JPH0327772A - スイッチ回路 - Google Patents

スイッチ回路

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JPH0327772A
JPH0327772A JP1156788A JP15678889A JPH0327772A JP H0327772 A JPH0327772 A JP H0327772A JP 1156788 A JP1156788 A JP 1156788A JP 15678889 A JP15678889 A JP 15678889A JP H0327772 A JPH0327772 A JP H0327772A
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柳沼 隆男
Kenichi Onda
謙一 恩田
Yasuo Matsuda
松田 靖夫
Koichi Mizuta
水田 浩一
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、DC−DCコンバータに係り、特に、無損失
のスナバ回路,及び小形化を図ったスイッチ回路を用い
、高周波化,小形化かつ高効率化を実現するのに好適な
DC−DCコンバータに関し、かつ前記小形化を図った
DC−DCコンバータを組み込んで小形軽量化を実現す
るのに好適な電子計算機にも関する。
〔従来の技術〕
直流電圧源,負荷及びスイッチ素子が直列に接続され,
前記スイッチ素子のオンオフによって負荷に電力を供給
するDC−DCコンバータにおいては、小形化が最も重
要な課題である。小形化を実現する有効な手段の一つは
回路動作の高周波化であり、高周波化によって磁性部品
、コンデンサ等の受動部品を小形にすることができる.
高周波化小形化を図ったDC−DCコンバータのー・例
として,第16図に示す方式が既に知られている.同図
において、3は直流電圧源、4−l,4−2は電源分割
用コンデンサ.5−1.5−2はMOS−FET、19
−1.19−2は充放電スナバ,18は変圧器.9−1
.9−2は整流ダイオード、11は出力平滑用リアクト
ル、12は出力平滑用コンデンサ,33は負荷である.
〔発明が解決しようとする課題〕 以下.DC−DCコンバータの高周波化,小形化を阻害
する要因を述べる. DC−DCコンバータの高周波化,小形化を阻害する第
1の要因は、スイッチング損失の増大である.スイッチ
ング損失は周波数にほぼ比例して増大する.このため,
高周波になる程、スイッチ素子の冷却ファンが大形化し
,コンバータの小形化が困難になる。上記従来技術では
、スイッチ素子であるMOS−FET5−1.5−2と
それぞれ並列に抵抗、コンデンサ及びダイオードからな
る充放電スナバ19−1.19−2を接続することによ
ってスイッチ素子のターンオフ損失を低減しており、こ
れによって高周波化,小形化を実現している.ところが
、この一例では、充放電スナバが無損失でなく、コンデ
ンサに吸収されたエネルギが抵抗で消費された大きな損
失を発生しているという問題がある.このため、このス
ナパ回路を用いたDC−DCコンバータは、高周波化に
伴って抵抗が大形化し、コンバータの小形化が困難にな
る.また,電源の効率も低い. 次に、DC−DCコンバータの高周波化,小形化を阻害
する第2の要因は,二次側重なり期間による最大の実効
オン時比率の低下である。第16図のように出力平滑回
路がチョーク入力型の構成になっている場合,スイッチ
素子をオンした直後、変圧器の二次側での転流が変圧器
の漏れインダクタンス、配線インダクタンス等によって
抑制されて緩やかに起こり、ある期間は変圧器の二次側
が短絡されている.この期間が二次側重なり期間と呼ば
れる.この期間では、スイッチ素子がオンしているにも
かかわらず負荷へ電力が伝達されない.チョーク入力型
の出力平滑回路を有するDC−DCコンバータでは、高
周波になる程、二次側重なり期間の周期に占める割合が
増大し、最大の実効オン時比率が低下する.このため、
最小入力電圧、最大負荷電流の場合に出力電圧を確保す
るには,変圧器の巻数を小さく設定せざるをえない。
この結果、負荷電流の一次側換算値が増加して一次側回
路での損失も増大し、冷却フィンの大形化,部品の実装
密度の低下を招き,コンバータの小形化を達成すること
が困難になる.上記従来技術では、この点に関する配慮
もなされておらず、コンバータの高周波化,小形化が困
難となっている。
この問題は、高周波になる程、低電圧出力になる程,ま
た大電流出力になる程、大きくなる。
次に、DC−DCコンバータの高周波化,小形化を阻害
する第3の要因は、電源短絡防止用のデッドタイムによ
る最大オン時比率の低下である.第16図のように、直
流電圧源と2個のスイッチ素子5−1.5−2だけで閉
ループを構成する場合、スイッチ素子5−1.5−2が
同時にオンになると、電源短絡を生じる。この場合、ス
イッチ素子に過大な電流が通流し、素子を破壊に至らし
める恐れがある.この電源短絡を防止するため、素子特
性を含めた回路特性のばらつき等を考慮してもスイッチ
素子が決して同時に導通しないように,2つのオン信号
間にデッドタイムが設けられる.通常、デッドタイムは
、素子のターンオフタイムと同程度の値に設定される.
例えば.500V,30A級ノMO S − F E 
Tの場合には、デッドタイムが1μs前後必要になる。
この素子を第16図の回路に用いてスイッチング周波数
200kHzで動作させる場合、デッドタイムは,半周
期の約40%も占めてしまう。すなわち、最大オン時比
率が低下する.このため、最小入力電圧、最大負荷電流
の場合に出力電圧を確保するには,上述したように,変
圧器の巻数を小さく設定せざるをえない。この結果、負
荷電流の一次側換算値が増加して一次側回路での損失も
増大し、冷却フィンの大形化、部品の実装密度の低下を
招き、コンバータの小形化を達或することが困難になる
.上記従来技術では、この点に関する配慮もむされてお
らず、コンバータの高周波化,小形化が困難となってい
る。
以上のように、DC−DCコンバータの高周波小形化を
阻害する主な要因は,スイッチング損失の増大、二次側
重なり期間による最大の実効オン時比率の低下、電源短
絡防止用デッドタイムによる最大オン時比率の低下であ
る。
本発明の目的は、スイッチング損失の低減、二次側重な
り期間の短縮,電源短絡防止用デッドタイムの削除を図
り、高周波化,小形化と高効率化を実現したDC−DC
コンバータを提供することである. 〔課題を解決するための手段〕 上記の目的は、直流電圧源に2個以上のコンデンサの直
列接続体を並列に接続し、各コンデンサを直流電圧源と
して動作するように各々のコンデンサに、該コンデンサ
と変圧器の一次巻線とスイッチ素子が直列に接続されス
イッチ素子のオンオフによって該変圧器の二次巻線から
負荷に電力を供給する一石フォワードコンバータを接続
し、前記一石フォワードコンバータでは、スイッチ素子
のターンオフ時には該スイッチ素子と並列にスナパコン
デンサを接続し、該スイッチ素子のターンオン時には前
記コンデンサと前記スナバコンデンサを直列にかつ各々
の電圧が加極性になるように接続することで達或できる
. 〔作用〕 スイッチ素子のターンオフ時には、該スイッチ素子と並
列にスナバコンデンサが接続される。これによって、ス
イッチ素子のターンオフ損失が低減できる。また、この
スナバコンデンサに蓄えられたエネルギは、スイッチ素
子のターンオン時に負荷へ伝達されるので損失にならな
い。
また,スイッチ素子のターンオン時の当初には、直流電
圧源とみなせるコンデンサとスナバコンデンサの電圧の
和の高電圧が,一石フォワードコンバータの変圧器の一
次側巻線の両端に印加される.これによって、一次側電
流の電流上昇率が大きくなって二次側での転流が加速さ
れ、変圧器の二次側重なり期間が短縮できる. 次に、直流電圧源に2個以上のコンデンサの直列接続体
が並列に接続され、各コンデンサを直流電圧源として動
作するように夫々のコンデンサに一石フォワードコンバ
ータが接続されている。ここで,各々の一石フォワード
コンバータのスイッチ素子を同時にオンさせたとしても
、直流電圧源と各スイッチ素子からなる閉ループには負
荷が挿入されているので、電源短絡が生じることは無い
.このため、電源短絡防止用のデッドタイムは不要にな
る。
以上から、スイッチング損失の低減、二次側重なり期間
の短縮および電源短絡防止用のデッドタイムの削除を図
ることができ、高周波小形でかつ高効率のDC−DCコ
ンバータを実現できる。
〔実施例〕
以下、本発明の実施例の詳細を図面に基づき説明する. まず第1図〜第3図を用いて本発明の一実施例を説明す
る。
第1図は、本発明のDC−DCコンバータの一実施例の
回路構成である。同図において、3は直流電圧源、4−
1.4−2は電源分割用コンデンサ、5−1〜5−4は
MOS−FET,6−1〜6−4はダイオード、7−1
.7−2はコンデンサ、8−1.8−2は帰還ダイオー
ド、9−1,9−2は整流ダイオード、10−1.10
−2は環流ダイオード,11−1.11−2は出カ平滑
用リアクトル、12は出力平滑用コンデンサ、33は負
荷である。また、1−1.1−2はスナバ回路、2−1
.2−2はスイッチ回路,34−1.34−2はそれぞ
れ電源分割用コンデンサ4−1.4−2は直流電圧源と
する一石フォワードコンバータである。2つの一石フォ
ワードコンバータの出力は、並列になっている。また、
2つの一石フォワードコンバータ34−↓,34−2は
,それぞれ同様な動作を行う。なお、従来の一石フオワ
ードコンバータでは、スイッチ回路2−1,2−2がそ
れぞれ1個のスイッチ素子になっている。
第2図は、第1図の回路各部の動作波形である。
同図では、変圧器の一次巻線の巻線ntとリセット巻線
の巻数n8が等しく、また、二次側重なり期間を無視し
た場合を示している.同図に示すように,−サイクルは
状態I〜■からなる。また、同図の電圧電流の記号の定
義は,第1図中に図示してある. 第3図に第1図の回路の一次側電流の通流経路を示す。
ただし、本図は第1図の一石フォワードコンバータ34
−lの部分を示したものである。
第3図において、(a)は第2図の状態t,(b)は第
2図の状態n.(c)は第2図の状態■における電流通
流経路であり、また、第1図と同じ要素には同符号を付
している. 以下,第2図,第3図を用いて、第1図の回路動作を説
明する。
まず、時刻1=0において、コンデンサ7−1の電圧v
cは、後述するように,電源分割用コンデンサ4−1の
電圧E▲の2倍になっている。ここで、MOS−FET
5−1.5−2を同時にターンオンすると,第3図(a
)のように、コンデンサ7−1の電圧vcが図示の極性
になっているのでダイオード6−1.6−2がオフであ
り、一次側電流Io’はスイッチ回路2−1のなかでM
OS−FET5−1、コンデンサ7−1、MOS−FE
T5−2を通って流れる.同時に、コンデンサ7−1は
,一次側電流Io  によって放電してゆく。すなわち
、コンデンサ7−1に蓄えられたエネルギは、負荷に伝
達されて損失にならない。
ここで、電源分割用コンデンサ4−1とコンデンサ7−
1は、直列にかつ電圧が加極性になるように接続されて
いる.なお,一次側電流工0 は,出力平滑用リアクト
ル11−1に通流する略一定の電流Ioの一次側換算値
である.変圧器の一次巻線の電圧v1は、電源分割用コ
ンデンサ4−1の電圧Et とコンデンサ7−1の初期
電圧2 E tの和の3Etから,コンデンサ7−1の
放電に伴つて、Eiへと減少してゆく。二次側では、整
流ダイオード9−1がオンし、環流ダイオード1o一1
がオフになっている.次に、時刻1 =1 1において
、コンデンサ7−1が完全に放電した後、一次側電流I
O  は,第3図(b)のように,スイッチ回路2−1
のなかで等分に2分岐して流れる。
次に、時刻t :F t zにおいて、MOS−FET
5−1.5−2を同時にターンオフすると、コンデンサ
7−1は、一次側電流工0 が第3図(Q)に示すよう
にスイッチ回路2−1の中でダイオード6−1,コンデ
ンサ7−1及びダイオード6−2を通って流れるために
、図示の極性に充電されてゆく.このとき、コンデンサ
7−1は、MOS−FET5−1.5−2と並列に接続
され、これらのスイッチ素子のスナバとして働く.次に
,時刻t=t3において、コンデンサ7−1の電圧VC
が電源分割用コンデンサ4−1の電圧E,に達し、同時
に変圧器の一次巻線n1の電圧V1が零になると、整流
ダイオード9−1がオフ,環流ダイオード10−1がオ
ンになり,変圧器の二次側は短絡される.その後、今度
は、変圧器の励磁電流によってコンデンサ7−1が充電
されてゆき、この電圧vcが電源分割用コンデンサ4−
1の電圧E,の2倍まで上昇する。次に、時刻t =t
 4において,コンデンサ7−1の電圧Vcがこの電圧
に達すると、帰還ダイオード8−1がオンになって変圧
器の磁束リセットが行われ、VCは2EIにクランプさ
れる.次に、時刻t=tsにおいて、変圧器の磁束リセ
ットが完了すると、変圧器の一次巻線nlの電圧v1は
零になる。
以上のように、MOS−FET5−1,.5−2のター
ンオフ時には、MOS−FET5−1.5一2と並列に
コンデンサ7−1が接続され、それまでMOS−FET
5−1.5−2に流れていた電流がコンデンサ7−1に
転流すると共に、コンデンサ7−1の電圧VCが式(1
)の電圧上昇率で緩やかに上昇する. d vc/ d t = I o’ / C     
   ”・(1)ここで,Cはコンデンサ7−1の容量
である.このため、MOS−FET5−1.5−2のタ
−ンオフ損失はほとんど発生しない.また、コンデンサ
7−1に蓄えられたエネルギは、MOS−FET5−1
.5−2のターンオン後に負荷へ伝達されて損失になら
ない.すなわち、スイッチ回路2−1は、無損失のスナ
バ回路1−1を含む構成になっている.以上から、本実
施例では、新たな損失を発生させることなくスイッチン
グ損失を低減できるので、DC−DCコンパータの高周
波化,小形化と高効率化を図ることができる効果がある
第4図と第5図は、二次側重なり期間を短縮することが
できることを説明する図である.第4図は、第1図の一
石フォワードコンバータ34−1における二次側重なり
期間での等価回路である.ここでは、全ての電圧電流を
一次側換算してある.14は変圧器の等価回路.15は
変圧器の励磁インダクタンス、16は変圧器の漏れイン
ダクタンス,17は直流電流源である.なお、変圧器の
二次側の配線インダクタンスは、変圧器の漏れインダク
タンスと等価であり,これに含める.同図において、第
1図と同じ要素は同符号を付してある.また、直流電流
源17は第1図の出カ平滑用リアクトル11−1を模擬
している.第5図は第4図の回路各部の動作波形である
. 以下、第5図を用いて,第4図の回路の動作を説明する
.時刻1=0において、一次側電流11は零であり、ま
た、直流電流源17の電流IOは環流ダイオード10−
1を通って流れている。
ここで、MOS−FET5−1.5−2をターンオンす
ると、一次側電流ixは,第4図に図示した経路で流れ
、式(2)の電流上昇率で零から徐々に増加してゆく. dir/dt毒3 E t / L t       
・・・(2)ここで、Ltは変圧器14の漏れインダク
タンス16である.環流ダイオード10−1は、一次側
の電流ixが直流電流源17の電流工0 に達する時刻
1 =1 1まで、オンを持続する。このため、変圧器
の二次側の電圧v ,I  は、変圧器の一次巻線の電
圧v1が非零にもかかわらず零のままである.この期間
が二次側重なり期間Tである。
ここで、二次側重なり期間Tは、式(3)で表ゎされる
. T= Io’ / (d ix/dむ)      ・
・・(3)ところで、第1図の出力平滑用リアクトル1
l一1の略一定の電流IOとこの電流の一次側換算値で
あるIo  の関係は、式(4)で表わされる。
I o’ = I o/ a            
−(4)ここで、aは変圧器の巻数比(=一次巻線n1
/二次巻数nz)である.また,議論を簡単にするため
に、変圧器の漏れインダクタンスが零であり、二次側の
配線インダクタンスをLとすれば、Ll とLの関係は
、式(5)で与えられる.I,t=a2L      
        −(5)式(2) , (4)及び(
5)を式(3)式へ代入すれば、次式(6)が得られる
.. Tea IoL/ (3Et)        ・・・
(6)重なり期間Tは、式(6)からわかるように,変
圧器の巻数比aが大きいほど即ち出力電圧が低い程、負
荷電流Ioが大きい程、電源電圧が小さい程、長くなる
従来方式の場合、スイッチ回路2−1をMOS一FET
1個に置き換えたものであり、一次側電流ilは、コン
デンサ7−1がないために式(7)の電流上昇率で徐々
に増加してゆく. d i t/ d t =Et/ Ll       
 ・・・(7)本方式での重なり期間は、式(7) ,
 (2)を比べれば、電源電圧が3倍となっており、二
次側重り期間は従来方式と比べて約1/3にも短縮でき
ることになる.すなわち、本実施例では、スイッチ素子
がターンオンした当初、電源分割用コンデンサ4−1と
コンデンサ7−1の電圧の和の高電圧を変圧器の一次巻
線に印加して一次側電流の立上りを高速にすることで,
重なり期間を短縮している.このため、本実施例では、
最大の実効オン時比率を増加させることができ、DC−
DCコンバータの高周波化,小形化と高効率化を図るこ
とができる効果がある。この効果は,低電圧大電流出力
の電源になる程、大きくなる. この二次側重なり期間が特に高周波化,小形化の障害に
なる電源として、低電圧大電流出方の電子計算機用電源
等が挙げられ本方式のDC−DCコンバータを用いるこ
とにより小形化,軽量化を図れる. 次に、第1図の一実施例では、電源短終が生じないこと
を説明する.同図において、MOS−FET5−1〜5
−4の全てが同時にオンになる場合を考える。直流電圧
源3とMOS−FET5−1〜5−4からなる閉ループ
には、変圧器の一次巻線すなわち負荷が必ず挿入されて
いる。このため、電源短源が生じない。したがって、第
1図のコンバータでは、MOS−FET5−1.5−2
と5−3.5−4の間に電源短轄防止用のデッドタイム
が不要となる.これによって、本実施例では、最大オン
時比率を増加させることが可能になり、DC−DCコン
バータの高周波化,小形化と高効率化を図ることができ
る効果がある.また、上記では、変圧器の一次巻線の巻
数nlとリセット巻線の巻数n3を等しいとしているが
、等しくなくてもよい.この場合,na>nxとすれば
最大オン時比率を50%以上に増加させることも可能に
なる。
なお、スイッチ回路2−1は、ハーフブリッジフリブリ
ッジ方式等の他のDC−DCコンバータにも適用ができ
る.この場合にも、スイッチング損失の低減と二次側重
なり期間の短縮を図ることができる効果がある。
第6図は本発明の他の一実施例を示すDC−DCコンバ
ータの回路構成である.13は負荷回路である.同図に
おいて、第1図と同じ要素には同符号を付し,てある。
同図の回路は、基本構成がハーフブリッジ方式であり、
2個のスイッチ素子の直列体をスイッチ回路2として用
いたものである. 第7図は第6図の回路各部の動作波形である。
同図の電圧の記号の定義は、第6図に図示してある. 以下、第7図を用いて第6図の回路の動作を説明する. 時刻Oの時、コンデンサ7の電圧V。は、後述するよう
に,電源分割用コンデンサ4−1の電圧EIと等しい値
となっている.この時点において、MOS−FET5−
1.5−2を同時にターンオンすると、ダイオード6−
1がコンデンサ7の電圧VCによって逆バイアスされて
オフであり、一次側電流はMOS−FET5−2,コン
デンサ7を通って流れる.この時、電源分割用コンデン
サ4−1とコンデンサ7は直列にかつ電圧が加極性にな
るように接続される.変圧器の一次巻線n1の電圧v1
は、コンデンサ7の放電に伴って2E1からE1へ減少
する.次に、時刻11でコンデンサ7の電圧vcが零に
なった以降,一次側電流は、MOS−FET5−1,ダ
イオード6−1を通って流れる。次に、時刻t2でMO
S−FET5−1をターンオフすると、一次側の電流は
MOS−FET5−2,コンデンサ7を通って流れる。
同時に、コンデンサ7は充電される。次に時刻t3でコ
ンデンサ7の電圧VCがーE,に達した以降、整流ダイ
オード9−1.9−2がオフになり、次側電流はOにな
る,MOS−FET5−2のオフ信号は、この時点以降
に与える.以上が、時刻0 ” t aまでの半サイク
ルの回路動作である.次の半サイクルの動作は、回路の
対称性に応じたものになる. 以上のように、MOS−FET5−1のターンオフ時に
は、コンデンサ7がこのスイッチ素子と並列に接続され
てスナバとして働く。MOS−FET5−3のターンオ
フ時には、コンデンサ7がこのスイッチ素子と並列に接
続されてスナバとして働く.このため、MOS−FET
5−1.5−3では,ターンオフ損失がほとんど生じな
い。
また、MOS−FET5−2又は5−4では、それぞれ
のターンオフが零電圧及び零電流スイッチングになるた
め,ターンオフ損失がほとんど発生しない.なお,コン
デンサ7に蓄えられたエネルギは、負荷に伝達されて損
失にならない。スイッチ回路2は、構成が簡単な無損失
のスナバ回路1を含む構成になっている。本実施例では
、スイッチング損失を低減できるので、DC−DCコン
バータの高周波化,小形化と高効率化を図ることができ
る効果がある。
次に、MOS−FET5−1がターンオンした直後には
、電源分割用コンデンサ4−1とコンデンサ7の電圧の
和の大きな電圧が負荷回路13に印加される.MOS−
FET5−3がターンオンした直後には,電源分割用コ
ンデンサ4−2とコンデンサ7の電圧の和の大きな電圧
が負荷回路13に印加される.このことから、本実施例
では、変圧器の二次側重なり期間が短縮でき.DC−D
Cコンバータの高周波化,小形化と高効率化を図ること
ができる効果がある。
なお、スイッチ回路2を2個用いることによって、フル
ブリッジ方式へも展開することができる.この場合も、
上述した同様な効果が得られる。
第8図は本発明の更に他の一実施例を示すDC−DCコ
ンバータの回路構戒である.第6図と同じ要素には同符
号を付してある。
第9図は第8図の回路各部の動作波形である。
同図の電圧の記号は、第8図に定義してある。
以下、第9図を用いて第8図の回路の動作を説明する。
時刻0の時、コンデンサ7−1の電圧VCIは、電源分
割用コンデンサ4−1の電圧E+ と等しく、一方、コ
ンデンサ7−2の電圧VC2は零になっている.ここで
、MOS−FET5−1.5−2を同時にターンオンす
ると,ダイオード6−1.6−2がコンデンサ7−1の
電圧VCIによって逆バイアスされてオフのため,一次
側電流はMOS−FET5  1,コンデンサ7−1を
通って流れる。
この時、電源分割用コンデンサ4−1とコンデンサ7−
1は直列にかつ電圧が加極性になるように接続される.
同時に、変圧器の一次巻線n1の電圧Vlは,コンデン
サ7−1の放電に伴って、2ElからE1へ減少する。
次に,時刻t1のコンデンサ7−1の電圧Vc1が零に
なった以降、一次側の電流はMOS−FET5−1,ダ
イオード6−1を通って流れる。次に、時刻t2でMO
S−FET5−1をターンオフすると,一次側の電流は
MOS−FET5−2,ダイオード6−2,コンデンサ
7−2を通って流れる。同時に、コンデンサ7−2は充
電される。その後,時刻t3でコンデンサ7−2の電圧
VC2がEi に達した以降、整流ダイオード9−1.
9−2がオフになり、一次側電流は0になる.以上が,
時刻0 = t !+までの半サイクルの回路動作であ
る.次の半サイクルの動作は,回路の対称性に応じたも
のになる。
以上のように、MOS−FET5−1のターンオフ時に
は、コンデンサ7−2がこのスイッチ素子と並列に接続
されてスナバとして働<.MOS−FET5−1をター
ンオフ時には、コンデンサ7−1がこのスイッチ素子と
並列に接続されてスナバとして働く.このため,MOS
−FET5−1.5−3では,ターンオフ損失がほとん
ど発生しない。また、MOS−FET5−2又は5−4
では、ターンオフが零電圧及び零電流スイッチングにな
るため、ターンオフ損失がほとんど発生しない。なお、
コンデンサ7−1.7−2に蓄えられたエネルギは、負
荷に伝達されて損失にならない。スイッチ回路2は、構
成が簡単な無損失のスナバ回路1を含む構成になってい
る.本実施例では、スイッチング損失を低減できるので
、DC一DCコンバータの高周波化,小形化と高効率化
を図ることができる効果がある。
次に、MOS−FET5−1がターンオンした直後には
、電源分割用コンデンサ4−1とコンデンサ7−1の電
圧の和の大きな電圧が負荷回路13に印加される。MO
S−FET5−3がターンオンした直後には,電源分割
用コンデンサ4−2とコンデンサ7−2の電圧の和が大
きな電圧が負荷回路13に印加される.このことから,
本実施例では、変圧器の二次側重なり期間が短縮でき、
DC−DCコンバータの高周波化,小形化と高効率化を
図ることができる効果がある. なお,スイッチ回路2を2個用することによって,フル
ブリッジ方式へも展開することができる。
この場合も、上述した同様な効果が得られる。
第1図,第6図及び第8図の回路は、別の見方をすれば
、スイッチ素子がターンオンした直後に、負荷回路に印
加される初期電圧が直流電圧源の2倍以上の電圧になる
という特徴を有する。
第10図は、負荷回路の一構成例を示している.(a)
は,負荷回路13が少なくとも整流回路、チョーク入力
型出力平滑回路及び負荷からなる一例である。この場合
、二次側の転流は、配線インダクタンスによって抑制さ
れる.また,(b)は,負荷回路13が少なくとも変圧
器、整流回路、チョーク入力型出力平滑回路及び負荷か
らなる一例である.この場合,二次側の転流は,変圧器
の漏れインダクタンスと配線インダクタンスによって抑
制される。いずれの負荷回路の構成であっても、第1図
,第6図および第8図等の一実施例のコンバータを適用
することによって,スイッチング損失の低減と二次側重
なり期間の短縮を図ることができる. 次に、二次側重なり期間を短縮した効果を定量的に述べ
る.ここでは、第1図のDC−DCコンバータを取り上
げて考える.二次側重なり期間Tは,式(6)から変圧
器の巻線比が大きい程、すなわち入力電圧が高く出力電
圧が低い程、長くなる.ここで、入力電圧が交流100
Vを整流した後の電圧であり,出力電圧がTTLの電源
として必要な5Vであり、負荷電流を総計30OAとし
,変圧器の漏れインダクタンスが零であり、変圧器の二
次巻線の引出線を非常に短く60とした場合を考える。
すると、式(6)中のパラメータは、おおよそ次の値に
なる. Io:150A a = 6 L=0.06μH E*=70V これらの値を用いると、二次側重なり期間Tは約0.2
6μS となる.一方、従来方式では二次側重なり期間
Tが約0.77μs となる.動作周波数が200kH
zの場合、これらの値は、前者が周期の5.2% と小
さいのに対し、後者が周期の15.4%と大きい.これ
は、本発明の他の実施例にもあてはまる.言い替えれば
、直流電圧源の電圧が少なくとも交流100■以上の電
圧を整流した後に得られる値であり、動作周波数が20
0kHz以上で,出力電圧が5V以下のコンバータにお
いて,二次側の重なり期間を周期の10%以下にするこ
とが可能なのは、第1図,第6図および第8図のような
実施例のコンバータのみである・第11図は,本発明の
更に他の一実施例を示すDC−DCコンバータの回路構
成を示している。
直流電圧源3に複数の電源分割用コンデンサCL〜Cn
の直列接続体が並列に接続され,各コンデンサを直流電
圧源として動作するように、夫々のコンデンサにコンバ
ータが接続されている.ここでは、出力を多出力にして
いる。各コンパータには、前述したー実施例のいずれか
を使用する.各コンバータは,上述したように、高周波
化,小形化かつ高効率化を達成できる。このような構成
にすることで、全体のDC−DCコンバータの小形軽量
化を図ることができる効果がある.また、各コンバータ
のスイッチ素子の耐圧を軽減することができる効果も生
まれる。
第1工図では多出力としたが、単出力とすることもでき
る。第12図はコンバータの並列接続方法を示している
。同図(a),(b)において.30− 1〜3 0 
− nはインバータ.ts−1=xs−nは変圧器、3
1−1〜31−nは整流回路,32−1〜32−nは出
力平滑用回路、33は負荷である.直流電圧源3と電源
分割用コンデンサC l”” C aの構成は、第11
図と同様なものである。
(a)では、出力平滑用回路32−1〜32−nの後段
で出力を並列にとっている。この場合、出力平滑用回路
のコンデンサを共通にしてもよい。また、各コンパータ
は、どのような位相で動作させてもよい。(b)は,出
力平滑用回路32の前段で出力を並列にとっている場合
を示している。この場合,各コンバータは、コンバータ
の並列数をnとすれば、2π/nの位相差を設けて動作
させるのが望ましい。各コンバータには、前述したー実
施例のいずれかを使用する.各コンバータは、上述した
ように、高周波化,小形化かつ高効率化を達威できる。
このような構成にすることで、全体のDC−DCコンバ
ータの小形軽量化を図ることができる効果がある.また
,各コンバータのスイッチ素子の耐圧を軽減することが
できる効果も生まれる。
第13図は本発明の更に他の一実施例を示す。
上述したように、本発明のDC−DCコンバータは,低
電圧大電流出力のものほど高周波小形化と高効率化の効
果が大きい。このような電源の最たるものが電子計算機
用電源である.(a)は,商用ラインから電力を受電し
、少なくともCVCF(Constant Volta
ge Constant Frequency), A
 C−DCコンバータ、DC−DCコンバータ,そして
5V以下の直流電圧を受給する論理回路を直列に接続し
た電子計算機を示している.この構成は,大規模な電子
計算機に用いられる.(b)は、(.)からCVCFを
除外した構成であり、小規模な電子計算機に用いられる
.(a),(b)において、DC−DCコンバータとし
て上述した第1図,第6図,第8図,第11図及び第1
2図等の本発明のコンバータのいずれかを用いれば、電
子計算機の小形軽量化を図ることができる効果がある.
第14図は本発明の更に他の一実施例を示す.(a),
(b),(c)は、それぞれ第1図のスイッチ回路2,
第6図のスイッチ回路2,第8図のスイッチ回路2を各
々一個のモジュール23にしたものである.スイッチ回
路をこのようなモジュールにすることによって,小形,
安価なスイッチ回路が提供できる.また,このモジュー
ルを用いることで、第1図,第6図及び第8図等の本発
明のDC−DCコンバータを更に小形,安価にできる.
第15図は本発明の更に他の一実施例を示す.第14図
に示したモジュールでは,IC回路にする場合,コンデ
ンサを同一基板上に集積することが難しい.また,コン
デンサの容量は、応用によって異なり,ユーザーが設定
できるようにするのが望ましい.そこで,第15図は,
第14図のモジュールからコンデンサを除外したものを
IC回路にしたものである.(a),(b),(c)は
、それぞれ第1図のスイッチ回路2,第6図のスイッチ
回路2,第8図のスイッチ回路2からコンデンサを除い
たものを各々IC回路24にしたものである.スイッチ
回路の一部をこのようなIC回路にすることによって,
小形,安価なスイッチ回路を提供できる.また、このI
C回路を用いることで、第1図,第6図及び第8図等の
本発明のDC−DCコンバータを更に小形,安価にでき
る.〔発明の効果〕 以上の様に、本発明によればスイッチング損失の低減、
二次側重なり期間の低減および電源短絡防止用デッドタ
イムの削除を図ることができる.この結果.DC−DC
コンバータの高周波化,小形化,高効率化が容易に実現
できる.
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す回路構成、第2図は第
1図の回路各部の動作波形、第3図は第1図の回路にお
ける電流の通流経路、第4図は第1図の回路における二
次側重なり期間での等価同路、第5図は第4図の回路各
部の動作波形,第6図は本発明の他の一実施例を示す回
路構成,第7図は第6図の回路各部の動作波形、第8図
は本発明の更に他の一実施例を示す回路構成、第9図は
第8図の回路各部の動作波形、第10図は負荷回路の一
実施例を示す回路構成、第11図は本発明の更に他の一
実施例を示す回路構成、第12図はコンバータの並列接
続方法を示す回路構成、第13図は本発明の更に他の一
実施例を示す回路構成,第14図は本発明の更に他の一
実施例を示す回路構戒、第15図は本発明の更に他の一
実施例を示す回路構成、第16図は従来の一実施例の回
路構成である. 1・・・スナバ回路、2・・・スイッチ回路、3・・・
直流電圧源、4・・・電源分割用コンデンサ、5・・・
MOS−FET、6・・・ダイオード、7・・・コンデ
ンサ、8・・・帰還ダイオード、9・・・整流ダイオー
ド、1o・・・環流ダイオード,11・・・出力平滑用
リアクトル、12・・・出力平滑用コンデンサ、13・
・・負荷回路、14・・・変圧器の等価回路、15・・
・励磁リアクトル、16・・・漏れリアクトル、l7・
・・直流電流源、18・・・変圧器、19・・・充放電
スナバ,23・・・モジュール,24・・・IC回路、
30・・・インバータ、31・・・整流回路、32・・
・出力平滑回路、33・・・負荷、第 1 図 第 3 図 第 2 図 時刻0 +1 1,I3 15 +6 第 4 図 第 5 図 ベし刃J 11 +2 第 6 図 第 7 図 時XIIO t, 14 +, 第 10 図 第 11 図 第 8 図 第 12 図 第 13 図 電子計算機 電子計算機 第 15 図 (a) 第 14 図 (a) 第 16 図

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 1、直流電圧源、負荷回路及びスイッチ素子が直列に接
    続され、前記スイッチ素子のオンオフによつて負荷に電
    力を供給するDC−DCコンバータにおいて、前記スイ
    ッチ素子のターンオフ時には前記スイッチ素子を介さず
    に前記直流電圧源とコンデンサが直列になるように接続
    され、前記スイッチ素子のターンオン時には前記直流電
    圧源と前記コンデンサが前記スイッチ素子を介して直列
    にかつ各々の電圧が加極性になるように接続されること
    を特徴とするDC−DCコンバータ。 2、直流電圧源、負荷回路及び主スイッチ素子と補助ス
    イッチ素子の並列体が直列に接続され、前記主スイッチ
    素子のオンオフによつて負荷に電力を供給するDC−D
    Cコンバータにおいて、前記主スイッチ素子のターンオ
    フ時には前記補助スイッチ素子と直列に第1のコンデン
    サが接続され、前記主スイッチ素子のターンオン時には
    前記直流電圧源と第2のコンデンサが直列にかつ各々の
    電圧が加極性になるように接続されることを特徴とする
    DC−DCコンバータ。 3、直流電圧源、負荷回路及びスイッチ素子が直列に接
    続され、該スイッチ素子のオンオフによつて負荷回路に
    電力を供給するDC−DCコンバータにおいて、前記ス
    イッチング素子がターンオンした直後に前記負荷回路に
    印加される初期電圧が前記直流電圧源の電圧の2倍以上
    になることを特徴とするDC−DCコンバータ。 4、請求項第1項と第2項において、前記負荷回路は少
    なくとも整流回路とチョーク入力型出力平滑用回路と負
    荷からなることを特徴とするDC−DCコンバータ。 5、請求項第3項において、前記負荷回路は少なくとも
    整流回路とチョーク入力型出力平滑用回路と負荷からな
    ることを特徴とするDC−DCコンバータ。 6、請求項第1項と第2項において、前記負荷回路は少
    なくとも変圧器と整流回路とチョーク入力型出力平滑用
    回路と負荷からなることを特徴とするDC−DCコンバ
    ータ。 7、請求項第3項において、前記負荷回路は少なくとも
    変圧器と整流回路とチョーク入力型出力平滑用回路と負
    荷からなることを特徴とするDC−DCコンバータ。 8、直流電圧源の電圧が少なくとも交流100V以上の
    電圧を整流した後に得られる値であり、スイッチ素子が
    200kHz以上の周波数で動作し、負荷に5V以下の
    直流電圧を供給するDC−DCコンバータにおいて、ス
    イッチ素子がターンオンした直後に生じる変圧器の二次
    側転流期間を前記動作周波数の周期の10%以下とした
    ことを特徴とするDC−DCコンバータ。 9、直流電源と2個以上のコンデンサの直列接続体が並
    列に接続され、前記各コンデンサを直流電圧源として動
    作するように夫々のコンデンサにコンバータが接続され
    、前記各コンバータではスイッチ素子がターンオンした
    直後に負荷回路に印加される初期電圧が該直流電圧源の
    電圧の2倍以上になることを特徴とするDC−DCコン
    バータ。 10、請求項第9項において、前記コンバータの出力を
    それぞれ並列に接続して負荷に電力を供給することを特
    徴としたDC−DCコンバータ。 11、商用電源を受電し、直流に変換された電源を入力
    電源として、2個以上のコンデンサの直列接続体が並列
    に接続され、前記各コンデンサを直流電圧源として動作
    するように前記各コンデンサごとにDC−DCコンバー
    タが接続され、前記各DC−DCコンバータはスイッチ
    素子がターンオンした直後に、負荷である論理回路に印
    加される初期電圧が該直流電圧源の電圧の2倍以上にな
    ることを特徴とする電子計算機。 12、直流電圧源、負荷回路及びスイッチ素子が直列に
    接続され、前記スイッチ素子のオンオフによつて負荷に
    電力を供給するDC−DCコンバータにおいて、前記ス
    イッチ素子のターンオフ時には前記スイッチ素子と並列
    にコンデンサが接続され、前記コンデンサが放電する時
    には前記直流電圧源と前記コンデンサが直列にかつ各各
    の電圧が加極性になるように接続されることを特徴とす
    るスナバ回路。 13、直流電圧源、負荷回路及びスイッチ素子が直列に
    接続され、前記スイッチング素子のオンオフによつて負
    荷に電力を供給するDC−DCコンバータにおいて、前
    記スイッチ素子のターンオフ時には前記スイッチ素子と
    並列にコンデンサが接続され、前記コンデンサが放電す
    る時には前記直流電圧源とは別の直流電圧源と前記コン
    デンサが直列にかつ各々の電圧が加極性になるように接
    続されることを特徴とするスナバ回路。 14、請求項第13項において、前記別の直流電源は、
    前記直流電圧源に並列に接続されたコンデンサで構成さ
    れたことを特徴とするスナバ回路。 15、第1の自己しゃ断素子の陰極と第1のダイオード
    の陽極を接続し、第2のダイオードの陰極と第2の自己
    しゃ断素子の陽極を接続し、前記第1の自己しゃ断素子
    の陽極と前記第2のダイオードの陽極を接続し、前記第
    1のダイオードの陰極と前記第2の自己しゃ断素子の陰
    極を接続し、前記第1の自己しゃ断素子の陰極と第2の
    自己しゃ断素子の陽極の間にコンデンサを接続し、前記
    第1の自己しゃ断素子の陽極と前記第2の自己しゃ断素
    子の陰極をそれぞれアームの陽極と陰極としたことを特
    徴とするスイッチ回路。 16、第1の自己しゃ断素子と第1のダイオードを接続
    した第1の直列体と、第2の自己しゃ断素子と第2のダ
    イオードを接続した第2の直列体を設け、第1の直列体
    の陰極と第2の直列体の陽極を接続し、第3の自己しゃ
    断素子の陰極と第4の自己しゃ断素子の陽極を接続し、
    前記第1の直列体の陽極と前記第3の自己しゃ断素子の
    陽極を接続し、前記第2の直列体の陰極と前記第4の自
    己しゃ断素子の陰極を接続し、前記第1の直列体の陰極
    と前記第3の自己しゃ断素子の陰極の間にコンデンサを
    接続し、第1の直列体の陽極と陰極をそれぞれ上アーム
    の陽極と陰極とし、第2の直列体の陽極と陰極をそれぞ
    れ下アームの陽極と陰極としたことを特徴とするスイッ
    チ回路。 17、第1の自己しゃ断素子の陰極と第1のダイオード
    の陽極を接続し、前記第1のダイオードの陰極と第2の
    ダイオードの陽極を接続し、前記第2のダイオードの陰
    極と第2の自己しゃ断素子の陽極を接続し、第3の自己
    しゃ断素子と第3のダイオードを接続した第1の直列体
    を設け、前記第1の自己しゃ断素子の陽極と前記第1の
    直列体の陽極を接続し、前記第2のダイオードの陰極と
    前記第1の直列体の陰極を接続し、第4の自己しゃ断素
    子と第4のダイオードを接続した第2の直列体を設け、
    前記第1のダイオードの陽極と前記第2の直列体の陽極
    を接続し、前記第2の自己しゃ断素子の陰極と前記第2
    の直列体の陰極を接続し、前記第1のダイオードと前記
    第2のダイオードにそれぞれ並列にコンデンサを接続し
    、前記第1の自己しゃ断素子の陽極と前記第1のダイオ
    ードの陰極をそれぞれ上アームの陽極と陰極とし、前記
    第2のダイオードの陽極と前記第2の自己しゃ断素子の
    陰極をそれぞれ下アームの陽極と陰極としたことを特徴
    とするスイッチ回路。 18、請求項第15項において、前記スイッチ回路を一
    体化し、モジュールとしたことを特徴とするスイッチ回
    路。 19、請求項第16項において、前記スイッチ回路を一
    体化し、モジュールとしたことを特徴とするスイッチ回
    路。 20、請求項第17項において、前記スイッチ回路を一
    体化し、モジュールとしたことを特徴とするスイッチ回
    路。 21、請求項第15項において、前記スイッチ回路から
    コンデンサを除いた回路をIC化したことを特徴とする
    スイッチ回路。 22、請求項第16項において、前記スイッチ回路から
    コンデンサを除いた回路をIC化したことを特徴とする
    スイッチ回路。 23、請求項第17項において、前記スイッチ回路から
    コンデンサを除いた回路をIC化したことを特徴とする
    スイッチ回路。 24、直流電圧源と変圧器の一次巻線とスイッチ回路が
    直列に接続され、該スイッチ回路に含まれるスイッチ素
    子のオンオフによつて該変圧器の二次巻線から負荷に電
    力を供給する一石フオワードコンバータにおいて、該ス
    イッチ回路の構成は、第1の自己しゃ断素子の陰極と第
    1のダイオードの陽極を接続し、第2のダイオードの陰
    極と第2の自己しゃ断素子の陽極を接続し、前記第1の
    自己しゃ断素子の陽極と前記第2のダイオードの陽極を
    接続し、前記第1のダイオードの陰極と前記第2の自己
    しゃ断素子の陰極を接続し、前記第1の自己しゃ断素子
    の陰極と第2の自己しゃ断素子の陽極の間にコンデンサ
    を接続し、前記第1の自己しゃ断素子の陽極と前記第2
    の自己しゃ断素子の陰極をそれぞれスイッチ回路の陽極
    と陰極としたことを特徴とする一石フオワードコンバー
    タ。 25、請求項第24項において、前記変圧器はリセット
    回路の動作により、前記スイッチ素子のオン時比率が5
    0%以上になつてもリセットが可能となる一石フオワー
    ドコンバータ。
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