JP3767446B2 - 可変出力型ｄｃ／ｄｃコンバータ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源回路に関し、特にスイッチング方式の可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来における可変型出力型電源としては、ＤＣ／ＤＣコンバータに供給する１次側電圧を別の方法で可変し、２次側電圧を変更する方法、又は、図３に例を示す特開平５−１７６５３５号公報のように１次側に共振用チョークコイルを持つ共振型プッシュプル型スイッチング動作を行うＤＣ／ＤＣコンバータの４つのスイッチング素子のオンオフ制御を用い、オンオフ比で２次側電圧を可変する方法、図４に例を示す特開平８−２４２５７９号公報のように２次側にチョークコイルを入れた共振型プッシュプル型で２つのスイッチング素子を制御して電圧を変更する方法あるいは、フルブリッジ方式などを挙げることができる。
【０００３】
例えば図３の方法では直流電源１が入力されるチョークコイル２と、転流回路３、パルス幅変調（ＰＷＭ）されたプッシュプル信号ａ、ｂとその信号に同期した逆位相の信号ｃ、ｄを出力する制御回路１２、この制御信号で動作するスイッチ素子４、５、６、７と、変圧用のトランス８と、整流回路９、１０と平滑回路１１から構成される。トランス８の１次側には１次巻線８ａと、５０％デューティ用１次巻線８ｂが設けられており、特に５０％デューティ用１次巻線８ｂはチョークコイル２の２次側へ接続されている。また、１次巻線８ａにはスイッチ素子４、５を接続し、５０％デューティ用１次巻線８ｂには、スイッチ素子６、７を接続するよう構成される。
【０００４】
この電源回路では、制御回路１２から出力されるプッシュプル信号ａ、ｂのデューティを適宜に設定することで、スイッチ素子４、５のオン時間を制御してトランス８の２次側電圧を制御する。５０％デューティ信号ｃ、ｄは互いに逆位相の５０％のデューティに設定され、これらの信号ａとｃ、信号ｂとｄの立ち上がりは各々一致しており、これによりスイッチ素子４とスイッチ素子６のターンオンは同期し、スイッチ素子５とスイッチ素子７のターンオンも同期する。
【０００５】
この構成によれば、スイッチ素子４がオンしている時、直流電圧１から供給されるエネルギは、チョークコイル２を通り、トランス８の１次巻線８ａ、スイッチ素子４を流れ２次側へ伝達される。スイッチ素子４がオフすると、先程まで流れていた電流によってチョークコイル２に蓄えられたエネルギは、転流回路３から５０％デューテイ用１次巻線８ｂを経て、スイッチ素子６を通り２次側に伝達される。スイッチ素子６がターンオフすると同時にスイッチ素子５、７がオンし同様のエネルギ伝達が行われる。
【０００６】
又、図４の方法は高効率のスイッチング電源として共振を用いる方式である。図４のブロック図で１は直流電源でスイッチ素子４および５にエネルギを供給し、出力の他端はスイッチ素子から出力される交流信号を２次側へ出力するトランス８の１次側巻線８ａの中点に接続される。４及び５はそれぞれ交互にオンオフする浮遊容量を持つスイッチ素子、１６は電流共振用コンデンサ、９及び１０はトランス８から出力される信号を直流に変換する整流回路、１３は２次側チョークコイル、１１は２次側チョークコイル１３からの出力を平滑する平滑コンデンサ、２０は負荷、１４、１５は共振インダクタである。
【０００７】
この電源回路においてスイッチ素子４、５が交互にオンオフを繰り返している時、スイッチ素子４、５に加わる電圧値は直流電源１の電圧の約２倍となり、いづれかのスイッチ素子がオンしている間中、トランス８の２次側出力電流を共振インダクタ１４、１５とトランスの漏れインダクタンスとの合成インダクタンスと電流共振コンデンサ１６との直列共振により電流共振し、トランス８の１次側から発生する電流はトランス８を介して整流回路９、１０へ順次入力され、整流回路９及び１０によって整流され、その結果得られる直流電流を２次側チョークコイル１３を介して平滑コンデンサ１１にチャージする。
【０００８】
この場合２つのスイッチ素子４、５のオンオフ制御で２次側の出力電圧は制御される。又２つのスイッチ素子４、５がオフの期間はトランス８の自己インダクタンスと共振インダクタ１４、１５との合成インダクタンスとスイッチ素子４、５の浮遊容量との並列共振により電圧共振を行う。すなわち、スイッチ素子４がオフするとトランス８の持つ自己インダクタンスと共振インダクタ１４との合成インダクタンスと、スイッチ素子４の浮遊容量との並列共振によってスイッチ素子４に掛かる電圧は緩やかに傾斜を持ち上昇し約２倍の電圧に達すると共振が止まる。一方、スイッチ素子４がオフしたタイミングではトランス８の自己インダクタンスと共振インダクタ１４の合成インダクタンスとスイッチ素子４の浮遊容量との並列共振によって１次側電流ｉｓ１が正方向に流れスイッチ素子５にチャージしていた電荷がディスチャージされスイッチ素子５の電圧値は下降し、ディスチャージが終了すると共振も終了する。
【０００９】
次にスイッチ素子５がオンになると１次電流ｉｓ２が順方向に流れ始めると共にトランス８の２次側から出力される電流ｉｌ２は整流回路１０を通った後２次側チョークコイル１３を介して平滑コンデンサ１１にチャージされると共に共振インダクタ１５とトランスの漏れインダクタンスとの合成インダクタンスと電流共振用コンデンサ１６との直列共振によって電流共振を行う。以上の動作を繰り返すことによりスイッチ素子４、５はプッシュプル動作をしてトランス８を駆動する。従って、トランス８を介して出力される２次側の電流は整流回路９、１０によって整流され、さらにチョークコイル１３を通して平滑コンデンサ１１にチャージされ、トランス８の２次側から共振電流が出力される。
【００１０】
このようにプッシュプル回路の２つのスイッチ素子の浮遊容量とトランスの自己インダクタンスと共振インダクタとの合成インダクタンスとにより電圧共振を行い、さらにトランスの２次側電流を共振させるために電流共振コンデンサと共振インダクタとトランスの漏れインダクタンスとの合成インダクタンスとによって直列共振を行い、零電圧スイッチング、及び零電流スイッチングを行う方式である。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
従来の可変直流電源は上記に記述したように種々の方法が実用化されている。しかしながら、ＤＣ／ＤＣコンバータに供給する１次側電圧を別の方法で可変し２次側電圧を変更する方法では、１次側の直流電圧を別の方法を用い変更するために新たな制御回路が必要であり、出力を変更する場合の応答性も悪い。図３に示したスイッチング方式の例やフルブリッジ方式では、スイッチング素子が４個必要になり、それぞれのスイッチング素子をオンオフする信号は４種類必要となり制御が複雑になる。図３に示した共振回路を用いる方法では、トランスの２次側にチョークコイルを挿入する必要があり、２次側を高電圧出力とした場合、チョークコイルの耐圧を増加させる必要から寸法が大きくなり、現状では１００Ｖ以下での使用に限られている。
【００１２】
本発明はこのような課題を解決し、回路構成が簡単にでき、高効率で電圧可変が容易にでき、２次側出力変動に対する応答が速く、さらに２次側の出力電圧をチョークコイルの耐圧などの制限なく、高くすることが可能な可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明が提供する可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータは、上記課題を解決するために、トランスの１次巻線にセンタータップのある巻線を用い、２個のスイッチング素子をトランスの１次巻線の各々に接続して、交互に電流を流し、２個のスイッチング素子とトランスの１次巻線の間にトランス機能を持ったチョークコイルを挿入してスイッチング素子のオンオフ比を変更することで出力電圧を変更する。
【００１４】
この結果、２次側出力変動に対する応答が速く、１次側に挿入されたチョークコイルによりノイズが少なく、さらにスイッチング素子がオフの時にチョークコイルに蓄えられていた磁気エネルギがトランスの１次巻線を通し直流電源に戻されるために変換効率が共振タイプと同様に高くすることができる。さらに２次側にはチョークコイル等が不要のため電圧を高くすることが可能であり、電源応用範囲の広い可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータが実用化できる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図面に示す実施例にしたがって説明する。本発明が提供する可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータは、直流電源１と、トランス機能を持ったチョークコイル２、スイッチング素子４、５、トランス８、センタータップを持った１次巻線８ａと、２次巻線８ｃ、転流ダイオード１７、１８と二次側のダイオードブリッジ群１９および負荷２０、制御回路１２により構成される。
【００１６】
図１は本発明の可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータの要部を示す回路図で、図３、図４と同一の符号で示される部品は同一の構成部品である。本発明のトランス８の１次巻線８ａはセンタータップを持ちその中点に直流電源１が接続される。１次巻線８ａの両端はトランス機能を持ったチョークコイル２の各々の巻線を通りスイッチング素子４、５に接続される。トランス８の２次側では１次側のエネルギをトランス８を介して２次巻線８ｃに生じた電圧をダイオードブリッジ群１９による倍電圧整流回路を多段接続した昇圧回路により所定の電圧にまで昇圧する。
【００１７】
本発明による可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成は以上の通りであり、図２に動作のタイムチャートを示す。（ａ）は制御回路１２からのスイッチング素子４を制御する信号ａのタイミングを示し、この信号でスイッチング素子４をコントロールする。スイッチング素子４がオンすると直流電源１から電流ｉｓ１が（ｃ）に示すように流れる。スイッチング素子４がオフすると、トランス機能を持ったチョークコイル２に蓄えられていたエネルギが転流ダイオード１８、トランスの１次巻線８ａの反対側巻線を通り直流電源１に戻される。この時の電流ｉｓ２を（ｄ）に示す。次にスイッチング素子５に与えられる制御信号ｂのタイミングを（ｂ）に示す。スイッチング素子５がオンの場合に流れる電流ｉｓ３を（ｅ）に、スイッチング素子５のオフ時にチョークコイル２に蓄えられたエネルギによる流れる電流ｉｓ４を（ｆ）に示す。
【００１８】
本発明が提供する可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータは以上詳述したとおり、ｉｓ２、ｉｓ４はトランス型チョークコイル２に磁気エネルギとして蓄えられたものをトランス８の１次巻線８ａを通して直流電源１に送り返す電流である。このためこれらの電流も逆位相でトランス８を励振するために用いられるので効率は悪化しない。この結果トランス８の２次巻線８ｃにはスイッチング素子４、５のオン時間に比例した電流がトランス８のインダクタンスの働きで現れる。このスイッチング素子４、５のオンとオフ比を０〜１００％の間で変化させることによって２次側電圧を調整し、図１の回路例では２次側のダイオードブリッジ群１９による倍電圧整流回路を多段接続することで高電圧出力を得る。２次側の整流方式はどのような方式でも良く、本発明は、これらすべての変形実施例を包含する。
【００１９】
【発明の効果】
本発明が提供する可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータは以上詳述したとおりであり、小型で構造が単純であり、出力変動に対する応答が速い。トランス８の１次側にチョークコイル２が接続されるためノイズが少ない。ＤＣコンバータとしての効率が上述したように良いにもかかわらずスイッチング素子が２個で良い。その上スイッチング素子４、５を制御する信号は同一基準電位で良く制御回路１２も簡単な回路が使用できる。さらにトランス８の２次回路の整流方式は種々の方式を自由に採用でき２次側回路電圧には制限がないと言った種々の特徴を持つ可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路の要部を示す図である。
【図２】本発明による可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータの動作のタイムチャートである。
【図３】従来の可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路の要部を示す図の例である。
【図４】従来の可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータの回路の要部を示す図の例である。
【符号の説明】
１…直流電源
２…チョークコイル
４、５…スイッチング素子
８…トランス
８ａ…１次巻線
８ｃ…２次巻線
１２…制御回路
１７、１８…転流ダイオード
１９…ダイオードブリッジ群
２０…負荷

Claims (1)

1. 変圧用トランスの１次側にセンタータップのある巻線を用い、このセンタータップに直流電源を接続し、前記巻線の他端のそれぞれにスイッチング素子を接続して交互に電流を流す方式のＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、各々のスイッチング素子とトランス１次巻線との間にトランス機能を持たせたチョークコイルを挿入し、ＤＣ／ＤＣコンバータの出力電圧を各々のスイッチング素子のオンオフ時間の比を変えることで制御し、一方のスイッチング素子がオフすると前記チョークコイルに蓄えられた磁気エネルギが他方のスイッチング素子と接続された側からトランスの１次巻線を通り前記直流電源に戻されることを特徴とする可変出力型ＤＣ／ＤＣコンバータ。

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