JP2008079425A - Switching power supply - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はスイッチング電源装置に関し、特に、AC/DC変換回路のようなスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a switching power supply device such as an AC / DC conversion circuit.
図2は、従来のAC/DC変換回路の構成を示す回路図である。図2において、このAC/DC変換回路は、商用交流電圧VAを受ける入力端子31,32と、ブリッジ接続された4つのダイオード素子33〜36を含み、商用交流電圧VAを全波整流して脈流電圧に変換する全波整流回路37と、脈流電圧を平滑化して直流電圧VD1を生成するコンデンサ38とを含む。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a conventional AC / DC conversion circuit. In FIG. 2, this AC / DC conversion circuit includes
コンデンサ38の端子間には、トランス39の1次巻線39aとスイッチング素子であるトランジスタ40が直列接続される。トランス39の2次巻線39bの一方端子と他方端子の間には、ダイオード素子41、インダクタ43およびコンデンサ44が直列接続される。2次巻線39bの他方端子とダイオード素子41のカソードとの間には、ダイオード素子42が接続される。
Between the terminals of the
トランジスタ40を所定のスイッチング周波数でオン/オフさせると、トランス39の2次巻線39bに交流電圧が発生する。ダイオード素子41のアノードが正電圧にされているときは、ダイオード素子41およびインダクタ43を介してコンデンサ44に充電電流が供給され、ダイオード素子41のアノードが負電圧にされているときは、ダイオード素子42およびインダクタ43を介してコンデンサ44に充電電流が供給される。このようにしてコンデンサ44は直流電圧VD1よりも低い所定の直流電圧VD2に充電され、直流電圧VD2は出力端子45,46を介して負荷回路47に与えられる(たとえば、非特許文献1参照)。
このようなAC/DC変換回路では、スイッチング素子としてシリコン製のトランジスタ40が用いられてきたが、商用交流電圧に耐えるトランジスタのスイッチング速度は50nS〜100nS以上である。したがって、高周波でのスイッチングを行なうとトランジスタでの損失が大きくなるので、現状では300kHz程度以下の低周波でのスイッチングが一般的である。このため、インダクタ43およびコンデンサ44が大きくなり、回路が大型化するという問題がある。
In such an AC / DC conversion circuit, a
しかし、最近、シリコントランジスタに代わるスイッチング素子としてSiCトランジスタ、GaNトランジスタなどが注目されており、これらの新トランジスタによれば数nS程度の高速スイッチングが可能である。したがって、これらの新トランジスタを使用することにより、300kHz以上の高速スイッチングが可能であり、インダクタ43およびコンデンサ44の小型化が可能となる。また、これらの新トランジスタはシリコントランジスタと比較して小さなオン抵抗値を有しており、スイッチング素子での電力損失も低減化できる。
However, recently, SiC transistors, GaN transistors, and the like have attracted attention as switching elements that replace silicon transistors, and according to these new transistors, high-speed switching of about several nS is possible. Therefore, by using these new transistors, high-speed switching of 300 kHz or more is possible, and the
他方、SiCトランジスタやGaNトランジスタを用いて図2の回路を構成し、スイッチング周波数を上げると、トランス39における損失が増大する。
On the other hand, when the circuit of FIG. 2 is configured using SiC transistors or GaN transistors and the switching frequency is increased, the loss in the
それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で低損失のスイッチング電源装置を提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a small-sized and low-loss switching power supply device.
この発明に係るスイッチング電源装置は、1対の第1のスイッチング素子と第1のコンデンサと1対の第2のスイッチング素子と電圧発生回路とを備える。1対の第1のスイッチング素子は、それらの第1の電極間に第1の直流電圧を受ける。第1のコンデンサは、1対の第1のスイッチング素子の第2の電極間に接続される。1対の第2のスイッチング素子は、それらの第1の電極間に第1のコンデンサの端子間電圧を受けて1対の第1のスイッチング素子と交互にオンされる。電圧発生回路は、1対の第2のスイッチング素子の第2の電極間に接続され、第1の直流電圧よりも低い第2の直流電圧を発生して負荷回路に与える。 The switching power supply device according to the present invention includes a pair of first switching elements, a first capacitor, a pair of second switching elements, and a voltage generation circuit. The pair of first switching elements receives a first DC voltage between their first electrodes. The first capacitor is connected between the second electrodes of the pair of first switching elements. The pair of second switching elements receives the voltage across the terminals of the first capacitor between their first electrodes and is turned on alternately with the pair of first switching elements. The voltage generation circuit is connected between the second electrodes of the pair of second switching elements, generates a second DC voltage lower than the first DC voltage, and applies the second DC voltage to the load circuit.
好ましくは、電圧発生回路はダイオード素子とインダクタと第2のコンデンサとを含む。ダイオード素子のカソードは1対の第2のスイッチング素子のうちの一方の第2のスイッチング素子の第2の電極に接続され、そのアノードは他方の第2のスイッチング素子の第2の電極に接続される。インダクタの一方端子は、ダイオード素子のカソードに接続される。第2のコンデンサは、インダクタの他方端子とダイオード素子のアノードとの間に接続されて第2の直流電圧に充電される。 Preferably, the voltage generation circuit includes a diode element, an inductor, and a second capacitor. The cathode of the diode element is connected to the second electrode of one second switching element of the pair of second switching elements, and the anode thereof is connected to the second electrode of the other second switching element. The One terminal of the inductor is connected to the cathode of the diode element. The second capacitor is connected between the other terminal of the inductor and the anode of the diode element and charged to the second DC voltage.
また好ましくは、さらに、交流電圧を整流する整流回路と、整流回路の出力電圧を平滑化して第1の直流電圧を生成する第3のコンデンサとを備え、第3のコンデンサの容量値は第1のコンデンサの容量値よりも大きい。 More preferably, it further comprises a rectifier circuit for rectifying the AC voltage, and a third capacitor for smoothing the output voltage of the rectifier circuit to generate the first DC voltage, and the capacitance value of the third capacitor is the first value. It is larger than the capacitance value of the capacitor.
また好ましくは、さらに、第2の直流電圧が所定の電圧になるように第1および第2のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御する制御回路を備える。 Further preferably, a control circuit is further provided for controlling the switching frequency of the first and second switching elements so that the second DC voltage becomes a predetermined voltage.
また好ましくは、第1および第2のスイッチング素子のスイッチング周波数は300KHz以上である。 Preferably, the switching frequency of the first and second switching elements is 300 KHz or more.
また好ましくは、第1および第2のスイッチング素子の各々は、SiCまたはGaNで形成されたトランジスタである。 Preferably, each of the first and second switching elements is a transistor formed of SiC or GaN.
この発明に係るスイッチング電源装置では、1対の第1のスイッチング素子と第1のコンデンサと1対の第2のスイッチング素子と電圧発生回路とが設けられ、1対の第1のスイッチング素子はそれらの第1の電極間に第1の直流電圧を受け、第1のコンデンサは1対の第1のスイッチング素子の第2の電極間に接続され、1対の第2のスイッチング素子はそれらの第1の電極間に第1のコンデンサの端子間電圧を受けて1対の第1のスイッチング素子と交互にオンされ、電圧発生回路は、1対の第2のスイッチング素子の第2の電極間に接続され、第1の直流電圧よりも低い第2の直流電圧を発生して負荷回路に与える。したがって、第1および第2のスイッチング素子を交互にオンするので、電源側と負荷側を絶縁できる。また、スイッチング周波数などを調整することにより、第1の直流電圧と第2の直流電圧との比を調整できる。したがって、トランスをなくすことができ、スイッチング電源装置の低損失化および小型化を実現することができる。 In the switching power supply device according to the present invention, a pair of first switching elements, a first capacitor, a pair of second switching elements, and a voltage generation circuit are provided, and the pair of first switching elements are those Receiving a first DC voltage between the first electrodes of the first and second electrodes, the first capacitor being connected between the second electrodes of the pair of first switching elements, the pair of second switching elements being their second The voltage between the terminals of the first capacitor is received between the electrodes of the first capacitor and alternately turned on with the pair of first switching elements, and the voltage generating circuit is connected between the second electrodes of the pair of second switching elements. A second DC voltage that is connected and lower than the first DC voltage is generated and applied to the load circuit. Accordingly, since the first and second switching elements are alternately turned on, the power supply side and the load side can be insulated. Further, the ratio between the first DC voltage and the second DC voltage can be adjusted by adjusting the switching frequency or the like. Therefore, the transformer can be eliminated, and the switching power supply device can be reduced in loss and size.
図1は、この発明の一実施の形態によるAC/DC変換回路の構成を示す回路ブロック図である。図1において、このAC/DC変換回路は、商用交流電圧VAを受ける入力端子1,2と、ブリッジ接続された4つのダイオード素子3〜6を含み、商用交流電圧VAを全波整流して脈流電圧に変換する全波整流回路7と、脈流電圧を平滑化して直流電圧VD1を生成するコンデンサ8とを含む。
FIG. 1 is a circuit block diagram showing a configuration of an AC / DC conversion circuit according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, this AC / DC conversion circuit includes
コンデンサ8の一方端子および他方端子には、それぞれ1対のトランジスタ9,10の第1の電極(ドレインまたはソース)が接続され、トランジスタ9,10の第2の電極(ソースまたはドレイン)間にはコンデンサ11が接続され、トランジスタ9,10の第2の電極にはトランジスタ12,13の第1の電極(ドレインまたはソース)が接続される。トランジスタ9,10のゲートはスイッチング信号S1を受け、トランジスタ12,13のゲートはスイッチング信号S2を受ける。トランジスタ9,10,12,13は、SiCまたはGaNで形成されており、300KHz以上の周波数でスイッチングを行なっても電力損失は小さくて済む。
A first electrode (drain or source) of a pair of
トランジスタ12の第2の電極(ソースまたはドレイン)にはダイオード素子14のカソードが接続され、トランジスタ13の第2の電極(ソースまたはドレイン)にはダイオード素子14のアノードが接続される。トランジスタ12,13の第2の電極間には、インダクタ15およびコンデンサ16が直列接続される。コンデンサ16の端子間電圧VD3は、出力端子17,18を介して負荷回路20に供給されるとともに、制御回路19に与えられる。
The cathode of the
制御回路19は、300KHz以上のスイッチング周波数でスイッチング信号S1,S2を交互に活性化レベルにしてトランジスタ9,10とトランジスタ12,13を交互にオンさせるとともに、直流電圧VD3が所定の電圧になるように、トランジスタ9,10,12,13のスイッチング周波数を制御する。スイッチングは300KHz以上の周波数で行なわれるので、インダクタ15およびコンデンサ16は小さくて済む。
The
次に、このAC/DC変換回路の動作について説明する。商用交流電圧VAは、全波整流回路7で全波整流され、コンデンサ8で平滑化されて直流電圧VD1に変換される。トランジスタ9,10がオンされるとともにトランジスタ12,13がオフされると、コンデンサ8と11がトランジスタ9,10を介して結合され、コンデンサ11が直流電圧VD2(VD2≦VD1)に充電される。このとき、コンデンサ11の容量値C11がコンデンサ8の容量値C8以上であると、コンデンサ8の端子間電圧VD1が大きく低下し、出力電圧VD3を一定に保つことが困難となるので、C8>C11である必要がある。
Next, the operation of this AC / DC conversion circuit will be described. Commercial AC voltage VA is full-wave rectified by full-wave rectifier circuit 7, smoothed by
次に、トランジスタ9,10がオフされるとともにトランジスタ12,13がオンされると、コンデンサ11からトランジスタ12、インダクタ15、コンデンサ16、およびトランジスタ13の経路で電流が流れ、コンデンサ16が充電される。このときインダクタ15に流れる電流は徐々に増加し、インダクタ15に電磁エネルギが蓄えられる。
Next, when the
次いで、トランジスタ12,13がオフされるとともにトランジスタ9,10がオンされると、インダクタ15、コンデンサ16およびダイオード素子14の経路で電流が流れ、コンデンサ16が充電される。このときインダクタ15に流れる電流は徐々に減少し、インダクタ15に蓄えられた電磁エネルギが放出される。また、このとき、コンデンサ11が再度充電される。
Next, when the
制御回路19は、コンデンサ16の端子間電圧VD3が目標電圧よりも低い場合はトランジスタ9,10,12,13のスイッチング周波数を上昇させ、コンデンサ16の端子間電圧VD3が目標電圧よりも高い場合はトランジスタ9,10,12,13のスイッチング周波数を低下させる。このようにして、コンデンサ16の端子間電圧VD3は所望の電圧に維持される。ただし、VD3<VD2≦VD1となる。
The
この実施の形態では、トランジスタ9,10とトランジスタ12,13とを交互にオンするので、電源側と負荷側を絶縁することができる。また、コンデンサ8,11,16の容量値、スイッチング周波数、インダクタ15のインダクタンスなどを調整することにより、VD1とVD3の比を調整できる。したがって、図2のトランス39を無くすことができる。
In this embodiment, since the
また、スイッチング素子としてSiCトランジスタまたはGaNトランジスタを使用するので、300KHz以上の高い周波数において低損失でスイッチングを行なうことができ、インダクタ15およびコンデンサ16の小型化を図ることができる。したがって、回路の低損失化および小型化を実現することができる。
Further, since the SiC transistor or the GaN transistor is used as the switching element, switching can be performed with a low loss at a high frequency of 300 KHz or more, and the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
1,2,31,32 入力端子、3〜6,14,33〜36,41,42 ダイオード素子、7,37 全波整流回路、8,11,16,38,44 コンデンサ、9,10,12,13 トランジスタ、15,43 インダクタ、17,18,45,46 出力端子、19 制御回路、20,47 負荷回路、39 トランス、39a 1次巻線、39b 2次巻線。 1, 2, 31, 32 Input terminal, 3-6, 14, 33-36, 41, 42 Diode element, 7, 37 Full wave rectifier circuit, 8, 11, 16, 38, 44 Capacitor, 9, 10, 12 , 13 Transistor, 15, 43 Inductor, 17, 18, 45, 46 Output terminal, 19 Control circuit, 20, 47 Load circuit, 39 Transformer, 39a Primary winding, 39b Secondary winding.
Claims (6)
前記1対の第1のスイッチング素子はそれらの第1の電極間に第1の直流電圧を受け、
前記第1のコンデンサは前記1対の第1のスイッチング素子の第2の電極間に接続され、
前記1対の第2のスイッチング素子はそれらの第1の電極間に前記第1のコンデンサの端子間電圧を受けて前記1対の第1のスイッチング素子と交互にオンされ、
前記電圧発生回路は、前記1対の第2のスイッチング素子の第2の電極間に接続され、前記第1の直流電圧よりも低い第2の直流電圧を発生して負荷回路に与える、スイッチング電源装置。 A pair of first switching elements, a first capacitor, a pair of second switching elements, and a voltage generation circuit;
The pair of first switching elements receive a first DC voltage between their first electrodes;
The first capacitor is connected between second electrodes of the pair of first switching elements;
The pair of second switching elements receive the voltage across the terminals of the first capacitor between their first electrodes, and are alternately turned on with the pair of first switching elements,
The voltage generation circuit is connected between the second electrodes of the pair of second switching elements, generates a second DC voltage lower than the first DC voltage, and supplies the second DC voltage to the load circuit. apparatus.
前記ダイオード素子のカソードは前記1対の第2のスイッチング素子のうちの一方の第2のスイッチング素子の第2の電極に接続され、そのアノードは他方の第2のスイッチング素子の第2の電極に接続され、
前記インダクタの一方端子は前記ダイオード素子のカソードに接続され、
前記第2のコンデンサは前記インダクタの他方端子と前記ダイオード素子のアノードとの間に接続されて前記第2の直流電圧に充電される、請求項1に記載のスイッチング電源装置。 The voltage generation circuit includes a diode element, an inductor, and a second capacitor,
The cathode of the diode element is connected to the second electrode of one second switching element of the pair of second switching elements, and the anode thereof is connected to the second electrode of the other second switching element. Connected,
One terminal of the inductor is connected to the cathode of the diode element;
2. The switching power supply device according to claim 1, wherein the second capacitor is connected between the other terminal of the inductor and an anode of the diode element and is charged to the second DC voltage.
前記整流回路の出力電圧を平滑化して前記第1の直流電圧を生成する第3のコンデンサとを備え、
前記第3のコンデンサの容量値は前記第1のコンデンサの容量値よりも大きい、請求項1または請求項2に記載のスイッチング電源装置。 Furthermore, a rectifier circuit that rectifies the AC voltage;
A third capacitor for smoothing the output voltage of the rectifier circuit and generating the first DC voltage;
The switching power supply according to claim 1 or 2, wherein a capacitance value of the third capacitor is larger than a capacitance value of the first capacitor.
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- 2006-09-21 JP JP2006255822A patent/JP2008079425A/en active Pending
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