(57)【要約】【課題】簡便な回路構成でＤＣ−ＤＣコンバータの効率及び損失を改善する。【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、入力側のプラスの端子Ｔｉ１と、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力側におけるマイナスの端子Ｔｙ２とを接続する電圧調整接続線Ｌとを有する。絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２における中間出力端子Ｔｙ１は端子Ｔｏ１に接続されている。端子Ｔｉ１及び端子Ｔｉ２は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２における入力側の端子Ｔｘ１及びＴｘ２に接続されている。端子Ｔｉ２はグランドラインＧにより端子Ｔｏ２に接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力側第１極性部及び入力側第２極性部に入力された直流電流がスイッチング素子を介して絶縁トランスの一次巻線に入力され、該スイッチング素子をＰＷＭ駆動することにより前記トランスの二次巻線から中間出力第１極性部及び中間出力第２極性部に出力する絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと、
前記入力側第１極性部と前記中間出力第２極性部とを接続する電圧調整接続線と、
を有し、
前記中間出力第１極性部を出力側第１極性部と接続し、前記入力側第２極性部を出力側第２極性部と接続することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
請求項１記載のＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、
２つの電圧を比較して前記スイッチング素子の駆動を制御する比較器を有し、
前記比較器は、前記出力側第１極性部の電圧と前記出力側第２極性部の電圧とを比較することを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、絶縁型のＤＣ−ＤＣコンバータを一部に用い、効率を向上させることのできるＤＣ−ＤＣコンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から様々なＤＣ−ＤＣコンバータが幅広い分野で使用されている。ＤＣ−ＤＣコンバータの中でも半導体スイッチによりスイッチング動作するスイッチングレギュレータは効率が高いが、近年、電子機器の省電力化、小型化、高性能化等に伴い、さらなる効率の向上が望まれている。
【０００３】
ＤＣ−ＤＣコンバータにおける損失の要因としては、スイッチング素子損失（スイッチング損失、定常損失）、トランス損失（銅損、鉄損）、主回路Ｒ／Ｃ／Ｌ損失、及び制御回路消費電力等が挙げられる。これらの損失は、大容量化にともなって増大する。
【０００４】
簡便な回路で大容量化するものとして、特許文献１では図１３に示す回路を提案している。この回路では、正極側及び負極側に半導体スイッチ９００及び９０１を直列接続したリアクタ９０２の一次巻線９０２ａで受け、該一次巻線９０２ａと並列に第１コンデンサ９０３を設け、該第１コンデンサ９０３の両端と一次巻線９０２ａとの間にダイオード９０４ａ、９０４ｂを挿入している。
【０００５】
リアクタ９０２の二次巻線９０２ｂと並列にダイオード９０４ｃと第２コンデンサ９０５との直列回路を設けている。
【０００６】
この回路では、第１コンデンサ９０３の両端に発生する電圧と、第２コンデンサ９０５の両端に発生する電圧が加算されて昇圧作用を奏するとともに、半導体スイッチ９００及び９０１のスイッチング周波数を高めることができて、小型化が可能である。
【０００７】
【特許文献１】特許３４６６４４８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、上記の従来技術で、入力電圧に対して一次側にエネルギーを充放電させ、二次側に出力を発生させているために損失が生じている。
【０００９】
本発明は上記の課題を考慮してなされたものであり、簡便な回路構成で効率及び損失を改善することができるＤＣ−ＤＣコンバータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、入力側第１極性部及び入力側第２極性部に入力された直流電流がスイッチング素子を介して絶縁トランスの一次巻線に入力され、該スイッチング素子をＰＷＭ駆動することにより前記トランスの二次巻線から中間出力第１極性部及び中間出力第２極性部に出力する絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータと、前記入力側第１極性部と前記中間出力第２極性部とを接続する電圧調整接続線とを有し、前記中間出力第１極性部を出力側第１極性部と接続し、前記入力側第２極性部を出力側第２極性部と接続することを特徴とする。
【００１１】
このように、内部に絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを設け、入力側第１極性部と中間出力第２極性部とを電圧調整接続線で接続することにより、最終出力で得られる電圧は、入力電圧と絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータによる中間出力電圧とを加算した電圧となる。また、このうち入力電圧に相当する分は、出力としてそのまま利用されることから損失がなく、全体としての損失は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの損失だけに抑えることができる。
【００１２】
この場合、２つの電圧を比較して前記スイッチング素子の駆動を制御する比較器を有し、前記比較器は、前記出力側第１極性部の電圧と前記出力側第２極性部の電圧とを比較するようにしてもよい。これにより、入力電圧が変動した場合でも安定した出力電圧を得ることができる。比較器は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータに標準的に設けられていることから、これを利用することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータによれば、内部に絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータを設け、入力側第１極性部と中間出力第２極性部とを電圧調整接続線で接続することにより、最終出力で得られる電圧は、入力電圧と絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータによる中間出力電圧とを加算した電圧となる。また、このうち入力電圧に相当する分は、出力電圧としてそのまま利用されることから損失がなく、全体としての損失は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの損失だけに抑えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータについて実施の形態を挙げ、添付の図１〜図１２を参照しながら説明する。
【００１５】
図１に示すように、本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、内部に絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２と、出力側で電圧を安定化させる出力キャパシタ１４とを有し、直流のソース電源１１の電圧を電圧変換して負荷Ｒに供給するものである。
【００１６】
ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、入力側にプラスの入力端子（入力側第１極性部）Ｔｉ１及びマイナスの入力端子（入力側第２極性部）Ｔｉ２を有し、出力側にプラスの出力端子（出力側第１極性部）Ｔｏ１及びマイナスの出力端子（出力側第２極性部）Ｔｏ２を有している。
【００１７】
絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、入力側にプラスの入力端子Ｔｘ１及びマイナスの入力端子Ｔｘ２を有し、出力側にプラスの中間出力端子（中間出力側第１極性部）Ｔｙ１及びマイナスの中間出力端子（中間出力側第２極性部）Ｔｙ２を有している。
【００１８】
なお、これらの各端子は、説明上の基準点として規定しているのであって、必ずしも実体上の端子として存在している必要なない。また、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０内で他の構成要素と明確に区別可能である必要はない。
【００１９】
絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２における中間出力端子Ｔｙ１は端子Ｔｏ１に接続されている。端子Ｔｉ１及び端子Ｔｉ２は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２における入力側の端子Ｔｘ１及びＴｘ２に接続されている。
【００２０】
また、端子Ｔｉ１は、電圧調整接続線Ｌにより中間出力端子Ｔｙ２に接続されている。端子Ｔｉ２はグランドラインＧにより端子Ｔｏ２に接続されている。
【００２１】
絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、スイッチング部２０と、絶縁部２２と、平滑部２４と、比較器２６と、発振部２８とを有する。スイッチング部２０は、端子Ｔｘｉ及びＴｙｉに入力された少なくとも一方の直流電流をスイッチング素子のＰＷＭ動作によって微小時間毎にオン・オフして絶縁部２２に供給する。スイッチング部２０のＰＷＭは発振部２８によって制御されている。
【００２２】
絶縁部２２は、絶縁トランスを有し、スイッチング部２０で微小時間毎にオン・オフされて供給される電力をトランスによって一次巻線から二次巻線に絶縁して電圧変換する。
【００２３】
平滑部２４は、絶縁部２２から供給される交流状の電圧をダイオードによって整流するとともにキャパシタによって平滑化して直流を出力する。なお、最終の出力段に出力キャパシタ１４が設けられている場合には、平滑部２４内のキャパシタは省略してもよい。
【００２４】
平滑部２４で得られた直流は、プラス側が中間出力端子Ｔｙ１に接続され、マイナス側が中間出力端子Ｔｙ２に接続されている。平滑部２４で得られ、中間出力端子Ｔｙ１と中間出力端子Ｔｙ２との間に発生する電圧を中間電圧Ｖｍと呼ぶ。
【００２５】
比較器２６は、２つの電圧を比較して前記スイッチング素子の駆動を制御するものであって、第１減算器３０と、第２減算器３２と、基準電圧生成部３４とを有する。第１減算器３０及び第２減算器３２は、２つの入力電圧の減算を行い、得られた減算値を出力する機能を有する。基準電圧生成部３４は、中間電圧Ｖｍの目標となる基準電圧Ｖ１を高精度で生成する。
【００２６】
第１減算器３０は、中間出力端子Ｔｙ１の電圧から中間出力端子Ｔｙ２の電圧を減算して、その減算値、つまり中間電圧Ｖｍを出力する。第２減算器３２は、減算値である中間電圧Ｖｍから基準電圧Ｖ１を減算して制御量ε＝Ｖｍ−Ｖ１を発振部２８に供給する。
【００２７】
発振部２８では、制御量εに基づいてスイッチング部２０をＰＷＭ制御を行うことになる。つまり、発振部２８では、中間電圧Ｖｍが基準電圧Ｖ１よりも高いときにはε＞０となり、εの値に応じて発振周波数又はデューティ比を下げ、中間電圧Ｖｍが基準電圧Ｖ１よりも低いときにはε＜０となり、εの値に応じて発振周波数又はデューティ比を上げるような制御を行う。また、Ｖｍ＝Ｖ１であるときには、ε＝０となり、その時点の発振状態を維持する。比較器２６によれば、中間電圧Ｖｍを基準電圧Ｖ１に精度良く一致させることができる。
【００２８】
このように構成されるＤＣ−ＤＣコンバータ１０では、内部に絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が設けられ、入力側の端子Ｔｉ１と中間出力の端子Ｔｙ２が電圧調整接続線Ｌで接続されていることから、最終出力で得られる出力電圧Ｖｏは、入力電圧Ｖｉと絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２による中間電圧Ｖｍとを加算した電圧（Ｖｏ＝Ｖｉ＋Ｖｍ）となる。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０は、入力電圧Ｖｉを出力電圧Ｖｏまで昇圧する作用を奏する。例えば、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が２倍の昇圧型であるときには、出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｉ＋Ｖｍ＝Ｖｉ＋２Ｖｉ＝３Ｖｉ、となり、３倍の昇圧となる。また、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が０．５倍の降圧型であるときには、出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｉ＋Ｖｍ＝Ｖｉ＋０．５Ｖｉ＝１．５Ｖｉ、となり、１．５倍の昇圧となる。さらに、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が絶縁機能だけの１倍型であるときには、出力電圧Ｖｏは、Ｖｏ＝Ｖｉ＋Ｖｍ＝Ｖｉ＋Ｖｉ＝２Ｖｉ、となり、２倍の昇圧となる。
【００２９】
また、出力電圧Ｖｏのうち入力電圧Ｖｉに相当する分は、出力としてそのまま利用されることから損失がなく、全体としての損失は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の損失だけに抑えることができる。
【００３０】
具体的には、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の効率がρ（０＜ρ＜１）であり、絶縁機能だけの１倍型であるときには、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の全体としては２倍の昇圧であり、このうち１倍（つまり半分）の効率がρで、その他の入力電圧Ｖｉが直接的に利用される分は効率が１である。したがって、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の全体としての効率は、（１＋ρ）／２である。例えば、ρ＝０．６である場合には、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０の全体としての効率は、（１＋０．６）／２＝０．８となり、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の単体での効率ρ＝０．６よりも相当に改善されている。つまり、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０では、昇圧作用と効率の改善作用が得られることになる。
【００３１】
次に、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０についての２つの変形例であるＤＣ−ＤＣコンバータ１００及び２００について図２及び図３を参照しながら説明する。ＤＣ−ＤＣコンバータ１００及び２００において、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０と同じ個所については同符号を付してその詳細な説明を省略する。これらのＤＣ−ＤＣコンバータ１００及び２００についてもＤＣ−ＤＣコンバータ１０と同様の効果が得られる。
【００３２】
図２に示すように、第１の変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータ１００では、比較器２６に入力される電圧が、前記のＤＣ−ＤＣコンバータ１０の場合と異なり、第１減算器３０は、中間出力端子Ｔｙ１の電圧から出力端子Ｔｏ２の電圧を減算して、その減算値、つまり出力電圧Ｖｏを出力する。また、基準電圧生成部３４は、出力電圧Ｖｏの目標となる基準電圧Ｖ２を高精度で生成する。
【００３３】
このような比較器２６を有するＤＣ−ＤＣコンバータ１００では、ソース電源１１に太陽電池を用いた場合のように入力電圧Ｖｉが変動することがあっても、出力電圧Ｖｏを安定して基準電圧Ｖ２に精度良く一致させることができる。
【００３４】
また、比較器２６は絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２に標準的に設けられていることから、第１減算器３０に対する入力を変更するだけで利用可能である。
【００３５】
図３に示すように、第２の変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータ２００では、ＤＣ−ＤＣコンバータ１０と同様に絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２が内部に設けられ、各端子間の接続のみが異なっている。
【００３６】
すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータ２００では、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２における中間出力端子Ｔｙ２は端子Ｔｏ２に接続されている。端子Ｔｉ１及び端子Ｔｉ２は、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２における入力側の端子Ｔｘ１及びＴｘ２に接続されている。
【００３７】
また、端子Ｔｉ２は、電圧調整接続線Ｌにより中間出力端子Ｔｙ１に接続されている。端子Ｔｉ１はプラスラインＳにより端子Ｔｏ１に接続されている。
【００３８】
比較器２６における第１減算器３０は、出力端子Ｔｏ１の電圧から中間出力端子Ｔｙ２の電圧を減算して、その減算値、つまり出力電圧Ｖｏを出力する。また、基準電圧生成部３４は、出力電圧Ｖｏの目標となる基準電圧Ｖ２を高精度で生成する。
【００３９】
このようなＤＣ−ＤＣコンバータ２００は、前記のＤＣ−ＤＣコンバータ１００と比較して接続極性が逆になったものであり、該ＤＣ−ＤＣコンバータ１００と同様に、出力電圧Ｖｏを安定して基準電圧Ｖ２に精度良く一致させることができる。
【００４０】
次に、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の種々の例について図４〜図１２を参照しながら説明する。なお、図４〜図１２に示す絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２では、前記の比較器２６及び発振部２８は省略して図示している。また、各例では、スイッチング部２０のスイッチング素子としてＦＥＴを例示しているが、これに限らず、パワートランジスタ、ＩＧＢＴ等を用いてもよいことはもちろんである。
【００４１】
図４に示すように、第１例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、他励式のフライバック・コンバータ型である。
【００４２】
図５に示すように、第２例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、自励式のフライバック・コンバータ型であり、自励発振回路３００によりスイッチング素子３０２を駆動するものである。
【００４３】
図６に示すように、第３例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、フォワード・コンバータ型であり、リセット式１式石フォワード３０４を用いている。
【００４４】
図７に示すように、第４例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、２つのスイッチング素子３０２によるプッシュプル回路３０６を利用する方式である。プッシュプル回路３０６では、２つのスイッチング素子３０２を交互に駆動し、トランスの利用率を向上させることができる。プッシュプル回路３０６では、２つのスイッチング素子３０２が動じにオンとならないように適度なデッドタイムを設ける。
【００４５】
図８に示すように、第５例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、２つのスイッチング素子３０２によるハーフブリッジ３０８を利用する方式である。
【００４６】
図９に示すように、第６例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、４つのスイッチング素子３０２によるフルブリッジ３１０を利用する方式である。
【００４７】
図１０に示すように、第７例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、一次コイル３１２とキャパシタ３１４の並列回路による電圧共振を利用する方式である。
【００４８】
図１１に示すように、第８例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、コイル３１６とキャパシタ３１８の直列回路による電流共振を利用する方式である。
【００４９】
図１２に示すように、第９例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、絶縁型のＣｕｋコンバータを利用する方式である。
【００５０】
本発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータは、上述の実施の形態に限らず、本発明の要旨を逸脱することなく、種々の構成を採り得ることはもちろんである。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本実施の形態に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図２】第１の変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図３】第２の変形例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図４】第１例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図５】第２例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図６】第３例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図７】第４例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図８】第５例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図９】第６例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１０】第７例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１１】第８例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１２】第９例に係る絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図１３】従来例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【符号の説明】
【００５２】
１０、１００、２００…ＤＣ−ＤＣコンバータコンバータ
１１…ソース電源                      １２…絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータ
１４…出力キャパシタ                  ２０…スイッチング部
２２…絶縁部                          ２４…平滑部
２６…比較器                          ２８…発振部
３０…第１減算器                      ３２…第２減算器
３４…基準電圧生成部                  Ｇ…グランドライン
Ｌ…電圧調整接続線                    Ｒ…負荷
Ｔｉ１…入力端子（入力側第１極性部）
Ｔｉ２…入力端子（入力側第２極性部）
Ｔｏ１…出力端子（出力側第１極性部）
Ｔｏ２…出力端子（出力側第１極性部）
Ｔｙ１…中間出力端子（中間出力側第１極性部）
Ｔｙ２…中間出力端子（中間出力側第２極性部）
Ｖ１、Ｖ２…基準電圧                  Ｖｉ…入力電圧
Ｖｍ…中間電圧                        Ｖｏ…出力電圧
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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