JPS6236465B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明は、安定化された直流出力電圧を得るこ
とのできる新しい直列共振型DC―DCコンバータ
を使用した定電圧電源装置に関するものである。 従来の定電圧電源装置として、特に主流となつ
ているのは、スイツチ素子のオン・オフ動作のパ
ルス幅制御方式を用いたスイツチングレギユレー
タである。このスイツチングレギユレータは高効
率であるということから、機器の小型、軽量化に
役立つているが、原理的に電圧、電流が急峻に変
化する時間、即ちスイツチング・タイムが存在す
るために、スイツチング損失が大きい、不要輻射
雑音が大きい、伝導雑音が大きい等と言つた欠点
をもつ。そのためスイツチングレギユレータの使
用範囲は限定され、特に音響機器の電源として使
用しようとすると、入出力部にノイズに対する減
衰量の大きいフイルターを挿入したり、完全密閉
したシールドを施す等といつたノイズ対策をしな
ければならず、コストアツプ、信頼の低下といつ
た問題がある。 その一つの解決手段として第１図に示すよう
に、コンバータ・トランス（変換トランス）とコ
ンデンサとを直列に接続し、スイツチを交互にオ
ン・オフすることによりコンバータ・トランスを
介して所定の出力エネルギーを得る直列共振型
DC―DCコンバータが提案されている。これを説
明すると、第１図において、１，２は直流電源、
３，４はスイツチ素子（例えばトランジスタ、サ
イリスタ等がある）、５は共振用コンデンサ、７
はもれインダクタンスＬ_lをもつコンバータ・ト
ランス９の１次巻線で、前記の共振用コンデンサ
５と直列に接続されている。８はコンバータ・ト
ランス９の２次巻線で、その出力は整流回路１０
で整流され、平滑用の電解コンデンサ１１にて平
滑される。１２はその直流出力電圧が供給される
電気的負荷である。スイツチ素子３と４は交互に
切り換わるようになつており、スイツチ素子３が
オンでスイツチ素子４がオフの時、直流電源１→
スイツチ素子３→コンバータ・トランス９の１次
巻線７→共振用コンデンサ５→直流電源１という
ループで正弦波状の電流が流れる。一方、スイツ
チ素子３がオフでスイツチ素子４がオンの時は直
流電源２→共振用コンデンサ５→コンバータ・ト
ランス９の１次巻線７→スイツチ素子４→直流電
源２のループで正弦波状の電流が流れる。その周
期は共振用コンデンサ６のキヤパシタンスC₅と
コンバータ・トランス９のもれインダクタンスＬ
_lで決まる２π√_{5 l}となる。その動作波形を第
２図に示す。第２図においてａはスイツチ素子３
の、ｂはスイツチ素子４のタイミングチヤートを
示し、ｃはそれに対応して流れる電流波形を示
す。第２図から明らかなようにスイツチ素子３，
４の切換わり時においては、電流が零となるため
にスイツチング損失は著しく減少し、高効率とな
るばかりでなく、不要輻射雑音、伝導雑音の低減
を図ることができる。 しかしながら第１図のような直列共振型DC―
DCコンバータにおいては、入力および負荷の大
幅な変化に対して出力を安定化することが難し
く、いかに出力電圧を安定に制御するかが大きな
問題として残されていた。 本発明はこのような直列共振型DC―DCコンバ
ータにおいて、制御が簡単で、また広範囲な制御
機能をもつ定電圧電源装置を提供しようとするも
のである。 第３図に本発明の第１の実施例の回路構成図を
示す。なお、第３図において第１図と同じ機能を
有するものは同じ符号を付している。この第３図
において第１図の回路と相違する点は、共振用コ
ンデンサ５と並列に第２の変換トランスである制
御コンバータ・トランス１４の１次巻線１３を接
続し、かつ、その二次巻線１５の両端にブリツ
ジ・ダイオードで構成された整流器１６を接続
し、そして整流器１６のアノード側を直流電源１
のプラス側に、整流器１６のカソード側を直流電
源２のマイナス側に接続し、さらに制御トランス
１４の２次巻線１５の中間タツプを、直列に接続
された直流電源１，２の接続点に接続したことで
ある。なお、１７は制御回路で、誤差増幅回路、
発振回路、振り分け回路、駆動回路等から構成さ
れており、スイツチ素子３，４を適当な間隔で交
互にオン・オフ動作させる。 この本発明の実施例の動作を説明する前に、ま
ず直列共振型DC―DCコンバータの制御原理につ
いて第１図を参照して説明する。 第１図において、スイツチ素子３または４がオ
ンで、スイツチ素子４または３がオフの時に、コ
ンバータ・トランス９の１次巻線７に流れる正弦
波状の電流ｉは次式で示される。 Ｏｔπ√_{5 l}、α＝Ｒ_Ｓ／２Ｌ_ｌ、

【式】 Ｅ_c：直流電源１または２の電圧値 Ｖ_O：１次側に換算された出力電圧 Ｖ_c：共振用コンデンサ５の初期充電電圧値 Ｒ_S：第１図の等価直列損失抵抗 上式で示される共振電流の平均値がコンバー
タ・トランス９を介して、適当な１―２次巻線比
をもつて２次側に伝達される電流、すなわち負荷
電流となる。（Ｅ_c―Ｖ_O）〓Ｖ_cより、上記共振用
コンデンサ５の初期充電電圧値Ｖ_cを制御するこ
とにより、共振電流i₁（ｔ）が制御され、その結
果、負荷電流が制御される。 本発明はこの原理を応用したもので、共振用コ
ンデンサ５の初期充電電圧値を共振用コンデンサ
５に並列に付加した制御コンバータ・トランス１
４により制御し、出力直流電圧を安定化しようと
するものである。 さて第３図に示した本発明の実施例の動作につ
いて第４図の波形図を参照して説明する。第４図
において、ａはスイツチ素子３、ｂはスイツチ素
子４のタイミングチヤートを示し、また、ｃのi₁
（ｔ）はコンバータ・トランス９の１次巻線７に
流れる電流を、i₂（ｔ）は制御コンバータ・トラ
ンス１４の１次巻線１３に流れる電流を、そして
Ｖ_cP（ｔ）は共振用コンデンサ５の両端電圧を示
す。 第３図において、時刻ｔ＝t₁のとき共振用コン
デンサ５の初期充電電圧値を−Ｖ_cP3とする。時
刻t₁からt₄の間、スイツチ素子３はオン、スイツ
チ素子４はオフとすると、直流電源１のプラス側
→スイツチ素子３→コンバータ・トランス９の１
次巻線７→共振コンデンサ５→直流電源１のマイ
ナス側というループで共振電流i₁（ｔ）が流れ
る。制御コンバータ・トランス１４の１次巻線１
３に流れる電流i₂（ｔ）は、t₁ｔ〓t₂の間、制
御コンバータ・トランス１４の励磁電流となる。
共振用コンデンサ５の両端電圧Ｖ_cP（ｔ）は共振
電流i₁（ｔ）と、上記の励磁電流i₂（ｔ）とによ
つて上昇し、それに伴い制御コンバータ・トラン
ス１４の２次巻線１５の電圧も上昇し、時刻t₂で
（出力電圧＋整流器１６の順方向降下電圧）以上
となると、整流器１６はオンとなり、直流電源１
または２に向つて電流が流れる。この電流が流れ
ることにより、制御コンバータ・トランス１４の
１次巻線１３に流れていた電流方向が反転し、す
なわち共振用コンデンサ５の充電電荷は放電を開
始する。この放電電流i₂（ｔ）の周期は共振用コ
ンデンサ５のキヤパシタンスC₅と制御コンバー
タ・トランス１４のもれインダクタンスＬ_l2によ
つて決定され、約π√_{5 l2}の値となる。 次にt₂ｔt₃において共振用コンデンサ５に
は共振電流i₁（ｔ）が流入し、同時に制御コンバ
ータ・トランス１４を介して放電電流i₂（ｔ）が
流出する。この期間においては、｜i₁（ｔ）｜＞
｜i₂（ｔ）｜となるから共振用コンデンサ５の電
圧は上昇し｜i₁（ｔ）｜＝｜i₂（ｔ）｜となる
時、すなわちｔ＝t₃の時、最大値Ｖ_cP1をもつ。 次にt₃ｔt₅の期間においては｜i₁（ｔ）｜
＜｜i₂（ｔ）｜となるから、共振用コンデンサ５
の電圧はＶ_cP1より下がり始める。 さらにt₅ｔt₆の期間においては、制御コン
バータ・トランス１４の励磁電流成分i₂（ｔ）に
より共振用コンデンサ５の電圧はさらに下がり、
時刻t₆でＶ_cP2となる。時刻t₆でスイツチ素子４は
Ｖ_cP2を共振用コンデンサ５の初期充電電圧値と
して、前記の式で示した共振電流i₁（ｔ）が流れ
始める。 上記のような動作を繰り返す時、スイツチ素子
３，４の周期Ｔを変えることにより、上記の動作
説明から明らかなように共振用コンデンサ５の初
期充電電圧値Ｖ_cP2を変えることができる。すな
わちスイツチ素子３，４の周期Ｔを変えることに
より、前記の式で示される共振電流i₁（ｔ）を変
化させることが可能となり、出力を制御できるこ
とになる。 以上のことから、出力が上昇した時は周期Ｔを
長く、出力が下降した時は、周期Ｔを短くするこ
とで出力を制御することができる。 本発明の第２の実施例を第５図に示す。この第
５図において第３図で説明したものと同じ機能を
有するものは同じ符号を付している。第５図はス
イツチ素子３，４と並列に、スイツチ素子３，４
に流れる電流方向と逆向きに電流を流すことので
きるダイオード１８，１９を付加したものであ
る。第５図の回路は第４図のt₂ｔt₅の間、す
なわち制御コンバータ・トランス１４を介して出
力に電流i₂（ｔ）が流れている期間にダイオード
１８または１９を介して直流電源１または２へ帰
還電流i₃（ｔ）を流すことにより、共振用コンデ
ンサ５の電圧Ｖ_cPを大きく変化させようとするも
のである。すなわち共振用コンデンサ５の電圧を
変化させる要素として、第３図の実施例において
は、制御コンバータ・トランス１４の１次巻線１
３に流れる電流i₂（ｔ）だけであるが、第５図の
実施例においてはi₂（ｔ）に加えて、帰還電流i₃
（ｔ）を付加するものである。従つて、第５図の
実施例においては、第３図の実施例よりも、制御
に必要な周期Ｔの変化幅が少なく済む利点をも
つ。第６図ａ，ｂ，ｃに第５図の動作波形を示
す。第５図の動作波形の詳細は上記の説明より明
らかであるので、ここでの説明は省略する。 本発明の第３の実施例を第７図に示す。この第
７図においても第３図で説明したものと同じ機能
を有するものは同じ符号を付している。第５図に
おいて、帰還電流i₃（ｔ）はコンバータ・トラン
ス９の１次巻線７を介して直流電源１または２へ
戻るわけであるが、第７図においては、コンバー
タ・トランス９の１次巻線を介さず直接共振用コ
ンデンサ５より、直流電源１または２へ帰還電流
i₃（ｔ）を流そうとするものである。このため
に、ダイオード２０と共振用コイル２２との直列
接続回路、およびダイオード２１と共振用コイル
２３との直列接続回路を、共振用コンデンサ５よ
り直接に直流電源１，２に向つて電流を流すこと
ができるように接続する。このような構成にする
と、帰還電流i₃（ｔ）は共振用コンデンサ５より
直接、直流電源１または２へ戻すことができる。
また第５図において帰還電流i₃（ｔ）の周期は共
振電流i₁（ｔ）と同じものとなるが、第７図にお
いては、共振用コイル２２または２３のインダク
タンス値を変えることにより、帰還電流i₃（ｔ）
の周期を必要に応じて変化させることができる。 また、以上の第１、第２および第３の実施例に
おいて、制御コンバータ・トランス１４の２次巻
線１５の中間タツプを直流電源１，２の接続点に
接続せず開放とし、整流器１６のアノードを直流
電源１または２のプラス側に、そして整流器１６
のカソードを直流電源１または２のマイナス側に
接続する構成としても、同様の効果が期待できる
ことは明らかである。 また上述の本発明の実施例においてはスイツチ
素子を２つもつハーフ・ブリツジ構成の直列共振
型DC―DCコンバータについて示したが、スイツ
チ素子を４つもつフル・ブリツジ構成の直列共振
型DC―DCコンバータにおいても同様な効果が期
待できることはもちろんのことである。 さらに上述の本発明の実施例においては、コン
バータ・トランス９のもれインダクタンスＬ_lを
共振用コイルとして利用したが、それとは別に共
振用コイルを共振用コンデンサ５と直列に接続す
ることも可能である。 以上のように本発明によれば、簡単な構成によ
り、直列共振型DC―DCコンバータの特長を生か
しながらも、広範囲の入出力変動に対して出力電
圧を安定化し得る定電圧電源装置を実現しうるも
ので、その工業的価値は著しいものがある。

【図面の簡単な説明】

第１図は直列共振型DC―DCコンバータの基本
的回路構成図、第２図ａ，ｂ，ｃは第１図におけ
る各部の動作波形図、第３図は本発明の第１の実
施例の回路構成図、第４図ａ，ｂ，ｃは第３図に
おける各部の動作波形図、第５図は本発明の第２
の実施例の回路構成図、第６図ａ，ｂ，ｃは第５
図における各部の動作波形図、第７図は本発明の
第３の実施例の回路構成図である。 １，２…直流電源、３，４…スイツチ素子、５
…共振用コンデンサ、７…１次巻線、８…２次巻
線、９…コンバータ・トランス、１０…整流回
路、１１…電解コンデンサ、１２…電気的負荷、
１３…１次巻線、１４…制御コンバータ・トラン
ス、１５…２次巻線、１６…整流器、１７…制御
回路、１８，１９，２０，２１…ダイオード、２
２，２３…共振用コイル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力直流電源に対し、少なくともオン・オフ
   動作を行なうスイツチ素子と共振用コンデンサお
   よび第１の変換トランスの１次巻線を含めてなる
   直列接続回路を接続し、前記第１の変換トランス
   の２次巻線に整流・平滑回路を接続し、その出力
   側に電気的負荷を接続して直流電圧を供給するよ
   うに構成した直列共振型DC―DCコンバータを具
   備し、かつ前記共振用コンデンサと並列に別の第
   ２の変換トランスの１次巻線を接続し、前記第２
   の変換トランスの２次巻線を整流回路を介して前
   記入力直流電源に接続したことを特徴とする定電
   圧電源装置。 ２ 特許請求の範囲第１項の記載において、スイ
   ツチ素子と並列に該スイツチ素子の導通方向と反
   対方向に導通するようにダイオードを接続したこ
   とを特徴とする定電圧電源装置。 ３ 特許請求の範囲第１項の記載において、ダイ
   オードとコイルとを直列に接続した回路を、共振
   用コンデンサより入力直流電源に向つて電流が流
   れるように接続したことを特徴とする定電圧電源
   装置。