JP2005027488A

JP2005027488A - 非絶縁降圧コンバータ

Info

Publication number: JP2005027488A
Application number: JP2003270984A
Authority: JP
Inventors: Nobutaka Uesono; 伸隆上園
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2003-07-04
Filing date: 2003-07-04
Publication date: 2005-01-27

Abstract

【課題】簡単な構成でスイッチ素子のデューティを拡げて、効率の向上を達成できる非絶縁降圧コンバータを提供する。
【解決手段】入力端子13，14間に複数のコンデンサ３，４を直列接続して、入力電圧Ｖinを分割する。また、コンデンサ３，４とチョークコイル11との間にスイッチ回路15を介在させる。このスイッチ手段15により、各コンデンサ３，４とチョークコイル11とを切り離すデッドタイム期間ＴＤ中に、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す期間を間に設けながら、各々のコンデンサ３，４からチョークコイル11にエネルギーを順に供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ポイント・オブ・ロード等に使用される非絶縁降圧コンバータに関する。

負荷の急激な変動に対し高速で応答できるようにした非絶縁降圧コンバータとしては、例えば特許文献１に示すように、２つの降圧コンバータ回路を並列に接続してマルチフェイズコンバータを構成し、この２つの降圧コンバータ回路の位相を１８０°にすることにより、同じスイッチング周波数のターンオン時期をずらして、応答の高速化と出力電圧の低リップル化を可能にしたものが知られている。

図３は、こうした複数の降圧コンバータ回路を組み込んだマルチフェイズ降圧コンバータの一例である。同図において、１，２は入力電圧Ｖinが印加される入力端子、３は直流入力電圧Ｖinを平滑する入力平滑コンデンサで、これは入力端子１，２間に接続される。また、５は平滑された入力電圧Ｖinを降圧する降圧コンバータ回路で、ここでは２つの降圧コンバータ回路５ａ，５ｂを並列に接続して構成される。すなわち、第１の降圧コンバータ回路５ａは、一方の入力端子１に一端を接続した整流用の第１のスイッチ素子６ａと、このスイッチ素子６ａの他端と他方の入力端子２との間に、一端と他端をそれぞれ接続する転流用の第２のスイッチ素子７ａと、スイッチ素子６ａ，７ａの共通する接続点に一端を接続したチョークコイル11ａと、チョークコイル11ａの他端とスイッチ素子７ａの他端との間に接続した出力平滑コンデンサ12とからなる。また第２の降圧コンバータ回路５ｂは、一方を入力端子１に一端を接続した整流用の第３のスイッチ素子６ｂと、このスイッチ素子６ｂの他端と他方の入力端子２との間に、一端と他端をそれぞれ接続する転流用の第４のスイッチ素子７ｂと、スイッチ素子６ｂ，７ｂの接続点に一端を接続したチョークコイル11ｂと、チョークコイル11ｂの他端とスイッチ素子７ａの他端との間に接続した降圧コンバータ回路５ａと共通の出力平滑コンデンサ12とからなる。

そして、図示しない制御手段により、降圧コンバータ回路５ａのスイッチ素子６ａ，７ａと、降圧コンバータ回路５ｂのスイッチ素子６ｂ，７ｂが、１８０°の位相を有しながら交互にオン，オフ動作され、降圧コンバータ回路５からの降圧出力が出力平滑コンデンサ12の両端間に接続した出力端子13，14間に、直流出力電圧Ｖoutとして出力されるようになっている。

図４は、上記スイッチ素子６ａ，７ａと、スイッチ素子６ｂ，７ｂの各動作タイミング波形を示している。またここでは、スイッチ素子６ａ，６ｂを流れる電流Ｉ6a，Ｉ6bと、スイッチ素子７ａ，７ｂを流れる電流Ｉ7a，Ｉ7bも同時に示している。期間Ｔ１の初期にはスイッチ素子６ａ，７ｂがオンし、スイッチ素子６ｂ，７ａがオフしている。降圧コンバータ回路５ａにおいては、スイッチ素子６ａを通してチョークコイル11ａにエネルギーが蓄えられる一方で、別の降圧コンバータ回路５ｂにおいては、スイッチ素子７ｂがオンしているので、チョークコイル11ｂから放出されるエネルギーが合成され、出力平滑コンデンサ12により平滑された入力電圧Ｖinよりも低い電圧が、リプル成分の少ない出力電圧Ｖoutとして出力端子13，14間に発生する。この時、図４に示すように、スイッチ素子６ａを流れる電流Ｉ6aはチョークコイル11ａにエネルギーが蓄えられている関係で傾斜上昇し、スイッチ素子７ｂを流れる電流Ｉ7bはチョークコイル11ｂからエネルギーを放出している関係で傾斜下降する（スイッチ素子６ｂ，７ａには電流が流れない）。

期間Ｔ１の途中に達すると、スイッチ素子６ａがオフする代わりにスイッチ素子７ａがオンし、降圧コンバータ回路５ａのチョークコイル11ａに蓄えたエネルギーを放出して行く。また、スイッチ素子７ｂはオンのままであるので、チョークコイル11ｂに蓄えられたエネルギーは引き続き放出され、リプル成分が少ない出力電圧Ｖoutが出力端子13，14間に発生する。このとき、スイッチ素子７ａを流れる電流Ｉ7aはチョークコイル11aからエネルギーを放出している関係で傾斜下降し、スイッチ素子７ｂを流れる電流Ｉ7bは傾斜下降を続ける（スイッチ素子６ａ，６ｂには電流が流れない）。

次に期間Ｔ２になると、スイッチ素子６ｂがオンする代わりにスイッチ素子７ｂがオフする。すると、降圧コンバータ回路５ｂでは、スイッチ素子６ｂを通してチョークコイル11ｂにエネルギーが蓄えられ、入力電圧Ｖinよりも低い電圧が、リプル成分の少ない出力電圧Ｖoutとして出力端子13，14間に発生する。この時、図４に示すように、スイッチ素子６ｂを流れる電流Ｉ6bは傾斜上昇し、スイッチ素子７ａを流れる電流Ｉ7aは傾斜下降する（スイッチ素子６ａ，７ｂには電流が流れない）。

期間Ｔ２の途中に達すると、スイッチ素子６ｂがオフする代わりにスイッチ素子７ｂがオンし、チョークコイル11ｂに蓄えたエネルギーを放出して行く。この時、スイッチ素子７ａはオンのままであるので、チョークコイル11ａに蓄えられたエネルギーは引き続き放出され、リプル成分が少ない出力電圧Ｖoutが出力端子13，14間に発生する。このとき、スイッチ素子７ｂを流れる電流Ｉ7bはチョークコイル11bからエネルギーを放出している関係で傾斜下降し、スイッチ素子７ａを流れる電流Ｉ7aは傾斜下降を続ける（スイッチ素子６ａ，６ｂには電流が流れない）。そして再度期間Ｔ１に戻り、上述の動作を繰り返す。
特開２００３−１１１３９６号公報

図３に示すマルチフェイズ降圧コンバータは、例えば入力電圧ＶinがＤＣ５Ｖで、出力端子13，14間にＤＣ１．２Ｖの出力電圧を取り出そうとする場合、Ｖout＝Ｄ*Ｖin（Ｄはスイッチ素子６ａ，６ｂのデューティ）なる関係があるために、各スイッチ素子６ａ，６ｂのデューティＤは０．２４（図４の１周期に対し２４％の期間）に規定される。しかし、一般的に非絶縁降圧コンバータは、整流側のスイッチ素子６ａ，６ｂのデューティＤが広い方が、効率を高められることが知られており、上述の回路ではデューティＤを０．２４以上に広げることができないため、それ以上の効率の向上を図ることができなかった。

また、上記回路構成では、複数の降圧コンバータ回路５ａ，５ｂにより１つ当たりのチョークコイル11a，11ｂのインダクタンスを小さくすることで、個々のチョークコイル11a，11ｂに流れる電流の傾斜を急にして、負荷電流が急変する場合の応答性を改善している。しかし、このために各降圧コンバータ回路５ａ，５ｂにそれぞれチョークコイル11a，11ｂを設けざるを得ず、回路の小型化が難しいものになっている。

上記スイッチ素子のデューティを大きくするには、例えば図５に示すように、降圧コンバータ５を構成するチョークコイル11にタップを設け、そのタップにスイッチ素子７の一端を設けたり、或いは図６に示すように、チョークコイル11ａ,11ｂに巻数を分割するタップをそれぞれ設け、それらのタップの各々にスイッチ素子７ａ，７ｂの一端を設ける方法が知られている。この場合、例えば図５において、タップによりチョークコイル11の巻数をｎ：１に分割したとすると、スイッチ素子６のオン期間中（ｎ＋１ターン分の電流が流れ込む）と、スイッチ素子７のオン期間中（１ターン分の電流が流れ込む）では、チョークコイル11の各インダクタンスの大きさが異なるので、図３に示すものよりもスイッチ素子６のデューティを広げた状態で、所望の出力電圧Ｖoutを取り出すことができる。

しかし、上記回路構成では、チョークコイル11の結合を密にしなければ、リーケージインダクタンスによりノイズが発生し、スイッチ素子６等の各種部品にストレスを与えることになる。しかも、このノイズを抑制するためには、転流用のスイッチ素子７に並列にアクティブクランプ回路を接続して、リーケージインダクタンスによる逆起電圧を吸収する必要があり、回路構成をより一層複雑にしてしまうことになる。

本願発明は上記問題点に鑑み、簡単な構成でスイッチ素子のデューティを拡げて、効率の向上を達成できる非絶縁降圧コンバータを提供することをその目的とする。

本発明の請求項１における非絶縁降圧コンバータは、入力電圧を断続的にチョークコイルに印加することで、前記入力電圧より低い電圧を取り出す非絶縁降圧コンバータにおいて、前記入力電圧が与えられる入力端子間に複数の充放電手段を直列接続し、前記充放電手段と前記チョークコイルとの間に介在され、前記チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す期間を間に設けながら、各々の前記充放電手段から前記チョークコイルにエネルギーを順に供給するスイッチ回路を設けて構成される。

また、本発明の請求項２における非絶縁降圧コンバータは、各々の前記充放電手段から前記チョークコイルにエネルギーを順に供給する第１のスイッチ素子と、該第１のスイッチ素子とは別に設けられ、前記チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す第２のスイッチ素子とにより、前記スイッチ回路が構成される。

本発明の請求項１における非絶縁降圧コンバータによれば、入力端子間に複数の充放電手段を直列接続することで、各充放電手段の両端間には入力電圧よりも低い電圧が発生する。この充放電手段の両端間に発生する電圧を、それぞれの充放電手段からチョークコイルに断続的に印加することにより、入力電圧よりも低い電圧を取り出すことができる。チョークコイルに印加される電圧が、入力電圧よりも低くなっているので、同じ出力電圧を取り出す際に、スイッチ回路のデューティを拡げることができる。また、各充放電手段から共通のチョークコイルにエネルギーを供給する構成となっているので、チョークコイルは一つでよく、簡単な構成でありながらスイッチ素子のデューティを実質的に拡げて、効率の向上を達成できる。

本発明の請求項２における非絶縁降圧コンバータによれば、各々の充放電手段からチョークコイルにエネルギーを順に供給する第１のスイッチ素子と、チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す第２のスイッチ素子が、各々別々に設けられる。そのため、第１のスイッチ素子の動作と独立して第２のスイッチ素子を動作させることができ、チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す期間を確実に確保できる。

以下、本発明の好ましい実施例について、添付する図１と図２を参照して詳細に説明する。なお、従来例の図３と構成が重複するものについては同一の符号を付し、その説明を極力省略する。

回路の全体構成を示す図１において、本実施例では、降圧コンバータ回路５の入力側において入力電圧Ｖinを分割するために、入力端子１，２間に充放電手段としての同じ容量のコンデンサ３，４からなる直列回路を接続している。ここではコンデンサ３，４を利用しているが、二次電池などのバッテリを利用してもよい。

また降圧コンバータ回路５は、前記チョークコイル11や出力平滑コンデンサ12の他に、コンデンサ３，４の直列回路とチョークコイル11との間に複数のスイッチ素子６，７，８，９からなるスイッチ回路15を備えている。スイッチ回路15は、前記コンデンサ３，４の直列回路の一端からチョークコイル11の一端に至る電圧供給ラインにスイッチ素子６を挿入接続し、コンデンサ３，４の直列回路の他端からコンデンサ12の他端に至る基準電圧ラインにスイッチ素子９を挿入接続し、スイッチ素子６とチョークコイル11の一端との接続点と、スイッチ素子９とコンデンサ12の他端との接続点の間に、スイッチ素子７，８の直列回路を接続し、このスイッチ素子７，８の接続点をコンデンサ３，４の接続点に接続して構成される。そして、スイッチ素子６，９が共にオフするデッドタイム期間を設けながら、一方のコンデンサ３の両端間電圧Ｖ１をチョークコイル11に供給するスイッチ素子６，８と、他方のコンデンサ４の両端間電圧Ｖ２をチョークコイル11に供給するスイッチ素子７，９が、それぞれ１８０°の位相差を有して交互にオン，オフ動作され、且つ前記デッドタイム期間において、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す機能も兼用する直列接続されたスイッチ素子７，８が共にオンするように、図示しない制御手段から各スイッチ素子６〜９にパルス駆動信号が供給される。

なお、本実施例では図１の破線に示すように、単独のスイッチ素子10をスイッチ素子７，８と並列に接続して、スイッチ素子６，９が共にオフになるデッドタイム期間中に、このスイッチ素子10をオンにするパルス駆動信号を制御手段から供給するようにしてもよい。この場合のスイッチ回路15は、各々のコンデンサ３，４から一つの共通するチョークコイル11にエネルギーを順に供給する第１のスイッチ素子としてのスイッチ素子６〜９と、これらのスイッチ素子６〜９とは別に設けられ、スイッチ素子６，９をオフにして各コンデンサ３，４とチョークコイル11との間を切り離したときにオンして、チョークコイル11の一端を基準電圧ラインに短絡し、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す第２のスイッチ素子10とにより構成される。スイッチ素子10を接続しない場合には、スイッチ素子６，９が共にオフになるデッドタイム期間中に、スイッチ素子７，８を同時にオンさせないと、チョークコイル11に蓄えたエネルギーを無駄なく放出できなくなる虞れがあるが、スイッチ素子10を接続すれば、そのような難しい制御をスイッチ素子７，８に要求する必要がなくなり、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す期間を確実に確保して、チョークコイル11に蓄えたエネルギーを無駄なく放出することが可能になる。

次に上記構成の作用について、各スイッチ素子６〜10の各動作波形と、スイッチ素子６，９の各電流波形Ｉ6，Ｉ9を示した図２を参照しながら説明する。

スイッチ素子６，８と、スイッチ素子７，９は、１周期中においてそれぞれ１８０°の位相差を有して交互にオン，オフ動作される。なお、この位相差は直列接続されるスイッチ素子７，８が３個のスイッチ素子となった場合には１２０°となり、４個のスイッチ素子となった場合には９０°となる。入力端子１，２間に２個のコンデンサ３，４が直列接続されているので、これらのコンデンサ３，４は充電されてその両端間に電圧Ｖ１，Ｖ２が発生している。この電圧Ｖ１，Ｖ２は入力電圧Ｖinの半分（Ｖin／２）である。

先ず、スイッチ素子10を設けていない場合の動作について説明する。期間Ｔ１の途中までは、スイッチ素子６，８がオンし、スイッチ素子７，９がオフしている。これにより、一方のコンデンサ３の両端がチョークコイル11と出力平滑コンデンサ12からなる直列回路の両端に接続されるので、コンデンサ３からチョークコイル11にエネルギーが供給され、チョークコイル11にエネルギーが蓄えられる。この時、スイッチ素子６を介してチョークコイル11に流れ込む電流Ｉ6は、図２に示すように傾斜増加して行く。

そして期間Ｔ１が例えば９６％（１周期中では４８％）経過すると、スイッチ素子６，９が共にオフし、コンデンサ３，４からチョークコイル11へのエネルギー供給が遮断されるデッドタイム期間ＴＤに移行する。このデッドタイム期間ＴＤ中において、スイッチ素子６に代わってスイッチ素子７がターンオンし、スイッチ素子７，８が共にオンする。これにより、それまでチョークコイル11に蓄えたエネルギーが出力側に放出される。

次の期間Ｔ２になると、引き続きスイッチ素子６はオフ、スイッチ素子７はオンになるものの、スイッチ素子８はターンオフし、代わりにスイッチ素子９がターンオンして、他方のコンデンサ４の両端が、オンしているスイッチ素子７，９によりチョークコイル11と出力平滑コンデンサ12からなる直列回路の両端に接続される。そのため、コンデンサ４からチョークコイル11にエネルギーが供給され、チョークコイル11にエネルギーが蓄えられる。この時、スイッチ素子９を介してチョークコイル11に流れ込む電流Ｉ7は、図２に示すように傾斜増加して行く。

そして期間Ｔ２が例えば９６％（１周期中では４８％）経過すると、再びスイッチ素子６，９が共にオフし、コンデンサ３，４からチョークコイル11へのエネルギー供給が遮断されるデッドタイム期間ＴＤに移行する。このデッドタイム期間ＴＤ中において、スイッチ素子９に代わってスイッチ素子８がターンオンし、スイッチ素子７，８が共にオンする。これにより、それまでチョークコイル11に蓄えたエネルギーが出力側に放出される。以上の動作を繰り返すことにより、コンデンサ３，４の端子間電圧Ｖ１，Ｖ２よりも低い出力電圧Ｖoutを、出力端子13，14間から取り出すことができる。

また、スイッチ素子10を設けた場合には、前記デッドタイム期間ＴＤ中にスイッチ素子10がオンする。スイッチ素子10がオンすれば、このスイッチ素子10を転流素子としてチョークコイル11からのエネルギーが出力側に確実に送り出されるので、スイッチ素子７，８はデッドタイム期間ＴＤ中にどのようなタイミングでオン，オフが切り換わってもよい。

上記一連の動作では、例えば入力電圧ＶinがＤＣ５Ｖで、出力端子13，14間にＤＣ１．２Ｖの出力電圧を取り出そうとする場合、降圧コンバータ回路５に対する実質的な入力電圧であるコンデンサ３，４の端子間電圧Ｖ１，Ｖ２が、本来の入力電圧Ｖinの半分に低下しているので、各スイッチ素子６，９のデューティＤは０．４８（図３の１周期に対し４８％の期間）に拡大する。これは、図３に示す従来例の２倍である。そのため、降圧コンバータ回路５としての効率を大幅に向上させることができる。

また、チョークコイル11がエネルギーを出力側に送り出す期間は、１周期当たり僅か４％に過ぎないため、チョークコイル11のインダクタンス値を小さくできる。そのため、降圧コンバータ回路５内部の小型化を実現できると共に、チョークコイル11を流れる電流の傾斜は、インダクタンス値が小さい分だけ急になるため、負荷電流が急変する場合などにおいて、チョークコイル11を流れる電流がすぐに追従して、更なる高速な応答を実現することができる。

さらに、前記スイッチ素子６，９のデューティＤが０．５であれば、チョークコイル11によるエネルギーの充放電そのものが不要になるため、チョークコイル11をなくした降圧コンバータ回路５の実現も可能である。この場合、取り出せる出力電圧Ｖoutは、コンデンサ３，４の端子間電圧Ｖ１，Ｖ２の半分（入力電圧Ｖinの１／４）になる。

また、降圧コンバータ回路５におけるスイッチ素子６，８とスイッチ素子７，９が、１８０°の位相差で互いにオン，オフ動作を繰り返すので、１つのスイッチ素子によって制御される降圧コンバータ回路に比べ、実質的に２倍の周波数で制御されるのと同じになるため、出力端子13，14間に接続する負荷の変動に対し高速な応答が可能になる。

以上のように本実施例では、入力電圧Ｖinを断続的にチョークコイル11に印加することで、入力電圧Ｖinより低い電圧を取り出す非絶縁降圧コンバータにおいて、入力端子13，14間に複数のコンデンサ３，４を直列接続し、コンデンサ３，４とチョークコイル11との間に介在されるスイッチ回路15を、各コンデンサ３，４とチョークコイル11とを切り離すデッドタイム期間ＴＤ中に、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す期間を間に設けながら、各々のコンデンサ３，４からチョークコイル11にエネルギーを順に供給するように設けている。

この場合、入力端子13，14間に複数のコンデンサ３，４を直列接続することで、各コンデンサ３，４コンデンサ３，４の両端間には入力電圧よりも低い電圧が発生する。このコンデンサ３，４の両端間に発生する電圧を、それぞれのコンデンサ３，４からチョークコイル11に断続的に印加することにより、入力電圧Ｖinよりも低い電圧Ｖ１，Ｖ２を取り出すことができる。チョークコイル11に印加される電圧が、入力電圧Ｖinよりも低くなっているので、同じ出力電圧Ｖoutを取り出す際に、スイッチ回路15のデューティを拡げることができる。また、各コンデンサ３，４から共通のチョークコイル11にエネルギーを供給する構成となっているので、チョークコイル11は一つでよく、簡単な構成でありながらスイッチ素子６，９のデューティを実質的に拡げて、効率の向上を達成できる。

また本実施例では、各々のコンデンサ３，４からチョークコイル11にエネルギーを順に供給する第１のスイッチ素子６〜９と、第１のスイッチ素子６〜９とは別に設けられ、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す第２のスイッチ素子10とにより、スイッチ回路15を構成している。

この場合、各々のコンデンサ３，４からチョークコイルにエネルギーを順に供給する第１のスイッチ素子６〜９と、チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す第２のスイッチ素子10が、各々別々に設けられる。そのため、第１のスイッチ素子６〜９の動作と独立して第２のスイッチ素子10を動作させることができ、チョークコイル11のエネルギーを出力側に送り出す期間を確実に確保できる。

なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば各スイッチ素子６〜10は、例えばＭＯＳ型ＦＥＴやトランジスタなどで構成してよい。

本実施例における非絶縁降圧コンバータの好ましい一例を示す回路図である。同上、各スイッチ素子の動作を示す波形図である。従来のマルチフェイズ降圧コンバータの一例を示す回路図である。同上、各スイッチ素子の駆動波形の一例を示すタイミング図である。従来の降圧コンバータのデューディ比を拡げる例を示す回路図である。従来のマルチフェイズ降圧コンバータのデューディ比を拡げる例を示す回路図である。

符号の説明

３，４コンデンサ（充放電手段）
６〜９第１のスイッチ素子
10 第２のスイッチ素子
11 チョークコイル
15 スイッチ回路

Claims

入力電圧を断続的にチョークコイルに印加することで、前記入力電圧より低い電圧を取り出す非絶縁降圧コンバータにおいて、
前記入力電圧が与えられる入力端子間に複数の充放電手段を直列接続し、
前記充放電手段と前記チョークコイルとの間に介在され、前記チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す期間を間に設けながら、各々の前記充放電手段から前記チョークコイルにエネルギーを順に供給するスイッチ回路を設けたことを特徴とする非絶縁降圧コンバータ。
前記スイッチ回路は、各々の前記充放電手段から前記チョークコイルにエネルギーを順に供給する第１のスイッチ素子と、該第１のスイッチ素子とは別に設けられ、前記チョークコイルのエネルギーを出力側に送り出す第２のスイッチ素子とにより構成されることを特徴とする請求項１記載の非絶縁降圧コンバータ。