JP3531155B2 - トランス絶縁型dc−dcコンバータ - Google Patents

トランス絶縁型dc−dcコンバータ

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JP3531155B2 JP32228098A JP32228098A JP3531155B2 JP 3531155 B2 JP3531155 B2 JP 3531155B2 JP 32228098 A JP32228098 A JP 32228098A JP 32228098 A JP32228098 A JP 32228098A JP 3531155 B2 JP3531155 B2 JP 3531155B2
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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はトランス絶縁型DC
−DCコンバータ、特にスイッチング損失やノイズの低
減及びスイッチング素子がオフ状態のときにトランスの
1次側回路の電力損失を低減できるトランス絶縁型DC
−DCコンバータに属する。
【0002】
【従来の技術】直流電源とトランスの1次巻線とスイッ
チング素子とが直列に接続され、スイッチング素子をオ
ン・オフ動作させることにより、トランスの2次巻線か
ら整流平滑回路を介して直流電源の電圧とは異なる定電
圧の直流出力を取り出す構成のトランス絶縁型DC−D
Cコンバータは従来から電子機器等の電源回路等に広く
使用されている。
【0003】例えば、図6に示す従来のトランス絶縁型
DC−DCコンバータは、バッテリ又はコンデンサ入力
型整流回路等の直流電源1と、直流電源1に直列に接続
された1次巻線2a及び2次巻線2bを有するトランス
2と、トランス2の1次巻線2aに直列に両主端子間が
接続されたスイッチング素子としてのトランジスタ3
と、トランス2の2次巻線2bにアノード端子が接続さ
れた整流用ダイオード4と、整流用ダイオード4のカソ
ード端子と2次巻線2bとの間に接続された転流用ダイ
オード5と、整流用ダイオード4及び転流用ダイオード
5の接続点に一端が接続されたリアクトル6と、リアク
トル6の他端と2次巻線2bとの間に接続された平滑コ
ンデンサ7と、平滑コンデンサ7の両端に接続された負
荷8と、負荷8に供給される直流出力電圧に応じてトラ
ンジスタ3のベース端子に制御パルス信号VBを付与し
てトランジスタ3をオン・オフ動作させる制御回路9
と、トランス2の1次巻線2aとトランジスタ3の第1
の主端子との間に一端が接続された第1の共振用コンデ
ンサ10と、第1の共振用コンデンサ10の他端と直流
電源1の陽極端子との間に接続されたダイオード11
と、第1の共振用コンデンサ10の一端とトランジスタ
3の第1の主端子との間にアノード端子が接続された充
電用ダイオード14と、充電用ダイオード14のカソー
ド端子と直流電源1の陰極端子との間に接続された第2
の共振用コンデンサ15と、ダイオード11及び第1の
共振用コンデンサ10の接続点と第2の共振用コンデン
サ15及び充電用ダイオード14の接続点との間に直列
に接続された共振用リアクトル16及び逆流阻止用ダイ
オード17とを備えている。即ち、図6のトランス絶縁
型DC−DCコンバータは、トランジスタ3のオン期間
中に2次側の整流用ダイオード4が導通状態となり、ト
ランジスタ3がオン状態からオフ状態となるとき2次側
の整流用ダイオード4が非導通状態となるフォワード方
式の回路構成となる。また、周知技術のため図示は省略
するが、制御回路9内には、一定の周期の三角波電圧を
発生する発振回路部と、基準電圧に対する負荷8の端子
電圧の誤差電圧を演算増幅する誤差増幅回路部と、誤差
増幅回路部の誤差出力電圧及び発振回路部の三角波電圧
を比較する比較回路部と、比較回路部の出力電圧に比例
した時間幅の制御パルス信号VBを発生してトランジス
タ3のベース端子に付与する制御パルス発生回路部とが
設けられる。
【0004】上記のトランス絶縁型DC−DCコンバー
タでは、制御回路9により、トランジスタ3のベース端
子に付与する制御パルス信号VBのパルス幅を負荷8の
端子電圧に応じて変化させ、トランジスタ3のオン・オ
フ期間を制御することにより、直流電源1の電圧Eとは
異なる定電圧の直流出力を負荷8に供給する。また、第
1及び第2の共振用コンデンサ10、15と共振用リア
クトル16との共振作用により、トランジスタ3の両主
端子間の電圧及びトランジスタ3に流れる電流が0から
正弦波状に上昇するので、トランジスタ3のターンオフ
及びターンオン時においてゼロ電圧及びゼロ電流スイッ
チングとなり、スイッチング損失が低減される。更に、
トランジスタ3のターンオフ及びターンオン時に発生す
るスパイク状のサージ電圧及びサージ電流は、第1及び
第2の共振用コンデンサ10、15と共振用リアクトル
16との共振作用により吸収され、トランジスタ3のオ
ン・オフ動作時のサージ電圧、サージ電流及びノイズが
低減される。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】ところで、図6に示す
トランス絶縁型DC−DCコンバータでは、トランジス
タ3がオン状態からオフ状態になると、トランジスタ3
に流れる電流が充電用ダイオード14を介して第2の共
振用コンデンサ15に流れる電流に切り替わり、第2の
共振用コンデンサ15が略0Vから正弦波状に充電され
るため、トランジスタ3の両主端子間の電圧が略0Vか
ら正弦波状に上昇する。したがって、トランジスタ3は
ゼロ電圧スイッチング(ZVS)でオフ状態となり、ス
イッチング損失が低減される。しかしながら、第2の共
振用コンデンサ15の充電電圧が直流電源1の電圧Eに
達し且つトランス2の1次巻線2aにエネルギが残留す
る場合、トランス2の1次巻線2a−充電用ダイオード
14−共振用リアクトル16−逆流阻止用ダイオード1
7−ダイオード11の経路で僅かではあるが電流が流れ
続ける。このため、第2の共振用コンデンサ15に直流
電源1の電圧E以上の電圧が充電されず、前記の経路で
流れ続ける電流により電力損失が発生する欠点があっ
た。
【0006】更に、図6に示すトランス絶縁型DC−D
Cコンバータでは、トランジスタ3がオン状態のとき、
直流電源1からトランス2に励磁電流が流れてエネルギ
が蓄積され、トランス2のコアの磁束密度が上昇する。
次に、トランジスタ3がオン状態からオフ状態になると
きにオン期間中に蓄積されたエネルギがそのまま保持さ
れるため、トランジスタ3がオン状態となる度にエネル
ギが蓄積され、トランス2のコアの磁束密度が上昇す
る。この磁束密度が最大磁束密度を超えると、トランス
2が磁気飽和してインダクタンスが小さくなり、トラン
ス2に大きな励磁電流が流れてトランジスタ3が破損す
る危険がある。このように、図6のトランス絶縁型DC
−DCコンバータはトランジスタ3のオフ期間中にトラ
ンス2をリセットできないため、トランス2の磁気飽和
によりトランジスタ3が破壊される欠点があった。
【0007】そこで、本発明はスイッチング損失やノイ
ズ及びスイッチング素子がオフ状態のときにトランスの
1次側回路に流れる電流による電力損失を低減すると共
に、トランスの磁気飽和を防止してトランジスタの破壊
を防止できるトランス絶縁型DC−DCコンバータを提
供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明によるトランス絶
縁型DC−DCコンバータは、直流電源(1)に対してト
ランス(2)の1次巻線(2a)とスイッチング素子(3)をが直
列に接続し、スイッチング素子(3)をオン・オフ動作さ
せることによりトランス(2)の2次巻線(2b)から整流平
滑回路を介して直流電源(1)の電圧(E)とは異なる定電圧
の直流出力を取り出す。このトランス絶縁型DC−DC
コンバータは、スイッチング素子(3)の両主端子間に接
続された共振回路(12)と、共振回路(12)とトランス(2)
の1次巻線(2a)との間に接続されたバイパス回路(13)
と、トランス(2)の1次巻線(2a)と逆極性に接続され且
つ整流平滑回路の出力端子間又は直流電源(1)の両端に
整流素子(19)を介して接続されたトランス(2)の3次巻
線(2c)とを備えている。共振回路(12)は、1次巻線(2a)
とスイッチング素子(3)の第1の主端子との接続点に一
端が接続された充電用整流素子(14)と、充電用整流素子
(14)の他端と直流電源(1)及びスイッチング素子(3)の第
2の主端子の接続点との間に接続された共振用コンデン
サ(15)とを備えている。バイパス回路(13)は、充電用整
流素子(14)及び共振用コンデンサ(15)の接続点と1次巻
線(2a)及び直流電源(1)の接続点との間に直列に接続さ
れた共振用リアクトル(16)及び補助スイッチング素子(1
8)を備えている。スイッチング素子(3)がオン状態から
オフ状態となるとき、トランス(2)の3次巻線(2c)に発
生する電圧により1次巻線(2a)に逆電圧を発生させ、逆
電圧及び直流電源(1)の電圧(E)により充電用整流素子(1
4)を介して直流電源(1)の電圧(E)の2倍の電圧(2E)に共
振用コンデンサ(15)を充電してエネルギを蓄積する。補
助スイッチング素子(18)がスイッチング素子(3)と同時
に又は遅れてオフ状態からオン状態となるとき、共振用
コンデンサ(15)に蓄積されたエネルギを共振用リアクト
ル(16)及び補助スイッチング素子(18)を介して直流電源
(1)に回生すると共に、スイッチング素子(3)の主端子間
の電圧を略零Vまで速やかに降下させる。
【0009】スイッチング素子(3)をオンした状態から
オフ状態に切り替えると、スイッチング素子(3)に流れ
ていた電流が共振回路(12)側への電流に切り替わり、充
電用整流素子(14)を介して共振用コンデンサ(15)が正弦
波状に充電される。これにより、スイッチング素子(3)
の第1の主端子と第2の主端子との間の電圧が略0Vか
ら正弦波状に上昇するので、スイッチング素子(3)のタ
ーンオフ時においてゼロ電圧スイッチング(ZVS)と
なり、スイッチング素子(3)のターンオフ時のスイッチ
ング損失を低減できる。
【0010】また、スイッチング素子(3)をオンした状
態からオフ状態に切り替えるとき、スイッチング素子
(3)のオン期間中にトランス(2)に蓄積された励磁エネル
ギが3次巻線(2c)を介して整流平滑回路の出力端子又は
直流電源(1)側に放出される。これにより、トランス(2)
の3次巻線(2c)に電圧が発生し、この電圧により1次巻
線(2a)に逆電圧が発生し、この逆電圧及び直流電源(1)
の電圧(E)により充電用整流素子(14)を介して直流電源
(1)の電圧(E)の2倍の電圧(2E)に共振用コンデンサ(15)
が充電されてエネルギが蓄積される。このとき補助スイ
ッチング素子(18)はオフ状態であるので、トランス(2)
の1次側回路に流れる電流による電力損失が発生せず、
確実に直流電源(1)の電圧(E)の2倍の電圧(2E)を共振用
コンデンサ(15)に充電できる。また、トランス(2)の1
次巻線(2a)に逆電圧が発生すると、トランス(2)のコア
の磁束密度がスイッチング素子(3)のオン期間中に上昇
した分だけ減少してトランス(2)がリセットされるの
で、トランス(2)の磁気飽和を防止しトランジスタの破
壊を防止できる。
【0011】スイッチング素子(3)をオフ状態からオン
状態にすると同時に又は遅れて補助スイッチング素子(1
8)をオフ状態からオン状態にすると、直流電源(1)の電
圧(E)の2倍の電圧(2E)に充電された共振用コンデンサ
(15)のエネルギが共振用リアクトル(16)及び補助スイッ
チング素子(18)のバイパス回路(13)を介して直流電源
(1)側へ回生されるので、トランス(2)の1次側回路に流
れる電流による電力損失を低減できる。
【0012】以上により、スイッチング素子(3)の動作
時のスイッチング損失を低減できると共に、スイッチン
グ素子(3)のターンオフ時に発生するスパイク状のサー
ジ電圧、サージ電流及びノイズは、共振用コンデンサ(1
5)及び共振用リアクトル(16)の共振作用により吸収さ
れ、スイッチング素子(3)の電圧波形の立上りが緩やか
になるので、スイッチング素子(3)の動作時のサージ電
圧、サージ電流及びノイズを低減することが可能とな
る。また、スイッチング素子(3)がオフ状態に切り替わ
るとき、トランス(2)に蓄積する励磁エネルギを3次巻
線(2c)を介して放出すると、3次巻線(2c)に発生する電
圧により1次巻線(2a)に逆電圧が発生してトランス(2)
がリセットされるので、トランス(2)の磁気飽和を防止
してスイッチング素子(3)の破壊を未然に防止できる。
更に、逆電圧及び直流電源(1)の電圧(E)により直流電源
(1)の電圧(E)の2倍の電圧(2E)に充電された共振用コン
デンサ(15)の電圧は、直流電源(1)側に回生されるので
無効電力の低減を図ることができる。
【0013】本発明によるトランス絶縁型DC−DCコ
ンバータの一実施の形態では、バイパス回路(13)は、充
電用整流素子(14)及び共振用コンデンサ(15)の接続点と
1次巻線(2a)及び直流電源(1)の接続点との間に直列に
接続された共振用リアクトル(16)及び補助スイッチング
素子(18)と直列に接続された逆流阻止用整流素子(17)を
備えている。補助スイッチング素子(18)がスイッチング
素子(3)と同時に又は遅れてオフ状態からオン状態とな
るとき、共振用コンデンサ(15)に蓄積されたエネルギを
共振用リアクトル(16)、逆流阻止用整流素子(17)及び補
助スイッチング素子(18)を介して直流電源(1)に回生す
る。
【0014】また、本発明による他のトランス絶縁型D
C−DCコンバータは、直流電源(1)に対してトランス
(2)の第1の1次巻線(2a1)及び第1のスイッチング素子
(3a)を直列に接続し、直流電源(1)に対してトランス(2)
の第2の1次巻線(2a2)及び第2のスイッチング素子(3
b)を直列に接続し、第1及び第2のスイッチング素子(3
a,3b)を交互にオン・オフ動作させることによりトラン
ス(2)の2次巻線(2b)から整流平滑回路を介して直流電
源(1)の電圧(E)とは異なる定電圧の直流出力を取り出
す。このトランス絶縁型DC−DCコンバータは、第1
のスイッチング素子(3a)の両主端子間に接続された第1
の共振回路(12a)と、第1の共振回路(12a)とトランス
(2)の第1の1次巻線(2a1)との間に接続された第1のバ
イパス回路(13a)と、第2のスイッチング素子(3b)の両
主端子間に接続された第2の共振回路(12b)と、第2の
共振回路(12b)とトランス(2)の第2の1次巻線(2a2)と
の間に接続された第2のバイパス回路(13b)とを備えて
いる。第1の共振回路(12a)は、第1の1次巻線(2a1)と
第1のスイッチング素子(3a)の第1の主端子との接続点
に一端が接続された第1の充電用整流素子(14a)と、第
1の充電用整流素子(14a)の他端と直流電源(1)及び第1
のスイッチング素子(3a)の第2の主端子の接続点に接続
された第1の共振用コンデンサ(15a)とを備えている。
第1のバイパス回路(13a)は、第1の充電用整流素子(14
a)及び第1の共振用コンデンサ(15a)の接続点と第1の
1次巻線(2a1)及び直流電源(1)の接続点との間に直列に
接続された第1の共振用リアクトル(16a)及び第1の補
助スイッチング素子(18a)を備えている。第2の共振回
路(12b)は、第2の1次巻線(2a2)と第2のスイッチング
素子(3b)の第1の主端子との接続点に一端が接続された
第2の充電用整流素子(14b)と、第2の充電用整流素子
(14b)の他端と直流電源(1)及び第2のスイッチング素子
(3b)の第2の主端子の接続点との間に接続された第2の
共振用コンデンサ(15b)とを備えている。第2のバイパ
ス回路(13b)は、第2の充電用整流素子(14b)及び第2の
共振用コンデンサ(15b)の接続点と第2の1次巻線(2a2)
及び直流電源(1)の接続点との間に直列に接続された第
2の共振用リアクトル(16b)及び第2の補助スイッチン
グ素子(18b)を備えている。
【0015】第1又は第2のスイッチング素子(3a,3b)
がオン状態からオフ状態となるとき、第2又は第1のス
イッチング素子(3b,3a)がオフ状態からオン状態になる
と、第1又は第2の1次巻線(2a1,2a2)に逆電圧を発生
させ、逆電圧及び直流電源(1)の電圧により第1又は第
2の充電用整流素子(14a,14b)を介して直流電源(1)の電
圧の2倍の電圧に第1又は第2の共振用コンデンサ(15
a,15b)を充電してエネルギを蓄積する。第1又は第2の
補助スイッチング素子(18a,18b)が第1又は第2のスイ
ッチング素子(3a,3b)と同時に又は遅れてオフ状態から
オン状態となるとき、第1又は第2の共振用コンデンサ
(15a,15b)に蓄積されたエネルギを第1又は第2の共振
用リアクトル(16a,16b)及び第1又は第2の補助スイッ
チング素子(18a,18b)を介して直流電源(1)に回生する。
【0016】本発明の他の実施の形態では、第1のバイ
パス回路(13a)は、第1の充電用整流素子(14a)及び第1
の共振用コンデンサ(15a)の接続点と第1の1次巻線(2a
1)及び直流電源(1)の接続点との間に直列に接続された
第1の共振用リアクトル(16a)及び第1の補助スイッチ
ング素子(18a)と直列に接続された第1の逆流阻止用整
流素子(17a)を備えている。第2のバイパス回路(13b)
は、第2の充電用整流素子(14b)及び第2の共振用コン
デンサ(15b)の接続点と第2の1次巻線(2a2)及び直流電
源(1)の接続点との間に直列に接続された第2の共振用
リアクトル(16b)及び第2の補助スイッチング素子(18b)
と直列に接続された第2の逆流阻止用整流素子(17b)を
備えている。第1又は第2の補助スイッチング素子(3a,
3b)が第1又は第2のスイッチング素子(3a,3b)と同時に
又は遅れてオフ状態からオン状態となるとき、第1又は
第2の共振用コンデンサ(15a,15b)に蓄積されたエネル
ギを第1又は第2の共振用リアクトル(16a,16b)、第1
又は第2の逆流阻止用整流素子(17a,17b)及び第1又は
第2の補助スイッチング素子(18a,18b)を介して直流電
源(1)に回生すると共に、第1及び第2のスイッチング
素子(3a,3b)の主端子間の電圧を略零Vまで速やかに降
下させる。
【0017】
【発明の実施の形態】以下、本発明によるトランス絶縁
型DC−DCコンバータの一実施の形態を図1及び図2
に基づいて説明する。但し、図1では図6に示す箇所と
実質的に同一の部分には同一の符号を付し、その説明を
省略する。
【0018】本実施の形態のトランス絶縁型DC−DC
コンバータは、図1に示すように、逆流阻止用ダイオー
ド17のカソード端子と直流電源1及びトランス2の1
次巻線2aの接続点との間にトランジスタ3と同時にオ
ン状態となる補助トランジスタ18の両主端子を接続
し、トランス2に設けられた1次巻線2aと逆極性に結
合する3次巻線2cを整流用ダイオード19を介して平
滑コンデンサ7の両端に接続したものである。図1の回
路では、図6に示すトランス絶縁型DC−DCコンバー
タにおいて、第1の共振用コンデンサ10及びダイオー
ド11が省略され、その他の構成は、図6のトランス絶
縁型DC−DCコンバータと略同一である。
【0019】次に、図1に示すトランス絶縁型DC−D
Cコンバータの動作について説明する。図2(A)に示
すようにトランジスタ3がオン状態のときは、直流電源
1の電圧Eによりトランス2が励磁され、トランス2の
1次巻線2a及びトランジスタ3に電流IOが流れてい
る。このとき、トランス2の2次巻線2bに1次巻線2
aの電圧と同極性の電圧が誘起されるので、整流用ダイ
オード4が順方向にバイアスされて導通状態となり、2
次巻線2bから整流用ダイオード4及びリアクトル6を
介して平滑コンデンサ7に電流が流れ、負荷6に直流電
圧が供給される。
【0020】図2(A)に示すように、制御回路9から
トランジスタ3のベース端子に付与される制御パルス信
号電圧VBがt1において高レベルから低レベルになり、
トランジスタ3がオン状態からオフ状態になると、トラ
ンジスタ3に流れていた図2(E)に示す電流ISが直
ちに共振回路12側へ流れる電流に切り替わり、整流用
ダイオード4が非導通状態となるので、リアクトル6に
逆起電力が発生し、リアクトル6、平滑コンデンサ7及
び転流用ダイオード5の経路で電流が流れる。このと
き、充電用ダイオード14を介して共振用コンデンサ1
5に流れる電流の増加に伴って共振用コンデンサ15が
充電され、図2(C)に示すように共振用コンデンサ1
5の両端の電圧VCが略0Vから正弦波状に上昇する。
これにより、図2(F)に示すようにトランジスタ3の
第1及び第2の主端子であるコレクタ及びエミッタ間の
電圧VSが略0Vから正弦波状に上昇し、トランジスタ
3のターンオフ時において電圧波形と電流波形の重なり
が少ないゼロ電圧スイッチング(ZVS)となる。
【0021】また、トランジスタ3がオン状態からオフ
状態になると、トランジスタ3のオン期間中にトランス
2に蓄積された励磁エネルギが3次巻線2cを介して負
荷8に放出される。このとき、トランス2の3次巻線2
cに発生する電圧により1次巻線2aに逆電圧が発生
し、この逆電圧及び直流電源の電圧により充電用ダイオ
ード14を介して直流電源1の電圧Eよりも高い電圧に
共振用コンデンサ15が充電され、図2(C)に示すよ
うにt2の時点では最大値2Eに達する。また、トラン
ス2の1次巻線2aに逆電圧が発生するとトランス2の
1次巻線2aが逆励磁され、トランス2のコアの磁束密
度がトランジスタ3のオン期間中に上昇した分だけ減少
し、トランス2がリセットされるので、トランス2の磁
気飽和を防止してトランジスタ3の破壊を未然に防止で
きる。トランス2がリセットされるとトランス2の電圧
は略0Vとなり、図2(F)に示すようにt3時点でト
ランジスタ3のコレクタ−エミッタ間の電圧VSが直流
電源1の電圧Eと等しくなる。
【0022】図2(A)に示すように、制御回路9から
トランジスタ3のベース端子に付与される制御パルス信
号電圧VB1がt4の時点において低レベルから高レベル
になり、トランジスタ3がオフ状態からオン状態になる
と、図2(E)に示すようにトランジスタ3に電流IS
が流れ、図2(F)に示すようにそのコレクタ−エミッ
タ間の電圧VSが速やかに略0Vまで降下する。これに
より、トランス2の2次巻線2bに1次巻線2aの電圧
と同極性の電圧が誘起されて整流用ダイオード4が導通
状態となり、2次巻線2bから整流用ダイオード4及び
リアクトル6を介して平滑コンデンサ7に電流が流れ、
負荷8に直流電圧が供給される。
【0023】一方、補助トランジスタ18はトランジス
タ3と同時にオフ状態からオン状態となるため、直流電
源1よりも高い電圧2Eに充電された共振用コンデンサ
15のエネルギが共振用リアクトル16、逆流阻止用ダ
イオード17及び補助トランジスタ18のバイパス回路
13を介して直流電源1側へ回生される。このとき、共
振用コンデンサ15及び共振用リアクトル16の共振作
用により、共振用コンデンサ15の電圧VCが図2
(C)に示すように電圧2Eからなだらかに降下し、共
振用リアクトル16に流れる電流ILが図2(D)に示
すように正弦波状となる。共振用リアクトル16に流れ
る電流ILがt5において0Aになるとき、共振用コンデ
ンサ15の両端の電圧VCが略0Vとなる。その後、図
2(B)に示すように、制御回路9から補助トランジス
タ18のベース端子に付与される制御パルス信号電圧V
B2がt6において高レベルから低レベルになり、補助ト
ランジスタ18がオン状態からオフ状態になる。
【0024】上記のように、本実施の形態ではトランジ
スタ3のターンオフ時においてゼロ電圧スイッチングと
なるので、トランジスタ3の動作時の電力損失、即ちス
イッチング損失を低減することができる。トランジスタ
3のターンオフ時に発生するスパイク状のサージ電圧及
びサージ電流は、共振用コンデンサ15と共振用リアク
トル16との共振作用により吸収され、トランジスタ3
の電圧の立上りが緩やかになるので、トランジスタ3の
オフ動作時のサージ電圧、サージ電流及びノイズを低減
することが可能となる。また、トランジスタ3のターン
オフ時に、トランス2に蓄積された励磁エネルギが3次
巻線2c及び整流用ダイオード19を介して負荷8に放
出されると共に、トランス2の3次巻線2cに発生する
電圧により1次巻線2aに逆電圧が発生し、トランス2
のコアの磁束密度がトランジスタ3のオン期間中に上昇
した分だけ減少するので、トランス2が確実にリセット
されてトランス2の磁気飽和によるトランジスタ3の破
壊を未然に防止できる。更に、トランス2の1次巻線2
aに発生した逆電圧及び直流電源1の電圧Eにより直流
電源1の電圧Eよりも高い電圧2Eに充電された共振用
コンデンサ15の電圧Vは共振用リアクトル16、逆
流阻止用ダイオード17及び補助トランジスタ18を介
して直流電源1側へ回生されるので、トランス2の1次
側回路に流れる電流による電力損失を低減して無効電力
の低減を図ることができる。
【0025】図1に示す実施の形態のトランス絶縁型D
C−DCコンバータは変更が可能である。例えば、図3
に示す実施の形態のトランス絶縁型DC−DCコンバー
タは、直流電源1に対してトランス2の第1の1次巻線
2a1及び第1のトランジスタ3aが直列に接続され、
直流電源1に対してトランス2の第2の1次巻線2a2
及び第2のトランジスタ3bが直列に接続され、第1及
び第2のトランジスタ3a、3bを交互にオン・オフ動
作させることによりトランス2の2次巻線2bから整流
平滑回路を介して直流電源1の電圧とは異なる定電圧の
直流出力を負荷8に供給するセンタタップ方式のトラン
ス絶縁型DC−DCコンバータに本発明を適用したもの
である。即ち、図3に示すトランス絶縁型DC−DCコ
ンバータは、第1のトランジスタ3aの両主端子間に接
続された第1の共振回路12aと、第1の共振回路12
aとトランス2の第1の1次巻線2a1との間に接続さ
れた第1のバイパス回路13aと、第2のトランジスタ
3bの両主端子間に接続された第2の共振回路12b
と、第2の共振回路12bとトランス2の第2の1次巻
線2a2との間に接続された第2のバイパス回路13b
とを備える。また、第1の共振回路12aは、第1の1
次巻線2a1と第1のトランジスタ3aの第1の主端子
との間に一端が接続された第1の充電用整流素子14a
と、第1の充電用整流素子14aの他端と直流電源1及
び第1のトランジスタ3aの第2の主端子との間に接続
された第1の共振用コンデンサとを備え、第1のバイパ
ス回路13aは、第1の充電用整流素子14a及び第1
の共振用コンデンサ15aの接続点と第1の1次巻線2
1及び直流電源1の接続点との間に直列に接続された
第1の共振用リアクトル16a、第1の逆流阻止用整流
素子17a及び第1の補助トランジスタ18aとを備
え、第2の共振回路12bは、第2の1次巻線2a2
第2のトランジスタ3bの第1の主端子との間に一端が
接続された第2の充電用整流素子14bと、第2の充電
用整流素子14bの他端と直流電源1及び第2のトラン
ジスタ3bの第2の主端子との間に接続された第2の共
振用コンデンサ15bとを備え、第2のバイパス回路1
3bは、第2の充電用整流素子14b及び第2の共振用
コンデンサ15bの接続点と第2の1次巻線2a2及び
直流電源1の接続点との間に直列に接続された第2の共
振用リアクトル16b、第2の逆流阻止用整流素子17
b及び第2の補助トランジスタ18bとを備える。
【0026】図3に示すトランス絶縁型DC−DCコン
バータでは、第1又は第2のトランジスタ3a、3bが
オン状態からオフ状態となるとき、第2又は第1のトラ
ンジスタ3b、3aがオフ状態からオン状態になると、
第1又は第2の1次巻線2a1、2a2に逆電圧を発生さ
せ、逆電圧及び直流電源1の電圧により第1又は第2の
充電用整流素子14a、14bを介して直流電源1の電
圧よりも高い電圧に第1又は第2の共振用コンデンサ1
5a、15bを充電してエネルギを蓄積し、第1又は第
2の補助トランジスタ18a、18bが第1又は第2の
トランジスタ3a、3bと同時に又は遅れてオフ状態か
らオン状態となるとき、第1又は第2の共振用コンデン
サ15a、15bに蓄積されたエネルギを第1又は第2
の共振用リアクトル16a、16b、第1又は第2の逆
流阻止用整流素子17a、17b及び第1又は第2の補
助トランジスタ18a、18bを介して直流電源1に回
生する。従って、図3においても図1に示すトランス絶
縁型DC−DCコンバータと同様な作用効果を得ること
ができる。なお、ブリッジ整流回路18及び平滑コンデ
ンサ7から成る整流平滑回路の代わりに、図4に示すよ
うな2つの整流用ダイオード20、21及び平滑コンデ
ンサ7から成る整流平滑回路を使用してもよい。
【0027】本発明の実施態様は前記の各実施の形態に
限定されず、更に種々の変更が可能である。例えば、上
記の各実施の形態ではトランジスタ3と同時に補助トラ
ンジスタ18をオン状態にする形態を示したが、トラン
ジスタ3よりも若干遅れて補助トランジスタ18をオン
状態にしてもよい。また、図1に示す実施の形態では整
流用ダイオード19を介してトランス2の3次巻線2c
を平滑コンデンサ7の両端に接続した形態を示したが、
図5に示すようにトランス2の3次巻線2cを整流用ダ
イオード19を介して直流電源1の両端に接続してもよ
い。また、上記の各実施の形態ではスイッチング素子及
び補助スイッチング素子としてバイポーラ型トランジス
タを使用した形態を示したが、MOS−FET(MOS
型電界効果型トランジスタ)、J−FET(接合型電界
効果トランジスタ)、IGBT(絶縁ゲート型トランジ
スタ)又はサイリスタ等の他のスイッチング素子も使用
可能である。また、トランス2の2次巻線2bを巻数の
それぞれ異なる複数の巻線に分割し、各2次巻線に整流
平滑回路をそれぞれ接続してマルチ出力のDC−DCコ
ンバータとすることも可能である。
【0028】また、バイパス回路13を構成する直列回
路内では、共振用リアクトル16、逆流阻止用ダイオー
ド17及び補助トランジスタ18の配列順序を変更する
ことができ、逆流阻止用ダイオード17を省略してもよ
い。同様に、第1及び第2のバイパス回路13a、13
bを構成する直列回路内では、共振用リアクトル16
a、逆流阻止用ダイオード17a及び補助トランジスタ
18aの配列順序を変更することができ、逆流阻止用ダ
イオード17aを省略してもよい。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、スイッチング素子動作
時のスイッチング損失及びノイズを低減できるので、ノ
イズフィルタ等を削減できる。また、1次側回路に流れ
る電流により発生する無効電力を低減できるので、トラ
ンス絶縁型DC−DCコンバータの変換効率を向上する
ことができる。更に、トランスの磁気飽和によるスイッ
チング素子の破壊を未然に防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態を示すトランス絶縁型
DC−DCコンバータの電気回路図
【図2】 図1に示す回路の各部の電圧及び電流を示す
波形図
【図3】 本発明による他の実施の形態を示すトランス
絶縁型DC−DCコンバータの電気回路図
【図4】 図3に示すトランス絶縁型DC−DCコンバ
ータの他の整流平滑回路を示す電気回路図
【図5】 図1の変更実施の形態を示すトランス絶縁型
DC−DCコンバータの電気回路図
【図6】 従来のトランス絶縁型DC−DCコンバータ
を示す電気回路図
【符号の説明】
1・・直流電源、 2・・トランス、 2a・・1次巻
線、 2b・・2次巻線、 2c・・3次巻線、 3・
・トランジスタ(スイッチング素子)、 4・・整流用
ダイオード、 5・・転流用ダイオード、 6・・リア
クトル、 7・・平滑コンデンサ、 8・・負荷、 9
・・制御回路、 12・・共振回路、13・・バイパス
回路、 14・・充電用ダイオード(充電用整流素
子)、 15・・共振用コンデンサ、 16・・共振用
リアクトル、 17・・逆流阻止用ダイオード(逆流阻
止用整流素子)、 18・・補助トランジスタ(補助ス
イッチング素子)、 17・・整流用ダイオード、 1
8・・ブリッジ整流回路、20,21・・整流用ダイオ
ード、
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/28 H02M 3/335

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源に対してトランスの1次巻線と
    スイッチング素子とを直列に接続し、前記スイッチング
    素子をオン・オフ動作させることにより前記トランスの
    2次巻線から整流平滑回路を介して前記直流電源の電圧
    とは異なる定電圧の直流出力を取り出すトランス絶縁型
    DC−DCコンバータにおいて、 前記スイッチング素子の両主端子間に接続された共振回
    路と、該共振回路と前記トランスの1次巻線との間に接
    続されたバイパス回路と、前記トランスの1次巻線と逆
    極性に接続され且つ前記整流平滑回路の出力端子間又は
    前記直流電源の両端に整流素子を介して接続されたトラ
    ンスの3次巻線とを備え、 前記共振回路は、前記1次巻線と前記スイッチング素子
    の第1の主端子との接続点に一端が接続された充電用整
    流素子と、該充電用整流素子の他端と前記直流電源及び
    前記スイッチング素子の第2の主端子の接続点との間に
    接続された共振用コンデンサとを備え、 前記バイパス回路は、前記充電用整流素子及び前記共振
    用コンデンサの接続点と前記1次巻線及び直流電源の接
    続点との間に直列に接続された共振用リアクトル及び補
    助スイッチング素子を備え、 前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態となると
    き、前記トランスの3次巻線に発生する電圧により前記
    1次巻線に逆電圧を発生させ、該逆電圧及び前記直流電
    源の電圧により前記充電用整流素子を介して前記直流電
    源の電圧の2倍の電圧に前記共振用コンデンサを充電し
    てエネルギを蓄積し、 前記補助スイッチング素子が前記スイッチング素子と同
    時に又は遅れてオフ状態からオン状態となるとき、前記
    共振用コンデンサに蓄積されたエネルギを前記共振用リ
    アクトル及び補助スイッチング素子を介して前記直流電
    源に回生すると共に、前記スイッチング素子の主端子間
    の電圧を略零Vまで速やかに降下させることを特徴とす
    るトランス絶縁型DC−DCコンバータ。
  2. 【請求項2】 前記バイパス回路は、前記充電用整流素
    子及び前記共振用コンデンサの接続点と前記1次巻線及
    び直流電源の接続点との間に直列に接続された共振用リ
    アクトル及び補助スイッチング素子と直列に接続された
    逆流阻止用整流素子を備え、 前記補助スイッチング素子が前記スイッチング素子と同
    時に又は遅れてオフ状態からオン状態となるとき、前記
    共振用コンデンサに蓄積されたエネルギを前記共振用リ
    アクトル、逆流阻止用整流素子及び補助スイッチング素
    子を介して前記直流電源に回生する請求項1に記載のト
    ランス絶縁型DC−DCコンバータ。
  3. 【請求項3】 直流電源に対してトランスの第1の1次
    巻線及び第1のスイッチング素子を直列に接続し、前記
    直流電源に対して前記トランスの第2の1次巻線及び第
    2のスイッチング素子を直列に接続し、前記第1及び第
    2のスイッチング素子を交互にオン・オフ動作させるこ
    とにより前記トランスの2次巻線から整流平滑回路を介
    して前記直流電源の電圧とは異なる定電圧の直流出力を
    取り出すトランス絶縁型DC−DCコンバータにおい
    て、 前記第1のスイッチング素子の両主端子間に接続された
    第1の共振回路と、該第1の共振回路と前記トランスの
    第1の1次巻線との間に接続された第1のバイパス回路
    と、前記第2のスイッチング素子の両主端子間に接続さ
    れた第2の共振回路と、該第2の共振回路と前記トラン
    スの第2の1次巻線との間に接続された第2のバイパス
    回路とを備え、 前記第1の共振回路は、前記第1の1次巻線と前記第1
    のスイッチング素子の第1の主端子との接続点に一端が
    接続された第1の充電用整流素子と、該第1の充電用整
    流素子の他端と前記直流電源及び前記第1のスイッチン
    グ素子の第2の主端子の接続点に接続された第1の共振
    用コンデンサとを備え、 前記第1のバイパス回路は、前記第1の充電用整流素子
    及び前記第1の共振用コンデンサの接続点と前記第1の
    1次巻線及び前記直流電源の接続点との間に直列に接続
    された第1の共振用リアクトル及び第1の補助スイッチ
    ング素子を備え、 前記第2の共振回路は、前記第2の1次巻線と前記第2
    のスイッチング素子の第1の主端子との接続点に一端が
    接続された第2の充電用整流素子と、該第2の充電用整
    流素子の他端と前記直流電源及び前記第2のスイッチン
    グ素子の第2の主端子の接続点に接続された第2の共振
    用コンデンサとを備え、 前記第2のバイパス回路は、前記第2の充電用整流素子
    及び前記第2の共振用コンデンサの接続点と前記第2の
    1次巻線及び前記直流電源の接続点との間に直列に接続
    された第2の共振用リアクトル及び第2の補助スイッチ
    ング素子を備え、 前記第1又は第2のスイッチング素子がオン状態からオ
    フ状態となるとき、前記第2又は第1のスイッチング素
    子がオフ状態からオン状態になると共に、前記第1又は
    第2の1次巻線に逆電圧を発生させ、該逆電圧及び前記
    直流電源の電圧により前記第1又は第2の充電用整流素
    子を介して前記直流電源の電圧の2倍の電圧に前記第1
    又は第2の共振用コンデンサを充電してエネルギを蓄積
    し、 前記第1又は第2の補助スイッチング素子が前記第1又
    は第2のスイッチング素子と同時に又は遅れてオフ状態
    からオン状態となるとき、前記第1又は第2の共振用コ
    ンデンサに蓄積されたエネルギを前記第1又は第2の共
    振用リアクトル及び第1又は第2の補助スイッチング素
    子を介して前記直流電源に回生することを特徴とするト
    ランス絶縁型DC−DCコンバータ。
  4. 【請求項4】 前記第1のバイパス回路は、前記第1の
    充電用整流素子及び前記第1の共振用コンデンサの接続
    点と前記第1の1次巻線及び前記直流電源の接続点との
    間に直列に接続された第1の共振用リアクトル及び第1
    の補助スイッチング素子と直列に接続された第1の逆流
    阻止用整流素子を備え、 前記第2のバイパス回路は、前記第2の充電用整流素子
    及び前記第2の共振用コンデンサの接続点と前記第2の
    1次巻線及び前記直流電源の接続点との間に直列に接続
    された第2の共振用リアクトル及び第2の補助スイッチ
    ング素子と直列に接続された第2の逆流阻止用整流素子
    を備え、 前記第1又は第2の補助スイッチング素子が前記第1又
    は第2のスイッチング素子と同時に又は遅れてオフ状態
    からオン状態となるとき、前記第1又は第2の共振用コ
    ンデンサに蓄積されたエネルギを前記第1又は第2の共
    振用リアクトル、第1又は第2の逆流阻止用整流素子及
    び第1又は第2の補助スイッチング素子を介して前記直
    流電源に回生すると共に、前記第1及び第2のスイッチ
    ング素子の主端子間の電圧を略零Vまで速やかに降下さ
    せる請求項3に記載のトランス絶縁型DC−DCコンバ
    ータ。
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