JP2000050623A - 過渡応答回路網および同期整流器デバイスを不活性化する方法および電力変換器 - Google Patents

過渡応答回路網および同期整流器デバイスを不活性化する方法および電力変換器

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 電力変換器の過渡状態における応答を改善す
るシステムおよび方法を提供する。 【解決手段】 その入出力間に接続された電力スイッチ
（３１０）および同期整流器デバイス（３２０）を有す
る電力変換器（３００）において使用するための、過渡
応答回路網、同期整流器デバイスを不活性化する方法、
およびこの回路網および方法を使用する電力変換器であ
る。一実施形態において、過渡応答ネットワークは、電
力スイッチおよび同期整流器デバイスに接続された同期
整流器コントローラ（３２８）を含み、これは、電力ス
イッチの状態を検出し、電力スイッチが少なくとも特定
の時間について非導通状態であるとき、同期整流器デバ
イスを不活性化する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、電力変換に係り、
特に、同期整流器のためのコントローラ、同期整流器を
不活性化する方法およびこのコントローラおよび方法を
使用する電力変換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】変換器は、入出力絶縁変圧器を有し、一
般に、直流成分を有する入力電圧波形を出力直流電圧波
形に変換するために動作する電力処理回路である。絶縁
変圧器の存在は、しばしば、波形変換を実行するための
変換器出力回路において整流器回路を使用することを必
要とする。伝統的な整流器は、入力波形に応答して、順
方向バイアスされたときのみ、負荷電流を導く整流ダイ
オードを使用する。
【０００３】いくつかの整流器（即ち、同期整流器）に
おいて、ダイオードは、整流されるべき周期的波形と同
期して、導通モードおよび非導通モードに周期的にバイ
アスされる制御可能なスイッチにより置き換えられる。
自己同期型同期整流器において、同期スイッチのバイア
スは、同期スイッチを活性化するための変圧器から直接
供給される。また、ダイレクトドライブ同期整流器にお
いて、駆動信号は、別個の信号源から同期スイッチに供
給され、タイミングは駆動回路から提供される。
【０００４】変換器は、ターンオンおよびターンオフ過
渡状態のような異常状態および負荷および入力電圧の急
激な変化を受ける。変換器が同期整流を使用する場合、
そのような変換器は双方向の電力の流れを提供し、した
がって双方向の電流が変換器を通って流れるので、これ
らの状態においてさらなる予防策が採られなければなら
ない。これは、変換器の出力が意図せずに電力源とな
り、また、この逆となり得ることを意味する。
【０００５】ターンオン過渡状態は、同期整流を使用す
る２つ以上の変換器が、論理和を採るダイオードまたは
電流一方向性スイッチなしに並列接続されている場合、
システムにおける主な関心事となる。そのような場合に
おいて、同期整流器の適切な制御が使用されない場合、
変換器のうちの１つは、無負荷状態においてさえ、他の
変換器から電流を吸い込む負荷として働く可能性があ
る。そのようなシステムは非効率的であるばかりではな
く、初期のターンオンにおいて正常なスタートアップを
妨げる可能性がある。
【０００６】ターンオフ過渡状態も、重要なシステムの
関心事である。インダクタにより共通に出力を接続され
た同期整流器がこの過渡状態において不活性化される場
合、同期整流器を伴うループ中の出力キャパシタと、イ
ンダクタとの間の共振のために、出力に負の電圧が生じ
得る。同期整流器は、電流双方向性デバイスであるの
で、負の出力電圧となる負のインダクタ電流を流すこと
を許容し、多くの場合負荷を破壊することになる。この
問題は、２つ以上の変換器が並列接続されるときにも生
じる。
【０００７】変換器内の過渡状態は、変換器内の部品ま
たは変換器に接続された負荷にダメージを与えることが
ないような方法で、負荷から開放されなければならな
い。負荷が変換器から急に取り除かれた場合、インダク
タに蓄えられたエネルギは、急激に出力キャパシタに放
電される。この放電は、出力キャパシタにおける電圧上
昇を生じ、結果として出力端子の電圧上昇となる。この
上昇した電圧（一般に電圧オーバシュートと呼ばれる）
は、使用されるインダクタのサイズ、インダクタを通る
電流および出力キャパシタのサイズに比例する。
【０００８】この電圧はその安定状態値を越えて急激に
上昇するので、インダクタに蓄えられたエネルギが低抵
抗を通して循環しつづけ、低消費同期整流器となるよう
に、コントローラを含むフィードバックループは、ドラ
イバにより主スイッチを不活性化し、かつ同期整流器を
活性化する。結果として、インダクタに蓄えられたほと
んどのエネルギは、出力キャパシタに放電される。
【０００９】出力キャパシタに蓄えられた電力が変換器
に放電して戻され、インダクタ中の負の電流を生じると
き、そのような状態が生じる。この問題を解決するため
に、様々な変換器は、インダクタ中の電流を監視し、か
つそのような電流が負になったとき、同期整流器は、こ
の問題を軽減するために負活性化される。不都合なこと
に、そのようなシステムは、その中にある様々な部品に
ダメージを与え得る負の電流を電力変換器に流すことを
許容する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】したがって、この技術
分野において必要とされているものは、電力変換器に関
連する過渡状態について、改良された応答を提供するシ
ステムおよび方法である。
【００１１】
【課題を解決するための手段】上述した従来技術の不具
合のために、本発明は、電力スイッチおよびその入出力
間に結合された同期整流器デバイスを有する電力変換器
での使用のために、同期整流器デバイスを不活性化（デ
ィスエーブル）する過渡応答回路網(transientresponse
network)および方法、およびこの回路網および方法を
使用する電力変換器を提供する。
【００１２】一実施形態において、過渡応答回路網は、
電力スイッチおよび同期整流器デバイスに結合された同
期整流器コントローラを含む。この同期整流器コントロ
ーラは、電力スイッチの状態を検出し、かつ電力スイッ
チが、少なくとも特定の時間の間非導通状態に留まって
いたとき、同期整流器デバイスを不活性化する。
【００１３】本発明は、電力変換器の電力スイッチの状
態を検出しかつ電力スイッチが一定時間の間非導通状態
のままである場合同期整流器デバイスを不活性化する広
い概念を導入する。したがって、過渡応答回路網は、過
渡状態について電力変換器出力におけるエネルギ消費を
減少させる。
【００１４】本発明の目的のために、過渡状態は、スタ
ートアップ、ターンオフまたは負荷の一次的な除去のよ
うな電力変換器のいかなる非定常状態も含む。また、同
期整流器コントローラの機能は、個別デバイスに分割す
ることができる。即ち、一方の回路は電力スイッチの状
態を検出し、かつ別の回路は同期整流器デバイスを活性
化（イネーブル）／不活性化（ディスエーブル）する。
同期整流器デバイスのシャットダウンの後に、代替的な
実施形態において、過渡応答回路網は電力スイッチが導
通状態に戻ったとき、かつ好ましくは特定の時間の後で
のみ、同期整流器デバイスを活性化できる。
【００１５】本発明の一実施形態において、同期整流器
デバイスは、電力変換器のインダクタおよび出力キャパ
シタの間の放電パスに配置される。しかし、本発明は、
電力変換器に関連するいかなる位置に配置された同期整
流器デバイスにも同様に適用可能である。
【００１６】本発明の一実施形態において、電力変換器
は、複数の同期整流器デバイスを含む。同期整流器コン
トローラは、複数の同期整流器デバイスのうちの少なく
とも１つを不活性化するように適合される。関連する
が、代替的な実施形態において、電力変換器は複数の電
力スイッチを含む。同期整流器コントローラは、複数の
電力スイッチのうちの少なくとも１つか少なくとも特定
の時間の間非導通状態にあった場合に同期整流器デバイ
スを不活性化するように適合される。
【００１７】例えば、半ブリッジ変換器において、過渡
応答回路網は、２つの電力スイッチを監視し、必要な場
合、２つの同期整流器デバイスを不活性化するように適
合される。しかし、本発明は、同期整流器デバイスを使
用するいかなる電力変換器（例えば、フライバック変換
器）にも同様に適用可能である。
【００１８】本発明の一実施形態において、特定の時間
は、電力スイッチのスイッチングの１サイクルよりも長
い。この特定の時間は、アプリケーションによる。例え
ば、いくつかの場合において、単一のスイッチングサイ
クルは、敏感過ぎて、いくつかのスイッチングサイクル
に対して同期整流器デバイスを不活性化するようにこの
時間を延長することをユーザが望む可能性がる。逆に、
単一のスイッチングサイクルが長すぎる時間である可能
性があり、１つのスイッチングサイクルの一部分に対し
て同期整流器デバイスを不活性化するように時間を短く
することを望むことがある。
【００１９】本発明の一実施形態において、電力スイッ
チおよび同期整流器デバイスは、電解効果トランジスタ
（ＦＥＴ）およびバイポーラトランジスタからなるグル
ープから選択される。いかなるスイッチングデバイス
も、本発明の広い範囲の中にはいる。
【００２０】本発明の一実施形態において、同期整流器
コントローラは、論理積ゲートおよび抵抗器−キャパシ
タ回路を含む。抵抗器−キャパシタ回路および論理積ゲ
ートは、電力スイッチが少なくとも特定時間の間非導通
状態にあった場合、同期整流器コントローラが第１の同
期整流器デバイスを不活性化することを可能にするよう
に協働する。
【００２１】関連するが代替的な実施形態において、同
期整流器コントローラは、同期整流器デバイスが選択さ
れた時間の間不活性化された場合、同期整流器デバイス
を活性化するように適合された回路を含む。以下に説明
される実施形態において、同期整流器コントローラは、
論理積ゲート、抵抗器−キャパシタ回路および活性化回
路を含む。もちろん、電力変換器中の電力スイッチの状
態を検出し、所定の状態にある同期整流器デバイスを不
活性化することができる他のコントローラも、本発明の
広い範囲の中に入る。
【００２２】本発明の一実施形態において、電力変換器
は、電力スイッチと出力との間に結合されたパルス幅変
調（ＰＷＭ）コントローラを含む。ＰＷＭコントローラ
は、本発明の電力変換器において使用され得る制御回路
の単なる一例である。
【００２３】
【発明の実施の形態】図１には、従来技術による同期整
流器コントローラを使用する電力変換器の構成図が示さ
れている。電力変換器１００は、直流電源１０５からの
直流電力を受け取る。直流電源１０５は、電力スイッチ
１１０、同期整流器１２０および第１および第２の駆動
回路１１５，１２５に結合されている。第１および第２
の駆動回路１１５，１２５は、それぞれ電力スイッチ１
１０および同期整流器１２０を駆動する。出力インダク
タ１３０は、第１のスイッチ１１０に結合されており、
出力キャパシタ１４０は、変換器の出力に結合されてい
る。
【００２４】変換器出力電圧Ｖo は、出力キャパシタ１
４０の端子間で測定され、出力電流Ｉo は、変換器の出
力から測定される。負荷１５０は、出力キャパシタ１４
０の両端に接続され、通常のフィードバックコントロー
ラ１６０は、変換器１００に接続され、かつ制御信号を
駆動回路１１５，１２５に送る。最終的に従来技術によ
る同期整流器（ＳＲ）コントローラ１２８は、出力イン
ダクタ１３０に接続され、かつ同期整流器１２０を不活
性化するための第２の駆動回路１２５に接続される。
【００２５】図２Ａから２Ｆには、図１の電力変換器に
ついての例示的な電圧および電流の波形を示す。図２Ａ
は、図１の変換器出力電流Ｉo を示す。図２Ｂは、導通
状態または非導通状態のいずれかにある場合の主電力ス
イッチ１１０の状態を示す。図２Ｃは、導通状態または
非導通状態のいずれかにあるときの同期整流器１２０の
状態の示す。図２Ｄは、観察される時間についての変換
器出力電圧Ｖo を示す。図２Ｅは、観察される時間につ
いての出力インダクタ電流ＩL を示す。図２Ｆは、同期
整流器電流Ｉsrを示す。
【００２６】図１を参照して、以下に、変換器１００の
動作を説明する。図２Ｂおよび図２Ｃから分かるよう
に、電力スイッチ１００および同期整流器１２０は、導
通状態と非導通状態との間を交番する。電力スイッチ１
１０が導通するとき、同期整流器１２０は非導通とな
り、その逆の場合には逆になる。正常動作において、変
換器出力電圧Ｖo および出力インダクタ１２０を通る電
流は、わずかな許容可能な変化のみを有するかなり一定
な状態に留まる。
【００２７】負荷１５０が取り除かれて、出力電流Ｉo
が急激にゼロに低下しかつ変換器出力電圧Ｖo が公称の
定常状態値を越えて上昇するとき、ｔ＝０において異常
状態が生じる。電力スイッチ１１０は、シャットダウン
され、かつ同期整流器１２０が導通状態のままとなる。
結果として、変換器出力電圧Ｖo は、望ましくないレベ
ルΔＶ1 に上昇する。同様に、この時間において、出力
インダクタ電流ＩL は、ｄＩL／ｄt≒Ｖo（ｔ）／Ｌの
レートで低下する。同様に、同期整流器電流Ｉs rは同じ
レートで低下する。ｔ＝ｔx の時点で、出力インダクタ
電流ＩL および同期整流器電流Ｉsrの両方が負になる。
【００２８】従来技術による同期整流器コントローラ１
２８が負の同期整流器電流Ｉsrを検出するとき、同期整
流器１２０は不活性化され、電力スイッチが再度関係さ
せられて、変換器を正常な動作モードに戻す。この従来
技術による電力変換器１００は、望ましくない電圧レベ
ルΔＶ1 の値を減少させることは決してなく、スタート
アップおよびシャットダウンの間、負の電流が流れるこ
とを防止することを助けるに過ぎない。
【００２９】図３Ａには、本発明の原理により構成され
た同期整流器の一実施形態を使用する切り換えモード電
力変換器３００を示す図である。電力変換器３００は、
直流電源３０５から直流電力を受け取る。直流電源３０
５は、電力スイッチ３１０、同期整流器３２０および第
１および第２の駆動回路３１５，３２５に接続されてい
る。
【００３０】第１および第２の駆動回路３１５，３２５
は、それぞれ電力スイッチ３１０および同期整流器３２
０を駆動する。また、同期整流器３２０は、ボディダイ
オード３２１を含む。出力インダクタ３３０は、第１の
スイッチ３１０に接続され、出力キャパシタ３４０は、
変換器３００の出力に接続される。変換器出力電圧Ｖｏ
は、出力キャパシタ３４０の端子間で測定される。
【００３１】負荷３５０は、出力キャパシタ３４０の端
子間に接続され、通常のフィードバックコントローラ
（例えば、パルス幅変調コントローラ）３６０が変換器
３００に接続され、制御信号を分配回路３１５，３２５
に分配する。最終的に、同期整流器（ＳＲ）コントロー
ラ３２８が、第１の駆動回路３１５に接続され、同期整
流器３２０を不活性化するための第２の駆動回路３２５
に接続される。
【００３２】図４Ａから４Ｆには、図３の電力変換器の
例示的な電圧および電流の波形を示す。図４Ａは、図３
の変換器出力電流Ｉo を示す。図４Ｂは、導通状態また
は非導通状態のときの主電力スイッチ３１０の状態を示
す。図４Ｃは、導通状態または非導通状態のときの同期
整流器３２０の状態を示す。図４Ｄは、観察される時間
についての変換器出力電圧Ｖo を示す。図４Ｅは、観察
される時間についての出力インダクタ電流ＩL を示す。
最終的に、図４Ｆは、同期整流器電流Ｉsrを示す。
【００３３】図３を参照して、変換器３００の動作を以
下に説明する。図４Ｂおよび４Ｃから分かるように、電
力スイッチ３１０および同期整流器３２０は、導通状態
と非導通状態との間を交番する。電力スイッチ３１０が
導通するとき、同期整流器３２０は非導通であり、かつ
この逆の場合は逆となる。正常動作において、変換器出
力電圧Ｖo および出力インダクタ電流ＩL は、わずかな
許容できる変化のみを伴うかなりの一定な状態に留ま
る。
【００３４】図２Ａから２Ｆの従来技術による波形と同
じように、出力電流Ｉo がゼロに低下し、出力電圧が定
常状態値を越えて上昇し、かつ変換器がシャットダウン
し、電力スイッチ３１０および同期整流器３２０が導通
状態のままであるとき、ｔ＝０において異常状態が生じ
る。結果として、変換器出力電圧Ｖo は、ｔ＝ｔ1 にお
いて、望ましくないレベルΔＶ2 に上昇する。この実施
形態において生じる望ましくない電圧ΔＶ2 は、従来技
術において経験される望ましくない電圧ΔＶ1よりも小
さい。
【００３５】この望ましくない電圧ΔＶ2 は、ＳＲコン
トローラ３２８が、電力スイッチ３１０が所与の時間に
対して非導通状態であり、同期整流器３２０を即座にシ
ャットダウンし、同期整流器のボディダイオード３２１
を導通させ、変換器出力電圧Ｖo を制限することを検出
するので、望ましくない電圧ΔＶ2 は小さい丸同期整流
器３２０がシャットダウンされると、整流器出力電圧Ｖ
o はこれに従って低下する。
【００３６】同様にこの時間の間出力インダクタ電流Ｉ
1 および同期整流器電流Ｉsrは、同期整流器がｔ1 にお
いてシャットダウンされるまで、ｄＩl／ｄｔ≒Ｖ
o（ｔ）／Ｌのレートで低下する。この時点で、ボディ
ダイオード３２１は導通し始め、出力インダクタ電流Ｉ
L はｄＩl／ｄｔ≒［Ｖo（ｔ）＋Ｖdsr］／Ｌ の増加レ
ートで低下する（ここで、Ｖdsr は、ボディダイオード
３２１の順方向電圧効果である）。出力インダクタ電流
ＩL は、ｔ＝ｔy においてゼロに到達する。この時刻ｔ
y は、従来技術において出力インダクタ電流ＩL がｔ＝
ｔx においてゼロに到達することに要した時間よりも短
い。また、出力インダクタ電流ＩL は、過渡時に負にな
ることはなく、従来技術に比べて、大きな改良である。
【００３７】また、同期整流器電流Ｉsrは、同期整流器
３２０がシャットダウンされたとき、即座にゼロに低下
する。結果として、シャットダウンの前に存在した電流
は、ボディダイオード３２１を通して消散する。ボディ
ダイオード３２１の電流Ｉds r は、出力インダクタ電流
ＩL に等しく、同じレートで減っていく。ボディダイオ
ード３２１の端子間の大きくなる電圧効果のために、イ
ンダクタ３３０に以前に蓄えられたエネルギがより多く
ボディダイオード３１２において消費され、出力キャパ
シタ３４０に放電されるエネルギは少なくなる。
【００３８】結果として、この回路における電圧オーバ
シュートは、従来技術におけるよりも遥かに小さい。し
たがって、この変換器３００は、変換器中の負の電流を
防止し、結果としてターンオフ時の出力における負の電
圧の存在を防止し、無負荷になる過渡時における電圧オ
ーバシュートを大幅に減少させる。
【００３９】図５において、本発明の原理により構成さ
れた同期整流器コントローラ５００の一実施形態が示さ
れている。同期整流器（ＳＲ）コントローラ５００は、
図３のコントローラ３６０または第１の駆動回路３１５
から入力を受け取るダイオード５１０を含む。第１のキ
ャパシタ５２０および第１の抵抗器５３０は、ダイオー
ド５１０と接地との間に並列に接続される。論理積ゲー
ト５４０は、ダイオード５１０から入力を受け取り、そ
の出力は第２の駆動回路３２５に結合される。
【００４０】上述したように、ＳＲコントローラ５００
は、コントローラ３６０または第１の駆動回路３１５の
いずれかから入力信号を受け取る。コントローラ３６０
または第１の駆動回路３１５からの入力信号が「ハイ
（Ｈ）」であるときには、第１のキャパシタ５２０が充
電される。入力信号がなくなると、第１のキャパシタ５
２０は、第１の抵抗器５３０を通して放電される。キャ
パシタ５３０の端子間電圧が論理積ゲート５４０のしき
い値の下に低下すると、論理積ゲート５４０の出力は、
「ロー（Ｌ）」になり、同期整流器３２０に対する第２
の駆動回路３２５を不活性化する。
【００４１】第１のキャパシタ５２０および第１の抵抗
器５３０の組み合わせは、基地の時定数を有するＲＣ回
路を形成する。このフィルタは、論理積ゲート５４０の
基地のしきい値と共に、コントローラ３６０または第１
の駆動回路３１５のいずれかからの信号がなくなった後
に、いつ同期整流器３２０を不活性化するかを決定す
る。また、初期のスタートアップの間に同期整流器３２
０は、第１のキャパシタ５２０が論理積ゲート５４０の
しきい値を越えて充電されるまで、不活性化されること
になる。
【００４２】図６において、本発明の原理により構成さ
れた同期整流器コントローラ６００の別の実施形態が示
されている。同期整流器（ＳＲ）コントローラ６００
は、図３のコントローラ３６０または第１の駆動回路３
１５から入力を受け取る第１段５００および第２段６１
０を含む。第１段５００は、図１の同期整流器コントロ
ーラの実施形態に類似しており、第２段６１０と直列に
接続されている。
【００４３】第２段６１０は、第１段５００の出力から
第１の入力を受け取る論理和ゲートを含む。また、イン
バータ６２０は、第１段５００の出力と論理和ゲート６
５０の第２の入力との間に接続されている。第２のキャ
パシタ６３０および第２の抵抗器６４０は、供給電圧Ｖ
ccと論理和ゲートの第２入力との間に並列に接続されて
いる。最終的に、論理和ゲートの出力は、第２の駆動回
路３２５に結合されている。
【００４４】ＳＲコントローラ６００の実施形態は、図
５におけるものと非常によく似て機能する。第１段５０
０は、第１のキャパシタ５２０および第１の抵抗器５３
０の時定数が以前の実施形態におけるものよりも小さ
く、第２のキャパシタ６４０および第２の抵抗器６３０
の時定数よりも大きいことを除いて、図５と同じであ
る。ＳＲコントローラ６００がコントローラ３６０また
は第１の駆動回路３２５からの信号を失ったとき、論理
積ゲート５４０の出力は低下し、第２の駆動回路３２５
を不活性化する。
【００４５】論理積ゲート５４０が「ロー（Ｌ）」にな
ると、インバータ６２０の出力は、第２のキャパシタ６
４０および第２の抵抗器６３０の時定数で「ハイ
（Ｈ）」になる。論理積ゲートの出力が「ロー」になる
ときに先立って、第２のキャパシタ６４０は、供給電圧
Ｖccに充電される。第２のキャパシタ６４０は放電され
て、増大する電圧が論理和ゲート６５０の第２の入力の
しきい値に到達するや否や、論理和ゲート６５０の出力
は、第１の入力がどうであるにもかかわらずハイにな
り、同期整流器３２０は活性化される。
【００４６】第２段６１０は、同期整流器３２０が無負
荷になる過渡時に不活性化されている時間を制限する。
この制限された不活性化時間は、変換器３００の過渡応
答を全体として向上させる。第２段６１０がないと、同
期整流器は長時間不活性化されることになり、一般に、
変換器３００を無負荷または軽負荷状態における動作の
非連続モード（即ち、非同期モード）にさせる。結果と
して変換器３００は、より遅い過渡応答を示す可能性が
ある。
【００４７】したがって、第２段を追加することで、変
換器３００は第２のキャパシタ６４０および第２の抵抗
器６３０のＲＣ時定数により決定される有限の時間につ
いて、非同期モードで動作する。この予め選択された時
間の後に、変換器３００は、同期動作を再開する。
【００４８】図７において、本発明の原理により構成さ
れた同期整流器コントローラ７００のさらに別の実施形
態が示されている。同期整流器（ＳＲ）コントローラ７
００は、第１段５００、第２段６１０，第３段７１０を
含み、図３のコントローラ３６０または第１の駆動回路
３１５から入力を受け取る。第１段は、図６の同期整流
器コントローラの実施形態からなり、第３段７１０と並
列接続された第１段５００および第２段６１０を含み、
第３段７１０は第２の論理積ゲート７２０の第１の入力
に接続され、第１段５００および第２段６１０は、第２
の論理積ゲート７２０の入力に接続される。
【００４９】第３段７１０は、図３のコントローラ３６
０または第１の駆動回路３１５から入力を受け取る第２
のダイオード７１４を含む。第３のキャパシタ７１６お
よび第３の抵抗器７１８は、第２のダイオード７１４と
接地との間に並列に接続される。第３段の出力は、第２
の論理積ゲート７２０の一方の入力に接続される。
【００５０】ＳＲコントローラ７００の実施形態は、以
前の実施形態の機能を組み合わせ、より長いターンオフ
サイクルを追加する。前述したように、第１段５００
は、無負荷過渡時に同期整流器３２０を不活性化するよ
うに機能する。また第２段６１０は、無負荷過渡時に同
期整流器３２０が不活性化される時間を制限するように
機能する。最終的に第３段７１０は、変換器のシャット
ダウンの間に、同期整流器をターンオフ（即ち、不活性
化）するために使用され、第１段５００と同様に機能す
る。
【００５１】この段における違いは、第３のキャパシタ
７１６および第３の抵抗器７１８の周りに集中する。こ
れらの部品は、より大きい時定数を有するように選ばれ
る。第３のキャパシタ７１６および第３の抵抗器７１８
の選択された時定数は、第１のキャパシタ５２０および
第１の抵抗器５３０についてのものよりも遥かに大き
く、また第２のキャパシタ６４０および第２の抵抗器６
３０についてのものよりも大きい。これは、電力スイッ
チ３１０がターンオフした後に同期整流器３２０がター
ンオフする前の待機時間をさらに長くすることを可能に
する。
【００５２】図８には、本発明の原理により構成された
同期整流器コントローラ８７０の別の実施形態を使用す
る電力変換器８００の構成図を示す。電力変換器８００
は、直流電源８０５から直流電力を受け取る。第１およ
び第２のキャパシタ８１０，８１５は、直流電源８０５
の端子間に直列接続される。また、第１および第２の電
力スイッチ８３０，８３４は、直流電源８０５の端子間
に共に接続される。絶縁変圧器の一次巻線８２０が、第
１および第２のキャパシタ８１０，８１５と第１および
第２の電力スイッチ８３０，８３４との間に接続され
る。
【００５３】第１および第２の二次巻線８２４，８２８
は、一緒に接続されて、第１および第２の同期整流器８
４０，８４４に接続される。出力インダクタ８５０は、
第１および第２の同期整流器８４０，８４４に接続さ
れ、出力キャパシタ８５５にも接続される。また、出力
キャパシタ８５５は、第１および第２の二次巻線８２
４，８２８の間の中央タップに接続される。負荷８６０
は、出力キャパシタ８５５の端子間に接続される。
【００５４】電力変換器８００は、通常のコントローラ
８８０を含むフィードバック制御ループをさらに含む。
コントローラ８８０は、変化器出力における電圧を検出
し、同期整流器（ＳＲ）コントローラ８７０を介して、
制御信号を電力スイッチ（ＰＳ）ドライバ８３８および
同期整流器（ＳＲ）ドライバ８４８に送る。
【００５５】ＰＳドライバ８３８は、コントローラ８８
０およびＳＲドライバ８４８から信号を受け取り、信号
をＳＲドライバ８４８およびＳＲコントローラ８７０に
送り、駆動信号を第１および第２の電力スイッチ８３
０，８３４に送る。ＳＲコントローラ８７０は、コント
ローラ８８０およびＰＳドライバ８３８から適切な信号
を受信すると、ＳＲドライバ８４８へ活性化信号を送
り、ＳＲドライバ８４８は、駆動信号を第１および第２
の同期整流器８４０，８４４に送る。
【００５６】図９Ａから９Ｋにおいて、図８の電力変換
器についてのタイミングチャートが示されている。図９
Ａは、通常のコントローラ８８０からのＰＷＭ波形を示
す。図９Ｂは、第１の電力スイッチ８３０の駆動波形を
示す。図９Ｃは、第２の電力スイッチ８３４の駆動波形
を示す。図示のように、第１および第２の電力スイッチ
８３０，８３４は、同時に導通状態で動作しない（例え
ば、第１の電力スイッチ８３０が導通状態であるとき、
第２の電力スイッチ８３４は非導通状態である）。
【００５７】図９Ｄおよび９Ｅは、それぞれ第１および
第２の同期整流器８４０、８４４の波形を示す。第１お
よび第２の同期整流器８４０，８４４は、それぞれ第２
および第１の電力スイッチとの組み合わせで動作する。
第１の電力スイッチ８３０が導通しているとき、第２の
同期整流器８４４は非導通状態であり、逆の場合は逆に
なる。同様に、第２の電力スイッチ８３４が導通状態で
あるとき、第１の同期整流器８４０は非導通状態であ
り、この逆の場合には逆になる。
【００５８】電力スイッチ８３０，８３４と同期整流器
８４０，８４４との関係をさらに示すために、この関係
の正常な動作を以下に示すようにする。時刻ｔ0 、即ち
初期状態において、第１の電力スイッチ８３０が導通
し、第２の電力スイッチ８３４が非導通となる。これに
応じて、第２の同期整流器８４４は導通しなくなり、第
１の同期整流器８４０は導通する。第１の状態、ｔ0−
ｔ1の間、電力スイッチ８３０，８３４および同期整流
器８４０，８４４は、初期状態のまま維持される。第２
の状態、ｔ1−ｔ2の間、電力スイッチ８３０，８３４の
いずれも導通しない。これに応じて、両方の同期整流器
８４４および８４０が導通する。
【００５９】第３の状態、ｔ2−ｔ3の間、第１の電力ス
イッチ８３０は導通しなくなり、第２の電力スイッチ８
３４は導通することになる。同様に、第２の同期整流器
８４４は導通し、第１の同期整流器は８４０は導通しな
くなる。第４の状態、ｔ3−ｔ4 の間、両方の電力スイ
ッチ８３０，８３４は導通しなくなる。これに応じて両
方の同期整流器８４４，８４０は導通する。一般に、ス
イッチングサイクルｔ s は、ｔ0−ｔ4として表される。
ｔ＝ｔ4 のとき、スイッチングサイクルｔs は完了し、
４個の動作状態が繰り返される。
【００６０】図９Ｆ−９Ｇは、それぞれ第１および第２
の電力スイッチ８３０，８３４を通る電流Ｉs1，Ｉs2を
表す。図９Ｈは、絶縁変圧器の一次巻線８２０を通る電
流Ｉ P を表す。図９Ｉ−９Ｈは、第１および第２の同期
整流器８４０，８４４を通る電流Ｉsr1，Ｉsr2をそれぞ
れ表す。図９Ｋは、出力インダクタ８５０を通る電流Ｉ
L を表す。
【００６１】過渡的状況の間、ＳＲコントローラ８７０
は、図９Ａに示されているように、ＰＷＭ駆動信号の存
在を検出する。この信号が所定時間（一般には、少なく
ともｔｓ／２）についてない場合、第１および第２の同
期整流器８４０，８４４の両方が不活性化される。回路
の動作要求に依存して、ＳＲコントローラ８７０は、２
つの同期整流器８４０，８４４のうちの１つのみを不活
性化し得る。同期整流器８４０，８４４の不活性化につ
いての別の可能性は、対応する電力スイッチ８３０，８
３４が活性化されていると思われるとき、スイッチング
サイクルの半分について一方を不活性化することを含む
（即ち、８３０−８４４＆８３４−８４０である。）。
【００６２】同期整流器コントローラの具体的な実施形
態が説明されてきたが、他の実施形態も本発明の広い範
囲に入る。また、どのような変換器の構成も、また本発
明の広い範囲に入る。変換器、同期整流器およびそれら
の制御のよりよい理解のために、Marty Brown, Butterw
orth-Heinemann 等による「Power Supply Cookbook」
（１９９４）を参照されたい。
【００６３】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
電力変換器の過渡状態における応答を改善するシステム
および方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による同期整流器コントローラを使用
する電力変換器を示す構成図。
【図２】無負荷過渡時の図１の電力変換器の動作を示す
タイミング図。
【図３】本発明の原理により構成された同期整流器コン
トローラの一実施形態を使用する切り換えモード電力変
換器を示す構成図。
【図４】無負荷過渡時の図３の電力変換器の動作を示す
タイミング図。
【図５】本発明の原理により構成された同期整流器コン
トローラの一実施形態を示す図。
【図６】本発明の原理により構成された同期整流器コン
トローラの別の実施形態を示す図。
【図７】本発明の原理により構成された同期整流器コン
トローラのさらに別の実施形態を示す図。
【図８】本発明の原理により構成された同期整流器コン
トローラの別の実施形態を使用する電力変換器を示す構
成図。
【図９】図８の電力変換器の動作を示すタイミング図。
【符号の説明】 ３００ 電力変換器 ３０５ 直流電源 ３１０ 電力スイッチ ３１５，３２５ 駆動回路 ３２０ 同期整流器 ３２８ 同期整流器コントローラ ３５０ 負荷 ３６０ コントローラ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 ミリボジャ スロボダン ブーコビック アメリカ合衆国，75093 テキサス，プラ ノ，プレストン ロード 2524，ナンバー 204

Claims (26)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 その入出力間に接続された電力スイッチ
    および同期整流器デバイスを有する電力変換器において
    使用するための過渡応答回路網であって、 前記電力スイッチおよび前記同期整流器デバイスに接続
    された同期整流器コントローラを含み、前記電力スイッ
    チの状態を検出し、前記電力スイッチが少なくとも特定
    の時間について非導通状態のままである場合、前記同期
    整流器デバイスを不活性化することを特徴とする過渡応
    答回路網。
  2. 【請求項２】 前記同期整流器デバイスが、前記電力変
    換器のインダクタと出力キャパシタとの間の放電パスに
    配置されていることを特徴とする請求項１記載の回路
    網。
  3. 【請求項３】 前記電力変換器が、複数の同期整流器デ
    バイスをさらに含み、前記同期整流器コントローラは、
    前記複数の同期整流器デバイスの少なくとも１つを不活
    性化するように適合されていることを特徴とする請求項
    １記載の回路網。
  4. 【請求項４】 前記電力変換器は、複数の電力スイッチ
    をさらに含み、前記同期整流器コントローラは、前記複
    数の電力スイッチの少なくとも１つが、少なくとも前記
    特定の時間について前記非導通状態のままであるとき、
    前記同期整流デバイスを不活性化するように適合されて
    いることを特徴とする請求項１記載の回路網。
  5. 【請求項５】 前記特定の時間が、前記電力スイッチの
    １スイッチングサイクルよりも長いことを特徴とする請
    求項１記載の回路網。
  6. 【請求項６】 前記同期整流器コントローラが、論理積
    ゲートおよび抵抗器−キャパシタ回路を含み、前記電力
    スイッチが少なくとも前記特定の時間について前記非導
    通状態のままであるとき、前記抵抗器−キャパシタ回路
    および前記論理積ゲートは、前記同期整流器コントロー
    ラが前記同期整流器デバイスを不活性化することを許容
    することを特徴とする請求項１記載の回路網。
  7. 【請求項７】 前記同期整流器コントローラが、前記同
    期整流器デバイスが選択された時間について不活性化さ
    れているとき前記同期整流器デバイスを活性化するよう
    に適合されていることを特徴とする請求項１記載の回路
    網。
  8. 【請求項８】 前記電力スイッチおよび前記同期整流器
    デバイスが、 電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）、およびバイポーラト
    ランジスタからなるグループから選択されることを特徴
    とする請求項１記載の回路網。
  9. 【請求項９】 前記電力変換器が、前記電力スイッチと
    前記出力との間に接続されたパルス幅変調コントローラ
    をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の回路網。
  10. 【請求項１０】 その入出力間に接続された電力スイッ
    チおよび同期整流器デバイスを有する電力変換器におい
    て使用するための同期整流器デバイスを不活性化する方
    法であって、 前記電力スイッチの状態を検出するステップと、 前記電力スイッチが少なくとも特定の時間について非導
    通状態であるとき、前記同期整流器デバイスを不活性化
    するステップとを有することを特徴とする方法。
  11. 【請求項１１】 前記同期整流器デバイスを、前記電力
    変換器のインダクタおよび出力キャパシタとの間の放電
    パスに配置するステップをさらに含むことを特徴とする
    請求項１０記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記電力変換器が、複数の同期整流器
    デバイスをさらに含み、前記方法が、前記複数の同期整
    流器デバイスの少なくとも１つを不活性化するステップ
    をさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記電力変換器が、複数の電力スイッ
    チをさらに含み、前記方法が、前記複数の電力スイッチ
    のうちの少なくとも１つが少なくとも前記特定された時
    間について前記非導通状態であるとき、前記同期整流器
    デバイスを不活性化するステップをさらに含むことを特
    徴とする請求項１０記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記特定された時間は、前記電力スイ
    ッチの１スイッチングサイクルよりも長いことを特徴と
    する請求項１０記載の方法。
  15. 【請求項１５】 不活性化の動作が、論理積ゲートおよ
    び抵抗器−キャパシタ回路を含む同期整流器コントロー
    ラにより実行されることを特徴とする請求項１０記載の
    方法。
  16. 【請求項１６】 前記不活性化の動作の後の選択された
    時間において、前記同期整流器デバイスを活性化するス
    テップをさらに含むことを特徴とする請求項１０記載の
    方法。
  17. 【請求項１７】 前記電力スイッチおよび前記同期整流
    器デバイスが、 電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）、およびバイポーラト
    ランジスタからなるグループから選択されることを特徴
    とする請求項１０記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記電力スイッチをパルス幅変調コン
    トローラで制御するステップをさらに含むことを特徴と
    する請求項１０記載の方法。
  19. 【請求項１９】 電力変換器において、 前記電力変換器の入力に接続された電力スイッチと、 前記電力スイッチに接続されたインダクタと、 前記電力変換器の出力に接続された出力キャパシタと、
    前記インダクタと前記出力キャパシタとの間の放電パス
    に配置された同期整流器デバイスと、過渡応答回路網と
    を含み、 前記過渡応答回路網は、 前記電力スイッチおよび前記同期整流器デバイスに接続
    された同期整流器コントローラを含み、前記電力スイッ
    チの状態を検出し、前記電力スイッチが少なくとも特定
    の時間について非導通状態のままである場合、前記同期
    整流器デバイスを不活性化するを含むことを特徴とする
    電力変換器。
  20. 【請求項２０】 前記電力変換器が、複数の同期整流器
    デバイスをさらに含み、前記同期整流器コントローラ
    は、前記複数の同期整流器デバイスの少なくとも１つを
    不活性化するように適合されていることを特徴とする請
    求項１９記載の電力変換器。
  21. 【請求項２１】 前記電力変換器は、複数の電力スイッ
    チをさらに含み、前記同期整流器コントローラは、前記
    複数の電力スイッチの少なくとも１つが、少なくとも前
    記特定の時間について前記非導通状態のままであると
    き、前記同期整流デバイスを不活性化するように適合さ
    れていることを特徴とする請求項１９記載の電力変換
    器。
  22. 【請求項２２】 前記特定の時間が、前記電力スイッチ
    の１スイッチングサイクルよりも長いことを特徴とする
    請求項１９記載の電力変換器。
  23. 【請求項２３】 前記同期整流器コントローラが、論理
    積ゲートおよび抵抗器−キャパシタ回路を含み、前記電
    力スイッチが少なくとも前記特定の時間について前記非
    導通状態のままであるとき、前記抵抗器−キャパシタ回
    路および前記論理積ゲートは、前記同期整流器コントロ
    ーラが前記同期整流器デバイスを不活性化することを許
    容することを特徴とする請求項１９載の電力変換器。
  24. 【請求項２４】 前記同期整流器コントローラが、前記
    同期整流器デバイスが選択された時間について不活性化
    されているとき前記同期整流器デバイスを活性化するよ
    うに適合されていることを特徴とする請求項１９記載の
    電力変換器。
  25. 【請求項２５】 前記電力スイッチおよび前記同期整流
    器デバイスが、 電解効果トランジスタ（ＦＥＴ）、およびバイポーラト
    ランジスタからなるグループから選択されることを特徴
    とする請求項１９記載の電力変換器。
  26. 【請求項２６】 前記電力変換器が、前記電力スイッチ
    と前記出力との間に接続されたパルス幅変調コントロー
    ラをさらに含むことを特徴とする請求項１９記載の電力
    変換器。
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