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JP2020137320A - Step-down converter - Google Patents

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JP2020137320A
JP2020137320A JP2019030140A JP2019030140A JP2020137320A JP 2020137320 A JP2020137320 A JP 2020137320A JP 2019030140 A JP2019030140 A JP 2019030140A JP 2019030140 A JP2019030140 A JP 2019030140A JP 2020137320 A JP2020137320 A JP 2020137320A
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JP
Japan
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coil
switching element
reference potential
current
input
Prior art date
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Pending
Application number
JP2019030140A
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Japanese (ja)
Inventor
羽田 正二
Shoji Haneda
正二 羽田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
NTN Corp
Original Assignee
NTN Corp
NTN Toyo Bearing Co Ltd
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Publication date
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Abstract

To provide a non-insulated step-down converter of a tapped inductor system, in which a magnetic saturation is hardly generated, and a residual flux hardly remains.SOLUTION: A step-down converter is provided in which an input voltage is input to between a reference potential end and an input end, and an output voltage is input to between the reference potential end and an output end, the step-down converter includes: a first switching element in which one end is connected to the input end of the step-down converter; a second switching element in which one end is connected to the input end of step-down converter; and a transformer arranged between the other end of the first switching element and the other end of the second switching element. The transformer includes: a central tap connected to the output end; and a first coil and a second coil connected in the central tap. The first coil has a first intermediate tap, and the second coil has a second intermediate tap, and a first rectification element connected to the first intermediate tap and the reference potential end and a second rectification element connected to the second intermediate tap and the reference potential end.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、DC/DCコンバータに関し、特に非絶縁型の降圧コンバータに関する。 The present invention relates to a DC / DC converter, particularly a non-isolated buck converter.

非絶縁型の降圧コンバータにおいて、リアクトルに中間タップを設け、転流ダイオードを中間タップに接続することにより、トランス作用を利用するタップドインダクタ方式のコンバータが知られている(特許文献1、2等)。タップドインダクタ方式を採用することにより、所望する入出力電圧比及び/又は出力電流の範囲に対してデューティ比を適切な範囲に設定することが可能となる。その効果の一つとして、スイッチング素子の急峻なスイッチングを必要とする極端に小さいデューティ比での動作を回避することができる。また、大電流が想定される降圧コンバータにおいてタップドインダクタ方式を採用することにより、スイッチング素子に流れる電流量を低減し、スイッチング素子の負担を軽減できる。 In a non-isolated buck converter, a tapped inductor type converter that utilizes a trans-acting action by providing an intermediate tap in the reactor and connecting a commutation diode to the intermediate tap is known (Patent Documents 1, 2, etc.). ). By adopting the tapped inductor method, it is possible to set the duty ratio in an appropriate range with respect to a desired input / output voltage ratio and / or output current range. As one of the effects, it is possible to avoid the operation at an extremely small duty ratio which requires steep switching of the switching element. Further, by adopting the tapped inductor method in the step-down converter in which a large current is expected, the amount of current flowing through the switching element can be reduced and the load on the switching element can be reduced.

特開2008−248974号公報JP-A-2008-248974 特許第6380623号明細書Patent No. 6380623

通常のタップドインダクタ方式のコンバータでは、トランスのインダクタンスを大きくし、中間タップにおいて大電流を出力できるように構成されている。しかしながら、磁気飽和を生じ易くなったり、残留磁束による逆起電圧も大きくなったりするなどの問題があった。 In a normal tapped inductor type converter, the inductance of the transformer is increased so that a large current can be output at the intermediate tap. However, there are problems that magnetic saturation is likely to occur and the counter electromotive voltage due to the residual magnetic flux is also increased.

本発明の目的は、磁気飽和を生じ難くかつ残留磁束が残り難い、タップドインダクタ方式の非絶縁型の降圧コンバータを提供することである。 An object of the present invention is to provide a tapped inductor type non-insulated step-down converter in which magnetic saturation is unlikely to occur and residual magnetic flux is unlikely to remain.

上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明の態様は、基準電位端と入力端との間に入力電圧が入力され、前記基準電位端と出力端との間に出力電圧が出力される降圧コンバータにおいて、
前記入力端に一端が接続された第1のスイッチング素子と、
前記入力端に一端が接続された第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子の他端と前記第2のスイッチング素子の他端の間に配置されたトランスとを有し、
前記トランスが、前記出力端に接続された中央タップと、前記中央タップにて接続された第1のコイルと第2のコイルとを有し、前記第1のコイルが第1の中間タップを具備すると共に前記第2のコイルが第2の中間タップを具備し、かつ、
前記第1の中間タップと前記基準電位端との間に接続された第1の整流要素と、前記第2の中間タップと前記基準電位端との間に接続された第2の整流要素とを有することを特徴とする。
・ 上記態様において、前記第1のコイルと前記第2のコイルは、互いに疎結合でありかつ前記中央タップに関して対称的に構成されていることが、好適である。
・ 上記態様において、前記第1のコイルは、前記第1の中間タップにて接続され互いに密結合である第1の部分コイルと第2の部分コイルとからなり、
前記第2のコイルは、前記第2の中間タップにて接続され互いに密結合である第3の部分コイルと第4の部分コイルとからなることが、好適である。
・ 上記態様において、前記第1の部分コイルと前記第2の部分コイルとの巻き数比は、前記第3の部分コイルと前記第4の部分コイルとの巻き数比と同じであることが、好適である。
・ 上記態様において、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子が、同じデューティ比で位相が180°異なる制御信号によりそれぞれオンオフ制御されることが、好適である。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations.
An aspect of the present invention is in a buck converter in which an input voltage is input between a reference potential end and an input end and an output voltage is output between the reference potential end and the output end.
A first switching element whose one end is connected to the input end,
A second switching element whose one end is connected to the input end,
It has a transformer arranged between the other end of the first switching element and the other end of the second switching element.
The transformer has a central tap connected to the output end, a first coil and a second coil connected by the central tap, and the first coil includes a first intermediate tap. And the second coil is provided with a second intermediate tap and
A first rectifying element connected between the first intermediate tap and the reference potential end, and a second rectifying element connected between the second intermediate tap and the reference potential end. It is characterized by having.
-In the above embodiment, it is preferable that the first coil and the second coil are loosely coupled to each other and are symmetrically configured with respect to the central tap.
-In the above embodiment, the first coil is composed of a first partial coil and a second partial coil that are connected by the first intermediate tap and are tightly coupled to each other.
It is preferable that the second coil is composed of a third partial coil and a fourth partial coil that are connected by the second intermediate tap and are tightly coupled to each other.
-In the above embodiment, the turns ratio of the first partial coil to the second partial coil is the same as the turns ratio of the third partial coil to the fourth partial coil. It is suitable.
In the above aspect, it is preferable that the first switching element and the second switching element are on / off controlled by control signals having the same duty ratio but different phases by 180 °.

本発明により、磁気飽和を生じ難く、残留磁束が残り難いタップドインダクタ方式の非絶縁型の降圧コンバータが実現される。 INDUSTRIAL APPLICABILITY According to the present invention, a tapped inductor type non-insulated buck converter that is less likely to cause magnetic saturation and less likely to leave residual magnetic flux is realized.

図1は、本発明のタップドインダクタ方式の降圧コンバータの回路例を概略的に示した図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a circuit example of a tapped inductor type step-down converter of the present invention. 図2(a)(b)は、図1の回路におけるモードI及びモードII の電流の流れを概略的に示す図である。2 (a) and 2 (b) are diagrams schematically showing the current flows of modes I and II in the circuit of FIG. 図2(a)(b)は、図1の回路におけるモードIII及びモードIV の電流の流れを概略的に示す図である。2 (a) and 2 (b) are diagrams schematically showing the current flow of mode III and mode IV in the circuit of FIG. 図4は、図2及び図3に示した電流の波形例を概略的に示したタイミング図である。FIG. 4 is a timing diagram schematically showing a waveform example of the current shown in FIGS. 2 and 3.

以下、図面を参照して本発明によるタップドインダクタ方式の非絶縁型の降圧コンバータの実施形態を説明する。以下では、例えば直流300Vを直流12Vに降圧するような入出力電圧比の比較的大きい降圧コンバータを想定して説明する。しかしながら、本発明の適用対象はこのような場合に限定されない。 Hereinafter, embodiments of a tapped inductor type non-insulated buck converter according to the present invention will be described with reference to the drawings. In the following, for example, a buck converter having a relatively large input / output voltage ratio that steps down 300 V DC to 12 V DC will be described. However, the scope of application of the present invention is not limited to such cases.

(1)回路構成
図1は、本発明のタップドインダクタ方式の降圧コンバータの回路例を概略的に示した図である。
(1) Circuit Configuration FIG. 1 is a diagram schematically showing a circuit example of the tapped inductor type step-down converter of the present invention.

図1の降圧コンバータは、直流電力を変換する電力変換回路である。入力端1と基準電位端3の間に直流の入力電圧が入力され、出力端2と基準電位端3の間に直流の出力電圧が出力される。基準電位端3は入力側と出力側で共通する。 The buck converter of FIG. 1 is a power conversion circuit that converts DC power. A DC input voltage is input between the input terminal 1 and the reference potential end 3, and a DC output voltage is output between the output terminal 2 and the reference potential end 3. The reference potential end 3 is common to the input side and the output side.

この例では、基準電位端3が、入力端1及び出力端2に対して高電位である。基準電位端3を接地電位とすると、入力端1及び出力端2はいずれも負の電位となる。入力電圧が高電圧、出力電圧が低電圧である。 In this example, the reference potential end 3 has a high potential with respect to the input end 1 and the output end 2. Assuming that the reference potential end 3 is the ground potential, both the input end 1 and the output end 2 have negative potentials. The input voltage is high voltage and the output voltage is low voltage.

別の例として、入力端1及び出力端2を正の電位とする回路構成とすることもできる。 As another example, a circuit configuration in which the input end 1 and the output end 2 have positive potentials can be used.

出力端2と基準電位端3の間に負荷5が接続される。負荷5には、出力電圧が印加され、出力電流が流れる。 A load 5 is connected between the output end 2 and the reference potential end 3. An output voltage is applied to the load 5, and an output current flows.

第1のスイッチング素子S1及び第2のスイッチング素子S2が設けられている。各スイッチング素子S1、S2は、電流路と制御端を有し、制御端に印加される制御信号により電流路を導通又は遮断される。各スイッチング素子S1、S2の電流路の一端は、それぞれ入力端1に接続されている。スイッチング素子S1の電流路の他端と、スイッチング素子S2の電流路の他端との間には、トランスTRが配置されている。 A first switching element S1 and a second switching element S2 are provided. Each of the switching elements S1 and S2 has a current path and a control end, and the current path is conducted or cut off by a control signal applied to the control end. One end of the current path of each of the switching elements S1 and S2 is connected to the input end 1, respectively. A transformer TR is arranged between the other end of the current path of the switching element S1 and the other end of the current path of the switching element S2.

スイッチング素子S1、S2は、ここでは一例としてnチャネルMOSFETである。各FETのソースが入力端1に接続されている。一方のFETのドレインにトランスTRのコイルの一端が接続され、他方のFETのドレインにトランスTRのコイルの他端が接続されている。FETに替えて、バイポーラトランジスタ又はIGBTとすることもできる。 The switching elements S1 and S2 are n-channel MOSFETs as an example here. The source of each FET is connected to the input end 1. One end of the coil of the transformer TR is connected to the drain of one FET, and the other end of the coil of the transformer TR is connected to the drain of the other FET. A bipolar transistor or an IGBT can be used instead of the FET.

各FETのゲートには、例えばPWM信号による制御電圧v1、v2がそれぞれ印加される。PWM信号は、所定のデューティ比を有する。PWM信号は、例えばPWMIC等を含む制御部(図示せず)により生成される。制御部は、例えば入力電圧、出力電圧及び/又は出力電流等を検知し、それらに応じてPWM信号のデューティ比を制御する。 For example, control voltages v1 and v2 by PWM signals are applied to the gate of each FET. The PWM signal has a predetermined duty ratio. The PWM signal is generated by a control unit (not shown) including, for example, a PWM IC or the like. The control unit detects, for example, an input voltage, an output voltage and / or an output current, and controls the duty ratio of the PWM signal according to them.

トランスTRは、磁性体コアに巻かれたコイルを有する。コイルの途中には3つのタップが設けられている。 The transformer TR has a coil wound around a magnetic core. Three taps are provided in the middle of the coil.

中央タップTcは、出力端2に接続されている。トランスTRのコイルは、中央タップTcにて接続された第1コイルN1と第2コイルN2とからなる。第1コイルN1と第2コイルN2は、中央タップTcに関して対称的に、より具体的には鏡像対称的に構成されている。好適には第1コイルN1と第2コイルN2は疎結合である。 The center tap Tc is connected to the output end 2. The coil of the transformer TR includes a first coil N1 and a second coil N2 connected by a central tap Tc. The first coil N1 and the second coil N2 are configured symmetrically with respect to the central tap Tc, and more specifically, mirror image symmetrically. Preferably, the first coil N1 and the second coil N2 are loosely coupled.

さらに、第1コイルN1は中間タップT1を有し、中間タップT1にて第1の部分コイルn1と第2の部分コイルn2とが接続されている。好適には部分コイルn1と部分コイルn2は密結合である。同様に、第2のコイルN1は中間タップT2を有し、中間タップT2にて第3の部分コイルn3と第4の部分コイルn4とが接続されている。好適には部分コイルn3と部分コイルn4は密結合である。 Further, the first coil N1 has an intermediate tap T1, and the first partial coil n1 and the second partial coil n2 are connected by the intermediate tap T1. Preferably, the partial coil n1 and the partial coil n2 are tightly coupled. Similarly, the second coil N1 has an intermediate tap T2, and the third partial coil n3 and the fourth partial coil n4 are connected by the intermediate tap T2. Preferably, the partial coil n3 and the partial coil n4 are tightly coupled.

2つのコイルを互いに疎結合とするには、例えば2つのコイルを離間して配置することで一方のコイルに生じる磁束の全てが他方のコイルを通過することなく、一部が漏れ磁束となるようにする。また、2つのコイルを互いに密結合とするには、例えば2つのコイルを密接して配置することで一方のコイルに生じる磁束の全てが他方のコイルを通過するようにする。 To make the two coils loosely coupled to each other, for example, by arranging the two coils apart from each other, all the magnetic flux generated in one coil does not pass through the other coil, and a part of the magnetic flux becomes leakage flux. To. Further, in order to tightly couple the two coils to each other, for example, by arranging the two coils in close contact with each other, all the magnetic flux generated in one coil passes through the other coil.

第1コイルN1と第2コイルN2は中央タップTcに関して対称的であるので、第1コイルN1と第2コイルN2は、巻数が同じであり、かつ、部分コイルn1と部分コイルn2の巻数比と、部分コイルn3と部分コイルn4の巻数比とが同じである。すなわち、部分コイルn1と部分コイルn3は巻数が同じであり、そして部分コイルn2と部分コイルn4は巻数が同じである。 Since the first coil N1 and the second coil N2 are symmetrical with respect to the central tap Tc, the first coil N1 and the second coil N2 have the same number of turns, and the turns ratio of the partial coil n1 and the partial coil n2 , The turns ratio of the partial coil n3 and the partial coil n4 is the same. That is, the partial coil n1 and the partial coil n3 have the same number of turns, and the partial coil n2 and the partial coil n4 have the same number of turns.

さらに、第1の整流要素D1が中間タップT1と基準電位端3との間に接続され、第2の整流要素D2が中間タップT2と基準電位端3との間に接続されている。整流要素D1、D2は、ここではダイオードである。ダイオードD1は、アノードが中間タップT1に、カソードが基準電位端3に接続されている。ダイオードD2は、アノードが中間タップT2に、カソードが基準電位端3に接続されている。 Further, the first rectifying element D1 is connected between the intermediate tap T1 and the reference potential end 3, and the second rectifying element D2 is connected between the intermediate tap T2 and the reference potential end 3. The rectifying elements D1 and D2 are diodes here. In the diode D1, the anode is connected to the intermediate tap T1 and the cathode is connected to the reference potential end 3. In the diode D2, the anode is connected to the intermediate tap T2 and the cathode is connected to the reference potential end 3.

整流要素D1、D2は、ダイオードに限らず、同じ機能を有する素子又は回路で置き換えることもできる。 The rectifying elements D1 and D2 are not limited to diodes, and may be replaced with elements or circuits having the same function.

さらに、入力端1と基準電位端3の間に平滑コンデンサ1が接続され、出力端2と基準電位端3の間に平滑コンデンサ2が接続されている。 Further, a smoothing capacitor 1 is connected between the input end 1 and the reference potential end 3, and a smoothing capacitor 2 is connected between the output end 2 and the reference potential end 3.

(2)回路動作
図2〜図4を参照して、図1に示した回路の動作を説明する。図2(a)(b)は、図1の回路におけるモードI及びモードII の電流の流れを概略的に示す図である。図3(a)(b)は、図1の回路におけるモードIII及びモードIV の電流の流れを概略的に示す図である。図4は、図2及び図3に示した電流の波形例を概略的に示したタイミング図である。
(2) Circuit operation The operation of the circuit shown in FIG. 1 will be described with reference to FIGS. 2 to 4. 2 (a) and 2 (b) are diagrams schematically showing the current flows of modes I and II in the circuit of FIG. 3 (a) and 3 (b) are diagrams schematically showing the current flow of mode III and mode IV in the circuit of FIG. FIG. 4 is a timing diagram schematically showing an example of the waveform of the current shown in FIGS. 2 and 3.

図4(a)(b)は、スイッチング素子S1、S2の制御電圧v1、v2の一周期の波形を模式的に示している。制御電圧v1、v2は、同じデューティ比を有し、位相が互いに180°異なるPWM信号である。スイッチング素子S1とS2は、同時にオンとならないようにデッドタイムを設けられる。このため、PWM信号のデューティ比は50%未満である。従って、図1の回路の動作は、おおよそ、図4に示した4つのモードI、II、III、IVに分けられる。モードII及びモードIVが、スイッチング素子S1、S1が両方ともオフとなるデッドタイムである。 FIGS. 4A and 4B schematically show waveforms of one cycle of control voltages v1 and v2 of switching elements S1 and S2. The control voltages v1 and v2 are PWM signals having the same duty ratio and having phases different from each other by 180 °. The switching elements S1 and S2 are provided with a dead time so that they are not turned on at the same time. Therefore, the duty ratio of the PWM signal is less than 50%. Therefore, the operation of the circuit of FIG. 1 is roughly divided into the four modes I, II, III, and IV shown in FIG. Mode II and mode IV are dead times when both the switching elements S1 and S1 are turned off.

<モードIの動作>
図2(a)は、図1の回路において、スイッチング素子S1がオフからオンになり、スイッチング素子S2がオフのときの動作を示している。回路に流れる電流は、矢印付きの実線で示している(他の図でも同じ)。
<Operation of mode I>
FIG. 2A shows the operation when the switching element S1 is turned from off to on and the switching element S2 is off in the circuit of FIG. The current flowing through the circuit is indicated by a solid line with an arrow (same for other figures).

スイッチング素子S1がオンになると、入力電圧が印加されることにより、電流i1が以下の経路で流れる(図4(c)(d)参照)。ダイオードD1は、逆バイアスである。
・基準電位端3→負荷5→出力端2→中央タップTc→第1コイルN1→入力端1
When the switching element S1 is turned on, an input voltage is applied, so that the current i1 flows in the following path (see FIGS. 4C and 4D). The diode D1 has a reverse bias.
・ Reference potential end 3 → load 5 → output end 2 → center tap Tc → first coil N1 → input end 1

電流i1が第1コイルN1に流れることにより、第2コイルN2に相互誘導による起電圧が生じ、ダイオードD2は順バイアスとなる。これにより、電流i2が以下の経路で流れる(図4(f)参照)。
・基準電位端3→負荷5→出力端2→中央タップTc→第2コイルN2の部分コイルn4→ダイオードD2→基準電位端3
When the current i1 flows through the first coil N1, an electromotive voltage due to mutual induction is generated in the second coil N2, and the diode D2 becomes a forward bias. As a result, the current i2 flows in the following path (see FIG. 4 (f)).
-Reference potential end 3-> load 5-> output end 2-> center tap Tc-> partial coil n4 of second coil N2-> diode D2-> reference potential end 3

部分コイルn4に生じる起電圧は、第1コイルN1と部分コイルn4の巻数比に比例する。上述の通り、第1コイルN1と第2コイルN2は巻数が同じである。、また部分コイルn1とn2の巻数比と、部分コイルn3とn4の巻数比も同じである。各符号が巻数を表していると想定すると、N1=N2、n1/n2=n3/n4である。 The electromotive voltage generated in the partial coil n4 is proportional to the turns ratio of the first coil N1 and the partial coil n4. As described above, the first coil N1 and the second coil N2 have the same number of turns. Also, the turns ratio of the partial coils n1 and n2 and the turns ratio of the partial coils n3 and n4 are the same. Assuming that each code represents the number of turns, N1 = N2 and n1 / n2 = n3 / n4.

例えば、第1コイルN1における部分コイルn1とn2の巻数比(n1/n2)が9であるとき、第2コイルN2における部分コイルn3とn4の巻数比(n3/n4)も9である。このとき、第1コイルN1と部分コイルn4の巻数比(N1/n4)は10となる。第1コイルN1に印加される電圧が400Vのとき、部分コイルn4に生じる起電圧は40Vとなる。電流i1と電流i2は、巻数比に反比例して流れるので、電流i1が1Aのとき、電流i2は10Aとなる。 For example, when the turns ratio (n1 / n2) of the partial coils n1 and n2 in the first coil N1 is 9, the turns ratio (n3 / n4) of the partial coils n3 and n4 in the second coil N2 is also 9. At this time, the turns ratio (N1 / n4) of the first coil N1 and the partial coil n4 is 10. When the voltage applied to the first coil N1 is 400V, the electromotive voltage generated in the partial coil n4 is 40V. Since the current i1 and the current i2 flow in inverse proportion to the turns ratio, when the current i1 is 1A, the current i2 is 10A.

電流i1は、いわゆるフォワード方式のスイッチング電源における一次電流に相当し、電流i2は、一次電流により誘導されたフォワード電流に相当する。負荷5には、電流i1と電流i2を合わせた出力電流が供給される。出力電流の一部である電流i2が、第2コイルN2の部分コイルn4を流れることにより、スイッチング素子S1に流れる電流i1を低減できる。 The current i1 corresponds to the primary current in the so-called forward type switching power supply, and the current i2 corresponds to the forward current induced by the primary current. An output current that is a combination of the current i1 and the current i2 is supplied to the load 5. The current i2, which is a part of the output current, flows through the partial coil n4 of the second coil N2, so that the current i1 flowing through the switching element S1 can be reduced.

第2コイルN2における中間タップT2の位置は、回路設計により設定される。中間タップT2の位置を変えることにより、電流i1と電流i2の配分を変えることができる。この結果、スイッチング素子S1に流れる電流量を設定することができる。スイッチング素子S1の電流量を低減することにより、制御信号のオン期間を拡張でき、より安定なスイッチング動作を行わせることができる。また、最大出力電流をより大きく設定することができる。さらに、中間タップT2の位置を変えることにより、出力電圧の設定も変えることができる。 The position of the intermediate tap T2 in the second coil N2 is set by the circuit design. By changing the position of the intermediate tap T2, the distribution of the current i1 and the current i2 can be changed. As a result, the amount of current flowing through the switching element S1 can be set. By reducing the amount of current of the switching element S1, the on-period of the control signal can be extended, and more stable switching operation can be performed. Moreover, the maximum output current can be set larger. Further, the output voltage setting can be changed by changing the position of the intermediate tap T2.

なお、第1コイルN1と第2コイルN2の構成は、中央タップTcについて対称的であるので、中間タップT1と中間タップT2も、同様に対称的な位置にある。よって、中間タップT1と中間タップT2の位置は同時に設定されることになる。 Since the configurations of the first coil N1 and the second coil N2 are symmetrical with respect to the central tap Tc, the intermediate tap T1 and the intermediate tap T2 are also in symmetrical positions. Therefore, the positions of the intermediate tap T1 and the intermediate tap T2 are set at the same time.

電流i1が流れることにより、トランスTRには磁気エネルギーが蓄積されるが、フォワード電流に相当する電流i2が流れることにより、コアに磁気エネルギーが蓄積され難い。 Magnetic energy is stored in the transformer TR when the current i1 flows, but it is difficult for magnetic energy to be stored in the core due to the flow of the current i2 corresponding to the forward current.

また、対称的な第1コイルN1と第2コイルN2は、好適には疎結合であるので、電流i2は突入的に流れることはなく、過大電流とはならない。 Further, since the symmetrical first coil N1 and the second coil N2 are preferably loosely coupled, the current i2 does not flow in a rush and does not become an excessive current.

<モードIIの動作>
図2(b)は、図1の回路においてモードIが終わり、スイッチング素子S1がオンからオフになったときの動作を示している。スイッチング素子S2はオフのままである。
<Operation of mode II>
FIG. 2B shows the operation when the mode I ends in the circuit of FIG. 1 and the switching element S1 is turned from on to off. The switching element S2 remains off.

スイッチング素子S1がオンからオフになると、トランスTRに逆起電圧が生じる。スイッチング素子S2は、オフのままである。逆起電圧により、ダイオードD1は順バイアスとなり、ダイオードD2は逆バイアスとなる。これにより、電流i3が以下の経路で流れる(図4(d)参照)。
・基準電位端3→負荷5→中央タップTc→第1コイルN1の部分コイルn2→ダイオードD1→基準電位端3
When the switching element S1 is turned from on to off, a counter electromotive voltage is generated in the transformer TR. The switching element S2 remains off. Due to the counter electromotive voltage, the diode D1 becomes forward biased and the diode D2 becomes reverse biased. As a result, the current i3 flows in the following path (see FIG. 4D).
-Reference potential end 3-> load 5-> center tap Tc-> partial coil n2 of the first coil N1-> diode D1-> reference potential end 3

電流i3は、トランスTRのフライバック電流に相当する。電流i3により、モードIでトランスTRに蓄積された磁気エネルギーが放出される。 The current i3 corresponds to the flyback current of the transformer TR. The current i3 releases the magnetic energy stored in the transformer TR in mode I.

<モードIII、モードIVの動作>
モードIII及びモードIVでは、上述したモードI及びモードIIと対称的な動作がそれぞれ行われる。
<Operation of mode III and mode IV>
In mode III and mode IV, operations symmetrical to those of mode I and mode II described above are performed, respectively.

図3(a)に示すように、モードIIIでは、スイッチング素子S2がオフからオンになる。スイッチング素子S1はオフのままである。この場合、入力電圧によりダイオードD2が順バイアスとなり、電流i4が以下の経路で流れる(図4(e)(f)参照)。
・基準電位端3→負荷5→中央タップTc→第2コイルN2→スイッチング素子S2→入力端1
As shown in FIG. 3A, in mode III, the switching element S2 is turned from off to on. The switching element S1 remains off. In this case, the diode D2 becomes a forward bias due to the input voltage, and the current i4 flows in the following path (see FIGS. 4 (e) and 4 (f)).
・ Reference potential end 3 → load 5 → center tap Tc → second coil N2 → switching element S2 → input end 1

電流i4が流れることにより、相互誘導による起電圧が生じ、ダイオードD1が順バイアスとなり、電流i5が以下の経路で流れる(図4(d)参照)。
・基準電位端3→負荷5→中央タップTc→第1コイルN1の部分コイルn2→ダイオードD1→基準電位端3
When the current i4 flows, an electromotive voltage due to mutual induction is generated, the diode D1 becomes a forward bias, and the current i5 flows in the following path (see FIG. 4D).
・ Reference potential end 3 → load 5 → center tap Tc → partial coil n2 of the first coil N1 → diode D1 → reference potential end 3

モードIIIの電流i4、i5はそれぞれ、モードIの電流i1、i2と対称的に流れる。 Mode III currents i4 and i5 flow symmetrically with mode I currents i1 and i2, respectively.

図3(b)に示すように、モードIVでは、スイッチング素子S2がオンからオフになる。スイッチング素子S1はオフのままである。この場合、逆起電圧が生じてダイオードD2が順バイアスとなり、電流i6が以下の経路で流れる(図4(f))。
・基準電位端3→負荷5→中央タップTc→第2コイルN2の部分コイルn4→ダイオードD2→基準電位端3
As shown in FIG. 3B, in mode IV, the switching element S2 is turned from on to off. The switching element S1 remains off. In this case, a counter electromotive voltage is generated, the diode D2 becomes a forward bias, and the current i6 flows in the following path (FIG. 4 (f)).
・ Reference potential end 3 → load 5 → center tap Tc → partial coil n4 of the second coil N2 → diode D2 → reference potential end 3

モードIVの電流i6は、モードIIの電流i3と対称的に流れる。 The mode IV current i6 flows symmetrically with the mode II current i3.

上述したモードI、IIについて説明した動作の特徴は、モードIII、IVについてもそのまま該当する。モードI、IIとモードIII、IVとが繰り返されることにより、入力電圧がトランスTRに対して互いに反対向きの極性で交互に印加される。この結果、トランスTRは、磁気飽和し難くなる。このことによっても、大電流を流しやすい回路を実現できる。 The characteristics of the operation described for modes I and II described above also apply to modes III and IV as they are. By repeating modes I and II and modes III and IV, input voltages are alternately applied to the transformer TR with polarities opposite to each other. As a result, the transformer TR is less likely to be magnetically saturated. This also makes it possible to realize a circuit in which a large current can easily flow.

スイッチング素子S1、S2の制御信号のデューティ比を変えることにより出力電流を調整し、それによって入力側から出力側に伝達する電力量を調整することが可能である。 It is possible to adjust the output current by changing the duty ratio of the control signals of the switching elements S1 and S2, thereby adjusting the amount of power transmitted from the input side to the output side.

以上に説明した本発明のタップドインダクタ方式の降圧コンバータは、図示の構成例に限られず、本発明の主旨に沿う範囲において多様な変形が可能である。 The tapped inductor type step-down converter of the present invention described above is not limited to the illustrated configuration example, and can be variously modified within a range in line with the gist of the present invention.

1 入力端
2 出力端
3 基準電位端
5 負荷
S1、S2 スイッチング素子(MOSFET)
TR トランス
N1 第1コイル
n1 第1の部分コイル
n2 第2の部分コイル
N2 第2コイル
n3 第3の部分コイル
n4 第4の部分コイル
D1、D2 整流要素(ダイオード)
C1、C2 平滑コンデンサ
1 Input end 2 Output end 3 Reference potential end 5 Load S1, S2 Switching element (MOSFET)
TR transformer N1 1st coil n1 1st partial coil n2 2nd partial coil N2 2nd coil n3 3rd partial coil n4 4th partial coil D1, D2 Rectifying element (diode)
C1, C2 smoothing capacitor

Claims (5)

基準電位端と入力端との間に入力電圧が入力され、前記基準電位端と出力端との間に出力電圧が出力される降圧コンバータにおいて、
前記入力端に一端が接続された第1のスイッチング素子と、
前記入力端に一端が接続された第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子の他端と前記第2のスイッチング素子の他端の間に配置されたトランスとを有し、
前記トランスが、前記出力端に接続された中央タップと、前記中央タップにて接続された第1のコイルと第2のコイルとを有し、前記第1のコイルが第1の中間タップを具備すると共に前記第2のコイルが第2の中間タップを具備し、かつ、
前記第1の中間タップと前記基準電位端との間に接続された第1の整流要素と、前記第2の中間タップと前記基準電位端との間に接続された第2の整流要素とを有することを特徴とする降圧コンバータ。
In a buck converter in which an input voltage is input between a reference potential end and an input end and an output voltage is output between the reference potential end and the output end.
A first switching element whose one end is connected to the input end,
A second switching element whose one end is connected to the input end,
It has a transformer arranged between the other end of the first switching element and the other end of the second switching element.
The transformer has a central tap connected to the output end, a first coil and a second coil connected by the central tap, and the first coil includes a first intermediate tap. And the second coil is provided with a second intermediate tap and
A first rectifying element connected between the first intermediate tap and the reference potential end, and a second rectifying element connected between the second intermediate tap and the reference potential end. A buck converter characterized by having.
前記第1のコイルと前記第2のコイルは、互いに疎結合でありかつ前記中央タップに関して対称的に構成されていることを特徴とする請求項1に記載の降圧コンバータ。 The buck converter according to claim 1, wherein the first coil and the second coil are loosely coupled to each other and are configured symmetrically with respect to the central tap. 前記第1のコイルは、前記第1の中間タップにて接続され互いに密結合である第1の部分コイルと第2の部分コイルとからなり、
前記第2のコイルは、前記第2の中間タップにて接続され互いに密結合である第3の部分コイルと第4の部分コイルとからなることを特徴とする請求項1又は2に記載の降圧コンバータ。
The first coil comprises a first partial coil and a second partial coil that are connected by the first intermediate tap and are tightly coupled to each other.
The step-down according to claim 1 or 2, wherein the second coil includes a third partial coil and a fourth partial coil that are connected by the second intermediate tap and are tightly coupled to each other. converter.
前記第1の部分コイルと前記第2の部分コイルとの巻き数比は、前記第3の部分コイルと前記第4の部分コイルとの巻き数比と同じであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の降圧コンバータ。 Claim 1 is characterized in that the turns ratio of the first partial coil to the second partial coil is the same as the turns ratio of the third partial coil to the fourth partial coil. The step-down converter according to any one of. 前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子が、同じデューティ比で位相が180°異なる制御信号によりそれぞれオンオフ制御されることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の降圧コンバータ。 The buck converter according to any one of claims 1 to 4, wherein the first switching element and the second switching element are on / off controlled by control signals having the same duty ratio and 180 ° different phases. ..
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