JP2008079488A - Dc converter - Google Patents

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Shinji Aso
真司 麻生
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a DC converter for enabling use of a low-withstand voltage switching element, reducing the loss in an on-resistor, and improving the efficiency. <P>SOLUTION: The DC converter is provided with a main switch Q1 connected a DC power supply Vin through a primary winding P in a transformer T; a series circuit connected to both ends of the primary winding in the transformer or both ends of the main switch, and including a capacitor C1 and an auxiliary switch Q2; a rectifying/smoothing means for rectifying/smoothing a voltage from a secondary winding S1 in the transformer, by using rectifying elements D10, D11 and smoothing elements L11, C10, and obtaining a DC output voltage; an error detecting means 40 for detecting an error between the output voltage and a reference voltage as an error detection signal; a control means 11 for alternately turning on/off the main switch and the auxiliary switch, and controlling an on-width of the main switch, based on the error detection signal; and a voltage detecting means 11 for detecting a voltage of the capacitor. The control means controls the on-width of the main switch so as to prevent the voltage of the capacitor from exceeding a predetermined value. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、高効率な直流変換装置に関する。   The present invention relates to a highly efficient DC converter.

図10は従来のアクティブクランプ付きの直流変換装置の回路図である(特許文献1)。図10に示す直流変換装置は、フォワードコンバータであり、直流電源Vinの両端には、トランスTの1次巻線P1(巻数Np)とMOSFET(以下、FETと称する)等からなる主スイッチQ1とからなる直列回路が接続されている。   FIG. 10 is a circuit diagram of a conventional DC converter with an active clamp (Patent Document 1). The DC converter shown in FIG. 10 is a forward converter, and a main switch Q1 including a primary winding P1 (number of turns Np) of a transformer T, a MOSFET (hereinafter referred to as an FET), and the like are disposed at both ends of a DC power supply Vin. The series circuit which consists of is connected.

トランスTの1次巻線P1と2次巻線S1の巻き始めを●で示す。主スイッチQ1の両端には、FET等からなる補助スイッチQ2とコンデンサC1の直列回路が接続されている。なお、補助スイッチQ2とコンデンサC2との直列回路からなるアクティブクランプ回路は、トランスTの1次巻線P1に並列に接続されていてもよい。   The start of winding of the primary winding P1 and the secondary winding S1 of the transformer T is indicated by ●. A series circuit of an auxiliary switch Q2 made of an FET or the like and a capacitor C1 is connected to both ends of the main switch Q1. Note that an active clamp circuit composed of a series circuit of the auxiliary switch Q2 and the capacitor C2 may be connected in parallel to the primary winding P1 of the transformer T.

また、主スイッチQ1のドレイン−ソース間にはダイオードD1が接続され、補助スイッチQ2のドレイン−ソース間にはダイオードD2が接続されている。ダイオードD1,D2は、主スイッチQ1,補助スイッチQ2がFET等の寄生ダイオードが内蔵されたスイッチング素子であれば、その寄生ダイオードでもよい。主スイッチQ1及び補助スイッチQ2は制御手段としての制御回路111のPWM制御により交互にオン/オフするようになっている。   A diode D1 is connected between the drain and source of the main switch Q1, and a diode D2 is connected between the drain and source of the auxiliary switch Q2. The diodes D1 and D2 may be parasitic diodes as long as the main switch Q1 and the auxiliary switch Q2 are switching elements including a parasitic diode such as an FET. The main switch Q1 and the auxiliary switch Q2 are alternately turned on / off by PWM control of the control circuit 111 as control means.

また、トランスTの1次巻線P1と同位相電圧が発生するように巻回されたトランスTの2次巻線S1(巻数Ns)には、ダイオードD10,D11とリアクトルL11とコンデンサC10とからなる整流平滑手段としての整流平滑回路が接続されている。この整流平滑回路は、トランスTの2次巻線S1に誘起された電圧(オン/オフ制御されたパルス電圧)を整流平滑して直流出力を負荷30に供給する。誤差検出回路40は、出力電圧Voutと基準電圧との差電圧を誤差検出信号として検出する。   Further, the secondary winding S1 (number of turns Ns) of the transformer T wound so as to generate the same phase voltage as that of the primary winding P1 of the transformer T includes diodes D10 and D11, a reactor L11, and a capacitor C10. A rectifying / smoothing circuit as a rectifying / smoothing means is connected. This rectifying / smoothing circuit rectifies and smoothes the voltage induced in the secondary winding S1 of the transformer T (pulse voltage controlled on / off) and supplies a DC output to the load 30. The error detection circuit 40 detects a difference voltage between the output voltage Vout and the reference voltage as an error detection signal.

制御回路111は、誤差検出回路40からの誤差検出信号に基づき、主スイッチQ1をオン/オフ制御するためのパルスからなるQ1制御信号Q1g及び補助スイッチQ2をオン/オフ制御するためのパルスからなるQ2制御信号Q2g(Q1制御信号Q1gと逆位相を有する)を生成するとともに、出力電圧Voutを所定電圧となるようにQ1制御信号Q1g及びQ2制御信号Q2gのデューティ比を制御する。   Based on the error detection signal from the error detection circuit 40, the control circuit 111 is composed of a Q1 control signal Q1g composed of a pulse for controlling on / off of the main switch Q1 and a pulse for controlling on / off of the auxiliary switch Q2. A Q2 control signal Q2g (having an opposite phase to the Q1 control signal Q1g) is generated, and the duty ratio of the Q1 control signal Q1g and the Q2 control signal Q2g is controlled so that the output voltage Vout becomes a predetermined voltage.

図11は図10に示す従来の直流変換装置の定常時における各部のタイミングチャートである。図10に示す従来の直流変換装置の定常状態におけるコンデンサC1の両端電圧Vc1は、主スイッチQ1のオンデューティをDとすると略

Figure 2008079488
FIG. 11 is a timing chart of each part during the steady state of the conventional DC converter shown in FIG. The voltage Vc1 across the capacitor C1 in the steady state of the conventional DC converter shown in FIG. 10 is approximately when the on-duty of the main switch Q1 is D.
Figure 2008079488

となる。主スイッチQ1のオンデューティDは0<D<1であるから、コンデンサC1の電圧Vc1は電源電圧Vinより大きな値となる。 It becomes. Since the on-duty D of the main switch Q1 is 0 <D <1, the voltage Vc1 of the capacitor C1 is larger than the power supply voltage Vin.

次に、このように構成された直流変換装置の動作を図11に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。   Next, the operation of the DC converter configured as described above will be described with reference to the timing chart shown in FIG.

まず、時刻t1以前では主スイッチQ1がオフ、補助スイッチQ2がオンでトランスTの1次側の電流はトランスTの励磁電流をリセットするように、C1→Q2→P1→Vin→C1の経路で補助スイッチQ2に電流Q2iが流れている。コンデンサC1の電圧をVc1とすると、トランスTの1次巻線P1の電圧は、巻き始めを正とすると(Vin−Vc1)の電圧が印加されている。定常状態ではVin<Vc1であるので、(Vin−Vc1)は負の電圧になる。このため、巻き始めが負の電圧になる。2次巻線S1も巻き始めが負の電圧が印加されているので、ダイオードD10は逆バイアスとなりオフしている。2次側電流はリアクトルL11に蓄えられていたエネルギーをコンデンサC10に環流している。このため、2次側では、L11→C10→D11→L11の経路でダイオードD11に電流D11iが流れている。また、C10→負荷30→C10の経路で負荷電流が流れている。   First, before the time t1, the main switch Q1 is turned off, the auxiliary switch Q2 is turned on, and the current on the primary side of the transformer T resets the exciting current of the transformer T through a path of C1 → Q2 → P1 → Vin → C1. A current Q2i flows through the auxiliary switch Q2. When the voltage of the capacitor C1 is Vc1, the voltage of the primary winding P1 of the transformer T is (Vin−Vc1) when the winding start is positive. Since Vin <Vc1 in the steady state, (Vin−Vc1) is a negative voltage. For this reason, the beginning of winding becomes a negative voltage. Since a negative voltage is applied to the secondary winding S1, the diode D10 is reverse-biased and turned off. The secondary side current circulates the energy stored in the reactor L11 to the capacitor C10. For this reason, on the secondary side, a current D11i flows through the diode D11 through a path of L11 → C10 → D11 → L11. Further, a load current flows through a path of C10 → load 30 → C10.

次に、期間T1の時刻t1で補助スイッチQ2がオンからオフになり、主スイッチQ1がオフからオンになると、1次巻線P1には電源電圧Vinが印加され、巻き始めが正電圧になる。このため、トランスTの2次巻線S1もVin・(Ns/Np)の正電圧が発生する。ダイオードD10は導通状態になり、2次側では、S1→D10→L11→C10→S1とダイオードD10に電流D10iが流れる。また、C10→負荷30→C10の経路で負荷電流が流れている。このため、1次側電流は2次巻線S1に流れる電流のNs/Np倍の電流と1次巻線P1の励磁電流を合わせた電流がVin→P1→Q1→Vinの経路で主スイッチQ1に電流Q1iとして流れる。   Next, when the auxiliary switch Q2 turns from on to off at time t1 in the period T1 and the main switch Q1 turns from off to on, the power supply voltage Vin is applied to the primary winding P1, and the start of winding becomes a positive voltage. . For this reason, a positive voltage of Vin · (Ns / Np) is also generated in the secondary winding S1 of the transformer T. The diode D10 becomes conductive, and on the secondary side, a current D10i flows through the diode D10, such as S1, D10, L11, C10, and S1. Further, a load current flows through a path of C10 → load 30 → C10. For this reason, the primary side current is the main switch Q1 in a path of Vin → P1 → Q1 → Vin, which is a combination of the current Ns / Np times the current flowing in the secondary winding S1 and the excitation current of the primary winding P1. Current Q1i.

次に、期間T2の時刻t2で主スイッチQ1がオンからオフになり、補助スイッチQ2がオフからオンになると、トランスTの1次巻線P1の両端電圧は(Vin−Vc1)の電圧が印加されるので、巻き始めが負の電圧となる。また、トランスTの1次巻線P1の励磁インダクタンスに蓄えられたエネルギーがダイオードD2を通ってコンデンサC1に充電される方向に電流が流れる。つまり、P1→Q2(D2)→C1→Vin→P1の経路で電流Q2i(D2i)が流れる。また、トランスTの1次巻線P1の両端電圧は(Vin−Vc1)の電圧が印加されるので巻き始めが負の電圧となる。このため、2次巻線S1も巻き始めが負の電圧が印加されているので、ダイオードD10は逆バイアスとなりオフする。このため、2次側電流はリアクトルL11に蓄えられていたエネルギーをコンデンサC10に環流している。つまり、2次側では、L11→C10→D11→L11の経路でダイオードD11に電流D11iが流れている。   Next, when the main switch Q1 is turned from on to off at time t2 in the period T2 and the auxiliary switch Q2 is turned on from off, the voltage across the primary winding P1 of the transformer T is (Vin−Vc1). Therefore, the start of winding becomes a negative voltage. Further, a current flows in a direction in which the energy stored in the exciting inductance of the primary winding P1 of the transformer T is charged in the capacitor C1 through the diode D2. That is, the current Q2i (D2i) flows through the path of P1 → Q2 (D2) → C1 → Vin → P1. Further, since the voltage of (Vin−Vc1) is applied to the voltage across the primary winding P1 of the transformer T, the start of winding becomes a negative voltage. Therefore, since a negative voltage is applied to the secondary winding S1, the diode D10 is reverse-biased and turned off. For this reason, the secondary side current circulates the energy stored in the reactor L11 to the capacitor C10. That is, on the secondary side, the current D11i flows through the diode D11 through a path of L11 → C10 → D11 → L11.

次に、期間T3の時刻t3でP1→Q2(D2)→Vin→P1の経路で流れていた電流は零になり、コンデンサC1の放電が始まる。このため、期間T3における1次側では、C1→Q2→P1→Vin→C1の経路で電流Q2iが流れている。2次側では期間T2の動作と同じ動作を行う。   Next, at time t3 in period T3, the current flowing through the path of P1, Q2 (D2), Vin, and P1 becomes zero, and the capacitor C1 starts discharging. For this reason, on the primary side in the period T3, the current Q2i flows through a path of C1, Q2, P1, Vin, and C1. On the secondary side, the same operation as that in the period T2 is performed.

このような定常状態において、主スイッチQ1と補助スイッチQ2がそれぞれオフ状態に印加される電圧は、主スイッチQ1がオンで補助スイッチQ2がオフ状態では、補助スイッチQ2に印加される電圧はVc1であり、補助スイッチQ2がオンで主スイッチQ1がオフ状態での主スイッチQ1に印加される電圧もVc1である。このため、電圧Vc1は主スイッチQ1と補助スイッチQ2に印加される電圧と同等である。   In such a steady state, the voltage applied to the main switch Q1 and the auxiliary switch Q2 in the off state is Vc1 when the main switch Q1 is on and the auxiliary switch Q2 is off. The voltage applied to the main switch Q1 when the auxiliary switch Q2 is on and the main switch Q1 is off is also Vc1. For this reason, the voltage Vc1 is equivalent to the voltage applied to the main switch Q1 and the auxiliary switch Q2.

出力電圧Voutは、トランスTの1次−2次の巻数比をNp:Ns、入力電圧Vin、主スイッチQ1のオンデューティをDとすると、

Figure 2008079488
The output voltage Vout is represented by Np: Ns as the primary-secondary turns ratio of the transformer T, the input voltage Vin, and the on-duty of the main switch Q1 as D.
Figure 2008079488

となる。また、主スイッチQ1がオンしている間にトランスTの1次巻線P1に印加される電圧と、補助スイッチQ2がオフしているときにトランスTの1次巻線P1に印加される電圧は等しいことから、式(3)が成立する。

Figure 2008079488
It becomes. Further, a voltage applied to the primary winding P1 of the transformer T while the main switch Q1 is on, and a voltage applied to the primary winding P1 of the transformer T when the auxiliary switch Q2 is off. Since are equal, Expression (3) is established.
Figure 2008079488

また、式(2)から

Figure 2008079488
From equation (2)
Figure 2008079488

となり、電圧Vc1は、式(1)から

Figure 2008079488
Figure 2008079488
The voltage Vc1 is obtained from the equation (1).
Figure 2008079488
Figure 2008079488

となる。 It becomes.

例えば、入力電圧200V〜400V、出力電圧Vo=12[V]のトランスTを設計する場合の1次巻線P1、2次巻線S1の巻数比をNp=8[T]、Ns=1[T]とすれば、入力電圧Vinを横軸、電圧Vc1を縦軸とすると、図12に示すようになる。   For example, when designing a transformer T with an input voltage of 200 V to 400 V and an output voltage Vo = 12 [V], the turns ratio of the primary winding P1 and the secondary winding S1 is Np = 8 [T], Ns = 1 [ T], the input voltage Vin is plotted on the horizontal axis and the voltage Vc1 is plotted on the vertical axis, as shown in FIG.

入力電圧Vinに対して、電圧Vc1は、ある入力電圧Vin1(約190V)で最小値(約380V)になり入力電圧が高くなっても低くなっても増加する。入力電圧Vin1はオンデューティが0.5の時であるので、式(4)より

Figure 2008079488
Figure 2008079488
である。 With respect to the input voltage Vin, the voltage Vc1 becomes a minimum value (about 380V) at a certain input voltage Vin1 (about 190V), and increases regardless of whether the input voltage becomes higher or lower. Since the input voltage Vin1 is when the on-duty is 0.5, from the equation (4)
Figure 2008079488
Figure 2008079488
It is.

上記のようなトランスTの設計を行った場合では、定常状態に主スイッチQ1と補助スイッチQ2に印加される最大電圧を求めると、入力電圧が200[V]時のオンデューティは0.48であるので、最大オンデューティを0.6程度に設定すれば良い。このオンデューティが0.6の時の入力電圧Vinは160[V]で、そのときの電圧Vc1は400[V]である。入力電圧Vinが400Vの時に電圧Vc1が526[V]である。従って、主スイッチQ1,補助スイッチQ2の最大印加電圧は526[V]であり、絶対最大定格が600[V]のスイッチング素子が利用できる。   In the case of designing the transformer T as described above, when the maximum voltage applied to the main switch Q1 and the auxiliary switch Q2 is obtained in a steady state, the on-duty when the input voltage is 200 [V] is 0.48. Therefore, the maximum on-duty may be set to about 0.6. The input voltage Vin when the on-duty is 0.6 is 160 [V], and the voltage Vc1 at that time is 400 [V]. When the input voltage Vin is 400V, the voltage Vc1 is 526 [V]. Therefore, the maximum applied voltage of the main switch Q1 and the auxiliary switch Q2 is 526 [V], and a switching element having an absolute maximum rating of 600 [V] can be used.

しかし、出力電流が急激に変化したり、負荷が何らかの原因で故障し負荷が短絡状態になった場合に、入力電圧に関係なく最大オンデューティまで主スイッチQ1がオンすることがある。例えば、入力電圧Vinが400[V]で主スイッチQ1のオンデューティが0.6まで開いた時には電圧Vc1は式(1)より、

Figure 2008079488
However, when the output current changes abruptly or the load fails for some reason and the load is short-circuited, the main switch Q1 may be turned on up to the maximum on-duty regardless of the input voltage. For example, when the input voltage Vin is 400 [V] and the on-duty of the main switch Q1 is opened to 0.6, the voltage Vc1 is obtained from the equation (1):
Figure 2008079488

と1000[V]にもなる。従って、定常状態では600[V]のスイッチング素子で十分であるが、急激な出力電流の変化があった場合や負荷短絡を考慮すると600[V]以上のスイッチング素子が必要になることが分かる。 And 1000 [V]. Therefore, a switching element of 600 [V] is sufficient in the steady state, but it can be seen that a switching element of 600 [V] or more is necessary when there is a sudden change in the output current or considering a load short circuit.

図13は、図10に示す従来の直流変換装置に設けられる制御回路の回路例である。制御回路111は、トランジスタQ41とトランジスタQ42とからなるカレントミラー回路、三角波発生器113、比較器COM1、主スイッチ駆動信号生成回路115、補助スイッチ駆動信号生成回路117を有する。誤差検出回路40では、演算増幅器OP2が出力電圧Voutを抵抗R54と抵抗R55とで分圧した電圧と基準電圧Ref2との誤差を増幅して誤差検出信号として出力する。分圧した電圧が基準電圧Ref2を越えると、フォトダイオードPD及びフォトトランジスタPTに電流が流れて、トランジスタQ41及びトランジスタQ42に電流が流れる。このため、抵抗R53の両端電圧が大きくなり、比較器COM1の反転端子への電圧入力が上昇する。このため、比較器COM1から出力されるパルス信号のオン幅は狭くなり、主スイッチQ1のオン幅が狭くなることで出力電圧が所定値になる。つまり、比較器COM1は三角波発生器113からの三角波信号と誤差検出回路40からの誤差検出信号を比較して主スイッチQ1のオンデューティを出力する。   FIG. 13 is a circuit example of a control circuit provided in the conventional DC converter shown in FIG. The control circuit 111 includes a current mirror circuit including a transistor Q41 and a transistor Q42, a triangular wave generator 113, a comparator COM1, a main switch drive signal generation circuit 115, and an auxiliary switch drive signal generation circuit 117. In the error detection circuit 40, the operational amplifier OP2 amplifies an error between the voltage obtained by dividing the output voltage Vout by the resistors R54 and R55 and the reference voltage Ref2, and outputs the amplified error detection signal. When the divided voltage exceeds the reference voltage Ref2, a current flows through the photodiode PD and the phototransistor PT, and a current flows through the transistor Q41 and the transistor Q42. For this reason, the voltage across the resistor R53 increases, and the voltage input to the inverting terminal of the comparator COM1 increases. For this reason, the ON width of the pulse signal output from the comparator COM1 becomes narrow, and the output voltage becomes a predetermined value as the ON width of the main switch Q1 becomes narrow. That is, the comparator COM1 compares the triangular wave signal from the triangular wave generator 113 with the error detection signal from the error detection circuit 40, and outputs the on-duty of the main switch Q1.

図14は負荷電流が急激に変化したときの動作波形を示す図である。図14において、期間T1以前は軽負荷状態の定常動作状態を表した波形で、期間T12以降は重負荷状態の定常動作状態を表した波形である。   FIG. 14 is a diagram showing an operation waveform when the load current changes rapidly. In FIG. 14, the waveform represents a steady operation state in a light load state before the period T <b> 1 and the waveform represents a steady operation state in a heavy load state after the period T <b> 12.

期間T2から期間T11は軽負荷状態から重負荷状態へ移行する過渡状態の動作を表している概念図である。時刻t2で負荷電流が急激に変化すると、整流平滑回路のインダクタンス分や誤差検出回路40等の遅れにより出力電圧Voutは低下する。時刻t4で誤差検出回路40の誤差検出出力が遅れて主スイッチQ1のオンデューティを広げようと誤差検出信号を低下させる。これに伴って主スイッチQ1のオン幅は広くなり、式(1)によってコンデンサC1の電圧Vc1が上昇する。
特開平11−18426号公報
The period T2 to the period T11 are conceptual diagrams showing the operation in the transient state in which the light load state shifts to the heavy load state. When the load current changes abruptly at time t2, the output voltage Vout decreases due to the inductance of the rectifying and smoothing circuit and the delay of the error detection circuit 40 and the like. At time t4, the error detection signal is lowered so that the error detection output of the error detection circuit 40 is delayed and the on-duty of the main switch Q1 is increased. Along with this, the ON width of the main switch Q1 becomes wider, and the voltage Vc1 of the capacitor C1 rises according to the equation (1).
Japanese Patent Laid-Open No. 11-18426

しかし、誤差検出回路40の応答の遅れにより出力電圧が大きく低下する場合に、主スイッチQ1のオン幅は重負荷時のオン幅より開いてしまうので、コンデンサC1の電圧Vc1は、重負荷時の電圧よりも大きくなってしまう。   However, when the output voltage is greatly reduced due to the response delay of the error detection circuit 40, the on-width of the main switch Q1 is larger than the on-width at the time of heavy load, so the voltage Vc1 of the capacitor C1 is It becomes larger than the voltage.

このように負荷電流が急激に変化した場合などを考慮してスイッチング素子の耐圧が決定されるため、定常状態に印加される電圧よりも大きな耐圧を持つスイッチング素子が必要になる。スイッチング素子の耐圧はその電圧が大きくなるに従ってオン抵抗が大きくなり抵抗損失が大きくなって効率が低下する。   Since the breakdown voltage of the switching element is determined in consideration of the case where the load current changes abruptly in this way, a switching element having a breakdown voltage larger than the voltage applied in the steady state is required. As the withstand voltage of the switching element increases, the on-resistance increases, the resistance loss increases, and the efficiency decreases.

本発明の課題は、高効率の直流変換装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a high-efficiency DC converter.

上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、直流電源にトランスの1次巻線を介して接続された主スイッチと、前記トランスの1次巻線の両端又は前記主スイッチの両端に接続され且つコンデンサと補助スイッチとが直列に接続された直列回路と、前記トランスの2次巻線の電圧を整流素子及び平滑素子で整流平滑して直流の出力電圧を得る整流平滑手段と、前記出力電圧と基準電圧との誤差を誤差検出信号として検出する誤差検出手段と、前記主スイッチと前記補助スイッチとを交互にオン/オフさせるとともに前記誤差検出手段の誤差検出信号に基づき前記主スイッチのオン幅を制御する制御手段と、前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段とを備え、前記制御手段は、前記電圧検出手段で検出された前記コンデンサの電圧が所定値を越えないように前記主スイッチのオン幅を制御することを特徴とする。   In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is characterized in that a main switch connected to a DC power source via a primary winding of a transformer, both ends of the primary winding of the transformer, or both ends of the main switch. A series circuit in which a capacitor and an auxiliary switch are connected in series, and a rectifying and smoothing means for rectifying and smoothing the voltage of the secondary winding of the transformer with a rectifying element and a smoothing element to obtain a DC output voltage; An error detection means for detecting an error between the output voltage and the reference voltage as an error detection signal, and the main switch and the auxiliary switch are alternately turned on / off, and the main switch based on the error detection signal of the error detection means Control means for controlling the ON width of the capacitor, and voltage detection means for detecting the voltage of the capacitor, wherein the control means detects the voltage of the capacitor detected by the voltage detection means. There and controlling the ON width of the main switch so as not to exceed a predetermined value.

また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の直流変換装置において、前記トランスの1次巻線と2次巻線とは、疎結合されてなることを特徴とする。   According to a second aspect of the present invention, in the DC converter according to the first aspect, the primary winding and the secondary winding of the transformer are loosely coupled.

また、請求項3記載の発明は、請求項1記載の直流変換装置において、前記トランスの2次巻線は、前記トランスの1次巻線と著しく疎結合されてなり、前記トランスは、前記1次巻線と疎結合され且つ前記2次巻線に直列に接続され、前記1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられたエネルギーを前記主スイッチがオフ時に前記平滑素子に帰還する帰還巻線を有することを特徴とする。   According to a third aspect of the present invention, in the DC converter according to the first aspect, the secondary winding of the transformer is significantly loosely coupled to the primary winding of the transformer. Loosely coupled to the secondary winding and connected in series to the secondary winding, and the energy stored in the leakage inductance between the primary and secondary windings is fed back to the smoothing element when the main switch is off It is characterized by having a feedback winding.

本発明によれば、負荷電流が急激に変化した場合でも電圧検出手段でコンデンサの電圧を検出し、制御手段は検出された電圧が所定値を越えないように主スイッチのオン幅を制御することにより主スイッチに印加される電圧を制御するので、適切な耐圧のスイッチング素子が使用できる。つまり、耐圧の低いスイッチング素子が使用でき、オン抵抗の損失が低減されて高効率な直流変換装置を提供できる。   According to the present invention, even when the load current changes suddenly, the voltage detection means detects the voltage of the capacitor, and the control means controls the ON width of the main switch so that the detected voltage does not exceed a predetermined value. Thus, the voltage applied to the main switch is controlled, so that a switching element having an appropriate withstand voltage can be used. That is, a switching element with a low withstand voltage can be used, and a loss of on-resistance can be reduced to provide a highly efficient DC converter.

以下、本発明の直流変換装置の実施の形態を図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of a direct-current converter according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は本発明の実施例1の直流変換装置の回路図である。図1に示す実施例1の直流変換装置は、図10に示す従来の直流変換装置に対して、制御回路11の構成が異なる。   FIG. 1 is a circuit diagram of a DC converter according to Embodiment 1 of the present invention. The DC converter of Example 1 shown in FIG. 1 differs from the conventional DC converter shown in FIG. 10 in the configuration of the control circuit 11.

なお、図1に示す直流変換装置のその他の構成は、図10に示す従来の直流変換装置の構成と同一構成であるので、同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。ここでは、制御回路11の構成のみを説明する。   The other configuration of the DC converter shown in FIG. 1 is the same as that of the conventional DC converter shown in FIG. Here, only the configuration of the control circuit 11 will be described.

制御手段としての制御回路11は、制御回路111の機能を有するとともに、さらに、コンデンサC1の電圧Vc1を検出し、検出された電圧Vc1が所定の電圧を越えないように主スイッチQ1のオン幅を制御する。各スイッチQ1、Q2は、制御回路11により共にオフとなるデットタイム期間を有し、交互にオン/オフを繰り返す。   The control circuit 11 as a control means has the function of the control circuit 111 and further detects the voltage Vc1 of the capacitor C1 and increases the ON width of the main switch Q1 so that the detected voltage Vc1 does not exceed a predetermined voltage. Control. Each of the switches Q1 and Q2 has a dead time period in which both are turned off by the control circuit 11, and repeats on / off alternately.

図2は本発明の実施例1の直流変換装置に設けられる制御回路の回路例である。図2に示す制御回路11は、トランジスタQ51,Q52からなるカレントミラー回路、トランジスタQ41,Q42からなるカレントミラー回路、三角波発生器113、比較器COM2、主スイッチ駆動信号生成回路115、補助スイッチ駆動信号生成回路117を有する。   FIG. 2 is a circuit example of a control circuit provided in the DC converter according to Embodiment 1 of the present invention. 2 includes a current mirror circuit composed of transistors Q51 and Q52, a current mirror circuit composed of transistors Q41 and Q42, a triangular wave generator 113, a comparator COM2, a main switch drive signal generation circuit 115, and an auxiliary switch drive signal. A generation circuit 117 is included.

抵抗51の一端はコンデンサC1のプラス側に接続され、抵抗R51の他端はトランジスタQ51のコレクタ及びベースとトランジスタQ52のベースに接続されている。トランジスタQ51,Q52のエミッタは接地され、トランジスタQ52のコレクタは、抵抗R52を介して電源Refに接続されている。抵抗R51,R52とトランジスタQ51,Q52とは、コンデンサC1の電圧Vc1を検出する。   One end of the resistor 51 is connected to the plus side of the capacitor C1, and the other end of the resistor R51 is connected to the collector and base of the transistor Q51 and the base of the transistor Q52. The emitters of the transistors Q51 and Q52 are grounded, and the collector of the transistor Q52 is connected to the power source Ref via the resistor R52. Resistors R51 and R52 and transistors Q51 and Q52 detect voltage Vc1 of capacitor C1.

演算増幅器OP1は、抵抗R52とトランジスタQ52との接続点の電圧と基準電圧Ref1とを比較し、比較出力をコンデンサC1の電圧Vc1を制御するためのVc1制御信号として比較器COM2の反転端子に出力する。   The operational amplifier OP1 compares the voltage at the connection point between the resistor R52 and the transistor Q52 with the reference voltage Ref1, and outputs the comparison output to the inverting terminal of the comparator COM2 as a Vc1 control signal for controlling the voltage Vc1 of the capacitor C1. To do.

比較器COM2は、誤差検出回路40からの誤差検出信号の値とVc1制御信号の値を比較して大きい値を持つ信号を選択し、選択された信号と三角波発生器113より発生された三角波信号とを比較して主スイッチQ1のオン幅を制御する。   The comparator COM2 compares the value of the error detection signal from the error detection circuit 40 with the value of the Vc1 control signal, selects a signal having a large value, and selects the selected signal and the triangular wave signal generated by the triangular wave generator 113. And the ON width of the main switch Q1 is controlled.

図3は本発明の実施例1の直流変換装置における負荷電流が急激に変化したときの動作波形を示す図である。図3において、時刻t1〜t2は軽負荷状態の動作で、時刻t13〜t14は重負荷時の動作状態である。図3を参照しながら直流変換装置の動作を説明する。   FIG. 3 is a diagram showing an operation waveform when the load current suddenly changes in the DC converter according to Embodiment 1 of the present invention. In FIG. 3, time t1 to t2 is a light load operation, and time t13 to t14 is a heavy load operation. The operation of the DC converter will be described with reference to FIG.

まず、時刻t2で負荷電流が急激に変化すると、整流平滑回路のインダクタンス分や誤差検出回路等の遅れにより出力電圧Voutは低下する。時刻t4で誤差検出出力が遅れて主スイッチQ1のオンデューティを広げようと誤差検出信号を低下させる。これに伴って主スイッチQ1のオン幅は広くなり式(1)によってコンデンサC1の電圧Vc1が上昇する。   First, when the load current changes abruptly at time t2, the output voltage Vout decreases due to the inductance of the rectifying / smoothing circuit and the delay of the error detection circuit. At time t4, the error detection signal is lowered so that the error detection output is delayed and the on-duty of the main switch Q1 is increased. Along with this, the ON width of the main switch Q1 becomes wider, and the voltage Vc1 of the capacitor C1 rises according to equation (1).

すると、上昇した電圧Vc1によりトランジスタQ51,Q52には、より大きな電流が流れるので、抵抗R52の両端の電圧降下が大きくなる。そして、時刻t8で演算増幅器OP1の反転端子へ入力される電圧が基準電圧ref1以下となると、演算増幅器OP1の出力電圧、即ちVc1制御信号が上昇し、このVc1制御信号の値が誤差検出回路40の誤差検出信号の値より大きくなる。比較器COM2は、Vc1制御信号を選択し、三角波信号の値が選択されたVc1制御信号の値以上のときに主スイッチQ1をオンさせるように制御する。このため、主スイッチQ1のオン幅が短くなる。従って、コンデンサC1の電圧Vc1は、基準電圧Ref1、抵抗R51、抵抗R52及びトランジスタQ51,Q52により設定された電圧(図3のVc1制御値に対応)以下で制御される。このVc1制御値は、主スイッチQ1の定格電圧Vdssよりも低く設定される。   Then, since a larger current flows through the transistors Q51 and Q52 due to the increased voltage Vc1, the voltage drop across the resistor R52 increases. When the voltage input to the inverting terminal of the operational amplifier OP1 becomes equal to or lower than the reference voltage ref1 at time t8, the output voltage of the operational amplifier OP1, that is, the Vc1 control signal rises, and the value of this Vc1 control signal becomes the error detection circuit 40. It becomes larger than the value of the error detection signal. The comparator COM2 selects the Vc1 control signal and controls the main switch Q1 to be turned on when the value of the triangular wave signal is equal to or greater than the value of the selected Vc1 control signal. For this reason, the ON width of the main switch Q1 is shortened. Accordingly, the voltage Vc1 of the capacitor C1 is controlled below the reference voltage Ref1, the resistor R51, the resistor R52, and the voltage set by the transistors Q51 and Q52 (corresponding to the Vc1 control value in FIG. 3). This Vc1 control value is set lower than the rated voltage Vdss of the main switch Q1.

このように実施例1の直流変換装置によれば、負荷電流が急激に変化した場合でもコンデンサC1の電圧Vc1を検出して検出された電圧が所定値を越えないように主スイッチQ1のオン幅を制御することにより主スイッチQ1に印加される電圧を制御するので、適切な耐圧のスイッチング素子が使用できる。つまり、耐圧の低いスイッチング素子が使用でき、オン抵抗の損失が低減されて高効率な直流変換装置が構成できる。   As described above, according to the DC converter of the first embodiment, even when the load current changes rapidly, the ON width of the main switch Q1 is detected so that the voltage Vc1 of the capacitor C1 is detected and the detected voltage does not exceed a predetermined value. By controlling the voltage, the voltage applied to the main switch Q1 is controlled, so that a switching element having an appropriate withstand voltage can be used. That is, a switching element with a low withstand voltage can be used, and a loss of on-resistance is reduced, so that a highly efficient DC converter can be configured.

図4は本発明の実施例2の直流変換装置の回路図である。図4では、図1に示す直流変換装置に対して、トランスTaの1次巻線P1と2次巻線S1とが疎結合されてなることを特徴とする。また、主スイッチQ1のドレイン−ソース間に電圧共振用のコンデンサC2が接続されている。電圧共振用のコンデンサC2は、主スイッチQ1であるMOSFETの寄生容量でも良い。   FIG. 4 is a circuit diagram of a DC converter according to Embodiment 2 of the present invention. 4 is characterized in that a primary winding P1 and a secondary winding S1 of a transformer Ta are loosely coupled to the DC converter shown in FIG. A voltage resonance capacitor C2 is connected between the drain and source of the main switch Q1. The capacitor C2 for voltage resonance may be a parasitic capacitance of the MOSFET that is the main switch Q1.

なお、電圧共振用コンデンサC2は補助スイッチQ2のドレイン−ソース間に接続され、補助スイッチQ2であるMOSFETの寄生容量でも良い。   The voltage resonance capacitor C2 may be connected between the drain and source of the auxiliary switch Q2 and may be a parasitic capacitance of a MOSFET that is the auxiliary switch Q2.

図4に示す直流変換装置のその他の構成は、図1に示す実施例1の直流変換装置の構成と同一構成であるので、同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。なお、制御回路11は、コンデンサC1の電圧を検出し、コンデンサC1の電圧が所定値を越えないように主スイッチQ1のオン幅を制御する。   The other configuration of the DC converter shown in FIG. 4 is the same as that of the DC converter according to the first embodiment shown in FIG. The control circuit 11 detects the voltage of the capacitor C1 and controls the ON width of the main switch Q1 so that the voltage of the capacitor C1 does not exceed a predetermined value.

トランスTaの1次巻線P1と2次巻線S1とが疎結合されているので、1次2次巻線間のリーケージインダクタンスが存在する。このリーケージインダクタンスは、図4では、L10として2次巻線S1に直列に接続されている。リーケージインダクタンス分があると、各スイッチQ1,Q2のオン/オフ時にゼロ電圧スイッチング(ZVS)やゼロ電流スイッチング(ZCS)が可能になる。   Since the primary winding P1 and the secondary winding S1 of the transformer Ta are loosely coupled, there is a leakage inductance between the primary and secondary windings. This leakage inductance is connected in series with the secondary winding S1 as L10 in FIG. When there is a leakage inductance, zero voltage switching (ZVS) or zero current switching (ZCS) is possible when the switches Q1 and Q2 are turned on / off.

図5は本発明の実施例2の直流変換装置における各部のタイミングチャートである。次に図5に示すタイミングチャートを参照しながら実施例2の直流変換装置の動作を説明する。   FIG. 5 is a timing chart of each part in the direct-current converter according to Embodiment 2 of the present invention. Next, the operation of the DC converter according to the second embodiment will be described with reference to the timing chart shown in FIG.

まず、時刻t1以前では主スイッチQ1がオフ、補助スイッチQ2がオンでトランスTaの1次側は、P1→Vin→C1→Q2→P1の経路で電流Q2iが流れている。トランスTaの1次巻線P1には(Vin−Vc1)が印加され、巻き始めが負の電圧が印加されている。このため、2次巻線S1も巻き始めが負の電圧であるので、ダイオードD10はオフしている。このため、2次側では、L11→C10→D11→L11の経路でダイオードD11に電流D11iが流れている。   First, before the time t1, the main switch Q1 is turned off and the auxiliary switch Q2 is turned on, and the current Q2i flows through the path of P1 → Vin → C1 → Q2 → P1 on the primary side of the transformer Ta. (Vin−Vc1) is applied to the primary winding P1 of the transformer Ta, and a negative voltage is applied at the beginning of winding. For this reason, since the winding at the secondary winding S1 is a negative voltage, the diode D10 is off. For this reason, on the secondary side, a current D11i flows through the diode D11 through a path of L11 → C10 → D11 → L11.

次に、期間T1の時刻t1で補助スイッチQ2がオンからオフになる。P1→Vin→C1→Q2→P1の経路で流れていた1次側電流は補助スイッチQ2が時刻t1でオフすると零になる。このため、P1→Vin→C2→P1の経路で電流C2iが流れて、コンデンサC2が放電され、主スイッチQ1のドレイン−ソース間の電圧Q1vは下降する。   Next, the auxiliary switch Q2 is turned off from on at time t1 in the period T1. The primary side current that has flowed through the path of P1, Vin, C1, Q2, and P1 becomes zero when the auxiliary switch Q2 is turned off at time t1. For this reason, the current C2i flows through the path of P1, Vin, C2, and P1, the capacitor C2 is discharged, and the drain-source voltage Q1v of the main switch Q1 drops.

期間T2の時刻t2で主スイッチQ1の電圧Q1vが零ボルトに達すると、トランスTaの1次巻線P1間の電圧はVinとなり、2次巻線S1間電圧は巻き始めが正電圧となる。   When the voltage Q1v of the main switch Q1 reaches zero volts at time t2 in the period T2, the voltage between the primary windings P1 of the transformer Ta becomes Vin, and the voltage between the secondary windings S1 becomes a positive voltage at the start of winding.

このため、2次巻線S1には巻き始めを正電圧としてVin・(Ns/Np)の電圧が誘起されるが、リーケージインダクタンスに相当するインダクタンスL10があるので、期間T1で流れていたリアクトルL11の電流が直ちにダイオードD10に移ることができない。このため、ダイオードD10の電流D10iは緩やかに増加し、時刻t4でリアクトルL11の電流が全てダイオードD10に移る。また、ダイオードD11の電流D11iはダイオードD10の電流D10iが増加する分だけ減少していく。   Therefore, a voltage of Vin · (Ns / Np) is induced in the secondary winding S1 with the start of winding as a positive voltage, but since there is an inductance L10 corresponding to the leakage inductance, the reactor L11 that has flowed in the period T1 Current cannot immediately transfer to the diode D10. For this reason, the current D10i of the diode D10 gradually increases, and all the current of the reactor L11 is transferred to the diode D10 at time t4. Further, the current D11i of the diode D11 decreases as the current D10i of the diode D10 increases.

このため、リアクトルL11の電流が全てダイオードD10に移った時刻t4でダイオードD11の電流D11iは零になる。ダイオードD10に流れる電流D10iは、時間をtとすると、次式に従って増加する。

Figure 2008079488
For this reason, the current D11i of the diode D11 becomes zero at the time t4 when all the current of the reactor L11 moves to the diode D10. The current D10i flowing through the diode D10 increases according to the following equation, where time is t.
Figure 2008079488

また、1次側の電流は2次巻線S1の電流に比例して増加して、時刻t4でリアクトルL11に流れている電流のNs/Np倍になる。このため、期間T2ではP1→Vin→C2→P1の経路で流れていた1次側電流はP1→Vin→D1→P1と流れ、時刻t3で零になり、期間T3ではVin→P1→Q1→Vinの経路で電流Q1iが流れる。   Further, the primary current increases in proportion to the current of the secondary winding S1, and becomes Ns / Np times the current flowing in the reactor L11 at time t4. For this reason, the primary side current that has flowed in the path of P1 → Vin → C2 → P1 in the period T2 flows as P1 → Vin → D1 → P1, and becomes zero at time t3, and Vin → P1 → Q1 → in the period T3. A current Q1i flows through the path of Vin.

期間T2では主スイッチQ1と並列に接続されたダイオードD1に電流が流れているので、この期間に主スイッチQ1のゲート信号Q1gをHレベルにすることで主スイッチQ1のZCS、ZVSが可能になる。   Since current flows through the diode D1 connected in parallel with the main switch Q1 during the period T2, ZCS and ZVS of the main switch Q1 can be performed by setting the gate signal Q1g of the main switch Q1 to H level during this period. .

しかし、ダイオードD11の電流D11iが零になり、リアクトルL11に{Vin・(Ns/Np)−Vout}の電圧が印加されるのは、時刻t4である。このため、期間T2、T3の分だけ1次側の主スイッチQ1のオンデューティが大きくなるので、式(1)によって、コンデンサC1の電圧Vc1は大きくなる。   However, the current D11i of the diode D11 becomes zero, and the voltage of {Vin · (Ns / Np) −Vout} is applied to the reactor L11 at time t4. For this reason, the on-duty of the primary side main switch Q1 is increased by the periods T2 and T3, and the voltage Vc1 of the capacitor C1 is increased according to the equation (1).

また、負荷電流が大きくなるとリアクトルL11の平均電流も増加するので、期間T2、T3の時間も大きくなり、負荷が大きくなるほどコンデンサC1の電圧Vc1も大きくなる。   Further, since the average current of the reactor L11 increases as the load current increases, the time periods T2 and T3 also increase, and the voltage Vc1 of the capacitor C1 increases as the load increases.

このため、主スイッチQ1と補助スイッチQ2に印加される電圧も大きくなる。出力電流が大きくなると1次側の主スイッチQ1のオンデューティが大きくなるので、急激な負荷変動により出力電圧が低下した場合などは、負荷電流に加えて出力電圧が落ち込んだ分だけコンデンサC10に電荷を供給しなければならない。このため、一時的に2次側に送る電流を増加する必要がある。   For this reason, the voltage applied to the main switch Q1 and the auxiliary switch Q2 also increases. Since the on-duty of the primary side main switch Q1 increases as the output current increases, when the output voltage decreases due to sudden load fluctuations, the capacitor C10 is charged by the amount that the output voltage drops in addition to the load current. Must be supplied. For this reason, it is necessary to temporarily increase the current sent to the secondary side.

従って、図1の回路構成よりも図4の回路構成の方が過渡応答時の主スイッチQ1,補助スイッチQ2に印加される電圧がより大きくなるので、本発明の効果がより大きいことが分かる。   Accordingly, it can be seen that the circuit configuration of FIG. 4 is more effective than the circuit configuration of FIG. 1 because the voltage applied to the main switch Q1 and the auxiliary switch Q2 during the transient response is larger.

期間T4における2次側では、S1→L10→D10→L11→C10→S1の経路で電流D10iが流れている。また1次側では、Vin→P1→Q1→Vinの経路で電流Q1iが流れている。   On the secondary side in the period T4, a current D10i flows through a path of S1, L10, D10, L11, C10, and S1. On the primary side, a current Q1i flows through a path of Vin → P1 → Q1 → Vin.

期間T5の時刻t5で主スイッチQ1のゲート信号Q1gがLレベルになり、主スイッチQ1はオフし、主スイッチQ1の電流Q1iは零になる。このため、Vin→P1→Q1→Vinの経路で流れていた電流は、Vin→P1→C2→Vinの経路で流れて、コンデンサC2の電圧は上昇し、主スイッチQ1の電圧Q1vも上昇する。従って、主スイッチQ1はZVS動作となる。   At time t5 in period T5, the gate signal Q1g of the main switch Q1 becomes L level, the main switch Q1 is turned off, and the current Q1i of the main switch Q1 becomes zero. For this reason, the current flowing in the path of Vin → P1 → Q1 → Vin flows in the path of Vin → P1 → C2 → Vin, the voltage of the capacitor C2 increases, and the voltage Q1v of the main switch Q1 also increases. Therefore, the main switch Q1 is in ZVS operation.

期間T6の時刻t6でコンデンサC2の電圧、即ち、主スイッチQ1の電圧Q1vはコンデンサC1の電圧になり、ダイオードD2が導通し、1次側では、P1→D2→C1→Vin→P1の経路で電流が流れる。トランスTaの1次巻線P1の電圧は(Vin→Vc1)となり巻き始めが負の電圧となる。このため、2次巻線S1の電圧も負の電圧になり、2次巻線S1には(Vc1-Vin)・(Ns/Np)の電圧が印加される。   At time t6 in the period T6, the voltage of the capacitor C2, that is, the voltage Q1v of the main switch Q1, becomes the voltage of the capacitor C1, the diode D2 becomes conductive, and on the primary side, the path of P1 → D2 → C1 → Vin → P1. Current flows. The voltage of the primary winding P1 of the transformer Ta is (Vin → Vc1), and the winding start is a negative voltage. For this reason, the voltage of the secondary winding S1 is also a negative voltage, and the voltage of (Vc1-Vin) · (Ns / Np) is applied to the secondary winding S1.

期間T5では、S1→L10→D10→L11→C10→S1と電流が流れていたので、2次巻線S1の電圧が負電圧になってもダイオードD10はオフせず、S1→L10→D10→L11→C10→S1の経路で電流D10iが流れる。このため、リアクトルL10に2次巻線S1の電圧(Vc1-Vin)・(Ns/Np)が印加され、S1→L10→D10→L11→C10→S1の電流は緩やかに減少する。このため、ダイオードD10の電流D10iが緩やかに減少し、ダイオードD10の電流D10iが減少する分、ダイオードD11の電流D11iが増加していき、時刻t7でリアクトルL11の電流が全てダイオードD11を流れる。   In the period T5, the current S1 → L10 → D10 → L11 → C10 → S1 flows, so the diode D10 does not turn off even if the voltage of the secondary winding S1 becomes a negative voltage, and S1 → L10 → D10 → The current D10i flows through the path L11 → C10 → S1. For this reason, the voltage (Vc1−Vin) · (Ns / Np) of the secondary winding S1 is applied to the reactor L10, and the current of S1 → L10 → D10 → L11 → C10 → S1 gradually decreases. For this reason, the current D10i of the diode D10 gradually decreases, and the current D11i of the diode D11 increases as much as the current D10i of the diode D10 decreases, and all the current of the reactor L11 flows through the diode D11 at time t7.

期間T7における2次側では、L11→C10→D11→L11の経路で電流D11iが流れている。また1次側では、トランスTaの励磁電流をリセット方向に、P1→Q2(D2)→C1→Vin→P1の経路で電流Q2i(D2i)が流れている。この期間に補助スイッチQ2のゲート信号G2gをHレベルとすることで補助スイッチQ2はZCS、ZVSが可能になる。   On the secondary side in the period T7, a current D11i flows through a path of L11 → C10 → D11 → L11. On the primary side, the current Q2i (D2i) flows through the path of P1-> Q2 (D2)-> C1-> Vin-> P1 in the reset direction of the exciting current of the transformer Ta. By setting the gate signal G2g of the auxiliary switch Q2 to the H level during this period, the auxiliary switch Q2 can perform ZCS and ZVS.

期間T8の時刻t8でP1→D2→C1→Vin→P1と流れていた1次側の電流は零になり、C1→Q2→P1→Vin→C1の経路で電流Q2iが流れるようになる。   At time t8 in period T8, the primary current that has flowed in the order of P1, D2, C1, Vin, and P1 becomes zero, and the current Q2i flows through the path of C1, Q2, P1, Vin, and C1.

このように実施例2の直流変換装置によれば、1次巻線P1と2次巻線S1とを疎結合した場合には、各スイッチQ1,Q2のZVS、ZCSを実現できるとともに、図1の回路構成よりも図4の回路構成の方が過渡応答時の主スイッチQ1、補助スイッチQ2に印加される電圧がより大きくなり、本発明の効果がより大きいことが分かる。   As described above, according to the DC converter of the second embodiment, when the primary winding P1 and the secondary winding S1 are loosely coupled, ZVS and ZCS of the switches Q1 and Q2 can be realized, and FIG. It can be seen that the voltage applied to the main switch Q1 and the auxiliary switch Q2 during the transient response is greater in the circuit configuration of FIG. 4 than in the circuit configuration of FIG.

図6は本発明の実施例3の直流変換装置の回路図である。図6では、図4に示す直流変換装置に対して、トランスTbの構成が異なる。トランスTbは、1次巻線P1(巻数Np)と2次巻線S1(巻数Ns)と帰還巻線S2(巻数Ns)とを有する。トランスTbの2次巻線S1と帰還巻線S2との直列回路の両端には、ダイオードD11とコンデンサC10との直列回路が接続されている。2次巻線S1と帰還巻線S2との接続点とダイオードD11とコンデンサC10との接続点とには、ダイオードD10が接続されている。1次巻線P1と2次巻線S1とは同相に巻回され、1次巻線P1と帰還巻線S2とは逆相に巻回されている。   FIG. 6 is a circuit diagram of a DC converter according to Embodiment 3 of the present invention. In FIG. 6, the configuration of the transformer Tb is different from the DC converter shown in FIG. The transformer Tb has a primary winding P1 (number of turns Np), a secondary winding S1 (number of turns Ns), and a feedback winding S2 (number of turns Ns). A series circuit of a diode D11 and a capacitor C10 is connected to both ends of the series circuit of the secondary winding S1 and the feedback winding S2 of the transformer Tb. A diode D10 is connected to a connection point between the secondary winding S1 and the feedback winding S2 and a connection point between the diode D11 and the capacitor C10. The primary winding P1 and the secondary winding S1 are wound in the same phase, and the primary winding P1 and the feedback winding S2 are wound in opposite phases.

2次巻線S1は1次巻線P1と著しく疎結合されている。2次巻線S1に直列に接続されたリアクトルL12は1次巻線P1と2次巻線S1との間のリーケージインダクタンスである。リアクトルL12は、フォワードコンバータのチョークコイルの役目をなし、主スイッチQ1がオン時にエネルギーを蓄える。   The secondary winding S1 is significantly loosely coupled to the primary winding P1. A reactor L12 connected in series with the secondary winding S1 is a leakage inductance between the primary winding P1 and the secondary winding S1. Reactor L12 serves as a choke coil for the forward converter, and stores energy when main switch Q1 is on.

帰還巻線S2は、1次巻線P1と疎結合され、主スイッチQ1がオン時に1次巻線P1及び2次巻線S1間のリーケージインダクタンス(リアクトルL12)に蓄えられたエネルギーを主スイッチQ1がオフ時に平滑コンデンサC10に帰還する。このため、効率が良くなる。帰還巻線S2に直列に接続されたリアクトルL13は、1次巻線P1と帰還巻線S2との間のリーケージインダクタンスである。   The feedback winding S2 is loosely coupled to the primary winding P1, and the energy stored in the leakage inductance (reactor L12) between the primary winding P1 and the secondary winding S1 when the main switch Q1 is turned on is the main switch Q1. Returns to the smoothing capacitor C10 when OFF. For this reason, efficiency is improved. A reactor L13 connected in series with the feedback winding S2 is a leakage inductance between the primary winding P1 and the feedback winding S2.

また、2次巻線S1とリアクトルL12との直列回路の両端には、可飽和リアクトルLHが接続されている。   A saturable reactor LH is connected to both ends of the series circuit of the secondary winding S1 and the reactor L12.

図6に示す直流変換装置のその他の構成は、図1に示す実施例1の直流変換装置の構成と同一構成であるので、同一部分には同一符号を付し、その説明は省略する。なお、制御回路11は、コンデンサC1の電圧を検出し、コンデンサC1の電圧が所定値を越えないように主スイッチQ1のオン幅を制御する。   The other configuration of the DC converter shown in FIG. 6 is the same as that of the DC converter of Embodiment 1 shown in FIG. The control circuit 11 detects the voltage of the capacitor C1 and controls the ON width of the main switch Q1 so that the voltage of the capacitor C1 does not exceed a predetermined value.

図7は本発明の実施例3の直流変換装置に使用するトランスの構造例である。図8は本発明の実施例3の直流変換装置に使用するトランスの等価回路である。図7に示すトランスTbは、日の字型のコア30を有し、コア30のコア部30aには、1次巻線P1と帰還巻線S2とが近接して巻回されている。これにより、1次巻線P1及び帰還巻線S2間が疎結合されてリーケージインダクタンスを有する。また、コア30には、パスコア30cとギャップ31が形成され、外周コアには2次巻線S1が巻回されている。即ち、パスコア30cにより、1次巻線P1と2次巻線S1を著しく疎結合させている。   FIG. 7 shows an example of the structure of a transformer used in the DC converter according to Embodiment 3 of the present invention. FIG. 8 is an equivalent circuit of a transformer used in the DC converter according to Embodiment 3 of the present invention. The transformer Tb shown in FIG. 7 has a Japanese character-shaped core 30, and the primary winding P <b> 1 and the feedback winding S <b> 2 are wound around the core portion 30 a of the core 30 in close proximity. As a result, the primary winding P1 and the feedback winding S2 are loosely coupled and have a leakage inductance. In addition, a pass core 30c and a gap 31 are formed in the core 30, and a secondary winding S1 is wound around the outer core. That is, the primary winding P1 and the secondary winding S1 are significantly loosely coupled by the pass core 30c.

また、2次巻線S1が巻回されているコアの一部を凹部30bとすることで、2次巻線S1が巻回されているコアの一部を飽和させて励磁電流を増加させ、電圧共振をさせている。凹部30bの飽和により可飽和リアクトルLHが設けられたことになる。   Further, by forming a part of the core around which the secondary winding S1 is wound as the recess 30b, the part of the core around which the secondary winding S1 is wound is saturated to increase the excitation current, Voltage resonance is made. Saturable reactor LH is provided by saturation of recess 30b.

また、疎結合された1次巻線P1と帰還巻線S2とによるリーケージインダクタンスL13は、主スイッチQ1がオンのときに蓄えたエネルギーを主スイッチQ1がオフした時にコンデンサC1に蓄える。そして、補助スイッチQ2をオンすることにより、コンデンサC1に蓄えられたエネルギーで2次巻線S1が巻回されてあるコアの凹部30bを第3象限に引き下げて飽和させ、補助スイッチQ2の電流を増大させることにより、主スイッチQ1のZVS動作が可能になる。   Further, the leakage inductance L13 due to the loosely coupled primary winding P1 and feedback winding S2 stores the energy stored when the main switch Q1 is on in the capacitor C1 when the main switch Q1 is off. Then, by turning on the auxiliary switch Q2, the core recess 30b around which the secondary winding S1 is wound is pulled down to the third quadrant with the energy stored in the capacitor C1 to saturate the current of the auxiliary switch Q2. By increasing it, the ZVS operation of the main switch Q1 becomes possible.

図9は本発明の実施例3の直流変換装置における各部のタイミングチャートである。図6に示す直流変換装置は、図4に示す直流変換装置に対して、リアクトルL11の代わりに、トランスTbのリーケージインダクタンスを利用するとともに、2次巻線S1を巻回しているコア30の一部を凹部30bとすることで、2次巻線S1を巻回しているコア30の凹部30bを飽和させ励磁電流を増加させ、電圧共振をさせている点が異なる。   FIG. 9 is a timing chart of each part in the DC converter according to Embodiment 3 of the present invention. The DC converter shown in FIG. 6 uses a leakage inductance of the transformer Tb instead of the reactor L11 as compared with the DC converter shown in FIG. 4, and is one of the cores 30 around which the secondary winding S1 is wound. The difference is that the concave portion 30b is used to saturate the concave portion 30b of the core 30 around which the secondary winding S1 is wound, thereby increasing the excitation current and causing voltage resonance.

図6のリアクトルL13は、図4のリアクトルL10に相当する。リアクトルL13があると、図9に示す動作波形のように各スイッチQ1,Q2のオン/オフ時にZVSやZCSが可能になる。   Reactor L13 in FIG. 6 corresponds to reactor L10 in FIG. When the reactor L13 is present, ZVS and ZCS can be performed when the switches Q1 and Q2 are turned on / off as shown in the operation waveform of FIG.

しかし、期間T2、T3の時間分が各スイッチQ1,Q2のオン幅を広げることになるので、式(1)よりコンデンサC1の電圧Vc1が大きくなる。期間T2、T3は負荷電流が大きくなると増加するので、図1の回路構成よりも、図6の回路構成の方が負荷の急変によるコンデンサC1の電圧上昇は大きくなるので、本発明の効果がより一層大となる。   However, since the durations of the periods T2 and T3 widen the ON widths of the switches Q1 and Q2, the voltage Vc1 of the capacitor C1 increases from the equation (1). Since the period T2 and T3 increase as the load current increases, the voltage rise of the capacitor C1 due to a sudden change in the load is greater in the circuit configuration of FIG. 6 than in the circuit configuration of FIG. It will be even bigger.

図9の動作は図5と同様であるが、期間T9で2次巻線S1を巻回しているコア30の一部を凹部30bとしたことで、2次巻線S1を巻回しているコア30の一部を飽和させ励磁電流Q2iを増加させているところが相違するのみであるので、その他の説明は省略し、期間T9の動作のみを説明する。   The operation in FIG. 9 is the same as that in FIG. 5, but the core 30 in which the secondary winding S <b> 1 is wound is obtained by forming a part of the core 30 in which the secondary winding S <b> 1 is wound in the period T <b> 9 as a recess 30 b. The only difference is that a portion of 30 is saturated and the excitation current Q2i is increased. Therefore, the other description is omitted and only the operation in the period T9 will be described.

図4の実施例2と図6の実施例3との違いは、補助スイッチQ2がオフしたときに(時刻t1)主スイッチQ1の電圧Q1vを零ボルトに下げる電圧共振のエネルギーの蓄え方であり、図4の実施例2では励磁電流を増加させることで電圧共振のエネルギーを得るが、図6の実施例3では2次巻線S1を巻回しているコア30の凹部30bを飽和させ、その飽和電流(励磁電流Q2i)で電圧共振のエネルギーを得る点が相違する。   The difference between the second embodiment of FIG. 4 and the third embodiment of FIG. 6 is how to store the energy of voltage resonance that lowers the voltage Q1v of the main switch Q1 to zero volts when the auxiliary switch Q2 is turned off (time t1). In Example 2 of FIG. 4, the energy of voltage resonance is obtained by increasing the excitation current, but in Example 3 of FIG. 6, the recess 30b of the core 30 around which the secondary winding S1 is wound is saturated, The difference is that the energy of voltage resonance is obtained by the saturation current (excitation current Q2i).

図6に示す直流変換装置では、補助スイッチQ2がオフするときの電流が同じであれば、期間T7、8の電流が少なくできる。このため、補助スイッチQ2の損失が少なくできるので、高効率な直流変換装置が構成できる。   In the DC converter shown in FIG. 6, the currents in the periods T7 and T8 can be reduced if the current when the auxiliary switch Q2 is turned off is the same. For this reason, since the loss of the auxiliary switch Q2 can be reduced, a highly efficient DC converter can be configured.

しかし、負荷電流が大きくなると期間T9の飽和電流が大きくなるので、主スイッチQ1の負方向(ダイオードD1に流れる電流)が大きくなる。すると、期間T2の時間が増加するので、図4の回路構成よりも、図6の回路構成の方が負荷の急変によるコンデンサC1の電圧上昇は大きくなるので、本発明の効果がより一層大となる。   However, when the load current increases, the saturation current in the period T9 increases, so the negative direction of the main switch Q1 (current flowing through the diode D1) increases. Then, since the time of the period T2 increases, the voltage increase of the capacitor C1 due to the sudden change in the load is larger in the circuit configuration of FIG. 6 than in the circuit configuration of FIG. Become.

本発明の実施例1の直流変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the DC converter of Example 1 of the present invention. 本発明の実施例1の直流変換装置に設けられる制御回路の回路例である。It is a circuit example of the control circuit provided in the DC converter of Example 1 of this invention. 本発明の実施例1の直流変換装置における負荷電流が急激に変化したときの動作波形を示す図である。It is a figure which shows an operation | movement waveform when the load current in the direct-current converter of Example 1 of this invention changes rapidly. 本発明の実施例2の直流変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the direct-current converter of Example 2 of the present invention. 本発明の実施例2の直流変換装置における各部のタイミングチャートである。It is a timing chart of each part in the direct-current converter of Example 2 of the present invention. 本発明の実施例3の直流変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the direct-current converter of Example 3 of the present invention. 本発明の実施例3の直流変換装置に使用するトランスの構造例である。It is a structural example of the transformer used for the DC converter of Example 3 of the present invention. 本発明の実施例3の直流変換装置に使用するトランスの等価回路である。It is the equivalent circuit of the transformer used for the direct-current converter of Example 3 of the present invention. 本発明の実施例3の直流変換装置における各部のタイミングチャートである。It is a timing chart of each part in the direct-current converter of Example 3 of the present invention. 従来のアクティブクランプ付きの直流変換装置の回路図である。It is a circuit diagram of the conventional DC converter with an active clamp. 図10に示す従来の直流変換装置の定常時における各部のタイミングチャートである。It is a timing chart of each part in the normal time of the conventional DC converter shown in FIG. 従来の直流変換装置の入力電圧とアクティブクランプコンデンサの電圧との変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the input voltage of the conventional DC converter, and the voltage of an active clamp capacitor. 図10に示す従来の直流変換装置に設けられる制御回路の回路例である。12 is a circuit example of a control circuit provided in the conventional DC converter shown in FIG. 図10に示す従来の直流変換装置における負荷電流が急激に変化したときの動作波形を示す図である。It is a figure which shows an operation | movement waveform when the load current in the conventional DC converter shown in FIG. 10 changes rapidly.

符号の説明Explanation of symbols

Vin 直流電源
T,Ta,Tb トランス
P1 1次巻線
S1 2次巻線
S2 帰還巻線
Q1 主スイッチ
Q2 補助スイッチ
C1,C2 コンデンサ
11,111 制御回路
30 負荷
40 誤差検出回路
D1,D2,D10,D11 ダイオード
Vin DC power supply T, Ta, Tb Transformer P1 Primary winding S1 Secondary winding S2 Feedback winding Q1 Main switch Q2 Auxiliary switch
C1, C2 Capacitor 11,111 Control circuit 30 Load 40 Error detection circuit D1, D2, D10, D11 Diode

Claims (3)

直流電源にトランスの1次巻線を介して接続された主スイッチと、
前記トランスの1次巻線の両端又は前記主スイッチの両端に接続され且つコンデンサと補助スイッチとが直列に接続された直列回路と、
前記トランスの2次巻線の電圧を整流素子及び平滑素子で整流平滑して直流の出力電圧を得る整流平滑手段と、
前記出力電圧と基準電圧との誤差を誤差検出信号として検出する誤差検出手段と、
前記主スイッチと前記補助スイッチとを交互にオン/オフさせるとともに前記誤差検出手段の誤差検出信号に基づき前記主スイッチのオン幅を制御する制御手段と、
前記コンデンサの電圧を検出する電圧検出手段とを備え、
前記制御手段は、前記電圧検出手段で検出された前記コンデンサの電圧が所定値を越えないように前記主スイッチのオン幅を制御することを特徴とする直流変換装置。
A main switch connected to the DC power supply via the primary winding of the transformer;
A series circuit connected to both ends of the primary winding of the transformer or both ends of the main switch and having a capacitor and an auxiliary switch connected in series;
Rectifying and smoothing means for obtaining a DC output voltage by rectifying and smoothing the voltage of the secondary winding of the transformer with a rectifying element and a smoothing element;
Error detection means for detecting an error between the output voltage and a reference voltage as an error detection signal;
Control means for alternately turning on and off the main switch and the auxiliary switch and controlling the on-width of the main switch based on an error detection signal of the error detection means;
Voltage detecting means for detecting the voltage of the capacitor,
The DC converter according to claim 1, wherein the control unit controls an ON width of the main switch so that a voltage of the capacitor detected by the voltage detection unit does not exceed a predetermined value.
前記トランスの1次巻線と2次巻線とは、疎結合されてなることを特徴とする請求項1記載の直流変換装置。   The DC converter according to claim 1, wherein the primary winding and the secondary winding of the transformer are loosely coupled. 前記トランスの2次巻線は、前記トランスの1次巻線と著しく疎結合されてなり、
前記トランスは、前記1次巻線と疎結合され且つ前記2次巻線に直列に接続され、前記1次巻線及び2次巻線間のリーケージインダクタンスに蓄えられたエネルギーを前記主スイッチがオフ時に前記平滑素子に帰還する帰還巻線を有することを特徴とする請求項1記載の直流変換装置。
The secondary winding of the transformer is significantly loosely coupled with the primary winding of the transformer,
The transformer is loosely coupled to the primary winding and connected in series to the secondary winding, and the main switch turns off the energy stored in the leakage inductance between the primary winding and the secondary winding. 2. The DC converter according to claim 1, further comprising a feedback winding that feeds back to the smoothing element.
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