JP2007037372A - Ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】従来のＤＣ−ＤＣコンバータは、出力キャパシタに大きなリプル電流が流れ、これがキャパシタの等価直列抵抗を流れて発熱し、回路の信頼性の低下や素子の寿命を縮めていた。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータの出力キャパシタに流れるリプル電流と相似の電流を、出力キャパシタに逆位相で抽入することにより、出力キャパシタのリプル電流およびリプル電圧を低減する回路において、抽入するリプル電流を、電圧トランスと、直流阻止用キャパシタと、電流調整用インダクタンスとを用いて生成するＤＣ−ＤＣコンバータ。
【選択図】 図１

Description

本発明は、リプルキャンセラー回路により特に出力キャパシタのリプル電流・電圧を低減するＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。

近年、省電力の目的で待機モードを有する電子機器が増えている。これらの電子機器は待機モードから通常モードへ移行する際に急激な電流変化を伴い、これによる電源電圧の変動が機器に誤動作を与える要因となっている。これを解決するためのもっとも有効な方法は、小さなフィルタインダクタを用いることであるが、小さなフィルタインダクタの使用は、出力キャパシタに大きなリプル電流を伴い、これがキャパシタの等価直列抵抗を流れることよる発熱により、回路の信頼性の低下や素子の寿命を縮める要因となっている。したがって、出力キャパシタのリプル電流を低減することが重要な課題となっている。
米国特許第5,929,692

これを解決するための従来の技術には特許文献１にあるように、スイッチ２個、インダクタンス、キャパシタンスおよびスイッチ駆動回路からなる補助回路を使用し、主回路と逆位相の電流を作り出して出力キャパシタンスに注入する方法があるが、この方法は、補助スイッチおよびその駆動回路が別途必要であり、そのため、部品点数が増えコストが高くなり、また、補助スイッチおよび駆動回路の損失が増えて効率が低下するという欠点がある。

本発明は、前記した課題を解決するためなされたリプルキャンセラー回路であり、その特徴は、次の(1),(2)の通りである。
(1)、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力キャパシタに流れるリプル電流と相似の電流を、出力キャパシタに逆位相で抽入することにより、出力キャパシタのリプル電流およびリプル電圧を低減する回路において、抽入するリプル電流を、電圧トランスと、直流阻止用キャパシタと、電流調整用インダクタンスとを用いて生成することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。

(2)、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力キャパシタに流れるリプル電流と相似の電流を、出力キャパシタに逆位相で抽入することにより、出力キャパシタのリプル電流およびリプル電圧を低減する回路において、抽入するリプル電流を、電流トランスと、直流阻止用キャパシタとを用いて生成することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。

即ち本発明のＤＣ−ＤＣコンバータは、出力キャパシタのリプル電流・電圧を低減するため、電圧トランスと直流阻止用キャパシタと電流調整用インダクタ、または、電流トランスと直流阻止用キャパシタとを用いてＤＣ−ＤＣコンバータの出力電流のリプル電流と逆相の電流を注入することで、出力キャパシタのリプル電流を相殺して完全にゼロにして回路の信頼性の高位安定化と素子の長寿命化を可能にしたものである。その際、キャンセル用の補助回路として、補助スイッチやその駆動回路を必要とせず、受動素子のみで構成されているので、回路が簡単で効率の低下が低く抑えられる。

発明のＤＣ−ＤＣコンバータを実施するための最良の形態は、第１にＤＣ−ＤＣコンバータの出力キャパシタに流れるリプル電流と相似の電流を、出力キャパシタに逆位相で抽入することにより、出力キャパシタのリプル電流およびリプル電圧を低減する回路において、抽入するリプル電流を、電圧トランスと、直流阻止用キャパシタと、電流調整用インダクタンスとを用いて生成すること及び、第２にＤＣ−ＤＣコンバータの出力キャパシタに流れるリプル電流と相似の電流を、出力キャパシタに逆位相で抽入することにより、出力キャパシタのリプル電流およびリプル電圧を低減する回路において、抽入するリプル電流を、電流トランスと、直流阻止用キャパシタとを用いて生成することである。

図１は、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの実施例である。
まず、回路構成について説明する．図１において、直流電源は入力端子１と２とに接続される。入力端子１と２にスイッチ５とダイオード６が直列形態で接続される。ダイオード６にはスイッチ５と相補的に駆動されたスイッチを用いてもよい。スイッチ５とダイオード６の中間点にインダクタ７が接続され、インダクタ７の他端は正側出力端子に接続される。出力端子には出力キャパシタが並列に接続される。スイッチ５とダイオード６の中間点に電圧トランスの一次巻線がキャパシタンス１３と直列形態で接続され、キャパシタンス１３の他端は負側入力端子（グランド）に接続される。電圧トランスの二次側の一端は負側入力端子に接続され、他端は直列形態で接続されたインダクタ１２とキャパシタンスを介して正側出力端子に接続される。

次に、この回路の動作を波形図２を参照して説明する。
図２において電流の向きは図１に示す方向を正とする。

図１の回路で、入力電圧をVi、スイッチ５の時比率（オン時間／スイッチング周期）をDとすると、出力電圧Voは、数１で与えられる。

同様に、キャパシタ１３の電圧も数１で与えられ、トランスの１次巻線にはインダクタ７の電圧波形と同じ方形波電圧が発生する。これによって、トランスの２次側巻き線に巻数比に比例した方形波波形が発生し、それによってインダクタ１２が励磁され、インダクタ１２には三角波電流が流れる。この電流を直流阻止用キャパシタ１１を介してこれを出力キャパシタンスに注入することにより、出力キャパシタンスのリプル電流を低減することができる。インダクタ１２は電流調整用であり、巻数比に応じて決定する。トランスの巻数比（二次巻線数／一次巻線数）をｎとすると、インダクタ１２の最適な値は、次の数２または数３で与えられる。

図３は、従来型の回路の観測波形であり、上からスイッチ駆動波形、キャパシタの電流波形、キャパシタの電圧波形である。キャパシタの電流波形のレンジは１A／divである。図４は本実施例の観測波形であり、同じく、上からスイッチ駆動波形、キャパシタの電流波形、キャパシタの電圧波形である。キャパシタの電流波形のレンジも同じく１A／divである。このように、本実施例によって、出力キャパシタのリプル電流・電圧が低減されていることが確認できる。

図５〜図１３は、本発明のＤＣ−ＤＣコンバータの他の実施例である。図５〜図１１の回路は、回路の接続が異なっているだけで、その動作は実施例１とほぼ同様となる。図１２および図１３は実施例１において抽入するリプル電流を電流トランスとキャパシタを用いて生成するもので、基本的な動作は実施例１とほぼ同様となる。電流トランスを用いた図１２および図１３は、主回路の伝達関数が４次系となって、フィードバック回路の設計に注意を要するが、回路構成が非常に簡単になるという利点があり、高速応答を要求されない応用に対しては非常に有効な回路である。

本発明のＤＣ−ＤＣコンバータは、前記したように、出力キャパシタンスのリプル電流を相殺して完全にゼロにして回路の信頼性の高位安定化と素子の長寿命化を可能にしたものであり、このためDC-DCコンバータを利用した電子機器などに活用されるなど産業上広く利用されるものである。

本発明の第１の実施例を示す。 図１に示す実施例１の動作を説明するための波形図である。 従来の回路の観測波形を示す。 本発明の実施例１の観測波形を示す。 本発明のその他の実施例を示す。 本発明のその他の実施例を示す。 本発明のその他の実施例を示す。 本発明のその他の実施例を示す。 本発明のその他の実施例を示す。 本発明のその他の実施例を示す。 本発明のその他の実施例を示す。 本発明のその他の実施例を示す。 本発明のその他の実施例を示す。

符号の説明

１、２…入力端子
５、６…スイッチ素子
３、４…出力端子
７…インダクタ
８…キャパシタ
９…トランス一次巻線
１０…トランス二次巻線
１２…インダクタ
１１…キャパシタ
１３…キャパシタ

Claims (2)

1. ＤＣ−ＤＣコンバータの出力キャパシタに流れるリプル電流と相似の電流を、出力キャパシタに逆位相で抽入することにより、出力キャパシタのリプル電流およびリプル電圧を低減する回路において、抽入するリプル電流を、電圧トランスと、直流阻止用キャパシタと、電流調整用インダクタンスとを用いて生成することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. ＤＣ−ＤＣコンバータの出力キャパシタに流れるリプル電流と相似の電流を、出力キャパシタに逆位相で抽入することにより、出力キャパシタのリプル電流およびリプル電圧を低減する回路において、抽入するリプル電流を、電流トランスと、直流阻止用キャパシタとを用いて生成することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。

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