JPH0622548A - Switching power supply - Google Patents
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- JPH0622548A JPH0622548A JP5976192A JP5976192A JPH0622548A JP H0622548 A JPH0622548 A JP H0622548A JP 5976192 A JP5976192 A JP 5976192A JP 5976192 A JP5976192 A JP 5976192A JP H0622548 A JPH0622548 A JP H0622548A
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【産業上の利用分野】本発明は、自励型DC−DCコン
バータ等のスイッチング電源装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a switching power supply device such as a self-excited DC-DC converter.
【0002】[0002]
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】スイッ
チング素子をPWMパルスで制御する形式の他励型スイ
ッチングレギュレータは種々の分野で使用されている。
しかし、この他励型スイッチングレギュレータの直流電
圧断続用のスイッチング素子のターンオン及びターンオ
フは、零電流及び零電圧の状態で行われないために、比
較的大きいスイッチング損失が生じる。また、ターンオ
フ時にサージ電圧が発生するために、これを吸収するた
めのスナバ回路が必要になる。2. Description of the Related Art A separately-excited switching regulator in which a switching element is controlled by a PWM pulse is used in various fields.
However, since the turn-on and turn-off of the switching element for interrupting the DC voltage of the separately excited switching regulator are not performed in the state of zero current and zero voltage, a relatively large switching loss occurs. In addition, since a surge voltage is generated at turn-off, a snubber circuit is required to absorb the surge voltage.
【0003】この種の欠点を解決するものとして、正弦
波で動作する共振型コンバータが提案されている。この
共振型コンバータによれば、零電流スイッチング又は零
電圧スイッチングが可能になり、スイッチング損失及び
電圧サージ/電流サージを低減させることができる。し
かし、共振を利用するため、高周波電流/電圧の実効値
が非常に大きくなり、これによってスイッチング素子の
コンダクション損失、磁気部品の鉄損及び銅損が増え
る。As a solution to this type of drawback, a resonant converter operating with a sine wave has been proposed. According to this resonance type converter, zero current switching or zero voltage switching is possible, and switching loss and voltage surge / current surge can be reduced. However, since the resonance is used, the effective value of the high frequency current / voltage becomes very large, which increases the conduction loss of the switching element and the iron loss and copper loss of the magnetic component.
【0004】共振型コンバータの問題点を解決するため
に、ターンオフ及び/又はターンオン時のみ共振させる
部分共振型コンバータが提案されている。しかし、従来
の部分共振型コンバータでは、部分共振のためのスイッ
チング素子が必要になり、装置がコスト高になった。In order to solve the problems of the resonance type converter, a partial resonance type converter which resonates only at turn-off and / or turn-on has been proposed. However, in the conventional partial resonance type converter, a switching element for partial resonance is required, and the cost of the device becomes high.
【0005】そこで、本発明はスイッチング電源装置の
効率の向上、雑音の低減及びコストの低減を図ることを
目的とする。Therefore, an object of the present invention is to improve the efficiency, noise, and cost of the switching power supply device.
【0006】[0006]
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、可飽和磁心と1次巻線と2次巻線と3次巻
線とを有する可飽和トランスと、前記1次巻線に接続さ
れた直流電源と、前記1次巻線に直列に接続されたスイ
ッチング素子と、前記スイッチング素子の一方の主端子
と他方の主端子との間に接続されたコンデンサ及び/又
は浮遊容量と、前記1次巻線に並列に接続された可飽和
インダクタンスとダイオードとの直列回路と、前記可飽
和インダクタンスに磁気制御を行うための磁気制御手段
と、前記1次巻線及び前記可飽和インダクタンスに対し
て直列に接続されたリアクトルと、前記スイッチング素
子の制御端子に接続された起動回路とを備え、前記3次
巻線が前記スイッチング素子の前記制御端子と前記他方
の主端子との間に接続されており、且つ前記コンデンサ
及び/又は浮遊容量と前記リアクトルが前記スイッチン
グ素子のオン・オフの繰返し周波数よりも高い周波数で
共振する静電容量値とインダクタンス値を有しているこ
とを特徴とするスイッチング電源装置に係わるものであ
る。SUMMARY OF THE INVENTION To achieve the above object, the present invention provides a saturable transformer having a saturable magnetic core, a primary winding, a secondary winding and a tertiary winding, and the primary winding. A DC power source connected to a wire, a switching element connected in series to the primary winding, and a capacitor and / or stray capacitance connected between one main terminal and the other main terminal of the switching element A series circuit of a saturable inductance and a diode connected in parallel to the primary winding, magnetic control means for magnetically controlling the saturable inductance, the primary winding and the saturable inductance And a starter circuit connected to a control terminal of the switching element, wherein the tertiary winding is provided between the control terminal of the switching element and the other main terminal. And a capacitance value and an inductance value at which the capacitor and / or the stray capacitance and the reactor resonate at a frequency higher than a repetition frequency of turning on / off of the switching element. The present invention relates to a switching power supply device.
【0007】請求項2に示すように、制御巻線と制御電
流源を設けることが望ましい。As described in claim 2, it is desirable to provide a control winding and a control current source.
【0008】請求項3に示すように、直流出力を得るた
めの整流平滑回路を設けることができる。As described in claim 3, a rectifying / smoothing circuit for obtaining a DC output can be provided.
【0009】[0009]
【作用】可飽和インダクタンスが飽和すると、リアクト
ルとコンデンサ及び/又は浮遊容量との共振回路が形成
され、コンデンサ及び/又は浮遊容量が充電される。ト
ランスの可飽和磁心はスイッチング素子のターンオン及
びターンオフを生じさせるための働きを有すると共に、
1次巻線のインダクタンス値が大きい状態と小さい状態
とを作り出す働きを有する。トランスの可飽和磁心が飽
和して1次巻線のインダクタンス値が小さくなると、リ
アクトルと、コンデンサ及び/又は浮遊容量の静電容量
との共振が生じ、コンデンサ及び/又は浮遊容量が放電
する、トランスの可飽和磁心及び可飽和インダクタンス
の磁心が非飽和状態の時には共振が中断される。3次巻
線はスイッチング素子を正帰還制御する。請求項2の制
御巻線は可飽和インダクタンスの磁気制御に寄与する。
請求項3の整流平滑回路は直流出力を得るためのもので
ある。When the saturable inductance is saturated, a resonance circuit of the reactor and the capacitor and / or the stray capacitance is formed, and the capacitor and / or the stray capacitance are charged. The saturable magnetic core of the transformer has a function of causing turn-on and turn-off of the switching element, and
It has a function of creating a state where the inductance value of the primary winding is large and a state where it is small. When the saturable magnetic core of the transformer is saturated and the inductance value of the primary winding becomes small, resonance occurs between the reactor and the capacitance of the capacitor and / or stray capacitance, and the capacitor and / or stray capacitance are discharged. Resonance is interrupted when the saturable magnetic core and the saturable inductance magnetic core are unsaturated. The tertiary winding controls the switching element in positive feedback. The control winding of claim 2 contributes to magnetic control of the saturable inductance.
The rectifying / smoothing circuit according to the third aspect is for obtaining a DC output.
【0010】[0010]
【第1の実施例】次に、図1〜図10を参照して本発明
の実施例に係わるスイッチング電源装置を説明する。First Embodiment Next, a switching power supply device according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
【0011】図1において、整流回路と平滑回路又は蓄
電池等から成る直流電源1の一端と他端との間には可飽
和トランス2の1次巻線3と共振用リアクトル4とスイ
ッチング素子としての絶縁ゲート型FET(電界効果ト
ランジスタ)5との直列回路が接続されている。可飽和
トランス2は1次巻線3の他に、2次巻線6、3次巻線
7、及び角型可飽和磁心9を有する。1次巻線3に並列
に可飽和インダクタンス8がダイオードD1 を介して並
列に接続されている。In FIG. 1, a primary winding 3 of a saturable transformer 2, a resonance reactor 4, and a switching element are provided between one end and the other end of a DC power source 1 including a rectifying circuit, a smoothing circuit, and a storage battery. A series circuit with an insulated gate FET (field effect transistor) 5 is connected. The saturable transformer 2 has a secondary winding 6, a tertiary winding 7, and a square saturable magnetic core 9 in addition to the primary winding 3. A saturable inductance 8 is connected in parallel to the primary winding 3 via a diode D1.
【0012】共振用リアクトル4は1次巻線3に対して
直列に接続されている。共振用コンデンサ10はFET
5のドレイン(第1の主端子)とソース(第2の主端
子)との間に接続されている。FET5は破線で示すよ
うにドレイン・ソース間に浮遊容量Cs を有し、更にダ
イオードDs を内蔵している。共振用リアクトル4のイ
ンダクタンス値をL1 、1次巻線3及び可飽和インダク
タンス8のインダクタンス値及びFET5の容量を無視
すると、C1 とL1 の直列共振回路が形成される。L1
とC1 の値は、これによる共振周波数がFET5のオン
・オフの繰返し周波数よりも高くなるように設定されて
いる。各部の定数は次の通りである。FET5は2SK
577であり、コンデンサ10の容量C1 は約1nF、
リアクトル4のインダクタンス値L1 は約3.8μFで
ある。また電源電圧Va は140V、出力電圧は5V、
出力電流は0〜20Aである。The resonance reactor 4 is connected in series with the primary winding 3. The resonance capacitor 10 is an FET
5 is connected between the drain (first main terminal) and the source (second main terminal). The FET 5 has a stray capacitance Cs between the drain and the source as shown by a broken line, and further incorporates a diode Ds. If the inductance value of the resonance reactor 4 is L1, and the inductance values of the primary winding 3 and the saturable inductance 8 and the capacitance of the FET 5 are ignored, a series resonance circuit of C1 and L1 is formed. L1
The values of C1 and C1 are set so that the resonance frequency thereby becomes higher than the on / off repetition frequency of the FET5. The constants of each part are as follows. FET5 is 2SK
577, the capacitance C1 of the capacitor 10 is about 1 nF,
The inductance value L1 of the reactor 4 is about 3.8 μF. The power supply voltage Va is 140V, the output voltage is 5V,
The output current is 0 to 20A.
【0013】出力回路を構成するために、2次巻線6に
は、ダイオード11、12と、平滑用リアクトル13
と、平滑用コンデンサ14とから成る整流平滑回路15
が接続され、この整流平滑回路15の出力端子16、1
7間に負荷18が接続されている。In order to form an output circuit, the secondary winding 6 has diodes 11, 12 and a smoothing reactor 13 in the secondary winding 6.
And a smoothing capacitor 14 for rectifying and smoothing circuit 15
Are connected to the output terminals 16 and 1 of the rectifying / smoothing circuit 15.
A load 18 is connected between the seven.
【0014】3次巻線7は帰還による自励動作を可能に
するために結合コンデンサ19を介してFET5のゲー
ト(制御端子)とソースとの間に接続されている。FE
T5のゲート・ソース間に対して並列であると共に、3
次巻線7と結合コンデンサ19とに対しても並列になる
ようにツエナータイオード20とダイオード21の直列
回路が接続されている。コンデンサ19とツエナーダイ
オード20はゲート・ソース間電圧の正方向最大振幅値
をツエナー電圧Vz までシフトダウンし、t1〜t4 間
におけるゲート・ソース間電圧をゲートしきい値Vthよ
り低くさせる働きを有する。The tertiary winding 7 is connected between the gate (control terminal) and the source of the FET 5 via a coupling capacitor 19 in order to enable self-excited operation by feedback. FE
It is parallel to the gate and source of T5 and 3
A series circuit of a Zener diode 20 and a diode 21 is connected to the next winding 7 and the coupling capacitor 19 in parallel. The capacitor 19 and the zener diode 20 have the function of shifting down the maximum amplitude value of the gate-source voltage in the positive direction to the zener voltage Vz and lowering the gate-source voltage between t1 and t4 below the gate threshold Vth.
【0015】起動抵抗22は直流電源1とFET5のゲ
ートとの間に接続されている。なお、起動抵抗22を起
動パルスを与える回路等に置き変えることができる。The starting resistor 22 is connected between the DC power supply 1 and the gate of the FET 5. The starting resistor 22 can be replaced with a circuit that gives a starting pulse.
【0016】可飽和インダクタンス8は角型可飽和磁心
23と巻線24とから成る。この可飽和インダクタンス
28の磁心23には磁気制御用の制御巻線25が巻か
れ、ここに可変電流源26が接続されている。可変電流
源26から制御巻線25に流す電流を変化させると、可
飽和インダクタンス8の飽和に達するまでの時間幅及び
可飽和トランス2が飽和するまでの時間幅が変化し、出
力電圧が変化する。The saturable inductance 8 comprises a rectangular saturable magnetic core 23 and a winding 24. A control winding 25 for magnetic control is wound around a magnetic core 23 of the saturable inductance 28, and a variable current source 26 is connected to the control winding 25. When the current flowing from the variable current source 26 to the control winding 25 is changed, the time width until the saturable inductance 8 reaches saturation and the time width until the saturable transformer 2 is saturated change, and the output voltage changes. .
【0017】[0017]
【動作】まず、負荷18を接続しないで出力端子16、
17を開放した無負荷状態であると共に、制御電流源2
6を制御巻線25に一定の電流Ic を流した制御状態に
おける動作を、図2〜図7を参照して説明する。但し、
浮遊容量Cs 、1次巻線3及び巻線24のインダクタン
スを無視し、これ等がコンデンサ10とリアクトル4に
含まれているものとして説明する。また、可飽和インダ
クタンス8の巻線24と制御巻線25の巻線数をそれぞ
れN24、N25とし、2つの磁心9及び23が非飽和状態
にあるとする。直流電源1は起動抵抗22を通ってFE
T5のゲ−ト・ソ−ス間を充電し、FET5がタ−ンオ
ンされる。直流電源1の電圧Viは可過飽和トランス2
の1次巻線3に加えられ、3次巻線7に電圧が誘起さ
れ、その電圧が結合コンデンサ19を通じてFET5の
ゲ−ト・ソ−ス間に加えられ、FET5がオンに保持さ
れる。FET5がオンの時には、図2のt1 以前及びt
4 〜t5 区間に示すように、FET5及びコンデンサ1
0の両端子間電圧Vc は実質的に0ボルト、1次巻線3
に印加される電圧Vb は直流電源1の電圧Vi となる。
FET5のオン期間にはトランス2の磁心9の磁束φは
図3(A)のΨ−mmf曲線(鎖交磁束Ψ対起磁力mm
fの特性線であり、B−H曲線をもとに座標変換を行っ
て得られた特性線)のa−b区間に従って直線的に増大
する。一方、可飽和インダクタンス8の場合、直流電源
1の電圧Viはダイオ−ドD1 とFET5のオンより、
巻線24に印加し、磁心23の磁束は図3(B)のa−
b区間に従って増大する。可飽和トランス2の1次巻線
3には励磁電流I2 、可飽和インダクタンス8の巻線2
4には励磁電流I3 がそれぞれ流れる。磁心23に関し
ては、その起磁力はmmf=N25Ic +N24I3 とな
る。角型磁心の場合、起磁力が十分小さく、励磁電流が
無視でき、可飽和トランス2の電流I2 と可飽和インダ
クタンス8の電流13 を無視すると、無負荷であるの
で、図2のt1 以前及びt4 〜t5 区間に示すように、
リアクトル4に流れる電流I1 は0となる。図4はFE
T5のオン期間即ちt1 以前及びt4 〜t5 区間の等価
回路を示す。[Operation] First, without connecting the load 18, the output terminal 16,
It is in a no-load state in which 17 is opened, and the control current source 2
The operation of the control coil 6 in the control state in which a constant current Ic is passed through the control winding 25 will be described with reference to FIGS. However,
The stray capacitance Cs, the inductances of the primary winding 3 and the winding 24 are neglected, and these are described as being included in the capacitor 10 and the reactor 4. Further, it is assumed that the number of windings of the saturable inductance 8 and the number of windings of the control winding 25 are N 24 and N 25 , respectively, and the two magnetic cores 9 and 23 are in a non-saturated state. The DC power supply 1 passes through the starting resistor 22 and FE
The gate and source of T5 are charged, and FET5 is turned on. The voltage Vi of the DC power supply 1 is the saturable transformer 2
Is applied to the primary winding 3 of the FET, a voltage is induced in the tertiary winding 7, and the voltage is applied between the gate and the source of the FET 5 through the coupling capacitor 19 to keep the FET 5 ON. When FET5 is on, before t1 and t in FIG.
As shown in section 4 to t5, FET5 and capacitor 1
The voltage Vc between both terminals of 0 is substantially 0 volt, the primary winding 3
The voltage Vb applied to the DC voltage becomes the voltage Vi of the DC power supply 1.
During the ON period of the FET 5, the magnetic flux φ of the magnetic core 9 of the transformer 2 is the Ψ-mmf curve (linkage magnetic flux Ψ vs. magnetomotive force mm in FIG. 3A).
It is a characteristic line of f, and linearly increases according to the ab section of the characteristic line obtained by performing the coordinate conversion based on the BH curve. On the other hand, in the case of the saturable inductance 8, the voltage Vi of the DC power supply 1 is determined by turning on the diode D1 and the FET5.
The magnetic flux applied to the winding 24 and the magnetic flux of the magnetic core 23 is a− in FIG.
It increases according to section b. The primary winding 3 of the saturable transformer 2 has an exciting current I2 and the saturable inductance 8 has a winding 2
An exciting current I3 flows in each of the four. The magnetomotive force of the magnetic core 23 is mmf = N 25 Ic + N 24 I 3. In the case of a square magnetic core, the magnetomotive force is sufficiently small and the exciting current can be ignored. If the current I2 of the saturable transformer 2 and the current 13 of the saturable inductance 8 are ignored, no load is applied, so before t1 and t4 in FIG. As shown in section ~ t5,
The current I1 flowing through the reactor 4 becomes zero. Figure 4 is FE
An equivalent circuit of the ON period of T5, that is, before t1 and in the period from t4 to t5 is shown.
【0018】可飽和インダクタンス8の磁心23の磁化
状態がb点に至ると、この磁心23が飽和し、磁心23
の鎖交磁束が図3(B)のb−d区間に示すようにほぼ
一定に保持され、巻線24に誘起される電圧が小さくな
り、ダイオ−ドD1 がオンのため、可飽和トランス2の
1次巻線3に印加される電圧Vbも小さくなり、磁心9
の鎖交磁束は図3(A)のようにほぼ点bに保持され、
3次巻線7に誘起される電圧も小さくなり、FET5の
ゲ−ト・ソ−ス間電圧Vgsがしきい値電圧より低くな
り、FET5がタ−ンオフされる。磁心23の飽和のた
め、可飽和インダクタンス8のインピーダンスが小さく
なり、リアクトル4のインダクタンスL1とコンデンサ
10の容量C1 と直列共振が図5に示す等価回路で生
じ、電流Ilが流れ、コンデンサ10が充電され、この
電圧Vc が図2のt1 〜t2 区間に示すように電源電圧
Vi の2倍の値2Vi に向って上昇する。従って、t1
〜t2のターンオフ期間においてFET5の両端電圧Vc
は図2に示すように正弦波状に徐々に増大する。磁心
23が図3(B)のΨ−mmf曲線のd点まで磁化され
た後に鎖交わ磁束Ψの減少が生じ、b点で再び非飽和状
態に移行する。When the magnetized state of the magnetic core 23 of the saturable inductance 8 reaches the point b, the magnetic core 23 is saturated and the magnetic core 23
3B, the interlinkage magnetic flux is kept substantially constant, the voltage induced in the winding 24 is reduced, and the diode D1 is turned on. Therefore, the saturable transformer 2 The voltage Vb applied to the primary winding 3 of the
The interlinkage magnetic flux of is held at approximately point b as shown in FIG.
The voltage induced in the tertiary winding 7 also decreases, the gate-source voltage Vgs of the FET 5 becomes lower than the threshold voltage, and the FET 5 is turned off. Due to the saturation of the magnetic core 23, the impedance of the saturable inductance 8 becomes small, and the inductance L1 of the reactor 4, the capacitance C1 of the capacitor 10 and series resonance occur in the equivalent circuit shown in FIG. 5, a current Il flows, and the capacitor 10 is charged. As a result, the voltage Vc rises toward the value 2Vi which is twice the power supply voltage Vi as shown in the section t1 to t2 in FIG. Therefore, t1
During the turn-off period of ~ t2, the voltage Vc across FET5
Is gradually increased in a sinusoidal manner as shown in FIG. After the magnetic core 23 is magnetized to the point d of the Ψ-mmf curve of FIG. 3 (B), the interlinkage magnetic flux Ψ decreases, and the state transitions to the unsaturated state again at the point b.
【0019】次の区間では、磁心9、23が非飽和状態
にあるので、1次巻線3及び可飽和インダクタンス28
のインダクタンス値が非常に大きくなり、共振動作が中
断し、励磁電流I2 とI3 を無視すればコンデンサ10
の電圧Vc は図2のt2 〜t3 区間に示すように2Vi
に保持される。この結果、1次巻線3にはVi −2Vi
=−Vi の電圧が連続的に印加され、磁心9は逆方向に
励磁され、鎖交磁束Ψは図3(A)のb−a区間に示す
ようにa点に向って変化する。その間、巻線7には負の
電圧が誘起され、FET5はオフのままである。一方、
可飽和インダクタンス8では、鎖交磁束が飽和状態から
b点に戻った後も、図3(B)のb−a区間に示すよう
に起磁力mmf=N25Ic +N24I3 はN25Icよりも
大きいため、巻線24に電流I3 が連続に流れており、
ダイオ−ドD1 がオン状態のままである。その結果、巻
線24にもVi−2Vi=−Viの電圧が連続的に印加
され、磁心23は逆方向に励磁され、鎖交磁束Ψは図3
(B)に示すようにa点に向かって変化する。なお、t
2 〜t3 区間の等価回路を図6で示すことができる。In the next section, since the magnetic cores 9 and 23 are in a non-saturated state, the primary winding 3 and the saturable inductance 28
The inductance value of the capacitor becomes very large, the resonance operation is interrupted, and if the exciting currents I2 and I3 are ignored, the capacitor 10
Voltage Vc is 2Vi as shown in the section from t2 to t3 in FIG.
Held in. As a result, the primary winding 3 has Vi -2Vi
A voltage of = -Vi is continuously applied, the magnetic core 9 is excited in the opposite direction, and the interlinkage magnetic flux [Psi] changes toward the point a as shown in section b-a of FIG. 3 (A). During that time, a negative voltage is induced in the winding 7, and the FET 5 remains off. on the other hand,
In the saturable inductance 8, even after the interlinking magnetic flux returns from the saturated state to the point b, the magnetomotive force mmf = N 25 Ic + N 24 I3 is more than N 25 Ic as shown in the section b-a of FIG. 3 (B). Is also large, the current I3 is continuously flowing through the winding 24,
Diode D1 remains on. As a result, the voltage of Vi−2Vi = −Vi is continuously applied to the winding 24, the magnetic core 23 is excited in the opposite direction, and the interlinkage magnetic flux Ψ shown in FIG.
As shown in (B), it changes toward point a. Note that t
An equivalent circuit in the section 2 to t3 can be shown in FIG.
【0020】次に磁心23の鎖交磁束Ψがa点に達する
と、図3(B)のa点で示されるように起磁力mmf=
N25Ic +N24I3 はN25Ic と等しくなり、巻線24
の電流I3 は零となり、ダイオ−ドD1 がオフとなり、
鎖交磁束Ψはa点に保持される。一方、磁心9は引き続
き電圧−Viによって、負方向の飽和磁束になるまで励
磁される。磁心9 の鎖交磁束がa点に達すると、磁心9
が飽和し、1次巻線3のインダクタンスが小さくなるの
で、図7に示す共振回路が形成される。これにより、コ
ンデンサ10の電圧Vc 即ちFET5のドレイン・ソー
ス間電圧は図2に示すように正弦波に従って徐々に低下
し、零に戻る。磁心9の鎖交磁束は図3(A)のa−c
−aに沿って変化する。c点を経てa点に戻ると、磁心
9は非飽和になり、直流電源1の電圧Viは可飽和トラ
ンス2の1次巻線に印加され、3次巻線7に電圧が誘起
され、FET5がタ−ンオンされる。次の動作では、可
飽和トランス2の1次巻線に直流電源1の電圧Viが印
加され、磁心9は図3(A)のa−b区間に沿って励磁
される。同時に、その直流電源1の電圧Viはダイオ−
ドD1 とFET5のオンより、可飽和インダクタンス8
の巻線24にも印加し、磁心23は図3(B)のa−b
区間に示すように励磁される。しかる後、図3(A)の
Ψ−mmf曲線のa−b−a−c−aの動作及び図3
(B)のa−b−d−b−aの動作が繰返して生じる。
従って、定常状態では、両磁心9と23はa点より、同
時に同じ電圧Viで励磁されることになり、両磁心の鎖
交磁束の正方向の変化分は等しくなる。次の負方向の励
磁もb点より同時に同じ電圧−Viによって行われ、両
磁心の鎖交磁束の負方向の変化分も等しくなり、磁心2
3の鎖交磁束がa点に達すると同時に、磁心9の鎖交磁
束も飽和磁束のa点に達する。その結果、期間t2 〜t
3 と期間t4 〜t5 の長さはともに△Ψ/Viとなる。
一方、期間t2 〜t2 と期間t3 〜t4 はL1 、C1 の
共振周波数で決められる。Next, when the interlinking magnetic flux Ψ of the magnetic core 23 reaches the point a, as shown by the point a in FIG. 3B, the magnetomotive force mmf =
N 25 Ic + N 24 I3 becomes equal to N 25 Ic and winding 24
Current I3 becomes zero, diode D1 turns off,
The interlinkage magnetic flux Ψ is held at the point a. On the other hand, the magnetic core 9 is continuously excited by the voltage -Vi until the saturation magnetic flux in the negative direction is reached. When the interlinking magnetic flux of the magnetic core 9 reaches the point a, the magnetic core 9
Is saturated and the inductance of the primary winding 3 is reduced, so that the resonance circuit shown in FIG. 7 is formed. As a result, the voltage Vc of the capacitor 10, that is, the drain-source voltage of the FET 5 gradually decreases in accordance with the sine wave as shown in FIG. 2, and returns to zero. The interlinkage magnetic flux of the magnetic core 9 is a-c in FIG.
-Vary along a. When returning to the point a through the point c, the magnetic core 9 becomes unsaturated, the voltage Vi of the DC power supply 1 is applied to the primary winding of the saturable transformer 2, the voltage is induced in the tertiary winding 7, and the FET 5 Is turned on. In the next operation, the voltage Vi of the DC power supply 1 is applied to the primary winding of the saturable transformer 2, and the magnetic core 9 is excited along the section ab in FIG. 3 (A). At the same time, the voltage Vi of the DC power supply 1 is
Saturable inductance 8 from switching on D1 and FET5
Is also applied to the winding 24 of the magnetic core 23, and the magnetic core 23 is ab in FIG.
It is excited as shown in the section. Then, the operation of a-b-a-c-a of the Ψ-mmf curve of FIG.
The operation a-b-d-b-a in (B) occurs repeatedly.
Therefore, in the steady state, both magnetic cores 9 and 23 are excited at the same voltage Vi at the same time from the point a, and the change in the positive direction of the interlinking magnetic flux of both magnetic cores becomes equal. The next negative excitation is also performed at the same voltage -Vi from the point b at the same time, and the change in the negative direction of the interlinking magnetic flux of both magnetic cores becomes equal.
At the same time that the interlinking magnetic flux of 3 reaches the point a, the interlinking magnetic flux of the magnetic core 9 also reaches the point a of the saturation magnetic flux. As a result, the period t2 to t
3 and the lengths of the periods t4 to t5 are both ΔΨ / Vi.
On the other hand, the periods t2 to t2 and the periods t3 to t4 are determined by the resonance frequencies of L1 and C1.
【0021】図8は負荷状態の各部の状態を示す。図8
の負荷状態での1次巻線3に流れる電流Il は図8に示
すFET5に流れる電流Is と図2に示した共振時の電
流Il との合成になる。電流以外の各部の状態変化は図
2とほぼ同一である。図8のFET5の両端電圧Vc と
電流Is との関係から明らかなように、t1 〜t2 のタ
ーンオフ期間及びt3 〜t4 のターンオン期間におい
て、零ボルトスイッチングが達成されている。FIG. 8 shows the state of each part under load. Figure 8
The current Il flowing through the primary winding 3 under the above load condition is a combination of the current Is flowing through the FET 5 shown in FIG. 8 and the resonance current Il shown in FIG. The change in the state of each part other than the current is almost the same as that in FIG. As is apparent from the relationship between the voltage Vc across the FET 5 and the current Is in FIG. 8, zero volt switching is achieved during the turn-off period from t1 to t2 and the turn-on period from t3 to t4.
【0022】図1の回路でFET5のオフ期間はt1 〜
t4 であり、オン期間はt4 〜t5であり、△Ψを変え
ることによって、FET5のオン時比率が変えられ、出
力が変化される。可変電流源26から制御巻線25に流
す電流Ic はそのためである。図9及び図10はこれを
説明するものであり、制御電流Ic が負方向に大きい時
には図9に示すようにa−b区間が長くなり、鎖交磁束
の変化分△Ψも大きくなり、期間t2 〜t3 とt4 〜t
5 が長くなり、そのため、オフ期間t1 〜t4とオン期
間t4 〜t5 の長さは近づいていく。その結果、オン時
比率は0.5に近づいていく、一方、制御電流Ic を正
方向に大きくすると、図10に示すように、a−b区間
が短くなり、鎖交磁束の変化分△Ψも小さくなり、期間
t2 〜t3 とt4 〜t5 が短くなり、そのため、オン期
間t4 〜t5 はオフ期間t1 〜t4 に比べ、大変短くな
る。その結果、オン時比率は0に近づいていく。このコ
ンバ−タはPWMコンバ−タと同様な特性を持ち、出力
電圧はオン時比率によって決定される。従って、制御電
流を変えることによって出力電圧を一定に制御すること
ができる。なお、図示は省略されているが、出力電圧を
検出し、可変電流源26を制御する手段が設けられてい
る。In the circuit of FIG. 1, the off period of the FET 5 is t1.
It is t4, the ON period is t4 to t5, and by changing ΔΨ, the ON time ratio of the FET 5 is changed and the output is changed. This is the reason for the current Ic flowing from the variable current source 26 to the control winding 25. FIGS. 9 and 10 explain this. When the control current Ic is large in the negative direction, the ab section becomes long as shown in FIG. 9, and the change amount ΔΨ of the interlinkage magnetic flux also becomes large. t2-t3 and t4-t
5 becomes longer, and therefore the lengths of the off periods t1 to t4 and the on periods t4 to t5 approach each other. As a result, the on-time ratio approaches 0.5. On the other hand, when the control current Ic is increased in the positive direction, as shown in FIG. Becomes shorter, and the periods t2 to t3 and t4 to t5 become shorter, so that the on period t4 to t5 becomes much shorter than the off period t1 to t4. As a result, the on-time ratio approaches 0. This converter has the same characteristics as the PWM converter, and the output voltage is determined by the on-time ratio. Therefore, the output voltage can be controlled to be constant by changing the control current. Although not shown, means for detecting the output voltage and controlling the variable current source 26 is provided.
【0023】本実施例によれば、零ボルトスイッチング
動作が可能であると共に自励発振させることが可能なス
イッチング電源装置を極めて簡単な回路で構成すること
ができる。またスナバー回路が不要になる。この結果、
スイッチング電源装置の効率を高め雑音を低減すること
ができる。According to this embodiment, a switching power supply device capable of zero-volt switching operation and capable of self-oscillation can be constructed by an extremely simple circuit. In addition, the snubber circuit becomes unnecessary. As a result,
The efficiency of the switching power supply device can be increased and noise can be reduced.
【0024】[0024]
【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。 (1) 浮遊容量Cs が大きい場合にはコンデンサ10
を省くことができる。 (2) 可飽和トランス2の1次巻線3側に存在する漏
れインダクタンスと可飽和インダクタンス8の巻線24
側に存在する漏れインダクタンスが大きい場合は、リア
クトル4を省くことができる。 (3) FETの代りにバイポーラトランジスタ等の別
のスイッチング素子を使用することができる。 (4) 可飽和トランス2の2次巻線6を省き、1次巻
線3と並列に新たに線形トランス(非飽和トランス)の
1次巻線を接続し、その線形トランスの2次巻線の電圧
を整流平滑し、出力をとることができる。 (5) 図1の整流平滑回路15を省いてインバータ回
路にすることができる。MODIFICATION The present invention is not limited to the above-mentioned embodiments, and the following modifications are possible. (1) If the stray capacitance Cs is large, the capacitor 10
Can be omitted. (2) Leakage inductance existing on the primary winding 3 side of the saturable transformer 2 and the winding 24 of the saturable inductance 8
When the leakage inductance existing on the side is large, the reactor 4 can be omitted. (3) Instead of the FET, another switching element such as a bipolar transistor can be used. (4) The secondary winding 6 of the saturable transformer 2 is omitted, and the primary winding of the linear transformer (unsaturated transformer) is newly connected in parallel with the primary winding 3, and the secondary winding of the linear transformer is connected. The voltage can be rectified and smoothed to obtain the output. (5) The rectifying / smoothing circuit 15 of FIG. 1 can be omitted to form an inverter circuit.
【0025】[0025]
【発明の効果】上述から明らかなように各請求項の発明
によれば、簡単な回路で自励発振させることが可能にな
り、且つターンオン期間及びターンオフ期間のスイッチ
ング素子の電圧を共振動作で正弦波にしてゼロボルトス
イッチングを達成し、スイッチング素子の電圧ピ−クを
抑制することが可能になる。従って、効率の高いスイッ
チング電源装置を提供することができる。As is apparent from the above, according to the invention of each claim, it becomes possible to cause self-excited oscillation with a simple circuit, and the voltage of the switching element during the turn-on period and the turn-off period is sinusoidal by resonance operation. It becomes possible to achieve zero volt switching by making waves and suppress the voltage peak of the switching element. Therefore, a highly efficient switching power supply device can be provided.
【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]
【図1】第1の実施例のスイッチング電源装置を示す回
路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a switching power supply device according to a first embodiment.
【図2】図1の回路の無負荷時のVc 、Il 、Vb 、V
gs、φを示す波形図である。2 is a circuit diagram of FIG. 1 with no load, Vc, Il, Vb, V
It is a wave form diagram which shows gs and (phi).
【図3】2つの可飽和磁心のΨ−mmf特性図及び動作
時の鎖交磁束変化を示す図である。FIG. 3 is a Ψ-mmf characteristic diagram of two saturable magnetic cores and a diagram showing a change in interlinkage magnetic flux during operation.
【図4】図1のFETのオン期間の等価回路図である。FIG. 4 is an equivalent circuit diagram of an ON period of the FET of FIG.
【図5】図1のFETのターンオフ期間の等価回路図で
ある。5 is an equivalent circuit diagram of a turn-off period of the FET of FIG.
【図6】図1のFETのオフ期間の等価回路図である。FIG. 6 is an equivalent circuit diagram of the FET of FIG. 1 in an off period.
【図7】図1のFETのターンオン期間の等価回路図で
ある。FIG. 7 is an equivalent circuit diagram of the FET of FIG. 1 during a turn-on period.
【図8】図1の回路の負荷時のVc 、Il 、Vb 、Vg
s、φ、Is を示す波形図である。8 is a circuit diagram of FIG. 1 with load Vc, Il, Vb, Vg.
It is a waveform diagram which shows s, (phi), and Is.
【図9】図1の制御巻線に負方向に大きな制御電流を流
した時のFETの電圧を示す波形図である。9 is a waveform diagram showing the voltage of the FET when a large control current is applied to the control winding in FIG. 1 in the negative direction.
【図10】図1の制御巻線に正方向に大きな制御電流を
流した時のFETの電圧を示す波形図である。10 is a waveform diagram showing the voltage of the FET when a large control current is applied to the control winding in FIG. 1 in the positive direction.
1 電源 2 可飽和トランス 3 1次巻線 4 リアクトル 5 FET 6 2次巻線 7 3次巻線 8 可飽和インダクタンス 9 可飽和磁心 10 コンデンサ 1 Power Supply 2 Saturable Transformer 3 Primary Winding 4 Reactor 5 FET 6 Secondary Winding 7 Third Winding 8 Saturable Inductance 9 Saturable Magnetic Core 10 Capacitor
Claims (3)
巻線とを有する可飽和トランスと、 前記1次巻線に接続された直流電源と、 前記1次巻線に直列に接続されたスイッチング素子と、 前記スイッチング素子の一方の主端子と他方の主端子と
の間に接続されたコンデンサ及び/又は浮遊容量と、 前記1次巻線に並列に接続された可飽和インダクタンス
とダイオードとの直列回路と、 前記可飽和インダクタンスに磁気制御を行うための磁気
制御手段と、 前記1次巻線及び前記可飽和インダクタンスに対して直
列に接続されたリアクトルと、 前記スイッチング素子の制御端子に接続された起動回路
とを備え、前記3次巻線が前記スイッチング素子の前記
制御端子と前記他方の主端子との間に接続されており、
且つ前記コンデンサ及び/又は浮遊容量と前記リアクト
ルが前記スイッチング素子のオン・オフの繰返し周波数
よりも高い周波数で共振する静電容量値とインダクタン
ス値を有していることを特徴とするスイッチング電源装
置。1. A saturable transformer having a saturable magnetic core, a primary winding, a secondary winding, and a tertiary winding; a DC power source connected to the primary winding; and a primary winding connected to the primary winding. A switching element connected in series, a capacitor and / or a stray capacitance connected between one main terminal and the other main terminal of the switching element, and a saturable element connected in parallel to the primary winding. A series circuit of an inductance and a diode; magnetic control means for magnetically controlling the saturable inductance; a reactor connected in series with the primary winding and the saturable inductance; A starting circuit connected to a control terminal, wherein the tertiary winding is connected between the control terminal of the switching element and the other main terminal,
Moreover, the switching power supply device is characterized in that the capacitor and / or the stray capacitance and the reactor have a capacitance value and an inductance value that resonate at a frequency higher than a repetition frequency of ON / OFF of the switching element.
タンスの可飽和磁心に巻かれた制御巻線とこの制御巻線
に接続された可変電流源であることを特徴とする請求項
1記載のスイッチング電源装置。2. The switching according to claim 1, wherein the magnetic control means is a control winding wound around a saturable magnetic core of the saturable inductance and a variable current source connected to the control winding. Power supply.
滑回路を有することを特徴とする請求項1又は2記載の
スイッチング電源装置。3. The switching power supply device according to claim 1, further comprising a rectifying / smoothing circuit connected to the secondary winding.
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WO2004036726A1 (en) * | 2002-10-21 | 2004-04-29 | Sanken Electric Co., Ltd. | Dc converter |
CN113848518A (en) * | 2021-09-22 | 2021-12-28 | 杭州电力设备制造有限公司 | Transient response-based transformer excitation saturation characteristic evaluation method |
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- 1992-02-14 JP JP4059761A patent/JP3008647B2/en not_active Expired - Fee Related
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WO2004036726A1 (en) * | 2002-10-21 | 2004-04-29 | Sanken Electric Co., Ltd. | Dc converter |
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