JP2010246314A - ハーフブリッジ型ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】 スイッチング周波数を変動させることなく、出力電圧が調節できるＰＷＭ制御が可能で、かつＺＶＳによりスイッチング損失を低減できるハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【解決手段】 転流用ＭＯＳＦＥＴ６，７および共振用コイル８を設け、共振用コイル８の電流が連続を保とうとする性質によりＺＶＳを実現する。また、トランス９が電力を伝送していない期間は転流用ＭＯＳＦＥＴ６、７により共振用コイル８の電流を維持することでこの期間の時間幅を任意に設定することが可能となり、スイッチング周波数変動させることなく出力電圧が調節できるＰＷＭ制御を可能とする。
【選択図】 図１

Description

この発明は、電子機器に用いられる絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの一種であるハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータに関するものである。

ハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスの利用効率が高く、比較的回路構成が簡単であって、数十Ｗ〜数百Ｗのスイッチング電源として広く利用されている。近年の、スイッチング電源が組み込まれた電子機器は、全体の小型化、低消費電力化の要求が高まり、ハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータについても小型化・高効率化が強く求められている。

図３は、従来のハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路の一例を示した図である。図において、ハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力端子１と、入力コンデンサ２，３と、メインＦＥＴ（電界効果トランジスタ）４，５と、トランス９と、ダイオード１０，１１と、チョークコイル１２と、出力コンデンサ１３と、出力端子１４とから構成される。入力端子１には、一次電源が接続される。入力コンデンサ２，３は、同じ容量を持ち直列に接続されている。

図３において、入力端子１に入力電圧が印加されると、入力コンデンサ２，３はそれぞれ入力電圧の半分の電圧に充電される。この状態でメインＦＥＴ４，５が交互にオン／オフを繰り返すことにより、トランス９に交流電圧が印加される。トランス９は印加された交流電圧を一次二次巻き数比で降圧または昇圧し、かつ、絶縁し出力する。トランス９の出力はダイオード１０，１１で整流された後、チョークコイル１２、出力コンデンサ１３により平滑され出力端子１４から直流電圧が出力される。このとき、メインＦＥＴ４，５をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより、所望の出力電圧を得ることができる。

また、図４は、図３のハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータを改良した回路の一例を示す図である。図４に示す回路は、例えば特許文献１において提案されている。図４において、共振用コンデンサ１５，１６はメインＦＥＴ４，５と並列に接続されている。メインＦＥＴ４がターンオフすると、トランス９のインダクタンスおよびチョークコイル１２のインダクタンスと共振用コンデンサ１５，１６との共振現象により、コンデンサ１５がゆるやかに充電、コンデンサ１６がゆるやかに放電される。このコンデンサ１５およびコンデンサ１６の充電および放電にともない、メインＦＥＴ４の電圧は徐々に大きくなり、メインＦＥＴ５の電圧は徐々に小さくなる。メインＦＥＴ５の電圧が０ＶになるとメインＦＥＴ５のボディダイオードが導通し、この状態でメインＦＥＴ５をターンオンすることによりＺＶＳ（Zero Voltage Switching）を実現する。次に、メインＦＥＴ５がターンオフすると、トランス９のインダクタンスおよびチョークコイル１２のインダクタンスと共振用コンデンサ１５，１６との共振現象によりコンデンサ１５がゆるやかに放電、コンデンサ１６がゆるやかに充電され、メインＦＥＴ４の電圧は徐々に小さくなり、メインＦＥＴ５の電圧は徐々に大きくなる。メインＦＥＴ４の電圧が０ＶになるとメインＦＥＴ４のボディダイオードが導通し、この状態でメインＦＥＴ４をターンオンすることにより、メインＦＥＴ５のターンオンと同様にＺＶＳを実現する。このようにメインＦＥＴ４，５がＺＶＳ動作を行うことによりスイッチング損失を小さくすることができる。

特開昭５６−１１２８７８

図３の回路図に示す従来のハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、メインＦＥＴ４、５がターンオンする直前は、メインＦＥＴ４、５には入力コンデンサ２、３の電圧とほぼ同じ電圧が印加されており、この状態でターンオンするため大きなスイッチング損失が発生してしまう。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータの発熱が大きくなることに加え、スイッチング周波数を高くすることができないため、小型化が困難であった。

図４の回路では、ＺＶＳにより、スイッチング損失を小さくすることができるが、メインＦＥＴ４がターンオフしてからメインＦＥＴ５がターンオンするまでの遅延時間や、その逆のメインＦＥＴ５がターンオフしてからメインＦＥＴ４がターンオンするまでの遅延時間が、共振条件による制約を受けるためＰＷＭ制御が不可能となる。すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータの入力電圧または出力電力によらず出力電圧を一定に保つには、スイッチング周波数を変動させる必要があり、出力電力が大きくなるほどスイッチング周波数は低くする必要がある。このため入力コンデンサ２，３、トランス９、出力コンデンサ１３等は低い周波数にあわせて設計する必要があり、装置の小型化を困難にしていた。

この発明は係る課題を解決するためになされたものであり、スイッチング周波数を変動させることなく、出力電圧が調節できるＰＷＭ制御が可能であって、かつＺＶＳによりスイッチング損失を低減できるＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。

この発明によるハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータは、二つの入力コンデンサと、ダイオードとそれぞれ並列に接続される二つの主電界効果トランジスタと、直列に接続される上記二つの入力コンデンサの接続点と、直列に接続される上記二つの主電界効果トランジスタの接続点との間に、互いに直列に接続され、それぞれがダイオードと並列に接続される、二つの転流用電界効果トランジスタと、上記二つの入力コンデンサの接続点と上記二つの主電界効果トランジスタの接続点との間に、互いに直列に接続される共振用コイルと、上記二つの入力コンデンサの接続点と上記二つの主電界効果トランジスタの接続点との間で、上記共振用コイルと直列に接続される１次コイルを有したトランスと、上記トランスの２次コイルに接続される二つの整流素子と、上記整流素子に直列に接続されるチョークコイルと、上記チョークコイルと上記トランスの２次コイルの中間との間を接続する出力コンデンサと、を備え、上記二つの主電界効果トランジスタは、異なる時間にオン動作し、上記主電界効果トランジスタの一方がオンとなる直前に、上記転流用ＦＥＴの一方がターンオフとなることを特徴としたものである。

この発明によれば、主電界効果トランジスタおよび転流用電界効果トランジスタのターンオンは常にＺＶＳ（Zero Voltage Switching）となり、スイッチング損失はきわめて小さくすることができる。

この発明に係る実施の形態１によるハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を説明するための図である。 図１に示したハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明するための図である。 第一の従来例によるハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を説明するための図である。 第二の従来例によるハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を説明するための図である。

実施の形態１．
以下、図を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１によるハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示した図である。
図１において、実施の形態１によるハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力端子１と、入力コンデンサ２，３と、メインＦＥＴ（主電界効果トランジスタ）４，５と、転流用ＦＥＴ（転流用電界効果トランジスタ）６、７と、共振用コイル８と、トランス９と、ダイオード１０，１１と、チョークコイル１２と、出力コンデンサ１３と、出力端子１４とから構成される。

入力端子１には、一次電源が接続される。入力コンデンサ２，３は、同じ容量を持ち直列に接続されている。メインＦＥＴ４，５はそれぞれダイオード（ボディダイオード）との並列回路を構成し、メインＦＥＴ４とメインＦＥＴ５とは、それぞれのダイオード（ボディダイオード）が互いに順方向接続となるように互いに直列に接続される。また、入力コンデンサ２，３とメインＦＥＴ４，５とは、それぞれの一端が入力端子１に接続されて、入力端子１に対して互いに並列に接続配置される。転流用ＦＥＴ６，７はそれぞれダイオード（ボディダイオード）との並列回路を構成している。入力端子１に接続されない側の、入力コンデンサ２の他端とメインＦＥＴ４の他端との間には、転流用ＦＥＴ６と、転流用ＦＥＴ７とが、それぞれのダイオード（ボディダイオード）のアノードが互いに向かい合うように逆方向接続で直列に接続されている。この際、メインＦＥＴ４と転流用ＦＥＴ６とが互いに順方向に配置され、メインＦＥＴ５と転流用ＦＥＴ７とが互いに順方向に配置されることとなる。

共振用コイル８は、入力コンデンサ２の他端に接続される。トランス９の１次側コイルは、一端が共振用コイルに接続され、他端がメインＦＥＴ４の他端子に接続される。トランス９の２次側コイルは、両端がそれぞれ整流素子１０，１１のアノードに接続され、整流素子１０，１１のカソードはチョークコイル１２の一端に対して互いに並列接続される。チョークコイル１２の他端と２次側コイルの中間部分とが出力コンデンサ１３に接続される。また、コンデンサ１３の両端は出力端子１４に接続される。メインＦＥＴ（電界効果トランジスタ）４，５と、転流用ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）６、７は、図示しない外部の電源制御装置からそれぞれ電源が供給されて、それぞれオンオフの動作制御が行われる。

このように、実施の形態１のハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータは、二つの入力コンデンサ２，３の接続点と、二つのメインＦＥＴ４，５の接続点の間に、二つの転流用ＦＥＴ６，７の直列回路が接続されている。また、トランス９と直列に共振用コイル８を接続して構成される。そして、メインＦＥＴ５がターンオンする直前に転流用ＦＥＴ７をターンオフし、共振用コイル８のインダクタンスの効果によりメインＦＥＴ５のボディダイオードが導通してからメインＦＥＴ５がオンされる。同様に、メインＦＥＴ４がターンオンする直前に転流用ＦＥＴ６をターンオフし、共振用コイル８のインダクタンスの効果によりメインＦＥＴ４のボディダイオードが導通してからメインＦＥＴ４がオンされる。また、トランス８が電力を伝送していない期間は転流用ＦＥＴ６，７を介して電流が流れることにより共振用コイル８の電流を維持することを特徴としている。

次に、実施の形態１による図１のハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータの動作について図を用いて説明する。
転流用ＦＥＴ６は、メインＦＥＴ４がオンしているときはオフにし、メインＦＥＴ４がオフしているときはオンにするように、外部の電源制御装置が転流用ＦＥＴ６に駆動信号を入力する。ただし、メインＦＥＴ４、転流用ＦＥＴ６がともにオフしている期間を設ける。メインＦＥＴ５に対する転流用ＦＥＴ７との動作のタイミングもメインＦＥＴ４に対する転流用ＦＥＴ６の動作のタイミングと同様とする。また、メインＦＥＴ４がオンしているときはメインＦＥＴ５をオフとし、メインＦＥＴ５がオンしているときはメインＦＥＴ４をオフするように、外部の電源制御装置がメインＦＥＴ４，５に駆動信号入力する。図１において、トランス９の二次側部分の動作は図３と同じであり、説明を省略する。

図２は図１に示したハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータの動作例を説明するための図であり、（ａ）はメインＦＥＴ４の駆動信号波形、（ｂ）はメインＦＥＴ５の駆動信号波形、（ｃ）は転流用ＦＥＴ６の駆動信号波形、（ｄ）は転流用ＦＥＴ７の駆動信号波形、（ｅ）はメインＦＥＴ４の電圧波形、（ｆ）はメインＦＥＴ５の電圧波形、（ｇ）は共振用コイル８の電流波形を示す図である。図２において、横軸を時間ｔとし、図１の各部分の電流および電圧波形を示している。

ｔ＝ｔ０〜ｔ１の期間は、メインＦＥＴ４がオンしている状態である。このとき、一次側の電流は、入力端子１→メインＦＥＴ４→トランス９→共振用コイル８→入力コンデンサ３→入力端子１の経路で流れ、共振用コイル８にエネルギーが蓄積される。このとき、トランス９の一次巻線には入力端子１に印加されている入力電圧の半分の電圧が印加され、トランス９の二次側に電力が伝送される。

ｔ＝ｔ１になり、メインＦＥＴ４がターンオフすると、共振用コイル８の電流が連続を保とうとするので、メインＦＥＴ４、５の出力容量を通して電流が流れ、メインＦＥＴ４の出力容量が充電されると同時に、メインＦＥＴ５の出力容量が放電されメインＦＥＴ４の電圧は急激に大きくなる。メインＦＥＴ４の電圧が入力コンデンサ２の電圧と等しくなると、転流用ＦＥＴ６のボディダイオードがオンする。このとき、転流用ＦＥＴ７→転流用ＦＥＴ６のボディダイオード→トランス９→共振用コイル８の経路で電流が流れる。この状態で、ｔ＝ｔ２になり、転流用ＦＥＴ６がターンオンするため、転流用ＦＥＴ６はＺＶＳとなる。

次に、ｔ＝ｔ２〜ｔ３の期間は、転流用ＦＥＴ７→転流用ＦＥＴ６→トランス９→共振用コイル８の経路で電流が流れる。このとき、共振用コイル８の電圧はほぼ０Ｖであるため、共振用コイル８のエネルギーは保たれ、この電流は維持される。また、このとき、トランス９の一次巻線に印加される電圧は０Ｖであり、トランス９の二次側には電力が伝送されない。

ｔ＝ｔ３になり、転流用ＦＥＴ７がターンオフすると、共振用コイル８の電流が連続を保とうとするので、メインＦＥＴ４、５の出力容量を通して電流が流れ、メインＦＥＴ４の出力容量が充電されると同時にメインＦＥＴ５の出力容量が放電されメインＦＥＴ５の電圧は急激に小さくなる。メインＦＥＴ５の電圧がほぼ０Ｖになると、メインＦＥＴ５のボディダイオードがオンし、メインＦＥＴ５のボディダイオード→トランス９→共振用コイル８→入力コンデンサ３の経路で電流が流れる。この状態で、ｔ＝ｔ４になり、メインＦＥＴ５がターンオンするため、メインＦＥＴ５はＺＶＳとなる。ｔ＝ｔ３以降は共振用コイル８はエネルギーを放出するため、電流は徐々に減少し、ｔ＝ｔ４の直後に零となる。

ｔ＝ｔ４〜ｔ５の期間は、メインＦＥＴ５がオンしている状態であり、入力端子１→入力コンデンサ２→共振用コイル８→トランス９→メインＦＥＴ５→入力端子１の経路で流れ、共振用コイル８にエネルギーが蓄積される。このとき、トランス９の一次巻線には入力端子１に印加されている入力電圧の半分の電圧が印加され、トランス９の二次側に電力が伝送される。

ｔ＝ｔ５になり、メインＦＥＴ５がターンオフすると、共振用コイル８の電流が連続を保とうとするので、メインＦＥＴ４、５の出力容量を通して電流が流れ、メインＦＥＴ４の出力容量が放電されると同時にメインＦＥＴ５の出力容量が充電されメインＦＥＴ５の電圧は急激に大きくなる。メインＦＥＴ５の電圧が入力コンデンサ３の電圧と等しくなると、転流用ＦＥＴ７のボディダイオードがオンし、共振用コイル８→トランス９→転流用ＦＥＴ６→転流用ＦＥＴ７のボディダイオードの経路で電流が流れる。この状態で、ｔ＝ｔ６になり、転流用ＦＥＴ７がターンオンするため、転流用ＦＥＴ７はＺＶＳとなる。

ｔ＝ｔ６〜ｔ７の期間は、共振用コイル８→トランス９→転流用ＦＥＴ６→転流用ＦＥＴ７の経路で電流が流れる。このとき、共振用コイル８の電圧はほぼ０Ｖであるため、共振用コイル８のエネルギーは保たれ、この電流は維持される。また、このとき、トランス９の一次巻線に印加される電圧は０Ｖであり、トランス９の二次側には電力が伝送されない。

ｔ＝ｔ７になり、転流用ＦＥＴ６がターンオフすると、共振用コイル８の電流が連続を保とうとするので、メインＦＥＴ４、５の出力容量を通して電流が流れ、メインＦＥＴ４の出力容量が放電されると同時にメインＦＥＴ５の出力容量が充電されメインＦＥＴ４の電圧は急激に小さくなる。メインＦＥＴ４の電圧がほぼ０Ｖになると、メインＦＥＴ４のボディダイオードがオンし、メインＦＥＴ４のボディダイオード→入力コンデンサ２→共振用コイル８→トランス９の経路で電流が流れる。この状態で、ｔ＝ｔ８になり、メインＦＥＴ４がターンオンするため、メインＦＥＴ４はＺＶＳとなる。ｔ＝ｔ８以降は、共振用コイル８がエネルギーを放出するため、電流は徐々に減少し、ｔ＝ｔ８の直後に零となる。

以上の動作を繰り返すので、メインＦＥＴ４，５および転流用ＦＥＴ６，７のターンオンは常にＺＶＳとなり、スイッチング損失はきわめて小さくすることができる。また、二次側に電力が伝送される期間ｔ＝ｔ０〜ｔ１、ｔ＝ｔ４〜ｔ５、および、二次側に電力が伝送されない期間ｔ＝ｔ２〜ｔ３、ｔ＝ｔ６〜ｔ７を任意に変化させてもＺＶＳ動作の条件を満足させることができるため、ＰＷＭ制御が可能となる。

この実施の形態１によるハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータは、二つの入力コンデンサと、ボディダイオードとそれぞれ並列に接続される二つの主電界効果トランジスタと、直列に接続される上記二つの入力コンデンサの接続点と、直列に接続される上記二つの主電界効果トランジスタの接続点との間に、互いに直列に接続され、それぞれがボディダイオードと並列に接続される、二つの転流用電界効果トランジスタと、上記二つの入力コンデンサの接続点と上記二つの主電界効果トランジスタの接続点との間に、互いに直列に接続される共振用コイルと、上記二つの入力コンデンサの接続点と上記二つの主電界効果トランジスタの接続点との間で、上記共振用コイルと直列に接続される１次コイルを有したトランスと、上記トランスの２次コイルに接続される二つの整流素子と、上記整流素子に直列に接続されるチョークコイルと、上記チョークコイルと上記トランスの２次コイルの中間との間を接続する出力コンデンサと、を備え、上記二つの主電界効果トランジスタは、異なる時間にオン動作し、上記主電界効果トランジスタの一方がオンとなる直前に、上記転流用ＦＥＴの一方がターンオフとなることを特徴とするものである。

このように、転流用ＭＯＳＦＥＴ６，７および共振用コイル８を設けることで、共振用コイル８の電流が連続を保とうとする性質によりＺＶＳを実現することができる。また、トランス９が電力を伝送していない期間は転流用ＭＯＳＦＥＴ６、７により共振用コイル８の電流を維持することで、この期間の時間幅を任意に設定することが可能となり、スイッチング周波数を変動させることなく、出力電圧が調節できるＰＷＭ制御を可能とする。

１ 入力端子、２，３ 入力コンデンサ、４，５ メインＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、６，７ 転流用ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）、８ 共振用コイル、９ トランス、１０，１１ 整流素子、１２ チョークコイル、１３ 出力コンデンサ、１４ 出力端子。

Claims (1)

1. 二つの入力コンデンサと、
   ボディダイオードとそれぞれ並列に接続される二つの主電界効果トランジスタと、
   直列に接続される上記二つの入力コンデンサの接続点と、直列に接続される上記二つの主電界効果トランジスタの接続点との間に、互いに直列に接続され、それぞれがボディダイオードと並列に接続される、二つの転流用電界効果トランジスタと、
   上記二つの入力コンデンサの接続点と上記二つの主電界効果トランジスタの接続点との間に、互いに直列に接続される共振用コイルと、
   上記二つの入力コンデンサの接続点と上記二つの主電界効果トランジスタの接続点との間で、上記共振用コイルと直列に接続される１次コイルを有したトランスと、
   上記トランスの２次コイルに接続される二つの整流素子と、
   上記整流素子に直列に接続されるチョークコイルと、
   上記チョークコイルと上記トランスの２次コイルの中間との間を接続する出力コンデンサと、を備え、
   上記二つの主電界効果トランジスタは、異なる時間にオン動作し、上記主電界効果トランジスタの一方がオンとなる直前に、上記転流用ＦＥＴの一方がターンオフとなることを特徴とするハーフブリッジ形ＤＣ／ＤＣコンバータ。

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