JP2019017193A - チョッパ型ｄｃ／ｄｃコンバータおよび宇宙用チョッパ型ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】宇宙用非絶縁型宇宙用ＰＯＬＤＣ／ＤＣコンバータを活用し、宇宙用に供し得る、電力効率に優れ、絶縁出力が可能なＤＣ／ＤＣコンバータを提供する。【解決手段】制御ＩＣ１はＰＷＭ制御信号により、Ｑ１及びＱ３は同期してＯＮ／ＯＦＦし、Ｑ２はＱ１及びＱ３とは逆相にＯＮ／ＯＦＦする。出力端子＋５ＶＯＵＴはトランスＴ１により入力端子ＶＩＮから絶縁された絶縁出力端である。Ｑ１がＯＮの期間に、トランスＴ１の励磁電流はＱ３を通して流すことができるので、コンデンサＣ２の両端に非絶縁出力端を設け、そこに負荷を接続し、負荷電流を流すことによって励磁電流をＴ１に流す必要はない。非絶縁出力端子間の負荷装置で電力を消費する必要がないから、高い電力効率で絶縁出力を提供できる。制御ＩＣ１を含む宙用非絶縁型宇宙用ＰＯＬＤＣ／ＤＣコンバータの部品が共用できる。【選択図】 図１

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータ（直流電圧変換器）に関し、特にＰＯＬ（Point of Load）用途に好適であって、かつ、宇宙用電子機器に好適なチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータに関する。

車両搭載用等汎用のチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータについては、例えば特許文献１の特開２００６−３４０５８２号公報「ＤＣ／ＤＣコンバータ及び車両用電源装置」に開示されている。特許文献１の図１には、第１の入力系統（１１）におけるＭＯＳＦＥＴＱ１〜Ｑ４および第２の入力系統（１２）におけるＭＯＳＦＥＴＱ５のスイッチングを、両入力系統に共通の制御装置（２１）により行い、第１の入力系統（１１）では絶縁出力を生成し、第２の入力系統（１２）では非絶縁出力を生成し、絶縁出力または非絶縁出力の何れか一方を選択して、出力部（１０）から外部に直流電力を供給するチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータが示されている。制御装置（２１）は、ＭＯＳＦＥＴやトランジスタ等のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを行うスイッチング制御手段であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ制御ＩＣ（集積回路）などの名称で広く知られている。この制御装置（２１）は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation，パルス幅変調）方式またはＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation，パルス周波数変調）でスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行う。本願では、スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御を行うスイッチング制御手段をＤＣ／ＤＣコンバータ制御用ＩＣ（または、略して「制御ＩＣ」）と称することとする。

このようなチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータは宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータとしても実用されている。ロケットや衛星等の宇宙用電子機器に搭載される電子部品は、宇宙空間で健全な動作を行うために、放射線、真空環境、低温および高温環境、並びにロケット打ち上げ時の振動環境に耐えうる性能を有する必要がある。このため、一般的に使用される汎用の電子部品は使用することが困難であり、高度の環境試験を経て、宇宙環境下で耐性があると認証された特有の電子部品が使用されている。

宇宙用ＤＣ／ＤＣコンバータにおいては、他回路で発生した故障の影響を低減し、また他の回路から混入するノイズの遮断が容易な絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの需要が多い。他方、マイクロコントローラやＡＳＩＣのような高性能な半導体には、低電圧大電流で作動するＤＣ／ＤＣコンバータが求められるので、低電圧大電流の要求にも対応可能なように、半導体の近傍に配置されるＰＯＬ（Point of Load）の非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータが宇宙用電子機器に現用されている。

特開２００６−３４０５８２号公報

上述のように、宇宙用電子部品は非常に高度な耐環境試験を経て実用化されている。非絶縁型の宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータが宇宙用電子部品として既に認定され、実用されている。そこで、現用の非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータの設計資産および部品（制御ＩＣなど）を活用し、絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することが望まれる。図２は、現用の宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータを活用して考案された絶縁出力が可能なＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。図２には、非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータがＰＯＬ適用回路Ａ、このＰＯＬ適用回路Ａに追加することにより絶縁出力を可能にした回路を追加回路Ｂとして、それぞれ破線で囲んで示してある。

ＰＯＬ適用回路Ａにおいて、１は制御ＩＣ（ＰＷＭ―ＩＣ）、Ｑ１，Ｑ２はＭＯＳＦＥＴ、Ｔ１はトランス、ｎ１はトランスＴ１の一次巻線（巻数：ｎ_１）、ｎ２はトランスＴ１の二次巻線（巻数：ｎ_２）である。また、Ｒ１およびＲ２は、非絶縁出力の電圧Ｖ_１を分圧し、制御ＩＣ（ＰＷＭ―ＩＣ）１に出力電圧Ｖ_１をフィードバックする抵抗である。制御ＩＣ（ＰＷＭ―ＩＣ）１は、出力電圧Ｖ_１をフィードバックされることにより、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２をＯＮ／ＯＦＦするパルス信号のパルス幅を制御し、すなわちパルス信号のデューティー比を制御し、出力電圧Ｖ_１および出力電圧Ｖ_２をそれぞれ所定の値に安定化している。なお、制御ＩＣ（ＰＷＭ―ＩＣ）は非絶縁型宇宙用ＰＷＭ―ＩＣとも称されている。

より詳しくは、制御ＩＣ（ＰＷＭ―ＩＣ）１は所定周波数のパルスでＭＯＳＦＥＴＱ１をＯＮ／ＯＦＦ制御し、そのパルスの幅に応じて、入力端Ｖ_ＩＮに入力される入力電圧をトランスＴ１の一次巻線ｎ１に送る。トランスＴ１はＤＣ／ＤＣコンバータにおけるリアクトルの作用をしている。ＭＯＳＦＥＴＱ１がＯＦＦの期間に、トランスＴ１に蓄えられた磁気エネルギーによりＭＯＳＦＥＴＱ１のＯＮ期間と同じ方向に一次巻線ｎ１に逆起電力を生じ、ＭＯＳＦＥＴＱ２（Ｑ２は、Ｑ１とはＯＮ／ＯＦＦが逆に制御される）およびダイオードＤ５の並列回路、一次巻線ｎ１、抵抗Ｒ１，Ｒ２およびコンデンサＣ２の並列回路、の経路で、ＭＯＳＦＥＴＱ１のＯＮ期間と同じ方向に電流が流れる。出力端子＋３．３Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮ間に負荷が接続されていれば、抵抗Ｒ１，Ｒ２とコンデンサＣ２との並列回路の他に、負荷電流Ｉ_１が流れる。追加回路Ｂにおいて、ダイオードＤ４およびコンデンサＣ３は整流回路を構成している。

図２のＤＣ／ＤＣコンバータは、出力電圧Ｖ_１の＋３．３Ｖ_ＯＵＴ端子と、出力電圧Ｖ_２の＋５Ｖ_ＯＵＴ端子とを有する。＋３．３Ｖ_ＯＵＴ端子は電気的に入力端Ｖ_ＩＮに繋がっているので、出力電圧Ｖ_１は非絶縁出力である。他方、＋５Ｖ_ＯＵＴ端子は、トランスＴ１により入力端Ｖ_ＩＮから電気的に遮断されているので、出力電圧Ｖ_２は絶縁出力である。すなわち、図２のＤＣ／ＤＣコンバータは非絶縁出力と絶縁出力との両方を有している。

図２の回路方式の場合、トランスＴ１を流れる励磁電流が絶縁出力に電力を伝達する役割を果たしている。そこで、絶縁出力から電力を取り出すためには非絶縁出力にも電流を流す必要がある。非絶縁出力および絶縁出力としてそれぞれ取り出し得る電力の比をみると、非絶縁出力および絶縁出力から出力される電流をそれぞれＩ_１およびＩ_２とすると、非絶縁出力の電力Ｗ_１（＝Ｖ_１Ｉ_１）と絶縁出力の電力Ｗ_２（＝Ｖ_２Ｉ_２）との比（電力比）は経験的に１：３程度、すなわち、電圧Ｖ_１の非絶縁出力電力が３であれば、電圧Ｖ_２の絶縁出力電力は概ね１である。例えば、総出力電力が８Ｗ（ワット）であれば、非絶縁出力電力が６Ｗで、絶縁出力電力は２Ｗ程度となる。このような取り出し得る電力の割合からして、図２の回路方式は、絶縁出力と非絶縁出力を両方使用する機器の場合は利用できると思われる。しかし、絶縁出力だけを利用しようとしても、非絶縁出力にもダミー電流を流す必要があるので、図２の回路方式は電力効率的には望ましくない。図２の回路方式を採用する場合、トランスＴ１の設計は単純に巻数（ターン）比となるため、非絶縁出力電圧Ｖ_２と絶縁出力電圧Ｖ_１は式（１）に示すような関係となる。
Ｖ_２＝（ｎ_２／ｎ_１）Ｖ_１ （１）

そこで、本発明は、かかる課題を解決するために、宇宙用として既に認証されるなどしていて、現用されている非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータを活用し、多大な時間と費用のかかる耐環境試験を要することなく、宇宙用に供し得る、電力効率に優れた絶縁出力が可能なチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータの提供を目的としている。

前述の課題を解決するため、本発明によるチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータおよび宇宙用チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、主に次のような特徴的な構成を採用している。

（１）本発明によるチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、
直流電源の一方の端子を第１のコンデンサの一方の端子に接続し、前記直流電源の他方の端子を第１のスイッチ素子と１次巻線を備える直列回路を介して前記第１のコンデンサの他方の端子に接続し、前記第１のコンデンサの一方の端子と前記第１のスイッチ素子の前記１次巻線側端子との間に整流素子を接続し、前記第１のコンデンサ両端の電圧の情報に基づき前記第１のスイッチ素子のスイッチングを制御することにより前記電圧を一定に制御する制御ＩＣを設け、前記１次巻線に電磁結合した２次巻線を設け、前記１次巻線および前記２次巻線はトランスを構成し、前記２次巻線に生じる電圧を整流平滑する第１のダイオードと第２のコンデンサを接続し、前記第１のスイッチ素子がＯＮまたはＯＦＦに交互に制御されるとき、前記第１のダイオードはそれぞれ交互にＯＦＦまたはＯＮになり、前記第２のコンデンサに並列に第１の負荷装置を接続するチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記１次巻線の前記第１のコンデンサ側に第２のダイオードを直列に挿入し、前記第２のダイオードの前記１次巻線側端子と前記第１のコンデンサの一方の端子の間に第２のスイッチ素子を接続し、前記制御ＩＣは前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子と同期してスイッチングさせることを特徴とする。
（２）本発明による宇宙用チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、前記（１）に記載のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータに適用されている非絶縁型宇宙用ＰＷＭ―ＩＣを前記制御ＩＣとして用い、前記宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるリアクトルを前記トランスとすることにより絶縁出力を得ることを特徴とする。

本発明によれば、宇宙用として既に認証されるなどしていて、現用されている非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータを活用し、多大な時間と費用のかかる耐環境試験を要することなく、宇宙用に供し得る、電力効率に優れた絶縁出力が可能なチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータを提供できる。

本発明の一実施形態であるチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。 現用の宇宙用非絶縁型チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータのリアクトルをトランスに変換することにより構成され、絶縁出力を得られるチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。 本発明の要点をまとめて示したチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。 現用の非絶縁型チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータのリアクトルをトランスに変換することにより構成されるチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータの要点をまとめて示す回路図である。 図１におけるトランスをリアクトルに変換して、非絶縁昇降圧型のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータを構成した例を示す回路図である。

以下、本発明によるチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータの好適な実施形態について添付図を参照して説明する。本発明による宇宙用チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータにつては、チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータの一例として以下の説明に含めて記述する。なお、以下の各図面に付した図面参照符号は、理解を助けるための一例として各要素に便宜上付記したものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではないことも言うまでもない。

図1は、本発明の一実施形態であるチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータを示す回路図である。なお、図１のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、符号１で示す制御ＩＣは、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation，パルス幅変調）方式ＩＣであるとして以下に説明するが、制御ＩＣがＰＦＭ（Pulse Frequency Modulation，パルス周波数変調）方式であるチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータも、本発明を適用して、同様に実施できる。

現用の宇宙用非絶縁型チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータのリアクトルをトランスに変換することにより構成され、絶縁出力を得られるチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータについて、図２を参照して先に説明したが、図1のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、その図２の回路に少数の部品を加える変更でもって実現される。図１の回路図に楕円形または円形の破線で囲んで示す部品およびインダクタＬ１が図１の回路に追加された部品である。

図１において、１は制御ＩＣ、Ｑ１，Ｑ２およびＱ３はｎチャンネルのＭＯＳＦＥＴ、Ｔ１はトランス、Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３およびＤ４はダイオード（Ｄ２はチェナーダイオード）、Ｃ１，Ｃ２およびＣ３はコンデンサ、ｎ１はトランスＴ１の１次巻線（巻数：ｎ_１）、ｎ２はトランスＴ１の２次巻線（巻数：ｎ_２）、Ｌ１はノイズ除去用のインダクタである。また、Ａ´はＰＯＬ適用回路であり、既存の非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータ（図２におけるＡ）に上記追加部品（楕円形または円形の破線で囲んで示す部品およびインダクタＬ１）を加えた回路、Ｂは既存の非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるリアクトルをトランスＴ１に替え、絶縁出力Ｖ_ＯＵＴが得られるようにした追加回路（図２におけるものと同じ）である。入力端子Ｖ_ＩＮとＲＴＮとの間に直流電源が供給され、出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮとの間から直流電源が外部に出力される。

制御ＩＣ１は、ＰＷＭ（Pulse Width Modulation，パルス幅変調）方式ＩＣであり、ＭＯＳＦＥＴＱ１，Ｑ２およびＱ３のゲートにＰＷＭ制御信号を加え、入力電源をスイッチングすることにより、入力電源からＰＷＭされたパルスを生成する。ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＱ３は同期してＯＮ／ＯＦＦされる。他方、ＭＯＳＦＥＴＱ２は、ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＱ３とは逆相にＯＮ／ＯＦＦされる。すなわち、Ｑ１およびＱ３がＯＮの期間にはＱ２はＯＦＦに制御され、Ｑ１およびＱ３がＯＦＦの期間にはＱ２はＯＮに制御される。なお、図２ではＱ２に並列にダイオードＤ５を設けているが、図１の実施形態ではダイオードＤ５を省いてある。図１の実施形態においても、ダイオードＤ５をＱ２に並列に設けても差し支えない。

ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＱ３がＯＮになると、入力電源端子Ｖ_ＩＮから、電流がＱ１、トランスＴ１の１次巻線ｎ１およびＱ３を経て入力電源のリターン端子ＲＴＮに戻る。図１には（１）ＯＮ時の前記の電流経路が太い線で描いてある。このとき、１次巻線ｎ１に流れる電流により、１次巻線ｎ１には逆起電力が誘起され、トランスＴ１の２次巻線ｎ２には誘導起電力が誘起される。２次巻線ｎ２に誘導起電力が誘起されるが、その電圧はダイオードＤ４に対する逆電圧となるから、２次巻線ｎ２には電流は流れない。

制御ＩＣ１は、ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＱ３をＯＦＦにすると、ＭＯＳＦＥＴＱ２をＯＮにする。Ｑ１のＯＦＦにより入力電源端子Ｖ_ＩＮからの電源は遮断されが、トランスＴ１に蓄えられていた磁気エネルギーにより１次巻線ｎ１および２次巻線ｎ２には誘導起電力が誘起される。この誘導起電力は、それまで１次巻線ｎ１に流れていた電流を維持する方向に１次巻線ｎ１に電圧を生じ、ＭＯＳＦＥＴＱ２、１次巻線ｎ１、ダイオードＤ１、およびインダクタンスＬ１の経路でコンデンサＣ２に電流を流し、コンデンサＣ２を充電する。他方、２次巻線ｎ２に誘起された誘導起電力により、ダイオードＤ４の順方向に電圧が生じ、コンデンサＣ３を充電しながら、出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮとの間から直流電源を外部に出力する。図１には（２）ＯＦＦ時の電流経路が太い線で、それぞれ描いてある。

出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮは、トランスＴ１により、入力電源端子Ｖ_ＩＮおよびＲＴＮから電気的に分離されているから、出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮの間から出力される電源は絶縁出力となる。ＭＯＳＦＥＴＱ１およびＱ３がＯＮのとき、２次巻線ｎ２に誘起される誘導起電力が、ダイオードＤ４に対する逆電圧となるから、２次巻線ｎ２には電流は流れないが、Ｑ１およびＱ３がＯＦＦの期間にコンデンサＣ３に充電された電力により、出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮの間から電力が出力される。したがって、出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮの間から出力される絶縁出力は直流電力である。

図１のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、トランスＴ１の作用により、出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮの間から直流電力（絶縁出力）が出力されることは上述のとおりである。この図１の回路における入力端子Ｖ_ＩＮとＲＴＮの間に入力される電圧をＶ_ＩＮとし、出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮの間から出力される電圧をＶ_ＯＵＴとし、制御ＩＣから出力されるＰＷＭ制御信号であるパルスのＯＮ時間をｔ_ｏｎとし、そのパルスのＯＦＦ時間をｔ_ｏｆｆとすると、Ｖ_ＯＵＴは次の式（２）により定まる。
Ｖ_ＯＵＴ＝（ｎ_２／ｎ_１）・（ｔ_ｏｎ／ｔ_ｏｆｆ）Ｖ_ＩＮ （２）
式（２）が示すように、絶縁出力の電圧Ｖ_ＯＵＴは、ＰＷＭ制御信号におけるＯＮ時間ｔ_ｏｎとＯＦＦ時間ｔ_ｏｆｆとの比により任意に制御できる。

コンデンサＣ２とインダクタＬ１との直列回路に並列に、抵抗Ｒ１およびＲ２の直列回路が接続され、抵抗Ｒ１およびＲ２の接合点の電位が制御ＩＣ１にフィードバックされている。制御ＩＣ１は、ＰＷＭ制御信号（Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３のゲートに加えられる信号）のパルス幅を制御し、その接合点の電位を一定する。この接合点の電位は、コンデンサＣ２の両端の電圧に対応しているので、制御ＩＣ１は、コンデンサＣ２の両端の電圧の情報に基づきＱ１のスイッチングを制御し、コンデンサＣ２の両端の電圧を一定に制御していると言える。

ＭＯＳＦＥＴＱ１のゲート端子と ＭＯＳＦＥＴＱ３のゲート端子との間に抵抗Ｒ３を接続し、ＭＯＳＦＥＴＱ３のソース端子とゲート端子の間にツェナーダイオードＤ２を接続し、抵抗Ｒ３に並列にダイオードＤ３を接続している。Ｑ３のゲート端子には、抵抗Ｒ３とツェナーダイオードＤ２とで分圧されたＰＷＭ制御信号が加えられている。ツェナーダイオードＤ２は、Ｑ３のゲート端子に過電圧が加わるのを防止し、そのゲート端子を保護している。ダイオードＤ３は、ＭＯＳＦＥＴＱ３のターンオフ速度を高める作用をする。

ダイオードＤ１とコンデンサＣ２との間に、ダイオードＤ１に直列に、ノイズ除去用のローパスフィルタの作用をするインダクタＬ１が挿入してある。インダクタＬ１により、コンデンサＣ２に流れ込む電流のサージが低減され、また、出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮの間から出力される絶縁出力のレギュレーションが改善される。インダクタＬ１は、フェライトビーズもしくはアモルファスビーズでも差し支えない。

図１のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、コンデンサＣ２の両端に出力端子を設け、この出力端子間を非絶縁出力端として負荷装置を接続することができる。しかし、図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、ＭＯＳＦＥＴＱ３を有する。Ｑ３は、ＭＯＳＦＥＴＱ１と同期してＯＮ／ＯＦＦされる。そこで、Ｑ１がＯＮの期間に、トランスＴ１の励磁電流はＱ３を通して流すことができるので、非絶縁出力端を設けて、そこに負荷装置を接続する必要はない。

先に説明した図２のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、出力端子＋３．３Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮの間に負荷装置を接続して負荷電流を流すことによってトランスＴ１に励磁電流を供給していた。これに対し、図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、励磁電流はＭＯＳＦＥＴＱ３を通して流すことができるので、非絶縁出力端を設けて、この非絶縁出力端に負荷装置を接続することなく、言い換えれば非絶縁出力端の付加装置で電力の消費をすることなく、絶縁出力端である出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮの間に負荷装置を接続し、この負荷装置に絶縁出力を提供できる。したがって、図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、絶縁出力端からだけでも電力の出力が可能であり、非絶縁出力端子を設けて非絶縁出力端子間の負荷装置で電力を消費する必要がないから、高い電力効率で絶縁出力を提供できるという優れた特徴を有する。

非絶縁出力を発生しない絶縁型専用のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、絶縁出力をフォトカプラで検出し、フォトカプラの出力を制御ＩＣにフィードバックすることにより、絶縁出力電圧の安定化を図っているものが多い。しかしながら、フォトカプラは、一般的に放射線により障害を受けやすく、耐放射線性を有するものは高価で、かつ入手に問題があった。

これに対し、図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータでは、非絶縁出力であるダイオードＤ１のコンデンサＣ２側に抵抗Ｒ１およびＲ２の直列回路を設け、抵抗Ｒ１およびＲ２の接続点の電位をコンデンサＣ２の端子間電圧（非絶縁出力に相当）に対応する電圧として制御ＩＣ１にフィードバックして、非絶縁出力に相当するコンデンサＣ２の端子間電圧を安定化し、また同時に絶縁出力（出力端子＋５Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮ間の電圧）を安定化しているので、フォトカプラを用いることなく所定電圧の絶縁出力が安定に得られる。このように、図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータには、フォトカプラを用いることなく絶縁出力を安定化できるという優れた特徴がある。したがって、図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、宇宙用に好適である。

図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、図２におけるＰＯＬ適用回路Ａに、図１において楕円および円の破線で囲んで示す範囲の部品（Ｑ３，Ｒ３，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ１）およびインダクタＬ１を加えた構成のＰＯＬ適用回路Ａ´に、図２の追加回路Ｂをそのまま追加して、実現されている。なお、図２におけるダイオードＤ５は、図１では欠けているが、前述のとおり、図１の実施形態においても、ダイオードＤ５を設けても差し支えない。また、図２の回路にはないインダクタＬ１を図１の実施形態では設けているが、インダクタＬ１の挿入によりノイズを低減し、レギュレーションの改善を図っているのであり、図１の回路においてもインダクタＬ１を省いても、本発明は実施できる。

図３は、本発明の要点をまとめて示したチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。この図３は、本発明の一実施形態である図１のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおける主要な機能をまとめたものとなっている。図３のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、制御ＩＣ１と、直流電源１０と、第１のスイッチ素子Ｑ１と、第２のスイッチ素子Ｑ３と、整流素子Ｄ６と、第１のダイオードＤ４と、第２のダイオードＤ１と、１次巻線ｎ１と、２次巻線ｎ２と、第１のコンデンサＣ２と、第２のコンデンサＣ３とを有している。１次巻線ｎ１と２次巻線ｎ２とでトランスＴ１をなしている。第１の負荷装置３０は、図３のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおける絶縁出力端に接続されている。第２の負荷装置２０は、図３のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおける非絶縁出力端に接続されている。

図３のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源１０の一方の端子を第１のコンデンサＣ２の一方の端子に接続し、直流電源１０の他方の端子を第１のスイッチ素子Ｑ１と１次巻線ｎ１からなる直列回路を介して第１のコンデンサＣ２の他方の端子に接続し、第１のコンデンサＣ２の一方の端子と第１のスイッチ素子Ｑ１の１次巻線ｎ１側端子との間に整流素子Ｄ６を接続し、第１のコンデンサＣ２両端の電圧の情報に基づき第１のスイッチ素子Ｑ１のスイッチングを制御することにより前記電圧を一定に制御する制御ＩＣ１を設け、１次巻線ｎ１に電磁結合した２次巻線ｎ２を設け、１次巻線ｎ１および２次巻線ｎ２はトランスＴ１を構成し、２次巻線ｎ２に生じる電圧を整流平滑する第１のダイオードＤ４と第２のコンデンサＣ３に接続し、第２のコンデンサＣ３に並列に第１の負荷装置３０を接続するチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、
１次巻線ｎ１の第１のコンデンサＣ２側に第２のダイオードＤ１を直列に挿入し、第２のダイオードＤ１の１次巻線ｎ１側端子と第１のコンデンサＣ２の一方の端子の間に第２のスイッチ素子Ｑ３を接続し、制御ＩＣ１は第２のスイッチ素子Ｑ２を第１のスイッチ素子Ｑ１と同期してスイッチングさせることを特徴としている。整流素子Ｄ６は、図１のＭＯＳＦＥＴＱ２に相当し、ダイオードでも実現できるし、図２に示したＭＯＳＦＥＴＱ２とダイオードＤ５との並列回路で構成しても差し支えない。

図４は、図２に示したチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおける主要な機能をまとめて図示したものである。図２に示した回路は、現用の宇宙用非絶縁型チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータのリアクトルをトランスに変換することにより構成され、絶縁出力を得られるようにしたチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータであることは前述のとおりである。図４のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、制御ＩＣ１と、直流電源１０と、第１のスイッチ素子Ｑ１と、整流素子Ｄ６と、第１のダイオードＤ４と、１次巻線ｎ１と、２次巻線ｎ２と、第１のコンデンサＣ２と、第２のコンデンサＣ３とを有している。１次巻線ｎ１と２次巻線ｎ２とでトランスＴ１をなしている。第１の負荷装置３０は、図４のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおける絶縁出力端に接続されている。第２の負荷装置２０は、図４のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおける非絶縁出力端に接続されている。

図４のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源１０の一方の端子を第１のコンデンサＣ２の一方の端子に接続し、直流電源１０の他方の端子を第１のスイッチ素子Ｑ１と１次巻線ｎ１からなる直列回路を介して第１のコンデンサＣ２の他方の端子に接続し、第１のコンデンサＣ２の一方の端子と第１のスイッチ素子Ｑ１の１次巻線ｎ１側端子との間に整流素子Ｄ６を接続し、第１のコンデンサＣ２両端の電圧の情報に基づき第１のスイッチ素子Ｑ１のスイッチングを制御することにより前記電圧を一定に制御する制御ＩＣ１を設け、１次巻線ｎ１に電磁結合した２次巻線ｎ２を設け、１次巻線ｎ１および２次巻線ｎ２はトランスＴ１を構成し、２次巻線ｎ２に生じる電圧を整流平滑する第１のダイオードＤ４と第２のコンデンサＣ３に接続し、第２のコンデンサＣ３に並列に第１の負荷装置３０を接続している。先に説明した図３のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、上述の図４のものとは、次の点で相違している。すなわち、図３の回路は、１次巻線ｎ１の第１のコンデンサＣ２側に第２のダイオードＤ１を直列に挿入し、第２のダイオードＤ１の１次巻線ｎ１側端子と第１のコンデンサＣ２の一方の端子の間に第２のスイッチ素子Ｑ３を接続し、制御ＩＣ１は第２のスイッチ素子Ｑ２を第１のスイッチ素子Ｑ１と同期してスイッチングさせる、という構成を有しているのに対し、図４の回路は、これらの構成を欠いているのである。

図５は、図１のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるトランスをリアクトルに変換して、非絶縁昇降圧型のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータを構成した例を示す回路図である。本図に示すように、図1におけるトランスＴ１をリアクトルｎ１として、図1における追加回路Ｂを除くことにより、出力端子Ｖ_ＯＵＴとＲＴＮとの間から非絶縁出力を取り出せる非絶縁昇降圧型のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータが実現できる。

前述のとおり、図２におけるＰＯＬ適用回路Ａは既存の非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータである。したがって、図１のＰＯＬ適用回路Ａ´は既存の非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータに少数の部品を追加して実現される非絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータである。特に、図１の実施形態では、重要な部品である制御ＩＣ１は、既存の非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータにおける非絶縁型宇宙用ＰＷＭ―ＩＣである。そして、図１の実施形態では、非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるリアクトルをトランスＴ１とすることにより絶縁出力を得ている。このように、図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、既存の非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータにおける非絶縁型宇宙用ＰＷＭ―ＩＣ、その他の基幹部品、回路構成をそのまま流用し、その非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータにおける出力リアクトルをトランスに変更することにより、絶縁出力を得ている。

このように、図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、既存の非絶縁型宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータと部品を共有化でき、比較的軽微な変更でもって絶縁出力を得ることができる。したがって、図１の実施形態のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、多大な時間と費用のかかる耐環境試験を全部品について実施することなく、追加部品を宇宙用部品から選ぶか、或いは追加部品だけについて耐環境試験を実施し、全体についての耐環境試験を実施するだけで、宇宙用電子機器に搭載できるので、実用上極めて有用である。

以上、本発明の好適な実施形態の構成を説明した。しかし、かかる実施形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることが、当業者には容易に理解できよう。

１ 制御ＩＣ
１０ 直流電源
２０，３０ 負荷
Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３ ｎチャンネルＭＯＳＦＥＴ
Ｔ１ トランス
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４ ダイオード
Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ
ｎ１ トランスＴ１の１次巻線（巻数：ｎ１）
ｎ２ トランスＴ１の２次巻線（巻数：ｎ２）
Ｌ１ ノイズ除去用のインダクタ

Claims (9)

1. 直流電源の一方の端子を第１のコンデンサの一方の端子に接続し、前記直流電源の他方の端子を第１のスイッチ素子と１次巻線を備える直列回路を介して前記第１のコンデンサの他方の端子に接続し、前記第１のコンデンサの一方の端子と前記第１のスイッチ素子の前記１次巻線側端子との間に整流素子を接続し、前記第１のコンデンサ両端の電圧の情報に基づき前記第１のスイッチ素子のスイッチングを制御することにより前記電圧を一定に制御する制御ＩＣを設け、前記１次巻線に電磁結合した２次巻線を設け、前記１次巻線および前記２次巻線はトランスを構成し、前記２次巻線に生じる電圧を整流平滑する第１のダイオードと第２のコンデンサを接続し、前記第１のスイッチ素子がＯＮまたはＯＦＦに交互に制御されるとき、前記第１のダイオードはそれぞれ交互にＯＦＦまたはＯＮになり、前記第２のコンデンサに並列に第１の負荷装置を接続するチョッパ型のＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   前記１次巻線の前記第１のコンデンサ側に第２のダイオードを直列に挿入し、前記第２のダイオードの前記１次巻線側端子と前記第１のコンデンサの一方の端子の間に第２のスイッチ素子を接続し、前記制御ＩＣは前記第２のスイッチ素子を前記第１のスイッチ素子と同期してスイッチングさせることを特徴とするチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
2. 前記第１および第２のスイッチ素子ならびに前記整流素子はＭＯＳＦＥＴで構成し、
   前記制御ＩＣは、前記第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴのスイッチングにおけるＯＮ／ＯＦＦとは逆相に前記整流素子のＭＯＳＦＥＴをＯＮ／ＯＦＦすることを特徴とする請求項１に記載のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
3. 前記整流素子は第３のダイオードで構成し、
   前記１次巻線、前記第２のダイオード、前記第１のコンデンサおよび前記第３のダイオードを備えるループにおいて、前記第２および第３のダイオードの順方向は同じであることを特徴とする請求項１に記載のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
4. 前記第２のダイオードの前記第１のコンデンサ側端子と前記第１のコンデンサの一方の端子との間に第１および第２の抵抗の直列回路を接続し、
   前記第１のコンデンサ両端の電圧の情報は、前記第１のコンデンサの一方の端子と前記第１および第２の抵抗の接続点との間の電圧であることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
5. 前記第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴのゲート端子と前記第２のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴのゲート端子との間に第３の抵抗を接続し、前記第２のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴのソース端子とゲート端子の間にツェナーダイオードを接続し、前記第３の抵抗に並列にダイオードを接続しことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
6. 前記第２のダイオードの前記第１のコンデンサ側端子と前記第１のコンデンサの他方の端子との間に前記第２のダイオードに直列に、または前記第１のコンデンサに並列にノイズ除去用のローパスフィルタを設けたことを特徴とする請求項１ないし５の何れかに記載のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
7. 前記ローパスフィルタは、前記第２のダイオードの前記第１のコンデンサ側端子と前記第１のコンデンサの他方の端子との間に前記第２のダイオードに直列に接続されたインダクタまたはフェライトビーズもしくはアモルファスビーズであることを特徴とする請求項６に記載のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
8. 前記トランスをリアクトルとして用いることにより非絶縁出力を得ることを特徴とする請求項１ないし７の何れかに記載のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
9. 請求項１ないし７の何れかに記載のチョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
   宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータに適用されている非絶縁型宇宙用ＰＷＭ―ＩＣを前記制御ＩＣとして用い、前記宇宙用ＰＯＬ ＤＣ／ＤＣコンバータにおけるリアクトルを前記トランスとすることにより絶縁出力を得ることを特徴とする宇宙用チョッパ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。

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