JP2002142455A - Dc/dcコンバータ - Google Patents
Dc/dcコンバータInfo
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Abstract
ータを実現することを目的にする。 【解決手段】 本発明は、1次側回路から2次側回路に
電圧変換を行うトランスに設けられた第1、第2のドラ
イブ巻線により駆動する第1、第2のスイッチを備えた
整流回路により、二次側回路の整流を行うフォワード型
のDC/DCコンバータに改良を加えたものである。本
装置は、出力の軽負荷を検出し、軽負荷時に第1、第2
のスイッチをオフする軽負荷検出部を設けたことを特徴
とする装置である。
Description
C/DCコンバータに関し、軽負荷時の損失を防止する
DC/DCコンバータに関するものである。
は、直流入力電圧を絶縁して負荷回路に電力を供給する
装置として、DC/DCコンバータが用いられている。
このような構成のDC/DCコンバータは、絶縁トラン
スの一次側巻線と二次側巻線の極性の違いによって、フ
ォワード型とフライバック型が存在し、例えばフォワー
ド型のDC/DCコンバータとして、米国特許USP4
441146,USP4959764等に開示されてい
るようなものが知られている。このような装置を図6に
示し説明する。
Q1〜Q4はn型のMOSFET、Np,Ns,Nf
w,Nfl,Niは巻線、L1はコイル、RLは負荷回
路、Aはエラーアンプ、CTLは制御部である。巻線N
p,Ns,Nfw,Nfl,NiはトランスT1を構成
し、MOSFETQ3,Q4は整流回路を構成する。こ
こで、巻数比は、Np≧Ns>Niとする。
の一端、巻線Npの一端に接続する。コンデンサC2
は、他端をMOSFETQ2のドレインに接続する。巻
線Npは1次側巻線で、他端をMOSFETQ1のドレ
インに接続する。MOSFETQ2はサブスイッチで、
ソースをMOSFETQ1のドレインに接続する。MO
SFETQ1はメインスイッチで、ソースをコンデンサ
C1の他端に接続する。
ETQ3のソースに接続し、他端をMOSFETQ4の
ソースに接続する。巻線Nfwはドライブ巻線で、一端
をMOSFETQ3のソースに接続し、他端をMOSF
ETQ3のゲートに接続する。巻線Nflはドライブ巻
線で、一端をMOSFETQ4のソースに接続し、他端
をMOSFETQ4のゲートに接続する。
イッチで、ドレインを巻線Niの一端に接続する。巻線
Niは、他端をコイルL1の一端に接続する。コイルL
1はインダクタンス素子で、他端をコンデンサC3の一
端に接続する。コンデンサC3は出力コンデンサで、他
端を巻線Nsの他端に接続する。負荷回路RLはコンデ
ンサC3に並列に接続する。
サC1の一端に接続し、プラス端を、基準電圧を介し
て、コンデンサC1の他端に接続する。制御部CTL
は、エラーアンプAの出力に基づいて、MOSFETQ
1,Q2のゲートに出力を行う。
8は図6に示す装置の動作を示したタイミングチャート
で、図8は図7の拡大図である。図7,8において、
(a)はMOSFETQ1のドレイン−ソース電圧Vd
s、(b)はMOSFETQ1のドレイン電流Id、
(c)はMOSFETQ2のドレイン電流Id、(d)
はコイルL1の電流IL、(e)はMOSFETQ2の
ゲート−ソース電圧Vgs、(f)はMOSFETQ1
のゲート−ソース電圧Vgs、(g)はMOSFETQ
3のゲート−ソース電圧Vgs、(h)はMOSFET
Q4のゲート−ソース電圧Vgsである。そして、
(i)は巻線Nsの電流INs、(j)は巻線Nsの電
圧VNs、(k)は巻線Niの電圧VNi、(l)はコ
イルL1の電圧VL1、(m)はMOSFETQ4のド
レイン電流Id、(n)はコンデンサC1の出力電流I
g、(o)はコイルC2の電圧VC2、(p)は出力電
圧Voである。
を説明する図で、等価回路で示される。図9は各部電圧
の極性を示し、図10〜14は、それぞれ、時刻t3−
t4期間、時刻t4−t5期間、時刻t5−t6期間、
時刻t6−t7期間、時刻t7−t8期間の動作を示
す。
−t3期間 コンデンサC1は、図示しない交流電源からの電圧を直
流電圧にする平滑コンデンサで、直流電源として動作す
る。そして、エラーアンプAが出力電圧Voと基準電圧
と比較し、比較結果により、制御部CTLがMOSFE
TQ1,Q2を交互にオン、オフする。これにより、出
力電圧Voを一定に保つ。そして、コンデンサC1の直
流電圧を、トランスT1を介して、電圧変換する。
き、トランスT1(ドライブ巻線Nfw,Nfl)によ
り、MOSFETQ3がオンとなり、MOSFETQ4
はオフとなる。逆に、MOSFETQ1がオフのとき、
トランスT1により、MOSFETQ3がオフとなり、
MOSFETQ4がオンとなる。
の電流INsにより、コンデンサC3は充電され、MO
SFETQ4がオンのとき、巻線Ni、コイルL1のイ
ンダクタンスにより、コンデンサC3は充電される。ま
た、巻線Niにより、リプル電流をゼロにする。
電力を供給する。なお、時刻t0−t3期間は一般的動
作なので、詳細な動作説明は省略する。
力容量はボディーダイオードの順方向電圧まで放電され
ている。このため、時刻t3時に、MOSFETQ2が
オフとなり、クランプコンデンサC2からトランスT1
の巻線Npの方向に電流が流れ、MOSFETQ2の出
力容量をコンデンサC2の電圧と平衡するまで充電す
る。このため、MOSFETQ1のドレイン−ソース電
圧Vdsは入力平滑コンデンサC1の電圧Vgまで低下
する。そして、巻線Npに電流が流れることにより、巻
線NflがMOSFETQ4をオンとし、コンデンサC
3が放電される。
力により、軽負荷(無負荷も含む)を検出し、MOSF
ETQ1,Q2をオフとする。これは、スイッチング損
失を減少させるためで、MOSFETQ2もオフするの
は、クランプコンデンサC2に蓄積されているエネルギ
ーが、MOSFETQ2、トランスT1の巻線Npから
なる経路で短絡され、損失が発生するからである。
(コンデンサC2、MOSFETQ2)から巻線Npに
流れていた電流は流れなくなるが、巻線Npの漏れイン
ダクタンスによって電流が流れつづけようとする。この
ため、MOSFETQ1のボディーダイオードがオン
し、巻線Np経由で入力平滑コンデンサC1に電流が流
れる。
sは、MOSFETQ1のボディーダイオードがオンに
なるため、ボディーダイオードの順方向電圧まで低下す
る。
線NfwがMOSFETQ3をオンにする。一度、MO
SFETQ3がオンしてしまうと、(巻線Nsの巻数)
>(巻線Niの巻数)であるため、2次側平滑コンデン
サC3から巻線Ns,Np経由で1次側平滑コンデンサ
C1への放電が起こる。
ンデンサC1の充電電流すなわちMOSFETQ1のド
レイン電流Idは最終的には0となる。
ンしているため、コイルL1に流れていた電流ILが巻
線Ni,Ns経由で巻線Npに流れ、時刻t3−t4期
間に逆方向に充電されていたMOSFETQ2の出力容
量をMOSFETQ2のボディーダイオードの順方向電
圧まで充電する。
と、MOSFETQ2のボディーダイオードがオンとな
るため、コンデンサC2を充電する。充電にともないコ
イルL1の電流ILは減少する。
pの共振により、コンデンサC2から巻線Np方向に電
流が流れ出し、各巻線の極性が反転し、巻線Nflによ
り、MOSFETQ4がオンになるため電流ILが逆方
向に流れ出す。
pの共振により、再び各巻線の極性が反転するため、巻
線Nfwにより、MOSFETQ3がオンとなる。
様であり、時刻t8のタイミングにおける各電圧、電流
の極性は時刻t4と同じになるため、振動が持続するこ
とになる。
の損失対策として、DC/DCコンバータを間欠動作さ
せているが、DC/DCコンバータの停止時に異常振動
の発生により、2次側平滑コンデンサC3に蓄えられて
いるエネルギーが1次側に回生されることにより、出力
電圧Voが早く低下する。このため、軽負荷時の損失が
増加し、間欠動作のDC/DCコンバータの停止期間が
短くなってしまうという問題点があった。
を防止するDC/DCコンバータを実現することにあ
る。
ら2次側回路に電圧変換を行うトランスに設けられた第
1、第2のドライブ巻線により駆動する第1、第2のス
イッチを備えた整流回路により、二次側回路の整流を行
うフォワード型のDC/DCコンバータにおいて、出力
の軽負荷を検出し、軽負荷時に前記第1、第2のスイッ
チをオフする軽負荷検出部を設けたことを特徴とするも
のである。
形態を説明する。図1は本発明の一実施例を示した構成
図である。ここで、図6と同一のものは同一符号を付し
説明を省略する。
SW1,SW2は第3、第4のスイッチ、Rsは電流検
出抵抗、1は軽負荷検出回路である。
TQ3のゲートに接続し、カソードを巻線Nfwの他端
に接続する。ダイオードD2は、アノードをMOSFE
TQ4のゲートに接続し、カソードを巻線Nflの他端
に接続する。ダイオードD3,D4は、それぞれアノー
ドをMOSFETQ3,Q4のソースに接続し、カソー
ドをMOSFETQ3,Q4のドレインに接続する。ス
イッチSW1,SW2は、それぞれダイオードD1,D
2に並列に設けられる。
端と負荷回路RLの他端との間に設けられる。軽負荷検
出回路1は、比較器Uにより構成される。比較器Uは、
プラス端子を負荷回路RLの他端に接続し、マイナス端
子を、基準電圧を介して、コンデンサC1の他端に接続
し、出力がハイレベルのとき、スイッチSW1,SW2
をオンし、ロウレベルのとき、オフする。
図2は図1に示す装置の動作を説明するタイミングチャ
ートである。なお、(a)〜(p)は図7,8と同一で
ある。
流が減少して、検出抵抗Rsの両端の電圧も減少する。
この結果、軽負荷検出回路1(比較器U)が基準電圧よ
り低くなるので、ロウレベルを出力する。これにより、
スイッチSW1,SW2がオフとなり、巻線Nfw、N
flをMOSFETQ3,Q4から切り離す。
は、MOSFETQ1,Q2の制御タイミング、つま
り、軽負荷状態への移行と無関係に行われるため、MO
SFETQ3,Q4をオンにする電圧が巻線Nfw、N
flに発生していると、スイッチSW1,SW2のオフ
により、MOSFETQ3,Q4のゲートに蓄積された
電荷が放電できず、MOSFETQ3,Q4がオン状態
を維持し、2次側回路を短絡してしまう。そこで、ダイ
オードD1,D2により、MOSFETQ3,Q4のゲ
ートの電荷を放電させ、オフとする。
4のボディーダイオード及びダイオードD3,D4によ
り、継続される。
ベルを出力し、この出力により、制御部CTLは軽負荷
状態と判断し、MOSFETQ1,Q2をオフする。し
かし、MOSFETQ3,Q4は、スイッチSW1,S
W2によりすでにオフとなっているので、共振は継続し
ない。
検出し、整流回路を構成するスイッチSW1,SW2を
オフして、MOSFETQ3,Q4の動作を停止させる
ので、DC/DCコンバータ停止時の1次側回路の共振
によるMOSFETQ3,Q4の誤動作を防止し、2次
側回路から共振に必要なエネルギーを1次側回路に供給
することを防止できる。つまり、軽負荷時の損失を防止
することができる。
示したが、MOSFETQ3,Q4のボディーダイオー
ドにより、整流が行われるため、ダイオードD3,D4
はない構成でもよい。MOSFETQ3,Q4のボディ
ーダイオードでの損失が通常の整流ダイオードより劣る
としても、軽負荷時なので特に問題とならない。
る。ここで、図1と同一のものは同一符号を付して説明
を省略する。
Q5はn型のMOSFET、Q6,Q7はPNPトラン
ジスタ、Q8はNPNトランジスタ、R1〜R5は抵
抗、D5〜D7はダイオード、U1は比較器である。巻
線Np,Ns,Nfw’,Nfl,NiはトランスT2
を構成し、MOSFETQ4,Q5は整流回路を構成す
る。そして、トランジスタQ6,Q7、抵抗R1〜R
4、ダイオードD2,D5〜D7は同期整流停止回路2
を構成し、トランジスタQ8、抵抗R5、比較器U1は
軽負荷検出回路3を構成する。
代わりに設けられ、ドレインを巻線Nsの他端に接続
し、ソースをMOSFETQ4のソースに接続する。巻
線Nfw’は、巻線Nfwの代わりに設けられ、一端を
巻線Nsの他端に接続し、他端をトランジスタQ6のエ
ミッタに接続する。
ETQ5のゲートに接続する。抵抗R1はトランジスタ
Q6のエミッタとベース間に設けられる。ダイオードD
5は、アノードをトランジスタQ6のコレクタに接続
し、カソードをトランジスタQ6のエミッタに接続す
る。
わりに設けられ、コレクタをダイオードD2のアノード
に接続し、エミッタをダイオードD2のカソードに接続
する。抵抗R2はトランジスタQ7のエミッタとベース
間に設けられる。
ンジスタQ6,Q7のベースに接続する。ダイオードD
6,D7は、それぞれ、アノードを抵抗R3,R4の他
端に接続する。
ドD6,D7のカソードに接続し、エミッタをコンデン
サC3の他端に接続する。抵抗R5は一端をトランジス
タQ8のベースに接続する。比較器U1は出力を抵抗R
5の他端に接続し、プラス端子を負荷回路RLの他端に
接続し、マイナス端子を、基準電圧を介して、コンデン
サC3の他端に接続する。
わりに、MOSFETQ5を設け、これに伴い、巻線N
fwの代わりに巻線Nfw’が設けられている。そし
て、第3、第4のスイッチSW1,SW2の具体的構成
として、トランジスタQ6,Q7による例を示し、軽負
荷検出部の具体的構成として、軽負荷検出回路3を示し
たものである。従って、図1に示す装置と動作は同一で
あるので、説明を省略する。
説明する。ここで、図3と同一のものは同一符号を付し
説明を省略する。
SFET、U2は比較器である。トランジスタQ9,Q
10、抵抗R1〜R4、ダイオードD6,D7は同期整
流停止回路4を構成し、トランジスタQ8、抵抗R5、
比較器U2は軽負荷検出回路5を構成する。
ダイオードD5の代わりに設けられ、ソースを巻線Nf
w’の他端に接続し、ドレインをMOSFETQ5のゲ
ートに接続し、ゲートを抵抗R3の一端に接続する。
7、ダイオードD2の代わりに設けられ、ソースを巻線
Nflの他端に接続し、ドレインをMOSFETQ4の
ゲートに接続し、ゲートを抵抗R4の他端に接続する。
わりに設けられ、出力を抵抗R5の他端に接続し、プラ
ス端子をエラーアンプAの出力端に接続し、マイナス端
子を、基準電圧を介して、負荷回路RLの他端に接続す
る。
の具体的構成として、MOSFETQ9,Q10による
例を示し、MOSFETQ3,Q4のボディーダイオー
ドが、ダイオードD2,D5の代わりをするので、不要
となる。また、エラーアンプAの出力電圧が出力電力に
比例するため、軽負荷検出回路5の検出点をエラーアン
プAの出力電圧としている。従って、本実施例と図1に
示す装置と動作は同一であるので、説明を省略する。
る。ここで、図3,4と同一のものは同一符号を付し説
明を省略する。
FETQ10、抵抗R1〜R4、ダイオードD5〜D7
は同期整流停止回路6を構成し、巻線Np,Ns,Nf
w’,NflはトランスT3を構成する。すなわち、同
期整流停止回路6は、第3のスイッチをトランジスタQ
5で構成し、第4のスイッチをMOSFETQ10で構
成したものである。トランスT3は、トランスT2に巻
線Niをなくしたものである。動作については、巻線N
iによるリプル電流をゼロにすることがなくなるだけ
で、通常動作は通常のDC/DCコンバータと同一であ
り、軽負荷時の動作は、図1に示す装置と同一なので説
明を省略する。
なく、スイッチをMOSFETQ1〜Q5により構成し
た例を示したが、トランジスタやリレー等で構成しても
よい。但し、図1に示すように、MOSFETのボディ
ーダイオードを利用できないので、ボディーダイオード
と同一方向に、ダイオードを設けなければならないこと
は言うまでもない。
す構成を示したが、巻線Niを残し、コイルL1をなく
す構成でもよい。
コイルL1)をMOSFETQ4のソースとコンデンサ
C3の他端との間に設ける構成にしてもよい。
を検出し、整流回路を構成する第1、第2のスイッチの
動作を停止させるので、DC/DCコンバータ停止時の
1次側回路の共振による第1、第2のスイッチの誤動作
を防止し、2次側回路から共振に必要なエネルギーを1
次側回路に供給することを防止できる。つまり、軽負荷
時の損失を防止することができる。
ートである。
である。
ートである。
Claims (8)
- 【請求項1】 1次側回路から2次側回路に電圧変換を
行うトランスに設けられた第1、第2のドライブ巻線に
より駆動する第1、第2のスイッチを備えた整流回路に
より、二次側回路の整流を行うフォワード型のDC/D
Cコンバータにおいて、 出力の軽負荷を検出し、軽負荷時に前記第1、第2のス
イッチをオフする軽負荷検出部を設けたことを特徴とす
るDC/DCコンバータ。 - 【請求項2】 1次側巻線と2次側巻線と第1のドライ
ブ巻線と第2のドライブ巻線とを備えたトランスと、 電源からの電力を前記1次側巻線に断続的に通電させる
メインスイッチと、 前記1次側巻線に並列に接続され、コンデンサとサブス
イッチの直列回路と、 前記メインスイッチと前記サブスイッチとを交互にオン
オフさせる制御信号を出力する制御部と、 前記第1のドライブ巻線により駆動する第1のスイッチ
と前記第2のドライブ巻線により駆動する第2のスイッ
チとを備え、前記2次側巻線の発生する電流を整流する
整流回路と、 この整流回路の出力を入力する出力コンデンサと、 前記2次側巻線と前記出力コンデンサとの間に設けられ
るインダクタンス素子とを有するフォワード型のDC/
DCコンバータにおいて、 出力の軽負荷を検出し、軽負荷時に前記第1、第2のス
イッチをオフする軽負荷検出部を設けたことを特徴とす
るDC/DCコンバータ。 - 【請求項3】 インダクタンス素子は、コイル、また
は、トランスに設けられた第3の巻線の少なくとも一つ
を具備することを特徴とする請求項2記載のDC/DC
コンバータ。 - 【請求項4】 軽負荷検出部は、軽負荷時に、第1、第
2のスイッチをダイオード整流に切り換えることを特徴
とする請求項1〜3記載のDC/DCコンバータ。 - 【請求項5】 第1のドライブ巻線と第1のスイッチと
の間に設けられる第3のスイッチと、 第2のドライブ巻線と第2のスイッチとの間に設けられ
る第4のスイッチとを具備し、軽負荷検出部は、軽負荷
時に前記第3、第4のスイッチをオフすることを特徴と
する請求項1〜4記載のDC/DCコンバータ。 - 【請求項6】 第3、第4のスイッチにダイオードを並
列に設けたことを特徴とする請求項5記載のDC/DC
コンバータ。 - 【請求項7】 第1、第2のスイッチは、MOSFET
であることを特徴とする請求項1〜6記載のDC/DC
コンバータ。 - 【請求項8】 第1、第2のスイッチにダイオードを並
列に設けたことを特徴とする請求項1〜7載のDC/D
Cコンバータ。
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