(57)【要約】【課題】  従来の降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータでは大きな降圧比を得ることが困難であった。【解決手段】  E1は直流電源であり、スイッチ素子S1，S2を同時にオンさせるとコンデンサC1とC2は並列接続の状態で出力側（E0側）に電圧を放出する。また，S1，S2を同時にオフさせるとC1とC2は直列接続の状態で電源E1より充電される。すなわち、コンデンサの充電は直列で、放電は並列で行われる。この動作を高速で繰り返すことにより，同じ通流率に対して、通常の降圧コンバータより低い電圧に変換することができる。出力電圧E0はスイッチの通流率を変えることにより調整できる。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
a)直流電源と直列に接続された第１コイルL1と、
b)一対の対向辺にそれぞれコンデンサC1、C2が、他の一対の対向辺にそれぞれスイッチS1、S2が前記電源に関して順方向に配置された四端子回路があって、その四端子回路の一組の対向頂点が前記a)と並列に、また他の対向頂点がダイオードDと並列に接続された回路と、
c)前記b)のダイオードの両端に接続された第２コイルL２及びコンデンサC0
を備えることを特徴とする降圧形DC-DCコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的簡単な構成でありながら大きな降圧比と高効率を得ることができるDC-DCコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
パソコン等の普及に伴い、数KVA容量のUPS（無停電電源装置）の普及がはかられており、また、環境対策の面から分散電源の普及が期待されている。エネルギー蓄積要素としてバッテリや電気二重層キャパシタを用いる場合、そのセル数を減らすことがコスト低減の有効な手段とされる（非特許文献１参照。）。
しかし、セル数の減少はそれらの直流電圧定格を低下させることになり、電力系統の直流電圧（300[V]程度）からそれらを充電するには、大きな降圧比を持ったＤＣ−ＤＣコンバータが必要となる。また、その他の電源回路においても広い降圧比幅を必要とすることも多い。これに対し、複数のコンバータを直列または並列に組み合わせる方法も考えられるが（特許文献１参照。）、回路の複雑さや効率の低下を招くことから、簡単な回路で高降圧比と高効率を実現するコンバータ回路が望まれている。
【特許文献１】「特許公開２００５−２７４８８号」
【非特許文献１】「燃料電池発電システム用パワーコンディショナ」、松下電工技報、Mar. ２００２  小新、東浜、岡本
【０００３】
直流電源電圧よりも低い直流出力電圧を得るためには、スイッチングを用いた降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータが広く使用されている。図１に示す従来の降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータでは、スイッチング素子S1を高速でオンオフさせることにより、ダイオードDの両端にパルス状の電圧を得、それをコイルLとコンデンサC0で平滑して、電源電圧E1より低い出力電圧E0を得ている。このとき、より低い電圧を得るにはスイッチングの周期に対するS1のオン時間の割合（通流率）を小さく取る必要がある。しかし、オン時間を短くし過ぎると入力電流のピーク値が大きくなり、スイッチング素子の損失が増えるため、効率が低下する。また、入力電流や出力電圧の変動（リプル）も大きくなるという難点をもっている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
したがって、本発明が解決しようとする課題は、従来の降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータでは高効率と低リプルを維持しつつ、大きな降圧比を得ることが不可能なことである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記課題を解決するための本発明は、a)直流電源に直列に接続された第１コイルL1と、b)一対の対向辺にそれぞれコンデンサC1、C2が、他の一対の対向辺にそれぞれスイッチS1、S2が前記電源に対して順方向に配置された四端子回路があって、その四端子回路の一組の対向頂点が前記a)と並列に、また他の対向頂点がダイオードDと並列に接続された回路と、c)前記ダイオードの両端に接続された第２コイルL２およびコンデンサC0を備えることを特徴とする降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータに係わるものである。
なお、請求項１のダイオードの代わりに、これと同様に動作する補助スイッチと置き換えることができる。
【発明の効果】
【０００６】
本発明におけるコンバータ回路によれば、従来回路に比べて、同じ通流率に対しより低い出力電圧を比較的簡単な回路で得ることができる。また、同じ出力電圧に対して入力電流および出力電圧のリプルをより小さくできる。このため、一般需要家に設置されるUPSや太陽電池などを用いた分散電源のエネルギー蓄積回路等に応用できる経済的な高降圧比コンバータを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
次に、本発明の実施形態を説明する。
【実施例１】
【０００８】
本発明のコンバータ回路の実施例１を図２に示す。図のE1は高圧直流電源であり、スイッチ素子S1，S2を同時にオンさせるとコンデンサC1とC2は並列接続の状態で出力側（E0側）に電圧を放出する。また，S1，S2を同時にオフさせるとC1とC2は直列接続の状態で電源E1より充電される。すなわち、コンデンサの充電は直列で、放電は並列で行われる。この動作を高速で繰り返すことにより，同じ通流率に対して、通常の降圧コンバータより低い電圧に変換することができる。出力電圧E0はスイッチの通流率を変えることにより調整できる。
【０００９】
スイッチS1，S2の通流率をαとしたとき、図２に示した回路の出力電圧E0と電源電圧E1の関係は次式で与えられる。
【００１０】
【数１】
2008228413.tif 000003
これに対し、図１に示した従来の降圧形コンバータの出力電圧E0と電源電圧E1の関係は次式で与えられる。
【００１１】
【数２】
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【００１２】
本発明のコンバータ回路の基本動作を確かめるため、以下に示すようなパラメータで図２の回路を構成し、実験した。
E1=100[V]、L1=L2=700[uH]、C1=C2=10[uF]、C0=1000[uF]、スイッチング周波数fs=16[kHz]、抵抗負荷R0=200[Ω]
【００１３】
図３は(1)式で与えられる理論出力電圧と実測値を比較したものである。この図より、実測値は理論値とよく一致していることが分かる。また、比較のため(2)式に示した従来形コンバータの理論出力の値もこのグラフにプロットしている。これより、従来の降圧コンバータに比べて同一出力電圧を得るのにより広いパルス幅が使用できる。したがってコンバータを入力電流リプルや出力電圧リプルの小さい領域で運転できることを示している。
【００１４】
たとえば、通流率α＝0.5，0.3，0.1としたとき，本発明回路の出力電圧は0.33 E1，0.17 E1，0.05 E1であるのに対し，従来形は0.5 E1，0.3 E1，0.1 E1となり、本発明回路は従来回路の約1/2の電圧を出力することができる。
【実施例２】
【００１５】
図４は図２のダイオードDを半導体スイッチ素子（たとえばMOSFET）S3で置き換えた場合を示す。基本的な降圧動作は、スイッチS1，S2とS3に内蔵されるダイオード（寄生ダイオード）により実施例１と同様に行われるが、S1，S2のオフ期間にS3のゲートへ図５に示すようなパルスを加えることにより，ダイオードのオン損失を低減し，コンバータの変換効率を改善することができる。
【００１６】
効率改善効果を確かめるため、以下に示すようなパラメータで図４の回路を構成し、実験した。
E1=100[V]、L1=L2=700[uH]、C1=C2=10[uF]、C0=1000[uF]、fs=16[kHz]、抵抗負荷
【００１７】
図６(a),(b)に実験結果を示す。スイッチS3にゲートパルスを加えることにより，通流率α=0.8で平均1[%]，α=0.6で平均2[%]の効率改善が見られ、その効果が確認された。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
本発明の降圧形ＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、同じ通流率で運転する従来の降圧形コンバータ回路と比較して、より低い出力電圧を供給できるとともに、より良好な入出力リプル特性を持つ事、また基本回路のダイオードをスイッチ素子で置き換え、それにゲートパルスを加えることで変換効率が改善できることが確認できた。したがって、大きな降圧比を必要とする各種電源装置、たとえば一般需要家に設置されるUPSや分散電源用パワーコンディショナ等に応用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来の降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータの回路図である。
【図２】第１の実施例の降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図である。
【図３】第１の実施例の降圧形ＤＣ／ＤＣコンバータの出力特性である。
【図４】第２の実施例の降圧形ＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図である。
【図５】第２の実施例におけるゲートパルスのタイミングを示す図である。
【図６】第２の実施例の降圧形ＤＣ／ＤＣコンバータの効率特性である。
【符号の説明】
【００２０】
E1  直流電源電圧（高電圧）
E2  直流出力電圧（低電圧）
L1  第１コイル
C1,C2  コンデンサ
S1,S2  スイッチ
D  ダイオード
L2  第２コイル
C0  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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