JP2001231258A - 直流−直流変換装置 - Google Patents

直流−直流変換装置

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JP2001231258A JP2000065956A JP2000065956A JP2001231258A JP 2001231258 A JP2001231258 A JP 2001231258A JP 2000065956 A JP2000065956 A JP 2000065956A JP 2000065956 A JP2000065956 A JP 2000065956A JP 2001231258 A JP2001231258 A JP 2001231258A
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    • H02M3/3385—Conversion 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 in a self-oscillating arrangement with automatic control of output voltage or current

Abstract

(57)【要約】 【課題】 高価なＩＣや、小型化の妨げとなるパルスト
ランスを使用せずに済むようにし、コストダウンを図
る。 【解決手段】 直流電源１、半導体スイッチ素子９１，
９２、変圧器２、整流器８１，８２および平滑用コンデ
ンサ３等からなる直流−直流変換装置に、変圧器駆動巻
線２４，２５を付加して自励発振動作させる一方、出力
電圧検出，調節回路６での周波数変調とパルス幅変調の
両制御により、高価なＩＣ回路やパルストランスを用い
ることなく出力電圧の一定化を図る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、直流電圧から変
圧器を介して任意の直流出力に変換する直流−直流変換
装置、特に自励発振コンバータ回路を用い、入力電圧の
変化や負荷の変化に対し周波数変調とパルス幅変調の両
制御により、出力電圧を一定にすることが可能な直流−
直流変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】図８に他励発振共振コンバータの従来例
を示す。同図に示すように、直流電源１，コンデンサ
４，変圧器２の一次巻線２１および半導体スイッチ素子
９１が直列に接続され、半導体スイッチ素子９２とコン
デンサ５との並列回路が、コンデンサ４と変圧器一次巻
線２１との間に並列に接続され、変圧器２の二次巻線２
２，２３にはダイオード８１，８２および平滑用コンデ
ンサ３が接続され、直流出力から出力電圧検出，調節回
路６、周波数制御回路１４および高耐圧ドライバＩＣ１
５を介して、半導体スイッチ素子９１，９２の各ゲート
に接続されている。
【０００３】図９に、図８における動作の一例を示す。
なお、ｖ92，ｖ91，ｖ4 ，ｖ21は半導体スイッチ素子９
２，半導体スイッチ素子９１，コンデンサ４，変圧器一
次巻線２１の各電圧波形、ｉ91，ｉ92，ｉ81，ｉ82は半
導体スイッチ素子９１，半導体スイッチ素子９２，ダイ
オード８１，ダイオード８２の各電流波形を示す。期間
で半導体スイッチ素子９１をオンすることにより、直
流電源１→コンデンサ４→変圧器一次巻線２１→半導体
スイッチ素子９１を介して共振電流ｉ91が流れ、コンデ
ンサ４を充電する。このとき、変圧器一次巻線２１に
は、直流電源電圧とコンデンサ４との差電圧が印加さ
れ、ダイオード８１を介して平滑用コンデンサ３を充電
するとともに負荷に電力を供給する。
【０００４】期間において半導体スイッチ素子９１を
オフすることにより、それまで流れていた共振電流は、
コンデンサ５および半導体スイッチ素子９１，９２の出
力容量に転流し、半導体スイッチ素子９１，９２の電圧
は徐々に上昇または下降する。期間において半導体ス
イッチ素子９１の電圧が直流電源電圧に達すると、共振
電流は半導体スイッチ素子９２の寄生ダイオードに転流
する。このとき、半導体スイッチ素子９２をオンするこ
とにより、コンデンサ４→半導体スイッチ素子９２→変
圧器一次巻線２１を介して共振電流ｉ92が流れ、コンデ
ンサ４を放電する。また、変圧器一次巻線２１には、直
流電源電圧とコンデンサ４との差電圧が印加され、ダイ
オード８２を介して平滑用コンデンサ３を充電するとと
もに負荷に電力を供給する。
【０００５】期間において半導体スイッチ素子９２を
オフすることにより、それまで流れていた共振電流は、
コンデンサ５および半導体スイッチ素子９１，９２の出
力容量に転流し、半導体スイッチ素子９１，９２の電圧
は徐々に上昇または下降する。期間において半導体ス
イッチ素子９２の電圧が直流電源電圧に達すると、共振
電流は半導体スイッチ素子９１の寄生ダイオードに転流
する。このとき、半導体スイッチ素子９１をオンする。
このような動作を繰り返すことにより、直流電源から絶
縁された直流出力電力を供給する。なお、図８の回路で
は負荷状態（軽負荷，重負荷等）や入力電圧に関係なく
図９のみの動作となる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】図８の従来例では、負
荷の変化に対して出力電圧検出，調節回路および周波数
制御回路を用いて、半導体スイッチ素子の動作周波数を
変調することにより出力電圧を一定にしている。この方
式では、現在一般に用いられるパルス幅変調方式をとっ
ていないだけでなく、半導体スイッチ素子９２を駆動す
るために、比較的高価な高耐圧ドライバＩＣを必要とす
る。また、周波数制御回路をパルス幅変調回路に、高耐
圧ドライバＩＣをパルストランスに置き換える方式等も
考えられるが、パルストランスは小型化の妨げになると
いう問題がある。したがって、この発明の課題は、高耐
圧ドライバＩＣまたはパルストランスを不要とし、低コ
スト化を図ることにある。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】このような課題を解決
するため、請求項１の発明では、直流電源から変圧器を
介して任意の直流出力に変換する直流−直流変換装置に
おいて、前記直流電源，第１のコンデンサ，変圧器の一
次巻線，第１の半導体スイッチ素子および電流制限用抵
抗を直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２の
コンデンサとの並列回路を、前記第１のコンデンサと前
記変圧器一次巻線との間に並列に接続し、第１，第２の
変圧器駆動巻線を前記第１，第２の半導体スイッチ素子
のゲート・ソース間に抵抗を介してそれぞれ接続し、第
１の半導体スイッチ素子のゲート・ソース間には起動回
路およびトランジスタを、第１の半導体スイッチ素子と
前記電流制限用抵抗との接続点には前記トランジスタの
ベースをベース抵抗を介して接続し、前記変圧器の二次
巻線にはダイオードと平滑用コンデンサとを接続し、直
流出力から出力電圧検出，調節回路を介して、トランジ
スタのベースに接続したことを特徴とする。
【０００８】請求項２の発明では、直流電源から変圧器
を介して任意の直流出力に変換する直流−直流変換装置
において、前記直流電源，第１のコンデンサ，変圧器の
一次巻線，第１の半導体スイッチ素子および電流制限用
抵抗を直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２
のコンデンサとの並列回路を、前記第１のコンデンサと
前記変圧器一次巻線との間に並列に接続し、第１，第２
の変圧器駆動巻線を前記第１，第２の半導体スイッチ素
子のゲート・ソース間に抵抗を介してそれぞれ接続し、
第１の半導体スイッチ素子のゲート・ソース間には起動
回路およびトランジスタを、第１の半導体スイッチ素子
と前記電流制限用抵抗との接続点には前記トランジスタ
のベースをベース抵抗を介して接続し、第１の変圧器二
次巻線の一方の端子には前記変圧器一次巻線に正電圧が
印加されるときに電力を供給するように第１のダイオー
ドを接続し、第２の変圧器二次巻線の一方の端子には前
記変圧器一次巻線に負電圧が印加されるときに電力を供
給するように第２のダイオードを接続し、前記第１，第
２のダイオードのカソードはともに平滑用コンデンサの
一方の端子に接続し、前記第１，第２の変圧器二次巻線
の他方の端子はともに前記平滑用コンデンサの他方の端
子に接続し、直流出力から出力電圧検出，調節回路を介
して、前記トランジスタのベースに接続したことを特徴
とする。
【０００９】上記請求項２の発明においては、前記変圧
器一次巻線と前記第１の変圧器二次巻線との磁気結合
を、前記第２の変圧器二次巻線との磁気結合に比べて密
にすることができ（請求項３の発明）、または、前記変
圧器一次巻線と前記第２の変圧器二次巻線との磁気結合
を、前記第１の変圧器二次巻線との磁気結合に比べて密
にすることができる（請求項４の発明）。
【００１０】
【発明の実施の形態】図１はこの発明の実施の形態を示
す回路構成図である。同図において、直流電源１，コン
デンサ４，変圧器一次巻線２１，半導体スイッチ素子９
１および電流制限用抵抗１２１を直列に接続し、半導体
スイッチ素子９２とコンデンサ５との並列回路を、コン
デンサ４と変圧器一次巻線２１との間に並列に接続し、
変圧器駆動巻線２４を半導体スイッチ素子９１のゲート
・ソース間に抵抗１０１を介して、変圧器駆動巻線２５
を半導体スイッチ素子９２のゲート・ソース間に抵抗１
０２を介してそれぞれ接続し、半導体スイッチ素子９１
のゲート・ソース間には起動回路７およびトランジスタ
１１１を、半導体スイッチ素子９１と電流制限用抵抗１
２１との接続点にはトランジスタ１１１のベースにベー
ス抵抗１３１を介して接続し、変圧器二次巻線２２，２
３にはダイオード８１，８２および平滑用コンデンサ３
を接続し、直流出力から出力電圧検出，調節回路６を介
して、トランジスタ１１１のベースに接続するようにし
ている。起動回路７は自励発振のスタートを決定する。
【００１１】図１における軽負荷時の動作について、図
３を参照して説明する。期間で半導体スイッチ素子９
１をオンすると、直流電源１→コンデンサ４→変圧器一
次巻線２１→半導体スイッチ素子９１を介して共振電流
ｉ91が流れ、コンデンサ４が充電される。このとき、変
圧器一次巻線２１には、直流電源電圧とコンデンサ４と
の差電圧が印加され、ダイオード８１を介して平滑用コ
ンデンサ３を充電するとともに負荷に電力を供給する。
変圧器駆動巻線２４および２５に印加される電圧は変圧
器一次巻線２１の巻数比分の１であり、変圧器駆動巻線
２４が半導体スイッチ素子９１のゲートしきい値電圧に
達すると、半導体スイッチ素子９１はオフする。
【００１２】半導体スイッチ素子９１がオフする期間
では、それまで流れていた共振電流はコンデンサ５およ
び半導体スイッチ素子９１，９２の出力容量に転流し、
半導体スイッチ素子９１，９２の電圧は徐々に上昇また
は下降する。期間において半導体スイッチ素子９１の
電圧が直流電源電圧に達すると、共振電流は半導体スイ
ッチ素子９２の寄生ダイオードに転流する。このとき、
変圧器駆動巻線２５が半導体スイッチ素子９２のゲート
しきい値電圧に達すると、半導体スイッチ素子９２がオ
ンする。これにより、コンデンサ４→半導体スイッチ素
子９２→変圧器一次巻線２１を介して共振電流ｉ92が流
れ、コンデンサ４を放電する。また、変圧器一次巻線２
１には、直流電源電圧とコンデンサ４との差電圧が印加
されるが、変圧器一次巻線２３には出力電圧以上の電圧
が発生しないため、ダイオード８２は導通しない。変圧
器駆動巻線２５が半導体スイッチ素子９２のゲートしき
い値電圧に達すると、半導体スイッチ素子９２はオフす
る。
【００１３】期間において半導体スイッチ素子９２が
オフすると、それまで流れていた共振電流は、コンデン
サ５および半導体スイッチ素子９１，９２の出力容量に
転流し、半導体スイッチ素子９１，９２の電圧は徐々に
上昇または下降する。期間において半導体スイッチ素
子９２の電圧が直流電源電圧に達すると、共振電流は半
導体スイッチ素子９１の寄生ダイオードに転流する。こ
のとき、変圧器駆動巻線２４が半導体スイッチ素子９１
のゲートしきい値電圧に達すると、半導体スイッチ素子
９１がオンする。このような動作を繰り返すことによ
り、直流電源から絶縁された直流出力電力を供給する。
【００１４】出力電圧検出，調節回路６は出力電圧を一
定とするように動作し、出力電圧が設定値よりも低い場
合はその出力を低下させ、トランジスタ１１１のベース
電流を低減し（半導体スイッチ素子９１のオン時間を長
くし）、逆に出力電圧が設定値よりも高い場合はその出
力を上昇させ、トランジスタ１１１のベース電流を増加
させる（半導体スイッチ素子９１のオン時間を短くす
る）。その結果、半導体スイッチ素子９１のオン期間が
出力電圧検出，調節回路６により制限されるパルス幅変
調方式により、出力電圧一定制御が行なわれる。図１に
おける重負荷時の動作は図９と全く同じになるので説明
は省略する。なお、軽負荷や重負荷等の負荷状態に関係
なく図３のみの動作となることもあるが、どの動作とな
るかはコンデンサ４の容量，変圧器２の一次，二次巻線
の巻数等により決定される。
【００１５】図２はこの発明の第２の実施の形態を示す
回路構成図である。図１との相違点は変圧器二次巻線２
３およびダイオード８２を省略した点にあり、したがっ
て、重負荷時においても変圧器二次巻線２２のみから直
流出力電力が供給される。その結果、どのような負荷状
態であっても図３に示すような動作波形となり、半導体
スイッチ素子９２がオンしている期間には負荷に電力が
供給されることはない。
【００１６】ここで、図１に示す変圧器巻線の構造につ
いて考える。図１０は変圧器巻線の一般的な例を示す構
造図で、符号２１〜２５は図１と同じものを示す。２６
は巻線用のボビンである。すなわち、変圧器二次巻線２
２および２３は、上下の違いはあっても変圧器一次巻線
２１に対して同じ距離にあり、このため変圧器二次巻線
２２と変圧器一次巻線２１との結合度と、変圧器二次巻
線２２と変圧器一次巻線２１との結合度とは、ほぼ同じ
になっている。また、一般的な他励式電流共振コンバー
タの場合、半導体スイッチ素子９１，９２のオン期間は
同じであり（周波数変調により出力電圧を一定に制御す
る）、その動作は重負荷，軽負荷に関係なく図９に示す
動作となり、変圧器二次巻線２２，２３から交互にほぼ
同等の電力を負荷に供給する。
【００１７】このように、図１の回路で変圧器巻線の構
成を図１０の如く、２つの変圧器二次巻線と変圧器一次
巻線とをほぼ同じ磁気結合にすると、軽負荷時に変換効
率が低下するか、または変圧器二次巻線が有効に利用で
きない、ということになる。そこで、この発明では、以
下のようにしている。図４はこの発明の第３の実施の形
態を示す構造図である。この例は、変圧器二次巻線２２
を変圧器二次巻線２３に対して、変圧器一次巻線２１の
近くに配置した点が特徴である。これにより、変圧器二
次巻線２２は、軽負荷時にも変圧器一次巻線２１からの
電力を効率よく負荷に伝達でき、軽負荷時における効率
が向上することになる。
【００１８】図５はこの発明の第４の実施の形態を示す
構造図である。すなわち、変圧器二次巻線２３を変圧器
二次巻線２２に対して、変圧器一次巻線２１の近くに配
置している。これにより、変圧器一次巻線２１から変圧
器二次巻線２３への電力供給量が多くなり、変圧器二次
巻線２３および第２のダイオード８２の利用率が高まる
ことになる。
【００１９】図６は効率特性を説明するためのグラフで
ある。図６（ａ）は図１０の変圧器、同（ｂ）は図４の
変圧器、同（ｃ）は図５の変圧器をそれぞれ用いた場合
の各特性を示している。重負荷時（出力電流Ｉｏの大き
い領域）ではほぼ同等の効率であるが、軽負荷時では
（ｂ）の場合に効率が高くなることが分かる。
【００２０】図７はオン時比率特性を説明するためのグ
ラフである。図７（ａ）は図１０の変圧器、同（ｂ）は
図４の変圧器、同（ｃ）は図５の変圧器をそれぞれ用い
た場合の各特性を示している。半導体スイッチ素子９１
のオン時比率が大きい場合、重負荷における変圧器二次
巻線２３およびダイオード８２の利用率が高まることに
なり、（ｃ）の場合に半導体スイッチ素子９１のオン時
比率が最も大きく、特に重負荷においてその傾向が強い
ことが分かる。
【００２１】
【発明の効果】この発明によれば、入力電圧の変化や負
荷の変化に対し、パルス幅変調と周波数変調とが同時に
行なわれ、周波数は自励発振動作により自動的に変化さ
せるようにしたので、半導体スイッチ素子を駆動するた
めの、比較的高価な高耐圧ドライバＩＣまたは小型化の
妨げになるパルストランスが不要となる利点がもたらさ
れる。
【００２２】また、請求項３，４のように変圧器一次巻
線と第１の変圧器二次巻線との磁気結合を密にすること
により、軽負荷時における効率を改善でき、変圧器一次
巻線と第２の変圧器二次巻線との磁気結合を密にするこ
とにより、第２の変圧器二次巻線および第２のダイオー
ドの利用率を高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す回路構成図
である。
【図２】この発明の第２の実施の形態を示す回路構成図
である。
【図３】図１，図２の動作を説明するための波形図であ
る。
【図４】この発明の第３の実施の形態を示す変圧器構造
図である。
【図５】この発明の第４の実施の形態を示す変圧器構造
図である。
【図６】変換装置の効率特性を説明するための比較説明
図である。
【図７】スイッチ素子オン時比率特性を説明するための
比較説明図である。
【図８】直流−直流変換装置の従来例を示す回路構成図
である。
【図９】図８の動作を説明するための波形図である。
【図１０】変圧器巻線の一般的な例を示す構造図であ
る。
【符号の説明】
１…直流電源、２…変圧器、３…平滑用コンデンサ、
４，５…コンデンサ、６…出力電圧検出，調節回路、７
…起動回路、１４…周波数制御回路、１５…高耐圧ドラ
イバＩＣ、２１…変圧器一次巻線、２２，２３…変圧器
二次巻線、２４，２５…駆動巻線、２６…ボビン、８
１，８２…ダイオード、９１，９２…半導体スイッチ素
子、１０１，１０２…ゲート抵抗、１１１…トランジス
タ、１２１…電流制限抵抗、１３１…ベース抵抗。

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直流電源から変圧器を介して任意の直流
    出力に変換する直流−直流変換装置において、 前記直流電源，第１のコンデンサ，変圧器の一次巻線，
    第１の半導体スイッチ素子および電流制限用抵抗を直列
    に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデン
    サとの並列回路を、前記第１のコンデンサと前記変圧器
    一次巻線との間に並列に接続し、第１，第２の変圧器駆
    動巻線を前記第１，第２の半導体スイッチ素子のゲート
    ・ソース間に抵抗を介してそれぞれ接続し、第１の半導
    体スイッチ素子のゲート・ソース間には起動回路および
    トランジスタを、第１の半導体スイッチ素子と前記電流
    制限用抵抗との接続点には前記トランジスタのベースを
    ベース抵抗を介して接続し、前記変圧器の二次巻線には
    ダイオードと平滑用コンデンサとを接続し、直流出力か
    ら出力電圧検出，調節回路を介して、トランジスタのベ
    ースに接続したことを特徴とする直流−直流変換装置。
  2. 【請求項２】 直流電源から変圧器を介して任意の直流
    出力に変換する直流−直流変換装置において、 前記直流電源，第１のコンデンサ，変圧器の一次巻線，
    第１の半導体スイッチ素子および電流制限用抵抗を直列
    に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデン
    サとの並列回路を、前記第１のコンデンサと前記変圧器
    一次巻線との間に並列に接続し、第１，第２の変圧器駆
    動巻線を前記第１，第２の半導体スイッチ素子のゲート
    ・ソース間に抵抗を介してそれぞれ接続し、第１の半導
    体スイッチ素子のゲート・ソース間には起動回路および
    トランジスタを、第１の半導体スイッチ素子と前記電流
    制限用抵抗との接続点には前記トランジスタのベースを
    ベース抵抗を介して接続し、第１の変圧器二次巻線の一
    方の端子には前記変圧器一次巻線に正電圧が印加される
    ときに電力を供給するように第１のダイオードを接続
    し、第２の変圧器二次巻線の一方の端子には前記変圧器
    一次巻線に負電圧が印加されるときに電力を供給するよ
    うに第２のダイオードを接続し、前記第１，第２のダイ
    オードのカソードはともに平滑用コンデンサの一方の端
    子に接続し、前記第１，第２の変圧器二次巻線の他方の
    端子はともに前記平滑用コンデンサの他方の端子に接続
    し、直流出力から出力電圧検出，調節回路を介して、前
    記トランジスタのベースに接続したことを特徴とする直
    流−直流変換装置。
  3. 【請求項３】 前記変圧器一次巻線と前記第１の変圧器
    二次巻線との磁気結合を、前記第２の変圧器二次巻線と
    の磁気結合に比べて密にしたことを特徴とする請求項２
    に記載の直流−直流変換装置。
  4. 【請求項４】 前記変圧器一次巻線と前記第２の変圧器
    二次巻線との磁気結合を、前記第１の変圧器二次巻線と
    の磁気結合に比べて密にしたことを特徴とする請求項２
    に記載の直流−直流変換装置。
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