本発明は、概して、スイッチング電源に関し、より具体的には、こうした電源において磁化(Magnetization)をバランスさせる処理に関する。

図1は、プッシュプル・スイッチング電源100の典型的な例を示す。この例では、スイッチング電源100には、複数のMOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)、ここでは、MOSFET1及びMOSFET2があり、負荷に出力電圧Voutを供給している。MOSFET1のゲート(ゲート1)は、矩形波形で駆動され、MOSFET2のゲート(ゲート2)は、ゲート1を駆動する矩形波形を反転させた矩形波形で駆動される。図1及び後述の図3に示すように、本願では、1次巻線と2次巻線で構成される2巻線変圧器(トランス)を利用する例を前提に説明する。

図2は、図1で示された電源100ににおけるMOSFET1及びMOSFET2のゲート電圧(それぞれV_G1及びV_G2)及びドレイン電圧(それぞれV_D1及びV_D2)と、磁化電流(Magnetization Current:例えば、変圧器(トランス)に印加された電圧の時間的な積分に対応)の波形図である。なお、周知の如く、励磁電流は、印加電圧と同相分の鉄損電流と、発生する磁束と同相分の磁化電流から構成される。しかし、励磁電流は、磁化電流が主要な成分であることから、本願では、磁化電流に特に着目して説明する。

特許第5321758号公報

特許第4338334号公報

「MOSFET」の記事、[online]、Wikipedia、[2015年10月22日検索]、インターネット<URL:https://ja.wikipedia.org/wiki/MOSFET>

「ウェーバ」の記事、特に「ボルト秒」に関する言及、[online]、Wikipedia(日本語版)、[2015年10月25日検索]、インターネット<URL:https://ja.wikipedia.org/wiki/ウェーバ>

「Weber (unit)」の記事、特に「Wb=V・s」の式、[online]、Wikipedia(英語版)、[2015年10月25日検索]、インターネット<URL:https://en.wikipedia.org/wiki/Weber_(unit)>

図1に示す電源100のような電源の設計に共通する問題が、MOSFET2がオン時間に加わる磁束(単位は、ボルト秒又はウェーバ(Wb):非特許文献2及び3参照)に対して、MOSFET1がオン時間に加わる磁束に小さな差がある場合に生じる。磁化電流は、通常、DC成分を生成し、これは、その抵抗損失が磁束(ボルト秒)とバランス(平衡)するまで増加し、その時点でDC成分の増加が止まる。もし抵抗損失が小さいと、変圧器(トランス)が飽和し、そのため、結果として、2つのMOSFETの1つ又は両方を破壊しかねない大きな磁化電流が生じることがある。

従って、特にスイッチング電源において、磁化をバランスさせる処理(Magnetization Balancing)について、改善の余地が残っている。

本発明の実施形態は、スイッチング電源における磁化(Magnetization)をバランス(平衡)させる技術に関する。より具体的には、本発明の概念には、次のようなものがある。

本発明の概念1は、ゲートを有する第1MOSFETと、ゲートを有する第2MOSFETとを有し、磁化でスイッチングの転流を駆動する形式のスイッチング電源に関して、磁化をバランスさせる方法であって、 上記第1MOSFETに関する第1転流時間を測定する処理と、 上記第2MOSFETに関する第2転流時間を測定する処理と、 上記第2MOSFETの上記ゲートのオン時間(パルス幅)に対する上記第1MOSFETの上記ゲートのオン時間(パルス幅)のタイミングを調整する処理と、 上記第1転流時間が、上記第2転流時間と少なくとも実質的に同じかどうか判断する処理と を具えている。

本発明の概念2は、上記概念1の方法であって、上記第1転流時間が少なくとも上記第2転流時間と実質的に同じと判断するのに応じて、上記第2MOSFETの上記ゲートの上記オン時間(パルス幅)に対する上記第1MOSFETの上記ゲートの上記オン時間(パルス幅)のタイミングを再度調整する処理を更に具えている。

本発明の概念3は、上記概念1の方法であって、上記第1転流時間が少なくとも上記第2転流時間と実質的に同じと判断するのに応じて、上記方法を停止する処理を更に具えている。

図1は、プッシュプル・スイッチング電源100の典型的な例を示す。

図2は、図1で示された電源におけるMOSFETのゲート電圧及びドレイン電圧と、磁化電流の波形図である。

図3は、本発明の実施形態によるプッシュプル・スイッチング電源の例を示す。

図4は、本発明の実施形態の例におけるMOSFETのゲート電圧及びドレイン電圧と、磁化電流の波形図である。

図5は、本発明の実施形態の別の例におけるMOSFETのゲート電圧及びドレイン電圧と、磁化電流のもう1つの波形図である。

図6は、本発明の実施形態の例によるスイッチング電源における磁化をバランスさせる処理のフローチャートの例を示す。

本発明の実施形態は、概して、スイッチン電源において複数回生じる磁化をバランスさせる処理に関する。

図3は、本発明の実施形態によるプッシュプル・スイッチング電源300を例として示す。この例では、MOSFET1のゲート(ゲート1)は、オンの時間が50%未満のパルスで駆動され、また、MOSFET2のゲート(ゲート2)は、同じパルスではあるが180度位相がシフトした第2のパルスで駆動される。MOSFET1及びMOSFET2の両方がオフの期間に、磁化電流(Magnetizing current)は、変圧器において転流(commutate:電流の向きを変える)を発生させる電圧を生じさせる(つまり、電圧を反転させる)。

変圧器(トランス)に対してコンデンサ(ここでは、コンデンサC)を加えると、転流のスルー・レートを低下/制御することができる。もし磁束(ボルト秒)がバランス(平衡)しないと、磁化電流は、典型的には、DC成分を持つようになる。DC成分は、一般に、一方の位相が転流するのを早め、他方の位相が転流するのを遅くする。これは、磁束(ボルト秒)の不一致(ミスマッチ)をバランスさせる方向にシフトさせ、DC成分が続けて増加するのを停止させる。もしゲート駆動回路の立ち上がり時間及び立ち下がり時間が遅いなら、磁束の不一致の最初の部分は、MOSFETのしきい値電圧の変動のために、重要なものとなり得る。その結果は、一般に、複数の転流時間(commutation times)間の大きな差となる。

図4は、本発明によって理想的な状態になった例を示し、図3に示されたプッシュプル・スイッチング電源300のような電源におけるMOSFET1及び2のゲート電圧(それぞれV_G1及びV_G2)及びドレイン電圧(それぞれV_D1及びV_D2)と、磁化電流(Magnetization Current)の波形図400である。ゲート駆動回路には、オン時間それぞれの間にオフ時間があり、これによって、ドレイン電流を転流させる磁化電流を発生させる時間が得られる。この例では、転流時間(t₁及びt₂)がバランス(平衡)している(即ち、t₁=t₂)。また、磁化電流のプラスのピークI_+peak(絶対値)と、マイナスのピークI_-peak(絶対値)が等しくなる。

図5は、本発明の実施形態における別の例を示し、図3に示されたプッシュプル・スイッチング電源300のような電源におけるMOSFET1及び2のゲート電圧(それぞれV_G1及びV_G2)及びドレイン電圧(それぞれV_D1及びV_D2)と、磁化電流のもう1つの波形図500である。図4で説明した例400のように、ゲード駆動回路には、オン時間それぞれの間にオフ時間があり、これによって、ドレイン電流を転流させる磁化電流を発生させる時間が得られる。しかし、この例では、転流時間(t₁及びt₂)がバランス(平衡)していない(例えば、t₁

2)。また、磁化電流のプラスのピークI

_+peak(絶対値)の方が、マイナスのピークI

_-peak(絶対値)よりも大きくなっていることにも注意されたい。こうした場合に、本発明の方法を実施することで、図4に示す理想状態へと調整する。

図6は、本発明の実施形態の例による図3で説明したプッシュプル・スイッチング電源300のようなスイッチング電源において、磁化をバランスさせる(平衡化)処理のフローチャートの例を示す。

ステップ602では、2つのMOSFETを有する電源に対応した2つの位相の転流時間(commutation time)が測定される。この例では、第1MOSFETのゲートをゲ—ト1と呼び、第2MOSFETのゲートをゲ—ト2と呼ぶことにする。

ステップ604では、ゲート2のオン時間(パルス幅)のタイミング(例えば、位相)に比較したゲート1のオン時間(パルス幅)のタイミング(例えば、位相)が調整され(例えば、増加させ)、2つの位相の磁束(ボルト秒)をバランス(平衡)させる。

ステップ606では、2つの位相それぞれの転流時間が一致したか否か(例えば、これら転流時間が実質的に互いに等しいか否か)が判断される。もし転流時間が一致しているなら、この方法は、ステップ608に示すように終了する。もし転流時間が一致していない(例えば、一方が他方よりも長い)なら、この方法は、ステップ604に戻る。

以下の説明は、本発明のいくつかの実施形態を実現できる適切なマシーンの簡潔な概略の記述の提供を意図するものである。本願で用いているように、用語「マシーン」は、単一のマシーン又は、通信によって結合された複数のマシーン若しくは一緒に動作する複数の装置から構成されるシステムを広く網羅することを意図している。代表的なマシーンには、パソコン、ワークステーション、サーバ、ポータブル・コンピュータ、スマートフォンなどが含まれる。

典型的には、マシーンは、システム・バスを含み、これに、プロセッサ、メモリ(例えば、ランダム・アクセス・メモリ(RAM)、リード・オンリー・メモリ(ROM)、又は他の状態保持メディア、大容量記憶装置など)、ビデオ・インターフェース、そして、入力/出力インターフェース・ポートが取り付けられる。マシーンは、プログラマブル又はノン・プログラマブル・ロジック・デバイス又はアレー(FPGAなど)、ASIC、組込み型コンピュータ、スマート・カードなどのような組込み型コントローラ(embedded controller)でも良い。マシーンは、少なくとも一部分は、キーボード、マウスなどの従来の入力デバイスからの入力によって、制御されても良く、加えて、別のマシーンから受けた指示、バーチャル・リアリティ(VR)環境を用いるインタラクティブな処理、生体フィードバック、又は、他の適切な入力信号によって制御されても良い。

マシーンは、ネットワーク・インターフェース、モデム、他の通信手段など、1つ以上のコネクションを用いて1つ以上の遠隔装置に接続されても良い。複数のマシーンは、イントラネット、インターネット、LAN、WANなどのような物理的又は論理的なネットワークにより、相互接続されていても良い。当業者であれば、ネットワーク通信には、無線周波数(RF)、衛星、マイクロ波、IEEE545.11、Bluetooth(登録商標)、光通信、赤外線通信、ケーブル、レーザなどといった、有線又は無線の短距離、長距離のキャリアやプロトコルを用いて良いことが理解できよう。

図示した実施形態を参照しながら、本発明の原理を記述し、特徴を説明してきたが、こうした原理から離れることなく、図示した実施形態の構成や細部を変更したり、望ましい形態に組み合わせても良いことが理解できよう。先の説明では、特定の実施形態に絞って説明しているが、別の構成も考えられる。

特に、「本発明の実施形態によると」といった表現を本願では用いているが、こうした言い回しは、大まかに言って実施形態として可能であることを意味し、特定の実施形態の構成に限定することを意図するものではない。本願で用いているように、これら用語は、別の実施形態に組み合わせ可能な同じ又は異なる実施形態に言及するものである。

従って、本願で説明した実施形態は、幅広く種々に組み合え可能であるとの観点から、詳細な説明や図面等は、単に説明の都合によるものに過ぎず、本発明の範囲を限定するものと考えるべきではない。

300 プッシュプル・スイッチング電源 t₁ MOSFET1に関する転流時間 t₂ MOSFET2に関する転流時間 V_in 入力電圧 V_out 出力電圧 V_G1 MOSFET1のゲート電圧 V_G2 MOSFET2のゲート電圧 V_D1 MOSFET1のドレイン電圧 V_D2 MOSFET2のドレイン電圧