JP2014204499A - 直流−直流コンバータ - Google Patents
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Abstract
Description
図1は、実施の形態1に係る直流−直流コンバータDC1の回路図を示す。
Vs=Vin+Vin1−Vf1b …… 式1a
なお、図2において、スイッチSW1aの導通時間taにおける昇圧パルスVsの値は、式1aの近似値として、直流入力電圧Vinの2倍の値としている。
Vs=Vin+Vin1−Vf1a …… 式1b
なお、図2において、スイッチSW1bの導通時間tbにおける昇圧パルスVsの値は、式1bの近似値として、直流入力電圧Vinの2倍の値としている。
Vout=Vin+Vin*2*Duty−Vf …… 式2
順方向電圧Vfは、順方向電圧Vf1aおよび順方向電圧Vf1bの平均値である。
高電位側直流入力端子DC_in+に直流入力電圧Vinが印加されると、平滑コンデンサC1は、より小さいインピーダンスr1を有する経路1の突入電流I1で充電される。この時、インダクタL1bの両端には、以下の電圧VL1bが印加される。
Vc≦Vin−Vf1bの場合、
VL1b=Vin−Vf1b−Vc …… 式3a
Vc>Vin−Vf1bの場合、
VL1b=0 …… 式3b
ここで、記号”Vf1b”は、ダイオードD1bの順方向電圧である。
Vc≦Vin−Vf1bの場合、
Ir1=(Vin−Vf1b−Vc)/r1 …… 式4a
Vc>Vin−Vf1bの場合、
Ir1=0 …… 式4b
ここで、記号”/”は、除算記号である。
トランスL1を構成するインダクタL1aおよびインダクタL1bは、上述の通り、互いに逆向きの磁束を発生するように、磁気的に結合している。その結果、インダクタL1bに流れる突入電流I1に応答して、インダクタL1aの両端には、以下の電圧VL1aが誘起される。この電圧VL1aは、高電位側直流入力端子DC_in+が低電位となるように誘起される。
Vc≦Vin−Vf1bの場合、
VL1a=Vin−Vf1b−Vc …… 式5a
Vc>Vin−Vf1bの場合、
VL1a=0 …… 式5b
ダイオードD1aが導通する直前のノードN1aの電圧VN1aは、高電位側直流入力端子DC_in+の電圧Vinに、式5aまたは式5bの電圧VL1aを加算した以下の値に設定される。
Vc≦Vin−Vf1bの場合、
VN1a=2*Vin−Vf1b−Vc …… 式6a
Vc>Vin−Vf1bの場合、
VN1a=Vin …… 式6b
ここで、記号”*”は、乗算記号である。
Vc≦Vin−Vf1aの場合、
Ir2=(2*Vin−Vf1b−Vc−Vf1a−Vc)/r2 …… 式7a
Vc>Vin−Vf1bの場合、
Ir2=(Vin−Vf1a−Vc)/r2 …… 式7b
ここで、記号”Vf1a”は、ダイオードD1aの順方向電圧である。
Ir=Ir1+Ir2 …… 式8
即ち、設定電圧Vcの値が大きい程、最大突入電流Irは小さくなる。また、設定電圧Vcの値が、式9aおよび式9bの両方を満足する場合、最大突入電流Irは零、となる。
Vc≧Vin−Vf1b …… 式9a
Vc≧Vin−Vf1a …… 式9b
なお、経路1のインピーダンスr1が経路2のインピーダンスr2よりも高い場合、最大突入電流の計算は、上述の逆となる。
(インダクタ対を交互に駆動する構成の効果)
直流−直流コンバータDC1は、トランスL1を構成する1対のインダクタL1a/L1bを1対のスイッチSW1a/SW1bで交互に駆動し、1対のダイオードD1a/D1bのカソードに昇圧パルスVsを生成する構成を有する。従って、1対のインダクタL1a/L1bのそれぞれと、および1対のダイオードD1a/D1bのそれぞれと、に流れる電流の周波数は、1対のスイッチSW1a/SW1bのスイッチング周波数の2倍となる。
充電部4は、直流入力電圧Vinが直流−直流コンバータDC1へ印加される(電源投入)前に、所定時間、平滑コンデンサC1を充電する機能を有する。電源投入前に、平滑コンデンサC1を設定電圧Vcまで充電することで、直流電源1から直流−直流コンバータDC1を構成する各回路部品に流れる突入電流I1/I2を大幅に削減、さらには、零にすることが可能となる。
Ip=Vin/Rc1 …… 式10a
τ=Rc1*C1 …… 式10b
ここで、式10aまたは式10bにおいて、記号Vinは直流電圧源BTの電圧値であり、他の記号は、それぞれに付された記号に対応する抵抗またはコンデンサの値である。式10aおよび式10bから理解される通り、抵抗Rc1の値が大きい程充電電流の最大値Ipは抑えられるが、充電に要する時間は増加する。
ISW=(Vin−Vc)/Rc1 …… 式10c
VRc1=Vin−Vc …… 式10d
即ち、電流ISWおよび電圧VRc1は、平滑コンデンサC1の設定電圧Vcにより、一意に定まる。
図9は、実施の形態2に係る直流−直流コンバータDC2の回路図である。
即ち、図1に示される昇圧部2は、1対のインダクタL1a/L1b、1対のスイッチSW1a/SW1b、および1対のダイオードD1a/D1bを備える。1対のインダクタL1a/L1bの一方の端子対は、ノードN0と接続され、その他方の端子対は、それぞれ、ノードN1a/ノードN1bと接続される。さらに、ノードN1a/ノードN1bは、それぞれ、1対のスイッチSW1a/SW1bで交互に駆動される。
図2に示される実施の形態1に係る直流−直流コンバータDC1の駆動タイミングと同様に、中間タップN1a1および中間タップN1b1を、それぞれ、スイッチング周期Tにおいてデューティ比Dutyで駆動すると、直流出力電圧Voutは、以下の式11で求められる。
Vout=Vin+Vin((n1+n2)/n1)*2*Duty
=Vin+Vin(1+n2/n1)*2*Duty …… 式11
ここで、n1は、インダクタL1a1およびインダクタL1b1の巻数であり、n2は、インダクタL1a2およびインダクタL1b2の巻数である。
図10は、実施の形態3に係る直流−直流コンバータDC3の回路図である。
ta/na=tb/nb …… 式12a
従って、スイッチSW1bの導通時間tbは、式12bで求められる。
tb=ta*nb/na …… 式12b
ここで、記号”*”および記号”/”は、それぞれ、乗算記号および除算記号である。
Vs1=(1+na/nb)*Vin …… 式12c
Vs2=(1+nb/na)*Vin …… 式12d
ここで、記号Vinは、直流入力電圧の値である。
Vout=(Vs1*ta+Vs2*tb)/T+Vin …… 式12e
さらに、式12a〜式12dを考慮すると、
Vout=Vin*ta*(1+nb/na)/T+Vin …… 式12f
ダイオードD1a/D1bの順方向電圧は直流入力電圧Vinに対して無視できるほど小さいため、式12c〜式12fの導出において、順方向電圧は考慮されていない。
Claims (14)
- 直流−直流コンバータであって、
直流入力電圧が印加される1対の直流入力端子と、
直流出力電圧を出力する1対の直流出力端子と、
1対のインダクタ、および1対のスイッチを有する昇圧部と、
前記1対の直流出力端子間に接続された平滑コンデンサを有する平滑部と、
充電部と、
を備え、
前記昇圧部は、前記直流入力電圧が印加される前記1対のインダクタを前記1対のスイッチで交互に駆動して、昇圧パルスを生成し、
前記平滑部は、前記平滑コンデンサで前記昇圧パルスを平滑して、前記直流出力電圧を生成し、
前記充電部は、前記1対の直流入力端子へ前記直流入力電圧が印加される前に、前記平滑コンデンサを充電する、直流−直流コンバータ。 - 前記昇圧部は、さらに、1対のダイオードを備え、
前記1対のインダクタの一方の端子対は、前記1対の直流入力端子の一方と接続され、
前記1対のインダクタの他方の端子対は、前記1対のダイオードのアノード対と接続され、
前記1対のスイッチの一方の端子対は、前記1対のインダクタの他方の端子対と接続され、
前記1対のスイッチの他方の端子対は、前記1対の直流入力端子の他方と接続され、
前記1対のダイオードのカソード対は、互いに接続されるとともに、前記昇圧パルスを生成する、請求項1記載の直流−直流コンバータ。 - 前記平滑部は、さらに、平滑インダクタを備え、
前記平滑インダクタの一端は、前記1対のダイオードのカソード対と接続され、
前記平滑インダクタの他端は、前記1対の直流出力端子の高電位側と接続される、請求項2記載の直流−直流コンバータ。 - 前記1対のインダクタは、磁気的に相殺されるようにコアに形成される、請求項1記載の直流−直流コンバータ。
- 前記昇圧部は、さらに、制御回路を有し、
前記制御回路は、前記1対のスイッチの導通状態を交互に反転させる、請求項4記載の直流−直流コンバータ。 - 直流−直流コンバータであって、
直流入力電圧が印加される1対の直流入力端子と、
直流出力電圧を出力する1対の直流出力端子と、
1対の中間タップが設けられた1対のインダクタ、および1対のスイッチを有する昇圧部と、
前記1対の直流出力端子間に接続された平滑コンデンサを有する平滑部と、
充電部と、
を備え、
前記昇圧部は、前記直流入力電圧が印加される前記1対のインダクタが有する前記1対の中間タップを前記1対のスイッチで交互に駆動して、昇圧パルスを生成し、
前記平滑部は、前記平滑コンデンサで前記昇圧パルスを平滑して、前記直流出力電圧を生成し、
前記充電部は、前記1対の直流入力端子へ前記直流入力電圧が印加される前に、前記平滑コンデンサを充電する、直流−直流コンバータ。 - 前記昇圧部は、さらに、1対のダイオードを備え、
前記1対のインダクタの一方の端子対は、前記1対の直流入力端子の一方と接続され、
前記1対のインダクタの他方の端子対は、前記1対のダイオードのアノード対と接続され、
前記1対のスイッチの一方の端子対は、前記1対の中間タップと接続され、
前記1対のスイッチの他方の端子対は、前記1対の直流入力端子の他方と接続され、
前記1対のダイオードのカソード対は、互いに接続されるとともに、前記昇圧パルスを生成する、請求項6記載の直流−直流コンバータ。 - 前記平滑部は、さらに、平滑インダクタを備え、
前記平滑インダクタの一端は、前記1対のダイオードのカソード対と接続され、
前記平滑インダクタの他端は、前記1対の直流出力端子の高電位側と接続される、請求項7記載の直流−直流コンバータ。 - 前記1対のインダクタは、磁気的に相殺されるようにコアに形成される、請求項6記載の直流−直流コンバータ。
- 前記昇圧部は、さらに、制御回路を有し、
前記制御回路は、前記1対のスイッチの導通状態を交互に反転させる、請求項9記載の直流−直流コンバータ。 - 前記充電部は、第1充電ノードおよび第2充電ノード間に直列に接続された第1抵抗および第3スイッチを有し、
前記第1充電ノードは、前記1対の直流入力端子の高電位側と第1電源スイッチを介して接続され、
前記第2充電ノードは、前記1対の直流出力端子の高電位側と接続され、
前記第3スイッチは、前記1対の直流入力端子に前記直流入力電圧が印加される前に、所定期間、導通状態に設定される、請求項1記載の直流−直流コンバータ。 - 前記充電部は、第1充電ノードおよび第2充電ノード間に直列に接続された第2抵抗および第4スイッチを有し、
前記第1充電ノードには直流電圧が印加され、
前記第2充電ノードは、前記1対の直流出力端子の高電位側と接続され、
前記第4スイッチは、前記1対の直流入力端子に前記直流入力電圧が印加される前に、、所定時間、導通状態に設定される、請求項1記載の直流−直流コンバータ。 - 前記充電部は、第1充電ノードおよび第2充電ノード間に直列に接続された電流検出回路および第5スイッチと、前記第2充電ノードの電圧を測定する電圧検出回路と、前記電流検出回路および前記電圧検出回路の出力に基づき、前記第5スイッチの導通状態を制御する予備充電制御回路と、を有し、
前記第1充電ノードは、前記1対の直流入力端子の高電位側と第1電源スイッチを介して接続され、
前記第2充電ノードは、前記1対の直流出力端子の高電位側と接続され、
前記第5スイッチは、前記1対の直流入力端子に前記直流入力電圧が印加される前に、所定時間、導通状態に設定される、請求項1記載の直流−直流コンバータ。 - 前記充電部は、第1充電ノードおよび第2充電ノード間に直列に接続された充電ダイオードおよび第2抵抗を有し、
前記第1充電ノードは、前記1対の直流入力端子の高電位側と第1電源スイッチを介して接続され、
前記第2充電ノードは、前記1対の直流出力端子の高電位側と接続される、請求項1記載の直流−直流コンバータ。
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