共振コンバータ
【課題】オーディオ用途に適したロードレギュレーションを得られる共振コンバータを提供する。
【解決手段】スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2とを直流電源Vinに直列に接続し、スイッチ素子Q2に並列に漏れインダンクタンスを有するトランスTの1次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの直列共振回路を接続し、トランスTの2次巻線NS1、NS2に整流平滑回路を接続し、スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2とを交互にオン・オフ制御することにより、整流平滑回路に発生する出力電圧Voを負荷に供給する共振コンバータにおいて、電流共振コンデンサCriの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路(ダイオードD1、ダイオードD2)をさらに備え、整流平滑回路から負荷に供給する出力電流Ioが所定の電流値よりも大きい領域において、出力電流Ioが増加するにつれて出力電圧Voが低下する出力特性を有するように構成する。
【解決手段】スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2とを直流電源Vinに直列に接続し、スイッチ素子Q2に並列に漏れインダンクタンスを有するトランスTの1次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの直列共振回路を接続し、トランスTの2次巻線NS1、NS2に整流平滑回路を接続し、スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2とを交互にオン・オフ制御することにより、整流平滑回路に発生する出力電圧Voを負荷に供給する共振コンバータにおいて、電流共振コンデンサCriの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路(ダイオードD1、ダイオードD2)をさらに備え、整流平滑回路から負荷に供給する出力電流Ioが所定の電流値よりも大きい領域において、出力電流Ioが増加するにつれて出力電圧Voが低下する出力特性を有するように構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、共振コンバータの出力特性に関する。
【背景技術】
【0002】
共振コンバータの中で、ハーフブリッジ型LLC共振コンバータが知られている。
【0003】
図10は、従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータの回路構成を、図11は、従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータの出力特性をそれぞれ示している。従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータは、直流電源Vinの両端にハイサイド側のスイッチ素子Q1とローサイド側のスイッチ素子Q2とが直列接続されている。スイッチ素子Q1、Q2は、MOSFETで構成され、逆向き並列に接続された寄生ダイオード素子(図示せず)をそれぞれ有する。また、トランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとからなる直列共振回路がローサイド側のスイッチ素子Q2に並列接続されている。なお、トランスTの一次巻線Npは漏れ(リーケージ)インダクタンスLrと励磁インダクタンスとを有する。トランスTの二次側は、中間タップによって2つの二次巻線NS1、NS2に分割され、ダイオードD10、D11と出力用コンデンサC10とで整流平滑回路が構成されている。すなわち、中間タップ側でない二次巻線NS1の端部がダイオードD10のアノードに接続されていると共に、中間タップ側でない二次巻線NS2の端部がダイオードD11のアノードに接続され、ダイオードD10、D11のカソードが出力用コンデンサC10の正極端子に接続されている。この出力用コンデンサC10の正極端子が直流出力電圧Voを出力する直流出力端子となる。また、出力用コンデンサC10の負極端子は、二次巻線NS1、NS2間の中間タップに接続され、2次側グランド端子GNDとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2006−101683号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータは、オーディオ用途には向かないという問題点があった。オーディオ用途に使用する場合、電源装置は幅広い負荷(負荷量)で動作する必要があり、適切なロードレギュレーションを持つ必要がある(例えば、特許文献1参照)。具体的には、負荷を大きくした場合、電力を取りすぎないように電源装置の出力電圧は小さくする必要があり、ロードレギュレーションは大きくなければならない。これに対し、従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータの出力特性、すなわち、出力電流Io―出力電圧Vo特性は、図11(X)に示すように、出力電流Ioが変化しても出力電圧Voの変化が少なく、ロードレギュレーションが小さいため、オーディオ用途に適用することが困難であった。
【0006】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来技術の問題を解決し、オーディオ用途に適したロードレギュレーションを得られる共振コンバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の共振コンバータは、第1スイッチ素子と第2スイッチ素子とを直流電源に直列に接続し、前記第1スイッチ素子又は前記第2スイッチ素子に並列に漏れインダンクタンスを有するトランスの1次巻線と電流共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、前記トランスの2次巻線に整流平滑回路を接続し、前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とを交互にオン・オフ制御することにより、前記整流平滑回路に発生する出力電圧を負荷に供給する共振コンバータにおいて、前記電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、前記整流平滑回路から前記負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、前記出力電流が増加するにつれて前記出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたことを特微とする。
さらに、本発明の共振コンバータにおいて、前記クランプ回路は、前記直流電源の一端と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1ダイオードと、前記直流電源の他端と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第2ダイオードとの両方、もしくはいずれか一方からなることを特徴とする。
さらに、本発明の共振コンバータにおいて、前記クランプ回路と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1コンデンサをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする。
さらに、本発明の共振コンバータにおいて、前記直列共振回路内で前記電流共振コンデンサに直列に接続される第2コンデンサをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする。
さらに、本発明の共振コンバータにおいて、前記クランプ回路と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1コンデンサと、前記直列共振回路内で前記電流共振コンデンサに直列に接続される第2コンデンサと、前記電流共振コンデンサを介して前記直流電源に直列に接続される第3コンデンサとをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする。
また、本発明の共振コンバータは、第1スイッチ素子と第2スイッチ素子とを直流電源に直列に接続し、前記第1スイッチ素子又は前記第2スイッチ素子に並列に電流共振リアクトルとトランスの1次巻線と電流共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、前記トランスの2次巻線に整流平滑回路を接続し、前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とを交互にオン・オフ制御することにより、前記整流平滑回路に発生する出力電圧を負荷に供給する共振コンバータにおいて、前記電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、前記整流平滑回路から前記負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、前記出力電流が増加するにつれて前記出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたことを特微とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、整流平滑回路から負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、出力電流が増加するにつれて出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたので、オーディオ用途に適したロードレギュレーションを得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明に係る共振コンバータの第1の実施の形態の回路構成を示す回路構成図である。
【図2】図1に示す共振コンバータの各部の動作波形図である。
【図3】図1に示す共振コンバータの出力特性を示すグラフである。
【図4】本発明に係る共振コンバータの第1の実施の形態の変形例を示す回路構成図である。
【図5】本発明に係る共振コンバータの第2の実施の形態の回路構成を示す回路構成図である。
【図6】図6に示す共振コンバータの出力特性を示すグラフである。
【図7】本発明に係る共振コンバータの第3の実施の形態の回路構成を示す回路構成図である。
【図8】図7に示す共振コンバータの出力特性を示すグラフである。
【図9】本発明に係る共振コンバータの第2及び第3の実施の形態の変形例を示す回路構成図である。
【図10】従来の共振コンバータの回路構成を示す回路構成図である。
【図11】図10に示す従来の共振コンバータの出力特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態の共振コンバータは、図1を参照すると、図10に示す従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータの回路構成に加えて、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを所定の電圧値にクランプするクランプ回路を備えている。
【0011】
図1を参照すると、クランプ回路は、ダイオードD1(第1ダイオード)、ダイオードD2(第2ダイオード)からなる。ダイオードD1は、ハイサイド側のスイッチ素子Q1(第1スイッチ素子)のドレインと、一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの接続点との間に逆方向接続されている。すなわち、ハイサイド側のスイッチ素子Q1のドレインにダイオードD1のカソードが接続され、ダイオードD1のアノードは、一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの接続点に接続されている。
【0012】
ダイオードD2は、電流共振コンデンサCriの両端に逆方向接続されている。すなわち、一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとダイオードD1のアノードとの接続点にダイオードD2のカソードが接続され、ダイオードD2のアノードは、ローサイド側のスイッチ素子Q2(第2スイッチ素子)のソースと電流共振コンデンサCriとの接続点に接続されている。
【0013】
図2には、第1の実施の形態の共振コンバータの各部の動作波形が示されており、(a)はスイッチ素子Q1のドレイン・ソース間電圧VDS1、(b)はスイッチ素子Q2のドレイン・ソース間電圧VDS2、(c)はスイッチ素子Q1、Q2の接続点からトランスTの一次側への電流ILr、(d)は電流共振コンデンサCriの両端電圧VCri、(e)はダイオードD1を流れる電流ID1、(f)はダイオードD2を流れる電流ID2を表している。
【0014】
第1の実施の形態の共振コンバータを、スイッチング周波数一定にして動作させると、スイッチ素子Q1がオンの時、図2(d)に示すように、電流共振コンデンサCriの両端電圧が上昇して直流電源Vinの電圧Vinに達すると、図2(e)に示すように、ダイオードD1が導通し、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが電圧Vinにクランプされる。また、スイッチ素子Q2がオンの時、図2(d)に示すように、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが下降して零電圧に達すると、図2(f)に示すように、ダイオードD2が導通し、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが零電圧にクランプされる。
【0015】
このように、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが電圧Vinと零電圧にクランプされることにより、図3(A)に示すように、出力電流Ioを所定の電流値(例えば、10A)以上取ると、出力電圧Voを低下することができ、図3(X)に示す従来例と比較して、ロードレギュレーションが大きくなる。
【0016】
以上説明したように、第1の実施の形態によれば、ダイオードD1によって、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを電圧Vinにクランプし、ダイオードD2によって、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを零電圧にクランプするように構成することにより、出力電流Ioを所定の電流値以上取ると、出力電圧Voを低下することができ、オーディオ用途に適したロードレギュレーションが得られるという効果を奏する。
【0017】
なお、第1の実施の形態では、クランプ回路としてダイオードD1及びダイオードD2の両方を設けるように構成したが、図4(a)に示すように、ダイオードD1のみを設け、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを電圧Vinにのみクランプするようにしても良く、また、図4(b)に示すように、ダイオードD2のみを設け、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを零電圧にのみクランプするようにしても良い。ダイオードD1もしくはダイオードD2のいずれか一方を設けた場合でも、図3(B)、(C)に示すように、出力電流Ioを10A以上取ると出力電圧Voを低下することができ、ロードレギュレーションが大きくなる。なお、図3に示すように、ダイオードD1もしくはダイオードD2のいずれか一方を設けた場合には、ダイオードD1及びダイオードD2の両方を設けた場合よりも、ロードレギュレーションが小さくなる。従って、所望の出力特性に応じて、ダイオードD1及びダイオードD2の両方を設けるか、ダイオードD1もしくはダイオードD2のいずれか一方を設けるかを決めることができる。
【0018】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態の共振コンバータは、図5を参照すると、第1の実施の形態の共振コンバータの構成に加えて、ダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続点と、一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの接続点との間に出力特性調整用コンデンサC1(第1コンデンサ)が接続されている。
【0019】
第2の実施の形態の共振コンバータでは、クランプ回路を構成するダイオードD1、D2によって、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが出力特性調整用コンデンサC1を介してクランプされることになる。すなわち、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1及び電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが上昇して電圧Vinに達すると、ダイオードD1が導通し、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1と電流共振コンデンサCriとの合成電圧を電圧Vinにクランプする。また、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1及び電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが下降して零電圧に達すると、ダイオードD2が導通し、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1及び電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを零電圧にクランプする。これにより、第1の実施の形態による作用に加え、電流共振コンデンサCriの容量に対する出力特性調整用コンデンサC1の容量比に応じて出力特性(出力電流−出力電圧特性)を変化させることができる。すなわち、電流共振コンデンサCriの容量に対する出力特性調整用コンデンサC1の容量比を変更することで、図6(D)〜(F)に示すように、出力特性が変化する。図6において、(D)はC1/Criを1倍に、(E)はC1/Criを2倍に、(F)はC1/Criを10倍にそれぞれ設定した例が示されており、電流共振コンデンサCriの容量に対する出力特性調整用コンデンサC1の容量比が大きくなるほど、ロードレギュレーションが大きくなることがわかる。
【0020】
以上説明したように、第2の実施の形態によれば、一端がトランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの接続点に接続された出力特性調整用コンデンサC1を備え、ダイオードD1によって、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1と電流共振コンデンサCriとの合成電圧を電圧Vinにクランプし、ダイオードD2によって、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1及び電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを零電圧にクランプするように構成することにより、第1の実施の形態による効果に加え、出力特性調整用コンデンサC1と電流共振コンデンサCriの容量を可変することで任意の出力特性が得ることができ、オーディオ用途に適したロードレギュレーションが得ることができるという効果を奏する。
【0021】
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態の共振コンバータは、図7を参照すると、第1の実施の形態の共振コンバータの構成に加えて、トランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの間に出力特性調整用コンデンサC2(第2コンデンサ)が接続されている。そして、電流共振コンデンサCriと出力特性調整用コンデンサC2との接続点が、ダイオードD1のアノードと出力特性調整用ダイオードD2のカソードとの接続点に接続されている
【0022】
第3の実施の形態の共振コンバータでは、トランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとからなる直列共振回路内に出力特性調整用コンデンサC2を挿入し、クランプ回路を構成するダイオードD1、D2によって、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriをクランプする。これにより、電流共振コンデンサCriの容量に対する直列共振回路内に挿入した出力特性調整用コンデンサC2の容量比に応じて出力特性を変化させることができる。すなわち、電流共振コンデンサCriの容量に対する出力特性調整用コンデンサC2の容量比を変更することで、図8(G)〜(K)に示すように、出力特性が変化する。
【0023】
以上説明したように、第3の実施の形態によれば、トランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの間に接続された出力特性調整用コンデンサC2を備えることにより、第1の実施の形態による効果に加え、出力特性調整用コンデンサC2と電流共振コンデンサCriの容量を可変することで任意の出力特性が得ることができ、オーディオ用途に適したロードレギュレーションが得ることができるという効果を奏する。
【0024】
なお、第2及び第3の実施の形態を組み合わせ、出力特性調整用コンデンサC1、C2の両方を設けるようにしても良い。
さらに、図9に示すように、電流共振コンデンサCriをCri1及びCri2(第3コンデンサ)に2分割し、電圧Vinのプラスマイナスに分けても良い。
さらに、本実施の形態では、2次側整流方式として全波整流回路を採用した例を説明したが、例えば半波整流回路やブリッジ整流回路を採用することもできる。なお、図9には、ダイオードD12、D13、コンデンサC11を新たに設けた倍電圧全波整流回路による正負電源回路例を2次側整流方式として例示されている。
また、本実施の形態では、直列共振回路は、ローサイド側のスイッチ素子Q2に並列に接続する構成としたが、ハイサイド側のスイッチ素子Q1に並列に接続する構成としても良い。
また、本実施の形態では、トランスTは疎結合トランス(漏れ磁束トランス)で、図1のLrが疎結合トランスの1次巻線と一体に形成されるインダクタンス(漏れインダクタンス)としたが、トランスTは、密結合トランスを用いても良い。この場合には、図1のLrはトランス一体型のインダクタンスではなく独立したインダクタンス(電流共振リアクトル)を用いる必要がある。
また、本実施の形態では、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを、直流電源Vinの電圧Vinや零電圧にクランプするクランプ回路としたが、直流電源Vinと異なる任意の電圧源を用意し、その任意の電圧源にクランプするクランプ回路としても良い。
【0025】
なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。
【符号の説明】
【0026】
Vin 直流電源
Q1、Q2 スイッチ素子
Cri 電流共振コンデンサ
Lr 漏れ(リーケージ)インダクタンス
T トランス
Np 一次巻線
NS1、NS2 二次巻線
D1 ダイオード
D2 ダイオード
C1、C2 出力特性調整用コンデンサ
C10、C11 コンデンサ
D10、D11、D12、D13 ダイオード
【技術分野】
【0001】
本発明は、共振コンバータの出力特性に関する。
【背景技術】
【0002】
共振コンバータの中で、ハーフブリッジ型LLC共振コンバータが知られている。
【0003】
図10は、従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータの回路構成を、図11は、従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータの出力特性をそれぞれ示している。従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータは、直流電源Vinの両端にハイサイド側のスイッチ素子Q1とローサイド側のスイッチ素子Q2とが直列接続されている。スイッチ素子Q1、Q2は、MOSFETで構成され、逆向き並列に接続された寄生ダイオード素子(図示せず)をそれぞれ有する。また、トランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとからなる直列共振回路がローサイド側のスイッチ素子Q2に並列接続されている。なお、トランスTの一次巻線Npは漏れ(リーケージ)インダクタンスLrと励磁インダクタンスとを有する。トランスTの二次側は、中間タップによって2つの二次巻線NS1、NS2に分割され、ダイオードD10、D11と出力用コンデンサC10とで整流平滑回路が構成されている。すなわち、中間タップ側でない二次巻線NS1の端部がダイオードD10のアノードに接続されていると共に、中間タップ側でない二次巻線NS2の端部がダイオードD11のアノードに接続され、ダイオードD10、D11のカソードが出力用コンデンサC10の正極端子に接続されている。この出力用コンデンサC10の正極端子が直流出力電圧Voを出力する直流出力端子となる。また、出力用コンデンサC10の負極端子は、二次巻線NS1、NS2間の中間タップに接続され、2次側グランド端子GNDとなる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開2006−101683号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータは、オーディオ用途には向かないという問題点があった。オーディオ用途に使用する場合、電源装置は幅広い負荷(負荷量)で動作する必要があり、適切なロードレギュレーションを持つ必要がある(例えば、特許文献1参照)。具体的には、負荷を大きくした場合、電力を取りすぎないように電源装置の出力電圧は小さくする必要があり、ロードレギュレーションは大きくなければならない。これに対し、従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータの出力特性、すなわち、出力電流Io―出力電圧Vo特性は、図11(X)に示すように、出力電流Ioが変化しても出力電圧Voの変化が少なく、ロードレギュレーションが小さいため、オーディオ用途に適用することが困難であった。
【0006】
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、従来技術の問題を解決し、オーディオ用途に適したロードレギュレーションを得られる共振コンバータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の共振コンバータは、第1スイッチ素子と第2スイッチ素子とを直流電源に直列に接続し、前記第1スイッチ素子又は前記第2スイッチ素子に並列に漏れインダンクタンスを有するトランスの1次巻線と電流共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、前記トランスの2次巻線に整流平滑回路を接続し、前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とを交互にオン・オフ制御することにより、前記整流平滑回路に発生する出力電圧を負荷に供給する共振コンバータにおいて、前記電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、前記整流平滑回路から前記負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、前記出力電流が増加するにつれて前記出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたことを特微とする。
さらに、本発明の共振コンバータにおいて、前記クランプ回路は、前記直流電源の一端と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1ダイオードと、前記直流電源の他端と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第2ダイオードとの両方、もしくはいずれか一方からなることを特徴とする。
さらに、本発明の共振コンバータにおいて、前記クランプ回路と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1コンデンサをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする。
さらに、本発明の共振コンバータにおいて、前記直列共振回路内で前記電流共振コンデンサに直列に接続される第2コンデンサをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする。
さらに、本発明の共振コンバータにおいて、前記クランプ回路と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1コンデンサと、前記直列共振回路内で前記電流共振コンデンサに直列に接続される第2コンデンサと、前記電流共振コンデンサを介して前記直流電源に直列に接続される第3コンデンサとをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする。
また、本発明の共振コンバータは、第1スイッチ素子と第2スイッチ素子とを直流電源に直列に接続し、前記第1スイッチ素子又は前記第2スイッチ素子に並列に電流共振リアクトルとトランスの1次巻線と電流共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、前記トランスの2次巻線に整流平滑回路を接続し、前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とを交互にオン・オフ制御することにより、前記整流平滑回路に発生する出力電圧を負荷に供給する共振コンバータにおいて、前記電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、前記整流平滑回路から前記負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、前記出力電流が増加するにつれて前記出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたことを特微とする。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、整流平滑回路から負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、出力電流が増加するにつれて出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたので、オーディオ用途に適したロードレギュレーションを得ることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【0009】
【図1】本発明に係る共振コンバータの第1の実施の形態の回路構成を示す回路構成図である。
【図2】図1に示す共振コンバータの各部の動作波形図である。
【図3】図1に示す共振コンバータの出力特性を示すグラフである。
【図4】本発明に係る共振コンバータの第1の実施の形態の変形例を示す回路構成図である。
【図5】本発明に係る共振コンバータの第2の実施の形態の回路構成を示す回路構成図である。
【図6】図6に示す共振コンバータの出力特性を示すグラフである。
【図7】本発明に係る共振コンバータの第3の実施の形態の回路構成を示す回路構成図である。
【図8】図7に示す共振コンバータの出力特性を示すグラフである。
【図9】本発明に係る共振コンバータの第2及び第3の実施の形態の変形例を示す回路構成図である。
【図10】従来の共振コンバータの回路構成を示す回路構成図である。
【図11】図10に示す従来の共振コンバータの出力特性を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0010】
次に、本発明の実施の形態を、図面を参照して具体的に説明する。
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態の共振コンバータは、図1を参照すると、図10に示す従来のハーフブリッジ型LLC共振コンバータの回路構成に加えて、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを所定の電圧値にクランプするクランプ回路を備えている。
【0011】
図1を参照すると、クランプ回路は、ダイオードD1(第1ダイオード)、ダイオードD2(第2ダイオード)からなる。ダイオードD1は、ハイサイド側のスイッチ素子Q1(第1スイッチ素子)のドレインと、一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの接続点との間に逆方向接続されている。すなわち、ハイサイド側のスイッチ素子Q1のドレインにダイオードD1のカソードが接続され、ダイオードD1のアノードは、一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの接続点に接続されている。
【0012】
ダイオードD2は、電流共振コンデンサCriの両端に逆方向接続されている。すなわち、一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとダイオードD1のアノードとの接続点にダイオードD2のカソードが接続され、ダイオードD2のアノードは、ローサイド側のスイッチ素子Q2(第2スイッチ素子)のソースと電流共振コンデンサCriとの接続点に接続されている。
【0013】
図2には、第1の実施の形態の共振コンバータの各部の動作波形が示されており、(a)はスイッチ素子Q1のドレイン・ソース間電圧VDS1、(b)はスイッチ素子Q2のドレイン・ソース間電圧VDS2、(c)はスイッチ素子Q1、Q2の接続点からトランスTの一次側への電流ILr、(d)は電流共振コンデンサCriの両端電圧VCri、(e)はダイオードD1を流れる電流ID1、(f)はダイオードD2を流れる電流ID2を表している。
【0014】
第1の実施の形態の共振コンバータを、スイッチング周波数一定にして動作させると、スイッチ素子Q1がオンの時、図2(d)に示すように、電流共振コンデンサCriの両端電圧が上昇して直流電源Vinの電圧Vinに達すると、図2(e)に示すように、ダイオードD1が導通し、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが電圧Vinにクランプされる。また、スイッチ素子Q2がオンの時、図2(d)に示すように、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが下降して零電圧に達すると、図2(f)に示すように、ダイオードD2が導通し、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが零電圧にクランプされる。
【0015】
このように、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが電圧Vinと零電圧にクランプされることにより、図3(A)に示すように、出力電流Ioを所定の電流値(例えば、10A)以上取ると、出力電圧Voを低下することができ、図3(X)に示す従来例と比較して、ロードレギュレーションが大きくなる。
【0016】
以上説明したように、第1の実施の形態によれば、ダイオードD1によって、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを電圧Vinにクランプし、ダイオードD2によって、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを零電圧にクランプするように構成することにより、出力電流Ioを所定の電流値以上取ると、出力電圧Voを低下することができ、オーディオ用途に適したロードレギュレーションが得られるという効果を奏する。
【0017】
なお、第1の実施の形態では、クランプ回路としてダイオードD1及びダイオードD2の両方を設けるように構成したが、図4(a)に示すように、ダイオードD1のみを設け、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを電圧Vinにのみクランプするようにしても良く、また、図4(b)に示すように、ダイオードD2のみを設け、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを零電圧にのみクランプするようにしても良い。ダイオードD1もしくはダイオードD2のいずれか一方を設けた場合でも、図3(B)、(C)に示すように、出力電流Ioを10A以上取ると出力電圧Voを低下することができ、ロードレギュレーションが大きくなる。なお、図3に示すように、ダイオードD1もしくはダイオードD2のいずれか一方を設けた場合には、ダイオードD1及びダイオードD2の両方を設けた場合よりも、ロードレギュレーションが小さくなる。従って、所望の出力特性に応じて、ダイオードD1及びダイオードD2の両方を設けるか、ダイオードD1もしくはダイオードD2のいずれか一方を設けるかを決めることができる。
【0018】
(第2の実施の形態)
第2の実施の形態の共振コンバータは、図5を参照すると、第1の実施の形態の共振コンバータの構成に加えて、ダイオードD1のアノードとダイオードD2のカソードとの接続点と、一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの接続点との間に出力特性調整用コンデンサC1(第1コンデンサ)が接続されている。
【0019】
第2の実施の形態の共振コンバータでは、クランプ回路を構成するダイオードD1、D2によって、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが出力特性調整用コンデンサC1を介してクランプされることになる。すなわち、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1及び電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが上昇して電圧Vinに達すると、ダイオードD1が導通し、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1と電流共振コンデンサCriとの合成電圧を電圧Vinにクランプする。また、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1及び電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriが下降して零電圧に達すると、ダイオードD2が導通し、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1及び電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを零電圧にクランプする。これにより、第1の実施の形態による作用に加え、電流共振コンデンサCriの容量に対する出力特性調整用コンデンサC1の容量比に応じて出力特性(出力電流−出力電圧特性)を変化させることができる。すなわち、電流共振コンデンサCriの容量に対する出力特性調整用コンデンサC1の容量比を変更することで、図6(D)〜(F)に示すように、出力特性が変化する。図6において、(D)はC1/Criを1倍に、(E)はC1/Criを2倍に、(F)はC1/Criを10倍にそれぞれ設定した例が示されており、電流共振コンデンサCriの容量に対する出力特性調整用コンデンサC1の容量比が大きくなるほど、ロードレギュレーションが大きくなることがわかる。
【0020】
以上説明したように、第2の実施の形態によれば、一端がトランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの接続点に接続された出力特性調整用コンデンサC1を備え、ダイオードD1によって、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1と電流共振コンデンサCriとの合成電圧を電圧Vinにクランプし、ダイオードD2によって、直列に接続された出力特性調整用コンデンサC1及び電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを零電圧にクランプするように構成することにより、第1の実施の形態による効果に加え、出力特性調整用コンデンサC1と電流共振コンデンサCriの容量を可変することで任意の出力特性が得ることができ、オーディオ用途に適したロードレギュレーションが得ることができるという効果を奏する。
【0021】
(第3の実施の形態)
第3の実施の形態の共振コンバータは、図7を参照すると、第1の実施の形態の共振コンバータの構成に加えて、トランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの間に出力特性調整用コンデンサC2(第2コンデンサ)が接続されている。そして、電流共振コンデンサCriと出力特性調整用コンデンサC2との接続点が、ダイオードD1のアノードと出力特性調整用ダイオードD2のカソードとの接続点に接続されている
【0022】
第3の実施の形態の共振コンバータでは、トランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとからなる直列共振回路内に出力特性調整用コンデンサC2を挿入し、クランプ回路を構成するダイオードD1、D2によって、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriをクランプする。これにより、電流共振コンデンサCriの容量に対する直列共振回路内に挿入した出力特性調整用コンデンサC2の容量比に応じて出力特性を変化させることができる。すなわち、電流共振コンデンサCriの容量に対する出力特性調整用コンデンサC2の容量比を変更することで、図8(G)〜(K)に示すように、出力特性が変化する。
【0023】
以上説明したように、第3の実施の形態によれば、トランスTの一次巻線Npと電流共振コンデンサCriとの間に接続された出力特性調整用コンデンサC2を備えることにより、第1の実施の形態による効果に加え、出力特性調整用コンデンサC2と電流共振コンデンサCriの容量を可変することで任意の出力特性が得ることができ、オーディオ用途に適したロードレギュレーションが得ることができるという効果を奏する。
【0024】
なお、第2及び第3の実施の形態を組み合わせ、出力特性調整用コンデンサC1、C2の両方を設けるようにしても良い。
さらに、図9に示すように、電流共振コンデンサCriをCri1及びCri2(第3コンデンサ)に2分割し、電圧Vinのプラスマイナスに分けても良い。
さらに、本実施の形態では、2次側整流方式として全波整流回路を採用した例を説明したが、例えば半波整流回路やブリッジ整流回路を採用することもできる。なお、図9には、ダイオードD12、D13、コンデンサC11を新たに設けた倍電圧全波整流回路による正負電源回路例を2次側整流方式として例示されている。
また、本実施の形態では、直列共振回路は、ローサイド側のスイッチ素子Q2に並列に接続する構成としたが、ハイサイド側のスイッチ素子Q1に並列に接続する構成としても良い。
また、本実施の形態では、トランスTは疎結合トランス(漏れ磁束トランス)で、図1のLrが疎結合トランスの1次巻線と一体に形成されるインダクタンス(漏れインダクタンス)としたが、トランスTは、密結合トランスを用いても良い。この場合には、図1のLrはトランス一体型のインダクタンスではなく独立したインダクタンス(電流共振リアクトル)を用いる必要がある。
また、本実施の形態では、電流共振コンデンサCriの両端電圧VCriを、直流電源Vinの電圧Vinや零電圧にクランプするクランプ回路としたが、直流電源Vinと異なる任意の電圧源を用意し、その任意の電圧源にクランプするクランプ回路としても良い。
【0025】
なお、本発明が上記各実施の形態に限定されず、本発明の技術思想の範囲内において、各実施の形態は適宜変更され得ることは明らかである。また、上記構成部材の数、位置、形状等は上記実施の形態に限定されず、本発明を実施する上で好適な数、位置、形状等にすることができる。なお、各図において、同一構成要素には同一符号を付している。
【符号の説明】
【0026】
Vin 直流電源
Q1、Q2 スイッチ素子
Cri 電流共振コンデンサ
Lr 漏れ(リーケージ)インダクタンス
T トランス
Np 一次巻線
NS1、NS2 二次巻線
D1 ダイオード
D2 ダイオード
C1、C2 出力特性調整用コンデンサ
C10、C11 コンデンサ
D10、D11、D12、D13 ダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項1】
第1スイッチ素子と第2スイッチ素子とを直流電源に直列に接続し、前記第1スイッチ素子又は前記第2スイッチ素子に並列に漏れインダンクタンスを有するトランスの1次巻線と電流共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、前記トランスの2次巻線に整流平滑回路を接続し、前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とを交互にオン・オフ制御することにより、前記整流平滑回路に発生する出力電圧を負荷に供給する共振コンバータにおいて、
前記電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、前記整流平滑回路から前記負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、前記出力電流が増加するにつれて前記出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたことを特微とする共振コンバータ。
【請求項2】
前記クランプ回路は、前記直流電源の一端と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1ダイオードと、前記直流電源の他端と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第2ダイオードとの両方、もしくはいずれか一方からなることを特徴とする請求項1記載の共振コンバータ。
【請求項3】
前記クランプ回路と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1コンデンサをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする請求項2記載の共振コンバータ。
【請求項4】
前記直列共振回路内で前記電流共振コンデンサに直列に接続される第2コンデンサをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする請求項2記載の共振コンバータ。
【請求項5】
前記クランプ回路と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1コンデンサと、前記直列共振回路内で前記電流共振コンデンサに直列に接続される第2コンデンサと、前記電流共振コンデンサを介して前記直流電源に直列に接続される第3コンデンサとをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする請求項2記載の共振コンバータ。
【請求項6】
第1スイッチ素子と第2スイッチ素子とを直流電源に直列に接続し、前記第1スイッチ素子又は前記第2スイッチ素子に並列に電流共振リアクトルとトランスの1次巻線と電流共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、前記トランスの2次巻線に整流平滑回路を接続し、前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とを交互にオン・オフ制御することにより、前記整流平滑回路に発生する出力電圧を負荷に供給する共振コンバータにおいて、
前記電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、前記整流平滑回路から前記負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、前記出力電流が増加するにつれて前記出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたことを特微とする共振コンバータ。
【請求項1】
第1スイッチ素子と第2スイッチ素子とを直流電源に直列に接続し、前記第1スイッチ素子又は前記第2スイッチ素子に並列に漏れインダンクタンスを有するトランスの1次巻線と電流共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、前記トランスの2次巻線に整流平滑回路を接続し、前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とを交互にオン・オフ制御することにより、前記整流平滑回路に発生する出力電圧を負荷に供給する共振コンバータにおいて、
前記電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、前記整流平滑回路から前記負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、前記出力電流が増加するにつれて前記出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたことを特微とする共振コンバータ。
【請求項2】
前記クランプ回路は、前記直流電源の一端と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1ダイオードと、前記直流電源の他端と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第2ダイオードとの両方、もしくはいずれか一方からなることを特徴とする請求項1記載の共振コンバータ。
【請求項3】
前記クランプ回路と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1コンデンサをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする請求項2記載の共振コンバータ。
【請求項4】
前記直列共振回路内で前記電流共振コンデンサに直列に接続される第2コンデンサをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする請求項2記載の共振コンバータ。
【請求項5】
前記クランプ回路と前記電流共振コンデンサの一端との間に接続される第1コンデンサと、前記直列共振回路内で前記電流共振コンデンサに直列に接続される第2コンデンサと、前記電流共振コンデンサを介して前記直流電源に直列に接続される第3コンデンサとをさらに備え、前記出力特性を調整することを特徴とする請求項2記載の共振コンバータ。
【請求項6】
第1スイッチ素子と第2スイッチ素子とを直流電源に直列に接続し、前記第1スイッチ素子又は前記第2スイッチ素子に並列に電流共振リアクトルとトランスの1次巻線と電流共振コンデンサとの直列共振回路を接続し、前記トランスの2次巻線に整流平滑回路を接続し、前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とを交互にオン・オフ制御することにより、前記整流平滑回路に発生する出力電圧を負荷に供給する共振コンバータにおいて、
前記電流共振コンデンサの両端電圧を、所定の電圧値にクランプするクランプ回路をさらに備え、前記整流平滑回路から前記負荷に供給する出力電流が所定の電流値よりも大きい領域において、前記出力電流が増加するにつれて前記出力電圧が低下する出力特性を有するようにしたことを特微とする共振コンバータ。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2013−27066(P2013−27066A)
【公開日】平成25年2月4日(2013.2.4)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−156319(P2011−156319)
【出願日】平成23年7月15日(2011.7.15)
【出願人】(000106276)サンケン電気株式会社 (982)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成25年2月4日(2013.2.4)
【国際特許分類】
【出願日】平成23年7月15日(2011.7.15)
【出願人】(000106276)サンケン電気株式会社 (982)
【Fターム(参考)】
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