(57)【要約】【課題】大容量負荷に適用される際に、効率を高めることができ、かつノイズ発生を抑制できる降圧変換回路を提供する。【解決手段】降圧変換回路１０は、直流電圧Ｖ１を降圧して降圧直流電圧Ｖ４に変換する。降圧変換回路１０は、直流電圧Ｖ１が供給される電源線ＬＳと、電源線ＬＳに接続され、高周波電圧Ｖ２を生成し、高周波電圧Ｖ２を直流電圧Ｖ１の電圧値が低下するように直流電圧Ｖ１に重畳して、高周波重畳電圧Ｖ３を生成する高周波重畳部１１と、高周波重畳電圧Ｖ３を入力し、降圧直流電圧Ｖ４を出力するローパスフィルタ１５と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧を降圧して降圧直流電圧に変換する降圧変換回路であって、
前記直流電圧が供給される電源線と、
前記電源線に接続され、高周波電圧を生成し、前記高周波電圧を前記直流電圧の電圧値が低下するように前記直流電圧に重畳し、高周波重畳電圧を生成する高周波重畳部と、
前記高周波重畳電圧を入力し、前記降圧直流電圧を出力するローパスフィルタと、を備えた降圧変換回路。
【請求項２】
請求項１に記載の降圧変換回路において、
前記高周波重畳部は、
高周波一次電圧を生成する高周波生成回路と、
前記高周波生成回路に接続され前記高周波一次電圧が入力される一次側コイルと、前記電源線の途中に直列接続された二次側コイルとを含むトランスと、を含み、
前記トランスは、前記二次側コイルに、前記直流電圧の電圧方向と逆方向の二次電圧を誘起し、誘起された前記二次電圧を前記高周波電圧として前記直流電圧に重畳する、降圧変換回路。
【請求項３】
請求項２に記載の降圧変換回路において、
前記高周波生成回路は、前記高周波一次電圧として、矩形波の高周波電圧を生成する、降圧変換回路。
【請求項４】
請求項１から請求項３の何れか一項に記載の降圧変換回路において、さらに、
前記ローパスフィルタの後段において、前記電源線に直列接続された出力スイッチを備える、降圧変換回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本明細書に開示される技術は、降圧変換回路に関し、詳しくは、直流電圧を降圧して降圧直流電圧を生成する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、上記、直流電圧を降圧して降圧直流電圧を生成する技術として、直流電圧をチョッパによって高周波のパルス電圧に変換し、高周波のパルス電圧をローパスフィルタによって直流電圧に戻す方法が幅広く行われている。そのようなチョッパによる方法として、例えば、特許文献１には、公知の全波形ゼロ電流スイッチング方式（ＺＣＳ方式）の降圧形コンバータ（降圧変換回路）が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３０９９６７号公報
【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、スイッチング方式の降圧変換回路がパワー回路として使用される場合、パワー回路では高速でのスイッチングが必要とされるため、スイッチング損失、すなわち、変換損失およびスイッチングノイズが問題となる。また、近年、電気自動車等、大電流が必要とされる直流電圧源の需要の増加に伴って、大容量負荷のパワー回路として適用される際に、効率が高く、かつノイズ発生を抑制できる降圧変換回路が所望されていた。
【０００５】
本明細書に開示される技術は、上記のような事情に基づいて完成されたものであって、大容量負荷に適用される際に、効率を高めることができ、かつノイズ発生を抑制できる降圧変換回路を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本明細書に開示される降圧変換回路は、直流電圧を降圧して降圧直流電圧に変換する降圧変換回路であって、前記直流電圧が供給される電源線と、前記電源線に接続され、高周波電圧を生成し、前記高周波電圧を前記直流電圧の電圧値が低下するように前記直流電圧に重畳し、高周波重畳電圧を生成する高周波重畳部と、前記高周波重畳電圧を入力し、前記降圧直流電圧を出力するローパスフィルタと、を備える。
【０００７】
本構成によれば、直流電圧に高周波電圧を重畳して、高周波重畳電圧を生成し、高周波重畳電圧をフィルタリングすることによって降圧直流電圧が生成される。すなわち、直流電圧がトランジスタ等のスイッチング動作によらずに降圧直流電圧に変換される。そのため、スイッチング動作に伴うスイッチングノイズの発生を低減できる。また、大容量負荷の消費電力に対する高周波重畳部による電力損失の割合が低くなるように高周波重畳部を構成することによって、降圧変換回路の変換効率を高めることができる。そのため、本構成の降圧変換回路によれば、大容量負荷に適用される際に、効率を高めることができ、またノイズ発生を抑制できる。
【０００８】
上記降圧変換回路において、前記高周波重畳部は、高周波一次電圧を生成する高周波生成回路と、前記高周波生成回路に接続され前記高周波一次電圧が入力される一次側コイルと、前記電源線の途中に直列接続された二次側コイルとを含むトランスと、を含み、前記トランスは、前記二次側コイルに、前記直流電圧の電圧方向と逆方向の二次電圧を誘起し、誘起された前記二次電圧を前記高周波電圧として前記直流電圧に重畳するようにしてもよい。
本構成によれば、高周波電圧を直流電圧に重畳させる構成としてトランスを使用することにより、負荷の容量にかかわらず、トランスの励磁損失を一定にできる。それによって、負荷の容量が大きいほど、本構成の降圧変換回路の変換効率が良くなると言える。すなわち、変換効率に関して、本構成の降圧変換回路は、大電流のパワー回路に適用される場合に有利となる。また、高周波電圧を直流電圧の電圧値が低下するように直流電圧に重畳する方法において、トランスの二次側コイルに直流電圧の電圧方向と逆方向の二次電圧を誘起させることは、トランスの極性の設定によって容易に実現できる。
【０００９】
また、上記降圧変換回路において、前記高周波生成回路は、前記高周波一次電圧として、矩形波の高周波電圧を生成するようにしてもよい。
本構成によれば、矩形波の矩形幅（デューティ比）を変更することによって、降圧直流電圧の電圧値を容易に変更できる。言い換えれば、ＰＷＭ（パルス幅変調）によって、降圧直流電圧の電圧値を容易に変更できる。
【００１０】
また、上記降圧変換回路において、さらに、前記ローパスフィルタの後段において、前記電源線に直列接続された出力スイッチを備えるようにしてもよい。
本構成によれば、負荷がバッテリである場合、バッテリの電圧が上昇した場合等に、出力スイッチをオフすることにより、バッテリからローパスフィルタ側への還流を防止できる。
【発明の効果】
【００１１】
本明細書に開示される降圧変換回路によれば、大容量負荷に適用される際に、効率を高めることができ、かつノイズの発生を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】一実施形態の降圧変換回路を示す概略的なブロック図
【図２】高周波電圧生成回路の一例を示す概略的なブロック図
【図３】降圧変換回路の各部の電圧を示すタイムチャート
【図４】降圧変換回路の別の例の各部の電圧を示すタイムチャート
【図５】降圧変換回路の別の例を示す模式的なブロック図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
一実施形態に係る降圧変換回路１０を、図１から図４を参照しつつ説明する。
１．降圧変換回路の構成
降圧変換回路１０は、バッテリＢａの電圧である直流電圧Ｖ１を降圧して降圧直流電圧Ｖ４に変換する。降圧変換回路１０は、本実施形態、例えば、ガソリンエンジンと走行用モータとが搭載されたＨＶ車用に配置され、走行用モータ等の大容量負荷５０に電力を供給するパワー回路に適用される。なお、降圧変換回路１０の適用は、ＨＶ車に限られず、また車両にも限られない。また、降圧変換回路１０が適用される負荷は、必ずしも大容量負荷に限られない。
【００１４】
降圧変換回路１０は、図１に示されるように、電源線ＬＳ、入力スイッチＳＷ１、高周波重畳部１１、ローパスフィルタ１５、および出力スイッチＳＷ２を含む。電源線ＬＳには、入力スイッチＳＷ１がオンされた場合に、バッテリＢａから直流電圧Ｖ１が供給される。
【００１５】
高周波重畳部１１は、電源線ＬＳに接続され、高周波電圧Ｖ２を生成し、高周波電圧Ｖ２を、直流電圧Ｖ１の電圧値が低下するように直流電圧Ｖ１に重畳して、高周波重畳電圧Ｖ３を生成する。
【００１６】
詳細には、高周波重畳部１１は、図１に示されるように、高周波生成回路１２、逆流防止用ダイオードＤ１、およびパルストランスＴ１を含む。パルストランスＴ１は、「トランス」の一例であり、以下、単に「トランスＴ１」と記す。
高周波生成回路１２は、例えば、図２に示されるように、バッテリＢａに接続され、インバータ制御部１３とインバータ部１４とを含み、高周波一次電圧ＶＬ１を生成する。本実施形態では、高周波生成回路１２は、高周波一次電圧ＶＬ１として、半波の高周波電圧を生成する。詳細には、高周波生成回路１２は、高周波一次電圧ＶＬ１としてＰＷＭ（パルス幅変調）可能な矩形波を生成する。なお、高周波生成回路１２の電力は、バッテリＢａ以外から供給されるようにしてもよい。
【００１７】
インバータ部１４は、４個の半導体スイッチ（Ｓ１−Ｓ４）を含む周知のインバータ回路である。半導体スイッチＳ１およびＳ２がインバータ制御部１３によって同時にオンオフ制御されることによって、位相１８０度毎に、例えば、プラス側の矩形波電圧＋ＶＬ１が形成される。一方、半導体スイッチＳ３およびＳ４がインバータ制御部１３によって同時にオンオフ制御されることによって、プラス側の矩形波電圧＋ＶＬ１と位相が１８０度ずれた、例えばマイナス側の矩形波電圧−ＶＬ１が形成される。なお、本実施形態では、プラス側（半波）の矩形波電圧＋ＶＬ１のみが形成されるものとし、その周波数は、例えば、５００ＫＨｚから１ＭＨｚの高周波数とする。一次電圧ＶＬ１を高周波とすることによってトランスＴ１の損失を低減できる。
【００１８】
すなわち、通常、トランスの1次インダクタンス(励磁インダクタンス)が一定の場合、１次側入力電圧の周波数が高いほど交流抵抗（インピーダンス）が大きくなる。それによって、１次側入力電圧とトランスの１次インダクタンスが一定の場合、周波数が高い程、励磁電流が小さくなる。
例えば、１次側入力電圧のピークを４８Ｖの正弦波、励磁インダクタンスを１０μＨ、トランスのターン数比を１：１、負荷抵抗を１０Ω（負荷電流が４．８Ａ）と仮定して解析した結果、正弦波の周波数が１００ｋＨｚの場合の励磁電流が約１１．２２Ａ（トランス１次側の電流＝１２．２Ａ）、５００ｋＨｚの場合の励磁電流が２．０５Ａ（トランス1次側の電流＝５．２Ａ）になる。そのため、同じ出力電流（４．８Ａ）の場合、１次側の電流が小さい程、回路損失が小さくなるため、高周波の方の損失が小さくなる。
【００１９】
トランスＴ１は、高周波生成回路１２に接続され高周波一次電圧ＶＬ１（矩形波電圧＋ＶＬ１）が入力される一次側コイルＬ１と、電源線ＬＳの途中に直列接続された二次側コイルＬ２と、を含む。トランスＴ１は、二次側コイルＬ２に誘起された二次電圧ＶＬ２を高周波電圧Ｖ２として直流電圧Ｖ１に重畳する。なお、二次側コイルＬ２に、直流電圧Ｖ１の電圧方向と逆方向の高周波電圧Ｖ２が誘起されるように、すなわち、直流電圧Ｖ１と高周波電圧Ｖ２の電圧方向が逆方向となるように（図１の矢印参照）、一次側コイルＬ１および二次側コイルＬ２の巻き線が構成されている。すなわち、本実施形態では、高周波電圧を直流電圧の電圧値が低下するように直流電圧に重畳する方法において、トランスＴ１の二次側コイルＬ２に、直流電圧Ｖ１の電圧方向と逆方向の二次電圧ＶＬ２が誘起される。これは、トランスＴ１の巻き線の極性の設定によって容易に行える。
【００２０】
そのため、直流電圧Ｖ１、高周波電圧Ｖ２、および高周波重畳電圧Ｖ３の関係は、Ｖ３＝Ｖ１−Ｖ２となる。図３に示されるように、例えば、直流電圧Ｖ１の電圧値を３０Ｖとし、高周波電圧Ｖ２のハイレベル（最大値）を２５Ｖとすると、高周波重畳電圧Ｖ３のハイレベル（最大値）ＶＢは、３０Ｖとなる。また、高周波重畳電圧Ｖ３のローレベル（最小値）ＶＡは、５Ｖとなる。
【００２１】
すなわち、本実施形態ではトランスＴ１の1次側に励磁電流を印加し、２次側に電源電圧（バッテリＢａの電圧：直流電圧Ｖ１）と逆方向の電圧（高周波電圧）Ｖ２を生成し、それによって、負荷電流が流れなくなる（或いは小さくなる）。つまり、トランスＴ１の１次側から２次側に励磁電圧を提供するが、トランスＴ１からは負荷電流を提供しない。負荷電流は、トランスＴ１の出力電圧（高周波電圧）Ｖ２がゼロになるときバッテリＢａから提供される。
また、負荷電流が小さい時、トランスＴ１の出力電圧Ｖ２の幅（振幅）が広く、大きな励磁電流が必要になる。逆に負荷電流が大きい時、トランスＴｉの出力電圧Ｖ２の幅（振幅）が狭くなり、必要な励磁電流が小さくなり、トランスＴ１としての効率が高くなる。
【００２２】
ローパスフィルタ１５は周知のものであり、例えば、コイルおよびコンデンサによって構成される。ローパスフィルタ１５は、高周波重畳電圧Ｖ３を入力し、降圧直流電圧Ｖ４を出力する。降圧直流電圧Ｖ４の平均電圧値ＶＣは、およそ２２．５Ｖである。すなわち、降圧変換回路１０は、３０Ｖの直流電圧Ｖ１を、降圧して平均値２２．５Ｖの降圧直流電圧Ｖ４に変換する。
【００２３】
なお、本実施形態では、ＰＷＭ信号である高周波一次電圧ＶＬ１のパルス幅（デューティ比）を変更することによって、言い換えれば、高周波電圧Ｖ２のパルス幅（デューティ比）を変更することによって、図４に示されるように、降圧直流電圧Ｖ４の電圧値を変更することができる。すなわち、本実施形態では、高周波電圧Ｖ２のデューティ比を大きくするほど、降圧量が大きくなる。図３の例では高周波電圧Ｖ２のデューティ比、すなわち、高周波電圧Ｖ２の周期Ｋ１内における高周波電圧Ｖ２のハイレベル期間の割合が、およそ３３％であり、図４の例ではデューティ比がおよそ５０％である。デューティ比が３３％の場合の降圧量は、７．５Ｖであり、デューティ比が５０％の場合の降圧量は、１２．５Ｖである。なお、降圧量の調整は、デューティ比に限られず、一次側コイルＬ１と二次側コイルＬ２の巻き線比を変えて、高周波電圧Ｖ２の最大値を変更することによっても可能である。
【００２４】
出力スイッチＳＷ２は、ローパスフィルタ１５の後段において、電源線ＬＳの途中に直列接続されている。出力スイッチＳＷ２は、負荷５０がバッテリの場合に、バッテリの電圧が上昇して、負荷５０側から、ローパスフィルタ１５側への還流を防止するために設けられている。
【００２５】
２．本実施形態の効果
本実施形態の降圧変換回路１０では、直流電圧Ｖ１に高周波電圧Ｖ２を重畳して、高周波重畳電圧Ｖ３を生成し、高周波重畳電圧Ｖ３をローパスフィルタ１５によってフィルタリングすることによって降圧直流電圧Ｖ４が生成される。すなわち、大電流が流れる電源線ＬＳに供給される直流電圧Ｖ１が、トランジスタ等による直接のスイッチング動作によらずに降圧直流電圧Ｖ４に変換される。そのため、スイッチング動作に伴うスイッチングノイズの発生を低減できる。
【００２６】
また、大容量負荷５０の消費電力に対する高周波重畳部１１による電力損失の割合が低くなるように高周波重畳部１１を構成することによって、降圧変換回路１０の変換効率を高めることができる。例えば、大容量負荷５０の消費電力が２０００Ｗ（ワット）である場合、高周波重畳部１１による損失を４０Ｗに抑えることによって、効率を９８％まで高めることができる。すなわち、本実施形態の降圧変換回路１０では、大容量負荷５０に適用される際に、効率を高めることができ、またノイズ発生を抑制できる。
【００２７】
また、高周波電圧Ｖ２を直流電圧Ｖ１に重畳させる構成としてトランスＴ１を使用することにより、負荷５０の容量にかかわらず、トランスＴ１の励磁損失を一定にできる。それによって、負荷５０の容量が大きいほど、本構成の降圧変換回路１０の変換効率が良くなる。すなわち、本実施形態の降圧変換回路１０では、効率的に、負荷５０の容量が大きいほど有利であると言える。
なお、負荷５０の容量が大きくなるにしたがって、すなわち、負荷電流が大きくなるにしたがって二次側コイルＬ２による直流損失が増加するが、通常、二次側コイルＬ２の直流抵抗は、スイッチング方式の降圧変換回路に使用されるＦＥＴ等の半導体スイッチング素子のオン抵抗に比べて小さい。そのため、本実施形態では、スイッチング方式の降圧変換回路と比べて、直流損失を低減でき、それによって降圧変換回路としての効率を高めることができる。
【００２８】
また、高周波一次電圧ＬＶ１として、ＰＷＭが可能な矩形波（高周波パルス信号）が使用される。そのため、高周波一次電圧ＬＶ１のパルス幅（デューティ比）を変更することによって、降圧直流電圧Ｖ４の電圧値を容易に変更できる。
【００２９】
＜他の実施形態＞
本発明は上記記述及び図面によって説明した実施形態に限定されるものではなく、例えば次のような実施形態も本発明の技術的範囲に含まれる。
【００３０】
（１）上記実施形態では、高周波重畳部を高周波生成回路１２とトランスＴ１とによって構成する例を示したがこれに限られない。高周波重畳部は、例えば、高周波電圧を生成する高周波生成部と、生成された高周波電圧を増幅する増幅回路とを含み、増幅された高周波電圧を直接、電源線ＬＳに印加する構成であってもよい。高周波重畳部は、要は、電源線に接続され、高周波電圧を生成し、高周波電圧を直流電圧の電圧値が低下するように直流電圧に重畳し、高周波重畳電圧を生成する構成であればよい。
【００３１】
（２）上記実施形態では、高周波生成回路１２をインバータ制御部１３とインバータ部１４とによって構成する例を示したが、これに限られない。高周波生成回路１２は、例えば、矩形波生成ＩＣによって構成されてもよい。あるいは、単に、直流電圧をトランジスタによってスイッチングして高周波一次電圧ＶＬ１を生成してもよい。この場合、スイッチングノイズが発生するが、電力が小さいため、電源線ＬＳを直接、スイッチングする場合と比べて、スイッチングノイズのレベルを低減できる。
また、高周波一次電圧ＶＬ１は、ＰＷＭ可能な矩形波に限られない。例えば、高周波一次電圧ＶＬ１は、デューティ比固定の矩形波であってもよい。あるいは、高周波一次電圧ＶＬ１は、正弦波であってもよいし、さらには三角波であってもよい。
【００３２】
（３）上記実施形態では、トランスＴ１の一次側コイルＬ１に印加される高周波一次電圧ＶＬ１として、プラス側の矩形波電圧＋ＶＬ１のみを使用する、言い換えれば、半波のみを使用する例を示したが、これに限られない。図５に示すように、プラス側の矩形波電圧＋ＶＬ１、およびマイナス側の矩形波電圧−ＶＬ１を使用する、言い換えれば、全波を使用するようにしてもよい。なお、トランスＴ１の一次側コイルＬ１は一個であるが、図５においては、高周波一次電圧ＶＬ１の全波使用を示すために、便宜上、一次側コイルＬ１が二個、記載されている。
【符号の説明】
【００３３】
１０…降圧変換回路
１１…高周波重畳部
１２…高周波生成回路
１３…制御回路
１４…インバータ回路
１５…ローパスフィルタ
Ｂａ…バッテリ
Ｌ１…トランスの一次コイル
Ｌ２…トランスの二次コイル
ＳＷ２…出力スイッチ
Ｔ１…パルストランス
【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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