(57)【要約】【課題】ＤＣＤＣコンバータ回路において、負荷の変動に伴って時比率を変えて対応する場合に、出力側回路の振動を抑制することである。【解決手段】ＤＣＤＣコンバータ回路１０は、電源２０を有する入力側回路１４と、入力側回路１４から磁気結合によりエネルギの供給を受け、負荷８に供給する出力側回路１６とを備え、入力側回路１４は、負荷８の変動に応じて変更される時比率Ｄに基づいてエネルギを出力側回路１６に供給し、入力側回路１４と出力側回路１６の少なくとも一方の回路定数は、入力側共振周波数ｆINが出力側共振周波数ｆOUTを超える所定の周波数以上となるように設定される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源を有する入力側回路と、該入力側回路から磁気結合によりエネルギの供給を受け、負荷に供給する出力側回路とを備えるＤＣＤＣコンバータ回路であって、
前記入力側回路は、前記負荷の変動に応じて変更される時比率Ｄに基づいて前記エネルギを前記出力側回路に供給し、
前記入力側回路と前記出力側回路の少なくとも一方の回路定数は、前記入力側回路の入力側共振周波数が前記出力側回路の出力側共振周波数を超える所定の周波数以上となるように設定されることを特徴とするＤＣＤＣコンバータ回路。
【請求項２】
請求項１に記載のＤＣＤＣコンバータ回路において、
前記入力側回路は、
電源と、
前記電源に並列に設けられる入力側コイルと、
前記入力側コイルに直列に設けられ、一周期のうち前記時比率Ｄにより定まるオン期間でオンし、前記時比率Ｄにより定まるオフ期間でオフする第１スイッチ素子と、
前記入力側コイルに並列に設けられる入力側コンデンサと、
前記入力側コンデンサに直列に設けられ、前記第１スイッチ素子がオンしている間はオフし、前記第１スイッチ素子がオフしている間はオンする第２スイッチ素子と、
を有し、
前記出力側回路は、
前記入力側コイルと磁気結合する出力側コイルと、
前記出力側コイルに直列に接続される平滑コンデンサと、
前記出力側コイル及び前記平滑コンデンサに直列に接続される平滑コイルと、
を有し、
前記入力側共振周波数は、前記入力側コイルの値ＬI、前記入力側コンデンサの値ＣI及び前記時比率Ｄに基づいて定められ、
前記出力側共振周波数は、前記平滑コイルの値ＬO及び前記平滑コンデンサの値ＣOに基づいて定められることを特徴とするＤＣＤＣコンバータ回路。
【請求項３】
請求項１または請求項２に記載のＤＣＤＣコンバータ回路において、
前記所定の周波数は、前記出力側共振周波数の２倍の周波数であることを特徴とするＤＣＤＣコンバータ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＤＣＤＣコンバータ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣＤＣコンバータ回路は、電源から供給された電力を電磁エネルギとして蓄積する入力側コイルを有する入力側回路と、入力側コイルと磁気結合する出力側コイルを有する出力側回路とを備える。出力側回路に接続される負荷が変動した場合、この変動に応じて出力電圧を変化させるために、入力側回路の第１スイッチ素子の時比率を変更して対応する。そうすると、入力側回路の共振周波数が変動する。そして、入力側回路の共振周波数が出力側回路の共振周波数付近に近づくと、入力側回路の共振周波数成分が出力側回路によって増幅されて、出力側回路の出力に振動が重畳する。
【０００３】
本発明に関連する技術として、例えば、特許文献１には、入力側コイルに並列接続された入力側コンデンサと、この入力側コンデンサに直列接続された第２スイッチ素子とを備えたＤＣＤＣコンバータ回路が開示されている。そして、第１スイッチ素子がオンのときに第２スイッチ素子がオフして入力側コイルにエネルギを蓄積しつつ入力側コンデンサを充電し、第１スイッチ素子がオフのときに第２スイッチ素子をオンすることで、入力側コンデンサから入力側コイルに電流を流し、これにより励磁を逆にする構成が開示されている。さらに、この入力側コンデンサに直列に抵抗を挿入して、ＤＣＤＣコンバータ回路の伝達関数の位相余裕を確保することで入力側回路が発振状態となることを防ぐ構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１９９７２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記特許文献１の構成では、入力側コンデンサに直列に抵抗を挿入して、ＤＣＤＣコンバータ回路の位相余裕を持たせる構成は開示されているが、出力側回路に接続される負荷が変動した場合、入力側回路の第１スイッチ素子の時比率を変更して対応した際の出力電圧の振動については何ら考慮されていない。
【０００６】
本発明の目的は、負荷の変動に伴って時比率を変えて対応する場合に、出力側回路の振動を抑制するＤＣＤＣコンバータ回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るＤＣＤＣコンバータ回路は、電源を有する入力側回路と、該入力側回路から磁気結合によりエネルギの供給を受け、負荷に供給する出力側回路とを備えるＤＣＤＣコンバータ回路であって、前記入力側回路は、前記負荷の変動に応じて変更される時比率Ｄに基づいて前記エネルギを前記出力側回路に供給し、前記入力側回路と前記出力側回路の少なくとも一方の回路定数は、前記入力側回路の入力側共振周波数が前記出力側回路の出力側共振周波数を超える所定の周波数以上となるように設定されることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係るＤＣＤＣコンバータ回路において、前記入力側回路は、電源と、前記電源に並列に設けられる入力側コイルと、前記入力側コイルに直列に設けられ、一周期のうち前記時比率Ｄにより定まるオン期間でオンし、前記時比率Ｄにより定まるオフ期間でオフする第１スイッチ素子と、前記入力側コイルに並列に設けられる入力側コンデンサと、前記入力側コンデンサに直列に設けられ、前記第１スイッチ素子がオンしている間はオフし、前記第１スイッチ素子がオフしている間はオンする第２スイッチ素子と、を有し、前記出力側回路は、前記入力側コイルと磁気結合する出力側コイルと、前記出力側コイルに直列に接続される平滑コンデンサと、前記出力側コイル及び前記平滑コンデンサに直列に接続される平滑コイルと、を有し、前記入力側共振周波数は、前記入力側コイルの値ＬI、前記入力側コンデンサの値ＣI及び前記時比率Ｄに基づいて定められ、前記出力側共振周波数は、前記平滑コイルの値ＬO及び前記平滑コンデンサの値ＣOに基づいて定められることが好ましい。
【０００９】
また、本発明に係るＤＣＤＣコンバータ回路において、前記所定の周波数は、前記出力側共振周波数の２倍の周波数であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１０】
上記構成により、入力側回路と出力側回路の少なくとも一方の回路定数は、入力側回路の入力側共振周波数が出力側回路の出力側共振周波数を超える所定の周波数以上となるように設定される。これにより、出力側回路に接続される負荷が変動した場合であっても、入力側回路の入力側共振周波数と出力側回路の出力側共振周波数との差を十分確保できる。したがって、負荷の変動に伴って時比率を変えて対応する場合に、出力側回路の振動を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る実施の形態のＤＣＤＣコンバータ回路の回路図である。
【図２】従来技術のＤＣＤＣコンバータ回路において、横軸を時比率とし、縦軸を入力側回路の共振周波数とした場合の回路特性図である。
【図３】従来技術のＤＣＤＣコンバータ回路において、横軸を周波数とし、縦軸を出力側回路の利得とした場合の回路特性図である。
【図４】従来技術のＤＣＤＣコンバータ回路において、横軸を時間とし、縦軸を出力電圧、時比率Ｄ、負荷８の変動ΔＩLとした場合の回路特性図である。
【図５】本発明に係る実施の形態のＤＣＤＣコンバータ回路において、横軸を時比率とし、縦軸を入力側回路の共振周波数とした場合の回路特性図である。
【図６】本発明に係る実施の形態のＤＣＤＣコンバータ回路において、横軸を周波数とし、縦軸を出力側回路の利得とした場合の回路特性図である。
【図７】本発明に係る実施の形態のＤＣＤＣコンバータ回路において、横軸を時間とし、縦軸を出力電圧、時比率Ｄ、負荷８の変動ΔＩLとした場合の回路特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に図面を用いて本発明に係る実施の形態につき、詳細に説明する。また、以下では、全ての図面において対応する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１３】
図１は、ＤＣＤＣコンバータ回路１０の回路図である。ＤＣＤＣコンバータ回路１０は、入力側回路１４と、入力側回路１４から磁気結合によりエネルギの供給を受け、負荷８に供給する出力側回路１６と、制御回路１８とを備える回路である。なお、負荷８は、ＤＣＤＣコンバータ回路１０の構成要素ではないが、例えば、自動車に搭載されるエアコンやＡＶ機器等である。
【００１４】
入力側回路１４は、出力側回路１６と磁気結合する回路である。入力側回路１４は、電源２０と、入力側コイル２２と、第１スイッチ素子２４と、クランプ回路２５とを備える。入力側回路１４は、電源２０から供給される電力を直交変換して、直交変換された電力を出力側回路１６に供給する機能を有する。
【００１５】
電源２０は、一方端が入力側コイル２２の一方端及びクランプ回路２５の一方端に接続され、他方端が第１スイッチ素子２４の他方端に接続される直流電流源である。電源２０は、例えば、炭素物質で構成された負極と、リチウムイオンが移動するための電解液と、リチウムイオンを可逆的に出し入れできる正極活物質とを有するリチウムイオン二次電池を用いることができる。
【００１６】
入力側コイル２２は、一方端が電源２０の一方端及びクランプ回路２５の一方端に接続され、他方端が第１スイッチ素子２４の一方端及びクランプ回路２５の他方端に接続されるリアクトルである。
【００１７】
第１スイッチ素子２４は、一方端が入力側コイル２２の他方端及びクランプ回路２５の他方端に接続され、他方端が電源２０の他方端に接続されるトランジスタである。第１スイッチ素子２４は、例えばＩＧＢＴ（Ｉｎｓｕｌａｔｅｄ Ｇａｔｅ Ｂｉｐｏｌａｒ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）が用いられる。第１スイッチ素子２４は、制御回路１８によってオンオフ制御がなされる。
【００１８】
ここで、第１スイッチ素子２４のオンオフ制御の一周期Ｔのうちのオン期間の割合を時比率Ｄとする。第１スイッチ素子２４は、負荷８の変動に応じて時比率Ｄを変えて、出力側回路１６から所望の出力電圧ＶOが出力されるようにオンオフ制御される。
【００１９】
クランプ回路２５は、入力側コイル２２の両端電圧が所定の電圧を超えないようにする回路で、第１スイッチ素子２４と第２スイッチ素子２６を使って望むタイミングのときだけクランプ動作されるアクティブクランプ回路である。
【００２０】
ここで、第１スイッチ素子２４がオンのときに第２スイッチ素子２６をオフとし、電源２０から供給される電力を入力側コイル２２に電磁エネルギとして蓄積しつつ、第２スイッチ素子の寄生ダイオードを介して入力側コンデンサ２８を充電する。そして、第１スイッチ素子２４がオフのときに第２スイッチ素子２６をオンとして、入力側コンデンサ２８から入力側コイル２２に電流を流して励磁を逆にする。
【００２１】
クランプ回路２５は、一方端が電源２０の一方端及び入力側コイル２２の一方端に接続され、他方端が入力側コイル２２の他方端及び第１スイッチ素子２４の一方端に接続される。クランプ回路２５は、第２スイッチ素子２６と、入力側コンデンサ２８とを備える。
【００２２】
第２スイッチ素子２６は、一方端が入力側コンデンサ２８の他方端に接続され、他方端が入力側コイル２２の他方端及び第１スイッチ素子２４の一方端に接続されるトランジスタである。第２スイッチ素子２６は、例えばＩＧＢＴが用いられる。第２スイッチ素子２６は、制御回路１８によってオンオフ制御がなされる。
【００２３】
入力側コンデンサ２８は、一方端が電源２０の一方端及び入力側コイル２２の一方端に接続され、他方端が第２スイッチ素子２６の一方端に接続されるキャパシタである。
【００２４】
出力側回路１６は、出力側コイル３０と、整流回路３２と、平滑回路３４とを備える。出力側回路１６は、入力側回路１４から供給された電力を整流して平滑化した電力を負荷８に供給する回路である。
【００２５】
出力側コイル３０は、入力側コイル２２と磁気結合するリアクトルである。出力側コイル３０は、一方端が第１ダイオード３６のアノード端子に接続され、他方端が第２ダイオード３８のアノード端子及び平滑回路３４の他方端に接続される。なお、入力側コイル２２と出力側コイル３０を併せてＤＣＤＣコンバータ回路１０のトランスが構成される。
【００２６】
整流回路３２は、第１ダイオード３６と、第２ダイオード３８とを備える回路である。整流回路３２は、入力側回路１４から供給された電力を整流する回路である。
【００２７】
第１ダイオード３６は、アノード端子が出力側コイル３０の一方端に接続され、カソード端子が平滑回路３４の一方端及び第２ダイオード３８のカソード端子に接続される整流素子である。
【００２８】
第２ダイオード３８は、カソード端子が第１ダイオード３６のカソード端子及び平滑回路３４の一方端に接続され、アノード端子が出力側コイル３０の他方端及び平滑回路３４の他方端に接続される整流素子である。
【００２９】
平滑回路３４は、平滑コイル４０と、平滑コンデンサ４２とを備える回路である。平滑回路３４は、整流回路３２によって整流された電力を平滑化して負荷８に供給する回路である。
【００３０】
平滑コイル４０は、一方端が第１ダイオード３６のカソード端子及び第２ダイオード３８のカソード端子に接続され、他方端が平滑コンデンサ４２の一方端及び負荷８の一方端に接続されるリアクトルである。
【００３１】
平滑コンデンサ４２は、一方端が平滑コイル４０の他方端及び負荷８の一方端に接続され、他方端が第２ダイオード３８のアノード端子及び負荷８の他方端に接続されるリアクトルである。
【００３２】
制御回路１８は、入力側回路１４及び出力側回路１６の出力電流または出力電圧に基づいて、出力側回路１６から出力される出力電圧ＶOを一定に保つように第１スイッチ素子２４及び第２スイッチ素子２６のオンオフ制御を行う。
【００３３】
制御回路１８は、所定のスイッチング周期Ｔのうち時比率Ｄにより定まるオン期間ＴONで第１スイッチ素子２４をオンし、時比率Ｄにより定まるオフ期間ＴOFF（＝Ｔ−ＴON）で第１スイッチ素子２４をオフする。制御回路１８は、上記オン期間ＴONで第２スイッチ素子２６をオフし、上記オフ期間ＴOFFで第２スイッチ素子２６をオンする。
【００３４】
次に、入力側回路１４の共振周波数ｆINについて説明する。入力側コイル２２の値をＬIとし、入力側コンデンサ２８の値をＣIとすると、ｆIN＝１／（２π×√（（ＬI×ＣI）／（１−Ｄ）2））の関係式が成立する。
【００３５】
出力側回路１６の共振周波数ｆOUTについて説明する。平滑コイル４０の値をＬOとし、平滑コンデンサ４２の値をＣOとすると、ｆOUT＝１／（２π×√（ＬO×ＣO））の関係式が成立する。
【００３６】
入力側コイル２２の値ＬI、入力側コンデンサ２８の値ＣI、平滑コイル４０の値ＬO及び平滑コンデンサ４２の値ＣOは、ｆIN≧（ｆOUT＋ｆth）の関係式を満たすようにそれぞれ設定される。なお、ｆINは、ｆth＝０．７５×ｆOUTの場合に関係式を満たすことが好ましく、ｆth＝ｆOUTの場合に関係式を満たすことがより好ましい。
【００３７】
続いて、ＤＣＤＣコンバータ回路１０の作用について説明する。最初に、ＤＣＤＣコンバータ回路１０の作用効果を分かり易くするために、比較例として従来技術のＤＣＤＣコンバータ回路について説明する。図２は、横軸を時比率とし、縦軸を入力側回路の共振周波数とした場合の回路特性図である。図３は、横軸を周波数とし、縦軸を出力側回路の利得とした場合の回路特性図である。図４は、横軸を時間とし、縦軸を出力電圧ＶO、時比率Ｄ、負荷８の変動ΔＩLとした場合の回路特性図である。
【００３８】
まず、ｆIN＜（ｆOUT＋ｆth）となるように入力側コンデンサ２８の値をＣI＝０．５μＦに設定した場合、出力側回路１６の共振周波数ｆOUTは、図２に示されるように約２０ｋＨｚで一定であるが、入力側回路１４の共振周波数ｆINは、時比率Ｄの値に応じて変動する。Ｄ0＝０．１８のときは、ｆIN0＝約２８ｋＨｚであるが、Ｄ1＝０．４２のときは、ｆIN1＝約２１ｋＨｚとなってｆOUTの周波数に接近する。
【００３９】
そして、図３に示されるように、ｆIN0＝約２８ｋＨｚのときは、利得が約−４ｄＢであるが、ｆIN1＝約２１ｋＨｚのときは、利得が約１６ｄＢであり、出力側回路１６によって増幅されることが分かる。具体的には、図４に示されるように、０．５ｍｓ〜１．０ｍｓの間に負荷８が増加して時比率Ｄが大きくなった際に振動が出力電圧ＶOに重畳していることが分かる。
【００４０】
次に、ＤＣＤＣコンバータ回路１０において、ｆIN≧（ｆOUT＋ｆth）の関係式を満たすように、入力側コンデンサ２８の値をＣI＝０．１μＦに設定した場合について説明する。図５は、横軸を時比率とし、縦軸を入力側回路の共振周波数とした場合の回路特性図である。図６は、横軸を周波数とし、縦軸を出力側回路の利得とする回路特性図である。図７は、横軸を時間とし、縦軸を出力電圧ＶO、時比率Ｄ、負荷８の変動ΔＩLとした場合の回路特性図である。
【００４１】
入力側コンデンサ２８の値をＣI＝０．１μＦに設定した場合、図５に示されるように、Ｄ0＝０．１８のときは、ｆIN0＝約６０ｋＨｚであるが、Ｄ1＝０．４２のときは、ｆIN1＝約４２ｋＨｚとｆOUTの約２倍近くの周波数である。
【００４２】
そして、図６に示されるように、ｆIN0＝約６０ｋＨｚのときは、利得が約−２０ｄＢであるが、ｆIN1＝約４２ｋＨｚのときも約−１２ｄＢであり、出力側回路１６によって増幅されない。具体的には、図７に示されるように、０．５ｍｓ〜１．０ｍｓの間に負荷８が増加して時比率Ｄが大きくなった場合であっても、出力電圧ＶOに振動が重畳しない。
【００４３】
このように、ＤＣＤＣコンバータ回路１０では、ｆIN≧（ｆOUT＋ｆth）の関係式を満たすように、入力側コイル２２の値ＬI、入力側コンデンサ２８の値ＣI、平滑コイル４０の値ＬO及び平滑コンデンサ４２の値ＣOが設定される。これにより、出力側回路１６に接続される負荷８が変動した場合であっても、入力側回路１４の共振周波数ｆIN0と出力側回路の共振周波数ｆOUTとの差を十分確保できる。したがって、負荷の変動に伴って時比率を変えて対応する場合に、出力側回路の振動を抑制することができる。
【符号の説明】
【００４４】
８  負荷、１０  ＤＣＤＣコンバータ回路、１４  入力側回路、１６  出力側回路、１８  制御回路、２０  電源、２２  入力側コイル、２４  第１スイッチ素子、２５  クランプ回路、２６  第２スイッチ素子、２８  入力側コンデンサ、３０  出力側コイル、３２  整流回路、３４  平滑回路、３６，３８  ダイオード、４０  平滑コイル、４２  平滑コンデンサ。
【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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【図７】
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