JP5326804B2 - 力率改善電源装置、該電源装置に用いられる制御回路および制御方法 - Google Patents
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Description
ロクロスを検出する電源回路の例として、特許文献1および2を挙げることができる。
(1)入力電圧の高いところで、連続動作になる。
(2)マイナス電流検出レベルが小さくて、電流ループからのノイズに敏感なため、誤動作しやすい。
(3)マイナス電流検出抵抗による消費電力が大きい。
(4)臨界インターリーブの実現が困難である。
まず、問題点(1)のメカニズムを説明する。説明に供するために図14にタイミングチャートを示す。マイナス電流検出方式では、マイナスの電流IRを検出することから、図14に示すように電流IRがスレッシュ電流値Ith以下になったら、臨界点として検出することになる。しかし、スレッシュ電流値Ithは小さいが、ゼロではないから、真の臨界点でターンオンするためには、さらに遅延時間Tdが必要である。遅延時間Tdは、入力電圧Vi、出力電圧Vo、インダクタンスの値などに依存する。特に、遅延時間Tdと入力電圧Viの関係を図示すると図15のようになる。図15に示すように遅延時間は入力電圧Viが大きいほどJカーブに沿って上がるため、例えば、臨界PFCコンバータ(の設計)において遅延時間Tdを図15に示すTd1に設定すると、入力電圧Viが出力電圧Voの半分より高くなると遅延時間が足りなくなり、このため真の臨界点でターンオンできなくなり連続動作になってしまう。これを更に説明すると、昇圧型コンバータでは、出力電圧Voが入力電圧Viよりも高いという関係にあり、インダクタのインダクタンスをLとすると、インダクタ電流が減少するときは、(Vo-Vi)/Lの傾きで減少することが知られているので、入力電圧Viが大きいほど図14に示されているようにTdが大きくなり、入力電圧Viが出力電圧Voの半分より高くなると、真の臨界点でターンオンするための遅延時間が足りなくなり、臨界動作を維持できなくて連続動作になってしまう。
タイミングチャートに示すように、二相(0°,180°)臨界インターリーブの電流IRは連続になっているため、電流検出抵抗Rで臨界点の検出はできなくなる。
スイッチング素子と、
入力電圧の大きさを検出して入力電圧検出信号を出力する入力電圧検出回路と、
出力電圧の大きさを検出して出力電圧検出信号を出力する出力電圧検出回路と、
前記出力電圧検出信号と基準電圧との差を増幅した誤差信号を出力する誤差増幅器と、
前記誤差信号と所定のバイアス電圧との差分に所定の係数を乗算することで決定した前記スイッチング素子のオン時間幅を生成するオン幅生成回路と、
前記入力電圧検出信号,前記誤差信号と所定のバイアス電圧の差分,および前記所定の係数の積を前記出力電圧検出信号と前記入力電圧検出信号の差分で除して決定したスイッチング素子のオフ時間幅を生成するオフ幅生成回路と、
前記オフ幅生成回路が生成した前記スイッチング素子のオフ時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオンするタイミング信号を受けるとともに前記オン幅生成回路が生成した前記スイッチング素子のオン時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオフするタイミング信号を受けてスイッチング素子のオン/オフを制御するスイッチ素子駆動回路と、
を有することを特徴とするものである。
該コンデンサを所定の充電電流で前記所定のバイアス電圧から前記誤差信号まで充電することで前記スイッチング素子のオン時間幅を決めるコンデンサ充電回路と、
該コンデンサを所定の放電電流で前記誤差信号から前記所定のバイアス電圧まで放電することで前記スイッチング素子のオフ時間幅を決めるコンデンサ放電回路と、
を有することを特徴とするものである。
前記コンデンサ放電手段は、前記所定の放電電流を制御する電流源と、該電流源を前記コンデンサの放電路に投入する第2のスイッチ回路とを備え、
前記所定の充電電流は、前記定電流源により固定値に設定され、前記電流源は前記所定の放電電流の値を
所定の放電電流=所定の充電電流×(出力電圧検出信号−入力電圧検出信号)/入力電圧検出信号
に基づいて制御することを特徴とするものである。
前記コンデンサの容量値と、前記コンデンサを前記所定のバイアス電圧から前記誤差信号まで充電する際に用いる所定の充電電流との比率によって定めることを特徴とするものである。
前記コンデンサの両端電圧と前記所定のバイアス信号とを比較する第2の比較回路と、
を備え、
前記コンデンサの両端電圧が前記誤差信号を超えたことを検出したとき、前記第1の比較回路が前記ターンオフのタイミング信号を出力し、
前記コンデンサの両端電圧が前記バイアス信号以下になったことを検出したとき、前記第2の比較回路が前記ターンオンのタイミング信号を出力する、
ことを特徴とするものである。
該コンデンサを所定の放電電流で前記所定のバイアス電圧から前記誤差信号まで放電することで前記スイッチング素子のオン時間幅を決めるコンデンサ放電回路と、
該コンデンサを所定の充電電流で前記誤差信号から前記所定のバイアス電圧まで充電することで前記スイッチング素子のオフ時間幅を決めるコンデンサ充電回路と、
を有することを特徴とするものである。
前記コンデンサ充電回路は、前記所定の充電電流を制御する電流源と、該電流源を前記コンデンサの充電路に投入する第2のスイッチ回路とを備え、
前記所定の放電電流は、前記定電流源により固定値に設定され、前記電流源は前記所定の充電電流の値を
所定の充電電流=所定の放電電流×(出力電圧検出信号−入力電圧検出信号)/入力電圧検出信号
とすることを特徴とするものである。
前記コンデンサの容量値と、前記コンデンサを前記所定のバイアス電圧から前記誤差信号まで放電する際に用いる所定の放電電流との比率によって定めることを特徴とするものである。
前記コンデンサの両端電圧と前記所定のバイアス信号とを比較する第2の比較回路と、
を備え、
前記コンデンサの両端電圧が前記誤差信号以下になったことを検出したとき、前記第1の比較回路が前記ターンオフのタイミング信号を出力し、
前記コンデンサの両端電圧が前記バイアス信号を超えたことを検出したとき、前記第2の比較回路が前記ターンオンのタイミング信号を出力する、
ことを特徴とするものである。
前記力率改善電源装置への入力電圧の大きさを示す入力電圧検出信号および前記力率改善電源装置の出力電圧の大きさを示す出力電圧検出信号を入力とし、
前記出力電圧検出信号と基準電圧との差を増幅した誤差信号を出力する誤差増幅器と、
前記誤差信号と所定のバイアス電圧との差分に所定の係数を乗算することで決定した前記スイッチング素子のオン時間幅を生成するオン幅生成回路と、
前記入力電圧検出信号,前記誤差信号と所定のバイアス電圧の差分,および前記所定の係数の積を前記出力電圧検出信号と前記入力電圧検出信号の差分で除して決定したスイッチング素子のオフ時間幅を生成するオフ幅生成回路と、
前記オフ幅生成回路が生成した前記スイッチング素子のオフ時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオンするタイミング信号を受けるとともに前記オン幅生成回路が生成した前記スイッチング素子のオン時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオフするタイミング信号を受けてスイッチング素子のオン/オフを制御するスイッチ素子駆動回路と、
を有することを特徴とするものである。
前記力率改善電源装置への入力電圧の大きさを示す入力電圧検出信号および前記力率改善電源装置の出力電圧の大きさを示す出力電圧検出信号を入力として取得する過程と、
前記出力電圧検出信号と基準電圧との差を増幅した誤差信号を出力する過程と、
前記誤差信号と所定のバイアス電圧との差分に所定の係数を乗算することで決定した前記スイッチング素子のオン時間幅を生成する過程と、
前記入力電圧検出信号,前記誤差信号と所定のバイアス電圧の差分,および前記所定の係数の積を前記出力電圧検出信号と前記入力電圧検出信号の差分で除して決定したスイッチング素子のオフ時間幅を生成する過程と、
前記生成した前記スイッチング素子のオフ時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオンするタイミング信号を受けるとともに前記生成した前記スイッチング素子のオン時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオフするタイミング信号を受けてスイッチング素子のオン/オフを制御する過程と、
を含むことを特徴とするものである。
ングを妨げる危険性を排除できる。
本発明に係る臨界PFCコンバータの基本概念は、臨界PFCコンバータの臨界点、すなわちスイッチング素子のターンオン・タイミングを、スイッチング素子のオン幅、入力電圧及び出力電圧のそれぞれの値にもとに所定の演算を施して決めることにある。以下、この基本概念をさらに詳しく説明する。
出力の論理レベルによってオン/オフするスイッチS1/S2によって充電路又は放電路に投入される。またコンデンサC8は制御IC20内にIC技術により具現されるため、予め決められた容量値(例えば10pF)に設定することができる。
た場合には、臨界動作を実現するゼロ電流スイッチングから外れてしまう可能性がある。そのため、図5に示した制御ICの回路構成では、演算誤差の累積の危険性を排除するためにオン遅延を施す遅延回路を導入して演算誤差が累積しないよう構成したものである。
れるVdsは図2に示すスイッチング素子Q1のドレイン-ソース間の電圧である。
10 誤差増幅器(Error Amp.)
11 オンタイム生成器(On Time Generator)
12 ドライブ回路(Driving Circuit)
13 オフタイム生成器(Off Time Generator)
20 制御IC(Integrated Circuit)
31、41 第1のコンパレータ(Comparator)
32、42 第2のコンパレータ(Comparator)
33、43 (第1の)RSフリップフロップ(Reset Set Type Flip-Flop)
34、44 演算器(Operator)
35、45 反転回路(Inverter)
36、46 遅延回路(Delay Circuit)
37、47 (第2の)RSフリップフロップ(Reset Set Type Flip-Flop)
Comp 誤差信号
Vi 入力電圧
Vis 入力電圧の検出信号
L インダクタンス
L1 インダクタ
Q1 スイッチング素子
D1 逆流防止ダイオード
Vo 出力電圧
Vos 出力電圧検出電圧
Vcomp 誤差信号Compの電圧、COMP電圧
C1 平滑コンデンサ
C2 出力コンデンサ(電解コンデンサ)
R1〜R4 抵抗
C3、C4 位相調整用コンデンサ
R5 位相調整用抵抗
Vbias バイアス電圧(定電圧源)
C8 コンデンサ(容量値固定)
S1、S2 スイッチ
Ic 電流源
Id 電流源
Claims (14)
- 昇圧型コンバータの力率を改善する力率改善電源装置であって、
スイッチング素子と、
入力電圧の大きさを検出して入力電圧検出信号を出力する入力電圧検出回路と、
出力電圧の大きさを検出して出力電圧検出信号を出力する出力電圧検出回路と、
前記出力電圧検出信号と基準電圧との差を増幅した誤差信号を出力する誤差増幅器と、
前記誤差信号と所定のバイアス電圧との差分に所定の係数を乗算することで決定した前記スイッチング素子のオン時間幅を生成するオン幅生成回路と、
前記入力電圧検出信号,前記誤差信号と所定のバイアス電圧の差分,および前記所定の係数の積を前記出力電圧検出信号と前記入力電圧検出信号の差分で除して決定したスイッチング素子のオフ時間幅を生成するオフ幅生成回路と、
前記オフ幅生成回路が生成した前記スイッチング素子のオフ時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオンするタイミング信号を受けるとともに前記オン幅生成回路が生成した前記スイッチング素子のオン時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオフするタイミング信号を受けてスイッチング素子のオン/オフを制御するスイッチ素子駆動回路と、
を有することを特徴とする力率改善電源装置。 - 前記スイッチング素子がターンオンするタイミング信号および前記スイッチング素子がターンオフするタイミング信号を生成するコンデンサと、
該コンデンサを所定の充電電流で前記所定のバイアス電圧から前記誤差信号まで充電することで前記スイッチング素子のオン時間幅を決めるコンデンサ充電回路と、
該コンデンサを所定の放電電流で前記誤差信号から前記所定のバイアス電圧まで放電することで前記スイッチング素子のオフ時間幅を決めるコンデンサ放電回路と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の力率改善電源装置。 - 前記コンデンサ充電回路は、前記所定の充電電流を制御する定電流源と、該定電流源を前記コンデンサの充電路に投入する第1のスイッチ回路とを備え、
前記コンデンサ放電回路は、前記所定の放電電流を制御する電流源と、該電流源を前記コンデンサの放電路に投入する第2のスイッチ回路とを備え、
前記所定の充電電流は、前記定電流源により固定値に設定され、前記電流源は前記所定の放電電流の値を
所定の放電電流=所定の充電電流×(出力電圧検出信号−入力電圧検出信号)/入力電圧検出信号
とすることを特徴とする請求項2に記載の力率改善電源装置。 - 前記所定の係数を、
前記コンデンサの容量値と、前記コンデンサを前記所定のバイアス電圧から前記誤差信号まで充電する際に用いる所定の充電電流との比率によって定めることを特徴とする請求項2に記載の力率改善電源装置。 - 前記コンデンサの両端電圧と前記誤差信号とを比較する第1の比較回路と、
前記コンデンサの両端電圧と前記所定のバイアス信号とを比較する第2の比較回路と、
を備え、
前記コンデンサの両端電圧が前記誤差信号を超えたことを検出したとき、前記第1の比較回路が前記ターンオフのタイミング信号を出力し、
前記コンデンサの両端電圧が前記バイアス信号以下になったことを検出したとき、前記第2の比較回路が前記ターンオンのタイミング信号を出力する、
ことを特徴とする請求項2に記載の力率改善電源装置。 - 前記第2の比較回路の出力側に遅延回路を付加し、前記第2の比較回路から出力される前記ターンオンのタイミング信号を所定時間だけ遅延させて前記ターンオンのタイミングを遅らせることを特徴とする請求項5に記載の力率改善電源装置。
- 前記スイッチング素子がターンオンするタイミング信号および前記スイッチング素子がターンオフするタイミング信号を生成するコンデンサと、
該コンデンサを所定の放電電流で前記所定のバイアス電圧から前記誤差信号まで放電することで前記スイッチング素子のオン時間幅を決めるコンデンサ放電回路と、
該コンデンサを所定の充電電流で前記誤差信号から前記所定のバイアス電圧まで充電することで前記スイッチング素子のオフ時間幅を決めるコンデンサ充電回路と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の力率改善電源装置。 - 前記コンデンサ放電回路は、前記所定の放電電流を制御する定電流源と、該定電流源を前記コンデンサの放電路に投入する第1のスイッチ回路とを備え、
前記コンデンサ充電回路は、前記所定の充電電流を制御する電流源と、該電流源を前記コンデンサの充電路に投入する第2のスイッチ回路とを備え、
前記所定の放電電流は、前記定電流源により固定値に設定され、前記電流源は前記所定の充電電流の値を
所定の充電電流=所定の放電電流×(出力電圧検出信号−入力電圧検出信号)/入力電圧検出信号
とすることを特徴とする請求項7に記載の力率改善電源装置。 - 前記所定の係数を、
前記コンデンサの容量値と、前記コンデンサを前記所定のバイアス電圧から前記誤差信号まで放電する際に用いる所定の放電電流との比率によって定めることを特徴とする請求項7に記載の力率改善電源装置。 - 前記コンデンサの両端電圧と前記誤差信号とを比較する第1の比較回路と、
前記コンデンサの両端電圧と前記所定のバイアス信号とを比較する第2の比較回路と、
を備え、
前記コンデンサの両端電圧が前記誤差信号以下になったことを検出したとき、前記第1の比較回路が前記ターンオフのタイミング信号を出力し、
前記コンデンサの両端電圧が前記バイアス信号を超えたことを検出したとき、前記第2の比較回路が前記ターンオンのタイミング信号を出力する、
ことを特徴とする請求項7に記載の力率改善電源装置。 - 前記第2の比較回路の出力側に遅延回路を付加し、前記第2の比較回路から出力される前記ターンオンのタイミング信号を所定時間だけ遅延させて前記ターンオンのタイミングを遅らせることを特徴とする請求項10に記載の力率改善電源装置。
- 力率改善電源装置に用いられる制御回路であって、
前記力率改善電源装置への入力電圧の大きさを示す入力電圧検出信号および前記力率改善電源装置の出力電圧の大きさを示す出力電圧検出信号を入力とし、
前記出力電圧検出信号と基準電圧との差を増幅した誤差信号を出力する誤差増幅器と、
前記誤差信号と所定のバイアス電圧との差分に所定の係数を乗算することで決定した前記スイッチング素子のオン時間幅を生成するオン幅生成回路と、
前記入力電圧検出信号,前記誤差信号と所定のバイアス電圧の差分,および前記所定の係数の積を前記出力電圧検出信号と前記入力電圧検出信号の差分で除して決定したスイッチング素子のオフ時間幅を生成するオフ幅生成回路と、
前記オフ幅生成回路が生成した前記スイッチング素子のオフ時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオンするタイミング信号を受けるとともに前記オン幅生成回路が生成した前記スイッチング素子のオン時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオフするタイミング信号を受けてスイッチング素子のオン/オフを制御するスイッチ素子駆動回路と、
を有することを特徴とする制御回路。 - 前記入力電圧検出信号または前記出力電圧検出信号を検出する際に、検出すべき電圧とグランドとの間に2つの抵抗を直列接続し、該抵抗の直列接続点から検出すべき電圧を得るよう構成した電圧検出回路を備えることを特徴とする請求項12に記載の制御回路。
- スイッチング素子のオン/オフの時間幅を制御して力率改善電源装置の力率を改善するための制御方法であって、
前記力率改善電源装置への入力電圧の大きさを示す入力電圧検出信号および前記力率改善電源装置の出力電圧の大きさを示す出力電圧検出信号を入力として取得する過程と、
前記出力電圧検出信号と基準電圧との差を増幅した誤差信号を出力する過程と、
前記誤差信号と所定のバイアス電圧との差分に所定の係数を乗算することで決定した前記スイッチング素子のオン時間幅を生成する過程と、
前記入力電圧検出信号,前記誤差信号と所定のバイアス電圧の差分,および前記所定の係数の積を前記出力電圧検出信号と前記入力電圧検出信号の差分で除して決定したスイッチング素子のオフ時間幅を生成する過程と、
前記生成した前記スイッチング素子のオフ時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオンするタイミング信号を受けるとともに前記生成した前記スイッチング素子のオン時間幅の終了時に前記スイッチング素子がターンオフするタイミング信号を受けてスイッチング素子のオン/オフを制御する過程と、
を含むことを特徴とする力率改善電源装置の力率を改善するための制御方法。
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