JP2008022594A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】１〜Ｎ倍の範囲で連続的に昇圧率を可変にでき、所望の倍率で昇圧を行うことができ、サージ電圧を低減できるＤＣ／ＤＣコンバータを提供する。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧型であり、１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２が逆巻き結線に接続され、低電圧側ポートの正極端子ＴＡ１に１次巻線と２次巻線の共通端子ｃを接続する磁気相殺の変圧器Ｔ１と、第１と第２のダイオード３２，３３と、１次巻線の中間タップと共通基準端子の間に接続される第１スイッチ手段ＳＷ１と、１次巻線の中間タップと高電圧側ポートの正極端子の間に接続される第２スイッチ手段ＳＷ２と、２次巻線の中間タップと共通基準端子の間に接続される第３スイッチ手段ＳＷ３と、２次巻線の中間タップと高電圧側ポートの正極端子の間に接続される第４スイッチ手段ＳＷ４と、各巻線の他端子と共通基準端子の間に設けられたサージ電圧低減回路とを有する。
【選択図】図２

Description

本発明はＤＣ／ＤＣコンバータに関し、特に、電気自動車等の電源部に使用され、小型・軽量化および昇圧の倍率調整に好適なＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

従来、様々な昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータが提案されている（例えば特許文献１や特許文献２など）。これらの特許文献に基づく昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの基本的な回路構成を図１１に示す。図１１に示す昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ１００は可変電圧昇圧方式の電気回路であり、１つのコイル（インダクタまたはインダクタンス要素）１０１を用いて構成されている。

ＤＣ／ＤＣコンバータ１００は、入力側平滑コンデンサ１０２、コイル１０１、スイッチ素子１０３、ダイオード１０４、および出力側平滑コンデンサ１０５を含んで構成される。

上記ＤＣ／ＤＣコンバータ１００の働きを説明する。最初の段階で入力側平滑コンデンサ１０２は、入力端子１０７に印加された入力電圧によって、その端子間電圧が入力電圧に一致するように充電されている。ゲート信号ＳＧ１０１でスイッチ素子１０３がオンとすると、入力側平滑コンデンサ１０２に蓄電された電荷に基づきコイル１０１とスイッチ素子１０３を経由して基準端子１０６に電流が流れる。このときコイル１０１は励磁され、磁気エネルギが蓄積される。次にスイッチ素子１０３がオフすると、コイル１０１に蓄積された磁気エネルギに基づく誘電電圧が入力側平滑コンデンサ１０２の電圧に重畳され、入力電圧よりも大きな電圧が発生し、当該電圧は、ダイオード１０４を介して出力側平滑コンデンサ１０５に対して出力電流Ｉ_ＯＵＴを供給する。スイッチ素子１０３のオン・オフのデューティを調整することにより、所定範囲内で所望の出力電圧を得ることができる。これにより可変電圧昇圧方式のＤＣ／ＤＣコンバータが実現される。

しかし、図１１に示すような電気回路では、入力端子１０７からの電流がコイル１０１を単純に直流励磁してエネルギを蓄積する構成のため、直流磁化された際のコイル１０１における磁気飽和を防止するためにコイル１０１のサイズを大きなものとならざるを得ない。また一般的に、コイル１０１のサイズに応じてその価格も高くなる。またこのようなコイル１０１では、昇圧率が上がると、効率が低下するという問題も有している。

図１１に示された１つのコイル１０１を用いて構成される基本的な昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータは、前述の通り、当該コイル１０１の磁気飽和を防止しつつ十分な昇圧を行うためには重量の大きい大型のコアを用いたコイルが必要となる。このことは、ＤＣ／ＤＣコンバータの全体の小型化および軽量化の阻害要因となる。そこで、本発明者等は、先に、インダクタを小型・軽量化することができ、１〜Ｎ倍の範囲で連続的に昇圧率および降圧率を可変にでき、所望の倍率で昇圧または降圧を行うことができるＤＣ／ＤＣコンバータを提案した（特許文献３の図１５〜図２１等、特願２００５−３２１７３号（平成１７年２月８日出願））。

図１２に、特願２００５−３２１７３号で提案した昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータの一回路例を示す。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１による昇圧動作では、低電圧側入力ポートＴＡ１に入力される直流電圧Ｖ１が高電圧側出力ポートＴＡ２の直流電圧Ｖ２に昇圧される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１は、平滑コンデンサＣ１、コア１２１と１次巻線Ｌ１および２次巻線Ｌ２とから成る変圧器（トランス）Ｔ１、タップ１３４とタップ１３５を介して巻線Ｌ１，Ｌ２のそれぞれに接続される２つのスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３、平滑コンデンサＣ２、４つのダイオード１３２，１３３，１４２，１４３から構成される。低電圧側ポートの正極端子ＴＡ１には直流電圧Ｖ１が入力され、高電圧側ポートの正極端子ＴＡ２には直流電圧Ｖ２（＞Ｖ１）が出力される。符号Ｅ１は共通基準端子（アース端子）を示している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１では、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１のタップ１３４と出力端子ＴＡ２との間に出力端子ＴＡ２に向けて順方向のダイオード１４２を接続すると共に、変圧器Ｔ１の２次巻線Ｌ２のタップ１３５と出力端子ＴＡ２との間に出力端子ＴＡ２に向けて順方向のダイオード１４３を接続し、これにより昇圧動作のみを行えるようにしている。なお昇圧の倍率はタップ１３１，１３４の位置を変えることにより調整される。
特開２００３−１１１３９０号公報 特開２００３−２１６２５５号公報 特開２００６−１４９０５４号公報

上記の昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１では、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３によるスイッチング動作は、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２のタップ１３４，１３５のそれぞれに対して行われる。このため、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２がそれぞれオンするとき、オンしたスイッチ素子が接続される巻線の出力側端子は負電圧になる。１次巻線Ｌ１または２次巻線Ｌ２の出力側端子が負電圧になると、当該出力側端子に接続されたダイオード（１３２または１３３）で貫通電流（または逆回復電流）が瞬時に流れ、その結果サージ電圧が発生する。そのため、上記ダイオード１３２，１３３は、必要とされる電圧の倍以上の高い耐圧特性が要求される。

上記の昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ２０１において入力端子ＴＡ１と変圧器Ｔ１の入力側の共通端子ｃとの間に他の１つのインダクタ（コイル）を設けた構成であっても、上記と同様な要求がある。

本発明の目的は、上記の課題に鑑み、インダクタを小型・軽量化することができ、１〜Ｎ倍の範囲で連続的に昇圧率を可変にでき、所望の倍率で昇圧を行うことができ、さらにサージ電圧を低減できるＤＣ／ＤＣコンバータを提供することにある。

本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、上記目的を達成するために、低電圧側ポートと高電圧側ポートを有する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、１次巻線と２次巻線が逆巻き結線に接続され、低電圧側ポートの正極端子に１次巻線と２次巻線の共通端子を接続する磁気相殺型の変圧器と、変圧器の１次巻線の他端子と高電圧側ポートの正極端子とを接続する第１ダイオードと、変圧器の２次巻線の他端子と高電圧側ポートの正極端子とを接続する第２ダイオードと、１次巻線の中間タップと共通基準端子との間に接続され、１次巻線の前記中間タップから共通基準端子へ流れる電流を制御する第１スイッチ手段と、１次巻線の中間タップと高電圧側ポートの正極端子との間に接続され、１次巻線の中間タップから高電圧側ポートの正極端子へ流れる電流を制御する第２スイッチ手段と、２次巻線の中間タップと共通基準端子との間に接続され、２次巻線の中間タップから共通基準端子へ流れる電流を制御する第３スイッチ手段と、２次巻線の中間タップと高電圧側ポートの正極端子との間に接続され、２次巻線の中間タップから高電圧側ポートの正極端子へ流れる電流を制御する第４スイッチ手段と、１次巻線の他端子および２次巻線の他端子のそれぞれと共通基準端子との間に設けられたサージ電圧低減回路と、を有するように構成される。

本発明によれば、逆巻き結線構造を有する１次巻線および２次巻線から成る変圧器を利用し、かつ１次巻線および２次巻線の通電を制御するスイッチ素子を利用して昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを構成したため、小型・軽量化することができる。さらに昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧率を所定範囲で連続的に変化することができる。また上記変圧器において１次巻線および２次巻線で中間タップを利用する構成を有したため、昇圧率等を中間タップの巻数比またはタップの位置に応じて２倍以上のＮ倍にすることができると共に、上記同様に昇圧率等を連続的に可変にすることができる。
さらに本発明によれば、サージ電圧低減回路部を設けたため、変圧器の１次巻線および２次巻線の出力端側で生じる負電位に対して流れる逆回復電流を阻止し、サージ電圧の発生を低減することができる。

以下に、本発明の好適な実施形態（実施例）を添付図面に基づいて説明する。

図１を参照して、ＤＣ／ＤＣコンバータが適用される電気システムの例について説明する。図１は電気自動車の電気システムを示す。

図１において、電気自動車の電気システム１０は、走行用メインバッテリ１１と、補機類１２を駆動するための補機用バッテリ１３と、メインバッテリ１１および補機用バッテリ１３を充電するための充電器１４を備える。充電器１４は、メインバッテリ１１と高圧ライン１５を介して接続され、メインバッテリ１１に対して高電圧（例えば数１００Ｖ）の電力を供給する。また充電器１４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６および低圧ライン１７を介して補機用バッテリ１３と接続される。

図１の回路例で、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は例えば降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして用いられている。降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、充電器１４から供給される高電圧を低電圧に変換し、当該低電圧の電力を低圧ライン１７を介して補機用バッテリ１３に供給する。ＤＣ／ＤＣコンバータ１６から出力される低電圧の電力は、低圧ライン１７を介して補機類１２および冷却装置１８等にも供給される。

電気自動車の電気システム１０には、さらに制御装置（ＥＣＵ）１９が設けられている。制御装置１９は、電気システム１０に含まれる各機器から状態検出信号を入力する共に、当該各機器に対して制御信号を出力する。具体的に、制御装置１９は、メインバッテリ１１からバッテリ情報（電圧、電流、温度等）に係る信号ＳＧ１１を受けると共に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６に対して制御信号ＳＧ１２、充電器１４に対して充電指令に係る制御信号ＳＧ１３、冷却装置１８に対して作動指令に係る制御信号ＳＧ１４をそれぞれ与える。

図１に示した構成では、ＤＣ／ＤＣコンバータ１６は、電気自動車の電気システム１０において、その用途から降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして用いられている。給電対象に応じて、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータが用いられることもある。

以下に説明される本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータである。

図２はＤＣ／ＤＣコンバータの第１実施形態の回路構成を示す。第１実施形態では、昇圧型として用いられるＤＣ／ＤＣコンバータ３１の例を説明する。図２〜図９を参照して本発明の第１実施形態を説明する。

図２に示したＤＣ／ＤＣコンバータ３１では昇圧型の装置として使用される。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１の昇圧動作は図４と図５を参照して説明する。なお回路各部に流れる各種の信号または電流の波形については図６〜図９を参照して説明する。

図２で、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は２ポート回路（四端子回路）として示されている。昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ３１では、左側ポートが低電圧側の入力ポートとなり、右側ポートが高電圧側の出力ポートとなる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ３１は、平滑コンデンサＣ１と、変圧器（トランス）Ｔ１と、４つのスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３，ＳＷ４と、平滑コンデンサＣ２と、ダイオード３２，３３とから構成される。平滑コンデンサＣ１は共通基準端子（通常ではアース端子(GND)）Ｅ１と端子ＴＡ１との間に接続され、平滑コンデンサＣ２は共通基準端子Ｅ１と端子ＴＡ２との間に接続されている。端子ＴＡ１に直流電圧Ｖ１が入力されると、端子ＴＡ２には直流電圧Ｖ２が出力される。直流電圧Ｖ１，Ｖ２の間の大小関係はＶ１＜Ｖ２である。端子ＴＡ１，ＴＡ２は共に正極（プラス）端子である。

変圧器Ｔ１はコア（フェライトコア、鉄心等）２１と１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２とによって構成される。１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２は逆巻き結線による接続関係で接続される。１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２の巻数比は好ましくは１：１である。図２で示す１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２の各々に付されたドット記号は電圧が誘起されたときの高電位側を示している。コア２１としてフェライトコアを使用すると、高周波に対応できかつコア部を軽量化することができる。

さらに変圧器Ｔ１において、１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２のそれぞれは中間タップ３４，３５を備えている。例えば中間タップ３４は、図３に示すように、１次巻線Ｌ１をｎ₁：ｎ₂の巻数比で分割する。巻数比をｎ₁：ｎ₂とすると、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ３１の昇圧率ＮはＮ＝（ｎ₁＋ｎ₂）／ｎ₁＋１で決められる。この分割率は、本発明が適用されるシステムの昇圧要求に応じて決定される。

上記の変圧器Ｔ１では、コア２１を介して１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２が磁気的に結合されている。また１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２の巻数比が１：１であるので、一方の巻線に励磁電流が流れると、他方の巻線には同じ値の電圧が誘起される。例えばスイッチ素子ＳＷ１がオンして、入力電圧Ｖ１に基づき１次巻線Ｌ１に電流が流れると、その変化に応じて１次巻線Ｌ１に電圧が誘起される。さらに１次巻線Ｌ１に励磁電流が流れると、相互誘導作用で２次巻線Ｌ２にも電圧が誘起される。従って端子ＴＡ２側に対しては、入力電圧Ｖ１と２次巻線Ｌ２の誘起電圧が加算された電圧が生じ、昇圧動作が行われる。変圧器Ｔ１の２次巻線Ｌ２の誘起電圧は、スイッチ素子ＳＷ１のオン動作時間に依存するので、２次巻線Ｌ２の誘起電圧の加算値はＶ１〜２Ｖ１で変化する。以上のことは、変圧器Ｔ１の２次巻線Ｌ２に通電を行うためのスイッチ素子ＳＷ３をオンするときにも同様である。

上記４つのスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４のそれぞれには、例えば大電流および高耐圧が可能なＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Mode Transistor）が用いられる。スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４はコレクタ、エミッタ、ゲートの端子を有する。また各スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４のコレクタ・エミッタ間にはエミッタからコレクタに向かって順方向のダイオード２２が並列に設けられている。

上記ＤＣ／ＤＣコンバータ３１において、端子ＴＡ１すなわち平滑コンデンサＣ１の上端子には、変圧器Ｔ１における１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２の共通端子ｃが接続される。さらにＤＣ／ＤＣコンバータ３１では、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１の他端子と端子ＴＡ２との間に上記ダイオード３２が接続され、変圧器Ｔ１の２次巻線Ｌ２の他端子と端子ＴＡ２との間に上記ダイオード３３が接続されている。

上記変圧器Ｔ１では、さらに、１次巻線Ｌ１の中間タップ３４と共通基準端子Ｅ１との間にはスイッチ素子ＳＷ１のコレクタ・エミッタ間が接続され、同中間タップ３４と端子ＴＡ２との間にはスイッチ素子ＳＷ２のエミッタ・コレクタ間が接続される。また２次巻線Ｌ２の中間タップ３５と共通基準端子Ｅ１との間にはスイッチ素子ＳＷ３のコレクタ・エミッタ間が接続され、同中間タップ３５と端子ＴＡ２との間にはスイッチ素子ＳＷ４のエミッタ・コレクタ間が接続される。４つのスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４のゲートＧ１〜Ｇ４には前述した制御装置１９から各スイッチ素子のオン・オフ動作を制御するためのゲート信号ＳＧ１〜ＳＧ４が与えられる。各スイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ４のコレクタ・エミッタ間にはエミッタからコレクタに向かって順方向のダイオード２２が並列に設けられている。

昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ３１の上記の回路構成において、変形例として、入力端子ＴＡ１と共通端子ｃとの間に他の１つのインダクタ（コイル）を設けることもできる。

さらに、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１の基本的回路の構成に対して、２つのダイオード３６，３７と１つの抵抗３８と２つのコンデンサＣ３，Ｃ４から成る電気回路が追加される。１つのコンデンサＣ３は平滑コンデンサＣ２に対して平行に接続される。他のコンデンサＣ４は共通基準端子Ｅ１と、２つのダイオード３６，３７のそれぞれのアノードと間に接続される。２つのダイオード３６，３７のカソードはそれぞれ１次巻線Ｌ１の出力端と２次巻線Ｌ２の出力端に接続される。抵抗３８は、コンデンサＣ４に並列に接続されている。

上記の２つのダイオード３６，３７は負電圧を整流する作用を有する。２つのダイオード３６，３７は、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２の出力端子に対して直列に接続される。これらのダイオード３６，３７は逆回復時間の短いダイオードである。ダイオード３６，３７の電流定格は出力端子ＴＡ２から出力される出力電流の１／１０で十分である。２つのコンデンサＣ３，Ｃ４は、整流で生じた上記の負電圧で生ずるサージ電圧を吸収する。コンデンサＣ３，Ｃ４には高周波特性の良いフィルムやセラミックコンデンサを使用し、可能な限り短い距離で接続される。また抵抗３８は振動を吸収する作用を有する。

次に図４〜図８を参照してＤＣ／ＤＣコンバータ３１の昇圧動作を説明する。昇圧動作では、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３の各ゲートにはゲート信号ＳＧ１，ＳＧ３を与え、スイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ４の各ゲートにはオフ信号（ＯＦＦ）を与える。

上記のゲート信号ＳＧ１，ＳＧ３の信号波形図を図６に示す。ゲート信号ＳＧ１，ＳＧ３は同じ周期（ｔ１）および同じデューティ（DUTY：ｔ２）のパルス波形の信号であり、かつスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３が同時にオンにならないように位相はずらして設定されている。ゲート信号ＳＧ１，ＳＧ３によってスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３は交互にオン・オフ動作を繰り返す。スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３のオン動作時間を決めるデューティ（ｔ２）は、スイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３が、同時にオンになるのを避けるため、５０％以下で任意に変化させることが可能である。

図４は、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１でゲート信号ＳＧ１によりスイッチ素子ＳＷ１のみをオンして変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１に通電させるときの回路各部の電流の流れを示している。このときスイッチ素子ＳＷ３はゲート信号ＳＧ３によりオフの状態にある。また図５はＤＣ／ＤＣコンバータ３１でゲート信号ＳＧ３によりスイッチ素子ＳＷ３のみをオンして変圧器Ｔ１の２次巻線Ｌ２に通電させるときの回路各部の電流の流れを示している。このときスイッチ素子ＳＷ１はゲート信号ＳＧ１によりオフの状態にある。

図４に示したＤＣ／ＤＣコンバータ３１において、スイッチ素子ＳＷ１のゲートにはゲート信号ＳＧ１が供給され、ゲート信号ＳＧ１がオン（ＯＮ）であるときスイッチ素子ＳＷ１はオン動作する。端子ＴＡ１には直流電圧Ｖ１が入力されているので、スイッチ素子ＳＷ１がオン動作すると、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１には中間タップ３４を経由して励磁電流Ｉ１が流れる。この励磁電流Ｉ１は、端子ＴＡ１、１次巻線Ｌ１、中間タップ３４、スイッチ素子ＳＷ１のルートを流れる。ゲート信号ＳＧ１がオンである間、励磁電流Ｉ１は次第に増加する。ゲート信号ＳＧ１がオフ（ＯＦＦ）になると、励磁電流Ｉ１は減少し、最後にゼロになる。ゲート信号ＳＧ１がオフになった後に一定時間生じる励磁電流Ｉ１−１は、１次巻線Ｌ１、中間タップ３４、スイッチ素子ＳＷ２のダイオード２２を通って端子ＴＡ２へ流れる。

変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１に上記励磁電流Ｉ１が流れると、２次巻線Ｌ２に相互誘導作用に基づき励起電流Ｉ２が生じる。励起電流I２はダイオード３３を経由して端子ＴＡ２へ流れる。２次巻線Ｌ２の励起電流Ｉ２は、励磁電流Ｉ１と実質的に同形の変化特性で生じ、かつ巻数比（１：１）に基づき実質的に同じ値で生じる。励起電流Ｉ２によって平滑コンデンサＣ２は充電され、その結果、端子ＴＡ２には励起電流Ｉ２に基づき直流電圧Ｖ２が出力される。

以上のゲート信号ＳＧ１および各電流Ｉ１，Ｉ２の変化は図７に示される。

次に図５の動作例を説明する。ＤＣ／ＤＣコンバータ３１において、スイッチ素子ＳＷ３のゲートにゲート信号ＳＧ３が供給され、ゲート信号ＳＧ３がオン（ＯＮ）であるときスイッチ素子ＳＷ３はオン動作する。端子ＴＡ１には直流電圧Ｖ１が入力されており、スイッチ素子ＳＷ３がオン動作すると、変圧器Ｔ１の２次巻線Ｌ２には励磁電流Ｉ３が流れる。この励磁電流Ｉ３は、端子ＴＡ１、２次巻線Ｌ２、中間タップ３５、スイッチ素子ＳＷ３のルートを流れる。ゲート信号ＳＧ３がオンである間、励磁電流Ｉ３は次第に増加する。ゲート信号ＳＧ３がオフ（ＯＦＦ）になると、励磁電流Ｉ３は減少し、最後にゼロになる。ゲート信号ＳＧ３がオフになった後に一定時間生じる励磁電流Ｉ３−１は、２次巻線Ｌ２、中間タップ３５、スイッチ素子ＳＷ４のダイオード２２を通って端子ＴＡ２へ流れる。

変圧器Ｔ１の２次巻線Ｌ２に励磁電流Ｉ３が流れると、１次巻線Ｌ１に相互誘導作用に基づき励起電流Ｉ４が流れる。１次巻線Ｌ１の励起電流Ｉ４は、励磁電流Ｉ３と実質的に同形の変化特性で生じ、かつ巻数比（１：１）に基づき実質的に同じ値で生じる。励起電流Ｉ４によって平滑コンデンサＣ２は充電され、その結果、端子ＴＡ２には励起電流Ｉ４に基づき直流電圧Ｖ２が出力される。

以上のゲート信号ＳＧ３および各電流Ｉ３，Ｉ４の変化は図８に示される。

以上のごとくＤＣ／ＤＣコンバータ３１の昇圧動作によれば、第１に、スイッチ素子ＳＷ１がオンしかつスイッチ素子ＳＷ３がオフすると、１次巻線Ｌ１に励磁電流が流れ、同時に２次巻線Ｌ２にもコア２１の磁化を相殺する方向に励起電流が流れ、この２次巻線Ｌ２を通して電流（磁気エネルギ）が出力端子ＴＡ２側に供給される。第２に、スイッチ素子ＳＷ３がオンしかつスイッチ素子ＳＷ１がオフすると、２次巻線Ｌ２に励磁電流が流れ、同時に１次巻線Ｌ１にもコア２１の磁化を相殺する方向に励起電流が流れ、この１次巻線Ｌ１を通して電流（磁気エネルギ）が出力端子ＴＡ２側に供給される。これによって、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１と２次巻線Ｌ２のそれぞれの電流の向きが反対になり、コア２１における直流磁化が相殺され、コア２１が磁気飽和しにくくなる。従って、従来に比較し小さい巻線（コイル）であってもより大きな電力を扱うことができる。すなわち昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータ３１の小型化を達成することができる。

また端子ＴＡ２から出力される直流電圧Ｖ２に関し、入力電圧Ｖ１に対する出力電圧Ｖ２の昇圧機能は、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１および２次巻線Ｌ２による誘導起電力として実現される。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ３１による昇圧動作は、ゲート信号ＳＷ１，ＳＷ３のデューティ（ｔ２）を５０％以下で可変にすることにより、入力電圧Ｖ１を１〜Ｎ倍の範囲で所望の値に昇圧することが可能となる。

次に、図９の回路各部での電圧波形特性を参照して、追加された電気回路による作用を説明する。追加された電気回路は、２つのダイオード３６，３７、１つの抵抗３８、２つのコンデンサＣ３，Ｃ４から構成されるサージ電圧低減回路である。

例えば、図４に示すごとく、ゲート信号ＳＧ１によりスイッチ素子ＳＷ１をオンすると、変圧器Ｔ１の２次巻線Ｌ２の側に電流が流れ、２次巻線Ｌ２の出力端Ｐ２に出力電圧（状態ＳＴ１）が発生する。その時、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１の出力端Ｐ１の電圧状態は、共通端子ｃと中間タップ３４の間の電圧と同じ電圧で負電圧になっている（状態ＳＴ２）。

上記の状態において、上記のサージ電圧低減回路がないと仮定すると、前述のごとくダイオードＤ１等の貫通電流等も寄与してサージ電圧が発生し、かつ当該サージ電圧は振動を継続し、なかなか振動は減衰しない。しかしながら、本実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ３１では、サージ電圧低減作用を有する上記電気回路を付加したため、回路部位Ｐ３において、ダイオード３６で整流され、一定値を維持する安定した負電圧が発生する（状態ＳＴ３）。これにより、出力端Ｐ１または出力端Ｐ２に発生する負電圧のサージ電圧は、ダイオード３６またはダイオード３７を経由して高周波特性の良いコンデンサＣ４に吸収される。さらにその後に残る振動については、抵抗３８によってダンピングされ、速やかに当該振動は吸収される。

なおダイオード３２，３３には、貫通電流の流れが生じるのを防ぎ、サージ電圧を大幅に低減するためには、ショットキーダイオードやシリコンカーバイドダイオード等の逆回復時間の小さいものを選定することが望ましい。

次に、図１０を参照して本発明の第２実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ４１を説明する。第２実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ４１は上記の第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータ３１の変形例である。図１４において、第１実施形態で説明した要素には同一の符号を付し、重複説明は省略する。

第２実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータ４１でも昇圧動作が行われる。ＤＣ／ＤＣコンバータ４１による昇圧動作では、低電圧側入力ポートに入力される直流電圧Ｖ１が高電圧側出力ポートの直流電圧Ｖ２に昇圧される。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４１は、第１実施形態の場合と同様に、平滑コンデンサＣ１、変圧器（トランス）Ｔ１、２つのスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ３、平滑コンデンサＣ２、２つのダイオード３２，３３を備える。また２つのスイッチ素子ＳＷ２，ＳＷ４は省略され、その代わりにダイオード４２，４３が接続される。低電圧側ポートの正極端子ＴＡ１には直流電圧Ｖ１が入力され、高電圧側ポートの正極端子ＴＡ２には直流電圧Ｖ２（＞Ｖ１）が出力される。符号Ｅ１は共通基準端子（アース端子）を示している。

ＤＣ／ＤＣコンバータ４１では、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１の中間タップ３４と出力端子ＴＡ２との間に出力端子ＴＡ２に向けて順方向のダイオード４２を接続すると共に、変圧器Ｔ１の２次巻線Ｌ２の中間タップ３５と出力端子ＴＡ２との間に出力端子ＴＡ２に向けて順方向のダイオード４３を接続し、これにより昇圧動作を行えるようにしている。その他の構成およびその作用は、第１実施形態における昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ３１の構成・作用と基本的に同じである。

例えば、変圧器Ｔ１の１次巻線Ｌ１および２次巻線Ｌ２の中間タップがセンタにある場合、スイッチ素子ＳＷ１がオンすると、１次巻線Ｌ１の半分に電流が流れ、１次巻線Ｌ１の半分に入力電圧Ｖが加わるので、変圧器Ｔ１の作用で２次巻線Ｌ２に２倍の電圧（２Ｖ）が発生する。従って、入力側の電圧と２次巻線Ｌ２での電圧とを加えた電圧３Ｖが出力端子に発生する。

次に、スイッチ素子ＳＷ３がオンすると、２次巻線Ｌ２の半分に電流が流れ、２次巻線Ｌ２の半分に入力電圧Ｖが加わるので、変圧器Ｔ１の作用で１次巻線Ｌ１に２倍の電圧（２Ｖ）が発生する。従って、入力側の電圧と１次巻線Ｌ１での電圧とを加えた電圧３Ｖが出力端子に発生する。

上記において、スイッチ素子ＳＷ１がオフになると、１次巻線Ｌ１に流れていた電流はスイッチ素子ＳＷ１と中間タップ３４に接続されたダイオード４２を経由して出力端子ＴＡ２側に流れ、有効に使われる。またこのことはスイッチ素子ＳＷ３の場合にも同様であり、ダイオード４３を経由して出力端子ＴＡ２側に流れ、有効に使われる。

上記のＤＣ／ＤＣコンバータ４１の基本的回路の構成に対して、２つのダイオード３６，３７、１つの抵抗３８、２つのコンデンサＣ３，Ｃ４から構成されるサージ電圧低減回路が追加される。

昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ４１において、サージ電圧低減回路を付加したため、第１実施形態の場合と同様に、出力端Ｐ１または出力端Ｐ２に発生する負電圧のサージ電圧は、ダイオード３６またはダイオード３７を経由して高周波特性の良いコンデンサＣ４に吸収され、ダンピング抵抗３８と共に、サージ電圧の発生を抑制することができる。

なお、第２実施形態の構成によっても、第１実施形態と同様に、磁気回路の磁気相殺作用によってコア２１の磁気飽和が防止され、変圧器Ｔ１の小型化、軽量化を図ることができる。また第２実施形態によれば、各スイッチのスイッチング周波数に比してコイル（巻線）に流れる電流の周波数が２倍になるので、フェライトのような高周波に適したコア材を使用でき、結果として変圧器Ｔ１の更なる小型化、軽量化を実現できる。一方、各スイッチのスイッチング周波数は従来と同様なので、ＩＧＢＴのような大電流、高耐圧のスイッチング素子が使用できる。さらに、本実施形態による構成では、タップの分割率を適宜に変更することによってスイッチング周波数を変更させることなく所望の電圧を得ることができる。

以上の実施形態で説明された構成、形状、大きさおよび配置関係については本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものにすぎず、また数値および各構成の組成（材質）については例示にすぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。

本発明のＤＣ／ＤＣコンバータは、電気自動車の電源部や各種電気機器の電源部に昇圧型電力変換装置として利用される。

ＤＣ／ＤＣコンバータが適用される電気自動車の電気システムを示すブロック図である。 本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの第１実施形態を示す電気回路図である。 第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの変圧器における中間タップに基づく巻数比を説明する図である。 第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作を説明するための第１の昇圧動作例を示す図である。 第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの昇圧動作を説明するための第２の昇圧動作例を示す図である。 第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータのゲート信号ＳＧ１，ＳＧ３の波形図である。 第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの第１の昇圧動作例における波形図である。 第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータの第２の昇圧動作例における波形図である。 第１実施形態のＤＣ／ＤＣコンバータのサージ電圧低減を説明するための回路各部の波形図である。 本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータの第２実施形態を示す電気回路図である。 従来のＤＣ／ＤＣコンバータの回路例を示す電気回路図である。 本出願人が先に提案した昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータの回路例を示す電気回路図である。

符号の説明

１０ 電気システム
１６ ＤＣ／ＤＣコンバータ
１９ 制御装置
２１ コア
２２ ダイオード
３１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
３２，３３ ダイオード
３４，３５ 中間タップ
３６，３７ ダイオード
４１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
４２，４３ ダイオード
Ｌ１ １次巻線
Ｌ２ ２次巻線
Ｔ１ 変圧器
ＳＷ１〜ＳＷ４ スイッチ素子
ＳＧ１〜ＳＧ４ ゲート信号
ＴＡ１ 端子
ＴＡ２ 端子
Ｅ１ 共通基準端子

Claims (7)

1. 低電圧側ポートと高電圧側ポートを有する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   １次巻線と２次巻線が逆巻き結線に接続され、低電圧側ポートの正極端子に前記１次巻線と前記２次巻線の共通端子を接続する磁気相殺型の変圧器と、
   前記変圧器の前記１次巻線の他端子と前記高電圧側ポートの正極端子とを接続する第１ダイオードと、
   前記変圧器の前記２次巻線の他端子と前記高電圧側ポートの前記正極端子とを接続する第２ダイオードと、
   前記１次巻線の中間タップと共通基準端子との間に接続され、前記１次巻線の前記中間タップから前記共通基準端子へ流れる電流を制御する第１スイッチ手段と、
   前記１次巻線の前記中間タップと前記高電圧側ポートの前記正極端子との間に接続され、前記１次巻線の前記中間タップから前記高電圧側ポートの前記正極端子へ流れる電流を制御する第２スイッチ手段と、
   前記２次巻線の中間タップと前記共通基準端子との間に接続され、前記２次巻線の前記中間タップから前記共通基準端子へ流れる電流を制御する第３スイッチ手段と、
   前記２次巻線の前記中間タップと前記高電圧側ポートの前記正極端子との間に接続され、前記２次巻線の前記中間タップから前記高電圧側ポートの前記正極端子へ流れる電流を制御する第４スイッチ手段と、
   前記１次巻線の他端子および前記２次巻線の他端子のそれぞれと前記共通基準端子との間に設けられたサージ電圧低減回路と、
   を有することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 制御手段から前記第１スイッチ手段と前記第３スイッチ手段に対しオン・オフ制御信号を与え、前記第１スイッチ手段と前記第３スイッチ手段のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して昇圧動作を行うことを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記オン・オフ制御信号のデューティを可変にすることにより昇圧率を可変にすることを特徴とする請求項２記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記１次巻線の前記中間タップの位置で決まる巻数比に依存して昇圧率が設定されることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 低電圧側ポートと高電圧側ポートを有する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   １次巻線と２次巻線が逆巻き結線に接続され、低電圧側ポートの正極端子に前記１次巻線と前記２次巻線の共通端子を接続する磁気相殺型の変圧器と、
   前記変圧器の前記１次巻線の他端子と前記高電圧側ポートの正極端子とを接続する第１ダイオードと、
   前記変圧器の前記２次巻線の他端子と前記高電圧側ポートの前記正極端子とを接続する第２ダイオードと、
   前記１次巻線の中間タップと共通基準端子との間に接続され、前記１次巻線の前記中間タップから前記共通基準端子へ流れる電流を制御する第１スイッチ手段と、
   前記１次巻線の前記中間タップと前記高電圧側ポートの前記正極端子との間に接続され、前記１次巻線の前記中間タップから前記高電圧側ポートの前記正極端子へ電流を流す第３ダイオードと、
   前記２次巻線の中間タップと前記共通基準端子との間に接続され、前記２次巻線の前記中間タップから前記共通基準端子へ流れる電流を制御する第２スイッチ手段と、
   前記２次巻線の前記中間タップと前記高電圧側ポートの前記正極端子との間に接続され、前記２次巻線の前記中間タップから前記高電圧側ポートの前記正極端子へ電流を流す第４ダイオードと、
   前記１次巻線の他端子および前記２次巻線の他端子のそれぞれと前記共通基準端子との間に設けられたサージ電圧低減回路と、
   を有することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. 制御手段から前記第１スイッチ手段と前記第２スイッチ手段に対しオン・オフ制御信号を与え、前記第１スイッチ手段と前記第２スイッチ手段のそれぞれのオン・オフ動作を交互に制御して昇圧動作を行うことを特徴とする請求項５記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
7. 前記オン・オフ制御信号のデューティを可変にすることにより昇圧率を可変にすることを特徴とする請求項６記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
   

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