(57)【要約】【課題】  低価格化かつ小型化が可能で、入力電圧の変動によらず常に高い変換効率で直流電源から所定の電圧へ変換できる直流電源装置を得ることを目的とする。【解決手段】  広い入力電圧範囲を持つ直流電源装置において、トランスに印加される電圧は入力電圧範囲に依存するが、スイッチング素子とコンデンサからなる回路において、入力電圧を分圧するようにスイッチング素子およびコンデンサを配置し、トランスに印加される電圧を一定の範囲内に抑えるようにした。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力端子と、
上記入力端子に接続された入力コイルと、
上記入力コイルに接続される第一の入力コンデンサと、
上記第一の入力コンデンサと並列に接続される少なくとも２つの第二の入力コンデンサと、
上記第二の入力コンデンサと並列に接続され、少なくとも２組直列に接続される動作状態切替スイッチングＦＥＴおよびメインＦＥＴと、
上記少なくとも２つの第二の入力コンデンサの間と、少なくとも２つのメインＦＥＴの間を、直列に接続する少なくとも２つの動作状態切替ＦＥＴと、
上記それぞれの組の動作状態切替スイッチングＦＥＴとメインＦＥＴの間を接続する少なくとも２つの第三の入力コンデンサと、
上記少なくとも２つのメインＦＥＴと少なくとも２つの第三の入力コンデンサの間を接続する１次コイルと、２次コイルを有したトランスと、
上記トランスの２次コイルの両端にそれぞれ逆極性で接続される整流素子と、
上記トランスの２次コイルの中間に接続されるチョークコイルと、
上記チョークコイルと整流素子の間を接続する出力コンデンサと、
を備えたハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、ハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ハーフブリッジ型ＤＣ/ＤＣコンバータは、一般の電子機器に使用される絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの一種である。ハーフブリッジ型ＤＣ/ＤＣコンバータは、トランスの利用効率が高く比較的回路構成が簡単である。また、ハーフブリッジ型ＤＣ/ＤＣコンバータは、スイッチング素子に印加される電圧が入力電圧に等しく、比較的高い入力電圧、かつ数十Ｗ〜数ｋＷのスイッチング電源として広く利用されている。
【０００３】
スイッチング電源が組み込まれる電子機器は、近年、機器全体の小型化、低消費電力化が望まれており、ハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータにおいても小型化、高効率化が強く求められている。図４は従来のハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータを示したものである。従来のハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、一次電源が接続される入力端子１と、ノイズ抑制の為の入力コイル２と、ノイズ抑制の為の入力コンデンサ３と、同じ容量を持ち直列に接続された入力コンデンサ１２，１３と、メインＦＥＴ（Field effect transistor）９，１０と、トランス１４と、ダイオード１５，１６と、チョークコイル１７と、出力コンデンサ１８と、出力端子１９から構成される。入力コイル２は入力端子１に接続される。入力コンデンサ３は入力コイル２の後段に接続される。メインＦＥＴ９，１０は入力コンデンサ３の後段に接続される。入力コンデンサ１２，１３はメインＦＥＴ９，１０の後段に接続される。入力コンデンサ３、メインＦＥＴ９，１０、入力コンデンサ１２，１３は、入力コイル２に対して並列に接続される。トランス１４は、一次コイルの一方端がメインＦＥＴ９，１０の間に接続され、一次コイルの他方端が入力コンデンサ１２，１３の間に接続される。トランス１４は、二次コイルの一方端がダイオード１５に接続され、二次コイルの他方端がダイオード１６に接続される。ダイオード１５とダイオード１６はアノードが向き合うように直列に接続される。トランス１４の二次コイルの一方端と他方端の間にチョークコイル１７が接続される。出力コンデンサ１８はチョークコイル１７の後段に接続され、またチョークコイル１７は出力端子１９に接続される。ダイオード１５と出力コンデンサ１８は並列に接続される。
【０００４】
図４において、入力端子１に入力電圧が印加されると、入力コンデンサ１２，１３はそれぞれ入力電圧の半分の電圧に充電される。この状態でメインＦＥＴ９，１０が交互にオン／オフを繰り返すことにより、トランス１４に対して電圧振幅が入力電圧に等しい交流電圧が印加される。トランス１４は印加された交流電圧を一次二次巻き数比で降圧または昇圧し、かつ絶縁し出力する。トランス１４の出力はダイオード１５，１６で整流された後、チョークコイル１７、出力コンデンサ１８により平滑され出力端子１９から直流電圧が出力される。このとき、メインＦＥＴ９，１０をＰＷＭ（Pulse Width Modulation）制御することにより所望の出力電圧を得ることができる。
【０００５】
以上のことより、入力電圧が変動しても所望の電圧を得ることができるが、入力電圧が高くなると、トランス１４に印加される電圧も入力電圧に依存した大きな電圧振幅を持つ交流となる。トランス１４に印加される電圧振幅が大きくなると、トランス１４に発生する磁束の振幅が大きくなることにより発熱が増大すること、トランス１４が飽和することにより過大な入力電流が発生することなどの欠点があった。
【０００６】
そのため例えば特許文献１に示すように、トランスの一次側に巻き線を２種類設け、入力電圧が低い場合には巻数の少ない巻線を使用し、入力電圧が高い場合には巻数の多い巻線を使用して、トランスに発生する磁束の振幅を入力電圧が低い場合と同程度に抑える方法が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平１１−２６２２５８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に示す構成の電源においては、トランスの巻数を可変にするために余分な巻線が必要になり、トランスの大型化を招く欠点があった。さらには入力電圧が高い場合も低い場合も同一のスイッチング素子を使用するため、オン抵抗の大きな高耐圧のスイッチング素子を使用する必要があり、入力電圧が低い場合にスイッチング素子の導通損失が増大する欠点もあった。
【０００９】
この発明は係る課題を解決するためになされたものであって、入力電圧変動に応じてトランスの一次側に巻き線を複数種類設けることなく、スイッチング素子に印加される電圧を低く抑える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】
この発明によるハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力端子と、上記入力端子に接続された入力コイルと、上記入力コイルに接続される第一の入力コンデンサと、上記第一の入力コンデンサと並列に接続される少なくとも２つの第二の入力コンデンサと、上記第二の入力コンデンサと並列に接続され、少なくとも２組直列に接続される動作状態切替スイッチングＦＥＴおよびメインＦＥＴと、上記少なくとも２つの第二の入力コンデンサの間と、少なくとも２つのメインＦＥＴの間を、直列に接続する少なくとも２つの動作状態切替ＦＥＴと、上記それぞれの組の動作状態切替スイッチングＦＥＴとメインＦＥＴの間を接続する少なくとも２つの第三の入力コンデンサと、上記少なくとも２つのメインＦＥＴと少なくとも２つの第三の入力コンデンサの間を接続する１次コイルと、２次コイルを有したトランスと、上記トランスの２次コイルの両端にそれぞれ逆極性で接続される整流素子と、上記トランスの２次コイルの中間に接続されるチョークコイルと、上記チョークコイルと整流素子の間を接続する出力コンデンサとを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明によれば、入力電圧変動によってトランスの巻数を可変にするための余分な巻線を不要とし、またトランスだけではなくスイッチング素子に印加される電圧も一定の低い電圧範囲に抑えたＤＣ／ＤＣコンバータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施の形態１によるハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。
【図２】実施の形態１によるハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明するための図である。
【図３】実施の形態１によるハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの動作を説明するための図である。
【図４】従来のハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
以下、図１を用いてこの発明に係る実施の形態１について説明する。図１は実施の形態１によるハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの構成を示した図である。図１において、ハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、一次電源が接続される入力端子１と、ノイズ抑制の為の入力コイル２と、ノイズ抑制の為の入力コンデンサ３と、同じ容量を持ち直列に接続された入力コンデンサ４，５と、動作状態切替ＦＥＴ６，７と、動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１と、メインＦＥＴ９，１０と、同じ容量を持ち直列に接続された入力コンデンサ１２，１３と、トランス１４と、整流素子であるダイオード１５，１６と、チョークコイル１７と、出力コンデンサ１８と、出力端子１９を備えて構成される。
【００１４】
入力コイル２は入力端子１に接続される。入力コンデンサ３は入力コイル２の後段に接続される。入力コンデンサ４，５は、入力コンデンサ３の後段に接続される。メインＦＥＴ９，１０と動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１の直列回路は、入力コンデンサ４，５の後段に接続される。入力コンデンサ３と入力コンデンサ４，５とメインＦＥＴ９，１０は並列に接続されている。動作状態切替ＦＥＴ６，７の直列回路は、入力コンデンサ４，５の中間とメインＦＥＴ９，１０の中間に接続される。入力コンデンサ１２，１３はメインＦＥＴ９，１０の後段で、動作状態切替スイッチングＦＥＴ８とメインＦＥＴ９の中間と、メインＦＥＴ１０と動作状態切替スイッチングＦＥＴ１１の中間に接続される。入力コンデンサ３、入力コンデンサ４，５、メインＦＥＴ９，１０と動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１の直列回路、入力コンデンサ１２，１３は、入力コイル２に対して並列に接続される。トランス１４は、一次コイルの一方端がメインＦＥＴ９，１０の間に接続され、一次コイルの他方端が入力コンデンサ１２，１３の間に接続される。トランス１４の一次コイルの一方端は動作状態切替ＦＥＴ６，７に接続される。
【００１５】
トランス１４は、二次コイルの一方端がダイオード１５に接続され、二次コイルの他方端がダイオード１６に接続される。ダイオード１５とダイオード１６はアノードが向き合うように直列に接続される。トランス１４の二次コイルの一方端と他方端の間にチョークコイル１７が接続される。出力コンデンサ１８はチョークコイル１７の後段に接続され、またチョークコイル１７は出力端子１９に接続される。ダイオード１５と出力コンデンサ１８は並列に接続される。
なお、トランス１４の二次コイル、ダイオード１５、ダイオード１６、チョークコイル１７、出力コンデンサ１８、出力端子１９は図４に示した従来の構成と同じである。
【００１６】
次に、動作について説明する。図２は、実施の形態１による図１のハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの各構成部の動作を説明するための図である。図２において、横軸を時間ｔとし、図１の各部分の電流・電圧波形を示している。ここで、図２（ａ）はメインＦＥＴ９，動作状態切替スイッチングＦＥＴ１１の駆動信号を示し、（ｂ）はメインＦＥＴ１０，動作状態切替スイッチングＦＥＴ８の駆動信号を示し、（ｃ）はメインＦＥＴ９，動作状態切替スイッチングＦＥＴ１１の電圧を示し、（ｄ）はメインＦＥＴ１０，動作状態切替スイッチングＦＥＴ８の電圧を示し、（ｅ）は動作状態切替ＦＥＴ６，７の駆動信号を示し、（ｆ）は入力コンデンサ４，５の電圧を示し、（ｇ）は入力コンデンサ１２，１３の電圧を示し、（ｈ）はトランス１４の電圧を示している。
【００１７】
図２（ｅ）において、動作状態切替ＦＥＴ６，７は常にオンしている。
図２（ａ）〜（ｄ）において、ｔ＝ｔ０〜ｔ１の期間は、メインＦＥＴ９，１０，動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１は全てオフしており、トランスに電圧は印加されていない。このとき、図２（ｆ）において、入力コンデンサ４，５は入力電圧を分圧するため、入力電圧の半分に充電されている。
【００１８】
図２（ａ）〜（ｄ）、（ｇ）、（ｈ）において、ｔ＝ｔ１〜ｔ２は、まずメインＦＥＴ９がオンしており、トランス１４の一次巻線には入力コンデンサ１２が並列に接続されるため、入力コンデンサ１２の電圧がトランス１４の一次巻線に印加される。また動作状態切替スイッチングＦＥＴ１１がオンしており、入力コンデンサ１２と入力コンデンサ１３が直列に接続されたものが、入力コンデンサ５に並列に接続されるため、入力コンデンサ１２，１３は入力コンデンサ５の電圧を分圧することにより、入力電圧の４分の１に充電される。したがって、トランス１４の一次巻線に印加される電圧は、入力電圧の４分の１となる。
【００１９】
図２（ｈ）において、ｔ＝ｔ２〜ｔ３は、ｔ＝ｔ０〜ｔ１の期間と同様であるため、トランス１４に電圧は印加されない。
【００２０】
図２（ｂ）、（ｄ）、（ｇ）、（ｈ）において、ｔ＝ｔ３〜ｔ４は、まずメインＦＥＴ１０がオンしており、トランス１４の一次巻線には入力コンデンサ１３が並列に接続されるため、入力コンデンサ１３の電圧がトランス１４の一次巻線に印加される。また動作状態切替スイッチングＦＥＴ１８がオンしており、入力コンデンサ１２と入力コンデンサ１３が直列に接続されたものが、入力コンデンサ４に並列に接続されるため、入力コンデンサ１２，１３は入力コンデンサ４の電圧を分圧することにより、入力電圧の４分の１に充電される。したがって、トランス１４の一次巻線に印加される電圧は、入力電圧の４分の１となる。なお、ｔ＝ｔ４とｔ＝ｔ０は同様である、
【００２１】
次に、図１のハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータの動作について図３を用いて説明する。図３は、入力端子１の入力電圧における図１の各構成部の動作を示した図であり、図３（ａ）〜（ｉ）は横軸を時間ｔとして、図１の各構成部分の電流、電圧波形を示している。ただし、図３は図２と比較し時間を荒く取っているため、スイッチング波形は細かい縦線で示し、各構成部の詳細な波形は図２による。例えば図２は、図３におけるｔ＝ｔ２〜ｔ３での動作を示している。
【００２２】
ｔ＝〜ｔ０の期間は入力電圧が低く、図３（ｂ）（ｇ）において動作状態切替ＦＥＴ６，７は常にオフ、動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１は常にオンしている。したがって動作は、図４の従来の回路と同様になる。このとき、入力コンデンサ４，５，１２，１３は入力電圧の半分に充電されているため、図３（ｄ）においてメインＦＥＴ９，１０に印加される電圧は入力電圧の半分であり、トランス１４に印加される電圧振幅は入力電圧に等しい。
【００２３】
ｔ＝ｔ０〜ｔ１の期間も、動作としては図４と同様である。ただし、入力電圧が上昇し始めるため、これに応じて入力コンデンサ４，５，１２，１３，メインＦＥＴ９，１０に印加される電圧も図３（ｅ）（ｆ）（ｈ）に示すように上昇し始める。
【００２４】
ｔ＝ｔ１は、図３（ａ）において入力電圧が動作状態切替閾値に達した時間であり、この瞬間に図３（ｂ）において動作状態切替ＦＥＴ６，７はオンし、図３（ｃ）において動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１はオフ状態からスイッチング動作へ移行する。また、これにより図３を用いて説明した動作へ移行するため入力コンデンサ１２，１３は入力電圧の４分の１に充電され、図３（ｉ）においてトランス１４の電圧振幅も入力電圧の半分に、メインＦＥＴ９，１０，動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１に印加される電圧も入力電圧の４分の１となる。
この動作状態切替閾値は任意に設定できるため、入力電圧の変動幅に応じて最適なハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータを得ることが可能となる。
【００２５】
ｔ＝ｔ１〜ｔ４の期間も図４を用いて説明した動作と同様であるため、入力コンデンサ１２，１３は入力電圧の４分の１に充電され、トランス１４の電圧振幅は入力電圧の半分となる。この期間のうち、ｔ＝ｔ２〜ｔ３の期間は入力電圧がｔ＝〜ｔ０，ｔ５〜の期間の倍となっているが、この実施の形態１においてトランス１４に印加される電圧振幅やメインＦＥＴ９，１０，動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１に印加される電圧は、ｔ＝〜ｔ０，ｔ５〜の期間と等しくなる。
【００２６】
ｔ＝ｔ４となり、入力電圧が動作状態切替閾値に達すると、動作状態切替ＦＥＴ６，７はオフし、動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１はスイッチング動作からオン状態へ移行する。これにより、図１の回路は従来のハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータと同一の形態となり、入力コンデンサ１２，１３は入力電圧の半分に充電され、トランス１４の電圧振幅は入力電圧と等しくなる。ｔ＝ｔ４以降も同様である。
【００２７】
以上の動作を入力電圧に応じて繰り返すため、入力電圧が大幅に変動した場合でもトランス１４に印加される電圧振幅の変動幅は狭くなり、トランス１４の過大な発熱や飽和は発生しない。また、メインＦＥＴ９，１０，動作状態切替スイッチングＦＥＴ８，１１に印加される電圧も入力電圧と比較し小さくなるため、オン抵抗の低い低耐圧のＦＥＴを選定することができる。さらに、特許文献１に示すようなトランスの巻数を可変にするための余分な巻線も不要であるため、トランス１４の大型化を抑制する。
【００２８】
以上説明した通り、実施の形態１によるハーフブリッジ型ＤＣ／ＤＣコンバータは、入力端子と、上記入力端子に接続された入力コイルと、上記入力コイルに接続される第一の入力コンデンサと、上記第一の入力コンデンサと並列に接続される少なくとも２つの第二の入力コンデンサと、上記第二の入力コンデンサと並列に接続され、少なくとも２組直列に接続される動作状態切替スイッチングＦＥＴおよびメインＦＥＴと、上記少なくとも２つの第二の入力コンデンサの間と、少なくとも２つのメインＦＥＴの間を、直列に接続する少なくとも２つの動作状態切替ＦＥＴと、上記それぞれの組の動作状態切替スイッチングＦＥＴとメインＦＥＴの間を接続する少なくとも２つの第三の入力コンデンサと、上記少なくとも２つのメインＦＥＴと少なくとも２つの第三の入力コンデンサの間を接続する１次コイルと、２次コイルを有したトランスと、上記トランスの２次コイルの両端にそれぞれ逆極性で接続される整流素子と、上記トランスの２次コイルの中間に接続されるチョークコイルと、上記チョークコイルと整流素子の間を接続する出力コンデンサとを備えたものである。
【００２９】
これによって、トランスの巻数を可変としてトランスが大型化することを防ぐために余分な巻線を用意する必要がなく、またトランスだけではなくスイッチング素子に印加される電圧も一定の低い電圧範囲に抑え、オン抵抗の大きな高耐圧のスイッチング素子を使用しないＤＣ／ＤＣコンバータを得ることができる。
【符号の説明】
【００３０】
１  入力端子、２  入力コイル、３  入力コンデンサ（第一の入力コンデンサ）、４，５  入力コンデンサ（第二の入力コンデンサ）、６，７  動作状態切替ＦＥＴ、８，１１  動作状態切替スイッチングＦＥＴ、９，１０  メインＦＥＴ、１２，１３  入力コンデンサ（第三の入力コンデンサ）、１４  トランス、１５，１６  整流素子、１７  チョークコイル、１８  出力コンデンサ、１９  出力端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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