JP2006191707A - Dc converter - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、高効率、小型なDC/DCコンバータ等の直流変換装置に関するものである。 The present invention relates to a DC converter such as a high-efficiency, small-sized DC / DC converter.
図10に従来の直流変換装置の回路構成図を示す。図10に示す直流変換装置では、損失を低減するために、トランスの2次側(出力側)にオン抵抗の小さいMOSFET等からなる同期整流器が用られている。 FIG. 10 shows a circuit configuration diagram of a conventional DC converter. In the DC converter shown in FIG. 10, in order to reduce the loss, a synchronous rectifier including a MOSFET having a small on-resistance is used on the secondary side (output side) of the transformer.
図10において、直流電源Vdc1にトランスT1の1次巻線5a(巻数n1)を介してMOSFET(電界効果トランジスタ)等からなるスイッチQ1が接続され、このスイッチQ1の両端には、抵抗R1とコンデンサC1との直列回路が接続されている。トランスT1の1次巻線5aの両端には、ダイオードD2とコンデンサC2との直列回路が接続され、コンデンサC2の両端には抵抗R2が接続されている。スイッチQ1は、制御回路10のPWM制御によりオン/オフするようになっている。
In FIG. 10, a switch Q1 made of a MOSFET (field effect transistor) or the like is connected to a DC power source Vdc1 through a
また、トランスT1の1次巻線5aとトランスT1の2次巻線5b(巻数n2)とは互いに同相電圧が発生するように巻回されており、トランスT1の2次巻線5bの両端にはMOSFETからなるスイッチQ3とMOSFETからなるスイッチQ4とが直列に接続されている。トランスT1の2次巻線5bの一端(●側)は、スイッチQ4のゲートに接続され、トランスT1の2次巻線5bの他端は、スイッチQ3のゲートに接続されている。スイッチQ3にはダイオードD3が並列に接続され、スイッチQ4にはダイオードD4が並列に接続されている。これらの素子により同期整流回路を構成している。この同期整流回路は、スイッチQ1のオン/オフに同期してトランスT1の2次巻線5bに発生した電圧(オンオフ制御されたパルス電圧)を整流して出力する。
Further, the
また、スイッチQ3の両端には平滑リアクトルLoと平滑コンデンサCoとが直列に接続され、平滑回路を構成している。この平滑回路は、同期整流回路の整流出力を平滑して直流出力を負荷RLに出力する。 Further, a smoothing reactor Lo and a smoothing capacitor Co are connected in series at both ends of the switch Q3 to constitute a smoothing circuit. The smoothing circuit smoothes the rectified output of the synchronous rectifier circuit and outputs a DC output to the load RL.
制御回路10は、スイッチQ1をオンオフ制御し、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1に印加されるパルスのオン幅を狭くするように制御する。すなわち、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1のパルスのオン幅を狭くすることで、出力電圧を一定電圧に制御するようになっている。
The
次に、このように構成された直流変換装置の動作を図11に示す軽負荷時のタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図11において、Q1vはスイッチQ1のドレイン−ソース間電圧、Q1iはスイッチQ1のドレイン電流、Q3iはスイッチQ3のドレイン電流、Q4iはスイッチQ4のドレイン電流、Q3vはスイッチQ3のドレイン−ソース間電圧、Q1gはスイッチQ1のゲート電圧信号を示している。 Next, the operation of the DC converter configured as described above will be described with reference to a timing chart at light load shown in FIG. In FIG. 11, Q1v is the drain-source voltage of the switch Q1, Q1i is the drain current of the switch Q1, Q3i is the drain current of the switch Q3, Q4i is the drain current of the switch Q4, and Q3v is the drain-source of the switch Q3. A voltage Q1g indicates a gate voltage signal of the switch Q1.
まず、重負荷時の動作を説明する。ゲート電圧信号Q1gによりスイッチQ1をオンさせると、Vdc1→5a→Q1→Vdc1と電流Q1iが流れる。この電流Q1iは時間とともに直線的に増加していく。 First, the operation under heavy load will be described. When the switch Q1 is turned on by the gate voltage signal Q1g, Vdc1 → 5a → Q1 → Vdc1 and current Q1i flow. This current Q1i increases linearly with time.
また、このとき、トランスT1の2次巻線5bにも電圧が発生するため、スイッチQ4がオンし、5b→Lo→Co→Q4→5bと電流Q4iが流れて、負荷RLに電力が供給される。電流Q4iは時間とともに直線的に増加していく。このとき、平滑リアクトルLoにはLo(Io)2/2のエネルギーが蓄えられる。Ioは平滑リアクトルLoに流れる電流である。
At this time, since a voltage is also generated in the
次に、スイッチQ1がオフすると、トランスT1の2次巻線5bの電圧は、逆電圧となるため、スイッチQ4はオフとなり、スイッチQ3がオンとなる。このため、平滑リアクトルLoに蓄えられたエネルギーにより、Lo→Co→Q3→Loと電流Q3iが流れて、引き続き負荷RLに電力が供給される。
Next, when the switch Q1 is turned off, the voltage of the
次に、スイッチQ1がオンすると、2次巻線5bの電圧は再度逆転して、スイッチQ4がオンし、スイッチQ3がオフとなり、同様に動作する。この状態を平滑リアクトルLoの電流が連続的に同方向に流れるため、連続モードと呼ぶ。
Next, when the switch Q1 is turned on, the voltage of the
一方、負荷電流が減少した場合(軽負荷時)には、スイッチQ1がオフした時(例えば時刻t32)の平滑リアクトルLoの電流は、スイッチQ1のオフ期間中にゼロとなるが、引き続きスイッチQ3がオン状態である。このため、平滑コンデンサCoに蓄積された電荷が放電し、Co→Lo→Q3→Coと電流が流れて、平滑リアクトルLoにエネルギーが蓄えられる。 On the other hand, when the load current decreases (during light load), the current of the smoothing reactor Lo when the switch Q1 is turned off (for example, at time t 32 ) becomes zero during the off period of the switch Q1, Q3 is on. For this reason, the electric charge accumulated in the smoothing capacitor Co is discharged, a current flows through Co → Lo → Q3 → Co, and energy is stored in the smoothing reactor Lo.
次に、時刻t33(時刻t31も同じ)において、スイッチQ1がオンすると、スイッチQ4がオンし、スイッチQ3がオフする。このため、平滑リアクトルLoの電流は、Lo→5b→Q4→Co→Loで流れる。このため、エネルギーがトランスT1の1次巻線5aを介して、1次側(入力側)の直流電源Vdc1に帰還される。
Then, at time t 33 (time t 31 same), the switch Q1 is turned on, the switch Q4 is turned on, the switch Q3 is turned off. For this reason, the current of the smoothing reactor Lo flows in the order of Lo → 5b → Q4 → Co → Lo. For this reason, energy is fed back to the DC power supply Vdc1 on the primary side (input side) via the
なお、従来のスイッチング電源装置の関連技術として、例えば特許文献1が知られている。
For example,
特開2002−10636号公報 JP 2002-10636 A
このように、図10に示す従来の直流変換装置や特許文献1に記載のスイッチング電源装置にあっては、同期整流を適用する場合に、平滑リアクトルLoの電流が連続する重負荷状態では、損失も少なく軽快に機能する。
Thus, in the conventional DC converter shown in FIG. 10 and the switching power supply described in
しかしながら、図11に示すような軽負荷状態では、平滑リアクトルLoの電流は、連続的とならず、帰還モード時に逆流し、スイッチQ3がオフ時に、平滑リアクトルLoに蓄えられたエネルギーが、スイッチQ4とトランスT1を介して、入力側の直流電源Vdc1に帰還される。 However, in a light load state as shown in FIG. 11, the current of the smoothing reactor Lo is not continuous, and reversely flows in the feedback mode, and when the switch Q3 is off, the energy stored in the smoothing reactor Lo is changed to the switch Q4. And is fed back to the DC power supply Vdc1 on the input side via the transformer T1.
このとき、スイッチQ4のオンのタイミングが遅延したり、トランスT1のリーケージインダクタンスが大きい場合には、図11に示すように、大きなスパイク電圧SPが発生し、素子(同期整流器)を破壊する。 At this time, when the turn-on timing of the switch Q4 is delayed or the leakage inductance of the transformer T1 is large, a large spike voltage SP is generated as shown in FIG. 11, and the element (synchronous rectifier) is destroyed.
この対策として、抵抗R1及びコンデンサC1と抵抗R2及びコンデンサC2とのアブソーバ等のスパイク電圧吸収回路を装着していた。また、逆電流を検出して、同期整流を停止させたり、あるいは、耐圧の高い素子を用いたりしていた。このため、回路が複雑化するとともに損失が増大していた。 As a countermeasure, a spike voltage absorption circuit such as an absorber of the resistor R1, the capacitor C1, the resistor R2, and the capacitor C2 is mounted. In addition, a reverse current is detected to stop synchronous rectification, or an element with a high breakdown voltage is used. This complicates the circuit and increases the loss.
本発明は、回路の簡単化と損失の低減による高効率化と小型化とを図ることができる直流変換装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a DC converter capable of achieving high efficiency and miniaturization by simplifying a circuit and reducing loss.
本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を採用した。請求項1の発明は、直流電源の直流電圧をトランスの1次巻線を介してオン/オフすることにより高周波電圧に変換する第1スイッチと、前記トランスの1次巻線の両端又は前記第1スイッチの両端に接続され、第2スイッチとクランプコンデンサとが直列に接続された直列回路と、前記トランスの1次巻線と疎結合された2次巻線に発生する高周波電圧を同期整流する同期整流回路と、この同期整流回路の整流出力を平滑する平滑コンデンサと、前記トランスの1次巻線と密結合され且つ前記2次巻線に直列に接続され、前記1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられたエネルギーを前記第1スイッチがオフ時に前記平滑コンデンサに帰還する前記トランスの帰還巻線と、軽負荷時に前記リーケージインダクタンスに逆流する電流により蓄えられたエネルギーをダイオードを介して蓄えるコンデンサと、前記第1スイッチと同期してオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスの帰還巻線を介して1次側に帰還させる第3スイッチと、前記第1スイッチと前記第2スイッチとを交互にオン/オフさせる制御回路とを有することを特徴とする。 The present invention employs the following means in order to solve the above problems. According to the first aspect of the present invention, there is provided a first switch for converting a DC voltage of a DC power source into a high frequency voltage by turning on / off via a primary winding of the transformer, and both ends of the primary winding of the transformer or the first switch. Synchronous rectification of a high frequency voltage generated in a series circuit connected to both ends of one switch, a second switch and a clamp capacitor connected in series, and a secondary winding loosely coupled to the primary winding of the transformer A synchronous rectifier circuit, a smoothing capacitor for smoothing the rectified output of the synchronous rectifier circuit, and a primary winding of the transformer, which are tightly coupled and connected in series to the secondary winding, the primary winding and the secondary winding A feedback winding of the transformer that feeds back the energy stored in the leakage inductance between windings to the smoothing capacitor when the first switch is off, and the leakage inductance when the load is light. A capacitor that stores the energy stored by the flowing current through a diode and the first switch is turned on in synchronization with the first switch, and the energy stored in the capacitor is fed back to the primary side through the feedback winding of the transformer. And a control circuit for alternately turning on / off the first switch and the second switch.
請求項2の発明は、請求項1記載の直流変換装置において、前記トランスの帰還巻線に直列に接続された前記トランスの3次巻線を有し、前記第3スイッチは、前記第1スイッチがオンした時に前記トランスの3次巻線に発生する電圧によりオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスの帰還巻線を介して1次側に帰還させることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, in the DC converter according to the first aspect, the transformer includes a tertiary winding connected in series to a feedback winding of the transformer, and the third switch is the first switch. Is turned on by the voltage generated in the tertiary winding of the transformer when turned on, and the energy stored in the capacitor is fed back to the primary side via the feedback winding of the transformer.
請求項3の発明は、請求項2記載の直流変換装置において、前記トランスの帰還巻線と3次巻線との接続点に前記ダイオードの一端が接続され、前記ダイオードの他端は、前記コンデンサを介して前記平滑コンデンサの一端又は他端に接続されていることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the DC converter according to the second aspect, one end of the diode is connected to a connection point between the feedback winding and the tertiary winding of the transformer, and the other end of the diode is connected to the capacitor. The smoothing capacitor is connected to one end or the other end of the smoothing capacitor.
請求項4の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の直流変換装置において、前記トランスの1次巻線と2次巻線とは同相電圧が発生するように巻回され、前記トランスの1次巻線と帰還巻線とは逆相電圧が発生するように巻回されていることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the DC converter according to any one of the first to third aspects, the primary winding and the secondary winding of the transformer are wound so that a common-mode voltage is generated. The primary winding and the feedback winding of the transformer are wound so as to generate a reverse phase voltage.
請求項5の発明は、請求項1乃至請求項4のいずれか1項記載の直流変換装置において、前記第3スイッチのオン時間を前記第1スイッチのオン時間より短く設定するオン時間設定手段を有することを特徴とする。 According to a fifth aspect of the present invention, in the DC converter according to any one of the first to fourth aspects, the on-time setting means for setting the on-time of the third switch to be shorter than the on-time of the first switch. It is characterized by having.
本発明によれば、軽負荷時に電流の逆流によりトランスの1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられるエネルギーをダイオードを介してコンデンサに蓄え、第1スイッチのオンに同期してオンする第3スイッチによりエネルギーをトランスの帰還巻線を介して損失なく1次側に帰還させることによりスパイク電圧を除去することができる。これにより、同期整流器に使用する素子の耐圧が減少し、低耐圧の素子を使用できる。また、サージアブソーバー等の損失を招く回路が不要となり、損失を低減できる。従って、直流変換装置の高効率化と小型化を図ることができる。 According to the present invention, the energy stored in the leakage inductance between the primary winding and the secondary winding of the transformer due to the backflow of current at the time of light load is stored in the capacitor via the diode, and is synchronized with the ON of the first switch. The spike voltage can be eliminated by returning energy to the primary side without loss through the feedback winding of the transformer by the third switch that is turned on. As a result, the breakdown voltage of the element used for the synchronous rectifier is reduced, and a low breakdown voltage element can be used. Further, a circuit that causes a loss such as a surge absorber becomes unnecessary, and the loss can be reduced. Therefore, it is possible to achieve high efficiency and miniaturization of the DC converter.
以下、本発明の直流変換装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。実施の形態の直流変換装置は、軽負荷時に電流の逆流によりトランスの1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられるエネルギーをダイオードを介してコンデンサに蓄え、第1スイッチのオンに同期してオンする第3スイッチによりエネルギーをトランスの帰還巻線を介して損失なく1次側に帰還させることによりスパイク電圧を除去したことを特徴とする。 Hereinafter, embodiments of a direct-current converter according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the DC converter according to the embodiment, the energy stored in the leakage inductance between the primary winding and the secondary winding of the transformer due to the backflow of current at light load is stored in the capacitor via the diode, and the first switch is turned on. The spike voltage is eliminated by returning the energy to the primary side without loss through the feedback winding of the transformer by the third switch that is turned on synchronously.
図1は実施例1の直流変換装置の回路構成図である。図1において、直流電源Vdc1にトランスT2の1次巻線5a(巻数n1)を介して第1スイッチとしてのMOSFETからなるスイッチQ1が接続され、このスイッチQ1の両端にはダイオードD1とコンデンサC1とが並列に接続されている。このダイオードD1とコンデンサC1とはスイッチQ1の寄生ダイオードと寄生容量であってもよい。 FIG. 1 is a circuit configuration diagram of the DC converter according to the first embodiment. In FIG. 1, a DC power source Vdc1 is connected to a switch Q1 comprising a MOSFET as a first switch via a primary winding 5a (number of turns n1) of a transformer T2, and a diode D1 and a capacitor C1 are connected to both ends of the switch Q1. Are connected in parallel. The diode D1 and the capacitor C1 may be a parasitic diode and a parasitic capacitance of the switch Q1.
トランスT2の1次巻線5aの一端とスイッチQ1の一端との接続点には第2スイッチとしてのMOSFETからなるスイッチQ2の一端が接続され、スイッチQ2の他端はクランプコンデンサC2を介して直流電源Vdc1の正極に接続されている。なお、スイッチQ2の他端はクランプコンデンサC2を介して直流電源Vdc1の負極に接続されていてもよい。 One end of a switch Q2 made of a MOSFET as a second switch is connected to a connection point between one end of the primary winding 5a of the transformer T2 and one end of the switch Q1, and the other end of the switch Q2 is connected to the DC via the clamp capacitor C2. The power supply Vdc1 is connected to the positive electrode. Note that the other end of the switch Q2 may be connected to the negative electrode of the DC power supply Vdc1 via the clamp capacitor C2.
スイッチQ2の両端にはダイオードD2が並列に接続されている。ダイオードD2はスイッチQ2の寄生ダイオードであってもよい。スイッチQ1,Q2は、共にオフとなる期間(デッドタイム)を有し、制御回路10aのPWM制御により交互にオン/オフする。
A diode D2 is connected in parallel to both ends of the switch Q2. The diode D2 may be a parasitic diode of the switch Q2. The switches Q1 and Q2 both have a period (dead time) in which they are turned off, and are alternately turned on / off by PWM control of the
トランスT2は、1次巻線5aと、この1次巻線5aと疎結合で且つ同相電圧が発生するように巻回された2次巻線5b(巻数n2)と、1次巻線5aと密結合で且つ逆相電圧が発生するように巻回された帰還巻線5d(巻数n4)と、1次巻線5aと密結合で且つ同相電圧が発生するように巻回された3次巻線5c(巻数n3)とを有する。2次巻線5bには帰還巻線5dが直列に接続され、帰還巻線5dには3次巻線5cが直列に接続されている。
The transformer T2 includes a primary winding 5a, a secondary winding 5b (number of turns n2) that is loosely coupled to the primary winding 5a and wound so as to generate an in-phase voltage, and a primary winding 5a. The feedback winding 5d (number of turns n4) wound so as to generate a reverse-phase voltage in close coupling and the tertiary winding wound so as to generate an in-phase voltage in close coupling with the primary winding 5a.
ここで、3次巻線5cの同相電圧とは、スイッチQ1がオン時にスイッチQ5がオンし、スイッチQ1がオフ時にスイッチQ5がオフするように、3次巻線5cが1次巻線5aに対して巻回されていることである。帰還巻線5dの逆相電圧とは、スイッチQ1がオン時にスイッチQ3がオフし、スイッチQ1がオフ時にスイッチQ3がオンするように、帰還巻線5dが1次巻線5aに対して巻回されていることである。 Here, the common-mode voltage of the tertiary winding 5c means that the tertiary winding 5c is turned to the primary winding 5a so that the switch Q5 is turned on when the switch Q1 is turned on and the switch Q5 is turned off when the switch Q1 is turned off. That is, it is wound around. The reverse phase voltage of the feedback winding 5d means that the feedback winding 5d is wound around the primary winding 5a so that the switch Q3 is turned off when the switch Q1 is turned on and the switch Q3 is turned on when the switch Q1 is turned off. It has been done.
2次巻線5bの両端には可飽和リアクトルSL1が接続されている。この可飽和リアクトルSL1はトランスT2のコアの飽和特性を用いている。可飽和リアクトルSL1には、大きさの等しい電流が流れるため、磁束が第1象限と第3象限とに等しく増減し、所定の磁界で磁束が飽和する。この可飽和リアクトルSL1の飽和時にスイッチQ2をオフさせることによりコンデンサC1の電荷を急峻に放電させ、スイッチQ1のゼロ電圧スイッチを達成する。 A saturable reactor SL1 is connected to both ends of the secondary winding 5b. The saturable reactor SL1 uses the saturation characteristic of the core of the transformer T2. Since currents of equal magnitude flow through the saturable reactor SL1, the magnetic flux increases and decreases equally in the first quadrant and the third quadrant, and the magnetic flux is saturated with a predetermined magnetic field. By turning off the switch Q2 when the saturable reactor SL1 is saturated, the charge of the capacitor C1 is sharply discharged, and the zero voltage switch of the switch Q1 is achieved.
トランスT2の2次巻線5bの一端と帰還巻線5dの一端との接続点は、MOSFETからなるスイッチQ3のゲートとMOSFETからなるスイッチQ4の一端(ドレイン)とダイオードD4のカソードに接続されている。トランスT2の2次巻線5bの他端(●側)は、平滑コンデンサCoの一端に接続されている。 The connection point between one end of the secondary winding 5b of the transformer T2 and one end of the feedback winding 5d is connected to the gate of the switch Q3 made of MOSFET, one end (drain) of the switch Q4 made of MOSFET, and the cathode of the diode D4. Yes. The other end (● side) of the secondary winding 5b of the transformer T2 is connected to one end of the smoothing capacitor Co.
トランスT2の帰還巻線5dの他端(●側)と3次巻線5cの一端との接続点は、スイッチQ3の一端(ドレイン)とスイッチQ4のゲートとダイオードD3のカソードと第3スイッチとしてのMOSFETからなるスイッチQ5の一端(ソース)とダイオードD5のアノードに接続されている。ダイオードD4のアノードとスイッチQ4の他端(ソース)とダイオードD3のアノードとスイッチQ3の他端(ソース)とは、平滑コンデンサCoの他端及びコンデンサC5の一端に接続されている。ダイオードD5のカソードとスイッチQ5の他端(ドレイン)とはコンデンサC5の他端に接続されている。3次巻線5cの他端(●側)は、スイッチQ5のゲートに接続されている。これらの素子(Q3,Q4,D3,D4)により同期整流回路を構成している。 The connection point between the other end (● side) of the feedback winding 5d of the transformer T2 and one end of the tertiary winding 5c is one end (drain) of the switch Q3, the gate of the switch Q4, the cathode of the diode D3, and the third switch. Are connected to one end (source) of a switch Q5 made of a MOSFET and the anode of a diode D5. The anode of the diode D4, the other end (source) of the switch Q4, the anode of the diode D3, and the other end (source) of the switch Q3 are connected to the other end of the smoothing capacitor Co and one end of the capacitor C5. The cathode of the diode D5 and the other end (drain) of the switch Q5 are connected to the other end of the capacitor C5. The other end (● side) of the tertiary winding 5c is connected to the gate of the switch Q5. These elements (Q3, Q4, D3, D4) constitute a synchronous rectifier circuit.
ダイオードD6は、2次巻線5bとダイオードD4のカソードとの接続点と、ダイオードD5のカソードとコンデンサC5との接続点との間に接続されている。このダイオードD6は、ダイオードD4のリカバリ時におけるスパイク電圧によるエネルギーをコンデンサC5に吸収することでスパイク電圧を抑制するために設けられている。即ち、ダイオードD4のリカバリ時にはD3→5d→D4→D3とリカバリ電流が流れるが、D3→5d→D6→C5→D3と電流を流すことでダイオードD4のリカバリ時のスパイク電圧を抑制する。
The diode D6 is connected between a connection point between the secondary winding 5b and the cathode of the diode D4 and a connection point between the cathode of the diode D5 and the capacitor C5. The diode D6 is provided in order to suppress the spike voltage by absorbing energy due to the spike voltage at the time of recovery of the diode D4 to the capacitor C5. That is, during the recovery of the diode D4, a recovery current flows in the order of
制御回路10aは、スイッチQ1とスイッチQ2とを交互にオン/オフ制御し、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1に印加されるパルスのオン幅を狭くし、スイッチQ2に印加されるパルスのオン幅を広くするように制御する。すなわち、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1のパルスのオン幅を狭くすることで、出力電圧を一定電圧に制御するようになっている。
The
また、制御回路10aは、スイッチQ1をターンオンするときに、スイッチQ1の電圧がスイッチQ1と並列に接続されたコンデンサC1とトランスT2の1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンス(図示せず)との共振によりゼロ電圧となった時から所定期間中にスイッチQ1をオンさせる。
Further, when the
(トランスの構成)
トランスT2の構成例を図2に示す。図2に示すトランスT2は、日の字型のコア30を有し、コア30のコア部30aには、1次巻線5aと帰還巻線5d及び3次巻線5cとが近接して巻回されている。これにより、1次巻線5aと帰還巻線5d及び3次巻線5c間にわずかなリーケージインダクタンスを持たせている。また、コア30にはパスコア30cとギャップ31が形成され、外周コアには2次巻線5bが巻回されている。即ち、パスコア30cにより、1次巻線5aと2次巻線5bを疎結合させることにより、リーケージインダクタンスを大きくしている。
(Transformer configuration)
A configuration example of the transformer T2 is shown in FIG. The transformer T2 shown in FIG. 2 has a Japanese character-shaped
また、外周コア上で且つ1次巻線5aと2次巻線5bとの間に、凹部30bが2箇所形成されている。この凹部30bにより、外周コアの磁路の一部の断面積が他の部分よりも狭くなり、その部分のみが飽和するので、コア損失を低減できる。また、この飽和する部分を可飽和リアクトルSL1として兼用している。
In addition, two
次に、このように構成された実施例1の直流変換装置の動作を図3に示す軽負荷時のタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図3において、Q1vはスイッチQ1のドレイン−ソース間電圧、Q1iはスイッチQ1のドレイン電流、Q3iはスイッチQ3のドレイン電流、Q4iはスイッチQ4のドレイン電流、Q5iはスイッチQ5のドレイン電流、Q3vはスイッチQ3のドレイン−ソース間電圧、Q1gはスイッチQ1のゲート電圧信号を示している。まず、重負荷時の動作を説明する。
Next, the operation of the direct-current converter according to
まず、スイッチQ2がターンオフすると、トランスT2の1次及び2次巻線間のリーケージインダクタンスとコンデンサC1とにより共振し、スイッチQ1の電圧Q1vが低下していく。そして、スイッチQ1の電圧Q1vがゼロ電圧でスイッチQ1をオンすると、スイッチQ1のゼロ電圧スイッチが実現される。 First, when the switch Q2 is turned off, resonance occurs due to the leakage inductance between the primary and secondary windings of the transformer T2 and the capacitor C1, and the voltage Q1v of the switch Q1 decreases. When the voltage Q1v of the switch Q1 is zero and the switch Q1 is turned on, a zero voltage switch of the switch Q1 is realized.
次に、スイッチQ1がオンすると、Vdc1→5a→Q1→Vdc1と電流Q1iが流れる。この電流Q1iは時間とともに直線的に増加していく。
Next, when the switch Q1 is turned on,
このとき、トランスT2の2次巻線5b及び帰還巻線5dにも電圧が発生するため、スイッチQ4がオンし、5b→Co→Q4→5bと電流Q4iが流れて、負荷RLに電力が供給される。電流Q4iは時間とともに直線的に増加していく。また、1次巻線5aと2次巻線5bとは、疎結合されているので、1次及び2次巻線間に大きなリーケージインダクタンスLr(図示せず)を有する。このため、リーケージインダクタンスLrには、Lr(Ir)2/2のエネルギーが蓄えられる。IrはリーケージインダクタンスLrに流れる電流である。 At this time, since the voltage is also generated in the secondary winding 5b and the feedback winding 5d of the transformer T2, the switch Q4 is turned on, the current Q4i flows through 5b → Co → Q4 → 5b, and power is supplied to the load RL. Is done. The current Q4i increases linearly with time. In addition, since the primary winding 5a and the secondary winding 5b are loosely coupled, a large leakage inductance Lr (not shown) is provided between the primary and secondary windings. Therefore, the leakage inductance Lr, Lr (Ir) 2/ 2 of energy is stored. Ir is a current flowing through the leakage inductance Lr.
次に、スイッチQ1がターンオフすると、1次巻線5aに蓄えられた励磁エネルギーにより電流が流れてコンデンサC1が充電される。このとき、トランスT2の1次及び2次巻線間のリーケージインダクタンスとコンデンサC1とにより共振し、スイッチQ1の電圧Q1vが上昇する。 Next, when the switch Q1 is turned off, a current flows due to the excitation energy stored in the primary winding 5a, and the capacitor C1 is charged. At this time, resonance occurs due to the leakage inductance between the primary and secondary windings of the transformer T2 and the capacitor C1, and the voltage Q1v of the switch Q1 increases.
そして、スイッチQ1の電位がクランプコンデンサC2の電位と同電位となったとき、ダイオードD2が導通して、クランプコンデンサC2が充電されていく。このとき、スイッチQ2をオンさせることによりスイッチQ2は、ゼロ電圧スイッチとなる。 When the potential of the switch Q1 becomes the same as the potential of the clamp capacitor C2, the diode D2 is turned on and the clamp capacitor C2 is charged. At this time, by turning on the switch Q2, the switch Q2 becomes a zero voltage switch.
スイッチQ2がオンすると、トランスT2の2次巻線5b及び帰還巻線5dの電圧は、逆電圧となるため、スイッチQ4はオフとなり、スイッチQ3がオンとなる。帰還巻線5dに電圧が発生し、リーケージインダクタンスLrに蓄えられたエネルギーにより、5d→5b→Co→Q3→5dと電流Q3iが流れ、エネルギーが平滑コンデンサCoに帰還されて、引き続き負荷RLに電力が供給される。 When the switch Q2 is turned on, the voltages of the secondary winding 5b and the feedback winding 5d of the transformer T2 are reversed, so that the switch Q4 is turned off and the switch Q3 is turned on. A voltage is generated in the feedback winding 5d, and the current Q3i flows as 5d → 5b → Co → Q3 → 5d due to the energy stored in the leakage inductance Lr. Is supplied.
この状態で、スイッチQ1がオンすると、2次巻線5b及び帰還巻線5dの電圧は再度逆転して、スイッチQ3がオフし、スイッチQ4がオンとなり、同様に動作する。この状態では、リーケージインダクタンスLrに流れる電流(2次巻線5bに流れる電流と同じ)は、連続的に同方向に流れるため、連続モードと呼ぶ。 In this state, when the switch Q1 is turned on, the voltages of the secondary winding 5b and the feedback winding 5d are reversed again, the switch Q3 is turned off, the switch Q4 is turned on, and the same operation is performed. In this state, the current flowing in the leakage inductance Lr (same as the current flowing in the secondary winding 5b) continuously flows in the same direction, and is therefore referred to as a continuous mode.
一方、負荷電流が減少した場合(軽負荷時)には、スイッチQ1がオフした時(例えば時刻t2)のリーケージインダクタンスLrの電流は、スイッチQ1のオフ期間中にゼロとなるが、引き続きスイッチQ3がオン状態である。このため、平滑コンデンサCoに蓄積された電荷が放電し、Co→5b→5d→Q3→Coと電流が流れて、リーケージインダクタンスLrにエネルギーが蓄えられる。
次に、時刻t3(時刻t1も同じ)において、スイッチQ1がオンすると、トランスT2の帰還巻線5dの一端(●側)の電圧がスイッチQ4のゲートに印加されてスイッチQ4がオンする。また、スイッチQ3がオフする。このため、リーケージインダクタンスLrに蓄えられたエネルギーは、ダイオードD5を介してコンデンサC5に蓄えられる。即ち、ダイオードD5がオンして、エネルギーがコンデンサC5に蓄えられるため、スパイク電圧は、吸収される。
On the other hand, when the load current decreases (when the load is light), the current of the leakage inductance Lr when the switch Q1 is turned off (for example, at time t 2 ) becomes zero during the off period of the switch Q1. Q3 is on. For this reason, the electric charge accumulated in the smoothing capacitor Co is discharged, current flows through
Next, at time t 3 (time t 1 is also the same), the switch Q1 is turned on, the switch Q4 voltage is applied to the gate of the switch Q4 end (● side) of the feedback winding 5d of the transformer T2 is turned on . Further, the switch Q3 is turned off. For this reason, the energy stored in the leakage inductance Lr is stored in the capacitor C5 via the diode D5. That is, since the diode D5 is turned on and energy is stored in the capacitor C5, the spike voltage is absorbed.
また、トランスT2の3次巻線5cの一端(●側)には電圧が発生するため、この電圧がスイッチQ5のゲートに印加されてスイッチQ5がオンする。 Further, since a voltage is generated at one end (● side) of the tertiary winding 5c of the transformer T2, this voltage is applied to the gate of the switch Q5 and the switch Q5 is turned on.
このため、C5→Q5→5d→Q4→C5と電流が流れるため、コンデンサC5に蓄えられたエネルギーは帰還巻線5d及び1次巻線5aを介して、1次側の直流電源Vdc1に帰還される。
For this reason, since current flows from C5
図3に示すように、スイッチQ3の電圧Q3vは、クランプされてスパイク電圧は発生しない。このため、スイッチQ3の耐圧を低くすることができる。従って、オン抵抗の低い素子が使用できることにより、さらに損失を低減することができる。 As shown in FIG. 3, the voltage Q3v of the switch Q3 is clamped and no spike voltage is generated. For this reason, the breakdown voltage of the switch Q3 can be lowered. Therefore, the loss can be further reduced by using an element having a low on-resistance.
このように実施例1の直流変換装置によれば、軽負荷時に電流の逆流によりトランスT2の1次及び2次巻線間のリーケージインダクタンスLrに蓄えられるエネルギーをダイオードD5を介してコンデンサC5に蓄え、スイッチQ1のオンに同期してオンするスイッチQ5によりエネルギーをトランスT2の帰還巻線5dを介して損失なく1次側に帰還させることによりスパイク電圧を除去することができる。これにより、整流素子の耐圧が減少し、低耐圧の素子の使用により、オン抵抗を減少できる。また、スパイク電圧防止用のC−Rアブソーバも除去できるため、回路を簡単化できる。 As described above, according to the DC converter of the first embodiment, the energy stored in the leakage inductance Lr between the primary and secondary windings of the transformer T2 due to the backflow of current at the time of light load is stored in the capacitor C5 via the diode D5. The spike voltage can be removed by returning energy to the primary side without loss through the feedback winding 5d of the transformer T2 by the switch Q5 that is turned on in synchronization with the switch Q1 being turned on. Thereby, the withstand voltage of the rectifying element is reduced, and the on-resistance can be reduced by using a low withstand voltage element. In addition, since the CR absorber for preventing spike voltage can be removed, the circuit can be simplified.
図4は実施例2の直流変換装置の回路構成図である。図4に示す実施例2の直流変換装置は、図1に示す実施例1の直流変換装置に対して、さらに、トランスT2の3次巻線5cの一端とスイッチQ5のゲートとの間に、オン時間設定手段としての波形整形回路11を設けたことを特徴とする。
FIG. 4 is a circuit configuration diagram of the DC converter according to the second embodiment. The direct-current converter according to the second embodiment shown in FIG. 4 is further different from the direct-current converter according to the first embodiment shown in FIG. 1 between one end of the tertiary winding 5c of the transformer T2 and the gate of the switch Q5. A
図4に示すその他の構成は、図1に示す構成と同一であり、同一部分には同一符号を付し、その詳細は省略する。 The other configuration shown in FIG. 4 is the same as the configuration shown in FIG. 1, and the same reference numerals are given to the same parts, and the details thereof are omitted.
波形整形回路11は、トランスT2の3次巻線5cに発生する電圧の波形を整形して、スイッチQ5のゲートへのドライブ電圧をスイッチQ1のオン時間より短く設定する。図5に波形整形回路11の一例を示す。この波形整形回路11は、一端が3次巻線5cに接続され他端がスイッチQ5のゲートに接続された抵抗RTと、この抵抗RTの他端と接地との間に接続されたコンデンサCTとの時定数回路からなる。
The
この抵抗RTとコンデンサCTとの時定数回路は、図6に示すように、入力された3次巻線5cの矩形電圧波形Vn3に対して、コンデンサCTの両端電圧VCTの波形を直線的に上昇させ、この電圧をスイッチQ5のゲートに印加することにより、スイッチQ5のゲートのスレッショルド電圧VTH以上の部分のみスイッチQ5をオンさせる。即ち、スイッチQ5のオン時間をスイッチQ1のオン時間より短く設定しているので、重負荷時のスイッチQ5の電流を減少させることができる。 As shown in FIG. 6, the time constant circuit of the resistor RT and the capacitor CT has a linear waveform of the voltage V CT across the capacitor CT with respect to the input rectangular voltage waveform V n3 of the tertiary winding 5c. It is raised, by applying the voltage to the gate of the switch Q5, thereby turning on the switch Q5 only the threshold voltage V TH or more portions of the gate of the switch Q5. That is, since the on-time of the switch Q5 is set shorter than the on-time of the switch Q1, the current of the switch Q5 under heavy load can be reduced.
図7は波形整形回路11が無しの場合における直流変換装置の重負荷時の各部における信号のタイミングチャートである。図8は波形整形回路11が有りの場合における直流変換装置の重負荷時の各部における信号のタイミングチャートである。図7と図8とを比較すると、重負荷時におけるスイッチQ5の電流が大幅に減少していることがわかる。
FIG. 7 is a timing chart of signals in the respective portions when the DC converter is heavy loaded when the
また、実施例1のように、スイッチQ1のオン時間と同一時間だけ、スイッチQ5をオンさせた場合には、コンデンサC5とトランスT2の1次巻線5a及び帰還巻線5d間のリーケージインダクタンスで共振回路を構成し、共振電流が流れる。実施例2では、スイッチQ5のオン時間を短くすることにより、共振回路が遮断されるので、共振電流を減少することができる。 Further, as in the first embodiment, when the switch Q5 is turned on only for the same time as the on time of the switch Q1, the leakage inductance between the capacitor C5 and the primary winding 5a and the feedback winding 5d of the transformer T2 is used. A resonant circuit is formed, and a resonant current flows. In the second embodiment, the resonance circuit is cut off by shortening the ON time of the switch Q5, so that the resonance current can be reduced.
図9は実施例3の直流変換装置の回路構成図である。図9に示す実施例3の直流変換装置は、図1に示す実施例1の直流変換装置に対して、コンデンサC5の接続を変更した点が異なる。即ち、実施例1ではコンデンサC5の一端を平滑コンデンサCoの他端に接続していたが、実施例3ではコンデンサC5の一端を平滑コンデンサCoの一端に接続している点が異なる。 FIG. 9 is a circuit configuration diagram of the DC converter according to the third embodiment. The direct current converter of the third embodiment shown in FIG. 9 is different from the direct current converter of the first embodiment shown in FIG. 1 in that the connection of the capacitor C5 is changed. That is, one end of the capacitor C5 is connected to the other end of the smoothing capacitor Co in the first embodiment, but the third embodiment is different in that one end of the capacitor C5 is connected to one end of the smoothing capacitor Co.
このような実施例3の直流変換装置であっても、実施例1の直流変換装置と同様に動作するので、ここでは、その詳細な説明は省略する。 Even such a DC converter according to the third embodiment operates in the same manner as the DC converter according to the first embodiment, and therefore, detailed description thereof is omitted here.
なお、図9に示す実施例3の直流変換装置の構成に対して、さらに、図4に示すような波形整形回路11をトランスT2の3次巻線5cの一端とスイッチQ5のゲートとの間に設けてもよい。これにより、実施例2の効果と同様な効果が得られる。
In addition to the configuration of the DC conversion apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 9, a
また、実施例1乃至3では、スイッチQ3,Q4,Q5の駆動信号は、自励式で2次巻線5bと帰還巻線5dと3次巻線5cとの電圧により生成していたが、例えば、制御回路10aがスイッチQ3,Q4,Q5を駆動するための駆動信号を生成する他励式でも同様に動作することができる。
In the first to third embodiments, the drive signals for the switches Q3, Q4, and Q5 are self-excited and generated by the voltages of the secondary winding 5b, the feedback winding 5d, and the tertiary winding 5c. The
本発明は、DC−DCコンバータ、AC−DCコンバータ等のスイッチング電源装置に適用可能である。 The present invention is applicable to switching power supply devices such as a DC-DC converter and an AC-DC converter.
Vdc1 直流電源
10,10a 制御回路
Q1〜Q5 スイッチ
RL 負荷
R1,R2,RT 抵抗
Lo 平滑リアクトル
Co 平滑コンデンサ
C1,C2,C5,CT コンデンサ
T1,T2 トランス
SL1 可飽和リアクトル
5a 1次巻線(n1)
5b 2次巻線(n2)
5c 3次巻線(n3)
5d 帰還巻線(n4)
D1〜D6 ダイオード
11 波形整形回路
30 コア
30a コア部
30b 凹部
30c パスコア
31 ギャップ
Vdc1
R1, R2, RT Resistance Lo Smoothing reactor Co Smoothing capacitor C1, C2, C5, CT Capacitor T1, T2 Transformer
5b Secondary winding (n2)
5c Tertiary winding (n3)
5d Feedback winding (n4)
D1 to
Claims (5)
前記トランスの1次巻線の両端又は前記第1スイッチの両端に接続され、第2スイッチとクランプコンデンサとが直列に接続された直列回路と、
前記トランスの1次巻線と疎結合された2次巻線に発生する高周波電圧を同期整流する同期整流回路と、
この同期整流回路の整流出力を平滑する平滑コンデンサと、
前記トランスの1次巻線と密結合され且つ前記2次巻線に直列に接続され、前記1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられたエネルギーを前記第1スイッチがオフ時に前記平滑コンデンサに帰還する前記トランスの帰還巻線と、
軽負荷時に前記リーケージインダクタンスに逆流する電流により蓄えられたエネルギーをダイオードを介して蓄えるコンデンサと、
前記第1スイッチと同期してオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスの帰還巻線を介して1次側に帰還させる第3スイッチと、
前記第1スイッチと前記第2スイッチとを交互にオン/オフさせる制御回路と、
を有することを特徴とする直流変換装置。 A first switch that converts a DC voltage of a DC power source into a high-frequency voltage by turning it on / off via a primary winding of a transformer;
A series circuit connected to both ends of the primary winding of the transformer or both ends of the first switch, and a second switch and a clamp capacitor connected in series;
A synchronous rectifier circuit for synchronously rectifying a high-frequency voltage generated in a secondary winding loosely coupled to the primary winding of the transformer;
A smoothing capacitor that smoothes the rectified output of the synchronous rectifier circuit;
When the first switch is turned off, the energy stored in the leakage inductance between the primary winding and the secondary winding is tightly coupled to the primary winding of the transformer and connected in series to the secondary winding. A feedback winding of the transformer that feeds back to the smoothing capacitor;
A capacitor for storing the energy stored by the current flowing back to the leakage inductance at a light load via a diode;
A third switch that is turned on in synchronization with the first switch and returns the energy stored in the capacitor to the primary side via a feedback winding of the transformer;
A control circuit for alternately turning on and off the first switch and the second switch;
A DC converter characterized by comprising:
前記第3スイッチは、前記第1スイッチがオンした時に前記トランスの3次巻線に発生する電圧によりオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスの帰還巻線を介して1次側に帰還させることを特徴とする請求項1記載の直流変換装置。 Having a tertiary winding of the transformer connected in series with a feedback winding of the transformer;
The third switch is turned on by a voltage generated in the tertiary winding of the transformer when the first switch is turned on, and the energy stored in the capacitor is transferred to the primary side through the feedback winding of the transformer. The DC converter according to claim 1, wherein the DC converter is fed back.
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