JP5488887B2

JP5488887B2 - Ｄｃ−ｄｃコンバータ

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Publication number: JP5488887B2
Application number: JP2009255268A
Authority: JP
Inventors: 啓一安藤; 祐一半田
Original assignee: Denso Corp
Current assignee: Denso Corp
Priority date: 2009-11-06
Filing date: 2009-11-06
Publication date: 2014-05-14
Anticipated expiration: 2029-11-06
Also published as: JP2011101522A

Description

本発明は、トランスと、スイッチと、コンデンサとを備えたＤＣ−ＤＣコンバータに関する。

従来、トランスと、スイッチと、コンデンサとを備えたＤＣ−ＤＣコンバータとして、例えば特許文献１に開示されているＤＣ−ＤＣコンバータがある。このＤＣ−ＤＣコンバータは、トランスＴ１、Ｔ２と、主スイッチＱ１と、第１コンデンサＣ１と、クランプ回路と、コントローラ４とを備えている。トランスＴ１は、１次コイルＷ１、Ｗ２と、２次コイルＷ３とを備えている。トランスＴ２は、１次コイルＷ４、Ｗ５と、２次コイルＷ６とを備えている。１次コイルＷ１、Ｗ４は、直列接続され、第１コイル対を構成している。１次コイルＷ２、Ｗ５は、直列接続され、第２コイル対を構成し、１次コイルＷ５の一端が１次コイルＷ４の一端に接続されている。主スイッチの一端は１次コイルＷ４の一端に、他端は入力電源の負極端にそれぞれ接続されている。第１コンデンサＣ１の一端は１次コイルＷ２の一端に、他端は入力電源の負極端にそれぞれ接続されている。クランプ回路は、副スイッチＱ２と第２コンデンサＣ２を直列接続して構成され、副スイッチＱ２の一端が主スイッチＱ１の一端に、第２コンデンサＣ２の一端が１次コイルＷ２の一端にそれぞれ接続されている。そして、コントローラ４が、主スイッチＱ１のスイッチングを制御するとともに、主スイッチＱ１と交互にスイッチングするように副スイッチＱ２を制御する。

主スイッチＱ１がオン、副スイッチＱ２がオフすると、入力電源２から１次コイルＷ１、Ｗ４に電流が流れる。また、充電された第１コンデンサＣ１から１次コイルＷ２、Ｗ５に電流が流れ、第１コンデンサＣ１が放電される。

一方、主スイッチがオフ、副スイッチがオンすると、１次コイルＷ１、Ｗ４に流れていた電流は、１次コイルＷ５、Ｗ２に流れ、第１コンデンサＣ１を充放電する。また、副スイッチＱ２を介して第２コンデンサＣ２に流れ、第２コンデンサＣ２を充電する。このとき、主スイッチＱ１の両端間に、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２が直列接続され、主スイッチＱ１の両端間の電圧が第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２の電圧にクランプされる。

特開２００５−５１９９４号公報

ところで、第１コイル対及び第２コイル対は、それぞれ漏れインダクタンスを有している。第１コンデンサＣ１がオープン故障した場合、主スイッチＱ１がオフ、副スイッチＱ２がオンすると、主スイッチＱ１の両端間に、入力電源２、第１コイル対、第１コイル対の漏れインダクタンス、第２コイル対、第２コイル対の漏れインダクタンス及び第２コンデンサＣ２が直列接続されることとなる。

主スイッチＱ１がオンからオフに切替わると、第１コイル対と第２コイル対は、それぞれ漏れインダクタンスを持つため、サージ電圧を発生させ、主スイッチＱ１に加わることとなる。そのため、第１コンデンサＣ１がオープン故障を想定すると、主スイッチＱ１がオフ、副スイッチＱ２がオンした際に、主スイッチＱ１に加わる電圧が上昇し、主スイッチＱ１が破損する可能性がある。これに対しては、一般的に、主スイッチＱ１の耐圧を上げるという対策がとられるが、主スイッチＱ１自体が大きくなるとともに、コストアップしてしまう。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、第１コンデンサのオープン故障を想定した場合、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止することができるＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とする。

そこで、本発明者らは、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、第２コンデンサの接続箇所を見直し、第１コンデンサがオープン故障しても、漏れインダクタンスに起因するサージ電圧が加わらないようにすることで、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止できると考え、本発明を完成するに至った。

すなわち、請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１、第２、第３コイルを有する第１トランスと、第４、第５、第６コイルを有する第２トランスと、第１コイルと第４コイルを直列接続して構成され、第１コイルの一端が直流電源の正極端に接続される第１コイル対と、第２コイルと第５コイルを直列接続して構成され、第５コイルの一端が第４コイルの一端に接続される第２コイル対と、一端が第４コイルの一端に、他端が直流電源の負極端に接続される主スイッチと、一端が第２コイルの一端に、他端が直流電源の負極端に接続される第１コンデンサと、副スイッチと第２コンデンサを直列接続して構成され、一端が主スイッチの一端に、他端が、直流電源の正極端と、直流電源の正極端に接続される第１コイル対の間に接続されるクランプ回路と、主スイッチのスイッチングを制御するとともに、主スイッチと交互にスイッチングするように、副スイッチを制御する制御回路と、を有することを特徴とする。

ここで、第１〜第６コイル、第１及び第２コイル対、第１及び第２コンデンサは、コイル、コイル対及びコンデンサをそれぞれ区別するために便宜的に導入したものである。また、第１、第２、第４、第５コイル、副スイッチ及び第２コンデンサの一端とあるのは、直列接続された素子の反直列接続点側の端部、つまり独立端を示すものである。

この構成によれば、主スイッチがオフ、副スイッチがオンすると、主スイッチの両端間に、常に、直流電源及び第２コンデンサが直列接続されることとなる。そのため、第１コンデンサがオープン故障した場合であっても、第１コイル対の漏れインダクタンスと第２コイル対の漏れインダクタンスに起因して発生するサージ電圧が、主スイッチに加わることはない。従って、第１コンデンサがオープン故障しても、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止することができる。

請求項２に記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１、第２、第３コイルを有する第１トランスと、第４、第５、第６コイルを有する第２トランスと、第１コイルと第４コイルを直列接続して構成され、第１コイルの一端が直流電源の正極端に接続される第１コイル対と、第２コイルと第５コイルを直列接続して構成され、第５コイルの一端が第４コイルの一端に接続される第２コイル対と、一端が第４コイルの一端に、他端が直流電源の負極端に接続される主スイッチと、一端が第２コイルの一端に、他端が直流電源の正極端に接続される第１コンデンサと、副スイッチと第２コンデンサを直列接続して構成され、一端が主スイッチの一端に、他端が、直流電源の正極端と、直流電源の正極端に接続される第１コイル対の間に接続されるクランプ回路と、主スイッチのスイッチングを制御するとともに、主スイッチと交互にスイッチングするように、副スイッチを制御する制御回路と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、第１コンデンサの両端が、ともに、直流電源の正極端に接続されることとなる。そのため、第１コンデンサに加わる電圧を抑えことができる。従って、第１コンデンサとして、体格が小さく低コストである耐圧の低い素子を用いることができる。

請求項３に記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、閉磁路を構成する第１コアと、１次コイルと、２次コイルとを有する第１トランスと、第１コアに対して独立した閉磁路を構成する第２コアと、１次コイルと、２次コイルとを有する第２トランスと、第１トランス及び第２トランスの１次コイルの少なくとも一部を、１ターン毎に交互に第１コア及び第２コアに巻装して構成され、一端が直流電源の正極端に接続される第１コイル群と、第１トランス及び第２トランスの１次コイルの少なくとも一部を、１ターン毎に交互に第１コア及び第２コアに巻装して構成され、一端が第１コイル群の他端に接続される第２コイル群と、一端が第１コイル群の他端に、他端が直流電源の負極端に接続される主スイッチと、一端が第２コイル群の他端に、他端が直流電源の負極端に接続される第１コンデンサと、副スイッチと第２コンデンサを直列接続して構成され、一端が主スイッチの一端に、他端が、直流電源の正極端と、直流電源の正極端に接続される第１コイル群の間に接続されるクランプ回路と、主スイッチのスイッチングを制御するとともに、主スイッチと交互にスイッチングするように、副スイッチを制御する制御回路と、を有することを特徴とする。

この構成によれば、主スイッチがオフ、副スイッチがオンすると、主スイッチの両端間に、常に、直流電源及び第２コンデンサが直列接続されることとなる。そのため、第１コンデンサがオープン故障した場合であっても、第１コイル群の漏れインダクタンスと第２コイル群の漏れインダクタンスに起因して発生するサージ電圧が、主スイッチに加わることはない。従って、第１コンデンサがオープン故障しても、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止することができる。また、第１トランス、第２トランスを特殊形状の専用コアとする必要がない。そのため、コア構造の簡素化と汎用品の流用とが可能となり、コストダウンを図ることができる。そのうえ、１次コイルが、第１トランス、第２トランスに磁気的に１ターン毎に交互に巻かれるため、１次コイルの小型軽量化と、そのコイル総長短縮とを実現し、コイル損失の低減も実現することができる。

請求項４に記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、閉磁路を構成する第１コアと、１次コイルと、２次コイルとを有する第１トランスと、第１コアに対して独立した閉磁路を構成する第２コアと、１次コイルと、２次コイルとを有する第２トランスと、第１トランス及び第２トランスの１次コイルの少なくとも一部を、１ターン毎に交互に第１コア及び第２コアに巻装して構成され、一端が直流電源の正極端に接続される第１コイル群と、第１トランス及び第２トランスの１次コイルの少なくとも一部を、１ターン毎に交互に第１コア及び第２コアに巻装して構成され、一端が第１コイル群の他端に接続される第２コイル群と、一端が第１コイル群の他端に、他端が直流電源の負極端に接続される主スイッチと、一端が第２コイル群の他端に、他端が直流電源の正極端に接続される第１コンデンサと、副スイッチと第２コンデンサを直列接続して構成され、一端が主スイッチの一端に、他端が、直流電源の正極端と、直流電源の正極端に接続される第１コイル群の間に接続されるクランプ回路と、主スイッチのスイッチングを制御するとともに、主スイッチと交互にスイッチングするように、副スイッチを制御する制御回路と、を有することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。

この構成によれば、第１コンデンサの両端が、ともに、直流電源の正極端に接続されることとなる。そのため、第１コンデンサに加わる電圧を抑えことができる。従って、第１コンデンサとして、体格が小さく低コストである耐圧の低い素子を用いることができる。また、第１トランス、第２トランスを特殊形状の専用コアとする必要がない。そのため、コア構造の簡素化と汎用品の流用とが可能となり、コストダウンを図ることができる。そのうえ、１次コイルが、第１トランス、第２トランスに磁気的に１ターン毎に交互に巻かれるため、１次コイルの小型軽量化と、そのコイル総長短縮とを実現し、コイル損失の低減も実現することができる。

請求項５に記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１トランス及び第２トランスの１次コイルの全ては、第１コア及び第２コアに１ターン毎に交互に巻装されていることを特徴とする。この構成によれば、前記効果を最大限に活用することができる。

請求項６に記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１トランス及び第２トランスの１次コイルの一部は、第１コア及び第２コアの少なくとも一方に２ターン以上交互に巻装されていることを特徴とする。この構成によれば、第１トランスの１次コイルのターン数と、第２トランスの１次コイルのターン数とが異なっていても前記効果を実現することができる。

請求項７に記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１トランスは、１次コイルとして第１、第２コイルを、２次コイルとして第３コイルを有し、第２トランスは、１次コイルとして第４、第５コイルを、２次コイルとして第６コイルを有し、第１コイルと第４コイルが直列接続されて第１コイル群をなし、第２コイルと第５コイルが直列接続されて第２コイル群をなしていることを特徴とする。この構成によれば、第１トランス、第２トランスを小型軽量化するとともに製造コストを低減することができる。

請求項８に記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、直流電源の正極端と負極端の間に接続され、入力電圧を平滑する平滑用コンデンサを有し、制御回路は、平滑用コンデンサの端子間電圧、平滑用コンデンサに流れる電流、及び、ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流の少なくともいずれかに基づいて平滑用コンデンサの異常を検出し、異常が発生した場合には、警報を出力することを特徴とする。この構成によれば、平滑用コンデンサの異常を検出し、外部に知らせることができる。

請求項９に記載のＤＣ−ＤＣコンバータは、車両に搭載された電子装置に電力を供給することを特徴とする。この構成によれば、車両に搭載された電子装置に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、第１コンデンサがオープン故障しても、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止することができる。

第１実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。第２実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。第３実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。トランスの構造を示す分解斜視図である。第１コアの正面図である。図４に示すトランスの等価回路である。変形形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。別の変形形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。

次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータを、車両に搭載され、高電圧バッテリの電圧を降圧して電子装置に供給するＤＣ−ＤＣコンバータに適用した例を示す。

（第１実施形態）
まず、図１を参照してＤＣ−ＤＣコンバータの構成について説明する。ここで、図１は、第１実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。

図１に示すＤＣ−ＤＣコンバータ１は、高電圧バッテリＢ１（直流電源）の出力する直流電圧を絶縁して降圧し、車両に搭載された電子装置Ｓ１に供給する装置である。ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、トランス１０、１１（第１トランス、第２トランス）と、入力側回路１２と、出力側回路１３と、制御回路１４とを備えている。

トランス１０、１１は、１次側に入力される交流電圧を降圧して２次側から出力する素子である。トランス１０は、１次コイル１００、１０１（第１コイル、第２コイル）と、２次コイル１０２（第３コイル）とを備えている。トランス１１は、１次コイル１１０、１１１（第４コイル、第５コイル）と、２次コイル１１２（第６コイル）とを備えている。１次コイル１００、１０１、１１０、１１１の巻数は、同一に設定されている。２次コイル１０２、１１２の巻数も、同一に設定されている。１次コイル１００、１０１、１１０、１１１と２次コイル１０２、１０５の巻数比は、例えば８：１に設定されている。１次コイル１００、１１０は、直列接続され、第１コイル対１０００を構成している。１次コイル１０１、１１１は、直列接続され、第２コイル対１００１を構成している。第１コイル対１０００の独立端である１次コイル１１０の一端は、第２コイル対１００１の独立端である１次コイル１１１の一端に接続されている。第１コイル対１０００の独立端である１次コイル１００の一端、及び、第２コイル対１００１の独立端である１次コイル１０１の一端は、入力側回路１２にそれぞれ接続されている。また、２次コイル１０２、１１２の両端は、出力側回路１３にそれぞれ接続されている。

入力側回路１２は、高電圧バッテリＢ１から入力される直流電圧を交流電圧に変換する回路である。入力側回路１２は、主スイッチ１２０と、コンデンサ１２１（第１コンデンサ）と、クランプ回路１２２と、平滑用コンデンサ１２３とを備えている。

主スイッチ１２０は、スイッチングして、高電圧バッテリＢ１から１次コイル１００、１０１、１１０、１１１に供給される電圧を制御する素子である。例えばＭＯＳＦＥＴである。主スイッチ１２０は、スイッチングして、高電圧バッテリＢ１から入力される直流電圧を交流電圧に変換し、１次コイル１００、１０１、１１０、１１１に供給する。主スイッチ１２０の一端は、第１コイル対１０００の独立端である１次コイル１１０の一端に、他端は、高電圧バッテリＢ１の負極端にそれぞれ接続されている。また、制御端（図略）は制御回路１４に接続されている。

コンデンサ１２１は、主スイッチ１２０のスイッチングに伴って充放電され、１次コイル１００、１０１、１１０、１１１との間でエネルギーをやり取りする素子である。コンデンサ１２１の一端は、第２コイル対１００１の独立端である１次コイル１０１の一端に、他端は、高電圧バッテリＢ１の負極端にそれぞれ接続されている。

クランプ回路１２２は、主スイッチ１２０のオフ期間に主スイッチ１２０の両端間に加わる電圧をクランプする回路である。クランプ回路１２２は、副スイッチ１２２ａと、コンデンサ１２２ｂ（第２コンデンサ）とを備えている。副スイッチ１２２ａは、例えばＭＯＳＦＥＴである。クランプ回路１２２は、副スイッチ１２２ａが主スイッチ１２０と交互にスイッチングし、主スイッチ１２０のオフ期間に主スイッチ１２０の両端間に加わる電圧をクランプする。副スイッチ１２２ａとコンデンサ１２２ｂは、直列接続されている。直列接続された副スイッチ１２２ａ及びコンデンサ１２２ｂの独立端である副スイッチ１２２ａの一端は、主スイッチ１２０の一端に、直列接続された副スイッチ１２２ａ及びコンデンサ１２２ｂの独立端であるコンデンサ１２２ｂの一端は、高電圧バッテリＢ１の正極端にそれぞれ接続されている。また、副スイッチ１２２ａの制御端（図略）は制御回路１４に接続されている。

平滑用コンデンサ１２３は、バッテリＢ１の直流電圧を平滑する素子である。平滑用コンデンサ１２３の一端はバッテリＢ１の正極端に、他端はバッテリＢ１の負極端にそれぞれ接続されている。

出力側回路１３は、トランス１０、１１から入力される交流電圧を直流電圧に変換する回路である。出力側回路１３は、２次コイル１０２、１１２の交流電圧を整流する。出力側回路１３は、スイッチ１３０、１３１と、平滑用コンデンサ１３２とを備えている。

スイッチ１３０、１３１は、スイッチングして、２次コイル１０２、１１２の交流電圧を整流する素子である。スイッチ１３０の一端は２次コイル１０２の一端に、他端は平滑用コンデンサ１３２にそれぞれ接続されている。また、制御端（図略）は制御回路１４に接続されている。スイッチ１３１の一端は２次コイル１１２の一端に、他端は平滑用コンデンサ１３２にそれぞれ接続されている。また、制御端（図略）は制御回路１４に接続されている。

平滑用コンデンサ１３２は、スイッチ１３０、１３１によって整流された直流電圧を平滑する素子である。平滑用コンデンサ１３２の一端は２次コイル１０２、１１２の他端に、他端はスイッチ１３０、１３１の他端にそれぞれ接続されている。また、平滑用コンデンサ１３２の両端は電子装置Ｓ１の正極端及び負極端にそれぞれ接続されている。

制御回路１４は、出力電圧が目標電圧となるように、主スイッチ１２０、副スイッチ１２２ａ及びスイッチ１３０、１３１のスイッチングを制御する回路である。また、平滑用コンデンサ１２３の端子間電圧に基づいて平滑用コンデンサ１２３の異常を検出して警報を出力する回路でもある。制御回路１４は、主スイッチ１２０のスイッチングを制御するためのＰＷＭ駆動信号を出力する。主スイッチ１２０と交互にスイッチングするように、副スイッチ１２２ａのスイッチングを制御するためのＰＷＭ駆動信号を出力する。副スイッチ１２２ａ、主スイッチ１２０に同期してスイッチングするように、スイッチ１３０、１３１のスイッチングを制御するためのＰＷＭ駆動信号を出力する。また、出力電圧が目標電圧となるように、ＰＷＭ駆動信号のオンデューティ比を調整する。ここで、オンデューティ比とは、ＰＷＭ駆動信号のオン、オフの１周期に対するオン期間の比率のことである。制御回路１４は、平滑用コンデンサ１２３の端子間電圧の変動が、所定閾値以上であるとき、平滑用コンデンサ１２３がオープン故障等の異常が発生したと判断し、外部に警報を出力する。バッテリＢ１が平滑用コンデンサ１２３から遠く、その間の配線インダクタンス（図略）が大きい場合、平滑用コンデンサ１２３がオープン故障等すると、主スイッチ１２０にかかるサージ電圧が大きくなり、主スイッチが破損する可能性があるからである。制御回路１４の駆動信号出力端（図略）は、主スイッチ１２０、副スイッチ１２２ａ及びスイッチ１３０、１３１の制御端にそれぞれ接続されている。また、電圧検出端は、平滑用コンデンサ１２３の両端にそれぞれ接続されている。

次に、図１を参照してＤＣ−ＤＣコンバータの動作について説明する。

図１において、制御回路１４は、主スイッチ１２０のスイッチングを制御するためのＰＷＭ駆動信号を出力する。主スイッチ１２０と交互にスイッチングするように、副スイッチ１２２ａのスイッチングを制御するためのＰＷＭ駆動信号を出力する。副スイッチ１２２ａ、主スイッチ１２０に同期してスイッチングするように、スイッチ１３０、１３１のスイッチングを制御するためのＰＷＭ駆動信号を出力する。また、出力電圧が目標電圧となるようにＰＷＭ駆動信号のオンデューティ比を調整する。

ＰＷＭ駆動信号が入力されると、主スイッチ１２０と副スイッチ１２２ａは、ＰＷＭ駆動信号のオンデューティ比に従って交互にスイッチングする。スイッチ１３０、１３１は、副スイッチ１２２ａ、主スイッチ１２０にそれぞれ同期して交互にスイッチングする。

主スイッチ１２０がオン、副スイッチ１２２ａがオフすると、高電圧バッテリＢ１から１次コイル１００、１１０に電流が流れる。また、充電されたコンデンサ１２１から１次コイル１０１、１１１に電流が流れ、コンデンサ１２１が放電される。これにより、２次コイル１１２に、コイルの巻数比に応じた降圧された電圧が誘起される。このとき、スイッチ１３０はオフ、スイッチ１３１はオンしている。２次コイル１１２に誘起された電圧は、スイッチ１３１によって整流されるとともに、平滑用コンデンサ１３２によって平滑され、電子装置Ｓ１に供給される。

その後、主スイッチ１２０がオフ、副スイッチ１２２ａオンすると、１次コイル１００、１１０を流れていた電流は、１次コイル１１１、１０１に流れ、コンデンサ１２１を充電する。また、副スイッチ１２２ａを介してコンデンサ１２２ｂに流れ、コンデンサ１２２ｂを充電する。主スイッチ１２０のオン時にトランス１０のコアに蓄積されたエネルギーにより、２次コイル１０２に、コイルの巻数比に応じた降圧された電圧が誘起される。このとき、主スイッチ１２０の両端間に、高電圧バッテリＢ１、コンデンサ１２２ｂが直列接続され、主スイッチ１２０の両端間の電圧が、高電圧バッテリＢ１とコンデンサ１２２ｂの電圧を合算した電圧にクランプされることとなる。また、このとき、スイッチ１３０はオン、スイッチ１３１はオフしている。２次コイル１０２に誘起された電圧は、スイッチ１３０によって整流されるとともに、平滑用コンデンサ１３２によって平滑され、電子装置Ｓ１に供給される。

以降、これらの動作が繰り返され、高電圧バッテリＢ１の電圧が目標電圧に降圧され、電子装置Ｓ１に供給される。

次に、効果について説明する。第１実施形態によれば、主スイッチ１２０がオフ、副スイッチ１２２ａがオンすると、主スイッチ１２０の両端間に、常に、高電圧バッテリＢ１、コンデンサ１２２ｂが直列接続されることとなる。そのため、コンデンサ１２１がオープン故障した場合であっても、第１コイル対１０００の漏れインダクタンスと第２コイル対１００１の漏れインダクタンスに起因して発生するサージ電圧が、主スイッチ１２０に加わることはない。従って、車両に搭載された電子装置Ｓ１に電力を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１において、コンデンサ１２１がオープン故障しても、主スイッチ１２０に加わる電圧を抑え、主スイッチ１２０の破損を防止することができる。

また、第１実施形態によれば、平滑用コンデンサ１２３の異常を検出し、外部に知らせることができる。

なお、第１実施形態では、クランプ回路を構成するコンデンサ及び副スイッチのうち、副スイッチが主スイッチに、コンデンサが直流電源の正極端にそれぞれ接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。副スイッチが直流電源の正極端に、コンデンサが主スイッチにそれぞれ接続されていてもよい。

また、第１実施形態では、制御回路１４が、平滑用コンデンサ１２３の端子間電圧の変動に基づいて、平滑用コンデンサ１２３のオープン故障等の異常を判断する例を挙げているが、これに限られるものではない。図７に示すように、平滑用コンデンサ１２３の正極端子側に電流センサ１２４を設け、平滑用コンデンサ１２３に流れる電流に基づいて、平滑用コンデンサ１２３のオープン故障等の異常を判断するようにしてもよい。また、図８に示すように、高電圧バッテリＢ１と平滑用コンデンサ１２３の間の入力配線に電流センサ１２４を設け、ＤＣ−ＤＣコンバータ１の入力電流に基づいて平滑用コンデンサ１２３のオープン故障等の異常を判断するようにしてもよい。平滑用コンデンサ１２３の端子間電圧、平滑用コンデンサ１２３に流れる電流、及び、ＤＣ−ＤＣコンバータ１の入力電流の少なくともいずれかに基づいて判断すればよい。

（第２実施形態）
次に、第２実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータについて説明する。第２実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータに対して、コンデンサの接続を変更したものである。

まず、図２を参照してＤＣ−ＤＣコンバータの構成について説明する。ここで、図２は、第２実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。ここでは、第１実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータとの相違部分であるコンデンサの接続について説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。

図２に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、トランス２０、２１（第１トランス、第２トランス）と、入力側回路２２と、出力側回路２３と、制御回路２４とを備えている。トランス２０、２１、出力側回路２３及び制御回路２４は、第１実施形態のトランス１０、１１、出力側回路１３及び制御回路１４と同一構成である。

入力側回路２２は、主スイッチ２２０と、コンデンサ２２１（第１コンデンサ）と、クランプ回路２２２と、平滑用コンデンサ２２３とを備えている。主スイッチ２２０、クランプ回路２２２及び平滑用コンデンサ２２３は、第１実施形態の主スイッチ１２０、クランプ回路１２２及び平滑用コンデンサ１２３と同一構成である。

コンデンサ２２１の一端は、第２コイル対２００１の独立端である１次コイル２０１の一端に接続されている。また、他端は、高電圧バッテリＢ２の正極端に接続されている。

動作については、第１実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータ１と同一であるため説明を省略する。

次に、効果について説明する。第２実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、コンデンサ２２１の両端が、ともに、高電圧バッテリＢ２の正極端に接続されることとなる。そのため、コンデンサ２２１に加わる電圧を抑えことができる。従って、コンデンサ２２１として、体格が小さく低コストである耐圧の低い素子を用いることができる。

なお、第２実施形態では、クランプ回路を構成するコンデンサ及び副スイッチのうち、副スイッチが主スイッチに、コンデンサが直流電源の正極端にそれぞれ接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。副スイッチが直流電源の正極端に、コンデンサが主スイッチにそれぞれ接続されていてもよい。

（第３実施形態）
次に、第３実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータについて説明する。第３実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータに対して、トランスの構成を変更したものである。

まず、図３を参照してＤＣ−ＤＣコンバータの構成について説明する。ここで、図３は、第３実施形態におけるＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。ここでは、第１実施形態のＤＣ−ＤＣコンバータとの相違部分であるトランスの構成について説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。

図３に示すように、ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、トランス３０、３１（第１トランス、第２トランス）と、入力側回路３２と、出力側回路３３と、制御回路３４とを備えている。入力側回路３２、出力側回路３３及び制御回路３４は、第１実施形態の入力側回路１２、出力側回路１３及び制御回路１４と同一構成である。

トランス３０は、１次コイル３００、３０１（第１コイル、第２コイル）と、２次コイル３０２（第３コイル）とを備えている。トランス３１は、１次コイル３１０、３１１（第４コイル、第５コイル）と、２次コイル３１２（第６コイル）とを備えている。
１次コイル３００、３１０は、直列接続され、第１コイル群３０００を構成している。１次コイル３０１、３１１は、直列接続され、第２コイル群３００１を構成している。第１コイル群３０００の独立端である１次コイル３１０の一端は、第２コイル群３００１の独立端である１次コイル３１１の一端に接続されている。第１コイル群３０００の独立端である１次コイル３００の一端、及び、第２コイル群３００１の独立端である１次コイル３０１の一端は、入力側回路３２にそれぞれ接続されている。また、２次コイル３０２、３１２の両端は、出力側回路３３にそれぞれ接続されている。

次に、図３〜図６を参照してトランスの構造について説明する。ここで、図４は、トランスの構造を示す分解斜視図である。図５は、第１コアの正面図である。図６は、図４に示すトランスの等価回路である。

図３に示すトランス３０、３１は、図４に示すように、第１コア３５と、第２コア３６と、複合コイル３７〜３９とによって構成されている。

第１コア３５は、閉磁路を構成する部材である。第１コア３５は、２つのＥ形コア３５０によって構成されている。Ｅ形コア３５０は、中央柱部３５０ａと、側柱部と３５０ｂ、横板部３５０ｃとを備えた磁粉成型コアである。図５に示すように、第１コア３５は、所定のギャップを設けて２つのＥ形コア３５０を対向させ構成されている。具体的には、所定のギャップを設けて、互いの中央柱部３５０ａ、側柱部と３５０ｂを対向させて構成されている。

第２コア３６は、第１コア３５に対して独立した閉磁路を構成する部材である。第２コア３６も、Ｅ形コア３５０と同一形状である２つのＥ形コア３６０によって第１コア３５と同様に構成されている。

複合コイル３７は、図３に示す第１コイル群３０００を構成する銅線によって構成されたコイルである。図４に示すように、複合コイル３７は、第１コア３５の中央柱部３５０ａと第２コア３６の中央柱部３６０ａに１ターン毎に交互に巻装されている。複合コイル３７のうち、第１コア３５の中央柱部３５０ａに巻装された部分は１次コイル３００を、第２コア３６の中央柱部３６０ａに巻装された部分は１次コイル３１０をそれぞれ構成している。

複合コイル３８は、図３に示す第２コイル群３００１を構成する銅線によって構成されたコイルである。図４に示すように、複合コイル３８は、第１コア３５の中央柱部３５０ａと第２コア３６の中央柱部３６０ａに１ターン毎に交互に巻装されている。複合コイル３８のうち、第１コア３５の中央柱部３５０ａに巻装された部分は１次コイル３０１を、第２コア３６の中央柱部３６０ａに巻装された部分は１次コイル３１１をそれぞれ構成している。複合コイル３９は、図３に示す２次コイル３０２、３１２を構成する成形銅板によって構成されたコイルである。図４に示すように、第１コア３５の中央柱部３５０ａと第２コア３６の中央柱部３６０ａに巻装されている。複合コイル３９のうち、第１コア３５の中央柱部３５０ａに巻装された部分が１ターンの２次コイル３０２を、第２コア３６の中央柱部３６０ａに巻装された部分が１ターンの２次コイル３１２をそれぞれ構成している。

これにより、図６に示す等価回路のトランスが構成されることとなる。

次に、効果について説明する。第３実施形態によれば、第１実施形態と同様の効果を得ることができる。また、汎用性が高いＥ形コア３５０、３６０を用いてトランス３０、３１を構成することができる。そのため、製造コストを抑えることができる。また、１次コイル３００，３０１、３１０、３１１の配線長さを短縮することができる。また、図４に示すように、引出し線Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２を高さ方向と直角な面内において、４方向に取り出せるため引出し線配置自由度を高めることができる。

なお、第３実施形態では、複合コイル３７、３８の全てが、第１コア３５と第２コア３６に１ターン毎に交互に巻装される例を挙げているが、これに限られるものではない。複合コイル３７、３８の一部が、第１コア３５と第２コア３６の少なくとも一方に２ターン以上交互に巻装されていてもよい。

また、第３実施形態では、第１実施形態に対してトランスの構成を変更した例を挙げているが、これに限られるものではない。第２実施形態に対して同様のトランスの構成を適用してもよい。

さらに、第３実施形態では、図３に示すように、第１実施形態と同様に、コンデンサ３２１の一端が第２コイル群３００１に、他端が高電圧バッテリＢ３の負極端に接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。第２実施形態と同様に、コンデンサ３２１の他端が高電圧バッテリＢ３の正極端に接続されていてもよい。この場合、第２実施形態と同様の効果を得ることができる。

１、２、３・・・ＤＣ−ＤＣコンバータ、１０、１１、２０、２１、３０、３１・・・トランス（第１トランス、第２トランス）、１００、１０１、２００、２０１、３００、３０１・・・１次コイル（第１コイル、第２コイル）、１０２、２０２、３０２・・・２次コイル（第３コイル）、１１０、１１１、２１０、２１１、３１０、３１１・・・１次コイル（第４コイル、第５コイル）、１１２、２１２、３１２・・・２次コイル（第６コイル）、１０００、２０００・・・第１コイル対、１００１、２００１・・・第２コイル対、３０００・・・第１コイル群、３００１・・・第２コイル群、３５・・・第１コア、３６・・・第２コア、３５０、３６０・・・Ｅ形コア、３５０ａ、３６０ａ・・・中央柱部、３５０ｂ、３６０ｂ・・・側柱部、３５０ｃ、３６０ｃ・・・横板部、３７〜３９・・・複合コイル、１２、２２、３２・・・入力側回路、１２０、２２０、３２０・・・主スイッチ、１２１、２２１、３２１・・・コンデンサ（第１コンデンサ）、１２２、２２２、３２２・・・クランプ回路、１２２ａ、２２２ａ、３２２ａ・・・副スイッチ、１２２ｂ、２２２ｂ、３２２ｂ・・・コンデンサ（第２コンデンサ）、１２３、２２３、３２３・・・平滑用コンデンサ、１２４・・・電流センサ、１３、２３、３３・・・出力側回路、１３０、１３１、２３０、２３１、３３０、３３１・・・スイッチ、１３２、２３２、３３２・・・平滑用コンデンサ、１４、２４、３４・・・制御回路、Ｂ１、Ｂ２、Ｂ３・・・高電圧バッテリ（直流電源）、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３・・・電子装置

Claims

第１、第２、第３コイルを有する第１トランスと、
第４、第５、第６コイルを有する第２トランスと、
前記第１コイルと前記第４コイルを直列接続して構成され、前記第１コイルの一端が直流電源の正極端に接続される第１コイル対と、
前記第２コイルと前記第５コイルを直列接続して構成され、前記第５コイルの一端が前記第４コイルの一端に接続される第２コイル対と、
一端が前記第４コイルの前記一端に、他端が前記直流電源の負極端に接続される主スイッチと、
一端が前記第２コイルの一端に、他端が前記直流電源の前記負極端に接続される第１コンデンサと、
副スイッチと第２コンデンサを直列接続して構成され、一端が前記主スイッチの前記一端に、他端が、前記直流電源の前記正極端と、前記直流電源の前記正極端に接続される前記第１コイル対の間に接続されるクランプ回路と、
前記主スイッチのスイッチングを制御するとともに、前記主スイッチと交互にスイッチングするように、前記副スイッチを制御する制御回路と、
を有することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
第１、第２、第３コイルを有する第１トランスと、
第４、第５、第６コイルを有する第２トランスと、
前記第１コイルと前記第４コイルを直列接続して構成され、前記第１コイルの一端が直流電源の正極端に接続される第１コイル対と、
前記第２コイルと前記第５コイルを直列接続して構成され、前記第５コイルの一端が前記第４コイルの一端に接続される第２コイル対と、
一端が前記第４コイルの前記一端に、他端が前記直流電源の負極端に接続される主スイッチと、
一端が前記第２コイルの一端に、他端が前記直流電源の前記正極端に接続される第１コンデンサと、
副スイッチと第２コンデンサを直列接続して構成され、一端が前記主スイッチの前記一端に、他端が、前記直流電源の前記正極端と、前記直流電源の前記正極端に接続される前記第１コイル対の間に接続されるクランプ回路と、
前記主スイッチのスイッチングを制御するとともに、前記主スイッチと交互にスイッチングするように、前記副スイッチを制御する制御回路と、
を有することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
閉磁路を構成する第１コアと、１次コイルと、２次コイルとを有する第１トランスと、
前記第１コアに対して独立した閉磁路を構成する第２コアと、１次コイルと、２次コイルとを有する第２トランスと、
前記第１トランス及び前記第２トランスの前記１次コイルの少なくとも一部を、１ターン毎に交互に前記第１コア及び前記第２コアに巻装して構成され、一端が直流電源の正極端に接続される第１コイル群と、
前記第１トランス及び前記第２トランスの前記１次コイルの少なくとも一部を、１ターン毎に交互に前記第１コア及び前記第２コアに巻装して構成され、一端が前記第１コイル群の他端に接続される第２コイル群と、
一端が前記第１コイル群の他端に、他端が前記直流電源の負極端に接続される主スイッチと、
一端が前記第２コイル群の他端に、他端が前記直流電源の前記負極端に接続される第１コンデンサと、
副スイッチと第２コンデンサを直列接続して構成され、一端が前記主スイッチの前記一端に、他端が、前記直流電源の前記正極端と、前記直流電源の前記正極端に接続される前記第１コイル群の間に接続されるクランプ回路と、
前記主スイッチのスイッチングを制御するとともに、前記主スイッチと交互にスイッチングするように、前記副スイッチを制御する制御回路と、
を有することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
閉磁路を構成する第１コアと、１次コイルと、２次コイルとを有する第１トランスと、
前記第１コアに対して独立した閉磁路を構成する第２コアと、１次コイルと、２次コイルとを有する第２トランスと、
前記第１トランス及び前記第２トランスの前記１次コイルの少なくとも一部を、１ターン毎に交互に前記第１コア及び前記第２コアに巻装して構成され、一端が直流電源の正極端に接続される第１コイル群と、
前記第１トランス及び前記第２トランスの前記１次コイルの少なくとも一部を、１ターン毎に交互に前記第１コア及び前記第２コアに巻装して構成され、一端が前記第１コイル群の他端に接続される第２コイル群と、
一端が前記第１コイル群の他端に、他端が前記直流電源の負極端に接続される主スイッチと、
一端が前記第２コイル群の他端に、他端が前記直流電源の前記正極端に接続される第１コンデンサと、
副スイッチと第２コンデンサを直列接続して構成され、一端が前記主スイッチの前記一端に、他端が、前記直流電源の前記正極端と、前記直流電源の前記正極端に接続される前記第１コイル群の間に接続されるクランプ回路と、
前記主スイッチのスイッチングを制御するとともに、前記主スイッチと交互にスイッチングするように、前記副スイッチを制御する制御回路と、
を有することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記第１トランス及び前記第２トランスの前記１次コイルの全ては、前記第１コア及び前記第２コアに１ターン毎に交互に巻装されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記第１トランス及び前記第２トランスの前記１次コイルの一部は、前記第１コア及び前記第２コアの少なくとも一方に２ターン以上交互に巻装されていることを特徴とする請求項３又は４に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記第１トランスは、前記１次コイルとして第１、第２コイルを、前記２次コイルとして第３コイルを有し、
前記第２トランスは、前記１次コイルとして第４、第５コイルを、前記２次コイルとして第６コイルを有し、前記第１コイルと前記第４コイルが直列接続されて前記第１コイル群をなし、前記第２コイルと前記第５コイルが直列接続されて前記第２コイル群をなしていることを特徴とする請求項３又は４に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
前記直流電源の前記正極端と前記負極端の間に接続され、入力電圧を平滑する平滑用コンデンサを有し、
前記制御回路は、前記平滑用コンデンサの端子間電圧、前記平滑用コンデンサに流れる電流、及び、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの入力電流の少なくともいずれかに基づいて前記平滑用コンデンサの異常を検出し、異常が発生した場合には、警報を出力することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
車両に搭載された電子装置に電力を供給することを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。