JPH09505977A - 電圧変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 蓄積チョーク（１５）および少なくとも１つの電力スイッチ（１４，１４ａ，２２，２２ａ）を備えた電圧変換器において、蓄積チョーク（１５）に流れる電流により、少なくとも１つの電力スイッチ（１４，１４ａ，２２，２２ａ）のスイッチオフまたはスイッチオンが定められる。この場合、比較器（３３）により、蓄積チョーク（１５）に流れる電流が所定の閾値と比較される。電流が閾値を通過すると電力スイッチ（１４，１４ａ，２２，２２ａ）がスイッチングされる。設けられているタイマ（１７，１７ａ，１７ｂ）により電力スイッチ（１４，１４ａ，２２，２２ａ）は、蓄積チョーク（１５）における電圧の跳躍的変化の発生後、タイマ（１７，１７ａ，１７ｂ）により定められた期間にわたり所定のスイッチング状態に保持される。本発明による電圧変換器は、僅かな個別部品だけを用いてきわめて低コストで実現できる。この場合、有利には車両において用いられる。

Description

【発明の詳細な説明】 電圧変換器 本発明は、請求項１の上位概念に記載の電圧変換器に関する。 U.Tietze および Ch.Schenk 著の専門書”Halbleiter-Schaltungstechnik（半 導体回路技術）”、第９版、Springer-Verlag，1989,の第５６１頁〜５７２頁に は、ある直流電圧を出力側における所定の直流電圧へ変換する電圧変換器につい て記載されている。この電圧変換器はクロック制御されるスイッチング方式に基 づいており、この場合、インダクタンス素子に蓄積される誘導エネルギーが、電 力スイッチのスイッチオン期間とスイッチオフ期間との比に依存して設定される 。最も簡単な回路では、１つの電力スイッチと蓄積チョークだけが設けられてい る。電圧変換器の出力側に配置されている平滑コンデンサにより、出力電圧中の 交流電圧成分が抑えられる。第１８．６．１章には、電圧変換器の３つの基本形 態が記載されている。すなわちダウンコンバータ（降圧変換器）、アップコンバ ータ（昇圧変換器）ならびに可逆コンバータである。第１８．６．２章には、出 力電圧を所定の値になるよう調整するダウンコンバータの回路の実例が示されて いる。調整回路ならびに電力スイッチの制御に必要 とされる構成素子は、１つの集積回路内に収められている。 本発明の課題は、きわめて低コストで実現可能な電圧変換器を提供することに ある。 この課題は、請求項１の特徴部分に記載の構成により解決される。 発明の利点 本発明による電圧変換器の有する利点は、僅かな個別部品しか必要としないこ とである。したがって本発明による電圧変換器をきわめて低コストで実現できる 。殊に大量生産において利点が顕著になる。本発明によれば、蓄積チョークに流 れる電流を捕捉するセンサと、捕捉された電流を所定の閾値と比較する手段が設 けられている。捕捉された電流が閾値を通過すると、電力スイッチがスイッチン グされる。さらにタイマが設けられており、このタイマにより電力スイッチは、 蓄積チョークにおける電圧の跳躍的変化の発生後、タイマにより定められた期間 にわたり目下の状態に保持される。蓄積チョークにおける電圧の跳躍的変化は、 電力スイッチのスイッチングの結果として生じる。この場合、タイマにより、ク ロック制御される電圧変換器のスイッチオフ期間またはスイッチオン期間が定め られる。 従属請求項には、本発明による電圧変換器の有利な実施形態が示されている。 本発明による電圧変換器の第１の有利な実施例によれば、捕捉された電流が閾 値よりも大きくなると電力スイッチがスイッチオフされるように構成されている 。この場合、電力スイッチはタイマにより、このタイマで定められた所定の期間 にわたりスイッチオフ状態に保持される。この実施形態は、入力電圧が変動する 場合に殊に有利である。 本発明による電圧変換器の別の有利な実施例によれば、捕捉された電流が閾値 よりも小さくなると電力スイッチがスイッチオンされるように構成されている。 この場合、電力スイッチはタイマにより、蓄積チョークにおける電圧の跳躍的変 化の発生後、タイマで定められた期間にわたりスイッチオン状態に保持される。 この実施形態の場合、タイマによって電力スイッチのスイッチオン期間が定めら れる。この実施形態は、入力電圧が比較的一定である電圧変換器において殊に有 利である。 きわめて安価な電流センサは電流によって電圧降下を起こさせる抵抗であり、 この電圧降下が評価される。比較手段としてはたとえばトランジスタが適してお り、このトランジスタの導通に必要な制御電圧は、まえもって与えられるべき閾 値に対する尺度を成す。このトランジスタのことを以下では制御トランジスタと 称する。 １つの有利な実施形態はタイマに関するものであり 、これは有利にはＲＣ合成回路として実現されている。このタイマは電力スイッ チの制御入力側に接続できる。有利には、制御トランジスタの制御端子にタイマ が接続されている。 殊に有利な実施形態によれば電圧制限素子が設けられており、この電圧制限素 子は電圧変換器の出力側に接続されている。制限電圧を超えると、電圧制限素子 により電力スイッチがスイッチオフ状態に保持される。タイマと同様に、電圧制 限素子を電力スイッチの制御入力側にじかに接続することもできるし、あるいは 制御トランジスタの制御端子に接続するとよい。この構成によれば、電圧変換器 の出力電圧が所定の最大値に制限されるだけでなく、出力電圧の安定化も得られ る。この安定化は、基礎となる簡単なクロック制御形の電圧変換器回路方式の場 合、負荷電流が小さくなるにつれて出力電圧が高い値に上昇する傾向を有するこ とによるものである。このような上昇は確実に回避される。このことに関連して 出力電圧の安定化が行われる。 さらに別の有利な実施形態によればダウンコンバータとアップコンバータが組 み合わせられており、この場合、１つの蓄積チョークによって必要な共通のイン ダクタンス素子が形成されている。ダウンコンバータとアップコンバータを組み 合わせることの主要な利点は、電圧変換器の入力電圧が所定の出力電圧より小さ い値も大きい値もとれる点にある。 本発明による電圧変換器のその他の有利な実施形態は、その他の従属請求項な らびに以下の説明に示されている。 図面 第１図はダウンコンバータとして接続された本発明による電圧変換器のブロッ ク図であり、第２図はアップコンバータとして接続された本発明による電圧変換 器のブロック図であり、さらに第３図はアップ／ダウンコンバータ（可逆変換器 ）の詳細な回路図である。 実施例の説明 第１図にはダウンコンバータのブロック図が示されており、このダウンコンバ ータは２つの入力端子１０，１１間の直流電圧Ｕ_Bを２つの出力端子１２，１３ 間で取り出し可能な出力電圧Ｕ_Aへ変換する。この場合、電力スイッチ１４が設 けられており、このスイッチによって蓄積チョーク１５が入力端子１０と接続さ れるかまたは他方の入力端子１１と接続される。電力スイッチ１４は制御部１６ により操作され、この制御部はタイマ１７、電流センサ１８および電圧制限素子 １９から入力信号を受け取る。この実施例の場合、タイマ１７は電力スイッチ１ ４と蓄積チョーク１５との間の接続線路に接続されている。図示の実施例の場合 、蓄積チョーク１５に流れる電流を検出する電流センサ１８は、蓄積チョーク１ ５の出力側に後置されてい る。さらに端子１２には電圧制限素子１９が接続されている。出力端子１２と１ ３の間には、平滑コンデンサ２０および負荷２１が接続されている。 第２図にはアップコンバータのブロック図が示されている。第１図で示した部 材と一致する第２図中の部材には、それぞれ同じ参照符号が付されている。この 場合、蓄積チョーク１５は入力端子１０とじかに接続されている。蓄積チョーク １５の出力側に後置されている電力スイッチ２２により、蓄積チョーク１５はそ の出力側で出力端子１２または入力端子１１と接続される。 第３図にはアップ／ダウンコンバータの詳細な回路図が示されており、その際 、第１図、第２図で示した部材と一致する第３図中の部材には、それぞれ同じ参 照符号が付されている。この場合、第１図に示されている電力スイッチ１４は、 第１のフリーホイールダイオード１４ｂと接続された第１のスイッチングトラン ジスタ１４ａによって置き換えられている。第１のスイッチングトランジスタ１ ４ａのエミッタ端子は入力端子１０と接続されている。他方の入力端子１１はア ースＭと接続されている。第１のスイッチングトランジスタ１４ａのコレクタ端 子は蓄積チョーク１５と接続されている。第１のスイッチングトランジスタ１４ ａと蓄積チョーク１５との間の接続線路に第１のフリーホイールダイオード１４ ｂのカソード端子が接続さ れており、このダイオードのアノード端子はアースＭと接続されている。 第２図に示されている電力スイッチ２２は第３図では、第２のフリーホイール ダイオード２２ｂと接続された第２のスイッチングトランジスタ２２ａにより置 き換えられている。第２のフリーホイールダイオード２２ｂは蓄積チョーク１５ と接続されている。第１図と第２図に示されている平滑コンデンサ２０は第３図 では、小容量の第１の平滑コンデンサ２０ａと大容量の第２の平滑コンデンサ２ ０ｂとに分けられている。第２のフリーホイールダイオード２２ｂと蓄積チョー ク１５との接続線路に分離ダイオード３０が設けられており、このダイオード３ ０は第２のスイッチングトランジスタ２２ａのコレクタ端子と接続されていて、 スイッチングトランジスタ２２ａのエミッタ端子は電流測定抵抗３１を介してア ースと接続されている。また、電流測定抵抗３１には保護ダイオード３２が接続 されており、このダイオード３２のカソード端子は制御トランジスタ３３のベー ス端子と接続されている。 さらに制御トランジスタ３３のベース端子は抵抗１７ａと接続されており、こ の抵抗はＲＣ合成回路の一部分であり、これにはコンデンサ１７ｂも含まれてい る。このＲＣ合成回路１７ａ，１７ｂは、第１図と第２図に示されているタイマ １７を成すものである。コンデンサ１７ｂは、出力側で蓄積コンデンサ１５と接 続されている。ＲＣ合成回路１７ａ，１７ｂにおけるコンデンサ１７ｂと抵抗１ ７ａとの間の接続線路に充電抵抗３４が接続されており、これは第２のスイッチ ングトランジスタ２２ａのエミッタ端子と接続されている。第２のスイッチング トランジスタ２２ａのコレクタ端子は分離ダイオード３０のカソード端子と接続 されているが、このコレクタ端子は電流制限抵抗３５を介して第１のスイッチン グトランジスタ１４ａのベース端子と接続されている。 制御トランジスタ３３のコレクタ端子も、このコレクタ端子と接続されている 第２のスイッチングトランジスタ２２ａのベース端子も、負荷抵抗３６を介して 補助電圧源ＵＨと接続されている。 電圧制限素子１９は、出力端子１２と制御トランジスタ３３のベース端子との 間に配置されている。 次に、本発明による電圧変換器の動作について、第１図に示されているブロッ ク図を参照しながら詳細に説明する。 この電圧変換器は蓄積チョーク１５を用いた簡単なチョーク形変換器として実 現されており、その基礎となる事項については冒頭で述べた従来技術の文献に示 されている。この場合、ダウンコンバータに基づくものであり、これによって入 力端子１０，１１間に加わる電圧Ｕ_Bが出力端子１２，１３間に生じるそれより も低い電圧Ｕ_Aに変換される。蓄積チョーク１５のほ かに基本的な素子は電力スイッチ１４であり、このスイッチによってこれが蓄積 チョーク１５を入力端子１０と接続する時間に依存して、蓄積チョーク１５に蓄 えられる磁気エネルギーが定められる。結果として生じる出力電圧は、スイッチ オン期間と呼ばれるこの時間のほかに、電力スイッチ１４が蓄積チョーク１５を 他方の入力端子１１と接続するスイッチオフ期間の持続時間にも依存する。本発 明によれば、電力スイッチ１４のスイッチオン期間またはスイッチオフ期間は、 蓄積チョーク１５に流れる電流に依存して定められるように構成されている。こ の電流を捕捉検出するためにセンサ１８が設けられており、このセンサは捕捉し た電流を所定の閾値と比較する手段を有している。捕捉した電流が閾値を通過す ることに依存して、電流センサ１８から送出される信号が制御部１６へ供給され る。 第１の実施例によれば、蓄積チョーク１５に流れる電流が所定の閾値よりも大 きくなると電力スイッチ１４がスイッチオフされるように構成されており、この 状態は蓄積チョーク１５が電力スイッチ１４を介して入力端子１１と接続された 状態に相応する。 別の実施例によれば、蓄積チョーク１５に流れる電流が所定の閾値よりも小さ くなると電力スイッチ１４がスイッチオンされるように構成されており、この状 態では蓄積チョーク１５は入力端子１０と接続されて いる。 さらにタイマ１７が設けられており、このタイマ１７により、それぞれの実施 例に依存して電力スイッチ１４のスイッチオフ期間が設定されるかまたはスイッ チオン期間が設定される。タイマ１７は、電力スイッチ１４が切り換えられると きに蓄積チョーク１５に現れる電圧の跳躍的変化によりトリガされる。蓄積チョ ーク１５における電圧は、蓄積チョーク１５と電力スイッチ１４との間の接続線 路において、一方の入力端子１０に現れる電圧と他方の入力端子１１に現れる電 圧との間で跳躍的に変化する。 出力端子１２，１３に現れる出力電圧Ｕ_A（これは負荷２１の動作電圧に相応 する）は、電圧制限素子１９たとえばツェナダイオードによって所定の値に安定 化できる。出力端子１２に加わる電圧が電圧制限素子によりまえもって定められ た電圧よりも大きくなると、電圧制限素子１９は制御部１６へ信号を送出し、制 御部１６はこれに応じて、端子１２における電圧を保持するのに十分な値までス イッチオフ期間を長くする。 第２図にブロック図で示されているアップコンバータは次のように動作する： 第２図に示されている本発明による電圧変換器は、入力端子１０，１１間に加 わる入力電圧Ｕ_Bを出力端子１２，１３間に現れるそれよりも高い出力電圧Ｕ_A へ変換する。第１図によるダウンコンバータとの基本的な相違点は、蓄積チョー ク１５の出力側に後置された別の電力スイッチ２２が電力スイッチ１４の代わり に設けられていることである。電力スイッチ２２は、出力側で蓄積チョーク１５ を出力端子１２と接続するかまたは入力端子１１と接続する。 さらに第１図に示されている実施例では、蓄積チョーク１５と出力端子１２ま たは平滑コンデンサ２０との間に常に電流の流れが生じているのに対し、第２図 による実施例では、蓄積チョーク１５と出力端子１２または平滑コンデンサ２０ の間において電流の流れの中断が生じる。したがって第１図によるダウンコンバ ータは通電形コンバータとも呼ばれ、第２図によるアップコンバータは阻止形コ ンバータとも呼ばれる。 本発明によれば、電力スイッチ２２の切り換えは蓄積チョーク１５に流れる電 流に依存して行われ、とられた状態はタイマ１７により定められた時間に依存し て保持されるが、このような方式は各実施例において共通のものである。第２図 に示されている実施例の場合、電力スイッチ２２のスイッチオン状態は、蓄積チ ョーク１５が入力端子１１と接続されている状態であるとする。 とりわけ有利な別の実施形態によれば、ダウンコンバータとアップコンバータ とが組み合わせられる。このように組み合わせることの利点は、入力端子１０， １１間に加わる入力電圧Ｕ_Bが所定の出力電圧Ｕ_Aよりも低くても高くてもよいこ とである。第３図には、ダウンコンバータとアップコンバータとが組み合わせら れたこの種の実施例の詳細な回路図が示されている。 この場合、第１のフリーホイールダイオード１４ｂと接続されている第１のパ ワートランジスタ１４ａは第１図に示されている電力スイッチ１４に対応し、第 ２のフリーホイールダイオード２２ｂと接続されている第２のパワートランジス タ２２ａは第２図に示されている電力スイッチ２２に対応している。両方のコン バータに対し共通に蓄積チョーク１５が設けられている。 第３図に示されている回路は実例として、蓄積チョーク１５に流れる電流が閾 値よりも大きくなるとスイッチングトランジスタ１４ａ，２２ａがスイッチオフ される事例に合わせられている。ＲＣ合成回路１７ａ，１７ｂにより実現される タイマ１７により、両方のスイッチングトランジスタ１４ａ，２２ａのスイッチ オフ期間が定められる。 第３図に示されている回路装置は次のように動作する： 入力端子１０，１１間に入力電圧Ｕ_Bが加わりさらに補助電圧Ｕ_Hが生じた後、 両方のスイッチングトランジスタ１４ａ，２２ａがまずはじめにスイッチオン される。電流は第１のスイッチングトランジスタ１４ａ、蓄積チョーク１５、分 離ダイオード３０、第２のスイッチングトランジスタ２２ａならびに電流測定抵 抗３１を介して、入力端子１１と等価であるアースＭへと流れる。電流が増加す るにつれて、電流測定抵抗３１において取り出し可能な電圧が上昇する。電流増 加つまり電流測定抵抗３１における電圧上昇は、制御トランジスタ３３が導通す るまで継続する。したがって制御トランジスタ３３の制御電圧は、蓄積チョーク １５に流れる電流に対する尺度としてまえもって与えられるべき閾値を決定する ものである。制御トランジスタ３３が導通すると第２のトランジスタ２２ａが遮 断され、さらに電流制限抵抗３５を介して第１のスイッチングトランジスタ１４ ａも遮断される。この場合、蓄積チョーク１５に電流が流れ続ける。この電流は 第１のスイッチングトランジスタ１４ａから第１のフリーホイールダイオード１ ４ｂへ転流する。蓄積チョーク１５における電圧は、入力側では第１のフリーホ イールダイオード１４ｂによりほとんどアース電位になる。これに対し出力側で は、蓄積チョーク１５における電位はいっそう高い電位へと跳躍的に変化し、そ の結果、第２のフリーホイールダイオード２２ｂが導通して蓄積チョーク１５が 出力端子１２と接続される。電流は第３図には詳細には示されていない負荷へ流 れるかまたは平滑コンデンサへ流れ、このコンデンサ は図示の実施例では、小容量の第１の平滑コンデンサ２０ａと大容量の第２の平 滑コンデンサ２０ｂとにより構成されている。 両方のパワートランジスタｌ４ａ，２２ａがスイッチオフされると、電流測定 抵抗３１に流れる電流はゼロになる。このことで、制御トランジスタ３３に対す るスイッチング条件は消失してしまう。このような状況を回避するため、図示の 実施例ではＲＣ合成回路１７ａ，１７ｂとして実現されているタイマ１７が設け られている。出力側で蓄積チョーク１５に現れる電圧の跳躍的変化（図示の実施 例では正の跳躍的電圧変化）により、ＲＣ合成回路１７ａ，１７ｂを介して制御 トランジスタ３３が所定の時間だけさらに導通状態に保持され続ける。この時間 は、ＲＣ合成回路１７ａ，１７ｂの時定数により定められている。コンデンサ１ ７ｂが充電されてしまえば、制御トランジスタ３３が遮断される。このことでス イッチオフ期間が終了し、スイッチオン期間が始まる。電流測定抵抗３１に現れ る電位に依存して制御トランジスタ３３の導通に対するスイッチング閾値に再び 達したときに、１つの周期が完了する。 制御トランジスタ３３の遮断後、コンデンサ１７ｂは充電抵抗３４を介して充 電される。遮断中、コンデンサ１７ｂにおける電位は負の値に跳躍的に変化する 。制御トランジスタ３３のベース端子における電圧が 負にならないようにするために、たとえば−０．５Ｖよりも小さくならないよう にするために、保護ダイオード３２が設けられており、この保護ダイオードによ り負において電圧が問題のない値にクランプされる。 ツェナダイオードとして実現される電圧制限素子１９により、出力端子１２， １３間で取り出し可能な出力電圧Ｕ_Aが所定の値に制限される。ツェナダイオー ド１９のブレークダウンにより制御トランジスタ３３が導通し、これにより両方 のトランジスタ１４ａ，２２ａがただちに遮断する。必要に応じて、制御トラン ジスタ３３のベース端子とツェナダイオード１９との間に保護抵抗を設けること ができ、これはたとえば、出力電圧Ｕ_Aが制御トランジスタ３３の許容ベース・ エミッタ間電圧よりも大きい場合に設けることができる。電圧制限素子１９は、 蓄積チョーク１５に流れる電流とは無関係にパワートランジスタ１４ａ，２２ａ を遮断させることができる。さらにこの電圧制限素子１９は、タイマ１７により まえもって定められている時間とは無関係に、必要に応じてスイッチオフ期間を 延ばすことができる。電圧制限素子１９を用いることで一定の出力電圧Ｕ_Aを供 給できる。電圧制限素子１９を用いなくても、限界値がたとえば負荷２１を流れ る電流により定められるようにして、出力電圧Ｕ_Aは所定の限界値内で一定に保 持される。電圧制限素子１９がなければ、電流測定抵抗３１ならびに比較器およ びスイッチとして働く制御トランジスタ３３と関連して、制御はもっぱら蓄積チ ョーク１５を流れる電流に基づいて行われる。

【手続補正書】特許法第１８４条の８ 【提出日】１９９５年１１月１４日 【補正内容】 請求の範囲 １．蓄積チョーク（１５）と、少なくとも１つの電力スイッチ（１４）と、前記 蓄積チョーク（１５）に流れる電流を捕捉するセンサ（１８，３１）と、捕捉さ れた電流を所定の閾値と比較する手段（３３）とが設けられており、捕捉された 電流が閾値を通過すると前記電力スイッチ（１４，１４ａ，２２，２２ａ）がス イッチングされる電圧変換器において、 タイマ（１７，１７ａ，１７ｂ）が設けられており、該タイマにより前記電 力スイッチ（１４，１４ａ，２２，２２ａ）は、該電力スイッチのスイッチング により生じる前記蓄積チョーク（１５）における電圧の跳躍的変化の発生後、前 記タイマ（１７，１７ａ，１７ｂ）により定められた期間にわたり目下のスイッ チング状態に保持されることを特徴とする電圧変換器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．蓄積チョークおよび少なくとも１つの電力スイッチを備えた電圧変換器にお いて、 前記蓄積チョーク（１５）に流れる電流を捕捉するセンサ（１８，３１）と 、捕捉された電流を所定の閾値と比較する手段（３３）が設けられており、 捕捉された電流が閾値を通過すると前記電力スイッチ（１４，１４ａ，２２ ，２２ａ）がスイッチングされ、 タイマ（１７，１７ａ，１７ｂ）が設けられており、該タイマにより前記電 力スイッチ（１４，１４ａ，２２，２２ａ）は、該電力スイッチのスイッチング により生じる前記蓄積チョーク（１５）における電圧の跳躍的変化の発生後、前 記タイマ（１７，１７ａ，１７ｂ）により定められた期間にわたり目下のスイッ チング状態に保持されることを特徴とする電圧変換器。 ２．捕捉された電流が閾値よりも大きくなると前記電力スイッチ（１４，１４ａ ，２２，２２ａ）がスイッチオフされ、該電力スイッチ（１４，１４ａ，２２， ２２ａ）は前記タイマ（１７，１７ａ，１７ｂ）により定められた期間にわたり スイッチオフ状態にある、請求項１記載の電圧変換器。 ３．捕捉された電流が閾値よりも小さくなると前記電 力スイッチ（１４，１４ａ，２２，２２ａ）がスイッチオンされ、該電力スイッ チ（１４，１４ａ，２２，２２ａ）は前記タイマ（１７，１７ａ，１７ｂ）によ り定められた期間にわたりスイッチオン状態にある、請求項１記載の電圧変換器 。 ４．センサとして電流測定抵抗（３１）が設けられている、請求項１記載の電圧 変換器。 ５．比較手段として制御トランジスタ（３３）が設けられており、比較のための 閾値は該トランジスタ（３３）のスイッチオン電圧により与えられる、請求項１ 記載の電圧変換器。 ６．前記タイマ（１７）はＲＣ合成回路（１７ａ，１７ｂ）として実現されてい る、請求項１記載の電圧変換器。 ７．電圧変換器の出力端子（１２）に接続された電圧制限素子（１９）が設けら れており、該電圧制限素子により前記電力スイッチ（１４，１４ａ，２２，２２ ａ）は、電圧が制限電圧を超えるとスイッチオフ状態に保持される、請求項１記 載の電圧変換器。 ８．電圧制限素子（１９）としてツェナダイオードが設けられている、請求項７ 記載の電圧変換器。 ９．ダウンコンバータとアップコンバートが組み合わせられており共通の蓄積チ ョーク（１５）が設けられている、請求項１記載の電圧変換器。 10．車両において用いられる、請求項１〜９のいずれ か１項記載の電圧変換器。