WO2018186344A1 - Power source and power source control method - Google Patents
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Abstract
This power source is provided with a current acquisition unit which acquires the current of a transformer, and a determination unit which, at any time when the current of the transformer is positive during the ON period of a second switching element, determines whether or not the transformer is magnetically saturated on the basis of the current acquired by the current acquisition unit and a prescribed current threshold value. On the basis of the determination result of the determination unit, a control unit performs control to turn OFF the second switching element.
Description
本発明は、電源装置及び電源装置の制御方法に関する。
本出願は、２０１７年４月５日出願の日本出願第２０１７－０７５４９９号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。 The present invention relates to a power supply device and a control method for the power supply device.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-075499 filed on Apr. 5, 2017, and incorporates all the content described in the above Japanese application.
本出願は、２０１７年４月５日出願の日本出願第２０１７－０７５４９９号に基づく優先権を主張し、前記日本出願に記載された全ての記載内容を援用するものである。 The present invention relates to a power supply device and a control method for the power supply device.
This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2017-075499 filed on Apr. 5, 2017, and incorporates all the content described in the above Japanese application.
直流電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータが産業用機器及び車載装置に用いられている。ＤＣ／ＤＣコンバータには、アクティブクランプ型のＤＣ／ＤＣコンバータがある。アクティブクランプ型のＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの１次巻線と主スイッチング素子との直列回路が直流電源に接続され、１次巻線の両端にキャパシタと補助スイッチング素子とからなるアクティブクランプ回路が接続されている。そして、主スイッチング素子と補助スイッチング素子とを所要のデューティ比で交互にオン／オフすることによって、トランスの磁化エネルギー及び漏れエネルギーをアクティブクランプ回路のキャパシタを介して循環させ、電源変換効率を向上させることができる。
DC / DC converters that convert DC voltage are used in industrial equipment and in-vehicle devices. The DC / DC converter includes an active clamp type DC / DC converter. In the active clamp type DC / DC converter, a series circuit of a primary winding of a transformer and a main switching element is connected to a DC power source, and an active clamp circuit including a capacitor and an auxiliary switching element is provided at both ends of the primary winding. It is connected. Then, by alternately turning on and off the main switching element and the auxiliary switching element at a required duty ratio, the magnetizing energy and leakage energy of the transformer are circulated through the capacitor of the active clamp circuit, thereby improving the power conversion efficiency. be able to.
入力電圧の変動等によりデューティ比の追従に遅延が生ずると、トランスに過大な励磁電流が流れ、トランスが磁気飽和になり、励磁電流が急激に増加するおそれがある。そこで、トランスの電圧が正極性であるときに、トランスの一次側電流の瞬時値を検出し、検出した瞬時値と過去の瞬時値の平均値との差分を求め、その差分が所定値以上である場合、トランスの励磁動作を停止させて磁気リセットを行うＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている（特許文献１参照）。
If there is a delay in tracking the duty ratio due to fluctuations in the input voltage, an excessive excitation current flows through the transformer, the transformer becomes magnetically saturated, and the excitation current may increase rapidly. Therefore, when the transformer voltage is positive, the instantaneous value of the primary current of the transformer is detected, and the difference between the detected instantaneous value and the average value of the past instantaneous values is obtained. In some cases, a DC / DC converter is disclosed that performs magnetic reset by stopping the excitation operation of the transformer (see Patent Document 1).
本開示の電源装置は、トランスと、該トランスの一次巻線に直列に接続された第１のスイッチング素子と、該第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のキャパシタと、前記一次巻線に並列に接続された第２のスイッチング素子及び第２のキャパシタの直列回路と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御部とを備える電源装置であって、前記トランスの電流を取得する電流取得部と、前記第２のスイッチング素子がオンの期間であって前記トランスの電流が正となる任意の時点にて前記電流取得部で取得した電流及び所定の電流閾値に基づいて前記トランスが磁気飽和するか否かを判定する判定部とを備え、前記制御部は、前記判定部の判定結果に基づいて前記第２のスイッチング素子をオフすべく制御する。
The power supply apparatus according to the present disclosure includes a transformer, a first switching element connected in series to a primary winding of the transformer, a first capacitor connected in parallel to the first switching element, and the primary winding. A power supply device comprising: a series circuit of a second switching element and a second capacitor connected in parallel to a line; and a control unit that controls on / off of the first switching element and the second switching element. A current acquisition unit for acquiring the current of the transformer, a current acquired by the current acquisition unit at any time when the second switching element is on and the current of the transformer becomes positive, and a predetermined current A determination unit that determines whether the transformer is magnetically saturated based on a current threshold of the second switching element, and the control unit is configured to determine whether the second switching element is based on a determination result of the determination unit. To control in order to turn off.
本開示の電源装置の制御方法は、トランスと、該トランスの一次巻線に直列に接続された第１のスイッチング素子と、該第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のキャパシタと、前記一次巻線に並列に接続された第２のスイッチング素子及び第２のキャパシタの直列回路と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御部とを備える電源装置の制御方法であって、前記トランスの電流を電流取得部が取得し、前記第２のスイッチング素子がオンの期間であって前記トランスの電流が正となる任意の時点にて前記電流取得部が取得した電流及び所定の電流閾値に基づいて前記トランスが磁気飽和するか否かを判定部が判定し、前記判定部の判定結果に基づいて前記第２のスイッチング素子をオフすべく前記制御部が制御する。
A control method for a power supply apparatus according to the present disclosure includes a transformer, a first switching element connected in series to a primary winding of the transformer, a first capacitor connected in parallel to the first switching element, A power supply comprising a series circuit of a second switching element and a second capacitor connected in parallel to the primary winding, and a control unit for controlling on / off of the first switching element and the second switching element A method of controlling an apparatus, wherein a current acquisition unit acquires a current of the transformer, and the current acquisition unit is at an arbitrary time when the current of the transformer is positive while the second switching element is on. The determination unit determines whether or not the transformer is magnetically saturated based on the acquired current and a predetermined current threshold value, and determines the second switching element based on the determination result of the determination unit. Wherein the control unit controls Beku Hus.
[本開示が解決しようとする課題]
しかし、特許文献１のような従来のＤＣ／ＤＣコンバータでは、電流の瞬時値と平均値とを比較しているため、瞬時値に至る前の電流値がトランスの磁気飽和となる電流であっても、電流のピーク値に至るまでトランスの励磁動作は停止されない。このため、結果としてトランスが磁気飽和状態になった後で磁気リセットが行われることになり、トランスの磁気飽和を未然に防止することができない。 [Problems to be solved by this disclosure]
However, in the conventional DC / DC converter as inPatent Document 1, since the instantaneous value and the average value of the current are compared, the current value before reaching the instantaneous value is the current that causes magnetic saturation of the transformer. However, the excitation operation of the transformer is not stopped until the peak value of the current is reached. For this reason, as a result, the magnetic reset is performed after the transformer is in a magnetic saturation state, and the magnetic saturation of the transformer cannot be prevented in advance.
しかし、特許文献１のような従来のＤＣ／ＤＣコンバータでは、電流の瞬時値と平均値とを比較しているため、瞬時値に至る前の電流値がトランスの磁気飽和となる電流であっても、電流のピーク値に至るまでトランスの励磁動作は停止されない。このため、結果としてトランスが磁気飽和状態になった後で磁気リセットが行われることになり、トランスの磁気飽和を未然に防止することができない。 [Problems to be solved by this disclosure]
However, in the conventional DC / DC converter as in
また、トランスの電流が正極性であるときのトランスの一次側電流の瞬時値に基づいてトランスの磁気飽和を検出するので、トランスの電流が負極性であるときには、トランスの磁気飽和を検出することができない。このため、負極性でのトランスの磁気飽和を未然に防止することができない。
In addition, since the transformer magnetic saturation is detected based on the instantaneous value of the primary current of the transformer when the transformer current is positive, the transformer magnetic saturation is detected when the transformer current is negative. I can't. For this reason, it is impossible to prevent magnetic saturation of the transformer with negative polarity.
そこで、負極性でのトランスの磁気飽和を未然に防止することができる電源装置及び電源装置の制御方法を提供することを目的とする。
Therefore, an object of the present invention is to provide a power supply apparatus and a control method for the power supply apparatus that can prevent magnetic saturation of the transformer with negative polarity.
[本開示の効果]
本開示によれば、負極性でのトランスの磁気飽和を未然に防止することができる。 [Effects of the present disclosure]
According to the present disclosure, it is possible to prevent magnetic saturation of the transformer with negative polarity.
本開示によれば、負極性でのトランスの磁気飽和を未然に防止することができる。 [Effects of the present disclosure]
According to the present disclosure, it is possible to prevent magnetic saturation of the transformer with negative polarity.
［本願発明の実施形態の説明］
本実施の形態に係る電源装置は、トランスと、該トランスの一次巻線に直列に接続された第１のスイッチング素子と、該第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のキャパシタと、前記一次巻線に並列に接続された第２のスイッチング素子及び第２のキャパシタの直列回路と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御部とを備える電源装置であって、前記トランスの電流を取得する電流取得部と、前記第２のスイッチング素子がオンの期間であって前記トランスの電流が正となる任意の時点にて前記電流取得部で取得した電流及び所定の電流閾値に基づいて前記トランスが磁気飽和するか否かを判定する判定部とを備え、前記制御部は、前記判定部の判定結果に基づいて前記第２のスイッチング素子をオフすべく制御する。 [Description of Embodiment of Present Invention]
The power supply device according to the present embodiment includes a transformer, a first switching element connected in series to the primary winding of the transformer, a first capacitor connected in parallel to the first switching element, A power supply comprising a series circuit of a second switching element and a second capacitor connected in parallel to the primary winding, and a control unit for controlling on / off of the first switching element and the second switching element A current acquisition unit that acquires the current of the transformer, and the current acquisition unit acquired at any time when the current of the transformer is positive while the second switching element is on A determination unit that determines whether the transformer is magnetically saturated based on a current and a predetermined current threshold, and the control unit is configured to determine whether the second switch is based on a determination result of the determination unit. Control in order to clear the ring element.
本実施の形態に係る電源装置は、トランスと、該トランスの一次巻線に直列に接続された第１のスイッチング素子と、該第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のキャパシタと、前記一次巻線に並列に接続された第２のスイッチング素子及び第２のキャパシタの直列回路と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御部とを備える電源装置であって、前記トランスの電流を取得する電流取得部と、前記第２のスイッチング素子がオンの期間であって前記トランスの電流が正となる任意の時点にて前記電流取得部で取得した電流及び所定の電流閾値に基づいて前記トランスが磁気飽和するか否かを判定する判定部とを備え、前記制御部は、前記判定部の判定結果に基づいて前記第２のスイッチング素子をオフすべく制御する。 [Description of Embodiment of Present Invention]
The power supply device according to the present embodiment includes a transformer, a first switching element connected in series to the primary winding of the transformer, a first capacitor connected in parallel to the first switching element, A power supply comprising a series circuit of a second switching element and a second capacitor connected in parallel to the primary winding, and a control unit for controlling on / off of the first switching element and the second switching element A current acquisition unit that acquires the current of the transformer, and the current acquisition unit acquired at any time when the current of the transformer is positive while the second switching element is on A determination unit that determines whether the transformer is magnetically saturated based on a current and a predetermined current threshold, and the control unit is configured to determine whether the second switch is based on a determination result of the determination unit. Control in order to clear the ring element.
本実施の形態に係る電源装置の制御方法は、トランスと、該トランスの一次巻線に直列に接続された第１のスイッチング素子と、該第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のキャパシタと、前記一次巻線に並列に接続された第２のスイッチング素子及び第２のキャパシタの直列回路と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御部とを備える電源装置の制御方法であって、前記トランスの電流を電流取得部が取得し、前記第２のスイッチング素子がオンの期間であって前記トランスの電流が正となる任意の時点にて前記電流取得部が取得した電流及び所定の電流閾値に基づいて前記トランスが磁気飽和するか否かを判定部が判定し、前記判定部の判定結果に基づいて前記第２のスイッチング素子をオフすべく前記制御部が制御する。
The method of controlling the power supply device according to the present embodiment includes a transformer, a first switching element connected in series to the primary winding of the transformer, and a first connected in parallel to the first switching element. A capacitor, a series circuit of a second switching element and a second capacitor connected in parallel to the primary winding, and a controller for controlling on / off of the first switching element and the second switching element; The current acquisition unit acquires a current of the transformer, and the second switching element is in an on period and the current of the transformer becomes positive at any time when the current of the transformer is positive. The determination unit determines whether the transformer is magnetically saturated based on the current acquired by the current acquisition unit and a predetermined current threshold, and the second switch based on the determination result of the determination unit Wherein the control unit controls so as to turn off the grayed elements.
電流取得部は、トランスの電流を取得する。トランスの電流は、正極性の場合には、負荷に流れる負荷電流及びトランスの励磁電流の合計となり、負極性の場合には、励磁電流のみとなる。
The current acquisition unit acquires the transformer current. In the case of positive polarity, the transformer current is the sum of the load current flowing in the load and the excitation current of the transformer, and in the case of negative polarity, only the excitation current is obtained.
判定部は、第２のスイッチング素子がオンの期間であってトランスの電流が正となる任意の時点にて電流取得部で取得した電流及び所定の電流閾値に基づいてトランスが磁気飽和するか否かを判定する。
The determination unit determines whether or not the transformer is magnetically saturated based on the current acquired by the current acquisition unit and a predetermined current threshold at any time when the second switching element is on and the current of the transformer is positive. Determine whether.
第２のスイッチング素子がオフからオンになると、トランスの電流は励磁電流となる。トランスには、第２のキャパシタの電圧が逆方向（負の電圧の方向）に印加され、トランスの電流は減少する。このとき、トランスの励磁電流も減少し、トランスの励磁をリセットする状態に向かって移行する。そして、第２のスイッチング素子のオンの期間の途中でトランス３０の励磁電流が逆転し（正極性から負極性になり電流方向が逆になる）、負極性での磁気飽和状態に向かって励磁電流が負方向に増加する。
When the second switching element is turned on from off, the transformer current becomes the exciting current. The voltage of the second capacitor is applied to the transformer in the reverse direction (negative voltage direction), and the current of the transformer decreases. At this time, the exciting current of the transformer also decreases, and a transition is made to a state in which the excitation of the transformer is reset. Then, the exciting current of the transformer 30 reverses in the middle of the ON period of the second switching element (from the positive polarity to the negative polarity and the current direction is reversed), and the exciting current toward the magnetic saturation state at the negative polarity. Increases in the negative direction.
第２のスイッチング素子のオンの期間での励磁電流の時間的変化は、直線的であると考えられるので、トランスの電流が正となる任意の時点にて取得したトランスの電流が大きいほど、負極性での磁気飽和に到達する可能性は低くなり、逆に、トランスの電流が正となる任意の時点にて取得したトランスの電流が小さいほど、負極性での磁気飽和に到達する可能性は高くなる傾向がある。従って、第２のスイッチング素子がオンの期間であってトランスの電流が正となる任意の時点にて電流取得部で取得した電流及び所定の電流閾値に基づいてトランスが磁気飽和するか否かを判定することができる。
Since the temporal change of the excitation current during the ON period of the second switching element is considered to be linear, the larger the transformer current obtained at any time when the transformer current becomes positive, the more negative The possibility of reaching magnetic saturation at the negative polarity is low, and conversely, the smaller the transformer current obtained at any time when the transformer current is positive, the less likely it is to reach magnetic saturation at the negative polarity. Tend to be higher. Therefore, whether or not the transformer is magnetically saturated based on the current acquired by the current acquisition unit and the predetermined current threshold at any time when the current of the transformer is positive while the second switching element is on. Can be determined.
制御部は、判定部の判定結果に基づいて第２のスイッチング素子をオフすべく制御する。例えば、判定部で磁気飽和となると判定した場合、制御部は、磁気飽和となる前に第２のスイッチング素子をオフすることができる。これにより、負極性でのトランスの磁気飽和を未然に防止することができる。
The control unit controls to turn off the second switching element based on the determination result of the determination unit. For example, when the determination unit determines that magnetic saturation occurs, the control unit can turn off the second switching element before magnetic saturation occurs. Thereby, magnetic saturation of the transformer with negative polarity can be prevented in advance.
本実施の形態に係る電源装置は、前記第２のスイッチング素子がオフする時点で前記トランスの励磁電流が所定の限界値に到達するとしたときに、前記第２のスイッチング素子がオンする時点での前記トランスの電流と前記第２のスイッチング素子がオフする時点での前記限界値とに基づいて、前記トランスの電流の時間的変化特性を特定する特定部を備え、前記電流閾値は、前記特定部で特定した時間的変化特性での前記任意の時点に対応する電流である。
In the power supply device according to the present embodiment, when the excitation current of the transformer reaches a predetermined limit value when the second switching element is turned off, the power supply device at the time when the second switching element is turned on. A specifying unit that specifies a temporal change characteristic of the current of the transformer based on the current of the transformer and the limit value at the time when the second switching element is turned off; The current corresponding to the arbitrary time point with the temporal change characteristic specified in (1).
特定部は、第２のスイッチング素子がオフする時点でトランスの励磁電流が所定の限界値に到達するとしたときに、第２のスイッチング素子がオンする時点でのトランスの電流と第２のスイッチング素子がオフする時点での限界値とに基づいて、トランスの電流の時間的変化特性を特定する。
When the second switching element is turned off and the exciting current of the transformer reaches a predetermined limit value, the specifying unit determines the current of the transformer and the second switching element when the second switching element is turned on. The temporal change characteristic of the current of the transformer is specified on the basis of the limit value at the time of turning off.
所定の限界値は、トランスが磁気飽和するときの負極性での励磁電流とすることができる。第２のスイッチング素子がオンする時点でのトランスの電流は、正極性での励磁電流の最大値となる。トランスの電流の時間的変化特性（すなわち、励磁電流の時間的変化特性）は、時間と電流との二次元平面において、第２のスイッチング素子がオンする時点での励磁電流が最大値となる点と、第２のスイッチング素子がオフする時点での励磁電流が限界値となる点とを結ぶ仮想直線で表すことができる。
The predetermined limit value can be an excitation current with a negative polarity when the transformer is magnetically saturated. The current of the transformer at the time when the second switching element is turned on becomes the maximum value of the exciting current in the positive polarity. The temporal change characteristic of the current of the transformer (that is, the temporal change characteristic of the excitation current) is that the excitation current at the time when the second switching element is turned on becomes the maximum value in the two-dimensional plane of time and current. And an imaginary straight line connecting a point at which the exciting current becomes a limit value when the second switching element is turned off.
電流閾値は、特定部で特定した時間的変化特性での任意の時点に対応する電流である。すなわち、任意の時点で取得した励磁電流が、時間的変化特性である仮想直線上にある場合、第２のスイッチング素子がオフする時点でトランスが磁気飽和するという、磁気飽和するか否かの境界にあるといえ、この時間的変化特性上に電流閾値を設定することができる。
The current threshold is a current corresponding to an arbitrary point in time change characteristic specified by the specific unit. That is, when the excitation current acquired at an arbitrary time is on a virtual straight line that is a temporal change characteristic, the boundary of whether or not the magnetic saturation occurs, that is, the transformer is magnetically saturated when the second switching element is turned off. However, the current threshold can be set on this temporal change characteristic.
本実施の形態に係る電源装置において、前記判定部は、前記任意の時点にて前記電流取得部で取得した電流が前記電流閾値以下である場合、前記トランスが磁気飽和すると判定する。
In the power supply device according to the present embodiment, the determination unit determines that the transformer is magnetically saturated when the current acquired by the current acquisition unit at the arbitrary time is equal to or less than the current threshold.
判定部は、任意の時点にて電流取得部で取得した電流が電流閾値以下である場合、トランスが磁気飽和すると判定する。取得した電流が電流閾値以下である場合、第２のスイッチング素子がオフする時点よりも前の時点で励磁電流は限界値に到達するので、トランスが磁気飽和すると判定することができる。
The determination unit determines that the transformer is magnetically saturated when the current acquired by the current acquisition unit at an arbitrary time is equal to or less than the current threshold. When the acquired current is equal to or less than the current threshold value, the exciting current reaches the limit value before the time point when the second switching element is turned off, so that it can be determined that the transformer is magnetically saturated.
本実施の形態に係る電源装置は、前記制御部は、所定のデューティ比で前記第２のスイッチング素子のオン／オフを制御し、前記判定部が磁気飽和すると判定した場合、前記デューティ比を小さくして前記トランスが磁気飽和する時点よりも前の時点で前記第２のスイッチング素子をオフにする。
In the power supply device according to the present embodiment, the control unit controls on / off of the second switching element with a predetermined duty ratio, and when the determination unit determines that the magnetic saturation occurs, the duty ratio is decreased. Then, the second switching element is turned off at a time before the magnetic saturation of the transformer.
制御部は、所定のデューティ比で第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する。制御部は、判定部が磁気飽和すると判定した場合、当該デューティ比を小さくしてトランスが磁気飽和する時点よりも前の時点で第２のスイッチング素子をオフにする。これにより、トランスが磁気飽和しない範囲でデューティ比を大きくすることができるので、トランスが磁気飽和することなく、出力電力の低下を抑制することができる。
The control unit controls on / off of the second switching element with a predetermined duty ratio. When the determination unit determines that the magnetic saturation occurs, the control unit decreases the duty ratio and turns off the second switching element at a time before the magnetic saturation of the transformer. As a result, the duty ratio can be increased within a range in which the transformer is not magnetically saturated, so that a decrease in output power can be suppressed without magnetically saturating the transformer.
［本願発明の実施形態の詳細］
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態の電源装置１００の回路構成の一例を示す説明図である。本実施の形態の電源装置１００は、入力側の端子Ａ及びＢ、出力側の端子Ｃ及びＤを備え、入力側の端子Ａ及びＢには、直流電源（不図示）が接続され、出力側の端子Ｃ及びＤには負荷が接続される。電源装置１００は、例えば、降圧変換装置である。 [Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a circuit configuration of thepower supply apparatus 100 according to the present embodiment. The power supply apparatus 100 according to the present embodiment includes terminals A and B on the input side and terminals C and D on the output side. A DC power supply (not shown) is connected to the terminals A and B on the input side, and the output side A load is connected to the terminals C and D. The power supply device 100 is, for example, a step-down converter.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は本実施の形態の電源装置１００の回路構成の一例を示す説明図である。本実施の形態の電源装置１００は、入力側の端子Ａ及びＢ、出力側の端子Ｃ及びＤを備え、入力側の端子Ａ及びＢには、直流電源（不図示）が接続され、出力側の端子Ｃ及びＤには負荷が接続される。電源装置１００は、例えば、降圧変換装置である。 [Details of the embodiment of the present invention]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is an explanatory diagram illustrating an example of a circuit configuration of the
電源装置１００は、トランス３０、第１のスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor、以下、「ＦＥＴ」と称する）１１、第１のキャパシタとしてのキャパシタ２１、第２のスイッチング素子としてのＦＥＴ１２、第２のキャパシタとしてのキャパシタ２２、整流回路としてのダイオード４１、４２、キャパシタ２３、インダクタ６１（出力側のチョークコイル）、及びＦＥＴ１１、ＦＥＴ１２のオン／オフを制御する制御部５０などを備える。ＦＥＴ１１、ＦＥＴ１２は、それぞれボディダイオードを有する。
The power supply apparatus 100 includes a transformer 30, a MOSFET (Metal / Oxide / Semiconductor / Field / Effect / Transistor, hereinafter referred to as "FET") 11 as a first switching element, a capacitor 21 as a first capacitor, and a second switching element. The FET 12, the capacitor 22 as the second capacitor, the diodes 41 and 42 as the rectifier circuit, the capacitor 23, the inductor 61 (the choke coil on the output side), and the control unit 50 for controlling on / off of the FET 11 and the FET 12 are provided. . The FET 11 and FET 12 each have a body diode.
端子Ａには、トランス３０の１次巻線３１の一端が接続されている。１次巻線３１の他端には、ＦＥＴ１１のドレインが接続されている。ＦＥＴ１１のソースは、端子Ｂに接続されている。ＦＥＴ１１のドレイン・ソース間には、キャパシタ２１（共振用のキャパシタ）が接続されている。トランス３０の１次巻線３１に直列に電流センサ７１を接続している。
The terminal A is connected to one end of the primary winding 31 of the transformer 30. The other end of the primary winding 31 is connected to the drain of the FET 11. The source of the FET 11 is connected to the terminal B. A capacitor 21 (resonance capacitor) is connected between the drain and source of the FET 11. A current sensor 71 is connected in series to the primary winding 31 of the transformer 30.
電流センサ７１は、トランス３０の一次巻線３１に流れる電流を検出し、検出した電流を制御部５０へ出力する。
The current sensor 71 detects the current flowing through the primary winding 31 of the transformer 30 and outputs the detected current to the control unit 50.
１次巻線３１の両端には、ＦＥＴ１２とキャパシタ２２との直列回路が接続されている。ＦＥＴ１２とキャパシタ２２との直列回路は、アクティブクランプ回路を構成する。
A series circuit of the FET 12 and the capacitor 22 is connected to both ends of the primary winding 31. A series circuit of the FET 12 and the capacitor 22 constitutes an active clamp circuit.
図１の例では、１次巻線３１の一端にキャパシタ２２の一端が接続され、キャパシタ２２の他端にはＦＥＴ１２のドレインが接続されている。ＦＥＴ１２のソースは、１次巻線３１の他端に接続されている。
In the example of FIG. 1, one end of the capacitor 22 is connected to one end of the primary winding 31, and the drain of the FET 12 is connected to the other end of the capacitor 22. The source of the FET 12 is connected to the other end of the primary winding 31.
トランス３０の２次巻線３２の一端にはダイオード４１のカソードが接続され、ダイオード４１のアノードは端子Ｄ（接地レベル）に接続されている。２次巻線３２の他端には、ダイオード４２のカソード及びインダクタ６１の一端が接続されている。ダイオード４２のアノードは、ダイオード４１のアノードに接続されている。なお、図１の例では、ダイオード４１、ダイオード４２それぞれのアノード同士が接続された構成となっているが、これに限定されるものではなく、ダイオード４１、ダイオード４２それぞれのカソード同士が接続された構成にしてもよい。
The cathode of the diode 41 is connected to one end of the secondary winding 32 of the transformer 30, and the anode of the diode 41 is connected to the terminal D (ground level). The other end of the secondary winding 32 is connected to the cathode of the diode 42 and one end of the inductor 61. The anode of the diode 42 is connected to the anode of the diode 41. In the example of FIG. 1, the anodes of the diode 41 and the diode 42 are connected to each other. However, the present invention is not limited to this, and the cathodes of the diode 41 and the diode 42 are connected to each other. It may be configured.
インダクタ６１の他端は端子Ｃに接続されている。端子Ｃ及びＤ間にはキャパシタ２３が接続されている。制御部５０は、ＦＥＴ１１、ＦＥＴ１２のゲートへゲート電圧を出力する。
The other end of the inductor 61 is connected to the terminal C. A capacitor 23 is connected between the terminals C and D. The control unit 50 outputs a gate voltage to the gates of the FETs 11 and 12.
制御部５０は、電流取得部５１、特定部５２、判定部５３などを備える。
The control unit 50 includes a current acquisition unit 51, a specification unit 52, a determination unit 53, and the like.
電流取得部５１は、トランス３０の電流を取得する。具体的には、電流取得部５１は、電流センサ７１で検出されたトランス３０の電流を取得する。トランス３０の電流は、正極性の場合には、負荷に流れる負荷電流及びトランス３０の励磁電流の合計となり、負極性の場合（より具体的には、正極性であってもＦＥＴ１２がオンの期間）には、励磁電流のみとなる。
The current acquisition unit 51 acquires the current of the transformer 30. Specifically, the current acquisition unit 51 acquires the current of the transformer 30 detected by the current sensor 71. In the case of positive polarity, the current of the transformer 30 is the sum of the load current flowing in the load and the excitation current of the transformer 30. In the case of negative polarity (more specifically, the period in which the FET 12 is on even in the positive polarity) ) Is only the excitation current.
判定部５３は、ＦＥＴ１２がオンの期間であってトランス３０の電流が正となる任意の時点にて電流取得部５１で取得した電流及び所定の電流閾値に基づいてトランス３０が磁気飽和するか否かを判定する。なお、判定部５３の詳細は後述する。
The determination unit 53 determines whether or not the transformer 30 is magnetically saturated based on the current acquired by the current acquisition unit 51 and a predetermined current threshold at any time when the current of the transformer 30 is positive while the FET 12 is on. Determine whether. Details of the determination unit 53 will be described later.
特定部５２は、ＦＥＴ１２がオフする時点でトランス３０の励磁電流が所定の限界値に到達するとしたときに、ＦＥＴ１２がオンする時点でのトランス３０の電流と、ＦＥＴ１２がオフする時点での限界値とに基づいて、トランス３０の電流の時間的変化特性を特定する。なお、特定部５２の詳細は後述する。
The specifying unit 52 determines that when the exciting current of the transformer 30 reaches a predetermined limit value when the FET 12 is turned off, the current of the transformer 30 when the FET 12 is turned on and the limit value when the FET 12 is turned off. Based on the above, the temporal change characteristic of the current of the transformer 30 is specified. Details of the specifying unit 52 will be described later.
制御部５０は、判定部５３の判定結果に基づいてＦＥＴ１２をオフすべく制御する。制御部５０の詳細は後述する。
The control unit 50 controls the FET 12 to be turned off based on the determination result of the determination unit 53. Details of the control unit 50 will be described later.
次に、本実施の形態の電源装置１００の動作について説明する。
Next, the operation of the power supply device 100 of the present embodiment will be described.
図２は本実施の形態の電源装置１００の各部の波形の一例を示すタイムチャートである。図２では、上から、ＦＥＴ１１のゲート電圧、ＦＥＴ１２のゲート電圧、トランス３０の電流（以下、トランス電流とも称する）、トランス３０の励磁電流（以下、励磁電流とも称する）の各波形を模式的に示す。便宜上各部の波形を模式的に図示するので、実際の各部の波形は異なる場合がある。
FIG. 2 is a time chart showing an example of the waveform of each part of the power supply apparatus 100 of the present embodiment. In FIG. 2, the waveforms of the gate voltage of the FET 11, the gate voltage of the FET 12, the current of the transformer 30 (hereinafter also referred to as transformer current), and the excitation current of the transformer 30 (hereinafter also referred to as excitation current) are schematically illustrated from above. Show. Since the waveform of each part is schematically illustrated for convenience, the actual waveform of each part may be different.
図２に示すように、周期Ｔを期間Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３及びＤ４の４つの期間に区分する。期間Ｄ１は、ＦＥＴ１１のオン期間であり、ＦＥＴ１１は、所定のデューティ比（Ｄ１／Ｔ）でオン／オフを繰り返す。また、期間Ｄ３は、ＦＥＴ１２のオン期間であり、ＦＥＴ１２は、所定のデューティ比（Ｄ３／Ｔ）でオン／オフを繰り返す。期間Ｄ２、Ｄ４は、ＦＥＴ１１及びＦＥＴ１２の両方がオフとなる期間である。次に、各期間Ｄ１～Ｄ４における電源装置１００の動作状態について順に説明する。
As shown in FIG. 2, the period T is divided into four periods D1, D2, D3, and D4. The period D1 is an ON period of the FET 11, and the FET 11 is repeatedly turned on / off at a predetermined duty ratio (D1 / T). The period D3 is an ON period of the FET 12, and the FET 12 is repeatedly turned on / off at a predetermined duty ratio (D3 / T). Periods D2 and D4 are periods in which both FET11 and FET12 are off. Next, the operation state of the power supply apparatus 100 in each period D1 to D4 will be described in order.
図３は本実施の形態の電源装置１００の期間Ｄ１での動作状態の一例を示す説明図である。図２に示すように、期間Ｄ１においては、制御部５０の制御により、ＦＥＴ１１がオンとなり、ＦＥＴ１２はオフとなる。期間Ｄ１では、トランス３０の１次巻線には、入力側の電源電圧が印加され、１次巻線の電圧は正となる。２次巻線の電圧も正となり、ダイオード４１が導通して負荷に負荷電流が流れる。トランス３０の一次巻線３１には、負荷電流及び励磁電流の合計が流れる。
FIG. 3 is an explanatory diagram illustrating an example of an operation state in the period D1 of the power supply device 100 according to the present embodiment. As shown in FIG. 2, in the period D1, the FET 11 is turned on and the FET 12 is turned off under the control of the control unit 50. In the period D1, the power supply voltage on the input side is applied to the primary winding of the transformer 30, and the voltage of the primary winding becomes positive. The voltage of the secondary winding also becomes positive, the diode 41 becomes conductive, and a load current flows through the load. The total of the load current and the excitation current flows through the primary winding 31 of the transformer 30.
図２に示すように、期間Ｄ１では、負荷電流及び励磁電流は直線的に増加する。この場合、励磁電流の時間的変化量は負荷電流の時間的変化量に相当する。例えば、図２において、トランスの電流と励磁電流を同一スケールで表すと、電流の変化を示す直線の傾きは同じになる。
As shown in FIG. 2, in the period D1, the load current and the excitation current increase linearly. In this case, the temporal change amount of the excitation current corresponds to the temporal change amount of the load current. For example, in FIG. 2, when the transformer current and the excitation current are represented on the same scale, the slopes of the straight lines indicating the change in the current are the same.
図３中、符号Ｌｍはトランス３０の励磁インダクタンスを表し、Ｌｓは漏れインダクタンスを表す。なお、便宜上、図３において、１次巻線及び２次巻線の下端に対して上端の電位が高い場合を正の電圧とする。
In FIG. 3, symbol Lm represents the excitation inductance of the transformer 30, and Ls represents the leakage inductance. For convenience, in FIG. 3, a positive voltage is defined when the upper end potential is higher than the lower ends of the primary and secondary windings.
なお、トランス３０の一次側と二次側それぞれに流れる負荷電流による磁束はお互いに打消し合うのに対し、励磁電流は磁束を作るので、トランス３０が磁気飽和するか否かの要因の一つは励磁電流となる。
Note that the magnetic flux generated by the load currents flowing on the primary side and the secondary side of the transformer 30 cancel each other, whereas the excitation current creates a magnetic flux, which is one of the factors that determine whether the transformer 30 is magnetically saturated. Is the excitation current.
図４は本実施の形態の電源装置１００の期間Ｄ２での動作状態の一例を示す説明図である。期間Ｄ２では、ＦＥＴ１１がオフとなる。ＦＥＴ１２はオフのままである。期間Ｄ２では、ＦＥＴ１１をオフにすることにより、キャパシタＣｓ（２１）が充電され、励磁電流が維持される。なお、キャパシタ２１が共振用のキャパシタであることを表すため、キャパシタ２１をキャパシタＣｓとも称する。キャパシタＣｓの充電に伴ってトランス３０（１次巻線及び２次巻線）の電圧は減少し、負荷電流は減少する。トランス３０の電圧が減少し、負になると、ダイオード４１は逆バイアスとなり、非導通となる。ダイオード４１に流れていた負荷電流はダイオード４２を介して流れるようになる。
FIG. 4 is an explanatory diagram illustrating an example of an operation state in the period D2 of the power supply device 100 according to the present embodiment. In the period D2, the FET 11 is turned off. The FET 12 remains off. In the period D2, by turning off the FET 11, the capacitor Cs (21) is charged and the exciting current is maintained. In order to indicate that the capacitor 21 is a resonance capacitor, the capacitor 21 is also referred to as a capacitor Cs. As the capacitor Cs is charged, the voltage of the transformer 30 (primary winding and secondary winding) decreases, and the load current decreases. When the voltage of the transformer 30 decreases and becomes negative, the diode 41 becomes reverse biased and becomes non-conductive. The load current flowing in the diode 41 flows through the diode 42.
図５は本実施の形態の電源装置１００の期間Ｄ３での動作状態の一例を示す説明図である。期間Ｄ３では、ＦＥＴ１２がオンとなる。ＦＥＴ１１はオフのままである。期間Ｄ３では、ＦＥＴ１２がオンになるので、トランス３０には、キャパシタ２２の電圧が逆方向（負の電圧の方向）に印加され、トランス３０の励磁電流は減少し、トランス３０の励磁をリセットする状態に移行する。そして、トランス３０の励磁電流が逆転し（負になる、電流方向が逆になる）、キャパシタ２２に蓄えられたエネルギーが放出され、トランス３０の漏れインダクタンスＬｓにエネルギーが蓄積される。
FIG. 5 is an explanatory diagram illustrating an example of an operation state in the period D3 of the power supply device 100 according to the present embodiment. In the period D3, the FET 12 is turned on. The FET 11 remains off. In the period D3, since the FET 12 is turned on, the voltage of the capacitor 22 is applied to the transformer 30 in the reverse direction (negative voltage direction), the exciting current of the transformer 30 decreases, and the excitation of the transformer 30 is reset. Transition to the state. Then, the excitation current of the transformer 30 reverses (becomes negative, the current direction is reversed), the energy stored in the capacitor 22 is released, and the energy is stored in the leakage inductance Ls of the transformer 30.
図２に示すように、ＦＥＴ１２のオンの期間（期間Ｄ３）の途中でトランス３０の励磁電流が逆転し（正極性から負極性になり電流方向が逆になる）、負極性での磁気飽和状態に向かって励磁電流が直線的に負方向に増加する。期間Ｄ２から期間Ｄ３への移行時、すなわちＦＥＴ１２がオフからオンになる時点では、トランス３０の電流は励磁電流に等しい。また、期間Ｄ３の開始時点での励磁電流は正極性の最大値となっている。
As shown in FIG. 2, the exciting current of the transformer 30 reverses during the on period (period D3) of the FET 12 (from positive polarity to negative polarity and the current direction is reversed), and the magnetic saturation state at the negative polarity The excitation current increases linearly in the negative direction. At the transition from the period D2 to the period D3, that is, when the FET 12 is turned on from off, the current of the transformer 30 is equal to the exciting current. Further, the exciting current at the start of the period D3 has a maximum value of positive polarity.
図６は本実施の形態の電源装置１００の期間Ｄ４での動作状態の一例を示す説明図である。期間Ｄ４では、ＦＥＴ１２をオフにし、ＦＥＴ１１はオフのままである。期間Ｄ４では、トランス３０（より具体的には、漏れインダクタンスＬｓ）及びキャパシタＣｓによる共振が発生する。ダイード４２には、負荷に流れる負荷電流Ｉｌ（図中、実線で示す）、トランス３０の励磁電流Ｉｍ（図中、破線で示す）、トランス３０（トランス３０の漏れインダクタンスＬｓ）及びキャパシタＣｓの共振による共振電流Ｉｒ（図中、一点鎖線で示す）が流れる。すなわち、トランス３０に流れる電流は共振する。
FIG. 6 is an explanatory diagram illustrating an example of an operation state in the period D4 of the power supply device 100 according to the present embodiment. In the period D4, the FET 12 is turned off, and the FET 11 remains off. In the period D4, resonance occurs due to the transformer 30 (more specifically, the leakage inductance Ls) and the capacitor Cs. The diode 42 includes a load current Il flowing through the load (shown by a solid line in the figure), an excitation current Im of the transformer 30 (shown by a broken line in the figure), a transformer 30 (a leakage inductance Ls of the transformer 30), and a resonance of the capacitor Cs. Resonance current Ir (indicated by a one-dot chain line in the figure) flows. That is, the current flowing through the transformer 30 resonates.
負荷電流Ｉｌは、ダイオード４２、インダクタ６１、負荷の閉ループを流れる。負荷電流Ｉｌは、例えば、インダクタ６１のインダクタンスを比較的大きくすることにより、一定の値となる。
The load current Il flows through the diode 42, the inductor 61, and the closed loop of the load. For example, the load current Il becomes a constant value by relatively increasing the inductance of the inductor 61.
励磁電流Ｉｍは、トランス３０、ダイオード４２、４１の閉ループを流れる。期間Ｄ４において、励磁インダクタンスＬｍに印加される電圧がほぼゼロであるため、励磁電流Ｉｍは維持される。
The exciting current Im flows through the closed loop of the transformer 30 and the diodes 42 and 41. In the period D4, since the voltage applied to the excitation inductance Lm is substantially zero, the excitation current Im is maintained.
図２に示したように、トランス３０の励磁電流は期間Ｄ３において直線的に負方向に増加する。そこで、本実施の形態では、期間Ｄ３において、負極性でのトランス３０の磁気飽和を、トランス３０が磁気飽和する前に判定する。なお、負極性とは、トランス３０の励磁をリセットする期間における電流の極性を表すということもできる。以下、負極性でトランス３０が磁気飽和するか否かの判定方法について説明する。
As shown in FIG. 2, the exciting current of the transformer 30 increases linearly in the negative direction in the period D3. Therefore, in the present embodiment, in the period D3, the magnetic saturation of the transformer 30 in the negative polarity is determined before the transformer 30 is magnetically saturated. The negative polarity can also be said to represent the polarity of current during the period in which the excitation of the transformer 30 is reset. Hereinafter, a method for determining whether or not the transformer 30 is negatively saturated and magnetically saturated will be described.
判定部５３は、ＦＥＴ１２がオンの期間であってトランス３０の電流が正となる任意の時点にて電流取得部５１で取得した電流及び所定の電流閾値に基づいて、負極性でのトランス３０が磁気飽和するか否かを判定する。
Based on the current acquired by the current acquisition unit 51 and the predetermined current threshold at any time when the current of the transformer 30 is positive during the period when the FET 12 is on, the determination unit 53 It is determined whether or not magnetic saturation occurs.
ＦＥＴ１２がオフからオン（図２の期間Ｄ２の終りから期間Ｄ３の開始）になると、トランス３０の電流は励磁電流となる。トランス３０には、キャパシタ２２の電圧が逆方向（負の電圧の方向）に印加され、トランス３０の電流は減少する。このとき、トランス３０の励磁電流も減少し、トランス３０の励磁をリセットする状態に向かって移行する。そして、ＦＥＴ１２のオンの期間（期間Ｄ３）の途中でトランス３０の励磁電流が逆転し（正極性から負極性になり電流方向が逆になる）、負極性での磁気飽和状態に向かって励磁電流が負方向に増加する。
When the FET 12 is turned on from off (from the end of the period D2 in FIG. 2 to the start of the period D3), the current of the transformer 30 becomes an exciting current. The voltage of the capacitor 22 is applied to the transformer 30 in the reverse direction (negative voltage direction), and the current of the transformer 30 decreases. At this time, the exciting current of the transformer 30 also decreases, and a transition is made to a state in which the excitation of the transformer 30 is reset. Then, the exciting current of the transformer 30 reverses in the middle of the FET 12 ON period (period D3) (from the positive polarity to the negative polarity and the current direction is reversed), and the exciting current toward the magnetic saturation state at the negative polarity. Increases in the negative direction.
ＦＥＴ１２のオンの期間での励磁電流の時間的変化は、直線的であると考えられるので、トランス３０の電流が正となる任意の時点において電流取得部５１で取得したトランス３０の電流が大きいほど、負極性での磁気飽和に到達する可能性は低くなり、逆に、トランス３０の電流が正となる任意の時点において電流取得部５１で取得したトランス３０の電流が小さいほど、負極性での磁気飽和に到達する可能性は高くなる傾向がある。
Since the temporal change in the excitation current during the on-period of the FET 12 is considered to be linear, the larger the current of the transformer 30 acquired by the current acquisition unit 51 at any time when the current of the transformer 30 becomes positive, the larger the current is. The possibility of reaching the magnetic saturation at the negative polarity is low, and conversely, the smaller the current of the transformer 30 acquired by the current acquisition unit 51 at any time when the current of the transformer 30 becomes positive, The likelihood of reaching magnetic saturation tends to increase.
従って、判定部５３は、ＦＥＴ１２がオンの期間であってトランス３０の電流が正となる任意の時点において電流取得部５１で取得した電流及び所定の電流閾値に基づいて、負極性でのトランス３０が磁気飽和するか否かを判定することができる。
Therefore, the determination unit 53 is a negative-polarity transformer 30 based on the current acquired by the current acquisition unit 51 and the predetermined current threshold at any time when the current of the transformer 30 is positive while the FET 12 is on. It can be determined whether or not is magnetically saturated.
制御部５０は、判定部５３の判定結果に基づいてＦＥＴ１２をオフすべく制御する。例えば、判定部５３で磁気飽和となると判定した場合、制御部５０は、磁気飽和となる前にＦＥＴ１２をオフすることができる。これにより、負極性でのトランス３０の磁気飽和を未然に防止することができる。
The control unit 50 controls the FET 12 to be turned off based on the determination result of the determination unit 53. For example, when the determination unit 53 determines that magnetic saturation occurs, the control unit 50 can turn off the FET 12 before magnetic saturation occurs. Thereby, magnetic saturation of the transformer 30 with negative polarity can be prevented in advance.
また、制御部５０は、所定のデューティ比（例えば、Ｄ３／Ｔ）でＦＥＴ１２のオン／オフを制御するとする。制御部５０は、判定部５３が磁気飽和すると判定した場合、当該デューティ比を小さくしてトランス３０が磁気飽和する時点よりも前の時点でＦＥＴ１２をオフにする。これにより、トランス３０が磁気飽和しない範囲でデューティ比を大きくすることができるので、トランス３０が磁気飽和することなく、出力電力の低下を抑制することができる。
Suppose that the control unit 50 controls the on / off of the FET 12 with a predetermined duty ratio (for example, D3 / T). When the determination unit 53 determines that magnetic saturation occurs, the control unit 50 decreases the duty ratio and turns off the FET 12 at a time before the time when the transformer 30 is magnetically saturated. As a result, the duty ratio can be increased within a range in which the transformer 30 is not magnetically saturated, so that a decrease in output power can be suppressed without the transformer 30 being magnetically saturated.
次に、負極性においてトランス３０が磁気飽和するか否かの判定方法についてより具体的に説明する。
Next, a method for determining whether or not the transformer 30 is magnetically saturated in the negative polarity will be described more specifically.
図７は本実施の形態の電源装置１００によるトランス３０の磁気飽和の判定方法の第１例を示す説明図である。上段の図は、所定のデューティ比でオン／オフされるＦＥＴ１２のオン期間（前述の期間Ｄ３に相当）を示し、中段の図は、トランス３０の励磁電流（トランス電流）を示し、下段の図は、トランス３０が磁気飽和するか否かの判定結果に基づいて、制御部５０が制御するＦＥＴ１２のゲート電圧を示す。ＦＥＴ１２のオン期間の長さをＤｔとする。時点ｔ１にてＦＥＴ１２がオンし、時点ｔ３でＦＥＴ１２がオフするとする。
FIG. 7 is an explanatory diagram showing a first example of a method for determining the magnetic saturation of the transformer 30 by the power supply device 100 of the present embodiment. The upper diagram shows the ON period (corresponding to the aforementioned period D3) of the FET 12 that is turned on / off at a predetermined duty ratio, the middle diagram shows the exciting current (transformer current) of the transformer 30, and the lower diagram. Indicates the gate voltage of the FET 12 controlled by the control unit 50 based on the determination result of whether or not the transformer 30 is magnetically saturated. The length of the on period of the FET 12 is Dt. It is assumed that the FET 12 is turned on at time t1, and the FET 12 is turned off at time t3.
図７に示すように、特定部５２は、ＦＥＴ１２がオフする時点ｔ３でトランス３０の励磁電流が所定の限界値Ｉｍａｘに到達するとしたときに、ＦＥＴ１２がオンする時点ｔ１でのトランス３０の電流Ｉｍ１と、ＦＥＴ１２がオフする時点ｔ３での限界値Ｉｍａｘとに基づいて、トランス３０の電流の時間的変化特性を特定する。なお、電流Ｉｍ１は、電流センサ７１で検出することができる。また、限界値Ｉｍａｘは、トランス３０の仕様等によって予め算出することができる。
As shown in FIG. 7, when the exciting current of the transformer 30 reaches a predetermined limit value Imax at the time point t3 when the FET 12 is turned off, the specifying unit 52 determines the current Im1 of the transformer 30 at the time point t1 when the FET 12 is turned on. And the temporal change characteristic of the current of the transformer 30 based on the limit value Imax at the time point t3 when the FET 12 is turned off. The current Im1 can be detected by the current sensor 71. Further, the limit value Imax can be calculated in advance according to the specifications of the transformer 30 and the like.
所定の限界値Ｉｍａｘは、トランス３０が磁気飽和するときの負極性での励磁電流とすることができる。ＦＥＴ１２がオンする時点ｔ１でのトランス３０の電流Ｉｍ１は、正極性での励磁電流の最大値となる。
The predetermined limit value Imax can be an excitation current with a negative polarity when the transformer 30 is magnetically saturated. The current Im1 of the transformer 30 at the time point t1 when the FET 12 is turned on becomes the maximum value of the excitation current in the positive polarity.
トランス３０の電流の時間的変化特性（すなわち、励磁電流の時間的変化特性）は、時間と電流との二次元平面において、ＦＥＴ１２がオンする時点ｔ１での励磁電流が最大値Ｉｍ１となる点と、ＦＥＴ１２がオフする時点ｔ３での励磁電流が限界値Ｉｍａｘとなる点とを結ぶ仮想直線で表すことができる。トランス３０の電流の時間的変化特性は、磁気飽和する境界での電流特性ということができる。
The temporal change characteristic of the current of the transformer 30 (that is, the temporal change characteristic of the excitation current) is that the excitation current at the time point t1 when the FET 12 is turned on becomes the maximum value Im1 on the two-dimensional plane of time and current. , And can be represented by an imaginary straight line connecting a point at which the exciting current at the time point t3 when the FET 12 is turned off becomes the limit value Imax. It can be said that the temporal change characteristic of the current of the transformer 30 is a current characteristic at a boundary where magnetic saturation occurs.
電流閾値Ｉｔｈは、特定部５２で特定した時間的変化特性での任意の時点ｔ２に対応する電流である。すなわち、任意の時点ｔ２で取得した励磁電流が、時間的変化特性（磁気飽和する境界での電流特性）である仮想直線上にある場合、ＦＥＴ１２がオフする時点ｔ３でトランス３０が磁気飽和するという、磁気飽和するか否かの境界にあるといえ、この時間的変化特性上に電流閾値Ｉｔｈを設定することができる。
The current threshold Ith is a current corresponding to an arbitrary time point t2 in the temporal change characteristic specified by the specifying unit 52. That is, when the excitation current acquired at an arbitrary time t2 is on a virtual straight line that is a temporal change characteristic (current characteristic at the boundary where magnetic saturation occurs), the transformer 30 is magnetically saturated at the time t3 when the FET 12 is turned off. The current threshold value Ith can be set on this temporal change characteristic even when the magnetic saturation occurs.
判定部５３は、任意の時点ｔ２にて電流取得部５１で取得した電流Ｉｍ２が電流閾値Ｉｔｈ以下である場合、トランス３０が磁気飽和すると判定することができる。
The determination unit 53 can determine that the transformer 30 is magnetically saturated when the current Im2 acquired by the current acquisition unit 51 at an arbitrary time point t2 is equal to or less than the current threshold Ith.
図７に示すように、任意の時点ｔ２において取得した電流Ｉｍ２が電流閾値Ｉｔｈ以下である場合、ＦＥＴ１２がオフする時点ｔ３よりも前の時点ｔ３′で励磁電流は限界値Ｉｍａｘに到達するので、トランス３０が磁気飽和すると判定することができる。
As shown in FIG. 7, when the current Im2 acquired at an arbitrary time point t2 is equal to or smaller than the current threshold value Ith, the excitation current reaches the limit value Imax at a time point t3 ′ before the time point t3 when the FET 12 is turned off. It can be determined that the transformer 30 is magnetically saturated.
この場合、制御部５０は、トランス３０の励磁電流が限界値Ｉｍａｘに到達する時点ｔ３′よりも前の時点でＦＥＴ１２をオフにする。なお、制御部５０は、時点ｔ３′でＦＥＴ１２をオフするようにしてもよい。これにより、負極性においてトランス３０が磁気飽和しない範囲でデューティ比を大きくすることができるので、トランス３０が磁気飽和することなく、出力電力の低下を抑制することができる。
In this case, the control unit 50 turns off the FET 12 at a time before time t3 ′ when the exciting current of the transformer 30 reaches the limit value Imax. The control unit 50 may turn off the FET 12 at time t3 ′. Thereby, since the duty ratio can be increased within a range where the transformer 30 is not magnetically saturated in the negative polarity, it is possible to suppress a decrease in output power without the transformer 30 being magnetically saturated.
また、励磁電流が限界値に至る時点が分かるので、トランス３０の余裕度を少なくして小型化を図ることも可能となる。
Also, since the point in time when the exciting current reaches the limit value is known, it is possible to reduce the margin of the transformer 30 and reduce the size.
なお、トランス３０の飽和磁束密度をＢｍａｘとし、コアの断面積をＡとし、励磁インダクタンスをＬｍとし、励磁電流をＩｍとし、トランス３０の１次巻線の巻線数をｎとし、トランス３０の磁束をΦとすると、磁束Φは、Φ＝ｎ×Ｌｍ×Ｉｍで表すことができ、磁気飽和する条件は、｜Φ｜／Ａ≧Ｂｍａｘという式で表すことができる。
Note that the saturation magnetic flux density of the transformer 30 is Bmax, the cross-sectional area of the core is A, the excitation inductance is Lm, the excitation current is Im, the number of turns of the primary winding of the transformer 30 is n, When the magnetic flux is Φ, the magnetic flux Φ can be expressed by Φ = n × Lm × Im, and the condition for magnetic saturation can be expressed by the equation | Φ | / A ≧ Bmax.
図８は本実施の形態の電源装置１００によるトランス３０の磁気飽和の判定方法の第２例を示す説明図である。上段の図は、所定のデューティ比でオン／オフされるＦＥＴ１２のオン期間（前述の期間Ｄ３に相当）を示し、中段の図は、トランス３０の励磁電流（トランス電流）を示し、下段の図は、トランス３０が磁気飽和するか否かの判定結果に基づいて、制御部５０が制御するＦＥＴ１２のゲート電圧を示す。
FIG. 8 is an explanatory diagram showing a second example of a method for determining the magnetic saturation of the transformer 30 by the power supply device 100 of the present embodiment. The upper diagram shows the ON period (corresponding to the aforementioned period D3) of the FET 12 that is turned on / off at a predetermined duty ratio, the middle diagram shows the exciting current (transformer current) of the transformer 30, and the lower diagram. Indicates the gate voltage of the FET 12 controlled by the control unit 50 based on the determination result of whether or not the transformer 30 is magnetically saturated.
判定部５３は、任意の時点ｔ２にて電流取得部５１で取得した電流Ｉｍ２が電流閾値Ｉｔｈより大きい場合、トランス３０が磁気飽和しないと判定することができる。
The determination unit 53 can determine that the transformer 30 is not magnetically saturated when the current Im2 acquired by the current acquisition unit 51 at an arbitrary time point t2 is larger than the current threshold Ith.
図７に示すように、任意の時点ｔ２において取得した電流Ｉｍ２が電流閾値Ｉｔｈより大きい場合、ＦＥＴ１２がオフする時点ｔ３では、励磁電流は限界値Ｉｍａｘに到達しないので、トランス３０が磁気飽和しないと判定することができる。
As shown in FIG. 7, when the current Im2 acquired at an arbitrary time t2 is larger than the current threshold Ith, the excitation current does not reach the limit value Imax at the time t3 when the FET 12 is turned off. Can be determined.
この場合、制御部５０は、所定のデューティ比を変えることなく、ＦＥＴ１２のオン／オフを制御することができる。
In this case, the control unit 50 can control ON / OFF of the FET 12 without changing the predetermined duty ratio.
図９は本実施の形態の電源装置１００の制御方法の処理手順の一例を示すフローチャートである。制御部５０は、ＦＥＴ１１、ＦＥＴ１２を所定のデューティ比でオン／オフする（Ｓ１１）。制御部５０は、ＦＥＴ１２がオフからオンになったか否かを判定し（Ｓ１２）、ＦＥＴ１２がオンになっていない場合（Ｓ１２でＮＯ）、ステップＳ１２の処理を続ける。なお、制御部５０は、ＦＥＴ１１、１２をオンさせるためのゲート電圧の出力を制御するので、ＦＥＴ１２へのゲート電圧の出力の時点でＦＥＴ１２がオンすることが分かる。
FIG. 9 is a flowchart showing an example of the processing procedure of the control method of the power supply apparatus 100 of the present embodiment. The controller 50 turns on / off the FET 11 and FET 12 at a predetermined duty ratio (S11). The controller 50 determines whether or not the FET 12 has been turned on from off (S12). If the FET 12 has not been turned on (NO in S12), the process of step S12 is continued. Since the control unit 50 controls the output of the gate voltage for turning on the FETs 11 and 12, it can be seen that the FET 12 is turned on at the time when the gate voltage is output to the FET 12.
ＦＥＴ１２がオンになった場合（Ｓ１２でＹＥＳ）、制御部５０は、トランス３０が磁気飽和する境界でのトランス電流特性（単に電流特性ともいう）を特定し（Ｓ１３）、所要の電流取得時点（例えば、図７、図８での時点ｔ２）での電流閾値Ｉｔｈを特定する（Ｓ１４）。
When the FET 12 is turned on (YES in S12), the control unit 50 identifies a transformer current characteristic (also simply referred to as a current characteristic) at the boundary where the transformer 30 is magnetically saturated (S13), and obtains a required current acquisition time point (S13). For example, the current threshold Ith at time t2) in FIGS. 7 and 8 is specified (S14).
制御部５０は、電流取得時点になったか否かを判定し（Ｓ１５）、電流取得時点になっていない場合（Ｓ１５でＮＯ）、ステップＳ１５の処理を続ける。電流取得時点になった場合（Ｓ１５でＹＥＳ）、制御部５０は、トランス３０の電流を取得する（Ｓ１６）。
The control unit 50 determines whether or not the current acquisition time is reached (S15), and when the current acquisition time is not reached (NO in S15), the process of step S15 is continued. When the current acquisition time is reached (YES in S15), the control unit 50 acquires the current of the transformer 30 (S16).
制御部５０は、取得した電流値が電流閾値以下であるか否かを判定する（Ｓ１７）。取得した電流値が電流閾値以下である場合（Ｓ１７でＹＥＳ）、制御部５０は、トランス３０が磁気飽和する時点よりも前の時点でＦＥＴ１２をオフする（Ｓ１８）。
The control unit 50 determines whether or not the acquired current value is equal to or less than the current threshold (S17). When the acquired current value is equal to or less than the current threshold (YES in S17), the control unit 50 turns off the FET 12 at a time before the time when the transformer 30 is magnetically saturated (S18).
取得した電流値が電流閾値より大きい場合（Ｓ１７でＮＯ）、制御部５０は、所定のデューティ比に基づいてＦＥＴ１２をオフする（Ｓ１９）。制御部５０は、処理を終了するか否かを判定し（Ｓ２０）、処理を終了しない場合（Ｓ２０でＮＯ）、ステップＳ１１以降の処理を繰り返す。処理を終了する場合（Ｓ２０でＹＥＳ）、制御部５０は、ＦＥＴ１１、ＦＥＴ１２のスイッチングを停止して処理を終了する。
When the acquired current value is larger than the current threshold value (NO in S17), the control unit 50 turns off the FET 12 based on a predetermined duty ratio (S19). The control unit 50 determines whether or not to end the process (S20). If the process is not ended (NO in S20), the process after step S11 is repeated. When the process ends (YES in S20), the control unit 50 stops the switching of the FET 11 and FET 12 and ends the process.
本実施の形態の電源装置１００の制御方法は、制御部５０を、例えば、ＣＰＵ（プロセッサ）、ＲＡＭ（メモリ）などで構成し、図９に示すような、各処理の手順を定めたコンピュータプログラムをＲＡＭ（メモリ）にロードし、コンピュータプログラムをＣＰＵ（プロセッサ）で実行することにより、コンピュータ上で電源装置５０の制御方法を実現することができる。
In the control method of the power supply apparatus 100 according to the present embodiment, the control unit 50 is configured by, for example, a CPU (processor), a RAM (memory), and the like, and a computer program that defines the procedure of each process as shown in FIG. Is loaded into a RAM (memory), and a computer program is executed by a CPU (processor), whereby a control method of the power supply device 50 can be realized on the computer.
上述のように、本実施の形態では、正極性の電流しか検出することができない電流センサ７１を用いて、負極性でのトランス３０の磁気飽和を、トランス３０が磁気飽和になる前に判定することができるので、負極性の磁気飽和を未然に防止することができる。
As described above, in the present embodiment, the current sensor 71 that can detect only a positive current is used to determine the magnetic saturation of the transformer 30 in the negative polarity before the transformer 30 becomes magnetic saturated. Therefore, negative magnetic saturation can be prevented beforehand.
また、仮に負極性の電流を検出することができる電流センサを用いる場合でも、トランス３０に流れる励磁電流は負荷電流に比べて極めて小さいので、負極性用に電流増幅器などの付加回路素子を具備する必要があり、コストアップになる。本実施の形態では、正極性用の電流センサを用いて、コストアップすることなく、負極性での磁気飽和を判定することができる。
Even when a current sensor capable of detecting a negative current is used, the excitation current flowing through the transformer 30 is extremely small compared to the load current, and therefore an additional circuit element such as a current amplifier is provided for the negative polarity. It is necessary and the cost increases. In the present embodiment, the magnetic saturation at the negative polarity can be determined without increasing the cost by using the current sensor for the positive polarity.
スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴに限定されるものではなく、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などのデバイスであってもよい。本実施の形態のように、スイッチング素子が、ＭＯＳＦＥＴの場合には、ドレイン・ソース間には等価的に内蔵されたボディダイオードが存在する。また、スイッチング素子として、バイポーラトランジスタを用いる場合には、トランジスタのコレクタ・エミッタ間にダイオードを逆並列に接続すればよい。
The switching element is not limited to a MOSFET, but may be a device such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor). In the case where the switching element is a MOSFET as in the present embodiment, there is an equivalently incorporated body diode between the drain and source. When a bipolar transistor is used as the switching element, a diode may be connected in antiparallel between the collector and emitter of the transistor.
本実施の形態では、電源装置として、図１に示したようなＤＣ／ＤＣコンバータの構成を例に挙げて説明したが、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成は図１に例示した構成に限定されるものではなく、トランスの一次巻線に直列にスイッチング素子が接続され、トランスの磁気リセットが行われるような構成であればよい。
In the present embodiment, the configuration of the DC / DC converter as illustrated in FIG. 1 is described as an example of the power supply device. However, the configuration of the DC / DC converter is limited to the configuration illustrated in FIG. Instead, any configuration may be used as long as the switching element is connected in series to the primary winding of the transformer and the transformer is magnetically reset.
以上に開示された実施の形態及び実施例は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考慮されるべきである。本発明の範囲は、以上の実施の形態及び実施例ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味及び範囲内での全ての修正や変形を含むものと意図される。
It should be considered that the embodiments and examples disclosed above are illustrative and non-restrictive in every respect. The scope of the present invention is shown not by the above embodiments and examples but by the scope of claims, and is intended to include all modifications and variations within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.
１１、１２ ＦＥＴ
２１、２２、２３ キャパシタ
３０ トランス
３１ １次巻線
３２ ２次巻線
４１、４２ ダイオード
５０ 制御部
５１ 電流取得部
５２ 特定部
５３ 判定部
６１ インダクタ
11, 12 FET
21, 22, 23Capacitor 30 Transformer 31 Primary winding 32 Secondary winding 41, 42 Diode 50 Control unit 51 Current acquisition unit 52 Identification unit 53 Determination unit 61 Inductor
２１、２２、２３ キャパシタ
３０ トランス
３１ １次巻線
３２ ２次巻線
４１、４２ ダイオード
５０ 制御部
５１ 電流取得部
５２ 特定部
５３ 判定部
６１ インダクタ
11, 12 FET
21, 22, 23
Claims (5)
- トランスと、該トランスの一次巻線に直列に接続された第１のスイッチング素子と、該第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のキャパシタと、前記一次巻線に並列に接続された第２のスイッチング素子及び第２のキャパシタの直列回路と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御部とを備える電源装置であって、
前記トランスの電流を取得する電流取得部と、
前記第２のスイッチング素子がオンの期間であって前記トランスの電流が正となる任意の時点にて前記電流取得部で取得した電流及び所定の電流閾値に基づいて前記トランスが磁気飽和するか否かを判定する判定部と
を備え、
前記制御部は、
前記判定部の判定結果に基づいて前記第２のスイッチング素子をオフすべく制御する電源装置。 A transformer, a first switching element connected in series to the primary winding of the transformer, a first capacitor connected in parallel to the first switching element, and connected in parallel to the primary winding A power supply device comprising a series circuit of a second switching element and a second capacitor, and a control unit that controls on / off of the first switching element and the second switching element,
A current acquisition unit for acquiring the current of the transformer;
Whether or not the transformer is magnetically saturated based on the current acquired by the current acquisition unit and a predetermined current threshold at any time when the current of the transformer is positive while the second switching element is on A determination unit for determining whether or not
The controller is
A power supply apparatus that controls to turn off the second switching element based on a determination result of the determination unit. - 前記第２のスイッチング素子がオフする時点で前記トランスの励磁電流が所定の限界値に到達するとしたときに、前記第２のスイッチング素子がオンする時点での前記トランスの電流と前記第２のスイッチング素子がオフする時点での前記限界値とに基づいて、前記トランスの電流の時間的変化特性を特定する特定部を備え、
前記電流閾値は、
前記特定部で特定した時間的変化特性での前記任意の時点に対応する電流である請求項１に記載の電源装置。 When the exciting current of the transformer reaches a predetermined limit value when the second switching element is turned off, the current of the transformer and the second switching when the second switching element is turned on Based on the limit value at the time when the element is turned off, a specifying unit that specifies a temporal change characteristic of the current of the transformer,
The current threshold is
The power supply device according to claim 1, wherein the power supply device is a current corresponding to the arbitrary time point in the temporal change characteristic specified by the specifying unit. - 前記判定部は、
前記任意の時点にて前記電流取得部で取得した電流が前記電流閾値以下である場合、前記トランスが磁気飽和すると判定する請求項１又は請求項２に記載の電源装置。 The determination unit
The power supply device according to claim 1, wherein when the current acquired by the current acquisition unit at the arbitrary time is equal to or less than the current threshold, the transformer is determined to be magnetically saturated. - 前記制御部は、
所定のデューティ比で前記第２のスイッチング素子のオン／オフを制御し、
前記判定部が磁気飽和すると判定した場合、前記デューティ比を小さくして前記トランスが磁気飽和する時点よりも前の時点で前記第２のスイッチング素子をオフにする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の電源装置。 The controller is
Controlling on / off of the second switching element at a predetermined duty ratio;
4. The device according to claim 1, wherein when the determination unit determines that the magnetic saturation occurs, the duty ratio is decreased to turn off the second switching element at a time before the magnetic saturation of the transformer. The power supply device according to any one of the above. - トランスと、該トランスの一次巻線に直列に接続された第１のスイッチング素子と、該第１のスイッチング素子に並列に接続された第１のキャパシタと、前記一次巻線に並列に接続された第２のスイッチング素子及び第２のキャパシタの直列回路と、前記第１のスイッチング素子及び第２のスイッチング素子のオン／オフを制御する制御部とを備える電源装置の制御方法であって、
前記トランスの電流を電流取得部が取得し、
前記第２のスイッチング素子がオンの期間であって前記トランスの電流が正となる任意の時点にて前記電流取得部が取得した電流及び所定の電流閾値に基づいて前記トランスが磁気飽和するか否かを判定部が判定し、
前記判定部の判定結果に基づいて前記第２のスイッチング素子をオフすべく前記制御部が制御する電源装置の制御方法。
A transformer, a first switching element connected in series to the primary winding of the transformer, a first capacitor connected in parallel to the first switching element, and connected in parallel to the primary winding A control method of a power supply apparatus comprising: a series circuit of a second switching element and a second capacitor; and a control unit that controls on / off of the first switching element and the second switching element,
The current acquisition unit acquires the current of the transformer,
Whether or not the transformer is magnetically saturated based on the current acquired by the current acquisition unit and a predetermined current threshold at any time when the current of the transformer is positive while the second switching element is on The determination unit determines whether
The control method of the power supply device which the said control part controls so that the said 2nd switching element may be turned off based on the determination result of the said determination part.
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