JP2002171755A - 直流−直流変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽負荷時や高入力電圧時にも、動作周波数を
低く抑えて直流−直流変換装置の高効率化を図る。 【解決手段】 直流電源１、半導体スイッチ素子９１、
変圧器一次巻線２１およびコンデンサ４を直列に、第２
の半導体スイッチ素子９２とコンデンサ５との並列回路
を半導体スイッチ素子９１、変圧器一次巻線２１とコン
デンサ４との間に並列に接続し、直流出力から出力電圧
検出，調節回路６およびパルス幅変調制御回路１４を介
して素子９１，９２の各ゲートに接続し、コンデンサ４
の端子電圧を正弦波状に動作させることにより、軽負荷
時や高入力電圧時にも動作周波数を低く抑えて高効率化
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、特に入力電圧の変化や負荷の変化に対してパルス
幅変調制御により出力電圧を一定にすることができ、か
つ電流共振用コンデンサ電圧を正弦波状に動作させる直
流−直流変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図６に従来例を示す。図示のように、直
流電源１、半導体スイッチ素子９１、変圧器２の一次巻
線２１およびコンデンサ４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との並列回路が変圧器一
次巻線２１とコンデンサ４との間に並列に接続され、変
圧器二次巻線２２，２３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および周波数変調制御回路１５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７に、図６における動作の一例を示す。
図７（ａ）は低入力電圧，重負荷時の例、図７（ｂ）は
高入力電圧，軽負荷時の例を示す。なお、ｖ９１，ｖ９
２はそれぞれ半導体スイッチ素子９１，９２のドレイン
−ソース間電圧波形、ｉ９１，ｉ９２はそれぞれ半導体
スイッチ素子９１，９２のドレイン電流波形、ｖ４はコ
ンデンサ４の電圧波形、ｉ８１，ｉ８２はそれぞれダイ
オード８１，８２の電流波形、ｖ３は平滑コンデンサ３
の電圧波形を示す。

【０００４】まず、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−半導体スイッチ素子９１−変
圧器一次巻線２１−コンデンサ４を介して共振電流ｉ９
１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。次
に、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。

【０００５】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。この時、変
圧器一次巻線２１には、コンデンサ４の電圧が印加さ
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。

【０００６】次いで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。次に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電力を供
給する。

【０００７】図７（ａ），（ｂ）に示すように、高入力
電圧，軽負荷時の場合は、半導体スイッチ素子９１，９
２のオンデューティがそれぞれ０．５であるのは、低入
力電圧，重負荷時と同様であり、コンデンサ４の直流電
圧分Ｖａ＜Ｖｂとなるが、動作周波数が高くなる。つま
り、Ｔａ＞Ｔｂとなる。このように、図６の回路では半
導体スイッチ素子９１，９２のオンデューティがそれぞ
れ０．５であるが、入力電圧や負荷状態により動作周波
数を変化させ、これにより出力電圧を一定にしている。

【０００８】図８は、図６に示す周波数変調制御回路を
パルス幅変調制御回路に置き換え、コンデンサ４の容量
と変圧器２のもれインダクタンスとの共振周波数を、半
導体スイッチ素子９１，９２の動作周波数よりも十分に
高くした場合の動作波形を示す。図８（ａ）は低入力電
圧，重負荷時の例を、図８（ｂ）は高入力電圧，軽負荷
時の例をそれぞれ示す。動作原理は図７の場合と同じで
あり、異なる点は低入力電圧，重負荷においてコンデン
サ４の容量と変圧器２のもれインダクタンスとの共振周
波数を、第１，第２の半導体スイッチ素子の動作周波数
よりも充分高くしているため、ｉ９１，ｉ９２は直線的
に上昇する一方、ｖ４の変化はほとんどなく一定であ
る。その結果、図７（ａ）の場合と比較して半導体スイ
ッチ素子９１，９２の遮断電流が大きくなる。

【０００９】また、図８（ｂ）に示すように、高入力電
圧，軽負荷時の場合には、半導体スイッチ素子９１，９
２の動作周波数は一定（Ｔａ＝Ｔｂ）であるが、オンデ
ューティが変化し、コンデンサ４の直流電圧分が変化す
る。つまり、Ｖａ＞Ｖｃとなる。以上のように、周波数
変調制御回路をパルス幅変調制御回路に置き換えた場合
は図８に示すように、半導体スイッチ素子９１，９２の
動作周波数は一定であるが、入力電圧や負荷状態によっ
てオンデューティが変化し、出力電圧を一定にする。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】すなわち、図６の従来
例では、負荷の変化や入力電圧の変化に対し出力電圧検
出，調節回路および周波数変調制御回路により、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
電圧を一定としている。そのため、現在一般に使用され
ているパルス幅変調方式のＩＣ（集積回路）が適用でき
ないという問題がある。また、軽負荷または高入力電圧
の場合に動作周波数が高くなり、スイッチング損失が増
加したり、変圧器の損失が増加し、変換効率が低下する
という問題も生じる。

【００１１】また、図６の回路で周波数変調制御回路の
代わりにパルス幅変調制御回路を用いることは上述のよ
うに可能であるが、コンデンサ４と変圧器２のもれイン
ダクタンスとの共振周波数を、半導体スイッチ素子の動
作周波数に対して十分大きくしなければならず、その結
果、半導体スイッチ素子の遮断電流が増加し、半導体ス
イッチ素子のスイッチング損失が増加し、装置変換効率
が低下する。したがって、この発明の課題は、パルス幅
変調制御を可能にするとともに、軽負荷時または高入力
電圧時の変換効率を低下させないようにすることにあ
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】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
して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置におい
て、前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変
圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、
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、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサと
の間に並列に接続し、前記変圧器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，調節回路およびパルス幅変調制御回路を介し
て、前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体
スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記第
１，第２の半導体スイッチ素子の動作周波数を、前記第
１のコンデンサ容量と前記変圧器もれインダクタンスと
の共振周波数よりも高くし、前記第１のコンデンサ電圧
を正弦波状に動作させることを特徴とする。

【００１３】請求項２の発明では、直流電源から変圧器
を介して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置に
おいて、前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素
子，変圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接
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、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデ
ンサとの間に並列に接続し、第１の変圧器二次巻線の一
方の端子には、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、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
の各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，調節回路およびパルス幅変
調制御回路を介して、前記第１の半導体スイッチ素子お
よび第２の半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞ
れ接続し、前記第１，第２の半導体スイッチ素子の動作
周波数を、前記第１のコンデンサ容量と前記変圧器もれ
インダクタンスとの共振周波数よりも高くし、前記第１
のコンデンサ電圧を正弦波状に動作させることを特徴と
する。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１はこの発明の第１の実施の形
態を示す構成図で、１は直流電源、２は変圧器、２１は
変圧器一次巻線、２２，２３は変圧器二次巻線、３は平
滑用コンデンサ、４，５はコンデンサ、６は出力電圧検
出，調節回路、８１，８２はダイオード、９１，９２は
半導体スイッチ素子、１４はパルス幅変調制御回路であ
る。すなわち、直流電源１、半導体スイッチ素子９１、
変圧器一次巻線２１およびコンデンサ４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、変圧器一次巻線２１とコンデンサ４との間に並列
に接続され、変圧器２の二次巻線２２，２３にはダイオ
ード８１，８２および平滑コンデンサ３が接続され、直
流出力から出力電圧検出，調節回路６およびパルス幅変
調制御回路１４を介して、半導体スイッチ素子９１，９
２の各ゲートに接続されている。

【００１５】図３は図１における動作を説明するための
波形図である。図３（ａ）の動作は図７（ａ）と同じな
ので説明は省略するが、図３（ｂ）における動作は図７
（ｂ）と異なり、動作周波数は変化しない。また、入力
電圧の変化や負荷状態の変化があったときは、出力電圧
検出，調節回路６およびパルス幅変調制御回路１４は半
導体スイッチ素子９１，９２のパルス幅を変化させ（オ
ンデューティを変化させ）、出力電圧を一定とするよう
に動作する。この動作は図８（ｂ）と同じであるが、図
３では、コンデンサ４の容量と変圧器２のもれインダク
タンスとの共振周波数を半導体スイッチ素子９１，９２
の動作周波数よりも僅かに高くし、コンデンサ４の電圧
を正弦波状に変化させる。これにより、パルス幅変調制
御を適用しながら、低入力電圧，重負荷時は半導体スイ
ッチ素子９１，９２の遮断電流を低く抑え、高入力電
圧，軽負荷時にも動作周波数が一定であるため、半導体
スイッチ素子９１，９２のスイッチング損失や変圧器の
損失は増加しない。

【００１６】図２に図１の変形例を示す。これは、直流
電源１の正極側端子を半導体スイッチ素子９２に、負極
側端子を半導体スイッチ素子９１にそれぞれ接続した点
が特徴であり、機能的には図１と全く同じなので説明は
省略する。

【００１７】図４はこの発明の第２の実施の形態を示す
構成図である。図１との相違点は、変圧器二次巻線２３
およびダイオード８２を省略した点にあり、したがっ
て、変圧器二次巻線２２のみから電力が供給されること
になる。その結果、半導体スイッチ素子９２がオンして
いる期間に、負荷に電力が供給されることはない。

【００１８】図５に図４の変形例を示す。これは、直流
電源１の正極側端子を半導体スイッチ素子９２に、負極
側端子を半導体スイッチ素子９１にそれぞれ接続した点
が特徴であり、機能的には図４と全く同じなので説明は
省略する。

【００１９】

【発明の効果】この発明によれば、入力電圧変化や負荷
の変化に対して、現在一般に適用され簡単に入手可能な
パルス幅変調方式の制御ＩＣが使用できる。また、高入
力電圧，軽負荷時に動作周波数が高くならないため、高
効率が維持できる。さらに、コンデンサ４の容量と変圧
器２のもれインダクタンスとの共振周波数を半導体スイ
ッチ素子９１，９２の動作周波数よりも僅かに高くし、
コンデンサ４の電圧を正弦波状に変化させることによ
り、パルス幅変調制御を適用しながら、低入力電圧，重
負荷時は半導体スイッチ素子９１，９２の遮断電流を低
く抑えることができる。

【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構成図であ
る。

【図２】図１の変形例を示す構成図である。

【図３】図１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２の実施の形態を示す構成図であ
る。

【図５】図４の変形例を示す構成図である。

【図６】従来例を示す構成図である。

【図７】図６の動作を説明するための波形図である。

【図８】図６で周波数変調制御回路の代わりにパルス幅
変調制御回路を用いた場合の動作を説明するための波形
図である。

【符号の説明】

１…直流電源、２…変圧器、２１…変圧器一次巻線、２
２，２３…変圧器二次巻線、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、８
１，８２…ダイオード、９１，９２…半導体スイッチ素
子、１４…パルス幅変調制御回路、１５…周波数変調制
御回路。

Claims (2)

【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別の直流出
   力に変換する直流−直流変換装置において、 前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器
   一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、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、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間
   に並列に接続し、前記変圧器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，調節回路およびパルス幅変調制御回路を介して、前
   記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッ
   チ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記第１，第
   ２の半導体スイッチ素子の動作周波数を、前記第１のコ
   ンデンサ容量と前記変圧器もれインダクタンスとの共振
   周波数よりも高くし、前記第１のコンデンサ電圧を正弦
   波状に動作させる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別の直流出
   力に変換する直流−直流変換装置において、 前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器
   一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、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、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間
   に並列に接続し、第１の変圧器二次巻線の一方の端子に
   は、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、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のダイオードの各カソー
   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，調節回路およびパルス幅変調制御回路
   を介して、前記第１の半導体スイッチ素子および第２の
   半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、
   前記第１，第２の半導体スイッチ素子の動作周波数を、
   前記第１のコンデンサ容量と前記変圧器もれインダクタ
   ンスとの共振周波数よりも高くし、前記第１のコンデン
   サ電圧を正弦波状に動作させることを特徴とする直流−
   直流変換装置。