JP2021168590A - 直流電圧変換回路および電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】電源装置100は、同期制御される第1スイッチ21および第4スイッチ24と、同期制御される第2スイッチ22および第3スイッチ23と、がデッドタイム期間を有して交互にオンオフ制御されて、磁気的に互いに独立な2つのトランス31、32を備える直列回路部SC1には交番する電流が流れると、一方のトランスでは二次側を含む出力回路に電流が流れるが、他方のトランスではエネルギー蓄積が行われる。
【選択図】図1
Description
(第1実施形態)
図1は、本発明の第1実施形態に係る電源装置の回路図である。図1に示されるように、本発明の第1実施形態に係る電源装置100は、直流電圧変換回路10と、直流電圧変換回路10が備える第1入力端子11および第2入力端子12のそれぞれに電気的に接続された直流電源70とを備える。図1では、直流電源70の正極端子が第1入力端子11に接続され、直流電源70の負極端子が第2入力端子12に接続される。直流電源70の負極端子がグラウンド端子に接続されていて、第2入力端子12は接地していてもよい。
0<D1<1、
0<D2<1、
D1≠D2かつ
0<D1+D2<1
D1+D2≒1
このとき、出力電圧Voutは、次の式を満たす。
Vout∝D1(1−D1)
上記式によれば、出力電圧Voutと第1スイッチ21のデューティー比D1との関係は、D1=0.5の場合を頂点とし、D1=0およびD1=1にてVout=0を横切る放物線となる。それゆえ、出力電圧Voutを調整するには、0<D1<0.5または0.5<D1<1の範囲でD1を制御すればよい。
Vout=2×D1×(1−D1)×Vin/n
図9は、本発明の第2実施形態に係る電源装置の回路図である。図9に示されるように、本発明の第2実施形態に係る電源装置100Aが備える直流電圧変換回路10Aの回路構成は、図9に示される本発明の第1実施形態に係る電源装置100が備える直流電圧変換回路10の回路構成と、制御部60Aの構成以外は共通する。直流電圧変換回路10Aの制御部60Aは、第1スイッチ21を制御する第1ゲートドライブGD1、第2スイッチ22を制御する第2ゲートドライブGD2、第3スイッチ23を制御する第3ゲートドライブGD3、および第4スイッチ24を制御する第4ゲートドライブGD4を備える。直流電圧変換回路10Aの回路構成は、制御部60Aの構成以外は直流電圧変換回路10の回路構成と共通するため、以降、制御部60Aについてのみ説明し、直流電圧変換回路10Aにおける他の回路構成の説明を省略する。なお、直流電圧変換回路10Aではコンデンサ33は必須とされない。この点については後述する。
Vout∝Ps/(Pon+Poff)
ここで、0<Ps/(Pon+Poff)<0.5となる。
図11から図13を用いて、本発明の第3実施形態に係る電源装置100Bについて説明する。図11は、本発明の第3実施形態に係る電源装置の回路図である。図12は、図11に示される回路が第1状態ST1にある場合の動作(第1ゲートドライブGD1がオン動作、第2ゲートドライブGD2がオフ動作の場合)を説明する図である。図13は、図11に示される回路が第2状態ST2にある場合の動作(第2ゲートドライブGD2がオン動作、第1ゲートドライブGD1がオフ動作の場合)を説明する図である。
図14から図16を用いて、本発明の第4実施形態に係る電源装置100Cについて説明する。図14は、本発明の第4実施形態に係る電源装置の回路図である。図15は、図14に示される回路が第1状態ST1にある場合の動作(第1ゲートドライブGD1がオン動作、第2ゲートドライブGD2がオフ動作の場合)を説明する図である。図16は、図14に示される回路が第2状態ST2にある場合の動作(第2ゲートドライブGD2がオン動作、第1ゲートドライブGD1がオフ動作の場合)を説明する図である。
11 :第1入力端子
12 :第2入力端子
21 :第1スイッチ
22 :第2スイッチ
23 :第3スイッチ
24 :第4スイッチ
31 :第1トランス
32 :第2トランス
33 :コンデンサ
331 :第1コンデンサ
332 :第2コンデンサ
34 :コイル
41 :第1整流ダイオード
42 :第2整流ダイオード
51 :第1出力端子
52 :第2出力端子
60 :制御部
70 :直流電源
100、100A、100B、100C :電源装置
311 :第1トランスの一次側
312 :第1トランスの二次側
321 :第2トランスの一次側
322 :第2トランスの二次側
A1、A2、A3、A4、A11、A21、B1、B2、 :黒破線矢印
A12、A22 :黒点線矢印
GD1 :第1ゲートドライブ
GD2 :第2ゲートドライブ
GD3 :第3ゲートドライブ
GD4 :第4ゲートドライブ
Id1 :第1スイッチのドレイン電流
Id2 :第2スイッチのドレイン電流
Id4 :第4スイッチのドレイン電流
Isc :合成電流
OC1 :第1出力回路
OC2 :第2出力回路
P1 :第1端部(直列回路部の一方の端部)
P2 :第2端部(直列回路部の他方の端部)
P3 :第3端部(第2コンデンサの一方の端部)
P4 :第4端部(第2コンデンサの他方の端部)
Pon :オン期間
Poff :オフ期間
Ps :シフト期間
SC1 :直列回路部
ST1 :第1状態
ST2 :第2状態
Vds1 :第1スイッチのドレイン電圧
Vds2 :第2スイッチのドレイン電圧
Vds4 :第4スイッチのドレイン電圧
Vin :入力電圧
Vout :出力電圧
dt :デッドタイム期間
ton :電界効果トランジスタがオン動作となるタイミング
Claims (14)
- 第1入力端子および第2入力端子と、
一方の端子が前記第1入力端子に対して接続される第1スイッチと、
一方の端子が前記第2入力端子に対して接続される第2スイッチと、
第1トランスの一次側、および第2トランスの一次側が直列に接続された直列回路部と、
第1出力端子および第2出力端子と、
前記第1出力端子および前記第2出力端子に、それぞれの端部が位置し、前記第1トランスの二次側を備える第1出力回路と、
前記第1出力端子および前記第2出力端子に、それぞれの端部が位置し、前記第2トランスの二次側を備える第2出力回路と、
前記第1スイッチと前記第2スイッチを制御する制御部と、
を備える直流電圧変換回路であって、
前記第1トランスには磁芯が設けられ、前記第2トランスには磁芯が設けられ、
前記第2トランスは前記第1トランスと極性が等しく、磁気的に独立して形成されており、
前記第1スイッチと前記第2スイッチとは直列に接続され、前記直列回路部の一方の端部は前記第1スイッチと前記第2スイッチとの中間に接続され、
前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に直流電圧が印加されたときに、前記制御部は、
前記第1スイッチと前記第2スイッチとをデッドタイム期間を有して交互にオンオフ制御することにより、前記直列回路部に流れる電流の向きを交互に反転させて、
前記第1スイッチがオンであって、前記第1出力回路は前記第2出力端子側から前記第1出力側端子方向に電流を流し、前記第2出力回路には誘導電流を流さずに前記第2トランスにおいて電気エネルギーの蓄積が行われる第1状態と、
前記第2スイッチがオンであって、前記第2出力回路は前記第2出力端子側から前記第1出力側端子方向に電流を流し、前記第1出力回路には誘導電流を流さずに前記第1トランスにおいて電気エネルギーの蓄積が行われる第2状態と、
を交互に発生させ、
前記第1トランスの磁芯の透磁率および前記第2トランスの磁芯の透磁率は、いずれも、15以上120以下であり、前記第1トランスの磁芯の飽和磁束密度および前記第2トランスの磁芯の飽和磁束密度は、いずれも、700mT以上である、ことを特徴とする直流電圧変換回路。 - 前記直列回路部は、前記第1トランスの一次側および前記第2トランスの一次側に直列に接続する第1コンデンサをさらに有し、前記第1トランスの一次側および前記第2トランスの一次側ならびに前記第1コンデンサからなる直列接続に対して、前記第1スイッチは直列に接続され、
前記直列回路部の他方の端部は、前記第2スイッチと前記第2入力端子との間に接続され、
前記第1状態では、前記第1コンデンサに電荷が蓄積され、
前記第2状態では、前記第1コンデンサに蓄積された前記電荷が放出される、請求項1に記載の直流電圧変換回路。 - 前記直列回路部は、前記第1トランスの一次側および前記第2トランスの一次側に直列に接続する第2コンデンサをさらに有し、前記第1トランスの一次側および前記第2トランスの一次側ならびに前記第2コンデンサからなる直列接続に対して、前記第2スイッチは直列に接続され、
前記第1コンデンサは、前記第1トランスの一次側および前記第2トランスの一次側からなる直列接続と前記直列回路部の他方の端部との間に位置し、
前記第2コンデンサは、前記第1トランスの一次側および前記第2トランスの一次側からなる直列接続と前記第1コンデンサとの間に一方の端部が接続され、他方の端部は、前記第1入力端子に接続され、
前記第1状態では、前記第1コンデンサに電荷が蓄積されるとともに、前記第2コンデンサに蓄積された前記電荷が放出され、
前記第2状態では、前記第2コンデンサに電荷が蓄積されるとともに、前記第1コンデンサに蓄積された前記電荷が放出される、請求項2に記載の直流電圧変換回路。 - 前記直列回路部の他方の端部と前記第1入力端子との間に設けられた第3スイッチと、前記直列回路部の他方の端部と前記第2入力端子との間に設けられた第4スイッチと、をさらに備え、
前記第3スイッチと前記第4スイッチとは直列に接続され、前記直列回路部の他方の端部は前記第3スイッチと前記第4スイッチとの中間に接続され、
前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に直流電圧が印加されたときに、前記制御部は、前記第3スイッチと前記第4スイッチとについても前記デッドタイム期間を有して交互にオンオフ制御し、
前記第1状態では、前記第1スイッチおよび前記第4スイッチがオンであって、
前記第2状態では、前記第2スイッチおよび前記第3スイッチがオンである、請求項1に記載の直流電圧変換回路。 - 前記直列回路部は、前記第1トランスの一次側および前記第2トランスの一次側に直列に接続するコンデンサをさらに有し、
前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に直流電圧が印加されたときに、前記制御部は、
前記第1スイッチと前記第4スイッチとを同期制御するとともに、前記第2スイッチと前記第3スイッチとを同期制御し、
前記第1スイッチのデューティー比と前記第2スイッチのデューティー比との少なくとも一方を変更することにより、前記第1出力端子の前記第2出力端子に対する電位差を変更可能とされる、請求項4に記載の直流電圧変換回路。 - 前記第1入力端子と前記第2入力端子との間に直流電圧が印加されたときに、前記制御部は、
前記第1スイッチから前記第4スイッチのそれぞれについて、50%未満の互いに等しいデューティー比でオンとオフとを繰り返し、
前記第2スイッチから前記第4スイッチをオンとするタイミングについて、
前記第1スイッチがオンとなってから、前記第1スイッチがオンの状態にある期間であるオン期間よりも短い所定の長さの期間であるシフト期間が経過したことを契機として、前記第4スイッチをオンとして前記第1状態を発生させ、
前記第1スイッチがオフとなってから前記デッドタイム期間が経過したことを契機として前記第2スイッチをオンとし、
前記第2スイッチがオンとなってから前記シフト期間が経過したことを契機として、前記第3スイッチをオンとして前記第2状態を発生させ、
前記第1状態の期間の長さおよび前記第2状態の期間の長さを変更することにより、前記第1出力端子の前記第2出力端子に対する電位差を変更可能とされる、請求項4に記載の直流電圧変換回路。 - 前記第1トランスの磁芯および前記第2トランスの磁芯は、いずれも、エアギャップ部を有しない、請求項1から請求項6のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路。
- 前記直流電圧変換回路が備えるスイッチは、それぞれ電界効果トランジスタを有する、請求項1から請求項7のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路。
- 前記直流電圧変換回路が備えるスイッチの少なくとも一つの前記電界効果トランジスタの出力容量を含んで構成される共振回路を備え、前記直流電圧変換回路が備えるスイッチの少なくとも一つがオフになるように制御されたときに、当該スイッチの前記電界効果トランジスタのドレイン電圧が0V以下となるように、前記共振回路の共振条件は設定される、請求項8に記載の直流電圧変換回路。
- 前記直列回路部は、前記直流電圧変換回路が備えるスイッチの少なくとも一つに直列に接続するコイルをさらに備え、前記共振回路は前記コイルを含む、請求項9に記載の直流電圧変換回路。
- 前記コイルの磁芯の透磁率は15以上120以下である、請求項10に記載の直流電圧変換回路。
- 前記コイルの磁芯はエアギャップ部を有しない、請求項11に記載の直流電圧変換回路。
- 前記コイルの磁芯の飽和磁束密度は700mT以上である、請求項10から請求項12のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路。
- 請求項1から請求項13のいずれか一項に記載の直流電圧変換回路と、前記直流電圧変換回路が備える前記第1入力端子および前記第2入力端子のそれぞれに電気的に接続された直流電源とを備える、電源装置。
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