JP2004282918A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】ＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器二次巻線に設けられる平滑コンデンサの容量を低減し、装置の小型化を図る。
【解決手段】半導体スイッチ２がオンの期間に変圧器９の一次巻線７に励磁エネルギーを蓄積し、この蓄積されたエネルギーを半導体スイッチ２がオフの期間に放出して電力変換を行なうフライバック形のＤＣ／ＤＣコンバータに対し、三次巻線１０とリアクトル１２を設けることで、変圧器励磁期間にも還流電流を流し、非励磁期間中の電流傾斜を緩やかにすることにより、平滑コンデンサ５に流入するリプル電流を低減し、容量の低減化と装置全体の小型化とを図る。
【選択図】 図１
【解決手段】半導体スイッチ２がオンの期間に変圧器９の一次巻線７に励磁エネルギーを蓄積し、この蓄積されたエネルギーを半導体スイッチ２がオフの期間に放出して電力変換を行なうフライバック形のＤＣ／ＤＣコンバータに対し、三次巻線１０とリアクトル１２を設けることで、変圧器励磁期間にも還流電流を流し、非励磁期間中の電流傾斜を緩やかにすることにより、平滑コンデンサ５に流入するリプル電流を低減し、容量の低減化と装置全体の小型化とを図る。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体スイッチを用いて直流電圧を一旦交流電圧に変換し、再び直流電圧とする直流間接変換回路、特に、フライバック形の直流−直流変換回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４にこの種の従来例を示す（例えば、非特許文献１参照）。
同図において、１は交流電源（Ｅ）、２は半導体スイッチ（Ｑ）、３は変圧器（Ｔｒ１）、４はダイオード（Ｄ１）、５は平滑コンデンサ（Ｃｏ）、６は負荷、７は変圧器一次巻線（Ｎ１）、８は変圧器二次巻線（Ｎ２）である。
図４の回路では、半導体スイッチ２（Ｑ）がオンしているときは、ダイオード４（Ｄ１）がオンしないような構成となっている。このため、変圧器３（Ｔｒ１）の一次側にのみ電流が流れ、励磁エネルギーが蓄えられる。半導体スイッチ２（Ｑ）がオフすると、一次巻線７（Ｎ１）の電圧極性が反転し、励磁エネルギーが平滑コンデンサ５（Ｃｏ）に放出される。
【０００３】
上記従来例で用いられている平滑コンデンサ５（Ｃｏ）の静電容量は、これに流入する電流リプルによって決まる。
図５にそのコンデンサ入力電流波形例を示す。すなわち、変圧器励磁期間中の二次電流ＩＤ１はゼロであり、励磁完了後に一次電流相当の電流をスタートとしてＶｏｕｔ／Ｌｍの傾きで電流がゼロまで低下する。ここに、Ｖｏｕｔは平滑コンデンサ電圧、Ｌｍは変圧器の励磁インダクタンス（二次換算値）である。図示のように、コンデンサ電流ＩＤ１は断続となるため電流リプルは大きくなり、その結果、容量の大きなコンデンサが必要になる。なお、図５のＶｔ，Ｉｔは変圧器一次巻線の電圧，電流である。
【０００４】
【非特許文献１】
社団法人 電気学会編、（株）オーム社、１９８７年３月３１日発行、
「半導体電力変換回路」ｐ．２９９、第１３章２．３項、フライバック形変換回路
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、この発明で解決しようとする課題は、平滑コンデンサに流入するリプル電流を低減することにより、平滑コンデンサを小型化し装置全体の小型化を図ることにある。
【０００６】
【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、半導体スイッチおよび変圧器により直流電圧を一旦交流電圧に変換した後、絶縁された直流電圧に変換する直流間接変換装置であって、変圧器の励磁期間中に励磁エネルギーを蓄え、この蓄えたエネルギーを非励磁期間中に放出することで電力変換を行なうＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記変圧器に三次巻線を設け、その巻線にダイオードを直列に接続した直列回路を、変圧器の励磁期間中にカットオフされるダイオードと並列に接続し、さらに変圧器の二次側に設けられた平滑コンデンサと変圧器二次巻線との間にリアクトルを直列接続することを特徴とする。
【０００７】
上記のようにすることで、変圧器励磁期間においても還流電流を流すとともに、非励磁期間中の電流傾斜を平滑リアクトルと変圧器励磁インダクタンスとの加算値で抑制することにより、平滑コンデンサに流入する電流リプルを低減させる。
その請求項１の発明においては、前記変圧器の二次側に設けられた平滑コンデンサと変圧器二次巻線との間に直列接続するリアクトルを、変圧器二次巻線の漏れインダクタンスで構成することができる（請求項２の発明）。このように、平滑リアクトルとして変圧器二次巻線の漏れインダクタンスを利用すれば、平滑リアクトルが不要となり構成部品を低減することができる。
【０００８】
【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。
図示のように変圧器三次巻線１０（Ｎ３）を設け、その両端にカソードを共通とし、逆直列接続されたダイオード４，１１（Ｄ１，Ｄ２）のアノード端子を接続した点が特徴である。また、変圧器二次巻線８（Ｎ２）の片側端子には、上記ダイオード４，１１（Ｄ１，Ｄ２）の逆直列接続点を接続し、他方をリアクトル１２（Ｌｆ）の片方の端子に接続する。
【０００９】
さらに、リアクトル１２（Ｌｆ）の他方の端子は直流平滑コンデンサ５（Ｃｏ）の片方の端子に接続し、コンデンサ５（Ｃｏ）の他方の端子は、変圧器三次巻線１０（Ｎ３）のダイオード４（Ｄ１）のアノードと接続した端子に接続する。この例では、二次巻線８（Ｎ２）とダイオード４（Ｄ１）が、図４に示す従来のフライバック回路の二次回路に示される二次巻線８（Ｎ２）とダイオード４（Ｄ１）と等価になる。なお、各巻線のドットは巻線の始めを示し、他の図についても同様である。
【００１０】
図１の動作について説明する。
まず、半導体スイッチ２（Ｑ）をオンすると変圧器９（Ｔｒ２）が励磁され、二次巻線８（Ｎ２）および三次巻線１０（Ｎ３）に巻数比相当の電圧が発生する。二次巻線８（Ｎ２）の励磁によりダイオード４（Ｄ１）はカットオフされるため、通流ルートは平滑リアクトル１２（Ｌｆ）→平滑コンデンサ５（Ｃｏ）→三次巻線１０（Ｎ３）→整流ダイオード１１（Ｄ２）→二次巻線８（Ｎ２）→平滑リアクトル１２（Ｌｆ）となる。二次巻線と三次巻線のドットは通流ルート上で逆極性となっているため、各電圧はキャンセル方向に働く。このときの電流傾斜は次式で示される。
ΔＩ／Δｔ＝Ｖｏ＋（ＶＮ２−ＶＮ３）／Ｌｆ
ここに、ＶＮ２，ＶＮ３はそれぞれ二次巻線，三次巻線の電圧を示す。
【００１１】
二次巻線Ｎ２，三次巻線Ｎ３の巻数を同一としたときの動作波形を図２に示す。
すなわち、励磁期間中に発生する二次巻線Ｎ２と三次巻線Ｎ３の電圧はキャンセルされ、平滑リアクトル１２（Ｌｆ）のエネルギーで還流することになる。このときの電流傾斜は、次式となる。
ΔＩ／Δｔ＝Ｖｏ／Ｌｆ
また、このとき変圧器一次側には励磁電流Ｉｔのみが流れ、励磁エネルギーが蓄えられる。
【００１２】
次に、半導体スイッチ２（Ｑ）がオフすると、各巻線の電圧極性が反転するため整流ダイオード１１（Ｄ２）がカットオフされるため、通流ルートは平滑リアクトル１２（Ｌｆ）→平滑コンデンサ５（Ｃｏ）→整流ダイオード４（Ｄ１）→二次巻線８（Ｎ２）→平滑リアクトル１２（Ｌｆ）となり、励磁エネルギーが平滑コンデンサ５（Ｃｏ）に放出される。このときの電流傾斜は、次式のようになる。
ΔＩ／Δｔ＝Ｖｏ／（Ｌｆ＋Ｌｍ）
【００１３】
図１のようにすることで、図２に電流ＩＬｆで示すように、励磁期間中にも平滑リアクトル１２（Ｌｆ）に電流が流れるだけでなく、非励磁期間中のフライバック電流の傾斜も緩やかになるので、平滑コンデンサ５（Ｃｏ）に流入するリプル電流波形（交流成分の電流）を、従来のフライバック形に比べて低減することが可能となる。
【００１４】
図３に図１の変形例を示す。
これは、図１のリアクトルＬｆ（１２）として変圧器二次巻線（フライバック動作用巻線）の漏れインダクタンス１４を利用するもので、機能，作用は図１の場合と同様である。これにより、追加部品としてのリアクトルＬｆを不要にすることができる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、励磁期間中にも平滑リアクトルには電流が流れ、非励磁期間中のフライバック電流の傾斜も緩やかになることから、平滑コンデンサに流入するリプル電流波形（交流成分の電流）を、従来のフライバック形に比べて低減することができ、その結果、平滑コンデンサの容量が低減でき、コンデンサと装置全体の小型化が可能となる。
また、請求項２の発明によれば、変圧器の漏れインダクタンスを利用することで、追加のリアクトルが不要になり、変圧器の補助巻線および整流ダイオードを追加するだけで、請求項１の発明と同等の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路図
【図２】図１の動作説明図
【図３】図１の変形例を示す回路図
【図４】従来例を示す回路図
【図５】図４の動作説明図
【符号の説明】
１…直流電圧（Ｅ）、２…半導体スイッチ（Ｑ）、３，９，１３…変圧器（Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３）、４，１１…ダイオード（Ｄ１，Ｄ２）、５…平滑コンデンサ（Ｃｏ）、６…負荷、７…変圧器一次巻線（Ｎ１）、８…変圧器二次巻線（Ｎ２）、１０…変圧器三次巻線（Ｎ３）、１２…リアクトル（Ｌｆ）、１４…変圧器漏れインダクタンス（Ｌ）。
【発明の属する技術分野】
この発明は、半導体スイッチを用いて直流電圧を一旦交流電圧に変換し、再び直流電圧とする直流間接変換回路、特に、フライバック形の直流−直流変換回路（ＤＣ／ＤＣコンバータ）に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４にこの種の従来例を示す（例えば、非特許文献１参照）。
同図において、１は交流電源（Ｅ）、２は半導体スイッチ（Ｑ）、３は変圧器（Ｔｒ１）、４はダイオード（Ｄ１）、５は平滑コンデンサ（Ｃｏ）、６は負荷、７は変圧器一次巻線（Ｎ１）、８は変圧器二次巻線（Ｎ２）である。
図４の回路では、半導体スイッチ２（Ｑ）がオンしているときは、ダイオード４（Ｄ１）がオンしないような構成となっている。このため、変圧器３（Ｔｒ１）の一次側にのみ電流が流れ、励磁エネルギーが蓄えられる。半導体スイッチ２（Ｑ）がオフすると、一次巻線７（Ｎ１）の電圧極性が反転し、励磁エネルギーが平滑コンデンサ５（Ｃｏ）に放出される。
【０００３】
上記従来例で用いられている平滑コンデンサ５（Ｃｏ）の静電容量は、これに流入する電流リプルによって決まる。
図５にそのコンデンサ入力電流波形例を示す。すなわち、変圧器励磁期間中の二次電流ＩＤ１はゼロであり、励磁完了後に一次電流相当の電流をスタートとしてＶｏｕｔ／Ｌｍの傾きで電流がゼロまで低下する。ここに、Ｖｏｕｔは平滑コンデンサ電圧、Ｌｍは変圧器の励磁インダクタンス（二次換算値）である。図示のように、コンデンサ電流ＩＤ１は断続となるため電流リプルは大きくなり、その結果、容量の大きなコンデンサが必要になる。なお、図５のＶｔ，Ｉｔは変圧器一次巻線の電圧，電流である。
【０００４】
【非特許文献１】
社団法人 電気学会編、（株）オーム社、１９８７年３月３１日発行、
「半導体電力変換回路」ｐ．２９９、第１３章２．３項、フライバック形変換回路
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
したがって、この発明で解決しようとする課題は、平滑コンデンサに流入するリプル電流を低減することにより、平滑コンデンサを小型化し装置全体の小型化を図ることにある。
【０００６】
【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、半導体スイッチおよび変圧器により直流電圧を一旦交流電圧に変換した後、絶縁された直流電圧に変換する直流間接変換装置であって、変圧器の励磁期間中に励磁エネルギーを蓄え、この蓄えたエネルギーを非励磁期間中に放出することで電力変換を行なうＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記変圧器に三次巻線を設け、その巻線にダイオードを直列に接続した直列回路を、変圧器の励磁期間中にカットオフされるダイオードと並列に接続し、さらに変圧器の二次側に設けられた平滑コンデンサと変圧器二次巻線との間にリアクトルを直列接続することを特徴とする。
【０００７】
上記のようにすることで、変圧器励磁期間においても還流電流を流すとともに、非励磁期間中の電流傾斜を平滑リアクトルと変圧器励磁インダクタンスとの加算値で抑制することにより、平滑コンデンサに流入する電流リプルを低減させる。
その請求項１の発明においては、前記変圧器の二次側に設けられた平滑コンデンサと変圧器二次巻線との間に直列接続するリアクトルを、変圧器二次巻線の漏れインダクタンスで構成することができる（請求項２の発明）。このように、平滑リアクトルとして変圧器二次巻線の漏れインダクタンスを利用すれば、平滑リアクトルが不要となり構成部品を低減することができる。
【０００８】
【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。
図示のように変圧器三次巻線１０（Ｎ３）を設け、その両端にカソードを共通とし、逆直列接続されたダイオード４，１１（Ｄ１，Ｄ２）のアノード端子を接続した点が特徴である。また、変圧器二次巻線８（Ｎ２）の片側端子には、上記ダイオード４，１１（Ｄ１，Ｄ２）の逆直列接続点を接続し、他方をリアクトル１２（Ｌｆ）の片方の端子に接続する。
【０００９】
さらに、リアクトル１２（Ｌｆ）の他方の端子は直流平滑コンデンサ５（Ｃｏ）の片方の端子に接続し、コンデンサ５（Ｃｏ）の他方の端子は、変圧器三次巻線１０（Ｎ３）のダイオード４（Ｄ１）のアノードと接続した端子に接続する。この例では、二次巻線８（Ｎ２）とダイオード４（Ｄ１）が、図４に示す従来のフライバック回路の二次回路に示される二次巻線８（Ｎ２）とダイオード４（Ｄ１）と等価になる。なお、各巻線のドットは巻線の始めを示し、他の図についても同様である。
【００１０】
図１の動作について説明する。
まず、半導体スイッチ２（Ｑ）をオンすると変圧器９（Ｔｒ２）が励磁され、二次巻線８（Ｎ２）および三次巻線１０（Ｎ３）に巻数比相当の電圧が発生する。二次巻線８（Ｎ２）の励磁によりダイオード４（Ｄ１）はカットオフされるため、通流ルートは平滑リアクトル１２（Ｌｆ）→平滑コンデンサ５（Ｃｏ）→三次巻線１０（Ｎ３）→整流ダイオード１１（Ｄ２）→二次巻線８（Ｎ２）→平滑リアクトル１２（Ｌｆ）となる。二次巻線と三次巻線のドットは通流ルート上で逆極性となっているため、各電圧はキャンセル方向に働く。このときの電流傾斜は次式で示される。
ΔＩ／Δｔ＝Ｖｏ＋（ＶＮ２−ＶＮ３）／Ｌｆ
ここに、ＶＮ２，ＶＮ３はそれぞれ二次巻線，三次巻線の電圧を示す。
【００１１】
二次巻線Ｎ２，三次巻線Ｎ３の巻数を同一としたときの動作波形を図２に示す。
すなわち、励磁期間中に発生する二次巻線Ｎ２と三次巻線Ｎ３の電圧はキャンセルされ、平滑リアクトル１２（Ｌｆ）のエネルギーで還流することになる。このときの電流傾斜は、次式となる。
ΔＩ／Δｔ＝Ｖｏ／Ｌｆ
また、このとき変圧器一次側には励磁電流Ｉｔのみが流れ、励磁エネルギーが蓄えられる。
【００１２】
次に、半導体スイッチ２（Ｑ）がオフすると、各巻線の電圧極性が反転するため整流ダイオード１１（Ｄ２）がカットオフされるため、通流ルートは平滑リアクトル１２（Ｌｆ）→平滑コンデンサ５（Ｃｏ）→整流ダイオード４（Ｄ１）→二次巻線８（Ｎ２）→平滑リアクトル１２（Ｌｆ）となり、励磁エネルギーが平滑コンデンサ５（Ｃｏ）に放出される。このときの電流傾斜は、次式のようになる。
ΔＩ／Δｔ＝Ｖｏ／（Ｌｆ＋Ｌｍ）
【００１３】
図１のようにすることで、図２に電流ＩＬｆで示すように、励磁期間中にも平滑リアクトル１２（Ｌｆ）に電流が流れるだけでなく、非励磁期間中のフライバック電流の傾斜も緩やかになるので、平滑コンデンサ５（Ｃｏ）に流入するリプル電流波形（交流成分の電流）を、従来のフライバック形に比べて低減することが可能となる。
【００１４】
図３に図１の変形例を示す。
これは、図１のリアクトルＬｆ（１２）として変圧器二次巻線（フライバック動作用巻線）の漏れインダクタンス１４を利用するもので、機能，作用は図１の場合と同様である。これにより、追加部品としてのリアクトルＬｆを不要にすることができる。
【００１５】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、励磁期間中にも平滑リアクトルには電流が流れ、非励磁期間中のフライバック電流の傾斜も緩やかになることから、平滑コンデンサに流入するリプル電流波形（交流成分の電流）を、従来のフライバック形に比べて低減することができ、その結果、平滑コンデンサの容量が低減でき、コンデンサと装置全体の小型化が可能となる。
また、請求項２の発明によれば、変圧器の漏れインダクタンスを利用することで、追加のリアクトルが不要になり、変圧器の補助巻線および整流ダイオードを追加するだけで、請求項１の発明と同等の効果を得ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の実施の形態を示す回路図
【図２】図１の動作説明図
【図３】図１の変形例を示す回路図
【図４】従来例を示す回路図
【図５】図４の動作説明図
【符号の説明】
１…直流電圧（Ｅ）、２…半導体スイッチ（Ｑ）、３，９，１３…変圧器（Ｔｒ１，Ｔｒ２，Ｔｒ３）、４，１１…ダイオード（Ｄ１，Ｄ２）、５…平滑コンデンサ（Ｃｏ）、６…負荷、７…変圧器一次巻線（Ｎ１）、８…変圧器二次巻線（Ｎ２）、１０…変圧器三次巻線（Ｎ３）、１２…リアクトル（Ｌｆ）、１４…変圧器漏れインダクタンス（Ｌ）。
Claims (2)
- 半導体スイッチおよび変圧器により直流電圧を一旦交流電圧に変換した後、絶縁された直流電圧に変換する直流間接変換装置であって、変圧器の励磁期間中に励磁エネルギーを蓄え、この蓄えたエネルギーを非励磁期間中に放出することで電力変換を行なうＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
前記変圧器に三次巻線を設け、その巻線にダイオードを直列に接続した直列回路を、変圧器の励磁期間中にカットオフされるダイオードと並列に接続し、さらに変圧器の二次側に設けられた平滑コンデンサと変圧器二次巻線との間にリアクトルを直列接続することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。 - 前記変圧器の二次側に設けられた平滑コンデンサと変圧器二次巻線との間に直列接続するリアクトルを、変圧器二次巻線の漏れインダクタンスで構成することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003071662A JP2004282918A (ja) | 2003-03-17 | 2003-03-17 | Ｄｃ／ｄｃコンバータ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2003071662A JP2004282918A (ja) | 2003-03-17 | 2003-03-17 | Ｄｃ／ｄｃコンバータ |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2004282918A true JP2004282918A (ja) | 2004-10-07 |
Family
ID=33288042
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2003071662A Pending JP2004282918A (ja) | 2003-03-17 | 2003-03-17 | Ｄｃ／ｄｃコンバータ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004282918A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007508000A (ja) * | 2003-10-01 | 2007-03-29 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | 変圧器のためのリップル電流低減 |
| JPWO2010010761A1 (ja) * | 2008-07-23 | 2012-01-05 | 株式会社村田製作所 | 絶縁型スイッチング電源装置 |
-
2003
- 2003-03-17 JP JP2003071662A patent/JP2004282918A/ja active Pending
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007508000A (ja) * | 2003-10-01 | 2007-03-29 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | 変圧器のためのリップル電流低減 |
| JP4920417B2 (ja) * | 2003-10-01 | 2012-04-18 | ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ | 変圧器のためのリップル電流低減 |
| JPWO2010010761A1 (ja) * | 2008-07-23 | 2012-01-05 | 株式会社村田製作所 | 絶縁型スイッチング電源装置 |
| JP5018960B2 (ja) * | 2008-07-23 | 2012-09-05 | 株式会社村田製作所 | 絶縁型スイッチング電源装置 |
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