JP2010148227A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】余分な損失を発生させることなく、簡単な構成でスイッチング素子の間欠動作を確実に防止することが可能なＤＣ／ＤＣコンバータを提供すること。
【解決手段】第１及び第２のスイッチング素子のスイッチング動作を停止し、コンデンサ分圧回路の分圧電圧を切替手段によってトランスの一次巻線に供給するよう切り替えることで、トランスの一次側回路が第３及び第４のスイッチング素子により構成されるハーフブリッジ回路として動作することができる。そのため、入力電圧及び出力電流に基づいて、フルブリッジ回路動作とハーフブリッジ回路動作とを切り替え、第１乃至第４のスイッチング素子の間欠動作を防止することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

図７は、従来のＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。入力電圧Ｖｉｎを供給する入力電源のプラス端子及びマイナス端子は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４で構成されるフルブリッジ回路に接続される。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と、スイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点との間にトランスＴの一次巻線が接続される。トランスＴの二次巻線の両端は、それぞれダイオードＤ１、Ｄ２のアノード端子に接続される。ダイオードＤ１、Ｄ２のカソード端子は共通に接続され、チョークコイルＬ１を介してＤＣ／ＤＣコンバータの一方の出力端子に接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータの他方の出力端子は、トランスＴの二次巻線の中間タップに接続される。ＤＣ／ＤＣコンバータの出力端子間には、コンデンサＣ１が接続される。

不図示の制御回路が出力する制御信号により、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４は、スイッチング動作を行う。これにより、トランスＴの一次巻線は、周期的に反転されて通電される。トランスＴの一次巻線が周期的に反転されて通電されることに応じてトランスＴの二次巻線に誘起される二次側電流が、ダイオードＤ１、Ｄ２により整流され、チョークコイルＬ１、コンデンサＣ１により平滑化される。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータは入力電圧Ｖｉｎを変換して出力端子間に出力電圧Ｖｏｕｔを出力し、外部負荷ＲＬに出力電流Ｉｏｕｔが供給される。

ところで、入力電圧Ｖｉｎが大きく、出力電流Ｉｏｕｔが小さい場合、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のスイッチング動作を制御する制御信号のデューティがほぼゼロになる状態が続いて、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が間欠動作をするおそれがある。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４が間欠動作をすると、出力電圧Ｖｏｕｔのリップル、トランスＴの一次巻線の偏励磁、などの問題が引き起こされる。また、間欠動作の防止には、従来、外部負荷ＲＬと並列にブリーダ抵抗を設けることが行われているが、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力が常にブリーダ抵抗により消費されるため、余分な損失が発生し経済的でない。

特許文献１には、センサの検出に基づいてＤＣ／ＤＣコンバータを動作させることで、間欠動作を防止する構成が開示されている。

また、特許文献２には、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電力を制御回路によって消費させることで、間欠動作を防止する構成が開示されている。

特開２０００−２９１１０７号公報 特開２００８−１３１７５４号公報

しかしながら、特許文献１に開示される構成は、センサによる検出回路が必要になるなど、ＤＣ／ＤＣコンバータの構成が複雑になるという問題がある。

また、特許文献２に開示される構成は、制御回路による電力消費が少ない場合には対応できず、間欠動作を防止することができないという問題がある。

本発明は上記の課題に鑑み提案されたものである。本発明は、余分な損失を発生させることなく、簡単な構成でスイッチング素子の間欠動作を確実に防止することが可能なＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。

請求項１に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスと、入力電源プラス端子、マイナス端子間に互いに直列に接続される第１及び第２のスイッチング素子と、第１及び第２のスイッチング素子と並列に入力電源プラス端子、マイナス端子間に互いに直列に接続される第３及び第４のスイッチング素子と、を備え、トランスの一次側回路が第１乃至第４のスイッチング素子により構成されるフルブリッジ回路として動作する。さらに、第１及び第２のスイッチング素子、並びに、第３及び第４のスイッチング素子、と並列に、入力電源プラス端子、マイナス端子間に接続され、分圧点が第１及び第２のスイッチング素子の接続点と接続されるコンデンサ分圧回路と、コンデンサ分圧回路による分圧電圧をトランスの一次巻線に供給するか否かを切り替える切替手段と、を備え、第１及び第２のスイッチング素子のスイッチング動作を停止し、切替手段により分圧電圧をトランスの一次巻線に供給するよう切り替えることで、トランスの一次側回路が第３及び第４のスイッチング素子により構成されるハーフブリッジ回路として動作することを特徴とする。

上記の構成を備えた請求項１のＤＣ／ＤＣコンバータは、第１及び第２のスイッチング素子のスイッチング動作を停止し、コンデンサ分圧回路の分圧電圧を切替手段によってトランスの一次巻線に供給するよう切り替えることで、トランスの一次側回路が第３及び第４のスイッチング素子により構成されるハーフブリッジ回路として動作することができる。そのため、入力電圧及び出力電流に基づいて、フルブリッジ回路動作とハーフブリッジ回路動作とを切り替え、第１乃至第４のスイッチング素子の間欠動作を防止することができる。また、従来のブリーダ抵抗のように余分な損失を発生させることもない。

請求項２に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、入力電圧が所定の電圧値以上、かつ、出力電流が所定の電流値以下の場合に、トランスの一次側回路がハーフブリッジ回路として動作することを特徴とする。

上記の構成を備えた請求項２のＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧が所定の電圧値以上、かつ、出力電流が所定の電流値以下の場合に、トランスの一次側回路がハーフブリッジ回路として動作する。そのため、入力電圧が大きく、出力電流が小さい場合、すなわち、第１乃至第４のスイッチング素子が間欠動作をするおそれがある場合には、トランスの一次側回路をハーフブリッジ回路動作に切り替えることで、第１乃至第４のスイッチング素子の間欠動作を確実に防止することができる。また、負荷が大きくなる領域では、フルブリッジ回路として動作するため、回路にかかる負荷を抑えることができる。

請求項３に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１または２のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、切替手段は、コンデンサ分圧回路の分圧点と、第１及び第２のスイッチング素子の接続点との間に接続されるスイッチであることを特徴とする。

また、請求項４に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、請求項１または２のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、切替手段は、コンデンサ分圧回路を構成する各コンデンサと直列に接続される複数のスイッチであることを特徴とする。

上記の構成を備えた請求項３または４のＤＣ／ＤＣコンバータは、切替手段としてのスイッチにより、簡単な構成でフルブリッジ回路動作とハーフブリッジ回路動作とを切り替え、第１乃至第４のスイッチング素子の間欠動作を防止することができる。

本発明のＤＣ／ＤＣコンバータによれば、余分な損失を発生させることなく、簡単な構成でスイッチング素子の間欠動作を確実に防止することができる。

以下、図面を参照して、本発明のＤＣ／ＤＣコンバータの実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態の回路図である。なお、図１においては、図７に示される従来のＤＣ／ＤＣコンバータと対応する構成要素については同じ符号が付されている。

第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２とは、入力電圧Ｖｉｎを供給する入力電源のプラス端子、マイナス端子間に互いに直列に接続される。
第３のスイッチング素子Ｑ３と第４のスイッチング素子Ｑ４とは、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２と並列に、入力電源のプラス端子、マイナス端子間に互いに直列に接続される。
トランスＴの一次巻線は、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４の接続点との間に接続される。

コンデンサＣ１１、Ｃ１２は等しい容量のコンデンサであり、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、並びに、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４、と並列に、入力電源プラス端子、マイナス端子間に互いに直列に接続され、コンデンサ分圧回路を構成する。コンデンサＣ１１、Ｃ１２の接続点、すなわち、コンデンサＣ１１、Ｃ１２からなるコンデンサ分圧回路の分圧点は、スイッチＱ５を介して第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点と接続される。

また、トランスＴの二次側回路は、図７に示される従来のＤＣ／ＤＣコンバータと同様であるため、説明を省略する。

続いて、上記のように構成された第１実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータの作用及び効果について説明する。
図１に示されるＤＣ／ＤＣコンバータの基本動作は、不図示の制御回路が出力する制御信号による第１乃至第４のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のスイッチング動作である。そして、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電流Ｉｏｕｔを監視し、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、第１乃至第４のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４のスイッチング動作及びスイッチＱ５の開閉が制御される。

図２、図３を参照して具体的に説明する。図２、図３は、それぞれ図１に示されるＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を示すタイミングチャートである。

（入力電圧Ｖｉｎが所定の電圧値以下、または、出力電流Ｉｏｕｔが所定の電流値以上の場合）
この場合、図２に示される制御信号が与えられて、第１乃至第４のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４はスイッチング動作を行い、スイッチＱ５はオフする。そのため、トランスＴの一次側回路は、第１乃至第４のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４により構成されるフルブリッジ回路として動作する。このとき、トランスＴの一次巻線の巻数をＮｐ、中間タップで分割される各二次巻線の巻数をＮｓ、制御信号のオンデューティをＤｆとすると、
Ｄｆ＝（Ｎｐ／Ｎｓ）・（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ） …式（１）
の関係が成立する。

（入力電圧Ｖｉｎが所定の電圧値以上、かつ、出力電流Ｉｏｕｔが所定の電流値以下の場合）
この場合、図３に示される制御信号が与えられて、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はスイッチング動作を停止し、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４のみスイッチング動作を行い、スイッチＱ５はオンする。そのため、コンデンサＣ１１、Ｃ１２に十分な容量を持たせることで、コンデンサＣ１１、Ｃ１２からなるコンデンサ分圧回路による（１／２）Ｖｉｎの分圧電圧がトランスＴの一次巻線に供給され、トランスＴの一次側回路は、第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４により構成されるハーフブリッジ回路として動作する。このとき、トランスＴの一次巻線の巻数をＮｐ、中間タップで分割される各二次巻線の巻数をＮｓ、制御信号のオンデューティをＤｈとすると、
Ｄｈ＝２（Ｎｐ／Ｎｓ）・（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ） …式（２）
の関係が成立する。

式（１）、式（２）から明らかなように、ハーフブリッジ回路として動作する場合、フルブリッジ回路として動作する場合と比較して、制御信号のオンデューティが２倍になる。したがって、入力電圧Ｖｉｎが所定の電圧値以上、かつ、出力電流Ｉｏｕｔが所定の電流値以下の場合、トランスＴの一次側回路をハーフブリッジ回路動作に切り替えることで、第１乃至第４のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の間欠動作を確実に防止することができる。この場合、従来のブリーダ抵抗のように余分な損失を発生させることもない。

図４は、図１に示されるＤＣ／ＤＣコンバータについて、入力電圧Ｖｉｎと出力電流Ｉｏｕｔに基づく、フルブリッジ回路動作とハーフブリッジ回路動作との切り替えを示す説明図である。図４に斜線で示される、入力電圧Ｖｉｎが所定の電圧値Ｖｔｈ以上、かつ、出力電流Ｉｏｕｔが所定の電流値Ｉｔｈ以下の領域において、ＤＣ／ＤＣコンバータが備えるトランスＴの一次側回路はハーフブリッジ回路として動作する。ハーフブリッジ回路として動作する場合、トランスＴの一次巻線にかかる電圧は、上述のように、フルブリッジ回路として動作する場合と比較して１／２倍になる。その一方、一次側回路を流れる電流は２倍になり、回路にかかる負荷が大きくなる。しかし、入力電圧Ｖｉｎだけでなく、出力電流Ｉｏｕｔを監視するようにしたため、図４に示されるように、出力電流Ｉｏｕｔが大きい、すなわち、負荷が大きくなる領域では、フルブリッジ回路として動作する。したがって、回路にかかる負荷を抑えることができる。その結果、スイッチＱ５に定格容量の小さい部品を使用することも可能になる。

図５は、第２実施形態の回路図である。図５に示されるように、第２実施形態に係るＤＣ／ＤＣコンバータでは、スイッチＱ５１がコンデンサＣ１１と、スイッチＱ５２がコンデンサＣ１２と、それぞれ直列に接続される。その他は、図１に示される第１実施形態と同様であるため、同じ符号を付して説明を省略する。

図１に示される第１実施形態では、コンデンサ分圧回路の分圧点と第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点との間に接続されるスイッチＱ５により、コンデンサ分圧回路による分圧電圧をトランスＴの一次巻線に供給するか否かを切り替えた。図５に示される第２実施形態でも、上記の構成によりスイッチＱ５１、Ｑ５２を用いることで、第１実施形態と同様の効果が得られる。

ここで、特許請求の範囲との対応は以下の通りである。
コンデンサＣ１１、Ｃ１２は、コンデンサ分圧回路の一例である。
スイッチＱ５、Ｑ５１、Ｑ５２は、切替手段の一例である。

以上、詳細に説明したように、本発明の前記実施形態によれば、第１及び第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング動作を停止し、コンデンサＣ１１、Ｃ１２からなるコンデンサ分圧回路の分圧電圧をスイッチＱ５、もしくはスイッチＱ５１、Ｑ５２によってトランスＴの一次巻線に供給するよう切り替えることで、トランスＴの一次側回路が第３及び第４のスイッチング素子Ｑ３、Ｑ４により構成されるハーフブリッジ回路として動作することができる。そのため、入力電圧Ｖｉｎ及び出力電流Ｉｏｕｔに基づいて、フルブリッジ回路動作とハーフブリッジ回路動作とを切り替え、第１乃至第４のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４の間欠動作を防止することができる。また、従来のブリーダ抵抗のように余分な損失を発生させることもない。

さらに、入力電圧Ｖｉｎだけでなく、出力電流Ｉｏｕｔを監視するようにしたため、出力電流Ｉｏｕｔが大きい、すなわち、負荷が大きくなる領域では、フルブリッジ回路として動作するので、回路にかかる負荷を抑えることができる。

なお、本発明は前記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内での種々の改良、変更が可能であることは言うまでもない。
例えば、トランスＴの二次側回路はダイオードＤ１、Ｄ２により整流する構成としたが、これに限らない。スイッチング素子により同期整流する構成であってもよいことは言うまでもない。

また、入力電圧Ｖｉｎ、出力電流Ｉｏｕｔを監視する構成は任意である。例えば、出力電流Ｉｏｕｔの監視は、トランスＴの一次側で行ってもよいことは言うまでもない。

さらに、前記実施形態では、図４を参照して説明したように入力電圧Ｖｉｎ、出力電流Ｉｏｕｔを所定値で区切って、フルブリッジ回路動作とハーフブリッジ回路動作とを切り替えたが、これに限らない。図６に斜線で示されるように、入力電圧Ｖｉｎが高くなるにつれて出力電流Ｉｏｕｔが高くなる領域において、ハーフブリッジ回路動作する構成としてもよい。

本発明の第１実施形態を示す回路図である。 図１に示されるＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を示すタイミングチャート（その１）である。 図１に示されるＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング動作を示すタイミングチャート（その２）である。 本発明のＤＣ／ＤＣコンバータについて、入力電圧と出力電流に基づく、フルブリッジ回路動作とハーフブリッジ回路動作との切り替えを示す説明図（その１）である。 本発明の第２実施形態を示す回路図である。 本発明のＤＣ／ＤＣコンバータについて、入力電圧と出力電流に基づく、フルブリッジ回路動作とハーフブリッジ回路動作との切り替えを示す説明図（その２）である。 従来のＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。

符号の説明

Ｃ１、Ｃ１１、Ｃ１２ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｌ１ チョークコイル
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
Ｑ３ 第３のスイッチング素子
Ｑ４ 第４のスイッチング素子
Ｑ５、Ｑ５１、Ｑ５２ スイッチ（切替手段）
ＲＬ 外部負荷
Ｔ トランス

Claims (4)

1. トランスと、入力電源プラス端子、マイナス端子間に互いに直列に接続される第１及び第２のスイッチング素子と、前記第１及び第２のスイッチング素子と並列に前記入力電源プラス端子、マイナス端子間に互いに直列に接続される第３及び第４のスイッチング素子と、を備え、前記トランスの一次側回路が前記第１乃至第４のスイッチング素子により構成されるフルブリッジ回路として動作するＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、
   前記第１及び第２のスイッチング素子、並びに、前記第３及び第４のスイッチング素子、と並列に、前記入力電源プラス端子、マイナス端子間に接続され、分圧点が前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点と接続されるコンデンサ分圧回路と、
   前記コンデンサ分圧回路による分圧電圧を前記トランスの一次巻線に供給するか否かを切り替える切替手段と、を備え、
   前記第１及び第２のスイッチング素子のスイッチング動作を停止し、前記切替手段により前記分圧電圧を前記トランスの一次巻線に供給するよう切り替えることで、前記トランスの一次側回路が前記第３及び第４のスイッチング素子により構成されるハーフブリッジ回路として動作することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 入力電圧が所定の電圧値以上、かつ、出力電流が所定の電流値以下の場合に、前記トランスの一次側回路が前記ハーフブリッジ回路として動作することを特徴とする請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記切替手段は、前記コンデンサ分圧回路の分圧点と、前記第１及び第２のスイッチング素子の接続点との間に接続されるスイッチであることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記切替手段は、前記コンデンサ分圧回路を構成する各コンデンサと直列に接続される複数のスイッチであることを特徴とする請求項１または２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。

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