(57)【要約】【課題】小型・軽量で、昇圧率を任意に連続的に可変できるＤＣ／ＤＣコンバータを提供する。【解決手段】低電圧側端子対と高電圧側端子対を有するＤＣ／ＤＣコンバータであって、低電圧端子対の正極側に接続され、互いに逆の極性で接続されている第一の巻線Ｎ１と第二の巻線Ｎ２と、高電圧端子対の正極側に接続された第三の巻線Ｎ３とを有するトランスＴ１と、第一の巻線の他端と端子対の負極側に接続された第一のスイッチ素子ＳＷ１と、第二の巻線の他端と端子対の負極側に接続された第二のスイッチ素子ＳＷ２と、第一の巻線の他端と第三の巻線の一端の間に接続された第一の整流素子Ｄ１と、第二の巻線の他端と第三の巻線の他端の間に接続された第二の整流素子Ｄ２と、第三の巻線の一端と高電圧端子対の正極側に接続された第三の整流素子Ｄ３と、第三の巻線の他端と高圧側端子対の正極側に接続された第四の整流素子Ｄ４とを有するＤＣ／ＤＣコンバータ。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
低電圧側端子対と高電圧側端子対を有するＤＣ／ＤＣコンバータであって、該低電圧端子対の正極側に接続され、互いに逆の極性で接続されている第一の巻線と第二の巻線と、該高電圧端子対の正極側に接続された第三の巻線とを有するトランスと、該第一の巻線の他端と該端子対の負極側に接続された第一のスイッチ素子と、該第二の巻線の他端と該端子対の負極側に接続された第二のスイッチ素子と、該第一の巻線の他端と該第三の巻線の一端の間に接続された第一の整流素子と、該第二の巻線の他端と該第三の巻線の他端の間に接続された第二の整流素子と、該第三の巻線の一端と該高電圧端子対の正極側に接続された第三の整流素子と、該第三の巻線の他端と該高圧側端子対の正極側に接続された第四の整流素子とを有することを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項２】
前記トランスの第一の巻線と第二の巻線との比を１：１にしてあるとともに、これら巻線と前記第三の巻線との比をそれぞれ１：ｎにしてあることを特徴とする請求項１記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項３】
前記低電圧端子対の一端にインダクタを接続してあることを特徴とする請求項１又は２に記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項４】
前記高電圧側端子間にキャパシタを接続してあることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項５】
前記第一乃至第四の整流素子のそれぞれの端子間に、第三乃至第六のスイッチ素子が並列に接続されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【請求項６】
前記第一乃至第四の整流素子はダイオードで構成してあることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のＤＣ／ＤＣコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はＤＣ／ＤＣコンバータに関し、より小型で軽量化を図った昇圧型コンバータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、様々な昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータが提案されている。図５は昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの第一の従来回路例であり、図６はその各部の電圧・電流波形である（特許文献１、２の従来例参照）。その回路構成は、入力端子間に接続されたインダクタＬinとスイッチ素子ＳＷ１の直列回路と、該インダクタＬinとスイッチ素子ＳＷ１の接続点と、出力端子との間に接続されたダイオードＤ１と、出力端子間に接続されたキャパシタＣoutで構成される。図６に示す各部の電圧・電流波形において、ＳＧ１はスイッチ素子ＳＷ１の駆動信号、Ｉ(Ｌin)は、インダクタＬinの電流波形、Ｉ(ＳＷ)は、スイッチ素子ＳＷ１の電流波形、Ｉ(Ｄ１)は、ダイオードＤ１の電流波形である。
【０００３】
この第一の従来回路例の回路動作は、駆動回路ＳＧ１の駆動信号によって、スイッチ素子ＳＷ１が駆動されてオンしている期間に、インダクタＬ１が入力電圧源Ｖinによって励磁され、その励磁電流が入力電圧源Ｖinから該インダクタＬ１を通り、スイッチ素子ＳＷ１に流れることによって、電力がインダクタＬ１に蓄えられる。
【０００４】
次に、スイッチ素子ＳＷ１がオフすると、インダクタＬ１を流れていた電流は、ダイオードＤ１を通って、キャパシタＣに流れ、この期間に、該インダクタＬ１に蓄えられた電力が出力に送られる。このようにスイッチ素子ＳＷ１がオン・オフを繰り返すことによって、電力が、入力電圧源Ｖinから出力に送られ、この時、スイッチ素子ＳＷ１のオン・オフの比率によって、入力電圧に対する出力電圧の電圧増幅率が決定される。このような動作で、第一の従来回路例は、昇圧動作を行うが、該インダクタＬ１は、直流励磁電流を常時流して電力を蓄えているので、体積が大きくなってしまい、小型・軽量化の障害となっている。
【０００５】
そこで、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータの小型・軽量化のために、図７のような第二の従来回路例が提案されている。なお、図８はその各部の電圧・電流波形である。その回路構成は、第一の従来回路例が、二回路分、並列に接続されている。回路動作は、第一のスイッチ素子ＳＷ１と第二のスイッチ素子ＳＷ２が、位相を１８０度ずらして駆動される。こうすることによって、ｐ点を通過する入力電流のリップル電流と、ｓ点を通過する出力電流のリップルが、ともに図２の第一の従来回路例よりも小さくなり、その結果、出力キャパシタＣの小型化ができ、より小型の昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。しかし、ここで使用されるインダクタは、図５図示の第一の従来回路例のインダクタ電流を、二つのインダクタで分担されるようになるが、全体の大きさは、依然として大きい。
【０００６】
そこで、第二の従来回路例に対し、図９の第三の従来回路例が提案されている。なお、図１０はその各部の電圧・電流波形であるこの回路構成は、第二の従来回路例の、第一のインダクタＬ１と第二のインダクタＬ２を、磁気結合し、互いに逆極性で接続した構成となっている。回路動作は、第二の従来回路例と同様に、第一のスイッチ素子ＳＷ１と第二のスイッチ素子ＳＷ２が、位相を１８０度ずらして駆動される。このような回路構成にすることによって、第二の従来回路例の、第一のインダクタＬ１と第二のインダクタＬ２の直流磁束が相殺され、その結果、これらのインダクタを小さくすることができ、より小型の昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。
【０００７】
次に、第三の従来回路例に対し、図１１の第四の従来回路例が提案されている（特許文献１、２参照）。なお、図１２はその各部の電圧・電流波形である。この回路構成は、第三の従来回路例に対し、第一のスイッチ素子ＳＷ１の接続点を、第一のインダクタＬ１の巻線の途中からだしたタップに接続するように変更し、第二のスイッチ素子ＳＷ２の接続点を、第二のインダクタＬ２の巻線の途中から出したタップに接続するように変更してある。
【０００８】
このような回路構成にすることにより、タップの位置により、電圧昇圧率を任意に変えることができ、電圧変換の自由度が増す。また、この第四の従来回路例は、第三のスイッチ素子ＳＷ３と第四のスイッチ素子ＳＷ４が追加され、高電圧側から、低電圧側への降圧形ＤＣ／ＤＣコンバータとしても動作することができ、また、昇圧インダクタＬが追加された回路構成となっている。
【特許文献１】特開２００６−１４９０５４公報
【特許文献２】特開２００６−２２３０２５公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかし、第４の従来回路例の、第一のトランスＴ１は、タップ付きの第一のインダクタＬ１と、タップ付きの第二のインダクタＬ２で構成されており、実質的には、それぞれのインダクタがタップで分割された四巻線のトランス構造となっている。
【００１０】
そこで、本発明は、トランスを簡素化し、より小型軽量で、安価な昇圧型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】
【００１１】
以上のような目的を達成するために、本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、低電圧側端子対と高電圧側端子対を有するＤＣ／ＤＣコンバータであって、該低電圧端子対の正極側に接続され、互いに逆の極性で接続されている第一の巻線と第二の巻線と、該高電圧端子対の正極側に接続された第三の巻線とを有するトランスと、該第一の巻線の他端と該端子対の負極側に接続された第一のスイッチ素子と、該第二の巻線の他端と該端子対の負極側に接続された第二のスイッチ素子と、該第一の巻線の他端と該第三の巻線の一端の間に接続された第一の整流素子と、該第二の巻線の他端と該第三の巻線の他端の間に接続された第二の整流素子と、該第三の巻線の一端と該高電圧端子対の正極側に接続された第三の整流素子と、該第三の巻線の他端と該高圧側端子対の正極側に接続された第四の整流素子とを有することを特徴とする。
【００１２】
本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記トランスの第一の巻線と第二の巻線との比を１：１にしてあるとともに、これら巻線と前記第三の巻線との比をそれぞれ１：ｎにしてあることを特徴とする。
【００１３】
本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記低電圧端子対の一端にインダクタを接続してあることを特徴とする。
本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記高電圧側端子間にキャパシタを接続してあることを特徴とする。
【００１４】
本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記第一乃至第四の整流素子のそれぞれの端子間に、第三乃至第六のスイッチ素子が並列に接続されていることを特徴とする。
本発明に係るＤＣ／ＤＣコンバータは、前記第一乃至第四の整流素子はダイオードで構成してあることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、逆極性の端子が接続された１次巻線と２次巻線、および３次巻線から成るトランスと、その前段に位置するインダクタとを利用し、それらの１次巻線と２次巻線の通電を制御するスイッチ素子を利用してＤＣ／ＤＣコンバータを構成してあるため、インダクタを小型・軽量化することができる。さらに、昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる場合には、３次巻線の巻線数を変えることによって、昇圧率を２倍以上の任意のＮ倍に連続的に変えることができる。また、降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができ、この場合においても降圧率を連続的に変えることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
次に本発明を実施するための最良の形態（実施例）を説明する。図１は第一の実施例の回路構成図である。
【００１７】
図１図示ＤＣ／ＤＣコンバータは、低電圧側端子対と高電圧側端子対とを有する昇圧型のコンバータである。このＤＣ／ＤＣコンバータは、低電圧端子対の一端にインダクタＬinを接続してある。トランスＴ１を備え、このトランスＴ１は、低電圧端子対の正極側に接続され、互いに逆の極性で接続されている第一の巻線Ｎ１と第二の巻線Ｎ２と、高電圧端子対の正極側に接続された第三の巻線Ｎ３とを有する。なお、本実施例では、トランスＴ１の第一の巻線Ｎ１と第二の巻線Ｎ２の巻数が同じで、第三の巻線Ｎ３の巻数は、これらのｎ倍にしてある。
【００１８】
第一の巻線Ｎ１の他端と該端子対の負極側に第一のスイッチ素子ＳＷ１が、第二の巻線Ｎ２の他端と該端子対の負極側に第二のスイッチ素子ＳＷ２がそれぞれ接続されている。これらスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２には駆動回路を接続してあり、駆動信号をスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２の制御端子に出力する。また、第一の巻線Ｎ１の他端と第三の巻線Ｎ３の一端との間に第一のダイオードＤ１が、第二の巻線Ｎ２の他端と第三の巻線Ｎ３の他端との間に第二のダイオードＤ２が、第三の巻線Ｎ３の一端と高電圧端子対の正極側との間に第三のダイオードＤ３が、第三の巻線Ｎ３の他端と高圧側端子対の正極側との間に第四のダイオードＤ４が、それぞれ接続されている。また、高電圧側端子間にキャパシタＣoutを接続してある。
【００１９】
以上のように構成してある。ＤＣ／ＤＣコンバータは以下のように作用する。なお、図２は第一の実施例の、各部の電圧・電流波形であり、図３は第一の実施例の動作説明図である。図２のＩＤ（ＳＷ１）とＩＤ（ＳＷ２）は、それぞれ、第一と第二のスイッチ素子ＳＷ１，ＳＷ２を流れる電流であり、Ｖ（t）は、ｔ点の電圧、Ｉ（s）はｓ点を流れる電流、Ｉ（Ｌin）は入力チョークコイルを流れる電流、Ｉ（Ｄ１）とＩ（Ｄ２）は、それぞれ、第一と第二のダイオードＤ１，Ｄ２を流れる電流である。
【００２０】
先ず、第一のスイッチ素子ＳＷ１がオンしている期間は、図３（ａ）に示す様に、入力電源Ｖinから、入力インダクタＬinを通り、トランスＴ１の第一の巻線Ｎ１を通って、第一のスイッチ素子ＳＷ１に電流が流れる。この時、トランスＴ１の各巻線には、巻線のポッチ側がマイナスとなる電圧が発生する。そのため、第二のダイオードＤ２と第三のダイオードＤ３は順バイアスされてオンし、一方、第一のダイオードＤ１と第四のダイオードＤ４は逆バイアスされてオフする。その結果、入力電源Ｖinから、入力インダクタＬinを通って、第二の巻線Ｎ２、第二のダイオードＤ２、第三の巻線Ｎ３、第三のダイオードＤ３を通って、高電圧側端子である出力端子に電流が流れる。
【００２１】
ここで、第一の巻線Ｎ１を流れる電流によりトランスＴ１に発生する磁束と、第二の巻線Ｎ２と第三の巻線Ｎ３を流れる電流によって発生する磁束は相殺している。そのため、トランスＴ１は直流磁束を有しないため小型化が図れる。
【００２２】
次に、第一のスイッチ素子ＳＷ１がオフすると、図３（ｂ）に示す様に、第一の巻線Ｎ１から第一のスイッチ素子ＳＷ１に流れていた電流は、第一のダイオードＤ１と第三のダイオードＤ３を通って出力端子へ流れるようになる。一方、第二の巻線Ｎ２を流れていた電流は、第二のダイオードＤ２と第四のダイオードＤ４を通って出力端子に流れるようになる。この動作状態では、トランスＴ１の各巻線に電圧は発生していない。
【００２３】
次に、第二のスイッチ素子ＳＷ２がオンすると、図３（ｃ）に示す様に、入力電源Ｖinから、入力インダクタＬinを通り、トランスＴ１の第二の巻線Ｎ２を通って、第二のスイッチ素子ＳＷ２に電流が流れる。この時、トランスＴ１の各巻線には、巻線のポッチ側がプラスとなる電圧が発生する。そのため、第一のダイオードＤ１と第四のダイオードＤ４は順バイアスされてオンし、一方、第二のダイオードＤ２と第三のダイオードＤ３は逆バイアスされてオフする。その結果、入力電源Ｖinから、入力インダクタＬinを通って、第一の巻線Ｎ１、第一のダイオードＤ１、第三の巻線Ｎ３、第四のダイオードＤ４を通って、出力端子に電流が流れる。
【００２４】
次に、第二のスイッチ素子ＳＷ２がオフすると、図３（ｄ）に示す様に、第二の巻線Ｎ２から第二のスイッチ素子ＳＷ２を流れていた電流は、第二のダイオードＤ２と第四のダイオードＤ４を通って出力端子へ流れるようになる。一方、第一の巻線Ｎ１を流れていた電流は、第一のダイオードＤ１と第三のダイオードＤ３を通って出力端子に流れるようになる。この動作状態では、トランスＴ１の各巻線に電圧は発生していない。
【００２５】
以上のような回路動作を繰り返すことにより、出力端子には、昇圧された電圧が発生する。ここで、第一のスイッチ素子ＳＷ１と第二のスイッチ素子ＳＷ２の導通期間の、スイッチング周期に対する時比率をＤとすると、次式が成り立つ。
Vin×Iin = Vout × {Iin×1／(n+2) × D +Iin×(1/2−D) } ×2--- (1)
Vin×Iin = Vout × Iout--- (2)
（１）式と（２）式から、次式が成り立つ。
Vout = Vin ×  (n+2)／｛n+2‐2D(n+1)｝---(3)
（３）式より、例えば、ｎ＝１、即ち、トランスＴ１の第三の巻線Ｎ３の巻数が、第一の巻線Ｎ１及び第二の巻線Ｎ２と巻数が同じで、第一のスイッチ素子ＳＷ１と第二のスイッチ素子ＳＷ２が、時比率０．５の時には、
Vout = Vin × 3--- (4)
となり、３倍の昇圧率であることがわかる。
【００２６】
以上のように、本発明は、トランスＴ１の第三巻線Ｎ３の巻数を任意に設定することにより、任意の電圧昇圧率を得ることができる。トランスＴ１の一次巻線Ｎ１を流れる電流による磁束は、トランスＴ１の二次巻線Ｎ２を流れる電流による磁束で相殺されるため、トランスＴ１の励磁電流は、直流分をもたず、それ故に小型・軽量にすることができる。また、入力インダクタＬinは、トランスＴ１の昇圧動作を助け、また入力電流のリプル低減の働きをし、特に、該ＤＣ／ＤＣコンバータを、主に、該スイッチ素子ＳＷ１とＳＷ２の時比率が５０％近辺で使う場合には、リプル電流が小さくなり、より小型のインダクタになる。その結果、小型で軽量化なＤＣ／ＤＣコンバータを実現している。
【００２７】
続いて、第二の実施例を図４に示す。このＤＣ／ＤＣコンバータは概ね第一の実施例と同様である。しかし、このＤＣ／ＤＣコンバータはこれに加えて、第一乃至第四の整流素子Ｄ１〜Ｄ４のそれぞれの端子間に、第三乃至第六のスイッチ素子ＳＷ３〜ＳＷ６が並列に接続されている。また、これらスイッチ素子ＳＷ３〜ＳＷ６の制御端子には駆動回路ＳＧ３〜ＳＧ６が接続されており、これら駆動回路ＳＧ３〜ＳＧ６から駆動信号を各スイッチ素子ＳＷ３〜ＳＷ６に出力する。
【００２８】
以上のように構成してある。ＤＣ／ＤＣコンバータは以下のように作用する。なお、作用については概ね第一の実施例で同様である。但し、本実施例は、第一乃至第四の整流素子Ｄ１〜Ｄ４のそれぞれの端子間に、第三乃至第六のスイッチ素子ＳＷ３〜ＳＷ６が並列に接続されているため、第一から第六までのスイッチ素子ＳＷ１〜ＳＷ６を駆動することにより、Ｖout端子から、Ｖin端子へ、降圧された電圧を発生して、電力変換を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明においては、小型軽量なＤＣ／ＤＣコンバータを実現できるため、バッテリーから昇圧された電圧を必要とする負荷を使用するシステム、自動車等の移動体などへの用途に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの第一の実施例を示す回路図である。
【図２】第一の実施例の各部の電圧・電流波形図である。
【図３】第一の実施例の回路動作図である。
【図４】本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータの第二の実施例を示す回路図である。
【図５】第一の従来例を示す回路図である。
【図６】第一の従来例の各部の電圧・電流波形図である。
【図７】第二の従来例を示す回路図である。
【図８】第二の従来例の各部の電圧・電流波形図である。
【図９】第三の従来例を示す回路図である。
【図１０】第三の従来例の各部の電圧・電流波形図である。
【図１１】第四の従来例を示す回路図である。
【図１２】第四の従来例の各部の電圧・電流波形図である。
【符号の説明】
【００３１】
Ｖin  入力端子
Ｌin  入力インダクタ
Ｔ１  第一のトランス
Ｎ１  第一の巻線
Ｎ２  第二の巻線
Ｎ３  第三の巻線
ＳＷ１  第一のスイッチ素子
ＳＷ２  第二のスイッチ素子
Ｄ１  第一のダイオード
Ｄ２  第二のダイオード
Ｄ３  第三のダイオード
Ｄ４  第四のダイオード
Ｃout  出力キャパシタ
Ｖout  出力端子
ＳＧ１  第一の駆動回路
ＳＧ２  第二の駆動回路
ＳＧ３  第三の駆動回路
ＳＧ４  第四の駆動回路
ＳＧ５  第五の駆動回路
ＳＧ６  第六の駆動回路
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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