JP2011050135A - 共振型スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】入力直流電源Vinに直列接続されたスイッチング素子QH、QLと、2次巻線S1、S2及び1次巻線P1とを備えたトランスT1と、1次巻線P1と電流共振コンデンサCriが直列接続され前記スイッチング素子のいずれかに並列接続された共振回路と、前記2次巻線に接続され出力電圧Voを得る整流回路(D1+D2+Co)とを備え、トランスT1は、1次巻線P1と密に結合された1次巻線P2を備え、1次巻線P2の一方の端子が1次巻線P1の一方の端子または他方の端子のいずれかに接続され、他方の端子が開放されていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
時刻t1でスイッチング素子QLがオフすると、トランスT2に蓄えられた励磁電流のエネルギーにより、電圧擬似共振が発生する。これはリアクトルLrと励磁インダクタンスLpとの和(以下、Lr+Lpと記載する)と電流共振コンデンサCri及び電圧共振コンデンサCrvによる電圧擬似共振であるが、容量の少ない電圧共振コンデンサCrvによる共振電圧が、スイッチング素子QLおよびスイッチング素子QHの両端電圧として観測される。すなわち、スイッチング素子QLの電流は、スイッチング素子QLのオフと共に電圧共振コンデンサCrvに移り、電圧共振コンデンサCrvが入力直流電源Vinの電圧まで充電されるとスイッチング素子QHの内蔵ダイオードDQHを介して入力電源電圧Vinに回生される。この間にスイッチング素子QHをオンさせることによりスイッチング素子QHのゼロボルトスイッチが可能となる。
時刻t2でスイッチング素子QHがオンしているので、入力直流電源Vinの正極端子→スイッチング素子QH→リアクトルLr→トランスT2の1次巻線P1→電流共振コンデンサCri→入力直流電源Vinの負極端子の経路で電流が流れる。この電流は、図示しないトランスT2の励磁インダクタンスLpに流れる励磁電流と、トランスT2の1次巻線P1→トランスT2の2次巻線S2→ダイオードD2→平滑コンデンサCoを介して、出力端子Vo、GND端子から負荷へ供給される負荷電流との合成電流となる。すなわち、前者はLr+Lpと電流共振コンデンサCriの正弦波状の共振電流となり、スイッチング素子QHのオン期間に比べて低い共振周波数となるため、正弦波の一部が三角波状の電流として観測される。後者はリアクトルLrと電流共振コンデンサCriの共振要素が現れた正弦波状の共振電流となり、時刻t3で0Aとなる。
上記リアクトルLrと電流共振コンデンサCriの共振要素が現れた正弦波状の共振電流は時刻t3で0Aとなり、期間t3〜t4はLr+Lpと電流共振コンデンサCriの正弦波状の共振電流のみになる。
時刻t4でスイッチング素子QHがオフすると、トランスT2に蓄えられた励磁電流のエネルギーにより、電圧擬似共振が発生する。Lr+Lp、電流共振コンデンサCri、電圧共振コンデンサCrvによる電圧擬似共振であるが、容量の少ない電圧共振コンデンサCrvによる共振電圧が、スイッチング素子QLおよびスイッチング素子QHの両端電圧として観測される。すなわち、スイッチング素子QHの電流は、スイッチング素子QHのオフと共に電圧共振コンデンサCrvに移り、電圧共振コンデンサCrvが0Vまで放電されるとスイッチング素子QLの内蔵ダイオードDQLを介して電流共振コンデンサCriを充電する。この間にスイッチング素子QLをオンさせることによりスイッチング素子QLのゼロボルトスイッチが可能となる。
時刻t5でスイッチング素子QLがオンしているので、電流共振コンデンサCriを電源として、電流共振コンデンサCri→トランスT2の1次巻線→リアクトルLr→スイッチング素子QL→電流共振コンデンサCriの経路で電流が流れる。この電流は、トランスT2の励磁インダクタンスLpに流れる励磁電流と、トランスT2の1次巻線P1→トランスT2の2次巻線S1→ダイオードD1→平滑コンデンサCoを介して、出力端子Vo、GND端子から負荷へ供給される負荷電流との合成電流となる。すなわち、前者はLr+Lpと電流共振コンデンサCriの正弦波状の共振電流となり、スイッチング素子QLのオン期間に比べて低い共振周波数となるため、正弦波の一部が三角波状の電流として観測される。後者はリアクトルLrと電流共振コンデンサCriの共振要素が現れた正弦波状の共振電流となり、時刻t6で0Aとなる。
上記リアクトルLrと電流共振コンデンサCriの共振要素が現れた正弦波状の共振電流は時刻t6で0Aとなり、期間t6〜t7はLr+Lpと電流共振コンデンサCriの正弦波状の共振電流のみになる。
また、図6(c)の波形は、入力電源電圧Vinが300V、負荷が軽負荷(0.01%Load)で、このときのスイッチング周波数は87.7kHz(周期11.4μs)である。
また、図6(d)の波形は、入力電源電圧Vinが450V、負荷が軽負荷(0.01%Load)で、このときのスイッチング周波数は139.4kHz(周期7.17μs)である。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、前記トランスが、リーケージトランスであることを特徴とする。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、前記第2の1次巻線の一方の端子が前記第1の1次巻線の一方の端子または他方の端子のいずれかにコンデンサを介して接続されたことを特徴とする。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、前記第2の1次巻線の一方の端子が前記第1の1次巻線の一方の端子または他方の端子のいずれかに抵抗を介して接続されたことを特徴とする。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、前記第2の1次巻線の一方の端子が前記第1の1次巻線の一方の端子または他方の端子のいずれかにコンデンサと抵抗の直列回路を介して接続されたことを特徴とする。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、前記第1の1次巻線と前記第2の1次巻線が、バイファイラ巻により密に結合されたことを特徴とする。
図1は、本発明の第1の実施形態である共振型スイッチング電源装置1の回路構成を示した図である。
もう一つの信号は、デッドタイム生成回路104、レベルシフト回路105(ゲートドライブ信号レベルを、ローサイドの電位レベルに対し、ハイサイドの高電位レベルにシフトさせる回路)、バッファ回路107を介してハイサイドのスイッチ素子QHのゲートドライブ信号となる。このゲートドライブ信号は、端子HD−端子HGから出力される。
すなわち、ハイサイドのスイッチ素子QH、ローサイドのスイッチ素子QLは、デッドタイム生成回路103、104により、デッドタイムを有して交互にオン・オフされる。
図3は、本発明による第2の実施形態である共振型スイッチング電源装置2の回路構成を示した図である。
図4は、本発明による第3の実施形態である共振型スイッチング電源装置3の回路構成を示した図である。
また、1次巻線P2の一方の端子は、コンデンサCfsを設けないで抵抗Rfのみを介して、1次巻線P1の一方の端子或いは他方の端子に接続しても良い(即ち、1次リーケージインダクタンスLr1の一方の端子は、抵抗Rfのみを介して、1次巻線P1の一方の端子或いは他方の端子のいずれかに接続すれば良い)。
10・・・制御回路
11・・・電圧検出器
101・・・発振器
102・・・D−FF回路
103、104・・・デッドタイム生成回路
105・・・レベルシフト回路
106、107・・・バッファ回路
Rf・・・抵抗
Rm・・・浮遊抵抗
Co・・・平滑コンデンサ
Crv・・・電圧共振コンデンサ
Cri・・・電流共振コンデンサ
Cf、Cfs・・・コンデンサ(キャパシタ)
Cm、Cf1・・・浮遊容量
QH、QL・・・スイッチング素子
DQH、DQL、D1、D2・・・ダイオード
Lr・・・リアクトル
Lr1・・・1次リーケージインダクタンス
T1、T2・・・トランス
P1、P2・・・トランスT1、T2の1次巻線
S1、S2・・・トランスT1、T2の2次巻線
PC・・・フォトカプラ
Ld・・・負荷
Vin・・・入力直流電源
Vo・・・出力電圧(or出力端子)
Claims (6)
- 入力直流電源に直列接続された複数のスイッチング素子と、2次巻線及び第1の1次巻線とを備えたトランスと、前記第1の1次巻線と電流共振コンデンサが直列接続され前記スイッチング素子のいずれかに並列接続された共振回路と、前記2次巻線に接続され出力電圧を得る整流回路とを備え、前記出力電圧が所定の目標値になるように前記スイッチング素子のスイッチング周波数を制御する共振型スイッチング電源装置において、
前記トランスは、前記第1の1次巻線に結合された第2の1次巻線を備え、該第2の1次巻線の一方の端子が前記第1の1次巻線の一方の端子または他方の端子のいずれかに接続され、他方の端子が開放されていることを特徴とする共振型スイッチング電源装置。 - 前記トランスは、リーケージトランスであることを特徴とする請求項1に記載の共振型スイッチング電源装置。
- 前記第2の1次巻線の一方の端子が前記第1の1次巻線の一方の端子または他方の端子のいずれかにコンデンサを介して接続されたことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の共振型スイッチング電源装置。
- 前記第2の1次巻線の一方の端子が前記第1の1次巻線の一方の端子または他方の端子のいずれかに抵抗を介して接続されたことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の共振型スイッチング電源装置。
- 前記第2の1次巻線の一方の端子が前記第1の1次巻線の一方の端子または他方の端子のいずれかにコンデンサと抵抗の直列回路を介して接続されたことを特徴とする請求項1又は請求項2のいずれかに記載の共振型スイッチング電源装置。
- 前記第1の1次巻線と前記第2の1次巻線が、バイファイラ巻により密に結合されたことを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか一項に記載の共振型スイッチング電源装置。
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