JP2001352755A - 共振型スイッチング電源 - Google Patents

共振型スイッチング電源

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JP2001352755A
JP2001352755A JP2000170384A JP2000170384A JP2001352755A JP 2001352755 A JP2001352755 A JP 2001352755A JP 2000170384 A JP2000170384 A JP 2000170384A JP 2000170384 A JP2000170384 A JP 2000170384A JP 2001352755 A JP2001352755 A JP 2001352755A
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Maki Hashimoto
真樹 橋本
Tomohiro Nishiyama
知宏 西山
Katsuhiro Maki
克洋 牧
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Abstract

(57)【要約】 【課題】交流共振型スイッチング電源回路における一次
巻線と二次巻線間における電位差を少なくしてコモンモ
ードノイズの低減化を図った回路構成を提供する。 【解決手段】トランスの一次巻線を有する電流共振部
と、トランスの二次巻線に誘起される信号を整流平滑し
て出力する二次側整流平滑部とからなり、電流共振部に
は、トランスの一次巻線、二次巻線の間の電位差が少な
くなるように巻線の一端をコンバータの安定電位部に接
続し、他端を未接続とした巻線を設けた回路構成にす
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、共振型スイッチン
グ電源に関し、詳しくは電流共振や電圧共振を用いた共
振型スイッチング電源に関し、特に入力交流電圧が10
0ボルトや220ボルト等の広範囲にわたる場合の特性
を改良した共振型スイッチング電源に関する。
【0002】
【従来の技術】従来技術における共振型スイッチング電
源は、図11に示すように、入力される交流電力を整流
平滑化して直流電圧(Vin)を生成する整流平滑部1
0と、この直流電圧(Vin)をスイッチングする第1
及び第2のスイッチング素子SW1、SW2を有すると
共に、各スイッチング素子SW1、SW2と並列に接続
されたコンデンサC1、C2とダイオードD1、D2を
有するハーフブリッジ回路20と、このハーフブリッジ
回路20と接続されるコンデンサCr、インダクタLr
並びにトランスTの一次巻線Lpを有する電流共振部3
0と、トランスTの二次巻線Lsに誘起される信号を整
流平滑して出力する二次側整流平滑部40とから構成さ
れている。
【0003】整流平滑部10は、商用の交流電源、例え
ば100ボルト、220ボルトの商用交流電源を入力し
てノイズを除去するEMIフィルタ11と、入力した交
流信号を整流するダイオードで生成されたブリッジDB
と、整流した電圧を平滑するコンデンサCinとから構
成されている。
【0004】ハーフブリッジ回路20は、整流平滑部1
0により整流平滑された直流電圧(Vin)の両端に、
例えばFETからなるスイッチング素子を直列に接続し
た第1及び第2のスイッチング素子SW1、SW2と、
そのゲート側には同時にオンしないような交互の矩形信
号を入力するスイッチング信号制御部21と、第1及び
第2のスイッチング素子SW1、SW2のそれぞれのド
レイン、ソース間に並列に接続したダイオードD1、D
2及びコンデンサC1、C2とから構成されている。こ
のコンデンサC1、C2は電圧共振を行うコンデンサで
ある。
【0005】電流共振部30は、コンデンサCrとイン
ダクタLrとトランスTの一次巻線Lpとが直列に接続
された回路を生成し、この直列に接続された回路は第1
のスイッチング素子SW1に並列に接続されている。こ
の回路の接続形態は第1のスイッチング素子SW1のド
レイン端子に一端が接続される電流共振用のコンデンサ
Crと、このコンデンサCrの他端に一端が接続される
インダクタLrと、このインダクタLrの他端に一端が
接続されるトランスTの一次巻線Lpと、この一次巻線
Lpの他端は第1のスイッチング素子SW1のソース端
子側に接続されている。又、一次巻線Lpは励磁インダ
クタとしても働いている。
【0006】二次側整流平滑部40は、トランスTの二
次巻線Lsに誘起されるスイッチング信号をダイオード
Doutで整流し、コンデンサCoutで平滑して負荷
Routに出力電圧Voutを供給するものであり、そ
の接続形態はトランスTの二次巻線Lsの一端にダイオ
ードDoutを接続し、このダイオードDoutの他端
側と二次巻線Lsの他端側にコンデンサCoutを接続
した構成となっている。
【0007】トランスTは、図12に示すように、一次
巻線Lp、二次巻線Ls、補助電源用巻線Laを巻回す
るコア50からなり、一次巻線Lpと二次巻線Lsとの
間は一定の空隙を持って配置した構造となっている。こ
のそれぞれの巻線Lp、Ls、Laは、スイッチング動
作によって電位差が変動するホットポイント側の一端同
士を隣り合わせ、電位が安定しているコールドポイント
側の一端同士を隣り合わせるようにして巻回している。
このような巻き方にすると、隣り合う巻線の電位差が少
なくすることが可能であり、一次巻線Lpと二次巻線L
s間の電位差の絶対値は数百ボルト、例えば130ボル
トとなる。
【0008】このような構成からなる共振型スイッチン
グ電源においては、ハーフブリッジ回路20の第2のス
イッチング素子SW2がオンの時、一次巻線Lpに電流
が流れてエネルギーが蓄えられる。第1のスイッチング
素子SW1がオンの時、一次巻線Lpに蓄えられたエネ
ルギーが二次巻線Lsに供給される。この時、コンデン
サCrとインダクタLrの共振が二次側整流平滑部40
を充電する。ここでは第1のスイッチング素子SW1の
オン期間は一定であり、第2のスイッチング素子SW2
のオン期間は負荷条件によって変動するようにスイッチ
ング信号制御部21により制御される。又、反対に第2
のスイッチング素子SW2のオン期間を一定にし、第1
のスイッチング素子SW1のオン期間を負荷条件によっ
て変動させるように制御してもよい。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た従来技術における共振型スイッチング電源におけるコ
ンバータ自体も共振動作することによりスイッチングノ
イズが少ないという特徴を有しているが、スイッチング
動作をする際に更なる電位差を少なくすることが不可能
であり、その電位差に基づく入力帰還ノイズのコモンモ
ードノイズ成分を低減することに限界があるという問題
がある。
【0010】従って、交流電源による共振型スイッチン
グ電源によるトランスで発生する一次巻線及び二次巻線
間に発生する電位差を少なくして、コモンモードノイズ
成分を低減する手法に解決しなければならない課題を有
する。
【0011】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、本発明に係る共振型スイッチング電源は、下記に示
す構成にすることである。
【0012】(1)入力される交流電力を整流平滑化し
て直流電圧(Vin)を生成する整流平滑回路と、該直
流電圧(Vin)をスイッチングする第1及び第2のス
イッチング素子を有すると共に、各スイッチング素子と
並列に接続されたコンデンサとダイオードを有するハー
フブリッジ回路と、該ハーフブリッジ回路と接続される
コンデンサ、インダクタ並びにトランスの一次巻線を有
する電流共振部と、該トランスの二次巻線に誘起される
信号を整流平滑して出力する二次側整流平滑部とからな
り、前記電流共振部には、前記トランスの一次巻線及び
二次巻線の間の電位差が少なくなるように巻線の一端を
前記整流平滑部の安定電位部に接続し、他端を未接続と
した巻線を設けたことを特徴とする共振型スイッチング
電源。
【0013】このように、トランスの一次巻線及び二次
巻線間にこれらの電位差を少なくなるような巻線を追加
することによって、スイッチング動作に基づく一次側−
二次側間の電位差を少なくすることが可能で、そのため
入力帰還ノイズのコモンモードノイズ成分の低減化を図
ることが可能になる。
【0014】
【発明の実施の形態】次に、本発明に係る共振型スイッ
チング電源の実施の形態について、図面を参照して説明
する。尚、本発明の共振型スイッチング電源の構造につ
いて、従来技術で説明した電源と同じ回路構成のものに
は同一符号を付けて説明する。
【0015】本発明に係る共振型スイッチング電源は、
入力帰還ノイズのコモンモードノイズ成分の一因として
二次巻線側で発生するノイズがトランスを介して一次巻
線側に伝達されるものを低減するために、一次巻線と二
次巻線間の電位差を小さくしてノイズ伝達経路を遮断す
るようにした回路構成となっている。具体的な回路構成
は、入力される交流電力を整流平滑化して直流電圧(V
in)を生成する整流平滑部である整流平滑部10と、
この直流電圧(Vin)をスイッチングする第1及び第
2のスイッチング素子SW1、SW2を有すると共に、
各スイッチング素子SW1、SW2と並列に接続された
コンデンサC1、C2とダイオードD1、D2を有する
ハーフブリッジ回路20と、このハーフブリッジ回路2
0と接続されるコンデンサCr、インダクタLr並びに
トランスTの一次巻線Lpを有する電流共振部30と、
二次巻線Lsの間の電位差が少なくなるように巻線の一
端をコンバータである整流平滑部10の安定電位部(A
点)に接続し、他端を未接続とした追加巻線Liと、補
助電源用巻線Laと整流平滑するコンデンサCとからな
る補助電源用整流平滑部60と、トランスTの二次巻線
Lsに誘起される信号を整流平滑して出力する二次側整
流平滑部40とから構成されている。
【0016】整流平滑部10は、商用の交流電源、例え
ば100ボルト、220ボルトの商用交流電源を入力し
てノイズを除去するEMIフィルタ11と、入力した交
流信号を整流するダイオードで生成されたブリッジDB
と、整流した電圧を平滑するコンデンサCinとから構
成されている。
【0017】ハーフブリッジ回路20は、整流平滑部1
0により整流平滑された直流電圧の両端に、例えばFE
Tからなるスイッチング素子を直列に接続した第1及び
第2のスイッチング素子SW1、SW2と、そのゲート
側には同時にオンしないような交互の矩形信号を入力す
るスイッチング信号制御部21と、第1及び第2のスイ
ッチング素子SW1、SW2のそれぞれのドレイン、ソ
ース間に並列に接続したダイオードD1、D2及びコン
デンサC1、C2とから構成されている。このコンデン
サC1、C2は電圧共振を行うコンデンサである。
【0018】電流共振部30は、コンデンサCrとイン
ダクタLrとトランスTの一次巻線Lpとが直列に接続
された回路を生成し、この直列に接続された回路は第1
のスイッチング素子SW1に並列に接続されている。こ
の回路の接続形態は第1のスイッチング素子SW1のド
レイン端子に一端が接続される電流共振用のコンデンサ
Crと、このコンデンサCrの他端に一端が接続される
インダクタLrと、このインダクタLrの他端に一端が
接続されるトランスTの一次巻線Lpと、この一次巻線
Lpの他端は第1のスイッチング素子SW1のソース端
子側に接続されている。又、一次巻線Lpは励磁インダ
クタとしても働いている。
【0019】二次側整流平滑部40は、トランスTの二
次巻線Lsに誘起されるスイッチング信号をダイオード
Doutで整流し、コンデンサCoutで平滑して負荷
Routに出力電圧Voutを供給するものであり、そ
の接続形態はトランスTの二次巻線Lsの一端にダイオ
ードDoutを接続し、このダイオードDoutの他端
側と二次巻線Lsの他端側にコンデンサCoutを接続
した構成となっている。
【0020】トランスTは、図2に示すように、一次巻
線Lp、追加巻線Li、二次巻線Ls、補助電源用巻線
Laを巻回するコア50からなり、一次巻線Lpと二次
巻線Lsとの間に追加巻線Liを配置した構造となって
いる。この一次巻線Lp、追加巻線Li、二次巻線Ls
は、スイッチング動作によって電位差が変動するホット
ポイント側の一端同士を隣り合わせ、電位が安定してい
るコールドポイント側の一端同士を隣り合わせるように
して巻回している。このうち追加巻線Liの巻数は2タ
ーンであり、その巻数はトランスT及び電源の仕様によ
り異なる。このように追加巻線Liを追加すると、一次
巻線Lpと二次巻線Lsとの電位差は、追加巻線Liと
二次巻線Ls間の電圧の絶対値が数十ボルト、実施例に
おいて約40ボルトとなり、従来構造のトランスにおけ
る数百ボルト(120ボルト)に比べて一次巻線Lpと
二次巻線Lsの電位差は約1/3に小さくできる。即
ち、入力帰還ノイズコモンモードノイズ成分を小さくし
た具体例の入力帰還ノイズも200KHzから5MHz
の周波数帯域において約10dBμV低減することがで
きるのである。
【0021】尚、このトランスTの一次巻線Lpと二次
巻線Lsとの間に追加巻線Liを設けた構成とすると、
整流平滑部10のコンバータ動作に影響を与えないた
め、例えばフライバックコンバータ等の他のコンバータ
方式においても、同様な効果が得られる。又、トランス
構造も分割巻線タイプに限らず一般的な積層タイプに適
用することができる。
【0022】このような構成からなる共振型スイッチン
グ電源における動作について、新たに追加した追加巻線
Liは、そのコンバータ動作に何ら影響を与えないた
め、従来技術で説明した共振型スイッチング電源と同じ
動作を行う。即ち、ハーフブリッジ回路20の第2のス
イッチング素子SW2がオンの時、一次巻線Lpに電流
が流れてエネルギーが蓄えられる。第1のスイッチング
素子SW1がオンの時、一次巻線Lpに蓄えられたエネ
ルギーが二次巻線Lsに供給される。この時、コンデン
サCrとインダクタLrの共振が二次側整流平滑部40
を充電する。ここでは第1のスイッチング素子SW1の
オン期間は一定であり、第2のスイッチング素子SW2
のオン期間は負荷条件によって変動するようにスイッチ
ング信号制御部21により制御される。又、反対に第2
のスイッチング素子SW2のオン期間を一定にし、第1
のスイッチング素子SW1のオン期間を負荷条件によっ
て変動させるように制御してもよい。
【0023】具体的な回路の動作について、図1の回路
図を参照して図3に示す波形図、図4〜図10に示す動
作説明図に基づいて、時系列な期間1〜期間7に分けて
説明する。
【0024】(1)期間1は、図4に示すように、第1
のスイッチング素子SW1がオフ、第2のスイッチング
素子SW2がオンの状態である時の時刻t0〜時刻t1
であり、第2のスイッチング素子SW2には寄生ダイオ
ードD2を介して逆方向の電流が流れている時に第2の
スイッチング素子SW2をオンする。この第2のスイッ
チング素子SW2をターンオンさせても、寄生ダイオー
ドD2を経由して電流が流れているため、回路動作は変
わらず、第2のスイッチング素子SW2はゼロ電圧スイ
ッチングZVS、ゼロ電流スイッチングZCSでターン
オンすることになる。この期間に流れる電流は、共振イ
ンダクタLrと励磁インダクタとして働く一次巻線Lp
と共振コンデンサCrの共振電流である。追加巻線Li
には一次巻線Lpに起印する電圧と逆極性の電圧が誘印
される。尚、二次側回路のダイオードDoutは逆方向
電圧が印加されるためオフの状態となっている。
【0025】(2)期間2は、図5に示すように、第1
のスイッチング素子SW1はオフ、第2のスイッチング
素子SW2はオン状態である時に、寄生ダイオードD2
に流れていた共振電流はゼロになり、第2のスイッチン
グ素子SW2に順方向電流が流れるようになった時の時
刻t1から時刻t2までの期間である。このようにこの
期間に流れる電流は、期間1の時の電流と逆方向にな
る。この期間1の共振電流と逆方向の共振電流は共振イ
ンダクタLrと励磁インダクタとして働く一次巻線Lp
と共振コンデンサCrとからなる電流である。尚、二次
側回路のダイオードDoutには逆方向の電流であるた
めオフしている。
【0026】(3)期間3は、図6に示すように、第1
のスイッチング素子SW1はオフである時に、第2のス
イッチング素子SW2をオフさせた時の時刻t2から時
刻t3までの期間であり、共振電流の向きは同じであ
る。各巻線の電圧極性は反転する。時刻t2で第2のス
イッチング素子SW2をターンオンさせると、共振イン
ダクタLrと励磁インダクタとして働く一次巻線Lpに
蓄えられているエネルギーによって第2のスイッチング
素子SW2のコンデンサC2(寄生容量Coss2)に
充電電流が流れると共に、第1のスイッチング素子SW
1のコンデンサC1(寄生容量Coss1)の電荷を引
き抜く。共振インダクタLr、励磁インダクタとして働
く一次巻線Lpと寄生容量Coss2の電圧共振によ
り、第2のスイッチング素子SW2のドレインーソース
間電位Vds2の変化dv/dtが小さくできるため、
第2のスイッチング素子SW2のターンオフ時において
ゼロ電圧スイッチングZVSを実現している。尚、二次
側回路のダイオードDoutは順方向電圧が印加される
ため、ターンオンして、電流が流れ始める。
【0027】(4)期間4は、図7に示すように、第1
及び第2のスイッチング素子SW1、SW2が共にオフ
である時の時刻t3から時刻t4までであり、寄生ダイ
オードD1に電流が流れている間に第1のスイッチング
素子SW1をターンオンさせる。第1のスイッチング素
子SW1をターンオンさせても回路動作は変わらず、第
1のスイッチング素子SW1はゼロ電圧スイッチングZ
VS、ゼロ電流スイッチングZCSでターンオンする。
第1のスイッチング素子SW1には、共振インダクタL
rと共振コンデンサCrの共振電流lir、crと、出
力電圧Voutの巻数比倍nの電圧が印加して、励磁イ
ンダクタLpに流れる電流lipの合成電流が寄生ダイ
オードD1を通して流れ始める。追加巻線Liには一次
巻線Lpに印加する電圧の逆極性の電圧が印加する。二
次側回路には、nx(lir、cr−lip)の電流が
ダイオードDoutを通して出力コンデンサCoutに
充電される。
【0028】(5)期間5は、図8に示すように、第1
のスイッチング素子SW1はオン、第2のスイッチング
素子SW2はオフの状態であり、時刻t4から時刻t5
までの期間において、寄生ダイオードD1に流れていた
電流はゼロになり、第1のスイッチング素子SW1には
順方向電流が流れるようになり、追加巻線Liの印加電
圧はこの電流の変化に伴う変化分が発生する。又、期間
4と同様に、第1のスイッチング素子SW1には、共振
インダクタLrと共振コンデンサCrの共振電流li
r、crと、出力電圧Voutの巻数比倍nの電圧が印
加して、励磁インダクタとして働く一次巻線Lpに流れ
るlipの合成電流が寄生ダイオードD1を通して流れ
る。二次側回路には、nx(lir、cr−lip)の
電流がダイオードDoutを通して出力コンデンサCo
utに充電される。
【0029】(6)期間6は、図9に示すように、第1
のスイッチング素子SW1はオン、第2のスイッチング
素子SW2はオフ状態であり、時刻t5から時刻t6ま
でのうち時刻t5において共振インダクタLrと共振コ
ンデンサCrの共振電流lir、crがゼロになり、二
次側回路のダイオードDoutの印加電圧が逆になりオ
フする。この期間は、第1のスイッチング素子SW1に
共振インダクタLrと励磁インダクタとして働く一次巻
線Lpと共振コンデンサCrの共振電流が流れる。
【0030】(7)期間7は、図10に示すように、第
1及び第2のスイッチング素子SW1、SW2がオフ状
態であり、時刻t6から時刻t7までにおいて時刻t6
で第1のスイッチング素子SW1をターンオフさせる
と、共振インダクタLrと励磁インダクタとして働く一
次巻線Lpに蓄えられるエネルギーによって、寄生容量
Coss1に充電電流が流れると共に、寄生容量Cos
s2の電荷が引き抜かれる。共振インダクタLr、励磁
インダクタとして働く一次巻線Lpと寄生容量Coss
1の電圧共振により、第1のスイッチング素子SW1の
ドレインーソース間電位Vds1の変化dv/dtが小
さくでき、第1のスイッチング素子SW1のターンオフ
時にゼロ電圧スイッチングZVSを実現している。尚、
二次側回路のダイオードDoutはオフにしている。
【0031】
【発明の効果】上記説明したように、本発明による共振
型スイッチング電源は、トランスの一次巻線と二次巻線
の間に追加巻線を設けた構造にすることにより、一次巻
線と二次巻線との間の電位差を少なくすることができる
ため、入力帰還ノイズのコモンモードノイズ成分を低減
することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の共振型スイッチング電源の回路構成図
である。
【図2】同トランスの構造の断面図である。
【図3】同回路動作を示した波形図である。
【図4】同期間1における回路動作を示した略示的な回
路図である。
【図5】同期間2における回路動作を示した略示的な回
路図である。
【図6】同期間3における回路動作を示した略示的な回
路図である。
【図7】同期間4における回路動作を示した略示的な回
路図である。
【図8】同期間5における回路動作を示した略示的な回
路図である。
【図9】同期間6における回路動作を示した略示的な回
路図である。
【図10】同期間7における回路動作を示した略示的な
回路図である。
【図11】従来技術における共振型スイッチング電源の
回路構成図である。
【図12】従来技術におけるトランスの構造の断面図で
ある。
【符号の説明】
10 整流平滑部 11 フィルタ 20 ハーフブリッジ回路 21 スイッチング信号制御部 30 電流共振部 40 二次側整流平滑部 50 コア 60 補助電源用整流平滑部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H730 AA02 BB26 BB57 BB62 BB72 CC01 DD04 EE02 EE07 VV01 ZZ16

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】入力される交流電力を整流平滑化して直流
    電圧(Vin)を生成する整流平滑回路と、該直流電圧
    (Vin)をスイッチングする第1及び第2のスイッチ
    ング素子を有すると共に、各スイッチング素子と並列に
    接続されたコンデンサとダイオードを有するハーフブリ
    ッジ回路と、該ハーフブリッジ回路と接続されるコンデ
    ンサ、インダクタ並びにトランスの一次巻線を有する電
    流共振部と、該トランスの二次巻線に誘起される信号を
    整流平滑して出力する二次側整流平滑部とからなり、前
    記電流共振部には、前記トランスの一次巻線及び二次巻
    線の間の電位差が少なくなるように巻線の一端を前記整
    流平滑部の安定電位部に接続し、他端を未接続とした巻
    線を設けたことを特徴とする共振型スイッチング電源。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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