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JP2002330596A - スイッチング電圧変換器 - Google Patents

スイッチング電圧変換器

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Publication number
JP2002330596A
JP2002330596A JP2002065449A JP2002065449A JP2002330596A JP 2002330596 A JP2002330596 A JP 2002330596A JP 2002065449 A JP2002065449 A JP 2002065449A JP 2002065449 A JP2002065449 A JP 2002065449A JP 2002330596 A JP2002330596 A JP 2002330596A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
potential
switch
switching
voltage
gate driver
Prior art date
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Pending
Application number
JP2002065449A
Other languages
English (en)
Inventor
Klaus Zametzky
ツァメツキー クラウス
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Original Assignee
Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE10205833A external-priority patent/DE10205833A1/de
Application filed by Semikron Elektronik GmbH and Co KG filed Critical Semikron Elektronik GmbH and Co KG
Publication of JP2002330596A publication Critical patent/JP2002330596A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/08Circuits specially adapted for the generation of control voltages for semiconductor devices incorporated in static converters
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC
    • H02M3/325Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal
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    • H02M3/33569Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only having several active switching elements
    • H02M3/33571Half-bridge at primary side of an isolation transformer
    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
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    • H02M3/01Resonant DC/DC converters

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Electronic Switches (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一定のインターロック時間を有し且つハーフ
ブリッジの駆動装置のための回路技術的な手間と費用が
僅かである、ハーフブリッジ構造のスイッチング電圧変
換器を提供する。 【解決手段】 TOPスイッチ(2)が1つの又は並列
接続された複数のNチャネルトランジスタにより実現化
されていて、BOTスイッチ(3)が1つの又は並列接
続された複数のPチャネルトランジスタにより実現化さ
れていて、両方のパワースイッチ(2、3)がゲートド
ライバ(1)により駆動され、ゲートドライバ(1)及
びゲートドライバ(1)を制御するスイッチングユニッ
ト(4)の基準電位および供給電圧電位が、稼動時に変
化する一定ではないハーフブリッジの出力信号(Uou
t)の電位上にあること。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、ハーフブリッジ位
相幾何内、即ちハーフブリッジ構造における電圧コンバ
ータまたは変流器のようなスイッチング電圧変換器に関
する。この種のスイッチング電圧変換器の一般的な動作
方式は、所望の交流電圧を得るために有利には電子スイ
ッチにより細断されて供給される1次電圧を基礎として
いる。前記交流電圧は引き続いてトランス及び又はフィ
ルタ及び又は整流器において適切に処理され、所望の形
状と所望の特性を有する出力電圧が獲得される。
【0002】
【従来の技術】従来技術としてはPWM(パルス幅変
調)制御法により動作する様々なコンバータ方式が挙げ
られ、これらについては、例えば、ティーツェ/シェン
ク(Tietze/Schenk)、18章(ISBN 3-540-19475-4, 第9
版)に詳しく記載されている。トランスが使用されるハ
ーフブリッジ構造のそれらのコンバータでは、TOPポ
ジション並びにBOTポジションにあり典型的にはNチ
ャネルトランジスタであるパワースイッチ間のインター
ロック時間が変化され、それにより、細断されている交
流電圧のパルス占有率が影響される。従ってコンバータ
の出力部では要求された特性を有する電圧ないしは電流
が得られる。
【0003】互いにインターロックされている駆動信号
とは、短絡を回避するために常に両方のスイッチのうち
の1つのスイッチだけが入れられているようにパルス幅
変調器の駆動装置が2つの信号を生成することとして理
解される。
【0004】ハーフブリッジの両方のパワースイッチ間
のインターロック時間が一定値であるコンバータ方式の
構成も存在し、これは例えば共振形コンバータである。
【0005】共振形コンバータは極めて高いスイッチン
グ周波数で且つ僅かなスイッチング損失で作動する。共
振形コンバータは変換すべき電力ないしはそれらの出力
電圧をスイッチング周波数の変更により制御する。この
スイッチング周波数は通常はVCO(電圧制御発振器)
により生成される。
【0006】従来技術による実施形態において、このV
COは静止電位上にあり、VCOにより生成されるスイ
ッチング信号は適切な信号分離部および電位分離部を介
してパワースイッチないしはそれらのドライバに伝達さ
れる。この装置は中でもハーフブリッジの中間回路電圧
が付属の発振器回路よりも大きな電圧を有する場合に使
用される。
【0007】ここで従来技術として、電磁流量計内で使
用される回路装置が設けられているドイツ特許出願第33
11662号が挙げられる。この回路装置は本発明の要求を
満たすことはないが、そこでは一定のインターロック時
間を有するハーフブリッジ装置が紹介されている。
【0008】従来技術として更に日本特開昭63-253720
号も挙げられる。そこでは、NチャネルIGBT及びP
チャネルIGBTから構成されるハーフブリッジをドラ
イバが駆動する装置が紹介されている。この装置は、時
間に関して一定ではなくハーフブリッジの出力電圧の電
位と同じであるゲートドライバの基準電位を有する。両
方とも共通して唯一のゲートドライバにより駆動される
NチャネルTOPスイッチとPチャネルBOTスイッチ
を使用することにより、一方では極めて短いインターロ
ック時間が達成され、他方では確実なインターロックが
達成される。ドライバにはオプトカプラを介してスイッ
チング信号が供給され、このオプトカプラは信号分離な
いしは電位分離の役割を担っている。
【0009】共振形コンバータの場合、比較的高いスイ
ッチング周波数が伝達される必要があり、スイッチング
信号のためのその信号分離ないしは電位分離を実現する
ことは困難であり費用と手間がかかる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明の基礎を成す課
題は、一定のインターロック時間を有し且つハーフブリ
ッジの駆動装置のための回路技術的な手間と費用が僅か
である、ハーフブリッジ構造のスイッチング電圧変換器
を提供することである。
【0011】
【課題を解決するための手段】前記課題は、本発明に従
い、請求項1に記載した特徴により解決される。有利な
実施形態は従属項に記載されている。
【0012】従来技術に対して本発明による解決策では
スイッチング信号を生成するスイッチングユニット(発
振器回路)のためにドライバ回路のためのものと同じ供
給電位ないしは基準電位が選択される。従って発振器回
路は非固定の基準電位を有する。つまり、発振器とゲー
トドライバの基準電位はハーフブリッジの出力信号によ
って変化する。この措置により発振器は直接的にドライ
バと接続され得て、スイッチング信号を導く信号分離部
ないしは電位分離部が不必要となる。制御のためには、
準静的な制御信号、即ちゆっくりと変化する制御信号が
発振器回路に伝達されるだけでよい。従って、回路の手
間と費用ないしは伝達構成部品に対する要求は、準静的
な制御信号と比べて高い周波数の発振器回路のスイッチ
ング信号を伝達する際における要求と比べると明らかに
少ない。
【0013】
【発明の実施の形態】次に、図1及び図2に示した実施
形態に基づいて本発明の思想を更に詳細に説明する。
【0014】図1には、本発明に従って構成される駆動
回路およびこの駆動回路により簡素化された構造を有す
る共振形コンバータが示されている。VCO(電圧制御
発振器)4は、50%の占有率を有するパルス形状の出
力電圧を生成する。例えばオプトカプラ(フォトカプ
ラ)により共振形コンバータの出力回路から伝達される
外部の制御値は図面の簡素化のために制御電圧Uyとし
て示されている。VCO4の出力信号は唯一のゲートド
ライバ1の入力部に直接的に印加される。TOPスイッ
チ2はNチャネルMOSFETであり、BOTスイッチ
3はPチャネルMOSFETである。この回路装置によ
って、ゲートドライバ1の出力信号が両方のスイッチの
うちの1つのスイッチだけを導通させ得るので、両方の
スイッチの互いのインターロックが追加的な構成部品に
よるものではなく回路装置自体によって保証される。ハ
イレベルではTOPスイッチ2が導通されていて、ロー
レベルではBOTスイッチ3が導通されている。従って
ゲートドライバ1の基準電位はTOPスイッチ2とBO
Tスイッチ3のスイッチング状態に依存している。
【0015】図2には図1による共振形コンバータがよ
り詳細に示されている。このハーフブリッジは、TOP
スイッチ2としてのNチャネルMOSFETトランジス
タとBOTスイッチ3としてのPチャネルMOSFET
トランジスタから構成されていて中間回路電圧供給部U
z+/Uz−から電力供給される。両方のトランジスタ
はゲートドライバ1により電圧供給部Ub+/Ub−を
用いて駆動される。更にゲートドライバ1は、同様にU
b+及びUb−を用いて電力供給される電圧制御発振器
(VCO)4からスイッチング信号を取得する。この
際、ゲートドライバ1及び発振器4の基準電圧レベル、
即ちここでは電圧源Ub+とUb−との間の接続点がパ
ワートランジスタのソース接続部と接続されているとい
うことが中でも重要である。このようにして、中間回路
電圧Uz+/Uz−がドライバ供給電圧ないしは発振器
供給電圧Ub+/Ub−よりも大きい場合にも電子スイ
ッチ2及び3をスイッチングすることが可能である。V
COがドライバと同じ電位上にあるので、VCOの出力
部は直接的にドライバの入力部と接続され得て、それに
より高スイッチング周波数の処理が問題なく行われる。
VCOのクロック周波数は直流電圧Uyにより設定され
る。Uyはオプトカプラ5により供給される。更に制御
電流IyはUyに影響を及ぼす。IyとUyはスイッチ
ング信号と比べると極めて遅い準静的な信号であるの
で、電源装置が高スイッチング周波数で動作するにもか
かわらず、ゆっくりと動作するシングルオプトカプラが
使用され得る。Iyにより、VCOのスイッチング周波
数、それにより共振回路を流れる電流、従ってトランス
TR1を介して伝達される電力も設定され得る。ゲート
ドライバ1は以下の2つの静的なスイッチング状態を識
別している:
【0016】 1.TOPスイッチ2を駆動(導通)ための正の出力電
圧(ハイレベル) 2.BOTスイッチ3を駆動(導通)ための負の出力電
圧(ローレベル)
【0017】ゲートドライバ1が単に2つの状態(ハイ
レベルとローレベル)を識別しているので、ハイレベル
ではTOPスイッチ2が導通されていて同時にBOTス
イッチ3がターンオフされていることが達成される。ロ
ーレベルへの変換時にはTOPスイッチ2のスイッチン
グ閾値を下回ることになるのでTOPスイッチ2がター
ンオフされる。BOTスイッチ3のスイッチング閾値に
到達すると(ローレベル)すぐにBOTスイッチ3は通
電し、それに対してTOPスイッチ2は引き続きターン
オフされている。ローレベルからハイレベルへの変換時
にはBOTスイッチ3のスイッチング閾値(負の電圧)
を上回ることになるので先ずはBOTスイッチ3がター
ンオフされる。TOPスイッチ2のスイッチング閾値
(正の電圧)に到達すると(ハイレベル)すぐにTOP
スイッチ2が通電し、それに対してBOTスイッチ3は
引き続きターンオフされている。従って、追加的な構成
部品を用いることなく、両方のスイッチが通電されてい
てブリッジ短絡が生じてしまうことがどの時点をとって
も無いということが保証されていて、両方のスイッチは
構成部品によるものではなく回路の構成によって互いに
インターロックされている。更に、説明した方法によ
り、スイッチが導通されていない期間がゲートドライバ
のスイッチング時間に限定されていることが保証されて
いる。
【0018】従って、Iyを適切に選択することにより
トランスTR1の2次側で所望の出力電圧Usekが生
成され得る。
【0019】紹介された回路ではゲートドライバとVC
Oの基準電位がハーフブリッジの出力電圧の電位上に位
置する。このことは、ハーフブリッジのスイッチング状
態に依存してゲートドライバとVCOの基準電位が変化
することを意味する。ハイレベルにおいて基準電位はU
z+上に位置し、ローレベルにおいて基準電位はUz−
上に位置し、ハイレベルとローレベルの間またはローレ
ベルとハイレベルの間における切換過程中においてドラ
イバとVCOの基準電位は出力信号Uoutに従う。
【図面の簡単な説明】
【図1】1次側でパルシングされる共振形スイッチング
電源装置の例において本発明による駆動装置の基本構成
を示す図である。
【図2】1次側でパルシングされる共振形スイッチング
電源装置の例において本発明による駆動装置の基本構成
を示す図である。
【符号の説明】
1 ゲートドライバ 2 TOPスイッチ(NチャネルMOSFET) 3 BOTスイッチ(PチャネルMOSFET) 4 VCO(電圧制御発振器) 5 オプトカプラ(フォトカプラ) Iy 制御電流 Uy 制御電圧 Ub+ 供給電圧 Ub− 供給電圧 Uz+ 中間回路電圧 Uz− 中間回路電圧
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 クラウス ツァメツキー ドイツ連邦共和国 デー・91126 シュヴ ァーバッハ ヒルテンヴェーク 9 Fターム(参考) 5H007 CA02 CB09 CB12 CC32 DA06 DB03 DB09 5J055 AX44 BX16 CX19 DX09 DX22 DX60 DX72 DX73 EX07 EY05 EY07 EY10 EY12 EY21 EY28 EZ07 EZ28 EZ51 FX19 GX01 GX02

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】TOPポジションにあるパワースイッチ
    (2)とBOTポジションにあるパワースイッチ(3)
    との間のインターロック時間の値が一定であるハーフブ
    リッジ構造のスイッチング電圧変換器において、TOP
    スイッチ(2)が1つの又は並列接続された複数のNチ
    ャネルトランジスタにより実現化されていて、BOTス
    イッチ(3)が1つの又は並列接続された複数のPチャ
    ネルトランジスタにより実現化されていて、両方のパワ
    ースイッチ(2、3)がゲートドライバ(1)により駆
    動され、ゲートドライバ(1)及びゲートドライバ
    (1)を制御するスイッチングユニット(4)の基準電
    位および供給電圧電位が、稼動時に変化する一定ではな
    いハーフブリッジの出力信号(Uout)の電位上にあ
    ることを特徴とするスイッチング電圧変換器。
  2. 【請求項2】電位を分離する構成部品(5)が準静的な
    制御信号を導くことを特徴とする、請求項1に記載のス
    イッチング電圧変換器。
  3. 【請求項3】パワースイッチ(2、3)としてIGBT
    (絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ)又はMOSF
    ETトランジスタが使用されることを特徴とする、請求
    項1に記載のスイッチング電圧変換器。
JP2002065449A 2001-03-13 2002-03-11 スイッチング電圧変換器 Pending JP2002330596A (ja)

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DE10205833:4 2002-02-13
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