JP5441418B2 - フォワードコンバータ - Google Patents

Description

本発明は、一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に入力源とメインスイッチとを備え、二次側に整流回路と平滑回路を備えたフォワードコンバータに関するものである。

フォワードコンバータは図１に示すように、一次・二次間をトランスＴで絶縁し、一次側はトランスＴの一次巻線Ｎｐと直列に入力源ＶinとメインスイッチＱ１を接続し、二次側はトランスＴの二次巻線Ｎｓと直列に第一の整流素子（本実施例ではＭＯＳＦＥＴ）Ｑ１を接続し、これらの回路に第二の整流素子（本実施例ではＭＯＳＦＥＴ）Ｑ２を接続し、さらに、チョークＬとコンデンサＣを有する平滑回路を出力側に接続し、この出力側Ｖoutに負荷LOADを接続してある。

フォワードコンバータでは、メインスイッチのオン期間に励磁された磁束を、メインスイッチがオフしている期間に、コンバータの容量成分（寄生容量含む）Ｃとトランスの励磁インダクタンスＬｍによって共振動作を行うことによって磁束のリセットを行う。メインスイッチのオフ期間に共振リセット動作を完了するには、上記共振周期Ｔreset＝２π√（Ｌｍ＊Ｃ）の１／４よりもメインスイッチのオフ期間が長い必要がある。従来の方法では、共振周期が大きい場合、共振周期を調整するために透磁率の低い鉄心材を使用することで共振周期を小さくし、その微調整には容量成分を付加することで対応していた。

そこで、従来のフォワードコンバータに用いるトランスは、図５に示すように、Ｅ型の鉄心１０，２０を二つ設け、三脚１２，１３，１４，２２，２３，２４を突き合わせたものや、図６に示すように、Ｉ型の鉄心３０とＥ型の鉄心４０とを設け、Ｉ型の鉄心にＥ型の鉄心４０の三脚４２，４３，４４を突き合わせたものを用いていた（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１３３０９５公報

しかし、従来のようなフォワードコンバータの場合、スイッチング周波数が高くなるにつれて、共振リセットが困難になるとともに、コンバータ全体の効率の面から鉄心材の選定が難しくなってくる。また、近年の傾向として、スイッチ素子の寄生容量が大きくなる傾向があることから共振周期が大きくなり、スイッチング周波数の高周波化もあいまって、磁束の共振リセットが困難になる。リセットが困難になると、図７（ｂ）に示すように、トランスの磁束が飽和し、これによりメインスイッチＱ１に短絡電流が流れる。そのため、図７（ａ）に示すように、メインスイッチＱ１のドレイン・ソース電圧Ｖｄｓが跳ね上がる。これを回避するためには、共振周期を小さくするために低透磁率の鉄心材への変更する手段がある。しかし、この場合、利用したい鉄心材が製品ごとに限定される。最悪の場合、鉄心材が選べないことがある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、トランスの磁束を容易にリセットできるフォワードコンバータを提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係るフォワードコンバータは、一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に入力源とメインスイッチとを備え、二次側に整流回路と平滑回路を備えたフォワードコンバータにおいて、前記トランスは、少なくとも二脚の鉄心を有し、これらのうち少なくとも一脚にギャップを設けてあることを特徴とする。

また、本発明に係るフォワードコンバータは、前記鉄心は、Ｅ型の鉄心を二つ設け、これら鉄心は両端の脚に対して中脚が短くなっており、これら二つの鉄心を突き合わせた際に、前記両端の脚とは突き合わさるのに対し、前記中脚にはギャップが出来るように構成してあることを特徴とする。
若しくは、前記鉄心は、Ｉ型の鉄心とＥ型の鉄心とで構成し、前記Ｅ型の鉄心は両端の脚に対して中脚が短くなっており、これら二つの鉄心を突き合わせた際に、両端の脚とは突き合わさるのに対し、中脚にはギャップが出来るように構成してあることを特徴とする。
また、前記中脚に一次巻線及び二次巻線を巻回してあることを特徴とする。

本発明によれば、トランスの鉄心を構成する三脚のうち一脚にギャップを設けたことにより、部品点数を増やすことなく、トランスの磁束を容易にリセットできる効果がある。これにより、トランスの磁束の飽和が発生しなくなり、メインスイッチに短絡電流が流れることを防止し、メインスイッチのドレイン・ソース電圧が跳ね上がることを防止することができる効果がある。また、励磁インダクタンスを下げることができるため、コンバータの高周波化やスイッチ素子の寄生容量の増加に対して対応することが可能となる効果がある。

整流回路を構成する整流素子をＭＯＳＦＥＴで構成することにより、コンバータの高周波化やスイッチ素子の寄生容量の増加に対して対応することが可能であることがより顕著である。また、シートトランスを用いることにより、コンバータのトランスをより薄くすることができ、コンバータの小型化を図ることができる効果がある。

本発明に係るフォワードコンバータの一実施例を示した回路図である。 図１図示実施例に係るトランスの一実施例を示した構成図である。 同じくトランスの一実施例を示した構成図である。 本発明に係るフォワードコンバータにおけるメインスイッチの動作波形図である。 従来のフォワードコンバータにおけるトランスの一実施例を示した構成図である。 図５と同様トランスの一実施例を示した構成図である。 従来のフォワードコンバータにおける、トランス磁束飽和時のメインスイッチの動作波形図である。

発明を実施するための最良の形態に係るフォワードコンバータの回路図を図１に示す。図１図示のフォワードコンバータについては、従来と同様に、一次・二次間をトランスＴで絶縁し、一次側はトランスＴの一次巻線Ｎｐと直列に入力源ＶinとメインスイッチＱ１を接続してある。二次側はトランスＴの二次巻線Ｎｓと直列に第一の整流スイッチＱ２を接続し、これらの回路に第二の整流スイッチＱ３を接続してある。なお、本実施例においては、スイッチＱ１，Ｑ２，Ｑ３は、コンバータの高周波化に対応できるようＭＯＳＦＥＴで構成してある。さらに、チョークＬとコンデンサＣを有する平滑回路を出力側に接続し、この出力側Ｖoutに負荷LOADを接続してある。

本発明は、スイッチング周波数の高周波化や、スイッチ素子の寄生容量が大きくなることに対応すべく、少なくとも二脚の鉄心を有し、これらのうち少なくとも一脚にギャップを設けてあるトランスを採用する。これにより、部品点数を増やすことなく、トランスの磁束を容易にリセットできる。また、励磁インダクタンスを下げることができるため、コンバータの高周波化やスイッチ素子の寄生容量の増加に対して対応することができる。なお、具体例としては以下の通りである。

先ず、図２に示す鉄心は、Ｅ型の鉄心１０，２０を二つ設けてある。これら鉄心１０，２０は両端の脚１２，１３，２２，２３に対して中脚１１，２１が短くなっており、これら二つの鉄心１０，２０を突き合わせた際に、両端の脚１２，１３，２２，２３とは突き合わさるのに対し、中脚１１，２１にはギャップが出来る。図２中では、一方の中脚１１に一次巻線Ｎｐを巻回し、他方の中脚２１に二次巻線Ｎｓを巻回してある。

一方、図３に示す鉄心は、Ｉ型の鉄心３０とＥ型の鉄心４０とで構成してある。Ｅ型の鉄心４０は両端の脚４２，４３に対して中脚４１が短くなっており、これら二つの鉄心３０，４０を突き合わせた際に、両端の脚４２，４３とは突き合わさるのに対し、中脚４１にはギャップが出来る。このギャップを有する中脚４１に一次巻線Ｎｐと二次巻線Ｎｓとを巻回してある。

以上のように構成してあるフォワードコンバータは以下のように作用する。メインスイッチＱ１がオンすると、トランスＴの一次巻線Ｎｐに励磁電流が発生するため、図４（ｂ）に示すように、メインスイッチＱ１のドレイン電流Ｉｄは上昇する。なお、メインスイッチＱ１がオンのときは、図４（ａ）に示すように、ドレイン・ソース電圧Ｖｄｓは０である。メインスイッチＱ１と整流スイッチＱ２とは同期するため、メインスイッチＱ１がオンすると、整流スイッチＱ２もオンし、負荷LOADに電力を供給することができる。

メインスイッチＱ１がオフすると、図４（ｂ）に示すように、メインスイッチＱ１のドレイン電流Ｉｄは０になる。一方、トランスＴの一次巻線Ｎｐに発生した励磁電流はメインスイッチＱ１の寄生コンデンサに流れ込み、寄生コンデンサは充電される。寄生コンデンサが充電を完了すると、放電を開始する。この作用により、図４（ａ）に示すように、ドレイン・ソース電圧Ｖｄｓは正弦波形になる。このとき、トランスを構成する鉄心の一脚にギャップを設けてあるため、トランスの励磁インダクタンスを小さく抑えることができるように構成してあるため、容易にリセットできる状態になる。なお、二次側もトランスＴの二次巻線Ｎｓと第一の整流スイッチＱ２が同期するため、整流スイッチＱ２のドレイン電流Ｉｄは０になり、トランスＴの二次巻線Ｎｓに発生した励磁電流は整流スイッチＱ２の寄生コンデンサに流れ込み、寄生コンデンサは充電される。寄生コンデンサが充電を完了すると、放電を開始する。この作用により、ドレイン・ソース電圧Ｖｄｓは正弦波形になる。

再びメインスイッチＱ１がオンすると、トランスＴの一次巻線Ｎｐは入力電圧によって励磁されるが、トランスＴの磁束にリセットがかかっているため、図４（ａ）に示すように、メインスイッチＱ１がオンした際にドレイン・ソース電圧Ｖｄｓは０になり、メインスイッチＱ１のドレイン電流Ｉｄは、図４（ｂ）に示すように、前回同様上昇する。メインスイッチＱ１と整流スイッチＱ２とは同期するため、メインスイッチＱ１がオンすると、整流スイッチＱ２もオンし、負荷LOADに電力を供給することができる。

以上のような作用により、トランスＴの磁束の飽和が発生しなくなり、メインスイッチＱ１に短絡電流が流れることを防止し、メインスイッチＱ１のドレイン・ソース電圧Ｖｄｓが跳ね上がることを防止することができる。また、励磁インダクタンスが上がることを防止できるため、コンバータの高周波化やスイッチ素子の寄生容量の増加に対して対応することが可能である。

なお、本発明に係るトランスは、少なくとも二脚の鉄心を有し、これらのうち少なくとも一脚にギャップを設けてあればよいため、図２及び図３に示してあるトランスに限定されるものではなく、例えば、脚を２脚設け、そのうちの一脚にギャップを設けることが可能である。また、脚を４脚以上設けてもよく、この場合、ギャップを２脚以上に設けてあってもよい。さらに、図２及び図３に示してあるトランスは、中脚１１，２１，４１に一次巻線Ｎｐ及び二次巻線Ｎｓを巻回して構成してあるが、必ずしも同じ脚に２つの巻線を巻回する必要はなく、例えば、一次巻線を脚１１に巻回し、二次巻線を脚２２に巻回してもよい。

また、図２に示してあるトランスは、一方の中脚１１に一次巻線Ｎｐを巻回し、他方の中脚２１に二次巻線Ｎｓを巻回して構成してあるが、例えば、一方の中脚１１に一次巻線Ｎｐ及び二次巻線Ｎｓを巻回して構成してもよい。また、一方の中脚１１に二次巻線Ｎｓを巻回し、他方の中脚２１に一次巻線Ｎｐを巻回して構成してもよい。さらに、図２及び図３に示してあるトランスは、中脚１１，２１，４１に一次巻線Ｎｐと二次巻線Ｎｓとをそれぞれ分けて巻回して構成してあるが、中脚１１，２１，４１に一次巻線Ｎｐと二次巻線Ｎｓとを交互に巻回して構成してもよい。

本実施例に係るトランスは、コアにコイルを巻回したものであるが、コイルの代わりにシートで構成するシートトランスであってもよい。

本発明によれば、トランスの鉄心を構成する三脚のうち一脚にギャップを設けたことにより、部品点数を増やすことなく、トランスの磁束を容易にリセットできる。これにより、トランスの磁束の飽和が発生しなくなり、メインスイッチに短絡電流が流れるおそれがないため、メインスイッチのドレイン・ソース電圧が跳ね上がることを防止することができる。また、励磁インダクタンスを下げることができるため、コンバータの高周波化やスイッチ素子の寄生容量の増加に対して対応することが可能であり、産業上利用可能である。

Ｖin 入力源
Ｖout 出力側
Ｔ トランス
Ｎｐ トランスＴの一次巻線
Ｎｓ トランスＴの二次巻線
Ｌ チョーク
Ｃ コンデンサ
Ｑ１ メインスイッチ
Ｑ２，Ｑ３ 整流スイッチ
LOAD 負荷
１０，２０，３０，４０ 鉄心
１１〜１４，２１〜２４，４１〜４４ 脚

Claims (4)

1. 一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に入力源と、メインスイッチと、を備え、二次側に前記トランスの二次巻線と直列に接続する第一の整流素子と、前記トランスの二次巻線と前記第一の整流素子との直列回路に接続する第二の整流素子と、を備えた整流回路と、平滑回路と、を備えたフォワードコンバータにおいて、
   前記トランスは、少なくとも二脚の鉄心を有し、これらのうち少なくとも一脚にギャップを設けてあることを特徴とするフォワードコンバータ。
2. 前記鉄心は、Ｅ型の鉄心を二つ設け、これら鉄心は両端の脚に対して中脚が短くなっており、これら二つの鉄心を突き合わせた際に、前記両端の脚とは突き合わさるのに対し、前記中脚にはギャップが出来るように構成してあることを特徴とする請求項１記載のフォワードコンバータ。
3. 前記鉄心は、Ｉ型の鉄心とＥ型の鉄心とで構成し、前記Ｅ型の鉄心は両端の脚に対して中脚が短くなっており、これら二つの鉄心を突き合わせた際に、両端の脚とは突き合わさるのに対し、中脚にはギャップが出来るように構成してあることを特徴とする請求項１記載のフォワードコンバータ。
4. 前記中脚に一次巻線及び二次巻線を巻回してあることを特徴とする請求項２又は３記載のフォワードコンバータ。

Images