JPH0423514B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明はDC−DCコンバータに関し、さらに詳
細には所定の値より小さいリプル成分を有する
DC信号を発生するため新規な変圧器誘電子構造
を用いたDC−DCコンバータに関するものであ
る。

［従来技術］ DC−DCコンバータでは、電力は非対称（シン
グルエンド）または対称（シンメトリカル）駆動
回路に付与され、そこでパルス信号に変換され、
パルス信号は次に変圧器の一次巻線に印加され
る。変圧器はパルス信号を所期のレベルに変換
し、次にそれらを整流器を介して一般にLC（イン
ダクタンス・キヤパシタンス）フイルタから成る
濾波回路に印加する。

［発明が解決しようとする問題点］ 容量変圧器に流れる大電流は変圧器構造内で大
きい電力損失を生じる一因となる。従つて、大電
流変圧器を用いるときは、少ない巻回数に対する
銅損さえ重要な場合があるので、変圧器の巻回数
を最少に低減することが望ましい。しかし、降圧
変圧器では巻線の巻回数はまた、入力電圧を所期
の出力レベルに対応するように低減するため必要
とする変圧器の巻数比の関数でもある。

電力変圧器のもう１つの要件はそれらが緊密に
結合されていること、すなわち、１次および２次
巻線が漏洩インダクタンスを低減するためできる
だけ物理的に近接して置かれることである。

従来の変圧器作用に関連するその他の問題に
は、出力電圧を電力信号に対する指定された制御
限界を越えて変動させる可能性があるリプル電圧
を濾波するため変圧器の出力側で用いられるLC
フイルタがある。

従来のDC−DCコンバータにおいて、変圧器
は、コンバータの体積の大部分を占める。電流リ
プルを低減するためには一般に大きな誘導子とコ
ンデンサを必要とし、フイルタを構成するコンデ
ンサと誘導子の寸法は両者のかね合いで決まる。
一般的に言えば、一方の濾波器の寸法を小さくし
ようとする他方のコンデンサの寸法は逆に大きく
なる傾向がある。

このように、従来のコンバータには、出力変圧
器における緊密な結合を必要とすること、変圧器
出力信号においてリプルが発生すること及びこの
リプルを除去または十分に低減するために大きな
濾波回路を必要とすること等の問題がある。

本発明の目的は変圧器の結合が緊密で、整流出
力におけるリプル成分を低減したDC−DCコンバ
ータを提供することである。

［問題点を解決するための手段］ これらの問題は本発明によりもたらされる新規
な平型変圧器により解決される。この変圧器は緊
密な結合を有するとともに、変圧器の２次巻線が
出力フイルタで必要とされるインダクタンスの条
件を殆ど満たすことができる。すなわち、本発明
のDC−DCコンバータは、通常の変圧器機能と整
流された電流のリプルを低減するための誘導子フ
イルタ機能とを兼ね備えた新規な変圧器−誘導子
構成を提供する。換言すると、本発明は、中間タ
ツプ付単一巻線の２次巻線を用いた構成に特徴が
ある。この２次巻線は、一対の半部分導体路から
なつている。

本発明の実施例はシングルエンドの非対称駆動
機構に関して延べられるが、本発明はまた対称駆
動機構を有する電源にも適合可能である。

［実施例］ 先づ第２図により、本発明を利用したDC−DC
コンバータの全体的ブロツク図を説明する。

導体１１および１３を介して例えば200ボルト
の直流電圧がシングルエンド二重スイツチまたは
対称ブリツジ・フロント・エンド回路１５に印加
される。直流電圧は例えば100乃至200キロヘルツ
の範囲の周波数を有するパルス列に変換され、そ
れは次に出力導体１７および１９を介して平巻線
変圧器誘導子装置２１に印加される。変圧器から
結果として生じた電圧５−10ボルト程度、電流
200アンペアの範囲にある出力信号が整流器を介
して出力端子２３および２５、濾波コンデンサ２
７および負荷抵抗２９へ印加される。平巻変圧器
誘導子２１は変圧器の２次側の信号を濾波するた
め用いられるインダクタンスを含むが、必要なら
ば、誘導子３１および（または）３３として示す
追加のインダクタンスを用いることができる。

本発明はスイツチング装置（SMPS）モードで
動作するように設計されており、直流電圧から脈
動電圧への最初の変換は第３図に示すシングルエ
ンド二重スイツチ非対称半ブリツジか、または第
４図に示す対称完全ブリツジ整流器のいずれかで
行なわれる。それ以外の非対称または対称駆動シ
ステムを用いることは当業者には容易である。

次に第３図を参照すると、直流電圧が導体１
１′および１３′を介して点線３９で示すように同
時に動作するよう結合されたスイツチ３５および
３７に印加される。スイツチ３５および３７は説
明を容易にするため機械的スイツチとして示す
が、それらは実際には通常の電子スイツチであつ
てもよく、一実施例ではFET（電界効果トランジ
スタ）スイツチである。スイツチ３５および３７
が閉じているときは、直流入力電圧に対応する大
きさとスイツチが閉じている時間に対応する持続
時間を有する正のパルスがそれぞれ出力導体１
７′および１９′に印加される。スイツチの対が同
時に作動されるときは、速い過渡的な２次電流信
号が変圧器２１によつて発生されるが、どのよう
な１次電圧スパイクも１次信号を直流入力電圧に
対応する電圧レベルにクランプするクランプ・ダ
イオード４１および４３により制御される。結果
として生じるパルス信号は次に導体１７′および
１９′を介して変圧器誘導子２１に印加される。
上述したブリツジ回路は通常のものであり、当該
技術では既知であると考えられる。

第４図は通常の対称型ブリツジ全波整流器であ
り、スイツチ４５，４７および４９，５１が点線
により示すように結合され、それぞれ関連のクラ
ンプ・ダイオード５３，５５および５７，５９を
有する。

クロツクまたはタイミング・パルスのような外
部供給源で制御される電子スイツチの順序動作の
間に、二重スイツチ・フロント・エンドにおける
信号の２倍の周波数の出力信号が発生される。シ
ングルエンドまたは対称ブリツジ・フロント・エ
ンドは機能的には入力を変圧器に与える等化物と
見なすことができるが、以下本発明は第３図に示
す実施例の二重スイツチ１次回路に関して説明さ
れる。

本発明は５乃至10ボルトの低電圧で100乃至200
アンペアの大電流を供給する大容量電源回路に関
して説明されるが、本発明は低電力動作にも適用
できる。

次に、第１図は、本発明の実施例になる、平型
変圧器２１の分解斜視図である。入力導体１７お
よび１９は、変圧器コア６０に巻かれた１次巻線
２０に接続されている。コア６０はＥコア構造と
なつており、外部脚６１，６３および内部脚６５
を備えている。１次巻線２０は、コア６０の周囲
に、平型すなわち単一の平面をなすようにして巻
かれている。２次巻線６７は、コア６０と対をな
すコア７０に巻かれている。すなわち、２次巻線
６７は、コア７０の外部脚６９と７１の間に、コ
ア７０の中央脚７３を取り囲むようにして配置さ
れている。２次巻線６７は、一板の薄い銅板を打
抜いて形成された導電シートからなつており、外
形は１次巻線２０と外形にほぼ対応するものとな
つている。２次巻線６７は、１対の半部分（導体
路６７Ａ，６７Ｂ）が、全体としてコアの中央脚
７３を囲むように構成された単一巻線であり、一
端７５から共通の中間タツプを引出して出力線２
３に接続されている。導体路６７Ａ，６７Ｂの他
端部分は、各々２次整流器７７および７９を介し
て出力導体２５に接続されている・従つて、導体
路６７Ａ，６７Ｂには同一方向に電流が流れる。
２次整流器７７，７９の出力信号は、コンデンサ
２７を経て濾波され、負荷２９に印加される。コ
アの脚部６１−６９−７３−６５を通る第１の磁
路が形成され、また、脚部６３−７１−７３−６
５を通る第２の磁路が形成される。コア６５−７
３間は両磁路に共通する磁路となつている。

前述したように、 ２次巻線６７は、２つの導体路（半部分）６７
Ａ，６７Ｂにより全体としてコア７０の中央脚７
３を取り囲むループ状に構成され、かつその全体
の外形が１次巻線の外形に近似し、しかも１次巻
線２０に近接対面配置されている。従つて２次巻
線６７は１次巻線と磁気的に密接に結合されてい
る。例えば、１次巻線２０に所定方向の電流が流
れ、コアの中央脚７３から６５へと上向きの磁界
を生じ、かつコアの各外部脚６１から６９へ、６
３から７１へと各々下向きの磁界を生じたとす
る。このとき（中央脚を上向きに向う磁界が発生
するとき）２次巻線６７の第１の導体路６７Ａに
よつて、外部脚６１−６９間には下向き（順方
向）、外部脚６３−７１間には上向き（逆方向）
の磁界を生ずる。同様に第２の導体路６７Ｂによ
つて、外部脚６１−６９間に上向き（逆方向）、
６３−７１間に下向き（順方向）の磁界を生ず
る。従つて、１次巻線２０と２次巻線６７の各導
体６７Ａ，６７Ｂとの間においては各導体から遠
い側の外部脚に逆方向の磁界を生じる。しかし近
い側に生ずる順方向の磁界に比べて弱く、全体と
して２次巻線全体と１次巻線との磁気結合は強
い。

一個の変圧器２１が変圧器機能と出力フイルタ
誘導子機能の両方を果す。単一１次巻線２０は二
重スイツチ回路によるシングルエンドまたはブリ
ツジ回路による対称的のいずれかの方式により駆
動することができる。コアのそれぞれの「脚」は
これらの２種類の１次駆動機構から生じる異なる
２つの磁束分布に適合するため寸法を異にする必
要がある。

磁気コア７０と２次巻線６７はコア体積の主要
な部分が２次整流器７７および７９を流れる電流
の和に比例する磁界を含むように配置される。動
作においては、コアのこの主要部分に蓄えられた
磁気エネルギーは出力フイルタ誘導子に蓄えられ
たエネルギーに対応する。この配置によつて誘導
子フイルタ機能を実現させることができる。

１次側のアンペア回数がスイツチの切換え時に
出力電流の迅速な整流または転送を行なう速い過
渡的（高di／dt）２次電流のアンペア回数パター
ンとほぼ同じになるように、１次および２次巻線
を配置する。この巻線配置は部品が緊密に結合さ
れた変圧器として働くのを許容する。

単一巻回２次巻線を用いることにより、１次巻
線の巻回数を磁気巻数比に、典型的な実施例では
20回に、制限することができる。次に１次巻線は
単一平面上で螺旋構造に巻くことができ、それは
２次巻線に非常に緊密な磁気結合をもたらす。誘
導子コアの上半分６０の脚６１，６３，６５を下
半分７０の対応する部分６９，７１，７３の上方
に直接置くことにより、これらの構造は組立てら
れる。この構造を用いることにより、変圧器巻線
全体は１次および２次巻線の各々に１つずつ、す
なわち２つの平面に限定される。さらに、第１図
に示す２次巻線の構造は一般に変圧器２次巻線出
力の濾波に用いられる追加のインダクタンスを兼
ねる。

電力変圧器の出力におけるリプル電流の量を決
定する考慮すべき点の１つはオフタイム、すなわ
ちパルス間の間隔の効果である。シングルエンド
の駆動機構を有する本発明の実施例では、１次側
入力が200Vのとき20：１の巻数比の変圧器によ
り与えられる変圧器２次側の通常の出力は10ボル
トである。しかし、図示のように２次巻線の中間
タツプ７５を引出すことにより、２次巻線が１対
の半部分に分割され、10ボルト・レベルは５ボル
ト・レベルに低減されるが、パルスの持続時間は
２倍になり、それによりパルス間の間隔、従つて
フイルタのリプル電流を大幅に低減することがで
きる。従つて、有効オフタイムは大幅に減少さ
れ、変圧器の巻回数は最少限度まで低減され、か
つ緊密な結合が保証される。変圧器１次入力とし
て第４図に示す対称ブリツジ、フロント・エンド
を用いることにより、オフタイムの低減が生じな
い点を除いて、動作において同様の効果が達成さ
れる。

［発明の効果］ 変圧器の２次巻線を濾波器のインダクタンスと
兼用することにより、濾波器の体積が小さくなり
コンバータ全体の体積を減少させ、しかもリツプ
ルも減少させる効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の平型変圧器兼誘導子の分解斜
視図である。第２図は本発明を用いたコンバータ
の概略的ブロツク図、第３図は変圧器１次巻線に
関連する従来の非対称二重スイツチ・システムの
概略図、第４図は変圧器１次巻線に関連した従来
の対称ブリツジ全波整流器の概略図である。 １５……シングルエンド二重スイツチ、２１…
…プレーナ変圧誘導子装置、２７…濾波コンデン
サ、２９……負荷、３１，３３……誘導子、６
１，６３……外部脚、６５……内部脚、６７……
導電性シート。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ２つの端子１７，１９を介して電源に接続さ
   れた１次巻線２０と、濾波回路２７を介して負荷
   ２９に接続された２次巻線６７および磁性材料の
   第１、第２のコア６０，７０とを有する変圧器２
   １を備えたDC−DCコンバータであつて、 前記第１、第２のコア６０，７０は、夫々相対
   応する外部脚６１，６３，６９，７１および内部
   脚６５，７３を備えた、Ｅコア構造となつてお
   り、 前記１次巻線が前記第１のコアの内部脚６５の
   周囲に単一の平面をなすようにして平型に巻か
   れ、 前記第１、第２のコアの内部脚６５，７３間を
   共通の磁路として、前記第１、第２のコアの外部
   脚及び内部脚を通る第１の磁路および第２の磁路
   が形成され、 前記２次巻線は、一枚の薄い導電シートからな
   り、一対の導体路６７Ａ，６７Ｂが全体として前
   記第２のコアの内部脚７３を取り囲むようにして
   前記外部脚６９，７１の間に配置された単一巻線
   であり、その一端７５から共通の中間タツプを介
   して出力線２３に接続され、他端部分は、各々整
   流器７７，７９を介して出力導体２５に接続さ
   れ、前記一対の導体路に同一方向に電流が流れる
   ように構成されており、 前記出力導体が、前記濾波回路に接続されてい
   る、 ことを特徴とするDC−DCコンバータ。