JPH10164832A

JPH10164832A - 直流昇降圧装置

Info

Publication number: JPH10164832A
Application number: JP8313514A
Authority: JP
Inventors: Yuichiro Miyamoto; 裕一郎宮本
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1996-11-25
Filing date: 1996-11-25
Publication date: 1998-06-19

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な構成の制御部で、入力電圧が所望の出
力電圧よりも高くても低くても、所望の電圧を得ること
ができる直流昇降圧装置を提供する。【解決手段】降圧スイッチング素子１、インダクタ２
および直列ダイオード３の直列回路を直流電源８の陽極
に接続し、スイッチング素子１およびインダクタ２の接
続点と直流電源８の陰極との間に還流ダイオード４を接
続し、インダクタ２および直列ダイオード３の接続点と
直流電源８の陰極との間に昇圧スイッチング素子５を接
続し、直列ダイオード３のカソードと直流電源８の陰極
との間に平滑コンデンサ６を接続し、直列ダイオード３
のカソードと直流電源８の陰極との間に負荷１１を接続
する。この際、昇圧スイッチング素子５を電界効果トラ
ンジスタで構成し、昇圧スイッチング素子５の制御端子
であるゲートを降圧スイッチング素子１の負荷側端子に
接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、降圧スイッチング
素子と昇圧スイッチング素子の２つのスイッチング素
子、もしくはそれらに同期整流スイッチング素子を加え
た３つのスイッチング素子と、１つのインダクタとを含
み、入力電圧を昇圧方向にも降圧方向にも変換できる直
流昇降圧装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来の直流昇降圧装置としては、特開平
５−３２８７１２号公報に記載されたものが知られてい
る。従来の直流昇降圧装置について、図面を参照しなが
ら説明する。図３は従来の直流昇降圧装置を簡略化して
示した回路図である。この直流昇降圧装置では、図３に
示すように、直流電源８と並列に電源側平滑コンデンサ
９が設けられており、直流電源８としては、蓄電池等の
電池電源の他、交流電源電圧を整流器で整流するものも
含まれる。

【０００３】そして、直流電源８の陽極に例えばＰＮＰ
型バイポーラトランジスタからなる降圧スイッチング素
子１３の一端（エミッタ）が接続され、降圧スイッチン
グ素子１３の他端（コレクタ）にインダクタ２の一端が
接続され、インダクタ２の他端に直列ダイオード３の一
端（アノード）が接続され、直列ダイオード３の他端
（カソード）が負荷接続端となっている。

【０００４】また、降圧スイッチング素子１３のコレク
タと直流電源８の陰極との間に還流ダイオード４が接続
され、インダクタ２の他端と直流電源８の陰極との間に
例えばＮＰＮ型バイポーラトランジスタからなる昇圧ス
イッチング素子１４が接続され、直列ダイオード３のカ
ソードと直流電源８の陰極との間に平滑コンデンサ６が
接続されている。

【０００５】また、負荷接続端、すなわち直列ダイオー
ド３のカソードに現れる出力電圧のフィードバックを受
ける制御部１５を設け、この制御部１５の二つの制御出
力端子を降圧スイッチング素子１３および昇圧スイッチ
ング素子１４の制御端子（ベース）にそれぞれ接続し、
駆動信号１３ｄおよび１４ｄを降圧スイッチング素子１
３および昇圧スイッチング素子１４に供給して降圧スイ
ッチング素子１３および昇圧スイッチング素子１４のス
イッチングを制御することにより、直流電源８から加え
られる入力電圧を昇圧もしくは降圧して負荷接続端より
出力させるようにしている。

【０００６】以上の構成で直流昇降圧装置が構成され、
直列ダイオード３のカソードと直流電源８の陰極との間
に負荷１１を接続することで、負荷１１に対して直流電
源８から加えられる入力電圧を昇圧もしくは降圧して所
望の直流電圧を印加することができる。負荷１１への印
加電圧は制御部１５によって任意に調整することができ
る。

【０００７】また、上述の直流昇降圧装置の降圧動作お
よび昇圧動作は、降圧スイッチング素子１３および昇圧
スイッチング素子１４のオンオフ制御を、制御部１５が
発する駆動信号１３ｄまたは１４ｄにより別々に制御す
ることにより行われる。すなわち、降圧動作の場合、昇
圧スイッチング素子１４を駆動信号１４ｄによりオフ状
態とし、降圧スイッチング素子１３を駆動信号１３ｄに
より所望のタイミングでオンオフ制御する。このとき、
降圧スイッチング素子１３のオン期間中には直流電源８
から負荷１１に電流ＩＬが供給されると同時に、この電
流ＩＬによりインダクタ２にエネルギーが蓄積され、降
圧スイッチング素子１３のオフ期間中にはインダクタ２
の蓄積エネルギーが負荷１１、直列ダイオード３および
還流ダイオード４を通して放電される。

【０００８】いま、インダクタ２を流れる電流をＩＬ、
インダクタ２の電源側電圧（入力電圧と呼ぶ）をＶＩ、
インダクタ２の負荷側電圧（出力電圧と呼ぶ）をＶＯ、
オンオフ周期をＴ、周期Ｔに占めるオン時間およびオフ
時間をそれぞれＴon、Ｔoffとすると、入出力電圧比Ｖ
Ｏ／ＶＩは、降圧スイッチング素子１３のオン時比率Ｄ
on＝Ｔon／Ｔに比例する。このときのオン時比率Ｄon
は、１以下の値をとるので、出力電圧ＶＯが入力電圧Ｖ
Ｉより小さくなる降圧動作となる。

【０００９】一方、昇圧動作は、降圧スイッチング素子
１３を駆動信号１３ｄによりオン時比率Ｄonを１に保
ち、昇圧スイッチング素子１４を駆動信号１４ｄにより
所望のタイミングでオンオフ制御する。昇圧スイッチン
グ素子１４のオン期間中には直流電源８からの電流ＩＬ
によりインダクタ２にエネルギーが蓄積され、昇圧スイ
ッチング素子１４のオフ期間中にはインダクタ２の放電
エネルギーおよび直流電源８から新たに供給される電流
とが、直列ダイオード３を介して負荷１１に供給され
る。このとき、入出力電圧比ＶＯ／ＶＩは、昇圧スイッ
チング素子１４のオフ時比率Ｄoff ＝Ｔoff ／Ｔに逆比
例するが、オフ時比率Ｄoff が１以下の値をとるので、
出力電圧ＶＯが入力電圧ＶＩより高くなる昇圧動作とな
る。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の構成では、制御部１５は降圧スイッチング素子１
３の制御系と昇圧スイッチング素子１４の制御系との合
わせて２系統持たねばならないことに加えて、入力電圧
すなわち直流電源８の電圧と所望の出力電圧すなわち負
荷１１に印加すべき電圧とを比較して降圧動作と昇圧動
作を切り換えなくてはならないので、制御部１５が複雑
になるという問題点を有していた。

【００１１】本発明の目的は、制御部の構成を簡略化で
きる直流昇降圧装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、本発明の直流昇降圧装置は、昇圧スイッチング素子
を電界効果トランジスタで構成し、その制御端子を降圧
スイッチング素子の負荷側端子に接続するという構成を
採用している。本発明の構成によると、制御部としては
降圧スイッチング素子を制御するだけで、入力電圧が所
望の出力電圧よりも高くても低くても、所望の出力電圧
を得ることが可能となり、制御部の構成を簡略化でき
る。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１記載の直流昇降
圧装置は、直流電源の一方の電極に一端を接続した降圧
スイッチング素子と、この降圧スイッチング素子の他端
に一端を接続したインダクタと、このインダクタの他端
に一端を接続し他端を負荷接続端とした直列ダイオード
と、降圧スイッチング素子の他端と直流電源の他方の電
極との間に接続した還流ダイオードと、インダクタの他
端と直流電源の他方の電極との間に接続し制御端子を前
記降圧スイッチング素子の他端に接続した電界効果トラ
ンジスタからなる昇圧スイッチング素子と、直列ダイオ
ードの他端と直流電源の他方の電極との間に接続した平
滑用コンデンサと、負荷接続端に現れる出力電圧のフィ
ードバックを受けて降圧スイッチング素子のスイッチン
グを制御することにより直流電源から加えられる入力電
圧を昇圧もしくは降圧して負荷接続端より出力させる制
御部とを備えている。

【００１４】この構成によれば、制御部で直接的に降圧
スイッチング素子を制御することにより、降圧スイッチ
ング素子の負荷側端子の電位に基づいて昇圧スイッチン
グ素子を間接的に制御することが可能となり、降圧およ
び昇圧が可能となる。その結果、入力電圧が所望の出力
電圧よりも高くても低くても、制御部で降圧スイッチン
グ素子を制御するだけで所望の出力電圧を得ることが可
能となる。

【００１５】本発明の請求項２記載の直流昇降圧装置
は、請求項１記載の直流昇降圧装置において、還流ダイ
オードに同期整流スイッチング素子を並列接続し、同期
整流スイッチング素子を還流ダイオードへの順方向電圧
印加時に導通させるようにしている。この構成による
と、還流ダイオードの順電圧による損失を低減すること
ができる。

【００１６】以下、本発明の直流昇降圧装置の実施の形
態について、図面を用いて詳細に説明する。（第１の実施の形態）図１は本発明の第１の実施の形態
における直流昇降圧装置を簡略化して示した回路図であ
り、従来例と同じ構成部分には同一参照符号を付すこと
により、重複した説明を省略する。この実施の形態で
は、昇圧スイッチング素子５をＮチャネル型電界効果ト
ランジスタで構成し、そのゲートをＰチャネル型電界効
果トランジスタからなる降圧スイッチング素子１、イン
ダクタ２、および還流ダイオード４の接続点に接続し、
かつ制御部１５に代えて、降圧スイッチング素子１に対
して駆動信号１ｄを与えるのみの制御部１０を用いてお
り、その他の構成は図３の従来例と同様である。なお、
この実施の形態では、降圧スイッチング素子１をＰチャ
ネル型電界効果トランジスタで構成しているが、これは
本発明の必須要件ではなく、従来例同様のバイポーラト
ランジスタでもよい。

【００１７】以上のように構成された直流昇降圧装置に
おいて、インダクタ２の入出力電圧ＶＩ，ＶＯにおける
降圧スイッチング素子１がオンの時の値をそれぞれＶＩ
on、ＶＯonとし、オフの時の値をそれぞれＶＩoff 、Ｖ
Ｏoff とすると、入力電圧ＶＩonは直流電源８の電圧と
ほぼ同じ電圧であるから、降圧スイッチング素子１のオ
ン期間中には昇圧スイッチング素子５もオンになる。し
たがって、出力電圧ＶＯoff はほぼ０である。このと
き、直流電源８からインダクタ２に供給される電流ＩＬ
によりインダクタ２にエネルギーが蓄えられるが、直列
ダイオード３は逆方向にバイアスされるので電流が流れ
ず、負荷１１には平滑コンデンサ６から電流が供給され
る。

【００１８】つぎに、降圧スイッチング素子１のオフ期
間中には、インダクタ２の蓄積エネルギーが還流ダイオ
ード４を通って放電する。したがって、入力電圧ＶＩof
f は負の値となり、昇圧スイッチング素子５もオフにな
る。このとき、インダクタ２の放電電流は負荷１１に供
給されるのと同時に平滑コンデンサ６も充電する。降圧
スイッチング素子１のオンオフ周期をＴ、周期Ｔに占め
るオン時間およびオフ時間をそれぞれＴon，Ｔoff とす
ると、入出力電圧比ＶＯoff ／ＶＩonはＴon／Ｔoff に
比例する。この比Ｔon／Ｔoff を、１よりも大きくも小
さくも設定できるように制御部１０を構成すると、昇圧
も降圧も行うことが可能である。

【００１９】制御部１０は、負荷１１に加わる出力電圧
のフィードバックを受けて降圧スイッチング素子１のス
イッチングを制御すれば良い。これは降圧専用の直流電
圧変換装置と同じ動作であって、従来の技術の直流昇降
圧装置の制御部１５と比して単純であり、構成が簡単に
なる。また、制御部１０としてふさわしい集積回路が市
場で容易に入手できる。例えば、リニアテクノロジー社
のＬＴＣ１１４７等が使用できる。

【００２０】この実施の形態によれば、制御部１０で直
接的に降圧スイッチング素子１を制御することにより、
降圧スイッチング素子１の負荷側端子の電位に基づいて
昇圧スイッチング素子５を間接的に制御することが可能
となり、降圧および昇圧が可能となる。その結果、入力
電圧が所望の出力電圧よりも高くても低くても、制御部
１０で降圧スイッチング素子１を制御するだけで所望の
出力電圧を得ることが可能となり、制御部１０の構成を
簡略化できる。

【００２１】ちなみに昇圧スイッチング素子５は電圧制
御素子であるので、電圧変換効率の低下が少なく、また
抵抗やコンデンサといった受動素子を必要としないの
で、降圧スイッチング素子１、直列ダイオード３、還流
ダイオード４などとともに集積することも容易である。（第２の実施の形態）図２は本発明の第２の実施の形態
における直流昇降圧装置を簡略化して示した回路図であ
り、第１の実施の形態と同じ構成部分には同一参照符号
を付すことにより、重複した説明を省略する。この実施
の形態では、還流ダイオード４と並列にＮチャネル型電
界効果トランジスタからなる同期整流スイッチング素子
７を並列接続し、かつ制御部１０に代えて、同期整流ス
イッチング素子７のスイッチングを制御する新たな駆動
信号７ｄを出力することができる制御部１２を用いてい
る。

【００２２】そして、制御部１２で降圧スイッチング素
子１を制御するのと合わせて、還流ダイオード４への順
方向電圧印加時に同期整流スイッチング素子７を導通さ
せるようにしている。この直流昇降圧装置では、還流ダ
イオード４に流れる順方向電流を同期整流スイッチング
素子７でバイパスすることができる。その他の構成は第
１の実施の形態の直流昇降圧装置と同様である。

【００２３】この実施の形態によると、還流ダイオード
４の順電圧による損失を低減することができ、電圧変換
効率の低下を避けることができる。また、この実施の形
態では、新たな駆動信号７ｄが存在するために、制御部
１２は第１の実施の形態の制御部１０よりも構成は複雑
になるが、従来例の制御部１５に比べて構成は簡単であ
り、実施の形態の制御部１２としてふさわしい集積回路
も市場で容易に入手できる。例えば、リニアテクノロジ
ー社のＬＴＣ１１４８等が使用できる。

【００２４】ここで、同期整流スイッチング素子７のオ
ンオフ制御について、もう少し詳しく説明する。第１の
実施の形態でも説明したように、降圧スイッチング素子
１のオフ期間中には、インダクタ２の蓄積エネルギーが
還流ダイオード４を通って放電する。この電流をバイパ
スするために、降圧スイッチング素子１のオフ期間を最
大限として、同期整流スイッチング素子７をオンにす
る。直流電源８から直接、降圧スイッチング素子１、同
期整流スイッチング素子７と流れる貫通電流の発生を抑
止するため、上記最大限に対してマージンをもって、同
期整流スイッチング素子７のオン期間を短く設定するこ
ともできる。

【００２５】また、図２では、還流ダイオード４に同期
整流スイッチング素子７を並列接続した構成になってい
るが、同期整流スイッチング素子７がパイパスしてお
り、また同期整流スイッチング素子７の寄生ダイオード
が存在し、それが還流ダイオードと同じ方向に入ってい
るので、還流ダイオード４を省くことも可能である。た
だ、現実の回路設計では、還流ダイオード４を省略しな
いことが一般的である。その理由は、バイパス動作をさ
せるには、ゲートの制御が必要で、両端の電位が反転す
る、ちょうどそのタイミングで制御するのがむずかし
く、貫流電流が発生するおそれがあるが、還流ダイオー
ド４なら制御の必要はなく放っておけばよいからであ
る。また、寄生ダイオードは順電圧が大きいので、これ
に依存すると損失が増えるからである。

【００２６】

【発明の効果】本発明の請求項１記載の直流昇降圧装置
によれば、入力電圧が所望の出力電圧よりも高くても低
くても、降圧スイッチング素子を制御するだけで所望の
出力電圧を得ることが可能となり、制御部の構成を簡略
化できる。本発明の請求項２記載の直流昇降圧装置によ
れば、還流ダイオードの順電圧による損失を低減するこ
とができ、電圧変換効率の低下を避けることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による直流昇降圧装
置を簡略化して示した回路図である。

【図２】本発明の第２の実施の形態による直流昇降圧装
置を簡略化して示した回路図である。

【図３】従来の直流昇降圧装置を簡略化して示した回路
図である。

【符号の説明】

１降圧スイッチング素子１ｄ駆動信号２インダクタ３直列ダイオード４還流ダイオード５昇圧スイッチング素子５ｄ駆動信号６平滑コンデンサ７同期整流スイッチング素子７ｄ駆動信号８直流電源９電源側平滑コンデンサ１０制御部１１負荷１２制御部

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源の一方の電極に一端を接続した
降圧スイッチング素子と、この降圧スイッチング素子の
他端に一端を接続したインダクタと、このインダクタの
他端に一端を接続し他端を負荷接続端とした直列ダイオ
ードと、前記降圧スイッチング素子の他端と前記直流電
源の他方の電極との間に接続した還流ダイオードと、前
記インダクタの他端と前記直流電源の他方の電極との間
に接続し制御端子を前記降圧スイッチング素子の他端に
接続した電界効果トランジスタからなる昇圧スイッチン
グ素子と、前記直列ダイオードの他端と前記直流電源の
他方の電極との間に接続した平滑用コンデンサと、前記
負荷接続端に現れる出力電圧のフィードバックを受けて
前記降圧スイッチング素子のスイッチングを制御するこ
とにより前記直流電源から加えられる入力電圧を昇圧も
しくは降圧して前記負荷接続端より出力させる制御部と
を備えた直流昇降圧装置。
【請求項２】還流ダイオードに同期整流スイッチング
素子を並列接続し、前記同期整流スイッチング素子を前
記還流ダイオードへの順方向電圧印加時に導通させるよ
うにしたことを特徴とする請求項１記載の直流昇降圧装
置。