JP2637082B2 - Ｄｃ―ｄｃ変換器 - Google Patents

Ｄｃ―ｄｃ変換器

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JP2637082B2
JP2637082B2 JP61264872A JP26487286A JP2637082B2 JP 2637082 B2 JP2637082 B2 JP 2637082B2 JP 61264872 A JP61264872 A JP 61264872A JP 26487286 A JP26487286 A JP 26487286A JP 2637082 B2 JP2637082 B2 JP 2637082B2
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Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 この発明は零電流スイッチング式、フォワード形、シ
ングルエンド形のDC−DC変換器に関する。
発明の背景 このようなDC−DC変換器が、1983年11月15日発行のビ
ンチャレリ（Vinciarelle）の米国特許第4415959号（特
公平２−47196号に対応している）に開示されており、
このDC−DC変換器は、所望の実効二次漏れインダクタン
スを呈する変圧器を用いて、電流シンクへの供給のため
に電圧源からのエネルギーを変換する。この変圧器の電
流側には、電源及び変圧器の一次巻線と直列にスイッチ
が接続されている。このスイッチは一連の電力転送サイ
クルにおいて電源を一次巻線に接続したり電源をそれか
ら切り離したりする。変換器の負荷側には、二次巻線と
直列にダイオード及びコンデンサが接続されている。コ
ンデンサ及び実効漏れインダクタンスによって定まる時
間スケールを含む繰り返し周期によって、スイッチ及び
ダイオードを通る電流が実質上零である各時点において
スイッチがオンオフされる。コンデンサに蓄積されたエ
ネルギーはインダクタを通して負荷に転送される。それ
ゆえ電力は電圧源から電流シンクに有効に変換される。
しかし乍ら、上記した従来例においては電圧源から電
力供給がなされる形式であり、用いられる電圧源の電圧
が低い場合十分な電力転送が出来ないことが考えられ
る。
発明の目的 よって、この発明は、低電圧源によっても十分な電力
の転送を可能にしたDC−DC変換器を提供することであ
る。
発明の要約 この発明の特徴は、（１）実効一次漏れインダクタン
スLleを持つように構成された変圧器、（２）電流源に
よって充電されるように接続されたコンデンサ（キャパ
シタンスＣ）、（３）前記コンデンサを一次巻線に直列
に選択的に接続するスイッチング素子、（４）このスイ
ッチング素子が導通しているときに導通するような向き
において二次巻線と直列に接続された単一方向性導通素
子、及び（５）前記スイッチング素子を選択的に開閉さ
せて、Lle及びＣによって決定される特有時間スケール
を含むエネルギー転送サイクルの期間中にコンデンサか
ら実効一次漏れインダクタンスを介して電圧負荷にエネ
ルギーを伝達させるようにするための制御手段の組合せ
によって電流源からのエネルギーを電圧負荷への供給の
ために変換するシングルエンド形、零電源スイッチング
式、フォワード形DC−DC変換器である。
この発明の実施例は次の諸特徴を備えている。上記制
御手段は単一方向性スイッチング素子による導通の終了
に応答してスイッチング素子を阻止状態にする。エネル
ギー転送サイクルの期間中電流源からの電流をほぼ一定
にするためにコンデンサと直列にインダクタが接続され
ている。スイッチング素子の開閉は固定周波数で行われ
るようにされる。各エネルギー転送サイクルの間で負荷
に供給されるエネルギーを蓄積するために第１の単一方
向性素子と直列にフィルタコンデンサが接続されてい
る。変圧器にはLleの補足に寄与する補助的な個別部品
のインダクタがあって、このインダクタは一次巻線又は
二次巻線と直列に接続されている。
別の実施例では、第２の単一方向性導通素子が第１コ
ンデンサと並列に接続され且つエネルギー転送サイクル
の期間中コンデンサの放電終了後に変圧器の一次電流を
導くような向きに配置されていて、これにより、コンデ
ンサが負に充電された状態になって変圧器と共振するこ
とが防止される。スイッチング素子の開閉は、出力電圧
調整を行うために可変周波数で行われるようにすること
ができる。
別の実施例では、回路は更に、それぞれ複数の負荷へ
の供給のために複数の出力電圧を発生するように構成さ
れており、この場合には、変圧器には負荷の一つとそれ
ぞれ関係した複数の二次巻線があって、これらの二次巻
線がそれぞれ前記の負荷に供給されるべき相対的電圧に
対応する相対的巻数を持っており、且つ又、スイッチン
グ素子が導通しているときに導通するような方向におい
て二次巻線の一つの直列にそれぞれ接続された複数の単
一方向性導通素子がある。変圧器は二次巻線相互間の漏
れインダンタンスを最小にするように構成されている。
又、それぞれ単一方向性素子と直列に接続された複数の
フィルタコンデンサがある。
この発明によるDC−DC変換器は電流源から電圧シンク
へ電力を有効に変換し、且つ分離、電圧の逓昇又は逓
降、及び電圧調整を与えることができる。多数の負荷に
給電するための実施例においては、種々の負荷に種々の
電圧を供給することができ、又は相対的電圧が対応の二
次巻線の相対的巻線数に厳密に追従する。
その他の利点及び特徴は採択実施例についての次の説
明及び特許請求の範囲の欄の各項から明らかになるであ
ろう。
実施例の説明 構成及び動作 第１図について述べると、零電流スイッチング式フォ
ワード形シングルエンド形変換器10は高インピーダンス
電流源（電源12及びインダクタンス36の組合せ）からの
電力を変換して変圧器16を通して低インピーダンス電圧
シンク（負荷）14に供給できるようにする。変圧器16は
分離及び電圧増倍機能を有する。変圧器16は、L1及びL2
をそれぞれ一次巻線18及び二次巻線20の自己インダクタ
ンス、Ｍをそれらの相互インダクタンスとした場合、 として定義される実効一次漏れインダクタンスを呈する
ように構成されている。可能な変圧器構成の例は上述し
た米国特許に記載されており、これらの構成の代案とし
ては、一次巻線及び二次巻線を保持するボビンを互いに
同心的にして両巻線間の半径方向の間隔によって調整さ
れる漏れインダクタンスを生ずるようにすることができ
る。
一次巻線18はスイッチング素子22及びキャパシタンス
Ｃのコンデンサ24と直列に接続されている。二次巻線30
は単一方向性導通素子26と直列に接続されている。巻線
18,20の極性（標準ドット表記注で表示されている）及
び素子26の極性はスイッチ22が電流を導いているときに
素子26が電流を導く、すなわち（フライバックではな
く）フォワード形の変換器を形成するように配置されて
いる。
コンデンサ24及び変圧器16の実効一次漏れインダクタ
ンスLleは変換器のエネルギー転送サイクル特有の時間
スケール T/2＝πLleC を規定する。スイッチング素子22は制御回路28によって
制御されて、固定繰返し周波数でオンに切換えられ且つ
又無視できる電流がスイッチング素子22に流れていると
きすなわち各エネルギー転送サイクルの終りにおいてオ
フに切り換えられ、従ってスイッチング損失が最小にさ
れる。
第２図Ａないし第２図Ｃについて述べると、時点t0の
前では、電源12からの電流はコンデンサ24をピーク値Vp
（第２図Ｃ）に接近した電圧に充電している。時点t0に
おいて、制御回路28はスイッチング素子を導通状態にセ
ットし（第２図Ａ）、従ってコンデンサ24は一次巻線18
を通じ放電する（第２図Ｃ）。単一方向性導通素子26は
順方向にバイアスされ、従って素子26を通ってフィルタ
コンデンサ34及び負荷に電流が流れる。それゆえ、第２
図Ａは又素子26bの導通状態を表している。第２図Ｂは
スイッチング素子22に流れる電流（I1）と単一方向性導
通素子26に流れる電流I2とを示している。これらの電流
はコンデンサ24及び実効一次漏れインダクタンスLleの
ために有限の上昇及び下降時間を持っている。コンデン
サ24の電圧が谷間値に落下した後、放電サイクルは終わ
り、一次電流（I1）はLleがL1よりはるかに小さいよう
に準備されているので無視できる程度に小さい。この時
点t1において、スイッチング素子22は制御回路28によっ
て素子状態にリセットされて、時点t2において次の放電
サイクルが始まるまで充電サイクルを開始する（第２図
Ｃ）。それゆえ、t0とt1の間では、エネルギーがコンデ
ンサ24から変圧器16の漏れインダクタンスを通して負荷
に有効に転送されており、t1からt2まではこのエネルギ
ーが電源12及びインダクタンス36からなる電流源によっ
てコンデンサ24に供給される。リアクタンスがLleに比
べて大きいインダクタ36によって運ばれる電流はエネル
ギー転送サイクルの特有時間スケール（T/2）の期間す
なわちt0からt1までの期間中略一定である。フィルタコ
ンデンサ34における電圧は である。但し、Vinは電源12の電圧、n2/n1は二つの巻線
18,20の巻数比である。電圧シンク14はこの出力電圧Vou
tを受けるようにコンデンサ34の両端子間に接続されて
いる。
コンデンサ24における電圧振動は電源電圧Vinを中心
としていてその振幅（Vp−Vv）は所与の繰返し周波数
（t2−t0）-1に対して負荷電流と共に増大する。電流の
大きい値に対しては Vp−Vv＞2Vin であり、コンデンサ24における電圧はエネルギー転送サ
イクルの期間中符号を変え（すなわち谷間値Vvが零より
下に低下し）、実効一次漏れインダクタンスLleとキャ
パシタンスＣとの間に共振エネルギー交換が生じる。
この共振動作モードにおいては、エネルギー転送サイ
クルの初期段階中にコンデンサ24から変圧器16に転送さ
れたエネルギーは一部分は出力電圧シンク14に供給され
る代わりに１つのエネルギー転送サイクルの後半段階中
にコンデンサ24に戻される。この共振モードはフォワー
ド形変換器の単一方向性エネルギー流の基本的な動作原
理に反する。
第３図の実施例は、エネルギー転送サイクルの後半の
部分の期間中、例えば第２図Ｄにおいてt3からt2までの
期間中に一次電流I1を供給することによってコンデンサ
24が負に充電された状態になるのを防止するような極性
にて配置され且つコンデンサ24と並列に接続された第２
の単一方向性導通素子40を備えている。素子40のデュー
ティサイクルはVoutとVinとの間の関係に影響を与え、
負荷電流に比例してエネルギー転送サイクルの繰返し周
波数（t2−t0）-1を変えることによって制御器28が出力
電圧Voutを調整することを可能にする。それゆえ、変圧
された電源電圧より低い任意の出力電圧 が第３図の実施例によって得られ、従って第２図の実施
には存在しない電圧調整機能が加えられる。
第４図及び第５図について述べると、変圧器16の実効
漏れインダクタンスを補足してエネルギー伝達サイクル
の持続時間を長くするために、一次巻線（第４図）又は
二次巻線（第５図）と直列に個別部品のインダクタ50を
接続している。
第６図に示した実施例回路においては、第１図、第３
図の実施例回路とは異なり単一電流源から多数の負荷14
に給電することができる（第６図においては、一次巻線
の左方にある各回路の部分は図示されていない）。変圧
器には給電されるべき各負荷に対して一つずつの多数の
二次巻線52が設けられており、対応する負荷に電力を供
給するために各二次巻線には第１図、第３図に示された
ものと同様の個別の単一方向性導通素子及びコンデンサ
の組合せが接続されている。出力電圧V2,……,V3はこの
場合各巻数比に基づいて互いに関係づけられており、例
えば、 である。この回路は高インダクタンス電流源から給電さ
れて比較的低いインピーダンスの電圧シンクに電力を供
給するので、種々の負荷14に利用可能な相対的電圧はか
なり正確に相対的二次巻線数（n2,……n3）に追従する
ことになる。
この追従の正確さは二次巻線相互間の漏れインダクタ
ンスによって悪影響を受ける傾向があるが、零電流スイ
ッチングよる電流不連続性の欠如は二次巻線相互間の漏
れインダクタンスの影響を緩和する。更に、変圧器は二
次巻線相互間の漏れインダクタンスを最小にするための
既知の技術を用いて構成されている。
発明の効果 この発明によるDC−DC変換器は（二次側構成部品に比
較的低い電圧を加えるので）比較的低い入力電圧の電流
源を用いて比較的高い出力電圧への変換を必要とする装
置に有効である。又、同時多重出力電圧を発生するのに
も特に有効である。
【図面の簡単な説明】
第１図及び第３図はこの発明のDC−DC変換器回路の二つ
の実施例を示す回路図である。 第２図Ａから第２図Ｃまでは第１図のDC−DC変換器の動
作を示す波形図である。 第２図Ｄは第３図の実施例におけるコンデンサの両端子
間の電圧波形図である。 第４図及び第５図は第１図及び第３図の回路に使用する
ための変圧器の別の実施例である。 第６図は多数の出力を持った別の変換器回路実施例を示
す回路図である。 これらの図面において、10は変換器、12は電源、14は電
圧シンク（負荷）、16は変圧器、18は一次巻線、20は二
次巻線、22はスイッチング素子、24はコンデンサ、26は
単向性導通素子、28は制御回路、34はフィルタコンデン
サ、36はインダクタ、40は第２単向性導通素子を示す。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭57−99716（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−500585（ＪＰ，Ａ) 特開 昭57−196509（ＪＰ，Ａ) 実開 昭56−161992（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−112031（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭58−3788（ＪＰ，Ｕ)

Claims (14)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電流源からの電力を電圧負荷への電力に変
    換するように構成されたシングルエンド形零電流スイッ
    チング式フォワード（foward）形DC−DC変換器であっ
    て、 一次巻線及び二次巻線を備え且つ実効一次漏れインダン
    タンスLleを持つように構成された変圧器と、 前記電流源によって充電されるように接続されてキャパ
    シタンスＣを有するコンデンサと、 前記一次巻線と直列に接続されて前記コンデンサを前記
    電流源に関して前記一次巻線と並列に選択的に結合せし
    めるスイッチング素子と、 前記二次巻線に接続され且つ前記スイッチング素子が導
    通しているときに導通するような向きに配置された単一
    方向性導通素子と、 前記スイッチング素子を選択的に開閉させて、前記Lle
    及びＣによって決定される特有時間スケールを含むエネ
    ルギー転送サイクルの間に前記コンデンサから前記実効
    一次漏れインダクタンスを介して前記負荷エネルギーを
    転送させる制御手段と、 を備えているDC−DC変換器。
  2. 【請求項２】前記制御手段が前記単一方向性導通素子に
    よる導通の終了に応答して前記スイッチング素子を阻止
    状態にするように構成されていることを特徴とする特許
    請求の範囲第１項に記載のDC−DC変換器。
  3. 【請求項３】前記電流源は、電源に直列に接続したイン
    ダクタを含み、前記インダクタのインダクタンス値は、
    前記エネルギー転送サイクルの期間中前記インダクタを
    流れる電流が実効的に一定となるに十分大なる値である
    ことを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のDC−DC
    変換器。
  4. 【請求項４】前記コンデンサと並列に接続されており且
    つ前記エネルギー転送サイクル期間中前記コンデンサが
    放電させられた後に前記変圧器の一次電流を導くような
    向きに配置されている第２単一方向性素子を更に備えて
    いることを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のDC
    −DC変換器。
  5. 【請求項５】前記単一方向性素子と直列に接続されてい
    て前記負荷に供給されるべきエネルギーを蓄積すること
    のできるフィルタコンデンサを更に備えていることを特
    徴とする請求の範囲第１項又は第４項に記載のDC−DC変
    換器。
  6. 【請求項６】前記変圧器が、前記Lleの実効値に寄与す
    る補助的なインダクタを備えていて、前記インダクタが
    前記一次巻線又は前記二次巻線と直列に接続されている
    ことを特徴とする請求の範囲第１項又は第４項に記載の
    DC−DC変換器。
  7. 【請求項７】複数の負荷にそれぞれ供給するための複数
    の出力電圧を発生するように構成されていて、 前記変圧器が、前記負荷の一つとそれぞれ対応した複数
    の二次巻線を更に備えていて、これらの二次巻線が前記
    負荷にそれぞれ供給されるべき相対的電圧に対応する相
    対的巻線数を持っており、 前記変換器が、前記スイッチング素子の導通時に導通す
    るような方向において前記二次巻線と直列にそれぞれ接
    続された複数の単一方向性導通素子を更に備えているこ
    とを特徴とする特許請求の範囲第１項に記載のDC−DC変
    換器。
  8. 【請求項８】前記変圧器が二次巻相互間の漏れインダク
    タンスを最小にするように構成されていることを特徴と
    する特許請求の範囲第７項に記載のDC−DC変換器。
  9. 【請求項９】前記単一方向性素子とそれぞれ直列に接続
    されていて前記負荷に供給させるべきエネルギーを蓄積
    することのできる複数のフィルタコンデンサを更に備え
    ていることを特徴とする特許請求の範囲第７項に記載の
    DC−DC変換器。
  10. 【請求項１０】前記制御手段が前記スイッチング素子を
    固定周波数にて開閉せしめることを特徴とする特許請求
    の範囲第１項に記載のDC−DC変換器。
  11. 【請求項１１】前記制御手段が出力電圧調整を行うため
    に前記スイッチング素子を可変周波数にて開閉させるこ
    とを特徴とする請求の範囲第４項に記載のDC−DC変換
    器。
  12. 【請求項１２】前記制御手段が前記スイッチング素子を
    固定周波数にて開閉させることを特徴とする請求の範囲
    第７項に記載のDC−DC変換器。
  13. 【請求項１３】複数の負荷にそれぞれ供給するための複
    数の出力電圧を発生するように構成されていて、 前記変圧器が、前記負荷の一つとそれぞれ対応した複数
    の二次巻線を更に備えていて、これらの二次巻線が前記
    負荷にそれぞれ供給されるべき相対的電圧に対応する相
    対的巻線を持っており、 前記変換器が、前記スイッチング素子の導通時に導通す
    るような方向において前記二次巻線と直列にそれぞれ接
    続された複数の単一方向性導通素子を更に備えているこ
    とを特徴とする請求の範囲第４項に記載のDC−DC変換
    器。
  14. 【請求項１４】前記制御手段が出力電圧調整を行うため
    に前記スイッチング素子を可変周波数にて開閉させるこ
    とを特徴とする請求の範囲第13項に記載のDC−DC変換
    器。
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