JP2001275352A - Forward resonance converter - Google Patents

Forward resonance converter

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JP2001275352A
JP2001275352A JP2001064781A JP2001064781A JP2001275352A JP 2001275352 A JP2001275352 A JP 2001275352A JP 2001064781 A JP2001064781 A JP 2001064781A JP 2001064781 A JP2001064781 A JP 2001064781A JP 2001275352 A JP2001275352 A JP 2001275352A
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terminal
winding
diode
current
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JP2001064781A
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Japanese (ja)
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Michihiko Nagao
道彦 長尾
Tsutomu Matsumoto
力 松本
Kosuke Harada
耕介 原田
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Kimigafuchi Gakuen
Original Assignee
Kimigafuchi Gakuen
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a forward resonance converter, capable of both soft- switching and power factor improvement with a simple structure by reducing the required number of parts. SOLUTION: This resonant converter is formed by eliminating a feedback diode connected to a resonance inductance on input side, and a third winding (reset winding) of a transformer, based on the circuit structure of a conventional forward AC/DC resonance converter. This converter is provided with a transformer, having first and third windings of which one terminals are connected to each other and a second winding, a main switch connected between the other terminal of the first winding and a pole of a DC power source, an output diode connected to one terminal of the second winding, an output reactor and a capacitor connected in series between the output terminal of the output diode and the other terminal of the second winding, a circulating diode connected to the output terminal of the output diode from the other terminal of the second winding so as to be in the forward direction, and a resonance capacitor connected between one terminal of the first or third winding and the other pole of the DC power source.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明はフォワード形共振コ
ンバータに関し、特に共振方式の採用によってソフトス
イッチングを実現したフォワード形DC/DCおよびA
C/DCコンバータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a forward-type resonant converter, and more particularly, to a forward-type DC / DC and an A / D converter in which soft switching is realized by employing a resonance system.
It relates to a C / DC converter.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来より、ソフトスイッチングを実現し
てスイッチング損失を低減するために、種々の形式のフ
ォワード形DC/DCおよびAC/DCコンバータが提
案されている(例えば、特開平10−108458号公
報、特開平7−95767号公報、実開昭60−144
788号公報など)。
2. Description of the Related Art Conventionally, various types of forward DC / DC and AC / DC converters have been proposed for realizing soft switching and reducing switching loss (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-108458). Gazette, Japanese Patent Laid-Open No. 7-95767,
788, etc.).

【0003】従来提案されているフォワード形コンバー
タをそのままAC/DCコンバータに用いた場合は、力
率の改善が十分でなく、しかも簡単な構成でソフトスイ
ッチングと高力率を両立させるのが難しいという問題が
あった。
If a conventionally proposed forward converter is used as it is for an AC / DC converter, it is difficult to improve the power factor, and it is difficult to achieve both soft switching and high power factor with a simple configuration. There was a problem.

【0004】このような問題を解決するものとして、フ
ォワード形共振コンバータをAC/DCコンバータに適
用した具体例が、電子情報通信学会技術研究会(199
9年5月17日)の報告「電子通信エネルギー技術」
(信学技報Vol.99,No.54)第35〜40頁
に記載されている。その回路を図6に示す。この回路構
成はフォワードAC/ DCコンバータを基本とし、その
入力側に共振用のインダクタLR およびコンデンサCR
を付加接続したものである。
As a solution to such a problem, a specific example in which a forward-type resonance converter is applied to an AC / DC converter is described in IEICE Technical Research Group (1992).
May 17, 2009) "Electronic Communication Energy Technology"
(IEICE Technical Report, Vol. 99, No. 54), pp. 35-40. The circuit is shown in FIG. This circuit configuration is based on a forward AC / DC converter, and its input side includes a resonance inductor LR and a capacitor CR.
Is additionally connected.

【0005】このフォワード形共振コンバータは、それ
ぞれの1端子同士が接続された第1および第3巻線、な
らびに第2巻線を有するトランスと、前記第1および第
3巻線の1端子を、直流電源の1極に接続する共振イン
ダクタおよび前記直流電源の他極に接続する共振コンデ
ンサと、前記第1巻線の他端子と直流電源の他極との間
に接続された主スイッチと、前記第2巻線の1端子に接
続された出力ダイオードおよび、前記出力ダイオードの
出力側端子と前記第2巻線の他端子間に直列接続された
出力リアクトルおよびコンデンサと、前記第2巻線の他
端子から前記出力ダイオードの出力側端子に順方向にな
るように接続された環流ダイオードと、前記直流電源の
他極から前記第3巻線の他端子に順方向になるように接
続された帰還ダイオードとを具備し、前記出力ダイオー
ドは、前記主スイッチが導通するとき導通する極性に接
続されて構成されている。
[0005] This forward-type resonant converter includes a transformer having first and third windings and a second winding each connected to one terminal, and one terminal of the first and third windings. A resonance inductor connected to one pole of the DC power supply and a resonance capacitor connected to the other pole of the DC power supply; a main switch connected between another terminal of the first winding and the other pole of the DC power supply; An output diode connected to one terminal of the second winding, an output reactor and a capacitor connected in series between an output terminal of the output diode and another terminal of the second winding; A return diode connected in a forward direction from a terminal to an output side terminal of the output diode; and a feedback diode connected in a forward direction from the other pole of the DC power supply to another terminal of the third winding. Comprising a chromatography de, the output diode, the main switch is configured by connecting to a polarity to conduct when conducting.

【0006】主スイッチQ1は予め設定された時比率D
で駆動される。Q1のオン時には、共振用コンデンサC
R と出力リアクトルLとトランスTR の励磁インダクタ
ンスLM とが電流共振して主スイッチQ1を流れる電流
が0から立ち上がる。一方、主スイッチQ1のオフ時に
は前記CR とLM および共振インダクタLR とが電圧共
振して主スイッチQ1の端子間電圧が0から立ち上が
る。その結果、出力リアクトルLの電流の遮断期間があ
る不連続モードでは、主スイッチQ1のオン時およびオ
フ時の両方でソフトスイッチングが実現される。
The main switch Q1 has a preset duty ratio D
Driven by When Q1 is on, the resonance capacitor C
R, the output reactor L, and the exciting inductance LM of the transformer TR cause current resonance, and the current flowing through the main switch Q1 rises from zero. On the other hand, when the main switch Q1 is turned off, the CR and LM and the resonance inductor LR resonate with each other, and the voltage between the terminals of the main switch Q1 rises from zero. As a result, in the discontinuous mode in which the current of the output reactor L has a cutoff period, soft switching is realized both when the main switch Q1 is on and when it is off.

【0007】なお、出力リアクトルLの電流の遮断期間
のない連続モードでは、主スイッチQ1のオフ時にはソ
フトスイッチングが実現されるが、そのオン時には、出
力リアクトルLを流れる出力電流iL がゼロにならない
ため、主スイッチQ1を流れる電流も0にならず、ソフ
トスイッチングは実現されない。しかし、いずれの場合
でも通常のフォワード形AC/DCコンバータと比べる
と、スイッチング周期毎にコンデンサCR が完全に充放
電を繰り返し、充電電流が電源eiから供給されるため
高力率を達成することができる。
In the continuous mode in which the current of the output reactor L is not interrupted, soft switching is realized when the main switch Q1 is turned off. However, when the main switch Q1 is turned on, the output current iL flowing through the output reactor L does not become zero. Also, the current flowing through the main switch Q1 does not become zero, and soft switching is not realized. However, in any case, as compared with a normal forward type AC / DC converter, the capacitor CR completely repeats charging and discharging every switching cycle, and a high power factor can be achieved because the charging current is supplied from the power supply ei. it can.

【0008】図2,7は不連続モード動作時における図
6の回路各部の電流と電圧波形及び動作状態とその発生
期間を示している。図2は交流入力電圧eiに対する各
部の電圧、電流波形をそれぞれ示す。図7は図2の波形
の時間軸(横軸)を拡大したもので、スイッチングの1
周期TC に対する各部の波形をそれぞれ示す。なお、交
流電流ii と入力電流iLR の大きさ(縦軸)は、動作
を理解しやすいように、他の波形と比べ拡大されてい
る。
FIGS. 2 and 7 show the current and voltage waveforms, the operating state, and the generation period of each part of the circuit in FIG. 6 during the discontinuous mode operation. FIG. 2 shows the voltage and current waveform of each part with respect to the AC input voltage ei. FIG. 7 is an enlarged time axis (horizontal axis) of the waveform of FIG.
The waveform of each part with respect to the period TC is shown. Note that the magnitudes (vertical axis) of the AC current ii and the input current iLR are enlarged as compared with other waveforms so that the operation can be easily understood.

【0009】図6の回路では、図2に示すように2つの
動作モードが発生する。即ち、トランスTR の一次側に
換算した出力電圧(N1/N2)ν0 (以下、「換算出
力電圧」という)よりも共振コンデンサCR の端子電圧
VCR(以下、「入力電圧」という)の方が小さい、すな
わち(N1/N2)ν0 >VCRの場合のモードAと、そ
の大小関係が反対になり、(N1/N2)ν0 <VCRの
場合のモードBである。
In the circuit of FIG. 6, two operation modes occur as shown in FIG. That is, the terminal voltage VCR (hereinafter, referred to as "input voltage") of the resonance capacitor CR is smaller than the output voltage (N1 / N2) v0 (hereinafter, referred to as "converted output voltage") converted to the primary side of the transformer TR. That is, the mode A in the case of (N1 / N2) v0> VCR is opposite to the mode A, and the mode B in the case of (N1 / N2) v0 <VCR.

【0010】モードAでは、入力電圧VCRが換算出力電
圧(N1/N2)ν0 よりも低いので、入力側から出力
側へのエネルギ伝達が行われず、リアクトル(出力)電
流iL は流れない。しかしこの回路では、インダクタL
R および励磁インダクタンスLM とコンデンサCR との
共振のため入力電圧VCRが高くなり、このモードAの期
間が通常のフォワードAC/DCコンバータと比べて短
くなるので、力率が高くなる。
In the mode A, since the input voltage VCR is lower than the reduced output voltage (N1 / N2) v0, energy is not transmitted from the input side to the output side, and the reactor (output) current iL does not flow. However, in this circuit, the inductor L
The input voltage VCR increases due to the resonance between R and the exciting inductance LM and the capacitor CR, and the period of the mode A becomes shorter than that of a normal forward AC / DC converter, so that the power factor increases.

【0011】一方、モードBでは、ダイオードの特性を
理想的とし、トランスTR を密結合とすれば、図7の波
形図及び図8(A)〜(D)の等価回路図に示す4つの
動作状態a〜dが発生する。以下それぞれの状態a〜d
について詳細に説明する。
On the other hand, in mode B, if the characteristics of the diode are ideal and the transformer TR is tightly coupled, the four operations shown in the waveform diagram of FIG. 7 and the equivalent circuit diagrams of FIGS. States a to d occur. The following states a to d
Will be described in detail.

【0012】状態aでは、時刻t1に主スイッチQ1が
オンにされ、出力側のダイオードD2 がオンとなる。後
述するように、インダクタLR とコンデンサCR の共振
によって電源電圧eiより入力電圧VCR の方が高くな
っており、全波整流ダイオードRECが逆バイアスされ
るため入力電流iL R は流れない。コンデンサCR に蓄
積されたエネルギは、励磁インダクタンスLM および出
力リアクトルLの並列インダクタンスと共振コンデンサ
CR との電流共振によって、出力側へ転送される。
In the state a, the main switch Q1 is turned on at time t1, and the diode D2 on the output side is turned on. As will be described later, the input voltage VCR is higher than the power supply voltage ei due to the resonance between the inductor LR and the capacitor CR, and the input current iL R does not flow because the full-wave rectifier diode REC is reverse-biased. The energy stored in the capacitor CR is transferred to the output side by current resonance between the exciting inductance LM and the parallel inductance of the output reactor L and the resonance capacitor CR.

【0013】このとき、主スイッチQ1の電流iD
がゼロから立ち上がるので、ソフトスイッチングが実現
される。なお、この場合の共振周波数は、コンデンサC
R が放電し終わってその端子電圧VCRが0になるタイミ
ング(時刻t2)が、主スイッチQ1のオフ・タイミン
グ(時刻t3)より遅れないように選択されることが必
要である。この状態aは、コンデンサCR が放電してそ
の端子電圧、すなわち入力電圧VCRがゼロになった時刻
t2に終了する(図7参照)。
At this time, the current iD 1 of the main switch Q1
Rises from zero, so that soft switching is realized. Note that the resonance frequency in this case is determined by the value of the capacitor C
It is necessary that the timing (time t2) at which the terminal voltage VCR becomes 0 after R has finished discharging is selected so as not to be later than the off timing (time t3) of the main switch Q1. This state a ends at the time t2 when the capacitor CR is discharged and its terminal voltage, that is, the input voltage VCR becomes zero (see FIG. 7).

【0014】状態bでは、主スイッチQ1及び環流ダイ
オードD3 がオンで、出力ダイオードD2 がオフにな
る。トランスTR と帰還ダイオードDF とで励磁インダ
クタンスLM が短絡されるため、そこに蓄積された励磁
エネルギは電流iзとなって環流する。このときコンデ
ンサCR は充電されず、入力電圧VCRは0を保持する。
したがって電源νDからLR を介して電流i LR が流れ
始め、共振インダクタLR にエネルギが蓄積される。出
力側では出力リアクトルLのエネルギがダイオードD3
を通って環流し、負荷Rへエネルギが供給される。この
状態bは主スイッチQ1がオフになる時刻t3に終了す
る(図7参照)。
In the state b, the main switch Q1 and the freewheeling diode D3 are turned on, and the output diode D2 is turned off. Since the exciting inductance LM is short-circuited by the transformer TR and the feedback diode DF, the exciting energy stored there is returned as the current i 電流. At this time, the capacitor CR is not charged, and the input voltage VCR holds 0.
Therefore, a current i LR starts to flow from the power supply νD via LR, and energy is stored in the resonance inductor LR. On the output side, the energy of the output reactor L is equal to the diode D3.
And energy is supplied to the load R. This state b ends at time t3 when the main switch Q1 is turned off (see FIG. 7).

【0015】状態cでは、時刻t3に主スイッチQ1が
オフになるので、ダイオードD2 がオフになり、環流ダ
イオードD3 はオン状態を維持する。共振インダクタL
R および励磁インダクタンスLM の並列インダクタンス
とコンデンサCR とが電圧共振を起こし、入力電圧VCR
および主スイッチQ1の端子間電圧VDSがゼロより立ち
上がり、ソフトスイッチングが実現される。
In the state c, since the main switch Q1 is turned off at the time t3, the diode D2 is turned off, and the freewheeling diode D3 maintains the on state. Resonant inductor L
R and the parallel inductance of the exciting inductance LM and the capacitor CR cause voltage resonance, and the input voltage VCR
In addition, the terminal voltage VDS of the main switch Q1 rises from zero, and soft switching is realized.

【0016】トランスTR に蓄積された励磁エネルギは
三次巻線N3 および帰還ダイオードDF を介してコンデ
ンサCR を充電する。一方、電源νD からもインダクタ
LRを介して電流iLRが流れて共振コンデンサCR を充
電する。なお、出力側は前の状態bと同じである。この
状態cはダイオードDF を通る電流i3がゼロになった時
刻t4に終了する(図7参照)。
The exciting energy stored in the transformer TR charges the capacitor CR via the tertiary winding N3 and the feedback diode DF. On the other hand, a current iLR also flows from the power supply νD via the inductor LR to charge the resonance capacitor CR. The output side is the same as the previous state b. This state c ends at time t4 when the current i3 passing through the diode DF becomes zero (see FIG. 7).

【0017】時刻t4に始まる状態dでは、主スイッチ
Q1及びダイオードD2 がオフで、ダイオードD3 がオ
ンである。インダクタLR とコンデンサCR が直列共振
し、電源νDからの電流iLRでコンデンサCR が充電さ
れる。充電が完了した時刻t5で前記電流iLRが0にな
り、コンデンサCR は電源電圧νDより高い電圧VCRに
充電される。共振コンデンサCR は、次に主スイッチQ
1がオン(状態a)になる時刻t6まで、その端子電圧
VCRを保持する。
In a state d starting at time t4, the main switch Q1 and the diode D2 are off, and the diode D3 is on. The inductor LR and the capacitor CR resonate in series, and the capacitor CR is charged by the current iLR from the power supply νD. At time t5 when the charging is completed, the current iLR becomes 0, and the capacitor CR is charged to a voltage VCR higher than the power supply voltage νD. The resonance capacitor CR is then connected to the main switch Q
Until time t6 when 1 turns on (state a), the terminal voltage VCR is held.

【0018】このとき、出力側は状態b、cと同じであ
り、この間に出力リアクトルLを流れる(出力)電流i
L はゼロとなる。この状態dは主スイッチQ1がオンに
なる時刻t6に終了し、状態aに戻る(図7参照)。
At this time, the output side is the same as the states b and c, during which the (output) current i flowing through the output reactor L
L will be zero. This state d ends at time t6 when the main switch Q1 is turned on, and returns to state a (see FIG. 7).

【0019】上述のように、図6のコンバータによれ
ば、主スイッチQ1がオンになる時(時刻t1)とオフ
になる時(時刻t3)のいずれにおいても、ソフトスイ
ッチングが行われる。また図7に示すように、共振コン
デンサCR の端子電圧VCRがスイッチング周期ごとにゼ
ロになり、入力電流iLR(即ち電源電流ii )は、電源
電圧VDに比例してスイッチング周期毎に流れるため、高
力率が実現される。
As described above, according to the converter of FIG. 6, soft switching is performed both when the main switch Q1 is turned on (time t1) and when it is turned off (time t3). As shown in FIG. 7, the terminal voltage VCR of the resonance capacitor CR becomes zero at each switching cycle, and the input current iLR (that is, the power supply current ii) flows in each switching cycle in proportion to the power supply voltage VD. Power factor is realized.

【0020】前述の共振コンバータの力率は出力電流へ
の依存率が小さく、小出力電流領域でもほぼ95%以上
の力率が得られ、また時比率Dが大きいほど高力率とな
ることが分かっている。これに対し、従来形では、共振
コンバータと比べ、出力電流及び時比率への力率の依存
率が大きい。すなわち従来型では、出力電流が大きく、
時比率が小さいところでは98%近い力率が得られる
が、出力電流が小さく、時比率Dが大きいところでは8
3%と低くなる傾向が強い。
The power factor of the above-mentioned resonant converter has a small dependence on the output current, a power factor of about 95% or more can be obtained even in a small output current region, and the higher the duty ratio D, the higher the power factor. I know it. On the other hand, in the conventional type, the dependency of the power factor on the output current and the duty ratio is larger than that of the resonant converter. That is, in the conventional type, the output current is large,
A power factor close to 98% can be obtained where the duty ratio is small, but 8% where the output current is small and the duty ratio D is large.
It tends to be as low as 3%.

【0021】[0021]

【発明が解決しようとする課題】電子回路を応用した機
器の用途や需要が急速に拡大するのに伴なって、その一
層の小型化が要望されるようになってきた。
With the rapid expansion of applications and demands for devices using electronic circuits, there has been a demand for further miniaturization.

【0022】本発明の目的は、必要な構成部品数を低減
した簡単な構成で、ソフトスイッチングと力率改善とを
両立させることができ、さらには性能の低下を伴なうこ
となしに小型化をも達成できるフォワード形共振コンバ
ータを提供することにある。
An object of the present invention is to provide a simple configuration in which the number of necessary components is reduced, to achieve both soft switching and power factor improvement, and to reduce the size without lowering the performance. It is another object of the present invention to provide a forward resonance converter that can also achieve the above.

【0023】[0023]

【課題を解決するための手段】本発明のフォワード形共
振コンバータは、それぞれの1端子同士が接続された第
1および第3巻線、ならびに第2巻線を有し、前記第3
巻線の他端子は直流電源の1極に接続されたトランス
と、前記第1巻線の他端子と前記直流電源の他極との間
に接続された主スイッチと、前記第2巻線の1端子に接
続された出力ダイオードおよび、前記出力ダイオードの
出力側端子と前記第2巻線の他端子間に直列接続された
出力リアクトルおよびコンデンサと、前記第2巻線の他
端子から前記出力ダイオードの出力側端子に順方向にな
るように接続された環流ダイオードと、前記第1および
第3巻線の1端子と、前記直流電源の他極との間に接続
された共振コンデンサとを具備し、前記出力ダイオード
は、前記主スイッチが導通するとき導通する極性に接続
された点に特徴がある。
A forward type resonant converter according to the present invention has first and third windings each having one terminal connected to each other, and a second winding.
The other terminal of the winding is a transformer connected to one pole of the DC power supply; a main switch connected between the other terminal of the first winding and the other pole of the DC power supply; An output diode connected to one terminal, an output reactor and a capacitor connected in series between an output terminal of the output diode and the other terminal of the second winding, and an output diode connected to the other terminal of the second winding. And a resonant capacitor connected between the other terminal of the DC power supply and a first terminal of the first and third windings. The output diode is characterized in that it is connected to a polarity that conducts when the main switch conducts.

【0024】この場合、不連続モード(DCM) 動作時に
は、主スイッチQ1 のオン、オフ時ともソフトスイッチ
ングが実現される。一方、連続モード(CCM) 動作時で
は、オフ時にソフトスイッチングが実現されるが、オン
時には、そのままではソフトスイッチングは達成されな
い。しかし、上記の理由で、スイッチング周期ごとに電
流ii が流れるために、通常のCCMフォワードAC/
DCコンバータに比べ力率は大きく改善される。また、
第2巻線に直列に可飽和リアクトルを追加すれば、主ス
イッチのオン時にもソフトスイッチングが達成される。
In this case, in the discontinuous mode (DCM) operation, soft switching is realized both when the main switch Q1 is turned on and off. On the other hand, in continuous mode (CCM) operation, soft switching is realized when the switch is off, but soft switching is not achieved when the switch is on. However, for the above reason, since the current ii flows in each switching cycle, the normal CCM forward AC /
The power factor is greatly improved as compared with the DC converter. Also,
If a saturable reactor is added in series to the second winding, soft switching is achieved even when the main switch is turned on.

【0025】[0025]

【発明の実施の形態】図1は本発明のフォワード形共振
コンバータの実施例を示す回路図である。同図におい
て、図6と同一の符号は同一または同等部分を表わす。
図6の回路との対比から明らかなように、この実施例
は、図6のフォワード形共振コンバータの、トランスの
電源側に直列に挿入された共振用インダクタンスLR を
省略して第3巻線(リセット用巻線)N3 で兼用し、さ
らに帰還ダイオードDF を省略したものである。この実
施例においても、図2に示したのと同じ2つの動作モー
ドが発生する。その動作は図6の回路と共通するところ
が多いので共通部分は省略し、以下では相違する部分を
主に説明する。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a forward resonance converter according to the present invention. 6, the same reference numerals as those in FIG. 6 denote the same or equivalent parts.
As is clear from comparison with the circuit of FIG. 6, in this embodiment, the third winding of the forward resonance converter of FIG. 6 is omitted by omitting the resonance inductance LR inserted in series on the power supply side of the transformer. The reset winding (N3) is also used, and the feedback diode DF is omitted. In this embodiment, the same two operation modes as those shown in FIG. 2 occur. The operation is common to the circuit of FIG. 6 in many cases, so the common parts are omitted, and different parts will be mainly described below.

【0026】トランスTR の一次側換算出力電圧が共振
コンデンサCR の端子電圧よりも大きい動作モードB
(図2参照)では、図3に示す5つの動作状態a〜eが
発生する。図4の(A)〜(D)は前記動作状態a〜d
における等価回路である。なお以下においては、説明の
便宜上、トランスTR の各巻線の巻数は全て等しく、N
1 =N2 =N3 と仮定する。
An operation mode B in which the primary-side converted output voltage of the transformer TR is larger than the terminal voltage of the resonance capacitor CR.
In (see FIG. 2), five operation states a to e shown in FIG. 3 occur. 4A to 4D show the operating states a to d.
Are equivalent circuits. In the following, for convenience of explanation, the number of turns of each winding of the transformer TR is equal, and N
Assume that 1 = N2 = N3.

【0027】状態aでは、主スイッチQ1 がオンにさ
れ、出力ダイオードD2 もオンとなる。入力電圧νD よ
り共振コンデンサCR の端子電圧νCRが高く、全波整流
ダイオードRECが逆バイアスされるため入力電流i3
(図1参照)は流れない。共振コンデンサCR に蓄積さ
れたエネルギ(電荷)は、トランスTR を通して出力側
へ転送される。その際、主スイッチQ1 の電流iD1は、
コンデンサCR と励磁インダクタンスLM 及び出力イン
ダクタL間で電流共振してゼロから立ち上がるので、ソ
フトスイッチングが実現される。この状態aは、図3の
ように、コンデンサCR の端子電圧νCRが換算出力電圧
(N1/N2)ν0 と等しくなったとき(t2)に終了
する。
In the state a, the main switch Q1 is turned on, and the output diode D2 is also turned on. Since the terminal voltage νCR of the resonance capacitor CR is higher than the input voltage νD and the full-wave rectifier diode REC is reverse-biased, the input current i3
(See FIG. 1) does not flow. The energy (charge) stored in the resonance capacitor CR is transferred to the output side through the transformer TR. At that time, the current iD1 of the main switch Q1 is
Since current resonates between the capacitor CR, the exciting inductance LM and the output inductor L and rises from zero, soft switching is realized. This state a ends when the terminal voltage νCR of the capacitor CR becomes equal to the reduced output voltage (N1 / N2) ν0 (t2) as shown in FIG.

【0028】状態bでは、主スイッチQ1 とダイオード
D2 はオン状態を維持する。励磁インダクタンスLM の
励磁エネルギ及び出力インダクタLのエネルギは電源ν
D を通して環流する。このときは出力インダクタLの電
流iL がほぼ一定であるため、コンデンサCR の端子電
圧νCRは出力電圧ν0 とほぼ等しくなる。状態bになる
時点t2 では、トランスの巻数比 (N1 +N3 )/N2
が1から2に変化するため、前記電流iL に相応する一
次側電流はiL /2となる。この結果、一次側電流iD1
はiDi=i3 =iLM+iL /2となり、図3の波形に示
すように時点t2 でステップ状に減少する。この状態b
は主スイッチQ1 がオフになると終了する。
In the state b, the main switch Q1 and the diode D2 maintain the ON state. The excitation energy of the excitation inductance LM and the energy of the output inductor L are equal to the power supply ν.
Reflux through D. At this time, since the current iL of the output inductor L is substantially constant, the terminal voltage νCR of the capacitor CR becomes substantially equal to the output voltage ν0. At the time point t2 when the state b is reached, the turns ratio of the transformer (N1 + N3) / N2
Changes from 1 to 2, the primary current corresponding to the current iL is iL / 2. As a result, the primary current iD1
Is iDi = i3 = iLM + iL / 2, and decreases stepwise at time t2 as shown in the waveform of FIG. This state b
Ends when the main switch Q1 is turned off.

【0029】状態cでは主スイッチQ1 が遮断され、前
記励磁エネルギは巻線N3 を介してコンデンサCR に帰
還されてこれを充電する。また、前記電流iL に相応す
る一次側電流は、N2 =N3 のため状態bの場合に比べ
て増加し、入力電流i3 すなわちコンデンサ電流iCRは
iLM+iL となり、時点t3 でステップ状に増加する。
一方、主スイッチQ1 の電圧νDSは、コンデンサCR と
励磁インダクタンスLM および出力インダクタLとで電
圧共振してゼロから立ち上がり、ソフトスイッチングが
実現される。この状態cは、巻線N1 の電圧νN1 が0
となり、D2 がオフにされて終了する。
In the state c, the main switch Q1 is turned off, and the exciting energy is fed back to the capacitor CR through the winding N3 to charge the capacitor CR. Further, the primary current corresponding to the current iL increases since N2 = N3 as compared with the state b, and the input current i3, that is, the capacitor current iCR becomes iLM + iL, and increases stepwise at time t3.
On the other hand, the voltage .nu.DS of the main switch Q1 rises from zero due to voltage resonance between the capacitor CR, the exciting inductance LM and the output inductor L, and soft switching is realized. In this state c, the voltage νN1 of the winding N1 becomes zero.
, D2 is turned off, and the process ends.

【0030】状態dでは、主スイッチQ1 および出力ダ
イオードD2 は共にオフであり、環流ダイオードD3 が
オンとなる。トランスTR に蓄えられた励磁エネルギ
が、第3巻線N3 を介して励磁インダクタンスLM と共
振コンデンサCR 間で共振しながらコンデンサCR を充
電し、トランスTR はリセットされる。前記励磁エネル
ギが0となったとき、即ち励磁インダクタンスLM およ
び共振コンデンサCR の電流が共に0となったときに、
この状態dは終了する。
In state d, the main switch Q1 and the output diode D2 are both off, and the freewheeling diode D3 is on. The exciting energy stored in the transformer TR charges the capacitor CR while resonating between the exciting inductance LM and the resonance capacitor CR via the third winding N3, and the transformer TR is reset. When the excitation energy becomes 0, that is, when the currents of the excitation inductance LM and the resonance capacitor CR both become 0,
This state d ends.

【0031】この間、負荷側では、出力インダクタLの
エネルギが環流ダイオードD3 を通して環流するが、こ
のエネルギは、状態dが終了する時点t5 よりも前の時
点t41でゼロとなる。この時点以後の負荷Rへのエネル
ギ供給は、出カコンデンサCのみから行なわれる。
During this time, on the load side, the energy of the output inductor L circulates through the freewheeling diode D3, and this energy becomes zero at time t41 before time t5 when the state d ends. Energy supply to the load R after this point is performed only from the output capacitor C.

【0032】状態eにおける等価回路は図4には示して
いないが、全てのスイッチ素子がオフであり、出力コン
デンサCから負荷Rにエネルギが供給され続ける。この
間、主スイッチQ1 の電圧νDSは共振コンデンサCR の
電圧νCRに等しく、共にピーク電圧を保持する。この関
係は、時刻t6 で次に主スイッチQ1 がオンにされて状
態aが始まるまで維持される。
Although the equivalent circuit in the state e is not shown in FIG. 4, all the switch elements are off, and the energy is continuously supplied from the output capacitor C to the load R. During this time, the voltage .nu.DS of the main switch Q1 is equal to the voltage .nu.CR of the resonance capacitor CR, and both maintain the peak voltage. This relationship is maintained at time t6 until the next time the main switch Q1 is turned on and the state a starts.

【0033】以上の説明からもわかるように、この実施
例でソフトスイッチングが実現されるには、主スイッチ
Q1 が遮断される前にコンデンサCR の電荷が放電し、
その端子電圧νCRが換算出力電圧(N1/N2)ν0 と
等しくなる必要がある。したがって、主スイッチQ1 の
スイッチング周期Tc (図3参照)に対するスイッチQ
1 のオン期間の比である時比率の最小値Dminは、先に
示した図6の場合と同様に、状態aでの共振周期で決ま
る。また、主スイッチQ1がオンになるまでに、励磁イ
ンダクタンスの電流がゼロになっている(即ち、トラン
スTRのリセットが完了される)必要があり、この条件
から主スイッチQ1 の最大時比率Dmaxが決まる。
As can be seen from the above description, in order to realize the soft switching in this embodiment, the electric charge of the capacitor CR is discharged before the main switch Q1 is turned off.
The terminal voltage νCR must be equal to the reduced output voltage (N1 / N2) ν0. Therefore, the switch Q with respect to the switching cycle Tc of the main switch Q1 (see FIG. 3)
The minimum value Dmin of the duty ratio, which is the ratio of the ON periods of 1, is determined by the resonance cycle in the state a, as in the case of FIG. By the time the main switch Q1 is turned on, the current of the exciting inductance needs to be zero (that is, the reset of the transformer TR is completed). Decided.

【0034】図1の実施例でも、先に述べた図6の場合
と同様に、高い力率と小さい歪み率を実現することがで
きることは容易に理解されるであろう。
It will be readily understood that the embodiment shown in FIG. 1 can realize a high power factor and a small distortion factor similarly to the case of FIG. 6 described above.

【0035】図5は本発明のフォワード形AC/DC共
振コンバータと、共振用のインダクタLR やコンデンサ
CR を有しない従来のフォワード形AC/DCコンバー
タの力率特性を示す図であり、同図(A)は従来形、
(B)は本発明のコンバータの、出力電流に対する力率
特性を、時比率Dをパラメータとして示す実験例であ
る。
FIG. 5 is a diagram showing power factor characteristics of the forward type AC / DC resonant converter of the present invention and a conventional forward type AC / DC converter having no resonant inductor LR or capacitor CR. A) is a conventional type,
(B) is an experimental example showing the power factor characteristics of the converter of the present invention with respect to the output current, using the duty ratio D as a parameter.

【0036】本発明の共振コンバータの力率は出力電流
への依存率が小さく、小出力電流領域でもほぼ95%以
上の力率が得られ、また時比率Dが大きいほど高力率と
なることが分かる。これに対し、特開平7−95767
号公報に示されたような従来形では、本発明の共振コン
バータと比べ、出力電流及び時比率への力率の依存率が
大きい。すなわち従来型では、出力電流が大きく、時比
率が小さいところでは98%近い力率が得られるが、出
力電流が小さく、時比率Dが大きいところでは83%と
低くなることが分かる。
The power factor of the resonant converter of the present invention has a small dependence on the output current, a power factor of about 95% or more can be obtained even in a small output current region, and the higher the duty ratio D, the higher the power factor. I understand. On the other hand, Japanese Unexamined Patent Publication No.
In the conventional type as disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-115, the power factor has a large dependency on the output current and the duty ratio as compared with the resonant converter of the present invention. That is, in the conventional type, a power factor close to 98% can be obtained where the output current is large and the duty ratio is small, but it is as low as 83% when the output current is small and the duty ratio is large.

【0037】また図示は省略するが、歪み率特性も、本
発明の共振コンバータでは出力電流の上昇に伴って40
%近くから5%前後まで低くなるのに対し、従来形では
出力電流の上昇に伴って70%近くから18%前後とな
り、共振コンバータの方が従来形と比べて歪み率が低い
ことが確認された。従来形では交流電流ii (入力電流
iLR)が流れないゼロ期間が長いのに対し、本発明の共
振コンバータでは前記ゼロ期間が短いために、前述のよ
うに力率が高く、歪み率も小さくなっている。
Although not shown, the distortion factor characteristic of the resonant converter according to the present invention also increases as the output current increases.
% From around 5% to around 5%, while in the conventional type the output current rises from around 70% to around 18%, confirming that the resonant converter has a lower distortion rate than the conventional type. Was. In the conventional type, the zero period during which the AC current ii (input current iLR) does not flow is long, whereas in the resonant converter of the present invention, since the zero period is short, the power factor is high and the distortion factor is small as described above. ing.

【0038】以上では本発明の実施例回路を不連続モー
ドで動作した場合について述べたが、これらの回路は連
続モードで動作させることもできる。連続モードでは、
主スイッチQ1がオフになるときはゼロ電圧スイッチン
グが行われるが、主スイッチQ1がオンになるときは、
リアクトル電流iL の連続性(状態dの末期に0になら
ない)のために、ドレイン電流iD1がゼロから立ち上が
らず、ソフトスイッチングは実現されない。しかしこの
場合も、基本的には同じ動作状態を繰り返し、高力率が
達成される。
Although the embodiment of the present invention has been described as operating in the discontinuous mode, these circuits can also be operated in the continuous mode. In continuous mode,
When the main switch Q1 turns off, zero voltage switching is performed. When the main switch Q1 turns on,
Due to the continuity of the reactor current iL (it does not become 0 at the end of the state d), the drain current iD1 does not rise from zero, and soft switching is not realized. However, also in this case, the same operation state is basically repeated, and a high power factor is achieved.

【0039】この対策としては、図1の回路において、
環流ダイオードD3 の上側端子と出力リアクトルLとの
接続点、および環流ダイオードD3 の下側端子と出力コ
ンデンサCとの接続点よりもトランスTRの巻線N2 の
側に、出力ダイオードD2 と直列に過飽和リアクトル
(図示せず)を接続するのが良い。このようにすれば、
主スイッチQ1がオンになる瞬間にダイオードD2 に流
れる電流を阻止して2次巻線N2 を開放状態にし、ソフ
トスイッチングを実現することができる。
As a countermeasure against this, in the circuit of FIG.
Oversaturating the output diode D2 in series with the connection point between the upper terminal of the freewheeling diode D3 and the output reactor L and closer to the winding N2 of the transformer TR than the connection point between the lower terminal of the freewheeling diode D3 and the output capacitor C. It is preferable to connect a reactor (not shown). If you do this,
At the moment when the main switch Q1 is turned on, the current flowing through the diode D2 is blocked to open the secondary winding N2, thereby realizing soft switching.

【0040】また以上では、交流入力を全波整流した直
流電源を使用するAC/DCコンバータの例について述
べたが、バッテリなどの直流電源を使用するDC/DC
コンバータや、さらに前記直流電源に逆流阻止ダイオー
ドを直列接続したDC/DCコンバータに、本発明を同
様に適用できることは明らかである。
In the above description, an example of an AC / DC converter using a DC power supply in which an AC input is full-wave rectified has been described.
It is obvious that the present invention can be similarly applied to a converter and a DC / DC converter in which a backflow prevention diode is connected in series to the DC power supply.

【0041】[0041]

【発明の効果】本発明によれば、従来のフォワードコン
バータと比べて小型、高力率化が達成され、しかも主ス
イッチQlのオン時には電流共振、オフ時には電圧共振
が起こり、不連続動作モードでは、オン時およびオフ時
の両方でソフトスイッチングが実現される。したがっ
て、力率改善とスイッチング損失低減を両立させること
ができる。また連続動作モードにおいても、主スイッチ
オフ時のソフトスイッチングと力率改善とを両立させる
ことができる。さらに、トランス2次側の出力ダイオー
ドに直列に可飽和リアクトルを挿入すれば、主スイッチ
のオン時にもソフトスイッチングを実現することができ
る。
According to the present invention, a compact and high power factor is achieved as compared with the conventional forward converter, and current resonance occurs when the main switch Ql is turned on, voltage resonance occurs when the main switch Ql is turned off, and in the discontinuous operation mode. , Soft switching is realized both on and off. Therefore, both improvement of the power factor and reduction of the switching loss can be achieved. Also in the continuous operation mode, it is possible to achieve both the soft switching when the main switch is off and the improvement of the power factor. Furthermore, if a saturable reactor is inserted in series with the output diode on the secondary side of the transformer, soft switching can be realized even when the main switch is turned on.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の1実施例の回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram of one embodiment of the present invention.

【図2】図1の回路の不連続モード動作時における、交
流入力電圧eiに対する回路各部の電流と電圧波形を示
す図である。
FIG. 2 is a diagram showing a current and a voltage waveform of each part of the circuit with respect to an AC input voltage ei during a discontinuous mode operation of the circuit of FIG.

【図3】図2の波形の時間軸(横軸)を拡大し、スイッ
チングの1周期TCに対する各部の波形をそれぞれ示す
図である。
3 is a diagram in which the time axis (horizontal axis) of the waveform in FIG. 2 is enlarged and shows the waveform of each unit with respect to one switching period TC.

【図4】図3の状態a〜dにおける図1の回路の等価回
路を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of the circuit of FIG. 1 in states a to d of FIG. 3;

【図5】図1の実施例回路と、共振を利用しない従来の
フォワード形AC/DCコンバータの力率特性を、時比
率Dをパラメータとして示す図であり、同図(A)は従
来形、(B)は本発明の1実施例の実験例である。
5 is a diagram showing the power factor characteristics of the embodiment circuit of FIG. 1 and a conventional forward type AC / DC converter that does not use resonance, using a duty ratio D as a parameter. FIG. (B) is an experimental example of one embodiment of the present invention.

【図6】従来のフォワード形共振コンバータの一例の回
路図である。
FIG. 6 is a circuit diagram of an example of a conventional forward resonance converter.

【図7】図6のコンバータの、スイッチングの1周期T
C に対する各部の波形をそれぞれ示す図である。
FIG. 7 shows one cycle T of switching of the converter of FIG.
It is a figure which shows the waveform of each part with respect to C.

【図8】図7の状態a〜dにおける図6の回路の等価回
路を示す図である。
8 is a diagram showing an equivalent circuit of the circuit of FIG. 6 in states a to d of FIG. 7;

【符号の説明】[Explanation of symbols]

C…出力コンデンサ、 CR …共振コンデンサ、 D2
…出力ダイオード、D3 …環流ダイオード、 L…出力
インダクタンス、 N1 〜N3 …トランスの第1〜第3
巻線、 Q1 …主スイッチ、 TR …トランス
C: output capacitor, CR: resonance capacitor, D2
... Output diode, D3 ... Reflux diode, L ... Output inductance, N1 to N3 ... First to third transformers
Winding, Q1 ... Main switch, TR ... Transformer

Claims (5)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】それぞれの1端子同士が接続された第1お
よび第3巻線、ならびに第2巻線を有し、前記第3巻線
の他端子は直流電源の1極に接続されたトランスと、 前記第1巻線の他端子と前記直流電源の他極との間に接
続された主スイッチと、 前記第2巻線の1端子に接続された出力ダイオードおよ
び、前記出力ダイオードの出力側端子と前記第2巻線の
他端子間に直列接続された出力リアクトルおよびコンデ
ンサと、 前記第2巻線の他端子から前記出力ダイオードの出力側
端子に順方向になるように接続された環流ダイオード
と、 前記第1および第3巻線の1端子と、前記直流電源の他
極との間に接続された共振コンデンサとを具備し、 前記出力ダイオードは、前記主スイッチが導通するとき
導通する極性に接続されたフォワード形共振コンバー
タ。
1. A transformer having first and third windings each having one terminal connected to each other, and a second winding, and the other terminal of the third winding connected to one pole of a DC power supply. A main switch connected between the other terminal of the first winding and the other pole of the DC power supply; an output diode connected to one terminal of the second winding; and an output side of the output diode. An output reactor and a capacitor connected in series between a terminal and the other terminal of the second winding; and a free-wheeling diode connected in a forward direction from the other terminal of the second winding to an output terminal of the output diode. And a resonance capacitor connected between one terminal of the first and third windings and the other pole of the DC power supply, wherein the output diode has a polarity that conducts when the main switch conducts. Forward type connected to Vibration converter.
【請求項2】前記第3巻線の他端子から電流が電源側へ
逆流するのを防止するダイオードをさらに具備した請求
項1に記載のフォワード形共振コンバータ。
2. The forward resonant converter according to claim 1, further comprising a diode for preventing a current from flowing from the other terminal of said third winding to a power supply side.
【請求項3】前記出力ダイオードと並列に、前記主スイ
ッチがオンになる瞬間に前記出力ダイオードに流れる電
流を事実上阻止する過飽和リアクトルを接続したことを
特徴とする請求項1または2に記載のフォワード形共振
コンバータ。
3. A supersaturated reactor which is connected in parallel with said output diode to substantially block a current flowing through said output diode at the moment when said main switch is turned on. Forward type resonant converter.
【請求項4】前記直流電源は交流電源を整流して得られ
ることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載
のフォワード形共振コンバータ。
4. A forward resonant converter according to claim 1, wherein said DC power supply is obtained by rectifying an AC power supply.
【請求項5】電流の逆流を防止するダイオードが交流電
源を整流して前記直流電源を提供することを特徴とする
請求項2ないし4のいずれかに記載のフォワード形共振
コンバータ。
5. The forward-type resonant converter according to claim 2, wherein a diode for preventing a backflow of current rectifies an AC power to provide the DC power.
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