JPH04125062A - 直列共振型ｄｃ―ｄｃコンバータ - Google Patents

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］ 本発明は直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータに関するもの
である。

［従来の技術］ この種の直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータとして第１１
図に示すものがある。このＤＣ−ＤＣコンバータではス
イッチング素子Ｓｌ、Ｓ、のオン、オフにより一次側回
路Ｉにおいて共振用コンデンサＣ＋、Ｃｚの充電、放電
が行われるとともに共振電流が流れ、トランスＴを介し
て二次側回路■の負荷ＲＬに電力が供給される。又、放
電中のコンデンサが放電を完了して電圧が零になると対
応するダイオードが導通して共振モードが終了し、直流
電源Ｅｉからの電流が無くなるとともに共振用リアクト
ルしに蓄えられていたエネルギーがトランスＴを介して
負荷ＲＬに供給されるようになっている。

そして、この回路では出力電力Ｐ０は次の式で表される
。

Ｐａ　＝２Ｆｓ　ＣＥｉ” Ｆｓ　ニスイツチング素子（Ｓｌ、Ｓりのスイッチング
周波数 Ｃ：共振用コンデンサの容量（Ｃ＝ＣＩ＋ＣりＥｉ　：
入力電圧 又、一般に共振型ＤＣ−ＤＣコンバータではスイッチン
グ素子のスイッチング周波数を変化させて出力電力（電
圧）が一定となるように調整している。

［発明が解決しようとする課題］ ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力はスイッチング周波数
に比例し、負荷が変化しても出力電圧が一定となるよう
に制御するためにはスイッチング周波数を大幅に変更す
る必要がある。スイッチング素子は現在最大５００ｋＨ
ｚ程度の周波数でスイッチング動作されており、重負荷
時及び中負荷時にはスイッチング周波数は非可聴周波数
域にあり騒音の問題はない。しかし、軽負荷時にはスイ
ッチング周波数を可聴周波数域まで下げる必要があり、
騒音の原因となる。又、広い範囲にわたってスイッチン
グ周波数を可変とする場合は制御装置の部品が大きくな
りコンバータ全体が大型化するという問題がある。

本発明は前記の問題点に鑑みてなされたものであって、
その目的はスイッチング素子のスイッチング周波数を大
幅に変化させずに大きな負荷変動に対応することができ
、軽負荷時にも騒音が発生しない直列共振型ＤＣ−ＤＣ
コンバータを提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 前記の目的を達成するため本発明においては、スイッチ
ング素子に対して共振用リアクトルと共振用コンデンサ
とからなる共振回路が直列に接続された回路を備えた直
列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、前記スイッチ
ング素子と別の補助スイッチング素子のオン・オフによ
り共振用コンデンサの容量を複数段階で可変とする共振
用コンデンサ容量可変回路を設けた。

［作用］ この直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、負荷の大き
さに対応して共振用コンデンサ容量可変回路に設けられ
た補助スイッチング素子のオン・オフ状態が設定され、
共振用コンデンサの容量が変更される。そして、重負荷
の場合は共振用コンデンサの容量が大きく設定され、軽
負荷の場合は共振用コンデンサの容量が小さく設定され
る。

ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電力は共振用コンデンサの
容量にも比例するため、ＤＣ−ＤＣコンバータ駆動用の
スイッチング素子のスイッチング周波数を変更する代わ
りに、共振用コンデンサの容量を変更することにより出
力電力が変更される。

出力電力を大幅に変更する場合には共振用コンデンサの
容量が変更され、出力電力の僅かな変動に対してはＤＣ
−ＤＣコンバータ駆動用のスイッチング素子のスイッチ
ング周波数が変更される。従って、軽負荷時にＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータ駆動用のスイッチング素子のスイッチング
周波数を可聴周波数まで低下させる必要がなくなる。

［実施例１］ 以下、本発明を具体化した第１実施例を第１〜３図に従
って説明する。

第１，３図に示すように、直流電源Ｅｉに対して２個の
スイッチング素子Ｓ１．Ｓ２．２個のダイオードＤＩ、
Ｄ２及び２個の共振用コンデンサＣＩ、Ｃ！がそれぞれ
直列に接続されている。両スイッチング素子８１．８２
間の接続点ｐｌと、両ダイオードＤ　１．Ｄ　２間の接
続点ｐ２との間にはトランスＴの一次巻線１と共振用リ
アクトルＬとが直列に接続されている。又、前記共振用
コンデンサＣ１には補助スイッチング素子Ｓ３及びダイ
オードＤ３が並列接続された逆導通型スイッチ２と、補
助共振用コンデンサＣ３との直列回路が並列に接続され
ている。又、共振用コンデンサＣ２には補助スイッチン
グ素子Ｓ４及びダイオードＤ４とからなる逆導通型スイ
ッチ３と、補助共振用コンデンサＣ４との直列回路が並
列に接続されている。前記各スイッチング素子Ｓ＋　＋
　　Ｓ２＋　　Ｓｉ　＋Ｓ４にはバイポーラトランジス
タ、ＦＥＴ　（電界効果トランジスタ）　、Ｉ　Ｇ　Ｅ
　Ｔ　（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ　ＧａｔｅＢｉｐｏｌａｒ
　Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ　）　、Ｓ　Ｉ　Ｔ　（静電誘
導トランジスタ）等が使用できる。

スイッチング素子８１，３．２は交互にオン、オフを繰
り返し、スイッチング素子Ｓ１がオンのときに、スイッ
チング素子Ｓ２、共振用リアクトルし及び共振用コンデ
ンサＣ＋　　（補助スイッチング素子Ｓ３がオンのとき
は補助共振用コンデンサＣ８を含む）で直列共振回路が
構成される。又、スイッチング素子Ｓ２がオンのときに
、スイッチング素子Ｓ２、共振用リアクトルし及び共振
用コンデンサＣ２（補助スイッチング素子８４オンのと
きは補助共振用コンデンサＣ４を含む）で直列共振回路
が構成される。ダイオードＤＩ、Ｄ２は共振用コンデン
サの電圧を電源電圧にクランプする役割を果たす。又、
前記共振用コンデンサＣ１〜Ｃ４、補助スイッチング素
子Ｓ３．Ｓ４及びダイオードＤ３．Ｄ４により共振用コ
ンデンサ容量可変回路が構成されている。

トランスＴの二次巻線４ａの両端には、整流用のダイオ
ードＤ５及び出力平滑用コンデンサＣ８からなる直列回
路が接続されるとともに、前記二次巻線４ａから延長さ
れたもう一つの二次巻線４ｂに対して整流用のダイオー
ド’　Ｄ　ｅ及び出力平滑用コンデンサＣｏからなる直
列回路が接続されている。出力平滑用コンデンサＣ８に
は負荷ＲＬが並列に接続されている。トランスＴの巻線
比は出力電圧と電源電圧から決定され、この実施例では
ｌ：１としている。

次に前記のように構成されたＤＣ−ＤＣコンバータの作
用について説明する。

重負荷の場合は第２図（ａ）のパターンにより各スイッ
チング素子８１〜Ｓ４がオン、オフ制御される。このパ
ターンではスイッチング素子Ｓ工と補助スイッチング素
子Ｓ、とか、又、スイッチング素子Ｓ２と補助スイッチ
ング素子Ｓ３とかそれぞれ同期状態でオン、オフ制御さ
れる。

さて、スイッチング素子Ｓ１及び補助スイッチング素子
Ｓ４が開放状態に、スイッチング素子ｓ２及び補助スイ
ッチング素子Ｓ３が閉鎖状態にそれぞれ保持され、共振
用コンデンサＣ＋、Ｃｓが電源電圧に充電され、共振用
コンデンサＣ２，Ｃ、の電圧が零であるとする。この状
態でスイッチング素子ＳＩ及び補助スイッチング素子Ｓ
４がオンされるとともにスイッチング素子Ｓ！及び補助
スイッチング素子Ｓ３がオフされると、直流電源Ｅｉか
らスイッチング素子Ｓ１、トランスＴ及び共振用リアク
トルＬを通して共振用コンデンサＣ２，Ｃ４が充電され
るとともに、共振用コンデンサＣＩ＋０３に蓄えられて
いた電荷が第３図（ａ）に示す経路で放電されて共振電
流が流れる。共振電流か流れている間トランスＴを介し
て電力が負荷ＲＬに供給される。共振用コンデンサＣ３
はダイオードＤ３を介して放電される。共振用コンデン
サＣＩ＋Ｃ３の放電が完了して電圧が零になると、ダイ
オードＤ１が導通して共振モードが終了し、直流電源Ｅ
ｉからの電流がなくなり、共振用リアクトルしに蓄えら
れていたエネルギーがトランスＴを介して負荷ＲＬに供
給され、共振用リアクトルＬの電流が直線的に減少して
零となった後、スイッチング素子Ｓ１及び補助スイッチ
ング素子Ｓ４がオフされる。

次に前記の状態からスイッチング素子Ｓ２及び補助スイ
ッチング素子Ｓ３がオンされると、直流電源Ｅｉから共
振用リアクトルし、トランスＴ及びスイッチング素子Ｓ
２を通して共振用コンデンサＣ＋、Ｃｓが充電されると
ともに、共振用コンデンサＣ２，Ｃ４に蓄えられていた
電荷が第３図（ｂ）に示す経路で放電されて共振電流が
流れる。共振用コンデンサＣ４はダイオードＤ、を介し
て放電される。共振用コンデンサＣ、、Ｃ４の放電が完
了して電圧が零になると、ダイオードＤ２が導通して共
振モードが終了し、直流電源Ｅｉからの電流かなくなり
、共振用リアクトルしに蓄えられていたエネルギーがト
ランスＴを介して負荷ＲＬに供給され、共振用リアクト
ルＬの電流が直線的に減少して零となった後、スイッチ
ング素子Ｓ２及び補助スイッチング素子Ｓ３がオフされ
て１周期が終了する。

前記のように、第２図（ａ）のパターンで各スイッチン
グ素子８１〜Ｓ４がオン、オフ制御されるときは、出力
電力Ｐ。＝２ＦｓＣＥｉ２の式における共振用コンデン
サの容量Ｃは（Ｃ、＋Ｃ、＋ｃ　３＋Ｃ４）となる。

各補助スイッチング素子Ｓ　ａ、　Ｓ　４に対してダイ
オードＤ３．Ｄ４がそれぞれ並列に接続されているため
、補助共振用コンデンサＣ、、Ｃ、の放電時には補助ス
イッチング素子Ｓｓ、Ｓｓがオフであってもダイオード
Ｄ　３．　Ｄ　４がオンして放電される。そのため補助
スイッチング素子Ｓ　ｓ、　Ｓ　４は補助共振用コンデ
ンサｃ　３＋　ｃ　、か充電されるときにのみオンされ
ればよい。従って、補助スイッチング素子Ｓ　４．　Ｓ
　３の制御パターンはスイッチング素子Ｓ、。

Ｓ２の制御パターンと同じでよく、ドライブ回路（図示
せず）等に同じものが使用できる。

中負荷の場合は第２図（ｂ）のパターンにより各スイッ
チング素子８１〜Ｓ４がオン、オフ制御される。このパ
ターンでは補助スイッチング素子Ｓ、が常にオフ状態に
保持され、スイッチング素子Ｓ　ｌｙ　Ｓ　２及び補助
スイッチング素子Ｓ３は前記と同様にオン、オフ制御さ
れる。従って、この場合は補助共振用コンデンサＣ１は
充電、放電のいずれも行わず、出力電力Ｐ。＝２ＦｓＣ
Ｅｉ２の式における共振用コンデンサの容量Ｃは（ＣＩ
＋Ｃ２＋Ｃ３）となる。なお、補助スイッチング素子Ｓ
４の代わりに補助スイッチング素子Ｓ３を常にオフ状態
に保持し、補助スイッチング素子Ｓ４を重負荷の場合と
同様にオン、オフ制御してもよい。その場合は出力電力
Ｐａ　＝２Ｆｓ　ＣＥｉ’の式における共振用コンデン
サの容量Ｃは（ＣＩ＋Ｃ２＋Ｃ４）となる。

又、軽負荷の場合は第２図（ｃ）のパターンにより各ス
イッチング素子８１〜Ｓ４がオン、オフ制御される。こ
のパターンでは両補助スイッチング素子Ｓ　３．　Ｓ　
４か常にオフ状態に保持され、スイッチング素子Ｓ　ｌ
＋　３２が前記と同様にオン、オフ制御される。従って
、この場合は補助共振用コンデンサＣ３，Ｃ４は充電、
放電のいずれも行わず、出力電力Ｐ、＝２　Ｆｓ　ＣＥ
ｉ２の式における共振用コンデンサの容量Ｃは（Ｃ＋　
＋Ｃ２）となる。

前記補助スイッチング素子の制御パターンの選択は、ド
ライブ回路にフィードバックされる負荷ＲＬの電圧を基
準にして適性に行われる。

前記のようにこの実施例の装置では負荷に応して補助ス
イッチング素子Ｓ　３＋　３４のオン、オフ制御のパタ
ーンを変えることにより、共振用コンデンサの容量を変
化させて出力電力を３段階に変化させることができる。

補助共振用コンデンサＣ３＋０４として容量が異なるも
のを使用した場合は、さらに中負荷時が２段階となり、
合計４段階の変更調整ができる。従って、出力電力（電
圧）の大幅な変更を必要とする場合は共振用コンデンサ
の容量を変更して対応し、出力電力（電圧）の僅かな変
更を必要とする場合はメインのスイッチング素子Ｓ　ｌ
＋　Ｓ　ｚのスイッチング周波数を変更して対応するこ
とにより、従来と異なり軽負荷時にスイッチング素子Ｓ
　ｌ＋　３２のスイッチング周波数が可聴領域まで低く
ならず、騒音の発生が確実に防止される。

［実施例２］ 次に第２実施例を第４，５図に従って説明する。

この実施例では各補助スイッチング素子Ｓ　３．　Ｓ　
４に対して並列接続されたダイオードが存在しない点が
前記実施例と異なっており、その他の構成は同じである
。又、この実施例の装置では各スイッチング素子８１〜
Ｓ４が重負荷時には第５図（ａ）のパターンで、中負荷
時には第５図（ｂ）のパターンで、軽負荷時には第５図
（Ｃ）のパターンでそれぞれオン、オフ制御される。

重負荷の場合は両補助スイッチング素子Ｓ３＋Ｓ４が常
にオン状態に保持される。そして、メインのスイッチン
グ素子Ｓ　Ｉ＋　Ｓ　ｔがそれぞれ所定周期でオン、オ
フ制御される。さて、スイッチング素子Ｓ１が開放状態
に、スイッチング素子Ｓ２が閉鎖状態にそれぞれ保持さ
れ、共振用コンデンサＣＩ、Ｃ３が電源電圧に充電され
、共振用コンデンサＣ２，Ｃ４の電圧が零であるとする
。この状態でスイッチング素子ＳＩがオンされるととも
にスイッチング素子Ｓ２がオフされると、直流電源Ｅｉ
からスイッチング素子Ｓ１、トランスＴ及び共振用リア
クトルＬを通して共振用コンデンサＣ２＋０４が充電さ
れるとともに、共振用コンデンサＣＣ３に蓄えられてい
た電荷が放電されて共振電流が流れる。共振電力が流れ
ている間トランスＴを介して電力が負荷ＲＬに供給され
る。共振用コンデンサＣ、、Ｃ３の放電が完了して電圧
が零になると、ダイオードＤ＋が導通して共振モードが
終了し、直流電源Ｅｉからの電流がなくなり、共振用リ
アクトルしに蓄えられていたエネルギーがトランスＴを
介して負荷ＲＬに供給され、共振用リアクトルＬの電流
が直線的に減少して零となった後、スイッチング素子Ｓ
１がオフされる。

次に前記の状態からスイッチング素子Ｓ２かオンされる
と、直流電源Ｅｉから共振用リアクトルし、トランスＴ
及びスイッチング素子Ｓ２を通して共振用コンデンサＣ
、、Ｃ３が充電されるとともに、共振用コンデンサＣ２
，Ｃ４に蓄えられていた電荷が放電されて共振電流が流
れる。共振用コンデンサＣ２，Ｃ４の放電が完了して電
圧が零になると、ダイオードＤ２が導通して共振モード
が終了し、直流電源Ｅｉからの電流がなくなり、共振用
リアクトルしに蓄えられていたエネルギーかトランスＴ
を介して負荷ＲＬに供給され、共振用リアクトルＬの電
流が直線的に減少して零となった後、スイッチング素子
Ｓ２がオフされて１周期が終了する。前記実施例との違
いは、共振用コンデンサＣ３，Ｃ４の放電がダイオード
Ｄ３．Ｄ４の代わりに補助スイッチング素子Ｓ　３＋　
８４を介して行われる点である。従って、出力電力Ｐ。

＝２ＦｓＣＥｉ２の式における共振用コンデンサの容量
Ｃは（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３４Ｃ４）となる。

中負荷の場合は一方の補助スイッチング素子Ｓ。

か常にオン状態に、他方の補助スイッチング素子Ｓ４が
常にオフ状態にそれぞれ保持され、メインのスイッチン
グ素子Ｓ　ｌ＋　３２がそれぞれ前記と同様にオン、オ
フ制御される。この場合は補助共振用コンデンサＣ３の
放電が補助スイッチング素子Ｓ３を介して行われる点を
除き、前記実施例の中負荷時の作用と同様である。なお
、一方の補助スイッチング素子Ｓ３を常にオフ状態に保
持し、他方の補助スイッチング素子Ｓ４を常にオン状態
に保持してもよい。出力電力Ｐ。＝２ＦｓＣＥｉ２の式
における共振用コンデンサの容量Ｃは前者の場合（ＣＩ
＋ｃ　２＋Ｃ３）　となり、後者の場合は（Ｃ１＋Ｃ！
＋Ｃ４）となる。

又、軽負荷の場合は前記実施例と全く同様である。

なお、本発明は前記両実施例に限定されるものではなく
、例えば、第６図（ａ）〜（ｉ）に示すように共振用コ
ンデンサ部を構成する共振用コンデンサＣ，−Ｃ，及び
逆導通型スイッチ２，３の組合せを代えてもよい。共振
用コンデンサの容量は、逆導通型スイッチか２個、共振
用コンデンサが３個設けられた（ａ）、（ｂ）の場合は
４段階に変更可能であり、逆導通型スイッチが２個の場
合でも共振用コンデンサが２個の（ｉ）の場合は３段階
に変更可能となる。逆導通型スイッチが１個の場合は共
振用コンデンサが２個でも３個でも２段階に変更される
。又、補助スイッチング素子とダイオードとからなる逆
導通型スイッチと、共振用コンデンサとの回路接続、例
えば、逆導通型スイッチ３と共振用コンデンサ４との接
続を第７図のように入れ換えてもよい。

又、補助スイッチング素子と補助共振用コンデンサとの
組み合わせを前記実施例より増やしてもよい。第８図に
示すようにそれぞれ４個ずつの補助スイッチング素子８
３〜Ｓ６及び補助共振用コンデンサＣ８〜Ｃ６を設けた
場合は、メインのスイッチング素子のスイッチング周波
数が一定であっても１６段階に共振用コンデンサの容量
変更が可能であり、出力電力も１６段階に変更調整可能
となる。

さらには、第９，１０図に示すようにトランスＴ及び共
振用リアクトルＬの接続位置が異なる他の回路方式の直
列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータやトランスを使用しない
直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータに適用してもよい。

［発明の効果コ 以上詳述したように本発明によれば、共振用コンデンサ
の容量が補助スイッチング素子のオン、オフ制御により
複数段階で変更可能なため、スイッチング素子のスイッ
チング周波数を大幅に変化させずに大きな負荷変動に対
応することができ、軽負荷時にスイッチング周波数を可
聴周波数域まで低下させる必要がなくなり、軽負荷時に
おける騒音発生を確実に防止できる。

【図面の簡単な説明】

第１〜３図は本発明を具体化した第１実施例を示し、第
１図は回路図、第２図（ａ）〜（ｃ）はスイッチング素
子の制御パターンを示す図、第３図（ａ）、　　（ｂ）
は作用を示す回路図、第４，５図は第２実施例を示し、
第４図は回路図、第５図（ａ）〜（Ｃ）はスイッチング
素子の制御パターンを示す図、第６図（ａ）〜（ｉ）は
第１実施例における変更例を示す要部回路図、第７図は
逆導通型スイッチとコンデンサの接続状態の変更例を示
す要部回路図、第８図は別の変更例を示す回路図、第９
，１０図は他の回路方式の直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバ
ータの回路図、第１１図は従来例を示す回路図である。 図中Ｃｔ”’−Ｃ６は共振用コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ８は
ダイオード、Ｅｉは直流電源、Ｌは共振用リアクトル、
ＲＬは負荷、Ｔはトランス、Ｓｌ＋８２はスイッチング
素子、８３〜Ｓ６は補助スイッチング素子である。 特許出願人　株式会社　豊田自動織機製作所代理人　　
　弁理士　恩田博宣（ほか１名）第 図 第 図 第 図 （ａ） 第 図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、スイッチング素子に対して共振用リアクトルと共振
   用コンデンサとからなる共振回路が直列に接続された回
   路を備えた直列共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
   前記スイッチング素子と別の補助スイッチング素子のオ
   ン・オフにより共振用コンデンサの容量を複数段階で可
   変とする共振用コンデンサ容量可変回路を設けた直列共
   振型ＤＣ−ＤＣコンバータ。