(57)【要約】【課題】同期整流回路を用いたＤＣ−ＤＣコンバータにおける整流スイッチング素子での損失を低減して、高効率のＤＣ−ＤＣコンバータを得る。【解決手段】同期整流回路における整流スイッチング素子の駆動信号を生成するにあたり、特にそのオフタイミングの生成・制御については、一次側の電流から負荷側の電流を予測して、予測した負荷電流及びその変動に対応したオフタイミングの制御に加え、動作中の整流スイッチング素子の温度を検出し、その温度特性による電流降下率の変化に基づいてタイミング補正を行う。【選択図】  図１
2013116016.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチング素子を駆動して直流入力電圧を断続しトランスの一次側巻線に印加する一次側回路と、
この一次側回路からの電圧を一次側巻線に受け二次側巻線に電圧を誘起するトランスと、
このトランスの二次側巻線に誘起された電圧を整流スイッチング素子を用いて同期整流する同期整流回路と、
インダクタ及びキャパシタを有し前記同期整流回路の出力を平滑し直流電圧にして負荷側に出力する平滑回路と、
前記負荷側への出力電流に基づき前記一次側回路のスイッチング素子および前記同期整流回路の整流スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、
前記同期整流回路の整流スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、
この温度センサの検出結果に基づき前記駆動信号生成手段で生成した同期整流回路の整流スイッチング素子の駆動信号のタイミングを補正する補正手段と
を備えたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
さらに、前記一次側回路への入力電流を検出する入力電流検出回路を備え、前記駆動信号生成手段は、この入力電流検出回路の検出結果に基づき前記負荷側への出力電流を算出することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記補正手段は、前記整流スイッチング素子のオフ時における電流降下率の温度特性に基づいて、前記駆動信号生成手段で生成したこの整流スイッチング素子の駆動信号に対してそのオフするタイミングを補正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ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記温度センサの検出結果があらかじめ設定された許容温度範囲を外れた場合は、前記駆動信号生成手段は、すべての前記駆動信号の生成を停止することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、ＤＣ−ＤＣコンバータの効率向上に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣ−ＤＣコンバータにおいては、その電力損失を低減して効率を向上させるため、種々の試みがなされてきた。二次側の整流回路に、整流ダイオードに代えてパワーＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）等のオン抵抗の小さな整流スイッチング素子を用いる同期整流回路も、その一手法として採用される。整流スイッチング素子には、外部からスイッチ駆動信号が印加され、オン／オフ制御される。このオン／オフのタイミング制御には、例えば、一次側の電流または負荷電流の増減を利用する手法がある。
【０００３】
また、この種のスイッチング素子を採用した場合には、特にスイッチング素子をオフするタイミングにおいて、素子自体の有するボディダイオードによる損失が発生する。このため、上記したような電流の増減による制御の場合には、例えば次のようなタイミング制御によってボディダイオードによる損失を低減している。すなわち、軽負荷時では、整流スイッチング素子に流れる電流が負になる時間が早いため、オフするタイミングを早め、重負荷時では、逆に整流スイッチング素子に流れる電流が負になる時間が遅くなるため、オフするタイミングを遅らせる。このような制御によってボディダイオードの導通時間を短くし、発生する損失を低減している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３０１６８０号公報
【特許文献２】特開２００７−２３６０５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
整流スイッチング素子に流れる電流は、整流スイッチング素子をオンからオフに切換え制御した場合に、整流回路内の回路定数や素子の特性等、種々の要因に基づいた固有の傾き（ｄｉ／ｄｔ、以下電流降下率と表す）を持って減少していく。そして、この傾きも考慮した上でオフのタイミング制御を行っている。
【０００６】
しかしながら、この電流降下率は温度による影響を受けやすく、特に整流スイッチング素子は、素子温度や周囲温度の変化により電流降下率に大きな影響を与える。このため、スイッチをオフするタイミングが、必ずしも損失の低減を考慮した最適なタイミングとならない場合があり、タイミングを補正する必要があった。本発明は、上述の事情を考慮してなされたものであり、損失を低減して変換効率を向上させたＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータは、スイッチング素子を駆動して直流入力電圧を断続しトランスの一次側巻線に印加する一次側回路と、この一次側回路からの電圧を一次側巻線に受け二次側巻線に電圧を誘起するトランスと、このトランスの二次側巻線に誘起された電圧を整流スイッチング素子を用いて同期整流する同期整流回路と、インダクタ及びキャパシタを有し前記同期整流回路の出力を平滑し直流電圧にして負荷側に出力する平滑回路と、前記負荷側への出力電流に基づき前記一次側回路のスイッチング素子および前記同期整流回路の整流スイッチング素子の駆動信号を生成する駆動信号生成手段と、前記同期整流回路の整流スイッチング素子の温度を検出する温度センサと、この温度センサの検出結果に基づき前記駆動信号生成手段で生成した同期整流回路の整流スイッチング素子の駆動信号のタイミングを補正する補正手段とを備えたことを特徴とする。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示すブロック図。
【図２】整流スイッチング素子のスイッチング時の波形の一例をモデル化して示す説明図。
【図３】スイッチオフ時における整流スイッチング素子に流れる電流の温度変化に起因する変化の一例をモデル化して示す説明図。
【図４】図１の例示したＤＣ−ＤＣコンバータの動作を説明するためのフローチャート。
【図５】本実施形態をアクティブクランプ方式のＤＣ−ＤＣコンバータに適用した場合の一例を示すブロック図。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
以下に、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータについて、図１〜図５を参照して説明する。
【実施例】
【００１０】
図１は、本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータの一例を示すブロック図である。本実施例においては、フェーズシフトフルブリッジ型のＤＣ−ＤＣコンバータに適用した場合を採りあげて説明する。また、直流入力電圧を断続してトランスの一次側に供給するためのスイッチング素子、及びトランスの二次側の同期整流回路の整流スイッチング素子には、いずれもパワーＭＯＳＦＥＴを用いるものとしている。
【００１１】
図１に例示したように、このＤＣ−ＤＣコンバータ１は、直流入力電圧１１を後述する制御部２７からの駆動信号により断続する４つのスイッチング素子１２、１３、１４及び１５、断続された電圧を一次側巻線に受けて二次側巻線に電圧を誘起するトランス１６、このトランス１６の二次側巻線の電圧を同期整流する整流スイッチング素子１７及び１８、整流スイッチング素子１７及び１８に対応して設けられ、それぞれの温度を検出する温度センサ１９、及び２０、これら温度センサの検出結果に基づき整流スイッチング素子１７及び１８に対する駆動信号のタイミング補正量を算出するタイミング補正部２１、整流後の電圧を平滑する平滑インダクタ２２、及び平滑キャパシタ２３、直流出力電圧を検出する出力電圧検出回路２４、直流入力電圧１１からトランス１６の一次巻線側への入力電流を検知するカレントトランス２５、その結果から入力電流を計測する入力電流検出回路２６、ならびに、スイッチング素子１２〜１５、整流スイッチング素子１７及び１８の駆動信号を生成する制御部２７から構成されている。
【００１２】
直流入力電圧１１は、このＤＣ−ＤＣコンバータ１の入力となる直流電圧である。４つのスイッチング素子１２〜１５は、本実施例においてはいずれもパワーＭＯＳＦＥＴを用いてフルブリッジ型に接続されており、一次側回路として、制御部２７からの駆動信号により直流入力電圧１１を断続して交流化しトランス１６の一次側巻線に供給する。トランス１６は、この一次側回路からの電圧を一次側巻線荷受け、二次側巻線に電圧を誘起する。
【００１３】
整流スイッチング素子１７及び１８は、制御部２７からのスイッチオン／オフの駆動信号により、トランス１６の二次側巻線に誘起された電圧を同期整流する。本実施例においては、整流スイッチング素子１７及び１８にいずれもパワーＭＯＳＦＥＴを用いている。パワーＭＯＳＦＥＴはその構造上、本来のＭＯＳＦＥＴのソース・ドレイン間に並列に接続された、ソース〜ドレイン方向を順方向とする寄生ダイオードとしてのボディダイオードを含んでいる。すなわち整流スイッチング素子１７は、ＭＯＳＦＥＴ１７ａとボディダイオード１７ｂから、また整流スイッチング素子１８は、ＭＯＳＦＥＴ１８ａとボディダイオード１８ｂから、それぞれ構成されているものとしている。
【００１４】
温度センサ１９及び２０は、それぞれ整流スイッチング素子１７及び１８に対応して設けられており、それぞれの整流スイッチング素子の温度を検出してタイミング補正部２１に送出する。タイミング補正部２１は、温度センサ１９及び２０の検出結果に基づいて、整流スイッチング素子１７及び１８の駆動信号のタイミングを補正するための補正量を算出し制御部２７に送出する。スイッチオフ時の電流降下率は温度特性を有しているため、本実施例においては、この温度特性を補償するように整流スイッチング素子１７及び１８のオフタイミングに対する補正量を算出し、整流スイッチング素子１７及び１８の駆動信号に反映することによって、発生する損失を低減している。また、タイミング補正部２１は、温度センサ１９及び２０の温度検出結果のステータス情報として、あらかじめ設定された所定の温度範囲を逸脱した場合には、異常を検出した旨を制御部２７に通知する。
【００１５】
ここで、整流スイッチング素子１７及び１８のスイッチング時の波形と、タイミング補正部２１での補正量算出について詳述する。なお、２つの整流スイッチング素子のオン／オフは相補的な関係にあるので、以下の説明では整流スイッチング素子１７について説明する。図２は、整流スイッチング素子１７のスイッチング時の波形をモデル化して示す説明図であり、図２（ａ）は素子に流れる電流の時間変化を、また図２（ｂ）はドレイン・ソース間の電圧の時間変化を、それぞれ負荷が異なる場合について例示している。
【００１６】
図２（ａ）に示すように、整流スイッチング素子１７がオンの期間中は、トランス１６の二次側巻線に誘起された電圧に従った電流が流れ、整流スイッチング素子１７がオフになると、流れる電流は、正から負へと減少する。ここで、軽負荷の場合は、この電流が負になる時間が短くなってボディダイオード１７ｂは非導通になり、図２（ｂ）に示すように、例えばサージ電圧を伴いながら、整流スイッチング素子１７のドレイン・ソース間にトランス１６の二次側の電圧が印加される。
【００１７】
一方、重負荷の場合は、整流スイッチング素子１７のドレイン・ソース間にトランス１６の二次側の電圧が印加されるタイミングが遅くなる。このため、例えば、入力電流検出回路２６の検出結果等、一次側での検出結果から負荷側の状態を予測し、予測した負荷状態にあわせて整流スイッチング素子１７のオフのタイミングを遅らせるように制御することで、負荷変動に伴って整流スイッチング素子１７で発生する損失を低減している。
【００１８】
加えて、整流スイッチング素子１７は、ボディダイオード１７ｂの温度特性に起因して、素子の温度変化に伴い逆回復時間Ｔｒｒが変化する。本実施例の整流回路中において、素子の温度変化によりこの逆回復時間Ｔｒｒが変化した場合に、素子に流れる電流の変化をモデル化して図３に例示する。整流スイッチング素子１７は、素子温度の上昇に伴ってボディダイオード１７ｂの逆回復時間Ｔｒｒが増加し、リカバリー容量Ｑｒｒが増加する。そして、このリカバリー容量Ｑｒｒの増加とトランス１６の漏れインダクタンス成分とが、スイッチオフ時の電流変化、すなわち電流降下率（ｄｉ／ｄｔ）に影響する。その結果、図３に例示したように、電流の減少が緩やかになるので、この場合には整流スイッチング素子１７のオフタイミングを遅らせるように制御することが必要となる。
【００１９】
タイミング補正部２１では、温度センサ１９からの検出結果に基づいて、このオフタイミングの補正量を時間幅の値Δｔとして算出し、制御部２７に送出する。算出にあたっては、例えば、整流回路の回路定数や素子の温度特性に基づいて、検出した温度と補正量との関係をあらかじめテーブル化しておいたり、あるいは、近似式等により定式化された算出式を用いる手法等が適用可能である。なお、上記した負荷変動及び温度変化に伴うスイッチタイミングの制御は、後述する制御部２７にてそれぞれの駆動信号に反映される。
【００２０】
平滑インダクタ２２及び平滑キャパシタ２３は、これらで平滑回路を構成し、整流スイッチング素子１７及び１８で整流後の電圧を平滑して直流出力電圧として出力する。この直流出力電圧が負荷側に供給される。出力電圧検出回路２４は、直流出力電圧を監視しその結果を制御部２７に送出する。カレントトランス２５は、直流入力電圧１１から一次側回路に流れる電流を検知して入力電流検出回路２６に送出する。入力電流検出回路２６は、カレントトランス２５での検知結果から一次側回路に流れる電流値を求め、入力電流値として制御部２７に送出する。
【００２１】
制御部２７は、入力電流検出回路２６からの入力電流から負荷側への出力電流を予測するとともに、この予測した負荷側への出力電流、出力電圧検出回路２４からの検出結果、及びタイミング補正部２１からの補正量に基づいて、スイッチング素子１２〜１５、ならびに整流スイッチング素子１７及び１８をスイッチ駆動するためのパルス状の駆動信号を生成しそれぞれの素子に送出する。フルブリッジ型に接続された一次側回路の４つのスイッチング素子１２〜１５に対しては、入力電流検出回路２６及び出力電圧検出回路２４からの検出結果に基づいて、それぞれの素子をオン／オフする駆動信号を生成し送出する。また、整流スイッチング素子１７及び１８に対しては、出力電圧検出回路２４からの検出結果、及び入力電流検出回路２６の検出結果から予測した負荷電流をもとに、さらにタイミング補正部２１からのオフタイミングの補正量を加えて駆動信号を生成し送出する。
【００２２】
加えて制御部２７は、タイミング補正部２１からのステータス情報により、温度センサ１９及び２０の温度検出結果が所定の温度範囲を逸脱し異常値となった旨の通知を受けた場合には、すべてのスイッチング素子１２〜１５、及び整流スイッチング素子１７〜１８への駆動信号の出力を停止する。
【００２３】
次に、前出の図１乃至図３、ならびに図４のフローチャートを参照して、上述のように構成された本実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１の動作について説明する。なお、以下の説明においては、特に整流スイッチング素子１７及び１８の温度変化に伴うオフタイミングの補正を中心に説明する。図４は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１の動作を説明するためのフローチャートである。
【００２４】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１に通電が開始されると、制御部２７からの駆動信号によりスイッチング素子１２〜１５が順次スイッチングされ、直流入力電圧１１が断続されてトランス１６の一次側巻線に印加されるとともに、出力電圧検出回路２４により直流出力電圧が検出され、その結果が制御部２７に送られる（ＳＴ４０１）。また、このときにカレントトランス２５で検知した一次側回路に流れる電流値が入力電流検出回路２６から制御部２７に送られ（ＳＴ４０２）、制御部２７では、これに基づき負荷電流が予測される（ＳＴ４０３）。上記した各スイッチング素子への駆動信号は、この負荷電流及び出力電圧検出回路２４での検出結果に基づいて制御部２７にて生成される。スイッチング素子１２〜１５はフルブリッジ型に接続されているので、スイッチング駆動の順序は、まずスイッチング素子１２及び１５がオン、スイッチング素子１３及び１４がオフとなるように、また次のタイミングではスイッチング素子１２及び１５がオフ、スイッチング素子１３及び１４をオンとなるように駆動され、これが繰り返される。
【００２５】
トランス１６では、一次側回路からの断続された電圧を一次側巻線に受け、二次側巻線に交流波形の電圧が誘起される。この電圧は同期整流回路を構成する整流スイッチング素子１７及び１８で整流される。これら整流スイッチング素子への駆動信号は、既に前出の図２及び図３を参照してのスイッチング波形の説明にて詳述したように、負荷電流値及びその変動に加え、整流回路の回路定数及び整流スイッチング素子の電流降下率の温度特性を考慮したタイミング制御を受けながら制御部２７にて生成される。
【００２６】
すなわち、制御部２７においては、負荷電流に基づき駆動信号のオンオフのタイミングが生成されるとともに（ＳＴ４０４）、タイミング補正部２１においては、温度センサ１９及び２０からの温度検出結果に基づいた整流スイッチング素子１７及び１８の電流降下率の変動に対応した補正量が算出され、時間幅の補正値Δｔとして制御部２７に送られてくる（ＳＴ４０５、ＳＴ４０６のＮ、及びＳＴ４０７）。制御部２７は、負荷電流に基づき生成したタイミングに対して、さらにこの時間幅の補正値Δｔを加えて駆動信号のオフタイミングを補正する。そして、損失がより低減されたタイミングの駆動信号となって、制御部２４から整流スイッチング素子１７及び１８に送出される（ＳＴ４０８）。
【００２７】
加えて、タイミング補正部２１から制御部２７へは、温度センサ１９及び２０の温度検出結果のステータス情報が送られるが、このステータス情報により異常温度検出が通知された場合（ＳＴ４０６のＹ）、制御部２７からのすべての駆動信号は停止される（ＳＴ４０９）。そして、整流後の電圧は平滑インダクタ２２及び平滑キャパシタ２３で構成される平滑回路で平滑され、直流出力電圧として負荷側に供給される。さらにこの後は、動作が停止するまで、上記したように負荷電流の変動、温度変化、及び出力電圧の検出結果に基づいて、制御部２７において損失を低減するようにタイミング制御した駆動信号が継続して生成される（ＳＴ４１０）。
【００２８】
以上説明したように、本実施例においては、トランスの一次側巻線にスイッチング素子を駆動して直流入力電圧を断続的に印加し、二次側巻線に誘起された電圧を整流スイッチング素子を用いた同期整流回路により整流し平滑して直流出力電圧を得るＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、同期整流回路の整流スイッチング素子の駆動信号を生成するにあたり、特にそのオフタイミングの生成・制御については、一次側の電流から負荷側の電流を予測して、予測した負荷電流及びその変動に対応したオフタイミングの制御に加え、動作中の整流スイッチング素子の温度を検出し、その温度特性による電流降下率の変化に基づいたタイミング補正を行っている。これにより、整流スイッチング素子のボディダイオードの導通時間を考慮した適切なタイミングで整流スイッチング素子のオフタイミングを設定・制御することができ、スイッチング時の損失を低減して変換効率を向上させることができる。また、整流スイッチング素子の温度の検出結果をステータス情報としてモニタし、異常を検出した場合には、すべての駆動信号を停止するので、例えば過負荷状態による異常な温度上昇等に対しても、本体を保護することができる。
【００２９】
なお、本実施形態は、フェーズシフトフルブリッジ方式を採用した事例で説明したが、これ以外にもアクティブクランプ方式等、トランスの漏れインダクタンスと整流スイッチング素子の容量成分による部分共振を用いた、いわゆる部分共振型に構成したＤＣ−ＤＣコンバータに適用することができる。アクティブクランプ方式に適用した場合のブロック図を、図５に例示する。
【００３０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００３１】
１  ＤＣ−ＤＣコンバータ
１１  直流入力電圧
１２、１３、１４、１５  スイッチング素子
１６  トランス
１７、１８  整流スイッチング素子
１９、２０  温度センサ
２１  タイミング補正部
２２  平滑インダクタ
２３  平滑キャパシタ
２４  出力電圧検出回路
２５  カレントトランス
２６  入力電流検出回路
２７  制御部
【図１】
2013116016.tif 000003
【図２】
2013116016.tif 000004
【図３】
2013116016.tif 000005
【図４】
2013116016.tif 000006
【図５】
2013116016.tif 000007