JP4496642B2

JP4496642B2 - 直流−直流変換装置

Info

Publication number: JP4496642B2
Application number: JP2000363327A
Authority: JP
Inventors: 政和鷁頭
Original assignee: Fuji Electric Systems Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2000-11-29
Filing date: 2000-11-29
Publication date: 2010-07-07
Anticipated expiration: 2020-11-29
Also published as: JP2002171755A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源から変圧器を介して任意の直流出力に変換する直流−直流変換装置、特に入力電圧の変化や負荷の変化に対してパルス幅変調制御により出力電圧を一定にすることができ、かつ電流共振用コンデンサ電圧を正弦波状に動作させる直流−直流変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に従来例を示す。
図示のように、直流電源１、半導体スイッチ素子９１、変圧器２の一次巻線２１およびコンデンサ４が直列に接続され、半導体スイッチ素子９２とコンデンサ５との並列回路が変圧器一次巻線２１とコンデンサ４との間に並列に接続され、変圧器二次巻線２２，２３にはダイオード８１，８２および平滑用コンデンサ３が接続され、直流出力から出力電圧検出，調節回路６および周波数変調制御回路１５を介して、半導体スイッチ素子９１，９２の各ゲートに接続されている。
【０００３】
図７に、図６における動作の一例を示す。図７（ａ）は低入力電圧，重負荷時の例、図７（ｂ）は高入力電圧，軽負荷時の例を示す。なお、ｖ９１，ｖ９２はそれぞれ半導体スイッチ素子９１，９２のドレイン−ソース間電圧波形、ｉ９１，ｉ９２はそれぞれ半導体スイッチ素子９１，９２のドレイン電流波形、ｖ４はコンデンサ４の電圧波形、ｉ８１，ｉ８２はそれぞれダイオード８１，８２の電流波形、ｖ３は平滑コンデンサ３の電圧波形を示す。
【０００４】
まず、半導体スイッチ素子９１をオンすることにより、直流電源１−半導体スイッチ素子９１−変圧器一次巻線２１−コンデンサ４を介して共振電流ｉ９１が流れ、コンデンサ４を充電する。このとき、変圧器一次巻線２１には、直流電源電圧とコンデンサ４との差電圧が印加され、ダイオード８１を介して平滑用コンデンサ３を充電するとともに負荷に電力を供給する。
次に、半導体スイッチ素子９１をオフすることにより、それまで流れていた共振電流は、コンデンサ５および半導体スイッチ素子９１，９２の出力容量に転流し、半導体スイッチ素子９１，９２の電圧は徐々に上昇または下降する。
【０００５】
半導体スイッチ素子９１の電圧が直流電源電圧に達すると、共振電流は半導体スイッチ素子９２の寄生ダイオードに転流する。このとき、半導体スイッチ素子９２をオンすることにより、コンデンサ４−半導体スイッチ素子９２−変圧器一次巻線２１を介して共振電流ｉ９２が流れ、コンデンサ４を放電する。この時、変圧器一次巻線２１には、コンデンサ４の電圧が印加され、ダイオード８２を介して平滑用コンデンサ３を充電するとともに負荷に電力を供給する。
【０００６】
次いで半導体スイッチ素子９２をオフすることにより、それまで流れていた共振電流はコンデンサ５および半導体スイッチ素子９１，９２の出力容量に転流し、半導体スイッチ素子９１，９２の電圧は徐々に上昇または下降する。
次に半導体スイッチ素子９２の電圧が直流電源電圧に達すると、共振電流は半導体スイッチ素子９１の寄生ダイオードに転流する。このとき、半導体スイッチ素子９１をオンする。
このような動作を繰り返すことにより、直流電源から絶縁された直流電力を供給する。
【０００７】
図７（ａ），（ｂ）に示すように、高入力電圧，軽負荷時の場合は、半導体スイッチ素子９１，９２のオンデューティがそれぞれ０．５であるのは、低入力電圧，重負荷時と同様であり、コンデンサ４の直流電圧分Ｖａ＜Ｖｂとなるが、動作周波数が高くなる。つまり、Ｔａ＞Ｔｂとなる。
このように、図６の回路では半導体スイッチ素子９１，９２のオンデューティがそれぞれ０．５であるが、入力電圧や負荷状態により動作周波数を変化させ、これにより出力電圧を一定にしている。
【０００８】
図８は、図６に示す周波数変調制御回路をパルス幅変調制御回路に置き換え、コンデンサ４の容量と変圧器２のもれインダクタンスとの共振周波数を、半導体スイッチ素子９１，９２の動作周波数よりも十分に高くした場合の動作波形を示す。図８（ａ）は低入力電圧，重負荷時の例を、図８（ｂ）は高入力電圧，軽負荷時の例をそれぞれ示す。
動作原理は図７の場合と同じであり、異なる点は低入力電圧，重負荷においてコンデンサ４の容量と変圧器２のもれインダクタンスとの共振周波数を、第１，第２の半導体スイッチ素子の動作周波数よりも充分高くしているため、ｉ９１，ｉ９２は直線的に上昇する一方、ｖ４の変化はほとんどなく一定である。その結果、図７（ａ）の場合と比較して半導体スイッチ素子９１，９２の遮断電流が大きくなる。
【０００９】
また、図８（ｂ）に示すように、高入力電圧，軽負荷時の場合には、半導体スイッチ素子９１，９２の動作周波数は一定（Ｔａ＝Ｔｂ）であるが、オンデューティが変化し、コンデンサ４の直流電圧分が変化する。つまり、Ｖａ＞Ｖｃとなる。
以上のように、周波数変調制御回路をパルス幅変調制御回路に置き換えた場合は図８に示すように、半導体スイッチ素子９１，９２の動作周波数は一定であるが、入力電圧や負荷状態によってオンデューティが変化し、出力電圧を一定にする。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、図６の従来例では、負荷の変化や入力電圧の変化に対し出力電圧検出，調節回路および周波数変調制御回路により、半導体スイッチ素子の動作周波数を変調することにより、出力電圧を一定としている。そのため、現在一般に使用されているパルス幅変調方式のＩＣ（集積回路）が適用できないという問題がある。また、軽負荷または高入力電圧の場合に動作周波数が高くなり、スイッチング損失が増加したり、変圧器の損失が増加し、変換効率が低下するという問題も生じる。
【００１１】
また、図６の回路で周波数変調制御回路の代わりにパルス幅変調制御回路を用いることは上述のように可能であるが、コンデンサ４と変圧器２のもれインダクタンスとの共振周波数を、半導体スイッチ素子の動作周波数に対して十分大きくしなければならず、その結果、半導体スイッチ素子の遮断電流が増加し、半導体スイッチ素子のスイッチング損失が増加し、装置変換効率が低下する。
したがって、この発明の課題は、パルス幅変調制御を可能にするとともに、軽負荷時または高入力電圧時の変換効率を低下させないようにすることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間に並列に接続し、前記変圧器二次巻線にはダイオードと平滑用コンデンサとを接続し、直流出力から出力電圧検出，調節回路およびパルス幅変調制御回路を介して、前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記第１，第２の半導体スイッチ素子の動作周波数は変化させることなく、前記第１のコンデンサ容量と前記変圧器もれインダクタンスとの共振周波数よりも高くし、かつ前記第１，第２の半導体スイッチ素子のパルス幅を変化させることにより、前記第１のコンデンサ電圧を正弦波状に動作させることを特徴とする。
【００１３】
請求項２の発明では、直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間に並列に接続し、第１の変圧器二次巻線の一方の端子には、変圧器一次巻線に正電圧が印加されるときに電力を供給するように第１のダイオードを接続し、第２の変圧器二次巻線の一方の端子には、変圧器一次巻線に負電圧が印加されるときに電力を供給するように第２のダイオードを接続し、前記第１，第２のダイオードの各カソードはともに平滑用コンデンサの一方の端子に接続し、前記第１，第２の変圧器二次巻線の他方の端子はともに平滑用コンデンサの他方の端子に接続し、直流出力から出力電圧検出，調節回路およびパルス幅変調制御回路を介して、前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記第１，第２の半導体スイッチ素子の動作周波数は変化させることなく、前記第１のコンデンサ容量と前記変圧器もれインダクタンスとの共振周波数よりも高くし、かつ前記第１，第２の半導体スイッチ素子のパルス幅を変化させることにより、前記第１のコンデンサ電圧を正弦波状に変化させることを特徴とする。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図で、１は直流電源、２は変圧器、２１は変圧器一次巻線、２２，２３は変圧器二次巻線、３は平滑用コンデンサ、４，５はコンデンサ、６は出力電圧検出，調節回路、８１，８２はダイオード、９１，９２は半導体スイッチ素子、１４はパルス幅変調制御回路である。
すなわち、直流電源１、半導体スイッチ素子９１、変圧器一次巻線２１およびコンデンサ４が直列に接続され、半導体スイッチ素子９２とコンデンサ５との並列回路が、変圧器一次巻線２１とコンデンサ４との間に並列に接続され、変圧器２の二次巻線２２，２３にはダイオード８１，８２および平滑コンデンサ３が接続され、直流出力から出力電圧検出，調節回路６およびパルス幅変調制御回路１４を介して、半導体スイッチ素子９１，９２の各ゲートに接続されている。
【００１５】
図３は図１における動作を説明するための波形図である。図３（ａ）の動作は図７（ａ）と同じなので説明は省略するが、図３（ｂ）における動作は図７（ｂ）と異なり、動作周波数は変化しない。また、入力電圧の変化や負荷状態の変化があったときは、出力電圧検出，調節回路６およびパルス幅変調制御回路１４は半導体スイッチ素子９１，９２のパルス幅を変化させ（オンデューティを変化させ）、出力電圧を一定とするように動作する。この動作は図８（ｂ）と同じであるが、図３では、コンデンサ４の容量と変圧器２のもれインダクタンスとの共振周波数を半導体スイッチ素子９１，９２の動作周波数よりも僅かに高くし、コンデンサ４の電圧を正弦波状に変化させる。これにより、パルス幅変調制御を適用しながら、低入力電圧，重負荷時は半導体スイッチ素子９１，９２の遮断電流を低く抑え、高入力電圧，軽負荷時にも動作周波数が一定であるため、半導体スイッチ素子９１，９２のスイッチング損失や変圧器の損失は増加しない。
【００１６】
図２に図１の変形例を示す。
これは、直流電源１の正極側端子を半導体スイッチ素子９２に、負極側端子を半導体スイッチ素子９１にそれぞれ接続した点が特徴であり、機能的には図１と全く同じなので説明は省略する。
【００１７】
図４はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
図１との相違点は、変圧器二次巻線２３およびダイオード８２を省略した点にあり、したがって、変圧器二次巻線２２のみから電力が供給されることになる。その結果、半導体スイッチ素子９２がオンしている期間に、負荷に電力が供給されることはない。
【００１８】
図５に図４の変形例を示す。
これは、直流電源１の正極側端子を半導体スイッチ素子９２に、負極側端子を半導体スイッチ素子９１にそれぞれ接続した点が特徴であり、機能的には図４と全く同じなので説明は省略する。
【００１９】
【発明の効果】
この発明によれば、入力電圧変化や負荷の変化に対して、現在一般に適用され簡単に入手可能なパルス幅変調方式の制御ＩＣが使用できる。また、高入力電圧，軽負荷時に動作周波数が高くならないため、高効率が維持できる。さらに、コンデンサ４の容量と変圧器２のもれインダクタンスとの共振周波数を半導体スイッチ素子９１，９２の動作周波数よりも僅かに高くし、コンデンサ４の電圧を正弦波状に変化させることにより、パルス幅変調制御を適用しながら、低入力電圧，重負荷時は半導体スイッチ素子９１，９２の遮断電流を低く抑えることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１の変形例を示す構成図である。
【図３】図１の動作を説明するための波形図である。
【図４】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】図４の変形例を示す構成図である。
【図６】従来例を示す構成図である。
【図７】図６の動作を説明するための波形図である。
【図８】図６で周波数変調制御回路の代わりにパルス幅変調制御回路を用いた場合の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１…直流電源、２…変圧器、２１…変圧器一次巻線、２２，２３…変圧器二次巻線、３…平滑用コンデンサ、４，５…コンデンサ、６…出力電圧検出，調節回路、８１，８２…ダイオード、９１，９２…半導体スイッチ素子、１４…パルス幅変調制御回路、１５…周波数変調制御回路。

Claims

直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間に並列に接続し、前記変圧器二次巻線にはダイオードと平滑用コンデンサとを接続し、直流出力から出力電圧検出，調節回路およびパルス幅変調制御回路を介して、前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記第１，第２の半導体スイッチ素子の動作周波数は変化させることなく、前記第１のコンデンサ容量と前記変圧器もれインダクタンスとの共振周波数よりも高くし、かつ前記第１，第２の半導体スイッチ素子のパルス幅を変化させることにより、前記第１のコンデンサ電圧を正弦波状に動作させることを特徴とする直流−直流変換装置。
直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間に並列に接続し、第１の変圧器二次巻線の一方の端子には、変圧器一次巻線に正電圧が印加されるときに電力を供給するように第１のダイオードを接続し、第２の変圧器二次巻線の一方の端子には、変圧器一次巻線に負電圧が印加されるときに電力を供給するように第２のダイオードを接続し、前記第１，第２のダイオードの各カソードはともに平滑用コンデンサの一方の端子に接続し、前記第１，第２の変圧器二次巻線の他方の端子はともに平滑用コンデンサの他方の端子に接続し、直流出力から出力電圧検出，調節回路およびパルス幅変調制御回路を介して、前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記第１，第２の半導体スイッチ素子の動作周波数は変化させることなく、前記第１のコンデンサ容量と前記変圧器もれインダクタンスとの共振周波数よりも高くし、かつ前記第１，第２の半導体スイッチ素子のパルス幅を変化させることにより、前記第１のコンデンサ電圧を正弦波状に変化させることを特徴とする直流−直流変換装置。