JP2004282946A

JP2004282946A - Ｄｃ／ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP2004282946A
Application number: JP2003073501A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Yamamoto; 一成山本
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2003-03-18
Filing date: 2003-03-18
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】チョークコイルを小さくすることにより小型化させたＤＣ／ＤＣコンバータを提供する。
【解決手段】トランス２と、トランス２の１次側に設けられ、スイッチングデバイス９，１０及びコンデンサ７，８を有するブリッジ回路３と、トランス２の２次側に設けられ、チョークコイル１５を有する平滑フィルタ５と、コンデンサ７，８の温度上昇を抑制する放熱部材とを備え、コンデンサ７，８の静電容量に基づいて、チョークコイル１５に流れる電流がチョークコイル１５の磁路断面積から定まる飽和電流値以下に規制されるように構成される。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータに係り、より詳しくは、スイッチング式直流電源装置などの単相両波整流を行うチョーク入力形のＤＣ／ＤＣコンバータの改良に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＣ／ＤＣコンバータとは、直流電源により印加された電圧をトランジスタなどのスイッチングデバイスを備えたブリッジ回路により交流化し、この交流電圧をトランスにより変圧した後、整流して直流電圧を生成するものであり、例えば、非特許文献１に示された単相両波整流を行うチョーク入力形のものなどが知られている。
【０００３】
この種のチョーク入力形のＤＣ／ＤＣコンバータには、出力電圧を平滑化するために、チョークコイルを備えた平滑フィルタがトランスの２次側（出力側）に設けられている。なお、ＤＣ／ＤＣコンバータの他の例としては、特許文献１に記載のものがある。
【０００４】
【特許文献１】
特開平８−０５１７７１号公報
【非特許文献１】
スイッチング電源ハンドブック、ＩＳＢＮ４−５２６−０４４９５−４
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上述した様な従来のＤＣ／ＤＣコンバータでは、以下のような問題があった。一般に、電子機器などに搭載するＤＣ／ＤＣコンバータは、小型化が求められている。ＤＣ／ＤＣコンバータは、その大きさ（寸法）に関して、大部分を平滑フィルタのチョークコイルが占めているので、コンバータを小型化するためには、チョークコイルを小さくしなければならない。ところが、チョークコイルを小さくすると、磁路断面積が減少し、コイルの飽和電流値が低下する。このため、コイルを流れる電流が飽和電流値を超える場合が生じて出力電圧の平滑性が失われてしまうという問題があった。
【０００６】
ところで、チョークコイルに流れる電流は、トランスの１次側（入力側）のブリッジ回路に備わるコンデンサに流れる電流に比例する。また、コンデンサに流れる電流は、コンデンサの静電容量に比例する。そこで、チョークコイルに流れる電流が飽和電流値を超えないようにするために、コンデンサの静電容量を下げることにより、コンデンサに流れる電流を減少させ、チョークコイルに流れる電流を抑制することが考えられる。しかし、コンデンサの静電容量を下げると、コンデンサの抵抗分が増えるので、発熱量が増大する。このため、温度が上昇し、コンデンサの耐久性が低下してしまうという問題があった。
【０００７】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、チョークコイルを小さくすることにより小型化させたＤＣ／ＤＣコンバータを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータは、トランスと、トランスの１次側に設けられ、スイッチングデバイス及びコンデンサを有するブリッジ回路と、トランスの２次側に設けられ、チョークコイルを有する平滑フィルタと、コンデンサの温度上昇を抑制する放熱部材とを備え、コンデンサの静電容量に基づいて、チョークコイルに流れる電流がチョークコイルの磁路断面積から定まる飽和電流値以下に規制されるように構成される。
【０００９】
この様な構成によれば、放熱部材によりコンデンサの温度上昇を抑制することができるので、コンデンサの静電容量を下げても耐久性が低下することはない。また、静電容量を下げることにより、チョークコイルに流れる電流が飽和電流値を超えるのを抑制することができるので、チョークコイルを小型化することができる。
【００１０】
【発明の実施の形態】
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣコンバータの一構成例を示した回路図である。本実施の形態のＤＣ／ＤＣコンバータ１は、トランス２と、トランス２の１次側（入力側）に設けられるブリッジ回路３と、直流電源４と、トランス２の２次側（出力側）に設けられる平滑フィルタ５と、ダイオード１３，１４と、出力端子６により構成される。
【００１１】
ブリッジ回路３は、２つのコンデンサ７，８と、２つのスイッチングデバイス９，１０からなるハーフブリッジであり、直流電源４により印加された電圧の交流化を行っている。これらのコンデンサ７及び８は、温度上昇を抑制する放熱部材（図示せず）にそれぞれ取り付けられている。
【００１２】
また、スイッチングデバイス９及び１０は、トランジスタなどからなる断続器であり、所定のスイッチング周期で交互にオンオフさせることにより、コンデンサ７及び８間の接続点Ａと、スイッチングデバイス９及び１０間の接続点Ｂとを結ぶブリッジ（ＡＢ間）に交流電圧が印加される。
【００１３】
トランス２は、１次コイル１１及び２次コイル１２からなる変圧器であり、１次コイル１１に印加された交流電圧は、変圧されて２次コイル１２から出力される。この変圧された交流電圧は、２次コイル１２の両端とセンタータップとの間で２つのダイオード１３及び１４により整流される（単相両波整流）。
【００１４】
整流後の電圧は、平滑フィルタ５により平滑化され、出力端子６から直流電圧が出力される。この平滑フィルタ５は、チョークコイル１５及びコンデンサ１６からなるチョーク入力形の平滑回路である。
【００１５】
図２は、図１のＤＣ／ＤＣコンバータにおける電流波形の一例を示した説明図である。トランス２の１次側のブリッジ回路３において、スイッチングデバイス（以下、スイッチという）９及び１０を交互にオンオフさせることにより、コンデンサ７及び８には、互いに比例して電流が流れる。ここでは、波形２１がコンデンサ７を流れる電流の波形であるとし、波形２２がコンデンサ８を流れる電流の波形であるとしている。
【００１６】
例えば、時刻ｔ_１でスイッチ１０がオンされるとともに、スイッチ９がオフされると、接続点Ｂの電位が接続点Ａの電位よりも高くなり、ブリッジを接続点Ｂから接続点Ａに向けて電流が流れはじめる。この電流は、時刻ｔ_１からコンデンサ７が放電を完了するとともに、コンデンサ８が充電を完了する時刻ｔ_２までの期間２４だけ流れる。
【００１７】
その後、時刻ｔ_３でスイッチ９がオンされるとともに、スイッチ１０がオフされると、接続点Ａの電位が接続点Ｂの電位よりも高くなり、ブリッジを接続点Ａから接続点Ｂに向けて電流が流れはじめる。この電流は、時刻ｔ_３からコンデンサ８が放電を完了するとともに、コンデンサ７が充電を完了する時刻ｔ_４までの期間２５だけ流れる。この様な動作がスイッチング周期で繰り返され、交流電圧が生成される。
【００１８】
ここで、出力端子６から出力される電流をＩ_ｏ、出力電圧をＶ_ｏとし、トランス２の１次コイル１１の巻き数をｎ_ｐ、２次コイル１２の巻き数をｎ_ｓとすると、コンデンサ７及び８を流れる電流（実効値）Ｉ_ｃは、直流電源４の電圧をＶ_ｉとして、次式（１）により表される。
【数１】

【００１９】
式（１）から、電流Ｉ_ｃが出力電流Ｉ_ｏ、すなわち、チョークコイル１５を流れる電流２３に比例することがわかる。また、チョークコイル１５の磁路断面積をＳとし、このコイル１５の巻き数をＮとすると、チョークコイル１５の飽和電流値Ｉ_ｓａｔは、次式（２）により表される。
【数２】

【００２０】
式（２）において、Ｂ_ｓａｔは、チョークコイル１５の飽和磁束密度であり、このコイル１５を構成する磁性体固有の定数である。また、Ａ_Ｌは、ＡＬ値と呼ばれ、チョークコイル１５の磁性体固有の定数である。この式（２）から、飽和電流値Ｉ_ｓａｔが磁路断面積Ｓに比例することがわかる。
【００２１】
ところで、ＤＣ／ＤＣコンバータ１を小型化するために、チョークコイル１５の寸法を小さくすると、磁路断面積Ｓが減少し、このコイル１５の飽和電流値Ｉ_ｓａｔが低下する。
【００２２】
従来のコンバータでは、飽和電流値Ｉ_ｓａｔが低下すると、チョークコイルを流れる電流が飽和電流値Ｉ_ｓａｔを超え、コイルが飽和してしまう場合が生じていた。コイルが飽和するということは、コイルが短絡するのと同等であり、出力電圧がトランスの２次コイルに誘起される電圧まで上昇してしまい、出力電圧の平滑性が失われる。
【００２３】
本実施の形態では、ブリッジ回路３におけるコンデンサ７及び８の静電容量を下げることによって、コンデンサ７及び８に流れる電流Ｉ_ｃを減少させ、平滑フィルタ５のチョークコイル１５に流れる電流を飽和電流値Ｉ_ｓａｔ以下に規制し、このコイル１５が飽和するのを防いでいる。また、コンデンサ７及び８の静電容量を下げたために発熱量が増大するという問題は、放熱部材にコンデンサ７及び８を取り付けて放熱性を良くすることで回避している。
【００２４】
なお、チョークコイル１５としては、その実装面積（寸法）が、例えば、式（２）のＩ_ｓａｔに電流２３の平均電流値Ｄを代入することにより得られる磁路断面積Ｓに相当するものが用いられ、この場合、従来のものに比べて、（平均電流値Ｄ／ピーク電流値Ｃ）倍程度に小型化される。
【００２５】
また、コンデンサ７及び８からは、スイッチ９及び１０をオンオフするごとに、静電容量をＣとして、最大で３ＣＶ_ｉ ^２／４のエネルギーが取り出されるので、スイッチング周波数をｆとすると、３ＣＶ_ｉ ^２ｆ／４の電力が取り出される。この電力は、出力する電力Ｐ_ｏより大きくなければならないので、静電容量Ｃは、Ｃ＞４Ｐ_ｏ／３Ｖ_ｉ ^２ｆを満たさなければならない。
【００２６】
本実施の形態によれば、チョークコイル１５に流れる電流がコンデンサ７及び８の静電容量Ｃに基づいて、飽和電流値Ｉ_ｓａｔ以下に規制されるので、出力電圧の平滑性が損なわれることなく、チョークコイル１５を小型化することができる。従って、小型化させたＤＣ／ＤＣコンバータ１を得ることができる。また、コンデンサ７及び８の放熱性を向上させたので、コンデンサ７及び８の耐久性を良くすることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によるＤＣ／ＤＣコンバータによれば、放熱部材によりコンデンサの温度上昇が抑制されるので、静電容量を下げてもコンデンサの耐久性が低下することはない。従って、静電容量を下げることにより、チョークコイルに流れる電流を飽和電流値以下に抑制することができる。このため、チョークコイルを小さくすることができ、ＤＣ／ＤＣコンバータの小型化を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態１によるＤＣ／ＤＣコンバータの一構成例を示した回路図である。
【図２】図１のＤＣ／ＤＣコンバータにおける電流波形の一例を示した説明図である。
【符号の説明】
１ＤＣ／ＤＣコンバータ、２トランス、３ブリッジ回路、４直流電源、
５平滑フィルタ、６出力端子、７，８コンデンサ、
９，１０スイッチングデバイス、１１１次コイル、１２２次コイル、
１３，１４ダイオード、１５チョークコイル、１６コンデンサ

Claims

トランスと、トランスの１次側に設けられ、スイッチングデバイス及びコンデンサを有するブリッジ回路と、トランスの２次側に設けられ、チョークコイルを有する平滑フィルタと、コンデンサの温度上昇を抑制する放熱部材とを備え、
コンデンサの静電容量に基づいて、チョークコイルに流れる電流がチョークコイルの磁路断面積から定まる飽和電流値以下に規制されることを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ。