特開 2024-130303 電力変換装置及び制御装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024130303

(43)【公開日】2024-09-30

(54)【発明の名称】電力変換装置及び制御装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240920BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 Q

H02M3/28 H

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023039953

(22)【出願日】2023-03-14

(71)【出願人】

【識別番号】000002945

【氏名又は名称】オムロン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100145403

【弁理士】

【氏名又は名称】山尾 憲人

(74)【代理人】

【識別番号】100189555

【弁理士】

【氏名又は名称】徳山 英浩

(72)【発明者】

【氏名】谷野 光平

(72)【発明者】

【氏名】長野 昌明

(72)【発明者】

【氏名】鶴口 祐規

(72)【発明者】

【氏名】渡邉 智紀

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS01

5H730BB26

5H730BB66

5H730DD04

5H730DD16

5H730EE03

5H730EE07

5H730FD41

5H730XX15

5H730XX25

5H730XX35

(57)【要約】

【課題】単一の電流検出回路を用いて従来よりも広い範囲にわたる電流値を検出する。
【解決手段】電流検出回路１１は、対象素子に接続された第１の回路部分に挿入された第１の抵抗Ｒ１と、第１の抵抗Ｒ１に並列に接続された第２の回路部分であって、互いに直列に接続された第２の抵抗Ｒ２及び第１のダイオードＤ１を含む第２の回路部分とを備える。制御回路１２は、対象素子に流れる電流Ｉ１に応じて第１の抵抗Ｒ１の両端にわたって生じる電圧をモニタリングする。制御回路１２は、第１の抵抗Ｒ１の両端にわたる電圧Ｖｄｅｔが第１のしきい値Ｖｔｈ１を超えたか否かに基づいて、第１の機能を用いてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。制御回路１２は、第１の抵抗Ｒ１の両端にわたる電圧Ｖｄｅｔが第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きい第２のしきい値Ｖｔｈ２を超えたか否かに基づいて、第２の機能を用いてスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも１つのスイッチング素子を備える電力変換装置のための制御装置であって、
前記電力変換装置に含まれる対象素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記対象素子に流れる電流に基づいて前記少なくとも１つのスイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
前記電流検出回路は、
前記対象素子に接続された第１の回路部分に挿入された第１の抵抗と、
前記第１の抵抗に並列に接続された第２の回路部分であって、互いに直列に接続された第２の抵抗及び第１のダイオードを含む第２の回路部分とを備え、
前記制御回路は、
前記対象素子に流れる電流に応じて前記第１の抵抗の両端にわたって生じる電圧をモニタリングし、
前記第１の抵抗の両端にわたる電圧が第１のしきい値を超えたか否かに基づいて、第１の機能を用いて前記少なくとも１つのスイッチング素子を制御し、
前記第１の抵抗の両端にわたる電圧が前記第１のしきい値より大きい第２のしきい値を超えたか否かに基づいて、第２の機能を用いて前記少なくとも１つのスイッチング素子を制御する、
制御装置。

【請求項2】

前記第１のしきい値は前記第１のダイオードの順方向電圧降下よりも小さく、
前記第２のしきい値は前記第１のダイオードの順方向電圧降下よりも大きい、
請求項１記載の制御装置。

【請求項3】

前記第２の抵抗の抵抗値は前記第１の抵抗の抵抗値よりも小さい、
請求項１記載の制御装置。

【請求項4】

前記電流検出回路は、前記第１のダイオードに逆並列に接続された第２のダイオードをさらに備える、
請求項１記載の制御装置。

【請求項5】

前記対象素子は第１のキャパシタであり、
前記制御装置は、前記第１の回路部分に挿入された第２のキャパシタであって、前記第１の抵抗に直列に接続された第２のキャパシタをさらに備え、
前記第２のキャパシタの容量は前記第１のキャパシタの容量よりも小さい、
請求項１記載の制御装置。

【請求項6】

前記電力変換装置はトランスを含み、
前記第１のキャパシタは前記トランスの一次巻線に接続される、
請求項５記載の制御装置。

【請求項7】

前記第１の機能は、前記少なくとも１つのスイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子のオン期間中に、前記第１の抵抗の両端にわたる電圧が前記第１のしきい値より大きな値から前記第１のしきい値より小さな値に変化したとき、前記第１のスイッチング素子をオンからオフに切り換えることを含む、
請求項６記載の制御装置。

【請求項8】

前記第２の機能は、前記第１の抵抗の両端にわたる電圧が前記第２のしきい値より大きくなったとき、前記対象素子に流れる電流を停止又は低減するように前記少なくとも１つのスイッチング素子を制御することを含む、
請求項１記載の制御装置。

【請求項9】

少なくとも１つのスイッチング素子と、
請求項１～８のうちの１つに記載の制御装置とを備えた、
電力変換装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、電力変換装置及びその制御装置に関する。

【背景技術】

【0002】

電源から負荷に電力を供給するため、少なくとも１つのスイッチング素子を備えたさまざまな電力変換装置が使用される。また、スイッチング素子を駆動するドライバ集積回路などのような、電力変換装置のための制御装置が提供される。

【0003】

例えば、特許文献１は、共振インダクタと、共振キャパシタと、トランスフォーマの磁化インダクタンスとによって形成された共振タンクを備えた共振変換器を開示している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６３８６５４９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

電力変換装置は、その内部に流れる電流に基づいて行われるさまざまな機能、例えば、逆流電流防止、ゼロ電流スイッチング、過電流保護などの機能を有する。逆流電流防止及びゼロ電流スイッチングを行うためには、０Ａの近傍の大きさ、例えば数ｍＡ～数Ａの大きさを有する電流を検出する必要がある。また、過電流保護を行うためには、電力変換装置に発生する、典型的には数十Ａの大きさを有する過電流を検出する必要がある。

【0006】

一般に、電力変換装置のための制御装置は、単一の電流検出回路を用いて、電力変換装置に含まれる１つの対象素子又は１つの区間に流れる電流を検出する。しかしながら、数十Ａの過電流を検出するための電流検出回路は、０Ａの近傍の電流を高精度に検出することは困難である。また、０Ａの近傍の電流を検出するための電流検出回路を用いて数十Ａの過電流を検出しようとすると、回路が破損するおそれがある。このように、従来、単一の電流検出回路を用いて、数ｍＡから数十Ａの広い範囲にわたる電流値を検出することは困難であった。

【0007】

本開示の目的は、電力変換装置のための制御装置であって、単一の電流検出回路を用いて従来よりも広い範囲にわたる電流値を検出することができる制御装置を提供することにある。また、本開示の目的は、そのような制御回路を備えた電力変換装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本開示の一側面に係る電力変換装置のための制御装置は、
少なくとも１つのスイッチング素子を備える電力変換装置のための制御装置であって、
前記電力変換装置に含まれる対象素子に流れる電流を検出する電流検出回路と、
前記対象素子に流れる電流に基づいて前記少なくとも１つのスイッチング素子を制御する制御回路とを備え、
前記電流検出回路は、
前記対象素子に接続された第１の回路部分に挿入された第１の抵抗と、
前記第１の抵抗に並列に接続された第２の回路部分であって、互いに直列に接続された第２の抵抗及び第１のダイオードを含む第２の回路部分とを備え、
前記制御回路は、
前記対象素子に流れる電流に応じて前記第１の抵抗の両端にわたって生じる電圧をモニタリングし、
前記第１の抵抗の両端にわたる電圧が第１のしきい値を超えたか否かに基づいて、第１の機能を用いて前記少なくとも１つのスイッチング素子を制御し、
前記第１の抵抗の両端にわたる電圧が前記第１のしきい値より大きい第２のしきい値を超えたか否かに基づいて、第２の機能を用いて前記少なくとも１つのスイッチング素子を制御する。

【0009】

これにより、単一の電流検出回路を用いて従来よりも広い範囲にわたる電流値を検出することができる。

【0010】

本開示の一側面に係る電力変換装置のための制御装置によれば、
前記第１のしきい値は前記第１のダイオードの順方向電圧降下よりも小さく、
前記第２のしきい値は前記第１のダイオードの順方向電圧降下よりも大きい。

【0011】

これにより、比較的に狭い電圧範囲内において、小電流を検出するための第１のしきい値を設定し、大電流を検出するための第２のしきい値を設定することができる。

【0012】

本開示の一側面に係る電力変換装置のための制御装置によれば、
前記第２の抵抗の抵抗値は前記第１の抵抗の抵抗値よりも小さい。

【0013】

これにより、対象素子に流れる電流が増大しても、第１の抵抗の両端にわたる電圧をあまり増大させないことが可能になる。

【0014】

本開示の一側面に係る電力変換装置のための制御装置によれば、
前記電流検出回路は、前記第１のダイオードに逆並列に接続された第２のダイオードをさらに備える。

【0015】

これにより、対象素子に流れる正及び負の向きの電流を検出することができる。

【0016】

本開示の一側面に係る電力変換装置のための制御装置によれば、
前記対象素子は第１のキャパシタであり、
前記制御装置は、前記第１の回路部分に挿入された第２のキャパシタであって、前記第１の抵抗に直列に接続された第２のキャパシタをさらに備え、
前記第２のキャパシタの容量は前記第１のキャパシタの容量よりも小さい。

【0017】

これにより、対象素子に流れる電流に対して電流検出回路から与える影響を小さくすることができる。

【0018】

本開示の一側面に係る電力変換装置のための制御装置によれば、
前記電力変換装置はトランスを含み、
前記第１のキャパシタは前記トランスの一次巻線に接続される。

【0019】

これにより、ＬＬＣ共振コンバータに流れる電流を検出することができる。

【0020】

本開示の一側面に係る電力変換装置のための制御装置によれば、
前記第１の機能は、前記少なくとも１つのスイッチング素子のうちの第１のスイッチング素子のオン期間中に、前記第１の抵抗の両端にわたる電圧が前記第１のしきい値より大きな値から前記第１のしきい値より小さな値に変化したとき、前記第１のスイッチング素子をオンからオフに切り換えることを含む。

【0021】

これにより、ＬＬＣ共振コンバータの共振外れを防止することができる。

【0022】

本開示の一側面に係る電力変換装置のための制御装置によれば、
前記第２の機能は、前記第１の抵抗の両端にわたる電圧が前記第２のしきい値より大きくなったとき、前記対象素子に流れる電流を停止又は低減するように前記少なくとも１つのスイッチング素子を制御することを含む。

【0023】

これにより、電力変換装置を過電流から保護することができる。

【0024】

本開示の一側面に係る電力変換装置は、
少なくとも１つのスイッチング素子と、
前記制御装置とを備える。

【0025】

これにより、単一の電流検出回路を用いて従来よりも広い範囲にわたる電流値を検出することができる。

【発明の効果】

【0026】

本開示の一側面に係る電力変換装置のための制御装置は、単一の電流検出回路を用いて従来よりも広い範囲にわたる電流値を検出することができる。

【図面の簡単な説明】

【0027】

【図1】実施形態に係る電力変換装置２の構成例を模式的に示す回路図である。

【図2】図１の電力変換装置２の共振動作を説明するための第１の状態を示す図である。

【図3】図１の電力変換装置２の共振動作を説明するための第２の状態を示す図である。

【図4】図１の電力変換装置２の共振動作を説明するための第３の状態を示す図である。

【図5】図１の電力変換装置２の共振動作を説明するための第４の状態を示す図である。

【図6】図１の電力変換装置２の共振動作を説明するための第５の状態を示す図である。

【図7】図１の電力変換装置２が正常に共振しているときにスイッチング素子Ｑ１に流れる電流の波形を示すグラフである。

【図8】図１の電力変換装置２が共振状態から外れているときにスイッチング素子Ｑ１に流れる電流の波形を示すグラフである。

【図9】図１の電流検出回路１１によって検出される検出電圧Ｖｄｅｔ及び電流検出回路１１の抵抗値Ｒｃｏｍの特性を示すグラフである。

【図10】図１の共振制御回路２２の動作を説明するためのグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0028】

以下、本開示の一側面に係る実施形態を、図面に基づいて説明する。各図面において、同じ符号は同様の構成要素を示す。

【0029】

［適用例］
図１は、実施形態に係る電力変換装置２の構成例を模式的に示す回路図である。電力変換装置２は、直流電源装置１から供給された入力電圧を所望の出力電圧に変換して負荷装置３に供給する。

【0030】

電力変換装置２は、少なくとも、少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、制御装置１０とを備える。電力変換装置２は、例えば、後述するようにトランスＴ１及びキャパシタＣ１を備えるＬＬＣ共振コンバータであってもよい。

【0031】

制御装置１０は、少なくとも、電流検出回路１１及び制御回路１２を備える。

【0032】

電流検出回路１１は、電力変換装置２に含まれる対象素子に流れる電流Ｉ１を検出する。図１の例では、対象素子はキャパシタＣ１である。電流検出回路１１は、対象素子に接続された第１の回路部分に挿入された抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ１に並列に接続された第２の回路部分であって、互いに直列に接続された抵抗Ｒ２及びダイオードＤ１を含む第２の回路部分とを備える。

【0033】

電流検出回路１１は、ダイオードＤ１に代えて逆向きのダイオードＤ２を備えてもよい。また、電流検出回路１１は、互いに逆並列接続されたダイオードＤ１，Ｄ２の両方を備えてもよい。

【0034】

ダイオードＤ１，Ｄ２は、予め決められた順方向電圧降下Ｖｆ、例えば０．６Ｖを有する。

【0035】

電流検出回路１１には、電流Ｉ１に対して予め決められた比率の大きさを有する電流Ｉ２が流れる。電流Ｉ２の大きさに応じて、抵抗Ｒ１の両端にわたって電圧Ｖｄｅｔが生じる。言いかえると、対象素子に流れる電流Ｉ１の大きさに応じて、抵抗Ｒ１の両端にわたって電圧Ｖｄｅｔが生じる。電圧Ｖｄｅｔは、電流検出回路１１の抵抗値と、電流Ｉ２の大きさとの積である。

【0036】

電流検出回路１１は、電流Ｉ１の大きさに応じて変化する抵抗値を有する。電流Ｉ１が小さく、電圧ＶｄｅｔがダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧降下Ｖｆを超えない場合、電流Ｉ２は、抵抗Ｒ２及びダイオードＤ１，Ｄ２の回路部分には流れず、抵抗Ｒ１のみに流れる。この場合、電流検出回路１１の抵抗値は、抵抗Ｒ１の抵抗値に等しい。一方、電流Ｉ１が大きく、電圧ＶｄｅｔがダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧降下Ｖｆを超える場合、電流Ｉ２は、抵抗Ｒ１，Ｒ２の両方に流れる。この場合、電流検出回路１１の抵抗値は、電流Ｉ１が増大するにつれて抵抗Ｒ１の抵抗値から次第に減少し、漸近的に、並列接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２の合成抵抗Ｒ３＝Ｒ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）に近づく。

【0037】

制御回路１２は、対象素子に流れる電流Ｉ１に基づいて少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。制御回路１２は、対象素子に流れる電流Ｉ１に応じて抵抗Ｒ１の両端にわたって生じる電圧Ｖｄｅｔをモニタリングする。制御回路１２は、抵抗Ｒ１の両端にわたる電圧Ｖｄｅｔが第１のしきい値Ｖｔｈ１を超えたか否かに基づいて、第１の機能を用いて少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。制御回路１２は、抵抗Ｒ１の両端にわたる電圧Ｖｄｅｔが第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きい第２のしきい値Ｖｔｈ２を超えたか否かに基づいて、第２の機能を用いて少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。

【0038】

第１の機能は、例えば、ＬＬＣ共振コンバータの共振外れ（後述）の防止であってもよい。また、第２の機能は、例えば、過電流保護であってもよい。ＬＬＣ共振コンバータの共振外れが生じた場合、スイッチング素子Ｑ１又はＱ２のオン期間中に当該スイッチング素子に流れる電流の向きが正から負に変化する。従って、逆流電流を防止してＬＬＣ共振コンバータの共振外れを防止するためには、０Ａの近傍の大きさ、例えば数ｍＡ～数Ａの大きさを有する電流を検出する必要がある。また、過電流保護を行うためには、前述したように、数十Ａの大きさを有する過電流を検出する必要がある。

【0039】

電流検出回路１１によれば、Ｖｄｅｔ＞Ｖｆの場合、電流Ｉ１の増加に対する電圧Ｖｄｅｔの増加率は、Ｖｄｅｔ＜Ｖｆの場合の増加率に比べて小さくなる。その結果、電流Ｉ１の変化に応じて電圧Ｖｄｅｔが変化する範囲は、抵抗Ｒ２及びダイオードＤ１，Ｄ２をもたない場合、すなわち、電流Ｉ１の増加に対する電圧Ｖｄｅｔの増加率が常に一定である場合よりも狭くなる。従って、電流Ｉ１が増大しても電圧Ｖｄｅｔはあまり増大しないので、過電流によって過大な電圧Ｖｄｅｔが生じることはなく、制御装置１０の回路が破損しにくくなる。また、電流検出回路１１によれば、比較的に狭い電圧範囲内において、０Ａの近傍の電流を検出するための第１のしきい値Ｖｔｈ１を設定し、数十Ａの過電流を検出するための第２のしきい値Ｖｔｈ２を設定することができる。第１のしきい値Ｖｔｈ１は、例えば、ダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧降下Ｖｆより小さく設定される。また、第２のしきい値Ｖｔｈ２は、例えば、ダイオードＤ１，Ｄ２の順方向電圧降下Ｖｆより大きく設定される。制御回路１２は、単一の電流検出回路１１を用いて、数ｍＡから数十Ａの広い範囲にわたる電流値を高精度に検出することができる。

【0040】

このように、実施形態に係る制御装置１０は、単一の電流検出回路１１を用いて従来よりも広い範囲にわたる電流値を検出することができる。制御装置１０は、複数の異なる電流しきい値をそれぞれ用いた複数の異なる機能を提供することができる。

【0041】

［実施形態］
以下、実施形態に係る電力変換装置についてさらに説明する。

【0042】

［実施形態の構成例］
図１を参照して、電力変換装置２の各構成要素についてさらに説明する。

【0043】

電力変換装置２は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２、キャパシタＣ１、トランスＴ１、ダイオードＤ１１，Ｄ１２、キャパシタＣ１１、及び制御装置１０を備える。

【0044】

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、直流電源装置１の正極及び負極の間に互いに直列に接続される。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、例えば、ボディダイオードを備えるＭＯＳＦＥＴである。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２は、ハーフブリッジ型インバータを構成する。

【0045】

トランスＴ１は、一次巻線ｗ１及び二次巻線ｗ２，ｗ３を備える。トランスＴ１はさらに、一次巻線ｗ１に電磁的に結合された補助巻線４をさらに備える。補助巻線４には、一次巻線ｗ１に発生する電圧の変化を示す電圧Ｖｗが発生する。

【0046】

トランスＴ１の一次巻線ｗ１の一端は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間のノードに接続され、一次巻線ｗ１の他端は、電源電圧のノード又は接地電圧のノードに接続される。図１の例では、一次巻線ｗ１は接地電圧のノードに接続される。キャパシタＣ１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、トランスＴ１の一次巻線ｗ１との間に接続される。

【0047】

トランスＴ１は、励磁インダクタンス及び漏れインダクタンスを有する。キャパシタＣ１、励磁インダクタンス、及び漏れインダクタンスは、ＬＬＣ共振回路を構成する。

【0048】

トランスＴ１の二次巻線ｗ２，ｗ３の一端は、ダイオードＤ１１のアノードに接続され、二次巻線ｗ２，ｗ３の他端は、ダイオードＤ１２のアノードに接続され、ダイオードＤ１１，Ｄ１２のカソードは、負荷装置３の陽極に接続される。トランスＴ１の二次巻線ｗ２，ｗ３のセンタータップは、負荷装置３の負極に接続される。また、キャパシタＣ１１は、ダイオードＤ１１，Ｄ１２のカソードと、二次巻線ｗ２，ｗ３のセンタータップとの間に接続され、ダイオードＤ１１，Ｄ１２によって整流された電圧を平滑化する。

【0049】

電力変換装置２は、トランスＴ１及びキャパシタＣ１を備えることにより、ＬＬＣ共振コンバータとして構成される。

【0050】

制御装置１０は、電流検出回路１１、制御回路１２、キャパシタＣ２、比較器ＣＭＰ１，ＣＭＰ２、及び基準電圧源Ｅ１，Ｅ２を備える。

【0051】

キャパシタＣ２は電流検出回路１１の抵抗Ｒ１に直列に接続され、抵抗Ｒ１及びキャパシタＣ２を含む回路部分がキャパシタＣ１に並列に接続される。キャパシタＣ２の容量は、キャパシタＣ１の容量よりずっと小さく設定される。これにより、抵抗Ｒ１及びキャパシタＣ２を含む回路部分に流れる電流Ｉ２が電流Ｉ１よりずっと小さくなるので、電流検出回路１１から電流Ｉ１に与える影響を小さくすることができる。

【0052】

電流検出回路１１は、前述したように、抵抗Ｒ１，Ｒ２及びダイオードＤ１，Ｄ２を備える。抵抗Ｒ２の抵抗値は、抵抗Ｒ１の抵抗値より小さく設定されてもよい。抵抗Ｒ２の抵抗値を小さくするほど、Ｖｄｅｔ＞Ｖｆの場合、電流Ｉ１の増加に対する電圧Ｖｄｅｔの増加率は小さくなり、その結果、電流Ｉ１の変化に応じて電圧Ｖｄｅｔが変化する範囲は狭くなる。

【0053】

基準電圧源Ｅ１は電圧のしきい値Ｖｔｈ１を発生する。比較器ＣＭＰ１は、電圧Ｖｄｅｔがしきい値Ｖｔｈ１を超えたか否かを示す信号を出力する。基準電圧源Ｅ２は電圧のしきい値Ｖｔｈ２を発生する。比較器ＣＭＰ２は、電圧Ｖｄｅｔがしきい値Ｖｔｈ２を超えたか否かを示す信号を出力する。

【0054】

制御回路１２は、駆動回路２１、共振制御回路２２、及び過電流保護回路２３を備える。駆動回路２１は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を所望の周波数及びデューティ比でオン／オフする制御信号を発生してスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のゲートに印加する。共振制御回路２２は、補助巻線４によって検出された電圧Ｖｗと、比較器ＣＭＰ１の出力信号とに基づいて、電力変換装置２の共振外れを防止するように駆動回路２１を制御する。過電流保護回路２３は、比較器ＣＭＰ２の出力信号に基づいて、電力変換装置２を過電流から保護するように駆動回路２１を制御する。

【0055】

［実施形態の動作例］
まず、図２～図８を参照して、一般的なＬＬＣ共振コンバータの共振動作及び共振外れについて説明する。

【0056】

図２～図６は、図１の電力変換装置２の共振動作を説明するための第１～第５の状態をそれぞれ示す図である。

【0057】

図２～図４は、電力変換装置２が正常に共振している場合を示す。スイッチング素子Ｑ１がオンされ、スイッチング素子Ｑ２がオフされているとき、図２に示すように電流が流れる。図２の場合、電流はスイッチング素子Ｑ１のドレインからソースに流れている。図２に示すように電流が流れているとき、スイッチング素子Ｑ１がオンからオフに遷移すると、電流は図３に示すように変化する。図３の場合、電流はスイッチング素子Ｑ２のボディダイオードに流れている。適切なデッドタイム期間の経過後にスイッチング素子Ｑ２をオンすると、電流の向きが反転し、図４に示すように電流が流れる。

【0058】

電力変換装置２が共振状態から外れている場合、図２に示すように流れる電流の向きは、キャパシタＣ１の電荷を放電するために反転し、図５に示すように逆流電流が流れる。その後、スイッチング素子Ｑ２をオンすると、電流は図６に示すように変化する。図６の場合、スイッチング素子Ｑ１の逆回復により発生した貫通電流がさらに流れている。

【0059】

図７は、図１の電力変換装置２が正常に共振しているときにスイッチング素子Ｑ１に流れる電流の波形を示すグラフである。図８は、図１の電力変換装置２が共振状態から外れているときにスイッチング素子Ｑ１に流れる電流の波形を示すグラフである。電力変換装置２が正常に共振している場合、スイッチング素子Ｑ１のオン期間においてスイッチング素子Ｑ１に正の電流が流れ始めた後、オン期間中に電流の向きが正から負に反転することはない。一方、電力変換装置２が共振状態から外れている場合、オン期間中に電流の向きが正から負に反転して逆流電流が流れる。また、後者の場合、オン期間の最初に貫通電流が発生する。電力変換装置２の共振外れ、すなわち、逆流電流及び貫通電流の発生を防止するためには、オン期間中に電流の向きが正から負に反転する前にスイッチング素子Ｑ１をオフし、適切なデッドタイム期間の経過後、スイッチング素子Ｑ２をオンする必要がある。電流の反転を事前に検出するために、０Ａの近傍の大きさ、例えば数ｍＡ～数Ａの大きさを有する電流を検出する必要がある。

【0060】

次に、図９及び図１０を参照して、図１の電力変換装置２の動作について説明する。

【0061】

図９は、図１の電流検出回路１１によって検出される検出電圧Ｖｄｅｔ及び電流検出回路１１の抵抗値Ｒｃｏｍの特性を示すグラフである。前述したように、電流検出回路１１は、電流Ｉ１の大きさに応じて変化する抵抗値Ｒｃｏｍを有する。電流Ｉ１が小さく、Ｖｄｅｔ＜Ｖｆの場合、電流検出回路１１の抵抗値Ｒｃｏｍは、抵抗Ｒ１の抵抗値に等しい。一方、電流Ｉ１が大きく、Ｖｄｅｔ＞Ｖｆの場合、電流検出回路１１の抵抗値Ｒｃｏｍは次式で表される。

【0062】

【数1】

【0063】

式（１）によれば、Ｖｄｅｔ＞Ｖｆの場合、電流検出回路１１の抵抗値Ｒｃｏｍは、電流Ｉ１が増大するにつれて抵抗Ｒ１の抵抗値から次第に減少し、漸近的に、並列接続された抵抗Ｒ１，Ｒ２の合成抵抗Ｒ３＝Ｒ１×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）に近づく。

【0064】

電圧Ｖｄｅｔは、このように決まる電流検出回路１１の抵抗値Ｒｃｏｍと、電流Ｉ２の大きさとの積である。

【0065】

例えば、電力変換装置２の共振外れを防止するために、電流Ｉ１が１Ａよりも小さくなる瞬間を検出し、電力変換装置２を過電流から保護するために、電流Ｉ１が５０Ａよりも大きくなる瞬間を検出する場合を想定する。この場合、キャパシタＣ１，Ｃ２の容量及び抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値は、例えば、下記の値に設定されてもよい。

【0066】

Ｃ１＝１００ｎＦ
Ｃ２＝１ｎＦ
Ｒ１＝３０Ω
Ｒ２＝３Ω

【0067】

この場合、電流Ｉ２＝Ｉ１×（Ｃ２／Ｃ１）＝Ｉ１／１００になる。また、ダイオードＤ１，Ｄ２は、順方向電圧降下Ｖｆ＝０．６Ｖを有する。従って、電圧Ｖｄｅｔがしきい値Ｖｔｈ１＝０．３Ｖを超えたか否かに基づいて、電流Ｉ１が１Ａよりも大きいか否かを判断することができる。０≦Ｉ１＜２Ａのとき、Ｖｄｅｔ＜ＶｆかつＲｃｏｍ＝Ｒ１である。また、２Ａ≦Ｉ１のとき、Ｖｄｅｔ≧Ｖｆであり、電流検出回路１１の抵抗値Ｒｃｏｍは式（１）で表される。電圧Ｖｄｅｔがしきい値Ｖｔｈ２＝２．１Ｖを超えたか否かに基づいて、電流Ｉ１が５０Ａよりも大きいか否かを判断することができる。

【0068】

図１０は、図１の共振制御回路２２の動作を説明するためのグラフである。共振制御回路２２は、スイッチング素子Ｑ１のオン期間中に、電圧Ｖｗが正から負に変化した後、比較器ＣＭＰ１の出力信号に基づいて、電圧Ｖｄｅｔがしきい値Ｖｔｈ１を超えるか否かを判断する。共振制御回路２２は、電圧Ｖｄｅｔがしきい値Ｖｔｈ１より大きな値からしきい値Ｖｔｈ１より小さな値に変化したとき、スイッチング素子Ｑ１をオンからオフに切り換える制御信号を駆動回路２１に送る。これにより、スイッチング素子Ｑ１のオン期間中にスイッチング素子Ｑ１に流れる電流の向きが正から負に変化することを防止し、従って、電力変換装置２の共振外れを防止するようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御することができる。

【0069】

また、過電流保護回路２３は、比較器ＣＭＰ２の出力信号に基づいて、電力変換装置２を過電流から保護するように駆動回路２１を制御する。電圧Ｖｄｅｔがしきい値Ｖｔｈ２より大きくなったとき、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をオフする又はそれらのデューティ比を低減する制御信号を駆動回路２１に送る。これにより、過電流が生じたとき、電流Ｉ１を停止又は低減するようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御することができる。

【0070】

［実施形態の効果］
実施形態に係る制御装置１０によれば、図１に示すような電流検出回路１１を備えたことにより、電流Ｉ１が増大しても電圧Ｖｄｅｔはあまり増大しないので、過電流によって過大な電圧Ｖｄｅｔが生じることはなく、制御装置１０の回路が破損しにくくなる。また、実施形態に係る制御装置１０によれば、比較的に狭い電圧範囲内において、小電流を検出するためのしきい値及び大電流を検出するためのしきい値を設定できるので、単一の電流検出回路１１を用いて、数ｍＡから数十Ａの広い範囲にわたる電流値を高精度に検出することができる。このように、実施形態に係る制御装置１０は、単一の電流検出回路１１を用いて従来よりも広い範囲にわたる電流値を検出することができる。

【0071】

［変形例］
以上、本開示の実施形態を詳細に説明してきたが、前述までの説明はあらゆる点において本開示の例示に過ぎない。本開示の範囲を逸脱することなく種々の改良や変形を行うことができることは言うまでもない。例えば、以下のような変更が可能である。なお、以下では、上記実施形態と同様の構成要素に関しては同様の符号を用い、上記実施形態と同様の点については、適宜説明を省略した。以下の変形例は適宜組み合わせ可能である。

【0072】

電流検出回路１１は、互いに逆並列接続されたダイオードＤ１，Ｄ２を備えることにより、正及び負の両方の向きの電流Ｉ１を検出することができる。電流Ｉ１の向きが一定であれば、電流検出回路１１は、ダイオードＤ１，Ｄ２のうちの一方のみを備えてもよい。

【0073】

制御装置１０は、例えば、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を駆動するドライバ集積回路として提供されてもよい。この場合、制御装置１０の構成要素のうちの一部（例えば、キャパシタＣ２、抵抗Ｒ１，Ｒ２、及びダイオードＤ１，Ｄ２）は、集積回路の外付け部品として設けられてもよい。

【0074】

共振制御回路２２は、補助巻線４によって検出された電圧Ｖｗに代えて、例えば、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の間のノードの電圧（ハーフブリッジ電圧）に基づいて、電力変換装置２の共振外れを防止するように駆動回路２１を制御してもよい。この場合、共振制御回路２２は、電流Ｉ１及びハーフブリッジ電圧をモニタリングし、それらの位相差が所定の条件を満たすか否かに基づいて共振外れを防止することができる。

【0075】

電力変換装置２は、２つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を含むハーフブリッジ型インバータに代えて、４つのスイッチング素子を含むフルブリッジ型インバータを備えてもよい。

【0076】

電力変換装置２は、図１に示すような２つのダイオードＤ１１，Ｄ１２を含む整流回路に代えて、ダイオードブリッジを含む制球回路を備えてもよい。

【0077】

実施形態に係る制御装置１０は、ＬＬＣ共振コンバータのキャパシタＣ１に流れる電流に代えて、他の電力変換装置の他の構成要素に流れる電流を検出してもよい。例えば、臨界モード力率調整器は、インダクタに流れる電流がゼロになったとき、スイッチング素子のオン／オフを切り換える。また、擬似共振フライバック回路は、トランスの二次側回路のダイオードに流れる電流がゼロになったとき、一次側回路の発振動作を開始する。このようなさまざまな回路において電流のゼロ交差を検出するために、図１に示すような電流検出回路１１を利用可能である。電流のゼロ交差は、交差の直前に検出されてもよく、交差の直後に検出されてもよい。ただし、比較器などの構成要素のオフセットバラツキ、しきい値のバラツキ、検出動作にかかる遅延、などを考慮して、電流のゼロ交差を検出するためのしきい値を０Ａよりもわずかに大きく設定してもよい。

【0078】

［まとめ］
本開示の各側面に係る電力変換装置及び制御装置は、以下のように表現されてもよい。

【0079】

本開示の第１の側面に係る電力変換装置２のための制御装置１０は、少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を備える電力変換装置２のための制御装置１０であって、電力変換装置２に含まれる対象素子に流れる電流Ｉ１を検出する電流検出回路１１と、対象素子に流れる電流Ｉ１に基づいて少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する制御回路１２とを備える。電流検出回路１１は、対象素子に接続された第１の回路部分に挿入された第１の抵抗Ｒ１と、第１の抵抗Ｒ１に並列に接続された第２の回路部分であって、互いに直列に接続された第２の抵抗Ｒ２及び第１のダイオードＤ１を含む第２の回路部分とを備える。制御回路１２は、対象素子に流れる電流Ｉ１に応じて第１の抵抗Ｒ１の両端にわたって生じる電圧をモニタリングする。制御回路１２は、第１の抵抗Ｒ１の両端にわたる電圧Ｖｄｅｔが第１のしきい値Ｖｔｈ１を超えたか否かに基づいて、第１の機能を用いて少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。制御回路１２は、第１の抵抗Ｒ１の両端にわたる電圧Ｖｄｅｔが第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きい第２のしきい値Ｖｔｈ２を超えたか否かに基づいて、第２の機能を用いて少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御する。

【0080】

本開示の第２の側面に係る電力変換装置２のための制御装置１０は、第１の側面に係る制御装置１０において、下記のように構成されてもよい。第１のしきい値Ｖｔｈ１は第１のダイオードＤ１の順方向電圧降下Ｖｆよりも小さい。第２のしきい値Ｖｔｈ２は第１のダイオードＤ１の順方向電圧降下Ｖｆよりも大きい。

【0081】

本開示の第３の側面に係る電力変換装置２のための制御装置１０は、第１又は第２の側面に係る制御装置１０において、下記のように構成されてもよい。第２の抵抗Ｒ２の抵抗値は第１の抵抗Ｒ１の抵抗値よりも小さい。

【0082】

本開示の第４の側面に係る電力変換装置２のための制御装置１０は、第１～第３のうちの１つの側面に係る制御装置１０において、下記のように構成されてもよい。電流検出回路１１は、第１のダイオードＤ１に逆並列に接続された第２のダイオードＤ２をさらに備える。

【0083】

本開示の第５の側面に係る電力変換装置２のための制御装置１０は、第１～第４のうちの１つの側面に係る制御装置１０において、下記のように構成されてもよい。対象素子は第１のキャパシタＣ１である。制御装置１０は、第１の回路部分に挿入された第２のキャパシタＣ２であって、第１の抵抗Ｒ１に直列に接続された第２のキャパシタＣ２をさらに備える。第２のキャパシタＣ２の容量は第１のキャパシタＣ１の容量よりも小さい。

【0084】

本開示の第６の側面に係る電力変換装置２のための制御装置１０は、第５の側面に係る制御装置１０において、下記のように構成されてもよい。電力変換装置２はトランスを含む。第１のキャパシタＣ１はトランスの一次巻線に接続される。

【0085】

本開示の第７の側面に係る電力変換装置２のための制御装置１０は、第６の側面に係る制御装置１０において、下記のように構成されてもよい。第１の機能は、少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のうちの第１のスイッチング素子のオン期間中に、第１の抵抗Ｒ１の両端にわたる電圧Ｖｄｅｔが第１のしきい値Ｖｔｈ１より大きな値から第１のしきい値Ｖｔｈ１より小さな値に変化したとき、第１のスイッチング素子をオンからオフに切り換えることを含む。

【0086】

本開示の第８の側面に係る電力変換装置２のための制御装置１０は、第１～第７のうちの１つの側面に係る制御装置１０において、下記のように構成されてもよい。第２の機能は、第１の抵抗Ｒ１の両端にわたる電圧Ｖｄｅｔが第２のしきい値Ｖｔｈ２より大きくなったとき、対象素子に流れる電流Ｉ１を停止又は低減するように少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を制御することを含む。

【0087】

本開示の第９の側面に係る電力変換装置２は、少なくとも１つのスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２と、第１～第８のうちの１つの側面に係る制御装置１０とを備える。

【産業上の利用可能性】

【0088】

本開示の一側面に係る電力変換装置及びその制御装置は、複数の異なる電流しきい値をそれぞれ用いた複数の異なる機能を提供するために利用可能である。

【符号の説明】

【0089】

１ 直流電源装置
２ 電力変換装置
３ 負荷装置
１０ 制御装置
１１ 電流検出回路
１２ 制御回路
２１ 駆動回路
２２ 共振制御回路
２３ 過電流保護回路
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ１１ キャパシタ
ＣＭＰ１，ＣＭＰ２ 比較器
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１，Ｄ１２ ダイオード
Ｅ１，Ｅ２ 基準電圧源
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
Ｒ１，Ｒ２ 抵抗
Ｔ１ トランス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】