JP7266558B2 - switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、降圧チョッパを備えたスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device with a step-down chopper.
従来、図8に示すように、商用三相交流電圧を所定の直流電圧Voに変換して出力するスイッチング電源装置10があった。スイッチング電源装置10は、商用三相交流電源12から供給された三相交流電圧を6つの整流素子で全波整流し、商用周波数の6倍の周波数の小さいリップルが重畳した直流電圧Viを出力する整流回路14を備え、整流回路14の後段に、インダクタ16a及び2つのコンデンサ16bでπ型フィルタを構成したノイズフィルタ16が接続されている。正常運転時、ノイズフィルタ16の出力端の電圧V16は、ほぼ直流電圧Viと等しくなる。
Conventionally, as shown in FIG. 8, there is a switching
ノイズフィルタ16の後段には、ノイズフィルタ16を通過した直流電圧Viを、直流電圧Viよりも低い出力電圧Voに変換する降圧チョッパ18が設けられている。降圧チョッパ18は、一般的な非絶縁型のDC-DCコンバータで、MOS型FETで成るスイッチング素子20、ダイオードで成る転流素子22、平滑インダクタ24、平滑コンデンサ26及び入力コンデンサ28とで構成されている。そして、平滑コンデンサ26の両端がスイッチング電源装置10の出力端となり、負荷30が接続される。
A step-down
降圧チョッパ18の動作を簡単に説明すると、スイッチング素子20は、スイッチング制御回路34が出力する駆動パルスVgを受け、所定のスイッチング周期Tswでオンオフする。スイッチング素子20がオンオフすると、スイッチング素子20の後段に入力電圧Viを断続した電圧が発生し、その断続電圧が、転流素子22、平滑インダクタ24及び平滑コンデンサ26によって整流平滑され、平滑コンデンサ26の両端に直流の出力電圧Voが発生する。入力コンデンサ28は、スイッチング素子20に流れるスイッチング電流I20の交流成分が、ノイズフィルタ16の側に流出して、入力帰還ノイズになるのを防止する働きをする。
Briefly explaining the operation of the step-down
降圧チョッパ18の入力ラインは、IGBTで成るスイッチ32を介してノイズフィルタ16の出力ラインに接続されている。スイッチ32は、スイッチング素子20のようなスイッチング動作を行うのではなく、過電圧検出手段36から信号を受けて、降圧チョッパ18の入力ラインを開閉する働きをする。降圧チョッパ18は、スイッチ32が閉状態の時だけ、動作することが可能になる。
An input line of the step-down
降圧チョッパ18の出力電圧Voの制御は、スイッチング制御回路34が行う。スイッチング制御回路34が出力する駆動パルスVgは、所定のスイッチング周期Tswでハイレベルとローレベルとを繰り返すパルス電圧であり、出力電圧Voを検出し、駆動パルスVgのハイとローの時比率を、出力電圧Voを目標値Vrに近づける方向に変化させることによって、スイッチング素子20のオンデューティを変化させ、出力電圧Voを目標値Vrに保持させる。
A
過電圧検出手段36は、何らかの異常が発生して降圧チョッパ18の出力電圧Voが上昇し、出力電圧Voが過電圧閾値Vth(>Vr)に達したことを検知すると、スイッチ32を開状態にする信号を出力し、降圧チョッパ18の動作を停止させて負荷30を保護する。
When the overvoltage detection means 36 detects that the output voltage Vo of the step-down
スイッチング電源装置10の構成は、概して言うと、特許文献1に開示されたスイッチング電源装置の構成に、特許文献2に開示されたスイッチング電源装置が有する過電圧保護の機能を組み合わせたものと言える。
Generally speaking, the configuration of the
従来のスイッチング電源装置10の場合、何らかの理由でスイッチング素子20の両端、すなわちドレイン・ソース間が短絡故障すると、上記の過電圧保護の動作が行われたとしても、スイッチ32を含む他の回路素子が故障してしまう可能性があり、安全性の面で問題がある。
In the case of the conventional switching
図9は、スイッチング電源装置10の動作を示すタイムチャートであって、スイッチング素子20が短絡故障した時の、降圧チョッパ18の出力電圧Vo、ノイズフィルタ16のインダクタ電流I16、ノイズフィルタ16の出力端の電圧V16の各動作波形を模式的に描いたものである。正常運転中(タイミングT1の前)は、スイッチ32が閉状態になっており、各回路素子が適切に動作して、出力電圧Voが目標値Vrに保持されている。
FIG. 9 is a time chart showing the operation of the switching
スイッチング素子20が短絡故障すると(タイミングT1)、スイッチング素子20は、スイッチング制御回路34からの駆動パルスVgの時比率に関係なく、オン状態に固定されることになる。そのため、出力電圧Voが直流電圧Viに向かって急上昇し、同時にインダクタ電流I16も急増する。電圧V16はあまり変化せず、ほぼ直流電圧Viに保持される。その後、出力電圧Voが過電圧閾値Vthに達すると(タイミングT2)、過電圧検出手段36がスイッチ32を開状態に切り替える制御を行って、降圧チョッパ18への電力供給を停止させる。
When the
しかしながら、タイミングT2では、既にインダクタ電流I16が非常に大きな値になっているので、スイッチ32が開状態に切り換わると、インダクタ16aに、電流I16を流し続けようとする大きい逆起電力が生じ、電圧V16に過大なサージ電圧(リンギング)が発生する。その結果、スイッチ32の両端に、スイッチ32の定格電圧以上の過大な電圧が加わるので、スイッチ32が故障してしまう。
However, since the inductor current I16 has already reached a very large value at the timing T2, when the
スイッチ32のコレクタ・エミッタ間が短絡故障すると、降圧チョッパ18への電力供給が再開され、転流素子22及び平滑コンデンサ26にも過大な電圧が加わることになるので、これらの回路素子も故障する可能性が高い。同様に、スイッチング制御回路34や過電圧検出手段36も故障する可能性がある。
If a short-circuit fault occurs between the collector and emitter of the
スイッチ32が故障するのを防止する対策として、例えば、スイッチ32と直列に保護用のヒューズを挿入する方法が考えられるが、ヒューズは溶断するまでに時間遅れが発生するので、スイッチ32を確実に保護することは難しい。また、スイッチ32として、上記のサージ電圧に耐え得る高耐圧スイッチを使用する方法が考えられるが、通常動作中においては過剰品質であり、コストアップが問題になる。また、コンデンサ16bの両端にツェナーダイオードやバリスタ等を並列接続してサージ電圧を吸収する方法が考えられるが、吸収しなければならないエネルギーが大きいと、ツェナーダイオード等が激しく破壊して開放してしまう可能性があり、スイッチ32を確実に保護することは難しい。
As a countermeasure to prevent the
その他、過電圧閾値Vthをできるだけ低い値(出力電圧Voの目標値Vrよりも少しだけ高い値)に設定し、電流I16が大きくなる前に過電圧を検知し、スイッチ32を開放させる方法が考えられる。しかし、出力電圧Voは、正常運転中であっても、目標値Vrを中心にある程度の幅で変動する(例えば、負荷30の電流が急変した時、出力電圧Voが過渡的に上昇したり低下したりする)ので、過電圧閾値Vthを目標値Vrに近い値にすると、正常運転中にもかかわらず過電圧検出手段34が動作し、降圧チョッパ18を停止させてしまうおそれがある。したがって、過電圧閾値Vthを低くする方法には限界がある。
Another possible method is to set the overvoltage threshold Vth to a value as low as possible (a value slightly higher than the target value Vr of the output voltage Vo), detect the overvoltage and open the
また、サージ電圧(リンギング)の発生源となるノイズフィルタ16を省く方法も考えられる。しかしながら、実際の使用環境において、交流電源12とスイッチング電源装置10との間の配線が非常に長くなるケースが想定され、配線のインダクタンスが無視できないほど大きくなると、上記と同様のメカニズムでサージ電圧が発生する。したがって、対策は、降圧チョッパ18の入力ラインに、ある程度のインダクタンスが存在するという前提で行う必要がある。
A method of omitting the
本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、降圧チョッパのスイッチング素子が短絡故障した時、電力供給を速やかに停止させ、内部の回路素子及び負荷を確実に保護することができるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 DISCLOSURE OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above background art, and when a switching element of a step-down chopper is short-circuited, it is possible to quickly stop power supply and reliably protect internal circuit elements and loads. An object of the present invention is to provide a switching power supply.
本発明は、スイッチング素子、転流素子、平滑インダクタ及び平滑コンデンサを有した降圧チョッパと、前記スイッチング素子を所定のスイッチング周期でオンオフさせる駆動パルスを生成するスイッチング制御回路と、前記降圧チョッパの前段に設けられたスイッチと、前記スイッチング素子の状態に応じて前記スイッチを開閉させるスイッチング素子監視回路とを備え、
前記スイッチング制御回路が、前記スイッチング素子のオンデューティを100%未満にしようとする駆動パルスを出力している時、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子のオン状態が、前記スイッチング周期よりも長い規定時間を超えて継続したことを検知すると、前記スイッチを開状態にして前記降圧チョッパへの電力供給を停止させ、
前記スイッチング制御回路が、前記スイッチング素子のオンデューティを100%にしようとする駆動パルスを出力している時、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子の状態に関係なく、前記スイッチを閉状態に保持させるスイッチング電源装置である。
The present invention provides a step-down chopper having a switching element, a commutation element, a smoothing inductor, and a smoothing capacitor, a switching control circuit for generating a driving pulse for turning on and off the switching element at a predetermined switching cycle, and a step-down chopper in the front stage of the step-down chopper. provided with a switch, and a switching element monitoring circuit that opens and closes the switch according to the state of the switching element,
When the switching control circuit is outputting a drive pulse to make the on-duty of the switching element less than 100%, the switching element monitoring circuit detects that the ON state of the switching element is longer than the switching cycle. When it is detected that it has continued beyond the specified time, the switch is opened to stop the power supply to the step-down chopper,
When the switching control circuit is outputting a drive pulse for setting the on-duty of the switching element to 100%, the switching element monitoring circuit closes the switch regardless of the state of the switching element. It is a switching power supply that holds the voltage.
前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子の両端電圧又はこれに対応した電圧を検出する電圧検出回路を備え、前記スイッチング素子の両端電圧の変化幅が前記規定時間を超えて一定以下の小さい値に保持されたことを検知すると、前記スイッチング素子のオン状態が前記規定時間を超えて継続したと判断する構成にすることができる。 The switching element monitoring circuit includes a voltage detection circuit that detects a voltage across the switching element or a voltage corresponding thereto, and the change width of the voltage across the switching element exceeds the specified time and reaches a small value below a certain value. A configuration may be adopted in which it is determined that the ON state of the switching element has continued beyond the specified time when it is detected that it is held.
あるいは、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子に流れるスイッチング電流を検出する電流検出回路を備え、前記スイッチング電流が前記規定時間を超えて流れ続けたことを検知すると、前記スイッチング素子のオン状態が前記規定時間を超えて継続したと判断する構成にすることができる。この場合、前記スイッチング制御回路は、前記電流検出回路の出力信号を取得し、前記スイッチング電流の波高値が閾値を超えたことを検知すると、そのスイッチング周期における残り期間は前記スイッチング素子を強制的にオフにさせるように前記駆動パルスを変化させる構成にすることが好ましい。 Alternatively, the switching element monitoring circuit includes a current detection circuit that detects a switching current flowing through the switching element, and upon detecting that the switching current continues to flow beyond the specified time, the switching element is turned on. It can be configured to determine that it has continued beyond the specified time. In this case, when the switching control circuit acquires the output signal of the current detection circuit and detects that the peak value of the switching current exceeds a threshold value, the switching element is forcibly operated during the remaining period of the switching cycle. It is preferable to change the driving pulse so as to turn it off.
商用三相交流電圧を全波整流し、リップルが重畳した直流電圧を出力する整流回路を備え、前記整流回路の後段に、前記スイッチを介して前記降圧チョッパの入力ラインが接続されている構成にすることができる。また、前記スイッチの前段に、インダクタを有したノイズフィルタが設けられている構成にすることができる。 A configuration in which a rectifier circuit that full-wave rectifies a commercial three-phase AC voltage and outputs a DC voltage with a ripple superimposed thereon is provided, and an input line of the step-down chopper is connected to the subsequent stage of the rectifier circuit via the switch. can do. Further, a configuration may be adopted in which a noise filter having an inductor is provided in the preceding stage of the switch.
本発明のスイッチング電源装置によれば、降圧チョッパのスイッチング素子が短絡故障した時、降圧チョッパへの電力供給を速やかに停止させることができ、スイッチを含む内部の回路素子及び負荷を確実に保護することができる。 According to the switching power supply device of the present invention, when the switching element of the step-down chopper is short-circuited, the power supply to the step-down chopper can be quickly stopped, and the internal circuit elements including the switch and the load can be reliably protected. be able to.
以下、本発明に関連するスイッチング電源装置の一形態について、図1、図2に基づいて説明する。ここで、上述の従来のスイッチング電源装置10と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
One form of a switching power supply device related to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 and 2. FIG. Here, the same configurations as those of the above- described conventional switching
この形態のスイッチング電源装置38は、スイッチング電源装置10と同様に、商用三相交流電圧を所定の直流電圧Voに変換して出力する装置である。構成が異なるのは、スイッチング制御回路34に代えてスイッチング制御回路40(電流検出回路44を含む)が設けられている点と、過電圧検出手段36に代えてスイッチング素子監視回路42(電圧検出回路46を含む)が設けられている点であり、その他の構成は同様である。以下、構成が異なる点を中心に説明する。
Like the switching
スイッチング制御回路40は、上記のスイッチング制御回路34と同様に、降圧チョッパ18の出力電圧Voの制御を行う回路で、所定のスイッチング周期Tswでハイレベルとローレベルとを繰り返す駆動パルスVgを生成する。そして、出力電圧Voを検出し、駆動パルスVgのハイとローの時比率を、出力電圧Voを目標値Vrに近づける方向に変化させることによって、スイッチング素子20のオンデューティを変化させ、出力電圧Voを目標値Vrに保持させる。
The switching
また、このスイッチング制御回路40は、スイッチング素子20の最大オンデューティが100%未満の値に制限されるように、駆動パルスVgを生成する。つまり、スイッチングの1周期Tswの中に、スイッチング素子20がオフする期間を必ず設けるという条件のもとで、制御を行う。
Also, the switching
さらに、スイッチング制御回路40は、スイッチング素子20に流れるスイッチング電流I20を検出する電流検出回路44を有し、スイッチング電流I20の波高値が規定の閾値を超えたことを検知すると、そのスイッチング周期Tswにおける残り期間は、スイッチング素子20を強制的にオフさせるように、駆動パルスVgを変化させる。この動作は、いわゆるパルス・バイ・パルス方式の過電流保護動作である。
Furthermore, the switching
スイッチング素子監視回路42は、転流素子22の両端電圧V22を検出する電圧検出回路46を有し、両端電圧V22の変化幅が規定時間Tthを超えて一定以下の小さい値に保持されたことを検知すると、スイッチング素子20のオン状態が規定時間Tthを超えて継続したと判断し、スイッチ32を開状態にする動作を行う。規定時間Tthは、スイッチング周期Tswよりも長い時間である。
The switching
規定時間Tthは、スイッチング素子監視回路42の内部に、CRタイマ回路やマイコンカウンタを持たせることによって適宜の値に設定することができる。ここでは、スイッチング周期Tswの約2倍の時間に設定されている(Tth≒2×Tsw)。
The specified time Tth can be set to an appropriate value by providing a CR timer circuit or a microcomputer counter inside the switching
図2は、スイッチング電源装置38の動作を示すタイムチャートであって、スイッチング素子20が短絡故障した時の、降圧チョッパ18の出力電圧Vo、スイッチング素子20の両端電圧Vds22(ドレイン・ソース間電圧)、転流素子22の両端電圧V22(カソード・アノード間電圧)、ノイズフィルタ16のインダクタ電流I16、ノイズフィルタ16の出力端の電圧V16の各動作波形を模式的に描いたものである。
FIG. 2 is a time chart showing the operation of the switching
正常運転中(タイミングT1の前)は、スイッチ32が閉状態になっており、各回路素子が適切に動作して、出力電圧Voが目標値Vrに保持されている。スイッチング素子20の両端電圧Vds20は、ハイレベル(オフ)とローレベル(オン)とを繰り返すパルス状の波形になり、転流素子22の両端電圧V22は、ローレベルとハイレベルとを繰り返すパルス状の波形、すなわち電圧Vds20に対してハイとローが逆転した波形になる。
During normal operation (before timing T1), the
スイッチング素子20が短絡故障すると(タイミングT1)、スイッチング素子20は、スイッチング制御回路40からの駆動パルスVgの時比率に関係なく、オン状態に固定されることになる。そのため、出力電圧Voが直流電圧Viに向かって上昇し、同時にインダクタ電流I16も増加する。電圧V16はあまり変化せず、ほぼ直流電圧Viに保持される。スイッチング素子20の両端電圧Vds20は略ゼロボルトに保持され、転流素子22の両端電圧V22は、ほぼ入力電圧Viに保持される。
When the switching
その後、スイッチング素子監視回路42は、転流素子22の両端電圧V22の変化幅が、規定時間Tthを超えて一定以下の小さい値の保持されたことを検知すると(タイミングT2)、スイッチング素子20の両端電圧Vds20の変化幅が、規定時間Tthを超えて一定以下の小さい値に保持されたとみなし、スイッチング素子20のオン状態が規定時間Tth(≒2×Tsw)を超えて継続したと判断する。
After that, when the switching
正常運転中のスイッチング素子20は、駆動パルスVgによって最大オンデューティが100%未満に制限されるので、オン状態がスイッチング周期Tsw以上継続することはない。つまり、オン状態が規定時間Tth(≒2×Tsw)を超えて継続したということは、スイッチング素子20の両端が短絡故障したと判断することができる。したがって、スイッチング素子監視回路42は、タイミングT2で、スイッチ32を開状態に切り替える制御を行い、降圧チョッパ18への電力供給を速やかに停止させる。
Since the maximum on-duty of the switching
タイミングT1からT2までの時間はTth≒2×Tswであり、図9に示す時間Txよりもかなり短いので、タイミングT2において、インダクタ電流I16はそれほど大きな値になっていない。したがって、スイッチ32が開状態に切り換わった時、インダクタ16aに生じる逆起電力は小さく、電圧V16に発生するサージ電圧(リンギング)が小さく抑えられる。その結果、スイッチ32の両端に加わる電圧が低い値に抑えられ、スイッチ32が安全に保護される。また、降圧チョッパ18への電力供給も停止するので、降圧チョッパ18の他の回路素子や負荷30も安全に保護される。
The time from timing T1 to T2 is Tth≈2×Tsw, which is considerably shorter than the time Tx shown in FIG. 9, so the inductor current I16 does not have a very large value at timing T2. Therefore, when the
内部の回路素子や負荷30を保護することだけを考えれば、規定時間Tthはできるだけ短い時間(例えば、Tth≒Tsw)に設定することが好ましいが、規定時間Tthを短くしすぎると、スイッチング素子監視回路42が誤動作しやすくなる。例えばスイッチング電源装置10に外来ノイズが侵入した時にスイッチング素子監視回路42が誤動作し、正常運転中にもかかわらずスイッチ32を開状態に切り替えてしまうおそれがある。したがって、規定時間Tthは、例えばスイッチング周期Tswの1.5倍以上の時間に設定することが好ましい。
Considering only the protection of the internal circuit elements and the
また、スイッチ32を開状態に切り替えるタイミングT2を、電流I16の値が、平滑インダクタ24が完全に磁気飽和する電流値に達する前に設定すれば、より高い安全性が確保できる。したがって、規定時間Tthは、例えばスイッチング周期Tswの2.5倍以下の時間に設定することが好ましい。
Further, if the timing T2 for switching the
この形態のスイッチング電源装置38の回路構成は、例えば、AC400V(3φ)をDC370V程度に降圧する数kWクラスの力率改善用アクティブフィルタに好適な構成である。図1に示すように、スイッチング電源装置10は、三相交流電圧を整流回路14で全波整流して直流電圧Viを生成する構成なので、整流回路14の出力に大容量の平滑コンデンサを接続しなくても、降圧チョッパ18の入力電圧(直流電圧Vi)を出力電圧Voよりも高い値に保持させることができるという特徴があり、昇圧チョッパを用いたアクティブフィルタと同等の高い力率を実現することが可能になる。
The circuit configuration of the switching
また、AC400V(3φ)をDC370V程度に降圧する数kWクラスの力率改善用のアクティブフィルタに、従来のスイッチング電源装置10の構成を適用した場合、降圧チョッパ18のスイッチング素子20が短絡故障すると、図9のタイミングT2の時点で電流I16が数百アンペアにまで達してしまい、スイッチ32が開状態になると、スイッチ32の両端に定格電圧を超える過大なサージ電圧(例えば、数kVのサージ電圧)が加わり、スイッチ32が短絡故障する可能性が高い。そして、スイッチ32が短絡故障すると、降圧チョッパ18への電力供給が再開され、平滑コンデンサ26(例えば、アルミ電解コンデンサ)に過大な電圧が加わって激しく破裂したり、平滑インダクタ24に大電流が流れて異常発熱したり、転流素子22が激しく破損したりするので、非常に危険である。これに対して、スイッチング電源装置38の構成を適用すれば、スイッチ32を含む内部の回路素子及び負荷30を安全に保護することができ。
Further, when the configuration of the conventional switching
以上説明したように、スイッチング電源装置38によれば、降圧チョッパ18のスイッチング素子20が短絡故障した時、降圧チョッパ18への電力供給を速やかに停止させることができ、スイッチ32を含む内部の回路素子及び負荷30を確実に保護することができる。
As described above, according to the switching
次に、本発明に関連するスイッチング電源装置の他の形態について、図3、図4に基づいて説明する。ここで、上記のスイッチング電源装置38と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
Next, another form of the switching power supply device related to the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4. FIG. Here, the same configurations as those of the switching
この形態のスイッチング電源装置48は、スイッチング電源装置38と同様に、商用三相交流電圧を所定の直流電圧Voに変換して出力する装置である。構成が異なるのは、スイッチング素子監視回路42に代えて、スイッチング素子監視回路50(電流検出回路44を含む)が設けられている点であり、その他の構成は同様である。なお、スイッチング素子監視回路50の電流検出回路44は、スイッチング制御回路40の電流検出回路44で兼用されている。以下、構成が異なる点を中心に説明する。
Like the switching
スイッチング素子監視回路50は、スイッチング素子20に流れるスイッチング電流I20を検出する電流検出回路44を有し、スイッチング電流I20が規定時間Tthを超えて流れ続けたことを検知すると、スイッチング素子20のオン状態が規定時間Tthを超えて継続したと判断し、スイッチ32を開状態にする動作を行う。規定時間Tthは、スイッチング周期Tswよりも長い時間であり、スイッチング素子監視回路42の規定時間Tthと同様の考え方で設定される。ここでは、上記と同様に、スイッチング周期Tswの約2倍の時間に設定されている(Tth≒2×Tsw)。
The switching
図4は、スイッチング電源装置48の動作を示すタイムチャートであって、スイッチング素子20が短絡故障した時の、降圧チョッパ18の出力電圧Vo、スイッチング素子20に流れるスイッチング電流I20、ノイズフィルタ16のインダクタ電流I16、ノイズフィルタ16の出力端の電圧V16の各動作波形を模式的に描いたものである。
FIG. 4 is a time chart showing the operation of the switching
正常運転中(タイミングT1の前)は、スイッチ32が閉状態になっており、各回路素子が適切に動作して、出力電圧Voが目標値Vrに保持されている。スイッチング電流I20は、ハイレベル(オン)とローレベル(オフ)とを繰り返すパルス状の波形になる。
During normal operation (before timing T1), the
スイッチング素子20が短絡故障すると(タイミングT1)、スイッチング素子20は、スイッチング制御回路40からの駆動パルスVgの時比率に関係なく、オン状態に固定されることになる。そのため、出力電圧Voが直流電圧Viに向かって上昇し、同時にインダクタ電流I16も増加する。電圧V16はあまり変化せず、ほぼ直流電圧Viに保持される。スイッチング電流I20は、インダクタ電流I16と同様に増加する。
When the switching
その後、スイッチング素子監視回路50は、スイッチング電流I20が規定時間Tthを超えて流れ続けたことを検知すると(タイミングT2)、スイッチング素子20のオン状態が規定時間Tth(≒2×Tsw)を超えて継続したと判断する。
After that, when the switching
正常運転中のスイッチング素子20は、駆動パルスVgによって最大オンデューティが100%未満に制限されるので、オン状態がスイッチング周期Tsw以上継続することはない。つまり、オン状態が規定時間Tth(≒2×Tsw)を超えて継続したということは、スイッチング素子20の両端が短絡故障したと判断することができる。したがって、スイッチング素子監視回路50は、タイミングT2で、スイッチ32を開状態に切り替える制御を行い、降圧チョッパ18への電力供給を速やかに停止させる。
Since the maximum on-duty of the switching
このように、スイッチング電源装置48は、上記のスイッチング電源装置38と同様に、降圧チョッパ18のスイッチング素子20が短絡故障した時、降圧チョッパ18への電力供給を速やかに停止させることができ、スイッチ32を含む内部の回路素子及び負荷30を確実に保護することができる。また、スイッチング素子監視回路50の電流検出回路44は、スイッチング制御回路40が有する電流検出回路44で兼用しているので、部品点数やコストの増加が最小限に抑えられる。勿論、スイッチング素子監視回路50の電流検出回路は、電流検出回路44と別に設けても構わない。
In this manner, the switching
次に、本発明のスイッチング電源装置の一実施形態について、図5、図6に基づいて説明する。ここで、上記のスイッチング電源装置48と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。
Next, one embodiment of the switching power supply device of the present invention will be described with reference to FIGS. 5 and 6. FIG. Here, the same configurations as those of the switching
この実施形態のスイッチング電源装置52は、スイッチング電源装置48と同様に、商用三相交流電圧を所定の直流電圧Voに変換して出力する装置である。構成が異なるのは、スイッチング制御回路40(電流検出回路44を含む)に代えてスイッチング制御回路54(電流検出回路44を含む)が設けられている点と、スイッチング素子監視回路50(電流検出回路44を含む)に代えてスイッチング素子監視回路56(電流検出回路44を含む)が設けられている点であり、その他の構成は同様である。以下、構成が異なる点を中心に説明する。
The switching
スイッチング制御回路54は、上記のスイッチング制御回路40と同様に、降圧チョッパ18の出力電圧Voの制御を行う回路で、所定のスイッチング周期Tswでハイレベルとローレベルとを繰り返す駆動パルスVgを生成する。そして、出力電圧Voを検出し、駆動パルスVgのハイとローの時比率を、出力電圧Voを目標値Vrに近づける方向に変化させることによって、スイッチング素子20のオンデューティを変化させ、出力電圧Voを目標値Vrに保持させる。また、電流検出回路44でスイッチング電流I20を検出し、スイッチング電流I20の波高値が規定の閾値を超えたことを検知すると、そのスイッチング周期Tswにおける残り期間は、スイッチング素子20を強制的にオフさせるように、駆動パルスVgを変化させる動作を行う(パルス・バイ・パルス方式の過電流保護動作)。
The switching
スイッチング制御回路40と異なるのは、スイッチング素子20の最大オンデューティが制限されないように駆動パルスVgを生成するという点である。つまり、スイッチングの1周期Tswの間、スイッチング素子20をオンさせ続けてもよいという条件のもとで、制御を行う。
The difference from the switching
スイッチング素子監視回路56は、駆動パルスVgの状態に応じて、2種類の動作を行う。まず、スイッチング制御回路54が、スイッチング素子20のオンデューティを100%未満にしようとする駆動パルスVgを出力している時、スイッチング素子監視回路56は、スイッチング電流I20が規定時間Tth(≒2×Tsw)を超えて流れ続けたことを検知すると、スイッチング素子20のオン状態が規定時間Tthを超えて継続したと判断し、スイッチ32を開状態にする動作を行う。これは、上記のスイッチング素子監視回路50と同様の動作である。
The switching
一方、スイッチング制御回路54が、スイッチング素子20のオンデューティを100%にしようとする駆動パルスVgを出力している時、スイッチング素子監視回路56は、スイッチング素子20の状態(スイッチング電流I20の変化のしかた)に関係なく、スイッチ32を閉状態に保持させる動作を行う。
On the other hand, when the switching
図6は、スイッチング電源装置52の動作を示すタイムチャートであって、スイッチング素子20が短絡故障した時の、降圧チョッパ18の出力電圧Vo、スイッチング素子20に流れるスイッチング電流I20、スイッチング制御回路54が出力する駆動パルスVg、ノイズフィルタ16のインダクタ電流I16、ノイズフィルタ16の出力端の電圧V16の各動作波形を模式的に描いたものである。
FIG. 6 is a time chart showing the operation of the switching
正常運転中(タイミングT1の前)は、スイッチ32が閉状態になっており、各回路素子が適切に動作して、出力電圧Voがほぼ目標値Vrに保持されている。スイッチング電流I20及び駆動パルスVgは、ハイレベル(オン)とローレベル(オフ)とを繰り返すパルス状の波形になる。
During normal operation (before timing T1), the
なお、スイッチング電源装置52は、スイッチング電源装置48とは異なり、正常運転中、スイッチング制御回路54の制御により、スイッチング素子20のオンデューティが100%になる状況が考えられる。例えば、図6の中に示すように、負荷30の電流が急に増えて出力電圧Voが目標値Vrよりも低くなった時等である。したがって、出力電圧Voが目標値Vrに復帰するまでの時間が長いと、スイッチング素子20のオン状態が規定時間Tthを超えて継続する可能性がある。
Note that, unlike the switching
しかし、スイッチング素子監視回路56は、スイッチング素子20のオンデューティを100%にしようとする駆動パルスVgが出力されている時は、スイッチング素子20の状態(スイッチング電流I20の変化のしかた)に関係なく、スイッチ32を閉状態に保持させる動作を行う。したがって、正常運転中は、スイッチング素子20のオン状態が規定時間Tthを超えて継続しても、降圧チョッパ18への電力供給は停止されない。
However, the switching
スイッチング素子20が短絡故障すると(タイミングT1)、スイッチング素子20は、駆動パルスVgの時比率に関係なく、オン状態に固定されることになる。そのため、出力電圧Voが直流電圧Viに向かって上昇し、同時にインダクタ電流I16も増加する。電圧V16はあまり変化せず、ほぼ直流電圧Viに保持される。スイッチング電流I20は、インダクタ電流I16と同様に増加する。
When the switching
その後、スイッチング素子監視回路50は、スイッチング電流I20が規定時間Tthを超えて流れ続けたことを検知すると(タイミングT2)、スイッチング素子20のオン状態が規定時間Tth(≒2×Tsw)を超えて継続したと判断する。
After that, when the switching
タイミングT1~T2の間は出力電圧Voが目標値Vrよりも高くなるので、スイッチング制御回路54は、スイッチング素子20のオンデューティが小さくなるように駆動パルスVgを変化させる。あるいは、スイッチング電流I20の波高値が高くなるので、パルス・バイ・パルス方式の過電流保護の動作により、スイッチング素子20のオンデューティが小さくなるように駆動パルスVgを変化させる。そうすると、スイッチング素子20が正常に動作しているとすれば(故障していないとすれば)、スイッチングの1周期Tswの中に、スイッチング素子20がオフする期間が必ず存在することになる。
Since the output voltage Vo is higher than the target value Vr between the timings T1 and T2, the switching
つまり、タイミングT2において、オン状態が規定時間Tth(≒2×Tsw)を超えて継続したと検知されたということは、スイッチング素子20の両端が短絡故障したと判断することができる。したがって、スイッチング素子監視回路56は、スイッチ32を開状態に切り替える制御を行い、降圧チョッパ18への電力供給を速やかに停止させる。
That is, it can be determined that both ends of the switching
このように、スイッチング電源装置52は、上記のスイッチング電源装置48と同様に、降圧チョッパ18のスイッチング素子20が短絡故障した時、降圧チョッパ18への電力供給を速やかに停止させることができ、スイッチ32を含む内部の回路素子及び負荷30を確実に保護することができる。また、正常運転中、誤って降圧チョッパ18への電力供給を停止させてしまう不具合も発生しない。
In this manner, the switching
なお、本発明のスイッチング電源装置は、上記実施形態(スイッチング電源装置52)に限定されるものではなく、スイッチング電源装置38,48で開示した一部の技術を流用することができる。また、図1に示すスイッチング電源装置38の場合、スイッチング素子監視回路42の電圧検出回路46は、スイッチング素子20の両端電圧Vds20の代用特性として、転流素子22の両端電圧V22を検出する構成にしている。これは、転流素子22の一端がグランド電位なので、両端電圧V22の検出が容易だからである。このように、電圧検出回路は、スイッチング素子20が短絡故障した時に、スイッチング素子の両端電圧Vds20と同様の動きをする別の場所の電圧を検出する構成にすることができる。勿論、両端電圧Vds20を直接検出する構成にしてもよい。
It should be noted that the switching power supply device of the present invention is not limited to the above-described embodiment (switching power supply device 52) , and part of the techniques disclosed in the switching
また、図3に示すスイッチング電源装置48の場合、スイッチング素子監視回路50の電流検出回路44は、スイッチング素子20に流れるスイッチング電流I20を直接検出する構成になっているが、電流検出回路は、スイッチング素子20が短絡故障した時に、スイッチング電流I20と同様の動きをする別の場所の電流を検出する構成に変更することができる。例えば、スイッチング素子20のスイッチング電流I20を直接検出するのではなく、代用特性として、転流素子22のアノードとコンデンサ28の一端とを接続する箇所の電流を検出する構成にしてもよい。
In the case of the switching
また、図5に示すスイッチング電源装置52の場合、スイッチング素子監視回路56が電流検出回路44を備える構成になっているが、図1のスイッチング素子監視回路42のように、電圧検出回路46を備える構成に変更してもよい。
Further, in the case of the switching
スイッチング電源装置38,48,52(図2、図4、図6)では、規定時間Tthをスイッチング周期Tswの約2倍に設定したが、2倍という数値はあくまでも例として示したものである。規定時間Tthは、上述したように、安全なタイミングでスイッチ32を開状態にすること以外に、外来ノイズで誤動作しないようすること(EMS試験をクリアすること)や、降圧チョッパ44の平滑インダクタ24の飽和特性等、装置に求められる性能や設計上の都合も考慮して、装置毎に適切な値に調節する。
In the switching
スイッチング電源装置38,48,52では、図7(a)に示すように、スイッチ32がハイサイド側に設けられているが、ローサイド側のA点に設けてもよい。同様に、スイッチング素子20及び平滑インダクタ24も、ローサイド側のB点及びC点に設けてもよい。また、スイッチング電源装置38,48,52では、スイッチング素子20をMOS型FETとしているが、装置の仕様(入力電圧、出力電圧、電力容量)等に鑑みて、他のトランジスタ素子等に変更することができる。同様に、転流素子22はダイオードとしているが、同期整流用のトランジスタ素子等に変更することができる。同様に、スイッチ32はIGBTとしているが、MOS型FET等の他の半導体スイッチや、リレー等のメカニカルスイッチに変更することができる。
In switching
スイッチング電源装置38,48,52は、元電源が三相交流電源12なので、入力端に、三相交流電圧用の全波整流回路(整流回路14)を設けている。しかし、元電源が単相交流電源58の場合は、図7(b)のスイッチング電源装置60のように、入力端に、単相交流電圧用の全波整流回路(整流回路62)を設けるとよい。この場合、さらに整流回路62の出力端に大容量の入力平滑コンデンサ64を接続し、整流後の脈流電圧を平滑して直流電圧Viを生成する構成にすることが好ましい。これによって、降圧チョッパ18の入力電圧Viが出力電圧Voより低くなる期間を無くすことができ、全期間で力率改善動作を行うことが可能になる。また、元電源が直流電源66の場合は、図7(c)のスイッチング電源装置68のように、整流回路を省略することができる。
The switching
スイッチング電源装置38,48,52は、スイッチ32の前段にノイズフィルタ16を設けているが、ノイズフィルタは整流回路の前段に設けてもよいし、必要なければ、図7(b)、(c)のスイッチング電源装置60,68のように、ノイズフィルタを省略してもよい。
The switching
スイッチング電源装置38,48,52は、入出力が非絶縁型の構成になっているが、降圧チョッパ18とは別のコンバータをさらに内蔵させることによって絶縁型のスイッチング電源装置を構成するこができる。例えば、降圧チョッパ18の後段に絶縁型のDC-DCバータを付設し、そのDC-DCコンバータの出力電圧を負荷30に供給する構成にする方法が考えられる。また、スイッチ32の前段に絶縁型のAC-DCコンバータを付設し、そのAC-DCコンバータの出力ラインに、スイッチ32を介して降圧チョッパ18を接続する構成にしてもよい。どちらの構成にしても、本発明が目的とする効果を得ることができる。
The switching
10,38,48,50,52,60,68 スイッチング電源装置
12 商用三相交流電源
14 整流回路(三相交流電圧用の全波整流回路)
16 ノイズフィルタ
16a インダクタ
16b コンデンサ
18 降圧チョッパ
20 スイッチング素子
22 転流素子
24 平滑インダクタ
26 平滑コンデンサ
28 入力コンデンサ
30 負荷
32 スイッチ
34,40,54 スイッチング制御回路
42,50,56 スイッチング素子監視回路
44 電流検出回路
46 電圧検出回路
58 単相交流電源
62 整流回路(単相交流電圧用の全波整流回路)
64 入力平滑コンデンサ
66 直流電源
I16 ノイズフィルタのインダクタ電流
I20 スイッチング電流
Tsw スイッチング周期
Tth 規定時間
Vds20 スイッチング素子の両端電圧
Vg 駆動パルス
V16 ノイズフィルタ16の出力端の電圧
V22 転流素子22の両端電圧
10, 38, 48, 50, 52, 60, 68 switching
16
64
I16 Noise filter inductor current
I20 switching current
Tsw switching cycle
Tth regulation time
Vds20 Voltage across switching element
Vg drive pulse
V16 Voltage at the output end of
V22 Voltage across commutating
Claims (6)
前記スイッチング制御回路が、前記スイッチング素子のオンデューティを100%未満にしようとする駆動パルスを出力している時、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子のオン状態が、前記スイッチング周期よりも長い規定時間を超えて継続したことを検知すると、前記スイッチを開状態にして前記降圧チョッパへの電力供給を停止させ、
前記スイッチング制御回路が、前記スイッチング素子のオンデューティを100%にしようとする駆動パルスを出力している時、前記スイッチング素子監視回路は、前記スイッチング素子の状態に関係なく、前記スイッチを閉状態に保持させることを特徴とするスイッチング電源装置。 A step-down chopper having a switching element, a commutation element, a smoothing inductor and a smoothing capacitor, a switching control circuit for generating a driving pulse for turning on and off the switching element at a predetermined switching cycle, and a switch provided in the preceding stage of the step-down chopper. and a switching element monitoring circuit that opens and closes the switch according to the state of the switching element,
When the switching control circuit is outputting a drive pulse to make the on-duty of the switching element less than 100%, the switching element monitoring circuit detects that the ON state of the switching element is longer than the switching period. When it is detected that it has continued beyond the specified time, the switch is opened to stop the power supply to the step-down chopper,
When the switching control circuit is outputting a drive pulse for setting the on-duty of the switching element to 100%, the switching element monitoring circuit closes the switch regardless of the state of the switching element. A switching power supply device, characterized in that:
前記スイッチング素子の両端電圧の変化幅が前記規定時間を超えて一定以下の小さい値に保持されたことを検知すると、前記スイッチング素子のオン状態が前記規定時間を超えて継続したと判断する請求項1記載のスイッチング電源装置。 The switching element monitoring circuit includes a voltage detection circuit that detects a voltage across the switching element or a voltage corresponding thereto,
3. When it is detected that the change width of the voltage across the switching element has been maintained at a small value below a certain value for more than the specified time, it is determined that the ON state of the switching element has continued beyond the specified time. 1. A switching power supply device according to claim 1.
前記スイッチング電流が前記規定時間を超えて流れ続けたことを検知すると、前記スイッチング素子のオン状態が前記規定時間を超えて継続したと判断する請求項1記載のスイッチング電源装置。 The switching element monitoring circuit includes a current detection circuit that detects a switching current flowing through the switching element,
2. The switching power supply device according to claim 1, wherein when it is detected that said switching current has continued to flow beyond said specified time, it is determined that said switching element has continued to be in the ON state beyond said specified time.
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