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JP5488887B2 - Dc−dcコンバータ - Google Patents

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Description

本発明は、トランスと、スイッチと、コンデンサとを備えたDC−DCコンバータに関する。
従来、トランスと、スイッチと、コンデンサとを備えたDC−DCコンバータとして、例えば特許文献1に開示されているDC−DCコンバータがある。このDC−DCコンバータは、トランスT1、T2と、主スイッチQ1と、第1コンデンサC1と、クランプ回路と、コントローラ4とを備えている。トランスT1は、1次コイルW1、W2と、2次コイルW3とを備えている。トランスT2は、1次コイルW4、W5と、2次コイルW6とを備えている。1次コイルW1、W4は、直列接続され、第1コイル対を構成している。1次コイルW2、W5は、直列接続され、第2コイル対を構成し、1次コイルW5の一端が1次コイルW4の一端に接続されている。主スイッチの一端は1次コイルW4の一端に、他端は入力電源の負極端にそれぞれ接続されている。第1コンデンサC1の一端は1次コイルW2の一端に、他端は入力電源の負極端にそれぞれ接続されている。クランプ回路は、副スイッチQ2と第2コンデンサC2を直列接続して構成され、副スイッチQ2の一端が主スイッチQ1の一端に、第2コンデンサC2の一端が1次コイルW2の一端にそれぞれ接続されている。そして、コントローラ4が、主スイッチQ1のスイッチングを制御するとともに、主スイッチQ1と交互にスイッチングするように副スイッチQ2を制御する。
主スイッチQ1がオン、副スイッチQ2がオフすると、入力電源2から1次コイルW1、W4に電流が流れる。また、充電された第1コンデンサC1から1次コイルW2、W5に電流が流れ、第1コンデンサC1が放電される。
一方、主スイッチがオフ、副スイッチがオンすると、1次コイルW1、W4に流れていた電流は、1次コイルW5、W2に流れ、第1コンデンサC1を充放電する。また、副スイッチQ2を介して第2コンデンサC2に流れ、第2コンデンサC2を充電する。このとき、主スイッチQ1の両端間に、第1コンデンサC1、第2コンデンサC2が直列接続され、主スイッチQ1の両端間の電圧が第1コンデンサC1、第2コンデンサC2の電圧にクランプされる。
特開2005−51994号公報
ところで、第1コイル対及び第2コイル対は、それぞれ漏れインダクタンスを有している。第1コンデンサC1がオープン故障した場合、主スイッチQ1がオフ、副スイッチQ2がオンすると、主スイッチQ1の両端間に、入力電源2、第1コイル対、第1コイル対の漏れインダクタンス、第2コイル対、第2コイル対の漏れインダクタンス及び第2コンデンサC2が直列接続されることとなる。
主スイッチQ1がオンからオフに切替わると、第1コイル対と第2コイル対は、それぞれ漏れインダクタンスを持つため、サージ電圧を発生させ、主スイッチQ1に加わることとなる。そのため、第1コンデンサC1がオープン故障を想定すると、主スイッチQ1がオフ、副スイッチQ2がオンした際に、主スイッチQ1に加わる電圧が上昇し、主スイッチQ1が破損する可能性がある。これに対しては、一般的に、主スイッチQ1の耐圧を上げるという対策がとられるが、主スイッチQ1自体が大きくなるとともに、コストアップしてしまう。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、第1コンデンサのオープン故障を想定した場合、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止することができるDC−DCコンバータを提供することを目的とする。
そこで、本発明者らは、この課題を解決すべく鋭意研究し試行錯誤を重ねた結果、第2コンデンサの接続箇所を見直し、第1コンデンサがオープン故障しても、漏れインダクタンスに起因するサージ電圧が加わらないようにすることで、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止できると考え、本発明を完成するに至った。
すなわち、請求項1に記載のDC−DCコンバータは、第1、第2、第3コイルを有する第1トランスと、第4、第5、第6コイルを有する第2トランスと、第1コイルと第4コイルを直列接続して構成され、第1コイルの一端が直流電源の正極端に接続される第1コイル対と、第2コイルと第5コイルを直列接続して構成され、第5コイルの一端が第4コイルの一端に接続される第2コイル対と、一端が第4コイルの一端に、他端が直流電源の負極端に接続される主スイッチと、一端が第2コイルの一端に、他端が直流電源の負極端に接続される第1コンデンサと、副スイッチと第2コンデンサを直列接続して構成され、一端が主スイッチの一端に、他端が、直流電源の正極端と、直流電源の正極端に接続される第1コイル対の間に接続されるクランプ回路と、主スイッチのスイッチングを制御するとともに、主スイッチと交互にスイッチングするように、副スイッチを制御する制御回路と、を有することを特徴とする。
ここで、第1〜第6コイル、第1及び第2コイル対、第1及び第2コンデンサは、コイル、コイル対及びコンデンサをそれぞれ区別するために便宜的に導入したものである。また、第1、第2、第4、第5コイル、副スイッチ及び第2コンデンサの一端とあるのは、直列接続された素子の反直列接続点側の端部、つまり独立端を示すものである。
この構成によれば、主スイッチがオフ、副スイッチがオンすると、主スイッチの両端間に、常に、直流電源及び第2コンデンサが直列接続されることとなる。そのため、第1コンデンサがオープン故障した場合であっても、第1コイル対の漏れインダクタンスと第2コイル対の漏れインダクタンスに起因して発生するサージ電圧が、主スイッチに加わることはない。従って、第1コンデンサがオープン故障しても、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止することができる。
請求項2に記載のDC−DCコンバータは、第1、第2、第3コイルを有する第1トランスと、第4、第5、第6コイルを有する第2トランスと、第1コイルと第4コイルを直列接続して構成され、第1コイルの一端が直流電源の正極端に接続される第1コイル対と、第2コイルと第5コイルを直列接続して構成され、第5コイルの一端が第4コイルの一端に接続される第2コイル対と、一端が第4コイルの一端に、他端が直流電源の負極端に接続される主スイッチと、一端が第2コイルの一端に、他端が直流電源の正極端に接続される第1コンデンサと、副スイッチと第2コンデンサを直列接続して構成され、一端が主スイッチの一端に、他端が、直流電源の正極端と、直流電源の正極端に接続される第1コイル対の間に接続されるクランプ回路と、主スイッチのスイッチングを制御するとともに、主スイッチと交互にスイッチングするように、副スイッチを制御する制御回路と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、第1コンデンサの両端が、ともに、直流電源の正極端に接続されることとなる。そのため、第1コンデンサに加わる電圧を抑えことができる。従って、第1コンデンサとして、体格が小さく低コストである耐圧の低い素子を用いることができる。
請求項3に記載のDC−DCコンバータは、閉磁路を構成する第1コアと、1次コイルと、2次コイルとを有する第1トランスと、第1コアに対して独立した閉磁路を構成する第2コアと、1次コイルと、2次コイルとを有する第2トランスと、第1トランス及び第2トランスの1次コイルの少なくとも一部を、1ターン毎に交互に第1コア及び第2コアに巻装して構成され、一端が直流電源の正極端に接続される第1コイル群と、第1トランス及び第2トランスの1次コイルの少なくとも一部を、1ターン毎に交互に第1コア及び第2コアに巻装して構成され、一端が第1コイル群の他端に接続される第2コイル群と、一端が第1コイル群の他端に、他端が直流電源の負極端に接続される主スイッチと、一端が第2コイル群の他端に、他端が直流電源の負極端に接続される第1コンデンサと、副スイッチと第2コンデンサを直列接続して構成され、一端が主スイッチの一端に、他端が、直流電源の正極端と、直流電源の正極端に接続される第1コイル群の間に接続されるクランプ回路と、主スイッチのスイッチングを制御するとともに、主スイッチと交互にスイッチングするように、副スイッチを制御する制御回路と、を有することを特徴とする。
この構成によれば、主スイッチがオフ、副スイッチがオンすると、主スイッチの両端間に、常に、直流電源及び第2コンデンサが直列接続されることとなる。そのため、第1コンデンサがオープン故障した場合であっても、第1コイル群の漏れインダクタンスと第2コイル群の漏れインダクタンスに起因して発生するサージ電圧が、主スイッチに加わることはない。従って、第1コンデンサがオープン故障しても、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止することができる。また、第1トランス、第2トランスを特殊形状の専用コアとする必要がない。そのため、コア構造の簡素化と汎用品の流用とが可能となり、コストダウンを図ることができる。そのうえ、1次コイルが、第1トランス、第2トランスに磁気的に1ターン毎に交互に巻かれるため、1次コイルの小型軽量化と、そのコイル総長短縮とを実現し、コイル損失の低減も実現することができる。
請求項4に記載のDC−DCコンバータは、閉磁路を構成する第1コアと、1次コイルと、2次コイルとを有する第1トランスと、第1コアに対して独立した閉磁路を構成する第2コアと、1次コイルと、2次コイルとを有する第2トランスと、第1トランス及び第2トランスの1次コイルの少なくとも一部を、1ターン毎に交互に第1コア及び第2コアに巻装して構成され、一端が直流電源の正極端に接続される第1コイル群と、第1トランス及び第2トランスの1次コイルの少なくとも一部を、1ターン毎に交互に第1コア及び第2コアに巻装して構成され、一端が第1コイル群の他端に接続される第2コイル群と、一端が第1コイル群の他端に、他端が直流電源の負極端に接続される主スイッチと、一端が第2コイル群の他端に、他端が直流電源の正極端に接続される第1コンデンサと、副スイッチと第2コンデンサを直列接続して構成され、一端が主スイッチの一端に、他端が、直流電源の正極端と、直流電源の正極端に接続される第1コイル群の間に接続されるクランプ回路と、主スイッチのスイッチングを制御するとともに、主スイッチと交互にスイッチングするように、副スイッチを制御する制御回路と、を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
この構成によれば、第1コンデンサの両端が、ともに、直流電源の正極端に接続されることとなる。そのため、第1コンデンサに加わる電圧を抑えことができる。従って、第1コンデンサとして、体格が小さく低コストである耐圧の低い素子を用いることができる。また、第1トランス、第2トランスを特殊形状の専用コアとする必要がない。そのため、コア構造の簡素化と汎用品の流用とが可能となり、コストダウンを図ることができる。そのうえ、1次コイルが、第1トランス、第2トランスに磁気的に1ターン毎に交互に巻かれるため、1次コイルの小型軽量化と、そのコイル総長短縮とを実現し、コイル損失の低減も実現することができる。
請求項5に記載のDC−DCコンバータは、第1トランス及び第2トランスの1次コイルの全ては、第1コア及び第2コアに1ターン毎に交互に巻装されていることを特徴とする。この構成によれば、前記効果を最大限に活用することができる。
請求項6に記載のDC−DCコンバータは、第1トランス及び第2トランスの1次コイルの一部は、第1コア及び第2コアの少なくとも一方に2ターン以上交互に巻装されていることを特徴とする。この構成によれば、第1トランスの1次コイルのターン数と、第2トランスの1次コイルのターン数とが異なっていても前記効果を実現することができる。
請求項7に記載のDC−DCコンバータは、第1トランスは、1次コイルとして第1、第2コイルを、2次コイルとして第3コイルを有し、第2トランスは、1次コイルとして第4、第5コイルを、2次コイルとして第6コイルを有し、第1コイルと第4コイルが直列接続されて第1コイル群をなし、第2コイルと第5コイルが直列接続されて第2コイル群をなしていることを特徴とする。この構成によれば、第1トランス、第2トランスを小型軽量化するとともに製造コストを低減することができる。
請求項8に記載のDC−DCコンバータは、直流電源の正極端と負極端の間に接続され、入力電圧を平滑する平滑用コンデンサを有し、制御回路は、平滑用コンデンサの端子間電圧、平滑用コンデンサに流れる電流、及び、DC−DCコンバータの入力電流の少なくともいずれかに基づいて平滑用コンデンサの異常を検出し、異常が発生した場合には、警報を出力することを特徴とする。この構成によれば、平滑用コンデンサの異常を検出し、外部に知らせることができる。
請求項9に記載のDC−DCコンバータは、車両に搭載された電子装置に電力を供給することを特徴とする。この構成によれば、車両に搭載された電子装置に電力を供給するDC−DCコンバータにおいて、第1コンデンサがオープン故障しても、主スイッチに加わる電圧を抑え、主スイッチの破損を防止することができる。
第1実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図である。 第2実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図である。 第3実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図である。 トランスの構造を示す分解斜視図である。 第1コアの正面図である。 図4に示すトランスの等価回路である。 変形形態におけるDC−DCコンバータの回路図である。 別の変形形態におけるDC−DCコンバータの回路図である。
次に実施形態を挙げ、本発明をより詳しく説明する。本実施形態では、本発明に係るDC−DCコンバータを、車両に搭載され、高電圧バッテリの電圧を降圧して電子装置に供給するDC−DCコンバータに適用した例を示す。
(第1実施形態)
まず、図1を参照してDC−DCコンバータの構成について説明する。ここで、図1は、第1実施形態のDC−DCコンバータの回路図である。
図1に示すDC−DCコンバータ1は、高電圧バッテリB1(直流電源)の出力する直流電圧を絶縁して降圧し、車両に搭載された電子装置S1に供給する装置である。DC−DCコンバータ1は、トランス10、11(第1トランス、第2トランス)と、入力側回路12と、出力側回路13と、制御回路14とを備えている。
トランス10、11は、1次側に入力される交流電圧を降圧して2次側から出力する素子である。トランス10は、1次コイル100、101(第1コイル、第2コイル)と、2次コイル102(第3コイル)とを備えている。トランス11は、1次コイル110、111(第4コイル、第5コイル)と、2次コイル112(第6コイル)とを備えている。1次コイル100、101、110、111の巻数は、同一に設定されている。2次コイル102、112の巻数も、同一に設定されている。1次コイル100、101、110、111と2次コイル102、105の巻数比は、例えば8:1に設定されている。1次コイル100、110は、直列接続され、第1コイル対1000を構成している。1次コイル101、111は、直列接続され、第2コイル対1001を構成している。第1コイル対1000の独立端である1次コイル110の一端は、第2コイル対1001の独立端である1次コイル111の一端に接続されている。第1コイル対1000の独立端である1次コイル100の一端、及び、第2コイル対1001の独立端である1次コイル101の一端は、入力側回路12にそれぞれ接続されている。また、2次コイル102、112の両端は、出力側回路13にそれぞれ接続されている。
入力側回路12は、高電圧バッテリB1から入力される直流電圧を交流電圧に変換する回路である。入力側回路12は、主スイッチ120と、コンデンサ121(第1コンデンサ)と、クランプ回路122と、平滑用コンデンサ123とを備えている。
主スイッチ120は、スイッチングして、高電圧バッテリB1から1次コイル100、101、110、111に供給される電圧を制御する素子である。例えばMOSFETである。主スイッチ120は、スイッチングして、高電圧バッテリB1から入力される直流電圧を交流電圧に変換し、1次コイル100、101、110、111に供給する。主スイッチ120の一端は、第1コイル対1000の独立端である1次コイル110の一端に、他端は、高電圧バッテリB1の負極端にそれぞれ接続されている。また、制御端(図略)は制御回路14に接続されている。
コンデンサ121は、主スイッチ120のスイッチングに伴って充放電され、1次コイル100、101、110、111との間でエネルギーをやり取りする素子である。コンデンサ121の一端は、第2コイル対1001の独立端である1次コイル101の一端に、他端は、高電圧バッテリB1の負極端にそれぞれ接続されている。
クランプ回路122は、主スイッチ120のオフ期間に主スイッチ120の両端間に加わる電圧をクランプする回路である。クランプ回路122は、副スイッチ122aと、コンデンサ122b(第2コンデンサ)とを備えている。副スイッチ122aは、例えばMOSFETである。クランプ回路122は、副スイッチ122aが主スイッチ120と交互にスイッチングし、主スイッチ120のオフ期間に主スイッチ120の両端間に加わる電圧をクランプする。副スイッチ122aとコンデンサ122bは、直列接続されている。直列接続された副スイッチ122a及びコンデンサ122bの独立端である副スイッチ122aの一端は、主スイッチ120の一端に、直列接続された副スイッチ122a及びコンデンサ122bの独立端であるコンデンサ122bの一端は、高電圧バッテリB1の正極端にそれぞれ接続されている。また、副スイッチ122aの制御端(図略)は制御回路14に接続されている。
平滑用コンデンサ123は、バッテリB1の直流電圧を平滑する素子である。平滑用コンデンサ123の一端はバッテリB1の正極端に、他端はバッテリB1の負極端にそれぞれ接続されている。
出力側回路13は、トランス10、11から入力される交流電圧を直流電圧に変換する回路である。出力側回路13は、2次コイル102、112の交流電圧を整流する。出力側回路13は、スイッチ130、131と、平滑用コンデンサ132とを備えている。
スイッチ130、131は、スイッチングして、2次コイル102、112の交流電圧を整流する素子である。スイッチ130の一端は2次コイル102の一端に、他端は平滑用コンデンサ132にそれぞれ接続されている。また、制御端(図略)は制御回路14に接続されている。スイッチ131の一端は2次コイル112の一端に、他端は平滑用コンデンサ132にそれぞれ接続されている。また、制御端(図略)は制御回路14に接続されている。
平滑用コンデンサ132は、スイッチ130、131によって整流された直流電圧を平滑する素子である。平滑用コンデンサ132の一端は2次コイル102、112の他端に、他端はスイッチ130、131の他端にそれぞれ接続されている。また、平滑用コンデンサ132の両端は電子装置S1の正極端及び負極端にそれぞれ接続されている。
制御回路14は、出力電圧が目標電圧となるように、主スイッチ120、副スイッチ122a及びスイッチ130、131のスイッチングを制御する回路である。また、平滑用コンデンサ123の端子間電圧に基づいて平滑用コンデンサ123の異常を検出して警報を出力する回路でもある。制御回路14は、主スイッチ120のスイッチングを制御するためのPWM駆動信号を出力する。主スイッチ120と交互にスイッチングするように、副スイッチ122aのスイッチングを制御するためのPWM駆動信号を出力する。副スイッチ122a、主スイッチ120に同期してスイッチングするように、スイッチ130、131のスイッチングを制御するためのPWM駆動信号を出力する。また、出力電圧が目標電圧となるように、PWM駆動信号のオンデューティ比を調整する。ここで、オンデューティ比とは、PWM駆動信号のオン、オフの1周期に対するオン期間の比率のことである。制御回路14は、平滑用コンデンサ123の端子間電圧の変動が、所定閾値以上であるとき、平滑用コンデンサ123がオープン故障等の異常が発生したと判断し、外部に警報を出力する。バッテリB1が平滑用コンデンサ123から遠く、その間の配線インダクタンス(図略)が大きい場合、平滑用コンデンサ123がオープン故障等すると、主スイッチ120にかかるサージ電圧が大きくなり、主スイッチが破損する可能性があるからである。制御回路14の駆動信号出力端(図略)は、主スイッチ120、副スイッチ122a及びスイッチ130、131の制御端にそれぞれ接続されている。また、電圧検出端は、平滑用コンデンサ123の両端にそれぞれ接続されている。
次に、図1を参照してDC−DCコンバータの動作について説明する。
図1において、制御回路14は、主スイッチ120のスイッチングを制御するためのPWM駆動信号を出力する。主スイッチ120と交互にスイッチングするように、副スイッチ122aのスイッチングを制御するためのPWM駆動信号を出力する。副スイッチ122a、主スイッチ120に同期してスイッチングするように、スイッチ130、131のスイッチングを制御するためのPWM駆動信号を出力する。また、出力電圧が目標電圧となるようにPWM駆動信号のオンデューティ比を調整する。
PWM駆動信号が入力されると、主スイッチ120と副スイッチ122aは、PWM駆動信号のオンデューティ比に従って交互にスイッチングする。スイッチ130、131は、副スイッチ122a、主スイッチ120にそれぞれ同期して交互にスイッチングする。
主スイッチ120がオン、副スイッチ122aオフすると、高電圧バッテリB1から1次コイル100、110に電流が流れる。また、充電されたコンデンサ121から1次コイル101、111に電流が流れ、コンデンサ121が放電される。これにより、2次コイル112に、コイルの巻数比に応じた降圧された電圧が誘起される。このとき、スイッチ130はオフ、スイッチ131はオンしている。2次コイル112に誘起された電圧は、スイッチ131によって整流されとともに、平滑用コンデンサ132によって平滑され、電子装置S1に供給される。
その後、主スイッチ120がオフ、副スイッチ122aオンすると、1次コイル100、110を流れていた電流は、1次コイル111、101に流れ、コンデンサ121を充電する。また、副スイッチ122aを介してコンデンサ122bに流れ、コンデンサ122bを充電する。主スイッチ120のオン時にトランス10のコアに蓄積されたエネルギーにより、2次コイル102に、コイルの巻数比に応じた降圧された電圧が誘起される。このとき、主スイッチ120の両端間に、高電圧バッテリB1、コンデンサ122bが直列接続され、主スイッチ120の両端間の電圧が、高電圧バッテリB1とコンデンサ122bの電圧を合算した電圧にクランプされることとなる。また、このとき、スイッチ130はオン、スイッチ131はオフしている。2次コイル102に誘起された電圧は、スイッチ130によって整流されるとともに、平滑用コンデンサ132によって平滑され、電子装置S1に供給される。
以降、これらの動作が繰り返され、高電圧バッテリB1の電圧が目標電圧に降圧され、電子装置S1に供給される。
次に、効果について説明する。第1実施形態によれば、主スイッチ120がオフ、副スイッチ122aがオンすると、主スイッチ120の両端間に、常に、高電圧バッテリB1、コンデンサ122bが直列接続されることとなる。そのため、コンデンサ121がオープン故障した場合であっても、第1コイル対1000の漏れインダクタンスと第2コイル対1001の漏れインダクタンスに起因して発生するサージ電圧が、主スイッチ120に加わることはない。従って、車両に搭載された電子装置S1に電力を供給するDC−DCコンバータ1において、コンデンサ121がオープン故障しても、主スイッチ120に加わる電圧を抑え、主スイッチ120の破損を防止することができる。
また、第1実施形態によれば、平滑用コンデンサ123の異常を検出し、外部に知らせることができる。
なお、第1実施形態では、クランプ回路を構成するコンデンサ及び副スイッチのうち、副スイッチが主スイッチに、コンデンサが直流電源の正極端にそれぞれ接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。副スイッチが直流電源の正極端に、コンデンサが主スイッチにそれぞれ接続されていてもよい。
また、第1実施形態では、制御回路14が、平滑用コンデンサ123の端子間電圧の変動に基づいて、平滑用コンデンサ123のオープン故障等の異常を判断する例を挙げているが、これに限られるものではない。図7に示すように、平滑用コンデンサ123の正極端子側に電流センサ124を設け、平滑用コンデンサ123に流れる電流に基づいて、平滑用コンデンサ123のオープン故障等の異常を判断するようにしてもよい。また、図8に示すように、高電圧バッテリB1と平滑用コンデンサ123の間の入力配線に電流センサ124を設け、DC−DCコンバータ1の入力電流に基づいて平滑用コンデンサ123のオープン故障等の異常を判断するようにしてもよい。平滑用コンデンサ123の端子間電圧、平滑用コンデンサ123に流れる電流、及び、DC−DCコンバータ1の入力電流の少なくともいずれかに基づいて判断すればよい。
(第2実施形態)
次に、第2実施形態のDC−DCコンバータについて説明する。第2実施形態のDC−DCコンバータは、第1実施形態のDC−DCコンバータに対して、コンデンサの接続を変更したものである。
まず、図2を参照してDC−DCコンバータの構成について説明する。ここで、図2は、第2実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図である。ここでは、第1実施形態のDC−DCコンバータとの相違部分であるコンデンサの接続について説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。
図2示すように、DC−DCコンバータ2は、トランス20、21(第1トランス、第2トランス)と、入力側回路22と、出力側回路23と、制御回路24とを備えている。トランス20、21、出力側回路23及び制御回路24は、第1実施形態のトランス10、11、出力側回路13及び制御回路14と同一構成である。
入力側回路22は、主スイッチ220と、コンデンサ221(第1コンデンサ)と、クランプ回路222と、平滑用コンデンサ223とを備えている。主スイッチ220、クランプ回路222及び平滑用コンデンサ223は、第1実施形態の主スイッチ120、クランプ回路122及び平滑用コンデンサ123と同一構成である。
コンデンサ221の一端は、第2コイル対2001の独立端である1次コイル201の一端に接続されている。また、他端は、高電圧バッテリB2の正極端に接続されている。
動作については、第1実施形態のDC−DCコンバータ1と同一であるため説明を省略する。
次に、効果について説明する。第2実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。さらに、コンデンサ221の両端が、ともに、高電圧バッテリBの正極端に接続されることとなる。そのため、コンデンサ221に加わる電圧を抑えことができる。従って、コンデンサ221として、体格が小さく低コストである耐圧の低い素子を用いることができる。
なお、第2実施形態では、クランプ回路を構成するコンデンサ及び副スイッチのうち、副スイッチが主スイッチに、コンデンサが直流電源の正極端にそれぞれ接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。副スイッチが直流電源の正極端に、コンデンサが主スイッチにそれぞれ接続されていてもよい。
(第3実施形態)
次に、第3実施形態のDC−DCコンバータについて説明する。第3実施形態のDC−DCコンバータは、第1実施形態のDC−DCコンバータに対して、トランスの構成を変更したものである。
まず、図3を参照してDC−DCコンバータの構成について説明する。ここで、図3は、第3実施形態におけるDC−DCコンバータの回路図である。ここでは、第1実施形態のDC−DCコンバータとの相違部分であるトランスの構成について説明し、共通する部分については必要とされる箇所以外説明を省略する。
図3示すように、DC−DCコンバータ2は、トランス30、31(第1トランス、第2トランス)と、入力側回路32と、出力側回路33と、制御回路34とを備えている。入力側回路32、出力側回路33及び制御回路34は、第1実施形態の入力側回路12、出力側回路13及び制御回路14と同一構成である。
トランス30は、1次コイル300、301(第1コイル、第2コイル)と、2次コイル302(第3コイル)とを備えている。トランス31は、1次コイル310、311(第4コイル、第5コイル)と、2次コイル312(第6コイル)とを備えている。
1次コイル300、310は、直列接続され、第1コイル群3000を構成している。1次コイル301、311は、直列接続され、第2コイル群3001を構成している。第1コイル群3000の独立端である1次コイル310の一端は、第2コイル群3001の独立端である1次コイル311の一端に接続されている。第1コイル群3000の独立端である1次コイル300の一端、及び、第2コイル群3001の独立端である1次コイル301の一端は、入力側回路32にそれぞれ接続されている。また、2次コイル302、312の両端は、出力側回路33にそれぞれ接続されている。
次に、図3〜図6を参照してトランスの構造について説明する。ここで、図4は、トランスの構造を示す分解斜視図である。図5は、第1コアの正面図である。図6は、図4に示すトランスの等価回路である。
図3に示すトランス30、31は、図4に示すように、第1コア35と、第2コア36と、複合コイル37〜39とによって構成されている。
第1コア35は、閉磁路を構成する部材である。第1コア35は、2つのE形コア350によって構成されている。E形コア350は、中央柱部350aと、側柱部と350b、横板部350cとを備えた磁粉成型コアである。図5に示すように、第1コア35は、所定のギャップを設けて2つのE形コア350を対向させ構成されている。具体的には、所定のギャップを設けて、互いの中央柱部350a、側柱部と350bを対向させて構成されている。
第2コア36は、第1コア35に対して独立した閉磁路を構成する部材である。第2コア36も、E形コア350と同一形状である2つのE形コア360によって第1コア35と同様に構成されている。
複合コイル37は、図3に示す第1コイル群3000を構成する銅線によって構成されたコイルである。図4に示すように、複合コイル37は、第1コア35の中央柱部350aと第2コア36の中央柱部360aに1ターン毎に交互に巻装されている。複合コイル37のうち、第1コア35の中央柱部350aに巻装された部分は1次コイル300を、第2コア36の中央柱部360aに巻装された部分は1次コイル310をそれぞれ構成している。
複合コイル38は、図3に示す第2コイル群3001を構成する銅線によって構成されたコイルである。図4に示すように、複合コイル38は、第1コア35の中央柱部350aと第2コア36の中央柱部360aに1ターン毎に交互に巻装されている。複合コイル38のうち、第1コア35の中央柱部350aに巻装された部分は1次コイル301を、第2コア36の中央柱部360aに巻装された部分は1次コイル311をそれぞれ構成している。複合コイル39は、図3に示す2次コイル302、312を構成する成形銅板によって構成されたコイルである。図4に示すように、第1コア35の中央柱部350aと第2コア36の中央柱部360aに巻装されている。複合コイル39のうち、第1コア35の中央柱部350aに巻装された部分が1ターンの2次コイル302を、第2コア36の中央柱部360aに巻装された部分が1ターンの2次コイル312をそれぞれ構成している。
これにより、図6に示す等価回路のトランスが構成されることとなる。
動作については、第1実施形態のDC−DCコンバータ1と同一であるため説明を省略する。
次に、効果について説明する。第3実施形態によれば、第1実施形態と同様の効果を得ることができる。また、汎用性が高いE形コア350、360を用いてトランス30、31を構成することができる。そのため、製造コストを抑えることができる。また、1次コイル300,301、310、311の配線長さを短縮することができる。また、図4に示すように、引出し線X1、X2、X3、A1、A2、B1、B2を高さ方向と直角な面内において、4方向に取り出せるため引出し線配置自由度を高めることができる。
なお、第3実施形態では、複合コイル37、38の全てが、第1コア35と第2コア36に1ターン毎に交互に巻装される例を挙げているが、これに限られるものではない。複合コイル37、38の一部が、第1コア35と第2コア36の少なくとも一方に2ターン以上交互に巻装されていてもよい。
また、第3実施形態では、第1実施形態に対してトランスの構成を変更した例を挙げているが、これに限られるものではない。第2実施形態に対して同様のトランスの構成を適用してもよい。
さらに、第3実施形態では、図3に示すように、第1実施形態と同様に、コンデンサ321の一端が第2コイル群3001に、他端が高電圧バッテリB3の負極端に接続されている例を挙げているが、これに限られるものではない。第2実施形態と同様に、コンデンサ321の他端が高電圧バッテリB3の正極端に接続されていてもよい。この場合、第2実施形態と同様の効果を得ることができる。
1、2、3・・・DC−DCコンバータ、10、11、20、21、30、31・・・トランス(第1トランス、第2トランス)、100、101、200、201、300、301・・・1次コイル(第1コイル、第2コイル)、102、202、302・・・2次コイル(第3コイル)、110、111、210、211、310、311・・・1次コイル(第4コイル、第5コイル)、112、212、312・・・2次コイル(第6コイル)、1000、2000・・・第1コイル対、1001、2001・・・第2コイル対、3000・・・第1コイル群、3001・・・第2コイル群、35・・・第1コア、36・・・第2コア、350、360・・・E形コア、350a、360a・・・中央柱部、350b、360b・・・側柱部、350c、360c・・・横板部、37〜39・・・複合コイル、12、22、32・・・入力側回路、120、220、320・・・主スイッチ、121、221、321・・・コンデンサ(第1コンデンサ)、122、222、322・・・クランプ回路、122a、222a、322a・・・副スイッチ、122b、222b、322b・・・コンデンサ(第2コンデンサ)、123、223、323・・・平滑用コンデンサ、124・・・電流センサ、13、23、33・・・出力側回路、130、131、230、231、330、331・・・スイッチ、132、232、332・・・平滑用コンデンサ、14、24、34・・・制御回路、B1、B2、B3・・・高電圧バッテリ(直流電源)、S1、S2、S3・・・電子装置

Claims (9)

  1. 第1、第2、第3コイルを有する第1トランスと、
    第4、第5、第6コイルを有する第2トランスと、
    前記第1コイルと前記第4コイルを直列接続して構成され、前記第1コイルの一端が直流電源の正極端に接続される第1コイル対と、
    前記第2コイルと前記第5コイルを直列接続して構成され、前記第5コイルの一端が前記第4コイルの一端に接続される第2コイル対と、
    一端が前記第4コイルの前記一端に、他端が前記直流電源の負極端に接続される主スイッチと、
    一端が前記第2コイルの一端に、他端が前記直流電源の前記負極端に接続される第1コンデンサと、
    副スイッチと第2コンデンサを直列接続して構成され、一端が前記主スイッチの前記一端に、他端が、前記直流電源の前記正極端と、前記直流電源の前記正極端に接続される前記第1コイル対の間に接続されるクランプ回路と、
    前記主スイッチのスイッチングを制御するとともに、前記主スイッチと交互にスイッチングするように、前記副スイッチを制御する制御回路と、
    を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  2. 第1、第2、第3コイルを有する第1トランスと、
    第4、第5、第6コイルを有する第2トランスと、
    前記第1コイルと前記第4コイルを直列接続して構成され、前記第1コイルの一端が直流電源の正極端に接続される第1コイル対と、
    前記第2コイルと前記第5コイルを直列接続して構成され、前記第5コイルの一端が前記第4コイルの一端に接続される第2コイル対と、
    一端が前記第4コイルの前記一端に、他端が前記直流電源の負極端に接続される主スイッチと、
    一端が前記第2コイルの一端に、他端が前記直流電源の前記正極端に接続される第1コンデンサと、
    副スイッチと第2コンデンサを直列接続して構成され、一端が前記主スイッチの前記一端に、他端が、前記直流電源の前記正極端と、前記直流電源の前記正極端に接続される前記第1コイル対の間に接続されるクランプ回路と、
    前記主スイッチのスイッチングを制御するとともに、前記主スイッチと交互にスイッチングするように、前記副スイッチを制御する制御回路と、
    を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  3. 閉磁路を構成する第1コアと、1次コイルと、2次コイルとを有する第1トランスと、
    前記第1コアに対して独立した閉磁路を構成する第2コアと、1次コイルと、2次コイルとを有する第2トランスと、
    前記第1トランス及び前記第2トランスの前記1次コイルの少なくとも一部を、1ターン毎に交互に前記第1コア及び前記第2コアに巻装して構成され、一端が直流電源の正極端に接続される第1コイル群と、
    前記第1トランス及び前記第2トランスの前記1次コイルの少なくとも一部を、1ターン毎に交互に前記第1コア及び前記第2コアに巻装して構成され、一端が前記第1コイル群の他端に接続される第2コイル群と、
    一端が前記第1コイル群の他端に、他端が前記直流電源の負極端に接続される主スイッチと、
    一端が前記第2コイル群の他端に、他端が前記直流電源の前記負極端に接続される第1コンデンサと、
    副スイッチと第2コンデンサを直列接続して構成され、一端が前記主スイッチの前記一端に、他端が、前記直流電源の前記正極端と、前記直流電源の前記正極端に接続される前記第1コイル群の間に接続されるクランプ回路と、
    前記主スイッチのスイッチングを制御するとともに、前記主スイッチと交互にスイッチングするように、前記副スイッチを制御する制御回路と、
    を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  4. 閉磁路を構成する第1コアと、1次コイルと、2次コイルとを有する第1トランスと、
    前記第1コアに対して独立した閉磁路を構成する第2コアと、1次コイルと、2次コイルとを有する第2トランスと、
    前記第1トランス及び前記第2トランスの前記1次コイルの少なくとも一部を、1ターン毎に交互に前記第1コア及び前記第2コアに巻装して構成され、一端が直流電源の正極端に接続される第1コイル群と、
    前記第1トランス及び前記第2トランスの前記1次コイルの少なくとも一部を、1ターン毎に交互に前記第1コア及び前記第2コアに巻装して構成され、一端が前記第1コイル群の他端に接続される第2コイル群と、
    一端が前記第1コイル群の他端に、他端が前記直流電源の負極端に接続される主スイッチと、
    一端が前記第2コイル群の他端に、他端が前記直流電源の前記正極端に接続される第1コンデンサと、
    副スイッチと第2コンデンサを直列接続して構成され、一端が前記主スイッチの前記一端に、他端が、前記直流電源の前記正極端と、前記直流電源の前記正極端に接続される前記第1コイル群の間に接続されるクランプ回路と、
    前記主スイッチのスイッチングを制御するとともに、前記主スイッチと交互にスイッチングするように、前記副スイッチを制御する制御回路と、
    を有することを特徴とするDC−DCコンバータ。
  5. 前記第1トランス及び前記第2トランスの前記1次コイルの全ては、前記第1コア及び前記第2コアに1ターン毎に交互に巻装されていることを特徴とする請求項3又は4に記載のDC−DCコンバータ。
  6. 前記第1トランス及び前記第2トランスの前記1次コイルの一部は、前記第1コア及び前記第2コアの少なくとも一方に2ターン以上交互に巻装されていることを特徴とする請求項3又は4に記載のDC−DCコンバータ。
  7. 前記第1トランスは、前記1次コイルとして第1、第2コイルを、前記2次コイルとして第3コイルを有し、
    前記第2トランスは、前記1次コイルとして第4、第5コイルを、前記2次コイルとして第6コイルを有し、前記第1コイルと前記第4コイルが直列接続されて前記第1コイル群をなし、前記第2コイルと前記第5コイルが直列接続されて前記第2コイル群をなしていることを特徴とする請求項3又は4に記載のDC−DCコンバータ。
  8. 前記直流電源の前記正極端と前記負極端の間に接続され、入力電圧を平滑する平滑用コンデンサを有し、
    前記制御回路は、前記平滑用コンデンサの端子間電圧、前記平滑用コンデンサに流れる電流、及び、前記DC−DCコンバータの入力電流の少なくともいずれかに基づいて前記平滑用コンデンサの異常を検出し、異常が発生した場合には、警報を出力することを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータ。
  9. 車両に搭載された電子装置に電力を供給することを特徴とする請求項1乃至8のいずれか1項に記載のDC−DCコンバータ。
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