JPH10108458A - ソフトｐｗｍスイッチング式のダブルフォワードコンバータ - Google Patents

ソフトｐｗｍスイッチング式のダブルフォワードコンバータ

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JPH10108458A
JPH10108458A JP9233011A JP23301197A JPH10108458A JP H10108458 A JPH10108458 A JP H10108458A JP 9233011 A JP9233011 A JP 9233011A JP 23301197 A JP23301197 A JP 23301197A JP H10108458 A JPH10108458 A JP H10108458A
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Japan
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primary winding
power supply
main switch
transformer
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JP9233011A
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F Dong Tan
ドン タン エフ
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Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Original Assignee
TRW Inc
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 整流ダイオードの逆回復ロスを排除するＤＣ
／ＤＣコンバータ回路を提供する。 【解決手段】 共振キャパシタ(CR ) によりメインスイ
ッチ(M1)にまたがって補助スイッチ(M2)が接続される。
共振キャパシタ(CR ) 及び補助スイッチ(M2)は、メイン
スイッチ(M1)がオンであるときに変成器コアに蓄積され
たエネルギーを変成器の一次側に接続された電源へ自動
的に転送して戻す。スイッチングロスを最小にするため
に、メインスイッチ(M1)及び補助スイッチ(M2)のドレイ
ン／ソース端子にまたがってダイオード(D1,D2) 及びス
ナバキャパシタ(C1,C2) が接続される。変成器の二次巻
線は、一対の可飽和リアクトル(SR3, SR4)に接続され、
これらは、次いで、整流ダイオード(D3,D4) に接続され
る。フリーホイールダイオード(D5)が二次巻線に接続さ
れ、可飽和リアクトルと協働して、メイン及び補助スイ
ッチの遷移中に二次巻線への負荷電流を維持し、整流ダ
イオード(D3,D4) の逆回復ロスを排除する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータ回路に係り、より詳細には、メインスイッチと、補
助スイッチと、整流ダイオードと、メインスイッチがＰ
ＷＭ回路の制御下にあるときに一次巻線から二次巻線へ
エネルギーを転送する変成器とを備えたソフトＰＷＭス
イッチング式ダブルフォワードＤＣ／ＤＣコンバータ回
路に係る。このＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、メインス
イッチがターンオフされたときにロックアップされるお
それなく変成器巻線に蓄積されたエネルギーを自動的に
リセットする回路と、変成器二次巻線に接続された整流
ダイオードに関連した逆回復ロスを排除するために整流
ダイオードをソフトスイッチングする回路とを含む。メ
イン及び補助の両スイッチは、ゼロ電圧においてターン
オンされる一方、ターンオフロスを最小にするためにス
ナバキャパシタが設けられている。
【０００２】
【従来の技術】ＤＣ／ＤＣコンバータは、未調整のＤＣ
電源を、種々の用途に使用するための定電圧電源に変換
するために使用される。このようなＤＣコンバータは、
通常、一次及び二次巻線を有する変成器を備えている。
一次巻線から二次巻線へのエネルギー転送を制御するた
めに、一次巻線にはスイッチ、例えばソリッドステート
スイッチが接続される。ＰＷＭ制御型コンバータにおい
ては、スイッチは、スイッチング周期に対するスイッチ
オン時間として定義されたデューティサイクルを変化さ
せるパルス巾変調（ＰＷＭ）回路の制御下におかれる。
【０００３】航空宇宙及び軍事用途で常に必要とされる
ように、サイズ及び重量を減少するためにスイッチング
周波数を増加すると、スイッチングロスが急激に増大す
る。これに対処するために、ＤＣ／ＤＣ電力コンバータ
設計は、種々の機構を用いてソリッドステートスイッチ
のスイッチングに関連したロスを排除又は最小限に抑え
ている。これらの機構は一般にソフトスイッチングの種
々の技術と称する。ソフトスイッチング機構の全ての種
類の中で、最も有望なものは、ターンオン及びターンオ
フ遷移においてゼロ電流又はゼロ電圧スイッチングを有
する一方、ＰＷＭ（ハードスイッチ型）コンバータの場
合と同様の電圧及び電流ストレスを維持するものであ
る。これは、ＰＷＭ（ハードスイッチ型）コンバータの
場合と同様のスイッチ電圧及び電流のストレスレベルが
電力伝達において考えられる最良の効率を表すからであ
る。このグループのソフトスイッチングは、ソフトＰＷ
Ｍスイッチングと称される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】最近の開発において、
ソフトスイッチングの一般的な位相シフト機構は、ソフ
トＰＷＭ波形の実現に近づいている。しかしながら、そ
の用途は、半ブリッジ及び全ブリッジコンバータのよう
なダブルエンドのコンバータに限定される。フォワード
及びフライバックのようなシングルエンドコンバータの
ためのソフトスイッチ機構の最新の開発は、電流ミラー
として知られている機構を用いて、変成器を自動的にリ
セットする。このような回路の例が、米国特許第４，４
４１，１４６号；第４，８０９，１４８号；第４，９５
９，７６４号；及び第５，１２６，９３１号に開示され
ている。又、このような回路の例は、次の出版物にも開
示されている。「一体化磁気回路をもつ一定周波数のＺ
ＶＳコンバータ(Constant Frequency ZVS Converter wi
th Integrated Magnetics)」、Ｊ．Ａ．バセット著、パ
ブリケーション第０−７８０３−０４８５−３／９２
号、１９９２年、ＩＥＥＥ、第７０９−７１６ページ；
「高周波数、ソフト遷移コンバータ(High Frequency, S
oft Transitions Converter)」、Ｉ．Ｄ．ジタル著、Ｉ
ＥＥＥパブリケーション第０−７８０３−０９８２−０
／９３号、１９９３年、ＩＥＥＥ、第８８０−８８７ペ
ージ；「高周波数スイッチングのためのスイッチ型スナ
バ(Switched Snubber for High Frequency Switching)
」、Ｋ．ハラダ及びＨ．サカモト、ＩＥＥＥパブリケ
ーション第ＣＨ２８７３−８／９０／００００−０１８
１号、１９９０年、ＩＥＥＥ、第１８１−１８７ペー
ジ；及び「高周波数及び電力レベルにおける変成器アク
ティブリセット回路のための設計技術(Design Techniqu
esfor Transformer Active Resets Circuits at High F
requencies and Power Levels) 」、Ｂ．カーステン
著、ＨＦＰＣメイ１９９０プロシーディングズ、第２３
５−２４５ページ。このような回路は、一般に、第２の
ソリッドステートスイッチと、メインソリッドステート
スイッチが開放されたときに変成器の巻線に蓄積された
磁気電流を転送して、変成器の一次巻線に接続されたＤ
Ｃ電源へとエネルギーを再循環させるためのキャパシタ
とを備えている。このような回路は、メインスイッチ及
び補助スイッチをゼロ電圧においてターンオンさせ、そ
してロスのないスナバ、通常は、スイッチにまたがって
並列に接続されたキャパシタを備えている。スナバは、
スイッチがターンオフされるときの電圧ストレス及びロ
スを最小にするために使用される。更に、このような回
路は、スイッチがターンオンされたときにスイッチのタ
ーンオンロスを排除し且つスイッチにまたがる電圧スト
レスを最小にするために、スイッチが閉じる前にスナバ
キャパシタを放電するように構成される。このような回
路の例が米国特許第４，９５９，７６４号，第５，１２
６，９３１号及び第５，２３１，５６３号に開示されて
いる。
【０００５】上記特許に使用された電流ミラーの技術
は、低調波周波数にロックアップされたモードで回路を
動作させることに注意されたい。このロックアップ動作
モードは、出力電圧を調整状態から逸脱させ、そしてス
イッチング素子に潜在的にダメージを及ぼす。コンバー
タの安全動作を保証するために付加的な保護回路が使用
される。
【０００６】米国特許第４，８０９，１４８号；第４，
４４１，１４６号；第４，９５９，７６４号及び第５，
１２６，９３１号に開示されたように、ＤＣ／ＤＣコン
バータは、通常は、変成器の二次巻線に接続された１つ
以上の整流ダイオードを備えている。典型的に、１つの
整流ダイオードが変成器の二次巻線にまたがって並列に
接続され、一方、第２の整流ダイオードが負荷に直列に
接続される。いずれのスイッチングコンバータにおいて
も、整流ダイオードは、ダイオードにまたがるバイアス
が急激に逆転するときに生じる逆回復ロスとして知られ
ているものを受ける。整流ダイオードの逆回復ロスを最
小にするための種々の技術が知られており、例えば、
「高周波数、ソフト遷移コンバータ(High Frequency, S
oft Transitions Converter)」、Ｉ．Ｄ．ジタル著、パ
ブリケーション第０−７８０３−０９８２−０／９３、
１９９３年、ＩＥＥＥ、第８８０−８８７ページ（及び
米国特許第５，４３４，７６８号）に開示されている。
しかしながら、この技術は、著者が述べているように、
「ダイオードの逆回復ロスを完全に排除しない」。
【０００７】簡単に述べると、既存のコンバータ回路
は、効果的なソフトスイッチングを果たすが、部品を破
壊することのある危険なロックアップモードと、電力変
換効率を妥協させるダイオードの過剰な逆回復ロスとの
２つの主たる欠点に悩まされている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、公知技
術に関連したこれらの問題を解消するＤＣ／ＤＣコンバ
ータ回路を提供することである。
【０００９】本発明の別の目的は、整流ダイオードの逆
回復ロスを排除するＤＣ／ＤＣコンバータ回路を提供す
ることである。
【００１０】本発明の更に別の目的は、変成器と、メイ
ンスイッチと、該メインスイッチがオフであるときに変
成器の巻線に蓄積されたエネルギーを変成器の一次側に
接続された電源へ自動的に転送して戻すための回路とを
備えたＤＣ／ＤＣコンバータ回路を提供することであ
る。
【００１１】本発明の更に別の目的は、メインスイッチ
及び補助スイッチと、これらソリッドステートスイッチ
のスイッチングロスを最小にするためのロスなしスナバ
とを含むソフトＰＷＭスイッチング式のＤＣ／ＤＣコン
バータシステムを提供することである。
【００１２】簡単に述べると、本発明は、ソフトＰＷＭ
スイッチング式の新規なフォワードＤＣ／ＤＣコンバー
タに係る。このコンバータは、１つのスイッチングサイ
クル内に出力ローパスフィルタに２つのパルスを与え
る。従って、コンバータの１つのスイッチングサイクル
に、電力が出力に２回送られる（ダブルフォワード）。
ダブルフォワードＤＣ／ＤＣコンバータは、単一の一次
巻線と、２つの二次巻線とを有する変成器を備えてい
る。メインスイッチは、ＰＷＭ制御回路の制御下で一次
巻線と直列に接続される。補助スイッチは、共振キャパ
シタによりメインスイッチにまたがって接続される。共
振キャパシタ及び補助スイッチは、メインスイッチがオ
フである間に、変成器巻線に蓄積されたエネルギーを変
成器の一次側に接続された電源へ自動的に転送して戻す
のに使用される。スイッチングロスを最小にするため
に、メインスイッチ及び補助スイッチの両方のドレイン
／ソースターミナルにまたがってダイオード及びスナバ
キャパシタが接続される。いわゆる電流ミラーは、ここ
では、インテリジェントな回路設計により断念される。
従って、名うてのロックアップ動作モードは回避され
る。
【００１３】変成器の二次巻線は、一対の可飽和リアク
トルに接続され、これらリアクトルは整流ダイオードに
接続される。二次巻線にまたがってフリーホイールダイ
オードが接続され、これは、可飽和リアクトルと協働し
て、メイン及び補助スイッチの遷移中にコンバータの二
次側への負荷電流を制限する。この構成は、整流ダイオ
ードの逆回復ロスを排除するのに必要な機構を形成す
る。
【００１４】
【発明の実施の形態】本発明のこれら及び他の目的は、
添付図面を参照した以下の詳細な説明より容易に理解さ
れよう。
【００１５】全ての形式の電力変換において２つの重要
な要素は、効率と電力密度である。ソフトスイッチング
式のＤＣ／ＤＣコンバータ回路は、従来のＰＷＭスイッ
チング電源よりも比較的優れた結果を与えることが知ら
れている。本発明によるソフトＰＷＭスイッチング式の
ダブルフォワードＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチン
グデバイスのスイッチングロスを最小にすると共に整流
ダイオードに関連した逆回復ロスを排除するための回路
を備えている。本発明によるダブルフォワードＤＣ／Ｄ
Ｃコンバータ回路の重要な特徴は、付加的な回路による
回路の複雑さを最小にし且つロスの導入を最小にして、
スイッチングロス及び逆回復ロスが排除されることであ
る。
【００１６】本発明によるダブルフォワードＤＣ／ＤＣ
コンバータ回路が、図１に参照番号２０で一般的に示さ
れている。このダブルフォワードＤＣ／ＤＣコンバータ
回路２０は、巻回数ｎ1 の単一の一次巻線と、各々同じ
巻回数ｎ2 の２つの二次巻線とを有する変成器ＸＦＲＭ
を備えている。一次及び二次巻線の極性は、図１に点で
示されている。例えば、ゲート、ドレイン及びソース端
子をもつＭＯＳＦＥＴのようなソリッドステートスイッ
チであるメインスイッチＭ1 は、一次巻線におけるエネ
ルギーの流れを制御するのに使用される。特に、メイン
スイッチＭ1 のドレイン及びソース端子は、一次巻線に
直列に接続される。一次巻線及びメインスイッチＭ1 に
は一対の入力端子が接続される。これら入力端子には、
ＤＣ電圧源が接続される。
【００１７】例えば、ゲート、ドレイン及びソース端子
をもつＭＯＳＦＥＴのようなソリッドステートスイッチ
である補助スイッチＭ2 は、そのドレイン及びソース端
子がメインスイッチＭ1 のドレイン及びソース端子にま
たがって電気的に接続されるようにして接続される。補
助スイッチＭ2 は、共振キャパシタＣR との組合せにお
いて、変成器のコアをリセットすると共に、メインスイ
ッチＭ1 及び補助スイッチＭ2 の両方のゼロ電圧スイッ
チングを可能にするために使用される。共振キャパシタ
ＣR は、図示されたように、２つのスイッチＭ1 とＭ2
との間に接続される。メインスイッチＭ1 及び補助スイ
ッチＭ2 の両方のゲート端子は、両スイッチＭ1 及びＭ
2 が同時にオンにならない相補的な仕方で動作するよう
に制御ロジックに接続される。又、この制御回路は、メ
インスイッチＭ1 がターンオフされた後であって且つ補
助スイッチＭ2 がターンオンされる前に所定のデッド時
間が与えられるというものである。又、デッド時間は、
補助スイッチＭ2 がターンオフされたときからメインス
イッチＭ1 がターンオンに戻される前にも与えられる。
デッド時間については、以下に詳細に述べる。
【００１８】ロスなしのスナバＣ1 及びＣ2 は、各々、
メインスイッチＭ1 及び補助スイッチＭ2 のドレイン及
びソース端子にまたがって並列に接続される。これらの
ロスなしのスナバＣ1 及びＣ2 は、以下に詳細に説明す
るように、スイッチＭ1 及びＭ2 の電圧を共振キャパシ
タＣR の電圧ＶCRに制限することによりメインスイッチ
Ｍ1 及び補助スイッチＭ2 のターンオフロスを減少す
る。スナバＣ1 及びＣ2は、個別のキャパシタ、スイッ
チＭ1 及びＭ2 に関連した漂遊キャパシタンス、又はそ
の両方として実施することができる。
【００１９】ダイオードＤ1 及びＤ2 は、各々、スイッ
チＭ1 及びＭ2 のドレイン及びソース端子にまたがって
接続される。以下に詳細に述べるように、ダイオードＤ
1 及びＤ2 は、共振キャパシタンスＣR 及び変成器ＸＦ
ＲＭの磁化インダクタンスと共に使用されて、スイッチ
Ｍ1 及びＭ2 のターンオンロスを最小にする。スイッチ
Ｍ1 及びＭ2 がＭＯＳＦＥＴとして実施される場合に
は、ＭＯＳＦＥＴの本体ダイオードがダイオードＤ1 及
びＤ2 として使用される。或いは又、ダイオードＤ1 及
びＤ2 として個別のダイオードを使用することもでき
る。
【００２０】共振キャパシタンスＣR は、メインスイッ
チＭ1 及び補助スイッチＭ2 の各ドレイン又はソース端
子間に接続される。共振キャパシタンスＣR は、磁化イ
ンダクタンス及びスイッチＭ1 及びＭ2 と組み合わされ
て、メインスイッチＭ1 がターンオフされたときに変成
器の巻線に蓄積されたエネルギーを変成器の一次巻線に
接続されたＤＣ電源へ自動的に転送して戻し、そしてス
イッチＭ1 及びＭ2 のゼロ電圧ターンオンを可能にす
る。特に、メインスイッチＭ1 がターンオフされると、
変成器のコアに接続されたエネルギーが共振キャパシタ
ＣR を充電して、補助スイッチＭ2 にまたがるダイオー
ドＤ2 を順方向バイアスし、補助スイッチＭ2 をターン
オンする一方、ダイオードＤ2 が導通して、補助スイッ
チＭ2 をゼロ電圧においてターンオンさせる。補助スイ
ッチＭ2 がターンオンすると、変成器の巻線に蓄積され
たエネルギーは、変成器ＸＦＲＭの一次巻線に接続され
たＤＣ電圧源へ自動的に戻される。又、共振キャパシタ
ＣR は、ダイオードＤ1 を順方向バイアスして、メイン
スイッチＭ1 をターンオンできるようにする一方、ダイ
オードＤ1 が導通することにより、メインスイッチＭ1
をゼロ電圧においてターンオンできるようにする。以下
に詳細に述べるように、メインスイッチＭ1 及び補助ス
イッチＭ2 にまたがるターンオフ電圧ストレスは、共振
キャパシタＣRの電圧ＶCRに制限される。ＶCRは、通
常、１．５Ｖg に等しい。
【００２１】上記したように、変成器ＸＦＲＭは、各々
同じ巻回数ｎ2 を有する２つの二次巻線を備えている。
一対の整流ダイオードＤ3 及びＤ4 が二次巻線に直列に
接続される。これらの整流ダイオードＤ3 及びＤ4 の逆
回復ロスを排除するために、一対の可飽和リアクトルＳ
Ｒ3 及びＳＲ4 が使用される。特に、１つの可飽和リア
クトルＳＲ3 （ＳＲ4 ）は、各整流ダイオードＤ3 （Ｄ
4 ）と直列に接続される。ローパスフィルタの入力にま
たがってフリーホイールダイオードＤ5 が接続される。
フリーホイールダイオードＤ5 は、可飽和リアクトルＳ
Ｒ3 及びＳＲ4と組み合わされ、メインスイッチＭ1 及
び補助スイッチＭ2 の遷移時間中に二次側へ流れる負荷
電流を保持する。
【００２２】出力端子は、フリーホイールダイオードＤ
5 にまたがると定義する。インダクタ及びキャパシタＣ
より成るフィルタが出力端子にまたがって接続される。
【００２３】本発明によるダブルフォワードＤＣ／ＤＣ
コンバータ回路２０の動作を最も良く理解するために、
回路の４つの動作段階を示す図３ないし７を参照する。
図３は、フォワードモードを示し、図４は、直線的なソ
フト遷移モードを示し、図５及び６は、「フライバッ
ク」／フォワードモードを示し、そして図７は、共振ソ
フト遷移モードを示す。一方、図２のＡないしＭは、回
路の種々の部品に対する電圧及び電流の理想的な波形を
示す。
【００２４】先ず、図３を参照し、コンバータのフォワ
ード動作モードを説明する。このモードにおいては、以
下に詳細に述べるように、メインスイッチＭ1 がＰＷＭ
制御回路２２によってターンオンされる一方、ダイオー
ドＤ1 が導通する。このようなＰＷＭ制御回路は、公知
であり、一般的に入手できる。このような用途には、例
えば、シリコンジェネラル社により製造されるＰＷＭ集
積回路、モデル番号ＳＧ１８４３が適している。
【００２５】メインスイッチＭ1 がターンオンされる
と、ＤＣ電源の正のレールから変成器ＸＦＲＭの一次巻
線を通り、メインスイッチＭ1 のドレイン及びソース端
子を経て、ＤＣ電源の負のレールへと戻るように電流が
流れる。以下に詳細に述べるように、図２のＩに示すよ
うに、ダイオードＤ1 が導通して、本質的にメインスイ
ッチＭ1 のゼロ電圧ターンオンを生じる間にメインスイ
ッチＭ1 がターンオンされ、従って、メインスイッチＭ
1 のターンオンに関連したスイッチングロスを排除しな
いまでも最小限にする。メインスイッチＭ1 がターンオ
ンした後に、変成器ＸＦＲＭの一次巻線に流れる電流
は、変成器巻線の磁化インダクタンスＬm と入力ＤＣ電
圧Ｖg の関数として直線的に増大する。
【００２６】このモード中に、エネルギーが一次巻線か
ら二次巻線へ転送され、次いで、キャパシタＣにまたが
って接続された負荷へと転送される。この動作モード
は、フォワードコンバータと同じである。フォワードモ
ードにおいては、可飽和リアクトルＳＲ3 が飽和し、従
って、ターンオンして、ダイオードＤ3 、インダクタＬ
及び負荷を経て変成器ＸＦＲＭの二次巻線へ戻るように
電流を通流することができる。この状態の間には、可飽
和リアクトルＳＲ4 は阻止される。
【００２７】メインスイッチＭ1 がターンオフされた直
後に、図４に示すように、回路は、ソフト遷移モードに
入る。このモードにおいては、可飽和リアクトルＳＲ3
及びＳＲ4 と、フリーホイールダイオードは、整流ダイ
オードＤ3 のソフトスイッチングを行うことができる。
特に、メインスイッチＭ1 がターンオフされた直後に
（補助スイッチＭ2 がターンオンされる前のデッド時間
中に）、一次巻線にまたがる電圧Ｖprが、図２のＣに示
すように、正の値から負の値へ遷移する。この周期中
に、変成器ＸＦＲＭの一次巻線に流れる電流Ｉprは、図
２のＣに示すように正となる。一次巻線に流れるこの電
流Ｉprは、共振キャパシタＣR を充電し、これは、次い
で、補助スイッチＭ2 にまたがって接続されたダイオー
ドＤ2 を順方向バイアスし、ダイオードＤ2 に電流Ｉpr
を通流できるようにする。このモード中に、メインスイ
ッチＭ1 のドレイン及びソース端子にまたがって接続さ
れたスナバキャパシタＣ1 は、図２のＩに示すように、
共振キャパシタＣR の電圧に等しい値ＶCRまでゆっくり
と充電され、従って、メインスイッチＭ1 のターンオフ
に関連した電圧ストレスを制限する。
【００２８】一次巻線の電圧がゼロより大きい間に、可
飽和リアクトルＳＲ3 が導通し、これにより、整流ダイ
オードＤ3 をバイアスし、二次巻線から、可飽和リアク
トルＳＲ3 、ダイオードＤ3 、インダクタＬ及び負荷を
通り、そして二次巻線へと戻るように電流を通流させ
る。一次巻線の電圧がゼロより低下すると、フリーホイ
ールダイオードＤ5 は、該ダイオードＤ5 、インダクタ
Ｌ及び負荷を経てダイオードＤ5 へ戻るように電流を循
環させる。電流は、Ｄ3 からＤ5 へと転向される（転向
の割合は、二次側の漏れにより決定される）。ダイオー
ドＤ3 の電流ｉD3がゼロに近づくと、可飽和リアクトル
ＳＲ3 は、その高いインピーダンスを再び得て、図２の
Ｆに示すように、ダイオードＤ3 の逆回復ロスを排除す
る。可飽和リアクトルＳＲ4 は依然として阻止状態にあ
るので、ＳＲ3 は、遷移中に電圧を見ない。従って、ソ
フトスイッチされる。ダイオードＤ3 もそうである。
【００２９】補助スイッチＭ2 がオンになると、変成器
の巻線に流れる双極性磁化電流ｉmgは、最大ピークから
フラットな負のピークへと揺動する。磁化電流ｉmgが正
である間に、ＤＣコンバータ回路２０は、図５に示すよ
うに、「フライバック」モードで動作する。磁化電流ｉ
mgが正の値から負の値になると、補助スイッチＭ2 が閉
じる。磁化電流が負になると、回路は、図６に示すよう
に、フォワードモードで動作する。
【００３０】図５に戻ると、「フライバック」モードに
おいて、磁化電流ｉmgは、ＤＣ電源の正のレールから、
一次巻線、共振キャパシタＣR 、ダイオードＤ2 、補助
スイッチＭ2 のドレイン及びソース端子を経て、ＤＣ電
源の負のレールへと戻るように循環される。補助スイッ
チＭ2 は、ダイオードＤ2 が導通している間にターンオ
ンされ、補助スイッチＭ2 のゼロ電圧スイッチングを実
現する。一次巻線にまたがる電圧Ｖprはこの周期中に負
であるから、可飽和リアクトルＳＲ3 は阻止され、一
方、可飽和リアクトルＳＲ4 は導通する。この導通中
に、ダイオードＤ4は順方向バイアスされて、二次巻線
から、可飽和リアクトルＳＲ4 、ダイオードＤ4 、イン
ダクタＬ及び負荷を経て、二次巻線へ戻るように電流を
通流させることができる。負荷に与えられるエネルギー
は、変成器から送られることに注意されたい。これは、
フライバックコンバータと同様である。しかしながら、
変成器の電圧Ｖprは、フライバックコンバータの場合の
ように出力電圧により決定されるのではない。むしろ、
電圧Ｖprは、フォワードコンバータと同様に、共振キャ
パシタＶCRの電圧により決定される。この相違を示すた
めに、フライバックは、かぎかっこを付ける。電流ミラ
ーは断念されるので、この「フライバック」モードの時
間巾は、公知技術の場合よりかなり短くなる。これは、
ロックアップモードが開始されるのを防止するのに必要
とされる。
【００３１】磁化電流ｉmgが負になると、ＤＣ／ＤＣコ
ンバータ回路２０は、図６に示すようにフォワードモー
ドで動作し、磁化電流ｉmgを、ＤＣ電源の負のレールか
ら、補助スイッチＭ2 、共振キャパシタＣR 及び一次巻
線を経て、ＤＣ電源の正のレールへと戻るように循環さ
せる。一次巻線の電圧は、この状態の間に負であるか
ら、可飽和リアクトルＳＲ3 は阻止され、一方、可飽和
リアクトルＳＲ4 は導通し、可飽和リアクトルＳＲ4 、
ダイオードＤ4 、インダクタＬ及び負荷を経て、二次巻
線へ戻るように電流を循環させる。負荷に与えられるエ
ネルギーは、共振キャパシタＣR から送られることに注
意されたい。このエネルギー転送機構は、フォワードコ
ンバータと同様である。
【００３２】「フライバック」／フォワードインターバ
ル中に、ローパスフィルタへ送られる電圧は、メインス
イッチＭ1 のスイッチングサイクル中に図２のＭに示さ
れたような第２の電圧パルスである。パルスの振幅は、
（Ｖg −ＶCR）／ｎで与えられる。これは、従来のフォ
ワードコンバータとは大幅に相違する。（従来のフォワ
ードコンバータにおいては、１つの電圧パルスのみがロ
ーパスフィルタに与えられる。）それ故、本発明は、ダ
ブルフォワードコンバータと適切に称される。実際に
は、単純に分析すると、電圧変換比は、Ｍ＝Δ（Ｖ／Ｖ
g ）＝２ｄ／ｎで与えられ、これは、Ｍ＝ｄ／ｎである
フォワードコンバータに対する値の丁度２倍である。
【００３３】ダブルフォワードの特徴は、用途に応じて
効率を２ないし１０％改善できることを示した。この効
率利得は、従来のフォワードコンバータの５０％に比し
て、１に近い最大デューティ比を実現することにより得
られる。
【００３４】補助スイッチＭ2 がターンオフされた後、
ＤＣ／ＤＣコンバータ回路２０は、図７に示す第２の遷
移モードに入る。上記のように、補助スイッチＭ2 のタ
ーンオフとメインスイッチＭ1 のターンオンとの間には
デッド時間が存在する。図２のＣに示すように、このデ
ッド時間中には、一次巻線の電圧Ｖprが、ソース電圧Ｖ
g に等しい正の値へと直線的に増加する。補助スイッチ
Ｍ2 がターンオフされた直後に、電流は、ＤＣ電源の負
のレールから、補助スイッチＭ2 、共振キャパシタＣR
及び一次巻線を経て、ＤＣ電源の正のレールへと流れ続
ける。又、電流は、ＤＣ電源の負のレールからスナバキ
ャパシタＣ1 を経て流れ、スナバキャパシタＣ1 を放電
して、ダイオードＤ1 をターンオンできるようにし、こ
れは、次いで、メインスイッチＭ1 を次のサイクル中に
ゼロ電圧でターンオンできるようにする。補助スイッチ
Ｍ2 がターンオフされると、スナバＣ2 は、補助スイッ
チＭ2 の電圧を共振キャパシタＣR の電圧ＶCRに制限す
る。メインスイッチＭ1 の負の電流は、小さくなるよう
に設計される必要がある。従って、追加される導通ロス
の著しいペナルティをこうむることはない。又、小さな
負の電流は、ロックアップモードの回避と一貫する。
【００３５】補助スイッチＭ2 がターンオフされた後
に、可飽和リアクトルＳＲ4 が導通してダイオードＤ4
を順方向バイアスし、一次電圧Ｖprがゼロより低いとき
にダイオードＤ4 が導通できるようにする。一次電圧Ｖ
prがゼロより大きくなると、フリーホイールダイオード
Ｄ5 が導通を開始し、可飽和リアクトルＳＲ3 が阻止モ
ードにある間に、インダクタＬ及び負荷を経てフリーホ
イールダイオードＤ5 へ戻るように電流を循環させ、こ
れにより、整流ダイオードＤ4 のソフト遷移を与え、ダ
イオードＤ4 の逆回復ロスを排除する。可飽和リアクト
ルＳＲ3 が阻止モードにあるので、Ｄ4 からＤ5 への負
荷電流の遷移は、スイッチングロスをもたらさない。
【００３６】又、ソフト遷移のための２つの時間巾中
に、フリーホイールダイオードＤ5 はコンバータの二次
側への負荷電流を制限することに注意されたい。この特
徴は、一次遷移を秩序正しく進められるだけでなく、循
環エネルギーを最小値に制限する（ひいては、効率を改
善する）。
【００３７】本発明の別の重要な改善は、不所望なロッ
クアップモードを回避できることである。付加的な回路
は、必要とされない。一次パラメータの適切な設計は、
図２のＬに示すように、回路を異なるモードで動作でき
るようにする。電流波形は、もはや対称的ではなく、電
流ミラーが断念される。共振キャパシタをリセットする
ために、更に多くの時間が許される。従って、この回路
は、過渡状態を許容でき、ロックアップされるおそれは
ない。従って、コンバータの信頼性が、著しく改善され
る。
【００３８】本発明の別の実施形態が図８、９及び１０
に示されている。簡単化のために、同様の部品は、同じ
参照番号で示す。種々の実施形態を区別するために、プ
ライム（’）記号、ダブルプライム（”）記号等を使用
する。３つの実施形態は、全て、図１に示す実施形態と
同様に動作する。
【００３９】３つの実施形態は、全て、コンバータの出
力端子からＰＷＭ制御回路へのフィードバックを組み込
んでいる。図１に対する各実施形態のその他の相違を以
下に述べる。
【００４０】図８は、補助スイッチＭ2 の位置以外は、
図１と同様である。この実施形態では、補助スイッチＭ
2 は、変成器ＸＦＲＭの一次巻線ｎ1 にまたがって接続
される。より詳細には、補助スイッチＭ2 は、ゲート、
ドレイン及びソース端子を有するＭＯＳＦＥＴとして実
施される。ドレイン及びソース端子は、一次巻線にまた
がって電気的に接続される。メインスイッチＭ1 と補助
スイッチＭ2 との間に共振キャパシタＣR ' が接続され
る。
【００４１】図９は、本発明の更に別の実施形態を示し
ている。この実施形態は、従来の整流ダイオードよりも
同期整流器が望まれる用途に特に適している。又、この
実施形態は、整流ダイオードＤ3 及びＤ4 が同期整流器
ＳＤ3 及びＳＤ4 に置き換えられた以外は、図１に示す
実施形態と同様である。
【００４２】図１０は、多数の出力を与える本発明の更
に別の実施形態を示す。この実施形態では、変成器ＸＦ
ＲＭに複数の独立した二次巻線が設けられる。図１０に
は、例えば、３つの独立した二次巻線が示されている。
図示されたように、独立した各組の二次巻線は、図１の
ような２つの巻線を含む。この回路は、他の点では、図
１に示す実施形態と同様である。
【００４３】上記技術に鑑み、本発明の多数の変更及び
修正がなされ得ることが明らかである。従って、本発明
は、特許請求の範囲内で、上記とは異なる仕方で実施で
きることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるソフトＰＷＭスイッチング式のダ
ブルフォワードＤＣ／ＤＣコンバータ回路の回路図であ
る。
【図２】ＡないしＭは、図１に示すＤＣ／ＤＣコンバー
タ回路の種々の回路素子の時間の関数として電圧及び電
流の重要な波形を示す図である。
【図３】本発明によるダブルフォワードＤＣ／ＤＣコン
バータ回路の動作段階を示す図で、その段階中の電流の
方向を黒い線で示す図である。
【図４】本発明によるダブルフォワードＤＣ／ＤＣコン
バータ回路の動作段階を示す図で、その段階中の電流の
方向を黒い線で示す図である。
【図５】本発明によるダブルフォワードＤＣ／ＤＣコン
バータ回路の動作段階を示す図で、その段階中の電流の
方向を黒い線で示す図である。
【図６】本発明によるダブルフォワードＤＣ／ＤＣコン
バータ回路の動作段階を示す図で、その段階中の電流の
方向を黒い線で示す図である。
【図７】本発明によるダブルフォワードＤＣ／ＤＣコン
バータ回路の動作段階を示す図で、その段階中の電流の
方向を黒い線で示す図である。
【図８】ＸＦＲＭの磁化電流が入力即ち電源から離れる
ように操向され、ひいては、再循環エネルギーが減少さ
れるような本発明の別の実施形態を示す回路図である。
【図９】従来の整流ブリッジよりも同期整流器が望まれ
る用途に特に適した本発明の更に別の実施形態を示す回
路図である。
【図１０】多数の出力電圧が必要とされる用途のための
本発明の回路図である。
【符号の説明】
２０ ＤＣ／ＤＣコンバータ回路 Ｍ1 メインスイッチ Ｍ2 補助スイッチ ＣR 共振キャパシタ Ｃ1 、Ｃ2 スナバ Ｄ1 、Ｄ2 ダイオード Ｄ3 、Ｄ4 整流ダイオード Ｄ5 フリーホイールダイオード ＸＦＲＭ 変成器 ＳＲ3 、ＳＲ4 可飽和リアクトル

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 一次巻線及び複数の二次巻線を有し、一
    次巻線がＤＣ電源に接続される変成器と；上記一次巻線
    及び上記ＤＣ電源に電気的に接続され、パルス巾変調回
    路により制御されるメインスイッチと；上記一次巻線及
    びメインスイッチに電気的に接続された一対の入力端子
    と；上記一次巻線及びＤＣ電源に電気的に接続され、上
    記メインスイッチがターンオフされたときに上記ＤＣ電
    源へ磁化電流を自動的に返送するリセット回路と；上記
    複数の二次巻線の１つに電気的に接続された第１整流ダ
    イオードと；上記第１整流ダイオードに直列に接続され
    た第１の可飽和リアクトルと；上記複数の二次巻線の他
    のものに電気的に接続された第２整流ダイオードと；上
    記第２整流ダイオードに直列に接続された第２の可飽和
    リアクトルと；上記第１と第２の整流ダイオードの間に
    電気的に接続されたフリーホイールダイオードと；上記
    フリーホイールダイオードにまたがって形成された一対
    の出力端子とを備えたことを特徴とするＤＣ／ＤＣコン
    バータ回路。
  2. 【請求項２】 一次巻線及び複数の二次巻線を有し、一
    次巻線がＤＣ電源に接続される変成器と；上記ＤＣ電源
    と上記一次巻線との間に電気的に接続され、上記ＤＣ電
    源及び変成器からのエネルギー転送を制御するためのメ
    インスイッチと；上記一次巻線及びメインスイッチに電
    気的に接続された一対の入力端子と；上記メインスイッ
    チを制御するためのパルス巾変調回路と；上記メインス
    イッチ及び第１キャパシタに電気的に接続された補助ス
    イッチであって、この補助スイッチと第１キャパシタ
    は、上記メインスイッチがターンオフされたときに上記
    変成器のエネルギーを自動的に放出するような補助スイ
    ッチと；上記複数の二次巻線に電気的に接続された第１
    及び第２の整流ダイオードと；上記第１の整流ダイオー
    ドに直列に接続された第１の可飽和リアクトルと；上記
    第２の整流ダイオードに直列に接続された第２の可飽和
    リアクトルと；上記第１及び第２の整流ダイオードに電
    気的に接続され、これら第１及び第２の整流ダイオード
    の逆回復ロスを防止するために上記メイン及び補助スイ
    ッチがターンオフされたときに導通するフリーホイール
    ダイオードと；上記フリーホイールダイオードにまたが
    って電気的接続された一対の出力端子とを備えたことを
    特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ回路。
  3. 【請求項３】 上記一対の出力端子に電気的に接続され
    たフィルタ回路を更に備えた請求項２に記載のＤＣ／Ｄ
    Ｃコンバータ回路。
  4. 【請求項４】 上記メインスイッチ及び補助スイッチに
    またがって各々電気的に接続された第１及び第２のスナ
    バキャパシタを更に備えた請求項２に記載のＤＣ／ＤＣ
    コンバータ回路。
  5. 【請求項５】 上記出力端子にまたがって電気的に接続
    されたフィルタ回路を更に備えた請求項１に記載のＤＣ
    ／ＤＣコンバータ回路。
  6. 【請求項６】 一次巻線及び複数の二次巻線を有し、一
    次巻線がＤＣ電源に接続される変成器と；上記一次巻線
    及び上記ＤＣ電源に直列に接続され、パルス巾変調回路
    によって制御されるメインスイッチと；上記一次巻線及
    びＤＣ電源に電気的に接続され、上記メインスイッチが
    ターンオフされたときに上記ＤＣ電源へ磁化電流を自動
    的に返送するリセット回路であって、上記一次巻線にま
    たがって電気的に接続された補助スイッチを含むリセッ
    ト回路と；上記複数の二次巻線の１つに電気的に接続さ
    れた第１整流ダイオードと；上記第１整流ダイオードに
    直列に接続された第１の可飽和リアクトルと；上記複数
    の二次巻線の他のものに電気的に接続された第２整流ダ
    イオードと；上記第２整流ダイオードに直列に接続され
    た第２の可飽和リアクトルと；上記第１と第２の整流ダ
    イオードの間に電気的に接続されたフリーホイールダイ
    オードと；上記フリーホイールダイオードにまたがって
    形成された一対の出力端子とを備えたことを特徴とする
    ＤＣ／ＤＣコンバータ回路。
  7. 【請求項７】 一次巻線及び複数の二次巻線を有し、一
    次巻線がＤＣ電源に接続される変成器と；上記一次巻線
    及び上記ＤＣ電源に電気的に接続され、パルス巾変調回
    路により制御されるメインスイッチと；上記一次巻線及
    びＤＣ電源に電気的に接続され、上記メインスイッチが
    ターンオフされたときに上記ＤＣ電源へ磁化電流を自動
    的に返送するリセット回路と；上記複数の二次巻線の１
    つに電気的に接続された第１の同期整流器と；上記第１
    整流ダイオードに直列に接続された第１の可飽和リアク
    トルと；上記複数の二次巻線の他のものに電気的に接続
    された第２の同期整流器と；上記第２整流ダイオードに
    直列に接続された第２の可飽和リアクトルと；上記第１
    と第２の整流ダイオードの間に電気的に接続されたフリ
    ーホイールダイオードと；上記二次巻線に電気的に接続
    された一対の出力端子とを備えたことを特徴とするＤＣ
    ／ＤＣコンバータ回路。
  8. 【請求項８】 一次巻線及び多数の独立した二次巻線を
    有し、一次巻線がＤＣ電源に接続される変成器と；上記
    一次巻線及び上記ＤＣ電源に電気的に接続され、パルス
    巾変調回路により制御されるメインスイッチと；上記一
    次巻線及びＤＣ電源に電気的に接続され、上記メインス
    イッチがターンオフされたときに上記ＤＣ電源へ磁化電
    流を自動的に返送するリセット回路と；上記多数の独立
    した二次巻線の各々に電気的に接続された第１及び第２
    の整流ダイオードと；上記第１の整流ダイオードの各々
    に直列に接続された第１の可飽和リアクトルと；上記第
    ２の整流ダイオードの各々に直列に接続された第２の可
    飽和リアクトルと；上記第１と第２の整流ダイオードの
    間に電気的に接続されたフリーホイールダイオードと；
    上記二次巻線の各々に電気的に接続された出力端子とを
    備えたことを特徴とするＤＣ／ＤＣコンバータ回路。
  9. 【請求項９】 一次巻線と、ＤＣ電源に接続される複数
    の二次巻線とを有する変成器と；上記一次巻線及び上記
    ＤＣ電源に電気的に接続され、パルス巾変調回路により
    制御され、各オン及びオフサイクルがスイッチングサイ
    クルを画成するメインスイッチと；上記一次巻線に電気
    的に接続され、上記メインスイッチがターンオフされる
    たびに上記電源へ磁化電流を自動的に返送するためのリ
    セット回路であって、各スイッチングサイクルに少なく
    とも２つのパルスを出力端子に与えるための手段を含む
    リセット回路と；上記二次巻線に電気的に接続された一
    対の出力端子とを備えたことを特徴とするダブルフォワ
    ードＤＣ／ＤＣコンバータ。
  10. 【請求項１０】 一次巻線及び所定の二次巻線とを有
    し、一次巻線がＤＣ電源に接続される変成器と；上記一
    次巻線及び上記ＤＣ電源に電気的に接続され、パルス巾
    変調回路により制御され、各オン及びオフサイクルがス
    イッチングサイクルを画成するメインスイッチと；上記
    一次巻線及び上記ＤＣ電源に電気的に接続され、上記メ
    インスイッチがターンオフされたときに上記ＤＣ電源へ
    磁化電流を自動的に返送するためのリセット回路と；上
    記二次巻線に電気的に接続された第１整流デバイスと；
    上記第１整流デバイスに直列に接続された第１の可飽和
    リアクトルと；上記二次巻線に電気的に接続された第２
    整流デバイスと；上記第２整流デバイスに直列に接続さ
    れた第２の可飽和リアクトルと；上記第１と第２の整流
    デバイスの間に電気的に接続されたフリーホイールダイ
    オードと；上記フリーホイールダイオードに電気的に接
    続された出力端子とを備えたことを特徴とするＤＣ／Ｄ
    Ｃコンバータ回路。
  11. 【請求項１１】 上記第１及び第２の整流デバイスは、
    同期整流器である請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣコンバ
    ータ回路。
  12. 【請求項１２】 上記第１及び第２の整流デバイスは、
    整流ダイオードである請求項１０に記載のＤＣ／ＤＣコ
    ンバータ回路。
JP9233011A 1996-08-29 1997-08-28 ソフトｐｗｍスイッチング式のダブルフォワードコンバータ Pending JPH10108458A (ja)

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