(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、前記直流電源より電力の供給を受ける負荷と、前記直流電源と前記負荷の間に直列に挿入された制御電極を持つ第１のスイッチ素子とリアクトルからなる直列回路と、前記リアクトルの励磁エネルギを負荷に放出する第１のダイオードと、前記リアクトルの出力電流を平滑する第１のコンデンサと、前記負荷に供給される電圧を一定にするために前記第１のスイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路を備えた降圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、トランスの１次巻線と制御電極を持つ第２のスイッチ素子からなる直列回路を前記直流電源に接続し、加えられたパルスの立ち上がりから所定のパルス幅のパルスを作る回路を前記発振制御回路の出力端子と前記第２のスイッチ素子の制御電極の間に接続し、第２のダイオードと第２のコンデンサからなる直列回路を前記第１のダイオードに並列に接続し、前記トランスの１次巻線に電磁的に結合した２次巻線を巻いてその端子を第３のダイオードを介して前記第２のコンデンサの端子に各々接続し、これによって第１のスイッチ素子のスイッチ動作をソフトスイッチ化したことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項２】
直流電源と、前記直流電源より電力の供給を受ける負荷と、前記直流電源と前記負荷の間に直列に挿入された制御電極を持つ第１のスイッチ素子とリアクトルからなる直列回路と、前記リアクトルの励磁エネルギを負荷に放出する第１のダイオードと、前記リアクトルの出力電流を平滑する第１のコンデンサと、前記負荷に供給される電圧を一定にするために前記第１のスイッチ素子の制御電極に接続された外部信号に同期できる端子を持つ発振制御回路を備えた降圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、トランスの１次巻線と制御電極を持つ第２のスイッチ素子からなる直列回路を前記直流電源に接続し、所定のパルス幅のパルスを出力する発振器を前記第２のスイッチ素子の制御電極に接続し、前記発振器の出力信号を前記発振制御回路の外部信号同期端子に入力して前記発振制御回路の発振を前記発振器に同期させ、第２のダイオードと第２のコンデンサからなる直列回路を前記第１のダイオードに並列に接続し、前記トランスの１次巻線に電磁的に結合した２次巻線を巻いてその端子を第３のダイオードを介して前記第２のコンデンサの端子に接続し、これによって第１のスイッチ素子のスイッチ動作をソフトスイッチ化したことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項３】
直流電源と、前記直流電源より電力の供給を受ける負荷と、前記直流電源に接続された制御電極を持つ第１のスイッチ素子とリアクトルからなる直列回路と、前記リアクトルの励磁エネルギを負荷に放出する第１のダイオードと、前記リアクトルの出力電流を平滑する第１のコンデンサと、前記負荷に供給される電圧を一定にするために前記第１のスイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路を備えた昇圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、トランスの１次巻線と制御電極を持つ第２のスイッチ素子からなる直列回路を前記第１のコンデンサに接続し、加えられたパルスの立ち上がりから所定のパルス幅のパルスを作る回路を前記発振制御回路の出力端子と前記第２のスイッチ素子の制御電極の間に接続し、第２のダイオードと第２のコンデンサからなる直列回路を前記第１のダイオードに並列に接続し、前記トランスの１次巻線に電磁的に結合した２次巻線を巻いてその端子を第３のダイオードを介して前記第２のコンデンサの端子に接続し、これによって第１のスイッチ素子のスイッチ動作をソフトスイッチ化したことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【請求項４】
直流電源と、前記直流電源より電力の供給を受ける負荷と、前記直流電源に接続された制御電極を持つ第１のスイッチ素子とリアクトルからなる直列回路と、前記リアクトルの励磁エネルギを負荷に放出する第１のダイオードと、前記リアクトルの出力電流を平滑する第１のコンデンサと、前記負荷に供給される電圧を一定にするために前記第１のスイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路を備えた昇圧チョッパ型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、トランスの１次巻線と制御電極を持つ第２のスイッチ素子からなる直列回路を前記第１のコンデンサに接続し、所定のパルス幅のパルスを出力する発振器を前記第２のスイッチ素子の制御電極に接続し、前記発振器の出力信号を前記発振制御回路の外部信号同期端子に入力して前記発振制御回路の発振を前記発振器に同期させ、第２のダイオードと第２のコンデンサからなる直列回路を前記第１のダイオードに並列に接続し、前記トランスの１次巻線に電磁的に結合した２次巻線を巻いてその端子を第３のダイオードを介して前記第２のコンデンサの端子に接続し、これによって第１のスイッチ素子のスイッチ動作をソフトスイッチ化したことを特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はスイッチング電源に関し、特にソフトスイッチに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、図４に示したようにダイオードにコンデンサを並列に接続し、これによってソフトスイッチ化していた。図４は降圧チョッパ型を例にしているが、昇圧チョッパ型においても同じ。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図４において、スイッチ素子１０１が高速でターンオフしてもコンデンサ１０８の電荷の放電はコンデンサ１０８の容量とリアクトル１０２のインダクタンスによって決定される速さで行われるため、コンデンサ１０８の容量をある程度大きくすることによって放電のスピードを遅くさせることができ、スイッチ素子１０１とリアクトル１０２の接続点の電圧の上昇率を緩めることができる。その結果、スイッチ素子１０１の電流と電圧の関係が、電流がほぼゼロになってから電圧が立ち上がることになり、ターンオフ時のスイッチングロスが小さくなる。また、スイッチングノイズを減ずる効果をもたらす。
【０００４】
図４において、コンデンサ１０８の電圧はスイッチ素子１０１がオン状態の間に直流電源１０６の電圧にほぼ等しい電圧まで充電され、スイッチ素子がターンオフすると、ゼロまで下がる。コンデンサ１０８が放電するとき、電荷は負荷側に流れるのでコンデンサ１０８の充電エネルギが損失になることはない。しかし、スイッチ素子１０１がターンオンして、コンデンサ１０８が充電されるとき、スイッチ素子１０１に突入電流が流れ、これがスイッチ素子１０１の電力損失になる。コンデンサ１０８の容量を大きくすればスイッチングノイズを減ずる効果は上がるが、同時にスイッチ素子１０１の突入電流が大きくなり、電力損失が増える。
【０００５】
本発明は、上に示した従来方式の欠点を除去するものでスイッチ素子の突入電流をなくすことを目的としている。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上の目的を達成するために請求項１記載の発明は、従来方式において用いられていたコンデンサ１０８に代わって第２のコンデンサと第２のダイオードからなる直列回路を第１のダイオードに並列に接続し、第２のダイオードによって第１のスイッチ素子がターンオンしたときに第２のコンデンサに突入電流が流れることを防ぎ、更に、第１のスイッチ素子がターンオフする前に第２のコンデンサに、直流電源の電圧に等しい電圧に達する電荷を充電する回路を設けた。
【０００７】
第２のコンデンサを充電する回路は請求項１記載の発明では次のように構成されている。直流電源にトランスの１次巻線と第２のスイッチ素子からなる直列回路を接続し、この第２のスイッチ素子をオン期間一定のパルスによって、第１のスイッチ素子と同期してターンオンさせ、１次巻線によってトランスに蓄積される励磁エネルギを２次巻線とこの２次巻線に直列に接続された第３のダイオードを通して放出して第２のコンデンサを充電する。
【０００８】
【作用】
請求項１記載の発明において、第２のスイッチ素子の１回のオン期間でトランスに蓄積されるエネルギＥは直流電源の電圧をＶ１、１次巻線のインダクタンスをＬ、オン期間をＴ１、１次巻線のピーク電流をＩＰとおくと、次の式で表すことができる。
【０００９】
【数１】
0004253809.tif 000002
【００１０】
一方、１次巻線によって蓄積された励磁エネルギの全てが第２のコンデンサの充電エネルギになると仮定すれば、充電される電圧Ｖは、第２のコンデンサの容量をＣとおくと、次の式で表すことができる。
【００１１】
【数２】
0004253809.tif 000003
【００１２】
数２に示されているように、Ｔ１が所定の値に設定されていれば、第２のコンデンサには発振の度に直流電源と同じ電圧が充電され、第１のスイッチ素子がターンオフしたとき、第１のスイッチ素子両端の電圧をゼロからゆっくり上昇させることができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は発振の周期が第２のスイッチ素子の制御電極に接続された発振器によって決められるという点で請求項１記載の発明と異なるが、第１のスイッチ素子がターンオフする前に第２のコンデンサを充電するというメカニズムは上に述べた内容と同じ。
【００１４】
請求項３記載の発明においては、第２のコンデンサに充電される電圧が出力電圧に等しくなることによって第１のスイッチ素子両端の電圧がゼロから上昇するようになる。そこで、トランスの１次巻線と第２のスイッチ素子からなる直列回路を出力電圧が充電される第１のコンデンサに接続し、第２のスイッチ素子のオン期間を所定の値に設定して、第２のコンデンサが発振の度に出力電圧に等しい電圧まで充電されるようにした。
【００１５】
請求項４記載の発明は発振の周期が第２のスイッチ素子の制御電極に接続された発振器によって決められるという点で請求項３記載の発明と異なるが、第２のコンデンサを出力電圧に等しい電圧まで充電するメカニズムは請求項３記載の発明と同じ。
【００１６】
【実施例】
図１は請求項１記載の発明に係る実施例を示す回路図である。図１に示した回路において、第１のスイッチ素子１と第２のスイッチ素子１２はほぼ同時にターンオンし、第２のスイッチ素子１２が先にターンオフする。第２のスイッチ素子１２のオン期間に１次巻線１１ａに流れる電流によってトランス１１に励磁エネルギが蓄積され、第２のスイッチ素子１２がターンオフするとその励磁エネルギは２次巻線１１ｂと第３のダイオード１４を通って第２のコンデンサ１６を充電する。
【００１７】
図３は第１のスイッチ素子１のオン期間と第２のスイッチ素子１２のオン期間と２次巻線１１ｂを流れる電流と第２のコンデンサ１６の電圧の波形を示している。２次巻線１１ｂと第３のダイオード１４と第２のコンデンサ１６は半波共振回路を構成するので、２次巻線１１ｂの電流は正弦波の片側だけになり、この電流がゼロになったとき第２のコンデンサ１６の電圧はピークになる。この電圧のピークは作用で述べたように直流電源６の電圧に一致させることができる。第１のスイッチ素子１がターンオフすると、第２のコンデンサ１６の電荷はリアクトルを通り負荷側に流れるが、ターンオフの直後は第１のスイッチ素子１とリアクトル２の接続点の電圧は直流電源６の電圧に等しい電圧から、第２のコンデンサ１６の電荷の放電とともに下がっていくので第１のスイッチ素子１両端の電圧はゼロからゆっくり上昇する。
【００１８】
第２のコンデンサ１６の充電と放電のいずれの場合も、電流経路にインダクタンス成分が存在するので、電流波形は正弦波状になり、突入電流が生じる従来の方式のような電力損失はない。
【００１９】
図２は請求項３記載の発明に係る実施例を示す回路である。図２に示した回路において、第２のコンデンサ１６に充電される電圧は図１の場合と違って、出力電圧に等しい値になる。第１のスイッチ素子１がターンオフした直後はリアクトル２の励磁エネルギの放電は第２のダイオード１５と第２のコンデンサ１６を経由して流れて第１のコンデンサ４を充電するので、リアクトル２と第２のダイオード１５の接続点の電圧はゼロからゆっくり上昇する。すなわち、第１のスイッチ素子１の両端の電圧はゼロからゆっくり上昇する。第２のコンデンサ１６に充電される電圧が出力電圧に等しいという点を除けば、図１に関して図３の波形図を用いて述べた上記の説明をあてはめることができる。
【００２０】
図１及び図２に各々示した回路において、加えられたパルスの立ち上がりから所定のパルス幅のパルスを作る回路１３を、受動部品だけで構成することも、能動素子を組み合わせて作ることも、単安定マルチバイブレータを使うこともできる。
【００２１】
請求項２記載の発明の実施例及び請求項４記載の発明の実施例を示す回路図を省略するが、図１及び図２に示した回路図において、発振制御回路５を外部信号同期端子付き発振制御回路に変更し、加えられたパルスの立ち上がりから所定のパルス幅のパルスを作る回路１３をパルス発生器に変更し、パルス発生器の信号で発振制御回路がトリガされるように構成すれば各々請求項２記載の発明と請求項４記載の発明の実施例を示す回路になる。
【００２２】
図１及び図２に各々示した請求項１及び請求項３記載の発明の実施例において、第１のスイッチ素子１と第２のスイッチ素子１２のいずれにもバイポーラ型トランジスタを用いているが、これらをＭＯＳＦＥＴ等の他のスイッチ素子で置き換えることも可能である。
【００２３】
【発明の効果】
ソフトスイッチングに用いるコンデンサによる突入電流がなくなるため、このコンデンサの容量を大幅に増すことが可能になり、ソフトスイッチングの効果を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図である。
【図２】請求項３記載の発明に係るＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図である。
【図３】図１の主要部の波形を示す波形図である。
【図４】従来方式の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
１  第１のスイッチ素子
２  リアクトル
３  第１のダイオード
４  第１のコンデンサ
５  発振制御回路
６  直流電源
７  負荷
１１  トランス
１１ａ  １次巻線
１１ｂ  ２次巻線
１２    第２のスイッチ素子
１３    加えられたパルスの立ち上がりから所定のパルス幅のパルスを作る回路
１４  第３のダイオード
１５  第２のダイオード
１６  第２のコンデンサ
１０１  スイッチ素子
１０２  リアクトル
１０３  ダイオード
１０４  コンデンサ
１０５  発振制御回路
１０６  直流電源
１０７  負荷
【図１】
0004253809.tif 000004
【図２】
0004253809.tif 000005
【図３】
0004253809.tif 000006
【図４】
0004253809.tif 000007