(57)【要約】【課題】回路規模の増大を抑えつつ降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチングノイズを低減する。【解決手段】降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ３００は、一方の入力端子１０ａと一方の出力端子３０ａとの間に直列接続された入力コイル１１及びスイッチ１２と、他方の入力端子１０ｂと他方の出力端子３０ｂとの間に接続された接続線と、入力コイルとスイッチの接続点に一端が接続された第１中間コンデンサ１４と、第１中間コンデンサの他端と接続線との間に接続され、かつ入力コイルと電磁結合している第１中間コイル１５と、第１中間コンデンサの他端と一方の出力端子との間に接続されたダイオード１６と、一方の出力端子と他方の出力端子との間に接続された出力コンデンサ１７と、一方の入力端子と入力コイルとの間に直列に挿入接続された第１追加コイル１８とを備える。【選択図】図３
2016086509.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一方の入力端子と一方の出力端子との間に直列接続された入力コイル及びスイッチと、
他方の入力端子と他方の出力端子との間に接続された接続線と、
一端が前記一方の出力端子に接続され他端が前記他方の出力端子に接続された出力コンデンサと、
前記入力コイルと前記スイッチの接続点に一端が接続された第１中間コンデンサと、
前記第１中間コンデンサの他端と前記接続線との間に接続され、かつ前記入力コイルと電磁的に結合している第１中間コイルと、
前記第１中間コンデンサの他端と前記出力コンデンサの一端との間に接続されたダイオードと、
前記一方の入力端子と前記入力コイルとの間に直列に挿入接続された第１追加コイルと、
を備えることを特徴とする降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記第１追加コイルのインダクタンスが前記入力コイル及び前記第１中間コイルよりも大きいことを特徴とする請求項１に記載の降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記入力コイルと前記第１中間コイルの巻き数比及び結合度がそれぞれ１に近づくように設定されていることを特徴とする請求項２に記載の降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記一方の入力端子に接続されたフィルタコイルと、
前記一方の入力端子と前記他方の入力端子との間に接続されたフィルタコンデンサと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１，２又は３に記載の降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記一方の出力端子と前記出力コンデンサとの間に挿入接続された出力コイルと、
前記出力コンデンサの他端と前記他方の出力端子との間に挿入接続され、かつ前記出力コイルと電磁的に結合している第２中間コイルと、
をさらに備えることを特徴とする請求項１乃至４の内のいずれか一項に記載の降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記一方の出力端子と前記出力コンデンサとの間に挿入接続された第２の追加コイルをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項７】
前記第２の追加コイルのインダクタンスが前記出力コイル及び前記第２の中間コイルよりも大きいことを特徴とする請求項６に記載の降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項８】
前記出力コイルと前記第２の中間コイルの巻き数比及び結合度がそれぞれ１に近づくように設定されていることを特徴とする請求項７に記載の降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、降圧スイッチングＤＣ／ＤＣ（直流／直流）コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、一方の入力端子と一方の出力端子との間に接続された入力コイル、スイッチ及び出力コイルと、一方の出力端子と他方の出力端子との間に接続された出力コンデンサを有するスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、入力コイルとスイッチの接続点と他方の入力端子との間に接続された第１中間コンデンサ及び第１中間コイルの直列接続体と、スイッチと出力コイルの接続点と他方の入力端子との間に接続された第２中間コンデンサ及び第２中間コイルの直列接続体と、第１中間コンデンサと第１中間コイルの接続点とスイッチと出力コイルの接続点との間に接続されたダイオードとを備え、入力コイルと第１中間コイルとの間及び出力コイルと第２中間コイルとの間が電磁的に結合されている降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２にも同様の構成を有するスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００９−２１９３３３号公報
【特許文献２】特開２００９−８９５６４号公報
【特許文献３】特開２００６−１４９０５４号公報
【特許文献４】特開２００４−３０４９５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
人工衛星や惑星探査機に搭載される機器には、非常に厳しい電磁適合性が求められる。特に、惑星の電場又は磁場の観測をミッションとする人工衛星や惑星探査機に搭載される機器の場合には、一層厳しい電磁適合性が求められる。このため、人工衛星や惑星探査機に搭載される機器に電力を供給するスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチングノイズが小さいことが求められる。
【０００６】
特許文献１や２に記載されたスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータでは、入力コイルと第１中間コイルとの間、及び出力コイルと第２中間コイルとの間を適切な巻数比及び結合度で結合させることにより、入力電流及び出力電流のリップルを除去しようとしている。
【０００７】
しかしながら、実際には、これらのコイルを適切な巻数比及び結合度で結合させることは困難である。特に市販のコアを使用する場合には、その形状が適切でないため極めて困難である。また、独自にコアを設計しようとしても、それもまた困難である。このため、入力電流や出力電流のリップルをより一層低減するには、リップル除去フィルタ等を設ける必要があり回路規模が大きくなるという問題点がある。
【０００８】
そこで、本発明の目的は、上述した課題を解決したスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータを提供することにある。
【０００９】
なお、特許文献３には、変圧器の一次巻線と及び二次巻線にインダクタを直列接続することが記載されているが、これは昇圧率を上げるためのものであって、スイッチングノイズを低減するものではない。
【００１０】
また、特許文献４には、スナバー巻線をトランスに設けることが記載されているが、これはフライバック方式のスイッチング電源に関するものあって、その構成が本発明のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータとは異なる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の第１のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータは、一方の入力端子と一方の出力端子との間に直列接続された入力コイル及びスイッチと、他方の入力端子と他方の出力端子との間に接続された接続線と、前記入力コイルと前記スイッチと接続点に一端が接続された第１中間コンデンサと、前記第１中間コンデンサの他端と前記接続線との間に接続され、かつ前記入力コイルと電磁結合している第１中間コイルと、前記第１中間コンデンサの他端と前記一方の出力端子との間に接続されたダイオードと、前記一方の出力端子と前記他方の出力端子との間に接続された出力コンデンサと、前記一方の入力端子と前記入力コイルとの間に直列に挿入接続された第１追加コイルと、を備える。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、回路規模の増大を抑えつつ、スイッチングノイズを低減しもしくは実質的になくすことができるスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータが得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】発明者が検討した第１のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図２】発明者が検討した第２のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図４】図３のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータに含まれる入力コイル、第１中間コイル及び第１追加コイルの等価回路である。
【図５】発明者が検討した第３のスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係るスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【図７】本発明の第３の実施の形態に係るスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータの回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
【００１５】
本発明の低ノイズ型降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータは、太陽電池を動力源とする電源システムや、バッテリを電力源とする電源システムもしくはバッテリ充放電システムなどであって、特に低ノイズであることが求められる電源システムに適用することができる。なかでも、厳しい電磁適合性が要求される人工衛星又は衛星探査機の搭載に適しており、特に、惑星の電場観測や磁場観測を行う人工衛星又は衛星探査機の搭載に好適である。
【００１６】
図１は、発明者が検討した第１の低ノイズ型降圧スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ１００の回路図である。このスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ１００は、一対の入力端子１０ａ，１０ｂ接続された電源（Ｅ）２０からの電源電圧を降圧し、一対の出力端子３０ａ，３０ｂ接続された負荷（Ｒ）４０に供給する回路である。
【００１７】
スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ１００は、一方の入力端子１０ａと一方の出力端子３０ａとの間に直列接続された入力コイル（Ｌ１）１１及びスイッチ（Ｔｒ）１２と、他方の入力端子１０ｂと他方の出力端子３０ｂとの間に接続された接続線１３と、入力コイル１１とスイッチ１２の接続点に一端が接続された中間コンデンサ（Ｃｔ）１４と、中間コンデンサ１４の他端と接続線１３との間に接続され、かつ入力コイル１１と電磁結合している第１中間コイル（Ｌ２）１５と、中間コンデンサ１４の他端と一方の出力端子３０ａとの間に接続されたダイオード（Ｄ）１６と、出力端子３０ａ，３０ｂ間に接続された出力コンデンサ（Ｃｏ）１７と、を備えている。
【００１８】
スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ１００の基本的な動作は、スイッチ１２をオンすることで、電源２０からの負荷４０への電力供給と入力コイル１１に対するエネルギー蓄積を行い、スイッチ１２をオフすることで、入力コイル１１に蓄積されたエネルギーを負荷４０へ供給するというものである。スイッチ１２のオン／オフに伴う出力電流の変動を出力コンデンサにより平滑し、負荷４０に対して比較的安定した電力を供給する。
【００１９】
このスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ１００では、入力コイル１１と第１中間コイル１５とを適切な巻数比及び結合度で電磁結合させることにより、入力電流のリップルを低減することが可能である。しかしながら、そのような電磁結合を実現することは極めて難しい。
【００２０】
そこで、図２に示すように、その入力側にフィルタコイル（Ｌｆ）２１とフィルタコンデンサ（Ｃｆ）２２からなるＬＣフィルタが接続されたスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２００について検討する。
【００２１】
このスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２００では、ＬＣフィルタの働きにより、入力コイル１１と第１中間コイル１５によって除去できない入力電流のリップル、即ち、スイッチングノイズを低減することができる。なお、図２では、ＬＣフィルタがスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ１００の入力側に外付けされているように描かれているが、ＬＣフィルタをスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ１００に内蔵するよう構成してもよい。
【００２２】
ここで、人工衛星や惑星探査機に搭載される機器は、耐宇宙環境性が求められるため、それに使用される部品、即ちフィルタコイル２１やフィルタコンデンサ２２についても、耐宇宙環境性が求められる。しかし、耐宇宙環境性を備え、小型かつ大容量の実用的なコンデンサは存在していないため、このようなＬＣフィルタを構成するには、インダクタンスの大きいフィルタコイル２１を使用せざるを得ない。これは、ロケット等への搭載を考えた場合に、重量の増加及びスペースの占有を招くため望ましくない。
【００２３】
そこで、発明者は、入力コイル１１と第１中間コイル１５の望ましい電磁結合の困難性と、ＬＣフィルタの大型化の双方を考慮して、設計製造の容易化と小型化との両立を図るべく鋭意検討を行い、図３に示すような回路に思い至った。
【００２４】
図３は、本発明の第１の実施の形態に係るスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ３００の回路図である。図３において、図２と同様の構成要素には同一番号を付しその説明を省略する。
【００２５】
図２と図３との比較から容易により解されるように、スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ３００は、一方の入力端子１０ａと入力コイル１１との間に第１追加コイル１８が直列に挿入接続されている。
【００２６】
図３に示すスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２００おける入力コイル１１、第１中間コイル１５及び第１追加コイル１８の等価回路を図４に示す。図４から理解されるように、入力コイル１１及び第１中間コイル１５に流れる交流電流の和の振幅ΔＩは、以下の式１で表される。
【００２７】
【数１】
2016086509.tif 000003
【００２８】
ここで、Ｖin：スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２００の入力電圧、Ｖout：スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２００の出力電圧、Ｄ：時比率（Ｖout／Ｖinに等しい）、Ｔs：スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２００のスイッチング周期、Ｍ：入力コイル１１と第１中間コイル１５の相互インダクタンス、である。
【００２９】
また、入力コイル１１及び第１中間コイル１５に流れる交流電流の振幅ΔＩ１及びΔＩ２は、等価回路におけるリーケージインダクタンスＬ１’，Ｌ２’と第１追加コイル１８のインダクタンスＬ０とによって決まる。振幅ΔＩ１及びΔＩ２は、それぞれ以下の式２，３で表される。
【００３０】
【数２】
2016086509.tif 000004
【数３】
2016086509.tif 000005
【００３１】
式２，３から理解されるように、第１追加コイル１８のインダクタＬ０が入力コイル１１及び第１中間コイル１５のリーケージインダクタＬ１’，Ｌ２’よりも十分に大きければ、即ち、Ｌ０≫Ｌ１’，Ｌ２’であるならば、式２及び式３はそれぞれ式４及び式５のようになる。
【００３２】
【数４】
2016086509.tif 000006
【数５】
2016086509.tif 000007
【００３３】
ここで、入力コイル１１及び第１中間コイル１５の巻数比及び結合度を限りなく１に近づけるように構成すれば、入力コイル１１及び第１中間コイル１５のリーケージインダクタンスＬ１’，Ｌ２’は、それぞれ０に近づく。その結果、第１追加コイル１８として、比較的小さなインダクタＬ０を持つもの用いても、Ｌ０≫Ｌ１’，Ｌ２’の条件を満たすことができる。これにより、入力コイル１１に流れる電流のリップルをほぼ０に低減できる。入力コイル１１に流れる電流は、スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２００の入力電流に等しいので、これは、入力電流のリップルをほぼ０に低減（疑似ゼロリップル化）できることを意味する。その結果、スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ２００の入力側に接続されるＬＣフィルタを小型化することができる。
【００３４】
こうして、本実施の形態によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ２００の回路規模の増大をほとんど招くことなく、入力電流のリップルを抑制し、スイッチングノイズを低減することができる。
【００３５】
次に、図５に示すようなスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ４００について検討する。第１の実施の形態は、入力電流のゼロリップル化を目指したものであったが、図５に示すスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ４００は、出力側に電磁的に結合された第２中間コイル（Ｌ３）３１と出力コイル（Ｌ４）３２とを設けることにより、出力電流のリップルをも低減しようとするものである。なお、出力電流のリップルを低減できることから、出力コンデンサ（Ｃｏ）１７よりも容量の小さい出力コンデンサ（Ｃｂ）３３を用いることができる。
【００３６】
このようなスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ４００においても、第１の実施の形態と同様に、第１の追加コイル１８を設けることで、入力電流のリップルをさらに抑制し、ＬＣフィルタを小型化することができる。図６に、第１の追加コイル１８を設けた本発明の第２の実施の形態に係るスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ５００の回路図を示す。
【００３７】
また、図５や図６に示すスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータにおいて、第２中間コイル３１と出力コイル３２を適切な巻線比及び結合度に構成することは、入力コイル１１と第１中間コイル１５の場合と同様に困難である。
【００３８】
そこで、本発明の第３の実施の形態に係るスイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ６００は、図７に示すように、出力コイル３２と出力端子３０ａとの間に直列に接続された第２追加コイル３４を備えている。第２中間コイル３１と出力コイル３２の巻線比及び結合度を限りなく１に近づけることで、比較的小さなインダクタンスを持つ第２追加コイル３４を用いることができる。また、出力コンデンサ（Ｃｂ）３３をさらに容量の小さいものに変更することができる。
【００３９】
こうして、本実施の形態によれば、スイッチングＤＣ／ＤＣコンバータ６００の回路規模の増大をほとんど招くことなく、入力電流だけでなく出力電流のリップルをも抑制し、スイッチングノイズを低減することができる。
【００４０】
以上、本発明の降圧スイッチングＤＣ／ＤＣインバータについて、いくつかの実施の形態に即して説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形、変更が可能である。
【符号の説明】
【００４１】
１０ａ，１０ｂ    入力端子
１１    入力コイル
１２    スイッチ
１３    接続線
１４    中間コンデンサ
１５    第１中間コイル
１６    ダイオード
１７    出力コンデンサ
１８    第１追加コイル
２０    電源
２１    フィルタコイル
２２    フィルタコンデンサ
３０ａ，３０ｂ    出力端子
３１    第２中間コイル
３２    出力コイル
３３    出力コンデンサ
３４    第２追加コイル
４０    負荷
【図１】
2016086509.tif 000008
【図２】
2016086509.tif 000009
【図３】
2016086509.tif 000010
【図４】
2016086509.tif 000011
【図５】
2016086509.tif 000012
【図６】
2016086509.tif 000013
【図７】
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