JP4329259B2 - 直流昇降圧回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流昇降圧回路に関し、特に、リアクトルと、スイッチング動作をする半導体を用いて、直流電圧を昇圧または降圧する直流昇降圧回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気回路では、使用方法により、低圧の直流電源電圧を昇圧して高圧の直流電圧を出力する機能と、これとは逆に高圧の直流電源電圧を降圧して低圧の直流電圧を出力する機能とのいずれでの機能でも実現可能な回路、即ち、直流昇降圧回路が実用されている。
【０００３】
従来の直流昇降圧回路では、降圧時に少なくとも２個の半導体素子をオンオフ動作させ、昇圧時には、１つの２次巻き線から直列に配線された２個の負荷に電力が供給される回路構成となっていた。
【０００４】
図３は、従来の直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
図３に示す従来の直流昇降圧回路の回路は、混合アーム対９２，９３と、混合アーム対９２に並列に接続されたコンデンサ８１と、巻き線８０ａ，８０ｂを有するリアクトル８０と、昇圧動作時の電源である直流電源７１と、降圧動作時の電源である直列接続された直流電源８６，８７と、直流電源８６と並列に接続された昇圧動作時の負荷８４及びコンデンサ８２と、直流電源８７と並列に接続された昇圧動作時の負荷８５及びコンデンサ８３と、直流電源７１と並列に接続された降圧動作時の負荷９０及びコンデンサ９１と、混合アーム対９２の＋側端子と直流電源７１との間に介在するコンデンサ８１を含む。
【０００５】
混合アーム対９２は、ダイオード７６とＭＯＳＦＥＴ７２とが並列接続された回路に、ダイオード７７とＭＯＳＦＥＴ７３とが並列接続された回路を直列接続して成る回路を含む。
【０００６】
混合アーム対９３は、ダイオード７８とＭＯＳＦＥＴ７４とが並列接続された回路に、ダイオード７９を直列接続して成る回路を含む。
巻き線８０ａの一方の端子は直流電源７１の＋側端子に、他方の端子は混合アーム対９２中のダイオード７６とＭＯＳＦＥＴ７２とが並列に接続されて成る回路とダイオード７７とＭＯＳＦＥＴ７３とが並列に接続されて成る回路との接続点に、それぞれ接続されている。
【０００７】
巻き線８０ｂの一方の端子は混合アーム対９３中のダイオード７８とＭＯＳＦＥＴ７４とが並列に接続されて成る回路とダイオード７９との接続点に、他方の端子は混合アーム対９２の＋側端子に、それぞれ接続されている。
【０００８】
混合アーム対９３は、直列接続された直流電源８６，８７と並列に接続されている。
混合アーム対９２，９３の−側端子は、直流電源７１及び直流電源８７の−側端子と接続されている。
【０００９】
以下、図３に示す従来の直流昇降圧回路の動作を説明する。
昇圧動作時は、使用される電源は直流電源７１であり、負荷は負荷８４、負荷８５である。
【００１０】
ＭＯＳＦＥＴ７３がオンになると、直流電源７１→リアクトル８０の巻き線８０ａ→ＭＯＳＦＥＴ７３→直流電源７１の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル８０にエネルギーが蓄えられる。
【００１１】
次に、ＭＯＳＦＥＴ７３がオフになると、リアクトル８０に蓄えられたエネルギーにより、直流電源７１→リアクトル８０の巻き線８０ａ→ダイオード７６→リアクトル８０の巻き線８０ｂ→ダイオード７８→コンデンサ８２→コンデンサ８３→直流電源７１の経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ８２，８３を充電し、その両端の電圧を昇圧させる。
【００１２】
このＭＯＳＦＥＴ７３のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷８４，８５に所定の安定した高電圧を供給する。
降圧動作時は、使用される電源は直流電源８６，８７であり、負荷は負荷９０である。
【００１３】
ＭＯＳＦＥＴ７２，７４がオンになると、直流電源８６，８７→ＭＯＳＦＥＴ７４→リアクトル８０の巻き線８０ｂ→ＭＯＳＦＥＴ７２→リアクトル８０の巻き線８０ａ→コンデンサ９１→直流電源８６，８７の経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ９１を充電し、その両端の電圧を降圧させる。
【００１４】
ＭＯＳＦＥＴ７２，７４がオフになると、上記の電流経路は遮断される。
このＭＯＳＦＥＴ７２，７４のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷９０に所定の安定した低電圧を供給する。
【００１５】
なお、昇圧時の直流電源７１、コンデンサ８１、コンデンサ８２、コンデンサ８３の電圧比を１：ｎ１：ｎ２：ｎ３で示すと、リアクトル８０の巻き線８０ａ、８０ｂの巻き数比は、（ｎ１−１）：（ｎ２＋ｎ３−ｎ１）に設定される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の直流昇降圧回路は、降圧動作時に、２つの半導体素子をスイッチングする必要があり、コストが高くなり、回路効率が悪くなるといった問題点が有った。
【００１７】
また、図３に示す回路で、ＭＯＳＦＥＴ７３がオンになった時、ダイオード７９の両端の電圧がマイナスになると、リアクトル８０の巻き線８０ｂ→コンデンサ８１→ダイオード７９→リアクトル８０の巻き線８０ｂの経路でコンデンサ８１を充電する部分回路が構成され、その結果、本来の動作が損なわれる。
【００１８】
なお、ＭＯＳＦＥＴ７３をオンにした時のダイオード７９の両端の電圧をＶｄで示し、直流電源７１の電圧をＶｉで示すと、Ｖｄを与える数式及びＶｄが正となるために必要な条件式は、下記の（１）式で与えられる。
【００１９】
【数１】
Ｖｄ＝ｎ１×Ｖｉ−（（ｎ２＋ｎ３−ｎ１）／（ｎ１−１））×Ｖｉ＞０ …………………………………………………………………………………………（１）
コンデンサ８１の電圧ｎ１に関する条件式は、（１）式を整理して、下記の（２）式で与えられる。
【００２０】
【数２】
ｎ１＞（ｎ２＋ｎ３）1/2 ………………………………………………（２）
（２）式からは、コンデンサ８１の電圧をコンデンサ８２の電圧とコンデンサ８３の電圧との和の平方とすべきことが理解され、昇圧比が高い場合には、コンデンサ８３の容量も大きくなり、変換効率も悪くなる。
【００２１】
そのため、昇圧比が大きい場合には、回路を小型化できず、また、高い変換効率が得られないといった問題点があった。
さらに、従来の直流昇降圧回路は、昇圧動作時に、図３に示す負荷８４，８５が一括して電力を供給されてアンバランスとなった時に、コンデンサ８２，８３の電圧のバランスも悪くなるといった問題点があった。
【００２２】
このコンデンサ８２，８３の電圧のバランスを保つために別回路を追加する場合には、回路規模が大となり、変換効率も低下する。
本発明は、以上のような従来の直流昇降圧回路における問題点に鑑みてなされたものであり、必要な昇圧比が高い場合でも、回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成することができる直流昇降圧回路を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記の課題を解決するために、半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する直流昇降圧回路において、磁気的に結合した第１と第２の巻き線を備えたリアクトルと、第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第２のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１の混合アームと、該第１の混合アームに並列接続された第１のコンデンサと、第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第４のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第２の混合アームと、第１の低電圧直流電源と、該第１の低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第１の負荷及び第２のコンデンサと、前記第１の低電圧直流電源と直列接続された第２の低電圧直流電源と、該低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第２の負荷及び第３のコンデンサと、高電圧直流電源と並列に接続された降圧動作時の第３の負荷及び第４のコンデンサと、第１の混合アームの＋側端子にアノードを接続すると共に前記第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソードを接続した第５のダイオードを備え、前記リアクトルの第１の巻き線の一方の端子は、前記高電圧直流電源の＋側端子に接続し、他方の端子は前記第１の混合アーム内の前記第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第２のダイオードとの接続点に接続し、前記リアクトルの第２の巻き線の一方の端子は、前記第２の混合アーム内の前記第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第４のダイオードとの接続点に接続し、他方の端子は前記第１の混合アームの＋側端子及び前記第５のダイオードのアノードに接続し、前記第２の混合アームの＋側端子は前記第１の低電圧直流電源の＋側端子に接続し、前記第１と第２の混合アームの−側端子と、前記高電圧直流電源の−側端子と、前記第２の低電圧直流電源の−側端子とを互いに接続したことを特徴とする直流昇降圧回路が提供される。
【００２４】
また、半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する直流昇降圧回路において、磁気的に結合した第１、第２、第３の巻き線を備えたリアクトルと、第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第２のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１の混合アームと、該第１の混合アームに並列接続された第１のコンデンサと、第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第４のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第２の混合アームと、第１の低電圧直流電源と、該第１の低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第１の負荷及び第２のコンデンサと、前記第１の低電圧直流電源と直列接続された第２の低電圧直流電源と、該低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第２の負荷及び第３のコンデンサと、高電圧直流電源と並列に接続された降圧動作時の第３の負荷及び第４のコンデンサと、前記リアクトルの第２の巻き線の一方の端子及び前記第１と第２の低電圧電流源の接続点にカソードを接続すると共に前記リアクトルの第３の巻き線の一方の端子にアノードを接続した第５のダイオードを備え、前記リアクトルの第１の巻き線の一方の端子は、前記高電圧直流電源の＋側端子に接続し、他方の端子は前記第１の混合アーム内の前記第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第２のダイオードとの接続点に接続し、前記リアクトルの第２の巻き線の他方の端子は、前記第２の混合アーム内の前記第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第４のダイオードとの接続点に接続し、前記リアクトルの第３の巻き線の他方の端子は、前記第１の混合アームの＋側端子に接続し、前記第２の混合アームの＋側端子は前記第１の低電圧直流電源の＋側端子に接続し、前記第１と第２の混合アームの−側端子と、前記高電圧直流電源の−側端子と、前記第２の低電圧直流電源の−側端子とを互いに接続したことを特徴とする直流昇降圧回路が提供される。
【００２５】
即ち、本発明では、高電圧直流電源及び対応負荷と、低電圧直流電源及び対応負荷と、磁気的に結合した第１と第２の巻き線を備えたリアクトルと、ダイオードとＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に他のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１と第２の混合アームとを備え、リアクトルのエネルギー蓄積作用と、半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する従来の直流昇降圧回路から、上記第１の混合アームに含まれて上記リアクトルの第１の巻き線の一方にアノード、第２の巻き線の一方にカソードを接続していたダイオードを除去すると共に、第１の混合アームの＋側端子にアノードを接続すると共に第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソードを接続したダイオードを新設することにより、回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成している。
【００２６】
また、上記従来の直流昇降圧回路から、上記第１の混合アームに含まれて上記リアクトルの第１の巻き線の一方にアノード、第２の巻き線の一方にカソードを接続していたダイオードを除去すると共に、上記リアクトルに第３の巻き線を新設し、かつ上記第２の巻き線の一方及び第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソード、第３の巻き線の一方にアノードを接続したダイオードを新設することにより、必要な昇圧比が高い場合においても回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成している。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【００２８】
本実施の形態に係る直流昇降圧回路は、混合アーム対２２，２３と、混合アーム対２２に並列に接続されたコンデンサ１１と、巻き線１０ａ，１０ｂを有するリアクトル１０と、昇圧動作時の電源である直流電源１と、降圧動作時の電源である直列接続された直流電源１６，１７と、直流電源１６と並列に接続された昇圧動作時の負荷１４及びコンデンサ１２と、直流電源１７と並列に接続された昇圧動作時の負荷１５及びコンデンサ１３と、直流電源１と並列に接続された降圧動作時の負荷２０及びコンデンサ２１と、混合アーム対２２の＋側端子と直流電源１の−側端子との間に介在するコンデンサ１１と、コンデンサ１２とコンデンサ１３の接続点と混合アーム対２２の＋側端子との間に介在するダイオード１８を含む。
【００２９】
コンデンサ１２とコンデンサ１３の接続点は、ダイオード１８のカソードと接続されている。
混合アーム対２２は、ダイオード７とＭＯＳＦＥＴ３とが並列接続された回路に、ダイオード６が直列接続されて成る回路を含む。
【００３０】
混合アーム対２３は、ダイオード８とＭＯＳＦＥＴ４とが並列接続された回路に、ダイオード９が直列接続されて成る回路を含む。
巻き線１０ａの一方の端子は直流電源１の＋側端子に、他方の端子は混合アーム対２２中のダイオード７とＭＯＳＦＥＴ３とが並列に接続されて成る回路とダイオード６との接続点に、それぞれ接続されている。
【００３１】
巻き線１０ｂの一方の端子は混合アーム対２３中のダイオード８とＭＯＳＦＥＴ４とが並列に接続されて成る回路とダイオード９との接続点に、他方の端子は混合アーム対２２の＋側端子に、それぞれ接続されている。
【００３２】
混合アーム対２３は、直列接続された直流電源１６，１７と並列に接続されている。
混合アーム対２２，２３の−側端子は、直流電源１及び直流電源１７の−側端子と接続されている。
【００３３】
以下、本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作原理を説明する。
まず、昇圧時の動作については、従来の直流昇降圧回路と同じである。しかし、ダイオード１８を追加したことにより、コンデンサ１１の＋側端子をコンデンサ１３の＋側端子にクランプすることができるので、過渡変動時においてもコンデンサ１１の電圧がコンデンサ１３の電圧以上となることがなく、混合アーム対２２に印加される電圧が所定の値に制限される。
【００３４】
次に、降圧時の動作については、ダイオード１８を追加したことにより、ＭＯＳＦＥＴ４がオンになると、直流電源１６→ＭＯＳＦＥＴ４→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード１８→直流電源１６の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーを蓄える。
【００３５】
ＭＯＳＦＥＴ４がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーは、リアクトル１０の巻き線１０ａ→コンデンサ２１→リアクトル１０の巻き線１０ａの経路出で流れ、その結果、コンデンサ２１を充電する。
【００３６】
このＭＯＳＦＥＴ４のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷２０に所定の安定した低電圧を供給することができる。
以下、本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作を説明する。
【００３７】
昇圧動作時は、電源が直流電源１、負荷が負荷１４，１５となる。
まず、ＭＯＳＦＥＴ３がオンになると、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ＭＯＳＦＥＴ３→直流電源１の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーが蓄えられる。
【００３８】
次に、ＭＯＳＦＥＴ３がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーにより、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ダイオード６→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード８→コンデンサ１２→コンデンサ１３→直流電源１の経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ１２，１３を充電し、昇圧する。
【００３９】
このＭＯＳＦＥＴ３のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷１４，１５に所定の安定した高電圧を供給することができる。
降圧動作時は、電源が直流電源１６、負荷が負荷２０となる。
【００４０】
まず、ＭＯＳＦＥＴ４がオンになると、直流電源１６→ＭＯＳＦＥＴ４→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード１８→直流電源１６の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーを蓄える。
【００４１】
次に、ＭＯＳＦＥＴ４がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーにより、リアクトル１０の巻き線１０ａ→コンデンサ２１→ダイオード７→リアクトル１０の巻き線１０ａの経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ２１を充電する。
【００４２】
このＭＯＳＦＥＴ４のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷２０に所定の安定した低電圧を供給することができる。
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【００４３】
本実施の形態に係る直流昇降圧回路は、混合アーム対２２，２３と、混合アーム対２２に並列に接続されたコンデンサ１１と、巻き線１０ａ，１０ｂ，１０ｃを有するリアクトル１０と、昇圧動作時の電源である直流電源１と、降圧動作時の電源である直列接続された直流電源１６，１７と、直流電源１６と並列に接続された昇圧動作時の負荷１４及びコンデンサ１２と、直流電源１７と並列に接続された昇圧動作時の負荷１５及びコンデンサ１３と、直流電源１と並列に接続された降圧動作時の負荷２０及びコンデンサ２１と、混合アーム対２２の＋側端子と直流電源１の−側端子との間に介在するコンデンサ１１と、巻き線１０ｂと巻き線１０ｃとの間に介在するダイオード１９を含む。
【００４４】
混合アーム対２２は、ダイオード７とＭＯＳＦＥＴ３とが並列接続された回路に、ダイオード６が直列接続されて成る回路を含む。
混合アーム対２３は、ダイオード８とＭＯＳＦＥＴ４とが並列接続された回路に、ダイオード９が直列接続されて成る回路を含む。
【００４５】
巻き線１０ａの一方の端子は直流電源１の＋側端子に、他方の端子は混合アーム対２２中のダイオード７とＭＯＳＦＥＴ３とが並列に接続されて成る回路とダイオード６との接続点に、それぞれ接続されている。
【００４６】
巻き線１０ｂの一方の端子は混合アーム対２３中のダイオード８とＭＯＳＦＥＴ４とが並列に接続されて成る回路とダイオード９との接続点に、他方の端子は直流電源１６と直流電源１７との接続点に、それぞれ接続されている。
【００４７】
巻き線１０ｂの、直流電源１６と直流電源１７との接続点に接続された側の端子は、また、ダイオード１９のカソードと接続されている。
巻き線１０ｃの一方の端子は混合アーム対２２の＋側端子に接続されている。
【００４８】
混合アーム対２３は、直列接続された直流電源１６，１７と並列に接続されている。
混合アーム対２２，２３の−側端子は、直流電源１及び直流電源１７の−側端子と接続されている。
【００４９】
以下、本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作原理を説明する。
本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作原理は、図１に示す本発明の第１の実施の形態の動作原理に準じるが、リアクトル１０に追加された巻き線１０ｃとダイオード１９との作用により、昇圧動作時に直列接続されている負荷１４，１５の各々に電力を供給する。
【００５０】
以下、本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作を説明する。
昇圧動作時は、電源が直流電源１、負荷が負荷１４，１５となる。
まず、ＭＯＳＦＥＴ３がオンになると、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ＭＯＳＦＥＴ３→直流電源１の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーが蓄えられる。
【００５１】
次に、ＭＯＳＦＥＴ３がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーにより、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ダイオード６→リアクトル１０の巻き線１０ｃ→ダイオード１９→コンデンサ１３→直流電源１の経路と、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ダイオード６→リアクトル１０の巻き線１０ｃ→ダイオード１９→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード８→コンデンサ１２→コンデンサ１３→直流電源１の経路とで電流が流れ、その結果、コンデンサ１２，１３を充電し、昇圧する。
【００５２】
ＭＯＳＦＥＴ３がオフになった時のリアクトル１０の各巻き線に発生する電圧の比は、巻き数比に比例するため、コンデンサ１２，１３の充電電圧の比は、リアクトル１０の巻き数比によって決まる。
【００５３】
それ故、このＭＯＳＦＥＴ３のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷１４，１５の各々に所定の安定した高電圧を供給することができる。
降圧動作時は、電源が直流電源１６、負荷が負荷２０となる。
【００５４】
まず、ＭＯＳＦＥＴ４がオンになると、直流電源１６→ＭＯＳＦＥＴ４→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード１８→直流電源１６の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーを蓄える。
【００５５】
次に、ＭＯＳＦＥＴ４がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーにより、リアクトル１０の巻き線１０ａ→コンデンサ２１→ダイオード７→リアクトル１０の巻き線１０ａの経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ２１を充電する。
【００５６】
このＭＯＳＦＥＴ４のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷２０に所定の安定した低電圧を供給することができる。
なお、図２に示す本実施の形態に係る直流昇降圧回路において、コンデンサ１１の電圧を直流電源１の電圧の２倍以上となるように設定することにより、低電圧・大電流の場合の処理の分担を混合アーム対２２に、高電圧・小電流の場合の処理の分担を混合アーム対２３に、それぞれ分離することができる。
【００５７】
以下、その原理を説明する。
昇圧動作時において、直流電源１、コンデンサ１１、コンデンサ１２、コンデンサ１３の電圧の比を１：ｎ１：ｎ２：ｎ３とすると、リアクトル１０の巻き線１０ａ：巻き線１０ｂ：巻き線１０ｃの巻き数比は、（ｎ１−１）：ｎ２：（ｎ３−ｎ１）となる。
【００５８】
ＭＯＳＦＥＴ３がオンになった時に、ダイオード９の両端の電圧がマイナスになると、リアクトル１０の巻き線１０ｂ→コンデンサ１３→ダイオード９→リアクトルの巻き線１０ｂの経路でコンデンサ１３を充電する回路ができるので、本来の回路の意図した動作の妨げとなる。
【００５９】
ＭＯＳＦＥＴ３がオンになった時のダイオード９の両端の電圧をＶｄ’、直流電源１の電圧をＶｉ’で示すと、Ｖｄ’を与える数式及びＶｄ’が正となるために必要な条件式は、下記の（３）式で与えられる。
【００６０】
【数３】
Ｖｄ’＝ｎ３×Ｖｉ’−（ｎ２／（ｎ１−１））×Ｖｉ’＞０ ………（３）
コンデンサ１１の電圧ｎ１に関する条件式は、（３）式を整理して、下記の（４）式で与えられる。
【００６１】
【数４】
ｎ１＞（ｎ２＋ｎ３）／ｎ３ ………………………………………………（４）
ここで、コンデンサ１２とコンデンサ１３の電圧が等しくなるように設定した場合には、数値ｎ２と数値ｎ３の具体的な大きさには関わらず、下記の（５）式が得られる。
【００６２】
【数５】
ｎ１＞２ ………………………………………………………………………（５）
（５）式より、コンデンサ１１の電圧を従来回路よりも低圧にすることができて、低電圧・大電流の場合の処理の分担を混合アーム対２２に、高電圧・小電流の場合の処理の分担を混合アーム対２３に、それぞれ分離することができることが理解できる。
【００６３】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明では、高電圧直流電源及び対応負荷と、低電圧直流電源及び対応負荷と、磁気的に結合した第１と第２の巻き線を備えたリアクトルと、ダイオードとＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に他のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１と第２の混合アームとを備え、リアクトルのエネルギー蓄積作用と、半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する従来の直流昇降圧回路から、上記第１の混合アームに含まれて上記リアクトルの第１の巻き線の一方にアノード、第２の巻き線の一方にカソードを接続していたダイオードを除去すると共に、第１の混合アームの＋側端子にアノードを接続すると共に第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソードを接続したダイオードを新設したので、回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成することができる。
【００６４】
また、上記従来の直流昇降圧回路から、上記第１の混合アームに含まれて上記リアクトルの第１の巻き線の一方にアノード、第２の巻き線の一方にカソードを接続していたダイオードを除去すると共に、上記リアクトルに第３の巻き線を新設し、かつ上記第２の巻き線の一方及び第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソード、第３の巻き線の一方にアノードを接続したダイオードを新設したので、必要な昇圧比が高い場合においても回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【図３】従来の直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１，１６，１７……直流電源、３，４……ＭＯＳＦＥＴ、６〜９，１８，１９……ダイオード、１４，１５，２０……負荷、１０……リアクトル、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ……巻き線、１１，１２，１３，２１……コンデンサ、２２，２３……混合アーム対
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流昇降圧回路に関し、特に、リアクトルと、スイッチング動作をする半導体を用いて、直流電圧を昇圧または降圧する直流昇降圧回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、電気回路では、使用方法により、低圧の直流電源電圧を昇圧して高圧の直流電圧を出力する機能と、これとは逆に高圧の直流電源電圧を降圧して低圧の直流電圧を出力する機能とのいずれでの機能でも実現可能な回路、即ち、直流昇降圧回路が実用されている。
【０００３】
従来の直流昇降圧回路では、降圧時に少なくとも２個の半導体素子をオンオフ動作させ、昇圧時には、１つの２次巻き線から直列に配線された２個の負荷に電力が供給される回路構成となっていた。
【０００４】
図３は、従来の直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
図３に示す従来の直流昇降圧回路の回路は、混合アーム対９２，９３と、混合アーム対９２に並列に接続されたコンデンサ８１と、巻き線８０ａ，８０ｂを有するリアクトル８０と、昇圧動作時の電源である直流電源７１と、降圧動作時の電源である直列接続された直流電源８６，８７と、直流電源８６と並列に接続された昇圧動作時の負荷８４及びコンデンサ８２と、直流電源８７と並列に接続された昇圧動作時の負荷８５及びコンデンサ８３と、直流電源７１と並列に接続された降圧動作時の負荷９０及びコンデンサ９１と、混合アーム対９２の＋側端子と直流電源７１との間に介在するコンデンサ８１を含む。
【０００５】
混合アーム対９２は、ダイオード７６とＭＯＳＦＥＴ７２とが並列接続された回路に、ダイオード７７とＭＯＳＦＥＴ７３とが並列接続された回路を直列接続して成る回路を含む。
【０００６】
混合アーム対９３は、ダイオード７８とＭＯＳＦＥＴ７４とが並列接続された回路に、ダイオード７９を直列接続して成る回路を含む。
巻き線８０ａの一方の端子は直流電源７１の＋側端子に、他方の端子は混合アーム対９２中のダイオード７６とＭＯＳＦＥＴ７２とが並列に接続されて成る回路とダイオード７７とＭＯＳＦＥＴ７３とが並列に接続されて成る回路との接続点に、それぞれ接続されている。
【０００７】
巻き線８０ｂの一方の端子は混合アーム対９３中のダイオード７８とＭＯＳＦＥＴ７４とが並列に接続されて成る回路とダイオード７９との接続点に、他方の端子は混合アーム対９２の＋側端子に、それぞれ接続されている。
【０００８】
混合アーム対９３は、直列接続された直流電源８６，８７と並列に接続されている。
混合アーム対９２，９３の−側端子は、直流電源７１及び直流電源８７の−側端子と接続されている。
【０００９】
以下、図３に示す従来の直流昇降圧回路の動作を説明する。
昇圧動作時は、使用される電源は直流電源７１であり、負荷は負荷８４、負荷８５である。
【００１０】
ＭＯＳＦＥＴ７３がオンになると、直流電源７１→リアクトル８０の巻き線８０ａ→ＭＯＳＦＥＴ７３→直流電源７１の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル８０にエネルギーが蓄えられる。
【００１１】
次に、ＭＯＳＦＥＴ７３がオフになると、リアクトル８０に蓄えられたエネルギーにより、直流電源７１→リアクトル８０の巻き線８０ａ→ダイオード７６→リアクトル８０の巻き線８０ｂ→ダイオード７８→コンデンサ８２→コンデンサ８３→直流電源７１の経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ８２，８３を充電し、その両端の電圧を昇圧させる。
【００１２】
このＭＯＳＦＥＴ７３のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷８４，８５に所定の安定した高電圧を供給する。
降圧動作時は、使用される電源は直流電源８６，８７であり、負荷は負荷９０である。
【００１３】
ＭＯＳＦＥＴ７２，７４がオンになると、直流電源８６，８７→ＭＯＳＦＥＴ７４→リアクトル８０の巻き線８０ｂ→ＭＯＳＦＥＴ７２→リアクトル８０の巻き線８０ａ→コンデンサ９１→直流電源８６，８７の経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ９１を充電し、その両端の電圧を降圧させる。
【００１４】
ＭＯＳＦＥＴ７２，７４がオフになると、上記の電流経路は遮断される。
このＭＯＳＦＥＴ７２，７４のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷９０に所定の安定した低電圧を供給する。
【００１５】
なお、昇圧時の直流電源７１、コンデンサ８１、コンデンサ８２、コンデンサ８３の電圧比を１：ｎ１：ｎ２：ｎ３で示すと、リアクトル８０の巻き線８０ａ、８０ｂの巻き数比は、（ｎ１−１）：（ｎ２＋ｎ３−ｎ１）に設定される。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、従来の直流昇降圧回路は、降圧動作時に、２つの半導体素子をスイッチングする必要があり、コストが高くなり、回路効率が悪くなるといった問題点が有った。
【００１７】
また、図３に示す回路で、ＭＯＳＦＥＴ７３がオンになった時、ダイオード７９の両端の電圧がマイナスになると、リアクトル８０の巻き線８０ｂ→コンデンサ８１→ダイオード７９→リアクトル８０の巻き線８０ｂの経路でコンデンサ８１を充電する部分回路が構成され、その結果、本来の動作が損なわれる。
【００１８】
なお、ＭＯＳＦＥＴ７３をオンにした時のダイオード７９の両端の電圧をＶｄで示し、直流電源７１の電圧をＶｉで示すと、Ｖｄを与える数式及びＶｄが正となるために必要な条件式は、下記の（１）式で与えられる。
【００１９】
【数１】
Ｖｄ＝ｎ１×Ｖｉ−（（ｎ２＋ｎ３−ｎ１）／（ｎ１−１））×Ｖｉ＞０ …………………………………………………………………………………………（１）
コンデンサ８１の電圧ｎ１に関する条件式は、（１）式を整理して、下記の（２）式で与えられる。
【００２０】
【数２】
ｎ１＞（ｎ２＋ｎ３）1/2 ………………………………………………（２）
（２）式からは、コンデンサ８１の電圧をコンデンサ８２の電圧とコンデンサ８３の電圧との和の平方とすべきことが理解され、昇圧比が高い場合には、コンデンサ８３の容量も大きくなり、変換効率も悪くなる。
【００２１】
そのため、昇圧比が大きい場合には、回路を小型化できず、また、高い変換効率が得られないといった問題点があった。
さらに、従来の直流昇降圧回路は、昇圧動作時に、図３に示す負荷８４，８５が一括して電力を供給されてアンバランスとなった時に、コンデンサ８２，８３の電圧のバランスも悪くなるといった問題点があった。
【００２２】
このコンデンサ８２，８３の電圧のバランスを保つために別回路を追加する場合には、回路規模が大となり、変換効率も低下する。
本発明は、以上のような従来の直流昇降圧回路における問題点に鑑みてなされたものであり、必要な昇圧比が高い場合でも、回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成することができる直流昇降圧回路を提供することを目的とする。
【００２３】
【課題を解決するための手段】
本発明では上記の課題を解決するために、半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する直流昇降圧回路において、磁気的に結合した第１と第２の巻き線を備えたリアクトルと、第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第２のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１の混合アームと、該第１の混合アームに並列接続された第１のコンデンサと、第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第４のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第２の混合アームと、第１の低電圧直流電源と、該第１の低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第１の負荷及び第２のコンデンサと、前記第１の低電圧直流電源と直列接続された第２の低電圧直流電源と、該低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第２の負荷及び第３のコンデンサと、高電圧直流電源と並列に接続された降圧動作時の第３の負荷及び第４のコンデンサと、第１の混合アームの＋側端子にアノードを接続すると共に前記第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソードを接続した第５のダイオードを備え、前記リアクトルの第１の巻き線の一方の端子は、前記高電圧直流電源の＋側端子に接続し、他方の端子は前記第１の混合アーム内の前記第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第２のダイオードとの接続点に接続し、前記リアクトルの第２の巻き線の一方の端子は、前記第２の混合アーム内の前記第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第４のダイオードとの接続点に接続し、他方の端子は前記第１の混合アームの＋側端子及び前記第５のダイオードのアノードに接続し、前記第２の混合アームの＋側端子は前記第１の低電圧直流電源の＋側端子に接続し、前記第１と第２の混合アームの−側端子と、前記高電圧直流電源の−側端子と、前記第２の低電圧直流電源の−側端子とを互いに接続したことを特徴とする直流昇降圧回路が提供される。
【００２４】
また、半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する直流昇降圧回路において、磁気的に結合した第１、第２、第３の巻き線を備えたリアクトルと、第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第２のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１の混合アームと、該第１の混合アームに並列接続された第１のコンデンサと、第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第４のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第２の混合アームと、第１の低電圧直流電源と、該第１の低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第１の負荷及び第２のコンデンサと、前記第１の低電圧直流電源と直列接続された第２の低電圧直流電源と、該低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第２の負荷及び第３のコンデンサと、高電圧直流電源と並列に接続された降圧動作時の第３の負荷及び第４のコンデンサと、前記リアクトルの第２の巻き線の一方の端子及び前記第１と第２の低電圧電流源の接続点にカソードを接続すると共に前記リアクトルの第３の巻き線の一方の端子にアノードを接続した第５のダイオードを備え、前記リアクトルの第１の巻き線の一方の端子は、前記高電圧直流電源の＋側端子に接続し、他方の端子は前記第１の混合アーム内の前記第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第２のダイオードとの接続点に接続し、前記リアクトルの第２の巻き線の他方の端子は、前記第２の混合アーム内の前記第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第４のダイオードとの接続点に接続し、前記リアクトルの第３の巻き線の他方の端子は、前記第１の混合アームの＋側端子に接続し、前記第２の混合アームの＋側端子は前記第１の低電圧直流電源の＋側端子に接続し、前記第１と第２の混合アームの−側端子と、前記高電圧直流電源の−側端子と、前記第２の低電圧直流電源の−側端子とを互いに接続したことを特徴とする直流昇降圧回路が提供される。
【００２５】
即ち、本発明では、高電圧直流電源及び対応負荷と、低電圧直流電源及び対応負荷と、磁気的に結合した第１と第２の巻き線を備えたリアクトルと、ダイオードとＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に他のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１と第２の混合アームとを備え、リアクトルのエネルギー蓄積作用と、半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する従来の直流昇降圧回路から、上記第１の混合アームに含まれて上記リアクトルの第１の巻き線の一方にアノード、第２の巻き線の一方にカソードを接続していたダイオードを除去すると共に、第１の混合アームの＋側端子にアノードを接続すると共に第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソードを接続したダイオードを新設することにより、回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成している。
【００２６】
また、上記従来の直流昇降圧回路から、上記第１の混合アームに含まれて上記リアクトルの第１の巻き線の一方にアノード、第２の巻き線の一方にカソードを接続していたダイオードを除去すると共に、上記リアクトルに第３の巻き線を新設し、かつ上記第２の巻き線の一方及び第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソード、第３の巻き線の一方にアノードを接続したダイオードを新設することにより、必要な昇圧比が高い場合においても回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成している。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【００２８】
本実施の形態に係る直流昇降圧回路は、混合アーム対２２，２３と、混合アーム対２２に並列に接続されたコンデンサ１１と、巻き線１０ａ，１０ｂを有するリアクトル１０と、昇圧動作時の電源である直流電源１と、降圧動作時の電源である直列接続された直流電源１６，１７と、直流電源１６と並列に接続された昇圧動作時の負荷１４及びコンデンサ１２と、直流電源１７と並列に接続された昇圧動作時の負荷１５及びコンデンサ１３と、直流電源１と並列に接続された降圧動作時の負荷２０及びコンデンサ２１と、混合アーム対２２の＋側端子と直流電源１の−側端子との間に介在するコンデンサ１１と、コンデンサ１２とコンデンサ１３の接続点と混合アーム対２２の＋側端子との間に介在するダイオード１８を含む。
【００２９】
コンデンサ１２とコンデンサ１３の接続点は、ダイオード１８のカソードと接続されている。
混合アーム対２２は、ダイオード７とＭＯＳＦＥＴ３とが並列接続された回路に、ダイオード６が直列接続されて成る回路を含む。
【００３０】
混合アーム対２３は、ダイオード８とＭＯＳＦＥＴ４とが並列接続された回路に、ダイオード９が直列接続されて成る回路を含む。
巻き線１０ａの一方の端子は直流電源１の＋側端子に、他方の端子は混合アーム対２２中のダイオード７とＭＯＳＦＥＴ３とが並列に接続されて成る回路とダイオード６との接続点に、それぞれ接続されている。
【００３１】
巻き線１０ｂの一方の端子は混合アーム対２３中のダイオード８とＭＯＳＦＥＴ４とが並列に接続されて成る回路とダイオード９との接続点に、他方の端子は混合アーム対２２の＋側端子に、それぞれ接続されている。
【００３２】
混合アーム対２３は、直列接続された直流電源１６，１７と並列に接続されている。
混合アーム対２２，２３の−側端子は、直流電源１及び直流電源１７の−側端子と接続されている。
【００３３】
以下、本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作原理を説明する。
まず、昇圧時の動作については、従来の直流昇降圧回路と同じである。しかし、ダイオード１８を追加したことにより、コンデンサ１１の＋側端子をコンデンサ１３の＋側端子にクランプすることができるので、過渡変動時においてもコンデンサ１１の電圧がコンデンサ１３の電圧以上となることがなく、混合アーム対２２に印加される電圧が所定の値に制限される。
【００３４】
次に、降圧時の動作については、ダイオード１８を追加したことにより、ＭＯＳＦＥＴ４がオンになると、直流電源１６→ＭＯＳＦＥＴ４→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード１８→直流電源１６の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーを蓄える。
【００３５】
ＭＯＳＦＥＴ４がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーは、リアクトル１０の巻き線１０ａ→コンデンサ２１→リアクトル１０の巻き線１０ａの経路出で流れ、その結果、コンデンサ２１を充電する。
【００３６】
このＭＯＳＦＥＴ４のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷２０に所定の安定した低電圧を供給することができる。
以下、本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作を説明する。
【００３７】
昇圧動作時は、電源が直流電源１、負荷が負荷１４，１５となる。
まず、ＭＯＳＦＥＴ３がオンになると、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ＭＯＳＦＥＴ３→直流電源１の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーが蓄えられる。
【００３８】
次に、ＭＯＳＦＥＴ３がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーにより、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ダイオード６→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード８→コンデンサ１２→コンデンサ１３→直流電源１の経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ１２，１３を充電し、昇圧する。
【００３９】
このＭＯＳＦＥＴ３のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷１４，１５に所定の安定した高電圧を供給することができる。
降圧動作時は、電源が直流電源１６、負荷が負荷２０となる。
【００４０】
まず、ＭＯＳＦＥＴ４がオンになると、直流電源１６→ＭＯＳＦＥＴ４→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード１８→直流電源１６の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーを蓄える。
【００４１】
次に、ＭＯＳＦＥＴ４がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーにより、リアクトル１０の巻き線１０ａ→コンデンサ２１→ダイオード７→リアクトル１０の巻き線１０ａの経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ２１を充電する。
【００４２】
このＭＯＳＦＥＴ４のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷２０に所定の安定した低電圧を供給することができる。
（第２の実施の形態）
図２は、本発明の第２の実施の形態に係る直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【００４３】
本実施の形態に係る直流昇降圧回路は、混合アーム対２２，２３と、混合アーム対２２に並列に接続されたコンデンサ１１と、巻き線１０ａ，１０ｂ，１０ｃを有するリアクトル１０と、昇圧動作時の電源である直流電源１と、降圧動作時の電源である直列接続された直流電源１６，１７と、直流電源１６と並列に接続された昇圧動作時の負荷１４及びコンデンサ１２と、直流電源１７と並列に接続された昇圧動作時の負荷１５及びコンデンサ１３と、直流電源１と並列に接続された降圧動作時の負荷２０及びコンデンサ２１と、混合アーム対２２の＋側端子と直流電源１の−側端子との間に介在するコンデンサ１１と、巻き線１０ｂと巻き線１０ｃとの間に介在するダイオード１９を含む。
【００４４】
混合アーム対２２は、ダイオード７とＭＯＳＦＥＴ３とが並列接続された回路に、ダイオード６が直列接続されて成る回路を含む。
混合アーム対２３は、ダイオード８とＭＯＳＦＥＴ４とが並列接続された回路に、ダイオード９が直列接続されて成る回路を含む。
【００４５】
巻き線１０ａの一方の端子は直流電源１の＋側端子に、他方の端子は混合アーム対２２中のダイオード７とＭＯＳＦＥＴ３とが並列に接続されて成る回路とダイオード６との接続点に、それぞれ接続されている。
【００４６】
巻き線１０ｂの一方の端子は混合アーム対２３中のダイオード８とＭＯＳＦＥＴ４とが並列に接続されて成る回路とダイオード９との接続点に、他方の端子は直流電源１６と直流電源１７との接続点に、それぞれ接続されている。
【００４７】
巻き線１０ｂの、直流電源１６と直流電源１７との接続点に接続された側の端子は、また、ダイオード１９のカソードと接続されている。
巻き線１０ｃの一方の端子は混合アーム対２２の＋側端子に接続されている。
【００４８】
混合アーム対２３は、直列接続された直流電源１６，１７と並列に接続されている。
混合アーム対２２，２３の−側端子は、直流電源１及び直流電源１７の−側端子と接続されている。
【００４９】
以下、本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作原理を説明する。
本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作原理は、図１に示す本発明の第１の実施の形態の動作原理に準じるが、リアクトル１０に追加された巻き線１０ｃとダイオード１９との作用により、昇圧動作時に直列接続されている負荷１４，１５の各々に電力を供給する。
【００５０】
以下、本実施の形態に係る直流昇降圧回路の動作を説明する。
昇圧動作時は、電源が直流電源１、負荷が負荷１４，１５となる。
まず、ＭＯＳＦＥＴ３がオンになると、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ＭＯＳＦＥＴ３→直流電源１の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーが蓄えられる。
【００５１】
次に、ＭＯＳＦＥＴ３がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーにより、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ダイオード６→リアクトル１０の巻き線１０ｃ→ダイオード１９→コンデンサ１３→直流電源１の経路と、直流電源１→リアクトル１０の巻き線１０ａ→ダイオード６→リアクトル１０の巻き線１０ｃ→ダイオード１９→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード８→コンデンサ１２→コンデンサ１３→直流電源１の経路とで電流が流れ、その結果、コンデンサ１２，１３を充電し、昇圧する。
【００５２】
ＭＯＳＦＥＴ３がオフになった時のリアクトル１０の各巻き線に発生する電圧の比は、巻き数比に比例するため、コンデンサ１２，１３の充電電圧の比は、リアクトル１０の巻き数比によって決まる。
【００５３】
それ故、このＭＯＳＦＥＴ３のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷１４，１５の各々に所定の安定した高電圧を供給することができる。
降圧動作時は、電源が直流電源１６、負荷が負荷２０となる。
【００５４】
まず、ＭＯＳＦＥＴ４がオンになると、直流電源１６→ＭＯＳＦＥＴ４→リアクトル１０の巻き線１０ｂ→ダイオード１８→直流電源１６の経路で電流が流れ、その結果、リアクトル１０にエネルギーを蓄える。
【００５５】
次に、ＭＯＳＦＥＴ４がオフになると、リアクトル１０に蓄えられたエネルギーにより、リアクトル１０の巻き線１０ａ→コンデンサ２１→ダイオード７→リアクトル１０の巻き線１０ａの経路で電流が流れ、その結果、コンデンサ２１を充電する。
【００５６】
このＭＯＳＦＥＴ４のオンオフ動作を一定の比率で繰り返すことにより、負荷２０に所定の安定した低電圧を供給することができる。
なお、図２に示す本実施の形態に係る直流昇降圧回路において、コンデンサ１１の電圧を直流電源１の電圧の２倍以上となるように設定することにより、低電圧・大電流の場合の処理の分担を混合アーム対２２に、高電圧・小電流の場合の処理の分担を混合アーム対２３に、それぞれ分離することができる。
【００５７】
以下、その原理を説明する。
昇圧動作時において、直流電源１、コンデンサ１１、コンデンサ１２、コンデンサ１３の電圧の比を１：ｎ１：ｎ２：ｎ３とすると、リアクトル１０の巻き線１０ａ：巻き線１０ｂ：巻き線１０ｃの巻き数比は、（ｎ１−１）：ｎ２：（ｎ３−ｎ１）となる。
【００５８】
ＭＯＳＦＥＴ３がオンになった時に、ダイオード９の両端の電圧がマイナスになると、リアクトル１０の巻き線１０ｂ→コンデンサ１３→ダイオード９→リアクトルの巻き線１０ｂの経路でコンデンサ１３を充電する回路ができるので、本来の回路の意図した動作の妨げとなる。
【００５９】
ＭＯＳＦＥＴ３がオンになった時のダイオード９の両端の電圧をＶｄ’、直流電源１の電圧をＶｉ’で示すと、Ｖｄ’を与える数式及びＶｄ’が正となるために必要な条件式は、下記の（３）式で与えられる。
【００６０】
【数３】
Ｖｄ’＝ｎ３×Ｖｉ’−（ｎ２／（ｎ１−１））×Ｖｉ’＞０ ………（３）
コンデンサ１１の電圧ｎ１に関する条件式は、（３）式を整理して、下記の（４）式で与えられる。
【００６１】
【数４】
ｎ１＞（ｎ２＋ｎ３）／ｎ３ ………………………………………………（４）
ここで、コンデンサ１２とコンデンサ１３の電圧が等しくなるように設定した場合には、数値ｎ２と数値ｎ３の具体的な大きさには関わらず、下記の（５）式が得られる。
【００６２】
【数５】
ｎ１＞２ ………………………………………………………………………（５）
（５）式より、コンデンサ１１の電圧を従来回路よりも低圧にすることができて、低電圧・大電流の場合の処理の分担を混合アーム対２２に、高電圧・小電流の場合の処理の分担を混合アーム対２３に、それぞれ分離することができることが理解できる。
【００６３】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明では、高電圧直流電源及び対応負荷と、低電圧直流電源及び対応負荷と、磁気的に結合した第１と第２の巻き線を備えたリアクトルと、ダイオードとＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に他のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１と第２の混合アームとを備え、リアクトルのエネルギー蓄積作用と、半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する従来の直流昇降圧回路から、上記第１の混合アームに含まれて上記リアクトルの第１の巻き線の一方にアノード、第２の巻き線の一方にカソードを接続していたダイオードを除去すると共に、第１の混合アームの＋側端子にアノードを接続すると共に第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソードを接続したダイオードを新設したので、回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成することができる。
【００６４】
また、上記従来の直流昇降圧回路から、上記第１の混合アームに含まれて上記リアクトルの第１の巻き線の一方にアノード、第２の巻き線の一方にカソードを接続していたダイオードを除去すると共に、上記リアクトルに第３の巻き線を新設し、かつ上記第２の巻き線の一方及び第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソード、第３の巻き線の一方にアノードを接続したダイオードを新設したので、必要な昇圧比が高い場合においても回路規模を小型化し、かつ高い変換効率を達成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態に係る直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【図３】従来の直流昇降圧回路の回路構成を示す回路図である。
【符号の説明】
１，１６，１７……直流電源、３，４……ＭＯＳＦＥＴ、６〜９，１８，１９……ダイオード、１４，１５，２０……負荷、１０……リアクトル、１０ａ，１０ｂ，１０ｃ……巻き線、１１，１２，１３，２１……コンデンサ、２２，２３……混合アーム対
Claims (3)
- 半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する直流昇降圧回路において、
磁気的に結合した第１と第２の巻き線を備えたリアクトルと、第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第２のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１の混合アームと、該第１の混合アームに並列接続された第１のコンデンサと、第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第４のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第２の混合アームと、第１の低電圧直流電源と、該第１の低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第１の負荷及び第２のコンデンサと、前記第１の低電圧直流電源と直列接続された第２の低電圧直流電源と、該低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第２の負荷及び第３のコンデンサと、高電圧直流電源と並列に接続された降圧動作時の第３の負荷及び第４のコンデンサと、第１の混合アームの＋側端子にアノードを接続すると共に前記第１と第２の低電圧直流電源の接続点にカソードを接続した第５のダイオードを備え、
前記リアクトルの第１の巻き線の一方の端子は、前記高電圧直流電源の＋側端子に接続し、他方の端子は前記第１の混合アーム内の前記第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第２のダイオードとの接続点に接続し、
前記リアクトルの第２の巻き線の一方の端子は、前記第２の混合アーム内の前記第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第４のダイオードとの接続点に接続し、他方の端子は前記第１の混合アームの＋側端子及び前記第５のダイオードのアノードに接続し、
前記第２の混合アームの＋側端子は前記第１の低電圧直流電源の＋側端子に接続し、
前記第１と第２の混合アームの−側端子と、前記高電圧直流電源の−側端子と、前記第２の低電圧直流電源の−側端子とを互いに接続したこと、
を特徴とする直流昇降圧回路。 - 半導体素子のスイッチング動作により、低電圧直流電源が使用される場合は該低電圧直流電源の出力電圧を昇圧し、高電圧直流電源が使用される場合は該高電圧直流電源の出力電圧を降圧する直流昇降圧回路において、
磁気的に結合した第１、第２、第３の巻き線を備えたリアクトルと、第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第２のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第１の混合アームと、該第１の混合アームに並列接続された第１のコンデンサと、第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列接続された回路に第４のダイオードを直列接続して成る回路を備えた第２の混合アームと、第１の低電圧直流電源と、該第１の低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第１の負荷及び第２のコンデンサと、前記第１の低電圧直流電源と直列接続された第２の低電圧直流電源と、該低電圧直流電源と並列に接続された昇圧動作時の第２の負荷及び第３のコンデンサと、高電圧直流電源と並列に接続された降圧動作時の第３の負荷及び第４のコンデンサと、前記リアクトルの第２の巻き線の一方の端子及び前記第１と第２の低電圧電流源の接続点にカソードを接続すると共に前記リアクトルの第３の巻き線の一方の端子にアノードを接続した第５のダイオードを備え、
前記リアクトルの第１の巻き線の一方の端子は、前記高電圧直流電源の＋側端子に接続し、他方の端子は前記第１の混合アーム内の前記第１のダイオードと第１のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第２のダイオードとの接続点に接続し、
前記リアクトルの第２の巻き線の他方の端子は、前記第２の混合アーム内の前記第３のダイオードと第２のＭＯＳＦＥＴとが並列に接続された回路と第４のダイオードとの接続点に接続し、
前記リアクトルの第３の巻き線の他方の端子は、前記第１の混合アームの＋側端子に接続し、
前記第２の混合アームの＋側端子は前記第１の低電圧直流電源の＋側端子に接続し、
前記第１と第２の混合アームの−側端子と、前記高電圧直流電源の−側端子と、前記第２の低電圧直流電源の−側端子とを互いに接続したこと、
を特徴とする直流昇降圧回路。 - 前記第１のコンデンサの両端の電圧が、前記高電圧直流電源の電圧の２倍以上となるように設定したことを特徴とする請求項２記載の直流昇降圧回路。
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