JP6653285B2 - スイッチング制御装置 - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチング制御装置に関する。
従来、例えば、ＤＣＤＣコンバータは、直流電力を交流電力に変換するスイッチング回路と、スイッチング回路により変換された交流電力を変圧するトランスと、トランスにより変圧された交流電力を直流電力に整流する整流回路と、上記スイッチング回路を制御するスイッチング制御装置とを備えている。スイッチング制御装置は、例えば、スイッチング回路のスイッチング素子をオン・オフ制御することにより所定の交流電力に変換する。
特開２００８−６７４７５号公報
ところで、従来のスイッチング制御装置は、スイッチング回路のスイッチング素子に逆バイアスの電圧を印加し当該スイッチング素子を速やかにオフする逆バイアス回路を備えている場合があるが、逆バイアス回路を構成する部品の数が増加する傾向にあり、この点で更なる改善の余地がある。
そこで、本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、逆バイアス回路を構成する部品の数が増加することを抑制できるスイッチング制御装置を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係るスイッチング制御装置は、変圧対象の直流電源に接続されオン又はオフに制御されるスイッチング素子であって、電流を入力する入力端子、前記入力端子から入力した前記電流を出力する出力端子、及び、前記入力端子から前記出力端子に流れる電流を制御する制御端子を有するスイッチング素子の前記制御端子に接続され前記制御端子に電圧を印加して当該スイッチング素子をオンする駆動回路と、前記出力端子に接続されるコンデンサ、及び、一端が前記駆動回路と前記制御端子との間に接続され他端が前記コンデンサと前記出力端子との間に接続されるコイルを有する逆バイアス回路と、を備え、前記コイルは、前記逆バイアス回路により逆バイアスの電圧を連続して出力することが可能なインダクタンス値であり、前記コイルのインダクタンス値をＬとし、前記駆動回路に印加される電圧をＶＣＣ２とし、前記駆動回路により前記制御端子に電圧を印加する１周期当たりのオン期間をＴｏｎとし、前記駆動回路により前記制御端子に電圧を印加しない１周期当たりのオフ期間をＴｏｆｆとし、前記駆動回路により印加する前記制御端子の電流値であって設計値として予め定められた電流値をＩＧとした場合、以下の式（１）を満たすことを特徴とする。
Ｌ＞(ＶＣＣ２×Ｔｏｎ×Ｔｏｆｆ)／(２×ＩＧ×(Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ)) ・・・（１）
本発明に係るスイッチング制御装置は、スイッチング素子の出力端子に接続されるコンデンサ、及び、一端がスイッチング素子の制御端子と駆動回路との間に接続され他端がコンデンサとスイッチング素子の出力端子との間に接続されるコイルを有する逆バイアス回路を備える。これにより、スイッチング制御装置は、逆バイアス回路によりスイッチング素子の出力端子に逆バイアスの電圧を印加することができる。また、スイッチング制御装置は、逆バイアス回路をコイルとコンデンサとにより構成することができるので、逆バイアス回路を構成する部品の数が増加することを抑制できる。
図１は、実施形態に係るスイッチング制御装置の構成例を示す回路図である。 図２は、実施形態に係るスイッチング制御装置の動作例を示す図である。 図３は、変形例に係るスイッチング制御装置の構成例を示す回路図である。 図４は、変形例に係るスイッチング制御装置の構成例を示す回路図である。
本発明を実施するための形態（実施形態）につき、図面を参照しつつ詳細に説明する。以下の実施形態に記載した内容により本発明が限定されるものではない。また、以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれる。さらに、以下に記載した構成は適宜組み合わせることが可能である。また、本発明の要旨を逸脱しない範囲で構成の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
〔実施形態〕
実施形態に係るＤＣＤＣコンバータ１について説明する。ＤＣＤＣコンバータ１は、図１に示すように、例えば、絶縁型のスイッチング電源装置である。ＤＣＤＣコンバータ１は、例えば、車両の直流電源（バッテリ）から供給される直流電力の電圧を変圧するものである。ＤＣＤＣコンバータ１は、１次回路１０と、２次回路（図示せず）と、１次回路１０を制御するスイッチング制御装置２０とを備えている。１次回路１０は、スイッチング回路１１と、スイッチング回路１１に接続される１次巻線１２とを備えている。スイッチング回路１１は、変圧対象の直流電源ＶＰＰに接続され、直流電源ＶＰＰから供給される直流電力を交流電力に変換する回路である。ここで、直流電源ＶＰＰは、相対的に高い電圧であり、例えば１００Ｖ〜２００Ｖ程度の電圧である。スイッチング回路１１は、例えば、４つのスイッチング素子から構成されるフルブリッジ方式の回路である。図１では、スイッチング回路１１において２つのスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を図示し、残り２つのスイッチング素子の図示を省略している。各スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は、例えば、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ-Ｏｘｉｄｅ-Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｆｉｅｌｄ-Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、以下、単にＦＥＴＱ１、Ｑ２ともいう。ＦＥＴＱ１は、入力端子としてのドレイン端子ｄ１が電源ＶＰＰに接続されている。２次回路（図示せず）は、１次巻線１２に対向して設置される２次巻線と、２次巻線に接続され２次巻線から出力される交流電力を直流電力に整流する整流回路と、整流回路に接続され整流回路から出力される直流電流を平滑化する平滑回路とを備えている。ＤＣＤＣコンバータ１は、直流電源ＶＰＰから供給される直流電力をスイッチング回路１１により交流電力に変換し、変換した交流電力を１次巻線１２及び２次巻線により変圧し、変圧された交流電力を整流回路により整流し、整流回路により整流された直流電力を平滑回路により平滑化して負荷部に供給する。
スイッチング制御装置２０は、スイッチング回路１１の４つのスイッチング素子（ＦＥＴＱ１、Ｑ２等）を制御する装置である。スイッチング制御装置２０は、スイッチング素子毎に、駆動回路２１と、逆バイアス回路２２とを備えている。例えば、スイッチング制御装置２０は、スイッチング回路１１のＦＥＴＱ１を制御する駆動回路２１Ａ及び逆バイアス回路２２Ａを備え、スイッチング回路１１のＦＥＴＱ２を制御する駆動回路２１Ｂ及び逆バイアス回路２２Ｂを備えている。なお、４つの駆動回路２１は、それぞれ同等の構成であるため、スイッチング回路１１の各ＦＥＴＱ１、Ｑ２を駆動する駆動回路２１Ａ、２１Ｂを図示し、スイッチング回路１１の残り２つのスイッチング素子を制御する駆動回路２１の図示を省略している。同様に、４つの逆バイアス回路２２は、それぞれ同等の構成であるため、スイッチング回路１１の各ＦＥＴＱ１、Ｑ２に逆バイアスの電圧を印加する逆バイアス回路２２Ａ、２２Ｂを図示し、スイッチング回路１１の残り２つのスイッチング素子を制御する逆バイアス回路２２の図示を省略している。スイッチング制御装置２０は、ＦＥＴＱ１を駆動する駆動回路２１ＡとＦＥＴＱ２を駆動する駆動回路２１Ｂとが同等の構成及び動作であるため、以下の説明では駆動回路２１Ａについて詳細に説明し、駆動回路２１Ｂについては説明を省略する。また、スイッチング制御装置２０は、ＦＥＴＱ１に逆バイアスの電圧を印加する逆バイアス回路２２ＡとＦＥＴＱ２に逆バイアスの電圧を印加する逆バイアス回路２２Ｂとが同等の構成及び動作であるため、以下の説明では逆バイアス回路２２Ａについて詳細に説明し、逆バイアス回路２２Ｂについては説明を省略する。
駆動回路２１Ａは、スイッチング回路１１のＦＥＴＱ１をオン又はオフに制御する回路である。駆動回路２１Ａは、１次駆動回路２１１と、２次駆動回路２１２とを備えている。１次駆動回路２１１は、低電圧（例えば１２Ｖ程度）の電源ＶＣＣと、ｎｐｎバイポーラトランジスタＱ３（以下、単にトランジスタＱ３ともいう。）と、ｐｎｐバイポーラトランジスタＱ４（以下、単にトランジスタＱ４ともいう。）と、１次巻線ＰＴ１と、抵抗Ｒ１と、コンデンサＣ１、Ｃ２とを備えている。トランジスタＱ３は、コレクタ端子が電源ＶＣＣに接続され、エミッタ端子がトランジスタＱ４のエミッタ端子に接続されている。トランジスタＱ３とトランジスタＱ４との接続点は、抵抗Ｒ１を介して１次巻線ＰＴ１の一端に接続されている。１次巻線ＰＴ１の他端は、コンデンサＣ１の一端に接続されている。コンデンサＣ１の他端とトランジスタＱ４のコレクタ端子とは、グランドに接続されている。トランジスタＱ３のベース端子及びトランジスタＱ４のベース端子は、パルス出力回路（図示せず）に接続されている。コンデンサＣ２は、電源ＶＣＣに接続され、当該電源ＶＣＣから供給される電力を安定するものである。１次駆動回路２１１は、パルス出力回路から出力されるパルス信号に基づいて、トランジスタＱ３及びトランジスタＱ４をオン・オフ制御して１次巻線ＰＴ１に交流電力（パルス信号）を出力する。
２次駆動回路２１２は、２次巻線ＰＴ２と、低電圧（例えば１２Ｖ程度）の電源ＶＣＣ２と、ダイオードＤ１と、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴＱ５（以下、単にＦＥＴＱ５ともいう。）と、Ｐチャネル型のＭＯＳＦＥＴＱ６（以下、単にＦＥＴＱ６ともいう。）と、コンデンサＣ３とを備えている。１次巻線ＰＴ１及び２次巻線ＰＴ２は、１次駆動回路２１１と２次駆動回路２１２とを絶縁し、パルス信号を生成するためのパルストランスを構成している。ＦＥＴＱ５のゲート端子及びＦＥＴＱ６のゲート端子は、２次巻線ＰＴ２の一端に接続されている。ＦＥＴＱ５は、ドレイン端子がダイオードＤ１を介して電源ＶＣＣ２に接続され、ソース端子がＦＥＴＱ６のドレイン端子に接続されている。ＦＥＴＱ５とＦＥＴＱ６との接続点は、抵抗Ｒ２を介してＦＥＴＱ１の制御端子としてのゲート端子ｇ１に接続されている。ＦＥＴＱ６のソース端子は、２次巻線ＰＴ２の他端とコンデンサＣ４との間に接続されている。２次駆動回路２１２は、２次巻線ＰＴ２を介して出力される交流電力（パルス信号）に基づいて、ＦＥＴＱ５及びＦＥＴＱ６をオン・オフ制御してＦＥＴＱ１のゲート端子ｇ１に電圧を印加する。
逆バイアス回路２２Ａは、コンデンサＣ４と、コイルＬ１とを備えている。コンデンサＣ４は、一端がＦＥＴＱ１の出力端子としてのソース端子ｓ１に接続され、他端が２次巻線ＰＴ２の他端に接続されている。コイルＬ１は、一端がＦＥＴＱ５のソース端子とＦＥＴＱ１のゲート端子ｇ１との間に接続され、他端がコンデンサＣ４とＦＥＴＱ１のソース端子ｓ１との間に接続されている。
逆バイアス回路２２Ａは、ＦＥＴＱ５がオンされ且つＦＥＴＱ６がオフされた場合、コイルＬ１にエネルギーが蓄積される。また、逆バイアス回路２２Ａは、ＦＥＴＱ５がオフされ且つＦＥＴＱ６がオンされた場合、コイルＬ１に蓄積されたエネルギーが放出され、放出されたエネルギーによりコンデンサＣ４を充電する。そして、逆バイアス回路２２Ａは、コンデンサＣ４に充電されたエネルギーによってＦＥＴＱ１のソース端子ｓ１に電圧を印加することによりＦＥＴＱ１を逆バイアス状態にする。
コイルＬ１は、ＦＥＴＱ１がオフの場合に逆バイアスの電圧を連続して出力する連続モードを実現可能なインダクタンス値にすることが好ましい。そこで、コイルＬ１は、連続モードを実現するために、以下の式（１）を満たすインダクタンス値にすることが好ましい。つまり、コイルＬ１は、当該コイルＬ１のインダクタンス値をＬとし、駆動回路２１Ａに印加される電圧をＶＣＣ２とし、駆動回路２１Ａによりゲート端子ｇ１に電圧を印加する１周期当たりのオン期間をＴｏｎとし、駆動回路２１Ａによりゲート端子ｇ１に電圧を印加しない１周期当たりのオフ期間をＴｏｆｆとし、ゲート端子ｇ１の電流値をＩＧとした場合、以下の式（１）を満たす。
Ｌ＞(ＶＣＣ２×Ｔｏｎ×Ｔｏｆｆ)／(２×ＩＧ×(Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ)) ・・・（１）
なお、コイルＬ１は、式（１）のインダクタンス値を満たさない場合、逆バイアスの電圧を断続して出力する断続モードとなるが、断続モードでも逆バイアスの電圧をＦＥＴＱ１に印加することは可能である。
次に、スイッチング制御装置２０によりＦＥＴＱ１を制御する例について説明する。スイッチング制御装置２０は、図２に示すように、駆動回路２１ＡによりＦＥＴＱ１をオンした場合、逆バイアス回路２２ＡのコイルＬ１にエネルギーが蓄積される（期間Ｔｏｎ）。このとき、逆バイアス回路２２Ａは、コイルＬ１の電圧ＶＬ１が＋ＶＣＣ２となり、コイルＬ１を流れる電流ＩＬ１が増加する。なお、この場合、逆バイアス回路２２Ａは、コンデンサＣ４に電流ＩＣ１が流れない。そして、スイッチング制御装置２０は、駆動回路２１ＡによりＦＥＴＱ１をオフした場合、逆バイアス回路２２ＡのコイルＬ１に蓄積されたエネルギーが放出される（期間Ｔｏｆｆ）。このとき、逆バイアス回路２２Ａは、コイルＬ１の電圧ＶＬ１が−ＶＣとなり、コンデンサＣ４に電流ＩＣ１が流れてコンデンサＣ４にエネルギーが充電される。そして、逆バイアス回路２２Ａは、コンデンサＣ４に充電されたエネルギーによってＦＥＴＱ１を逆バイアス状態にする。
以上のように、実施形態に係るスイッチング制御装置２０は、駆動回路２１と、逆バイアス回路２２とを備えている。例えば、駆動回路２１Ａは、変圧対象の直流電源ＶＰＰに接続されオン又はオフに制御されるＦＥＴＱ１であって、電流を入力するドレイン端子ｄ１、当該ドレイン端子ｄ１から入力した電流を出力するソース端子ｓ１、及び、ドレイン端子ｄ１からソース端子ｓ１に流れる電流を制御するゲート端子ｇ１を有するＦＥＴＱ１のゲート端子ｇ１に接続され、当該ゲート端子ｇ１に電圧を印加して当該ＦＥＴＱ１をオンする。逆バイアス回路２２Ａは、ＦＥＴＱ１のソース端子ｓ１に接続されるコンデンサＣ４、及び、一端が駆動回路２１Ａとゲート端子ｇ１との間に接続され他端がコンデンサＣ４とソース端子ｓ１との間に接続されるコイルＬ１を有する。
これにより、スイッチング制御装置２０は、駆動回路２１ＡによりＦＥＴＱ１のゲート端子ｇ１に電圧を印加してＦＥＴＱ１をオンした場合、コイルＬ１にエネルギーを蓄積することができる。そして、スイッチング制御装置２０は、駆動回路２１ＡによりＦＥＴＱ１をオフした場合、逆バイアス回路２２ＡのコイルＬ１に蓄積されたエネルギーが放出され、放出されたエネルギーによりコンデンサＣ４が充電され、コンデンサＣ４に充電されたエネルギーによってＦＥＴＱ１のソース端子ｓ１に逆バイアスの電圧を印加することができる。これにより、スイッチング制御装置２０は、ＦＥＴＱ１のドレイン端子ｄ１とソース端子ｓ１との間に存在するキャリアを一気になくすことができ、ＦＥＴＱ１を速やかにオフすることができる。また、スイッチング制御装置２０は、逆バイアス回路２２ＡをコイルＬ１とコンデンサＣ４とにより構成することができるので、相対的に少ない部品数で逆バイアス回路２２Ａを構成することができ、逆バイアス回路２２Ａを構成する部品の数が増加することを抑制することができる。これにより、スイッチング制御装置２０は、回路が大型化することを抑制することができ、製造コストを抑制することができる。
また、スイッチング制御装置２０は、コイルＬ１のインダクタンス値をＬとし、駆動回路２１Ａに印加される電圧をＶＣＣ２とし、駆動回路２１Ａによりゲート端子ｇ１に電圧を印加する１周期当たりのオン期間をＴｏｎとし、駆動回路２１Ａによりゲート端子ｇ１に電圧を印加しない１周期当たりのオフ期間をＴｏｆｆとし、ゲート端子ｇ１の電流値をＩＧとした場合、以下の式（１）を満たす。
Ｌ＞(ＶＣＣ２×Ｔｏｎ×Ｔｏｆｆ)／(２×ＩＧ×(Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ)) ・・・（１）
これにより、スイッチング制御装置２０は、ＦＥＴＱ１がオフの場合に逆バイアスの電圧を連続して出力する連続モードを実現することができ、ＦＥＴＱ１に安定して逆バイアス電圧を印加することができる。
〔変形例〕
次に、実施形態の変形例について説明する。駆動回路２１Ａは、１次巻線ＰＴ１及び２次巻線ＰＴ２によりパルストランスを構成する例について説明したが、これに限定されない。例えば、駆動回路２１Ａは、図３に示すように、パルストランスの代わりにフォトカプラ２１ａを用いてもよい。この場合、駆動回路２１Ｃは、フォトカプラ２１ａが発光素子２１ｂと、受光素子２１ｃとを備えている。発光素子２１ｂは、例えば発光ダイオードであり、アノード端子が抵抗Ｒ１を介してトランジスタＱ３とトランジスタＱ４との間に接続され、カソード端子がグランドに接続されている。受光素子２１ｃは、例えばフォトトランジスタであり、一端がＦＥＴＱ５のゲート端子及びＦＥＴＱ６のゲート端子に接続され、他端がコンデンサＣ４に接続されている。駆動回路２１Ｃは、発光素子２１ｂに電流が流れることにより発光素子２１ｂから光信号を出力し、発光素子２１ｂから出力された光信号を受光素子２１ｃにより受光する。そして、駆動回路２１Ｃは、受光した光信号を電気信号（パルス信号）に変換してＦＥＴＱ５のゲート端子及びＦＥＴＱ６のゲート端子に出力し、当該ＦＥＴＱ５、Ｑ６をオン・オフ制御する。このように、駆動回路２１Ｃは、フォトカプラ２１ａを有する構成としてもよい。
また、駆動回路２１は、図４に示すように、ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）回路２１ｄにより構成してもよい。この場合、駆動回路２１Ｄは、１次側のＩＣ回路２１ｄとして、パルス出力回路に接続される入力端子ＩＮと、電源ＶＣＣに接続される電源端子ＶＣＣ１と、グランドに接続されるグランド端子ＧＮＤ１とを備えている。また、駆動回路２１Ｄは、２次側のＩＣ回路２１ｄとして、ＦＥＴＱ１のゲート端子ｇ１に接続される出力端子ＯＵＴと、電源ＶＣＣ２に接続される電源端子ＶＣＣ３と、グランドに接続されるグランド端子ＧＮＤ２とを備えている。駆動回路２１Ｄは、入力端子ＩＮと出力端子ＯＵＴとが絶縁されている。駆動回路２１Ｄは、パルス出力回路から入力端子ＩＮにＯＮ信号を入力した場合、出力端子ＯＵＴからＦＥＴＱ１のゲート端子ｇ１を印加する電気信号を出力する。このように、駆動回路２１Ｄは、ＩＣ回路２１ｄを有する構成としてもよい。
また、スイッチング回路１１の各ＦＥＴＱ１、Ｑ２等は、ＭＯＳＦＥＴである例について説明したが、これに限定されない。各ＦＥＴＱ１、Ｑ２等は、例えば、バイポーラトランジスタ等のトランジスタであってもよい。
また、スイッチング回路１１は、フルブリッジ方式について説明したが、これに限定されず、ハーフブリッジ方式やプッシュプル方式等であってもよい。
また、ＤＣＤＣコンバータ１は、絶縁型のＤＣＤＣコンバータである例について説明したが、非絶縁型のＤＣＤＣコンバータでもよい。
２０ スイッチング制御装置
２１、２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ、２１Ｄ 駆動回路
２２、２２Ａ、２２Ｂ 逆バイアス回路
ＶＰＰ 直流電源
Ｑ１、Ｑ２ ＭＯＳＦＥＴ（スイッチング素子）
ｄ１ ドレイン端子（入力端子）
ｓ１ ソース端子（出力端子）
ｇ１ ゲート端子（制御端子）
Ｌ１ コイル
Ｃ４ コンデンサ

Claims (1)

  1. 変圧対象の直流電源に接続されオン又はオフに制御されるスイッチング素子であって、電流を入力する入力端子、前記入力端子から入力した前記電流を出力する出力端子、及び、前記入力端子から前記出力端子に流れる電流を制御する制御端子を有するスイッチング素子の前記制御端子に接続され前記制御端子に電圧を印加して当該スイッチング素子をオンする駆動回路と、
    前記出力端子に接続されるコンデンサ、及び、一端が前記駆動回路と前記制御端子との間に接続され他端が前記コンデンサと前記出力端子との間に接続されるコイルを有する逆バイアス回路と、を備え、
    前記コイルは、前記逆バイアス回路により逆バイアスの電圧を連続して出力することが可能なインダクタンス値であり、
    前記コイルのインダクタンス値をＬとし、前記駆動回路に印加される電圧をＶＣＣ２とし、前記駆動回路により前記制御端子に電圧を印加する１周期当たりのオン期間をＴｏｎとし、前記駆動回路により前記制御端子に電圧を印加しない１周期当たりのオフ期間をＴｏｆｆとし、前記駆動回路により印加する前記制御端子の電流値であって設計値として予め定められた電流値をＩＧとした場合、以下の式（１）を満たすことを特徴とするスイッチング制御装置。
    Ｌ＞(ＶＣＣ２×Ｔｏｎ×Ｔｏｆｆ)／(２×ＩＧ×(Ｔｏｎ＋Ｔｏｆｆ)) ・・・（１）
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