JP2019041531A - Llc共振コンバータ - Google Patents
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Abstract
【課題】トランスの飽和を防ぎつつ高効率を達成可能なLLC共振コンバータを提供する。【解決手段】LLC共振コンバータは、電源の正極および負極の間に直列に接続された半導体スイッチQ1,Q2と、一次巻線2P、コア2、および二次巻線2Sを有するトランス2と、電源1の負極と、トランス2の一次巻線2Pの第2の端部との間に接続されたキャパシタC1と、キャパシタC1と並列に、かつ互いに直列に接続されたキャパシタC2、および半導体スイッチQ3,Q4と、トランス2の二次巻線2Sに接続された二次側回路3とを備え、トランス2は、スイングチョークコイルである。【選択図】図1
Description
本発明は、LLC共振コンバータに関する。
LLC共振コンバータは、2つのインダクタンス(L)と1つのキャパシタンス(C)とによる共振を利用した、DC−DCコンバータの一種である。LLC共振コンバータのキャパシタンスを変化させて共振周波数を変化させる技術がこれまでに提案されている。たとえば、特表2009−514495号公報(特許文献1)は、インダクタに直列に接続されたキャパシタ回路と、このキャパシタ回路の容量値を変更するためのスイッチとを備えた電力コンバータを開示する。キャパシタ回路は、インダクタに並列に接続された2つのキャパシタを有する。スイッチは、2つのキャパシタの一方に直列に接続される。たとえば、特開2014−3764号公報(特許文献2)は、キャパシタの両端を短絡するスイッチを有する電力変換装置を開示する。
トランスの励磁インダクタンスが大きい場合には、共振回路のキャパシタンスを切り換えた後に、トランスの飽和が生じやすくなる。トランスの飽和が生じた場合には、LLC共振コンバータを正常に制御できなくなり、二次側に出力電圧を出すことができなくなる。トランスの飽和を防ぐために、小さい励磁インダクタンスを持つトランスをLLC共振コンバータに用いることが考えられる。しかしながら、トランスの励磁インダクタンスが小さい場合には、共振回路のキャパシタンスを小さい値に切り換えたときにLLC共振コンバータの効率が低下するという課題が発生する。
本発明の目的は、トランスの飽和を防ぎつつ高効率を達成可能なLLC共振コンバータを提供することである。
本発明の一態様に係るLLC共振コンバータは、電源の正極および負極の間に直列に接続された第1のスイッチおよび第2のスイッチと、第1のスイッチおよび第2のスイッチに第1の端部が接続された一次巻線、コア、および二次巻線とを有するトランスと、電源の負極と、トランスの一次巻線の第2の端部との間に接続された第1のキャパシタと、第1のキャパシタと並列に、かつ、互いに直列に接続された第2のキャパシタおよび容量用スイッチと、トランスの二次巻線に接続された二次側回路とを備え、トランスが、スイングチョークコイルである。
好ましくは、コアには、ギャップが設けられる。ギャップを挟んで対向する一対の磁脚の少なくとも一方は、連続的に変化する断面積を有する。
好ましくは、コアには、ギャップが設けられる。ギャップを挟んで対向する一対の磁脚の少なくとも一方は、ステップ状に変化する断面積を有する。
好ましくは、容量用スイッチのオンおよびオフは、LLC共振コンバータの入力電圧、または第3のスイッチおよび前記第4のスイッチを制御する制御回路の端子電圧に基づいて決定される。
本発明によれば、トランスの飽和を防ぎつつ高効率を達成可能な、LLC共振コンバータを提供することができる。
本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰り返さない。
図1は、本発明の一実施の形態に係るLLC共振コンバータの回路図である。図1(A)は、LLC共振コンバータの構成を示した回路図であり、図1(B)は図1(A)に示したトランスを等価回路により示した等価回路図である。LLC共振コンバータ10は、たとえばMOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)である半導体スイッチQ1,Q2,Q3,Q4と、トランス2と、キャパシタC1,C2と、二次側回路3と、出力端子4,5とを含む。図1(B)に示すように、トランス2の一次巻線2Pは、漏れインダクタンスLrを有するインダクタL1と、励磁インダクタンスLmを有するインダクタL2と、抵抗とによって等価的に表現される。インダクタL1は、トランスの外に別に用意してもよい。
図1(B)では、インダクタL1が、接続点N1と接続点N3との間に接続されたインダクタとして表され、インダクタL2が、接続点N2と接続点N3との間に接続されたインダクタとして表される。抵抗成分は、インダクタL2と並列に、接続点N2と接続点N3との間に接続されている。
半導体スイッチQ1,Q2は、電源1の正極および負極の間に直列に接続され、ハーフブリッジ回路を構成する。電源1は、直流電圧Vinを出力する直流電源である。
トランス2は、一次巻線2Pと、二次巻線2Sと、コア20とを有する。一次巻線2Pの第1の端部は、半導体スイッチQ1および半導体スイッチQ2の接続点である接続点N1に接続される。一次巻線2Pの第2の端部は、接続点N2に接続される。
キャパシタC1は、キャパシタンスCrを有し、トランス2の一次巻線2Pの第2の端部と、電源1の負極との間に接続される。すなわち、キャパシタC1は、接続点N2と、電源1の負極との間に接続される。
キャパシタC2は、キャパシタンスCrswを有する。キャパシタC2と、半導体スイッチQ3と、半導体スイッチQ4とは、キャパシタC1に並列に接続点N2と電源1の負極との間に互いに直列接続される。図1に示した構成では、キャパシタC2の第1の端部は、キャパシタC1と並列に、トランス2の一次巻線2Pの第2の端部に接続される。容量量スイッチである半導体スイッチQ3および半導体スイッチQ4は、キャパシタC2の第2の端部と電源1の負極との間に直列に接続される。しかしながら、キャパシタC2および半導体スイッチQ3,Q4は、上記の順番で接続されるように限定されるものではない。
二次側回路3はトランス2の二次巻線2Sに接続される。二次側回路3は、ダイオードD1,D2およびキャパシタC3を含む。キャパシタC3は、たとえば電解コンデンサである。
LLC共振コンバータ10において、漏れインダクタンスLrと、励磁インダクタンスLmと、キャパシタンスとによって共振回路が構成される。半導体スイッチQ3,Q4をオンオフすることにより、共振回路のキャパシタンスが変化する。これにより、共振周波数が変化する。具体的には、半導体スイッチQ3,Q4がオフであるときには、漏れインダクタンスLrと、励磁インダクタンスLmと、キャパシタンスCrにより共振回路11が構成される。一方、半導体スイッチQ3,Q4がオンであるときには、漏れインダクタンスLrと、励磁インダクタンスLmと、キャパシタンス(Cr+Crsw)とにより共振回路11が構成される。半導体スイッチQ3,Q4は、たとえば制御IC15(ただし制御IC15に限定されない)からの制御信号によって、オンおよびオフが制御される。なお、半導体スイッチQ3,Q4のオンおよびオフは入力電圧あるいは制御IC15の各端子電圧などをセンシングした結果から決定され、入力電圧が低いときに半導体スイッチQ3,Q4がオンする。
図2は、図1に示したLLC共振コンバータ10の周波数対ゲイン特性の例を示した図である。図1および図2を参照して、曲線11Aは、共振回路11(キャパシタンス=Cr)によるLLC共振コンバータ10のゲインカーブであり、曲線12Aは、共振回路12(キャパシタンス=(Cr+Crsw))によるLLC共振コンバータ10のゲインカーブである。共振回路のキャパシタンスをCrから(Cr+Crsw)に切り換えることによってゲインを高めることができる。これにより、入力電圧(Vin)が低下したときにも所望の出力電圧を確保することができる。さらに、入力電圧が低いことを考慮した設計上の要請が緩和されるので、通常動作時に高効率を確保することができる。
また、図1に示された構成によれば、高いゲインが得られるので、入力コンデンサ(図1に示さず)を小型化することができる。DC−DCコンバータにおいて、電源の保持時間t(ms)を満たすために必要な入力コンデンサのキャパシタンスCinの最低限の値Cinminは以下の式に従って表すことができる。
上記式において、Pは、DC−DCコンバータの最大出力電力であり、Vc_startは、電力供給停止時の入力コンデンサの充電電圧であり、Vin_minは、DC−DCコンバータが動作可能な最低入力電圧である。ゲインを高くするほどキャパシタンスCinを小さくすることができるので、入力コンデンサを小型化することができる。
また、スイッチング周波数を高めることによって、トランスを構成するコアや巻線を小型化できる。トランスの最大磁束密度ΔBは、以下の式によって表すことができる。Vtr は、トランスに印加される(1次または2次の)電圧であり、fswは、トランス印加電圧の周波数であり、Nは1次または2次の巻数であり、Aeは、コアの実行断面積である。
最大磁束密度ΔBを小さくするためには以下の方法が考えられる。
i)巻数Nを大きくする。
i)巻数Nを大きくする。
ii)コアの実行断面積Aeを大きくする。
iii)周波数fswを大きくする。
iii)周波数fswを大きくする。
しかし、巻数Nを大きくする、あるいはコアの実行断面積Aeを大きくする場合には、トランスが大型化する。これに対して、周波数fswを大きくすれば、コアの体積および巻線の巻数を変化させることなく、最大磁束密度ΔBを小さくできる。したがってスイッチング周波数を高めることにより、トランスを構成するコアや巻線を小型化できる。
LLC共振コンバータにおいて共振周波数を切り換える場合、以下の課題が発生しうる。図3は、トランスの励磁インダクタンスLmが大きい場合に、共振回路のキャパシタンスを切り換えることにより発生する課題を説明した図である。図3を参照して、「飽和周波数」は、トランス2が飽和するときのLLC共振コンバータのスイッチング周波数に相当する。ゲイン曲線に基づいて、所望の出力電圧を得るためのLLC共振コンバータの動作点が決定される。
図3に示したゲイン曲線によれば、所望の出力電圧を得るためには、共振回路のキャパシタンスを大きくする(キャパシタンスをCrから(Cr+Crsw)へと切り換える)ことが必要である。しかし、動作点のスイッチング周波数が飽和周波数よりも小さい。すなわち、所望の出力電圧を得るために共振回路のキャパシタンスを大きくした場合には、トランスが飽和する。このため、LLC共振コンバータが動作できなくなる可能性がある。
図4は、トランスの励磁インダクタンスLmが小さい場合に、共振回路のキャパシタンスを切り換えることにより発生する課題を説明した図である。図4を参照して、所望の出力電圧を得るために、共振回路のキャパシタンスを大きくしても、動作点のスイッチング周波数は飽和周波数よりも大きい。したがって、トランスの飽和を防ぐことができる。しかしながら、励磁インダクタンスLmが小さいため、LLC共振コンバータに大きな電流が流れる。このために共振回路のキャパシタンスが小さい値(Cr)であるときのLLC共振コンバータの効率が低下するという課題が発生する。
この点について、より詳細に説明する。図5は、一般的なLLC共振コンバータの周波数対出力電圧の特性例を示した図である。図5に示すように、出力電圧が一定の場合、LLC共振コンバータの入力電圧Vinが下がるほど周波数が低下する。
図6は、一般的なLLC共振コンバータにおける入力電圧Vin対一次側電流Iの特性、および入力電圧Vin対周波数fの特性を模式的に示した図である。図6に示すように、LLC共振コンバータの出力電圧および一次インダクタンスが一定の場合には、入力電圧Vinが低下して周波数fが小さくなると、一次側電流Iが大きくなる。周波数fが飽和周波数に達すると、励磁インダクタンスがほぼ0になるため、一次側電流Iが最大になる。
図7は、一般的なLLC共振コンバータに用いられるトランスのコアの形状と、LLC共振コンバータの特性との関係を説明する図である。なお、図7に示したトランスのコアは、E型コアおよびI型コアにより実現可能である。図7(A)には、ギャップ幅が小さく、かつ一定であるコア20Aが示される。図7(B)に、コア20Aを含むトランス2を用いたLLC共振コンバータの特性が示される。図7(A)および図7(B)を参照して、ギャップ幅の小さい従来型のコアをトランス2に用いた場合、入力電圧Vinが低下すると、トランス2が飽和するため一次側電流が急激に増加する。
図7(C)には、ギャップ幅が大きく、かつ一定であるコア20Bが示される。図7(D)に、コア20Bを含むトランス2を用いたLLC共振コンバータの特性が示される。図7(C)および図7(D)を参照して、ギャップ幅の大きいコアを用いることによって、入力電圧Vinの最低電圧Vin_minでもトランス2を飽和しないようにすることができる。しかし励磁インダクタンスが小さくなるため、定常時の一次側電流が大きい。このため損失が大きくなる。
本発明の実施の形態によれば、LLC共振コンバータ10のトランス2として、スイングチョークコイルが採用される。これにより、トランスの飽和防止が可能になるだけでなく、LLC共振コンバータ10の効率を高めることができる。以下にこの点について詳細に説明する。
図8は、本発明の実施の形態に係るLLC共振コンバータ10に用いられるスイングチョークコイルの動作原理を説明するための模式図である。発明の理解のため、図8には、スイングチョークコイルのコアを分かりやすく示している。さらに一次巻線および二次巻線の図示は省略されている。
コア20にはギャップ26が設けられる。図8に示された構成では、ギャップ26の長さはaからb(a<b)まで連続的に変化する。
図9は、図8に示されたスイングチョークコイルの特性の例を示した図である。図9を参照して、一次巻線(図8に示さず)に流れる電流により、コア20の一部が飽和して、励磁インダクタンスLmが変化する。ギャップ26を挟んで対向する磁脚23の一方(図8を参照)は、可飽和部27を形成する。
励磁電流のピークImpkは、次の式に従って表される。fswはスイッチング周波数である。
スイッチング周波数fswが高い場合には、トランス(スイングチョークコイル)の一次側の最大電流が小さくなる。この場合、ギャップ長Ig=aとなり、励磁インダクタンスLmが大きくなる。一方、スイッチング周波数fswが低い場合には、一次側の最大電流が大きくなる。この場合、ギャップ長Ig=bとなり、励磁インダクタンスLmが小さくなる。
図10は、本発明の実施の形態に係るLLC共振コンバータ10の特性を説明するためのゲイン曲線である。図11は、励磁電流の時間的変化を示した図である。図10および図11を参照して、共振回路のキャパシタンスが(Cr+Crsw)に切り換えられる。スイッチング周波数fswの低下により励磁電流Imが増大する。この場合には、スイングチョークコイルの飽和により、励磁インダクタンスLmが低下する。
励磁インダクタンスLmが低下することによって、LLC共振コンバータ10の動作点のスイッチング周波数fswが飽和周波数を上回る。したがって、共振回路のキャパシタンスを大きくしたときにLLC共振コンバータ10を正常に制御できなくなることを防ぐことができる。一方、共振回路のキャパシタンスを小さくしたときには、定格動作時の高効率動作を達成することができる。また、入力電圧Vinの範囲を広げることもできる。
図12は、トランスのコアの形状とLLC共振コンバータの特性との関係を説明するための図である。図12(A)には、一例に従うコア31が示される。図12(B)に、コア31を含むトランス2を用いたLLC共振コンバータの特性が示される。図12(A)および図12(B)を参照して、コア31において、中央の一対の磁脚30は、ギャップを挟んで対向する。磁脚30の一方は、徐々に変化する断面積を有する。これにより、磁脚30において、断面積の小さい部分から徐々に飽和する。周波数fの低減に合わせてコアが徐々に飽和することにより励磁インダクタンスが変化する。キャパシタンスCrを切替えるときの入力電圧(Cr切替電圧)において、励磁インダクタンスLを大きく変化させる。この構成によれば、入力電圧Vinの低下に合わせて励磁インダクタンスLが低下する。したがって、どの入力電圧においても一次側電流を抑えることができる。しかしキャパシタンスCrの切り替え前でも常にコアの一部は飽和しているため、コアの局所発熱によって、コアと周辺の巻線とが熱くなる可能性がある。
図12(C)には、別の例に従うコア32が示される。図12(D)に、コア32を含むトランス2を用いたLLC共振コンバータの特性が示される。図12(C)および図12(D)を参照して、コア32の場合、一対の磁脚30の一方において、ステップ状に変化する断面積を有する。Cr切替電圧において、磁脚30の断面積の小さい部分が飽和する。キャパシタンスの値が切替わるときだけ励磁インダクタンスLが低下する。この構成によれば、LLC共振コンバータの通常の動作時には励磁インダクタンスLが変化しにくい。したがってLLC共振コンバータの周波数を一定の値に安定させることができる。またキャパシタンスCrの切り替え前にはコアは飽和していないため、コアの局所発熱を抑えることができると考えられる。
コアの形状は、図12(A)および図12(C)に示された例に限定されるものではなく、様々な形状を採用することができる。図13は、本発明の実施の形態に適用されるコアの形状例を示した図である。図13(A)〜図13(D)のいずれに示した形状においても、ギャップを介して対向する一対の磁脚の少なくとも一方が、徐々に変化する断面積を有する。これにより、図12(B)に示されるように、入力電圧Vinに応じて励磁インダクタンスLを徐々に変化させ、Cr切替電圧において励磁インダクタンスLを大きく変化させることができる。
たとえば図13(B)に示したコア34のように、一対の磁脚30の両方が、凸状部を有してもよい。あるいは、図13(C)に示したコア35のように、一対の磁脚30の両方が、凹状部を有してもよい。図示しないが、一対の磁脚30の片方のみが凸状部あるいは凹状部を有することもできる。
また、図13(D)に示したコア36のように、U字型コアを採用することもできる。U字型コアの一対の磁脚40の一方は、徐々に変化する断面積を有する。磁脚40の形状は、たとえば図12(A)に示した磁脚30の形状に類似するが、この形状に限定されず、他の形状を採用することもできる。
なお、以上説明した図面においては、コアの形状を説明するため一次巻線および二次巻線の図示が省略されている。図14は、コアに巻回される一次巻線および二次巻線を模式的に示した図である。図14に示すように、E型コアの場合には、中脚(磁脚30)にボビン50を介して一次巻線2Pおよび二次巻線2Sの両方が巻かれる。図示しないが、Uコア(たとえば図13(D)参照)の場合、一次巻線および二次巻線が巻かれる場所は特に限定されない。
本発明の実施の形態によれば、以下の点からも高効率動作を達成することができる。図15は、共振周波数と動作周波数との関係を示した図である。図15に示すように、励磁インダクタンスLmが小さくなることによってゲインカーブが高周波側に急峻に立ち上がる。動作点の周波数が共振周波数に近づくので、二次側の半導体素子(ダイオードD1,D2)を流れる電流の実効値が小さくなり、これらの半導体素子の損失を低減することができる。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものでないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
1 電源、2 トランス(スイングチョークコイル)、2P 一次巻線、2S 二次巻線、3 二次側回路、4,5 出力端子、10 LLC共振コンバータ、11,12 共振回路、11A,12A 曲線、15 制御IC、20,20A,20B,31〜36 コア、23,30,40 磁脚、26 ギャップ、27 可飽和部、50 ボビン、C1,C2,C3 キャパシタ、D1,D2 ダイオード、L1,L2 インダクタ、N1,N2,N3 接続点、Q1,Q2,Q3,Q4 半導体スイッチ。
Claims (4)
- 電源の正極および負極の間に直列に接続された第1のスイッチおよび第2のスイッチと、
前記第1のスイッチおよび前記第2のスイッチに第1の端部が接続された一次巻線、コア、および二次巻線とを有するトランスと、
前記電源の前記負極と、前記トランスの前記一次巻線の第2の端部との間に接続された第1のキャパシタと、
前記第1のキャパシタと並列に、かつ、互いに直列に接続された第2のキャパシタおよび容量用スイッチと、
前記トランスの前記二次巻線に接続された二次側回路とを備え、
前記トランスが、スイングチョークコイルである、LLC共振コンバータ。 - 前記コアには、ギャップが設けられ、前記ギャップを挟んで対向する一対の磁脚の少なくとも一方は、連続的に変化する断面積を有する、請求項1に記載のLLC共振コンバータ。
- 前記コアには、ギャップが設けられ、前記ギャップを挟んで対向する一対の磁脚の少なくとも一方は、ステップ状に変化する断面積を有する、請求項1に記載のLLC共振コンバータ。
- 前記容量用スイッチのオンおよびオフは、前記LLC共振コンバータの入力電圧、または前記容量用スイッチを制御する制御回路の端子電圧に基づいて決定される、請求項1から請求項3のいずれか1項に記載のLLC共振コンバータ。
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