JP3022620B2 - Dc−dcコンバータ - Google Patents
Dc−dcコンバータInfo
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Description
減するためのDC−DCコンバータに関し、特に2種類
の共振回路を組み合わせてその損失を低減するDC−D
Cコンバータに関する。
ッチング素子にスイッチング周波数の高いものが出現し
てきているのに伴い、DC−DCコンバータに大きな体
積を占めるトランス,チョークコイル,平滑コンデンサ
等の部品の小型化が図れるようになり、この結果として
DC−DCコンバータの小型化が期待される。
グ動作を行うときのターンオン,ターンオフ時の電流と
電圧との重なりによって生ずるスイッチング損失が高周
波化に伴って増加してきていて、前記したように部品が
小型化しているにもかかわらず、スイッチング損失によ
る発熱に対する放熱対策のために全体の小型化が妨げら
れているのが現状である。
伴ってスイッチング素子として絶縁ゲート形電界効果ト
ランジスタ(以下MOSFETと称する)を使用するこ
とが一般的になっているが、MOSFETは内部に寄生
容量を有し、電圧を印加したままスイッチング動作を行
うと寄生容量の短絡が生じて損失及びノイズが発生す
る。このためノイズ対策も必要である。
を示すもので、一石式のフォワード形DC−DCコンバ
ータの構成を示すものである。トランスTの1次側には
直流源ES,1次巻線L1及びスイッチング素子である
MOSFET Q1が直列接続されると共に、トランス
Tの2次側には2次巻線L2に整流ダイオードD4,フ
ライホイールダイオードD5,チョークコイルL3,平
滑コンデンサC3から成る整流・平滑回路RECが接続
されている。なおMOSFET Q1に並列接続されて
いるD1は寄生ダイオード,C1は寄生容量である。
SFET Q1がオンしているときに入力側の1次巻線
L1に電流が流れ、これによって出力側の2次巻線L2
に交流電圧が誘起されて整流・平滑回路RECにより直
流に交換されて端子TO−TO′から出力される。
説明する波形図で、VG1はMOSFET Q1のゲー
ト電圧,VQ1はドレイン・ソース間電圧,IQ1は1
次巻線L1を経てMOSFET Q1を流れるドレイン
電流(ドレイン・ソース間電流)を示している。横軸は
共通の時間軸を示している。この波形図において、Q1
がターンオンする時刻t1から時刻t2までの期間及び
Q1がターンオフする時刻t3から時刻t4までの期
間、いずれもVQ1及びIQ1が零ではなく或る値を有
して重なっている。従って、MOSFET Q1のター
ンオン時及びターンオフ時にスイッチング損失(電力損
失)が生じるようになる。
低減するため、共振現象を利用して零電圧スイッチング
を行わせる技術が開発されてきている。この技術は共振
用コイル又はトランスの1次巻線とコンデンサとを組み
合わせて共振回路を構成するようにしたものである。
そのように電圧による共振現象を利用する技術は、回路
電圧に比べてスイッチング素子に加わる電圧が高くなる
のでスイッチング素子として高耐圧の素子が必要になる
という問題がある。例えば最近では一般的にスイッチン
グ素子としては、MOSFETが使用されるが、高耐圧
のMOSFETはオン抵抗が高いので、スイッチング素
子の導通時の損失が大きくなって結果的にスイッチング
損失はそれ程低減できないことになる。又、共振条件が
固定のインダクタンスとコンデンサの容量で決定される
ため、スイッチング動作のオン,オフ比による制御がで
きない。
れたもので、スイッチング素子に高電圧が加わらない零
電圧スイッチングを可能ならしめると共に、低いオン抵
抗のスイッチング素子を用いることにより導通時におい
てもスイッチング損失を低減し、更にオン,オフ比によ
る制御を可能にしたDC−DCコンバータを提供するこ
とを目的とするものである。
に本発明は、トランスの1次側に直流源、1次巻線及び
主スイッチング素子が直列接続されると共に、トランス
の2次側に整流・平滑回路が接続されたDC−DCコン
バータにおいて、共振条件を制御する主スイッチング素
子に並列接続されたトランスにリセット電圧を与える副
スイッチング素子、1つの共振条件を与える第1のコン
デンサ及び共振条件を切換えるダイオードと、前記副ス
イッチング素子に直列接続されもう1つの共振条件を与
える第2のコンデンサと、前記トランスの2次側に接続
された共振条件を安定化させる可飽和リアクトルとを備
え、前記第1のコンデンサと1次巻線とで短い周期の共
振回路を、前記第2のコンデンサと1次巻線とで長い周
期の共振回路を各々構成し、主スイッチング素子及び副
スイッチング素子のオン,オフに応じて2種類の共振回
路の動作が互いに移行可能に制御されることを特徴とす
るものである。
同時にオフする期間を設けて交互にオン,オフさせるこ
とにより共振現象が確保される。またこのオフ期間を設
けることにより共振波形が零電圧に到達するまで一方の
スイッチング素子のオンを抑えて、零電圧スイッチング
を行わせることができる。更に第2のコンデンサを第1
のコンデンサより十分大きな容量に設定することによ
り、副スイッチング素子によって主スイッチング素子の
オフ時に加わる電圧を実用可能な程度までフラットにす
ることができるので、低いオン抵抗のスイッチング素子
を用いることにより導通時においてもスイッチング損失
を低減することができる。またオン,オフ比による制御
が可能となる。
る。
施例を示す回路図で、トランスTの1次側には直流源E
S,1次巻線L1及び共振条件を制御する主スイッチン
グ素子である例えばNチャンネル絶縁ゲート形電界効果
トランジスタ(以下MOSFETと称する)Q1が直列
接続されている。D1はMOSFET Q1の寄生ダイ
オード,C1は寄生容量である。
Q1には後述のように素子に加わる電圧状態を制御する
副スイッチング素子である例えばNチャンネル絶縁ゲー
ト形電界効果トランジスタ(MOSFET)Q2,第1
のコンデンサCr及びダイオードD3が並列接続されて
いる。また副スイッチング素子であるMOSFETQ2
には第2のコンデンサCcが直列接続されている。これ
ら第1及び第2のコンデンサCc,Crは各々異なる回
路電圧の共振条件を発生させるために用いられ、両者は
(Cr×10)よりCcの容量値が十分大きくなるよう
な関係に設定される。
振条件を安定化させる可飽和リアクトルSR,整流ダイ
オードD4,フライホイールダイオードD5,チョーク
コイルL3,平滑コンデンサC3から成る整流・平滑回
路RECが接続されている。トランスTには共振条件の
1つであるL1の値を確保するために必要に応じてギャ
ップを設ける。
記のような関係に設定することにより、第1のコンデン
サCrと1次巻線L1とで短い周期の第1の共振回路が
構成され、また第2のコンデンサCcと1次巻線L1と
で長い周期の第2の共振回路が構成される。これら第1
及び第2の共振回路は前記MOSFET Q1,Q2の
オン,オフに応じてその動作が互いに移行可能なように
制御される。
うに、同時にオフしている期間ΔT1及びΔT2を有し
かつオンしている期間Toを有している周期Tで交互に
オン,オフし、Q1のオン時間比(To/T)をdとす
ると、Q2は{1−d−(ΔT1+ΔT2)/T}のオ
ン時間比で制御されるように構成されている。このよう
にQ1,Q2を同時にオフする期間を設けて交互にオ
ン,オフさせることにより共振現像を確保することがで
きる。このようにオン,オフ制御される主スイッチング
素子及び副スイッチング素子は、MOSFETに限らず
他の素子例えばSIT,IGBT,バイポーラトランジ
スタ等で同様に構成することができる。
して説明する。なお図3で、VG1はMOSFET Q
1のゲート電圧,VG2はMOSFET Q2のゲート
電圧,VQ1はQ1のドレイン電圧(ドレイン・ソース
間電圧),IQ1はQ1を流れるドレイン電流(ドレイ
ン・ソース間電流),ILは1次巻線L1を流れる電
流,ICrは第1のコンデンサCrを流れる電流,IC
cは第2のコンデンサCcを流れる電流,VCcは第2
のコンデンサの電圧,VQ2はQ2のドレイン電圧(ド
レイス・ソース間電圧),IQ2はQ2を流れるドレイ
ン電流(ドレイン・ソース間電流)を示している。横軸
は共通の時間軸を示している。
オン期間では、直流源ESからトランスTの1次巻線L
1に電圧が印加されることにより、トランスTを介して
2次巻線L2にエネルギーが伝達され、これと同時に1
次巻線L1の励磁電流が増加していく。トランスTの2
次側の出力端子TO−TO′から出力される直流電圧
は、オン時間比(To/T)を制御することにより安定
化が図られる。
1を流れていた励磁電流ILはインダクタンスの存在上
急には零にはなり得ず、第1のコンデンサCrを充電す
る充電電流ICrとなる。これと共に第1のコンデンサ
Crと並列接続されているQ1のドレイン電圧VQ1も
波形Aのように徐々に増加する。このとき電圧の上昇値
は第2のコンデンサCrと1次巻線L1とで構成される
第1の共振回路によって決定される。ここでQ1のドレ
イン電流IQ1は第1のコンデンサCrから成るバイパ
ス回路が存在することにより、時刻t2のQ1のターン
オフ時直ちに零となる。これによりQ1のターンオフ時
にドレイン電流IQ1とドレイン電圧VQ1との重なり
は生じないので、スイッチング損失は生じない。
はこれ以前と変化しない。Crの充電は同時に寄生容量
C2を放電するように働くため、Q2のドレイン電圧V
Q2は減少に向い、t3の時点で零となる。
のコンデンサCrの電圧)が、それ以前のサイクルで予
め充電されている第2のコンデンサCcの電圧とダイオ
ードD3との順方向電圧降下分との和を越えた時点で、
共振現像は第2のコンデンサCcが加わった形に変わ
る。ここで第2のコンデンサCcと第1のコンデンサC
rとの容量値の大小関係を前記のように設定することに
より、共振はこれまでのCrとL1とによる第1の共振
回路からCcとL1とによる第2の共振回路の動作へと
移行する。この場合ダイオードD3はQ1のオフ後第1
のコンデンサCrによる共振電圧が或る値になった後、
第1の共振から第2の共振へ切換えるように働く。なお
寄生ダイオードD2で代用するようにしてもよい。
加されていた1次巻線L1の励磁電流ILが減少し、零
になるまでD3を通してILが継続し、その後反転す
る。この電流の大部分がCcの充電電流となるがCcの
容量が大きいのでその充電電圧VCcは見かけ上ほとん
ど変化しない。従って、Q1のドレイン電圧VQ1は波
形Bのように変化せずに、フラットな電圧波形となる。
このことは電圧共振回路の1つの欠点である、スイッチ
ング素子に対する余分な電圧ストレスを抑制できること
を示している。またこのことは、通常低いオン抵抗素子
を製造し易いMOSFETの製法上の特徴を考慮する
と、この低いオン抵抗素子すなわち低い耐圧の素子を採
用することによりスイッチオン時のスイッチング損失を
低減できることを示している。このように、共振条件の
異なる第1及び第2の共振回路を組み合わせておき、必
要部分のみを有効に利用する部分電圧共振を利用するこ
とによりスイッチング損失を低減することができる。
デンサCcの充電から放電に移る直前までのタイミング
(t3とt4間)で、Q2をオンさせれば零電圧におけ
るスイッチング動作となり、{1−d−(ΔT1+ΔT
2)/T}の時間比で制御することが可能となる。
て、出力安定化制御を主スイッチング素子として動作す
るQ1のオン時間比を制御することにより行う上で、固
定周期(すなわち固定周波数)で実現する必要条件とな
る。これらの組み合せは、電圧共振回路の有する他の欠
点である、制御が難しく複雑になる及び固定周波数で制
御することができない等の欠点を克服することができる
ことを示している。
トランスTのリセット電圧にとっても重要な意味を有
し、固定周期においてオン時間比を広い範囲で変化させ
ても、トランスTを偏磁させることなく広範囲入力電源
への適用が可能となることを示している。またトランス
Tを容易に並列接続させることも可能である。
間では、Q1のドレイン電圧VQ1は前記したように波
形Bでフラットな状態を保ち、ドレイン電流IQ1は零
を維持している。また電流ILは第2のコンデンサCc
と1次巻線L1とで構成される第2の共振回路の共振波
形のピーク時(時刻t4)に零となり、電流ICcも同
様に変化し、以降電流方向は反転する。すなわちCcか
らの放電電流となり1次巻線L1にとっては逆方向の励
磁電流となる。しかしながらこのオン期間では前記のよ
うに第2のコンデンサCcの値がCrに比べて十分大き
くなっているので、その端子電圧VCcはわずかに変化
するだけである。またこの期間はQ2のドレイン電圧V
Q2は零を維持している。
ていたCcによる1次巻線L1の逆方向の励磁電流IL
は、Q2がオフするとインダクタンスの存在上急には零
になり得ず第1のコンデンサCrを放電する電流となり
減少しながら継続する。このとき周期の長い第2のコン
デンサCcと1次巻線L1とで構成される第2の共振回
路から、周期の短い第1のコンデンサCrと1次巻線L
1とで構成される第1の共振回路の動作へと移行する。
ここでQ1,Q2が本実施例のようにMOSFETから
成っている場合は、寄生容量C1,C2の一方へ充電す
るときは他方への放電となり、等価回路では図1のよう
に大きな容量を持ったCcを介して直列に接続されてい
る。よって動作上第1のコンデンサCrは寄生容量C1
と外部に付加したコンデンサとの合計値として扱えば全
く等価な現象として見なせる。従ってQ1オフ時と同様
零電圧スイッチングを実現することができる。
1の共振回路の共振現象により、1次巻線L1にはQ1
のオン期間と同方向の電圧が誘起され、これと同時に第
1のコンデンサCrはICrのように放電を開始するの
で、時刻t6ではQ1のドレイン電圧VQ1は波形Cの
ように零に低下する。このときQ1によるスイッチング
動作を行わせることにより、零電圧のスイッチングが実
現できる。すなわち、Q1のターンオン時にドレイン電
流IQ1とドレイン電圧VQ1との重なりは生じないの
で、スイッチング損失は生じないし、又ノイズの発生も
ない。
が零から正転(Q1のオン期間の電圧極性を正転とし、
Q2のオン期間の電圧極性を反転とする)したときの時
刻t6とt7間では、トランスTの2次巻線L2も同様
に正転しており、共振エネルギーが2次側へ伝達されて
しまい零とならない状態が生ずる。ここで2次コイルL
2に可飽和リアクトルSRを接続したことにより、時刻
t6とt7間で2次側をハイインピーダンスとし、共振
条件の中に2次側の各要素が含まれてしまうのを防止す
ることができ、共振条件を安定化することができる。こ
れによりDC−DCコンバータを電源装置に用いた場合
に、あらゆる使用状態においても零電圧スイッチングを
より確実に行わせることができ、これによってスイッチ
ング損失を低減することができる。
刻t6とt7間に高いインダクタンスを有し、その後は
飽和して低いインピーダンスとなるような特性のものが
使用される。このことは、1次巻線L1のインダクタン
スにより確実に共振条件を作り出すための必要条件とな
る。すなわち、インダクタンスはトランスTの1次巻線
自身を利用しているために、共振条件が2次側の電流
(負荷電流)の影響を受けて不正確となるのを防止する
ことが必要となる。なおこの可飽和リアクトルSRは、
前記条件を満たせば必要に応じて出力電圧を検出しリセ
ット量を制御する磁気増幅器に置き換えても良い。
合、寄生容量に電荷が充電されてもこの電荷による内部
短絡損失をなくすことができる。なお第1のコンデンサ
CrはQ1の寄生容量C1に置き換えることも可能であ
り、この場合にはCr=C1となる。また別にコンデン
サC4を用いたとすると、この場合にはCr=C1+C
4となる。
オン,オフ制御され、前記のようにQ1のオン時間比を
dとするとQ2は{1−d−(ΔT1+ΔT2)/T}
のオン時間比となるように制御される。この制御回路は
トランスTの二次側の端子TO−TO′が出力された直
流電圧を検出して基準電圧と比較し、この比較結果に応
じて固定周期のパルス幅変調された信号を出力する一般
のレギュレータIC等によって構成することができる。
グ素子としては、MOSFET Q1,Q2を使用した
例で示したが、これらに限らず他の素子を用いることが
できることは本文中に説明した通りである。
及び第2の共振回路を組み合せ主スイッチング素子及び
副スイッチング素子のオン,オフに応じて各共振回路の
動作を互いに移行可能なように制御するようにしたの
で、零電圧スイッチングを可能ならしめると共に、低い
オン抵抗のスイッチング素子を用いることにより、導通
時においてもスイッチング損失を低減することができ更
にオン,オフ比による制御を可能にできる。
回路図である。
グ素子及び副スイッチング素子の制御原理を説明する波
形図である。
Claims (3)
- 【請求項1】 トランスの1次側に直流源、1次巻線及
び主スイッチング素子が直列接続されると共に、トラン
スの2次側に整流・平滑回路が接続されたDC−DCコ
ンバータにおいて、共振条件を制御する主スイッチング
素子に並列接続されたトランスにリセット電圧を与える
副スイッチング素子、1つの共振条件を与える第1のコ
ンデンサ及び共振条件を切換えるダイオードと、前記副
スイッチング素子に直列接続されもう1つの共振条件を
与える第2のコンデンサと、前記トランスの2次側に接
続された共振条件を安定化させる可飽和リアクトルとを
備え、前記第1のコンデンサと1次巻線とで短い周期の
共振回路を、前記第2のコンデンサと1次巻線とで長い
周期の共振回路を各々構成し、主スイッチング素子及び
副スイッチング素子のオン,オフに応じて2種類の共振
回路の動作が互いに移行可能に制御されることを特徴と
するDC−DCコンバータ。 - 【請求項2】 前記主スイッチング素子及び副スイッチ
ング素子が、同時にオフしている期間ΔT1及びΔT2
を有して周期Tで交互にオン,オフし、主スイッチング
素子のオン時間比をdとしたとき、副スイッチング素子
が{1−d−(ΔT1+ΔT2)/T}のオン時間比で
制御される請求項1記載のDC−DCコンバータ。 - 【請求項3】 前記第2のコンデンサの容量を前記第1
のコンデンサの容量よりも十分大きな値とした請求項1
記載のDC−DCコンバータ。
Priority Applications (1)
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JP3099463A Expired - Fee Related JP3022620B2 (ja) | 1991-04-04 | 1991-04-04 | Dc−dcコンバータ |
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Cited By (1)
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1991
- 1991-04-04 JP JP3099463A patent/JP3022620B2/ja not_active Expired - Fee Related
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