JP2019140706A

JP2019140706A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ

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Publication number: JP2019140706A
Application number: JP2018018764A
Authority: JP
Inventors: 庸平藤井; Yohei Fujii; 敏夫柴田; Toshio Shibata
Original assignee: FDK Corp
Current assignee: FDK Corp
Priority date: 2018-02-06
Filing date: 2018-02-06
Publication date: 2019-08-22
Anticipated expiration: 2038-02-06
Also published as: JP7053292B2

Abstract

【課題】広い入力電圧範囲を有するＤＣ／ＤＣコンバータの損失の増大及び製造コストの上昇を抑制する。【解決手段】入力端子１１ａから入力電圧Ｖｉｎが供給されて起動電圧Ｖ１を出力する電圧生成回路２と、起動電圧Ｖ１が供給されて起動し制御信号を出力する制御回路４と、制御信号を受信して動作し、供給された入力電圧Ｖｉｎを変圧して出力電圧Ｖｏｕｔを出力する電圧変換回路６と、を備え、電圧生成回路２は、整流回路２５と、入力端子１１ａと整流回路２５とを接続する第１の経路７と、入力端子１１ａと整流回路２５とを接続し前記第１の経路７と並列に接続された第２の経路８と、前記第２の経路８と直列に接続され、入力電圧Ｖｉｎが印加されて一定電圧Ｖ１２を整流回路２５に供給する定電圧回路２１と、を有し、整流回路２５は、入力電圧Ｖｉｎ及び一定電圧１２の両方が供給され、起動電圧Ｖ１を制御回路４に供給する。【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータに関し、特に、入力電圧範囲が広いＤＣ／ＤＣコンバータの動作を制御する制御回路の起動電圧発生回路に関する。

情報通信装置では、高速且つ大容量のデータ処理に対応するために、低電圧で大電流を供給する電源システムが求められ、このような要求を満たすべく、中間バス構成を有する分散型電源システムが広く採用されている。

この種の給電システムの一例として、商用交流ラインから供給されるＡＣ電源を、直流電源に変換して各装置に分配し、各装置内で、絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータにより、直流電源を中間バス電圧に降圧して各ボードへ供給し、更に、各ボード上の各負荷の近傍において、中間バス電圧を各負荷の動作電圧に降圧するシステムがある。

これらの分散型電源システムの直流電源の電圧範囲には、種々の規格があり広範囲に渡る。又、コンバータが供給可能な電流には限りがあるため、消費電力が比較的高い場合は中間バス電圧が高く設定され、消費電力が低い場合は中間バス電圧を低く設定することができる。それ故、負荷を駆動するために非常に低い動作電圧で大電流の供給が必要な場合には、高い中間バス電圧から低い中間バス電圧へ、降圧を２段階にして分散させるシステムが採用される場合もある。

このように、多様なＤＣ電圧が設定される電源システムに幅広く対応するために、広い入力電圧範囲に対して動作可能なＤＣ／ＤＣコンバータが求められている。一般的に、ＤＣ／ＤＣコンバータには、その動作を制御するための制御回路が搭載され、起動する際には、まず、最初に制御回路が起動して、それから制御回路がコンバータを起動し動作させる仕組みとなっている。

しかし、この制御回路自体にも動作可能な電圧範囲があって、ＤＣ／ＤＣコンバータ自体の入力電圧範囲が、制御回路の動作電圧範囲よりも低い電圧の範囲まで含む場合、その低い電圧が外部から供給される際には、制御回路の動作電圧範囲の少なくとも下限値まで昇圧して供給する必要がある。

一般的に、昇圧回路は、入力電圧をわずかに昇圧することは困難であるから、入力電圧を制御回路の動作電圧の下限値よりも十分に低い電圧に一度降圧してから、改めて制御回路の動作電圧まで昇圧することが必要である。その一方で、入力電圧が制御回路の動作電圧範囲内にある場合には、入力電圧を直接供給するだけでよいわけである。

それ故、ＤＣ／ＤＣコンバータに入力される入力電圧に関わらず、必ず昇圧回路を通す構成とすると、制御回路の動作電圧範囲内にある十分に高い入力電圧を、動作電圧範囲の下限値よりも十分に低い電圧に一度降圧してから改めて昇圧することになるので、過剰な電力を消費して損失が大きくなる。加えて、その損失が熱に変換されてコンバータの動作時の温度を上昇させるため、過大な温度上昇を抑制するための機能を搭載することが必要となり、製造コストが増大する。

又、ＤＣ／ＤＣコンバータの広い入力電圧範囲の全域に渡って制御回路の動作電圧を出力することが可能な、更なるコンバータを付加することもできる。しかし、そのような広い入力電圧範囲で動作可能なコンバータは、結局、絶縁トランスや昇降圧回路を含む大掛かりな構成となり、実装面積の増加や製造コストの高額化が顕著であり現実的ではない。

本発明は、このような状況を鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、広い入力電圧範囲を有するＤＣ／ＤＣコンバータを、低損失且つ安価で供給することである。

本発明の第１の態様であるＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧が印加される入力端子と、前記入力電圧が供給されて起動電圧を出力する電圧生成回路と、前記起動電圧が供給されて起動し、制御信号を出力する制御回路と、前記制御信号を受信して動作し、供給された前記入力電圧を変圧して出力電圧を出力する電圧変換回路と、を備え、前記電圧生成回路は、整流回路と、前記入力端子と前記整流回路とを接続する第１の経路と、前記入力端子と前記整流回路とを接続し、前記第１の経路と並列に接続された第２の経路と、前記第２の経路と直列に接続され、前記入力電圧が供給されて一定電圧を前記整流回路に供給する定電圧回路と、を有し、前記整流回路は、前記入力電圧及び前記一定電圧が供給され、前記起動電圧を前記制御回路に供給する。

本発明の第２の態様によれば、上記第１の態様において、前記定電圧回路は、前記入力電圧が供給されて降圧電圧を出力する降圧回路と、前記降圧電圧が供給されて前記一定電圧を出力する昇圧回路と、を含む。

本発明の第３の態様によれば、前記整流回路は、前記入力電圧及び前記一定電圧を入力とするダイオードＯＲ回路からなる。

本発明の第４の態様によれば、上記第１の態様乃至上記第３の態様のいずれか１つの態様において、前記整流回路は、前記入力電圧及び前記一定電圧から、いずれか高い方の電圧を前記制御信号として出力する。

本発明によれば、制御回路の動作電圧範囲よりも低い入力電圧が供給されるときは、十分に低い電圧に一度降圧してから改めて昇圧する経路を通して、動作電圧範囲まで昇圧した起動電圧を制御回路に供給し、制御回路の動作電圧範囲内にある入力電圧が供給されるときは、別の経路を通して、供給された入力電圧を制御回路に直接供給する。これにより、昇圧回路による損失は必要最小限となり、且つ過剰な温度上昇抑制対策が不要となるから、広い入力電圧範囲を有するＤＣ／ＤＣコンバータを、低損失且つ安価で供給する効果を奏することができる。

本発明の実施形態に係るブロック図。本発明の実施形態に係る電圧生成回路のブロック図本発明の実施形態に係る整流回路の回路図。本発明の実施形態に係る詳細なブロック図。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明の実施形態に係るブロック図である。ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、電圧生成回路２、制御回路４、及び電圧変換回路６を備える。

このＤＣ／ＤＣコンバータ１は、入力電圧（＋側）が入力される入力端子（＋側）１１ａ及び入力電圧（＋側）が入力される入力端子（−側）１１ｂを備える。そして、入力端子間１１には、入力電圧（＋側）と入力電圧（−側）との差分である入力電圧Ｖｉｎが印加され、出力端子（＋側）６１ａと出力端子（−側）６１ｂの間の出力端子間６１には、入力電圧Ｖｉｎが変圧された出力電圧Ｖｏｕｔが出力される。

なお、入力電圧（＋側）は入力電圧（＋側）供給線１３を通じて電圧生成回路２及び電圧変換回路６に供給され、入力電圧（−側）は入力電圧（−側）供給線１４を通じて電圧生成回路２、制御回路４、及び電圧変換回路６に供給されている。

電圧生成回路２は、入力される入力電圧Ｖｉｎを用いて、制御回路４を起動するための起動電圧Ｖ１を生成し、起動電圧供給線１５を通して制御回路４に当該起動電圧Ｖ１を供給する。制御回路４は、電圧生成回路２から供給される起動電圧Ｖ１によって起動し、制御信号供給線１６を介して制御信号を電圧変換回路６に向けて出力する。そして、電圧変換回路６は、当該制御信号を受信して動作し、入力電圧（＋側）供給線１３から直接供給されている入力電圧Ｖｉｎを変圧して出力端子間６１に所望の出力電圧Ｖｏｕｔを出力する。

図２は、電圧生成回路２の構成を示すブロック図である。電圧生成回路２は、整流回路２５と、入力端子（＋側）１１ａと整流回路２５を接続する第１の経路７と、この第１の経路７と並列に接続されて入力端子（＋側）１１ａと整流回路２５を結ぶ第２の経路８と、を有する。ここで、第１の経路７は、入力電圧Ｖｉｎを入力電圧（＋側）供給線１３を通して整流回路２５へ直接供給する経路である。又、第２の経路８では、入力端子（＋側）１１ａと整流回路２５との間に定電圧回路２１が直列に接続されている。

この定電圧回路２１には入力電圧Ｖｉｎが印加され、一定電圧Ｖ１２を、一定電圧供給線１８を通して整流回路２５に供給する。しかし、定電圧回路２１のような電圧変換回路は、入力電圧Ｖｉｎの値が出力の目標値である一定電圧Ｖ１２の値に近すぎる場合には、目標の出力電圧を生成することが困難である。従って、一度、出力の目標値である一定電圧Ｖ１２よりも十分に低い基準電圧を発生させて、その基準電圧を昇圧して目標値である一定電圧Ｖ１２を得る手法が一般的である。

そこで、定電圧回路２１は、降圧回路２２及び昇圧回路２３の２つの回路ブロックから構成される。これら、降圧回路２２及び昇圧回路２３はそれぞれ、第２の経路８の経路上に直列に接続されている。その動作は、まず、降圧回路２２に入力電圧Ｖｉｎが供給され、降圧回路２２は入力電圧Ｖｉｎを基準電圧である降圧電圧Ｖ１１まで一度降圧する。次に、昇圧回路２３に降圧された降圧電圧Ｖ１１が供給され、昇圧回路２３は降圧電圧Ｖ１１を一定電圧Ｖ１２まで昇圧して一定電圧供給線１８に出力する。例えば、昇圧回路２３は、入力電圧を２倍〜３倍程度に昇圧する構成が効率よい動作ができるから、降圧電圧Ｖ１１は一定電圧Ｖ１２の１／２〜１／３の値に設定することが好ましい。

なお、降圧回路２２は、図４に示すように、例えば、低電圧レギュレータ２２ａ、トランジスタＱ０、及び抵抗素子Ｒ０と、からなる低電圧安定化回路２２ｂとして構成されてもよく、更に、抵抗素子Ｒ１、Ｒ２からなる電圧調整回路２２ｃを有してもよい。又、昇圧回路２３は、例えば小型のＤＣ／ＤＣコンバータ回路を用いてもよい。

図３は整流回路２５の回路図を示す。整流回路２５は、入力電圧Ｖｉｎを整流回路２５から出力可能にするための第１の整流素子２７と、一定電圧Ｖ１２を整流回路２５から出力可能にするための第２の整流素子２８からなるダイオードＯＲ回路で構成されている。なお、整流回路２５の出力は起動電圧Ｖ１であり、起動電圧供給線１５に供給されている。

この整流回路２５は、供給される入力電圧Ｖｉｎ及び一定電圧Ｖ１２から、いずれか高い方の電圧を起動電圧Ｖ１として起動電圧供給線１５に出力する。ここで、入力電圧Ｖｉｎよりも一定電圧Ｖ１の方が高い場合は、第１の整流素子２７が起動電圧供給線１５から入力端子（＋側）１１ａ方向への電流の逆流を防止し、一定電圧Ｖ１より入力電圧Ｖｉｎの方が高い場合は第２の整流素子２８が、起動電圧供給線１５から昇圧回路２３への電流の逆流を防止する。

制御回路４は、内部レギュレータ４１、制御部４２、及びドライバ４３を含んでいてもよい。この制御回路４は、例えば、電圧範囲ＶＬ〜ＶＨの起動電圧において起動可能である。ここで、ＶＬ〜ＶＨの電圧範囲が比較的広い場合は、起動電圧を内部レギュレータ４１により内部の動作電圧に降圧して、制御部４２を駆動していてもよい（図４）。

なお、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の入力端子間１１に印加される入力電圧ＶｉｎがＶＬよりも低い場合は、第２の経路８の経路上の定電圧回路２１により、入力電圧ＶｉｎをＶＬまで昇圧し、整流回路２５及び起動電圧供給線１５を通して制御回路４に供給することができる。又、入力電圧ＶｉｎがＶＬ〜ＶＨの範囲にある場合は、入力電圧Ｖｉｎが第１の経路７を通して制御回路４に直接供給される。

電圧変換回路６は、例えば、図４に示すように、ハーフブリッジ構成であって、プッシュプル方式で絶縁トランスを駆動するパワーコンバータであってもよい。

このとき、制御回路４は、ドライバ４３を介して、ハーフブリッジ構成のハイサイド及びローサイドのトランジスタＱ１及びトランジスタＱ２の各ゲート端子を駆動する制御信号を、制御信号供給線１６のそれぞれ（制御信号供給線１６ａ,１６ｂ）を介してトランジスタＱ１及びトランジスタＱ２に供給している。又、制御回路４の制御部４２から、スイッチングトランジスタＱ３及びＱ４のそれぞれをプッシュプル動作させる制御信号を、制御信号供給線１６のそれぞれ（制御信号供給線１６ｃ,１６ｄ）を介してスイッチングトランジスタＱ３及びＱ４に供給している。

そして、電圧変換回路６は、絶縁トランスＴを含んでいる。又、制御回路４のドライバ４３を介して供給される制御信号によって、直列に接続されたトランジスタＱ１及びトランジスタＱ２が駆動し、その中間接点の出力を絶縁トランスＴの１次側に供給する。又、制御回路４の制御部４２から直接供給される制御信号によって、絶縁トランスＴの１次側のプッシュ側コイルとプル側コイルを交互に駆動する。ここで、スイッチングトランジスタＱ３及びＱ４に供給される制御信号は、トランジスタＱ１及びトランジスタＱ２に供給される制御信号と同期されている。絶縁トランスＴの１次側コイルの動作電流は、対応する２次側コイルの電流に変換され、入力電圧Ｖｉｎが出力端子間６１に出力電圧Ｖｏｕｔとして出力される。なお、電圧変換回路６の回路構成は、本実施形態に記載した方式に限定されるものではなく、種々のコンバータ回路方式を適用することができる。

１ＤＣ／ＤＣコンバータ
２電圧生成回路
４制御回路
６電圧変換回路
７第１の経路
８第２の経路
１１入力端子間
１１ａ入力端子（＋側）
１１ｂ入力端子（−側）
１３入力電圧（＋側）供給線
１４入力電圧（−側）供給線
１５起動電圧供給線
１６、１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ制御信号供給線
１７降圧電圧供給線
１８一定電圧供給線
２１定電圧回路
２２降圧回路
２２ａ低電圧レギュレータ
２２ｂ低電圧安定化回路
２２ｃ電圧調整回路
２３昇圧回路
２５整流回路
２７第１の整流素子
２８第２の整流素子
４１内部レギュレータ
４２制御部
４３ドライバ
６１出力端子間
６１ａ出力端子（＋側）
６１ｂ出力端子（−側）
Ｖｉｎ入力電圧
Ｖ１起動電圧
Ｖ１１降圧電圧
Ｖ１２一定電圧
Ｖｏｕｔ出力電圧

Claims

入力電圧が印加される入力端子と、
前記入力電圧が供給されて起動電圧を出力する電圧生成回路と、
前記起動電圧が供給されて起動し、制御信号を出力する制御回路と、
前記制御信号を受信して動作し、供給された前記入力電圧を変圧して出力電圧を出力する電圧変換回路と、を備え、
前記電圧生成回路は、整流回路と、前記入力端子と前記整流回路とを接続する第１の経路と、前記入力端子と前記整流回路とを接続し、前記第１の経路と並列に接続された第２の経路と、前記第２の経路と直列に接続され、前記入力電圧が供給されて一定電圧を前記整流回路に供給する定電圧回路と、を有し、
前記整流回路は、前記入力電圧及び前記一定電圧が供給され、前記起動電圧を前記制御回路に供給する、ＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記定電圧回路は、前記入力電圧が供給されて降圧電圧を出力する降圧回路と、前記降圧電圧が供給されて前記一定電圧を出力する昇圧回路と、を含む、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記整流回路は、前記入力電圧及び前記一定電圧を入力とするダイオードＯＲ回路からなる、請求項１又は２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
前記整流回路は、前記入力電圧Ｖｉｎ及び前記一定電圧Ｖ１２から、いずれか高い方の電圧を前記制御信号として出力する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。