JP2014171310A - Resonant dc/dc converter and resonant dc/dc converter device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は共振型DC/DCコンバータに関する。 The present invention relates to a resonant DC / DC converter.
ハイブリッド自動車や電気自動車等の電動車両、産業用ロボット、工作機械、昇降機等の電動機を用いる動力機械には、直流電圧を変換するDC/DCコンバータが用いられている。DC/DCコンバータは、電力供給源からの直流電圧を所望の電圧まで昇圧あるいは降圧し、電動車両や動力機械を駆動する。 A DC / DC converter that converts a DC voltage is used in an electric vehicle such as a hybrid vehicle or an electric vehicle, an industrial robot, a machine tool, and a power machine using an electric motor such as an elevator. The DC / DC converter boosts or steps down a DC voltage from a power supply source to a desired voltage, and drives an electric vehicle or a power machine.
DC/DCコンバータには、電磁誘導及び共振を利用する共振型コンバータがある。特許文献1には、一石電流共振型DC/DCコンバータが記載されている。直流入力電源から共振用インダクタンスに流れる電流が半導体スイッチ素子によりスイッチングされ、共振用インダクタンス及び共振用コンデンサから構成される共振回路を共振させる。共振及び電磁誘導に基づいて共振用インダクタンスに現われた電圧と、直流入力電源の出力電圧とに基づく電圧が高周波トランスの1次側に印加され、高周波トランスの2次側から負荷電圧が出力される。
As the DC / DC converter, there is a resonance type converter using electromagnetic induction and resonance.
また、特許文献2には、共振型のLLCコンバータが記載されている。図18に、特許文献2に開示されたLLCコンバータの回路構成を示す。 Patent Document 2 describes a resonance type LLC converter. FIG. 18 shows a circuit configuration of the LLC converter disclosed in Patent Document 2.
共振型DC/DCコンバータでは、一般に、回路構成が複雑化及び高コスト化する傾向にあることから、可能な限り部品点数の増大を抑制しつつ、出力制御性の向上を図ることが求められる。 In general, a resonance type DC / DC converter tends to have a complicated and expensive circuit configuration, and thus it is required to improve output controllability while suppressing an increase in the number of components as much as possible.
図18に示す従来のDC/DCコンバータは、基本駆動方式がハーフブリッジ方式であり、スイッチ素子及びドライバが2つ必要となり、上側素子のドライバの電位が駆動周波数で変動するため、上側ドライバ用に主回路から絶縁された電源が必要となり、回路が複雑化して高コストとなる。また、2つのスイッチ素子が直列接続されており、これらのスイッチ素子の同時オンによるショート状態を避けるために高精度のタイミング調整が必要で高周波数化が困難となる問題がある。 In the conventional DC / DC converter shown in FIG. 18, the basic drive method is a half-bridge method, two switch elements and drivers are required, and the driver potential of the upper element varies with the drive frequency. A power supply insulated from the main circuit is required, and the circuit becomes complicated and expensive. In addition, since two switch elements are connected in series, there is a problem that it is difficult to increase the frequency because high-precision timing adjustment is necessary to avoid a short-circuit state due to simultaneous turn-on of these switch elements.
本発明の目的は、部品点数の増加を抑制しつつ、出力制御性の向上及び高効率を図ることができる共振型DC/DCコンバータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide a resonant DC / DC converter that can improve output controllability and achieve high efficiency while suppressing an increase in the number of components.
本発明は、直流電源に接続される1次側コイル、及び出力負荷に接続される2次側コイルを備えるトランスと、前記1次側コイルに接続されるスイッチ素子と、前記スイッチ素子に並列接続されるコンデンサと、前記2次側コイルに接続される整流回路とを備える共振型DC/DCコンバータであって、前記1次側コイルは、前記直流電源に並列接続される第1コイル及び第2コイルを備える2相コイルであって、共に単一のトランスに設けられ、前記第1コイルに第1補助コイルが直列接続されるとともに、前記第2コイルに第2補助コイルが直列接続され、前記スイッチ素子は、前記第1コイルに直列接続される第1スイッチ素子と、前記第2コイルに直列接続される第2スイッチ素子を備え、前記コンデンサは、前記第1スイッチ素子に並列接続される第1コンデンサと、前記第2スイッチ素子に並列接続される第2コンデンサを備え、前記第1コイルが前記2次側コイルに形成する磁束と、前記第2コイルが前記2次側コイルに形成する磁束が互いに逆相となるように接続され、前記第1補助コイル及び前記第2補助コイルは、磁気的に順結合されることを特徴とする。 The present invention provides a transformer including a primary side coil connected to a DC power source and a secondary side coil connected to an output load, a switch element connected to the primary side coil, and a parallel connection to the switch element. And a rectifier circuit connected to the secondary coil, wherein the primary coil includes a first coil and a second coil connected in parallel to the DC power source. A two-phase coil comprising a coil, both provided in a single transformer, a first auxiliary coil connected in series to the first coil, and a second auxiliary coil connected in series to the second coil, The switch element includes a first switch element connected in series to the first coil and a second switch element connected in series to the second coil, and the capacitor includes the first switch element A first capacitor connected in parallel; a second capacitor connected in parallel to the second switch element; the magnetic flux formed by the first coil on the secondary coil; and the second coil connected to the secondary side The first auxiliary coil and the second auxiliary coil are magnetically forward-coupled so that magnetic fluxes formed in the coils are connected in opposite phases.
本発明では、1次側コイルを2相コイルとし、第1コイル、第1補助コイル、第1スイッチ素子及び第1コンデンサで1つの相(共振回路)を構成し、第2コイル、第2補助コイル、第2スイッチ素子及び第2コンデンサでもう一つの相(共振回路)を構成する。2つの相は互いに並列に接続されるため、従来のように2つのスイッチ素子が直列に接続される場合のような同時オンによるショート状態を避ける必要がない。また、第1コイルが2次側コイルに形成する磁束と、第2コイルが2次側コイルに形成する磁束が互いに逆相となるように接続されるため、特定の高調波成分が打ち消され電磁ノイズが低減する。さらに、本発明では、2つの相を構成する第1コイル及び第2コイルがともに単一のトランスに設けられているため、部品点数の増大が抑制される。2相の位相差を変化させることでDC/DCコンバータの出力を制御することができるが、位相差が小さい場合、トランスの1次側の第1コイル及び第2コイルは逆結合であるためインダクタンス値は等価的に減少するが、第1コイルに直列接続された第1補助コイルと、第2コイルに直列接続された第2補助コイルは磁気的に順結合されているので等価的にインダクタンス値が増大し、結局、位相差を変化させてもトランスの1次コイルと補助コイルを併せたインダクタンス値の変動を抑制し、高効率を維持できる。 In the present invention, the primary coil is a two-phase coil, and the first coil, the first auxiliary coil, the first switch element, and the first capacitor constitute one phase (resonance circuit), and the second coil and the second auxiliary coil. The coil, the second switch element, and the second capacitor constitute another phase (resonance circuit). Since the two phases are connected in parallel to each other, it is not necessary to avoid a short-circuit state due to simultaneous ON as in the case where two switch elements are connected in series as in the prior art. In addition, since the first coil and the second coil are connected so that the magnetic flux formed in the secondary coil and the magnetic flux formed in the secondary coil are in opposite phases, the specific harmonic component is canceled and electromagnetic Noise is reduced. Furthermore, in this invention, since the 1st coil and 2nd coil which comprise two phases are both provided in the single transformer, the increase in a number of parts is suppressed. The output of the DC / DC converter can be controlled by changing the phase difference between the two phases. However, when the phase difference is small, the first coil and the second coil on the primary side of the transformer are inversely coupled, so that the inductance Although the value decreases equivalently, the first auxiliary coil connected in series to the first coil and the second auxiliary coil connected in series to the second coil are magnetically forward-coupled, so the inductance value is equivalent. As a result, even if the phase difference is changed, fluctuations in the inductance value of the transformer primary coil and auxiliary coil are suppressed, and high efficiency can be maintained.
本発明の1つの実施形態では、前記第1スイッチ素子をオンオフすることにより生じる電流と、前記第2スイッチ素子をオンオフすることにより生じる電流の位相差を0度から180度の範囲で変化させる位相差制御手段を備えることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the phase difference between the current generated by turning on and off the first switch element and the current generated by turning on and off the second switch element is changed within a range of 0 degrees to 180 degrees. Phase difference control means is provided.
また、本発明の他の実施形態では、前記位相差の変化に応じて前記第1コンデンサと前記第2コンデンサの少なくともいずれかの容量を変化させる容量制御手段を備えることを特徴とする。 Another embodiment of the present invention is characterized by comprising capacitance control means for changing the capacitance of at least one of the first capacitor and the second capacitor in accordance with a change in the phase difference.
また、本発明は、直流電源に接続される1次側コイル、及び出力負荷に接続される2次側コイルを備えるトランスと、前記1次側コイルに直列接続される補助コイルと、前記1次側コイルに直列接続されるスイッチ素子と、前記スイッチ素子に並列接続されるコンデンサと、前記2次側コイルに接続される整流回路とを備える共振型DC/DCコンバータを2個以上並列接続し、各共振型DC/DCコンバータの各スイッチ素子を駆動状態と停止状態に切り替えることで各共振型DC/DCコンバータの動作状態と停止状態を切り替えて出力制御することを特徴とする。 The present invention also provides a transformer having a primary side coil connected to a DC power source and a secondary side coil connected to an output load, an auxiliary coil connected in series to the primary side coil, and the primary Two or more resonant DC / DC converters including a switch element connected in series to the side coil, a capacitor connected in parallel to the switch element, and a rectifier circuit connected to the secondary coil, are connected in parallel. It is characterized in that output control is performed by switching the operation state and the stop state of each resonance type DC / DC converter by switching each switch element of each resonance type DC / DC converter between a drive state and a stop state.
本発明の1つの実施形態では、前記2個以上の共振型DC/DCコンバータは第1グループと第2グループに分割され、前記第1グループに属する共振型DC/DCコンバータの各スイッチ素子に印加される駆動信号と、前記第2グループに属する共振型DC/DCコンバータの各スイッチ素子に印加される駆動信号の位相差は180度であることを特徴とする。 In one embodiment of the present invention, the two or more resonant DC / DC converters are divided into a first group and a second group, and are applied to each switch element of the resonant DC / DC converter belonging to the first group. The phase difference between the drive signal applied and the drive signal applied to each switch element of the resonance type DC / DC converter belonging to the second group is 180 degrees.
本発明の他の実施形態では、前記第1グループに属する共振型DC/DCコンバータ数と前記第2グループに属する共振型DC/DCコンバータ数は同一であることを特徴とする。 In another embodiment of the present invention, the number of resonant DC / DC converters belonging to the first group and the number of resonant DC / DC converters belonging to the second group are the same.
本発明のさらに他の実施形態では、各共振型DC/DCコンバータの前記1次側コイル及び前記補助コイルは同一のプリント基板上に形成されることを特徴とする。 In still another embodiment of the present invention, the primary side coil and the auxiliary coil of each resonance type DC / DC converter are formed on the same printed circuit board.
本発明によれば、部品点数の増加を抑制しつつ、出力制御性の向上を図り、かつ高効率を維持することができる。 According to the present invention, it is possible to improve output controllability and maintain high efficiency while suppressing an increase in the number of parts.
以下、図面に基づき本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
<前提となる1石共振型DC/DCコンバータの構成>
まず、本実施形態の前提となる、1石共振型DC/DCコンバータについて説明する。本実施形態の共振型DC/DCコンバータは、このような1石共振型DC/DCコンバータを拡張ないし改良したものとして位置付けることができる。
<Structure of pre-requisite single-stone resonant DC / DC converter>
First, a one-stone resonance type DC / DC converter which is a premise of the present embodiment will be described. The resonance type DC / DC converter of this embodiment can be positioned as an extension or improvement of such a one-stone resonance type DC / DC converter.
図1に、1石共振型DC/DCコンバータ10の回路構成図を示す。トランスは、1次側コイルL1と2次側コイルL3を備えている。
FIG. 1 shows a circuit configuration diagram of a one-stone resonance type DC /
トランスの1次側に関しては、1次側コイルL1の一端は、補助共振コイルL2を介して直流電源Vinの正極側に接続される。1次側コイルL1の他端は、スイッチ素子T1の一端に接続される。スイッチ素子T1にはダイオードが逆並列接続され、かつ、スイッチ素子T1には共振用のコンデンサC1が並列接続される。1次側コイルL1の他端は、スイッチ素子T1の一端に接続されるとともにコンデンサC1の一端にも接続される。スイッチ素子T1の他端及びコンデンサC1の他端は、ともに直流電源Vinの負極側に接続される。スイッチ素子T1は例えばスイッチングトランジスタであり、ゲート端子に制御信号が印加されてスイッチング制御される。 Regarding the primary side of the transformer, one end of the primary side coil L1 is connected to the positive side of the DC power source Vin via the auxiliary resonance coil L2. The other end of the primary coil L1 is connected to one end of the switch element T1. A diode is connected in reverse parallel to the switch element T1, and a resonance capacitor C1 is connected in parallel to the switch element T1. The other end of the primary coil L1 is connected to one end of the switch element T1 and is also connected to one end of the capacitor C1. The other end of the switch element T1 and the other end of the capacitor C1 are both connected to the negative electrode side of the DC power supply Vin. The switch element T1 is a switching transistor, for example, and is controlled by applying a control signal to the gate terminal.
トランスの2次側に関しては、2次側コイルL3は整流回路を介してコンデンサC3に接続され、コンデンサC3はフィルタ用のコイルL6を介して負荷RLに接続される。 Regarding the secondary side of the transformer, the secondary coil L3 is connected to a capacitor C3 via a rectifier circuit, and the capacitor C3 is connected to a load RL via a filter coil L6.
図2に、図1に示す回路の1次側の等価回路を示す。スイッチ素子T1をスイッチSWに、トランスの1次側コイルをLrに、コンデンサC1をCrに置き換えた回路である。また、図3に、各部の電流及び電圧の波形を示す。図において、スイッチSWに流れる電流をISWITCH、スイッチSWの電圧をVSWITCH、ダイオードD1に流れる電流をIDIODE、1次側コイルLrに流れる電流をIで示す。スイッチSWがオンからオフに切り替わるとき、Cr電位はゼロ電位であり、このときのLrに流れる電流IをIonとする。図3における状態aである。この状態でスイッチSWをオフとすると、LrとCrで共振動作が開始され、Crの電位、すなわちスイッチSWの電位VSWITCHは上昇するが、直流電源Vinの電圧を超えるとLrに負の電圧が印加され始め、Lr電流Iが減少に転じ、負電流になるとCr電位が下がり始め、ついにはゼロになる。このときのLr電流をIcoとする。その後、Lrの負電流はダイオードD1を流れるためCrの電位はゼロのままである。スイッチSWをオンにすると、Lr電流は再び増加し、再びIonとなったときにスイッチSWをオフにすると、上記の動作を繰り返す。 FIG. 2 shows an equivalent circuit on the primary side of the circuit shown in FIG. In this circuit, the switch element T1 is replaced with a switch SW, the primary coil of the transformer is replaced with Lr, and the capacitor C1 is replaced with Cr. FIG. 3 shows waveforms of current and voltage at each part. In the figure, the current flowing through the switch SW is denoted by I SWITCH , the voltage of the switch SW is denoted by V SWITCH , the current flowing through the diode D1 is denoted by I DIODE , and the current flowing through the primary coil Lr is denoted by I. When the switch SW is switched from on to off, the Cr potential is zero potential, and the current I flowing through Lr at this time is Ion. It is the state a in FIG. When the switch SW is turned off in this state, the resonance operation starts with Lr and Cr, and the Cr potential, that is, the potential V SWITCH of the switch SW rises. When it is applied, the Lr current I starts to decrease, and when it becomes a negative current, the Cr potential begins to decrease and finally becomes zero. The Lr current at this time is Ico. Thereafter, since the negative current of Lr flows through the diode D1, the potential of Cr remains zero. When the switch SW is turned on, the Lr current increases again, and when the switch SW is turned off when it becomes Ion again, the above operation is repeated.
従って、図1の回路において、上記のような共振が生じるタイミングと同じ周波数とデューティ比でスイッチ素子T1のゲート端子を駆動することで共振が生じ、DC/DCコンバータとして機能する。 Accordingly, in the circuit of FIG. 1, resonance occurs when the gate terminal of the switch element T1 is driven at the same frequency and duty ratio as the above-described resonance occurs, and functions as a DC / DC converter.
図4に、約40kHzで駆動した場合のシミュレーション動作波形を示す。横軸は時間、縦軸は電圧値及び電流値である。なお、図において、説明の都合上、1次側コイルL1に流れる電流は所定値だけ減算することで下方にシフトさせている。 FIG. 4 shows simulation operation waveforms when driven at about 40 kHz. The horizontal axis is time, and the vertical axis is voltage value and current value. In the figure, for convenience of explanation, the current flowing through the primary coil L1 is shifted downward by subtracting a predetermined value.
スイッチ素子T1をオンするターンオン時は、電流は負電流(マイナス)であるためダイオードD1を流れており、電圧もゼロの状態でオンするため、ZVS(Zero Voltage Switching)/ZCS(Zero Current Switching)のターンオンとなる。また、スイッチ素子T1のオフ時には、電流が流れているが電圧がゼロの状態でオフするため、ZVS(Zero Voltage Switching)のターンオフとなり、いずれもソフトスイッチングであり、スイッチング損失が原理的に発生しない。従って、この回路方式では、高周波のスイッチングが可能である。 When the switch element T1 is turned on, the current flows through the diode D1 because the current is a negative current (minus), and the switch is turned on in a state where the voltage is zero. Therefore, ZVS (Zero Voltage Switching) / ZCS (Zero Current Switching) Turn on. Further, when the switch element T1 is turned off, current is flowing but the voltage is turned off in a zero state. Therefore, ZVS (Zero Voltage Switching) is turned off, both of which are soft switching, and no switching loss is generated in principle. . Therefore, in this circuit system, high frequency switching is possible.
なお、1次側コイルL1で発生した交流電力は2次側の整流回路で直流に変換されて負荷RLで消費される。従って、負荷RLの値により1次側コイルL1のインダクタンスが等価的に減少し、共振周期は小さくなる。1次側電圧を400Vとすると、スイッチ素子T1に最大220Aの電流が流れる。この場合の変換電力は約8KWである。 The AC power generated by the primary coil L1 is converted to DC by the secondary rectifier circuit and consumed by the load RL. Therefore, the inductance of the primary side coil L1 is equivalently reduced by the value of the load RL, and the resonance period is reduced. When the primary side voltage is 400 V, a maximum current of 220 A flows through the switch element T1. In this case, the conversion power is about 8 KW.
<2並列共振型DC/DCコンバータの構成>
次に、本実施形態における共振型DC/DCコンバータについて説明する。
<Configuration of 2-parallel resonant DC / DC converter>
Next, the resonance type DC / DC converter in this embodiment will be described.
図5に、本実施形態における共振型DC/DCコンバータ20の回路構成図を示す。トランス22は1次側コイルと2次側コイルを備え、1次側コイルは第1のコイルL1と第2のコイルL2から構成される。
FIG. 5 shows a circuit configuration diagram of the resonant DC /
1次側の第1のコイルL1の一端は、補助共振コイルL4を介して直流電源Vinの正極側に接続される。また、第1のコイルL1の他端は、スイッチ素子D1に接続される。スイッチ素子T1にはダイオードD1が逆並列接続され、さらに共振用のコンデンサC1がスイッチ素子T1と並列に第1のコイルL1に接続される。スイッチ素子T1の他端及びコンデンサC1の他端は、ともに直流電源Vinの負極側に接続される。 One end of the primary side first coil L1 is connected to the positive electrode side of the DC power supply Vin via the auxiliary resonance coil L4. The other end of the first coil L1 is connected to the switch element D1. A diode D1 is connected in antiparallel to the switch element T1, and a resonance capacitor C1 is connected to the first coil L1 in parallel with the switch element T1. The other end of the switch element T1 and the other end of the capacitor C1 are both connected to the negative electrode side of the DC power supply Vin.
1次側の第2のコイルL2は、補助共振コイルL5を介して直流電源Vinの正極側に接続され、第1のコイルL1と第2のコイルL2は、互いに並列に直流電源Vinに接続される。第2のコイルL2の他端は、スイッチ素子T2に接続される。スイッチ素子T2にはダイオードD2が逆並列接続され、さらに共振用のコンデンサC2がスイッチ素子T2と並列に第2のコイルL2に接続される。スイッチ素子T2の他端及びコンデンサC2の他端は、ともに直流電源Vinの負極側に接続される。 The primary side second coil L2 is connected to the positive side of the DC power source Vin via the auxiliary resonance coil L5, and the first coil L1 and the second coil L2 are connected to the DC power source Vin in parallel with each other. The The other end of the second coil L2 is connected to the switch element T2. A diode D2 is connected in antiparallel to the switch element T2, and a resonance capacitor C2 is connected to the second coil L2 in parallel with the switch element T2. The other end of the switch element T2 and the other end of the capacitor C2 are both connected to the negative electrode side of the DC power supply Vin.
2次側のコイルL3は、1次側の第1のコイルL1と磁気結合する部分と、1次側の第2のコイルL2と磁気結合する部分を備える。図では2次側コイルL3は2つに分割されているが、必ずしも物理的な2つの部分から構成される必要はなく、物理的に単一のコイルから構成されていてもよい。1次側の第1のコイルL1と2次側のコイルL3は、同相結合する。また、1次側の第2のコイルL2と2次側のコイルL3は、逆相結合する。すなわち、第1のコイルL1が2次側コイルL3に形成する磁束と、第2のコイルL2が2次側コイルL3に形成する磁束は互いに逆相となるように構成される。 The secondary side coil L3 includes a portion magnetically coupled to the primary side first coil L1 and a portion magnetically coupled to the primary side second coil L2. Although the secondary side coil L3 is divided into two in the figure, it is not always necessary to be composed of two physical parts, and may be physically composed of a single coil. The first coil L1 on the primary side and the coil L3 on the secondary side are coupled in phase. Further, the second coil L2 on the primary side and the coil L3 on the secondary side are coupled in reverse phase. That is, the magnetic flux formed by the first coil L1 on the secondary coil L3 and the magnetic flux formed by the second coil L2 on the secondary coil L3 are configured to be in opposite phases.
2次側コイルL3の第1のコイルL1の上部に記載された部分は、整流回路及びフィルタ用のインダクタンスL6、平滑用コンデンサC3を介して負荷RLに接続される。また、2次側コイルL3の第2のコイルL2の上部に記載された部分も、同様に整流回路及びフィルタ用のインダクタンスL6、平滑用コンデンサC3を介して負荷RLに接続される。 The portion of the secondary coil L3 described above the first coil L1 is connected to the load RL via a rectifier circuit, a filter inductance L6, and a smoothing capacitor C3. Similarly, the portion of the secondary coil L3 described above the second coil L2 is also connected to the load RL via the rectifier circuit, the filter inductance L6, and the smoothing capacitor C3.
このように、図5に示す共振型DC/DCコンバータ20は、図1に示す共振型DC/DCコンバータ10において、1次側の回路を2つ並列に直流電源Vinに接続した構成となっている。これら2つの並列的な1次側回路は、第1のコイルL1と第2のコイルL2がともに単一のトランス22の1次側コイルを構成し、2次側コイルL3も同一かつ単一トランス22の2次側コイルを構成して一体化されており、部品点数の削減が図られている。
As described above, the resonant DC /
図5の回路では、トランス22の1次側の回路が2つ並列に接続されており、1次側で形成される2相の磁束をトランス22で結合して2次側に伝達する構成であるため、1次側の2相の位相を変化させることで、出力を最大出力からゼロまで変化させることが可能である。すなわち、それぞれの回路のスイッチ素子T1、T2のゲート端子に印加する制御信号を調整し、2つの回路の位相差を180度とすると最大出力となり、2つの回路の位相差を0度とすると最小出力(出力ゼロ)となる。第1のコイルL1は正相結合であるが、第2のコイルL2は逆相結合だからである。
In the circuit of FIG. 5, two primary-side circuits of the
ところが、2つの回路の位相差を制御することで出力制御する場合において、低出力側で共振電流が増加し、1次側での回路損失が増大するため低出力側で効率が著しく低下してしまう。 However, when the output is controlled by controlling the phase difference between the two circuits, the resonance current increases on the low output side, and the circuit loss on the primary side increases, so the efficiency decreases significantly on the low output side. End up.
そこで、本実施形態では、図5の回路構成においてトランス22として図6に示すトランス構造を用い、補助共振コイルL4,L5を磁気的に順結合させたものを図6のトランスとは別に設置する。
Therefore, in the present embodiment, the transformer structure shown in FIG. 6 is used as the
図6に、トランス22の構成を示す。三脚の中央に1次側の2相分のコイルを設け、三脚の外側に2次側コイルを設ける構成である。図において、1次側の第1の補助コイルL4、第2の補助コイルL5は説明の都合上、省略してある。1次側の2相コイルL1,L2は、回路上で同じ方向に電流が流れた場合にそれぞれ形成する磁束が打ち消し合うように設けられているため、磁気的には逆結合となっている。このため、位相差が0度の場合には対称性から2相に同じ電流が流れることになる。2相の通電電流がトランス22にそれぞれ形成する磁束が打ち消し合って磁束が形成されないため、インダクタンスとして機能しない。このため、位相差0度の場合にはトランス1次側コイルのインダクタンス値は等価的にゼロとなり、共振L値が補助共振コイルのみになるため大きな素子電流が流れることになる。補助共振コイルL4,L5は、1次側において回路上に同じ方向に電流が流れた場合に共振L成分が大きくなるように順結合される。具体的には、図6においてL3を省略し、L1,L2をL4,L5とした構造となる。
FIG. 6 shows the configuration of the
図7に、補助共振コイルL4,L5を磁気的に順結合させた場合の回路構成図を示す。図5と異なる点は、補助共振コイルL4,L5が磁気的に順結合している点と、2次側に補助コイルL7,L8を接続した点である。 FIG. 7 shows a circuit configuration diagram when the auxiliary resonance coils L4 and L5 are magnetically forward-coupled. The difference from FIG. 5 is that the auxiliary resonance coils L4 and L5 are magnetically forward-coupled and the auxiliary coils L7 and L8 are connected to the secondary side.
図7の構成において、2つの回路の位相差を小さくした場合、トランス22の一次コイルL1,L2は逆結合となり、L値が等価的に減少するが、補助共振コイルL4,L5は順結合のため位相差が小さい場合に等価的にL値が増加するため、位相差を変えてもトランス22の1次側コイルと補助共振コイルを直列接続したインダクタンス値は等価的にあまり変動しない。結果として、位相差制御を行ってもスイッチ素子はソフトスイッチング状態を維持することが可能となり、素子電流も180度位相差の場合と同程度とすることができる。また、2次側にL7,L8を設置することにより、インダクタに蓄積されるエネルギが増大するため、共振状態における図3のIcoの値を負値によりし易くなるため、ソフトスイッチング状態を確保し易い。
In the configuration of FIG. 7, when the phase difference between the two circuits is reduced, the primary coils L1 and L2 of the
図7において、各素子を具体的に例示すると以下の通りである。なお、以下は例示であって、これらの数値に限定されないのは言うまでもない。
L値:
L1=L2=2.58μH
L3=0.035μH×2個
L4=L5=1.0μH
L6=2μH
L7=L8=0.01μH
結合率:
k(L1/L2)=−0.9
K(L1/L3)=0.95
k(L2/L3)=−0.95
K(L4/L5)=0.6
C値:
C1=3.0nF
C2=3.0nF
C3=2.0μF
In FIG. 7, each element is specifically exemplified as follows. In addition, the following is an illustration and it cannot be overemphasized that it is not limited to these numerical values.
L value:
L1 = L2 = 2.58 μH
L3 = 0.035μH × 2 pieces L4 = L5 = 1.0μH
L6 = 2μH
L7 = L8 = 0.01 μH
Binding rate:
k (L1 / L2) = − 0.9
K (L1 / L3) = 0.95
k (L2 / L3) = − 0.95
K (L4 / L5) = 0.6
C value:
C1 = 3.0nF
C2 = 3.0nF
C3 = 2.0μF
また、図8〜図11に、コンピュータを用いたシミュレーション結果を示す。図8は位相差180度の場合、図9は位相差90度の場合、図10は位相差60度の場合、図11は位相差30度の場合である。図において、入力200V、出力15V仕様で駆動周波数を1.38MHzとしている。 Moreover, the simulation result using a computer is shown in FIGS. 8 shows a case where the phase difference is 180 degrees, FIG. 9 shows a case where the phase difference is 90 degrees, FIG. 10 shows a case where the phase difference is 60 degrees, and FIG. 11 shows a case where the phase difference is 30 degrees. In the figure, the drive frequency is 1.38 MHz with an input of 200 V and an output of 15 V.
図8〜図11において、共振電圧波形が完全な共振波形であることから、この間でのスイッチングは発生しておらず、素子電圧ゼロの状態のみでのスイッチングであることから、全てソフトスイッチングとなっており、出力は図8に示す位相差180度の場合に最大で、2.19KWとなっている。 8 to 11, since the resonance voltage waveform is a complete resonance waveform, no switching occurs during this period, and switching is performed only when the element voltage is zero, so that all are soft switching. The maximum output is 2.19 KW when the phase difference is 180 degrees shown in FIG.
図12に、図8〜図11の結果をまとめて示す。横軸に位相差を示し、縦軸に出力電力及び出力電圧を示す。出力電圧は15Vになるように調整されており、位相差制御により負荷に対して出力電力の制御が可能であることが分かる。 FIG. 12 shows the results of FIGS. 8 to 11 collectively. The horizontal axis indicates the phase difference, and the vertical axis indicates the output power and output voltage. It can be seen that the output voltage is adjusted to 15 V, and the output power can be controlled with respect to the load by phase difference control.
図13に、図8〜図11の結果を別にまとめて示す。横軸に位相差を示し、縦軸に最大素子電圧及び最大素子電流を示す。位相差が120度近傍で最大素子電圧及び最大素子電流が最大となっているが、位相差が120度から30度までは順結合した補助共振コイルL4,L5の効果で素子電流は低下している。従って、この結果より、スイッチ素子としては1200V耐圧で30A程度のものを用いればよいことが分かる。 FIG. 13 shows the results of FIGS. 8 to 11 separately. The horizontal axis indicates the phase difference, and the vertical axis indicates the maximum device voltage and the maximum device current. The maximum device voltage and the maximum device current are maximized when the phase difference is around 120 degrees. However, when the phase difference is 120 degrees to 30 degrees, the element current decreases due to the effect of the auxiliary resonance coils L4 and L5 that are forward-coupled. Yes. Therefore, it can be seen from this result that a switch element having a withstand voltage of 1200 V and about 30 A may be used.
また、図9〜図11に示すように、位相差を180度より小さくした場合、2相間の対称性が崩れ、素子電圧の最大値が2相間で異なる。この差異を小さくするためには、図9〜図11において、共振コンデンサの値を位相差180度の場合から変更すればよい。具体的には、位相差180度の場合
C1=C2=3.0nF
であるが、位相差90度、60度、30度の場合には、
C1=3.5nF
C2=3.0nF
に変更する。なお、実際の回路構成では、3.0nFのコンデンサを直付けにして残りの0.5nFをIGBT素子とダイオードを並列接続したものを直列接続し、IGBT素子のオン/オフにより0.5nFの接続/非接続状態を切り替えればよい。これにより、位相差に応じて共振コンデンサの容量を容易に変更できる。もちろんこれは一例であり、C1あるいはC2の少なくともいずれかの容量を増減変更できる任意の回路構成を用いることができる。
As shown in FIGS. 9 to 11, when the phase difference is smaller than 180 degrees, the symmetry between the two phases is lost, and the maximum value of the element voltage differs between the two phases. In order to reduce this difference, the value of the resonant capacitor in FIGS. 9 to 11 may be changed from the case where the phase difference is 180 degrees. Specifically, when the phase difference is 180 degrees C1 = C2 = 3.0 nF
However, when the phase difference is 90 degrees, 60 degrees, and 30 degrees,
C1 = 3.5nF
C2 = 3.0nF
Change to In an actual circuit configuration, a 3.0 nF capacitor is directly attached and the remaining 0.5 nF is connected in series with a parallel connection of an IGBT element and a diode, and 0.5 nF is connected by turning on / off the IGBT element. / Just switch the disconnected state. Thereby, the capacity of the resonant capacitor can be easily changed according to the phase difference. Of course, this is only an example, and any circuit configuration that can increase or decrease the capacitance of at least one of C1 and C2 can be used.
2相間の位相差を変えて出力制御を行う場合、図13に示すように、出力が小さい場合にも1次側スイッチ素子に同様の共振電流が流れる。このため、低出力側で変換効率が小さくなってしまう。 When the output control is performed by changing the phase difference between the two phases, as shown in FIG. 13, the same resonance current flows in the primary side switching element even when the output is small. For this reason, the conversion efficiency is reduced on the low output side.
そこで、最大電力の供給を、図1に示す回路をn個(n相:但し、nは2以上)並列化し、図7の回路と並列構成とすることにより、大きな電力制御は図15で行い、微調整を図7の回路とすることも可能である。勿論、図15の構成のみとしても問題ない。 Therefore, the maximum power is supplied by paralleling n circuits (n phase: where n is 2 or more) shown in FIG. 1 in parallel with the circuit shown in FIG. Further, fine adjustment can be made to the circuit of FIG. Of course, there is no problem with only the configuration of FIG.
図14及び図15に、n個並列化した場合の共振型DC/DCコンバータ装置の回路構成を示す。図14(a)は1個の回路構成であり、図14(b)は図14(a)に示す回路構成を模式化したものである。図15は、n個の回路を並列化したものであり、図14(b)に示す模式化した回路を用いて表現している。並列化に際しては、2次側のダイオード以降を並列接続して平滑コンデンサに接続し、フィルタのコイルL6を介して負荷に接続する。出力制御は、動作する個数(相数)を変化させることにより行う。 14 and 15 show a circuit configuration of a resonance type DC / DC converter device in a case where n pieces are arranged in parallel. FIG. 14A shows one circuit configuration, and FIG. 14B schematically shows the circuit configuration shown in FIG. FIG. 15 shows n circuits arranged in parallel, and is expressed using the schematic circuit shown in FIG. At the time of parallelization, the secondary diodes and the subsequent diodes are connected in parallel and connected to a smoothing capacitor and connected to a load via a filter coil L6. Output control is performed by changing the number of operating elements (number of phases).
具体的なゲートの駆動方法は、図15に示すように、ゲート信号1と、ゲート信号1に対して180度位相の異なるゲート信号2を用いて行う。各単相の共振回路は2つのグループに分け、一方のグループはゲート信号1で駆動し、他方のグループはゲート信号2で駆動する。駆動されるグループにはスイッチをオンにしてゲート信号を供給し、停止するグループにはゲート信号がオフ状態のままとなるようにする。
A specific gate driving method is performed using a
動作/停止の切替に際しては、ゲート信号1のグループ中で動作している個数とゲート信号2のグループで動作している個数とができるだけ等しくなるように制御する。好適な実施例は2つのグループの個数を同数とするものであり、同数が動作している場合には1次側の電流成分の奇数波となる基本波と3倍波以降の奇数倍波が一方のグループと他方のグループで打ち消し合い、1次側電流成分が直流成分に2倍波を主とする偶数倍波を加えたものとなり、1次側回路の高周波電流成分を大きく減少させることができる。このため、1次側フィルタの小型化やEMIの低減に効果がある。なお、2つのグループの個数がたとえ同数でなくても、その個数の差が1個程度であれば、実質的に同数とみなすことができる。本実施形態は、2つのグループの個数の差が1個の場合を排除するものではない。
When switching between operation and stop, control is performed so that the number operating in the group of
さらに、並列化時のインダクタやトランスの構成に関しては、単体を並列に並べたのでは体格やコストの観点で不利となる可能性がある。 Furthermore, regarding the configuration of inductors and transformers in parallel, arranging the single units in parallel may be disadvantageous in terms of physique and cost.
そこで、この場合には、図16、図17に示すように一体成形とするのが好適である。図1に示す共振型回路は比較的簡易な構成であるためMHzでの駆動を容易に行うことができる。この周波数帯では小さなインダクタンス値で良く、具体的には数μH以下のインダクタンス値になる。この程度の値であればコイルをプリント基板上に形成することが可能である。すなわち、図16に示すように、図14のトランスの1次側のコイルL1及び補助共振コイルL2を一括でプリント基板50上に形成しておき、複数を一体化したフェライトコア60をプリント基板50の上下方向から嵌め込む構造とすることで、配線及びコイルを形成したプリント基板50にフェライトコア60を嵌め込むだけで並列化した共振回路を形成することができる。また、図17に示すように、図14のトランスの2次側回路は別の基板に形成するか、あるいは銅コイルを絶縁基板上に一体成形し、1次側コイルに重ねた状態でフェライトコアを嵌め込んで図14のトランスを一括形成することができる。図17において、トランジスタスイッチ70は図15におけるゲート信号1,2を各単相回路のスイッチ素子のゲート(図15におけるA)に供給するためのスイッチであり、2次側のダイオード72及び2次側のコンデンサ74は1次側とは別の基板に形成される。
Therefore, in this case, it is preferable to perform integral molding as shown in FIGS. Since the resonant circuit shown in FIG. 1 has a relatively simple configuration, it can be easily driven at MHz. In this frequency band, a small inductance value may be used. Specifically, the inductance value is several μH or less. With this value, the coil can be formed on the printed circuit board. That is, as shown in FIG. 16, the primary coil L1 and the auxiliary resonance coil L2 of the transformer of FIG. 14 are collectively formed on the printed
素子仕様として、自動車の場合には直流200V〜400Vからの変換であり、素子電圧は400Vpeak〜1200Vpeakになる。従って、素子耐圧は1kV〜1.7kV程度になる。この耐圧で高速スイッチングが可能な素子としてはSiC−FETがあるが、もちろんこれに限定されるわけではなく、GaN−FETを用いることも可能である。入力電圧が低い場合にはSi製のMOSFETも使用可能であり、駆動周波数が数10kHz程度以下であればIGBT素子も使用可能である。 In the case of an automobile, the element specification is conversion from DC 200V to 400V, and the element voltage is 400Vpeak to 1200Vpeak. Therefore, the device breakdown voltage is about 1 kV to 1.7 kV. There is a SiC-FET as an element capable of high-speed switching with this withstand voltage, but it is of course not limited to this, and a GaN-FET can also be used. Si MOSFETs can be used when the input voltage is low, and IGBT elements can be used if the drive frequency is about several tens of kHz or less.
本実施形態において、2次側はダイオードにより整流する回路構成としているが、MOSFETのボデイーダイオードを2次側ダイオードの代わりとして用い、通電時にMOSFETを導通状態とすることで2次側での導通損失を低下させる、いわゆる同期整流回路構成としてもよい。 In the present embodiment, the secondary side is rectified by a diode, but the MOSFET body diode is used in place of the secondary diode, and the conduction loss on the secondary side is made by turning the MOSFET conductive when energized. A so-called synchronous rectifier circuit configuration may be employed.
20 共振型DC/DCコンバータ、22 トランス、L1,L2 1次側コイル、L3 2次側コイル、L4,L5 補助共振コイル、T1,T2 スイッチ素子。 20 Resonant DC / DC converter, 22 transformer, L1, L2 primary coil, L3 secondary coil, L4, L5 auxiliary resonant coil, T1, T2 switch element.
Claims (7)
前記1次側コイルに接続されるスイッチ素子と、
前記スイッチ素子に並列接続されるコンデンサと、
前記2次側コイルに接続される整流回路と、
を備える共振型DC/DCコンバータであって、
前記1次側コイルは、前記直流電源に並列接続される第1コイル及び第2コイルを備える2相コイルであって、共に単一のトランスに設けられ、
前記第1コイルに第1補助コイルが直列接続されるとともに、前記第2コイルに第2補助コイルが直列接続され、
前記スイッチ素子は、前記第1コイルに直列接続される第1スイッチ素子と、前記第2コイルに直列接続される第2スイッチ素子を備え、
前記コンデンサは、前記第1スイッチ素子に並列接続される第1コンデンサと、前記第2スイッチ素子に並列接続される第2コンデンサを備え、
前記第1コイルが前記2次側コイルに形成する磁束と、前記第2コイルが前記2次側コイルに形成する磁束が互いに逆相となるように接続され、
前記第1補助コイル及び前記第2補助コイルは、磁気的に順結合される
ことを特徴とする共振型DC/DCコンバータ。 A transformer comprising a primary coil connected to a DC power source and a secondary coil connected to an output load;
A switch element connected to the primary coil;
A capacitor connected in parallel to the switch element;
A rectifier circuit connected to the secondary coil;
A resonant DC / DC converter comprising:
The primary side coil is a two-phase coil including a first coil and a second coil connected in parallel to the DC power source, both provided in a single transformer,
A first auxiliary coil is connected in series to the first coil, and a second auxiliary coil is connected in series to the second coil,
The switch element includes a first switch element connected in series to the first coil and a second switch element connected in series to the second coil,
The capacitor includes a first capacitor connected in parallel to the first switch element and a second capacitor connected in parallel to the second switch element,
The magnetic flux formed by the first coil on the secondary coil and the magnetic flux formed by the second coil on the secondary coil are connected so as to be in opposite phases,
The resonance type DC / DC converter, wherein the first auxiliary coil and the second auxiliary coil are magnetically forward-coupled.
前記第1スイッチ素子をオンオフすることにより生じる電流と、前記第2スイッチ素子をオンオフすることにより生じる電流の位相差を0度から180度の範囲で変化させる位相差制御手段
を備えることを特徴とする共振型DC/DCコンバータ。 The resonant DC / DC converter according to claim 1, wherein
Phase difference control means for changing a phase difference between a current generated by turning on and off the first switch element and a current generated by turning on and off the second switch element in a range of 0 degrees to 180 degrees. Resonance type DC / DC converter.
前記位相差の変化に応じて前記第1コンデンサと前記第2コンデンサの少なくともいずれかの容量を変化させる容量制御手段
を備えることを特徴とする共振型DC/DCコンバータ。 The resonant DC / DC converter according to claim 2,
A resonance type DC / DC converter comprising: capacity control means for changing a capacity of at least one of the first capacitor and the second capacitor in accordance with a change in the phase difference.
前記1次側コイルに直列接続される補助コイルと、
前記1次側コイルに直列接続されるスイッチ素子と、
前記スイッチ素子に並列接続されるコンデンサと、
前記2次側コイルに接続される整流回路と、
を備える共振型DC/DCコンバータを2個以上並列接続し、
各共振型DC/DCコンバータの各スイッチ素子を駆動状態と停止状態に切り替えることで各共振型DC/DCコンバータの動作状態と停止状態を切り替えて出力制御することを特徴とする共振型DC/DCコンバータ装置。 A transformer comprising a primary coil connected to a DC power source and a secondary coil connected to an output load;
An auxiliary coil connected in series to the primary coil;
A switch element connected in series to the primary coil;
A capacitor connected in parallel to the switch element;
A rectifier circuit connected to the secondary coil;
Two or more resonance type DC / DC converters comprising:
Resonance type DC / DC characterized in that output control is performed by switching each operation state and stop state of each resonance type DC / DC converter by switching each switch element of each resonance type DC / DC converter between a drive state and a stop state. Converter device.
前記2個以上の共振型DC/DCコンバータは第1グループと第2グループに分割され、
前記第1グループに属する共振型DC/DCコンバータの各スイッチ素子に印加される駆動信号と、前記第2グループに属する共振型DC/DCコンバータの各スイッチ素子に印加される駆動信号の位相差は180度であることを特徴とする共振型DC/DCコンバータ装置。 The resonant DC / DC converter device according to claim 4,
The two or more resonant DC / DC converters are divided into a first group and a second group,
The phase difference between the drive signal applied to each switch element of the resonant DC / DC converter belonging to the first group and the drive signal applied to each switch element of the resonant DC / DC converter belonging to the second group is A resonance type DC / DC converter device characterized by being 180 degrees.
前記第1グループに属する共振型DC/DCコンバータ数と前記第2グループに属する共振型DC/DCコンバータ数は同一であることを特徴とする共振型DC/DCコンバータ装置。 The resonance type DC / DC converter device according to claim 5,
The number of resonant DC / DC converters belonging to the first group and the number of resonant DC / DC converters belonging to the second group are the same.
各共振型DC/DCコンバータの前記1次側コイル及び前記補助コイルは同一のプリント基板上に形成される
ことを特徴とする共振型DC/DCコンバータ装置。 The resonance type DC / DC converter device according to any one of claims 4 to 6,
The resonance type DC / DC converter apparatus, wherein the primary side coil and the auxiliary coil of each resonance type DC / DC converter are formed on the same printed circuit board.
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