JP2004064859A - Dc/dcコンバータの制御方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】DC/DCコンバータを構成するトランスの励磁インダクタンスを大きくしてもスイッチング周波数の上昇を抑制できるようにし、軽負荷時の効率を向上させる。
【解決手段】直流電源10の正極と負極との間にスイッチ素子1,2の直列回路を接続するとともに、スイッチ素子2と並列にコンデンサ3と変圧器1次巻線6との直列回路を接続し、スイッチ素子1,2をオン,オフさせ変圧器9の2次巻線7,8に発生する正負の電圧を全波整流して直流出力を得るDC/DCコンバータで、駆動回路18によりスイッチ素子1,2のスイッチング周波数とオン,オフ比の両方を変化させて制御することにより、トランスの励磁インダクタンスを小さくする必要性を無くす。
【選択図】    図1

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ハーフブリッジ構成の直流/直流変換器(DC/DCコンバータともいう)の制御方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5に従来のDC/DCコンバータの構成例を示す。
すなわち、直流電源10と並列にMOSFET(金属酸化物半導体形電界効果トランジスタ)1とMOSFET2との直列回路を接続し、コンデンサ3と変圧器9の1次巻線6との直列回路およびスナバコンデンサ4を、MOSFET2とそれぞれ並列に接続し、変圧器9の2次巻線7,8にはダイオード11,12とコンデンサ5からなる整流平滑回路を接続する。また、出力電圧検出回路16と三角波発生回路14により、出力電圧Vout(Vo)と出力電圧設定値との偏差に応じて周波数が変化する三角波を発生させ、比較器15でオンオフ比設定回路13から出力される値と比較し、駆動回路18にて2つのMOSFETをオン,オフ比50%一定で、交互にスイッチングさせている。
このように、2つのMOSFETをオン,オフ比固定でスイッチング周波数Fsを変化させることで、出力電圧の制御を行なっている。なお、上記DC/DCコンバータは、電流共振形DC/DCコンバータと呼ばれる一般的なもので動作も一般的なので、その詳細な説明は省略する。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来方式では軽負荷時のスイッチング周波数の大幅な上昇を抑制するために、変圧器の励磁インダクタンスを小さくする必要があった。
図6に、図5の従来例におけるスイッチング周波数Fsとオン,オフ比Dとの関係例を示す。ここでは、直流電源電圧Ed=100Vと、Ed=400Vの2つの場合を示す。つまり、従来は負荷条件および入力直流電源電圧値に応じて、若干のスイッチング周波数の変動があるものの、オン,オフ比Dは殆ど変化しないような特性になっている。
図7および図8に、定格負荷時と軽負荷時の各場合について、図5のMOSFET1,2に流れる電流IQ1,IQ2と、変圧器の2次側に接続する2つのダイオードに流れる電流の波形例を示す。
【0004】
このように、従来は軽負荷時のスイッチング周波数の大幅な上昇を抑制するために、変圧器の励磁インダクタンスを小さくした結果、定格負荷から軽負荷時まで変圧器に大きな励磁電流が流れ(図7,図8のIQ1,IQ2参照)、この励磁電流が無効電流となり、回路中のインピーダンス(MOSFETのオン抵抗,変圧器の巻線抵抗など)によって損失が発生し、軽負荷時の効率が低下すると言う問題がある。
したがって、この発明の課題は、軽負荷時におけるスイッチング周波数の上昇を抑制し、効率を向上させることにある。
【0005】
【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、直流電源の正極と負極間に2つのスイッチ素子の直列回路を接続するとともに、少なくとも1つのコンデンサと変圧器1次巻線との直列回路を前記スイッチ素子の一方に並列に接続し、2つのスイッチ素子をオン,オフすることにより、変圧器2次巻線に発生する正負の電圧を半波または全波整流して直流出力を得るDC/DCコンバータにおいて、
前記2つのスイッチ素子のスイッチング周波数とオン,オフ比との双方を変化させて制御することを特徴とする。
【0006】
上記請求項1の発明においては、前記2つのスイッチ素子のオン,オフ比を出力電圧に応じて変化させ、スイッチング周波数を直流電源電圧に応じて変化させることができ、(請求項2の発明)、または、前記オン,オフ比を固定した状態でスイッチング周波数を変化させる制御を主として行ない、スイッチング周波数が所定値になったらその値以上にならないよう、スイッチング周波数を固定した状態でオン,オフ比を変化させることができる(請求項3の発明)。
【0007】
【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回路図である。
主回路は従来と同様であり、相違点は電圧検出回路17を付加してその出力を三角波発生回路14に入力した点、および電圧検出回路16の出力をオンオフ比発生回路13にも入力するようにした点にある。また、図2は、出力Po(電圧Voと電流ID11,ID12との積)に対するスイッチング周波数FsとMOSFETのオン,オフ比Dの特性例を、直流電源電圧Ed=100VとEd=400Vの場合について説明している。
【0008】
上記の回路では、電圧検出回路17を介して検出される入力直流電源電圧Edに応じて三角波発生回路14の三角波の発振周波数、すなわちスイッチング周波数Fsを変化させるとともに(Ed=100Vのときと、400Vのときとで周波数Fsを変えている)、電圧検出回路16を介して検出される出力電圧Voに応じて2つのMOSFET1,2のオンオフ比Dを図2のように調整する(変化させる)ことで、出力電圧Voを制御する。このとき、スイッチング周波数Fsは、任意の直流電源電圧Edの場合において、定格負荷時にオン,オフ比が50%付近となるように予め設定する。これは、一般に、この発明の制御対象となるDC/DCコンバータは、オン,オフ比Dが50%付近で効率が最も良くなるためである。
【0009】
図3はこの発明の第2の実施の形態を示す回路図である。
主回路は従来と同様であり、相違点は電圧検出回路16の出力を三角波発生回路14だけでなく、オンオフ比発生回路13にも入力するようにした点にある。また、図4は出力Poに対するスイッチング周波数FsとMOSFETのオン,オフ比Dの特性例を、直流電源電圧Ed=400Vの場合について説明したものである。
このような構成では、オンオフ比Dを50%固定として、スイッチング周波数Fsを変化させることにより出力電圧Voを調整することを基本とし、軽負荷時等にスイッチング周波数Fsが或る限度値以上になったときは、図4に示すようにスイッチング周波数Fsを固定し、オン,オフ比Dを変化させて出力電圧Voを制御する。
【0010】
【発明の効果】
この発明によれば、変圧器の励磁インダクタンスを従来に比べて大きくしても、軽負荷時のスイッチング周波数の大幅な上昇を抑制し、変圧器励磁電流の大きさを小さくできるので、無効電流による発生損失を低減することができる。特に、軽負荷時の効率を向上させ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図である。
【図2】図1の場合の装置出力に対するスイッチング周波数とオン,オフ比の特性説明図である。
【図3】この発明の第2の実施の形態を示す回路図である。
【図4】図3の場合の装置出力に対するスイッチング周波数とオン,オフ比の特性説明図である。
【図5】従来例を示す回路図である。
【図6】図5の場合の装置出力に対するスイッチング周波数とオン,オフ比の特性説明図である。
【図7】図5における定格負荷時の動作波形図である。
【図8】図5における軽負荷時の動作波形図である。
【符号の説明】
1,2…MOSFET(金属酸化物半導体形電界効果トランジスタ)、3〜5…コンデンサ、6〜8…巻線、9…変圧器、10…直流電源、11,12…ダイオード、13…オンオフ比決定回路、14…三角波発生回路、15…比較器、16,17…電圧検出回路、18…駆動回路。

Claims (3)

  1. 直流電源の正極と負極間に2つのスイッチ素子の直列回路を接続するとともに、少なくとも1つのコンデンサと変圧器1次巻線との直列回路を前記スイッチ素子の一方に並列に接続し、2つのスイッチ素子をオン,オフすることにより、変圧器2次巻線に発生する正負の電圧を半波または全波整流して直流出力を得るDC/DCコンバータにおいて、
    前記2つのスイッチ素子のスイッチング周波数とオン,オフ比との双方を変化させて制御することを特徴とするDC/DCコンバータの制御方法。
  2. 前記2つのスイッチ素子のオン,オフ比を出力電圧に応じて変化させ、スイッチング周波数を直流電源電圧に応じて変化させることを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータの制御方法。
  3. 前記オン,オフ比を固定した状態でスイッチング周波数を変化させる制御を主として行ない、スイッチング周波数が所定値になったらその値以上にならないよう、スイッチング周波数を固定した状態でオン,オフ比を変化させることを特徴とする請求項1に記載のDC/DCコンバータの制御方法。
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