JP4534354B2 - 直流−直流変換装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源から変圧器を介して任意の直流出力に変換する直流−直流変換装置、特に入力電圧の変化や負荷の変化に対してパルス幅変調制御により出力電圧を一定にすることができ、かつ入力電圧の変化に対して発振周波数を変える機能を持つ直流−直流変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図６に従来例を示す。
図示のように、直流電源１、半導体スイッチ素子１２１、変圧器２の一次巻線２１およびコンデンサ４が直列に接続され、半導体スイッチ素子１２２とコンデンサ５との並列回路が変圧器一次巻線２１とコンデンサ４との間に並列に接続され、変圧器二次巻線２２，２３にはダイオード１１１，１１２および平滑用コンデンサ３が接続され、直流出力から出力電圧検出回路６，出力電圧調節回路７およびパルス幅変調回路８に、発振回路９がパルス幅変調回路８に、パルス幅変調回路８から半導体スイッチ素子１２１，１２２の各ゲートにそれぞれ接続されている。
【０００３】
図７に、図６における動作で特に入力電圧が低い場合の例を示す。なお、ｖ１２１，ｖ１２２はそれぞれ半導体スイッチ素子１２１，１２２のドレイン−ソース間電圧波形、ｉ１２１，ｉ１２２はそれぞれ半導体スイッチ素子１２１，１２２のドレイン電流波形、ｖ４はコンデンサ４の電圧波形、ｖ２１は変圧器一次巻線２１の電圧波形、ｉ１１１，ｉ１１２はそれぞれダイオード１１１，１１２の電流波形、ｖ３は平滑用コンデンサ３の電圧波形（出力電圧波形）を示す。
【０００４】
まず、半導体スイッチ素子１２１をオンすることにより、直流電源１−半導体スイッチ素子１２１−変圧器一次巻線２１−コンデンサ４を介して共振電流ｉ１２１が流れ、コンデンサ４を充電する。このとき、変圧器一次巻線２１には、直流電源電圧とコンデンサ４との差電圧が印加され、ダイオード１１１を介して平滑用コンデンサ３を充電するとともに負荷に電力を供給する。
次に、半導体スイッチ素子１２１をオフすることにより、それまで流れていた共振電流は、コンデンサ５および半導体スイッチ素子１２１，１２２の出力容量に転流し、半導体スイッチ素子１２１，１２２の電圧は徐々に上昇または下降する。
【０００５】
半導体スイッチ素子１２１の電圧が直流電源電圧に達すると、共振電流は半導体スイッチ素子１２２の寄生ダイオードに転流する。この時、半導体スイッチ素子１２２をオンすることにより、コンデンサ４−半導体スイッチ素子１２２−変圧器一次巻線２１を介して共振電流ｉ１２２が流れ、コンデンサ４を放電する。この時変圧器一次巻線２１には、コンデンサ４の電圧が印加され、ダイオード１１２を介して平滑用コンデンサ３を充電するとともに負荷に電力を供給する。
【０００６】
次いで、半導体スイッチ素子１２２をオフすることにより、それまで流れていた共振電流はコンデンサ５および半導体スイッチ素子１２１，１２２の出力容量に転流し、半導体スイッチ素子１２１，１２２の電圧は徐々に上昇または下降する。
次に半導体スイッチ素子１２２の電圧が直流電源電圧に達すると、共振電流は半導体スイッチ素子１２１の寄生ダイオードに転流する。このとき、半導体スイッチ素子１２１をオンする。
このような動作を繰り返すことにより、直流電源から絶縁された直流電力を供給する。
【０００７】
図８に、図６における動作で特に入力電圧が高い場合の例を示す。
動作原理は図７の場合と同様であるが、入力電圧が高い場合、半導体スイッチ素子１２１がオンしている期間に変圧器一次巻線２１に印加される電圧が高くなるため出力電圧が上昇しようとする。これに対し、出力電圧検出回路６，出力電圧調節回路７，パルス幅変調回路８は出力電圧が一定となるように動作し、半導体スイッチ素子１２１のパルス幅（オンデューティ）を狭くすることにより出力電圧を一定とする。
この動作の結果、図８に示すように、半導体スイッチ素子１２１がオンしている期間から二次側に電力を供給する割合が増加し、半導体スイッチ素子１２１およびダイオード１１１に流れる電流のピーク値が上昇する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
すなわち、図６の従来例では、入力電圧の変化に対し半導体スイッチ素子のオンデューティを変えることにより、出力電圧を一定としている。この場合、入力電圧が高くなった場合、一方の半導体スイッチ素子，ダイオードおよび変圧器二次巻線の責務が大きくなる。その結果、半導体スイッチ素子のスイッチング損失やダイオード導通損失などが増加し、装置変換効率が低下する。
したがって、この発明の課題は、入力電圧が高くなった場合の変換効率を低下させないようにすることにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項１の発明では、直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間に並列に接続し、前記変圧器二次巻線にはダイオードと平滑用コンデンサとを接続し、直流出力側には出力電圧検出回路および出力電圧調節回路を介してパルス幅変調回路を接続し、このパルス幅変調回路の入力側は発振回路および入力電圧検出回路を介して直流入力に接続し、かつ、その出力側は前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記パルス幅変調回路は前記出力電圧調節回路からの出力結果に基づき前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子へ出力するパルス幅を調整するとともに、前記入力電圧検出回路からの出力結果に基づき前記発振回路の発振周波数を、入力電圧が低い場合は発振周波数を低く、入力電圧が高い場合は発振周波数を高くして、入力電圧が高くなった場合の変換効率を低下させないことを特徴とする。
【００１０】
請求項２の発明では、直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間に並列に接続し、第１の変圧器二次巻線の一方の端子には、変圧器一次巻線に正電圧が印加されるときに電力を供給するように第１のダイオードを接続し、第２の変圧器二次巻線の一方の端子には、変圧器一次巻線に負電圧が印加されるときに電力を供給するように第２のダイオードを接続し、前記第１，第２のダイオードの各カソードはともに平滑用コンデンサの一方の端子に接続し、前記第１，第２の変圧器二次巻線の他方の端子はともに前記平滑用コンデンサの他方の端子に接続し、直流出力側には出力電圧検出回路および出力電圧調節回路を介してパルス幅変調回路を接続し、このパルス幅変調回路の入力側は発振回路および入力電圧検出回路を介して直流入力に接続し、かつ、その出力側は前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記パルス幅変調回路は前記出力電圧調節回路からの出力結果にもとづき前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子へ出力するパルス幅を調整するとともに、前記入力電圧検出回路からの出力結果にもとづき前記発振回路の発振周波数を、入力電圧が低い場合は発振周波数を低く、入力電圧が高い場合は発振周波数を高くして、入力電圧が高くなった場合の変換効率を低下させないことを特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
図１はこの発明の第１の実施の形態を示す構成図で、１は直流電源、２は変圧器、２１は変圧器一次巻線、２２，２３は変圧器二次巻線、３は平滑用コンデンサ、４，５はコンデンサ、６は出力電圧検出回路、７は出力電圧調節回路、８はパルス幅変調回路、９は発振回路、１０は入力電圧検出回路、１１１，１１２はダイオード、１２１，１２２は半導体スイッチ素子である。
すなわち、直流電源１、半導体スイッチ素子１２１、変圧器一次巻線２１およびコンデンサ４が直列に接続され、半導体スイッチ素子１２２とコンデンサ５との並列回路が、変圧器一次巻線２１とコンデンサ４との間に並列に接続され、変圧器２の二次巻線２２，２３にはダイオード１１１，１１２および平滑コンデンサ３が接続され、直流出力から出力電圧検出回路６，出力電圧調節回路７を介してパルス幅変調回路８に、直流入力から入力電圧検出回路１０，発振回路９を介してパルス幅変調回路８に接続し、パルス幅変調回路８から半導体スイッチ素子１２１，１２２の各ゲートに接続されている。
【００１２】
入力電圧検出回路１０は直流入力電圧を検出し、その結果を発振回路９に入力する。発振回路９は、入力電圧検出回路１０の出力結果にもとづき、入力電圧が低い場合は発振周波数を低く、入力電圧が高い場合は発振周波数を高くするように動作する。
図３は図１における動作を説明するための波形図である。入力電圧が低い場合における動作は図７と同じであるが、入力電圧が高い場合における動作は図８と異なり、動作周波数を高くすることにより、オンデューティはほとんど変化しない。
これにより、入力電圧が高い場合においても一方の半導体スイッチ素子，ダイオードおよび変圧器の責務が大きくなることはなく、半導体スイッチ素子のスイッチング損失，ダイオード導通損失などは、周波数が高くなった結果による増加分だけであり、僅かである。
【００１３】
また、負荷が軽負荷の状態になった場合は、出力電圧が上昇しようとする。これに対し、出力電圧検出回路６，出力電圧調節回路７およびパルス幅変調回路８は出力電圧が一定となるように動作し、半導体スイッチ素子１２１のパルス幅（オンデューティ）を狭くすることにより出力電圧を一定とする。この場合、半導体スイッチ素子１２１およびダイオード１１１の電流は、半導体スイッチ素子１２２およびダイオード１１２の電流よりも多く流れるが、軽負荷であるためその絶対値は小さく、発生損失の増加は僅かである。
【００１４】
図２に図１の変形例を示す。
これは、直流電源１の正極側端子を半導体スイッチ素子１２２に、負極側端子を半導体スイッチ素子１２１にそれぞれ接続した点が特徴であり、機能的には図１と全く同じなので説明は省略する。
【００１５】
図４はこの発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
図１との相違点は、変圧器二次巻線２３およびダイオード１１２を省略した点にあり、従って、変圧器二次巻線２２のみから電力が供給されることになる。その結果、半導体スイッチ素子１２２がオンしている期間に、負荷に電力が供給されることはない。
【００１６】
図５に図４の変形例を示す。
これは、直流電源１の正極側端子を半導体スイッチ素子１２２に、負極側端子を半導体スイッチ素子１２１にそれぞれ接続した点が特徴であり、機能的には図４と全く同じなので説明は省略する。
【００１７】
【発明の効果】
この発明によれば、入力電圧の変化に対して動作周波数を変えるようにしたので、半導体スイッチ素子，ダイオードおよび変圧器二次巻線の責務をバランス良く分担でき、スイッチング損失やダイオードの導通損失の増加が少なく、高効率を維持できるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施の形態を示す構成図である。
【図２】図１の変形例を示す構成図である。
【図３】図１の動作を説明するための波形図である。
【図４】この発明の第２の実施の形態を示す構成図である。
【図５】図４の変形例を示す構成図である。
【図６】従来例を示す構成図である。
【図７】図６の動作を説明するための波形図である。
【図８】図６で入力電圧が高くなった場合の動作を説明するための波形図である。
【符号の説明】
１…直流電源、２…変圧器、２１…変圧器一次巻線、２２，２３…変圧器二次巻線、３…平滑用コンデンサ、４，５…コンデンサ、６…出力電圧検出回路、７…出力電圧調節回路、８…パルス幅変調回路、９…発振回路、１０…入力電圧検出回路、１１１，１１２…ダイオード、１２１，１２２…半導体スイッチ素子。
Claims (2)
- 直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間に並列に接続し、前記変圧器二次巻線にはダイオードと平滑用コンデンサとを接続し、直流出力側には出力電圧検出回路および出力電圧調節回路を介してパルス幅変調回路を接続し、このパルス幅変調回路の入力側は発振回路および入力電圧検出回路を介して直流入力に接続し、かつ、その出力側は前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記パルス幅変調回路は前記出力電圧調節回路からの出力結果に基づき前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子へ出力するパルス幅を調整するとともに、前記入力電圧検出回路からの出力結果に基づき前記発振回路の発振周波数を、入力電圧が低い場合は発振周波数を低く、入力電圧が高い場合は発振周波数を高くして、入力電圧が高くなった場合の変換効率を低下させないことを特徴とする直流−直流変換装置。 - 直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換する直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第１の半導体スイッチ素子，変圧器一次巻線および第１のコンデンサを直列に接続し、第２の半導体スイッチ素子と第２のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第１のコンデンサとの間に並列に接続し、第１の変圧器二次巻線の一方の端子には、変圧器一次巻線に正電圧が印加されるときに電力を供給するように第１のダイオードを接続し、第２の変圧器二次巻線の一方の端子には、変圧器一次巻線に負電圧が印加されるときに電力を供給するように第２のダイオードを接続し、前記第１，第２のダイオードの各カソードはともに平滑用コンデンサの一方の端子に接続し、前記第１，第２の変圧器二次巻線の他方の端子はともに前記平滑用コンデンサの他方の端子に接続し、直流出力側には出力電圧検出回路および出力電圧調節回路を介してパルス幅変調回路を接続し、このパルス幅変調回路の入力側は発振回路および入力電圧検出回路を介して直流入力に接続し、かつ、その出力側は前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子の各ゲート端子にそれぞれ接続し、前記パルス幅変調回路は前記出力電圧調節回路からの出力結果にもとづき前記第１の半導体スイッチ素子および第２の半導体スイッチ素子へ出力するパルス幅を調整するとともに、前記入力電圧検出回路からの出力結果にもとづき前記発振回路の発振周波数を、入力電圧が低い場合は発振周波数を低く、入力電圧が高い場合は発振周波数を高くして、入力電圧が高くなった場合の変換効率を低下させないことを特徴とする直流−直流変換装置。
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