(57)【要約】【課題】本発明は、スイッチング素子をオンすべき最適なタイミングでオンすることができる、スイッチング電源装置の提供を目的とする。【解決手段】誘導素子Ｌと、容量素子Ｃｒと、誘導素子Ｌと容量素子Ｃｒとが接続された中間点３と接地間に接続されたスイッチング素子ＳＷとを有し、スイッチング素子ＳＷのオン／オフにより電力供給を行うスイッチング電源装置であって、該装置の出力電圧に基づいてスイッチング素子ＳＷのオン時からオフ時までのオン時間を演算するＯＮ時間演算回路１３と、前記オフ時から中間点３の電圧Ｖｘが零になるまでのハイ時間を計測するハイ時間計測回路１４と、オン時間演算回路１３によって演算されたオン時間とハイ時間計測回路１４によって計測されたハイ時間とに基づいて、スイッチング素子ＳＷをオン／オフさせるＨｉ時間演算回路１５及びドライバ回路１６とを備えることを特徴とする、スイッチング電源装置。【選択図】図１
2009106105.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘導素子と、容量素子と、前記誘導素子と前記容量素子とが接続された中間点と接地点との間に接続されたスイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子のオン／オフにより電力供給を行うスイッチング電源装置であって、
該装置の出力電圧に基づいて前記スイッチング素子のオン時からオフ時までのオン時間を演算するオン時間演算手段と、
前記オフ時から前記中間点の電圧が零になるまでのハイ時間を計測するハイ時間計測手段と、
前記オン時間演算手段によって演算されたオン時間と前記ハイ時間計測手段によって計測されたハイ時間とに基づいて、前記スイッチング素子をオン／オフさせる制御手段とを備えることを特徴とする、スイッチング電源装置。
【請求項２】
前記制御手段は、前記オン時間演算手段によって演算されたオン時間と前記ハイ時間計測手段によって計測されたハイ時間とに基づいて、当該計測後の前記スイッチング素子のオンタイミングを調整する、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記制御手段は、前記オン時間演算手段によって演算されたオン時間と前記ハイ時間計測手段によって計測されたハイ時間とに基づき得られたハイ時間の補正値を経過した時に前記スイッチング素子がオンするように制御する、請求項２に記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導素子と、容量素子と、前記誘導素子と前記容量素子とが接続された中間点と接地点との間に接続されたスイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子のオン／オフにより電力供給を行うスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、チョッパ式ＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、ＬＣ共振の利用によりスイッチング素子の電圧が零になるタイミングでスイッチングをする、自然転流方式のスイッチング電源装置が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。
【０００３】
特許文献１には、コイルと、出力コンデンサと、上記コイルと上記出力コンデンサとの間に接続された第１のスイッチング手段と、上記コイルと上記第１のスイッチング手段との接続点と接地間に接続された第２のスイッチング手段と、上記第１のスイッチング手段及び第２のスイッチング手段を制御する制御手段とを備えたスイッチングレギュレータであって、上記制御手段が、上記コイルと上記第２のスイッチング手段との接続点の電圧が降下して０になったとき、上記第２のスイッチング手段をオンし、出力電圧に応じたタイミングで上記第２のスイッチング手段をオフすることを特徴とするスイッチングレギュレータが開示されている。
【０００４】
特許文献２には、出力制御用スイッチング素子と、整流用スイッチング素子と、インダクタと、リアクタンスとを備え、該出力制御用スイッチング素子、整流用スイッチング素子、インダクタ、およびリアクタンスのそれぞれが中点で接続される、自然転流方式のＤＣ−ＤＣコンバータであって、その中点の電圧が０になると出力制御用スイッチング素子をオンするＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。
【特許文献１】特開２００７−１０４８５０号公報
【特許文献２】特開２００７−１５１２７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に開示の上述のスイッチングレギュレータでは、上記コイルと上記第２のスイッチング手段との接続点の電圧が０になったのを検知してから上記第２のスイッチング手段をオンするため、検知してからオンするまでの制御等の遅延によって、上記第２のスイッチング手段がオンすべき最適なタイミングにそのオンタイミングが遅れてしまうおそれがある。
【０００６】
また、特許文献２に開示の上述のＤＣ−ＤＣコンバータでも同様に、その中点の電圧が０Ｖになったことを検出してから出力制御用スイッチング素子をオンするため、上述と同様の遅れが生ずるおそれがある。
【０００７】
そこで、本発明は、スイッチング素子をオンすべき最適なタイミングでオンすることができる、スイッチング電源装置の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するため、第１の発明に係るスイッチング電源装置は、
誘導素子と、容量素子と、前記誘導素子と前記容量素子とが接続された中間点と接地点との間に接続されたスイッチング素子とを有し、前記スイッチング素子のオン／オフにより電力供給を行うスイッチング電源装置であって、
該装置の出力電圧に基づいて前記スイッチング素子のオン時からオフ時までのオン時間を演算するオン時間演算手段と、
前記オフ時から前記中間点の電圧が零になるまでのハイ時間を計測するハイ時間計測手段と、
前記オン時間演算手段によって演算されたオン時間と前記ハイ時間計測手段によって計測されたハイ時間とに基づいて、前記スイッチング素子をオン／オフさせる制御手段とを備えることを特徴とする。
【０００９】
第２の発明は、第１の発明に係るスイッチング電源装置であって、
前記制御手段は、前記オン時間演算手段によって演算されたオン時間と前記ハイ時間計測手段によって計測されたハイ時間とに基づいて、当該計測後の前記スイッチング素子のオンタイミングを調整することを特徴とする。
【００１０】
第３の発明は、第２の発明に係るスイッチング電源装置であって、
前記制御手段は、前記オン時間演算手段によって演算されたオン時間と前記ハイ時間計測手段によって計測されたハイ時間とに基づき得られたハイ時間の補正値を経過した時に前記スイッチング素子がオンするように制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、スイッチング素子をオンすべき最適なタイミングでオンすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１は、本発明の一実施形態である昇圧型スイッチング電源１００の全体構成を示した概略図である。昇圧型スイッチング電源１００は、基準電圧入力端子１に接続された基準電源からの入力電圧ＶＩＮを用いて出力端子２に接続された負荷に電力を供給する電源装置であって、入力電圧ＶＩＮの電圧変動や負荷の消費電流（負荷電流）の変動に対して、基準電源からの入力電圧ＶＩＮを昇圧変換した一定の電圧ＶＯＵＴを負荷側に出力する電源装置（いわゆる昇圧型スイッチングレギュレータ）である。昇圧型スイッチング電源１００が車両に搭載された場合、例えば、基準電源は車載バッテリに相当するものであり、負荷は車載の電気負荷（例えば、マイクロコンピュータ、ＩＣ、抵抗負荷、モータなど）に相当するものである。車両に搭載される電気負荷は多種多様であり、各電気負荷の消費電流の違いにより車載バッテリの電圧は変動しやすいため、本実施形態のような昇圧型スイッチング電源を搭載することは効果的である。また、昇圧型スイッチング電源１００は、複数の電圧系（例えば、１４Ｖ系と４２Ｖ系）を有する車両において、両電圧系間の電圧変換を行うコンバータとして用いても、効果的である。
【００１３】
昇圧型スイッチング電源１００は、基準電圧入力端子１に接続される誘導素子（インダクタンス素子）であるインダクタＬと、インダクタＬに直列接続されて接地される容量素子（キャパシタンス素子）である共振用のコンデンサＣｒと、インダクタＬとコンデンサＣｒとが接続された中間点３と接地間に接続されてインダクタＬに流れるインダクタ電流ＩＬを制御する出力制御用のスイッチング素子ＳＷと、スイッチング素子ＳＷに並列接続される整流素子Ｄ１（スイッチング素子ＳＷの寄生ダイオードでもよい）と、中間点３にアノード側が接続される整流素子Ｄ２と、整流素子Ｄ２のカソード側に接続されて出力電圧ＶＯＵＴを平滑するためのコンデンサＣとを備える。すなわち、コンデンサＣｒは、スイッチング素子ＳＷに並列接続されるとともに、インダクタＬとによってＬＣ回路を構成する。なお、スイッチング素子ＳＷの具体例として、ＩＧＢＴ，ＭＯＳＦＥＴ，バイポーラトランジスタ等の半導体素子が挙げられる。
【００１４】
また、昇圧型スイッチング電源１００は、その出力電圧ＶＯＵＴを検出する手段である出力電圧モニタ回路１１と、中間点３の電圧Ｖｘを検出する手段である中間点電圧モニタ回路１２と、出力電圧モニタ回路１１によって検出された出力電圧ＶＯＵＴに基づいてスイッチング素子ＳＷのオン時からオフ時までのオン時間を演算する手段であるＯＮ時間演算回路１３と、スイッチング素子ＳＷのオフ時から電圧Ｖｘが零になるまでのハイ時間を計測する手段である中間点電圧Ｈｉ時間計測タイマ回路１４（以下、「Ｈｉ時間タイマ回路１４」という）と、ＯＮ時間演算回路１３によって演算されたオン時間とＨｉ時間タイマ回路１４によって計測されたハイ時間とに基づいてスイッチング素子ＳＷをオン／オフさせる制御手段である中間点電圧Ｈｉ時間演算回路１５（以下、「Ｈｉ時間演算回路１５」という）及びスイッチング素子ＳＷのドライバ回路１６とを備える。
【００１５】
出力電圧モニタ回路１１は、出力電圧ＶＯＵＴの検出結果をＯＮ時間演算回路１３に出力する。出力電圧モニタ回路１１は、例えば、直列接続された抵抗素子を備える分圧回路を備え、その分圧値によって出力電圧ＶＯＵＴを検出する。
【００１６】
中間点電圧モニタ回路１２は、中間点３の電圧Ｖｘの検出結果をＨｉ時間タイマ回路１４に出力する。中間点電圧モニタ回路１２は、例えば、直列接続された抵抗素子を備える分圧回路を備え、その分圧値によって電圧Ｖｘを検出する。なお、中間点３の電圧Ｖｘの検出にあたり、スイッチング素子ＳＷの両端電圧を検出してもよいし、コンデンサＣｒの両端電圧を検出してもよい。いずれも同電位のためである。
【００１７】
ＯＮ時間演算回路１３は、出力電圧ＶＯＵＴがその目標電圧になるように、出力電圧モニタ回路１１によって検出された出力電圧ＶＯＵＴに基づいてスイッチング素子ＳＷのオン時からオフ時までのオン時間の目標値を演算し、その演算結果をＨｉ時間演算回路１５とドライバ回路１６とに出力する。ＯＮ時間演算回路１３は、例えば、出力電圧ＶＯＵＴがその目標電圧より大きい場合にはオン時間の目標値を短くし、出力電圧ＶＯＵＴがその目標電圧より小さい場合にはオン時間の目標値を長くする。ＯＮ時間演算回路１３は、周知の通り、例えば、目標電圧に対応する閾値を有するコンパレータと、コンパレータの出力結果に基づいてオン時間の目標値の長さを調整可能なロジック回路やマイクロコンピュータなどの演算手段とを備える回路であればよい。
【００１８】
ＯＮ時間演算回路１３によって演算されるオン時間の目標値によって、図２における、オンタイミングｔ０からオフタイミングｔ１までの時間（期間ｔ０−ｔ１）や、オンタイミングｔ４からオフタイミングｔ５までの時間（期間ｔ４−ｔ５）が調整され得る。図２は、スイッチング素子ＳＷをスイッチングさせる駆動信号ＶＧと、中間点３の電圧Ｖｘと、インダクタ電流ＩＬとの関係を示す波形図である。
【００１９】
ドライバ回路１６は、ＯＮ時間演算回路１３によって演算されたオン時間の目標値に基づいて、スイッチング素子ＳＷをオフさせる駆動信号ＶＧを生成する。すなわち、ドライバ回路１６は、ＯＮ時間演算回路１３によって演算されたオン時間の目標値の経過時（図２の場合、オフタイミングｔ１，ｔ５）にスイッチング素子ＳＷがオフするように駆動信号ＶＧをスイッチング素子ＳＷ（例えば、ＩＧＢＴであればそのゲート）に対して出力する。
【００２０】
図２に示されるように、オフ駆動信号ＶＧに基づきスイッチング素子ＳＷがオフされると、インダクタ電流ＩＬはコンデンサＣｒに充電されるため、中間点３の電圧Ｖｘの上昇速度は抑えられ、ゼロ電圧スイッチングが実現される。電圧Ｖｘは出力電圧ＶＯＵＴに整流素子Ｄ２の順方向電圧分加えた電圧まで上昇する。また、スイッチング素子ＳＷのオフにより、出力方向に流れるインダクタ電流ＩＬはオフタイミングをピークにして減少する。そして、インダクタ電流ＩＬが零になるとコンデンサＣｒからの放電とともに中間点３の電圧Ｖｘの減少が始まり、インダクタＬには入力方向にインダクタ電流ＩＬが流れる（逆流する）。そして、コンデンサＣｒの電荷が零になることで中間点３の電圧Ｖｘは零になるとともに、インダクタＬとコンデンサＣｒとのＬＣ共振によって、その逆流電流は減少しながら零に近づく。
【００２１】
このように、オン時間の経過時にスイッチング素子ＳＷがオフされることにより電圧Ｖｘは上昇した後に零に低下する。そこで、Ｈｉ時間タイマ回路１４は、スイッチング素子ＳＷのオフ時から電圧Ｖｘが零になるまでのハイ時間を計測するために、電圧Ｖｘがスイッチング素子ＳＷのオフにより零から上昇した後に低下して再び零になるまでの時間を計測する。Ｈｉ時間タイマ回路１４は、例えば、中間点電圧モニタ回路１２によって検出される電圧Ｖｘと零電圧より僅かに大きい電圧に対応する略零電圧閾値とを比較するコンパレータを備え、当該検出された電圧Ｖｘが略零電圧閾値以上になる時から次に略零電圧閾値以下になる時までの時間をマイクロコンピュータのタイマ等により計測することによって、ハイ時間を計測する。
【００２２】
Ｈｉ時間演算回路１５は、ＯＮ時間演算回路１３によって演算されたオン時間の目標値とＨｉ時間タイマ回路１４によって計測されたハイ時間とに基づいて、次回のスイッチング時に予測されるＬＣ共振によるハイ時間を演算する。Ｈｉ時間演算回路１５によって演算されたハイ時間に従って、スイッチング素子ＳＷのオンタイミングが制御される。
【００２３】
すなわち、自然転流方式によるＬＣ特性において、スイッチング素子ＳＷのオン時間の長さに応じて、電圧Ｖｘが零より大きいハイ時間の長さは変化する。したがって、ハイ時間を見込み演算する上、インダクタＬとコンデンサＣｒとの定数によって決まるＬＣ特性に基づき定まるオン時間とハイ時間との相関関係にＯＮ時間演算回路１３によって演算されたオン時間の目標値を反映することによって、当該オン時間の目標値に対応するハイ時間を演算することも可能である。しかしながら、計算上（設計上）得られた最適タイミングでスイッチング素子ＳＷをオンする見込み制御をすると、インダクタＬのインダクタンスやコンデンサＣｒのキャパシタンスや回路のばらつき（例えば、製造ばらつき、経時変化、温度変化）などによって、必ずしもスイッチング素子ＳＷを最適なオンタイミングでオンさせることができるとは限らない。そこで、Ｈｉ時間演算回路１５において、Ｈｉ時間タイマ回路１４によって計測された今回のスイッチングのハイ時間の実測値を利用することによって、ＯＮ時間演算回路１３によって演算されたオン時間の目標値に対応する次回のスイッチング以降のハイ時間を適正値に補正することができる。
【００２４】
例えば、Ｈｉ時間演算回路１５は、ＯＮ時間演算回路１３によって演算されたオン時間の目標値と上述の既知の相関関係とに基づいて当該オン時間の目標値に対応するハイ時間を演算する（このハイ時間の演算値を、「ハイ時間の補正前演算値」という）。そして、Ｈｉ時間演算回路１５は、ハイ時間の補正前演算値とＨｉ時間タイマ回路１４によって計測されたハイ時間の実測値とを所定の補間式で補間することによって得られた補間値を「ハイ時間の補正後演算値」として算出する。この補間によって、見込み値である「ハイ時間の補正前演算値」から実際の回路等のばらつきが考慮された「ハイ時間の補正後演算値」に修正することができる。
【００２５】
ドライバ回路１６は、Ｈｉ時間演算回路１５によって演算されたハイ時間の補正後演算値に基づいて、スイッチング素子ＳＷをオンさせる駆動信号ＶＧを生成する。すなわち、ドライバ回路１６は、Ｈｉ時間演算回路１５によって演算されたハイ時間の補正後演算値の経過時（図２の場合、オンタイミングｔ０，ｔ４，ｔ８）にスイッチング素子ＳＷがオンするように駆動信号ＶＧをスイッチング素子ＳＷ（ゲート）に対して出力する。
【００２６】
このように、ドライバ回路１６は、ＯＮ時間演算回路１３によって演算されたオン時間の目標値の経過時にスイッチング素子ＳＷがオフするようにオフ駆動信号ＶＧを出力することによって、スイッチング素子ＳＷをオフすべき最適なタイミングでオフさせることができるとともに、Ｈｉ時間演算回路１５によって演算されたハイ時間の補正後演算値の経過時にスイッチング素子ＳＷがオンするようにオン駆動信号ＶＧを出力することによって、スイッチング素子ＳＷをオンすべき最適なタイミングでオンさせることができる。
【００２７】
すなわち、スイッチング素子ＳＷをオンさせるタイミングは、そのオンタイミング前に計測可能なハイ時間の計測値及びそのオンタイミング前に演算可能なオン時間の目標値に基づき決定することができるので、電圧が零になったのを検知した後すぐにスイッチング素子をオンする従来技術に比べ、演算時間が確保されることにより高速なフィードバック回路も不要となり、回路等のばらつきを考慮した最適なタイミングでスイッチング素子ＳＷをオンさせることができる。例えば、図２であれば、ｔ１−ｔ４期間におけるハイ時間の計測値及びｔ４−ｔ５期間におけるオン時間の目標値に基づいて、オンタイミングｔ８を決定することができる。
【００２８】
図３は、本発明の一実施形態である昇圧型スイッチング電源２００の全体構成を示した概略図である。昇圧型スイッチング電源２００は、図１に示した昇圧型スイッチング電源１００のスイッチング回路を複数並列接続したものである。図３の構成において、図１と同様の構成についてはそれと同様の符号を付して、図１の構成の機能と同様の機能を有することを示す。すなわち、スイッチング回路毎に、中間点電圧モニタ回路１２＊と、Ｈｉ時間タイマ回路１４＊と、ドライバ回路１６＊とを備える。したがって、各スイッチング回路のドライバ回路１６＊は、各スイッチング回路に共通のＯＮ時間演算回路１３によって演算されたオン時間の目標値の経過時にスイッチング素子ＳＷ＊がオフするようにオフ駆動信号ＶＧ＊を出力することによって、スイッチング素子ＳＷ＊をオフすべき最適なタイミングでオフさせることができるとともに、各スイッチング回路に共通のＨｉ時間演算回路１５によって演算されたハイ時間の補正後演算値の経過時にスイッチング素子ＳＷ＊がオンするようにオン駆動信号ＶＧを出力することによって、スイッチング素子ＳＷ＊をオンすべき最適なタイミングでオンさせることができる。すなわち、スイッチング回路毎に回路等のばらつきがあったとしても、スイッチング回路毎に最適なオンタイミングでスイッチング素子をオンさせることができる。
【００２９】
以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。
【００３０】
例えば、整流素子Ｄ２を、整流用スイッチング素子（それに並列接続されたダイオードを含む）に置き換えてもよい。出力電流が流れるときに整流用スイッチング素子をオンさせることによって、整流素子Ｄ２の場合に比べ発熱を抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】本発明の一実施形態である降圧型スイッチング電源１００の全体構成を示した概略図である。
【図２】スイッチング素子ＳＷをスイッチングさせる駆動信号ＶＧと、中間点３の電圧Ｖｘと、インダクタ電流ＩＬとの関係を示す波形図である。
【図３】本発明の一実施形態である昇圧型スイッチング電源２００の全体構成を示した概略図である。
【符号の説明】
【００３２】
Ｌ  インダクタ
Ｃｒ  共振用コンデンサ
Ｃ  平滑用コンデンサ
ＳＷ  スイッチング素子
１１  出力電圧モニタ回路
１２  中間点電圧モニタ回路
１３  ＯＮ時間演算回路
１４  中間点電圧Ｈｉ時間計測タイマ回路
１５  中間点電圧Ｈｉ時間演算回路
１６  ドライバ回路
１００，２００  スイッチング電源
【図１】
2009106105.tif 000003
【図２】
2009106105.tif 000004
【図３】
2009106105.tif 000005