JPH0757093B2 - 直列共振コンバータ - Google Patents

直列共振コンバータ

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JPH0757093B2
JPH0757093B2 JP63061714A JP6171488A JPH0757093B2 JP H0757093 B2 JPH0757093 B2 JP H0757093B2 JP 63061714 A JP63061714 A JP 63061714A JP 6171488 A JP6171488 A JP 6171488A JP H0757093 B2 JPH0757093 B2 JP H0757093B2
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JP
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capacitor
series
circuit
resonance
parallel
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豊 鍬田
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Description

【発明の詳細な説明】 「産業上の利用分野」 この発明はスイッチング電源等に適用される直列共振コ
ンバータに関するものである。
「従来の技術」 直流電圧を極性或いは電圧値の異なった直流電圧に変換
する回路には小型、軽量化、高効率化を狙いとしてDC−
DCコンバータが適用されている。DC−DCコンバータの回
路としてコンデンサ、リアクタによりスイッチング素子
を流れる電流波形を正弦波状にし、スイッチング素子で
の損失を低減できる直列共振コンバータの検討が盛んに
行われている。従来の直列共振コンバータは第3図に示
すように2個のスイッチング素子2,3の直列回路と、2
個の帰還用ダイオード4,5の直列回路と、2個の直列共
振用コンデンサ6,7の直列回路とが直流電源1に接続さ
れ、帰還用ダイオード4,5の接続点と直列共振用コンデ
ンサ6,7の接続点とが接続され、スイッチング素子2,3の
接続点と帰還用ダイオード4,5の接続点との間にトラン
ス8の一次巻線、直列共振用リアクタ9、並列共振用リ
アクタ10と並列共振用コンデンサ11の並列回路12を直列
に接続し、トランス8の二次巻線に整流回路13と出力コ
ンデンサ14及び負荷15が接続される。
リアクタ9、並列共振回路12及びコンデンサ6,7とで直
列共振回路を構成している。直流電源1の電圧をVS、負
荷15の電圧をV0、トランス8の一次巻線数と二次巻線数
の比をnとする。
動作を簡単に説明すると、コンデンサ6が図示の向きに
電源電圧VSで充電され、コンデンサ7が電圧零の状態で
スイッチング素子2をオンすると、コンデンサ6−スイ
ッチング素子2−トランス8−リアクタ9−並列共振回
路12−コンデンサ6のルートと、直流電源1−スイッチ
ング素子2−トランス8−リアクタ9−並列共振回路12
−コンデンサ7−直流電源1のルートとで第4図に示す
共振電流iが流れる。共振電流iが流れることによりコ
ンデンサ7が電圧VSに充電され、コンデンサ6が放電し
て零電圧となる。コンデンサ7がVS以上に充電されよう
とするとダイオード4が導通するため、コンデンサ7の
電圧はVSで一定である。共振電流はトランス8の二次側
の整流回路13で整流されて出力コンデンサ14を充電す
る。出力コンデンサ14に蓄えられたエネルギーは負荷15
に供給されて負荷電圧V0を得る。共振電流iが流れてい
る期間及びダイオード4が導通している期間にはトラン
ス8の一次側に電圧nV0が現れる。ダイオード4が導通
している期間はトランス8の一次巻線に電圧nV0が現れ
るため、リアクタ9を流れる電流は直線的に減少して零
となって半サイクルの動作は終了する。
次の半サイクルではスイッチング素子3を導通させるこ
とによりコンデンサ7−並列共振回路12−リアクタ9−
トランス8−スイッチング素子3−コンデンサ7−のル
ートと、直流電源1−コンデンサ6−並列共振回路12−
リアクタ9−スイッチング素子3−直流電源1のルート
で前の半サイクルと逆向きに共振電流iが流れる。コン
デンサ6がVSに充電され、コンデンサ7が零電圧になっ
て1サイクルが終了する。並列共振回路12の電圧が十分
小さいと共振電流はリアクタ9のインダクタンスLS、コ
ンデンサ6,7のキャパシタンスCS、電源電圧1の電圧VS
と負荷電圧V0によって一義的に決まるため、負荷電圧を
一定に制御する場合、負荷電流I0に比例して動作周波数
fを変化させる必要があり、負荷電流I0が小さい軽負荷
時には動作周波数fが非常に低くなり騒音が発生すると
いう問題がある。このため、直列共振ルートに並列共振
回路12を挿入し動作周波数fが並列共振回路の共振周波
数fpになると並列共振回路のインピーダンスが非常に大
きくなることを利用して直列共振電流を小さく抑え、動
作周波数をfp以上にクランプしていた。動作周波数fが
fpより高い状態(f>>fp)では並列共振回路12のイン
ピーダンスを十分小さい値にし、動作周波数fがfp近く
まで低下してくると並列共振回路12のインピーダンスが
非常に大きくなり直列共振電流iを非常に小さく抑える
第3図に示す回路が提案されている。第3図の回路で
は、負荷15に流れる電流が非常に小さい無負荷に近い状
態でも動作周波数fをfp以下にする必要はなく、fpを可
聴周波数以上に設定することにより無負荷から全負荷の
全負荷領域にわたって無騒音化が図れるという利点があ
る。
「発明が解決しようとする課題」 しかし、軽負荷時に並列共振回路12の電圧が大きくな
り、並列共振回路12の電圧がトランス8の一次側電圧nV
0より大きくなると並列共振回路12がエネルギー源とな
って並列共振回路12−リアクタ9−トランス8−スイッ
チング素子2−コンデンサ6−並列共振回路12のルート
と、並列共振回路12−リアクタ9−トランス8−スイッ
チング素子2−直流電源1−コンデンサ7−並列共振回
路12のルートで第4図に斜線で示す共振電流iが流れる
モードがある。このモードがあるとスイッチング素子と
してMOS−FETを用いた場合、MOS−FETのボデイダイオー
ドに電流が流れる。スイッチング素子2のボデイダイオ
ードに電流が流れている時にスイッチング素子3を導通
させるとボデイダイオードは逆回復特性が悪いため電源
短絡となりスイッチング素子を破壊する恐れがある。
また、直流共振ループに並列共振回路が直列に挿入され
ているためf>>fpでは直列共振電流はコンデンサ11を
流れる。コンデンサ11のキャパシタンス値をCP、コンデ
ンサ6,7のキャパシタンス値をCSとすると、直列共振回
路としてのコンデンサの値は2CS/(1+2CS/CP)とな
り、並列共振回路を挿入しない時のコンデンサの値2CS
より小さくなるため同じ出力を得るには動作周波数fを
高くするか、または並列共振コンデンサ11のCPを大きく
する必要があり、高周波化によるスイッチング損失が増
加したり並列共振回路が大型化するという問題があっ
た。
この発明の目的は並列共振回路の電圧によってスイッチ
ング素子としてMOS−FETを用いた場合でも、逆回復特性
のわるいボデイダイオードに電流が流れず、電源短絡に
よるスイッチング素子の破壊といった問題がなく軽負荷
領域を含めた全負荷領域で無騒音化が図れ、かつ、小型
化、低価格化が図れる直列共振コンバータを提供するこ
とにある。
「課題を解決するための手段」 この発明は軽負荷時の動作周波数を抑制する並列共振回
路を直列共振ループに直列に挿入するのではなく、直列
共振用コンデンサと並列にコンデンサとリアクタの直列
回路を接続して直列共振コンデンサを並列共振回路の一
部として利用するため、従来の直列共振コンバータのよ
うに並列共振回路の電圧が大きくなってスイッチング素
子としてMOS−FETを用いた場合でも、逆回復特性のわる
いボデイダイオードに電流が流れるモードが無く、電源
短絡によるスイッチング素子の破壊といった問題はなく
なる。また、直列共振コンデンサと並列に接続されたコ
ンデンサとリアクタの直列回路には直列共振電流は流れ
ず、並列共振電流のみが流れる。
「実施例」 第1図はこの発明の第1の実施例であって、第3図と異
なるのはリアクタ9とコンデンサ6,7で直列共振回路を
構成しており、第3図のように並列共振回路を直列共振
ループに含んでいないことであり、第3図の並列共振回
路12のかわりにコンデンサ6と並列にリアクタ20とコン
デンサ21の直列回路を接続し、コンデンサ7と並列にリ
アクタ22とコンデンサ23の直列回路を接続してコンデン
サ6,7を並列共振回路の一部として利用していることで
ある。リアクタ20,22のインダクアンスをLP′、コンデ
ンサ21,23のキャパシタンスをCPとすると並列共振周波
数fp′は、 となる。動作周波数fが並列共振周波数fp′より十分高
いと直列共振電流はリアクタ20,22を流れず、コンデン
サ21,23の電圧は一定値VS/2を保つ。
動作を説明すると、コンデンサ6が直流電源電圧VSに充
電され、コンデンサ7が電圧零の状態でスイッチング素
子2をオンするとコンデンサ6−スイッチング素子2−
トランス8−リアクタ9−コンデンサ6のルートと、直
流電源1−スイッチング素子2−トランス8−リアクタ
9−コンデンサ7−直流電源1のルートで直列共振電流
が流れる。共振電流iが流れることによりコンデンサ7
が電圧VSに充電され、コンデンサ6が放電して零電圧と
なる。コンデンサ7がVS以上に充電されようとするとダ
イオード4が導通し、コンデンサ7の電圧はVS一定を保
つ。次の半サイクルではコンデンサ7が電源電圧VSにコ
ンデンサ6が零電圧の状態でスイッチング素子3を導通
してコンデンサ7−リアクタ8−スイッチング素子3−
コンデンサ7のルートと、直流電源1−コンデンサ6−
リアクタ9−トランス8−スイッチング素子3−直流電
源1のルートで直列共振電流が流れ、コンデンサ6がVS
に充電され、コンデンサ7が零電圧となって1サイクル
が終了する。
動作周波数fが並列共振周波数fp′に近づくとリアクタ
20,22に並列共振電流が流れ、並列共振回路のインピー
ダンスが増加するため、直列共振電流が流れる回路のイ
ンピーダンスが大きくなり、共振電流のピーク値が小さ
く抑えられる。並列共振電流はコンデンサ21,23とコン
デンサ6,7に同じように流れ、コンデンサ21,23のキャパ
シタンスCPとコンデンサ6,7のキャパシタンスCSの比CP/
CSが大きいほどコンデンサ6,7の電圧が大きく変化し、
直列共振電流を抑制する効果は大きくなる。
従って、動作周波数fが並列共振周波数fp′付近では直
列共振電流が小さく抑えられるため無負荷時においても
動作周波数fを並列共振周波数fp′以下にする必要がな
く、fp′を可聴周波数以上に選ぶことにより全負荷領域
で無騒音化が達成できる。コンデンサ6,7を並列共振回
路の一部として用いており、コンデンサ6,7の電圧はダ
イオード4,5によって電源電圧VSにクランプされるため
スイッチング素子としてMOS−FETを用いた場合でも逆回
復特性の悪いボデイダイオードに電流が流れることはな
く、電源短絡等によるスイッチング素子破壊の恐れはな
い。
動作周波数fがfp′より十分高い場合には直列共振電流
はコンデンサ6,7にのみ流れるためコンデンサ21,23を付
けたことによる動作周波数への影響はなく回路設計が容
易に行える。
また、コンデンサ21,23には直列共振電流が流れず、並
列共振電流のみが流れる。
第2図はこの発明の第2の実施例であって、並列共振に
用いるリアクタを1つにしている。動作は第1図と同様
でありその1つのリアクタ30のインダクタンスをLP″と
すると並列共振周波数fp″は、 となり、リアクタ30として第1図のリアクタ20,22のイ
ンダクタンスLP′と同じものを用いれば並列共振周波数
となる。
実施例では直流電源と負荷を絶縁するためトランスを用
いているが、絶縁の必要が無いものについてはトランス
を省略できることは言うまでもない。
「発明の効果」 以上説明したようにこの発明による直列共振コンバータ
はダイオードで電源電圧にクランプされる直列共振コン
デンサを並列共振回路の一部として用いるため、並列共
振回路に発生する電圧によって生ずる電流はスイッチン
グ素子としてMOS−FETを用いた場合でも逆回復特性の悪
いボデイダイオードに電流が流れず、スイッチング素子
を破壊するというモードもなく安定に動作できるという
利点がある。また、並列共振コンデンサに直列共振電流
が流れないため、動作周波数の低減や並列共振コンデン
サの大型化といった問題もなく、並列共振回路の小型化
が可能となる。
【図面の簡単な説明】
第1図はこの発明の第1の実施例を示す接続図、第2図
は並列共振リアクタを1つにしたこの発明の第2の実施
例を示す接続図、第3図は従来の直列共振コンバータを
示す接続図、第4図は第3図の直列共振コンバータにお
けるスイッチング素子を流れる電流波形図である。 1……直流電源、2,3……スイッチング素子、4,5……帰
還用ダイオード、6,7……直列共振用コンデンサ、8…
…トランス、9……直列共振用リアクタ、10……並列共
振用リアクタ、11……並列共振用コンデンサ、12……並
列共振回路、13……整流回路、14……出力コンデンサ、
15……負荷、20,22……リアクタ、21,23……コンデン
サ、30……リアクタ。

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】2個のスイッチング素子の直列回路と、2
    個の帰還用ダイオードの直列回路と、2個の直列共振用
    コンデンサの直列回路とが直流電源に接続され、 上記2個の直列共振用コンデンサ各々に並列共振用リア
    クタと並列共振用コンデンサの直列回路が並列に接続さ
    れ、 上記帰還用ダイオードの接続点と上記直列共振用コンデ
    ンサの接続点とが接続され、 上記帰還用ダイオートの接続点と上記スイッチング素子
    の接続点との間にトランスの一次巻線と直列共振用リア
    クタとの直列回路が接続され、 上記トランスの二次巻線に整流回路と出力コンデンサと
    が接続されてなる直列共振コンバータ。
  2. 【請求項2】2個のスイッチング素子の直列回路と、2
    個の帰還用ダイオードの直列回路と、2個の直列共振用
    コンデンサの直列回路と、2個の並列共振コンデンサの
    直列回路とが直流電源に接続され、 上記帰還用ダイオードの接続点と上記直列共振用コンデ
    ンサの接続点とが接続され、 上記並列共振コンデンサの接続点と上記直列共振用コン
    デンサの接続点との間に並列共振用リアクタが接続さ
    れ、 上記帰還用ダイオードの接続点と上記スイッチング素子
    の接続点との間にトランスの一次巻線と直列共振用リア
    クタとの直列回路が接続され、 上記トランスの二次巻線に整流回路と出力コンデンサと
    が接続されてなる直列共振コンバータ。
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EP1032968B1 (en) * 1997-09-22 2006-11-22 Deutsche Thomson-Brandt Gmbh Switched-mode power supply
CN101997421B (zh) * 2009-08-14 2014-08-27 台达电子工业股份有限公司 具过流保护装置的谐振变换器及其控制方法

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