(57)【要約】【課題】出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサを小型化することができる直流昇圧回路を提供する。【解決手段】昇圧回路10は、直流電源Ｅに接続される入力端子11から供給される電流が流れるトランス12の一次巻線12ａ及びコイル13の直列回路14と、グランドGNDとの間にスイッチング素子15が接続され、直列回路14とスイッチング素子15との接続点にダイオード16のアノードが接続されている。ダイオード16のカソードとグランドGNDとの間に出力コンデンサ17が接続され、ダイオード16のカソードと出力端子18との間にトランス12の二次巻線12ｂが接続されている。二次巻線12ｂは、一次巻線12ａの入力端子11側から流れ込む方向に励磁電流が増加する時に出力端子18側の電位が高くなるように極性が設定されている。二次巻線12ｂと出力端子18との接続点とグランドとの間に第２のコンデンサ19が接続されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源に接続される入力端子と、
前記入力端子から供給される電流が流れるトランスの一次巻線及びコイルの直列回路と、
前記直列回路とグランドとの間に接続されたスイッチング素子と、
前記直列回路と前記スイッチング素子との接続点に接続され、当該接続点方向への電流を阻止する整流素子と、
前記整流素子とグランドとの間に接続された出力用の第１のコンデンサと、
前記整流素子と出力端子との間に接続され、かつ前記一次巻線の前記入力端子側から流れ込む方向に励磁電流が増加する時に前記出力端子側の電位が高くなるように極性が設定された前記トランスの二次巻線と、
前記二次巻線と前記出力端子との接続点とグランドとの間に接続された第２のコンデンサと
を備えている直流昇圧回路。
【請求項２】
前記コイルのインダクタンスは、前記トランスの一次巻線のインダクタンスより大きく設定されている請求項１に記載の直流昇圧回路。
【請求項３】
前記コイルは、前記トランスの一次巻線と同じコアに巻回されている請求項１又は請求項２に記載の直流昇圧回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流昇圧回路に係り、詳しくは出力コンデンサを備えた直流昇圧回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
基本的な直流昇圧回路として図６に示す昇圧回路がある（例えば、特許文献１参照）。この昇圧回路は、直流電源が入力される入力端子３０に一端が接続されたコイル３１と、コイル３１の他端にアノードが接続されたダイオード３２と、オン、オフ制御されることにより直流電圧を昇圧するためのスイッチング素子３３とを備えている。また、昇圧回路はノイズフィルタ用のコンデンサ３４及び出力コンデンサ（平滑用コンデンサ）３５を備えている。スイッチング素子３３が所定周期でオンになると、コイル３１にエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子３３がオフになると、コイル３１に電圧が生じ、その電圧が直流電源の電圧に重畳されて出力端子３６に電流が流れる。この時、出力コンデンサ３５が充電される。そして、スイッチング素子３３がオンのときは、出力コンデンサ３５の放電により出力端子３６へ電力が供給されるため、出力電圧は時間の経過とともに低下する。その結果、出力コンデンサ３５の容量が小さいと出力電圧のリプルが大きくなる。
【０００３】
また、出力電圧のリプル低減を図った昇圧回路として、図７に示すように、入力端子３０と出力端子３６との間に、コイル３１ａ，３１ｂ、スイッチング素子３３ａ，３３ｂ及びダイオード３２ａ，３２ｂからなる回路が並列に接続された昇圧回路がある。この昇圧回路は、両スイッチング素子３３ａ，３３ｂが交互にオン、オフ制御される。
【特許文献１】特開２００５−２２３９８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
図６の昇圧回路では、出力電圧のリプルを低減するためには、出力コンデンサ３５の容量を大きくする必要がある。一方、図７の昇圧回路では、図６の昇圧回路に比べて、リプルを変えずに出力コンデンサ３５を小さくすることができる。しかし、コイル３１ａ，３１ｂ、スイッチング素子３３ａ，３３ｂ及びダイオード３２ａ，３２ｂの数が増える。また、大電力の昇圧回路では、図７の構成にすると、大型のコイルが複数必要になり、全体として大型化する。
【０００５】
本発明は、前記の問題に鑑みてなされたものであって、その目的は出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサを小型化することができる直流昇圧回路を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
前記の目的を達成するため、請求項１に記載の発明は、直流電源に接続される入力端子と、前記入力端子から供給される電流が流れるトランスの一次巻線及びコイルの直列回路と、前記直列回路とグランドとの間に接続されたスイッチング素子と、前記直列回路と前記スイッチング素子との接続点に接続され、当該接続点方向への電流を阻止する整流素子とを備えている。また、前記整流素子とグランドとの間に接続された出力用の第１のコンデンサと、前記整流素子と出力端子との間に接続され、かつ前記一次巻線の前記入力端子側から流れ込む方向に励磁電流が増加する時に前記出力端子側の電位が高くなるように極性が設定された前記トランスの二次巻線と、前記二次巻線と前記出力端子との接続点とグランドとの間に接続された第２のコンデンサとを備えている。
【０００７】
この発明では、スイッチング素子がオン状態の間、出力の電流は第１のコンデンサおよび第２のコンデンサから供給される。また、同時にトランスの一次巻線が励磁されるので、出力電圧は第１のコンデンサの両端電圧とトランスの二次側に現れる電圧の合計になる。一方、スイッチング素子がオフしている間、コイルに蓄えられたエネルギーによって第１のコンデンサが充電され、両端の電圧は上昇するが、トランスの二次側には出力電圧を減らす方向に電圧が発生する。したがって、第１のコンデンサおよび第２のコンデンサの容量を大きくしなくても出力電圧のリプルが低減される。言い換えると、出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサを小型化することができる。  
【０００８】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記コイルのインダクタンスは、前記トランスの一次巻線のインダクタンスより大きく設定されている。この発明では、昇圧作用を損なうことなく、効果的にリプル電圧を抑制できる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記コイルは、前記トランスの一次巻線と同じコアに巻回されている。この発明では、部品点数が少なくなる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサを小型化することができる直流昇圧回路を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、本発明を具体化した一実施形態を図１及び図２にしたがって説明する。
図１に示すように、昇圧回路１０は、直流電源Ｅの正極に接続される入力端子１１にトランス１２の一次巻線１２ａ及び昇圧用のコイル１３の直列回路１４が接続されている。コイル１３のインダクタンスは、トランス１２の一次巻線１２ａのインダクタンスより大きく設定されている。直列回路１４とグランドＧＮＤとの間にスイッチング素子１５が接続されている。スイッチング素子１５にはＮチャネルのＭＯＳＦＥＴが使用されている。
【００１２】
直列回路１４とスイッチング素子１５との接続点には、当該接続点方向への電流を阻止する整流素子としてのダイオード１６のアノードが接続され、ダイオード１６のカソードとグランドＧＮＤとの間に出力用の第１のコンデンサとしての出力コンデンサ１７が接続されている。ダイオード１６のカソードと出力端子１８との間にはトランス１２の二次巻線１２ｂが接続されている。二次巻線１２ｂは、一次巻線１２ａの入力端子１１側（図１中の黒丸が付されている側）から流れ込む方向に励磁電流が増加する時に、出力端子１８側（図１中の黒丸が付されている側）の電位が高くなるように極性が設定されている。二次巻線１２ｂと出力端子１８との接続点とグランドＧＮＤとの間に第２のコンデンサ１９が接続されている。入力端子１１と一次巻線１２ａとの接続点とグランドＧＮＤとの間にノイズフィルタ用コンデンサ２０が接続されている。
【００１３】
次に前記のように構成された昇圧回路１０の作用を説明する。
昇圧回路１０は、入力端子１１が直流電源Ｅの正極に接続されて使用される。出力端子１８に接続された図示しない負荷から電力供給の要求があると、図示しない制御装置からの指令によりスイッチング素子１５がスイッチング制御される。
【００１４】
スイッチング素子１５がオンになると、図２（ａ）に示すように、電流Ｉａが入力端子１１からトランス１２の一次巻線１２ａ、コイル１３及びスイッチング素子１５を経てグランドＧＮＤに流れる。この時コイル１３にはエネルギーが蓄えられる。一方、負荷には出力コンデンサ１７および第２のコンデンサ１９から電流Ｉｂが流れる。このとき、一次巻線１２ａには入力端子１１側から流れ込む方向に励磁電流が増加するので、二次巻線１２ｂには出力端子１８側の電位が、出力コンデンサ１７側の電位よりも高くなる。その結果、出力電圧は出力コンデンサ１７の両端電圧と、トランス１２の二次側、即ち二次巻線１２ｂに現れる電圧の合計となる。したがって、図６に示す従来の昇圧回路と比べて、スイッチング素子１５のオンの間に、時間の経過とともに出力電圧の低下する割合が小さくなる。
【００１５】
一方、スイッチング素子１５がオフになると、図２（ｂ）に示すように、電流Ｉｃが一次巻線１２ａ、コイル１３、ダイオード１６、二次巻線１２ｂを経て出力端子１８から負荷に流れる。この時、第２のコンデンサ１９が充電される。また、コイル１３に蓄えられたエネルギーによって出力コンデンサ１７は充電され、その両端の電圧は上昇する。しかし、トランス１２の二次側、即ち二次巻線１２ｂには出力電圧を減らす方向に電圧が発生する。したがって、図６に示す従来の昇圧回路と比べて、スイッチング素子１５のオフの間に、時間の経過とともに出力電圧の上昇する割合が小さくなる。その結果、スイッチング素子１５のスイッチングに伴う出力電圧のリプルが低減される。即ち、同じリプルであれば出力コンデンサ１７および第２のコンデンサ１９をより小さくでき、同じ大きさの出力コンデンサ１７であれば、大きな出力電圧に対応できる。
【００１６】
図６に示す昇圧回路（比較例）と図１に示す昇圧回路１０（実施例）の出力電圧のリプルをシミュレーションによって比較した。シミュレーション条件は、出力電圧４２Ｖ、コイルのインダクタンス１３μＨ、スイッチング周波数３０ｋＨｚとした。また、図６の回路の出力コンデンサの容量を２０００μＦとした。
【００１７】
入力電圧１４Ｖ、出力電流３５Ａの時に、図６の昇圧回路と図１の昇圧回路１０の出力電圧のリプルがほぼ等しくなるように各素子の値を決めたところ、トランス１２の一次側励磁インダクタンス１μＨ、巻数比１：２、出力コンデンサ１７の容量及び第２のコンデンサ１９の容量は共に１６０μＨとなった。
【００１８】
この時の入力電圧と出力電圧リプルの関係は図３のようになった。図３（ａ）は実施例（昇圧回路１０）の入力電圧と出力電圧リプルとの関係であり、図３（ｂ）は比較例（図６に示す昇圧回路）の入力電圧と出力電圧リプルとの関係である。また、負荷電流と出力電圧リプルの関係は図４に示すようになった。図４（ａ）は実施例（昇圧回路１０）の負荷電流と出力電圧リプルとの関係であり、図４（ｂ）は比較例（図６に示す昇圧回路）の負荷電流と出力電圧リプルとの関係である。図３（ａ），（ｂ）および図４（ａ），（ｂ）から出力コンデンサ１７の容量を増大させずに、出力電圧のリプルを低減することが可能であることがわかる。
【００１９】
この実施形態によれば、以下に示す効果を得ることができる。
（１）直流電源Ｅに接続される入力端子１１と、入力端子１１から供給される電流が流れるトランス１２の一次巻線１２ａ及び昇圧用のコイル１３の直列回路１４と、直列回路１４とグランドＧＮＤとの間に接続されたスイッチング素子１５とを備えている。直列回路１４とスイッチング素子１５との接続点に、当該接続点方向への電流を阻止する整流素子としてのダイオード１６がアノードにおいて接続されている。また、ダイオード１６のカソードとグランドＧＮＤとの間に接続された出力コンデンサ１７と、ダイオード１６のカソードと出力端子１８との間に接続され、かつ一次巻線１２ａに入力端子１１側から流れ込む方向に励磁電流が増加する時に出力端子１８側の電位が高くなるように極性が設定された二次巻線１２ｂとを備えている。したがって、スイッチング素子１５のスイッチングの昇圧動作時における出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサ１７を小型化することができる。
【００２０】
（２）二次巻線１２ｂと出力端子１８との接続点とグランドＧＮＤとの間に第２のコンデンサ１９が接続されている。したがって、出力電圧が安定する。
（３）一般的な昇圧回路にトランス１２及び第２のコンデンサ１９を加えるという簡単な構成で出力電圧のリプルを増大させずに出力コンデンサ１７を小型化することができる。
【００２１】
（４）整流素子としてダイオード１６が使用されているため、ダイオード１６に代えてトランジスタを使用するとともに、スイッチング素子１５のオン時にトランジスタがオフになり、スイッチング素子１５のオフ時にトランジスタがオンになるように制御を行う構成に比較して、構成が簡単になる。
【００２２】
実施形態は前記に限定されるものではなく、例えば、次のように具体化してもよい。
○  昇圧用のコイル１３とトランス１２とを独立して設ける構成に代えて、昇圧用のコイル１３とトランス１２とを一体化してもよい。例えば、図５（ａ）に示すように、Ｅ型コアが向かい合わせに接合された形状の磁性体コア２５を使用するとともに、磁性体コア２５の中央部２５ａに一次巻線１２ａ及びコイル１３を兼ねた一次巻線２６ａを巻回する。また、他の部分２５ｂに二次巻線２６ｂを巻回する。そして、磁性体コア２５の中央部２５ａと他の部分２５ｂとの間に低透磁率部分２７を設ける。低透磁率部分２７は、例えば、磁性体コア２５にギャップを設けるとともにそのギャップにポリエステルフィルムや紙等を挿入（充填）することにより構成される。
【００２３】
この構成のトランスの一次巻線２６ａに電流を流すと、一次巻線２６ａの周囲に磁界が発生し、発生した磁界により磁性体コア２５の中央部２５ａに磁束２８が発生する。発生した磁束２８は、磁性体コア２５で構成される磁路を通る。磁性体コア２５は全体が同じ透磁率ではなく、一次巻線２６ａが巻回された中央部２５ａと、二次巻線２６ｂが巻回された他の部分２５ｂとの間に低透磁率部分２７が存在する。その結果、一次巻線２６ａから発生した磁束２８は、磁性体コア２５の中央部２５ａから中央部２５ａに連続する二つの閉じた経路に同等に分かれて流れるのではなく、低透磁率部分２７のない経路（磁束２８が実線の矢印で示される経路）に多く流れ、低透磁率部分２７の存在する経路（磁束２８が二点鎖線の矢印で示される経路）には少なく流れる。その結果、一次巻線２６ａは、二次巻線２６ｂと鎖交しない磁束２８が流れるコイル部と、二次巻線２６ｂと鎖交する磁束２８が流れるコイル部とが結合したものと同じ機能を果たす。即ち、図５（ｂ）に示すように、一次巻線２６ａの部分はコイル１３と一次巻線１２ａが直列に接続されたものと等価になり、二次巻線２６ｂの部分は、二次巻線１２ｂと等価になる。磁性体コア２５や低透磁率部分２７の透磁率の値や一次巻線２６ａ及び二次巻線２６ｂの巻数比を変更することにより、目的のコイル１３、一次巻線１２ａ及び二次巻線１２ｂの組合せと等価のものが得られる。したがって、コイルとトランスが独立した構成に比較して部品点数が少なくなる。
【００２４】
○  前記低透磁率部分２７を有する磁性体コア２５は、２つの閉磁路を備え、かつ一方の閉磁路に低透磁率部分２７を設けることができる物であればよく、Ｅ型コアが向かい合わせに結合された物に限らず、例えば、Ｅ型コアとＩ型コアが結合されたものを用いてもよい。
【００２５】
○  昇圧回路１０を構成するコイル１３のインダクタンス、出力コンデンサ１７及び第２のコンデンサ１９の容量、トランス１２の一次側励磁インダクタンス、巻数比の値は、実施例で用いた値に限らず、目的とする最大出力電圧及び負荷電流に対応して適宜変更してもよい。その場合、シミュレーションあるいは試験で適切な値を求める。
【００２６】
○  コイル１３はトランス１２の一次巻線１２ａとスイッチング素子１５との間に接続された構成に代えて、入力端子１１とトランス１２の一次巻線１２ａとの間に接続された構成としてもよい。
【００２７】
○  整流素子としてダイオード１６に代えて、トランジスタを使用し、トランジスタをスイッチング素子１５と同期して、スイッチング素子１５のオン時にトランジスタがオフになり、スイッチング素子１５のオフ時にトランジスタがオンになるように制御装置で制御する構成にしてもよい。このような回路構成では、整流素子としてダイオード１６を使用する場合に比べて、整流素子での損失を低減することができる。
【００２８】
○  スイッチング素子１５はＭＯＳＦＥＴに限らず、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラ型トランジスタ：Insulated Gate Bipolar Transistor）やその他のスイッチング素子を使用してもよい。
【００２９】
○  ノイズフィルタ用コンデンサ２０を省略してもよい。
○  昇圧回路１０の直流電源Ｅはバッテリに限らず、交流を直流に変換して出力するＡＣ／ＤＣインバータであってもよい。
【００３０】
以下の技術的思想（発明）は前記実施形態から把握できる。
（１）請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記整流素子はダイオードであり、そのアノードが前記直列回路に接続され、カソードが前記出力用の第１のコンデンサに接続されている。
【００３１】
（２）請求項３に記載の発明において、前記コアは、２つの閉磁路を備え、その中央部に一次巻線が巻回され、前記中央部に沿って延びる一方の部分に二次巻線が巻回され、一次巻線が巻回された部分と二次巻線が巻回された部分との間に低透磁率部が形成されている。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】一実施形態の昇圧回路の回路図。
【図２】（ａ）はスイッチング素子がオンのときにおける電流の流れを示す回路図、（ｂ）はスイッチング素子がオフのときにおける電流の流れを示す回路図。
【図３】（ａ）は実施例の入力電圧と出力電圧リプルの関係を示すグラフ、（ｂ）は比較例の入力電圧と出力電圧リプルの関係を示すグラフ。
【図４】（ａ）は実施例の負荷電流と出力電圧リプルの関係を示すグラフ、（ｂ）は比較例の負荷電流と出力電圧リプルの関係を示すグラフ。
【図５】（ａ）別の実施形態のトランスを示す模式図、（ｂ）は等価回路図。
【図６】従来技術の昇圧回路の回路図。
【図７】別の従来技術における昇圧回路の回路図。
【符号の説明】
【００３３】
Ｅ…直流電源、Ｉａ，Ｉｂ，Ｉｃ…電流、ＧＮＤ…グランド、１１…入力端子、１２…トランス、１２ａ，２６ａ…一次巻線、１２ｂ，２６ｂ…二次巻線、１３…コイル、１４…直列回路、１５…スイッチング素子、１６…整流素子としてのダイオード、１７…第１のコンデンサとしての出力コンデンサ、１８…出力端子、１９…第２のコンデンサ。
【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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