JP2002238256A - Dc−dcコンバータ - Google Patents

Dc−dcコンバータ

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JP2002238256A JP2001073095A JP2001073095A JP2002238256A JP 2002238256 A JP2002238256 A JP 2002238256A JP 2001073095 A JP2001073095 A JP 2001073095A JP 2001073095 A JP2001073095 A JP 2001073095A JP 2002238256 A JP2002238256 A JP 2002238256A
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Yoshihiro Sekino
吉宏 関野
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 広い電圧制御範囲をもち、かつ線形な制御特
性をもつDC−DCコンバータを構成する。 【解決手段】 平滑フィルタを備えたフォワードコンバ
ータのトランスをフライバックコンバータのリアクタに
兼用させ、このフライバックコンバータの出力を前記平
滑フィルタの入力側に注入し、両コンバータを共通の半
導体スイッチでPWM制御する構成をとったDC−DC
コンバータとし、前記平滑フィルタの出力をDC−DC
コンバータの出力とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業の属する技術分野】本発明は直流電力を他の直流
電力に変換するDC−DCコンバータの構成に係わる。
【0002】
【従来の技術】バイポーラトランジスタやパワーMOS
FETのような電力変換用の半導体スイッチを使ったD
C−DCコンバータや他の各種の電力変換装置はその実
用性が認められ広く使われている。また数々の電力変換
の回路方式や制御方式がその時々のニーズにあわせて開
発されてきている。電力変換装置のなかでも直流電力を
他の直流電力、例えば入力とは絶縁した直流電圧、電圧
レベルの異なる直流電圧、極性の異なる直流電圧等に変
換するDC−DCコンバータは中心的存在であり、単体
でも使われるし、また他の電力変換回路と組み合わされ
ても使われる。図6にDC−DCコンバータの使われ方
を示す。図6(A)の電力変換装置はDC−DCコンバ
ータそのものであり、単独で使う例である。直流電源1
から受電した直流電圧をDC−DCコンバータ2で他の
直流電力に変換して出力し直流負荷3に給電する。直流
電源1としてはバッテリーがあり、自動車等で広く使わ
れている。最近では太陽電池や燃料電池等の出力である
新エネルギーも使われている。
【0003】図6(B)の電力変換装置はDC−DCコ
ンバータ2を整流回路7と組み合わせて交流電源11の
電力を直流電力に変換して出力する装置を構成してい
る。いわゆる整流装置である。DC−DCコンバータ2
は入力の直流電圧を他のレベルに変換したり入出力間を
絶縁する役割を担っている。この例は商用交流電力を入
力とする一般の直流電源やテレビ、パソコン等の電子機
器に内蔵する電源として広く使われている。
【0004】図6(C)の電力変換装置はDC−DCコ
ンバータ2をインバータ8と組み合わせて直流電源1の
電力を交流電力に変換して出力する、いわゆるインバー
タである。DC−DCコンバータ2は入力の直流電圧を
インバータ8で必要とするレベルに変換したり入出力間
を絶縁する役割を担っている。
【0005】図6(D)の電力変換装置はDC−DCコ
ンバータ2の前段に整流回路7を、また後段にインバー
タ8を組み合わせて、交流電源11の電力を他の交流電
力、例えば電圧レベルあるいは周波数の異なる交流電圧
に変換するAC−ACコンバータである。インバータの
出力周波数を可変にしてモータを駆動する電源とした
り、内部の直流回路部にバッテリーを設けて無停電電源
装置を構成してコンピュータ用電源として使われる。
【0006】DC−DCコンバータのなかで広く使われ
ているフィードフォワードコンバータを図7に示す。図
7(A)のDC−DCコンバータ2は直流電源1の電圧
Einをレベル変更、精度向上あるいは入出力間を絶縁
させた出力電圧Eoutに変換して直流負荷3に給電す
る。電力変換過程を次に述べる。半導体スイッチ41で
入力電圧Einをオン、オフさせてトランス423の1
次巻線npに与える。半導体スイッチ41がオンしてい
る期間は1次巻線npから入力する電力を即2次巻線n
mから出力しリアクタ61とコンデンサ62からなる平
滑フィルタ6に与える。半導体スイッチ41がオフして
いる期間、トランス423には図示とは逆の極性の電圧
が生じるが、この逆極性の電圧はダイオード43によっ
て阻止され平滑フィルタ6には出ない。この間、リアク
タ61の電流はダイオード44を通して流れ電流の連続
性は保たれる。半導体スイッチ41のオン期間にトラン
ス423に蓄えられた励磁エネルギーは半導体スイッチ
41のオフ期間に、巻線nrに生じた図とは逆の極性の
電圧によってダイオード45が通電し、直流電源1に放
出される。
【0007】半導体スイッチ41のオン、オフによって
平滑フィルタ6への入力電圧は図7(B)に示すように
断続波となる。半導体スイッチ41がオンしている期間
(時比率D)には電圧(Ein×nm/np)があり、
オフしている期間(1−D)には電圧ゼロである。時比
率Dを可変させて、いわゆるパルス幅変調(PWM)さ
せて平滑フィルタ6の出力の平均電圧であるEoutを
制御させる。ここで半導体スイッチ41を制御する時比
率Dは、スイッチング周期(オンしている期間とオフし
ている期間の和)に対する半導体スイッチ41をオンさ
せている期間の比率であり、この大きさは0と1の間に
収まる。トランス423は理想トランスとしては電磁エ
ネルギーを蓄積することはないが、現実のトランスとし
ては励滋に必要な電磁エネルギーがトランスの磁気コア
に蓄えられるので、このエネルギーの放出処理に必要な
期間(半導体スイッチ41がオフしている1−Dの期間
に対応)を確保するため時比率Dの許容可変範囲は狭く
なってしまう。一般にオフ期間(1−D)に0.5程度
を確保するので、電圧制御に活用できる時比率の範囲は
0≦D≦0.5程度に減ってしまう。
【0008】平滑フィルタ6の出力電圧であるEout
は次の大きさになる、 Eout=(Ein×nm/np)×D (1) 式(1)の特性を図示すると図9の(a)のようにな
る。出力電圧Eoutは時比率Dに比例した大きさにな
る。つまり線形な特性となる。この線形制御特性をもつ
ため電圧制御のフィードバック制御の増幅率を高く設定
することができるので出力電圧の精度を高められ、また
制御動作は安定したものとなる。また、フィードフォワ
ードコンバータは大きな電磁エネルギーの蓄積要素を持
たないため電力変換装置を構成したとき装置がコンパク
トになり、効率も高い。という特長がある。
【0009】フィードフォワードコンバータの欠点は電
圧を制御する時比率Dの実質的な可変範囲が狭い点であ
る。時比率Dが有効に使える範囲は一般に0<D<0.
5と狭い。この短いDの期間に電力変換を進めるのでト
ランス423および半導体スイッチ41に流れる電流の
瞬時値は大きくなり(オフ期間が長いので平均電流値と
しては大きくならない)電流容量の大きい、従って占有
容積も大きい部品を使わざるを得ない。部品の利用率が
低いため装置化したときの装置容積が大きくなりコスト
も高めになる。
【0010】図7の制御装置21は半導体スイッチ41
のオン、オフ信号を生成して出力電圧Eoutを制御す
る。定電圧制御の対象である出力電圧Eoutをフィー
ドバックしてこれを誤差増幅器で基準電圧と比較してこ
の誤差に対応した変調信号をつくり、この変調信号をP
WM変調器に入力してパルス幅制御したパルス信号に変
換し、必要なら絶縁して半導体スイッチ41をドライブ
する。生成するパルス信号のオンとオフの期間を変えて
時比率Dを制御する。この制御装置21の構成は一般的
なものであり、最近ではIC化した制御部品として市場
に出ている。
【0011】図6を構成する他のDC−DCコンバータ
2の例としては図8(A)のエネルギーを蓄積する要素
を備えたフライバックコンバータがある。半導体スイッ
チ41がオンしている期間には図示の極性の電圧が誘起
し、リアクタ424の巻線npに電流が流れここに電磁
エネルギーが蓄えられる。この間はダイオード51によ
って電圧は阻止され巻線nsから電流は流れない、半導
体スイッチ41がオフすると図示とは逆の極性の電圧が
誘起し、ダイオード51が通電し、巻線nsからコンデ
ンサ52に電流が流れてオン期間に蓄えられた電磁エネ
ルギーが放出される。図8(B)にリアクタ424の巻
線nsに誘起する電圧のパターンを示す。このコンデン
サ52の電圧が出力の電圧Eoutとなる。制御装置2
1は図7の例と同じ構成のものがつかわれる。
【0012】このフライバックコンバータの出力電圧E
outと半導体スイッチ41をオン、オフ制御する時比
率Dとの関係は式(2)のようになる。 Eout=(Ein×ns/np)×D/(1−D) (2) 式(2)の電圧制御特性を図示すると図9の(b)のよ
うになる。時比率Dが大きくなるほど時比率Dの単位変
化当たりの出力電圧Eoutの変化は大きくなる。つま
り非線形性が強い。時比率Dが小さい範囲で出力電圧の
精度を高めようと電圧フィードバック制御の増幅率(図
7(A)の誤差増幅器の増幅率)を高く設定すれば、時
比率Dの大きい領域ではこの増幅率が高すぎる設定とな
り、安定な制御ができなくなる。一方、時比率Dの大き
い領域で安定に制御できるように増幅率を設定すれば、
時比率Dの小さい領域で増幅率不足となり出力電圧の精
度が低下する。このように電圧制御特性が非線形である
ためフライバックコンバータでは、制御動作の安定性と
電圧の高精度化の両立が困難であり、両立させようとす
れば制御装置が複雑なものとなる。例としては平成12
年電気学会全国大会論文4−176「UPSにおける高
昇圧率DC−DCコンバータの過渡応答特性改善」があ
る。リアクタ424に電流を流して一旦エネルギーを電
磁エネルギーとして蓄積させるために効率が低く、かつ
リアクタ424の容積が大きくなる。このため電力変換
容量の大きなコンバータには適しない。
【0013】
【発明が解決しようとする課題】電圧制御範囲が広く、
かつ安定で高精度の制御が可能となる線形制御特性をも
つDC−DCコンバータを構成する。
【0014】
【課題を解決するための手段】フィードフォワードコン
バータとフライバックコンバータをハイブリッド化する
ことにより両コンバータの特徴を補完したフィードフォ
ワード・フライバックコンバータを実現する。
【0015】
【発明の実施の形態】半導体スイッチをフィードフォワ
ードコンバータとフライバックコンバータで共用とし、
フライバックコンバータを構成するリアクタをフィード
フォワードコンバータ用のトランスとして兼用させる。
また、前記リアクタに蓄えられる電磁エネルギーをフィ
ードフォワードコンバータの平滑フィルタの入力側への
放出経路を設けることによってフライバックコンバータ
を安定に動作させ、かつ、出力電圧制御に線形特性を持
たせられる。平滑フィルタの出力電圧をDC−DCコン
バータの出力電圧とする。
【0016】
【実施例】図1は本発明の第1の実施例である。多巻線
のトランス兼リアクタ42(以後トランスリアクタ42
という)をフライバックコンバータ5の電磁エネルギー
を蓄積するリアクタとして使うとともにフィードフォワ
ードコンバータ4のトランスとしても使う。巻線npと
nsとがリアクタとして機能する。また、巻線npとn
mとがトランスとして機能する。4はフィードフォワー
ドコンバータの特性をもつ回路部であり、平滑フィルタ
6の入力としてフライバックコンバータ5の出力も加わ
っているところが図7に示す一般のフィードフォワード
コンバータと異なる。図7のダイオード44に代わって
図1ではコンデンサ52とダイオード53の直列回路が
使われる。半導体スイッチ41のオン期間に、トランス
リアクタ42の巻線npに直流電源1の電圧Einが印
加される。トランスリアクタ42の巻線nmの誘起電圧
はダイオード43を介してリアクタ61とコンデンサ6
2で構成した平滑フィルタ6に印加される。平滑フィル
タ6の出力であるコンデンサ62の電圧Eoutをもっ
て負荷へ給電する。
【0017】5はフライバックコンバータの特性をもつ
回路部である。トランスリアクタ42の巻線nsとダイ
オード51との直列回路をコンデンサ52と並列に接続
し、コンデンサ52の電圧Esをダイオード53を介し
てフィードフォワードコンバータ部4の平滑フィルタ6
の入力に加える。
【0018】平滑フィルタ6にはトランスリアクタ42
の巻線nmからの電圧とコンデンサ52からの電圧Es
との2つの入力があり、両者のうち電圧レベルが高い入
力のみから給電を受ける。
【0019】次に回路の動作を説明する。半導体スイッ
チ41をオンさせると入力の電圧Einはトランスリア
クタ42の1次巻線npに印加され各巻線には図示の極
性の電圧が誘起される。トランスリアクタ42の2次巻
線nmに誘起される電圧がコンデンサ52の電圧Esよ
り高い場合にはダイオード43が通電して平滑フィルタ
6に印加され電流が流れる。巻線nsの電圧はダイオー
ド51によって阻止され電流は流れない。巻線npには
巻線nmに流れる電流に対応する電流とトランスリアク
タ42に電磁エネルギーを蓄えるための電流とが流れ
る。この両電流は半導体スイッチ41を介して直流電源
1から入力される。巻線nmに誘起する電圧がコンデン
サ52の電圧Esより低い場合には、ダイオード43が
逆バイアスされ巻線nmの電流は流れない。平滑フィル
タ6へはダイオード53が通電してコンデンサ52から
電圧Esで電流が流れる。
【0020】次に半導体スイッチ41をオフさせると、
トランスリアクタ42の各巻線に誘起する電圧の極性が
図示とは逆になる。ダイオード43によって阻止され巻
線nmからの電流は流れない。トランスリアクタ42に
蓄えられていた電磁エネルギーはダイオード51が通電
してコンデンサ52側に放電される。またダイオード5
3が通電してコンデンサ52から平滑フィルタ6に電流
が流れる。次にまた、半導体スイッチ41をオンさせる
と最初の状態に戻り1サイクルが終了する。
【0021】21は制御装置で従来と同じ制御装置も使
える。出力電圧Eoutをセンシングしてフィードバッ
クループをつくり生成したパルス幅制御の信号で半導体
スイッチをオン、オフ動作させる。
【0022】平滑フィルタ6の入力電圧のパターンを図
2に示す。半導体スイッチ41がオンしている期間には
電圧nm×Ein/npが現れ、半導体スイッチ41が
オフしている期間にはコンデンサ52の電圧Esが現れ
る。このレベルの異なる電圧は平滑フィルタ6で平均化
され出力電圧Eoutとなる。時比率Dを変えると出力
電圧Eoutが変わる。
【0023】このフィードフォワード・フライバックコ
ンバータの出力電圧Eoutは半導体スイッチ41のオ
ン、オフを制御する時比率Dと次のような関係がある。
0≦D≦1/(1+ns/nm)の範囲では、 Eout=(Ein×nm/np)×(1+ns/nm)×D (3) 1/(1+ns/nm)≦D≦1の範囲では、 Eout=(Ein×nm/np)×(ns/nm)×D/(1−D)(4) 時比率Dが小さいときは式(3)の関係が成り立ち、出
力電圧Eoutは時比率Dに比例して変わる。つまり線
形な関係がある。時比率Dが大きくなると式(4)の関
係が成り立ち、出力電圧Eoutは時比率Dに関して非
線形に変わるようになる。この式(4)は式(2)と同
じになる。つまり、時比率Dが大きいと特性はフライバ
ックコンバータ5の特性そのものとなる。
【0024】図3は式(3)、(4)の関係を図示した
ものである。線形特性から比線形特性に変わる境界は
D=1/(1+ns/nm)のときである。トランスリ
アクタ42の巻線比ns/nmの選定によって線形制御
特性を有する時比率Dの範囲が設計できる。ns/nm
の比を小さくする、例えば0.25とすれば線形制御が
可能な範囲は 0≦D≦0.8 となる。従来のフィー
ドホワードコンバータでは図9(a)に示すように線形
制御の範囲が最大0.5であるのに対して本発明のコン
バータでは最大0.8までと、60%も拡張されてい
る。さらにns/nmを0.1と小さくすれば線形制御
の範囲は0.91まで拡がる。
【0025】従来のフィードフォワードコンバータと同
じく時比率Dを0.5以下に制限した場合、半導体スイ
ッチ41オンの短い期間に必要なエネルギーを入力させ
ることになり、平均電流である出力電流を同じとすれば
半導体スイッチ41として電流容量の大きな素子が必要
になる。また平均電圧であるEoutを同じとすればオ
ン期間の電圧を高くするためトランスリアクタ42の入
出力の巻線比を高くするつまり巻線数を増やす必要があ
り巻線の抵抗による損失を増加させる。これは効率を低
下させる原因となる。半導体スイッチ41やトランスリ
アクタ42等の部品が効率よく使われているとは言えな
い。これに対して本発明のように時比率Dの範囲を広く
とれれば、半導体スイッチ41の制御範囲従って通電時
間を長くとれる。長時間通電が可能であることから同じ
量の電力を変換するにしても電流のレベルは小さくて済
み半導体スイッチ41に小容量の素子が使えるようにな
る。トランスリアクタ42の巻線数を増やさなくてもD
を大きくして出力電圧を高められるのでトランスリアク
タ42の利用率は高くなり効率アップに寄与する。部品
の利用率が向上できるのでコスト低下に寄与するし、同
じ部品を使うなら扱える電力変換量を増やせる。これも
コスト低下に寄与する。
【0026】図4は本発明の第2の実施例である。入力
と出力の直流電圧間を絶縁する必要がない場合には図1
におけるフィードフォワードコンバータ部4のトランス
リアクタ42のもつ独立した巻線npとnmとを直結し
て単巻にできる。図4のトランスリアクタ421は図1
の実施例におけるトランスリアクタ42の巻線nmを入
力側の巻線npに必要なだけ巻増して得る。電圧制御特
性は図3の第1の実施例と同じである。トランスリアク
タ421の巻線数が図1のトランスリアクタ42より減
らせるのでトランスリアクタ421の小形化および巻線
の抵抗値が減り、その分、効率の向上が可能となる。
【0027】図5は本発明の第3の実施例である。入力
と出力の直流電圧間を絶縁する必要がなく、かつ低いレ
ベルの出力電圧Eoutを得ようとする場合には図1の
トランスリアクタ42に代わって入力巻線npの中間タ
ップから巻線nmを取り出したトランスリアクタ422
が使える。図4の実施例と同じようにトランスリアクタ
422の巻線数が減らせるのでトランスリアクタ422
の小形化および効率の向上ができる。電圧制御特性は第
1の実施例と同じく図3のようになる。
【0028】図4のトランスリアクタ421あるいは図
5のトランスリアクタ422において巻線数npとnm
が等しい場合には半導体スイッチ41とダイオード42
とは直結してよいことは言うまでもない。
【0029】図6(B)のDC−DCコンバータ2に本
発明のDC−DCコンバータを適用すれば制御性のよい
AC−DC電力変換装置を構成できる。
【0030】図6(C)のDC−DCコンバータ2に本
発明のDC−DCコンバータを適用すれば制御性のよい
DC−AC電力変換装置を構成できる。
【0031】図6(D)のDC−DCコンバータ2に本
発明のDC−DCコンバータを適用すれば制御性のよい
AC−AC電力変換装置を構成できる。
【0032】実施例の回路図では半導体スイッチ41と
してバイポーラトランジスタの記号を使っているがパワ
ーMOSFETやIGBT等も半導体スイッチ41とし
て使えることは言うまでもない。
【0033】
【発明の効果】本発明のDC−DCコンバータでは、フ
ィードフォワードコンバータを構成するトランスとして
フライバックコンバータのリアクタを兼用させて使いト
ランスの飽和の懸念をなくした。これによって電圧制御
の時比率を大幅に広げることができ、半導体スイッチお
よびトランス兼リアクタの利用率を高めることが可能に
なり、結果としてDC−DCコンバータの小形化、低コ
スト化、効率向上の効果をもたらす。またフィードフォ
ワードコンバータを構成する平滑フィルタの入力にフラ
イバックコンバータのリアクタの蓄積エネルギーを放出
させることによって電圧制御特性の線形な範囲を大幅に
拡張した。結果として出力電圧の高精度化、電圧制御の
安定化による信頼性向上の効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示したものである。
【図2】本発明の第1の実施例における平滑フィルタの
入力電圧のパターンを示したものである。
【図3】本発明の実施例における出力電圧と時比率との
関係を示したものである。
【図4】本発明の第2の実施例を示したものである。
【図5】本発明の第3の実施例を示したものである。
【図6】DC−DCコンバータを他の電力変換装置と組
み合わせて装置を構成した従来例である。
【図7】DC−DCコンバータの従来例としてフィード
フォワードコンバータを示したものである。
【図8】DC−DCコンバータの従来例としてフライバ
ックコンバータを示したものである。
【図9】図7および8の従来例DC−DCコンバータの
特性を示したものである。
【符号の説明】
1 直流電源 11 交流電源 2 DC−DCコンバータ 21 DC−DCコンバータの制御装置 3 直流負荷 31 交流負荷 4 フィードフォワードコンバータ 41 半導体スイッチ 42、421、422 トランスリアクタ 423 トランス 424 リアクタ 5 フライバックコンバータ 6 平滑フィルタ 7 整流回路 8 インバータ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】複数の巻線を持つトランスリアクタ(4
    2)の巻線npと半導体スイッチ(41)との直列回路
    に直流電源(1)の電圧を入力し、前記トランスリアク
    タ(42)の巻線nmとダイオード(43)との直列回
    路をリアクタ(61)とコンデンサ(62)との直列回
    路と並列に接続し、前記トランスリアクタ(42)の巻
    線nsとダイオード(51)との直列回路とコンデンサ
    (52)とを並列に接続し、かつコンデンサ(52)と
    ダイオード(53)との直列回路をリアクタ(61)と
    コンデンサ(62)との前記直列回路と並列に接続し、
    前記コンデンサ(62)の直流電圧を出力とすることを
    特徴とするDC−DCコンバータ。
  2. 【請求項2】入力側に設けた整流回路(7)とともに交
    流電力を直流電力に変換する装置を構成することを特徴
    とする請求項1のDC−DCコンバータ
  3. 【請求項3】出力側に設けたインバータ(8)とともに
    直流電力を交流電力に変換する装置を構成することを特
    徴とする請求項1のDC−DCコンバータ
  4. 【請求項4】入力側に設けた整流回路(7)および出力
    側に設けたインバータ(8)とともに交流電力を他の交
    流電力に変換する装置を構成することを特徴とする請求
    項1のDC−DCコンバータ。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2010041886A (ja) * 2008-08-07 2010-02-18 Panasonic Electric Works Co Ltd 配電システム
US7707444B2 (en) 2005-11-11 2010-04-27 Hon Hai Precision Industry Co., Ltd. Switching mode power supply

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