JP2616713B2 - Dc−dcコンバータとそれを用いた電子計算機 - Google Patents

Dc−dcコンバータとそれを用いた電子計算機

Info

Publication number
JP2616713B2
JP2616713B2 JP23877094A JP23877094A JP2616713B2 JP 2616713 B2 JP2616713 B2 JP 2616713B2 JP 23877094 A JP23877094 A JP 23877094A JP 23877094 A JP23877094 A JP 23877094A JP 2616713 B2 JP2616713 B2 JP 2616713B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
voltage
converter
circuit
capacitor
switch
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP23877094A
Other languages
English (en)
Other versions
JPH07154967A (ja
Inventor
隆男 柳沼
謙一 恩田
靖夫 松田
浩一 水田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP23877094A priority Critical patent/JP2616713B2/ja
Publication of JPH07154967A publication Critical patent/JPH07154967A/ja
Application granted granted Critical
Publication of JP2616713B2 publication Critical patent/JP2616713B2/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Electronic Switches (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、DC−DCコンバータ
に係り、特に、高周波化,小形化かつ高効率化を実現す
るのに好適なDC−DCコンバータに関し、かつ前記小
形化を図つたDC−DCコンバータを組み込んで小形軽
量化を実現するのに好適な電子計算機にも関する。
【0002】
【従来の技術】直流電圧源,変圧器の1次巻線及びスイ
ッチ素子が直列に接続され、前記スイッチ素子のオン,
オフによって前記変圧器の2次巻線から負荷に直流電力
を供給するDC−DCコンバータにおいては、小形化が
最も重要な課題である。小形化を実現する有効な手段の
一つは回路動作の高周波化であり、高周波化によって磁
性部品,コンデンサ等の受動部品を小形にすることがで
きる。
【0003】高周波化小形化を図ったDC−DCコンバ
ータの一例として、図16に示す方式が既に知られてい
る。同図において、3は直流電圧源、4−1,4−2は
電源分割用コンデンサ、5−1,5−2は自己しゃ断機
能を有するスイッチ素子のMOS−FET、19−1,
19−2は充放電スナバ、18は変圧器、9−1,9−
2は整流ダイオード、11は出力平滑用リアクトル、1
2は出力平滑用コンデンサ、33は負荷である。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】以下、DC−DCコン
バータの高周波化,小形化を阻害する要因を述べる。
【0005】DC−DCコンバータの高周波化,小形化
を阻害する第1の要因は、スイッチング損失の増大であ
る。スイッチング損失は周波数にほぼ比例して増大す
る。このため、高周波になる程、スイッチ素子の冷却フ
アンが大形化し、コンバータの小形化が困難になる。上
記従来技術では、スイッチ素子であるMOS−FET5
−1,5−2とそれぞれ並列に抵抗,コンデンサ及びダ
イオードからなる充放電スナバ19−1,19−2を接
続することによってスイッチ素子のターンオフ損失を低
減しており、これによって高周波化,小形化を実現して
いる。ところが、この一例では、充放電スナバが無損失
でなく、コンデンサに吸収されたエネルギが抵抗で消費
された大きな損失を発生しているという問題がある。こ
のため、このスナバ回路を用いたDC−DCコンバータ
は、高周波化に伴って抵抗が大形化し、コンバータの小
形化が困難になる。また、電源の効率も低い。
【0006】次に、DC−DCコンバータの高周波化,
小形化を阻害する第2の要因は、2次側重なり期間によ
る最大の実効オン時比率の低下である。図16のように
出力平滑回路がチョーク入力型の構成になっている場
合、スイッチ素子をオンした直後、変圧器の2次側での
転流が変圧器の漏れインダクタンス,配線インダクタン
ス等によって抑制されて緩やかに起こり、ある期間は変
圧器の2次側が短絡されている。この期間が2次側重な
り期間と呼ばれる。この期間では、スイッチ素子がオン
しているにもかかわらず負荷へ電力が伝達されない。チ
ョーク入力型の出力平滑回路を有するDC−DCコンバ
ータでは、高周波になる程、2次側重なり期間の周期に
占める割合が増大し、最大の実効オン時比率が低下す
る。このため、最小入力電圧,最大負荷電流の場合に出
力電圧を確保するには、変圧器の巻数を小さく設定せざ
るをえない。この結果、負荷電流の1次側換算値が増加
して1次側回路での損失も増大し、冷却フィンの大形
化,部品の実装密度の低下を招き、コンバータの小形化
を達成することが困難になる。上記従来技術では、この
点に関する配慮もなされておらず、コンバータの高周波
化,小形化が困難となっている。この問題は、高周波に
なる程,低電圧出力になる程、また大電流出力になる
程、大きくなる。
【0007】次に、DC−DCコンバータの高周波化,
小形化を阻害する第3の要因は、電源短絡防止用のデッ
ドタイムによる最大オン時比率の低下である。図16の
ように、直流電圧源と2個のスイッチ素子5−1,5−
2だけで閉ループを構成する場合、スイッチ素子5−
1,5−2が同時にオンになると、電源短絡を生じる。
この場合、スイッチ素子に過大な電流が通流し、素子を
破壊に至らしめる恐れがある。この電源短絡を防止する
ため、素子特性を含めた回路特性のばらつき等を考慮し
てもスイッチ素子が決して同時に導通しないように、二
つのオン信号間にデッドタイムが設けられる。通常、デ
ッドタイムは、素子のターンオフタイムと同程度の値に
設定される。例えば、500V,30A級のMOS−F
ETの場合には、デッドタイムが1μs前後必要にな
る。この素子を図16の回路に用いてスイッチング周波
数200kHzで動作させる場合、デッドタイムは、半
周期の約40%も占めてしまう。すなわち、最大オン時
比率が低下する。このため、最小入力電圧,最大負荷電
流の場合に出力電圧を確保するには、上述したように、
変圧器の巻数を小さく設定せざるをえない。この結果、
負荷電流の1次側換算値が増加して1次側回路での損失
も増大し、冷却フィンの大形化,部品の実装密度の低下
を招き、コンバータの小形化を達成することが困難にな
る。上記従来技術では、この点に関する配慮もなされて
おらず、コンバータの高周波化,小形化が困難となって
いる。
【0008】以上のように、DC−DCコンバータの高
周波小形化を阻害する主な要因は、スイッチング損失の
増大,2次側重なり期間による最大の実効オン時比率の
低下,電源短絡防止用デッドタイムによる最大オン時比
率の低下である。
【0009】本発明の目的は、スイッチング損失の低
減,2次側重なり期間の短縮,電源短絡防止用デッドタ
イムの削除を図り、高周波化,小形化と高効率化を実現
したDC−DCコンバータを提供することである。
【0010】
【課題を解決するための手段】上記の目的は、直流電圧
源に2個以上のコンデンサの直列接続体を並列に接続
し、各コンデンサを直流電圧源として動作するように各
々のコンデンサに、該コンデンサと変圧器の1次巻線と
スイッチ素子が直列に接続されスイッチ素子のオンオフ
によって該変圧器の2次巻線から負荷に電力を供給する
一石フォワードコンバータを接続し、前記一石フォワー
ドコンバータでは、スイッチ素子のターンオフ時には該
スイッチ素子と並列にスナバコンデンサを接続し、該ス
イッチ素子のターンオン時には前記コンデンサと前記ス
ナバコンデンサを直列にかつ各々の電圧が加極性になる
ように接続することで達成できる。
【0011】
【作用】スイッチ素子のターンオフ時には、該スイッチ
素子と並列にスナバコンデンサが接続される。これによ
って、スイッチ素子のターンオフ損失が低減できる。ま
た、このスナバコンデンサに蓄えられたエネルギは、ス
イッチ素子のターンオン時に負荷へ伝達されるので損失
にならない。
【0012】また、スイッチ素子のターンオン時の当初
には、直流電圧源とみなせるコンデンサとスナバコンデ
ンサの電圧の和の高電圧が、一石フォワードコンバータ
の変圧器の1次側巻線の両端に印加される。これによっ
て、1次側電流の電流上昇率が大きくなって2次側での
転流が加速され、変圧器の2次側重なり期間が短縮でき
る。
【0013】次に、直流電圧源に2個以上のコンデンサ
の直列接続体が並列に接続され、各コンデンサを直流電
圧源として動作するように夫々のコンデンサに一石フォ
ワードコンバータが接続されている。ここで、各々の一
石フォワードコンバータのスイッチ素子を同時にオンさ
せたとしても、直流電圧源と各スイッチ素子からなる閉
ループには負荷が挿入されているので、電源短絡が生じ
ることは無い。このため、電源短絡防止用のデッドタイ
ムは不要になる。
【0014】以上から、スイッチング損失の低減,2次
側重なり期間の短縮および電源短絡防止用のデッドタイ
ムの削除を図ることができ、高周波小形でかつ高効率の
DC−DCコンバータを実現できる。
【0015】
【実施例】以下、本発明の実施例の詳細を図面に基づき
説明する。
【0016】まず図1〜図3を用いて本発明の一実施例
を説明する。
【0017】図1は、本発明のDC−DCコンバータの
一実施例の回路構成である。同図において、3は直流電
圧源、4−1,4−2は電源分割用コンデンサ、5−1
〜5−4はMOS−FET、6−1〜6−4はダイオー
ド、7−1,7−2はコンデンサ、8−1,8−2は帰
還ダイオード、9−1,9−2は整流ダイオード、10
−1,10−2は環流ダイオード、11−1,11−2
は出力平滑用リアクトル、12は出力平滑用コンデン
サ、33は負荷である。また、1−1,1−2はスナバ
回路、2−1,2−2はスイッチ回路、34−1,34
−2はそれぞれ電源分割用コンデンサ、4−1,4−2
は直流電圧源とする一石フォワードコンバータである。
二つの一石フォワードコンバータの出力は、並列になっ
ている。また、二つの一石フォワードコンバータ34−
1,34−2は、それぞれ同様な動作を行う。なお、従
来の一石フォワードコンバータでは、スイッチ回路2−
1,2−2がそれぞれ1個のスイッチ素子になってい
る。
【0018】図2は、図1の回路各部の動作波形であ
る。同図では、変圧器の1次巻線の巻線n1 とリセット
巻線の巻数n3 が等しく、また、2次側重なり期間を無
視した場合を示している。同図に示すように、一サイク
ルは状態I〜VIからなる。また、同図の電圧電流の記号
の定義は、図1中に図示してある。
【0019】図3に図1の回路の1次側電流の通流経路
を示す。ただし、本図は図1の一石フォワードコンバー
タ34−1の部分を示したものである。図3において、
(a)は図2の状態I、(b)は図2の状態II、(c)は図2
の状態III における電流通流経路であり、また、図1と
同じ要素には同符号を付している。
【0020】以下、図2,図3を用いて、図1の回路動
作を説明する。
【0021】まず、時刻t=0において、コンデンサ7
−1の電圧vC は、後述するように、電源分割用コンデ
ンサ4−1の電圧Ei の2倍になっている。ここで、M
OS−FET5−1,5−2を同時にターンオンする
と、図3(a)のように、コンデンサ7−1の電圧vC
図示の極性になっているのでダイオード6−1,6−2
がオフであり、1次側電流I0′ はスイッチ回路2−1
のなかでMOS−FET5−1、コンデンサ7−1、M
OS−FET5−2を通って流れる。同時に、コンデン
サ7−1は、1次側電流I0′ によって放電してゆく。
すなわち、コンデンサ7−1に蓄えられたエネルギは、
負荷に伝達されて損失にならない。ここで、電源分割用
コンデンサ4−1とコンデンサ7−1は、直列にかつ電
圧が加極性になるように接続されている。なお、1次側
電流I0′ は、出力平滑用リアクトル11−1に通流す
る略一定の電流I0 の1次側換算値である。
【0022】変圧器の1次巻線の電圧v1 は、電源分割
用コンデンサ4−1の電圧Ei とコンデンサ7−1の初
期電圧2Ei の和の3Ei から、コンデンサ7−1の放
電に伴って、Ei へと減少してゆく。2次側では、整流
ダイオード9−1がオンし、環流ダイオード10−1が
オフになっている。次に、時刻t=t1 において、コン
デンサ7−1が完全に放電した後、1次側電流I0
は、図3(b)のように、スイッチ回路2−1のなかで等
分に2分岐して流れる。次に、時刻t=t2 において、
MOS−FET5−1,5−2を同時にターンオフする
と、コンデンサ7−1は、1次側電流I0′ が図3(c)
に示すようにスイッチ回路2−1の中でダイオード6−
1,コンデンサ7−1及びダイオード6−2を通って流
れるために、図示の極性に充電されてゆく。このとき、
コンデンサ7−1は、MOS−FET5−1,5−2と
並列に接続され、これらのスイッチ素子のスナバとして
働く。次に、時刻t=t2 において、コンデンサ7−1
の電圧vC が電源分割用コンデンサ4−1の電圧Ei
達し、同時に変圧器の1次巻線n1 の電圧v1 が零にな
ると、整流ダイオード9−1がオフ,環流ダイオード1
0−1がオンになり、変圧器の2次側は短絡される。そ
の後、今度は、変圧器の励磁電流によってコンデンサ7
−1が充電されてゆき、この電圧vC が電源分割用コン
デンサ4−1の電圧Ei の2倍まで上昇する。
【0023】次に、時刻t=t4 において、コンデンサ
7−1の電圧vC がこの電圧に達すると、帰還ダイオー
ド8−1がオンになって変圧器の磁束リセットが行わ
れ、vC は2Ei にクランプされる。次に、時刻t=t
5 において、変圧器の磁束リセットが完了すると、変圧
器の1次巻線n1 の電圧v1 は零になる。
【0024】以上のように、MOS−FET5−1,5
−2のターンオフ時には、MOS−FET5−1,5−
2と並列にコンデンサ7−1が接続され、それまでMO
S−FET5−1,5−2に流れていた電流がコンデン
サ7−1に転流すると共に、コンデンサ7−1の電圧v
C が式(1)の電圧上昇率で緩やかに上昇する。
【0025】 dvC/dt=I0′/C …(1) ここで、Cはコンデンサ7−1の容量である。このた
め、MOS−FET5−1,5−2のターンオフ損失は
ほとんど発生しない。また、コンデンサ7−1に蓄えら
れたエネルギは、MOS−FET5−1,5−2のター
ンオン後に負荷へ伝達されて損失にならない。すなわ
ち、スイッチ回路2−1は、無損失のスナバ回路1−1
を含む構成になっている。
【0026】以上から、本実施例では、新たな損失を発
生させることなくスイッチング損失を低減できるので、
DC−DCコンバータの高周波化,小形化と高効率化を
図ることができる効果がある。
【0027】図4と図5は、2次側重なり期間を短縮す
ることができることを説明する図である。図4は、図1
の一石フォワードコンバータ34−1における2次側重
なり期間での等価回路である。ここでは、全ての電圧電
流を1次側換算してある。14は変圧器の等価回路、1
5は変圧器の励磁インダクタンス、16は変圧器の漏れ
インダクタンス、17は直流電流源である。なお、変圧
器の2次側の配線インダクタンスは、変圧器の漏れイン
ダクタンスと等価であり、これに含める。同図におい
て、図1と同じ要素は同符号を付してある。また、直流
電流源17は図1の出力平滑用リアクトル11−1を模
擬している。図5は図4の回路各部の動作波形である。
【0028】以下、図5を用いて、図4の回路の動作を
説明する。時刻t=0において、1次側電流i1 は零で
あり、また、直流電流源17の電流I0′ は環流ダイオ
ード10−1を通って流れている。ここで、MOS−F
ET5−1,5−2をターンオンすると、1次側電流i
1 は、図4に図示した経路で流れ、式(2)の電流上昇
率で零から徐々に増加してゆく。
【0029】 di1/dt≒3Ei/LI …(2) ここで、LI は変圧器14の漏れインダクタンス16で
ある。環流ダイオード10−1は、1次側の電流i1
直流電流源17の電流I0′ に達する時刻t=t1
で、オンを持続する。このため、変圧器の2次側の電圧
2′ は、変圧器の1次巻線の電圧v1 が非零にもかか
わらず零のままである。この期間が2次側重なり期間T
である。ここで、2次側重なり期間Tは、式(3)で表
わされる。 T=I0′/(di1/dt) …(3) ところで、図1の出力平滑用リアクトル11−1の略一
定の電流I0 とこの電流の1次側換算値であるI0′ の
関係は、式(4)で表わされる。
【0030】 I0′=I0/a …(4) ここで、aは変圧器の巻数比(=1次巻線n1/2次巻
数n2)である。また、議論を簡単にするために、変圧
器の漏れインダクタンスが零であり、2次側の配線イン
ダクタンスをLとすれば、LI とLの関係は、式(5)
で与えられる。
【0031】 LI=a・a・L …(5) 式(2),(4)及び(5)を式(3)式へ代入すれば、
次式(6)が得られる。
【0032】 T≒aI0L/(3Ei) …(6) 重なり期間Tは、式(6)からわかるように、変圧器の
巻数比aが大きいほど即ち出力電圧が低い程,負荷電流
0 が大きい程,電源電圧が小さい程,長くなる。
【0033】従来方式の場合、スイッチ回路2−1をM
OS−FET1個に置き換えたものであり、1次側電流
1 は、コンデンサ7−1がないために式(7)の電流
上昇率で徐々に増加してゆく。
【0034】 di1/dt=Ei/LI …(7) 本方式での重なり期間は、式(7),(2)を比べれば、
電源電圧が3倍となっており、2次側重り期間は従来方
式と比べて約1/3にも短縮できることになる。すなわ
ち、本実施例では、スイッチ素子がターンオンした当
初、電源分割用コンデンサ4−1とコンデンサ7−1の
電圧の和の高電圧を変圧器の1次巻線に印加して1次側
電流の立上りを高速にすることで、重なり期間を短縮し
ている。このため、本実施例では、最大の実効オン時比
率を増加させることができ、DC−DCコンバータの高
周波化,小形化と高効率化を図ることができる効果があ
る。この効果は、低電圧大電流出力の電源になる程、大
きくなる。
【0035】この2次側重なり期間が特に高周波化,小
形化の障害になる電源として、低電圧大電流出力の電子
計算機用電源等が挙げられ本方式のDC−DCコンバー
タを用いることにより小形化,軽量化を図れる。
【0036】次に、図1の一実施例では、電源短絡が生
じないことを説明する。同図において、MOS−FET
5−1〜5−4の全てが同時にオンになる場合を考え
る。直流電圧源3とMOS−FET5−1〜5−4から
なる閉ループには、変圧器の1次巻線すなわち負荷が必
ず挿入されている。このため、電源短源が生じない。し
たがつて、図1のコンバータでは、MOS−FET5−
1,5−2と5−3,5−4の間に電源短絡防止用のデ
ッドタイムが不要となる。これによって、本実施例で
は、最大オン時比率を増加させることが可能になり、D
C−DCコンバータの高周波化,小形化と高効率化を図
ることができる効果がある。
【0037】また、上記では、変圧器の1次巻線の巻数
1 とリセット巻線の巻数n3 を等しいとしているが、
等しくなくてもよい。この場合、n3>n1とすれば最大
オン時比率を50%以上に増加させることも可能にな
る。
【0038】なお、スイッチ回路2−1は、ハーフブリ
ッジ,フリブリッジ方式等の他のDC−DCコンバータ
にも適用ができる。この場合にも、スイッチング損失の
低減と2次側重なり期間の短縮を図ることができる効果
がある。
【0039】図6は本発明の他の一実施例を示すDC−
DCコンバータの回路構成である。13は負荷回路であ
る。同図において、図1と同じ要素には同符号を付して
ある。同図の回路は、基本構成がハーフブリッジ方式で
あり、2個のスイッチ素子の直列体をスイッチ回路2と
して用いたものである。
【0040】図7は図6の回路各部の動作波形である。
同図の電圧の記号の定義は、図6に図示してある。
【0041】以下、図7を用いて図6の回路の動作を説
明する。
【0042】時刻0の時、コンデンサ7の電圧vC は、
後述するように、電源分割用コンデンサ4−1の電圧E
i と等しい値となっている。この時点において、MOS
−FET5−1,5−2を同時にターンオンすると、ダ
イオード6−1がコンデンサ7の電圧vC によって逆バ
イアスされてオフであり、1次側電流はMOS−FET
5−2,コンデンサ7を通って流れる。この時、電源分
割用コンデンサ4−1とコンデンサ7は直列にかつ電圧
が加極性になるように接続される。変圧器の1次巻線n
1 の電圧v1は、コンデンサ7の放電に伴って2Eiから
i へ減少する。次に、時刻t1 でコンデンサ7の電圧
C が零になった以降、1次側電流は、MOS−FET
5−1,ダイオード6−1を通って流れる。次に、時刻
でMOS−FET5−1をターンオフすると、1次
側の電流はMOS−FET5−2,コンデンサ7を通っ
て流れる。同時に、コンデンサ7は充電される。次に時
刻tでコンデンサ7の電圧vC が−Ei に達した以
降、整流ダイオード9−1,9−2がオフになり、1次
側電流は0になる。MOS−FET5−2のオフ信号
は、この時点以降に与える。以上が、時刻0〜t5 まで
の半サイクルの回路動作である。次の半サイクルの動作
は、回路の対称性に応じたものになる。
【0043】以上のように、MOS−FET5−1のタ
ーンオフ時には、コンデンサ7がこのスイッチ素子と並
列に接続されてスナバとして働く。MOS−FET5−
3のターンオフ時には、コンデンサ7がこのスイッチ素
子と並列に接続されてスナバとして働く。このため、M
OS−FET5−1,5−3では、ターンオフ損失がほ
とんど生じない。また、MOS−FET5−2又は5−
4では、それぞれのターンオフが零電圧及び零電流スイ
ッチングになるため、ターンオフ損失がほとんど発生し
ない。なお、コンデンサ7に蓄えられたエネルギは、負
荷に伝達されて損失にならない。スイッチ回路2は、構
成が簡単な無損失のスナバ回路1を含む構成になってい
る。本実施例では、スイッチング損失を低減できるの
で、DC−DCコンバータの高周波化,小形化と高効率
化を図ることができる効果がある。次に、MOS−FE
T5−1がターンオンした直後には、電源分割用コンデ
ンサ4−1とコンデンサ7の電圧の和の大きな電圧が負
荷回路13に印加される。MOS−FET5−3がター
ンオンした直後には、電源分割用コンデンサ4−2とコ
ンデンサ7の電圧の和の大きな電圧が負荷回路13に印
加される。このことから、本実施例では、変圧器の2次
側重なり期間が短縮でき、DC−DCコンバータの高周
波化,小形化と高効率化を図ることができる効果があ
る。
【0044】なお、スイッチ回路2を2個用いることに
よって、フルブリッジ方式へも展開することができる。
この場合も、上述した同様な効果が得られる。
【0045】図8は本発明の更に他の一実施例を示すD
C−DCコンバータの回路構成である。図6と同じ要素
には同符号を付してある。
【0046】図9は図8の回路各部の動作波形である。
同図の電圧の記号は、図8に定義してある。
【0047】以下、図9を用いて図8の回路の動作を説
明する。
【0048】時刻0の時、コンデンサ7−1の電圧vC1
は、電源分割用コンデンサ4−1の電圧Ei と等しく、
一方、コンデンサ7−2の電圧vC2は零になっている。
ここで、MOS−FET5−1,5−2を同時にターン
オンすると、ダイオード6−1,6−2がコンデンサ7
−1の電圧vC1によって逆バイアスされてオフのため、
1次側電流はMOS−FET5−1,コンデンサ7−1
を通って流れる。この時、電源分割用コンデンサ4−1
とコンデンサ7−1は直列にかつ電圧が加極性になるよ
うに接続される。同時に、変圧器の1次巻線n1 の電圧
1 は、コンデンサ7−1の放電に伴って、2Ei から
i へ減少する。次に、時刻t1 のコンデンサ7−1の
電圧vC1が零になった以降、1次側の電流はMOS−F
ET5−1,ダイオード6−1を通って流れる。
【0049】次に、時刻t2 でMOS−FET5−1を
ターンオフすると、1次側の電流はMOS−FET5−
2,ダイオード6−2,コンデンサ7−2を通って流れ
る。同時に、コンデンサ7−2は充電される。その後、
時刻t3 でコンデンサ7−2の電圧vC2がEi に達した
以降、整流ダイオード9−1,9−2がオフになり、1
次側電流は0になる。以上が、時刻0〜t5 までの半サ
イクルの回路動作である。次の半サイクルの動作は、回
路の対称性に応じたものになる。
【0050】以上のように、MOS−FET5−1のタ
ーンオフ時には、コンデンサ7−2がこのスイッチ素子
と並列に接続されてスナバとして働く。MOS−FET
5−1をターンオフ時には、コンデンサ7−1がこのス
イッチ素子と並列に接続されてスナバとして働く。この
ため、MOS−FET5−1,5−3では、ターンオフ
損失がほとんど発生しない。また、MOS−FET5−
2又は5−4では、ターンオフが零電圧及び零電流スイ
ッチングになるため、ターンオフ損失がほとんど発生し
ない。なお、コンデンサ7−1,7−2に蓄えられたエ
ネルギは、負荷に伝達されて損失にならない。スイッチ
回路2は、構成が簡単な無損失のスナバ回路1を含む構
成になっている。本実施例では、スイッチング損失を低
減できるので、DC−DCコンバータの高周波化,小形
化と高効率化を図ることができる効果がある。
【0051】次に、MOS−FET5−1がターンオン
した直後には、電源分割用コンデンサ4−1とコンデン
サ7−1の電圧の和の大きな電圧が負荷回路13に印加
される。MOS−FET5−3がターンオンした直後に
は、電源分割用コンデンサ4−2とコンデンサ7−2の
電圧の和が大きな電圧が負荷回路13に印加される。こ
のことから、本実施例では、変圧器の2次側重なり期間
が短縮でき、DC−DCコンバータの高周波化,小形化
と高効率化を図ることができる効果がある。なお、スイ
ッチ回路2を2個用することによって、フルブリッジ方
式へも展開することができる。この場合も、上述した同
様な効果が得られる。
【0052】図1,図6及び図8の回路は、別の見方を
すれば、スイッチ素子がターンオンした直後に、負荷回
路に印加される初期電圧が直流電圧源の2倍以上の電圧
になるという特徴を有する。
【0053】図10は、負荷回路の一構成例を示してい
る。(a)は、負荷回路13が少なくとも整流回路,チョ
ーク入力型出力平滑回路及び負荷からなる一例である。
この場合、2次側の転流は、配線インダクタンスによっ
て抑制される。また、(b)は、負荷回路13が少なくと
も変圧器,整流回路,チョーク入力型出力平滑回路及び
負荷からなる一例である。この場合、2次側の転流は、
変圧器の漏れインダクタンスと配線インダクタンスによ
って抑制される。いずれの負荷回路の構成であつても、
図1,図6および図8等の一実施例のコンバータを適用
することによって、スイッチング損失の低減と2次側重
なり期間の短縮を図ることができる。
【0054】次に、2次側重なり期間を短縮した効果を
定量的に述べる。ここでは、図1のDC−DCコンバー
タを取り上げて考える。2次側重なり期間Tは、式
(6)から変圧器の巻線比が大きい程,すなわち入力電
圧が高く出力電圧が低い程、長くなる。ここで、入力電
圧が交流100Vを整流した後の電圧であり、出力電圧
がTTLの電源として必要な5Vであり、負荷電流を総
計300Aとし、変圧器の漏れインダクタンスが零であ
り、変圧器の2次巻線の引出線を非常に短く6cmとした
場合を考える。すると、式(6)中のパラメータは、お
およそ次の値になる。
【0055】 I0=150A a =6 L =0.06μH Ei=70V これらの値を用いると、2次側重なり期間Tは約0.2
6μs となる。一方、従来方式では2次側重なり期間
Tが約0.77μs となる。動作周波数が200kHz
の場合、これらの値は、前者が周期の5.2% と小さい
のに対し、後者が周期の15.4% と大きい。これは、
本発明の他の実施例にもあてはまる。言い替えれば、直
流電圧源の電圧が少なくとも交流100V以上の電圧を
整流した後に得られる値であり、動作周波数が200k
Hz以上で、出力電圧が5V以下のコンバータにおい
て、2次側の重なり期間を周期の10%以下にすること
が可能なのは、図1,図6および図8のような実施例の
コンバータのみである。
【0056】図11は、本発明の更に他の一実施例を示
す。
【0057】DC−DCコンバータの回路構成を示して
いる。直流電圧源3に複数の電源分割用コンデンサC1
〜Cn の直列接続体が並列に接続され、各コンデンサを
直流電圧源として動作するように、夫々のコンデンサに
コンバータが接続されている。ここでは、出力を多出力
にしている。各コンバータには、前述した一実施例のい
ずれかを使用する。各コンバータは、上述したように、
高周波化,小形化かつ高効率化を達成できる。このよう
な構成にすることで、全体のDC−DCコンバータの小
形軽量化を図ることができる効果がある。また、各コン
バータのスイッチ素子の耐圧を軽減することができる効
果も生まれる。
【0058】図11では多出力としたが、単出力とする
こともできる。図12はコンバータの並列接続方法を示
している。同図(a),(b)において、30−1〜30−
nはインバータ、18−1〜18−nは変圧器、31−
1〜31−nは整流回路、32−1〜32−nは出力平
滑用回路、33は負荷である。直流電圧源3と電源分割
用コンデンサC1〜Cnの構成は、図11と同様なもので
ある。(a)では、出力平滑用回路32−1〜32−nの
後段で出力を並列にとつている。この場合、出力平滑用
回路のコンデンサを共通にしてもよい。また、各コンバ
ータは、どのような位相で動作させてもよい。(b)は、
出力平滑用回路32の前段で出力を並列にとつている場
合を示している。この場合、各コンバータは、コンバー
タの並列数をnとすれば、2π/nの位相差を設けて動
作させるのが望ましい。各コンバータには、前述した一
実施例のいずれかを使用する。
【0059】各コンバータは、上述したように、高周波
化,小形化かつ高効率化を達成できる。このような構成
にすることで、全体のDC−DCコンバータの小形軽量
化を図ることができる効果がある。また、各コンバータ
のスイッチ素子の耐圧を軽減することができる効果も生
まれる。
【0060】図13は本発明の更に他の一実施例を示
す。上述したように、本発明のDC−DCコンバータ
は、低電圧大電流出力のものほど高周波小形化と高効率
化の効果が大きい。このような電源の最たるものが電子
計算機用電源である。(a)は、商用ラインから電力を受
電し、少なくともCVCF(Constant Voltage Constan
tFrequency),AC−DCコンバータ,DC−DCコン
バータ、そして5V以下の直流電圧を受給する論理回路
を直列に接続した電子計算機を示している。この構成
は、大規模な電子計算機に用いられる。(b)は、(a)か
らCVCFを除外した構成であり、小規模な電子計算機
に用いられる。(a),(b)において、DC−DCコンバ
ータとして上述した図1,図6,図8,図11及び図1
2等の本発明のコンバータのいずれかを用いれば、電子
計算機の小形軽量化を図ることができる効果がある。
【0061】図14は本発明の更に他の一実施例を示
す。(a),(b),(c)は、それぞれ図1のスイッチ回路
2,図6のスイッチ回路2,図8のスイッチ回路2を各
々一個のモジュール23にしたものである。スイッチ回
路をこのようなモジュールにすることによって、小形,
安価なスイッチ回路が提供できる。また、このモジュー
ルを用いることで、図1,図6及び図8等の本発明のD
C−DCコンバータを更に小形,安価にできる。
【0062】図15は本発明の更に他の一実施例を示
す。図14に示したモジュールでは、IC回路にする場
合、コンデンサを同一基板上に集積することが難しい。
また、コンデンサの容量は、応用によって異なり、ユー
ザーが設定できるようにするのが望ましい。そこで、図
15は、図14のモジュールからコンデンサを除外した
ものをIC回路にしたものである。(a),(b),(c)
は、それぞれ図1のスイッチ回路2,図6のスイッチ回
路2,図8のスイッチ回路2からコンデンサを除いたも
のを各々IC回路24にしたものである。スイッチ回路
の一部をこのようなIC回路にすることによって、小
形,安価なスイッチ回路を提供できる。また、このIC
回路を用いることで、図1,図6及び図8等の本発明の
DC−DCコンバータを更に小形,安価にできる。
【0063】
【発明の効果】以上の様に、本発明によればスイッチン
グ損失の低減,2次側重なり期間の低減および電源短絡
防止用デッドタイムの削除を図ることができる。この結
果、DC−DCコンバータの高周波化,小形化,高効率
化が容易に実現できる。
【0064】また、本発明のDC−DCコンバータを電
子計算機に用いることにより計算機の小形化が図れると
いう効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す回路構成図。
【図2】図1の回路各部の動作波形図。
【図3】図1の回路における電流の通流経路図。
【図4】図1の回路における2次側重なり期間での等価
回路図。
【図5】図4の回路各部の動作波形図。
【図6】本発明の他の一実施例を示す回路構成図。
【図7】図6の回路各部の動作波形図。
【図8】本発明の他の一実施例を示す回路構成図。
【図9】図8の回路における各部の動作波形図。
【図10】負荷回路の一実施例を示す回路構成図。
【図11】本発明の他の一実施例を示す回路構成図。
【図12】コンバータの並列接続方法を示す回路構成
図。
【図13】本発明の他の一実施例を示す回路構成図。
【図14】本発明の他の一実施例を示す回路構成図。
【図15】本発明の他の一実施例を示す回路構成図。
【図16】従来のDC−DCコンバ−タの回路構成図。
【符号の説明】
1…スナバ回路、2…スイッチ回路、3…直流電圧源、
4−1〜4−2…電源分割用コンデンサ、5−1〜5−
4…MOS−FET、6−1〜6−4…ダイオード、7
−1〜7−2…コンデンサ、8−1〜8−2…帰還ダイ
オード、9−1〜9−2…整流ダイオード、10…環流
ダイオード、11…出力平滑用リアクトル、12…出力
平滑用コンデンサ、13…負荷回路、14…変圧器の等
価回路、15…励磁インダクタンス、16…漏れインダ
クタンス、17…直流電流源、18…変圧器、19…充
放電スナバ、23…モジュール、24…IC回路、30
…インバータ、31…整流回路、32…出力平滑回路、
33…負荷、34…一石フォワードコンバータ。

Claims (6)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流電圧源,変圧器の1次巻線及びスイッ
    チ回路が直列に接続され、前記スイッチ回路のスイッチ
    ング動作によって前記変圧器の2次巻線から負荷に直流
    電力を供給するDC−DCコンバータにおいて、 前記スイッチ回路は少なくとも2個のスイッチ素子と2
    個の整流素子とコンデンサとを備え、 前記スイッチ素子のターンオフ時には、前記コンデンサ
    は前記直流電圧源と直列に接続され、かつ前記スイッチ
    素子と並列に接続される回路構成となり、 前記スイッチ素子のターンオン時には、前記コンデンサ
    と前記直流電圧源と前記スイッチ素子とが直列に接続さ
    れる回路構成となり、かつ前記コンデンサの充電電圧が
    前記直流電圧源の電圧と加極性になることを特徴とする
    DC−DCコンバータ。
  2. 【請求項2】請求項第1項に記載のDC−DCコンバー
    タにおいて、前記変圧器の2次巻線側には、少なくとも
    整流回路とチョーク入力型出力平滑用回路と負荷が接続
    されることを特徴とするDC−DCコンバータ。
  3. 【請求項3】請求項第1項に記載のDC−DCコンバー
    タであって、前記直流電圧源の電圧が少なくとも交流1
    00V以上の電圧を整流した後に得られる値であり、前
    記スイッチ素子(主スイッチ素子)が200kHz以上の
    周波数で動作し、負荷に5V以下の直流電圧を供給する
    DC−DCコンバータにおいて、前記スイッチ素子(主
    スイッチ素子)がターンオンした直後に生じる変圧器の
    2次側転流期間を前記動作周波数の周期の10%以下と
    したことを特徴とするDC−DCコンバータ。
  4. 【請求項4】直流電源と2個以上の分圧コンデンサの直
    列接続体が並列に接続され、前記各分圧コンデンサを直
    流電圧源として動作するように夫々の分圧コンデンサに
    請求項1から請求項3記載のDC−DCコンバータのう
    ちの少なくとも一つのコンバ ータが接続されたものにお
    いて、前記各コンバータでは前記スイッチ素子(主スイ
    ッチ素子)がターンオンした直後に、前記直流電圧源と
    コンバータ内の前記コンデンサとが直列に接続される回
    路を形成することにより、前記変圧器の1次巻線に前記
    直流電圧源の電圧値の2倍以上の電圧が印加されるよう
    にしたことを特徴とするDC−DCコンバータ。
  5. 【請求項5】直流電圧源と変圧器の1次巻線とスイッチ
    回路が直列に接続され、該スイッチ回路に含まれるスイ
    ッチ素子のオンオフによって該変圧器の2次巻線から負
    荷に直流電力を供給するDC−DCコンバータにおい
    て、 該スイッチ回路の構成は、第1の自己しゃ断素子の陰極
    と第1のダイオードの陽極を接続し、第2のダイオード
    の陰極と第2の自己しゃ断素子の陽極を接続し、前記第
    1の自己しゃ断素子の陽極と前記第2のダイオードの陽
    極を接続し、前記第1のダイオードの陰極と前記第2の
    自己しゃ断素子の陰極を接続し、前記第1の自己しゃ断
    素子の陰極と第2の自己しゃ断素子の陽極の間にスナバ
    コンデンサを接続し、前記第1の自己しゃ断素子の陽極
    と前記第2の自己しゃ断素子の陰極をそれぞれスイッチ
    回路の陽極と陰極としたことを特徴とするDC−DCコ
    ンバータ。
  6. 【請求項6】直流電圧を入力し、所定の直流電圧を出力
    して論理回路に直流電力を供給するDC−DCコンバー
    タを内蔵した電子計算機において、前記DC−DCコン
    バータは、少なくとも請求項1から請求項5のいずれか
    より構成されてなることを特徴とする電子計算機。
JP23877094A 1994-10-03 1994-10-03 Dc−dcコンバータとそれを用いた電子計算機 Expired - Fee Related JP2616713B2 (ja)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23877094A JP2616713B2 (ja) 1994-10-03 1994-10-03 Dc−dcコンバータとそれを用いた電子計算機

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23877094A JP2616713B2 (ja) 1994-10-03 1994-10-03 Dc−dcコンバータとそれを用いた電子計算機

Related Parent Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP1156788A Division JPH0746902B2 (ja) 1989-06-21 1989-06-21 スイッチ回路

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH07154967A JPH07154967A (ja) 1995-06-16
JP2616713B2 true JP2616713B2 (ja) 1997-06-04

Family

ID=17035018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23877094A Expired - Fee Related JP2616713B2 (ja) 1994-10-03 1994-10-03 Dc−dcコンバータとそれを用いた電子計算機

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2616713B2 (ja)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009144784A1 (ja) 2008-05-27 2009-12-03 富士通メディアデバイス株式会社 スイッチ回路

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE20115475U1 (de) * 2001-09-19 2003-02-20 Biester Klaus Gleichspannungs-Wandlervorrichtung
JP2008148477A (ja) * 2006-12-12 2008-06-26 Toyota Industries Corp 電源回路
JP4962105B2 (ja) 2007-04-09 2012-06-27 Tdk株式会社 Dc/dcコンバータ
JP5112359B2 (ja) * 2009-02-18 2013-01-09 オリジン電気株式会社 電力変換装置
JP5303030B2 (ja) * 2009-06-02 2013-10-02 トヨタ自動車株式会社 電圧変換装置の制御装置、それを搭載した車両および電圧変換装置の制御方法
JP2011205752A (ja) * 2010-03-25 2011-10-13 Fujitsu Telecom Networks Ltd フォワード型スイッチング電源装置とフォワード型スイッチング電源装置の駆動方法
US9929662B2 (en) 2014-09-08 2018-03-27 Infineon Technologies Austria Ag Alternating average power in a multi-cell power converter
US9584034B2 (en) 2014-09-08 2017-02-28 Infineon Technologies Austria Ag Power converter circuit and method with asymmetrical half bridge
US20160072395A1 (en) * 2014-09-08 2016-03-10 Infineon Technologies Austria Ag Multi-cell power conversion method and multi-cell power converter
US9837921B2 (en) 2014-09-08 2017-12-05 Infineon Technologies Austria Ag Multi-cell power conversion method and multi-cell power converter
US9762134B2 (en) 2014-09-08 2017-09-12 Infineon Technologies Austria Ag Multi-cell power conversion method and multi-cell power converter

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009144784A1 (ja) 2008-05-27 2009-12-03 富士通メディアデバイス株式会社 スイッチ回路
US8350415B2 (en) 2008-05-27 2013-01-08 Fujitsu Limited Switch circuit with inductive load and capacitor

Also Published As

Publication number Publication date
JPH07154967A (ja) 1995-06-16

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR0175659B1 (ko) Dc-dc 컨버터와 이를 사용한 전자계산기
US7239530B1 (en) Apparatus for isolated switching power supply with coupled output inductors
Lee et al. Novel zero-voltage-transition and zero-current-transition pulse-width-modulation converters
EP2313964B1 (en) Multiphase soft-switched dc-dc converter
CN212627695U (zh) 针对反激式转换器的控制电路和反激式转换器
JP3400443B2 (ja) スイッチング電源装置
US7136294B2 (en) Soft switched zero voltage transition full bridge converter
US20080123374A1 (en) Adaptively Configured and Autoranging Power Converter Arrays
US20070103941A1 (en) Non-isolated DC-DC converters with direct primary to load current
JP3318240B2 (ja) スイッチング電源装置
WO2007060506A2 (en) Multiphase dc to dc converter
JP2002262551A (ja) ボルテージステップダウンdc−dcコンバータ
US7209370B2 (en) Circuit for reducing losses at light load in a soft switching full bridge converter
JP2616713B2 (ja) Dc−dcコンバータとそれを用いた電子計算機
WO2000028648A1 (en) A high input voltage, high efficiency, fast transient voltage regulator module (vrm)
Hamada et al. A novel zero-voltage and zero-current switching PWM DC-DC converter with reduced conduction losses
Kim et al. Soft-switching step-up converter with ripple-free output current
JP3221185B2 (ja) スイッチング電源装置
Lin et al. Analysis of LLC converter with series-parallel connection
JP4166219B2 (ja) 複共振dc−dcコンバータ
JP4605532B2 (ja) 多出力型スイッチング電源装置
JP2006180599A (ja) 電源装置
JPH05328714A (ja) Dc−dcコンバータ
Chen et al. A novel self-oscillating, boost-derived DC-DC converter with load regulation
KR102060244B1 (ko) 결합된 출력 인덕터를 사용한 새로운 정류기 구조를 갖는 위상­천이 풀­브릿지 컨버터

Legal Events

Date Code Title Description
LAPS Cancellation because of no payment of annual fees