JP2007068380A - Switching power circuit - Google Patents

Switching power circuit Download PDF

Info

Publication number
JP2007068380A
JP2007068380A JP2005255182A JP2005255182A JP2007068380A JP 2007068380 A JP2007068380 A JP 2007068380A JP 2005255182 A JP2005255182 A JP 2005255182A JP 2005255182 A JP2005255182 A JP 2005255182A JP 2007068380 A JP2007068380 A JP 2007068380A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
winding
voltage
circuit
primary
switching
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Abandoned
Application number
JP2005255182A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Masayuki Yasumura
昌之 安村
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sony Corp
Original Assignee
Sony Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sony Corp filed Critical Sony Corp
Priority to JP2005255182A priority Critical patent/JP2007068380A/en
Priority to TW095130247A priority patent/TW200721653A/en
Priority to US11/508,497 priority patent/US7447048B2/en
Priority to EP06254503A priority patent/EP1760868A3/en
Priority to KR1020060083272A priority patent/KR20070026180A/en
Priority to CN 200610127995 priority patent/CN1925300A/en
Publication of JP2007068380A publication Critical patent/JP2007068380A/en
Abandoned legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • Y02B70/1433
    • Y02B70/1491

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a single-end resonant converter which becomes ZVS (zero voltage switching) in all corresponding load ranges. <P>SOLUTION: A primary-side switching converter is constituted as an E-class resonance; a first primary-side series resonance circuit of the E-class resonant converter is formed of a leakage inductance generated in a primary winding N1 of an insulation converter transformer PIT and a series resonance capacitor C11; a second primary-side series resonance circuit is formed of an inductance generated in a choke coil winding N10 and a series resonance capacitor C11; and a primary-side parallel resonance circuit is formed of a leakage inductance generated in the primary winding N1 of the insulation converter transformer PIT, an inductance generated in the choke coil winding N10, and a parallel resonance capacitor Cr. Further, a winding ratio between a first secondary winding N2 and a second secondary winding N2' is determined as a secondary winding of the insulation converter transformer PIT so that the size of currents flowing through a rectifier diode D01 and a rectifier diode D02, which are generated due to magnetic flux of different polarity can become the same. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、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.

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 in the practical application of a voltage resonance type converter 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9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。
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。
FIG. 9 shows a configuration example of a switching power supply circuit including a voltage resonance type converter by a single end system.
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Q1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 adopts a single-end configuration including one switching element Q1. 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のドレイン−ソース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 between the drain and source 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字形状コアを組み合わせたEE字形コアを備える。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字形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字形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-shaped core that is a combination of E-shaped cores made of a ferrite material 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-shaped core.
In addition, a gap of about 1.0 mm is formed with respect to the central magnetic leg of the EE-shaped 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 As a result, 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のレベルに応じて周波数などを可変したドライブ信号を出力することで、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。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 outputs a drive signal having a variable frequency according to the level of the secondary side DC output voltage Eo indicated by the input detection output, so that the secondary side DC output voltage Eo is at a predetermined level. The switching operation of the switching element Q1 is controlled so as to be constant. Thereby, stabilization control of the secondary side DC output voltage Eo is performed.

図10及び図11は、上記図9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9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。
10 and 11 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. 9 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10は、図9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10(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10(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10(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. 10 is a waveform diagram showing the operation of the main part in the power supply circuit shown in FIG. 9 by the switching cycle of the switching element Q1, and FIG. 10A 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. 10B 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. 10C shows the voltage V1 and the switching current IQ1 when the minimum load power Pomin = 0 W.
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 on and becomes a sinusoidal resonance pulse in the period TOFF in which the switching element Q1 is 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10(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. 10A, as the operation of the secondary side rectifier circuit, the rectified currents ID1 and ID2 flowing in 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11は、図9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. 11 shows the switching frequency fs with respect to the load fluctuation, the ON period TON, the OFF period TOFF, and the AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) with respect to the load variation for the power supply circuit shown in FIG.
First, looking at the 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 the 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11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9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9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. 11, a switching operation as a constant voltage control characteristic with respect to load fluctuations in the power supply circuit shown in FIG. 9 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. 9 stabilizes the secondary side DC output voltage Eo.

図12は、図9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9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9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12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12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. 12 schematically shows the constant voltage control characteristics of the power supply circuit shown in FIG. 9 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. 9 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. 9 has a relationship of fo1≈2.8 × fo2, as shown in FIG. 12, 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. Then, under the characteristics shown in FIG. 12, when the constant voltage control is attempted with the rated level tg of the secondary side DC output voltage Eo, the variable range (necessary control range) of the switching frequency fs necessary for that purpose is , Δfs can be expressed as a section.

図12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9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10(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+TOzN)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. 12 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. 9, 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. Note that this indicates that one switching cycle (TOFF + TOzN) shown in FIGS. 10A, 10B, and 10C when the maximum load power Pomax = 200 W, the load power Po = 100 W, and the minimum load power Pomin = 0 W is shown. 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9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10の波形図において、図10(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10(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. 9 has the following problems.
In the waveform diagram of FIG. 10 described above, the switching current IQ1 at the maximum load power Pomax shown in FIG. 10A is 0 level until the end of the off period TOFF that 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. 10B is the timing before the end of the turn-off timing OFF period TOFF, and the switching current IQ1 is noise. The movement which flows automatically is obtained. This operation is an abnormal operation in which ZVS is not properly performed.

つまり、図9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9の電源回路の実際としては、例えば図11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10(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。
In other words, as shown in FIG. 9, it is known that the voltage resonance type converter including the secondary side series resonance circuit has an abnormal operation in which ZVS is not properly executed at an intermediate load. In practice, the power supply circuit of FIG. 9 has been confirmed to have such an abnormal operation 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 the characteristic that high efficiency can be satisfactorily maintained with respect to the 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。
商用交流電源を整流平滑化して整流平滑電圧を生成する一次側整流素子および一次側平滑コンデンサを有する一次側整流平滑回路と、上記整流平滑電圧をスイッチングして交流電圧に変換するスイッチング素子と、上記交流電圧を一次巻線に入力し、二次巻線に交流電圧を生成するコンバータトランスと、上記二次巻線に生じる交流電圧を整流平滑して出力直流電圧を生成する二次側整流素子および二次側平滑コンデンサを有する二次側整流平滑回路と、上記出力直流電圧に基づいて上記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段と、を備えるスイッチング電源回路において、
上記一次側整流平滑回路の出力端に接続されたチョークコイルを介して上記コンバータトランスの一次巻線の一方の巻線端に上記整流平滑電圧を供給し、上記コンバータトランスの一次巻線の他方の巻線端に上記スイッチング素子を接続して上記交流電圧を発生し、上記コンバータトランスの一次巻線の一方の巻線端と上記チョークコイルとの接続点に直列共振コンデンサを接続することによって、上記チョークコイルの有するインダクタンスと上記直列共振コンデンサとで共振周波数が支配を受ける第一の直列共振回路と、上記コンバータトランスの上記一次巻線に生じる漏れインダクタンスと上記直列共振コンデンサとで共振周波数が支配を受ける第二の直列共振回路とを形成するとともに、上記第一の直列共振回路の共振周波数と上記第二の直列共振回路の共振周波数とを略等しく設定し、上記スイッチング素子に並列に接続される一次側並列共振コンデンサと上記チョークコイルの有するインダクタンスおよび上記一次巻線に生じる漏れインダクタンスとで共振周波数が支配を受ける並列共振回路を形成するとともに、上記並列共振回路の共振周波数を上記第一の直列共振回路の共振周波数および上記第二の直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数に設定し、上記二次巻線は、第一の二次巻線と第二の二次巻線とを有してなり、上記二次側整流素子は、上記第一の二次巻線と上記第二の二次巻線との各々から相互に極性の異なる方向の電流が第一の整流ダイオードおよび第二の整流ダイオードによって取り出されるようになされるとともに、上記相互に極性の異なる方向の電流の大きさが略等しくなるように上記第一の二次巻線と上記第二の二次巻線との巻線比を定めることを特徴とする。
In view of the above problems, the present invention is configured as a switching power supply circuit as follows.
A primary-side rectifying and smoothing circuit having a primary-side rectifying element and a primary-side smoothing capacitor that rectifies and smoothes a commercial AC power supply to generate a rectified and smoothed voltage; a switching element that switches the rectified and smoothed voltage to an AC voltage; and A converter transformer that inputs an AC voltage to the primary winding and generates an AC voltage in the secondary winding; a secondary-side rectifying element that generates an output DC voltage by rectifying and smoothing the AC voltage generated in the secondary winding; In a switching power supply circuit comprising a secondary side rectifying and smoothing circuit having a secondary side smoothing capacitor, and switching element control means for controlling the switching element based on the output DC voltage,
The rectified and smoothed voltage is supplied to one winding end of the primary winding of the converter transformer via a choke coil connected to the output end of the primary side rectifying and smoothing circuit, and the other primary winding of the converter transformer is supplied. The switching element is connected to a winding end to generate the AC voltage, and a series resonance capacitor is connected to a connection point between one winding end of the primary winding of the converter transformer and the choke coil. The resonance frequency is dominated by the first series resonance circuit whose resonance frequency is governed by the inductance of the choke coil and the series resonance capacitor, the leakage inductance generated in the primary winding of the converter transformer, and the series resonance capacitor. Forming a second series resonant circuit that receives the resonance frequency of the first series resonant circuit and the above The resonance frequency of the two series resonance circuits is set to be approximately equal, and the resonance frequency is determined by the primary side parallel resonance capacitor connected in parallel to the switching element, the inductance of the choke coil, and the leakage inductance generated in the primary winding. Forming a parallel resonance circuit to be controlled, and setting the resonance frequency of the parallel resonance circuit to a frequency higher than the resonance frequency of the first series resonance circuit and the resonance frequency of the second series resonance circuit; The secondary winding includes a first secondary winding and a second secondary winding, and the secondary-side rectifying element includes the first secondary winding and the second secondary winding. Currents having different polarities from each other are taken out by the first rectifier diode and the second rectifier diode from each of the windings. And wherein the determining the winding ratio of the secondary winding the diameter so as to be substantially equal to the first secondary winding the second current of.

上記構成による電源回路は、商用交流電源を整流平滑化して整流平滑電圧を生成する一次側整流素子および一次側平滑コンデンサを有する一次側整流平滑回路と、上記整流平滑電圧をスイッチングして交流電圧に変換するスイッチング素子と、上記交流電圧を一次巻線に入力し、二次巻線に交流電圧を生成するコンバータトランスと、上記二次巻線に生じる交流電圧を整流平滑して出力直流電圧を生成する二次側整流素子および二次側平滑コンデンサを有する二次側整流平滑回路と、上記出力直流電圧に基づいて上記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段と、を備える。よって、商用交流電源から所定の出力直流電圧を得ることができる。
そして、以下の特徴を有している。上記一次側整流平滑回路の出力端に接続されたチョークコイルを介して上記コンバータトランスの一次巻線の一方の巻線端に上記整流平滑電圧を供給し、上記コンバータトランスの一次巻線の他方の巻線端に上記スイッチング素子を接続して上記交流電圧を発生する。よって、所謂、E級動作に近いものとなり、平滑整流回路から供給される電流は直流に近い脈流波形となる。
また、上記コンバータトランスの一次巻線の一方の巻線端と上記チョークコイルとの接続点に直列共振コンデンサを接続することによって、上記チョークコイルの有するインダクタンスと上記直列共振コンデンサとで共振周波数が支配を受ける第一の直列共振回路と、上記コンバータトランスの上記一次巻線に生じる漏れインダクタンスと上記直列共振コンデンサとで共振周波数が支配を受ける第二の直列共振回路とを形成するとともに、上記第一の直列共振回路の共振周波数と上記第二の直列共振回路の共振周波数とを略等しく設定し、上記スイッチング素子に並列に接続される一次側並列共振コンデンサと上記チョークコイルの有するインダクタンスおよび上記一次巻線に生じる漏れインダクタンスとで共振周波数が支配を受ける並列共振回路を形成するとともに、上記並列共振回路の共振周波数を上記第一の直列共振回路の共振周波数および上記第二の直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数に設定する。よって、所謂、電流・電圧共振型のコンバータを構成し、交流電圧の周波数を狭い範囲で制御して出力直流電圧の制御ができる。
また、上記二次巻線は、第一の二次巻線と第二の二次巻線とを有してなり、上記二次側整流素子は、上記第一の二次巻線と上記第二の二次巻線との各々から相互に極性の異なる方向の電流が第一の整流ダイオードおよび第二の整流ダイオードによって取り出されるようになされるとともに、上記相互に極性の異なる方向の電流の大きさが略等しくなるように上記第一の二次巻線と上記第二の二次巻線との巻線比を定める。よって、二次巻線から効率良く電流を取り出せる。
The power supply circuit having the above configuration includes a primary side rectifying and smoothing circuit having a primary side rectifying element and a primary side smoothing capacitor for rectifying and smoothing commercial AC power to generate a rectified and smoothed voltage, and switching the rectified and smoothed voltage to an AC voltage. A switching element for conversion, a converter transformer that inputs the AC voltage to the primary winding and generates an AC voltage in the secondary winding, and an output DC voltage by rectifying and smoothing the AC voltage generated in the secondary winding A secondary-side rectifying / smoothing circuit having a secondary-side rectifying element and a secondary-side smoothing capacitor, and switching element control means for controlling the switching element based on the output DC voltage. Therefore, a predetermined output DC voltage can be obtained from the commercial AC power supply.
And it has the following features. The rectified and smoothed voltage is supplied to one winding end of the primary winding of the converter transformer via a choke coil connected to the output end of the primary side rectifying and smoothing circuit, and the other primary winding of the converter transformer is supplied. The AC voltage is generated by connecting the switching element to a winding end. Therefore, it becomes close to the so-called class E operation, and the current supplied from the smoothing rectifier circuit has a pulsating waveform close to direct current.
In addition, by connecting a series resonant capacitor to the connection point between one winding end of the primary winding of the converter transformer and the choke coil, the resonance frequency is governed by the inductance of the choke coil and the series resonant capacitor. And a second series resonance circuit whose resonance frequency is governed by the leakage inductance generated in the primary winding of the converter transformer and the series resonance capacitor. The resonance frequency of the first series resonance circuit and the resonance frequency of the second series resonance circuit are set to be substantially equal, and the primary side parallel resonance capacitor connected in parallel to the switching element, the inductance of the choke coil, and the primary winding A parallel circuit whose resonance frequency is dominated by the leakage inductance generated in the wire. To form a circuit to set the resonance frequency of the parallel resonant circuit to a frequency higher than the resonant frequency of the resonant frequency and the second series resonant circuit of the first series resonant circuit. Therefore, a so-called current / voltage resonance type converter is configured, and the output DC voltage can be controlled by controlling the frequency of the AC voltage within a narrow range.
The secondary winding includes a first secondary winding and a second secondary winding, and the secondary-side rectifying element includes the first secondary winding and the second secondary winding. Current from each of the two secondary windings having different polarities is taken out by the first rectifier diode and the second rectifier diode, and the magnitudes of the currents having different polarities from each other are obtained. The winding ratio between the first secondary winding and the second secondary winding is determined so that the two are substantially equal. Therefore, current can be efficiently extracted from the secondary winding.

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。
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。
さらに、上記のようにして、電源回路内に流れる電流量の低減に応じて電力損失の低減が図られることで、総合的な電力変換効率特性は大幅に向上する。
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.
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.
Furthermore, as described above, the power loss is reduced according to the reduction in the amount of current flowing in the power supply circuit, so that the overall power conversion efficiency characteristic is greatly improved.

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6及び図7を参照して説明しておく。
図6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、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。この場合のボディダイオードDDの順方向は、ソースからドレインへの方向に沿ったものとなる。
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、一次側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. 6 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. In the switching element Q1 as the MOS-FET, a body diode DD is formed so as to be connected in parallel between the drain and the source. The forward direction of the body diode DD in this case is along the direction from the source to the drain.
Similarly, a primary side 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一次側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。また、スイッチング素子を1つのみ備えて形成される点では、シングルエンド方式の電圧共振形コンバータと同じであるといえる。   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 primary side parallel resonance capacitor Cr, an inductance of the choke coil L11, and a capacitance of the series resonance capacitor C11. It can be considered that this is a form of a composite resonance type converter including a series resonance circuit. In addition, it can be said that it is the same as a single-ended voltage resonant converter in that it is formed with only one switching element.

図7は、上記図6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. 7 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、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 primary side parallel resonant capacitor Cr. It becomes a composite and becomes a waveform including 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。   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.

本願の発明者は、上記基本構成に基づくE級スイッチングコンバータを適用して電源回路を構成し、この電源回路について実験を行った。この電源回路の構成例を図8の回路図に示す。   The inventor of the present application applied a class E switching converter based on the above basic configuration to configure a power supply circuit, and conducted an experiment on this power supply circuit. A configuration example of this power supply circuit is shown in a circuit diagram of FIG.

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 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6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。このチョークコイルL10としてのインダクタ(第1のインダクタ)は、図6に示したE級スイッチングコンバータにおけるチョークコイルL10に相当する機能部位となる。
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. The inductor (first inductor) as the choke coil L10 is a functional part corresponding to the choke coil L10 in the class E switching converter shown in FIG.
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もので、このために、一次巻線N1と二次巻線N2が巻装される。   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 isolated. For this purpose, the primary winding N1 and the secondary side Winding N2 is wound.

この場合の絶縁コンバータトランスPITの構造としては、一例として、フェライト材によるE字形状コアを組み合わせたEE字形コアを備える。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字形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字形コアの中央磁脚に対しては1.6mm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=0.75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。
As an example of the structure of the insulating converter transformer PIT in this case, an EE-shaped core obtained by combining an E-shaped core made of a ferrite material 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-shaped core.
In addition, a gap of about 1.6 mm is formed with respect to the central magnetic leg of the EE-shaped core of the insulating converter transformer PIT, whereby k = 0.75 between the primary side and the secondary side. A degree of coupling coefficient k 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.

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。
この二次巻線N2に対しては、二次側直列共振コンデンサC2を直列となる接続関係によりに接続している。これにより、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を形成する。この二次側直列共振回路は、後述する二次側整流回路の整流動作に応じて共振動作を行うが、これにより、二次巻線N2に流れる二次巻線電流は正弦波状となる。つまり、二次側において電流共振動作が得られる。
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.
A secondary side series resonance capacitor C2 is connected to the secondary winding N2 by a serial connection relationship. Thus, a secondary side series resonance circuit is formed by the leakage inductance L2 of the secondary winding N2 and the capacitance of the secondary side series resonance capacitor C2. This secondary side series resonance circuit performs a resonance operation in accordance with a rectification operation of a secondary side rectifier circuit described later, and thereby the secondary winding current flowing in the secondary winding N2 becomes a sine wave. That is, a current resonance operation is obtained on the secondary side.

この場合の二次側整流回路は、上記のようにして二次側直列共振コンデンサC2が直列接続された二次巻線N2に対して、2本の整流ダイオードDo1,Do2と、1本の平滑コンデンサCoを接続することで、倍電圧半波整流回路として形成される。この倍電圧半波整流回路の接続態様としては、まず、二次巻線N2の巻き終わり端部側に対して、二次側直列共振コンデンサC2を介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。また、整流ダイオードDo1のカソードを平滑コンデンサCoの正極端子に接続する。二次巻線N2の巻始め端部と、整流ダイオードDo2のアノードは、二次側アース電位にて平滑コンデンサCoの負極端子と接続する。   The secondary side rectifier circuit in this case has two rectifier diodes Do1 and Do2 and one smoothing with respect to the secondary winding N2 to which the secondary side series resonant capacitor C2 is connected in series as described above. By connecting the capacitor Co, a double voltage half-wave rectifier circuit is formed. As a connection mode of the voltage doubler half-wave rectifier circuit, first, the anode of the rectifier diode Do1 and the rectifier diode Do2 are connected to the winding end end side of the secondary winding N2 via the secondary side series resonant capacitor C2. Connect the cathode. Further, the cathode of the rectifier diode Do1 is connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Co. The winding start end of the secondary winding N2 and the anode of the rectifier diode Do2 are connected to the negative terminal of the smoothing capacitor Co at the secondary side ground potential.

このようにして形成される倍電圧半波整流回路の整流動作は次のようになる。
先ず、二次巻線N2に誘起される交番電圧である二次巻線N2の両端電圧(二次巻線電圧)の一方の極性に対応する半周期においては、整流ダイオードDo2に順方向電圧が印加されることになるので、整流ダイオードDo2が導通し、整流電流を二次側直列共振コンデンサC2に対して充電する動作が得られる。これによって、二次側直列共振コンデンサC2には、二次巻線N2に誘起される交番電圧レベルの等倍に対応したレベルの両端電圧が生成される。次の、二次巻線電圧V2の他方の極性に対応する半周期においては、整流ダイオードDo2に順方向電圧が印加されて導通する。このとき、平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線電圧V1の電位と、上記二次側直列共振コンデンサC2の両端電圧とが重畳された電位により充電が行われる。
これによって平滑コンデンサCoの両端電圧としては、二次巻線N2に励起される交番電圧レベルの2倍に対応したレベルによる二次側直流出力電圧Eoが得られることになる。
この整流動作では、平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線N2に励起される交番電圧の一方の半周期にのみ充電が行われる。つまり、倍電圧半波としての整流動作が得られている。また、このような整流動作では、二次巻線N2と二次側直列共振コンデンサC2の直列接続により形成される二次側直列共振回路の共振出力について整流動作を行っているものとしてみることができる。
このようにして生成される二次側直流出力電圧Eoは、負荷に供給される。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。
The rectification operation of the voltage doubler half-wave rectifier circuit thus formed is as follows.
First, in the half cycle corresponding to one polarity of the voltage across the secondary winding N2 (secondary winding voltage), which is an alternating voltage induced in the secondary winding N2, a forward voltage is applied to the rectifier diode Do2. As a result, the rectifier diode Do2 becomes conductive, and an operation of charging the rectified current to the secondary side series resonant capacitor C2 is obtained. As a result, a voltage across the level corresponding to the same multiple of the alternating voltage level induced in the secondary winding N2 is generated in the secondary side series resonance capacitor C2. In the next half cycle corresponding to the other polarity of the secondary winding voltage V2, a forward voltage is applied to the rectifier diode Do2 to conduct. At this time, the smoothing capacitor Co is charged with a potential obtained by superimposing the potential of the secondary winding voltage V1 and the voltage across the secondary side series resonance capacitor C2.
As a result, the secondary side DC output voltage Eo having a level corresponding to twice the alternating voltage level excited by the secondary winding N2 is obtained as the voltage across the smoothing capacitor Co.
In this rectification operation, the smoothing capacitor Co is charged only in one half cycle of the alternating voltage excited by the secondary winding N2. That is, a rectification operation as a double voltage half wave is obtained. Further, in such a rectifying operation, it may be considered that the rectifying operation is performed on the resonance output of the secondary side series resonance circuit formed by the series connection of the secondary winding N2 and the secondary side series resonance capacitor C2. it can.
The secondary side DC output voltage Eo thus generated is supplied 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スイッチング周波数を可変し、また、これに伴って、1スイッチング周期におけるオン期間TONとオフ期間TOFFの時比率(導通角)を可変するようにして、スイッチング素子Q1を駆動する。この動作が二次側直流出力電圧に対する定電圧制御動作となる。   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 frequency is varied in accordance with the input detection output of the control circuit 1, and the time ratio (conduction angle) between the ON period TON and the OFF period TOFF in one switching cycle is accordingly accompanied. Is switched so as to drive the switching element Q1. This operation is a constant voltage control operation for the secondary side DC output voltage.

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及び導通角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、電力伝送有効期間が変化し、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。   By variably controlling the switching frequency and conduction angle of the switching element Q1 as described above, the primary side and secondary side resonance impedances and the power transmission effective period in the power supply circuit are changed, and the primary winding of the insulating converter transformer PIT is changed. The amount of power transmitted from the line N1 to the secondary winding N2 side and the amount of power to be supplied from the secondary side rectifier circuit to the load 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図8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6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、図8におけるスイッチングコンバータは、図6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の巻線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、図8における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コンデンサCrのキャパシタンスとによって一次側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一次側直列共振回路を形成する。
このことから、図8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。つまり、図8に示す電源回路は一次側にE級スイッチングコンバータを備えるDC-DCコンバータとして構成される。
また、このようにして形成される一次側の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 FIG. 8 formed as described above, and the circuit configuration as the class E converter previously shown in FIG. 8, the switching converter in FIG. 8 omits the load impedance Z from the circuit of FIG. 6, and the winding of the choke coil L11 is replaced with the primary winding N1 (leakage inductance L1) of the insulating converter transformer PIT. It can be seen as a replacement. Further, in the primary side switching converter in FIG. 8, a primary side parallel resonance circuit is formed by the inductance of the choke coil L10 and the capacitance of the primary side parallel resonance capacitor Cr, and the leakage inductance L1 of the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT A primary side series resonance circuit is formed by the capacitance of the primary side series resonance capacitor C11.
From this, it can be said that the primary side switching converter of FIG. 8 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. That is, the power supply circuit shown in FIG. 8 is configured as a DC-DC converter including a class E switching converter on the primary side.
In addition, the primary class E switching converter formed in this way has a choke coil L10 and a primary side parallel resonant capacitor Cr together with the switching element Q1 (and body diode DD) forming a voltage resonant converter. It can also be regarded as a configuration of a composite resonance type converter and a soft switching power source 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.

ところで、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、先に従来例として図9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9の電源回路では、図10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9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。
By the way, 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 that it cannot be put into practical use as it is. It is considered. Therefore, as shown in FIG. 9 as a prior art example, a power supply circuit in which a secondary side series resonant circuit is provided for a primary side voltage resonant converter and a voltage doubler half-wave rectifier circuit is formed as a secondary side rectifier circuit. As a result of an experiment conducted by the inventor of the present invention, 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. 9, as described with reference to FIG. 10, in the intermediate load, the switching element Q <b> 1 is in the positive direction (in this case, the drain → source direction) before the switching element Q <b> 1 is off. ) 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. 9, it was still difficult to put into practical use.

図8により説明した電源回路は、上記しているように、一次側に電圧共振形コンバータの回路形態を備える複合共振形のスイッチングコンバータである、という点では、図9に示した従来の電源回路と共通の構成を採っているといえる。
しかしながら、この図8の電源回路について実験を行ったところ、中間負荷時においてZVSが得られなくなる異常動作が解消され、所定の対応負荷電力の全範囲において正常なスイッチング動作が得られることが確認された。
As described above, the power supply circuit described with reference to FIG. 8 is a composite resonance type switching converter having a circuit form of a voltage resonance type converter on the primary side. It can be said that it has a common configuration.
However, when the power supply circuit of FIG. 8 was tested, it was confirmed that the abnormal operation in which ZVS could not be obtained at the intermediate load was eliminated, and normal switching operation was obtained over the entire range of the predetermined corresponding load power. It was.

図9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。つまり、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ることができる。このことに基づき、先ず、図8に示す電源回路としては、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ものである。
このような構成が要因となって、図8の電源回路では、二次側に対して直列共振回路を設ける、あるいは設けない場合とに関わらず、中間負荷時においてZVSが得られなくなる異常動作が解消されることとなった。
It has been confirmed that the abnormal operation at the intermediate load of the power supply circuit shown in FIG. 9 is likely to occur when a complex resonant converter of the type provided with a secondary series resonant circuit is configured in the voltage resonant converter. 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. That is, it can be understood that the abnormal operation at the time of the intermediate load described above is mainly due to the circuit configuration in which the primary side voltage resonance type converter and the secondary side series resonance circuit are combined. Based on this, first, the power supply circuit shown in FIG. 8 has a configuration in which a class E switching converter is applied as the primary side switching converter instead of the voltage resonance type converter.
Due to such a configuration, the power supply circuit of FIG. 8 has an abnormal operation in which ZVS cannot be obtained at an intermediate load regardless of whether or not a series resonance circuit is provided on the secondary side. It was canceled.

このようにして、図8の電源回路では、従来例としての図9の電源回路において問題となっていた中間負荷時における異常動作が解消されている。
しかしながら、図8の電源回路では、図9の電源回路では備えられていないチョークコイルL10を、直流入力電圧がスイッチングコンバータに流入するラインに対して挿入している。このチョークコイルL10は、例えば1mH程度とされて、チョークコイルL11に相当する絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1と比較して、相当に大きなインダクタンスを有する。このために、チョークコイルL10における鉄損、銅損などによる電力損失も相応に大きく、これにより、電源回路全体としての電力変換効率の低下も相応に顕著なものとなってくる。例えば、図9の電源回路との比較では、図8の電源回路のAC→DC電力変換効率(ηAC→DC)の値は1%程度低下することが実験により確認された。
また、図8の電源回路では、上記のようにして、チョークコイルL10について相当に大きいとされるインダクタンスを設定する必要上から、例えばチョークコイルL10を構成するためのコアなどについて比較的大型の部品を選定することになる。このことがコストダウンや、回路の小型化などを促進することの妨げの要因になる。
In this manner, in the power supply circuit of FIG. 8, the abnormal operation at the intermediate load, which is a problem in the power supply circuit of FIG. 9 as the conventional example, is eliminated.
However, in the power supply circuit of FIG. 8, the choke coil L10 that is not provided in the power supply circuit of FIG. 9 is inserted into the line through which the DC input voltage flows into the switching converter. The choke coil L10 is, for example, about 1 mH, and has a considerably large inductance as compared with the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT corresponding to the choke coil L11. For this reason, the power loss due to iron loss, copper loss, etc. in the choke coil L10 is correspondingly large, and as a result, the reduction in power conversion efficiency of the entire power supply circuit becomes correspondingly significant. For example, in comparison with the power supply circuit of FIG. 9, it has been confirmed by experiments that the value of AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) of the power supply circuit of FIG. 8 is reduced by about 1%.
Further, in the power supply circuit shown in FIG. 8, since it is necessary to set an inductance that is considerably large for the choke coil L10 as described above, relatively large components such as a core for forming the choke coil L10 are used. Will be selected. This becomes a hindrance to promoting cost reduction and circuit miniaturization.

そこで、本実施の形態としては、図8に示した電源回路からさらに推し進め、電源回路としてE級スイッチングコンバータを適用することで、中間負荷時における異常動作を解消したうえで、さらに、上記している電力変換効率の低下を補償して電力変換効率を向上させ、また、チョークコイルL10に相当する部品についての小型化が図られるようにするための構成を提案する。
このような本実施の形態としての電源回路として、第1の実施の形態の電源回路の構成例を図1に示す。なお、この図において、図8と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
Therefore, in the present embodiment, the power supply circuit shown in FIG. 8 is further advanced, and the class E switching converter is applied as the power supply circuit to eliminate the abnormal operation at the intermediate load. The present invention proposes a configuration for improving the power conversion efficiency by compensating for the decrease in the power conversion efficiency, and reducing the size of the parts corresponding to the choke coil L10.
As such a power supply circuit according to this embodiment, a configuration example of the power supply circuit according to the first embodiment is shown in FIG. In this figure, the same parts as those in FIG.

先ず、図1に示す電源回路においては、チョークコイル巻線N10の一方の端部を平滑コンデンサCiの正極端子と接続し、チョークコイル巻線N10の他方の端部を一次巻線N1の一方の端部と接続する。また、この場合の一次側直列共振コンデンサC11は、一方の極の端部が一次巻線N1の一方の端部とチョークコイル巻線N10の他方の端部との接続点に対して接続され、他方の極の端部が一次側アース電位にて一次側並列共振コンデンサCrの一方の極とスイッチング素子Q1のソースとの接続点に対して接続されることで、一次側直列共振コンデンサC11と一次巻線N1との直列接続の関係が得られるようにされている。
なお、この場合にも、一次側並列共振コンデンサCrは、スイッチング素子Q1のソース−ドレインに対して並列の関係となるようにして接続されている。
First, in the power supply circuit shown in FIG. 1, one end of the choke coil winding N10 is connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Ci, and the other end of the choke coil winding N10 is connected to one of the primary windings N1. Connect to the end. In this case, the primary side series resonant capacitor C11 has one end connected to a connection point between one end of the primary winding N1 and the other end of the choke coil winding N10. The end of the other pole is connected to the connection point between one pole of the primary side parallel resonant capacitor Cr and the source of the switching element Q1 at the primary side ground potential, so that the primary side series resonant capacitor C11 and the primary side are connected. A series connection relationship with the winding N1 is obtained.
Also in this case, the primary side parallel resonant capacitor Cr is connected in parallel with the source-drain of the switching element Q1.

本実施の形態において、上記のようにして挿入されるチョークコイル巻線N10は、図6若しくは図8におけるチョークコイルL10としての巻線に相当する。本実施の形態では、このチョークコイル巻線N10は、所定形状サイズのコアに巻装され、これによりチョークコイルPCCとしての部品素子を構成するようにされる。   In the present embodiment, the choke coil winding N10 inserted as described above corresponds to the winding as the choke coil L10 in FIG. 6 or FIG. In the present embodiment, the choke coil winding N10 is wound around a core of a predetermined shape size, thereby constituting a component element as the choke coil PCC.

上記したような回路形態では、一次側並列共振回路は、チョークコイル巻線N10と一次巻線N1とによる直列接続回路と、この直列接続回路に対して並列接続される一次側並列共振コンデンサCrとに基づいて、チョークコイル巻線N10(チョークコイルPCC)のインダクタンスL10と、一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1とにより得られる合成インダクタンスと、一次側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ものとなる。
また、一次側直列共振回路としては、一次側直列共振コンデンサC11と一次巻線N1との直列接続に基づいて、一次側直列共振コンデンサC11のキャパシタンスと、一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1とにより形成される第1の一次側直列共振回路を備える。また、チョークコイル巻線N10と一次側直列共振コンデンサC11との直列接続に基づいて、チョークコイル巻線N10のインダクタンスL10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って形成される第2の一次側直列共振回路を備える。
In the circuit configuration as described above, the primary side parallel resonant circuit includes a series connection circuit including the choke coil winding N10 and the primary winding N1, and a primary side parallel resonance capacitor Cr connected in parallel to the series connection circuit. Is formed by the combined inductance obtained by the inductance L10 of the choke coil winding N10 (choke coil PCC), the leakage inductance L1 of the primary winding N1, and the capacitance of the primary parallel resonant capacitor Cr. Become.
The primary side series resonant circuit is formed by the capacitance of the primary side series resonant capacitor C11 and the leakage inductance L1 of the primary winding N1, based on the series connection of the primary side series resonant capacitor C11 and the primary winding N1. The first primary side series resonant circuit is provided. Further, based on the series connection of the choke coil winding N10 and the primary side series resonance capacitor C11, a second primary side series formed by the inductance L10 of the choke coil winding N10 and the capacitance of the primary side series resonance capacitor C11. A resonance circuit is provided.

スイッチング素子Q1がスイッチング動作を行うのに応じて、上記一次側並列共振回路の電圧共振動作により、スイッチング素子Q1がオフとなる期間において一次側並列共振コンデンサCrに対して充放電電流を流す。この充放電電流により、一次側並列共振コンデンサCrの両端電圧として、略半波の正弦波状の共振パルス電圧が発生する。図1の回路では、一次側並列共振回路において一次巻線N1が挿入されていることから、一次巻線N1においては、スイッチング電流に応じて生じる交番電圧に対して、この共振パルス電圧が重畳される動作が生じる。
また、第1の一次側直列共振回路は、スイッチング素子Q1のオン時において、一次側直列共振コンデンサC11−一次巻線N1−スイッチング素子Q1の経路で共振電流が流れるようにして共振動作を行う。
また、第2の一次側直列共振回路は、スイッチング素子Q1のスイッチング動作に応じて、一次側直列共振コンデンサC11−チョークコイル巻線N10−平滑コンデンサCiの経路を共振電流が流れるようにして共振動作を行う。
このようにして第1の一次側直列共振回路及び第2の一次側直列共振回路が複合的に動作することによって、例えば一次巻線N1に流れるべき直列共振電流が、チョークコイル巻線N10に対しても分流して流れることになる。
また、第1の一次側直列共振回路に対応する、一次側直列共振コンデンサC11−一次巻線N1−スイッチング素子Q1の電流経路と、第2の一次側直列共振回路に対応する、一次側直列共振コンデンサC11−チョークコイル巻線N10−平滑コンデンサCiの電流経路とを、スイッチング周期の交流的にみた場合には、両者の電流経路は、一次側直列共振コンデンサC11を共通として、並列的な関係にあるものとしてみることができる。
In response to the switching operation of the switching element Q1, a charge / discharge current is supplied to the primary side parallel resonance capacitor Cr during the period when the switching element Q1 is turned off by the voltage resonance operation of the primary side parallel resonance circuit. This charging / discharging current generates a substantially half-wave sinusoidal resonant pulse voltage as the voltage across the primary parallel resonant capacitor Cr. In the circuit of FIG. 1, since the primary winding N1 is inserted in the primary side parallel resonance circuit, the resonance pulse voltage is superimposed on the alternating voltage generated according to the switching current in the primary winding N1. Occurs.
The first primary-side series resonance circuit performs a resonance operation so that a resonance current flows through the path of the primary-side series resonance capacitor C11-primary winding N1-switching element Q1 when the switching element Q1 is on.
Further, the second primary side series resonance circuit performs a resonance operation such that a resonance current flows through the path of the primary side series resonance capacitor C11-choke coil winding N10-smoothing capacitor Ci according to the switching operation of the switching element Q1. I do.
In this way, the first primary side series resonant circuit and the second primary side series resonant circuit operate in combination, so that, for example, a series resonant current that should flow through the primary winding N1 is applied to the choke coil winding N10. However, it will flow separately.
Also, the primary side series resonance circuit corresponding to the first primary side series resonance circuit corresponding to the first primary side series resonance capacitor C11−the primary winding N1−the switching element Q1 and the second primary side series resonance circuit. When the current path of the capacitor C11, the choke coil winding N10, and the smoothing capacitor Ci is viewed in an alternating manner with a switching cycle, the current paths of both are in a parallel relationship with the primary side series resonance capacitor C11 in common. It can be seen as being.

このようにして共振電流が分流するので、一次側巻線N1の両端に得られるインダクタンス(L1)とチョークコイル巻線N10の両端に得られるインダクタンス(L10)とを等しくすることが可能となり、チョークコイル巻線N10を施したチョークコイルPCCのサイズを小型化することができる。そして、第1の一次側直列共振回路の共振周波数は、一次巻線N1に生じる漏れインダクタンス(L1)の値と一次側直列共振コンデンサC11の値によって支配を受け、第2の一次側直列共振回路のチョークコイル巻線N10に得られるインダクタンス(L10)の値と一次側直列共振コンデンサC11の値とによって支配を受けるので、一次側巻線N1の両端に得られるインダクタンス(L1)とチョークコイル巻線N10の両端に得られるインダクタンス(L10)とを等しくすることによって、第1の一次側直列共振回路の共振周波数と第2の一次側直列共振回路の共振周波数とを等しくして、スイッチング素子Q1に対して、制御手段の一部をなす発信・ドライブ回路2から供給する交流信号の可変周波数が狭くても良好な制御特性を得ることができる。
なお、共振周波数が「支配を受ける」とは、一次巻線N1に生じる漏れインダクタンス(L1)の値と一次側直列共振コンデンサC11の値とに第1の一次側直列共振回路の共振周波数の値は、大きく依存し、チョークコイル巻線N10に得られるインダクタンス(L10)の値と一次側直列共振コンデンサC11の値とに第2の一次側直列共振回路の共振周波数の値に大きく依存することを言うものであって、例えば、平滑コンデンサCiも第2の一次側直列共振回路の一部を形成するものであるが、平滑コンデンサCiの値は、一次側直列共振コンデンサC11の値に比して非常に大きいので、共振周波数を支配することはない。
Since the resonance current is shunted in this way, the inductance (L1) obtained at both ends of the primary side winding N1 and the inductance (L10) obtained at both ends of the choke coil winding N10 can be made equal. The size of the choke coil PCC provided with the coil winding N10 can be reduced. The resonance frequency of the first primary side series resonance circuit is governed by the value of the leakage inductance (L1) generated in the primary winding N1 and the value of the primary side series resonance capacitor C11, and the second primary side series resonance circuit. The inductance (L1) obtained at both ends of the primary side winding N1 and the choke coil winding are controlled by the value of the inductance (L10) obtained at the choke coil winding N10 and the value of the primary side series resonance capacitor C11. By making the inductance (L10) obtained at both ends of N10 equal, the resonance frequency of the first primary side series resonance circuit is made equal to the resonance frequency of the second primary side series resonance circuit, and the switching element Q1 On the other hand, good control characteristics can be obtained even if the variable frequency of the AC signal supplied from the transmission / drive circuit 2 forming part of the control means is narrow.
The resonance frequency is “dominated” means that the value of the resonance frequency of the first primary side series resonance circuit is equal to the value of the leakage inductance (L1) generated in the primary winding N1 and the value of the primary side series resonance capacitor C11. Greatly depends on the value of the inductance (L10) obtained in the choke coil winding N10 and the value of the primary side series resonance capacitor C11, and greatly depends on the value of the resonance frequency of the second primary side series resonance circuit. For example, the smoothing capacitor Ci also forms part of the second primary side series resonance circuit, but the value of the smoothing capacitor Ci is smaller than the value of the primary side series resonance capacitor C11. It is so large that it does not dominate the resonant frequency.

また、二次側については、二次巻線に中間タップを施して、整流ダイオードD01と整流ダイオードD02に流れる電流を同等となるように設定している。このように整流ダイオードD01と整流ダイオードD02に流れる電流を同等となるように設定すれば、全周期に渡り均一に負荷電流が流れることとなり、スイッチング電源回路の効率の向上が図れる。
さらに、二次側部分電圧共振コンデンサC3を備えるので、部分電圧共振が生じ、整流ダイオードD01および整流ダイオードD02のオンとオフの切替点でスイッチング損失が生じることを防止でき、さらなるスイッチング電源回路の効率の向上が図れる。
On the secondary side, an intermediate tap is applied to the secondary winding so that the currents flowing through the rectifier diode D01 and the rectifier diode D02 are equal. If the currents flowing through the rectifier diode D01 and the rectifier diode D02 are set to be equal in this way, the load current flows uniformly over the entire period, and the efficiency of the switching power supply circuit can be improved.
Further, since the secondary side partial voltage resonance capacitor C3 is provided, it is possible to prevent partial voltage resonance and switching loss from occurring at the on / off switching point of the rectifier diode D01 and the rectifier diode D02. Can be improved.

以下、図1に示すスイッチング電源回路のさらに細部について説明を行う。上記構成による図1の電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスPITの構造例を図5に示す。
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字形状コア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及び二次巻線N2'を巻装する。
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字形コア(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字形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。
Hereinafter, further details of the switching power supply circuit shown in FIG. 1 will be described. FIG. 5 shows a structural example of the insulating converter transformer PIT provided in the power supply circuit of FIG. 1 having the above configuration.
As shown in this figure, the insulating converter transformer PIT includes an EE type core (EE-shaped core) in which E-shaped 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 and the secondary winding N2 ′ are wound around the other winding portion.
By attaching the bobbin B on which the primary side winding and the secondary side winding are wound in this way to the EE-shaped core (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-shaped 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字形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1.6mm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≒0.75程度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9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。本実施形態においては、コア材として、EER-35を用い、ギャップGを2.2mmとし、一次側巻線N1の巻数を50T、二次側巻線N2の巻数を35T、二次側巻線N2'の巻数を45Tに設定した。また、絶縁コンバータトランスPIT自体における一次側と二次側との結合係数kについては、例えばk=0.7より小さいとされる値が設定される。   In addition, a gap G having a gap length of about 1.6 mm or more is formed on the central magnetic leg of the EE-shaped core as shown in the figure. Thereby, as the coupling coefficient k, for example, a loosely coupled state with about k≈0.75 is obtained. That is, as a conventional technique, the state is more loosely coupled 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. In the present embodiment, EER-35 is used as the core material, the gap G is 2.2 mm, the number of turns of the primary winding N1 is 50T, the number of turns of the secondary winding N2 is 35T, and the secondary winding N2. The number of turns of 'was set to 45T. For the coupling coefficient k between the primary side and the secondary side in the insulating converter transformer PIT itself, a value that is smaller than, for example, k = 0.7 is set.

チョークコイルPCCについても、所定形状サイズのEE字形コアに対して巻線を施す構造とすることで構成できる。本実施形態においては、コア材として、ER-28を用い、ギャップGを1.2mmとし、チョークコイル巻線N10の巻数を45Tとして、インダクタL10のインダクタンス値として、303μHを得ている。   The choke coil PCC can also be configured by winding the EE-shaped core having a predetermined shape size. In the present embodiment, ER-28 is used as the core material, the gap G is 1.2 mm, the number of turns of the choke coil winding N10 is 45T, and the inductance value of the inductor L10 is 303 μH.

そして、図1に示した回路形態の電源回路について、後述する実験結果を得るのにあたり、要部については、下記のように選定した。
一次側並列共振コンデンサCr、一次側直列共振コンデンサC11、及び二次側部分電圧共振コンデンサC3の各キャパシタンスについては、
Cr=5600pF
C11=0.027μF
C3=220pF
を選定した。
また、一次側並列共振周波数f01は、85.8kHzとし、一次側直列共振コンデンサC11とインダクタL1とからなる一次側直列共振周波数f02は54.8kHz、一次側直列共振コンデンサC11とインダクタL10とからなる一次側直列共振周波数f02'は55.7kHzとして、2つの一次側直列共振周波数の値は略等しくし、一次側並列共振周波数f01に較べて一次側直列共振周波数f02及び一次側直列共振周波数f02' の周波数を低く設定した。
また、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。
And about the power supply circuit of the circuit form shown in FIG. 1, when obtaining the experimental result mentioned later, the principal part was selected as follows.
Regarding the respective capacitances of the primary side parallel resonant capacitor Cr, the primary side series resonant capacitor C11, and the secondary side partial voltage resonant capacitor C3,
Cr = 5600pF
C11 = 0.027μF
C3 = 220pF
Was selected.
The primary side parallel resonance frequency f01 is 85.8 kHz, the primary side series resonance frequency f02 composed of the primary side series resonance capacitor C11 and the inductor L1 is 54.8 kHz, and the primary side composed of the primary side series resonance capacitor C11 and the inductor L10. The series resonance frequency f02 ′ is 55.7 kHz, the values of the two primary side series resonance frequencies are substantially equal, and the frequencies of the primary side series resonance frequency f02 and the primary side series resonance frequency f02 ′ are compared to the primary side parallel resonance frequency f01. Set low.
Further, 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.

図1の電源回路の実験結果として、図2(a)、図2(b)の波形図を挙げる。この図2(a)では、最大負荷電力Pomax=300W、交流入力電圧VAC=100Vの条件での、スイッチング電圧V1、スイッチング電流IQ1、一次巻線電圧V2、チョークコイル電流I1、一次巻線電流I2、二次側交番電圧V3、二次巻線電流I3、を示している。
また、図2(b)では、最小負荷電力Pomax=0W、交流入力電圧VAC=100Vの条件での、スイッチング電圧V1、スイッチング電流IQ1、一次巻線電圧V2、チョークコイル電流I1、一次巻線電流I2、二次側交番電圧V3、二次巻線電流I3、を示している。
As an experimental result of the power supply circuit of FIG. 1, waveform diagrams of FIGS. 2 (a) and 2 (b) are given. In FIG. 2A, switching voltage V1, switching current IQ1, primary winding voltage V2, choke coil current I1, primary winding current I2 under the conditions of maximum load power Pomax = 300 W and AC input voltage VAC = 100V. , Secondary side alternating voltage V3, and secondary winding current I3.
In FIG. 2B, switching voltage V1, switching current IQ1, primary winding voltage V2, choke coil current I1, primary winding current under the conditions of minimum load power Pomax = 0W and AC input voltage VAC = 100V. I2, secondary side alternating voltage V3, and secondary winding current I3 are shown.

図2(a)に示す波形図により、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は、チョークコイル巻線N10のインダクタンスL10と、一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1の合成インダクタンスを介するようにして流れることになる。このために、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脈流となる。
The basic operation of the power supply circuit of FIG. 1 will be described with reference to the waveform diagram 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. The input current I1 flows through the combined inductance of the inductance L10 of the choke coil winding N10 and the leakage inductance L1 of the primary winding N1. For this reason, the current flowing from the smoothing capacitor Ci into the switching converter becomes a pulsating 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る。
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の電圧共振パルスは、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 source of the switching element Q1.
The switching current IQ1 is a current that flows from the drain side to the switching element Q1 (and the body diode DD). The 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, and the switching voltage V1 has a waveform in which a resonance pulse is obtained in the period TOFF with a zero level. Become. The voltage 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、この場合には、スイッチング電流IQ1とコンデンサ電流Icrとをほぼ合成するようにして得られる波形となる。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である共振パルス電圧が第1の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、正弦波成分によるスイッチング周期に応じた交番波形となる。また、一次巻線電圧V2は、一次巻線N1の両端電圧である。この一次巻線電圧V2も、図示するようにして、正弦波によるスイッチング周期に応じた交番波形となる。   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 in this case, a waveform obtained by almost synthesizing the switching current IQ1 and the capacitor current Icr. Become. When the switching element Q1 is turned on / off, the resonance pulse voltage, which is the switching voltage V1 in the period TOFF, is connected in series to the primary winding N1 and the primary side series resonance capacitor C11 that form the first primary side series resonance circuit. Applied to the circuit. As a result, the primary side series resonance circuit performs a resonance operation, and the primary winding current I2 becomes an alternating waveform corresponding to the switching cycle by the sine wave component. The primary winding voltage V2 is a voltage across the primary winding N1. This primary winding voltage V2 also has an alternating waveform corresponding to the switching cycle by a sine wave 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、一次巻線電流I2は、コンデンサ電流Icrとして、一次側並列共振コンデンサCrに対して正極性により流れることで、一次側並列共振コンデンサCrを充電する動作が開始され、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。コンデンサ電流Icr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、スイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)がオンとなる期間TONが開始される。この期間TONに至ると、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 after the period TON ends and the switching element Q1 is turned off, the primary winding current I2 flows as a capacitor current Icr with a positive polarity with respect to the primary side parallel resonance capacitor Cr, thereby causing the primary side parallel. The operation of charging the resonant capacitor Cr is started, and in response, the switching voltage V1 starts to rise in a sine wave form from the 0 level, and the voltage resonant pulse rises. When the capacitor current Icr is inverted to a 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.
Then, if the voltage resonance pulse waveform as the switching voltage V1 falls to the 0 level, a period TON in which the switching element Q1 (and the body diode DD) is turned on is started. When this period TON is reached, 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、二次側交番電圧V3によっては、二次側整流回路の動作が示される。
二次側交番電圧V3は、二次巻線N2及び二次巻線N2'と二次側部分電圧共振コンデンサC3との接続回路の両端電圧であり、二次側整流回路が入力する二次側交番電圧V3は、二次側交番電圧V3の半周期の期間ごとに、整流ダイオードDo1,Do2に対して順方向電圧を印加し、これに応じて整流ダイオードDo1,Do2が交互に導通する。これにより、二次側交番電圧V3は、整流ダイオードDo1及び整流ダイオードDo2の導通期間に応じては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る。
ここで、絶縁コンバータトランスPITは直流を電送することができないので、一次側の波形が正弦波からずれる歪みを有する場合には、二次巻線N2及び二次巻線N2'に生じる電圧の正側の電圧の時間積分値と負側の電圧の時間積分値が等しくなるように電圧の零レベルが定まることとなり、二次巻線N2と二次巻線N2'との巻数とが等しい場合には、整流ダイオードDo1と整流ダイオードDo2とに流れる電流の大きさは異なるものとなる。
そこで、二次巻線N2と二次巻線N2'との巻数は、各々35Tと45Tとに異なる巻数に設定されており、これによって、整流ダイオードDo1と整流ダイオードDo2とに流れる電流の大きさは等しくなるようになされている。
また、部分電圧共振コンデンサC3を備え、電圧の切替点における電流をこの部分電圧共振コンデンサC3に流すことによって効率の改善を図っている。部分電圧共振コンデンサC3の値は、200pFから470pF程度の範囲で良好な効率改善効果を得ることができた。
Further, depending on the secondary side alternating voltage V3, the operation of the secondary side rectifier circuit is indicated.
The secondary side alternating voltage V3 is a voltage across the connection circuit of the secondary winding N2 and secondary winding N2 'and the secondary side partial voltage resonance capacitor C3, and is input to the secondary side rectifier circuit. As the alternating voltage V3, a forward voltage is applied to the rectifier diodes Do1 and Do2 every half period of the secondary alternating voltage V3, and the rectifier diodes Do1 and Do2 are alternately turned on in response thereto. As a result, the secondary side alternating voltage V3 is clamped at an absolute value level corresponding to the secondary side DC output voltage Eo depending on the conduction period of the rectifier diode Do1 and the rectifier diode Do2.
Here, since the insulating converter transformer PIT cannot transmit direct current, if the waveform on the primary side has a distortion deviating from the sine wave, the positive voltage generated in the secondary winding N2 and the secondary winding N2 ′ is positive. The zero level of the voltage is determined so that the time integral value of the negative voltage and the time integral value of the negative voltage are equal, and the number of turns of the secondary winding N2 and the secondary winding N2 'is equal. , The magnitudes of the currents flowing through the rectifier diode Do1 and the rectifier diode Do2 are different.
Therefore, the number of turns of the secondary winding N2 and the secondary winding N2 ′ is set to be different for 35T and 45T, respectively, and thereby the magnitude of the current flowing through the rectifier diode Do1 and the rectifier diode Do2. Are made equal.
Further, a partial voltage resonance capacitor C3 is provided, and the efficiency is improved by passing a current at a voltage switching point through the partial voltage resonance capacitor C3. The value of the partial voltage resonance capacitor C3 was able to obtain a good efficiency improvement effect in the range of about 200 pF to 470 pF.

図8に示す1次側電圧共振コンバータと2次側倍圧半波整流電流共振回路と結合係数が0.7以下の疎結合絶縁コンバータトランスPITの組み合わせにおいて、定電圧制御特性として、交流入力電圧VAC=100Vの入力条件で、最大負荷電力Pomax=300W〜最小負荷電力Pomin=0Wの負荷変動に対するスイッチング周波数fsの可変範囲Δfsは、Δfs=20.8kHzとなる実験結果が得られており。また、AC→DC電力変換効率(ηAC→DC)は、最大負荷電力Pomax=300W時ではηAC→DC=91.7%、負荷電力Po=75W時においてはηAC→DC=93.8%となる実験結果が得られている。
これと比較すると、図1に示す本実施形態の変形E級スイッチング動作多重共振コンバータのAC→DC電力変換効率(ηAC→DC)は、最大負荷電力Pomax=300Wの時は、91.3%、100Wの時は、91.7%である。また、スイッチング周波数fsの可変範囲Δfsは、Δfs=11.0kHzとなる実験結果が得られており、図8に示す回路に較べて約半分となっている。
In the combination of the primary side voltage resonance converter, the secondary side voltage doubler half-wave rectification current resonance circuit and the loosely coupled insulating converter transformer PIT having a coupling coefficient of 0.7 or less shown in FIG. 8, the constant input voltage VAC = AC = The experimental result has been obtained that the variable range Δfs of the switching frequency fs with respect to the load fluctuation of the maximum load power Pomax = 300 W to the minimum load power Pomin = 0 W under the input condition of 100 V is Δfs = 20.8 kHz. Moreover, the AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) is ηAC → DC = 91.7% when the maximum load power Pomax = 300 W, and ηAC → DC = 93.8% when the load power Po = 75 W. It has been.
Compared with this, the AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) of the modified class E switching operation multiple resonance converter of the present embodiment shown in FIG. 1 is 91.3% and 100 W when the maximum load power Pomax = 300 W. The time is 91.7%. Further, an experimental result that Δfs = 11.0 kHz is obtained for the variable range Δfs of the switching frequency fs, which is about half that of the circuit shown in FIG.

なお、上記しているように、一次側スイッチングコンバータにE級スイッチングコンバータを適用した図1の回路、あるいは図8の回路では、二次側直列共振回路の有無にかかわらず、中間負荷時における異常動作は解消される。   As described above, in the circuit of FIG. 1 or the circuit of FIG. 8 in which the class E switching converter is applied to the primary side switching converter, the abnormality at the intermediate load regardless of the presence or absence of the secondary side series resonance circuit. Operation is canceled.

また、先に従来例として図9に示した電源回路では、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9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。
Further, in the power supply circuit shown in FIG. 9 as the conventional example, the current flowing from the smoothing capacitor Ci into the switching converter passes through the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT, the switching element Q1, and the primary side parallel resonant capacitor. Flows into Cr. 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. 9, when the maximum load power Pomax = 300 W equivalent to the present embodiment is to be supported, about 1000 μF is selected. 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、チョークコイル巻線N10−一次巻線N1の直列接続を介してスイッチング素子Q1側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2(a)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い。また、これに伴って、直流入力電圧Eiにおける商用交流電源周期のリップルも低減される。このリップルは、例えば図9の電源回路の構成では7.5Vp-pであるのに対して、図1の電源回路では、5Vp-pとなる。このようなことから、本実施の形態としては、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、リップル電圧が小さいので、図9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。また、入力電流I1の波形は、正弦波状となっているが、これによる高周波ノイズの低減効果も得られる。   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 to the switching element Q1 side through the series connection of the choke coil winding N10 and the primary winding N1. It is supposed to flow through. 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 manner, 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 decrease in capacitance and increase in tangent of loss angle do not occur. Along with this, the ripple of the commercial AC power supply period in the DC input voltage Ei is also reduced. For example, the ripple is 7.5 Vp-p in the configuration of the power supply circuit of FIG. 9, whereas it is 5 Vp-p in the power supply circuit of FIG. For this reason, as this embodiment, a general-purpose aluminum electrolytic capacitor can be selected as the smoothing capacitor Ci. Further, since the ripple voltage is small for the capacitance of the element as the smoothing capacitor Ci, a value lower than that in the case of the circuit of FIG. 9 can be selected. 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. Further, the waveform of the input current I1 has a sine wave shape, which can also reduce the high frequency noise.

また、上記もしているように中間負荷時における異常動作を解消して、適正なZVS動作が得られるようにしている。この異常動作の現象としては、図10(b)に示したように、ターンオン(期間TON開始)より以前のタイミングでスイッチング素子Q1がオンとなって、正極性のスイッチング電流IQ1がソース−ドレイン間を流れる動作となるのであるが、このようなスイッチング電流IQ1の動作によっては、スイッチング損失を増加させる。本実施の形態では、異常動作に対応するスイッチング電流IQ1の動作が生じないことで、これによるスイッチング損失の増加も無くなり、このことが、電力変換効率の向上要因の1つとなっているものである。   Further, as described above, the abnormal operation at the time of intermediate load is eliminated, and an appropriate ZVS operation is obtained. As a phenomenon of the abnormal operation, as shown in FIG. 10B, the switching element Q1 is turned on at a timing before the turn-on (start of the period TON), and the positive switching current IQ1 is generated between the source and the drain. However, depending on the operation of the switching current IQ1, the switching loss is increased. In the present embodiment, since the operation of the switching current IQ1 corresponding to the abnormal operation does not occur, the increase of the switching loss due to this is eliminated, and this is one of the factors for improving the power conversion efficiency. .

また、図2(a)と図10(a)のスイッチング電流IQ1を比較して分かるように、本実施の形態に対応する図2(a)のスイッチング電流IQ1の波形は、期間TONの終了時以前のタイミングでピークが得られる波形となっている。この図2に示されるスイッチング電流IQ1の波形は、ターンオフ時におけるスイッチング電流IQ1のレベルが抑制されているということを意味する。ターンオフ時のスイッチング電流IQ1のレベルが抑制されれば、その分、ターンオフ時のスイッチング損失は低減され、電力変換効率が向上することになる。
このようなスイッチング電流IQ1の波形は、一次側スイッチングコンバータについてE級スイッチング動作としたことで得られるものである。
Further, as can be seen by comparing the switching current IQ1 of FIGS. 2A and 10A, the waveform of the switching current IQ1 of FIG. 2A corresponding to the present embodiment is at the end of the period TON. The waveform has a peak at the previous timing. The waveform of the switching current IQ1 shown in FIG. 2 means that the level of the switching current IQ1 at the time of turn-off is suppressed. If the level of the switching current IQ1 at the time of turn-off is suppressed, the switching loss at the time of turn-off is reduced correspondingly, and the power conversion efficiency is improved.
Such a waveform of the switching current IQ1 is obtained by performing the class E switching operation for the primary side switching converter.

また、図8の電源回路の一次側の接続態様によっては、本実施の形態における第1の一次側直列共振回路は形成されるが、第2の一次側直列共振回路は形成されない。この場合、一次側に流れるとされる直列共振電流は、そのまま一次巻線電流I2として流れることになる。
これに対して、本実施の形態では、一次側直列共振回路として第1の一次側直列共振回路と第2の一次側直列共振回路との2組を備えることで、前述したように、一次側に流れるべき直列共振電流は、一次巻線N1とチョークコイル巻線N10とに分流して流れるようにされる。これによって一次巻線電流I2の大きさは低減して効率が向上する。
また、本実施の形態では、入力電流I1の波形は、正弦波状となっているが、これによる高周波ノイズの低減効果も得られる。
Further, depending on the connection mode on the primary side of the power supply circuit of FIG. 8, the first primary side series resonant circuit in the present embodiment is formed, but the second primary side series resonant circuit is not formed. In this case, the series resonance current that flows to the primary side flows as the primary winding current I2 as it is.
On the other hand, in the present embodiment, as described above, the primary side series resonance circuit includes two sets of the first primary side series resonance circuit and the second primary side series resonance circuit. The series resonance current that should flow through is divided into the primary winding N1 and the choke coil winding N10. This reduces the magnitude of the primary winding current I2 and improves efficiency.
Further, in the present embodiment, the waveform of the input current I1 is a sine wave, but the effect of reducing high-frequency noise can be obtained.

また、二次側に関しては、二次巻線N2と二次巻線N2'の巻数を異ならせ、磁束の極性に応じて発生する正負の両方の極性の電流を均一とすることによって効率向上を図るとともに、二次側部分電圧共振回路を備えることによって、二次側整流ダイオードがターンオン/ターンオフするタイミングで部分電圧共振動作を行い、二次側整流ダイオードに流れようとする電流が、二次側部分電圧共振コンデンサに流れ、整流ダイオードにおける導通損、スイッチング損失が低減される。   On the secondary side, efficiency is improved by making the number of turns of the secondary winding N2 and the secondary winding N2 'different and making the current of both positive and negative polarity generated according to the polarity of the magnetic flux uniform. In addition, by providing a secondary side partial voltage resonance circuit, a partial voltage resonance operation is performed at the timing when the secondary side rectifier diode is turned on / off, and a current that is about to flow to the secondary side rectifier diode is It flows to the partial voltage resonance capacitor, and conduction loss and switching loss in the rectifier diode are reduced.

また、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、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。   Further, the present invention is not limited to the configurations shown as the above embodiments. For example, for 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 embodiment of this invention. 実施の形態としての電源回路における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 in the power supply circuit as embodiment by a switching period. 実施の形態として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, and the switching frequency about the power supply circuit as embodiment. 実施の形態として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, and the switching frequency about the power supply circuit as embodiment. 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. 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6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. 7 is a waveform diagram showing an operation of the class E switching converter shown in FIG. 6. 図6に示すE級スイッチングコンバータを適用したスイッチング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 switching power supply circuit to which the class E switching converter shown in FIG. 6 is applied. 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9に示した電源回路の要部の動作を示す波形図である。FIG. 10 is a waveform diagram showing an operation of a main part of the power supply circuit shown in FIG. 9. 図9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。FIG. 10 is a diagram showing AC-to-DC power conversion efficiency with respect to load fluctuation, switching frequency, and on-period fluctuation characteristics of the switching element for the power supply circuit shown in FIG. 9. 図9に示した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 power supply circuit shown in FIG.

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、PCC チョークコイル N10 チョークコイル巻線、Cr 一次側並列共振コンデンサ、N1 一次巻線、N2、N2’ 二次巻線、C11 一次側直列共振コンデンサ、Do1、Do2 (二次側)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, PCC choke coil N10 choke coil winding, Cr primary side parallel resonant capacitor, N1 primary winding, N2 , N2 'secondary winding, C11 primary side series resonant capacitor, Do1, Do2 (secondary side) rectifier diode, Co (secondary side) smoothing capacitor,

Claims (2)

商用交流電源を整流平滑化して整流平滑電圧を生成する一次側整流素子および一次側平滑コンデンサを有する一次側整流平滑回路と、
上記整流平滑電圧をスイッチングして交流電圧に変換するスイッチング素子と、
上記交流電圧を一次巻線に入力し、二次巻線に交流電圧を生成するコンバータトランスと、
上記二次巻線に生じる交流電圧を整流平滑して出力直流電圧を生成する二次側整流素子および二次側平滑コンデンサを有する二次側整流平滑回路と、
上記出力直流電圧に基づいて上記スイッチング素子を制御するスイッチング素子制御手段と、
を備えるスイッチング電源回路において、
上記一次側整流平滑回路の出力端に接続されたチョークコイルを介して上記コンバータトランスの一次巻線の一方の巻線端に上記整流平滑電圧を供給し、上記コンバータトランスの一次巻線の他方の巻線端に上記スイッチング素子を接続して上記交流電圧を発生し、
上記コンバータトランスの一次巻線の一方の巻線端と上記チョークコイルとの接続点に直列共振コンデンサを接続することによって、上記コンバータトランスの上記一次巻線に生じる漏れインダクタンスと上記直列共振コンデンサとで共振周波数が支配を受ける第一の直列共振回路と、上記チョークコイルの有するインダクタンスと上記直列共振コンデンサとで共振周波数が支配を受ける第二の直列共振回路と、を形成するとともに、上記第一の直列共振回路の共振周波数と上記第二の直列共振回路の共振周波数とを略等しく設定し、
上記スイッチング素子に並列に接続される一次側並列共振コンデンサと上記チョークコイルの有するインダクタンスおよび上記一次巻線に生じる漏れインダクタンスとで共振周波数が支配を受ける並列共振回路を形成するとともに、上記並列共振回路の共振周波数を上記第一の直列共振回路の共振周波数および上記第二の直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数に設定し、
上記二次巻線は、第一の二次巻線と第二の二次巻線とを有してなり、上記二次側整流素子は、上記第一の二次巻線と上記第二の二次巻線との各々から相互に極性の異なる方向の電流が第一の整流ダイオードおよび第二の整流ダイオードによって取り出されるようになされるとともに、上記相互に極性の異なる方向の電流の大きさが略等しくなるように上記第一の二次巻線と上記第二の二次巻線との巻線比を定めることを特徴とするスイッチング電源回路。
A primary-side rectifying and smoothing circuit having a primary-side rectifying element and a primary-side smoothing capacitor that rectifies and smoothes a commercial AC power supply to generate a rectified and smoothed voltage;
A switching element that switches the rectified and smoothed voltage to an alternating voltage;
A converter transformer that inputs the AC voltage to the primary winding and generates an AC voltage in the secondary winding;
A secondary-side rectifying / smoothing circuit having a secondary-side rectifying element and a secondary-side smoothing capacitor that rectifies and smoothes the AC voltage generated in the secondary winding to generate an output DC voltage;
Switching element control means for controlling the switching element based on the output DC voltage;
In a switching power supply circuit comprising:
The rectified and smoothed voltage is supplied to one winding end of the primary winding of the converter transformer via a choke coil connected to the output end of the primary side rectifying and smoothing circuit, and the other primary winding of the converter transformer is supplied. Connect the switching element to the winding end to generate the AC voltage,
By connecting a series resonant capacitor to the connection point between one winding end of the primary winding of the converter transformer and the choke coil, the leakage inductance generated in the primary winding of the converter transformer and the series resonant capacitor Forming a first series resonant circuit governed by a resonant frequency, and a second series resonant circuit governed by a resonant frequency by the inductance of the choke coil and the series resonant capacitor, and The resonance frequency of the series resonance circuit and the resonance frequency of the second series resonance circuit are set substantially equal,
A parallel resonance circuit in which a resonance frequency is governed by a primary side parallel resonance capacitor connected in parallel to the switching element, an inductance of the choke coil, and a leakage inductance generated in the primary winding is formed, and the parallel resonance circuit Is set to a frequency higher than the resonance frequency of the first series resonance circuit and the resonance frequency of the second series resonance circuit,
The secondary winding includes a first secondary winding and a second secondary winding, and the secondary-side rectifying element includes the first secondary winding and the second secondary winding. Currents in directions different in polarity from each of the secondary windings are taken out by the first rectifier diode and the second rectifier diode, and the magnitudes of the currents in directions different in polarity from each other are obtained. A switching power supply circuit characterized in that a winding ratio between the first secondary winding and the second secondary winding is determined to be substantially equal.
上記第一の二次巻線の一方の巻線端と上記第二の二次巻線の一方の巻線端とは、電圧が加算されるように接続され、上記第一の二次巻線の他方の巻線端に上記第一の二次側整流素子が接続され、上記第二の二次巻線の他方の巻線端に上記第二の二次側整流素子が接続されるとともに、上記第一の二次巻線の他方の巻線端と上記第二の二次巻線の他方の巻線端との間に部分電圧共振を生じさせるための部分電圧共振コンデンサを接続したことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。
One winding end of the first secondary winding and one winding end of the second secondary winding are connected so that a voltage is added to the first secondary winding. The first secondary side rectifying element is connected to the other winding end of the second secondary winding, and the second secondary side rectifying element is connected to the other winding end of the second secondary winding, A partial voltage resonance capacitor for causing partial voltage resonance is connected between the other winding end of the first secondary winding and the other winding end of the second secondary winding. The switching power supply circuit according to claim 1.
JP2005255182A 2005-09-02 2005-09-02 Switching power circuit Abandoned JP2007068380A (en)

Priority Applications (6)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005255182A JP2007068380A (en) 2005-09-02 2005-09-02 Switching power circuit
TW095130247A TW200721653A (en) 2005-09-02 2006-08-17 Switching power supply circuit
US11/508,497 US7447048B2 (en) 2005-09-02 2006-08-23 Switching power supply circuit
EP06254503A EP1760868A3 (en) 2005-09-02 2006-08-30 Switching power supply circuit
KR1020060083272A KR20070026180A (en) 2005-09-02 2006-08-31 Switching power supply circuit
CN 200610127995 CN1925300A (en) 2005-09-02 2006-09-01 Switching power supply circuit

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2005255182A JP2007068380A (en) 2005-09-02 2005-09-02 Switching power circuit

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2007068380A true JP2007068380A (en) 2007-03-15

Family

ID=37817816

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2005255182A Abandoned JP2007068380A (en) 2005-09-02 2005-09-02 Switching power circuit

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2007068380A (en)
CN (1) CN1925300A (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101000561B1 (en) * 2010-07-21 2010-12-14 주식회사 코디에스 Series resonant converter

Also Published As

Publication number Publication date
CN1925300A (en) 2007-03-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP4353164B2 (en) Switching power supply circuit
US7242595B2 (en) Switching power supply circuit
US7301785B2 (en) Switching power supply circuit
JP2006345633A (en) Switching power supply circuit
US7388762B2 (en) Switching power supply circuit
KR20070037384A (en) Switching power supply circuit
KR20060107364A (en) Switching power supply circuit
JP2005151796A (en) Switching power supply circuit
JP2001314079A (en) Switching power supply circuit
US7447048B2 (en) Switching power supply circuit
JP2006304391A (en) Switching power circuit
JP2007104880A (en) Switching power circuit
JP2006296054A (en) Switching power supply circuit
JP2007074781A (en) Switching power supply circuit
JP4462262B2 (en) Switching power supply circuit
JP2007068380A (en) Switching power circuit
JP2007074780A (en) Switching power supply circuit
JP2006325291A (en) Switching power circuit
JP2006311742A (en) Switching power circuit
JP4353132B2 (en) Switching power supply circuit
JP2006311743A (en) Switching power circuit
JP4353165B2 (en) Switching power supply circuit
JP2006254613A (en) Switching power supply circuit
JP2006345642A (en) Switching power supply circuit
JP2007110774A (en) Switching power supply

Legal Events

Date Code Title Description
A762 Written abandonment of application

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A762

Effective date: 20090526

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20090528