JP7413754B2 - 半導体駆動装置および電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は半導体駆動装置およびこの半導体駆動装置を用いた電力変換装置に関する。

ＡＣ（Alternating Current）アダプタなどの電力変換装置には、各種安全規格が定められており、その安全規格の１つにＬＰＳ（Limited Power Sources）がある。このＬＰＳは、ＡＣアダプタの外装プラスチックケースを含む発煙・発火防止を目的として、ＡＣアダプタ内の任意の単一部品に開放／短絡故障（単一故障）が発生したときに出力電力／電流を規定内に制限するというものである。

スイッチング方式のＡＣアダプタでは、一般に、電力変換を行う半導体のスイッチング素子と、そのスイッチング素子を制御する制御ＩＣ（Integrated Circuit）とを備えている。制御ＩＣは、過電流保護、過電圧保護、短絡保護、過熱保護など多種の保護機能を有している。この中で、過電流保護については、スイッチング素子に流れる主電流を電流検出抵抗で電圧に変換することにより間接的に主電流を検出し、この検出した主電流に基づいて過電流保護を行っている。すなわち、変換された電圧をモニタし、その電圧がある閾値電圧を超えた場合に、スイッチング素子に流れる主電流が過電流であるとして、制御ＩＣは、主電流を停止または絞るように制御し、スイッチング素子を過電流による熱破壊から防止している。

主電流を直接検出する電流検出抵抗は、検出しようとする電流値が大きく、ワット数の大きな抵抗が用いられるため、通常は、制御ＩＣに外付けされる。このため、電流検出抵抗がＡＣアダプタの組み立て時にまたは製品寿命により劣化して短絡する場合がある。この電流検出抵抗の短絡という単一故障による故障の場合、スイッチング素子の主電流を電圧に変換できなくなるため、制御ＩＣは、過電流保護が機能しなくなり、スイッチング素子は、過電流により破壊される可能性がある。

このような事例に対し、電流検出抵抗の短絡という単一故障が発生したとしても、スイッチング素子を安全に保護する技術が知られている（たとえば、非特許文献１参照）。この非特許文献１によれば、電流検出抵抗の短絡により電流検出電圧が非常に低いという状態がスイッチング周期ごとに一定の期間継続したかどうかを判断する。次に、電流検出電圧を検出できなかった回数が所定回数連続した場合に、制御ＩＣは、スイッチング素子のスイッチング動作を即座に停止し、単一故障による安全性を確保している。

FAN6756 - mWSaver PWM Controller、"Sense Short-Circuit Protection (SSCP)"、p. 15、［online］、２０１１年、Fairchild Semiconductor Corporation、［令和１年９月２日検索］、インターネット〈URL：https://www.onsemi.com/pub/Collateral/FAN6756-D.pdf〉

しかしながら、非特許文献１では、電流検出抵抗が短絡すると電流検出電圧が検出できなくなることを前提にしているが、実際には、寄生インダクタンス成分の存在により、電流検出電圧が検出されてしまうことがある。このため、非特許文献１に記載の技術では、寄生インダクタンス成分により電流検出電圧が検出されることで、スイッチング動作が停止したりしなかったりしてしまうという問題点があった。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、電流検出抵抗の短絡という単一故障の場合にスイッチング動作を停止することなく、出力電圧を維持することができる半導体駆動装置および電力変換装置を提供することを目的とする。

本発明では、上記の課題を解決するために、１つの案では、電源とグランド間に接続されたスイッチング素子とグランドとの間にスイッチング素子に直列に接続された直列接続の第１の電流検出抵抗および第２の電流検出抵抗がスイッチング素子と第１の電流検出抵抗との接続点に現れる第１の電流検出電圧と第１の電流検出抵抗と第２の電流検出抵抗との接続点に現れる第２の電流検出電圧を入力してスイッチング素子に流れる主電流を検出し、検出した主電流に基づいてスイッチング素子を制御する半導体駆動装置が提供される。この半導体駆動装置は、第１の電流検出電圧と第２の電流検出電圧とを入力して第１の電流検出抵抗または第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出する単一故障検出回路と、第１の電流検出電圧を第１の閾値電圧または第２の閾値電圧と比較してスイッチング素子をスイッチング制御するタイミングを決める比較器、および、単一故障検出回路が第１の電流検出抵抗および第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出しないときには第１の閾値電圧を出力し、単一故障検出回路が第１の電流検出抵抗または第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出したときに第１の閾値電圧を低減した第２の閾値電圧を出力する閾値電圧切替回路を有する制御回路と、を備えている。

本発明は、また、電源とグランド間に接続されたスイッチング素子と、スイッチング素子とグランドとの間にスイッチング素子に直列に接続される直列接続の第１の電流検出抵抗および第２の電流検出抵抗と、スイッチング素子と第１の電流検出抵抗との接続点に現れる第１の電流検出電圧と第１の電流検出抵抗と第２の電流検出抵抗との接続点に現れる第２の電流検出電圧を入力して検出されたスイッチング素子の主電流に基づいてスイッチング素子のスイッチング動作を制御する半導体駆動装置と、を備えた電力変換装置が提供される。この電力変換装置の半導体駆動装置は、第１の電流検出電圧と第２の電流検出電圧とを入力して第１の電流検出抵抗または第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出する単一故障検出回路と、第１の電流検出電圧を第１の閾値電圧または第２の閾値電圧と比較してスイッチング素子をスイッチング制御するタイミングを決める比較器、および、単一故障検出回路が第１の電流検出抵抗および第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出しないときには第１の閾値電圧を出力し、単一故障検出回路が第１の電流検出抵抗または第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出したときに第１の閾値電圧を低減した第２の閾値電圧を出力する閾値電圧切替回路を有する制御回路と、を有している。

上記構成の半導体駆動装置および電力変換装置は、スイッチング素子の主電流を検出する電流検出抵抗として直列接続の２つの抵抗を有し、その一方が短絡したとき他方の抵抗で電流検出ができるので、故障前と同様に正常な電流検出が可能となる。

本発明の制御ＩＣを用いたスイッチング電源装置を示す回路図である。 制御ＩＣの構成例を示す回路図である。 単一故障検出回路の構成例を示す回路図である。 単一故障検出回路の動作を示す真理値表である。 第１の電流検出抵抗および第２の電流検出抵抗が正常の場合のスイッチング電源装置の要部動作波形を示す図である。 第１の電流検出抵抗が短絡の場合の要部動作波形を示す図である。 第２の電流検出抵抗が短絡の場合の要部動作波形を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、半導体駆動装置をフライバック方式のスイッチング電源装置のような電力変換装置の制御ＩＣに適用した場合を例に図面を参照して詳細に説明する。

図１は本発明の制御ＩＣを用いたスイッチング電源装置を示す回路図、図２は制御ＩＣの構成例を示す回路図、図３は単一故障検出回路の構成例を示す回路図、図４は単一故障検出回路の動作を示す真理値表である。

図１に示すスイッチング電源装置１０は、商用の交流電源１１に接続されて交流電圧を全波整流するダイオードブリッジ１２を有している。このダイオードブリッジ１２の正極端子は、コンデンサ１３の正極端子およびトランス１４の一次巻線の一方の端子に接続されている。ダイオードブリッジ１２の負極端子は、コンデンサ１３の負極端子およびグランドに接続されている。

トランス１４の一次巻線の他方の端子は、スイッチング素子１５のドレイン端子に接続されている。スイッチング素子１５としては、ここでは、ＭＯＳＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor）を用いている。スイッチング素子１５のソース端子は、第１の電流検出抵抗１６の一方の端子に接続され、第１の電流検出抵抗１６の他方の端子は、第２の電流検出抵抗１７の一方の端子に接続され、第２の電流検出抵抗１７の他方の端子は、グランドに接続されている。

トランス１４の二次巻線の一方の端子は、ダイオード１８のアノード端子に接続され、ダイオード１８のカソード端子は、コンデンサ１９の正極端子とこのスイッチング電源装置１０の正極側の出力端子とに接続されている。トランス１４の二次巻線の他方の端子は、コンデンサ１９の負極端子とこのスイッチング電源装置１０の負極側の出力端子とグランドとに接続されている。スイッチング電源装置１０の出力端子は、負荷に接続され、出力電圧Ｖｏｕｔを負荷に供給する。

コンデンサ１９の正極端子は、また、出力電圧検出回路２０の入力端子に接続され、出力電圧検出回路２０の出力端子は、フォトカプラ２１を介して制御ＩＣ２２のＦＢ端子に接続されている。

制御ＩＣ２２は、スイッチング素子１５をスイッチング制御する制御回路であり、本発明の半導体駆動装置を構成する。制御ＩＣ２２は、ＦＢ端子以外にＣＳ端子と、Ｄｅｔｅｃｔ端子と、ＯＵＴ端子とを有している。制御ＩＣ２２のＯＵＴ端子は、スイッチング素子１５のゲート端子に接続されている。制御ＩＣ２２のＣＳ端子は、スイッチング素子１５と第１の電流検出抵抗１６との接続点に接続されている。制御ＩＣ２２のＤｅｔｅｃｔ端子は、第１の電流検出抵抗１６と第２の電流検出抵抗１７との接続点に接続されている。

スイッチング制御用の制御ＩＣ２２を用いて構成されたこのスイッチング電源装置１０では、スイッチング素子１５のスイッチング動作を制御することにより、交流入力電圧の整流電圧がトランス１４を介して所定の直流電圧に変換される。すなわち、スイッチング素子１５のオン期間中にトランス１４に電力が蓄えられ、スイッチング素子１５がオフに切り換わると、蓄えられていた電力がトランス１４の逆起電力を利用してトランス１４の二次側に移される。トランス１４の二次側に移された電力は、整流および平滑化されて直流の出力電圧Ｖｏｕｔに変換され、スイッチング電源装置１０の出力端子から負荷に供給される。

出力電圧Ｖｏｕｔは、また、出力電圧検出回路２０に供給される。出力電圧検出回路２０では、出力電圧Ｖｏｕｔが内部の基準電圧と比較され、その出力電圧Ｖｏｕｔと基準電圧との誤差情報が出力電圧検出回路２０より出力される。その誤差情報は、フォトカプラ２１を介して一次側にある制御ＩＣ２２のＦＢ端子にフィードバックされる。

制御ＩＣ２２は、また、スイッチング素子１５をオンしたときにスイッチング素子１５に流れる主電流が第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７で電圧に変換された電流検出信号をＣＳ端子およびＤｅｔｅｃｔ端子に受ける。

制御ＩＣ２２は、ＦＢ端子に受けた誤差信号およびＣＳ端子に受けた電流検出信号を基にスイッチング素子１５のオン幅を可変したパルス信号をＯＵＴ端子から出力し、スイッチング電源をスイッチング制御して二次側より出力される出力電圧Ｖｏｕｔを制御する。制御ＩＣ２２は、また、ＣＳ端子およびＤｅｔｅｃｔ端子から受けた電流検出信号を基に第１の電流検出抵抗１６または第２の電流検出抵抗１７の短絡による単一故障の検出と、過電流に対する保護動作とを行う。

以下、制御ＩＣ２２の具体的な構成例について説明する。制御ＩＣ２２は、図２に示したように、制御回路３１と、駆動回路３２と、単一故障検出回路３３と、過電流検出回路３４とを有している。制御回路３１は、ＦＢ端子と、ＣＳ端子と、単一故障検出回路３３の出力端子に接続された入力端子と、駆動回路３２の入力端子に接続された出力端子とを有している。駆動回路３２の出力端子は、ＯＵＴ端子に接続され、ＯＵＴ端子は、スイッチング素子１５のゲート端子に接続される。

単一故障検出回路３３は、ＣＳ端子およびＤｅｔｅｃｔ端子に接続された入力端子を有している。ＣＳ端子は、スイッチング素子１５の主電流を第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７で電圧に変換した電流検出電圧を入力し、Ｄｅｔｅｃｔ端子は、スイッチング素子１５の主電流を第２の電流検出抵抗１７で電圧に変換した電流検出電圧を入力する。

過電流検出回路３４は、ＣＳ端子に接続された入力端子を有し、スイッチング素子１５の主電流が過電流であることを検出したとき、スイッチング電源装置１０の動作を停止する過電流検出信号を出力する。

制御ＩＣ２２の制御回路３１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御する回路である。制御回路３１は、誤差増幅器４１を有し、誤差増幅器４１の反転入力端子は、ＦＢ端子に接続され、誤差増幅器４１の非反転入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆ１が印加されている。誤差増幅器４１の出力端子は、抵抗４２の一方の端子に接続され、抵抗４２の他方の端子は、抵抗４３の一方の端子に接続され、抵抗４３の他方の端子は、グランドに接続されている。誤差増幅器４１の出力端子は、また、スイッチ４４の第１の固定接点に接続され、スイッチ４４の第２の固定接点は、抵抗４２と抵抗４３との接続点に接続されている。スイッチ４４の可動接点は、比較器４５の反転入力端子に接続され、比較器４５の非反転入力端子は、ＣＳ端子に接続され、比較器４５の出力端子は、ＲＳフリップフロップ４６のリセット入力端子に接続されている。ＲＳフリップフロップ４６のセット入力端子は、発振器４７の出力端子と論理和回路４８の第１の入力端子とに接続されている。ＲＳフリップフロップ４６の出力端子は、論理和回路４８の第２の入力端子に接続され、論理和回路４８の出力端子は、論理積回路４９の正論理入力端子に接続され、論理積回路４９の出力端子は、駆動回路３２の入力端子に接続されている。論理積回路４９の負論理入力端子は、過電流検出回路３４の出力端子に接続されている。なお、抵抗４２、抵抗４３およびスイッチ４４は、閾値電圧切替回路を構成している。また、スイッチ４４は、たとえば、トランスファゲートのような論理制御端子を持った半導体アナログスイッチで構成される。

スイッチ４４の制御端子は、単一故障検出回路３３の出力端子に接続され、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７が正常のとき、スイッチ４４は、誤差増幅器４１の出力端子を選択する。また、単一故障検出回路３３が第１の電流検出抵抗１６または第２の電流検出抵抗１７の単一故障を検出しているとき、スイッチ４４は、抵抗４２と抵抗４３との接続点を選択する。

この制御回路３１では、発振器４７がスイッチング素子１５をスイッチングする信号を生成する。すなわち、発振器４７がハイ（Ｈ）レベルの信号を出力すると、そのＨレベルの信号は、論理和回路４８および論理積回路４９を介して駆動回路３２に供給されるとともに、ＲＳフリップフロップ４６をセットする。セットされたＲＳフリップフロップ４６は、その出力端子からＨレベルの出力信号を出力し、論理和回路４８および論理積回路４９を介して駆動回路３２に供給される。このとき、論理積回路４９は、その負論理入力端子に過電流検出回路３４からロー（Ｌ）レベルの信号を受けていて、論理和回路４８から駆動回路３２への駆動信号の伝達を有効にしている。セットされたＲＳフリップフロップ４６は、発振器４７から出力された信号がＬレベルになっても、セット状態を維持している。

駆動回路３２に供給される駆動信号のオン幅は、ＲＳフリップフロップ４６をリセットするタイミングによって決定される。すなわち、スイッチング素子１５をオンすることによって主電流が増加し、その主電流に相当するＣＳ端子の電圧が、ＦＢ端子の電圧と基準電圧Ｖｒｅｆ１との誤差を増幅した電圧を超えたとき、比較器４５がＲＳフリップフロップ４６をリセットする。これにより、駆動回路３２に供給される信号は、Ｌレベルになるので、スイッチング素子１５は、オフされる。このように、比較器４５は、スイッチング素子１５をスイッチング制御するタイミングを決めている。

過電流検出回路３４は、比較器５１を有しており、その非反転入力端子は、ＣＳ端子に接続されている。比較器５１の反転入力端子は、スイッチ５２の可動接点に接続され、スイッチ５２の第１の固定接点は、抵抗５３の一方の端子に接続され、抵抗５３の他方の端子は、抵抗５４の一方の端子に接続され、抵抗５４の他方の端子は、グランドに接続されている。スイッチ５２の第１の固定接点には、基準電圧Ｖｒｅｆ２が印加されている。スイッチ５２の第２の固定接点は、抵抗５３と抵抗５４との接続点に接続されている。ここで、抵抗５３、抵抗５４およびスイッチ５２は、過電流検出用閾値電圧切替回路を構成している。スイッチ５２の制御端子は、単一故障検出回路３３の出力端子に接続されている。

比較器５１の出力端子は、ＲＳフリップフロップ５５のセット入力端子および論理反転回路５６の入力端子に接続されている。論理反転回路５６の出力端子は、論理積回路５７の一方の入力端子に接続され、論理積回路５７の出力端子は、ＲＳフリップフロップ５５のリセット入力端子に接続されている。ＲＳフリップフロップ５５の出力端子は、遅延回路５８の入力端子に接続され、遅延回路５８の出力端子は、論理積回路５７の他方の入力端子に接続されている。ＲＳフリップフロップ５５の出力端子は、また、過電流検出回路３４の出力端子を構成し、制御回路３１の論理積回路４９の負論理入力端子に接続されている。

スイッチ５２は、その制御端子が単一故障検出回路３３の出力端子に接続されていて、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７が正常のとき、基準電圧Ｖｒｅｆ２が印加されている第１の固定接点を選択する。また、単一故障検出回路３３が第１の電流検出抵抗１６または第２の電流検出抵抗１７の単一故障を検出しているとき、スイッチ５２は、抵抗５３と抵抗５４との接続点を選択する。

単一故障検出回路３３は、図３に示したように、抵抗６１，６２，６３と、比較器６４，６５と、論理積回路６６とを有している。抵抗６１の一方の端子は、ＣＳ端子に接続され、抵抗６１の他方の端子は、抵抗６２の一方の端子に接続され、抵抗６２の他方の端子は、抵抗６３の一方の端子に接続され、抵抗６３の他方の端子は、グランドに接続されている。抵抗６１と抵抗６２との接続点は、比較器６４の非反転入力端子に接続され、比較器６４の反転入力端子は、Ｄｅｔｅｃｔ端子に接続され、比較器６４の出力端子は、論理積回路６６の第１の入力端子に接続されている。抵抗６２と抵抗６３との接続点は、比較器６５の反転入力端子に接続され、比較器６５の非反転入力端子は、Ｄｅｔｅｃｔ端子に接続され、比較器６５の出力端子は、論理積回路６６の第２の入力端子に接続されている。論理積回路６６の出力端子は、制御回路３１のスイッチ４４および過電流検出回路３４のスイッチ５２の制御端子にそれぞれ接続されている。

ここで、スイッチング素子１５の主電流を検出する第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７は、同じ抵抗値Ｒ１を有しているとする。また、単一故障検出回路３３の抵抗６１，６２，６３も、同じ抵抗値Ｒ２を有しているとする。これにより、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７がそれぞれ短絡していない正常の場合、Ｄｅｔｅｃｔ端子に現れる電圧は、ＣＳ端子に現れる電圧の１／２の電圧になる。単一故障検出回路３３では、抵抗６１と抵抗６２との接続点に現れる電圧は、ＣＳ端子に現れる電圧の２／３の電圧になり、抵抗６２と抵抗６３との接続点に現れる電圧は、ＣＳ端子に現れる電圧の１／３の電圧になる。

第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７が正常の場合、比較器６４の非反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧の２／３の電圧が印加され、比較器６４の反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧の１／２の電圧が印加される。この場合、比較器６４は、図４に示したように、Ｈレベルの「１」を出力する。このとき、比較器６５の反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧の１／３の電圧が印加され、比較器６５の非反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧の１／２の電圧が印加されるので、比較器６５は、Ｈレベルの「１」を出力する。このため、論理積回路６６は、その第１の入力端子および第２の入力端子にＨレベルの「１」が入力されるので、単一故障検出回路３３は、制御回路３１のスイッチ４４の制御端子にＨレベルの「１」の信号を供給する。スイッチ４４は、その制御端子にＨレベルの信号を受けると、誤差増幅器４１の出力信号を選択して比較器４５の反転入力端子に供給する。また、過電流検出回路３４のスイッチ５２は、その制御端子にＨレベルの信号を受けると、基準電圧Ｖｒｅｆ２を比較器５１の反転入力端子に印加する。

ここで、第１の電流検出抵抗１６が短絡した単一故障の場合について説明する。この場合、比較器６４の非反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧の２／３の電圧が印加され、比較器６４の反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧がそのまま印加される。したがって、比較器６４は、反転入力端子の電圧が非反転入力端子の電圧よりも高いので、Ｌレベルの「０」の信号を出力する。一方、比較器６５の反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧の１／３の電圧が印加され、比較器６５の非反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧が印加されるので、比較器６５は、Ｈレベルの「１」を出力する。この結果、論理積回路６６は、その第１の入力端子にＬレベルの「０」が入力され、第２の入力端子にＨレベルの「１」が入力されるので、出力端子にＬレベルの「０」を出力する。

単一故障検出回路３３が制御回路３１のスイッチ４４の制御端子にＬレベルの「０」の信号を供給すると、スイッチ４４は、抵抗４２と抵抗４３との接続点の出力信号を選択して比較器４５の反転入力端子に供給する。ここで、抵抗４２，４３は、同じ抵抗値Ｒ３を有しているとすると、比較器４５の反転入力端子には、誤差増幅器４１が出力する閾値電圧Ｖｔｈの１／２の電圧が閾値電圧Ｖｔｈ／２として印加されることになる。これは、主電流による電流検出電圧が第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７の両方が正常の場合の半分の電圧になることに対応するためである。比較器４５が参照する閾値電圧Ｖｔｈを半減する回路を有していることにより、第１の電流検出抵抗１６が短絡するような単一故障が生じたとしても、残りの第２の電流検出抵抗１７によって検出した電流検出電圧でスイッチング制御が可能になる。

また、単一故障検出回路３３が過電流検出回路３４のスイッチ５２の制御端子にＬレベルの「０」の信号を供給すると、スイッチ５２は、抵抗５３と抵抗５４との接続点の信号を選択して比較器５１の反転入力端子に供給する。ここで、抵抗５３，５４は、同じ抵抗値Ｒ４を有しているとすると、比較器５１の反転入力端子には、基準電圧Ｖｒｅｆ２の１／２の電圧が閾値電圧Ｖｒｅｆ２／２として印加されることになる。第１の電流検出抵抗１６の短絡により、主電流による電流検出電圧は、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７の両方が正常のときの半分の電圧になっているため、参照する基準電圧も半分にしている。これにより、過電流検出回路３４は、第１の電流検出抵抗１６が短絡するような単一故障が生じたとしても、残りの第２の電流検出抵抗１７のみによって正常な過電流検出が可能になる。すなわち、制御ＩＣ２２は、スイッチング制御も過電流検出時の制御も、第１の電流検出抵抗１６または第２の電流検出抵抗１７が短絡による単一故障があっても、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７が正常のときと何ら変わらずに同じ制御が可能となる。

次に、第２の電流検出抵抗１７が短絡した単一故障の場合について説明する。この場合も第１の電流検出抵抗１６が短絡した単一故障と同じである。すなわち、比較器６４の非反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧の２／３の電圧が印加され、比較器６４の反転入力端子は、グランドに接続される。したがって、比較器６４は、非反転入力端子の電圧が反転入力端子の電圧よりも高いので、Ｈレベルの「１」の信号を出力する。一方、比較器６５の反転入力端子には、ＣＳ端子に現れる電圧の１／３の電圧が印加され、比較器６５の非反転入力端子は、グランドに接続されるので、比較器６５は、Ｌレベルの「０」を出力する。この結果、論理積回路６６は、その第１の入力端子にＨレベルの「１」が入力され、第２の入力端子にＬレベルの「０」が入力されるので、出力端子には、Ｌレベルの「０」が出力される。

単一故障検出回路３３がＬレベルの「０」の信号を出力するので、このときの制御回路３１および過電流検出回路３４は、第１の電流検出抵抗１６が短絡した単一故障の場合と同じ動作をする。

なお、過電流検出回路３４の動作については、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７の一方が正常であるか両方が正常であるかに拘わらず、何ら変わりがない。すなわち、比較器５１は、過電流を検出していないと、Ｌレベルの信号を出力するので、ＲＳフリップフロップ５５もＬレベルの信号を出力する。このＬレベルの信号は、制御回路３１の論理積回路４９の負論理入力端子に供給されるので、論理積回路４９は、発振器４７およびＲＳフリップフロップ４６の出力信号の伝達を有効にする。

一方、過電流検出回路３４の比較器５１が過電流を検出すると、比較器５１は、Ｈレベルの信号を出力し、ＲＳフリップフロップ５５をセットして過電流検出状態を保持する。このとき、ＲＳフリップフロップ５５が出力するＨレベルの信号は、制御回路３１の論理積回路４９の負論理入力端子に供給されるので、論理積回路４９は、発振器４７およびＲＳフリップフロップ４６の出力信号の伝達を無効にする。これにより、スイッチング電源装置１０は、スイッチング動作が停止される。なお、ＲＳフリップフロップ５５が出力するＨレベルの信号は、遅延回路５８にも入力されており、遅延回路５８は、所定の遅延時間が経過するまでの間、Ｌレベルの信号を論理積回路５７に供給することで、ＲＳフリップフロップ５５がリセットされることはない。したがって、ＲＳフリップフロップ５５は、過電流検出状態を保持した後、短時間で過電流検出状態が解除（比較器５１の出力がＬレベルに）されたとしても、遅延回路５８による所定の遅延時間が経過するまでは、過電流検出状態を保持していることになる。

以上の構成のスイッチング電源装置１０において、以下では、そのスイッチング電源装置１０の動作について、要部の動作波形を参照しながら説明する。
図５は第１の電流検出抵抗および第２の電流検出抵抗が正常の場合のスイッチング電源装置の要部動作波形を示す図、図６は第１の電流検出抵抗が短絡の場合の要部動作波形を示す図、図７は第２の電流検出抵抗が短絡の場合の要部動作波形を示す図である。なお、図５ないし図７において、上から、スイッチング電源装置１０の出力電力、スイッチング素子１５のドレイン電流、ＣＳ端子の電流検出電圧、Ｄｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧、ＯＵＴ端子のパルス信号およびＦＢ端子のフィードバック電圧を示している。

まず、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７が正常の場合、図５に示したように、負荷がスタンバイ状態などで軽負荷であるときには、出力電力が小さく、ＦＢ端子のフィードバック電圧も小さくなっている。このとき、駆動回路３２の出力のＯＵＴ端子には、時比率の小さなパルス信号が出力され、このＯＵＴ端子のパルス信号のオン期間では、スイッチング素子１５のドレイン電流、ＣＳ端子の電流検出電圧およびＤｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧が現れる。ＣＳ端子およびＤｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧は、ＦＢ端子のフィードバック電圧の値に応じた波高値になっている。

負荷が通常動作をしているとき、出力電力が大きく、ＦＢ端子のフィードバック電圧も大きくなっている。このとき、フィードバック電圧が大きいために誤差増幅器４１の出力電圧、すなわち、比較器４５の閾値電圧Ｖｔｈも大きい値になっている。スイッチング素子１５がオンし、スイッチング素子１５のドレイン電流が流れることによって生じるＣＳ端子の電流検出電圧が閾値電圧Ｖｔｈに達すると、ＲＳフリップフロップ４６がリセットされ、スイッチング素子１５がオフされる。スイッチング素子１５がオンの期間、ＣＳ端子の電流検出電圧は、スイッチング素子１５のドレイン電流と相似の波形になり、Ｄｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧は、ＣＳ端子の電流検出電圧の半分の波高値になっている。

スイッチング電源装置１０が停止されると、出力電力、スイッチング素子１５のドレイン電流、ＣＳ端子の電流検出電圧、Ｄｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧、ＯＵＴ端子のパルス信号およびＦＢ端子のフィードバック電圧は、ともにほぼ０ボルト（Ｖ）になる。

次に、第１の電流検出抵抗１６が短絡の場合、図６に示したように、ＣＳ端子およびＤｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧は、同じ動作波形を示し、それ以外は、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７が正常の場合と同様の動作波形を示している。

軽負荷状態では、ＣＳ端子の電流検出電圧は、ＦＢ端子のフィードバック電圧の値に応じた波高値になっており、Ｄｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧は、ＣＳ端子の電流検出電圧と同電圧になっている。

負荷が通常動作をしているときは、出力電力が大きく、ＦＢ端子のフィードバック電圧も大きくなっている。このとき、フィードバック電圧が大きいために誤差増幅器４１の出力電圧も大きい値を有している。しかし、単一故障検出回路３３が第１の電流検出抵抗１６の単一故障を検出してスイッチ４４を抵抗４２と抵抗４３との接続点の側に切り換えているので、比較器４５は、その反転入力端子に閾値電圧Ｖｔｈ／２を受けている。このため、スイッチング素子１５がオンし、スイッチング素子１５のドレイン電流が流れることによって生じるＣＳ端子の電流検出電圧が閾値電圧Ｖｔｈ／２に達すると、ＲＳフリップフロップ４６がリセットされ、スイッチング素子１５がオフされる。

スイッチング電源装置１０が停止されると、出力電力、スイッチング素子１５のドレイン電流、ＣＳ端子の電流検出電圧、Ｄｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧、ＯＵＴ端子のパルス信号およびＦＢ端子のフィードバック電圧は、ともにほぼ０Ｖになる。

一方、第２の電流検出抵抗１７が短絡の場合、図７に示したように、ＣＳ端子の電流検出電圧は、ドレイン電流と相似の波形になり、Ｄｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧は、０Ｖとなる。それ以外の動作波形は、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７が正常の場合と同様の動作波形を示している。

出力電力が低い軽負荷では、ＣＳ端子の電流検出電圧は、ＦＢ端子のフィードバック電圧の値に応じた波高値になっており、Ｄｅｔｅｃｔ端子の電流検出電圧は、０Ｖになっている。

負荷が通常動作をしているときは、出力電力が大きく、ＦＢ端子のフィードバック電圧も大きくなっている。このとき、フィードバック電圧が大きいために誤差増幅器４１の出力電圧も大きい値を有している。しかし、単一故障検出回路３３が第２の電流検出抵抗１７の単一故障を検出してスイッチ４４を抵抗４２と抵抗４３との接続点の側に切り換えているので、比較器４５は、その反転入力端子に閾値電圧Ｖｔｈ／２を受けている。このため、スイッチング素子１５がオンし、スイッチング素子１５のドレイン電流が流れることによって生じるＣＳ端子の電流検出電圧が閾値電圧Ｖｔｈ／２に達すると、ＲＳフリップフロップ４６がリセットされ、スイッチング素子１５がオフされる。

スイッチング電源装置１０が停止されると、出力電力、スイッチング素子１５のドレイン電流、ＣＳ端子の電流検出電圧、ＯＵＴ端子のパルス信号およびＦＢ端子のフィードバック電圧は、ほぼ０Ｖになる。

このように、第１の電流検出抵抗１６および第２の電流検出抵抗１７の一方に短絡による単一故障があっても、他方が残っているため、故障前と同様に正常な電流検出が可能となり、スイッチング電源装置１０の安全性を向上させることができる。また、第１の電流検出抵抗１６または第２の電流検出抵抗１７の短絡が解除された場合も、通常動作への復帰が可能となる。

なお、上記の実施の形態では、単一故障検出回路３３が第１の電流検出抵抗１６または第２の電流検出抵抗１７の短絡を検出したとき、制御回路３１の比較器４５および過電流検出回路３４の比較器５１の閾値電圧を半減させている。しかし、制御回路３１の比較器４５および過電流検出回路３４の比較器５１の閾値電圧を本来の値の半分に設定し、ＣＳ端子の側の電流検出電圧を単一故障検出回路３３の出力信号によって切り換える構成にしてもよい。

１０ スイッチング電源装置
１１ 交流電源
１２ ダイオードブリッジ
１３ コンデンサ
１４ トランス
１５ スイッチング素子
１６ 第１の電流検出抵抗
１７ 第２の電流検出抵抗
１８ ダイオード
１９ コンデンサ
２０ 出力電圧検出回路
２１ フォトカプラ
２２ 制御ＩＣ
３１ 制御回路
３２ 駆動回路
３３ 単一故障検出回路
３４ 過電流検出回路
４１ 誤差増幅器
４２，４３ 抵抗
４４ スイッチ
４５ 比較器
４６ ＲＳフリップフロップ
４７ 発振器
４８ 論理和回路
４９ 論理積回路
５１ 比較器
５２ スイッチ
５３，５４ 抵抗
５５ ＲＳフリップフロップ
５６ 論理反転回路
５７ 論理積回路
５８ 遅延回路
６１，６２，６３ 抵抗
６４，６５ 比較器
６６ 論理積回路

Claims (7)

1. 電源とグランド間に接続されたスイッチング素子と前記グランドとの間に前記スイッチング素子に直列に接続された直列接続の第１の電流検出抵抗および第２の電流検出抵抗が前記スイッチング素子と前記第１の電流検出抵抗との接続点に現れる第１の電流検出電圧と前記第１の電流検出抵抗と前記第２の電流検出抵抗との接続点に現れる第２の電流検出電圧を入力して前記スイッチング素子に流れる主電流を検出し、検出した前記主電流に基づいて前記スイッチング素子を制御する半導体駆動装置であって、
   前記第１の電流検出電圧と前記第２の電流検出電圧とを入力して前記第１の電流検出抵抗または前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出する単一故障検出回路と、
   前記第１の電流検出電圧を第１の閾値電圧または第２の閾値電圧と比較して前記スイッチング素子をスイッチング制御するタイミングを決める比較器、および、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗および前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出しないときには前記第１の閾値電圧を出力し、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗または前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出したときに前記第１の閾値電圧を低減した前記第２の閾値電圧を出力する閾値電圧切替回路を有する制御回路と、
   を備えた、半導体駆動装置。
2. 前記単一故障検出回路は、直列に接続されて前記第１の電流検出電圧を受ける第１の抵抗、第２の抵抗および前記第２の抵抗に接続されない側の一端がグランドに接続される第３の抵抗と、非反転入力端子が前記第１の抵抗と前記第２の抵抗との接続点に接続され、反転入力端子には前記第２の電流検出電圧が印加される第１の比較器と、反転入力端子が前記第２の抵抗と前記第３の抵抗との接続点に接続され、非反転入力端子には前記第２の電流検出電圧が印加される第２の比較器と、前記第１の比較器の出力と前記第２の比較器の出力とを入力する論理積回路とを有する、請求項１記載の半導体駆動装置。
3. 前記制御回路の前記閾値電圧切替回路は、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗または前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出していないときに前記第１の閾値電圧を選択し、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗または前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出したときに前記第２の閾値電圧を選択するスイッチを有する、請求項１記載の半導体駆動装置。
4. 前記第１の電流検出電圧を第１の過電流検出用閾値電圧または第２の過電流検出用閾値電圧と比較して前記スイッチング素子の過電流状態の有無を検出する過電流検出用比較器、および、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗および前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出しないときには前記第１の過電流検出用閾値電圧を出力し、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗または前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出したときに前記第１の過電流検出用閾値電圧を低減した前記第２の過電流検出用閾値電圧を出力する過電流検出用閾値電圧切替回路を有する過電流検出回路を備えた、請求項１記載の半導体駆動装置。
5. 電源とグランド間に接続されたスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子と前記グランドとの間に前記スイッチング素子に直列に接続される直列接続の第１の電流検出抵抗および第２の電流検出抵抗と、
   前記スイッチング素子と前記第１の電流検出抵抗との接続点に現れる第１の電流検出電圧と前記第１の電流検出抵抗と前記第２の電流検出抵抗との接続点に現れる第２の電流検出電圧を入力して検出された前記スイッチング素子の主電流に基づいて前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する半導体駆動装置と、
   を備え、前記半導体駆動装置は、
   前記第１の電流検出電圧と前記第２の電流検出電圧とを入力して前記第１の電流検出抵抗または前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出する単一故障検出回路と、
   前記第１の電流検出電圧を第１の閾値電圧または第２の閾値電圧と比較して前記スイッチング素子をスイッチング制御するタイミングを決める比較器、および、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗および前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出しないときには第１の閾値電圧を出力し、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗または前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出したときに前記第１の閾値電圧を低減した前記第２の閾値電圧を出力する閾値電圧切替回路を有する制御回路と、
   を有している、電力変換装置。
6. 前記半導体駆動装置は、前記第１の電流検出電圧を第１の過電流検出用閾値電圧または第２の過電流検出用閾値電圧と比較して前記スイッチング素子の過電流状態の有無を検出する過電流検出用比較器、および、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗および前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出しないときには前記第１の過電流検出用閾値電圧を出力し、前記単一故障検出回路が前記第１の電流検出抵抗または前記第２の電流検出抵抗の短絡状態を検出したときに前記第１の過電流検出用閾値電圧を低減した前記第２の過電流検出用閾値電圧を出力する過電流検出用閾値電圧切替回路を有する過電流検出回路を備えた、請求項５記載の電力変換装置。
7. 前記第１の閾値電圧とグランドとの間に接続され、前記第１の閾値電圧を分圧して前記第２の閾値電圧を生成する分圧回路を備え、前記分圧回路は、第１の分圧抵抗および第２の分圧抵抗を含み、前記第１の分圧抵抗の一端に前記第１の閾値電圧が印加され、前記第１の分圧抵抗の他端と前記第２の分圧抵抗の一端との接続点から前記第２の閾値電圧が出力され、前記第２の分圧抵抗の他端はグランドに接続される、請求項３記載の半導体駆動装置。

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