JP6910901B2 - AC / DC converter - Google Patents
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Description
本明細書中に開示されている発明は、AC/DCコンバータに関する。 The invention disclosed herein relates to an AC / DC converter.
近年、交流入力電圧を直流出力電圧に直接変換することのできるAC/DCコンバータが提案されている(例えば、本願出願人による特許文献1を参照)。
In recent years, an AC / DC converter capable of directly converting an AC input voltage into a DC output voltage has been proposed (see, for example,
しかしながら、上記従来のAC/DCコンバータでは、その力率について更なる改善の余地があった。 However, in the above-mentioned conventional AC / DC converter, there is room for further improvement in its power factor.
そこで、本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者に見出された上記課題に鑑み、力率を改善することのできるAC/DCコンバータを提供することを目的とする。 Therefore, the invention disclosed in the present specification aims to provide an AC / DC converter capable of improving the power factor in view of the above-mentioned problems found by the inventor of the present application.
本明細書中に開示されているAC/DCコンバータは、交流入力電圧が印加される一次巻線と、前記一次巻線に電磁結合された二次巻線と、前記一次巻線に直列接続された双方向スイッチと、前記双方向スイッチ及び前記一次巻線の少なくとも一方に並列接続された共振コンデンサと、共振インダクタンス成分と、前記二次巻線に生じる誘起電圧を全波整流する全波整流回路と、前記全波整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、前記双方向スイッチをオン/オフさせる制御回路と、を有し、前記二次巻線からフォワード電圧とフライバック電圧の双方を取り出すことにより、前記交流入力電圧を直流出力電圧に直接変換するAC/DCコンバータであって、前記制御回路は、前記一次巻線に流れる一次電流が過電流検出閾値よりも大きくなったときに前記双方向スイッチを強制的にオフさせる過電流保護部を含み、前記過電流保護部は、負荷が軽いほど前記過電流検出閾値を引き下げる過電流検出閾値設定部を含む構成(第1の構成)とされている。 The AC / DC converter disclosed in the present specification is connected in series with a primary winding to which an AC input voltage is applied, a secondary winding electromagnetically coupled to the primary winding, and the primary winding. A full-wave rectifying circuit that full-wave rectifies the bidirectional switch, the resonant capacitor connected in parallel to at least one of the bidirectional switch and the primary winding, the resonant inductance component, and the induced voltage generated in the secondary winding. A smoothing capacitor that smoothes the output of the full-wave rectifier circuit and a control circuit that turns the bidirectional switch on and off, and extracts both the forward voltage and the flyback voltage from the secondary winding. This is an AC / DC converter that directly converts the AC input voltage into a DC output voltage, and the control circuit is the bidirectional when the primary current flowing through the primary winding becomes larger than the overcurrent detection threshold. The overcurrent protection unit includes an overcurrent protection unit that forcibly turns off the switch, and the overcurrent protection unit includes an overcurrent detection threshold setting unit that lowers the overcurrent detection threshold as the load is lighter (first configuration). There is.
なお、上記第1の構成から成るAC/DCコンバータにおいて、前記制御回路は、前記直流出力電圧に応じた帰還信号と所定の基準信号との誤差信号に基づいて前記双方向スイッチのオフタイミングを設定するオフタイミング設定部を含み、前記過電流検出閾値設定部は、前記誤差信号に所定の係数を乗じて前記過電流検出閾値を設定する構成(第2の構成)にするとよい。 In the AC / DC converter having the first configuration, the control circuit sets the off timing of the bidirectional switch based on an error signal between the feedback signal corresponding to the DC output voltage and a predetermined reference signal. The overcurrent detection threshold setting unit may include an off-timing setting unit to set the overcurrent detection threshold by multiplying the error signal by a predetermined coefficient (second configuration).
また、上記第2の構成から成るAC/DCコンバータにおいて、前記係数は、所定の固定値または前記交流入力電圧に応じた可変値である構成(第3の構成)にするとよい。 Further, in the AC / DC converter having the second configuration, the coefficient may be a predetermined fixed value or a variable value according to the AC input voltage (third configuration).
また、上記第2または第3の構成から成るAC/DCコンバータにおいて、前記オフタイミング設定部は、前記帰還信号と前記基準信号との差分を増幅するエラーアンプと、前記エラーアンプの第1出力端に接続された位相補償部と、前記エラーアンプの第1出力端と第2出力端との間に接続された抵抗と、を含み、前記エラーアンプの第2出力端に現れるノード信号を前記誤差信号として用いる構成(第4の構成)にするとよい。 Further, in the AC / DC converter having the second or third configuration, the off-timing setting unit includes an error amplifier that amplifies the difference between the feedback signal and the reference signal, and a first output terminal of the error amplifier. The node signal appearing at the second output end of the error amplifier, including the phase compensator connected to the error amplifier and the resistor connected between the first output end and the second output end of the error amplifier, causes the error. The configuration used as a signal (fourth configuration) may be used.
また、上記第1〜第4いずれかの構成から成るAC/DCコンバータにおいて、前記制御回路は、前記双方向スイッチの両端間電圧またはその分圧電圧とゼロクロス検出閾値との比較結果に基づいて前記双方向スイッチのオンタイミングを設定するオンタイミング設定部を含み、前記オンタイミング設定部は、負荷が軽いほど前記ゼロクロス検出閾値を引き上げるゼロクロス検出閾値設定部を含む構成(第5の構成)にするとよい。 Further, in the AC / DC converter having any of the first to fourth configurations, the control circuit is based on a comparison result between a voltage across the bidirectional switch or a voltage dividing voltage thereof and a zero cross detection threshold value. It is preferable that the on-timing setting unit includes an on-timing setting unit for setting the on-timing of the bidirectional switch, and the on-timing setting unit includes a zero-cross detection threshold value setting unit that raises the zero-cross detection threshold value as the load is lighter (fifth configuration). ..
また、上記第5の構成から成るAC/DCコンバータにおいて、前記制御回路は、前記直流出力電圧に応じた帰還信号と所定の基準信号との誤差信号に基づいて前記双方向スイッチのオフタイミングを設定するオフタイミング設定部を含み、前記ゼロクロス検出閾値設定部は、前記誤差信号の逆数に所定の係数を乗じて前記ゼロクロス検出閾値を設定する構成(第6の構成)にするとよい。 Further, in the AC / DC converter having the fifth configuration, the control circuit sets the off timing of the bidirectional switch based on an error signal between the feedback signal corresponding to the DC output voltage and a predetermined reference signal. The zero-cross detection threshold value setting unit may include an off-timing setting unit to set the zero-cross detection threshold value by multiplying the inverse number of the error signal by a predetermined coefficient (sixth configuration).
また、上記第5または第6の構成から成るAC/DCコンバータは、前記双方向スイッチの両端間電圧を容量分圧して前記分圧電圧を生成する容量分圧回路を有する構成(第7の構成)にするとよい。 Further, the AC / DC converter having the fifth or sixth configuration has a configuration having a capacitance voltage dividing circuit for generating the voltage dividing voltage by capacitively dividing the voltage between both ends of the bidirectional switch (seventh configuration). ).
また、上記第1〜第7いずれかの構成から成るAC/DCコンバータにおいて、前記制御回路は、前記交流入力電圧またはその分圧電圧が低入力検出閾値よりも低いときに前記双方向スイッチのオンタイミングをスキップするスキップ制御部を含み、前記スキップ制御部は、負荷が軽いほど前記低入力検出閾値を引き上げる低入力検出閾値設定部を含む構成(第8の構成)にするとよい。 Further, in the AC / DC converter having any of the first to seventh configurations, the control circuit turns on the bidirectional switch when the AC input voltage or the voltage dividing voltage thereof is lower than the low input detection threshold value. The skip control unit may include a skip control unit that skips timing, and the skip control unit may include a low input detection threshold setting unit that raises the low input detection threshold as the load is lighter (eighth configuration).
また、上記第8の構成から成るAC/DCコンバータにおいて、前記制御回路は、前記直流出力電圧に応じた帰還信号と所定の基準信号との誤差信号に基づいて前記双方向スイッチのオフタイミングを設定するオフタイミング設定部を含み、前記低入力検出閾値設定部は、前記誤差信号の逆数に所定の係数を乗じて前記低入力検出閾値を設定する構成(第9の構成)にするとよい。 Further, in the AC / DC converter having the eighth configuration, the control circuit sets the off timing of the bidirectional switch based on an error signal between the feedback signal corresponding to the DC output voltage and a predetermined reference signal. The low input detection threshold setting unit may include an off-timing setting unit to set the low input detection threshold by multiplying the inverse number of the error signal by a predetermined coefficient (nineth configuration).
また、本明細書中に開示されている制御回路は、入力電圧から出力電圧を生成するスイッチング電源の制御主体であって、前記出力電圧に応じた帰還信号と所定の基準信号との差分を増幅するエラーアンプと、前記エラーアンプの第1出力端に接続された位相補償部と、前記エラーアンプの第1出力端と第2出力端との間に接続された抵抗と、を含み、前記エラーアンプの第2出力端に現れる誤差信号に基づいて前記スイッチング電源のオンデューティを制御する構成(第10の構成)とされている。 Further, the control circuit disclosed in the present specification is a control main body of a switching power supply that generates an output voltage from an input voltage, and amplifies the difference between a feedback signal corresponding to the output voltage and a predetermined reference signal. The error amplifier, a phase compensation unit connected to the first output end of the error amplifier, and a resistor connected between the first output end and the second output end of the error amplifier include the error. The on-duty of the switching power supply is controlled based on the error signal appearing at the second output end of the amplifier (tenth configuration).
本明細書中に開示されている発明によれば、力率(特に軽負荷時の力率)を改善することのできるAC/DCコンバータを提供することが可能となる。 According to the invention disclosed in the present specification, it is possible to provide an AC / DC converter capable of improving the power factor (particularly, the power factor at the time of light load).
<基本構成(比較例)>
図1Aは、AC/DCコンバータの基本構成(=後出の実施形態と対比される比較例に相当)を示す回路図である。本構成例のAC/DCコンバータ1は、一次回路系1p(GND1系)と二次回路系1s(GND2系)との間を電気的に絶縁しつつ、交流電源PWから供給される交流入力電圧Viを直流出力電圧Voに直接変換して負荷Zに供給する電源装置であり、トランス10と、双方向スイッチ20と、共振コンデンサ30と、全波整流回路40と、平滑コンデンサ50と、帰還回路60と、制御回路70と、センス抵抗80と、電力フューズ90と、フィルタ回路100と、を有する。
<Basic configuration (comparative example)>
FIG. 1A is a circuit diagram showing a basic configuration of an AC / DC converter (= corresponding to a comparative example compared with the embodiment described later). The AC /
トランス10は、一次回路系1pに設けられた一次巻線11と、二次回路系1sに設けられて一次巻線11に磁気結合された二次巻線12と、を含む。一次巻線11の第1タップT11は、フィルタ回路100と電力フューズ90を介して交流電源PWの第1端に接続されている。一次巻線11の第2タップT12は、双方向スイッチ20、センス抵抗80、及び、フィルタ回路100を介して交流電源PWの第2端に接続されている。二次巻線12の第1タップT21と第2タップT22は、それぞれ、全波整流回路40を介して直流出力電圧Voの出力端(=負荷Zの第1端)に接続されている。二次巻線12のセンタータップT23は、二次側コモンGND2(=負荷Zの第2端)に接続されている。
The
特に、本構成例のAC/DCコンバータ1では、トランス10として、漏れインダクタンス11xを持つリーケージトランスないしは共振トランスが用いられている(その理由については後述)。なお、本図では、図示の便宜上、漏れインダクタンス11xが一次巻線11の第1タップT11側に付随しているものとして描写されている。
In particular, in the AC /
双方向スイッチ20の第1端は、一次巻線11の第2タップT12に接続されている。双方向スイッチ20の第2端は、センス抵抗80の第1端と一次側コモンGND1にそれぞれ接続されている。このようにして接続された双方向スイッチ20は、制御回路70から入力される制御信号Sctrlに応じて、一次巻線11に流れる一次電流I1をオン/オフするための出力スイッチとして機能する。
The first end of the
共振コンデンサ30は、双方向スイッチ20に並列接続されており、トランス10の一次巻線11及び漏れインダクタンス11xと共に、LLC共振回路を形成している。従って、トランス10としてリーケージトランスないしは共振トランスを用いたことに伴い、一次巻線11から二次巻線12に供給されない余剰エネルギが生じても、これを回生して利用することができるので、AC/DCコンバータ1の変換効率を低下させずに済む。
The
また、共振コンデンサ30を設けることにより、双方向スイッチ20のオフ時におけるトランス10のエネルギ変動が緩やかとなる。従って、従来必須とされていたスナバ回路等のサージ吸収素子が不要となる上、高調波成分も軽減することが可能となる。
Further, by providing the
なお、共振コンデンサ30の接続位置については、図1Bで示したように、双方向スイッチ20に直列接続する構成(=共振コンデンサ30をトランス10の一次巻線11に並列接続する構成)としてもよいし、図1Cで示したように、双方向スイッチ20に並列接続される共振コンデンサ30aと、双方向スイッチ20に直列接続される共振コンデンサ30bの双方を有する構成としてもよい。
As shown in FIG. 1B, the connection position of the
全波整流回路40は、二次巻線12に生じる誘起電圧(=フライバック電圧ないしはフォワード電圧、詳細は後述)を全波整流する回路部であり、ダイオード41及び42を含む。ダイオード41のアノードは、二次巻線12の第1タップT21に接続されている。ダイオード42のアノードは、二次巻線12の第2タップT22に接続されている。ダイオード41のカソードとダイオード42のカソードは、いずれも直流出力電圧Voの出力端に接続されている。
The full-
なお、ダイオード41が順バイアスでダイオード42が逆バイアスであるときには、二次巻線12の第1タップT21からダイオード41を介して直流出力電圧Voの出力端に至る電流経路で二次電流I2が流れる。一方、ダイオード42が順バイアスでダイオード41が逆バイアスであるときには、二次巻線12の第2タップT22からダイオード42を介して直流出力電圧Voの出力端に至る電流経路で二次電流I2が流れる。
When the
また、二次巻線12のセンタータップT23を廃止した上で、全波整流回路40をダイオードブリッジ化してもよい。
Further, the full-
平滑コンデンサ50は、直流出力電圧Voの出力端と二次側コモンGND2との間に接続されており、全波整流回路40の出力を平滑化して直流出力電圧Voを生成する。
The smoothing
帰還回路60は、直流出力電圧Voに応じた帰還信号Sfbを生成して制御回路70に出力する。なお、帰還信号Sfbを二次回路系1sから一次回路系1pへ伝達するためには、フォトカプラなどの絶縁伝達素子を用いればよい。
The
制御回路70は、一次側コモンGND1を基準電位として動作し、双方向スイッチ20をオン/オフさせるための制御信号Sctrlを生成する。なお、制御回路70は、帰還回路60から入力される帰還信号Sfbを監視して、直流出力電圧Voが所望の目標値と一致するように双方向スイッチ20をオン/オフさせる機能(=出力帰還制御機能)を備えている。このような機能を具備することにより、負荷Zに対して一定の直流出力電圧Voを安定供給することが可能となる。
The
また、制御回路70は、センス抵抗80の第2端に現れるセンス電圧Vcs(=一次電流I1に応じた電圧信号)を監視して、一次電流I1が所定の上限値を超えないように双方向スイッチ20をオン/オフさせる機能(=定電流制御機能)を備えている。このような機能を具備することにより、一次回路系1pに過大な一次電流I1が流れないので、AC/DCコンバータ1の安全性を高めることが可能となる。
Further, the
また、制御回路70は、共振コンデンサ30の両端間電圧(延いては双方向スイッチ20の両端間電圧)を監視し、その電圧値が0Vとなるタイミングを見計らって双方向スイッチ20をオンさせる機能(=ZVS[zero-volt switching]機能)を備えている。このような機能を具備することにより、双方向スイッチ20の寄生コンデンサや共振コンデンサ30によるスイッチング損失を低減することができるので、AC/DCコンバータ1の変換効率を高めることが可能となる。
Further, the
また、制御回路70は、帰還信号Sfbやセンス電圧Vcsを監視して力率が1に近付くように双方向スイッチ20をオン/オフさせる機能(=力率改善機能)を備えている。このような機能を具備することにより、別途の力率改善回路が不必要となるので、1コンバータ形式のAC/DCコンバータ1を実現することが可能となる。なお、力率改善精度を高めるためには、制御回路70において交流入力電圧Viも監視することが望ましい。
Further, the
センス抵抗80(抵抗値:R80)は、一次電流I1の流れる電流経路に挿入されており、一次電流I1に応じたセンス電圧Vcs(=I1×R80)を生成する。 The sense resistor 80 (resistance value: R80) is inserted in the current path through which the primary current I1 flows, and generates a sense voltage Vcs (= I1 × R80) corresponding to the primary current I1.
電力フューズ90は、定格以上の電流が流れたときに溶断して後段の回路を保護する。
The
フィルタ回路100は、ディファレンシャルモードノイズ(またはノーマルモードノイズとも呼ばれる)を低減するためのXコンデンサや、コモンモードノイズを低減するためのコモンモードフィルタ(=環状コアとこれに同方向で巻き回された2本のコイル)を含み、交流入力電圧Viに重畳する種々のノイズ成分を除去する。フィルタ回路100の第1入力端は、電力フューズ90を介して交流電源PWの第1端に接続されている。フィルタ回路100の第2入力端は、交流電源PWの第2端に接続されている。フィルタ回路100の第1出力端は、一次巻線11の第1タップT11に接続されている。フィルタ回路100の第2出力端は、センス抵抗80の第2端に接続されている。
The
図2は、トランス10の等価回路図である。本図の上段で示したように、トランス10の結合係数をKとした場合、トランス10の励磁インダクタンスはKLで表され、トランス10の漏れインダクタンスは(1−K)Lで表される。
FIG. 2 is an equivalent circuit diagram of the
今、トランス10の二次側に接続される負荷Rが0Ωである場合(AC/DCコンバータ1の起動時や出力短絡時など)を考える。この場合には、本図の中段で示したように、励磁インダクタンスKLの両端間がショートされた形となる。従って、トランス10の等価インダクタンスは、本図の下段で示したように、(1−K2)Lとして表される。
Now, consider the case where the load R connected to the secondary side of the
ここで、トランス10の結合係数Kが大きい場合(例えばK≒1である場合)には、トランス10の等価インダクタンス(1−K2)Lがほぼ0となる。従って、トランス10に極めて大きい電流が流れてしまう状態となり具合が悪い。
Here, when the coupling coefficient K of the
そこで、本構成例のAC/DCコンバータ1では、トランス10として、結合係数Kの小さいリーケージトランスないしは共振トランス(例えばK=0.6〜0.9)が用いられている。このような構成とすることにより、AC/DCコンバータ1の起動時や出力短絡時においても、トランス10の等価インダクタンス(1−K2)Lが小さくなり過ぎないので、上記の課題を解消することが可能となる。
Therefore, in the AC /
また、先にも述べたように、トランス10の漏れインダクタンス11xは、LLC共振回路の構成要素としても利用することができるので、AC/DCコンバータ1の変換効率向上にも寄与し得る。
Further, as described above, since the
さらに、トランス10の漏れインダクタンス11xは、チョークコイルとしても機能する。従って、本構成例のAC/DCコンバータ1であれば、フライバック方式の回路構成でありながら、フライバック方式とフォワード方式を併用することが可能となる。
Further, the
なお、仮にトランス10として、結合係数Kの大きい密結合トランス(K=0.99程度)を用いた場合には、フォワード動作時における双方向スイッチ20のオン時間が短くなり過ぎるので、制御回路70によるスイッチング制御が非常に難しくなる。そのため、制御安定性の観点から考えても、トランス10として、結合係数Kの小さいリーケージトランスないしは共振トランスを用いることが重要であると言える。
If a tightly coupled transformer (K = about 0.99) having a large coupling coefficient K is used as the
図3は、トランス10の入出力比と巻線比との関係を説明するための模式図である。一次巻線11の巻数をn1とし、二次巻線12の巻数(本構成例では、第1タップT21または第2タップT22からセンタータップT23までの巻数)をn2とし、一次巻線11の印加電圧をV1とし、二次巻線12の印加電圧をV2とした場合には、一般的に、次の(1)式が成立する。
FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the relationship between the input / output ratio and the winding ratio of the
V2=(n2/n1)×V1×K … (1) V2 = (n2 / n1) x V1 x K ... (1)
ここで、フライバック方式のみを用いてトランス10を駆動するためには、次の(2)式を満たす必要がある。なお、(2)式中のV1maxは、一次巻線11の最大印加電圧を示している。
Here, in order to drive the
n2/n1<V2/(V1max×K) … (2) n2 / n1 <V2 / (V1max × K)… (2)
これに対して、本構成例のAC/DCコンバータ1では、次の(3)式を成立させることにより、フライバック方式とフォワード方式の併用が実現されている。
On the other hand, in the AC /
n2/n1≧V2/(V1max×K) … (3) n2 / n1 ≧ V2 / (V1max × K)… (3)
図4は、交流入力電圧Vi(=一次巻線11の印加電圧V1)とAC/DCコンバータ1の動作モードとの相関関係を示す模式図である。本図で示したように、本構成例のAC/DCコンバータ1の動作モードは、交流入力電圧Viの周期的な変動に応じて、フライバック方式が単独で用いられる第1動作モード(電圧範囲(1)を参照)と、フライバック方式とフォワード方式が併用される第2動作モード(電圧範囲(2)を参照)のいずれか一方となる。
FIG. 4 is a schematic diagram showing the correlation between the AC input voltage Vi (= applied voltage V1 of the primary winding 11) and the operation mode of the AC /
具体的に述べると、−V1max<−Vth<0<+Vth<+V1maxとなるように、閾値電圧±Vthが設定されている場合、−Vth<Vi<+Vthとなる電圧範囲(1)では、フライバック方式が単独で用いられる第1動作モードとなる。一方、−V1max≦Vi≦−Vth、または、+Vth≦Vi≦+V1maxとなる電圧範囲(2)では、フライバック方式とフォワード方式が併用される第2動作モードとなる。 Specifically, when the threshold voltage ± Vth is set so that -V1max <-Vth <0 <+ Vth <+ V1max, flyback is performed in the voltage range (1) where -Vth <Vi <+ Vth. This is the first operation mode in which the method is used independently. On the other hand, in the voltage range (2) where −V1max ≦ Vi ≦ −Vth or + Vth ≦ Vi ≦ + V1max, the flyback method and the forward method are used in combination in the second operation mode.
図5は、第1動作モード(フライバック方式のみ)でのスイッチオン期間における電流経路を示す回路図である。双方向スイッチ20のオン期間には、一次回路系1pに一次電流I1が流れるので、一次巻線11にエネルギが蓄えられる。例えば、交流入力電圧Viが正(T11>T12)であるときには、本図中の太い実線矢印で示したように、交流電源PW→一次巻線11→双方向スイッチ20→交流電源PWという向きで、一次電流I1が流れる。一方、二次巻線12には何ら電流が流れない。
FIG. 5 is a circuit diagram showing a current path during the switch-on period in the first operation mode (flyback method only). Since the primary current I1 flows through the
図6は、第1動作モード(フライバック方式のみ)でのスイッチオフ期間における電流経路を示す回路図である。双方向スイッチ20のオフ期間には、一次巻線11と磁気結合された二次巻線12に誘起電圧(ここではフライバック電圧と呼ぶ)が生じるので、二次回路系1sに二次電流I2が流れる。例えば、交流入力電圧Viが正(T11>T12)の状態で一次巻線11にエネルギが蓄えられていた場合には、本図中の太い破線矢印で示したように、二次巻線12(第2タップT22)→ダイオード42→負荷Z→二次巻線12(センタータップT23)という向きで、二次電流I2が流れる。
FIG. 6 is a circuit diagram showing a current path during the switch-off period in the first operation mode (flyback method only). During the off period of the
また、双方向スイッチ20がオフされると、一次回路系1pでは共振コンデンサ30によるLLC共振が生じる。その結果、本図中の太い実線矢印で示したように、直前のスイッチオン期間とは逆向きに一次電流I1が流れる。
Further, when the
図7は、第1動作モード(フライバック方式のみ)での電流挙動を示す波形図である。実線は一次電流I1を示しており、破線は二次電流I2を示している。なお、本図は、交流入力電圧Viが正(T11>T12)であるときの電流挙動を描写したものである。 FIG. 7 is a waveform diagram showing the current behavior in the first operation mode (flyback method only). The solid line shows the primary current I1 and the broken line shows the secondary current I2. In addition, this figure describes the current behavior when the AC input voltage Vi is positive (T11> T12).
本図で示したように、双方向スイッチ20がオンされている間、一次電流I1は、一次巻線11のインダクタンスに応じた正の傾きで直線的に増大していく。その後、双方向スイッチ20がオフされると、一次電流I1は減少に転じ、さらには負方向に流れ始める。
As shown in this figure, while the
一方、二次電流I2は、双方向スイッチ20がオンされている間には流れず、双方向スイッチ20がオフされたときに大きく跳ね上がる。このように、第1動作モードでは、従来のフライバック方式と同様、二次電流I2の波高値が比較的大きくなる。ただし、先の図4でも示したように、AC/DCコンバータ1が第1動作モードとなるのは、−Vth<Vi<+Vthである期間に限られるので、大きな問題となることはない。
On the other hand, the secondary current I2 does not flow while the
図8は、第2動作モード(フライバック方式+フォワード方式)でのスイッチオン期間における電流経路を示す回路図である。双方向スイッチ20のオン期間には、第1動作モードと同様、一次回路系1pに一次電流I1が流れるので、一次巻線11にエネルギが蓄えられる。例えば、交流入力電圧Viが正(T11>T12)であるときには、本図中の太い実線矢印で示したように、交流電源PW→一次巻線11→双方向スイッチ20→交流電源PWという向きで、一次電流I1が流れる。
FIG. 8 is a circuit diagram showing a current path during the switch-on period in the second operation mode (flyback method + forward method). During the ON period of the
また、第2動作モードでは、双方向スイッチ20のオン期間において、二次巻線12に誘起電圧(ここではフォワード電圧と呼ぶ)が生じるので、二次回路系1sに二次電流I2が流れる。具体的には、本図の太い破線矢印で示したように、二次巻線12(第1タップT21)→ダイオード41→負荷Z→二次巻線12(センタータップT23)という向きで、二次電流I2が流れる。
Further, in the second operation mode, since an induced voltage (referred to as a forward voltage here) is generated in the secondary winding 12 during the on period of the
図9は、第2動作モード(フライバック方式+フォワード方式)でのスイッチオフ期間における電流経路を示す回路図である。双方向スイッチ20のオフ期間には、第1動作モードと同様、一次巻線11と磁気結合された二次巻線12に誘起電圧(=フライバック電圧)が生じるので、二次回路系1sに二次電流I2が流れる。具体的には、本図中の太い破線矢印で示したように、二次巻線12(第2タップT22)→ダイオード42→負荷Z→二次巻線12(センタータップT23)という向きで、二次電流I2が流れる。
FIG. 9 is a circuit diagram showing a current path during the switch-off period in the second operation mode (flyback method + forward method). During the off period of the
また、双方向スイッチ20がオフされると、一次回路系1pでは共振コンデンサ30によるLLC共振が生じる。その結果、本図中の太い実線矢印で示したように、直前のスイッチオン期間とは逆向きに一次電流I1が流れる。この点についても、先の第1動作モードと同様である。
Further, when the
図10は、第2動作モード(フライバック方式+フォワード方式)での電流挙動を示す波形図である。先の図7と同様、実線は一次電流I1を示しており、破線は二次電流I2を示している。また、本図も、交流入力電圧Viが正(T11>T12)であるときの電流挙動を描写したものである。 FIG. 10 is a waveform diagram showing the current behavior in the second operation mode (flyback method + forward method). Similar to FIG. 7, the solid line shows the primary current I1 and the broken line shows the secondary current I2. Further, this figure also depicts the current behavior when the AC input voltage Vi is positive (T11> T12).
本図で示したように、一次電流I1の挙動については、第1動作モード(図7)と基本的に同様である。すなわち、一次電流I1は、双方向スイッチ20のオン期間中には正方向に流れ、双方向スイッチ20のオフ期間中には負方向に流れる。
As shown in this figure, the behavior of the primary current I1 is basically the same as that of the first operation mode (FIG. 7). That is, the primary current I1 flows in the positive direction during the on period of the
一方、二次電流I2の挙動は、双方向スイッチ20のオフ期間中だけでなく、双方向スイッチ20のオン期間中にも流れるという点で、第1動作モード(図7)と大きく異なっている。また、双方向スイッチ20のオン期間中に二次電流I2が流れることに伴い、一次巻線11に蓄えられるエネルギがその分だけ減少する。その結果、第1動作モード(図7)と比べて、双方向スイッチ20がオフされたときに生じる二次電流I2の波高値が低く抑えられていることが分かる。
On the other hand, the behavior of the secondary current I2 is significantly different from that of the first operation mode (FIG. 7) in that it flows not only during the off period of the
このように、フライバック方式とフォワード方式を併用するAC/DCコンバータ1であれば、二次巻線12に現れるフォワード電圧とフライバック電圧の双方を出力として取り出すことができる。従って、二次電流I2の波高値が大きいというフライバック方式の欠点を解消し、中・大電力適用時にも高効率で交流入力電圧Viを直流出力電圧Voに直接変換することが可能となる。
As described above, if the AC /
<第1実施形態>
図11は、AC/DCコンバータ1の第1実施形態を示す回路図である。本実施形態のAC/DCコンバータ1は、先の基本構成(図1C)をベースとしつつ、制御回路70の内部構成や動作に新規な特徴を有している。また、本実施形態のAC/DCコンバータ1には、容量分圧回路150が別途新たに設けられている。そこで、先と同様の構成要素については、図1Cと同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、本実施形態の特徴部分について、重点的な説明を行う。
<First Embodiment>
FIG. 11 is a circuit diagram showing a first embodiment of the AC /
まず、制御回路70の説明に先立ち、容量分圧回路150について説明する。容量分圧回路150は、双方向スイッチ20の両端間電圧V20を容量分圧して分圧電圧Vswを生成する回路部であり、コンデンサ151及び152と、放電スイッチ153とを含む。
First, prior to the description of the
コンデンサ151及び放電スイッチ153それぞれの第1端は、いずれも、双方向スイッチ20の第2端(=制御回路70の基準電位端に相当する一次側コモンGND1)に接続されている。コンデンサ151及び放電スイッチ153それぞれの第2端とコンデンサ152の第1端は、いずれも、分圧電圧Vswの出力端に接続されている。コンデンサ152の第2端は、双方向スイッチ20の第1端(=一次巻線11の第2タップT12)に接続されている。
The first end of each of the
このように、コンデンサ151及び152は、双方向スイッチ20の両端間で互いに直列接続されており、相互間の接続ノードから分圧電圧Vswを出力する。
In this way, the
今、コンデンサ151の容量値をC151とし、コンデンサ152の容量値をC152とした場合、分圧電圧Vswは、次の(4)式で表される。
Now, when the capacitance value of the
Vsw=V20×C152/(C151+C152) … (4) Vsw = V20 × C152 / (C151 + C152)… (4)
従って、C152<<C151となるように、コンデンサ151及び152の各容量値を適宜選択すれば、制御回路70の入力ダイナミックレンジに収まる分圧電圧Vswを生成することが可能となる。
Therefore, if the capacitance values of the
AC/DCコンバータ1の共振動作時(=双方向スイッチ20のオフ時)において、双方向スイッチ20の両端間電圧V20は、一般に、数百V〜1000Vを超えるほどの高電圧となる。従って、双方向スイッチ20の両端間電圧V20を制御回路70に直接入力して監視することは困難である。
During the resonance operation of the AC / DC converter 1 (= when the
一方、容量分圧回路150で生成される分圧電圧Vswについては、先述の通り、その電圧値を制御回路70の入力ダイナミックレンジに収めることができるので、制御回路70に直接入力することが可能となる。
On the other hand, as for the voltage dividing voltage Vsw generated by the capacitance
特に、両端間電圧V20の波形と分圧電圧Vswの波形は、互いに相似している。従って、制御回路70において、分圧電圧Vswを監視することにより、双方向スイッチ20のオンタイミングを適切に検出することが可能となる。
In particular, the waveform of the voltage V20 between both ends and the waveform of the divided voltage Vsw are similar to each other. Therefore, by monitoring the voltage dividing voltage Vsw in the
また、本構成例の容量分圧回路150であれば、検出信号の位相を進めてしまう抵抗が用いられていないので、別途の遅延回路が不要となる。また、抵抗での電力損失を生じることもない。
Further, in the capacitance
さらに、本構成例の容量分圧回路150は、共振コンデンサ30a及び30bとは別に設けられているので、共振コンデンサ30の容量値に依らず、任意に分圧比を設定することができる。
Further, since the capacitance
なお、分圧電圧Vswの入力を受け付ける制御回路70は、分圧電圧Vswが0Vとなるタイミングを見計らって双方向スイッチ20をオンさせるソフトスイッチング機能(=ZVS機能)を備えている。このようなソフトスイッチング機能を具備することにより、先にも述べたように、双方向スイッチ20の寄生コンデンサや共振コンデンサ30によるスイッチング損失を低減することができるので、AC/DCコンバータ1の変換効率を高めることが可能となる。
The
放電スイッチ153は、コンデンサ151に並列接続されている。放電スイッチ153は、制御回路70からの制御信号Sctrlに応じて、双方向スイッチ20と同期してオン/オフされる。より具体的に述べると、放電スイッチ153は、双方向スイッチ20のオン期間中にオンとなり、双方向スイッチ20のオフ期間中にオフとなる。
The
すなわち、本構成例の容量分圧回路150であれば、双方向スイッチ20がオンされる毎にコンデンサ151の両端間がショートされて分圧電圧Vswが0Vに初期化される。従って、双方向スイッチ20がオンからオフに切り替わる際には、分圧電圧Vswが常に0Vを起点として変化するようになる。
That is, in the capacitance
その結果、制御回路70では、共振動作に伴う分圧電圧Vswのオフセットを一切考慮することなく、分圧電圧Vswと所定の閾値電圧(0Vないしはその近傍値)とを単純に比較することにより、分圧電圧Vswのゼロクロスタイミング(延いては双方向スイッチ20のオンタイミング)を高精度に検出することが可能となる。
As a result, in the
<制御回路(第1実施例)>
図12は、制御回路70の第1実施例(=第1実施形態のAC/DCコンバータ1に好適な回路構成の一例)を示す回路図である。本実施例の制御回路70は、オンタイミング設定部710と、オフタイミング設定部720と、RSフリップフロップ730と、過電流保護部740と、を含む。
<Control circuit (first embodiment)>
FIG. 12 is a circuit diagram showing a first embodiment of the control circuit 70 (= an example of a circuit configuration suitable for the AC /
オンタイミング設定部710は、コンパレータ711及び712と、ANDゲート713と、信号遅延部714と、を含む。
The on-
コンパレータ711は、非反転入力端(+)に入力される分圧電圧Vswと反転入力端(−)に入力されるゼロクロス検出閾値V11とを比較して比較信号S11を生成する。比較信号S11は、Vsw>V11であるときにハイレベルとなり、Vsw<V11であるときにローレベルとなる。
The
コンパレータ712は、反転入力端(−)に入力される分圧電圧Vswと非反転入力端(+)に入力されるゼロクロス検出閾値V12(>V11)とを比較して比較信号S12を生成する。比較信号S12は、Vsw>V12であるときにローレベルとなり、Vsw<V12であるときにハイレベルとなる。
The
ANDゲート713は、比較信号S11及びS12の論理積信号S13を生成する。論理積信号S13は、比較信号S11及びS12がいずれもハイレベルであるときにハイレベルとなり、比較信号S11及びS12の少なくとも一方がローレベルであるときにローレベルとなる。
The AND
信号遅延部714は、論理積信号S13のパルスエッジを所定の遅延時間τだけ遅らせることにより、セット信号SET(=双方向スイッチ20のオンタイミング設定信号に相当)を生成する。
The
図13は、オンタイミング設定部710におけるセット信号SETの生成動作を示すタイミングチャートであり、上から順に、分圧電圧Vsw、比較信号S11及びS12、論理積信号S13、並びに、セット信号SETが描写されている。
FIG. 13 is a timing chart showing the generation operation of the set signal SET in the on-
なお、本図では、分圧電圧Vswを0V基準の正弦波電圧とし、ゼロクロス検出閾値V11及びV12をそれぞれ固定値(ただしV11<0V<V12)として説明を行う。 In this figure, the voltage dividing voltage Vsw is set to a sine wave voltage based on 0V, and the zero cross detection thresholds V11 and V12 are set to fixed values (however, V11 <0V <V12).
時刻t11において、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V11よりも高くなると、比較信号S11がハイレベルに立ち上がる。また、この時点では、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V12よりも低いので、比較信号S12がハイレベルに維持されている。従って、比較信号S11及びS12がいずれもハイレベルとなるので、論理積信号S13がハイレベルに立ち上がる。ただし、この時点では、遅延時間τが経過していないので、セット信号SETは、ローレベルに維持されたままとなる。 At time t11, when the voltage dividing voltage Vsw becomes higher than the zero cross detection threshold value V11, the comparison signal S11 rises to a high level. Further, at this point, the voltage dividing voltage Vsw is lower than the zero cross detection threshold value V12, so that the comparison signal S12 is maintained at a high level. Therefore, since both the comparison signals S11 and S12 are at a high level, the AND signal S13 rises to a high level. However, at this point, since the delay time τ has not elapsed, the set signal SET remains maintained at the low level.
時刻t11から遅延時間τが経過すると、時刻t12において、セット信号SETがハイレベルに立ち上がる。その結果、制御信号Sctrl(不図示)がハイレベルにセットされるので、双方向スイッチ20がターンオンされる。従って、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V11から0Vに上昇するまでの所要時間を遅延時間τとしておけば、双方向スイッチ20のソフトスイッチング(ZVS)を実現することができる。
When the delay time τ elapses from the time t11, the set signal SET rises to a high level at the time t12. As a result, the control signal Sctrl (not shown) is set to a high level, so that the
時刻t13において、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V12よりも高くなると、比較信号S12がローレベルに立ち下がるので、論理積信号S13もローレベルに立ち下がる。なお、本図では、論理積信号S13がローレベルに立ち下がったことを受けて、セット信号SETも遅滞なくローレベルに立ち下げられているが、その立下りタイミングはこれに限定されるものではなく、例えば、時刻t13から遅延時間τが経過した時点でセット信号SETをローレベルに立ち下げても構わない。 At time t13, when the voltage dividing voltage Vsw becomes higher than the zero cross detection threshold value V12, the comparison signal S12 falls to a low level, so that the logical product signal S13 also falls to a low level. In this figure, the set signal SET is also lowered to the low level without delay in response to the fact that the AND signal S13 is lowered to the low level, but the falling timing is not limited to this. Instead, for example, the set signal SET may be lowered to a low level when the delay time τ has elapsed from the time t13.
その後、分圧電圧Vswが上昇から下降に転じ、時刻t14において、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V12よりも低くなると、比較信号S12がローレベルに立ち下がる。また、この時点では、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V11よりも高いので、比較信号S11がハイレベルに維持されている。従って、比較信号S11及びS12がいずれもハイレベルとなるので、論理積信号S13がハイレベルに立ち上がる。ただし、この時点では、遅延時間τが経過していないので、セット信号SETは、ローレベルに維持されたままとなる。 After that, the voltage dividing voltage Vsw changes from rising to falling, and when the voltage dividing voltage Vsw becomes lower than the zero cross detection threshold value V12 at time t14, the comparison signal S12 falls to a low level. Further, at this point, the voltage dividing voltage Vsw is higher than the zero cross detection threshold value V11, so that the comparison signal S11 is maintained at a high level. Therefore, since both the comparison signals S11 and S12 are at a high level, the AND signal S13 rises to a high level. However, at this point, since the delay time τ has not elapsed, the set signal SET remains maintained at the low level.
時刻t14から遅延時間τが経過すると、時刻t15において、セット信号SETがハイレベルに立ち上がる。その結果、制御信号Sctrl(不図示)がハイレベルにセットされるので、双方向スイッチ20がターンオンされる。従って、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V12から0Vに低下するまでの所要時間を遅延時間τとしておけば、双方向スイッチ20のソフトスイッチング(ZVS)を実現することができる。
When the delay time τ elapses from the time t14, the set signal SET rises to a high level at the time t15. As a result, the control signal Sctrl (not shown) is set to a high level, so that the
時刻t16において、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V11よりも低くなると、比較信号S11がローレベルに立ち下がるので、論理積信号S13もローレベルに立ち下がる。なお、本図では、論理積信号S13がローレベルに立ち下がったことを受けて、セット信号SETも遅滞なくローレベルに立ち下げられているが、その立下りタイミングはこれに限定されるものではなく、例えば、時刻t16から遅延時間τが経過した時点でセット信号SETをローレベルに立ち下げても構わない。 At time t16, when the voltage dividing voltage Vsw becomes lower than the zero cross detection threshold value V11, the comparison signal S11 falls to a low level, so that the logical product signal S13 also falls to a low level. In this figure, the set signal SET is also lowered to the low level without delay in response to the fact that the AND signal S13 is lowered to the low level, but the falling timing is not limited to this. Instead, for example, the set signal SET may be lowered to a low level when the delay time τ has elapsed from the time t16.
時刻t16以降、分圧電圧Vswが下降から上昇に転じると、上記同様の挙動が繰り返され、オンタイミング設定部710によるセット信号SETの生成動作が継続される。
After the time t16, when the voltage dividing voltage Vsw changes from falling to rising, the same behavior as described above is repeated, and the set signal SET generation operation by the on-
このように、上記構成から成るオンタイミング設定部710によれば、正負双方に変動する分圧電圧Vswとゼロクロス検出閾値V11及びV12との比較結果に基づいて、双方向スイッチ20のソフトスイッチング(ZVS)に必要なオンタイミングを適切に設定することができるので、AC/DCコンバータ1の変換効率を高めることが可能となる。
As described above, according to the on-
図12に戻り、制御回路70の構成要素について説明を続ける。オフタイミング設定部720は、オシレータ721と、エラーアンプ722と、位相補償部723と、コンパレータ724と、ORゲート725と、を含む。
Returning to FIG. 12, the description of the components of the
オシレータ721は、鋸波状のスロープ信号SLPを生成する。例えば、オシレータ721は、セット端(S)に入力される制御信号Sctrlの立上りタイミングでスロープ信号SLPの上昇を開始する一方、リセット端(R)に入力されるリセット信号RSTの立上りタイミングでスロープ信号SLPをゼロ値にリセットする。
The
エラーアンプ722は、電流出力型のトランスコンダクタンスアンプ(いわゆるgmアンプ)であり、反転入力端(−)に入力される帰還信号Sfbと非反転入力端(+)に入力される基準信号Vrefとの差分値を増幅して誤差信号ERRを出力する。誤差信号ERRは、帰還信号Sfbと基準信号Vrefとの差分値が大きいほど高くなり、逆に、帰還信号Sfbと基準信号Vrefとの差分値が小さいほど低くなる。なお、負荷の重さと誤差信号ERRとの関係に着目した場合、誤差信号ERRは、負荷が重いほど高くなり、逆に、負荷が軽いほど低くなる。
The
位相補償部723は、エラーアンプ722の出力端と一次側コモンGND1との間に直列接続されたコンデンサ723a及び抵抗723bを含み、エラーアンプ722が発振しないように誤差信号ERRの位相補償を行う。
The
なお、位相補償部723のカットオフ周波数fcは、通常、数百Hz〜数kHzに設定されていることが多い。これに対して、本実施例の制御回路70では、AC/DCコンバータ1の力率を1に近付けるべく、カットオフ周波数fcが通常よりも低い値(数Hz)に設定されている。
The cutoff frequency fc of the
コンパレータ724は、非反転入力端(+)に入力されるスロープ信号SLPと反転入力端(−)に入力される誤差信号ERRとを比較して比較信号CMPを生成する。比較信号CMPは、SLP<ERRであるときにローレベルとなり、SLP>ERRであるときにハイレベルとなる。
The
ORゲート725は、比較信号CMPと過電流保護信号OCPの論理和信号を生成し、これをリセット信号RST(=双方向スイッチ20のオフタイミング設定信号に相当)として出力する。リセット信号RSTは、比較信号CMPと過電流保護信号OCPがいずれもローレベルであるときにローレベルとなり、比較信号CMPと過電流保護信号OCPの少なくとも一方がハイレベルであるときにハイレベルとなる。
The OR
なお、過電流保護信号OCPがローレベル(=正常時の論理レベル)である場合、リセット信号RSTの立上りタイミング(=双方向スイッチ20のオフタイミング)は、誤差信号ERRが低いほど早くなり、逆に、誤差信号ERRが高いほど遅くなる。 When the overcurrent protection signal OCP is at a low level (= logic level at normal time), the rise timing of the reset signal RST (= off timing of the bidirectional switch 20) becomes faster as the error signal ERR becomes lower, and vice versa. In addition, the higher the error signal ERR, the slower it becomes.
このように、上記構成から成るオフタイミング設定部720によれば、帰還信号Sfbと所定の基準信号Vrefとの差分値に応じた誤差信号ERRに基づいて、双方向スイッチ20のオフタイミングを設定することができる。
As described above, according to the off-
RSフリップフロップ730は、セット端(S)に入力されるセット信号SETと、リセット端(R)に入力されるリセット信号RSTに応じて、出力端(Q)から出力される制御信号Sctrlの論理レベルを決定する。より具体的に述べると、RSフリップフロップ730は、例えば、セット信号SETの立上りタイミングで制御信号Sctrlをハイレベルにセットする一方、リセット信号RSTの立上りタイミングで制御信号Sctrlをローレベルにリセットする。
The RS flip-
過電流保護部740は、過電流検出閾値設定部741と、コンパレータ742及び743と、ORゲート744と、を含む。
The
過電流検出閾値設定部741は、誤差信号ERRに係数±αを乗じて過電流検出閾値V21及びV22(例えば、V21=+αERR、V22=−αERR)を設定する。先にも述べたように、誤差信号ERRは、負荷が軽いほど低くなる。従って、過電流検出閾値設定部741では、負荷が軽いほど過電流検出閾値V21及びV22それぞれの絶対値が引き下げられる。特に、誤差信号ERRに係数±αを乗じて過電流検出閾値V21及びV22を設定する構成であれば、過電流検出閾値設定部741を簡易に実装することができる。なお、過電流検出閾値V21及びV22の負荷連動動作については後ほど詳述する。
The overcurrent detection
コンパレータ742は、非反転入力端(+)に入力されるセンス電圧Vcsと反転入力端(−)に入力される過電流検出閾値V21とを比較して比較信号S21を生成する。比較信号S21は、Vcs>V21であるときにハイレベルとなり、Vcs<V21であるときにローレベルとなる。なお、センス電圧Vcsと過電流検出閾値V21との比較動作は、正方向に流れる一次電流I1(>0)が正の過電流検出閾値+Iocp(>0)よりも大きいか否かを判定する動作と等価である。
The
コンパレータ743は、反転入力端(−)に入力されるセンス電圧Vcsと非反転入力端(+)に入力される過電流検出閾値V22(<V21)とを比較して比較信号S22を生成する。比較信号S22は、Vcs>V22であるときにローレベルとなり、Vcs<V22であるときにハイレベルとなる。なお、センス電圧Vcsと過電流検出閾値V22との比較動作は、負方向に流れる一次電流I1(<0)が負の過電流検出閾値−Iocp(<0)よりも大きいか否かを判定する動作と等価である。
The
ORゲート744は、比較信号S21及びS22の論理和信号を生成し、これを過電流保護信号OCPとして出力する。過電流保護信号OCPは、比較信号S21及びS22がいずれもローレベルであるときにローレベルとなり、比較信号S21及びS22の少なくとも一方がハイレベルであるときにハイレベルとなる。
The OR
図14は、過電流保護部740における過電流保護信号OCPの生成動作を示すタイミングチャートであり、上から順に、センス電圧Vcs、比較信号S21及びS22、並びに、過電流保護信号OCPが描写されている。
FIG. 14 is a timing chart showing the operation of generating the overcurrent protection signal OCP in the
なお、本図では、センス電圧Vcsを0V基準の正弦波電圧とし、過電流検出閾値V21及びV22をそれぞれ誤差信号ERRに応じた可変値(V21=+αERR、V22=−αERR)として説明を行う。 In this figure, the sense voltage Vcs will be a sinusoidal voltage based on 0V, and the overcurrent detection thresholds V21 and V22 will be described as variable values (V21 = + αERR, V22 = −αERR) according to the error signal ERR, respectively.
時刻t21において、センス電圧Vcsが過電流検出閾値V22よりも高くなると、比較信号S22がローレベルに立ち下がる。また、この時点では、センス電圧Vcsが過電流検出閾値V21よりも低いので、比較信号S21がローレベルに維持されている。従って、比較信号S21及びS22がいずれもローレベルとなるので、過電流保護信号OCPがローレベルに立ち下がる。その結果、双方向スイッチ20の強制オフが解除される。
At time t21, when the sense voltage Vcs becomes higher than the overcurrent detection threshold value V22, the comparison signal S22 drops to a low level. Further, at this time point, since the sense voltage Vcs is lower than the overcurrent detection threshold value V21, the comparison signal S21 is maintained at a low level. Therefore, since both the comparison signals S21 and S22 are at the low level, the overcurrent protection signal OCP falls to the low level. As a result, the forced off of the
時刻t22において、センス電圧Vcsが過電流検出閾値V21よりも高くなると、比較信号S21がハイレベルに立ち上がるので、過電流保護信号OCPもハイレベルに立ち上がる。その結果、双方向スイッチ20が強制的にオフされる。
At time t22, when the sense voltage Vcs becomes higher than the overcurrent detection threshold value V21, the comparison signal S21 rises to a high level, so that the overcurrent protection signal OCP also rises to a high level. As a result, the
その後、センス電圧Vcsが上昇から下降に転じ、時刻t23において、センス電圧Vcsが過電流検出閾値V21よりも低くなると、比較信号S21がローレベルに立ち下がる。また、この時点では、センス電圧Vcsが過電流検出閾値V22よりも高いので、比較信号S22がローレベルに維持されている。従って、比較信号S21及びS22が共にローレベルとなるので、過電流保護信号OCPがローレベルに立ち下がる。その結果、双方向スイッチ20の強制オフが解除される。
After that, when the sense voltage Vcs changes from rising to falling and the sense voltage Vcs becomes lower than the overcurrent detection threshold value V21 at time t23, the comparison signal S21 falls to a low level. Further, at this time point, since the sense voltage Vcs is higher than the overcurrent detection threshold value V22, the comparison signal S22 is maintained at a low level. Therefore, since both the comparison signals S21 and S22 are at the low level, the overcurrent protection signal OCP falls to the low level. As a result, the forced off of the
時刻t24において、センス電圧Vcsが過電流検出閾値V22よりも低くなると、比較信号S22がハイレベルに立ち上がるので、過電流保護信号OCPもハイレベルに立ち上がる。その結果、双方向スイッチ20が強制的にオフされる。
At time t24, when the sense voltage Vcs becomes lower than the overcurrent detection threshold value V22, the comparison signal S22 rises to a high level, so that the overcurrent protection signal OCP also rises to a high level. As a result, the
時刻t24以降、センス電圧Vcsが下降から上昇に転じると、上記同様の挙動が繰り返され、過電流保護部740による過電流保護信号OCPの生成動作が継続される。
After the time t24, when the sense voltage Vcs changes from falling to rising, the same behavior as described above is repeated, and the overcurrent protection signal OCP generation operation by the
このように、上記構成から成る過電流保護部740によれば、トランス10の一次巻線11に流れる正負の一次電流I1が所定の過電流検出閾値±Iocpよりも大きくなったときに、双方向スイッチ20を強制的にオフさせることができる。
As described above, according to the
なお、本図中の白抜き矢印で示したように、過電流検出閾値V21及びV22(延いては過電流検出閾値±Iocp)は、誤差信号ERR(延いては負荷の重さ)に応じた可変値とされている。以下では、このような過電流検出閾値±Iocpの負荷連動動作について、詳細に説明する。 As shown by the white arrows in this figure, the overcurrent detection thresholds V21 and V22 (and thus the overcurrent detection threshold ± Iocp) correspond to the error signal ERR (and the weight of the load). It is a variable value. Hereinafter, such a load interlocking operation of the overcurrent detection threshold ± Iocp will be described in detail.
図15は、過電流検出閾値±Iocpの負荷連動動作を示したタイミングチャートであり、上から順に、交流入力電圧Vi、過電流検出閾値±Iocpが固定値である場合の一次電流I1、及び、過電流検出閾値±Iocpが可変値である場合の一次電流I1がそれぞれ描写されている。 FIG. 15 is a timing chart showing the load interlocking operation of the overcurrent detection threshold ± Ioc, in order from the top, the AC input voltage Vi, the primary current I1 when the overcurrent detection threshold ± Iocp is a fixed value, and The primary current I1 when the overcurrent detection threshold ± Iopp is a variable value is depicted.
なお、一次電流I1について、細い実線及び破線は、それぞれ、重負荷時及び軽負荷時の理想波形(力率=1)を示している。一方、太い実線及び破線は、それぞれ、重負荷時及び軽負荷時における実波形(力率≠1)を示している。 Regarding the primary current I1, the thin solid line and the broken line indicate the ideal waveforms (power factor = 1) under heavy load and light load, respectively. On the other hand, the thick solid line and the broken line indicate the actual waveforms (power factor ≠ 1) under heavy load and light load, respectively.
また、本図下段の白抜き矢印で示したように、負荷に連動して変動する過電流検出閾値±Iocpについては、重負荷時のそれを±IocpHとし、軽負荷時のそれを±IocpLとするように、それぞれを区別して表記している。 In addition, as shown by the white arrows in the lower part of this figure, the overcurrent detection threshold ± Iocp that fluctuates in conjunction with the load is set to ± IocpH under heavy load and ± IocpL under light load. As you can see, each is described separately.
本図において、時刻t31〜t32、時刻t33〜t34、及び、時刻t35〜t36では、−Vth<Vi<+Vthとなっている。従って、それぞれの期間において、AC/DCコンバータ1は、フライバック方式のみを用いた第1動作モード(1)となる。
In this figure, at times t31 to t32, times t33 to t34, and times t35 to t36, −Vth <Vi <+ Vth. Therefore, in each period, the AC /
このとき、一次電流I1の大きさは、誤差信号ERRに基づくオンデューティ制御(オン時間制御)により、交流入力電圧Viの電圧値とトランス10のL値に応じて決定される。特に、位相補償部723のカットオフ周波数fcを適切に設定しておけば、第1動作モード(1)での力率を1に近付けることができる。
At this time, the magnitude of the primary current I1 is determined by the on-duty control (on-time control) based on the error signal ERR according to the voltage value of the AC input voltage Vi and the L value of the
一方、本図において、時刻t32〜t33では、Vi>+Vthとなっており、時刻t34〜t35では、Vi<−Vthとなっている。従って、それぞれの期間において、AC/DCコンバータ1は、フライバック方式とフォワード方式の双方を併用した第2動作モード(2)となる。その結果、フライバック方式の欠点を解消し、中・大電力適用時にも高効率で交流入力電圧Viを直流出力電圧Voに直接変換することが可能となる。
On the other hand, in this figure, Vi> + Vth at times t32 to t33, and Vi <−Vth at times t34 to t35. Therefore, in each period, the AC /
ただし、第2動作モード(2)では、第1動作モード(1)と比べて、一次電流I1の波高値が高くなり、その立上りや立下りも急峻となる。そのため、誤差信号ERRに基づくオンデューティ制御により双方向スイッチ20がオフされるよりも先に、一次電流I1が過電流検出閾値±Iocpに達してしまい、一次電流I1の制限が掛かるようになる。
However, in the second operation mode (2), the peak value of the primary current I1 is higher than that in the first operation mode (1), and its rise and fall are steeper. Therefore, the primary current I1 reaches the overcurrent detection threshold ± Iocp before the
ここで、過電流検出閾値±Iocpが固定値とされている場合には、本図中段で示したように、第2動作モード(2)において、一次電流I1の実波形(太線)と理想波形(細線)との相似性が崩れてしまうので、力率が悪化する。特に、軽負荷時(破線)には、理想波形のピーク値と過電流検出閾値±Iocpとの乖離が大きくなるので、力率の悪化がより顕著となる。 Here, when the overcurrent detection threshold ± Iocp is a fixed value, as shown in the middle part of this figure, in the second operation mode (2), the actual waveform (thick line) and the ideal waveform of the primary current I1. Since the similarity with (thin line) is broken, the power factor deteriorates. In particular, when the load is light (broken line), the deviation between the peak value of the ideal waveform and the overcurrent detection threshold ± Iocp becomes large, so that the deterioration of the power factor becomes more remarkable.
これに対して、本実施形態のAC/DCコンバータ1では、過電流検出閾値±Iocpが誤差信号ERR(延いては負荷の重さ)に応じた可変値とされている。より具体的に述べると、負荷が重いほど誤差信号ERRが上昇するので、過電流検出閾値±Iocpの絶対値が大きくなる(本図下段の±IocpHを参照)。逆に、負荷が軽いほど誤差信号ERRが低下するので、過電流検出閾値±Iocpの絶対値が小さくなる(本図下段の±IocpLを参照)。
On the other hand, in the AC /
このように、過電流検出閾値±Iocpの負荷連動動作を行うことにより、負荷の重さに依らず、第2動作モード(2)での力率を1に近付けることができる。 By performing the load interlocking operation of the overcurrent detection threshold ± Iocp in this way, the power factor in the second operation mode (2) can be brought close to 1 regardless of the weight of the load.
また、第1動作モード(1)と第2動作モード(2)の双方で、一次電流I1のピーク値を負荷に応じた最適値(例えば理想波形のピーク値)に抑えることができるので、AC/DCコンバータ1の効率向上にも繋がる。
Further, in both the first operation mode (1) and the second operation mode (2), the peak value of the primary current I1 can be suppressed to the optimum value according to the load (for example, the peak value of the ideal waveform), so that AC This also leads to an improvement in the efficiency of the /
なお、本図では、誤差信号ERRに乗算される係数αを固定値とし、負荷の重さのみに応じて過電流検出閾値±IocpH及び±IocpLを一義的に設定する例を挙げたが、係数αは、例えば、交流入力電圧Viに応じた可変値としても構わない。このような変更を加えることにより、過電流検出閾値±IocpH及び±IocpLが交流入力電圧Viと同等の挙動で変化するようになるので、一次電流I1の実波形(太線)と理想波形(細線)との相似性をさらに高めることが可能となり、延いては、第2動作モード(2)での力率をさらに改善することが可能となる。 In this figure, the coefficient α multiplied by the error signal ERR is set as a fixed value, and the overcurrent detection threshold ± IocpH and ± IocpL are uniquely set according only to the weight of the load. α may be, for example, a variable value according to the AC input voltage Vi. By making such changes, the overcurrent detection thresholds ± IocpH and ± IocpL change with the same behavior as the AC input voltage Vi, so the actual waveform (thick line) and ideal waveform (thin line) of the primary current I1 It is possible to further enhance the similarity with the above, and by extension, it is possible to further improve the power factor in the second operation mode (2).
<制御回路(第2実施例)>
図16は、制御回路70の第2実施例を示す回路図である。第2実施例の制御回路70は、先の第1実施例(図12)をベースとしつつ、オフタイミング設定部720の回路構成に変更が加えられている。
<Control circuit (second embodiment)>
FIG. 16 is a circuit diagram showing a second embodiment of the
より具体的に述べると、本実施例のオフタイミング設定部720では、エラーアンプ722に第1出力端(1)と第2出力端(2)が設けられており、その第1出力端(1)と第2出力端(2)との間には、抵抗726(抵抗値:R)が別途新たに接続されている。なお、先出の位相補償部723は、エラーアンプ722の第1出力端(1)と一次側コモンGND1との間に接続されている。
More specifically, in the off-
以下では、エラーアンプ722の第1出力端(1)及び第2出力端(2)にそれぞれ現れるノード信号をそれぞれ誤差信号ERR及びERR2というように区別して表記する。
In the following, the node signals appearing at the first output terminal (1) and the second output end (2) of the
エラーアンプ722の第1出力端(1)と第2出力端(2)は、いずれも同相の出力電流Ioutを出力する。例えば、帰還信号Sfbが低下して基準信号Vrefとの差分値が大きくなると、エラーアンプ722の出力電流Ioutが大きくなるので、誤差信号ERR及びERR2はいずれも上昇する。
The first output end (1) and the second output end (2) of the
ただし、負荷変動時における両者の上昇速度には有意差が現れる。具体的に述べると、誤差信号ERRは、位相補償部723を介して緩やかに上昇する。一方、誤差信号ERR2は、抵抗726の両端間に現れる電位差分(=Iout×R)だけ急峻に上昇する。
However, there is a significant difference in the rate of increase between the two when the load fluctuates. Specifically, the error signal ERR gradually rises via the
ここで、後段のコンパレータ724には、誤差信号ERRに代えて誤差信号ERR2が入力されている。従って、先の第1実施例(図12)と比べて、負荷変動に対する出力帰還ループの応答速度が高まる。その結果、AC/DCコンバータ1の負荷応答特性を改善することができるので、例えば、負荷変動に伴う直流出力電圧Voのオーバーシュートやアンダーシュートを抑制することが可能となる。
Here, the error signal ERR2 is input to the
また、誤差信号ERR2は、過電流保護部740の過電流検出閾値設定部741にも入力されている。従って、過電流検出閾値±Iocpの負荷連動動作についても、その負荷応答特性を高めることが可能となる。
The error signal ERR2 is also input to the overcurrent detection
また、負荷変動がなくなると、誤差信号ERR及びERR2が同値に収束する。すなわち、出力帰還ループの応答速度が高まるのは、あくまで負荷変動時だけであり、出力帰還ループの安定性が損われることはない。 Further, when the load fluctuation disappears, the error signals ERR and ERR2 converge to the same value. That is, the response speed of the output feedback loop increases only when the load fluctuates, and the stability of the output feedback loop is not impaired.
なお、本実施例のオフタイミング設定部720は、AC/DCコンバータ1に限らず、入力電圧から出力電圧を生成するスイッチング電源全般に適用することが可能である。
The off-
<制御回路(第3実施例)>
図17は、制御回路70の第3実施例を示す回路図である。第3実施例の制御回路70は、先の第2実施例(図16)をベースとしつつ、オンタイミング設定部710の回路構成に変更が加えられている。
<Control circuit (third embodiment)>
FIG. 17 is a circuit diagram showing a third embodiment of the
より具体的に述べると、本実施例のオンタイミング設定部710は、ゼロクロス検出閾値設定部715を含む。ゼロクロス検出閾値設定部715は、誤差信号ERRの逆数に係数±βを乗じてゼロクロス検出閾値V11及びV12(例えば、V11=−β/ERR、V12=+β/ERR)を設定する。
More specifically, the on-
なお、先にも述べたように、誤差信号ERRは、負荷が軽いほど低くなる。従って、ゼロクロス検出閾値設定部715では、負荷が軽いほどゼロクロス検出閾値V11及びV12それぞれの絶対値が引き上げられる。 As described above, the error signal ERR becomes lower as the load is lighter. Therefore, in the zero-cross detection threshold setting unit 715, the lighter the load, the higher the absolute values of the zero-cross detection thresholds V11 and V12, respectively.
図18は、ゼロクロス検出閾値V11及びV12それぞれの負荷連動動作を示すタイミングチャートであり、上から順に、分圧電圧Vsw、比較信号S11及びS12、論理積信号S13、並びに、セット信号SETが描写されている。 FIG. 18 is a timing chart showing load interlocking operations of the zero cross detection thresholds V11 and V12, and the voltage dividing voltage Vsw, the comparison signals S11 and S12, the AND signal S13, and the set signal SET are depicted in order from the top. ing.
本図のタイミングチャートは、基本的に先の図13と同様であるが、図中の白抜き矢印で示したように、ゼロクロス検出閾値V11及びV12が誤差信号ERR(延いては負荷の重さ)に応じた可変値とされている点に違いがある。 The timing chart of this figure is basically the same as that of FIG. 13, but as shown by the white arrows in the figure, the zero cross detection thresholds V11 and V12 are error signals ERR (and thus the weight of the load). ) Is a variable value.
一般に、負荷が軽いほど分圧電圧Vswの波高値が低くなり、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V11及びV12を跨ぎにくくなる。このような状況に陥ると、セット信号SETがハイレベルに立ち上がらず、双方向スイッチ20のオンタイミングを逸してしまうおそれがあるので、直流出力電圧Voが不安定となりやすい。
Generally, the lighter the load, the lower the peak value of the voltage dividing voltage Vsw, and it becomes difficult for the voltage dividing voltage Vsw to cross the zero cross detection thresholds V11 and V12. In such a situation, the set signal SET does not rise to a high level, and the on-timing of the
そこで、本実施例の制御回路70では、負荷が軽いほどゼロクロス検出閾値V11及びV12それぞれの絶対値が引き上げられる。その結果、軽負荷時には、分圧電圧Vswの波高値が低くなっても、分圧電圧Vswがゼロクロス検出閾値V11及びV12を跨ぎやすくなるので、双方向スイッチ20のオンタイミングを逸さずに済む。一方、重負荷時には、ゼロクロス検出閾値V11及びV12それぞれの絶対値が引き下げられるので、ゼロクロスタイミングの検出精度を高めることが可能となる。
Therefore, in the
なお、本実施例では、第2実施例(図16)をベースとしたが、第1実施例(図12)をベースとしても構わない。 In this embodiment, the second embodiment (FIG. 16) is used as the base, but the first embodiment (FIG. 12) may be used as the base.
<第2実施形態>
図19は、AC/DCコンバータ1の第2実施形態を示す回路図である。本実施形態のAC/DCコンバータ1では、先出の第1実施形態(図11)をベースとしつつ、さらにいくつかの変更が加えられている。そこで、先と同様の構成要素については、図11と同一の符号を付すことにより重複した説明を割愛し、以下では、本実施形態の特徴部分について重点的な説明を行う。
<Second Embodiment>
FIG. 19 is a circuit diagram showing a second embodiment of the AC /
第1の変更点として、本実施形態のAC/DCコンバータ1は、交流分圧部170をさらに有する。交流分圧部170は、フィルタ回路100の出力端(=交流入力電圧Viの印加端)と一次側コモンGND1との間に直列接続された抵抗171及び172(抵抗値R171及びR172)を含み、それらの接続ノードから、交流入力電圧Viの交流分圧電圧Vac(=Vi×{R172/(R171+R172)})を出力する。なお、制御回路70は、交流分圧電圧Vacの入力を受け付けて、双方向スイッチ20のオンタイミングをスキップするか否かを決定する。このスキップ制御については、後ほど詳述する。
As a first change, the AC /
次に、第2の変更点として、本実施形態のAC/DCコンバータ1では、トランス10としてリーケージトランスないしは共振トランスが用いられておらず、二次巻線12のセンタータップT23と二次側コモンGND2との間に、共振インダクタンス成分(先の漏れインダクタンス11x)に相当する素子として、コイル120が接続されている。
Next, as a second change, in the AC /
このような構成を採用することでも、先の基本構成(図1A〜図1C)や第1実施形態(図11)と同様の作用・効果を享受することができるので、中・大電力適用時にも高効率で交流入力電圧Viを直流出力電圧Voに直接変換することが可能となる。 By adopting such a configuration, the same operations and effects as those of the above basic configuration (FIGS. 1A to 1C) and the first embodiment (FIG. 11) can be enjoyed, so that when medium or high power is applied, It is also possible to directly convert the AC input voltage Vi into the DC output voltage Vo with high efficiency.
また、本実施形態のAC/DCコンバータ1であれば、その第2動作モード(フライバック方式+フォワード方式)において、双方向スイッチ20のオフ期間における二次電流I2をさらに引き下げることが可能となり、かつ、双方向スイッチ20のオン期間における二次電流I2をさらに引き上げることが可能となる。
Further, in the AC /
特に、本実施形態のAC/DCコンバータ1であれば、その第2動作モード(フライバック方式+フォワード方式)において、双方向スイッチ20のオン期間における二次電流I2が0Aを下回らないようになるので、二次回路系1sを電流連続モードで動作させることが可能となる。
In particular, in the case of the AC /
なお、コイル120は、一次巻線11の第1タップT11とフィルタ回路100の出力端との間、二次巻線12の第1タップT21ないし第2タップT22と全波整流回路40の入力端との間、若しくは、全波整流回路40の出力端と直流出力電圧Voの出力端との間に接続することも考えられる。ただし、上記の効果を最大限に享受するためには、二次巻線12のセンタータップT23と二次側コモンGND2との間にコイル120を接続することが望ましい、という知見がシミュレーションから得られている。
The
<制御回路(第4実施例)>
図20は、制御回路70の第4実施例(=第2実施形態のAC/DCコンバータ1に好適な回路構成の一例)を示す回路図である。本実施例の制御回路70は、先出の第1実施例(図12)をベースとしつつ、スキップ制御部750が別途新たに追加されている。
<Control circuit (4th embodiment)>
FIG. 20 is a circuit diagram showing a fourth embodiment of the control circuit 70 (= an example of a circuit configuration suitable for the AC /
スキップ制御部750は、低入力検出閾値設定部751と、コンパレータ752及び753と、NANDゲート754と、を含む。
The
低入力検出閾値設定部751は、誤差信号ERRの逆数に所定の係数±γを乗じて低入力検出閾値V31及びV32(例えば、V31=−γ/ERR、V32=+γ/ERR)を設定する。なお、先にも述べたように、誤差信号ERRは、負荷が軽いほど低くなる。従って、低入力検出閾値設定部751では、負荷が軽いほど低入力検出閾値V31及びV32それぞれの絶対値が引き上げられる。このような低入力検出閾値V31及びV32の負荷連動動作については、後ほど詳細に説明する。
The low input detection
コンパレータ752は、非反転入力端(+)に入力される交流分圧電圧Vacと反転入力端(−)に入力される低入力検出閾値V31とを比較して比較信号S31を生成する。比較信号S31は、Vac>V31であるときにハイレベルとなり、Vac<V31であるときにローレベルとなる。
The
コンパレータ753は、反転入力端(−)に入力される交流分圧電圧Vacと非反転入力端(+)に入力される低入力検出閾値V32(>V31)とを比較して比較信号S32を生成する。比較信号S32は、Vac>V32であるときにローレベルとなり、Vac<V32であるときにハイレベルとなる。
The
NANDゲート754は、比較信号S31及びS32の否定論理積信号を生成し、これをスキップ信号SKIPとして出力する。スキップ信号SKIPは、比較信号S31及びS32がいずれもハイレベルであるときにローレベルとなり、比較信号S31及びS32の少なくとも一方がローレベルであるときにハイレベルとなる。
The
このスキップ信号SKIPは、オンタイミング設定部710のANDゲート713に入力されている。従って、スキップ信号SKIPがローレベルであるときには、比較信号S11及びS12それぞれの論理レベルに依ることなく、論理積信号S13がローレベルに固定される。このように、論理積信号S13がローレベルに固定されていると、分圧電圧Vswのゼロクロスタイミングが到来しても、セット信号SETがハイレベルに立ち上がらなくなるので、双方向スイッチ20のオンタイミングがスキップされることになる。
This skip signal SKIP is input to the AND
図21は、スキップ制御部750によるスキップ信号SKIPの生成動作を示すタイミングチャートであり、上から順に、交流分圧電圧Vac、比較信号S31及びS32、並びに、スキップ信号SKIPが描写されている。
FIG. 21 is a timing chart showing the operation of generating the skip signal SKIP by the
なお、本図では、交流分圧電圧Vacを0V基準の正弦波電圧とし、低入力検出閾値V31及びV32をそれぞれ誤差信号ERRに応じた可変値(V31=−γ/ERR、V32=+γ/ERR)として説明を行う。 In this figure, the AC voltage dividing voltage Vac is a sinusoidal voltage based on 0V, and the low input detection thresholds V31 and V32 are variable values (V31 = −γ / ERR, V32 = + γ / ERR, respectively, according to the error signal ERR. ).
時刻t41において、交流分圧電圧Vacが低入力検出閾値V31よりも高くなると、比較信号S31がハイレベルに立ち上がる。また、この時点では、交流分圧電圧Vacが低入力検出閾値V32よりも低いので、比較信号S32がハイレベルに維持されている。従って、比較信号S31及びS32がいずれもハイレベルとなるので、スキップ信号SKIPがローレベルに立ち下がる。その結果、論理積信号S13がローレベルに固定されるので、双方向スイッチ20のオンタイミングがスキップされる。
At time t41, when the AC voltage dividing voltage Vac becomes higher than the low input detection threshold value V31, the comparison signal S31 rises to a high level. Further, at this point, since the AC voltage dividing voltage Vac is lower than the low input detection threshold value V32, the comparison signal S32 is maintained at a high level. Therefore, since the comparison signals S31 and S32 both have a high level, the skip signal SKIP falls to a low level. As a result, the AND signal S13 is fixed at a low level, so that the on-timing of the
時刻t42において、交流分圧電圧Vacが低入力検出閾値V32よりも高くなると、比較信号S32がローレベルに立ち下がるので、スキップ信号SKIPがハイレベルに立ち上がる。その結果、論理積信号S13のローレベル固定が解除されるので、双方向スイッチ20のソフトスイッチング(ZVS)が再開される。
At time t42, when the AC voltage dividing voltage Vac becomes higher than the low input detection threshold value V32, the comparison signal S32 falls to a low level, so that the skip signal SKIP rises to a high level. As a result, the low-level fixation of the AND signal S13 is released, so that the soft switching (ZVS) of the
その後、交流分圧電圧Vacが上昇から下降に転じ、時刻t43において、交流分圧電圧Vacが低入力検出閾値V32よりも低くなると、比較信号S32がハイレベルに立ち上がる。また、この時点では、交流分圧電圧Vacが低入力検出閾値V31よりも高いので、比較信号S31がハイレベルに維持されている。従って、比較信号S31及びS32がいずれもハイレベルとなるので、スキップ信号SKIPがローレベルに立ち下がる。その結果、論理積信号S13がローレベルに固定されるので、双方向スイッチ20のオンタイミングがスキップされる。
After that, the AC voltage dividing voltage Vac changes from rising to falling, and when the AC voltage dividing voltage Vac becomes lower than the low input detection threshold value V32 at time t43, the comparison signal S32 rises to a high level. Further, at this point, since the AC voltage dividing voltage Vac is higher than the low input detection threshold value V31, the comparison signal S31 is maintained at a high level. Therefore, since the comparison signals S31 and S32 both have a high level, the skip signal SKIP falls to a low level. As a result, the AND signal S13 is fixed at a low level, so that the on-timing of the
時刻t44において、交流分圧電圧Vacが低入力検出閾値V31よりも低くなると、比較信号S31がローレベルに立ち下がるので、スキップ信号SKIPがハイレベルに立ち上がる。その結果、論理積信号S13のローレベル固定が解除されるので、双方向スイッチ20のソフトスイッチング(ZVS)が再開される。
At time t44, when the AC voltage dividing voltage Vac becomes lower than the low input detection threshold value V31, the comparison signal S31 falls to a low level, so that the skip signal SKIP rises to a high level. As a result, the low-level fixation of the AND signal S13 is released, so that the soft switching (ZVS) of the
時刻t44以降、交流分圧電圧Vacが下降から上昇に転じると、上記同様の挙動が繰り返され、スキップ制御部750によるスキップ信号SKIPの生成動作が継続される。
After the time t44, when the AC voltage dividing voltage Vac changes from falling to rising, the same behavior as described above is repeated, and the skip signal SKIP generation operation by the
このように、上記構成から成るスキップ制御部750によれば、交流分圧電圧Vacが低下しているとき(例えばV31<Vac<V32が満たされているとき)に、双方向スイッチ20のオンタイミングをスキップすることができる。
As described above, according to the
なお、本図中の白抜き矢印で示したように、低入力検出閾値V31及びV32は、誤差信号ERR(延いては負荷の重さ)に応じた可変値とされている。以下では、このような低入力検出閾値V31及びV32それぞれの負荷連動動作について、詳細に説明する。 As shown by the white arrows in this figure, the low input detection thresholds V31 and V32 are variable values according to the error signal ERR (and the weight of the load). Hereinafter, the load interlocking operation of each of the low input detection thresholds V31 and V32 will be described in detail.
図22は、低入力検出閾値V31及びV32それぞれの負荷連動動作を示すタイミングチャートであり、上から順に、交流分圧電圧Vac、重負荷時におけるスキップ信号SKIP(H)、及び、軽負荷時におけるスキップ信号SKIP(L)が描写されている。 FIG. 22 is a timing chart showing load interlocking operations of the low input detection thresholds V31 and V32, respectively. From the top, the AC voltage dividing voltage Vac, the skip signal SKIP (H) under heavy load, and the light load. The skip signal SKIP (L) is depicted.
また、負荷に連動して変動する低入力検出閾値V31及びV32については、重負荷時のそれをV31(H)及びV32(H)とし、軽負荷時のそれをV31(L)及びV32(L)とするように、それぞれを区別して表記している。 Regarding the low input detection thresholds V31 and V32 that fluctuate in conjunction with the load, those under heavy load are set to V31 (H) and V32 (H), and those under light load are set to V31 (L) and V32 (L). ), Each is described separately.
交流入力電圧Viが低いときには、スイッチング動作による二次回路系1sへの電力伝達が悪くなるので、スイッチングロスが目立ってくる。特に、軽負荷時には、スイッチングロスの影響が大きく、AC/DCコンバータ1の効率低下が顕著となる。
When the AC input voltage Vi is low, the power transmission to the
そこで、本実施例のスキップ制御部750では、負荷が軽いほどスキップ信号SKIPのローレベル期間(=双方向スイッチ20のオンタイミングをスキップする期間)が長くなるように、低入力検出閾値V31及びV32それぞれの負荷連動動作が行われる(スキップ信号SKIP(H)及びSKIP(L)を比較参照)。
Therefore, in the
従って、軽負荷時には、双方向スイッチ20を不必要にオン/オフさせずに済むので、スイッチングロスを削減することが可能となる。一方、重負荷時には、スキップ信号SKIPのハイレベル期間(=双方向スイッチ20をオン/オフさせる期間)が延びるので、二次回路系1sへの電力伝達を高めることが可能となる。
Therefore, when the load is light, the
このように、本実施例のスキップ制御部750を用いれば、負荷に応じて最適な変換効率を得ることが可能となる。
As described above, by using the
ところで、軽負荷時にスイッチング周波数を低下して効率を改善する技術については、従来より提案されているが、交流入力電圧Viが低いときに双方向スイッチ20のオンタイミングをスキップしてスイッチング動作を完全に停止するものではなかった。
By the way, a technique for lowering the switching frequency to improve efficiency at a light load has been conventionally proposed, but when the AC input voltage Vi is low, the on-timing of the
また、従来のスイッチング電源には、その交流入力電圧を検出する機能を備えた機種も存在しているが、あくまで、交流入力電圧が規定電圧値に達しているか否か(瞬停などの異常状態に陥っていないかどうか)を確認するためのものであり、スイッチング動作を停止するか否かを判定するためのものではなかった。 In addition, some conventional switching power supplies have a function to detect the AC input voltage, but whether or not the AC input voltage has reached the specified voltage value (abnormal state such as momentary power failure). It was not for determining whether or not to stop the switching operation, but for confirming whether or not the switching operation was stopped.
なお、本実施例では、第1実施例(図12)をベースとしたが、第2実施例(図16)や第3実施例(図17)をベースとしても構わない。 In this embodiment, the first embodiment (FIG. 12) is used as the base, but the second embodiment (FIG. 16) and the third embodiment (FIG. 17) may be used as the base.
<その他の変形例>
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全ての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきであり、本発明の技術的範囲は、上記実施形態の説明ではなく、特許請求の範囲によって示されるものであり、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。
<Other variants>
In addition to the above-described embodiment, the various technical features disclosed in the present specification can be modified in various ways without departing from the spirit of the technical creation. That is, it should be considered that the above-described embodiment is exemplary in all respects and is not restrictive, and the technical scope of the present invention is shown not by the description of the above-mentioned embodiment but by the scope of claims. It should be understood that it includes all changes that fall within the meaning and scope of the claims.
本明細書中に開示されているAC/DCコンバータは、例えば、一般電気機器や産業機器などの電源として利用することが可能である。 The AC / DC converter disclosed in the present specification can be used as a power source for, for example, general electric equipment and industrial equipment.
1 AC/DCコンバータ
1p 一次回路系
1s 二次回路系
10 トランス
11 一次巻線
11x 漏れインダクタンス
12 二次巻線
20 双方向スイッチ
30、30a、30b 共振コンデンサ
40 全波整流回路
41、42 ダイオード
50 平滑コンデンサ
60 帰還回路
70 制御回路
710 オンタイミング設定部
711、712 コンパレータ
713 ANDゲート
714 信号遅延部
715 ゼロクロス検出閾値設定部
720 オフタイミング設定部
721 オシレータ
722 エラーアンプ
723 位相補償部
723a コンデンサ
723b 抵抗
724 コンパレータ
725 ORゲート
726 抵抗
730 RSフリップフロップ
740 過電流保護部
741 過電流検出閾値設定部
742、743 コンパレータ
744 ORゲート
750 スキップ制御部
751 低入力検出閾値設定部
752、753 コンパレータ
754 NANDゲート
80 センス抵抗
90 電力フューズ
100 フィルタ回路
120 コイル
150 容量分圧回路
151、152 コンデンサ
153 放電スイッチ
170 交流分圧部
171、172 抵抗
PW 交流電源
Z 負荷
1 AC /
Claims (10)
前記一次巻線に電磁結合された二次巻線と、
前記一次巻線に直列接続された双方向スイッチと、
前記双方向スイッチ及び前記一次巻線の少なくとも一方に並列接続された共振コンデンサと、
共振インダクタンス成分と、
前記二次巻線に生じる誘起電圧を全波整流する全波整流回路と、
前記全波整流回路の出力を平滑する平滑コンデンサと、
前記双方向スイッチをオン/オフさせる制御回路と、
を有し、
前記二次巻線からフォワード電圧とフライバック電圧の双方を取り出すことにより、前記交流入力電圧を直流出力電圧に直接変換するAC/DCコンバータであって、
前記制御回路は、前記一次巻線に流れる一次電流が過電流検出閾値よりも大きくなったときに前記双方向スイッチを強制的にオフさせる過電流保護部を含み、
前記過電流保護部は、負荷が軽いほど前記過電流検出閾値を引き下げる過電流検出閾値設定部を含むことを特徴とするAC/DCコンバータ。 With the primary winding to which the AC input voltage is applied,
The secondary winding electromagnetically coupled to the primary winding and
A bidirectional switch connected in series with the primary winding,
A resonant capacitor connected in parallel to at least one of the bidirectional switch and the primary winding,
Resonant inductance component and
A full-wave rectifier circuit that full-wave rectifies the induced voltage generated in the secondary winding,
A smoothing capacitor that smoothes the output of the full-wave rectifier circuit,
A control circuit that turns the bidirectional switch on and off,
Have,
An AC / DC converter that directly converts the AC input voltage into a DC output voltage by extracting both the forward voltage and the flyback voltage from the secondary winding.
The control circuit includes an overcurrent protection unit that forcibly turns off the bidirectional switch when the primary current flowing through the primary winding becomes larger than the overcurrent detection threshold value.
The AC / DC converter is characterized in that the overcurrent protection unit includes an overcurrent detection threshold value setting unit that lowers the overcurrent detection threshold value as the load is lighter.
前記過電流検出閾値設定部は、前記誤差信号に所定の係数を乗じて前記過電流検出閾値を設定することを特徴とする請求項1に記載のAC/DCコンバータ。 The control circuit includes an off-timing setting unit that sets the off-timing of the bidirectional switch based on an error signal between a feedback signal corresponding to the DC output voltage and a predetermined reference signal.
The AC / DC converter according to claim 1, wherein the overcurrent detection threshold value setting unit sets the overcurrent detection threshold value by multiplying the error signal by a predetermined coefficient.
前記帰還信号と前記基準信号との差分を増幅するエラーアンプと、
前記エラーアンプの第1出力端に接続された位相補償部と、
前記エラーアンプの第1出力端と第2出力端との間に接続された抵抗と、
を含み、
前記エラーアンプの第2出力端に現れるノード信号を前記誤差信号として用いることを特徴とする請求項2または請求項3に記載のAC/DCコンバータ。 The off-timing setting unit
An error amplifier that amplifies the difference between the feedback signal and the reference signal,
A phase compensator connected to the first output end of the error amplifier and
A resistor connected between the first output end and the second output end of the error amplifier,
Including
The AC / DC converter according to claim 2 or 3, wherein a node signal appearing at the second output terminal of the error amplifier is used as the error signal.
前記オンタイミング設定部は、負荷が軽いほど前記ゼロクロス検出閾値を引き上げるゼロクロス検出閾値設定部を含むことを特徴とする請求項1〜請求項4のいずれか一項に記載のAC/DCコンバータ。 The control circuit includes an on-timing setting unit that sets the on-timing of the bidirectional switch based on the comparison result between the voltage across the bidirectional switch or the voltage dividing voltage thereof and the zero cross detection threshold value.
The AC / DC converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the on-timing setting unit includes a zero-cross detection threshold value setting unit that raises the zero-cross detection threshold value as the load is lighter.
前記ゼロクロス検出閾値設定部は、前記誤差信号の逆数に所定の係数を乗じて前記ゼロクロス検出閾値を設定することを特徴とする請求項5に記載のAC/DCコンバータ。 The control circuit includes an off-timing setting unit that sets the off-timing of the bidirectional switch based on an error signal between a feedback signal corresponding to the DC output voltage and a predetermined reference signal.
The AC / DC converter according to claim 5, wherein the zero-cross detection threshold value setting unit sets the zero-cross detection threshold value by multiplying the reciprocal of the error signal by a predetermined coefficient.
前記スキップ制御部は、負荷が軽いほど前記低入力検出閾値を引き上げる低入力検出閾値設定部を含むことを特徴とする請求項1〜請求項7のいずれか一項に記載のAC/DCコンバータ。 The control circuit includes a skip control unit that skips the on-timing of the bidirectional switch when the AC input voltage or its divided voltage is lower than the low input detection threshold value.
The AC / DC converter according to any one of claims 1 to 7, wherein the skip control unit includes a low input detection threshold value setting unit that raises the low input detection threshold value as the load is lighter.
前記低入力検出閾値設定部は、前記誤差信号の逆数に所定の係数を乗じて前記低入力検出閾値を設定することを特徴とする請求項8に記載のAC/DCコンバータ。 The control circuit includes an off-timing setting unit that sets the off-timing of the bidirectional switch based on an error signal between a feedback signal corresponding to the DC output voltage and a predetermined reference signal.
The AC / DC converter according to claim 8, wherein the low input detection threshold value setting unit sets the low input detection threshold value by multiplying the reciprocal of the error signal by a predetermined coefficient.
前記出力電圧に応じた帰還信号と所定の基準信号との差分を増幅するエラーアンプと、
前記エラーアンプの第1出力端に接続された位相補償部と、
前記エラーアンプの第1出力端と第2出力端との間に接続された抵抗と、
を含み、
前記エラーアンプの第2出力端に現れる誤差信号に基づいて前記スイッチング電源のオンデューティを制御することを特徴とする制御回路。 A control circuit for a switching power supply that generates an output voltage from an input voltage.
An error amplifier that amplifies the difference between the feedback signal corresponding to the output voltage and a predetermined reference signal, and
A phase compensator connected to the first output end of the error amplifier and
A resistor connected between the first output end and the second output end of the error amplifier,
Including
A control circuit characterized in that the on-duty of the switching power supply is controlled based on an error signal appearing at the second output terminal of the error amplifier.
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