(57)【要約】【課題】  本発明は、ゼロ電圧スイッチングによるフルブリッジコンバータの回路規模の小型化を図ることができる技術を提供することを目的とする。【解決手段】  本発明は、直流電源からの入力を制御しトランスの一次側巻線に接続されるフルブリッジ回路と、トランスの二次側巻線からの出力電圧を整流する整流回路と、整流回路の出力を平滑にする平滑回路と、フルブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子を、ゼロ電圧スイッチングすることにより、平滑回路からの出力電圧を所定電圧に制御する制御回路と、を備える。【選択図】    図１
2010166733.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源からの入力を制御しトランスの一次側巻線に接続されるフルブリッジ回路と、
前記トランスの二次側巻線からの出力電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力を平滑にする平滑回路と、
前記フルブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子を、ゼロ電圧スイッチングすることにより、前記平滑回路からの出力電圧を所定電圧に制御する制御回路と、
を備えることを特徴とする直流電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の直流電源装置において、
前記二次側巻線は、前記一次側巻線と間隔をおいて前記トランスの同一コア上に巻回して設けられ、前記一次側巻線との間に生じたリーケージインダクタンスに基づいて前記二次側巻線の一部をリアクトルとして動作させる
ことを特徴とする直流電源装置
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の直流電源装置において、
前記整流回路は、ダイオードブリッジ回路であることを特徴とする直流電源装置。
【請求項４】
請求項１又は請求項２に記載の直流電源装置において、
前記整流回路は、センタータップ方式であることを特徴とする直流電源装置。
【請求項５】
請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載の直流電源装置において、
前記整流回路は、カレントダブラー方式であることを特徴とする直流電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、フルブリッジコンバータを用いた直流電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、フルブリッジコンバータは、主スイッチにかかる電流ストレスが小さいことや、トランスの利用率が高い等の理由で、比較的大電力の電源回路に用いられ開発されている。
【０００３】
例えば、特許文献１では、図６に示す直流電源装置４００において、トランスＴの二次側巻線Ｌｍ２に、整流ダイオードＤｏ１〜Ｄｏ４と、それらに直列に可飽和リアクトルＳＲ１〜ＳＲ４とを接続して、ゼロ電圧スイッチングを行うことにより、電力変換効率を上げる技術が開示されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、従来技術では、例えば、特許文献１のように整流ダイオードＤｏ１〜Ｄｏ４とともに、各整流ダイオードＤｏ１〜Ｄｏ４に直列に各可飽和リアクトルＳＲ１〜ＳＲ４を設けることから部品点数が多くなり、回路規模が増大するという問題がある。
【０００５】
上記従来技術が有する問題に鑑み、本発明の目的は、ゼロ電圧スイッチングによるフルブリッジコンバータの回路規模の小型化を図ることができる技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の直流電源装置は、直流電源からの入力を制御しトランスの一次側巻線に接続されるフルブリッジ回路と、トランスの二次側巻線からの出力電圧を整流する整流回路と、整流回路の出力を平滑にする平滑回路と、フルブリッジ回路を構成する複数のスイッチング素子を、ゼロ電圧スイッチングすることにより、平滑回路からの出力電圧を所定電圧に制御する制御回路と、を備える。
【０００７】
また、二次側巻線は、一次側巻線と間隔をおいてトランスの同一コア上に巻回して設けられ、一次側巻線との間に生じたリーケージインダクタンスに基づいて二次側巻線の一部をリアクトルとして動作させても良い。
【０００８】
また、整流回路は、ダイオードブリッジ回路であっても良い。
【０００９】
また、整流回路は、センタータップ方式であっても良い。
【００１０】
また、整流回路は、カレントダブラー方式であっても良い。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ゼロ電圧スイッチングによるフルブリッジコンバータの回路規模の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の一の実施形態に係る直流電源装置１００の回路図
【図２】本実施形態に係る直流電源装置１００のトランスＴの構成を示す図
【図３】本実施形態に係る直流電源装置１００の各素子における電圧および電流の変化を示したタイムチャート
【図４】本実施形態に係る直流電源装置２００において二次側巻線Ｌｍ２がセンタータップ方式である場合の回路図
【図５】本実施形態に係る直流電源装置３００において二次側巻線Ｌｍ２がカレントダブラー方式である場合の回路図
【図６】従来の直流電源装置４００の回路図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は、本発明の一の実施形態に係る直流電源装置１００の回路図である。
【００１４】
図１の直流電源装置１００は、直流電源（不図示）の入力電圧Ｖｉを受け付ける入力端子１ａ−１ｂ、出力端子２ａ−２ｂ、フルブリッジ回路３、トランスＴ、整流ダイオードＤｏ１〜Ｄｏ４からなる整流回路、インダクタＬ２とコンデンサＣｏ２からなる平滑回路及びスイッチング制御部４から構成される。なお、図１は直流電源装置１００の主要部分のみを示す。例えば、図１において、入力端子１ａ−１ｂに接続される直流電源や出力端子２ａ−２ｂに接続される負荷等は省略されている。
【００１５】
フルブリッジ回路３は、主スイッチとして動作する４つの電解効果トランジスタ（以下、ＦＥＴ）であるＦＥＴＱ１〜Ｑ４、ＦＥＴＱ１〜Ｑ４に並列に設けられたダイオードＤ１〜Ｄ４及び各ＦＥＴＱ１〜Ｑ４がＯＦＦした時に生じるサージ電流を吸収するためのコンデンサＣ１〜Ｃ４とから構成される。後述するように、各ＦＥＴＱ１〜Ｑ４のゲート端子は、フィードバックされる出力電圧Ｖｏに基づいて、スイッチング制御部４に接続され、スイッチング制御部４が発生させる制御信号によって、出力電圧Ｖｏが一定電圧になるように、ＦＥＴＱ１〜Ｑ４をＯＮ／ＯＦＦ制御する。
【００１６】
なお、スイッチング制御部４によるＦＥＴＱ１〜ＦＥＴＱ４のＯＮ／ＯＦＦ制御は、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ２、又はＦＥＴＱ３とＦＥＴＱ４とが同時にＯＮ状態、つまり短絡状態にならないように、本実施形態においてデッドタイムが考慮されて行われるものとするとする。
【００１７】
トランスＴは、図１に示すような、一次側巻線Ｌｍ１、二次側巻線Ｌｍ２及び二次側巻線Ｌｍ２に直列に接続されるリアクトルＬｎ２とから構成される。このような構成のトランスＴを実現するために、本実施形態では、図２に示すような構造を有したトランスを用いる。図２は、トランスＴを（ａ）真横、（ｂ）正面、（ｃ）真上又は真下から見た様子を示した図である。図２（ｂ）に示すように、本実施形態に用いるトランスＴは、一対のＥ字型をしたフェライトを対向させ且つギャップ２０を設けて形成されるフェライトコア１０において、その中央のコアに一次側巻線Ｌｍ１を一方の側に巻回するとともに、一次側巻線Ｌｍ１とはギャップ２０を跨ぎ且つ一定の距離を置いた他方の側に二次側巻線Ｌｍ２を巻回したものを用いる。つまり、本実施形態のトランスＴは、一次側巻線Ｌｍ１と二次側巻線Ｌｍ２との間を設けることによって結合係数を下げ、リーケージインダクタンスを通常のトランスの場合よりも大きくしている。これによって、トランスＴの二次側巻線Ｌｍ２の一部が、リーケージインダクタンスによってリアクトルＬｎ２として動作させることができるようになる。したがって、従来の直流電源装置４００における可飽和リアクトルＳＲ１〜ＳＲ４の役割を、リアクトルＬｎ２に行わせることが可能となり、本実施形態に係る直流電源装置１００では、可飽和リアクトルＳＲ１〜ＳＲ４を省略することが可能となる。
【００１８】
整流ダイオードＤｏ１〜Ｄｏ４からなる整流回路は、いわゆるダイオードブリッジによる整流回路である。そのダイオードブリッジによって整流された電圧は、インダクタＬ２とコンデンサＣｏ２からなる平滑回路で平滑化され、出力電圧Ｖｏを出力端子２ａ−２ｂに接続される負荷（不図示）に出力される。
【００１９】
次に、本実施形態に係る直流電源装置１００の動作は、基本的に従来の直流電源装置４００の場合と同じである（特許文献１の図３参照）。以下において、スイッチング制御部４によるＦＥＴＱ１〜Ｑ４のゼロ電圧スイッチングを中心に、直流電源装置１００の動作を、図３のタイミングチャートに従って説明する。図３は、直流電源装置１００のＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ４の電圧及び電流並びにリアクトルＬｎ２の電流の時間変化を示したタイミングチャートである。なお、ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ４における電圧が、０である時をＯＮ状態で、電圧がかかっている時をＯＦＦ状態であることをそれぞれ示す。また、不図示のＦＥＴＱ２及びＦＥＴＱ３についても同様である。
【００２０】
図３が示すように、時間ｔ＝０μｓでは、ＦＥＴＱ１とＦＥＴＱ４とはＯＮ状態である。また、不図示のＦＥＴＱ２とＦＥＴＱ３とはＯＦＦ状態であるとする。そのため、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３には直流電源の電圧と同じ電荷が蓄積される。その結果、直流電源（不図示）からの電流は、入力端子１ａ、ＦＥＴＱ１、コンデンサＣ５、一次側巻線Ｌｍ１、ＦＥＴＱ４及び入力端子１ｂと流れる。それの結果、トランスＴの二次側に電圧が誘起され、図３が示すように、リアクトルＬｎ２に電流が流れる。
【００２１】
時間ｔ＝２μｓで、スイッチング制御部４は、ＦＥＴＱ４をＯＦＦにする。この時、ＦＥＴＱ４に並列に接続されているコンデンサＣ４の電圧は０であることから、スイッチング制御部４によるＦＥＴＱ４のスイッチングはゼロ電圧スイッチングとなる。ＦＥＴＱ４がＯＦＦ状態となったことにより、コンデンサＣ３は電荷を放電し且つコンデンサＣ４は電荷を充電する。
【００２２】
そして、スイッチング制御部４は、ＦＥＴＱ４をＯＦＦにした時間ｔ＝２μｓからデッドタイムを経過したころに、ＦＥＴＱ３をＯＮにする。ここで、トランスＴの二次側には、誘起された電圧がまだ存在することから、図３に示すように、リアクトルＬｎ２には電流が流れ続ける。したがって、トランスＴの一次側においても、それに見合った電流が、ＦＥＴＱ１、コンデンサＣ５、一次側巻線Ｌｍ１及びダイオードＤ３のループで流れる。そして、この場合、ダイオードＤ３の順方向に電流が流れることから、コンデンサＣ３の電圧はほぼ０である。したがって、上述したスイッチング制御部４によるＦＥＴＱ３のＯＮへのスイッチングは、ゼロ電圧スイッチングとなる。
【００２３】
時間ｔ＝５μｓで、スイッチング制御部４は、ＦＥＴＱ１に並列に接続されているコンデンサＣ１の電圧が０であることから、ＦＥＴＱ１をＯＦＦにするゼロ電圧スイッチングを行う。ＦＥＴＱ２がまだＯＦＦ状態であることから、コンデンサＣ２は電荷を放電し且つコンデンサＣ１は電荷を充電する。コンデンサＣ１の充電及びコンデンサＣ２の放電が終了すると、上述したＦＥＴＱ１、コンデンサＣ５、一次側巻線Ｌｍ１及びダイオードＤ３のループ電流が停止することから、図３に示すように、リアクトルＬｎ２を流れる電流が急激に小さくなる。
【００２４】
次に、スイッチング制御部４は、ＦＥＴＱ１をＯＦＦにした時間ｔ＝５μｓからデッドタイムを経過し且つコンデンサＣ２の電圧がほぼ０になった時に、ＦＥＴＱ２をＯＮにするゼロ電圧スイッチングを行う。その結果、直流電源（不図示）からの電流は、入力端子１ａ、ＦＥＴＱ３、一次側巻線Ｌｍ１、コンデンサＣ５、ＦＥＴＱ２及び入力端子１ｂと流れる。これによって、図３に示すように、トランスＴの二次側に誘起される電圧の向きが反転することから、リアクトルＬｎ２に流れる電流の向きも反転する。
【００２５】
時間ｔ＝６〜７μｓの間で且つＦＥＴＱ１がＯＮになる前に、スイッチング制御部４は、ＦＥＴＱ２はＯＮ状態でコンデンサＣ２の電圧が０であることから、ＦＥＴＱ２をＯＦＦにするゼロ電圧スイッチングを行う。ＦＥＴＱ２がＯＦＦ状態となることによって、コンデンサＣ１は電荷を放電し且つコンデンサＣ２は電荷を充電する。
【００２６】
スイッチング制御部４は、ＦＥＴＱ２をＯＦＦしてからデッドタイムが経過し、且つコンデンサＣ１の電圧がほぼ０になった時間ｔ＝７μｓで、ＦＥＴＱ１を再びＯＮにするゼロ電圧スイッチングを行う。これにより、トランスＴの二次側に誘起された電圧がまだ存在することから、図３に示すように、リアクトルＬｎ２には電流が流れ続ける。したがって、トランスＴの一次側においても、それに見合った電流が、ＦＥＴＱ３、一次側巻線Ｌｍ１、コンデンサＣ５及びダイオードＤ１のループで流れる。
【００２７】
時間ｔ＝１０μｓ辺りでＦＥＴＱ４がＯＮになる前に、スイッチング制御部４は、ＦＥＴＱ３をＯＦＦにするゼロ電圧スイッチングを行う。ＦＥＴＱ４がまだＯＦＦ状態であることから、コンデンサＣ４は電荷を放電し且つコンデンサＣ３は電荷を充電する。コンデンサＣ３の充電及びコンデンサＣ４の放電が終了すると、上述したＦＥＴＱ３一次側巻線Ｌｍ１、コンデンサＣ５、及びダイオードＤ１のループ電流が停止することから、図３に示すように、リアクトルＬｎ２を流れる電流が再び急激に小さくなる。
【００２８】
時間ｔ＝１０μｓで、スイッチング制御部４は、ＦＥＴＱ４をＯＮにするゼロ電圧スイッチングを行う。その結果、直流電源（不図示）からの電流は、入力端子１ａ、ＦＥＴＱ１、一次側巻線Ｌｍ１、コンデンサＣ５、ＦＥＴＱ４及び入力端子１ｂと流れることから、図３に示すように、トランスＴの二次側に誘起される電圧の向きが再度反転し、リアクトルＬｎ２に流れる電流の向きも反転する。
【００２９】
以上のような、スイッチング制御部４によるゼロ電圧スイッチングが繰り返し行われることによって、直流電源装置１００は動作する。
【００３０】
このように本実施形態では、図２に示すようなリーケージインダクタンスを増加させたトランスＴを用い、二次側巻線Ｌｍ２の一部をリアクトルＬｎ２として利用することによって、従来の直流電源装置４００と同じ動作を実現しつつ、回路規模の小型化を図ることが可能となる。
【００３１】
また、二次側巻線Ｌｍ２の一部をリアクトルＬｎ２として利用することにより、部品点数を減らすことが可能となり、コスト削減を図ることができる。
≪実施形態の補足事項≫
本実施形態では、トランスＴの二次側巻線Ｌｍ２の整流回路としてダイオードブリッジを用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図４の直流電源装置２００が示すように、二次側巻線Ｌｍ２がセンタータップ方式の整流回路でも適応可能である。なお、図４が示すように、整流回路がセンタータップ方式の場合、二次側巻線Ｌｍ２の一部で且つ２つのリアクトルＬｎ２からなる。また、図４の回路図において同じ素子に付いては、図１と同じ符号を付加している。
【００３２】
なお、本実施形態では、トランスＴの二次側巻線Ｌｍ２の整流回路としてダイオードブリッジを用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図５の直流電源装置３００が示すように、二次側巻線Ｌｍ２がカレントダブラー方式の整流回路でも適応可能である。なお、図５の回路図において同じ素子に付いては、図１と同じ符号を付加している。
【００３３】
なお、本発明は、その精神またはその主要な特徴から逸脱することなく他の様々な形で実施することができる。そのため、上述した実施形態はあらゆる点で単なる例示にすぎず、限定的に解釈されてはならない。さらに、特許請求の範囲の均等範囲に属する変形や変更は、全て本発明の範囲内である。
【符号の説明】
【００３４】
１ａ−１ｂ  入力端子、２ａ−２ｂ  出力端子、３  フルブリッジ回路、４  スイッチング制御部、１０  フェライトコア、２０  ギャップ、Ｃ１〜Ｃ５、Ｃｏ２  コンデンサ、Ｄ１〜Ｄ４、Ｄｏ１〜Ｄｏ４  ダイオード、Ｌ２  インダクタ、Ｑ１〜Ｑ４  ＦＥＴ、Ｔ  トランス、Ｌｍ１  一次側巻線、Ｌｍ２  二次側巻線、Ｌｎ２  リアクトル
【先行技術文献】
【特許文献】
【００３５】
【特許文献１】特開平９−１９１６４２号公報
【図１】
2010166733.tif 000003
【図２】
2010166733.tif 000004
【図３】
2010166733.tif 000005
【図４】
2010166733.tif 000006
【図５】
2010166733.tif 000007
【図６】
2010166733.tif 000008