JP3264766B2 - 自励降圧型dc−dcコンバータ - Google Patents

自励降圧型dc−dcコンバータ

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JP3264766B2 JP33879493A JP33879493A JP3264766B2 JP 3264766 B2 JP3264766 B2 JP 3264766B2 JP 33879493 A JP33879493 A JP 33879493A JP 33879493 A JP33879493 A JP 33879493A JP 3264766 B2 JP3264766 B2 JP 3264766B2
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末行 矢作
孝夫 山田
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株式会社ユタカ電機製作所
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、各種電源などに使用さ
れ主スイッチ素子のスイッチング損失を低減して、発熱
の少ないものを提供することを目的とした自励降圧型D
C−DCコンバータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来の自励降圧型DC−DCコンバータ
の一例を図4に示す。この図4において、入力端子30
に入力電圧が供給されると、まず制御IC31が動作を
開始して、この制御IC31の第2ピンがローインピー
ダンスになり、オン用スイッチ素子33がオンする。す
ると、ダーリントン接続された主スイッチ素子32もオ
ンして平滑化回路のインダクタンス素子14を励磁し、
同時に出力端子48の電圧を上昇してゆく。
【0003】やがて、出力端子48の出力電圧が、内部
の基準電圧に対して設定された電圧まで上昇すると、抵
抗44と45によって検出された出力電圧が、制御IC
31の第6ピンに帰還して前記第2ピンがハイインピー
ダンスになり、オン用スイッチ素子33をオフして、主
スイッチ素子32のベース・エミッタ間に挿入された抵
抗34によって逆バイアスされ、主スイッチ素子32は
ターンオフする。インダクタンス素子14の電流は、主
スイッチ素子32がオフしても転流ダイオード40の転
流作用で連続して流れようとし、この状態で出力電圧は
低下してゆく。
【0004】自励降圧型DC−DCコンバータでは、上
記動作を継続しながら主スイッチ素子32のオン、オフ
を交互に行ない、結果的には、出力電圧は、微小なリッ
プル電圧を含んだ安定した直流電圧となる。このような
動作原理から、リップル検出チョッパ回路とも呼ばれ
る。
【0005】なお、図4において、抵抗35、36は、
制御IC31の駆動用であり、抵抗38、39およびト
ランジスタ41は、出力電流の過電流保護回路であり、
抵抗46は、入力電圧の変化に対する出力電圧の補正用
であり、抵抗43、コンデンサ42および47は、制御
IC31内部の増幅器の位相補正用である。
【0006】従来の代表的なDC−DCコンバータの構
成体は、例えば実開平2−82008号公報に示され
る。これを図5により説明すると、アルミニウムなどの
放熱性にすぐれた材料により成型した放熱板10は、そ
の一方の放熱フィン部15側の面が回路基板11を固着
すべく平面状に形成され、そこに熱伝導性の良好な接着
剤20を塗布して回路素子21やリードピン22を実装
したセラミック基板などからなる回路基板11と熱的に
結合させ、回路基板11の損失による発熱を効率良く大
気中に放出している。
【0007】また、前記放熱板10の他方の取付け片部
16には、内側に取付け溝17とピン挿入溝18を形成
し、取付け溝17に取付け板13を装着し、ピン挿入溝
18に下部から固定用ピン19を打ち込み、DC−DC
コンバータの構成体を実装するマザーボード(図示せ
ず)に半田付けで電気的に接続し、かつ機械的に固定す
る。
【0008】前記取付け板13は、合成樹脂の成型品か
らなるもので、インダクタンス素子支持軸23が略中央
に水平に突出して形成されている。このインダクタンス
素子支持軸23は、フェライト材のドラムコアからなる
磁性材料24の貫通孔25に嵌合している。この磁性材
料24には、銅線のコイル29が巻回されて前記インピ
ーダンス素子14を構成し、前記インダクタンス素子支
持軸23の先端部を、貫通孔25から外部に一部突出し
て熱溶着している。前記放熱板10における回路基板1
1の結合した側には、合成樹脂からなるカバー12が被
覆されている。このように、DC−DCコンバータの構
成体は、一体化された構造であるから、オンボードで使
用するのに適している。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】以上のような従来の回
路構成において、主スイッチ素子32のターンオフ時間
は、制御IC31の第2ピンがオン用スイッチ素子33
のベースをハイインピーダンスにするだけなので、主ス
イッチ素子32は、ベースとエミッタ(入力端子30)
との間の抵抗34による逆バイアスだけでオフする。こ
のため、バイポーラトランジスタである主スイッチ素子
32のターンオフ時間は、ベース余剰キャリアの自然消
滅時間に依存しており、主スイッチ素子32のターンオ
フするタイミングが遅く、スイッチング損失を発生する
という問題があった。
【0010】本発明は、主スイッチ素子のターンオフを
早めることによって、回路内部の損失を少なくし、変換
効率の高いものを提供することを目的とするものであ
る。
【0011】
【課題を解決するための手段】本発明は、リップル電圧
を含んだ出力電圧を制御IC31に帰還し、この制御I
C31での誤差検出に対応したインピーダンス変化に伴
う制御信号によりオン用スイッチ素子33を介してダー
リントン接続された主スイッチ素子32をオン、オフ
し、さらに平滑化回路を経て安定化した直流電圧を得る
ようにした閉ループ中で自励発振せしめてなるリップル
検出型チョッパ回路のDC−DCコンバータにおいて、
前記主スイッチ素子32は、PNP型のバイポーラトラ
ンジスタからなり、この主スイッチ素子32のベースと
エミッタに、NPN型のバイポーラトランジスタからな
るオフ用スイッチ素子51のエミッタとコレクタを接続
し、このオフ用スイッチ素子51のベースと前記オン用
スイッチ素子33のベースをともに前記制御IC31の
制御信号出力端子に接続してなることを特徴とする自励
降圧型DC−DCコンバータである。
【0012】
【作用】入力電圧が供給されると、制御IC31が動作
を開始し、第2ピンがローインピーダンスになり、オン
用スイッチ素子33がオンするとともに、オフ用スイッ
チ素子51がオフする。すると、ダーリントン接続され
た主スイッチ素子32もオンし、出力電圧を上昇してゆ
く。出力電圧が、設定電圧まで上昇すると、前記制御I
C31の第2ピンがハイインピーダンスになり、オン用
スイッチ素子33をオフする。ここで、主スイッチ素子
32がターンオフするときに、制御IC31の内蔵抵抗
52により、オフ用スイッチ素子51が順バイアスされ
てオンし、直流電流増幅率(hEF)の倍率のベース電
流を主スイッチ素子32に供給し、ベースの余剰キャリ
アを強制的に消滅させる。この結果、従来よりも十分早
いタイミングで主スイッチ素子32はターンオフする。
上記動作を継続しながら主スイッチ素子32のオン、オ
フを交互に行ない、さらに平滑化回路で平滑化され、安
定化した直流出力電圧となる。
【0013】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面に基づき説明
する。図1において、本発明では、従来の抵抗34を省
き、主スイッチ素子32のベースとエミッタとの間に、
NPN半導体によるオフ用スイッチ素子51を挿入した
ものである。さらに詳しくは、オフ用スイッチ素子51
のコレクタを、入力端子30に接続するとともに、PN
P型の主スイッチ素子32のエミッタに接続し、オフ用
スイッチ素子51のエミッタを、主スイッチ素子32の
ベースに接続するとともに、PNP型オン用スイッチ素
子33のエミッタに接続し、オフ用スイッチ素子51の
ベースを、オン用スイッチ素子33のベースとともに制
御IC31の第2ピンに接続したものである。その他の
構成は、図4の場合と同様である。
【0014】以上のような構成において、入力端子30
に入力電圧が供給されると、第3ピンを介して制御IC
31に電圧が印加されて、この制御IC31が動作を開
始し、第2ピンがローインピーダンスになり、オン用ス
イッチ素子33がオンするとともに、オフ用スイッチ素
子51がオフする。すると、ダーリントン接続された主
スイッチ素子32もオンしてインダクタンス素子14を
励磁し、同時に出力端子48の電圧を上昇してゆく。出
力電圧に比例した電圧が、抵抗44と抵抗45により検
出され、第6ピンから制御IC31へ帰還される。
【0015】やがて、出力端子48の出力電圧が、内部
の基準電圧に対して設定された電圧まで上昇すると、抵
抗44と抵抗45による検出電圧が、第6ピンに帰還し
て前記制御IC31の第2ピンがハイインピーダンスに
なり、オン用スイッチ素子33をオフする。ここで、従
来と異なるのは、主スイッチ素子32がターンオフする
ときに、制御IC31の第3ピンと第2ピンとの間の内
蔵抵抗52により、オフ用スイッチ素子51が順バイア
スされてオンし、直流電流増幅率(hEF)の倍率のベ
ース電流を主スイッチ素子32に供給し、ベースの余剰
キャリアを強制的に消滅させる。この結果、従来よりも
十分早いタイミングで主スイッチ素子32はターンオフ
する。インダクタンス素子14の電流は、主スイッチ素
子32がオフしても転流ダイオード40の転流作用で連
続して流れようとし、この状態で出力電圧は低下してゆ
く。
【0016】自励降圧型DC−DCコンバータでは、上
記動作を継続しながら主スイッチ素子32のオン、オフ
を交互に行ない、さらに平滑化回路で平滑化され、安定
化した直流出力電圧となる。
【0017】本発明回路では、従来回路に比較して十分
な効率改善がなされている。ちなみに、図2に示すよう
に、入力電圧が16Vの場合と、入力電圧が35Vの場
合とにおいて、出力電圧12Vのときの変換効率特性を
示し、実線が本発明回路によるものであり、点線が従来
回路によるものである。いずれも本発明の場合の方が十
分な効率改善が得られている。なお、出力電流が大きな
領域では、変換効率が次第に悪くなる傾向にあるが、こ
れは、回路基板11の導体を厚膜印刷、焼成で形成する
ため、その導体抵抗によるもので、従来回路でも、ま
た、本発明回路でも低下している。しかし、回路的に
は、十分な改善が得られている。
【0018】前記オフ用スイッチ素子51は、図3に示
すように、オン用スイッチ素子33と共通パッケージと
なる総合トランジスタを用いることにより、総合的な部
品点数を増加することなく本発明を実施することが可能
である。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、従来の抵抗34に代え
て小型のオフ用スイッチ素子51を挿入するだけで、主
スイッチ素子32のターンオフを十分に早くして、DC
−DCコンバータの内部損失を少なくでき、したがって
変換効率の高いDC−DCコンバータを提供することが
できる。また、リップル検出型チョッパ回路において、
リップル電圧を含んだ出力電圧を制御IC31に帰還
し、この制御IC31での誤差検出に対応したインピー
ダンス変化に伴う制御信号によりオン用スイッチ素子3
3を介してダーリントン接続された主スイッチ素子32
をオン、オフし、さらに平滑化回路を経て安定化した直
流電圧を得るようにした閉ループ中で自励発振せしめて
なるものであるから、出力電圧の変動で発振周波数が変
化する。このことは、発振周波数が大きくなると、それ
だけ主スイッチ素子32のターンオフ時のロスが大きく
なる。本発明は、このような場合に、オフ用スイッチ素
子51の挿入により回路内のロスを最小限に留めること
ができる。さらに、オフ用スイッチ素子51のベースと
オン用スイッチ素子33のベースをともに制御IC31
の制御信号出力端子に接続したので、定電圧回路、エミ
ッタ抵抗、ベース抵抗などの回路素子を不要とし、回路
構成もきわめて単純である。
【0020】オフ用スイッチ素子51とオン用スイッチ
素子33は、同一パッケージに入った複合トランジスタ
で構成することにより、部品点数の実質的な増加がな
く、小型のDC−DCコンバータを提供することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による自励降圧型DC−DCコンバータ
の一実施例を示す電気回路図である。
【図2】本発明回路と従来回路の変換効率を示す特性図
である。
【図3】複合トランジスタの内部等価回路図である。
【図4】従来の自励降圧型DC−DCコンバータを示す
電気回路図である。
【図5】一体化されたDC−DCコンバータの構造を示
す分解斜視図である。
【符号の説明】
10…放熱板、11…回路基板、12…カバー、13…
取付け板、14…インダクタンス素子、15…放熱フィ
ン部、16…取付け片部、17…取付け溝、18…ピン
挿入溝、19…固定用ピン、20…接着剤、21…回路
素子、22…リードピン、23…インダクタンス素子支
持軸、24…磁性材料、25…貫通孔、29…コイル、
30…入力端子、31…制御IC、32…主スイッチ素
子、33…オン用スイッチ素子、34…抵抗、35…抵
抗、36…抵抗、38…抵抗、39…抵抗、40…転流
ダイオード、41…トランジスタ、42…コンデンサ、
43…抵抗、44…抵抗、45…抵抗、46…抵抗、4
7…コンデンサ、48…出力端子、49…検出電圧端
子、50…グランド端子、51…オフ用スイッチ素子、
52…内蔵抵抗。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−235721(JP,A) 特開 平5−304768(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/00 - 3/44

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 リップル電圧を含んだ出力電圧を制御I
    C31に帰還し、この制御IC31での誤差検出に対応
    したインピーダンス変化に伴う制御信号によりオン用ス
    イッチ素子33を介してダーリントン接続された主スイ
    ッチ素子32をオン、オフし、さらに平滑化回路を経て
    安定化した直流電圧を得るようにした閉ループ中で自励
    発振せしめてなるリップル検出型チョッパ回路のDC−
    DCコンバータにおいて、前記主スイッチ素子32は、
    PNP型のバイポーラトランジスタからなり、この主ス
    イッチ素子32のベースとエミッタに、NPN型のバイ
    ポーラトランジスタからなるオフ用スイッチ素子51の
    エミッタとコレクタを接続し、このオフ用スイッチ素子
    51のベースと前記オン用スイッチ素子33のベースを
    ともに前記制御IC31の制御信号出力端子に接続して
    なることを特徴とする自励降圧型DC−DCコンバー
    タ。
  2. 【請求項2】 オフ用スイッチ素子51とオン用スイッ
    チ素子33は、同一パッケージに入った複合トランジス
    タからなる請求項1記載の自励降圧型DC−DCコンバ
    ータ。
  3. 【請求項3】 放熱板10の一方の面の放熱フィン部1
    5に制御IC31、主スイッチ素子32、オン用スイッ
    チ素子33、オフ用スイッチ素子51を含む回路素子2
    1を搭載した回路基板11を熱的に固着するとともに、
    前記放熱板10の他方の面の取付け片部16に平滑化回
    路のインダクタンス素子14を取付けて全体を一体化構
    造とした請求項1または2記載の自励降圧型DC−DC
    コンバータ。
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