JP3611794B2 - Dc−dcコンバータ回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振型DC−DCコンバータ回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、DC−DCコンバータ回路として、半導体スイッチ素子などからなるスイッチ手段のオンオフを用いたスイッチモードコンバータが知られている。このスイッチモードコンバータは、スイッチング周波数が高くなるとスイッチング損失が増大するので、そのスイッチング損失を低減するために、共振用リアクトルおよび共振用コンデンサからなる共振回路を備え、電圧共振を利用してゼロ電圧でスイッチングを行う方式や、電流共振を利用してゼロ電流でスイッチングを行う方式などを採用することが多い。
【0003】
図6は従来のDC−DCコンバータ回路の回路図で、同図では全波形ゼロ電流スイッチング方式の降圧形コンバータを示している。
【0004】
この回路は、入力電圧をチョッピングする電界効果トランジスタQ11と、電流を逆方向に流すべくトランジスタQ11と逆並列に接続されたダイオードD11と、トランジスタQ11に直列に接続された共振用リアクトルL11と、共振用コンデンサC11と、リアクトルL12およびコンデンサC12からなる低域通過フィルタを備えており、この低域通過フィルタにより、チョッピングによって得られる出力電圧の脈動が抑制されて平滑される。還流用ダイオードD12は、トランジスタQ11がオフしたときに、リアクトルL12に蓄積されているエネルギーを放出して電圧出力を継続させるためのものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ダイオードの損失は、その順方向電圧に比例するが、ダイオードの順方向電圧は、一般に、例えば0.8Vと比較的高い。一方、上記従来のDC−DCコンバータ回路におけるトランジスタQ11の損失は、電流共振を利用しているために比較的小さい。従って、上記従来のDC−DCコンバータ回路において、還流用ダイオードD12の損失が回路全体の損失に占める割合は、比較的大きいものとなっている。そこで、還流用ダイオードD12の損失を低減することにより、DC−DCコンバータ回路の回路全体の効率を向上することが望まれている。
【0006】
なお、順方向電圧の低い(すなわち損失の小さい)ダイオードとして、ショットキ・バリア・ダイオードが知られている(例えば0.4V前後)。しかし、このショットキ・バリア・ダイオードは、耐電圧が比較的低く、リーク電流が比較的大きいために、耐久性や発熱などを考慮するとDC−DCコンバータ回路の回路部品として採用するのは困難である。
【0007】
本発明は、上記課題を解決するもので、DC−DCコンバータ回路の還流用ダイオードにおける損失を低減することにより回路全体の効率を向上したDC−DCコンバータ回路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】
本発明は、一対の入力端子間への入力電圧をオンオフするスイッチ手段と、共振用リアクトルおよび共振用コンデンサからなる共振回路と、出力電圧を平滑するための平滑用リアクトルと、上記入力端子間において上記スイッチ手段に直列に接続され、上記スイッチ手段がオフのときに上記平滑用リアクトルに蓄積されたエネルギーを放出するための還流用ダイオードと、上記スイッチ手段をオンオフする第1駆動手段とを備えたスイッチング方式のDC−DCコンバータ回路において、上記還流用ダイオードに並列接続され、オン抵抗が当該還流用ダイオードより低い半導体スイッチ素子と、この半導体スイッチ素子をオンオフする第2駆動手段と、上記第1駆動手段および第2駆動手段に制御信号を送出して、上記半導体スイッチ素子のオン期間が上記スイッチ手段のオフ期間に含まれるように上記スイッチ手段および上記半導体スイッチ素子のオンオフを制御する制御手段と、出力電圧を検出し、検出された出力電圧と設定値との電圧差に応じた周波数のパルス周波数変調信号を出力する周波数制御手段を備え、上記制御手段は、上記第1駆動手段に制御信号を送出して上記スイッチ手段を上記パルス周波数変調信号と同一の周期でオンオフさせるものであって、上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出し、その後、上記スイッチ手段に共振電流が流れていないときに当該スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号を送出するスイッチ制御手段と、上記第2駆動手段に制御信号を送出して上記半導体スイッチ素子を上記パルス周波数変調信号と同一の周期でオンオフさせるものであって、上記パルス周波数変調信号のエッジに基づき上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出された後、上記半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号を送出する同期制御手段とを備えたもので、上記スイッチ制御手段は、上記同期制御手段により上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された後、上記半導体スイッチ素子が完全にオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定された所定時間T1の経過後に、上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出するものであることを特徴とする(請求項1)。
【0009】
この構成によれば、駆動手段によりスイッチ手段がオンオフされると直流入力電圧がチョッピングされ、平滑用リアクトルにより平滑された直流出力電圧が得られる。
【0010】
ここで、スイッチ手段がオフのときには、平滑用リアクトルに蓄積されたエネルギーは、還流用ダイオードを介して放出されるが、当該スイッチ手段のオフ期間中で、還流用ダイオードに並列接続された半導体スイッチ素子がオンのときは、還流用ダイオードに比べてオン抵抗が低い半導体スイッチ素子を介して放出されて、直流出力電圧が継続して得られる。
【0011】
共振用リアクトルおよび共振用コンデンサからなる共振回路による共振によりスイッチ手段の損失は低くなっているが、還流用ダイオードに代えて半導体スイッチ素子を介してエネルギーを放出することにより回路損失がさらに低下し、これによって回路の効率が向上することとなる。
【0012】
また、還流用ダイオードに並列接続された半導体スイッチ素子は、還流用ダイオードが入力端子間においてスイッチ手段に直列に接続されているので、スイッチ手段と入力端子間において直列に接続されることになるが、半導体スイッチ素子のオン期間がスイッチ手段のオフ期間に含まれるように制御されるので、両者が同時にオンになることによる入力端子間での短絡状態は回避される。
【0013】
特に、パルス周波数変調信号のエッジに基づき半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された後、上記半導体スイッチ素子が完全にオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定された所定時間T1の経過後に、スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号が送出され、さらに、スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出された後、半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号が送出されるので、共振型DC−DCコンバータで一般的に用いられるパルス周波数変調信号を出力する周波数制御手段を備えた簡易な構成で、スイッチ手段および半導体スイッチ素子が同時にオンになることにより入力端子間が短絡状態になるのを回避することが可能になる。
【0014】
なお、還流用ダイオードに比べてオン抵抗が低い半導体スイッチ素子として、例えば電界効果トランジスタ、バイポーラトランジスタ、IGBTなどを採用することができる。
【0015】
また、請求項1記載の構成において、上記周波数制御手段から出力されるパルス周波数変調信号を所定時間だけ遅延した遅延パルス信号を出力する遅延手段を備え、上記同期制御手段は、上記パルス周波数変調信号におけるエッジに同期して上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、上記スイッチ制御手段は、当該エッジの所定時間後の上記遅延パルス信号におけるエッジに同期して上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出し、上記同期制御手段は、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号が送出された上記遅延パルス信号におけるエッジの当該遅延パルス信号における次のエッジに同期して、上記半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号を送出するもので、上記周波数制御手段は、上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える上記遅延パルス信号におけるエッジから当該遅延パルス信号における次のエッジまでの時間が上記スイッチ手段のオン時間より大きい値になるようなデューティ比のパルス周波数変調信号を出力するもので、上記所定時間は、上記同期制御手段により上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された時点から当該半導体スイッチ素子がオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定されているとしてもよい(請求項2)。
【0016】
この構成によれば、パルス周波数変調信号におけるエッジに同期して半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出され、当該エッジの所定時間後の遅延パルス信号におけるエッジに同期してスイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号が送出されるが、所定時間は、半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された時点から当該半導体スイッチ素子がオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定されているので、スイッチ手段がオンに切り換えられる時点では、半導体スイッチ素子は既にオフ状態に移行しており、両者のオン状態が重なることはない。
【0017】
さらに、遅延パルス信号のエッジに同期してスイッチ手段がオフからオンに切り換えられた後、共振電流が流れていないときにスイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出される一方、そのエッジの次のエッジに同期して半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号が送出される。
【0018】
ここで、スイッチ手段をオフからオンに切り換える遅延パルス信号におけるエッジから当該遅延パルス信号における次のエッジまでの時間がスイッチ手段のオン時間より大きい値になるようなデューティ比のパルス周波数変調信号が出力されているので、半導体スイッチ素子がオンに切り換えられる時点では、スイッチ手段は既にオフに切り換えられており、両者のオン状態が重なることはない。
【0019】
従って、パルス周波数変調信号を遅延するだけの簡易な構成で、スイッチ手段および半導体スイッチ素子が同時にオンになることにより入力端子間が短絡状態になるのを確実に回避することが可能になる。
【0020】
なお、このDC−DCコンバータ回路が入力電圧を降圧して出力する降圧形コンバータである場合には、スイッチ手段のオン時間はパルス周波数変調信号の半周期未満になるので、パルス周波数変調信号のデューティ比を例えば50%に設定しておけばよい。
【0021】
また、請求項1記載の構成において、上記周波数制御手段から出力されるパルス周波数変調信号を所定時間だけ遅延した遅延パルス信号を出力する遅延手段と、上記共振用コンデンサの両端に発生するコンデンサ電圧と所定電圧値とを比較し、上記スイッチ手段のオンにより増大したコンデンサ電圧が低下して上記所定電圧値以下になった時点に検出信号を出力する比較手段とを備え、上記同期制御手段は、上記パルス周波数変調信号におけるエッジに同期して上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、上記比較手段により出力される上記検出信号に同期して上記半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号を送出するもので、上記スイッチ制御手段は、当該エッジの所定時間後の上記遅延パルス信号におけるエッジに同期して上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出するもので、上記所定時間は、上記同期制御手段により上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された時点から当該半導体スイッチ素子がオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定されており、上記所定電圧値は、上記比較手段により上記検出信号が出力される時点が、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出される時点以降になるように設定されているとしてもよい(請求項3)。
【0022】
この構成によれば、パルス周波数変調信号におけるエッジに同期して半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出され、当該エッジの所定時間後の遅延パルス信号におけるエッジに同期してスイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号が送出されるが、所定時間は、半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された時点から当該半導体スイッチ素子がオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定されているので、スイッチ手段がオンに切り換えられる時点では、半導体スイッチ素子は既にオフ状態に移行しており、両者のオン状態が重なることはない。
【0023】
さらに、遅延パルス信号のエッジに同期してスイッチ手段がオフからオンに切り換えられた後、共振電流が流れていないときにスイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出される一方、スイッチ手段のオンにより増大したコンデンサ電圧が所定電圧値以下になった時点に同期して半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号が送出されるが、所定電圧値は、比較手段により検出信号が出力される時点が、スイッチ制御手段によりスイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出される時点以降になるように設定されていることから、半導体スイッチ素子がオンに切り換えられる時点では、スイッチ手段は既にオフに切り換えられており、両者のオン状態が重なることはない。
【0024】
従って、スイッチ手段および半導体スイッチ素子が同時にオンになることにより入力端子間が短絡状態になるのを回避することが可能になる。
【0025】
この場合、所定電圧値として0V、すなわちアースレベルを採用すると、回路構成が簡易なものとなるが、請求項4記載の構成において、上記所定電圧値として正の電圧値を生成する電圧生成手段を備え、上記比較手段は、上記電圧生成手段により生成される正の電圧値と上記コンデンサ電圧とを比較するものであるとすると(請求項4)、所定電圧値がアースレベルの場合に比べて検出信号の出力時点が早くなるので、半導体スイッチ素子のオン時間が長くなることから、回路損失をさらに低下することが可能になり、これによって回路の効率をさらに一層向上することができる。
【0026】
【発明の実施の形態】
(第1実施形態)
図1は本発明に係るDC−DCコンバータ回路の基本構成(以下、これを「第1実施形態」と呼ぶものとする)を示す回路ブロック図である。この回路は、コンバータ回路部1と、駆動回路2,3と、制御回路4とを備えている。
【0027】
コンバータ回路部1は、入力端子5,6間に印加される直流入力電圧Vinより低い直流出力電圧Votを生成して出力端子7,8間に接続される負荷9に印加するもので、公知の全波形ゼロ電流スイッチング方式の降圧形コンバータを構成している。
【0028】
すなわち、このコンバータ回路部1は、ドレインが入力端子5に接続され、入力電圧Vinをチョッピング(オンオフ)する電界効果トランジスタ(スイッチ手段)Q1と、電流を逆方向に流すべくトランジスタQ1と逆並列に接続され(すなわちアノードがソースに接続され、カソードがドレインに接続され)たダイオードD1と、トランジスタQ1に直列に接続された共振用リアクトルL1と、共振用コンデンサC1と、リアクトルL2およびコンデンサC2からなる平滑用の低域通過フィルタと、アノードがアースラインに接続され、カソードが共振用リアクトルL1とリアクトルL2との接続点に接続され、トランジスタQ1がオフのときにリアクトルL2に蓄積されたエネルギーを放出するための還流用ダイオードD2とから構成されている。上記低域通過フィルタにより脈動が抑制されて平滑された出力電圧Votが出力される。
【0029】
コンバータ回路部1は、さらに、還流用ダイオードD2に並列接続された電界効果トランジスタ(半導体スイッチ素子)Q2を備えている。
【0030】
駆動回路2は、制御回路4からの制御信号に従ってトランジスタQ1をオンオフするもので、駆動回路3は、制御回路4からの制御信号に従ってトランジスタQ2をオンオフするものである。
【0031】
制御回路4は、CPU、メモリやA/D変換器などからなり、駆動回路2,3にパルス信号からなる制御信号を送出してトランジスタQ1,Q2のオンオフを制御するもので、以下の機能(a)〜(d)を有する。
【0032】
(a)出力電圧Votを検出する機能;
(b)トランジスタQ1をオンにした後、i<0のとき(すなわち共振電流iが反転してダイオードD1に流れているとき)に、トランジスタQ1をオンからオフに切り換えるゼロ電流スイッチングを行う機能;
(c)検出した出力電圧Votが予め設定された値に一致するように、トランジスタQ1のスイッチング周波数を制御する機能;
(d)上記(b),(c)により決定されるトランジスタQ1のオンオフに対して、トランジスタQ1がオンのときに電界効果トランジスタQ2が同時にオンにならないように、トランジスタQ1のオフ期間中に電界効果トランジスタQ2をオンにする機能。
【0033】
この構成において、トランジスタQ1がオンのときにトランジスタQ2が同時にオンにならないように、トランジスタQ1のオンからオフへの切換え後にトランジスタQ2がオフからオンに切り換えられ、トランジスタQ1がオフからオンに切り換えられる前に、トランジスタQ2がオンからオフに切り換えられる。
【0034】
従って、リアクトルL2に蓄積されたエネルギーは、トランジスタQ1のオフ期間中において、トランジスタQ2がオフのときは還流用ダイオードD2を介して放出され、トランジスタQ2がオンのときはトランジスタQ2を介して放出されて、電圧出力が継続されることとなる。
【0035】
電界効果トランジスタのオン抵抗は低い(例えば0.004Ωのものを使用)ため、例えばドレイン電流が20A時に、電界効果トランジスタのソース・ドレイン間の電圧降下は0.1V未満にすることができる。従って、還流用ダイオードD2に代えて電界効果トランジスタQ2を介してリアクトルL2のエネルギーを放出することにより、回路損失を大幅に低減することができる。
【0036】
このように、第1実施形態によれば、還流用ダイオードD2に並列に電界効果トランジスタQ2を接続し、トランジスタQ1がオフのときに、電界効果トランジスタQ2をオンにするようにしているので、ダイオードに比べてオン抵抗の小さい電界効果トランジスタを介してリアクトルL2のエネルギーが放出されることから、回路損失を低減することができ、これによって、DC−DCコンバータ回路の効率を向上することができる。
【0037】
(第2実施形態)
図2は、以上説明した本発明の基本構成にかかる第1実施形態を踏まえた、本発明の実施形態に係るDC−DCコンバータ回路(以下、これを「第2実施形態」と呼ぶものとする)を示す回路ブロック図、図3は図2の各部( 1 ) 〜 ( 5 )の信号を示すタイミングチャートである(なお、図2及び図3では、上記 ( 1 ) 〜 ( 5 ) を丸数字で記載している。以下、図中の丸数字にカッコ数字を対応させて説明する)。なお、図1と同一物には同一符号を付している。
【0038】
図2において、共振用リアクトルL1に直列に接続された電流検出回路11は、例えばカレントトランスからなり、共振用リアクトルL1に流れる共振電流iを検出するもので、共振電流iに比例する検出値を比較回路17に送出する。
【0039】
電圧周波数(V/F)制御回路12は、出力電圧Votを検出し、検出された出力電圧Votと設定値生成回路13で生成される設定値とを比較し、その電圧差に応じて、出力電圧Votが設定値に維持されるような周波数のパルス周波数変調信号を、遅延回路14および合成回路20に送出するものである。また、V/F制御回路12は、計時のためのクロック同期信号を遅延回路18に送出する。なお、本実施形態では、図3の(1)に示すように、V/F制御回路12は、デューティ比50%のパルス周波数変調信号を出力している。
【0040】
遅延回路14は、V/F制御回路12からのパルス周波数変調信号を所定時間T1だけ遅延した遅延パルス信号を合成回路19,20に送出するものである。
【0041】
保持回路15は、電流検出回路11により検出される共振電流iのピーク値ipを保持するもので、分圧回路16は、保持回路15で保持されているピーク値の所定比(<1)を閾値ithとして比較回路17に送出するものである。なお、保持回路15は、例えばコンデンサで構成され、図3の(5)に示すようにピーク値ipは漸減することになるので、保持回路15が保持するピーク値を1周期ごとにリセットする必要はない。
【0042】
比較回路17は、電流検出回路11により検出される共振電流iと分圧回路16から送られる閾値ithとを比較して、共振電流iが低下して閾値ith以下になる(i≦ith)と、その旨の検出信号を遅延回路18に送出するものである。
【0043】
遅延回路18は、V/F制御回路12から送られてくるクロック同期信号に基づき比較回路17による検出信号の送出時点からの経過時間をカウントし、所定時間T2が経過した時点でオフ信号を合成回路19に送出するものである。
【0044】
合成回路19は、駆動回路2に制御信号を送出してトランジスタQ1のオンオフを制御するもので、遅延回路14からの遅延パルス信号の立上り(エッジ)に同期してトランジスタQ1をオフからオンに切り換える指示信号を送出し、遅延回路18からのオフ信号に同期してトランジスタQ1をオンからオフに切り換える指示信号を送出する。
【0045】
合成回路20は、駆動回路3に制御信号を送出してトランジスタQ2のオンオフを制御するもので、V/F制御回路12からのパルス周波数変調信号の立上り(エッジ)に同期してトランジスタQ2をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、遅延回路14からの遅延パルス信号の立下り(エッジ)に同期してトランジスタQ2をオフからオンに切り換える指示信号を送出する。
【0046】
このように構成された回路の作用について説明する。図3の(1),(2)に示すように、V/F制御回路12から出力されるパルス周波数変調信号から所定時間T1だけ遅延した遅延パルス信号が遅延回路14から出力される。
【0047】
この遅延パルス信号の立上り(エッジ)に同期してトランジスタQ1がオフからオンに切り換えられる(図3の(4))。
【0048】
次いで、トランジスタQ1のオンにより共振電流iが上昇を開始し、共振電流iのピーク値ipが保持され、このピーク値ipの所定比(<1)が閾値ithとされ、共振電流iが低下してi≦ithになった時点から所定時間T2が経過すると、トランジスタQ1がオフにされる(図3の(4),(5))。ここで、所定時間T2はトランジスタQ1がi<0の間にオフになるように設定されているので、確実にゼロ電流スイッチングが行われる。
【0049】
一方、V/F制御回路12から出力されるパルス周波数変調信号の立下り(エッジ)に同期してトランジスタQ2がオンからオフに切り換えられ(図3の(1),(3))、遅延回路14から出力される遅延パルス信号の立下りに同期してトランジスタQ2がオフからオンに切り換えられる(図3の(2),(3))。
【0050】
従って、図3の(3),(4)に示すように、トランジスタQ2のオンからオフへの切換時点から所定時間T1経過後にトランジスタQ1がオフからオンに切り換えられているので、所定時間T1を、電界効果トランジスタQ2がオン状態でオフへの切換指示信号を受けた時点から完全にオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定しておくことにより、トランジスタQ2のオンとトランジスタQ1のオンとが重なることはない。
【0051】
また、図3の(3),(4)に示すように、トランジスタQ1のオンからオフへの切換時点から時間(T3−T4)経過後にトランジスタQ2がオフからオンに切り換えられている。ここで、コンバータ回路部1は降圧形コンバータであるので、トランジスタQ1のデューティ比が50%に達することはないことから、常にT3>T4になる。従って、トランジスタQ1がオフになる前にトランジスタQ2がオンになることはない。
【0052】
そして、トランジスタQ2がオンの間は、還流用ダイオードD2に代えて、オン抵抗が低い(例えば0.05Ω未満)電界効果トランジスタQ2を介してリアクトルL2に蓄積されたエネルギーが放出されることとなり、第1実施形態と同様の効果が得られる。
【0053】
また、第2実施形態によれば、遅延回路14からの遅延パルス信号の立上り(エッジ)に同期してトランジスタQ1をオフからオンに切り換え、遅延回路18からのオフ信号に同期してトランジスタQ1をオンからオフに切り換えるとともに、V/F制御回路12からのパルス周波数変調信号の立上り(エッジ)に同期してトランジスタQ2をオンからオフに切り換え、遅延回路14からの遅延パルス信号の立下り(エッジ)に同期してトランジスタQ2をオフからオンに切り換えるようにしており、所定時間T1を、電界効果トランジスタQ2がオン状態でオフへの切換指示信号を受けた時点から完全にオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定しておくことにより、トランジスタQ1,Q2が同時にオンになって入力端子5,6間が短絡状態になるのを、簡易な回路構成で確実に回避することができる。
【0054】
また、第2実施形態によれば、共振電流iのピーク値ipの所定比を閾値ithとし、共振電流iが閾値ith以下になった時点から所定時間T2の経過後にトランジスタQ1をオンからオフに切り換えるようにしているので、確実にゼロ電流スイッチングを行うことができ、スイッチング損失の増大を未然に防止することができる。
【0055】
また、第2実施形態によれば、動作環境の変化や経年劣化などにより、共振電流iの大きさや波形が変化すると、その変化に応じて閾値ithが変化することになるので、動作環境などの変化によりi=0になるタイミングが変化した場合でも、確実にゼロ電流スイッチングを行うことができる。
【0056】
(第3実施形態)
図4は本発明に係るDC−DCコンバータ回路の第3実施形態を示す回路ブロック図、図5は図4の各部(1)〜(7)の信号を示すタイミングチャートである(なお、図4及び図5では、上記 ( 1 ) 〜 ( 7 ) を丸数字で記載している。以下、図中の丸数字にカッコ数字を対応させて説明する)。なお、図2と同一物には同一符号を付し、説明を省略する。
【0057】
比較回路21は、共振用コンデンサC1のコンデンサ電圧vCを検出し、電圧閾値生成回路22で生成される閾値(本実施形態では例えばアースレベル、すなわち0V)と検出したコンデンサ電圧vCとを比較して、合成回路23に比較結果に応じた信号を送出するもので、vC>0のときはオフ信号を送出し、トランジスタQ1のオンにより増大したコンデンサ電圧vCが低下してvC≦0になると、オフ信号からオン信号に切り換える立上りにより検出信号を送出するものである。
【0058】
合成回路23は、駆動回路3に制御信号を送出してトランジスタQ2のオンオフを制御するもので、V/F制御回路12からのパルス周波数変調信号の立上り(エッジ)に同期してトランジスタQ2をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、比較回路21からの検出信号(立上り)に同期してトランジスタQ2をオフからオンに切り換える指示信号を送出する。
【0059】
このように構成された回路の作用について説明する。図5の(1),(2)に示すように、V/F制御回路12から出力されるパルス周波数変調信号から所定時間T1だけ遅延した遅延パルス信号が遅延回路14から出力される。
【0060】
この遅延パルス信号の立上りに同期してトランジスタQ1がオフからオンに切り換えられる(図5の(3))。
【0061】
そして、第2実施形態と同様にトランジスタQ1がオンからオフに切り換えられて、確実にゼロ電流スイッチングが行われる(図5の(3),(4))。
【0062】
一方、共振電流iが増大してそのレベルが出力電流Iot以上(i≧Iot)になると、共振用コンデンサC1のコンデンサ電圧vCが上昇を開始して(図5の(5))、vC>0になると、比較回路21の出力信号がオンからオフに切り換えられる(図5の(6))。そして、増大したコンデンサ電圧vCが低下して0≦vCになると、比較回路21の出力信号がオフからオンに切り換えられ、これに同期してトランジスタQ2がオフからオンに切り換えられる(図5の(6),(7))。
【0063】
従って、図5の(3),(7)に示すように、トランジスタQ2のオンからオフへの切換時点から所定時間T1経過後にトランジスタQ1がオフからオンに切り換えられているので、第2実施形態と同様に、所定時間T1を、電界効果トランジスタQ2がオン状態でオフへの切換指示信号を受けた時点から完全にオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定しておくことにより、トランジスタQ2のオンとトランジスタQ1のオンとが重なることはない。
【0064】
また、図5の(4),(5)に示すように、コンデンサ電圧vCが0に戻るのは周期信号である共振電流iが0に戻った時点から時間T5の経過後であるので、所定時間T2があまり大きくならないように、例えばトランジスタQ1のオフ時点がi<0の期間のほぼ中央になるように、所定時間T2の大きさを設定しておくことにより、トランジスタQ2のオンとトランジスタQ1のオンとが重ならないようにすることができる。
【0065】
そして、トランジスタQ2がオンの間は、還流用ダイオードD2に代えて、オン抵抗が低い(例えば0.05Ω未満)電界効果トランジスタQ2を介してリアクトルL2に蓄積されたエネルギーが放出される。これによって、第3実施形態によれば、第1、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
【0066】
なお、上記第2、第3実施形態では、V/F制御回路12から出力されるパルス周波数変調信号のデューティ比を50%としているので、V/F制御回路12および遅延回路14からの信号の立上りと立下りを入れ換えてもよい(すなわち動作を半周期ずらせてもよい)。例えば、V/F制御回路12からのパルス周波数変調信号の立下りに同期してトランジスタQ2をオンからオフに切り換え、遅延回路14からの遅延パルス信号の立上りに同期してトランジスタQ2をオフからオンに切り換えるようにしてもよい。
【0067】
また、上記第2実施形態では、パルス周波数変調信号のデューティ比を50%としているが、これに限られず、図3の(3),(4)において、(T3−T4)>0になるようなデューティ比であればよい。この場合にも、トランジスタQ1がオフになる前にトランジスタQ2がオンになることはない。
【0068】
また、上記第3実施形態では、電圧閾値生成回路22で生成される閾値(所定電圧値)を0V、すなわちアースレベルとしているが、これに限られず、電圧閾値生成回路22は、閾値として正の電圧値を生成するものとしてもよい。この形態によれば、トランジスタQ2のオン時点が第3実施形態の場合に比べて早くなるので、トランジスタQ2のオン時間を増大することができ、これによって回路の損失をさらに低減することができる。なお、正の電圧値のレベルは、トランジスタのオフ時点、すなわち所定時間T2の大きさなどを考慮して、トランジスタQ1,Q2が同時にオンにならないように設定しておけばよい。
【0069】
また、上記第3実施形態において、トランジスタQ1がオンである旨の信号を合成回路23に入力するように構成するとともに、合成回路23は、当該信号の入力中には、トランジスタQ2のオンを禁止するように構成してもよい。これによって、トランジスタQ1,Q2が同時にオンになって入力端子5,6間が短絡状態になるのを、より確実に防止することができる。
【0070】
また、上記第1〜第3実施形態では、還流用ダイオードD2に並列に電界効果トランジスタQ2を接続しているが、これに限られず、電界効果トランジスタQ2に代えて、ダイオードに比べてオン抵抗が低い半導体スイッチ素子、例えばバイポーラトランジスタ、IGBTなどを採用してもよい。
【0071】
なお、上記各実施形態では、コンバータ回路部1として、全波形ゼロ電流スイッチング方式の降圧形コンバータを用いて説明しているが、これに限られず、例えば半波形ゼロ電流スイッチング方式などの他のDC−DCコンバータに適用することができる。
【0072】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、スイッチ手段がオフのときに平滑用リアクトルに蓄積されたエネルギーを放出するための還流用ダイオードにオン抵抗のより低い半導体スイッチ素子を並列接続し、半導体スイッチのオン期間がスイッチ手段のオフ期間に含まれるように制御しているので、スイッチ手段がオフのときには、平滑用リアクトルに蓄積されたエネルギーは還流用ダイオードを介して放出されるが、半導体スイッチ素子がオンのときは、還流用ダイオードに比べてオン抵抗の低い半導体スイッチ素子を介して放出されるので、回路損失を低減することができ、これによって回路効率を向上することができる。
【0073】
また、出力電圧を検出し、検出された出力電圧と設定値との電圧差に応じた周波数のパルス周波数変調信号を出力する周波数制御手段と、上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出し、その後、上記スイッチ手段に共振電流が流れていないときに当該スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号を送出するスイッチ制御手段と、上記パルス周波数変調信号のエッジに基づき上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出された後、上記半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号を送出する同期制御手段とを備え、上記スイッチ制御手段は、上記同期制御手段により上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された後、上記半導体スイッチ素子が完全にオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定された所定時間T1の経過後に、上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出するようにしているので、共振型DC−DCコンバータで一般的に用いられるパルス周波数変調信号を出力する周波数制御手段を備えた簡易な構成で、スイッチ手段および半導体スイッチ素子が同時にオンになることにより入力端子間が短絡状態になるのを回避することができる。
【0074】
また、上記周波数制御手段から出力されるパルス周波数変調信号を所定時間だけ遅延した遅延パルス信号を出力する遅延手段を備え、上記同期制御手段は、上記パルス周波数変調信号におけるエッジに同期して上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、上記スイッチ制御手段は、当該エッジの所定時間後の上記遅延パルス信号におけるエッジに同期して上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出し、上記同期制御手段は、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号が送出された上記遅延パルス信号におけるエッジの当該遅延パルス信号における次のエッジに同期して、上記半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号を送出するもので、上記周波数制御手段は、上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える上記遅延パルス信号におけるエッジから当該遅延パルス信号における次のエッジまでの時間が上記スイッチ手段のオン時間より大きい値になるようなデューティ比のパルス周波数変調信号を出力するもので、上記所定時間は、上記同期制御手段により上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された時点から当該半導体スイッチ素子がオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定されているので、パルス周波数変調信号を遅延するだけの簡易な構成で、スイッチ手段および半導体スイッチ素子が同時にオンになることにより入力端子間が短絡状態になるのを確実に回避できる。
【0075】
また、上記周波数制御手段から出力されるパルス周波数変調信号を所定時間だけ遅延した遅延パルス信号を出力する遅延手段と、上記共振用コンデンサの両端に発生するコンデンサ電圧と所定電圧値とを比較し、上記スイッチ手段のオンにより増大したコンデンサ電圧が低下して上記所定電圧値以下になった時点に検出信号を出力する比較手段とを備え、上記同期制御手段は、上記パルス周波数変調信号におけるエッジに同期して上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、上記比較手段により出力される上記検出信号に同期して上記半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号を送出するもので、上記スイッチ制御手段は、当該エッジの所定時間後の上記遅延パルス信号におけるエッジに同期して上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出するもので、上記所定時間は、上記同期制御手段により上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された時点から当該半導体スイッチ素子がオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定され、上記所定電圧値は、上記比較手段により上記検出信号が出力される時点が、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出される時点以降になるように設定されると、スイッチ手段および半導体スイッチ素子が同時にオンになることにより入力端子間が短絡状態になるのを回避することができる。
【0076】
この構成において、所定電圧値として0V、すなわちアースレベルを採用すると、回路構成を簡易なものとすることができるが、上記所定電圧値として正の電圧値を生成する電圧生成手段を備え、上記比較手段は、上記電圧生成手段により生成される正の電圧値と上記コンデンサ電圧とを比較するものであるとすると、所定電圧値がアースレベルの場合に比べて検出信号の出力時点が早くなるので、半導体スイッチ素子のオン時間が長くなることから、回路損失をさらに低下することができ、これによって回路の効率をさらに一層向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るDC−DCコンバータ回路の第1実施形態を示す回路ブロック図である。
【図2】本発明に係るDC−DCコンバータ回路の第2実施形態を示す回路ブロック図である。
【図3】図2の各部(1)〜(5)の信号を示すタイミングチャートである。
【図4】本発明に係るDC−DCコンバータ回路の第3実施形態を示す回路ブロック図である。
【図5】図4の各部(1)〜(7)の信号を示すタイミングチャートである。
【図6】従来のDC−DCコンバータ回路を示す回路図である。
【符号の説明】
1 コンバータ回路部
2 駆動回路(第1駆動手段)
3 駆動回路(第2駆動手段)
4 制御回路(制御手段)
12 電圧周波数制御回路(周波数制御手段)
14 遅延回路(遅延手段)
19 合成回路(スイッチ制御手段)
20,23 合成回路(同期制御手段)
21 比較回路(比較手段)
Q1 トランジスタ(スイッチ手段)
Q2 電界効果トランジスタ(半導体スイッチ素子)
C1 共振用コンデンサ
D2 還流用ダイオード
L1 共振用リアクトル
L2 平滑用リアクトル
Claims (4)
- 一対の入力端子間への入力電圧をオンオフするスイッチ手段と、共振用リアクトルおよび共振用コンデンサからなる共振回路と、出力電圧を平滑するための平滑用リアクトルと、上記入力端子間において上記スイッチ手段に直列に接続され、上記スイッチ手段がオフのときに上記平滑用リアクトルに蓄積されたエネルギーを放出するための還流用ダイオードと、上記スイッチ手段をオンオフする第1駆動手段とを備えたスイッチング方式のDC−DCコンバータ回路において、
上記還流用ダイオードに並列接続され、オン抵抗が当該還流用ダイオードより低い半導体スイッチ素子と、
この半導体スイッチ素子をオンオフする第2駆動手段と、
上記第1駆動手段および第2駆動手段に制御信号を送出して、上記半導体スイッチ素子のオン期間が上記スイッチ手段のオフ期間に含まれるように上記スイッチ手段および上記半導体スイッチ素子のオンオフを制御する制御手段と、
出力電圧を検出し、検出された出力電圧と設定値との電圧差に応じた周波数のパルス周波数変調信号を出力する周波数制御手段を備え、
上記制御手段は、
上記第1駆動手段に制御信号を送出して上記スイッチ手段を上記パルス周波数変調信号と同一の周期でオンオフさせるものであって、上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出し、その後、上記スイッチ手段に共振電流が流れていないときに当該スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号を送出するスイッチ制御手段と、
上記第2駆動手段に制御信号を送出して上記半導体スイッチ素子を上記パルス周波数変調信号と同一の周期でオンオフさせるものであって、上記パルス周波数変調信号のエッジに基づき上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出された後、上記半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号を送出する同期制御手段とを備えたもので、
上記スイッチ制御手段は、上記同期制御手段により上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された後、上記半導体スイッチ素子が完全にオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定された所定時間T1の経過後に、上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出するものであることを特徴とするDC−DCコンバータ回路。 - 請求項1記載のDC−DCコンバータ回路において、上記周波数制御手段から出力されるパルス周波数変調信号を所定時間だけ遅延した遅延パルス信号を出力する遅延手段を備え、
上記同期制御手段は、上記パルス周波数変調信号におけるエッジに同期して上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、
上記スイッチ制御手段は、当該エッジの所定時間後の上記遅延パルス信号におけるエッジに同期して上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出し、
上記同期制御手段は、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号が送出された上記遅延パルス信号におけるエッジの当該遅延パルス信号における次のエッジに同期して、上記半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号を送出するもので、
上記周波数制御手段は、上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える上記遅延パルス信号におけるエッジから当該遅延パルス信号における次のエッジまでの時間が上記スイッチ手段のオン時間より大きい値になるようなデューティ比のパルス周波数変調信号を出力するもので、
上記所定時間は、上記同期制御手段により上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された時点から当該半導体スイッチ素子がオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定されていることを特徴とするDC−DCコンバータ回路。 - 請求項1記載のDC−DCコンバータ回路において、
上記周波数制御手段から出力されるパルス周波数変調信号を所定時間だけ遅延した遅延パルス信号を出力する遅延手段と、
上記共振用コンデンサの両端に発生するコンデンサ電圧と所定電圧値とを比較し、上記スイッチ手段のオンにより増大したコンデンサ電圧が低下して上記所定電圧値以下になった時点に検出信号を出力する比較手段とを備え、
上記同期制御手段は、上記パルス周波数変調信号におけるエッジに同期して上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号を送出し、上記比較手段により出力される上記検出信号に同期して上記半導体スイッチ素子をオフからオンに切り換える指示信号を送出するもので、
上記スイッチ制御手段は、当該エッジの所定時間後の上記遅延パルス信号におけるエッジに同期して上記スイッチ手段をオフからオンに切り換える指示信号を送出するもので、
上記所定時間は、上記同期制御手段により上記半導体スイッチ素子をオンからオフに切り換える指示信号が送出された時点から当該半導体スイッチ素子がオフ状態に移行するまでに要する時間より長い時間に設定されており、
上記所定電圧値は、上記比較手段により上記検出信号が出力される時点が、上記スイッチ制御手段により上記スイッチ手段をオンからオフに切り換える指示信号が送出される時点以降になるように設定されていることを特徴とするDC−DCコンバータ回路。 - 請求項3記載のDC−DCコンバータ回路において、上記所定電圧値として正の電圧値を生成する電圧生成手段を備え、上記比較手段は、上記電圧生成手段により生成される正の電圧値と上記コンデンサ電圧とを比較するものであることを特徴とするDC−DCコンバータ回路。
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