Dc-dc變換器的制造方法
【專利摘要】DC-DC變換器具有：耦合變壓器，其具有線圈(11)和線圈(12)；開關(Tr1、Tr2)，其經由各線圈與直流電源(Vi)的兩端連接；串聯電路，其與各開關的兩端連接，由二極管和濾波電容器構成；以及控制電路(100)，其使開關(Tr1)和開關(Tr2)交互地接通，并且在每個1/2周期在預定的重復期間使開關(Tr1)和開關(Tr2)同時接通。并且，耦合變壓器(1)通過兩個E型鐵芯(2，3)間隔I型鐵芯(4)，在各E型鐵芯(2，3)的中央腳(2a，3a)與I型鐵芯(4)之間設置間隙部(5)，在I型鐵芯(4)上卷繞線圈(11)和線圈(12)。
【專利說明】DC-DC變換器
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種進行升壓動作的DC-DC變換器，尤其涉及一種在變壓器中使用的鐵芯的形狀。
【背景技術】
[0002]圖1是表示相關的DC-DC變換器的電路結構圖。圖2是圖1所示的相關的DC-DC變換器內的耦合變壓器20的等價電路圖。圖1所示的DC-DC變換器具有直流電源V1、耦合變壓器20、開關Trl、Tr2、二極管D1、D2、濾波電容器Co、負載電阻Ro以及控制電路100。
[0003]如圖2所示，耦合變壓器20具有變壓器T3、變壓器T4以及電抗器L3。變壓器T3具有:一次線圈105a(匝數np)、與一次線圈105a串聯連接的卷繞線圈105b (匝數npl)、與一次線圈105a以及卷繞線圈105b電磁耦合的二次線圈105c (匝數ns)。變壓器T4與變壓器T3同樣地構成，具有:一次線圈106a(匝數np)、與一次線圈106a串聯連接的卷繞線圈106b (阻數npl)、與一次線圈106a以及卷繞線圈106b電磁稱合的二次線圈106c (阻數ns)。
[0004]在直流電源Vi的兩端經由變壓器T3的一次線圈105a連接了由IGBT(絕緣柵雙極晶體管)構成的開關Trl的集電極-發射極之間。在直流電源Vi的兩端經由變壓器T4的一次線圈106a連接了由IGBT構成的開關Tr2的集電極-發射極之間。在變壓器T3的一次線圈105a與開關Trl的集電極的連接點和開關Trl的發射極上連接有由變壓器T3的卷繞線圈105b、二極管Dl以及濾波電容器Co構成的串聯電路。在變壓器T4的一次線圈106a與開關Tr2的集電極的連接點和開關Tr2的發射極上連接有由變壓器T4的卷繞線圈106b、二極管D2以及濾波電容器Co構成的串聯電路。
[0005]在變壓器T3的二次線圈105c與變壓器T4的二次線圈106c的串聯電路的兩端連接有電抗器L3。控制電路100根據濾波電容器Co的輸出電壓No進行控制，以便在開關Trl接通后到開關Trl斷開前開關Tr2接通，在開關Tr2斷開前開關TrI接通。S卩，進行以下的控制:使開關Trl與開關Tr2交互地接通，并且在每個1/2周期在預定的重復期間使開關Trl與開關Tr2同時接通。
[0006]如此構成的相關的DC-DC變換器在根據來自控制電路100的控制信號Trlg使開關Trl接通，在預定的重復期間后，根據來自控制電路100的控制信號Tr2g使開關Tr2斷開時，電流沿著Vi(+側)、105a、Trl、Vi(—側)流動，因此開關Trl的電流線性地增加。同時，還在變壓器T3的二次線圈105c產生電壓，電流L3i按順時針沿著105c、L3、106c、105c的路徑流過。
[0007]電流L3i按照變壓器的等安匝定律流過，在電抗器L3積蓄能量，并且在變壓器T4的二次線圈106c中也流過相同的電流。因此，在變壓器T4的一次線圈106a和卷繞線圈106b中感應與匝數對應的電壓。
[0008]此外，在將變壓器T4的卷繞比設成A= (np+npl)/np時，在二極管D2中，開關Trl的電流的1/A的電流沿著Vi+、106a、106b、D2、Co、Vi —流過。直到接通開關Tr2的時刻為止流過二極管D2的電流。濾波電容器Co的輸出電壓Vo是直流電源Vi的電壓(輸入電壓)、在變壓器T4的一次線圈106a產生的電壓以及在變壓器T4的卷繞線圈106b產生的電壓之和。
[0009]在將開關Trl的占空比(D = Ton/T)設為D時，在變壓器T4中產生的電壓是A-V1-D0 Ton是開關Trl的接通時間。T是使開關Trl進行開關的周期。濾波電容器Co的輸出電壓Vo成為Vo = Vi (1+A.D)，可以通過改變占空比D來控制輸出電壓Vo。
[0010]接著，當根據來自控制電路100的控制信號Tr2g使開關Tr2接通，在預定的重復期間后，根據來自控制電路100的控制信號Trlg使開關Trl斷開時，電流沿著Vi+、106a、Tr2、Vi —流動，因此開關Tr2的電流線性地增加。同時，還在變壓器T4的二次線圈106c產生電壓，電流L3i增加同時按照順時針流過106c、105c、L3、106c的路徑。
[0011]電流L3i按照變壓器的等安匝定律流過，在電抗器L3積蓄能量，并且在變壓器T3的二次線圈105c中流過相同的電流。因此，在變壓器T3的一次線圈105a和卷繞線圈105b中感應與匝數對應的電壓。
[0012]此外，在將變壓器T3的卷繞比設成A = (np+npl)/np時，在二極管Dl中，開關Tr2的電流的1/A的電流沿著Vi+、105a、105b、Dl、Co、Vi —流過。直到接通開關Trl的時刻為止流過二極管Dl的電流。濾波電容器Co的輸出電壓No是直流電源Vi的電壓(輸入電壓)、在變壓器T3的一次線圈105a產生的電壓以及在變壓器T3的的卷繞線圈105b產生的電壓之和。在將開關Tr2的占空比(D = Ton/T)設為D時，在變壓器T3產生的電壓是A-V1-D0 Ton是開關Tr2的接通時間。T是使開關Tr2進行開關的周期。濾波電容器Co的輸出電壓Vo成為Vo = Vi (1+A.D)，可以通過改變占空比D來控制輸出電壓Vo。
[0013]如在日本專利公開公報特開2010-004704號(專利文獻I)中示例的那樣，作為多相式變壓器鏈接型升壓斬波電路(參照專利文獻I)，已知圖1所示的相關的DC-DC變換器，通過變壓器使獨立的兩相耦合。由此，能夠使兩個需要的鐵芯僅通過一個鐵芯進行升壓動作。
[0014]此外，耦合變壓器20具有將E字型的兩個鐵芯部件在延伸的面方向上相向地組合而構成的鐵芯21，鐵芯21具有側腳22、23、中央腳24以及間隙部25，在側腳22上卷繞線圈31，在側腳23上卷繞線圈32。電流il流過線圈31，電流i2流過線圈32。
【發明內容】
[0015]發明要解決的課題
[0016]然而，在相關的耦合變壓器20中，如圖3所示，在線圈31、線圈32的外側泄漏磁通量成分ΦΙΙ?，此外，在鐵芯21的間隙部25泄漏基于邊緣效應的磁通量成分Φ--。S卩，在相關的耦合變壓器20中，漏磁通大，因此與理論值的差變大。
[0017]根據本發明，能夠提供一種具有減少漏磁通，能夠進行接近理論值的設計的耦合變壓器的DC-DC變換器。
[0018]解決課題的手段
[0019]根據本發明的技術面，DC-DC變換器具有:耦合變壓器，其具有第一線圈和第二線圈；第一開關，其經由所述第一線圈與直流電源的兩端連接；第二開關，其經由所述第二線圈與所述直流電源的兩端連接；第一串聯電路，其與所述第一開關的兩端連接，由第一二極管和濾波電容器構成；第二串聯電路，其與所述第二開關的兩端連接，由第二二極管和所述濾波電容器構成；以及控制電路，其使所述第一開關和所述第二開關交互地接通，并且在每個1/2周期在預定的重復期間使所述第一開關和所述第二開關同時接通，所述耦合變壓器通過以兩個E型鐵芯相向的方式間隔I型鐵芯，在一方的E型鐵芯的中央腳與I型鐵芯之間設置第一間隙部，在另一方的E型鐵芯的中央腳與I型鐵芯之間設置第二間隙部，在I型鐵芯上卷繞所述第一線圈以及所述第二線圈而構成。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0020]圖1是表示相關的DC-DC變換器的電路結構圖。
[0021]圖2是圖1所示的相關的DC-DC變換器內的耦合變壓器的等價電路圖。
[0022]圖3是說明圖1所示的相關的DC-DC變換器內的耦合變壓器的間隙長增大的原因的圖。
[0023]圖4是表示實施例1的DC-DC變換器的電路結構圖。
[0024]圖5是表示使用了實施例1的DC-DC變換器內的EEI鐵芯的耦合變壓器的結構圖。
[0025]圖6是表示現有方式與實施例1的間隙長的比較的圖。
[0026]圖7是表示現有例子與實施例2的耦合變壓器的線圈的卷繞方法的圖。
【具體實施方式】
[0027]以下，參照附圖對本發明的DC-DC變換器的實施方式進行詳細地說明。
[0028]本發明的DC-DC變換器的特征在于，通過使用兩個E型的鐵芯和一個I型的鐵芯，實現了減少漏磁通，能夠進行接近理論值的設計的耦合變壓器。
[0029](實施例1)
[0030]圖4是表示實施例1的DC-DC變換器的電路結構圖。圖5是表示實施例1的DC-DC變換器內的使用了 EEI鐵芯的耦合變壓器的結構圖。即，特征為代替在圖1?圖3所示的相關的耦合變壓器20，使用圖5所示的耦合變壓器I。
[0031]圖4所示的其他結構與圖1所示的結構相同，對相同部分賦予相同符號，省略其詳細的說明。在此，僅對耦合變壓器I進行說明。
[0032]圖5所示的耦合變壓器I具有通過兩個E型鐵芯2、3間隔I型鐵芯4的結構。以在延伸的面方向上經由I型鐵芯4，中央腳2a、3a相向的方式使兩個E字型的鐵芯2、3—體化。更具體地說，在一方的E型鐵芯2的中央腳2a與I型鐵芯4之間設置第一間隙部5，在另一方的E型鐵芯3的中央腳3a與I型鐵芯4之間設置第二間隙部5。此外，在I型鐵芯4上卷繞匝數nl的線圈11 (第一線圈)以及匝數n2的線圈12 (第二線圈)來構成。電流il流過線圈11，電流i2流過線圈12。結果,如圖5所示在一體化的鐵芯3、4內形成四個穩定的閉合磁路。
[0033]圖6是表示現有方式與實施例1的方式的間隙長的比較的圖。圖6(a)是現有方式的圖，圖6(b)是實施例1的方式的圖。通過下式表示間隙部的磁阻的理論值Rmg。
[0034]Rmg = Ig/ μ 0.S
[0035]在此，Ig是間隙長，S是截面面積，μ O是磁導率。
[0036]根據如上那樣構成的本實施例的耦合變壓器1，當電流il流過線圈11，電流i2流過線圈12時，如圖5所示，通過流過線圈11、線圈12的電流產生的磁通量通過以下的磁路，該磁路首先通過I型鐵芯4，經由間隙部5通過E型鐵芯2、3，返回到I型鐵芯4。S卩，形成閉合磁路大幅度地降低漏磁通，間隙長變短。
[0037]因此，能夠提供一種具有減少漏磁通，能夠進行接近理論值的設計的耦合變壓器的DC-DC變換器。
[0038]另一方面，在圖3所示的相關的耦合變壓器20中，由于在側腳22、23卷繞了線圈
31、32，因此在側腳22、23的外側泄漏磁通。因此，漏磁通變大，實測值與理論值的偏差變大。
[0039](實施例2)
[0040]圖7是表示現有例子與實施例2的耦合變壓器的線圈的卷繞方法的比較的圖。圖7(a)是相關的耦合變壓器20的結構圖，圖7(b)是實施例2的耦合變壓器的結構圖。
[0041]另外，除了實施例2的耦合變壓器變更外，DC-DC變換器的結構與圖4所示的變壓器的結構相同。
[0042]在圖7(a)所示的相關的耦合變壓器20中，在側腳22卷繞匝數nl的線圈31，在側腳23卷繞匝數n2的線圈32。
[0043]與此相對，在圖7(b)所示的本實施例的耦合變壓器中，將線圈31a(第一線圈)和與線圈31a串聯連接的線圈31b (第二線圈)的串聯電路連接在直流電源Vi的正極和開關Trl的集電極之間。將線圈32a(第三線圈)和與線圈32a串聯連接的線圈32b (第四線圈)的串聯電路連接在直流電源Vi的正極和開關Tr2的集電極之間。
[0044]耦合變壓器以在延伸的面方向上使各中央腳24a相向的方式將兩個E型鐵芯一體化成為Θ型。S卩，在一方的E型鐵芯的中央腳24a與另一方的E型鐵芯的中央腳24a之間設置間隙部25a，在一方以及另一方的E型鐵芯的一方的側腳22上卷繞線圈31a以及線圈32b，在一方以及另一方的E型鐵芯的另一方的側腳23上卷繞線圈31b以及線圈32a。
[0045]線圈31a的匝數與線圈31b的匝數的合計為匝數nl。線圈32a的匝數與線圈32b的匝數的合計為匝數n2。
[0046]S卩，將線圈31、32的各線圈分散為兩個，在側腳22上卷繞線圈3la、線圈32b，在側腳23上卷繞線圈31b、線圈32b，因此將磁通勢分散，間隙長變短。因此能夠提高耦合度。
[0047]根據本發明，能夠提供一種具有減少漏磁通，能夠進行接近理論值的設計的耦合變壓器的DC-DC變換器。
[0048](美國指定)
[0049]本國際專利申請指定美國，關于在2012年3月16日遞交的日本專利申請第2012-060547號，基于美國專利法第119條(a)享受優先權的好處，引用該公開內容。
【權利要求】
1.一種DC-DC變換器，其特征在于，具有: 耦合變壓器，其具有第一線圈和第二線圈； 第一開關，其經由所述第一線圈與直流電源的兩端連接； 第二開關，其經由所述第二線圈與所述直流電源的兩端連接； 第一串聯電路，其與所述第一開關的兩端連接，由第一二極管和濾波電容器構成； 第二串聯電路，其與所述第二開關的兩端連接，由第二二極管和所述濾波電容器構成；以及 控制電路，其使所述第一開關和所述第二開關交互地接通，并且在每個1/2周期在預定的重復期間使所述第一開關和所述第二開關同時接通， 所述耦合變壓器通過以兩個E型鐵芯相向的方式間隔I型鐵芯，在一方的E型鐵芯的中央腳與I型鐵芯之間設置第一間隙部，在另一方的E型鐵芯的中央腳與I型鐵芯之間設置第二間隙部，在I型鐵芯上卷繞所述第一線圈以及所述第二線圈而構成。
2.—種DC-DC變換器，其特征在于，具有: 耦合變壓器，其具有第一線圈、與該第一線串聯連接的第二線圈、第三線圈以及與該第三線圈串聯連接的第四線圈； 第一開關，其經由所述第一線圈和所述第二線圈與直流電源的兩端連接； 第二開關，其經由所述第三線圈和所述第四線圈與直流電源的兩端連接； 第一串聯電路，其與所述第一開關的兩端連接，由第一二極管和濾波電容器構成； 第二串聯電路，其與所述第二開關的兩端連接，由第二二極管和所述濾波電容器構成；以及 控制電路，其使所述第一開關和所述第二開關交互地接通，并且在每個1/2周期在預定的重復期間使所述第一開關和所述第二開關同時接通， 所述耦合變壓器通過以使各中央腳相向的方式組合兩個E型鐵芯，在一方的E型鐵芯的中央腳與另一方的E型鐵芯的中央腳之間設置間隙部，在一方以及另一方的E型鐵芯的一方的側腳上卷繞所述第一線圈以及所述第四線圈，在一方以及另一方的E型鐵芯的另一方的側腳上卷繞所述第二線圈以及所述第三線圈來構成。
【文檔編號】H02M3/155GK104247237SQ201380014602
【公開日】2014年12月24日 申請日期:2013年1月24日 優先權日:2012年3月16日
【發明者】照井洋光, 足助英樹, 高野秀治, 山本真義, 今岡淳 申請人:三墾電氣株式會社, 國立大學法人島根大學