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JP5678862B2 - DC-DC converter - Google Patents

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JP5678862B2 JP2011229688A JP2011229688A JP5678862B2 JP 5678862 B2 JP5678862 B2 JP 5678862B2 JP 2011229688 A JP2011229688 A JP 2011229688A JP 2011229688 A JP2011229688 A JP 2011229688A JP 5678862 B2 JP5678862 B2 JP 5678862B2
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Description

本発明は、共振電流を利用して電圧を変換するDC−DCコンバータに関する。   The present invention relates to a DC-DC converter that converts a voltage using a resonance current.

電源の小型化のためには高周波動作が必要となる。しかし、高周波動作をさせるとスイッチング損失が大きくなり電源の効率を低下させる。また、スイッチング素子を冷却するために大きいヒートシンクが必要になり、システムのサイズとコストを増加させる。   High frequency operation is required to reduce the size of the power supply. However, when a high frequency operation is performed, the switching loss increases and the efficiency of the power supply is reduced. Also, a large heat sink is required to cool the switching element, increasing the size and cost of the system.

図12に示すE級DC−DCコンバータ1は、直流電源2から入力した電圧Vinを変換して負荷3(抵抗で示す)に対し電圧Voを出力する。スイッチング損失が非常に小さいので(理論的にはゼロ)、特に高周波動作に適している(特許文献1参照)。このDC−DCコンバータ1は、入力端子間に直列に接続されたインダクタ4とMOSトランジスタ5、直列共振要素であるインダクタ6とキャパシタ7、これらMOSトランジスタ5、インダクタ6およびキャパシタ7とともに閉回路を形成して負方向の共振電流Irを流すダイオード8、出力キャパシタ9に正方向の共振電流Irを流すダイオード10などから構成されている。MOSトランジスタ5には、キャパシタ11とダイオード12が並列に接続されている。共振電流Irの正方向を図中の矢印で示す。   The class E DC-DC converter 1 shown in FIG. 12 converts the voltage Vin input from the DC power supply 2 and outputs the voltage Vo to the load 3 (indicated by a resistor). Since the switching loss is very small (theoretically zero), it is particularly suitable for high-frequency operation (see Patent Document 1). The DC-DC converter 1 forms a closed circuit together with an inductor 4 and a MOS transistor 5 connected in series between input terminals, an inductor 6 and a capacitor 7 which are series resonant elements, and the MOS transistor 5, the inductor 6 and the capacitor 7. Thus, the diode 8 is configured to flow a negative resonance current Ir, the output capacitor 9 is configured to flow a positive resonance current Ir, and the like. A capacitor 11 and a diode 12 are connected in parallel to the MOS transistor 5. The positive direction of the resonance current Ir is indicated by an arrow in the figure.

MOSトランジスタ5のドレイン・ソース間電圧VDS(Q1)がゼロにまで低下した時点でMOSトランジスタ5をオンすると、正方向に流れていた共振電流Irが負方向に流れる。その後、MOSトランジスタ5がオフすると、共振電流Irはキャパシタ11に流れ込み、ドレイン・ソース間電圧VDS(Q1)が急激に上昇する。   When the MOS transistor 5 is turned on when the drain-source voltage VDS (Q1) of the MOS transistor 5 is reduced to zero, the resonance current Ir flowing in the positive direction flows in the negative direction. Thereafter, when the MOS transistor 5 is turned off, the resonance current Ir flows into the capacitor 11, and the drain-source voltage VDS (Q1) rises rapidly.

しかし、このようなE級DC−DCコンバータ1には、以下のような不都合な点が存在する。
(1)出力電圧Voは、可変周波数動作によって制御される。負荷電流を調整するためには、スイッチング周波数を広範囲に亘って変化させなければならない。このため、出力電圧が変動すると回路動作が不安定になる。
(2)出力電流が小さいときにゼロ電圧スイッチングを維持することが難しい。
(3)無負荷時に回路が動作しない。
(4)共振動作のため、スイッチング素子(MOSトランジスタ5)に高い電圧ストレスが加わる。
(5)スイッチング素子にかかる電圧ストレスは、キャパシタ11の容量値に大きく依存する。しかし、ゼロ電圧スイッチングを実現するためにキャパシタ11の容量値を大きくすることは難しい。
However, such a class E DC-DC converter 1 has the following disadvantages.
(1) The output voltage Vo is controlled by variable frequency operation. In order to adjust the load current, the switching frequency must be varied over a wide range. For this reason, when the output voltage varies, the circuit operation becomes unstable.
(2) It is difficult to maintain zero voltage switching when the output current is small.
(3) The circuit does not operate when there is no load.
(4) Due to the resonance operation, high voltage stress is applied to the switching element (MOS transistor 5).
(5) The voltage stress applied to the switching element greatly depends on the capacitance value of the capacitor 11. However, it is difficult to increase the capacitance value of the capacitor 11 in order to realize zero voltage switching.

これらの不都合に対し、E級DC−DCコンバータを一定のスイッチング周波数で制御し、さらに無負荷から全負荷の条件でゼロ電圧動作を維持するため、種々の回路形態が考案されている。例えば、非特許文献1に記載された回路は、2つの独立したE級コンバータを結合した構成を備えている。しかし、4つのインダクタと2つの共振ブランチという多くの構成要素が必要であるため、システムのコストとサイズが増大する。また、2つの共振ブランチとキャパシタは、実際に対称動作を行うことが難しい。   In response to these disadvantages, various circuit configurations have been devised to control the class E DC-DC converter at a constant switching frequency and to maintain zero voltage operation from no load to full load. For example, the circuit described in Non-Patent Document 1 has a configuration in which two independent class E converters are combined. However, many components of four inductors and two resonant branches are required, increasing the cost and size of the system. In addition, it is difficult for the two resonance branches and the capacitor to actually perform symmetrical operations.

また、特許文献2に記載された回路は、位相シフト制御技術により固定周波数の動作を実現できる。しかしながら、4つのインダクタと大きな変圧器という多くの構成要素が必要であるため、システムのサイズとコストが増大する。特許文献3に記載された回路は、共振キャパシタと変圧器の一次巻線によって作られる漏れインダクタンスから形成される共振回路を用いて、ゼロ電圧スイッチングと一定のスイッチング周波数を全負荷条件で実現できる。しかし、3巻線の大きな変圧器はサイズとコストを増加させるので、システムの性能を悪化させる。   The circuit described in Patent Document 2 can realize a fixed frequency operation by a phase shift control technique. However, the need for many components of four inductors and a large transformer increases the size and cost of the system. The circuit described in Patent Document 3 can realize zero voltage switching and a constant switching frequency under full load conditions by using a resonance circuit formed by a leakage inductance formed by a resonance capacitor and a primary winding of a transformer. However, large transformers with three windings increase system size and cost, thus degrading system performance.

米国特許第4607323号明細書US Pat. No. 4,607,323 米国特許第5065300号明細書US Pat. No. 5,065,300 米国特許第7388762号明細書US Pat. No. 7,388,762

Chuan-Qiang Hu et al,"Class E combined converter by Phase-shift Control", IEEE PESC'89,June.1989,pp229-234Chuan-Qiang Hu et al, "Class E combined converter by Phase-shift Control", IEEE PESC'89, June. 1989, pp229-234

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的は、無負荷から最大負荷に至るまでゼロ電圧スイッチングを維持しながら一定のスイッチング周波数とデューティ比で動作でき、スイッチング素子に加わる電圧ストレスを低減でき、従来構成よりもサイズとコストを低減可能なDC−DCコンバータを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is to maintain a zero voltage switching from no load to a maximum load while operating at a constant switching frequency and duty ratio, and to reduce voltage stress applied to the switching element. An object of the present invention is to provide a DC-DC converter that can be reduced and can be reduced in size and cost as compared with the conventional configuration.

請求項1に記載したDC−DCコンバータは、入力端子を介して直流電圧を入力し交流出力ノードを通して共振による交流電流を出力する第1変換部と、交流出力ノードから交流電流を入力し出力端子を介して直流電圧を出力する第2変換部と、これら第1変換部と第2変換部を制御する変換制御回路とから構成されている。   The DC-DC converter according to claim 1 is a first converter that inputs a DC voltage through an input terminal and outputs an alternating current due to resonance through an AC output node, and an output terminal that receives an AC current from the AC output node. And a second converter that outputs a DC voltage via the first converter, and a conversion control circuit that controls the first converter and the second converter.

第1変換部は、入力端子の一端と交流出力ノードとの間に直列に接続されたタップ付インダクタおよび共振キャパシタと、タップ付インダクタのタップと入力端子の他端との間に接続された主スイッチング素子と、主スイッチング素子と並列に接続された並列キャパシタおよび並列ダイオードとを備えている。   The first converter includes a tapped inductor and a resonant capacitor connected in series between one end of the input terminal and the AC output node, and a main connected between the tap of the tapped inductor and the other end of the input terminal. The switching element includes a parallel capacitor and a parallel diode connected in parallel with the main switching element.

第2変換部は、交流出力ノードと入力端子の他端との間に電流を双方向に流し得る電流経路を形成し、当該電流経路に流れる交流電流に対し少なくとも一方向の電流の通電幅を制御可能な電流制御回路と、出力端子間に設けられた出力キャパシタと、電流制御回路が電流を遮断している期間、当該遮断された向きの電流を整流して出力キャパシタに流す整流回路とを備えている。   The second conversion unit forms a current path through which a current can flow bidirectionally between the AC output node and the other end of the input terminal, and sets the current conduction width of the current in at least one direction with respect to the AC current flowing through the current path. A controllable current control circuit, an output capacitor provided between the output terminals, and a rectification circuit that rectifies the current in the cut-off direction and flows it to the output capacitor during the period in which the current control circuit cuts off the current. I have.

変換制御回路は、主スイッチング素子を一定の周波数とデューティ比を持つ駆動信号により駆動するとともに、出力端子間の検出電圧に基づいて電流制御回路の通電幅を制御する。この構成による作用、効果は以下の通りである。ただし、ダイオードの順方向電圧は低いのでゼロとする。また、共振による交流電流を共振電流と称す。   The conversion control circuit drives the main switching element with a drive signal having a fixed frequency and duty ratio, and controls the energization width of the current control circuit based on the detected voltage between the output terminals. The operations and effects of this configuration are as follows. However, since the forward voltage of the diode is low, it is set to zero. An alternating current due to resonance is referred to as a resonance current.

主スイッチング素子のオフ駆動期間において、並列ダイオードとタップ付インダクタと共振キャパシタと電流制御回路または整流回路からなる経路にこの向き(正方向)の共振電流が流れているとき、主スイッチング素子への印加電圧はゼロになる。このとき主スイッチング素子をオン駆動すると、共振電流はゼロにまで低下した後、主スイッチング素子を介した経路により負方向に流れる。この負方向の共振電流は、電流制御回路を介して還流し或いは整流回路を介して出力キャパシタに流れる。   When the main switching element is in the off-drive period, when a resonant current in this direction (positive direction) is flowing through the path consisting of the parallel diode, tapped inductor, resonant capacitor, current control circuit or rectifier circuit, it is applied to the main switching element. The voltage becomes zero. At this time, when the main switching element is driven on, the resonance current decreases to zero and then flows in the negative direction through a path through the main switching element. This negative resonance current flows back through the current control circuit or flows to the output capacitor through the rectifier circuit.

その後、主スイッチング素子をオフ駆動すると、共振電流は並列キャパシタに流れ込み主スイッチング素子の印加電圧が上昇する。タップ付インダクタを用いたので、DC−DCコンバータの入力電圧をVin、出力電圧をVo、タップ付インダクタのタップ前後の巻数をN1、N2とすれば、主スイッチング素子に加わる電圧ストレスは、(Vin・N2+Vo・N1)/(N1+N2)に抑えられる。やがて共振電流は正方向に流れ、並列キャパシタの端子間電圧がゼロになると、並列ダイオードを通して電流が流れる。この正方向の共振電流は、電流制御回路を介して還流し或いは整流回路を介して出力キャパシタに流れる。   Thereafter, when the main switching element is driven off, the resonance current flows into the parallel capacitor and the voltage applied to the main switching element rises. Since a tapped inductor is used, if the input voltage of the DC-DC converter is Vin, the output voltage is Vo, and the number of turns before and after tapping of the tapped inductor is N1 and N2, the voltage stress applied to the main switching element is (Vin · N2 + Vo · N1) / (N1 + N2). Eventually, the resonance current flows in the positive direction, and when the voltage between the terminals of the parallel capacitor becomes zero, the current flows through the parallel diode. This positive resonance current flows back through the current control circuit or flows to the output capacitor through the rectifier circuit.

第1変換部で直流の状態から共振による交流の状態に変換された電力は、第2変換部の電流制御回路の通電幅に応じて負荷に送られる。すなわち、電流制御回路の通電幅を広げると負荷への伝送電力を低減でき、電流制御回路の通電幅を狭めると負荷への伝送電力を増大できる。従って、出力端子間の検出電圧に基づいて電流制御回路の通電幅を制御することにより、無負荷から最大負荷(全負荷)に至るまで共振動作に影響を及ぼすことなくゼロ電圧スイッチングを維持しながら、一定のスイッチング周波数と一定のデューティ比を用いて安定した変換動作が可能となる。本手段は、1つのタップ付インダクタを持つ単一の共振回路を有し、他のインダクタや変圧器などを備えていないので、従来構成よりもサイズとコストを低減できる。   The electric power converted from the direct current state to the alternating current state by resonance in the first conversion unit is sent to the load according to the energization width of the current control circuit of the second conversion unit. That is, if the energization width of the current control circuit is widened, the transmission power to the load can be reduced, and if the energization width of the current control circuit is narrowed, the transmission power to the load can be increased. Therefore, by controlling the energization width of the current control circuit based on the detection voltage between the output terminals, while maintaining zero voltage switching without affecting the resonance operation from no load to the maximum load (full load) A stable conversion operation can be performed using a constant switching frequency and a constant duty ratio. Since this means has a single resonance circuit having one inductor with a tap and does not include other inductors or transformers, the size and cost can be reduced as compared with the conventional configuration.

請求項2に記載した手段によれば、電流制御回路は、逆導通性を持つ第1スイッチング素子と第2スイッチング素子が中間ノードを挟んで互いに逆向きに直列接続された構成を備えている。整流回路は、電流制御回路の両端から出力端子の一端に至る経路にそれぞれ順方向にダイオードを備え、中間ノードと出力端子の他端とが接続された構成の全波整流回路である。   According to the means described in claim 2, the current control circuit has a configuration in which a first switching element and a second switching element having reverse conductivity are connected in series in opposite directions with an intermediate node interposed therebetween. The rectifier circuit is a full-wave rectifier circuit having a configuration in which a diode is provided in a forward direction on each path from both ends of the current control circuit to one end of the output terminal, and an intermediate node and the other end of the output terminal are connected.

この構成によれば、第1、第2スイッチング素子のうちオン駆動による導電方向が共振電流の向きに一致するスイッチング素子をオン駆動することにより、電流制御回路は通電状態となり、負荷への電力供給が断たれる。一方、第1、第2スイッチング素子をオフ駆動すると電流制御回路は遮断状態となり、共振電流が整流されて負荷側に流れ、負荷に対し電力が供給される。全波整流回路を採用したので、共振電流の正負両期間においてそれぞれ負荷への電力供給を行うことができる。   According to this configuration, the current control circuit is energized by turning on the switching element in which the conduction direction by the on drive coincides with the direction of the resonance current among the first and second switching elements, thereby supplying power to the load. Is refused. On the other hand, when the first and second switching elements are driven off, the current control circuit is cut off, the resonance current is rectified and flows to the load side, and power is supplied to the load. Since the full-wave rectifier circuit is employed, power can be supplied to the load in both the positive and negative periods of the resonance current.

請求項3に記載した手段によれば、整流回路を構成するダイオードのうち交流出力ノードから出力端子の一端に至る経路に順方向に設けられたダイオードと並列に、出力端子の一端から交流出力ノードの向きに電流を流す回生用スイッチング素子を備えた。これにより、例えばモータ等の負荷を駆動する場合において、出力端子に接続された負荷から入力端子に接続された直流電源に電力を回生することができる。   According to the means described in claim 3, among the diodes constituting the rectifier circuit, in parallel with the diode provided in the forward direction on the path from the AC output node to one end of the output terminal, the AC output node is connected from one end of the output terminal. The switching element for regeneration which supplies an electric current in the direction of is provided. Thereby, for example, when driving a load such as a motor, power can be regenerated from the load connected to the output terminal to the DC power source connected to the input terminal.

請求項4に記載した手段によれば、電流制御回路は、逆導通性を持つスイッチング素子から構成されている。整流回路は、電流制御回路の一端から出力端子の一端に至る経路にダイオードを備え、電流制御回路の他端と出力端子の他端とが接続された構成の半波整流回路である。   According to the means described in claim 4, the current control circuit is constituted by a switching element having reverse conductivity. The rectifier circuit is a half-wave rectifier circuit having a configuration in which a diode is provided in a path from one end of the current control circuit to one end of the output terminal, and the other end of the current control circuit is connected to the other end of the output terminal.

この構成によれば、スイッチング素子のオン駆動による導電方向が共振電流の向きと逆の期間では、スイッチング素子の逆導通性により電流制御回路は通電状態となり、負荷への電力供給が断たれる。一方、スイッチング素子のオン駆動による導電方向が共振電流の向きと一致する期間では、スイッチング素子のオン駆動により負荷への電力供給が断たれ、オフ駆動により共振電流が負荷側に流れて負荷に対し電力が供給される。すなわち、共振電流の半周期において負荷への電力供給を制御できる。   According to this configuration, the current control circuit is energized and the power supply to the load is cut off due to the reverse continuity of the switching element during a period in which the conduction direction due to the ON driving of the switching element is opposite to the direction of the resonance current. On the other hand, during the period in which the conduction direction due to the on-drive of the switching element coincides with the direction of the resonance current, the power supply to the load is cut off by the on-drive of the switching element, and the resonance current flows to the load side due to the off drive. Power is supplied. That is, the power supply to the load can be controlled in the half cycle of the resonance current.

請求項5に記載した手段によれば、整流回路を構成するダイオードと並列に、出力端子の一端から交流出力ノードの向きに電流を流す回生用スイッチング素子を備えた。これにより、例えばモータ等の負荷を駆動する場合において、出力端子に接続された負荷から入力端子に接続された直流電源に電力を回生することができる。   According to the means described in claim 5, the regenerative switching element is provided in parallel with the diode constituting the rectifier circuit so that a current flows from one end of the output terminal to the AC output node. Thereby, for example, when driving a load such as a motor, power can be regenerated from the load connected to the output terminal to the DC power source connected to the input terminal.

請求項6に記載した手段によれば、スイッチング素子はMOSトランジスタから構成されている。MOSトランジスタには、寄生キャパシタおよび寄生ダイオードが形成される。これらは、上述した並列キャパシタおよび並列ダイオードとして用いることができる。また、電流制御回路のスイッチング素子に逆導通性を付与する。   According to the means described in claim 6, the switching element is composed of a MOS transistor. A parasitic capacitor and a parasitic diode are formed in the MOS transistor. These can be used as the parallel capacitor and the parallel diode described above. Further, reverse conductivity is imparted to the switching element of the current control circuit.

本発明の第1の実施形態を示すDC−DCコンバータの構成図The block diagram of the DC-DC converter which shows the 1st Embodiment of this invention (a)は直流電源からMOSトランジスタQ1を介して流れる電流の経路図、(b)はMOSトランジスタQ1の駆動状態とインダクタLtの磁束φを示す図(A) is a path diagram of the current flowing from the DC power source through the MOS transistor Q1, and (b) is a diagram showing the driving state of the MOS transistor Q1 and the magnetic flux φ of the inductor Lt. 第1変換部の波形図Waveform diagram of the first converter 第1変換部の動作説明図Operation explanatory diagram of the first conversion unit 第2変換部の波形図Waveform diagram of second converter 第2変換部の動作説明図Operation explanatory diagram of the second conversion unit 本発明の第2の実施形態を示す図1相当図FIG. 1 equivalent diagram showing a second embodiment of the present invention MOSトランジスタQ1、Q2の駆動状態と共振電流の波形図Waveform diagram of driving state and resonance current of MOS transistors Q1 and Q2. 図6相当図6 equivalent diagram 本発明の第3の実施形態を示す図1相当図FIG. 1 equivalent view showing a third embodiment of the present invention 本発明の第4の実施形態を示す図1相当図FIG. 1 equivalent view showing a fourth embodiment of the present invention 従来技術を示す図1相当図1 equivalent diagram showing the prior art

各実施形態において実質的に同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
(第1の実施形態)
以下、第1の実施形態について図1ないし図6を参照しながら説明する。図1は、入力した直流電圧を異なるレベルの直流電圧に変換して出力するDC−DCコンバータの構成を示している。このDC−DCコンバータ21は、DC−ACコンバータである第1変換部24、AC−DCコンバータである第2変換部25、変換制御回路26および電圧検出回路27から構成されている。
In each embodiment, substantially the same parts are denoted by the same reference numerals and description thereof is omitted.
(First embodiment)
Hereinafter, the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 6. FIG. 1 shows a configuration of a DC-DC converter that converts an input DC voltage into a DC voltage of a different level and outputs it. The DC-DC converter 21 includes a first conversion unit 24 that is a DC-AC converter, a second conversion unit 25 that is an AC-DC converter, a conversion control circuit 26, and a voltage detection circuit 27.

第1変換部24は、直流電源22から入力端子21a、21bを介して直流電圧Vinを入力し、ノードn2(交流出力ノード)を通して共振による交流電流(以下、共振電流と称す)を出力する。第2変換部25は、ノードn2から共振電流を入力し、出力端子21c、21dを介して負荷23(抵抗Roで示す)に対し直流電圧Voを出力する。変換制御回路26は、電圧検出回路27により検出された出力電圧Voと目標電圧Vrefに基づいて第1変換部24と第2変換部25を制御する。電圧検出回路27は、例えば分圧抵抗から構成されており、必要に応じてグランドレベルの変換回路を備えている。   The first converter 24 receives the DC voltage Vin from the DC power supply 22 via the input terminals 21a and 21b, and outputs an alternating current (hereinafter referred to as a resonance current) due to resonance through the node n2 (AC output node). The second converter 25 receives the resonance current from the node n2 and outputs a DC voltage Vo to the load 23 (indicated by the resistor Ro) via the output terminals 21c and 21d. The conversion control circuit 26 controls the first conversion unit 24 and the second conversion unit 25 based on the output voltage Vo and the target voltage Vref detected by the voltage detection circuit 27. The voltage detection circuit 27 is composed of, for example, a voltage dividing resistor, and includes a ground level conversion circuit as necessary.

第1変換部24において、入力端子21aとノードn2との間には、タップ付のインダクタLtとキャパシタCr(共振キャパシタ)とが直列に接続されている。インダクタLtは、単一のインダクタにタップが設けられた構成であり、タップを挟んで巻数N1、N2を持つインダクタL1、Lrを形成している。タップはノードn1に接続されている。インダクタL1は入力端子21aとノードn1との間に接続され、インダクタLrはノードn1とキャパシタCrとの間に接続されている。   In the first converter 24, a tapped inductor Lt and a capacitor Cr (resonant capacitor) are connected in series between the input terminal 21a and the node n2. The inductor Lt has a configuration in which a tap is provided on a single inductor, and inductors L1 and Lr having turns N1 and N2 are formed with the tap interposed therebetween. The tap is connected to node n1. The inductor L1 is connected between the input terminal 21a and the node n1, and the inductor Lr is connected between the node n1 and the capacitor Cr.

ノードn1と入力端子21b(グランド線28)との間にはNチャネル型のMOSトランジスタQ1(主スイッチング素子)が接続されている。このMOSトランジスタQ1と並列にキャパシタC1とダイオードD1が接続されている。MOSトランジスタQ1には寄生キャパシタと寄生ダイオードが形成されるので、これらをキャパシタC1とダイオードD1として用いている。寄生キャパシタでは容量が不足する場合には、別にキャパシタを付加すればよい。   An N-channel MOS transistor Q1 (main switching element) is connected between the node n1 and the input terminal 21b (ground line 28). A capacitor C1 and a diode D1 are connected in parallel with the MOS transistor Q1. Since a parasitic capacitor and a parasitic diode are formed in the MOS transistor Q1, these are used as the capacitor C1 and the diode D1. If the capacitance of the parasitic capacitor is insufficient, another capacitor may be added.

第2変換部25において、ノードn2と入力端子21b(グランド線28)との間には、電流を双方向に流すことができる電流制御回路29が接続されている。電流制御回路29は、Nチャネル型のMOSトランジスタQ2(第1スイッチング素子)とMOSトランジスタQ3(第2スイッチング素子)とがノードn3(中間ノード)を挟んで互いに逆向きに直列接続されている。MOSトランジスタQ2に並列に接続されたキャパシタC2とダイオードD2およびMOSトランジスタQ3に並列に接続されたキャパシタC3とダイオードD3は、それぞれMOSトランジスタQ2およびQ3の寄生キャパシタと寄生ダイオードである。寄生キャパシタでは容量が不足する場合には、別にキャパシタを付加すればよい。ダイオードD2、D3があるため、MOSトランジスタQ2、Q3はそれぞれ逆導通性を有している。   In the second converter 25, a current control circuit 29 capable of flowing current bidirectionally is connected between the node n2 and the input terminal 21b (ground line 28). In the current control circuit 29, an N-channel MOS transistor Q2 (first switching element) and a MOS transistor Q3 (second switching element) are connected in series in opposite directions with a node n3 (intermediate node) interposed therebetween. Capacitor C2 and diode D2 connected in parallel to MOS transistor Q2 and capacitor C3 and diode D3 connected in parallel to MOS transistor Q3 are the parasitic capacitor and parasitic diode of MOS transistors Q2 and Q3, respectively. If the capacitance of the parasitic capacitor is insufficient, another capacitor may be added. Since there are the diodes D2 and D3, the MOS transistors Q2 and Q3 have reverse conductivity, respectively.

出力端子21c、21d間にはフィルタ用のキャパシタCo(出力キャパシタ)が接続されている。ダイオードD4、D5から構成された整流回路30は、電流制御回路29が電流を遮断している期間、遮断された向きの電流を整流してキャパシタCoおよび負荷23に流す全波整流回路である。ダイオードD4は、電流制御回路29の一端(ノードn2)から出力端子21cに至る経路に順方向に接続されており、ダイオードD5は、電流制御回路29の他端(入力端子21b)から出力端子21cに至る経路に順方向に接続されている。ノードn3は出力端子21dに接続されている。   A filter capacitor Co (output capacitor) is connected between the output terminals 21c and 21d. The rectifier circuit 30 including the diodes D4 and D5 is a full-wave rectifier circuit that rectifies the current in the interrupted direction and flows it to the capacitor Co and the load 23 while the current control circuit 29 is interrupting the current. The diode D4 is connected in a forward direction to a path from one end (node n2) of the current control circuit 29 to the output terminal 21c, and the diode D5 is connected from the other end (input terminal 21b) of the current control circuit 29 to the output terminal 21c. Is connected in the forward direction to the route leading to. The node n3 is connected to the output terminal 21d.

変換制御回路26は、MOSトランジスタQ1を一定のスイッチング周波数と50%のデューティ比を持つ駆動信号により駆動する。また、検出した出力電圧Vo(検出電圧)に基づいて、電流制御回路29を構成するMOSトランジスタQ2、Q3の通電幅を制御する。   The conversion control circuit 26 drives the MOS transistor Q1 with a drive signal having a constant switching frequency and a duty ratio of 50%. Further, based on the detected output voltage Vo (detected voltage), the energization width of the MOS transistors Q2 and Q3 constituting the current control circuit 29 is controlled.

次に、図2ないし図6を参照しながら本実施形態の作用を説明する。インダクタLrとキャパシタCrは共振要素であり、この共振ブランチを通して流れる共振電流Irは正弦波と仮定する。   Next, the operation of the present embodiment will be described with reference to FIGS. The inductor Lr and the capacitor Cr are resonance elements, and the resonance current Ir flowing through this resonance branch is assumed to be a sine wave.

図2(a)は、MOSトランジスタQ1がオンしたときに、直流電源22からインダクタL1とMOSトランジスタQ1を通して流れる電流の還流経路を示している。図2(b)は、MOSトランジスタQ1のオンオフ駆動状態とインダクタLtの磁束φを示している。Tsはスイッチング周期である。MOSトランジスタQ1のオン期間中、インダクタLtの磁束φがリニアに増加し、インダクタL1にエネルギーが蓄積される。   FIG. 2A shows a return path of a current flowing from the DC power supply 22 through the inductor L1 and the MOS transistor Q1 when the MOS transistor Q1 is turned on. FIG. 2B shows the on / off driving state of the MOS transistor Q1 and the magnetic flux φ of the inductor Lt. Ts is a switching period. During the ON period of the MOS transistor Q1, the magnetic flux φ of the inductor Lt increases linearly, and energy is stored in the inductor L1.

MOSトランジスタQ1がオフすると、インダクタL1の蓄積エネルギーと直流電源22からの入力エネルギーは、共振ブランチを通して第2変換部25に送られる。MOSトランジスタQ1のオフ期間中、インダクタL1、Lrに電流が流れている限り、インダクタLtの磁束φはリニアに減少する。MOSトランジスタQ1がオンしている間に蓄えられたエネルギーは第2変換部25に送られ、目標電圧Vrefに等しい出力電圧Voを得るために必要なエネルギーが負荷23に供給される。   When the MOS transistor Q1 is turned off, the energy stored in the inductor L1 and the input energy from the DC power supply 22 are sent to the second converter 25 through the resonance branch. As long as current flows through the inductors L1 and Lr during the off period of the MOS transistor Q1, the magnetic flux φ of the inductor Lt decreases linearly. The energy stored while the MOS transistor Q1 is on is sent to the second converter 25, and the energy required to obtain the output voltage Vo equal to the target voltage Vref is supplied to the load 23.

インダクタLtにタップを設けたので、電圧変換に対し追加の制御パラメータが形成される。MOSトランジスタQ1への電圧ストレスVQ1は、入力電圧Vin、出力電圧VoおよびインダクタL1、Lrの巻数N1、N2を用いて(1)式のようになる。
VQ1=(Vin・N2+Vo・N1)/(N1+N2) …(1)
Since the inductor Lt is provided with a tap, an additional control parameter is formed for voltage conversion. The voltage stress VQ1 applied to the MOS transistor Q1 is expressed by equation (1) using the input voltage Vin, the output voltage Vo, and the number of turns N1 and N2 of the inductors L1 and Lr.
VQ1 = (Vin · N2 + Vo · N1) / (N1 + N2) (1)

このように、タップ付のインダクタLtを用いると、タップ位置の関数としてDC−DCコンバータ21の電圧伝達率Vo/Vinを制御することが容易になり、MOSトランジスタQ1の電圧ストレスを低減できる。なお、従来のE級コンバータでは、50%のデューティのときの主トランジスタ(本実施形態のMOSトランジスタQ1に相当)の電圧ストレスは、入力電圧Vinの約3.6倍になることが知られている。   Thus, when the tapped inductor Lt is used, it becomes easy to control the voltage transfer rate Vo / Vin of the DC-DC converter 21 as a function of the tap position, and the voltage stress of the MOS transistor Q1 can be reduced. In the conventional class E converter, it is known that the voltage stress of the main transistor (corresponding to the MOS transistor Q1 of this embodiment) at a duty of 50% is about 3.6 times the input voltage Vin. Yes.

図3は第1変換部24の波形図であり、図4は第1変換部24の動作説明図である。スイッチングの1周期は、電流の状態に基づいてTa1からTa5までの期間に分けられる。図4(a)は、MOSトランジスタQ1がオンして正のドレイン電流ID(Q1)が流れている期間Ta2における実際の電流の向きを示している。図4(b)は、MOSトランジスタQ1がオフしてキャパシタC1に負の放電電流IC1が流れている期間Ta4における実際の電流の向きを示している。図4(c)は、MOSトランジスタQ1がオフしてダイオードD1が通電している期間Ta5における実際の電流の向きを示している。   FIG. 3 is a waveform diagram of the first converter 24, and FIG. 4 is an operation explanatory diagram of the first converter 24. One cycle of switching is divided into periods from Ta1 to Ta5 based on the current state. FIG. 4A shows the actual direction of current during the period Ta2 in which the MOS transistor Q1 is turned on and the positive drain current ID (Q1) flows. FIG. 4B shows the actual direction of current during the period Ta4 in which the MOS transistor Q1 is turned off and the negative discharge current IC1 flows through the capacitor C1. FIG. 4C shows the actual direction of current during the period Ta5 in which the MOS transistor Q1 is turned off and the diode D1 is energized.

ここで、共振電流Irは、ノードn1からノードn2に流れる向きを正としている。MOSトランジスタQ1のドレイン電流ID(Q1)、キャパシタC1の電流IC1およびダイオードD1の電流ID1は、ノードn1からグランド線28に流れる向きを正としている。また、インダクタL1の電流IL1は、入力端子21aからノードn1に流れる向きを正としている。   Here, the direction in which the resonance current Ir flows from the node n1 to the node n2 is positive. The direction in which the drain current ID (Q1) of the MOS transistor Q1, the current IC1 of the capacitor C1, and the current ID1 of the diode D1 flow from the node n1 to the ground line 28 is positive. Further, the current IL1 of the inductor L1 is positive in the direction flowing from the input terminal 21a to the node n1.

以下、それぞれの期間の動作について説明する。なお、上記電流の向きから明らかとなるように、期間Ta1、Ta5ではIL1=ID1+Irの関係が成立し、期間Ta2ではIL1=ID(Q1)+Irの関係が成立し、期間Ta3、Ta4ではIL1=IC1+Irの関係が成立する。   Hereinafter, the operation in each period will be described. As is apparent from the direction of the current, the relationship of IL1 = ID1 + Ir is established in the periods Ta1 and Ta5, the relationship of IL1 = ID (Q1) + Ir is established in the period Ta2, and IL1 = in the periods Ta3 and Ta4. The relationship of IC1 + Ir is established.

(1)期間Ta1
期間Ta1の開始時にMOSトランジスタQ1がオンする。MOSトランジスタQ1は、ダイオードD1に電流ID1が流れておりVDS(Q1)=0の時、すなわちキャパシタC1に電荷が蓄積されていない時にオンするので、ゼロ電圧スイッチングとなる。また、MOSトランジスタQ1がオンしても本期間内では共振電流Irが正方向に流れるので、dVDS(Q1)/d(2π)=0となりゼロ電流スイッチングとなる。
(1) Period Ta1
At the start of the period Ta1, the MOS transistor Q1 is turned on. The MOS transistor Q1 is turned on when the current ID1 flows through the diode D1 and VDS (Q1) = 0, that is, when no charge is accumulated in the capacitor C1, and therefore, the zero voltage switching is performed. Even if the MOS transistor Q1 is turned on, the resonance current Ir flows in the positive direction within this period, so that dVDS (Q1) / d (2π) = 0 and zero current switching is performed.

(2)期間Ta2
期間Ta2の開始時に共振電流Irが正から負になるので、MOSトランジスタQ1に電流ID(Q1)が流れ、インダクタL1の電流IL1がほぼリニアに増加する。共振電流Irは負方向に増加した後減少に転じる。上述したように、期間Ta1、Ta2にインダクタL1にエネルギーが蓄積される。
(2) Period Ta2
Since the resonance current Ir changes from positive to negative at the start of the period Ta2, the current ID (Q1) flows through the MOS transistor Q1, and the current IL1 of the inductor L1 increases almost linearly. The resonance current Ir increases in the negative direction and then decreases. As described above, energy is stored in the inductor L1 during the periods Ta1 and Ta2.

(3)期間Ta3
期間Ta3の開始時にMOSトランジスタQ1がオフする。MOSトランジスタQ1がオフする時はVDS(Q1)=0であるのでゼロ電圧スイッチングとなる。MOSトランジスタQ1がオフすると共振電流Irが正方向に流れるが、オフする時点と共振電流Irが負から正にゼロクロスする時点とは必ずしも一致しないので、ゼロ電流スイッチングとはならない。
(3) Period Ta3
At the start of the period Ta3, the MOS transistor Q1 is turned off. When the MOS transistor Q1 is turned off, VDS (Q1) = 0, so that zero voltage switching is performed. When the MOS transistor Q1 is turned off, the resonance current Ir flows in the positive direction. However, since the time when the MOS transistor Q1 is turned off does not necessarily coincide with the time when the resonance current Ir crosses from negative to positive, zero current switching is not performed.

MOSトランジスタQ1がオフすると、それまでMOSトランジスタQ1に流れていた共振電流IrがキャパシタC1に流れ込み(IC1>0)、MOSトランジスタQ1の電圧VDS(Q1)が上昇する。電圧VDS(Q1)は、電流IC1がゼロになる本期間Ta3の終了時点で最大となる。上述したように本実施形態ではタップ付きのインダクタLtを採用したので、MOSトランジスタQ1の電圧ストレスVQ1を巻数N1、N2に応じて要求値に調節できる。例えば、N1/N2=1、Vin=288V、Vo=15Vのとき、(1)式によれば電圧ストレスVQ1を152Vに抑えることができる。これに対し、従来構成では約1000V(3.6Vin)にまで上昇する。すなわち、従来のコンバータでは、この高い電圧に耐える高いブレークダウン電圧を有するスイッチング素子が必要であった。   When the MOS transistor Q1 is turned off, the resonance current Ir that has been flowing in the MOS transistor Q1 so far flows into the capacitor C1 (IC1> 0), and the voltage VDS (Q1) of the MOS transistor Q1 rises. The voltage VDS (Q1) becomes maximum at the end of this period Ta3 when the current IC1 becomes zero. As described above, since the tapped inductor Lt is employed in the present embodiment, the voltage stress VQ1 of the MOS transistor Q1 can be adjusted to the required value according to the number of turns N1 and N2. For example, when N1 / N2 = 1, Vin = 288V, Vo = 15V, the voltage stress VQ1 can be suppressed to 152V according to the equation (1). On the other hand, in the conventional configuration, the voltage rises to about 1000 V (3.6 Vin). That is, in the conventional converter, a switching element having a high breakdown voltage that can withstand this high voltage is required.

(4)期間Ta4
本期間Ta4の開始時にキャパシタC1に流れる電流IC1が正から負に転じ、共振電流IrによりキャパシタC1の電荷が放電される。これに伴って電圧VDS(Q1)が低下する。
(4) Period Ta4
At the start of this period Ta4, the current IC1 flowing through the capacitor C1 changes from positive to negative, and the charge of the capacitor C1 is discharged by the resonance current Ir. Along with this, the voltage VDS (Q1) decreases.

(5)期間Ta5
本期間Ta5の開始時に電圧VDS(Q1)がゼロになり、以後はダイオードD1を介して共振電流Irが流れるようになる。
(5) Period Ta5
At the start of this period Ta5, the voltage VDS (Q1) becomes zero, and thereafter, the resonance current Ir flows through the diode D1.

次に、第2変換部25による出力電圧調節動作について説明する。図5は第2変換部25の波形図であり、図6は第2変換部25の動作説明図である。MOSトランジスタQ1を一定周波数且つ一定デューティ比の駆動信号で駆動しながら出力電圧Voを調節可能とするため、変換制御回路26は、共振電流Irに同期してMOSトランジスタQ2、Q3をオンオフ駆動する。   Next, the output voltage adjustment operation by the second converter 25 will be described. FIG. 5 is a waveform diagram of the second converter 25, and FIG. 6 is an operation explanatory diagram of the second converter 25. In order to be able to adjust the output voltage Vo while driving the MOS transistor Q1 with a drive signal having a constant frequency and a constant duty ratio, the conversion control circuit 26 drives the MOS transistors Q2, Q3 on and off in synchronization with the resonance current Ir.

スイッチングの1周期は、電流の状態に基づいてTb1からTb8までの期間に分けられる。図5(a)〜(h)は、それぞれ期間Tb1〜Tb8における電流経路を示している。ただし、第1変換部24におけるMOSトランジスタQ1、キャパシタC1またはダイオードD1を介した電流経路と、第2変換部25において通電していない電流経路は省略している。   One cycle of switching is divided into periods from Tb1 to Tb8 based on the current state. FIGS. 5A to 5H show current paths in the periods Tb1 to Tb8, respectively. However, a current path through the MOS transistor Q1, the capacitor C1, or the diode D1 in the first conversion unit 24 and a current path not energized in the second conversion unit 25 are omitted.

変換制御回路26は、共振電流Irが負から正にゼロクロスした時にMOSトランジスタQ2をオン駆動し、共振電流Irが正から負にゼロクロスした時にMOSトランジスタQ3をオン駆動する。変換制御回路26は、出力電圧Voが目標電圧Vrefよりも低くなるとMOSトランジスタQ2、Q3のオン通電幅を短くし、出力電圧Voが目標電圧Vrefよりも高くなるとMOSトランジスタQ2、Q3のオン通電幅を長くする。これにより、出力電圧Voを目標電圧Vrefに等しく制御できる。   The conversion control circuit 26 turns on the MOS transistor Q2 when the resonance current Ir crosses from negative to positive zero, and turns on the MOS transistor Q3 when the resonance current Ir crosses zero from positive to negative. The conversion control circuit 26 shortens the ON energization width of the MOS transistors Q2 and Q3 when the output voltage Vo becomes lower than the target voltage Vref, and the ON energization width of the MOS transistors Q2 and Q3 when the output voltage Vo becomes higher than the target voltage Vref. Lengthen. As a result, the output voltage Vo can be controlled to be equal to the target voltage Vref.

以下、それぞれの期間の動作について説明する。
(1)期間Tb1
期間Tb1の開始時に共振電流Irが負から正になり、MOSトランジスタQ2がオンする。MOSトランジスタQ2は、VDS(Q2)=0の時すなわちキャパシタC2に電荷が蓄積されていない時にオンするので、ゼロ電圧スイッチングとなる。また、MOSトランジスタQ2は、共振電流Irがゼロクロスした時点でオンするのでゼロ電流スイッチングとなる。
Hereinafter, the operation in each period will be described.
(1) Period Tb1
At the start of the period Tb1, the resonance current Ir changes from negative to positive, and the MOS transistor Q2 is turned on. The MOS transistor Q2 is turned on when VDS (Q2) = 0, that is, when no charge is accumulated in the capacitor C2, and therefore is switched to zero voltage. Further, the MOS transistor Q2 is turned on when the resonance current Ir crosses zero, so that zero current switching is performed.

一方、MOSトランジスタQ3はオフである。直前の期間Tb8における整流動作により、キャパシタC3には−Voに相当する電荷が蓄積されているので、本期間内では正の共振電流Irによりその電荷が放電される。従って、共振電流Irは、MOSトランジスタQ2とキャパシタC3を介して流れる。   On the other hand, the MOS transistor Q3 is off. Due to the rectification operation in the immediately preceding period Tb8, the charge corresponding to −Vo is accumulated in the capacitor C3, and therefore, the charge is discharged by the positive resonance current Ir in this period. Therefore, the resonance current Ir flows through the MOS transistor Q2 and the capacitor C3.

(2)期間Tb2
期間Tb2の開始時にキャパシタC3の電圧がゼロになるので、ダイオードD3に電流ID3が流れ始める。共振電流Irは、MOSトランジスタQ2とダイオードD3を介して流れる。
(2) Period Tb2
Since the voltage of the capacitor C3 becomes zero at the start of the period Tb2, the current ID3 starts to flow through the diode D3. The resonance current Ir flows through the MOS transistor Q2 and the diode D3.

(3)期間Tb3
期間Tb3の開始時にMOSトランジスタQ2がオフする。MOSトランジスタQ2がオフする時はVDS(Q2)=0であるのでゼロ電圧スイッチングとなるが、ゼロ電流スイッチングとはならない。MOSトランジスタQ2がオフすると、それまでMOSトランジスタQ2に流れていた共振電流IrがキャパシタC2に流れ込み、その電圧VC2が上昇する。
(3) Period Tb3
At the start of the period Tb3, the MOS transistor Q2 is turned off. When the MOS transistor Q2 is turned off, VDS (Q2) = 0, so that zero voltage switching occurs, but zero current switching does not occur. When the MOS transistor Q2 is turned off, the resonance current Ir that has been flowing in the MOS transistor Q2 so far flows into the capacitor C2, and the voltage VC2 rises.

(4)期間Tb4
期間Tb4の開始時に電圧VC2が出力電圧Voに等しくなると、整流回路30のダイオードD4が通電し、共振電流IrはダイオードD4、キャパシタCo(または負荷23)、ダイオードD3を介して流れる。すなわち正の共振電流Irが整流されてキャパシタCoが充電される。以上の期間Tb1〜Tb4により、正方向の共振電流Irに対する通電幅の制御と整流作用が行われ、通電幅に応じたエネルギーが出力側に送られる。
(4) Period Tb4
When the voltage VC2 becomes equal to the output voltage Vo at the start of the period Tb4, the diode D4 of the rectifier circuit 30 is energized, and the resonance current Ir flows through the diode D4, the capacitor Co (or load 23), and the diode D3. That is, the positive resonance current Ir is rectified and the capacitor Co is charged. By the period Tb1 to Tb4 described above, the control of the energization width and the rectifying action for the resonance current Ir in the positive direction are performed, and energy corresponding to the energization width is sent to the output side.

(5)期間Tb5
期間Tb5の開始時に共振電流Irが正から負になり、MOSトランジスタQ3がオンする。MOSトランジスタQ3は、VDS(Q3)=0の時すなわちキャパシタC3に電荷が蓄積されていない時にオンするので、ゼロ電圧スイッチングとなる。また、MOSトランジスタQ3は、共振電流Irがゼロクロスした時点でオンするのでゼロ電流スイッチングとなる。
(5) Period Tb5
At the start of the period Tb5, the resonance current Ir changes from positive to negative, and the MOS transistor Q3 is turned on. Since the MOS transistor Q3 is turned on when VDS (Q3) = 0, that is, when no charge is accumulated in the capacitor C3, zero voltage switching is performed. Further, the MOS transistor Q3 is turned on when the resonance current Ir crosses zero, so that zero current switching is performed.

一方、MOSトランジスタQ2はオフである。直前の期間Tb4における整流動作により、キャパシタC2には+Voに相当する電荷が蓄積されているので、本期間内では負の共振電流Irによりその電荷が放電される。従って、共振電流Irは、MOSトランジスタQ3とキャパシタC2を介して流れる。   On the other hand, the MOS transistor Q2 is off. Since the charge corresponding to + Vo is accumulated in the capacitor C2 by the rectification operation in the immediately preceding period Tb4, the charge is discharged by the negative resonance current Ir in this period. Therefore, the resonance current Ir flows through the MOS transistor Q3 and the capacitor C2.

(6)期間Tb6
期間Tb6の開始時にキャパシタC2の電圧がゼロになるので、ダイオードD2に電流ID2が流れ始める。共振電流Irは、MOSトランジスタQ3とダイオードD2を介して流れる。
(6) Period Tb6
Since the voltage of the capacitor C2 becomes zero at the start of the period Tb6, the current ID2 starts to flow through the diode D2. The resonance current Ir flows through the MOS transistor Q3 and the diode D2.

(7)期間Tb7
期間Tb7の開始時にMOSトランジスタQ3がオフする。MOSトランジスタQ3がオフする時はVDS(Q3)=0であるのでゼロ電圧スイッチングとなるが、ゼロ電流スイッチングとはならない。MOSトランジスタQ3がオフすると、それまでMOSトランジスタQ3に流れていた共振電流IrがキャパシタC3に流れ込み、その電圧VC3が負の向きに上昇する。
(7) Period Tb7
At the start of the period Tb7, the MOS transistor Q3 is turned off. When the MOS transistor Q3 is turned off, VDS (Q3) = 0, so that zero voltage switching is performed, but zero current switching is not performed. When the MOS transistor Q3 is turned off, the resonance current Ir that has been flowing in the MOS transistor Q3 so far flows into the capacitor C3, and the voltage VC3 rises in the negative direction.

(8)期間Tb8
期間Tb8の開始時に電圧VC3の絶対値が出力電圧Voに等しくなると、整流回路30のダイオードD5が通電し、共振電流IrはダイオードD5、キャパシタCo(または負荷23)、ダイオードD2を介して流れる。すなわち負の共振電流Irが整流されてキャパシタCoが充電される。以上の期間Tb5〜Tb8により、負方向の共振電流Irに対する通電幅の制御と整流作用が行われ、通電幅に応じたエネルギーが出力側に送られる。
(8) Period Tb8
When the absolute value of the voltage VC3 becomes equal to the output voltage Vo at the start of the period Tb8, the diode D5 of the rectifier circuit 30 is energized, and the resonance current Ir flows through the diode D5, the capacitor Co (or the load 23), and the diode D2. That is, the negative resonance current Ir is rectified and the capacitor Co is charged. During the period Tb5 to Tb8 described above, the energization width is controlled and rectified for the negative resonance current Ir, and energy corresponding to the energization width is sent to the output side.

ここで、MOSトランジスタQ1のスイッチング周期をTs、出力電圧調節のための制御変数(通電幅)をK、共振電流Irの周期を2πとすれば、MOSトランジスタQ2、Q3のオン時間Trは、次の(2)式で示すようになる。制御変数Kを0からπまで変化させることにより、全波整流によりダイオードD4、D5を通過する電流が変化し、DC−DCコンバータ21の出力電圧Voが調節される。
Tr=Ts・K/(2π) …(2)
Here, if the switching period of the MOS transistor Q1 is Ts, the control variable (energization width) for adjusting the output voltage is K, and the period of the resonance current Ir is 2π, the on-time Tr of the MOS transistors Q2 and Q3 is As shown in the equation (2). By changing the control variable K from 0 to π, the current passing through the diodes D4 and D5 is changed by full-wave rectification, and the output voltage Vo of the DC-DC converter 21 is adjusted.
Tr = Ts · K / (2π) (2)

従来のコンバータにおけるゼロ電圧スイッチングと軽負荷時の動作は、実際に駆動する負荷抵抗Roと、軽負荷動作の限界値である負荷抵抗の最大値Ro(max)との関係に依存している。ゼロ電圧スイッチングを維持しながら動作させるには、コンバータ内の回路定数に依存するRo<Ro(max)なる条件を満たさなければならない。これに対し、DC−DCコンバータ21は、新たに導入した第2変換部25のMOSトランジスタQ2、Q3により上記依存性を克服できる。   The operation at zero voltage switching and light load in the conventional converter depends on the relationship between the load resistance Ro that is actually driven and the maximum value Ro (max) of the load resistance that is the limit value of the light load operation. In order to operate while maintaining zero voltage switching, the condition of Ro <Ro (max) depending on circuit constants in the converter must be satisfied. On the other hand, the DC-DC converter 21 can overcome the above-described dependency by the newly introduced MOS transistors Q2 and Q3 of the second conversion unit 25.

すなわち、無負荷の場合、共振電流Irが正の期間ではMOSトランジスタQ2がオン、ダイオードD3が通電し、共振電流Irが負の期間ではMOSトランジスタQ3がオン、ダイオードD2が通電する。これにより、DC−ACコンバータである第1変換部24から見た等価負荷抵抗はほぼゼロになる。一方、最大負荷(全負荷)の場合、共振電流Irが正の期間ではMOSトランジスタQ2がオフし、共振電流Irが負の期間ではMOSトランジスタQ3がオフする。つまり、第2変換部25の電流制御回路29は常に遮断される。これにより、第1変換部24から見た等価負荷抵抗は、実際の負荷抵抗Roに等しくなる。   That is, in the case of no load, the MOS transistor Q2 is turned on and the diode D3 is energized when the resonance current Ir is positive, and the MOS transistor Q3 is turned on and the diode D2 is energized when the resonance current Ir is negative. Thereby, the equivalent load resistance seen from the 1st conversion part 24 which is a DC-AC converter becomes substantially zero. On the other hand, in the case of the maximum load (full load), the MOS transistor Q2 is turned off when the resonance current Ir is positive, and the MOS transistor Q3 is turned off when the resonance current Ir is negative. That is, the current control circuit 29 of the second conversion unit 25 is always cut off. Thereby, the equivalent load resistance viewed from the first conversion unit 24 becomes equal to the actual load resistance Ro.

その結果、負荷23が無負荷から最大負荷まで変化したとき、第1変換部24から見た等価負荷抵抗はゼロから最大負荷に相当する抵抗値まで変化する。そして、MOSトランジスタQ2、Q3の通電時間をK=πからK=0まで制御することにより常にRo<Ro(max)なる条件を満たすことができる。従って、MOSトランジスタQ1は、全ての負荷条件に対しゼロ電圧スイッチングを維持できる。また、最大電力出力能力、MOSトランジスタQ1の電圧/電流ストレスの最適なトレードオフ、実用的な実装に対する都合の良さなどの各要素を考慮すると、MOSトランジスタQ1の駆動信号は50%のデューティ比を選択することが好ましい。   As a result, when the load 23 changes from no load to the maximum load, the equivalent load resistance viewed from the first converter 24 changes from zero to a resistance value corresponding to the maximum load. The condition of Ro <Ro (max) can always be satisfied by controlling the energization time of the MOS transistors Q2 and Q3 from K = π to K = 0. Therefore, the MOS transistor Q1 can maintain zero voltage switching for all load conditions. Considering each element such as maximum power output capability, optimum trade-off of voltage / current stress of MOS transistor Q1, and convenience for practical mounting, the drive signal of MOS transistor Q1 has a duty ratio of 50%. It is preferable to select.

以上説明した本実施形態によれば、直流電圧Vinを入力して共振電流Irを出力する第1変換部24において、MOSトランジスタQ1のオンによりエネルギーを蓄積するインダクタL1と共振用のインダクタLrとを1つのタップ付のインダクタLtとして構成した。これにより、インダクタLtのタップ位置の関数として電圧伝達率Vo/Vinを制御することが容易になり、MOSトランジスタQ1に加わる電圧ストレスVQ1を従来知られている3.6Vinから(Vin・N2+Vo・N1)/(N1+N2)に大幅に低減することができる。   According to the present embodiment described above, in the first converter 24 that receives the DC voltage Vin and outputs the resonance current Ir, the inductor L1 that stores energy when the MOS transistor Q1 is turned on and the inductor Lr for resonance are provided. A single tap inductor Lt is used. This makes it easy to control the voltage transfer rate Vo / Vin as a function of the tap position of the inductor Lt, and the voltage stress VQ1 applied to the MOS transistor Q1 is changed from 3.6 Vin (Vin · N2 + Vo · N1). ) / (N1 + N2).

第1変換部24の後段に電流制御回路29と整流回路30とを備えた第2変換部25を備え、検出した出力電圧Voに基づいて制御変数K(MOSトランジスタQ2、Q3の通電幅)を制御する構成とした。これにより、第1変換部24から見た等価負荷抵抗を負荷23の大きさに応じて動的に変化させることができ、第1変換部24から負荷23に送られるエネルギーを制御することができる。その結果、無負荷から最大負荷までの広い負荷条件において、MOSトランジスタQ1を一定のスイッチング周波数および一定のデューティ比で制御するとともにゼロ電圧スイッチングさせることができる。従来構成では実現が困難であった無負荷の状態でも、安定して電圧変換動作を行うことができる。   A second conversion unit 25 including a current control circuit 29 and a rectifier circuit 30 is provided downstream of the first conversion unit 24, and a control variable K (energization width of the MOS transistors Q2 and Q3) is set based on the detected output voltage Vo. It was set as the structure controlled. Thereby, the equivalent load resistance seen from the 1st conversion part 24 can be changed dynamically according to the magnitude | size of the load 23, and the energy sent to the load 23 from the 1st conversion part 24 can be controlled. . As a result, under a wide load condition from no load to the maximum load, the MOS transistor Q1 can be controlled at a constant switching frequency and a constant duty ratio and can be zero-voltage switched. The voltage conversion operation can be performed stably even in a no-load state that is difficult to realize with the conventional configuration.

この場合、キャパシタC2、C3およびダイオードD2、D3の作用によりMOSトランジスタQ2、Q3もゼロ電圧スイッチングとなる。また、MOSトランジスタQ1、Q2、Q3は、ターンオン時にゼロ電流スイッチングとなる。これらゼロ電圧スイッチングおよびゼロ電流スイッチングにより、スイッチング損失を大幅に低減することができる。MOSトランジスタQ1のデューティ比を50%に設定すると、最も高い出力電力能力が得られる。   In this case, the MOS transistors Q2, Q3 are also switched to zero voltage by the action of the capacitors C2, C3 and the diodes D2, D3. In addition, the MOS transistors Q1, Q2, and Q3 perform zero current switching when turned on. These zero voltage switching and zero current switching can greatly reduce the switching loss. When the duty ratio of the MOS transistor Q1 is set to 50%, the highest output power capability can be obtained.

DC−DCコンバータが車両に搭載される場合、MOSトランジスタQ1のスイッチング周波数が広範に変化すると、共振周波数がラジオ放送のAM帯域やFM帯域に入り込みラジオノイズとなり、或いは可聴領域まで低下して耳障りな音響ノイズとなる。本実施形態のDC−DCコンバータ21は、負荷電流の変化や入力電圧Vinの変化に起因して従来構成で発生していた広範な周波数変化を一定化できるので、ラジオノイズまたは音響ノイズを容易に防止でき、また、EMIも低減することができる。   When a DC-DC converter is mounted on a vehicle, if the switching frequency of the MOS transistor Q1 changes widely, the resonance frequency enters the AM band or FM band of radio broadcasting, becomes radio noise, or falls to the audible range, which is annoying. It becomes acoustic noise. The DC-DC converter 21 of this embodiment can stabilize a wide range of frequency changes that have occurred in the conventional configuration due to a change in load current or a change in input voltage Vin, so that radio noise or acoustic noise can be easily generated. In addition, EMI can be reduced.

可変周波数動作となる従来構成では、MOSトランジスタQ1の電圧ストレスを低減するためにキャパシタC1の容量値を大きくすると、所定期間内に電荷を引き抜くことができなくなりゼロ電圧スイッチングを実現できなかった。これに対し、一定のスイッチング周波数を用いる本実施形態では、ゼロ電圧スイッチングへの影響なくMOSトランジスタQ1の電圧ストレスを抑えられる。このため、電圧ストレスを一層低減するために、キャパシタC1の容量値をより大きくして用いることもできる。   In the conventional configuration in which the variable frequency operation is performed, if the capacitance value of the capacitor C1 is increased in order to reduce the voltage stress of the MOS transistor Q1, charge cannot be extracted within a predetermined period, and zero voltage switching cannot be realized. On the other hand, in this embodiment using a constant switching frequency, the voltage stress of the MOS transistor Q1 can be suppressed without affecting zero voltage switching. For this reason, in order to further reduce the voltage stress, the capacitance value of the capacitor C1 can be increased.

共振電流Irを入力し直流電圧Voを出力する第2変換部25は、逆導通性を持つMOSトランジスタQ2、Q3が逆向きに直列接続された電流制御回路29と、全波整流を行う整流回路30を備えている。このため、共振電流の正負両期間においてそれぞれ負荷23への電力供給を行うことができる。また、DC−DCコンバータ21は、1つのインダクタLtを持つ単一の共振回路を有し、他のインダクタや変圧器などを不要としているので、従来構成よりもサイズとコストを低減できる。   The second converter 25 that inputs the resonance current Ir and outputs the DC voltage Vo includes a current control circuit 29 in which MOS transistors Q2 and Q3 having reverse conductivity are connected in series in the reverse direction, and a rectifier circuit that performs full-wave rectification. 30. For this reason, it is possible to supply power to the load 23 in both positive and negative periods of the resonance current. Further, since the DC-DC converter 21 has a single resonance circuit having one inductor Lt and does not require other inductors or transformers, the size and cost can be reduced as compared with the conventional configuration.

(第2の実施形態)
次に、第2の実施形態について図7ないし図9を参照しながら説明する。本実施形態のDC−DCコンバータ31は、第1の実施形態で説明したDC−DCコンバータ21の第2変換部25を半波整流回路に変更したものであり、第1変換部24、第2変換部32、変換制御回路33および電圧検出回路27から構成されている。入力端子31a、31bには直流電源22が接続され、出力端子31c、31dには負荷23が接続される。入力端子31bと出力端子31dはグランド線28に接続されている。
(Second Embodiment)
Next, a second embodiment will be described with reference to FIGS. The DC-DC converter 31 of this embodiment is obtained by changing the second conversion unit 25 of the DC-DC converter 21 described in the first embodiment into a half-wave rectifier circuit. A conversion unit 32, a conversion control circuit 33, and a voltage detection circuit 27 are included. A DC power supply 22 is connected to the input terminals 31a and 31b, and a load 23 is connected to the output terminals 31c and 31d. The input terminal 31b and the output terminal 31d are connected to the ground line 28.

第2変換部32は、電流制御回路34、整流回路35およびキャパシタCoから構成されている。電流制御回路34は、ノードn2とグランド線28との間に接続されたMOSトランジスタQ2、寄生のキャパシタC2および寄生のダイオードD2から構成されており、電流を双方向に流すことができる。整流回路35は、ノードn2から出力端子31cに至る経路に順方向に接続されたダイオードD4からなる半波整流回路である。   The second conversion unit 32 includes a current control circuit 34, a rectifier circuit 35, and a capacitor Co. The current control circuit 34 includes a MOS transistor Q2, a parasitic capacitor C2, and a parasitic diode D2 connected between the node n2 and the ground line 28, and can flow a current bidirectionally. The rectifier circuit 35 is a half-wave rectifier circuit including a diode D4 connected in a forward direction along a path from the node n2 to the output terminal 31c.

変換制御回路33は、MOSトランジスタQ1を一定のスイッチング周波数と50%のデューティ比を持つ駆動信号により駆動する。また、検出した出力電圧Voに基づいて、共振電流Irに同期して正方向の電流に対してMOSトランジスタQ2の通電幅を制御する。   The conversion control circuit 33 drives the MOS transistor Q1 with a drive signal having a constant switching frequency and a duty ratio of 50%. Further, based on the detected output voltage Vo, the energization width of the MOS transistor Q2 is controlled with respect to the positive current in synchronization with the resonance current Ir.

図8はMOSトランジスタQ1、Q2の駆動状態と共振電流Irの波形図であり、図9は第2変換部32の動作説明図である。スイッチングの1周期は、電流の状態に基づいてTc1からTc4までの期間に分けられる。図9(a)〜(e)は、それぞれ期間Tc1〜Tc5における電流を示している。ただし、第1変換部24におけるMOSトランジスタQ1、キャパシタC1またはダイオードD1を介した電流経路は省略している。変換制御回路33は、共振電流Irが負から正にゼロクロスした時にMOSトランジスタQ2をオン駆動する。変換制御回路33は、第1の実施形態の変換制御回路26と同様にしてMOSトランジスタQ2のオン通電幅を制御する。   FIG. 8 is a waveform diagram of the driving states of the MOS transistors Q1 and Q2 and the resonance current Ir, and FIG. 9 is an operation explanatory diagram of the second converter 32. One cycle of switching is divided into periods from Tc1 to Tc4 based on the current state. 9A to 9E show currents in the periods Tc1 to Tc5, respectively. However, the current path through the MOS transistor Q1, the capacitor C1, or the diode D1 in the first converter 24 is omitted. The conversion control circuit 33 drives the MOS transistor Q2 on when the resonance current Ir crosses from negative to positive zero. The conversion control circuit 33 controls the ON energization width of the MOS transistor Q2 in the same manner as the conversion control circuit 26 of the first embodiment.

以下、それぞれの期間の動作について説明する。
(1)期間Tc1
期間Tc1の開始時に共振電流Irが負から正になり、MOSトランジスタQ2がオンする。MOSトランジスタQ2は、VDS(Q2)=0の時すなわちキャパシタC2に電荷が蓄積されていない時にオンするので、ゼロ電圧スイッチングとなる。また、MOSトランジスタQ2は、共振電流Irがゼロクロスした時点でオンするのでゼロ電流スイッチングとなる。共振電流Irは、MOSトランジスタQ2を介して流れる。
Hereinafter, the operation in each period will be described.
(1) Period Tc1
At the start of the period Tc1, the resonance current Ir changes from negative to positive, and the MOS transistor Q2 is turned on. The MOS transistor Q2 is turned on when VDS (Q2) = 0, that is, when no charge is accumulated in the capacitor C2, and therefore is switched to zero voltage. Further, the MOS transistor Q2 is turned on when the resonance current Ir crosses zero, so that zero current switching is performed. The resonance current Ir flows through the MOS transistor Q2.

(2)期間Tc2
期間Tc2の開始時にMOSトランジスタQ2がオフする。MOSトランジスタQ2がオフする時はVDS(Q2)=0であるのでゼロ電圧スイッチングとなるが、ゼロ電流スイッチングとはならない。MOSトランジスタQ2がオフすると、それまでMOSトランジスタQ2に流れていた共振電流IrがキャパシタC2に流れ込み、その電圧VC2が上昇する。
(2) Period Tc2
At the start of the period Tc2, the MOS transistor Q2 is turned off. When the MOS transistor Q2 is turned off, VDS (Q2) = 0, so that zero voltage switching is performed, but zero current switching is not performed. When the MOS transistor Q2 is turned off, the resonance current Ir that has been flowing in the MOS transistor Q2 so far flows into the capacitor C2, and the voltage VC2 rises.

(3)期間Tc3
期間Tc3の開始時に電圧VC2が出力電圧Voに等しくなると、整流回路35のダイオードD4が通電し、共振電流IrはダイオードD4、キャパシタCo(または負荷23)を介して流れる。すなわち正の共振電流Irが整流されてキャパシタCoが充電される。以上の期間Tc1〜Tc3により、正方向の共振電流Irに対する通電幅の制御と整流作用が行われ、通電幅に応じたエネルギーが出力側に送られる。
(3) Period Tc3
When the voltage VC2 becomes equal to the output voltage Vo at the start of the period Tc3, the diode D4 of the rectifier circuit 35 is energized, and the resonance current Ir flows through the diode D4 and the capacitor Co (or the load 23). That is, the positive resonance current Ir is rectified and the capacitor Co is charged. During the period Tc1 to Tc3 described above, the control of the energization width and the rectifying action for the positive resonance current Ir are performed, and energy corresponding to the energization width is sent to the output side.

(4)期間Tc4
期間Tc4の開始時に共振電流Irが正から負になる。直前の期間Tc3における整流動作により、キャパシタC2には+Voに相当する電荷が蓄積されているので、本期間内では負の共振電流Irによりその電荷が放電される。従って、共振電流Irは、キャパシタC2を介して流れる。
(4) Period Tc4
At the start of the period Tc4, the resonance current Ir changes from positive to negative. Since the charge corresponding to + Vo is accumulated in the capacitor C2 by the rectification operation in the immediately preceding period Tc3, the charge is discharged by the negative resonance current Ir in this period. Accordingly, the resonance current Ir flows through the capacitor C2.

(5)期間Tc5
期間Tc5の開始時にキャパシタC2の電圧がゼロになるので、ダイオードD2に電流ID2が流れ始める。従って、以後の負の共振電流IrはダイオードD2を介して流れる。なお、電流制御回路34は、負方向の共振電流に対して通電幅を制御するためのMOSトランジスタQ3を備えていないので、期間Tc4、Tc5ではエネルギーを出力側に送ることができない。
(5) Period Tc5
Since the voltage of the capacitor C2 becomes zero at the start of the period Tc5, the current ID2 starts to flow through the diode D2. Therefore, the subsequent negative resonance current Ir flows through the diode D2. Since the current control circuit 34 does not include the MOS transistor Q3 for controlling the energization width with respect to the resonance current in the negative direction, energy cannot be sent to the output side during the periods Tc4 and Tc5.

以上説明した本実施形態によれば、負荷23が無負荷から最大負荷まで変化したとき、MOSトランジスタQ2の通電時間をK=πからK=0まで制御することにより常にRo<Ro(max)なる条件を満たすことができる。従って、本実施形態によっても第1の実施形態と同様の効果が得られる。ただし、第2変換部32は、半波整流回路を採用するため、正方向の共振電流Irが流れている期間にだけ通電幅に応じたエネルギーが出力側に送ることができる。   According to the present embodiment described above, when the load 23 changes from no load to the maximum load, Ro <Ro (max) is always established by controlling the energization time of the MOS transistor Q2 from K = π to K = 0. The condition can be met. Therefore, the present embodiment can provide the same effects as those of the first embodiment. However, since the second converter 32 employs a half-wave rectifier circuit, energy corresponding to the energization width can be sent to the output side only during a period in which the positive direction resonance current Ir flows.

(第3の実施形態)
図10は、第1の実施形態の一部を変形した第3の実施形態を示している。DC−DCコンバータ41の第2変換部42は、整流回路43を構成するダイオードD4と並列に、出力端子41cからノードn2の向きに電流を流すMOSトランジスタQ4(回生用スイッチング素子)を備えている。また、整流回路43を構成するダイオードD5と並列にMOSトランジスタQ5を備えている。並列のダイオードD4とキャパシタC4および並列のダイオードD5とキャパシタC5には、それぞれMOSトランジスタQ4およびQ5の寄生ダイオードと寄生キャパシタを用いている。
(Third embodiment)
FIG. 10 shows a third embodiment obtained by modifying a part of the first embodiment. The second converter 42 of the DC-DC converter 41 includes a MOS transistor Q4 (regenerative switching element) that flows current in the direction from the output terminal 41c to the node n2 in parallel with the diode D4 constituting the rectifier circuit 43. . In addition, a MOS transistor Q5 is provided in parallel with the diode D5 constituting the rectifier circuit 43. The parallel diode D4 and the capacitor C4 and the parallel diode D5 and the capacitor C5 are the parasitic diodes and parasitic capacitors of the MOS transistors Q4 and Q5, respectively.

この構成によれば、第2変換部42は入出力間で双方向に電流を流すことができる。変換制御回路44は、負荷23に対し所望の電圧Voを出力する力行動作のみならず、負荷23例えば車両の駆動モータで得られる発電電力を回生して直流電源22例えばバッテリを充電するように制御することができる。   According to this structure, the 2nd conversion part 42 can flow an electric current bidirectionally between input-output. The conversion control circuit 44 controls not only the power running operation for outputting a desired voltage Vo to the load 23 but also the regenerative power generated by the load 23, for example, a vehicle drive motor, to charge the DC power source 22, for example, a battery. can do.

(第4の実施形態)
図11は、第2の実施形態の一部を第3の実施形態と同様に変形した第4の実施形態を示している。すなわち、DC−DCコンバータ51の第2変換部52は、整流回路53を構成するダイオードD4と並列にMOSトランジスタQ4を備えている。この構成によれば、第2変換部52は入出力間で双方向に電流を流すことができる。変換制御回路54は、力行動作のみならず、負荷23側から得られる電力を直流電源22に回生するように制御することができる。
(Fourth embodiment)
FIG. 11 shows a fourth embodiment in which a part of the second embodiment is modified in the same manner as the third embodiment. That is, the second conversion unit 52 of the DC-DC converter 51 includes a MOS transistor Q4 in parallel with the diode D4 constituting the rectifier circuit 53. According to this structure, the 2nd conversion part 52 can flow an electric current bidirectionally between input-output. The conversion control circuit 54 can control not only the power running operation but also the power obtained from the load 23 side to be regenerated to the DC power source 22.

(その他の実施形態)
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の変形、拡張を行うことができる。
(Other embodiments)
As mentioned above, although preferred embodiment of this invention was described, this invention is not limited to embodiment mentioned above, A various deformation | transformation and expansion | extension can be performed within the range which does not deviate from the summary of invention.

第2の実施形態において、第2変換部32と整流回路35は、MOSトランジスタQ2、キャパシタC2およびダイオードD2、D4に替えて、MOSトランジスタQ3、キャパシタC3およびダイオードD3、D5を備えてもよい。この場合には、共振電流Irに同期して負方向の電流に対してMOSトランジスタQ3の通電幅を制御すればよい。
第3の実施形態においてMOSトランジスタQ5とキャパシタC5は省略してもよい。
MOSトランジスタQ2、Q3の通電幅は互いに異なってもよい。
In the second embodiment, the second converter 32 and the rectifier circuit 35 may include a MOS transistor Q3, a capacitor C3, and diodes D3 and D5 instead of the MOS transistor Q2, the capacitor C2, and the diodes D2 and D4. In this case, the energization width of the MOS transistor Q3 may be controlled with respect to the current in the negative direction in synchronization with the resonance current Ir.
In the third embodiment, the MOS transistor Q5 and the capacitor C5 may be omitted.
The energization widths of the MOS transistors Q2 and Q3 may be different from each other.

図面中、21、31、41、51はDC−DCコンバータ、21a、21b、31a、31b、41a、41b、51a、51bは入力端子、21c、21d、31c、31d、41c、41d、51c、51dは出力端子、24は第1変換部、25、32、42、52は第2変換部、26、33、44、54は変換制御回路、29、34は電流制御回路、30、35、43、53は整流回路、Q1はMOSトランジスタ(主スイッチング素子)、Q2はMOSトランジスタ(第1スイッチング素子)、Q3はMOSトランジスタ(第2スイッチング素子)、Q4はMOSトランジスタ(回生用スイッチング素子)、D1、D4、D5はダイオード、C1はキャパシタ、Crはキャパシタ(共振キャパシタ)、Coはキャパシタ(出力キャパシタ)、Ltはインダクタ(タップ付インダクタ)、n2は交流出力ノード、n3は中間ノードである。   In the drawings, 21, 31, 41, 51 are DC-DC converters, 21a, 21b, 31a, 31b, 41a, 41b, 51a, 51b are input terminals, 21c, 21d, 31c, 31d, 41c, 41d, 51c, 51d. Is an output terminal, 24 is a first conversion unit, 25, 32, 42, 52 are second conversion units, 26, 33, 44, 54 are conversion control circuits, 29, 34 are current control circuits, 30, 35, 43, 53 is a rectifier circuit, Q1 is a MOS transistor (main switching element), Q2 is a MOS transistor (first switching element), Q3 is a MOS transistor (second switching element), Q4 is a MOS transistor (regenerative switching element), D1, D4 and D5 are diodes, C1 is a capacitor, Cr is a capacitor (resonance capacitor), Co is a capacitor (output capacitor) Data), Lt inductor (inductor tapped), n2 is the AC output nodes, n3 is an intermediate node.

Claims (6)

入力端子を介して直流電圧を入力し交流出力ノードを通して共振による交流電流を出力する第1変換部と、前記交流出力ノードから交流電流を入力し出力端子を介して直流電圧を出力する第2変換部と、これら第1変換部と第2変換部を制御する変換制御回路とから構成され、
前記第1変換部は、
前記入力端子の一端と前記交流出力ノードとの間に直列に接続されたタップ付インダクタおよび共振キャパシタと、
前記タップ付インダクタのタップと前記入力端子の他端との間に接続された主スイッチング素子と、
前記主スイッチング素子と並列に接続されたキャパシタおよびダイオードとを備え、
前記第2変換部は、
前記交流出力ノードと前記入力端子の他端との間に電流を双方向に流し得る電流経路を形成し、当該電流経路に流れる交流電流に対し少なくとも一方向の電流の通電幅を制御可能な電流制御回路と、
前記出力端子間に設けられた出力キャパシタと、
前記電流制御回路が電流を遮断している期間、当該遮断された向きの電流を整流して前記出力キャパシタに流す整流回路とを備え、
前記変換制御回路は、前記主スイッチング素子を一定の周波数とデューティ比を持つ駆動信号により駆動するとともに、前記出力端子間の検出電圧に基づいて前記電流制御回路の通電幅を制御することを特徴とするDC−DCコンバータ。
A first converter that inputs a DC voltage via an input terminal and outputs an alternating current due to resonance through an AC output node, and a second converter that inputs an AC current from the AC output node and outputs a DC voltage via the output terminal And a conversion control circuit for controlling the first conversion unit and the second conversion unit,
The first converter is
A tapped inductor and a resonant capacitor connected in series between one end of the input terminal and the AC output node;
A main switching element connected between the tap of the tapped inductor and the other end of the input terminal;
A capacitor and a diode connected in parallel with the main switching element;
The second converter is
A current path that allows a current to flow in both directions is formed between the AC output node and the other end of the input terminal, and a current that can control the energization width of the current in at least one direction with respect to the AC current flowing in the current path. A control circuit;
An output capacitor provided between the output terminals;
A rectifier circuit that rectifies the current in the interrupted direction and flows the current to the output capacitor while the current control circuit cuts off the current;
The conversion control circuit drives the main switching element with a drive signal having a constant frequency and a duty ratio, and controls the energization width of the current control circuit based on a detection voltage between the output terminals. DC-DC converter.
前記電流制御回路は、逆導通性を持つ第1スイッチング素子と第2スイッチング素子が中間ノードを挟んで互いに逆向きに直列接続された構成を備え、
前記整流回路は、前記電流制御回路の両端から前記出力端子の一端に至る経路にそれぞれ順方向にダイオードを備え、前記中間ノードと前記出力端子の他端とが接続された構成の全波整流回路であることを特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバータ。
The current control circuit includes a configuration in which a first switching element and a second switching element having reverse conductivity are connected in series in opposite directions with an intermediate node interposed therebetween,
The rectifier circuit includes a diode in a forward direction on each path from both ends of the current control circuit to one end of the output terminal, and the intermediate wave node and the other end of the output terminal are connected to each other. The DC-DC converter according to claim 1, wherein:
前記整流回路を構成するダイオードのうち前記交流出力ノードから前記出力端子の一端に至る経路に順方向に設けられたダイオードと並列に、前記出力端子の一端から前記交流出力ノードの向きに電流を流す回生用スイッチング素子を備えたことを特徴とする請求項2記載のDC−DCコンバータ。   A current flows from one end of the output terminal to the AC output node in parallel with a diode provided in a forward direction in a path from the AC output node to one end of the output terminal among the diodes constituting the rectifier circuit. The DC-DC converter according to claim 2, further comprising a switching element for regeneration. 前記電流制御回路は、逆導通性を持つスイッチング素子から構成され、
前記整流回路は、前記電流制御回路の一端から前記出力端子の一端に至る経路にダイオードを備え、前記電流制御回路の他端と前記出力端子の他端とが接続された構成の半波整流回路であることを特徴とする請求項1記載のDC−DCコンバータ。
The current control circuit is composed of a switching element having reverse conductivity,
The rectifier circuit includes a diode in a path from one end of the current control circuit to one end of the output terminal, and a half-wave rectifier circuit configured such that the other end of the current control circuit and the other end of the output terminal are connected The DC-DC converter according to claim 1, wherein:
前記整流回路を構成するダイオードと並列に、前記出力端子の一端から前記交流出力ノードの向きに電流を流す回生用スイッチング素子を備えたことを特徴とする請求項4記載のDC−DCコンバータ。   5. The DC-DC converter according to claim 4, further comprising a regenerative switching element that allows a current to flow from one end of the output terminal toward the AC output node in parallel with the diode constituting the rectifier circuit. 前記スイッチング素子はMOSトランジスタから構成されていることを特徴とする請求項1ないし5の何れかに記載のDC−DCコンバータ。   6. The DC-DC converter according to claim 1, wherein the switching element is composed of a MOS transistor.
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JP2003087976A (en) * 2001-09-13 2003-03-20 Meidensha Corp Uninterruptible power supply
JP2007020327A (en) * 2005-07-08 2007-01-25 Toyota Motor Corp Control device for DC-DC converter
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