(57)【要約】【課題】フィードバックループの安定性を図るスイッチング素子制御回路を提供する。【解決手段】第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を制御することで、入力される電圧を所定の電圧に変換してイミタンス変換器Ｍ１に出力するスイッチング素子制御回路であって、イミタンス変換器Ｍ１の出力電流に応じた出力電圧と基準電圧との差に基づいた誤差電圧を生成する比較誤差回路１２と、前記誤差電圧と位相補償スロープ電圧とを比較することでＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成回路１３と、前記出力電圧の位相遅れを補償する位相補償回路３１とを備え、ＰＷＭ信号生成回路１３は、位相補償回路３１によって出力される電圧が加算された前記位相補償スロープ電圧と、前記基準電圧との比較によって、前記ＰＷＭ信号を生成する。【選択図】図１
2015056982.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子を制御することで、入力される電圧を所定の電圧に変換してイミタンス変換手段に出力するスイッチング素子制御回路であって、
前記イミタンス変換手段の出力電流に応じた出力電圧と基準電圧との差に基づいた誤差電圧を生成する比較回路と、
前記誤差電圧と位相補償スロープ電圧とを比較することでＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成回路と、
前記出力電圧の位相遅れを補償する位相補償回路とを備え、
前記ＰＷＭ信号生成回路は、前記位相補償回路によって出力される電圧が加算された前記位相補償スロープ電圧と、前記基準電圧との比較によって、前記ＰＷＭ信号を生成することを特徴とするスイッチング素子制御回路。
【請求項２】
前記スロープ発生回路は、スロープ電流を発生する電流源と抵抗と容量で構成され、
前記位相補償回路は、抵抗と容量で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項３】
予め設定されている出力電流制限値と電流検出用の抵抗値との積の電圧に前記出力電圧を加算した加算電圧と、前記イミタンス変換器の入力電圧とを比較する比較器とを設け、
該比較器が加算電圧より前記入力電圧が大きいと判断したとき、前記入力電圧が加算電圧より低くなるように第１スイッチング素子の時比率を制限することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のスイッチング素子制御回路。
【請求項４】
前記イミタンス変換手段の入力電圧と接地電圧とを比較する比較器を設け、
第２スイッチがオンしているとき、前記比較器が接地電圧より入力電圧が高いと判断したとき、第１,第２スイッチング素子を開放することを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１つに記載のスイッチング素子制御回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、イミタンス変換器を有するスイッチングレギュレータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、イミタンス変換器を有するインバータ装置が知られている（特許文献１参照）。
【０００３】
かかるインバータ装置は、太陽電池などの直流電源からの出力電力を交流電力に変換するものである。
【０００４】
また、直流電源から電圧を所定の直流電圧に変換するイミタンス変換器を備えたスイッチングレギュレータとして図６に示すものが知られている。
【０００５】
係るスイッチングレギュレータは、出力電圧Ｖｏと基準電圧Ｖsetとを比較器１で比較し、制御回路２が比較器１の比較結果に基づいてスイッチング素子ＳＷ１,ＳＷ２の時比率を制御することにより、出力電圧Ｖｏを所定の電圧となるようにするものである。
【０００６】
このスイッチングレギュレータは、比較器１などによってフィードバックループを持たせ、フィードバックループによって定電圧制御を行うようにしている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、このようなスイッチングレギュレータにあっては、イミタンス変換器Ｍ１のリアクトルＬ１,Ｌ２及びコンデンサＣ１と、平滑コンデンサＣ２とが設けられている。このため、出力電圧Ｖｏがイミタンス変換器Ｍ１に入力する電流に対して位相が容易に１８０度遅れてしまい、フィードバックループが不安定、すなわち発振してしまうという問題があった。
【０００８】
この発明の目的は、フィードバックループの安定性を向上させることのできるスイッチング素子制御回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１の発明は、第１スイッチング素子及び第２スイッチング素子を制御することで、入力される電圧を所定の電圧に変換してイミタンス変換手段に出力するスイッチング素子制御回路であって、
前記イミタンス変換手段の出力電流に応じた出力電圧と基準電圧との差に基づいた誤差電圧を生成する比較回路と、
前記誤差電圧と位相補償スロープ電圧とを比較することでＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成回路と、
前記出力電圧の位相遅れを補償する位相補償回路とを備え、
前記ＰＷＭ信号生成回路は、前記位相補償回路によって出力される電圧が加算された前記位相補償スロープ電圧と、前記基準電圧との比較によって、前記ＰＷＭ信号を生成することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
この発明によれば、フィードバックループの安定性の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】この発明に係るスイッチングレギュレータの構成を示した回路図である。
【図２】図１のスイッチングレギュレータのスロープ補償回路の構成を示した回路図である。
【図３】（Ａ）はスロープ補償回路を用いた場合の出力電圧の変化を示したグラフであり、（Ｂ）はスロープ補償回路を用いない場合の出力電圧の変化を示したグラフである。
【図４】第２実施例のスイッチングレギュレータの構成を示した回路図である。
【図５】第３実施例のスイッチングレギュレータの構成を示した回路図である。
【図６】イミタンス変換器を備えた従来のスイッチングレギュレータの構成を示した回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、この発明に係るスイッチング素子制御回路を用いたスイッチングレギュレータの実施の形態である実施例を図面に基づいて説明する。
【実施例】
【００１３】
［第１実施例］
図１に示すスイッチングレギュレータ１０は、直流電源Ｅの電圧を断続する第１スイッチング素子ＳＷ１と、この第１スイッチング素子ＳＷ１に直列接続される第２スイッチング素子ＳＷ２と、第１,第２スイッチング素子ＳＷ１,ＳＷ２を交互にオン・オフさせていく制御回路１１と、第２スイッチング素子ＳＷ２に並列接続されたイミタンス変換器（イミタンス変換手段）Ｍ１と、このイミタンス変換器Ｍ１から出力される出力電流を平滑して直流の出力電圧を出力する平滑回路２０と、この平滑回路２０から出力される出力電圧Ｖｏに応じた分圧電圧Ｖｂと予め設定された基準電圧Ｖsetとを比較してその差に応じた誤差電圧Ｖｃを出力する比較誤差回路（比較回路）１２と、位相補償スロープ電圧Ｖｉを出力するスロープ補償回路（スロープ補償手段）３０と、比較誤差回路１２から出力される誤差電圧Ｖｃとスロープ補償回路３０から出力される位相補償スロープ電圧Ｖｉとを比較してＰＷＭ信号を生成するＰＷＭ信号生成回路１３とを備えている。
【００１４】
そして、制御回路１１とＰＷＭ信号生成回路１３とスロープ補償回路３０とでスイッチング素子制御回路が構成される。
［イミタンス変換器］
イミタンス変換器Ｍ１は、２つのリアクトルＬ１,Ｌ２とコンデンサＣ１とを有し、所定の共振周波数を有する４端子回路のＴ−ＬＣＬ型イミタンス変換器である。
［平滑回路］
平滑回路２０は平滑コンデンサＣ２からなり、この平滑コンデンサＣ２はイミタンス変換器Ｍ１の出力端子Ｍ１ａ,Ｍ１ｂに接続されている。
【００１５】
イミタンス変換器Ｍ１の出力端子Ｍ１ａには、負荷１４に流れる電流を検出するための抵抗Ｒ０が接続されている。
［スロープ補償回路］
スロープ補償回路３０は、平滑回路２０から出力される出力電圧Ｖｏの位相の遅れを補償するための位相補償電圧Ｖｆを出力する位相補償回路３１と、スロープ電圧Ｖｓを生成するスロープ発生回路３２とを有する。スロープ補償回路３０は、位相補償回路３１から出力される位相補償電圧Ｖｆとスロープ発生回路３２から出力されるスロープ電圧Ｖｓとを加算した位相補償スロープ電圧Ｖｉを出力する。
［位相補償回路］
位相補償回路３１は、図２に示すように、２つのコンデンサＣ３１ａ,Ｃ３１ｂと３つの抵抗Ｒ３１ａ〜Ｒ３１ｃとから構成されている。
【００１６】
この位相補償回路３１は、イミタンス変換器Ｍ１による位相遅れ１８０度を含むフィードバックループ内の位相遅れを補償することで、位相を１８０度遅れないようにするものである。
［スロープ発生回路］
スロープ発生回路３２は、鋸波電圧Ｖｎを第１スイッチング素子ＳＷ１のオンに同期して所定周期毎に出力するとともにスロープ電流を出力するスロープ電圧発生源（電流源）３２Ｅと、コンデンサＣ３２ａと抵抗Ｒ３２ａ〜Ｒ３２ｃとコンデンサＣ３２ｂとから構成されている。抵抗Ｒ３２ａとコンデンサＣ３２ｂで入力電圧ＶＬＸを積分し、この積分した積分電圧Ｖｓ′を抵抗Ｒ３２ｂ,Ｒ３２ｃで分圧する。この分圧電圧Ｖｈに鋸波電圧Ｖｎが重畳されてスロープ電圧Ｖｓ（＝Ｖｈ＋Ｖｎ）が出力される。
【００１７】
そして、スロープ補償回路３０からは図１に示すように、位相補償電圧Ｖｆとスロープ電圧Ｖｓとを加算した位相補償スロープ電圧（加算電圧）Ｖｉ（＝Ｖｆ+Ｖｓ）が出力される。なお、位相補償電圧Ｖｆが負の場合、スロープ電圧Ｖｓを減算することになるが、負の電圧を加える趣旨で加算として表現してある。
［ＰＷＭ信号生成回路］
ＰＷＭ信号生成回路１３は、比較誤差回路１２から出力される誤差電圧Ｖｃより位相補償スロープ電圧Ｖｉが小さいときＬレベルのＰＷＭ信号を出力し、位相補償スロープ電圧Ｖｉが誤差電圧Ｖｃ以上になると、Ｈレベルの信号を出力する。そして、ＰＷＭ信号によって第１スイッチング素子ＳＷ１の時比率が決定される。
［制御回路］
制御回路１１は、所定周期毎に第１スイッチング素子ＳＷ１をオンさせていき、ＰＷＭ信号生成回路１３からＰＷＭ信号の出力が停止されると第１スイッチング素子ＳＷ１をオフさせる。また、制御回路１１は、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンしている間、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフさせておき、第１スイッチング素子ＳＷ１がオフしたとき第２スイッチング素子ＳＷ２をオンさせる。
【００１８】
すなわち、制御回路１１は、ＰＷＭ信号の時比率で第１,第２スイッチング素子ＳＷ１,ＳＷ２を所定周期で交互にオン・オフさせていく。
［動  作］
次に、上記のように構成されるスイッチングレギュレータ１０の動作について説明する。
【００１９】
制御回路１１によって第１スイッチング素子ＳＷ１と第２スイッチング素子ＳＷ２が交互にオン・オフされていく。第１スイッチング素子ＳＷ１のオン（第２スイッチング素子ＳＷ２がオフ）により直流電源Ｅからの直流電圧がイミタンス変換器Ｍ１に入力する。このため、イミタンス変換器Ｍ１の出力端子Ｍ１ａから電流が出力される。また、第１スイッチング素子ＳＷ１のオンと同時にスロープ電圧発生源３２Ｅからスロープ電圧Ｖｎが出力されてそのスロープ電圧Ｖｎが上昇していく。
【００２０】
第１スイッチング素子ＳＷ１がオフし第２スイッチング素子ＳＷ２がオンのとき、リアクトルＬ１,Ｌ２の逆起電力により所定の電圧がイミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ｃに発生し、イミタンス変換器Ｍ１の出力端子Ｍ１ａから直流電流が出力される。すなわち、スイッチングレギュレータ１０に入力する直流電源Ｅの直流電圧が所定電圧に変換されてイミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ａに出力される。
【００２１】
イミタンス変換器Ｍ１の出力端子Ｍ１ａから出力される電流は平滑コンデンサＣ２により平滑されて、直流の出力電圧Ｖｏとなって出力される。この出力電圧Ｖｏが負荷１４に供給されることになる。
【００２２】
いま、例えば出力電圧Ｖｏが所定電圧より大きくなると、比較誤差回路１２の分圧電圧Ｖｂが大きくなり、比較誤差回路１２から出力される誤差電圧Ｖｃは低い電圧となる。
【００２３】
一方、出力電圧Ｖｏが大きくなることにより、スロープ補償回路３０から出力される位相補償スロープ電圧Ｖｉは、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンしてから短時間で誤差電圧Ｖｃ以上となる。位相補償スロープ電圧Ｖｉが誤差電圧Ｖｃに達すると、ＰＷＭ信号生成回路１３の出力信号がＨレベルとなり、第１スイッチング素子ＳＷ１がオフされる。スロープ補償電圧Ｖｉが誤差電圧Ｖｃに短時間で達するので、第１スイッチング素子ＳＷ１のオンしている時間が短時間となる。これにより、出力電圧Ｖｏが低下して所定電圧となる。
【００２４】
逆に、出力電圧Ｖｏが所定電圧より小さくなると、比較誤差回路１２の分圧電圧Ｖｂが小さくなり、比較誤差回路１２から出力される誤差電圧Ｖｃは高い電圧となる。
【００２５】
また、出力電圧Ｖｏが小さくなることにより、スロープ補償回路３０から出力される位相補償スロープ電圧Ｖｉは、第１スイッチング素子ＳＷ１がオンしてから誤差電圧Ｖｃに達するまでに長時間要する。このため、ＰＷＭ信号生成回路１３から出力される出力信号がＨレベルになるまで長時間要し、第１スイッチング素子ＳＷ１のオンしている時間が長時間となる。これにより、出力電圧Ｖｏが上昇して所定電圧となる。
【００２６】
出力電圧Ｖｏは、入力電圧ＶＬＸをイミタンス変換器Ｍ１と平滑コンデンサＣ２で積分した電圧であるので、入力電圧ＶＬＸの積分電圧Ｖｓ′と相似であると考えられる。したがって、スロープ電圧Ｖｓは出力電圧Ｖｏに比例した出力特性を持つことになる。
【００２７】
この実施例では、そのスロープ電圧Ｖｓを、ＰＷＭ信号生成回路１３及び制御回路１１を介してイミタンス変換器Ｍ１の入力端子へ負帰還させることにより出力電圧Ｖｏの安定化を図るものである。すなわち、ＶＬＸ→Ｖｏ→スロープ補償回路３０→ＰＷＭ信号生成回路１３→制御回路１１→ＶＬＸの閉ループ（フィードバックループ）を形成し、負帰還を掛けることによって出力電圧Ｖｏの安定化を図るものである。
【００２８】
また、位相補償回路３１は、イミタンス変換器Ｍ１による位相遅れ１８０度を含むフィードバックループ内の位相遅れを補償するので、発振を防止することができる。
【００２９】
図３（Ａ）は、この実施例のスロープ補償回路３０によってサブハーモニック発振の抑制効果を示すグラフである。実線が位相補償スロープ電圧Ｖｉのグラフを示し、破線は位相補償スロープ電圧Ｖｉが直流電源Ｅや出力電圧Ｖｏの変動によってΔＶｉ変化した後の位相補償スロープ電圧Ｖｉ′を示す。なお、時比率は６０％である。
【００３０】
このグラフで示すように、スロープ発生回路３２（図２参照）からのスロープ電圧Ｖｓによるスロープ補償がある場合、ΔＶｉの変動後、位相補償スロープ電圧Ｖｉ′は位相補償スロープ電圧Ｖｉに収束し、サブハーモニック発振が抑制される。しかし、スロープ補償がない場合、図３（Ｂ）に示すように、外乱ノイズによりΔＶｉの変動後、位相補償スロープ電圧Ｖｉ′は位相補償ロープ電圧Ｖｉに収束することなく発振し、いわゆるサブハーモニック発振が発生する。
【００３１】
このように、スロープ補償回路３０を設けることにより、フィードバックループの安定性の向上とサブハーモニック発振の防止とを図ることができる。しかも、スロープ補償回路３０をスロープ電圧発生源３２Ｅと抵抗Ｒ３１ａ〜Ｒ３１ｃ,Ｒ３２ａ〜Ｒ３２ｃとコンデンサ３１ａ,３１ｂ,３２ａ,３２ｂとで構成したものであるから、その回路構成は簡単なものとなり、スロープ補償回路３０を構成するチップサイズの削減が可能となる。
【００３２】
また、入力電圧ＶＬＸの積分電圧Ｖｓ′は出力電圧Ｖｏに比例しているので、出力電圧Ｖｏと積分電圧Ｖｓ′とは同じ方向に変動する。このため、スロープ発生回路３２のスロープ電圧Ｖｓは出力電圧Ｖｏと同じ方向に変動する。このため、出力電圧Ｖｏの変化に対してＰＷＭ信号生成回路１３の動作は安定し、スイッチングレギュレータ１０のロバスト性を向上させることができる。
［第２実施例］
図４は第２実施例のスイッチングレギュレータ１００を示す。このスイッチングレギュレータ１００は、第１実施例のスイッチングレギュレータ１０に、比較器１０１と、加算器１０２と、乗算器１０３とを設けたものである。
【００３３】
乗算器１０３は、予め設定されている出力電流（負荷１４に流れる電流）の出力電流制限値Ｉlimitと、電流検出用の抵抗（抵抗値）Ｒ０とを乗算する。加算器１０２は、乗算器１０３の乗算結果に出力電圧Ｖｏを加算した加算電圧を求める。
【００３４】
比較器１０１は、加算器１０２の加算電圧（Ｖlimit）とイミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ｃの入力電圧ＶＬＸとを比較し、入力電圧ＶＬＸが加算電圧（Ｖlimit）以上になったとき、オフ信号を出力する。Ｖlimitは、出力電流が電流制限値Ｉlimitとなるときのイミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ｃの電圧である。
【００３５】
制御回路１１は、比較器１０１からオフ信号が出力されると、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフさせる。
【００３６】
抵抗Ｒ０に流れる電流をＩro、イミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ｃの入力電圧をＶＬＸ、電流は直流電流とし、各コンデンサに電流は流れないものとすると、次式が成立する。
【００３７】
ＶＬＸ＝Ｖｏ+Ｒ０×Ｉro
電流制限値がＩlimit、このときのイミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ｃの電圧をＶlimitとすると、Ｖlimit＝Ｖ０+Ｒ０×Ｉlimitとなる。
【００３８】
そして、イミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ｃの入力電圧がＶlimitになると、比較器１０１からオフ信号が出力される。このオフ信号により、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフされるので、出力電流はＩlimit以上になることが防止される。すなわち、第２実施例のスイッチングレギュレータ１００によれば、出力電流はＩlimit以上になることが制限されることになる。
【００３９】
つまり、イミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ｃの入力電圧ＶＬＸが加算電圧Ｖlimit（＝Ｖ０+Ｒ０×Ｉlimit）以上になると、制御回路１１は第１スイッチング素子ＳＷ１の時比率を制限して、入力電圧ＶＬＸが加算電圧Ｖlimitを越えないようにする。
［第３実施例］
図５は第３実施例のスイッチングレギュレータ２００の回路を示す。このスイッチングレギュレータ２００は、第１実施例のスイッチングレギュレータ１０にイミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ｃの電圧と接地電圧とを比較する比較器２０１を設けたものである。
【００４０】
比較器２０１は、第２スイッチング素子ＳＷ２がオンしているとき、イミタンス変換器Ｍ１の入力端子Ｍ１ｃの電圧が接地電圧より大きくなったとき、これを検出して逆流検出信号Ｓｇを出力するようになっている。
【００４１】
制御回路１１は、第１スイッチング素子ＳＷ１がオフで第２スイッチング素子ＳＷ２がオンしているとき、比較器２０１から逆流検出信号Ｓｇが出力されると、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ（開放）にする。これにより、電流の逆流を防止して電力ロスの低減を図るようにしたものである。
【００４２】
この発明は、上記実施例に限られるものではなく、特許請求の範囲の発明の要旨を逸脱しない限り、設計の変更や追加等は許容される。
【符号の説明】
【００４３】
１０            スイッチングレギュレータ
１１            制御回路（制御手段）
１２            比較誤差回路（比較回路）
１３            ＰＷＭ信号生成回路
２０            平滑回路
３０            スロープ補償回路
３１            位相補償回路（スロープ補償手段）
３２            スロープ発生回路
【先行技術文献】
【特許文献】
【００４４】
【特許文献１】特開平９−１６３７５７号公報
【図１】
2015056982.tif 000003
【図２】
2015056982.tif 000004
【図３】
2015056982.tif 000005
【図４】
2015056982.tif 000006
【図５】
2015056982.tif 000007
【図６】
2015056982.tif 000008