JP2010068619A - Dc−dcコンバータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電源から主インダクタにエネルギーを蓄積させる主スイッチング素子、主インダクタに蓄積されたエネルギーを出力側へ放出する主ダイオード、主スイッチング素子両端容量の電荷を引き抜く補助回路を備えたDC−DCコンバータにおいて、主インダクタと磁気的に結合した補助インダクタと、補助インダクタにエネルギーを蓄積させる補助スイッチング素子と、補助インダクタに蓄えられたエネルギーを直流電源あるいは出力側へ放出する補助ダイオードを備え、補助インダクタは主インダクタがエネルギーを放出する際に補助ダイオードに逆電圧を印加する方向で主インダクタと結合する。
【選択図】図1
Description
〔インダクタの磁気的分離状態における動作〕
次に、図1のDC−DCコンバータの動作について説明する。はじめに、比較例として、主インダクタ108aと補助インダクタ108bが磁気的に結合していない場合の動作について説明する。この動作は、非特許文献1で紹介されている基本回路の動作に相当する。
〔インダクタの磁気的結合状態の動作〕
次に、図1において主インダクタ108aと補助インダクタ108bが磁気的に結合している本実施例の動作について説明する。図3は、図1において主インダクタ108aと補助インダクタ108bが磁気的に結合している場合の各部の電圧電流波形図である。以下、図3を参照しながら動作を説明する。
次に動作について説明する。コンデンサ801に発生する電圧は、前述の第1の実施例と同様に入力電圧より昇圧される。そして、出力コンデンサ107に発生する電圧は、前述の第3実施例と同様に、コンデンサ801両端j−b点間の電圧より降圧される。主MOSFET101と昇降圧比の関係は図4の通りであり、主MOSFET601と昇降圧比の関係は図7の通りである。
本実施例においても、主MOSFET101については、ZVS、ZCSターンオン、ZVSターンオフが可能となり、また補助MOSFET104は、ZCSターンオンが可能となる。これより、スイッチング損失が大幅に低減できることから、高周波化が可能となり、インダクタ及びコンデンサの小型化及びコスト低減が可能となる。
本実施例における主MOSFET101の導通比と昇降圧比の関係は、図11の通りとなる。
次に、動作について説明する。各部の電圧電流波形図は図15の通りとなる。以下、図15を参照しながら動作を説明する。
次に、出力電圧である出力コンデンサ107の電圧をVoとおくと、(2)式の通りとなる。
ここで、平滑インダクタ1901cの両端電圧をVL1901cとおくと、(3)式の通りとなる。
(3)式より、平滑インダクタ1901cの両端電圧も直流電源1の電圧と等しくなる。つまり、主インダクタ1901a、平滑インダクタ1901cには、同様に直流電源1の電圧が印加されているとみなせる。次に、主MOSFET101がオフのとき、主インダクタ1901aと平滑インダクタ1901cには、それぞれ、直流電源1→主インダクタ1901a→主ダイオード1801→平滑コンデンサ1202、平滑インダクタ1901c→主ダイオード1801→出力コンデンサ107のループで電流が流れる。このときの主インダクタ1901aの両端電圧をVL1901aとおくと、(4)式の通りとなる。
・・・(4)
つまり主インダクタ1901aには出力電圧である出力コンデンサ107の電圧Voが印加されるとみなせる。そして、同様に、平滑インダクタ1901cには、出力コンデンサ107電圧Voが印加される。なお、主MOSFET101、主ダイオード1801のオン電圧は、直流電源1の電圧などと比較し微小なので無視している。
Claims (17)
- 直流電源から主インダクタにエネルギーを蓄積させる主スイッチング素子と、前記主スイッチング素子に逆並列接続されたダイオードと、前記主インダクタに蓄積されたエネルギーを出力側へ放出する主ダイオードと、前記主スイッチング素子をオンする時点を含む短期間に前記主スイッチング素子両端容量の電荷を引き抜く補助回路を備えたDC−DCコンバータにおいて、前記補助回路は、前記主インダクタと磁気的に結合した補助インダクタと、前記補助インダクタにエネルギーを蓄積させる補助スイッチング素子と、前記補助インダクタに蓄えられたエネルギーを前記直流電源或いは出力側へ放出する補助ダイオードを備え、前記補助インダクタは前記主インダクタがエネルギーを放出する際に前記補助ダイオードに逆電圧を印加する方向で前記主インダクタと結合していることを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項1に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記直流電源に前記主インダクタと前記主スイッチング素子が直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に前記主ダイオードと出力コンデンサが直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に前記補助インダクタと前記補助スイッチング素子が直列接続され、前記補助インダクタと前記補助スイッチング素子の接続点と前記主ダイオードと前記出力コンデンサの接続点との間に前記補助ダイオードを接続したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項1に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記直流電源に前記主スイッチング素子と前記主ダイオードが直列接続され、前記主ダイオードの両端間に前記主インダクタと出力コンデンサが直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に前記補助スイッチング素子と前記補助インダクタが直列接続され、前記補助スイッチング素子と前記補助インダクタの接続点と前記直流電源の負極との間に前記補助ダイオードを接続したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項2に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記DC−DCコンバータの後段に他のDC−DCコンバータを接続するとともに、
該他のDC−DCコンバータは、その入力端子に主スイッチング素子と主ダイオードが直列接続され、前記主ダイオードの両端間に主インダクタと出力コンデンサが直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に補助スイッチング素子と補助インダクタが直列接続され、前記補助スイッチング素子と前記補助インダクタの接続点と前記入力端子の負極側との間に補助ダイオードを接続したことを特徴とするDC−DCコンバータ。 - 請求項3に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記DC−DCコンバータの補助スイッチング素子と直列に第1の逆流防止ダイオードを備え、前記DC−DCコンバータの主インダクタを兼用した他のDC−DCコンバータを後段に接続するとともに、
該他のDC−DCコンバータは、前記兼用した主インダクタと主スイッチング素子が直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に主ダイオードと出力コンデンサが直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に補助インダクタと補助スイッチング素子が直列接続され、前記補助インダクタと前記補助スイッチング素子の接続点と前記主ダイオードと前記出力コンデンサの接続点との間に前記補助ダイオードを接続し、前記補助スイッチング素子と直列に第2の逆流防止ダイオードを備えたことを特徴とするDC−DCコンバータ。 - 請求項1に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記直流電源に前記主スイッチング素子と前記主インダクタが直列接続され、前記主インダクタの両端間に前記主ダイオードと出力コンデンサが直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に前記補助スイッチング素子と前記補助インダクタが直列接続され、前記補助スイッチング素子と前記補助インダクタの接続点と前記主ダイオードと前記出力コンデンサの接続点との間に前記補助ダイオードを接続したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項1に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記主インダクタのエネルギーを蓄積する平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサに蓄積されたエネルギーを出力側へ放出する平滑インダクタを備え、前記平滑コンデンサは前記補助インダクタが蓄えたエネルギーを放出する経路上にあることを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項7に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記主インダクタと前記補助インダクタと前記平滑インダクタは、それらインダクタの片側端子を同電位とした巻線構造をもち、前記平滑インダクタは前記主インダクタがエネルギーを放出する際に出力側へエネルギーを放出する方向で結合していることを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項7または8に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記直流電源に前記主インダクタと前記主スイッチング素子が直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に前記平滑インダクタと前記平滑コンデンサが直列接続され、前記平滑インダクタの両端間に前記主ダイオードと出力コンデンサが直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に前記補助インダクタと前記補助スイッチング素子が直列接続され、前記補助インダクタと前記補助スイッチング素子の接続点と前記主ダイオードと前記出力コンデンサの接続点との間に前記補助ダイオードを接続したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項7または8に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記直流電源に前記主スイッチング素子と前記主インダクタが直列接続され、前記主インダクタの両端間に前記主ダイオードと前記平滑コンデンサが直列接続され、前記主ダイオードの両端間に前記平滑インダクタと出力コンデンサが直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に前記補助スイッチング素子と前記補助インダクタが直列接続され、前記補助スイッチング素子と前記補助インダクタの接続点と前記主ダイオードと前記平滑コンデンサの接続点との間に前記補助ダイオードを接続したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項7または8に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記直流電源に前記主インダクタと前記主スイッチング素子が直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に前記主ダイオードと前記平滑コンデンサが直列接続され、前記主ダイオードの両端間に前記平滑インダクタと出力コンデンサが直列接続され、前記主スイッチング素子の両端間に前記補助インダクタと前記補助スイッチング素子が直列接続され、前記補助インダクタと前記補助スイッチング素子の接続点と前記主ダイオードと前記平滑コンデンサの接続点との間に前記補助ダイオードを接続したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項1乃至11のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記主スイッチング素子の両端間にスナバコンデンサを接続したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記主スイッチング素子の両端電圧を検出する電圧検出手段を備え、その検出値をもとに補助スイッチング素子のオフ時刻と主スイッチング素子のオン時刻を制御することを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記主スイッチング素子及びこれに逆並列接続されたダイオードに流れる電流を検出する電流検出手段を備え、その検出値をもとに補助スイッチング素子のオフ時刻と主スイッチング素子のオン時刻を制御することを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記主インダクタまたは前記補助インダクタの両端電圧を検出する電圧検出手段を備え、その検出値をもとに補助スイッチング素子のオフ時刻と主スイッチング素子のオン時刻を制御することを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項1乃至12のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記直流電源の電圧を検出する入力電圧検出手段と、前記主スイッチング素子の両端電圧を検出する電圧検出手段と、出力電圧検出手段を備え、前記入力電圧検出手段と、前記主スイッチング素子の両端電圧検出手段と、前記出力電圧検出手段の内少なくとも2つの手段の検出値をもとに補助スイッチング素子のオフ時刻と主スイッチング素子のオン時刻を制御することを特徴とするDC−DCコンバータ。
- 請求項1乃至16のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータにおいて、前記直流電源は交流電源と整流回路とフィルタ回路と、入力電圧検出手段と、前記直流電源からの電流を検出する入力電流検出手段と、出力電圧検出手段を備え、前記交流電源の力率を制御することを特徴とするDC−DCコンバータ。
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