JPH0993922A - 共振型dc−dcコンバータ - Google Patents

共振型dc−dcコンバータ

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JPH0993922A
JPH0993922A JP7247525A JP24752595A JPH0993922A JP H0993922 A JPH0993922 A JP H0993922A JP 7247525 A JP7247525 A JP 7247525A JP 24752595 A JP24752595 A JP 24752595A JP H0993922 A JPH0993922 A JP H0993922A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 周波数一定でPWMによる制御が可能である
共振型DC−DCコンバータを提供すること。 【解決手段】 トランス5の一次側に接続された第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子(nMOSFE
T)3からなるクランプ回路により、クランプ型のスイ
ッチングを行うと、主スイッチング素子(nMOSFE
T)4の両端電圧の波形は、振幅Vin/(1−D)の
矩形波となり、共振回路を通るエネルギーは時比率Dに
比例する。これにより、周波数一定のままPWM制御可
能な共振型DC−DCコンバータが得られる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング電源
装置として各種の電子機器で用いられる共振型DC−D
Cコンバータに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、この種の共振型DC−DCコンバ
ータとして、例えば、特開平2−151266号(以
下、引用例1)、特開平7−87736号(以下、引用
例2)及びソフトスイッチングを用いた電流共振コンバ
ータ(サンケン技報 Vol.26,No.1,pp1
1−22,1994)(以下、引用例3)がある。
【0003】引用例1は、二つのスイッチング素子であ
る二つのパワートランジスタを交互にオン/オフし、直
流電圧をスイッチングしてトランスに供給している。こ
の各スイッチング素子の制御としては、二次側回路の出
力に基づいて、周波数制御手段によるスイッチング周波
数制御と併せて、パルス幅制御を行なうと、スイッチン
グ周波数の制御幅を大幅に狭小化できるとしているが、
現実にパルス幅制御を行うことのできる回路となってい
ない。
【0004】引用例2は、引用例1と同様に、二つのス
イッチング素子を有しており、各スイッチング素子を交
互にオン/オフする。更に引用例2は、変流器を介し
て、共振回路の余剰エネルギーを入力電源に帰還するよ
うにすることで、スイッチング素子の電流をソフトにゼ
ロにできるものである。
【0005】引用例3は、図25に示されるような構成
をしており、引用例1と同様に、二つのスイッチング素
子を有し、各スイッチング素子を交互にオン/オフす
る。この引用例3に挙げられる共振型DC−DCコンバ
ータは、ソフトスイッチングを行なえる低ノイズ型のも
のである。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記引
用例1、引用例2及び引用例3のいずれもスイッチング
回路がハーフブリッジ型のものであるため、スイッチン
グ素子を制御するために、周波数制御が用いられてい
る。したがって、共振型DC−DCコンバータは、周波
数可変範囲での最低周波数で設計しなければならないた
め、トランスや、チョークコイルなどが小さくならず、
共振型DC−DCコンバータの小型化の妨げになってい
た。また、ノイズ周波数も変わるためノイズ対策が困難
であるという問題があった。
【0007】いずれにしても、従来のものでは、スイッ
チング素子の制御に時比率変調(PWM)を用いること
は現実的に不可能であった。
【0008】今、引用例3の共振型DC−DCコンバー
タを例にとり、図25乃至図27を参照して、説明す
る。
【0009】図25は、引用例3に示す共振型DC−D
Cコンバータの回路を示しており、その各部の電圧及び
電流の波形が図26に示されている。主スイッチング素
子Q1 の電圧波形Vds1´は、振幅Vinの矩形波で
示されている。
【0010】このVds1´を時比率(D=Ton/
T)を用いてフーリエ級数展開すると、下記数1で表さ
れる。
【0011】
【数1】 ここで、直列共振回路へは、基本波成分、つまり(1)
式の交流分の第1項のみが通過できるため、この交流分
の第1項だけに注目すると、その振幅|Vds1´ac
は、下記数2のように表される。
【0012】
【数2】 (2)式によると、|Vds1´ac|はDに対して正弦
波的に変わるので、Dが0.2−0.5の範囲では、D
の変化に対し、|Vds1´ac|は変化は非線形的であ
り、特にDが0.3−0.5の近傍では、Dが変化して
も|Vds1´ac|は、あまり変化しない。尚、この様
子は図3に示してある。
【0013】また、Dが0.2以下では、パルスのオン
幅が狭すぎてスイッチングロスが増加し、効率低下の問
題があるので、現実的な時比率Dの可変範囲は、Dが
0.2−0.5の間である。
【0014】したがって、時比率Dによる制御(PW
M)は現実的に困難となる。
【0015】ここで、入力変動及び負荷変動に対するス
イッチング周波数の変化を示した図27において、例え
ば、出力5V/10A(b)に注目すると、約1.6倍
の入力変動(Vin=80V〜130V)に対して、f
s は、1.5倍(60kHz〜90kHz)も変動す
る。
【0016】本発明は、上記の問題に鑑み、主スイッチ
ング素子の制御に周波数一定でPWMを用いることが可
能であり、更に、周波数制御と組み合わせてPWMを用
いることも可能である共振型DC−DCコンバータを提
供することにある。
【0017】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、直流入
力電圧源からの直流入力電圧を、スイッチングパルスの
制御の下に主スイッチング手段でスイッチングして、高
周波トランスの一次側に供給し、その二次側出力を整流
回路で整流し、整流回路の出力を平滑回路で平滑し、所
定の直流電圧を出力する回路で、前記高周波トランスの
一次側及び二次側の一方に共振回路を備えた共振型DC
−DCコンバータにおいて、前記主スイッチング手段に
キャパシタと補助スイッチング手段の直列接続からなる
クランプ回路を付加したことを特徴とする共振型DC−
DCコンバータが得られる。
【0018】また、本発明によれば、前記共振型DC−
DCコンバータにおいて、前記共振回路は、トランスの
二次側に直列共振回路として接続されており、該直列共
振回路の出力が前記整流回路へ供給されており、前記平
滑回路は、コンデンサ入力型平滑回路であることを特徴
とする共振型DC−DCコンバータが得られる。
【0019】また、本発明によれば、前記共振型DC−
DCコンバータにおいて、前記共振回路はトランスの二
次側に並列共振回路として接続されており、該並列共振
回路の出力が前記整流回路へ供給されており、前記平滑
回路は、チョーク入力型平滑回路であることを特徴とす
る共振型DC−DCコンバータが得られる。
【0020】また、本発明によれば、前記共振型DC−
DCコンバータにおいて、前記クランプ回路は、更に、
インダクタを有し、該インダクタと前記トランスの一次
側との間に前記共振回路が直列共振回路として接続され
ており、前記平滑回路は、コンデンサ入力型平滑回路で
あることを特徴とする共振型DC−DCコンバータが得
られる。
【0021】また、本発明によれば、前記共振型DC−
DCコンバータにおいて、前記クランプ回路は、更に、
インダクタを有し、該インダクタと前記トランスの一次
側との間に前記共振回路が並列共振回路として接続され
ており、前記平滑回路は、チョーク入力型平滑回路であ
ることを特徴とする共振型DC−DCコンバータが得ら
れる。
【0022】また、本発明によれば、前記のいずれかの
共振型DC−DCコンバータにおいて、更に、前記スイ
ッチングパルスを生成するスイッチングパルス生成回路
を有し、該スイッチングパルス生成回路は、前記平滑回
路の出力電圧を入力とし、基準電圧からの誤差に応じた
誤差信号を出力する誤差増幅器と、前記誤差信号に応じ
て時比率を変調した時比率変調信号を出力する時比率変
調(PWM)手段と、該時比率変調信号に応じたパルス
幅を有する周波数一定のスイッチングパルスを前記主ス
イッチング及び補助スイッチングに出力する駆動回路と
を有することを特徴とする共振型DC−DCコンバータ
が得られる。
【0023】更に、本発明によれば、前記のいずれかの
共振型DC−DCコンバータにおいて、更に、前記スイ
ッチングパルスを生成するスイッチングパルス生成回路
を有し、該スイッチングパルス生成回路は、前記平滑回
路の出力電圧を入力とし、基準電圧からの誤差に応じた
誤差信号を出力する誤差増幅器と、前記誤差信号に応じ
て周波数を可変した可変周波数信号を出力するV/f変
換手段と、前記直流入力電圧に応じて変調された時比率
を有する時比率変調信号を出力する時比率変調(PW
M)手段と、前記可変周波数信号に応じた周波数と前記
時比率変調信号に応じたパルス幅とを有するスイッチン
グパルスを前記主スイッチング及び補助スイッチングに
出力する駆動回路を具備することを特徴とする共振型D
C−DCコンバータが得られる。
【0024】
【発明の実施の形態】以下に、図面を用いて、本発明の
実施の形態について説明する。
【0025】本発明において、共振型DC−DCコンバ
ータは、基本的に直流入力電圧源、クランプ回路、主ス
イッチング素子、共振回路、トランス、整流回路、平滑
回路、及びスイッチングパルス生成回路にて構成されて
いる。 (第1の実施の形態)図1を参照して、本発明の第1の
実施の形態における共振型DC−DCコンバータについ
て説明する。
【0026】本発明の第1の実施の形態における共振型
DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続か
らなり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、
クランプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッ
チング素子4と、一次側をクランプ回路に並列に接続さ
れたトランス(センタタップ無し)5と、直列共振回路
用の第1のインダクタ6及び第2のキャパシタ7の直列
接続からなりトランス5の二次側に接続された直列共振
回路と、直列共振回路の出力を整流するための第1、第
2、第3及び第4の整流器(ダイオード)8、9、1
0、11からなるブリッジ型全波整流回路と、ブリッジ
型全波整流回路で整流された出力を平滑するためのキャ
パシタ12と負荷抵抗13とからなるコンデンサ入力型
平滑回路と、スイッチングパルス生成回路27とから構
成されている。
【0027】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0028】この第1の実施の形態の共振型DC−DC
コンバータを例にとり、その動作を以下に説明する。
【0029】この第1の実施の形態の共振型DC−DC
コンバータでは、スイッチングパルス生成回路27から
のスイッチングパルスによって、主スイッチング素子4
及び補助スイッチング素子3がデッドタイムを有しなが
ら交互にオンし、各スイッチング素子のデッドタイム期
間中にボディダイオードを通してトランス5の一次側の
励起電流でスイッチング素子の出力容量を充放電するソ
フトスイッチング動作が行われる。この時、トランスの
一次側のインダクタの電圧時間積バランスより下記数3
が導かれる。
【0030】
【数3】 したがって、(3)式より、クランプ回路の第1のキャ
パシタ2の両端電圧は下記数4の様に表される。
【0031】
【数4】 これにより、主スイッチング素子4の両端電圧Vds1
は、下記数5で表される。
【0032】
【数5】 (5)式から、主スイッチング素子4の両端の電圧の波
形は、図2に示す様な振幅がVin/(1−D)である
矩形波となることが分かる。
【0033】ここで、図2は、本発明の第1の実施の形
態の共振型DC−DCコンバータの各部の動作波形を示
す。
【0034】従って、主スイッチング素子4の両端電圧
波形Vds1は、時比率Dを用いてフーリエ級数展開す
ると下記数6で表される。
【0035】
【数6】 ここで、直列共振回路へは、基本波成分、つまり(6)
式の交流分の第1項のみが通過できるため、この交流分
の第1項だけに注目すると、その振幅|Vds1ac
は、下記数7のように表される。
【0036】
【数7】 (7)式によると、|Vds1ac|は、前述した現実的
な時比率Dの可変範囲であるDが0.2−0.8の間に
おいて、Dに対してほぼリニアに変わることが分かる。
【0037】これを、前述した(2)式からわかる従来
の主スイッチング素子の両端電圧の波形と比較して示し
たものが図3である。
【0038】これらのことより、本発明の共振型DC−
DCコンバータは周波数一定で、PWM制御が可能であ
ることが分かる。
【0039】また、主スイッチング素子4の両端電圧波
Vds1は、トランス5によって、所定の電圧に変換さ
れ、直列共振回路を通り、全波整流回路及び平滑回路を
通して出力される。ここで、直列共振回路を流れる電流
Irは、基本波(正弦波)となる。
【0040】尚、以上に説明してきた動作は、後述する
第2乃至第12の実施の形態において基本的に同じであ
る。
【0041】次に本発明の実施の形態の共振型DC−D
Cコンバータについての制御手段であるスイッチングパ
ルス生成回路27に関して説明する。
【0042】スイッチングパルス生成回路27は、本発
明の実施の形態の共振型DC−DCコンバータについて
二通りある。
【0043】一方は、図4に示す様に、PWMのみにて
制御するタイプのスイッチングパルス生成回路27であ
る。このスイッチングパルス生成回路27は、平滑回路
の出力電圧を入力として基準電圧からの誤差に応じた誤
差信号を出力する誤差増幅器23と、誤差信号に応じて
時比率を変調した時比率変調信号を出力する時比率変調
(PWM)手段24と、時比率変調信号に応じたパルス
幅を有する周波数一定のスイッチングパルスを主スイッ
チング及び補助スイッチングに出力する駆動回路25と
から構成されている。これは、入力変動、負荷変動共に
あまり大きくない場合に用いられる。
【0044】他方は、図5に示す様に、周波数制御と、
PWMとを組み合わせて制御するタイプのスイッチング
パルス生成回路27である。このスイッチングパルス生
成回路27は、平滑回路の出力電圧を入力として基準電
圧からの誤差に応じた誤差信号を出力する誤差増幅器2
3と、誤差信号に応じて周波数を可変した可変周波数信
号を出力するV/f変換手段26と、直流入力電圧に応
じて変調された時比率を有する時比率変調信号を出力す
る時比率変調(PWM)手段24と、可変周波数信号に
応じた周波数と、時比率変調信号に応じたパルス幅とを
有するスイッチングパルスを主スイッチング及び補助ス
イッチングに出力する駆動回路25とから構成されてい
る。これは、入力変動や負荷変動が大きい場合に用いら
れるもので、負荷変動は周波数制御で対応し、入力変動
はPWMにて対応するものである。
【0045】これらの二通りのスイッチングパルス生成
回路27は、後述する第2乃至第12の実施の形態にお
いても同じである。 (第2の実施の形態)次に図6を参照して、本発明の第
2の実施の形態における共振型DC−DCコンバータに
ついて説明する。
【0046】本発明の第2の実施の形態における共振型
DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続か
らなり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、
クランプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッ
チング素子4と、一次側をクランプ回路に並列に接続さ
れたトランス(センタタップ有り)14と、直列共振回
路用の第1のインダクタ6及び第2のキャパシタ7の直
列接続からなりトランス14の二次側のセンタタップに
接続された直列共振回路と、第1及び第2の整流器(ダ
イオード)15、16からなり直列共振回路の出力を整
流する全波整流回路と、キャパシタ12と負荷抵抗13
とからなり全波整流回路で整流された出力を平滑するコ
ンデンサ入力型平滑回路と、スイッチングパルス生成回
路27とから構成されている。
【0047】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0048】図6の回路は、トランスの二次側にセンタ
タップを有するトランス14を用いたため、図1の回路
とは、二次側の回路構成が異なる。即ち、直列共振回路
の接続と整流回路の構成が異なるが、動作については、
大略同じである。
【0049】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第3の実施の形態)次に図7を参照して、本発明の第
3の実施の形態における共振型DC−DCコンバータに
ついて説明する。
【0050】本発明の第3の実施の形態における共振型
DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続か
らなり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、
クランプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッ
チング素子4と、一次側をクランプ回路に並列に接続さ
れたトランス(センタタップ有り)14と、直列共振回
路用の第1のインダクタ6及び第2のキャパシタ7の直
列接続からなりトランス14の二次側のセンタタップに
接続された直列共振回路と、内蔵ボディダイオードを有
する第1及び第2のnMOSFET17、18からなり
直列共振回路の出力を整流する同期整流回路と、キャパ
シタ12と負荷抵抗13とからなり同期整流回路で整流
された出力を平滑するコンデンサ入力型平滑回路と、ス
イッチングパルス生成回路27とから構成されている。
【0051】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0052】図7の回路は、トランスの二次側にセンタ
タップを有するトランス14と整流回路として内蔵ボデ
ィダイオードを有する第1及び第2のnMOSFET1
7、18からなる同期整流回路を用いたため、図1の回
路とは、二次側の回路構成が異なる。即ち、直列共振回
路の接続と整流回路の構成が異なるが、動作については
大略同じである。
【0053】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第4の実施の形態)次に図8を参照して、本発明の第
4の実施の形態における共振型DC−DCコンバータに
ついて説明する。
【0054】本発明の第4の実施の形態における共振型
DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続か
らなり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、
クランプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッ
チング素子4と、一次側をクランプ回路に並列に接続さ
れたトランス(センタタップ無し)5と、並列共振回路
用の第1のインダクタ19及び第2のキャパシタ20か
らなりトランス5の二次側に接続された並列共振回路
と、第1、第2、第3、及び第4の整流器(ダイオー
ド)8、9、10、11からなり並列共振回路の出力を
整流するブリッジ型全波整流回路と、チョークコイル2
1とキャパシタ12と負荷抵抗13とからなりブリッジ
型全波整流回路で整流された出力を平滑するチョーク入
力型平滑回路と、スイッチングパルス生成回路27とか
ら構成されている。
【0055】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0056】図8の回路は、第1のインダクタ19及び
第2のキャパシタ20からなりトランス5の二次側に接
続された並列共振回路と、チョークコイル21とキャパ
シタ12と負荷抵抗13とからなるチョーク入力型平滑
回路とを用いたため、図1の回路とは、二次側の回路構
成が異なる。即ち、共振回路の接続及び構成と平滑回路
の構成が異なるが、動作については大略同じである。
【0057】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第5の実施の形態)次に図9を参照して、本発明の第
5の実施の形態における共振型DC−DCコンバータに
ついて説明する。
【0058】本発明の第5の実施の形態における共振型
DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続か
らなり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、
クランプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッ
チング素子4と、一次側をクランプ回路に並列に接続さ
れたトランス(センタタップ有り)14と、並列共振回
路用の第1のインダクタ19及び第2のキャパシタ20
の並列接続からなりトランス14の二次側のセンタタッ
プに接続された並列共振回路と、第1及び第2の整流器
(ダイオード)15、16からなり並列共振回路の出力
を整流する全波整流回路と、チョークコイル21とキャ
パシタ12と負荷抵抗13とからなり全波整流回路で整
流された出力を平滑するチョーク入力型平滑回路と、ス
イッチングパルス生成回路27とから構成されている。
【0059】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0060】図9の回路は、トランスの二次側にセンタ
タップを有するトランス14と、第1のインダクタ19
及び第2のキャパシタ20の並列接続からなりトランス
14の二次側のセンタタップに接続された並列共振回路
と、チョークコイル21とキャパシタ12と負荷抵抗1
3とからなるチョーク入力型平滑回路とを用いたため、
図1の回路とは、二次側の回路構成が異なる。即ち、共
振回路の接続及び構成と整流回路及び平滑回路の構成が
異なるが、動作については、大略同じである。
【0061】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第6の実施の形態)次に図10を参照して、本発明の
第6の実施の形態における共振型DC−DCコンバータ
について説明する。
【0062】本発明の第6の実施の形態における共振型
DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続か
らなり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、
クランプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッ
チング素子4と、一次側をクランプ回路に並列に接続さ
れたトランス(センタタップ有り)14と、並列共振回
路用の第1のインダクタ19及び第2のキャパシタ20
の並列接続からなりトランス14の二次側のセンタタッ
プに接続された並列共振回路と、内蔵ボディダイオード
を有する第1及び第2のnMOSFET17、18から
なり並列共振回路の出力を整流する同期整流回路と、チ
ョークコイル21とキャパシタ12と負荷抵抗13とか
らなり同期整流回路で整流された出力を平滑するチョー
ク入力型平滑回路と、スイッチングパルス生成回路27
とから構成されている。
【0063】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0064】図10の回路は、トランスの二次側にセン
タタップを有するトランス14と、第1のインダクタ1
9及び第2のキャパシタ20の並列接続からなりトラン
ス14の二次側のセンタタップに接続された並列共振回
路と、内蔵ボディダイオードを有する第1及び第2のn
MOSFET17、18からなる同期整流回路と、チョ
ークコイル21とキャパシタ12と負荷抵抗13とから
なるチョーク入力型平滑回路とを用いたため、図1の回
路とは、二次側の回路構成が異なる。即ち、共振回路の
接続及び構成と整流回路及び平滑回路の構成が異なる
が、動作については、大略同じである。
【0065】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第7の実施の形態)次に図11を参照して、本発明の
第7の実施の形態における共振型DC−DCコンバータ
について説明する。
【0066】本発明の第7の実施の形態における共振型
DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続か
らなるものと第3のインダクタ22との並列接続からな
り直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、クラ
ンプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッチン
グ素子4と、直列共振回路用の第1のインダクタ6及び
第2のキャパシタ7の直列接続からなりクランプ回路に
接続された直列共振回路と、直列共振回路に接続された
トランス(センタタップ無し)5と、第1、第2、第
3、及び第4の整流器(ダイオード)8、9、10、1
1からなりトランス5の二次側に接続されたトランスの
出力を整流するブリッジ型全波整流回路と、キャパシタ
12と負荷抵抗13とからなりブリッジ型全波整流回路
で整流された出力を平滑するコンデンサ入力型平滑回路
と、スイッチングパルス生成回路27とから構成されて
いる。
【0067】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0068】図11の回路は、第1のインダクタ6及び
第2のキャパシタ7の直列接続からなる直列共振回路を
トランス5の一次側に接続し、第1のキャパシタ2及び
補助スイッチング素子3の直列接続からなるものと第3
のインダクタ22との並列接続からなり直流入力電圧源
1と接続されたクランプ回路を用いたため、図1の回路
とは、一次側及び二次側の回路構成が異なる。即ち、直
列共振回路の接続とクランプ回路の構成が異なるが、動
作については、大略同じである。
【0069】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第8の実施の形態)次に図12を参照して、本発明の
第8の実施の形態における共振型DC−DCコンバータ
について説明する。
【0070】本発明の第8の実施の形態における共振型
DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続か
らなるものと第3のインダクタ22との並列接続からな
り直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、クラ
ンプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッチン
グ素子4と、直列共振回路用の第1のインダクタ6及び
第2のキャパシタ7の直列接続からなりクランプ回路に
接続された直列共振回路と、直列共振回路に接続された
トランス(センタタップ有り)14と、第1及び第2の
整流器(ダイオード)15、16からなりトランス14
の二次側に接続されたトランスの出力を整流する全波整
流回路と、キャパシタ12と負荷抵抗13とからなり全
波整流回路で整流された出力を平滑するコンデンサ入力
型平滑回路と、スイッチングパルス生成回路27とから
構成されている。
【0071】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0072】図12の回路は、トランスの二次側にセン
タタップを有するトランス14を用い、第1のインダク
タ6及び第2のキャパシタ7の直列接続からなる直列共
振回路をトランス14の一次側に接続し、更に、第1の
キャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続か
らなるものと第3のインダクタ22との並列接続からな
り直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路を用いた
ため、図1の回路とは、一次側及び二次側の回路構成が
異なる。即ち、直列共振回路の接続とクランプ回路及び
整流回路の構成が異なるが、動作については、大略同じ
である。
【0073】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第9の実施の形態)次に図13を参照して、本発明の
第9の実施の形態における共振型DC−DCコンバータ
について説明する。
【0074】本発明の第9の実施の形態における共振型
DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、直流入
力電圧源1と接続され、第1のキャパシタ2及び補助ス
イッチング素子3の直列接続からなるものと第3のイン
ダクタ22との並列接続からなり直流入力電圧源1と接
続されたクランプ回路と、クランプ回路及び直流入力電
圧源に接続された主スイッチング素子4と、直列共振回
路用の第1のインダクタ6及び第2のキャパシタ7の直
列接続からなりクランプ回路に接続された直列共振回路
と、直列共振回路に接続されたトランス(センタタップ
有り)14と、内蔵ボディダイオードを有する第1及び
第2のnMOSFET17、18からなりトランス14
の二次側に接続されたトランスの出力を整流する同期整
流回路と、キャパシタ12と負荷抵抗13とからなり同
期整流回路で整流された出力を平滑するコンデンサ入力
型平滑回路と、スイッチングパルス生成回路27とから
構成されている。
【0075】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0076】図13の回路は、トランスの二次側にセン
タタップを有するトランス14を用い、第1のインダク
タ6及び第2のキャパシタ7の直列接続からなる直列共
振回路をトランス14の一次側に接続し、更に内蔵ボデ
ィダイオードを有する第1及び第2のnMOSFET1
7、18からなる同期整流回路と、第1のキャパシタ2
及び補助スイッチング素子3の直列接続からなるものと
第3のインダクタ22との並列接続からなり直流入力電
圧源1と接続されたクランプ回路を用いたため、図1の
回路とは、一次側及び二次側の回路構成が異なる。即
ち、直列共振回路の接続とクランプ回路及び整流回路の
構成が異なるが、動作については、大略同じである。
【0077】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第10の実施の形態)次に図14を参照して、本発明
の第10の実施の形態における共振型DC−DCコンバ
ータについて説明する。
【0078】本発明の第10の実施の形態における共振
型DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1
のキャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続
からなるものと第3のインダクタ22との並列接続から
なり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、ク
ランプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッチ
ング素子4と、クランプ回路に接続され、並列共振回路
用の第1のインダクタ19及び第2のキャパシタ20の
直列接続からなりクランプ回路に接続された並列共振回
路と、並列共振回路の第2のキャパシタ20に一次側を
並列に接続されたトランス(センタタップ無し)5と、
第1、第2、第3、及び第4の整流器(ダイオード)
8、9、10、11からなりトランス5の二次側に接続
されたトランスの出力を整流するブリッジ型全波整流回
路と、チョークコイル21とキャパシタ12と負荷抵抗
13とからなりブリッジ型全波整流回路で整流された出
力を平滑するチョーク入力型平滑回路と、スイッチング
パルス生成回路27とから構成されている。
【0079】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0080】図14の回路は、第1のインダクタ19及
び第2のキャパシタ20の直列接続からなり第2のキャ
パシタ20をトランスの一次側に接続された並列共振回
路と、第1のキャパシタ2及び補助スイッチング素子3
の直列接続からなるものと第3のインダクタ22との並
列接続からなり直流入力電圧源1と接続されたクランプ
回路と、チョークコイル21とキャパシタ12と負荷抵
抗13とからなるチョーク入力型平滑回路を用いたた
め、図1の回路とは、一次側及び二次側の回路構成が異
なる。即ち、共振回路の接続及び構成とクランプ回路及
び平滑回路の構成が異なるが、動作については、大略同
じである。
【0081】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第11の実施の形態)次に図15を参照して、本発明
の第11の実施の形態における共振型DC−DCコンバ
ータについて説明する。
【0082】本発明の第11の実施の形態における共振
型DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1
のキャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続
からなるものと第3のインダクタ22との並列接続から
なり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、ク
ランプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッチ
ング素子4と、並列共振回路用の第1のインダクタ19
及び第2のキャパシタ20の直列接続からなりクランプ
回路に接続された並列共振回路と、並列共振回路の第2
のキャパシタ20に一次側を並列に接続されたトランス
(センタタップ有り)14と、第1及び第2の整流器
(ダイオード)15、16からなりトランス14の二次
側に接続されたトランスの出力を整流する全波整流回路
と、チョークコイル21とキャパシタ12と負荷抵抗1
3とからなり全波整流回路で整流された出力を平滑する
チョーク入力型平滑回路と、スイッチングパルス生成回
路27とから構成されている。
【0083】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0084】図15の回路は、トランスの二次側にセン
タタップを有するトランス14と、第1のインダクタ1
9及び第2のキャパシタ20の直列接続からなり第2の
キャパシタ20をトランス14の一次側に接続された並
列共振回路と、第1のキャパシタ2及び補助スイッチン
グ素子3の直列接続からなるものと第3のインダクタ2
2との並列接続からなり直流入力電圧源1と接続された
クランプ回路と、チョークコイル21とキャパシタ12
と負荷抵抗13とからなるチョーク入力型平滑回路を用
いたため、図1の回路とは、一次側及び二次側の回路構
成が異なる。即ち、共振回路の接続及び構成と、クラン
プ回路、整流回路、及び平滑回路の構成が異なるが、動
作については大略同じである。
【0085】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。 (第12の実施の形態)次に図16を参照して、本発明
の第12の実施の形態における共振型DC−DCコンバ
ータについて説明する。
【0086】本発明の第12の実施の形態における共振
型DC−DCコンバータは、直流入力電圧源1と、第1
のキャパシタ2及び補助スイッチング素子3の直列接続
からなるものと第3のインダクタ22との並列接続から
なり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回路と、ク
ランプ回路及び直流入力電圧源に接続された主スイッチ
ング素子4と、並列共振回路用の第1のインダクタ19
及び第2のキャパシタ20の直列接続からなりクランプ
回路に接続された並列共振回路と、並列共振回路の第2
のキャパシタ20に一次側を並列に接続されたトランス
(センタタップ有り)14と、内蔵ボディダイオードを
有する第1及び第2のnMOSFET17、18からな
りトランス14の二次側に接続されたトランスの出力を
整流する同期整流回路と、チョークコイル21とキャパ
シタ12と負荷抵抗13とからなり同期整流回路で整流
された出力を平滑するチョーク入力型平滑回路と、スイ
ッチングパルス生成回路27とから構成されている。
【0087】ここでは、主スイッチング素子4及び補助
スイッチング素子3は、内蔵ボディダイオードを有する
nMOSFETを用いる。
【0088】図16の回路は、トランスの二次側にセン
タタップを有するトランス14と、第1のインダクタ1
9及び第2のキャパシタ20の直列接続からなり第2の
キャパシタ20をトランス14の一次側に接続された並
列共振回路と、内蔵ボディダイオードを有する第1及び
第2のnMOSFET17、18からなる同期整流回路
と、第1のキャパシタ2及び補助スイッチング素子3の
直列接続からなるものと第3のインダクタ22との並列
接続からなり直流入力電圧源1と接続されたクランプ回
路と、チョークコイル21とキャパシタ12と負荷抵抗
13とからなるチョーク入力型平滑回路を用いたため、
図1の回路とは、一次側及び二次側の回路構成が異な
る。即ち、共振回路の接続及び構成と、クランプ回路、
整流回路、及び平滑回路の構成が異なるが、動作につい
ては大略同じである。
【0089】スイッチングパルス生成回路27として
は、図4及び図5の二通りをそれぞれに適した場合によ
り選択する。
【0090】尚、以上説明してきた、第1乃至第12の
実施の形態の共振型DC−DCコンバータにおいて、ク
ランプ回路に含まれる補助スイッチング素子3は、内蔵
ボディダイオードを有するnMOSFETであったが、
これを内蔵ボディダイオードを有するpMOSFETに
置き換えたものを、図1に示す第1の実施の形態を例に
して、図17に示す。同図を参照すると、第1のキャパ
シタ2と、補助スイッチング素子としての内蔵ボディダ
イオードを有するpMOSFET28とは、直列接続さ
れてクランプ回路を形成しており、このクランプ回路が
主スイッチング素子4に並列に接続されている。
【0091】また、以上説明してきた実施の形態におい
て、トランスがその二次側にセンタタップを有していな
いもののそれぞれに関し、次の様な形態も挙げられる。
【0092】即ち、共振回路がトランスの二次側に接続
されている様な場合、トランスをインダクタに置き換え
ても可能である。この様な場合の例として、例えば本発
明の第1及び第4の実施の形態の共振型DC−DCコン
バータにおいてトランスをインダクタに置き換えたもの
を図18及び図19に示す。ここでは、第1及び第4の
実施の形態を例にとったがクランプ回路に内蔵ボディダ
イオードを有するpMOSFETを用いたものに関して
も同様に置き換えが可能であることはいうまでもないこ
とである。
【0093】更に、共振回路がトランスの一次側に接続
されている様な場合、トランスを取り除き、一次側の回
路と二次側の回路とを直接接続することが可能である。
この様な場合の例として、例えば本発明の第7及び第1
0の実施の形態の共振型DC−DCコンバータにおいて
トランスを取り除き、一次側の回路と二次側の回路とを
直接接続したものを図20及び図21に示す。ここで
は、第7及び第10の実施の形態を例にとったがクラン
プ回路に内蔵ボディダイオードを有するpMOSFET
を用いたものに関しても同様であることは、いうまでも
ないことである。
【0094】
【実施例】図1の回路において、実施を行ったので、以
下に図22及び図23を参照しながらその結果を示す。
【0095】まず、スイッチング周波数は200kHz
に固定し、入力電圧は、48V〜90Vの範囲で変動さ
せ、出力が5V/0.5Aになるように時比率(D=T
on/T)を変化させた。
【0096】ここで、図22は、入力電圧と時比率との
関係(測定結果)を示す図である。
【0097】従って、以上より、入力電圧を約2倍(V
in=48V〜90V)変動させても、周波数一定のま
ま、時比率Dを約2倍(D=0.59〜0.31)変動
させることによって出力電圧を一定に制御できる。
【0098】尚、図23及び図24は、入力電圧及び時
比率Dを変えたときのそれぞれの図1の回路の各部動作
波形(測定波形)を示す。
【0099】
【発明の効果】以上説明した様に、本発明によれば、主
スイッチング素子にクランプ回路を付加することによっ
て、時比率を変えることにより共振回路へ入力される基
本波成分のエネルギーをリニアに調整できるため、PW
Mによる制御が可能な共振型DC−DCコンバータが得
られる。
【0100】また、これにより、本発明の共振型DC−
DCコンバータは、従来の様に大きなスイッチング周波
数の変動に伴なう最低周波数での設計をする必要が無く
なり、電源の小型化が図れることになる。
【0101】更に、スイッチング周波数の変動に伴なう
ノイズ周波数の変化も無いため、ノイズ対策が、従来に
対し、比較的容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明における第1の実施の形態を示す図であ
る。
【図2】本発明における第1の実施の形態の共振型DC
−DCコンバータの各部波形を示す図である。
【図3】sinDπ、sinDπ(1−D)の計算結果
を示す図である。
【図4】本発明の実施の形態の共振型DC−DCコンバ
ータに用いるスイッチングパルス生成回路の一例を示す
図である。
【図5】本発明の実施の形態の共振型DC−DCコンバ
ータに用いるスイッチングパルス生成回路の他例を示す
図である。
【図6】本発明における第2の実施の形態を示す図であ
る。
【図7】本発明における第3の実施の形態を示す図であ
る。
【図8】本発明における第4の実施の形態を示す図であ
る。
【図9】本発明における第5の実施の形態を示す図であ
る。
【図10】本発明における第6の実施の形態を示す図で
ある。
【図11】本発明における第7の実施の形態を示す図で
ある。
【図12】本発明における第8の実施の形態を示す図で
ある。
【図13】本発明における第9の実施の形態を示す図で
ある。
【図14】本発明における第10の実施の形態を示す図
である。
【図15】本発明における第11の実施の形態を示す図
である。
【図16】本発明における第12の実施の形態を示す図
である。
【図17】本発明における第1の実施の形態の共振型D
C−DCコンバータにおいて、補助スイッチング素子に
内蔵ボディダイオードを有するpMOSFETを用いた
共振型DC−DCコンバータを示す図である。
【図18】本発明における第1の実施の形態の共振型D
C−DCコンバータにおいて、トランスをインダクタに
置き換えた共振型DC−DCコンバータを示す図であ
る。
【図19】本発明における第4の実施の形態の共振型D
C−DCコンバータにおいて、トランスをインダクタに
置き換えた共振型DC−DCコンバータを示す図であ
る。
【図20】本発明における第7の実施の形態の共振型D
C−DCコンバータにおいて、トランスを取り除き、一
次側の回路と二次側の回路とを直接接続した共振型DC
−DCコンバータを示す図である。
【図21】本発明における第10の実施の形態の共振型
DC−DCコンバータにおいて、トランスを取り除き、
一次側の回路と二次側の回路とを直接接続した共振型D
C−DCコンバータを示す図である。
【図22】本発明における第1の実施の形態の共振型D
C−DCコンバータにおいて、時比率と入力電圧の関係
(測定値)を示す図である。
【図23】本発明における第1の実施の形態の共振型D
C−DCコンバータにおいて、Vin=48V,D=
0.59の場合の各部波形を示す図である。
【図24】本発明における第1の実施の形態の共振型D
C−DCコンバータにおいて、Vin=90V,D=
0.31の場合の各部波形を示す図である。
【図25】従来の共振型DC−DCコンバータを示す図
である。
【図26】図25の共振型DC−DCコンバータの各部
波形を示す図である。
【図27】図25の共振型DC−DCコンバータにおい
て、入力電圧と発信周波数との関係を示す図である。
【符号の説明】
1 直流入力電圧源 2 第1のキャパシタ 3 補助スイッチング素子(nMOSFET) 4 主スイッチング素子(nMOSFET) 5 トランス(センタタップ無し) 6 (直列共振回路用の)第1のインダクタ 7 (直列共振回路用の)第2のキャパシタ 8 第1の整流器(第1のダイオード): 4組のダ
イオードを用いた全波整流回路用 9 第2の整流器(第2のダイオード): 4組のダ
イオードを用いた全波整流回路用 10 第3の整流器(第3のダイオード): 4組のダ
イオードを用いた全波整流回路用 11 第4の整流器(第4のダイオード): 4組のダ
イオードを用いた全波整流回路用 12 キャパシタ 13 負荷抵抗 14 トランス(センタタップ有り) 15 第1の整流器(第1のダイオード): 2組のダ
イオードを用いた全波整流回路用 16 第2の整流器(第2のダイオード): 2組のダ
イオードを用いた全波整流回路用 17 第1のnMOSFET: 同期整流回路用 18 第2のnMOSFET: 同期整流回路用 19 (並列共振回路用の)第1のインダクタ 20 (並列共振回路用の)第2のキャパシタ 21 チョークコイル 22 第3のインダクタ 23 誤差増幅器 24 PWM制御手段 25 駆動回路 26 V/f変換手段 27 スイッチングパルス生成回路 28 補助スイッチング素子(pMOSFET)

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流入力電圧源からの直流入力電圧を、
    スイッチングパルスの制御の下に主スイッチング手段で
    スイッチングして、高周波トランスの一次側に供給し、
    その二次側出力を整流回路で整流し、整流回路の出力を
    平滑回路で平滑し、所定の直流電圧を出力する回路で、
    前記高周波トランスの一次側及び二次側の一方に共振回
    路を備えた共振型DC−DCコンバータにおいて、 前記主スイッチング手段にキャパシタと補助スイッチン
    グ手段の直列接続からなるクランプ回路を付加したこと
    を特徴とする共振型DC−DCコンバータ。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の共振型DC−DCコンバ
    ータにおいて、 前記共振回路は、トランスの二次側に直列共振回路とし
    て接続されており、 該直列共振回路の出力が前記整流回路へ供給されてお
    り、 前記平滑回路は、コンデンサ入力型平滑回路であること
    を特徴とする共振型DC−DCコンバータ。
  3. 【請求項3】 請求項1記載の共振型DC−DCコンバ
    ータにおいて、 前記共振回路はトランスの二次側に並列共振回路として
    接続されており、 該並列共振回路の出力が前記整流回路へ供給されてお
    り、 前記平滑回路は、チョーク入力型平滑回路であることを
    特徴とする共振型DC−DCコンバータ。
  4. 【請求項4】 請求項1記載の共振型DC−DCコンバ
    ータにおいて、 前記クランプ回路は、更に、インダクタを有し、 該インダクタと前記トランスの一次側との間に前記共振
    回路が直列共振回路として接続されており、 前記平滑回路は、コンデンサ入力型平滑回路であること
    を特徴とする共振型DC−DCコンバータ。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の共振型DC−DCコンバ
    ータにおいて、 前記クランプ回路は、更に、インダクタを有し、 該インダクタと前記トランスの一次側との間に前記共振
    回路が並列共振回路として接続されており、 前記平滑回路は、チョーク入力型平滑回路であることを
    特徴とする共振型DC−DCコンバータ。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載
    の共振型DC−DCコンバータにおいて、 更に、前記スイッチングパルスを生成するスイッチング
    パルス生成回路を有し、 該スイッチングパルス生成回路は、前記平滑回路の出力
    電圧を入力とし、基準電圧からの誤差に応じた誤差信号
    を出力する誤差増幅器と、前記誤差信号に応じて時比率
    を変調した時比率変調信号を出力する時比率変調(PW
    M)手段と、該時比率変調信号に応じたパルス幅を有す
    る周波数一定のスイッチングパルスを前記主スイッチン
    グ及び補助スイッチングに出力する駆動回路とを有する
    ことを特徴とする共振型DC−DCコンバータ。
  7. 【請求項7】 請求項1乃至請求項5のいずれかに記載
    の共振型DC−DCコンバータにおいて、 更に、前記スイッチングパルスを生成するスイッチング
    パルス生成回路を有し、 該スイッチングパルス生成回路は、前記平滑回路の出力
    電圧を入力とし、基準電圧からの誤差に応じた誤差信号
    を出力する誤差増幅器と、前記誤差信号に応じて周波数
    を可変した可変周波数信号を出力するV/f変換手段
    と、前記直流入力電圧に応じて変調された時比率を有す
    る時比率変調信号を出力する時比率変調(PWM)手段
    と、前記可変周波数信号に応じた周波数と前記時比率変
    調信号に応じたパルス幅とを有するスイッチングパルス
    を前記主スイッチング及び補助スイッチングに出力する
    駆動回路を具備することを特徴とする共振型DC−DC
    コンバータ。
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