JP2001112256A - 直流電源回路 - Google Patents

直流電源回路

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JP2001112256A
JP2001112256A JP28823899A JP28823899A JP2001112256A JP 2001112256 A JP2001112256 A JP 2001112256A JP 28823899 A JP28823899 A JP 28823899A JP 28823899 A JP28823899 A JP 28823899A JP 2001112256 A JP2001112256 A JP 2001112256A
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Yuji Okamoto
祐司 岡本
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 負荷に並列に電力を供給するの直流電源回路
において、出力電流が小さいときの効率の低下を防止す
る。 【解決手段】 直流電源回路における出力電流が大きい
場合には、電力変換部30のFET32のゲートにも
“H”,“L”を繰り返す信号が与えられ、該電力変換
部30と電力変換部20の両方から負荷15に電力が供
給される。出力電流が小さい場合には、出力電流検出部
40により、出力電流に対応する電圧が生成され、比較
回路43及びANDゲート44により、FET32のゲ
ートに与えられる信号が“L”に固定され、電力変換部
30が機能しなくなる。これにより、電力変換部30で
発生する損失分が低減される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、負荷に並列接続さ
れた任意数の電力変換部を用い、変換効率の高い電力変
換を行って負荷に電力を供給する直流電源回路に関する
ものである。
【0002】
【従来の技術】図2は、従来の直流電源回路の構成図で
ある。この電源回路は、一石フォワード型直流電源回路
であり、負極がグランドに接続された直流電源1と、該
直流電源1の正極に一端が接続された平滑コイル2と、
該直流電源1の負極と該コイル2の他端との間に接続さ
れた平滑コンデンサ3と、“H”,“L”を繰り返すパ
ルス信号を発生するパルス発生回路4と、例えば2つの
電力変換部5,6とを備え、負荷7に該電力変換部5,
6を介して電力を供給するようになっている。電力変換
部5は、トランスデューサ(以下「トランス」という)
5aを有している。トランス5aの1次巻線のホット側
が、コイル2を介して直流電源1に接続され、該1次巻
線のコールド側は、電界効果トランジスタ(以下、FE
Tという)5bを介してグランドGNDに接続されてい
る。トランス5aの2次巻線のホット側は、ダイオード
5cのアノードに接続され、該トランス5aの2次巻線
のコールド側が、ダイオード5dのアノードに接続され
ている。ダイオード5c,5dのカソードは、平滑コイ
ル5eの一端に共通に接続されている。コイル5eの他
端は、負荷7の一端に接続されると共に平滑コンデンサ
5fの一方の電極に接続されている。コンデンサ5fの
他方の電極及び負荷7の他端が、ダイオード5dのアノ
ードに接続されている。
【0003】電力変換部6は、電力変換部5と同様の構
成であり、トランス6aを有している。トランス6aの
1次巻線のホット側は、コイル2を介して直流電源1に
並列に接続され、該トランス6aの1次巻線のコールド
側が、FET6bを介してグランドGNDに接続されて
いる。トランス6aの二次巻線のホット側はダイオード
6cのアノードに接続され、該各トランス6aの2次側
巻線のコールド側がダイオード6dのアノードに接続さ
れている。ダイオード6c,6dのカソードが平滑コイ
ル6eの一端に共通に接続されている。コイル6eの他
端は、負荷7の一端に接続されると共に平滑コンデンサ
6fの一方の電極に接続されている。コンデンサ6fの
他方の電極及び負荷7の他端が、ダイオード6dのアノ
ードに接続されている。つまり、電力変換部5と電力変
換部6とは、並列になっている。
【0004】電力変換部5及び電力変換部6中のFET
5b,6bのゲートには、パルス発生回路4から共通の
パルス信号が与えられ、該FET5b,6bがそのパル
ス信号に同期してオン、オフするようなっている。この
ような構成の直流電源回路では、FET5b,6bがオ
ン、オフし、オンしたときのみ直流電源1からの出力さ
れる電流を、トランス5a,6aの1次巻線に流す。こ
れにより、トランス5a,6aの2次巻線に交番する誘
導電圧が生じる。ダイオード5b、6bが整流を行い、
電流を負荷7に流す。即ち、電力変換部5,6の両方か
ら、負荷7に直流電力が供給される。電力変換部5,6
の両方から電力供給を行うことにより、各電力変換部
5,6にそれぞれ流れる電流が低減され、損失を減じ、
かつ、各部品の温度上昇を低くしている。これと同時に
変換効率も高くすることができる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
図2の直流電源回路には、次のような課題があった。図
2の直流電源回路の各電力変換部5,6で発生する損失
は、大きく3つに分けることができる。例えば電力変換
部5では、(i)メインスイッチとなるFET5bでの
損失、(ii)磁性部品であるトランス5a及びコイル5
eでの損失、及び(iii)整流回路を構成するダイオード
5c,5dでの損失である。以下に、これら(i)〜
(iii)の損失の詳細について説明する。
【0006】(i) FET5bの損失 FET5bの損失には、該FET5bの駆動損失、FE
T5bの特性と周波数等から決まるスイッチング損失、
及び次の(1)式で示す導通損失PF がある。 PF =Rds・IF 2 ・DON ・・・(1) 但し、Rds;FET5bのオン抵抗 IF ;FET5bのドレイン・ソース電流 DON;オンデューティ (i)式から、FET5bの導通損失はFET5bを流
れる電流に伴って増加することが分かる。つまり、FE
T5bに流れる電流は、直流電源回路の出力電流に比例
するため、FET5bの導通損失は、該出力電流の2乗
に比例することが分かる。
【0007】(ii) トランス5a及びコイル5eの損
失 トランス5a及びコイル5eの損失には、コア(磁性
体)の特性から決まる鉄損と、次の(2)式で表される
銅損PM とがある。 PM =RN ・IN 2 ・DON ・・・(2) 但し、RN ;巻線抵抗 IN ;巻線電流 (2)式から、磁性部品であるトランス5aの銅損PM
は、巻線を流れる電流に依存することが分かる。よっ
て、銅損PM は、出力電流の2乗に比例することが分か
る。
【0008】(iii) ダイオード5c,5dの損失 ダイオード5c,5dの損失には、次の(3)式で表さ
れる損失PD がある。 PD =VF ・IO ・DON ・・・(3) 但し、VF ;ダイオードの順方向電圧降下 IO ;出力電流 (3)式から、ダイオード5c,5dの損失PD は、出
力電流IO に比例することが分かる。
【0009】ここで、ダイオード5c,5dの損失PD
は、電力変換部6を並列に接続することで減らすことが
可能であるが、該ダイオード5c,5dの損失PD と電
力変換部6のダイオード6c,6dでの損失とを合わせ
ると、電力変換部5のみで直流電源回路を構成した場合
の損失と、ほぼ等しくなる。一方、FET5bの損失と
磁性部品であるトランス5a及びコイル5eでの損失と
は、電力変換部6を並列に接続することで低減が可能で
あり、出力電流が大きいときには並列接続した電力変換
部6のFET6b、トランス6a及びコイル6eの損失
と、電力変換部5のFET5b、トランス6a及びコイ
ル6eの損失とを合わせた損失は、電力変換部5のみで
直流電源回路を構成した場合の損失よりも、減じること
が可能である。ところが、これは出力電流が大きい場合
に限り、電力変換部6を並列に接続したことにより、F
ET6bにおける駆動損失及びスイッチング損失と、磁
性部品であるトランス6a及びコイル6eの鉄損が増え
ることになり、出力電流が小さい時には直流電源回路の
損失が増え、効率が低下するという、課題があった。
【0010】
【課題を解決するための手段】本発明は、前記課題を解
決するために、直流電源回路を次のような構成にしてい
る。即ち、直流電源と、一次巻線と2次巻線とを持ち、
該1次巻線が前記直流電源に接続された第1のトランス
デューサ、オン、オフ動作を繰り返し、オンのとき該第
1のトランスデューサの1次巻線に該直流電源からの電
流を流し、オフのとき該電流を遮断する第1のスイッチ
ング素子及び該第1のトランスデューサの2次巻線に接
続された第1の整流回路を有し、該第1の整流回路を介
して負荷に電力を供給する第1の電力変換部と、1次巻
線と2次巻線とを持ち、該1次巻線が前記第1のトラン
スデューサの1次巻線とは並列に前記直流電源に接続さ
れた第2のトランスデューサ、オン、オフ動作を繰り返
し、オンのとき該第2のトランスデューサの1次巻線に
該直流電源からの電流を流し、オフのとき該電流を遮断
する第2のスイッチング素子及び該第2のトランスデュ
ーサの2次巻線に接続された第2の整流回路を有し、該
第2の整流回路を介して負荷に前記第1の電力変換部と
は並列に電力を供給する任意数の第2の電力変換部と、
前記負荷へ出力する出力電流を直接或いは間接的に検出
し、該検出した出力電流の値に基づき該負荷に電力を供
給する前記第2の電力変換部の数を決定し、該負荷に電
力を供給する第2の電力変換部の前記第2のスイッチン
グ素子には、前記オン、オフ動作を行わせ、該負荷に電
力を供給しない第2の電力変換部の前記第2のスイッチ
ング素子は強制的にオフさせる並列制御回路とを、設け
ている。このような構成を採用したことにより、直流電
源回路の出力電流が小さいときには、並列制御回路によ
り、損失の増加になる不要な第2の電力変換部中の第2
のスイッチング素子が強制的にオフ状態にされる。これ
により、この不要な第2の電力変換部に電流が流れなく
なる。従って、前記課題を解決できるのである。
【0011】
【発明の実施の形態】図1は、本発明の実施形態を示す
直流電源回路の構成図である。この電源回路は、一石フ
ォワード型直流電源回路であり、従来を示す図2と同様
に、負極がグランドに接続された直流電源11と、該直
流電源11の正極に一端が接続された平滑コイル12
と、該直流電源1の負極とコイル12の他端との間に接
続された平滑コンデンサ13と、パルス信号を発生する
パルス発生回路14と、負荷15に電力を供給する第1
の電力変換部20及び第2の電力変換部30とを備える
と共に、新たな並列制御回路40が設けられている。電
力変換部20は、第1のトランス21を有している。ト
ランス21の1次巻線のホット側は、コイル12及び並
列制御回路40を介して直流電源11の正極に接続さ
れ、該トランス21の1次巻線のコールド側は、第1の
スイッチング素子であるFET22のドレインに接続さ
れ、該FET22のソースは、グランドGNDに接続さ
れている。トランス21の2次巻線のホット側はダイオ
ード23のアノードに接続され、該トランス21の2次
巻線のコールド側がダイオード24のアノードに接続さ
れている。ダイオード23,24は、第1の整流回路を
構成するものであり、該各ダイオード23,24のカソ
ードが平滑コイル25の一端に共通に接続されている。
コイル25の他端は、負荷15の一端に接続されると共
に平滑コンデンサ26の一方の電極に接続されている。
コンデンサ26の他方の電極及び負荷15の他端が、ダ
イオード24のアノードに接続されている。
【0012】電力変換部30は、電力変換部20と同様
の構成であり、第2のトランス31を有している。トラ
ンス31の1次巻線のホット側は、コイル12及び並列
制御回路40を介して直流電源11に接続され、トラン
ス31の1次巻線のコールド側が、第2のスイッチング
素子であるFET32のドレインに接続されている。該
FET32のソースはグランドGNDに接続されてい
る。トランス31の2次巻線のホット側は、ダイオード
33のアノードに接続され、該トランス31の2次側巻
線のコールド側が、ダイオード34のアノードに接続さ
れている。ダイオード33,34は、第2の整流回路を
構成するものであり、該ダイオード33,34のカソー
ドが、平滑コイル35の一端に共通に接続されている。
コイル35の他端は、負荷15の一端に接続されると共
に平滑コンデンサ36の一方の電極に接続されている。
コンデンサ36の他方の電極及び負荷15の他端が、ダ
イオード34のアノードに接続されている。つまり、電
力変換部20と電力変換部30とは、並列になってい
る。
【0013】パルス発生回路14は、パルス信号をFE
T22のゲートに与えると共に、並列制御回路40に与
える接続になっている。並列制御回路40は、コンデン
サ13及びコイル12の接続点と各トランス21,31
の1次巻線との間に接続され、出力電流の検出を行い該
出力電流に対応する電圧を生成する出力電流検出部41
と、基準電圧生成回路(基準電圧)42と、出力電流検
出回路41が生成した電圧と基準電圧生成回路42が生
成した電圧とを比較し、該出力電流検出回路41が生成
した電圧が高い場合に“H”を出力し、該基準電圧生成
回路42が生成した電圧が低い場合に“L”を出力する
比較回路43と、該比較回路43の出力信号を一方の入
力端子に入力すると共に、他方の入力端子に前記パルス
発生回路14からのパルス信号を入力する2入力AND
ゲート(AND)44とで構成されている。
【0014】図3は、図1の具体的回路例を示す回路図
であり、図1中の要素と共通の要素には共通の符号が付
されている。出力電流検出部41は、例えば1次巻線の
ホット側がコンデンサ13及びコイル12の接続点に接
続され、コールド側が電力変換部20,30中のトラン
ス21,31の1次巻線のホット側に接続されたトラン
ス41aを有している。トランス41aの2次巻線のホ
ット側にはダイオード41bのアノードが接続されてい
る。ダイオード41bのカソードには、2つの抵抗41
c,41dの一端が共通に接続されている。抵抗41c
の他端は、トランス41aの2次巻線のコールド側及び
グランドGNDに接続され、抵抗41dの他端は、コン
デンサ41eの一方の電極に接続されている。コンデン
サ41eの他方の電極はトランス41aの2次巻線のコ
ールド側及びグランドGNDに接続されている。
【0015】比較回路42は、演算増幅器42aと定電
圧源42bとで構成されている。演算増幅器42aの非
反転入力端子(+)は、抵抗41dとコンデンサ41e
の接続点に接続され、該演算増幅器42aの反転入力端
子(−)は、基準電圧生成回路43に接続されている。
定電圧源42bの一端はグランドGNDに接続され、該
定電圧源42bの他端が演算増幅器42aの正極電源端
子V+に接続され、該演算増幅器42aの負極電源端子
V−は、グランドGNDに接続されている。演算増幅器
42bの出力端子がANDゲート44の一方の入力端子
に接続され、パルス発生回路14の出力端子がANDゲ
ート44の他方の入力端子に接続されている。ANDゲ
ート44の出力端子が、FET32のゲートに接続され
ている。
【0016】次に、図1及び図3の直流電源回路の動作
を説明する。パルス生成回路14が発生するパルス信号
が“H”になると、電力変換部20中のFET22がオ
ンし、トランス21の1次巻線に電流を流し、パルス信
号が“L”になると、該FET22がオフして該トラン
ス21の1次巻線の電流を遮断する。よって、パルス信
号に基づきFET22がオン、オフ動作し、トランス2
1の1次巻線には交番する電圧が誘導される。ダイオー
ド23及び24は、整流を行い、負荷15に直流の出力
電流を与える。一方、電力変換部30中のFET32
は、ANDゲート44の出力信号が“H”のときにオン
し、トランス31の1次巻線に電流を流し、ANDゲー
ト44の出力信号が“L”になると、オフして該トラン
ス31の1次巻線の電流を遮断する。よって、ANDゲ
ート44の出力信号が“H”及び“L”を繰り返すと、
FET32がオン、オフ動作し、トランス31の1次巻
線には交番する電圧が誘導される。ダイオード33及び
34は、整流を行い、負荷に直流の出力電流を与える。
【0017】ここで、トランス41aの2次巻線には、
直流電源回路の出力電流に比例したパルス電流が流れ
る。このパルス電流が、ダイオード41b、抵抗41
c,41d及びコンデンサ41eによって直流電圧VA
に変換され、該電圧VA が抵抗41dとコンデンサ41
eの接続点に現れる。電圧VA は、演算増幅器42aに
入力され、基準電圧と比較される。直流電源回路の出力
電流が大きいときは、直流電圧VA が高く、出力電流が
小さいときは該直流電圧VA が低くなる。そして、直流
電圧VA が基準電圧よりも高い時には、演算増幅器42
aが“H”を出力するので、ANDゲート44がパルス
発生回路14が出力したパルス信号と等しい論理の信号
を出力する。よって、電力変換部30中のFET32
は、パルス信号に同期してオン、オフし、電力変換部3
0と電力変換部20の両方が、負荷15へ電力を供給す
る。直流電源回路の出力電流が小さく、直流電圧VA
基準電圧よりも低いときには、演算増幅器42aが
“L”を出力するので、ANDゲート44は“L”を出
力する。そのため、電力変換部30中のFET32はオ
フ状態になり、直流電源11からの電流を遮断し、トラ
ンス31の1次巻線に電流を流さない。つまり、電力変
換部30は機能せず、負荷15には、電力変換部20か
らのみ電力供給が行われる。
【0018】以上のように、本実施形態では、トランス
41a、ダイオード41b、抵抗41c,41d及びコ
ンデンサ41eからなり、直流電源回路の出力電流を検
出する出力電流検出部41と、演算増幅器42aを有す
る比較回路42と、ANDゲート44とを有した並列制
御回路40を備え、出力電流が大きい場合には、両方の
電力変換部20,30から負荷15に電力を供給し、出
力電流が小さい場合には、電力変換部20のみで負荷1
5に電力を供給する構成にしている。そのため、出力電
流が大きいときには、各部品での損失を低減し、温度上
昇を抑え、直流電源電源回路の効率を高くすることがで
きる。さらに、出力電流が小さい場合には、電力変換部
30に流れる電流を遮断することになるので、両方の電
力変換部20,30を使用することで増加する損失を抑
制でき、結果として直流電源回路の効率の低下を防ぐこ
とができる。
【0019】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
ず種々の変形が可能である。その変形例としては、例え
ば次のようなものがある。 (1) 図4は、直流電源回路の変形例を示す構成図で
あり、図1中の要素と共通の要素には、共通の符号が付
されている。上記実施形態では、電力変換部20,30
が2つの場合について説明したが、電力変換部30をさ
らに任意数増加させてもよい。例えば、図4のように、
トランス51、FET52、ダイオード53,54、コ
イル55及びコンデンサ56とが電力変換部30と同様
に接続された電力変換部50を設けた場合には、これに
対応して、基準電圧生成回路61と比較回路62とAN
Dゲート63を設けておき、比較回路61が出力電流検
出部41で生成した電圧と基準電圧とを比較し、AND
ゲート63が、パルス発生回路14の出力するパルス信
号と該比較回路62の出力信号を入力し、該ANDゲー
ト63の出力信号がFET52にゲートに入力される構
成にすればよい。このようにすること、基準電圧42,
61の値を変えることにより、電力変換部20,30,
50の並列制御を上記実施形態よりも細かくでき、より
最適な並列数を選定できるようになる。 (2) 上記実施形態では、フォワード型の直流電源回
路の例を説明したがフォワード型でなくてもよく、ハー
フブリッジ型やフルブリッジ型にも適用が可能である。
さらに、降圧或いは昇圧型のいずれにも適用でき、絶縁
タイプ非絶縁タイプのいずれにも適用が可能である。 (3) 並列制御回路40の構成も、ANDゲート44
を用いなくてもよく、他の論理ゲートやコンパレータ等
で構成することも可能である。
【0020】
【発明の効果】以上詳細に説明したように、本発明によ
れば、直流電源と第1の電力変換部と任意数の第2の電
力変換部と並列制御回路とを備え、負荷へ出力する出力
電流を検出し、該検出した出力電流に基づき該負荷に電
力を供給する第2の電力変換部の数を決定し、負荷に電
力を供給しない第2の電力変換部の第2のスイッチング
素子は強制的にオフさせる構成にしている。そのため、
出力電流が大きい場合には、負荷に電力を供給する第1
及び第2の電力変換部の数が増加でき、各電力変換部に
それぞれ流れる電流を低減でき、損失を減じ、かつ、各
部品の温度上昇を低くできる。さらに、出力電流が小さ
い場合には、負荷に電力を供給しない第2の電力変換部
の第2のスイッチング素子におけるスイッチング損失や
駆動損失を減じると共に、該第2の電力変換部の鉄損も
減じることができ、効率の低下を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態を示す直流電源回路の構成図
である。
【図2】従来の直流電源回路の構成図である。
【図3】図1の具体的回路例を示す回路図である。
【図4】直流電源回路の変形例を示す構成図である。
【符号の説明】
11 直流電源 14 パルス発生回路 15 負荷 20,30,50 電力変換部 21,31,51 トランス 22,32,52 FET 23,24,33,34,53,54 ダイオード 40 並列制御回路 41 出力電流検出部 42,61 基準電圧生成回路 43,62 比較回路 44,63 ANDゲート

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源と、 一次巻線と2次巻線とを持ち、該1次巻線が前記直流電
    源に接続された第1のトランスデューサ、オン、オフ動
    作を繰り返し、オンのとき該第1のトランスデューサの
    1次巻線に該直流電源からの電流を流し、オフのとき該
    電流を遮断する第1のスイッチング素子及び該第1のト
    ランスデューサの2次巻線に接続された第1の整流回路
    を有し、該第1の整流回路を介して負荷に電力を供給す
    る第1の電力変換部と、 1次巻線と2次巻線とを持ち、該1次巻線が前記第1の
    トランスデューサの1次巻線とは並列に前記直流電源に
    接続された第2のトランスデューサ、オン、オフ動作を
    繰り返し、オンのとき該第2のトランスデューサの1次
    巻線に該直流電源からの電流を流し、オフのとき該電流
    を遮断する第2のスイッチング素子及び該第2のトラン
    スデューサの2次巻線に接続された第2の整流回路を有
    し、該第2の整流回路を介して負荷に前記第1の電力変
    換部とは並列に電力を供給する任意数の第2の電力変換
    部と、 前記負荷へ出力する出力電流を直接或いは間接的に検出
    し、該検出した出力電流の値に基づき該負荷に電力を供
    給する前記第2の電力変換部の数を決定し、該負荷に電
    力を供給する第2の電力変換部の前記第2のスイッチン
    グ素子には、前記オン、オフ動作を行わせ、該負荷に電
    力を供給しない第2の電力変換部の前記第2のスイッチ
    ング素子は強制的にオフさせる並列制御回路とを、備え
    たことを特徴とする直流電源回路。
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