JP2004304970A - Switching power supply unit and control method for voltage conversion - Google Patents

Switching power supply unit and control method for voltage conversion Download PDF

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JP2004304970A JP2003097653A JP2003097653A JP2004304970A JP 2004304970 A JP2004304970 A JP 2004304970A JP 2003097653 A JP2003097653 A JP 2003097653A JP 2003097653 A JP2003097653 A JP 2003097653A JP 2004304970 A JP2004304970 A JP 2004304970A
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voltage
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transformer
reactor
diode
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Tomiyasu Sagane
富保 砂金
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Saneisha Seisakusho KK
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Saneisha Seisakusho KK
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a switching power supply unit wherein stable direct-current output voltage free from ripple voltage or the like is obtained, the circuitry is simplified, and the cost can be reduced. <P>SOLUTION: The switching power supply unit is so constituted that the following operation is performed: Input voltage is charged into a smoothing capacitor through a reactor; the charging voltage is alternately chopped by a transformer and two switching elements at a predetermined frequency; and alternating voltage of a predetermined frequency is produced on the output side of the transformer, and is rectified and outputted. More specifically, a current is passed through the reactor via one in the on state of the two switching elements. When the state of the switching element in the on state changes to the off state, the energy stored in the reactor is applied in a superposing manner to the capacitor to boost the charging voltage. The boosted charging voltage is input to the input side of the transformer through the other switching element whose state changes from the off state to the on state. Thus, alternating voltage of the predetermined frequency is produced on the output side of the transformer. The alternating voltage is rectified and outputted. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、直流入力電圧をスイッチング素子により所定周波数でチョッピングし、出力側の整流回路で整流して所定の直流出力電圧を出力するスイッチング電源装置およびその電圧変換制御方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
従来において、この種のスイッチング電源装置として、次の特許文献1に開示されたものや、図6に示すように、平滑コンデンサの前段にブーストコンバータ(あるいは前置コンバータ)を設けたものがある。これらは、いずれも力率を改善するように構成したものである。
【0003】
【特許文献1】
特許第3082873号公報
【0004】
図6に示す従来回路は、交流電源電圧をダイオードD1〜D4から成る整流回路RC1で全波整流し、その直流出力電圧をリアクトルL1とダイオードD5の直列回路を通して平滑コンデンサC1に供給することにより、平滑コンデンサC1を充電するように構成し、リアクトルL1とダイオードD5との接続点に導通路(コレクタ・エミッタ)が接続されたトランジスタTR0を、交流電源周波数よりも十分に高い所定周波数の制御信号でスイッチングし、トランジスタTR0がONからOFFに変化する時に、リアクトルL1から発生するエネルギーをダイオードD5を通じて平滑コンデンサC1に重畳して充電し、平滑コンデンサC1の充電電圧を整流回路の出力電圧より昇圧し、その昇圧した電圧をトランスT1の一次側巻線N1,N2に入力し、トランジスタTR1,TR2によりチョッピングし、トランスT1の二次側巻線N3,N4に接続されたダイオードD6、D7、リアクトルL2,平滑コンデンサC2、抵抗R1で構成される整流回路RC2から所定の直流出力電圧を出力するように構成したものである。
【0005】
トランジスタTR0は、第1の制御回路CONT1から出力される制御信号により、交流電源周波数よりも十分に高い周波数でスイッチングされる。図7(a)にトランジスタTR0のコレクタ電圧VTR0の波形を示し、図7(b)にエミッタ・コレクタ間に流れる電流ITR0の波形を示している。
制御回路CONT1は、平滑コンデンサC1の充電電圧を監視し、充電電圧が所定電圧になるようにトランジスタTR1のオン時間を制御する。
一方、トランスT1の一次側の第1巻線N1と第2巻線N2とは一端同士が接続され、第1巻線N1の他端はトランジスタTR1のコレクタに接続されている。また、トランスT1の第2巻線N2の他端はトランジスタTR2のコレクタに接続されている。
【0006】
制御回路CONT2は、制御回路CONT1とは若干異なる周波数の制御信号により、出力側の整流回路REC2の出力電圧が所定電圧に維持されるようにトランジスタTR1,TR2をスイッチングさせ、トランスT1の一次側の第1巻線N1、第2巻線N2に交互に、平滑コンデンサC2の出力電圧を所定周波数でチョッピングした電流を流す。図7(c)にトランジスタTR2のコレクタ電圧VTR2の波形を示し、図7(d)にエミッタ・コレクタ間に流れる電流ITR2の波形を示している。トランジスタTR2のコレクタ電圧およびコレクタ電流は、トランジスタTR2と逆位相であり、図7では省略している。
また、ブーストコンバータ及びプッシュプル型コンバータは独立した制御回路で動作していることから独自の発振周波数で動作している。図7の動作説明は便宜上位相を合わせた図にしている。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図6の従来装置にあっては、平滑コンデンサC1の前段に設けたトランジスタTR0と制御回路CONT1とから成るブーストコンバータと、後段のトランジスタTR3,TR4およびトランスT1からプッシュプル型のコンバータとをそれぞれ別個のスイッチング周波数で動作させているため、両者のスイッチング周波数が接近していた場合には一方のスイッチング周波数の少しの変動によってビート発振が起こり、出力側の整流回路RC1の出力にリップル電圧が発生し、出力に接続された外部機器に誤動作を生じさせるという問題があった。
また、制御回路を2個設けているため、回路構成が大きくなり、コストも嵩むという問題があった。
【0008】
本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、リップル電圧等が発生しない安定した直流出力電圧を得ることができ、しかも回路構成を簡単にし、コストを低減させることができるスイッチング電源装置およびその電圧変換制御方法を提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明は、一端が直流入力電圧の入力端に接続されたリアクトルと、一端同士が接続された一次側の第1巻線および第2巻線と一端同士が接続された二次側の第3巻線および第4巻線を有し、二次側の第3巻線の他端と第4巻線の他端とに出力側の整流回路が接続されたトランスと、アノードが前記リアクトルの他端に接続され、カソードが前記トランスの一次側の第1巻線の他端に接続された第1のダイオードと、アノードが前記リアクトルの他端に接続され、カソードが前記トランスの一次側の第1巻線と第2巻線の接続点に接続された第2のダイオードと、アノードが前記リアクトルの他端に接続され、カソードが前記トランスの一次側の第2巻線の他端に接続された第3のダイオードと、前記第2のダイオードのカソードに接続されたコンデンサと、前記第1のダイオードのカソードと接地電位との間に導電路が接続された第1のスイッチング素子と、前記第3のダイオードのカソードと接地電位との間に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および第2のスイッチング素子を、交互に導通する期間を設けた所定周波数の制御信号で駆動する制御回路とを備えることを特徴とする。
また、前記第2のダイオードのカソードと前記トランスの一次側の第1巻線と第2巻線の接続点との間に、第2のダイオード側をアノードとする第4のダイオードが接続されていることを特徴とする。
【0010】
本発明に係る電圧変換制御方法は、入力電圧をリアクトルを介して平滑コンデンサに充電し、その充電電圧をトランスと2つのスイッチング素子により所定周波数で交互にチョッピングし、トランスの出力側に所定周波数の交番電圧を発生させ、その交番電圧を整流して出力するスイッチング電源装置において、前記2つのスイッチング素子のうちオン状態となっているスイッチング素子を介して前記リアクトルに電流を流し、オン状態となっていたスイッチング素子がオフ状態に変化する際に前記リアクトルに蓄えられたエネルギーを前記平滑コンデンサに重畳印加して該平滑コンデンサの充電電圧を昇圧し、その昇圧された充電電圧をオフ状態からからオン状態に変化する他方のスイッチング素子を介して前記トランスの入力側に入力し、前記トランスの出力側に所定周波数の交番電圧を発生させ、その交番電圧を整流して出力することを特徴とする。
【0011】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施する場合の一形態を図面により具体的に説明する。
図1は、本発明による電源装置の実施の形態を示す回路構成図である。なお、図1において、図1の従来回路と同一部分は同一符号で示している。
図1に示す本実施形態のスイッチング電源装置は、整流回路RC1の出力端(直流入力電圧の入力端)に接続されたリアクトルL1と、一端同士が接続された一次側の第1巻線N1および第2巻線N2および一端同士が接続された二次側の第3巻線N3および第4巻線N4を有し、二次側の第3巻線N3の他端と第4巻線N4の他端とに出力側の整流回路RC2が接続されたトランスT1と、アノードが前記リアクトルL1の他端に接続され、カソードが前記トランスT1の一次側の第1巻線N1の他端に接続された第1のダイオードD8と、アノードが前記リアクトルL1の他端に接続され、カソードが前記トランスT1の一次側の第1巻線N1と第2巻線N2の接続点に接続された第2のダイオードD5と、アノードが前記リアクトルL1の他端に接続され、カソードが前記トランスT1の一次側の第2巻線N2の他端に接続された第3のダイオードD9と、前記第2のダイオードD5のカソードに接続された平滑コンデンサC1と、前記第1のダイオードD8のカソードと接地電位との間に導電路(エミッタ・コレクタ)が接続された第1のトランジスタTR1と、前記第3のダイオードD9のカソードと接地電位との間に導電路が接続された第2のトランジスタTR2と、前記第1および第2のトランジスタTR1,TR2を、交互に導通する期間を設けた所定周波数の制御信号で駆動する制御回路CONTとで構成されている。
【0012】
図6の従来回路と異なるのは、トランジスタTR0,制御回路CONT1を削除する一方で、ダイオードD8,D9を追加したことである。
ダイオードD8、D9をトランジスタTR1、TR2のコレクタに接続することにより、トランジスタTR1、TR2がONの時には、これらトランジスタTR1,TR2が従来のブースとコンバータのトランジスタTR0の役割を担い、リアクトルL1にエネルギーを蓄える機能を担う。従来のブーストコンバータとプッシュプルコンバータとが複合された回路構成となっている。
ダイオードD5は、平滑コンデンサC1の充電電圧が逆流しないようにするものである。また、ダイオードD8、D9はトランスT1の1次側の第1巻線N1、第2巻線N2に流れる電流が平滑コンデンサC1に逆流して流れ込むのを防止するものである。
【0013】
トランジスタTR1、TR2は、制御回路CONTの制御信号CS1,CS2によってスイッチングされる。制御回路CONTは、出力側の整流回路RC2の出力電圧を監視し、出力電圧が一定に維持されるように、トランジスタTR1,TR2のON時間を制御する。すなわち、整流回路RC2の出力電圧が所定電圧より降下した場合には、ON時間を長くするように制御し、所定電圧より上昇した場合にはON時間を短くするように制御する。なお、スイッチングの1周期は一定である。
【0014】
図2は、制御回路CONTが出力する制御信号CS2,CS1、トランジスタTR2,TR1のコレクタ電圧VTR2,VTR1、コレクタ電流ITR2、ITR1の波形を示す図である。
【0015】
以下、この波形図を参照して図1の実施形態の動作を説明する。
まず、制御回路CONTは、図2(a),(b)に示すように所定の周期(例えば20μs)でトランジスタTR1,TR2をONさせる制御信号を出力する。これにより、トランジスタTR1,TR2は交流入力電圧の周波数より十分に高い周波数でスイッチングされる。
一方、平滑コンデンサC1は、入力側の整流回路RC1の整流出力電圧がリアクトルL1の一端に加えられている状態でダイオードD5を介して充電される。
【0016】
図2(c)に示すように時間t1においてトランジスタTR2をONさせる制御信号CS2が制御回路CONTからトランジスタTR2のベースに入力されると、トランジスタTR2がONし、このON状態のトランジスタTR2を通して、リアクトルL1→ダイオードD9→トランジスタTR2→接地電位の経路の電流と、平滑コンデンサC1→トランスT1の第2巻線N2→トランジスタTR2→接地電位の経路の電流が流れる。この状態のコレクタ電流ITR2を図2(d)に示している。この時間t1においてはトランジスタTR2がON状態であるので、そのコレクタ電圧VTR2は図2(c)に示すように接地電位である。
また、リアクトルL1には、ダイオードD9→トランジスタTR2→接地電位の経路で電流が流れ、エネルギーが蓄えられる。
【0017】
時間t2になり、トランジスタTR2が制御信号CS2によってOFFになると、前記の経路の電流は流れなくなり、トランジスタTR2のコレクタ電圧VTR2は図2(c)に示すように平滑コンデンサC1の充電電圧まで上昇する。
また、トランジスタTR2がONからOFFに変化することにより、リアクトルL1に蓄積されたエネルギーがダイオードD5を通して平滑コンデンサC1に加えられる。これにより、平滑コンデンサC1には、整流回路RC1の整流出力電圧に対しリアクトルL1に蓄積されたエネルギーが重畳して加えられることになり、平滑コンデンサC1の充電電圧は昇圧され、ステップアップレベルL2まで上昇する。この結果、OFFになっているトランジスタTR2のコレクタ電圧VTR2も図2(c)のようにステップアップレベルL2まで上昇する。
【0018】
平滑コンデンサC1の充電電圧がステップアップレベルL2になっている状態で、時間t3において制御信号CS1によりトランジスタTR1がONされる。すると、平滑コンデンサC1の出力→トランスT1の第1巻線N1→トランジスタTR1→接地電位の経路で電流が流れる。すなわち、トランスT1の第1巻線N1に矢印B方向の電流が流れる。このときのトランジスタT1のコレクタ電流ITR1を図2(f)に、コレクタ電圧VTR1を図2(e)に示している。
トランスT1の第1巻線N1に矢印B方向に流れる電流は、平滑コンデンサC1の充電電圧がステップアップレベルL2まで昇圧されているため、整流回路RC1の整流出力電圧のみで充電していた場合より、電流値が大きい。
これにより、トランスT1の2次側の整流回路RC2の直流出力電圧は、トランスT1の第1巻線N1に矢印B方向に流れる電流値に比例したものとなる。
また、トランジスタTR1がONしていることにより、リアクトルL1にはダイオードD8→トランジスタTR1→接地電位の経路で電流が流れ、エネルギーが蓄えられる。
【0019】
次に時間t4になり、トランジスタTR1がONからOFFになると、リアクトルL1に蓄積された電流エネルギーがダイオードD5を通して平滑コンデンサC1に加えられる。これにより、平滑コンデンサC1には、整流回路RC1の整流出力電圧に対しリアクトルL1に蓄積された電流エネルギーが重畳して加えられることになり、平滑コンデンサC1の充電電圧は昇圧され、ステップアップレベルL2まで上昇する。この結果、OFFになっているトランジスタTR1のコレクタ電圧VTR2も図2(e)のようにステップアップレベルL2まで上昇する。
【0020】
平滑コンデンサC1の充電電圧がステップアップレベルL2になっている状態で、時間t5において制御信号CS1によりトランジスタTR1がONされる。すると、平滑コンデンサC1の出力→トランスT1の第2巻線N2→トランジスタTR2→接地電位の経路で電流が流れる。すなわち、トランスT1の第2巻線N1に矢印A方向の電流が流れる。このときのトランジスタTR1のコレクタ電流ITR1を図2(d)に、コレクタ電圧VTR1を図2(c)に示している。
トランスT1の第2巻線N2に矢印B方向に流れる電流は、平滑コンデンサC1の充電電圧がステップアップレベルL2まで昇圧されているため、整流回路RC1の整流出力電圧のみで充電していた場合より、電流値が大きい。
これにより、トランスT1の2次側の整流回路RC2の直流出力電圧は、トランスT1の第2巻線N2に矢印A方向に流れる電流値に比例したものとなる。
以降は、以上の動作が同様に繰り返される。
【0021】
以上のことから分かるように、本実施形態は、トランジスタTR1,TR2がONしている期間を活用し、ダイオードD8,D9を介してリアクトルL1に電流を流し、昇圧用の電流エネルギーを蓄え、この蓄えた電流エネルギーをON状態となっていたトランジスタがOFF状態に変化した次の時間に平滑コンデンサC1に重畳して加え、平滑コンデンサC1の充電電圧を昇圧し、その昇圧された平滑コンデンサC1の充電電圧をOFF状態からON状態に変化したトランジスタを通じてトランスT1の1次側の巻線(N1またはN2)に流し、トランスT1の2次側の整流回路RC2から所定の直流電圧を出力するようにしたものである。
【0022】
このようにダイオードD8,D9を追加しただけで、制御回路が1個に削減され、コストを削減することができる。また、制御回路が1個になったことにより、ビート発振などの誤動作が起こらなくなり、出力から安定した出力電圧を出力することができる。
【0023】
ここで、リアクトルL1に流す電流の時間が長くなると、リアクトルL1が磁気的に飽和し、リアクトルL1としての機能を果たさなくなることがある。実施に当っては、リアクトルL1のインダクタンス値とトランジスタTR1,TR2のスイッチング周波数とを、リアクトルL1の磁気飽和が起こらないように選定するのが望ましい。
すなわち、図3(e)、(f)に示すように、リアクトルL1の蓄積エネルギーが解放(リセット)されないうちにリアクトルL1へ次の周期の入力電圧を入力すると、リアクトルL1の電流がゼロにならないで連続して流れる現象が生じる。これは電流連続モードと言われるものである。また、図3(c)、(d)に示すように、リアクトルL1の電流がゼロになった直後、またはゼロになる直前に次の周期の入力電圧を入力すると、電流連続モードの臨界点で動作する現象が生じる。これらの現象はリアクトルL1の磁気飽和の原因となり、リアクトル本来の機能を正常に発揮させなくなる。
そこで、図3(a),(b)に示すように、リアクトルL1の蓄積エネルギーが充分に解放され、ゼロの電流値が一定期間だけ続く電流不連続期間が確保できる電流不連続モードでリアクトルL1を駆動するように、リアクトルL1のインダクタンス値とトランジスタTR1,TR2のスイッチング周波数とを選定するのが望ましい。リアクトルL1を電流不連続モードで駆動することにより、リアクトルの磁気飽和を確実に防止できることから入力側の力率を改善することができる。
図2(g)にリアクトルL1の電流波形を示している。
【0024】
なお、図1の構成では、リアクトルL1に交流電源電圧を整流する整流回路RC1の直流出力電圧を入力しているが、図4の第2の実施形態に示すように、電池Eの直流電圧を入力するように構成することもできる。このように構成した場合、DC/DCコンバータとして使用することができる。
【0025】
また、トランジスタTR1とTR2の両方がOFFの時にトランスT1の1次側巻線から平滑コンデンサC1に逆流する電流が何等かの原因で流れることがあるが、図5の第3の実施形態に示すように、トランスT1の第1巻線N1と第2巻線N2との接続点とダイオードD5のカソードとの間にダイオードD10を接続し、平滑コンデンサC1に逆流する電流を遮断することにより、トランジスタTR1とTR2の両方がOFFの時の平滑コンデンサC1の充電電圧を安定化することにより、2次側の整流回路RC2の出力電圧を安定化することができる。
【0026】
以上説明した実施形態のスイッチング電源装置は、原理的には、次のような電圧変換制御方法として言い換えることができる。
すなわち、入力電圧をリアクトルを介して平滑コンデンサに充電し、その充電電圧をトランスと2つのスイッチング素子により所定周波数で交互にチョッピングし、トランスの出力側に所定周波数の交番電圧を発生させ、その交番電圧を整流して出力する電圧変換装置において、前記2つのスイッチング素子のうちオン状態となっているスイッチング素子を介して前記リアクトルに電流を流し、オン状態となっていたスイッチング素子がオフ状態に変化する際に前記リアクトルに蓄えられた電流エネルギーを前記平滑コンデンサに重畳印加して該平滑コンデンサの充電電圧を昇圧し、その昇圧された充電電圧をオフ状態からからオン状態に変化する他方のスイッチング素子を介して前記トランスの入力側に入力し、トランスの出力側に所定周波数の交番電圧を発生させ、その交番電圧を整流して出力する。
【0027】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、リップル電圧等が発生しない安定した直流出力電圧を得ることができ、しかも制御回路を2個から1個に削減し、回路構成を簡単にし、コストを低減させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明を適用したスイッチング電源装置の第1の実施の形態を示す回路構成図である。
【図2】図1の構成における通常状態の動作を示す各部の波形図である。
【図3】図1の構成においてリアクトルの電流連続モードと不連続モードとについて説明する波形図である。
【図4】本発明の第2の実施の形態を示す回路構成図である。
【図5】本発明の第3の実施の形態を示す回路構成図である。
【図6】従来のスイッチング電源装置の回路構成図である。
【図7】従来のスイッチング電源装置の動作を説明する波形図である。
【符号の説明】
RC1…入力側の整流回路、RC2…出力側の整流回路、D1〜D4…入力側整流回路のダイオード、L1…リアクトル、D6〜D7…出力側整流回路のダイオード、D5、D8,D9…ダイオード、C1…平滑コンデンサ、TR1、TR2…トランジスタ、T1…トランス、CONT…制御回路、E…電池、D10…ダイオード。
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching power supply device that chops a DC input voltage at a predetermined frequency by a switching element, rectifies the DC input voltage with an output-side rectifier circuit, and outputs a predetermined DC output voltage, and a voltage conversion control method therefor.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as this kind of switching power supply device, there is a switching power supply device disclosed in the following Patent Document 1, and as shown in FIG. 6, a boost converter (or a pre-converter) is provided in a stage preceding a smoothing capacitor. These are all configured to improve the power factor.
[0003]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3082873 [0004]
The conventional circuit shown in FIG. 6 performs full-wave rectification on an AC power supply voltage by a rectifier circuit RC1 including diodes D1 to D4, and supplies the DC output voltage to a smoothing capacitor C1 through a series circuit of a reactor L1 and a diode D5. A transistor TR0, which is configured to charge the smoothing capacitor C1 and has a conduction path (collector / emitter) connected to a connection point between the reactor L1 and the diode D5, is controlled by a control signal of a predetermined frequency sufficiently higher than the AC power supply frequency. When the switching is performed, when the transistor TR0 changes from ON to OFF, the energy generated from the reactor L1 is superimposed on the smoothing capacitor C1 through the diode D5 and charged, and the charging voltage of the smoothing capacitor C1 is boosted from the output voltage of the rectifier circuit. The boosted voltage is applied to the primary winding N1, 2 and chopped by transistors TR1 and TR2, and connected to secondary windings N3 and N4 of transformer T1 from diodes D6 and D7, reactor L2, smoothing capacitor C2, and rectifier circuit RC2 composed of resistor R1. It is configured to output a predetermined DC output voltage.
[0005]
The transistor TR0 is switched at a frequency sufficiently higher than the AC power supply frequency by the control signal output from the first control circuit CONT1. FIGS. 7 (a) to show the waveform of the collector voltage V TR0 transistor TR0, shows the waveform of the current I TR0 flowing between the emitter and the collector in Fig. 7 (b).
The control circuit CONT1 monitors the charging voltage of the smoothing capacitor C1, and controls the ON time of the transistor TR1 so that the charging voltage becomes a predetermined voltage.
On the other hand, one end of the first winding N1 and the second winding N2 on the primary side of the transformer T1 are connected to each other, and the other end of the first winding N1 is connected to the collector of the transistor TR1. The other end of the second winding N2 of the transformer T1 is connected to the collector of the transistor TR2.
[0006]
The control circuit CONT2 switches the transistors TR1 and TR2 so that the output voltage of the rectifier circuit REC2 on the output side is maintained at a predetermined voltage by a control signal having a frequency slightly different from that of the control circuit CONT1, and the primary side of the transformer T1 is switched. A current obtained by chopping the output voltage of the smoothing capacitor C2 at a predetermined frequency is alternately supplied to the first winding N1 and the second winding N2. Figure 7 (c) to show the waveform of the collector voltage V TR2 transistors TR2, shows the waveform of the current I TR2 flowing between the emitter and the collector in Fig. 7 (d). The collector voltage and the collector current of the transistor TR2 are out of phase with the transistor TR2, and are omitted in FIG.
Further, since the boost converter and the push-pull type converter operate by independent control circuits, they operate at their own oscillation frequencies. The operation in FIG. 7 is illustrated with the phases adjusted for convenience.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the conventional device of FIG. 6, a boost converter composed of a transistor TR0 and a control circuit CONT1 provided in the preceding stage of the smoothing capacitor C1 and a push-pull converter using the transistors TR3, TR4 and the transformer T1 in the subsequent stage are used. Since they are operated at different switching frequencies, if the two switching frequencies are close to each other, slight oscillation of one of the switching frequencies causes beat oscillation, and a ripple voltage appears at the output of the rectifier circuit RC1 on the output side. This causes a problem that an external device connected to the output may malfunction.
Further, since two control circuits are provided, there is a problem that the circuit configuration becomes large and the cost increases.
[0008]
The present invention has been made in order to solve such a problem, and an object of the present invention is to obtain a stable DC output voltage that does not generate a ripple voltage and the like, and to further simplify a circuit configuration and reduce costs. And a voltage conversion control method therefor.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention provides a reactor having one end connected to an input terminal of a DC input voltage, and one end connected to a first winding and a second winding on a primary side having one end connected to each other. Transformer having a secondary third winding and a fourth winding, and an output rectifier circuit connected to the other end of the secondary third winding and the other end of the fourth winding. A first diode having an anode connected to the other end of the reactor, a cathode connected to the other end of a first winding on the primary side of the transformer, and an anode connected to the other end of the reactor; A second diode connected to a connection point between the first and second windings on the primary side of the transformer, an anode connected to the other end of the reactor, and a cathode connected to the second side on the primary side of the transformer. A third diode connected to the other end of the winding, the second die A capacitor connected to the cathode of the first diode, a first switching element having a conductive path connected between the cathode of the first diode and the ground potential, and a capacitor connected to the cathode of the third diode and the ground potential. A second switching element having a conductive path connected therebetween; and a control circuit for driving the first and second switching elements with a control signal of a predetermined frequency provided with a period in which the first and second switching elements are turned on alternately. And
A fourth diode having an anode on the second diode side is connected between a cathode of the second diode and a connection point between the first winding and the second winding on the primary side of the transformer. It is characterized by having.
[0010]
In the voltage conversion control method according to the present invention, an input voltage is charged to a smoothing capacitor via a reactor, and the charged voltage is alternately chopped at a predetermined frequency by a transformer and two switching elements. In a switching power supply that generates an alternating voltage, rectifies the alternating voltage, and outputs the rectified voltage, a current flows through the reactor through a switching element that is on between the two switching elements, and the reactor is turned on. When the switching element changes to the off state, the energy stored in the reactor is superimposed and applied to the smoothing capacitor to boost the charging voltage of the smoothing capacitor, and the boosted charging voltage is changed from the off state to the on state. Input to the input side of the transformer via the other switching element Wherein the transformer output side generates an alternating voltage of a predetermined frequency, and outputs rectifies the alternating voltage.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a power supply device according to the present invention. In FIG. 1, the same parts as those of the conventional circuit of FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
The switching power supply device of the present embodiment shown in FIG. 1 includes a reactor L1 connected to an output terminal (input terminal of a DC input voltage) of a rectifier circuit RC1, a primary-side first winding N1 connected to one end and a first winding N1. It has a second winding N2 and a third winding N3 and a fourth winding N4 on the secondary side, one end of which is connected to each other. The other end of the third winding N3 on the secondary side and the fourth winding N4 A transformer T1 having the other end connected to the rectifier circuit RC2 on the output side, an anode connected to the other end of the reactor L1, and a cathode connected to the other end of the first winding N1 on the primary side of the transformer T1. A first diode D8, an anode connected to the other end of the reactor L1, and a cathode connected to a connection point between the first winding N1 and the second winding N2 on the primary side of the transformer T1. A diode D5 and the anode are the reactor L A third diode D9 having a cathode connected to the other end of the second winding N2 on the primary side of the transformer T1, and a smoothing capacitor C1 connected to the cathode of the second diode D5. And a first transistor TR1 having a conductive path (emitter-collector) connected between the cathode of the first diode D8 and the ground potential, and between the cathode of the third diode D9 and the ground potential. A second transistor TR2 to which a conductive path is connected, and a control circuit CONT for driving the first and second transistors TR1 and TR2 with a control signal of a predetermined frequency provided with a period in which the transistors TR1 and TR2 are alternately turned on. I have.
[0012]
The difference from the conventional circuit of FIG. 6 is that the transistors TR0 and the control circuit CONT1 are deleted, while diodes D8 and D9 are added.
By connecting the diodes D8 and D9 to the collectors of the transistors TR1 and TR2, when the transistors TR1 and TR2 are ON, the transistors TR1 and TR2 play the role of the conventional booth and the transistor TR0 of the converter, and transfer energy to the reactor L1. Responsible for storing. It has a circuit configuration in which a conventional boost converter and a push-pull converter are combined.
The diode D5 prevents the charging voltage of the smoothing capacitor C1 from flowing backward. The diodes D8 and D9 prevent the current flowing through the first winding N1 and the second winding N2 on the primary side of the transformer T1 from flowing back into the smoothing capacitor C1.
[0013]
The transistors TR1 and TR2 are switched by control signals CS1 and CS2 of the control circuit CONT. The control circuit CONT monitors the output voltage of the rectifier circuit RC2 on the output side, and controls the ON time of the transistors TR1 and TR2 so that the output voltage is kept constant. That is, when the output voltage of the rectifier circuit RC2 drops below a predetermined voltage, control is performed so as to increase the ON time, and when the output voltage exceeds the predetermined voltage, control is performed so as to shorten the ON time. Note that one cycle of switching is constant.
[0014]
Figure 2 is a diagram showing a waveform of a control circuit control signal CS2, CS1 that CONT is output, the collector voltage V TR2 of the transistor TR2, TR1, V TR1, collector current I TR2, I TR1.
[0015]
Hereinafter, the operation of the embodiment of FIG. 1 will be described with reference to this waveform diagram.
First, as shown in FIGS. 2A and 2B, the control circuit CONT outputs a control signal for turning on the transistors TR1 and TR2 at a predetermined cycle (for example, 20 μs). Thus, the transistors TR1 and TR2 are switched at a frequency sufficiently higher than the frequency of the AC input voltage.
On the other hand, the smoothing capacitor C1 is charged via the diode D5 while the rectified output voltage of the rectifier circuit RC1 on the input side is applied to one end of the reactor L1.
[0016]
As shown in FIG. 2C, when a control signal CS2 for turning on the transistor TR2 at time t1 is input from the control circuit CONT to the base of the transistor TR2, the transistor TR2 turns on, and the reactor passes through the transistor TR2 in the ON state. The current in the path of L1 → diode D9 → transistor TR2 → ground potential and the current in the path of smoothing capacitor C1 → second winding N2 of transformer T1 → transistor TR2 → ground potential flow. FIG. 2D shows the collector current ITR2 in this state. At this time t1, the transistor TR2 is in the ON state, so that the collector voltage VTR2 is at the ground potential as shown in FIG.
Further, a current flows through reactor L1 through the path of diode D9 → transistor TR2 → ground potential, and energy is stored.
[0017]
Is the time t2, when the transistor TR2 is turned OFF by the control signal CS2, the stops flowing in the path of the current, the collector voltage V TR2 of the transistor TR2 is increased to the charge voltage of the smoothing capacitor C1, as shown in FIG. 2 (c) I do.
When the transistor TR2 changes from ON to OFF, the energy stored in the reactor L1 is applied to the smoothing capacitor C1 through the diode D5. As a result, the energy accumulated in the reactor L1 is superimposed on the rectified output voltage of the rectifier circuit RC1 and added to the smoothing capacitor C1, and the charging voltage of the smoothing capacitor C1 is boosted to the step-up level L2. To rise. As a result, the collector voltage V TR2 of the transistor TR2 is turned OFF also increases until the step-up level L2 as shown in FIG. 2 (c).
[0018]
With the charging voltage of the smoothing capacitor C1 at the step-up level L2, the transistor TR1 is turned on by the control signal CS1 at time t3. Then, a current flows through the path of the output of the smoothing capacitor C1, the first winding N1 of the transformer T1, the transistor TR1, and the ground potential. That is, a current in the direction of arrow B flows through the first winding N1 of the transformer T1. FIG. 2F shows the collector current ITR1 of the transistor T1 at this time, and FIG. 2E shows the collector voltage VTR1 .
The current flowing through the first winding N1 of the transformer T1 in the direction of the arrow B is higher than the case where the current is charged only with the rectified output voltage of the rectifier circuit RC1 because the charging voltage of the smoothing capacitor C1 is boosted to the step-up level L2. , The current value is large.
As a result, the DC output voltage of the rectifier circuit RC2 on the secondary side of the transformer T1 becomes proportional to the current value flowing in the arrow B direction through the first winding N1 of the transformer T1.
Further, since the transistor TR1 is ON, a current flows through the reactor L1 through a path from the diode D8 to the transistor TR1 to the ground potential, and energy is stored.
[0019]
Next, at time t4, when the transistor TR1 changes from ON to OFF, the current energy stored in the reactor L1 is applied to the smoothing capacitor C1 through the diode D5. As a result, the current energy accumulated in the reactor L1 is superimposed on the rectified output voltage of the rectifier circuit RC1 and added to the smoothing capacitor C1, so that the charging voltage of the smoothing capacitor C1 is boosted and the step-up level L2 To rise. As a result, the collector voltage V TR2 of the transistor TR1 is turned OFF also increases until the step-up level L2 as shown in FIG. 2 (e).
[0020]
While the charging voltage of the smoothing capacitor C1 is at the step-up level L2, the transistor TR1 is turned on by the control signal CS1 at time t5. Then, a current flows through the path of the output of the smoothing capacitor C1, the second winding N2 of the transformer T1, the transistor TR2, and the ground potential. That is, a current in the direction of arrow A flows through the second winding N1 of the transformer T1. The collector current I TR1 of the transistor TR1 at this time in FIG. 2 (d), shows the collector voltage V TR1 in Figure 2 (c).
The current flowing through the second winding N2 of the transformer T1 in the direction of arrow B is higher than the case where the current is charged only with the rectified output voltage of the rectifier circuit RC1 because the charging voltage of the smoothing capacitor C1 has been boosted to the step-up level L2. , The current value is large.
As a result, the DC output voltage of the rectifier circuit RC2 on the secondary side of the transformer T1 becomes proportional to the value of the current flowing through the second winding N2 of the transformer T1 in the direction of arrow A.
Thereafter, the above operation is similarly repeated.
[0021]
As can be seen from the above, in the present embodiment, the current is supplied to the reactor L1 via the diodes D8 and D9 by utilizing the period in which the transistors TR1 and TR2 are ON, and the current energy for boosting is stored. The stored current energy is superimposed on the smoothing capacitor C1 and added to the smoothing capacitor C1 at the next time when the transistor that has been in the ON state changes to the OFF state, and the charging voltage of the smoothing capacitor C1 is boosted. The voltage is caused to flow through the primary winding (N1 or N2) of the transformer T1 through the transistor that has changed from the OFF state to the ON state, and a predetermined DC voltage is output from the rectifier circuit RC2 on the secondary side of the transformer T1. Things.
[0022]
As described above, only by adding the diodes D8 and D9, the number of control circuits is reduced to one, and the cost can be reduced. In addition, since one control circuit is provided, malfunction such as beat oscillation does not occur, and a stable output voltage can be output from the output.
[0023]
Here, if the time of the current flowing through the reactor L1 becomes long, the reactor L1 may be magnetically saturated, and may not function as the reactor L1. In implementation, it is desirable to select the inductance value of reactor L1 and the switching frequency of transistors TR1 and TR2 so that magnetic saturation of reactor L1 does not occur.
That is, as shown in FIGS. 3E and 3F, if the input voltage of the next cycle is input to reactor L1 before the energy stored in reactor L1 is released (reset), the current of reactor L1 does not become zero. , A phenomenon of continuous flow occurs. This is called a continuous current mode. Further, as shown in FIGS. 3C and 3D, when an input voltage of the next cycle is input immediately after the current of the reactor L1 becomes zero or immediately before it becomes zero, the critical point of the current continuous mode is reached. An operating phenomenon occurs. These phenomena cause magnetic saturation of the reactor L1, and the reactor does not normally function properly.
Therefore, as shown in FIGS. 3A and 3B, the energy stored in the reactor L1 is sufficiently released, and the reactor L1 is operated in the current discontinuous mode in which a current discontinuous period in which a zero current value continues for a certain period can be secured. It is desirable to select the inductance value of the reactor L1 and the switching frequency of the transistors TR1 and TR2 so as to drive. By driving the reactor L1 in the discontinuous current mode, magnetic saturation of the reactor can be reliably prevented, so that the power factor on the input side can be improved.
FIG. 2 (g) shows a current waveform of the reactor L1.
[0024]
In the configuration of FIG. 1, the DC output voltage of the rectifier circuit RC1 for rectifying the AC power supply voltage is input to the reactor L1, but as shown in the second embodiment of FIG. It can also be configured to input. With such a configuration, it can be used as a DC / DC converter.
[0025]
Further, when both the transistors TR1 and TR2 are OFF, a current flowing backward from the primary winding of the transformer T1 to the smoothing capacitor C1 may flow for some reason. However, as shown in the third embodiment in FIG. As described above, the diode D10 is connected between the connection point between the first winding N1 and the second winding N2 of the transformer T1 and the cathode of the diode D5, and the current flowing back to the smoothing capacitor C1 is cut off to thereby provide a transistor. By stabilizing the charging voltage of the smoothing capacitor C1 when both TR1 and TR2 are OFF, the output voltage of the rectifier circuit RC2 on the secondary side can be stabilized.
[0026]
In principle, the switching power supply device of the embodiment described above can be restated as the following voltage conversion control method.
That is, an input voltage is charged to a smoothing capacitor via a reactor, and the charged voltage is alternately chopped at a predetermined frequency by a transformer and two switching elements to generate an alternating voltage of a predetermined frequency at an output side of the transformer. In a voltage converter that rectifies and outputs a voltage, a current flows through the reactor through a switching element that is in an on state of the two switching elements, and a switching element that has been in an on state changes to an off state. The other switching element that superimposes and applies the current energy stored in the reactor to the smoothing capacitor to boost the charging voltage of the smoothing capacitor, and changes the boosted charging voltage from an off state to an on state. Input to the input side of the transformer via the To generate a number of alternating voltage, and outputs the rectified its alternating voltage.
[0027]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to obtain a stable DC output voltage that does not generate a ripple voltage or the like, and further, reduces the number of control circuits from two to one, simplifies the circuit configuration, and reduces cost. Can be done.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit configuration diagram showing a first embodiment of a switching power supply device to which the present invention is applied.
FIG. 2 is a waveform chart of each part showing an operation in a normal state in the configuration of FIG. 1;
FIG. 3 is a waveform diagram illustrating a continuous current mode and a discontinuous mode of the reactor in the configuration of FIG. 1;
FIG. 4 is a circuit configuration diagram showing a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a circuit configuration diagram showing a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a circuit configuration diagram of a conventional switching power supply device.
FIG. 7 is a waveform diagram illustrating the operation of a conventional switching power supply device.
[Explanation of symbols]
RC1 ... rectifier circuit on the input side, RC2 ... rectifier circuit on the output side, D1 to D4 ... diodes on the input side rectifier circuit, L1 ... reactor, D6 to D7 ... diodes on the output side rectifier circuit, D5, D8, D9 ... diodes. C1: smoothing capacitor, TR1, TR2: transistor, T1: transformer, CONT: control circuit, E: battery, D10: diode.

Claims (3)

直流入力電圧をスイッチング素子により所定周波数でチョッピングし、出力側の整流回路で整流して所定の直流出力電圧を出力するスイッチング電源装置において、
一端が直流入力電圧の入力端に接続されたリアクトルと、
一端同士が接続された一次側の第1巻線および第2巻線と一端同士が接続された二次側の第3巻線および第4巻線を有し、二次側の第3巻線の他端と第4巻線の他端とに出力側の整流回路が接続されたトランスと、
アノードが前記リアクトルの他端に接続され、カソードが前記トランスの一次側の第1巻線の他端に接続された第1のダイオードと、
アノードが前記リアクトルの他端に接続され、カソードが前記トランスの一次側の第1巻線と第2巻線の接続点に接続された第2のダイオードと、
アノードが前記リアクトルの他端に接続され、カソードが前記トランスの一次側の第2巻線の他端に接続された第3のダイオードと、
前記第2のダイオードのカソードに接続されたコンデンサと、
前記第1のダイオードのカソードと接地電位との間に導電路が接続された第1のスイッチング素子と、
前記第3のダイオードのカソードと接地電位との間に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および第2のスイッチング素子を、交互に導通する期間を設けた所定周波数の制御信号で駆動する制御回路と
を有することを特徴とするスイッチング電源装置。
In a switching power supply device, a DC input voltage is chopped at a predetermined frequency by a switching element, rectified by an output rectifier circuit, and outputs a predetermined DC output voltage.
A reactor having one end connected to the input end of the DC input voltage,
A primary-side first winding and a second winding having one ends connected to each other, and a secondary-side third winding and a fourth winding having one ends connected to each other, and a secondary-side third winding A transformer having a rectifier circuit on the output side connected to the other end of the fourth winding and the other end of the fourth winding;
A first diode having an anode connected to the other end of the reactor and a cathode connected to the other end of the first winding on the primary side of the transformer;
A second diode having an anode connected to the other end of the reactor, and a cathode connected to a connection point between a first winding and a second winding on the primary side of the transformer;
A third diode having an anode connected to the other end of the reactor and a cathode connected to the other end of the second winding on the primary side of the transformer;
A capacitor connected to the cathode of the second diode;
A first switching element having a conductive path connected between a cathode of the first diode and a ground potential;
A second switching element having a conductive path connected between the cathode of the third diode and ground potential;
And a control circuit for driving the first and second switching elements with a control signal of a predetermined frequency provided with a period in which the first and second switching elements are turned on alternately.
前記第2のダイオードのカソードと前記トランスの一次側の第1巻線と第2巻線の接続点との間に、第2のダイオード側をアノードとする第4のダイオードが接続されてい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装置。A fourth diode having a second diode as an anode is connected between a cathode of the second diode and a connection point between a first winding and a second winding on a primary side of the transformer. The switching power supply device according to claim 1, wherein: 入力電圧をリアクトルを介して平滑コンデンサに充電し、その充電電圧をトランスと2つのスイッチング素子により所定周波数で交互にチョッピングし、トランスの出力側に所定周波数の交番電圧を発生させ、その交番電圧を整流して出力するスイッチング電源装置において、前記2つのスイッチング素子のうちオン状態となっているスイッチング素子を介して前記リアクトルに電流を流し、オン状態となっていたスイッチング素子がオフ状態に変化する際に前記リアクトルに蓄えられたエネルギーを前記平滑コンデンサに重畳印加して該平滑コンデンサの充電電圧を昇圧し、その昇圧された充電電圧をオフ状態からからオン状態に変化する他方のスイッチング素子を介して前記トランスの入力側に入力し、前記トランスの出力側に所定周波数の交番電圧を発生させ、その交番電圧を整流して出力することを特徴とする電圧変換制御方法。An input voltage is charged to a smoothing capacitor via a reactor, and the charged voltage is alternately chopped at a predetermined frequency by a transformer and two switching elements to generate an alternating voltage of a predetermined frequency at an output side of the transformer, and the alternating voltage is generated. In a switching power supply device that rectifies and outputs, when a current flows through the reactor via the on-state switching element of the two switching elements, the on-state switching element changes to the off state. The energy stored in the reactor is superimposed and applied to the smoothing capacitor to boost the charging voltage of the smoothing capacitor, and the boosted charging voltage is changed from the off state to the on state via the other switching element. Input to the input side of the transformer, and output a predetermined frequency to the output side of the transformer. An alternating voltage is generated in the voltage conversion control method and outputting rectifies the alternating voltage.
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