JP2006115598A - Voltage converting circuit and power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電圧変換回路、及び、この電圧変換回路を含んでなる電源装置に関する。 The present invention relates to a voltage conversion circuit and a power supply device including the voltage conversion circuit.
直流電圧を変換する電圧変換回路(DC−DCコンバータ)は、スイッチング電源回路等に広く利用されている(例えば、非特許文献1参照。)。 A voltage conversion circuit (DC-DC converter) that converts a DC voltage is widely used in a switching power supply circuit and the like (for example, see Non-Patent Document 1).
ここで、非特許文献1に記載されたスイッチング電源回路のうち典型的なものを例に挙げ、従来の電圧変換回路について、図8〜図11の各図を参照して説明する。
Here, a typical one of the switching power supply circuits described in
図8に示すスイッチング電源回路21は、「シングルエンディッドフォワード方式」と呼ばれる回路の典型例であり、直流電源211からトランスT21の一次側のコイルL13に対する直流電圧の供給を、FET(Field Effect Transistor)21によりオン/オフする。
A switching power supply circuit 21 shown in FIG. 8 is a typical example of a circuit called “single-ended forward method”, and a DC voltage is supplied from the
FET21がオンになってコイルL13に直流電圧が供給されると、コイルL24に生じる起電力により、コイルL24からダイオードD21及びチョークコイルL32を経由する電流が流れ、出力端子213,214から直流電圧が出力される。ここで、出力端子213,214に並列に平滑コンデンサC21が設けられている。
また、FET21がオフになると、チョークコイルL32に対する電圧供給が停止するので、チョークコイルL32に逆起電力が生じる。ここで、チョークコイルL32の逆起電力により、ダイオードD22からチョークコイルL32を経由する電流路において電流が流れ、出力端子213,214から直流電圧が出力される。
つまり、図8に示すスイッチング電源回路21は、FET21がオンの状態ではコイルL24に生じる起電力により直流電圧を出力し、FET21がオフに切り換えられると、チョークコイルL32に蓄積されたエネルギーにより直流電圧を出力する。
When the FET 21 is turned on and a DC voltage is supplied to the coil L13, an electromotive force generated in the coil L24 causes a current to flow from the coil L24 through the diode D21 and the choke coil L32, and a DC voltage is output from the
Further, when the FET 21 is turned off, voltage supply to the choke coil L32 is stopped, so that a counter electromotive force is generated in the choke coil L32. Here, due to the back electromotive force of the choke coil L32, a current flows in a current path from the diode D22 via the choke coil L32, and a DC voltage is output from the
That is, the switching power supply circuit 21 shown in FIG. 8 outputs a DC voltage by the electromotive force generated in the coil L24 when the FET 21 is on, and when the FET 21 is switched off, the DC voltage is generated by the energy accumulated in the choke coil L32. Is output.
上記の動作を行うシングルエンディッドフォワード方式のスイッチング電源回路において、負荷にかかる電圧(図8における出力端子213,214の電圧に相当する)を検出し、一次側のコイルに接続されたFETのゲート(図8におけるFET21のゲート端子212に相当する)に入力するパルス電圧のオン幅をフィードバック制御するPWM(パルス幅変調)制御回路をさらに設けることがある(例えば、特許文献1参照。)。
In the single-ended forward switching power supply circuit that performs the above operation, the voltage applied to the load (corresponding to the voltage of the
ここでのフィードバック制御は、一定間隔で出力されるパルス電圧について、そのパルス幅を負荷電圧に応じて制御するものであり、これにより負荷に供給される電圧が負荷に応じて変動するのを抑制している。 The feedback control here controls the pulse width of the pulse voltage output at regular intervals according to the load voltage, thereby suppressing the fluctuation of the voltage supplied to the load according to the load. is doing.
図9に示すスイッチング電源回路22は、「プッシュプル方式」と呼ばれる回路の典型例であり、トランスT22の一次側においてはコイルL14,L15が配設され、二次側にはコイルL25,L26が配設される。
コイルL14,15は、それぞれ、直流電源221に並列に接続され、FET22によってコイルL14に対する電圧供給がオン/オフされ、FET23によってコイルL15に対する電圧供給がオン/オフされる。
スイッチング電源回路22の動作時には、FET22及びFET23が交互にオンに切り換えられる。FET22がオンの状態ではコイルL26に生じる起電力によりダイオードD24からチョークコイルL33に電流が流れ、FET23がオンの状態ではコイルL25に生じる起電力によりダイオードD23からチョークコイルL33に電流が流れ、出力端子224,225から直流電圧が出力される。ここで、出力端子224,225に並列に平滑コンデンサC22が設けられている。
また、FET22及びFET23の両方がオフに切り換えられると、ダイオードD23,D24の両方に電流が流れ、チョークコイルL33に蓄積されたエネルギーにより、出力端子224,225から直流電圧が出力される。
The switching
The coils L14 and 15 are respectively connected in parallel to the
When the switching
When both the
図10に示すスイッチング電源回路23は、「フルブリッジ方式」と呼ばれる回路の典型例であり、トランスT23の一次側のコイルL16に対し、直流電源231からの電圧供給をFET24,25,26,27の4個のFETによりオン/オフする。トランスT23の二次側においてはコイルL27,L28が配設される。また、スイッチング電源回路23は、出力電圧を整流・平滑するチョークコイルL34及びコンデンサC23を備える。
The switching power supply circuit 23 shown in FIG. 10 is a typical example of a circuit called a “full bridge system”, and the voltage supply from the
4個のFET24,25,26,27は、FET24とFET27が一組となり、FET25とFET26が一組となって、これら二組のFETが交互にオン/オフする。
FET24とFET27がオンになった状態と、FET25とFET26がオンになった状態とでは、コイルL16に流れる電流の向きは逆向きとなる。FET24とFET27がオンになった状態では、二次側のコイルL28に生じる起電力によりダイオードD26からチョークコイルL34へ電流が流れ、FET25とFET26がオンになった状態では、二次側のコイルL27に生じる起電力によりダイオードD25からチョークコイルL34へ電流が流れる。
つまり、スイッチング電源回路23は、二組のFETが交互にオンすることでトランスT23をドライブし、二次側のコイルL27,L28に交互に電流が流れる構成である。
Of the four
In the state in which the FET 24 and the FET 27 are turned on and the state in which the FET 25 and the FET 26 are turned on, the direction of the current flowing through the coil L16 is opposite. When the
That is, the switching power supply circuit 23 has a configuration in which the two sets of FETs are alternately turned on to drive the transformer T23 and current flows alternately to the secondary side coils L27 and L28.
図11に示すスイッチング電源回路24は、「シングルエンディッドフライバック方式」と呼ばれる回路の典型例であり、FET28によりトランスT24の一次側コイルL17への電圧供給をオン/オフすることにより、二次側のコイルL29に生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する回路である。FET28がオンの状態では、コイルL29に生じる起電力によりダイオードD27のアノード側端子が負となるので電流が流れないが、FET28がオンからオフに切り換えられると、一次側のコイルL17に生じる逆起電力(フライバック電圧)により、コイルL29から出力端子243,244へ直流電圧が出力される。
The switching
図8〜図11に例示したように、従来の電圧変換回路は、一次側コイルに電流を流した場合に一次側コイルに生じる起電力、或いは、一次側コイルの電流をオフにした場合に一次側コイルに発生する逆起電力のいずれか一方のみを利用するものであった。利用されなかった分のエネルギーは損失となるが、スイッチング電源回路をはじめとして、電圧変換回路を搭載する各種回路においては電圧変換回路の損失が無視できないものとなっており、より高い変換効率が求められていた。 As illustrated in FIGS. 8 to 11, the conventional voltage conversion circuit has a primary voltage when the electromotive force generated in the primary coil when the current is supplied to the primary coil or when the current in the primary coil is turned off. Only one of the counter electromotive forces generated in the side coil was used. The energy that is not used is lost, but the loss of the voltage conversion circuit is not negligible in various circuits equipped with the voltage conversion circuit, including switching power supply circuits, and higher conversion efficiency is required. It was done.
そこで、本発明は、高効率かつ低損失で、シンプルな回路構成により実現可能な電圧変換回路を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a voltage conversion circuit that can be realized by a simple circuit configuration with high efficiency and low loss.
上記の目的を達成するため、請求項1記載の発明は、トランスと、前記トランスの一次側に対する直流電圧供給のオン/オフを切り換えるスイッチング手段とを備えた電圧変換回路であって、前記トランスは、一次側に第1のコイルが配設され、二次側には第2のコイル及び第3のコイルが配設された構成を有し、前記スイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンにされた状態で、前記第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第1の電流路と、前記スイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンからオフに切り換えられた後、前記第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第2の電流路と、前記第1の電流路及び前記第2の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期で前記スイッチング手段のオン/オフを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
In order to achieve the above object, the invention according to
請求項2記載の発明は、請求項1記載の電圧変換回路において、前記第1の電流路及び前記第2の電流路の出力ライン上に配設される第4のコイルをさらに備え、前記第2の電流路において出力される直流電圧値が低減した場合に前記第4のコイルに生じる起電力に基づいて、直流電圧を出力する第3の電流路が形成され、前記制御手段は、前記第1の電流路、前記第2の電流路及び前記第3の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期で前記スイッチング手段のオン/オフを制御することを特徴とする。
The invention according to claim 2 is the voltage conversion circuit according to
請求項3記載の発明は、請求項2記載の電圧変換回路において、前記第2のコイル及び前記第3のコイルは直列に接続され、前記第4のコイルの一端は、前記第2のコイルと前記第3のコイルとの接続点に接続されており、前記第3の電流路は、前記第2のコイル及び前記第4のコイルからなる電流路と、前記第3のコイル及び前記第4のコイルからなる電流路とによって構成されることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the voltage conversion circuit according to the second aspect, the second coil and the third coil are connected in series, and one end of the fourth coil is connected to the second coil. The third current path is connected to a connection point with the third coil, and the third current path includes a current path including the second coil and the fourth coil, and the third coil and the fourth coil. It is characterized by comprising a current path made of a coil.
請求項4記載の発明は、請求項2または3記載の電圧変換回路において、前記第2のコイルの一端には第1の整流手段が接続され、他端は前記第3のコイルに接続され、前記第3のコイルの一端は前記第2のコイルに接続され、他端には第2の整流手段が接続されており、前記第4のコイルの一端は前記第2のコイルと前記第3のコイルとの接続点に接続され、かつ、前記第4のコイルの他端は当該電圧変換回路の出力端子に接続されており、前記第1の電流路は、前記第1の整流手段と、前記第2のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、前記第2の電流路は、前記第2の整流手段と、前記第3のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、前記第3の電流路は、前記第1の整流手段と前記第2のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路、及び、前記第2の整流手段と前記第3のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路によって構成されることを特徴とする。 According to a fourth aspect of the present invention, in the voltage conversion circuit according to the second or third aspect, the first rectifier is connected to one end of the second coil, and the other end is connected to the third coil. One end of the third coil is connected to the second coil, the other rectifier is connected to the other end, and one end of the fourth coil is connected to the second coil and the third coil. The other end of the fourth coil is connected to an output terminal of the voltage conversion circuit, and the first current path includes the first rectifier, The second coil and the fourth coil are configured, and the second current path is configured by the second rectifier, the third coil, and the fourth coil, The third current path includes the first rectifier, the second coil, and the fourth coil. Current path consisting of, and characterized by being constituted by a current path consisting of the second rectifying means and said third coil and the fourth coil.
請求項5記載の発明は、トランスと、前記トランスの一次側に対する直流電圧供給のオン/オフを切り換える第1のスイッチング手段とを備えた電圧変換回路であって、前記トランスは、一次側に第1のコイルが配設され、二次側には第2のコイル及び第3のコイルが配設された構成を有し、第2のスイッチング手段を含み、前記第1のスイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンにされた状態で、前記第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第1の電流路と、第3のスイッチング手段を含み、前記第1のスイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンからオフに切り換えられた後、前記第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第2の電流路と、前記第1の電流路及び前記第2の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期のオン/オフ制御信号を出力する信号生成手段と、前記信号生成手段からのオン/オフ制御信号に基づいて、前記第1のスイッチング手段のオン/オフを制御し、かつ、前記第2のスイッチング手段がオンのときに前記第3のスイッチング手段をオフし、前記第2のスイッチング手段がオフのときに前記第3のスイッチング手段をオンするように、前記第2のスイッチング手段及び前記第3のスイッチング手段のオン/オフを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。
The invention according to
請求項6記載の発明は、請求項5記載の電圧変換回路において、前記第1の電流路及び前記第2の電流路の出力ライン上に配設される第4のコイルをさらに備え、前記第2の電流路において出力される直流電圧値が低減した場合に前記第4のコイルに生じる起電力に基づいて、直流電圧を出力する第3の電流路が形成され、前記信号生成手段は、前記第1の電流路、前記第2の電流路及び前記第3の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期のオン/オフ制御信号を出力することを特徴とする。 A sixth aspect of the present invention is the voltage conversion circuit according to the fifth aspect, further comprising a fourth coil disposed on an output line of the first current path and the second current path. A third current path for outputting a DC voltage is formed on the basis of an electromotive force generated in the fourth coil when the DC voltage value output in the current path of 2 is reduced; An output voltage of the first current path, the second current path, and the third current path is detected, and an on / off control signal having a period proportional to the output voltage is output.
請求項7記載の発明は、請求項6記載の電圧変換回路において、前記第2のコイルの一端には前記第2のスイッチング手段が接続され、他端は前記第3のコイルに接続され、前記第3のコイルの一端は前記第2のコイルに接続され、他端には前記第3のスイッチング手段が接続されており、前記第4のコイルの一端は前記第2のコイルと前記第3のコイルとの接続点に接続され、かつ、前記第4のコイルの他端は当該電圧変換回路の出力端子に接続されており、前記第1の電流路は、前記第2のスイッチング手段と、前記第2のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、前記第2の電流路は、前記第3のスイッチング手段と、前記第3のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、前記第3の電流路は、前記第2のスイッチング手段と前記第2のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路、及び、前記第3のスイッチング手段と前記第3のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路によって構成されることを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, in the voltage conversion circuit according to the sixth aspect, the second switching means is connected to one end of the second coil, the other end is connected to the third coil, One end of the third coil is connected to the second coil, the other end is connected to the third switching means, and one end of the fourth coil is connected to the second coil and the third coil. The other end of the fourth coil is connected to the output terminal of the voltage conversion circuit, and the first current path includes the second switching means, The second coil is constituted by the fourth coil, and the second current path is constituted by the third switching means, the third coil, and the fourth coil, The third current path is the second switched And a current path composed of the second coil and the fourth coil, and a current path composed of the third switching means, the third coil, and the fourth coil. Features.
請求項8記載の発明は、トランスと、前記トランスの一次側に対する直流電圧供給のオン/オフを切り換える第1のスイッチング手段とを備えた電圧変換回路であって、前記トランスは、一次側に第1のコイルが配設され、二次側には第2のコイル及び第3のコイルが配設された構成を有し、第2のスイッチング手段を含み、前記第1のスイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンにされた状態で、前記第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第1の電流路と、整流手段を含み、前記第1のスイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンからオフに切り換えられた後、前記第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第2の電流路と、前記第1の電流路及び前記第2の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期で前記第1のスイッチング手段及び前記第2のスイッチング手段のオン/オフを制御する制御手段とを備えることを特徴とする。 The invention according to claim 8 is a voltage conversion circuit comprising a transformer and first switching means for switching on / off of DC voltage supply to the primary side of the transformer, the transformer being arranged on the primary side. 1 coil is provided, and the second side and the third coil are provided on the secondary side, and includes a second switching means, and the first switching means is used for the transformer. A first current path for outputting a DC voltage based on an electromotive force generated in the second coil in a state in which the voltage supply is turned on; and a rectifying unit, and a voltage for the transformer by the first switching unit. A second current path for outputting a DC voltage based on an electromotive force generated in the third coil after the supply is switched from on to off; the first current path; and the second current The output voltage is detected and characterized in that it comprises a control means for controlling an on / off of the first switching means and said second switching means at a cycle proportional to the output voltage.
請求項9記載の発明は、請求項8記載の電圧変換回路において、前記第1の電流路及び前記第2の電流路の出力ライン上に配設される第4のコイルをさらに備え、前記第2の電流路において出力される直流電圧値が低減した場合に前記第4のコイルに生じる起電力に基づいて、直流電圧を出力する第3の電流路が形成され、前記制御手段は、前記第1の電流路、前記第2の電流路及び前記第3の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期で前記第1のスイッチング手段及び前記第2のスイッチング手段のオン/オフを制御することを特徴とする。
The invention according to
請求項10記載の発明は、請求項9記載の電圧変換回路において、前記第2のコイルの一端には前記第2のスイッチング手段が接続され、他端は前記第3のコイルに接続され、前記第3のコイルの一端は前記第2のコイルに接続され、他端には前記整流手段が接続されており、前記第4のコイルの一端は前記第2のコイルと前記第3のコイルとの接続点に接続され、かつ、前記第4のコイルの他端は当該電圧変換回路の出力端子に接続されており、前記制御手段は、前記第1のスイッチング手段のオン/オフに同期して前記第2のスイッチング手段をオン/オフし、前記第1の電流路は、前記第2のスイッチング手段と、前記第2のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、前記第2の電流路は、前記整流手段と、前記第3のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、前記第3の電流路は、前記第2のスイッチング手段と前記第2のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路、及び、前記整流手段と前記第3のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路によって構成されることを特徴とする。 According to a tenth aspect of the present invention, in the voltage conversion circuit according to the ninth aspect, the second switching means is connected to one end of the second coil, and the other end is connected to the third coil. One end of the third coil is connected to the second coil, the other rectifier is connected to the other end, and one end of the fourth coil is connected to the second coil and the third coil. The other end of the fourth coil is connected to the connection point, and the other end of the fourth coil is connected to the output terminal of the voltage conversion circuit. The control means is synchronized with the on / off of the first switching means. The second switching means is turned on / off, and the first current path is constituted by the second switching means, the second coil, and the fourth coil, and the second current path Are the rectifying means and the third coil. , The fourth coil, and the third current path includes a current path including the second switching means, the second coil, and the fourth coil, and the rectifying means and the It is characterized by comprising a current path composed of a third coil and the fourth coil.
請求項11記載の発明は、請求項1から10のいずれかに記載の電圧変換回路を搭載したことを特徴とする電源装置である。 An eleventh aspect of the invention is a power supply device including the voltage conversion circuit according to any one of the first to tenth aspects.
本発明の一つの局面によれば、トランスと、トランスの一次側に対する直流電圧供給のオン/オフを切り換えるスイッチング手段とを備えた電圧変換回路において、トランスは、一次側に第1のコイルが配設され、二次側には第2のコイル及び第3のコイルが配設された構成を有し、スイッチング手段によりトランスに対する電圧供給がオンにされた状態で、第1の電流路を介して第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力し、スイッチング手段によりトランスに対する電圧供給がオンからオフに切り換えられた後、第2の電流路を介して第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力するので、一次側の第1のコイルに電流を流した場合のエネルギーと、第1のコイルの電流をオフにした場合に発生する逆起電力のエネルギーとを無駄なく利用することが可能であり、損失が極めて少なく、非常に高い効率で電圧変換を行うことができる。特に、本発明では、制御手段を備え、第1の電流路及び第2の電流路の出力電圧を検出し、出力電圧に比例する周期でスイッチング手段のオン/オフを制御するので、接続される負荷に応じた出力電力を発生する。これにより、重負荷時に負荷の影響を受けにくい安定した直流電圧を得ることができるとともに、軽負荷時または待機時の無駄な出力電力の発生を回避でき、効率が高い。 According to one aspect of the present invention, in a voltage conversion circuit including a transformer and switching means for switching on / off of DC voltage supply to the primary side of the transformer, the transformer includes a first coil disposed on the primary side. The second side and the third coil are arranged on the secondary side, and the voltage supply to the transformer is turned on by the switching means via the first current path. The DC voltage is output based on the electromotive force generated in the second coil, and the electromotive force generated in the third coil through the second current path after the voltage supply to the transformer is switched from ON to OFF by the switching means. The DC voltage is output based on the energy of the first coil on the primary side and the energy of the back electromotive force generated when the current of the first coil is turned off. It is possible to use without waste and Energy loss is extremely small, it is possible to perform voltage conversion with very high efficiency. In particular, in the present invention, since the control means is provided, the output voltages of the first current path and the second current path are detected, and the ON / OFF of the switching means is controlled in a cycle proportional to the output voltage, the connection is made. Generates output power according to the load. As a result, it is possible to obtain a stable DC voltage that is hardly affected by the load at the time of heavy load, and it is possible to avoid the generation of useless output power at the time of light load or standby, and the efficiency is high.
また、本発明において、第1の電流路及び第2の電流路の出力ライン上に配設される第4のコイルをさらに備え、第2の電流路において出力される直流電圧値が低減する際に第4のコイルに生じる起電力に基づいて、直流電圧を出力する第3の電流路が形成される構成とすれば、第4のコイルは第1の電流路及び第2の電流路の出力ライン上に配設されるので、第1の電流路及び第2の電流路に電流が流れる間、エネルギーが蓄積される。そして、この第4のコイルに蓄積されたエネルギーは、第3の電流路から出力される。すなわち、一次側の第1のコイルに電流を流した場合のエネルギー、及び、第1のコイルの電流をオフにした場合に発生する逆起電力のエネルギーに加え、第1の電流路及び第2の電流路の出力ライン上に配設された第4のコイルに蓄積されるエネルギーを、全て無駄なく利用することが可能であり、損失がより一層少なく、極めて高い効率で電圧変換を行うことができる。また、制御手段は、第1の電流路、第2の電流路及び第3の電流路の出力電圧を検出し、出力電圧に比例する周期で前記スイッチング手段のオン/オフを制御するので、重負荷時に負荷の影響を受けにくい安定した直流電圧を得ることができるとともに、軽負荷時または待機時の無駄な出力電力の発生を回避でき、効率が高い。 The present invention further includes a fourth coil disposed on the output lines of the first current path and the second current path, when the DC voltage value output in the second current path is reduced. If the third current path for outputting a DC voltage is formed based on the electromotive force generated in the fourth coil, the fourth coil outputs the first current path and the second current path. Since it is disposed on the line, energy is accumulated while a current flows in the first current path and the second current path. The energy accumulated in the fourth coil is output from the third current path. That is, in addition to the energy when a current is passed through the first coil on the primary side and the energy of the back electromotive force generated when the current of the first coil is turned off, the first current path and the second It is possible to use all the energy stored in the fourth coil arranged on the output line of the current path without waste, and to perform voltage conversion with extremely high efficiency with even less loss. it can. The control means detects the output voltages of the first current path, the second current path, and the third current path, and controls on / off of the switching means in a cycle proportional to the output voltage. It is possible to obtain a stable DC voltage that is not easily affected by the load at the time of loading, and it is possible to avoid generation of useless output power at the time of light load or standby, and the efficiency is high.
また、本発明において、第2のコイル及び第3のコイルは直列に接続され、第4のコイルの一端は、第2のコイルと第3のコイルとの接続点に接続されており、第3の電流路は、第2のコイル及び第4のコイルからなる電流路と、第3のコイル及び第4のコイルからなる電流路とによって構成されるものとすれば、第4のコイルに蓄積されたエネルギーによって、第2のコイル及び第4のコイルからなる電流路と、第3のコイル及び第4のコイルからなる電流路との両方に電流が流れる。ここで、第2のコイルと第3のコイルは直列に接続されているから、第2のコイルに流れる電流と第3のコイルに流れる電流とは、互いに反対の向きに流れることになる。従って、第2のコイルに流れる電流によって生じる磁束と第3のコイルに流れる電流により生じる磁束とが互いに打ち消し合うので、トランスにおいては、二次側のコイル(第2のコイル及び第3のコイル)に電流が流れても、一次側のコイル(第1のコイル)にエネルギーが伝達されない。
これにより、第4のコイルに蓄積されたエネルギーを、損失なく利用することができるので、より一層効率よく電圧変換を行うことができる。
In the present invention, the second coil and the third coil are connected in series, and one end of the fourth coil is connected to a connection point between the second coil and the third coil. If the current path is constituted by a current path composed of the second coil and the fourth coil and a current path composed of the third coil and the fourth coil, the current path is accumulated in the fourth coil. Due to the energy, a current flows through both the current path composed of the second coil and the fourth coil and the current path composed of the third coil and the fourth coil. Here, since the second coil and the third coil are connected in series, the current flowing through the second coil and the current flowing through the third coil flow in opposite directions. Accordingly, since the magnetic flux generated by the current flowing through the second coil and the magnetic flux generated by the current flowing through the third coil cancel each other, in the transformer, the secondary coil (second coil and third coil) No current is transmitted to the primary side coil (first coil) even if a current flows through.
As a result, the energy stored in the fourth coil can be used without loss, so that voltage conversion can be performed more efficiently.
さらに、本発明において、第2のコイルの一端には第1の整流手段が接続され、他端は第3のコイルに接続され、第3のコイルの一端は第2のコイルに接続され、他端には第2の整流手段が接続されており、第4のコイルの一端は第2のコイルと第3のコイルとの接続点に接続され、かつ、第4のコイルの他端は当該電圧変換回路の出力端子に接続されており、第1の電流路は、第1の整流手段と、第2のコイルと、第4のコイルとによって構成され、第2の電流路は、第2の整流手段と、第3のコイルと、第4のコイルとによって構成され、第3の電流路は、第1の整流手段と第2のコイルと第4のコイルとからなる電流路、及び、第2の整流手段と第3のコイルと第4のコイルとからなる電流路によって構成されるものとした場合、一次側の第1のコイルに電流が流れる状態にあっては、第2のコイルに生じる起電力に基づいて、第1の整流手段から第2のコイルを介して第4のコイルへ直流電圧が出力され、一次側の第1のコイルの電流がオフに切り換えられた状態にあっては、第3のコイルに生じる起電力に基づいて、第2の整流手段から第3のコイルを介して第4のコイルへ直流電圧が出力され、これらの直流電圧は第4のコイルにより平滑されて出力される。また、第4のコイルにおいては、上記直流電圧の出力中にエネルギーが蓄積され、この第4のコイルに蓄積されたエネルギーは、第3の電流路を介して出力される。
すなわち、第1のコイルに電流を流した場合のエネルギーと、第1のコイルの電流をオフにした場合に発生する逆起電力のエネルギーと、第4のコイルに蓄積されるエネルギーとを無駄なく利用することができ、損失が極めて少なく、高効率の電圧変換回路を実現できる。
また、第3の電流路は、第1の整流手段と第2のコイルと第4のコイルとからなる電流路、及び、第2の整流手段と第3のコイルと第4のコイルとからなる電流路により構成されるので、第2のコイルに流れる電流と第3のコイルに流れる電流とは、互いに反対の向きに流れる。このため、第2のコイル及び第3のコイルに電流が流れても、これらの電流により生じる磁束が互いに打ち消し合うので、第1のコイルにエネルギーが伝達されることがなく、第4のコイルに蓄積されたエネルギーを損失なく利用することができる。
Furthermore, in the present invention, the first rectifier is connected to one end of the second coil, the other end is connected to the third coil, the one end of the third coil is connected to the second coil, and the like. The second rectifier is connected to the end, one end of the fourth coil is connected to the connection point between the second coil and the third coil, and the other end of the fourth coil is the voltage. The first current path is composed of a first rectifier, a second coil, and a fourth coil, and the second current path is connected to the output terminal of the conversion circuit. The rectifying means, the third coil, and the fourth coil are configured, and the third current path includes a current path including the first rectifying means, the second coil, and the fourth coil, and If the current path is composed of two rectifiers, a third coil, and a fourth coil, When a current flows through the first coil, a DC voltage is output from the first rectifier to the fourth coil via the second coil based on the electromotive force generated in the second coil. In the state where the current of the primary coil on the primary side is switched off, the fourth rectification means passes through the third coil from the second rectification means based on the electromotive force generated in the third coil. A DC voltage is output to the coils, and these DC voltages are smoothed and output by the fourth coil. In the fourth coil, energy is accumulated during the output of the DC voltage, and the energy accumulated in the fourth coil is output via the third current path.
That is, energy when current is passed through the first coil, energy of back electromotive force generated when the current of the first coil is turned off, and energy accumulated in the fourth coil are used without waste. It can be used, and a highly efficient voltage conversion circuit can be realized with very little loss.
The third current path includes a current path including the first rectifier, the second coil, and the fourth coil, and a second rectifier, the third coil, and the fourth coil. Since the current path is configured, the current flowing through the second coil and the current flowing through the third coil flow in opposite directions. For this reason, even if current flows through the second coil and the third coil, magnetic fluxes generated by these currents cancel each other, so that energy is not transmitted to the first coil, and the fourth coil The stored energy can be used without loss.
本発明のもう一つの局面によれば、トランスと、前記トランスの一次側に対する直流電圧供給のオン/オフを切り換える第1のスイッチング手段とを備えた電圧変換回路において、トランスは、一次側に第1のコイルが配設され、二次側には第2のコイル及び第3のコイルが配設された構成を有し、第2のスイッチング手段を含む第1の電流路を介して、第1のスイッチング手段によりトランスに対する電圧供給がオンにされた状態で、第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力し、第3のスイッチング手段を含む第2の電流路を介して、第1のスイッチング手段によりトランスに対する電圧供給がオンからオフに切り換えられた後、第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力するので、トランスの二次側に例えばダイオードで構成される第1の整流手段及び第2の整流手段を有する電源変換回路におけるこれら整流手段に代えて、例えばFETで構成される第2のスイッチング手段及び第3のスイッチング手段を使用することができる。従って、第1の電流路に含まれる整流要素による電圧降下と、第2の電流路に含まれる整流要素による電圧降下とを、ともに小さくすることができ、変換効率が良い。
また、信号生成手段は、第1の電流路及び第2の電流路の出力電圧を検出して出力電圧に比例する周期のオン/オフ制御信号を出力し、制御手段は、信号生成手段からのオン/オフ制御信号に基づいて、第1のスイッチング手段のオン/オフを制御し、かつ、第2のスイッチング手段がオンのときに第3のスイッチング手段をオフし、第2のスイッチング手段がオフのときに第3のスイッチング手段をオンするように、第2のスイッチング手段及び第3のスイッチング手段のオン/オフを制御するので、一次側の第1のコイルに電流が流れる状態にあっては、第1の電流を介して第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧が出力され、一次側の第1のコイルの電流がオフに切り換えられた状態にあっては、第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧が出力される状態が確実に確保される。
すなわち、一次側の第1のコイルに電流を流した場合のエネルギーと、第1のコイルの電流をオフにした場合に発生する逆起電力のエネルギーとを無駄なく利用することが可能であり、損失が極めて少なく、非常に高い効率で電圧変換を行うことができる。
また、重負荷時に負荷の影響を受けにくい安定した直流電圧を得ることができるとともに、軽負荷時または待機時の無駄な出力電力の発生を回避でき、効率が高い。
According to another aspect of the present invention, in a voltage conversion circuit comprising a transformer and first switching means for switching on / off of a DC voltage supply to the primary side of the transformer, the transformer is arranged on the primary side. 1 coil is provided, and the second side and the third coil are provided on the secondary side, and the first current path including the second switching means is provided through the first current path. With the voltage supply to the transformer turned on by the switching means, a DC voltage is output based on the electromotive force generated in the second coil, and the second current path including the third switching means passes through the second current path. After the voltage supply to the transformer is switched from ON to OFF by the switching means 1, a DC voltage is output based on the electromotive force generated in the third coil. Instead of the rectifying means in the power conversion circuit having the first rectifying means and the second rectifying means constituted by the iodine, the second switching means and the third switching means constituted by, for example, FETs are used. Can do. Therefore, the voltage drop due to the rectifying element included in the first current path and the voltage drop due to the rectifying element included in the second current path can both be reduced, and the conversion efficiency is good.
The signal generating means detects the output voltages of the first current path and the second current path and outputs an on / off control signal having a period proportional to the output voltage. The control means outputs the signal from the signal generating means. Based on the on / off control signal, the on / off of the first switching means is controlled, the third switching means is turned off when the second switching means is on, and the second switching means is turned off. Since the on / off of the second switching means and the third switching means is controlled so that the third switching means is turned on at this time, the current flows through the first coil on the primary side. When the DC voltage is output based on the electromotive force generated in the second coil via the first current and the current of the primary coil on the primary side is switched off, the third coil Electromotive force generated in A state in which a DC voltage is output is reliably ensured based.
That is, it is possible to use the energy when the current flows through the first coil on the primary side and the energy of the back electromotive force generated when the current of the first coil is turned off without waste. Loss is extremely small and voltage conversion can be performed with very high efficiency.
In addition, it is possible to obtain a stable DC voltage that is hardly affected by the load at the time of heavy load, and it is possible to avoid generation of useless output power at the time of light load or standby, and the efficiency is high.
本発明のもう一つの局面おいて、第1の電流路及び第2の電流路の出力ライン上に配設される第4のコイルをさらに備え、第2の電流路において出力される直流電圧値が低減した場合に第4のコイルに生じる起電力に基づいて、直流電圧を出力する第3の電流路が形成される構成とすれば、一次側の第1のコイルに電流を流した場合のエネルギー、及び、第1のコイルの電流をオフにした場合に発生する逆起電力のエネルギーに加え、第1の電流路及び第2の電流路の出力ライン上に配設された第4のコイルに蓄積されるエネルギーを、全て無駄なく利用することが可能であり、損失がより一層少なく、極めて高い効率で電圧変換を行うことができる。 In another aspect of the present invention, the apparatus further includes a fourth coil disposed on the output lines of the first current path and the second current path, and the DC voltage value output in the second current path. If the third current path for outputting the DC voltage is formed based on the electromotive force generated in the fourth coil when the current decreases, the current flowing through the first coil on the primary side In addition to the energy and the energy of the back electromotive force generated when the current of the first coil is turned off, the fourth coil disposed on the output lines of the first current path and the second current path It is possible to use all of the energy stored in the battery without waste, and the voltage conversion can be performed with extremely high efficiency with even less loss.
本発明のもう一つの局面において、第2のコイルの一端には第2のスイッチング手段が接続され、他端は第3のコイルに接続され、第3のコイルの一端は第2のコイルに接続され、他端には第3のスイッチング手段が接続されており、第4のコイルの一端は第2のコイルと第3のコイルとの接続点に接続され、かつ、第4のコイルの他端は電圧変換回路の出力端子に接続されており、第1の電流路は、第2のスイッチング手段と、第2のコイルと、第4のコイルとによって構成され、第2の電流路は、第3のスイッチング手段と、第3のコイルと、第4のコイルとによって構成され、第3の電流路は、第2のスイッチング手段と第2のコイルと第4のコイルとからなる電流路、及び、第3のスイッチング手段と第3のコイルと第4のコイルとからなる電流路によって構成されるものとすれば、一次側の第1のコイルに電流が流れる状態にあっては、第2のコイルに生じる起電力に基づいて、第2のスイッチング手段から第2のコイルを介して第4のコイルへ直流電圧が出力され、一次側の第1のコイルの電流がオフに切り換えられた状態にあっては、第3のコイルに生じる起電力に基づいて、第3のスイッチングから第3のコイルを介して第4のコイルへ直流電圧が出力され、これらの直流電圧は第4のコイルにより平滑されて出力される。また、第4のコイルにおいては、上記直流電圧の出力中にエネルギーが蓄積され、この第4のコイルに蓄積されたエネルギーは、第3の電流路を介して出力される。
すなわち、第1のコイルに電流を流した場合のエネルギーと、第1のコイルの電流をオフにした場合に発生する逆起電力のエネルギーと、第4のコイルに蓄積されるエネルギーとを無駄なく利用することができ、損失が極めて少なく、高効率の電圧変換回路を実現できる。
また、第3の電流路は、第2のスイッチング手段と第2のコイルと第4のコイルとからなる電流路、及び、第3のスイッチング手段と第3のコイルと第4のコイルとからなる電流路により構成されるので、第2のコイルに流れる電流と第3のコイルに流れる電流とは、互いに反対の向きに流れる。このため、第2のコイル及び第3のコイルに電流が流れても、これらの電流により生じる磁束が互いに打ち消し合うので、第1のコイルにエネルギーが伝達されることがなく、第4のコイルに蓄積されたエネルギーを損失なく利用することができる。
In another aspect of the present invention, the second switching means is connected to one end of the second coil, the other end is connected to the third coil, and one end of the third coil is connected to the second coil. And the other end of the fourth coil is connected to a connection point between the second coil and the third coil, and the other end of the fourth coil is connected to the other end of the fourth coil. Is connected to the output terminal of the voltage conversion circuit, and the first current path is constituted by the second switching means, the second coil, and the fourth coil, and the second current path is the first current path. 3 switching means, a third coil, and a fourth coil, and the third current path is a current path composed of the second switching means, the second coil, and the fourth coil, and , Third switching means, third coil and fourth coil, If a current flows through the first coil on the primary side, the second switching means to the second coil based on the electromotive force generated in the second coil. In the state where the DC voltage is output to the fourth coil through the first coil and the current of the first coil on the primary side is switched off, the first voltage is switched to the first coil based on the electromotive force generated in the third coil. DC voltage is output from the switching of 3 to the fourth coil via the third coil, and these DC voltages are smoothed and output by the fourth coil. In the fourth coil, energy is accumulated during the output of the DC voltage, and the energy accumulated in the fourth coil is output via the third current path.
That is, energy when current is passed through the first coil, energy of back electromotive force generated when the current of the first coil is turned off, and energy accumulated in the fourth coil are used without waste. It can be used, and a highly efficient voltage conversion circuit can be realized with very little loss.
The third current path is composed of a current path composed of the second switching means, the second coil, and the fourth coil, and a third switching means, the third coil, and the fourth coil. Since the current path is configured, the current flowing through the second coil and the current flowing through the third coil flow in opposite directions. For this reason, even if current flows through the second coil and the third coil, magnetic fluxes generated by these currents cancel each other, so that energy is not transmitted to the first coil, and the fourth coil The stored energy can be used without loss.
本発明のさらにもう一つの局面によれば、トランスと、トランスの一次側に対する直流電圧供給のオン/オフを切り換える第1のスイッチング手段とを備えた電圧変換回路において、トランスは、一次側に第1のコイルが配設され、二次側には第2のコイル及び第3のコイルが配設された構成を有し、第2のスイッチング手段を含む第1の電流路を介して、第1のスイッチング手段によりトランスに対する電圧供給がオンにされた状態で、第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力し、第1のスイッチング手段によりトランスに対する電圧供給がオンからオフに切り換えられた後は、整流手段を含む第2の電流路を介して、第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力するので、第1の電流路に含まれる整流要素として、例えばダイオードで構成される整流手段に代えて、例えばFETで構成されるスイッチング手段を使用することができる。従って、第1の電流路に含まれる整流要素による電圧降下を小さくすることができ、効率が良い。
また、制御手段は、第1の電流路及び第2の電流路の出力電圧を検出し、出力電圧に比例する周期で第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段のオン/オフを制御するので、一次側の第1のコイルに電流が流れる状態にあっては、第1の電流を介して第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧が出力され、一次側の第1のコイルの電流がオフに切り換えられた状態にあっては、第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧が出力される状態が確実に確保される。
すなわち、一次側の第1のコイルに電流を流した場合のエネルギーと、第1のコイルの電流をオフにした場合に発生する逆起電力のエネルギーとを無駄なく利用することが可能であり、損失が極めて少なく、非常に高い効率で電圧変換を行うことができる。
また、重負荷時に負荷の影響を受けにくい安定した直流電圧を得ることができるとともに、軽負荷時または待機時の無駄な出力電力の発生を回避でき、効率が高い。
According to still another aspect of the present invention, in the voltage conversion circuit including the transformer and the first switching means for switching on / off of the DC voltage supply to the primary side of the transformer, the transformer is arranged on the primary side. 1 coil is provided, and the second side and the third coil are provided on the secondary side, and the first current path including the second switching means is provided through the first current path. In the state where the voltage supply to the transformer is turned on by the switching means, a DC voltage is output based on the electromotive force generated in the second coil, and the voltage supply to the transformer is switched from on to off by the first switching means. After that, since the DC voltage is output based on the electromotive force generated in the third coil through the second current path including the rectifying means, the rectifying element included in the first current path is obtained. , For example, instead of consisting rectifying means a diode can be used, for example the switching means comprised of FET. Therefore, the voltage drop due to the rectifying element included in the first current path can be reduced, and the efficiency is good.
Further, the control means detects the output voltages of the first current path and the second current path, and controls on / off of the first switching means and the second switching means in a cycle proportional to the output voltage. When the current flows through the primary coil on the primary side, a DC voltage is output based on the electromotive force generated in the second coil via the first current, and the primary coil on the primary side is output. In the state where the current is switched off, a state in which a DC voltage is output based on the electromotive force generated in the third coil is reliably ensured.
That is, it is possible to use the energy when the current flows through the first coil on the primary side and the energy of the back electromotive force generated when the current of the first coil is turned off without waste. Loss is extremely small and voltage conversion can be performed with very high efficiency.
In addition, it is possible to obtain a stable DC voltage that is hardly affected by the load at the time of heavy load, and it is possible to avoid generation of useless output power at the time of light load or standby, and the efficiency is high.
本発明のさらにもう一つの局面おいて、第1の電流路及び第2の電流路の出力ライン上に配設される第4のコイルをさらに備え、第2の電流路において出力される直流電圧値が低減した場合に第4のコイルに生じる起電力に基づいて、直流電圧を出力する第3の電流路が形成される構成とすれば、一次側の第1のコイルに電流を流した場合のエネルギー、及び、第1のコイルの電流をオフにした場合に発生する逆起電力のエネルギーに加え、第1の電流路及び第2の電流路の出力ライン上に配設された第4のコイルに蓄積されるエネルギーを、全て無駄なく利用することが可能であり、損失がより一層少なく、極めて高い効率で電圧変換を行うことができる。 In still another aspect of the present invention, the apparatus further includes a fourth coil disposed on the output lines of the first current path and the second current path, and the DC voltage output in the second current path. If a third current path for outputting a DC voltage is formed based on an electromotive force generated in the fourth coil when the value is reduced, a current is passed through the first coil on the primary side And the energy of the back electromotive force generated when the current of the first coil is turned off, the fourth current disposed on the output lines of the first current path and the second current path. It is possible to use all the energy stored in the coil without waste, and the voltage conversion can be performed with extremely high efficiency with even less loss.
本発明のさらにもう一つの局面おいて、電圧変換回路は、第2のコイルの一端には第2のスイッチング手段が接続され、他端は第3のコイルに接続され、第3のコイルの一端は第2のコイルに接続され、他端には整流手段が接続されており、第4のコイルの一端は第2のコイルと第3のコイルとの接続点に接続され、かつ、第4のコイルの他端は当該電圧変換回路の出力端子に接続されており、制御手段は、第1のスイッチング手段のオン/オフに同期して第2のスイッチング手段をオン/オフし、第1の電流路は、第2のスイッチング手段と、第2のコイルと、第4のコイルとによって構成され、第2の電流路は、整流手段と、第3のコイルと、第4のコイルとによって構成され、第3の電流路は、第2のスイッチング手段と第2のコイルと第4のコイルとからなる電流路、及び、整流手段と第3のコイルと第4のコイルとからなる電流路によって構成されるものとすれば、第1の電流路及び第2の電流路中に例えばFET等のスイッチング手段を使用した場合に必要とされるデッドタイム制御回路等の特別な制御回路を省略することができる。従って、よりシンプルな回路構成を実現することができる。
また、第1のコイルに電流を流した場合のエネルギーと、第1のコイルの電流をオフにした場合に発生する逆起電力のエネルギーと、第4のコイルに蓄積されるエネルギーとを無駄なく利用することができるので、損失が極めて少なく、高効率の電圧変換回路を実現できる。
また、第3の電流路は、第2のスイッチング手段と第2のコイルと第4のコイルとからなる電流路、及び、整流手段と第3のコイルと第4のコイルとからなる電流路により構成されるので、第2のコイルに流れる電流と第3のコイルに流れる電流とは、互いに反対の向きに流れる。このため、第2のコイル及び第3のコイルに電流が流れても、これらの電流により生じる磁束が互いに打ち消し合うので、第1のコイルにエネルギーが伝達されることがなく、第4のコイルに蓄積されたエネルギーを損失なく利用することができる。
In yet another aspect of the present invention, in the voltage conversion circuit, the second switching means is connected to one end of the second coil, the other end is connected to the third coil, and one end of the third coil. Is connected to the second coil, the other end is connected to the rectifying means, one end of the fourth coil is connected to the connection point between the second coil and the third coil, and the fourth coil The other end of the coil is connected to the output terminal of the voltage conversion circuit, and the control means turns on / off the second switching means in synchronization with the on / off of the first switching means, and the first current The path is constituted by the second switching means, the second coil, and the fourth coil, and the second current path is constituted by the rectifying means, the third coil, and the fourth coil. The third current path comprises the second switching means and the second coil. In the first current path and the second current path, the current path is composed of the fourth coil and the current path composed of the rectifying means, the third coil, and the fourth coil. For example, a special control circuit such as a dead time control circuit required when a switching means such as an FET is used can be omitted. Therefore, a simpler circuit configuration can be realized.
Also, energy when current is passed through the first coil, energy of back electromotive force generated when the current of the first coil is turned off, and energy accumulated in the fourth coil can be used without waste. Since it can be used, a highly efficient voltage conversion circuit with very little loss can be realized.
In addition, the third current path includes a current path composed of the second switching means, the second coil, and the fourth coil, and a current path composed of the rectifying means, the third coil, and the fourth coil. Since it is configured, the current flowing through the second coil and the current flowing through the third coil flow in opposite directions. For this reason, even if current flows through the second coil and the third coil, magnetic fluxes generated by these currents cancel each other, so that energy is not transmitted to the first coil, and the fourth coil The stored energy can be used without loss.
また、本発明の電源装置は、請求項1から10のいずれかに記載の電圧変換回路を搭載したことにより、非常に損失が少なく、極めて高い効率を実現できる。
In addition, since the power supply device of the present invention is equipped with the voltage conversion circuit according to any one of
以下、本発明の実施の形態を図面に基づき説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[第1の実施の形態]
図1は、本発明を適用した第1の実施の形態における変換回路1の基本的な構成を示す回路図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a basic configuration of a
図1に示す変換回路1は、所定電圧値の直流電圧に基づき電圧変換を行って、異なる電圧値の直流電圧を出力する回路であり、トランスT1を備える。また、変換回路1は正の出力端子13と負の出力端子14とを備え、出力端子13と出力端子14との間に所定の負荷Lが接続される。
The
トランスT1は、一次側のコイルL11と、二次側のコイルL21,L22を備えて構成される。 The transformer T1 includes a primary side coil L11 and secondary side coils L21 and L22.
コイルL11の一端には直流電源11の正極が接続され、他端にはFET1のドレイン端子が接続される。FET1のゲート端子G1には後述する周期特性のパルス電圧7が入力され、ソース端子は直流電源11の負極に接続される。
FET1は、ゲート端子G1に入力されるパルス電圧7に従ってオン/オフを切り換える動作を行い、FET1がオンの状態ではコイルL11に対して直流電源11から直流電圧が供給され、FET1がオフの状態ではコイルL11の両端がオープンとなる。
The positive electrode of the DC power source 11 is connected to one end of the coil L11, and the drain terminal of the
The
また、二次側のコイルL21の一端(巻き終わり点)には、コイルL22の一端(巻き始め点)が接続される。コイルL21の他端(巻き始め点)にはダイオードD1のカソード端子が接続され、また、コイルL22の他端(巻き終わり点)にはダイオードD2のカソード端子が接続される。
そして、コイルL21とコイルL22との接続点には、出力端子13へ延びる出力ラインが接続される。この出力ラインは、好ましくは、二次側の中点タップが用いられる。
従って、トランスT1の二次側においては、ダイオードD1からコイルL21を介して出力端子13に向かう方向、及び、ダイオードD2からコイルL22を介して出力端子13に向かう方向にのみ、電流が流れる構成となっている。
One end (winding start point) of the coil L22 is connected to one end (winding end point) of the secondary coil L21. The cathode terminal of the diode D1 is connected to the other end (winding start point) of the coil L21, and the cathode terminal of the diode D2 is connected to the other end (winding end point) of the coil L22.
An output line extending to the
Therefore, on the secondary side of the transformer T1, the current flows only in the direction from the diode D1 to the
また、上記出力ラインと出力端子13との間には平滑用のコンデンサC1が接続され、出力端子14には、ダイオードD1,D2のアノード側端子、及び、コンデンサC1が接続される。従って、出力端子13からコンデンサC1により平滑された直流電圧が出力される。
A smoothing capacitor C1 is connected between the output line and the
上記平滑用のコンデンサC1と出力端子13との間にはVFO(Variable Frequency Oscillator)15が接続される。すなわち、負荷Lに供給される出力電圧が検出され、VFO15に入力される。VFO15の出力5は、モノステーブル・マルチバイブレータ17に入力され、モノステーブル・マルチバイブレータ17の出力がパルス電圧7としてトランスT1の一次側に直列に接続されたFET1のゲート端子G1に入力される。
A VFO (Variable Frequency Oscillator) 15 is connected between the smoothing
図2は、図1に示すVFO15及びモノステーブル・マルチバイブレータ17を含むスイッチング信号生成回路10の全体構成を示す回路図である。
FIG. 2 is a circuit diagram showing an overall configuration of the switching
図2に示すスイッチング信号生成回路10は、無安定・マルチバイブレータの回路形態を採るVFO15と、コンデンサと抵抗を有する微分回路16と、モノステーブル・マルチバイブレータ17とを含む。
The switching
上述の通り、VFO15の入力端子(IN)には、変換回路1の出力電圧が入力される。そして、VFO15の出力は微分回路16に入力され、微分回路16の出力はモノステーブル・マルチバイブレータ17に入力される。
図2に示すVFO15は、入力された電圧(変換回路1の出力電圧)に応じて以下の動作を行う。入力電圧が低くなると(すなわち重負荷時)、出力パルスの周期を短くし、入力電圧が高くなると(すなわち軽負荷時あるいは待機時)、出力パルスの周期を長くする。図2においてVFO15の出力波形の一例を符号5で示す。
微分回路16は、VFO15の出力パルスの立ち上がりを検出して、トリガーパルスを出力する。図2において微分回路16の出力波形の一例を符号6で示す。
モノステーブル・マルチバイブレータ17は、微分回路16のトリガーパルスをトリガーとして、一定のパルス幅のパルス電圧を出力する。図2においてモノステーブル・マルチバイブレータ17の出力波形の一例を符号7で示す。
以上の一連の波形の変化から明らかなように、上記のように構成されるスイッチング信号生成回路10は、入力電圧が低くなると、単位時間あたりの出力パルスの個数を増やす一方、入力電圧が高くなると、単位時間あたりの出力パルスの個数を減らすという動作を行う。
つまり、以上のように構成されるスイッチング信号生成回路10は、変換回路1の出力ラインに供給される出力電圧(すなわち負荷電圧)を検出し、出力電圧に比例する周期をもつパルス電圧を出力する。
As described above, the output voltage of the
The
The differentiating
The
As is apparent from the series of waveform changes described above, the switching
That is, the switching
以上のように構成される変換回路1は、直流電源11から供給される直流電圧に基づいて、出力端子13,14に接続された負荷Lに対して直流電圧を出力する。
次に、変換回路1の動作について説明する。
The
Next, the operation of the
FET1のゲート端子G1にパルス電圧7が入力され、FET1がオンに切り換えられると、コイルL11に直流電圧が供給される。
When the
これにより、コイルL21においては、コイルL11とコイルL21との巻数比に応じた起電力が生じ、この起電力はコイルL21のダイオードD1側が正、出力端子13側が負となる。従ってダイオードD1には、そのカソード側端子を正とする逆方向電圧が印加されるので、ダイオードD1には電流が流れない。
一方、コイルL22においては、コイルL11とコイルL22との巻数比に応じた起電力が生じ、この起電力はコイルL22のダイオードD2側が負、出力端子13側が正となる。従ってダイオードD2には、そのカソード側端子を負とする順方向電圧が印加されるので、ダイオードD2からコイルL22を経由して出力端子13に向かう電流が流れる。
このため、出力端子13からは、コイルL22に生じた起電力に基づく直流電圧が、コンデンサC1により平滑されて出力される。
Thereby, in the coil L21, an electromotive force according to the turns ratio between the coil L11 and the coil L21 is generated, and this electromotive force is positive on the diode D1 side of the coil L21 and negative on the
On the other hand, in the coil L22, an electromotive force according to the turn ratio between the coil L11 and the coil L22 is generated, and this electromotive force is negative on the diode D2 side of the coil L22 and positive on the
For this reason, a DC voltage based on the electromotive force generated in the coil L22 is output from the
その後、FET1がパルス電圧7によりオフに切り換えられると、コイルL11の両端がオープンとなり、コイルL11の自己インダクタンスによる逆起電力(フライバック電圧)が生じる。
Thereafter, when the
この状態で、コイルL21においてはトランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL21に伝達され、コイルL21の起電力となり、この起電力はコイルL21のダイオードD1側が負、出力端子13側が正となる。従ってダイオードD1には、そのカソード側端子を負とする順方向電圧が印加されるので、ダイオードD1からコイルL21を経由して出力端子13に向かう電流が流れる。
一方、コイルL22においても、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL22に伝達され、コイルL22の起電力となる。しかしながら、この起電力は、コイルL22のダイオードD2側が正、出力端子13側が負となる。従ってダイオードD2には、そのカソード側端子を正とする逆方向電圧が印加されるので、ダイオードD2には電流が流れない。
従って、出力端子13からは、コイルL21に生じた起電力に基づく直流電圧が、コンデンサC1により平滑されて出力される。
In this state, in the coil L21, the energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L21 and becomes an electromotive force of the coil L21. The electromotive force is negative on the diode D1 side of the coil L21 and positive on the
On the other hand, also in the coil L22, energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L22 and becomes an electromotive force of the coil L22. However, this electromotive force is positive on the diode D2 side of the coil L22 and negative on the
Accordingly, a DC voltage based on the electromotive force generated in the coil L21 is output from the
このように、第1の実施の形態に係る変換回路1においては、(1)コイルL11の電圧供給がオンである状態、(2)コイルL11の電源供給がオフに切り換えられた状態、の両状態において、出力端子13から直流電圧が出力される。
そして、(1)の状態ではコイルL11からコイルL22に供給されるエネルギーによる直流電圧が出力され、(2)の状態ではコイルL11からコイルL21に供給されるエネルギーによる直流電圧が出力される。
Thus, in the
In the state (1), a DC voltage based on energy supplied from the coil L11 to the coil L22 is output. In a state (2), a DC voltage based on energy supplied from the coil L11 to the coil L21 is output.
すなわち、変換回路1は、コイルL11からコイルL21,L22に伝達されるエネルギーの全てを利用して直流電圧を出力するので、損失が極めて少なく、非常に高い効率で電圧変換を行うことが可能である。
That is, since the
ここで、出力端子13と出力端子14との間に接続された負荷Lの状態によって、変換回路1から出力される直流電圧が低く(重負荷時)または高く(軽負荷時あるいは待機時)なろうとすると、VFO15及びモノステーブル・マルチバイブレータ17を含むスイッチング信号生成回路10の機能により、単位時間あたりのパルス数がそれぞれ増加または減少された電圧パルスが生成される。そしてその電圧パルスが、FET1のゲート端子G1に印加され、これによりFET1のオン/オフが制御される。この結果、スイッチング信号生成回路10を備えた変換回路1は、出力電圧が低くなろうとするときは、単位時間あたりのFET1のオンの回数を増やして変換回路1の出力電力を増やし、逆に出力電圧が高くなろうとするときは、単位時間あたりのFET1のオンの回数を減らして変換回路1の出力電力を減らすことができる。
Here, depending on the state of the load L connected between the
つまり、変換回路1は、接続される負荷に応じた出力電力を発生するので、重負荷時に負荷の影響を受けにくい安定した直流電圧を得ることができるとともに、軽負荷時または待機時の無駄な出力電力の発生を回避でき、効率が高い。
That is, since the
[第2の実施の形態]
図3は、本発明を適用した第2の実施の形態に係る変換回路100の基本的な構成を示す回路図である。図3に示す変換回路100は、上記第1の実施の形態における変換回路1に、コイルL31をさらに設けたものである。従って、図1の変換回路1と同様に配設される回路素子等については、同符号を付して説明を省略する。
[Second Embodiment]
FIG. 3 is a circuit diagram showing a basic configuration of a
図3に示す変換回路100は、図1に示す変換回路1において、コイルL21とコイルL22との接続点から延びる出力ライン上に、コイルL31が配設される。すなわち、コイルL31の一端がコイルL21とコイルL22との接続点に接続され、コイルL31の他端は出力端子13に接続される。
従って、トランスT1の二次側においては、ダイオードD1からコイルL21を介してコイルL31に向かう方向、及び、ダイオードD2からコイルL22を介してコイルL31に向かう方向にのみ、電流が流れる構成となっている。
In the
Therefore, on the secondary side of the transformer T1, the current flows only in the direction from the diode D1 to the coil L31 via the coil L21 and in the direction from the diode D2 to the coil L31 via the coil L22. Yes.
コイルL31は、コイルL21とコイルL22との接続点から出力される直流電流を平滑するコイルであり、好ましくはチョークコイルである。
また、コイルL31の他端は平滑用のコンデンサC1に接続され、出力端子13からは、コイルL31及びコンデンサC1により平滑された直流電圧が出力される。
The coil L31 is a coil that smoothes a direct current output from a connection point between the coil L21 and the coil L22, and is preferably a choke coil.
The other end of the coil L31 is connected to a smoothing capacitor C1, and a DC voltage smoothed by the coil L31 and the capacitor C1 is output from the
以上のように構成される変換回路100は、直流電源11から供給される直流電圧に基づいて、出力端子13,14に接続された負荷Lに対して直流電圧を出力する。
次に、変換回路100の動作について説明する。
The
Next, the operation of the
FET1のゲート端子G1にパルス電圧7が入力され、FET1がオンに切り換えられると、コイルL11に直流電圧が供給される。
When the
これにより、コイルL21においては、コイルL11とコイルL21との巻数比に応じた起電力が生じ、この起電力はコイルL21のダイオードD1側が正、コイルL31側が負となる。従ってダイオードD1には、そのカソード側端子を正とする逆方向電圧が印加されるので、ダイオードD1には電流が流れない。
一方、コイルL22においては、コイルL11とコイルL22との巻数比に応じた起電力が生じ、この起電力はコイルL22のダイオードD2側が負、コイルL31側が正となる。従ってダイオードD2には、そのカソード側端子を負とする順方向電圧が印加されるので、ダイオードD2からコイルL22を経由してコイルL31に向かう電流が流れる。
このため、コイルL31には、コイルL22に生じた起電力に基づく直流電圧が出力され、この直流電圧はコイルL31及びコンデンサC1により平滑されて、出力端子13から出力される。
Thereby, in the coil L21, an electromotive force according to the turn ratio between the coil L11 and the coil L21 is generated, and this electromotive force is positive on the diode D1 side of the coil L21 and negative on the coil L31 side. Therefore, since a reverse voltage with the cathode side terminal being positive is applied to the diode D1, no current flows through the diode D1.
On the other hand, in the coil L22, an electromotive force according to the turn ratio between the coil L11 and the coil L22 is generated, and this electromotive force is negative on the diode D2 side of the coil L22 and positive on the coil L31 side. Therefore, since a forward voltage having a negative cathode side terminal is applied to the diode D2, a current flows from the diode D2 to the coil L31 via the coil L22.
Therefore, a DC voltage based on the electromotive force generated in the coil L22 is output to the coil L31, and the DC voltage is smoothed by the coil L31 and the capacitor C1 and output from the
その後、FET1がパルス電圧7によりオフに切り換えられると、コイルL11の両端がオープンとなり、コイルL11の自己インダクタンスによる逆起電力(フライバック電圧)が生じる。
Thereafter, when the
この状態で、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL21に伝達されてコイルL21の起電力となり、この起電力はコイルL21のダイオードD1側が負、コイルL31側が正となる。従ってダイオードD1には、そのカソード側端子を負とする順方向電圧が印加されるので、ダイオードD1からコイルL21を経由してコイルL31に向かう電流が流れる。
一方、コイルL22においても、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL22に伝達され、コイルL22の起電力となる。しかしながら、この起電力は、コイルL22のダイオードD2側が正、コイルL31側が負となる。従ってダイオードD2には、そのカソード側端子を正とする逆方向電圧が印加されるので、ダイオードD2には電流が流れない。
従って、コイルL31には、コイルL21に生じた起電力に基づく直流電圧が出力され、この直流電圧はコイルL31及びコンデンサC1により平滑されて、出力端子13から出力される。
In this state, the energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L21 and becomes an electromotive force of the coil L21. This electromotive force is negative on the diode D1 side of the coil L21 and positive on the coil L31 side. Therefore, since a forward voltage having a negative cathode side terminal is applied to the diode D1, a current flows from the diode D1 to the coil L31 via the coil L21.
On the other hand, also in the coil L22, the energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L22 and becomes an electromotive force of the coil L22. However, this electromotive force is positive on the diode D2 side of the coil L22 and negative on the coil L31 side. Therefore, since a reverse voltage with the cathode side terminal being positive is applied to the diode D2, no current flows through the diode D2.
Therefore, a DC voltage based on the electromotive force generated in the coil L21 is output to the coil L31, and this DC voltage is smoothed by the coil L31 and the capacitor C1 and output from the
その後、時間の経過とともにコイルL11のフライバック電圧が低下すると、コイルL31のコイルL21,L22側の端子における電位はほぼ0ボルトまで低下し、コイルL31には自己インダクタンスによる逆起電力が生じる。この逆起電力により、コイルL21,L22からコイルL31に向かう方向に電流が流れようとするが、この電流の向きはダイオードD1,D2の順方向に相当する。従って、ダイオードD1からコイルL21を経てコイルL31に至る経路と、ダイオードD2からコイルL22を経てコイルL31へ至る経路との両方において、電流が流れる。
このため、出力端子13から、コイルL31に生じる逆起電力に基づく直流電圧が出力される。
Thereafter, when the flyback voltage of the coil L11 decreases with the passage of time, the potential at the terminals on the coils L21 and L22 side of the coil L31 decreases to approximately 0 volts, and a counter electromotive force is generated in the coil L31 due to self-inductance. The counter electromotive force causes a current to flow in the direction from the coils L21 and L22 toward the coil L31. The direction of the current corresponds to the forward direction of the diodes D1 and D2. Accordingly, current flows in both the path from the diode D1 through the coil L21 to the coil L31 and the path from the diode D2 through the coil L22 to the coil L31.
For this reason, a DC voltage based on the counter electromotive force generated in the coil L31 is output from the
このように、第2の実施の形態における変換回路100においては、(1)コイルL11の電圧供給がオンである状態、(2)コイルL11の両端がオープンに切り換えられた状態、(3)さらにコイルL11のフライバック電圧が低減した後の状態、の3つの状態において、出力端子13から直流電圧が出力される。
そして、(1)の状態ではコイルL11からコイルL22に供給されるエネルギーによる直流電圧が出力され、(2)の状態ではトランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL21に伝達されてコイルL21の起電力となり、この起電力に基づく直流電圧が出力され、(3)の状態ではコイルL31に蓄積されるエネルギーによる直流電圧が出力される。
As described above, in the
In the state (1), a DC voltage is output from the energy supplied from the coil L11 to the coil L22, and in the state (2), the energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L21 and the coil L21. The DC voltage based on this electromotive force is output, and in the state (3), the DC voltage based on the energy accumulated in the coil L31 is output.
すなわち、変換回路100は、コイルL11によりコイルL21,L22に誘起される起電力に加え、コイルL31に蓄積されるエネルギーをも利用して直流電圧を出力するので、損失が極めて少なく、非常に高い効率で電圧変換を行うことが可能である。
That is, the
さらに、上記(3)の状態、すなわちコイルL31に蓄積されるエネルギーにより直流電圧を出力する場合には、二次側のコイルL21,L22に電流が流れるため、コイルL11にエネルギーが伝達されることで損失を生じる可能性がある。
ところが変換回路100においては、上記(3)の状態で、コイルL21にはダイオードD1からコイルL31へ向かって電流が流れ、コイルL22にはダイオードD2からコイルL31に向かって電流が流れるので、コイルL21に流れる電流とコイルL22に流れる電流とは、互いに反対の方向に流れることになる。
このため、コイルL21に流れる電流により生じる磁束と、コイルL22に流れる電流により生じる磁束とが互いに打ち消し合うので、コイルL11に電流は流れない。
従って、変換回路100においては、二次側から一次側へのエネルギーの伝達が発生せず、これによる損失が生じないので、一層の高効率化を実現できる。
Further, in the state of (3) above, that is, when a DC voltage is output by the energy accumulated in the coil L31, current flows through the secondary side coils L21 and L22, so that energy is transmitted to the coil L11. Can cause loss.
However, in the
For this reason, since the magnetic flux generated by the current flowing through the coil L21 and the magnetic flux generated by the current flowing through the coil L22 cancel each other, no current flows through the coil L11.
Therefore, in the
なお、出力端子13と出力端子14との間に接続された負荷Lの状態によって、変換回路100から出力される直流電圧が低く(重負荷時)または高く(軽負荷時あるいは待機時)なろうとした場合の、VFO15及びモノステーブル・マルチバイブレータ17を含むスイッチング信号生成回路10の機能は、図1に示す変換回路1と同様である。
Depending on the state of the load L connected between the
つまり、変換回路100は、接続される負荷に応じた出力電力を発生するので、重負荷時に負荷の影響を受けにくい安定した直流電圧を得ることができるとともに、軽負荷時または待機時の無駄な出力電力の発生を回避でき、効率が高い。
That is, since the
[第3の実施の形態]
図4は、本発明を適用した第3の実施の形態に係る変換回路110の基本的な構成を示す回路図である。図4に示す変換回路110は、上記第2の実施の形態における変換回路100におけるダイオードD1、ダイオードD2に代えて、それぞれFET2,FET3を使用し、かつ、FET1とこれらFET2,FET3のオン/オフ制御用のデッドタイム制御回路18を設けたものである。従って、図3の変換回路100と同様に配設される回路素子等については、同符号を付して説明を省略する。
[Third Embodiment]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a basic configuration of a
図4に示す変換回路110は、図3に示す変換回路100において、ダイオードD1に代えてFET2が配設され、ダイオードD2に代えてFET3が配設される。すなわち、二次側のコイルL21の一端(巻き終わり点)には、コイルL22の一端(巻き始め点)が接続されており、コイルL21の他端(巻き始め点)には、FET2のドレイン端子が接続され、コイルL22の他端(巻き終わり点)には、FET3のドレイン端子が接続される。そして、出力端子14には、FET2,FET3のソース端子が接続される。
The
また、VFO15及びモノステーブル・マルチバイブレータ17を含むスイッチング信号生成回路10の出力側には、デッドタイム制御回路18が配設される。
A dead
デッドタイム制御回路18は、スイッチング信号生成回路10の出力パルス(オン/オフ制御信号)に基づいて、FET1,FET2,及びFET3のゲート端子G1,G2,及びG3にそれぞれ印加される所定のパルス電圧を発生するが、特にデッドタイム制御回路18は、トランスT1の二次側に配設されたFET2,及びFET3のゲート端子G2,及びG3に印加されるパルス電圧について、FET3がオンのときにFET2をオフし、FET3がオフのときにFET2をオンするようなタイミングのパルス電圧を発生する。
The dead
ところで、一般にスイッチングに用いられるFET、例えばパワーMOS−FETは、ドレイン−ソース間の寄生ダイオードを持つことが知られている。このため、FET2,FET3として、図4に示すエンハンスメントモード・nチャネルMOS−FETを使用した場合には、ドレイン−ソース間に加えられる電圧の向きによって、FETに次のように電流が流れる。
(1)FETのドレイン側を正、ソース側を負とする電圧(順方向電圧)を加えた状態において、ゲートに正の電圧が印加されると、ドレインからソースに向かうドレイン電流が流れる。ゲートに正の電圧が印加されないときは、ドレイン電流は遮断されて流れない。
(2)FETのドレイン側を負、ソース側を正とする電圧(逆方向電圧)を加えた状態において、ゲートに正の電圧が印加されると、ソースからドレインに向かう電流が流れる。ゲートに正の電圧が印加されないときは、ドレイン−ソース間の寄生ダイオードを通してソースからドレインに向かう方向に電流が流れる。
Incidentally, it is known that FETs generally used for switching, for example, power MOS-FETs, have a drain-source parasitic diode. For this reason, when the enhancement mode n-channel MOS-FET shown in FIG. 4 is used as the FET2 and FET3, the current flows through the FET as follows depending on the direction of the voltage applied between the drain and the source.
(1) When a positive voltage is applied to the gate in a state where a voltage (forward voltage) in which the drain side of the FET is positive and negative is applied to the source side, a drain current flows from the drain toward the source. When a positive voltage is not applied to the gate, the drain current is cut off and does not flow.
(2) When a positive voltage is applied to the gate in a state where a voltage (reverse voltage) with the drain side of the FET being negative and the source side being positive is applied, a current flows from the source to the drain. When a positive voltage is not applied to the gate, a current flows in a direction from the source to the drain through a parasitic diode between the drain and source.
従って、トランスT1の二次側においては、基本的に、FET3がオンされ(後述するように、FET3はドレイン−ソース間に逆方向電圧を印加された状態でオンされる)、FET3、コイルL22、及びコイルL31で構成される電流路を電流が流れるときには、FET2は順方向電圧を印加された状態でオフとされるため、FET2を流れる電流が遮断され、FET2、コイルL21、及びコイルL31で構成される電流路には電流が流れない。これとは逆に、FET2がオンされ(後述するように、FET2もドレイン−ソース間に逆方向電圧を印加された状態でオンされる)、FET2、コイルL21、及びコイルL31で構成される電流路を電流が流れるときには、FET3は順方向電圧を印加された状態でオフとされるため、FET3を流れる電流が遮断され、FET3、コイルL22、及びコイルL31で構成される電流路には電流が流れない。
Therefore, on the secondary side of the transformer T1, the
さらに、デッドタイム制御回路18は、FET2のゲート端子G2に印加されるパルス電圧がゼロとなった後、FET2がオンからオフに切り換わるまでに所定のターンオフ時間を必要とするため、このターンオフ時間内にトランスT1の一次側のFET1がオンとされないよう、FET1をオンさせるタイミングを遅らせたパルス電圧を発生し、当該パルス電圧をFET1のゲート端子G1に出力する。FET2のターンオフ時間が原因でトランスの二次側のFET2,FET3が同時にオンとなる事象が発生した状態において、トランスの一次側のFET1がオンされると、二次側のコイルL22,L21に発生する起電力によってコイルL22,コイルL21、FET2,FET3の経路に過大な電流が流れ、FET2,FET3が破壊されてしまう。そこで、デッドタイム制御回路18は、FET1をオンさせるタイミングを遅らせることでこれを有効に防止する。
Further, since the dead
以上のように構成される変換回路110は、直流電源11から供給される直流電圧に基づいて、出力端子13,14に接続された負荷Lに対して直流電圧を出力する。
次に、変換回路110の動作について説明する。
The
Next, the operation of the
FET1のゲート端子G1にデッドタイム制御回路18からパルス電圧が入力され、FET1がオンに切り換えられると、コイルL11に直流電圧が供給される。
When a pulse voltage is input from the dead
これにより、コイルL21においては、コイルL11とコイルL21との巻数比に応じた起電力が生じ、この起電力はコイルL21のFET2側が正、コイルL31側が負となる。従ってFET2には、そのドレイン側端子を正とする順方向電圧が印加される。ところが、このタイミングではデッドタイム制御回路18からはFET2のゲート端子G2にオンパルスが印加されないため、FET2はオフ状態であり、FET2のドレインからソースに向かう電流は遮断され、電流が流れない。
一方、コイルL22においては、コイルL11とコイルL22との巻数比に応じた起電力が生じ、この起電力はコイルL22のFET3側が負、コイルL31側が正となる。従ってFET3には、そのドレイン側端子を負とする逆方向電圧が印加される。このとき、デッドタイム制御回路18からは、FET3のゲート端子G3にオンパルスが印加されており、FET3は導通状態にある。従って、FET3からコイルL22を経由してコイルL31に向かう電流が流れる。
このため、コイルL31には、コイルL22に生じた起電力に基づく直流電圧が出力され、この直流電圧はコイルL31及びコンデンサC1により平滑されて、出力端子13から出力される。
Thereby, in the coil L21, an electromotive force according to the turn ratio between the coil L11 and the coil L21 is generated, and this electromotive force is positive on the FET2 side of the coil L21 and negative on the coil L31 side. Therefore, a forward voltage with its drain side terminal being positive is applied to FET2. However, at this timing, since no on-pulse is applied from the dead
On the other hand, in the coil L22, an electromotive force according to the turn ratio between the coil L11 and the coil L22 is generated, and this electromotive force is negative on the FET3 side of the coil L22 and positive on the coil L31 side. Therefore, a reverse voltage having a negative drain side terminal is applied to the
Therefore, a DC voltage based on the electromotive force generated in the coil L22 is output to the coil L31, and the DC voltage is smoothed by the coil L31 and the capacitor C1 and output from the
その後、FET1がパルス電圧に従いオフに切り換えられると、コイルL11の両端がオープンとなり、コイルL11の自己インダクタンスによる逆起電力(フライバック電圧)が生じる。
Thereafter, when the
この状態で、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL21に伝達されてコイルL21の起電力となり、この起電力はコイルL21のFET2側が負、コイルL31側が正となる。従ってFET2には、そのドレイン側端子を負とする逆方向電圧が印加される。このとき、デッドタイム制御回路18からは、FET2のゲート端子G2にオンパルスが印加されてFET2はオフからオンに切り換えられており、FET2は導通状態にある。従って、FET2からコイルL21を経由してコイルL31に向かう経路において、電流が流れる。
一方、コイルL22においても、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL22に伝達され、コイルL22の起電力となる。この起電力は、コイルL22のFET3側が正、コイルL31側が負となる。ところが、このタイミングでは、デッドタイム制御回路18からFET3のゲート端子G2にオンパルスが印加されないため、FET3はオンからオフに切り換えられており、FET3のドレインからソースに向かう電流は遮断され、電流が流れない。
従って、コイルL31には、コイルL21に生じた起電力に基づく直流電圧が出力され、この直流電圧はコイルL31及びコンデンサC1により平滑されて、出力端子13から出力される。
In this state, the energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L21 and becomes an electromotive force of the coil L21. This electromotive force is negative on the FET2 side of the coil L21 and positive on the coil L31 side. Therefore, a reverse voltage having a negative drain side terminal is applied to the FET 2. At this time, an ON pulse is applied from the dead
On the other hand, also in the coil L22, energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L22 and becomes an electromotive force of the coil L22. This electromotive force is positive on the FET3 side of the coil L22 and negative on the coil L31 side. However, at this timing, since no on-pulse is applied from the dead
Therefore, a DC voltage based on the electromotive force generated in the coil L21 is output to the coil L31, and this DC voltage is smoothed by the coil L31 and the capacitor C1 and output from the
その後、時間の経過とともにコイルL11のフライバック電圧が低下すると、コイルL31のコイルL21,L22側の端子における電位はほぼ0ボルトまで低下し、コイルL31には自己インダクタンスによる逆起電力が生じる。この逆起電力により、コイルL21,L22からコイルL31に向かう方向に電流が流れようとする。このとき、コイルL21に接続されたFET2は、このコイルL31によって生じる逆起電力により、ドレイン−ソース間に逆方向電圧が印加されている。従って、ゲート端子G2にオンパルスが印加されている状態でFET2は導通状態にあり、ソースからドレインの向きに電流が流れる。コイルL22に接続されたFET3も、このコイルL31によって生じる逆起電力により、ドレイン−ソース間に逆方向電圧が印加される。従って、FET3はオフ状態(ゲート端子G3にオンパルスが印加されていない状態)であっても、FET3の寄生ダイオードを通してソースからドレインの向きに電流が流れる。つまり、FET2からコイルL21を経てコイルL31に至る経路と、FET3からコイルL22を経てコイルL31へ至る経路との両方において、電流が流れる。
このため、出力端子13から、コイルL31に生じる逆起電力に基づく直流電圧が出力される。
Thereafter, when the flyback voltage of the coil L11 decreases with the passage of time, the potential at the terminals on the coils L21 and L22 side of the coil L31 decreases to approximately 0 volts, and a counter electromotive force is generated in the coil L31 due to self-inductance. By this counter electromotive force, a current tends to flow in the direction from the coils L21 and L22 toward the coil L31. At this time, a reverse voltage is applied between the drain and source of the FET 2 connected to the coil L21 due to the counter electromotive force generated by the coil L31. Therefore, the FET 2 is in a conducting state in the state where the on-pulse is applied to the gate terminal G2, and a current flows from the source to the drain. A reverse voltage is also applied between the drain and source of the
For this reason, a DC voltage based on the counter electromotive force generated in the coil L31 is output from the
このように、第3の実施の形態における変換回路110においては、(1)コイルL11の電圧供給がオンである状態、(2)コイルL11の両端がオープンに切り換えられた状態、(3)さらにコイルL11のフライバック電圧が低減した後の状態、の3つの状態において、出力端子13から直流電圧が出力される。
そして、(1)の状態ではコイルL11からコイルL22に供給されるエネルギーによる直流電圧が出力され、(2)の状態ではトランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL21に伝達されてコイルL21の起電力となり、この起電力に基づく直流電圧が出力され、(3)の状態ではコイルL31に蓄積されるエネルギーによる直流電圧が出力される。
Thus, in the
In the state (1), a DC voltage is output from the energy supplied from the coil L11 to the coil L22, and in the state (2), the energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L21 and the coil L21. The DC voltage based on this electromotive force is output, and in the state (3), the DC voltage based on the energy accumulated in the coil L31 is output.
すなわち、変換回路110は、コイルL11によりコイルL21,L22に誘起される起電力に加え、コイルL31に蓄積されるエネルギーをも利用して直流電圧を出力するので、損失が極めて少なく、非常に高い効率で電圧変換を行うことが可能である。
That is, the
[第4の実施の形態]
図5は、本発明を適用した第4の実施の形態に係る変換回路120の基本的な構成を示す回路図である。図5に示す変換回路120は、上記第2の実施の形態における変換回路100におけるダイオードD2に代えてFET3を使用し、かつ、スイッチング信号生成回路10からのオン/オフ制御信号をFET3のゲート端子G3にも印加することにより、FET3のオン/オフを制御するものである。従って、図3の変換回路100と同様に配設される回路素子等については、同符号を付して説明を省略する。
[Fourth Embodiment]
FIG. 5 is a circuit diagram showing a basic configuration of a
図5に示す変換回路120は、図3に示す変換回路100において、ダイオードD2に代えてFET3が配設される。すなわち、二次側のコイルL21の一端(巻き終わり点)には、コイルL22の一端(巻き始め点)が接続されており、コイルL21の他端(巻き始め点)には、ダイオードD1のカソード端子が接続され、コイルL22の他端(巻き終わり点)には、FET3のドレイン端子が接続される。そして、出力端子14には、ダイオードD1のアノード端子とFET3のソース端子が接続される。
従って、トランスT1の二次側においては、ダイオードD1からコイルL21を介してコイルL31に向かう方向の電流が流れるが、それと逆方向に電流は流れない。
The
Therefore, on the secondary side of the transformer T1, a current flows in the direction from the diode D1 to the coil L31 via the coil L21, but no current flows in the opposite direction.
また、VFO15及びモノステーブル・マルチバイブレータ17を含むスイッチング信号生成回路10は、所定のパルス電圧を発生する。スイッチング信号生成回路10から出力されるパルス電圧は、変換回路120の出力電圧に比例する周期をもつパルス電圧である。そして、パルス電圧は、FET1及びFET3のゲート端子G1,G3にそれぞれ印加される。
従って、トランスT1の一次側に接続されたFET1がオンのときは、二次側のFET3もオンであり、FET1がオフに切り換えられると、FET3も同時にオフに切り換えられる。このため、FET1がオンのときは、FET3はドレイン−ソース間に逆方向電圧を印加された状態でオンされるため、FET3、コイルL22、及びコイルL31で構成される電流路を電流が流れる。これとは逆に、FET1がオフのときは、FET3は順方向電圧を印加された状態でオフとされるため、FET3を流れる電流が遮断され、FET3、コイルL22、及びコイルL31で構成される電流路には電流が流れない。
The switching
Therefore, when the
以上のように構成される変換回路120は、直流電源11から供給される直流電圧に基づいて、出力端子13,14に接続された負荷Lに対して直流電圧を出力する。
次に、変換回路120の動作について説明する。
The
Next, the operation of the
FET1のゲート端子G1にパルス電圧7が入力され、FET1がオンに切り換えられると、コイルL11に直流電圧が供給される。
When the
これにより、コイルL21においては、コイルL11とコイルL21との巻数比に応じた起電力が生じ、この起電力はコイルL21のダイオードD1側が正、コイルL31側が負となる。従ってダイオードD1には、そのカソード側端子を正とする逆方向電圧が印加されるので、ダイオードD1には電流が流れない。
一方、コイルL22においては、コイルL11とコイルL22との巻数比に応じた起電力が生じ、この起電力はコイルL22のFET3側が負、コイルL31側が正となる。従ってFET3には、そのドレイン側端子を負とする逆方向電圧が印加される。このとき、スイッチング制御回路10からは、FET3のゲート端子G3にオンパルスが印加されており、FET3は導通状態にある。従って、FET3からコイルL22を経由してコイルL31に向かう電流が流れる。
このため、コイルL31には、コイルL22に生じた起電力に基づく直流電圧が出力され、この直流電圧はコイルL31及びコンデンサC1により平滑されて、出力端子13から出力される。
Thereby, in the coil L21, an electromotive force according to the turn ratio between the coil L11 and the coil L21 is generated, and this electromotive force is positive on the diode D1 side of the coil L21 and negative on the coil L31 side. Therefore, since a reverse voltage with the cathode side terminal being positive is applied to the diode D1, no current flows through the diode D1.
On the other hand, in the coil L22, an electromotive force according to the turn ratio between the coil L11 and the coil L22 is generated, and this electromotive force is negative on the FET3 side of the coil L22 and positive on the coil L31 side. Therefore, a reverse voltage having a negative drain side terminal is applied to the
Therefore, a DC voltage based on the electromotive force generated in the coil L22 is output to the coil L31, and the DC voltage is smoothed by the coil L31 and the capacitor C1 and output from the
その後、FET1がパルス電圧に従いオフに切り換えられると、コイルL11の両端がオープンとなり、コイルL11の自己インダクタンスによる逆起電力(フライバック電圧)が生じる。
Thereafter, when the
この状態で、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL21に伝達されてコイルL21の起電力となり、この起電力はコイルL21のダイオードD1側が負、コイルL31側が正となる。従ってダイオードD1には、そのカソード側端子を負とする順方向電圧が印加されるので、ダイオードD1からコイルL21を経由してコイルL31に向かう電流が流れる。
一方、コイルL22においても、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL22に伝達され、コイルL22の起電力となる。この起電力は、コイルL22のFET3側が正、コイルL31側が負となる。ところが、このタイミングでは、スイッチング制御回路10からFET3のゲート端子G3にオンパルスが印加されないため、FET3はオンからオフに切り換えられており、FET3のドレインからソースに向かう電流は遮断され、電流が流れない。
従って、コイルL31には、コイルL21に生じた起電力に基づく直流電圧が出力され、この直流電圧はコイルL31及びコンデンサC1により平滑されて、出力端子13から出力される。
In this state, the energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L21 and becomes an electromotive force of the coil L21. This electromotive force is negative on the diode D1 side of the coil L21 and positive on the coil L31 side. Therefore, since a forward voltage having a negative cathode side terminal is applied to the diode D1, a current flows from the diode D1 to the coil L31 via the coil L21.
On the other hand, also in the coil L22, energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L22 and becomes an electromotive force of the coil L22. This electromotive force is positive on the FET3 side of the coil L22 and negative on the coil L31 side. However, at this timing, since no ON pulse is applied from the switching
Therefore, a DC voltage based on the electromotive force generated in the coil L21 is output to the coil L31, and this DC voltage is smoothed by the coil L31 and the capacitor C1 and output from the
その後、時間の経過とともにコイルL11のフライバック電圧が低下すると、コイルL31のコイルL21,L22側の端子における電位はほぼ0ボルトまで低下し、コイルL31には自己インダクタンスによる逆起電力が生じる。この逆起電力により、コイルL21コイルL31に向かう方向に電流が流れようとするが、この電流の向きは、ダイオードD1の順方向に相当する。従ってダイオードD1からコイルL21を経てコイルL31に至る経路において、電流が流れる。一方、コイルL22に接続されたFET3は、このコイルL31によって生じる逆起電力により、ドレイン−ソース間に逆方向電圧が印加される。従って、FET3はオフ状態(ゲート端子G3にオンパルスが印加されていない状態)であっても、FET3の寄生ダイオードを通してソースからドレインの向きに電流が流れる。つまり、ダイオードD1からコイルL21を経てコイルL31に至る経路と、FET3からコイルL22を経てコイルL31へ至る経路との両方において、電流が流れる。
このため、出力端子13から、コイルL31に生じる逆起電力に基づく直流電圧が出力される。
Thereafter, when the flyback voltage of the coil L11 decreases with the passage of time, the potential at the terminals on the coils L21 and L22 side of the coil L31 decreases to approximately 0 volts, and a counter electromotive force is generated in the coil L31 due to self-inductance. The counter electromotive force causes a current to flow in the direction toward the coil L21 and the coil L31. The direction of the current corresponds to the forward direction of the diode D1. Therefore, a current flows in a path from the diode D1 through the coil L21 to the coil L31. On the other hand, a reverse voltage is applied between the drain and source of the
For this reason, a DC voltage based on the counter electromotive force generated in the coil L31 is output from the
このように、第4の実施の形態における変換回路120においても、(1)コイルL11の電圧供給がオンである状態、(2)コイルL11の両端がオープンに切り換えられた状態、(3)さらにコイルL11のフライバック電圧が低減した後の状態、の3つの状態において、出力端子13から直流電圧が出力される。
そして、(1)の状態ではコイルL11からコイルL22に供給されるエネルギーによる直流電圧が出力され、(2)の状態ではトランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL21に伝達されてコイルL21の起電力となり、この起電力に基づく直流電圧が出力され、(3)の状態ではコイルL31に蓄積されるエネルギーによる直流電圧が出力される。
Thus, also in the
In the state (1), a DC voltage is output from the energy supplied from the coil L11 to the coil L22, and in the state (2), the energy accumulated in the magnetic circuit of the transformer T1 is transmitted to the coil L21 and the coil L21. The DC voltage based on this electromotive force is output, and in the state (3), the DC voltage based on the energy accumulated in the coil L31 is output.
すなわち、変換回路120は、コイルL11によりコイルL21,L22に誘起される起電力に加え、コイルL31に蓄積されるエネルギーをも利用して直流電圧を出力するので、損失が極めて少なく、非常に高い効率で電圧変換を行うことが可能である。
That is, since the
第4の実施の形態における変換回路120においては、第3の実施の形態の変換回路110で必要とされるデッドタイム制御回路18は不要である。変換回路120においては、上記のとおり、トランスT1の一次側に接続されたFET1のゲート端子G1にパルス電圧が入力され、FET1がオンに切り換えられると、コイルL11とコイルL22との巻数比に応じた電圧の、コイルL21のダイオードD1側を正とする起電力が発生するが、このときダイオードD1は逆方向電圧が印加されることになるので、ダイオードD1には電流が流れない。従って、変換回路120において、トランスの一次側のFET1がオンされても、二次側のコイルL22,L21に発生する起電力によってコイルL22,コイルL21、ダイオードD1,FET3の経路に電流が流れることはないため、第3の実施の形態の変換回路110のようにFET3のターンオフ時間を考慮してFET1をオンさせるタイミングを遅らせる必要がないからである。
つまり、変換回路120によれば、少ない部品点数で安価な高効率の変換回路を構成することができる。
In the
That is, according to the
次に、変換回路120に関し、トランスT1の二次側のFET3が完全にオフに切り換えられるまでのターンオフ時間の動作を考察する。既に説明したように、FET1がパルス電圧に従いオフに切り換えられ、このタイミングで、FET3もオンからオフに切り換えられているはずである。しかしながら、実際にはFETの特性にばらつきがあり、FET1とFET3の両者が全く同じタイミングで完全にオフに切り換えられるとは限らないため、FET3の特性により、FET3が完全にオフに切り換えられるまでのターンオフ時間に遅延が発生する場合がある。この遅延したターンオフ時間の期間中、トランスT1の一次側ではエネルギーの供給がされないために、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーが減ろうとするが、ダイオードD1、二次側のコイルL21、コイルL22、及びFET3の経路に、ダイオードD1の順方向に相当する向きの電流が流れることにより、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーは、消耗されることなく保存される。その後、FET3が完全にオフに切り換わると、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーがコイルL21に伝達されてコイルL21の起電力となり、ダイオードD1からコイルL21を経由してコイルL31に向かう電流が流れ始め、コイルL31には、コイルL21に生じた起電力に基づく直流電圧が出力される。
つまり、FET3のターンオフ時間により、実際上FET3のオンからオフの切り換えに遅延が生じても、その間に、トランスT1の磁気回路に蓄積されるエネルギーが消耗されることがないため、エネルギーの利用効率がよいという利点がある。
Next, regarding the
That is, even if there is a delay in switching from on to off of the
次に、FET3の遅延したターンオフ時間中に、ダイオードD1、二次側のコイルL21、コイルL22、及びFET3の経路に、ダイオードD1の順方向に相当する向きの電流が流れるときのコイルL31の役割について考察する。この電流が流れるときには、二次側のコイルL21とコイルL22は実際上短絡状態にあり、コイルL21とコイルL22の接続点の電圧は0ボルトである。従って、コンデンサC1からコイルL31を経てこの接続点に向かう方向に電流が流れる可能性が考えられる。ところが、FET3がターンオフされる直前の、FET3がオンされている状態では、コイルL31にはコイルL22からコイルL31に向かう方向に強制的に電流が流れているため、この電流が減ろうしてもコイルL31に逆起電力が生じる。通常、コイルL31のこの逆起電力の作用は、FET3のターンオフ時間よりも十分長い時間持続するため、結果的にコンデンサC1からコイルL31を経てこの接続点に向かう方向に電流は流れない。
Next, the role of the coil L31 when a current in a direction corresponding to the forward direction of the diode D1 flows through the path of the diode D1, the secondary coil L21, the coil L22, and the FET3 during the delayed turn-off time of the FET3. Consider. When this current flows, the secondary side coil L21 and coil L22 are practically short-circuited, and the voltage at the connection point between the coil L21 and coil L22 is 0 volts. Therefore, there is a possibility that a current flows in a direction from the capacitor C1 to the connection point via the coil L31. However, in the state in which the
なお、変換回路120において、ダイオードD1に代えてFETとし、FET3に代えてダイオードを使用した回路構成、すなわち、変換回路120において丁度ダイオードD1とFET3とを入れ替えた回路構成とすることはできない。その理由は、第1に、FETのターンオフ時間が原因でトランスの二次側のFETとダイオードが同時にオンとなる事象が発生した状態において、トランスの一次側のFET1がオンされると、二次側のコイルL22,L21に発生する起電力によってコイルL22,コイルL21、FET、ダイオードの経路に過大な電流が流れ、FETが破壊されてしまうからである。第2に、ダイオードD1に代えてFETを使用すると、コイルL11のフライバック電圧が低減した後の状態の動作において、コイルL31に蓄積されるエネルギーが減少したときにFETが完全にオフに切り換わらない状態が続くと、この間に、コンデンサC1に蓄積されたエネルギーが、コイルL31、コイルL21、FET、及びコンデンサC1を経る電流路を通じて失われてしまうからである。第3に、スイッチング制御回路10の作用により、出力電圧が高いために(軽負荷時あるいは待機時)FET1のゲート端子G1に入力されパルス電圧7の周期が長くなると、ターンオフ時間の期間中に、上記と同様の電流路を通じて、コンデンサC1に蓄積されたエネルギーが失われる不都合があるからである。
Note that in the
図6は、本第2の実施の形態における変換回路100の動作を示す図表である。
図6中の波形は、変換回路100を動作させた場合の各部における電圧値又は電流値の変化を示す。なお、図6中の横軸は時間の経過を示し、縦軸は電圧値若しくは電流値を示す。
FIG. 6 is a chart showing the operation of the
The waveform in FIG. 6 shows a change in voltage value or current value in each part when the
図6において、チャンネルCH1〜3はいずれも電圧値を示す波形である。チャンネルCH1は、図3中に「CH1」として示すように、ダイオードD1のカソード側端子における電圧値を示し、同様に、チャンネルCH2はコイルL31のコイルL21,L22側端子における電圧値を示す。チャンネルCH3はダイオードD2のカソード側端子における電圧値を示す。 In FIG. 6, channels CH1 to CH3 each have a waveform indicating a voltage value. The channel CH1 indicates the voltage value at the cathode side terminal of the diode D1, as indicated by “CH1” in FIG. 3, and similarly, the channel CH2 indicates the voltage value at the coil L21 and L22 side terminals of the coil L31. Channel CH3 indicates a voltage value at the cathode side terminal of the diode D2.
また、図6において、チャンネルCH5〜7は電流値を示す波形である。チャンネルCH5は、図3中に「CH5」と示すように、ダイオードD1のカソード側端子において測定した電流値を示し、同様に、チャンネルCH6はコイルL31のコイルL21,L22側端子において測定した電流値を示す。チャンネルCH7はダイオードD2のカソード側端子において測定した電流値を示す。 In FIG. 6, channels CH5 to 7 are waveforms indicating current values. The channel CH5 indicates the current value measured at the cathode side terminal of the diode D1, as indicated by “CH5” in FIG. 3, and similarly, the channel CH6 indicates the current value measured at the coil L21 and L22 side terminals of the coil L31. Indicates. Channel CH7 indicates the current value measured at the cathode side terminal of the diode D2.
図6中、時刻Z1、Z4,Z7においてはFET1(図3)がオフからオンに切り換えられ、時刻Z2,Z5,Z8においてはFET1がオンからオフに切り換えられる。また、時刻Z3,Z6は、コイルL11におけるフライバック電圧が所定のレベルまで低下した時点である。 In FIG. 6, FET1 (FIG. 3) is switched from OFF to ON at times Z1, Z4, and Z7, and FET1 is switched from ON to OFF at times Z2, Z5, and Z8. Times Z3 and Z6 are times when the flyback voltage in the coil L11 drops to a predetermined level.
図6の時刻Z1において、変換回路100(図3)のFET1がオンに切り換えられると、コイルL11の直流電源11側が正、FET1側が負となり、コイルL11には、所定の電流が流れる。このとき、FET1のドレイン端子とコイルL11との接続点における電圧値は0ボルトである。
ここで、コイルL21に生じる起電力により、コイルL21のダイオードD1側(チャンネルCH1)の電圧値が上昇し、ダイオードD1は逆バイアスされて電流が流れない(チャンネルCH5)。
一方、コイルL22においては、コイルL31側を正、ダイオードD2側を負とする起電力が生じるので、ダイオードD2が順方向バイアスされ、ダイオードD2からコイルL22に向かって電流が流れる(チャンネルCH7)。ダイオードD2側の電圧(チャンネルCH3)は0.6ボルト(ダイオードの残留電圧)、コイルL31側の電圧(チャンネルCH2)は一次側のコイルL11と二次側のコイルL22との巻数比の電圧が出力される。
なお、コイルL21には電流が流れないので、一次側のコイルL11のエネルギーは全てコイルL22に供給される。
When the
Here, due to the electromotive force generated in the coil L21, the voltage value on the diode D1 side (channel CH1) of the coil L21 rises, the diode D1 is reverse-biased, and no current flows (channel CH5).
On the other hand, in the coil L22, an electromotive force is generated in which the coil L31 side is positive and the diode D2 side is negative, so that the diode D2 is forward biased and a current flows from the diode D2 toward the coil L22 (channel CH7). The voltage on the diode D2 side (channel CH3) is 0.6 volts (residual voltage of the diode), and the voltage on the coil L31 side (channel CH2) is the voltage of the turns ratio between the primary side coil L11 and the secondary side coil L22. Is output.
Since no current flows through the coil L21, all the energy of the primary side coil L11 is supplied to the coil L22.
次に、時刻Z2において、FET1がオフに切り換えられ、コイルL11に流れる電流が遮断されると、コイルL11に逆起電力(フライバック電圧)が生じる。このフライバック電圧は、コイルL11のFET1側が正となる。
このフライバック電圧により、コイルL21にダイオードD1側を負とする相互誘導電圧(チャンネルCH1)が生じ、ダイオードD1が順方向バイアスされて、ダイオードD1からコイルL21に向かって電流が流れ(チャンネルCH5)、この電流はコイルL31を経由して出力端子13から出力される(チャンネルCH6)。
一方、コイルL22においては、フライバック電圧によりダイオードD2側を正とする電圧(チャンネルCH3)が生じ、ダイオードD2には逆方向電圧が印加されるので、電流が流れない(チャンネルCH7)。
Next, when the
This flyback voltage generates a mutual induction voltage (channel CH1) with the diode D1 side negative in the coil L21, the diode D1 is forward biased, and a current flows from the diode D1 toward the coil L21 (channel CH5). This current is output from the
On the other hand, in the coil L22, a voltage (channel CH3) with the diode D2 side being positive is generated by the flyback voltage, and a reverse voltage is applied to the diode D2, so that no current flows (channel CH7).
コイルL11におけるフライバック電圧は時間の経過とともに低下し、時刻Z3においてほぼ消失する。この時点で、コイルL31のコイルL21,L22側における電圧値が低下することにより(チャンネルCH2)、コイルL31に逆起電力が発生する。
そして、コイルL31の逆起電力により、ダイオードD1からコイルL21を経由してコイルL31に向かう電流が流れ(チャンネルCH5)、さらに、FET3からコイルL22を経由してコイルL31に向かう電流が流れ(チャンネルCH7)、これらを合わせた電流がコイルL31に流れる(チャンネルCH6)。
The flyback voltage in the coil L11 decreases with time and almost disappears at time Z3. At this time, the voltage value on the coils L21 and L22 side of the coil L31 decreases (channel CH2), and a back electromotive force is generated in the coil L31.
Then, due to the counter electromotive force of the coil L31, a current flows from the diode D1 to the coil L31 via the coil L21 (channel CH5), and further, a current flows from the
このように、変換回路120においては、上述した通り、(1)コイルL11の電圧供給がオンである状態(時刻Z1〜時刻Z2)、(2)コイルL11の両端がオープンに切り換えられた状態(時刻Z2〜時刻Z3)、(3)さらにコイルL11のフライバック電圧がほぼ消失した後の状態(時刻Z3〜)、の3つの状態において、コイルL31を流れる電流路が形成され、出力端子13から直流電圧が出力される。
Thus, in the
そして、コイルL31における逆起電力が低下した時点、すなわち図6中の時刻Z4において、再びFET1をオンに切り換えることにより、上記の動作が繰り返され、出力端子13から継続して直流電圧が出力される。
Then, when the back electromotive force in the coil L31 decreases, that is, at time Z4 in FIG. 6, the above operation is repeated by switching the
図7は、変換回路100を用いたスイッチング電源装置を製作し、その効率を測定した測定結果を示す図表である。このスイッチング電源装置は、変換回路100(図3)の直流電源11として、100ボルトの交流電源を全波整流して得られる100ボルトの直流電圧を印加し、RCC(Ringing Choke Converter)を用いてトランスT1をドライブする構成とした。
FIG. 7 is a chart showing measurement results of manufacturing a switching power supply device using the
図7の横軸は、出力電圧を5ボルトとした場合の出力電力(単位W:ワット)を示し、縦軸は、変換効率(単位%)及び入力電力(単位W)を示す。
図7中、(1)は変換回路100を用いたスイッチング電源装置の効率を示し、(2)は従来のスイッチング電源装置の効率を示し、(3)は変換回路100を用いたスイッチング電源装置に対する入力電力を示し、(4)は従来のスイッチング電源装置に対する入力電力を示す。
The horizontal axis in FIG. 7 indicates output power (unit: W) when the output voltage is 5 volts, and the vertical axis indicates conversion efficiency (unit%) and input power (unit W).
7, (1) shows the efficiency of the switching power supply device using the
図7中(2)及び(4)に示すように、従来のスイッチング電源装置は、全般的に効率が70%以下に留まっており、特に低出力時の効率が著しく低い。例えば、1Wの出力電力を得るために8W近い入力電力を必要としている。また、出力がゼロの場合も入力電力はゼロにならず、これはいわゆる「待機電力」が大きいことを示している。
これに対し、図7中に(1)及び(3)で示すように、変換回路100を利用したスイッチング電源装置は、出力電力が1W程度の状態で既に80%を超える効率を実現しており、変換効率は極めて高く、かつ、出力電力が変化しても安定した効率を維持している。
さらに、変換回路100を利用したスイッチング電源装置は、出力電力がゼロの場合の入力電力がほぼゼロに等しい。このため、いわゆる待機電力の消費は殆ど無視できるレベルであって、無駄な電力消費をほぼ完全に排除できている。
As shown in (2) and (4) in FIG. 7, the conventional switching power supply device generally has an efficiency of 70% or less, and the efficiency at the time of low output is particularly low. For example, input power close to 8 W is required to obtain 1 W output power. Also, when the output is zero, the input power does not become zero, which indicates that so-called “standby power” is large.
On the other hand, as indicated by (1) and (3) in FIG. 7, the switching power supply device using the
Furthermore, in the switching power supply device using the
このように、変換回路100は、極めて効率の高い電圧変換動作をなすものであって、例えばスイッチング電源に用いれば、低出力時においても高い効率を実現できる。
また、効率が高く損失が低いので、発熱の問題が殆ど無いことが容易に予想され、極めて有用性に富む電圧変換回路を実現できる。
As described above, the
In addition, since the efficiency is high and the loss is low, it is easily predicted that there will be almost no problem of heat generation, and a voltage conversion circuit that is extremely useful can be realized.
なお、上記第1〜第4の実施の形態において、変換回路1,100,110,120における直流電源11の具体的な形態は任意であって、バッテリやスイッチング電源装置を用いても良いし、或いは、交流電源を整流して直流電圧を供給する回路を直流電源11として用いることも可能であり、いずれの場合であっても同様の効果が得られる。
特に、直流電源11として、交流電源を整流して直流電圧を供給する回路(ダイオードブリッジ回路等)を用いた場合、変換回路1,100,110,120は、直流電源回路の一構成回路として利用することができる。直流電源回路は、家庭用交流電源に接続される電化製品、電子機器の多くに搭載されており、これら電化製品、電子機器に本発明の変換回路1を適用すれば、極めて有用である。
In the first to fourth embodiments, the specific form of the DC power supply 11 in the
In particular, when a circuit (such as a diode bridge circuit) that rectifies an AC power supply and supplies a DC voltage is used as the DC power supply 11, the
さらに、上記第1、第2の実施の形態において、変換回路1,100に配される各ダイオードを、極性を逆向きにして取り付けることも勿論可能であり、この場合、出力される直流電圧の極性が逆になるだけで、上記第1、第2の実施の形態と同様の効果が得られる。
Further, in the first and second embodiments, it is of course possible to attach the diodes arranged in the
また、変換回路1,100,110,120の具体的構成についても特に限定はなく、変換回路1,100,110,120の一部または全部を等価回路により置換することも勿論可能である。例えば、変換回路1,100,110,120に含まれるダイオードを、整流機能を有する回路に置き換えること、及び/または変換回路1,100,110,120に含まれるFETを、外部入力信号によりオン/オフ制御可能なスイッチング機能を有する回路に置き換えることも可能であり、その他の細部構成についても、適宜変更可能であることは勿論である。
Further, the specific configuration of the
本発明の電圧変換回路は、単に直流電圧を変換する機器に適用可能であるのみならず、例えば、本発明の電圧変換回路の入力段(図1、図3、図4及び図5中の直流電源11)に、交流電圧を整流する整流回路を接続すれば、交流電圧から所望の直流電圧を出力する電源回路(例えば、スイッチング電源回路)として利用できる。このように、本発明の電圧変換回路は、直流電圧の電圧変換を要する全ての回路及び当該回路を搭載する機器に適用可能である。 The voltage conversion circuit of the present invention can be applied not only to a device that converts a DC voltage, but also, for example, the input stage of the voltage conversion circuit of the present invention (DC in FIGS. 1, 3, 4, and 5). If a rectifier circuit that rectifies an AC voltage is connected to the power supply 11), it can be used as a power supply circuit (for example, a switching power supply circuit) that outputs a desired DC voltage from the AC voltage. As described above, the voltage conversion circuit of the present invention can be applied to all circuits that require voltage conversion of a DC voltage and devices equipped with the circuits.
1,100,110,120 変換回路
10 スイッチング信号生成回路
11 直流電源
13,14 出力端子
15 VFO
16 微分回路
17 モノステーブル・マルチバイブレータ
18 デッドタイム制御回路
FET1,FET2,FET3 FET
C1 コンデンサ
D1,D2 ダイオード
L11,L21,L22,L31 コイル
T1 トランス
1,100,110,120
16
C1 Capacitor D1, D2 Diode L11, L21, L22, L31 Coil T1 Transformer
Claims (11)
前記トランスは、一次側に第1のコイルが配設され、二次側には第2のコイル及び第3のコイルが配設された構成を有し、
前記スイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンにされた状態で、前記第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第1の電流路と、
前記スイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンからオフに切り換えられた後、前記第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第2の電流路と、
前記第1の電流路及び前記第2の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期で前記スイッチング手段のオン/オフを制御する制御手段とを備えること、
を特徴とする電圧変換回路。 A voltage conversion circuit comprising a transformer and switching means for switching on / off of DC voltage supply to the primary side of the transformer,
The transformer has a configuration in which a first coil is disposed on the primary side, and a second coil and a third coil are disposed on the secondary side,
A first current path for outputting a DC voltage based on an electromotive force generated in the second coil in a state where the voltage supply to the transformer is turned on by the switching means;
A second current path for outputting a DC voltage based on an electromotive force generated in the third coil after the voltage supply to the transformer is switched from on to off by the switching means;
Control means for detecting output voltages of the first current path and the second current path and controlling on / off of the switching means at a period proportional to the output voltage;
A voltage conversion circuit characterized by the above.
前記第2の電流路において出力される直流電圧値が低減した場合に前記第4のコイルに生じる起電力に基づいて、直流電圧を出力する第3の電流路が形成され、
前記制御手段は、前記第1の電流路、前記第2の電流路及び前記第3の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期で前記スイッチング手段のオン/オフを制御すること、
を特徴とする請求項1記載の電圧変換回路。 A fourth coil disposed on output lines of the first current path and the second current path;
A third current path for outputting a DC voltage is formed based on an electromotive force generated in the fourth coil when a DC voltage value output in the second current path is reduced,
The control means detects output voltages of the first current path, the second current path, and the third current path, and controls on / off of the switching means at a period proportional to the output voltage. thing,
The voltage conversion circuit according to claim 1.
前記第4のコイルの一端は、前記第2のコイルと前記第3のコイルとの接続点に接続されており、
前記第3の電流路は、前記第2のコイル及び前記第4のコイルからなる電流路と、前記第3のコイル及び前記第4のコイルからなる電流路とによって構成されること、
を特徴とする請求項2記載の電圧変換回路。 The second coil and the third coil are connected in series,
One end of the fourth coil is connected to a connection point between the second coil and the third coil,
The third current path is constituted by a current path composed of the second coil and the fourth coil, and a current path composed of the third coil and the fourth coil;
The voltage conversion circuit according to claim 2.
前記第3のコイルの一端は前記第2のコイルに接続され、他端には第2の整流手段が接続されており、
前記第4のコイルの一端は前記第2のコイルと前記第3のコイルとの接続点に接続され、かつ、前記第4のコイルの他端は当該電圧変換回路の出力端子に接続されており、
前記第1の電流路は、前記第1の整流手段と、前記第2のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、
前記第2の電流路は、前記第2の整流手段と、前記第3のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、
前記第3の電流路は、前記第1の整流手段と前記第2のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路、及び、前記第2の整流手段と前記第3のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路によって構成されること、
を特徴とする請求項2または3記載の電圧変換回路。 A first rectifier is connected to one end of the second coil, and the other end is connected to the third coil.
One end of the third coil is connected to the second coil, and the second rectifier is connected to the other end.
One end of the fourth coil is connected to a connection point between the second coil and the third coil, and the other end of the fourth coil is connected to an output terminal of the voltage conversion circuit. ,
The first current path is constituted by the first rectifying means, the second coil, and the fourth coil.
The second current path is constituted by the second rectifying means, the third coil, and the fourth coil.
The third current path includes a current path composed of the first rectifying means, the second coil, and the fourth coil, and the second rectifying means, the third coil, and the fourth coil. A current path composed of a coil of
4. The voltage conversion circuit according to claim 2 or 3, wherein:
前記トランスは、一次側に第1のコイルが配設され、二次側には第2のコイル及び第3のコイルが配設された構成を有し、
第2のスイッチング手段を含み、前記第1のスイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンにされた状態で、前記第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第1の電流路と、
第3のスイッチング手段を含み、前記第1のスイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンからオフに切り換えられた後、前記第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第2の電流路と、
前記第1の電流路及び前記第2の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期のオン/オフ制御信号を出力する信号生成手段と、
前記信号生成手段からのオン/オフ制御信号に基づいて、前記第1のスイッチング手段のオン/オフを制御し、かつ、前記第2のスイッチング手段がオンのときに前記第3のスイッチング手段をオフし、前記第2のスイッチング手段がオフのときに前記第3のスイッチング手段をオンするように、前記第2のスイッチング手段及び前記第3のスイッチング手段のオン/オフを制御する制御手段とを備えること、
を特徴とする電圧変換回路。 A voltage conversion circuit comprising a transformer and first switching means for switching on / off of DC voltage supply to the primary side of the transformer,
The transformer has a configuration in which a first coil is disposed on the primary side, and a second coil and a third coil are disposed on the secondary side,
A first current path that includes a second switching unit and outputs a DC voltage based on an electromotive force generated in the second coil in a state where the voltage supply to the transformer is turned on by the first switching unit; When,
A second switching unit configured to output a DC voltage based on an electromotive force generated in the third coil after the voltage supply to the transformer is switched from on to off by the first switching unit; Current path,
Signal generating means for detecting output voltages of the first current path and the second current path and outputting an on / off control signal having a period proportional to the output voltage;
Based on an on / off control signal from the signal generating means, the on / off of the first switching means is controlled, and the third switching means is turned off when the second switching means is on. And a control means for controlling on / off of the second switching means and the third switching means so that the third switching means is turned on when the second switching means is off. thing,
A voltage conversion circuit characterized by the above.
前記第2の電流路において出力される直流電圧値が低減した場合に前記第4のコイルに生じる起電力に基づいて、直流電圧を出力する第3の電流路が形成され、
前記信号生成手段は、前記第1の電流路、前記第2の電流路及び前記第3の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期のオン/オフ制御信号を出力すること、
を特徴とする請求項5記載の電圧変換回路。 A fourth coil disposed on output lines of the first current path and the second current path;
A third current path for outputting a DC voltage is formed based on an electromotive force generated in the fourth coil when a DC voltage value output in the second current path is reduced,
The signal generation means detects output voltages of the first current path, the second current path, and the third current path, and outputs an on / off control signal having a period proportional to the output voltage. ,
The voltage conversion circuit according to claim 5.
前記第3のコイルの一端は前記第2のコイルに接続され、他端には前記第3のスイッチング手段が接続されており、
前記第4のコイルの一端は前記第2のコイルと前記第3のコイルとの接続点に接続され、かつ、前記第4のコイルの他端は当該電圧変換回路の出力端子に接続されており、
前記第1の電流路は、前記第2のスイッチング手段と、前記第2のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、
前記第2の電流路は、前記第3のスイッチング手段と、前記第3のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、
前記第3の電流路は、前記第2のスイッチング手段と前記第2のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路、及び、前記第3のスイッチング手段と前記第3のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路によって構成されること、
を特徴とする請求項6記載の電圧変換回路。 The second switching means is connected to one end of the second coil, the other end is connected to the third coil,
One end of the third coil is connected to the second coil, and the third switching means is connected to the other end,
One end of the fourth coil is connected to a connection point between the second coil and the third coil, and the other end of the fourth coil is connected to an output terminal of the voltage conversion circuit. ,
The first current path is constituted by the second switching means, the second coil, and the fourth coil.
The second current path is constituted by the third switching means, the third coil, and the fourth coil.
The third current path includes a current path composed of the second switching means, the second coil, and the fourth coil, and the third switching means, the third coil, and the fourth coil. A current path composed of a coil of
The voltage conversion circuit according to claim 6.
前記トランスは、一次側に第1のコイルが配設され、二次側には第2のコイル及び第3のコイルが配設された構成を有し、
第2のスイッチング手段を含み、前記第1のスイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンにされた状態で、前記第2のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第1の電流路と、
整流手段を含み、前記第1のスイッチング手段により前記トランスに対する電圧供給がオンからオフに切り換えられた後、前記第3のコイルに生じる起電力に基づいて直流電圧を出力する第2の電流路と、
前記第1の電流路及び前記第2の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期で前記第1のスイッチング手段及び前記第2のスイッチング手段のオン/オフを制御する制御手段とを備えること、
を特徴とする電圧変換回路。 A voltage conversion circuit comprising a transformer and first switching means for switching on / off of DC voltage supply to the primary side of the transformer,
The transformer has a configuration in which a first coil is disposed on the primary side, and a second coil and a third coil are disposed on the secondary side,
A first current path that includes a second switching unit and outputs a DC voltage based on an electromotive force generated in the second coil in a state where the voltage supply to the transformer is turned on by the first switching unit; When,
A second current path that includes a rectifying means and outputs a DC voltage based on an electromotive force generated in the third coil after the voltage supply to the transformer is switched from on to off by the first switching means; ,
Control means for detecting output voltages of the first current path and the second current path and controlling on / off of the first switching means and the second switching means at a period proportional to the output voltage. Providing with,
A voltage conversion circuit characterized by the above.
前記第2の電流路において出力される直流電圧値が低減した場合に前記第4のコイルに生じる起電力に基づいて、直流電圧を出力する第3の電流路が形成され、
前記制御手段は、前記第1の電流路、前記第2の電流路及び前記第3の電流路の出力電圧を検出し、前記出力電圧に比例する周期で前記第1のスイッチング手段及び第2のスイッチング手段のオン/オフを制御すること、
を特徴とする請求項8記載の電圧変換回路。 A fourth coil disposed on output lines of the first current path and the second current path;
A third current path for outputting a DC voltage is formed based on an electromotive force generated in the fourth coil when a DC voltage value output in the second current path is reduced,
The control means detects output voltages of the first current path, the second current path, and the third current path, and the first switching means and the second current cycle at a period proportional to the output voltage. Controlling on / off of the switching means,
The voltage conversion circuit according to claim 8.
前記第3のコイルの一端は前記第2のコイルに接続され、他端には前記整流手段が接続されており、
前記第4のコイルの一端は前記第2のコイルと前記第3のコイルとの接続点に接続され、かつ、前記第4のコイルの他端は当該電圧変換回路の出力端子に接続されており、
前記制御手段は、前記第1のスイッチング手段のオン/オフに同期して前記第2のスイッチング手段をオン/オフし、
前記第1の電流路は、前記第2のスイッチング手段と、前記第2のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、
前記第2の電流路は、前記整流手段と、前記第3のコイルと、前記第4のコイルとによって構成され、
前記第3の電流路は、前記第2のスイッチング手段と前記第2のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路、及び、前記整流手段と前記第3のコイルと前記第4のコイルとからなる電流路によって構成されること、
を特徴とする請求項9記載の電圧変換回路。 The second switching means is connected to one end of the second coil, the other end is connected to the third coil,
One end of the third coil is connected to the second coil, and the other rectifier is connected to the other end.
One end of the fourth coil is connected to a connection point between the second coil and the third coil, and the other end of the fourth coil is connected to an output terminal of the voltage conversion circuit. ,
The control means turns on / off the second switching means in synchronization with on / off of the first switching means,
The first current path is constituted by the second switching means, the second coil, and the fourth coil.
The second current path is constituted by the rectifying means, the third coil, and the fourth coil,
The third current path includes a current path including the second switching unit, the second coil, and the fourth coil, and the rectifying unit, the third coil, and the fourth coil. Comprising a current path consisting of
The voltage conversion circuit according to claim 9.
A power supply device comprising the voltage conversion circuit according to claim 1.
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