JP2673328B2 - Ｄｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体スイッチング素
子構成のブリッジ回路を用いたブリッジ形ＤＣ−ＤＣコ
ンバ−タに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種ブリッジ形ＤＣ−ＤＣコン
バ−タの１例である位相差ＰＷＭ制御式のＤＣ−ＤＣコ
ンバ−タは、図５に示すように構成される。同図におい
て、１は直流電源、２はフルブリッジ構成のブリッジ回
路であり、各ブリッジ辺がトランジスタ，ＭＯＳＦＥ
Ｔ，ＩＧＢＴ等の半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４，
逆並列接続のダイオ−ドＤ１〜Ｄ４，充放電用のコンデ
ンサＣ１〜Ｃ４の並列回路により形成されている。

【０００３】３は１次巻線Ｌ１の両端がブリッジ回路２
の１対の出力端子α，βに接続された出力トランスであ
り、２次巻線Ｌ２にタップｔｐが設けられている。ＳＬ
１，ＳＬ２は一端が２次巻線Ｌ２の両端それぞれに接続
された２個の可飽和リアクトル、４はリアクトルＳＬ
１，ＳＬ２に接続された２相半波整流の整流器であり、
リアクトルＳＬ１側のダイオ−ドＤ５，抵抗Ｒ１の並列
回路と、リアクトルＳＬ２側のダイオ−ドＤ６，抵抗Ｒ
２の並列回路とが設けられている。

【０００４】５はチョ−クインプット回路構成の２次側
平滑フィルタであり、整流器４と正側の一方の出力端子
６ｐとの間に設けられたチョ−クコイルとしての平滑リ
アクトルＬｄと、整流器４と負側の他方の出力端子６ｎ
との間に設けられたフライホイ−ルダイオ−ドＤ７と、
出力端子６ｐ，６ｎ間に設けられた平滑コンデンサＣｄ
とからなる。Ｒｏは出力端子６ｐ，６ｎ間に設けられた
負荷である。

【０００５】つぎに、図５の動作につき、図６を参照し
て説明する。まず、ブリッジ回路２において、スイッチ
ング素子Ｓ１，Ｓ２は図６の（ａ）の実線，１点鎖線の
１８０°に近い導通幅のゲ−ト信号により体止期間を設
けて交互にオンし、半導体スイッチング素子Ｓ３，Ｓ４
も同図の（ｂ）の実線，１点鎖線の１８０°に近い導通
幅のゲ−ト信号により体止期間を設けて交互にオンす
る。

【０００６】なお、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２とスイ
ッチング素子Ｓ３，Ｓ４との間の位相差ｔθを０°〜１
８０°の範囲で可変して出力制御が行われる。そして、
図６のｔ０より前（ｔ＜ｔ０）はスイッチング素子Ｓ
１，Ｓ４がオンし、直流電源１からスイッチング素子Ｓ
１，出力トランス３，スイッチング素子Ｓ４を介して直
流電源１に電流が流れる。

【０００７】このとき、直流電源１の電圧をＥｉとし
て、コンデンサＣ１〜Ｃ４の端子間電圧をＶｃ₁ 〜Ｖｃ
₄ とすると、コンデンサＣ１，Ｃ４が短絡放電状態にな
り、コンデンサＣ２，Ｃ３が充電状態になるため、電圧
Ｖｃ₁ ，Ｖｃ₂ は図６の（ｃ）の実線，１点鎖線に示す
ように０，Ｅｉそれぞれになり、電圧Ｖｃ₃ ，Ｖｃ₄ も
同図の（ｄ）の実線，１点鎖線に示すようにＥｉ，０そ
れぞれになる。

【０００８】そのため、ブリッジ回路２は出力端子αが
Ｅｉ，出力端子βが０になる。また、出力端子αから出
力端子βに流れる方向を正とする出力トランス３の１次
巻線電流をＩ₁ とすると、この電流Ｉ₁ は図６の（ｅ）
に示すようになる。

【０００９】さらに、スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４を流
れる電流をＩｓ₁ 〜Ｉｓ₄ とし、ダイオ−ドＤＩ〜Ｄ４
の順方向の電流をＩｄ₁ 〜Ｉｄ₄ とすると、ｔ＜ｔ０に
は図６の（ｆ），（ｇ）の実線に示すように電流Ｉｓ_1,
Ｉｓ₄ が流れる。なお、図６の（ｆ）は電流Ｉｓ₁ ，Ｉ
ｓ₂ の向きを正として、電流Ｉｓ₁ ，０Ｉｓ₂ を実線で
示し、電流Ｉｄ₂ ，Ｉｄ₁ を１点鎖線で示す。同様に、
図６の（ｇ）は電流Ｉｓ₃ ，Ｉｓ₄ の向きを正として、
電流Ｉｓ₃ ，Ｉｓ₄ を実線で示し、電流Ｉｄ₃ ，Ｉｄ₄
を１点鎖線で示す。

【００１０】また、出力トランス３の２次巻線Ｌ２にリ
アクトルＳＬ１側の一端を正とする極性の２次電圧（正
電圧）が誘起し、一端とタップｔｐとの間の２次電圧Ｖ
₂ の出力はリアクトルＳＬ１を介してダイオ−ドＤ５に
より整流された後、リアクトルＬｄ，コンデンサＣｄに
より平滑される。この平滑により形成された直流が出力
端子６ｐ，６ｎを介して負荷Ｒｏに供給され、出力端子
６ｐ，６ｎ間に負荷電圧が生じる。なお、リアクトルＳ
Ｌ１は十分な電流通電により飽和する。

【００１１】つぎに、図６のｔ０〜ｔ１（ｔ０≦ｔ≦ｔ
１）になると、ｔ０にスイッチング素子Ｓ１のゲ−ト信
号がオフし、スイッチング素子Ｓ１の電流Ｉｓ₁ が流れ
なくなり、代わりに直流電源１からコンデンサＣ１，出
力トランス３，スイッチング素子４を介して直流電源１
に戻るル−プを電流が流れてコンデンサＣ１が充電さ
れ、その電圧Ｖｃ₁ が上昇する。一方、コンデンサＣ２
はこのコンデンサＣ２から出力トランス３，スイッチン
グ素子４を介してコンデンサＣ２に戻るル−プにより放
電し、その電圧Ｖｃ₂ が低下する。

【００１２】そして、コンデンサＣ１の充電及びコンデ
ンサＣ２の放電はｔ１に完了し、このとき電圧Ｖｃ₁ が
Ｅｉに上昇して電圧Ｖｃ₂ が０に低下する。つぎに、図
６のｔ１〜ｔ２（ｔ１≦ｔ≦ｔ２）になると、電圧Ｖｃ
₂ の低下に基づき、ｔ１にダイオ−ドＤ２が逆バイアス
状態から開放されてオンする。

【００１３】そして、スイッチング素子Ｓ１はオフする
が、出力トランス３の励磁インダクタンスのエネルギ等
に基づく循環電流が出力トランス３，スイッチング素子
Ｓ４，ダイオ−ドＤ２，出力トランス３のル−プを流
れ、電流Ｉ₁ が流れる。このため、出力トランス３の２
次側においても、リアクトルＳＬ１，ダイオ−ドＤ５，
リアクトルＬｄを介して負荷Ｒｏに電流が流れ続け、リ
アクトルＳＬ１は飽和状態に保たれる。

【００１４】また、この間にスイッチング素子Ｓ２にゲ
−ト信号が供給され始めるが、出力トランス３のエネル
ギが放出されるまでスイッチング素子Ｓ２はオフに保た
れる。つぎに、図６のｔ２〜ｔ３（ｔ２≦ｔ≦ｔ３）に
なると、ｔ２にスイッチング素子Ｓ４のゲ−ト信号がオ
フしてコンデンサＣ４が充電され、このコンデンサＣ４
の電圧Ｖｃ₄ が上昇する。

【００１５】また、コンデンサＣ３はこのコンデンサＣ
３から直流電源１，ダイオ−ドＤ２，出力トランス３を
介してコンデンサＣ３に戻るル−プにより放電し、その
電圧Ｖｃ₃ が低下する。そして、電圧Ｖｃ₃ ，Ｖｃ₄ が
等しくなっても、出力トランス３の励磁インダクタンス
のエネルギ等によりコンデンサＣ４は充電され続ける。

【００１６】そのため、電圧Ｖｃ₄ は電圧Ｖｃ₃ より高
くなり、コンデンサＣ３の放電及びコンデンサＣ４の充
電は電圧Ｖｃ₃ が０になって電圧Ｖｃ₄ がＥｉになるｔ
３まで続く。また、コンデンサＣ２が放電してコンデン
サＣ４が充電されるため、ブリッジ回路２は出力端子
α，βの電圧が逆転し、出力端子βが出力端子αより高
電圧になる。

【００１７】そして、出力端子α，β間の電圧が逆転す
ると、出力トランス３の２次巻線Ｌ２に誘起する２次電
圧もリアクトルＳＬ２側の他端を正とする負電圧に反転
する。しかし、この反転直後は２次電圧が小さいため、
ダイオ−ドＤ６は順方向にバイアスされるが電流がほと
んど流れず、リアクトルＳＬ２は不飽和の状態を保つ。

【００１８】また、ダイオ−ドＤ５は逆方向にバイアス
されてオフし、２次巻線Ｌ２のタップｔｐからフライホ
イ−ルダイオ−ドＤ７，抵抗Ｒ１，リアクトルＳＬ１を
介して２次巻線Ｌ２に漸減する電流が流れ、リアクトル
ＳＬ１が不飽和に移行する。つぎに、図６のｔ３〜ｔ４
（ｔ３≦ｔ≦ｔ４）になると、電圧Ｖｃ₃ の低下に基づ
き、ｔ３にダイオ−ドＤ３がオンする。

【００１９】このとき、出力トランス３のエネルギに基
づく電流が出力トランス３，ダイオ−ドＤ３，直流電源
１，ダイオ−ドＤ２，出力トランス３のル−プを流れ
る。さらに、ｔ４にゲ−ト信号が供給されてスイッチン
グ素子Ｓ３がオンし、このとき、ブリッジ回路２はスイ
ッチング素子Ｓ２，Ｓ３がオンしてスイッチング素子Ｓ
１，Ｓ４がオフした状態になる。

【００２０】また、出力トランス３に逆方向の大量の電
流Ｉ₁ が流れてその負電圧極性の２次電圧が十分大きく
なり、リアクトルＳＬ２が飽和するとともに、リアクト
ルＳＬ２，ダイオ−ドＤ６，リアクトルＬｄ，負荷Ｒｏ
を介してタップｔｐに電流が流れる。

【００２１】そして、ｔ５にスイッチング半導体Ｓ２の
ゲ−ト信号がオフしてｔ０〜ｔ５の半サイクルＴａが経
過すると、つぎのｔ５〜ｔ１０の半サイクルＴｂに移行
し、この半サイクルＴｂの間にスイッチング素子Ｓ２，
Ｓ３がオフしてスイッチング素子Ｓ１，Ｓ４がオンす
る。以降、同様の動作がくり返されて負荷給電が継続す
る。

【００２２】

【発明が解決しようとする課題】前記図５の従来装置の
場合、半サイクルＴａにおいて、ｔ１≦ｔ≦ｔ２のスイ
ッチング過渡期間に、出力トランス３，スイッチング素
子Ｓ４，ダイオ−ドＤ２，出力トランス３のル−プを大
きな循環電流が流れる。

【００２３】同様、他方の半サイクルＴｂにおいても、
ｔ１≦ｔ≦ｔ２に相当する図６のｔ６≦ｔ≦ｔ７のスイ
ッチング過渡期間に、出力トランス３，ダイオ−ドＤ
１，スイッチング素子Ｓ３，出力トランス３のル−プを
大きな循環電流が流れる。そのため、スイッチング素子
Ｓ３，Ｓ４及びダイオ−ドＤ１，Ｄ２に損失の大きな大
型のものを要する問題点がある。

【００２４】また、出力トランス３も前述の両半サイク
ルＴａ，Ｔｂの循環電流が流れるため、十分大きな巻線
電流に耐える大型のものを要する問題点がある。本発明
は、ブリッジ回路のスイッチングに伴なう循環電流を低
減し、ブリッジ回路の半導体スイッチング素子，ダイオ
−ド及び出力トランスを小型化することを目的とする。

【００２５】

【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するた
めに、本発明のＤＣ−ＤＣコンバ−タにおいては、ブリ
ッジ回路のブリッジ辺それぞれを、半導体スイッチング
素子にダイオ−ドを逆並列接続するとともにコンデンサ
を並設して形成し、出力トランスの２次側の２次側平滑
フィルタに、整流器の出力がタップに供給され，一端が
一方の出力端子に接続されたチョ−クコイルとしての平
滑リアクトルと、該リアクトルの他端と他方の出力端子
との間に設けられたフライホイ−ルダイオ−ドとを備え
る。

【００２６】

【作用】前記のように構成された本発明のＤＣ−ＤＣコ
ンバ−タの場合、とくに、整流器の出力が２次側平滑フ
ィルタに設けられた平滑リアクトルのタップに供給され
るため、ブリッジ回路のスイッチング過渡時の整流器の
電流が従来装置の場合より減少する。そして、この電流
の減少により出力トランスの１次側の電流が減少し、ブ
リッジ回路のスイッチングに伴う循環電流が低減され
る。

【００２７】

【実施例】実施例について、図１ないし図４を参照して
説明する。 （第１の実施例）まず、第１の実施例について、図１及
び図２を参照して説明する。図１において、図５と同一
符号は同一のものを示し、図５と異なる点は、２次側平
滑フィルタ５にタップ付きの平滑リアクトルＬＤを設
け、このリアクトルＬＤの一端ａを出力端子６ｐに接続
し、タップｂを整流器４の出力端子に接続し、その他端
ｃと出力端子６ｎとの間にフライホイ−ルダイオ−ドＤ
７を設けた点である。

【００２８】また、図２において、（ａ）〜（ｇ）は図
５の（ａ）〜（ｇ）それぞれに対応する波形である。
そして、基本的な動作は図５の従来コンバ−タと同じで
あり、異なる点は出力トランス３の２次側において、整
流器４の出力を平滑リアクトルＬＤのタップｂに供給し
て平滑するようにした点である。

【００２９】この場合、つぎに説明するように両半サイ
クルＴａ，Ｔｂのｔ１≦ｔ≦ｔ２，ｔ６≦ｔ≦ｔ７のス
イッチング過渡期間の循環電流が減少する。すなわち、
一方の半サイクルＴａのｔ１≦ｔ≦ｔ２において、ｔ１
に電圧Ｖｃ ₁ がＥｉに上昇して電圧Ｖｃ₂ が０に低下
し、ダイオ−ドＤ２が逆バイアス状態から開放されてオ
ンすると、出力トランス３の励磁インダクタンスのエネ
ルギ等に基づく循環電流が出力トランス３，スイッチン
グ素子Ｓ４，ダイオ−ドＤ２，出力トランス３のル−プ
を流れる。

【００３０】一方、スイッチング素子Ｓ１がオフする
と、フライホイ−ルダイオ−ドＤ７はオンする。このと
き、平滑リアクトルＬＤの一端ａ，タップｂ間の巻線数
とタップｂ，他端ｃ間の巻線数との比をｎ：１とする
と、タップｂ，他端ｃ間の電圧Ｖｃｂはつぎの数１の式
で示される。

【００３１】

【数１】Ｖｃｂ＝Ｅｏ／（１＋ｎ）

【００３２】また、ダイオ−ドＤ５を流れる電流をＩｄ
₅ とすると、この電流Ｉｄ₅ はつぎの数２の式で示され
る。なお、式中のＬｓはタップｂ，他端ｃ間のインダク
タンス、ｅ（−ｔ）は時間ｔについての指数関数であ
る。

【００３３】

【数２】 Ｉｄ₅ ＝Ｉｏ−〔Ｅｏ／｛（１＋ｎ）Ｌｓ｝〕ｅ（−ｔ）

【００３４】この数２の式からも明らかなように初期の
電流Ｉｄ₅ が大きく減少し、ｔ１〜ｔ２には図２の
（ｅ）に示すように出力トランス３の１次側の電流Ｉ₁
が減少し、同図の（ｆ），（ｇ）の示すようにダイオ−
ドＤ２の電流Ｉｄ₂ 及びスイッチング素子Ｓ４の電流Ｉ
ｓ₄ も低減された循環電流が減少する。そして、この実
施例の場合、インダクタンスＬｓが小さく選択されてい
るため、電流Ｉｄ₅ ，Ｉ₁ が短時間に零になり、循環電
流が十分に減少するため、ダイオ−ドＤ２，スイッチン
グ素子Ｓ４に損失が小さい小型のものを使用できる。

【００３５】また、他方の半サイクルＴｂのｔ５≦ｔ≦
ｔ６においても、ｔ６にダイオ−ドＤ１がオンして出力
トランス３，ダイオ−ドＤ１，スイッチング素子Ｓ３，
出力トランス３のル−プを循環電流が流れるときに、ダ
イオ−ドＤ６を流れる電流Ｉｄ₆ が前記数２の式と同様
の式で示される電流になり、電流Ｉ₁ が減少し、ダイオ
−ドＤ１の電流Ｉｄ₁ 及びスイッチング素子Ｓ３の電流
Ｉｓ₃ が低減されて循環電流が減少する。そのため、ダ
イオ−ドＤ１，スイッチング素子Ｓ３にも損失が小さい
小型のものを使用できる。

【００３６】（第２の実施例）つぎに、第２の実施例に
ついて、図３を参照して説明する。図３において、図１
と同一符号は同一もしくは相当するものを示し、図１と
異なる点は、直流電源を電圧Ｅｉ／２の２個の直流電源
１ａ，１ｂの直列回路により形成し、いわゆる２電源構
成とした点である。

【００３７】なお、Ｌａ，Ｌｂは出力トランス３の励磁
インダクタンスである。この実施例の場合も第１の実施
例と同様に動作する。そして、２次側フィルタ５のリア
クトルＬＤにタップｂを設け、このタップｂに整流器４
の出力を供給するため、１実施例と同様の効果が生じ
る。

【００３８】（第３の実施例）つぎに、第３の実施例に
ついて、図４を参照して説明する。図４において、図
１，図３と同一符号は同一もしくは相当するものを示
し、それらの図面と異なる点はつぎの（ａ）〜（ｄ）の
各点である。 （ａ）ブリッジ回路２を図１，図３のフルブリッジ回路
でなく、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２の第１のハ−フブ
リッジ回路とスイッチング素子Ｓ３，Ｓ４の第２のハ−
フブリッジ回路とにより形成した点。

【００３９】（ｂ）ハ−フブリッジ回路毎に出力トラン
ス３ａ，３ｂを備え、両トランス３ａ，３ｂの１次巻線
Ｌ１ａ，Ｌ１ｂを出力端子α，βそれぞれと直流電源１
ａ，１ｂの接続点との間に設けた点。 （ｃ）出力トランス３ａの２次巻線Ｌ２ａと出力トラン
ス３ｂの２次巻線Ｌ２ｂ，Ｌ２ｂ’とをＬ２ｂ，Ｌ２
ａ，Ｌ２ｂ’の順に直列接続し、２次巻線Ｌ２ａのタッ
プｔｐ’により図１、図３のタップｔｐを形成した点。

【００４０】（ｄ）整流器４をダイオ−ドＤ５，Ｄ６，
Ｄ８，Ｄ９及び抵抗Ｒ３，Ｒ４により形成した点。 そして、この実施例の場合も第１，第２の実施例と同様
に動作して同様の効果が生じる。

【００４１】ところで、ブリッジ回路２、出力トランス
３及び整流器４等の構成，駆動方式は実施例に限定され
るものでなく、例えば整流器４は２相半波整流器，全波
整流器或いは単相半波整流器のいずれでもよい。

【００４２】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているため、以下に記載する効果を生じる。出力トラン
ス３，３ａ，３ｂの２次側の整流器４の出力を２次側平
滑フィルタ５に設けられた平滑リアクトルＬＤのタップ
ｂに供給したため、ブリッジ回路２がスイッチングする
際のスイッチング過渡時の循環電流が減少し、ブリッジ
回路２の半導体スイッチング素子Ｓ１〜Ｓ４及びダイオ
−ドＤ１〜Ｄ４を損失が小さく小型な素子により形成す
ることができ、しかも、出力トランス３，３ａ，３ｂの
１次側の電流を低減して出力トランス３，３ａ，３ｂを
小型化することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のＤＣ−ＤＣコンバ−タの第１の実施例
の結線図である。

【図２】（ａ）〜（ｇ）は図１の動作説明用のタイミン
グチャ−トである。

【図３】本発明の第２の実施例の結線図である。

【図４】本発明の第３の実施例の結線図である。

【図５】従来例の結線図である。

【図６】（ａ）〜（ｇ）は図５の動作説明用のタイミン
グチャ−トである。

【符号の説明】

１，１ａ，１ｂ 直流電源 ２ ブリッジ回路 ３，３ａ，３ｂ 出力トランス ４ 整流器 ５ ２次側平滑フィルタ Ｓ１〜Ｓ４ ブリッジ辺の半導体スイッチング素子 Ｄ１〜Ｄ４ ブリッジ辺のダイオ−ド Ｃ１〜Ｃ４ ブリッジ辺のコンデンサ Ｌ１，Ｌ１ａ，Ｌ１ｂ 出力トランスの１次巻線 Ｌ２，Ｌ２ａ，Ｌ２ｂ，Ｌ２ｂ’ 出力トランスの２次
巻線 ＳＬ１，ＳＬ２ 可飽和リアクトル ＬＤ 平滑リアクトル Ｄ７ フライホイ−ルダイオ−ド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭55−147982（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−111256（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−95677（ＪＰ，Ａ)

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源を半導体スイッチング素子構成
   のブリッジ回路により交流に変換し、該交流を出力トラ
   ンスの１次巻線に供給し、前記出力トランスの２次巻線
   出力を可飽和リアクトルを介して整流器に供給し、該整
   流器の出力をチョ−クインプット回路構成の２次側平滑
   フィルタにより平滑して直流出力を形成するＤＣ−ＤＣ
   コンバ−タにおいて、 前記ブリッジ回路のブリッジ辺それぞれを、半導体スイ
   ッチング素子にダイオ−ドを逆並列接続するとともにコ
   ンデンサを並設して形成し、 前記２次側平滑フィルタに、前記整流器の出力がタップ
   に供給され，一端が一方の出力端子に接続されたチョ−
   クコイルとしての平滑リアクトルと、該リアクトルの他
   端と他方の出力端子との間に設けられたフライホイ−ル
   ダイオ−ドとを備えたことを特徴とするＤＣ−ＤＣコン
   バ−タ。