JP6812752B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、過電流保護が可能なスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device capable of overcurrent protection.
スイッチング電源装置において、所望の電圧を得るために複数のコンバータを直列に接続する構成を取る場合がある。図9に、二段のコンバータを備えたスイッチング電源装置の構成例を示す。スイッチング電源装置101は、一次側回路25と、二次側回路70と、トランス60を備え、入力端子INから入力した電力を変換して、出力端子OUTに出力する。一次側回路25には、二段のコンバータ、すなわち前段の第一コンバータ10と、後段の第二コンバータ15を設ける。第二コンバータ15は、いわゆるLLC直列共振コンバータであり、スイッチング回路30と、直列共振回路50を有する。
In a switching power supply device, a plurality of converters may be connected in series in order to obtain a desired voltage. FIG. 9 shows a configuration example of a switching power supply device including a two-stage converter. The switching
さて二次側回路70や出力端子OUT側で短絡が生じた場合、二次側回路70が低抵抗となって大電流が流れる可能性がある。その場合、トランス60で結合された一次側回路25でも平滑コンデンサ20に蓄積される電荷が一気に放出されて、スイッチング回路30を構成するスイッチ素子Q1〜Q4に大電流が流れ、スイッチ素子を破損することがありうる。このような過電流による故障を回避するために、スイッチング電源装置101の制御部90は、一次側回路25中、第二コンバータ15に電流検出回路45を設けて、図10に示すような処理をおこなっている。
If a short circuit occurs in the
図10は、過電流保護のためのフローチャートである。カレント・トランス40を含む電流検出回路45で、第二コンバータ15を流れる電流を検出し(ステップT10)、平均電流を検出する(ステップT20)。その後、ステップT30に進み、平均電流が所定の閾値以上かどうかを制御部90が判定する。平均電流が所定の閾値未満の場合(NOの場合)、最初(ステップT10)に戻る。一方、平均電流が所定の閾値以上の場合(YESの場合)、制御部90は、第一コンバータ10のスイッチ素子を制御して第一コンバータ10の出力電圧を下げる制御を行うことで、第二コンバータ15に流れる電流値を下げる(ステップT40)。また制御部90は、第二コンバータ15のスイッチ素子をPFM(Pulse Frequency Modulation)制御をしてスイッチング周波数を上げる制御をおこない、伝達効率を落として電流を抑制する(ステップT50)。
FIG. 10 is a flowchart for overcurrent protection. The
しかしながら、前段の第一コンバータにおけるスイッチ素子のスイッチング制御の応答性が悪く、前段出力電圧の低減制御まで時間が掛かってしまう場合があり、そのような場合には、後段の第二コンバータに過電流が過渡的に流れてしまうという課題があった。また第二コンバータが図9で示したようなLLC直列共振コンバータの場合、スイッチング周波数をPFM制御するための制御回路が複雑になる欠点があった。 However, the responsiveness of the switching control of the switch element in the first converter in the previous stage is poor, and it may take time to reduce the output voltage in the previous stage. In such a case, the second converter in the second stage is overcurrent. There was a problem that the flow was transient. Further, when the second converter is an LLC series resonance converter as shown in FIG. 9, there is a drawback that the control circuit for controlling the switching frequency by PFM becomes complicated.
本発明は、斯かる実情に鑑み、構成が簡単なPWM(Pulse Width Modulation)制御により、過電流保護が可能なスイッチング電源装置を提供しようとするものである。 In view of such circumstances, the present invention intends to provide a switching power supply device capable of overcurrent protection by PWM (Pulse Width Modulation) control having a simple configuration.
(1)本発明は、少なくとも二つのスイッチ素子を含むコンバータを有する一次側回路と、整流平滑回路を有する二次側回路と、前記一次側回路と前記二次側回路を結合するトランスと、前記一次側回路、又は、前記二次側回路に、回路を流れる電流の電流値を検出する電流検出回路を有し、前記電流検出回路で検出される前記電流値に基づいて前記スイッチ素子の駆動パルスの導通幅を制御する制御部を備えることを特徴とするスイッチング電源装置を提供する。 (1) In the present invention, a primary side circuit having a converter including at least two switch elements, a secondary side circuit having a rectifying smoothing circuit, a transformer connecting the primary side circuit and the secondary side circuit, and the above. The primary side circuit or the secondary side circuit has a current detection circuit that detects the current value of the current flowing through the circuit, and the drive pulse of the switch element is based on the current value detected by the current detection circuit. Provided is a switching power supply device including a control unit for controlling the conduction width of the above.
上記(1)に記載する発明によれば、一次側回路、又は、二次側回路に、回路を流れる電流の電流値を検出する電流検出回路を有しているので、短絡事故その他の原因で、一次側回路に適切でない電流が流れる可能性があることを検出した場合に、コンバータのスイッチ素子を駆動する駆動パルスのパルス幅を制御することで、スイッチ素子に流れる電流を抑制し、過電流によるスイッチ素子の故障を防ぐことができるという顕著な効果を奏する。 According to the invention described in (1) above, since the primary side circuit or the secondary side circuit has a current detection circuit for detecting the current value of the current flowing through the circuit, it may cause a short circuit accident or other causes. By controlling the pulse width of the drive pulse that drives the switch element of the converter when it is detected that an inappropriate current may flow in the primary side circuit, the current flowing in the switch element is suppressed and the overcurrent is overcurrent. It has a remarkable effect that the failure of the switch element due to the current can be prevented.
(2)本発明は、定常運転状態において、前記制御部が、前記スイッチ素子を駆動する駆動パルスの導通幅を第一導通幅と定義すると、前記制御部は、前記電流検出回路で検出した電流値が所定の第一電流値以上である場合に、前記スイッチ素子を駆動する駆動パルスの導通幅を、前記第一導通幅よりも狭い第二導通幅に制御することを特徴とする上記(1)に記載のスイッチング電源装置を提供する。 (2) In the present invention, when the control unit defines the conduction width of the drive pulse for driving the switch element as the first conduction width in a steady operation state, the control unit defines the current as the current detected by the current detection circuit. When the value is equal to or greater than a predetermined first current value, the conduction width of the drive pulse for driving the switch element is controlled to a second conduction width narrower than the first conduction width (1). ) Is provided.
上記(2)に記載する発明によれば、電流検出回路で検出した電流値が所定の第一電流値以上である場合に、コンバータのスイッチ素子を駆動する駆動パルスの導通幅を、通常運転時の第一導通幅よりも狭い第二導通幅に制御するので、コンバータを流れる電流値を抑制することが可能になり、過電流保護を簡単なPWM(Pulse Width Modulation)制御回路でおこなうことができるという優れた効果を奏する。 According to the invention described in (2) above, when the current value detected by the current detection circuit is equal to or greater than the predetermined first current value, the conduction width of the drive pulse that drives the switch element of the converter is set during normal operation. Since the second conduction width is controlled to be narrower than the first conduction width, it is possible to suppress the current value flowing through the converter, and overcurrent protection can be performed by a simple PWM (Pulse Width Modulation) control circuit. It has an excellent effect.
(3)本発明は、前記制御部が、前記電流検出回路で検出した電流値が、前記第一電流値よりも小さい所定の第二電流値以下である場合に、前記導通幅を前記第一導通幅に制御することを特徴とする上記(1)または(2)に記載のスイッチング電源装置を提供する。 (3) In the present invention, when the current value detected by the control unit in the current detection circuit is equal to or less than a predetermined second current value smaller than the first current value, the conduction width is set to the first. The switching power supply device according to (1) or (2) above, which is characterized by controlling the conduction width.
上記(3)に記載する発明によれば、過電流が流れていない状態になったときに、制御部が、スイッチ素子の駆動パルスの導通幅を定常運転状態時の第一導通幅に戻すことで、コンバータの伝達効率を上げることができるという効果を奏する。 According to the invention described in (3) above, when the overcurrent is not flowing, the control unit returns the conduction width of the drive pulse of the switch element to the first conduction width in the steady operation state. This has the effect of increasing the transmission efficiency of the converter.
(4)本発明は、前記制御部が、前記導通幅を前記第二導通幅から前記第一導通幅まで連続的に増大させることを特徴とする上記(3)に記載のスイッチング電源装置を提供する。 (4) The present invention provides the switching power supply device according to (3) above, wherein the control unit continuously increases the conduction width from the second conduction width to the first conduction width. To do.
上記(4)に記載の発明によれば、流れる電流値を電流検出回路で監視しつつ、スイッチ素子の駆動パルスの導通幅を第二導通幅から第一導通幅まで連続的に増大させるので、過電流が流れること無く、定常運転状態まで制御可能になるという顕著な効果を奏する。 According to the invention described in (4) above, the conduction width of the drive pulse of the switch element is continuously increased from the second conduction width to the first conduction width while monitoring the flowing current value with the current detection circuit. It has a remarkable effect that it can be controlled up to a steady operation state without an overcurrent flowing.
(5)本発明は、前記コンバータの上流側には、さらに前段のコンバータが少なくとも一つ備えられ、所定の前段出力電圧を出力することを特徴とする上記(1)乃至(4)のうちのいずれかに記載のスイッチング電源装置を提供する。 (5) Of the above (1) to (4), the present invention is characterized in that at least one converter of the previous stage is further provided on the upstream side of the converter and a predetermined output voltage of the previous stage is output. The switching power supply device according to any one is provided.
上記(5)に記載する発明によれば、一次側回路に複数のコンバータを備える場合、
一次側回路または二次側回路を流れる電流が不適切な大きさになった場合、その値に基づいて前段のコンバータを構成するスイッチ素子を制御して、後段コンバータに流れる電流を抑制し、後段コンバータのスイッチ素子を保護することが可能になるという優れた効果を奏する。
According to the invention described in (5) above, when a plurality of converters are provided in the primary circuit,
When the current flowing through the primary side circuit or the secondary side circuit becomes an inappropriate magnitude, the switch elements that make up the converter in the previous stage are controlled based on that value to suppress the current flowing through the converter in the subsequent stage, and the latter stage. It has an excellent effect of being able to protect the switch element of the converter.
(6)本発明は、前記電流検出回路で検出した電流値が、所定の第三電流値以上である場合、前記制御部が、さらに前記前段のコンバータのスイッチ素子を制御して、前記前段のコンバータから出力される電圧を前記前段出力電圧から下げることを特徴とする上記(5)に記載のスイッチング電源装置を提供する。 (6) In the present invention, when the current value detected by the current detection circuit is equal to or higher than a predetermined third current value, the control unit further controls the switch element of the converter in the previous stage to control the switch element in the previous stage. The switching power supply device according to (5) above, wherein the voltage output from the converter is lowered from the output voltage of the previous stage.
上記(6)に記載する発明によれば、電流検出回路が過電流を検出したときに、前段コンバータの出力電圧を絞ることで、後段コンバータに流れる電流を抑制して、後段コンバータのスイッチ素子について過電流から保護することが可能になるという顕著な効果を奏する。 According to the invention described in (6) above, when the current detection circuit detects an overcurrent, the output voltage of the front-stage converter is throttled to suppress the current flowing through the rear-stage converter, and the switch element of the rear-stage converter It has the remarkable effect of being able to protect against overcurrent.
本発明によれば、一次側回路、又は、二次側回路に、回路を流れる電流の電流値を検出する電流検出回路を有しているので、短絡事故その他、二次側回路に適切でない電流が流れる可能性があることを検出した場合に、コンバータのスイッチ素子を駆動する駆動パルスのパルス幅を制御することで、スイッチ素子に流れる電流を抑制し、過電流によるスイッチ素子の故障を防ぐことができるという顕著な効果を奏する。 According to the present invention, since the primary side circuit or the secondary side circuit has a current detection circuit that detects the current value of the current flowing through the circuit, a short-circuit accident or other current that is not suitable for the secondary side circuit By controlling the pulse width of the drive pulse that drives the switch element of the converter when it is detected that there is a possibility that the current may flow, the current flowing through the switch element is suppressed and the switch element fails due to overcurrent. It has a remarkable effect of being able to.
以下、本発明の実施の形態を添付図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1〜図8は発明を実施する形態の一例であって、図中、同一の符号を付した部分は同一物を表わす。 1 to 8 are examples of embodiments in which the invention is carried out, and portions having the same reference numerals represent the same objects in the drawings.
図1に、本発明の第一実施例に係るスイッチング電源装置の回路図を示す。スイッチング電源装置1は、二段のコンバータであり、第一コンバータ10と、第二コンバータ15を有し、第二コンバータ15は、一次側回路25と、整流平滑回路を有する二次側回路70と、一次側回路25と二次側回路70を結合するトランス60を備える。二段のコンバータは、定常状態において、上流側に位置する前段の第一コンバータ10の入力端子INから入力される入力電圧を、所定の前段出力電圧に変換して出力し、第一コンバータ10から出力される前段出力電圧を、後段の第二コンバータ15の所定の後段出力電圧に変換する。第二コンバータ15は、平滑コンデンサ20と、スイッチ素子Q1〜Q4を含むフルブリッジのスイッチング回路30と、スイッチング回路30とトランス60を直列共振回路50を介して接続する回路を流れる電流の電流値を検出する電流検出回路45を有する。電流検出回路45は、カレント・トランス40を備える。
FIG. 1 shows a circuit diagram of a switching power supply device according to a first embodiment of the present invention. The switching
スイッチング電源装置1は、電流検出回路45で検出される電流値に基づいて第二コンバータのスイッチング回路30に含まれるスイッチ素子を駆動する駆動パルスの導通幅を制御する制御部80を更に備える。換言すると、制御部80は、PWM(Pulse Width Modulation)制御可能となっている。
The switching
なお制御部80は、電流検出回路45で検出した電流値が、少なくとも所定の第一電流値以上である場合、前段の第一コンバータ10のスイッチ素子を制御して、第一コンバータ10から出力される電圧を前段基準出力電圧から下げる機能を同時に有する。
When the current value detected by the
第二コンバータ15は、LLC直列共振コンバータであり、第一スイッチ素子Q1、及び、第二スイッチ素子Q2を直列接続する第一レグ32と、第三スイッチ素子Q3、及び、第四スイッチ素子Q4を直列接続する第二レグ34を、入力端子INの間に並列接続するフルブリッジ回路を有する。
The
なお、図1中において、各スイッチ素子Q1〜Q4にダイオードが、各スイッチ素子に対して逆接続されている。このダイオードは、スイッチ素子であるMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)自体の寄生ダイオードを表す。 In FIG. 1, diodes are reversely connected to each switch element Q1 to Q4. This diode represents a parasitic diode of the MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) itself, which is a switch element.
第一レグにおける第一スイッチ素子Q1、及び、第二スイッチ素子Q2の接続点Hは、共振用インダクタ52と共振用コンデンサ54を備える直列共振回路50を介して、トランス60の一次側巻き線の端末の一方と接続される。第二レグにおける第三スイッチ素子Q3、及び、第四スイッチ素子Q4の接続点Iは、トランス60の一次側巻き線の端末の他方が接続される。
The connection point H of the first switch element Q1 and the second switch element Q2 in the first leg is of the primary side winding of the
保護回路Gは、直列共振回路50の共振用コンデンサ54に対して並列に接続される。すなわち共振用コンデンサ54の両端の間にかかる電圧を、所定の変動幅に制限する電圧クランプ回路が、共振用コンデンサ54と並列に備えられる。
The protection circuit G is connected in parallel to the
保護回路Gは、少なくとも二つのツェナーダイオードを備え、カソードコモンで直列に接続される。このような構成の保護回路Gを設けると、共振用コンデンサ54に係る電圧がツェナーダイオード100の降伏電圧でクランプされるため、直列共振回路50を通して流れる電流は制限され、第二コンバータ15において過電流保護の効果を奏する。
The protection circuit G includes at least two Zener diodes and is connected in series with a common cathode. When the protection circuit G having such a configuration is provided, the voltage related to the
図1において、共振用コンデンサ54の両端の接続点である、接続点B及び接続点Cのそれぞれの電位をV(B)、V(C)と定義する。ツェナーダイオード100の降伏電圧をV(ZD)とすると、共振用コンデンサ54の両端の間にかかる電圧は、−V(ZD)≦V(B)−V(C)≦V(ZD)と制限される。言い換えれば、共振用コンデンサ54の両端間にかかる電圧の絶対値は、V(ZD)を上限として制限されるため、回路中を流れる電流は制限され、スイッチ素子を過電流から保護することが可能になる。
In FIG. 1, the potentials of the connection point B and the connection point C, which are the connection points at both ends of the
保護回路Gは、後述する、制御部80による第二コンバータのスイッチ素子駆動パルス幅制御との相乗効果により、過電流からの保護の効果をさらに奏する。
The protection circuit G further exerts the effect of protection from overcurrent by the synergistic effect with the switch element drive pulse width control of the second converter by the
なお、本実施形態においてスイッチ素子は、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)で構成しているが、他のスイッチ素子、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)で構成されてもよい。 In the present embodiment, the switch element is composed of a MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor), but may be composed of another switch element, for example, an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor).
また制御部80は、スイッチ素子制御用の半導体やトランジスタ等を用いた回路で構成されることが望ましい。共振用インダクタ52は、チョークコイルである。なおチョークコイルの代わりにトランス60の漏れインダクタンスを共振用インダクタとして利用してもよい。
Further, it is desirable that the
図2(A)は、スイッチング電源装置1が有する第二コンバータ15が備えるスイッチ素子Q1〜Q4を駆動するパルスの、定常運転時のタイミングチャートである。このパルス制御は制御部80がおこなう。ここでは、Duty比が略50%のパルスで駆動させる。すなわち、駆動パルスの周期をTとしたとき、まず、第一スイッチ素子Q1と第四スイッチ素子Q4を、ON状態が第一導通幅t1=T/2の期間持続するように制御する。このとき貫通電流が生じないように、第二スイッチ素子Q2と第三スイッチ素子Q3は、OFF状態に制御される。次に、第二スイッチ素子Q2と第三スイッチ素子Q3を、ON状態が第一導通幅t1=T/2の期間持続するように制御する。このとき貫通電流が生じないように、第一スイッチ素子Q1と第四スイッチ素子Q4は、OFF状態に制御される。
FIG. 2A is a timing chart of the pulses for driving the switch elements Q1 to Q4 included in the
さて、電流検出回路45が過電流を検出したとき、第二コンバータ15のスイッチ素子を駆動する駆動パルスのタイミングチャートを図2(B)に示す。定常運転状態において、制御部80が、第二コンバータ15のスイッチ素子Q1〜Q4を駆動する駆動パルスの導通幅を第一導通幅と定義すると、制御部80は、電流検出回路45で検出した電流値が所定の第一電流値以上である場合に、スイッチ素子Q1〜Q4を駆動する駆動パルスの導通幅を、第一導通幅よりも狭い第二導通幅に制御する。
FIG. 2B shows a timing chart of the drive pulse that drives the switch element of the
すなわち本実施形態の場合、駆動パルスの導通幅を第一導通幅であるt1=T/2から、第二導通幅であるt2=T/4と、Duty比を略25%に変更する。 That is, in the case of the present embodiment, the conduction width of the drive pulse is changed from t1 = T / 2, which is the first conduction width, to t2 = T / 4, which is the second conduction width, and the duty ratio is changed to about 25%.
なお一次側回路25、又は、二次側回路70において短絡が生じる場合に、電流検出回路45が検出する電流値が、第一電流値を越えるように、この第一電流値は設定される。
The first current value is set so that the current value detected by the
一般にLLCコンバータでは、負荷の変化に対してPWM制御で追従させることが困難であるため、PFM制御をする。しかし過電流を検出したときに回路に流れる電流を抑制するという過電流からの保護が目的の場合、Duty比変更で十分である。このため、制御部80は複雑なPFM制御回路ではなく、Duty比が可変になるようにスイッチ素子を駆動する簡便なPWM制御回路の構成でよい。
Generally, in an LLC converter, it is difficult to follow a change in load by PWM control, so PFM control is performed. However, if the purpose is to protect against overcurrent by suppressing the current flowing through the circuit when an overcurrent is detected, changing the duty ratio is sufficient. Therefore, the
図3には、過電流保護を目的として、第二コンバータ15を構成するスイッチ素子を制御するための処理についてのフローチャートを示す。電流検出回路45は、第二コンバータ15の回路内を流れる電流を検出する(ステップS10)。そして制御部80で平均電流を検出し(ステップS20)、ステップ30において平均電流が第一電流値以上であるかどうかを判定する。この第一電流値は、いわゆる過電流のみを検知する値に設定される。ここで、一次側回路25、又は、二次側回路70において短絡が生じる場合に、電流検出回路45が検出する電流値は、第一電流値以上となる。第一電流値は、第二コンバータ15のスイッチ素子Q1〜Q4が故障しない電流値であることが望ましい。平均電流が第一電流値以上ならば(YESの場合)、制御部80は、第二コンバータ15のスイッチ素子Q1〜Q4を駆動するパルスの導通幅を、定常運転状態における第一導通幅t1から、第二導通幅t2に変更し(図2参照)、Duty比を略25%まで下げ(ステップS40)、最初に戻る(ステップS10)。平均電流が第一電流値未満ならば(NOの場合)、さらに平均電流が第二電流値以下かどうかを判定する(ステップS50)。ここで第二電流値は、第一電流値よりも小さく設定される。第一電流値と第二電流値に差を設けることで、過電流時に、Duty比25%とDuty比50%のチャタリングを防止できる。
FIG. 3 shows a flowchart of a process for controlling a switch element constituting the
なお第二電流値は、スイッチング電源装置1が問題なく、Duty比略25%で駆動されている場合に第二コンバータ15の回路を流れる電流値に設定する。平均電流が第二電流値以下のとき(YESの場合)、制御部80は、第二コンバータ15のスイッチ素子の駆動パルス幅をDuty比が略50%になるまで連続的に増大させていく。すなわち制御部80は、導通幅を第二導通幅t2から第一導通幅t1まで連続的に増大させる(図2参照)。この過程でも電流検出回路45は常に、第二コンバータ15の回路内を流れる電流値をモニタしている(ステップS10に戻る)。平均電流が第二電流値より大きいとき(NOの場合)、ステップS10に戻る。以上の処理により、後段の第二コンバータ15を構成するスイッチ素子Q1〜Q4は、過電流から保護され、問題がなければ定常運転状態(Duty比略50%)に復帰する。
The second current value is set to the current value that flows through the circuit of the
本フローチャート(図3参照)には記載していないが、図3で示した処理と同時に制御部80は、第二コンバータ15の上流側にある前段の第一コンバータ10のスイッチ素子を制御して、第一コンバータ10から出力される電圧を前段基準出力電圧から下げる処理を行う。
Although not described in this flowchart (see FIG. 3), at the same time as the processing shown in FIG. 3, the
具体的には、例えば第一電流値より小さな第三電流値を設定し、電流検出回路45の検出する電流値が第三電流値以上になったならば、制御部80が、コンバータ10のスイッチング周波数を上げる制御をおこなう。この制御によりコンバータ10の伝達効率が低下して、後段の第二コンバータ15に流れる電流を抑制することができ、さらに効果的に第二コンバータ15を保護することが可能になるという顕著な効果を奏する。
Specifically, for example, when a third current value smaller than the first current value is set and the current value detected by the
なお上記の前段のコンバータ10に対する処理は、他の実施形態、及び、他の変形実施例においても適用可能であることは言うまでもない。
Needless to say, the above-mentioned processing for the
図4は、本発明の第二実施形態に係るスイッチング電源装置1である。一次側回路25は、単段のLLC電流共振コンバータであり、スイッチング回路30としては、フルブリッジ回路を備える。フルブリッジ回路を構成するスイッチ素子は、第一実施形態の第二コンバータ15と同様に、定常運転時、Duty比略50%で駆動されている。
FIG. 4 is a switching
図1で示した多段のコンバータを備えた第一実施形態と同様に、一次側回路25のコンバータのスイッチング回路30を構成するスイッチ素子Q1〜Q4のいずれかに過電流が流れると、電流検出回路45で過電流を検出されて、制御部80によりDuty比が略25%に制御される。スイッチ素子Q1〜Q4の駆動パルスのタイミングチャート、及び、処理のフローチャートは、それぞれ図2、及び、図3と同様なので省略する。また、電流共振用コンデンサ54の両端には、電圧クランプのための保護回路Gを設ける。
Similar to the first embodiment including the multi-stage converter shown in FIG. 1, when an overcurrent flows through any of the switch elements Q1 to Q4 constituting the switching
保護回路Gは、直列共振回路50の共振用コンデンサ54に対して並列に接続される。すなわち共振用コンデンサ54の両端の間にかかる電圧を、所定の変動幅に制限する電圧クランプ回路が、共振用コンデンサ54と並列に備えられる。
The protection circuit G is connected in parallel to the
保護回路Gは、少なくとも二つのツェナーダイオード100を備え、カソードコモンで直列に接続される。このような構成の保護回路Gを設けると、共振用コンデンサ54の両端間にかかる電圧が、ツェナーダイオード100の降伏電圧でクランプされるため、直列共振回路50を通して流れる電流は制限され、第二コンバータ15において過電流保護の効果を奏する。
The protection circuit G includes at least two
図4において、共振用コンデンサ54の両端の接続点である、接続点B及び接続点Cのそれぞれの電位をV(B)、V(C)と定義する。ツェナーダイオード100の降伏電圧をV(ZD)とすると、共振用コンデンサ54の両端の間にかかる電圧は、−V(ZD)≦V(B)−V(C)≦V(ZD)と制限される。言い換えれば、共振用コンデンサ54の両端間にかかる電圧の絶対値は、V(ZD)を上限として制限されるため、回路中を流れる電流は制限され、スイッチ素子を過電流から保護することが可能になる。
In FIG. 4, the potentials of the connection point B and the connection point C, which are the connection points at both ends of the
以上の構成は、短絡に対する一次側回路25のスイッチ素子Q1〜Q4の過電流保護として十分な効果を奏する。
The above configuration is sufficiently effective as overcurrent protection of the switch elements Q1 to Q4 of the
尚、本発明のスイッチング電源装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。 It should be noted that the switching power supply device of the present invention is not limited to the above-described embodiment, and it goes without saying that various modifications can be made without departing from the gist of the present invention.
例えば、図5〜図8においては、第一実施形態、及び第二実施形態の応用として、別の方法で回路内の接続点の電圧クランプをおこない、過電流保護効果を奏する他の変形実施例を示す。 For example, in FIGS. 5 to 8, as an application of the first embodiment and the second embodiment, another modified embodiment in which the voltage is clamped at the connection point in the circuit by another method and the overcurrent protection effect is obtained. Is shown.
なお図5〜図8においては、回路内の電流を検出する電流検出回路45、及び、電流検出回路45の検出結果に基づいて、過電流からのスイッチ素子保護のための制御を行う制御部80、及び二次側回路の図示を省略する。制御部80は、スイッチ素子のパルス駆動について、第一実施形態と同様のDuty比変更による電流値抑制をおこない、スイッチ素子保護をすることが望ましい。その処理は、前述の図2、図3と同様であるため省略する。
In FIGS. 5 to 8, the
図5には、スイッチング回路としてフルブリッジを備えたLLCコンバータにおいて、電流共振用コンデンサ54の端子の一端の電位をクランプする保護回路を設けた回路の回路図を示す。
FIG. 5 shows a circuit diagram of a circuit provided with a protection circuit for clamping the potential at one end of the terminal of the
図5(A)のスイッチング電源装置1では、共振用コンデンサ54と共振用インダクタ52を直列接続する接続点Bに、保護回路Eと保護回路Fが接続される。この場合それぞれの保護回路は、一つのダイオードと、一つのツェナーダイオードを備え、互いのカソード端子同士が直列接続される。保護回路Eについては、ダイオードのアノード端子が接続点Bに接続され、ツェナーダイオードのアノード端子が入力端子INの正極側に接続される。保護回路Fについては、ツェナーダイオードのアノード端子が接続点Bに接続され、ダイオードのアノード端子が入力端子INの負極側に接続される。
In the switching
まず一次側回路における入力端子INの正極の電位をV(A)と定義し、負極の電位を0とする。また各接続点Bの電位をV(B)と表し、ツェナーダイオードの降伏電圧をV(ZD)と示す。保護回路Eは、接続点Bの電位V(B)が、V(B)=V(A)+V(ZD)となった場合に、接続点Bを一次側回路の正極に短絡し、V(B)は、V(B)≦V(A)+V(ZD)となる(ダイオード120の降下電圧がV(ZD)よりも十分小さいと仮定した)。また保護回路Fは、接続点Bの電位V(B)が、V(B)=−V(ZD)になった場合に、接続点Bを一次側回路の負極に短絡する。すなわち、保護回路Eおよび保護回路Fを接続点Bに接続することで、接続点Bの電位V(B)を、−V(ZD)≦V(B)≦V(A)+V(ZD)の範囲内に制限する。このように共振用コンデンサ54の一端の電位をクランプすることで、共振用コンデンサ54にかかる電圧を制限し、回路内を流れる電流を抑制する。
First, the potential of the positive electrode of the input terminal IN in the primary circuit is defined as V (A), and the potential of the negative electrode is set to 0. Further, the potential of each connection point B is represented by V (B), and the yield voltage of the Zener diode is represented by V (ZD). In the protection circuit E, when the potential V (B) of the connection point B becomes V (B) = V (A) + V (ZD), the connection point B is short-circuited to the positive electrode of the primary circuit, and V ( B) is V (B) ≤ V (A) + V (ZD) (assuming that the voltage drop of the
図5(B)で示すスイッチング電源装置1では、フルブリッジ回路において、第一レグ32における第一スイッチ素子Q1と第二スイッチ素子Q2の接続点Hは、トランス60の一次側巻き線の端末の一方に接続される。そして第二レグ34の第三スイッチ素子Q3と第四スイッチ素子Q4の接続点Iは、共振用コンデンサ54とリーケージインダクタ130を備える直列共振回路50を介して、トランス60の一次側巻き線の端末の他方と接続される。この場合、図内のリーケージインダクタ130は、トランス60の漏れインダクタンスであって、共振用インダクタとして利用される。
In the switching
図6は、スイッチング回路としてハーフブリッジを備えたLLCコンバータである。共振用コンデンサ54の一端の電位は、保護回路Eと保護回路Fによりクランプされる。すなわち図6(A)〜図6(C)いずれの場合も、保護回路E、保護回路Fを設けることにより、共振用コンデンサ54の一端である接続点Bの電位V(B)は、−V(ZD)≦V(B)≦V(A)+V(ZD)の範囲内に制限される(ダイオード120の降下電圧がV(ZD)よりも十分小さいと仮定した)。このように共振用コンデンサ54の一端の電位がクランプされることで、共振用コンデンサ54にかかる電圧が制限され、回路内を流れる電流は抑制される効果を奏する。なお、図6(A)と、図6(B)において、図内のリーケージインダクタ130は、トランス60の漏れインダクタンスを共振用インダクタとして利用するものを表す。
FIG. 6 is an LLC converter provided with a half bridge as a switching circuit. The potential at one end of the
図7(A)に、スイッチング回路としてフルブリッジを備えたLLCコンバータで、共振用インダクタ52の電圧をクランプする保護回路を設けた回路を示す。共振用インダクタ52と共振用コンデンサ54の接続点Bに、保護回路E、保護回路Fを接続することで、接続点Bの電位V(B)を、−V(ZD)≦V(B)≦V(A)+V(ZD)の範囲内に制限する(ダイオード120の降下電圧がV(ZD)よりも十分小さいと仮定した)。この保護回路の接続が共振用コンデンサ54ではなく共振用インダクタ52の一端の電位を制限するという点で上述の図5及び図6の場合と異なる。すなわち共振用コンデンサ54にかかる電圧を制限するのでは無く、共振用インダクタ52と、共振用コンデンサ54と、リーケージインダクタ130と、トランス60の一次側巻き線による励磁インダクタ(図示省略)の直列共振の共振モード自体に変化を与える。この構成により、回路を流れる電流を抑制することができる。
FIG. 7A shows a circuit in which an LLC converter equipped with a full bridge as a switching circuit is provided with a protection circuit for clamping the voltage of the
具体的には、二次側回路70の短絡等を原因として、平滑コンデンサから、一次側回路25に大電流が流れようとしても、保護回路Eと保護回路Fによって、接続点Bの電位V(B)が、−V(ZD)≦V(B)≦V(A)+V(ZD)の範囲内に制限されるため(ダイオード120の降下電圧がV(ZD)よりも十分小さいと仮定した)、インダクタ52は、磁場によるエネルギー蓄積を一定以上することがなくなる。つまり直列共振の共振周波数は、主に共振用コンデンサ54とリーケージインダクタ130によって決まるようになり、共振周波数が上がる。言い換えれば、インダクタ52が電圧源として動作するようになるため、インダクタ52のインダクタンス成分が無くなり、共振が共振用コンデンサ54とリーケージインダクタ130の共振周波数でおこなわれるようになるわけである。共振周波数が上がると、伝達効率が低下するので、一次側回路25を流れる電流を抑制することができる。
Specifically, even if a large current tries to flow from the smoothing capacitor to the
図7(B)と、図8(A)と、図8(B)は、いずれもスイッチング回路としてハーフブリッジを備えたLLCコンバータを示しており、共振用インダクタ52の一端の電位をクランプする保護回路を設けた回路の回路図である。共振用インダクタ52と共振用コンデンサ54の接続点Bに保護回路E、保護回路Fを設けることにより、接続点Bの電位V(B)を、−V(ZD)≦V(B)≦V(A)+V(ZD)の範囲内に制限する(ダイオード120の降下電圧がV(ZD)よりも十分小さいと仮定した)。この構成により、回路を流れる電流を抑制することができる。
7 (B), 8 (A), and 8 (B) all show an LLC converter having a half bridge as a switching circuit, and protect the potential at one end of the
また図8(C)で示すスイッチング電源1は、スイッチング回路としてフルブリッジを備えたLLCコンバータである。保護回路Gがインダクタ52に対して並列に接続させて設けられる。保護回路Gは、少なくとも二つのツェナーダイオードを備え、カソードコモンで直列に接続される。このような構成の保護回路Gを設けると、インダクタ52に印加される電圧がツェナーダイオード100の降伏電圧でクランプされる。この場合も、インダクタ52が電圧源として動作するようになるため、インダクタ52はインダクタンスとしての性質を失い、共振が共振用コンデンサ54とリーケージインダクタ130の共振周波数でおこなわれるようになる。共振周波数が上がると、伝達効率が低下するので、一次側回路25を流れる電流を抑制することができる。
Further, the switching
なお、二つのツェナーダイオード100は、カソードコモンで接続した形態を示したが、アノードコモンで直列に接続しても良い。また図8(C)では、スイッチング回路としてフルブリッジを備えたLLCコンバータを示したが、ハーフブリッジを備えていても良い。
Although the two
なお図5〜図8の変形実施例については、一次側回路25にコンバータを一つ設ける態様について説明したが、図示したコンバータを後段のコンバータとして、その上流側に前段のコンバータを備えた多段のコンバータで一次側回路25を構成しても良い。その場合、第一実施形態と同様に、制御部80が電流検出回路45で検出した電流値に基づいて、前段のコンバータのスイッチ素子を制御し、前段のコンバータの出力電圧を低減させる処理を行うことが望ましい。
In the modified embodiment of FIGS. 5 to 8, a mode in which one converter is provided in the
1 スイッチング電源
10 第一コンバータ
15 第二コンバータ
20 平滑コンデンサ
25 一次側回路
30 スイッチング回路
40 カレント・トランス
45 電流検出回路
50 直列共振回路
52 共振用インダクタ
54 共振用コンデンサ
60 トランス
70 二次側回路
80 制御部
90 制御部
100 ツェナーダイオード
120 ダイオード
130 リーケージインダクタ
140 寄生容量
IN 入力端子IN
OUT 出力端子OUT
E、F、G 保護回路
Q1 第一スイッチ素子
Q2 第二スイッチ素子
Q3 第三スイッチ素子
Q4 第四スイッチ素子
1
OUT output terminal OUT
E, F, G protection circuit Q1 1st switch element Q2 2nd switch element Q3 3rd switch element Q4 4th switch element
Claims (4)
整流平滑回路を有する二次側回路と、
前記一次側回路と前記二次側回路を結合するトランスと、
前記一次側回路において前記トランスの一次側巻き線へ直列に接続され、コンデンサと少なくとも一つのインダクタを備える直列回路と、を備え、
前記一次側回路では、前記スイッチ素子、前記トランス、前記直列回路によってLLC直列共振コンバータが構成され、更に、
前記一次側回路、又は、前記二次側回路を流れる電流の電流値を検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路で検出される前記電流値に基づいて、前記LLC直列共振コンバータの前記スイッチ素子の駆動パルスの導通幅を制御する制御部を備え、
定常運転状態において前記制御部が前記スイッチ素子を駆動する駆動パルスの導通幅を第一導通幅と定義すると、
前記制御部は、前記電流検出回路で検出した電流値が、過電流を意味する第一電流値以上となる場合に、前記スイッチ素子を駆動する駆動パルスの導通幅を、前記第一導通幅よりも狭い第二導通幅に切り替えるようになっており、更に、
前記LLC直列共振コンバータの上流側には、さらに前段のコンバータが少なくとも一つ備えられ、
前記制御部は、前記電流検出回路で検出した電流値が、前記第一電流値よりも小さい第三電流値以上である場合、前記前段のコンバータのスイッチ素子を制御して、前記前段のコンバータから出力される電圧を下げる
ことを特徴とするスイッチング電源装置。 A primary circuit with a converter containing at least two switch elements,
A secondary circuit with a rectifying smoothing circuit and
A transformer that connects the primary side circuit and the secondary side circuit,
The primary side circuit comprises a series circuit connected in series to the primary side winding of the transformer and comprising a capacitor and at least one inductor.
In the primary side circuit, the LLC series resonance converter is configured by the switch element, the transformer, and the series circuit, and further.
A current detection circuit that detects the current value of the current flowing through the primary side circuit or the secondary side circuit, and
A control unit for controlling the conduction width of the drive pulse of the switch element of the LLC series resonance converter based on the current value detected by the current detection circuit is provided .
When the conduction width of the drive pulse in which the control unit drives the switch element in the steady operation state is defined as the first conduction width,
When the current value detected by the current detection circuit is equal to or greater than the first current value meaning an overcurrent, the control unit sets the conduction width of the drive pulse for driving the switch element from the first conduction width. Is designed to switch to a narrow second conduction width, and further
At least one converter in the previous stage is provided on the upstream side of the LLC series resonance converter.
When the current value detected by the current detection circuit is equal to or greater than the third current value smaller than the first current value, the control unit controls the switch element of the converter in the previous stage from the converter in the previous stage. A switching power supply that lowers the output voltage .
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 The switching power supply device according to claim 1, wherein the control unit controls the switching frequency of the switch element of the converter in the previous stage to reduce the voltage output from the converter in the previous stage .
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