JP2006296054A - Switching power supply circuit - Google Patents

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<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To put into practical use a voltage resonance type converter that performs ZVS in a totally corresponding load region. <P>SOLUTION: A primary-side switching converter constitutes a DC input voltage as an E-class resonance type that is obtained by rectifying and smoothing commercial AC power by a rectifying circuit (including a smoothing capacitor Ci), and a switching power supply circuit that uses a choke coil of a primary-side series resonance circuit of the E-class resonance type converter as a primary winding N1 of an insulated converter transformer PIT is constituted. A general coupling coefficient between a primary side and a secondary side is set to be 0.65 more or less by a coupling coefficient of the insulated converter transformer PIT itself, and equivalent parallel connection between the choke coil 10 and the primary winding N1. Each of a resonance frequency fo1 of the primary-side series resonance circuit and a resonance frequency fo2 of a secondary-side parallel resonance circuit is set equal at a level of 60kHz. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、電圧共振形コンバータを備えて成るスイッチング電源回路に関するものである。   The present invention relates to a switching power supply circuit including a voltage resonance type converter.

共振形によるいわゆるソフトスイッチング電源としては、電流共振形と電圧共振形の形式が広く知られている。現状においては、実用化が容易なことを背景に、2石のスイッチング素子によるハーフブリッジ結合方式の電流共振形コンバータが広く採用されている状況にある。
しかし、現在、例えば高耐圧スイッチング素子の特性が改善されてきている状況にあり、電圧共振形コンバータを実用化するにあたっての耐圧の問題はクリアされてきている状況にある。また、1石のスイッチング素子によるシングルエンド方式で構成した電圧共振形コンバータについては、1石の電流共振形フォワードコンバータと比較して、入力帰還ノイズや直流出力電圧ラインのノイズ成分などの点で有利であることも知られている。
As a so-called soft switching power supply of a resonance type, a current resonance type and a voltage resonance type are widely known. At present, half bridge coupling type current resonance type converters with two stone switching elements are widely used due to the ease of practical use.
However, at present, for example, the characteristics of high-voltage switching elements have been improved, and the problem of withstand voltage when the voltage resonance converter is put into practical use has been cleared. In addition, a single-ended voltage resonant converter with a single switching element is advantageous in terms of input feedback noise and DC output voltage line noise components compared to a single-current resonant forward converter. It is also known that.

図10は、シングルエンド方式による電圧共振形コンバータを備えるスイッチング電源回路の一構成例を示している。   FIG. 10 shows a configuration example of a switching power supply circuit including a voltage resonance type converter by a single end system.

この図に示すスイッチング電源回路においては、商用交流電源ACをブリッジ整流回路Di及び平滑コンデンサCiから成る整流平滑回路により整流平滑化することで、平滑コンデンサCiの両端電圧として、整流平滑電圧Eiを生成している。
なお、商用交流電源ACのラインに対しては、1組のコモンモードチョークコイルCMCと、2本のアクロスコンデンサCLから成り、コモンモードのノイズを除去するノイズフィルタが設けられている。
In the switching power supply circuit shown in this figure, the commercial AC power supply AC is rectified and smoothed by a rectifying and smoothing circuit including a bridge rectifying circuit Di and a smoothing capacitor Ci, thereby generating a rectified and smoothed voltage Ei as a voltage across the smoothing capacitor Ci. is doing.
Note that the line of the commercial AC power supply AC is provided with a noise filter that includes a pair of common mode choke coils CMC and two across capacitors CL and removes common mode noise.

上記整流平滑電圧Eiは、直流入力電圧として電圧共振形コンバータに対して入力される。この電圧共振形コンバータは、上記しているように、1石のスイッチング素子Qを備えたシングルエンド方式による構成を採る。また、この場合の電圧共振形コンバータとしては他励式となっており、MOS−FETのスイッチング素子Q1を、発振・ドライブ回路2によりスイッチング駆動するようにされている。   The rectified and smoothed voltage Ei is input to the voltage resonant converter as a DC input voltage. As described above, this voltage resonance type converter employs a single-ended configuration including one switching element Q. In this case, the voltage resonance type converter is a separately excited type, and the switching element Q1 of the MOS-FET is switched by the oscillation / drive circuit 2.

スイッチング素子Q1に対しては、MOS−FETのボディダイオードDDが並列に接続される。また、スイッチング素子Q1のソース−ドレイン間に対して一次側並列共振コンデンサCrが並列に接続される。   A MOS-FET body diode DD is connected in parallel to the switching element Q1. A primary side parallel resonant capacitor Cr is connected in parallel with the source and drain of the switching element Q1.

一次側並列共振コンデンサCrは、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1とによって一次側並列共振回路(電圧共振回路)を形成している。そして、この一次側並列共振回路によって、スイッチング素子Q1のスイッチング動作として電圧共振形の動作が得られるようにされている。   The primary side parallel resonant capacitor Cr forms a primary side parallel resonant circuit (voltage resonant circuit) with the leakage inductance L1 of the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT. The primary side parallel resonance circuit can obtain a voltage resonance type operation as the switching operation of the switching element Q1.

発振・ドライブ回路2は、スイッチング素子Q1をスイッチング駆動するために、スイッチング素子Q1のゲートに対して、ドライブ信号としてのゲート電圧を印加する。これにより、スイッチング素子Q1は、ドライブ信号の周期に応じたスイッチング周波数によりスイッチング動作を行う。   The oscillation / drive circuit 2 applies a gate voltage as a drive signal to the gate of the switching element Q1 in order to drive the switching element Q1. Thereby, the switching element Q1 performs a switching operation at a switching frequency corresponding to the cycle of the drive signal.

絶縁コンバータトランスPITは、スイッチング素子Q1 のスイッチング出力を二次側に伝送する。
絶縁コンバータトランスPITの構造としては、例えば、フェライト材によるE型コアを組み合わせたEE型コアを備える。そして、一次側と二次側とで巻装部位を分割したうえで、一次巻線N1と、二次巻線N2を、EE型コアの中央磁脚に対して巻装している。
そのうえで、絶縁コンバータトランスPITのEE型コアの中央磁脚に対しては1.0mm程度のギャップを形成するようにしており、これによって、一次側と二次側との間で、k=0.80〜0.85程度の結合係数kを得るようにしている。この程度の結合係数kは疎結合としてみてよい結合度であり、その分、飽和状態が得られにくくなる。また、この結合係数kの値が、リーケージインダクタンス(L1)の設定要素となる。
The insulating converter transformer PIT transmits the switching output of the switching element Q1 to the secondary side.
As the structure of the insulating converter transformer PIT, for example, an EE type core in which an E type core made of a ferrite material is combined is provided. Then, after dividing the winding part on the primary side and the secondary side, the primary winding N1 and the secondary winding N2 are wound around the central magnetic leg of the EE core.
In addition, a gap of about 1.0 mm is formed with respect to the central magnetic leg of the EE type core of the insulating converter transformer PIT, whereby k = 0.80 between the primary side and the secondary side. A coupling coefficient k of about ˜0.85 is obtained. This degree of coupling coefficient k is a degree of coupling that can be regarded as loose coupling, and accordingly, a saturated state is hardly obtained. Further, the value of the coupling coefficient k becomes a setting element of the leakage inductance (L1).

絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1の一端は、スイッチング素子Q1と平滑コンデンサCiの正極端子間に挿入されるようになっていることで、スイッチング素子Q1のスイッチング出力が伝達されるようになっている。絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2には、一次巻線N1により誘起された交番電圧が発生する。   One end of the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT is inserted between the positive terminal of the switching element Q1 and the smoothing capacitor Ci, so that the switching output of the switching element Q1 is transmitted. Yes. An alternating voltage induced by the primary winding N1 is generated in the secondary winding N2 of the insulating converter transformer PIT.

この場合、二次巻線N2の一端に対して二次側直列共振コンデンサC2を直列に接続していることで、二次巻線N2のリーケージインダクタンスL2と二次側直列共振コンデンサC2のキャパシタンスとによって二次側直列共振回路(電流共振回路)が形成される。
そのうえで、この二次側直列共振回路に対して、図示するようにして整流ダイオードDo1,Do2、及び平滑コンデンサCoを接続することで、倍電圧半波整流回路を形成している。この倍電圧半波整流回路は、二次巻線N2に誘起される交番電圧V2の2倍に対応するレベルの二次側直流出力電圧Eoを、平滑コンデンサCoの両端電圧として生成する。二次側直流出力電圧Eoは負荷に供給されると共に、定電圧制御用の検出電圧として、制御回路1に入力される。
In this case, the secondary side series resonant capacitor C2 is connected in series to one end of the secondary winding N2, so that the leakage inductance L2 of the secondary winding N2 and the capacitance of the secondary side series resonant capacitor C2 Thus, a secondary side series resonance circuit (current resonance circuit) is formed.
In addition, a double voltage half-wave rectifier circuit is formed by connecting rectifier diodes Do1 and Do2 and a smoothing capacitor Co to the secondary side series resonant circuit as shown in the figure. This voltage doubler half-wave rectifier circuit generates a secondary side DC output voltage Eo at a level corresponding to twice the alternating voltage V2 induced in the secondary winding N2 as a voltage across the smoothing capacitor Co. The secondary side DC output voltage Eo is supplied to the load and is input to the control circuit 1 as a detection voltage for constant voltage control.

制御回路1は、検出電圧として入力される二次側直流出力電圧Eoのレベルを検出して得られる検出出力を発振・ドライブ回路2に入力する。
発振・ドライブ回路2は、入力される検出出力が示す二次側直流出力電圧Eoのレベルに応じて、二次側直流出力電圧Eoが所定のレベルで一定となるようにして、スイッチング素子Q1のスイッチング動作を制御する。つまり、制御すべきスイッチング動作を得るためのドライブ信号を生成して出力する。これにより、二次側直流出力電圧Eoの安定化制御が行われる。
The control circuit 1 inputs a detection output obtained by detecting the level of the secondary side DC output voltage Eo input as a detection voltage to the oscillation / drive circuit 2.
The oscillation / drive circuit 2 adjusts the switching element Q1 so that the secondary side DC output voltage Eo becomes constant at a predetermined level in accordance with the level of the secondary side DC output voltage Eo indicated by the input detection output. Controls the switching operation. That is, a drive signal for obtaining a switching operation to be controlled is generated and output. Thereby, stabilization control of the secondary side DC output voltage Eo is performed.

図11及び図12は、上記図10に示した構成の電源回路についての実験結果を示している。なお、実験にあたっては、図10の電源回路の要部について下記のようにして設定している。
絶縁コンバータトランスPITは、コアにEER-35を選定し、中央磁脚のギャップについては、1mmのギャップ長を設定する。また、一次巻線N1及び二次巻線N2のターン数T(巻数)については、それぞれN1=39T、N2=23Tとし、二次巻線N2の1ターン(T)あたりの誘起電圧レベルについては、3V/Tを設定した。絶縁コンバータトランスPITの結合係数kについてはk=0.81を設定した。
また、一次側並列共振コンデンサCrのキャパシタンスについてはCr=3900pF、二次側直列共振コンデンサC2のキャパシタンスについてはC2=0.1μFを選定した。これに応じて、一次側並列共振回路の共振周波数fo1=230kHz、二次側直列共振回路の共振周波数fo2=82kHzが設定される。この場合、共振周波数fo1,fo2の相対的関係としては、fo1≒2.8×fo2と表すことができる。
二次側直流出力電圧Eoの定格レベルは135Vであり、対応負荷電力は、最大負荷電力Pomax=200W〜最小負荷電力Pomin=0Wである。
11 and 12 show experimental results for the power supply circuit having the configuration shown in FIG. In the experiment, the main part of the power supply circuit of FIG. 10 is set as follows.
For the isolated converter transformer PIT, EER-35 is selected for the core, and the gap length of the central magnetic leg is set to 1 mm. The number of turns T (number of turns) of the primary winding N1 and the secondary winding N2 is N1 = 39T and N2 = 23T, respectively, and the induced voltage level per turn (T) of the secondary winding N2 is as follows. 3V / T was set. For the coupling coefficient k of the insulating converter transformer PIT, k = 0.81 was set.
Further, Cr = 3900 pF was selected for the capacitance of the primary side parallel resonant capacitor Cr, and C2 = 0.1 μF was selected for the capacitance of the secondary side series resonant capacitor C2. Accordingly, the resonance frequency fo1 = 230 kHz of the primary side parallel resonance circuit and the resonance frequency fo2 = 82 kHz of the secondary side series resonance circuit are set. In this case, the relative relationship between the resonance frequencies fo1 and fo2 can be expressed as fo1≈2.8 × fo2.
The rated level of the secondary side DC output voltage Eo is 135V, and the corresponding load power is maximum load power Pomax = 200 W to minimum load power Pomin = 0 W.

図11は、図10に示した電源回路における要部の動作をスイッチング素子Q1のスイッチング周期により示す波形図であり、図11(a)には、最大負荷電力Pomax=200W時における電圧V1、スイッチング電流IQ1、一次巻線電流I1、二次巻線電流I2、二次側整流電流ID1、ID2が示されている。図11(b)には、中間の負荷電力Po=120W時における電圧V1、スイッチング電流IQ1、一次巻線電流I1、二次巻線電流I2が示されている。図11(c)には最小負荷電力Pomin=0W時における電圧V1、スイッチング電流IQ1が示される。
電圧V1は、スイッチング素子Q1の両端に得られる電圧であり、スイッチング素子Q1がオンとなる期間TONにおいて0レベルで、オフとなる期間TOFFにおいて正弦波状の共振パルスとなる波形である。この電圧V1の共振パルス波形が、一次側スイッチングコンバータの動作が電圧共振形であることを示している。
FIG. 11 is a waveform diagram showing the operation of the main part of the power supply circuit shown in FIG. 10 by the switching cycle of the switching element Q1, and FIG. 11A shows the voltage V1 when the maximum load power Pomax = 200 W, the switching A current IQ1, a primary winding current I1, a secondary winding current I2, and a secondary side rectified current ID1, ID2 are shown. FIG. 11B shows the voltage V1, the switching current IQ1, the primary winding current I1, and the secondary winding current I2 when the intermediate load power Po = 120 W. FIG. 11C shows the voltage V1 and the switching current IQ1 when the minimum load power Pomin = 0W.
The voltage V1 is a voltage obtained at both ends of the switching element Q1, and has a waveform that is a zero level in the period TON in which the switching element Q1 is turned on and becomes a sinusoidal resonance pulse in the period TOFF in which the switching element Q1 is turned off. The resonance pulse waveform of the voltage V1 indicates that the operation of the primary side switching converter is a voltage resonance type.

スイッチング電流IQ1は、スイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)に流れる電流であり、期間TONにおいて図示する波形により流れ、期間TOFFにおいて0レベルとなる波形として得られる。
一次巻線N1に流れる一次巻線電流I1は、期間TONにおいて上記スイッチング電流IQ1として流れる電流成分と、期間TOFFにおいて一次側並列共振コンデンサCrに流れる電流とを合成したものとなる。
The switching current IQ1 is a current that flows through the switching element Q1 (and the body diode DD), and flows as a waveform shown in the figure in the period TON, and is obtained as a waveform that becomes 0 level in the period TOFF.
The primary winding current I1 flowing through the primary winding N1 is a combination of the current component flowing as the switching current IQ1 during the period TON and the current flowing through the primary parallel resonant capacitor Cr during the period TOFF.

また、図11(a)のみにおいて示しているが、二次側整流回路の動作として、整流ダイオードDo1,Do2に流れる整流電流ID1,ID2は、それぞれ図示するようにして正弦波状に流れるものとなる。この場合、整流電流ID1の波形のほうが、整流電流ID2よりも、二次側直列共振回路の共振動作が支配的に現れたものとなっている。
二次巻線N2に流れる二次巻線電流I2は、整流電流ID1,ID2が合成された波形として得られる。
Although only shown in FIG. 11 (a), as the operation of the secondary side rectifier circuit, the rectified currents ID1 and ID2 flowing through the rectifier diodes Do1 and Do2 flow in a sine wave shape as shown in the figure. . In this case, the waveform of the rectified current ID1 is such that the resonance operation of the secondary side series resonant circuit appears more dominantly than the rectified current ID2.
The secondary winding current I2 flowing through the secondary winding N2 is obtained as a waveform obtained by combining the rectified currents ID1 and ID2.

図12は、図10に示した電源回路についての、負荷変動に対するスイッチング周波数fs、スイッチング素子Q1のオン期間TON、オフ期間TOFF、及びAC→DC電力変換効率ηAC→DCを示している。
先ず、AC→DC電力変換効率ηAC→DCを見てみると、負荷電力Po=50W〜200Wまでの広範囲で90%以上となる高効率が得られていることが分かる。このような特性は、シングルエンド方式による電圧共振形コンバータに、二次側直列共振回路を組み合わせた場合に得られるものであることを、先に本出願の発明者は実験で確認している。
FIG. 12 shows the switching frequency fs with respect to load fluctuation, the ON period TON, the OFF period TOFF, and the AC → DC power conversion efficiency ηAC → DC for the power supply circuit shown in FIG.
First, looking at AC → DC power conversion efficiency ηAC → DC, it can be seen that a high efficiency of 90% or more is obtained in a wide range from load power Po = 50 W to 200 W. The inventors of the present application have previously confirmed through experiments that such characteristics are obtained when a secondary-side series resonant circuit is combined with a single-ended voltage resonant converter.

また、図12のスイッチング周波数fs、オン期間TON、オフ期間TOFFによっては、図10に示す電源回路についての負荷変動に対する定電圧制御特性としてのスイッチング動作が示されることになる。この場合、スイッチング周波数fsは、負荷変動に対してほぼ一定となっている。これに対して、オン期間TON、オフ期間TOFFが図示するようにして相互に逆傾向となるようにしてリニアに変化を示している。このことは、二次側直流出力電圧Eoの変動に対してスイッチング周波数(スイッチング周期)はほぼ一定とされたうえで、オン期間とオフ期間との時比率を変化させるようにしてスイッチング動作を制御しているということを示す。このような制御は、1周期内のオン/オフ期間を可変する、PWM(Pulse Width Modulation)制御であるとみることができる。このPWM制御によって、図10に示す電源回路では、二次側直流出力電圧Eoについての安定化が図られる。   Further, depending on the switching frequency fs, the ON period TON, and the OFF period TOFF in FIG. 12, a switching operation as a constant voltage control characteristic with respect to load fluctuations in the power supply circuit shown in FIG. 10 is shown. In this case, the switching frequency fs is substantially constant with respect to the load fluctuation. On the other hand, the ON period TON and the OFF period TOFF are linearly changed so as to be opposite to each other as illustrated. This means that the switching operation is controlled by changing the time ratio between the on period and the off period while the switching frequency (switching period) is made substantially constant with respect to the fluctuation of the secondary side DC output voltage Eo. It shows that you are doing. Such control can be regarded as PWM (Pulse Width Modulation) control that varies the on / off period within one cycle. By the PWM control, the power supply circuit shown in FIG. 10 stabilizes the secondary side DC output voltage Eo.

図13は、図10に示す電源回路の定電圧制御特性を、スイッチング周波数fs(kHz)と二次側直流出力電圧Eoとの関係により、模式的に示している。
図10に示す電源回路では、一次側並列共振回路と二次側直列共振回路を備えることから、一次側並列共振回路の共振周波数fo1に応じた共振インピーダンス特性と、二次側直列共振回路の共振周波数fo2に応じた共振インピーダンス特性との2つの共振インピーダンス特性を複合的に有することになる。また、図10に示す電源回路では、fo1≒2.8×fo2の関係を有しているとされるので、図13にも示しているように、一次側並列共振周波数fo1に対して二次側直列共振周波数fo2が低い関係となる。
そのうえで、或る一定の交流入力電圧VACの条件でのスイッチング周波数fsに対する定電圧制御特性を想定すると、図示するようにして、一次側並列共振回路の共振周波数fo1に応じた共振インピーダンスの下での最大負荷電力Pomax時/最小負荷電力Pomin時の各定電圧制御特性としては、それぞれ特性曲線A,Bとして示され、二次側直列共振回路の共振周波数fo2に応じた共振インピーダンスの下での最大負荷電力Pomax時/最小負荷電力Pomin時の各定電圧制御特性としては、それぞれ特性曲線C,Dで示されるものとなる。そして、この図13に示す特性の下で、二次側直流出力電圧Eoの定格レベルであるtgにより定電圧制御を図ろうとすると、そのために必要なスイッチング周波数fsの可変範囲(必要制御範囲)は、Δfsで示される区間として表すことができる。
FIG. 13 schematically shows the constant voltage control characteristics of the power supply circuit shown in FIG. 10 by the relationship between the switching frequency fs (kHz) and the secondary side DC output voltage Eo.
Since the power supply circuit shown in FIG. 10 includes a primary side parallel resonance circuit and a secondary side series resonance circuit, the resonance impedance characteristic according to the resonance frequency fo1 of the primary side parallel resonance circuit and the resonance of the secondary side series resonance circuit. It has two resonance impedance characteristics in combination with the resonance impedance characteristics corresponding to the frequency fo2. Further, since the power supply circuit shown in FIG. 10 has a relationship of fo1≈2.8 × fo2, as shown in FIG. 13, the secondary side series is connected to the primary side parallel resonance frequency fo1. The resonance frequency fo2 is low.
In addition, assuming constant voltage control characteristics with respect to the switching frequency fs under the condition of a certain AC input voltage VAC, as shown in the figure, the resonance impedance under the resonance impedance corresponding to the resonance frequency fo1 of the primary side parallel resonance circuit is shown. The constant voltage control characteristics at the time of maximum load power Pomax / minimum load power Pomin are shown as characteristic curves A and B, respectively, and are maximum under the resonance impedance corresponding to the resonance frequency fo2 of the secondary side series resonance circuit. The constant voltage control characteristics at the time of load power Pomax / minimum load power Pomin are shown by characteristic curves C and D, respectively. If constant voltage control is attempted with the characteristic shown in FIG. 13 and the rated level tg of the secondary side DC output voltage Eo, the variable range (necessary control range) of the switching frequency fs required for that purpose is , Δfs can be expressed as a section.

図13に示される必要制御範囲Δfsは、二次側直列共振回路の共振周波数fo2に応じた最大負荷電力Pomax時の特性曲線Cから、一次側並列共振回路の共振周波数fo1に応じた最小負荷電力Pomin時の特性曲線Aまでに至るもので、その間に、二次側直列共振回路の共振周波数fo2に応じた最小負荷Pomin時の特性曲線Dと、一次側並列共振回路の共振周波数fo1に応じた最大負荷電力Pomax時の特性曲線Bをまたぐ。
このために、図10に示す電源回路の定電圧制御動作としては、スイッチング周波数fsはほぼ固定とされたうえで、1スイッチング周期における期間TON/TOFFの時比率を変化させるPWM制御の状態により、スイッチング駆動制御を行うものとなる。なお、このことは、図11(a)(b)(c)に示す最大負荷電力Pomax=200W時、負荷電力Po=100W時、最小負荷電力Pomin=0W時に示される1スイッチング周期(TOFF+TON)の期間長についてはほぼ一定とされたうえで、期間TOFF,TONの幅が変化していることによっても示されている。
このような動作は、電源回路における負荷変動に応じた共振インピーダンス特性として、一次側並列共振回路の共振周波数fo1の共振インピーダンス(容量性インピーダンス)が支配的となる状態と、二次側直列共振回路の共振周波数fo2(誘導性インピーダンス)が支配的となる状態との間での遷移が、狭いスイッチング周波数の可変範囲(Δfs)のもとで行われることにより得られるものであるとされる。
The necessary control range Δfs shown in FIG. 13 is the minimum load power corresponding to the resonance frequency fo1 of the primary side parallel resonance circuit from the characteristic curve C at the maximum load power Pomax corresponding to the resonance frequency fo2 of the secondary side series resonance circuit. It reaches the characteristic curve A at Pomin. During that time, it corresponds to the characteristic curve D at the minimum load Pomin corresponding to the resonance frequency fo2 of the secondary side series resonance circuit and the resonance frequency fo1 of the primary side parallel resonance circuit. It crosses the characteristic curve B at the maximum load power Pomax.
For this reason, as a constant voltage control operation of the power supply circuit shown in FIG. 10, the switching frequency fs is substantially fixed and the PWM control state for changing the time ratio of the period TON / TOFF in one switching cycle is as follows. Switching drive control is performed. It should be noted that this means that the maximum load power Pomax = 200 W, load power Po = 100 W, and minimum load power Pomin = 0 W shown in FIGS. 11 (a), 11 (b), and 11 (c) This is also indicated by the fact that the period length is substantially constant and the widths of the periods TOFF and TON are changed.
Such an operation is a state where the resonance impedance (capacitive impedance) of the resonance frequency fo1 of the primary side parallel resonance circuit becomes dominant as the resonance impedance characteristic according to the load fluctuation in the power supply circuit, and the secondary side series resonance circuit It is assumed that the transition to the state where the resonance frequency fo2 (inductive impedance) becomes dominant is performed under a narrow switching frequency variable range (Δfs).

特開2000−134925号公報JP 2000-134925 A

上記図10に示す電源回路では次のような問題を有している。
先に説明した図11の波形図において、図11(a)に示される最大負荷電力Pomax時のスイッチング電流IQ1は、ターンオンタイミングであるオフ期間TOFFの終了時点に至るまでは0レベルで、オン期間TONに至ると、先ず負極性の電流がボディダイオードDDに流れ、この後に反転してスイッチング素子Q1のドレイン−ソースを流れるようにして動作する。この動作は、ZVS(Zero Voltage Switching)が適正に行われている状態を示している。
これに対して、図11(b)に示される、中間負荷に対応するPo=120W時のスイッチング電流IQ1は、ターンオンタイミングのオフ期間TOFFの終了時点に至る以前のタイミングで、スイッチング電流IQ1がノイズ的に流れる動作が得られている。この動作は、ZVSが適正に行われていない異常動作である。
The power supply circuit shown in FIG. 10 has the following problems.
In the waveform diagram of FIG. 11 described above, the switching current IQ1 at the time of the maximum load power Pomax shown in FIG. 11A is 0 level until the end point of the off period TOFF which is the turn-on timing, and the on period When TON is reached, first, a negative current flows through the body diode DD, and then reverses to flow through the drain-source of the switching element Q1. This operation shows a state where ZVS (Zero Voltage Switching) is properly performed.
On the other hand, the switching current IQ1 at Po = 120W corresponding to the intermediate load shown in FIG. 11B is the timing before the end of the turn-off timing OFF period TOFF. The movement which flows automatically is obtained. This operation is an abnormal operation in which ZVS is not properly performed.

つまり、図10に示されるようにして、二次側直列共振回路を備える電圧共振形コンバータでは、中間負荷時においてZVSが適正に実行されない異常動作となることが分かっている。図10の電源回路の実際としては、例えば図12に示す区間Aとしての負荷変動範囲の領域で、このような異常動作となることが確認されている。
二次側直列共振回路を備える電圧共振形コンバータは、先にも説明したように、傾向としては負荷変動に対して高効率が良好に維持できる特性を本来有しているが、図11(b)のスイッチング電流IQ1として示すように、スイッチング素子Q1のターンオン時において相応のピーク電流が流れることになるので、これによるスイッチング損失の増加を招き、電力変換効率の低下要因を抱えることになる。
また、いずれにせよ、上記のような異常動作が生じることで、例えば定電圧制御回路系の位相−ゲイン特性にずれが生じることとなって、異常発振状態でのスイッチング動作となる。このために、実用化することは、現実的には困難であるとの認識が現状においては強い。
That is, as shown in FIG. 10, it is known that the voltage resonance type converter including the secondary side series resonance circuit becomes an abnormal operation in which ZVS is not properly executed at the intermediate load. As an actual example of the power supply circuit of FIG. 10, it has been confirmed that such an abnormal operation occurs in the region of the load fluctuation range as section A shown in FIG.
As described above, the voltage resonance type converter including the secondary side series resonance circuit originally has a characteristic that high efficiency can be satisfactorily maintained with respect to load fluctuation. ), A corresponding peak current flows when the switching element Q1 is turned on. This causes an increase in switching loss and causes a decrease in power conversion efficiency.
In any case, when the abnormal operation as described above occurs, for example, a shift occurs in the phase-gain characteristic of the constant voltage control circuit system, and the switching operation is performed in the abnormal oscillation state. For this reason, in the present situation, it is strongly recognized that practical application is difficult.

そこで、本発明は上記した課題を考慮して、スイッチング電源回路として次のように構成することとした。
つまり、少なくとも整流素子と平滑コンデンサを備えて形成され、商用交流電源を入力して整流平滑化することで平滑コンデンサの両端電圧として整流平滑電圧を生成する整流平滑回路と、整流平滑電圧を直流入力電圧として入力してスイッチングを行うスイッチング素子と、スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段とを備える。
また、整流平滑電圧がスイッチング素子に入力される経路に対して直列に挿入される第1のインダクタと、スイッチング素子に対して並列となる関係により接続され、少なくとも第1のインダクタのインダクタンスと自身のキャパシタンスとによって、所定の第1の共振周波数が設定される一次側並列共振回路を形成する一次側並列共振コンデンサとを備える。
また、第2のインダクタと、この第2のインダクタと直列となる関係により接続されることで、少なくとも第2のインダクタのインダクタンスと自身のキャパシタンスとによって、第1の共振周波数と同等とみなされる所定の第2の共振周波数が設定される一次側直列共振回路を形成し、第2のインダクタと自身との直列接続回路がスイッチング素子に対して並列となる関係により接続されるようにして設けられる一次側直列共振コンデンサとを備える。
また、第2のインダクタを一次巻線として巻装するとともに、この一次巻線に得られたスイッチング出力により交番電圧が誘起される二次巻線を巻装して形成され、疎結合とみなされる所要の一次側と二次側との総合結合係数が得られるようにして、自身の結合係数が設定されるコンバータトランスと、コンバータトランスの二次巻線に誘起される交番電圧を入力して整流動作を行って、二次側直流出力電圧を生成するように構成された二次側直流出力電圧生成手段とを備えることとした。
In view of the above problems, the present invention is configured as a switching power supply circuit as follows.
In other words, a rectifying / smoothing circuit that is formed with at least a rectifying element and a smoothing capacitor, generates a rectified smoothing voltage as a voltage across the smoothing capacitor by inputting a commercial AC power supply and rectifying and smoothing, and a rectified smoothing voltage as a DC input A switching element that performs switching by inputting the voltage; and a switching driving unit that performs switching driving of the switching element.
The first inductor inserted in series with respect to the path through which the rectified and smoothed voltage is input to the switching element is connected in parallel with the switching element, and at least the inductance of the first inductor and its own A primary side parallel resonance capacitor that forms a primary side parallel resonance circuit in which a predetermined first resonance frequency is set by the capacitance.
Further, the second inductor is connected in series with the second inductor, so that at least the predetermined inductance that is regarded as equivalent to the first resonance frequency by the inductance of the second inductor and its own capacitance. A primary side series resonance circuit in which the second resonance frequency is set is formed, and a primary connection circuit is provided so that the series connection circuit of the second inductor and itself is connected in parallel with the switching element. A side series resonant capacitor.
In addition, the second inductor is wound as a primary winding, and a secondary winding in which an alternating voltage is induced by the switching output obtained by the primary winding is wound, and is regarded as loosely coupled. Rectified by inputting the converter transformer in which its own coupling coefficient is set and the alternating voltage induced in the secondary winding of the converter transformer so that the required total coupling coefficient between the primary side and the secondary side can be obtained. A secondary-side DC output voltage generating unit configured to operate and generate a secondary-side DC output voltage is provided.

なお、本願発明において「結合係数」とは、電磁的な結合の度合いを示すものであり、数値として1が最も結合の度合いが高いことを示し、数値として0が最も結合の度合いが低い(結合していない)ことを示す。また、結合係数の用語は、構成態様によらず総称として一般に用いられるものであるが、コンバータトランス自体の結合係数と区別するために、一次側の全体と二次側の全体との間の電磁的な結合の度合いについては「総合結合係数」という。例えば、コンバータトランスに他のインダクタンス成分が付加されない場合には、結合係数の値と総合結合係数の値とは一致する。   In the present invention, the “coupling coefficient” indicates the degree of electromagnetic coupling. A numerical value of 1 indicates the highest degree of coupling, and a numerical value of 0 indicates the lowest degree of coupling (coupling) Not). In addition, the term “coupling coefficient” is generally used as a general term regardless of the form of configuration. However, in order to distinguish it from the coupling coefficient of the converter transformer itself, an electromagnetic wave between the entire primary side and the entire secondary side is used. The degree of effective coupling is called “total coupling coefficient”. For example, when no other inductance component is added to the converter transformer, the value of the coupling coefficient matches the value of the total coupling coefficient.

上記構成による電源回路は一次側においてE級スイッチングコンバータとしての回路形態を形成する。E級スイッチングコンバータは、並列共振回路(一次側並列共振回路)と直列共振回路(一次側直列共振回路)を備える複合共振形といわれるソフトスイッチングコンバータの一形式である。また、本発明では、一次側並列共振回路と一次側直列共振回路の共振周波数はほぼ同等となるようにして設定される。そのうえで、E級スイッチングコンバータにおける直列共振回路(一次側直列共振回路)を形成するインダクタ(第2のインダクタ)をコンバータトランスの一次巻線として電源回路を構成している。このようにして一次側のスイッチングコンバータをE級スイッチングコンバータとしたことで、例えば一次側並列共振回路と二次側直列共振回路の相互作用など、中間負荷とされる負荷条件でのZVS(Zero Voltage Switching:ゼロ電圧スイッチング)動作が得られなくなる要因を排除している。
また、このような構成では、コンバータトランスの一次側と二次側との総合結合係数は、コンバータトランス自身の結合係数と、第1のインダクタとコンバータトランスの一次巻線(第2のインダクタ)との等価的な並列回路により得られる一次側のリーケージインダクタンスにより決定される。本発明は、このようにして総合結合係数が設定されることを考慮したうえで、疎結合としてみなされる所要の総合結合係数が得られるようにして、コンバータトランス自身の結合係数を設定するようにしている。このことも、中間負荷とされる負荷条件でのZVS動作が得られなくなる状態を回避する一要因となる。
The power supply circuit having the above configuration forms a circuit form as a class E switching converter on the primary side. The class E switching converter is a type of soft switching converter called a composite resonance type including a parallel resonance circuit (primary side parallel resonance circuit) and a series resonance circuit (primary side series resonance circuit). Further, in the present invention, the resonance frequencies of the primary side parallel resonance circuit and the primary side series resonance circuit are set to be substantially equal. In addition, a power supply circuit is configured with an inductor (second inductor) forming a series resonance circuit (primary side series resonance circuit) in a class E switching converter as a primary winding of a converter transformer. In this way, the primary side switching converter is a class E switching converter, so that, for example, ZVS (Zero Voltage) under a load condition that is an intermediate load, such as an interaction between the primary side parallel resonant circuit and the secondary side series resonant circuit. Switching: Zero voltage switching) This eliminates the factors that prevent operation.
In such a configuration, the total coupling coefficient between the primary side and the secondary side of the converter transformer includes the coupling coefficient of the converter transformer itself, the first inductor and the primary winding (second inductor) of the converter transformer. It is determined by the leakage inductance on the primary side obtained by the equivalent parallel circuit. In consideration of the fact that the total coupling coefficient is set in this way, the present invention sets the coupling coefficient of the converter transformer itself so as to obtain a required total coupling coefficient regarded as loose coupling. ing. This is also a factor for avoiding a state in which the ZVS operation cannot be obtained under a load condition that is an intermediate load.

また、本発明では、一次側のE級スイッチングコンバータは、商用交流電源を整流平滑化する整流平滑回路を形成する平滑コンデンサの両端電圧である、整流平滑電圧を入力してスイッチングを行うようにされている。このとき、平滑コンデンサからE級スイッチングコンバータに流入する電流は、一次側並列共振回路を形成する第1のインダクタを介してスイッチング素子側に流れるようにされることで、直流となる。   In the present invention, the primary class E switching converter performs switching by inputting a rectified and smoothed voltage that is a voltage across a smoothing capacitor that forms a rectifying and smoothing circuit that rectifies and smoothes a commercial AC power supply. ing. At this time, the current flowing from the smoothing capacitor to the class E switching converter becomes a direct current by flowing to the switching element side via the first inductor forming the primary side parallel resonant circuit.

このようにして本発明は、一次側に並列共振回路を備えるスイッチング電源回路として、中間負荷とされる負荷条件範囲の下でZVS(Zero Voltage Switching:ゼロ電圧スイッチング)動作が得られなくなる異常動作が解消される。このことにより、二次側直列共振回路を備える電圧共振形コンバータの実用化が容易に実現されることになる。
また、商用交流電源から整流平滑電圧(直流入力電圧)を生成する整流平滑回路の平滑コンデンサからスイッチングコンバータに流入する電流が直流となることで、上記平滑コンデンサとしての部品素子のキャパシタンスについて小さい値を選定し、また、汎用品を選定することが可能になり、例えば平滑コンデンサの低コスト化や小型化などの効果が得られる。
In this way, the present invention provides an abnormal operation in which a ZVS (Zero Voltage Switching) operation cannot be obtained under a load condition range of an intermediate load as a switching power supply circuit having a parallel resonant circuit on the primary side. It will be resolved. As a result, the practical application of the voltage resonance type converter including the secondary side series resonance circuit is easily realized.
Moreover, since the current flowing into the switching converter from the smoothing capacitor of the rectifying and smoothing circuit that generates the rectified and smoothed voltage (DC input voltage) from the commercial AC power supply becomes DC, the capacitance of the component element as the smoothing capacitor is reduced. It is possible to select a general-purpose product, and for example, effects such as cost reduction and downsizing of the smoothing capacitor can be obtained.

本発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態という)について説明するのに先立ち、本実施の形態の背景技術となる、E級共振形によりスイッチング動作するスイッチングコンバータ(以下、E級スイッチングコンバータともいう)の基本構成について、図8及び図9を参照して説明しておく。
図8は、E級スイッチングコンバータとしての基本構成を示している。この図に示すE級スイッチングコンバータは、E級共振形で動作するDC/ACインバータとしての構成を採る。
この図に示すE級スイッチングコンバータは、1石のスイッチング素子Q1を備える。この場合のスイッチング素子Q1はMOS−FETであることとしている。このMOS−FETとしてのスイッチング素子Q1には、ドレイン→ソースとは逆方向が順方向となるようにして、ボディダイオードDDが、ドレイン−ソース間に対して並列接続されるようにして形成される。
また、同じくスイッチング素子Q1のドレイン−ソース間に対しては、並列共振コンデンサCrが並列に接続される。
Prior to describing the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment), a switching converter (hereinafter referred to as a class E) that performs switching operation by a class E resonance type, which is the background art of the present embodiment. A basic configuration of the switching converter) will be described with reference to FIGS.
FIG. 8 shows a basic configuration as a class E switching converter. The class E switching converter shown in this figure employs a configuration as a DC / AC inverter that operates in a class E resonance type.
The class E switching converter shown in this figure includes one switching element Q1. In this case, the switching element Q1 is a MOS-FET. The switching element Q1 as the MOS-FET is formed such that the body diode DD is connected in parallel with the drain-source in such a manner that the direction opposite to the drain → source is the forward direction. .
Similarly, a parallel resonant capacitor Cr is connected in parallel between the drain and source of the switching element Q1.

スイッチング素子Q1のドレインは、チョークコイルL10の直列接続を介して、直流入力電圧Einの正極と接続される。スイッチング素子Q1のソースは、直流入力電圧Einの負極と接続される。   The drain of the switching element Q1 is connected to the positive electrode of the DC input voltage Ein through a series connection of the choke coil L10. The source of the switching element Q1 is connected to the negative electrode of the DC input voltage Ein.

また、スイッチング素子Q1のドレインに対しては、チョークコイルL11の一端が接続され、他端には直列共振コンデンサC11が直列に接続される。直列共振コンデンサC11と直流入力電圧Einの負極との間には、負荷となるインピーダンスZが挿入される。ここでのインピーダンスZの具体例には圧電トランス、高周波対応の蛍光灯などを挙げることができる。   Further, one end of the choke coil L11 is connected to the drain of the switching element Q1, and a series resonant capacitor C11 is connected in series to the other end. An impedance Z serving as a load is inserted between the series resonant capacitor C11 and the negative electrode of the DC input voltage Ein. Specific examples of the impedance Z here include a piezoelectric transformer and a high-frequency fluorescent lamp.

このような構成のE級スイッチングコンバータは、チョークコイルL10のインダクタンスと並列共振コンデンサCrのキャパシタンスとにより形成される並列共振回路と、チョークコイルL11のインダクタンスと直列共振コンデンサC11のキャパシタンスとにより形成される直列共振回路とを備える複合共振形コンバータの一形態であるとみることができる。   The class E switching converter having such a configuration is formed by a parallel resonance circuit formed by the inductance of the choke coil L10 and the capacitance of the parallel resonance capacitor Cr, an inductance of the choke coil L11, and a capacitance of the series resonance capacitor C11. It can be regarded as a form of a composite resonance type converter including a series resonance circuit.

図9は、上記図8に示した構成のE級スイッチングコンバータについての要部の動作を示している。
スイッチング電圧V1は、スイッチング素子Q1の両端に得られる電圧であり、スイッチング素子Q1がオンとなる期間TONにおいて0レベルで、オフとなる期間TOFFにおいて正弦波状のパルスとなる波形である。このスイッチングパルス波形は、上記並列共振回路の共振動作(電圧共振動作)により得られる。
FIG. 9 shows the operation of the main part of the class E switching converter having the configuration shown in FIG.
The switching voltage V1 is a voltage obtained at both ends of the switching element Q1, and has a waveform that is a 0 level in the period TON in which the switching element Q1 is on and becomes a sine wave pulse in the period TOFF in which the switching element Q1 is off. This switching pulse waveform is obtained by the resonance operation (voltage resonance operation) of the parallel resonance circuit.

スイッチング電流IQ1は、スイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)に流れる電流であり、期間TOFFでは0レベルで、期間TONにおいては、先ず開始時点から一定期間において、ボディダイオードDDを流れることで負極性となり、この後に反転して正極性となって、スイッチング素子Q1のドレインからソースに流れる。
また、E級スイッチングコンバータの出力として、上記直列共振回路に流れるとされる電流I2は、スイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)に流れるスイッチング電流IQ1と、電流と並列共振コンデンサCrに流れる電流とを合成したものとなり、正弦波成分を含む波形となる。
The switching current IQ1 is a current that flows through the switching element Q1 (and the body diode DD), and is 0 level in the period TOFF, and in the period TON, first, it flows negatively by flowing through the body diode DD for a certain period from the start time. Thereafter, it is inverted to become positive polarity, and flows from the drain to the source of the switching element Q1.
As the output of the class E switching converter, the current I2 that flows through the series resonant circuit includes the switching current IQ1 that flows through the switching element Q1 (and the body diode DD), and the current that flows through the parallel resonant capacitor Cr. The result is a synthesized waveform that includes a sine wave component.

また、上記スイッチング電流IQ1とスイッチング電圧V1との関係によっては、スイッチング素子Q1のターンオフタイミングにおいてZVS動作が得られており、ターンオンタイミングにおいてZVS及びZCS動作が得られていることも示される。   Further, depending on the relationship between the switching current IQ1 and the switching voltage V1, it is also shown that the ZVS operation is obtained at the turn-off timing of the switching element Q1, and the ZVS and ZCS operations are obtained at the turn-on timing.

また、直流入力電圧Einの正極端子からチョークコイルL10を流れるようにしてE級スイッチングコンバータに流入する電流I1は、チョークコイルL10,L11のインダクタンスについて、L10>L11の関係を設定していることで、図示するようにして所定の平均レベルをとる脈流波形となる。このような脈流波形は、近似的な直流としてみることができる。   Further, the current I1 flowing into the class E switching converter from the positive terminal of the DC input voltage Ein through the choke coil L10 sets the relationship of L10> L11 for the inductances of the choke coils L10 and L11. As shown in the figure, a pulsating flow waveform having a predetermined average level is obtained. Such a pulsating waveform can be viewed as an approximate direct current.

本実施の形態としては、上記基本構成に基づくE級スイッチングコンバータを電源回路に適用する。そこで先ず、第1の実施の形態の電源回路の構成例を図1の回路図に示す。
この図に示すスイッチング電源回路においては、まず、商用交流電源ACのラインに対して、図示するようにして、1組のコモンモードチョークコイルCMCと、2本のアクロスコンデンサCLが挿入される。これらコモンモードチョークコイルCMC、及びアクロスコンデンサCL,CLにより、商用交流電源ACのラインに重畳するコモンモードのノイズを除去するノイズフィルタが形成される。
In this embodiment, a class E switching converter based on the above basic configuration is applied to a power supply circuit. First, a configuration example of the power supply circuit according to the first embodiment is shown in the circuit diagram of FIG.
In the switching power supply circuit shown in this figure, first, a pair of common mode choke coils CMC and two across capacitors CL are inserted into the commercial AC power supply AC line as shown. The common mode choke coil CMC and the across capacitors CL and CL form a noise filter that removes common mode noise superimposed on the line of the commercial AC power supply AC.

商用交流電源AC(交流入力電圧VAC)は、ブリッジ整流回路Diにより整流され、その整流出力は平滑コンデンサCiに充電される。つまり、ブリッジ整流回路Di及び平滑コンデンサCiから成る整流平滑回路により商用交流電源を整流平滑化する。これにより平滑コンデンサCiの両端電圧として整流平滑電圧Eiが得られる。この整流平滑電圧Eiが、後段のスイッチングコンバータのための直流入力電圧となる。   The commercial AC power supply AC (AC input voltage VAC) is rectified by the bridge rectifier circuit Di, and the rectified output is charged to the smoothing capacitor Ci. That is, the commercial AC power supply is rectified and smoothed by the rectifying and smoothing circuit including the bridge rectifying circuit Di and the smoothing capacitor Ci. As a result, the rectified and smoothed voltage Ei is obtained as the voltage across the smoothing capacitor Ci. This rectified and smoothed voltage Ei becomes a DC input voltage for the subsequent switching converter.

この図において、上記整流平滑電圧Eiを直流入力電圧として入力してスイッチング動作を行うスイッチングコンバータは、上記図8の基本構成に基づいたE級スイッチングコンバータとして形成される。
この場合のスイッチング素子Q1には高耐圧のMOS−FETが選定されている。また、この場合のE級スイッチングコンバータの駆動方式は、発振・ドライブ回路2によりスイッチング素子をスイッチング駆動する他励式である。
In this figure, the switching converter that performs the switching operation by inputting the rectified and smoothed voltage Ei as a DC input voltage is formed as a class E switching converter based on the basic configuration of FIG.
In this case, a high breakdown voltage MOS-FET is selected as the switching element Q1. In this case, the driving method of the class E switching converter is a separately excited type in which the switching element is switched by the oscillation / drive circuit 2.

スイッチング素子Q1のドレインは、チョークコイルL10の直列接続を介して平滑コンデンサCiの正極端子と接続される。従って、この場合には、直流入力電圧(Ei)は、チョークコイルL10の直列接続を介してスイッチング素子Q1に供給されるようになっている。スイッチング素子Q1のソースは一次側アースに接続される。
スイッチング素子Q1のゲートに対しては、発振・ドライブ回路2から出力されるスイッチング駆動信号(電圧)が印加されるようになっている。
The drain of the switching element Q1 is connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Ci through a series connection of the choke coil L10. Accordingly, in this case, the DC input voltage (Ei) is supplied to the switching element Q1 through the series connection of the choke coil L10. The source of the switching element Q1 is connected to the primary side ground.
A switching drive signal (voltage) output from the oscillation / drive circuit 2 is applied to the gate of the switching element Q1.

この場合のスイッチング素子Q1には、MOS−FETが選定されていることから、図示するようにして、ソース−ドレイン間に対して並列に接続されるようにしてボディダイオードDDを内蔵する。このボディダイオードDDとしては、アノードがスイッチング素子Q1のソースと接続され、カソードがスイッチング素子Q1のドレインと接続される状態を形成する。このボディダイオードDDは、スイッチング素子Q1のオン/オフ動作(スイッチング動作)により生じる、逆方向のスイッチング電流を流す経路を形成する。   Since the MOS-FET is selected for the switching element Q1 in this case, a body diode DD is incorporated so as to be connected in parallel with the source and drain as shown in the figure. As the body diode DD, the anode is connected to the source of the switching element Q1, and the cathode is connected to the drain of the switching element Q1. The body diode DD forms a path for flowing a switching current in the reverse direction, which is generated by the on / off operation (switching operation) of the switching element Q1.

また、スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間に対しては、一次側並列共振コンデンサCrが並列に接続される。
一次側並列共振コンデンサCrは、自身のキャパシタンスと絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1のリーケージ(漏洩)インダクタンスL1とによって、スイッチング素子Q1に流れるスイッチング電流に対する一次側並列共振回路(電圧共振回路)を形成する。この一次側並列共振回路が共振動作を行うことによって、スイッチング素子Q1のスイッチング動作として、1つには電圧共振形の動作が得られる。これに応じて、スイッチング素子Q1の両端電圧(ドレイン−ソース間電圧)V1としては、そのオフ期間において正弦波状の共振パルス波形が得られる。
A primary side parallel resonant capacitor Cr is connected in parallel between the drain and source of the switching element Q1.
The primary side parallel resonance capacitor Cr has a primary side parallel resonance circuit (voltage resonance circuit) for the switching current flowing in the switching element Q1 by its own capacitance and the leakage (leakage) inductance L1 of the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT. Form. When the primary side parallel resonant circuit performs a resonance operation, a voltage resonance type operation is obtained as one of the switching operations of the switching element Q1. Accordingly, a sinusoidal resonance pulse waveform is obtained as an end-to-end voltage (drain-source voltage) V1 of the switching element Q1 during the off period.

また、スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間に対しては、後述する絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1と一次側直列共振コンデンサC11とから成る直列接続回路が並列に接続される。この場合には、一次巻線N1の巻き終わり端部をスイッチング素子Q1のドレインと接続し、巻始め端部を一次側直列共振コンデンサC11と接続している。一次側直列共振コンデンサC11の一次巻線N1と接続されない側の極端子は、一次側アース電位にてスイッチング素子Q1のソースと接続される。   Further, a series connection circuit composed of a primary winding N1 of an insulating converter transformer PIT described later and a primary side series resonance capacitor C11 is connected in parallel between the drain and source of the switching element Q1. In this case, the winding end end of the primary winding N1 is connected to the drain of the switching element Q1, and the winding start end is connected to the primary side series resonance capacitor C11. The pole terminal on the side not connected to the primary winding N1 of the primary side series resonance capacitor C11 is connected to the source of the switching element Q1 at the primary side ground potential.

発振・ドライブ回路2は、例えば他励式によりスイッチング素子Q1を駆動するために、発振回路と、この発振回路により得られた発振信号に基づいて、MOS−FETをスイッチング駆動するためのゲート電圧であるドライブ信号を生成して、スイッチング素子Q1のゲートに印加するようにされる。これにより、スイッチング素子Q1は、ドライブ信号波形に応じて連続的にオン/オフ動作を行う。つまり、スイッチング動作を行う。   The oscillation / drive circuit 2 is a gate voltage for switching the MOS-FET based on the oscillation circuit and the oscillation signal obtained by the oscillation circuit in order to drive the switching element Q1 by, for example, separate excitation. A drive signal is generated and applied to the gate of the switching element Q1. Thereby, the switching element Q1 continuously performs on / off operation according to the drive signal waveform. That is, a switching operation is performed.

絶縁コンバータトランスPITは、一次側と二次側とを直流的に絶縁した状態で、一次側スイッチングコンバータのスイッチング出力を二次側に伝送する。
図2は、図1の電源回路が備える絶縁コンバータトランスPITの構造例を示す断面図である。
この図に示すように、絶縁コンバータトランスPITは、フェライト材によるE型コアCR1、CR2を互いの磁脚が対向するように組み合わせたEE型コア(EE字形コア)を備える。
そして、一次側と二次側の巻装部について相互に独立するようにして分割した形状により、例えば樹脂などによって形成される、ボビンBが備えられる。このボビンBの一方の巻装部に対して一次巻線N1を巻装する。また、他方の巻装部に対して二次巻線N2を巻装する。なお、本実施の形態では、後述するようにして二次側巻線として二次巻線N2A,N2Bの2組を巻装するものとしているが、これら二次巻線N2A,N2Bについて特に区別することなく、また、一括して扱う場合には、二次巻線N2と記載する場合がある。
このようにして一次側巻線及び二次側巻線が巻装されたボビンBを上記EE型コア(CR1,CR2)に取り付けることで、一次側巻線及び二次側巻線とがそれぞれ異なる巻装領域により、EE型コアの中央磁脚に巻装される状態となる。このようにして絶縁コンバータトランスPIT全体としての構造が得られる。
The insulating converter transformer PIT transmits the switching output of the primary side switching converter to the secondary side in a state where the primary side and the secondary side are galvanically insulated.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structural example of an insulating converter transformer PIT included in the power supply circuit of FIG.
As shown in this figure, the insulating converter transformer PIT includes an EE type core (EE-shaped core) in which E-type cores CR1 and CR2 made of a ferrite material are combined so that their magnetic legs face each other.
And the bobbin B formed with the shape which divided | segmented so that it might mutually become independent about the winding part of a primary side and a secondary side, for example with a resin etc. is provided. The primary winding N1 is wound around one winding portion of the bobbin B. Further, the secondary winding N2 is wound around the other winding portion. In this embodiment, two sets of secondary windings N2A and N2B are wound as secondary windings as will be described later, but these secondary windings N2A and N2B are particularly distinguished. In addition, when handling collectively, it may be described as secondary winding N2.
By attaching the bobbin B on which the primary side winding and the secondary side winding are wound in this way to the EE type cores (CR1, CR2), the primary side winding and the secondary side winding are different from each other. By the winding area, the center magnetic leg of the EE core is wound. In this way, the structure of the insulating converter transformer PIT as a whole is obtained.

そのうえで、EE型コアの中央磁脚に対しては、図のようにして、例えばギャップ長2mm程度以上のギャップGを形成する。これによって、結合係数kとしては、例えばk≒0.8程度又はそれ以下による疎結合の状態を得るようにしている。つまり、従来技術として図10に示した電源回路の絶縁コンバータトランスPITよりも、さらに疎結合の状態としている。なお、ギャップGは、E型コアCR1,CR2の中央磁脚を、2本の外磁脚よりも短くすることで形成することができる。   In addition, a gap G having a gap length of about 2 mm or more is formed on the central magnetic leg of the EE type core as shown in the figure. Thereby, as the coupling coefficient k, for example, a loosely coupled state with about k≈0.8 or less is obtained. That is, it is in a more loosely coupled state than the insulating converter transformer PIT of the power supply circuit shown in FIG. The gap G can be formed by making the central magnetic legs of the E-type cores CR1 and CR2 shorter than the two outer magnetic legs.

絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1は、後述するようにして、一次側に形成されるE級スイッチングコンバータにおける一次側直列共振回路を形成するための素子であり、スイッチング素子Q1のスイッチング出力に応じた交番出力が得られる。   The primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT is an element for forming a primary series resonance circuit in a class E switching converter formed on the primary side, as will be described later, and depends on the switching output of the switching element Q1. Alternate output is obtained.

絶縁コンバータトランスPITの二次側では、一次巻線N1により誘起された交番電圧が二次巻線N2に発生する。この場合の二次巻線N2については、センタータップを施すことで、センタータップを境界にして二次巻線部N2A,N2Bに分割する。センタータップは二次側アースに接続する。
そのうえで、二次側整流回路を形成する部品素子として、この場合には、2本の整流ダイオードDo1,Do2、及び1本の平滑コンデンサCoを備える。整流ダイオードDo1のアノードを二次巻線N2における二次巻線部N2A側の端部と接続し、整流ダイオードDo2のアノードを二次巻線N2における二次巻線部N2B側の端部と接続する。整流ダイオードDo1,Do2のカソードを共に平滑コンデンサCoの正極端子に接続し、平滑コンデンサCoの負極端子は二次側アースにて、二次巻線N2のセンタータップと接続する。このような接続態様により、二次側整流回路としては、両波整流回路が形成される。
On the secondary side of the insulating converter transformer PIT, an alternating voltage induced by the primary winding N1 is generated in the secondary winding N2. The secondary winding N2 in this case is divided into secondary winding portions N2A and N2B with the center tap as a boundary by applying a center tap. The center tap is connected to the secondary side ground.
In addition, in this case, two rectifier diodes Do1 and Do2 and one smoothing capacitor Co are provided as component elements forming the secondary side rectifier circuit. The anode of the rectifier diode Do1 is connected to the end of the secondary winding N2 on the secondary winding portion N2A side, and the anode of the rectifier diode Do2 is connected to the end of the secondary winding N2 on the secondary winding portion N2B side To do. The cathodes of the rectifier diodes Do1 and Do2 are both connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Co, and the negative terminal of the smoothing capacitor Co is connected to the center tap of the secondary winding N2 at the secondary side ground. With such a connection mode, a double-wave rectifier circuit is formed as the secondary-side rectifier circuit.

このようにして形成される二次側両波整流回路では、二次巻線N2に誘起される二次巻線電圧V3の一方の極性の半周期に対応しては、二次巻線部NA→整流ダイオードDo1→平滑コンデンサCoの経路で整流電流ID1が流れて平滑コンデンサCoに充電を行う。また、二次巻線V3の他方の極性の半周期に対応しては、二次巻線部NB→整流ダイオードDo2→平滑コンデンサCoの経路で整流電流ID2が流れて平滑コンデンサCoに充電を行う。このようにして、二次巻線電圧V3の正負の各半周期の期間に対応して平滑コンデンサCoに対して整流電流を充電する両波整流動作が行われる。これにより、平滑コンデンサCoの両端電圧としては、二次巻線N2の誘起電圧レベルの等倍に対応するレベルの二次側直流出力電圧Eoが得られる。この二次側直流出力電圧Eoは負荷に対して電力として供給される。また、分岐して制御回路1に対して検出電圧として出力される。   In the secondary-side double-wave rectifier circuit formed in this way, the secondary winding portion NA corresponds to the half cycle of one polarity of the secondary winding voltage V3 induced in the secondary winding N2. The rectification current ID1 flows through the path of the rectifier diode Do1 → smoothing capacitor Co to charge the smoothing capacitor Co. Further, in response to the other half cycle of the polarity of the secondary winding V3, the rectification current ID2 flows through the path of the secondary winding NB → rectifier diode Do2 → smoothing capacitor Co to charge the smoothing capacitor Co. . In this manner, the double-wave rectification operation is performed in which the smoothing capacitor Co is charged with the rectified current corresponding to the positive and negative half-cycle periods of the secondary winding voltage V3. As a result, as the voltage across the smoothing capacitor Co, the secondary side DC output voltage Eo having a level corresponding to the same voltage as the induced voltage level of the secondary winding N2 is obtained. The secondary side DC output voltage Eo is supplied as electric power to the load. Further, it branches and is output as a detection voltage to the control circuit 1.

制御回路1は、入力された二次側直流出力電圧Eoのレベル変化に応じた検出出力を発振・ドライブ回路2に供給する。発振・ドライブ回路2では、入力された制御回路1の検出出力に応じて主としてはスイッチング周波数を可変するようにして、スイッチング素子Q1を駆動する。   The control circuit 1 supplies a detection output corresponding to the level change of the input secondary side DC output voltage Eo to the oscillation / drive circuit 2. In the oscillation / drive circuit 2, the switching element Q 1 is driven mainly by changing the switching frequency according to the input detection output of the control circuit 1.

上記のようにしてスイッチング素子Q1のスイッチング周波数が可変制御されることにより、電源回路における一次側、二次側の共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1から二次巻線N2側に伝送される電力量、また、二次側整流回路から負荷に供給すべき電力量が変化することになる。これにより、二次側直流出力電圧Eoのレベル変動がキャンセルされるようにして、二次側直流出力電圧Eoのレベルを制御する動作が得られることになる。つまり、二次側直流出力電圧Eoの安定化が図られる。   As described above, the switching frequency of the switching element Q1 is variably controlled, whereby the primary and secondary resonance impedances in the power supply circuit change, and the primary winding N1 to the secondary winding N2 from the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT change. The amount of power transmitted to the side and the amount of power to be supplied to the load from the secondary side rectifier circuit will change. As a result, an operation for controlling the level of the secondary side DC output voltage Eo is obtained such that the level fluctuation of the secondary side DC output voltage Eo is canceled. That is, the secondary side DC output voltage Eo is stabilized.

上記のようにして形成される本実施の形態の電源回路の一次側において形成されるスイッチングコンバータ(Q1、Cr、L10、N1、C11)と、先に図8に示したE級コンバータとしての回路構成とを比較してみると、本実施の形態のスイッチングコンバータは、図8の回路から負荷となるインピーダンスZを省略し、チョークコイルL11を絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1(リーケージインダクタンスL1)と置き換えたものとしてみることができる。また、前述もしたように、本実施の形態の一次側スイッチングコンバータでは、チョークコイルL10のインダクタンスと一次側並列共振回路のキャパシタンスによって並列共振回路を形成し、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1と二次巻線N2とにより一次側直列共振回路を形成する。
このことから、本実施の形態の一次側スイッチングコンバータは、E級共振形のスイッチング動作を行うE級スイッチングコンバータとして形成されている、ということがいえる。そして、この一次側スイッチングコンバータのスイッチング動作により得られるスイッチング出力(交番出力)を、絶縁コンバータトランスPITにおける磁気結合を介するようにして、チョークコイルL11に相当する一次巻線N1から二次巻線N2に伝達し、二次側にて整流を行って直流出力電圧Eoを得るようにされている。
また、本実施の形態のようにして形成されるE級スイッチングコンバータは、チョークコイルL10、及び一次側並列共振コンデンサCrとともに電圧共振形コンバータを形成するスイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)、に対して、一次側直列共振回路を形成する一次巻線N1及び一次側直列共振コンデンサC11の直列接続回路を並列接続した、複合共振形コンバータ、ソフトスイッチング電源の構成であるともみることができる。
The switching converter (Q1, Cr, L10, N1, C11) formed on the primary side of the power supply circuit of the present embodiment formed as described above, and the circuit as the class E converter previously shown in FIG. Comparing the configuration, the switching converter of the present embodiment omits the impedance Z as a load from the circuit of FIG. 8, and replaces the choke coil L11 with the primary winding N1 (leakage inductance L1) of the insulating converter transformer PIT. Can be seen as a replacement. Further, as described above, in the primary side switching converter of the present embodiment, a parallel resonant circuit is formed by the inductance of the choke coil L10 and the capacitance of the primary side parallel resonant circuit, and the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT is formed. The leakage inductance L1 and the secondary winding N2 form a primary side series resonance circuit.
From this, it can be said that the primary side switching converter of this embodiment is formed as a class E switching converter that performs a class E resonance type switching operation. Then, the switching output (alternate output) obtained by the switching operation of the primary side switching converter is passed through the magnetic coupling in the insulating converter transformer PIT, and the primary winding N1 corresponding to the choke coil L11 to the secondary winding N2. And rectified on the secondary side to obtain a DC output voltage Eo.
Further, the class E switching converter formed as in the present embodiment has a choke coil L10 and a switching element Q1 (and body diode DD) that forms a voltage resonance type converter together with a primary side parallel resonance capacitor Cr. It can also be seen that the configuration is a composite resonance type converter and a soft switching power supply in which a series connection circuit of a primary winding N1 and a primary side series resonance capacitor C11 forming a primary side series resonance circuit are connected in parallel.

また、本実施の形態の構成では、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1に対して一次側直列共振コンデンサC11が直列接続される構成を採っていることになる。この一次側直列共振コンデンサC11による直流阻止の作用によって、偏磁を生じさせないようにされた状態で二次側両波整流回路により二次側整流電流ID1,ID2を平滑コンデンサCoに流す整流動作が適正に得られる。   In the configuration of the present embodiment, the primary side series resonant capacitor C11 is connected in series to the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT. A rectifying operation in which secondary-side rectified currents ID1 and ID2 are caused to flow through the smoothing capacitor Co by the secondary-side double-wave rectifier circuit in a state in which no demagnetization is caused by the action of DC blocking by the primary-side series resonance capacitor C11. Obtained properly.

ここで、上記図1に示した回路形態の電源回路の実際として、要部については、下記のように設定を行って構成している。
先ず、絶縁コンバータトランスPITについては、コアについてEER-35を選定して、ギャップGについては1.6mmのギャップ長を設定した。一次巻線N1及び二次巻線N2の各巻数(ターン数)Tについては、N1=59T、N2A=30T、N2B=20Tを選定した。これにより、絶縁コンバータトランスPITの結合係数kについてはk=0.75が設定される。
なお、上記EERのコアは、よく知られているように、製品としてのコアの型式、規格の1つであり、この型式には、EEのあることも知られている。本願においてEE型という場合には、断面がEE字形状であることに応じて、EER、EEの何れのタイプについてもEE型のコアであるとして扱うものとする。
また、チョークコイルL10については、EER-28のコアを選定して、中央磁脚に形成するギャップ長については1.2mmを設定し、インダクタンス(リーケージインダクタンス)としては1.05mHが設定されるようにした。
また、一次側並列共振コンデンサCrのキャパシタンスについてはCr=6800pFを選定した。この一次側並列共振コンデンサCrについてのキャパシタンス設定と、上記チョークコイルL10のインダクタンスとにより、一次側並列共振回路の共振周波数fo1=59.6kHzが設定される。
また、一次側直列共振コンデンサC11は、0.015μFを選定しており、このキャパシタンス設定と、次に説明する絶縁コンバータトランスPITの一次側の総合結合係数ktに応じた一次側のリーケージインダクタンスとにより、一次側直列共振回路の共振周波数fo2=60.3kHzが設定される。相対的には、fo1≒fo2とされてほぼ同等の値が設定されているといえる。
対応負荷電力は、最大負荷電力Pomax=300W、最小負荷電力Pomin=0W(無負荷)とし、二次側直流出力電圧Eoの定格レベルは175Vとしている。
Here, as a practical example of the power supply circuit of the circuit configuration shown in FIG. 1, the main part is configured by setting as follows.
First, for the insulating converter transformer PIT, EER-35 was selected for the core, and a gap length of 1.6 mm was set for the gap G. As for the number of turns (number of turns) T of the primary winding N1 and the secondary winding N2, N1 = 59T, N2A = 30T, and N2B = 20T were selected. Thereby, k = 0.75 is set for the coupling coefficient k of the insulating converter transformer PIT.
As is well known, the EER core is one of the types and standards of the core as a product, and it is also known that this type has EE. In the present application, in the case of the EE type, both types of EER and EE are handled as EE type cores in accordance with the EE-shaped cross section.
For choke coil L10, the core of EER-28 was selected, the gap length formed in the central magnetic leg was set to 1.2mm, and the inductance (leakage inductance) was set to 1.05mH. .
Further, Cr = 6800 pF was selected for the capacitance of the primary side parallel resonant capacitor Cr. The resonance frequency fo1 = 59.6 kHz of the primary side parallel resonance circuit is set by the capacitance setting for the primary side parallel resonance capacitor Cr and the inductance of the choke coil L10.
Further, the primary side series resonance capacitor C11 is selected to be 0.015 μF, and by this capacitance setting and the leakage inductance on the primary side corresponding to the total coupling coefficient kt on the primary side of the insulating converter transformer PIT described below, The resonance frequency fo2 = 60.3 kHz of the primary side series resonance circuit is set. Relatively, it can be said that fo1≈fo2 is set and almost the same value is set.
The corresponding load power is the maximum load power Pomax = 300 W, the minimum load power Pomin = 0 W (no load), and the rated level of the secondary side DC output voltage Eo is 175V.

ここで、図1に示す電源回路における絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1とチョークコイルL10とについてスイッチング周期でみた場合には、並列接続の関係にあることと等価であるとみることができる。チョークコイルL10から発生する磁束は、この場合には、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2とは結合することがない。このことから、絶縁コンバータトランスPITの一次側におけるリーケージインダクタンスの成分は増加するものとしてみることができる。
このために、絶縁コンバータトランスPITそのものとしての結合係数kとしては、前述したように、例えばk=0.75程度が設定されるのであるが、上記のようにして、絶縁コンバータトランスPITの一次側のリーケージインダクタンスが増加することで、電源回路内における絶縁コンバータトランスPITの総合的な結合係数としては、0.75よりも低い値が得られることになる。つまり、電源回路としてみた、絶縁コンバータトランスPITの一次側と二次側の間の総合的な結合度としては、絶縁コンバータトランスPITの構造自体による結合係数kに対して、より低く設定されることになる。この結合度についての数値を、ここでは、総合結合係数ktとして扱う。
本実施の形態としては、例えば、チョークコイルL10について、先に説明した所定のインダクタンス値を設定することで、総合結合係数ktについて、0.7程度またはそれ以下の疎結合とみなされる値を設定することとし、実際としては、kt=0.65を設定することとしている。この場合の総合結合係数ktの設定要素としては、絶縁コンバータトランスPITの構造自体による結合係数kと、チョークコイルL10のインダクタンスであることになる。上記もしているように、一次巻線N1と一次側直列共振コンデンサC11とを直列接続することで形成される一次側直列共振回路については、総合結合係数ktに応じた一次側のリーケージインダクタンスと、一次側直列共振コンデンサC11のキャパシタンスとにより設定される。
Here, when the primary winding N1 and the choke coil L10 of the insulating converter transformer PIT in the power supply circuit shown in FIG. 1 are viewed in the switching cycle, it can be regarded as equivalent to being in a parallel connection relationship. In this case, the magnetic flux generated from the choke coil L10 is not coupled to the secondary winding N2 of the insulating converter transformer PIT. From this, it can be considered that the leakage inductance component on the primary side of the insulating converter transformer PIT increases.
For this reason, as described above, for example, k = 0.75 is set as the coupling coefficient k as the insulating converter transformer PIT itself. However, as described above, the leakage on the primary side of the insulating converter transformer PIT is set. As the inductance increases, a value lower than 0.75 can be obtained as a total coupling coefficient of the insulating converter transformer PIT in the power supply circuit. That is, as a power supply circuit, the overall coupling degree between the primary side and the secondary side of the insulating converter transformer PIT is set lower than the coupling coefficient k due to the structure of the insulating converter transformer PIT itself. become. Here, the numerical value regarding the degree of coupling is treated as the total coupling coefficient kt.
As the present embodiment, for example, by setting the predetermined inductance value described above for the choke coil L10, the overall coupling coefficient kt is set to a value that is regarded as loose coupling of about 0.7 or less. In practice, kt = 0.65 is set. In this case, the setting factors for the total coupling coefficient kt are the coupling coefficient k due to the structure of the insulating converter transformer PIT itself and the inductance of the choke coil L10. As described above, for the primary side series resonant circuit formed by connecting the primary winding N1 and the primary side series resonant capacitor C11 in series, the leakage inductance on the primary side according to the total coupling coefficient kt, It is set by the capacitance of the primary side series resonance capacitor C11.

図3の波形図は、図1に示した電源回路における要部の動作を、スイッチング素子Q1のスイッチング周期により示しており、図3(a)には、最大負荷電力Pomax=300W時における入力電流I1、スイッチング電圧V1、一次巻線電流I2、スイッチング電流IQ1、直列共振電圧V2、二次巻線電圧V3、二次側整流電流ID1,ID2が示される。図3(b)には、中間負荷とされる負荷電力Po=225W時における入力電流I1、スイッチング電圧V1、一次巻線電流I2、スイッチング電流IQ1が示される。図3(c)には、最小負荷電力Pomin=0W時における入力電流I1、スイッチング電圧V1、一次巻線電流I2、スイッチング電流IQ1が示される。交流入力電圧条件は、VAC=100Vである。   The waveform diagram of FIG. 3 shows the operation of the main part of the power supply circuit shown in FIG. 1 by the switching period of the switching element Q1, and FIG. I1, switching voltage V1, primary winding current I2, switching current IQ1, series resonance voltage V2, secondary winding voltage V3, and secondary side rectified currents ID1 and ID2 are shown. FIG. 3B shows an input current I1, a switching voltage V1, a primary winding current I2, and a switching current IQ1 when the load power Po, which is an intermediate load, is 225 W. FIG. 3C shows the input current I1, the switching voltage V1, the primary winding current I2, and the switching current IQ1 when the minimum load power Pomin = 0W. The AC input voltage condition is VAC = 100V.

図3(a)に示す最大負荷電力Pomax=300W時の波形図により、図1の電源回路の基本的な動作について説明する。
入力電流I1は、平滑コンデンサCiから一次側スイッチングコンバータに流入しようとする電流である。入力電流I1がスイッチング素子Q1側に流入する経路である、平滑コンデンサCoの正極端子とスイッチング素子Q1のドレイン側との間のラインには、一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1よりも大きなインダクタンスが設定されたチョークコイルL10が挿入されていることで、入力電流I1は、チョークコイルL10を介するようにして流れることになる。このために、入力電流I1は平均値I0の脈流となる。このような波形の入力電流I1は、直流としてみることができる。つまり、本実施の形態では、平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流は直流となる。チョークコイルL10を介して流れた入力電流I1は、一次巻線N1−一次側直列共振コンデンサC11の直列回路と、スイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)、一次側並列共振コンデンサCrに対して分流するようにして流れる。
The basic operation of the power supply circuit of FIG. 1 will be described with reference to a waveform diagram when the maximum load power Pomax = 300 W shown in FIG.
The input current I1 is a current that tends to flow from the smoothing capacitor Ci into the primary side switching converter. An inductance larger than the leakage inductance L1 of the primary winding N1 is set in a line between the positive terminal of the smoothing capacitor Co and the drain side of the switching element Q1, which is a path through which the input current I1 flows into the switching element Q1. By inserting the choke coil L10, the input current I1 flows through the choke coil L10. For this reason, the input current I1 becomes a pulsating flow having an average value I0. The input current I1 having such a waveform can be viewed as a direct current. That is, in the present embodiment, the current flowing from the smoothing capacitor Ci into the switching converter is a direct current. The input current I1 flowing through the choke coil L10 is shunted to the series circuit of the primary winding N1 and the primary side series resonance capacitor C11, the switching element Q1 (and the body diode DD), and the primary side parallel resonance capacitor Cr. Flow.

スイッチング素子Q1は、平滑コンデンサCiの両端電圧(Ei)を直流入力電圧として入力してスイッチング動作を行う。スイッチング電圧V1は、スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間の電圧であり、スイッチング電流IQ1は、ドレイン側からスイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)に流れる電流となる。スイッチング電圧V1及びスイッチング電流IQ1によっては、スイッチング素子Q1のオン/オフタイミングが示される。1スイッチング周期は、スイッチング素子Q1がオンとなるべき期間TONと、オフとなるべき期間TOFFとに分けられ、スイッチング電圧V1は、期間TONにおいては0レベルで、期間TOFFにおいて共振パルスが得られる波形となる。このスイッチング電圧V1の共振パルスは、一次側並列共振回路の共振動作により、正弦波状の共振波形として得られる。
スイッチング電流IQ1は、期間TOFFにおいては0レベルであり、この期間TOFFが終了して期間TONが開始されてターンオンタイミングに至ると、先ず、ボディダイオードDDを流れることで負極性の波形となり、続いて反転してドレインからソースに流れることで正極性による波形となる。
The switching element Q1 performs a switching operation by inputting the voltage (Ei) across the smoothing capacitor Ci as a DC input voltage. The switching voltage V1 is a voltage between the drain and the source of the switching element Q1, and the switching current IQ1 is a current that flows from the drain side to the switching element Q1 (and the body diode DD). The on / off timing of the switching element Q1 is indicated by the switching voltage V1 and the switching current IQ1. One switching cycle is divided into a period TON in which the switching element Q1 is to be turned on and a period TOFF in which the switching element Q1 is to be turned off. It becomes. The resonance pulse of the switching voltage V1 is obtained as a sinusoidal resonance waveform by the resonance operation of the primary side parallel resonance circuit.
The switching current IQ1 is 0 level in the period TOFF. When the period TON ends and the period TON starts and reaches the turn-on timing, first, the switching current IQ1 has a negative waveform by flowing through the body diode DD. By inverting and flowing from the drain to the source, a waveform with positive polarity is obtained.

一次巻線電流I2は、スイッチング素子Q1のスイッチング動作に応じて一次巻線N1に流れる電流であり、この図に示す極性では、スイッチング電流IQ1と一次側並列共振コンデンサCrに流れる電流が合成されたものとしてみることができる。この一次巻線電流I2は、一次側直列共振回路の出力電流としてみることができる。つまり、スイッチング素子Q1がオン/オフ動作を行うことにより、期間TOFFのスイッチング電圧V1である電圧共振パルスが一次側直列共振回路を形成する一次巻線N1、一次側直列共振コンデンサC11の直列接続回路に印加される。これにより一次側直列共振回路が共振動作を行い、一次巻線電流I2は、スイッチング周期に応じた正弦波状の交番波形となる。また、直列共振電圧V2は、一次側直列共振コンデンサC11の両端電圧である。この直列共振電圧V2も、図示するようにして、スイッチング周期に応じた正弦波状の交番波形となる。   The primary winding current I2 is a current that flows through the primary winding N1 in accordance with the switching operation of the switching element Q1, and the switching current IQ1 and the current that flows through the primary parallel resonant capacitor Cr are synthesized with the polarity shown in this figure. It can be seen as a thing. This primary winding current I2 can be viewed as the output current of the primary side series resonant circuit. That is, when the switching element Q1 performs an on / off operation, the voltage resonance pulse, which is the switching voltage V1 in the period TOFF, forms the primary side series resonance circuit, and the primary side series resonance capacitor C11 series connection circuit. To be applied. As a result, the primary side series resonance circuit performs a resonance operation, and the primary winding current I2 becomes a sinusoidal alternating waveform corresponding to the switching period. The series resonance voltage V2 is a voltage across the primary side series resonance capacitor C11. This series resonance voltage V2 also becomes a sinusoidal alternating waveform corresponding to the switching period as shown in the figure.

期間TONが終了して期間TOFFに至ってスイッチング素子Q1がターンオフするタイミングでは、一次側並列共振コンデンサCrを充電するようにして正極性の一次巻線電流I2を流す動作が開始され、これに応じて、スイッチング電圧V1は0レベルから正弦波状により上昇を開始して、電圧共振パルスが立ち上がる。一次巻線電流I2が負極性に反転すると、一次側並列共振コンデンサCrは充電から放電が行われる状態に移行することになり、電圧共振パルスはピークレベルから正弦波状により下降していく。
そして、スイッチング電圧V1としての電圧共振パルス波形が0レベルにまで降下したとされると、先ず、ボディダイオードDDが導通して負極性の一次巻線電流I2を流すことになる。このときスイッチング電圧V1は0レベルであり、一定期間においてボディダイオードDDに一次巻線電流I2が流れると、スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間がオンとなって、正極性の一次巻線電流I2を流す。このようにして期間TONにおいて、スイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)に一次巻線電流I2が流れることで、スイッチング電流IQ1の波形が得られる。このような動作は、スイッチング素子Q1のターンオン、ターンオフ時において、一次側並列共振回路によるZVS動作、及び一次側直列共振回路によるZCS動作が得られていることを示す。
At the timing when the switching element Q1 is turned off when the period TON ends and the switching element Q1 is turned off, an operation of flowing the positive primary winding current I2 is started so as to charge the primary side parallel resonance capacitor Cr. The switching voltage V1 starts to rise in a sine wave form from the 0 level, and the voltage resonance pulse rises. When the primary winding current I2 is reversed to the negative polarity, the primary side parallel resonant capacitor Cr shifts from charging to discharging, and the voltage resonance pulse decreases in a sinusoidal form from the peak level.
If the voltage resonance pulse waveform as the switching voltage V1 falls to the 0 level, first, the body diode DD is turned on and the negative primary winding current I2 flows. At this time, the switching voltage V1 is at the 0 level, and when the primary winding current I2 flows through the body diode DD for a fixed period, the drain-source of the switching element Q1 is turned on, and the positive primary winding current I2 is Shed. In this way, during the period TON, the primary winding current I2 flows through the switching element Q1 (and the body diode DD), whereby the waveform of the switching current IQ1 is obtained. Such an operation indicates that the ZVS operation by the primary side parallel resonance circuit and the ZCS operation by the primary side series resonance circuit are obtained when the switching element Q1 is turned on and off.

また、二次巻線電圧V3、二次側整流電流ID1,ID2によっては、二次側整流回路の動作が示される。
二次巻線N2に誘起された交番電圧である二次巻線電圧V3によっては、先の説明のようにして、二次巻線電圧V3の半周期の期間ごとに、整流ダイオードDo1,Do2が交互に導通する。これにより、二次巻線電圧V3は、整流ダイオードDo1,Do2の導通期間に応じて二次側直流出力電圧Eoに応じた絶対値レベルによりクランプされた交番波形となる。
二次側整流電流ID1,ID2は、図示するようにして、半波の正弦波形状により交互となるようにして平滑コンデンサCoに対して流れる。二次巻線N2に流れる二次巻線電流I2は、二次側整流電流ID1,ID2を合成して得られ、図示するようにして正弦波状となる。また、この場合の二次側整流電流ID1,ID2は、ほぼ同じ導通角により、同じピークレベルで流れるものとなっている。
Further, the operation of the secondary side rectifier circuit is shown by the secondary winding voltage V3 and the secondary side rectified currents ID1 and ID2.
Depending on the secondary winding voltage V3, which is an alternating voltage induced in the secondary winding N2, as described above, the rectifier diodes Do1 and Do2 are provided every half cycle of the secondary winding voltage V3. Conducts alternately. Thereby, the secondary winding voltage V3 becomes an alternating waveform clamped by the absolute value level corresponding to the secondary side DC output voltage Eo according to the conduction period of the rectifier diodes Do1 and Do2.
The secondary side rectified currents ID1 and ID2 flow through the smoothing capacitor Co in an alternating manner by a half-wave sine wave shape as shown in the figure. The secondary winding current I2 flowing through the secondary winding N2 is obtained by synthesizing the secondary side rectified currents ID1 and ID2, and has a sine wave shape as shown in the figure. Further, the secondary side rectified currents ID1 and ID2 in this case flow at the same peak level due to substantially the same conduction angle.

上記図3(a)として示される各部の動作をふまえて、図3(b)に示される中間の負荷電力Po=225W時、及び図3(c)に示される最小負荷電力Pomin=0W時の波形を参照してみると、一次側スイッチングコンバータの動作としては、軽負荷から無負荷の傾向となっていくのに従って、1スイッチング周期(TOFF+TON)の期間長は短くなっている。このことは、後述するようにして、最大負荷電力Pomax〜最小負荷電力Pominの範囲での負荷変動に応じた定電圧制御動作として、スイッチング周波数に相応の変化を与えていることを示す。また、期間TOFFと期間TONの時比率に着目すると、軽負荷から無負荷の傾向となっていくのに応じて、期間TOFFが拡大し、期間TONが縮小していく傾向となっている。このことは、最大負荷電力Pomax〜最小負荷電力Pominの範囲での負荷変動に応じた定電圧制御動作として、PWM制御による期間TOFFと期間TONの時比率の変化も与えられていることを示す。   Based on the operation of each unit shown in FIG. 3 (a), when the intermediate load power Po = 225W shown in FIG. 3 (b) and the minimum load power Pomin = 0W shown in FIG. 3 (c). Referring to the waveform, as the operation of the primary side switching converter, the period length of one switching cycle (TOFF + TON) is shortened as the load tends to no load. This indicates that the switching frequency is appropriately changed as a constant voltage control operation according to the load fluctuation in the range of the maximum load power Pomax to the minimum load power Pomin, as will be described later. Further, focusing on the time ratio between the period TOFF and the period TON, the period TOFF tends to increase and the period TON tends to decrease as the light load tends to no load. This indicates that a change in the time ratio between the period TOFF and the period TON by PWM control is also given as a constant voltage control operation according to the load fluctuation in the range of the maximum load power Pomax to the minimum load power Pomin.

また、図3(b)に示す中間負荷電力Po=225W時のスイッチング電流IQ1の波形によると、図3(a)の場合と同様にして、期間TONが開始されるタイミングで負極性によりボディダイオードDDを流れている動作となっていることがわかる。つまり、適正にZVSが得られている。この点については、図3(c)に示す最小負荷電力Pomin=0W時のスイッチング電流IQ1についても同様のことがいえる。このことは、図1に示す電源回路では、対応負荷電力の全領域においてZVS動作が保証されていることを示している。   Further, according to the waveform of the switching current IQ1 when the intermediate load power Po = 225 W shown in FIG. 3B, as in the case of FIG. 3A, the body diode due to the negative polarity at the timing when the period TON is started. It can be seen that the operation is flowing through DD. That is, ZVS is appropriately obtained. The same applies to the switching current IQ1 when the minimum load power Pomin = 0 W shown in FIG. This indicates that the power supply circuit shown in FIG. 1 guarantees the ZVS operation in the entire range of the corresponding load power.

図4は、図1に示した電源回路についての実験結果として、負荷変動に対するAC→DC電力変換効率(ηAC→DC)、スイッチング周波数fs、及び期間TON、TOFFの時間長、及びスイッチング電流IQ1の変化特性を示している。
この図に示すようにして、スイッチング周波数fsについては、最大負荷電力Pomax=300Wから最小負荷電力Pomin=0W(無負荷)までの範囲で、軽負荷の傾向となるのに応じてほぼ一定の傾きにより高くなっていく傾向で変化している。
また、スイッチング素子Q1がオンとなる期間TONの時間長は、最小負荷電力Pomin=0Wから最大負荷電力Pomax=300Wまでの範囲において、重負荷の傾向となっていくのに応じてほぼ一定の傾きにより増加する傾向となっている。これに対して、スイッチング素子Q1がオフとなる期間TOFFの時間長は、最小負荷電力Pomin=0Wから最大負荷電力Pomax=300Wまでの範囲において、重負荷の傾向となっていくのに応じてほぼ一定の傾きにより低下する傾向となっている。傾きの度合いは、期間TONのほうが期間TOFFよりも大きくなっている。
FIG. 4 shows experimental results of the power supply circuit shown in FIG. 1 with respect to AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) with respect to load fluctuation, switching frequency fs, time lengths of periods TON and TOFF, and switching current IQ1. The change characteristic is shown.
As shown in this figure, the switching frequency fs has a substantially constant slope according to the tendency of light load in the range from the maximum load power Pomax = 300 W to the minimum load power Pomin = 0 W (no load). It is changing with the tendency to become higher.
Further, the time length of the period TON during which the switching element Q1 is turned on has a substantially constant slope as the load becomes heavy in the range from the minimum load power Pomin = 0W to the maximum load power Pomax = 300W. It tends to increase. On the other hand, the time length of the period TOFF in which the switching element Q1 is turned off is almost equal to the tendency of heavy load in the range from the minimum load power Pomin = 0W to the maximum load power Pomax = 300W. It tends to decrease with a certain inclination. The degree of inclination is greater in the period TON than in the period TOFF.

このようなスイッチング周波数fs及び期間TON、TOFFの特性は、定電圧制御として、先ず、スイッチング周波数fsを可変するスイッチング周波数制御が行われていることを示している。スイッチング周波数fsが変化するということは、TON+TOFFで示される1スイッチング周期の時間長が変化するということであるが、本実施の形態では、スイッチング周波数fsが高くなるのに応じて1スイッチング周期の時間長(TON+TOFF)が短くなっていくときに、期間TONが一定の割合で短くなっていくのに対して、期間TOFFは一定の割合で長くなっていくという変化を示していることになる。このような1スイッチング周期内での期間TON、TOFFの変化は、スイッチング素子Q1の導通期間を制御するPWM制御が行われているものとみることができる。
このことから、本実施の形態ではスイッチング周波数制御とPWM制御とが同時に行われる複合的な定電圧制御動作となっているということがいえる。このような複合制御は制御感度が高い。
Such characteristics of the switching frequency fs and the periods TON and TOFF indicate that switching frequency control for changing the switching frequency fs is first performed as constant voltage control. The change of the switching frequency fs means that the time length of one switching cycle represented by TON + TOFF changes, but in this embodiment, the time of one switching cycle changes as the switching frequency fs increases. When the length (TON + TOFF) becomes shorter, the period TON becomes shorter at a constant rate, whereas the period TOFF becomes longer at a constant rate. Such changes in the periods TON and TOFF within one switching cycle can be regarded as the PWM control for controlling the conduction period of the switching element Q1.
From this, it can be said that the present embodiment is a composite constant voltage control operation in which the switching frequency control and the PWM control are performed simultaneously. Such composite control has high control sensitivity.

図1の電源回路に関して、定電圧制御に関する実際の測定結果としては次のようになった。
先ず、最大負荷電力Pomax=300W〜最小負荷電力Pomin=0Wの負荷変動に対して二次側直流出力電圧Eoを175Vで安定化するために必要とされるスイッチング周波数fsの可変範囲(Δfs)は14.9KHzであり、また、期間TONの変動範囲(ΔTON)は3.5μs、期間TOFFの変動範囲(ΔTOFF)=1.5μsとなった
Regarding the power supply circuit of FIG. 1, the actual measurement result regarding the constant voltage control is as follows.
First, the variable range (Δfs) of the switching frequency fs required for stabilizing the secondary side DC output voltage Eo at 175 V against load fluctuations of the maximum load power Pomax = 300 W to the minimum load power Pomin = 0 W is as follows. 14.9 KHz, and the fluctuation range (ΔTON) of the period TON is 3.5 μs, and the fluctuation range (ΔTOFF) of the period TOFF is 1.5 μs.

また、この場合のAC→DC電力変換効率(ηAC→DC)は、最大負荷電力Pomax=300Wから負荷電力Po=100W程度までの範囲では、軽負荷傾向となるのに従って高くなっていく特性で、負荷電力Po=100W程度では、最大値として93%以上が得られている。また、最大負荷電力Pomax=300Wから負荷電力Po=25W程度までの範囲で90%以上が得られるという良好な特性である。   Further, the AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) in this case is a characteristic that increases as the light load tends to occur in the range from the maximum load power Pomax = 300 W to the load power Po = 100 W. When the load power Po is about 100 W, a maximum value of 93% or more is obtained. Further, it is a good characteristic that 90% or more is obtained in the range from the maximum load power Pomax = 300 W to the load power Po = 25 W.

また、スイッチング電流IQ1は、最小負荷電力Pomin=0W(無負荷)から最大負荷電力Pomax=300までの範囲において、重負荷の傾向となるのに応じてほぼ一定の傾きにより高くなっていく特性である。   In addition, the switching current IQ1 has a characteristic that becomes higher with a substantially constant slope in accordance with the tendency of heavy load in the range from the minimum load power Pomin = 0 W (no load) to the maximum load power Pomax = 300. is there.

ここで、図1に示される本実施の形態の電源回路と、従来例として図10に示した電源回路とを比較してみると次のことがいえる。
一般的に、一次側に電圧共振形コンバータを備える電源回路は、負荷電力の制御範囲が狭く、また、軽負荷時におけるZVSが維持できないために、そのままでは実用化は不可能であると考えられている。そこで、図10に示したように、一次側電圧共振形コンバータに対して二次側直列共振回路を設け、二次側整流回路として倍電圧半波整流回路を形成した電源回路を構成して本願発明者が実験を行ったところ、それまでの電圧共振形コンバータを備える電源回路よりも、実現化に近づく特性が得られることが確認された。
しかしながら、図10の電源回路では、図11により説明したように、中間負荷時において、スイッチング素子Q1のオフ期間(TOFF)が終了しないうちにスイッチング素子Q1に正極方向(この場合はドレイン→ソース方向)に電流が流れてZVSの動作が得られないという異常動作を生じる。このために、図10の電源回路の構成であっても、依然として実用化は困難な状況であった。
これに対して、図1に示した実施の形態の電源回路では、図3の波形図によっても説明したように、対応負荷電力の全領域にわたってZVS動作が得られている。つまり、中間負荷時における異常動作は解消されている。これにより、二次側直列共振回路を備えるシングルエンド方式の電圧共振形コンバータとしては、実用化が容易に実現されることになる。
Here, when the power supply circuit of the present embodiment shown in FIG. 1 is compared with the power supply circuit shown in FIG. 10 as a conventional example, the following can be said.
In general, a power supply circuit having a voltage resonance type converter on the primary side has a narrow control range of load power and cannot maintain ZVS at light load, so it is considered impossible to put it to practical use as it is. ing. Therefore, as shown in FIG. 10, a secondary side series resonant circuit is provided for the primary side voltage resonant converter, and a power supply circuit in which a voltage doubler half-wave rectifier circuit is formed as a secondary side rectifier circuit is configured. As a result of experiments conducted by the inventor, it was confirmed that characteristics closer to realization can be obtained than a power supply circuit having a voltage resonant converter so far.
However, in the power supply circuit of FIG. 10, as described with reference to FIG. 11, the switching element Q1 has a positive direction (in this case, drain → source direction) before the OFF period (TOFF) of the switching element Q1 does not end at an intermediate load. ) Causes an abnormal operation in which the ZVS operation cannot be obtained. For this reason, even with the configuration of the power supply circuit of FIG.
On the other hand, in the power supply circuit according to the embodiment shown in FIG. 1, the ZVS operation is obtained over the entire range of the corresponding load power as described with reference to the waveform diagram of FIG. That is, the abnormal operation at the intermediate load is eliminated. As a result, a single-ended voltage resonant converter including a secondary side series resonant circuit can be easily put into practical use.

図10に示される電源回路の中間負荷時の異常動作は、電圧共振形コンバータに二次側直列共振回路を備えた形式の複合共振形コンバータを構成した場合に生じやすいことが確認されている。これは、電圧共振形コンバータを形成する一次側並列共振回路と、二次側直列共振回路(整流回路)とが同時に動作することによる相互作用が主たる原因となっている。
そこで、本実施の形態の場合には、上記した中間負荷時の異常動作は、一次側電圧共振形コンバータと二次側直列共振回路とを組み合わせた回路構成であることがそもそもの要因であると捉え、先ず、一次側スイッチングコンバータとして、電圧共振形コンバータに代えて、E級スイッチングコンバータを適用した構成のものを備えることとした。
また、総合結合係数kt=0.65程度を設定して、絶縁コンバータトランスPITの一次側と二次側の結合度を従来よりも低下させた。これにより、一次側のスイッチングコンバータの動作と、二次側整流回路の整流動作(スイッチング動作)との相互作用を希薄にして間負荷時における異常動作を抑止する作用を得ている。
また、一次側スイッチングコンバータをE級スイッチングコンバータとしたことに応じて、二次側に対して直列共振回路を備える必要性もなくなることから、本実施の形態では、二次側共振回路を省略している。二次側共振回路を省略した場合には、二次巻線の交番電圧の一方の半周期においては整流動作を生じない、半波整流回路や両波整流回路を二次側整流回路として採用できる。図1の電源回路では、二次側整流回路として両波整流回路を備えた構成を示している。
It has been confirmed that the abnormal operation at the time of intermediate load of the power supply circuit shown in FIG. 10 is likely to occur when a complex resonance type converter having a secondary resonance circuit in the voltage resonance type converter is configured. This is mainly caused by the interaction between the primary side parallel resonant circuit forming the voltage resonant converter and the secondary side series resonant circuit (rectifier circuit) operating simultaneously.
Therefore, in the case of the present embodiment, the abnormal operation at the time of the intermediate load described above is due to the fact that the circuit configuration is a combination of the primary side voltage resonance type converter and the secondary side series resonance circuit. First, the primary side switching converter has a configuration in which a class E switching converter is applied instead of the voltage resonance type converter.
Further, the overall coupling coefficient kt = 0.65 was set, and the degree of coupling between the primary side and the secondary side of the insulating converter transformer PIT was lowered than before. Thus, the interaction between the operation of the primary side switching converter and the rectification operation (switching operation) of the secondary side rectifier circuit is dilute to obtain an operation of suppressing the abnormal operation at the time of intermediate load.
In addition, since the primary side switching converter is a class E switching converter, there is no need to provide a series resonance circuit on the secondary side, so in this embodiment, the secondary side resonance circuit is omitted. ing. When the secondary side resonance circuit is omitted, a half-wave rectification circuit or a double-wave rectification circuit that does not generate a rectification operation in one half cycle of the alternating voltage of the secondary winding can be adopted as the secondary-side rectification circuit. . The power supply circuit of FIG. 1 shows a configuration provided with a double-wave rectifier circuit as a secondary side rectifier circuit.

また、図10に示す電源回路では、平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流は、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1を経由してスイッチング素子Q1、一次側並列共振コンデンサCrに流入する。この場合、平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流は一次巻線電流I1となるものであり、スイッチング周期による比較的高い周波数となる。つまり、平滑コンデンサCiに対しては商用交流電源周期に対して高周波で充放電電流が流れる。
平滑コンデンサCiとしての部品素子には高耐圧が要求されることなどに応じてアルミ電解コンデンサがしばしば採用される。アルミ電解コンデンサは、他の種類のコンデンサなどと比較して、高周波で動作させると静電容量が低下すると共に損失角の正接が増加しやすい性質を有している。このために、平滑コンデンサCiに使用するアルミ電解コンデンサには、ESR(等価直列抵抗)が低く、また、許容リップル電流が多い特殊品を選定する必要がある。また、平滑コンデンサCiとしての素子のキャパシタンスについても相応に大きな値を選定する必要が出てくる。例えば図10の電源回路の構成で、本実施の形態と同等の最大負荷電力Pomax=300Wに対応させる場合には、1000μF程度を選定することになる。このようなアルミ電解コンデンサは、汎用のアルミ電解コンデンサよりも高価であり、また、キャパシタンスの増加に応じた部品価格の上昇も含めてコスト的に不利となる。
In the power supply circuit shown in FIG. 10, the current flowing from the smoothing capacitor Ci into the switching converter flows into the switching element Q1 and the primary side parallel resonant capacitor Cr via the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT. In this case, the current flowing from the smoothing capacitor Ci into the switching converter is the primary winding current I1, and has a relatively high frequency due to the switching period. That is, a charging / discharging current flows to the smoothing capacitor Ci at a high frequency with respect to the commercial AC power supply cycle.
An aluminum electrolytic capacitor is often employed depending on the fact that a high breakdown voltage is required for the component element as the smoothing capacitor Ci. Compared to other types of capacitors and the like, aluminum electrolytic capacitors have the property that when operated at a high frequency, the capacitance decreases and the loss angle tangent tends to increase. For this reason, it is necessary to select a special product having a low ESR (equivalent series resistance) and a large allowable ripple current as the aluminum electrolytic capacitor used for the smoothing capacitor Ci. It is also necessary to select a correspondingly large value for the capacitance of the element as the smoothing capacitor Ci. For example, in the configuration of the power supply circuit of FIG. 10, about 1000 μF is selected when the maximum load power Pomax = 300 W equivalent to the present embodiment is supported. Such an aluminum electrolytic capacitor is more expensive than a general-purpose aluminum electrolytic capacitor, and is disadvantageous in terms of cost, including an increase in component price in accordance with an increase in capacitance.

これに対して図1に示した本実施の形態の電源回路は、平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流は、チョークコイルL10を介してスイッチング素子Q1、一次側並列共振コンデンサCr、一次側直列共振回路(N1−C11)に流れるようになっている。このために、平滑コンデンサCoからスイッチングコンバータに流入する電流は、図3の入力電流I1としても示されるように直流となる。このようにして、平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流が直流となることで、本実施の形態では、上記した静電容量の低下や損失角の正接の増加の問題は生じることが無く、従って、平滑コンデンサCiとして汎用のアルミ電解コンデンサを選定することができる。また、平滑コンデンサCiとしての素子のキャパシタンスについても、図10の回路の場合よりも低い値を選定できる。図1の回路の実際としては、680μFを選定できる。このようにして、本実施の形態では、平滑コンデンサCiについてのコストダウンを図ることが可能になる。   On the other hand, in the power supply circuit of the present embodiment shown in FIG. 1, the current flowing from the smoothing capacitor Ci to the switching converter is switched via the choke coil L10 to the switching element Q1, the primary side parallel resonant capacitor Cr, the primary side series. It flows through the resonance circuit (N1-C11). For this reason, the current flowing from the smoothing capacitor Co into the switching converter becomes a direct current as shown also as the input current I1 in FIG. In this way, since the current flowing from the smoothing capacitor Ci into the switching converter becomes a direct current, in the present embodiment, the above-described problems of a decrease in capacitance and an increase in tangent of the loss angle do not occur. Therefore, a general-purpose aluminum electrolytic capacitor can be selected as the smoothing capacitor Ci. Also, a lower value than the case of the circuit of FIG. 10 can be selected for the capacitance of the element as the smoothing capacitor Ci. As an actual circuit of FIG. 1, 680 μF can be selected. In this way, in the present embodiment, it is possible to reduce the cost of the smoothing capacitor Ci.

また、本実施の形態の電源回路では、絶縁コンバータトランスPITの一次側と二次側との総合結合係数ktとして0.65程度を設定している。この総合結合係数ktは、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kと、一次巻線N1とチョークコイルL10とが等価的に並列接続されることによる一次巻線N1のリーケージインダクタンスの見かけ上の増加分とにより得られるものである。
例えば、図10に示した電源回路の構成のもとで、0.65程度の総合結合係数kを得ようとすれば、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数ktについて0.65程度が設定されるようにすることになる。このためには、例えば、絶縁コンバータトランスPITが図2に示した構造を採る場合には、ギャップGについて2mm以上に拡大してコアを形成すればよい。しかし、ギャップ長の拡大は渦電流による損失(渦電流損)を増加させる要因となるので、いたずらにギャップ長を拡大していくことは好ましいことではなく、条件などによっては、渦電流損による電力損失が無視できなくなる場合も出てくる可能性がある。
本実施の形態の場合には、上記のようにして一次巻線N1のリーケージインダクタンスの増加分により、0.65程度の総合結合係数ktの値を得ていることで、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kについては0.75程度までの低下で抑えることができている。そして、これに伴って、絶縁コンバータトランスPITのコアに形成するギャップGについては1.6mm程度のギャップ長を設定できる。この程度のギャップ長であれば、渦電流損について特に考慮する必要はない。
In the power supply circuit according to the present embodiment, the total coupling coefficient kt between the primary side and the secondary side of the insulating converter transformer PIT is set to about 0.65. The total coupling coefficient kt is an apparent increase in the leakage inductance of the primary winding N1 due to the equivalent coupling coefficient k of the insulating converter transformer PIT and the primary winding N1 and the choke coil L10 connected in parallel. It is obtained by.
For example, if an overall coupling coefficient k of about 0.65 is obtained under the configuration of the power supply circuit shown in FIG. 10, about 0.65 is set for the coupling coefficient kt of the insulating converter transformer PIT itself. become. For this purpose, for example, when the insulating converter transformer PIT adopts the structure shown in FIG. 2, the gap G may be enlarged to 2 mm or more to form a core. However, since increasing the gap length causes an increase in eddy current loss (eddy current loss), it is not desirable to increase the gap length unnecessarily. There is a possibility that the loss may not be ignored.
In the case of the present embodiment, the coupling coefficient of the insulating converter transformer PIT itself is obtained by obtaining the value of the total coupling coefficient kt of about 0.65 by the increase in the leakage inductance of the primary winding N1 as described above. k can be suppressed by a decrease to about 0.75. Accordingly, a gap length of about 1.6 mm can be set for the gap G formed in the core of the insulating converter transformer PIT. With such a gap length, there is no need to consider eddy current loss.

以降、本発明における他の実施の形態として、二次側整流回路のバリエーションを、図5〜図7に示す。
図5の回路図は、第2の実施の形態としての電源回路の構成例を示している。なお、この図において、図1と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。この図に示す電源回路としても、絶縁コンバータトランスPITについては図2に示したのと同様の構造を採り、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとして、0.75程度を設定する。絶縁コンバータトランスPITの一次側と二次側との総合結合係数ktについては、一次巻線N1とチョークコイルL10とが等価的に並列接続されることで、0.65程度が設定される。この点については、後述する図6、図7の電源回路についても同様である。
Hereinafter, as other embodiments of the present invention, variations of the secondary side rectifier circuit are shown in FIGS.
The circuit diagram of FIG. 5 shows a configuration example of a power supply circuit as the second embodiment. In this figure, the same parts as those in FIG. Also in the power supply circuit shown in this figure, the insulation converter transformer PIT has the same structure as that shown in FIG. 2, and the coupling coefficient k of the insulation converter transformer PIT itself is set to about 0.75. The total coupling coefficient kt between the primary side and the secondary side of the insulating converter transformer PIT is set to about 0.65 by equivalently connecting the primary winding N1 and the choke coil L10 in parallel. This also applies to the power supply circuits shown in FIGS.

この図に示す電源回路の二次側整流回路は、ブリッジ整流回路を備える全波整流回路とされる。
この場合の絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2は、二次側整流回路がブリッジ全波整流回路であることに対応して、1組の二次巻線N2がセンタータップを施さずに所定巻数によって巻装されて設けられる。そして、この二次巻線N2に対して、4本の整流ダイオードDo1,Do2,Do3,Do4から成るブリッジ整流回路と、1本の平滑コンデンサCoを下記のように接続する。
二次巻線N2の巻き終わり端部は、整流ダイオードDo1のアノードと整流ダイオードDo2のカソードの接続点に接続する。また、二次巻線N2の巻始め端部を、整流ダイオードDo3のアノードと整流ダイオードDo4のカソードの接続点に接続する。整流ダイオードDo1のカソードと整流ダイオードDo3のカソードを平滑コンデンサCoの正極端子に接続する。平滑コンデンサCoの負極端子は二次側アースに接続する。整流ダイオードDo2のアノードと整流ダイオードDo4のアノードも二次側アースに接続する。
The secondary side rectifier circuit of the power supply circuit shown in this figure is a full-wave rectifier circuit including a bridge rectifier circuit.
The secondary winding N2 of the insulating converter transformer PIT in this case corresponds to the secondary side rectifier circuit being a bridge full-wave rectifier circuit, so that one set of secondary winding N2 is not subjected to a center tap and is predetermined. It is provided by being wound by the number of turns. A bridge rectifier circuit composed of four rectifier diodes Do1, Do2, Do3, Do4 and one smoothing capacitor Co are connected to the secondary winding N2 as follows.
The winding end end of the secondary winding N2 is connected to a connection point between the anode of the rectifier diode Do1 and the cathode of the rectifier diode Do2. Further, the winding start end of the secondary winding N2 is connected to a connection point between the anode of the rectifier diode Do3 and the cathode of the rectifier diode Do4. The cathode of the rectifier diode Do1 and the cathode of the rectifier diode Do3 are connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Co. The negative terminal of the smoothing capacitor Co is connected to the secondary side ground. The anode of the rectifier diode Do2 and the anode of the rectifier diode Do4 are also connected to the secondary side ground.

上記のようにして形成される全波整流回路によっては、二次巻線N2に誘起(励起)される交番電圧の一方の半周期において、ブリッジ整流回路の整流ダイオード[Do1,Do4]の組が導通して、平滑コンデンサCoに対して整流電流を充電する動作が得られる。また、二次巻線N2に誘起される交番電圧の他方の半周期においては、整流ダイオード[Do2,Do3]の組が導通して平滑コンデンサCoに対して整流電流を充電する動作が得られる。
これによって平滑コンデンサCoの両端電圧として、二次巻線N2に誘起される交番電圧のレベルの等倍に対応したレベルの二次側直流出力電圧Eoが生成される。
Depending on the full-wave rectifier circuit formed as described above, a pair of rectifier diodes [Do1, Do4] of the bridge rectifier circuit is formed in one half cycle of the alternating voltage induced (excited) in the secondary winding N2. An operation of conducting and charging the rectified current to the smoothing capacitor Co is obtained. Further, in the other half cycle of the alternating voltage induced in the secondary winding N2, the operation of charging the rectified current to the smoothing capacitor Co by obtaining a set of rectifier diodes [Do2, Do3] conductive.
As a result, a secondary side DC output voltage Eo having a level corresponding to the same level as the level of the alternating voltage induced in the secondary winding N2 is generated as the voltage across the smoothing capacitor Co.

図6の回路図は、第3の実施の形態としての電源回路の構成例を示している。なお、この図において図1及び図5と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す電源回路の二次側整流回路は、倍電圧全波整流回路として形成される。
この場合の二次巻線N2については、センタータップを施すことでセンタータップを境界として二次巻線部N2A,N2Bに分割する。二次巻線部N2A,N2Bの巻数は同じとする。そのうえで、二次巻線N2に対して、整流ダイオードDo1,Do2,Do3,Do4、コンデンサCoA、平滑コンデンサCoを下記のようにして接続する。
The circuit diagram of FIG. 6 shows a configuration example of a power supply circuit as the third embodiment. In this figure, the same parts as those in FIG. 1 and FIG.
The secondary side rectifier circuit of the power supply circuit shown in this figure is formed as a voltage doubler full wave rectifier circuit.
The secondary winding N2 in this case is divided into secondary winding portions N2A and N2B with the center tap as a boundary by applying a center tap. The number of turns of the secondary windings N2A and N2B is the same. Then, rectifier diodes Do1, Do2, Do3, Do4, capacitor CoA, and smoothing capacitor Co are connected to secondary winding N2 as follows.

二次巻線N2の二次巻線部N2A側の端部は、整流ダイオードDo1のアノードと整流ダイオードDo2のカソードの接続点に対して接続する。二次巻線部N2B側の端部は、整流ダイオードDo3のアノードと整流ダイオードDo4のカソードの接続点に対して接続する。
二次巻線N2のセンタータップは、コンデンサCoAの正極端子に接続し、コンデンサCoAの負極端子を整流ダイオードDo2,Do4の各アノードの接続点とともに二次側アースに対して接続する。整流ダイオードDo1,Do3のカソードを平滑コンデンサCoの正極端子に接続し、平滑コンデンサCoの負極端子を二次側アースと接続する。
The end of the secondary winding N2 on the secondary winding portion N2A side is connected to a connection point between the anode of the rectifier diode Do1 and the cathode of the rectifier diode Do2. The end of the secondary winding portion N2B side is connected to a connection point between the anode of the rectifier diode Do3 and the cathode of the rectifier diode Do4.
The center tap of the secondary winding N2 is connected to the positive terminal of the capacitor CoA, and the negative terminal of the capacitor CoA is connected to the secondary side ground together with the connection points of the anodes of the rectifier diodes Do2 and Do4. The cathodes of the rectifier diodes Do1 and Do3 are connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Co, and the negative terminal of the smoothing capacitor Co is connected to the secondary side ground.

このようにして形成される倍電圧全波整流回路は、二次巻線部N2A、整流ダイオードDo1,Do2、コンデンサCoA、及び平滑コンデンサCoから成る第1の倍電圧半波整流回路と、二次巻線部N2B、整流ダイオードDo3,Do4、コンデンサCoA、及び平滑コンデンサCoから成る第2の倍電圧半波整流回路とが組み合わされているものとみることができる。この場合、第1の倍電圧半波整流回路と第2の倍電圧半波整流回路とは、コンデンサCoA及び平滑コンデンサCoを共有していることになる。   The voltage doubler full-wave rectifier circuit thus formed includes a first voltage doubler half-wave rectifier circuit including a secondary winding N2A, rectifier diodes Do1 and Do2, a capacitor CoA, and a smoothing capacitor Co. It can be considered that the second voltage doubler half-wave rectifier circuit including the winding portion N2B, the rectifier diodes Do3 and Do4, the capacitor CoA, and the smoothing capacitor Co is combined. In this case, the first voltage half-wave rectifier circuit and the second voltage half-wave rectifier circuit share the capacitor CoA and the smoothing capacitor Co.

第1の倍電圧半波整流回路は、二次巻線N2の誘起電圧について二次巻線部N2A側の端部が負極性となる半波の期間において、二次巻線部N2A→コンデンサCoA→整流ダイオードDo2→二次巻線部N2Aの経路で整流電流を流してコンデンサCoAを充電することで、コンデンサCoAの両端電圧として、二次巻線部N2Aの誘起電圧レベルの等倍に対応する電位を生じさせる。そして、次の二次巻線N2の誘起電圧V2について二次巻線部N2A側の端部が正極性となる半波の期間において、二次巻線部N2A→整流ダイオードDo1→平滑コンデンサCo→コンデンサCoA→二次巻線部N2Bの経路で整流電流が流れるようにされる。このとき、平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線部N2Aの電位(V2)にコンデンサCoAの両端電圧が重畳された電位により充電が行われる。
第2の倍電圧半波整流回路は、二次巻線部N2B→コンデンサCoA→整流ダイオードDo4→二次巻線部N2Bの経路で整流電流を流してコンデンサCoAを充電する動作を、二次巻線N2の誘起電圧について二次巻線部N2B側の端部が負極性となる半波の期間において実行し、次の二次巻線部N2B側の端部が正極性となる半波の期間において、二次巻線部N2B→整流ダイオードDo3→平滑コンデンサCo→コンデンサCoA→二次巻線部N2Bの経路で整流電流を流して、平滑コンデンサCoに対して、二次巻線部N2Bの電位(二次巻線N2Aの電位と同等)にコンデンサCoAの両端電圧を重畳した電位により充電を行う。
このような動作により、平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線N2の誘起電圧の正負の半周期ごとに、二次巻線部N2AとコンデンサCoAの重畳電位による充電と、二次巻線部N2BとコンデンサCoAの重畳電位による充電とが交互に実行される。これにより、平滑コンデンサCoの両端電圧として、二次巻線部N2A又はN2Bの誘起電圧レベルの2倍に対応するレベルの整流平滑電圧として、二次側直流出力電圧Eoが得られることになる。
The first voltage doubling half-wave rectifier circuit has a secondary winding portion N2A → capacitor CoA during the half-wave period in which the end of the secondary winding portion N2A is negative with respect to the induced voltage of the secondary winding N2. → Rectifier diode Do2 → Secondary winding portion N2A is passed through a rectified current to charge capacitor CoA, so that the voltage across capacitor CoA corresponds to the same level as the induced voltage level of secondary winding portion N2A. Generate a potential. The secondary winding N2A → rectifier diode Do1 → smoothing capacitor Co → in the half-wave period in which the end on the secondary winding N2A side is positive with respect to the induced voltage V2 of the next secondary winding N2. A rectified current is caused to flow through the path from the capacitor CoA to the secondary winding portion N2B. At this time, the smoothing capacitor Co is charged with a potential obtained by superimposing the voltage across the capacitor CoA on the potential (V2) of the secondary winding portion N2A.
The second voltage doubler half-wave rectifier circuit charges the capacitor CoA by passing a rectified current through the path of the secondary winding N2B → capacitor CoA → rectifier diode Do4 → secondary winding N2B. The induced voltage of the line N2 is executed in a half-wave period in which the end on the secondary winding part N2B side is negative, and the half-wave period in which the end on the next secondary winding part N2B side is positive , A rectification current flows through the path of secondary winding N2B → rectifier diode Do3 → smoothing capacitor Co → capacitor CoA → secondary winding N2B, and the potential of the secondary winding N2B with respect to the smoothing capacitor Co. Charging is performed with a potential obtained by superimposing the voltage across the capacitor CoA on the same as the potential of the secondary winding N2A.
By such an operation, for the smoothing capacitor Co, charging by the superimposed potential of the secondary winding portion N2A and the capacitor CoA and the secondary winding are performed every positive and negative half cycles of the induced voltage of the secondary winding N2. The charging by the superimposed potential of the part N2B and the capacitor CoA is performed alternately. As a result, the secondary side DC output voltage Eo is obtained as the rectified and smoothed voltage at a level corresponding to twice the induced voltage level of the secondary winding N2A or N2B as the voltage across the smoothing capacitor Co.

図7の回路図は、第4の実施の形態としての電源回路の構成例を示している。なお、この図において図1、図5、及び図6と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す電源回路は、二次側整流回路として倍電圧整流回路を備える。この倍電圧整流回路は、1組の二次巻線N2に対して、2本の整流ダイオードDo1,Do2と、2本の平滑コンデンサCo1,Co2を図示するようにして接続して形成される。
この場合には、二次巻線N2の巻き終わり端部に対して整流ダイオードDo1のアノードと整流ダイオードDo2のカソードを接続する。整流ダイオードDo1のカソードは平滑コンデンサCo1の正極端子に接続する。
平滑コンデンサCo1,Co2は、平滑コンデンサCo1の負極端子と平滑コンデンサCo2の正極端子を接続するようにして直列接続し、この平滑コンデンサCo1,Co2の接続点に対しては二次巻線N2の巻始め端部を接続する。
二次側アースに対しては、平滑コンデンサCo2の負極端子及び整流ダイオードDo2のアノードを接続する。
The circuit diagram of FIG. 7 shows a configuration example of a power supply circuit according to the fourth embodiment. In this figure, the same parts as those in FIG. 1, FIG. 5, and FIG.
The power supply circuit shown in this figure includes a voltage doubler rectifier circuit as a secondary side rectifier circuit. This voltage doubler rectifier circuit is formed by connecting two rectifier diodes Do1 and Do2 and two smoothing capacitors Co1 and Co2 as shown in the figure to a set of secondary winding N2.
In this case, the anode of the rectifier diode Do1 and the cathode of the rectifier diode Do2 are connected to the winding end of the secondary winding N2. The cathode of the rectifier diode Do1 is connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Co1.
The smoothing capacitors Co1 and Co2 are connected in series so that the negative electrode terminal of the smoothing capacitor Co1 and the positive electrode terminal of the smoothing capacitor Co2 are connected, and the winding of the secondary winding N2 is connected to the connection point of the smoothing capacitors Co1 and Co2. Connect the start end.
The negative terminal of the smoothing capacitor Co2 and the anode of the rectifier diode Do2 are connected to the secondary side ground.

このようにして形成される二次側の倍電圧整流回路では、二次巻線N2の誘起電圧の一方の極性の半周期においては、二次巻線N2→整流ダイオードDo1→平滑コンデンサCo1の経路で整流電流が流れて、平滑コンデンサCo1に対する充電を行う。また、二次巻線N2の誘起電圧の他方の極性の半周期においては、二次巻線N2→整流ダイオードDo2→平滑コンデンサCo2の経路で整流電流が流れて、平滑コンデンサCo2に対する充電を行う。このようにして、二次巻線N2の誘起電圧の正負の半周期ごとに平滑コンデンサCo1に対する充電と、平滑コンデンサCo2に対する充電とが交互に実行され、平滑コンデンサCo1,Co2の各々には、二次巻線N2の誘起電圧レベルの等倍に対応する電位が得られる。これにより、平滑コンデンサCo1−Co2の直列接続回路の両端電圧として、二次巻線N2の誘起電圧レベルの等倍に対応するレベルの二次側直流出力電圧Eoが得られることになる。
例えば、図1に示した電源回路と同等レベルの二次側直流出力電圧Eoを得るのであれば、二次巻線N2の巻数(ターン数)については、図1の二次巻線N2の巻数の約1/2程度とすることができる。これにより、二次巻線N2の巻線工程を簡略化できる。
In the secondary side voltage doubler rectifier circuit formed in this way, in the half cycle of one polarity of the induced voltage of the secondary winding N2, the path of the secondary winding N2 → rectifier diode Do1 → smoothing capacitor Co1. The rectified current flows through and the smoothing capacitor Co1 is charged. Further, in the half cycle of the other polarity of the induced voltage of the secondary winding N2, a rectification current flows through the path of the secondary winding N2, rectifier diode Do2, and smoothing capacitor Co2, and the smoothing capacitor Co2 is charged. In this way, the charging to the smoothing capacitor Co1 and the charging to the smoothing capacitor Co2 are alternately performed every positive and negative half cycles of the induced voltage of the secondary winding N2, and each of the smoothing capacitors Co1 and Co2 has two A potential corresponding to an equal magnification of the induced voltage level of the next winding N2 is obtained. As a result, the secondary side DC output voltage Eo having a level corresponding to the same voltage as the induced voltage level of the secondary winding N2 is obtained as the voltage across the series connection circuit of the smoothing capacitors Co1-Co2.
For example, if the secondary side DC output voltage Eo of the same level as the power supply circuit shown in FIG. 1 is obtained, the number of turns (number of turns) of the secondary winding N2 is the number of turns of the secondary winding N2 of FIG. About ½ of that. Thereby, the winding process of the secondary winding N2 can be simplified.

なお、本発明としては、上記各実施の形態として示した構成に限定されるものではない。例えば、一次側のE級スイッチングコンバータの細部の回路形態や、二次側整流回路の構成などは他にも考えられるものである。
また、メインスイッチング素子(及び補助スイッチング素子)については、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、バイポーラトランジスタなど、MOS−FET以外の素子を選定することも考えられる。また、上記各実施の形態では、他励式のスイッチングコンバータを挙げているが、自励式として構成した場合にも本発明は適用できる。
In addition, as this invention, it is not limited to the structure shown as said each embodiment. For example, a detailed circuit configuration of the primary class E switching converter, a configuration of the secondary rectifier circuit, and the like are also conceivable.
As the main switching element (and auxiliary switching element), it is also conceivable to select an element other than the MOS-FET, such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a bipolar transistor. In each of the above embodiments, a separately excited switching converter is cited, but the present invention can also be applied to a case where it is configured as a self-excited type.

本発明の第1の実施の形態としての電源回路の構成例を示す回路図である。1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a power supply circuit according to a first embodiment of the present invention. 実施の形態の電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスの構造例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the insulation converter transformer with which the power supply circuit of embodiment is equipped. 第1の実施の形態の電源回路の要部の動作をスイッチング周期により示す波形図である。It is a wave form diagram which shows operation | movement of the principal part of the power supply circuit of 1st Embodiment with a switching period. 第1の実施の形態の電源回路についての、負荷変動に対するAC→DC電力変換効率、スイッチング周波数、スイッチング素子のオン期間及びオフ期間、スイッチング電流の変動特性を示す図である。It is a figure which shows the fluctuation | variation characteristic of AC-> DC power conversion efficiency with respect to load fluctuation | variation, switching frequency, the ON period of a switching element, an OFF period, and a switching current about the power supply circuit of 1st Embodiment. 第2の実施の形態としての電源回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the power supply circuit as 2nd Embodiment. 第3の実施の形態としての電源回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the power supply circuit as 3rd Embodiment. 第4の実施の形態としての電源回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the power supply circuit as 4th Embodiment. E級スイッチングコンバータの基本構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the basic structural example of a class E switching converter. 図8に示すE級スイッチングコンバータの動作を示す波形図である。FIG. 9 is a waveform diagram showing an operation of the class E switching converter shown in FIG. 8. 従来例としての電源回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the power supply circuit as a prior art example. 図10に示した電源回路の要部の動作を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the operation | movement of the principal part of the power supply circuit shown in FIG. 図10に示した電源回路についての、負荷変動に対するAC→DC電力変換効率、スイッチング周波数、スイッチング素子のオン期間の変動特性を示す図である。It is a figure which shows the fluctuation characteristic of the ON-period of the AC-> DC power conversion efficiency with respect to load fluctuation | variation, switching frequency, and a switching element about the power supply circuit shown in FIG. 従来の電源回路についての定電圧制御特性を概念的に示す図である。It is a figure which shows notionally the constant voltage control characteristic about the conventional power supply circuit.

符号の説明Explanation of symbols

1 制御回路、2 発振・ドライブ回路、Di ブリッジ整流回路、Ci 平滑コンデンサ、Q1 スイッチング素子、PIT 絶縁コンバータトランス、Cr 一次側並列共振コンデンサ、N1 一次巻線、N2(N2A,N2B) 二次巻線、C11 一次側直列共振コンデンサ、Do1,Do2,Do3,Do4 整流ダイオード、Co (二次側)平滑コンデンサ   1. Control circuit, 2. Oscillation / drive circuit, Di bridge rectifier circuit, Ci smoothing capacitor, Q1 switching element, PIT isolation converter transformer, Cr primary side parallel resonance capacitor, N1 primary winding, N2 (N2A, N2B) Secondary winding , C11 Primary side series resonant capacitor, Do1, Do2, Do3, Do4 rectifier diode, Co (secondary side) smoothing capacitor

Claims (1)

少なくとも整流素子と平滑コンデンサを備えて形成され、商用交流電源を入力して整流平滑化することで、上記平滑コンデンサの両端電圧として整流平滑電圧を生成する整流平滑回路と、
上記整流平滑電圧を直流電圧として入力してスイッチングを行うスイッチング素子と、
上記スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段と、
上記整流平滑電圧がスイッチング素子に入力される経路に対して直列に挿入される第1のインダクタと、
上記スイッチング素子に対して並列となる関係により接続され、少なくとも上記第1のインダクタのインダクタンスと自身のキャパシタンスとによって、所定の第1の共振周波数が設定される一次側並列共振回路を形成する一次側並列共振コンデンサと、
第2のインダクタと、
上記第2のインダクタと直列となる関係により接続されることで、少なくとも上記第2のインダクタのインダクタンスと自身のキャパシタンスとによって、上記第1の共振周波数と同等とみなされる所定の第2の共振周波数が設定される一次側直列共振回路を形成し、上記第2のインダクタと自身との直列接続回路が上記スイッチング素子に対して並列となる関係により接続されるようにして設けられる一次側直列共振コンデンサと、
上記第2のインダクタを一次巻線として巻装するとともに、該一次巻線に得られたスイッチング出力により交番電圧が誘起される二次巻線を巻装して形成され、疎結合とみなされる所要の一次側と二次側との総合結合係数が得られるようにして、自身の結合係数が設定されるコンバータトランスと、
上記コンバータトランスの二次巻線に誘起される交番電圧を入力して整流動作を行って、二次側直流出力電圧を生成するように構成された二次側直流出力電圧生成手段とを備える、
ことを特徴とするスイッチング電源回路。
A rectifying / smoothing circuit that is formed with at least a rectifying element and a smoothing capacitor, and generates a rectified smoothing voltage as a voltage across the smoothing capacitor by inputting a commercial AC power supply and rectifying and smoothing;
A switching element that performs switching by inputting the rectified and smoothed voltage as a DC voltage;
Switching driving means for switching and driving the switching element;
A first inductor inserted in series with respect to a path through which the rectified and smoothed voltage is input to the switching element;
A primary side that is connected in parallel with the switching element and forms a primary side parallel resonant circuit in which a predetermined first resonance frequency is set by at least the inductance of the first inductor and its own capacitance. A parallel resonant capacitor;
A second inductor;
A predetermined second resonance frequency that is considered to be equivalent to the first resonance frequency by at least the inductance of the second inductor and its own capacitance by being connected in series with the second inductor. Forming a primary side series resonant circuit in which a series connection circuit of the second inductor and itself is connected in parallel with the switching element. When,
The second inductor is wound as a primary winding, and is formed by winding a secondary winding in which an alternating voltage is induced by the switching output obtained in the primary winding. A converter transformer in which its own coupling coefficient is set so that a total coupling coefficient between the primary side and the secondary side can be obtained;
A secondary side DC output voltage generating means configured to input an alternating voltage induced in the secondary winding of the converter transformer and perform a rectifying operation to generate a secondary side DC output voltage;
A switching power supply circuit.
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