(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電源（Ｂｔ）及び負荷（Ｌｄ）の間に接続され直流電力を変換するプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
トランス（２０）の励磁インダクタを構成する複数の一次コイル（３１、３２）、及び複数の二次コイル（３３、３４）と、
前記複数の一次コイルと前記電源との間に接続され、且つ還流ダイオードが並列に接続されており、交互に動作する複数の一次側スイッチング素子（ＳＷ１、ＳＷ２）と、
前記複数の二次コイルに接続され、前記二次コイルに流れる電流を整流可能な複数の二次側整流素子（ＤＩ３、ＤＩ４、ＳＷ３、ＳＷ４）と、
前記二次側整流素子と前記負荷との間に接続される平滑インダクタ（７）と、
前記一次側スイッチング素子を操作し、前記二次側整流素子がスイッチング素子の場合にさらに二次側スイッチング素子を操作するスイッチング操作部（１６）と、
前記一次側スイッチング素子がすべてオフ時の負荷電流が前記二次側整流素子を還流する期間において、前記負荷及び前記平滑インダクタを経由して前記二次側整流素子一つ当たりに還流する電流を素子当負荷電流とし、前記トランスの励磁インダクタに流れる励磁電流について、前記二次側整流素子一つ当たりに流れる電流に換算した励磁電流を換算励磁電流とすると、前記素子当負荷電流の絶対値が前記換算励磁電流の絶対値以上である通常状態から、前記素子当負荷電流の絶対値が前記換算励磁電流の絶対値を下回る逆転状態に移行し、二次側を流れる励磁電流が一次側へ転流したことを一次側又は二次側の電流又は電圧に基づいて判定する状態判定部（１４）と、
を備え、
前記スイッチング操作部は、前記状態判定部による前記通常状態から前記逆転状態に移行したことの判定後、所定の時間範囲内に、次にオンする順番の前記一次側スイッチング素子をターンオンするプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記二次側整流素子に流れる電流を検出する二次側電流センサ（６３、６４）をさらに備え、
前記状態判定部は、いずれかの前記二次側整流素子に流れる電流がゼロになったことを前記二次側電流センサが検出したとき、前記逆転状態に移行したことを判定する請求項１に記載のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記一次側スイッチング素子に流れる電流、又は、前記電源と前記トランスの一次側センタタップとの間に流れる電流を検出する一次側電流センサ（６１、６２、６０）をさらに備え、
前記状態判定部は、二次側から一次側に転流した励磁電流を前記一次側電流センサが検出したとき、前記逆転状態に移行したことを判定する請求項１に記載のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記一次側スイッチング素子のドレイン−ソース間電圧を検出する一次側電圧センサ（６５、６６）をさらに備え、
前記状態判定部は、複数の前記一次側スイッチング素子がいずれもオフ期間中に、前記一次側スイッチング素子のドレイン−ソース間電圧が低下又は上昇したことを前記一次側電圧センサが検出したとき、前記逆転状態に移行したことを判定する請求項１に記載のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記二次側整流素子の両端電圧を検出する二次側電圧センサ（６７、６８）をさらに備え、
前記状態判定部は、複数の前記一次側スイッチング素子がいずれもオフ期間中に、いずれかの前記二次側整流素子の両端電圧が上昇したことを前記二次側電圧センサが検出したとき、前記逆転状態に移行したことを判定する請求項１に記載のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記スイッチング操作部は、
前記逆転状態中に前記一次側スイッチング素子をターンオンする請求項１〜５のいずれか一項に記載のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項７】
前記スイッチング操作部は、
前記一次側スイッチング素子のドレイン−ソース間電圧が降下しゼロ電圧に到達した後、前記一次側スイッチング素子をターンオンする請求項６に記載のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項８】
前記複数の二次側整流素子は、ダイオードである請求項１〜７のいずれか一項に記載のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項９】
前記複数の二次側整流素子は、還流ダイオードが並列に接続された複数の二次側スイッチング素子であり、
前記スイッチング操作部は、
前記通常状態から前記逆転状態に移行する前にオン状態の前記二次側スイッチング素子をターンオフする請求項１〜７のいずれか一項に記載のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の一次側スイッチング素子を交互に動作させ、トランスを介して電力を変換するプッシュプル方式の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、複数のスイッチング素子のオンオフを切り替えて電力を変換する電力変換装置が知られている。この種の電力変換装置において、スイッチング素子のドレイン−ソース間電圧が低下しないうちにスイッチング素子をオンし通電を開始すると、電流と電圧との積によるターンオン損失が発生する。
例えば特許文献１に開示されたプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータは、補助スイッチを操作し、一次側の漏洩インダクタンスを用いて外付けコンデンサの電荷を充放電することにより、メインスイッチの電圧が低下してからターンオンする構成を採用している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２００８／０２０６２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
特許文献１の技術では、外付けコンデンサの電荷を充放電するために補助スイッチが必要となり、部品点数が増加し、体格が増加するという問題がある。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、補助スイッチを用いずに一次側スイッチング素子のターンオン損失を低減するプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、電源（Ｂｔ）と負荷（Ｌｄ）との間に接続され直流電力を変換するプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータに係る発明である。このプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータは、トランス（２０）の励磁インダクタを構成する複数の一次コイル（３１、３２）及び複数の二次コイル（３３、３４）と、複数の一次側スイッチング素子（ＳＷ１、ＳＷ２）と、複数の二次側整流素子（ＳＷ３、ＳＷ４、ＤＩ３、ＤＩ４）と、二次側整流素子と負荷との間に接続される平滑インダクタ（７）と、スイッチング操作部（１６）とを備える。
【０００６】
複数の一次側スイッチング素子は、複数の一次コイルと電源との間に接続され、且つ還流ダイオードが並列に接続されており、交互に動作する。
複数の二次側整流素子は、複数の二次コイルに接続され、二次コイルに流れる電流を整流可能である。例えば二次側整流素子は、ダイオード又はスイッチング素子である。
なお、二次側整流素子がスイッチング素子の構成では、後述の通常状態から逆転状態に移行する前にオン状態の二次側スイッチング素子はターンオフされることを前提とする。
スイッチング操作部は、一次側スイッチング素子を操作する。また、二次側整流素子がスイッチング素子の場合、さらに二次側スイッチング素子を操作する。
【０００７】
一次側スイッチング素子がすべてオフ時の負荷電流が二次側整流素子を還流する期間において、以下のように用語を定義する。
負荷及び平滑インダクタを経由して二次側整流素子一つ当たりに還流する電流を「素子当負荷電流」とし、トランスの励磁インダクタに流れる励磁電流について、二次側整流素子一つ当たりに流れる電流に換算した励磁電流を「換算励磁電流」とする。また、素子当負荷電流の絶対値が換算励磁電流の絶対値以上である状態を「通常状態」と定義し、素子当負荷電流の絶対値が換算励磁電流の絶対値を下回る状態を「逆転状態」と定義する。
スイッチング操作部は、通常状態から逆転状態に移行した後、次にオンする順番の一次側スイッチング素子をターンオンする。
【０００８】
二次側を流れる励磁電流が一次側へ転流し始めると、一次側スイッチング素子のドレイン−ソース間の容量の電荷が放電され、ドレイン−ソース間電圧が降下する。そこで、逆転状態に移行した後に一次側スイッチング素子をターンオンすることにより、通電開始直後の電圧を低下させることができる。つまり、本発明では、励磁電流を利用することにより、従来技術のように別の部品である補助スイッチを追加することなく、簡易な構成でターンオン損失を低減することができる。
【０００９】
好ましくは、スイッチング操作部は、逆転状態中に一次側スイッチング素子をターンオンする。
より好ましくは、スイッチング操作部は、一次側スイッチング素子のドレイン−ソース間電圧が降下しゼロ電圧に到達した後、一次側スイッチング素子をターンオンする。これにより「ゼロボルトスイッチング」を実現し、ターンオン損失を特に低減することができる。
【００１０】
また、逆転状態に移行したことを確実に判断するため、本発明は、状態判定部をさらに備える。状態判定部は、「通常状態から逆転状態に移行し、二次側を流れる励磁電流が一次側へ転流した」ことを一次側又は二次側の電流又は電圧に基づいて判定する。
スイッチング操作部は、状態判定部による判定後、所定の時間範囲内に、次にオンする順番の一次側スイッチング素子をターンオンする。
【００１１】
通常状態から逆転状態に移行したことを状態判定部が判定するための情報として、回路の電流又は電圧を検出する構成には、次のような構成が挙げられる。
［１］二次側電流センサ（６３、６４）により、二次側整流素子に流れる電流がゼロになったことを検出する。
［２］一次側電流センサ（６１、６２、６０）により、一次側スイッチング素子に流れる電流、又は、電源とトランスの一次側センタタップ間とのに流れる電流について、二次側から一次側に転流した励磁電流を検出する。
【００１２】
［３］一次側電圧センサ（６５、６６）により、複数の一次側スイッチング素子がいずれもオフ期間中に、一次側スイッチング素子のドレイン−ソース間電圧が低下又は上昇したことを検出する。
［４］二次側電圧センサ（６７、６８）により、複数の一次側スイッチング素子がいずれもオフ期間中に、いずれかの二次側整流素子の両端電圧が上昇したことを検出する。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】各実施形態に用いられる二次側整流素子がダイオードであるプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成図。
【図２】各実施形態に用いられる二次側整流素子がスイッチング素子であるプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成図。
【図３】プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を示すタイムチャート。
【図４】各実施形態の一次側スイッチング素子オン移行時（負荷電流最小領域）における各部の電流、電圧の変化を示すタイムチャート。
【図５】モード（ａ）、モード（ｂ）での電流経路の図。
【図６】モード（ｄ）、モード（ｅ）、モード（ｆ）での電流経路の図。
【図７】［Ａ］：図６のモード（ｄ）に電圧記号を追加した図。［Ｂ］：回路モデル図。
【図８】第１実施形態による状態移行判定構成を示す模式図。
【図９】第２実施形態による状態移行判定構成を示す模式図。
【図１０】第３実施形態による状態移行判定構成を示す模式図。
【図１１】第４実施形態による状態移行判定構成を示す模式図。
【図１２】スイッチング素子のターンオン損失を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、以下に説明する第１〜第４実施形態を包括して「本実施形態」という。
最初に、プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータの二通りの構成図を図１、図２に示す。これらは二次側整流素子の構成のみが異なり、その他の構成は共通である。図１に示すプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、二次側整流素子としてダイオードＤＩ３、ＤＩ４が用いられる。一方、図２に示すプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２は、二次側整流素子としてスイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４が用いられる。
【００１５】
ただし、各実施形態の特徴は、二次側整流素子の構成そのものではなく、後述する負荷電流最小領域において、通常状態から逆転状態への移行を「状態判定部」が判定するための電流又は電圧の検出構成にある。そして、二次側整流素子がダイオードの構成、及びスイッチング素子の構成共に、いずれの実施形態にも適用可能である。そこで、最初に二通りのプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１、１０２の構成を説明した後、各実施形態の説明に移る。
【００１６】
まず図１を参照し、二次側整流素子がダイオードＤＩ３、ＤＩ４の構成のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１について説明する。プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、電源Ｂｔと負荷Ｌｄとの間に接続され、直流電力を変換する。
プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、トランス２０の励磁インダクタを構成する二組の一次コイル３１、３２及び二次コイル３３、３４、二つの一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、二つの二次側ダイオードＤＩ３、ＤＩ４、及び、平滑インダクタ７等を備える。また、プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１は、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を操作するスイッチング操作部１６（図中、「ＳＷ操作部」と記載）、及び状態判定部１４を備える。
【００１７】
トランス２０は、一次側と二次側との巻数比が「１：Ｎ」となるように構成され、励磁インダクタに励磁電流ＩLmが流れる。励磁電流ＩLmは、各コイル３１、３２、３３、３４を流れる電流Ｉt1、Ｉt2、Ｎ×Ｉt3、Ｎ×Ｉt4の和に等しい。本実施形態では、主に巻数比が１：１の場合を想定して説明する。
一次コイル３１、３２の一端同士は一次側センタタップＣＴ１で接続されており、センタタップＣＴ１は、電源Ｂｔの正極に接続されている。一次コイル３１、３２の他端は、それぞれ一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２を介して電源Ｂｔの負極に接続されている。
【００１８】
二次コイル３３、３４の一端同士は二次側センタタップＣＴ２で接続されており、センタタップＣＴ２は、負荷Ｌｄの一方の端子Ｐｐに接続されている。二次コイル３３、３４の他端は、それぞれダイオードＤＩ３、ＤＩ４のカソードに接続されている。二次側整流素子としてのダイオードＤＩ３、ＤＩ４は、二次コイル３３、３４に流れる電流を整流する。
【００１９】
ダイオードＤＩ３、ＤＩ４のアノードと負荷Ｌｄの他方の端子Ｐｎとの間には、通電により磁気エネルギを蓄積する平滑インダクタ７が接続されている。負荷Ｌｄ及び平滑インダクタ７を流れる電流を負荷電流という。負荷電流ｉLは、負荷Ｌｄから平滑インダクタ７を経由してダイオードＤＩ３、ＤＩ４に向かう方向を正方向とする。
また、負荷Ｌｄと並列に、二次側平滑コンデンサ８が接続されている。
【００２０】
一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、一次コイル３１、３２と電源Ｂｔの負極との間に接続され、且つ還流ダイオードが並列に接続されており、一次コイル３１、３２に正負の電圧を交互に印加するように交互に動作する。
本実施形態では、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２として、ボディダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを用いる。この構成でのボディダイオードは、「還流ダイオード」に含まれるものと解釈する。また、図中、ドレインソース間に存在する容量を容量成分として記号で示す。この容量は、トランジスタ、ダイオードの接合容量と、並列に接続されたコンデンサとの合成容量である。この容量記号は、必ずしも独立したコンデンサ素子を意味しない。
【００２１】
一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２は、ドレインが一次コイル３１、３２に接続され、ソースが電源Ｂｔの負極に接続されている。一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のゲートには、スイッチング操作部１６からゲート信号が入力される。
なお、他の実施形態では、スイッチング素子としてＩＧＢＴ等のトランジスタを用いてもよい。その場合、トランジスタのベース、コレクタ、エミッタを、それぞれゲート相当電極、ドレイン相当電極、ソース相当電極として解釈する。
【００２２】
次に図２を参照し、二次側整流素子がスイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４の構成のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２について、ダイオード構成との相違点を説明する。
プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２では、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４が、二次コイル３３、３４に流れる電流を整流する。二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４もまた、還流ダイオードが並列に接続されている。
本実施形態では、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２と同様に、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４としても、ボディダイオードを有するＭＯＳＦＥＴを用いる。
【００２３】
二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４は、ドレインが二次コイル３３、３４に接続され、ソースが平滑インダクタ７に接続されている。二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４のゲートには、スイッチング操作部１６からゲート信号が入力される。
スイッチング操作部１６は、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に加え、さらに二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４を操作する。具体的には、ＳＷ３、ＳＷ４の通電期間に通電による損失(すなわち、導通損)を低減するため、ＳＷ３、ＳＷ４をオン状態とする「同期整流」を実行する。
【００２４】
なお、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２と同様に、他の実施形態では、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４としてＩＧＢＴ等のトランジスタを用いてもよい。その場合、やはり、トランジスタのベース、コレクタ、エミッタを、それぞれゲート相当電極、ドレイン相当電極、ソース相当電極として解釈する。
以下、適宜「スイッチング素子」を省略し、単に「ＳＷ１〜ＳＷ４」と記す。
【００２５】
次に図３を参照し、プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１、１０２の動作の概要について説明する。
一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のオン、オフ状態に基づき、三通りの区間を定義する。区間ＩではＳＷ１がオン、ＳＷ２がオフである。区間ＩＩでは、ＳＷ１がオフ、ＳＷ２がオンである。区間ＩＩＩでは、ＳＷ１、ＳＷ２共にオフである。プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０１、１０２は、区間Ｉ→ＩＩＩ→ＩＩ→ＩＩＩ→Ｉ・・・というように、ＳＷ１とＳＷ２とが、共にオフの期間を間に挟みながら交互にオンする。
区間ＩＩＩでは、平滑インダクタ７に蓄積された磁気エネルギが減少し、負荷電流ｉLが減少する。一方、区間Ｉ及び区間ＩＩでは、平滑インダクタ７に磁気エネルギが蓄積され、負荷電流ｉLが増加する。
【００２６】
二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４を用い同期整流を行う構成の場合、ＳＷ３は、区間Ｉから区間ＩＩＩに移行した後、ターンオンし、区間ＩＩを過ぎ、区間ＩＩＩから区間Ｉに移行する前にターンオフする。ＳＷ４は、区間ＩＩから区間ＩＩＩに移行した後、ターンオンし、区間Ｉを過ぎ、区間ＩＩＩから区間ＩＩに移行する前にターンオフする。
ここで、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の切替タイミングに対し、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４の切替タイミングを少しずらしているのは、短絡を防止するためのデッドタイムを確保するためである。
【００２７】
以下、負荷電流ｉLが減少から増加に転じる谷の領域、すなわち、区間ＩＩＩから区間Ｉ又は区間ＩＩに移行する領域を「負荷電流最小領域」という。
最小領域における負荷電流ｉLの最小値は、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２をターンオンするタイミングによって決まる。
仮に図１２に示すように、スイッチング素子のドレイン−ソース間（以下、「ＤＳ間」）電圧ｖｄｓがまだ高いうちにスイッチング素子をオンし、電流ｉｓｗが流れ始めると、電流と電圧との積によるターンオン損失が発生するという課題がある。
【００２８】
本実施形態は、プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータの負荷電流最小領域における動作に関し、励磁電流を利用して簡易な構成でターンオン損失を低減することを特徴とする。
以下、負荷電流最小領域における動作を詳しく説明するにあたり、図３に丸印で囲んだ「区間ＩＩＩから区間Ｉに移行する場面」、すなわち、一次側スイッチング素子ＳＷ１をターンオンする場面を代表として説明する。二次側で同期整流を行う構成では、二次側スイッチング素子ＳＷ３をターンオフした後、一次側スイッチング素子ＳＷ１をターンオンする場面となる。
【００２９】
したがって、以下の説明では、二次側スイッチング素子ＳＷ３及び一次側スイッチング素子ＳＷ１の電流、電圧変化について主に言及する。逆の「区間ＩＩＩから区間ＩＩに移行する場面」では、二次側スイッチング素子ＳＷ４及び一次側スイッチング素子ＳＷ２について、電流方向の符号等を適宜設定しつつ、同様に解釈可能である。
【００３０】
続いて、図４のタイムチャート、及び、図５、図６の電流経路図を参照し、本実施形態の負荷電流最小領域における動作を説明する。図５、図６では、二次側整流素子がスイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４である構成について図示する。以下の図中では、後述の数式に用いられる物理量を斜字体で記載する。
【００３１】
図４には、上から順に、負荷電流ｉL及び励磁電流ｉLm、ＳＷ１電流ｉsw1、ＳＷ１電圧ｖsw1、ＳＷ２電圧ｖsw2、ＳＷ３電圧ｖsw3、及び、各スイッチング素子ＳＷ１〜ＳＷ４のゲート電圧、すなわち、スイッチング操作部１６からのオン信号の入力変化を示す。二次側整流素子については、ダイオードＤＩ３、ＤＩ４を用いる構成の場合、ゲート電圧を常に０として示す。また、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４を用いて同期整流を行う構成の場合、ゲート電圧を破線で示す。
【００３２】
ここで、本明細書で用いる用語を定義する。
一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２がすべてオフ時の負荷電流が二次側整流素子ＳＷ３、ＳＷ４を還流する期間において、負荷Ｌｄ及び平滑インダクタ７を経由して二次側整流素子一つ当たりに還流する電流を「素子当負荷電流」とし、トランス２０の励磁インダクタに流れる励磁電流ｉLmについて、区間Ｉ及び区間ＩＩで蓄積される励磁電流値に対し、区間ＩＩＩでの励磁電流変化はないものとし、二次側整流素子一つ当たりに流れる電流に換算した励磁電流ｉLmを「換算励磁電流」とする。
また、素子当負荷電流の絶対値が換算励磁電流の絶対値以上である状態を「通常状態」と定義し、素子当負荷電流の絶対値が換算励磁電流の絶対値を下回る状態を「逆転状態」と定義する。そして、素子当負荷電流と換算励磁電流との大小関係に注目する。
【００３３】
本実施形態の説明において特に断らない限り、二次側整流素子は、電気的仕様が同等のものを二つ備えており、トランス一次側と二次側との巻線比は１：１とする。この場合、素子当負荷電流は（ｉL／２）で表され、換算励磁電流は（ｉLm／２）で表される。
つまり、素子当負荷電流と換算励磁電流とを比較する場合、負荷電流ｉL及び励磁電流ｉLmの２分の１の電流同士を比較することになるため、負荷電流ｉL及び励磁電流ｉLmそのものを比較しても大小関係の判断は同じとなる。そこで図４では、負荷電流ｉL及び励磁電流ｉLmを用いて、両者の大小関係を示している。
【００３４】
本実施形態では、負荷電流最小領域において、（ａ）、（ｂ）、（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）の５つのモードを定義する。なお、モード（ｃ）は存在しない。
図５、図６に、各モードにおける負荷電流ｉLを実線で、励磁電流ｉLmを破線で示す。また、各電流、電圧の正負を以下のように定義する。
【００３５】
負荷電流ｉLは、トランスの二次センタタップＣＴ２から平滑インダクタ７を経由して二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４に向かう方向を正方向とする。
励磁電流ｉLmは、各図中の破線矢印の向きを正方向とする。
スイッチング素子に流れるＳＷ１電流ｉsw1等は、ドレインからソースに向かう順方向、すなわち図の下向きを正方向とする。負方向の電流は、図の矢印とは反対向き、すなわち図の上向きに流れる。
ＳＷ１電圧ｖsw1、ＳＷ３電圧ｖsw3等は、スイッチング素子のＤＳ間電圧を意味し、図の矢印のように、ソース電位を基準としたときのドレイン電位を正の電圧と定義する。ＳＷ２電圧ｖsw2は、ＳＷ１電圧ｖsw1と相補的な関係にあり、破線で示す。
【００３６】
続いて、各モードについて順に説明する。
モード（ａ）では、一次側スイッチング素子ＳＷ２がオン、スイッチング素子ＳＷ１がオフしている。このとき、負荷電流ｉLが励磁電流ｉLm以上である通常状態であり、且つ負荷電流ｉLは次第に増加する。二次側で同期整流を行う構成の場合、破線で示すように二次側スイッチング素子ＳＷ３がオンしている。
モード（ａ）では、一次側に、スイッチング素子ＳＷ２を経由して負荷電流ｉL及び励磁電流ｉLmが流れる。また、二次側に、スイッチング素子ＳＷ３又はダイオードＤＩ３を経由して負荷電流ｉLが流れる。
【００３７】
負荷電流最大時刻ｔａに一次側スイッチング素子ＳＷ２がオフすると、モード（ｂ）に移行し、負荷電流ｉLは増加から減少に転じる。モード（ｂ）では、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２はいずれもオフ状態であり、負荷電流ｉLは、次第に減少するが、励磁電流ｉLm以上の通常状態の範囲である。
二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４により同期整流を行う構成では、モード（ｂ）へ移行したら、ＳＷ４がターンオンされる。また、逆転開始時刻ｔｂの前にＳＷ３がターンオフされる。
モード（ｂ）では、負荷電流ｉL及び励磁電流ｉLmは、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４又はダイオードＤＩ３、ＤＩ４を経由して還流し、一次側には流れない。
【００３８】
負荷電流ｉLが励磁電流ｉLmと等しくなる逆転開始時刻ｔｂを過ぎると、逆転状態であるモード（ｄ）に移行する。モード（ｄ）への移行時には、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２はいずれもオフのままである。また、二次側で同期整流を行う構成の場合、スイッチング素子ＳＷ３は既にオフしている。
【００３９】
ここで、図７を参照し、以下の説明で用いる「ダイオード導通不可電流ｉ」、「一次側転流電流ｉp」及び「二次側残留電流ｉs」の用語について説明する。
図７［Ａ］には、図６のモード（ｄ）の電流経路図を基に、一次側トランス電圧ｖ１及び二次側トランス電圧ｖ２の記号を付記する。一次側トランス電圧ｖ１は、一次コイル３２のセンタタップ側でない一方端の電位を基準として一次コイル３１のセンタタップ側でない一方端の電位を表した電圧である。二次側トランス電圧ｖ２は、二次コイル３３のセンタタップ側でない一方端の電位を基準として二次コイル３４のセンタタップ側でない一方端の電位を表した電圧である。
【００４０】
なお、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４はダイオードＤＩ３、ＤＩ４に置き換えてもよい。一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、及び、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４又は二次側ダイオードＤＩ３、ＤＩ４は、それぞれ電気的仕様が同等の素子が二つ並列に設けられている構成を前提とする。
図７［Ｂ］は、図７［Ａ］、すなわち図６のモード（ｄ）の等価回路を示す回路モデルである。ｉは素子当負荷電流（ｉL／２）から換算励磁電流（ｉLm／２）を減算したダイオード導通不可電流である。ｉpは一次側転流電流、ｉsは二次側残留電流を示す。
Ｃds1、Ｃds2、Ｃds3は、各スイッチング素子のＤＳ間容量である。
【００４１】
二次側の負荷電流ｉLが励磁電流ｉLmを下回ると、励磁電流ｉLmは二次側スイッチング素子ＳＷ３のボディダイオードを導通することができなくなる。そのため、素子当負荷電流（ｉL／２）から換算励磁電流（ｉLm／２）を減算したダイオード導通不可電流ｉの内、一次側スイッチング素子経路と二次側スイッチング素子経路のインピーダンス比を乗算した一次側転流電流ｉpが二次側から一次側に転流する。
【００４２】
この一次側転流電流ｉpは一次側スイッチング素子ＳＷ１と並列に存在するコンデンサの電荷をスイッチング素子ＳＷ２と並列に存在するコンデンサに充電する方向に流れるため、ＳＷ１電流ｉsw1が負となる。転流電流ｉpが流れることにより、ＳＷ１電圧ｖsw1は次第に低下し、ＳＷ２電圧ｖsw2は次第に増加する。そのため、逆転開始時刻ｔｂにＳＷ１電圧ｖsw1の電圧降下が開始する。また、ダイオード導通不可電流ｉから一次側転流電流ｉpを減算した電流を二次側残留電流ｉsとすると、二次側残留電流ｉsによりＳＷ３電圧に並列に存在するコンデンサを充電するため、二次側スイッチング素子ＳＷ３のＤＳ間電圧ｖsw3は上昇する。
【００４３】
ゼロ電圧到達時刻ｔｄにＳＷ１電圧ｖsw1はゼロ電圧まで降下する。
ゼロ電圧到達時刻ｔｄの後の逆転状態の期間であるモード（ｅ）では、ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３の電圧は区間Ｉの定常電圧に達しているため、各ＳＷと並列に存在するコンデンサの充放電電流は流れなくなる。負荷電流ｉLとの差分に相当する励磁電流ｉLmは、すべて一次側を流れ、電源Ｂｔに回生する。
一次側スイッチング素子ＳＷ１のオンオフに関わらず、ＳＷ１電圧ｖsw1がゼロ電圧であるため、トランス２０のコイル３１には区間ＩＩとは逆向きの電圧が印加される。このため、ＳＷ１電流ｉsw1が順方向に増加する。
【００４４】
本実施形態の状態判定部１４は、負荷電流最小領域において通常状態から逆転状態に移行したこと、すなわち、モード（ｂ）からモード（ｄ）、（ｅ）に移行したことを、一次側又は二次側の電流又は電圧の情報に基づいて判定し、スイッチング操作部１６に通知する。
スイッチング操作部１６は、状態判定部１４による判定後、所定の時間範囲内に、「次にオンする順番の一次側スイッチング素子」であるＳＷ１をターンオンする。「所定の時間範囲内」の意味は、各実施形態の説明で後述する。
スイッチング操作部１６は、モード（ｄ）又はモード（ｆ）でＳＷ１をターンオンしてもよいが、好ましくは、モード（ｅ）の期間中にＳＷ１をターンオンする。これにより、ＳＷ１電圧ｖsw1がゼロ電圧状態での「ゼロ電圧スイッチング」が実現される。
【００４５】
モード（ｅ）でＳＷ１電流ｉsw1が順方向に増加し、一次側の電源Ｂｔに流れる電流値と等しくなる通常状態復帰時刻ｔｅを過ぎると、通常状態であるモード（ｆ）に移行する。モード（ｆ）では、一次側スイッチング素子ＳＷ１がオン状態で、ＳＷ１電流ｉsw1が順方向に流れる。以後、正のＳＷ１電流ｉsw1が次第に増加する。
【００４６】
以上のように、本実施形態では、状態判定部１４による「逆転状態への移行判定」に基づくタイミングで、スイッチング操作部１６が「次にオンする順番の一次側スイッチング素子」をターンオンすることを特徴とする。これにより、ターンオン損失を低減するための適切なスイッチングタイミングを簡易な構成で決定することができる。
次に、状態判定部１４が通常状態から逆転状態への移行を判定するための電流又は電圧の検出構成に係る具体的な実施形態を、図８〜図１１を参照して説明する。図８〜図１１では、代表として二次側整流素子がスイッチング素子の構成であるプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ１０２を図示する。また、各実施形態で検出される電流又は電圧の記号を追記する。
【００４７】
（第１実施形態）
第１実施形態による状態判定の構成について、図８を参照して説明する。
図８に示す構成では、二次側整流素子を通る電流経路に二次側電流センサ６３、６４が設けられている。電流センサ６３、６４は、それぞれ、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４に流れる電流ｉsw3、ｉsw4を検出する。また、二次側整流素子がダイオードＤＩ３、ＤＩ４の構成では、二次側電流センサ６３、６４は、ダイオードＤＩ３、ＤＩ４に流れる電流ｉdi3、ｉdi4をそれぞれ検出する。以下の説明では、「ＳＷ３電流ｉsw3及びＳＷ４電流ｉsw4」を、適宜「ＤＩ３電流ｉdi3及びＤＩ４電流ｉdi4」と読み替えるものとする。
【００４８】
図６に示す逆転状態のモード（ｄ）に移行すると、励磁電流ｉLmが一次側に転流し、一次側スイッチング素子ＳＷ１に負方向のＳＷ１電流ｉsw1が流れ始める。さらにモード（ｅ）に移行すると、二次側に流れる励磁電流ｉLmがゼロとなる。電流センサ６３は、二次側スイッチング素子ＳＷ３に流れる電流ｉsw3がゼロとなったことを検出する。同様に、図３の区間ＩＩＩから区間ＩＩへの移行時には、電流センサ６４が、二次側スイッチング素子ＳＷ４に流れる電流ｉsw4がゼロとなったことを検出する。
【００４９】
状態判定部１４は、いずれかの二次側整流素子ＳＷ３、ＳＷ４又はＤＩ３、ＤＩ４に流れる電流がゼロになったことを二次側電流センサ６３、６４が検出したとき、逆転状態に移行したことを判定する。スイッチング操作部１６は、状態判定部１４による判定後、所定の時間範囲内に、一次側スイッチング素子ＳＷ１又はＳＷ２をターンオンする。
【００５０】
ここでは、一次側スイッチング素子ＳＷ１をターンオンする場合について記載する。
モード（ｅ）に移行したタイミングで逆転状態への移行を判定する第１実施形態では、判定時点で既にＳＷ１電圧ｖsw1がゼロ電圧まで降下している。したがって、判定直後にＳＷ１をターンオンすれば、ゼロ電圧スイッチングを実現することができる。
また、少なくとも、モード（ｄ）で逆転状態になり、ＳＷ１電圧ｖsw1が低下し始めた後にＳＷ１をターンオンすることにより、通常状態であるモード（ｂ）期間中にターンオンする場合に比べ、ターンオン損失を低減することができる。
【００５１】
したがって、以下の第２〜第４実施形態を含めた本実施形態では、特許文献１のように補助スイッチ等を設けることなく、励磁電流ｉLmの転流作用を利用した簡易な構成で、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のターンオン損失を低減することができる。
【００５２】
（第２実施形態）
第２実施形態による状態判定の構成について、図９を参照して説明する。
図９に示す構成では、一次側の電流経路に一次側電流センサ６１、６２、６０が設けられている。電流センサ６１、６２は、それぞれ、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２に流れる電流ｉsw1、ｉsw2を検出する。電流センサ６０は、電源Ｂｔとトランス２０の一次側センタタップＣＴ１との間に流れる電流ｉbtを検出する。電流センサ６１、６２の組と電流センサ６０とは、少なくともいずれか一方が設けられればよい。
【００５３】
図６に示す逆転状態のモード（ｄ）に移行すると、励磁電流ｉLmが一次側に転流し、一次側スイッチング素子ＳＷ１に負方向のＳＷ１電流ｉsw1が流れ始める。電流センサ６１は、励磁電流ｉLmの転流によって生じたＳＷ１電流ｉsw1をモード（ｄ）、（ｅ）にわたって検出する。同様に、図３の区間ＩＩＩから区間ＩＩへの移行時には、電流センサ６２が、励磁電流ｉLmの転流によって生じたＳＷ２電流ｉsw2をモード（ｄ）、（ｅ）にわたって検出する。また、モード（ｅ）では、電流センサ６０は、一次側に転流し電源Ｂｔに回生する励磁電流ｉLmを検出する。
【００５４】
状態判定部１４は、二次側から一次側に転流した励磁電流ｉLmを一次側電流センサ６１、６２、６０が検出したとき、逆転状態に移行したことを判定する。スイッチング操作部１６は、状態判定部１４による判定後、所定の時間範囲内に、一次側スイッチング素子ＳＷ１又はＳＷ２をターンオンする。
【００５５】
ここでは、一次側スイッチング素子ＳＷ１をターンオンする場合について記載する。
電流センサ６１、６２を用いる場合、モード（ｄ）に移行したタイミングで逆転状態への移行を判定可能である。このようにモード（ｄ）移行タイミングで判定する場合、判定直後にＳＷ１をターンオンしても、モード（ｂ）期間中にターンオンする場合に比べてＳＷ１電圧ｖsw1が低下しているため、ターンオン損失を低減することができる。
【００５６】
より好ましくは、実験やシミュレーション等によって求めたＳＷ１電圧ｖsw1の降下時間を「遅延時間」として予め記憶しておき、モード（ｄ）移行タイミングでの判定から、遅延時間後にＳＷ１をターンオンするとよい。
或いは、モード（ｄ）からモード（ｅ）への移行時におけるＳＷ１電流ｉsw1の値を判定閾値として設定し、電流センサ６１によるＳＷ１電流ｉsw1の検出値が判定閾値に達した時点で、逆転状態に移行したことを判定するようにしてもよい。
【００５７】
これにより、ＳＷ１電圧ｖsw1がゼロ電圧まで降下し、モード（ｅ）に移行した時点でＳＷ１をターンオンし、ゼロ電圧スイッチングを実現することができる。よって、ターンオン損失を特に低減することができる。
なお、電流センサ６０を用い、モード（ｅ）に移行したタイミングで逆転状態への移行を判定する場合には、第１実施形態と同様に、判定直後にＳＷ１をターンオンすれば、ゼロ電圧スイッチングを実現することができる。
【００５８】
（第３実施形態）
第３実施形態による状態判定の構成について、図１０を参照して説明する。
図１０に示す構成では、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２のＤＳ間電圧ｖsw1、ｖsw2をそれぞれ検出する一次側電圧センサ６５、６６が設けられている。ここで、「電圧センサ」とは、独立した計器に限らず、分圧抵抗を用いた検出回路等の電圧検出手段全般を含む。電圧センサ６５、６６は、少なくともいずれか一方が設けられればよい。
【００５９】
図６に示す逆転状態のモード（ｄ）に移行するとき、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２はいずれもオフしている。そして、モード（ｄ）に移行すると、励磁電流ｉLmが一次側に転流し、一次側スイッチング素子ＳＷ１のＤＳ間電圧ｖsw1が低下し始めると共に、一次側スイッチング素子ＳＷ２のＤＳ間電圧ｖsw2が上昇し始める。その後、モード（ｅ）になると、ＳＷ１電圧ｖsw1及びＳＷ２電圧ｖsw2は一定値となる。
このとき、電圧センサ６５はＳＷ１電圧ｖsw1の低下を検出し、電圧センサ６６はＳＷ２電圧ｖsw2の上昇を検出する。図３の区間ＩＩＩから区間ＩＩへの移行時には、逆に、電圧センサ６６がＳＷ２電圧ｖsw2の低下を検出し、電圧センサ６５がＳＷ１電圧ｖsw1の上昇を検出する。
【００６０】
状態判定部１４は、モード（ｄ）で一次側に転流した励磁電流ｉLmによる一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２の電圧低下又は上昇を電圧センサ６５、６６が検出したとき、逆転状態に移行したことを判定する。スイッチング操作部１６は、状態判定部１４による判定後、所定の時間範囲内に、一次側スイッチング素子ＳＷ１又はＳＷ２をターンオンする。ターンオンタイミングの考え方は、第２実施形態と同様である。
【００６１】
（第４実施形態）
第４実施形態による状態判定の構成について、図１１を参照して説明する。
図１１に示す構成では、二次側スイッチング素子ＳＷ３、ＳＷ４のＤＳ間電圧ｖsw3、ｖsw4をそれぞれ検出する二次側電圧センサ６７、６８が設けられている。また、二次側整流素子がダイオードＤＩ３、ＤＩ４の構成では、二次側電圧センサ６７、６８は、ダイオードＤＩ３、ＤＩ４の両端電圧ｖdi3、ｖdi4をそれぞれ検出する。以下の説明では、「ＳＷ３電圧ｖsw3及びＳＷ４電圧ｖsw4」を、適宜「ＤＩ３電圧ｖdi3及びＤＩ４電圧ｖdi4」と読み替えるものとする。スイッチング素子のＤＳ間電圧を含めて「二次側整流素子の両端電圧」という。また、「電圧センサ」とは、独立した計器に限らず、分圧抵抗を用いた検出回路等の電圧検出手段全般を含む。
【００６２】
図６に示す逆転状態のモード（ｄ）に移行するとき、一次側スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２はいずれもオフしている。そして、モード（ｄ）に移行すると、励磁電流ｉLmが一次側に転流し、一次側スイッチング素子ＳＷ１のＤＳ間電圧ｖsw1が低下し始めると共に、二次側スイッチング素子ＳＷ３のＤＳ間電圧ｖsw3が上昇し始める。その後、モード（ｅ）になると、ＳＷ３電圧ｖsw3は上昇後の値で一定となる。このとき、電圧センサ６７は、ＳＷ３電圧ｖsw3の上昇を検出する。同様に、図３の区間ＩＩＩから区間ＩＩへの移行時には、電圧センサ６８がＳＷ４電圧ｖsw4の上昇を検出する。
【００６３】
状態判定部１４は、モード（ｄ）で一次側に転流した励磁電流ｉLmによる二次側整流素子ＳＷ３、ＳＷ４又はＤＩ３、ＤＩ４の電圧上昇を電圧センサ６７、６８が検出したとき、逆転状態に移行したことを判定する。スイッチング操作部１６は、状態判定部１４による判定後、所定の時間範囲内に、一次側スイッチング素子ＳＷ１又はＳＷ２をターンオンする。ターンオンタイミングの考え方は、第２実施形態と同様である。
【００６４】
（その他の実施形態）
上記第１〜第４実施形態では、スイッチング操作部１６は、状態判定部１４による判定に基づいて、通常状態から逆転状態に移行したことを確実に判断し、一次側スイッチング素子ＳＷ１又はＳＷ２をターンオンする。
なお、参考形態のプッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータは状態判定部を備えなくてもよい。その場合、スイッチング操作部１６が「決め打ち」やフィードフォワード制御によって逆転状態の時期を判断し、逆転状態中、又は逆転状態以後に、一次側スイッチング素子ＳＷ１又はＳＷ２をターンオンする。
【００６５】
上記では、二次側整流素子が二つ並列接続された構成においてトランス一次側と二次側との巻線比が１：１の場合について説明しているため、全励磁電流ｉLmを１とすると、二次側整流素子一つ当たりに流れる換算励磁電流は（１／２）となる。
これに対し、二次側整流素子が二つ並列接続され、巻線比が１：Ｎの場合、換算励磁電流は（１／２Ｎ）となる。また、一般に二次側整流素子がＭ個並列接続された構成では、換算励磁電流は（１／（Ｍ×Ｎ））となる。
【００６６】
図４のタイムチャートでは、負荷電流ｉL及び励磁電流ｉLmの符号を反転することなく直接比較できるように、正負方向を設定している。ただし、電流方向の定義によっては、適宜、符号を反転して比較することが必要となる場合もある。一般化して言うと、「通常状態」及び「逆転状態」の判定は、「素子当負荷電流の絶対値」と「換算励磁電流の絶対値」との比較に基づいて行われるものである。
【００６７】
本発明において、電源Ｂｔや負荷Ｌｄの具体的な種類、或いは、入力電圧ｖin、出力電圧ｖoutの具体的な数値範囲は問わない。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
【符号の説明】
【００６８】
１０１、１０２・・・プッシュプル型ＤＣ／ＤＣコンバータ、
１４・・・状態判定部、
１６・・・スイッチング操作部、
２０・・・トランス、
３１、３２・・・一次コイル、
３３、３４・・・二次コイル
７  ・・・平滑インダクタ、
ＳＷ１、ＳＷ２・・・一次側スイッチング素子、
ＤＩ３、ＤＩ４・・・ダイオード（二次側整流素子）、
ＳＷ３、ＳＷ４・・・二次側スイッチング素子（二次側整流素子）。
【図１】
0006519456.tif 000002
【図２】
0006519456.tif 000003
【図３】
0006519456.tif 000004
【図４】
0006519456.tif 000005
【図５】
0006519456.tif 000006
【図６】
0006519456.tif 000007
【図７】
0006519456.tif 000008
【図８】
0006519456.tif 000009
【図９】
0006519456.tif 000010
【図１０】
0006519456.tif 000011
【図１１】
0006519456.tif 000012
【図１２】
0006519456.tif 000013