JPS61500298A - プツシユ・プル・コンバ−タにおけるスナツバ電流抑制を有するスイツチ電流感知 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ブツシュ・プル・コンバータにおけるスナツバ電流抑制を有するスイッチ電流感 知 発明の分野 この発明はブツシュ・プルＤＣコンバータのためのスイッチ電流センサに関する ものである。

発明の背景 ブツシュ・プルＤＣコンバータは、典型的には、センタ・タップを備えた１次巻 線をもつ出カドランスを有するものである。トランジスタのような２個の電力ス イッチは、夫々の１次巻線をＤＣ電源と交番的に接続させる。交流出力がコンバ ータの２次巻線において生成され、整流され、Ｐ波されてからＤＣ出力が生じる 。出力電圧は、電力′スイッチの導通時間を制御する調整器またはパルス幅変調 （ＰＷＭ　）回路に接続され、これによってＤＣｉ出力電圧が調整される。スイ ッチング電流に応答する電流感知回路は、パルス幅変調器の動作を修正して、そ の電流を電力スイッチの動作限界内に維持し、２個のスイッチング回路における 電流のバランスをとるようにされる。

各種の電流センサが使用されてきた。抵抗感知は簡単であり、かつ直接的なもの であるけれども、大電力レベルでは効率が悪く、また、大電力かつ高いスイッチ ング周波数ではノイズが多いものである。大電力。

高周波数のインバータにおいては、電流トランスが用いられてきた。さらに、電 力スイッチを大電力、高電圧の同時発生から保護するために、大電力コンバータ においてターンオフ・スナツバ（５ｎｕｂｂｅｒ）回路を使用することが必要に なることが多い。典型的には、ターンオフ・スナツバ回路は、キャパシタと直列 に接続されたダイオードと抵抗との並列組合せのものでよく。

この組合せは各電力トランジスタのコレクターエミッタ回路と並列に接続されて いる。このスナツバ回路は。

電力スイッチおよび出カドランスの１次巻線においてスナツバ電流が流れるよう にされる。コンバータの調整器の機能障害をさけるために、スナツバ電流は、ス イッチ電流感知回路において、抑制またはマスクされねばならない。

発明の概要 この発明によれば、スイッチ電流センサには、双方の電力スイッチの回路に接続 された出力巻線を有する電流トランスが含まれており、該回路の一方を流れる電 流は他方の回路を流れる電流に対して１８０°の位相ずれがあり、スナツバ電流 パルスは磁気的に相殺される。

特に、この発明のひとつの特徴は、スイッチ電流感知回路には、電力スイッチを 出カドランスの１次巻線に接続させる各導体と誘導的に結合された出力巻線を有 する電流トランスが含まれていることである。該導体は、それらを流れる電流に １８０°の位相ずれがあるように物理的な配列がなされて、電流トランスの出力 巻線において誘導されたスイッチ電流信号内のスナツバ電流パルスを抑制するよ うにされる。

別異の特徴は、全波整流器が電流トランスの２次巻線に接続されていて、コンバ ータの調整器にスイッチ電流信号を供給するようにされることである。

この発明のさらに別異の特徴は、スイッチ電流信号に応答してＰＷＭコンバータ に対するフラックスのバランスした入力を生成させるための手段を提供すること にある。

また、この発明の別異の特徴は、スイッチ電流信号に応答してコンバータのため のパルス幅変調器に対するパルス毎の電流制限入力を供給するための手段を提供 することにある。

この発明のさらに別異の特徴および利点は、以下の説明および図面から容易に明 らかにされる。

図面の簡単な説明 第１図は、先行技術におけるコンバータの回路図である。

第２図は、第１図の回路のためのスイッチング波形図である。

第３図は、スナツバ電流パルスの先行技術におけるゲート作用を例示する回路波 形図である。

第４図は、出カドランスの１次巻線を通る電流の電流トランス感知を有するコン バータの概略図である。

第５図は、出カドランスの双方の１次巻線を通る電流を感知するために接続され た単一の電流トランスの概略図である。

第６図は、第４図および第５図の動作を説明するときに用いられる１組の電流波 形図である。

第７図は、この発明によるパルス幅変調器の電流感知および制御をするコンバー タ回路の概略図である。

スイッチ電流感知回路は、未調整のＤＣ電源から電力をとり出して調整されたＤ Ｃ出力を生成させるパルス幅変調ＤＣｉ−ＤＣプッシュプル・コンバータにおい て具体化されたものとして説明されている。この感知回路は、また、ＡＣ出力を 有するプッシュプルＤＣ−ＡＣインバータにおいても使用される。したがって、 コンバータなる用語が明細書および請求の範囲において使用されるときには１文 脈上でより限定的な意味をもつことが要求されない限りは、インバータを含むこ とが理解される。

典型的な先行技術におけるプッシュプル・コンバータが第１図に示されている。

出カドランス１５は、中心タップ１８で接続された１次巻線ｉ６，１７を有して いる。電力スイッチ２０．２１は、１次巻線１６．１７を。

その正の端子＋Ｖが中心タップ１８に接続され、その負の端子−■が基準または 接地２２に接続されたＤＣ電源１ど交番的に接続される。該電力スイッチは、こ こでは、それらのコレクターエミッタ回路が１次巻線１６．１７から接地に接続 されているトランジスタとして示されている。出カドランス１５は、整流器２５ に接続された２次巻線２４を有しており、そのＤＣ出力を横切ってフィルタ・キ ャパシタ２６および負荷２７が接続されている。その出力電圧はパルス幅変調の 調整器３０に接続されて、ここで基準電位Ｖ　−ＲＥＦと比較される。ＰＷＭ調 整器は電力トランジスタ２０．２１のベース要素に接続される駆動パルスを生成 させて、それらを交番的に導通させる。

スイッチング・トランジスタは、大電流および大電圧の同時生起から保護されね ばならない。スイッチング・トランジスタがオフにされるときは、出カドランス の巻線を流れる電流がゼロに減少されるのに先立ち。

コレクタ電圧が上昇される。ターンオフ・スナツバ回路３１．３２は、トランジ スタ２０．２１のコレクターエミッタ回路と並列に接続されている。各ターンオ フ・スナツバ回路には、抵抗３４と並列に、また、キャパシタ６５と直列に接続 されたダイオード６３が含まれている。スイッチング・トランジスタ２０がオフ にされたときには、コレクタ電圧の上昇が開始される。これによってダイオード ３３は順方向バイアスにされ。

コレクタ電流を導通させてキャパシタ３５を充電させる。コレクタ電圧の上昇は 遅延されて、スイッチング・トランジスタを流れる大電流とこれを横切る大電圧 との同時生起がさけられる。スイッチング・トランジスタが再びオンにされると 、キャパシタ３５は抵抗３４およびトランジスタ２０を通して放電し、蓄積され ていたエネルギを消散させる。

典型的なコンバータのスイッチ電流は、夫々にスイッチ２０．２１について、第 ２ａ図および第２ｂ図に示されている。各スイッチ波形は同じ特性のものであつ 、て、２倍のＤＣ電圧になったとき、に対向のスナツバ・キャパシタに電流が流 入する間のトランスのゼロ近傍のインピーダンスによる初期パルス３７と、これ に続く、トランスの磁化電流および１次巻線内で反射される負荷電流からなるラ ンプ３８とを有している。

スナツバ電流パルス３７は、振幅において、電流３８をこえている。したがって 、第２図のスイッチ電流波形は、マスクをするか、または、スナツバ電流パルス の効果を別異のやり方で除去することなしには。

制御回路で使用することができない。これまで、このようなことはゲート回路に よって行なわれていた。第３図の波形はゲート回路の動作を例示するものである 。

波形３ａは、スナツバ電流パルスを含むスイッチ電流は、スナツバ電流パルスが 除去された電流波形３８を示すものである。ブランキング・パルス４０は、スナ ツバ電流パルス３７の生起と同期しなければならず。

また、最悪の動作条件の下でも、スナツバ電流パルスの幅よりも大きい幅を有す るものでなければならない。

さらに、ゲート動作ではノイズを誘導することがあり。

信号を使用可能なものにするためには戸波動作をさせることが必要になる。

ときには、コンバータ回路内のスイッチ電流は、スイッチ回路内で直列に接続さ れた小抵抗を横切る電圧を計測することによって感知される。抵抗は損失を生じ るものであり、大電力レベルでは非効率である。さらに、抵抗の内部的な構成お よび抵抗リード線のインダクタンスのために、抵抗性の感知では高いスイッチン グ周波数においてノイズを誘導するものである。

第４図には、２個の電流トランスを用いたスイッチ電流感知回路が例示されてい る。前述された回路要素は同じ参照数字によって識別されており、その詳細な説 明はなされない。電流トランスの出力巻線４ｓ、４ａは、夫々に、導体４７．４ ８に結合され１次いで、電力スイッチ２０．２１は出カドランスの１次巻線１６ ．１７に接続されている。電流トランス４５．４６からの電流信号波形は、夫々 に、第６ａ図および第６ｂ図に示されている。スナツバおよびスイッチ電流パル スは、第２図に示されている波形と殆ど同じである。しかしなランスの１次巻線 におけるオートトランス動作で、スして、キャパシタは、このより高い電圧値に 向けて充電される。結果としての電流パルス５０は電流トランス４６の出力に現 われる。同様にして、電力スイッチ２１が導通しているときには、電流パルス５ １が電流トランス４５の出力に現われる。パルス５０．５１は。

対向の１次側に流れるわずかに大きい電流パルスと同期して生じるものであり、 前記電流パルスは第１の場所に現われる電圧の２倍になる原動力にされている。

この発明によれば、導体４７．４８を通る電流波形は。

スナツバ電流パルス３７．５０が互いに反対にされて。

抑制または相殺されるような位相関係をもって組合わされる。これを実施するた めに好−適な回路は第５図に示されており、こ＼で電流トランス５４は出力巻線 ５５を有している。この出力巻線５５は導体４７．４８の双方に結合され、これ らの導体はそれらを通る電流が反対方向に流れるように物理的な配列がなされて いる。これら同時かつ反対のパルス３７，５０．５１は磁気的に相殺される。こ の形式の信号相殺により、ノイズが殆どまたは全く生じることがない。

２次または出力巻線５５の端子における電流トランツチ２０および導体４７から の電流パルスは正方向であり、スイッチ２１および導体４８からのパルスは負方 向めものである。

トランス５４の出力は、全波ダイオード・ブリッジ整流器５６に接続されており 、負荷抵抗５７を横切って現われる整流信号は第６ｄ図に示された波形を有して いる。この電流パルスは負方向のものである。

電流トランス５４を導体４７．４８を結合させることはスイッチング・トランジ スタ２０．２１のコレクタ接続に比べて付加的な利点を有する。スナツバ回路３ １゜３２は、ダイオードおよびキャパシタと直列のインダクタンスを最小にする ために、スイッチ・トランジスタ２０．２１を物理的に可能なだけ近接させて収 納せねばならない。したがって、コレクタ電流だけを計測するために抵抗または 電流トランスを用いることは困難である。

電流トランス５５および整流器５６からのスイッチ電流信号は、第７図に示され ているように、パルス幅変調器の動作を修正するさいに用いられる。再び、前述 された回路要素は同じ参照数字で識別されており。

その詳細な説明はなされない。

パルス幅変調器には、ランプ信号６１が非反転入力に接続された演算増幅器コン パレータ６０が含まれてラー検知器は、コンバータの出力電圧を基準電圧Ｖ−Ｒ ＥＦと比較する。ゲート回路６３は、ランプ６１と同期するクロック信号に応答 して、ドライバ回路６４゜６５を通る交流パルスを電力トランジスタ・スイッチ ２０．２１のベース要素に指向させる。エラー信号のランプに対する振幅の関係 により、電力スイッチ２０゜２１に対する駆動パルスの幅が決定され、かくして 。

コンバータの出カドランス１５における１次電流パルスの幅が決定される。

２個の電力スイッチを通る電流、したがってトランス１５におけるフラックスの バランスがとられて、トランスの飽和およびスイッチの故障を防止するようにさ れる。第７図のスイッチ電流センサにより、ＤＣ阻止キャパシタ７０を通してＰ ＷＭコンパレータ６０の反転入力にスイッチ電流信号を結合させる直列抵抗６８ およびシャント・キャパシタ６９からなるローパスフィルタをもって、このこと は達成される。

第６ｂ図における。負に向うスイッチ電流信号パルスは、コンパレータ６０の反 転入力において、電圧エラー信号と加算され、電力スイッチ２０．２１をオフさ せることを制御して、それを流れる電流のバランスをとる。

パルス毎の電流リミタ７２は、スイッチ電流がある位は、　ＤＣ電源＋Ｖと接地 ２２との間で抵抗７４に対して直列に接続されているツェナ・ダイオード７３に よって達成される。スイッチ電流感知回路の負に向う出力信号は正の基準として 参照される。抵抗７５．７６からなる分圧器は、演算増幅器コンパレータ７７の 非反転入力に接続される。より低い正の基準電位を生成させる。コンパレータ７ ７の反転入力は抵抗５７’、７８を通して１名目的には、ツェナ電位に保持され 、該コンパレータの出力は低にされる。スイッチ電流が超過しない限り、スイッ チ電流信号の振幅は、コンパレーク７７の２個の入力の間の電位差よりは小さく 、該コンパレータの出力は低に留まる。ツェナ・ダイオード７９は導通せず、そ のコレクターエミッタ回路がＰＷＭコンパレータ６０の反転入力から接地に接続 されているトランジスタ８０のベース要素に対する信号が加わることはない。非 導通のトランジスタ８０は高インピーダンスを有しており、パルス幅変調器の動 作に影響を及ぼすことはない。しかしながら、スイッチ電流が最大の許容値をこ えたときには、負のスイッチ電流信号はコンパレータ７７の反転入力を駆動して 、非反転入力における正の基準電位を下回るようにされる。コンパレータ７７の 出力は高になり、ツェナ・ダイオード７９は導通して、ベース信号が抵抗８１を 通ってトランジスタ８０に印加される。トランジスタ８ｏは導通り、ＰＷＭコン パレータ６０の非反転入力を接地させて、電力スイッチに対する駆動パルス、を 終端させる。

電流リミタ回路は、実際には、即座に動作して、電力スイッチに対する駆動パル スおよびスイッチ電流を。

損傷が生じる前に終端させる。

ｔ　７ 補正書の翻訳文提出書（特許法第１８４条の７第１項）昭和６０年６．ｌ７　日

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. １．ＤＣ電源、１次巻線を備えた出力トランス、該電源を該出力トランスの１次 巻線に交番的に接続させる１対の電力スイツチ、および、前記電力スイツチの各 各に接続されたターンオフ・スナツバ回路を有するプツシユプル・コンバータに おいて、該スナツバ回路は前記スイツチの各々がオンにされたときに双方の１次 巻線に電流を流すようにし、各スイツチは導体によつて出力トランスの１次巻線 に接続され、スイツチ電流感知回路には： 該スイツチと該出力トランスの１次巻線とを接続させる前記導体の各々に誘導的 に結合された出力巻線を有する電流トランスが含まれ、前記導体を通るスイツチ 電流は１８０゜位相がずれており、該電流トランスの出力巻線において生成され るスイツチ電流信号内のスナツバ電流パルスを抑制するようにされたプツシユプ ル・コンバータ。
2. ２．該電力スイツチのためのパルス幅変調器制御を有し、前記電流トランスの出 力巻線からのスイツチ電流信号が接続されて、前記パルス幅変調器制御の動作に 影響を及ぼすようにされた請求の範囲第１項記載のプツシユプル・コンバータ。
3. ３．前記スイツチ電流信号に応答してフラツクスのバランス入力を前記パルス幅 変調器制御に供給する手段が含まれている請求の範囲第１項記載のプツシユプル ・コンバータ。
4. ４．前記スイツチ電流信号に応答してパルス毎の電流制限入力を前記パルス幅変 調器制御に供給する手段が含まれている請求の範囲第２項記載のプツシユプル・ コンバータ。
5. ５．前記電流トランスの出力巻線に接続された全波整流器が含まれている請求の 範囲第１項記載のスイツチ電流感知回路。
6. ６．前記全波整流器はダイオード・ブリツジ回路である請求の範囲第５項記載の スイツチ電流感知回路。
7. ７．前記ターンオフ・スナツバ回路には、抵抗とダイオードとの並列組合せと直 列に接続されたキヤパシタが含まれ、該スナツバ回路は関達した電力スイツチ・ トランジスタのコレクタ−エミツタ回路と並列に接続されている請求の範囲第１ 項記載のスイツチ電流感知回路。
8. ８．前記電流トランスの出力巻線に接続された全波整流器が含まれている請求の 範囲第１項記載のスイツチ電流感知回路。
9. ９．該電力スイツチのためのパルス幅変調器と、前記スイツチ電流信号に応答し てフラツクスのバランス入力を前記パルス幅変調器に供給する手段とを有する請 求の範囲第８項記載のプツシユプル．コンバータ。
10. １０．該電力スイツチのためのパルス幅変調器と、前記スイツチ電流信号に応答 してパルス毎の電流制限入力を該パルス幅変調器に供給する手段とを有する請求 の範囲第８項記載のプツシユプル・コンバータ。
11. １１．ＤＣ電源、１次巻線を備えた出力トランス、該電源を該出力トランスの１ 次巻線に交番的に接続させる１対の電力スイツチ、および、前記電力スイツチの 各各に接続されたターンオフ・スナツバ回路を有するプツシユプル・コンバータ において、該スナツバ回路は前記スイツチの各々がオンにされたときに双方の１ 次巻線に電流を流すようにし、各スイツチは導体によつて出力トランスの１次巻 線に接続され、スイツチ電流感知回路には： 前記電力スイツチのひとつを出力トランスの１次巻線に接続させる導体と誘導的 に結合された出力巻線を有する第１の電流トランス；および 該スイツチの他方を出力トランスの１次巻線に接続させる導体と誘導的に結合さ れた出力巻線を有する第２の電流トランス； が含まれているプツシユプル・コンバータ。