JP2003018834A - スイッチング電源回路 - Google Patents

スイッチング電源回路

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JP2003018834A JP2001198087A JP2001198087A JP2003018834A JP 2003018834 A JP2003018834 A JP 2003018834A JP 2001198087 A JP2001198087 A JP 2001198087A JP 2001198087 A JP2001198087 A JP 2001198087A JP 2003018834 A JP2003018834 A JP 2003018834A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 直流電力への変換の際の半導体スイッチ素子
の損失が少なく、高い力率を得ることができるスイッチ
ング電源回路を提供する。 【解決手段】 交流電圧が印加されるダイオードブリッ
ジD1〜D4と、この他端に接続されるリアクトルL1
と、これに接続される第1ダイオードD5と、第1ダイ
オードの他端が第1巻線に接続されるトランスTRと、
第1巻線の他端に通電路が接続される第1トランジスタ
Q1と、リアクトルと第1ダイオードとに接続されるコ
ンデンサC4と、第3巻線の一端とコンデンサの他端と
に接続される第2ダイオードD7と、第2ダイオードの
他端が通電路に接続される第2トランジスタQ2とを有
し、第1、第2のトランジスタを異なるタイミングでオ
ンオフするようにしたスイッチング電源回路。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、直流電圧源から
変圧器を介して負荷に直流電力を供給するスイッチング
電源回路に関し、特に力率が改善されたスイッチング電
源回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、商用交流電源からの交流電圧をダ
イオードブリッジ等の整流器を用いて直流電圧に変換
し、これを所望の直流電力へと変圧し波形整形して出力
するスイッチング電源回路が、多数、用いられている。
このようなスイッチング電源回路では、整流器で変換後
の直流電力を、変圧器の一次巻線を介してトランジスタ
等のスイッチング素子に供給し、このスイッチング素子
を一定のサイクルでこのオンオフさせることで、変圧器
の二次巻線に所望の波形の出力電圧を得、この出力電圧
を平滑処理することにより、最終的に希望する直流電力
を負荷へと供給することができる。
【0003】ここで、従来のスイッチング電源回路とし
て、例えば、特許第3082873号公報が上げられ
る。図4は従来のスイッチング電源を示す回路図、図5
は図4に示されるスイッチング電源回路の動作を示すグ
ラフである。図4におけるスイッチング電源回路2は、
該特許とほぼ同様のスイッチング電源回路を示すもので
あり、交流電力が印加されるダイオードブリッジD1〜
D4と、このダイオードD1とD3との接続点に接続さ
れるリアクトルL1、この他端に接続されるダイオード
D5とが設けられている。更に、変圧のためのトランス
TRは、入力側の一次巻線N1及び出力側の二次巻線N
2を有している。トランスTRの一次巻線N1の一端に
は、上述したダイオードD5の他端が接続されており、
更に電解コンデンサC1が接続されている。一次巻線N
1の他端には、主半導体スイッチであるスイッチング素
子として、トランジスタQ1の導電路の一端が接続さ
れ、この他端が上述したダイオードブリッジのD4とD
2との接続点に接続されている。更にスナバコンデンサ
C4が、トランスTRの一次巻線N1の他端と上述した
リアクトルL1とコンデンサD5との接続点との間に設
けられている。同様にコンデンサC3が、トランジスタ
Q1の導電路の一端と他端とに接続されている。
【0004】このスイッチングトランジスタQ1は、出
力電位に応じてオンオフのタイミングが制御されるタイ
ミング信号が供給され、このタイミングによりそのスイ
ッチングを行っている。
【0005】更にトランスTRの出力側である二次巻線
N2は、その一端がダイオードD6に接続され、他端が
グランドに設置されている。更に、ダイオードD6の出
力は電解コンデンサC2の一端に接続され、出力電位V
を図示しない負荷に供給している。又電解コンデンサ
C2の他端は接地されている。
【0006】このようなスイッチング電源回路2におい
ては、図5のグラフに示すような動作タイミングによ
り、二次巻線N2側に、所望の直流電力を発生させ、こ
れを負荷に供給する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなスイッチング電源回路において、スイッチングトラ
ンジスタQ1の動作タイミングに注目すると、半導体ス
イッチング素子の損失が生じてくるという問題がある。
すなわち、時刻T1にゲート電圧に応じてトランジスタ
Q1がオンする。同時にコンデンサC3、C4を放電す
る電流がトランジスタQ1に流れる。またトランジスタ
Q1のドレイン電圧も立ち下がってくる。このトランジ
スタQ1がオンする時に、トランジスタQ1のドレイン
電流の立ち上がりとドレイン電圧の立ち下がりが重なっ
た部分がスイッチング損失として生じてくる。このスイ
ッチング損失がスイッチング電源回路の効率と力率の低
下の原因となるという問題がある。又更に、トランジス
タQ1のドレイン電流の立ち下がりが、トランジスタQ
1のドレイン電圧の立ち上がりと重複しているため、ト
ランジスタQ1のオフ時のスイッチング損失として表れ
てきており、これも同様に効率と力率の低下を招くとい
う問題がある。
【0008】本発明は上述した事情に鑑み成されたもの
であり、複数のスイッチング素子を設けることで、スイ
ッチング素子の損失が少なく高い力率を得ることができ
るスイッチング電源回路を提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、商用交流電源
からの交流電圧を整流し、直流電圧を出力するブリッジ
型整流回路と、前記ブリッジ型整流回路の直流電圧出力
端に接続されたリアクトル、及びこのリアクトルと直列
に接続された第1のダイオードとから成る直列回路と、
一次巻線、二次巻線、三次巻線を有し、一次巻線の一端
が前記直列回路を介して前記ブリッジ型整流回路の直流
電圧出力端に接続され、他端が三次巻線の一端に接続さ
れたトランスと、制御電極及び主導電路を有し、前記ト
ランスの一次巻線の他端と基準電位点との間に主導電路
が接続された第1のスイッチング素子と、制御電極及び
主導電路を有し、前記トランスの三次巻線の他端と基準
電位点との間に第2のダイオードを介して主導電路が接
続された第2のスイッチング素子と、前記第1のダイオ
ードと前記一次巻線との接続点と基準電位点間に接続さ
れた第1のコンデンサと、前記リアクトルと第1のダイ
オードとの接続点及び前記第2のダイオードと第2のス
イッチング素子との接続点間に接続された第2のコンデ
ンサと、前記トランスの二次巻線に接続された二次側整
流回路と、前記第1、第2のスイッチング素子の制御電
極に駆動信号を供給して前記第1、第2のスイッチング
素子を異なるタイミングでオンオフ駆動するとともに、
前記二次側整流回路からの電圧変化に応じて前記駆動信
号を制御するタイミング回路とを具備してなるスイッチ
ング電源回路である。
【0010】本発明は、第1トランジスタQ1のスイッ
チング損失を低減させるための二つのコンデンサC3及
びC4の不本意な蓄電を、上述した第2トランジスタQ
2を所望のタイミングでスイッチングすることにより、
放電させることができる。これにより、一つのトランジ
スタだけで変換処理を行っていた場合よりも、スイッチ
素子の損失を軽減することができるため、より高い効率
を可能とし、又力率を改善するスイッチング電源回路を
提供することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図面を用いてこの発明の実
施形態を詳細に説明する。
【0012】<スイッチング電源回路の構成>図1は本
発明に係るスイッチング電源回路の一例を示す回路図、
図2は本発明に係るスイッチング電源回路の動作の一例
を示すグラフ、図3は本発明に係るスイッチング電源回
路の動作の一例を示すグラフである。
【0013】図1の本発明に係るスイッチング電源回路
1は、交流電力が印加されるダイオードブリッジD1〜
D4と、このダイオードD1とD3との接続点に接続さ
れるリアクトルL1、この他端に接続されるダイオード
D5とが設けられている。更に、変圧のためのトランス
TRは、入力側の一次巻線N1、三次巻線N3及び出力
側の二次巻線N2を有している。トランスTRの入力側
の一次巻線N1の一端には、上述したダイオードD5の
他端が接続されており、更に電解コンデンサC1が接続
されている。一次巻線N1の他端には、スイッチング素
子としてトランジスタQ1の導電路の一端が接続され、
この他端が上述したダイオードブリッジのD4とD2と
の接続点つまりアースに接続されている。
【0014】更に三次巻線N3の一端には、リアクトル
L2と、これに直列なダイオードD7が設けられてい
る。更にダイオードD7の他端と上述したリアクトルL
1とコンデンサD5との接続点との間にスナバコンデン
サC4が設けられている。同様にコンデンサC3が、ト
ランジスタQ1の主導電路の一端と他端間に接続されて
いる。
【0015】更に本発明の特徴となる第2のスイッチン
グ素子であるトランジスタQ2の導電路が、上述したダ
イオードD7の他端に接続されており、導電路の他端
が、ダイオードD2とD4との接続点に接続されてい
る。
【0016】又更に、二つのトランジスタQ1、Q2
は、それぞれ、タイミング回路Tから、タイミング信号
Q1、VQ2がそれぞれ供給され、これらのタイミン
グによりそのスイッチングを行っている。
【0017】更にトランスTRの出力側である二次巻線
N2は、その一端がダイオードD6に接続され、他端が
グランドに設置されている。更に、ダイオードD6の出
力は電解コンデンサC2の一端に接続され、出力電位V
を図示しない負荷に供給している。又電解コンデンサ
C2の他端は接地されている。
【0018】更にこの出力電位VはフォトカプラP1
に供給され、出力電位Vの変化をフォトカプラP1を
介してタイミング回路T1にフィードバックし、トラン
ジスタQ1,Q2を駆動するタイミング信号VQ、V
の周波数等をコントロールし、トランジスタQ1、
Q2のオンオフ状態を制御するようにしている。
【0019】<動作・作用効果>本発明に係るスイッチ
ング電源回路1と、図4に示したスイッチング電源回路
2との相違点は、変圧器TRにN3巻線を追加し、この
N3巻線にリアクトルL2とダイオードD7の直列回路
を接続し、第2のトランジスタQ2をこの直列回路へと
接続し、この接続点にコンデンサC4を接続したことに
ある。以下、図2、図3を参照して本発明のスイッチン
グ回路の動作を説明する。
【0020】スイッチング電源回路1において、副半導
体スイッチ素子であるトランジスタQ2が時刻T1でオ
ンすると、スナバコンデンサC3の電荷は、変圧器TR
の三次巻線N3→リアクトルL2→ダイオードD7→ト
ランジスタQ2の経路で放電される。この放電電流はス
ナバコンデンサC3とリアクトルL2の直列共振電流と
して流れる。またこのコンデンサC3とリアクトルL2
の直列共振電流の一部は、変圧器TRの一次巻線N1を
通り、直流電圧源である電解コンデンサC1に回生され
る。
【0021】このようなトランジスタQ2の働きによ
り、コンデンサC3とリアクトルL2の直列共振の電流
のピーク値から後半には、コンデンサC3の電圧をゼロ
とすることができるため、この時刻T2で主半導体スイ
ッチであるトランジスタQ1をオンさせることにより、
トランジスタQ1はゼロ電圧でオンする。よってトラン
ジスタQ1のオン時のスイッチング損失はゼロとなり
(ゼロ電圧スイッチング)、効率を改善することができ
る。
【0022】又、またトランジスタQ2はコンデンサC
3とリアクトルL2の直列共振電流がゼロから立ち上が
るため、ゼロ電流スイッチを行うことができるので、オ
ン時の損失を解消することができる。
【0023】トランジスタQ2がオンしている期間に、
コンデンサC4のエネルギはコンデンサC4→トランジ
スタQ2→ダイオードD4、D2→ダイオードD1、D
3→リアクトルL1の経路でリアクトルL1に蓄積され
る。このトランジスタQ2のオン期間T1〜T3のリア
クトルL1への電流は交流電圧源を介して行われるた
め、ダイオードブリッジD1〜D4の導通角が広がり力
率を改善することができる。
【0024】又、トランジスタQ2がオフする時刻T3
から、リアクトルL1のエネルギはリアクトルL1→ダ
イオードD5→コンデンサC1→ダイオードD4、D2
→ダイオードD1、D3の経路で直流電圧源である電解
コンデンサC1に蓄積される。このトランジスタQ2の
スイッチングの働きにより、Q1のドレイン電流はゼロ
へ向かって減衰し、時刻T4以降はかなり小さい値とな
り、トランジスタQ1のドレイン電流の立ち下がりと、
ドレイン電圧の立ち上がりとの重複部分が非常に少なく
なるため、オフ時の損失も非常に小さく抑制することが
できる。
【0025】すなわち、時刻T4に、トランジスタQ1
がオフすると同時にトランジスタQ1とトランジスタQ
2のドレイン電圧は上昇する。トランジスタQ1のドレ
イン電圧の上昇は、上述したトランジスタQ2の働きに
よりスナバコンデンサC3とC4へ充電電流が流れるた
め緩やかにになり、トランジスタQ1のオフ時の損失を
抑制することができる。
【0026】更に、時刻T4〜T5の間に、コンデンサ
C4は変圧器TRの一次巻線N1と三次巻線N3によっ
て充電される。この時コンデンサC4の両端電圧は、
〔(N1+N3)/N2〕・Vで表され、このコンデ
ンサC4の両端電圧は、トランジスタQ2がオフする
と、リアクトルL1の両端電圧に加算されるため、図2
に示すようにダイオードブリッジD1〜D4に流れる電
流の導通角は交流電圧源の尖頭値からコンデンサC4の
両端電圧まで広がるので力率の改善を図ることができ
る。
【0027】以上説明したように本発明のスイッチング
電源回路では、主半導体スイッチであるトランジスタQ
1に加えて、副半導体スイッチであるトランジスタQ2
を設けることで、トランジスタQ1のオン時の損失とオ
フ時の損失を解消し抑制することにより、効率と力率を
向上させることが可能となる。
【0028】以上記載した実施形態により、当業者は本
発明を実現することができるが、これらの実施形態の変
形例も当業者により容易に考えることができる。このよ
うに本発明は、開示された原理と新規な特徴に矛盾しな
い広範な範囲に及ぶものであり、上述した実施形態に限
定されることはないことは言うまでもない。
【0029】
【発明の効果】以上、本発明に係るスイッチング電源回
路においては、主半導体スイッチであるトランジスタQ
1によりエネルギを一次側から二次側へ変換させ、副半
導体スイッチであるトランジスタQ2によりトランジス
タQ1のスイッチング損失を減らす役割と力率改善の役
割をもたせることにより、トランジスタQ1のスイッチ
ング損失を抑制させることができ、力率が高く高調波電
流の発生が少ないスイッチング電源回路を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るスイッチング電源回路の一例を示
す回路図。
【図2】本発明に係るスイッチング電源回路の動作の一
例を示すグラフ。
【図3】本発明に係るスイッチング電源回路の動作の一
例を示すグラフ。
【図4】従来のスイッチング電源を示す回路図。
【図5】図4に示されるスイッチング電源回路の動作を
示すグラフ。
【符号の説明】
AC … 交流電源 D1〜D7 … ダイオード Q1、Q2 … トランジスタ TR … 変圧器 C1〜C4 … コンデンサ L1、L2 … リアクトル
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 5H730 AA14 AS01 BB43 BB57 BB61 CC01 DD04 DD42 EE02 EE07 EE59 FD01 5J055 AX11 BX16 CX19 DX13 EX11 EY05 EY06 EY10 EY12 EY21 EY28 EZ15 EZ17 EZ28 EZ52 EZ59 EZ60 FX05 FX07 FX13 FX31 GX01 GX04 GX05

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 商用交流電源からの交流電圧を整流し、
    直流電圧を出力するブリッジ型整流回路と、 前記ブリッジ型整流回路の直流電圧出力端に接続された
    リアクトル、及びこのリアクトルと直列に順方向接続さ
    れた第1のダイオードとから成る直列回路と、 一次巻線、二次巻線、三次巻線を有し、一次巻線の一端
    が前記直列回路を介して前記ブリッジ型整流回路の直流
    電圧出力端に接続され、他端が三次巻線の一端に接続さ
    れたトランスと、 制御電極及び主導電路を有し、前記トランスの一次巻線
    の他端と基準電位点との間に主導電路が接続された第1
    のスイッチング素子と、 制御電極及び主導電路を有し、前記トランスの三次巻線
    の他端と基準電位点との間に第2のダイオードを介して
    主導電路が接続された第2のスイッチング素子と、 前記第1のダイオードと前記一次巻線との接続点と基準
    電位点間に接続された第1のコンデンサと、 前記リアクトルと第1のダイオードとの接続点及び前記
    第2のダイオードと第2のスイッチング素子との接続点
    間に接続された第2のコンデンサと、 前記トランスの二次巻線に接続された二次側整流回路
    と、 前記第1、第2のスイッチング素子の制御電極に駆動信
    号を供給して前記第1、第2のスイッチング素子を異な
    るタイミングでオンオフ駆動するとともに、前記二次側
    整流回路からの電圧変化に応じて前記駆動信号を制御す
    るタイミング回路とを具備してなるスイッチング電源回
    路。
  2. 【請求項2】 前記トランスの三次巻線の他端と前記第
    2ダイオードとの間に接続された第2のリアクトルを有
    することを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電
    源回路。
  3. 【請求項3】 前記タイミング回路は、前記第2のスイ
    ッチング素子のオンオフタイミングに対し遅延したタイ
    ミングで前記第1のスイッチング素子をオンオフするよ
    うに前記駆動信号を発生することを特徴とする請求項1
    に記載のスイッチング電源回路。
  4. 【請求項4】 前記第1,第2のスイッチング素子は、
    電解効果トランジスタでなることを特徴とする請求項1
    に記載のスイッチング電源回路。
  5. 【請求項5】 商用交流電源からの交流電圧を整流し、
    直流電圧を出力するブリッジ型整流回路と、 前記ブリッジ型整流回路の直流電圧出力端に接続された
    第1のリアクトル、及びこの第1のリアクトルと直列に
    順方向接続された第1のダイオードと第1のコンデンサ
    にて成る第1の整流回路と、 一次巻線、二次巻線、三次巻線を有し、一次巻線の一端
    に前記第1の整流回路からの整流電圧が供給され、他端
    が三次巻線の一端に接続されたトランスと、 前記トランスの三次巻線の他端に接続されたリアクト
    ル、及びこのリアクトルと直列に順方向接続された第2
    のダイオードとから成る直列回路と、 前記第1のリアクトルと第1のダイオードとの接続点
    と、前記第2のダイオードの出力端との間に接続された
    第2のコンデンサと、 制御電極及び主導電路を有し、前記トランスの一次巻線
    の他端と基準電位点との間に主導電路が接続された第1
    のトランジスタと、 制御電極及び主導電路を有し、前記第2のダイオードの
    出力端と基準電位点との間に主導電路が接続された第2
    のトランジスタと、 前記第1のトランジスタの主導電路と並列に接続された
    第3のコンデンサと、 前記トランスの二次巻線に接続された二次側整流回路
    と、 前記第1、第2のトランジスタの制御電極に駆動信号を
    供給して前記第1、第2のトランジスタを異なるタイミ
    ングでオンオフ駆動するとともに、前記二次側整流回路
    からの電圧変化に応じて前記駆動信号を制御するタイミ
    ング回路とを具備してなるスイッチング電源回路。
  6. 【請求項6】 前記タイミング回路は、前記第2のトラ
    ンジスタ素子のオンオフタイミングに対し遅延したタイ
    ミングで前記第1トランジスタをオンオフするように前
    記駆動信号を発生することを特徴とする請求項5に記載
    のスイッチング電源回路。
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