TW201830843A - 感應負載驅動電路 - Google Patents

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Abstract

[課題] 提供一種不會發生發熱，可在感應負載停止時的電流減少實現高響應性，且可進行比以往更高響應且有效率的電流控制的感應負載驅動電路。 　　[解決手段] 在具有切換電源電路的感應負載驅動電路中，以在感應負載的電流減少時，一邊使該感應負載的反電動勢發生一邊回收的能量回收電路而言，形成為包含：在同一鐵心具有以串聯且彼此相反極性連接在感應負載之電阻值不同的二個一次側線圈、及連接在切換變壓器的一次側的一個二次側線圈的回收用變壓器；及與二個一次側線圈之中相對電阻值小的小電阻一次側線圈串聯配置而按照根據來自控制電路的回收指令訊號之藉由第2脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號進行動作，來控制流至小電阻一次側線圈的電流的回收控制元件者，控制電路係在感應負載的電流減少時使藉由相對回收控制元件之第2脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號的脈衝寬度調整，將回收控制元件進行OFF控制一定時間，藉此一邊使感應負載的反電動勢發生一邊對回收用變壓器的相對電阻值大的大電阻一次側線圈流通電流，藉此使鐵芯磁通量改變而使能量傳達至相對應的二次側線圈者。

Description

感應負載驅動電路
[0001] 本發明係關於用以使例如電磁線圈(solenoid)或馬達等感應負載驅動的電路，詳言之係關於在藉由PWM控制方式所得之切換電源的電路構成組合能量回收電路來進行電流控制的感應負載驅動電路者。
[0002] 馬達或電磁線圈等具有線圈成分且將電能透過電磁力而轉換成機械式運動的感應負載係作為致動器而被利用在各種裝置。在感應負載的驅動控制方式大致區分有：脈衝寬度調變，所謂PWM(pulse width modulation)控制與比例控制。前者係當將負荷進行ON／OFF控制時，使脈衝寬度的負載比(duty ratio)，亦即ON／OFF比率對應輸入訊號的大小而改變者，後者係藉由使與負荷作串聯連接的控制元件的兩端電壓為可變而使其損失來進行控制者。 　　[0003] 以PWM方式而言，例如有使用專利文獻1所見之切換電源的電路構成，藉由將商用的高交流電壓形成為低直流電壓而安定地供給至感應負載的驅動電路，進行電流控制者。 　　[0004] 具體而言，如圖5(a)中顯示基本構成，為一種使用切換電源電路的感應負載驅動電路100，其係將來自供給電源112的交流先藉由橋式二極體113進行整流且另外以平滑電容器114予以平滑化的直流，根據指令訊號121，藉由切換由FET(Field Effect Transistor：場效電晶體)等半導體元件所成之切換元件115而轉換成脈衝波的交流之後，送入至切換變壓器116，且將交流電壓進行降壓轉換成預定的交流電壓。 　　[0005] 若在該感應負載驅動電路100進行電流控制，當在切換變壓器116的一次側將輸入側直流進行交流轉換時，在控制電路中根據指令訊號121，以成為預定的脈衝波寬(切換的ON／OFF循環的ON時間)的方式，例如由PWM控制器(PWM-IC)等脈衝訊號發生裝置124發生脈衝訊號。接著，可藉由根據利用指令訊號與輸出側的電流感測器125所得之檢測結果的反饋控制，調整脈衝波寬來進行切換，因此即使電源及負荷變動，輸出電流亦保持為一定，可得安定化的直流。 　　[0006] 在該方式中，係以切換變壓器116，一次側的能量藉由使將切換元件115進行ON／OFF切換而形成為高頻交流的電流由一次側線圈Lp電磁感應至二次側線圈Ls而被傳達能量，但是因形成為高頻交流，變壓器本身小型即可，由於發熱少，因此成為高效率。如上所示被傳達的交流電流係在二次側的整流二極體117被整流而流入至感應負載111，但是在二極體被整流的感應電流係成為斷續波形，因此若直接流至感應負載，感應負載的兩端電壓會大幅變動。因此，為了將其平滑化，形成為在二次側配置平滑電容器118，且經平滑化的直流被輸出至感應負載111的構成。 　　[0007] 該二次側的平滑電容器118係容量愈小，電路響應愈為高速。相反地，以電容器無法完全平滑化而漣波電壓變大，因此電流控制的安定性會惡化。因此，將PWM周期更加高速化，電容器容量即使小，亦可吸收漣波電流，藉此可達成高響應化，但是感應負載電流OFF時的響應性係以下所示成為在構造上為遲緩者。 　　[0008] 亦即，將感應負載電流形成為OFF時，必須將切換變壓器一次側的切換元件115形成為OFF一定，停止對變壓器二次側的感應，使平滑電容器118完全放電。但是，若平滑電容器的容量相對負荷所發生的反電動勢為充分小時，若平滑電容器放電，如圖5(b)所示，感應負載的轉流電流101係在平滑電容器118反向充電的同時，轉流電流亦透過整流二極體而流至變壓器二次側線圈Ls。此時在一次側線圈Lp，若與感應負載的轉流時間相比較，為可忽略的程度的時間，但是感應電流102透過FET的內置二極體來流通。此外，變壓器二次側線圈的阻抗亦低，因此感應負載OFF時的轉流電流係幾乎透過整流二極體來流通。結果，響應性係與具有二極體轉流電路的驅動電路為等效，耗費響應時間。 　　[0009] 如上所示，在利用PWM方式的切換電源的電路構成的感應負載驅動電路中，雖然效率優，但是在響應性有問題，無法進行感應負載電流的減少速度的控制。相對於此，比例控制方式係藉由在控制元件的兩端將電壓進行可變調整而使其損失來進行控制者，因此有發熱的問題。 [先前技術文獻] [專利文獻] 　　[0010] 　　[專利文獻1] 日本特開2012-217238號公報 　　[專利文獻2] 日本特開平07-59397號公報
(發明所欲解決之課題) 　　[0011] 另一方面，若為電力為100W以下之輸出小的一般電磁線圈等，蓄積在負荷的能量因發熱而被消耗，但是所消耗的能量少至數瓦特，因此作為進行電力回收的成本效益，並不適當，因此並不進行能量的回收。此在馬達驅動裝置中亦同，在低輸出的系統中，回生能量因發熱而被消耗。在無大電力的電磁線圈的現況下，不必須進行能量回收，因此具有供其之用的機構的驅動電路在實質上亦未被建構。 　　[0012] 但是，若為驅動電壓必須要有一般使用的DC48V以上的電源的負荷時，負荷電力變大，減少感應負載的電流時，係發生突波電壓，該能量會因發熱而消耗，因此有白費的情形。此外，任何驅動方式均必須要有AC-DC電源或DC-DC(升壓)電源，電路規模變大。 　　[0013] 其中，例如，如專利文獻2所示，在感應負載驅動裝置中，亦有具備有回收轉流能量的手段者，俾以在感應負載停止時可確保負荷電流良好降低。在專利文獻2中，係形成為在感應負載非驅動時，在使負荷電流回流的回流路配置變壓器的二次側繞組，設置將二次側繞組或一次側繞組短路的開關手段，在感應負載停止時，將該開關手段形成為OFF者。藉此，在二次側繞組以使負荷電流收歛的方向發生高壓，降低負荷電流，將在變壓器的一次側發生電流而蓄積在感應負載的能量在電源回生。 　　[0014] 但是，即使當將感應負載進行OFF時將電流流至變壓器二次側，該電壓變化亦僅為1次，因此無法有效地使能量恢復至一次側。即使將並聯連接在二次側繞組的開關手段進行ON／OFF，變壓器繞組的電流電路亦未被遮斷，因此並無法將二次側變壓器的線圈電流瞬時遮斷，感應負載的能量消耗不充分，因此感應負載的響應性不充分。 　　[0015] 本發明之目的係鑑於上述問題點，提供一種即使在感應負載為大型的情形下，亦不會有發生發熱的情形，而可在感應負載停止時的電流減少實現高響應性，可進行比以往更高響應且有效率的電流控制的感應負載驅動電路。 (解決課題之手段) 　　[0016] 為達成上述目的，請求項1所記載之發明之感應負載驅動電路係具有：切換電源電路、及控制電路， 　　該切換電源電路係具備有：將來自電源的交流進行整流的整流橋式二極體；將經整流的直流平滑化的一次側平滑電容器；將藉由前述一次側平滑電容器被平滑化的直流，藉由以根據來自脈衝訊號發生手段的脈衝訊號的周期的切換元件的ON／OFF切換，被轉換成脈衝波的交流者，變壓成預先設定的交流電壓而傳達至二次側的切換變壓器；將被傳達至二次側的交流進行整流的二次側二極體；及將經整流的直流更加平滑化而進行輸出的二次側平滑電容器， 　　該控制電路係根據指令訊號與前述切換電源電路的輸出側的檢測結果，調整藉由前述脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號的脈衝寬度，來控制前述切換元件的ON／OFF切換， 　　該感應負載驅動電路係： 　　另外具備有：能量回收電路，其係在前述感應負載的電流減少時，一邊使該感應負載的反電動勢發生一邊回收， 　　前述能量回收電路係包含： 　　在同一鐵心具有以串聯且彼此相反極性連接在前述感應負載之電阻值不同的二個一次側線圈、及連接在前述切換變壓器的一次側的一個二次側線圈的回收用變壓器；及 　　與前述二個一次側線圈之中相對電阻值小的小電阻一次側線圈串聯配置而按照根據來自前述控制電路的回收指令訊號之藉由第2脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號進行動作，來控制流至前述小電阻一次側線圈的電流的回收控制元件， 　　前述控制電路係在前述感應負載的電流減少時使藉由相對前述回收控制元件之前述第2脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號的脈衝寬度調整，將前述回收控制元件進行OFF控制一定時間，藉此一邊使前述感應負載的反電動勢發生一邊對前述回收用變壓器的相對電阻值大的大電阻一次側線圈流通電流，藉此使鐵芯磁通量改變而使能量傳達至相對應的二次側線圈者。 　　[0017] 請求項2所記載之發明之感應負載驅動電路係在請求項1所記載之感應負載驅動電路中， 　　另外具備有第2回收控制元件，其係與前述回收用變壓器的前述大電阻一次側線圈串聯配置，以將前述小電阻一次側線圈的前述回收控制元件呈OFF時的電壓成為一定的方式，限制流至前述大電阻一次側線圈的電流。 (發明之效果) 　　[0018] 藉由本發明之感應負載驅動電路，在切換電源電路構成另外具備有藉由一次側線圈與感應負載作串聯連接的回收用變壓器所得之能量回收電路，藉此可在與電源側絕緣之感應負載的電流減少時，一邊使該感應負載的反電動勢發生一邊良好地回收，因此既無發熱損失亦有效率地實現感應負載電流停止時的高響應。 　　尤其，形成為藉由以彼此相反極性的大電阻與小電阻的二個線圈構成能量回收電路的回收用變壓器的一次側，在定常狀態下，係無感應化，防止負荷電流增加時的電流上升速度的遲緩，同時透過予以PWM驅動控制的回收控制元件來控制小電阻一次側線圈的電流的構成，藉此，可高速控制感應負載停止時的負荷電流減少速度，因此具有可比以往更有效率的且高響應進行感應負載的電流控制的效果。
[0020] 本發明中之感應負載驅動電路係具有：切換電源電路、及控制電路，該切換電源電路係具備有：將來自電源的交流進行整流的整流橋式二極體；將經整流的直流平滑化的一次側平滑電容器；將藉由前述一次側平滑電容器被平滑化的直流，藉由以根據來自脈衝訊號發生手段的脈衝訊號的周期的切換元件的ON／OFF切換，被轉換成脈衝波的交流者，變壓成預先設定的交流電壓而傳達至二次側的切換變壓器；將被傳達至二次側的交流進行整流的二次側二極體；及將經整流的直流更加平滑化而進行輸出的二次側平滑電容器，該控制電路係根據指令訊號與前述切換電源電路的輸出側的檢測結果，調整藉由前述脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號的脈衝寬度，來控制前述切換元件的ON／OFF切換，另外具備有：能量回收電路，其係在感應負載的電流減少時，一邊使該感應負載的反電動勢發生一邊回收。 　　[0021] 藉由以上構成，本發明係藉由能量回收電路，在感應負載的電流減少時，可將該感應負載的反電動勢，在無伴隨因消耗所致之發熱的情形下，良好地回收，實現感應負載停止時的高響應性者。 　　[0022] 亦即，本發明之能量回收電路係包含：在同一鐵心具有以串聯且彼此相反極性連接在前述感應負載之電阻值不同的二個一次側線圈、及連接在前述切換變壓器的一次側的一個二次側線圈的回收用變壓器；及與前述二個一次側線圈之中相對電阻值小的小電阻一次側線圈串聯配置而按照根據來自前述控制電路的回收指令訊號之藉由第2脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號進行動作，來控制流至前述小電阻一次側線圈的電流的回收控制元件，前述控制電路係在前述感應負載的電流減少時使藉由相對前述回收控制元件之前述第2脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號的脈衝寬度調整，將前述回收控制元件進行OFF控制一定時間，藉此一邊使前述感應負載的反電動勢發生一邊對前述回收用變壓器的相對電阻值大的大電阻一次側線圈流通電流，藉此使鐵芯磁通量改變而使能量傳達至相對應的二次側線圈者。 　　[0023] 在以上之能量回收電路中，小電阻一次側線圈係若減小繞組電阻至可忽略電阻損失的程度即可。在對感應負載的電流為一定時，基於線圈電阻值的平衡，電流幾乎流至小電阻一次側線圈來將變壓器／鐵芯進行激磁，但是若相對於小電阻一次側線圈的電感，電流的增加速度較大時，因電流流至反向捲繞的大電阻一次側線圈而無感應化，防止電流響應遲緩。 　　[0024] 接著，若增加感應負載電流的減少速度，將回收控制元件形成為OFF一定時間，藉此，全部電流欲流至大電阻一次側線圈，因此在大電阻一次側線圈的兩端發生高電壓，且改變變壓器／鐵芯的激磁，因此在回收用變壓器的二次側線圈流通感應電流而回收能量。此時，感應負載電流的減少速度係可藉由使以控制電路予以PWM驅動控制的回收控制元件的負載比進行可變而高速控制。 　　[0025] 此外，在本發明中，另外具備有與前述回收用變壓器的前述大電阻一次側線圈串聯配置的第2回收控制元件，可以將前述小電阻一次側線圈的前述回收控制元件呈OFF時的電壓成為一定的方式，限制流至前述大電阻一次側線圈的電流。藉此，電流變少，即使大電阻一次側線圈的兩端電壓減少，亦抑制對二次側線圈的傳達量的減少，而且因第2回收控制元件的損失份，可達成感應負載電流的減少速度的高速化。 [實施例] 　　[0026] 將本發明之一實施例之感應負載驅動電路的概略構成圖顯示於圖1。本實施例之感應負載驅動電路1係具備有切換電源電路10作為基本構成。亦即，具備有：將來自供給電源12的交流進行整流的橋式二極體13；將經整流的直流平滑化的一次側平滑電容器14；將藉由一次側平滑電容器14被平滑化的直流，以根據在控制電路20藉由脈衝訊號發生裝置24所發生的脈衝訊號的周期進行ON／OFF切換而轉換成脈衝波的交流的切換元件(FET)15；將脈衝波交流，由一次側線圈LP對二次側線圈LS變壓成預先設定的電壓來進行傳達的切換變壓器16；將被傳達至二次側的交流進行整流的二次側整流二極體17；及將經整流的直流更加平滑化而送至感應負載(電磁線圈)11的二次側平滑電容器18。 　　[0027] 此外，在切換電源電路10的輸出側係配置有電流感測器25，在控制電路20中，係根據藉由指令訊號21與電流感測器25所得之檢測結果，進行電流的反饋控制。 　　[0028] 接著，在本實施例中，在具備有以上構成的切換電源電路10另外設有回收電磁線圈電流減少時的反電動勢的能量回收電路30。該能量回收電路30係具備有一次側被串聯連接在電磁線圈11的回收用變壓器31，藉由該一次側線圈被進行PWM控制，能量被傳達至二次側者。 　　[0029] 具體而言，回收用變壓器31係在同一鐵心具有以串聯且彼此相反極性連接在電磁線圈11之相對電阻值大的大電阻一次側線圈LP1與相對電阻值小的小電阻一次側線圈LP2的二個一次側線圈；及連接在切換變壓器16的一次側的一個回收用二次側線圈RLS者。接著，具備有：與二個一次側線圈之中的小電阻一次側線圈LP2串聯配置而按照根據來自控制電路20的回收指令訊號之藉由第2脈衝訊號發生裝置33所得之脈衝訊號進行動作，來控制流至小電阻一次側線圈LP2的電流的回收控制元件32。 　　[0030] 在該能量回收電路30中，由於大電阻一次側線圈LP1與小電阻一次側線圈LP2為相反極性，因此電流增加時，因該等大電阻一次側線圈LP1與小電阻一次側線圈LP2被激磁而無感應化，防止電磁線圈電流的上升速度遲緩。 　　[0031] 此外，在本實施例中，在電磁線圈11的電流減少時，控制電路20係由相對回收控制元件32之第2脈衝訊號發生裝置33使脈衝訊號的脈衝寬度改變，而將回收控制元件32進行OFF控制一定時間，藉此一邊使電磁線圈11的反電動勢發生一邊對大電阻一次側線圈LP1流通電流，藉此使鐵芯磁通量改變而使能量傳達至回收用二次側線圈RLS。 　　[0032] 伴隨此，由於全部電流欲流至大電阻一次側線圈LP1，因此在大電阻一次側線圈LP1的兩端發生高電壓，且改變變壓器／鐵芯的激磁，因此在回收用二次側線圈RLS流通感應電流，能量被回收。此時，電磁線圈電流的減少速度係可藉由使予以PWM驅動控制的回收控制元件32的負載比進行可變而高速控制。 　　[0033] 在此顯示藉由與不具能量回收電路30的感應負載驅動電路的比較試驗，確認藉由能量回收電路30所得之效果的結果。在本比較試驗中，將由圖5(a)所示之習知之切換電源電路構成所成之感應負載驅動電路100作為對照，在該感應負載驅動電路100的構成組合能量回收電路30的構成而成之圖1所示之感應負載驅動電路1中，測定電磁線圈停止時的電磁線圈電流的減少，比較其降低特性。將結果顯示於圖2的圖表。 　　[0034] 圖2係在作為時間軸的橫軸中，將由電磁線圈電流一定狀態為電磁線圈停止時(電流供給停止時)設為0(msec)，將隨著時間經過的電流值(A)顯示於縱軸者。 　　[0035] 由圖2清楚可知，相對於無能量回收電路30且未進行電磁線圈的電動勢回收之作為對照的感應負載驅動電路之情形下的電流值的變化曲線X，在藉由能量回收電路30回收電磁線圈的電動勢的圖1的感應負載驅動電路1中的電流值的變化曲線Y中，電磁線圈電流的減少(降低)速度大，且其響應性非常高。 　　[0036] 此外，經時性測定圖2中所測定出的反電動勢的回收中的電磁線圈電流減少時的回收電力，相對於時間：橫軸(msec)，在縱軸取回收電力(W)，將其變化曲線Z顯示於圖3的圖表。由該圖3可知，回收電力係在電磁線圈電流減少開始瞬後急遽增大，藉由能量回收電路30所為之電動勢的回收有助於電磁線圈電流減少時的高響應。 　　[0037] 其中，在圖1的能量回收電路30中，若反電動勢的回收進展而電流變小時，大電阻一次側線圈LP1的兩端電壓減少，且回收亦減低。因此，以圖1所示之能量回收電路30的構成為基本，如圖4所示，藉由形成為另外具備有與大電阻一次側線圈LP1作串聯配置的第2回收控制元件(FET)41的能量回收電路40的構成，可解決該問題。 　　[0038] 亦即，在能量回收電路40中，可以將小電阻一次側線圈LP2的回收控制元件32成為OFF狀態時的電壓成為一定的方式，以第2回收控制元件41限制流至大電阻一次側線圈LP1的電流，因此藉此即使大電阻一次側線圈LP1的兩端電壓減少，亦可抑制對回收用二次側線圈RLS的傳達量的減少，而且因第2回收控制元件41的損失份，可達成電磁線圈電流的減少速度的高速化。
[0039]
1、100‧‧‧感應負載驅動電路
10‧‧‧切換電源電路
11、111‧‧‧電磁線圈(感應負載)
12、112‧‧‧供給電源
13、113‧‧‧橋式二極體
14、114‧‧‧平滑電容器(一次側)
15、115‧‧‧切換元件
16、116‧‧‧切換變壓器
LP、Lp‧‧‧一次側線圈
LS、Ls‧‧‧二次側線圈
17、35、117‧‧‧整流二極體
18、118‧‧‧平滑電容器(二次側)
20‧‧‧控制電路
21、121‧‧‧指令訊號
24、124‧‧‧脈衝訊號發生裝置
25、125‧‧‧電流感測器
30、40‧‧‧能量回收電路
31‧‧‧回收用變壓器
LP1‧‧‧大電阻一次側線圈
LP2‧‧‧小電阻一次側線圈
RLS‧‧‧回收用二次側線圈
32‧‧‧回收控制元件
33‧‧‧第2脈衝訊號發生裝置
41‧‧‧第2回收控制元件
[0019] 　　圖1係本發明之一實施例之感應負載驅動電路的概略構成圖。 　　圖2係顯示能量回收電路之有無中的電磁線圈降低特性的圖表(橫軸：時間[msec]，縱軸：電流[A])。 　　圖3係顯示圖2之能量回收時之電力回收特性的圖表(橫軸：時間[msec]，縱軸：回收電力[W]與電磁線圈電流[A])。 　　圖4係顯示改良圖1之能量回收電路者的部分電路圖。 　　圖5係顯示具有切換電源電路之習知之感應負載驅動電路之例的概略構成圖，(a)係電流控制電路圖，(b)係顯示感應負載電流OFF時的動作的部分電路圖。

Claims (2)

  1. 一種感應負載驅動電路，其係具有：切換電源電路、及控制電路， 　　該切換電源電路係具備有：將來自電源的交流進行整流的整流橋式二極體；將經整流的直流平滑化的一次側平滑電容器；將藉由前述一次側平滑電容器被平滑化的直流，藉由以根據來自脈衝訊號發生手段的脈衝訊號的周期的切換元件的ON／OFF切換，被轉換成脈衝波的交流者，變壓成預先設定的交流電壓而傳達至二次側的切換變壓器；將被傳達至二次側的交流進行整流的二次側二極體；及將經整流的直流更加平滑化而進行輸出的二次側平滑電容器， 　　該控制電路係根據指令訊號與前述切換電源電路的輸出側的檢測結果，調整藉由前述脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號的脈衝寬度，來控制前述切換元件的ON／OFF切換， 　　該感應負載驅動電路之特徵為： 　　另外具備有：能量回收電路，其係在前述感應負載的電流減少時，一邊使該感應負載的反電動勢發生一邊回收， 　　前述能量回收電路係包含： 　　在同一鐵心具有以串聯且彼此相反極性連接在前述感應負載之電阻值不同的二個一次側線圈、及連接在前述切換變壓器的一次側的一個二次側線圈的回收用變壓器；及 　　與前述二個一次側線圈之中相對電阻值小的小電阻一次側線圈串聯配置而按照根據來自前述控制電路的回收指令訊號之藉由第2脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號進行動作，來控制流至前述小電阻一次側線圈的電流的回收控制元件， 　　前述控制電路係在前述感應負載的電流減少時使藉由相對前述回收控制元件之前述第2脈衝訊號發生裝置所得之脈衝訊號的脈衝寬度調整，將前述回收控制元件進行OFF控制一定時間，藉此一邊使前述感應負載的反電動勢發生一邊對前述回收用變壓器的相對電阻值大的大電阻一次側線圈流通電流，藉此使鐵芯磁通量改變而使能量傳達至相對應的二次側線圈者。
  2. 如申請專利範圍第1項之感應負載驅動電路，其中，另外具備有第2回收控制元件，其係與前述回收用變壓器的前述大電阻一次側線圈串聯配置，以將前述小電阻一次側線圈的前述回收控制元件呈OFF時的電壓成為一定的方式，限制流至前述大電阻一次側線圈的電流。
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