(57)【要約】【課題】単独の外部信号により同期整流を行なうことが可能な、簡易な構成の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータを提供すること。【解決手段】主コイルと、外部信号によって駆動され、電源と前記主コイルを導通させて前記主コイルに電気エネルギーを蓄積するための第１のスイッチング素子と、前記主コイルと負荷を接続又は遮断する第２のスイッチング素子と、を備える同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、前記第２のスイッチング素子は、前記主コイルにトランス結合する副コイルにおける第１の端部にゲートが接続され、前記副コイルにおける前記第１の端部とは異なる第２の端部と、基準電圧との間に分圧用コンデンサが設けられていることを特徴とする。【選択図】図１
2010200390.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
主コイルと、
外部信号によって駆動され、電源と前記主コイルを導通させて前記主コイルに電気エネルギーを蓄積するための第１のスイッチング素子と、
前記主コイルと負荷を接続又は遮断する第２のスイッチング素子と、
を備える同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記第２のスイッチング素子は、前記主コイルにトランス結合する副コイルにおける第１の端部にゲートが接続され、
前記副コイルにおける前記第１の端部とは異なる第２の端部と、基準電圧との間に分圧用コンデンサが設けられていることを特徴とする、
同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
主コイルと、
外部信号によって駆動され、電源と前記主コイルを導通させて前記主コイルに電気エネルギーを蓄積するための第１のスイッチング素子と、
前記主コイルから負荷へ流れる電流を補償する補償経路に取り付けられた第２のスイッチング素子と、
を備える同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記第２のスイッチング素子は、前記主コイルにトランス結合する副コイルにおける第１の端部にゲートが接続され、
前記副コイルにおける前記第１の端部とは異なる第２の端部と、基準電圧との間に分圧用コンデンサが設けられていることを特徴とする、
同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電源とコイルを所定周期で接続すると共に、電源とコイルが遮断されているタイミングで負荷に電力供給する同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ダイオードをスイッチング素子で置換した同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ（或いはスイッチングレギュレータ）が実用化されている。同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、電源とコイルを第１のスイッチング素子により所定周期で接続してコイルに電気エネルギーを蓄積し、電源とコイルが遮断されているタイミングでコイルから負荷にエネルギーを放出するように回路が構成されている。
【０００３】
コイルから負荷にエネルギーを放出する際には、コイルと負荷の間に取り付けられた第２のスイッチング素子をオン駆動したり（昇圧型）、コイルから負荷へ流れる電流を補償する補償経路に取り付けられた第２のスイッチング素子をオン駆動したりする（降圧型）。いずれの場合も、第１のスイッチング素子とは逆移相で、第２のスイッチング素子がオン駆動される（以下、係る制御を「同期整流」と称する）。同期整流を行なうと、ダイオードを使用した場合に比して、整流時の損失を低減することができる。
【０００４】
また、ＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）制御におけるデューティー比を調節して第１のスイッチング素子を駆動することにより、出力電圧と入力電圧の比を調節することができる。
【０００５】
係る原理によって電力供給を行なう電源回路（降圧型）についての発明が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この電源回路は、電源電圧と基準電位間に直列に接続された上位トランジスタと下位トランジスタを有し、各トランジスタを各ＰＷＭ信号にて制御し、出力としてＰＷＭ制御された直流出力電圧を得るＤＣ−ＤＣ変換回路と、ＤＣ−ＤＣ変換回路の直流出力電圧を基準電圧と比較し誤差量を出力する誤差検出手段と、誤差検出手段の誤差出力に応じて０〜１００％デューティー範囲のＰＷＭ信号を生成して、ＤＣ−ＤＣ変換回路に対してＰＷＭ制御を行うＰＷＭ回路と、を具備したことを特徴としている。
【０００６】
しかしながら、同期整流を行なうためには、位相及び電圧が異なる二種類の制御信号を生成する必要があり、信号生成のための構成が複雑になってしまうという課題が存在する。図５は二種類の制御信号を生成する同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を簡略に示す図である。図示するように、第１のスイッチング素子ＳＷ１の制御信号を生成するＳＷ１制御信号生成部の他に、ＳＷ２制御信号発生器、ＳＷ２制御ドライバ等を備える必要がある。スイッチング素子ＳＷ１とＳＷ２は基準電位が異なるのが通常であり、従って閾値電圧が異なるものが使用されるため、位相及び電圧が異なる二種類の制御信号が必要となるのである。
【０００７】
一方、一つの制御信号をトランスによって二つに分けて同期整流を行なう電流共振型スイッチング電源についての発明が開示されている（例えば、特許文献２参照）。この電流共振型スイッチング電源は、直流電圧に対してハーフブリッジ接続されたスイッチング素子を交互に断続する駆動回路を有し、スイッチング素子の接続点から共振コンデンサを介して絶縁トランスの１次側に交番電圧を印加し、絶縁トランスの２次巻線から所定の交番電圧が得られるようにした電流共振型スイッチング電源において、２次巻線の出力側に交互にオンとなるようなタイミングで制御される一対の整流素子を設け、この一対の整流素子の開閉制御信号がスイッチング素子を開閉する信号源から供給されるように構成したことを特徴としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００３−２８４３２９号公報
【特許文献２】特開平１０−１０６１２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記特許文献２に記載の電源においても、信号源からの制御信号を伝達するトランス結合を複数個備えるため、構成が複雑なものとなっている。更に、２次側のスイッチング素子に供給する制御信号生成のために、トランスに正及び負の電圧を印加する必要があり、信号源の構成も複雑なものとならざるを得ない。
【００１０】
本発明はこのような課題を解決するためのものであり、単独の外部信号により同期整流を行なうことが可能な、簡易な構成の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを、主たる目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するための本発明の第一の態様は、
主コイルと、
外部信号によって駆動され、電源と前記主コイルを導通させて前記主コイルに電気エネルギーを蓄積するための第１のスイッチング素子と、
前記主コイルと負荷を接続又は遮断する第２のスイッチング素子と、
を備える同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記第２のスイッチング素子は、前記主コイルにトランス結合する副コイルにおける第１の端部にゲートが接続され、
前記副コイルにおける前記第１の端部とは異なる第２の端部と、基準電圧との間に分圧用コンデンサが設けられていることを特徴とする、
同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータである。
【００１２】
この本発明の第１の態様によれば、主コイルと負荷を接続又は遮断する第２のスイッチング素子が、主コイルにトランス結合する副コイルにおける第１の端部にゲートが接続されており、副コイルにおける第１の端部とは異なる第２の端部と基準電圧との間に分圧用コンデンサが設けられているため、単独の外部信号により同期整流を行なうことができる。また、簡易な構成とすることができる。
【００１３】
本発明の第２の態様は、
主コイルと、
外部信号によって駆動され、電源と前記主コイルを導通させて前記主コイルに電気エネルギーを蓄積するための第１のスイッチング素子と、
前記主コイルから負荷へ流れる電流を補償する補償経路に取り付けられた第２のスイッチング素子と、
を備える同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータであって、
前記第２のスイッチング素子は、前記主コイルにトランス結合する副コイルにおける第１の端部にゲートが接続され、
前記副コイルにおける前記第１の端部とは異なる第２の端部と、基準電圧との間に分圧用コンデンサが設けられていることを特徴とする、
同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【００１４】
この本発明の第２の態様によれば、主コイルと負荷を接続又は遮断する第２のスイッチング素子が、主コイルにトランス結合する副コイルにおける第１の端部にゲートが接続されており、副コイルにおける第１の端部とは異なる第２の端部と基準電圧との間に分圧用コンデンサが設けられているため、単独の外部信号により同期整流を行なうことができる。また、簡易な構成とすることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、単独の外部信号により同期整流を行なうことが可能な、簡易な構成の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明の第１実施例に係る同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１のシステム構成例である。
【図２】同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１における第１のスイッチング素子ＳＷ１の駆動状態、主コイルＬ１を流れる電流ＩＬ１、副コイルＬ２を流れる電流ＩＬ２、及び第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート電圧Ｖｇ２の時間的変化を示すタイミングチャートである。
【図３】本実施例の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１を実際の回路に適用したシミュレーション結果を示す図である。
【図４】本発明の第２実施例に係る同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ２のシステム構成例である。
【図５】二種類の制御信号を生成する同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータの構成を簡略に示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明を実施するための形態について、添付図面を参照しながら実施例を挙げて説明する。
【実施例】
【００１８】
＜第１実施例＞
以下、図面を参照し、本発明の第１実施例に係る同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１について説明する。同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、いわゆる昇圧型のスイッチング電源装置として機能するものであり、同期整流方式によって高い変換効率を実現可能なものとなっている。
【００１９】
図１は、本発明の第１実施例に係る同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１のシステム構成例である。同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１は、主要な構成として、主コイルＬ１と、副コイルＬ２と、第１のスイッチング素子ＳＷ１と、第２のスイッチング素子ＳＷ２と、コンデンサＣａ、Ｃ１、及びＣ２と、制御信号生成部Ｃｔｌと、を備える。
【００２０】
主コイルＬ１は、電源に接続される入力端子１０に一方の端部が接続され、他方の端部が端子１５に接続されている。端子１５は、第２のスイッチング素子ＳＷ２を介して負荷に接続される出力端子２０に接続されている。電源は、例えば鉛蓄電池等の直流電源である。
【００２１】
端子１５は、第１のスイッチング素子ＳＷ１、及びコンデンサＣ１を介して端子１０に接続されている。第１のスイッチング素子ＳＷ１は、例えばＮチャネルＭＯＳ（Metal  Oxide  Semiconductor）型トランジスタであり、ゲートが制御信号生成部Ｃｔｌに、ソースがコンデンサＣ１に、ドレインが端子１５に、それぞれ接続されている。また、第１のスイッチング素子ＳＷ１には、第１のスイッチング素子ＳＷ１のオフ時においてドレイン側からソース側に流れる電流を阻止するためのダイオードが並列に接続されている。第１のスイッチング素子ＳＷ１は、制御信号生成部Ｃｔｌから入力されるＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）信号によってオン／オフ制御がされている。
【００２２】
第２のスイッチング素子ＳＷ２は、例えばＮチャネルＭＯＳ型トランジスタであり、ゲートが副コイルＬ２の一方の端部に、ソースが端子１５に、ドレインが出力端子２０に、それぞれ接続されている。また、第２のスイッチング素子ＳＷ２にも、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオフ時においてドレイン側からソース側に流れる電流を阻止するためのダイオードが並列に接続されている。
【００２３】
副コイルＬ２は、主コイルＬ１とトランス結合されている。また、副コイルＬ２の他方の端部は、分圧用のコンデンサＣａを介して基準電位（例えばグランド電位）に接続されている。
【００２４】
係る構成によって、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２は、逆位相でオン／オフ制御されることになる。
【００２５】
第１のスイッチング素子ＳＷ１がオン状態である間、第２のスイッチング素子ＳＷ２がオフ状態とされる。この結果、電源から主コイルＬ１、第１のスイッチング素子ＳＷ１、コンデンサＣ１を通って電流が流れ、主コイルＬ１に電気エネルギーが蓄積される。
【００２６】
第１のスイッチング素子ＳＷ１がオフ状態である間、第２のスイッチング素子ＳＷ２がオン状態とされる。この結果、主コイルＬ１から電気エネルギーが放出され、平滑用のコンデンサＣ２が充電されると共に出力端子２０から負荷に電力が供給される。
【００２７】
このような同期整流によって、整流用ダイオードを使用する場合に比して、整流時の損失を低減することができる。
【００２８】
以下、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２が、逆位相でオン／オフ制御される仕組みについて説明する。図２は、同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１における第１のスイッチング素子ＳＷ１の駆動状態、主コイルＬ１を流れる電流ＩＬ１、副コイルＬ２を流れる電流ＩＬ２、及び第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート電圧Ｖｇ２の時間的変化を示すタイミングチャートである。なお、電流は図中左側から右側に流れる向きを正の向きとする。
【００２９】
図中、期間１では、第１のスイッチング素子ＳＷ１はオン状態とされている。この間、主コイルＬ１に流れる電流ＩＬ１は一定の傾向で増加している。
【００３０】
時点２に至ると、第１のスイッチング素子ＳＷ１がオフ状態とされ、主コイルＬ１に流れる電流ＩＬ１は減少し始める。この際に、電流ＩＬ１の変化量が正から負に変化するため、トランス結合により主コイルＬ１から副コイルＬ２に電気エネルギーが伝達され、副コイルＬ２に正の向きの起電力が生じる。この結果、第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート電圧Ｖｇ２が上昇して閾値電圧を超え、第２のスイッチング素子ＳＷ２がオン状態となる。
【００３１】
期間３では、主コイルＬ１に流れる電流ＩＬ１が減少し続けるため、副コイルＬ２には正の向きの電流が流れ続けようとするが、コンデンサＣａの容量と、第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート容量との関係により、これ以上の電流が流れることはできない。この結果、第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート電圧Ｖｇ２は略一定のまま維持される。
【００３２】
時点４に至ると、第１のスイッチング素子ＳＷ１がオン状態とされ、主コイルＬ１に流れる電流ＩＬ１は増加し始める。この際に、電流ＩＬ１の変化量が負から正に変化するため、トランス結合により、副コイルＬ２に負の向きの電流が流れる。この結果、第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート電圧Ｖｇ２が低下して閾値電圧を下回り、第２のスイッチング素子ＳＷ２がオフ状態となる。
【００３３】
期間５については、期間１と同様である。
【００３４】
ここで、コンデンサＣａは、副コイルＬ２に生じる起電力の大きさや、第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート容量を考慮して、第１のスイッチング素子ＳＷ１をオン状態からオフ状態に変化させた際の第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート電圧Ｖｇ２が、その閾値電圧よりも若干高い電圧となるように、適切な容量のものを選択する。換言すると、本実施例の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１において、コンデンサＣａの容量を適切に選択するだけで、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン／オフ制御が適切になされることになるのである。
【００３５】
また、本実施例の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１では、第２のスイッチング素子ＳＷ２の駆動主体として、副コイルＬ２とコンデンサＣａを備えるのみであり、簡易な構成となっている。この結果、回路規模を大きくすることなく高い変換効率を有する同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータを実現することが可能である。
【００３６】
図３は、本実施例の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１を実際の回路に適用したシミュレーション結果を示す図である。図３（Ａ）は、同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１を実際の回路に適用した検証用回路図を示しており、図３（Ｂ）は、第２のスイッチング素子ＳＷ２のゲート電圧、主コイルＬ１の出力電圧、コイルＣ２により平滑化された出力電圧の時間変化を示すタイミングチャートである。図示するように、第２のスイッチング素子ＳＷ２が適切なタイミングでオン／オフ制御され、入力電圧が昇圧されていることが判る。
【００３７】
本実施例の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ１によれば、簡易な構成で、単独の外部信号により同期整流を行なうことができる。
【００３８】
＜第２実施例＞
以下、図面を参照し、本発明の第２実施例に係る同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ２について説明する。同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、いわゆる降圧型のスイッチング電源装置として機能するものであり、同期整流方式によって高い変換効率を実現可能なものとなっている。
【００３９】
図４は、本発明の第２実施例に係る同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ２のシステム構成例である。同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ２は、主要な構成として、主コイルＬ１と、副コイルＬ２と、第１のスイッチング素子ＳＷ１と、第２のスイッチング素子ＳＷ２と、コンデンサＣａ、Ｃ１、及びＣ２と、制御信号生成部Ｃｔｌと、を備える。
【００４０】
第１のスイッチング素子ＳＷ１は、例えばＮチャネルＭＯＳ（Metal  Oxide  Semiconductor）型トランジスタであり、ゲートが制御信号生成部Ｃｔｌに、ドレインが電源に接続される入力端子１０に、ソースが端子１５に、それぞれ接続されている。電源は、例えば鉛蓄電池等の直流電源である。また、第１のスイッチング素子ＳＷ１には、第１のスイッチング素子ＳＷ１のオフ時においてドレイン側からソース側に流れる電流を阻止するためのダイオードが並列に接続されている。第１のスイッチング素子ＳＷ１は、制御信号生成部Ｃｔｌから入力されるＰＷＭ（Pulse  Width  Modulation）信号によってオン／オフ制御がされている。
【００４１】
主コイルＬ１は、一方の端部が端子１５に接続され、他方の端部が出力端子２０に接続されている。また、端子１５は、第２のスイッチング素子ＳＷ２のドレインにも接続されている。
【００４２】
第２のスイッチング素子ＳＷ２は、例えばＮチャネルＭＯＳ型トランジスタであり、ゲートが副コイルＬ２の一方の端部に接続されている。また、ソースがコンデンサＣ１を介して入力端子１０に、コンデンサＣ２を介して出力端子２０に、それぞれ接続されている。従って、第２のスイッチング素子ＳＷ２は、主コイルＬ１から負荷へ流れる電流を補償する補償経路の途中に取り付けられている。また、第２のスイッチング素子ＳＷ２にも、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオフ時においてドレイン側からソース側に流れる電流を阻止するためのダイオードが並列に接続されている。
【００４３】
副コイルＬ２は、主コイルＬ１とトランス結合されている。また、副コイルＬ２の他方の端部は、分圧用のコンデンサＣａを介して基準電位（例えばグランド電位）に接続されている。
【００４４】
係る構成によって、第１のスイッチング素子ＳＷ１及び第２のスイッチング素子ＳＷ２は、逆位相でオン／オフ制御されることになる。
【００４５】
第１のスイッチング素子ＳＷ１がオン状態である間、第２のスイッチング素子ＳＷ２がオフ状態とされる。この結果、電源から主コイルＬ１、第１のスイッチング素子ＳＷ１、コンデンサＣ１を通って電流が流れ、主コイルＬ１に電気エネルギーが蓄積されると共に、平滑用のコンデンサＣ２が充電される。
【００４６】
第１のスイッチング素子ＳＷ１がオフ状態である間、第２のスイッチング素子ＳＷ２がオン状態とされる。この結果、主コイルＬ１から電気エネルギーが放出され、出力端子２０から負荷に電力が供給される。
【００４７】
このような同期整流によって、整流用ダイオードを使用する場合に比して、整流時の損失を低減することができる。
【００４８】
本実施例において第２のスイッチング素子ＳＷ２が、第１のスイッチング素子ＳＷ１と逆位相でオン／オフ制御される仕組みは、第１実施例と同様である。従って、図２及びその説明を援用することとし、説明を省略する。
【００４９】
また、本実施例の場合も、コンデンサＣａの容量を適切に選択するだけで、第２のスイッチング素子ＳＷ２のオン／オフ制御が適切になされることになり、第２のスイッチング素子ＳＷ２の駆動主体として、副コイルＬ２とコンデンサＣａを備えるのみであるため、簡易な構成となっている。この結果、回路規模を大きくすることなく高い変換効率を有する同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータを実現することが可能である点も第１実施例と同様である。
【００５０】
本実施例の同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ２によれば、簡易な構成で、単独の外部信号により同期整流を行なうことができる。
【００５１】
以上、本発明を実施するための最良の形態について実施例を用いて説明したが、本発明はこうした実施例に何等限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変形及び置換を加えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】
本発明は、自動車製造業や自動車部品製造業等に利用可能である。
【符号の説明】
【００５３】
１、２  同期整流型ＤＣ−ＤＣコンバータ
１０  入力端子
１５  端子
２０  出力端子
Ｃａ、Ｃ１、Ｃ２  コンデンサ
Ｃｔｒｌ  制御信号生成部
Ｌ１  主コイル
Ｌ２  副コイル
ＳＷ１  第１のスイッチング素子
ＳＷ２  第２のスイッチング素子
【図１】
2010200390.tif 000003
【図４】
2010200390.tif 000004
【図５】
2010200390.tif 000005
【図２】
2010200390.tif 000006
【図３】
2010200390.tif 000007