JP4547813B2 - DC-DC converter - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電源から変圧器を介してn(任意の整数)個の直流出力に変換する直流−直流変換装置、特に入力電圧の変化や負荷の変化に対して可飽和リアクトルの磁束制御により出力電圧を一定にすることができ、かつ入力電圧の変化に対して発振周波数を変える機能を持つ直流−直流変換装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
図8に多出力電源の従来例を示す。
図示のように、直流電源1、半導体スイッチ素子21、変圧器3の一次巻線31および半導体スイッチ素子22が直列に接続され、半導体スイッチ素子21と変圧器3の一次巻線31との接続点と、半導体スイッチ素子22と直流電源1との接続点との間に変圧器リセットダイオード151が接続され、半導体スイッチ素子22と変圧器3の一次巻線31との接続点と、半導体スイッチ素子21と直流電源1との接続点との間に変圧器リセットダイオード152が接続され、発振器6が半導体スイッチ素子21と22のゲート端子にそれぞれ接続されている。
【0003】
また、変圧器二次巻線32a,33a、可飽和リアクトル91a,92a、ダイオード101a,101b,102a,102b、平滑リアクトル141,142、平滑用コンデンサ81,82、出力電圧検出・調節回路121,122、磁束制御回路131,132およびリセットダイオード111a,112aからなる出力回路が、出力数n(任意の整数)に応じて設けられる。
【0004】
図9に、図8における動作の一例を示す。なお、変圧器二次巻線32aを含む出力回路の動作のみ説明する。
まず期間▲1▼において、半導体スイッチ素子21,22をオンすると、変圧器一次巻線31には直流電源電圧が印加され、変圧器二次巻線32aにも直流電源電圧に比例した電圧が印加される。このとき、可飽和リアクトル91aは不飽和状態であり、インダクタンス値が高いため、ダイオード101aには電流は流れない。
期間▲2▼において、可飽和リアクトル91aが飽和状態になると、ダイオード101aに電流が流れ、平滑リアクトル141にエネルギーを蓄えるとともに、負荷に電力を供給する。
【0005】
期間▲3▼において、半導体スイッチ素子21,22がオフになると、変圧器一次巻線31にはそれまでと逆極性の直流電源電圧が印加され、変圧器二次巻線32aにもそれまでと逆極性の直流電源電圧に比例した電圧が印加される。この時、平滑リアクトル141に蓄えられていたエネルギーにより、平滑リアクトル141にはダイオード101bを介して電流が流れ続ける。また、出力電圧検出・調節回路121および磁束制御回路131は、可飽和リアクトル91aのリセット量を調節し、出力電圧を一定となるようにする。
このような動作を繰り返すことにより、直流電源から絶縁された直流電力を供給する。なお、変圧器二次巻線33aを含む出力回路の動作も、上記と同様である。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
即ち、図8に示す従来例では、ダイオードの導通開始時における電流変化率が大きく、磁束制御回路による出力電圧制御の精度を上げることが困難である。また、変圧器および可飽和リアクトルの磁束密度変化ΔBは次の(1)式で表すことができ、入力電圧が高くなった場合ΔBは増大する。このため、入力電圧最大の条件において変圧器および可飽和リアクトルを設計する必要があり、変圧器および可飽和リアクトルが大型化するという問題が生じる。
ΔB=ET/(N・Ae) …(1)
ET:巻線に印加される電圧と時間の積 N:巻線のターン数
Ae:コア実効断面積
したがって、この発明の課題は、変圧器および可飽和リアクトルを大型化することなく、出力電圧制御の精度を上げられるようにすることにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するため、請求項1の発明では、直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換するn(任意の整数)出力の直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第1の半導体スイッチ素子,変圧器一次巻線および第1のコンデンサを直列に接続し、第2の半導体スイッチ素子と第2のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第1のコンデンサとの間に並列に接続し、発振回路を前記第1,第2の半導体スイッチ素子のゲート端子にそれぞれ接続し、前記変圧器二次巻線に対し可飽和リアクトル,ダイオードおよび平滑コンデンサを直列に接続し、直流出力端には出力電圧検出・調節回路を、この出力電圧検出・調節回路の出力を磁束制御回路に、この磁束制御回路の出力を前記可飽和リアクトルとダイオードとの接続点にリセットダイオードを介して接続してなる出力回路をn出力分設け、
直流入力端に入力電圧検出回路を接続し、前記発振回路の発振周波数が前記入力電圧検出回路からの出力により定まることを特徴とする。
【0008】
請求項2の発明では、直流電源から変圧器を介して別の直流出力に変換するn(任意の整数)出力の直流−直流変換装置において、
前記直流電源に対し第1の半導体スイッチ素子,変圧器一次巻線および第1のコンデンサを直列に接続し、第2の半導体スイッチ素子と第2のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第1のコンデンサとの間に並列に接続し、発振回路を前記第1,第2の半導体スイッチ素子のゲート端子にそれぞれ接続し、前記第1の変圧器二次巻線に対し第1の可飽和リアクトル,第1のダイオードおよび第1の平滑コンデンサを直列に接続し、第2の変圧器二次巻線に対し第2の可飽和リアクトル,第2のダイオードおよび第2の平滑コンデンサを直列に接続し、直流出力端には出力電圧検出・調節回路を、この出力電圧検出・調節回路の出力を磁束制御回路に、この磁束制御回路の出力を前記第1の可飽和リアクトルと第1のダイオードとの接続点には第1のリセットダイオードを介して、前記第2の可飽和リアクトルと第2のダイオードとの接続点には第2のリセットダイオードを介してそれぞれ接続してなる出力回路をn出力分設け、
直流入力端に入力電圧検出回路を接続し、前記発振回路の発振周波数が前記入力電圧検出回路からの出力により定まることを特徴とする。
【0009】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の第1の実施の形態を示す構成図である。
図示のように、直流電源1、半導体スイッチ素子21、変圧器一次巻線31、およびコンデンサ4を直列に接続し、半導体スイッチ素子22とコンデンサ5との並列回路を、前記変圧器一次巻線31とコンデンサ4との間に並列に接続し、発振回路6を上記半導体スイッチ素子21,22のゲート端子にそれぞれ接続するとともに、変圧器3の二次巻線32aに対し可飽和リアクトル91a,ダイオード101aおよび平滑コンデンサ81を直列に接続し、直流出力端には出力電圧検出・調節回路121を、この出力電圧検出・調節回路121の出力を磁束制御回路131に、この磁束制御回路131の出力を前記可飽和リアクトル91aとダイオード101aとの接続点にリセットダイオード111aを介して接続した出力回路をn出力分(図1では2回路分)設けて構成される。
【0010】
図3は図1における動作を説明するための波形図である。
期間▲1▼において、半導体スイッチ素子21をオン、半導体スイッチ素子22をオフすることにより、変圧器一次巻線31には直流電源電圧とコンデンサ4の電圧との差電圧が印加され、変圧器3の二次巻線32aにもこの差電圧に比例した電圧が印加される。このとき、可飽和リアクトル91aは不飽和状態であり、インダクタンス値が高いため、ダイオード101aには電流は流れない。
期間▲2▼において、可飽和リアクトル91aが飽和状態になると、ダイオード101aに電流が流れる。この電流は、変圧器漏れインダクタンスとコンデンサ4との共振により決定され、正弦波状に緩やかに上昇し、平滑コンデンサ81を充電するとともに負荷に電力を供給する。
【0011】
期間▲3▼において、半導体スイッチ素子21をオフ、半導体スイッチ素子22をオンすることにより、変圧器一次巻線31にはコンデンサ4の電圧が印加され、変圧器3の二次巻線32aにもコンデンサ4の電圧に比例した電圧が印加されるが、ダイオード101aがオフとなり、平滑コンデンサ81から負荷に電力を供給する。また、出力電圧検出・調節回路121および磁束制御回路131は、可飽和リアクトル91aのリセット量を調節し、出力電圧を一定となるようにしている。このような動作を繰り返すことにより、直流電源から絶縁された直流電力を供給する。なお、変圧器二次巻線33aを含む出力回路の動作も、上記と同様である。
【0012】
図1の回路では、ダイオード101aに流れる電流は、変圧器漏れインダクタンスとコンデンサ4との共振により決定されるため、電流変化率が小さい。この場合、磁束制御回路による出力定電圧制御は、緩やかな電流変化に対して制御できるため精度が向上することになる。
図2に図1の変形例を示す。
これは、直流電源1の正極側端子を半導体スイッチ素子22に、負極側端子を半導体スイッチ素子21にそれぞれ接続した点が特徴であり、機能的には図1と全く同じであるため、詳細は省略する。
【0013】
図4はこの発明の第2の実施の形態を示す回路図である。
図示のように、直流電源1に対し半導体スイッチ素子21,変圧器一次巻線31およびコンデンサ4を直列に接続し、半導体スイッチ素子22とコンデンサ5との並列回路を、変圧器一次巻線31とコンデンサ4との間に並列に接続し、発振回路6を半導体スイッチ素子21,22のゲート端子にそれぞれ接続し、変圧器二次巻線32aに対し可飽和リアクトル91a,ダイオード101aおよび平滑コンデンサ81を直列に接続し、変圧器二次巻線32bに対し可飽和リアクトル91b,ダイオード101bおよび平滑コンデンサ81を直列に接続し、直流出力端には出力電圧検出・調節回路121を、この出力電圧検出・調節回路121の出力を磁束制御回路131に、この磁束制御回路131の出力を可飽和リアクトル91aとダイオード101aとの接続点には第1のリセットダイオード111aを介して、可飽和リアクトル91bとダイオード101bとの接続点にはリセットダイオード111bを介してそれぞれ接続した出力回路をn出力分(図4では2回路分)設けて構成されている。
【0014】
この回路の基本動作は図1の場合と同様であるが、半導体スイッチ素子21がオフ、半導体スイッチ素子22がオンの期間において、可飽和リアクトル91b,92bが不飽和状態ではダイオード101b,102bには電流が流れず、飽和状態となることにより、変圧器二次巻線32b,33bからダイオード101b,102bを介して負荷に電力を供給する。
この回路においても、ダイオード101a,101b,102a,102bに流れる電流は、変圧器漏れインダクタンスとコンデンサ4との共振により決定されるため、電流変化率は小さい。この場合、磁束制御回路131による出力定電圧制御は、緩やかな電流変化に対して制御できるため、精度が向上する。
【0015】
図5に図1の変形例を示す。
これは、直流電源1の正極側端子を半導体スイッチ素子22に、負極側端子を半導体スイッチ素子21にそれぞれ接続した点が特徴であり、機能的には図4と全く同じなので説明は省略する。
【0016】
図6はこの発明の第3の実施の形態を示す回路図である。図4との相違点は、直流入力端に入力電圧検出回路7を接続し、この入力電圧検出回路7からの出力に基づき発振回路6の発振周波数を変えるようにしている点にある。
つまり、入力電圧検出回路7は直流入力電圧を検出し、その結果を発振回路6に入力する。発振回路6は、入力電圧検出回路7からの出力結果にもとづき、直流入力電圧が低い場合は発振周波数を低くし、直流入力電圧が高い場合は発振周波数を高くするように動作する。
【0017】
図7に発振周波数の一例を示す。
図示のように、直流入力電圧値に応じて発振周波数を変化させることにより、上記(1)式に示す分子ETがほぼ一定となり、ΔBを入力電圧によらずほぼ一定にすることができる。その結果、入力電圧最大の条件で変圧器および可飽和リアクトルを設計する必要がなく、変圧器および可飽和リアクトルが大型化することはない。
【0018】
【発明の効果】
この発明によれば、磁束制御回路による出力定電圧制御が、緩やかな電流変化に対して制御できるため精度を向上させることができる。また、入力電圧の変化に対し動作周波数を変えることで、変圧器および可飽和リアクトルの磁束密度変化が入力電圧によらずほぼ一定となるため、変圧器および可飽和リアクトルが大型化しない。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の第1の実施の形態を示す回路図である。
【図2】図1の変形例を示す構成図である。
【図3】図1の動作を説明するための波形図である。
【図4】この発明の第2の実施の形態を示す構成図である。
【図5】図4の変形例を示す構成図である。
【図6】この発明の第3の実施の形態を示す構成図である。
【図7】図6の動作を説明するための特性図である。
【図8】従来例を示す回路図である。
【図9】図8の動作説明図である。
【符号の説明】
1…直流電源、21,22…半導体スイッチ素子、3…変圧器、31…変圧器一次巻線、32a,32b,33a,33b…変圧器二次巻線、4,5…コンデンサ、6…発振回路、7…入力電圧検出回路、81,82…平滑用コンデンサ、91a,91b,92a,92b…可飽和リアクトル、101a,101b,102a,102b…ダイオード、111a,111b,112a,112b…リセットダイオード、121,122…出力電圧検出,調節回路、131,132…磁束制御回路、141,142…平滑リアクトル、151,152…変圧器リセットダイオード。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a DC-DC converter that converts n (arbitrary integer) DC outputs from a DC power source through a transformer, and in particular, by a magnetic flux control of a saturable reactor against changes in input voltage and load. The present invention relates to a DC-DC converter capable of making an output voltage constant and having a function of changing an oscillation frequency in response to a change in input voltage.
[0002]
[Prior art]
FIG. 8 shows a conventional example of a multi-output power source.
As shown in the figure, the
[0003]
Also, transformer
[0004]
FIG. 9 shows an example of the operation in FIG. Only the operation of the output circuit including the transformer
First, in the period {circle around (1)}, when the
In the period {circle around (2)}, when the
[0005]
In the period {circle around (3)}, when the
By repeating such an operation, the DC power insulated from the DC power supply is supplied. The operation of the output circuit including the transformer
[0006]
[Problems to be solved by the invention]
That is, in the conventional example shown in FIG. 8, the current change rate at the start of conduction of the diode is large, and it is difficult to improve the accuracy of output voltage control by the magnetic flux control circuit. Further, the magnetic flux density change ΔB of the transformer and the saturable reactor can be expressed by the following equation (1), and ΔB increases when the input voltage increases. For this reason, it is necessary to design a transformer and a saturable reactor under the condition where the input voltage is maximum, and there arises a problem that the transformer and the saturable reactor are increased in size.
ΔB = ET / (N · Ae) (1)
ET: product of voltage applied to winding and time N: number of turns of winding Ae: effective core area The object of the present invention is to control the output voltage without increasing the size of the transformer and the saturable reactor. It is to be able to increase the accuracy.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve such a problem, in the invention of
A first semiconductor switch element, a transformer primary winding, and a first capacitor are connected in series to the DC power source, and a parallel circuit of a second semiconductor switch element and a second capacitor is connected to the transformer primary winding. Connected in parallel between a line and the first capacitor, an oscillation circuit is connected to the gate terminals of the first and second semiconductor switch elements, respectively, a saturable reactor for the transformer secondary winding, A diode and a smoothing capacitor are connected in series, an output voltage detection / regulation circuit is connected to the DC output terminal, an output of the output voltage detection / regulation circuit is connected to the magnetic flux control circuit, and an output of the magnetic flux control circuit is connected to the saturable reactor. N output circuits are provided which are connected to a connection point with a diode through a reset diode.
An input voltage detection circuit is connected to a DC input terminal, and an oscillation frequency of the oscillation circuit is determined by an output from the input voltage detection circuit .
[0008]
According to the invention of
A first semiconductor switch element, a transformer primary winding, and a first capacitor are connected in series to the DC power source, and a parallel circuit of a second semiconductor switch element and a second capacitor is connected to the transformer primary winding. Connected in parallel between the line and the first capacitor, an oscillation circuit is connected to the gate terminals of the first and second semiconductor switch elements, respectively, and the first transformer secondary winding is One saturable reactor, a first diode and a first smoothing capacitor are connected in series, and a second saturable reactor, a second diode and a second smoothing capacitor are connected to the second transformer secondary winding. Are connected in series, the output voltage detection / regulation circuit is connected to the DC output terminal, the output of the output voltage detection / regulation circuit is connected to the magnetic flux control circuit, and the output of the magnetic flux control circuit is connected to the first saturable reactor and the first output. 1 Daio An output circuit is connected to the connection point between the second saturable reactor and the second diode via a first reset diode, and to the connection point between the second saturable reactor and the second diode via a second reset diode. Provide output,
An input voltage detection circuit is connected to a DC input terminal, and an oscillation frequency of the oscillation circuit is determined by an output from the input voltage detection circuit .
[0009]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 is a block diagram showing a first embodiment of the present invention.
As shown in the figure, a
[0010]
FIG. 3 is a waveform diagram for explaining the operation in FIG.
In the period {circle around (1)}, the semiconductor switch element 21 is turned on and the
In the period {circle around (2)}, when the
[0011]
In period {circle around (3)}, the semiconductor switch element 21 is turned off and the
[0012]
In the circuit of FIG. 1, the current flowing through the diode 101a is determined by the resonance between the transformer leakage inductance and the capacitor 4, so that the current change rate is small. In this case, since the output constant voltage control by the magnetic flux control circuit can be controlled with respect to a gradual current change, the accuracy is improved.
FIG. 2 shows a modification of FIG.
This is characterized in that the positive terminal of the
[0013]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.
As shown in the figure, a semiconductor switch element 21, a transformer primary winding 31 and a capacitor 4 are connected in series to the
[0014]
The basic operation of this circuit is the same as that of FIG. 1, except that the saturable reactors 91b and 92b are in an unsaturated state during the period when the semiconductor switch element 21 is off and the
Also in this circuit, the current flowing through the
[0015]
FIG. 5 shows a modification of FIG.
This is characterized in that the positive terminal of the
[0016]
FIG. 6 is a circuit diagram showing a third embodiment of the present invention. The difference from FIG. 4 is that an input voltage detection circuit 7 is connected to the DC input terminal, and the oscillation frequency of the oscillation circuit 6 is changed based on the output from the input voltage detection circuit 7.
That is, the input voltage detection circuit 7 detects a DC input voltage and inputs the result to the oscillation circuit 6. Based on the output result from the input voltage detection circuit 7, the oscillation circuit 6 operates to lower the oscillation frequency when the DC input voltage is low and to increase the oscillation frequency when the DC input voltage is high.
[0017]
FIG. 7 shows an example of the oscillation frequency.
As shown in the figure, by changing the oscillation frequency according to the DC input voltage value, the numerator ET shown in the above equation (1) becomes substantially constant, and ΔB can be made substantially constant regardless of the input voltage. As a result, it is not necessary to design the transformer and the saturable reactor under the maximum input voltage condition, and the transformer and the saturable reactor are not increased in size.
[0018]
【The invention's effect】
According to the present invention, since the output constant voltage control by the magnetic flux control circuit can be controlled with respect to a gradual current change, the accuracy can be improved. Further, by changing the operating frequency with respect to the change in the input voltage, the change in the magnetic flux density of the transformer and the saturable reactor becomes substantially constant regardless of the input voltage, so that the transformer and the saturable reactor do not increase in size.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a configuration diagram showing a modification of FIG. 1;
FIG. 3 is a waveform diagram for explaining the operation of FIG. 1;
FIG. 4 is a block diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a configuration diagram showing a modification of FIG. 4;
FIG. 6 is a block diagram showing a third embodiment of the present invention.
7 is a characteristic diagram for explaining the operation of FIG. 6; FIG.
FIG. 8 is a circuit diagram showing a conventional example.
9 is an operation explanatory diagram of FIG. 8. FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記直流電源に対し第1の半導体スイッチ素子,変圧器一次巻線および第1のコンデンサを直列に接続し、第2の半導体スイッチ素子と第2のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第1のコンデンサとの間に並列に接続し、発振回路を前記第1,第2の半導体スイッチ素子のゲート端子にそれぞれ接続し、前記変圧器二次巻線に対し可飽和リアクトル,ダイオードおよび平滑コンデンサを直列に接続し、直流出力端には出力電圧検出・調節回路を、この出力電圧検出・調節回路の出力を磁束制御回路に、この磁束制御回路の出力を前記可飽和リアクトルとダイオードとの接続点にリセットダイオードを介して接続してなる出力回路をn出力分設け、
直流入力端に入力電圧検出回路を接続し、前記発振回路の発振周波数が前記入力電圧検出回路からの出力により定まることを特徴とする直流−直流変換装置。In an n (arbitrary integer) output DC-DC converter that converts from a DC power source to another DC output via a transformer,
A first semiconductor switch element, a transformer primary winding, and a first capacitor are connected in series to the DC power source, and a parallel circuit of a second semiconductor switch element and a second capacitor is connected to the transformer primary winding. Connected in parallel between a line and the first capacitor, an oscillation circuit is connected to the gate terminals of the first and second semiconductor switch elements, respectively, a saturable reactor for the transformer secondary winding, A diode and a smoothing capacitor are connected in series, an output voltage detection / regulation circuit is connected to the DC output terminal, an output of the output voltage detection / regulation circuit is connected to the magnetic flux control circuit, and an output of the magnetic flux control circuit is connected to the saturable reactor. N output circuits are provided which are connected to a connection point with a diode through a reset diode.
A DC- DC converter characterized in that an input voltage detection circuit is connected to a DC input terminal, and an oscillation frequency of the oscillation circuit is determined by an output from the input voltage detection circuit .
前記直流電源に対し第1の半導体スイッチ素子,変圧器一次巻線および第1のコンデンサを直列に接続し、第2の半導体スイッチ素子と第2のコンデンサとの並列回路を、前記変圧器一次巻線と前記第1のコンデンサとの間に並列に接続し、発振回路を前記第1,第2の半導体スイッチ素子のゲート端子にそれぞれ接続し、前記第1の変圧器二次巻線に対し第1の可飽和リアクトル,第1のダイオードおよび第1の平滑コンデンサを直列に接続し、第2の変圧器二次巻線に対し第2の可飽和リアクトル,第2のダイオードおよび第2の平滑コンデンサを直列に接続し、直流出力端には出力電圧検出・調節回路を、この出力電圧検出・調節回路の出力を磁束制御回路に、この磁束制御回路の出力を前記第1の可飽和リアクトルと第1のダイオードとの接続点には第1のリセットダイオードを介して、前記第2の可飽和リアクトルと第2のダイオードとの接続点には第2のリセットダイオードを介してそれぞれ接続してなる出力回路をn出力分設け、
直流入力端に入力電圧検出回路を接続し、前記発振回路の発振周波数が前記入力電圧検出回路からの出力により定まることを特徴とする直流−直流変換装置。In an n (arbitrary integer) output DC-DC converter that converts from a DC power source to another DC output via a transformer,
A first semiconductor switch element, a transformer primary winding, and a first capacitor are connected in series to the DC power source, and a parallel circuit of a second semiconductor switch element and a second capacitor is connected to the transformer primary winding. Connected in parallel between the line and the first capacitor, an oscillation circuit is connected to the gate terminals of the first and second semiconductor switch elements, respectively, and the first transformer secondary winding is One saturable reactor, a first diode and a first smoothing capacitor are connected in series, and a second saturable reactor, a second diode and a second smoothing capacitor are connected to the second transformer secondary winding. Are connected in series, the output voltage detection / regulation circuit is connected to the DC output terminal, the output of the output voltage detection / regulation circuit is connected to the magnetic flux control circuit, and the output of the magnetic flux control circuit is connected to the first saturable reactor and the first output. 1 Daio An output circuit is connected to the connection point between the second saturable reactor and the second diode via a first reset diode, and to the connection point between the second saturable reactor and the second diode via a second reset diode. Provide output,
A DC- DC converter characterized in that an input voltage detection circuit is connected to a DC input terminal, and an oscillation frequency of the oscillation circuit is determined by an output from the input voltage detection circuit .
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