JP2006191710A - Dc converter - Google Patents

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守 鶴谷
Shinji Aso
真司 麻生
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve the efficientization and downsizing by simplification of a circuit and reduction of loss. <P>SOLUTION: This DC converter has a switch Q1 which converts the DC voltage of a DC power source Vdc1 into high frequency voltage by switching it on or off via primary winding 5a, a series circuit which is composed of a switch Q2 and a clamp capacitor C2, a saturable reactor SL1 which is saturated by the energy accumulated in C2, a smoothing reactor Lo and a smoothing capacitor Co which smooth the rectified output of synchronous rectification circuits Q3 and Q4 synchronizing and rectifying the voltage of secondary winding 5b, a control circuit 10a which switches on or switches off Q1 and Q2 alternately and also zero-voltage-switches Q1 when SL1 is saturated, a capacitor C5 which accumulates, via a diode D5, the energy accumulated in Lo by the counterflow of the current of a synchronous rectification circuit at light load, and a switch Q5 which feeds back the energy accumulated in C5 to C2, being switched on synchronously with Q2, and this adjusts the saturation state of SL1 by the energy fed back to C2. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、高効率、小型なDC/DCコンバータ等の直流変換装置に関するものである。   The present invention relates to a DC converter such as a high-efficiency, small-sized DC / DC converter.

図13に従来の直流変換装置の回路構成図を示す。図13に示す直流変換装置では、損失を低減するために、トランスの2次側(出力側)にオン抵抗の小さいMOSFET(電界効果トランジスタ)等からなる同期整流器が用られている。   FIG. 13 shows a circuit configuration diagram of a conventional DC converter. In the DC converter shown in FIG. 13, a synchronous rectifier including a MOSFET (field effect transistor) having a low on-resistance is used on the secondary side (output side) of the transformer in order to reduce the loss.

図13において、直流電源Vdc1にトランスT1の1次巻線5a(巻数n1)を介してMOSFET等からなるスイッチQ1が接続され、このスイッチQ1の両端には、抵抗R1とコンデンサC1との直列回路が接続されている。トランスT1の1次巻線5aの両端には、ダイオードD2とコンデンサC2との直列回路が接続され、コンデンサC2の両端には抵抗R2が接続されている。スイッチQ1は、制御回路10のPWM制御によりオン/オフするようになっている。   In FIG. 13, a switch Q1 made of a MOSFET or the like is connected to a DC power source Vdc1 through a primary winding 5a (number of turns n1) of a transformer T1, and a series circuit of a resistor R1 and a capacitor C1 is connected to both ends of the switch Q1. Is connected. A series circuit of a diode D2 and a capacitor C2 is connected to both ends of the primary winding 5a of the transformer T1, and a resistor R2 is connected to both ends of the capacitor C2. The switch Q1 is turned on / off by PWM control of the control circuit 10.

また、トランスT1の1次巻線5aとトランスT1の2次巻線5b(巻数n2)とは互いに同相電圧が発生するように巻回されており、トランスT1の2次巻線5bの両端にはMOSFETからなるスイッチQ3とMOSFETからなるスイッチQ4とが直列に接続されている。トランスT1の2次巻線5bの一端(●側)は、スイッチQ4のゲートに接続され、トランスT1の2次巻線5bの他端は、スイッチQ3のゲートに接続されている。スイッチQ3にはダイオードD3が並列に接続され、スイッチQ4にはダイオードD4が並列に接続されている。これらの素子により同期整流回路を構成している。この同期整流回路は、スイッチQ1のオン/オフに同期してトランスT1の2次巻線5bに発生した電圧(オンオフ制御されたパルス電圧)を整流して出力する。   Further, the primary winding 5a of the transformer T1 and the secondary winding 5b (the number of turns n2) of the transformer T1 are wound so as to generate an in-phase voltage, and are formed at both ends of the secondary winding 5b of the transformer T1. The switch Q3 made of MOSFET and the switch Q4 made of MOSFET are connected in series. One end (● side) of the secondary winding 5b of the transformer T1 is connected to the gate of the switch Q4, and the other end of the secondary winding 5b of the transformer T1 is connected to the gate of the switch Q3. A diode D3 is connected in parallel to the switch Q3, and a diode D4 is connected in parallel to the switch Q4. A synchronous rectifier circuit is constituted by these elements. This synchronous rectifier circuit rectifies and outputs a voltage (pulse voltage on / off controlled) generated in the secondary winding 5b of the transformer T1 in synchronization with the on / off of the switch Q1.

また、スイッチQ3の両端には平滑リアクトルLoと平滑コンデンサCoとが直列に接続され、平滑回路を構成している。この平滑回路は、同期整流回路の整流出力を平滑して直流出力を負荷RLに出力する。   Further, a smoothing reactor Lo and a smoothing capacitor Co are connected in series at both ends of the switch Q3 to constitute a smoothing circuit. The smoothing circuit smoothes the rectified output of the synchronous rectifier circuit and outputs a DC output to the load RL.

制御回路10は、スイッチQ1をオンオフ制御し、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1に印加されるパルスのオン幅を狭くするように制御する。すなわち、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1のパルスのオン幅を狭くすることで、出力電圧を一定電圧に制御するようになっている。   The control circuit 10 performs on / off control of the switch Q1, and controls the on width of the pulse applied to the switch Q1 to be narrowed when the output voltage of the load RL becomes equal to or higher than the reference voltage. That is, when the output voltage of the load RL becomes equal to or higher than the reference voltage, the output voltage is controlled to a constant voltage by narrowing the ON width of the pulse of the switch Q1.

次に、このように構成された直流変換装置の動作を図14に示す軽負荷時のタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図14において、Q1vはスイッチQ1のドレイン−ソース間電圧、Q1iはスイッチQ1のドレイン電流、Q3iはスイッチQ3のドレイン電流、Q4iはスイッチQ4のドレイン電流、Q3vはスイッチQ3のドレイン−ソース間電圧、Q1gはスイッチQ1のゲート電圧信号を示している。   Next, the operation of the DC converter configured as described above will be described with reference to a timing chart at light load shown in FIG. In FIG. 14, Q1v is the drain-source voltage of the switch Q1, Q1i is the drain current of the switch Q1, Q3i is the drain current of the switch Q3, Q4i is the drain current of the switch Q4, and Q3v is the drain-source of the switch Q3. A voltage Q1g indicates a gate voltage signal of the switch Q1.

まず、重負荷時の動作を説明する。ゲート電圧信号Q1gによりスイッチQ1をオンさせると、Vdc1→5a→Q1→Vdc1と電流Q1iが流れる。この電流Q1iは時間とともに直線的に増加していく。   First, the operation under heavy load will be described. When the switch Q1 is turned on by the gate voltage signal Q1g, Vdc1 → 5a → Q1 → Vdc1 and current Q1i flow. This current Q1i increases linearly with time.

また、このとき、トランスT1の2次巻線5bにも電圧が発生するため、スイッチQ4がオンし、5b→Lo→Co→Q4→5bと電流Q4iが流れて、負荷RLに電力が供給される。電流Q4iは時間とともに直線的に増加していく。このとき、平滑リアクトルLoにはLo(Io)2/2のエネルギーが蓄えられる。Ioは平滑リアクトルLoに流れる電流である。 At this time, since a voltage is also generated in the secondary winding 5b of the transformer T1, the switch Q4 is turned on, the current Q4i flows through 5b → Lo → Co → Q4 → 5b, and power is supplied to the load RL. The The current Q4i increases linearly with time. In this case, Lo (Io) 2/2 of energy is stored in the smoothing reactor Lo. Io is a current flowing through the smoothing reactor Lo.

次に、スイッチQ1がオフすると、トランスT1の2次巻線5bの電圧は、逆電圧となるため、スイッチQ4はオフとなり、スイッチQ3がオンとなる。このため、平滑リアクトルLoに蓄えられたエネルギーにより、Lo→Co→Q3→Loと電流Q3iが流れて、引き続き負荷RLに電力が供給される。   Next, when the switch Q1 is turned off, the voltage of the secondary winding 5b of the transformer T1 becomes a reverse voltage, so that the switch Q4 is turned off and the switch Q3 is turned on. For this reason, Lo → Co → Q3 → Lo and the current Q3i flow due to the energy stored in the smoothing reactor Lo, and power is continuously supplied to the load RL.

次に、スイッチQ1がオンすると、2次巻線5bの電圧は再度逆転して、スイッチQ4がオンし、スイッチQ3がオフとなり、同様に動作する。この状態を平滑リアクトルLoの電流が連続的に同方向に流れるため、連続モードと呼ぶ。   Next, when the switch Q1 is turned on, the voltage of the secondary winding 5b is reversed again, the switch Q4 is turned on, the switch Q3 is turned off, and the same operation is performed. This state is called a continuous mode because the current of the smoothing reactor Lo continuously flows in the same direction.

一方、負荷電流が減少した場合(軽負荷時)には、スイッチQ1がオフした時(例えば時刻t32)の平滑リアクトルLoの電流は、スイッチQ1のオフ期間中にゼロとなるが、引き続きスイッチQ3がオン状態である。このため、平滑コンデンサCoに蓄積された電荷が放電し、Co→Lo→Q3→Coと電流が流れて、平滑リアクトルLoにエネルギーが蓄えられる。 On the other hand, when the load current decreases (during light load), the current of the smoothing reactor Lo when the switch Q1 is turned off (for example, at time t 32 ) becomes zero during the off period of the switch Q1, Q3 is on. For this reason, the electric charge accumulated in the smoothing capacitor Co is discharged, a current flows through Co → Lo → Q3 → Co, and energy is stored in the smoothing reactor Lo.

次に、時刻t33(時刻t31も同じ)において、スイッチQ1がオンすると、スイッチQ4がオンし、スイッチQ3がオフする。このため、平滑リアクトルLoの電流は、Lo→5b→Q4→Co→Loで流れる。このため、エネルギーがトランスT1の1次巻線5aを介して、1次側(入力側)の直流電源Vdc1に帰還される。 Then, at time t 33 (time t 31 same), the switch Q1 is turned on, the switch Q4 is turned on, the switch Q3 is turned off. For this reason, the current of the smoothing reactor Lo flows in the order of Lo → 5b → Q4 → Co → Lo. For this reason, energy is fed back to the DC power supply Vdc1 on the primary side (input side) via the primary winding 5a of the transformer T1.

なお、従来のスイッチング電源装置の関連技術として、例えば特許文献1が知られている。
特開2002−10636号公報
For example, Patent Document 1 is known as a related art of a conventional switching power supply device.
JP 2002-10636 A

このように、図13に示す従来の直流変換装置や特許文献1に記載のスイッチング電源装置にあっては、同期整流を適用する場合に、平滑リアクトルLoの電流が連続する重負荷状態では、損失も少なく軽快に機能する。   As described above, in the conventional DC converter shown in FIG. 13 and the switching power supply device described in Patent Document 1, when synchronous rectification is applied, in the heavy load state in which the current of the smoothing reactor Lo continues, the loss It works less and lightly.

しかしながら、図14に示すような軽負荷状態では、平滑リアクトルLoの電流は、連続的とならず、帰還モード時に逆流し、スイッチQ3がオフ時に、平滑リアクトルLoに蓄えられたエネルギーが、スイッチQ4とトランスT1を介して、入力側の直流電源Vdc1に帰還される。   However, in a light load state as shown in FIG. 14, the current of the smoothing reactor Lo is not continuous, and reversely flows in the feedback mode, and when the switch Q3 is off, the energy stored in the smoothing reactor Lo is the switch Q4. And is fed back to the DC power supply Vdc1 on the input side via the transformer T1.

このとき、スイッチQ4のオンのタイミングが遅延したり、トランスT1のリーケージインダクタンスが大きい場合には、図14に示すように、大きなスパイク電圧SPが発生し、素子(同期整流器)を破壊する。   At this time, when the switch-on timing of the switch Q4 is delayed or the leakage inductance of the transformer T1 is large, a large spike voltage SP is generated as shown in FIG. 14, and the element (synchronous rectifier) is destroyed.

この対策として、抵抗R1及びコンデンサC1と抵抗R2及びコンデンサC2とのアブソーバ等のスパイク電圧吸収回路を装着していた。また、逆電流を検出して、同期整流を停止させたり、あるいは、耐圧の高い素子を用いていた。このため、回路が複雑化するとともに損失が増大していた。   As a countermeasure, a spike voltage absorption circuit such as an absorber of the resistor R1, the capacitor C1, the resistor R2, and the capacitor C2 is mounted. Further, the reverse current is detected to stop synchronous rectification, or an element with a high breakdown voltage is used. This complicates the circuit and increases the loss.

また、スイッチQ1(主スイッチ)の他に補助スイッチとクランプコンデンサとを追加したアクティブクランプ回路を用いてゼロ電圧スイッチングを行う直流変換装置では、トランスの励磁電流を増加させる必要があるため、循環電流が増大し、効率が低下するという課題を有していた。   In addition, in a DC converter that performs zero voltage switching using an active clamp circuit in which an auxiliary switch and a clamp capacitor are added in addition to the switch Q1 (main switch), it is necessary to increase the exciting current of the transformer. Increased, and the efficiency decreased.

本発明は、回路の簡単化と損失の低減による高効率化と小型化とを図ることができる直流変換装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a DC converter capable of achieving high efficiency and miniaturization by simplifying a circuit and reducing loss.

本発明は、前記課題を解決するために以下の手段を採用した。請求項1の発明は、直流電源の直流電圧をトランスの1次巻線を介してオン/オフすることにより高周波電圧に変換する第1スイッチと、前記トランスの1次巻線の両端又は前記第1スイッチの両端に接続され、第2スイッチとクランプコンデンサとが直列に接続された直列回路と、前記トランスの1次巻線に並列に接続され、前記クランプコンデンサに蓄えられたエネルギーにより飽和する可飽和リアクトルと、前記トランスの2次巻線に発生する高周波電圧を同期整流する同期整流回路と、この同期整流回路の整流出力を平滑リアクトルと平滑コンデンサとで平滑して直流電圧を出力する平滑回路と、前記第1スイッチと前記第2スイッチとを交互にオン/オフさせると共に前記可飽和リアクトルが飽和したときに前記第1スイッチをゼロ電圧スイッチングさせる制御回路と、軽負荷時の前記同期整流回路の電流の逆流により、前記平滑リアクトルに蓄えられたエネルギーをダイオードを介して蓄えるコンデンサと、前記第2スイッチと同期してオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスを介して1次側の前記クランプコンデンサに帰還させる第3スイッチとを有し、前記クランプコンデンサに帰還されたエネルギーにより前記可飽和リアクトルの飽和状態を調整したことを特徴とする。   The present invention employs the following means in order to solve the above problems. According to the first aspect of the present invention, there is provided a first switch for converting a DC voltage of a DC power source into a high frequency voltage by turning on / off via a primary winding of the transformer, and both ends of the primary winding of the transformer or the first switch. A series circuit in which a second switch and a clamp capacitor are connected in series is connected to both ends of one switch, and is connected in parallel to the primary winding of the transformer, and may be saturated by energy stored in the clamp capacitor. A saturated reactor, a synchronous rectifier circuit that synchronously rectifies a high-frequency voltage generated in the secondary winding of the transformer, and a smoothing circuit that outputs a DC voltage by smoothing the rectified output of the synchronous rectifier circuit with a smoothing reactor and a smoothing capacitor The first switch and the second switch are alternately turned on / off, and the first switch is turned on when the saturable reactor is saturated. A control circuit that performs voltage switching, a capacitor that stores energy stored in the smoothing reactor via a diode due to a reverse flow of the current of the synchronous rectifier circuit at a light load, and is turned on in synchronization with the second switch; A third switch that feeds back the energy stored in the capacitor to the clamp capacitor on the primary side via the transformer, and the saturation state of the saturable reactor is adjusted by the energy fed back to the clamp capacitor It is characterized by.

請求項2の発明は、請求項1記載の直流変換装置において、前記トランスの2次巻線に直列に接続された前記トランスの3次巻線を有し、前記第3スイッチは、前記第2スイッチがオンした時に前記トランスの3次巻線に発生する電圧によりオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスを介して1次側の前記クランプコンデンサに帰還させることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the DC converter according to the first aspect, the transformer has a tertiary winding connected in series to the secondary winding of the transformer, and the third switch is the second switch. When the switch is turned on, it is turned on by a voltage generated in the tertiary winding of the transformer, and the energy stored in the capacitor is fed back to the clamp capacitor on the primary side through the transformer.

請求項3の発明は、請求項2記載の直流変換装置において、前記トランスの3次巻線は、前記トランスの1次巻線に対して逆相に巻回されていることを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the DC converter according to the second aspect, the tertiary winding of the transformer is wound in a reverse phase with respect to the primary winding of the transformer.

請求項4の発明は、直流電源の直流電圧をトランスの1次巻線を介してオン/オフすることにより高周波電圧に変換する第1スイッチと、前記トランスの1次巻線の両端又は前記第1スイッチの両端に接続され、第2スイッチとクランプコンデンサとが直列に接続された直列回路と、前記トランスの1次巻線又は2次巻線に並列に接続され、前記クランプコンデンサに蓄えられたエネルギーにより飽和する可飽和リアクトルと、前記トランスの1次巻線と疎結合された2次巻線に発生する高周波電圧を同期整流する同期整流回路と、この同期整流回路の整流出力を平滑する平滑コンデンサと、前記トランスの1次巻線と密結合され且つ前記2次巻線に直列に接続され、前記1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられたエネルギーを前記第1スイッチがオフ時に前記平滑コンデンサに帰還する前記トランスの帰還巻線と、前記第1スイッチと前記第2スイッチとを交互にオン/オフさせると共に前記可飽和リアクトルが飽和したときに前記第1スイッチをゼロ電圧スイッチングさせる制御回路と、軽負荷時に前記リーケージインダクタンスに逆流する電流により蓄えられたエネルギーをダイオードを介して蓄えるコンデンサと、前記第2スイッチと同期してオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスの帰還巻線を介して1次側の前記クランプコンデンサに帰還させる第3スイッチとを有し、前記クランプコンデンサに帰還されたエネルギーにより前記可飽和リアクトルの飽和状態を調整したことを特徴とする。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a first switch for converting a DC voltage of a DC power source into a high frequency voltage by turning on / off via a primary winding of the transformer, and both ends of the primary winding of the transformer or the first switch. Connected in parallel to a series circuit in which a second switch and a clamp capacitor are connected in series and a primary winding or a secondary winding of the transformer connected to both ends of one switch and stored in the clamp capacitor A saturable reactor that is saturated by energy, a synchronous rectifier that synchronously rectifies a high-frequency voltage generated in a secondary winding loosely coupled to the primary winding of the transformer, and a smoothing that smoothes the rectified output of the synchronous rectifier circuit A capacitor is tightly coupled to the primary winding of the transformer and connected in series to the secondary winding, and stored in leakage inductance between the primary and secondary windings. When the first switch is turned off, the feedback winding of the transformer that feeds back to the smoothing capacitor, the first switch, and the second switch are alternately turned on / off, and the saturable reactor is saturated. A control circuit that switches the first switch to zero voltage; a capacitor that stores energy stored by a current that flows back to the leakage inductance during a light load through a diode; and a capacitor that is turned on in synchronization with the second switch; And a third switch that feeds back the energy stored in the transformer to the primary-side clamp capacitor via the feedback winding of the transformer, and the saturation state of the saturable reactor is determined by the energy fed back to the clamp capacitor. It has been adjusted.

請求項5の発明は、請求項4記載の直流変換装置において、前記トランスの帰還巻線に直列に接続された前記トランスの3次巻線を有し、前記第3スイッチは、前記第2スイッチがオンした時に前記トランスの3次巻線に発生する電圧によりオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスの帰還巻線を介して1次側の前記クランプコンデンサに帰還させることを特徴とする。   A fifth aspect of the present invention is the DC converter according to the fourth aspect, further comprising a tertiary winding of the transformer connected in series to a feedback winding of the transformer, wherein the third switch is the second switch. When the power is turned on, the power is turned on by the voltage generated in the tertiary winding of the transformer, and the energy stored in the capacitor is fed back to the clamp capacitor on the primary side through the feedback winding of the transformer. To do.

請求項6の発明は、請求項4又は請求項5記載の直流変換装置において、前記トランスの1次巻線と2次巻線とは同相電圧が発生するように巻回され、前記トランスの1次巻線と帰還巻線とは逆相電圧が発生するように巻回されていることを特徴とする。   According to a sixth aspect of the present invention, in the DC converter according to the fourth or fifth aspect, the primary winding and the secondary winding of the transformer are wound so that an in-phase voltage is generated. The next winding and the feedback winding are wound so as to generate a reverse phase voltage.

請求項7の発明は、請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の直流変換装置において、前記第3スイッチのオン時間を前記第2スイッチのオン時間より短く設定するオン時間設定手段を有することを特徴とする。   According to a seventh aspect of the present invention, in the DC converter according to any one of the first to sixth aspects, the on-time setting means for setting the on-time of the third switch to be shorter than the on-time of the second switch. It is characterized by having.

本発明によれば、軽負荷時に電流の逆流により平滑リアクトル又はトランスの1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられるエネルギーをダイオードを介してコンデンサに蓄え、第2スイッチのオンに同期してオンする第3スイッチによりエネルギーを損失なく1次側のクランプコンデンサに帰還させることによりスパイク電圧を除去することができる。これにより、同期整流器に使用する素子の耐圧が減少し、低耐圧の素子を使用できる。また、スパイク電圧防止用のアブソーバも除去できるため、回路を簡単化できる。   According to the present invention, the energy stored in the leakage inductance between the smoothing reactor or the primary winding and the secondary winding of the transformer due to the reverse current at the time of light load is stored in the capacitor via the diode, and the second switch is turned on. The spike voltage can be removed by feeding back energy to the clamp capacitor on the primary side without loss by the third switch that is turned on synchronously. As a result, the breakdown voltage of the element used for the synchronous rectifier is reduced, and a low breakdown voltage element can be used. Further, since the absorber for preventing spike voltage can be removed, the circuit can be simplified.

また、トランスの2次側から供給されたエネルギーがクランプコンデンサに帰還され、このクランプコンデンサに蓄えられたエネルギーにより、可飽和リアクトルの飽和を調整でき、可飽和リアクトルを最適な飽和状態にすることができる。これにより、整流素子のスパイク電圧を抑制し且つトランスの励磁電流を減少させることができ、直流変換装置の高効率化と小型化を図ることができる。   In addition, the energy supplied from the secondary side of the transformer is fed back to the clamp capacitor, and the saturation of the saturable reactor can be adjusted by the energy stored in the clamp capacitor, so that the saturable reactor can be in an optimum saturation state. it can. As a result, the spike voltage of the rectifier element can be suppressed and the exciting current of the transformer can be reduced, so that the DC converter can be highly efficient and downsized.

以下、本発明の直流変換装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。実施の形態の直流変換装置は、トランスの1次側にアクティブクランプ回路を採用し、2次側に同期整流回路を採用し、トランスの1次巻線に可飽和リアクトルを並列に接続し、第2スイッチ(補助スイッチ)のオン期間の終了間際でクランプコンデンサに蓄えられたエネルギーにより可飽和リアクトルを飽和させ、電流を増大させることにより、第2スイッチのオフ時の逆電圧の発生を急峻とし、第1スイッチ(主スイッチ)をゼロ電圧スイッチングさせる。   Hereinafter, embodiments of a direct-current converter according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The DC converter according to the embodiment employs an active clamp circuit on the primary side of the transformer, a synchronous rectifier circuit on the secondary side, and connects a saturable reactor in parallel to the primary winding of the transformer. By saturating the saturable reactor with the energy stored in the clamp capacitor just before the end of the ON period of the two switches (auxiliary switch) and increasing the current, the generation of the reverse voltage when the second switch is OFF is made sharp. The first switch (main switch) is zero-voltage switched.

また、実施の形態の直流変換装置は、軽負荷時に電流の逆流により平滑リアクトル又はトランスの1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられるエネルギーをダイオードを介してコンデンサに蓄え、第2スイッチのオンに同期してオンする第3スイッチによりエネルギーを損失なく1次側のクランプコンデンサに帰還させることによりスパイク電圧を除去したことを特徴とする。また、トランスの2次側からクランプコンデンサに帰還されたエネルギーにより、可飽和リアクトルの飽和を調整して、整流素子のスパイク電圧を抑制し且つトランスの励磁電流を減少させることを特徴とする。   Further, the DC converter according to the embodiment stores energy stored in the leakage inductance between the smoothing reactor or the primary winding and the secondary winding of the transformer due to the backflow of current at a light load in a capacitor via a diode, The spike voltage is eliminated by feeding back energy to the clamp capacitor on the primary side without loss by the third switch that is turned on in synchronization with the turning on of the two switches. Further, the saturation of the saturable reactor is adjusted by the energy fed back to the clamp capacitor from the secondary side of the transformer, the spike voltage of the rectifying element is suppressed, and the exciting current of the transformer is reduced.

図1は実施例1の直流変換装置の回路構成図である。図1において、直流電源Vdc1にトランスT2の1次巻線5a(巻数n1)を介して第1スイッチとしてのMOSFETからなるスイッチQ1が接続され、このスイッチQ1の両端にはダイオードD1とコンデンサC1とが並列に接続されている。このダイオードD1とコンデンサC1とはスイッチQ1の寄生ダイオードと寄生容量であってもよい。   FIG. 1 is a circuit configuration diagram of the DC converter according to the first embodiment. In FIG. 1, a DC power source Vdc1 is connected to a switch Q1 comprising a MOSFET as a first switch via a primary winding 5a (number of turns n1) of a transformer T2, and a diode D1 and a capacitor C1 are connected to both ends of the switch Q1. Are connected in parallel. The diode D1 and the capacitor C1 may be a parasitic diode and a parasitic capacitance of the switch Q1.

トランスT2の1次巻線5aの一端とスイッチQ1の一端との接続点には第2スイッチとしてのMOSFETからなるスイッチQ2の一端が接続され、スイッチQ2の他端はクランプコンデンサC2を介して直流電源Vdc1の正極に接続されている。なお、スイッチQ2の他端はコンデンサC2を介して直流電源Vdc1の負極に接続されていてもよい。   One end of a switch Q2 made of a MOSFET as a second switch is connected to a connection point between one end of the primary winding 5a of the transformer T2 and one end of the switch Q1, and the other end of the switch Q2 is connected to the DC via the clamp capacitor C2. The power supply Vdc1 is connected to the positive electrode. The other end of the switch Q2 may be connected to the negative electrode of the DC power supply Vdc1 via the capacitor C2.

トランスT2の2次巻線5bの両端にはMOSFETからなるスイッチQ3とMOSFETからなるスイッチQ4とが直列に接続されている。トランスT2の2次巻線5bの一端(●側)は、スイッチQ4のゲートに接続され、トランスT2の2次巻線5bの他端は、スイッチQ3のゲートに接続されている。スイッチQ3にはダイオードD3が並列に接続され、スイッチQ4にはダイオードD4が並列に接続されている。これらの素子により同期整流回路を構成している。この同期整流回路は、スイッチQ1のオン/オフに同期してスイッチQ3,Q4がオンオフすることでトランスT2の2次巻線5bに発生した電圧(オンオフ制御されたパルス電圧)を整流して出力する。   A switch Q3 made of a MOSFET and a switch Q4 made of a MOSFET are connected in series to both ends of the secondary winding 5b of the transformer T2. One end (● side) of the secondary winding 5b of the transformer T2 is connected to the gate of the switch Q4, and the other end of the secondary winding 5b of the transformer T2 is connected to the gate of the switch Q3. A diode D3 is connected in parallel to the switch Q3, and a diode D4 is connected in parallel to the switch Q4. A synchronous rectifier circuit is constituted by these elements. This synchronous rectifier circuit rectifies and outputs the voltage (pulse voltage controlled on / off) generated in the secondary winding 5b of the transformer T2 when the switches Q3 and Q4 are turned on and off in synchronization with the on / off of the switch Q1. To do.

トランスT2の1次巻線5aの両端には、可飽和リアクトルSL1が接続されている。この可飽和リアクトルSL1は、トランスT2のコアの飽和特性を用いている。可飽和リアクトルSL1には、大きさの等しい交流電流が流れるため、磁束は、図5に示すB−Hカーブ上のゼロを中心にして、第1象限と第3象限とに等しく増減する。   A saturable reactor SL1 is connected to both ends of the primary winding 5a of the transformer T2. The saturable reactor SL1 uses the saturation characteristic of the core of the transformer T2. Since alternating currents of equal magnitude flow through the saturable reactor SL1, the magnetic flux increases and decreases equally in the first quadrant and the third quadrant around zero on the BH curve shown in FIG.

しかし、回路には損失を伴うため、磁束は完全に対称とはならず、第1象限が主体となる。また、コンデンサC1を短時間で放電し、電圧をゼロとする必要から、可飽和リアクトルSL1またはトランスT2の励磁インダクタンスを低くして、励磁電流を多くしている。   However, since there is a loss in the circuit, the magnetic flux is not perfectly symmetric and is mainly in the first quadrant. Further, since it is necessary to discharge the capacitor C1 in a short time and make the voltage zero, the exciting inductance of the saturable reactor SL1 or the transformer T2 is lowered to increase the exciting current.

また、図5に示すように一定の正磁界Hに対して磁束B(正確にはBは磁束密度であり、磁束φ=B・Sで、Sはコアの断面積であるが、ここではS=1とし、φ=Bとした。)がBmで飽和し、一定の負磁界Hに対して磁束Bが−Bmで飽和するようになっている。磁界Hは電流iの大きさに比例して発生する。この可飽和リアクトルSL1では、B−Hカーブ上を磁束BがBa→Bb→Bc→Bd→Be→Bf→Bgと移動し、磁束の動作範囲が広範囲となっている。B−Hカーブ上のBa−Bb間及びBf−Bg間は飽和状態である。   Further, as shown in FIG. 5, the magnetic flux B (precisely, B is the magnetic flux density, the magnetic flux φ = B · S, and S is the cross-sectional area of the core, with respect to a constant positive magnetic field H. = 1 and φ = B.) Is saturated at Bm, and the magnetic flux B is saturated at −Bm with respect to a constant negative magnetic field H. The magnetic field H is generated in proportion to the magnitude of the current i. In the saturable reactor SL1, the magnetic flux B moves on the BH curve from Ba → Bb → Bc → Bd → Be → Bf → Bg, and the operating range of the magnetic flux is wide. Ba-Bb and Bf-Bg on the BH curve are saturated.

スイッチQ2の両端にはダイオードD2が並列に接続されている。ダイオードD2はスイッチQ2の寄生ダイオードであってもよい。スイッチQ1,Q2は、共にオフとなる期間(デッドタイム)を有し、制御回路10aのPWM制御により交互にオン/オフする。   A diode D2 is connected in parallel to both ends of the switch Q2. The diode D2 may be a parasitic diode of the switch Q2. The switches Q1 and Q2 both have a period (dead time) in which they are turned off, and are alternately turned on / off by PWM control of the control circuit 10a.

トランスT2は、1次巻線5aと、この1次巻線5aと密結合で且つ同相電圧が発生するように巻回された2次巻線5b(巻数n2)と、1次巻線5aと密結合で且つ逆相電圧が発生するように巻回された3次巻線5c(巻数n3)とを有し、2次巻線5bと3次巻線5cとは直列に接続されている。   The transformer T2 includes a primary winding 5a, a secondary winding 5b (number of turns n2) that is tightly coupled to the primary winding 5a and wound to generate an in-phase voltage, and a primary winding 5a. The secondary winding 5b and the tertiary winding 5c are connected in series. The tertiary winding 5c (number of turns n3) is tightly coupled and wound so as to generate a reverse-phase voltage.

ここで、3次巻線5cの逆相電圧とは、スイッチQ1がオン時にスイッチQ5がオフし、スイッチQ1がオフ時にスイッチQ5がオンするように、3次巻線5cが1次巻線5aに対して巻回されていることである。   Here, the reverse phase voltage of the tertiary winding 5c means that the tertiary winding 5c is turned off when the switch Q1 is turned on, and the switch Q5 is turned on when the switch Q1 is turned off. Is wound around.

ダイオードD5のアノードは、2次巻線5bの一端とダイオードD3のカソードと平滑リアクトルLoの一端に接続されている。ダイオードD5のカソードはコンデンサC5の一端に接続され、コンデンサC5の他端は、平滑コンデンサCoの一端とダイオードD3,D4のアノードに接続されている。ダイオードD5のカソードとコンデンサC5の一端との接続点は、第3スイッチとしてのMOSFETからなるスイッチQ5の一端(ドレイン)とダイオードD6のカソードに接続され、スイッチQ5の他端(ソース)とダイオードD6のアノードとは、2次巻線5bと3次巻線5cとの接続点とダイオードD4のカソードに接続されている。スイッチQ5のゲートは、オン時間設定手段としての波形整形回路11を介して3次巻線5cの一端(●側でない側)に接続されている。   The anode of the diode D5 is connected to one end of the secondary winding 5b, the cathode of the diode D3, and one end of the smoothing reactor Lo. The cathode of the diode D5 is connected to one end of the capacitor C5, and the other end of the capacitor C5 is connected to one end of the smoothing capacitor Co and the anodes of the diodes D3 and D4. The connection point between the cathode of the diode D5 and one end of the capacitor C5 is connected to one end (drain) of a switch Q5 made of a MOSFET as the third switch and the cathode of the diode D6, and the other end (source) of the switch Q5 and the diode D6. Is connected to the connection point between the secondary winding 5b and the tertiary winding 5c and the cathode of the diode D4. The gate of the switch Q5 is connected to one end (the non- ● side) of the tertiary winding 5c through a waveform shaping circuit 11 as an on-time setting means.

ダイオードD6は、スイッチQ5のドレイン−ソースの両端に接続されている。このダイオードD6は、ダイオードD4のリカバリ時におけるスパイク電圧によるエネルギーをコンデンサC5に吸収することでスパイク電圧を抑制するために設けられている。即ち、ダイオードD4のリカバリ時にはD3→5b→D4→D3とリカバリ電流が流れるが、D3→5b→D6→C5→D3と電流を流すことでダイオードD4のリカバリ時のスパイク電圧を抑制する。   The diode D6 is connected to both ends of the drain-source of the switch Q5. The diode D6 is provided in order to suppress the spike voltage by absorbing energy due to the spike voltage at the time of recovery of the diode D4 to the capacitor C5. That is, during the recovery of the diode D4, the recovery current flows in the order of D3 → 5b → D4 → D3, but the spike voltage at the time of recovery of the diode D4 is suppressed by flowing the current in the order of D3 → 5b → D6 → C5 → D3.

波形整形回路11は、トランスT2の3次巻線5cに発生する電圧の波形を整形して、スイッチQ5のゲートへのドライブ電圧をスイッチQ2のオン時間より短く設定する。図2に波形整形回路11の一例を示す。この波形整形回路11は、一端が3次巻線5cに接続され他端がスイッチQ5のゲートに接続された抵抗RTと、この抵抗RTの他端と接地との間に接続されたコンデンサCTとの時定数回路からなる。   The waveform shaping circuit 11 shapes the waveform of the voltage generated in the tertiary winding 5c of the transformer T2, and sets the drive voltage to the gate of the switch Q5 to be shorter than the ON time of the switch Q2. FIG. 2 shows an example of the waveform shaping circuit 11. The waveform shaping circuit 11 includes a resistor RT having one end connected to the tertiary winding 5c and the other end connected to the gate of the switch Q5, and a capacitor CT connected between the other end of the resistor RT and the ground. The time constant circuit.

この抵抗RTとコンデンサCTとの時定数回路は、図3に示すように、入力された3次巻線5cの矩形電圧波形Vn3に対して、コンデンサCTの両端電圧VCTの波形を直線的に上昇させ、この電圧をスイッチQ5のゲートに印加することにより、スイッチQ5のゲートの第1スレッショルド電圧VTH1以上で且つ第2スレッショルド電圧VTH2以下の部分のみスイッチQ5をオンさせる。このスイッチQ5のオン時間を制御することにより、可飽和リアクトルSL1の飽和を調整する。 As shown in FIG. 3, the time constant circuit of the resistor RT and the capacitor CT is such that the waveform of the voltage V CT across the capacitor CT is linear with respect to the input rectangular voltage waveform V n3 of the tertiary winding 5c. It is raised, by applying the voltage to the gate of the switch Q5, thereby turning on the switch Q5 only and the second threshold voltage V TH2 following parts in the first threshold voltage V TH1 or more gates switch Q5. By controlling the on-time of the switch Q5, the saturation of the saturable reactor SL1 is adjusted.

制御回路10aは、スイッチQ1とスイッチQ2とを交互にオン/オフ制御し、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1に印加されるパルスのオン幅を狭くし、スイッチQ2に印加されるパルスのオン幅を広くするように制御する。すなわち、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1のパルスのオン幅を狭くすることで、出力電圧を一定電圧に制御するようになっている。   The control circuit 10a alternately turns on / off the switch Q1 and the switch Q2, and when the output voltage of the load RL becomes equal to or higher than the reference voltage, the on width of the pulse applied to the switch Q1 is reduced. Control is performed so as to widen the ON width of the pulse applied to Q2. That is, when the output voltage of the load RL becomes equal to or higher than the reference voltage, the output voltage is controlled to a constant voltage by narrowing the ON width of the pulse of the switch Q1.

また、制御回路10aは、スイッチQ2の電流Q2iが増大した時刻にスイッチQ2をオフさせた後、スイッチQ1をオンさせる。制御回路10aは、スイッチQ1をターンオンするときに、スイッチQ1の電圧がスイッチQ1と並列に接続されたコンデンサC1と可飽和リアクトルSL1の飽和インダクタンスとの共振によりゼロ電圧となった時から所定期間中にスイッチQ1をオンさせる。   Further, the control circuit 10a turns off the switch Q2 at the time when the current Q2i of the switch Q2 increases, and then turns on the switch Q1. When the switch Q1 is turned on, the control circuit 10a is in a predetermined period from when the voltage of the switch Q1 becomes zero voltage due to resonance between the capacitor C1 connected in parallel with the switch Q1 and the saturation inductance of the saturable reactor SL1. The switch Q1 is turned on.

次に、このように構成された実施例1の直流変換装置の動作を図4に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図4において、Q1vはスイッチQ1のドレイン−ソース間電圧、Q1iはスイッチQ1のドレイン電流、Q2iはスイッチQ2のドレイン電流、SL1iは可飽和リアクトルSL1に流れる電流、Q5iはスイッチQ5のドレイン電流、Q3vはスイッチQ3のドレイン−ソース間電圧、Q1gはスイッチQ1のゲート電圧信号、Q2gはスイッチQ2のゲート電圧信号、Q5gはスイッチQ5のゲート電圧信号を示している。   Next, the operation of the direct-current converter according to Embodiment 1 configured as described above will be described with reference to the timing chart shown in FIG. In FIG. 4, Q1v is the drain-source voltage of the switch Q1, Q1i is the drain current of the switch Q1, Q2i is the drain current of the switch Q2, SL1i is the current flowing through the saturable reactor SL1, and Q5i is the drain current of the switch Q5. , Q3v is a drain-source voltage of the switch Q3, Q1g is a gate voltage signal of the switch Q1, Q2g is a gate voltage signal of the switch Q2, and Q5g is a gate voltage signal of the switch Q5.

まず、時刻tにおいて、スイッチQ2がターンオフすると、可飽和リアクトルSL1の飽和インダクタンスとコンデンサC1とにより共振し、スイッチQ1の電圧Q1vが低下していく。そして、スイッチQ1の電圧Q1vがゼロ電圧でスイッチQ1をオンすると、スイッチQ1のゼロ電圧スイッチが実現される。 At time t 1, the switch Q2 is turned off, resonance with saturated inductance and the capacitor C1 of the saturable reactor SL1, voltage Q1v switch Q1 is lowered. When the voltage Q1v of the switch Q1 is zero and the switch Q1 is turned on, a zero voltage switch of the switch Q1 is realized.

次に、スイッチQ1がオンすると、Vdc1→5a→Q1→Vdc1と電流Q1iが流れる。このとき、トランスT2の2次巻線5bにも電圧が発生するため、スイッチQ4がオンし、5b→Lo→Co→Q4→5bと電流Q4i(図示せず)が流れて、負荷RLに電力が供給される。このとき、1次巻線5aと2次巻線5bは、密結合されているが、小さなリーケージインダクタンスLr(図示せず)は有している。このため、リーケージインダクタンスLrには、Lr(Ir)2/2のエネルギーが蓄えられる。IrはリーケージインダクタンスLrに流れる電流である。 Next, when the switch Q1 is turned on, Vdc1 → 5a → Q1 → Vdc1 and current Q1i flow. At this time, since a voltage is also generated in the secondary winding 5b of the transformer T2, the switch Q4 is turned on, and 5b → Lo → Co → Q4 → 5b and a current Q4i (not shown) flow to supply power to the load RL. Is supplied. At this time, the primary winding 5a and the secondary winding 5b are tightly coupled, but have a small leakage inductance Lr (not shown). Therefore, the leakage inductance Lr, Lr (Ir) 2/ 2 of energy is stored. Ir is a current flowing through the leakage inductance Lr.

また、スイッチQ1をオンさせた時に、可飽和リアクトルSL1にも電流SL1iが流れて、可飽和リアクトルSL1にエネルギーが蓄えられる。電流SL1iは、図6に示すように、時刻tで電流値a(負値)、時刻tbで電流値b(負値)、時刻t13で電流値c(ゼロ)、時刻tで電流値d(正値)へと変化していく。 When switch Q1 is turned on, current SL1i also flows through saturable reactor SL1, and energy is stored in saturable reactor SL1. Current SL1i, as shown in FIG. 6, the current value a (negative value) at time t 1, the current value b (negative value) at time t 1 b, the current value c (zero) at time t 13, the time t 2 The current value d (positive value) changes.

次に、時刻tにおいて、スイッチQ1がターンオフすると、1次巻線5aに蓄えられた励磁エネルギーにより電流が流れてコンデンサC1が充電される。このとき、可飽和リアクトルSL1の飽和インダクタンスとコンデンサC1とにより共振し、スイッチQ1の電圧Q1vが上昇する。 Then, at time t 2, the the switch Q1 is turned off, the capacitor C1 current flows is charged by the exciting energy stored in the primary winding 5a. At this time, resonance occurs due to the saturation inductance of the saturable reactor SL1 and the capacitor C1, and the voltage Q1v of the switch Q1 increases.

そして、スイッチQ1の電位がクランプコンデンサC2の電位と同電位となったとき、ダイオードD2が導通して、クランプコンデンサC2が充電されていく。即ち、可飽和リアクトルSL1に蓄えられたエネルギーは、ダイオードD2を介してクランプコンデンサC2に供給される。   When the potential of the switch Q1 becomes the same as the potential of the clamp capacitor C2, the diode D2 is turned on and the clamp capacitor C2 is charged. That is, the energy stored in the saturable reactor SL1 is supplied to the clamp capacitor C2 via the diode D2.

このとき、スイッチQ2をオンさせることにより、スイッチQ2は、ゼロ電圧スイッチとなる。また、トランスT2の2次巻線5bの電圧は、逆電圧となるため、スイッチQ4はオフとなり、スイッチQ3がオンとなる。このため、平滑リアクトルLoに蓄えられたエネルギーにより、Lo→Co→Q3→Loと電流Q3i(図示せず)が流れて、引き続き負荷RLに電力が供給される。   At this time, by turning on the switch Q2, the switch Q2 becomes a zero voltage switch. Further, since the voltage of the secondary winding 5b of the transformer T2 is a reverse voltage, the switch Q4 is turned off and the switch Q3 is turned on. For this reason, Lo → Co → Q3 → Lo and current Q3i (not shown) flow by the energy stored in the smoothing reactor Lo, and power is continuously supplied to the load RL.

電流SL1iは、時刻tから時刻t20において、電流値d(正値)から電流値e(ゼロ)に変化する。また、可飽和リアクトルSL1のエネルギーの放出と同時に、1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスLrからのエネルギーがクランプコンデンサC2に供給され、クランプコンデンサC2が充電されていく。 Current SL1i at time t 20 from the time t 2, the change from the current value d (positive value) to the current value e (zero). Simultaneously with the release of the energy of the saturable reactor SL1, the energy from the leakage inductance Lr between the primary winding and the secondary winding is supplied to the clamp capacitor C2, and the clamp capacitor C2 is charged.

次に、時刻t20〜時刻tにおいて、クランプコンデンサC2に蓄えられたエネルギーは、C2→Q2→SL1→C2に流れて、可飽和リアクトルSLlの磁束をリセットする。この場合、クランプコンデンサC2に蓄えられたエネルギーが可飽和リアクトルSL1に帰還されるので、可飽和リアクトルSL1に流れる電流SL1iは、図6に示すように負値となる。電流SL1iは、時刻t20〜時刻t2aにおいては、電流値e(ゼロ)から電流値f(負値)に変化する。そして、電流SL1iは、時刻t2a〜時刻tにおいては、電流値f(負値)から電流値g(負値)に変化する。 Next, at time t 20 ~ time t 3, the energy stored in the clamp capacitor C2, flows to C2 → Q2 → SL1 → C2, to reset the magnetic flux of the saturable reactor SLl. In this case, since the energy stored in the clamp capacitor C2 is fed back to the saturable reactor SL1, the current SL1i flowing through the saturable reactor SL1 becomes a negative value as shown in FIG. Current SL1i, at the time t 20 ~ time t 2a, changes from the current value e (zero) to a current value f (negative value). The current SL1i, at the time t 2a ~ time t 3, changes from current value f (negative value) to the current value g (negative value).

即ち、電流SL1iは、リセット時にリーケージインダクタンスLrから供給されるエネルギー分だけ多くなるので、磁束は第3象限に移動して、飽和領域(Bf−Bg)に達し、電流SL1iが増大し、時刻t(時刻tも同様)で最大となる。電流SL1iは、スイッチQ2のオン期間の終了間際で増大しており、可飽和リアクトルSL1の飽和時の電流である。また、時刻tにはスイッチQ2の電流Q2iも最大となる。この時刻にスイッチQ2をオフさせることにより、コンデンサC1の放電は急峻になり、短時間でゼロとなる。このとき、スイッチQ1をオンさせることによりスイッチQ1はゼロ電圧スイッチを達成できる。 That is, the current SL1i increases by the amount of energy supplied from the leakage inductance Lr at the time of reset, so that the magnetic flux moves to the third quadrant, reaches the saturation region (Bf−Bg), the current SL1i increases, and the time t It becomes maximum at 3 (time t 1 as well). The current SL1i increases just before the end of the ON period of the switch Q2, and is a current when the saturable reactor SL1 is saturated. The current Q2i in the switch Q2 also becomes maximum at time t 3. By turning off the switch Q2 at this time, the discharge of the capacitor C1 becomes steep and becomes zero in a short time. At this time, the switch Q1 can achieve a zero voltage switch by turning on the switch Q1.

また、スイッチQ1がオンしているとき(例えば時刻t〜t)、2次巻線5bに発生する電圧により、ダイオードD5を介して、コンデンサC5が充電される。スイッチQ1のオン比率が50%以下である場合には、この電圧は、スイッチQ2がオンしている時に、2次巻線5bに発生する電圧より高い。 Also, when the switch Q1 is ON (for example, time t 1 ~t 2), the voltage generated on the secondary winding 5b, via a diode D5, capacitor C5 is charged. When the ON ratio of the switch Q1 is 50% or less, this voltage is higher than the voltage generated in the secondary winding 5b when the switch Q2 is ON.

このため、スイッチQ2がオンしている期間中(例えば時刻t〜t)の時刻t21〜t22に、スイッチQ5をオンさせると、C5→Q5→5b→Q3→C5の経路で電流Q5iが流れる。この電流によるエネルギーにより、トランスT2の1次巻線5aとスイッチQ2を介してクランプコンデンサC2が充電される。このとき、スイッチQ2に電流Q2iが流れる(図4のA部。)。 Thus, at time t 21 ~t 22 during the period in which the switch Q2 is turned on (for example, time t 2 ~t 3), when turning on the switch Q5, the current in the path of the C5 → Q5 → 5b → Q3 → C5 Q5i flows. The clamp capacitor C2 is charged through the primary winding 5a of the transformer T2 and the switch Q2 by the energy by this current. At this time, a current Q2i flows through the switch Q2 (A portion in FIG. 4).

このクランプコンデンサC2の電荷は、可飽和リアクトルSL1を飽和させるため、このエネルギーを調整することにより、可飽和リアクトルSL1の飽和状態を制御できる。また、スイッチQ5のオン時間を制御することにより、可飽和リアクトルSL1の飽和状態を制御できる。即ち、スイッチQ5のオン時間を長くすれば、可飽和リアクトルSL1の飽和を深くすることができる。   Since the charge of the clamp capacitor C2 saturates the saturable reactor SL1, the saturation state of the saturable reactor SL1 can be controlled by adjusting this energy. Moreover, the saturation state of the saturable reactor SL1 can be controlled by controlling the ON time of the switch Q5. That is, if the ON time of the switch Q5 is lengthened, the saturation of the saturable reactor SL1 can be deepened.

次に、軽負荷の動作を説明する。負荷電流が平滑リアクトルLoの臨界状態以下である場合には、スイッチQ1がオフした時(例えば時刻t)の平滑リアクトルLoの電流は、スイッチQ1のオフ期間中にゼロとなるが、引き続きスイッチQ3がオン状態である。このため、平滑コンデンサCoに蓄積された電荷が放電し、Co→Lo→Q3→Coと電流が流れて、平滑リアクトルLoにエネルギーが蓄えられる。 Next, the light load operation will be described. When the load current is below the critical state of the smoothing reactor Lo, the current of the smoothing reactor Lo when the switch Q1 is turned off (for example, time t 2 ) becomes zero during the off period of the switch Q1, Q3 is on. For this reason, the electric charge accumulated in the smoothing capacitor Co is discharged, a current flows through Co → Lo → Q3 → Co, and energy is stored in the smoothing reactor Lo.

次に、時刻t(時刻tも同じ)において、スイッチQ2がオフし、スイッチQ1がオンすると、スイッチQ3がオフし、スイッチQ4がオンする。このため、平滑リアクトルLoに蓄えられたエネルギーは、ダイオードD5を介してコンデンサC5に蓄えられる。即ち、ダイオードD5がオンして、エネルギーがコンデンサC5に蓄えられるため、スパイク電圧は、吸収される。 Next, at time t 3 (time t 1 is also the same), the switch Q2 is turned off, the switch Q1 is turned on, the switch Q3 is turned off, the switch Q4 is turned on. For this reason, the energy stored in the smoothing reactor Lo is stored in the capacitor C5 via the diode D5. That is, since the diode D5 is turned on and energy is stored in the capacitor C5, the spike voltage is absorbed.

次に、時刻t(時刻tも同じ)において、スイッチQ1がオフし、スイッチQ2がオンすると、トランスT2の2次巻線5bの一端の電圧がスイッチQ3のゲートに印加されてスイッチQ3がオンする。 Then, at time t 4 (the time t 2 is also the same), the switch Q1 is turned off, the switch Q2 is turned on, the switch Q3 voltage at one end of the secondary winding 5b of the transformer T2 is applied to the gate of the switch Q3 Turns on.

また、波形整形回路11は、トランスT2の3次巻線5cの一端に発生した電圧に基づき、スイッチQ2がオンした後の時刻t41〜t42(時刻t21〜t22も同じ)において、スイッチQ5のゲートにゲート電圧信号Q5gを印加してスイッチQ5をオンさせる。このため、コンデンサC5のエネルギーは、C5→Q5→5b→Q3→C5と放出される。このため、トランスT2の1次巻線5aに電圧が誘起される。 The waveform shaping circuit 11, based on the voltage generated at one end of the tertiary winding 5c of the transformer T2, at time t 41 ~t 42 after the switch Q2 is turned on (time t 21 ~t 22 versa), A gate voltage signal Q5g is applied to the gate of the switch Q5 to turn on the switch Q5. For this reason, the energy of the capacitor C5 is released in the order of C5->Q5->5b->Q3-> C5. For this reason, a voltage is induced in the primary winding 5a of the transformer T2.

1次巻線5aに誘起された電圧により、5a→Q2→C2→5aと電流が流れてクランプコンデンサC2が充電される。このとき、スイッチQ2に電流Q2iが流れる(図4のA部。)。クランプコンデンサC2の電荷は、可飽和リアクトルSL1を飽和させるため、このエネルギーを調整することにより、可飽和リアクトルSL1の飽和状態を制御できる。即ち、トランスT2の2次側からクランプコンデンサC2に帰還されたエネルギーにより、可飽和リアクトルSL1の飽和を調整して、整流素子のスパイク電圧を抑制でき、しかもトランスT2の励磁電流を減少させることができる。   Due to the voltage induced in the primary winding 5a, a current flows through 5a → Q2 → C2 → 5a, and the clamp capacitor C2 is charged. At this time, a current Q2i flows through the switch Q2 (A portion in FIG. 4). Since the charge of the clamp capacitor C2 saturates the saturable reactor SL1, the saturation state of the saturable reactor SL1 can be controlled by adjusting this energy. That is, the saturation of the saturable reactor SL1 can be adjusted by the energy fed back to the clamp capacitor C2 from the secondary side of the transformer T2, and the spike voltage of the rectifying element can be suppressed, and the exciting current of the transformer T2 can be reduced. it can.

図4に示すように、スイッチQ2のオン期間中(ゲート電圧信号Q2gがHレベルの期間中)で且つスイッチQ5のオン期間(例えば、時刻t21〜t22や時刻t41〜t42)に、電流Q5iが流れ、1次側のクランプコンデンサC2に帰還していることがわかる。 As shown in FIG. 4, during the on period of the switch Q2 (gate voltage signal Q2g is the duration of the H level) and on period of the switch Q5 (e.g., time t 21 ~t 22 and time t 41 ~t 42) It can be seen that the current Q5i flows and is fed back to the clamp capacitor C2 on the primary side.

また、図4に示すように、スイッチQ3の電圧Q3vは、クランプされてスパイク電圧は発生しない。このため、スイッチQ3の耐圧を低くすることができる。従って、オン抵抗の低い素子が使用できることにより、さらに損失を低減することができる。   Also, as shown in FIG. 4, the voltage Q3v of the switch Q3 is clamped and no spike voltage is generated. For this reason, the breakdown voltage of the switch Q3 can be lowered. Therefore, the loss can be further reduced by using an element having a low on-resistance.

このように、実施例1の直流変換装置によれば、軽負荷時に電流の逆流により平滑リアクトルLoに蓄えられるエネルギーをダイオードD5を介してコンデンサC5に蓄え、スイッチQ2のオンに同期してオンするスイッチQ5によりエネルギーを損失なく1次側のクランプコンデンサC2に帰還させることによりスパイク電圧を除去することができる。これにより、整流素子の耐圧が減少し、低耐圧の素子の使用により、オン抵抗を減少できる。また、スパイク電圧防止用のC−Rアブソーバも除去できるため、回路を簡単化できる。   As described above, according to the direct-current converter of the first embodiment, the energy stored in the smoothing reactor Lo due to the backflow of current at the time of light load is stored in the capacitor C5 via the diode D5, and is turned on in synchronization with the switch Q2 being turned on. The spike voltage can be removed by feeding back energy to the primary side clamp capacitor C2 without loss by the switch Q5. Thereby, the withstand voltage of the rectifying element is reduced, and the on-resistance can be reduced by using a low withstand voltage element. In addition, since the CR absorber for preventing spike voltage can be removed, the circuit can be simplified.

また、トランスT2の2次側から供給されたエネルギーがクランプコンデンサC2に帰還され、このクランプコンデンサC2に蓄えられたエネルギーにより、可飽和リアクトルSL1の飽和状態を調整でき、可飽和リアクトルSL1を最適な飽和状態にすることができる。これにより、整流素子のスパイク電圧を抑制し且つトランスの励磁電流を減少させることができ、直流変換装置の高効率化と小型化を図ることができる。   Further, the energy supplied from the secondary side of the transformer T2 is fed back to the clamp capacitor C2, and the saturation state of the saturable reactor SL1 can be adjusted by the energy stored in the clamp capacitor C2, and the saturable reactor SL1 is optimized. It can be saturated. As a result, the spike voltage of the rectifier element can be suppressed and the exciting current of the transformer can be reduced, so that the DC converter can be highly efficient and downsized.

図7は負荷電流が臨界状態で可飽和リアクトルを用いない場合の従来の直流変換装置の各部における信号のタイミングチャートである。図8は負荷電流が臨界状態で可飽和リアクトルを用いた場合の実施例1の直流変換装置の各部における信号のタイミングチャートである。図7に示す従来例では、B部で示すように、可飽和リアクトルSL1が飽和しないため、スイッチQ1のゼロ電圧スイッチが達成できない。また、図8に示す実施例1では、C部で示すように、可飽和リアクトルSL1が飽和するため、スイッチQ1のゼロ電圧スイッチが達成できていることがわかる。   FIG. 7 is a signal timing chart in each part of the conventional DC converter when the load current is in a critical state and the saturable reactor is not used. FIG. 8 is a timing chart of signals in each part of the DC converter according to the first embodiment when the saturable reactor is used in a critical state of the load current. In the conventional example shown in FIG. 7, the saturable reactor SL1 does not saturate as shown by part B, so that the zero voltage switch of the switch Q1 cannot be achieved. Moreover, in Example 1 shown in FIG. 8, since the saturable reactor SL1 is saturated as shown by C part, it turns out that the zero voltage switch of switch Q1 has been achieved.

図9は実施例2の直流変換装置の回路構成図である。図9に示す実施例2の直流変換装置は、図1に示す実施例1の直流変換装置に対して、波形整形回路11を削除した点のみが異なる。図9に示すその他の構成は、図1に示す構成と同一であるので、同一部分には同一符号を付し、その詳細は省略する。   FIG. 9 is a circuit configuration diagram of the DC converter according to the second embodiment. The DC converter of the second embodiment shown in FIG. 9 differs from the DC converter of the first embodiment shown in FIG. 1 only in that the waveform shaping circuit 11 is deleted. The other configuration shown in FIG. 9 is the same as the configuration shown in FIG. 1, and thus the same reference numerals are given to the same parts, and the details thereof are omitted.

このような実施例2の直流変換装置にあっても、実施例1の直流変換装置と同様な効果が得られる。   Even in the DC converter of the second embodiment, the same effect as that of the DC converter of the first embodiment can be obtained.

図10は実施例3の直流変換装置の回路構成図である。図10において、トランスT3の1次側は、アクティブクランプ回路を採用すると共に、図1に示すトランスT2の1次側の構成と同一であるので、その部分の説明は省略する。   FIG. 10 is a circuit configuration diagram of the DC converter according to the third embodiment. In FIG. 10, the primary side of the transformer T3 employs an active clamp circuit and is the same as the configuration of the primary side of the transformer T2 shown in FIG.

トランスT3は、1次巻線5aと、この1次巻線5aと疎結合で且つ同相電圧が発生するように巻回された2次巻線5bと、1次巻線5aと密結合で且つ逆相電圧が発生するように巻回された帰還巻線5d(巻数n4)と、1次巻線5aと密結合で且つ逆相電圧が発生するように巻回された3次巻線5c(巻数n3)とを有する。2次巻線5bの一端は、帰還巻線5dの一端と3次巻線5cの一端(●側)とに接続されている。   The transformer T3 includes a primary winding 5a, a secondary winding 5b that is loosely coupled to the primary winding 5a and wound so as to generate an in-phase voltage, a tight coupling to the primary winding 5a, and The feedback winding 5d (number of turns n4) wound so as to generate a reverse phase voltage and the tertiary winding 5c (tightly coupled to the primary winding 5a and wound so as to generate a reverse phase voltage) Number of turns n3). One end of the secondary winding 5b is connected to one end of the feedback winding 5d and one end (● side) of the tertiary winding 5c.

ここで、3次巻線5cの逆相電圧とは、スイッチQ1がオン時にスイッチQ5がオフし、スイッチQ1がオフ時にスイッチQ5がオンするように、3次巻線5cが1次巻線5aに対して巻回されていることである。帰還巻線5dの逆相電圧とは、スイッチQ1がオン時にスイッチQ3がオフし、スイッチQ1がオフ時にスイッチQ3がオンするように、帰還巻線5dが1次巻線5aに対して巻回されていることである。   Here, the reverse phase voltage of the tertiary winding 5c means that the tertiary winding 5c is turned off when the switch Q1 is turned on, and the switch Q5 is turned on when the switch Q1 is turned off. Is wound around. The reverse phase voltage of the feedback winding 5d means that the feedback winding 5d is wound around the primary winding 5a so that the switch Q3 is turned off when the switch Q1 is turned on and the switch Q3 is turned on when the switch Q1 is turned off. It has been done.

2次巻線5bの両端には可飽和リアクトルSL1が接続されている。なお、可飽和リアクトルSL1は、2次巻線5bの両端に代えて、1次巻線5aの両端に接続されていてもよい。この可飽和リアクトルSL1はトランスT3のコアの飽和特性を用いている。   A saturable reactor SL1 is connected to both ends of the secondary winding 5b. Saturable reactor SL1 may be connected to both ends of primary winding 5a in place of both ends of secondary winding 5b. The saturable reactor SL1 uses the saturation characteristic of the core of the transformer T3.

トランスT3の2次巻線5bの一端と帰還巻線5dの一端と3次巻線5cの一端との接続点は、スイッチQ3のゲートとスイッチQ4の一端とダイオードD4のカソードとスイッチQ5の一端とダイオードD6のアノードとに接続されている。トランスT3の2次巻線5bの他端(●側)は、平滑コンデンサCoの一端に接続されている。   The connection points of one end of the secondary winding 5b, one end of the feedback winding 5d, and one end of the tertiary winding 5c of the transformer T3 are the gate of the switch Q3, one end of the switch Q4, the cathode of the diode D4, and one end of the switch Q5. And the anode of the diode D6. The other end (● side) of the secondary winding 5b of the transformer T3 is connected to one end of the smoothing capacitor Co.

トランスT3の帰還巻線5dの他端(●側)は、スイッチQ3の一端とスイッチQ4のゲートとダイオードD3のカソードとダイオードD5のアノードに接続されている。ダイオードD4のアノードとスイッチQ4の他端とダイオードD3のアノードとスイッチQ3の他端とは、平滑コンデンサCoの他端及びコンデンサC5の一端に接続されている。ダイオードD5のカソードとスイッチQ5の他端とダイオードD6のカソードはコンデンサC5の他端に接続されている。3次巻線5cの他端は、波形整形回路11を介してスイッチQ5のゲートに接続されている。   The other end (● side) of the feedback winding 5d of the transformer T3 is connected to one end of the switch Q3, the gate of the switch Q4, the cathode of the diode D3, and the anode of the diode D5. The anode of the diode D4, the other end of the switch Q4, the anode of the diode D3, and the other end of the switch Q3 are connected to the other end of the smoothing capacitor Co and one end of the capacitor C5. The cathode of the diode D5, the other end of the switch Q5, and the cathode of the diode D6 are connected to the other end of the capacitor C5. The other end of the tertiary winding 5c is connected to the gate of the switch Q5 via the waveform shaping circuit 11.

ダイオードD6は、スイッチQ5のドレイン−ソース間に接続されている。このダイオードD6は、ダイオードD4のリカバリ時におけるスパイク電圧によるエネルギーをコンデンサC5に吸収することでスパイク電圧を抑制するために設けられている。即ち、ダイオードD4のリカバリ時にはD3→5b→D4→D3とリカバリ電流が流れるが、D3→5b→D6→C5→D3と電流を流すことでダイオードD4のリカバリ時のスパイク電圧を抑制する。   The diode D6 is connected between the drain and source of the switch Q5. The diode D6 is provided in order to suppress the spike voltage by absorbing energy due to the spike voltage at the time of recovery of the diode D4 to the capacitor C5. That is, during the recovery of the diode D4, the recovery current flows in the order of D3 → 5b → D4 → D3, but the spike voltage at the time of recovery of the diode D4 is suppressed by flowing the current in the order of D3 → 5b → D6 → C5 → D3.

(トランスの構成)
トランスT3の構成例を図11に示す。図11に示すトランスT3は、日の字型のコア30を有し、コア30のコア部30aには、1次巻線5aと帰還巻線5d及び3次巻線5cとが近接して巻回されている。これにより、1次巻線5aと帰還巻線5d及び3次巻線5c間にわずかなリーケージインダクタンスを持たせている。また、コア30にはパスコア30cとギャップ31が形成され、外周コアには2次巻線5bが巻回されている。即ち、パスコア30cにより、1次巻線5aと2次巻線5bを疎結合させることにより、リーケージインダクタンスを大きくしている。
(Transformer configuration)
A configuration example of the transformer T3 is shown in FIG. A transformer T3 shown in FIG. 11 has a Japanese character-shaped core 30. A primary winding 5a, a feedback winding 5d, and a tertiary winding 5c are wound in close proximity to the core portion 30a of the core 30. It has been turned. Thus, a slight leakage inductance is provided between the primary winding 5a, the feedback winding 5d, and the tertiary winding 5c. In addition, a pass core 30c and a gap 31 are formed in the core 30, and a secondary winding 5b is wound around the outer peripheral core. That is, the leakage inductance is increased by loosely coupling the primary winding 5a and the secondary winding 5b by the pass core 30c.

また、外周コア上で且つ1次巻線5aと2次巻線5bとの間に、凹部30bが2箇所形成されている。この凹部30bにより、外周コアの磁路の一部の断面積が他の部分よりも狭くなり、その部分のみが飽和するので、コア損失を低減できる。また、この飽和する部分を可飽和リアクトルSL1として兼用している。   In addition, two recesses 30b are formed on the outer core and between the primary winding 5a and the secondary winding 5b. Due to the recess 30b, the cross-sectional area of a part of the magnetic path of the outer peripheral core becomes narrower than the other part and only that part is saturated, so that the core loss can be reduced. Further, this saturated portion is also used as the saturable reactor SL1.

次に、このように構成された実施例3の直流変換装置の動作を説明する。   Next, the operation of the direct-current converter according to Embodiment 3 configured as described above will be described.

まず、スイッチQ2がターンオフすると、可飽和リアクトルSL1の飽和インダクタンスとコンデンサC1とにより共振し、スイッチQ1の電圧Q1vが低下していく。そして、スイッチQ1の電圧Q1vがゼロ電圧でスイッチQ1をオンすると、スイッチQ1のゼロ電圧スイッチが実現される。   First, when the switch Q2 is turned off, resonance occurs due to the saturation inductance of the saturable reactor SL1 and the capacitor C1, and the voltage Q1v of the switch Q1 decreases. When the voltage Q1v of the switch Q1 is zero and the switch Q1 is turned on, a zero voltage switch of the switch Q1 is realized.

次に、スイッチQ1がオンすると、Vdc1→5a→Q1→Vdc1と電流Q1iが流れる。この電流Q1iは時間とともに直線的に増加していく。   Next, when the switch Q1 is turned on, Vdc1 → 5a → Q1 → Vdc1 and current Q1i flow. This current Q1i increases linearly with time.

また、このとき、トランスT3の2次巻線5b及び帰還巻線5dにも電圧が発生するため、スイッチQ4がオンし、5b→Co→Q4→5bと電流Q4iが流れて、負荷RLに電力が供給される。電流Q4iは時間とともに直線的に増加していく。また、1次巻線5aと2次巻線5bとは、疎結合されているので、1次巻線及び2次巻線間に大きなリーケージインダクタンスLr(図示せず)を有する。このため、リーケージインダクタンスLrには、Lr(Ir)2/2のエネルギーが蓄えられる。IrはリーケージインダクタンスLrに流れる電流である。 At this time, since voltage is also generated in the secondary winding 5b and the feedback winding 5d of the transformer T3, the switch Q4 is turned on, and the current Q4i flows through 5b → Co → Q4 → 5b and power is supplied to the load RL. Is supplied. The current Q4i increases linearly with time. Further, since the primary winding 5a and the secondary winding 5b are loosely coupled, a large leakage inductance Lr (not shown) is provided between the primary winding and the secondary winding. Therefore, the leakage inductance Lr, Lr (Ir) 2/ 2 of energy is stored. Ir is a current flowing through the leakage inductance Lr.

また、スイッチQ1をオンさせた時に、可飽和リアクトルSL1にも電流SL1iが流れて、可飽和リアクトルSL1にエネルギーが蓄えられる。   When switch Q1 is turned on, current SL1i also flows through saturable reactor SL1, and energy is stored in saturable reactor SL1.

次に、スイッチQ1がターンオフすると、1次巻線5aに蓄えられた励磁エネルギーにより電流が流れてコンデンサC1が充電される。このとき、可飽和リアクトルSL1の飽和インダクタンスとコンデンサC1とにより共振し、スイッチQ1の電圧Q1vが上昇する。   Next, when the switch Q1 is turned off, a current flows due to the excitation energy stored in the primary winding 5a, and the capacitor C1 is charged. At this time, resonance occurs due to the saturation inductance of the saturable reactor SL1 and the capacitor C1, and the voltage Q1v of the switch Q1 increases.

そして、スイッチQ1の電位がクランプコンデンサC2の電位と同電位となったとき、ダイオードD2が導通して、クランプコンデンサC2が充電されていく。即ち、可飽和リアクトルSL1に蓄えられたエネルギーは、ダイオードD2を介してクランプコンデンサC2に供給される。   When the potential of the switch Q1 becomes the same as the potential of the clamp capacitor C2, the diode D2 is turned on and the clamp capacitor C2 is charged. That is, the energy stored in the saturable reactor SL1 is supplied to the clamp capacitor C2 via the diode D2.

このとき、スイッチQ2をオンさせることにより、スイッチQ2は、ゼロ電圧スイッチとなる。また、トランスT3の帰還巻線5dの電圧は、逆電圧となるため、スイッチQ4はオフとなり、スイッチQ3がオンとなる。このため、リーケージインダクタンスLrに蓄えられたエネルギーにより、帰還巻線5dに電圧が発生し、5d→5b→Co→Q3→5dと電流Q3iが流れ、エネルギーが平滑コンデンサCoに帰還されて、引き続き負荷RLに電力が供給される。   At this time, by turning on the switch Q2, the switch Q2 becomes a zero voltage switch. Further, since the voltage of the feedback winding 5d of the transformer T3 is a reverse voltage, the switch Q4 is turned off and the switch Q3 is turned on. Therefore, a voltage is generated in the feedback winding 5d by the energy stored in the leakage inductance Lr, a current Q3i flows as 5d → 5b → Co → Q3 → 5d, and the energy is fed back to the smoothing capacitor Co to continue to load Power is supplied to the RL.

また、可飽和リアクトルSL1のエネルギーの放出と同時に、1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスLrからのエネルギーがクランプコンデンサC2に供給され、クランプコンデンサC2が充電されていく。クランプコンデンサC2に蓄えられたエネルギーは、C2→Q2→SL1→C2に流れて、可飽和リアクトルSLlの磁束をリセットする。即ち、電流SL1iは、リセット時にリーケージインダクタンスLrから供給されるエネルギー分だけ多くなるので、増大する。電流SL1iは、スイッチQ2のオン期間の終了間際で増大し、スイッチQ2の電流Q2iも最大となる。この時刻にスイッチQ2をオフさせることにより、コンデンサC1の放電は急峻になり、短時間でゼロとなる。このとき、スイッチQ1をオンさせることによりスイッチQ1はゼロ電圧スイッチを達成できる。   Simultaneously with the release of the energy of the saturable reactor SL1, the energy from the leakage inductance Lr between the primary winding and the secondary winding is supplied to the clamp capacitor C2, and the clamp capacitor C2 is charged. The energy stored in the clamp capacitor C2 flows in the order of C2, Q2, SL1, and C2, and resets the magnetic flux of the saturable reactor SLl. That is, the current SL1i increases because the amount of energy supplied from the leakage inductance Lr at the time of reset increases. The current SL1i increases just before the end of the ON period of the switch Q2, and the current Q2i of the switch Q2 also becomes maximum. By turning off the switch Q2 at this time, the discharge of the capacitor C1 becomes steep and becomes zero in a short time. At this time, the switch Q1 can achieve a zero voltage switch by turning on the switch Q1.

また、スイッチQ1がオンしているとき、帰還巻線5dに発生する電圧により、ダイオードD5を介して、コンデンサC5が充電される。次に、スイッチQ2がオンしている期間中のある時刻において、スイッチQ5をオンさせると、C5→Q5→5d→Q3→C5の経路で電流Q5iが流れる。この電流によるエネルギーにより、トランスT3の1次巻線5aとスイッチQ2を介してクランプコンデンサC2が充電される。   Further, when the switch Q1 is on, the capacitor C5 is charged via the diode D5 by the voltage generated in the feedback winding 5d. Next, when the switch Q5 is turned on at a certain time during the period when the switch Q2 is turned on, a current Q5i flows through a path of C5 → Q5 → 5d → Q3 → C5. The clamp capacitor C2 is charged through the primary winding 5a of the transformer T3 and the switch Q2 by the energy generated by this current.

このクランプコンデンサC2の電荷は、可飽和リアクトルSL1を飽和させるため、この電力を調整することにより、可飽和リアクトルSL1の飽和状態を制御できる。また、スイッチQ5のオン時間を制御することにより、可飽和リアクトルSL1の飽和状態を制御できる。即ち、スイッチQ5のオン時間を長くすれば、可飽和リアクトルSL1の飽和を深くすることができる。   Since the charge of the clamp capacitor C2 saturates the saturable reactor SL1, the saturation state of the saturable reactor SL1 can be controlled by adjusting the power. Moreover, the saturation state of the saturable reactor SL1 can be controlled by controlling the ON time of the switch Q5. That is, if the ON time of the switch Q5 is lengthened, the saturation of the saturable reactor SL1 can be deepened.

一方、負荷電流が減少した場合(軽負荷時)には、スイッチQ1がオフした時のリーケージインダクタンスLrの電流は、スイッチQ1のオフ期間中にゼロとなるが、引き続きスイッチQ3がオン状態である。このため、平滑コンデンサCoに蓄積された電荷が放電し、Co→5b→5d→Q3→Coと電流が流れて、リーケージインダクタンスLrにエネルギーが蓄えられる。
次に、スイッチQ1がオンすると、スイッチQ4がオンし、スイッチQ3がオフする。このため、リーケージインダクタンスLrに蓄えられたエネルギーは、ダイオードD5を介してコンデンサC5に蓄えられる。即ち、ダイオードD5がオンして、エネルギーがコンデンサC5に蓄えられるため、スパイク電圧は、吸収される。
On the other hand, when the load current decreases (light load), the leakage inductance Lr current when the switch Q1 is turned off becomes zero during the off period of the switch Q1, but the switch Q3 is still on. . For this reason, the electric charge accumulated in the smoothing capacitor Co is discharged, current flows through Co → 5b → 5d → Q3 → Co, and energy is stored in the leakage inductance Lr.
Next, when the switch Q1 is turned on, the switch Q4 is turned on and the switch Q3 is turned off. For this reason, the energy stored in the leakage inductance Lr is stored in the capacitor C5 via the diode D5. That is, since the diode D5 is turned on and energy is stored in the capacitor C5, the spike voltage is absorbed.

次に、スイッチQ1がオフし、スイッチQ2がオンすると、トランスT3の3次巻線5cの一端には電圧が発生するため、この電圧が波形整形回路11を介してスイッチQ5のゲートに印加されてスイッチQ5がオンする。また、トランスT3の帰還巻線5dの一端の電圧がスイッチQ3のゲートに印加されてスイッチQ3がオンする。   Next, when the switch Q1 is turned off and the switch Q2 is turned on, a voltage is generated at one end of the tertiary winding 5c of the transformer T3. This voltage is applied to the gate of the switch Q5 via the waveform shaping circuit 11. Switch Q5 is turned on. Further, the voltage at one end of the feedback winding 5d of the transformer T3 is applied to the gate of the switch Q3, and the switch Q3 is turned on.

このため、C5→Q5→5d→Q3→C5と電流が流れるため、コンデンサC5に蓄えられたエネルギーは1次巻線5aを介して、1次側のクランプコンデンサC2に帰還される。即ち、5a→Q2→C2→5aと電流が流れてクランプコンデンサC2が充電される。クランプコンデンサC2の電荷は、可飽和リアクトルSL1を飽和させるため、このエネルギーを調整することにより、可飽和リアクトルSL1の飽和状態を制御できる。即ち、トランスT3の2次側からクランプコンデンサC2に帰還されたエネルギーにより、可飽和リアクトルSL1の飽和を調整できる。また、スイッチQ3の電圧Q3vは、クランプされてスパイク電圧は発生しない。このため、スイッチQ3の耐圧を低くすることができる。従って、オン抵抗の低い素子が使用できることにより、さらに損失を低減することができる。   For this reason, since current flows in the order of C5 → Q5 → 5d → Q3 → C5, the energy stored in the capacitor C5 is fed back to the primary side clamp capacitor C2 via the primary winding 5a. That is, a current flows through 5a → Q2 → C2 → 5a, and the clamp capacitor C2 is charged. Since the charge of the clamp capacitor C2 saturates the saturable reactor SL1, the saturation state of the saturable reactor SL1 can be controlled by adjusting this energy. That is, the saturation of the saturable reactor SL1 can be adjusted by the energy fed back from the secondary side of the transformer T3 to the clamp capacitor C2. Further, the voltage Q3v of the switch Q3 is clamped and no spike voltage is generated. For this reason, the breakdown voltage of the switch Q3 can be lowered. Therefore, the loss can be further reduced by using an element having a low on-resistance.

このように実施例3の直流変換装置によれば、軽負荷時に電流の逆流によりトランスT3の1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスLrに蓄えられるエネルギーをダイオードD5を介してコンデンサC5に蓄え、スイッチQ2のオンに同期してオンするスイッチQ5によりエネルギーを帰還巻線5dを介して損失なく1次側のクランプコンデンサC2に帰還させることによりスパイク電圧を除去することができる。これにより、整流素子の耐圧が減少し、低耐圧の素子の使用により、オン抵抗を減少できる。また、スパイク電圧防止用のC−Rアブソーバも除去できるため、回路を簡単化できる。   As described above, according to the direct-current converter of the third embodiment, the energy stored in the leakage inductance Lr between the primary winding and the secondary winding of the transformer T3 due to the backflow of current at the time of light load is transferred to the capacitor C5 via the diode D5. Thus, the spike voltage can be removed by returning energy to the primary side clamp capacitor C2 through the feedback winding 5d without loss by the switch Q5 which is turned on in synchronization with the switch Q2 being turned on. Thereby, the withstand voltage of the rectifying element is reduced, and the on-resistance can be reduced by using a low withstand voltage element. In addition, since the CR absorber for preventing spike voltage can be removed, the circuit can be simplified.

また、トランスT3の2次側から供給されたエネルギーがクランプコンデンサC2に帰還され、このクランプコンデンサC2に蓄えられたエネルギーにより、可飽和リアクトルSL1の飽和を調整でき、可飽和リアクトルSL1を最適な飽和状態にすることができる。これにより、整流素子のスパイク電圧を抑制し且つトランスの励磁電流を減少させることができ、直流変換装置の高効率化と小型化を図ることができる。   Further, the energy supplied from the secondary side of the transformer T3 is fed back to the clamp capacitor C2, and the saturation of the saturable reactor SL1 can be adjusted by the energy stored in the clamp capacitor C2, and the saturable reactor SL1 is optimally saturated. Can be in a state. As a result, the spike voltage of the rectifier element can be suppressed and the exciting current of the transformer can be reduced, so that the DC converter can be highly efficient and downsized.

図12は実施例4の直流変換装置の回路構成図である。図12に示す実施例4の直流変換装置は、図10に示す実施例3の直流変換装置に対して、波形整形回路11を削除した点のみが異なる。図12に示すその他の構成は、図10に示す構成と同一であるので、同一部分には同一符号を付し、その詳細は省略する。   FIG. 12 is a circuit configuration diagram of the DC converter according to the fourth embodiment. The DC converter of the fourth embodiment shown in FIG. 12 differs from the DC converter of the third embodiment shown in FIG. 10 only in that the waveform shaping circuit 11 is deleted. Other configurations shown in FIG. 12 are the same as the configurations shown in FIG. 10, and thus the same reference numerals are given to the same portions, and details thereof are omitted.

このような実施例4の直流変換装置にあっても、実施例3の直流変換装置と同様な効果が得られる。   Even in the DC converter of Example 4, the same effect as that of the DC converter of Example 3 can be obtained.

本発明は、DC−DCコンバータ、AC−DCコンバータ等のスイッチング電源装置に適用可能である。   The present invention is applicable to switching power supply devices such as a DC-DC converter and an AC-DC converter.

実施例1の直流変換装置の回路構成図である。It is a circuit block diagram of the direct-current converter of Example 1. 実施例1の直流変換装置に設けられた波形整形回路の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the waveform shaping circuit provided in the DC converter of Example 1. FIG. 図2に示す波形整形回路の動作波形を示す図である。It is a figure which shows the operation | movement waveform of the waveform shaping circuit shown in FIG. 実施例1の直流変換装置の各部における信号のタイミングチャートである。3 is a signal timing chart in each part of the DC converter according to Embodiment 1; 実施例1の直流変換装置に設けられたトランスのB−H特性を示す図である。It is a figure which shows the BH characteristic of the transformer provided in the DC converter of Example 1. 実施例1の直流変換装置に設けられた可飽和リアクトルの電流のタイミングチャートである。3 is a timing chart of a current of a saturable reactor provided in the DC converter according to Embodiment 1. 負荷電流が臨界状態で可飽和リアクトルを用いない場合の従来の直流変換装置の各部における信号のタイミングチャートである。It is a timing chart of the signal in each part of the conventional DC converter when a load current is a critical state and a saturable reactor is not used. 負荷電流が臨界状態で可飽和リアクトルを用いた場合の実施例1の直流変換装置の各部における信号のタイミングチャートである。It is a timing chart of the signal in each part of the direct-current converter of Example 1 when a load current is a critical state and a saturable reactor is used. 実施例2の直流変換装置の回路構成図である。It is a circuit block diagram of the direct-current converter of Example 2. 実施例3の直流変換装置の回路構成図である。6 is a circuit configuration diagram of a DC converter according to Embodiment 3. FIG. 実施例3の直流変換装置に設けられたトランスの構造図である。6 is a structural diagram of a transformer provided in the direct-current converter of Embodiment 3. FIG. 実施例4の直流変換装置の回路構成図である。6 is a circuit configuration diagram of a DC converter according to Embodiment 4. FIG. 従来の直流変換装置の回路構成図である。It is a circuit block diagram of the conventional DC converter. 図13に示す直流変換装置の軽負荷時の各部における信号のタイミングチャートである。It is a timing chart of the signal in each part at the time of the light load of the DC converter shown in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

Vdc1 直流電源
10,10a 制御回路
Q1〜Q5 スイッチ
RL 負荷
R1,R2,RT 抵抗
Lo 平滑リアクトル
Co 平滑コンデンサ
C1,C2,C5,CT コンデンサ
SL1 可飽和リアクトル
T1,T2,T3 トランス
5a 1次巻線(n1)
5b 2次巻線(n2)
5c 3次巻線(n3)
5d 帰還巻線(n4)
D1〜D6 ダイオード
11 波形整形回路
30 コア
30a コア部
30b 凹部
31 ギャップ
Vdc1 DC power supply 10, 10a Control circuit Q1-Q5 Switch RL Load
R1, R2, RT Resistance Lo Smoothing reactor Co Smoothing capacitor C1, C2, C5, CT Capacitor SL1 Saturable reactor T1, T2, T3 Transformer 5a Primary winding (n1)
5b Secondary winding (n2)
5c Tertiary winding (n3)
5d Feedback winding (n4)
D1 to D6 Diode 11 Waveform shaping circuit 30 Core 30a Core portion 30b Recessed portion 31 Gap

Claims (7)

直流電源の直流電圧をトランスの1次巻線を介してオン/オフすることにより高周波電圧に変換する第1スイッチと、
前記トランスの1次巻線の両端又は前記第1スイッチの両端に接続され、第2スイッチとクランプコンデンサとが直列に接続された直列回路と、
前記トランスの1次巻線に並列に接続され、前記クランプコンデンサに蓄えられたエネルギーにより飽和する可飽和リアクトルと、
前記トランスの2次巻線に発生する高周波電圧を同期整流する同期整流回路と、
この同期整流回路の整流出力を平滑リアクトルと平滑コンデンサとで平滑して直流電圧を出力する平滑回路と、
前記第1スイッチと前記第2スイッチとを交互にオン/オフさせると共に前記可飽和リアクトルが飽和したときに前記第1スイッチをゼロ電圧スイッチングさせる制御回路と、
軽負荷時の前記同期整流回路の電流の逆流により、前記平滑リアクトルに蓄えられたエネルギーをダイオードを介して蓄えるコンデンサと、
前記第2スイッチと同期してオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスを介して1次側の前記クランプコンデンサに帰還させる第3スイッチとを有し、
前記クランプコンデンサに帰還されたエネルギーにより前記可飽和リアクトルの飽和状態を調整したことを特徴とする直流変換装置。
A first switch for converting a DC voltage of a DC power source into a high-frequency voltage by turning on / off via a primary winding of a transformer;
A series circuit connected to both ends of the primary winding of the transformer or both ends of the first switch, and a second switch and a clamp capacitor connected in series;
A saturable reactor connected in parallel to the primary winding of the transformer and saturated by energy stored in the clamp capacitor;
A synchronous rectifier circuit for synchronously rectifying a high-frequency voltage generated in the secondary winding of the transformer;
A smoothing circuit that smoothes the rectified output of the synchronous rectifier circuit with a smoothing reactor and a smoothing capacitor and outputs a DC voltage;
A control circuit for alternately turning on and off the first switch and the second switch and causing the first switch to perform zero voltage switching when the saturable reactor is saturated;
A capacitor that stores the energy stored in the smoothing reactor via a diode due to a reverse flow of the current of the synchronous rectifier circuit at a light load;
A third switch that is turned on in synchronization with the second switch and that feeds back the energy stored in the capacitor to the clamp capacitor on the primary side via the transformer;
A DC converter, wherein a saturation state of the saturable reactor is adjusted by energy fed back to the clamp capacitor.
前記トランスの2次巻線に直列に接続された前記トランスの3次巻線を有し、
前記第3スイッチは、前記第2スイッチがオンした時に前記トランスの3次巻線に発生する電圧によりオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスを介して1次側の前記クランプコンデンサに帰還させることを特徴とする請求項1記載の直流変換装置。
Having a tertiary winding of the transformer connected in series to a secondary winding of the transformer;
The third switch is turned on by a voltage generated in the tertiary winding of the transformer when the second switch is turned on, and the energy stored in the capacitor is transferred to the clamp capacitor on the primary side through the transformer. The DC converter according to claim 1, wherein the DC converter is fed back.
前記トランスの3次巻線は、前記トランスの1次巻線に対して逆相に巻回されていることを特徴とする請求項2記載の直流変換装置。   The DC converter according to claim 2, wherein the tertiary winding of the transformer is wound in a phase opposite to that of the primary winding of the transformer. 直流電源の直流電圧をトランスの1次巻線を介してオン/オフすることにより高周波電圧に変換する第1スイッチと、
前記トランスの1次巻線の両端又は前記第1スイッチの両端に接続され、第2スイッチとクランプコンデンサとが直列に接続された直列回路と、
前記トランスの1次巻線又は2次巻線に並列に接続され、前記クランプコンデンサに蓄えられたエネルギーにより飽和する可飽和リアクトルと、
前記トランスの1次巻線と疎結合された2次巻線に発生する高周波電圧を同期整流する同期整流回路と、
この同期整流回路の整流出力を平滑する平滑コンデンサと、
前記トランスの1次巻線と密結合され且つ前記2次巻線に直列に接続され、前記1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられたエネルギーを前記第1スイッチがオフ時に前記平滑コンデンサに帰還する前記トランスの帰還巻線と、
前記第1スイッチと前記第2スイッチとを交互にオン/オフさせると共に前記可飽和リアクトルが飽和したときに前記第1スイッチをゼロ電圧スイッチングさせる制御回路と、
軽負荷時に前記リーケージインダクタンスに逆流する電流により蓄えられたエネルギーをダイオードを介して蓄えるコンデンサと、
前記第2スイッチと同期してオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスの帰還巻線を介して1次側の前記クランプコンデンサに帰還させる第3スイッチとを有し、
前記クランプコンデンサに帰還されたエネルギーにより前記可飽和リアクトルの飽和状態を調整したことを特徴とする直流変換装置。
A first switch for converting a DC voltage of a DC power source into a high-frequency voltage by turning on / off via a primary winding of a transformer;
A series circuit connected to both ends of the primary winding of the transformer or both ends of the first switch, and a second switch and a clamp capacitor connected in series;
A saturable reactor connected in parallel to the primary winding or the secondary winding of the transformer and saturated by the energy stored in the clamp capacitor;
A synchronous rectifier circuit for synchronously rectifying a high-frequency voltage generated in a secondary winding loosely coupled to the primary winding of the transformer;
A smoothing capacitor that smoothes the rectified output of the synchronous rectifier circuit;
When the first switch is turned off, the energy stored in the leakage inductance between the primary winding and the secondary winding is tightly coupled to the primary winding of the transformer and connected in series to the secondary winding. A feedback winding of the transformer that feeds back to the smoothing capacitor;
A control circuit for alternately turning on and off the first switch and the second switch and causing the first switch to perform zero voltage switching when the saturable reactor is saturated;
A capacitor for storing the energy stored by the current flowing back to the leakage inductance at the time of light load via a diode;
A third switch that is turned on in synchronization with the second switch, and that feeds back the energy stored in the capacitor to the clamp capacitor on the primary side via a feedback winding of the transformer;
A DC converter, wherein a saturation state of the saturable reactor is adjusted by energy fed back to the clamp capacitor.
前記トランスの帰還巻線に直列に接続された前記トランスの3次巻線を有し、
前記第3スイッチは、前記第2スイッチがオンした時に前記トランスの3次巻線に発生する電圧によりオンし、前記コンデンサに蓄えられたエネルギーを前記トランスの帰還巻線を介して1次側の前記クランプコンデンサに帰還させることを特徴とする請求項4記載の直流変換装置。
Having a tertiary winding of the transformer connected in series with a feedback winding of the transformer;
The third switch is turned on by a voltage generated in the tertiary winding of the transformer when the second switch is turned on, and the energy stored in the capacitor is transferred to the primary side through the feedback winding of the transformer. The DC converter according to claim 4, wherein the DC capacitor is fed back to the clamp capacitor.
前記トランスの1次巻線と2次巻線とは同相電圧が発生するように巻回され、前記トランスの1次巻線と帰還巻線とは逆相電圧が発生するように巻回されていることを特徴とする請求項4又は請求項5記載の直流変換装置。   The primary and secondary windings of the transformer are wound so as to generate an in-phase voltage, and the primary winding and feedback winding of the transformer are wound so as to generate a reverse-phase voltage. 6. The direct current converter according to claim 4, wherein the direct current converter is provided. 前記第3スイッチのオン時間を前記第2スイッチのオン時間より短く設定するオン時間設定手段を有することを特徴とする請求項1乃至請求項6のいずれか1項記載の直流変換装置。   7. The DC converter according to claim 1, further comprising an on-time setting unit configured to set an on-time of the third switch to be shorter than an on-time of the second switch.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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