JPH0584186U - 電流共振型電源の制御回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】電流共振型電源におけるスイッチング素子を常
に最適なタイミングでスイッチング可能にすることでス
イッチング損失の低減を図る。 【構成】電流共振型電源の一次側は直流電源２、スイッ
チング素子３、４、ダイオード５、６、および、コンデ
ンサ７とリアクタンス８からなる共振回路を含んで構成
され、二次側は整流回路９を含んで構成されている。制
御回路Ｍは、上記構成の電流共振型電源に流れる共振電
流Ｉを検出する電流センサ１１と、この電流センサ１１
の検出信号に基づきスイッチング素子３、４のスイッチ
ングタイミングを決定する判定回路１２、１３とから構
成される。判定回路１２、１３は、電流センサ１１の検
出信号に基づきスイッチング素子３、４にそれぞれ電流
が流れていないかどうかを判定し、電流が流れていない
と判定した場合にだけ該スイッチング素子のオン状態か
らオフ状態へのスイッチングを可能にする。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は、電流共振型電源におけるスイッチング素子のスイッチングタイミン グを制御する制御回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】

図５に、従来の電流共振型電源の概略構成を示す。この電源は、トランス１を 用いた絶縁型の電源であり、その一次側は直流電源（交流電源の出力を整流する ようにしたものをも含む）２、パワートランジスタからなる２つのスイッチング 素子３、４、ダイオード５、６、および、コンデンサ（Ｃ）７とリアクタンス（ Ｌ）８からなる共振回路を含んで構成され、一方、二次側は整流回路９を含んで 構成されている。直流電源２と２つのスイッチング素子３、４とは１つのループ を構成し、各スイッチング素子３、４にはこれらと逆方向に電流を流すためのダ イオード５、６がそれぞれ並列接続されている。また、一方のスイッチング素子 ４とコンデンサ７とリアクタンス８とトランス１の一次側巻き線が、もう１つの ループを構成し、このループを共振電流Ｉが流れるようになっている。

【０００３】 上記構成において、２つのスイッチング素子３、４を、図６に示すオン・オフ 信号Ａ、Ｂにより所定タイミングで交互にスイッチングすると、コンデンサ７と リアクタンス８の共振により、図６に示すような共振電流Ｉが流れる。すなわち 、まずオン・オフ信号Ａが立ち上がるとスイッチング素子３がオンして共振回路 に電流Ｉ（Ｉ＞０）が流れ始めるが、この電流Ｉは或る値を越えると減少し始め 、ゼロになった後はダイオード５を介して逆方向（Ｉ＜０）に流れてからゼロに 戻る。続いて、オン・オフ信号Ｂが立ち上がるともう一方のスイッチング素子４ がオンして、これまで充電されたコンデンサ７が放電を開始し、共振回路にはス イッチング素子４を介して上記逆方向に電流Ｉ（Ｉ＜０）が流れ始めるが、その 後、上記と同様な原理により電流Ｉの方向が切り換わって（Ｉ＞０）ゼロに戻る 。電流Ｉはトランス１を介して二次側へ伝達され、整流回路９で整流して得られ た電流Ｉ₀ が負荷１０へ供給される。なお、２つのスイッチング素子３、４のス イッチングのタイミング（スイッチング周波数）を変化させることにより、デュ ーティ比を変化させて出力電圧Ｖ₀ を可変制御することができる。

【０００４】

【考案が解決しようとする課題】

上記構成からなる電流共振型電源では、オン・オフ信号Ａ、Ｂがそれぞれ立ち 上がってから立ち下がるまでの時間間隔、すなわちスイッチング素子３、４のス イッチングのオン時間Ｔは、スイッチング素子３、４に流れる電流がゼロになっ てから各スイッチング素子３、４がオフされるように、予め所定時間に固定され ている。ところが、コンデンサ（Ｃ）７とリアクタンス（Ｌ）８は、温度その他 の外的要因によって変化しやすく、これに伴い共振周波数ｆ_s も変化する。する と、例えば図６に破線で示すように電流Ｉの共振周波数ｆ_s に変化が生じた場合 、上記の固定されたオン時間Ｔのままでは、電流Ｉがスイッチング素子３、４を 流れている状態（スイッチング素子３はＩ＞０の時、スイッチング素子４はＩ＜ ０の時）でオフされてしまい、その結果、スイッチング時の損失が増大するとい った問題が発生する。このような場合、電源効率が悪化するだけでなく、スイッ チング素子３、４が熱破損してしまうといった大きな問題も起こりかねない。

【０００５】 本考案は、上記従来の問題点に鑑み、スイッチング素子を常に最適なタイミン グでスイッチング可能にすることで、スイッチング損失の低減を図ることのでき る電流共振型電源の制御回路を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】

本考案の制御回路は、直流電源からの電流を２つのスイッチング素子で交互に スイッチングすることで共振回路に共振電流を生じさせて前記スイッチングの周 波数に対応した電圧を出力する電流共振型電源に付加して使用される。そして、 本考案の特徴とする構成は、前記共振電流を検出する電流センサと、該電流セン サの検出信号に基づき前記スイッチング素子に共振電流が流れていないかどうか を判定し、共振電流が流れていないと判定した場合に該スイッチング素子のオン 状態からオフ状態へのスイッチングを可能にする判定回路とを備えたことである 。

【０００７】 電流センサとしては、抵抗の両端電圧から電流値を検出するものや、非接触で 電流検出の可能なＣＴ（カレント・トランス）型電流センサ等、共振型電源自体 に悪影響を与えない範囲内で各種のものを採用可能である。

【０００８】 判定回路は、デジタル回路で構成してもよく、アナログ回路で構成してもよく 、その具体的な回路構成は各種のものが考えられる。

【０００９】

【作用】

本考案では、常に共振電流を電流センサで検出して、スイッチング素子に電流 が流れていない場合にだけ、該スイッチング素子のオン状態からオフ状態へのス イッチングを可能にしている。すなわち、スイッチング素子のオン時間は従来の ように固定されたものではなく、共振電流の流れに応じて適宜変化し、スイッチ ング素子に電流が流れている時にはオンからオフへのスイッチングは禁止される 。従って、たとえ外的要因により共振周波数が変化した場合であっても、それに 応じてスイッチング素子のオフのタイミングが変化し、電流がスイッチング素子 を流れなくなってから該スイッチング素子がオフされることになるので、スイッ チング時の損失が抑えられる。

【００１０】

【実施例】

以下、本考案の実施例について、図面を参照しながら説明する。 図１は、本考案の一実施例の制御回路Ｍを付加した電流共振型電源の概略構成 を示す回路図である。なお、電流共振型電源自体の構成は、図５に示したものと 同一であるので、ここではその詳細な説明を省略する。

【００１１】 図１に示すように、本実施例の制御回路Ｍは、電流共振型電源に流れる共振電 流Ｉを検出する電流センサ１１と、この電流センサ１１の検出信号に基づきスイ ッチング素子３、４のスイッチングタイミングを決定する判定回路１２、１３と から構成されている。

【００１２】 電流センサ１１は、例えば図２に示すようなＣＴ型電流センサの構成をとって おり、強磁性体のコア１１ａと、このコア１１ａに巻き付けられた巻き線１１ｂ と、この巻き線１１ｂに並列接続された抵抗１１ｃとから構成されている。コア １１ａの中に、共振電流Ｉの流れる電流線を通すだけで、その電流Ｉの大きさお よび方向を抵抗１１ｃの両端電圧Ｖの大きさおよび正負から検出することができ 、この電圧Ｖが検出信号として出力される。検出信号（電圧Ｖ）は、電流Ｉがコ ンデンサ（Ｃ）７側からリアクタンス（Ｌ）８側へ向けて流れる場合に正となり 、この逆方向に流れる場合に負となる。

【００１３】 判定回路１２、１３は例えば図３に示すような構成からなり、すなわち判定回 路１２はコンパレータ１２ａとフリップフロップ１２ｂとから構成され、もう一 方の判定回路１３も同様にコンパレータ１３ａとフリップフロップ１３ｂとから 構成されている。コンパレータ１２ａの負入力端子（−）とコンパレータ１３ａ の正入力端子（＋）には、電流センサ１１の検出信号（電圧Ｖ）が入力されて、 それぞれ接地電位と比較される。フリップフロップ１２ｂ、１３ｂの各セット入 力端子Ｓには、スイッチング素子３、４のそれぞれオンするタイミングを決定す るオンタイミング信号ON_A 、ON_B が入力される。フリップフロップ１２ｂ、１３ ｂの各リセット入力端子Ｒには、スイッチング素子３、４のそれぞれオフするタ イミングを決定するオフタイミング信号 OFF_A 、 OFF_B として、上記コンパレー タ１２ａ、１２ｂのそれぞれの出力信号が入力される。そして、フリップフロッ プ１２ｂ、１３ｂの各出力端子Ｑからは、スイッチング素子３、４のそれぞれの オン、オフを制御するオン・オフ信号Ａ、Ｂが出力され、これがスイッチング素 子３、４の各制御端子に入力される。

【００１４】 以上の構成からなる制御回路Ｍを付加した電流共振型電源の動作を、図４に基 づき以下に述べる。 まず、不図示のＣＰＵ等からオンタイミング信号ON_A が出力され、これが判定 回路１２のフリップフロップ１２ｂのセット入力端子Ｓに入力すると、フリップ フロップ１２ｂがセットされて、その出力端子Ｑから出ているオン信号Ａが立ち 上がり、これによりスイッチング素子３がオンする。すると、このスイッチング 素子３を介して共振電流Ｉ（Ｉ＞０）が流れ始め、その後、或る値を越えると減 少し始め、ゼロになった後はスイッチング素子３を流れずにダイオード５を介し て逆方向（Ｉ＜０）に流れてからゼロに戻る。この際、電流Ｉは常に電流センサ １１によって検出されており、その検出信号（電圧Ｖ）が負になった時、すなわ ちダイオード５を介して逆方向に電流Ｉが流れ始め、スイッチング素子３に電流 が流れなくなった時（Ｉ＜０の時）に、判定回路１２のコンパレータ１２ａの出 力信号であるオフタイミング信号 OFF_A が立ち上がり、これによりフリップフロ ップ１２ｂがリセットされてオン・オフ信号Ａが立ち下がり、よってスイッチン グ素子３がオフされる。このように、判定回路１２が、電流センサ１１の検出信 号に基づきスイッチング素子３に電流が流れていないかどうかを判定し、電流が 流れていないと判定した場合にスイッチング素子３のオフを可能にするように制 御する。

【００１５】 続いて、もう一方のオンタイミング信号ON_B が出力され、これが判定回路１３ のフリップフロップ１３ｂのセット入力端子Ｓに入力すると、フリップフロップ １３ｂがセットされて、その出力端子Ｑから出ているオン信号Ｂが立ち上がり、 これにより、もう一方のスイッチング素子４がオンする。すると、これまで充電 されたコンデンサ７が放電を開始し、スイッチング素子４を介して共振電流Ｉ（ Ｉ＜０）が流れ始め、その後、或る値を越えると減少し始め、ゼロになった後は スイッチング素子４を流れずにダイオード６を介して逆方向（Ｉ＞０）に流れて からゼロに戻る。この際も、電流Ｉは常に電流センサ１１によって検出されてお り、その検出信号（電圧Ｖ）が負から正になった時、すなわちダイオード６を介 して逆方向に電流Ｉが流れ始め、スイッチング素子４に電流が流れなくなった時 （Ｉ＞０の時）に、判定回路１３のコンパレータ１３ａの出力信号であるオフタ イミング信号 OFF_B が立ち上がり、これによりフリップフロップ１３ｂがリセッ トされてオン・オフ信号Ｂが立ち下がり、よってスイッチング素子４がオフされ る。このように、判定回路１３も、上記判定回路１２と同様、電流センサ１１の 検出信号に基づきスイッチング素子４に電流が流れていないかどうかを判定し、 電流が流れていないと判定した場合にスイッチング素子４のオフを可能にするよ うに制御する。

【００１６】 このようにして得られた電流Ｉは、図５に示した従来のものと同様に、トラン ス１を介して二次側へ伝達され、これを整流回路９で整流して得られた電流Ｉ₀ が負荷１０へ供給される。

【００１７】 以上に述べたように、従来の電流共振型電源に本実施例の制御回路Ｍを付加し たことにより、常に共振電流Ｉを電流センサ１１で検出して、スイッチング素子 ３、４に電流が流れていない場合にだけ、該スイッチング素子３、４のオン状態 からオフ状態へのスイッチングを可能にしている。よって、たとえ温度その他の 外的要因によりコンデンサ（Ｃ）７、リアクタンス（Ｌ）８が変化し、それに伴 い共振周波数が変化した場合であっても、それに応じて各スイッチング素子３、 ４のオフのタイミングが適宜変化し、電流が各スイッチング素子３、４を流れな くなってから該スイッチング素子をオフすることになる。従って、スイッチング 素子３、４に電流が流れている期間内に該スイッチング素子がオフするのを確実 に防止し、その結果、スイッチング時の損失を抑えて、スイッチング素子の熱破 損や電源効率の悪化を見事に防止することができる。

【００１８】 なお、前述したように、電流センサとしては、上記実施例で使用したＣＴ型電 流センサ以外にも、共振型電源自体に悪影響を与えない範囲内で各種のものを採 用可能である。電流センサで検出する対象となる電流も、上記実施例のように共 振回路を流れる電流そのものである必要はなく、直流電源側のループを流れる電 流を検出するようにしてもよく、あるいはトランスの二次側の電流を検出するよ うにしてもよい。

【００１９】 また、判定回路も、上記実施例で使用したものに限定されるものではなく、電 流センサの検出信号に基づいてスイッチングタイミングを適切に制御することの 可能な各種構成を採用可能である。

【００２０】 更に、本考案の制御回路は、上記実施例に示したようなトランスを用いた絶縁 型の電流共振型電源以外にも、トランスを用いない非絶縁型のものにも適用可能 である。

【００２１】

【考案の効果】

本考案によれば、たとえ外的要因により共振周波数が変化したとしても、それ に応じてスイッチング素子のオフするタイミングをも適宜変化させることにより 、スイッチング素子に電流が流れている期間内に該スイッチング素子がオフする ことを防止し、その結果、スイッチング時の素子損失を抑えることができる。従 って、スイッチング素子の熱破損や電源効率も悪化を見事に防止することができ る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の一実施例の制御回路Ｍを付加した電流
共振型電源の概略構成を示す回路図である。

【図２】同実施例の制御回路Ｍで使用する電流センサの
一例を示す図である。

【図３】同実施例の制御回路Ｍで使用する判定回路の一
例を示す図である。

【図４】同実施例の制御回路Ｍを付加した電流共振型電
源の動作を示すタイミングチャートである。

【図５】従来の電流共振型電源の概略構成を示す回路図
である。

【図６】従来の電流共振型電源の動作を示すタイミング
チャートである。

【符号の説明】

１ トランス ２ 直流電源 ３、４ スイッチング素子 ５、６ ダイオード ７ コンデンサ（Ｃ） ８ リアクタンス（Ｌ） ９ 整流回路 １１ 電流センサ １２、１３ 判定回路 １２ａ、１３ａ コンパレータ １２ｂ、１３ｂ フリップフロップ Ｍ 制御回路

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源からの電流を２つのスイッチング
   素子で交互にスイッチングすることで共振回路に共振電
   流を生じさせて前記スイッチングの周波数に対応した電
   圧を出力する電流共振型電源に使用され、 前記共振電流を検出する電流センサと、該電流センサの
   検出信号に基づき前記スイッチング素子に電流が流れて
   いないかどうかを判定し、電流が流れていないと判定し
   た場合に該スイッチング素子のオン状態からオフ状態へ
   のスイッチングを可能にする判定回路とを備えたことを
   特徴とする電流共振型電源の制御回路。