出力電圧を得るものであり、通常、安定した出力を確保するために、装置中の電圧または電流（例えば、出力電圧または出力電流）を検出し、その検出値に応じてスイッチング動作を制御することが実施されている。

このようなスイッチング電源装置を安全に使用するためには、通常のスイッチング動作制御に加えて、過負荷または負荷のショート等の異常発生時に、例えばスイッチング動作の停止等の保護動作を実行することが望ましい。一般に、従来のスイッチング電源装置では、この保護動作を実行するために、通常のスイッチング動作制御用の回路系とは別に、装置中の電圧または電流を検出する検出回路及び／またはその検出値に応じて動作する保護回路が設けられている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１７１８３７号公報

しかしながら、スイッチング電源装置において、保護動作を実行するための検出回路及び／または保護回路を、通常のスイッチング動作用の制御回路とは別に設けた構成（以下、二重系ともいう）では、スイッチング電源装置の制御回路が複雑化し、装置のコストが増大するという問題があった。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、電流共振コンバータ部を備えたスイッチング電源装置において、通常のスイッチング動作用の制御回路を二重系にすることなく、保護動作を実行可能なスイッチング電源装置及びその制御方法を提供することにある。

以下の発明の態様は、本発明の構成を例示するものであり、本発明の多様な構成の理解を容易にするために、項別けして説明するものである。各項は、本発明の技術的範囲を限定するものではなく、発明を実施するための最良の形態を参酌しつつ、各項の構成要素の一部を置換し、削除し、又は、さらに他の構成要素を付加したものについても、本願発明の技術的範囲に含まれ得るものである。

（１）第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換して負荷回路に出力する電流共振コンバータ部と、前記電流共振コンバータ部が有するスイッチ素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部と、前記第２の直流電圧を検出し、その検出値に応じた出力信号を前記スイッチング制御部に出力する出力電圧検出部と、を含むスイッチング電源装置であって、
前記スイッチング制御部は、前記出力電圧検出部からの出力信号に基づいて、前記第２の直流電圧を所定の出力電圧とするための、前記スイッチ素子のスイッチング周波数を導出するとともに、該導出されたスイッチング周波数に基づいてスイッチング電源装置の異常の発生を判定し、前記異常が発生したと判定した場合、前記スイッチ素子のスイッチング動作を停止させ、かつ前記導出されたスイッチング周波数が所定の通常動作範囲の下限値以上かつ上限値以下である場合には、前記導出されたスイッチング周波数で前記スイッチ素子をスイッチング動作させ、前記スイッチング電源装置に異常が発生したと判定する条件に、前記導出されたスイッチング周波数が第１の基準周波数よりも小さい状態が、所定期間を超えて継続したこと、が含まれることを特徴とするイッチング電源装置（請求項１）。

（２）（１）項に記載のスイッチング電源装置において、前記第１の基準周波数は、前記通常動作範囲の下限値と一致することを特徴とするスイッチング電源装置（請求項２）。

（３）（１）項に記載のスイッチング電源装置において、前記第１の基準周波数は、前記通常動作範囲の下限値よりも大きいことを特徴とするスイッチング電源装置（請求項３）。

（４）（１）項に記載のスイッチング電源装置において、前記第１の基準周波数は、前記通常動作範囲の下限値よりも小さいことを特徴とするスイッチング電源装置（請求項４）。

（５）（１）〜（４）項に記載のスイッチング電源装置において、前記スイッチング制御部は、前記第１の基準周波数よりも大きい第２の基準周波数をさらに有しており、前記スイッチング電源装置に異常が発生したと判定する条件に、前記導出されたスイッチング周波数が前記第２の基準周波数よりも大きい状態が、所定期間を超えて継続したこと、が含まれることを特徴とするスイッチング電源装置。

（１）〜（５）項に記載のスイッチング電源装置において、前記スイッチング制御部は、前記導出されたスイッチング周波数が前記通常動作範囲の下限値よりも小さい場合、前記通常動作範囲の下限値の周波数で前記スイッチ素子を動作させ、前記導出されたスイッチング周波数が前記通常動作範囲の上限値よりも大きい場合、前記通常動作範囲の上限値の周波数で前記スイッチ素子をスイッチング動作させることが好ましい。

この場合、前記導出されたスイッチング周波数が、前記通常動作範囲の下限値よりも小さく、かつ、前記第１の基準周波数よりも小さい場合には、前記スイッチ素子は、前記所定期間の経過後に前記スイッチ素子の動作が停止するまでの間、前記通常動作範囲の下限値の周波数でスイッチング動作するものであってもよい。同様に、前記導出されたスイッチング周波数が、前記通常動作範囲の上限値よりも大きく、かつ、前記第２の基準周波数よりも大きい場合には、前記スイッチ素子は、前記所定期間の経過後に前記スイッチ素子の動作が停止するまでの間、前記通常動作範囲の上限値の周波数でスイッチング動作するものであってもよい。

（６）第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換して負荷回路に出力する電流共振コンバータ部と、前記電流共振コンバータ部が有するスイッチ素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部と、前記第２の直流電圧を検出し、その検出値に応じた出力信号を前記スイッチング制御部に出力する出力電圧検出部と、を含むスイッチング電源装置の制御方法であって、前記出力電圧検出部からの出力信号に基づいて、前記第２の直流電圧を所定の出力電圧とするための、前記スイッチ素子のスイッチング周波数を導出するステップと、該導出されたスイッチング周波数に基づいてスイッチング電源装置の異常の発生を判定するステップと、前記異常が発生したと判定した場合、前記スイッチ素子のスイッチング動作を停止させるステップと、前記導出されたスイッチング周波数が所定の通常動作範囲の下限値以上かつ上限値以下である場合には、前記導出されたスイッチング周波数で前記スイッチ素子をスイッチング動作させるステップと、を含み、前記スイッチング電源装置に異常が発生したと判定する条件に、前記導出されたスイッチング周波数が第１の基準周波数よりも小さい状態が、所定期間を超えて継続したこと、が含まれることを特徴とする制御方法（請求項５）。

本発明に係るスイッチング電源装置及びその制御方法によれば、電流共振コンバータ部を備えたスイッチング電源装置において、通常のスイッチング動作用の制御回路を二重系にすることなく、簡素な回路構成により異常発生時の保護動作を実行することが可能となる。

本発明の一実施形態におけるスイッチング電源装置の一例を示す回路構成図である。 図１に示すスイッチング電源装置において、そのスイッチング制御部の構成例を示す機能ブロック図である。 図１に示すスイッチング電源装置において、出力制御用フィードバック電圧とＬＬＣ制御用周波数との関係を示すグラフである。 図１に示すスイッチング電源装置の制御方法の一例を示すフローチャートである。 図１に示すスイッチング電源装置の制御方法の別の例を示すフローチャートである。 図１に示すスイッチング電源装置において、出力制御用フィードバック電圧とＬＬＣ制御用周波数との関係を示すグラフであり、スイッチング周波数の通常動作範囲の下限値と異なる第１の基準周波数を示した図である。 本発明の一実施形態におけるスイッチング電源装置の別の例を示す回路構成図である。 本発明の一実施形態におけるスイッチング電源装置のさらに別の例を示す回路構成図である。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を説明する。
図１は、本発明の一実施形態におけるスイッチング電源装置の一例を示す回路構成図である。
図１に示すスイッチング電源装置１は、力率改善（ＰＦＣ）部２と電流共振（ＬＬＣ共振）型ＤＣ／ＤＣコンバータ部（以下、電流共振コンバータ部という）３とを有している。

力率改善部２は、第１の整流素子Ｄ１と第１のスイッチ素子Ｑ１からなる第１の直列回路と、第２の整流素子Ｄ２と第２のスイッチ素子Ｑ２からなる第２の直列回路とを備えている。本実施形態では、第１、第２の整流素子Ｄ１、Ｄ２としてダイオードが用いられ、第１、第２のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２としてＭＯＳ−ＦＥＴが用いられており、第１の直列回路は、第１の整流素子Ｄ１のアノード端子と第１のスイッチ素子Ｑ１のドレイン端子とを接続しており、第２の直列回路は、第２の整流素子Ｄ２のアノード端子と第２のスイッチ素子Ｑ２のドレイン端子とを接続している。

第１の直列回路と第２の直列回路は、第１、第２の整流素子Ｄ１、Ｄ２のカソード端子同士を接続し、また、第１、第２のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のソース端子同士を接続して、互いに並列に接続されている。さらに、第１、第２の整流素子Ｄ１、Ｄ２のカソード端子同士の接続点には、第１の平滑コンデンサＣｉの一端が接続され、また、第１、第２のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のソース端子同士の接続点には、第１の平滑コンデンサＣｉの他端が接続されている。

また、力率改善部２は、リアクトルＬ１を備えており、リアクトルＬ１の一端は、第１の整流素子Ｄ１と第１のスイッチ素子Ｑ１の接続点に接続され、他端は、交流電源Ｖａｃの一端に接続される。そして、交流電源Ｖａｃの他端は、第２の整流素子Ｄ２と第２のスイッチ素子Ｑ２の接続点に接続されている。

スイッチング電源装置１において、電流共振コンバータ部３は、第３、第４スイッチ素子Ｑ３、Ｑ４からなる第３の直列回路を備えており、本実施形態では、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４としてＭＯＳ−ＦＥＴが用いられている。第３の直列回路は、第３のスイッチ素子Ｑ３のソース端子と第４のスイッチ素子Ｑ４のドレイン端子とを接続してなり、力率改善部２の第１の平滑コンデンサＣｉと並列に接続されるものであり、具体的には、第３のスイッチ素子Ｑ３のドレイン端子は、第２の整流素子Ｄ２のカソード端子に、第４のスイッチ素子Ｑ４のソース端子は、第２のスイッチ素子Ｑ２のソース端子にそれぞれ接続されている。

また、電流共振コンバータ部３は、高周波トランスＴと、高周波トランスＴの一次側に設けられた共振インダクタＬｒと共振コンデンサＣｒを含む直列共振回路とを有しており、高周波トランスＴの一次巻線の一端は、第３のスイッチ素子Ｑ３のソース端子と第４のスイッチ素子Ｑ４のドレイン端子との接続点に接続され、他端は、共振インダクタＬｒと共振コンデンサＣｒを含む直列共振回路を介して、第３のスイッチ素子Ｑ３のドレイン端子に接続されている。さらに、電流共振コンバータ部３は、高周波トランスＴの二次側に、整流ダイオードＤ３、Ｄ４と第２の平滑コンデンサＣｏを含む整流回路を有しており、第２の平滑コンデンサＣｏの両端間には、負荷回路３が接続されている。

さらに、スイッチング電源装置１は、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部１２と、力率改善部２の第１の平滑コンデンサＣｉの両端間電圧（以下、ＰＦＣ電圧ともいう）を検出し、その検出値に応じた出力信号をスイッチング制御部１２に出力するＰＦＣ電圧検出部１０と、スイッチング電源装置１の出力電圧（すなわち、第２の平滑コンデンサＣｏの両端間電圧）を検出し、その検出値に応じた出力信号をスイッチング制御部１２に出力する出力電圧検出部１１とを備えている。

スイッチング制御部１２は、ＰＦＣ電圧検出部１０及び出力電圧検出部１１からの出力信号に基づいて、第１〜第４スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４を駆動するパルス信号（この場合、ゲート駆動信号）を生成して、各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４に出力する。

スイッチング電源装置１において、力率改善部２は、所謂ブリッジレスＰＦＣ回路をなすものであり、スイッチング制御部１２は、ＰＦＣ電圧検出部１０からの出力信号に基づいて第１、第２のスイッチ素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御することにより、交流電源Ｖａｃの交流電圧を力率改善しつつ整流及び昇圧し、所定のＰＦＣ電圧（第１の平滑コンデンサＣｉの両端間電圧）を電流共振コンバータ部３に出力する。

また、電流共振コンバータ部３は、力率改善部２のＰＦＣ電圧（第１の直流電圧）を入力し、この入力電圧を、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング動作により高周波電圧に変換して高周波トランスＴの一次巻線の両端に印加し、高周波トランスＴの二次側に発生する高周波電圧を、整流ダイオードＤ３、Ｄ４と第２の平滑コンデンサＣｏにて整流かつ平滑化することによって、第２の平滑コンデンサＣｏの両端間電圧として所定の直流出力電圧（第２の直流電圧）を生成し、負荷回路に出力する。

この際、スイッチング電源装置１の出力電圧は、電流共振コンバータ部３のゲイン特性に基づいて、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング周波数を変化させることによって制御されるものであり、スイッチング制御部１２は、出力電圧検出部１１からの出力信号に基づいて、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチ素子のスイッチング動作をパルス周波数変調（ＰＦＭ）制御することにより、所定の出力電圧を達成するものである。

スイッチング電源装置１において、出力電圧検出部１１は、出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、所定の出力電圧に相当する基準電圧を生成する基準電圧生成回路と、出力電圧検出回路からの出力信号と、基準電圧生成回路からの出力信号を入力し、その誤差に相当する出力信号を生成するエラーアンプを有しており、エラーアンプからの出力信号が、絶縁素子(例えば、フォトカプラ)を介して、スイッチング制御部１２に出力される。

ここで、図１に示す回路構成において、リアクトルＬ１は、一端が第１のダイオードＤ１と第１のスイッチ素子Ｑ１との接続点に接続され、他端が交流電源Ｖａｃの一端に接続されているが、交流電源ＶａｃとリアクトルＬ１が逆の配置構成でもよく、また、直列共振回路の共振コンデンサＣｒと共振インダクタＬｒのいずれか一方または両方を、第３のスイッチ素子Ｑ３と第４のスイッチ素子Ｑ４の接続点と高周波トランスＴの一次巻線との間に接続してもよい。また、共振インダクタＬｒは、高周波トランスＴの漏れインダクタンスで代替することもできる。

次に、図２を参照して、スイッチング制御部１２の構成について詳述すれば、次の通りである。スイッチング制御部１２は、各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４に対するゲート駆動信号を出力するスイッチ素子ドライブ回路２８と、入力されるＰＦＣ電圧検出部１０及び出力電圧検出部１１からの出力信号に基づいて、各スイッチ素子Ｑ１〜Ｑ４に対するゲート駆動信号の周波数及びオンデューティを設定し、スイッチ素子ドライブ回路２８に対して所定の指令信号を出力するスイッチ素子制御回路１３とを備えている。

ここで、スイッチ素子制御回路１３は、図２に示すように、その機能ブロックとして、ＰＦＣ制御部１４とＬＬＣ制御部１５とを有している。さらに、ＰＦＣ制御部１４は、ＰＦＣ電圧Ａ／Ｄ変換部２１及びＰＦＣ演算処理部２４を有し、ＬＬＣ制御部１５は、出力電圧Ａ／Ｄ変換部２２、周波数演算部２３、周波数リミッタ部２５、及びＬＬＣ共振用ＰＷＭ出力制御部２７を有している。また、図示は省略するが、スイッチ素子制御回路１３は、後述する監視タイマとして機能する計時手段を備えている。

スイッチ素子制御回路１３は、好ましくは、マイクロコンピュータ、ＤＳＰ、ＦＰＧＡ等のプログラマブルデバイスを用いてデジタル制御装置として構成される。但し、このようなスイッチ素子制御回路１３を構成する各機能ブロックは、以下に説明する制御手順を実行する限り、任意の適切なハードウェアまたはソフトウェア、あるいはそれらの組合せにより実装することができる。

スイッチ素子制御回路１３において、ＰＦＣ制御部１４は、ＰＦＣ電圧検出部１０からの出力信号（ＰＦＣ出力電圧）をＰＦＣ電圧Ａ／Ｄ変換部２１によりＡ／Ｄ変換し、これによって、デジタルデータであるＰＦＣ電圧データが生成される。そして、ＰＦＣ演算処理部２４は、生成されたＰＦＣ電圧データに基づき、力率改善部２のスイッチ素子Ｑ１またはＱ２のスイッチング動作のためのゲート駆動信号のオンデューティを演算し、対応する指令信号をスイッチ素子ドライブ回路２８に出力する。この際、スイッチ素子Ｑ１及びＱ２のスイッチング周波数は、予め設定される所定の周波数に固定されているものであってもよく、あるいは、リアクトルＬ１に流れる電流を検出することによって、決定されるものであってもよい。

次に、図２とともに図３及び図４を参照して、ＬＬＣ制御部１５の機能及びＬＬＣ制御部１５で実行される制御手順を説明すれば、次の通りである。
まず、電流共振コンバータ部３の入出力電圧に関するゲイン特性には、一般に、２つの共振周波数（ｆ１＜ｆ２）があり、第１の共振周波数ｆ１においてピークゲインをとり、また、第２の共振周波数ｆ２において負荷に依らずにゲインが一定となる。そして、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４は、通常、第１の共振周波数ｆ１と第２の共振周波数ｆ２との間の周波数範囲で駆動され、この周波数範囲では、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング周波数を小さくすることにより出力電圧を上昇させ、スイッチング周波数を大きくすることにより出力電圧を低下させるように、出力電圧を制御することができる。

したがって、スイッチング電源装置１において、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング周波数（ＬＬＣ制御用周波数）は、検出された出力電圧（出力制御用フィードバック電圧）に対して、図３に示すような関係を有するように設定される。具体的には、検出された出力電圧が所定の出力電圧よりも大きい場合には、その誤差に応じてスイッチング周波数を大きくして出力電圧を低下させ、検出された出力電圧が所定の出力電圧よりも小さい場合には、その誤差に応じてスイッチング周波数を小さくして出力電圧を上昇させることにより、所定の出力電圧が安定して出力されるものである。

この際、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の通常動作において使用されるスイッチング周波数の範囲（図３の例では、下限値Ｆｓｍｉｎ以上かつ上限値Ｆｓｍａｘ以下）は、電流共振コンバータ部３の共振特性等の設計仕様に基づいて設定される。

スイッチング電源装置１は、以上のような通常動作における出力電圧のＰＦＭ制御を実行するための制御回路に対して、別の保護回路等を設けることなく、過負荷または負荷のショート等の異常の発生を判定し、適切な保護動作を実行可能としたことをその主要な特徴とするものであり、次に、スイッチング電源装置１の制御方法の一例として、ＬＬＣ制御部１５及びスイッチ素子ドライブ回路２８で実行される制御手順について説明する。

ＬＬＣ制御部１５は、図４に示すように、制御開始後、出力検出回路１１からの出力信号（ＬＬＣ出力電圧）のＡ／Ｄ変換が完了したか否かを判別し（ステップＳ１）、完了していない場合（Ｎｏ）には、この判別を繰り返す。この間、ＬＬＣ制御部１５は、出力電圧Ａ／Ｄ変換部２２において、出力電圧検出部１１からの出力信号をＡ／Ｄ変換し、これによって、デジタルデータである出力電圧データが生成される。そして、その後に実行されるステップＳ１において、Ａ／Ｄ変換が完了したと判別され（Ｙｅｓ）、制御はステップＳ２に移行する。

次いで、ＬＬＣ制御部１５は、周波数演算部２３において、出力電圧データを使用してスイッチング周波数（以下、制御周波数ともいう）ＦＣを演算により導出する（ステップＳ２）。この制御周波数ＦＣは、図３に示す関係に従って、例えばＰＩＤ演算等により求められる。

次いで、ＬＬＣ制御部１５は、周波数リミッタ部２５において、ステップＳ２において導出された制御周波数ＦＣが、通常動作範囲内であるか否かを判別する。具体的には、制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さいか否かが判別され（ステップＳ３）、制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎ以上であった場合（Ｎｏ）、続いて、制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘよりも大きいか否かが判別される（ステップＳ５）。そして、ステップＳ５において、制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘ以下であった場合（Ｎｏ）、ＬＬＣ制御部１５は、後述する異常判定動作のための監視タイマをクリアして監視タイマの動作を停止させ（ステップＳ８）、次いで、制御はステップＳ１３に移行する。

この場合、ステップＳ２において導出された制御周波数ＦＣは、通常動作範囲内（下限値ＦＳｍｉｎ以上かつ上限値ＦＳｍａｘ以下）であるため、ＬＬＣ制御部１５は、ＬＬＣ共振用ＰＷＭ制御部２７において、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング周波数を、ステップＳ２において導出された制御周波数ＦＣに設定する。そして、ＬＬＣ制御部１５は、設定されたスイッチング周波数ＦＣと、所定のオンデューティ(典型的には、５０％）を有するゲート駆動信号（駆動パルス信号）を第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４に対して出力するための指令信号を、スイッチ素子ドライブ回路２８に対して出力し、さらに、スイッチ素子ドライブ回路２８は、この指令信号に従って、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４に対してゲート駆動信号（駆動パルス信号）を出力する（ステップＳ１３）。
以後、ＬＬＣ制御部１５は、ステップＳ１からの制御手順を繰り返して実行する。

一方、ステップＳ３において、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さいと判別された場合（Ｙｅｓ）、ＬＬＣ制御部１５は、周波数リミッタ部２５において、制御周波数ＦＣに対して通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎを設定し（ステップＳ４）、その後、次のような異常判定動作を実行する。
異常判定動作において、ＬＬＣ制御部１５は、まず、スイッチ素子制御回路１３が備える監視タイマが作動中であるか否かを判別し（ステップＳ９）、監視タイマが作動中でない場合（Ｎｏ）、監視タイマをセットして、監視タイマによる所定期間の計時を開始する（ステップＳ１０)。

例えば、監視タイマは、所謂フリーランカウンタによって構成され、スイッチ素子制御回路１３に入力されるクロック信号（図示は省略する）に従って、そのカウント値がカウントアップされるように構成されていてもよい。

次いで、制御はステップＳ１３に移行し、スイッチ素子ドライブ回路２８は、上述したように、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４に対してゲート駆動信号（駆動パルス信号）を出力し、以後、ＬＬＣ制御部１５は、ステップＳ１からの制御手順を繰り返して実行する。但し、この場合の第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング周波数ＦＣは、ステップＳ４で設定された通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎである。

そして、監視タイマのセット以後にステップＳ１から繰り返される制御手順において、ステップＳ２で導出される制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さい状態が続けて発生した場合、制御手順は、ステップＳ３、ステップＳ４を経てステップＳ９に移行し、異常判定動作が継続される。この場合、ステップＳ９において監視タイマが作動中である（Ｙｅｓ）と判別されて、制御はステップＳ１１に移行し、ＬＬＣ制御部１５は、ステップＳ１１において、監視タイマが満了したか否か（例えば、監視タイマのカウント値が、所定期間に相当する値に到達したか否か）を判別する。ステップＳ１１において、監視タイマが満了していない場合（Ｎｏ）には、監視タイマのカウント値を保持して（すなわち、所定期間の計時を持続しつつ）（ステップＳ１２）、制御はステップＳ１３に移行する。

次いで、ステップＳ１３において、スイッチ素子ドライブ回路２８は、上述したように、ＬＬＣ制御部１５からの指令信号に従って、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４に対してゲート駆動信号（駆動パルス信号）を出力し、以後、ＬＬＣ制御部１５は、ステップＳ１からの制御手順を繰り返して実行する。但し、この場合の第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング周波数ＦＣは、ステップＳ４で設定された通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎである。

また、監視タイマのセット以後にステップＳ１から繰り返される制御手順において、ステップＳ２で導出される制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さい状態が続けて発生し、さらに、その結果制御が移行したステップＳ１１において、監視タイマが満了したと判別された場合（Ｙｅｓ）、（必要な場合、監視タイマをクリアして監視タイマの作動を停止した後）、制御はステップＳ１４に移行する。

ステップＳ１４において、ＬＬＣ制御部１５は、スイッチ素子ドライブ回路２８に対して第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング動作を（好ましくはオフ状態）で停止させるための指令信号を出力し、スイッチ素子ドライブ回路２８は、この指令信号に従ってゲート駆動信号（駆動パルス信号)の出力を停止する（言い換えれば、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング動作を、好ましくはオフ状態で、停止させる）。

上述した異常判定動作は、通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎを第１の基準周波数として使用して、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが第１の基準周波数よりも小さい状態が、所定期間を超えて継続したことを条件として異常の発生を判定するものであり、その条件の成立の結果、電流共振コンバータ部３の第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４を停止する保護動作が実行される。

また、図４に示す制御手順では、ステップＳ５において、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘよりも大きいと判別された場合（Ｙｅｓ）にも、ＬＬＣ制御部１５は、周波数リミッタ部２５において、制御周波数ＦＣに対して通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘを設定するとともに（ステップＳ６）、同様の異常判定動作を実行するものである。

この場合には、通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘを第２の基準周波数として使用して、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが第２の基準周波数よりも大きい状態が、所定期間を超えて継続したことを条件として異常の発生を判定し、その条件の成立の結果、電流共振コンバータ部３の第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４を停止する保護動作を実行することになる。

尚、図４に示す制御手順において、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さいか、または、通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘよりも大きいかのいずれかの条件が成立して、ステップＳ１０において監視タイマがセットされた後、監視タイマが満了する以前に、ステップＳ２で導出されたスイッチ素子のスイッチング周波数ＦＣが下限値ＦＳｍｉｎ以上かつ上限値ＦＳｍａｘ以下となる事象が発生した場合には、ステップＳ８において監視タイマがクリアされることによって、異常判定動作が中断され、通常動作が再開される。

また、図４に示す制御手順では、上述したような、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さい状態が、所定期間を超えて継続した場合（第１の条件）と、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘよりも大きい状態が、所定期間を超えて継続した場合（第２の条件）だけでなく、第３の条件として、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さいかまたは上限値ＦＳｍａｘよりも大きい状態が（途中に通常動作範囲内の周波数となる事象が発生することなく）、所定期間を超えて継続した場合にも、異常が発生したと判定され、電流共振コンバータ部３の第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４が停止されることになる。

但し、実際のスイッチング電源装置１の動作において、上記第３の条件が成立するような事象が発生する可能性は低いと考えられるため、図４に示す制御手順は、事実上、上記第１の条件及び上記第２の条件の成立を監視して、異常の発生を判定する手順の例であると言える。勿論、図４に示す制御手順において、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さい状態の発生を契機として監視タイマをセットしたのか、または、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘよりも大きい状態の発生を契機として監視タイマをセットしたのかを区別するためのフラグ等を使用することにより、上記第１の条件または第２の条件の成立のみを監視するものであってもよい。

ここで、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さい状態が、所定期間を超えて継続したという第１の条件は、スイッチング電源装置１に過負荷または負荷のショート等の異常が発生した場合に、このような異常を検出するための条件に相当する。そして、スイッチング電源装置１にこのような異常が発生した状況において保護動作を実行せず、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング動作を継続すると、スイッチング電源装置１に、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４に貫通電流が流れて第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４が破壊される等の損傷が発生するおそれがある。

一方、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘよりも大きい状態が、所定期間を超えて継続したという第２の条件が成立するような状況では、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング動作を継続しても、スイッチング電源装置１に上述したような損傷が発生する可能性は低いため、第２の条件の成立に相当する異常は、スイッチング電源装置１の保護の観点から、その重大性が比較的低いものである。

この点に鑑みて、ＬＬＣ制御部１５は、異常判定動作のための第２の基準周波数を有せず、その制御手順における異常発生を判定するための条件に、上記第２の条件が含まれないものであってもよい。例えば、図４に示すステップＳ５において、ステップＳ２で導出された制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘよりも大きいと判別された場合（Ｙｅｓ)、ステップＳ６において制御周波数ＦＣを通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘに設定して一定の安全を確保した後、制御をステップＳ８に移行させ、ステップＳ９〜Ｓ１２の異常判定動作を実行することなく、通常動作を継続するものであってもよい。あるいは、より簡易な制御手順として、単に、ステップＳ５及びステップＳ６を省略するものであってもよい。

上述したようなスイッチング電源装置１及びその制御方法によれば、出力電圧検出部１１及びＬＬＣ制御部１５を含むスイッチング制御部１２のような、電流共振コンバータ部３の通常動作において出力電圧をＰＦＭ制御するための回路系に対して、異常の発生を検出して保護動作を実行するための検出回路及び／または保護回路を別に設けることなく、ＬＬＣ制御部１５で実行される通常動作の制御手順を拡張することによって、スイッチング電源装置１の異常発生を検出するとともに適切な保護動作を実行し、装置の安全を確保することが可能となる。

また、スイッチング電源装置１及びその制御方法は、電流共振コンバータ部３が有する第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４のスイッチング動作に適用され、そのスイッチング動作のオンデューティは所定の値（例えば、５０％）に固定されているため、スイッチング周波数のみを使用する簡易な制御方法により、確実に装置の安全を確保することが可能となる。

この際、図４に示す制御手順において、ステップＳ２で導出される制御周波数ＦＣが、通常動作範囲の下限値Ｆｍｉｎよりも小さい場合に、その状態が継続する間、及び、通常動作範囲の上限値Ｆｍａｘよりも大きい場合に、その状態が継続する間において、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４を、それぞれ、通常動作範囲の下限値Ｆｍｉｎ、または、通常動作範囲の上限値Ｆｍａｘの周波数でスイッチング動作させる構成は、装置の安全を確保する上でさらに有利なものである。

ここで、図４に示す制御手順では、通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎが、異常判定動作における第１の基準周波数として使用され、通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘが、異常判定動作における第２の基準周波数として使用された。
但し、スイッチング電源装置１において、このような第１及び第２の基準周波数は、電流共振コンバータ部３の共振特性等の設計仕様に基づいて設定される通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎ及び上限値ＦＳｍａｘに対して、個別のスイッチング電源装置の特性のばらつき及び／またはスイッチング電源装置に要求される安全率を加味することにより、それぞれ、通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎ及び上限値ＦＳｍａｘとは異なる周波数（典型的には、それぞれ、下限値ＦＳｍｉｎ及び上限値ＦＳｍａｘの近傍）に設定されるものであってもよい。

図５は、スイッチング電源装置１の制御方法の別の例として、異常判定動作における第１の基準周波数（図６に示すＦｒｅｆ１）を、通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも大きい（かつ、通常動作範囲の上限値Ｆｍａｘよりも小さい）周波数に設定した場合のＬＬＣ制御部１５における制御手順を示したフローチャートである。
尚、図５に示す制御手順において、ステップＳ１０１、Ｓ１０２、Ｓ１０８〜Ｓ１１４については、図４に示す制御手順のステップＳ１、Ｓ２、Ｓ８〜Ｓ１４とそれぞれ同様のものであるため、以下では、図４に示す制御手順と重複する部分の説明は適宜省略し、主として相違点について説明する。

図５に示す制御手順において、ＬＬＣ制御部１５は、周波数リミッタ部２５において、ステップＳ１０２において導出された制御周波数ＦＣが、通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さいか否かを判別し（ステップＳ１０３）、制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎ以上であった場合（Ｎｏ）、続いて、制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘよりも大きいか否かを判別する（ステップＳ１０５）。そして、図５に示す制御手順では、ステップＳ１０５において、制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘ以下であると判別され（Ｎｏ）、したがって、制御周波数ＦＣが通常動作範囲内にあった場合でも、図４に示す制御手順とは異なり、さらに、制御周波数ＦＣが第１の基準周波数Ｆｒｅｆ1（＞ＦＳｍｉｎ）よりも小さいか否かが判別される（ステップＳ１０７）。

そして、ステップＳ１０７において、制御周波数ＦＣが第１の基準周波数Ｆｒｅｆ1以上であると判別された場合(Ｎｏ）に、ＬＬＣ制御部１５は、監視タイマをクリアして（ステップＳ１０８）、通常動作を継続し、また、ステップＳ１０７において、制御周波数ＦＣが第１の基準周波数Ｆｒｅｆ1よりも小さい判別された場合(Ｙｅｓ）に、ＬＬＣ制御部１５は、ステップＳ１０９〜Ｓ１１２の異常判定動作を実行する。

図５に示す制御手順において、第１の基準周波数Ｆｒｅｆ１を、通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎに対してどの程度大きく設定するかは、個別のスイッチング電源装置の特性のばらつき及び／またはスイッチング電源装置に要求される安全率を勘案の上、適切に設定されるものである。これによって、図５に示す制御手順では、図４に示す制御手順と比較して、スイッチング電源１における過負荷及び負荷のショート等の異常の発生を、より確実に検出して、装置の安全性を向上させることができる。

尚、ステップＳ１０３において、ステップＳ１０２で導出された制御周波数ＦＣが、通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さいと判別された場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０４において、制御周波数ＦＣが通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎに設定された後、ステップＳ１０７に制御が移行するが、この場合にも、ＦＳｍｉｎ＜Ｆｒｅｆ１より、制御周波数ＦＣは第１の基準周波数Ｆｒｅｆ１よりも小さいと判別されて（Ｙｅｓ）、ステップＳ１０９〜Ｓ１１２の異常判定動作が実行される。

また、図５に示す制御手順は、ＬＬＣ制御部１５が、異常判定動作のための第２の基準周波数を有せず、その制御手順における異常の発生を判定するための条件に、ステップＳ１０２で導出された制御周波数ＦＣが第２の基準周波数よりも大きい状態が、所定期間を超えて継続したという第２の条件が含まれない場合に相当する。
例えば、ステップＳ１０５において、ステップＳ１０２で導出された制御周波数ＦＣが、通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘよりも大きいと判別された場合（Ｙｅｓ）には、ステップＳ１０６において、制御周波数ＦＣが通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘに設定された後、ステップＳ１０７に制御が移行するが、この場合には、ＦＳｍａｘ＞Ｆｒｅｆ１より、制御周波数ＦＣは第１の基準周波数Ｆｒｅｆ１よりも大きいと判別されて（Ｎｏ）、制御はステップＳ１０８に移行し、通常動作が継続される。

但し、図５に示す制御手順においても、ＬＬＣ制御部１５は、第１の基準周波数Ｆｒｅｆ１よりも大きい第２の基準周波数を有し、異常の発生を判定するための条件に、上記第２の条件が含まれるものであってもよい。この際、第２の基準周波数は、通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘと一致するものであってもよく、あるいは、通常動作範囲の上限値ＦＳｍａｘに対して、個別のスイッチング電源装置の特性のばらつき及び／またはスイッチング電源装置に要求される安全率を加味し、通常動作範囲の上限値Ｆｍａｘとは異なる値に設定されるものであってもよい。

さらに、スイッチング電源装置１において、異常判定動作における第１の基準周波数は、図６に示すＦｒｅｆ２のように、通常動作範囲の下限値ＦＳｍｉｎよりも小さい周波数に設定されるものであってもよい。このような設定は、例えば、制御周波数ＦＣの通常動作範囲（ＦＳｍｉｎ≦ＦＣ≦ＦＳｍａｘ)が、個別のスイッチング電源装置の特性のばらつき及び／またはスイッチング電源装置に要求される安全率が十分に加味されて設定されている場合に、異常発生の検出が過敏になり、実際には異常が発生していない状況を異常が発生した判定してしまう誤認を抑制して、スイッチング電源装置１を安定に動作させるために有利な構成である。

以上、本発明を好ましい実施形態を用いて説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば、上述したスイッチング制御部１２の構成及びその制御手順は、本発明に係るスイッチング電源装置の制御方法を実装するスイッチング制御部１２の構成及びその制御手順の一例に過ぎず、本発明に係るスイッチング電源装置の制御方法を実装するスイッチング制御部を、アナログ回路によって構成するものであってもよい。

また、上述した実施形態では、異常判定動作に使用される監視タイマは、スイッチ素子制御回路１３が備えるものとしたが、監視タイマは、スイッチ素子制御回路１３の外部に備えられるものであってもよい。

また、本発明が適用されるスイッチング電源装置の構成は、図１に示すスイッチング電源装置１に限定されるものではなく、出力電圧をフィードバックすることによりＰＦＭ制御するように構成された電流共振コンバータ部を含むものである限り、任意のスイッチング電源装置に対して適用することができる。

例えば、本発明に係るスイッチング電源装置は、図７に示すスイッチング電源装置１ａのように、その力率改善部２ａが、２つのダイオードＤ１、Ｄ５の直列回路と２つのスイッチ素子Ｑ５、Ｑ２の直列回路とが並列接続され、両直列回路の中間点間にリアクトルＬ１と交流電源Ｖａｃが直列に接続されており、さらに、第１、第２ダイオードＤ１、Ｄ２の直列回路の両端に対して第１平滑コンデンサＣiが並列接続された構成を有しており、電流共振コンバータ部３ａは、力率改善部２ａと上記２つのスイッチ素子Ｑ５、Ｑ２を共有するとともに、このスイッチ素子Ｑ５、Ｑ２の直列回路と、第３、第４のスイッチ素子Ｑ３、Ｑ４の直列回路とを並列接続してなるフルブリッジ回路を含むものであってもよい。

あるいは、本発明に係るスイッチング電源装置は、図８に示すスイッチング電源装置１ｂのように、その力率改善部２ｂが、第１のリアクトルＬ１と第２のリアクトルＬ２とを備え、第１のリアクトルＬ１の一端は、第１の整流素子Ｄ１と第１のスイッチ素子Ｑ１の接続点に接続され、他端は、交流電源Ｖｉｎの一端に接続されており、第２のリアクトルＬ２の一端は、第２の整流素子Ｄ２と第２のスイッチ素子Ｑ２の接続点に接続され、他端は、交流電源Ｖｉｎの他端に接続されているものであってもよい。

１，１ａ，１ｂ：スイッチング電源装置、２，２ａ，２ｂ：力率改善部、３，３ａ：電流共振コンバータ部、１０：ＰＦＣ電圧検出部、１１：出力電圧検出部、１２，１２ａ：スイッチング制御部、Ｑ１〜Ｑ４：第１〜第４のスイッチ素子

Claims (5)

1. 第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換して負荷回路に出力する電流共振コンバータ部と、前記電流共振コンバータ部が有するスイッチ素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部と、前記第２の直流電圧を検出し、その検出値に応じた出力信号を前記スイッチング制御部に出力する出力電圧検出部と、を含むスイッチング電源装置であって、
   前記スイッチング制御部は、前記出力電圧検出部からの出力信号に基づいて、前記第２の直流電圧を所定の出力電圧とするための、前記スイッチ素子のスイッチング周波数を導出するとともに、該導出されたスイッチング周波数に基づいてスイッチング電源装置の異常の発生を判定し、前記異常が発生したと判定した場合、前記スイッチ素子のスイッチング動作を停止させ、かつ前記導出されたスイッチング周波数が所定の通常動作範囲の下限値以上かつ上限値以下である場合には、前記導出されたスイッチング周波数で前記スイッチ素子をスイッチング動作させ、
   前記スイッチング電源装置に異常が発生したと判定する条件に、前記導出されたスイッチング周波数が第１の基準周波数よりも小さい状態が、所定期間を超えて継続したこと、が含まれることを特徴とするイッチング電源装置。
2. 前記第１の基準周波数は、前記通常動作範囲の下限値と一致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。
3. 前記第１の基準周波数は、前記通常動作範囲の下限値よりも大きい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。
4. 前記第１の基準周波数は、前記通常動作範囲の下限値よりも小さい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。
5. 第１の直流電圧を第２の直流電圧に変換して負荷回路に出力する電流共振コンバータ部と、前記電流共振コンバータ部が有するスイッチ素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御部と、前記第２の直流電圧を検出し、その検出値に応じた出力信号を前記スイッチング制御部に出力する出力電圧検出部と、を含むスイッチング電源装置の制御方法であって、
   前記出力電圧検出部からの出力信号に基づいて、前記第２の直流電圧を所定の出力電圧とするための、前記スイッチ素子のスイッチング周波数を導出するステップと、該導出されたスイッチング周波数に基づいてスイッチング電源装置の異常の発生を判定するステップと、前記異常が発生したと判定した場合、前記スイッチ素子のスイッチング動作を停止させるステップと、前記導出されたスイッチング周波数が所定の通常動作範囲の下限値以上かつ上限値以下である場合には、前記導出されたスイッチング周波数で前記スイッチ素子をスイッチング動作させるステップと、を含み、
   前記スイッチング電源装置に異常が発生したと判定する条件に、前記導出されたスイッチング周波数が第１の基準周波数よりも小さい状態が、所定期間を超えて継続したこと、が含まれることを特徴とする制御方法。

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