JPH04156269A - Ｄｃ―ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、チョッパ型のＤＣ−ＤＣ：Ｉンバータに関し
、電力伝送ラインＶ直列に入る第１ス・イッチ素子、チ
ョークコイル及び電力伝送ライン間に接続された第２ス
イッチ素子を含み、第１スイッチ素子及び第２のスイッ
チ素子のデユーティ比によって定まる出力電圧を得る降
昇圧回路を有１７・、この降昇圧回路に含まわる第１ス
イツヂ素子及び第２スイッチ素子を、パルス幅制御回路
により、同期し、た状態で、入力電圧に従ったデユ・−
コイルのパルス、及び出力電圧に従ったテ上−ディ比の
パルスによって、個別に制飢することにより、出力電圧
の一定化を図ると共に、入力電圧の条件を加味して高度
な制御が可能となるＤＣ−ＤＣコンバータを提供で籾る
ようにしたものである。

〈従来の技術〉 第１０図は従来のす江ツバ型のＤ　Ｃ−Ｄ　Ｃコンバー
タの電気回路図である。図において、１は降昇汗回路、
３は出力電圧検出回路、４はパルス幅制御回路である。

隋昇圧回路１は、電力伝送ライン１６に直列に入る第１
スイッチ累イ１１と、第１スイッチ素子１１の出力側に
おいで電力伝送ライン１６に直列に入るチロ−クコイル
１２と、チョークコイル１２の出力端側におい°〔電力
伝送シイ、）１６．１７間に接続された第２スイッチ素
子１３とを含んで構成さねでいる。第１スイッチ素子１
１及び第２スイッチ累子１３は、電界効果トランジスタ
またはバイポーラトランジスタ等で構成さ才ｌている。

第１スイッチ素子１１及７び兎２スイツナ累了１３は所
定の周波数でオン・オフされ、第１スイツヂ素ゴ１１及
び第２スイッチ素子１３が共にオンのと１に、入力側電
圧１１１．１１２からヂ・→−クコイルｊ２に電力が伝
送され、入力電圧ＶＩＮに従ったエネルギーがチョーク
コイル１２に蓄積される。３４１スイッチ素子１１及び
第２スイツヂ素子１３が共にオフのと幹に、グーヨーク
コイル１２に蓄積されたエネルギーが第１ダイオード１
４及び第２ダイオード１５を介して出力側電圧１１３．
１１４に放出される。この結果５、入力側電圧１１１．
１１２から出力側端一：ｉ！−１１３，１１４に電力が
伝送され、出力側電圧１１３．１１４には、第１スイ・
／ヂ素子ＩＸ及び第２．０スイッチ素子１３のデユーテ
ィ比によって定まる出力電圧Ｖ。が得られる。

出力電圧検出回路３は、抵抗３１．３２からなる抵抗分
圧１す〕路が出力側電圧１１３，１１４間に接続されて
構成され、電力伝送ラインのＨ（力電圧■ｏを検出し２
、検出信号３３をパルス幅制御回路４に供給している。

パルス幅制御回路４は、所定の周波数信号４１１を発生
する信号発生回路４１ど、パルス幅変調回路（以下ＰＷ
Ｍ回路という、）４２とを含んで構成されている。信号
発生回路４１の周波数信号４１１０周波数は、通常、２
５０　ｋ、　Ｈｚ程度が採用される。ＰＷＭ回路４２は
、検出信号３３と目標の出力電圧ｖ０との偏差を演算し
、偏差に応じたデ、１．−ティ比のパルス４３を周波数
信号４１　Ｉｆ”同期して発生させ、第１スイッチ素子
１１及び第２スイッチ累子１３に出力し１ている。

検ＬＵＸ−号３３が目標の出力電圧Ｖ。よりも高い場合
はデユーティ比を減少さゼ、低い場合はデユーティ比を
増加させて出力電圧■。を調整する、このように、従来
のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１スイッチ素子１１及び
＃ｉＪ２ス・イッチ累子１３のデユーデイ比を間開に変
化さゼることにより、胎−容される範囲の入力電圧Ｖｌ
、ｉから所定の出力電圧■。を得るようになっている。

第１１図は従来のＤＣ−ＤＣＣコンパルの電力伝送効率
な丞した特性図である。図に示すように、従来のＤＣ−
ＤＣコンバータの電力伝送効率は最大でも７５％程度で
ある。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、上述した従来のＤＣ−ＤＣコンバークは
出力電圧の一定化のみを主目標としており、出力電圧を
検出して出力電圧を一定化するために第１スイッチ素子
及び第２スイッチ素子を同期させてオン・オフさせるだ
けの動作モードの利用に留まっていた。このため、入力
電圧の条件を加味した制御、例えば、電力の伝送効率を
最大にして任意の入力電圧から所定の出力電圧を得ると
いう制御に全く考慮がなされていないという問題点があ
る。この種のＤＣ−ＤＣコンバータの入力側には、Ｎｉ
Ｃｄ電池、Ｍｎ電池及びカーバッテリー等が接続される
ので、電池の寿命を長くするために電力の伝送効率を向
上させることは重要な問題である。

そこで、本発明のｎ題は、上述した従来の問題点を解決
し、出力電圧の一定化を図ると共に、入力電圧の条件を
加味して高度な制御が可能となるＤＣ−ＤＣコンバータ
を提供することである。

〈課題を解決するための手段〉 上述する課題解決のため、本発明は、降昇圧回路と、入
力電圧検圧回路と、出力電圧検出回路と、パルス幅制御
回路とを含むＤＣ−ＤＣコンバータであって、 前記降昇圧回路は、電力伝送ラインに直列に入る第１ス
イッチ素子と、前記第１スイッチ素子の出力側において
前記電力伝送ラインに直列に入るチョークコイルと、前
記チョークコイルの出力端側において電力伝送ライン間
に接続された第２スイッチ素子とを含み、前記第１スイ
ッチ素子及び第２のスイッチ素子のデユーティ比によっ
て定まる出力電圧を得る回路であり、 前記入力電圧検出回路は、前記電力伝送ラインの入力電
圧を検出し、その検出信号を前記パルス幅制御回路に供
給し、 前記出力電圧検出回路は、前記電力伝送ラインの出力電
圧を検圧し、その検出信号を前記パルス幅制御回路に供
給し、 前記パルス幅制御回路は、所定の周波数信号を発生する
信号発生回路と、第１パルス幅変調回路と、第２パルス
幅変調回路とを含み、 前記第１パルス幅変調回路は、前記周波数信号に同期し
、前記入力電圧に従フた所定のデユーティ比の第１パル
スを、前記′ｓ２スイッチ素子または前言己第１スイッ
チ素子の何れか一方に供給し、 前記第２パルス幅変調回路は、前記周波数信号に同期し
、前記出力電圧を一定化するデユーティ比の′ｓ２パル
スを、前記第１スイッチ素子または前記第２スイッチ素
子の何れか一方に供給すること を特徴とする。

く作用〉 第１パルス幅変調回路は、周波数信号に同期し、入力電
圧に従った所定のデユーティ比の第１パルスを、例えば
、第２スイッチ素子に供給し、第２パルス幅変調回路は
、周波数信号に同期し、出力電圧を一定化するデユーテ
ィ比の第２パルスを、例えば、１４１スイッチ素子に供
給するようにしであるので、３４１パルスと第２パルス
のデユーティ比を、同期した状態で、個別に任意に設定
し、両スイッチ素子のデユーティ比によって定まる動作
モードを任意に設定できる。このため、例えば、任意の
入力電圧から所定の出力電圧を得るときに電力伝送効率
を最大にする等、出力電圧の一定化と共に、入力電圧の
条件を加味した高度な制御が可能となる。

第１パルスを第１スイッチ素子に供給し、第２パルスを
第２スイッチ素子に供給しても、同様の作用が得られる
。

〈実施例〉 第１図は本発明に係る実施例のＤＣ−ＤＣコンバータの
電気回路図である０図において、ｉｔ。

図と同一の参照符号は同一性ある構成部分を示している
。２は入力電圧検出回路、４はパルス幅制御回路である
。入力電圧検出回路２は、抵抗２１．２２からなる抵抗
分圧回路が入力側電圧１１１．１１２に接続されて構成
され、電力伝送ラインに供給される入力電圧ＶＩＮを検
出し、検出信号２３をパルス幅制御回路４に供給してい
る。

パルス幅制御回路４は、所定の周波数信号４１１を発生
する信号発生回路４１と、第１パルス幅変調回路（ＰＷ
Ｍ回路）４２１と、第２ＰＷＭ回銘４２２とを含んで構
成さねている。第１ＰＷＭ回路４２１は、信号発生回路
４１０発生ずる周波数信号４１１に同期し、入力電圧検
出回路３から供給される検出信号２３を受け、入力電圧
Ｖ１１１に従った所定のデユーティ比の第１パルス４３
１を、第２スイッチ素子１３に出力する。Ｆｉ２ＰＷＭ
回路４２２は、信号発生回路４１の発生する周波数信号
４１１に同期し、出力電圧検出回路３から供給される検
出化Ｊ＋３３を受け、出力電圧■。

を−変化するデユーティ比の第２パルス４３２を第１ス
イツヂ素子１１に出力す゛る。

第２図は本発明に係る実施例のＤＣ−ＤＣコ〕ノバータ
の動作を説明する等価回路図である６第１スイッチ素子
１１と第２スイツヂ素子１３は、デユーティ比が個別に
決定さ唱た第２パルスど第１パルスどによりオン・オフ
されるので、動作子−１では４種類ある。図において、
第２図（ａ）に示すモード１は、第１スイツヂ累子１１
がオンで第２スイッチ１３がオンの状態を示し、第２図
（ｂ）に示すギード２は、第１スイッチ１１がオンで第
２スイツナ素子１３がオフの状態を示し、第２図（Ｃ）
に示す（−ド３は、第１スイッチ素子１１がオフで第２
スイッチ素子１３がオフの状態を示し、第２図（ｄ）に
示すモード４は、第１スイッチ集ｆ１１がオフ”で第２
スイツヂ累了１３がオンの状態を示している。

第３図は本発明に係る実施例のＤＣ−ＤＣコンバータの
動作状態を説明する波形図である、図においで、第３図
（ａ）に示す波形は、東１スイッチ素Ｉ”〜１１の端ｆ
電圧の状態を、第３図（ｂ）に示す波形は、第２．スイ
ッチ素子１３の電圧電圧の状態を、第３図（Ｃ）に示す
波形は、チョークコイル１２の電圧電圧の状態を、第３
図（ｔｉ）に示す波形は、チヨ・・−クニコ・イル１２
に清１れる電流の状態を王れぞれ示している。

本発明では、第１パルス及び第２パルスのデ：ｒ−−−
５−イ比を適切に選択することにより、ｆ来の１ｊ作モ
ー　ドである（−一ド１とモート３との中間に新しいモ
ード２を挿入した構成としバ〔いる。

第２図及び第３図に基づいてＤＣ−ＤＣ：ｆｆンバータ
の動作を説明する。

モード１について説明する。第２スイッチ素子１３がオ
ンした場合、出力電圧■。はダ・イオ〜ド１５の整流作
用により降昇圧回路１に何ら影響を与えない５このため
、第１スイッチ素子１１がオンすると、チョークコイル
１２は入力電圧ＶＩＮに対抗する銹導起電力を発生ずる
。チョークコイル１２に流れる電流の変化ΔＩＬＬは、
チａ−り′フィル１２の自己インダクタンスをり、ｉ！
スイッヂ素子１１がオン、かつ、第２スイッチ素子１３
がオンとなる時間を丁、とするど、以下のように求めら
れる。

△１１、＋＝Ｖ＋Ｎ＝ＴＩ、、’ｔ、　　　”　Ｈ（１
）モード２について説明する。′８２スイッチ累子１３
がオンになると、入力電圧ｖ１．４と出力電圧■。との
バランスから、チョークコイル１２にはＩＶＩ）１　　
ｖｏｌの電圧が発生し、チョークコイル１２に流れる電
流の変化△ＩＬ２は、第１スイッヂ素−１′：１．１が
オン、かつ、第２スイッチ素子１３がオフとなるＭ間を
Ｔ２どすると、以下のように求められる。

△ＩＬ２＝　ｌ　ＶＩＮ　　ｖｏｉ　Ｔ２　／Ｌ　・・
・　（２）モー　ド３について説明する。第１スイ−／
１−素子１１がオフになるので、入力電圧ＶＩＮの降Ｅ
圧回路１への影響はなくなる。＄２スイッヂ素子１３が
オフになると、ヂ３−クコイル１２に蓄積されたエネル
ギーが出力側電圧１１３．１１４を介して放出される。

この時にチョークコイル１２、に発生する電圧は、出力
電圧Ｖ。「等しく、極性が反対どなるので、ラー→・−
クコイル１２に流、れる電流の変化△Ｎ１．３は、第１
スイッチ素子１１がオフ、かつ、第２スイッチ素７−３
３がオフとなる時間なＴ、とするど以下のように求めら
れる。

△１　ｔ＊＝−ｖｏ　　＝Ｔ３　／　Ｌ　　・・・（３
）モード４は、第２スイッチ素ゴ１３がオンであるから
、チョークコイル１２から出力側電圧１１３．１１４へ
のエネルギー伝送は行なわ第１ない。

チョークコイル１２に流れる電流は、第１スイッチ素子
１１がオン時間中と、オフ時間中とで一致するので、（
１）〜（３）式より、入力電圧ＶＴＮと出力電圧ｖ０と
の間には以下の関係が成立する。

Ｖ＋ｘ・ＴＩ　／Ｌ＋　Ｉ　ＶｒＮ−Ｖｏ　　Ｉ　・Ｔ
Ｉ　／Ｌ−Ｖｏ　　−Ｔｓ／Ｌ　　　　　　・・・　（
４）Ｖｏ　＝（ＴＩ　＋７２）／　（ＴＩ　＋ＴＪ　・
ＶＩＮＶｏ−ＤＩ　／（１−Ｄ２）−ＶＩＮ−−−（５
）但し、Ｄ、＝Ｔ、＋Ｔ、／Ｔ Ｄ、＝Ｔ、／Ｔ Ｔ　＝　Ｔ　、＋　７２　＋　Ｔ　ｓ このことから、任意の入力電圧ＶＩＮから一定の出力電
圧ｖｏを得るためには、入力電圧ＶＩＮに従ってデユー
ティ比り、　、Ｄ、の値を所定の値に設定すればよい。

この（５）式の意味するところは、入力電圧Ｖ、Ｎから
出力電圧Ｖ。を得るためのデユーティ比り、、Ｄ、の組
み合せは無数にあり、何れか一方を決定すると、相手方
もそれにつれて一意に定まるということである０本実施
例では、電力伝送効率を最大にして任意の入力電圧から
所定の出力電圧を得るようにデユーティ比り。

を決定し、圧力電圧を一定化するようにデユーティ比Ｄ
１を決定している。デユーティ比ＤＩは第２ＰＷＭＤＯ
ｉ４２２、テｓ　−ティ比Ｄ　、　ｉｔ　ｉＥ　ＩＰＷ
Ｍ回路４２１がそれぞれ決定している。

第３図において斜線で示した部分は、従来のＤＣ−ＤＣ
コンバータにおけるチョークコイル１２に流れる電流波
形である。モード２部分がないので、その分チョークコ
イル１２の電流変化が大きくなっている。

第４図はパルス幅制御回路４の動作の一例を説明する信
号波形図である。第４図（ａ）に示す波形は、信号発生
回路４１で発生する周波数信号波形４１１である。第４
図（ｂ）に示す波形は、第１　ＰＷＭ回路４２１から第
２スイッチ素子１３に供給される第１パルス波形４３１
である。第４図（ｃ）に示す波形は、第２　ＰＷＭ回路
４２２から第１スイッチ素子１１に供給される第２パル
ス波形４３２である。信号発生回路４１は、周期がＴと
なる鋸状の周波数信号４１１を発生し、第１ＰＷＭ回路
４２１及び第２ＰＷＭ回路４２２に送信する。本実施例
では、周波数信号４１１の周波数は２５０ｋＨｚに設定
しである。

第１　ＰＷＭ回路４２１は、各入力電圧Ｖ。Ｎから定格
出力電圧ｖ０及び定格出力電圧工。を得るときに、最大
伝送効率で達成するデユーティ比Ｄ２を、関数またはデ
ータの形で有しており、検出信号２３からその最大伝送
効率のデユーティ比Ｄ２を得るべく電圧ＶＰＩを演算し
、周波数信号４１１と比較し、第１パルス４３１を発生
する。ｉ２ＰＷＭ２ＰＷ２２は、検出信号３３から、出
力電圧ｖ０を一定化するためのデユーティ比Ｄ１を得る
べく電圧ＶＰ２を演算し、周波数信号４１１と比較し、
第２パルス４３２を発生する。これによフて、出力電圧
Ｖｏを一定化するために必要な第２パルス４３２が第１
スイッチ素子１１に与えられ、印加させる入力電圧ＶＩ
％Ｉに対して最大の電力伝送効率を得るためのｙｇ１パ
ルス４３１が第２スイッチ素子１３に与えられる。

これによって、出力電圧の一定化を図ると共に、入力電
圧の条件を加味した高度なＩＩＪｔｊ７Ｂが可能となる
ＤＣ−ＤＣコンバータが提供できるようになる。

第５図は本発明に係る実施例により得られる電力伝送効
率を示す特性図である。第６図はその場合の入力電圧に
対する最大伝送効率を得るためのデユーティ特性図であ
る。！６図に示すデユーティ比のパルスが第１パルスと
して、ｌ４ＥＩ　ＰＷＭ回路４２１から第２スイッチ素
子１３に与えられる。

本実施例によれば、電力伝送効率は８５％程度まで改善
されており、従来より１０％程、伝送効率を向上させた
ＤＣ−ＤＣコンバータを提供できる。これによって、Ｎ
ｉＣｄ電池等の寿命を延ばすことができる。伝送効率が
改善されているのは、第３図に示すようにチョークコイ
ル１２に流れる電流の変化が小さく抑えられるからであ
る。

第７図は別の実施例に係るＤＣ−ＤＣコンバータの電気
回路図である。第１図の実施例との相遠点は、第１　Ｐ
ＷＭ回路４２１からＳ１パルス４３１をＳ１スイッチ素
子ｉ１に与え、第２ＰＷＭ回路４２２から第２パルス４
３２を第２スイッチ素子１３に−５えるようにしたこと
である。

′ｓ８図は別の実施例により得られる電力伝送効率を示
す特性図である。第９図はその場合の入力電圧に対する
最大伝送効率を得るためのデフ−ティ特性図である。第
９図に示すデユーティ比のパルスが第１パルスとし、て
、第ｔ　ＰＷＭ回路４２１から第１スイッチ累子１１に
与えられる。

この実施例におい′τも、電力伝送効Ｖが８５％程度ま
で改者され°τおり、従来のＤＣ−ＤＣコンバータに対
し′で伝逢効寮を１０％向上させたＤＣ−ＤＣコンバー
タを提供できる。

〈発明の効果〉 以］、述べたように、本発明によりば、第１パルス幅変
調回路は、周波数侶唾に同期し５、入力可、圧に従った
所定のデー−ティ比の第１パルスを、例えば、第２スイ
ッチ素子に供給し７、第２パルス幅変調回路は、周波数
信号に同期し、出力電圧を一定化するデユーデイ比の第
２パルスを、例えば、第１ス・イッチ素子に供給するよ
うにしであるので、出力電圧を一定化すると共に、入力
電圧の条件を加味１２だ高度な制飢の可能なりＣ−ＤＣ
コンバータを捏イ共できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る実施例のＤＣ−ＤＣコ、ノバータ
の電気回路図、第２図（ａ）へ・（ｄ）はそのＤＣ−Ｄ
Ｃコンバータの動作を説明する等価回路図、第３図（ａ
）−（ｄ）は同しくそのＤＣ”−ＤＣｌ、：ｌンバータ
の動作状態を説、明する波形図、第４図（ａ）〜（Ｃ）
はパルス幅制御回路の動作を説明する信号波形図、第５
図は本発明に係る実施例により得られる電力伝送効率を
示す特性図、第６図は入力電圧に対する最大伝送効率を
得るためのデユーティ特性図、第７図は別の実施例に係
るＤＣ−ＤＣコンバータの電気回路図、第８図は別の実
施例にＪ：り得られるτ、カイム送効″ＪＪ′を・乃〈
ず特性図、第９図は人力Ｎ斤に対する最大伝送効率を得
るためのデフ−ティ特性図、第１Ｏ図は従来のチリツバ
型のＤ　Ｃ１−ＤＣＣコノパーの電気回路図、第１１図
は従来のＤＣ−ＤＣコンバータの電力伝送効Ｙを刀＼″
ず特性図である。 １・・・聞２圧回路 １１・・・第１スイッチ素子 １２・・・チョークコイル １３・・・第２スイッチ素子 ２・・・入力電圧検出回路 ３・・・出力電圧検出回路 ４・・・パルス幅制御回路 ４１・・・信号発生回路 ４２１・・第１パルス［変調回路（ＰＷＭ回路）４２２
・・第２パルス［変調回路 第　　１　　図 第２図 ＶＡＮ 第３図 時間 （ｄ） 第４図 第５図 第６図 入力電圧（■） 第７図 第８図 第９図 入力電圧（Ｖ） 第１０図 第１１図 入力電圧（Ｖ）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）降昇圧回路と、入力電圧検出回路と、出力電圧検
   出回路と、パルス幅制御回路とを含むＤＣ−ＤＣコンバ
   ータであって、 前記降昇圧回路は、電力伝送ラインに直列に入る第１ス
   イッチ素子と、前記第１スイッチ素子の出力側において
   前記電力伝送ラインに直列に入るチョークコイルと、前
   記チョークコイルの出力端側において電力伝送ライン間
   に接続された第２スイッチ素子とを含み、前記第１スイ
   ッチ素子及び第２のスイッチ素子のデューティ比によっ
   て定まる出力電圧を得る回路であり、 前記入力電圧検出回路は、前記電力伝送ラインの入力電
   圧を検出し、その検出信号を前記パルス幅制御回路に供
   給し、 前記出力電圧検出回路は、前記電力伝送ラインの出力電
   圧を検出し、その検出信号を前記パルス幅制御回路に供
   給し、 前記パルス幅制御回路は、所定の周波数信号を発生する
   信号発生回路と、第１パルス幅変調回路と、第２パルス
   幅変調回路とを含み、 前記第１パルス幅変調回路は、前記周波数信号に同期し
   、前記入力電圧に従った所定のデューティ比の第１パル
   スを、前記第２スイッチ素子または前記第１スイッチ素
   子の何れか一方に供給し、 前記第２パルス幅変調回路は、前記周波数信号に同期し
   、前記出力電圧を一定化するデューティ比の第２パルス
   を、前記第１スイッチ素子または前記第２スイッチ素子
   の何れか一方に供給すること を特徴とするＤＣ−ＤＣコンバータ。
2. （２）前記第１パルス幅変調回路は前記第１パルスを第
   ２スイッチ素子に出力し、前記第２パルス幅変調回路は
   前記第２パルスを第１スイッチ素子に出力することを特
   徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。
3. （３）前記第１パルス幅変調回路は前記第１パルスを第
   １スイッチ素子に出力し、前記第２パルス幅変調回路は
   前記第２パルスを第２スイッチ素子に出力することを特
   徴とする請求項１に記載のＤＣ−ＤＣコンバータ。