JPH04364358A - Dc−dcコンバータ - Google Patents
Dc−dcコンバータInfo
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- JPH04364358A JPH04364358A JP16643091A JP16643091A JPH04364358A JP H04364358 A JPH04364358 A JP H04364358A JP 16643091 A JP16643091 A JP 16643091A JP 16643091 A JP16643091 A JP 16643091A JP H04364358 A JPH04364358 A JP H04364358A
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Abstract
(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。
め要約のデータは記録されません。
Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は入力電流及び出力電流の
いずれにもリップル(脈動)が生じないDC−DCコン
バータに関するものである。 【0002】 【従来の技術】従来のこの種のDC−DCコンバータは
例えば図11、図12又は図13に示す如く構成されて
いる。図11に示すDC−DCコンバータは、直流電源
EにインダクタL1 とキャパシタC1 とインダクタ
L2 との直列回路を並列接続している。キャパシタC
1 とインダクタL2 との直列回路には、スイッチ素
子S1 と平滑(出力)用キャパシタC0 との直列回
路を並列接続しており、スイッチ素子S1 とキャパシ
タC1 との直列回路にスイッチ素子S2 を並列接続
している。また平滑用キャパシタC0 には負荷RL
を接続している。インダクタL1 とL2 とが電磁結
合しており、インダクタL1 ,L2 間には相互イン
ダクタンスMが存在する。 【0003】スイッチ素子S1 ,S2 は図14に示
す制御パルスにより相補的にオン, オフ制御される。 スイッチ素子S1がオンである時間比率、即ちデューテ
ィ比dを、スイッチング周期TS と、スイッチ素子S
1 がオンになる期間T1ON との比T1ON /T
S として、スイッチ素子S1 ,S2 をオン,オフ
制御した場合にはDC−DCコンバータの入出力電圧比
Vout /Vin=dとなり、入力電圧Vinを降圧
した出力電圧Vout が得られる。またインダクタL
1 とL2 との結合係数Kを、【0004】 【数1】 【0005】とし、巻線比nを、 【0006】 【数2】 【0007】で定義すれば、結合係数K=1/nにする
ことによりdIin/dt=0となり、入力電流Iin
のリップルを0にできることが知られている。図12に
示すDC−DCコンバータは、直流電源Eに、スイッチ
素子S2 とキャパシタC1 とインダクタL1 との
直列回路を並列接続しており、スイッチ素子S2 とキ
ャパシタC1 との直列回路にスイッチ素子S1 を並
列接続している。キャパシタC1 とインダクタL1
との直列回路には、インダクタL2 と平滑(出力)用
キャパシタC0 との直列回路を並列接続しており、平
滑用キャパシタC0 には負荷RL を接続している。 インダクタL1 とL2 とが電磁結合されており、そ
れらの間に相互インダクタンスMが存在する。 【0008】スイッチ素子S1 ,S2 を図14に示
す制御パルスによりデューティ比をdとしてオン,オフ
制御した場合、入出力電圧比Vout /Vinは、V
out /Vin=1/(1−d) …(3)と
なり、入力電圧Vinを昇圧した出力電圧Vout が
得られる。また、結合係数K=nにすることによりdI
out /dt=0となって、出力電流Iout のリ
ップルを0にできることが知られている。 【0009】図13に示すDC−DCコンバータは、直
流電源Eに、インダクタL1 とスイッチ素子S1 と
の直列回路が並列接続されており、スイッチ素子S1
には、キャパシタC1 とスイッチ素子S2 との直列
回路が並列接続されている。スイッチ素子S2 にはイ
ンダクタL2 と平滑(出力)用キャパシタC0 との
直列回路が並列接続され、平滑用キャパシタC0 には
負荷RL が並列接続されている。 【0010】スイッチ素子S1 ,S2 を図14に示
す制御パルスにより、デューティ比をdとして、オン,
オフ制御した場合、入出力電圧比Vout /Vinは
、Vout /Vin=−d/(1−d) …(
4)となり、入力電圧Vinの極性に対し、出力電圧V
out の極性が反転し、入力電圧Vinを昇圧又は降
圧した出力電圧Vout が得られる。また結合係数K
=1/nにすることにより、dIin/dt=0となっ
て入力電流Iinのリップルを0にでき、結合係数K=
nにすることにより、dIout /dt=0となって
出力電流Iout のリップルを0にできることが知ら
れている。 【0011】 【発明が解決しようとする課題】しかし乍ら、従来のい
ずれのDC−DCコンバータも、入力電流及び出力電流
のリップルをともに0にすることができない。したがっ
て、リップルを含んだ入力電流又は出力電流が流れるこ
とにより、このDC−DCコンバータと接続された電子
機器に電気的、磁気的に悪影響を与える虞れがある。そ
こで、このようなリップル成分を低減するために入力端
子と出力端子との間にキャパシタ及びインダクタンスで
構成したフィルタを設けることが考えられるが、そうす
ると付加したフィルタによりDC−DCコンバータが大
型化してDC−DCコンバータの小型化が図れないとい
う問題がある。本発明は斯かる問題に鑑み、入力電流及
び出力電流のいずれにもリップルを含まず、しかも小型
化を図り得るDC−DCコンバータを提供することを目
的とする。 【0012】 【課題を解決するための手段】第1発明に係るDC−D
Cコンバータは、直流電源端子間に接続される、入力イ
ンダクタ、第1キャパシタ及び第1インダクタの直列回
路と、負荷端子間に接続される出力インダクタ、第2キ
ャパシタ及び第2インダクタの直列回路と、前記入力イ
ンダクタと前記第1キャパシタとの接続部及び前記第2
キャパシタと前記第2インダクタとの接続部の間に介装
している第1スイッチと、第1キャパシタと第1インダ
クタとの接続部及び前記出力インダクタと第2キャパシ
タとの接続部の間に介装している第2スイッチと、負荷
端子間に接続されている平滑用キャパシタとを備え、前
記第1インダクタと直流電源端子との接続点と、前記第
2インダクタと負荷端子との接続点とが接続されて入力
インダクタ及び第1インダクタを電磁結合させ、出力イ
ンダクタ及び第2インダクタを電磁結合させており、第
1スイッチ及び第2スイッチを相補的にオン,オフ制御
すべく構成してあることを特徴とする。 【0013】第2発明に係るDC−DCコンバータは、
直流電源端子間に接続される、入力インダクタ、第1キ
ャパシタ及び第1トランスの1次巻線の直列回路と、負
荷端子間に接続される、出力インダクタ、第2キャパシ
タ及び第2トランスの2次巻線の直列回路と、前記入力
インダクタと前記第1キャパシタとの接続部及び前記第
2トランスの1次巻線の間に介装している第1スイッチ
と、第1トランスの2次巻線及び第2キャパシタと出力
インダクタとの接続部の間に介装している第2スイッチ
と、負荷端子間に接続されている平滑用キャパシタとを
備え、入力インダクタ及び第1トランスを電磁結合させ
、出力インダクタ及び第2トランスを電磁結合させてお
り、第1スイッチ及び第2スイッチを相補的にオン,オ
フ制御すべく構成してあることを特徴とする。 【0014】第3発明に係るDC−DCコンバータは、
直流電源に接続される、入力インダクタ、第1キャパシ
タ及び第1トランスの1次巻線の直列回路と、負荷に接
続される、出力インダクタ、第2キャパシタ及び第2ト
ランスの2次巻線の直列回路と、前記第1キャパシタと
第1トランスの1次巻線との直列回路に並列接続された
第2トンスの1次巻線と第1スイッチとの直列回路と、
前記第2キャパシタと第2トランスの2次巻線との直列
回路に並列接続された第2スイッチと第1トランスの2
次巻線との直列回路と、負荷端子間に接続されている平
滑キャパシタとを備え、入力インダクタ及び第1トラン
スを電磁結合させ、出力インダクタ及び第2トランスを
電磁結合させており、第1スイッチ及び第2スイッチと
を相補的にオン,オフ制御すべく構成してあることを特
徴とする。 【0015】 【作用】第1発明では、第1スイッチがオンすると第2
スイッチがオフし、直流電源及び第1キャパシタの電圧
により第2キャパシタ及び平滑用キャパシタを充電する
。入力インダクタと、第1インダクタとの電磁結合によ
り入力インダクタを流れる入力電流のリップルが0にな
る。第1スイッチがオフすると第2スイッチがオンし、
出力インダクタ及び第1インダクタを介して平滑用キャ
パシタ及び第2キャパシタが放電する。出力インダクタ
と第2インダクタとの電磁結合により、出力インダクタ
を流れる出力電流のリップルが0になる。これにより入
力電流及び出力電流のいずれにもリップルを含まない。 【0016】第2発明では、第1スイッチがオンすると
第2スイッチがオフし、直流電源及び第1キャパシタの
電圧が、第2トランスの1次巻線に加わり、第2キャパ
シタ及び平滑用キャパシタを充電する。入力インダクタ
と第1トランスとの電磁結合により入力インダクタに流
れる入力電流のリップルが0になる。第1スイッチがオ
フすると第2スイッチがオンし、出力インダクタ及び第
1トランスの2次巻線を介して平滑用キャパシタ及び第
2キャパシタが放電する。出力インダクタと第2トラン
スとの電磁結合により出力インダクタを流れる出力電流
のリップルが0になる。よって、入力電流及び出力電流
のいずれにもリップルを含まない。 【0017】第3発明では、第1トランスの1次巻線と
直流電源との接続部と接続している第1スイッチは容易
にオン,オフ動作する。第1スイッチがオンすると第2
スイッチがオフし、直流電源及び第1キャパシタの電圧
が第2トランスの1次巻線に加わり、第2キャパシタ及
び平滑用キャパシタを充電する。入力インダクタと第1
トランスとの電磁結合により入力インダクタに流れる入
力電流のリップルが0になる。第1スイッチがオフする
と第2スイッチがオンし、出力インダクタ及び第1トラ
ンスの2次巻線を介して平滑用キャパシタ及び第2キャ
パシタが放電する。出力インダクタと第2トランスとの
電磁結合により出力インダクタに流れる出力電流のリッ
プルが0になる。よって、入力電流及び出力電流のいず
れにもリップルを含まない。また入力電流が流れる回路
と出力電流が流れる回路とを絶縁できる。 【0018】 【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面により詳
述する。先ず本発明の原理を図1により説明する。図1
に示したDC−DCコンバータは、前述したように入力
電流Iinのリップルを0にできる図11に示す降圧型
のDC−DCコンバータと、出力電流Iout のリッ
プルを0にできる図12に示す昇圧型のDC−DCコン
バータとを従属接続して構成されている。 【0019】即ち、直流電源Eに入力インダクタL1
と第1キャパシタC1 と第1インダクタL3 との直
列回路を並列接続しており、第1キャパシタC1 と第
1インダクタL3 との直列回路には、第1スイッチ素
子S1 と平滑用キャパシタC12との直列回路が並列
接続されている。第1スイッチ素子S1 と第1キャパ
シタC1 との直列回路には、第2スイッチ素子S2
を並列接続している。入力インダクタL1 と第1イン
ダクタL3 とが電磁結合しており、それらの間に相互
インダクタンスM1 が存在している。これにより降圧
型のDC−DCコンバータを構成している。 【0020】また、平滑用キャパシタC12には、第3
スイッチ素子S3 と、第2キャパシタC2 と第2イ
ンダクタL4 との直列回路が並列接続されており、第
3スイッチ素子S3 と第2キャパシタC2 との直列
回路には第4スイッチ素子S4 が並列接続されている
。第2キャパシタC2 と第2インダクタL4との直列
回路には、出力インダクタL2 と平滑用キャパシタC
0 との直列回路が並列接続され、平滑用キャパシタC
0 には負荷RL が並列接続されている。出力インダ
クタL2 と第2インダクタL4 とが電磁結合してお
り、これらの間に相互インダクタンスM2 が存在する
。これにより昇圧型のDC−DCコンバータを構成して
いる。 【0021】ここで、スイッチ素子S1 とS4 とを
同期させ、スイッチ素子S1 と相補的にオン,オフ制
御させるスイッチ素子S2 とS3 とを同期させてオ
ン,オフ制御すれば入出力電圧比Vout /Vinは
、Vout /Vin=d/(1−d) …(5
)となり、非反転昇降圧型のDC−DCコンバータが得
られる。また入力インダクタL1 と第1インダクタL
3 との結合係数K1 を、 【0022】 【数3】 【0023】とし、出力インダクタL2 と第2インダ
クタL4 との結合係数K2 を 【0024】 【数4】 【0025】とすることにより、入力電流Iin及び出
力電流Iout のリップルを0にできる。このように
従属接続されたDC−DCコンバータにおいて、平滑用
キャパシタC12の電圧は直流であるから省略でき、ま
たスイッチ素子S1 とS4 とを同期させ、スイッチ
素子S2 とS3 とを同期させるからスイッチ素子S
3 ,S4 を省略できる。そのため図2に示すように
、図1に示した従属接続されたDC−DCコンバータと
回路トポロジー的に全く等価であるDC−DCコンバー
タが得られる。 【0026】図2は第1発明に係るDC−DCコンバー
タの模式的回路図である。負電極を接地している直流電
源Eに、入力インダクタL1 と第1キャパシタC1
と第1インダクタL3 との直列回路を並列接続してい
る。第1キャパシタC1 と第1インダクタL3 との
直列回路には、第1スイッチ素子S1 と第2インダク
タL4 との直列回路が並列接続されている。第1キャ
パシタC1 と第1インダクタL3 との接続部は、第
2スイッチ素子S2 と第2キャパシタC2 との直列
回路を介して第1スイッチ素子S1 と第2インダクタ
L4 との接続部と接続されている。 【0027】第2キャパシタC2 と第2インダクタL
4 との直列回路には、出力インダクタL2 と平滑(
出力)用キャパシタC0 との直列回路が並列接続され
、平滑用キャパシタC0 には負荷RL が接続されて
いる。入力インダクタL1 と第1インダクタL3 と
が電磁結合しており、それらの間に相互インダクタンス
M1 が存在する。 また出力インダクタL2 と第2インダクタL4 とが
電磁結合しており、それらの間に相互インダクタンスM
2 が存在する。第1スイッチ素子S1 と第2スイッ
チ素子S2 とを相補的にオン,オフ制御すると、入出
力電圧比Vout /Vin=d/(1−d)となる。 【0028】また出力インダクタL1 と第1インダク
タL3 との結合係数K1 を、 【0029】 【数5】 【0030】に、入力インダクタL2 と第2インダク
タL4との結合係数K2 を 【0031】 【数6】 【0032】にしておくと、入力電流Iin及び出力電
流Iout のリップルが0になる。図3は第1発明に
係るDC−DCコンバータの実回路図である。負電極を
接地している直流電源Eに、入力コンデンサCi を並
列接続しており、入力コンデンサCi には入力インダ
クタL1 と第1キャパシタC1 と第1インダクタL
3 との直列回路を並列接続している。第1キャパシタ
C1 と第1インダクタL3 との直列回路には、Nチ
ャネルパワーMOSFETを用いた第1スイッチ素子S
1 と第2インダクタL4 との直列回路を並列接続し
ている。第1キャパシタC1 と第1インダクタL3
との接続部はショットキーバリアダイオードを用いた第
2スイッチ素子S2 と第2キャパシタC2 との直列
回路を介して、第1スイッチ素子S1 と第2インダク
タL4 との接続部と接続している。 【0033】第2キャパシタC2 と第2インダクタL
4 との直列回路には、出力インダクタL2 と平滑(
出力)用キャパシタC0 との直列回路を並列接続して
おり、平滑用キャパシタC0 には負荷RL を並列接
続している。 そして、この回路構成から直流電源E及び負荷RL を
除いた回路部分がパワー変換部PWとなっている。 【0034】第1スイッチ素子S1 のNチャネルパワ
ーMOSFETのゲートと、第2キャパシタC2 及び
第2インダクタL4 の接続部との間にパルストランス
PTの出力巻線を接続しており、この出力巻線の両端部
間には逆直列接続のツェナーダイオードZD1,ZD2
を介装させている。 パルストランスPTの入力巻線の一端は接地され、他端
には結合コンデンサCP を接続している。このパルス
トランスPT、ツェナーダイオードZD1,ZD2及び
結合コンデンサCP によりスイッチ制御パルスレベル
変換部SLを構成している。 【0035】一方、テキサスインスツルメント社製の品
番TL1451からなるIC20を用いて制御兼パルス
幅変調部CNT を構成し、テレダイン社製の品番TS
C426からなるIC21を用いてパルス反転兼パワー
ブースタ部PBを構成している。IC20の端子T1は
コンデンサ30を介して接地され、端子T2は抵抗r0
を介して接地されている。端子T3は抵抗R1 の一
端とr2 の一端との接続部と接続されており、抵抗r
2 の他端は接地され、抵抗r1 の他端はパワー変換
部PWにおける出力インダクタL2 と平滑用キャパシ
タC0 との接続部と接続されている。端子T4はコン
デンサ31と抵抗r3 との直列回路を介して端子T5
と接続されており、また端子T4,T5 間には抵抗r
4 を介装させている。 【0036】更に端子T4は、抵抗r5 の一端とr6
の一端との接続部と接続されており、抵抗r6 の他
端は接地されている。抵抗r5 の他端は端子T16
と接続されている。端子T16 は抵抗r7 とr8
との直列回路を介して接地されている。抵抗r7 とr
8 との接続部は端子T6と接続されている。端子T1
5 は接地されている。電源端子たる端子T9は、パワ
ー変換部PWにおける入力コンデンサC1 と直流電源
Eの正電極との接続部と接続されており、またコンデン
サ32を介して接地端子たる端子T8と接続されており
、端子T8は接地されている。また端子T9とT7との
間に抵抗r9 を介装させている。 【0037】パルス反転兼パワーブースタ部PBのIC
21の端子T22 は前記IC20の端子T7と接続さ
れ、接地端子たる端子T23 は接地されている。また
端子T23 はコンデンサ33を介して端子T24 と
接続されており、端子T24 はIC20の端子T9と
接続されている。端子T25 は抵抗r10を介してス
イッチ制御パルスレベル変換部SLにおける結合コンデ
ンサCP と接続されている。 【0038】これらの各回路部品は例えば表1に示した
回路定数に選定している。 【0039】 【0040】そして、このように構成したDC−DCコ
ンバータの実回路を用いて入力電圧Vinの範囲を4〜
17Vにし、出力電圧Vout を抵抗r1 ,r2
で分圧してIC20に帰還させて、デューティ比を制御
し、出力電圧Vout を12Vに安定させて、静特性
を実測したところ図4,図5に示す特性が得られた。 【0041】図4は横軸を出力電流Iout とし、縦
軸を出力電圧Vout 及び変換効率ηとしている。こ
の図から明らかなように、出力電圧Vout は、出力
電流Iout が変化しても一定に保持されており、変
換効率ηの最大値が約83%に達している。図5は横軸
を入力電圧Vinとし、縦軸を出力電圧Vout 及び
変動効率ηとしている。 この図から明らかなように出力電圧Vout は入力電
圧Vinの全範囲にわたって12Vに一定に制御されて
おり、変換効率ηの最大は約83%に達している。そし
て図示していないが入力電流Iin及び出力電流Iou
t に含まれたリップルの含有率は1%以下になった。 なお、出力電圧Vout を12Vになすべく抵抗r1
,r2 の値を選定したが、これらの抵抗r1 ,r
2 の比を変更することにより出力電圧値を適宜変更で
きる。 【0042】ところで、第1発明に係るDC−DCコン
バータに用いている第1インダクタL3 及び第2イン
ダクタL4 を、巻線比が1:1であり密結合の第1ト
ランスT1 及び第2トランスT2 に置き換えること
ができる。 【0043】図6は第1トランスT1 及び第2トラン
スT2 を用いたDC−DCコンバータの模式的回路図
である。 負電極を接地している直流電源Eに、入力インダクタL
1 と第1キャパシタC1 と第1トランスT1 の1
次巻線L31との直列回路を並列接続している。第1キ
ャパシタC1 と1次巻線L31との直列回路には、第
1スイッチ素子S1 と第2トランスT2 の1次巻線
L41との直列回路が並列接続されている。 【0044】第1トランスT1 の2次巻線L32と第
2スイッチ素子S2 との直列回路に、第2キャパシタ
C2 と第2トランスT2 の2次巻線L42との直列
回路を並列接続している。第2キャパシタC2 と2次
巻線L42との直列回路には出力インダクタL2 と平
滑(出力)用キャパシタC0 との直列回路を並列接続
しており、平滑用キャパシタC0 には負荷RL を並
列接続している。 【0045】そして1次巻線L31の第1キャパシタC
1 を接続していない側の端部、2次巻線L32の第2
スイッチ素子S2を接続していない側の端部、1次巻線
L41の第1スイッチ素子S1 を接続していない側の
端部及び2次巻線L42の第2キャパシタC2 を接続
していない側の端部はともに接地されている。入力イン
ダクタL1 と第1トランスT1 とが電磁結合してお
り、それらの間に相互インダクタンスM1 が存在する
。また出力インダクタL2 と第2トランスT2 とが
電磁結合しており、それらの間に相互インダクタンスM
2 が存在する。 【0046】ところで、図6に示したDC−DCコンバ
ータの第1トランスT1 の2次巻線L32と第2トラ
ンスT2 の1次巻線L41とを絶縁して図2に示した
DC−DCコンバータと回路トポロジー的に等価な、絶
縁形で昇降圧可能なDC−DCコンバータを構成するこ
とができる。 【0047】図7は第2発明に係るDC−DCコンバー
タの回路図である。負電極を接地している直流電源Eに
、入力インダクタL1 と第1キャパシタC1 と第1
トランスT1 の1次巻線L31との直列回路を並列接
続している。 第1キャパシタC1 と1次巻線L31との直列回路に
は第1スイッチ素子S1 と、第2トランスT2 の1
次巻線L41との直列回路が並列接続されている。第1
トランスT1 の2次巻線L32と第2スイッチ素子S
2 との直列回路に、第2キャパシタC2 と第2トラ
ンスT2 の2次巻線L42との直列回路が並列接続さ
れている。 【0048】第2キャパシタC2 と2次巻線L42と
の直列回路には、出力インダクタL2 と平滑用キャパ
シタC0 との直列回路が並列接続され、平滑用キャパ
シタC0 には負荷RL が並列接続されている。入力
インダクタL1 と第1トランスT1 とが電磁結合し
ており、それらの間に相互インダクタンスM1が存在す
る。出力インダクタL2 と第2トランスT2 とが電
磁結合しており、それらの間に相互インダクタンスM2
が存在する。このように構成したDC−DCコンバー
タは図2に示したDC−DCコンバータと同様の動作を
し、入力電流Iin及び出力電流Iout のリップル
をともに0にできる。 【0049】おな、第1トランスT1 、第2トランス
T2 が密結合でない場合、あるいは各トランスの巻線
比が1:1でない場合は、夫々のトランスの漏れインダ
クタンスによる損失が生じて図2に示したDC−DCコ
ンバータと回路トポロジー的に全く等価ではなくなるが
、図2のDC−DCコンバータと同様に入力電流及び出
力電流のリップルをともに0にできる機能を備える。 【0050】図8は第2発明に係るDC−DCコンバー
タの実回路図である。負電極を接地している直流電源E
に入力コンデンサCi を並列接続しており、入力コン
デンサCi には入力インダクタL1 と第1キャパシ
タC1 と第1トランスT1 の1次巻線L31との直
列回路が並列接続されている。第1キャパシタC1 と
1次巻線L31との直列回路には、NチャネルパワーM
OSFETからなる第1スイッチ素子S1 と第2トラ
ンスT2 の1次巻線L41との直列回路が並列接続さ
れている。第1トランスT1 の2次巻線L32と、シ
ョットキーバリアダイオードからなる第2スイッチ素子
S2 との直列回路には、第2キャパシタC2と第2ト
ランスT2 の2次巻線L42との直列回路が並列接続
されている。第2キャパシタC2 と2次巻線L42と
の直列回路には、出力インダクタL2 と平滑(出力)
用キャパシタC0 との直列回路が並列接続され、平滑
用キャパシタC0 には負荷RL が並列接続されてい
る。そしてこの回路構成から直流電源E及び負荷RL
を除いた回路部分がパワー変換部PWとなっている。 【0051】第1スイッチ素子S1 のNチャネルパワ
ーMOSFETのゲートと、第1スイッチ素子S1 及
び1次巻線L41の接続部との間に、パルストランスP
Tの出力巻線を接続しており、この出力巻線の両端部間
には、逆直列接続のツェナーダイオードZD1,ZD2
を介装させている。 パルストランスPTの入力巻線の一端は接地され、他端
には結合コンデンサCP と接続している。このパルス
トランスPT、ツェナーダイオードZD1,ZD2及び
結合コンデンサCP によりスイッチ制御パルスレベル
変換部SLを構成している。 【0052】一方、テキサスインスツルメント社製の品
番TL1451からなるIC20を用いてパルス変調部
PMを構成し、テレダイン社製の品番TSC426から
なるIC21を用いてパルス反転兼パワーブースタ部P
Bを構成し、更にインテル社製の品番TL431 から
なるIC22を用いて制御部CTR を構成している。 【0053】IC20の端子T1はコンデンサ30を介
して接地され、端子T2は抵抗r0 を介して接地され
ている。端子T5は抵抗r6 を介して接地され、また
ホトカプラPHC のホトトランジスタPTR を介し
て端子T16 と接続されている。端子T16 は抵抗
r7 とr8 との直列回路を介して接地されている。 抵抗r7 とr8 との接続部は端子T6と接続されて
いる。電源端子たる端子T9はコンデンサ32を介して
接地端子たる端子T8と接続され、またパワー変換部P
Wにおける入力コンデンサCi と入力インダクタL1
との接続部と接続されている。端子T9とT7との間
には、抵抗r9 を介装させている。 【0054】パルス反転兼パワーブースタ部PBにおけ
るIC21の端子T22 は前記IC20の端子T7と
接続されている。 IC21の端子T23 は接地されている。端子T24
はコンデンサ33を介して接地されており、またIC
20の端子T9と接続されている。端子T25 は抵抗
r10を介してスイッチ制御パルスレベル変換部SLに
おける結合コンデンサCP と接続されている。ホトカ
プラPHC のホトダイオードPDと抵抗r11と、イ
ンテル社製の品番TL431 からなるIC22とを直
列接続しており、その直列回路には、出力電圧Vout
を設定する抵抗r1 とr2 との直列回路が並列接
続されており、抵抗r1 とr2 との接続部はIC2
2と接続されていて、またコンデンサ34を介して抵抗
r1 とIC22との接続部と接続されている。 【0055】そして抵抗r2 を接続していない抵抗r
1 の端部は平滑用キャパシタC0 と出力インダクタ
L2 との接続部と接続され、抵抗r1 を接続してい
ない抵抗r2 の端部は平滑用キャパシタC0 と2次
巻線L42との接続部と接続されている。そして各回路
部品は例えば表2に示した回路定数に選定している。 【0056】 【0057】そして、この第2発明に係る
DC−DCコンバータは、第1発明に係るDC−DCコ
ンバータと同様に入力電圧範囲が4〜17Vであり、出
力電圧が12Vに安定化されていて、入力電流及び出力
電流のリップルがともに0である同様の結果が得られた
。なお、このDC−DCコンバータは平滑用キャパシタ
C0 の電圧をホトカプラPHCを介してIC20へフ
ィードバックさせて、出力電圧Vout を安定させて
いる。 【0058】図9は第3発明に係るDC−DCコンバー
タの回路図である。負電極を接地している直流電源Eに
、入力インダクタL1 と第1キャパシタC1 と第1
トランスT1 の1次巻線L31との直列回路を並列接
続している。 第1キャパシタC1 と1次巻線L31との直列回路に
は、第2トランスT2 の1次巻線L41と第1スイッ
チ素子S1 との直列回路を並列接続している。 【0059】第2スイッチ素子S2 と第1トランスT
1 の2次巻線L32との直列回路には、第2キャパシ
タC2 と第2トランスT2 の2次巻線L42との直
列回路が並列接続されており、第2キャパシタC2 と
2次巻線L42との直列回路には、出力インダクタL2
と平滑(出力)用キャパシタC0 との直列回路が並
列接続されている。平滑用キャパシタC0 には負荷R
L が接続されている。そして入力インダクタL1 と
第1トランスT1 とが電磁結合しており、それらの間
に相互インダクタンスM1 が存在する。 【0060】また出力インダクタL2 と第2トランス
T2 とが電磁結合しており、それらの間に相互インダ
クタンスM2 が存在する。このように構成したDC−
DCコンバータは、スイッチ素子S1 とS2 とを相
補的に制御すると、図2に示したDC−DCコンバータ
と同様の動作をして、入力電流Iin及び出力電流Io
ut のリップルをともに0にできる。 【0061】このように、第1スイッチ素子S1 を、
第2トランスT2 の1次巻線L41の接地電圧側に設
けてもDC−DCコンバータの動作特性に影響を与える
ことがない。そして、第1スイッチ素子S1 の一側端
子が接地されているため、第1スイッチ素子S1 に例
えばMOSFET又はバイポーラトランジスタを使用し
た場合には、第1スイッチ素子S1 の駆動が図7に示
したDC−DCコンバータに比べて著しく容易になる。 【0062】図10は第3発明に係るDC−DCコンバ
ータの実回路図である。負電極を接地している直流電源
Eに入力コンデンサCi を並列接続しており、入力コ
ンデンサCi には入力インダクタL1 と第1キャパ
シタC1 と第1トランスT1 の1次巻線L31との
直列回路が並列接続されている。第1キャパシタC1
と1次巻線L31との直列回路には、第2トランスT2
の1次巻線L41とNチャネルパワーMOSFETか
らなる第1スイッチ素子S1 との直列回路が接続され
ている。第1トランスT1 の2次巻線L32とショッ
トキーバリアダイオードからなる第2スイッチ素子S2
との直列回路に、第2キャパシタC2 と第2トラン
スT2 の2次巻線L42との直列回路が並列接続され
ている。 【0063】第2キャパシタC2 と2次巻線L42と
の直列回路には、出力インダクタL2 と平滑用キャパ
シタC0 との直列回路が並列接続されており、平滑用
キャパシタC0 には負荷RL が並列接続されている
。そしてこの回路構成から直流電源E及び負荷RL を
除いた回路部分がパワー変換部PWとなっている。一方
、テキサスインスツルメント社製の品番TL1451か
らなるIC20を用いてパルス変調部PMを構成し、テ
レダイン社製の品番TSC426からなるIC21を用
いてパルス反転兼パワーブースタ部PBを構成し、更に
インテル社製の品番TL431 からなるIC22を用
いて制御部CTR を構成している。 【0064】IC20の端子T1はコンデンサ30を介
して接地され、端子T2は抵抗r0 を介して接地され
ている。端子T5は、抵抗r0 を介して接地され、ま
たホトカプラPHC のホトトランジスタPTR を介
して端子T16 と接続されている。端子T16 は抵
抗r7 とr8 との直列回路を介して接地されている
。抵抗r7 とr8 との接続部は端子T6と接続され
ている。電源端子たる端子T9はコンデンサ32を介し
て接地端子たる端子T8と接続され、またパワー変換部
PWにおける入力コンデンサCi と入力インダクタL
1 との接続部と接続されている。端子T9とT7との
間には抵抗r9 を介装させている。 【0065】パルス反転兼パワーブースタ部PBのIC
21の端子T22 は前記IC20の端子T7と接続さ
れている。IC21の端子T23 は接地されている。 端子T24 はコンデンサ33を介して接地されており
、またIC20の端子T9と接続されている。端子T2
5 は抵抗r10を介して第1スイッチ素子S1 のN
チャネルパワーMOSFETのゲートと接続されている
。ホトカプラPHC のホトダイオードPDと抵抗r1
1と、インテル社製の品番TL431 からなるIC2
2とを直列接続しており、その直列回路には、出力電圧
Vout を設定する抵抗r1 とr2 との直列回路
が並列接続されており、抵抗r1 とr2 との接続部
はIC22と接続されていて、またコンデンサ34を介
して抵抗r1 とIC22との接続部と接続されている
。 【0066】そして抵抗r2 を接続していない側の抵
抗r1 の端部は、平滑用キャパシタC0 と出力イン
ダクタL2 との接続部と接続され、抵抗r1 を接続
していない側の抵抗r2 の端部は、平滑用キャパシタ
C0 と2次巻線L42との接続部と接続されている。 そしてこれらの各回路部品は表2に示した回路定数に選
定している。この第3発明に係るDC−DCコンバータ
も、スイッチ素子S1 ,S2 を相補的に制御するこ
とにより、第2発明に係るDC−DCコンバータと同様
に動作し、入力電流及び出力電流のリップルをともに0
にできる。 【0067】 【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、フ
ィルタ又は大容量の平滑用キャパシタを用いずに入力電
流及び出力電流のいずれにもリップルを含まないように
することができる。それにより形状の小型化が図れ、リ
ップルにより電子機器を誤動作させる虞れがない小型で
信頼性が高いDC−DCコンバータを提供できる優れた
効果を奏する。
いずれにもリップル(脈動)が生じないDC−DCコン
バータに関するものである。 【0002】 【従来の技術】従来のこの種のDC−DCコンバータは
例えば図11、図12又は図13に示す如く構成されて
いる。図11に示すDC−DCコンバータは、直流電源
EにインダクタL1 とキャパシタC1 とインダクタ
L2 との直列回路を並列接続している。キャパシタC
1 とインダクタL2 との直列回路には、スイッチ素
子S1 と平滑(出力)用キャパシタC0 との直列回
路を並列接続しており、スイッチ素子S1 とキャパシ
タC1 との直列回路にスイッチ素子S2 を並列接続
している。また平滑用キャパシタC0 には負荷RL
を接続している。インダクタL1 とL2 とが電磁結
合しており、インダクタL1 ,L2 間には相互イン
ダクタンスMが存在する。 【0003】スイッチ素子S1 ,S2 は図14に示
す制御パルスにより相補的にオン, オフ制御される。 スイッチ素子S1がオンである時間比率、即ちデューテ
ィ比dを、スイッチング周期TS と、スイッチ素子S
1 がオンになる期間T1ON との比T1ON /T
S として、スイッチ素子S1 ,S2 をオン,オフ
制御した場合にはDC−DCコンバータの入出力電圧比
Vout /Vin=dとなり、入力電圧Vinを降圧
した出力電圧Vout が得られる。またインダクタL
1 とL2 との結合係数Kを、【0004】 【数1】 【0005】とし、巻線比nを、 【0006】 【数2】 【0007】で定義すれば、結合係数K=1/nにする
ことによりdIin/dt=0となり、入力電流Iin
のリップルを0にできることが知られている。図12に
示すDC−DCコンバータは、直流電源Eに、スイッチ
素子S2 とキャパシタC1 とインダクタL1 との
直列回路を並列接続しており、スイッチ素子S2 とキ
ャパシタC1 との直列回路にスイッチ素子S1 を並
列接続している。キャパシタC1 とインダクタL1
との直列回路には、インダクタL2 と平滑(出力)用
キャパシタC0 との直列回路を並列接続しており、平
滑用キャパシタC0 には負荷RL を接続している。 インダクタL1 とL2 とが電磁結合されており、そ
れらの間に相互インダクタンスMが存在する。 【0008】スイッチ素子S1 ,S2 を図14に示
す制御パルスによりデューティ比をdとしてオン,オフ
制御した場合、入出力電圧比Vout /Vinは、V
out /Vin=1/(1−d) …(3)と
なり、入力電圧Vinを昇圧した出力電圧Vout が
得られる。また、結合係数K=nにすることによりdI
out /dt=0となって、出力電流Iout のリ
ップルを0にできることが知られている。 【0009】図13に示すDC−DCコンバータは、直
流電源Eに、インダクタL1 とスイッチ素子S1 と
の直列回路が並列接続されており、スイッチ素子S1
には、キャパシタC1 とスイッチ素子S2 との直列
回路が並列接続されている。スイッチ素子S2 にはイ
ンダクタL2 と平滑(出力)用キャパシタC0 との
直列回路が並列接続され、平滑用キャパシタC0 には
負荷RL が並列接続されている。 【0010】スイッチ素子S1 ,S2 を図14に示
す制御パルスにより、デューティ比をdとして、オン,
オフ制御した場合、入出力電圧比Vout /Vinは
、Vout /Vin=−d/(1−d) …(
4)となり、入力電圧Vinの極性に対し、出力電圧V
out の極性が反転し、入力電圧Vinを昇圧又は降
圧した出力電圧Vout が得られる。また結合係数K
=1/nにすることにより、dIin/dt=0となっ
て入力電流Iinのリップルを0にでき、結合係数K=
nにすることにより、dIout /dt=0となって
出力電流Iout のリップルを0にできることが知ら
れている。 【0011】 【発明が解決しようとする課題】しかし乍ら、従来のい
ずれのDC−DCコンバータも、入力電流及び出力電流
のリップルをともに0にすることができない。したがっ
て、リップルを含んだ入力電流又は出力電流が流れるこ
とにより、このDC−DCコンバータと接続された電子
機器に電気的、磁気的に悪影響を与える虞れがある。そ
こで、このようなリップル成分を低減するために入力端
子と出力端子との間にキャパシタ及びインダクタンスで
構成したフィルタを設けることが考えられるが、そうす
ると付加したフィルタによりDC−DCコンバータが大
型化してDC−DCコンバータの小型化が図れないとい
う問題がある。本発明は斯かる問題に鑑み、入力電流及
び出力電流のいずれにもリップルを含まず、しかも小型
化を図り得るDC−DCコンバータを提供することを目
的とする。 【0012】 【課題を解決するための手段】第1発明に係るDC−D
Cコンバータは、直流電源端子間に接続される、入力イ
ンダクタ、第1キャパシタ及び第1インダクタの直列回
路と、負荷端子間に接続される出力インダクタ、第2キ
ャパシタ及び第2インダクタの直列回路と、前記入力イ
ンダクタと前記第1キャパシタとの接続部及び前記第2
キャパシタと前記第2インダクタとの接続部の間に介装
している第1スイッチと、第1キャパシタと第1インダ
クタとの接続部及び前記出力インダクタと第2キャパシ
タとの接続部の間に介装している第2スイッチと、負荷
端子間に接続されている平滑用キャパシタとを備え、前
記第1インダクタと直流電源端子との接続点と、前記第
2インダクタと負荷端子との接続点とが接続されて入力
インダクタ及び第1インダクタを電磁結合させ、出力イ
ンダクタ及び第2インダクタを電磁結合させており、第
1スイッチ及び第2スイッチを相補的にオン,オフ制御
すべく構成してあることを特徴とする。 【0013】第2発明に係るDC−DCコンバータは、
直流電源端子間に接続される、入力インダクタ、第1キ
ャパシタ及び第1トランスの1次巻線の直列回路と、負
荷端子間に接続される、出力インダクタ、第2キャパシ
タ及び第2トランスの2次巻線の直列回路と、前記入力
インダクタと前記第1キャパシタとの接続部及び前記第
2トランスの1次巻線の間に介装している第1スイッチ
と、第1トランスの2次巻線及び第2キャパシタと出力
インダクタとの接続部の間に介装している第2スイッチ
と、負荷端子間に接続されている平滑用キャパシタとを
備え、入力インダクタ及び第1トランスを電磁結合させ
、出力インダクタ及び第2トランスを電磁結合させてお
り、第1スイッチ及び第2スイッチを相補的にオン,オ
フ制御すべく構成してあることを特徴とする。 【0014】第3発明に係るDC−DCコンバータは、
直流電源に接続される、入力インダクタ、第1キャパシ
タ及び第1トランスの1次巻線の直列回路と、負荷に接
続される、出力インダクタ、第2キャパシタ及び第2ト
ランスの2次巻線の直列回路と、前記第1キャパシタと
第1トランスの1次巻線との直列回路に並列接続された
第2トンスの1次巻線と第1スイッチとの直列回路と、
前記第2キャパシタと第2トランスの2次巻線との直列
回路に並列接続された第2スイッチと第1トランスの2
次巻線との直列回路と、負荷端子間に接続されている平
滑キャパシタとを備え、入力インダクタ及び第1トラン
スを電磁結合させ、出力インダクタ及び第2トランスを
電磁結合させており、第1スイッチ及び第2スイッチと
を相補的にオン,オフ制御すべく構成してあることを特
徴とする。 【0015】 【作用】第1発明では、第1スイッチがオンすると第2
スイッチがオフし、直流電源及び第1キャパシタの電圧
により第2キャパシタ及び平滑用キャパシタを充電する
。入力インダクタと、第1インダクタとの電磁結合によ
り入力インダクタを流れる入力電流のリップルが0にな
る。第1スイッチがオフすると第2スイッチがオンし、
出力インダクタ及び第1インダクタを介して平滑用キャ
パシタ及び第2キャパシタが放電する。出力インダクタ
と第2インダクタとの電磁結合により、出力インダクタ
を流れる出力電流のリップルが0になる。これにより入
力電流及び出力電流のいずれにもリップルを含まない。 【0016】第2発明では、第1スイッチがオンすると
第2スイッチがオフし、直流電源及び第1キャパシタの
電圧が、第2トランスの1次巻線に加わり、第2キャパ
シタ及び平滑用キャパシタを充電する。入力インダクタ
と第1トランスとの電磁結合により入力インダクタに流
れる入力電流のリップルが0になる。第1スイッチがオ
フすると第2スイッチがオンし、出力インダクタ及び第
1トランスの2次巻線を介して平滑用キャパシタ及び第
2キャパシタが放電する。出力インダクタと第2トラン
スとの電磁結合により出力インダクタを流れる出力電流
のリップルが0になる。よって、入力電流及び出力電流
のいずれにもリップルを含まない。 【0017】第3発明では、第1トランスの1次巻線と
直流電源との接続部と接続している第1スイッチは容易
にオン,オフ動作する。第1スイッチがオンすると第2
スイッチがオフし、直流電源及び第1キャパシタの電圧
が第2トランスの1次巻線に加わり、第2キャパシタ及
び平滑用キャパシタを充電する。入力インダクタと第1
トランスとの電磁結合により入力インダクタに流れる入
力電流のリップルが0になる。第1スイッチがオフする
と第2スイッチがオンし、出力インダクタ及び第1トラ
ンスの2次巻線を介して平滑用キャパシタ及び第2キャ
パシタが放電する。出力インダクタと第2トランスとの
電磁結合により出力インダクタに流れる出力電流のリッ
プルが0になる。よって、入力電流及び出力電流のいず
れにもリップルを含まない。また入力電流が流れる回路
と出力電流が流れる回路とを絶縁できる。 【0018】 【実施例】以下本発明をその実施例を示す図面により詳
述する。先ず本発明の原理を図1により説明する。図1
に示したDC−DCコンバータは、前述したように入力
電流Iinのリップルを0にできる図11に示す降圧型
のDC−DCコンバータと、出力電流Iout のリッ
プルを0にできる図12に示す昇圧型のDC−DCコン
バータとを従属接続して構成されている。 【0019】即ち、直流電源Eに入力インダクタL1
と第1キャパシタC1 と第1インダクタL3 との直
列回路を並列接続しており、第1キャパシタC1 と第
1インダクタL3 との直列回路には、第1スイッチ素
子S1 と平滑用キャパシタC12との直列回路が並列
接続されている。第1スイッチ素子S1 と第1キャパ
シタC1 との直列回路には、第2スイッチ素子S2
を並列接続している。入力インダクタL1 と第1イン
ダクタL3 とが電磁結合しており、それらの間に相互
インダクタンスM1 が存在している。これにより降圧
型のDC−DCコンバータを構成している。 【0020】また、平滑用キャパシタC12には、第3
スイッチ素子S3 と、第2キャパシタC2 と第2イ
ンダクタL4 との直列回路が並列接続されており、第
3スイッチ素子S3 と第2キャパシタC2 との直列
回路には第4スイッチ素子S4 が並列接続されている
。第2キャパシタC2 と第2インダクタL4との直列
回路には、出力インダクタL2 と平滑用キャパシタC
0 との直列回路が並列接続され、平滑用キャパシタC
0 には負荷RL が並列接続されている。出力インダ
クタL2 と第2インダクタL4 とが電磁結合してお
り、これらの間に相互インダクタンスM2 が存在する
。これにより昇圧型のDC−DCコンバータを構成して
いる。 【0021】ここで、スイッチ素子S1 とS4 とを
同期させ、スイッチ素子S1 と相補的にオン,オフ制
御させるスイッチ素子S2 とS3 とを同期させてオ
ン,オフ制御すれば入出力電圧比Vout /Vinは
、Vout /Vin=d/(1−d) …(5
)となり、非反転昇降圧型のDC−DCコンバータが得
られる。また入力インダクタL1 と第1インダクタL
3 との結合係数K1 を、 【0022】 【数3】 【0023】とし、出力インダクタL2 と第2インダ
クタL4 との結合係数K2 を 【0024】 【数4】 【0025】とすることにより、入力電流Iin及び出
力電流Iout のリップルを0にできる。このように
従属接続されたDC−DCコンバータにおいて、平滑用
キャパシタC12の電圧は直流であるから省略でき、ま
たスイッチ素子S1 とS4 とを同期させ、スイッチ
素子S2 とS3 とを同期させるからスイッチ素子S
3 ,S4 を省略できる。そのため図2に示すように
、図1に示した従属接続されたDC−DCコンバータと
回路トポロジー的に全く等価であるDC−DCコンバー
タが得られる。 【0026】図2は第1発明に係るDC−DCコンバー
タの模式的回路図である。負電極を接地している直流電
源Eに、入力インダクタL1 と第1キャパシタC1
と第1インダクタL3 との直列回路を並列接続してい
る。第1キャパシタC1 と第1インダクタL3 との
直列回路には、第1スイッチ素子S1 と第2インダク
タL4 との直列回路が並列接続されている。第1キャ
パシタC1 と第1インダクタL3 との接続部は、第
2スイッチ素子S2 と第2キャパシタC2 との直列
回路を介して第1スイッチ素子S1 と第2インダクタ
L4 との接続部と接続されている。 【0027】第2キャパシタC2 と第2インダクタL
4 との直列回路には、出力インダクタL2 と平滑(
出力)用キャパシタC0 との直列回路が並列接続され
、平滑用キャパシタC0 には負荷RL が接続されて
いる。入力インダクタL1 と第1インダクタL3 と
が電磁結合しており、それらの間に相互インダクタンス
M1 が存在する。 また出力インダクタL2 と第2インダクタL4 とが
電磁結合しており、それらの間に相互インダクタンスM
2 が存在する。第1スイッチ素子S1 と第2スイッ
チ素子S2 とを相補的にオン,オフ制御すると、入出
力電圧比Vout /Vin=d/(1−d)となる。 【0028】また出力インダクタL1 と第1インダク
タL3 との結合係数K1 を、 【0029】 【数5】 【0030】に、入力インダクタL2 と第2インダク
タL4との結合係数K2 を 【0031】 【数6】 【0032】にしておくと、入力電流Iin及び出力電
流Iout のリップルが0になる。図3は第1発明に
係るDC−DCコンバータの実回路図である。負電極を
接地している直流電源Eに、入力コンデンサCi を並
列接続しており、入力コンデンサCi には入力インダ
クタL1 と第1キャパシタC1 と第1インダクタL
3 との直列回路を並列接続している。第1キャパシタ
C1 と第1インダクタL3 との直列回路には、Nチ
ャネルパワーMOSFETを用いた第1スイッチ素子S
1 と第2インダクタL4 との直列回路を並列接続し
ている。第1キャパシタC1 と第1インダクタL3
との接続部はショットキーバリアダイオードを用いた第
2スイッチ素子S2 と第2キャパシタC2 との直列
回路を介して、第1スイッチ素子S1 と第2インダク
タL4 との接続部と接続している。 【0033】第2キャパシタC2 と第2インダクタL
4 との直列回路には、出力インダクタL2 と平滑(
出力)用キャパシタC0 との直列回路を並列接続して
おり、平滑用キャパシタC0 には負荷RL を並列接
続している。 そして、この回路構成から直流電源E及び負荷RL を
除いた回路部分がパワー変換部PWとなっている。 【0034】第1スイッチ素子S1 のNチャネルパワ
ーMOSFETのゲートと、第2キャパシタC2 及び
第2インダクタL4 の接続部との間にパルストランス
PTの出力巻線を接続しており、この出力巻線の両端部
間には逆直列接続のツェナーダイオードZD1,ZD2
を介装させている。 パルストランスPTの入力巻線の一端は接地され、他端
には結合コンデンサCP を接続している。このパルス
トランスPT、ツェナーダイオードZD1,ZD2及び
結合コンデンサCP によりスイッチ制御パルスレベル
変換部SLを構成している。 【0035】一方、テキサスインスツルメント社製の品
番TL1451からなるIC20を用いて制御兼パルス
幅変調部CNT を構成し、テレダイン社製の品番TS
C426からなるIC21を用いてパルス反転兼パワー
ブースタ部PBを構成している。IC20の端子T1は
コンデンサ30を介して接地され、端子T2は抵抗r0
を介して接地されている。端子T3は抵抗R1 の一
端とr2 の一端との接続部と接続されており、抵抗r
2 の他端は接地され、抵抗r1 の他端はパワー変換
部PWにおける出力インダクタL2 と平滑用キャパシ
タC0 との接続部と接続されている。端子T4はコン
デンサ31と抵抗r3 との直列回路を介して端子T5
と接続されており、また端子T4,T5 間には抵抗r
4 を介装させている。 【0036】更に端子T4は、抵抗r5 の一端とr6
の一端との接続部と接続されており、抵抗r6 の他
端は接地されている。抵抗r5 の他端は端子T16
と接続されている。端子T16 は抵抗r7 とr8
との直列回路を介して接地されている。抵抗r7 とr
8 との接続部は端子T6と接続されている。端子T1
5 は接地されている。電源端子たる端子T9は、パワ
ー変換部PWにおける入力コンデンサC1 と直流電源
Eの正電極との接続部と接続されており、またコンデン
サ32を介して接地端子たる端子T8と接続されており
、端子T8は接地されている。また端子T9とT7との
間に抵抗r9 を介装させている。 【0037】パルス反転兼パワーブースタ部PBのIC
21の端子T22 は前記IC20の端子T7と接続さ
れ、接地端子たる端子T23 は接地されている。また
端子T23 はコンデンサ33を介して端子T24 と
接続されており、端子T24 はIC20の端子T9と
接続されている。端子T25 は抵抗r10を介してス
イッチ制御パルスレベル変換部SLにおける結合コンデ
ンサCP と接続されている。 【0038】これらの各回路部品は例えば表1に示した
回路定数に選定している。 【0039】 【0040】そして、このように構成したDC−DCコ
ンバータの実回路を用いて入力電圧Vinの範囲を4〜
17Vにし、出力電圧Vout を抵抗r1 ,r2
で分圧してIC20に帰還させて、デューティ比を制御
し、出力電圧Vout を12Vに安定させて、静特性
を実測したところ図4,図5に示す特性が得られた。 【0041】図4は横軸を出力電流Iout とし、縦
軸を出力電圧Vout 及び変換効率ηとしている。こ
の図から明らかなように、出力電圧Vout は、出力
電流Iout が変化しても一定に保持されており、変
換効率ηの最大値が約83%に達している。図5は横軸
を入力電圧Vinとし、縦軸を出力電圧Vout 及び
変動効率ηとしている。 この図から明らかなように出力電圧Vout は入力電
圧Vinの全範囲にわたって12Vに一定に制御されて
おり、変換効率ηの最大は約83%に達している。そし
て図示していないが入力電流Iin及び出力電流Iou
t に含まれたリップルの含有率は1%以下になった。 なお、出力電圧Vout を12Vになすべく抵抗r1
,r2 の値を選定したが、これらの抵抗r1 ,r
2 の比を変更することにより出力電圧値を適宜変更で
きる。 【0042】ところで、第1発明に係るDC−DCコン
バータに用いている第1インダクタL3 及び第2イン
ダクタL4 を、巻線比が1:1であり密結合の第1ト
ランスT1 及び第2トランスT2 に置き換えること
ができる。 【0043】図6は第1トランスT1 及び第2トラン
スT2 を用いたDC−DCコンバータの模式的回路図
である。 負電極を接地している直流電源Eに、入力インダクタL
1 と第1キャパシタC1 と第1トランスT1 の1
次巻線L31との直列回路を並列接続している。第1キ
ャパシタC1 と1次巻線L31との直列回路には、第
1スイッチ素子S1 と第2トランスT2 の1次巻線
L41との直列回路が並列接続されている。 【0044】第1トランスT1 の2次巻線L32と第
2スイッチ素子S2 との直列回路に、第2キャパシタ
C2 と第2トランスT2 の2次巻線L42との直列
回路を並列接続している。第2キャパシタC2 と2次
巻線L42との直列回路には出力インダクタL2 と平
滑(出力)用キャパシタC0 との直列回路を並列接続
しており、平滑用キャパシタC0 には負荷RL を並
列接続している。 【0045】そして1次巻線L31の第1キャパシタC
1 を接続していない側の端部、2次巻線L32の第2
スイッチ素子S2を接続していない側の端部、1次巻線
L41の第1スイッチ素子S1 を接続していない側の
端部及び2次巻線L42の第2キャパシタC2 を接続
していない側の端部はともに接地されている。入力イン
ダクタL1 と第1トランスT1 とが電磁結合してお
り、それらの間に相互インダクタンスM1 が存在する
。また出力インダクタL2 と第2トランスT2 とが
電磁結合しており、それらの間に相互インダクタンスM
2 が存在する。 【0046】ところで、図6に示したDC−DCコンバ
ータの第1トランスT1 の2次巻線L32と第2トラ
ンスT2 の1次巻線L41とを絶縁して図2に示した
DC−DCコンバータと回路トポロジー的に等価な、絶
縁形で昇降圧可能なDC−DCコンバータを構成するこ
とができる。 【0047】図7は第2発明に係るDC−DCコンバー
タの回路図である。負電極を接地している直流電源Eに
、入力インダクタL1 と第1キャパシタC1 と第1
トランスT1 の1次巻線L31との直列回路を並列接
続している。 第1キャパシタC1 と1次巻線L31との直列回路に
は第1スイッチ素子S1 と、第2トランスT2 の1
次巻線L41との直列回路が並列接続されている。第1
トランスT1 の2次巻線L32と第2スイッチ素子S
2 との直列回路に、第2キャパシタC2 と第2トラ
ンスT2 の2次巻線L42との直列回路が並列接続さ
れている。 【0048】第2キャパシタC2 と2次巻線L42と
の直列回路には、出力インダクタL2 と平滑用キャパ
シタC0 との直列回路が並列接続され、平滑用キャパ
シタC0 には負荷RL が並列接続されている。入力
インダクタL1 と第1トランスT1 とが電磁結合し
ており、それらの間に相互インダクタンスM1が存在す
る。出力インダクタL2 と第2トランスT2 とが電
磁結合しており、それらの間に相互インダクタンスM2
が存在する。このように構成したDC−DCコンバー
タは図2に示したDC−DCコンバータと同様の動作を
し、入力電流Iin及び出力電流Iout のリップル
をともに0にできる。 【0049】おな、第1トランスT1 、第2トランス
T2 が密結合でない場合、あるいは各トランスの巻線
比が1:1でない場合は、夫々のトランスの漏れインダ
クタンスによる損失が生じて図2に示したDC−DCコ
ンバータと回路トポロジー的に全く等価ではなくなるが
、図2のDC−DCコンバータと同様に入力電流及び出
力電流のリップルをともに0にできる機能を備える。 【0050】図8は第2発明に係るDC−DCコンバー
タの実回路図である。負電極を接地している直流電源E
に入力コンデンサCi を並列接続しており、入力コン
デンサCi には入力インダクタL1 と第1キャパシ
タC1 と第1トランスT1 の1次巻線L31との直
列回路が並列接続されている。第1キャパシタC1 と
1次巻線L31との直列回路には、NチャネルパワーM
OSFETからなる第1スイッチ素子S1 と第2トラ
ンスT2 の1次巻線L41との直列回路が並列接続さ
れている。第1トランスT1 の2次巻線L32と、シ
ョットキーバリアダイオードからなる第2スイッチ素子
S2 との直列回路には、第2キャパシタC2と第2ト
ランスT2 の2次巻線L42との直列回路が並列接続
されている。第2キャパシタC2 と2次巻線L42と
の直列回路には、出力インダクタL2 と平滑(出力)
用キャパシタC0 との直列回路が並列接続され、平滑
用キャパシタC0 には負荷RL が並列接続されてい
る。そしてこの回路構成から直流電源E及び負荷RL
を除いた回路部分がパワー変換部PWとなっている。 【0051】第1スイッチ素子S1 のNチャネルパワ
ーMOSFETのゲートと、第1スイッチ素子S1 及
び1次巻線L41の接続部との間に、パルストランスP
Tの出力巻線を接続しており、この出力巻線の両端部間
には、逆直列接続のツェナーダイオードZD1,ZD2
を介装させている。 パルストランスPTの入力巻線の一端は接地され、他端
には結合コンデンサCP と接続している。このパルス
トランスPT、ツェナーダイオードZD1,ZD2及び
結合コンデンサCP によりスイッチ制御パルスレベル
変換部SLを構成している。 【0052】一方、テキサスインスツルメント社製の品
番TL1451からなるIC20を用いてパルス変調部
PMを構成し、テレダイン社製の品番TSC426から
なるIC21を用いてパルス反転兼パワーブースタ部P
Bを構成し、更にインテル社製の品番TL431 から
なるIC22を用いて制御部CTR を構成している。 【0053】IC20の端子T1はコンデンサ30を介
して接地され、端子T2は抵抗r0 を介して接地され
ている。端子T5は抵抗r6 を介して接地され、また
ホトカプラPHC のホトトランジスタPTR を介し
て端子T16 と接続されている。端子T16 は抵抗
r7 とr8 との直列回路を介して接地されている。 抵抗r7 とr8 との接続部は端子T6と接続されて
いる。電源端子たる端子T9はコンデンサ32を介して
接地端子たる端子T8と接続され、またパワー変換部P
Wにおける入力コンデンサCi と入力インダクタL1
との接続部と接続されている。端子T9とT7との間
には、抵抗r9 を介装させている。 【0054】パルス反転兼パワーブースタ部PBにおけ
るIC21の端子T22 は前記IC20の端子T7と
接続されている。 IC21の端子T23 は接地されている。端子T24
はコンデンサ33を介して接地されており、またIC
20の端子T9と接続されている。端子T25 は抵抗
r10を介してスイッチ制御パルスレベル変換部SLに
おける結合コンデンサCP と接続されている。ホトカ
プラPHC のホトダイオードPDと抵抗r11と、イ
ンテル社製の品番TL431 からなるIC22とを直
列接続しており、その直列回路には、出力電圧Vout
を設定する抵抗r1 とr2 との直列回路が並列接
続されており、抵抗r1 とr2 との接続部はIC2
2と接続されていて、またコンデンサ34を介して抵抗
r1 とIC22との接続部と接続されている。 【0055】そして抵抗r2 を接続していない抵抗r
1 の端部は平滑用キャパシタC0 と出力インダクタ
L2 との接続部と接続され、抵抗r1 を接続してい
ない抵抗r2 の端部は平滑用キャパシタC0 と2次
巻線L42との接続部と接続されている。そして各回路
部品は例えば表2に示した回路定数に選定している。 【0056】 【0057】そして、この第2発明に係る
DC−DCコンバータは、第1発明に係るDC−DCコ
ンバータと同様に入力電圧範囲が4〜17Vであり、出
力電圧が12Vに安定化されていて、入力電流及び出力
電流のリップルがともに0である同様の結果が得られた
。なお、このDC−DCコンバータは平滑用キャパシタ
C0 の電圧をホトカプラPHCを介してIC20へフ
ィードバックさせて、出力電圧Vout を安定させて
いる。 【0058】図9は第3発明に係るDC−DCコンバー
タの回路図である。負電極を接地している直流電源Eに
、入力インダクタL1 と第1キャパシタC1 と第1
トランスT1 の1次巻線L31との直列回路を並列接
続している。 第1キャパシタC1 と1次巻線L31との直列回路に
は、第2トランスT2 の1次巻線L41と第1スイッ
チ素子S1 との直列回路を並列接続している。 【0059】第2スイッチ素子S2 と第1トランスT
1 の2次巻線L32との直列回路には、第2キャパシ
タC2 と第2トランスT2 の2次巻線L42との直
列回路が並列接続されており、第2キャパシタC2 と
2次巻線L42との直列回路には、出力インダクタL2
と平滑(出力)用キャパシタC0 との直列回路が並
列接続されている。平滑用キャパシタC0 には負荷R
L が接続されている。そして入力インダクタL1 と
第1トランスT1 とが電磁結合しており、それらの間
に相互インダクタンスM1 が存在する。 【0060】また出力インダクタL2 と第2トランス
T2 とが電磁結合しており、それらの間に相互インダ
クタンスM2 が存在する。このように構成したDC−
DCコンバータは、スイッチ素子S1 とS2 とを相
補的に制御すると、図2に示したDC−DCコンバータ
と同様の動作をして、入力電流Iin及び出力電流Io
ut のリップルをともに0にできる。 【0061】このように、第1スイッチ素子S1 を、
第2トランスT2 の1次巻線L41の接地電圧側に設
けてもDC−DCコンバータの動作特性に影響を与える
ことがない。そして、第1スイッチ素子S1 の一側端
子が接地されているため、第1スイッチ素子S1 に例
えばMOSFET又はバイポーラトランジスタを使用し
た場合には、第1スイッチ素子S1 の駆動が図7に示
したDC−DCコンバータに比べて著しく容易になる。 【0062】図10は第3発明に係るDC−DCコンバ
ータの実回路図である。負電極を接地している直流電源
Eに入力コンデンサCi を並列接続しており、入力コ
ンデンサCi には入力インダクタL1 と第1キャパ
シタC1 と第1トランスT1 の1次巻線L31との
直列回路が並列接続されている。第1キャパシタC1
と1次巻線L31との直列回路には、第2トランスT2
の1次巻線L41とNチャネルパワーMOSFETか
らなる第1スイッチ素子S1 との直列回路が接続され
ている。第1トランスT1 の2次巻線L32とショッ
トキーバリアダイオードからなる第2スイッチ素子S2
との直列回路に、第2キャパシタC2 と第2トラン
スT2 の2次巻線L42との直列回路が並列接続され
ている。 【0063】第2キャパシタC2 と2次巻線L42と
の直列回路には、出力インダクタL2 と平滑用キャパ
シタC0 との直列回路が並列接続されており、平滑用
キャパシタC0 には負荷RL が並列接続されている
。そしてこの回路構成から直流電源E及び負荷RL を
除いた回路部分がパワー変換部PWとなっている。一方
、テキサスインスツルメント社製の品番TL1451か
らなるIC20を用いてパルス変調部PMを構成し、テ
レダイン社製の品番TSC426からなるIC21を用
いてパルス反転兼パワーブースタ部PBを構成し、更に
インテル社製の品番TL431 からなるIC22を用
いて制御部CTR を構成している。 【0064】IC20の端子T1はコンデンサ30を介
して接地され、端子T2は抵抗r0 を介して接地され
ている。端子T5は、抵抗r0 を介して接地され、ま
たホトカプラPHC のホトトランジスタPTR を介
して端子T16 と接続されている。端子T16 は抵
抗r7 とr8 との直列回路を介して接地されている
。抵抗r7 とr8 との接続部は端子T6と接続され
ている。電源端子たる端子T9はコンデンサ32を介し
て接地端子たる端子T8と接続され、またパワー変換部
PWにおける入力コンデンサCi と入力インダクタL
1 との接続部と接続されている。端子T9とT7との
間には抵抗r9 を介装させている。 【0065】パルス反転兼パワーブースタ部PBのIC
21の端子T22 は前記IC20の端子T7と接続さ
れている。IC21の端子T23 は接地されている。 端子T24 はコンデンサ33を介して接地されており
、またIC20の端子T9と接続されている。端子T2
5 は抵抗r10を介して第1スイッチ素子S1 のN
チャネルパワーMOSFETのゲートと接続されている
。ホトカプラPHC のホトダイオードPDと抵抗r1
1と、インテル社製の品番TL431 からなるIC2
2とを直列接続しており、その直列回路には、出力電圧
Vout を設定する抵抗r1 とr2 との直列回路
が並列接続されており、抵抗r1 とr2 との接続部
はIC22と接続されていて、またコンデンサ34を介
して抵抗r1 とIC22との接続部と接続されている
。 【0066】そして抵抗r2 を接続していない側の抵
抗r1 の端部は、平滑用キャパシタC0 と出力イン
ダクタL2 との接続部と接続され、抵抗r1 を接続
していない側の抵抗r2 の端部は、平滑用キャパシタ
C0 と2次巻線L42との接続部と接続されている。 そしてこれらの各回路部品は表2に示した回路定数に選
定している。この第3発明に係るDC−DCコンバータ
も、スイッチ素子S1 ,S2 を相補的に制御するこ
とにより、第2発明に係るDC−DCコンバータと同様
に動作し、入力電流及び出力電流のリップルをともに0
にできる。 【0067】 【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、フ
ィルタ又は大容量の平滑用キャパシタを用いずに入力電
流及び出力電流のいずれにもリップルを含まないように
することができる。それにより形状の小型化が図れ、リ
ップルにより電子機器を誤動作させる虞れがない小型で
信頼性が高いDC−DCコンバータを提供できる優れた
効果を奏する。
【図1】本発明の原理を示すDC−DCコンバータの回
路図である。
路図である。
【図2】第1発明に係るDC−DCコンバータの模式的
回路図である。
回路図である。
【図3】第1発明に係るDC−DCコンバータの実回路
の回路図である。
の回路図である。
【図4】第1発明に係るDC−DCコンバータの出力電
流、出力電圧及び効率の関係を示す特性図である。
流、出力電圧及び効率の関係を示す特性図である。
【図5】第1発明に係るDC−DCコンバータの入力電
圧、出力電圧及び効率の関係を示す特性図である。
圧、出力電圧及び効率の関係を示す特性図である。
【図6】インダクタをトランスに置き換えたDC−DC
コンバータの模式的回路図である。
コンバータの模式的回路図である。
【図7】第2発明に係るDC−DCコンバータの模式的
回路図である。
回路図である。
【図8】第2発明に係るDC−DCコンバータの実回路
の回路図である。
の回路図である。
【図9】第3発明に係るDC−DCコンバータの模式的
回路図である。
回路図である。
【図10】第3発明に係るDC−DCコンバータの実回
路の回路図である。
路の回路図である。
【図11】従来のDC−DCコンバータの模式的回路図
である。
である。
【図12】従来のDC−DCコンバータの他の模式的回
路図である。
路図である。
【図13】従来のDC−DCコンバータの他の模式的回
路図である。
路図である。
【図14】スイッチ素子の制御パルスの波形図である。
E 直流電源
L1 入力インダクタ
L2 出力インダクタ
C1 第1キャパシタ
C2 第2キャパシタ
L3 第1インダクタ
L4 第2インダクタ
C0 平滑(出力)用キャパシタ
RL 負荷
S1 第1スイッチ素子
S2 第2スイッチ素子
Claims (3)
- 【請求項1】 直流電源端子間に接続される、入力イ
ンダクタ、第1キャパシタ及び第1インダクタの直列回
路と、負荷端子に接続される出力インダクタ、第2キャ
パシタ及び第2インダクタの直列回路と、前記入力イン
ダクタと前記第1キャパシタとの接続部及び前記第2キ
ャパシタと前記第2インダクタとの接続部の間に介装し
ている第1スイッチと、第1キャパシタと第1インダク
タとの接続部及び前記出力インダクタと第2キャパシタ
との接続部の間に介装している第2スイッチと、負荷端
子間に接続されている平滑用キャパシタとを備え、前記
第1インダクタと直流電源との接続点と前記第2インダ
クタと負荷端子との接続点とが接続され、入力インダク
タ及び第1インダクタを電磁結合させ、出力インダクタ
及び第2インダクタを電磁結合させており、第1スイッ
チ及び第2スイッチを相補的にオン,オフ制御すべく構
成してあることを特徴とするDC−DCコンバータ。 - 【請求項2】 直流電源端子間に接続される、入力イ
ンダクタ、第1キャパシタ及び第1トランスの1次巻線
の直列回路と、負荷端子間に接続される、出力インダク
タ、第2キャパシタ及び第2トランスの2次巻線の直列
回路と、前記入力インダクタと前記第1キャパシタとの
接続部及び前記第2トランスの1次巻線の間に介装して
いる第1スイッチと、第1トランスの2次巻線及び第2
キャパシタと出力インダクタとの接続部の間に介装して
いる第2スイッチと、負荷端子間に接続されている平滑
用キャパシタとを備え、入力インダクタ及び第1トラン
スを電磁結合させ、出力インダクタ及び第2トランスを
電磁結合させており、第1スイッチ及び第2スイッチを
相補的にオン,オフ制御すべく構成してあることを特徴
とするDC−DCコンバータ。 - 【請求項3】 直流電源端子間に接続される、入力イ
ンダクタ、第1キャパシタ及び第1トランスの1次巻線
の直列回路と、負荷端子間に接続される、出力インダク
タ、第2キャパシタ及び第2トランスの2次巻線の直列
回路と、前記第1キャパシタと第1トランスの1次巻線
との直列回路に並列接続された第2トランスの1次巻線
と第1スイッチとの直列回路と、前記第2キャパシタと
第2トランスの2次巻線との直列回路に並列接続された
第2スイッチと第1トランスの2次巻線との直列回路と
、負荷端子間に接続されている平滑キャパシタとを備え
、入力インダクタ及び第1トランスを電磁結合させ、出
力インダクタ及び第2トランスを電磁結合させており、
第1スイッチ及び第2スイッチを相補的にオン,オフ制
御すべく構成してあることを特徴とするDC−DCコン
バータ。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16643091A JPH04364358A (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | Dc−dcコンバータ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP16643091A JPH04364358A (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | Dc−dcコンバータ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JPH04364358A true JPH04364358A (ja) | 1992-12-16 |
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Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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JP16643091A Pending JPH04364358A (ja) | 1991-06-10 | 1991-06-10 | Dc−dcコンバータ |
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