(57)【要約】【課題】  ＤＣ／ＤＣコンバータでスイッチング損失と伝導損失との間の最適なバランスを獲得する。【解決手段】  ＤＣ／ＤＣコンバータ１０は、１次側及び２次側を有する変圧器５０と、入力電圧に亘って接続され且つ第１及び第２のスイッチング回路３４、３８を備える第１の脚部１８と、入力電圧に亘って接続され且つ第３及び第４のスイッチング回路４２、４６を備える第２の脚部２２と、を有する１次側のブリッジ整流器１４と、スイッチコントローラ９０と、を備える。コントローラ９０は、スイッチング損失を減少させるためゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を用いて第３及び第４のスイッチング回路４２、４６を制御し、伝導損失を減少させるためハードスイッチングを用いて第１及び第２のスイッチング回路３４、３８を制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電圧を出力電圧に変換すると共に１次側及び２次側を有する変圧器を備えるＤＣ／ＤＣコンバータであって、
前記１次側と導通すると共に、前記入力電圧に亘って接続され且つ第１のスイッチング回路及び第２のスイッチング回路を備える第１の脚部と、前記入力電圧に亘って接続され且つ第３のスイッチング回路及び第４のスイッチング回路を備える第２の脚部と、を備える、１次側ブリッジ整流器と、
前記第３のスイッチング回路及び前記第４のスイッチング回路を制御するためゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を用い、前記第１のスイッチング回路及び前記第２のスイッチング回路を制御するためハードスイッチングを用いる、スイッチコントローラと、
を備える、ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記スイッチコントローラは、第１の半サイクルの間に、前記第４のスイッチング回路をＺＶＳでオフにし、前記第３のスイッチング回路をＺＶＳでオンにし、前記第１のスイッチング回路をハードスイッチングでオフにする、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記コントローラは、第２の半サイクルの間に、前記第２のスイッチング回路をハードスイッチングでオンにし、前記第３のスイッチング回路をＺＶＳでオフにし、前記第４のスイッチング回路をＺＶＳでオンにし、前記第２のスイッチング回路をハードスイッチングでオフにする、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記コントローラは、第１の半サイクルの間に、前記第４のスイッチング回路をＺＶＳでオフにし、前記第３のスイッチング回路をＺＶＳでオンにし、前記第１のスイッチング回路をハードスイッチングでオフにし、
前記コントローラは、第２の半サイクルの間に、前記第２のスイッチング回路をハードスイッチングでオンにし、前記第３のスイッチング回路をＺＶＳでオフにし、前記第４のスイッチング回路をＺＶＳでオンにし、前記第２のスイッチング回路をハードスイッチングでオンにする、請求項１に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記第１のスイッチング回路は、第１のゲートを有する第１のトランジスタと、該第１のトランジスタに反並列に接続された第１のダイオードと、を備える、請求項４に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記第２のスイッチング回路は、第２のゲートを有する第２のトランジスタと、該第２のトランジスタに反並列に接続された第２のダイオードと、を備える、請求項５に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項７】
前記第３のスイッチング回路は、第３のゲートを有する第３のトランジスタと、該第３のトランジスタに反並列に接続された第３のダイオードと、該第３のダイオードに並列に接続された第１のコンデンサと、を備える、請求項６に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項８】
前記第４のスイッチング回路は、第４のゲートを有する第４のトランジスタと、該第４のトランジスタに反並列に接続された第４のダイオードと、該第４のダイオードに並列に接続された第２のコンデンサと、を備える、請求項７に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項９】
前記第４のスイッチング回路は、前記第１の半サイクルの間に、オフにされ、前記第２のコンデンサは充電され、前記第１のコンデンサは放電される、請求項８に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１０】
前記第３のスイッチング回路は、前記第１のコンデンサが放電した後、オンにされる、請求項９に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１１】
前記第１のスイッチング回路は、前記第３のスイッチング回路がオンにされたときオフにされる、請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１２】
前記第３のスイッチング回路は、前記第２の半サイクルの間に前記第２のスイッチング回路がオンにされた後、オフにされる、請求項８に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１３】
前記第３のスイッチング回路がオフにされたとき、前記第１のコンデンサは放電し、前記第２のコンデンサは充電する、請求項１２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１４】
前記第４のスイッチング回路は、前記第２のコンデンサが放電されたとき、オンにされる、請求項１３に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１５】
入力電圧に亘って接続され且つ第１のスイッチング回路及び第２のスイッチング回路を備える第１の脚部と、前記入力電圧に亘って接続され且つ第３のスイッチング回路及び第４のスイッチング回路を備える第２の脚部と、を備える、１次側ブリッジ整流器を有するＤＣ／ＤＣコンバータを作動させる方法であって、
第１の半サイクルの間に、
前記第１のスイッチング回路をハードスイッチングでオンにし、
前記第４のスイッチング回路をゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）でオフにし、
前記第３のスイッチング回路を前記ＺＶＳでオンにし、
前記第１のスイッチング回路をハードスイッチングでオフにする、各工程を備える、方法。
【請求項１６】
第２の半サイクルの間に、
前記第２のスイッチング回路をハードスイッチングでオンにし、
前記第３のスイッチング回路を前記ＺＶＳでオフにし、
前記第４のスイッチング回路を前記ＺＶＳでオンにし、
前記第２のスイッチング回路をハードスイッチングでオフにする、各工程を更に備える、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
ＤＣ／ＤＣコンバータであって、
第１の脚部と、
第２の脚部と、
伝導損失を減少するため前記第１の脚部でハードスイッチングを用い、スイッチング損失を減少するため前記第２の脚部でゼロ電圧を用いるコントローラと、
を備える、ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１８】
前記第１の脚部及び前記第２の脚部と導通すると共に、１次側及び２次側を備える、変圧器を更に備える、請求項１７に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項１９】
入力電圧源を更に備え、前記第１の脚部は、該入力電圧源に亘って接続されると共に、第１のスイッチング回路及び第２のスイッチングを有する、請求項１７に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２０】
前記第２の脚部は、前記入力電圧に亘って接続されると共に、第３のスイッチング回路及び第４のスイッチング回路を備え、前記コントローラは、前記第３のスイッチング回路及び前記第４のスイッチング回路を制御するためゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を用い、前記第１のスイッチング回路及び前記第２のスイッチング回路を制御するためハードスイッチングを用いる、請求項１９に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、ＤＣ／ＤＣコンバータに係り、より詳しくは、ＤＣ／ＤＣコンバータ内の伝導損失及びスイッチング損失を減少する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＤＣ／ＤＣコンバータは、該ＤＣ／ＤＣコンバータへの入力電圧とは異なる電圧レベルで出力電圧を生成する。例えば、ＤＣ／ＤＣコンバータは、一般に、ＤＣ入力電圧をより高い出力電圧に増大させるか、又は、ＤＣ入力電圧をより低い出力電圧に減少させるため使用される。更には、ＤＣ／ＤＣコンバータは、電気的絶縁及びパワーバスの調整を提供する。ＤＣ／ＤＣコンバータは、パーソナルコンピュータ用の電源、事務所設備、宇宙船の電源システム、ラップトップ型コンピュータ、通信伝達設備及びＤＣモータードライブ等を始めとして様々な用途で用いられている。
【０００３】
ＤＣ／ＤＣコンバータへの入力は、典型的には、未調整のＤＣ電圧である。ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧とは異なる大きさ及び／又は極性を有する調整出力電圧を発生する。典型的なＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を調整し、変換するため、例えばＭＯＳＦＥＴ、ＩＧＢＴ、ＢＪＴ及びサイリスタ等のスイッチング回路を用いる。コンは、スイッチング回路のスイッチング周波数及びシーケンスを制御して、所望の出力電圧を発生させる。例えば、コントローラは、スイッチング回路のデューティサイクルを変更するため、パルス幅変調（ＰＷＭ）法のアプローチを実施することができる。ＰＷＭを用いる場合、スイッチング周波数は一定であり、デューティサイクルは、負荷及び電圧の要求量に従って変化する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ＤＣ／ＤＣコンバータは、典型的には、コンバータの入力及び出力を絶縁させている変圧器を備える。変圧器は、スイッチング回路にかかる歪を減少させ、スイッチング回路の効率を改善する。従来のＰＷＭコンバータは、電流がスイッチング回路を通って流れるとき該スイッチング回路をオフにする。これは、一般に、ハードスイッチングと称される。ハードスイッチングが高周波で使用されるとき、比較的高いスイッチング損失が発生する。スイッチング損失は、ハードスイッチングが利用される高いパワー、高い電圧の用途において特に顕著となる。
【０００５】
スイッチング損失を減少させるため、ＤＣ／ＤＣコンバータは、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）又はゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）のいずれかを実行する。これらは、一般にソフトスイッチングと称されている。ＺＣＳを使用する素子では、スイッチング回路は、該スイッチング回路を通って流れる電流がゼロであるときオフにされる。ＺＶＳを使用する素子では、スイッチング回路は、該スイッチング回路間の電圧がゼロであるときオンにされる。これらの２つの異なるアプローチのいずれも、スイッチング損失と伝導損失との間の最適なバランスを獲得していない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力電圧を出力電圧に変換すると共に１次側及び２次側を有する変圧器を備える。１次側ブリッジ整流器は、１次側と導通し、入力電圧に亘って接続された第１の脚部を備える。第１の脚部は、第１のスイッチング回路及び第２のスイッチングを有する。第２の脚部は、入力電圧に亘って接続され、第３のスイッチング回路及び第４のスイッチング回路を有する。コントローラは、第３及び第４のスイッチング回路を制御するためゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）を用い、第１及び第２のスイッチング回路を制御するためハードスイッチングを用いる。
【０００７】
他の特徴では、コントローラは、第１の半サイクルの間に、第４のスイッチング回路をＺＶＳでオフにし、第３のスイッチング回路をＺＶＳでオンにし、第１のスイッチング回路をハードスイッチングでオフにする。
【０００８】
更に他の特徴では、コントローラは、第２の半サイクルの間に、第２のスイッチング回路をハードスイッチングでオンにし、第３のスイッチング回路をＺＶＳでオフにし、第４のスイッチング回路をＺＶＳでオンにし、第２のスイッチング回路をハードスイッチングでオフにする。
【０００９】
更に他の特徴では、第１のスイッチング回路は、第１のゲートを有する第１のトランジスタと、該第１のトランジスタに反並列に接続された第１のダイオードと、を備える。第２のスイッチング回路は、第２のゲートを有する第２のトランジスタと、該第２のトランジスタに反並列に接続された第２のダイオードと、を備える。第３のスイッチング回路は、第３のゲートを有する第３のトランジスタと、該第３のトランジスタに反並列に接続された第３のダイオードと、該第３のダイオードと並列に接続された第１のコンデンサと、を備える。第４のスイッチング回路は、第４のゲートを有する第４のトランジスタと、該第４のトランジスタに反並列に接続された第４のダイオードと、該第４のダイオードと並列に接続された第２のコンデンサと、を備える。
【００１０】
更に他の特徴では、第１の半サイクルの間に、第４のスイッチング回路がオフにされたとき、第２のコンデンサが充電され、第１のコンデンサが放電される。第３のスイッチング回路は、第１のコンデンサが放電した後にオンにされる。第１のスイッチング回路は、第３のスイッチング回路がオンにされたとき、オフにされる。第３のスイッチング回路は、第２の半サイクルの間に、第２のスイッチング回路がオンにされた後にオフにされる。第３のスイッチング回路がオフにされたとき、第１のコンデンサは放電し、第２のコンデンサは、放電する。第４のスイッチング回路は、第２のコンデンサが放電されたときオンされる。
【００１１】
本発明の用途の更なる領域は、後述される詳細な説明から明らかとなろう。詳細な説明及び特定の実施例は、本発明の好ましい実施例を指し示しているが、例示のみの目的として意図されており、本発明の範囲を限定するものではない。
【００１２】
本発明は、次の詳細な説明及び添付図面からより完全に理解されるようになるであろう。
【実施例】
【００１３】
好ましい実施例の次の説明は、本質的に単なる例示にしか過ぎず、本発明、その用途又は使用法を限定するものではない。明瞭にするという目的のため、同じ参照番号を、同様の構成要素を同定するため図面中で使用する。
【００１４】
本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、伝導損失及びスイッチングの損失を選択的に減少させるためハードスイッチング及びＺＶＳの両方を選択的に用いる。図１は、スイッチング損失及び伝導損失がかなり減少した状態で作動するＤＣ／ＤＣコンバータ１０の簡略図である。コンバータ１０は、第１のバスライン２６と第２のバスライン３０との間で接続された、第１の脚部１８と第２の脚部２２とを有する１次側ブリッジ１４を備える。第１の脚部１８には、第１のスイッチング回路３４と、該回路３４と直列に接続された第２のスイッチング回路３８と、が設けられている。第２の脚部２２には、第３のスイッチング回路４２と、該回路４２と直列に接続された第４のスイッチング回路４６と、が設けられている。
【００１５】
第１のスイッチング回路３４は、第１のダイオードＤ１と並列に接続された第１のスイッチング素子Ｑ１を備える。第２のスイッチング回路３８は、第２のダイオードＤ２と並列に接続された第２のスイッチング素子Ｑ２を備える。第３のスイッチング回路４２は、第３のダイオードＤ３及び第１のコンデンサＣ３と並列に接続された第３のスイッチング素子Ｑ３を備える。第４のスイッチング回路４６は、第４のダイオードＤ４及び第２のコンデンサＣ４と並列に接続された第４のスイッチング素子Ｑ４を備える。
【００１６】
スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４は、高い周波数、高い電力スイッチングに適した任意のスイッチング回路を用いることができる。例えば、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４は、金属−酸化物−半導体電界効果型トランジスター（ＭＯＳＦＥＴ）、絶縁ゲート型バイポーラトランジスター（ＩＧＢＴ）、バイポーラ型トランジスター（ＢＪＴ）、又は、他の適切なトランジスターを使用することができる。簡便にするため、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４を、明細書中では単にスイッチと称する。
【００１７】
コンバータ１０は、１次コイル５４、２次コイル５８及び漏れインダクターＬlkgを有する変圧器５０を更に備えている。１次コイル５４の反対側端部は、第３のスイッチング回路４２と第４のスイッチング回路４６との間で第２の脚部２２に接続されている。１次側ブリッジ１４は、第１及び第２のバスライン２６及び３０の間で接続された第１のフィルターコンデンサＣinも備えている。１次側ブリッジは、ＤＣ入力電圧Ｖinを提供する例えばバッテリー等のＤＣ電源に接続される。
【００１８】
コンバータ１０は、２次側ブリッジ整流器６２を更に備えている。該整流器６２は、第３のバスライン７４及び第４のバスライン７８の間で接続された、第３の脚部６６及び第４の脚部７０を備える。第３の脚部６６は、第５のスイッチング回路８２と直列接続された変圧器５０の２次コイル５８を備えている。該第５のスイッチング回路は、第５のダイオードＤ５と、該ダイオードＤ５と並列接続された第５のスイッチング素子Ｓ１とを備える。第４の脚部７０は、第６のスイッチング回路８６を備えている。該第６のスイッチング回路８６は、第６のダイオードＤ６と、該ダイオードＤ６と並列接続された第６のスイッチング素子Ｓ２とを備える。整流器６２は、第３及び第４のバスライン７４及び７８の間で接続された第２のフィルターコンデンサＣｏを更に備える。第３のバスライン７４は、第４の脚部７０と第２のフィルターコンデンサＣｏとの間で接続された、第１のインダクターＬ１を備える。第２のインダクターＬ２は、第１のインダクターＬ１と変圧器５０の第２のコイル５８とに並列に接続される。
【００１９】
コントローラ９０は、スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｓ１及びＳ２に接続されており、スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｓ１及びＳ２の作動を制御する。コントローラ９０は、スイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｓ１及びＳ２の作動を制御するのに適した任意の制御素子であってもよい。例えば、マイクロプロセッサ、プログラム可能な論理コントローラ（ＰＬＣ）、用途を特定した積分回路（ＡＳＩＣ）、回路、又は他の任意の素子を使用してもよい。コントローラ９０は、オン位置とオフ位置との間でスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３、Ｑ４、Ｓ１及びＳ２を連続的に切り替えるためパルス幅変調（ＰＷＭ）方式を利用する。
【００２０】
より詳しくは、コントローラ９０は、Ｖｉｎにより形成された電流信号をチョッピングするようにスイッチＱ１〜Ｑ４の切り替え状態を制御するため所望のデューティサイクルを実施する。チョッピングされた電流は、デューティサイクルに従って１次コイル５４を通って流れ、これにより、変圧器５０内に電磁場を生成する。この電磁場は、２次コイル５８を流れる電流を発生する。この電流は、スイッチＳ１及びＳ２の適切なスイッチングシーケンスにより整流される。このスイッチングシーケンスは、コントローラ９０により制御される。
【００２１】
整流された電流は、所望の電圧レベルを有する電圧Ｖｏを、第３及び第４のバスライン７４及び７８に亘って接続された負荷（図示せず）に提供する。コントローラ９０により実施されるデューティサイクルは、既知のＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング損失及び伝導損失に比してスイッチング損失及び伝導損失をかなり減少させた状態でコンバータ１０を作動させるシーケンスでオン位置とオフ位置との間でスイッチＱ１〜Ｑ４を切り替える。
【００２２】
図２は、１デューティサイクルＴｓの間にスイッチＱ１、Ｑ２、Ｑ３及びＱ４を制御するためコントローラ９０により使用される制御信号を示した状態図１００である。この状態図１００は、デューティサイクルＴｓの間に、第１のインダクターＬ１を通って流れる電流ｉL1、スイッチＳ２を通って流れる電流ｉd1、及び、変圧器５０の２次コイル５８を通って流れる電流ｉTsの電流パターンも示している。
【００２３】
第１の半サイクルの間、スイッチングシーケンスは、次の通り進行する。即ち、スイッチＱ４は、時刻ｔ1でオフにされる（ソフトスイッチング）。コンデンサＣ4は、Ｖinまで充電され、コンデンサＣ3は、０Ｖになるまで放電される。スイッチＱ３は、ゼロ電圧のスイッチングでオンにされる。スイッチＱ１は、直ちにオフにされる。これはスイッチＱ１のハードスイッチングである。スイッチング損失が幾らか存在するが、伝導損失が減少したことで全体として実質的に節約となっている。
【００２４】
次の第２の半サイクルは、次の通り進行する。即ち、時刻ｔ3で、スイッチＱ２がオンにされる。これは、ハードスイッチングのオンである。スイッチＱ３は、その前の半サイクルからなおもオンのままである。スイッチＱ３は、ゼロ電圧のソフトスイッチングでオフにされてもよい。コンデンサＣ3は充電され、コンデンサＣ4は放電される。コンデンサＣ4が０ボルトに達したとき、スイッチＱ４は、ゼロ電圧スイッチングでオンにされる。スイッチＱ２は、オフにされる。これは、ハードスイッチングの切り替えである。
【００２５】
当業者は、本発明の幅広い教えを様々な形態で実施することができることを前記したことから理解することができる。このため、本発明は、その特定の例と関連して説明されたが、本発明の真の範囲は、それに限定されるべきではない。図面、明細書及び添付した請求の範囲を研究したとき当業者には他の様々な変更が明らかであるからである。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、本発明に係る、ＺＶＳとハードスイッチングとの組み合わせを用いてスイッチング損失及び伝導損失の結合損失を減少させたコントローラを備えるＤＣ／ＤＣコンバータの簡略図である。
【図２】図２は、本発明に係るスイッチング回路を制御するためコントローラにより使用される制御信号を示す。
【符号の説明】
【００２７】
１０    ＤＣ／ＤＣコンバータ
１４    １次側ブリッジ
１８    第１の脚部
２２    第２の脚部
２６    第１のバスライン
３０    第２のバスライン
３４    第１のスイッチング回路
３８    第２のスイッチング回路
４２    第３のスイッチング回路
４６    第４のスイッチング回路
５０    変圧器
５４    １次コイル
５８    ２次コイル
６２    ２次側ブリッジ整流器
６６    第３の脚部
７０    第４の脚部
７４    第３のバスライン
７８    第４のバスライン
８２    第５のスイッチング回路
８６    第６のスイッチング回路
９０    スイッチコントローラ
【図１】
2005065497.tif 000003
【図２】
2005065497.tif 000004