JPH0833322A - 非絶縁型降圧ｄｃーｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】本発明は、入力される直流電圧を半導体スイッ
チを使ってＯＮ／ＯＦＦ制御し、これを平滑化すること
で降圧レベルの直流電圧に変換する非絶縁型降圧ＤＣー
ＤＣコンバータに関し、過電圧の出力を確実に防止でき
るようにすることを目的とする。 【構成】入力直流電圧をチョッパリングする半導体スイ
ッチのスイッチングＯＮ時間を監視する監視回路３５
と、半導体スイッチから構成されて、監視回路３５によ
り半導体スイッチのスイッチングＯＮ時間が規定時間を
超えることが検出されるときに、変換直流電圧の出力を
遮断する遮断回路３６とを備えるように構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、入力される直流電圧を
半導体スイッチを使ってＯＮ／ＯＦＦ制御し、これを平
滑化することで降圧レベルの直流電圧に変換する非絶縁
型降圧ＤＣーＤＣコンバータに関し、特に、過電圧の出
力を確実に防止できるようにする非絶縁型降圧ＤＣーＤ
Ｃコンバータに関する。

【０００２】入力直流電圧を降圧レベルの直流電圧に変
換する非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコンバータでは、半導体
スイッチを使って入力直流電圧をＯＮ／ＯＦＦ制御し、
これを平滑化することで降圧レベルの直流電圧を生成し
ていく構成を採っている。

【０００３】このような構成を採る非絶縁型降圧ＤＣー
ＤＣコンバータでは、電源供給先の回路素子の破壊を招
かないようにするために、過電圧の出力を確実に防止す
る保護機構を備える必要がある。

【０００４】

【従来の技術】図３に、非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコンバ
ータの基本回路構成を図示する。図中、１はｐチャンネ
ルＭＯＳで構成されるメイントランジスタ、２はチョー
クコイル、３はフライホイルダイオード、４は平滑用コ
ンデンサ、５は制御ＩＣである。

【０００５】この図のように構成される非絶縁型降圧Ｄ
ＣーＤＣコンバータでは、制御ＩＣ５が、規定のデュー
ティ比に従ってメイントランジスタ１の導通／非導通を
制御し、この制御処理に従って、メイントランジスタ１
が、導通モードにあるときに入力直流電圧を通過させる
とともに、非導通モードにあるときに入力直流電圧を遮
断させ、これを受けて、平滑用コンデンサ４が、メイン
トランジスタ１を通過する電圧を平滑化していくこと
で、入力直流電圧を規定の降圧レベルの直流電圧へと変
換する構成を採っている。

【０００６】この構成を採るときにあって、メイントラ
ンジスタ１にショートモード故障が発生したり、制御Ｉ
Ｃ５に故障が発生することでメイントランジスタ１が導
通したままの状態になると、入力直流電圧と同レベルの
過大な直流電圧を出力してしまうことになる。

【０００７】図４ないし図６に、このような過電圧出力
を防止するために、従来の非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコン
バータで用いている保護機構の構成を図示する。図４に
示す従来技術では、入力段にヒューズ６を備えるととも
に、出力段に平滑用コンデンサ４と並列にツェナーダイ
オード７を備える構成を採って、出力直流電圧が過大に
なるときにツェナーダイオード７が大きな電流を流し、
これによりヒューズ６が溶断することで、過電圧出力を
防止する構成を採っている。

【０００８】また、図５に示す従来技術では、図４の従
来構成の備えるヒューズ６／ツェナーダイオード７に加
えて、出力段に平滑用コンデンサ４と並列に接続され
て、ツェナーダイオード７が電流を流すときに導通モー
ドに入るサイリスタ８を備える構成を採って、出力直流
電圧が過大になるときにツェナーダイオード７が電流を
流し、これを受けて、サイリスタ８がツェナーダイオー
ド７よりも大きい電流を流し、これによりヒューズ６が
溶断することで、過電圧出力を防止する構成を採ってい
る。

【０００９】また、図６に示す従来技術では、図５の従
来構成で備えるヒューズ６を省略するとともに、出力電
流の大きさを計測するための抵抗９を備え、制御ＩＣ５
がこの抵抗９の発生電圧を入力する構成を採って、出力
直流電圧が過大になるときにツェナーダイオード７が電
流を流し、これを受けて、サイリスタ８がツェナーダイ
オード７よりも大きい電流を流し、これを受けて、制御
ＩＣ５がメイントランジスタ１の非導通状態が導通状態
よりも長くなるようにとデューティ比を変更すること
で、過電圧出力を防止する構成を採っている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図４に
示す従来技術では、平滑後の直流電圧を使って過電圧を
もたらす故障の発生を検出して、ヒューズ６の溶断特性
を使って過電圧の出力を遮断していくという構成を採っ
ていることから、過電圧をもたらす故障が発生してか
ら、これを検出して過電圧を遮断していくまでに遅れが
出るという問題点があった。すなわち、一時的に過電圧
が出力されてしまうという問題点があったのである。

【００１１】更に、ヒューズ６やツェナーダイオード７
のばらつきにより、この遅れがばらつくという問題点も
あった。また、図５に示す従来技術では、サイリスタ８
がツェナーダイオード７よりも大きい電流を流せること
で、図４に示す従来技術よりもヒューズ６を迅速に溶断
できることとなって、過電圧をもたらす故障が発生して
から過電圧を遮断していくまでの遅れを小さくできるも
のの、平滑後の直流電圧を使ってこの故障の発生を検出
していくことに変わりはないことから、この遅れをなく
すことができないという問題点があった。すなわち、一
時的に過電圧が出力されてしまうという問題点があった
のである。

【００１２】更に、ヒューズ６やツェナーダイオード７
のばらつきにより、この遅れがばらつくという問題点も
残るし、サイリスタ８の冷却のために大きな冷却フィン
を用意しなくてはならないという問題点もあった。

【００１３】また、図６に示す従来技術では、ヒューズ
６を用いないことから、図５に示す従来技術よりも遅れ
を小さくできるものの、平滑後の直流電圧を使って過電
圧をもたらす故障の発生を検出していくことに変わりは
ないことから、この遅れをなくすことができないという
問題点があった。すなわち、一時的に過電圧が出力され
てしまうという問題点があったのである。

【００１４】更に、ツェナーダイオード７のばらつきに
より、この遅れがばらつくという問題点も残るし、サイ
リスタ８の冷却のために大きな冷却フィンを用意しなく
てはならないという問題点も残るし、間接的に過電流保
護をかけて、メイントランジスタ１のＯＮ時間を狭くし
ているだけであることから、メイントランジスタ１のシ
ョート故障時には無効であり過電圧を出力し続けてしま
うという問題点があった。

【００１５】本発明はかかる事情に鑑みてなされたもの
であって、過電圧の出力を確実に防止できるようにする
新たな非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコンバータの提供を目的
とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】図１に本発明の原理構成
を図示する。図中、１００は本発明を具備する非絶縁型
降圧ＤＣーＤＣコンバータであって、半導体スイッチ３
０と、チョークコイル３１と、フライホイルダイオード
３２と、平滑用コンデンサ３３と、制御ＩＣ３４とを備
える構成を採って、制御ＩＣ３４が、規定のデューティ
比に従って半導体スイッチ３０のＯＮ／ＯＦＦを制御
し、この制御処理に従って、半導体スイッチ３０が、Ｏ
Ｎモードにあるときに入力直流電圧を通過させるととも
に、ＯＦＦモードにあるときに入力直流電圧を遮断さ
せ、これを受けて、平滑用コンデンサ３３が、半導体ス
イッチ３０を通過する電圧を平滑化していくことで、入
力直流電圧を規定の降圧レベルの直流電圧へと変換す
る。

【００１７】この非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコンバータ１
００は、本発明を実現するために、新たに、半導体スイ
ッチ３０のスイッチングＯＮ時間を監視する監視回路３
５と、半導体スイッチから構成されて、監視回路３５の
検出結果に応じて変換直流電圧の出力を遮断する遮断回
路３６とを備える構成を採る。

【００１８】この監視回路３５は、半導体スイッチ３０
の出力電圧レベルに応じて充放電を繰り返す充放電回路
３７と、充放電回路３７の充放電電圧レベルが規定値を
はずれるときにスイッチング動作するスイッチ回路３８
とを備えることで、半導体スイッチ３０のスイッチング
ＯＮ時間を監視する構成を採ることがある。

【００１９】

【作用】本発明では、制御ＩＣ３４により半導体スイッ
チ３０がＯＮ／ＯＦＦを繰り返すときにあって、充放電
回路３７は、半導体スイッチ３０が高レベルの電圧を出
力するときに充電動作に入り、半導体スイッチ３０が低
レベルの電圧を出力するときに放電動作に入ることで充
電電圧を生成していく。

【００２０】このようにして生成される充電電圧は、半
導体スイッチ３０及び制御ＩＣ３４が正常動作している
ときには、充放電の繰り返しにより、規定の電圧レベル
以下を示すものの、過電圧を発生する故障が発生すると
きには、規定の電圧レベル以上を示すことになる。すな
わち、半導体スイッチ３０にショートモード故障が発生
したり、制御ＩＣ３４に故障が発生することで半導体ス
イッチ３０がＯＮしたままの状態になると、充放電回路
３７は、充電状態を継続していくことで規定の電圧レベ
ル以上の充電電圧を生成していくのである。

【００２１】この充放電回路３７の生成する充電電圧を
受けて、スイッチ回路３８は、充電電圧レベルが規定値
をはずれるときに、すなわち、過電圧をもたらす故障が
発生するときにスイッチング動作し、このスイッチ回路
３８のスイッチング動作を受けて、遮断回路３６は、過
電圧をもたらす故障が発生するときに変換直流電圧の出
力を遮断する。

【００２２】このように、本発明では、平滑前のチョッ
パリング電圧の時間幅を使って過電圧をもたらす故障の
発生を検出する構成を採って、この故障発生を検出する
と、半導体スイッチで構成される遮断回路３６を使っ
て、変換直流電圧の出力を完全に遮断していく構成を採
ることから、過電圧をもたらす故障が発生してから過電
圧を遮断していくまでの遅れをなくすことができるよう
になって、過電圧の出力を完全に阻止できるようにな
る。

【００２３】

【実施例】以下、実施例に従って本発明を詳細に説明す
る。図２に、本発明の非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコンバー
タ１００の一実施例を図示する。図中、図３で説明した
ものと同じものについては同一の記号で示してある。

【００２４】１０は抵抗、１１は抵抗、１２は抵抗、１
３はダイオード、１４は検出用コンデンサ、１５はトラ
ンジスタ、１６はツェナーダイオード、１７は抵抗、１
８はｎチャンネルＭＯＳで構成される遮断スイッチ、１
９は抵抗、２０はツェナーダイオード、２１は出力段に
設けられるコンデンサである。

【００２５】抵抗１０と抵抗１１とは、直列接続され
て、フライホイルダイオード３に並列接続される。抵抗
１２とダイオード１３と検出用コンデンサ１４とは、直
列接続されて、フライホイルダイオード３に並列接続さ
れ、更に、ダイオード１３と検出用コンデンサ１４との
接続点が、抵抗１０と抵抗１１との接続点に接続され
る。

【００２６】トランジスタ１５のエミッタは、ツェナー
ダイオード１６を介して接地され、ベースは、ダイオー
ド１３と検出用コンデンサ１４との接続点に接続され、
コレクタは、抵抗１７を介して入力端子に接続される。
遮断スイッチ１８のゲートは、抵抗１９を介して、トラ
ンジスタ１５のコレクタに接続されるとともに、ツェナ
ーダイオード２０を介して、出力端子に接続されるソー
スに接続され、ドレインは、平滑用コンデンサ４に接続
される。

【００２７】このトランジスタ１５は、ベース電圧が、
ツェナーダイオード１６の発生するツェナー電圧と、ベ
ース・エミッタ間電圧との和を超えるときにＯＮして、
コレクタ電圧を下げるよう動作する。

【００２８】また、遮断スイッチ１８は、ｎチャンネル
ＭＯＳの特性に従い、ゲートに、ゲートカットオフ電圧
以上の高い電圧が入力されると、ドレインとソースとの
間を接続し、ゲートに、ゲートカットオフ電圧以下の低
い電圧が入力されると、ドレインとソースとの間を遮断
するよう動作する。

【００２９】ツェナーダイオード２０の発生するツェナ
ー電圧は、ゲートカットオフ電圧以上のもので設定され
ており、これから、トランジスタ１５がＯＦＦしている
ときには、ゲートに、ツェナーダイオード２０の発生す
るゲートカットオフ電圧以上のツェナー電圧が入力され
ることで、遮断スイッチ１８は、導通状態に入ることに
なる。

【００３０】一方、トランジスタ１５がＯＮすると、ゲ
ートには、ツェナーダイオード１６の発生するツェナー
電圧と、トランジスタ１５のコレクタ・エミッタ間電圧
との和が入力されることになるが、この電圧がゲートカ
ットオフ電圧以下となるようにとツェナーダイオード１
６の発生するツェナー電圧が設定されており、これか
ら、トランジスタ１５がＯＮするときには、ゲートに、
ゲートカットオフ電圧以下の電圧が入力されることで、
遮断スイッチ１８は、遮断状態に入ることになる。

【００３１】このように構成される本発明の非絶縁型降
圧ＤＣーＤＣコンバータ１００では、制御ＩＣ５が規定
のデューティ比に従ってメイントランジスタ１をＯＮさ
せると、フライホイルダイオード３のアノード・カソー
ド間の電圧が入力直流電圧に設定され、これにより、抵
抗１０を介して検出用コンデンサ１４が充電されていく
ことになる。

【００３２】この検出用コンデンサ１４の充電完了電圧
は、入力直流電圧を抵抗１０と抵抗１１とで分圧した電
圧で決まることになるが、この分圧電圧は、ツェナーダ
イオード１６の発生するツェナー電圧と、トランジスタ
１５のベース・エミッタ間電圧との和を超えるもので設
定されており、従って、検出用コンデンサ１４の充電が
完了するときには、トランジスタ１５は確実にＯＮする
ことになる。

【００３３】また、このときの充電時定数は、抵抗１０
／検出用コンデンサ１４から規定されることになるが、
メイントランジスタ１の最大ＯＮ時間（正常時のＯＮ時
間の最大値）よりも長く設定されている。すなわち、検
出用コンデンサ１４の充電は、メイントランジスタ１の
ＯＮ時間が最大ＯＮ時間を超えてから完了することにな
る。

【００３４】一方、制御ＩＣ５が規定のデューティ比に
従ってメイントランジスタ１をＯＦＦさせると、フライ
ホイルダイオード３のアノード・カソード間の電圧がゼ
ロに設定され、これにより、抵抗１２及びダイオード１
３を介して検出用コンデンサ１４の充電電圧が放電され
ていくことになる。このときの放電時定数は、抵抗１２
／ダイオード１３／検出用コンデンサ１４から規定され
ることになるが、メイントランジスタ１の最小ＯＦＦ時
間（正常時のＯＦＦ時間の最小値）よりも短く設定され
ている。

【００３５】従って、メイントランジスタ１及び制御Ｉ
Ｃ５が正常動作しているときには、メイントランジスタ
１は、規定のデューティ比に従ってＯＮ／ＯＦＦ動作を
繰り返し、これにより、検出用コンデンサ１４の充電電
圧は、充電完了前の規定の範囲に収まることになる。

【００３６】一方、メイントランジスタ１にショートモ
ード故障が発生したり、制御ＩＣ５の故障によりメイン
トランジスタ１が導通したままの状態になることで、メ
イントランジスタ１のＯＮ時間が最大ＯＮ時間を超える
と、検出用コンデンサ１４の充電電圧は、この規定の範
囲を超えて充電完了電圧へと上昇する。

【００３７】この上昇する充電電圧が、ツェナーダイオ
ード１６の発生するツェナー電圧と、トランジスタ１５
のベース・エミッタ間電圧との和を超えると、トランジ
スタ１５がＯＮし、これにより、遮断スイッチ１８のゲ
ートに、ゲートカットオフ電圧以下の電圧が入力される
ことで、遮断スイッチ１８が遮断状態に入る。この遮断
処理に従って、メイントランジスタ１のＯＮ時間が最大
ＯＮ時間を超えることで発生することになる過電圧の出
力を阻止する。

【００３８】このようにして、本発明の非絶縁型降圧Ｄ
ＣーＤＣコンバータ１００では、平滑前のチョッパリン
グ電圧の時間幅を使って過電圧をもたらす故障の発生を
検出する構成を採るものである。

【００３９】図示実施例について説明したが、本発明は
これに限定されるものではない。例えば、実施例では、
充放電回路を使って、平滑前のチョッパリング電圧の時
間幅を測定する構成を開示したが、本発明はこれに限ら
れるものではないのであって、タイマ等を使って測定す
る構成を採ることも可能である。

【００４０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の非絶縁型
降圧ＤＣーＤＣコンバータでは、平滑前のチョッパリン
グ電圧の時間幅を使って過電圧をもたらす故障の発生を
検出する構成を採って、この故障発生を検出すると、半
導体スイッチを使って変換直流電圧の出力を完全に遮断
していく構成を採ることから、過電圧をもたらす故障が
発生してから過電圧を遮断していくまでの遅れをなくす
ことができるようになって、過電圧の出力を完全に阻止
できるようになる。

【００４１】そして、ヒューズを用いる従来技術のよう
な不安定要素が入ることもなく、また、サイリスタを用
いる従来技術のような冷却フィンの使用を強いられるこ
ともなく、また、ツェナーダイオードを検出センサとし
て用いる従来技術のようなばらつきもなく、過電圧の出
力を確実防止できるようになるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理構成図である。

【図２】本発明の一実施例である。

【図３】非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコンバータの説明図で
ある。

【図４】従来技術の説明図である。

【図５】従来技術の説明図である。

【図６】従来技術の説明図である。

【符号の説明】

１００ 非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコンバータ ３０ 半導体スイッチ ３１ チョークコイル ３２ フライホイルダイオード ３３ 平滑用コンデンサ ３４ 制御ＩＣ ３５ 監視回路 ３６ 遮断回路 ３７ 充放電回路 ３８ スイッチ回路

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力される直流電圧を半導体スイッチを
   使ってＯＮ／ＯＦＦ制御し、これを平滑化することで降
   圧レベルの直流電圧に変換する非絶縁型降圧ＤＣーＤＣ
   コンバータにおいて、 上記半導体スイッチのスイッチングＯＮ時間を監視する
   監視回路(35)と、 半導体スイッチから構成されて、上記監視回路(35)によ
   り上記半導体スイッチのスイッチングＯＮ時間が規定時
   間を超えることが検出されるときに、変換直流電圧の出
   力を遮断する遮断回路(36)とを備えることを、 特徴とする非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコンバータ。
2. 【請求項２】 請求項１記載のＤＣーＤＣコンバータに
   おいて、 監視回路(35)は、半導体スイッチの出力電圧レベルに応
   じて充放電を繰り返す充放電回路(37)と、該充放電回路
   (37)の充放電電圧レベルが規定値をはずれるときにスイ
   チング動作するスイッチ回路(38)とで構成され、 遮断回路(36)は、上記スイッチ回路(38)がスイッチング
   動作するときに、変換直流電圧の出力を遮断するよう動
   作することを、 特徴とする非絶縁型降圧ＤＣーＤＣコンバータ。