JP2015226401A

JP2015226401A - 昇圧型直流変換装置

Info

Publication number: JP2015226401A
Application number: JP2014110717A
Authority: JP
Inventors: 伸明関根; Nobuaki Sekine
Original assignee: Sanken Electric Co Ltd
Current assignee: Sanken Electric Co Ltd
Priority date: 2014-05-29
Filing date: 2014-05-29
Publication date: 2015-12-14

Abstract

【課題】出力電力を制御できるとともに高い信頼性を備える昇圧型直流変換装置を提供する。
【解決手段】
インバータ装置１とＣＷ回路２とを備える昇圧型直流変換装置であって、前記インバータ装置１は、直流電源に並列接続される少なくとも１つのハーフブリッジ回路１１と、前記少なくとも１つのハーフブリッジ回路１１を駆動する制御回路１３と、互いに磁気的に結合され且つ電気的に絶縁される一次巻線Ｗ１と二次巻線Ｗ２と三次巻線Ｗ３とを有するトランス１４と、を備え、前記一次巻線Ｗ１の一端は、前記少なくとも１つのハーフブリッジ回路１１の中点に接続され、前記二次巻線Ｗ２は、前記ＣＷ回路２に接続され、前記三次巻線Ｗ３は、前記制御回路１３に接続され且つ前記二次巻線電圧Ｗ２に基づく検出電圧を前記制御回路１３に出力し、前記制御回路１３は、前記検出電圧に基づき前記少なくとも１つのハーフブリッジ回路１１を駆動する。
【選択図】図１

Description

本発明は、インバータ装置とコッククロフト・ウォルトン回路とを備える昇圧型直流変換装置に関する。

図３は、特許文献１により開示される、従来の昇圧型直流変換装置の構成を示す回路図である。従来の昇圧型直流変換装置は、インバータ装置１０１とコッククロフト・ウォルトン回路（以下、ＣＷ回路という）１０２とトランス１０３とを備える。インバータ装置１０１は、直流電源から出力される入力電圧Ｖｉｎを高周波交流電圧に変換する。トランス１０３は、高周波交流電圧を昇圧変換する。ＣＷ回路１０２は、トランス１０３により昇圧変換された電圧をさらに昇圧変換する。また、従来の昇圧型直流変換装置の共振周波数を調整することで、昇圧型直流変換装置の小型化を図ることができる。

特開２０１１−１３９６１８号公報

しかしながら、特許文献１は、昇圧型直流変換装置の出力電圧Ｖｏｕｔを安定制御する具体的な手法を開示しない。本発明は、出力電力を制御できるとともに高い信頼性を備える昇圧型直流変換装置を提供する。

本発明の一態様によれば、インバータ装置とコッククロフト・ウォルトン回路とを備える昇圧型直流変換装置であって、前記インバータ装置は、直流電源に並列接続される少なくとも１つのハーフブリッジ回路と、前記少なくとも１つのハーフブリッジ回路を駆動する制御回路と、互いに磁気的に結合され且つ電気的に絶縁される一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、を備え、前記一次巻線の一端は、前記少なくとも１つのハーフブリッジ回路の中点に接続され、前記二次巻線は、前記コッククロフト・ウォルトン回路に接続され、前記三次巻線は、前記制御回路に接続され且つ前記二次巻線電圧に基づく検出電圧を前記制御回路に出力し、前記制御回路は、前記検出電圧に基づき前記少なくとも１つのハーフブリッジ回路を駆動することを特徴とする。

本発明によれば、出力電力を制御できるとともに高い信頼性を備える昇圧型直流変換装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る昇圧型直流変換装置の構成を示す回路図である。本発明の実施形態に係るトランスの構成を示す断面図である。従来の昇圧型直流変換装置の構成を示す回路図である。

次に、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。又、以下に示す実施形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の実施形態は、構成部品の構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の実施形態は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。

図１は、本発明の実施形態に係る昇圧型直流変換装置の構成を示す回路図である。本実施形態に係る昇圧型直流変換装置は、インバータ装置１とＣＷ回路２とを備える。インバータ装置１は、直流電源に並列接続される第１のハーフブリッジ回路１１と、第１のハーフブリッジ回路１１を駆動する制御回路１３と、互いに磁気的に結合され且つ電気的に絶縁される一次巻線Ｗ１と二次巻線Ｗ２と三次巻線Ｗ３とを有するトランス１４と、を備える。本実施形態に係るインバータ装置１は、フルブリッジ共振型の回路トポロジを有する。

第１のハーフブリッジ回路１１は、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２を備える。第２のハーフブリッジ回路１２は、第３のスイッチング素子Ｑ３と第４のスイッチング素子Ｑ４とを備える。本実施形態に係る各スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴからなる。第１のスイッチング素子Ｑ１のドレインは直流電源の一端に接続される。第１のスイッチング素子Ｑ１のソースは第２のスイッチング素子Ｑ２のドレインに接続され、第１のハーフブリッジ回路１１の中点を構成する。第２のスイッチング素子Ｑ２のソースは直流電源の他端に接続される。第３のスイッチング素子Ｑ３のドレインは直流電源の一端に接続される。第３のスイッチング素子Ｑ３のソースは第４のスイッチング素子Ｑ４のドレインに接続され、第２のハーフブリッジ回路１２の中点を構成する。第４のスイッチング素子Ｑ４のソースは直流電源の他端に接続される。各スイッチング素子のゲートは、制御回路１３に接続される。

トランス１４の一次巻線Ｗ１の一端は、第１のハーフブリッジ回路１１の中点に接続される。トランス１４の一次巻線Ｗ１の他端は、第２のハーフブリッジ回路１２の中点に接続される。トランス１４の二次巻線Ｗ２の一端はＣＷ回路２の一方の入力端に接続され、他端はＣＷ回路２の他方の入力端に接続される。本実施形態に係るトランス１４の三次巻線Ｗ３は、第１の三次巻線Ｗ３ａと第２の三次巻線Ｗ３ｂとを備える。第１の三次巻線Ｗ３ａの一端は、第１のダイオードＤ１のアノードに接続され、第１のダイオードＤ１を介して制御回路１３に接続される。第１の三次巻線Ｗ３ａの他端は、直流電源の他端に接続される。第２の三次巻線Ｗ３ｂの一端は、直流電源の他端に接続される。第２の三次巻線Ｗ３ｂの他端は、第２のダイオードＤ２のアノードに接続され、第２のダイオードＤ２を介して制御回路１３に接続される。すなわち、第２の三次巻線Ｗ３ｂは、第１の三次巻線Ｗ３ａとは逆極性になるように制御回路１３に接続される。なお、一次巻線Ｗ１に直列接続されるコンデンサを設けても良い。

制御回路１３は、複数の端子を介してインバータ装置１の他の各部に接続される。電源端子ＶＣＣは、直流電源の一端に接続される。接地端子ＧＮＤは、直流電源の他端に接続される。第１のＨ側駆動端子ＨＯ１は、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲートに接続される。第２のＨ側駆動端子ＨＯ２は、第３のスイッチング素子Ｑ３のゲートに接続される。第１のＬ側駆動端子ＬＯ１は、第２のスイッチング素子Ｑ２のゲートに接続される。第２のＬ側駆動端子ＬＯ２は、第４のスイッチング素子Ｑ４のゲートに接続される。第１の出力端子ＨＳ１は、第１のハーフブリッジ回路１１の中点に接続される。第２の出力端子ＨＳ２は、第２のハーフブリッジ回路１２の中点に接続される。フィードバック端子ＦＢは、抵抗分圧回路を介して９第１のダイオードＤ１のカソードと第２のダイオードＤ２のカソードとに接続される。

ＣＷ回路２は、複数のキャパシタと複数のダイオードとを備え、トランス１４の二次巻線Ｗ２に接続される。第１のキャパシタＣ１の一端は、ＣＷ回路２の一方の入力端であり、トランス１４の二次巻線Ｗ２の一端に接続される。第１のキャパシタＣ１の他端は、第３のキャパシタＣ３の一端と第３のダイオードＤ３のアノードと第４のダイオードＤ４のカソードとに接続される。第２のキャパシタＣ２の一端は、ＣＷ回路２の他方の入力端であり、トランス１４の二次巻線Ｗ２の他端と第３のダイオードＤ３のカソードとに接続される。また、第２のキャパシタＣ２の一端は、ＣＷ回路２の他方の出力端でもある。第２のキャパシタＣ２の他端は、第４のキャパシタＣ４の一端と第４のダイオードＤ４のアノードと第５のダイオードＤ５のカソードとに接続される。第３のキャパシタＣ３の他端は、第５のキャパシタＣ５の一端と第５のダイオードＤ５のアノードと第６のダイオードＤ６のカソードとに接続される。第４のキャパシタＣ４の他端は、第６のキャパシタＣ６の一端と第６のダイオードＤ６のアノードと第７のダイオードＤ７のカソードとに接続される。第５のキャパシタＣ５の他端は、第７のダイオードＤ７のアノードと第８のダイオードＤ８のカソードとに接続される。第６のキャパシタＣ６の他端は、第８のダイオードＤ８のアノードに接続される。第１のキャパシタＣ１の一端は、ＣＷ回路２の一方の入力端である。第２のキャパシタの一端は、ＣＷ回路２の他方の入力端子であるとともにＣＷ回路２の一方の出力端子でもある。第６のキャパシタＣ６の他端は、ＣＷ回路２の他方の出力端子である。

本実施形態に係る昇圧型直流変換装置の動作について説明する。直流電源がインバータ装置１に接続され、入力電圧Ｖｉｎが制御回路１３に供給されると、制御回路１３は第１及び第２のハーフブリッジ回路１１，１２の駆動を開始する。制御回路１３は、第１乃至第４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４を以下の第１乃至第４の動作モードに従って個別にオンオフさせる。第１の動作モードでは、第１及び第４のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４はオン状態であり、第２及び第３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はオフ状態である。第２の動作モードでは、第１及び第３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３はオン状態であり、第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４はオフ状態である。第３の動作モードでは、第２及び第３のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はオン状態であり、第１及び第４のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ４はオフ状態である。第４の動作モードでは、第２及び第４のスイッチング素子Ｑ２，Ｑ４はオン状態であり、第１及び第３のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ３はオフ状態である。制御回路１３は、これらの動作モードを周期的に繰り返すことで、トランス１４の二次巻線Ｗ２の両端に交流電圧Ｖａｃを発生させる。

ＣＷ回路２は、交流電圧Ｖａｃを直流電圧である出力電圧Ｖｏｕｔに変換して出力する。出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値は、ＣＷ回路２の前述の構成により、交流電圧Ｖａｃの尖頭値の約６倍となる。それと同時に、第１及び第２の三次巻線Ｗ３ａ，Ｗ３ｂのそれぞれの両端には、二次巻線Ｗ２の両端に発生する交流電圧Ｖａｃに比例した交流電圧である検出電圧が発生する。第１の三次巻線Ｗ３ａに発生する検出電圧は、第１及び第２の動作モードのとき、第１のダイオードＤ１を介して制御回路１３のフィードバック端子ＦＢに出力される。第２の三次巻線Ｗ３ｂに発生する検出電圧は、第３及び第４の動作モードのとき、第２のダイオードＤ２を介して制御回路１３のフィードバック端子ＦＢに出力される。制御回路１３は、フィードバック端子ＦＢの電圧値を図示しない基準電圧に近づけるように、第１乃至第４のスイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４のオン時間及びオフ時間の長さを調整する。

図２は、本発明の実施形態に係るトランスの構成を示す断面図である。トランス１４は、ボビンＢと第１乃至第３の巻線Ｗ１〜Ｗ３と絶縁部Ｉと複数（本実施形態では１２）のピンＰ１〜Ｐ１２とを備える。また、トランス１４は、図示しないコアを備える。絶縁部Ｉは、積層された絶縁テープで構成され、ボビンＢの内部領域を一次側領域Ａ１と二次側領域Ａ２とに分割する。一次巻線Ｗ１は、ボビンＢの一次側領域Ａ１に配設され、ボビンＢに巻き回される。二次巻線Ｗ２は、ボビンＢの二次側領域Ａ２に配設され、ボビンＢに巻き回される。第１の三次巻線Ｗ３ａは、二次巻線Ｗ２を介してボビンＢの二次側領域Ａ２に配設され、ボビンＢに巻き回される。第２の三次巻線Ｗ３ｂは、二次巻線Ｗ２及び第１の三次巻線Ｗ３ａを介してボビンＢの二次側領域Ａ２に配設され、ボビンＢに巻き回される。第１及び第２の三次巻線Ｗ３ａ，Ｗ３ｂは、二次巻線Ｗ２と密結合になるようにボビンＢに巻き回される。

第６のピンＰ６は一次巻線Ｗ１の巻き始めピンであり、第５のピンＰ５は一次巻線Ｗ１の巻き終わりピンである。第４のピンＰ４は第１の三次巻線Ｗ３ａの巻き始めピンであり、第３のピンＰ３は第１の三次巻線Ｗ３ａの巻き終わりピンである。第２のピンＰ２は第２の三次巻線Ｗ３ｂの巻き始めピンであり、第１のピンＰ１は第２の三次巻線Ｗ３ｂの巻き終わりピンである。第８のピンＰ８は二次巻線Ｗ２の巻き始めピンであり、第１１のピンＰ１１は二次巻線Ｗ２の巻き終わりピンである。

本実施形態に係る昇圧型直流変換装置において、交流電圧Ｖａｃに比例する検出電圧は、トランス１４の三次巻線Ｗ３を介して制御回路１３に出力される。制御回路１３は、検出電圧を基準電圧に近づけるように第１及び第２のハーフブリッジ回路１１，１２を駆動することで、出力電圧Ｖｏｕｔを所望の電圧に制御することができる。

また、一次巻線Ｗ１と二次巻線Ｗ２と三次巻線Ｗ３とは、互いに磁気的に結合され且つ電気的に絶縁される。そのため、低電圧側である一次及び三次巻線Ｗ１，Ｗ３に接続される制御回路１３は、高電圧側である二次巻線Ｗ２に発生するノイズの影響を受けにくい。従って、本実施形態に係る昇圧型直流変換装置は、出力電力を制御できるとともに高い信頼性を備える昇圧型直流変換装置を提供することができる。

また、トランス１４の三次巻線Ｗ３は、制御回路１３に対して互いに逆極性となるように接続される第１及び第２の三次巻線Ｗ３ａ，Ｗ３ｂを備える。第１及び第２の三次巻線Ｗ３ａ，Ｗ３ｂは、それぞれ、第１及び第２のダイオードＤ１，Ｄ２を介して検出電圧を制御回路１３に出力する。制御回路１３は、二次巻線Ｗ２に発生する交流電圧Ｖａｃを全波検出することができるため、昇圧型直流変換装置は、出力電圧Ｖｏｕｔを精度よく制御することができる。

また、トランス１４の二次巻線Ｗ２と三次巻線Ｗ３とは、密結合となるようにボビンＢの二次側領域Ａ２においてボビンＢに巻き回されるため、三次巻線Ｗ３は、交流電圧Ｖａｃの変動を精度よく検出することができる。従って、昇圧型直流変換装置は、出力電圧Ｖｏｕｔを精度よく制御することができる。

上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。即ち、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。従って、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。例えば、インバータ装置１にハーフブリッジ共振型の回路トポロジを適用するために、第２のハーフブリッジ回路１２を省略し、一次巻線Ｗ１の他端を第２のスイッチング素子Ｑ２のソースに接続しても良い。また、ＣＷ回路２は、出力電圧Ｖｏｕｔの電圧値を交流電圧Ｖａｃの尖頭値のｎ倍（ｎは２以上）に昇圧変換するように構成しても良い。

１インバータ装置
２コッククロフト・ウォルトン回路
１１第１のハーフブリッジ回路
１２第２のハーフブリッジ回路
１３制御回路
１４トランス
Ｗ１一次巻線
Ｗ２二次巻線
Ｗ３三次巻線

Claims

インバータ装置とコッククロフト・ウォルトン回路とを備える昇圧型直流変換装置であって、
前記インバータ装置は、
直流電源に並列接続される少なくとも１つのハーフブリッジ回路と、
前記少なくとも１つのハーフブリッジ回路を駆動する制御回路と、
互いに磁気的に結合され且つ電気的に絶縁される一次巻線と二次巻線と三次巻線とを有するトランスと、を備え、
前記一次巻線の一端は、前記少なくとも１つのハーフブリッジ回路の中点に接続され、
前記二次巻線は、前記コッククロフト・ウォルトン回路に接続され、
前記三次巻線は、前記制御回路に接続され且つ前記二次巻線電圧に基づく検出電圧を前記制御回路に出力し、
前記制御回路は、前記検出電圧に基づき前記少なくとも１つのハーフブリッジ回路を駆動することを特徴とする昇圧型直流変換装置。
前記三次巻線は、第１の三次巻線と第２の三次巻線とを備え、
前記第１の三次巻線は、第１の整流部を介して前記制御回路に接続され、
前記第２の三次巻線は、前記第１の三次巻線と逆極性となるように第２の整流部を介して前記制御回路に接続されることを特徴とする請求項１に記載の昇圧型直流変換装置。
前記トランスはボビンを有し、
前記三次巻線は、前記二次巻線と密結合となるように前記ボビンに巻き回されることを特徴とする請求項１または２に記載の昇圧型直流変換装置。