JP2002247839A - Dc-dc converter and method of adjusting the same - Google Patents

Dc-dc converter and method of adjusting the same

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JP2002247839A
JP2002247839A JP2001044730A JP2001044730A JP2002247839A JP 2002247839 A JP2002247839 A JP 2002247839A JP 2001044730 A JP2001044730 A JP 2001044730A JP 2001044730 A JP2001044730 A JP 2001044730A JP 2002247839 A JP2002247839 A JP 2002247839A
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converter
converters
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input
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Katsumi Tabuchi
勝美 田渕
Kazuki Morita
一樹 森田
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Matsushita Electric Industrial Co Ltd
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To set a ripple current between an input and output of a DC-DC converter to a minimum value. SOLUTION: Under the interleave control of the voltage lowering DC-DC converters 6, 7, flywheel diodes 3b, 4b are connected to the neutral point of the choke coils 6a, 7a of each voltage lowering DC-DC converters 6, 7.

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、DC入力電圧を所
要のDC出力電圧に電圧変換する電力容量の比較的大き
なDC−DCコンバータ装置とその調整方法に関するも
のである。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a DC-DC converter having a relatively large power capacity for converting a DC input voltage into a required DC output voltage, and a method of adjusting the DC-DC converter.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、電子機器のデジタル化が普及し、
その高速化・高機能化が進展するにつれて電子機器に電
力を供給するDC−DCコンバータ装置(電圧変換装
置)も、その出力として、低電圧・大電流のものが求め
られている。しかし、低電圧・大電流化になるとDC−
DCコンバータ装置の変換効率が悪化、また大電流を1
個のDC−DCコンバータでは処理できなくなってく
る。
2. Description of the Related Art In recent years, digitalization of electronic devices has spread,
As the speeding-up and the sophistication have progressed, a DC-DC converter (voltage converter) for supplying power to an electronic device is required to have a low voltage and a large current as its output. However, at low voltage and large current, DC-
The conversion efficiency of the DC converter device deteriorates,
It cannot be processed by the DC-DC converters.

【0003】その対策手段として、複数のDC−DCコ
ンバータを並列接続して構成するDC−DCコンバータ
装置がある。特に、大きな電流を効率良く処理する為に
は、DC−DCコンバータ装置の入力と出力のリップル
電流を出来るだけ小さくし、実効電流を小さくすること
が重要であり、リップル電流を小さくする技術として
は、各DC−DCコンバータを、そのPWM制御に位相
差を付けて制御するインターリーブ制御が提案されてい
る。
As a countermeasure, there is a DC-DC converter device in which a plurality of DC-DC converters are connected in parallel. In particular, in order to efficiently process a large current, it is important to reduce the ripple current of the input and output of the DC-DC converter device as much as possible to reduce the effective current. As a technology for reducing the ripple current, Interleave control for controlling each DC-DC converter by adding a phase difference to its PWM control has been proposed.

【0004】図3は従来の例を示し、降圧DC−DCコ
ンバータ3,4を2個並列接続したものである。図3に
おいて、1は入力直流電圧、2は入力平滑用のコンデン
サである。降圧DC−DCコンバータ3と4とが並列接
続され、それに出力端子5が接続されている。各降圧D
C−DCコンバータ3と4は、半導体スイッチ素子3
a,4a、フライホイルダイオード3b,4b、チョー
クコイル3c,4cと出力平滑用のコンデンサ3d,4
dとで構成されている。
FIG. 3 shows a conventional example in which two step-down DC-DC converters 3 and 4 are connected in parallel. In FIG. 3, 1 is an input DC voltage, and 2 is an input smoothing capacitor. The step-down DC-DC converters 3 and 4 are connected in parallel, and the output terminal 5 is connected thereto. Each step-down D
The C-DC converters 3 and 4 are semiconductor switching elements 3
a, 4a, flywheel diodes 3b, 4b, choke coils 3c, 4c, and output smoothing capacitors 3d, 4
d.

【0005】図4は図3のDC−DCコンバータ装置
で、各降圧DC−DCコンバータ3,4が同期して制御
された時の入力電流波形の一例を示している。各降圧D
C−DCコンバータ3,4の入力電流が加算された、平
均入力電流値に対してリップル電流の大きな入力電流と
なっている。
FIG. 4 shows an example of an input current waveform when the step-down DC-DC converters 3 and 4 are controlled synchronously in the DC-DC converter device of FIG. Each step-down D
The sum of the input currents of the C-DC converters 3 and 4 is an input current having a larger ripple current than the average input current value.

【0006】図5は同じく上記DC−DCコンバータ装
置で、各降圧DC−DCコンバータ3,4の制御にイン
ターリーブ制御を採用し、180度の位相差を設けて制
御した時の入力電流波形の一例を示している。
FIG. 5 shows an example of an input current waveform when the above-described DC-DC converter device employs interleave control for controlling the step-down DC-DC converters 3 and 4 with a phase difference of 180 degrees. Is shown.

【0007】図4の例に比べて、入力リップル電流が小
さくなることが判る。図3のDC−DCコンバータ装置
では、出力電圧と入力電圧との変換比率が約0.5の時
にリップル電流が最小になり、0.5から外れるに従っ
てリップル電流は大きくなる。並列接続する降圧DC−
DCコンバータ3,4の数が変化すると、リップル電流
が最小になる位相差が異なってくる。例えば、3個の降
圧DC−DCコンバータを並列接続したDC−DCコン
バータ装置では、各DC−DCコンバータが120度の
位相差を持って駆動され、出力電圧と入力電圧との変換
比率が約0.33の時にリップル電流は最小となる。
It can be seen that the input ripple current is smaller than in the example of FIG. In the DC-DC converter device of FIG. 3, the ripple current is minimized when the conversion ratio between the output voltage and the input voltage is about 0.5, and the ripple current increases as the conversion ratio deviates from 0.5. Step-down DC- connected in parallel
As the number of DC converters 3 and 4 changes, the phase difference at which the ripple current is minimized changes. For example, in a DC-DC converter device in which three step-down DC-DC converters are connected in parallel, each DC-DC converter is driven with a phase difference of 120 degrees, and the conversion ratio between the output voltage and the input voltage is about 0. .33, the ripple current is minimized.

【0008】以上の動作及びその効果は、DC−DCコ
ンバータ装置の出力のリップル電流についても同様であ
り、また他の方式のコンバータ(例えば、昇圧DC−D
Cコンバータなど)も同様である。
The above operation and its effects are the same for the ripple current of the output of the DC-DC converter device, and other types of converters (for example, a step-up DC-D converter)
C converter).

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】上記従来の回路構成で
は、インターリーブ制御で入力と出力のリップル電流を
最小にするには、各DC−DCコンバータを駆動・制御
する最適な位相差量がある。一方、DC−DCコンバー
タ装置の取り扱う電力容量によっては適切なDC−DC
コンバータの並列数もあり、また変換する入力電圧値と
出力電圧値も装置によって異なってくる。よって、複数
のDC−DCコンバータを並列接続し、かつインターリ
ーブ制御を採用しただけでは、リップル電流の小さい最
適なDC−DCコンバータ装置が実現出来ないという問
題点を有していた。
In the above-described conventional circuit configuration, there is an optimum amount of phase difference for driving and controlling each DC-DC converter in order to minimize the input and output ripple current by interleave control. On the other hand, depending on the power capacity handled by the DC-DC converter device, an appropriate DC-DC
There is also a parallel number of converters, and the input voltage value and output voltage value to be converted differ depending on the device. Therefore, there is a problem that an optimum DC-DC converter device having a small ripple current cannot be realized only by connecting a plurality of DC-DC converters in parallel and employing interleave control.

【0010】本発明は上記従来の問題点を解決するもの
で、各種の仕様においても、リップル電流の小さい最適
なDC−DCコンバータ装置を提供することを目的とす
るものである。
An object of the present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, and an object of the present invention is to provide an optimum DC-DC converter having a small ripple current in various specifications.

【0011】[0011]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の請求項1の発明は、PWMスイッチング方
式のDC−DCコンバータを、2個以上並列接続すると
ともに、各DC−DCコンバータを、そのPWM制御に
位相差をつけたインターリーブ制御を行うDC−DCコ
ンバータ装置において、前記複数のDC−DCコンバー
タの少なくとも一つはチョークコイルを有し、このチョ
ークコイルの中点に半導体素子を接続したものであり、
リップル電流の小さい最適なDC−DCコンバータ装置
が提供できる。
In order to achieve the above-mentioned object, according to the first aspect of the present invention, two or more PWM switching type DC-DC converters are connected in parallel, and each DC-DC converter is connected in parallel. In a DC-DC converter device that performs interleaving control with a phase difference in the PWM control, at least one of the plurality of DC-DC converters has a choke coil, and a semiconductor element is provided at a midpoint of the choke coil. Connected
An optimum DC-DC converter device having a small ripple current can be provided.

【0012】次に本発明の請求項2の発明は、PWMス
イッチング方式のDC−DCコンバータを、2個以上並
列接続するとともに、各DC−DCコンバータを、その
PWM制御に位相差をつけたインターリーブ制御を行う
DC−DCコンバータ装置において、前記複数のDC−
DCコンバータは、それぞれチョークコイルを有し、各
チョークコイルの中点に半導体素子を接続したものであ
り、リップル電流の小さい最適なDC−DCコンバータ
装置が提供できる。
Next, a second aspect of the present invention is to provide an interleave in which two or more PWM switching type DC-DC converters are connected in parallel and each DC-DC converter is provided with a phase difference in its PWM control. In the DC-DC converter device for performing control, the plurality of DC-DC converters may be controlled.
Each DC converter has a choke coil and a semiconductor element is connected to the middle point of each choke coil, so that an optimum DC-DC converter device with small ripple current can be provided.

【0013】次に本発明の請求項3の発明は、PWMス
イッチング方式のDC−DCコンバータを、2個以上並
列接続するとともに、各DC−DCコンバータを、その
PWM制御に位相差をつけたインターリーブ制御を行う
DC−DCコンバータにおいて、前記複数のDC−DC
コンバータの少なくとも一つはチョークコイルを有し、
このDC−DCコンバータ装置の入力と出力のリップル
電流値が最小になるように、上記チョークコイルの中点
に半導体素子を接続するものであり、リップル電流の小
さい最適なDC−DCコンバータ装置が提供できる。
A third aspect of the present invention relates to an interleave in which two or more PWM switching type DC-DC converters are connected in parallel and each DC-DC converter is provided with a phase difference in its PWM control. In the DC-DC converter for controlling, the plurality of DC-DC
At least one of the converters has a choke coil,
A semiconductor element is connected to the middle point of the choke coil so as to minimize the input and output ripple current values of the DC-DC converter device, and an optimal DC-DC converter device having a small ripple current is provided. it can.

【0014】次に本発明の請求項4の発明は、PWMス
イッチング方式のDC−DCコンバータを、2個以上並
列接続するとともに、各DC−DCコンバータを、その
PWM制御に位相差をつけたインターリーブ制御を行う
DC−DCコンバータにおいて、前記複数のDC−DC
コンバータはそれぞれチョークコイルを有し、このDC
−DCコンバータ装置の入力と出力のリップル電流値が
最小になるように、上記各チョークコイルの中点に半導
体素子を接続するものであり、リップル電流の小さい最
適なDC−DCコンバータ装置が提供できる。
A fourth aspect of the present invention is an interleave in which two or more PWM switching type DC-DC converters are connected in parallel, and each DC-DC converter is provided with a phase difference in its PWM control. In the DC-DC converter for controlling, the plurality of DC-DC
Each converter has a choke coil and this DC
A semiconductor element is connected to the middle point of each of the choke coils so that the input and output ripple current values of the DC converter device are minimized, and an optimal DC-DC converter device having a small ripple current can be provided. .

【0015】[0015]

【発明の実施の形態】(実施の形態1)以下、実施の形
態1を用いて、本発明の請求項1〜4に記載の発明につ
いて説明する。図1は本発明の実施の形態1の回路図、
図2は同実施の形態の波形図である。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (Embodiment 1) Hereinafter, the first embodiment of the present invention will be described with reference to the first embodiment. FIG. 1 is a circuit diagram of Embodiment 1 of the present invention,
FIG. 2 is a waveform chart of the embodiment.

【0016】なお、図1において、図3の従来例と同様
の構成を有するものには同一符号を付しその説明を簡略
化する。図1において、従来の図3と相違する点は、チ
ョークコイル3c,4cの代わりに、チョークコイル6
a,7aを接続し、その巻線の中点に半導体素子の一例
としてフライホイルダイオード3b,4bを接続し、降
圧DC−DCコンバータ6,7を形成した点である。
In FIG. 1, components having the same configuration as that of the conventional example of FIG. 3 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be simplified. FIG. 1 differs from FIG. 3 in that the choke coils 6c and 4c are replaced by choke coils 6c and 4c.
a, 7a are connected, and flywheel diodes 3b, 4b are connected as an example of a semiconductor element to the middle point of the winding, thereby forming step-down DC-DC converters 6, 7.

【0017】以上のような回路構成において、先ず1個
の降圧DC−DCコンバータ6の動作を説明する。
In the above circuit configuration, the operation of one step-down DC-DC converter 6 will be described first.

【0018】半導体スイッチ素子3aが駆動され導通
(ON)すると、チョークコイル6aの全ての巻線N1
とN2を介して出力端子5に向かって電流が供給される
とともに、チョークコイル6aにエネルギーが蓄積され
る。次に半導体スイッチ素子3aがOFFに駆動される
と、チョークコイル6aに蓄積されたエネルギーは、フ
ライホイルダイオード3bが導通し、チョークコイル6
aの巻線N2を介して出力端子5に向かって放出され、
出力端子5に連続した電流を供給することが出来る。チ
ョークコイル6aは巻線N1とN2で構成されている
が、磁気的に密に結合しているため、蓄積されたエネル
ギーは巻線N2から放出することが出来る。
When the semiconductor switch element 3a is driven and turned on (ON), all the windings N1 of the choke coil 6a are turned on.
A current is supplied to the output terminal 5 via the second and N2, and energy is stored in the choke coil 6a. Next, when the semiconductor switch element 3a is driven OFF, the energy stored in the choke coil 6a is turned on by the flywheel diode 3b, and the choke coil 6a is turned on.
a to the output terminal 5 through the winding N2
A continuous current can be supplied to the output terminal 5. The choke coil 6a is composed of the windings N1 and N2, but since it is magnetically tightly coupled, the stored energy can be released from the winding N2.

【0019】以上の動作により、降圧DC−DCコンバ
ータ6の出力電圧V0と入力電圧Vinとの関係式は、
下記式(1)で関係づけられる。
By the above operation, the relational expression between the output voltage V0 of the step-down DC-DC converter 6 and the input voltage Vin is as follows:
It is related by the following equation (1).

【0020】 V0=(D/(1+(N1/N2)・(1−D)))×Vin (1) ここで、Dは半導体スイッチ素子3aのON時間とOF
F時間よりD=ON時間/(ON時間+OFF時間)と
している。
V0 = (D / (1+ (N1 / N2) · (1-D))) × Vin (1) where D is the ON time of the semiconductor switch element 3a and OF
From F time, D = ON time / (ON time + OFF time).

【0021】またチョークコイル6aのフライホイルダ
イオード3bの接続点の左右巻線N1、巻線N2のそれ
ぞれの巻線数をN1,N2としている。
The numbers of the left and right windings N1 and N2 at the connection point of the flywheel diode 3b of the choke coil 6a are N1 and N2.

【0022】DC−DCコンバータ装置の事例として、
例えば、入力電圧Vin=36V、出力電圧V0=12
V、出力電流I0=40AのDC−DCコンバータ装置
を、出力電流20AのDC−DCコンバータ2個の並列
で構成するとする。
As an example of a DC-DC converter device,
For example, input voltage Vin = 36V, output voltage V0 = 12
Suppose that a DC-DC converter device having V and an output current I0 = 40 A is constituted by two DC-DC converters having an output current of 20 A in parallel.

【0023】図3に示す従来例では、図3における半導
体スイッチ素子3a,4aのON時間とOFF時間は、
入力電圧Vinと出力電圧V0の関係から一義的に設定
され、D=12V/36V=約0.33と決まってしま
う。一方、2個の降圧DC−DCコンバータ3,4の並
列構成で、入力と出力のリップル電流をインターリーブ
制御技術で最小にできるのは、D=0.5の条件で、こ
れではリップル電流を小さくできない。
In the conventional example shown in FIG. 3, the ON time and the OFF time of the semiconductor switch elements 3a and 4a in FIG.
It is uniquely set from the relationship between the input voltage Vin and the output voltage V0, and D = 12V / 36V = 0.33. On the other hand, in the parallel configuration of the two step-down DC-DC converters 3, 4, the input and output ripple currents can be minimized by the interleave control technique under the condition of D = 0.5. Can not.

【0024】これに対して本発明の一実施形態である図
1においては、D=0.5となるように式(1)からチ
ョークコイル6a,7aのそれぞれの巻線N1と巻線N
2との巻線比率Hを設定できる。
On the other hand, in FIG. 1, which is one embodiment of the present invention, the winding N1 and the winding N of the choke coils 6a and 7a are calculated from the equation (1) so that D = 0.5.
The winding ratio H to 2 can be set.

【0025】H=N1/N2 式(1)に、Vin=36V、V0=12V、D=0.
5を代入すると、 H=1 が得られる、即ちチョークコイル6a,7aのそれぞれ
の巻線N1と巻線N2との巻線比率を1:1に設定する
ことによって、インターリーブ制御技術の効果が発揮さ
れ、入力と出力とのリップル電流を最小にすることが可
能となる。図2(a)〜(c)に上記実施の形態におけ
る入力電流波形を示しており、(a)は降圧DC−DC
コンバータ6、(b)は降圧DC−DCコンバータ7、
(c)はトータルのそれぞれ入力電流を示し、リップル
電流の極めて小さい入力電流波形となっている。
H = N1 / N2 In equation (1), Vin = 36V, V0 = 12V, D = 0.
Substituting 5 gives H = 1, that is, the effect of the interleave control technique is exhibited by setting the winding ratio between the respective windings N1 and N2 of the choke coils 6a and 7a to 1: 1. Therefore, it is possible to minimize the ripple current between the input and the output. 2 (a) to 2 (c) show input current waveforms in the above embodiment, and FIG. 2 (a) shows a step-down DC-DC
Converter 6, (b) is a step-down DC-DC converter 7,
(C) shows the total input current, and has an input current waveform with extremely small ripple current.

【0026】また(d)〜(f)は出力電流波形を示
し、(d)は降圧DC−DCコンバータ6、(e)は降
圧DC−DCコンバータ7、(f)はトータルのそれぞ
れ出力電流を示し、リップル電流が極めて小さいものと
なっている。
(D) to (f) show output current waveforms, (d) shows a step-down DC-DC converter 6, (e) shows a step-down DC-DC converter 7, and (f) shows a total output current. As shown, the ripple current is extremely small.

【0027】[0027]

【発明の効果】以上のように本発明によれば、DC−D
Cコンバータ装置の各種の仕様に従って、半導体素子の
前後のチョークコイルの巻線比率を設定することで、入
力と出力のリップル電流を最小に設定できるため、DC
−DCコンバータ装置の高効率化、小形化が実現できる
という効果を奏するものである。
As described above, according to the present invention, DC-D
By setting the winding ratio of the choke coil before and after the semiconductor element according to various specifications of the C converter device, the input and output ripple current can be set to the minimum, so that the DC
-It has the effect that the DC converter device can be made more efficient and smaller.

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

【図1】本発明の実施の形態1におけるDC−DCコン
バータ装置の回路図
FIG. 1 is a circuit diagram of a DC-DC converter device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】(a)〜(f)はそれぞれ同実施の形態におけ
る波形図
FIGS. 2A to 2F are waveform diagrams respectively showing the same embodiment;

【図3】従来のDC−DCコンバータ装置の回路図FIG. 3 is a circuit diagram of a conventional DC-DC converter device.

【図4】同入力電流波形図FIG. 4 is a waveform diagram of the input current.

【図5】同入力電流波形図FIG. 5 is a waveform diagram of the input current.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1 入力直流電圧 2 入力平滑用コンデンサ 6,7 降圧DC−DCコンバータ 3a,4a 半導体スイッチ素子 3b,4b フライホイルダイオード 6a,7a チョークコイル 3d,4d 出力平滑用コンデンサ 5 出力端子 Reference Signs List 1 input DC voltage 2 input smoothing capacitor 6, 7 step-down DC-DC converter 3a, 4a semiconductor switch element 3b, 4b flywheel diode 6a, 7a choke coil 3d, 4d output smoothing capacitor 5 output terminal

Claims (4)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 PWMスイッチング方式のDC−DCコ
ンバータを、2個以上並列接続するとともに、各DC−
DCコンバータを、そのPWM制御に位相差をつけたイ
ンターリーブ制御を行うDC−DCコンバータ装置にお
いて、前記複数のDC−DCコンバータの少なくとも一
つはチョークコイルを有し、このチョークコイルの中点
に半導体素子を接続したDC−DCコンバータ装置。
1. A DC-DC converter of a PWM switching system is connected in parallel with two or more DC-DC converters.
In a DC-DC converter device for performing interleave control of a DC converter with a phase difference in PWM control, at least one of the plurality of DC-DC converters has a choke coil, and a semiconductor is provided at a center point of the choke coil. DC-DC converter device with connected elements.
【請求項2】 PWMスイッチング方式のDC−DCコ
ンバータを、2個以上並列接続するとともに、各DC−
DCコンバータを、そのPWM制御に位相差をつけたイ
ンターリーブ制御を行うDC−DCコンバータ装置にお
いて、前記複数のDC−DCコンバータは、それぞれチ
ョークコイルを有し、各チョークコイルの中点に半導体
素子を接続したDC−DCコンバータ装置。
2. A DC-DC converter of a PWM switching system is connected in parallel with two or more DC-DC converters.
In a DC-DC converter device that performs interleave control of a DC converter with a phase difference in PWM control, the plurality of DC-DC converters each have a choke coil, and a semiconductor element is provided at a midpoint of each choke coil. DC-DC converter device connected.
【請求項3】 PWMスイッチング方式のDC−DCコ
ンバータを、2個以上並列接続するとともに、各DC−
DCコンバータを、そのPWM制御に位相差をつけたイ
ンターリーブ制御を行うDC−DCコンバータにおい
て、前記複数のDC−DCコンバータの少なくとも一つ
はチョークコイルを有し、このDC−DCコンバータ装
置の入力と出力のリップル電流値が最小になるように、
上記チョークコイルの中点に半導体素子を接続するDC
−DCコンバータ装置の調整方法。
3. A DC-DC converter of a PWM switching system is connected in parallel with two or more DC-DC converters.
In a DC-DC converter that performs interleaving control by applying a phase difference to the PWM control of the DC converter, at least one of the plurality of DC-DC converters has a choke coil. In order to minimize the output ripple current value,
DC for connecting a semiconductor element to the middle point of the choke coil
-How to adjust the DC converter device.
【請求項4】 PWMスイッチング方式のDC−DCコ
ンバータを、2個以上並列接続するとともに、各DC−
DCコンバータを、そのPWM制御に位相差をつけたイ
ンターリーブ制御を行うDC−DCコンバータにおい
て、前記複数のDC−DCコンバータはそれぞれチョー
クコイルを有し、このDC−DCコンバータ装置の入力
と出力のリップル電流値が最小になるように、上記各チ
ョークコイルの中点に半導体素子を接続するDC−DC
コンバータ装置の調整方法。
4. A DC-DC converter of a PWM switching system is connected in parallel with two or more DC-DC converters.
In the DC-DC converter, which performs interleave control with a phase difference from the PWM control of the DC converter, each of the plurality of DC-DC converters has a choke coil, and the input and output ripples of the DC-DC converter device are controlled. DC-DC connecting a semiconductor element to the midpoint of each choke coil so that the current value is minimized
How to adjust the converter device.
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