JP2009207272A - Dc booster circuit - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流昇圧回路に係り、詳しくは出力コンデンサを備えた直流昇圧回路に関する。 The present invention relates to a DC boost circuit, and more particularly to a DC boost circuit provided with an output capacitor.
基本的な直流昇圧回路として図6に示す昇圧回路がある(例えば、特許文献1参照)。この昇圧回路は、直流電源が入力される入力端子30に一端が接続されたコイル31と、コイル31の他端にアノードが接続されたダイオード32と、オン、オフ制御されることにより直流電圧を昇圧するためのスイッチング素子33とを備えている。また、昇圧回路はノイズフィルタ用のコンデンサ34及び出力コンデンサ(平滑用コンデンサ)35を備えている。スイッチング素子33が所定周期でオンになると、コイル31にエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子33がオフになると、コイル31に電圧が生じ、その電圧が直流電源の電圧に重畳されて出力端子36に電流が流れる。この時、出力コンデンサ35が充電される。そして、スイッチング素子33がオンのときは、出力コンデンサ35の放電により出力端子36へ電力が供給されるため、出力電圧は時間の経過とともに低下する。その結果、出力コンデンサ35の容量が小さいと出力電圧のリプルが大きくなる。
As a basic DC booster circuit, there is a booster circuit shown in FIG. 6 (see, for example, Patent Document 1). This booster circuit is controlled on and off by a
また、出力電圧のリプル低減を図った昇圧回路として、図7に示すように、入力端子30と出力端子36との間に、コイル31a,31b、スイッチング素子33a,33b及びダイオード32a,32bからなる回路が並列に接続された昇圧回路がある。この昇圧回路は、両スイッチング素子33a,33bが交互にオン、オフ制御される。
図6の昇圧回路では、出力電圧のリプルを低減するためには、出力コンデンサ35の容量を大きくする必要がある。一方、図7の昇圧回路では、図6の昇圧回路に比べて、リプルを変えずに出力コンデンサ35を小さくすることができる。しかし、コイル31a,31b、スイッチング素子33a,33b及びダイオード32a,32bの数が増える。また、大電力の昇圧回路では、図7の構成にすると、大型のコイルが複数必要になり、全体として大型化する。
In the booster circuit of FIG. 6, it is necessary to increase the capacitance of the
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサを小型化することができる直流昇圧回路を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a DC booster circuit capable of downsizing an output capacitor without increasing the output voltage ripple.
前記の目的を達成するため、請求項1に記載の発明は、直流電源に接続される入力端子と、前記入力端子から供給される電流が流れるトランスの一次巻線及びコイルの直列回路と、前記直列回路とグランドとの間に接続されたスイッチング素子と、前記直列回路と前記スイッチング素子との接続点に接続され、当該接続点方向への電流を阻止する整流素子とを備えている。また、前記整流素子とグランドとの間に接続された出力用の第1のコンデンサと、前記整流素子と出力端子との間に接続され、かつ前記一次巻線の前記入力端子側から流れ込む方向に励磁電流が増加する時に前記出力端子側の電位が高くなるように極性が設定された前記トランスの二次巻線と、前記二次巻線と前記出力端子との接続点とグランドとの間に接続された第2のコンデンサとを備えている。 In order to achieve the above object, an invention according to claim 1 is directed to an input terminal connected to a DC power supply, a transformer primary winding and a series circuit of a coil through which a current supplied from the input terminal flows, and A switching element connected between the series circuit and the ground, and a rectifying element connected to a connection point between the series circuit and the switching element and blocking a current in the direction of the connection point. In addition, a first output capacitor connected between the rectifier element and the ground, and a capacitor connected between the rectifier element and the output terminal, and flowing from the input terminal side of the primary winding. The secondary winding of the transformer whose polarity is set so that the potential on the output terminal side becomes higher when the excitation current increases, and the connection point between the secondary winding and the output terminal and the ground. And a connected second capacitor.
この発明では、スイッチング素子がオン状態の間、出力の電流は第1のコンデンサおよび第2のコンデンサから供給される。また、同時にトランスの一次巻線が励磁されるので、出力電圧は第1のコンデンサの両端電圧とトランスの二次側に現れる電圧の合計になる。一方、スイッチング素子がオフしている間、コイルに蓄えられたエネルギーによって第1のコンデンサが充電され、両端の電圧は上昇するが、トランスの二次側には出力電圧を減らす方向に電圧が発生する。したがって、第1のコンデンサおよび第2のコンデンサの容量を大きくしなくても出力電圧のリプルが低減される。言い換えると、出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサを小型化することができる。 In the present invention, the output current is supplied from the first capacitor and the second capacitor while the switching element is in the ON state. At the same time, since the primary winding of the transformer is excited, the output voltage is the sum of the voltage across the first capacitor and the voltage appearing on the secondary side of the transformer. On the other hand, while the switching element is off, the first capacitor is charged by the energy stored in the coil and the voltage at both ends rises, but a voltage is generated on the secondary side of the transformer in a direction to reduce the output voltage. To do. Therefore, the ripple of the output voltage is reduced without increasing the capacities of the first capacitor and the second capacitor. In other words, the output capacitor can be reduced in size without increasing the output voltage ripple.
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の発明において、前記コイルのインダクタンスは、前記トランスの一次巻線のインダクタンスより大きく設定されている。この発明では、昇圧作用を損なうことなく、効果的にリプル電圧を抑制できる。 According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the inductance of the coil is set larger than the inductance of the primary winding of the transformer. In this invention, the ripple voltage can be effectively suppressed without impairing the boosting action.
請求項3に記載の発明は、請求項1又は請求項2に記載の発明において、前記コイルは、前記トランスの一次巻線と同じコアに巻回されている。この発明では、部品点数が少なくなる。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the coil is wound around the same core as the primary winding of the transformer. In the present invention, the number of parts is reduced.
本発明によれば、出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサを小型化することができる直流昇圧回路を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a DC booster circuit that can reduce the size of an output capacitor without increasing the output voltage ripple.
以下、本発明を具体化した一実施形態を図1及び図2にしたがって説明する。
図1に示すように、昇圧回路10は、直流電源Eの正極に接続される入力端子11にトランス12の一次巻線12a及び昇圧用のコイル13の直列回路14が接続されている。コイル13のインダクタンスは、トランス12の一次巻線12aのインダクタンスより大きく設定されている。直列回路14とグランドGNDとの間にスイッチング素子15が接続されている。スイッチング素子15にはNチャネルのMOSFETが使用されている。
Hereinafter, an embodiment embodying the present invention will be described with reference to FIGS. 1 and 2.
As shown in FIG. 1, in the
直列回路14とスイッチング素子15との接続点には、当該接続点方向への電流を阻止する整流素子としてのダイオード16のアノードが接続され、ダイオード16のカソードとグランドGNDとの間に出力用の第1のコンデンサとしての出力コンデンサ17が接続されている。ダイオード16のカソードと出力端子18との間にはトランス12の二次巻線12bが接続されている。二次巻線12bは、一次巻線12aの入力端子11側(図1中の黒丸が付されている側)から流れ込む方向に励磁電流が増加する時に、出力端子18側(図1中の黒丸が付されている側)の電位が高くなるように極性が設定されている。二次巻線12bと出力端子18との接続点とグランドGNDとの間に第2のコンデンサ19が接続されている。入力端子11と一次巻線12aとの接続点とグランドGNDとの間にノイズフィルタ用コンデンサ20が接続されている。
The connection point between the
次に前記のように構成された昇圧回路10の作用を説明する。
昇圧回路10は、入力端子11が直流電源Eの正極に接続されて使用される。出力端子18に接続された図示しない負荷から電力供給の要求があると、図示しない制御装置からの指令によりスイッチング素子15がスイッチング制御される。
Next, the operation of the
The
スイッチング素子15がオンになると、図2(a)に示すように、電流Iaが入力端子11からトランス12の一次巻線12a、コイル13及びスイッチング素子15を経てグランドGNDに流れる。この時コイル13にはエネルギーが蓄えられる。一方、負荷には出力コンデンサ17および第2のコンデンサ19から電流Ibが流れる。このとき、一次巻線12aには入力端子11側から流れ込む方向に励磁電流が増加するので、二次巻線12bには出力端子18側の電位が、出力コンデンサ17側の電位よりも高くなる。その結果、出力電圧は出力コンデンサ17の両端電圧と、トランス12の二次側、即ち二次巻線12bに現れる電圧の合計となる。したがって、図6に示す従来の昇圧回路と比べて、スイッチング素子15のオンの間に、時間の経過とともに出力電圧の低下する割合が小さくなる。
When the
一方、スイッチング素子15がオフになると、図2(b)に示すように、電流Icが一次巻線12a、コイル13、ダイオード16、二次巻線12bを経て出力端子18から負荷に流れる。この時、第2のコンデンサ19が充電される。また、コイル13に蓄えられたエネルギーによって出力コンデンサ17は充電され、その両端の電圧は上昇する。しかし、トランス12の二次側、即ち二次巻線12bには出力電圧を減らす方向に電圧が発生する。したがって、図6に示す従来の昇圧回路と比べて、スイッチング素子15のオフの間に、時間の経過とともに出力電圧の上昇する割合が小さくなる。その結果、スイッチング素子15のスイッチングに伴う出力電圧のリプルが低減される。即ち、同じリプルであれば出力コンデンサ17および第2のコンデンサ19をより小さくでき、同じ大きさの出力コンデンサ17であれば、大きな出力電圧に対応できる。
On the other hand, when the
図6に示す昇圧回路(比較例)と図1に示す昇圧回路10(実施例)の出力電圧のリプルをシミュレーションによって比較した。シミュレーション条件は、出力電圧42V、コイルのインダクタンス13μH、スイッチング周波数30kHzとした。また、図6の回路の出力コンデンサの容量を2000μFとした。 The output voltage ripples of the booster circuit (comparative example) shown in FIG. 6 and the booster circuit 10 (example) shown in FIG. 1 were compared by simulation. The simulation conditions were an output voltage of 42 V, a coil inductance of 13 μH, and a switching frequency of 30 kHz. The capacitance of the output capacitor in the circuit of FIG.
入力電圧14V、出力電流35Aの時に、図6の昇圧回路と図1の昇圧回路10の出力電圧のリプルがほぼ等しくなるように各素子の値を決めたところ、トランス12の一次側励磁インダクタンス1μH、巻数比1:2、出力コンデンサ17の容量及び第2のコンデンサ19の容量は共に160μHとなった。
When the input voltage is 14 V and the output current is 35 A, the values of the respective elements are determined so that the output voltage ripples of the booster circuit of FIG. 6 and the
この時の入力電圧と出力電圧リプルの関係は図3のようになった。図3(a)は実施例(昇圧回路10)の入力電圧と出力電圧リプルとの関係であり、図3(b)は比較例(図6に示す昇圧回路)の入力電圧と出力電圧リプルとの関係である。また、負荷電流と出力電圧リプルの関係は図4に示すようになった。図4(a)は実施例(昇圧回路10)の負荷電流と出力電圧リプルとの関係であり、図4(b)は比較例(図6に示す昇圧回路)の負荷電流と出力電圧リプルとの関係である。図3(a),(b)および図4(a),(b)から出力コンデンサ17の容量を増大させずに、出力電圧のリプルを低減することが可能であることがわかる。
The relationship between the input voltage and the output voltage ripple at this time is as shown in FIG. FIG. 3A shows the relationship between the input voltage and output voltage ripple of the embodiment (boost circuit 10), and FIG. 3B shows the input voltage and output voltage ripple of the comparative example (boost circuit shown in FIG. 6). It is a relationship. Further, the relationship between the load current and the output voltage ripple is as shown in FIG. FIG. 4A shows the relationship between the load current and output voltage ripple of the embodiment (boost circuit 10), and FIG. 4B shows the load current and output voltage ripple of the comparative example (boost circuit shown in FIG. 6). It is a relationship. 3A and 3B and FIGS. 4A and 4B show that the output voltage ripple can be reduced without increasing the capacitance of the
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
(1)直流電源Eに接続される入力端子11と、入力端子11から供給される電流が流れるトランス12の一次巻線12a及び昇圧用のコイル13の直列回路14と、直列回路14とグランドGNDとの間に接続されたスイッチング素子15とを備えている。直列回路14とスイッチング素子15との接続点に、当該接続点方向への電流を阻止する整流素子としてのダイオード16がアノードにおいて接続されている。また、ダイオード16のカソードとグランドGNDとの間に接続された出力コンデンサ17と、ダイオード16のカソードと出力端子18との間に接続され、かつ一次巻線12aに入力端子11側から流れ込む方向に励磁電流が増加する時に出力端子18側の電位が高くなるように極性が設定された二次巻線12bとを備えている。したがって、スイッチング素子15のスイッチングの昇圧動作時における出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサ17を小型化することができる。
According to this embodiment, the following effects can be obtained.
(1) An
(2)二次巻線12bと出力端子18との接続点とグランドGNDとの間に第2のコンデンサ19が接続されている。したがって、出力電圧が安定する。
(3)一般的な昇圧回路にトランス12及び第2のコンデンサ19を加えるという簡単な構成で出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサ17を小型化することができる。
(2) A
(3) The
(4)整流素子としてダイオード16が使用されているため、ダイオード16に代えてトランジスタを使用するとともに、スイッチング素子15のオン時にトランジスタがオフになり、スイッチング素子15のオフ時にトランジスタがオンになるように制御を行う構成に比較して、構成が簡単になる。
(4) Since the
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○ 昇圧用のコイル13とトランス12とを独立して設ける構成に代えて、昇圧用のコイル13とトランス12とを一体化してもよい。例えば、図5(a)に示すように、E型コアが向かい合わせに接合された形状の磁性体コア25を使用するとともに、磁性体コア25の中央部25aに一次巻線12a及びコイル13を兼ねた一次巻線26aを巻回する。また、他の部分25bに二次巻線26bを巻回する。そして、磁性体コア25の中央部25aと他の部分25bとの間に低透磁率部分27を設ける。低透磁率部分27は、例えば、磁性体コア25にギャップを設けるとともにそのギャップにポリエステルフィルムや紙等を挿入(充填)することにより構成される。
The embodiment is not limited to the above, and may be embodied as follows, for example.
Instead of the configuration in which the boosting
この構成のトランスの一次巻線26aに電流を流すと、一次巻線26aの周囲に磁界が発生し、発生した磁界により磁性体コア25の中央部25aに磁束28が発生する。発生した磁束28は、磁性体コア25で構成される磁路を通る。磁性体コア25は全体が同じ透磁率ではなく、一次巻線26aが巻回された中央部25aと、二次巻線26bが巻回された他の部分25bとの間に低透磁率部分27が存在する。その結果、一次巻線26aから発生した磁束28は、磁性体コア25の中央部25aから中央部25aに連続する二つの閉じた経路に同等に分かれて流れるのではなく、低透磁率部分27のない経路(磁束28が実線の矢印で示される経路)に多く流れ、低透磁率部分27の存在する経路(磁束28が二点鎖線の矢印で示される経路)には少なく流れる。その結果、一次巻線26aは、二次巻線26bと鎖交しない磁束28が流れるコイル部と、二次巻線26bと鎖交する磁束28が流れるコイル部とが結合したものと同じ機能を果たす。即ち、図5(b)に示すように、一次巻線26aの部分はコイル13と一次巻線12aが直列に接続されたものと等価になり、二次巻線26bの部分は、二次巻線12bと等価になる。磁性体コア25や低透磁率部分27の透磁率の値や一次巻線26a及び二次巻線26bの巻数比を変更することにより、目的のコイル13、一次巻線12a及び二次巻線12bの組合せと等価のものが得られる。したがって、コイルとトランスが独立した構成に比較して部品点数が少なくなる。
When a current is passed through the primary winding 26a of the transformer having this configuration, a magnetic field is generated around the primary winding 26a, and a
○ 前記低透磁率部分27を有する磁性体コア25は、2つの閉磁路を備え、かつ一方の閉磁路に低透磁率部分27を設けることができる物であればよく、E型コアが向かい合わせに結合された物に限らず、例えば、E型コアとI型コアが結合されたものを用いてもよい。
The
○ 昇圧回路10を構成するコイル13のインダクタンス、出力コンデンサ17及び第2のコンデンサ19の容量、トランス12の一次側励磁インダクタンス、巻数比の値は、実施例で用いた値に限らず、目的とする最大出力電圧及び負荷電流に対応して適宜変更してもよい。その場合、シミュレーションあるいは試験で適切な値を求める。
The values of the inductance of the
○ コイル13はトランス12の一次巻線12aとスイッチング素子15との間に接続された構成に代えて、入力端子11とトランス12の一次巻線12aとの間に接続された構成としてもよい。
The
○ 整流素子としてダイオード16に代えて、トランジスタを使用し、トランジスタをスイッチング素子15と同期して、スイッチング素子15のオン時にトランジスタがオフになり、スイッチング素子15のオフ時にトランジスタがオンになるように制御装置で制御する構成にしてもよい。このような回路構成では、整流素子としてダイオード16を使用する場合に比べて、整流素子での損失を低減することができる。
A transistor is used instead of the
○ スイッチング素子15はMOSFETに限らず、IGBT(絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ:Insulated Gate Bipolar Transistor)やその他のスイッチング素子を使用してもよい。
The switching
○ ノイズフィルタ用コンデンサ20を省略してもよい。
○ 昇圧回路10の直流電源Eはバッテリに限らず、交流を直流に変換して出力するAC/DCインバータであってもよい。
The
The direct current power source E of the
以下の技術的思想(発明)は前記実施形態から把握できる。
(1)請求項1〜請求項3のいずれか一項に記載の発明において、前記整流素子はダイオードであり、そのアノードが前記直列回路に接続され、カソードが前記出力用の第1のコンデンサに接続されている。
The following technical idea (invention) can be understood from the embodiment.
(1) In the invention according to any one of claims 1 to 3, the rectifying element is a diode, an anode thereof is connected to the series circuit, and a cathode to the first capacitor for output. It is connected.
(2)請求項3に記載の発明において、前記コアは、2つの閉磁路を備え、その中央部に一次巻線が巻回され、前記中央部に沿って延びる一方の部分に二次巻線が巻回され、一次巻線が巻回された部分と二次巻線が巻回された部分との間に低透磁率部が形成されている。 (2) In the invention according to claim 3, the core includes two closed magnetic paths, a primary winding is wound around the center portion thereof, and a secondary winding is provided at one portion extending along the center portion. And a low magnetic permeability portion is formed between a portion where the primary winding is wound and a portion where the secondary winding is wound.
E…直流電源、Ia,Ib,Ic…電流、GND…グランド、11…入力端子、12…トランス、12a,26a…一次巻線、12b,26b…二次巻線、13…コイル、14…直列回路、15…スイッチング素子、16…整流素子としてのダイオード、17…第1のコンデンサとしての出力コンデンサ、18…出力端子、19…第2のコンデンサ。
E ... DC power supply, Ia, Ib, Ic ... current, GND ... ground, 11 ... input terminal, 12 ... transformer, 12a, 26a ... primary winding, 12b, 26b ... secondary winding, 13 ... coil, 14 ...
Claims (3)
前記入力端子から供給される電流が流れるトランスの一次巻線及びコイルの直列回路と、
前記直列回路とグランドとの間に接続されたスイッチング素子と、
前記直列回路と前記スイッチング素子との接続点に接続され、当該接続点方向への電流を阻止する整流素子と、
前記整流素子とグランドとの間に接続された出力用の第1のコンデンサと、
前記整流素子と出力端子との間に接続され、かつ前記一次巻線の前記入力端子側から流れ込む方向に励磁電流が増加する時に前記出力端子側の電位が高くなるように極性が設定された前記トランスの二次巻線と、
前記二次巻線と前記出力端子との接続点とグランドとの間に接続された第2のコンデンサと
を備えている直流昇圧回路。 An input terminal connected to a DC power supply;
A transformer primary winding through which a current supplied from the input terminal flows, and a series circuit of coils;
A switching element connected between the series circuit and the ground;
A rectifying element that is connected to a connection point between the series circuit and the switching element and blocks a current in the direction of the connection point;
A first capacitor for output connected between the rectifying element and ground;
The polarity is set so that the potential on the output terminal side is increased when the excitation current increases in a direction that flows between the rectifying element and the output terminal and flows from the input terminal side of the primary winding. The transformer secondary winding,
A DC booster circuit comprising a second capacitor connected between a connection point between the secondary winding and the output terminal and a ground.
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