(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のチョークコイルと、この第１のチョークコイルに直列接続されたダイオードと、このダイオードに並列接続された第１のコンデンサと、前記ダイオードに直列接続された第２のコンデンサと、前記第１のチョークコイルと前記ダイオードとの接続点に接続された第２のチョークコイルと、前記第２のコンデンサに接続されるとともに前記第２のチョークコイルに直列接続されたスイッチ素子と、前記第２のチョークコイルおよび前記第１のコンデンサによって生じる共振電流波形に応じて前記スイッチ素子をオン・オフ制御する制御回路とを備え、前記第１のチョークコイルは、負荷電流が減少するとインダクタンスが増加する特性を有することを特徴とする電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷電流の変化に応じてスイッチング周波数を変化させて出力電圧を安定化する電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図６は、従来の電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおける負荷電流とスイッチング周波数との関係を示す特性図である。従来の制御方法としては、スイッチ素子のオン時間を固定された共振周波数に対応させて固定し、負荷電流の変化に応じてオフ時間を可変させるものであり、負荷電流が少ない場合にはスイッチング周波数が低くなるように、スイッチング周波数をする変動する方式であった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング周波数が変動するために、負荷電流が少ない場合には、スイッチ素子のオフ時間が長くなり、スイッチング周波数が可聴帯域の２０ＫＨｚ以下にまで下がってしまうため、チョークコイルに流れる電流は不連続モードになり、エネルギーのロスが発生して効率が低下するものであった。このため、チョークコイルに流れる電流を連続モードで使用するためには、ブリーダ電流を流す必要がとなるため、スイッチング周波数を可聴帯域外で動作させた場合には、ブリーダ電流による効率の低下が発生するものであった。また、共振周波数は変動することがないため、負荷電流が重い時には零電流スイッチング動作ができず過大な損失となるものであった。
【０００４】
本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、軽負荷電流時のスイッチング周波数を可聴帯域外で動作させスイッチング効率の向上を図ることのできる電流共振型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。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、負荷電流が少なくなるとインダクタンスが増加するスイング型チョークコイルと、このスイング型チョークコイルと出力端との間に直列接続したダイオードと、このダイオードに並列接続した共振用コンデンサと、上記スイング型チョークコイルと並列接続した共振用チョークコイルと、この共振用チョークコイルと直列接続しコンデンサを介して出力端に接続したスイッチ素子と、上記スイング型チョークコイル、上記共振用チョークコイル及び共振用コンデンサによる共振電流波形に応じて上記スイッチ素子のオン・オフ制御を行う制御回路とを備えたものである。
【０００６】
以上により、軽負荷電流時のスイッチング周波数を可聴帯域外で動作させスイッチング効率の向上を図ることのできるものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明の請求項１に記載の発明は、負荷電流が少なくなるとインダクタンスが増加するスイング型チョークコイルと、このスイング型チョークコイルと出力端との間に直列接続したダイオードと、このダイオードに並列接続した共振用コンデンサと、上記スイング型チョークコイルと並列接続した共振用チョークコイルと、この共振用チョークコイルと直列接続しコンデンサを介して出力端に接続したスイッチ素子と、上記スイング型チョークコイル、上記共振用チョークコイル及び共振用コンデンサによる共振電流波形に応じて上記スイッチ素子のオン・オフ制御を行う制御回路とを備えたものであり、スイッチング周波数を可聴帯域外で動作させることができるとともに、零電流スイッチングが可能となりスイッチング効率の向上を図ることのできるという作用を有する。
【０００８】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図５とともに説明する。
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態における電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータの昇圧型電源装置の構成を示すブロック図である。図１において、１は入力と接地間に配置された入力リプル用コンデンサである。２はスイング型チョークコイルであり、このスイング型チョークコイル２は、図２に示すように、負荷電流が減少するとインダクタンスが増加する特性となっている。３は共振用チョークコイル、４は共振用コンデンサであり、スイング型チョークコイル２と共振用チョークコイル３の並列接続と共振用コンデンサ４により電流共振回路を構成している。５はスイッチ素子、６は整流用ダイオードである。７は出力と接地間に配置された出力平滑用コンデンサである。８はスイッチ素子５のオン・オフ制御を行う制御回路である。
【０００９】
次に、上記実施の形態の動作について説明する。制御回路８によって制御されるスイッチ素子５のオン時間は、スイング型チョークコイル２と共振用チョークコイル３の並列接続と共振用コンデンサ４で構成される共振電流の共振周波数に対応させ固定している。このために、出力電圧を安定化させるためには、スイッチ素子５のオフ時間を制御回路８の制御によって可変する。
【００１０】
ここで、入力電圧をＶｉｎ、出力電圧をＶｏ、スイング型チョークコイル２のインダクタンスをＬ２、スイッチ素子５のオフ時間をＴｏｆｆ、スイッチ素子５のオン時間をＴｏｎとすると、スイング型チョークコイル２の電流の変化及びスイング型チョークコイル２に蓄積されるエネルギーＰｏｎは、下記の式になる。
【００１１】
Ｖｉｎ×Ｔｏｎ＝（Ｖｏ−Ｖｉｎ）×Ｔｏｆｆ／Ｌ２…（１）
Ｐｏｎ＝（Ｖｉｎ）２×Ｔｏｎ／Ｌ２    …（２）
上記（１）式において、スイング型チョークコイル２に流れるの電流の変化は、スイッチ素子５がオンの期間（Ｔｏｎ）とオフの期間（Ｔｏｆｆ）とで等しくなる。また、上記（２）式より、スイング型チョークコイル２に蓄積されるエネルギー（Ｐｏｎ）は、負荷電流に関わらず一定であるため、負荷電流が減少するしたがいスイッチ素子５のオフ時間（Ｔｏｆｆ）は長くなる。
【００１２】
図３は、軽負荷電流時のスイング型チョークコイル２に流れる電流の変化を示すものである。図３（ａ）は、スイッチ素子５のオン／オフのタイミングを示すもので、図３（ｂ）は、従来の電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおけるチョークコイルに流れる電流の変化を示すもので、図３（ｃ）は、本実施の形態におけるスイング型チョークコイル２に流れる電流の変化を示している。
【００１３】
図３（ｂ）に示すように、従来の電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、チョークコイルに流れる電流はスイッチのオフ時に零レベルとなっており、不連続モードとなり、スイッチング周波数は、図６に示すように急激に低下して可聴帯域に入り込むことになる。
【００１４】
本実施の形態においては、スイング型チョークコイル２は、図２に示すように負荷電流が減少するとインダクタンスが増加する特性となっているため、負荷電流が減少しても、スイッチ素子５のオン期間中にスイング型チョークコイル２に蓄積されるエネルギー（Ｐｏｎ）は負荷電流の変化に応じたエネルギー分が蓄えられる。このため、図３（ｃ）に示すように、スイッチ素子５のオン／オフ時において、スイング型チョークコイル２に流れる電流は連続モードとなり、スイング型チョークコイル２の蓄積エネルギーと放出エネルギーの移行が効率良く行われる。したがって、図５に示すように、負荷電流に対するスイッチング周波数の変動を押さえ、軽負荷電流時にも可聴帯域外（８０ＫＨｚ付近）で動作させることができ、高効率化が図れる。
【００１５】
図４は共振回路を構成している共振用チョークコイル３に流れる共振電流を示している。図４（ａ）は、スイッチ素子５のオン／オフのタイミングを示すもので、図４（ｂ）は、従来の電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータにおける共振用チョークコイルに流れる電流の変化を示すもので、図４（ｃ）は、本実施の形態における共振用チョークコイル３に流れる電流の変化を示している。
【００１６】
図４（ｂ）に示すように、従来の電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチがＯＦＦになった時に、共振用チョークコイルに流れる電流が零レベルとならないために、負荷電流が重い時には零電流スチッチング動作ができず過大なスイッチング損失が発生する。
【００１７】
これに対して、本実施の形態では、図４（ｃ）に示すように、スイッチ素子５がＯＦＦになった時に、共振用チョークコイル３に流れる電流が零レベルとなっている。スイング型チョークコイル２と共振用チョークコイル３の並列接続と共振用コンデンサ４で決まる共振周波数は、スイング型チョークコイル２が負荷電流に応じて変化するので、重負荷電流時には共振周波数を従来に比べて高くすることができるため、零電流スイッチングが可能となり、スイッチング損失を軽減することができる。
【００１８】
【発明の効果】
以上のように本発明は、電流共振回路を構成するチョークコイルに、負荷電流が減少するとインダクタンスが増加する特性のスイング型チョークコイルを使用することにより、軽負荷電流時には、従来必要となるブリーダ電流を流すことなくチョークコイルに流れる電流を連続モードで動作させ負荷電流に応じたエネルギーがチョークコイルに蓄えられるため効率化が図れるとともに、スイッチング周波数の変動を押さえ可聴帯域外で動作させることができ高効率化が図れるという効果を有する。
【００１９】
また、負荷電流に応じ共振周波数を可変することができるため、重負荷電流時の零電流スイッチングが可能となりスイッチング損失を軽減することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態における電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータのブロック図
【図２】同実施の形態のスイング型チョークコイルの特性図
【図３】同実施の形態のスイング型チョークコイルに流れる電流の特性図
【図４】同実施の形態の共振用チョークコイルに流れる電流の特性図
【図５】同実施の形態のスチッチング周波数の特性図
【図６】従来の電流共振型ＤＣ−ＤＣコンバータのスチッチング周波数の特性図
【符号の説明】
１  入力リプル用コンデンサ
２  スイング型チョークコイル
３  共振用チョークコイル
４  共振用コンデンサ
５  スイッチ素子
６  整流用ダイオード
７  出力平滑用コンデンサ
８  制御回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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