JP7281812B2

JP7281812B2 - Ｄｃ／ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP7281812B2
Application number: JP2019184870A
Authority: JP
Inventors: 公一牧野瀬; 芳和伊賀
Original assignee: Time Engineering Co Ltd
Current assignee: Time Engineering Co Ltd
Priority date: 2019-10-08
Filing date: 2019-10-08
Publication date: 2023-05-26
Anticipated expiration: 2039-10-08
Also published as: JP2021061694A

Description

本願に開示の技術は、ＤＣ／ＤＣコンバータの一種であるＣｕｋコンバータに関し、特に、一次側と二次側が絶縁された絶縁型Ｃｕｋコンバータに関する。

Ｃｕｋコンバータは、ＳｌｏｂｏｄａｎＭ．Ｃｕｋ氏の発明によるＤＣ／ＤＣコンバータであって（米国特許第４１８４１９７号）、従来のＤＣ／ＤＣコンバータの回路にインダクタとコンデンサを追加し、入力側と出力側の電流変動を抑制するものである。

Ｃｕｋコンバータには、入力側と出力側とを巻線対で絶縁したものがある。これは、一般に絶縁型Ｃｕｋコンバータと呼ばれている。特許文献１の第１図には、図５に示すように、このような絶縁Ｃｕｋコンバータの一般的な回路例が示されており、巻線対９１３と９２３の一次側に、巻線９１１、コンデンサ９１２、スイッチング素子９１４などが設けられ、巻線対９１３と９２３の二次側に、巻線９２１、コンデンサ９２２、ダイオード９２４などが設けられる。

特開平０２－８７９６５号公報

アースに対し電位変動する主回路内の接続点に対し、互いに等しい対地浮遊容量をもつ他の接続点を準備し、これら一対の接続点同士（以下、これら一対の接続点を「相補接続点対」と呼ぶこととする）に生じる２つの電位の平均値が常にアース電位に対して変化しないように回路を構成することがある。本明細書では、これを「相補接続点対を平衡化する」という。
また、本明細書では、アースに対し電位変動する主回路内のどの接続点も、他の接続点との間に相補接続点対をなし、どの相補接続点対も平衡化する構成とすることができたとき、これを「全接続点を平衡化した」という。
また、主回路内の巻線を２等分割し、バイファイラ巻きとすることで、互いに等しい対地浮遊容量を持たせ（以下、これら一対の巻線を「相補巻線対」と呼ぶこととする）、相補巻線対の一方の巻線の●印の付いた巻線端と、他方の巻線の●印の付いていない巻線端の、アースに対する平均電位に変動がなく、且つ、一方の巻線の●印の付いていない巻線端と他方の巻線の●印の付いた巻線端の、アースに対する平均電位にも変動がないように回路を構成することがある。本明細書では、これを「相補巻線対を平衡化する」という（図１等参照）。
そして、主回路内のすべての巻線が主回路内の他の巻線と相補巻線対を成し、そのすべての相補巻線対を平衡化することができたとき、本明細書では、「全巻線を平衡化した」という。
また、本明細書では、このような、一方の巻線の●印の付いた端点と他方の巻線の●印の付いていない端点の関係を、巻線の中間点にまで拡張して考えるため「相補中間点対」なる用語を次に定義する。
相補巻線対の、一方の巻線の任意の中間点に対し、これと対称な位置にある他方の巻線の中間点を考えるとき、双方の中間点を「相補中間点対」と呼ぶこととする。つまり、一方の巻線の●印の付いた端点と他方の巻線の●印の付いていない端点同士や、他方の巻線の●印の付いた端点と一方の巻線の●印の付いていない端点同士は、相補中間点対をなす極端な例である。そして、相補巻線対を平衡化していれば、相補巻線対の２つの巻線上の相補中間点対をなす２点の電位の平均は、変動しない。

上記のように、図５は、特許文献１の第１図に開示された従来の絶縁型Ｃｕｋコンバータ９００の回路図である。従来の絶縁型Ｃｕｋコンバータ９００では、上記のような相補接続点対を備えることができないため、スイッチング素子９１４が動作すると、図６に示すように、一次側の巻線９１３および二次側の巻線９２３の片側接続点に生じた電位変動は、コンデンサＣＳ９０１、ＣＳ９０２およびＣＳ９０３などの浮遊容量により、電流Ｉｎ９０１およびＩｎ９０２のようにコモンモードノイズ電流となり、入力線を介して流れてしまう。そのコモンモードノイズ電流を低減するため、入力側にコモンモードチョークコイルとＹコンデンサを追加して、このコモンモードノイズ電流を抑える必要があるが、大電力を取り扱うスイッチング回路においてその対策は非常に大きなコストと体積を要求するため、それを簡素化することが大きな技術課題となっている。

本願に開示される技術は、上記の課題を解消すべく提案されたものであって、ＤＣ／ＤＣコンバータの全接続点、または更に全巻線を平衡化して、浮遊容量を経由する複数のコモンモードノイズ電流を相殺させる絶縁型Ｃｕｋコンバータを提供することを目的とする。

請求項１に係る絶縁型Ｃｕｋコンバータは、入力直流電圧源の正負の両端子と各々の一端を接続する第一および第二の巻線と、第一および第二の巻線の各々の他端の間に接続するスイッチング素子と、第一および第二の巻線の各々の他端に各々の一端を接続する第三および第四の巻線と、第三および第四の巻線の各々の他端の間に接続する第一のコンデンサとを備えた一次回路と、出力の正負の両端子と各々の一端を接続する第五および第六の巻線と、第五および第六の巻線の各々の他端の間に接続するダイオード素子と、ダイオード素子の両端に各々の一端を接続する第七および第八の巻線と、第七および第八の巻線の各々の他端の間に接続する第二のコンデンサとを備えた二次回路と、を備えた絶縁型Ｃｕｋコンバータにおいて、第一および第二の巻線の自己インダクタンスは等しく、第三および第四の巻線の自己インダクタンスは等しく、第五および第六の巻線の自己インダクタンスは等しく、第七および第八の巻線の自己インダクタンスは等しく、第一から八までのすべての巻線は同一の磁性体コアに巻かれ磁気結合しており、スイッチング素子の両端が持つ対地浮遊容量が互いに等しく、かつ、ダイオード素子両端が持つ対地浮遊容量が互いに等しくなるように、回路構成したことを特徴とする。

請求項２に係る絶縁型Ｃｕｋコンバータは、請求項１に記載の絶縁型Ｃｕｋコンバータにおいて、第一および第二の巻線を一対のバイファイラ巻きとし、第三および第四の巻線を一対のバイファイラ巻きとし、第五および第六の巻線を一対のバイファイラ巻きとし、第七および第八の巻線を一対のバイファイラ巻きとし、第一から八までの前記バイファイラ巻きとしたすべての一対の巻線が同一の磁性体コアに巻かれていることを特徴とする。

請求項１に係る絶縁型Ｃｕｋコンバータでは、巻数の等しい第一および第二の巻線、周期的に短絡と開放を繰り返すことの可能なスイッチング素子、第一のコンデンサ、巻数の等しい第三および第四の巻線、巻数の等しい第五および第六の巻線、第二のコンデンサ、ダイオード素子、巻数の等しい第七および第八の巻線からなる。ただし、スイッチング素子の両端や、ダイオード素子の両端は、それぞれ導体部を幾何学的に対称に構成することで相補接続点対と見做せるように構成し、全体の回路構成により全接続点の平衡化をも達成している。
相補接続点対の平衡化された回路では、各相補接続点対において対をなす対地浮遊容量を介して流れる２つのコモンモードノイズ電流は互いに相殺することから、グランドを介して外部に流れ出るコモンモードノイズ電流を低減することができる。これにより、コモンモードノイズ電流低減のためのコモンモードチョークコイルやＹコンデンサへの電流負担が減り、回路全体の簡素化が可能になる。

請求項２に係る絶縁型Ｃｕｋコンバータでは、第一および第二の巻線、第三および第四の巻線、第五および第六の巻線、及び第七および第八の巻線は、各々、一対のバイファイラ巻きにて１つのフェライトコアに巻かれている。バイファイラ巻きした一対の巻線であれば、巻線層の深さに差異がなくなることにより、両巻線の対をなす対地浮遊容量を均一にすることができ、各々、相補巻線対を構成し、さらに、この回路構成は「全巻線の平衡化」を達成している。
全巻線の平衡化された回路では、各相補巻線対において対をなす２つの対地浮遊容量を介して流れる２つのコモンモードノイズ電流は、互いに相殺することから、グランドを介して外部に流れ出るコモンモードノイズ電流を低減することができる。これにより、コモンモードノイズ電流低減のためのコモンモードチョークコイルやＹコンデンサへの電流負担が減り、回路全体の簡素化が可能になる。

本発明にかかる一実施形態である絶縁型Ｃｕｋコンバータ回路図である。絶縁型Ｃｕｋコンバータにおいてフェライトコアに各巻線をバイファイラ巻きで巻いた状態を説明する図である。全接続点が平衡化され、かつ、全巻線が平衡化されている主回路からなる、絶縁型Ｃｕｋコンバータにおけるコモンモードノイズ電流を説明する図である。絶縁型Ｃｕｋコンバータにおいてフェライトコアに各巻線をユニファイラ巻きで巻いた状態を説明する図である。従来の絶縁型Ｃｕｋコンバータ回路を示した図である。従来の絶縁型Ｃｕｋコンバータ回路におけるコモンモードノイズ電流を説明する図である。（Ａ）従来のフライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路、（Ｂ）本発明の応用例として平衡化されたフライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路である。図７の（Ｂ）の回路図においてフェライトコアに各巻線を巻いた状態を説明する図である。本発明の応用例として平衡化されたフォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路である。図９の回路図においてフェライトコアに各巻線を巻いた状態を説明する図である。本発明の応用例として平衡化されたアクティブクランプｒｅｓｅｔ付きフォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路である。図１１の回路図においてフェライトコアに各巻線を巻いた状態を説明する図である。

まず、本発明にかかる一実施形態である絶縁型Ｃｕｋコンバータ（以下、単に「Ｃｕｋコンバータ」という。）について図面を参照して説明する。

図１は、本発明にかかる一実施形態であるＣｕｋコンバータ１の回路図を示したものである。Ｃｕｋコンバータ１は一次側電源Ｖｅと二次側出力Ｖｓとの間に配置される。一次側電源Ｖｅは、直流バッテリや、商用電源を整流平滑した直流電源から構成されている。二次側出力Ｖｓには、負荷が接続される。Ｃｕｋコンバータ１には、一次側電源Ｖｅが接続される入力端子１６、１７と、負荷を接続する出力端子２６、２７とが設けられている。Ｃｕｋコンバータ１の動作は、制御部３０により制御される。制御部３０は、ＣＰＵや、ＰＷＭ（パルス幅変調）信号生成回路などを備えている。

Ｃｕｋコンバータ１は、一次側に配置された巻線１３ａと１３ｂ、および、二次側に配置された巻線２３ａと２３ｂからなるトランス４０により隔離された一次側回路１０と二次側回路２０とから構成されている。一次側回路１０は、入力端子１６、１７と、巻線対１１と、コンデンサ１２と、スイッチング素子１４と、巻線１３ａ、１３ｂとから構成されている。

巻線対１１は２つの巻線１１ａと１１ｂとから構成されており、図５に示す従来のＣｕｋコンバータ９００におけるインダクタコイル９１１に相当する巻線を等分に２分割した構成である。

巻線１３ａと１３ｂは、図５に示す従来のＣｕｋコンバータ９００における一次側巻線９１３に相当する巻線を等分に２分割した構成である。巻線１１ａの一端は巻線１３ａの一端と接続されている。巻線１１ｂの一端は巻線１３ｂの一端と接続されている。巻線１３ａの他端と巻線１３ｂの他端との間にはコンデンサ１２が接続されている。すなわち、巻線１１ａと１１ｂ、巻線１３ａと巻線１３ｂ、およびコンデンサ１２は、スイッチング素子１４を無視すれば、図１に示すように直列に接続されている。

スイッチング素子１４は、ＦＥＴ（電界効果トランジスタ）からなり、ドレインとソース間に接続されたダイオード１５を有している。スイッチング素子１４の一方の電極であるドレインは、巻線１１ａと巻線１３ａとの接続点に接続され、他方の電極であるソースは、巻線１１ｂと巻線１３ｂとの接続点に接続されている。スイッチング素子１４のゲートは、制御部３０に接続されている。

二次側回路２０は、出力端子２６、２７と、巻線対２１と、コンデンサ２２と、ダイオード２４と、巻線２３ａ、２３ｂと、コンデンサ２５とから構成されている。

巻線対２１は２つの巻線２１ａと２１ｂとから構成されており、図５に示す従来のＣｕｋコンバータ９００におけるインダクタコイル９２１に相当する巻線を等分に２分割した構成である。

巻線２３ａと２３ｂは、図５に示す従来のＣｕｋコンバータ９００における二次側巻線９２３に相当する巻線を等分に２分割した構成である。巻線２１ａの一端は巻線２３ａの一端と接続されており、巻線２１ｂの一端は巻線２３ｂの一端と接続されている。巻線２３ａの他端と巻線２３ｂの他端との間にはコンデンサ２２が接続されている。すなわち、巻線２１ａと２１ｂ、巻線２３ａと２３ｂ、およびコンデンサ２２は、ダイオード２４を無視すれば、図１に示すように直列に接続されている。

ダイオード２４の一方の電極であるカソードは、巻線２１ａと巻線２３ａとの接続点に接続され、他方の電極であるアノードは、巻線２１ｂと巻線２３ｂとの接続点に接続されている。コンデンサ２５は、出力電圧を平滑化するためのコンデンサであって、出力端子２６、２７の間に接続されている。更に、スイッチング素子１４の両端の導体部や、ダイオード２４の両端の導体部を幾何学的に対称に構成することで相補接続点対と見做せるようにし、全体の回路構成によりこれら相補接続点対の平衡化をも達成する。

次に、各巻線の巻き方について説明する。図２は、Ｃｕｋコンバータ１においてフェライトコアに各巻線を巻いた状態を説明する図である。

Ｃｕｋコンバータ１を構成する巻線１１ａ（図中の「▽」「○」で示した巻線の１つ）と１１ｂ（図中の「▼」「●」で示した巻線の１つ）、巻線１３ａ（図中の「▼」「●」で示した巻線の１つ）と１３ｂ（図中の「▽」「○」で示した巻線の１つ）、巻線２１ａ（図中の「▲」「●」で示した巻線の１つ）と２１ｂ（図中の「△」「○」で示した巻線の１つ）、巻線２３ａ（図中の「△」「○」で示した巻線の１つ）と２３ｂ（図中の「▲」「●」で示した巻線の１つ）は、図２に示すように、１つのフェライトコア２８に巻かれている。最内層には、巻線２３ａと２３ｂとがバイファイラ巻きにて巻かれている。その外層側には順に巻線２１ａと２１ｂ、巻線１１ａと１１ｂ、そして、最外層には、巻線１３ａと１３ｂとがそれぞれバイファイラ巻きにて巻かれている。

次に、上記のように構成されたＣｕｋコンバータ１におけるコモンモードノイズ電流の低減について、図３および図４を参照して説明する。

図３は、本発明にかかるＣｕｋコンバータ１におけるコモンモードノイズ電流を説明する図である。上記のように、巻線１１ａと１１ｂ、巻線１３ａと１３ｂ、巻線２１ａと２１ｂ、巻線２３ａと２３ｂは、巻数の等しい巻線対である。等しい巻数の巻線には常に等しい電圧が誘起されるので、スイッチング素子１４およびダイオード２４の両端の電位や、巻線１３ａと１３ｂの任意の相補中間点対をなす２点、および、巻線２３ａと２３ｂの任意の相補中間点対をなす２点は、図３に示すように、相補的に変化する。本発明にかかるＣｕｋコンバータ１のように平衡化された回路では、スイッチング素子１４の両端、ダイオード２４の両端、巻線１３ａと１３ｂの任意の相補中間点対をなす２点、および、巻線２３ａと２３ｂの任意の相補中間点対をなす２点は、すべて、前述した相補接続点対または相補巻線対を構成し、かつ、全体回路の構成により、相補接続点対にあってはその平衡化を、相補巻線対にあってはその平衡化を、それぞれ達成する。

相補接続点対の平衡化された回路では、各相補接続点対において対をなす対地浮遊容量ＣＳ１とＣＳ２、ＣＳ３とＣＳ４、ＣＳ５とＣＳ６、ＣＳ７とＣＳ８、ＣＳ９とＣＳ１０、および、ＣＳ１１とＣＳ１２を介して流れるコモンモードノイズ電流Ｉｎ１、Ｉｎ２、Ｉｎ３、Ｉｎ４、Ｉｎ５、Ｉｎ６は互いに相殺されることから、グランドを介して外部に流れ出るコモンモードノイズ電流Ｉｎ７を低減することができる。これにより、コモンモード電流低減のためのコモンモードチョークコイルやＹコンデンサへの電流負担を減らしてり、回路全体の簡素化が可能になる。そのため、回路全体を簡素化することが可能になる。

しかし、巻線１１ａと１１ｂ、巻線１３ａと１３ｂ、巻線２１ａと２１ｂ、巻線２３ａと２３ｂを図４に示すように、ユニファイラ巻きにてフェライトコア２８に巻くと、巻線１１ａと巻線１１ｂとの間、巻線１３ｂと巻線１３ａとの間、巻線２１ｂと巻線２１ａとの間、巻線２３ｂと巻線２３ａとの間では巻線層の深さに差異が生じ、そのため、両巻線の対地浮遊容量が不均一となり、コモンモードノイズ電流が発生するおそれがある。

そこで、本発明にかかるＣｕｋコンバータ１では、上記図２に示すように、巻線１１ａと１１ｂ、巻線１３ａと１３ｂ、巻線２１ａと２１ｂ、巻線２３ａと２３ｂを、各々、バイファイラ巻きにてフェライトコア２８に巻いている。上記のようにバイファイラ巻きした一対の巻線（例えば、巻線１１ａと１１ｂ）であれば、巻線層の深さに差異がなくなることにより、両巻線の対地浮遊容量を均一にすることができる。そのため、各一対の巻線（巻線１１ａと１１ｂ、巻線１３ａと１３ｂ、巻線２１ａと２１ｂ、巻線２３ａと２３ｂ）を、それぞれ、バイファイラ巻きにて巻くことにより、巻線層の深さに差異がなくなり、浮遊容量の差異が原因となって発生するコモンモードノイズ電流を抑制することができる。

以上、上記の通り、本発明にかかるＣｕｋコンバータ１では、全接続点を平衡化し、かつ、各巻線のペアをバイファイラ巻きにすることにより、全巻線を平衡化し、効果的にコモンモードノイズ電流を抑制することができるのである。

ここで、巻線１１ａおよび巻線１１ｂは第一および第二の巻線の一例であり、スイッチング素子１４はスイッチング素子の一例であり、巻線１３ａおよび巻線１３ｂは第三および第四の巻線の一例であり、コンデンサ１２は第一のコンデンサの一例であり、一次側回路１０は一次回路の一例であり、巻線２１ａおよび巻線２１ｂは第五および第六の巻線の一例であり、ダイオード２４はダイオード素子の一例であり、巻線２３ａおよび巻線２３ｂは第七および第八の巻線の一例であり、コンデンサ２２は第二のコンデンサの一例である。

以上、本発明の実施形態について詳述してきたが、これらはあくまでも例示であって、本発明はかかる実施形態における具体的な記載によって、何等、限定的に解釈されるものでなく、当業者の知識に基づいて種々なる変更、修正、改良等を加えた態様において実施され得るものであり、また、そのような実施態様が、本発明の趣旨を逸脱しない限り、何れも、本発明の範囲内に含まれるものであることが、理解されるべきである。

例えば、スイッチング電源の全接続点の平衡化とバイファイラ巻きによる全巻線の平衡化は、上記実施形態である絶縁型Ｃｕｋコンバータにのみ適応可能ではなく、他の様々な形式の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにも応用可能である。

図７および図８は、フライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に応用した例を示したものである。図７の（Ａ）は、従来のフライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路１００を示したものであり、図７の（Ｂ）は、本発明の応用例として全接続点および全巻線を平衡化したフライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２００を示したものである。そして、図８は、全接続点および全巻線を平衡化したフライバック型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２００においてフェライトコア２２８に等分に分割された巻線２１３ａと巻線２１３ｂ、および、巻線２２３ａと巻線２２３ｂをバイファイラ巻きにて巻いた状態を示したものである。

また、図９および図１０は、フォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に応用した例を示したものである。図９は、本発明の応用例として全接続点および全巻線を平衡化したフォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３００を示したものである。そして、図１０は、フォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路３００においてフェライトコアに等分に分割された巻線３１３と巻線３１４、巻線３２１と巻線３２２、および、巻線３２５と巻線３２６をバイファイラ巻きにて巻いた状態を示したものである。

また、図１１および図１２は、アクティブクランプｒｅｓｅｔ付きフォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路に応用した例を示したものである。図１１は、本発明の応用例として全接続点および全巻線を平衡化したフォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路４００を示したものである。そして、図１２は、アクティブクランプｒｅｓｅｔ付きフォワード型ＤＣ／ＤＣコンバータ回路４００においてフェライトコアに等分に分割された巻線４１５と巻線４１６、巻線４２１と巻線４２２、および、巻線４２５と巻線４２６をバイファイラ巻きにて巻いた状態を示したものである。

このように、絶縁型Ｃｕｋコンバータに限定することなく、様々な形式の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいても、全接続点を平衡化し、かつ、等分に分割された各巻線対をフェライトコアに対してバイファイラ巻きにて巻くことにより、コモンモードノイズ電流を効果的に低減することができるのである。

１・・Ｃｕｋコンバータ
１０・・一次側回路
１１ａ、１１ｂ、１３ａ、１３ｂ、２１ａ、２１ｂ、２３ａ、２３ｂ・・巻線
１２・・コンデンサ
１４・・スイッチング素子
１６、１７・・入力端子
２０・・二次側回路
２２・・コンデンサ
２４・・ダイオード
２５・・コンデンサ
２６、２７・・出力端子
３０・・制御部

Claims

入力直流電圧源の正負の両端子と各々の一端を接続する第一および第二の巻線と、該第一および第二の巻線の各々の他端の間に接続するスイッチング素子と、前記第一および第二の巻線の各々の他端に各々の一端を接続する第三および第四の巻線と、該第三および第四の巻線の各々の他端の間に接続する第一のコンデンサとを備えた一次回路と、
出力の正負の両端子と各々の一端を接続する第五および第六の巻線と、該第五および第六の巻線の各々の他端の間に接続するダイオード素子と、該ダイオード素子の両端に各々の一端を接続する第七および第八の巻線と、該第七および第八の巻線の各々の他端の間に接続する第二のコンデンサとを備えた二次回路と、を備えた絶縁型Ｃｕｋコンバータにおいて、
前記第一および第二の巻線の自己インダクタンスは等しく、
前記第三および第四の巻線の自己インダクタンスは等しく、
前記第五および第六の巻線の自己インダクタンスは等しく、
前記第七および第八の巻線の自己インダクタンスは等しく、
前記第一から八までのすべての巻線は同一の磁性体コアに巻かれ磁気結合しており、
前記スイッチング素子の両端が持つ対地浮遊容量が互いに等しく、かつ、
前記ダイオード素子両端が持つ対地浮遊容量が互いに等しくなるように、回路構成したことを特徴とする絶縁型Ｃｕｋコンバータ。
前記第一および第二の巻線を一対のバイファイラ巻きとし、
前記第三および第四の巻線を一対のバイファイラ巻きとし、
前記第五および第六の巻線を一対のバイファイラ巻きとし、
前記第七および第八の巻線を一対のバイファイラ巻きとし、
前記第一から八までの前記バイファイラ巻きとしたすべての一対の巻線が同一の磁性体コアに巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の絶縁型Ｃｕｋコンバータ。