JP2006500890A - コンバータ回路およびその制御方法 - Google Patents
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Abstract
既知のコンバータ回路においては、フリーホイーリングダイオードの逆回復電流を原因とするスイッチング損失が発生する。前記スイッチング損失を減少させるために、本発明により、第2スイッチング素子から第1スイッチング素子へのスイッチングの際に、タイミングを制御して、シュートスルー電流およびフリーホイーリングダイオードの導通を、低い値に維持、または、より好ましくは防止するような、スイッチング素子の駆動が提案される。制御メカニズムに関しては、シュートスルー電流が起こった場合には、第1スイッチング素子を、後でターンオンし、フリーホイーリングダイオードの導通が起こった場合には、第1スイッチング素子をより早くターンオンすることが提案される。ここで、両方のスイッチング素子が同時に導通状態となる重複時間を設けてもよい。制御メカニズムのために、スイッチング素子を横断する電圧を、測定入力値として用いることができる。
Description
本発明は、コンバータ回路および制御方法、ならびにコンバータ回路の駆動装置に関する。
コンバータ回路は、入力電圧の出力電圧への変換に用いられる。特に、DC/DCコンバータ回路のために、複数のトポロジー、すなわち、使用されるスイッチを適宜に駆動して、さまざまな要求を満たす回路、が知られている。
既知のコンバータトポロジーは、同期ステップダウンコンバータ(バックコンバータ)である。前記バックコンバータは、その入力側に、第1スイッチング素子(制御)と第2スイッチング素子(同期)とを有するハーフブリッジを備え、ハーフブリッジは、入力DC電圧で作動される。スイッチング素子の間に接続されるブリッジアームは、その後ろに負荷が接続されるインダクタを備える。スイッチング素子は、例えばパルス持続時間制御によって、交互に駆動される。バックコンバータは、近年のマイクロプロセッサ向けのVRM(Voltage Regulator Module)を含む、広範囲の適用に用いられる。
スイッチング素子は、通常、フリーホイーリングダイオードを備える。電界効果トランジスタを、スイッチング素子として用いる場合、フリーホイーリングダイオードは、スイッチング素子の一部、すなわちドレインとソースの間のダイオードである。ハーフブリッジを駆動する場合、通常は、むだ時間を、スイッチング素子のスイッチング動作の間に設定し、スイッチング素子の導通と、結果として生じるシュートスルー電流(シュートスルー)が、同時に起こることを防いでいる。スイッチング素子のターンオフ後に、常に、両方のスイッチング素子がターンオフされているむだ時間が存在する。このむだ時間において、電流を、出力側のインダクタンスのために連続電流とする必要があり、これは、フリーホイーリングダイオードの導通によって維持される。スイッチング素子間のスイッチングに関しては、“ハード”および“ソフト”スイッチング遷移(ソフトスイッチング)を、区別することができる。ハードスイッチングトランジスタの場合、スイッチング素子は、スイッチング素子に電圧が印加されている間、ターンオンされる。ZVS(Zero Voltage Switching)としても呼ばれる、ソフトスイッチング遷移の場合、前記スイッチング素子がターンオンされると、ゼロまたは非常に小さい電圧のみが、スイッチング素子に印加される。バックコンバータを、インダクタンスを通る負荷電流が極性を変えないように動作(連続動作)させた場合は、“ハード”スイッチング遷移(同期スイッチから制御スイッチへのスイッチング)およびZVS遷移(制御スイッチから同期スイッチへのスイッチング)が、各スイッチング期間内に生じるような動作が得られる。
コンバータ回路のさらなる小型化および負荷交代への高速な対応を達成するために、高いスイッチング周波数が望ましい。この点で問題となるのは、周波数と共にスイッチング損失が増加することである。これらのスイッチング損失の主な部分は、同期スイッチのフリーホイーリングダイオードの逆電流(逆回復電流)により生じる。同期バックコンバータの場合、前記逆電流は、同期スイッチから制御スイッチへのハードスイッチング遷移を伴う。この問題は、他のコンバータトポロジーにおいても発生する。
米国特許第5,539,630号において、既知のDC/DCスイッチングコンバータが、それぞれの欠点に関して調査されている。バックコンバータに関しては、逆回復の問題が述べられており、これは、磁気飽和素子を有する回路によって処理する必要がある。
また、米国特許第5,479,089号は、特にバックおよびブーストコンバータなどの、さまざまなコンバータトポロジーを考察している。コンバータのスイッチング効率を向上させるために、フリーホイーリング、すなわちフリーホイーリングダイオードの導通を減少させる駆動装置が提案されている。同時に、スイッチング素子を互いに対し論理的にロックして、それらを同時に導通できないようにし、これによりシュートスルー電流を防いでいる。
米国特許出願第2001/0036085号においては、DC/DCコンバータが記述されている。前記コンバータは、同期バックコンバータであり、これは、“ソフトスイッチング”動作され、すなわち、両方のスイッチング遷移が“ソフト”である。この場合、スイッチング素子のスイッチングの間のむだ時間は、駆動回路内で制御される。同期スイッチング素子を横断する電圧の誘導を考察することにより、むだ時間が、より短く、またはより長く設定され、その結果、“理想的なむだ時間”となる。
米国特許第6,396,250号において、高い効率を目的とした同期バックコンバータが記述されている。第1および第2スイッチング素子が、変化するむだ時間で駆動される。制御メカニズムが、むだ時間を、最適値として定められた値に設定する。制御のために、第2スイッチング素子を横断する電圧が考察される。前記電圧が、0Vとフリーホイーリングダイオードの順方向電圧の間の範囲にある所定のしきい値を超えた場合、より短いむだ時間がカウンタによって設定される。
本発明の目的は、従来技術による解決策に比べて、スイッチング損失のさらなる減少を可能にする、コンバータ回路および駆動装置、ならびにその駆動方法を提供することである。
この目的は、請求項1に記載のコンバータ回路、請求項9に記載の駆動装置、および請求項11に記載の駆動方法によって達成される。従属請求項は、本発明の有利な実施形態に関するものである。
本発明は、ハードスイッチング遷移の場合において、前記フリーホイーリングダイオードの導通を防止する、または少なくとも実質的に防止することができれば、フリーホイーリングダイオードの逆回復に関わる損失を防止する、または減少することができる、という考察に基づいている。本発明に係る前記考察は、従来技術トポロジーが、常に、正の継続時間のむだ時間を有していたことを示しており、このむだ時間においては、第2スイッチング素子のターンオフの際に、先に前記第2スイッチング素子を流れる電流が、フリーホイーリングダイオードによって引き継がれていた。しかしながら、電流が、代わりに他のスイッチング素子によって引き継がれる場合、フリーホイーリングダイオードの導通は、特定の条件下で完全に防ぐことができる。いずれの場合でも、導通は、回復電流の原因である逆回復時間が大幅に減少するような程度まで、減少させることができる。
したがって、本発明によれば、第2スイッチング素子から第1スイッチング素子へのスイッチング(すなわち、第2スイッチング素子が導通し、第1スイッチング素子が導通しない第1状態から、第1スイッチング素子が導通し、第2スイッチング素子が導通しない第2状態への遷移)の際に、スイッチング素子を駆動するタイミングを制御することが提案される。前記制御は、シュートスルー電流が発生するかどうか、またはフリーホイーリングダイオードが導通するかどうかを判定することにより、行われる。シュートスルー電流が発生した場合、第1スイッチング素子が後でターンオンされるように、駆動が切り替わる。フリーホイーリングダイオードが導通することが判定された場合、第1スイッチング素子がより早くターンオンされるように、駆動が切り替わる。用語“より早く”および“後で”は、第2スイッチング素子のターンオフと関連して解釈される。これらは、スイッチングプロセス(第1スイッチング素子のターンオン、第2スイッチング素子のターンオフ)のいずれが先に生じるかは定義しない。原則的に、小さなむだ時間が可能である(すなわち、第1スイッチング素子のターンオンは、第2スイッチング素子のターンオフの後まで、起こらない)。しかしながら、好ましくは、重複期間が存在する(すなわち、第1スイッチング素子のターンオンが、第2スイッチング素子のターンオフの前に起こる)。
したがって、本発明は、スイッチング素子のターンオフと他のスイッチング素子のターンオンとの間に、常に強制的なむだ時間を含んでいた既知の解決策とは、かけ離れたものである。代わりに、第1(制御)スイッチが、負荷電流を第2(同期)スイッチから引き継ぐ、真のコミュテーションが提案される。タイミングが、ここでは決定的な重要度を有する。本発明に係る制御メカニズムは、前記タイミングを、シュートスルー電流およびフリーホイーリングダイオードの導通を理想的に防止するように、設定することを可能にする。
フリーホイーリングダイオードの導通を、減少または完全に防止することの結果として、逆回復による大きな損失が、生じなくなる。その結果、スイッチング損失の大幅な減少が、達成される。これは特に、高いスイッチング周波数での動作の間、重要である。
本発明は、誘導性素子のフリーホイーリング経路が、並列のフリーホイーリングダイオードを有するスイッチング素子を通っており、スイッチング素子におけるスイッチング遷移が、ハード遷移である、すべてのコンバータトポロジーに、好ましく適用することができる。この点について、“ハードターンオフ”は、スイッチング素子を横断する電圧が、フリーホイーリングダイオードの順方向から逆方向へと切り替わる。ことを意味する、と理解される。誘導性素子のフリーホイーリング経路は、ターンオンにより電流の増加をもたらしたスイッチがターンオフされた後も、誘導性電流を流れ続けさせる電流経路である。当該のトポロジーは、例えば、ハーフブリッジと、フルブリッジとを備え、フルブリッジは2つのハーフブリッジで構成される。このようなトポロジーの例としては、同期バックコンバータに加えて、同期ブーストコンバータ、同期バック−ブーストコンバータ、同期アップ/ダウンコンバータ、およびそれらより得られるトポロジーが挙げられる。実際の回路で用いられるスイッチング素子は、通常、電界効果トランジスタであり、この電界効果トランジスタにおいては、一般に、フリーホイーリングダイオードは、個別の構成要素でなく、例えば、MOSFETによる、半導体スイッチの特性である。
本発明のさらなる実施形態によると、第2スイッチング素子から第1スイッチング素子へのスイッチングの際に、両方のスイッチング素子が同時に導通する重複期間を確立するタイミングが、提供される。この点において、MOSFETとして実施されるスイッチは、そのゲート電圧がしきい値電圧より上にある場合に、導通状態であると考えられる。重複期間の継続時間は、第2スイッチング素子のターンオフ後に、シュートスルー電流が発生するかどうか、またはフリーホイーリングダイオードの導通が発生するかどうかを判定することにより制御される。シュートスルー電流が発生した場合、重複期間の継続時間が減少される。フリーホイーリングダイオードが導通状態になった場合、重複期間の継続時間が増加される。この制御方法によって、駆動のタイミングが最適化される。
第2スイッチング素子を横断する電圧を、制御のための測定値として用いることができる。第1の提案によると、電圧の変動を用いて、シュートスルー電流またはフリーホイーリングダイオードの導通が起こるかどうかを判定する。これは例えば、この電圧の絶対最小値を、スイッチング間隔内で測定することにより、可能となる。この最小値は、第2スイッチング素子のターンオフ後に発生する。フリーホイーリングダイオードが導通状態である場合、ある期間、電圧が、その順方向電圧に降下する。シュートスルー電流が発生した場合、ターンオフ直後に、電圧極性が変化する。これは、好ましい制御メカニズムにおいて、自己設定する電圧最小値が、スイッチング素子の順方向電圧とフリーホイーリングダイオードの順方向電圧の間の値をとるように、タイミング、例えば重複期間を設定することにより、非常に簡素な方法で考慮に入れることができる。最小電圧の測定は、絶対最小値の検出に関係するため、特に簡潔である。このようなピーク値を測定するために、当業者は、既知の手段を用いることができ、測定は、スイッチング期間内の狭い時間範囲に限定されてはならない。
代わりの提案によると、第2スイッチング素子のターンオフ後に発生し、かつ、スイッチングキャパシタンスの充電スイッチングを原因とする振動が、考察される。この一過性の振動の振幅は、シュートスルー電流およびダイオード導通のどちらも生じない場合には、最小である。好ましくは、スイッチング期間の間の電圧の絶対最大値でもある振動の第1ピーク値が、測定される。ピーク値が最小化されるように重複期間を制御することにより、本発明に係る目的とされる制御を、達成することができる。また、この場合、電圧ピーク値は、簡素な手段を用いて測定することができる。
スイッチング素子を横断する電圧を測定する場合、例えばハウジングインピーダンスにより、ハウジングの外部での測定の正確度が影響される場合がある。したがって、1つまたは複数の追加的な専用の測定ラインが設けられた、スイッチング素子のさらなる実施形態が提案される。大きな電流が、利用可能な接続ラインを流れ、これにより、例えば結合線に生じるようなインダクタンスが、すでに明らかな効果を有する一方で、測定ラインは、MOSFETの場合にドレイン−ソース経路を横断する電圧などの、電圧の測定のみを行う。電圧が測定される際に、測定ラインを流れる電流は小さいので、測定結果の誤りは、わずかなものとなる。
本発明のさらなる実施形態によると、タイミング、すなわち例えば重複期間の継続時間は、少なくとも第1スイッチング期間において、コンバータ回路の電気量の測定が行われるように制御され、これに基づいて、重複期間の継続時間が、第1スイッチング期間の後のさらなるスイッチング期間のために設定される。その結果、高い周波数においても、タイミングを設定するための十分な時間がある。この点について、第2スイッチング期間が、第1スイッチング期間の直後にある必要はなく、代わりに、次の期間の後のスイッチング期間、または続くスイッチング期間のうちの1つ、としてもよい。好ましくは、スイッチング期間においてタイミングを設定するために、先に起こる複数のスイッチング期間の測定値が評価される。
本発明に係るコンバータ回路が動作を開始する際、最初に、第2スイッチング素子のターンオフと第1スイッチング素子のターンオンの間で、むだ時間を測定することが望ましい。上述したように、正しいタイミングが重要であるため、動作を、最初に非限界範囲内で、しかし最初は若干高い損失と共に、開始させる。本発明に係る制御により、第1および第2スイッチング素子のスイッチングのタイミングを切り換えて、最初に設定されたむだ時間を、最終的に最適なむだ時間が得られるまで連続的に減少させる。この最適なむだ時間には、必要に応じて、重複期間も設定される。
本発明のさらなる実施形態によると、第2スイッチング素子から第1スイッチング素子へのスイッチングの際に、第1スイッチング素子が、最初に、このスイッチング素子を流れる電流を最大値に限定するように、駆動される。MOSFETの場合、これは、減少させたゲート電圧で駆動することにより達成される。このように設定された最大電流値は、コンバータ回路の公称出力電流より上となる。ここで、例えば、公称電流よりわずかに上の範囲で、例えば公称電流のほぼ1.2倍の値を得ることが可能である。また、例えば公称出力電流のほぼ2倍以上の、非常に高い最大値の設定も可能である。最大値は、このように得られる電流の限定が、通常の動作の間に対して何の効果も持たないように選択する必要がある。この限定が、高い損失を伴うためである。
本発明のこれらおよび他の観点は、以下に説明される実施形態により明白となり、それらを参照して明瞭となるであろう。
図1a〜図1dは、既知のトポロジーに係るコンバータ回路を示しており、それぞれ、バックコンバータ(図1a)、ブーストコンバータ(図1b)、バック−ブーストコンバータ(図1c)、およびアップ/ダウンコンバータ(図1d)である。コンバータ回路10は、それぞれ、出力において、入力電圧Viを出力電圧V0に変換する。コンバータ回路10は、それぞれ、第1スイッチング素子T1と、第2スイッチング素子T2と、誘導素子Lとを備える。フリーホイーリングダイオードD2は、誘導素子Lを通過する電流のためのフリーホイーリング経路の一部である。図1a〜図1dのスイッチング素子T2は、フリーホイーリングダイオードD2に並列に配置され、同期整流器として、すなわちD2に同期して機能し、これらは、ダイオードD2がT2の存在なしに導通する場合に導通し、より大きな順方向電圧の結果として発生する損失を回避する。
図1a〜図1dにおいてスイッチとして理想的に示されているT1,T2は、実際には、通常、MOSFETの形をとり、ゲート電圧を印加することによって、ソース−ドレイン接合がスイッチされる。この場合、通常、ダイオードD2は、別個の構成要素ではなく、むしろ、使用されるMOSFETの内部ダイオードである。
以下、本発明の好適な実施形態を、同期バックコンバータトポロジーに関して、より詳細に説明する。図1aに示される同期バックコンバータは、第1スイッチング素子T1(制御スイッチ)と、第2スイッチング素子T2(同期スイッチ)とを備え、これらは、ハーフブリッジ12の形で入力電圧Viに接続されている。インダクタンスLが、ブリッジ13の中心に接続されており、出力V0は、前記インダクタンスの後方に位置している。平滑キャパシタC0が、出力に並列に配置されている。出力に接続された負荷(図示せず)が、C0に平行に延びている。動作の連続モードにある図1aのバックコンバータの機能は、当業者に周知である。スイッチT1,T2は、電圧パルス、例えばパルス幅変調電圧により駆動され、これにより、得られる出力電圧V0は、入力電圧Vsに対して減少し、この出力電圧は、スイッチの駆動(例えばパルス衝撃係数)を介して制御可能である。
図2は、図1に示されたトポロジーの実施形態であるコンバータ回路20を示している。T1,T2は、ゲート接続がそれぞれ駆動回路22,24により駆動される、MOSFETとして実施される。制御器26は、ドライバ22,24を駆動する。制御器26は、また、ブリッジ中心13、およびグラウンドに接続され、第2スイッチング素子を横断する電圧VT2を検出することができる。フリーホイーリングダイオードD2は、スイッチT2の内部ダイオード(ドレイン−ソース)であり、D2は、図2においても再び、別個には示されていない。さらに、スイッチT1,T2は、寄生スイッチングキャパシタンス(図示せず)を有する。
図3は、スイッチング期間T内の、回路20の電気量の時間に対する変化の質的表現である。VG1は、第1スイッチング素子T1におけるゲート電圧を示しており、VG2は、第2スイッチング素子T2のゲート電圧を示している。図3において、第1スイッチング素子を通る電流IT1、第2スイッチング素子を通る電流IT2、およびフリーホイーリングダイオードD2を通る電流ID2の、時間に対する変化は、これらの量の基本的変化を示すために用いられる質的表現にのみ一致する。現実の回路において測定される変化は、複数の寄生効果のために、異なる場合がある。
図3に示されるように、スイッチT1,T2は、それぞれ電圧パルス、例えばパルス幅変調電圧により駆動される。これらの、時間(周波数、パルス衝撃係数)に対する変化は、制御26の入力信号によって確立され、例えば既知のやり方で出力電圧V0を制御する。図3は、連続するスイッチング期間Tのうちの1つを示しており、このスイッチング期間は、初めに、スイッチT1がオンすなわち導通状態である範囲を示している。この場合、電流ILは、IT1として第1スイッチング素子T1を流れる。T1からT2へのスイッチングは、第1むだ時間Δt1と共に発生し、プロセスT1が最初にターンオフされ、T2は、第1むだ時間Δt1の終わりまでターンオンされない。インダクタンスLを通る電流ILは、急には減少できないので、第1むだ時間間隔Δt1において、フリーホイーリングダイオードD2は、第2スイッチング素子T2にて導通状態となる。T2がターンオンされた後、T2は、電流ILをIT2として引き継ぎ、これにより、ダイオードを通る電流ID2は、再度、ゼロに減少する。示されるトポロジーにおいては、このT1からT2への第1スイッチング遷移は、“ソフト”スイッチング遷移であり、T2のターンオンが、そのスイッチングキャパシタンスが充電されない間に、発生する。
本発明に関係するT2からT1への第2のスイッチングプロセスを、これより考察する。従来技術(図3)に係る駆動に関しては、第2むだ時間Δt2は、常に設けられており、この場合、まず、第2スイッチT2がターンオフされ、第1スイッチは、再び、むだ時間Δt2の終了後までターンオンされない。第2スイッチング遷移は、“ハード”スイッチング遷移であり、T1のターンオンは、そのスイッチングキャパシタンスがほぼViに充電される時点に、発生する。むだ時間の間は、電流ILは、再び、フリーホイーリングダイオードD2を通じて誘導される。しかしながら、T1のターンオン後、ダイオードD2は、反対方向に作動される。フリーホイーリングダイオードD2を通る逆電流(逆回復)が、次いで、逆回復時間の間に発生し、前記フリーホイーリングダイオードは、短い時間、逆方向に導通する。このダイオードD2を通る逆電流は、図3において、“RR”として示されている。しかしながら、この図では、この逆回復電流の振幅および継続時間は、明瞭さのために誇張されている。第1スイッチング素子を通る電流IT1の変化が示すように、逆回復電流は、明確に対称的なIT1の増加をもたらす。これは、各スイッチングサイクルにおいて、大きな損失をもたらす。
図4は、本発明の第1の実施形態に係る駆動を示している。この駆動により、図2に示されるバックコンバータ20は、第2スイッチング遷移において、すなわち、第2スイッチング素子T2から第1スイッチング素子T1へのスイッチングに際して、特別なやり方で駆動される。
図4に示すように、本発明の第1の実施形態に係る駆動が行われる際、第2のむだ時間Δt2は、設けられていない。代わりに、ハーフブリッジ12が、短い重複期間Δtoverlapにわたって、T1とT2の両方が導通するように作動される。図4に示すように、これは、理想的に、IT2からIT1への電流ILのコミュテーションをもたらす。この場合、IT1が増加する範囲が、IT2が減少する範囲に等しければ、図4に示される理想的なケースにおいて、ダイオードD2は導通を開始せず、したがって、電流ID2は、第2スイッチング遷移の間ゼロのままとなる。
図5において、図4の第2スイッチング遷移が、拡大された時間スケールで示されている。この図の目的は、示される量の変化を質的に示すことである。簡素化された前記質的表現は、よりよい理解をもたらす。図4および図5に示される例図において、例えば、スイッチT1,T2のスイッチングキャパシタンスの充電スイッチングは、無視されている。実際には、スイッチングキャパシタンスの充電スイッチングを得るために、T1は、短い追加の時間にわたって、電流を流さなければならない。
重複時間Δtoverlapは、両方のスイッチT1,T2が同時に導通する、すなわち各ゲート電圧VG1,VG2がMOSFETのしきい値電圧Vthrの上にある範囲を含む。具体的な実施形態においては、重複時間Δtoverlapは、非常に短くなり、例えば数ナノ秒である。
図5において、第1スイッチング素子のターンオンの際の、ゲート電圧VG1およびVG2の変化は、これらの電圧の可能な変化を示している。実際の変化は、多くの要素(例えばゲート−ソースキャパシタンス、ドライバモジュールの性質等)に依存し、異なる場合がある。同様に、2つのスイッチのドレイン−ソース経路のコンダクタンスの、ゲート電圧への依存は、非常に非線形である。各ゲート電圧の変化は、ここでは決定的ではなく、重要なのは、電流IT2,IT1の変化である。理想的なことに、図5に示すように、ダイオードD2を導通状態にせずにIT2からIT1への理想的なコミュテーションをもたらすタイミングを、見出すことができる。
本発明の第1の実施形態に係る駆動においては、正確なタイミングが重要である。T2からT1へのスイッチングの時間間隔が長すぎる、すなわち、長すぎるむだ時間Δt2が選択される、または短すぎる重複期間Δtoverlapが選択されると、図3に示されるようにダイオードD2が導通状態となり、続いて、逆回復電流が、関連する損失と共に発生する。一方で、長すぎる重複期間Δtoverlapが選択されると、両方のスイッチT1,T2の同時導通が、シュートスルー電流を発生させ、電流が、短絡電流として、入力ViからスイッチT1,T2を通じて直接流れる(シュートスルー電流)。この状況は、図6に示されている。ここで選択される長い重複期間Δtoverlapは、結果として、第2スイッチング素子T2を通るマイナスの電流フローIT2となる。また、関連するピークが、第1スイッチング素子T1を通る大幅に増加した電流IT1として、反転ミラーの形で発生する。このようなシュートスルー電流は、極度に高い損失を生じ、スイッチング素子T1,T2の損傷を起こす場合がある。
その結果、具体的な実施形態においては、動作が、構成要素の特性や動作状態(負荷、温度等)など、多くの要素に依存するため、予め最適なタイミング(図5)を決定し設定することは、非常に困難である。したがって、図4および図5に示すようにIT1からIT2へのコミュテーションを発生させる、最良のタイミングを得るために、制御器26を用いて、T1およびT2のスイッチングのタイミングを制御する。制御器26は、各スイッチング期間Tのためのタイミングを、一方では、ダイオードD2の導通および続く逆電流を防ぐように、他方ではまた、シュートスルー電流を防ぐように、設定する。前記制御は、後でのT1のターンオンを提供し、すなわち、シュートスルー電流が発生した場合にΔtoverlapを減少させる。第2スイッチング素子T2から第1スイッチング素子T1へのスイッチングの際に、ダイオードD2の導通が検出された場合、T1がより早くターンオンされ、すなわち、Δtoverlapが増加される。
一方の、上述したダイオード導通の場合と、他方の、シュートスルー電流の場合との区別は、第2スイッチング素子T2を横断する電圧UT2を考察することにより、行うことができる。この目的のために、制御器26は、適切な入力を備える。図7において、第2スイッチング素子T2のターンオフ後の電圧VT2の変化が、示されている。時間A、BおよびCに関わる3つの変化が示されており、Bはシュートスルー電流の発生の際のVT2の変化であり、Cはダイオード導通の場合の電圧変化であり、Aはダイオード導通およびシュートスルー電流の両方を防ぐことを目的とした変化である。図7の表現は、純粋に、相互関係の基本的な説明の提供を目的とした、質的なアプローチである。
T2が導通状態の場合、電圧VT2は、小さいマイナス値を有し、これは、スイッチング素子T2の順方向電圧、すなわち、MOSFETの場合は例えばほぼ−0.1Vに対応する。曲線Cに関し、ダイオードD2は、T2のターンオフの後に導通を開始する。その結果、電圧T2は、ダイオードD2の順方向電圧、例えばほぼ−0.7Vへと減少し、これは、MOSFETの順方向電圧よりもわずかに高い。スイッチング素子T1が、電流ILを完全に引き継いだ後、ダイオードD2がブロックされ、電圧VT2が増加する。その結果、T2のスイッチングキャパシタンスが充電され、これは、図7に示される、VT2の減衰振動をもたらす(T2のスイッチングキャパシタンスが、継続的に利用可能な寄生インダクタンスを有する直列共振回路を形成する)。振動が減衰するので、第1最大V^Cは、電圧の最大値となる。この最大値は、ダイオードD2の導通の間は、高すぎる。電圧VT2の最小値および最大値がない状態の、曲線Cの場合においては、ダイオードD2のマイナスの順方向電圧に対応するVmin,Cが得られ、かつ、比較的高い電圧最大値V^Cが得られる。
重複期間Δtoverlapが長すぎ、結果としてシュートスルー電流が起こる場合には、電圧VT2は、曲線Bに示されるように、近接して変化する。スイッチT2のマイナスの順方向電圧からは、先行する減少なしに、電圧が急速に増加する。ここでまた、電圧VT2の減衰振動が発生する。この場合も、第1の最大値V^Bの高さは、T2のターンオフが起こった瞬間に流れた電流IT2に依存する。この電流は、シュートスルー電流に対応するので、V^Bは、このような電流が生じた場合、明らかに過度に高くなっている。曲線Bは、このように、T2の順方向電圧に対応する電圧最小値Vmin,Bおよび高い電圧最大値V^Bを特徴とする。
制御の補助により達成されるVT2の目標変化は、曲線Aにより表わされている。最初のわずかなマイナスの値(T2の順方向電圧)から、VT2は、T2のターンオフ直後には増加せず(これはシュートスルー電流の徴候である)、むしろ、値Vmin,Aへとわずかに減少する。ここから、VT2は増加し、一方でこの場合、減衰振動も発生する。その振幅、および第1最大値V^Aは、B(シュートスルー電流)の場合およびC(ダイオード導通)の場合よりも実質的に小さい。このように、曲線Aは、最小値および最大値の観点において、小さなV^A、およびT2の順方向電圧とダイオードD2の順方向電圧の間に位置するVmin,Aを特徴としている。
制御器26の第1の実施形態においては、T2のターンオフ後に、自己調整する電圧VT2の最大値が、測定される。制御は、値V^T2が最小値へと制御されるように設計されており、この最小値は、例えば、図7の曲線Aに対応することができる。この制御により生じる問題は、V^T2の値の増加であり、これは、早すぎるタイミング(シュートスルー電流、曲線B)または遅すぎるタイミング(ダイオード導通、曲線C)に起因するかどうか、容易に決定することができない。しかしながら、この問題は、常に1つの側から最適のタイミング(V^T2の最小値)に近づけることにより対処することができる。よって、図2に示すように、タイミングは最初に、例えば、むだ時間Δt2と共に開始することができる。前記むだ時間は、V^T2が最小値に達するまで、徐々に減少される。
第2の好適な実施形態において、T2のターンオフ後のV^T2の電圧変化を、自己調整する最小値に関して考察する。図7に関連して説明したように、曲線A、BおよびCは、T2のターンオフ後に得られるVT2の最小値によって明確に区別することができる。制御は、VT2の最小値を、D2の順方向電圧(Vmin,C)とT2の順方向電圧(Vmin,B)の間に位置する、固定値Vmin,Aへと調整することを目的としている。MOSFETが使用される場合、制御は、例えば−0.3Vの、Vmin,Aの所定値を目的とすることもできる。前記値より高いVT2minの値(シュートスルー電流の徴候)が得られた場合、タイミングを、T1が後でターンオンされるように切り換える。前記所定値よりも下のVT2minの値(ダイオード導通の徴候)が得られた場合、タイミングを、T1がより早くターンオンされるように切り換える。
上に示した制御26の2つの実施形態は、例示を目的としている。一方で、図7に質的に表わされた電圧VT2の変化は、シュートスルー電流またはダイオード導通が起こるかどうかを決定するために、異なる方法で測定することができる。他方で、電流IT2などの、回路10の他の電気量を検出することもでき、このようにして得られたデータから、動作に関する結論を導くことができる。あるいは、VT2の曲線変化を評価するための上述の基準を組み合わせて、確かな判断を行うこともできる。
具体的な制御を実施する場合、制御器26は、ターンオンされた後、最初に、むだ時間(図3)と共に駆動動作が行われるように動作する。各スイッチング期間Tにおいて、回路20の電気量は、上述したように測定される。1つまたは複数のスイッチング期間における前記測定に基づいて、その後の(またはその後の1つの)スイッチング期間におけるタイミングの特定値が、上述の制御により設定される。この制御は、ターンオン後、最初に大きなむだ時間から開始して、所望の結果、すなわちT2からT1への直接のコミュテーションを伴う最適なタイミングが得られるまで、前記むだ時間を減少させる。この制御の結果は、おそらく、マイナスの継続時間、すなわち短い重複期間Δtoverlapのむだ時間範囲において達成されるであろう。タイミングは、より一層制御され、動作条件の変化、例えば負荷の変化が、急速な反応をトリガする。
本発明の第3の実施形態においては、第1スイッチング素子T1は、ターンオン後の保護期間に、減少されたゲート電圧で駆動される。適切に減少されたゲート電圧で駆動されることにより、MOSFETを流れる電流を、最大値に限定することができる。しかしながら、この限定が有効になった場合、すなわち、低いゲート電圧なしに、最大値に対応する電流よりも高い電流が流れた場合、MOSFETにおいて、増加する電圧降下および対応する高い電力消失が発生する。したがって、本発明の第3の実施形態では、第1スイッチング素子T1を通る結果としての最大電流が、公称動作の間にTiを流れる電流INennよりも高くなるようなゲート電圧での駆動が提案される。したがって、この種の駆動は、シュートスルー電流に関連して発生する電流IT1の増加を限定する役割を果たす。
図8に、対応する駆動が質的に示されている。T1のターンオン時点を含む、短い期間Δtpにおいて、第1スイッチング素子T1のゲート電圧VG1は、最大値には設定されておらず、減少値VG1,pにのみ設定されている。この値VG1,pは、高くなるように選択されているので、最大で公称電流INennに達することが可能な、よって指定されたしきい値IT1,pより下の電流IT2が、影響を受けず、変化した駆動は、図8に示される通常動作への影響を持たない。
しかしながら、図9に示すような、より長い重複期間Δtoverlapが、大きなシュートスルー電流を発生させた場合、このシュートスルー電流は、減少されたゲート電圧UG1,pによって指定された最大値IT1,pに限定される。その結果、T1に大きな損失が生じる。しかしながら、対応する過度の電流により生じる破壊のリスクは、もはや存在しない。
IT1,pの値は、限定が有効となることが可能な限り少ないように指定される。IT1,pは、例えば、コンバータ回路の出力において公称電流INennの2倍になるように設定することができる。この場合、第3の実施形態に係る駆動は、保護メカニズムとして機能し、上述の制御が、例えば負荷変更または他の効果のために、過剰な電流を効果的に防止できない場合に、回路を破壊から保護する。
しかしながら、IT1,pのより低い値を、例えば公称電流INennのほぼ1.2〜1.5倍に設定することも可能である。これは、過剰な電流による損傷からの保護に加えて、例えば、Vt2の振動の振幅を減少させ、よって電磁的影響の放射を減少させることを可能にする。
上述した本発明の実施形態は、同期バックコンバータを参照して説明した。しかしながら、駆動のモード、制御方法および電流の限定は、他のコンバータトポロジー(図1b〜図1d)における任意の所望の組合せに適用することもできる。すべてのトポロジーにおいて、スイッチの駆動を設定する制御器26は、一方で、既知の方法で出力電圧を制御することができ、他方で、スイッチング損失が最小となるように、スイッチングのタイミングを設定することもできる。
Claims (11)
- 少なくとも、第1スイッチング素子と、第2スイッチング素子と、誘導素子と、を備え、
電流が、前記誘導素子を流れるように、前記スイッチング素子を交互にスイッチする、制御デバイスが設けられ、
少なくとも、前記第2スイッチング素子に、フリーホイーリングダイオードが設けられ、前記フリーホイーリングダイオードは、前記第1スイッチング素子のターンオフ後に、前記誘導素子を流れる前記電流を導通することが可能であり、
前記制御デバイスは、前記第2スイッチング素子から前記第1スイッチング素子へのスイッチングの際に、シュートスルー電流が発生するかどうか、または前記フリーホイーリングダイオードが導通状態であるかどうか、を判定することにより、前記スイッチング素子を駆動するタイミングを制御し、
シュートスルー電流の場合は、前記第1スイッチング素子のターンオンが、前記第2スイッチング素子のターンオフの時点に対し、後に起こるように、駆動が切り換えられ、
前記フリーホイーリングダイオードが導通状態である場合には、前記第1スイッチング素子のターンオンが、前記第2スイッチング素子のターンオフの時点に対し、より早く起こるように、駆動が切り換えられる、ことを特徴とするコンバータ回路。 - 前記スイッチング素子は、重複期間の間に、同時に導通するように駆動され、
前記制御デバイスは、前記重複期間の継続時間を、シュートスルー電流が発生するかどうか、または前記フリーホイーリングダイオードが導通状態であるかどうか、の判定に関連して制御し、
シュートスルー電流の場合は、前記重複期間の継続時間を減少させ、
前記フリーホイーリングダイオードが導通状態である場合は、前記重複期間の継続時間を増加させる、ことを特徴とする請求項1に記載のコンバータ回路。 - 前記制御デバイスは、前記第2スイッチング素子を横断する電圧を測定するための手段を備え、前記電圧は、少なくとも前記第2スイッチング素子のターンオフ後に測定され、
シュートスルー電流が発生するかどうか、または前記フリーホイーリングダイオードが導通状態であるかどうかを、前記電圧変化によって判定する、ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載のコンバータ回路。 - 前記第2スイッチング素子は、ハウジング内のMOSFETであり、
すくなくとも、ドレイン、ソースおよびゲートの接続線が、前記ハウジングから外部へと導出されており、
前記ドレインと前記ソースの間の、前記電圧を測定するための、1つまたは複数の追加的な測定ラインが設けられている、ことを特徴とする請求項3に記載のコンバータ回路。 - 前記第2スイッチング素子のターンオフ後に得られる振動電圧のピーク値が、測定され、
前記スイッチング素子の駆動のタイミングを、前記ピーク値が最小となるように、設定する、ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のコンバータ回路。 - 前記第2スイッチング素子を横断する前記電圧の最小値が、測定され、
前記スイッチング素子を駆動するタイミングを、前記最小値が前記第2スイッチング素子の順方向電圧と前記フリーホイーリングダイオードの順方向電圧の間に位置するように、設定する、ことを特徴とする請求項3または請求項4に記載のコンバータ回路。 - 前記制御デバイスは、前記コンバータ回路のすくなくとも1つの電気量を測定するための手段を備え、
少なくとも第1スイッチング期間の間に、少なくとも1回の測定が行われ、
前記測定を使用して、第2スイッチング期間における、前記スイッチング素子を駆動するタイミングを設定する、ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれかに記載のコンバータ回路。 - 動作の開始において、前記第2スイッチング素子から前記第1スイッチング素子へのスイッチングの際に、前記第2スイッチング素子のターンオフと、前記第1スイッチング素子のターンオンとの間に、むだ時間をおく、ことを特徴とする請求項1ないし請求項7のいずれかに記載のコンバータ回路。
- 前記第2スイッチング素子から、前記第1スイッチング素子へのスイッチングの際に、
前記第1スイッチング素子は、少なくとも前記第2スイッチング素子のターンオフまで継続する保護期間にわたって、前記第1スイッチング素子を通る電流が、しきい値を超えることができないように駆動され、
前記しきい値は、前記コンバータ回路の公称出力電流より上にある、ことを特徴とする請求項1ないし請求項8のいずれかに記載のコンバータ回路。 - 請求項1ないし請求項9のいずれかに記載のコンバータ回路のための駆動装置であって、
少なくとも第1スイッチング素子と第2スイッチング素子を、交互に駆動するためのデバイスと、
シュートスルー電流が発生するかどうか、またはフリーホイーリングダイオードが導通状態であるかどうか、を判定するためのデバイスと、を備え、
前記第2スイッチング素子から前記第1スイッチング素子へのスイッチングの際に、前記スイッチング素子を駆動するタイミングを制御して、
シュートスルー電流の場合は、前記第1スイッチング素子のターンオンが、前記第2スイッチング素子のターンオフの時点に対し、後に起こるように、駆動が切り換えられ、
前記フリーホイーリングダイオードが導通状態である場合には、駆動を、前記第1スイッチング素子のターンオンが、前記第2スイッチング素子のターンオフの時点に対し、より早く起こるように、駆動が切り換えられる、ことを特徴とする駆動装置。 - 第1および第2スイッチング素子を有する、少なくとも1つのハーフブリッジを備え、少なくとも前記第2スイッチング素子に、フリーホイーリングダイオードが設けられたコンバータスイッチ、の駆動方法であって、
前記第2スイッチング素子から前記第1スイッチング素子へのスイッチングの際に、前記スイッチング素子のスイッチングのタイミングを制御し、
前記フリーホイーリングダイオードが導通状態であるかどうか、またはシュートスルー電流が発生するかどうかを判定し、
シュートスルー電流の場合には、前記第1スイッチング素子のターンオンが、前記第2スイッチング素子のターンオフの時点に対し、後に起こり、
前記フリーホイーリングダイオードが導通状態である場合には、前記第1スイッチング素子のターンオンが、前記第2スイッチング素子のターンオフの時点に対し、より早く起こる、ことを特徴とする駆動方法。
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