JP2010207014A - Switching power supply apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、フェーズシフト方式によるソフトスイッチング制御と、通常のハードスイッチング制御とを負荷変動等に応答して切替えることにより、特性を改善したフルブリッジ構成のスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device having a full bridge configuration in which characteristics are improved by switching between soft switching control by a phase shift method and normal hard switching control in response to a load change or the like.
スイッチング電源装置は、一般的には、トランスの一次巻線に供給する電流をFET等のスイッチング素子によりオン、オフ制御し、トランスの二次巻線に誘起した電圧を整流平滑化した直流電圧を、電子回路等の負荷の動作電圧として供給し、その直流電圧を検出して、所定の電圧となるように、スイッチング素子のオン期間を制御する構成が一般的である。このようなスイッチング電源装置に於けるスイッチング素子を2個用いたハーフブリッジ構成や4個用いたフルブリッジ構成等の各種の構成も実用化されている。又フルブリッジ構成のスイッチング電源装置に於いて、1対のスイッチング素子を同時的にオン、オフするハードスイッチング制御が一般的であるが、スイッチング損失を低減する為に、フェーズシフト方式によるソフトスイッチング制御を適用した構成も知られている。 In general, a switching power supply device controls on / off of a current supplied to a primary winding of a transformer by a switching element such as an FET, and a DC voltage obtained by rectifying and smoothing a voltage induced in a secondary winding of the transformer. In general, the switching element is supplied as an operating voltage of a load such as an electronic circuit, the DC voltage is detected, and the ON period of the switching element is controlled so as to be a predetermined voltage. Various configurations such as a half-bridge configuration using two switching elements and a full-bridge configuration using four switching elements in such a switching power supply device have been put into practical use. In a full-bridge switching power supply, hard switching control is generally used to turn on and off a pair of switching elements at the same time, but in order to reduce switching loss, soft switching control using a phase shift method is used. A configuration to which is applied is also known.
図3は、従来例の要部説明図であり、前述のフェーズシフト方式によるソフトスイッチング制御を行うフルブリッジ構成のスイッチング電源装置を示し、Viは直流電源からの入力直流電圧、Q1〜Q4はFET等の第1〜第4のスイッチング素子、C1〜C4はスイッチング素子の寄生容量、T1はトランス、D1,D2は整流用のダイオード、L0は平滑用のチョークコイル、C0は平滑用のコンデンサ、RLは負荷、L2は共振用のチョークコイル、L1はトランスのリーケージインダクタンスを示し、第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4は、寄生容量C1〜C4と共に図示のような寄生ダイオードを含むものである。又第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4のオン、オフを制御するスイッチング制御回路等は図示を省略している。 FIG. 3 is an explanatory view of the main part of a conventional example, showing a switching power supply device having a full bridge configuration for performing soft switching control by the above-described phase shift method, Vi being an input DC voltage from a DC power supply, and Q1 to Q4 being FETs C1 to C4 are parasitic capacitances of the switching elements, T1 is a transformer, D1 and D2 are rectifier diodes, L0 is a smoothing choke coil, C0 is a smoothing capacitor, RL Denotes a load, L2 denotes a resonance choke coil, L1 denotes a leakage inductance of the transformer, and the first to fourth switching elements Q1 to Q4 include parasitic diodes as shown in the figure together with parasitic capacitances C1 to C4. A switching control circuit for controlling on / off of the first to fourth switching elements Q1 to Q4 is not shown.
スイッチング素子Q1〜Q4は、図示を省略したスイッチング制御部によりオン、オフを制御し、トランスT1の一次巻線n1に、入力直流電圧Viによる電流を正逆方向にオン、オフ制御し、トランスT1の二次巻線n2の誘起電圧をダイオードD1〜D4により整流し、チョークコイルL0とコンデンサC0とにより平滑化して、負荷RLに直流電圧を供給し、その直流電圧を、図示を省略した構成により検出し、所望の直流電圧となるように、図示を省略したスイッチング制御部によりスイッチング素子Q1〜Q4のそれぞれのオンタイミングとオフタイミングとを制御し、零電圧スイッチングを行わせることにより、スイッチング損失の低減を図るものである。この場合のソフトスイッチング制御は、スイッチング素子Q1〜Q4の寄生容量C1〜C4とトランスTのリーケージインダクタンスL1と共振用のチョークコイルL2のインダクタンスとによる共振回路のLC共振を利用して、スイッチング素子Q1〜Q4に印加される電圧が零になったタイミングでターンオンさせるものである。この場合の共振回路は、L=L1+L2、C=C1+C2又はC=C3+C4によるLC共振回路を形成することになる。 The switching elements Q1 to Q4 are turned on and off by a switching control unit (not shown), and the current of the input DC voltage Vi is turned on and off in the forward and reverse directions to the primary winding n1 of the transformer T1, and the transformer T1 The induced voltage of the secondary winding n2 is rectified by the diodes D1 to D4, smoothed by the choke coil L0 and the capacitor C0, and a DC voltage is supplied to the load RL. The switching control unit (not shown) controls the on-timing and off-timing of each of the switching elements Q1 to Q4 so that the desired DC voltage is detected, and zero voltage switching is performed, thereby reducing the switching loss. The reduction is intended. The soft switching control in this case uses the LC resonance of the resonance circuit by the parasitic capacitances C1 to C4 of the switching elements Q1 to Q4, the leakage inductance L1 of the transformer T, and the inductance of the choke coil L2 for resonance, and the switching element Q1. It is turned on when the voltage applied to Q4 becomes zero. The resonance circuit in this case forms an LC resonance circuit with L = L1 + L2, C = C1 + C2, or C = C3 + C4.
図4は、従来例のソフトスイッチング制御の動作説明図であり、Vg1〜Vg4はスイッチング素子Q1〜Q4のゲート電圧、Vds1はスイッチング素子Q1のドレイン・ソース間電圧、Ids1はスイッチング素子Q1のドレイン電流の一例を示し、又スイッチング制御の一巡の時間軸方向を、t1〜t5の期間に分けた場合、t1は実効オン期間、t2はスイッチング素子Q1オン且つスイッチング素子Q4オフの期間、t3はスイッチング素子Q1オフ且つスイッチング素子Q3オンの期間、t4はスイッチング素子Q2オン且つスイッチング素子Q3オフの期間、t5はスイッチング素子Q2オフ且つスイッチング素子Q4オンの期間で、この期間t5は、共振回路のリセット期間であり、スイッチング素子Q1,Q4による実質的なオン期間はt1となる。 FIG. 4 is a diagram for explaining the operation of the conventional soft switching control. Vg1 to Vg4 are the gate voltages of the switching elements Q1 to Q4, Vds1 is the drain-source voltage of the switching element Q1, and Ids1 is the drain current of the switching element Q1. When the time axis direction of one cycle of the switching control is divided into periods t1 to t5, t1 is an effective on period, t2 is a period in which the switching element Q1 is on and the switching element Q4 is off, and t3 is a switching element. Q1 is OFF and switching element Q3 is ON, t4 is switching element Q2 is ON and switching element Q3 is OFF, t5 is switching element Q2 is OFF and switching element Q4 is ON, and this period t5 is a reset period of the resonance circuit Yes, with switching elements Q1 and Q4 On period is t1 such.
図5は、従来例のハードスイッチング制御の動作説明図であり、図3に示すフルブリッジ構成の第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4の中の第1、第2のスイッチング素子Q1,Q2の組を同時にオン、オフ制御し、第3、第4のスイッチング素子Q3,Q4の組を、スイッチング素子Q1,Q2と異なるタイミングで同時にオン、オフ制御するもので、スイッチング素子Q1〜Q4のゲート電圧をVg1〜Vg4、スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間電圧をVds1、スイッチング素子Q1のドレイン電流Ids1として示す。ゲート電圧Vg1,Vg4がハイレベルとなると、スイッチング素子Q1,Q4は同時にオンとなり、スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間電圧Vds1は0V、ドレイン電流Ids1は上昇する。このスイッチング素子Q1,Q4のターンオン時、及びスイッチング素子Q2,Q3のターンオン時には、図示のように、理想的なタイミングの場合は、スイッチング損失は生じないが、例えば、点線枠a内のタイミングでは、スイッチング損失が発生する。即ち、ハードスイッチング制御に於いては、スイッチング損失が発生する。 FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the conventional hard switching control. The first and second switching elements Q1 and Q2 among the first to fourth switching elements Q1 to Q4 having the full bridge configuration shown in FIG. Are simultaneously turned on and off at a timing different from that of the switching elements Q1 and Q2, and the gates of the switching elements Q1 to Q4 are controlled. The voltage is indicated as Vg1 to Vg4, the drain-source voltage of the switching element Q1 is indicated as Vds1, and the drain current Ids1 of the switching element Q1 is indicated. When the gate voltages Vg1 and Vg4 become high level, the switching elements Q1 and Q4 are simultaneously turned on, the drain-source voltage Vds1 of the switching element Q1 is 0 V, and the drain current Ids1 is increased. When the switching elements Q1 and Q4 are turned on and when the switching elements Q2 and Q3 are turned on, as shown in the figure, there is no switching loss in the ideal timing. For example, at the timing in the dotted frame a, Switching loss occurs. That is, switching loss occurs in hard switching control.
図6は、図4と同様のフェーズシフト方式によるソフトスイッチング制御の動作説明図であり、Vg1〜Vg4は、図3に示す第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4のゲート電圧、Vds1は、スイッチング素子Q1のドレイン・ソース間電圧、Ids1は、スイッチング素子Q1のドレイン電流を示す。スイッチング素子Q4がオンの期間に、スイッチング素子Q1がオンとなる点線枠b内のタイミングでは、ターンオン時にスイッチング損失は発生しないが、ゲート電圧Vg1によるスイッチング素子Q1のオン期間内に、ゲート電圧Vg4によるスイッチング素子Q4がオンからオフとなると、スイッチング素子Q1を介した循環電流が期間t1,t2の斜線で示すように流れる。軽負荷時には、各対のスイッチング素子のオン幅が狭くなり、それに対応して循環電流の流れる期間t1,t2が長くなるから損失が増加する。 FIG. 6 is an operation explanatory diagram of the soft switching control by the same phase shift method as FIG. 4, Vg1 to Vg4 are the gate voltages of the first to fourth switching elements Q1 to Q4 shown in FIG. 3, and Vds1 is The drain-source voltage Ids1 of the switching element Q1 indicates the drain current of the switching element Q1. At the timing within the dotted frame b where the switching element Q1 is turned on while the switching element Q4 is on, no switching loss occurs at the time of turn-on, but due to the gate voltage Vg4 during the on period of the switching element Q1 due to the gate voltage Vg1 When the switching element Q4 is turned off from on, the circulating current through the switching element Q1 flows as indicated by the hatched lines in the periods t1 and t2. When the load is light, the ON width of each pair of switching elements is narrowed, and the periods t1 and t2 in which the circulating current flows are correspondingly increased, resulting in an increase in loss.
又前述の図3に示すフルブリッジ構成の第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4と共振用のチョークコイルL2とを含む構成に、第5、第6のスイッチング素子を設け、トランスT1とチョークコイルL2との接続点と、第5、第6のスイッチング素子の接続点とを接続し、第1、第2のスイッチング素子Q1,Q2の接続点と、第5、第6のスイッチング素子の接続点とを接続し、第1、第2のスイッチング素子Q1,Q2と、第5、第6のスイッチング素子とにより、トランスの一次巻線に供給する電流のオン、オフ制御を可能とし、入力直流電圧と入力直流電流との何れか一方に応じて、第1〜第4のスイッチング素子によるソフトスイッチング制御と、第1、第2、第5、第6のスイッチング素子によるハードスイッチング制御とを選択制御する構成が提案されており、軽負荷状態では、トランスのインダクタンス成分とチョークコイルのインダクタンスとを含む第2の共振回路を利用して、第1〜第4のスイッチング素子のオン、オフ制御によるソフトスイッチング制御を行い、重負荷状態では、チョークコイルのインダクタンスを除いた第1の共振回路を利用して、第1、第2、第5、第6のスイッチング素子のオン、オフ制御によるスイッチング制御を行うものである(例えば、特許文献1参照)。 Further, the fifth and sixth switching elements are provided in the configuration including the first to fourth switching elements Q1 to Q4 and the resonance choke coil L2 having the full bridge configuration shown in FIG. 3, and the transformer T1 and the choke are provided. The connection point of the coil L2 and the connection point of the fifth and sixth switching elements are connected, and the connection point of the first and second switching elements Q1 and Q2 and the connection of the fifth and sixth switching elements. The first and second switching elements Q1 and Q2 and the fifth and sixth switching elements can be connected to a point to enable on / off control of the current supplied to the primary winding of the transformer. Soft switching control by the first to fourth switching elements, and hard switching control by the first, second, fifth, and sixth switching elements according to any one of the voltage and the input direct current. A configuration for selective control has been proposed, and in a light load state, on / off control of the first to fourth switching elements is performed using a second resonance circuit including an inductance component of the transformer and an inductance of the choke coil. In the heavy load state, the first resonance circuit excluding the choke coil inductance is used to switch the first, second, fifth, and sixth switching elements by on / off control. Control is performed (for example, refer to Patent Document 1).
前述のように、フルブリッジ構成の第1〜第4のスイッチング素子(例えば、図3に於けるQ1〜Q4)を、フェーズシフト方式によるソフトスイッチング制御により、トランスの一次巻線に供給する電流の反転制御を行うことによって、スイッチング損失を低減し、スイッチング電源装置の効率を改善することができる。しかし、トランスのリーケージインダクタンスと共振用のチョークコイルのインダクタンスとスイッチング素子の寄生容量等によるLC共振回路を利用したソフトスイッチング制御を行うスイッチング電源装置に於いては、重負荷時にも対応可能とする為に、共振用のチョークコイルのインダクタンスを大きくする必要がある。この共振用のチョークコイルのインダクタンスを大きくし過ぎると、入力直流電圧が低下した場合、所定の出力直流電圧を維持する為のスイッチング素子のオン幅を広くすることが困難となる。又軽負荷時には、循環電流(例えば、図6に於けるt1、t2参照)が大きくなって、電力効率が低下する問題がある。 As described above, the first to fourth switching elements having a full bridge configuration (for example, Q1 to Q4 in FIG. 3) are controlled by the soft switching control by the phase shift method. By performing the inversion control, the switching loss can be reduced and the efficiency of the switching power supply device can be improved. However, a switching power supply device that performs soft switching control using an LC resonance circuit based on the leakage inductance of the transformer, the inductance of the choke coil for resonance, the parasitic capacitance of the switching element, etc., can cope with heavy loads. In addition, it is necessary to increase the inductance of the choke coil for resonance. If the inductance of the resonance choke coil is excessively increased, it becomes difficult to increase the ON width of the switching element for maintaining a predetermined output DC voltage when the input DC voltage decreases. Further, when the load is light, there is a problem that the circulating current (see, for example, t1 and t2 in FIG. 6) becomes large and the power efficiency is lowered.
本発明は、前述の課題を解決することを目的とするものであり、入出力条件に対応してソフトスイッチング制御とハードスイッチング制御とを選択して、スイッチング制御を行うことにより、広範囲の入出力条件の変化に対しても電力効率を向上したスイッチング電源装置を提供するものである。 The present invention aims to solve the above-mentioned problems, and selects a soft switching control and a hard switching control corresponding to an input / output condition, and performs a switching control, thereby enabling a wide range of input / output. It is an object of the present invention to provide a switching power supply device that improves power efficiency even when conditions change.
前述の課題を解決する為に、本発明は、フルブリッジ構成のスイッチング素子によりトランスの一次巻線に供給する電流をオン、オフ制御し、トランスの二次巻線の誘起電圧を整流平滑化して負荷に出力直流電圧を供給するスイッチング電源装置であって、トランスの一次巻線に直列に接続した共振用チョークコイルと、この共振用チョークコイルの両端又は一部を短絡するスイッチ回路と、負荷に供給する出力直流電圧を検出する出力電圧検出部と、負荷に供給する出力直流電流を検出した電流検出値が予め設定した値以下に低下した時に、スイッチ回路をオンとする出力電流検出部と、この出力電流検出部によりスイッチ回路をオンとした時の検出信号に従って、フルブリッジ構成のスイッチング素子をハードスイッチング制御によりオン、オフ制御し、スイッチ回路をオフとした時の検出信号に従って、フルブリッジ構成のスイッチング素子をソフトスイッチング制御によりオン、オフ制御し、且つ出力電圧検出部により検出した出力直流電圧を設定値となるように、スイッチング素子を制御するスイッチング制御部とを備えた構成とする。 In order to solve the above-described problems, the present invention controls the on / off control of the current supplied to the primary winding of the transformer by a switching element having a full bridge configuration, and rectifies and smoothes the induced voltage of the secondary winding of the transformer. A switching power supply for supplying an output DC voltage to a load, comprising a resonance choke coil connected in series with a primary winding of a transformer, a switch circuit that short-circuits both ends or a part of the resonance choke coil, and a load An output voltage detector that detects an output DC voltage to be supplied; an output current detector that turns on a switch circuit when a current detection value that detects an output DC current supplied to a load falls below a preset value; In accordance with the detection signal when the switch circuit is turned on by the output current detector, the switching element having the full bridge configuration is turned on by hard switching control. In accordance with the detection signal when the switch circuit is turned off and the switch circuit is turned off, the switching element of the full bridge configuration is turned on / off by the soft switching control, and the output DC voltage detected by the output voltage detection unit becomes the set value. Thus, it is set as the structure provided with the switching control part which controls a switching element.
又フルブリッジ構成のスイッチング素子に印加する入力直流電圧を検出し、この入力直流電圧が予め設定した値以下に低下したことを検出した時に、スイッチ回路をオフに制御し、且つスイッチング制御部に通知する入力電圧検出部を備えている。 In addition, when the input DC voltage applied to the switching device of the full bridge configuration is detected, and it is detected that the input DC voltage has dropped below a preset value, the switch circuit is controlled to be turned off and the switching control unit is notified. An input voltage detection unit is provided.
又スイッチング制御部は、出力電流検出部による電流検出値と、入力電圧検出部による電圧検出値とを基に、スイッチ回路のオン、オフを制御し、且つこのスイッチ回路をオンとした時に、フルブリッジ構成のスイッチング素子をハードスイッチング制御によりオン、オフ制御し、スイッチ回路をオフとした時に、フルブリッジ構成のスイッチング素子をソフトスイッチング制御によりオン、オフする制御構成を備えている。 The switching control unit controls on / off of the switch circuit based on the current detection value by the output current detection unit and the voltage detection value by the input voltage detection unit, and when the switch circuit is turned on, When the switching element having the bridge structure is turned on / off by hard switching control and the switching circuit is turned off, the switching element having the full bridge structure is turned on / off by soft switching control.
又フルブリッジ構成の第1〜第4のスイッチング素子によりトランスの一次巻線に供給する電流をオン、オフ制御し、そのトランスの二次巻線の誘起電圧を整流平滑化して負荷に出力直流電圧を供給するスイッチング電源装置であって、負荷に供給する出力直流電圧を検出する出力電圧検出部と、負荷に供給する出力直流電流を検出する出力電流検出部と、第1、第2のスイッチング素子の直列接続点と第3、第4のスイッチング素子の直列接続点との間にトランスの一次巻線を接続し、第1、第2のスイッチング素子の直列接続点と第5、第6のスイッチング素子の直列接続点との間に接続した共振用チョークコイルと、出力電流検出部により出力直流電流が予め設定した値以下に低下した時に、第1〜第4のスイッチング素子をハードスイッチング制御によりオン、オフ制御し、出力直流電流が予め設定した値を超えた時に、第3、第4のスイッチング素子と第5、第6のスイッチング素子とをソフトスイッチング制御によりオン、オフ制御するスイッチング制御部とを備えている。 Also, the current supplied to the primary winding of the transformer is controlled on and off by the first to fourth switching elements having a full bridge configuration, and the induced voltage of the secondary winding of the transformer is rectified and smoothed to output DC voltage to the load. A switching power supply apparatus for supplying an output, an output voltage detection unit for detecting an output DC voltage supplied to a load, an output current detection unit for detecting an output DC current supplied to the load, and first and second switching elements The primary winding of the transformer is connected between the series connection point of the first and second switching elements, and the fifth and sixth switching points of the first and second switching elements. When the output DC current drops below a preset value by the resonance choke coil connected between the series connection points of the elements and the output current detector, the first to fourth switching elements are hardened. On / off control is performed by the switching control, and when the output DC current exceeds a preset value, the third and fourth switching elements and the fifth and sixth switching elements are controlled on / off by the soft switching control. A switching control unit.
又スイッチング制御部は、フルブリッジ構成の第1〜第4のスイッチング素子と第5、第6のスイッチング素子とに印加する入力直流電圧を検出し、この入力直流電圧が予め設定した値以下に低下した時に、第1〜第4のスイッチング素子によるハードスイッチング制御によりオン、オフ制御し、入力直流電圧が予め設定した値を超えた時に、第3、第4、第5、第6のスイッチング素子によるソフトスイッチング制御によりオン、オフ制御する制御構成を備えている。 The switching control unit detects an input DC voltage applied to the first to fourth switching elements and the fifth and sixth switching elements having a full bridge configuration, and the input DC voltage drops below a preset value. When the input DC voltage exceeds a preset value, it is controlled by the third, fourth, fifth, and sixth switching elements when hard switching control by the first to fourth switching elements is performed. It has a control configuration for on / off control by soft switching control.
フェーズシフト方式によるソフトスイッチング制御と、通常の制御方式のハードスイッチング制御とを、負荷の状態に応じて切替えるもので、出力直流電流が小さい値の軽負荷状態では、共振用チョークコイルを含まない電流径路によるハードスイッチング制御に従った電流をトランスの一次巻線に供給することにより、循環電流による損失を無くし、又出力直流電流が大きい重負荷状態では、共振用チョークコイルを含む電流径路により共振を利用した零クロススイッチング制御を行って、スイッチング損失を無くすことが可能となり、入力直流電圧の低下時を含めて、広範囲の負荷状態に於ける損失を低減して、スイッチング電源装置の効率を改善することができる。 The soft switching control by the phase shift method and the hard switching control of the normal control method are switched according to the load state. In the light load state where the output DC current is small, the current that does not include the resonance choke coil By supplying current to the primary winding of the transformer according to the hard switching control by the path, loss due to the circulating current is eliminated, and in a heavy load state where the output DC current is large, resonance is performed by the current path including the resonance choke coil. It is possible to eliminate the switching loss by using the zero-cross switching control, and reduce the loss in a wide range of load conditions, including when the input DC voltage drops, and improve the efficiency of the switching power supply. be able to.
本発明のスイッチング電源装置は、図1を参照して説明すると、フルブリッジ構成のスイッチング素子Q1〜Q4によりトランスTの一次巻線に供給する電流をオン、オフ制御し、トランスTの二次巻線の誘起電圧をダイオードD1,D2とチョークコイルL0とコンデンサC0とにより整流平滑化して負荷RLに出力直流電圧を供給するスイッチング電源装置であって、トランスTの一次巻線に直列に接続した共振用チョークコイルL2と、この共振用チョークコイルL2の両端又は一部を短絡するスイッチ回路SWと、負荷RLに供給する出力直流電圧を検出する出力電圧検出部3と、負荷RLに供給する出力直流電流を検出した電流検出値が予め設定した値以下に低下した時に、スイッチ回路SWをオンとする出力電流検出部2と、この出力電流検出部2によりスイッチ回路SWをオンとした時の検出信号に従って、フルブリッジ構成のスイッチング素子Q1〜Q4をハードスイッチング制御によりオン、オフ制御し、スイッチ回路SWをオフとした時の検出信号に従って、フルブリッジ構成のスイッチング素子Q1〜Q4をフェーズシフト方式によるソフトスイッチング制御によってオン、オフ制御し、且つ出力電圧検出部3により検出した出力直流電圧を設定値となるように、スイッチング素子Q1〜Q4を制御するスイッチング制御部4とを備えた構成とする。
The switching power supply device of the present invention will be described with reference to FIG. 1. The current supplied to the primary winding of the transformer T is controlled on and off by the switching elements Q1 to Q4 having a full bridge configuration, and the secondary winding of the transformer T is controlled. A switching power supply device that rectifies and smoothes the induced voltage of a line by diodes D1 and D2, a choke coil L0, and a capacitor C0 and supplies an output DC voltage to a load RL, and is connected in series with a primary winding of a transformer T Choke coil L2, switching circuit SW that short-circuits both ends or part of resonance choke coil L2, output
図1は、本発明の実施例1の説明図であり、Viは入力直流電圧、Q1〜Q4はFET等の第1〜第4のスイッチング素子、Q5,Q6はスイッチ回路SWを構成するFET等のスイッチング素子、T1はトランス、L1はトランスのリーケージインダクタンス、L2は共振用チョークコイル、D1,D2は整流用のダイオード、L0,C0は平滑化回路を構成するチョークコイル及びコンデンサ、C1〜C4は寄生容量、RLは負荷、1は入力電圧検出部、2は出力電流検出部、3は出力電圧検出部、4はスイッチング制御部、IDは電流検出器を示す。第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4は、寄生容量C1〜C4と共に寄生ダイオードを含む構成として図示しており、又入力直流電圧Viは、商用交流電圧を整流した直流電圧とする場合が一般的であるが、その他の各種の直流電源を利用することも可能である。 FIG. 1 is an explanatory diagram of Embodiment 1 of the present invention, where Vi is an input DC voltage, Q1 to Q4 are first to fourth switching elements such as FETs, and Q5 and Q6 are FETs constituting a switch circuit SW. Switching element, T1 is a transformer, L1 is a leakage inductance of the transformer, L2 is a resonance choke coil, D1 and D2 are rectifier diodes, L0 and C0 are choke coils and capacitors constituting a smoothing circuit, and C1 to C4 are Parasitic capacitance, RL is a load, 1 is an input voltage detector, 2 is an output current detector, 3 is an output voltage detector, 4 is a switching controller, and ID is a current detector. The first to fourth switching elements Q1 to Q4 are illustrated as including a parasitic diode together with parasitic capacitances C1 to C4, and the input DC voltage Vi is generally a DC voltage obtained by rectifying a commercial AC voltage. However, various other DC power sources can be used.
又負荷RLは、電子回路や電気機器等の直流電圧を印加して動作するもので、その負荷RLに印加する出力直流電圧を出力電圧検出部3により検出し、検出値をスイッチング制御部4に入力する。又負荷RLに供給する直流電流を電流検出器IDにより検出して、出力電流検出部2に入力し、電流検出値をスイッチング制御部4に入力する。この電流検出値が過電流設定値を超えると、スイッチング制御部4は、スイッチング素子Q1〜Q4のオン、オフ制御を停止するか、又はオン幅を最小値に制御する。又出力電流検出部2は、電流検出値と閾値とを比較して、負荷RLが軽負荷状態か否かを判定し、閾値以下の軽負荷状態と判定すると、スイッチ回路SWをオンとし、且つスイッチング制御部4に通知して、スイッチング素子Q1〜Q4をハードスイッチング制御によるオン、オフ制御に切替える。又電流検出値が閾値を超えた正常負荷又は重負荷状態と判定すると、スイッチ回路SWをオフとし、且つスイッチング制御部4に通知し、スイッチング素子Q1〜Q4をソフトスイッチング制御によるオン、オフ制御に切替える。
The load RL is operated by applying a DC voltage such as an electronic circuit or an electric device. The output DC voltage applied to the load RL is detected by the output
又入力直流電圧Viを入力電圧検出部1により検出し、予め設定した閾値以下に低下した場合、スイッチ回路SWをオンとし、且つスイッチング制御部4に通知して、スイッチング素子Q1〜Q4をハードスイッチング制御によるオン、オフ制御に切替え、又入力電圧検出部1により検出する入力直流電圧Viが閾値を超える正常の範囲内の場合、スイッチ回路SWをオフとし、且つスイッチング制御部4に通知して、スイッチング素子Q1〜Q4をソフトスイッチング制御によるオン、オフ制御に切替える。即ち、重負荷時には、ソフトスイッチング制御を行い、軽負荷時には、ハードスイッチング制御を行うように切替える。又出力電圧検出部3は、負荷RLに供給する出力電圧を検出して、その検出値をスイッチング制御部4に入力し、スイッチング制御部4は、スイッチング素子Q1〜Q4のオン幅を制御して、設定した直流出力電圧を維持するように制御する。なお、出力電流検出部2と入力電圧検出部1とのそれぞれの検出値をスイッチング制御部4に入力し、スイッチング制御部4は、スイッチング素子Q1〜Q4のソフトスイッチング制御とハードスイッチング制御との制御切替えを行うと共に、スイッチ回路SWのオン又はオフとする制御を行う構成とすることもできる。
When the input DC voltage Vi is detected by the input voltage detection unit 1 and falls below a preset threshold value, the switch circuit SW is turned on and notified to the switching control unit 4 so that the switching elements Q1 to Q4 are hard-switched. When the input DC voltage Vi detected by the input voltage detection unit 1 is within a normal range exceeding the threshold, the switch circuit SW is turned off and the switching control unit 4 is notified. Switching elements Q1-Q4 are switched to on / off control by soft switching control. That is, the switching is performed so that soft switching control is performed at a heavy load and hard switching control is performed at a light load. The output
又スイッチ回路SWは、2個のFET等のスイッチング素子Q5,Q6を直列接続した構成の場合を示し、それぞれの寄生ダイオードが逆極性となるように接続して、完全なオフ状態に制御可能の構成を示すが、オン状態から完全なオフ状態に移行できるスイッチング素子であれば、1個のスイッチング素子により、共振用チョークコイルL2を短絡状態とするか否かのスイッチ回路SWを構成することも可能である。又共振用チョークコイルL2の両端を短絡するか否かをスイッチ回路SWのオン、オフ制御により行う場合を示すが、共振用チョークコイルL2の一部を短絡するか否かを制御する構成とすることも可能である。 In addition, the switch circuit SW shows a case in which switching elements Q5 and Q6 such as two FETs are connected in series, and each parasitic diode is connected so as to have a reverse polarity, and can be controlled to a complete OFF state. Although a configuration is shown, a switching circuit SW that determines whether or not the resonance choke coil L2 is in a short-circuited state can be configured by a single switching element if the switching element can shift from an on state to a complete off state. Is possible. In addition, the case where both ends of the resonance choke coil L2 are short-circuited is shown by the on / off control of the switch circuit SW. However, the configuration is such that whether or not a part of the resonance choke coil L2 is short-circuited is controlled. It is also possible.
少なくとも出力電流検出部2により、負荷RLが軽負荷状態か重負荷状態かを判定できるから、軽負荷状態に於いては、スイッチ回路SWをオンとして、循環電流による電力損失の影響を受けないハードスイッチング制御とし、通常負荷状態及び重負荷状態に於いては、スイッチ回路SWをオフとして、ソフトスイッチング制御とし、スイッチング損失を低減することができる。又入力直流電圧Viが所定の値より低い場合は、設定直流出力電圧を得る為のスイッチング素子Q1〜Q4のオン時間を長くする必要があり、重負荷状態と同様に、スイッチ回路SWをオフとして、ソフトスイッチング制御により、スイッチング素子Q1〜Q4をオン、オフ制御する。
At least the output
図2は、本発明の実施例2の説明図であり、図1と同一符号は同一部分を示し、Q7,Q8は第5、第6のスイッチング素子を示す。フルブリッジ接続の第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4と、第5、第6のスイッチング素子Q7,Q8とを含み、第1、第2スイッチング素子Q1,Q2を直列に接続した第1の回路と、第3、第4のスイッチング素子Q3,Q4を直列に接続した第2の回路と、第5、第6のスイッチング素子Q7,Q8を直列に接続した第3の回路とに、それぞれ入力電圧Viを印加し、第2の回路のスイッチング素子Q3,Q4の直列接続の接続点と、第1の回路のスイッチング素子Q1,Q2の直列接続の接続点との間に、トランスT1の一次巻線を接続し、第1の回路のスイッチング素子Q1,Q2の直列接続の接続点と、第3の回路のスイッチング素子Q7,Q8の直列接続の接続点との間に、共振用チョークコイルL2を接続する。又電流検出器IDにより負荷RLに供給する負荷電流を検出して出力電流検出部2に入力し、負荷RLに印加する出力直流電圧を出力電圧検出部3に入力する。
FIG. 2 is an explanatory diagram of a second embodiment of the present invention, where the same reference numerals as those in FIG. A first bridge element including first to fourth switching elements Q1 to Q4 having a full bridge connection and fifth and sixth switching elements Q7 and Q8, wherein the first and second switching elements Q1 and Q2 are connected in series. Input to the circuit, the second circuit in which the third and fourth switching elements Q3 and Q4 are connected in series, and the third circuit in which the fifth and sixth switching elements Q7 and Q8 are connected in series, respectively. The voltage Vi is applied, and the primary winding of the transformer T1 between the connection point of the series connection of the switching elements Q3 and Q4 of the second circuit and the connection point of the series connection of the switching elements Q1 and Q2 of the first circuit. The resonance choke coil L2 is connected between the connection point of the series connection of the switching elements Q1 and Q2 of the first circuit and the connection point of the series connection of the switching elements Q7 and Q8 of the third circuit. Connecting. Also, the load current supplied to the load RL is detected by the current detector ID and input to the output
この実施例2に於けるスイッチング制御部4は、入力直流電圧Viの検出信号と、出力電流検出部2による電流検出信号と、出力電圧検出部3による電圧検出信号とを基に、第1〜第6のスイッチング素子Q1〜Q4,Q7,Q8を選択制御し、第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4を選択制御する場合は、ハードスイッチング制御によるオン、オフ制御を行い、第3〜第6のスイッチング素子Q3,Q4,Q7,Q8を選択制御する場合は、ソフトスイッチング制御によるオン、オフ制御を行う制御構成を備えている。即ち、第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4を選択制御する場合は、第5、第6のスイッチング素子Q7,Q8をオフ状態として、共振用チョークコイルL2を含まない第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4によるフルブリッジ構成により、第1、第4のスイッチング素子Q1,Q4を同時にオン、オフ制御し、第2、第3のスイッチング素子Q2,Q3を、第1、第4のスイッチング素子Q1,Q4と異なるタイミングで同時にオン、オフ制御する。又第3〜第6のスイッチング素子Q3,Q4,Q7,Q8をソフトスイッチング制御する場合は、第1、第2のスイッチング素子Q1,Q2をオフ状態とし、共振用チョークコイルL2をトランスTの一次巻線に直列接続した状態として、その共振用チョークコイルL2のインダクタンスとトランスTのインダクタンスL1とスイッチング素子Q3Q4,Q7,Q8の寄生容量C3,C4,C7,C8とによる共振を利用して、零電圧スイッチングを行わせる。
The switching control unit 4 in the second embodiment is based on the detection signal of the input DC voltage Vi, the current detection signal by the output
スイッチング制御部4は、負荷RLに供給する直流出力電流が所定値以下の場合又は入力直流電圧Viが所定値を超えている場合、軽負荷状態に相当するから、第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4をハードスイッチング制御に従って、直流出力電圧が所定値となるようにオン、オフ制御し、負荷RLに供給する直流出力電流が所定値を超えた場合又は入力直流電圧Viが所定値以下の場合、重負荷状態に相当するから、第3〜第6のスイッチング素子Q3,Q4、Q7,Q8をソフトスイッチング制御に従って、且つ直流出力電圧が所定値となるようにオン、オフ制御する制御構成を備えている。 Since the switching control unit 4 corresponds to a light load state when the DC output current supplied to the load RL is less than a predetermined value or when the input DC voltage Vi exceeds a predetermined value, the first to fourth switching elements Q1 to Q4 are turned on and off according to hard switching control so that the DC output voltage becomes a predetermined value, and when the DC output current supplied to the load RL exceeds the predetermined value or the input DC voltage Vi is lower than the predetermined value In this case, it corresponds to a heavy load state, and therefore, a control configuration in which the third to sixth switching elements Q3, Q4, Q7, and Q8 are turned on and off according to the soft switching control and the DC output voltage becomes a predetermined value. I have.
従って、重負荷状態の場合、フェーズシフト方式によるソフトスイッチング制御により第3〜第6のスイッチング素子Q3,Q4、Q7,Q8のオン、オフを制御することにより、零電圧スイッチングを可能として、スイッチング損失を低減し、軽負荷状態の場合、ハードスイッチング制御により、循環電流による損失を低減することができるから、広範囲の負荷変動に対しても、又入力直流電圧の変動に対しても、自動的にソフトスイッチング制御とハードスイッチング制御とのスイッチング損失が少なくなるスイッチング制御手段に切替えるものであるから、電力変換効率を改善することができる。 Therefore, in the heavy load state, zero voltage switching is enabled by controlling the on / off of the third to sixth switching elements Q3, Q4, Q7, Q8 by the soft switching control by the phase shift method, and the switching loss In a light load state, hard switching control can reduce loss due to circulating current, so it can automatically detect a wide range of load fluctuations and input DC voltage fluctuations. Since switching is made to switching control means that reduces switching loss between soft switching control and hard switching control, power conversion efficiency can be improved.
1 入力電圧検出部
2 出力電流検出部
3 出力電圧検出部
4 スイッチング制御部
ID 電流検出器
Q1〜Q6 スイッチング素子
SW スイッチ回路
T1 トランス
L1 トランスのリーケージインダクタンス
L2 共振用チョークコイル
D1,D2 整流用のダイオード
L0 チョークコイル
C0 コンデンサ
C1〜C4 寄生容量
RL 負荷
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Input
Claims (5)
前記トランスの一次巻線に直列に接続した共振用チョークコイルと、
該共振用チョークコイルの両端又は一部を短絡するスイッチ回路と、
前記負荷に供給する出力直流電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記負荷に供給する出力直流電流を検出した電流検出値が予め設定した値以下に低下した時に、前記スイッチ回路をオンに制御する出力電流検出部と、
該出力電流検出部により前記スイッチ回路をオンとした時の検出信号に従って、前記フルブリッジ構成のスイッチング素子をハードスイッチング制御によりオン、オフ制御し、前記スイッチ回路をオフとした時の検出信号に従って、前記フルブリッジ構成のスイッチング素子をソフトスイッチング制御によりオン、オフ制御し、且つ前記出力電圧検出部により検出した前記出力直流電圧を設定値となるように、前記スイッチング素子を制御するスイッチング制御部と
を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。 A switching power supply device that controls on / off of a current supplied to a primary winding of a transformer by a switching element having a full bridge configuration, rectifies and smoothes an induced voltage of the secondary winding of the transformer, and supplies an output DC voltage to a load. In
A resonance choke coil connected in series to the primary winding of the transformer;
A switch circuit that short-circuits both ends or a part of the resonance choke coil;
An output voltage detector for detecting an output DC voltage supplied to the load;
An output current detection unit that controls the switch circuit to turn on when a current detection value that detects an output DC current supplied to the load drops below a preset value;
According to the detection signal when the switch circuit is turned on by the output current detector, the switching element of the full bridge configuration is turned on and off by hard switching control, and according to the detection signal when the switch circuit is turned off, A switching control unit that controls the switching element so that the switching element of the full bridge configuration is turned on and off by soft switching control and the output DC voltage detected by the output voltage detection unit becomes a set value. A switching power supply device comprising:
前記負荷に供給する出力直流電圧を検出する出力電圧検出部と、
前記負荷に供給する出力直流電流を検出する出力電流検出部と、
前記第1、第2のスイッチング素子の直列接続点と前記第3、第4のスイッチング素子の直列接続点との間に前記トランスの一次巻線を接続し、前記第1、第2のスイッチング素子の直列接続点と第5、第6のスイッチング素子の直列接続点との間に接続した共振用チョークコイルと、
前記出力電流検出部により前記出力直流電流が予め設定した値以下に低下した時に、前記第1〜第4のスイッチング素子をハードスイッチング制御によりオン、オフ制御し、前記出力直流電流が前記予め設定した値を超えた時に、前記第3、第4のスイッチング素子と前記第5、第6のスイッチング素子とをソフトスイッチング制御によりオン、オフ制御するスイッチング制御部と
を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。 The current supplied to the primary winding of the transformer is controlled on and off by the first to fourth switching elements having a full bridge configuration, and the induced DC voltage of the secondary winding of the transformer is rectified and smoothed to output DC voltage to the load. In the switching power supply to supply
An output voltage detector for detecting an output DC voltage supplied to the load;
An output current detector for detecting an output direct current supplied to the load;
A primary winding of the transformer is connected between a series connection point of the first and second switching elements and a series connection point of the third and fourth switching elements, and the first and second switching elements are connected. A choke coil for resonance connected between the series connection point of and the series connection points of the fifth and sixth switching elements;
When the output DC current is reduced below a preset value by the output current detector, the first to fourth switching elements are turned on and off by hard switching control, and the output DC current is set in advance. A switching power supply comprising: a switching control unit that controls on and off of the third and fourth switching elements and the fifth and sixth switching elements by soft switching control when a value is exceeded. apparatus.
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