JP6868031B2 - Dc/dc共振コンバータ及び共振コンバータを用いた力率補正、並びに対応する制御方法 - Google Patents
Dc/dc共振コンバータ及び共振コンバータを用いた力率補正、並びに対応する制御方法 Download PDFInfo
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Description
(i) 主電源入力電流の設定点を供給するための主電源入力電圧の増倍器と組み合わせたピーク電流モード制御。この場合、入力電流は、閉ループ制御され、電流センサを用いて測定されなければならない。
(ii) インバータスイッチの一定オン時間動作。この手法は、主電源入力電流を閉ループで制御するものではなく、制御システムは、実現するのが非常に簡単である。この手法は、設定点を計算するための増倍器も電流センサも必要としない。この手法は、一定のオン時間に基づいており、主電源入力電流は、(或る特定の設計及び動作条件下で)主電源電圧にほぼ比例する。
1. ハイサイドMOSFET 28のターンオン、
2. ローサイドMOSFET 30のターンオン、
3. ハイサイドMOSFET 28のターンオフ、
4. ローサイドMOSFET 30のターンオフといった4つの遷移がある。
A. Von-Voffは、何らかの状態変数が或る特定の閾値電圧(Von)を横切るときに遷移番号4が開始される制御方式である。これに続いて、制御は、遷移1を開始する前に、或る特定の時間(即ち、デッドタイム)の間、待機する。このデッドタイムは、交差導通(cross-conduction)又はシュートスルーが確実に生じないようにする。ハーフブリッジは、現在、オン状態にある。最終的に、同じ又は異なる状態変数が、第2閾値(Voff)を横切り、遷移番号3が開始されるだろう。次いで、ハーフブリッジオン状態への遷移の場合と同様に、遷移番号2が開始される前にデッドタイムがあるだろう。ハーフブリッジは、現在、オフ状態にあり、次いで、プロシージャが、もう一度、最初から続く。2つの閾値の実際の値は、正しい出力をもたらすために外部制御ループによって決定される。これが、電圧閾値がオン及びオフへのスイッチングを制御するVon-Voff方式である。
B. Von-Tonは、何らかの状態変数が或る特定の閾値電圧(Von)を横切るときに遷移番号4が開始される制御方式である。ケースAと同様に、遷移番号1を開始する前にデッドタイムが経過することは許容される。遷移番号3は、或る特定の時間間隔の経過に基づいて開始される。これは、一定間隔又は制御される間隔であり得る。次いで、デッドタイムが経過した後、遷移番号2が開始され、次いで、プロシージャが、もう一度、最初から続く。電圧閾値の実際の値は、正しい出力をもたらすために外部制御ループによって決定され、時間閾値は、固定されてもよく、又は動的に制御されてもよい。これが、電圧閾値が(デッドタイム後)ターンオンを制御し、次いで、ハーフブリッジのオン期間の持続時間が制御されるVon-Ton方式である。
C. Voff-Toffは、電圧及び時間閾値が、各々、ハーフブリッジのオフ及びオン遷移を規定することを除いて、ケースBと同様である。遷移番号3は、何らかの状態変数が或る特定の閾値電圧(Voff)を横切るときに開始される。遷移番号2を開始する前にデッドタイムが経過することは許容される。遷移番号4は、或る特定の時間間隔の経過に基づいて開始される。次いで、デッドタイムが経過した後、遷移番号1が開始され、次いで、プロシージャが、もう一度、最初から続く。ケースBと同様に、電圧閾値の実際の値は、正しい出力をもたらすために外部制御ループによって決定され、時間閾値は、固定されてもよく、又は動的に制御されてもよい。これが、電圧閾値がターンオフを制御し、ハーフブリッジのオフ期間の持続時間(即ち、ハイサイドMOSFETのターンオフと、前記持続時間及びデッドタイム後の前記ハイサイドMOSFETの再度のターンオンとの間の持続時間)が制御されるVoff-Toff方式である。
AC入力と、
整流器と、
ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータであって、前記スイッチ間のノードから出力が規定されるハーフブリッジインバータと、
前記出力に結合される自励発振LLC回路であって、前記LLC回路によって電気フィードバックパラメータが供給される自励発振LLC回路と、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するためのゲート駆動信号を生成するための制御回路であって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにする制御回路とを有するAC/DC PFC一段コンバータであって、
前記制御回路が、前記コンバータの出力電圧又は電流及び整流された入力電圧に依存して前記電気フィードバックパラメータのための閾値レベルを設定するための外部制御ループと、前記ゲート駆動信号を導き出すために前記電気フィードバックパラメータを前記閾値と比較するための内部制御ループとを有し、
前記内部制御ループが、前記電気フィードバックパラメータを前記閾値と比較するための比較器と、前記ゲート駆動信号を生成するためのフリップフロップとを有するAC/DC PFC一段コンバータが提供される。
AC入力を整流するステップと、
ゲート駆動信号を用いてハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータを動作させ、前記スイッチ間のノードから出力を供給するステップであって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにするステップと、
前記出力に結合される自励発振LLC回路から電気フィードバックパラメータを供給するステップと、
前記電気フィードバックパラメータに基づいて前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するステップであって、
コンバータ出力電圧又は電流並びに整流された入力電圧及び電流に依存して前記電気フィードバックパラメータのための閾値レベルを設定するための外部制御ループを用いるステップ、及び
前記ゲート駆動信号を導き出すために前記電気フィードバックパラメータを前記閾値と比較するために内部制御ループを使用し、フリップフロップを用いて前記ゲート駆動信号を生成するステップによって、制御するステップとを有する一段PFC AC/DC変換方法も提供する。
AC入力と、
整流器と、
ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータであって、前記スイッチ間のノードから出力が規定されるハーフブリッジインバータと、
前記出力に結合される自励発振LLC回路であって、前記LLC回路によって電気フィードバックパラメータが供給される自励発振LLC回路と、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するためのゲート駆動信号を生成するための制御回路であり、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにする制御回路であって、前記制御回路が、
前記電気フィードバックパラメータによって決定されるように、前記ハイサイドスイッチ又は前記ローサイドスイッチのオン時間又はオフ時間に対応する第1持続時間に関する値を決定し、
各々、後続のオフ時間又はオン時間を設定するための第2持続時間を規定するためのものである制御回路とを有するAC/DC PFCコンバータが提供される。
AC入力を整流するステップと、
ゲート駆動信号を用いてハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータを動作させ、前記スイッチ間のノードから出力を供給するステップであって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにするステップと、
前記出力に結合される自励発振LLC回路から電気フィードバックパラメータを供給するステップであって、前記LLC回路によって電気フィードバックパラメータが供給されるステップと、
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するステップであって、
前記電気フィードバックパラメータによって決定されるように、前記ハイサイドスイッチ又は前記ローサイドスイッチのオン時間又はオフ時間に対応する第1持続時間に関する値を決定するステップ、及び
各々、後続のオフ時間又はオン時間を設定するための第2持続時間を規定するステップによって、制御するステップとを有するAC/DC PFC変換方法も提供する。
前記電気フィードバックパラメータが閾値に達するまで第1の一定値を積分するステップと、
各々、後続のオフ時間又はオン時間を設定するための第2持続時間を規定するために前記第1の一定値とは反対符号の第2の一定値を積分するステップとを含み得る。
ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータであって、前記スイッチ間のノードから出力が規定されるハーフブリッジインバータと、
前記出力に結合される自励発振回路であって、前記回路によって電気フィードバックパラメータが供給される自励発振回路と、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するためのゲート駆動信号を生成するための制御回路であり、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにする制御回路であって、前記制御回路が、
前記電気フィードバックパラメータの傾きを検出するための検出回路、及び
前記電気フィードバックパラメータの前記傾き及び前記ゲート駆動信号のレベルに依存して前記電気フィードバックパラメータを無効にするための回路を含む制御回路とを有するコンバータが提供される。
ゲート駆動信号を用いてハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータを動作させ、前記スイッチ間のノードから出力を供給するステップであって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにするステップと、
前記出力に結合される自励発振回路から電気フィードバックパラメータを供給するステップと、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するステップであって、
前記電気フィードバックパラメータの傾きを検出するステップ、及び
前記電気フィードバックパラメータの前記傾き及び前記ゲート駆動信号のレベルに依存して前記電気フィードバックパラメータを無効にするステップによって、制御するステップとを有する変換方法も提供する。
AC入力と、
整流器と、
ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータであって、前記スイッチ間のノードから出力が規定されるハーフブリッジインバータと、
前記出力に結合されるLLC回路であって、前記LLC回路のコンデンサの両端の電圧が電気フィードバックパラメータとして供給され、前記電気フィードバックパラメータが入力電流を表すLLC回路と、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するためのゲート駆動信号を生成するための制御回路であって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにする制御回路とを有するAC/DC PFCコンバータであって、
前記制御回路が、前記入力電流の測定なしに前記コンバータの出力電圧又は電流及び整流された入力電圧に依存して前記電気フィードバックパラメータのための閾値レベルを設定するための外部制御ループと、前記ゲート駆動信号を導き出すと共に、力率補正を供給するために前記電気フィードバックパラメータを前記閾値と比較するための内部制御ループとを有するAC/DC PFCコンバータが提供される。
前記電気フィードバックパラメータのための前記閾値レベルを、前記閾値レベルが前記電気フィードバックパラメータと比較される前に、前記入力電圧に依存して修正するためのもの、
前記整流された入力電圧を、前記外部制御ループに供給する前に修正するためのもの、又は
測定された前記電気フィードバックパラメータを、前記閾値と比較する前に修正するためのものであり得る。
AC入力を整流するステップと、
ゲート駆動信号を用いてハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータを動作させ、前記スイッチ間のノードから出力を供給するステップであって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにするステップと、
LLC回路のコンデンサの両端の電圧を、入力電流を表す電気フィードバックパラメータとして供給するステップと、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するステップであって、
外部制御ループにおいて、前記入力電流の測定なしに前記コンバータの出力電圧又は電流及び整流された入力電圧に依存して前記電気フィードバックパラメータのための閾値レベルを設定するステップ、及び
内部制御ループにおいて、前記ゲート駆動信号を導き出すために前記電気フィードバックパラメータを前記閾値と比較するステップによって、制御するステップとを有するAC/DC PFC変換方法も提供する。
第1スイッチ及び第2スイッチを含むハーフブリッジインバータであって、前記スイッチ間のノードから出力が規定されるハーフブリッジインバータと、
前記出力に結合されるLLC回路であって、前記LLC回路によって電気フィードバックパラメータが供給されるLLC回路と、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記第1スイッチ及び前記第2スイッチのスイッチングを制御するためのゲート駆動信号を生成するための制御回路であって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにする制御回路とを有するコンバータであって、
前記制御回路が、少なくとも前記コンバータの出力電圧又は電流に比例的に閾値レベルを設定するための外部制御ループと、前記ゲート駆動信号を生成するための発振器を含む内部制御ループとを有し、前記発振器の周波数が、前記内部制御ループによって、前記閾値レベルと前記電気フィードバックパラメータとの間の比較の平均値に基づいて制御されるコンバータが提供される。
ゲート駆動信号を用いて第1スイッチ及び第2スイッチを含むハーフブリッジインバータを動作させ、前記スイッチ間のノードから出力を供給するステップであって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにするステップと、
前記出力に結合されるLLC回路から電気フィードバックパラメータを供給するステップと、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記第1スイッチ及び前記第2スイッチのスイッチングを制御するステップであって、
外部制御ループにおいて、少なくとも前記コンバータの出力電圧又は電流に比例的に閾値レベルを設定するステップ、及び
前記ゲート駆動信号を生成するための発振器を含む内部制御ループにおいて、前記閾値レベルと前記電気フィードバックパラメータとの間の比較の平均値に基づいて発振器周波数を設定するステップによって、制御するステップとを有する変換方法も提供する。
AC入力と、
整流器と、
ハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータであって、前記スイッチ間のノードから出力が規定されるハーフブリッジインバータと、
前記出力に結合される自励発振共振回路と、
前記コンバータの出力電圧又は電流を制御するために電気フィードバックパラメータに依存して前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するためのゲート駆動信号を生成するための制御回路であり、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにする制御回路であって、前記制御回路が、
前記電気フィードバックパラメータのための閾値を受け取るための入力、
前記電気フィードバックパラメータと前記閾値との比較に基づいて前記ゲート駆動信号を生成するための出力回路、及び
前記ゲート駆動信号のスイッチングが失敗した場合に、前記閾値をオーバーライドして、それによって、前記ゲート駆動信号のスイッチングを再開するための再開信号を供給するためのタイムアウト回路を含む制御回路とを有するAC/DC PFCコンバータが提供される。
AC入力を整流するステップと、
ゲート駆動信号を用いてハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータを動作させ、前記スイッチ間のノードから出力を供給するステップであって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにするステップと、
前記出力に結合される自励発振共振回路から電気フィードバックパラメータを供給するステップと、
前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するステップであって、
前記電気フィードバックパラメータのための閾値を受け取るステップ、
前記電気フィードバックパラメータと前記閾値との比較に基づいて前記ゲート駆動信号を生成するステップ、及び
前記ゲート駆動信号のスイッチングが失敗した場合に、前記閾値をオーバーライドして、それによって、前記ゲート駆動信号のスイッチングを再開するための再開信号を供給するステップによって、制御するステップとを有するAC/DC PFC変換方法も提供する。
(i) LLC制御が、LEDドライバ出力段の場合に、出力電流制御時にカバーしなければならない一般に1桁未満の利得変動と比べて極めて大きい、2乃至3桁以上変動し得る入力電流対周波数利得d(im)/d(fs)の変動。図2は、力率1動作(unity power factor operation)のための主電源入力電流対スイッチング周波数を示している。このプロットは、スイッチング周波数が操作変数である場合のLLC伝達関数に対応する。この伝達関数は、周波数を制御変数として用いるには広すぎる範囲にわたって変動する。AC/DC段が 「Intellivolt」の主電源範囲(108V < V(AC) < 305V)をカバーしなければならない場合には、利得範囲は更に増大する。
(ii) 従来構成とは異なり、最小周波数は、図3において示されているように、最大負荷に対応せず、最小負荷に対応することから、通常は最大電力を設定する従来方式で最小周波数を設定することができない。
(iii) これらの問題はまた、一般にLLC周波数制御を伴い、スイッチング事象の前に最小電流を設定することを必要とし、最も低い周波数において最も高い負荷が予想される容量モード保護を非実用的なものにする。
図10は、周波数の関数としてゲート対称積分器の出力を示している。実線の黒い曲線は、三角波形の谷(プロット120)、ピーク(プロット122)及び平均(プロット124)に関するものである。プロット122はまた、スイッチオフ動作における遅延の効果に対応する。破線は、プロット120及び122に対する様々な漸近線を示している。
im = vm*vm/Rac
となる。
Rac = Vac*Vac/Pac
と書かれ得る。
im = vm*Pac/(Vac*Vac)
によって表わされ得る。
Rac0 = Vm_pk2/(2Po/η) = 定数
をエミュレートしなければならない。
Rac = 1/(fs Cs (2 vC_off/vm-1))
と表され得る。
Claims (13)
- 第1スイッチ及び第2スイッチを含むハーフブリッジインバータであって、前記スイッチ間のノードから第1出力が規定されるハーフブリッジインバータと、
出力電圧及び出力電流を供給するための第2出力を含み、前記第1出力に結合されるLLC回路であって、前記LLC回路によって電気フィードバックパラメータが供給されるLLC回路と、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記第1スイッチ及び前記第2スイッチのスイッチングを制御するためのゲート駆動信号を生成するための制御回路であって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにする制御回路とを有するコンバータであって、
前記制御回路が、
少なくとも前記コンバータの出力電圧又は電流に比例的に閾値レベルを設定するための外部制御ループと、
前記ゲート駆動信号を生成するための発振器、及び前記閾値レベルと前記電気フィードバックパラメータとの間の比較の平均値に基づいて前記発振器の周波数を制御するための比較器を含む内部制御ループとを有するコンバータ。 - 前記電気フィードバックパラメータが、前記LLC回路のコンデンサの両端の電圧に対応する請求項1に記載のコンバータ。
- 前記閾値レベルが、入力電流閾値レベルであり、前記内部制御ループが、所望の入力電流における誤差を積分するよう構成される積分器を有し、前記発振器が、積分された前記誤差と、前記電気フィードバックパラメータとに依存して制御される請求項1又は2に記載のコンバータ。
- 前記閾値レベルが、前記電気フィードバックパラメータのための閾値レベルであり、前記内部制御ループが、前記閾値レベルに依存するタイミングを持つ信号と、前記電気フィードバックパラメータとの間の位相差を検出するための位相検出器、及び位相差を積分するための積分器を有し、前記発振器が、積分された前記位相差に依存して制御される請求項1又は2に記載のコンバータ。
- 前記発振器が、出力負荷に依存してデューティサイクルの変更を実施するための回路を有する請求項4に記載のコンバータ。
- AC入力と、
整流器と、
請求項1乃至5のいずれか一項に記載のコンバータとを有するAC/DC PFCコンバータであって、前記外部制御ループが、整流された入力電圧及び入力電流を考慮に入れて前記閾値レベルを設定するためのものであるAC/DC PFCコンバータ。 - 請求項1乃至5のいずれか一項に記載のコンバータと、自励発振の前記LLC回路の出力における絶縁変圧器とを有し、前記絶縁変圧器の二次側が、LED負荷を駆動するためのものであるLEDドライバ。
- ゲート駆動信号を用いてハイサイドスイッチ及びローサイドスイッチを含むハーフブリッジインバータを動作させ、前記スイッチ間のノードから出力を供給するステップであって、ハイのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオンにすると共に、他方のスイッチをオフにし、ローのゲート駆動信号が、一方のスイッチをオフにすると共に、他方のスイッチをオンにするステップと、
前記出力に結合されるLLC回路から電気フィードバックパラメータを供給するステップと、
前記電気フィードバックパラメータに依存して前記ハイサイドスイッチ及び前記ローサイドスイッチのスイッチングを制御するステップであって、
外部制御ループにおいて、コンバータ出力電圧又は電流及び整流された入力電圧に比例的に閾値レベルを設定するステップ、及び
前記ゲート駆動信号を生成するための発振器を含む内部制御ループにおいて、前記閾値レベルと前記電気フィードバックパラメータとの間の比較の平均値に基づいて発振器周波数を設定するステップによって、制御するステップとを有する変換方法。 - 前記電気フィードバックパラメータが、前記LLC回路のコンデンサの両端の電圧を含む請求項8に記載の方法。
- 前記閾値レベルが、入力電流閾値レベルであり、前記内部制御ループが、入力電流誤差を積分するための積分器を有し、前記方法が、積分された前記入力電流誤差と、前記電気フィードバックパラメータとに依存して前記発振器を制御するステップを有する請求項8又は9に記載の方法。
- 前記閾値レベルが、前記電気フィードバックパラメータのための閾値レベルであり、前記方法が、前記内部制御ループにおいて、前記閾値レベルと前記電気フィードバックパラメータとの間の位相差を検出するステップを有する請求項8又は9に記載の方法。
- 位相誤差を積分するステップと、積分された前記位相誤差に依存して前記発振器を制御するステップとを有する請求項11に記載の方法。
- 出力負荷に依存してデューティサイクルの変更を実施するステップを有する請求項12に記載の方法。
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