JP2005020948A - Dc−dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】本発明の課題は、スイッチング素子を減少して小型化を可能にし、またスイッチング損失を低減でき、さらに出力および入力のノイズを低減できるDC−DCコンバータを提供することにある。
【解決手段】本発明は、直流電圧源に接続され交流に変換する2対のFET12,13と15,16を180°ずつ位相をずらしてオン・オフし、各々1対のFET12と13、15と16を互いに逆相でオン・オフし、トランス14,17で昇圧した後、整流・平滑するものである。
【選択図】 図1
【解決手段】本発明は、直流電圧源に接続され交流に変換する2対のFET12,13と15,16を180°ずつ位相をずらしてオン・オフし、各々1対のFET12と13、15と16を互いに逆相でオン・オフし、トランス14,17で昇圧した後、整流・平滑するものである。
【選択図】 図1
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばレーダ装置や、コンピュータのCPU(Central Processing Unit)等の低電圧、大電流機器用として使用されるDC−DCコンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の技術では20Aを超えるような大電流のDC−DCコンバータは出力を平滑するために、大型のチョークコイル、大型のコンデンサを必要とした。これにより、DC−DCコンバータ自体が大型化し、質量が増大していた。これを解決するために、スイッチング周波数を上げた場合、チョークコイルおよび、コンデンサは小型化されるが、スイッチング損失が増加し、それを放熱するための放熱器が大きくなり、DC−DCコンバータ自体の小型化、軽量化は難しくなる。また、共振のために外部にコンデンサやインダクタンスを追加して、ゼロ電圧スイッチング回路を構成し、スイッチング損失を低減する方法もあるが、回路が複雑になり、共振用素子に過大なストレスがかかるためにそれを実現することが困難であった。
【0003】
なお、ゼロ電圧スイッチング回路を用いた共振型DC−DCコンバータにつき述べた文献として、下記の非特許文献1がある。この文献には、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)技術を用いた出力固定型のDC−DCコンバータが記載されている。この文献に記載のDC−DCコンバータは12個のスイッチング素子を備え、各スイッチング素子をオン/オフする矩形波状の駆動信号のデューティーは固定値である。また、LとCの共振によりゼロ電圧スイッチを構成するものとなっている。
【0004】
【非特許文献1】
W.A.Reass et.al「OPERATIONAL RESULTS OF THE SPALLATION NEUTORN SOURCE(SNS) POLYPHASE CONVERTER−MODULATOR FOR THE 140KV KLYSTRON RF SYSTEM」Proceeding of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago P.1029−1031
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、スイッチング素子を減少して小型化を可能にし、またスイッチング損失を低減でき、さらに出力および入力のノイズを低減できるDC−DCコンバータを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、直流電圧源の供給電圧を電圧変換するDC−DCコンバータであって、直流電圧源の正極と負極間に直列に接続された第1のハイサイドスイッチおよび第1のローサイドスイッチと、前記直流電圧源の正極と負極間に直列に接続された第2のハイサイドスイッチおよび第2のローサイドスイッチと、前記第1のハイサイドスイッチと前記第1のローサイドスイッチの接続点に1次巻線の一方端が接続された第1のトランスと、前記第2のハイサイドスイッチと前記第2のローサイドスイッチの接続点に1次巻線の一方端が接続され、1次巻線の他方端が前記第1のトランスの1次巻線の他方端に接続された第2のトランスと、前記第1のトランスの2次巻線に接続される第1の整流器と、前記第2のトランスの2次巻線に接続される第2の整流器と、前記第1の整流器および前記第2の整流器の出力端に接続される平滑回路と、前記第1のハイサイドスイッチと前記第2のハイサイドスイッチを所定のスイッチング周波数のもとで互いに位相を180°ずらして順次オン/オフし、且つ前記前記第1のハイサイドスイッチと前記第1のローサイドスイッチを互いに逆相でオン/オフすると共に前記第2のハイサイドスイッチと前記第2のローサイドスイッチを互いに逆相でオン/オフするスイッチング制御手段とを具備することを特徴とするものである。
【0007】
また本発明は、前記DC−DCコンバータにおいて、入力電圧をVin、第1のトランスもしくは第2のトランスの励磁電流をIm、第1のハイサイドスイッチと第1のローサイドスイッチの寄生容量もしくは第2のハイサイドスイッチと第2のローサイドスイッチの寄生容量をCs、第1のトランスもしくは第2のトランスの1次側の漏れインダクタンスと配線のインダクタンスの合計をLsとし、Cs・Vin2<Ls・Im2であるとき、スイッチング制御手段として、第1のハイサイドスイッチもしくは第2のハイサイドスイッチがそれぞれオンする直前に、それぞれ直列に接続された第1のローサイドスイッチもしくは第2のローサイドスイッチをオフするスイッチング制御手段を用いることを特徴とするものである。
【0008】
また本発明は、前記DC−DCコンバータにおいて、スイッチング制御手段として、出力電圧を可変するようにハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチの時比率を変えるスイッチング制御手段を用いることを特徴とするものである。
【0009】
また本発明は、前記DC−DCコンバータにおいて、スイッチング制御手段として、出力電圧をスイッチング制御手段に帰還して出力電圧を安定化させるスイッチング制御手段を用いることを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【0011】
図1は本発明の実施形態例に係るDC−DCコンバータを示す回路図である。すなわち、直流電圧源11の正極には第1のハイサイドスイッチ例えばFET12のドレインが接続され、FET12のソースは第1のローサイドスイッチ例えばFET13のドレインに接続されると共に第1のトランス14の1次巻線の一方端に接続される。前記直流電圧源11の正極には第2のハイサイドスイッチ例えばFET15のドレインが接続され、FET15のソースは第2のローサイドスイッチ例えばFET16のドレインに接続されると共に第2のトランス17の1次巻線の一方端に接続される。前記FET13のソースおよび前記FET16のソースは共通にして直流電圧源11の負極に接続され、前記第1のトランス14の1次巻線の他方端は前記第2のトランス17の1次巻線の他方端に接続される。前記第1のトランス14の2次巻線の一方端は第1の整流器例えばダイオード18のアノードに接続され、ダイオード18のカソードは平滑回路例えばコンデンサ19の一端に接続されると共に一方の出力端子20に接続される。前記第2のトランス17の2次巻線の一方端は第2の整流器例えばダイオード21のアノードに接続され、ダイオード21のカソードは平滑回路例えばコンデンサ19の一端に接続されると共に一方の出力端子20に接続される。前記トランス14の2次巻線の他方端および前記トランス17の2次巻線の他方端は共通にしてコンデンサ19の他端に接続されると共に他方の出力端子22に接続される。
【0012】
前記FET12のゲートには駆動信号DRV Aが供給され、前記FET13のゲートには駆動信号DRV Bが供給され、前記FET15のゲートには駆動信号DRV Cが供給され、前記FET16のゲートには駆動信号DRV Dが供給される。前記駆動信号DRV A〜Dは図示しないスイッチング制御手段より供給され、FET12とFET15を所定のスイッチング周波数のもとで互いに位相を180°ずらして順次オン/オフし、且つFET12とFET13を互いに逆相でオン/オフすると共にFET15とFET16を互いに逆相でオン/オフするようにスイッチング制御される。
【0013】
図1において、23はDC−DCコンバータ、Vinは直流電圧源11から供給される入力電圧、+Vout,−Voutは出力端子20,22に抽出される出力電圧である。
【0014】
ここで、入力電圧をVin、出力電圧をVout、トランス14,17の1次巻線と2次巻線の巻数比n:1、時比率Dを
D=Ton/Ts………………………………………………………………(1)
Ts=Ton+Toff
D:0〜0.5
Ton:ハイサイドスイッチFET12,15のオン時間
Toff:ハイサイドスイッチFET12,15のオフ時間
としたときの、出力電圧の式(1)は下式となる。
【0015】
Vout=D・Vin/n……………………………………………………(2)
これより、スイッチング制御手段で時比率Dを変えることにより、出力電圧Voutを可変することができる。
【0016】
また、出力電圧Voutをスイッチング制御手段に帰還して、スイッチング制御手段により出力電圧を安定化することができる。
【0017】
また、時比率Dは0〜0.5について説明しているが0.5〜1についても同様の効果が得られる。
【0018】
尚、整流器例えばダイオードは第1のトランス14の2次巻線の他方端および第2のトランス17の2次巻線の他方端にそれぞれ逆極性に接続しても同様の効果が得られる。また、第1のトランス14の2次巻線および第2のトランス17の2次巻線にインダクタンス素子を挿入しても同様の効果が得られる。また、コンデンサ19の代わりにインダクタンス素子およびコンデンサで構成されたローパスフィルタを設けても同様の効果が得られる。
【0019】
図2は図1のDC−DCコンバータの各状態の等価回路図であり、図3は図1のDC−DCコンバータの各状態の各部波形を示す波形図である。
【0020】
すなわち、FET12,13,15,16の駆動信号であるDRV Aがハイレベル(FET12がオン)、DRV Bがローレベル(FET13がオフ)、DRV Cがローレベル(FET15がオフ)、DRV Dがハイレベル(FET16がオン)の状態を状態▲1▼、DRV Aがローレベル(FET12がオフ)、DRV Bがハイレベル(FET13がオン)、DRV Cがローレベル(FET15がオフ)、DRV Dがハイレベル(FET16がオン)の状態を状態▲2▼、DRV Aがローレベル(FET12がオフ)、DRV Bがハイレベル(FET13がオン)、DRV Cがハイレベル(FET15がオン)、DRV Dがローレベル(FET16がオフ)の状態を状態▲3▼、DRV Aがローレベル(FET12がオフ)、DRV Bがハイレベル(FET13がオン)、DRVCがローレベル(FET15がオフ)、DRV Dがハイレベル(FET16がオン)の状態を状態▲4▼とし、FET12,13,15,16の駆動信号DRVA〜Dは状態▲1▼→状態▲2▼→状態▲3▼→状態▲4▼→状態▲1▼…を繰り返す。図3において、Vt1は第1のトランス14の1次側に印加される電圧、Ip1は第1のトランス14の1次側に流れる電流(点線は第1のトランスの励磁電流)、Is1は第1のトランス14の2次側に流れる電流である。
【0021】
また、第1のトランス14、第2のトランス17の1次巻線と2次巻線の巻数比をn:1とする。
【0022】
なお、以降の説明では簡略化のため、第1のトランス14、第2のトランス17の1次側のFETおよび配線分の電圧降下、2次側のダイオードおよび配線分の電圧降下を無視し、第1のトランス14、第2のトランス17の結合は1とする。
【0023】
状態▲1▼のときは、第1のトランス14はトランスとして働き1次側には巻数比nと出力電圧Voutを乗じたnVoutの電圧が印加され、第2のトランス17はインダクタンスとして働き、Vin−nVoutの電圧が印加され、第1のトランス14と第2のトランス17は直列に接続されていることより、出力電流Ioの半分の電流を巻数比nで除した電流Io/2nがそれぞれ流れる。また、第1のトランス14はトランスの励磁電流+Imが流れる。第2のトランス17の2次側はダイオード21により電流は流れず、第1のトランス14の2次側は1次側に流れている電流に巻数比nを乗じた電流Io/2と、状態▲3▼で蓄えられた電流Io/2を加えた電流Ioが流れる。
【0024】
状態▲2▼のときは、第1のトランス14、第2のトランス17の1次側は極性が打ち消しあい、トランスの漏れインダクタンス、配線インダクタンスにより、励磁電流+Imが保持され続ける。第1のトランス14、第2のトランス17の2次側はインダクタンスとして働き、第1のトランス14は状態▲3▼で蓄えられた電流Io/2、第2のトランス17は状態▲1▼で蓄えられた電流Io/2を流し続ける。
【0025】
状態▲3▼のときは、第2のトランス17はトランスとして働き1次側には巻数比nと出力電圧Voutを乗じたnVoutの電圧が印加され、第1のトランス14はインダクタンスとして働き、Vin−nVoutの電圧が印加され、第1のトランス14と第2のトランス17は直列に接続されていることより、出力電流Ioの半分の電流を巻数比nで除した電流−Io/2nがそれぞれ流れる。また、第2のトランス17はトランスの励磁電流−Imが流れる。第1のトランス14の2次側はダイオード18により電流は流れず、第2のトランス17の2次側に1次側に流れている電流に巻数比nを乗じた電流Io/2と、状態▲1▼で蓄えられた電流Io/2を加えた電流Ioが流れる。
【0026】
状態▲4▼のときは、第1のトランス14、第2のトランス17の1次側は極性が打ち消しあい、トランスの漏れインダクタンス、配線インダクタンスにより、励磁電流−Imが保持され続ける。第1のトランス14、第2のトランス17の2次側はインダクタンスとして働き、第1のトランス14は状態▲3▼で蓄えられた電流Io/2、第2のトランス17は状態▲1▼で蓄えられた電流Io/2を流し続ける。
【0027】
また、駆動信号DRV Bが供給されるローサイドスイッチのFET13は、状態▲2▼と▲4▼の期間に励磁電流、状態▲3▼の期間に励磁電流にトランスに流れる電流Io/2nを加えた電流が流れる。同様に、駆動信号DRV Dが供給されるローサイドスイッチのFET16は、状態▲2▼と▲4▼の期間に励磁電流、状態▲1▼の期間に励磁電流にトランスに流れる電流Io/2nを加えた電流が流れる。
【0028】
この2つのローサイドスイッチのFET13,16は、ターンオンの直前に励磁電流の作用により、トランスに流れる電流Io/2nと逆向きに電流が流れており、FET13,16の寄生容量に蓄えている電荷は存在しないため、ゼロ電圧スイッチング動作となり、スイッチング損失を低減し、入力ノイズも低減できる。
【0029】
また、図2に示すように、駆動信号DRV Aが供給されるFET12は、状態▲1▼の期間に第1のトランス14に電流Io/2nが流れる。同様に、駆動信号DRV Cが供給されるFET15は、状態▲3▼の期間に第2のトランス17に電流Io/2nが流れる。
【0030】
ここで、この2つのハイサイドスイッチのFET12,15がオンする直前にそれぞれ、FET12,15と直列に接続されたローサイドスイッチのFET13,16をオフし、デッドタイム(Dead Time)期間を設けることにより、励磁電流がトランスの漏れインダクタンス、配線インダクタンスとスイッチング素子の寄生容量により共振し、ハイサイドスイッチのFET12,15がオンすることにより、ゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を低減し、入力ノイズも低減できる。
【0031】
図4は本発明の実施形態例に係るハイサイドスイッチのゼロ電圧スイッチングを説明するための等価回路図であり、図5は本発明の実施形態例に係るハイサイドスイッチのゼロ電圧スイッチングの各部波形を示す波形図である。
【0032】
すなわち、ハイサイドスイッチのFET12のゼロ電圧スイッチングについて説明すると、状態▲4▼では駆動信号DRV AがローレベルでハイサイドスイッチのFET12がオフ、駆動信号DRV BがハイレベルでローサイドスイッチのFET13がオンであり、FET12の両端には入力電圧Vinが印加され、FET13は導通して励磁電流Imが流れる。Cs/2はそれぞれFET12,13の寄生容量、Lsは第1のトランス14の1次側の漏れインダクタンスと配線インダクタンスの合計である。ここで、ハイサイドスイッチのFET12がオンする直前にローサイドスイッチのFET13をオフし、デッドタイム期間を設けて状態▲4▼→▲1▼になると、FET12,13は共にオフし、励磁電流Imがトランスの漏れインダクタンスおよび配線インダクタンスの合計LsとFET12,13の合計寄生容量Csにより共振周波数f0
【数1】
で共振し、FET12はゼロ電圧に降下する。このFET12がゼロ電圧の状態のときに、状態▲1▼になり駆動信号DRV AがハイレベルになってハイサイドスイッチのFET12がオンすることにより、ゼロ電圧スイッチングが可能となる。状態▲1▼ではハイサイドスイッチのFET12が導通して電流I0/2nが流れる。図5において、f1は
【数2】
である。図5において、V12はFET12の電圧波形、I12はFET12の電流波形である。
【0033】
なお、ハイサイドスイッチのFET15のゼロ電圧スイッチングについても、上記のFET12のゼロ電圧スイッチングと同様であるので説明を省略する。
【0034】
また、ハイサイドスイッチのFET12,15のゼロ電圧スイッチングの条件は、
Cs・Vin2<Ls・Im2…………………(3)
である。
【0035】
また、トランス14,17の2次側の整流器であるダイオード18もしくは21は反対側のダイオード21もしくは18がオンしたときにオフになれば良いため、電流のピーク値より低い値でオフすることにより、ダイオード18もしくは21のオフ直前の電流に依存するサージ電圧が低く抑えられるため、ダイオード18もしくは21のストレスが低減されると同時に出力ノイズも低減される。
【0036】
以上のように、直流電圧源に接続され直流を交流に変換する2対のスイッチを180度ずつ位相をずらし、オン・オフさせ、おのおの1対のスイッチはどちらかオンとなるように制御することにより、ローサイドスイッチはトランスの励磁電流を利用して、また、ハイサイドスイッチは1対のハイサイドスイッチとローサイドスイッチの両方とも短いオフ期間を設けることにより、ゼロ電圧スイッチングを可能にしてスイッチング損失を低減し、入力ノイズも低減することができる。また、トランスの2次側の整流器も、従来のDC−DCコンバータのように電流が最大になった時点でオフすることが無いため、トランスの2次側の整流器のストレスも少なくなる。
【0037】
なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【0038】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、スイッチング素子を減少して小型化を可能にし、またスイッチング損失を低減でき、さらに出力および入力のノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態例に係るDC−DCコンバータを示す回路図である。
【図2】図1のDC−DCコンバータの各状態の等価回路図である。
【図3】図1のDC−DCコンバータの各状態の各部波形を示す波形図である。
【図4】本発明の実施形態例に係るハイサイドスイッチのゼロ電圧スイッチングを説明するための等価回路図である。
【図5】本発明の実施形態例に係るハイサイドスイッチのゼロ電圧スイッチングの各部波形を示す波形図である。
【符号の説明】
11…直流電圧源、12,13,15,16…FET、14…第1のトランス、17…第2のトランス、18,21…ダイオード、19…コンデンサ、20,22…出力端子。
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばレーダ装置や、コンピュータのCPU(Central Processing Unit)等の低電圧、大電流機器用として使用されるDC−DCコンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の技術では20Aを超えるような大電流のDC−DCコンバータは出力を平滑するために、大型のチョークコイル、大型のコンデンサを必要とした。これにより、DC−DCコンバータ自体が大型化し、質量が増大していた。これを解決するために、スイッチング周波数を上げた場合、チョークコイルおよび、コンデンサは小型化されるが、スイッチング損失が増加し、それを放熱するための放熱器が大きくなり、DC−DCコンバータ自体の小型化、軽量化は難しくなる。また、共振のために外部にコンデンサやインダクタンスを追加して、ゼロ電圧スイッチング回路を構成し、スイッチング損失を低減する方法もあるが、回路が複雑になり、共振用素子に過大なストレスがかかるためにそれを実現することが困難であった。
【0003】
なお、ゼロ電圧スイッチング回路を用いた共振型DC−DCコンバータにつき述べた文献として、下記の非特許文献1がある。この文献には、パルス幅変調(PWM:Pulse Width Modulation)技術を用いた出力固定型のDC−DCコンバータが記載されている。この文献に記載のDC−DCコンバータは12個のスイッチング素子を備え、各スイッチング素子をオン/オフする矩形波状の駆動信号のデューティーは固定値である。また、LとCの共振によりゼロ電圧スイッチを構成するものとなっている。
【0004】
【非特許文献1】
W.A.Reass et.al「OPERATIONAL RESULTS OF THE SPALLATION NEUTORN SOURCE(SNS) POLYPHASE CONVERTER−MODULATOR FOR THE 140KV KLYSTRON RF SYSTEM」Proceeding of the 2001 Particle Accelerator Conference, Chicago P.1029−1031
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、スイッチング素子を減少して小型化を可能にし、またスイッチング損失を低減でき、さらに出力および入力のノイズを低減できるDC−DCコンバータを提供することを目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明は、直流電圧源の供給電圧を電圧変換するDC−DCコンバータであって、直流電圧源の正極と負極間に直列に接続された第1のハイサイドスイッチおよび第1のローサイドスイッチと、前記直流電圧源の正極と負極間に直列に接続された第2のハイサイドスイッチおよび第2のローサイドスイッチと、前記第1のハイサイドスイッチと前記第1のローサイドスイッチの接続点に1次巻線の一方端が接続された第1のトランスと、前記第2のハイサイドスイッチと前記第2のローサイドスイッチの接続点に1次巻線の一方端が接続され、1次巻線の他方端が前記第1のトランスの1次巻線の他方端に接続された第2のトランスと、前記第1のトランスの2次巻線に接続される第1の整流器と、前記第2のトランスの2次巻線に接続される第2の整流器と、前記第1の整流器および前記第2の整流器の出力端に接続される平滑回路と、前記第1のハイサイドスイッチと前記第2のハイサイドスイッチを所定のスイッチング周波数のもとで互いに位相を180°ずらして順次オン/オフし、且つ前記前記第1のハイサイドスイッチと前記第1のローサイドスイッチを互いに逆相でオン/オフすると共に前記第2のハイサイドスイッチと前記第2のローサイドスイッチを互いに逆相でオン/オフするスイッチング制御手段とを具備することを特徴とするものである。
【0007】
また本発明は、前記DC−DCコンバータにおいて、入力電圧をVin、第1のトランスもしくは第2のトランスの励磁電流をIm、第1のハイサイドスイッチと第1のローサイドスイッチの寄生容量もしくは第2のハイサイドスイッチと第2のローサイドスイッチの寄生容量をCs、第1のトランスもしくは第2のトランスの1次側の漏れインダクタンスと配線のインダクタンスの合計をLsとし、Cs・Vin2<Ls・Im2であるとき、スイッチング制御手段として、第1のハイサイドスイッチもしくは第2のハイサイドスイッチがそれぞれオンする直前に、それぞれ直列に接続された第1のローサイドスイッチもしくは第2のローサイドスイッチをオフするスイッチング制御手段を用いることを特徴とするものである。
【0008】
また本発明は、前記DC−DCコンバータにおいて、スイッチング制御手段として、出力電圧を可変するようにハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチの時比率を変えるスイッチング制御手段を用いることを特徴とするものである。
【0009】
また本発明は、前記DC−DCコンバータにおいて、スイッチング制御手段として、出力電圧をスイッチング制御手段に帰還して出力電圧を安定化させるスイッチング制御手段を用いることを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下図面を参照して本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
【0011】
図1は本発明の実施形態例に係るDC−DCコンバータを示す回路図である。すなわち、直流電圧源11の正極には第1のハイサイドスイッチ例えばFET12のドレインが接続され、FET12のソースは第1のローサイドスイッチ例えばFET13のドレインに接続されると共に第1のトランス14の1次巻線の一方端に接続される。前記直流電圧源11の正極には第2のハイサイドスイッチ例えばFET15のドレインが接続され、FET15のソースは第2のローサイドスイッチ例えばFET16のドレインに接続されると共に第2のトランス17の1次巻線の一方端に接続される。前記FET13のソースおよび前記FET16のソースは共通にして直流電圧源11の負極に接続され、前記第1のトランス14の1次巻線の他方端は前記第2のトランス17の1次巻線の他方端に接続される。前記第1のトランス14の2次巻線の一方端は第1の整流器例えばダイオード18のアノードに接続され、ダイオード18のカソードは平滑回路例えばコンデンサ19の一端に接続されると共に一方の出力端子20に接続される。前記第2のトランス17の2次巻線の一方端は第2の整流器例えばダイオード21のアノードに接続され、ダイオード21のカソードは平滑回路例えばコンデンサ19の一端に接続されると共に一方の出力端子20に接続される。前記トランス14の2次巻線の他方端および前記トランス17の2次巻線の他方端は共通にしてコンデンサ19の他端に接続されると共に他方の出力端子22に接続される。
【0012】
前記FET12のゲートには駆動信号DRV Aが供給され、前記FET13のゲートには駆動信号DRV Bが供給され、前記FET15のゲートには駆動信号DRV Cが供給され、前記FET16のゲートには駆動信号DRV Dが供給される。前記駆動信号DRV A〜Dは図示しないスイッチング制御手段より供給され、FET12とFET15を所定のスイッチング周波数のもとで互いに位相を180°ずらして順次オン/オフし、且つFET12とFET13を互いに逆相でオン/オフすると共にFET15とFET16を互いに逆相でオン/オフするようにスイッチング制御される。
【0013】
図1において、23はDC−DCコンバータ、Vinは直流電圧源11から供給される入力電圧、+Vout,−Voutは出力端子20,22に抽出される出力電圧である。
【0014】
ここで、入力電圧をVin、出力電圧をVout、トランス14,17の1次巻線と2次巻線の巻数比n:1、時比率Dを
D=Ton/Ts………………………………………………………………(1)
Ts=Ton+Toff
D:0〜0.5
Ton:ハイサイドスイッチFET12,15のオン時間
Toff:ハイサイドスイッチFET12,15のオフ時間
としたときの、出力電圧の式(1)は下式となる。
【0015】
Vout=D・Vin/n……………………………………………………(2)
これより、スイッチング制御手段で時比率Dを変えることにより、出力電圧Voutを可変することができる。
【0016】
また、出力電圧Voutをスイッチング制御手段に帰還して、スイッチング制御手段により出力電圧を安定化することができる。
【0017】
また、時比率Dは0〜0.5について説明しているが0.5〜1についても同様の効果が得られる。
【0018】
尚、整流器例えばダイオードは第1のトランス14の2次巻線の他方端および第2のトランス17の2次巻線の他方端にそれぞれ逆極性に接続しても同様の効果が得られる。また、第1のトランス14の2次巻線および第2のトランス17の2次巻線にインダクタンス素子を挿入しても同様の効果が得られる。また、コンデンサ19の代わりにインダクタンス素子およびコンデンサで構成されたローパスフィルタを設けても同様の効果が得られる。
【0019】
図2は図1のDC−DCコンバータの各状態の等価回路図であり、図3は図1のDC−DCコンバータの各状態の各部波形を示す波形図である。
【0020】
すなわち、FET12,13,15,16の駆動信号であるDRV Aがハイレベル(FET12がオン)、DRV Bがローレベル(FET13がオフ)、DRV Cがローレベル(FET15がオフ)、DRV Dがハイレベル(FET16がオン)の状態を状態▲1▼、DRV Aがローレベル(FET12がオフ)、DRV Bがハイレベル(FET13がオン)、DRV Cがローレベル(FET15がオフ)、DRV Dがハイレベル(FET16がオン)の状態を状態▲2▼、DRV Aがローレベル(FET12がオフ)、DRV Bがハイレベル(FET13がオン)、DRV Cがハイレベル(FET15がオン)、DRV Dがローレベル(FET16がオフ)の状態を状態▲3▼、DRV Aがローレベル(FET12がオフ)、DRV Bがハイレベル(FET13がオン)、DRVCがローレベル(FET15がオフ)、DRV Dがハイレベル(FET16がオン)の状態を状態▲4▼とし、FET12,13,15,16の駆動信号DRVA〜Dは状態▲1▼→状態▲2▼→状態▲3▼→状態▲4▼→状態▲1▼…を繰り返す。図3において、Vt1は第1のトランス14の1次側に印加される電圧、Ip1は第1のトランス14の1次側に流れる電流(点線は第1のトランスの励磁電流)、Is1は第1のトランス14の2次側に流れる電流である。
【0021】
また、第1のトランス14、第2のトランス17の1次巻線と2次巻線の巻数比をn:1とする。
【0022】
なお、以降の説明では簡略化のため、第1のトランス14、第2のトランス17の1次側のFETおよび配線分の電圧降下、2次側のダイオードおよび配線分の電圧降下を無視し、第1のトランス14、第2のトランス17の結合は1とする。
【0023】
状態▲1▼のときは、第1のトランス14はトランスとして働き1次側には巻数比nと出力電圧Voutを乗じたnVoutの電圧が印加され、第2のトランス17はインダクタンスとして働き、Vin−nVoutの電圧が印加され、第1のトランス14と第2のトランス17は直列に接続されていることより、出力電流Ioの半分の電流を巻数比nで除した電流Io/2nがそれぞれ流れる。また、第1のトランス14はトランスの励磁電流+Imが流れる。第2のトランス17の2次側はダイオード21により電流は流れず、第1のトランス14の2次側は1次側に流れている電流に巻数比nを乗じた電流Io/2と、状態▲3▼で蓄えられた電流Io/2を加えた電流Ioが流れる。
【0024】
状態▲2▼のときは、第1のトランス14、第2のトランス17の1次側は極性が打ち消しあい、トランスの漏れインダクタンス、配線インダクタンスにより、励磁電流+Imが保持され続ける。第1のトランス14、第2のトランス17の2次側はインダクタンスとして働き、第1のトランス14は状態▲3▼で蓄えられた電流Io/2、第2のトランス17は状態▲1▼で蓄えられた電流Io/2を流し続ける。
【0025】
状態▲3▼のときは、第2のトランス17はトランスとして働き1次側には巻数比nと出力電圧Voutを乗じたnVoutの電圧が印加され、第1のトランス14はインダクタンスとして働き、Vin−nVoutの電圧が印加され、第1のトランス14と第2のトランス17は直列に接続されていることより、出力電流Ioの半分の電流を巻数比nで除した電流−Io/2nがそれぞれ流れる。また、第2のトランス17はトランスの励磁電流−Imが流れる。第1のトランス14の2次側はダイオード18により電流は流れず、第2のトランス17の2次側に1次側に流れている電流に巻数比nを乗じた電流Io/2と、状態▲1▼で蓄えられた電流Io/2を加えた電流Ioが流れる。
【0026】
状態▲4▼のときは、第1のトランス14、第2のトランス17の1次側は極性が打ち消しあい、トランスの漏れインダクタンス、配線インダクタンスにより、励磁電流−Imが保持され続ける。第1のトランス14、第2のトランス17の2次側はインダクタンスとして働き、第1のトランス14は状態▲3▼で蓄えられた電流Io/2、第2のトランス17は状態▲1▼で蓄えられた電流Io/2を流し続ける。
【0027】
また、駆動信号DRV Bが供給されるローサイドスイッチのFET13は、状態▲2▼と▲4▼の期間に励磁電流、状態▲3▼の期間に励磁電流にトランスに流れる電流Io/2nを加えた電流が流れる。同様に、駆動信号DRV Dが供給されるローサイドスイッチのFET16は、状態▲2▼と▲4▼の期間に励磁電流、状態▲1▼の期間に励磁電流にトランスに流れる電流Io/2nを加えた電流が流れる。
【0028】
この2つのローサイドスイッチのFET13,16は、ターンオンの直前に励磁電流の作用により、トランスに流れる電流Io/2nと逆向きに電流が流れており、FET13,16の寄生容量に蓄えている電荷は存在しないため、ゼロ電圧スイッチング動作となり、スイッチング損失を低減し、入力ノイズも低減できる。
【0029】
また、図2に示すように、駆動信号DRV Aが供給されるFET12は、状態▲1▼の期間に第1のトランス14に電流Io/2nが流れる。同様に、駆動信号DRV Cが供給されるFET15は、状態▲3▼の期間に第2のトランス17に電流Io/2nが流れる。
【0030】
ここで、この2つのハイサイドスイッチのFET12,15がオンする直前にそれぞれ、FET12,15と直列に接続されたローサイドスイッチのFET13,16をオフし、デッドタイム(Dead Time)期間を設けることにより、励磁電流がトランスの漏れインダクタンス、配線インダクタンスとスイッチング素子の寄生容量により共振し、ハイサイドスイッチのFET12,15がオンすることにより、ゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を低減し、入力ノイズも低減できる。
【0031】
図4は本発明の実施形態例に係るハイサイドスイッチのゼロ電圧スイッチングを説明するための等価回路図であり、図5は本発明の実施形態例に係るハイサイドスイッチのゼロ電圧スイッチングの各部波形を示す波形図である。
【0032】
すなわち、ハイサイドスイッチのFET12のゼロ電圧スイッチングについて説明すると、状態▲4▼では駆動信号DRV AがローレベルでハイサイドスイッチのFET12がオフ、駆動信号DRV BがハイレベルでローサイドスイッチのFET13がオンであり、FET12の両端には入力電圧Vinが印加され、FET13は導通して励磁電流Imが流れる。Cs/2はそれぞれFET12,13の寄生容量、Lsは第1のトランス14の1次側の漏れインダクタンスと配線インダクタンスの合計である。ここで、ハイサイドスイッチのFET12がオンする直前にローサイドスイッチのFET13をオフし、デッドタイム期間を設けて状態▲4▼→▲1▼になると、FET12,13は共にオフし、励磁電流Imがトランスの漏れインダクタンスおよび配線インダクタンスの合計LsとFET12,13の合計寄生容量Csにより共振周波数f0
【数1】
で共振し、FET12はゼロ電圧に降下する。このFET12がゼロ電圧の状態のときに、状態▲1▼になり駆動信号DRV AがハイレベルになってハイサイドスイッチのFET12がオンすることにより、ゼロ電圧スイッチングが可能となる。状態▲1▼ではハイサイドスイッチのFET12が導通して電流I0/2nが流れる。図5において、f1は
【数2】
である。図5において、V12はFET12の電圧波形、I12はFET12の電流波形である。
【0033】
なお、ハイサイドスイッチのFET15のゼロ電圧スイッチングについても、上記のFET12のゼロ電圧スイッチングと同様であるので説明を省略する。
【0034】
また、ハイサイドスイッチのFET12,15のゼロ電圧スイッチングの条件は、
Cs・Vin2<Ls・Im2…………………(3)
である。
【0035】
また、トランス14,17の2次側の整流器であるダイオード18もしくは21は反対側のダイオード21もしくは18がオンしたときにオフになれば良いため、電流のピーク値より低い値でオフすることにより、ダイオード18もしくは21のオフ直前の電流に依存するサージ電圧が低く抑えられるため、ダイオード18もしくは21のストレスが低減されると同時に出力ノイズも低減される。
【0036】
以上のように、直流電圧源に接続され直流を交流に変換する2対のスイッチを180度ずつ位相をずらし、オン・オフさせ、おのおの1対のスイッチはどちらかオンとなるように制御することにより、ローサイドスイッチはトランスの励磁電流を利用して、また、ハイサイドスイッチは1対のハイサイドスイッチとローサイドスイッチの両方とも短いオフ期間を設けることにより、ゼロ電圧スイッチングを可能にしてスイッチング損失を低減し、入力ノイズも低減することができる。また、トランスの2次側の整流器も、従来のDC−DCコンバータのように電流が最大になった時点でオフすることが無いため、トランスの2次側の整流器のストレスも少なくなる。
【0037】
なお、本発明は、上記実施形態例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態例に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態例に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。更に、異なる実施形態例に亘る構成要素を適宜組み合せてもよい。
【0038】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、スイッチング素子を減少して小型化を可能にし、またスイッチング損失を低減でき、さらに出力および入力のノイズを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態例に係るDC−DCコンバータを示す回路図である。
【図2】図1のDC−DCコンバータの各状態の等価回路図である。
【図3】図1のDC−DCコンバータの各状態の各部波形を示す波形図である。
【図4】本発明の実施形態例に係るハイサイドスイッチのゼロ電圧スイッチングを説明するための等価回路図である。
【図5】本発明の実施形態例に係るハイサイドスイッチのゼロ電圧スイッチングの各部波形を示す波形図である。
【符号の説明】
11…直流電圧源、12,13,15,16…FET、14…第1のトランス、17…第2のトランス、18,21…ダイオード、19…コンデンサ、20,22…出力端子。
Claims (5)
- 直流電圧源の供給電圧を電圧変換するDC−DCコンバータであって、
直流電圧源の正極と負極間に直列に接続された第1のハイサイドスイッチおよび第1のローサイドスイッチと、
前記直流電圧源の正極と負極間に直列に接続された第2のハイサイドスイッチおよび第2のローサイドスイッチと、
前記第1のハイサイドスイッチと前記第1のローサイドスイッチの接続点に1次巻線の一方端が接続された第1のトランスと、
前記第2のハイサイドスイッチと前記第2のローサイドスイッチの接続点に1次巻線の一方端が接続され、1次巻線の他方端が前記第1のトランスの1次巻線の他方端に接続された第2のトランスと、
前記第1のトランスの2次巻線に接続される第1の整流器と、
前記第2のトランスの2次巻線に接続される第2の整流器と、
前記第1の整流器および前記第2の整流器の出力端に接続される平滑回路と、
前記第1のハイサイドスイッチと前記第2のハイサイドスイッチを所定のスイッチング周波数のもとで互いに位相を180°ずらして順次オン/オフし、且つ前記前記第1のハイサイドスイッチと前記第1のローサイドスイッチを互いに逆相でオン/オフすると共に前記第2のハイサイドスイッチと前記第2のローサイドスイッチを互いに逆相でオン/オフするスイッチング制御手段と
を具備することを特徴とするDC−DCコンバータ。 - 入力電圧をVin、第1のトランスもしくは第2のトランスの励磁電流をIm、第1のハイサイドスイッチと第1のローサイドスイッチの寄生容量もしくは第2のハイサイドスイッチと第2のローサイドスイッチの寄生容量をCs、第1のトランスもしくは第2のトランスの1次側の漏れインダクタンスと配線のインダクタンスの合計をLsとし、Cs・Vin2<Ls・Im2であるとき、スイッチング制御手段として、第1のハイサイドスイッチもしくは第2のハイサイドスイッチがそれぞれオンする直前に、それぞれ直列に接続された第1のローサイドスイッチもしくは第2のローサイドスイッチをオフするスイッチング制御手段を用いることを特徴とする請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
- スイッチング制御手段として、出力電圧を可変するようにハイサイドスイッチおよびローサイドスイッチの時比率を変えるスイッチング制御手段を用いることを特徴とする請求項1又は2に記載のDC−DCコンバータ。
- スイッチング制御手段として、出力電圧をスイッチング制御手段に帰還して出力電圧を安定化させるスイッチング制御手段を用いることを特徴とする請求項3に記載のDC−DCコンバータ。
- 各ハイサイドスイッチおよび各ローサイドスイッチとして、FETを用いることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータ。
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-
2003
- 2003-06-27 JP JP2003184973A patent/JP2005020948A/ja not_active Abandoned
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