JP2005304230A - Ｄｃ−ｄｃコンバータの起動方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧でＤＣ−ＤＣコンバータを起動できるようにする。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ３の動作可能最低入力直流電圧より低い電圧で動作するＤＭＯＳトランジスタ１３を能動素子とし、このＤＭＯＳトランジスタ１３に対して並列にバイポーラトランジスタ１７を接続して発振器１を構成する。そして、この発振器１からの発振出力を昇圧トランス２で昇圧し、その昇圧発振出力でＤＣ−ＤＣコンバータ３のスイッチをオン，オフさせて、ＤＣ−ＤＣコンバータ３を起動させる。
【選択図】 図３

Description

本発明は、直流電圧を他の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法及び起動装置に関する。

一般に、ＤＣ−ＤＣコンバータは、入力直流電圧をチョッパして交流とし、その交流電圧を昇圧または降圧した後整流して所望の直流電圧を得ている。このものにおいて、チョッパに必要なスイッチとしては、バイポーラトランジスタやエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタ（以下、単にＭＯＳトランジスタと略称する）等の半導体素子が用いられている。

バイポーラトランジスタの場合、スイッチとして動作させるには振幅約１Ｖのパルスで駆動する必要がある。一方、ＭＯＳトランジスタをスイッチとして動作させるには振幅３〜５Ｖのパルスで駆動しなければならない。すなわち、従来のＤＣ−ＤＣコンバータを動作させるには、最低１Ｖの入力直流電圧が必要であり、現在市販されているＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧は１．０Ｖであった（例えば、特許文献１，２，３参照）。
特開昭６３−２４５２５８ 特開平０６−０７０５４２ 特開２０００−２３６６６２

ところで近年、ＤＣ−ＤＣコンバータは、乾電池や太陽電池を電源とする携帯型電子機器に利用されつつある。しかし、この種の携帯型電子機器に利用する場合、低温時の電池電圧の低下や太陽電池１セルでの動作を考慮すると、現時点の動作可能最低入力直流電圧１．０Ｖより低い電圧で動作するＤＣ−ＤＣコンバータの開発が求められていた。

本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧でＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることができるＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法及び起動装置を提供しようとするものである。

請求項１記載の発明は、スイッチをオン，オフすることにより入力直流電圧を他の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法であって、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧で動作する能動素子としてディスプレッション型ＭＯＳトランジスタ（以下、ＤＭＯＳトランジスタと略称する）を用い、このＤＭＯＳトランジスタに対して並列にバイホーラトランジスタまたはＭＯＳトランジスタを接続して発振器を構成する。そして、この発振器からの発振出力を昇圧し、その昇圧発振出力でスイッチをオン，オフさせて、ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させるようにしたものである。

また、請求項２記載の発明は、上記発振器からの発振出力を昇圧した後整流する。そして、その整流電圧を、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチをオン，オフさせる信号を出力するためのスイッチ駆動回路に電源として供給して、ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させるようにしたものである。

また、請求項３記載の発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータの起動時のみ上記発振器を動作させ、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換後の電圧が規定値に達した後の定常状態では該発振器の動作を停止させるようにしたものである。

また、請求項４記載の発明は、スイッチをオン，オフすることにより入力直流電圧を他の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータの起動装置において、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧で動作する能動素子としてディスプレッション型ＭＯＳトランジスタを用い、このディスプレッション型ＭＯＳトランジスタに対して並列にバイホーラトランジスタまたはエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタを接続して構成された発振器と、この発振器からの発振出力を昇圧する昇圧手段とを設け、この昇圧手段により昇圧された発振出力でスイッチをオン，オフさせて、ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させるようにしたものである。

また、請求項５記載の発明は、上記昇圧手段により昇圧された発振出力を整流する整流手段をさらに設ける。そして、この整流手段により得られる整流電圧を、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチをオン，オフさせる信号を出力するためのスイッチ駆動回路の電源として供給して、ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させるようにしたものである。

また、請求項６記載の発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換後の電圧が規定値に達すると発振器の動作を停止させる停止手段をさらに設け、ＤＣ−ＤＣコンバータの起動時のみ発振器を動作させ、ＤＣ−ＤＣコンバータの変換後の電圧が規定値に達した後の定常状態では停止手段により発振器の動作を停止させるようにしたものである。

かかる手段を講じた請求項１乃至３記載の発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧でＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることができるＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法を提供できる。

また、請求項４乃至６記載の発明によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧でＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることができ、ＤＣ−ＤＣコンバータを携帯電子機器等に有益に活用できるＤＣ−ＤＣコンバータの起動装置を提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。
図１は本発明の実施の形態の概略を示す模式図であり、同図において、符号１は低電圧動作発振器、２は低電圧動作発振器１の発振出力である交流電圧を昇圧するための昇圧手段としての昇圧トランス、３は入力直流電圧Ｖｉｎを他の直流電圧に変換して出力電圧Ｖｏｕｔを得るＤＣ−ＤＣコンバータである。

低電圧動作発振器１でＤＣ−ＤＣコンバータ３を駆動する具体的な方法には二通りある。第１の方法は、低電圧動作発振器１の出力交流電圧を昇圧し、その昇圧交流電圧でＤＣ−ＤＣコンバータ３のスイッチをオン・オフさせる方法である。第２の方法は、低電圧動作発振器１の出力交流電圧を昇圧した後整流し、その整流直流電圧をＤＣ−ＤＣコンバータ３のスイッチ駆動回路の電源とする方法である。

はじめに、第１の方法により低電圧動作発振器１でＤＣ−ＤＣコンバータ３を駆動する第１の実施の形態について、図２及び図３を用いて説明する。なお、図１と同一部分には同一符号を付して、詳しい説明は省略する。

図２は第１の実施の形態の概略を示す模式図であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、トランス３１と、このトランス３１の一次巻線間に図示極性で接続されたダイオード３２と、前記トランス３１の二次巻線間に図示極性で介在されたダイオード３３及びコンデンサ３４の直列回路と、前記トランスの一次巻線に接続され、チョッパに必要なスイッチとしてのＭＯＳトランジスタ３５とから構成されている。そして、低電圧動作発振器１から発振出力される交流電圧を昇圧する昇圧トランス２の二次側出力をＭＯＳトランジスタ３５のゲート駆動パルスとして印加して、ＭＯＳトランジスタ３５をオン、オフし、ＤＣ−ＤＣコンバータ３を起動するようにしている。

この実施の形態において、低電圧動作発振器１は、ＤＭＯＳトランジスタを能動素子として用いた無安定マルチバイブレータによる方形波発振器である。

この実施の形態における具体的な回路構成図を図３に示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、フライバック方式のＤＣ−ＤＣコンバータである。低電圧動作発振器１は、入力直流電圧Ｖｉｎを分圧する分圧抵抗１１，１２と、この分圧抵抗１１，１２によって分圧された電圧をゲート端子に入力するＤＭＯＳトランジスタ１３と、ＤＭＯＳトランジスタ１３のソース端子に図示極性で接続されたトンネルダイオード１４と、コンデンサ１５，１６と、ＤＭＯＳトランジスタ１３に対して並列に接続されたバイポーラトランジスタ１７と、このバイポーラトランジスタ１７のベース電流制限用の抵抗１８とから構成されている。

かかる構成により、ＤＭＯＳトランジスタ１３は、分圧抵抗１１，１２で分圧された入力電圧によってトンネルダイオード１４をその負性抵抗領域である約０．２Ｖにバイアスする。すると、負性抵抗領域にバイアスされたトンネルダイオード１４は、コンデンサ１５と昇圧トランス２の一次インダクタンスから成る並列共振回路とで負性抵抗発振器を構成し、振幅約０．１Ｖの正弦波を発生する。また、ＤＭＯＳトランジスタ１３に対して並列に接続されたバイポーラトランジスタ１７は、分圧抵抗１１，１２によって分圧された電圧で駆動される。バイポーラトランジスタ１７は、ＤＭＯＳトランジスタ１３よりも許容動作電力が大きく、また相互インダクタンスも大きいので、ＤＭＯＳトランジスタ１３と並列動作させることで大きな出力電力が得られる。

昇圧トランス２は、低電圧動作発振器１から発生される正弦波の振幅を約３Ｖに昇圧し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３のスイッチであるＭＯＳトランジスタ３５のゲートに印加する。これにより、ＭＯＳトランジスタ３５がオン・オフして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３が起動する。

トンネルダイオード１４の負性抵抗領域は、一般に、０．１〜０．３Ｖである。したがって、この第１の実施の形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ３を０．３Ｖの入力直流電圧で起動することができる。

次に、第２の方法により低電圧動作発振器１でＤＣ−ＤＣコンバータ３を駆動する第２の実施の形態について、図４及び図５を用いて説明する。なお、図１〜図３と同一部分には同一符号を付して、詳しい説明は省略する。

図４は第２の実施の形態の概略を示す模式図であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ３には、ＭＯＳトランジスタ３５からなるスイッチをオン、オフさせるためのパルス信号を発生するスイッチ駆動回路３６が追加されている。スイッチ駆動回路３６は、２つのインバータ３６１，３６２を用いたパルス発振器で構成されている。また、低電圧動作発振器１からの発振出力である交流電圧を昇圧する昇圧トランス２の二次側に、昇圧交流電圧を整流及び平滑するための整流手段としての整流ダイオード４及び平滑コンデンサ５が接続されている。そして、この整流ダイオード４と平滑コンデンサ５によって整流及び平滑された電圧を、スイッチ駆動回路３６の電源として供給して、ＤＣ−ＤＣコンバータ３を起動させるようにしている。

この実施の形態において、低電圧動作発振器１としては、能動素子としてＤＭＯＳトランジスタを用いたブロッキング発振器やコルピッツ発振器等が適している。

この実施の形態における具体的な回路構成図を図５に示す。ＤＣ−ＤＣコンバータ３は、フライバック方式のＤＣ−ＤＣコンバータである。昇圧トランス２は、二次巻線として第１の二次巻線２１と第２の二次巻線２２を有している。低電圧動作発振器１は、ＤＭＯＳトランジスタ６１、コンデンサ６２及び抵抗６３と、昇圧トランス２とによってブロッキング発振器を構成している。

また、ＤＭＯＳトランジスタ６１に対して並列にバイポーラトランジスタ６４を接続している。バイポーラトランジスタ６４のベース端子には、ベース電流制限用の抵抗６５を介してＤＭＯＳトランジスタ６１のゲート端子に接続している。これにより、バイポーラトランジスタ６４は、抵抗６５を介してブロッキング発振器の二次巻線である昇圧トランス２の第１の二次巻線２１の出力電圧で駆動される。従って、第１の二次巻線２１の交流振幅が十分に大きくなるように昇圧トランス２の巻線比を選択することによって、バイポーラトランジスタ６４はＤＭＯＳトランジスタ６１と同期して動作し、昇圧トランス２の一次巻線にＤＭＯＳトランジスタ６１単独の場合よりも大きな電流を流すので、出力電力を増大させることができる。

そして、このブロックキング発振器の発振動作により、昇圧トランス２の第２の二次巻線２２側に発生した昇圧交流電圧が、整流ダイオード４と平滑コンデンサ５によって整流，平滑され、スイッチ駆動回路３６の電源として供給される。これにより、スイッチ駆動回路３６からパルス信号が発生し、ＤＣ−ＤＣコンバータ３のスイッチであるＭＯＳトランジスタ３５がオン，オフして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３が起動する。

ここで、ＤＭＯＳトランジスタ６１を用いたブロッキング発振器は、ゲート・ソース間バイアス電圧が０Ｖで動作する。このとき、ドレイン・ソース間電圧として０．５Ｖあれば二つのインバータ３６１，３６２を駆動するのに必要な発振出力電力が得られる。したがって、この第２の実施の形態によれば、ＤＣ−ＤＣコンバータ３を０．５Ｖの入力直流電圧で起動することができる。

ところで、トンネルダイオードを用いた負性抵抗発振器や、ＤＭＯＳトランジスタを用いたブロッキング発振器、コルピッツ発振器等は、基本的にＡ級動作であるため、これらの低電圧動作発振器１では高いＤＣ−ＡＣ変換効率が期待できない。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ３が一旦起動した後では、スイッチ駆動回路３６の電源をＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力によって供給し、低電圧動作発振器１の動作を停止するのが高効率を実現する上で望ましい。

そこで次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の起動時のみ低電圧動作発振器１を動作させ、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の変換後の電圧が規定値に達した後の定常状態では低電圧動作発振器１の動作を停止させる第３の実施の形態について、図６及び図７を用いて説明する。なお、図１〜図５と同一部分には同一符号を付して、詳しい説明は省略する。

図６は第３の実施の形態の概略を示す模式図であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ３のトランス３１には、第２の二次巻線３１１が追加されている。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３には、この第２の二次巻線３１１側に発生した電圧をスイッチ駆動回路３６に電源として供給するためのダイオード３７が設けられている。また、この第２の二次巻線３１１側に発生した電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ３の定常状態である規定値に達すると、低電圧動作発振器１の発振動作を停止させる停止手段としての停止回路７が設けられている。停止回路７は、通常はオン状態にあるスイッチ（またはリレー）７１と、このスイッチ７１をＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧が前記規定値に達するとオフ動作させるダイオード７２及びコンデンサ７３とから構成されている。

この構成によれば、起動時には、スイッチ７１がオンしているので、低電圧動作発振器１が発振動作する。その結果、発振出力が昇圧トランス２によって昇圧された後、整流ダイオード４及び平滑コンデンサ５によって整流，平滑され、スイッチ駆動回路３６に電源として供給される。かくして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３が起動する。そして、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧が上昇し、第２の二次巻線３１１側に発生した出力電圧が前記規定値に達すると、スイッチ７１がオフする。これにより、低電圧動作発振器１の発振動作が停止する。このとき、スイッチ駆動回路３６には、ダイオード３７を介して電源が供給されているので、ＤＣ−ＤＣコンバータ３は停止せず、自励動作を継続する。

なお、低電圧動作発振器１の動作は、トンネルダイオードまたはＤＭＯＳトランジスタをＤＣ−ＤＣコンバータ３の出力電圧によって深く逆バイアスすることによっても停止することができ、この方法によれば、スイッチ７１は不要となる。

この実施の形態における上記方法の具体的な回路構成図を図７に示す。回路構成は、基本的に第５図に示す第２の実施の形態のものと同じであるが、低電圧動作発振器１におけるＤＭＯＳトランジスタ６１のゲートバイアス回路に抵抗８１が接続されている。また、ＤＣ−ＤＣコンバータ３におけるスイッチ駆動回路３６の電源部にダイオード３７が接続されている。さらに、ＤＣ−ＤＣコンバータ３のトランス３１に第２の二次巻線７１１とその出力を整流・平滑して負の直流電圧を発生させるためのダイオード８２及びコンデンサ８３が追加されている。

この回路におけるＤＣ−ＤＣコンバータ３の起動は、図５の回路と全く同じである。そして起動後、ＤＣ−ＤＣコンバータ３が定常状態に達すると、そのスイッチ駆動回路３６の電源はダイオード３７を介してＤＣ−ＤＣコンバータ３自体により供給される。また、コンデンサ８３には負の電圧が発生し、この電圧が抵抗８１を介してＤＭＯＳトランジスタ６１を深く逆バイアスしてこれをオフさせる。これによって、低電圧動作発振器１はその動作を停止する。したがって、電力を消費しないので、ＤＣ−ＤＣ変換効率を上げることができる。

なお、前記各実施の形態では、低電圧動作発振器１のＤＭＯＳトランジスタ１３，６１に対して並列に接続されるバイポーラトランジスタ１７を１段としたが、複数段を並列に接続してもよい。また、バイポーラトランジスタ１７の代わりにＭＯＳトランジスタをＤＭＯＳトランジスタ１３，６１に対して並列に接続しても、低電圧動作発振器１の出力電力を増大させることができる。

また、前記実施の形態では、ＤＣ−ＤＣコンバータ３の一例としてフライバック方式のＤＣ−ＤＣコンバータを示したが、本発明はこれに限定されるものではなく、他の方式のＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法及び起動装置にも適用できるものである。

また、スイッチ駆動回路３６として２つのインバータ３６１，３６２を用いたパルス発振器で構成されたものを示したが、スイッチ駆動回路３６の構成はこれに限定されるものではなく、他の構成のスイッチ駆動回路３６を備えたＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法及び起動装置にも適用できるものである。

本発明における実施の形態の概略を示す模式図。 本発明における第１の実施の形態の概略を示す模式図。 同第１の実施の形態の具体的な回路構成図。 本発明における第２の実施の形態の概略を示す模式図。 同第２の実施の形態の具体的な回路構成図。 本発明における第３の実施の形態の概略を示す模式図。 同第３の実施の形態の具体的な回路構成図。

符号の説明

１…低電圧動作発振器、２…昇圧トランス、３…ＤＣ−ＤＣコンバータ、４…整流ダイオード、５…平滑コンデンサ、７…停止回路、３１…トランス、３５…ＭＯＳトランジスタ（スイッチ）、３６…スイッチ駆動回路、１７，６４…バイポーラトランジスタ。

Claims (6)

1. スイッチをオン，オフすることにより入力直流電圧を他の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法であって、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧で動作する能動素子としてディスプレッション型ＭＯＳトランジスタを用い、このディスプレッション型ＭＯＳトランジスタに対して並列にバイホーラトランジスタまたはエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタを接続して発振器を構成し、この発振器からの発振出力を昇圧し、その昇圧発振出力で前記スイッチをオン，オフさせて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法。
2. スイッチ駆動回路からの信号によりスイッチをオン，オフすることにより入力直流電圧を他の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法であって、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧で動作する能動素子としてディスプレッション型ＭＯＳトランジスタを用い、このディスプレッション型ＭＯＳトランジスタに対して並列にバイホーラトランジスタまたはエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタを接続して発振器を構成し、この発振器からの発振出力を昇圧した後整流し、その整流電圧を前記スイッチ駆動回路の電源として供給して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法。
3. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの起動時のみ前記発振器を動作させ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの変換後の電圧が規定値に達した後の定常状態では前記発振器の動作を停止させることを特徴とする請求項２記載のＤＣ−ＤＣコンバータの起動方法。
4. スイッチをオン，オフすることにより入力直流電圧を他の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータの起動装置において、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧で動作する能動素子としてディスプレッション型ＭＯＳトランジスタを用い、このディスプレッション型ＭＯＳトランジスタに対して並列にバイホーラトランジスタまたはエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタを接続して構成された発振器と、この発振器からの発振出力を昇圧する昇圧手段とを具備し、
   前記昇圧手段により昇圧された発振出力で前記スイッチをオン，オフさせて、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの起動装置。
5. スイッチ駆動回路からの信号によりスイッチをオン，オフすることにより入力直流電圧を他の直流電圧に変換するＤＣ−ＤＣコンバータの起動装置において、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの動作可能最低入力直流電圧より低い電圧で動作する能動素子としてディスプレッション型ＭＯＳトランジスタを用い、このディスプレッション型ＭＯＳトランジスタに対して並列にバイホーラトランジスタまたはエンハンスメント型ＭＯＳトランジスタを接続して構成された発振器と、この発振器からの発振出力を昇圧する昇圧手段と、この昇圧手段により昇圧された発振出力を整流する整流手段とを具備し、
   前記整流手段により得られる整流電圧を前記スイッチ駆動回路の電源として供給して、前記ＤＣ−ＤＣコンバータを起動させることを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータの起動装置。
6. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの変換後の電圧が規定値に達すると前記発振器の動作を停止させる停止手段をさらに設け、
   前記ＤＣ−ＤＣコンバータの起動時のみ前記発振器を動作させ、前記ＤＣ−ＤＣコンバータの変換後の電圧が規定値に達した後の定常状態では前記停止手段により前記発振器の動作を停止させることを特徴とする請求項５記載のＤＣ−ＤＣコンバータの起動装置。

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