JPH08506475A - 直流電圧変換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は変圧器（１０）を有する直流電圧変換器に関する。この場合前記変圧器（１０）の第１の巻線（１１）はクロック制御されたパワースイッチ（１６）と直列に接続されて入力電圧（Ｕｂ）を印加され、前記第１の巻線（１１）と、同じ（符号）極性に極性付けされた第２の巻線（１２）は、直列コンデンサ（１８）とダイオード（２１）に直列に接続され、パワースイッチ（１６）のオフの時に直列コンデンサ（１８）に対する充電電流回路を形成する。さらに平滑コンデンサ（２０）が直流電圧変換器の出力側に設けられている。第１の巻線（１１）と第２の巻線（１２）と直列コンデンサ（１８）からなる直列回路は、少なくとも１つの逆に極性付けされた第３の巻線（１３）を介して平滑コンデンサ（２０）に接続されており、この場合前記第１の巻線（１１）と、第２の巻線（１２）は、直列コンデンサ（１８）とダイオード（２１）に直列接続されて、パワースイッチ（１６）のオフの時に直列コンデンサ（１８）に対する充電電流回路を形成する。前記３つの巻線（１１，１２，１３）全ては１つの磁心（２２）上に配設されている。

Description

【発明の詳細な説明】 直流電圧変換器 従来の技術 本発明は、請求の範囲第１項の上位概念による変圧器を備えたクロック制御式 直流電圧変換器に関する。 逓降変圧器として構成され、変圧器コアが２つの巻線のみを有するこの種の直 流電圧変換器は、例えばＩＥＥＥレポート“ＩＡＳ Ａｎｎｕａｌ Ｍｅｅｔｉ ｎｇ，２．−６．Ｏｋｔｏｂｅｒ １９７７， Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ，Ｓ． １１１３”に記載されている。出力側平滑コンデンサへの接続は、別個のチョー クを介して行われる。これによっては一方では２つの誘導素子が必要となり、他 方では出力側への電力伝送が容量的にしか行えない。 発明の利点 それに対して請求の範囲第１項に記載の本発明による直流電圧変換器は次のよ うな利点を有する。すなわち唯１つの誘導素子として変圧器しか必要としない。 これによって得られる構成部の品数の低減の他にもさらに次のような付加的な利 点が得られる。すなわち出力側への電力伝送が容量的のみならず付加的に磁気エ ネルギーも変圧器を介して伝送される。これは順方向損失の僅かな低電圧形トラ ンジスタの使用の際の効率 の向上に結び付く。変圧器の構成によっては非常に僅かなリプルしか有していな 出力電流が達成可能である。これにより、比較的小さな出力コンデンサを使用す ることが可能となる。パワースイッチの開放の際にはこのパワースイッチにおい ては僅かな電圧のオーバーシュート（過励振）しか生じなく、これは比較的僅か なスイッチング損失しか引き起こさず、従って比較的僅かな電圧余裕度を可能に する。出力側は電流源特性を有している。すなわち出力電流は負荷の切換変化の 際に制限される。 本発明の別の有利な実施例は従属請求項に記載される。 第３の巻線における電圧は常に次のように極性付けされる必要がある。すなわ ち直列分岐コンデンサの充電フェーズ期間中に平滑コンデンサが放電されないよ うに極性付けされる必要がある。これは次のようにすることによって達成される 。すなわち第３の巻線の巻回数（ｎ３）が実質的に第１及び第２の巻線の巻回数 （ｎ１，ｎ２）の和となるようにすることによって達成される。さらにこの３つ の巻線全ては非常に良好に結合させる必要がある。このためには巻線が有利には 並列に巻回される。この場合３つの個別巻線への分割とその極性は巻線端部の相 応の結線接続によって形成される。巻線に対しては多数の素線からなるリッツ線 が適切であることがわかっている。第１の巻線の抵抗 を可及的に僅かにするために、この巻線は多数の並列な素線を有する。他の巻線 に対して巻回数を簡単な手法で２倍ないし３倍にするために、並列に巻回された 複数の素線が直列に接続される。そのような変圧器の最適化によっては漏れイン ダクタンスが低減され、さらにスイッチングトランジスタにおけるスイッチング 損失も低減される。 特に有利には３つの巻線の巻回数（ｎ１，ｎ２，ｎ３）の比は実質的に１：２ ：３であることがわかっている。 パワースイッチとしては有利には高速なパワートランジスタ、特にＭＯＳＦＥ Ｔが使用される。これは時間及び／又は電流に依存してクロック制御される。 ダイオードとしては有利には高速な高電圧ダイオードが使用される。直列コン デンサは高い性能を有すベきである。 図面 本発明の実施例は図面に示され、以下の明細書で詳細に説明される。 図１は、スイッチオフされたパワートランジスタにおける電圧特性が示されて いる、第１実施例の回路構成図を示している。 図２は、スイッチオンされたパワートランジスタにおける電圧特性が示されて いる、同じ第１実施例の回路構成図を示している。 実施例の説明 図１及び図２に示されている直流電圧変換器は、変圧器１０を有している。こ の変圧器１０は第１の巻線１１と第２の巻線１２と第３の巻線１３を有している 。この場合第１の巻線１１と第２の巻線１２は分割された一次巻線を形成してい る。それに対して第３の巻線１３は二次巻線である。例えば１０ボルトの入力電 圧が、第１の巻線１１に接続されている第１の入力端子１４と、アースに接続さ れている第２の入力端子１５との間に印加される。第１の巻線１１と第２の巻線 １２との間の結合点は、パワートランジスタとして構成されているパワースイッ チ１６を介してアースに接続されている。このパワースイッチとしては例えば市 販のパワーＭＯＳＦＥＴ ＩＲＬＺ４４が適している。 公知の手法でパワースイッチ１６は、クロック回路１７を用いてクロック制御 される。最も簡単な場合ではこのクロック制御は制御電圧によって固定のデュー ティー比で行われる。これは特に入力電圧と出力電圧の間に固定比が存在する場 合に可能である。しかしながら一般的にはクロック制御は次のように行われる。 すなわち通電している電流が所定の値に達するまではパワースイッチ１６は閉成 され、その後は一定の開放時間が続くように行われる。別の手段は、固定の閉成 時間を設定し、そして次の閉成期間は電流が所定の値（例えば値０）に低減した 場合にスタートさせるので ある。 第１の巻線１１とは反対側の第２の巻線１２の端子は、最初の２つの巻線１１ 、１２とは反対に極性付けされた第３の巻線１３と直列コンデンサ１８からなる 直列回路を介して出力端子１９に接続されている。この場合この出力端子１９と アースとの間には平滑コンデンサ２０が接続されている。高電圧ダイオードとし て接続構成されたダイオード２１は、直列コンデンサ１８と第３の巻線１３の間 の結合点と、アースとの間に接続されている。 磁心ないし変圧器コア２２は概略的に示されており、前記３つの巻線１１，１ ２，１３を担持している。 平滑コンデンサ２０に現れる例えば−１５０ボルトの出力電圧Ｕａは、図中概 略的に示されている負荷２３に供給され得る。３つの巻線１１〜１３の非常に良 好な結合を達成するために、これらは例えば９素線式リッツ線を用いて並列に巻 回される。 巻回後に３つの巻線１１〜１３がリッツ線の１８の自由端部の相応のろう付けに よって形成される。第１の巻線１１の抵抗を僅かにするためにここではリッツ線 の４つの素線が並列接続される。第２の巻線１２は２倍の巻回数を有するものと する。これはさらなる２つの素線の直列接続によって達成される。最後に第３の 巻線１３は第１の巻線１１に対して３倍の巻回数を持たされる。これはさらなる ３つの素線の直列接続によ って達成される。個々の心線の撚りによっては結合係数のさらなる向上が得られ る。 図示の実施例では例えば自動車のバッテリ電圧である１０ボルトの入力電圧を 前提としている。この入力電圧からは出力電圧Ｕａとして−１５０ボルトの負の 直流電圧が形成されるべきである。３つの巻線１１〜１３の巻回（ターン）数（ ｎ１，ｎ２，ｎ３）の比は１：２：３である。しかしながら基本的にはその他の 比も存在し得る。 まずパワースイッチ１６が閉成される。それにより第１の巻線１１には入力電 圧Ｕｂが印加される。第１の巻線を通る電流は上昇し、それはエネルギとして第 １の巻線に蓄えられる。 パワースイッチ１６が開かれると、パワースイッチ１６の電流は第２の巻線１ ２へ転流され（切り替えられ）、直列コンデンサ１８が導通状態のダイオード２ １を介して例えば１６０ボルトの正の電圧まで充電する。 ここにおいてパワースイッチ１６が再び閉成された場合には第１の巻線１１に は再び入力電圧Ｕｂが印加される。直列コンデンサ１８の左側には第２の巻線１ ２とパワースイッチ１６を介して−２・入力電圧Ｕｂ、つまり−２０ボルトの電 圧が印加される。なぜなら巻線１１と１２から形成される部分変圧器は１：２の 変成比を有しているからである。ダイオード２１には− １８０ボルトの負の電圧が印加される。そのため上記ダイオード２１は遮断状態 におかれる。平滑コンデンサ２０には、第３の巻線１３にて誘起された−３０ボ ルト（これは第１の巻線と第３の巻線で形成される部分変圧器の変成比が１：３ だからである）の電圧を介してこの負の電圧が印加される。それ故に−１５０ボ ルトの出力電圧Ｕａが生じる（直列コンデンサ１８における負のコンデンサ電圧 は入力電圧Ｕｂだけ低減される）。 この経過からわかるように、ここでは第３の巻線１３における電圧が常に次の ように極性付けらている。すなわち直列コンデンサ１８の充電フェーズ期間中は 平滑コンデンサ２０は放電しないように極性付けられる。これに対する条件の１ つは、巻回数に対して次の式 ｎ３＝ｎ２＋ｎ１ が充たされ、３つの部分巻線が非常に良好に結合されることである。このことは 前記した手法により達成される。直列コンデンサ１８は交流電流負荷のために可 及的に小さな損失率を有するべきである。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 る。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 1． 変圧器を有し、該変圧器の第１の巻線はクロック制御されたパワースイッ チと直列接続されて入力電圧を印加され、前記第１の巻線と、同じ（符号）極性 で極性付けされた第２の巻線は、直列分岐コンデンサとダイオードに直列に接続 されており、パワースイッチのオフの時に直列コンデンサに対する充電電流回路 を形成し、さらに直流電圧変換器の出力側に平滑コンデンサを有している、直流 電圧変換器において、 第１の巻線（１１）と第２の巻線（１２）と直列コンデンサ（１８）からなる 直列回路が、少なくとも１つの逆に極性付けされた第３の巻線（１３）を介して 平滑コンデンサ（２０）に接続されており、前記３つの巻線（１１，１２，１３ ）全ては１つの磁心（２２）上に配設されていることを特徴とする直流電圧変換 器。 2． 前記第３の巻線（１３）の巻回数（ｎ３）は、実質的に前記第１の巻線（ １１）と第２の巻線（１２）の巻回数（ｎ１，ｎ２）の和に相応する、請求の範 囲第１項記載の直流電圧変換器。 3． 前記３つの巻線（１１〜１３）の巻回数（ｎ１，ｎ２，ｎ３）は、実質的 に１：２：３の比の関係にある、請求の範囲第１項又は２項記載の直流電圧変 換器。 4． 前記パワースイッチ（１６）は、例えばＭＯＳＦＥＴ等の高速パワートラ ンジスタとして構成されている、請求の範囲第１項〜３項いずれか１項記載の直 流電圧変換器。 5． 前記パワースイッチ（１６）は、時間及び／又は電流に依存してクロック 制御される、請求の範囲第４項記載の直流電圧変換器。 6． ダイオード（２１）は高速高電圧ダイオードとして構成されている、請求 の範囲第１項〜第５項いずれか１項記載の直流電圧変換器。 7． 前記巻線（１１〜１３）は良好な結合のために並列に巻回されており、３ つの個別巻線（１１〜１３）への分割とそれぞれの極性は、巻線端部の相応の結 線接続によって形成される、請求の範囲第１項〜６項いずれか１項記載の直列電 圧変換器。 8． 前記巻線（１１〜１３）は、４素線式のリッツ線からなる、請求の範囲第 ７項記載の直列電圧変換器。 9． 少なくとも前記第１の巻線（１１）は多数の並列な巻回素線を有する、請 求の範囲第７項又は８項記載の直列電圧変換器。 10．２倍又は３倍の巻回数に相応させるために、並列に巻回された巻回素線が直 列に接続されている、請求の範囲第７項〜９項いずれか１項記載の直列電圧変換 器。 11． 前記巻線（１１〜１３）の個々の心線はストランド状に形成されている請 求の範囲第７項〜１０項いずれか１項記載の直流電圧変換器。