JP2000236661A - 電源装置 - Google Patents

電源装置

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JP2000236661A
JP2000236661A JP11038183A JP3818399A JP2000236661A JP 2000236661 A JP2000236661 A JP 2000236661A JP 11038183 A JP11038183 A JP 11038183A JP 3818399 A JP3818399 A JP 3818399A JP 2000236661 A JP2000236661 A JP 2000236661A
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input power
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transformer
supply voltage
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Shuji Yamamoto
周二 山本
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 交流入力電源を整流平滑する整流平滑回路に
よる損失の問題、大型化の問題、信頼性の問題を解消
し、交流入力電源電圧の周期変動に伴う出力の変動を抑
える。また、高調波の発生を低減させる。 【解決手段】 交流入力電源電圧の正負の半サイクルに
同期して高周波でスイッチングする第1・第2のスイッ
チ素子Q1,Q2と、交流入力電源電圧の正の半サイク
ルと負の半サイクルとで交互に導通してトランスの出力
を整流する第3・第4のスイッチ素子Q3,Q4を設
け、交流入力電源電圧の瞬時電圧の絶対値が小さい程、
第1・第2のスイッチ素子のオンデューティ比を大きく
し、前記交流入力電源電圧の瞬時電圧の絶対値が大きい
程、第1・第2のスイッチ素子のオンデューティ比を小
さくする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、交流電源を入力
して、所定の直流電圧または直流電流に変換する電源装
置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】たとえば商用交流電源を入力して、所定
の直流電圧に変換する従来の電源装置の例を図10に示
す。ここで、フィルタ回路は高調波ノイズが商用交流電
源ラインに重畳されないようにするための回路である。
DBはダイオードブリッジであり、IN−INから入力
される交流入力電源電圧を全波整流する。コンデンサC
11はこれを平滑して直流電源電圧とする。Qはスイッ
チングトランジスタであり、トランスTの1次巻線電流
を断続する。トランスTの2次側にはフライホイールダ
イオードD11、チョークコイルL11、平滑コンデン
サC12を設けている。これによりフォワード型のDC
/DCコンバータを構成している。
【0003】このように、交流電源電圧を入力して、所
定の直流電圧に変換する電源装置においては、ダイオー
ドブリッジDBおよび平滑コンデンサC11による整流
平滑回路により一旦直流電源電圧に変換し、これをDC
/DCコンバータの入力電源電圧として与えるようにし
ている。そのため、ダイオードブリッジDBおよび平滑
コンデンサC11などの整流平滑回路で電力損失が発生
し、電源装置全体の電力変換効率が高められないという
問題があった。しかも1次側の平滑コンデンサC11が
電源装置の寿命と信頼性を決定するといっても過言では
なく、この平滑コンデンサC11の存在によって電源装
置の信頼性が高められないという問題があった。
【0004】また、この整流平滑回路を構成する回路素
子は大型であるため、電源装置全体の小型化が困難であ
った。
【0005】一方、上記整流平滑回路によって、交流入
力電源電圧を一旦直流電圧に変換せずに、直接スイッチ
ングするようにした電源装置が特許第2740495号
公報に示されている。ここでその電源装置の基本的な構
成と動作について図11および図12を参照して説明す
る。図11においてスイッチ素子Q1,Q2はトランス
Tの1次側に接続されて、交流入力電源電圧のスイッチ
ングを行う。スイッチ素子Q3,Q4はトランスTの2
次側において、交流入力電源の半サイクルおよびQ1,
Q2の高周波スイッチングに同期してスイッチングを行
う。フライホイールダイオードD、チョークコイルLお
よび平滑コンデンサC部分の構成については図10の場
合と同様である。
【0006】上記スイッチ素子Q1,Q2のゲートに対
しては図12に示す駆動パルス101のような高周波の
矩形波信号が与えられ、スイッチ素子Q3,Q4のゲー
トに対しては駆動パルス102,103に示すように、
交流入力電源電圧の正の半サイクルと負の半サイクルご
とにそれぞれ与えられる。
【0007】なお、図11および図12では、トランス
の2次側のスイッチ素子を順バイアス方向に接続した例
を示している。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】図11に示したよう
な、交流入力電源を直接高周波スイッチングする電源装
置においては、交流入力電源電圧の瞬時電圧に関わら
ず、常に一定パルス幅でスイッチ素子のスイッチングを
行うものであるため、交流入力電源電圧の瞬時値が高い
ほどトランスに対する注入・放出エネルギーが大きく、
逆に交流入力電源電圧の瞬時値が低いほどトランスに対
する注入・放出エネルギーが小さくなる。その結果、出
力電圧または出力電流にリップルが生じてしまう。この
リップルを減少させるためには、トランスの2次側の整
流平滑回路の平滑作用を大きくする必要があるが、その
ために回路定数が大きくなり、大型の部品を要し、やは
り大型化につながる。
【0009】この発明の目的は、入力電源である交流電
源を一旦整流平滑することによる損失の問題、整流平滑
回路による大型化の問題および前記信頼性の問題を解消
するとともに、交流入力電圧の周期変動に伴う出力電圧
または出力電流の変動を抑えた電源装置を提供すること
にある。
【0010】また、図11に示したような、交流入力電
源を直接高周波スイッチングする電源装置においては、
交流入力電源を直接スイッチングするものであるため、
そのスイッチングによって高調波が発生し易いという問
題があった。
【0011】この発明の目的は交流入力電源を直接スイ
ッチングするにも拘らず高調波の発生を低減させた電源
装置を提供することにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】この発明の電源装置は、
トランスと、該トランスの1次側に直列に接続され、当
該トランスの入力電流を断続する第1・第2のスイッチ
素子と、前記トランスの2次側に直列に接続され、該ト
ランスの出力電流を整流する第3・第4のスイッチ素子
と、当該第3・第4のスイッチ素子による整流出力を平
滑する平滑回路と、交流入力電源電圧の正の半サイクル
と負の半サイクルとで、第3・第4のスイッチ素子をデ
ッドタイムを挟んで交互に導通させるとともに、前記交
流入力電源電圧の正負の半サイクルに同期して、前記交
流入力電源電圧の瞬時電圧の絶対値が小さい程、第1・
第2のスイッチ素子のオンデューティ比が大きくなり、
前記交流入力電源電圧の瞬時電圧の絶対値が大きい程、
第1・第2のスイッチ素子のオンデューティ比が小さく
なる関係で、前記第1・第2のスイッチ素子を前記交流
入力電源の周波数より高周波でスイッチングするスイッ
チング制御手段とを備える。
【0013】この構成により、交流入力電源を整流平滑
するダイオードブリッジおよび平滑コンデンサが不要と
なり、整流平滑回路による損失の問題、大型化の問題お
よび信頼性の問題が解消される。
【0014】また、交流入力電源の電圧が中心電圧(0
〔V〕)に近いほど、第1・第2のスイッチ素子のオン
デューティ比が大きくなり、ピーク電圧に近いほどその
オンデューティ比が小さくなるため、交流入力電源の瞬
時電圧の変化に関わらずトランスに対する注入・放出エ
ネルギーが均一化される。その結果、2次側の平滑回路
による平滑作用により、出力電圧のリップルを充分に低
下させることができる。
【0015】さらに、トランスの2次側の第3・第4の
スイッチ素子は、交流入力電源の正の半サイクルの間ま
たは負の半サイクルの間、デッドタイムを挟んで連続的
に導通可能であるため、第3・第4のスイッチ素子の同
時オンによるトランスの2次側の短絡を防止するという
効果もある。
【0016】また、この発明の電源装置は、交流入力電
源の正の半サイクルで第1のスイッチ素子を上記高周波
でスイッチングするとともに、第2のスイッチ素子を導
通させたままとし、交流入力電源の負の半サイクルで、
第2のスイッチ素子を上記高周波でスイッチングすると
ともに第1のスイッチ素子を導通させたままとする。
【0017】上記第1・第2のスイッチ素子としては、
MOS−FETが使用できるが、そのドレイン−ソース
間に寄生ダイオードが生じるため、たとえば交流入力電
源電圧の正の半サイクルで第1のスイッチ素子が高周波
でスイッチングされているとき、第2のスイッチ素子は
その寄生ダイオードを通じて通電される。しかし、この
ように一方のスイッチ素子が高周波でスイッチングされ
ている期間に、他方のスイッチ素子を強制的に導通させ
ることにより、上記寄生ダイオードを通電する場合に比
べて、そのドレイン−ソース間の降下電圧が小さくな
り、その結果、ソース−ドレインへと電流が流れ、その
スイッチ素子による電力損失が低減される。そのため、
電源装置全体の電力変換効率が高まる。
【0018】また、この発明の電源装置では、前記トラ
ンスのコアをフェライトで構成する。この発明の電源装
置においては、交流入力電源を整流することなく、トラ
ンスの1次側に流れる電流を正負両サイクルで高周波ス
イッチングを行い、しかも、上述した半サイクル内での
オンデューティ比の制御により、交流入力電源の瞬時電
圧の変化に関わらずトランスに対する注入・放出エネル
ギーが平均化されるため、トランスのコアを飽和磁束密
度の小さなフェライトで構成することができる。これに
より全体の小型化が可能となる。
【0019】さらにこの発明の電源装置は、第1または
第2のスイッチ素子より交流入力電源側のラインに直列
にチョークコイルなどのインダクタを挿入する。これに
よりトランスの1次側に流れる電流はインダクタの作用
により連続的となり、高調波の発生が低減される。ま
た、交流入力電源ライン間にフィルタとしてコンデンサ
が挿入された場合、一般に進み力率となるが、上記イン
ダクタの挿入により力率が改善され、交流入力電源側で
の損失も低減されるという効果も生じる。
【0020】
【発明の実施の形態】この発明の第1の実施形態に係る
電源装置の構成を図1〜図7を参照して説明する。図1
は電源装置全体の回路図である。この電源装置は、入力
端子IN−INに、たとえば商用交流電源のような交流
入力電源を入力し、出力端子OUT−OUTから直流電
圧を出力し、負荷に供給する。
【0021】Tはフェライトをコアとするトランスであ
り、その1次側の両端にMOS−FETからなる第1と
第2のスイッチ素子Q1,Q2をそれぞれ直列に接続し
ている。トランスTの2次側の両端には第3と第4のス
イッチ素子Q3,Q4を直列に接続し、トランスTの2
次巻線のセンタータップを0電位としている。Q3,Q
4のソースは共通に接続し、フライホイールダイオード
D5、チョークコイルL2および平滑コンデンサC2に
よる整流平滑回路を設けている。
【0022】スイッチング制御回路100はスイッチ素
子Q1〜Q4のそれぞれのゲートに対して制御電圧を出
力する。また出力端子間には抵抗R1,R2からなる出
力電圧検出回路を設けていて、その検出電圧に応じてQ
1,Q2のオンデューティ比を制御し、出力電圧の安定
化を図る。
【0023】図2は図1に示したスイッチング制御回路
100の構成を示すブロック図である。ここで交流入力
電源1はたとえば商用交流電源自体であり、実際にはス
イッチング制御回路外に存在するものである。正弦波信
号発生回路2は交流入力電源1の正弦波信号a′と同位
相の正弦波信号aを発生する。最も単純には、商用交流
電源電圧を抵抗分圧回路または降圧トランスで降圧する
ことにより正弦波信号を発生する。その他に、正弦波信
号a′のゼロクロスタイミングを検出するとともに、そ
れに同期した正弦波信号を発振する回路で構成してもよ
い。
【0024】検出信号入力回路14は図1に示した抵抗
R1,R2などによる出力電圧検出回路からの信号を入
力する。増幅回路3は正弦波信号aの振幅を検出信号入
力回路14の出力レベルに応じて変化させる。全波整流
回路4はこの振幅制御された正弦波信号を全波整流して
信号eを出力する。三角波発生回路5は高周波の三角波
信号bを発生する。コンパレータ6は全波整流波形eと
三角波信号bとの比較を行って、全波整流波形を三角波
でPWM変調した信号fを出力する。
【0025】一方、正半波整流回路7は正弦波信号aの
正の半サイクルを整流して信号cを出力し、負半波整流
回路8は正弦波信号aの負の半サイクルを整流する。極
性反転回路10はその半波整流信号の極性を反転して信
号dを出力する。なお、この負半波整流回路8と極性反
転回路10の位置関係は逆であってもよい。すなわち、
先に正弦波信号aの極性を反転して、それを半波整流
(正半波整流)して信号dを得るようにしてもよい。矩
形波発生回路9,11はそれぞれの半波整流信号c,d
を波形整形することによって矩形波信号g,hを発生す
る。たとえば所定電圧以上の高い電圧をクリップするク
リップ回路、または所定のしきい値電圧より高いか低い
かによって出力レベルを反転するシュミットトリガー回
路によって構成する。
【0026】図2において12,13は論理積回路であ
り、PWM変調された信号fと矩形波信号gとの論理積
信号i、および信号fと矩形波信号hの論理積信号jを
出力する。上記信号i,jは第1・第2のスイッチ素子
Q1,Q2のゲートへ与えられ、信号g,hは第3・第
4のスイッチ素子Q3,Q4のゲートへ与えられる。
【0027】図3は図2に示した各信号の波形図、図4
は特に信号i,jについての部分拡大図である。このよ
うに全波整流波形eと三角波信号bとの比較により、交
流入力電源電圧信号の瞬時電圧の絶対値が小さいほどオ
ンデューティー比が大きく、瞬時電圧の絶対値が大きい
ほどオンデューティー比が小さくなる関係にあるPWM
変調信号fが生じる。また、図2に示した矩形波発生回
路9,11から発生される矩形波信号g,hは、上述し
たように正弦波信号の半波整流波形を所定の電圧レベル
でクリップまたはレベル反転を行ったものであるため、
交流入力電源電圧信号の中心電圧に近いタイミングで共
に0〔V〕となる期間が生じる。以下、この期間を「デ
ッドタイム」と言う。(図4参照) 図5は交流入力電源電圧の正の半サイクルにおける電源
装置の動作を説明する図である。この期間はQ3に対す
るゲート電圧(信号g)が正であるため、そのドレイン
電圧に応じて導通可能状態にある。図4のに示すタイ
ミングでは、Q1のゲート制御信号iが所定の正電圧と
なるため、図5の(A)に示すようにQ1のドレイン→
ソース→トランスの1次巻線→D2の経路でトランスの
1次巻線に通電される。この時、トランスの2次巻線→
Q3→チョークコイルL2→平滑コンデンサC2および
負荷→トランスの2次巻線の経路で通電される。このと
きチョークコイルL2にエネルギーが蓄積される。
【0028】その後、図4のに示すタイミングとなれ
ば、Q1のゲート電圧が0となるため、Q1はオフす
る。これにともない、図5の(B)に示すように、チョ
ークコイルL2→平滑コンデンサC2および負荷→フラ
イホイールダイオードD5→L2の経路で通電され、チ
ョークコイルL2に蓄積されていたエネルギーが放出さ
れる。上記の動作が交流入力電源電圧の正の半サイクル
の間繰り返される。
【0029】図6は交流入力電源電圧の負の半サイクル
における電源装置の動作を説明する図である。この期間
はQ4に対するゲート電圧(信号h)が正であるため、
そのドレインの電圧に応じて導通可能状態にある。図4
のに示すタイミングでは、Q2のゲート制御信号jが
所定の正電圧となるため、図6の(A)に示すようにQ
2のドレイン→ソース→トランスの1次巻線→D1の経
路でトランスの1次巻線に通電される。この時、トラン
スの2次巻線→Q4→チョークコイルL2→平滑コンデ
ンサC2および負荷→トランスの2次巻線の経路で通電
され、チョークコイルL2にエネルギーが蓄積される。
【0030】その後、図4のに示すタイミングとなれ
ば、Q2のゲート電圧が0となるため、Q2はオフす
る。これにともない、図6の(B)に示すように、チョ
ークコイルL2→平滑コンデンサC2および負荷→フラ
イホイールダイオードD5→L2の経路で通電され、チ
ョークコイルL2に蓄積されていたエネルギーが放出さ
れる。
【0031】上記の動作が交流入力電源電圧の負の半サ
イクルの間繰り返される。そして、交流入力電源電圧の
正の半サイクルと負の半サイクルで、上述の動作が繰り
返される。なお、上記デッドタイムが存在するため、交
流入力電源電圧の正の半サイクルと負の半サイクルの切
り変わり目でQ3・Q4が同時オンすることがなく、ト
ランスの2次側の短絡が確実に防止される。
【0032】ここで交流入力電源の瞬時電圧が低い程、
スイッチ素子Q1,Q2のオンデューティ比が大きく、
交流入力電源の瞬時電圧が高い程、スイッチ素子Q1,
Q2のオンデューティ比が小さくなるため、交流入力電
源電圧の瞬時電圧の変化に関わらず、トランスに対する
注入・放出エネルギーが均一化される。その結果、出力
電圧の安定性が増す。
【0033】図7は上記スイッチング動作に伴うトラン
スのコアの磁束密度対磁界の強さの関係を示す図(B−
Hカーブ)である。交流入力電源電圧の正の半サイクル
でO1、負の半サイクルでO2の領域を変移し、交流入
力電源電圧の瞬時電圧の変化に伴ってループの大きさが
変化する。このようにオンデューティ比50%以上でも
確実にリセットするようにトランスの設計を考慮するこ
とにより、第1・第2のスイッチ素子のスイッチングの
都度、トランスのフェライトコアの残留磁束密度はP1
またはP2に戻り、飽和磁束密度の低いフェライトコア
を用いることができる。
【0034】図1に示した回路において負荷電流が増大
したり、交流入力電源電圧が低下するなどして出力電圧
が基準電圧より低下した場合、その基準電圧との差に応
じて、図2に示した増幅回路3は正弦波信号の振幅を制
御する。図8はその様子を示している。上記増幅回路3
の出力電圧に応じて全波整流回路4の出力信号eの振幅
が小さくなると、PWM変調された信号fのオンデュー
ティ比が全体に大きくなる。これにより出力電圧が上昇
する。
【0035】逆に、負荷電流が減少したり、交流入力電
源電圧が上昇するなどして出力電圧が基準電圧より高く
なった場合、その基準電圧との差に応じて、全波整流回
路4の出力信号eの振幅が大きくなり、PWM変調され
た信号fのオンデューティ比が全体に小さくなり、出力
電圧が下降する。このようにして、出力電圧の安定化が
図られる。
【0036】次に第2の実施形態に係る電源装置の構成
を図9を参照して説明する。電源装置全体の構成は図1
に示したものと同様である。この第2の実施形態では、
スイッチ素子Q1,Q2のスイッチング制御の仕方が異
なる。図9はその波形図である。この場合、交流入力電
源電圧の正の半サイクルでスイッチ素子Q2に対するゲ
ート電圧を正電圧に維持する。これによりの期間では
Q1がオンするとともに、Q2もオンする。但し、通常
とは逆に、Q2のソースからドレイン方向に通電され
る。この時のQ2の電圧降下は寄生ダイオードD2のP
N接合電位より低いため、スイッチ素子Q2による電力
損失が低減される。の期間では、Q1がオフであるた
め、Q1は勿論Q2にも通電されない。
【0037】同様に、交流入力電源電圧の負の半サイク
ルでは、の期間でQ2がオンするとともにQ1もオン
する。但し、Q1のソースからドレイン方向に通電され
る。この時のQ1の電圧降下は寄生ダイオードD1のP
N接合電位より低いため、スイッチ素子Q1による電力
損失が低減される。の期間では、Q2がオフであるた
め、Q1にも通電されない。このようにして、Q1,Q
2による電力損失が抑えられ、電源装置全体の電力変換
効率が高まる。
【0038】なお、上述の実施形態では、定電圧を出力
する電源装置について示したが、負荷に対する出力電流
を検出して、その電流値が安定化するように、第1・第
2のスイッチ素子のオンデューティ比を制御するように
構成すれば、定電流電源装置となる。本願発明はこのよ
うな定電流電源装置にも適用できるものである。
【0039】
【発明の効果】請求項1に記載の発明によれば、交流入
力電源の瞬時電圧の変化に関わらずトランスに対する注
入・放出エネルギーが均一化される。その結果、2次側
の平滑回路による平滑作用により、出力電圧のリップル
を充分に低下させることができる。また、その分、2次
側の平滑回路の時定数を小さくできるため、電源装置全
体の小型化が図れる。
【0040】請求項2に記載の発明によれば、第1・第
2のスイッチ素子のうち一方のスイッチ素子がスイッチ
ングされている期間の、他方のスイッチ素子による降下
電圧が低いため、そのスイッチ素子による電力損失が低
減され、電源装置全体の電力変換効率が高まる。
【0041】請求項3に記載の発明によれば、小型のト
ランスを用いて電源装置全体を容易に小型化できるよう
になる。
【0042】請求項4に記載の発明によれば、トランス
の1次側に流れる電流が連続的となり、高調波の発生が
低減される。また、電源装置の力率が改善され、交流入
力電源側での損失も低減される。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1の実施形態に係る電源装置の全体の回路図
【図2】同電源装置におけるスイッチング制御回路の構
成を示すブロック図
【図3】図2各部の波形図
【図4】図3の部分拡大波形図
【図5】図1に示す電源装置の動作説明図
【図6】図1に示す電源装置の動作説明図
【図7】トランスのコアの磁束密度対磁界の強さの関係
を示す図
【図8】出力電圧安定化作用を説明する図
【図9】第2の実施形態に係る電源装置におけるスイッ
チング制御回路の各部の波形図
【図10】従来の電源装置の回路図
【図11】従来の他の電源装置の回路図
【図12】図11各部の波形図
【符号の説明】
Q1−第1のスイッチ素子 Q2−第2のスイッチ素子 Q3−第3のスイッチ素子 Q4−第4のスイッチ素子 D1〜D4−寄生ダイオード L1,L2−チョークコイル D5−フライホイールダイオード C2−平滑コンデンサ T−トランス

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 トランスと、該トランスの1次側に直列
    に接続され、当該トランスの入力電流を断続する第1・
    第2のスイッチ素子と、前記トランスの2次側に直列に
    接続され、該トランスの出力電流を整流する第3・第4
    のスイッチ素子と、当該第3・第4のスイッチ素子によ
    る整流出力を平滑する平滑回路と、 交流入力電源電圧の正の半サイクルと負の半サイクルと
    で、前記第3・第4のスイッチ素子をデッドタイムを挟
    んで交互に導通させるとともに、前記交流入力電源電圧
    の正負の半サイクルに同期して、前記交流入力電源電圧
    の瞬時電圧の絶対値が小さい程、前記第1・第2のスイ
    ッチ素子のオンデューティ比が大きくなり、前記交流入
    力電源電圧の瞬時電圧の絶対値が大きい程、前記第1・
    第2のスイッチ素子のオンデューティ比が小さくなる関
    係で、前記第1・第2のスイッチ素子を前記交流入力電
    源の周波数より高周波でスイッチングするスイッチング
    制御手段とを備えた電源装置。
  2. 【請求項2】 前記スイッチング制御手段は、前記交流
    入力電源電圧の正の半サイクルで、前記第1のスイッチ
    素子を前記高周波でスイッチングするとともに、前記第
    2のスイッチ素子を導通させたままとし、前記交流入力
    電源電圧の負の半サイクルで、前記第2のスイッチ素子
    を前記高周波でスイッチングするとともに、前記第1の
    スイッチ素子を導通させたままとする請求項1に記載の
    電源装置。
  3. 【請求項3】 前記トランスのコアをフェライトで構成
    したことを特徴とする請求項1または2に記載の電源装
    置。
  4. 【請求項4】 前記第1または第2のスイッチ素子より
    前記交流入力電源側のラインに直列にインダクタを挿入
    したことを特徴とする請求項1〜3のうちいずれかに記
    載の電源装置。
JP11038183A 1999-02-17 1999-02-17 電源装置 Pending JP2000236661A (ja)

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