JP2014150690A - 電流共振型スイッチング電源 - Google Patents
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Abstract
【課題】2つのスイッチ素子のON時間の比を制御することで、2つの出力の電流差を抑制することができ、電力損失を低減することができる。
【解決手段】直流電圧源の入力端子とGNDとの間に直列接続されたスイッチ素子Q1、Q2と、スイッチ素子Q1、Q2とが接続される中点からスイッチ素子Q1、Q2が交互にON/OFFすることで電流が供給されるトランスT2の1次巻線と、1次巻線にコンデンサCrを直列接続して構成される電流共振回路と、電流共振回路の共振動作によって電圧が誘起される2つの2次巻線と、1次巻線とコアが共通の2つの補助巻線と、2次巻線の出力を整流平滑する平滑回路とを備え、2つの2次巻線からの出力電流を夫々に検出する電流検出回路22と、電流検出回路22により検出された出力電流の差に応じてスイッチ素子Q1、Q2のON時間の比を制御するLLCコントローラ21とを備える。
【選択図】図4
【解決手段】直流電圧源の入力端子とGNDとの間に直列接続されたスイッチ素子Q1、Q2と、スイッチ素子Q1、Q2とが接続される中点からスイッチ素子Q1、Q2が交互にON/OFFすることで電流が供給されるトランスT2の1次巻線と、1次巻線にコンデンサCrを直列接続して構成される電流共振回路と、電流共振回路の共振動作によって電圧が誘起される2つの2次巻線と、1次巻線とコアが共通の2つの補助巻線と、2次巻線の出力を整流平滑する平滑回路とを備え、2つの2次巻線からの出力電流を夫々に検出する電流検出回路22と、電流検出回路22により検出された出力電流の差に応じてスイッチ素子Q1、Q2のON時間の比を制御するLLCコントローラ21とを備える。
【選択図】図4
Description
本発明は、家電製品や事務機器等の電子機器製品に用いる電源制御装置に好適な電流共振型スイッチング電源に関する。
近年、環境問題から家電製品や事務機器等の電子機器製品の低消費電力化が注目されている。これらに使用されている電源装置においても電力変換効率の高効率化の要求が強く、また、家電製品の小型化に伴って電源装置の小型化も進んでいる。
このような事情を背景にして、スイッチング損失が少なく小型化に適したLLC電流共振型スイッチング電源が多く普及してきている。
特許文献1には、直流電圧源の出力端子30とGND端子31間に直列接続して設けられたMOSFET2、3と、その中点Aから信号VG1、VG2により交互にON/OFFすることで電流が供給される漏れインダクタ4、励磁インダクタ5とそれらに直列接続した直列共振コンデンサ6と、共振動作によって電圧が誘起される2次側インダクタ7、8と、その出力を平滑する出力整流ダイオード9、10及び出力平滑コンデンサ11とを有した多重電流共振コンバータ50であって、直流電圧源の出力端子30とMOSFET2間にインダクタ16を挿入し、インダクタ16からの出力とGND端子31間にコンデンサ14、15を直列接続し、コンデンサ14、15の中点Bをコンデンサ6の一端に接続して構成される高調波用共振回路33を備えている多重電流共振型コンバータ及び画像形成装置が開示されている。
このような事情を背景にして、スイッチング損失が少なく小型化に適したLLC電流共振型スイッチング電源が多く普及してきている。
特許文献1には、直流電圧源の出力端子30とGND端子31間に直列接続して設けられたMOSFET2、3と、その中点Aから信号VG1、VG2により交互にON/OFFすることで電流が供給される漏れインダクタ4、励磁インダクタ5とそれらに直列接続した直列共振コンデンサ6と、共振動作によって電圧が誘起される2次側インダクタ7、8と、その出力を平滑する出力整流ダイオード9、10及び出力平滑コンデンサ11とを有した多重電流共振コンバータ50であって、直流電圧源の出力端子30とMOSFET2間にインダクタ16を挿入し、インダクタ16からの出力とGND端子31間にコンデンサ14、15を直列接続し、コンデンサ14、15の中点Bをコンデンサ6の一端に接続して構成される高調波用共振回路33を備えている多重電流共振型コンバータ及び画像形成装置が開示されている。
特許文献1にあっては、実際にこのようなスイッチング電源を設計する上では、2つの出力整流ダイオード9、10の夫々に流れる電流Id1、Id2が同じであればよりワッテージの低いダイオードが使用できる。しかし、電流量の差があるためにより高いワッテージのダイオードを使用する必用がある。
今後、トランスの小型化が進んでいき、導体の体積を小さくするために巻き数を少なくする構成になると考えられる。この場合、巻き数誤差が更に大きくなるため、出力電流量の差が更に大きくなることが懸念されるといった問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、2つのスイッチ素子のON時間の比を制御することで、2つの出力の電流差を抑制することができ、電力損失を低減することができることにある。
今後、トランスの小型化が進んでいき、導体の体積を小さくするために巻き数を少なくする構成になると考えられる。この場合、巻き数誤差が更に大きくなるため、出力電流量の差が更に大きくなることが懸念されるといった問題がある。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的としては、2つのスイッチ素子のON時間の比を制御することで、2つの出力の電流差を抑制することができ、電力損失を低減することができることにある。
上記課題を解決するため、請求項1記載の発明は、直流電圧源の入力端子とGNDとの間に直列接続された第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子と、前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とが直列接続される中点から前記第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子が交互にON/OFFすることで電流が供給されるトランスの1次巻線と、前記トランスの1次巻線に直列共振コンデンサを直列接続して構成される電流共振回路と、前記電流共振回路の共振動作によって電圧が誘起される前記トランスの2つの2次巻線と、前記トランスの前記1次巻線とコアが共通の2つの補助巻線と、前記トランスの2次巻線の出力を整流平滑する平滑回路と、を備えた電流共振形コンバータであって、前記トランスの2つの補助巻線からの電流を夫々に検出する電流検出回路と、前記電流検出回路により検出された夫々の電流の差に応じて前記第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子のON時間の比を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする。
本発明によれば、トランスの2つの補助巻線からの電流の差に応じて第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子のON時間の比を制御することで、2つの出力の電流差を抑制することができ、電力損失を低減することができる。
本発明の実施形態では、出力電流監視手段を設け出力電流値の差に基づいて、LLCコントローラ11からのゲートドライブ信号VG2とVG2のON時間の比を制御する。すなわち、共振コンデンサCrの両端電圧の中心電位をずらして、1次側インダクタンスLmから2次側インダクタンスLs1・Ls2へのエネルギ伝達量を調整することで出力電流差を制御することを特徴とする。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。
図1を参照して、LLC電流共振型スイッチング電源の前提となる基本的な回路構成、図2を参照して、LLC電流共振型スイッチング電源における動作説明のためのタイミングチャートについて説明する。
図1において、直流電圧源からの入力端子V1とGNDとの間にスイッチQ1(第1スイッチ素子)及びスイッチ素子Q2(第2スイッチ素子)が直列接続されている。スイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2の中点からスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2が交互にON/OFFすることで電流IcrがトランスT1の1次巻線に供給される。スイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2の中点からインダクタンスLrを介してトランスT1の1次巻線の一端に接続され、トランスT1の1次巻線の他端から第1コンデンサCrを直列接続して電流共振回路が構成される。なお、トランスT1の1次側巻線と2次側巻線との比はN:Mである。
電流共振回路の共振動作によってトランスT1の2つの2次巻線Ls1、Ls2に電圧が誘起される。2次巻線Ls1、Ls2のそれぞれの出力電流は2つのダイオードD1、D2により整流され、平滑用コンデンサChにより平滑される。
図1を参照して、LLC電流共振型スイッチング電源の前提となる基本的な回路構成、図2を参照して、LLC電流共振型スイッチング電源における動作説明のためのタイミングチャートについて説明する。
図1において、直流電圧源からの入力端子V1とGNDとの間にスイッチQ1(第1スイッチ素子)及びスイッチ素子Q2(第2スイッチ素子)が直列接続されている。スイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2の中点からスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2が交互にON/OFFすることで電流IcrがトランスT1の1次巻線に供給される。スイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2の中点からインダクタンスLrを介してトランスT1の1次巻線の一端に接続され、トランスT1の1次巻線の他端から第1コンデンサCrを直列接続して電流共振回路が構成される。なお、トランスT1の1次側巻線と2次側巻線との比はN:Mである。
電流共振回路の共振動作によってトランスT1の2つの2次巻線Ls1、Ls2に電圧が誘起される。2次巻線Ls1、Ls2のそれぞれの出力電流は2つのダイオードD1、D2により整流され、平滑用コンデンサChにより平滑される。
両図において、VG1はスイッチ素子Q1のゲート信号、VG2はスイッチ素子Q2のゲート信号、VTはトランスT1の1次側インダクタンスLr+Lmと直列共振コンデンサCrの直列回路の両端電圧(以下、中点電圧VTという)である。Icrは直列回路に流れる電流、Id1、Id2は出力整流ダイオードD1、D2それぞれに流れる電流、VT2はトランスT1の2次側インダクタンスLs1+Ls2の両端電圧、Vcrは直列共振コンデンサCrの両端電圧である。
LLC電流共振型スイッチング電源10のスイッチング動作では、スイッチ素子Q1、Q2を交互にON/OFFし、このON/OFFを切り替える間には、スイッチ素子Q1、Q2が共にOFF期間となるデッドタイム(図2に示すt1、t2の期間)が設けられる。
このデッドタイム期間中にトランスT1への電流供給は、スイッチ素子Q1のボティダイオード(期間1)もしくはスイッチ素子Q2のボディダイオード(期間2)によって行われる。中間電圧VTは、入力端子V1もしくはGNDにクランプされ、この状態(スイッチ素子Q1もしくはQ2のドレイン・ソース間電圧がボディダイオードのVFになっている)で、スイッチ素子Q1またはQ2がONするので、スイッチ素子によるスイッチング損失は非常に少なくすることができる。
LLC電流共振型スイッチング電源10のスイッチング動作では、スイッチ素子Q1、Q2を交互にON/OFFし、このON/OFFを切り替える間には、スイッチ素子Q1、Q2が共にOFF期間となるデッドタイム(図2に示すt1、t2の期間)が設けられる。
このデッドタイム期間中にトランスT1への電流供給は、スイッチ素子Q1のボティダイオード(期間1)もしくはスイッチ素子Q2のボディダイオード(期間2)によって行われる。中間電圧VTは、入力端子V1もしくはGNDにクランプされ、この状態(スイッチ素子Q1もしくはQ2のドレイン・ソース間電圧がボディダイオードのVFになっている)で、スイッチ素子Q1またはQ2がONするので、スイッチ素子によるスイッチング損失は非常に少なくすることができる。
また、LLC電流共振型スイッチング電源10の電流Icrは、図2に示すように、漏れインダクタンスLr、励磁インダクタンスLmと直列共振コンデンサCrよる共振、及び2次側出力回路の状態によって共振状態が変化するものである。中点電圧VT、直列共振コンデンサCrの電圧出力電圧V2、ボディダイオードのVFにトランスT1の巻線比から、
|VT−Vcr|>(V2+VF)×(n/m)
となるときに、基本成分である漏れインダクタンスLrと直流共振コンデンサCrによる共振成分が2次側インダクタンスLs1、Ls2に伝達される。このため出力ダイオードD1、D2の電流Id1、Id2は正弦波の半波に近い状態になる。よって、ダイオードD1、D2の極性反転による損失も非常に少なくすることができる。
また、電流波形が正弦波に近いことから低ノイズ特性であることも注目される大きな要素である。
|VT−Vcr|>(V2+VF)×(n/m)
となるときに、基本成分である漏れインダクタンスLrと直流共振コンデンサCrによる共振成分が2次側インダクタンスLs1、Ls2に伝達される。このため出力ダイオードD1、D2の電流Id1、Id2は正弦波の半波に近い状態になる。よって、ダイオードD1、D2の極性反転による損失も非常に少なくすることができる。
また、電流波形が正弦波に近いことから低ノイズ特性であることも注目される大きな要素である。
上述したように、LLC電流共振スイッチング電源10のトランスT1の1次側巻線から2次側巻線への電力の伝達は、
|VT−Vcr|≧(V2+VF)×(n/m)
のときに行なわれ、また出力ダイオードD1、D2の電流Id1、Id2は、漏れインダクタンスLrと直列共振コンデンサCrによるものである。
図1において、漏れインダクタンスLrは励磁インダクタンスLmとの直列回路として記載している。しかし、実際はトランスT1の1次側巻線から2次側のインダクタンスLs1、Ls2へエネルギを伝達するときに寄与しない1次側インダクタンスの成分がある。このため、トランスT1の1次側巻線のインダクタンス対Ls1時の漏れインダクタンスLrとトランスT1の1次側巻線のインダクタンス対Ls2時の漏れインダクタンスLrは、インダクタンスLs1とLs2の巻き数差や巻き位置の差によって誤差を生じる。
|VT−Vcr|≧(V2+VF)×(n/m)
のときに行なわれ、また出力ダイオードD1、D2の電流Id1、Id2は、漏れインダクタンスLrと直列共振コンデンサCrによるものである。
図1において、漏れインダクタンスLrは励磁インダクタンスLmとの直列回路として記載している。しかし、実際はトランスT1の1次側巻線から2次側のインダクタンスLs1、Ls2へエネルギを伝達するときに寄与しない1次側インダクタンスの成分がある。このため、トランスT1の1次側巻線のインダクタンス対Ls1時の漏れインダクタンスLrとトランスT1の1次側巻線のインダクタンス対Ls2時の漏れインダクタンスLrは、インダクタンスLs1とLs2の巻き数差や巻き位置の差によって誤差を生じる。
また、出力ダイオードD1、D2やスイッチ素子Q1、Q2にも個体差があり、またLLCコントローラ11からスイッチ素子Q1、Q2のゲートに出力されるゲートドライブ信号においても誤差が生じる。このため、出力ダイオードD1、D2の電流Id1、Id2が異なり、出力ダイオードD1、D2のどちらか一方でのエネルギ損失が大きくなる。
実際にこのようなスイッチング電源を設計する上では、出力ダイオードD1、D2の電流Id1、Id2が同じであればよりワッテージの低いダイオードが使用できる。しかし、上記理由により両者には電流量の差があるためにより高いワッテージのダイオードを使用する必用がある。
実際にこのようなスイッチング電源を設計する上では、出力ダイオードD1、D2の電流Id1、Id2が同じであればよりワッテージの低いダイオードが使用できる。しかし、上記理由により両者には電流量の差があるためにより高いワッテージのダイオードを使用する必用がある。
図2では、ゲートドライブ信号VG1、VG2のON時間の比は1:1のときに、直列共振コンデンサCrへの充放電電流量がバランスされる(同じになる)Vcrの中心電圧は、入力電圧V1の1/2の電圧である。図2に示す斜線の期間がトランスT1の1次側巻線から2次側巻線へエネルギを伝達する期間である。
このトランスT1の1次側巻線から2次側巻線へエネルギを伝達する条件は、トランスT1の1次側巻線の両端電圧がトランスT1の2次側巻線のインダクタンスLs1、Ls2の両端電圧に巻線比n/mを乗じた値より大きくなる条件で、通常負荷が0の状態では電流が流れないように、
VT−Vcr=V1/2>(V2+VF)×(n/m)
として設定する。
図2に示すV3、V4の電圧は、
V1/2−(V2+VF)×(n/m)=α
としたとき、
V3=V1/2+α、V4=V1/2−α
となる。
このトランスT1の1次側巻線から2次側巻線へエネルギを伝達する条件は、トランスT1の1次側巻線の両端電圧がトランスT1の2次側巻線のインダクタンスLs1、Ls2の両端電圧に巻線比n/mを乗じた値より大きくなる条件で、通常負荷が0の状態では電流が流れないように、
VT−Vcr=V1/2>(V2+VF)×(n/m)
として設定する。
図2に示すV3、V4の電圧は、
V1/2−(V2+VF)×(n/m)=α
としたとき、
V3=V1/2+α、V4=V1/2−α
となる。
次に、図3に示すタイミングチャートを参照して、LLC電流共振型スイッチング電源10による動作について説明する。
図3は、図2と比べてスイッチング周波数とデッドタイムは同じとして、ゲートドライブ信号VG1、VG2のON時間の比をVG1のON時間を短く、VG2のON時間を長くした場合を想定したタイムチャートである。
この状態において、直列共振コンデンサCrへの充放電電流量がバランスされる(同じになる)Vcrの中心電圧は、ゲートドライブ信号VG1、VG2のON時間の比に比例するのでV1/2より低い電圧になる。しかし、トランスT1の1次側巻線から2次側巻線へエネルギを伝達する期間は、その基準電圧がトランスT1の1次側巻線の両端電圧とトランスT1の2次側巻線のインダクタンスLs1、Ls2の両端電圧と巻線比n/mによる固定値である。このため、図2に示す斜線で示した期間となり、その結果、トランスT1の2次側巻線の出力電流Id1、Id2のバランスが変化する。
本実施形態は、このようゲートドライブ信号VG1のON時間、及びゲートドライブ信号VG2のON時間の比を制御することで、出力電流バランスを調整するものである。
図3は、図2と比べてスイッチング周波数とデッドタイムは同じとして、ゲートドライブ信号VG1、VG2のON時間の比をVG1のON時間を短く、VG2のON時間を長くした場合を想定したタイムチャートである。
この状態において、直列共振コンデンサCrへの充放電電流量がバランスされる(同じになる)Vcrの中心電圧は、ゲートドライブ信号VG1、VG2のON時間の比に比例するのでV1/2より低い電圧になる。しかし、トランスT1の1次側巻線から2次側巻線へエネルギを伝達する期間は、その基準電圧がトランスT1の1次側巻線の両端電圧とトランスT1の2次側巻線のインダクタンスLs1、Ls2の両端電圧と巻線比n/mによる固定値である。このため、図2に示す斜線で示した期間となり、その結果、トランスT1の2次側巻線の出力電流Id1、Id2のバランスが変化する。
本実施形態は、このようゲートドライブ信号VG1のON時間、及びゲートドライブ信号VG2のON時間の比を制御することで、出力電流バランスを調整するものである。
次に、図4を参照して、本発明の第1実施形態に係るLLC電流共振型スイッチング電源20の回路構成について説明する。
図4は、図1に示したLLC電流共振型スイッチング電源20の構成に、出力電圧制御のためのエラーアンプ24と、トランスT2の1次側巻線と2次側巻線の電気絶縁のためフォトカプラ25と、電流検出部32(電流検出回路)を加えた構成である。トランスT2は、1次巻線、2次巻線とコアが共通の2つの補助巻線Lh1、Lh2を備えている。トランスT2の2次巻線Ls1、Ls2の出力を整流平滑する平滑回路を備えている。
図4は、図1に示したLLC電流共振型スイッチング電源20の構成に、出力電圧制御のためのエラーアンプ24と、トランスT2の1次側巻線と2次側巻線の電気絶縁のためフォトカプラ25と、電流検出部32(電流検出回路)を加えた構成である。トランスT2は、1次巻線、2次巻線とコアが共通の2つの補助巻線Lh1、Lh2を備えている。トランスT2の2次巻線Ls1、Ls2の出力を整流平滑する平滑回路を備えている。
ここで、図4を参照して、本発明の第1実施形態に係るLLC電流共振型スイッチング電源20の動作を説明する。
直流電圧源の入力端子V1とGNDとの間にスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2が直列接続されており、スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2とが直列接続される中点からスイッチ素子Q1、Q2が交互にON/OFFすることで電流がトランスT2の1次巻線Lmに供給される。トランスT2の1次巻線に直列共振コンデンサCrを直列接続して電流共振回路が構成され、電流共振回路の共振動作によって電圧がトランスT2の2つの2次巻線Ls1、Ls2に誘起される。
電流検出部22は、トランスT2の2つの補助巻線Lh1、Lh2からの電流を夫々に検出し、LLCコントローラ21は電流検出部22により検出された夫々の電流の差に応じてスイッチ素子Q1、Q2のON時間の比を制御する。
詳しくは、電流検出部32は、2つの補助巻線からの出力電流を個々に検出する手段であり、1次巻線と2つの2次巻線とフェライトコアにより構成される絶縁トランスに補助巻線Lh1、Lh2を設けて、補助巻線Lh1、Lh2の出力電圧として得る。
出力電圧制御については設定値に対する誤差をエラーアンプ24にて増幅して、フォトカプラ25を介してLLCコントローラ21に伝達される。LLCコントローラ21はその信号の大きさに応じてスイッチング周波数を制御する。
直流電圧源の入力端子V1とGNDとの間にスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2が直列接続されており、スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2とが直列接続される中点からスイッチ素子Q1、Q2が交互にON/OFFすることで電流がトランスT2の1次巻線Lmに供給される。トランスT2の1次巻線に直列共振コンデンサCrを直列接続して電流共振回路が構成され、電流共振回路の共振動作によって電圧がトランスT2の2つの2次巻線Ls1、Ls2に誘起される。
電流検出部22は、トランスT2の2つの補助巻線Lh1、Lh2からの電流を夫々に検出し、LLCコントローラ21は電流検出部22により検出された夫々の電流の差に応じてスイッチ素子Q1、Q2のON時間の比を制御する。
詳しくは、電流検出部32は、2つの補助巻線からの出力電流を個々に検出する手段であり、1次巻線と2つの2次巻線とフェライトコアにより構成される絶縁トランスに補助巻線Lh1、Lh2を設けて、補助巻線Lh1、Lh2の出力電圧として得る。
出力電圧制御については設定値に対する誤差をエラーアンプ24にて増幅して、フォトカプラ25を介してLLCコントローラ21に伝達される。LLCコントローラ21はその信号の大きさに応じてスイッチング周波数を制御する。
一方、電流検出部32では、補助巻線Lh1、Lh2からの電流をダイオードD3、D4でそれぞれ整流してコンデンサC1、C2にそれぞれチャージする。このとき抵抗R1、R2の抵抗値が電源出力の負荷抵抗よりも十分大きい条件で、コンデンサC1の両端電圧はId1のピーク電流に比例した値であり、コンデンサC2の両端電圧はId2のピーク電流に比例した値となる。このそれぞれの電圧値から差動増幅器23によって出力電流差としてLLCコントローラ21に伝達される。LLCコントローラ21ではこの信号に基づいてゲートドライブ信号VG1、VG2のON時間の比を調整する。
このように、トランスT2の2つの補助巻線からの電流を電流検出部32で夫々に検出し、LLCコントローラ21で夫々の電流の差に応じてスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2のON時間の比を制御する。これにより、2つのスイッチ素子のON時間の比を制御することで、2つの出力の電流差を抑制することができ、電力損失を低減することができる。
LLCコントローラ21は、軽負荷では図3に示した出力電流Id2が0になるまでスイッチ素子Q1に印加するゲートドライブ信号VG1のON時間を狭め、スイッチ素子Q2に印加するゲートドライブ信号VG2のON時間を延ばすように制御する。これにより、スイッチング周波数を低くすることができる。これにより、軽負荷でのスイッチング周波数を通常より低くすることができ、軽負荷での電力損失を低減することができる。
このように、トランスT2の2つの補助巻線からの電流を電流検出部32で夫々に検出し、LLCコントローラ21で夫々の電流の差に応じてスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2のON時間の比を制御する。これにより、2つのスイッチ素子のON時間の比を制御することで、2つの出力の電流差を抑制することができ、電力損失を低減することができる。
LLCコントローラ21は、軽負荷では図3に示した出力電流Id2が0になるまでスイッチ素子Q1に印加するゲートドライブ信号VG1のON時間を狭め、スイッチ素子Q2に印加するゲートドライブ信号VG2のON時間を延ばすように制御する。これにより、スイッチング周波数を低くすることができる。これにより、軽負荷でのスイッチング周波数を通常より低くすることができ、軽負荷での電力損失を低減することができる。
<第2実施形態>
次に、図5を参照して、本発明の第2実施形態に係るLLC電流共振型スイッチング電源30の回路構成について説明する。
図5は、図1に示したLLC電流共振型スイッチング電源30の構成に出力電圧制御のためのエラーアンプ34と、トランスT3の1次側と2次側の電気絶縁のためフォトカプラ35と、更に電流検出部32を加えた構成である。トランスT2の2次巻線Ls1、Ls2の出力を整流平滑する平滑回路を備えている。
次に、図5を参照して、本発明の第2実施形態に係るLLC電流共振型スイッチング電源30の回路構成について説明する。
図5は、図1に示したLLC電流共振型スイッチング電源30の構成に出力電圧制御のためのエラーアンプ34と、トランスT3の1次側と2次側の電気絶縁のためフォトカプラ35と、更に電流検出部32を加えた構成である。トランスT2の2次巻線Ls1、Ls2の出力を整流平滑する平滑回路を備えている。
ここで、図5を参照して、本発明の第2実施形態に係るLLC電流共振型スイッチング電源30の動作を説明する。
直流電圧源の入力端子V1とGNDとの間にスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2が直列接続されており、スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2とが直列接続される中点からスイッチ素子Q1、Q2が交互にON/OFFすることで電流がトランスT2の1次巻線Lmに供給される。トランスT2の1次巻線に直列共振コンデンサCrを直列接続して電流共振回路が構成され、電流共振回路の共振動作によって電圧がトランスT2の2つの2次巻線Ls1、Ls2に誘起される。
電流検出部32は、トランスT3の1次巻線Lmと直列共振コンデンサCrとの接続点からコンデンサC3を介したカップリングにより正電流及び負電流を夫々に検出し、LLCコントローラ31は電流検出部32により検出された正電流と負電流との差に応じてスイッチ素子Q1、Q2のON時間の比を制御する。
直流電圧源の入力端子V1とGNDとの間にスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2が直列接続されており、スイッチ素子Q1とスイッチ素子Q2とが直列接続される中点からスイッチ素子Q1、Q2が交互にON/OFFすることで電流がトランスT2の1次巻線Lmに供給される。トランスT2の1次巻線に直列共振コンデンサCrを直列接続して電流共振回路が構成され、電流共振回路の共振動作によって電圧がトランスT2の2つの2次巻線Ls1、Ls2に誘起される。
電流検出部32は、トランスT3の1次巻線Lmと直列共振コンデンサCrとの接続点からコンデンサC3を介したカップリングにより正電流及び負電流を夫々に検出し、LLCコントローラ31は電流検出部32により検出された正電流と負電流との差に応じてスイッチ素子Q1、Q2のON時間の比を制御する。
詳しくは、電流検出部32は、トランスT3の1次側インダクタンスLmと直列共振コンデンサCrの接続点からコンデンサC3を介したコンデンサカップリングによりインダクタンスLrとコンデンサCrの共振周波数成分を検出する回路である。ダイオードD3、D5で正電流の検出を行いコンデンサC1と抵抗R1で積分し、ダイオードD4、D6で負電流の検出を行いコンデンサC2と抵抗R2で積分して、正負それぞれの差電圧を加算器33にて検出してLLCコントローラ31に伝達する。
さらに、LLCコントローラ31では、この信号に応じてゲートドライブ信号VG1、VG2のON時間の比を調整する。
このように、トランスT3の1次巻線と直列共振コンデンサとの接続点からコンデンサC3を介したカップリングにより正電流及び負電流を電流検出部32で夫々に検出し、LLCコントローラ31で正電流と負電流との差に応じてスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2のON時間の比を制御する。これにより、2つのスイッチ素子のON時間の比を制御することで、2つの出力の電流差を抑制することができ、電力損失を低減することができる。
さらに、LLCコントローラ31では、この信号に応じてゲートドライブ信号VG1、VG2のON時間の比を調整する。
このように、トランスT3の1次巻線と直列共振コンデンサとの接続点からコンデンサC3を介したカップリングにより正電流及び負電流を電流検出部32で夫々に検出し、LLCコントローラ31で正電流と負電流との差に応じてスイッチ素子Q1及びスイッチ素子Q2のON時間の比を制御する。これにより、2つのスイッチ素子のON時間の比を制御することで、2つの出力の電流差を抑制することができ、電力損失を低減することができる。
またLLCコントローラ31は、トランスT3の2つの2次巻線からの出力電流をどちらか一方のみ出力側(コンデンサCh)に通電するように制御する。すなわち、LLCコントローラ31は、軽負荷では図3に示した出力電流Id2が0になるまでスイッチ素子Q1に印加するゲートドライブ信号VG1のON時間を狭めるように制御する。かつ、LLCコントローラ31は、軽負荷ではスイッチ素子Q2に印加するゲートドライブ信号VG2のON時間を延ばすように制御する。これにより、スイッチング周波数を低くすることができる。これにより、軽負荷でのスイッチング周波数を通常より低くすることができ、軽負荷での電力損失を低減することができる。
Lr…インダクタンス、VT…中点電圧、Ls1…インダクタンス、C1…コンデンサ、Q1…スイッチ素子、T1…トランス、C1、C2…コンデンサ、D1、D2…ダイオード、Lh1、Lh2…補助巻線、Ls1、Ls2…2次巻線、R1、R2…抵抗、Q2…スイッチ素子、T2…トランス、R2…抵抗R、10、20、30…LLC電流共振スイッチング電源、11…LLCコントローラ、11…出力平滑コンデンサ、21…LLCコントローラ、23…差動増幅器、24…エラーアンプ、25…フォトカプラ、C3…コンデンサ、T3…トランス、D3、D4…ダイオード、31…LLCコントローラ、32…電流検出部、33…加算器、33…高調波用共振回路、34…エラーアンプ、35…フォトカプラ
Claims (4)
- 直流電圧源の入力端子とGNDとの間に直列接続された第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子と、
前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とが直列接続される中点から前記第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子が交互にON/OFFすることで電流が供給されるトランスの1次巻線と、
前記トランスの1次巻線に直列共振コンデンサを直列接続して構成される電流共振回路と、
前記電流共振回路の共振動作によって電圧が誘起される前記トランスの2つの2次巻線と、
前記トランスの前記1次巻線とコアが共通の2つの補助巻線と、
前記トランスの2次巻線の出力を整流平滑する平滑回路と、を備えた電流共振形コンバータであって、
前記トランスの2つの補助巻線からの電流を夫々に検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路により検出された夫々の電流の差に応じて前記第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子のON時間の比を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする電流共振型スイッチング電源。 - 前記電流検出回路により検出される電流は前記補助巻線から出力されるピーク電流であることを特徴とする請求項1記載の電流共振型スイッチング電源。
- 直流電圧源の入力端子とGNDとの間に直列接続された第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子と、
前記第1スイッチ素子と前記第2スイッチ素子とが直列接続される中点から前記第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子が交互にON/OFFすることで電流が供給されるトランスの1次巻線と、
前記トランスの1次巻線に直列共振コンデンサを直列接続して構成される電流共振回路と、
前記電流共振回路の共振動作によって電圧が誘起される前記トランスの2つの2次巻線と、
前記トランスの2次巻線の出力を整流平滑する平滑回路と、を備えた電流共振形コンバータであって、
前記トランスの1次巻線と前記直列共振コンデンサとの接続点からコンデンサを介したカップリングにより正電流及び負電流を夫々に検出する電流検出回路と、
前記電流検出回路により検出された前記正電流と負電流との差に応じて前記第1スイッチ素子及び第2スイッチ素子のON時間の比を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする電流共振型スイッチング電源。 - 前記制御回路は、軽負荷時において前記第1スイッチ素子に印加するゲートドライブ信号のON時間を狭めるように制御し、かつ前記第2スイッチ素子に印加するゲートドライブ信号のON時間を延ばすように制御することを特徴とする請求項1又は3記載の電流共振型スイッチング電源。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2013019286A JP2014150690A (ja) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | 電流共振型スイッチング電源 |
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JP2013019286A JP2014150690A (ja) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | 電流共振型スイッチング電源 |
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Family
ID=51573234
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JP2013019286A Pending JP2014150690A (ja) | 2013-02-04 | 2013-02-04 | 電流共振型スイッチング電源 |
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Country | Link |
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JP (1) | JP2014150690A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN110535343A (zh) * | 2018-05-24 | 2019-12-03 | 雅达电子国际有限公司 | 用于谐振电路的控制器和控制方法以及直流-直流转换器 |
WO2024016301A1 (zh) * | 2022-07-22 | 2024-01-25 | 华为数字能源技术有限公司 | 非对称半桥反激电路的控制电路、电源模组和电子设备 |
-
2013
- 2013-02-04 JP JP2013019286A patent/JP2014150690A/ja active Pending
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WO2024016301A1 (zh) * | 2022-07-22 | 2024-01-25 | 华为数字能源技术有限公司 | 非对称半桥反激电路的控制电路、电源模组和电子设备 |
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