JP2000166230A - トランス絶縁型dc−dcコンバータ - Google Patents

トランス絶縁型dc−dcコンバータ

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JP2000166230A
JP2000166230A JP10330856A JP33085698A JP2000166230A JP 2000166230 A JP2000166230 A JP 2000166230A JP 10330856 A JP10330856 A JP 10330856A JP 33085698 A JP33085698 A JP 33085698A JP 2000166230 A JP2000166230 A JP 2000166230A
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Mantaro Nakamura
萬太郎 中村
Masaaki Shimada
雅章 嶋田
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 トランス絶縁型DC−DCコンバータのスイ
ッチング損失やノイズを低減し且つトランスの磁気飽和
によるスイッチング素子の破壊を防止する。 【解決手段】 スイッチング素子3の両主端子間に接続
された共振回路12と、共振回路12とトランス2の1
次巻線2aとの間に接続されたバイパス回路13とを備
え、共振回路12は1次巻線2aとスイッチング素子3
の第1の主端子との間に一端が接続された充電用整流素
子14と、その他端と直流電源1及びスイッチング素子
3の第2の主端子との間に接続された共振用コンデンサ
15とを備え、バイパス回路13は充電用整流素子14
及び共振用コンデンサ15の接続点と1次巻線2a及び
直流電源1の接続点との間に接続され且つ1次巻線2a
と逆極性に接続された3次巻線2cと、3次巻線2cと
直列に接続された逆流阻止用整流素子17とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明はトランス絶縁型DC
−DCコンバータ、特にスイッチング損失やノイズの低
減及びトランスの磁気飽和によるスイッチング素子の破
損防止を図ったトランス絶縁型DC−DCコンバータに
属する。
【0002】
【従来の技術】直流電源とトランスの1次巻線とスイッ
チング素子とが直列に接続され、スイッチング素子をオ
ン・オフ動作させることにより、トランスの2次巻線か
ら整流平滑回路を介して直流電源の電圧とは異なる定電
圧の直流出力を取り出す構成のトランス絶縁型DC−D
Cコンバータは従来から電子機器等の電源回路等に広く
使用されている。
【0003】例えば、図3に示す従来のトランス絶縁型
DC−DCコンバータは、バッテリ又はコンデンサ入力
型整流回路等の直流電源1と、直流電源1に直列に接続
された1次巻線2a及び2次巻線2bを有するトランス
2と、トランス2の1次巻線2aに直列に両主端子間が
接続されたスイッチング素子としてのトランジスタ3
と、トランス2の2次巻線2bにアノード端子が接続さ
れた整流用ダイオード4と、整流用ダイオード4のカソ
ード端子と2次巻線2bとの間に接続された転流用ダイ
オード5と、整流用ダイオード4及び転流用ダイオード
5の接続点に一端が接続されたリアクトル6と、リアク
トル6の他端と2次巻線2bとの間に接続された平滑コ
ンデンサ7と、平滑コンデンサ7の両端に接続された負
荷8と、負荷8に供給される直流出力電圧に応じてトラ
ンジスタ3のベース端子に制御パルス信号VBを付与し
てトランジスタ3をオン・オフ動作させる制御回路9
と、トランス2の1次巻線2aとトランジスタ3の第1
の主端子との間に一端が接続された第1の共振用コンデ
ンサ10と、第1の共振用コンデンサ10の他端と直流
電源1の陽極端子との間に接続されたダイオード11
と、第1の共振用コンデンサ10の一端とトランジスタ
3の第1の主端子との間にアノード端子が接続された充
電用ダイオード14と、充電用ダイオード14のカソー
ド端子と直流電源1の陰極端子との間に接続された第2
の共振用コンデンサ15と、ダイオード11及び第1の
共振用コンデンサ10の接続点と第2の共振用コンデン
サ15及び充電用ダイオード14の接続点との間に直列
に接続された共振用リアクトル16及び逆流阻止用ダイ
オード17とを備えている。即ち、図3のトランス絶縁
型DC−DCコンバータは、トランジスタ3のオン期間
中に2次側の整流用ダイオード4が導通状態となり、ト
ランジスタ3がオン状態からオフ状態となるとき2次側
の整流用ダイオード4が非導通状態となるフォワード方
式の回路構成となる。また、周知技術のため図示は省略
するが、制御回路9内には、一定の周期の三角波電圧を
発生する発振回路部と、基準電圧に対する負荷8の端子
電圧の誤差電圧を演算増幅する誤差増幅回路部と、誤差
増幅回路部の誤差出力電圧及び発振回路部の三角波電圧
を比較する比較回路部と、比較回路部の出力電圧に比例
した時間幅の制御パルス信号VBを発生してトランジス
タ3のベース端子に付与する制御パルス発生回路部とが
設けられる。
【0004】上記のトランス絶縁型DC−DCコンバー
タでは、制御回路9により、トランジスタ3のベース端
子に付与する制御パルス信号VBのパルス幅を負荷8の
端子電圧に応じて変化させ、トランジスタ3のオン・オ
フ期間を制御することにより、直流電源1の電圧Eとは
異なる定電圧の直流出力を負荷8に供給する。また、第
1及び第2の共振用コンデンサ10、15と共振用リア
クトル16との共振作用により、トランジスタ3の両主
端子間の電圧及びトランジスタ3に流れる電流が略0か
ら正弦波状に上昇するので、トランジスタ3のターンオ
フ及びターンオン時においてゼロ電圧及びゼロ電流スイ
ッチングとなり、スイッチング損失が低減される。更
に、トランジスタ3のターンオフ及びターンオン時に発
生するスパイク状のサージ電圧及びサージ電流は、第1
及び第2の共振用コンデンサ10、15と共振用リアク
トル16との共振作用により吸収され、トランジスタ3
の動作時のサージ電圧、サージ電流及びノイズが低減さ
れる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】図3に示すトランス絶
縁型DC−DCコンバータでは、トランジスタ3がオン
状態に切り替わり第2の共振用コンデンサ15が放電を
開始すると、第1及び第2の共振用コンデンサ10、1
5と共振用リアクトル16とが共振して第2の共振用コ
ンデンサ15、共振用リアクトル16、逆流阻止用ダイ
オード17、第1の共振用コンデンサ10及びトランジ
スタ3の経路で共振電流が流れる。このとき、第1の共
振用コンデンサ10は余弦波状に充電され、直流電源1
の電圧Eとなる。
【0006】しかしながら、第1の共振用コンデンサ1
0の静電容量が第2の共振用コンデンサ15に比べて小
さいとき、第2の共振用コンデンサ15の放電が十分に
行われず、第2の共振用コンデンサ15に電荷が残留し
た状態となる。この状態でトランジスタ3がオン状態か
らオフ状態に切り替わると、第2の共振用コンデンサ1
5の両端間の電圧は0Vでないため、第2の共振用コン
デンサ15に蓄積される電荷は0Vからの充電が行われ
ず、トランジスタ3の動作時に電圧波形と電流波形との
重なりが大きくなる。これにより、ゼロ電圧スイッチン
グ(ZVS)とならずスイッチング損失が生じる。
【0007】そこで、本発明はスイッチング素子のオン
期間中に共振用コンデンサの電荷を十分に放出させて両
端の電圧を略0Vとすることにより、スイッチング素子
動作時の電圧及び電流両波形の重なりを小さくしてスイ
ッチング損失及びノイズの低減を図ると共に、トランス
の磁気飽和を防止してトランジスタの破壊を防止するト
ランス絶縁型DC−DCコンバータを提供することを目
的とする。
【0008】
【発明が解決しようとする手段】本発明によるトランス
絶縁型DC−DCコンバータは、直流電源とトランスの
1次巻線とスイッチング素子とが直列に接続され、前記
スイッチング素子をオン・オフ動作させることにより前
記トランスの2次巻線から整流平滑回路を介して前記直
流電源の電圧とは異なる定電圧の直流出力を取り出す。
このトランス絶縁型DC−DCコンバータでは、前記ス
イッチング素子の両主端子間に接続された共振回路と、
該共振回路と前記トランスの1次巻線との間に接続され
たバイパス回路とを備え、前記共振回路は、前記1次巻
線と前記スイッチング素子の第1の主端子との間に一端
が接続された充電用整流素子と、該充電用整流素子の他
端と前記直流電源及び前記スイッチング素子の第2の主
端子との間に接続された共振用コンデンサとを備え、前
記バイパス回路は、前記充電用整流素子及び共振用コン
デンサの接続点と前記トランスの1次巻線及び直流電源
の接続点との間に接続され且つ前記1次巻線と逆極性に
接続された3次巻線と、該3次巻線と直列に接続された
逆流阻止用整流素子とを備える。前記スイッチング素子
がオン状態からオフ状態となるとき、前記直流電源から
前記1次巻線及び充電用整流素子を介して流れる電流及
び前記トランスの励磁電流により、前記共振用コンデン
サが略0Vから前記直流電源より高い電圧に充電され、
前記共振用コンデンサに蓄積された電荷により前記トラ
ンスを逆励磁し、前記スイッチング素子がオフ状態から
オン状態となるとき、前記トランスの3次巻線に前記1
次巻線と逆極性の電圧が発生して前記1次巻線と前記3
次巻線との電圧の総和が実質的に0Vとなり、前記共振
用コンデンサに蓄積された電荷を前記逆流阻止用整流素
子、3次巻線、1次巻線及びスイッチング素子を介して
循環する共振電流として十分に放電する。
【0009】スイッチング素子をオン状態からオフ状態
に切り替えると、直流電源から1次巻線及び充電用整流
素子を介して流れる電流及びトランスの励磁電流によ
り、共振用コンデンサが略0Vから直流電源よりも高い
電圧に充電され、この充電電圧によりトランスを逆励磁
する。これにより、トランスのコアの磁束密度がスイッ
チング素子のオン期間中に上昇した分だけ減少してトラ
ンスがリセットされるので、トランスの磁気飽和を防止
してスイッチング素子の破壊を防止できる。
【0010】スイッチング素子をオフ状態からオン状態
に切り換えると、トランスの3次巻線に1次巻線と逆極
性の電圧が発生して1次巻線と3次巻線との電圧の総和
が実質的に0Vとなる。このとき、共振用コンデンサに
蓄積された電荷は、バイパス回路から共振用コンデン
サ、逆流阻止用整流素子、トランスの3次巻線、1次巻
線及びスイッチング素子を介して循環する共振電流とし
て放電し、スイッチング素子の電流が略0Aから正弦波
状に増加しスイッチング素子のターンオン時においてゼ
ロ電流スイッチング(ZCS)となり、スイッチング素
子のターンオン時のスイッチング損失を低減することが
できる。
【0011】また、トランスの1次巻線と3次巻線との
電圧の総和が実質的に0Vであるので、共振用コンデン
サの充電電圧は十分に放電される。放電後、スイッチン
グ素子をオフ状態に切り替えるとき、スイッチング素子
に流れていた電流が共振回路側への電流に切り替わり、
充電用整流素子を介して共振用コンデンサの電圧が略0
Vから正弦波状に充電されるので、スイッチング素子の
第1の主端子と第2の主端子との間の電圧も略0Vから
正弦波状に上昇し、スイッチング素子のターンオフ時に
おいてゼロ電圧スイッチング(ZVS)となり、スイッ
チング素子のターンオフ時のスイッチング損失を低減で
きる。
【0012】以上により、スイッチング素子のオン・オ
フ動作時のスイッチング損失を低減できると共に、スイ
ッチング素子のターンオフ時に発生するスパイク状のサ
ージ電圧、サージ電流及びノイズが共振用コンデンサ及
び共振用リアクトルの共振作用により吸収されスイッチ
ング素子の電圧波形の立上りが緩やかになり、スイッチ
ング素子の動作時のサージ電圧、サージ電流及びノイズ
を低減することが可能となる。また、スイッチング素子
をオン状態からオフ状態に切り替えると、共振用コンデ
ンサに充電された直流電源より高い電圧によりトランス
を逆励磁してリセットするので、トランスの磁気飽和を
防止してスイッチング素子の破壊を防止できる。
【0013】本発明によるトランス絶縁型DC−DCコ
ンバータの一実施の形態では、前記バイパス回路は、前
記充電用整流素子及び共振用コンデンサの接続点と前記
トランスの1次巻線及び直流電源の接続点との間に接続
され且つ前記1次巻線と逆極性に接続された3次巻線
と、該3次巻線と直列に接続された逆流阻止用整流素子
と、該逆流阻止用整流素子と直列に接続された共振用リ
アクトルとを備えている。前記スイッチング素子がオフ
状態からオン状態となるとき、前記トランスの3次巻線
に前記1次巻線と逆極性の電圧が発生して前記1次巻線
と前記3次巻線との電圧の総和が実質的に0Vとなり、
前記共振用コンデンサに蓄積された電荷を前記共振用リ
アクトル、逆流阻止用整流素子、3次巻線、1次巻線及
びスイッチング素子を介して循環する共振電流として十
分に放電する。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明によるトランス絶縁
型DC−DCコンバータの一実施の形態を図1及び図2
に基づいて説明する。但し、図1では図3に示す箇所と
実質的に同一の部分には同一の符号を付し、その説明を
省略する。本実施の形態のトランス絶縁型DC−DCコ
ンバータは、図1に示すように、逆流阻止用ダイオード
17のカソード端子と直流電源1及びトランス2の1次
巻線2aの接続点との間に1次巻線2aと逆極性に3次
巻線2cを接続したものである。図1の回路では、図3
に示すトランス絶縁型DC−DCコンバータにおいて、
第1の共振用コンデンサ10及びダイオード11が省略
され、その他の構成は、図3のトランス絶縁型DC−D
Cコンバータと略同一である。
【0015】次に、図1に示すトランス絶縁型DC−D
Cコンバータの動作について説明する。図2(A)に示
すように、制御回路9からトランジスタ3のベース端子
に付与される制御パルス信号電圧VBがt1において低レ
ベルから高レベルになり、トランジスタ3がオフ状態か
らオン状態になると、図2(E)に示すように、トラン
ジスタ3の第1及び第2の主端子であるコレクタ及びエ
ミッタの間の電圧VSは、速やかに略0Vまで降下す
る。これと同時にトランス2の3次巻線2cに1次巻線
2aと逆極性の電圧が発生して1次巻線2aと3次巻線
2cとの電圧の総和が実質的に0Vとなる。このとき、
共振用コンデンサ15に蓄積された電荷は、バイパス回
路13から共振用コンデンサ15、共振用リアクトル1
6、逆流阻止用ダイオード17、トランスの3次巻線2
c、1次巻線2a及びトランジスタ3の経路で循環する
共振電流として放電し、共振用コンデンサ11の両端の
電圧VCは図2(B)に示すように電圧Eから余弦波状
に降下してt2で略0Vとなる。
【0016】一方、トランジスタ3に流れる電流I
Sは、バイパス回路13から共振用コンデンサ15、共
振用リアクトル16、逆流阻止用ダイオード17、トラ
ンスの3次巻線2c、1次巻線2a及びトランジスタ3
の経路で循環する共振電流と直流電源1の電流との和と
なるため、図2(D)に示すようにt1において略0A
から正弦波状に増加する。従って、トランジスタ3のタ
ーンオン時において、電圧波形と電流波形の重なりが少
ないゼロ電流スイッチング(ZCS)となり、スイッチ
ング損失を低減することができる。
【0017】共振用リアクトル16に流れる電流I
Lは、トランジスタ3がオン状態になると、図2(C)
に示すように正弦波状となり、t2において共振用コン
デンサ15の電圧VCが略0Vになると、共振用リアク
トル16、逆流阻止用ダイオード17、トランスの3次
巻線2c、1次巻線2a及び充電用ダイオード14の経
路で短絡されて循環電流となって流れつづけようとす
る。しかし、この電流は共振用リアクトル16、逆流阻
止用ダイオード17、トランスの3次巻線2c、1次巻
線2a、充電用ダイオード14及び配線の抵抗分によっ
て減衰しやがて0Aとなる。このとき、トランジスタ3
の電流ISの共振電流分が0Aとなるので、図2(D)
に示すように、t2以降は直流電源1からトランス2の
1次巻線2a及びトランジスタ3に電流I0が流れる。
これにより、トランス2の2次巻線2bに1次巻線2a
の電圧と同極性の電圧が誘起されて整流ダイオード4が
導通状態となり、2次巻線2bから整流用ダイオード4
及びリアクトル6を介して平滑コンデンサ7に電流が流
れ、負荷8に直流電圧が供給される。
【0018】次に、図2(A)に示すように、制御回路
9からトランジスタ3のベース端子に付与される制御パ
ルス信号電圧VBがt3において高レベルから低レベルに
なり、トランジスタ3がオン状態からオフ状態になる
と、トランジスタ3に流れていた図2(E)に示す電流
Sが直ちに共振回路12側へ流れる電流に切り替わ
り、整流用ダイオード4が非導通状態となるので、リア
クトル6に逆起電力が発生し、リアクトル6、平滑コン
デンサ7及び転流用ダイオード5の経路で電流が流れ
る。このとき、直流電源1からトランス2の1次巻線及
び2a充電用ダイオード14を介して流れる電流及びト
ランス2に蓄積されたエネルギによる励磁電流により、
共振用コンデンサ15が充電され、図2(B)に示すよ
うに共振用コンデンサ15の両端の電圧VCが略0Vか
ら正弦波状に上昇する。これにより、図2(E)に示す
ようにトランジスタ3のコレクタ−エミッタ間の電圧V
Sが略0Vから正弦波状に上昇し、トランジスタ3のタ
ーンオフ時において電圧波形と電流波形の重なりが少な
いゼロ電圧スイッチング(ZVS)となる。
【0019】図2(B)に示すように共振用コンデンサ
15は直流電源1よりも高い電圧2Eに充電され、この
充電電圧によりトランス2を逆励磁する。これにより、
トランス1のコアの磁束密度がトランジスタ3のオン期
間中に上昇した分だけ減少してトランス1がリセットさ
れるので、トランス1の磁気飽和を防止してトランジス
タ3の破壊を防止できる。トランス2がリセットされる
とトランス2の電圧は0Vとなり、図2(E)に示すよ
うにt4時点でトランジスタ3のコレクタ−エミッタ間
の電圧VSは直流電源1の電圧Eと等しくなる。
【0020】上記のように、本実施の形態ではトランジ
スタ3のターンオン・オフ時においてゼロ電流スイッチ
ング及びゼロ電圧スイッチングとなるので、トランジス
タ3の動作時の電力損失、即ちスイッチング損失を低減
することができる。トランジスタ3のターンオン・オフ
時に発生するスパイク状のサージ電圧及びサージ電流
は、共振用コンデンサ15と共振用リアクトル16との
共振作用により吸収され、トランジスタ3の電流及び電
圧の立下がり及び立上りが緩やかになるので、トランジ
スタ3の動作時のサージ電圧、サージ電流及びノイズを
低減することが可能となる。また、共振用コンデンサ1
5に充電された直流電源1より、高い電圧2Eによりト
ランスを逆励磁してリセットするので、トランス2の磁
気飽和を防止してトランジスタ3の破壊を防止できる。
【0021】本発明の実施態様は前記の実施の形態に限
定されず、種々の変更が可能である。例えば、実施の形
態ではスイッチング素子としてバイポーラ型トランジス
タを使用した形態を示したが、MOS-FET(MOS
型電界効果トランジスタ)、J-FET(接合型電界効
果トランジスタ)、IGBT(絶縁ゲート型トランジス
タ)又はサイリスタ等の他のスイッチング素子も使用可
能である。また、トランス2の2次巻線2bを巻数のそ
れぞれ異なる複数の巻線に分割し、各2次巻線に整流平
滑回路をそれぞれ接続してマルチ出力のDC−DCコン
バータとすることも可能である。
【0022】また、バイパス回路13を構成する直列回
路内では、共振用リアクトル16、逆流阻止用ダイオー
ド17及びトランスの3次巻線2cの配列順序を変更す
ることができ、共振用リアクトル16を省略してもよ
い。
【0023】
【発明の効果】本発明によれば、スイッチング素子動作
時のスイッチング損失及びノイズを低減できるので、ノ
イズフィルタ等を削減できる。また、トランスの磁気飽
和によるスイッチング素子の破壊を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態を示すトランス絶縁型
DC−DCコンバータの電気回路図
【図2】 図1に示す回路の各部の電圧及び電流を示す
波形図
【図3】 従来のトランス絶縁型DC−DCコンバータ
を示す電気回路図
【符号の説明】
1・・直流電源、 2・・トランス、 2a・・1次巻
線、 2b・・2次巻線、 2c・・3次巻線、 3・
・トランジスタ(スイッチング素子)、 4・・整流用
ダイオード、 5・・転流用ダイオード、 6・・リア
クトル、 7・・平滑コンデンサ、 8・・負荷、 9
・・制御回路、 12・・共振回路、13・・バイパス
回路、 14・・充電用ダイオード(充電用整流素
子)、 15・・共振用コンデンサ、 16・・共振用
リアクトル、 17・・逆流阻止用ダイオード(逆流阻
止用整流素子)

Claims (2)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源とトランスの1次巻線とスイッ
    チング素子とが直列に接続され、前記スイッチング素子
    をオン・オフ動作させることにより前記トランスの2次
    巻線から整流平滑回路を介して前記直流電源の電圧とは
    異なる定電圧の直流出力を取り出すトランス絶縁型DC
    −DCコンバータにおいて、 前記スイッチング素子の両主端子間に接続された共振回
    路と、該共振回路と前記トランスの1次巻線との間に接
    続されたバイパス回路とを備え、 前記共振回路は、前記1次巻線と前記スイッチング素子
    の第1の主端子との間に一端が接続された充電用整流素
    子と、該充電用整流素子の他端と前記直流電源及び前記
    スイッチング素子の第2の主端子との間に接続された共
    振用コンデンサとを備え、 前記バイパス回路は、前記充電用整流素子及び共振用コ
    ンデンサの接続点と前記トランスの1次巻線及び直流電
    源の接続点との間に接続され且つ前記1次巻線と逆極性
    に接続された3次巻線と、該3次巻線と直列に接続され
    た逆流阻止用整流素子とを備え、 前記スイッチング素子がオン状態からオフ状態となると
    き、前記直流電源から前記1次巻線及び充電用整流素子
    を介して流れる電流及び前記トランスの励磁電流によ
    り、前記共振用コンデンサが略0Vから前記直流電源よ
    り高い電圧に充電され、前記共振用コンデンサに蓄積さ
    れた電荷により前記トランスを逆励磁し、 前記スイッチング素子がオフ状態からオン状態となると
    き、前記トランスの3次巻線に前記1次巻線と逆極性の
    電圧が発生して前記1次巻線と前記3次巻線との電圧の
    総和が実質的に0Vとなり、前記共振用コンデンサに蓄
    積された電荷を前記逆流阻止用整流素子、3次巻線、1
    次巻線及びスイッチング素子を介して循環する共振電流
    として十分に放電することを特徴とするトランス絶縁型
    DC−DCコンバータ。
  2. 【請求項2】 前記バイパス回路は、前記充電用整流素
    子及び共振用コンデンサの接続点と前記トランスの1次
    巻線及び直流電源の接続点との間に接続され且つ前記1
    次巻線と逆極性に接続された3次巻線と、該3次巻線と
    直列に接続された逆流阻止用整流素子と、該逆流阻止用
    整流素子と直列に接続された共振用リアクトルとを備
    え、 前記スイッチング素子がオフ状態からオン状態となると
    き、前記トランスの3次巻線に前記1次巻線と逆極性の
    電圧が発生して前記1次巻線と前記3次巻線との電圧の
    総和が実質的に0Vとなり、前記共振用コンデンサに蓄
    積された電荷を前記共振用リアクトル、逆流阻止用整流
    素子、3次巻線、1次巻線及びスイッチング素子を介し
    て循環する共振電流として十分に放電する請求項1に記
    載のトランス絶縁型DC−DCコンバータ。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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