JP2014176241A - Switching power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、1次コイル及び2次コイルを有するトランスと、前記1次コイルに交流電圧を印加するスイッチング回路と、前記2次コイルの出力電流を整流する整流回路と、を備えるスイッチング電源に関する。 The present invention relates to a switching power supply including a transformer having a primary coil and a secondary coil, a switching circuit that applies an AC voltage to the primary coil, and a rectifier circuit that rectifies an output current of the secondary coil.
この種のスイッチング電源としては、例えば下記特許文献1に見られるものが知られている。詳しくは、この電源は、直流電源から出力される直流電圧をスイッチング回路によって交流電圧に変換してトランスの1次コイルに印加し、これにより2次コイルに生じる交流電圧をダイオードからなる全波整流回路によって直流電圧に変換する。
As this type of switching power supply, for example, the one shown in
ここで、スイッチング回路の備えるスイッチング素子は、例えば、規定時間に対するスイッチング素子のオン操作時間の比率である時比率の調整によってオンオフ操作される。こうした構成において、本発明者らは、時比率が低くなることでスイッチング素子のオン操作時間が短くなると、1次コイルに流れる電流のピーク値の増大によって1次コイルに流れる電流の実効値が増大し、スイッチング回路における導通損失が増大するといった問題に直面した。スイッチング回路における導通損失が増大すると、スイッチング電源における電力伝送効率が低下する懸念がある。 Here, the switching element included in the switching circuit is turned on / off by, for example, adjusting a time ratio, which is a ratio of an on operation time of the switching element to a specified time. In such a configuration, the inventors of the present invention increase the effective value of the current flowing through the primary coil by increasing the peak value of the current flowing through the primary coil when the on-operation time of the switching element is shortened by decreasing the time ratio. However, they faced the problem of increased conduction loss in the switching circuit. When the conduction loss in the switching circuit increases, there is a concern that the power transmission efficiency in the switching power supply is reduced.
特に、スイッチング電源に要求される出力電圧の取り得る範囲が広い場合には、スイッチング電源の出力電圧が低いときの時比率が低くなることで、スイッチング素子のオン操作時間が短くなる傾向にあることから、スイッチング回路における導通損失の増大が顕著となり得る。 In particular, when the output voltage range required for the switching power supply is wide, the on-operation time of the switching element tends to be shortened by reducing the time ratio when the output voltage of the switching power supply is low. Therefore, an increase in conduction loss in the switching circuit can be significant.
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、スイッチング回路における導通損失を低減させることのできるスイッチング電源を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a switching power supply capable of reducing conduction loss in a switching circuit.
上記課題を解決すべく、請求項1記載の発明は、1次コイル(12a)及び2次コイル(12b)を有するトランス(12)と、前記1次コイルに接続されてかつスイッチング素子(Q1〜Q4)を有し、該スイッチング素子のオンオフ操作によって前記1次コイルに交流電圧を印加するスイッチング回路(10)と、前記2次コイルの出力電流を整流する整流回路(14)と、当該スイッチング電源の前記2次コイル側に接続されてかつ前記2次コイルの出力電圧を昇圧する昇圧回路(12c,Sla,Slb,Dha,Dhb,16,Sha,Shb,Sa,Dla,Sb,Dlb,18)と、を備えることを特徴とする。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention described in
上記発明では、スイッチング電源の2次コイル側に昇圧回路が接続されている。このため、1次コイル及び2次コイルの巻数比によって定まる2次コイルの出力電圧を昇圧回路によって更に昇圧することができる。これにより、スイッチング電源の出力側に接続された負荷の要求電圧が高い場合であっても、スイッチング素子のオン操作時間を長くすることができることから、1次コイルに流れる電流の実効値を低減させることができる。したがって、スイッチング回路における導通損失を低減させることができ、ひいてはスイッチング電源の電力伝送効率を高めることができる。 In the above invention, the booster circuit is connected to the secondary coil side of the switching power supply. For this reason, the output voltage of the secondary coil determined by the turn ratio of the primary coil and the secondary coil can be further boosted by the booster circuit. As a result, even when the required voltage of the load connected to the output side of the switching power supply is high, the on-operation time of the switching element can be lengthened, thereby reducing the effective value of the current flowing through the primary coil. be able to. Therefore, the conduction loss in the switching circuit can be reduced, and consequently the power transmission efficiency of the switching power supply can be increased.
(第1の実施形態)
以下、本発明にかかるスイッチング電源を車載充電器に適用した第1の実施形態について、図面を参照しつつ説明する。
(First embodiment)
Hereinafter, a first embodiment in which a switching power supply according to the present invention is applied to an in-vehicle charger will be described with reference to the drawings.
図示されるように、「スイッチング電源」であるコンバータCNVは、「スイッチング回路」であるフルブリッジ回路10、トランス12、全波整流回路14及び平滑コンデンサ16を備えて構成される絶縁型コンバータである。コンバータCNVは、直流電源20から出力される直流電圧を平滑コンデンサ16の端子間電圧に変換する機能を有する。
As shown in the figure, the converter CNV that is a “switching power supply” is an isolated converter that includes a full-
フルブリッジ回路10は、第1のスイッチング素子Q1及び第2のスイッチング素子Q2の直列接続体と、第3のスイッチング素子Q3及び第4のスイッチング素子Q4の直列接続体との並列接続体を備えている。本実施形態では、第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4として、NチャネルMOS電界効果トランジスタを用いている。詳しくは、第1のスイッチング素子Q1のソースには、第2のスイッチング素子Q2のドレインが接続され、第3のスイッチング素子Q3のソースには、第4のスイッチング素子Q4のドレインが接続されている。なお、図中、第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4のボディダイオードを「D1〜D4」にて示した。また、本実施形態において、第1のスイッチング素子Q1及び第3のスイッチング素子Q3が「高電位側のスイッチング素子」に相当し、第2のスイッチング素子Q2及び第4のスイッチング素子Q4が「低電位側のスイッチング素子」に相当する。
The
第1のスイッチング素子Q1及び第2のスイッチング素子Q2の接続点には、トランス12を構成する1次コイル12aの一端が接続され、第3のスイッチング素子Q3及び第4のスイッチング素子Q4の接続点には、1次コイル12aの他端が接続されている。
One end of a
トランス12を構成する2次コイル12bの一端には、第1のダイオードDha及びNチャネルMOS電界効果トランジスタ(以下、第1の昇圧用スイッチング素子Sla)の直列接続体の接続点が接続され、他端には、第2のダイオードDhb及びNチャネルMOS電界効果トランジスタ(以下、第2の昇圧用スイッチング素子Slb)の直列接続体の接続点が接続されている。詳しくは、第1のダイオードDhaのアノードには、第1の昇圧用スイッチング素子Slaのドレインが接続され、第2のダイオードDhbのアノードには、第2の昇圧用スイッチング素子Slbのドレインが接続されている。また、第1のダイオードDha及び第2のダイオードDhbのカソード同士は接続され、第1の昇圧用スイッチング素子Sla及び第2の昇圧用スイッチング素子Slbのソース同士は接続されている。ここで、図中、第1の昇圧用スイッチング素子Slaのボディダイオードを「Dlba」にて示し、第2の昇圧用スイッチング素子Slbのボディダイオードを「Dlbb」にて示した。
One end of the
なお、本実施形態において、第1のダイオードDha及び第2のダイオードDhbが「昇圧用整流素子」に相当し、第1のダイオードDha、第2のダイオードDhb、第1の昇圧用スイッチング素子Sla及び第2の昇圧用スイッチング素子Slbが「整流回路」を構成する。また、第1のダイオードDhaが、第1のダイオードDhaの両端のうち第1の昇圧用スイッチング素子Slaとの接続点側から第2のダイオードDhbとの接続点側へと向かう方向の電流の流通を許容し、逆方向の電流の流通を規制(具体的には遮断)する整流機能を有する「第1の高電位側素子」に相当する。さらに、第2のダイオードDhbが、第2のダイオードDhbの両端のうち第2の昇圧用スイッチング素子Slbとの接続点側から第1のダイオードDhaとの接続点側へと向かう方向の電流の流通を許容し、逆方向の電流の流通を規制(具体的には遮断)する整流機能を有する「第2の高電位側素子」に相当する。 In the present embodiment, the first diode Dha and the second diode Dhb correspond to the “boost rectifier element”, and the first diode Dha, the second diode Dhb, the first boost switching element Sla, and The second step-up switching element Slb forms a “rectifier circuit”. Further, the first diode Dha flows current in a direction from the connection point side with the first boosting switching element Sla to the connection point side with the second diode Dhb among both ends of the first diode Dha. Is equivalent to a “first high-potential side element” having a rectifying function that restricts (specifically cuts off) the flow of current in the reverse direction. Furthermore, the second diode Dhb flows current in a direction from the connection point side to the first booster switching element Slb to the connection point side to the first diode Dha among both ends of the second diode Dhb. Is equivalent to a “second high potential side element” having a rectifying function that restricts (specifically cuts off) the flow of current in the reverse direction.
加えて、第1の昇圧用スイッチング素子Slaが、そのボディダイオードDlbaにより、第1の昇圧用スイッチング素子Slaの両端のうち第2の昇圧用スイッチング素子Slbとの接続点側から第1のダイオードDhaとの接続点側へと向かう方向の電流の流通を許容し、逆方向の電流の流通を規制(具体的には遮断)する整流機能を実現する。また、第1の昇圧用スイッチング素子Slaが、第1の昇圧用スイッチング素子Sla及び2次コイル12bの接続点と第1の昇圧用スイッチング素子Sla及び第2の昇圧用スイッチング素子Slbの接続点との間の電気経路を開閉する開閉機能を有する。このため、第1の昇圧用スイッチング素子Slaが「第1の低電位側素子」に相当する。
In addition, the first step-up switching element Sla is connected to the first diode Dha from the connection point side between the first step-up switching element Sla and the second step-up switching element Slb by the body diode Dlba. A rectifying function that allows current flow in the direction toward the connection point to and restricts (specifically cuts off) current flow in the reverse direction is realized. The first boost switching element Sla includes a connection point between the first boost switching element Sla and the
加えて、第2の昇圧用スイッチング素子Slaが、そのボディダイオードDlbbにより、第2の昇圧用スイッチング素子Slbの両端のうち第1の昇圧用スイッチング素子Slaとの接続点側から第2のダイオードDhbとの接続点側へと向かう方向の電流の流通を許容し、逆方向の電流の流通を規制(具体的には遮断)する整流機能を実現する。また、第2の昇圧用スイッチング素子Slbが、第2の昇圧用スイッチング素子Slb及び2次コイル12bの接続点と第2の昇圧用スイッチング素子Slb及び前記第1の昇圧用スイッチング素子Slaの接続点との間の電気経路を開閉する開閉機能を有する。このため、第2の昇圧用スイッチング素子Slbが「第2の低電位側素子」に相当する。
In addition, the second booster switching element Sla is connected to the second diode Dhb from the connection point side with the first booster switching element Sla at both ends of the second booster switching element Slb by the body diode Dlbb. A rectifying function that allows current flow in the direction toward the connection point to and restricts (specifically cuts off) current flow in the reverse direction is realized. Further, the second boost switching element Slb includes a connection point between the second boost switching element Slb and the
ここで、本実施形態において、図中、トランス12内の2次コイル12b及び全波整流回路14の間にインダクタ12cが記載されている。これは、トランス12の図示しない磁心と、1次コイル12a及び2次コイル12bとの間隙を大きくすることで生成される漏れインダクタの等価回路表現である。なお、図中、1次コイル12aの巻数を「N1」で示し、2次コイル12bの巻数を「N2」で示した。本実施形態において、1次コイル12a及び2次コイル12bの巻数比「N1/N2」は、必ずしも1より小さい値に設定する必要はない。さらに、本実施形態において、インダクタ12cが「昇圧用インダクタ」に相当する。加えて、インダクタ12c、第1のダイオードDha、第1のダイオードDha、第1の昇圧用スイッチング素子Sla及び第2の昇圧用スイッチング素子Slbが「昇圧回路」を構成する。
Here, in the present embodiment, an
全波整流回路14の出力側には、平滑コンデンサ16を介して負荷22が接続されている。負荷22には、車載主機としての回転機等と電力の授受を行う蓄電池が含まれる。
A load 22 is connected to the output side of the full-
制御装置30は、マイクロコンピュータを主体として構成され、コンバータCNVの入力電圧Vinを検出する入力側電圧センサ32や、コンバータCNVの出力電圧Vo(平滑コンデンサ16の端子間電圧)を検出する出力側電圧センサ34の検出値を取り込む。制御装置30は、これら検出値等に基づき、第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4に対して操作信号ms1〜ms4を出力することで、直流電源20の出力電圧を変換して平滑コンデンサ16に印加する処理を行う。また、制御装置30は、第1,第2の昇圧用スイッチング素子Sla,Slbに対して操作信号gla,glbを出力することで、第1,第2の昇圧用スイッチング素子Sla,Slbをオン操作(閉操作)及びオフ操作(開操作)する。
The
本実施形態では、上記印加する処理として、図2に示すように、第1のスイッチング素子Q1及び第4のスイッチング素子Q4の組と、第2のスイッチング素子Q2及び第3のスイッチング素子Q3の組とを、デッドタイムを付与しつつ第1の時比率Duty1に基づき相補的にオンオフ操作する処理を行う。ここで、第1の時比率Duty1とは、規定時間Tαに対するオン操作時間Ton1の比率(又はその百分率)のことである。ちなみに、本実施形態において、制御装置30が、「昇圧操作手段」及び「1次側操作手段」を構成する。
In the present embodiment, as the processing to be applied, as shown in FIG. 2, a set of the first switching element Q1 and the fourth switching element Q4, and a set of the second switching element Q2 and the third switching element Q3. Are complementarily turned on and off based on the first duty ratio Duty1 while giving a dead time. Here, the first duty ratio Duty1 is the ratio (or percentage) of the on-operation time Ton1 to the specified time Tα. Incidentally, in the present embodiment, the
ところで、車載充電器においては通常、コンバータCNVに要求される出力電圧の取り得る範囲が広い。このため、トランス12を構成する1次コイル12a及び2次コイル12bの巻数比は通常、上記出力電圧の取り得る範囲の最大値をコンバータCNVが出力可能となるように設定される。こうした設定がなされると、コンバータCNVの出力電圧が低いときの第1の時比率Duty1が低くなり、1次コイル12aに流れる電流のピーク値が増大し得る。ここで、図3及び図4には、第1の時比率Duty1が低い場合の電流のピーク値Ipeak2が、第1の時比率Duty1が高い場合の電流のピーク値Ipeak1よりも高くなることを示した。なお、図3及び図4において、(a)は第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4の操作状態の推移を示し、(b)は2次コイル12bに流れる電流ILの推移を示す。
By the way, in-vehicle chargers usually have a wide range of output voltage required for converter CNV. For this reason, the turns ratio of the
1次コイル12aに流れる電流のピーク値が増大すると、1次コイル12aに流れる電流の実効値が増大し、フルブリッジ回路10において第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4やボディダイオードD1〜D4に電流が流通することによって導通損失が増大し得る。
When the peak value of the current flowing through the
こうした問題を解決すべく、本実施形態では、コンバータCNVに、インダクタ12c、第1の昇圧用スイッチング素子Sla及び第2の昇圧用スイッチング素子Slbを備え、これらによってコンバータCNVの2次コイル12b側に昇圧機能を持たせた。そして、第1の時比率Duty1を高く設定しつつ、第2の時比率Duty2(後に詳述)に基づき第1の昇圧用スイッチング素子Slaや第2の昇圧用スイッチング素子Slbをオンオフ操作することで、1次コイル12aに流れる電流の実効値を低減させ、フルブリッジ回路10における導通損失の低減を図る。
In order to solve such a problem, in this embodiment, the converter CNV is provided with an
ちなみに、本実施形態では、第2の時比率Duty2の分母となる規定時間と、第1の時比率Duty1の分母となる規定時間とを同一の値「Tα」に設定している。このため、本実施形態において、第2の時比率Duty2は、規定時間Tαに対する第1の昇圧用スイッチング素子Sla又は第2の昇圧用スイッチング素子Slbのオン操作時間Ton2の比率(又はその百分率)として表される。 Incidentally, in the present embodiment, the specified time as the denominator of the second time ratio Duty2 and the specified time as the denominator of the first time ratio Duty1 are set to the same value “Tα”. Therefore, in the present embodiment, the second duty ratio Duty2 is the ratio (or percentage) of the ON operation time Ton2 of the first boosting switching element Sla or the second boosting switching element Slb with respect to the specified time Tα. expressed.
続いて、図5及び図6を用いて、上記昇圧機能について説明する。 Next, the boosting function will be described with reference to FIGS.
図5に示すように、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4がオン操作され、また、第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3がオフ操作される場合、第1の昇圧用スイッチング素子Slaがオフ操作固定されてかつ、第2の時比率Duty2に基づき第2の昇圧用スイッチング素子Slbがオンオフ操作される。詳しくは、図5(a)に示すように、第2の昇圧用スイッチング素子Slbがオン操作される場合、2次コイル12b、第2の昇圧用スイッチング素子Slb、第1の昇圧用スイッチング素子SlaのボディダイオードDlba及びインダクタ12cを備える閉回路に電流が流れ、インダクタ12cに磁気エネルギが蓄積される。その後、図5(b)に示すように、第2の昇圧用スイッチング素子Slbがオフ操作に切り替えられる場合、インダクタ12cに蓄積された磁気エネルギが放出されることで、2次コイル12b、第2のダイオードDhb、平滑コンデンサ16、上記ボディダイオードDlba及びインダクタ12cを備える閉回路に電流が流れる。
As shown in FIG. 5, when the first and fourth switching elements Q1 and Q4 are turned on and the second and third switching elements Q2 and Q3 are turned off, the first boosting switching element Sla is fixed to be turned off, and the second step-up switching element Slb is turned on and off based on the second duty ratio Duty2. Specifically, as shown in FIG. 5A, when the second boost switching element Slb is turned on, the
その後、図6に示すように、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4がオフ操作に切り替えられ、また、第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3がオン操作に切り替えられる場合、第2の昇圧用スイッチング素子Slbがオフ操作固定されてかつ、第2の時比率に基づき第1の昇圧用スイッチング素子Slaがオンオフ操作される。詳しくは、図6(a)に示すように、第1の昇圧用スイッチング素子Slaがオン操作される場合、2次コイル12b、インダクタ12c、第1の昇圧用スイッチング素子Sla及び第2の昇圧用スイッチング素子SlbのボディダイオードDlbbを備える閉回路に電流が流れ、インダクタ12cに磁気エネルギが蓄積される。その後、図6(b)に示すように、第1の昇圧用スイッチング素子Slaがオフ操作に切り替えられる場合、インダクタ12cに蓄積された磁気エネルギが放出されることで、2次コイル12b、インダクタ12c、第1のダイオードDha、平滑コンデンサ16及び上記ボディダイオードDlbbを備える閉回路に電流が流れる。以上説明したオンオフ操作が繰り返されることで、2次コイル12b側の昇圧機能を動作させることができる。
After that, as shown in FIG. 6, when the first and fourth switching elements Q1, Q4 are switched to the off operation and the second and third switching elements Q2, Q3 are switched to the on operation, The step-up switching element Slb is fixed to be turned off, and the first step-up switching element Sla is turned on / off based on the second time ratio. Specifically, as shown in FIG. 6A, when the first boosting switching element Sla is turned on, the
続いて、図7を用いて、第1の時比率Duty1及び第2の時比率Duty2の設定手法について説明する。ここで、図7は、これら時比率Duty1,Duty2の設定処理の手順を示すフローチャートである。この処理は、制御装置30によって例えば所定周期で繰り返し実行される。
Subsequently, a method for setting the first duty ratio Duty1 and the second duty ratio Duty2 will be described with reference to FIG. Here, FIG. 7 is a flowchart showing a procedure for setting the duty ratios Duty1 and Duty2. This process is repeatedly executed by the
この一連の処理では、まずステップS10において、入力側電圧センサ32によって検出された入力電圧Vin及び出力側電圧センサ34によって検出された出力電圧Voを取得する。
In this series of processing, first, in step S10, the input voltage Vin detected by the input
続くステップS12では、検出された入力電圧Vin及び出力電圧Voに基づき、合計時比率DUTYを算出する。ここで、合計時比率DUTYは、例えば、出力電圧Voから入力電圧Vinを減算した値が大きいほど高い値に設定される。 In the subsequent step S12, the total duty ratio DUTY is calculated based on the detected input voltage Vin and output voltage Vo. Here, the total duty ratio DUTY is set to a higher value as the value obtained by subtracting the input voltage Vin from the output voltage Vo is larger, for example.
続くステップS14では、合計時比率DUTYが第1の時比率Duty1の上限値(以下、第1の上限値D1max)を超えるか否かを判断する。なお、本実施形態において、本ステップの処理が「許可手段」を構成する。 In the subsequent step S14, it is determined whether or not the total duty ratio DUTY exceeds the upper limit value (hereinafter, first upper limit value D1max) of the first duty ratio Duty1. In this embodiment, the process of this step constitutes “permission means”.
ステップS14において否定判断された場合には、2次コイル12b側の昇圧機能の動作を禁止し、ステップS16に進む。ステップS16では、第1の時比率Duty1を上記合計時比率DUTYに設定してかつ、第2の時比率Duty2を「0」に設定する。すなわち、2次コイル12b側の昇圧機能を動作させず、第1,第2の昇圧用スイッチング素子Sla,Slbをオフ操作することとなる。
If a negative determination is made in step S14, the operation of the boosting function on the
一方、上記ステップS14において肯定判断された場合には、2次コイル12b側の昇圧機能の動作を許可し、ステップS18に進む。ステップS18では、第1の時比率Duty1を第1の上限値D1maxに設定してかつ、第2の時比率Duty2を、合計時比率DUTYから第1の上限値D1maxを減算した値に設定する。ここで、図8に、本実施形態にかかる第1の時比率Duty1及び第2の時比率Duty2の設定態様を示した。詳しくは、図8は、入力電圧Vinを一定とする場合におけるこれら時比率Duty1,Duty2の設定態様を示す。また、図中、横軸はコンバータCNVの出力電圧Voを示し、縦軸はコンバータCNVの出力電力を示す。さらに、図中、出力電圧Voの上下限値を「Vo−max」,「Vo−min」にて示し、出力電力の上下限値を「Po−max」,「Po−min」にて示した。ちなみに、本実施形態において、出力電圧Voの上限値「Vo−max」が「スイッチング電源の出力電圧の最大要求値」に相当する。
On the other hand, when an affirmative determination is made in step S14, the operation of the step-up function on the
なお、ステップS16、S18の処理が完了した場合には、この一連の処理を一旦終了する。 In addition, when the process of step S16, S18 is completed, this series of processes is once complete | finished.
ここで、本実施形態において、1次コイル12a及び2次コイル12bの巻数比「N1/N2」は、図9に示すように、第1の時比率Duty1を第1の上限値D1maxとした場合であっても、コンバータCNVの出力電圧がその上限値Vo−max未満となるように設定されている。図9には、こうした設定を、巻数比「N1/N2」を「Ra」に設定することで実現する例を示した。
Here, in the present embodiment, the turn ratio “N1 / N2” of the
図10に、2次コイル12bの昇圧機能の動作態様の一例を示す。詳しくは、図10(a)は、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4の操作状態の推移を示し、図10(b)は、第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3の操作状態の推移を示し、図10(c)は、第1の昇圧用スイッチング素子Slaの操作状態の推移を示し、図10(d)は、第2の昇圧用スイッチング素子Slbの操作状態の推移を示す。なお、図10では、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4の組と、第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3の組との間のデッドタイムの図示を省略している。
FIG. 10 shows an example of the operation mode of the boost function of the
図示されるように、本実施形態では、第2の昇圧用スイッチング素子Slbに対するオン操作信号glbの出力タイミングと、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4に対するオン操作信号ms1,ms4の出力タイミングとを同期させることで、第2の昇圧用スイッチング素子Slbのオン操作タイミング(時刻t1,t5)と、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4のオン操作タイミングとを同期させている。また、第1の昇圧用スイッチング素子Slaに対するオン操作信号glaの出力タイミングと、第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3に対するオン操作信号ms2,ms3の出力タイミングとを同期させることで、第1の昇圧用スイッチング素子Slaのオン操作タイミング(時刻t3,t7)と、第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3のオン操作タイミングとを同期させている。 As shown in the figure, in this embodiment, the output timing of the on operation signal glb to the second boosting switching element Slb and the output timing of the on operation signals ms1 and ms4 to the first and fourth switching elements Q1 and Q4. Are synchronized with the on-operation timing (time t1, t5) of the second step-up switching element Slb and the on-operation timing of the first and fourth switching elements Q1, Q4. In addition, the output timing of the on operation signal gla to the first boosting switching element Sla and the output timing of the on operation signals ms2 and ms3 to the second and third switching elements Q2 and Q3 are synchronized, so that the first The ON operation timing (time t3, t7) of the step-up switching element Sla and the ON operation timing of the second and third switching elements Q2, Q3 are synchronized.
以上詳述した本実施形態によれば、以下の効果が得られるようになる。 According to the embodiment described in detail above, the following effects can be obtained.
(1)コンバータCNVの2次コイル12b側に、インダクタ12c、第1の昇圧用スイッチング素子Sla、第2の昇圧用スイッチング素子Slb、第1のダイオードDha及び第2のダイオードDhbを有する昇圧回路を備えた。このため、1次コイル12a及び2次コイル12bの巻線比「N1/N2」によって定まる2次コイル12bの出力電圧を昇圧回路によって更に昇圧することができる。これにより、負荷22の要求電圧が高い場合であっても、第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4のオン操作時間を長くすることができることから、1次コイル12aに流れる電流の実効値を低減させることができる。したがって、フルブリッジ回路10における導通損失を低減させることができ、ひいてはコンバータCNVの電力伝送効率を高めることができる。
(1) A step-up circuit having an
特に、本実施形態では、第1の時比率Duty1が第1の上限値D1maxを超えると判断された場合に2次コイル12b側の昇圧機能の動作を許可したこと、及び第1の時比率Duty1を第1の上限値D1maxとした場合であっても、コンバータCNVの出力電圧がその上限値Vo−max未満となるように1次コイル12a及び2次コイル12bの巻数比「N1/N2」を設定したことが、第1の時比率Duty1の低下を回避して導通損失を低減させることに大きく寄与している。
In particular, in this embodiment, when it is determined that the first duty ratio Duty1 exceeds the first upper limit value D1max, the operation of the boost function on the
また、本実施形態では、昇圧機能を実現するために、全波整流回路14の一部の素子を流用したこと、及びインダクタとしてトランス12の漏れインダクタ12cを用いたことが、コンバータCNVの体格及びコストの増大を回避することに大きく寄与している。
Further, in the present embodiment, in order to realize the boosting function, the fact that some elements of the full-
(2)全波整流回路14の整流機能を、第1のダイオードDha及び第2のダイオードDhbに加えて、第1の昇圧用スイッチング素子SlaのボディダイオードDlba及び第2の昇圧用スイッチング素子SlbのボディダイオードDlbbによって実現した。これにより、コンバータCNVの体格及びコストの増大を回避することができる。
(2) In addition to the first diode Dha and the second diode Dhb, the rectifying function of the full-
(第2の実施形態)
以下、第2の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
(Second Embodiment)
Hereinafter, the second embodiment will be described with reference to the drawings with a focus on differences from the first embodiment.
図11に、本実施形態にかかるコンバータCNVの回路構成を示す。なお、図11において、先の図1に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。 FIG. 11 shows a circuit configuration of the converter CNV according to the present embodiment. In FIG. 11, the same members as those shown in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals for convenience.
図示されるように、本実施形態では、全波整流回路14にて同期整流を行う。詳しくは、第1のダイオードDhaに代えて、第1の高電位側スイッチング素子ShaがコンバータCNVに備えられ、第2のダイオードDhbに代えて、第2の高電位側スイッチング素子ShbがコンバータCNVに備えられている。ここで、本実施形態では、これらスイッチング素子Sha,Shbとして、NチャネルMOS電界効果トランジスタを用いている。なお、図中、第1,第2の高電位側スイッチング素子Sha,Shbのボディダイオードを「Dhba」,「Dhbb」にて示した。
As shown in the figure, in this embodiment, the full-
第1の高電位側スイッチング素子Shaのソースには、第1の昇圧用スイッチング素子Slaのドレインが接続され、第2の高電位側スイッチング素子Shbのソースには、第2の昇圧用スイッチング素子Slbのドレインが接続されている。また、第1,第2の高電位側スイッチング素子Sha,Shbのドレイン同士は接続されている。なお、本実施形態において、第1の高電位側スイッチング素子Shaが整流機能を有する「第1の高電位側素子」に相当し、第2の高電位側スイッチング素子Shbが整流機能を有する「第2の高電位側素子」に相当する。 The source of the first high potential side switching element Sha is connected to the drain of the first boosting switching element Sla, and the source of the second high potential side switching element Shb is connected to the second boosting switching element Slb. The drain is connected. The drains of the first and second high potential side switching elements Sha, Shb are connected to each other. In the present embodiment, the first high potential side switching element Sha corresponds to a “first high potential side element” having a rectifying function, and the second high potential side switching element Shb has a rectifying function. Corresponds to “2 high potential side element”.
制御装置30は、第1,第2の高電位側スイッチング素子Sha,Shbに対して操作信号gha,ghbを出力することで、第1,第2の高電位側スイッチング素子Sha,Shbをオンオフ操作する。
The
こうした構成において、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4がオン操作されてかつ第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3がオフ操作される状況下、第2の昇圧用スイッチング素子Slbがオフ操作される場合、第1の高電位側スイッチング素子Shaがオフ操作されてかつ第2の高電位側スイッチング素子Shbがオン操作される。一方、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4がオフ操作されてかつ第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3がオン操作される状況下、第1の昇圧用スイッチング素子Slaがオフ操作される場合、第1の高電位側スイッチング素子Shaがオン操作されてかつ第2の高電位側スイッチング素子Shbがオフ操作される。これにより、全波整流回路14を構成する素子のうち高電位側の素子に関して同期整流を行うことができる。
In such a configuration, when the first and fourth switching elements Q1 and Q4 are turned on and the second and third switching elements Q2 and Q3 are turned off, the second boost switching element Slb is turned off. When operated, the first high potential side switching element Sha is turned off and the second high potential side switching element Shb is turned on. On the other hand, in a situation where the first and fourth switching elements Q1 and Q4 are turned off and the second and third switching elements Q2 and Q3 are turned on, the first boost switching element Sla is turned off. In this case, the first high potential side switching element Sha is turned on and the second high potential side switching element Shb is turned off. Thereby, synchronous rectification can be performed with respect to an element on the high potential side among the elements constituting the full-
以上説明した本実施形態によれば、上記第1の実施形態で得られる効果に加えて、コンバータCNVにおける電力変換効率を更に高めることができるといった効果を得ることができる。 According to this embodiment described above, in addition to the effect obtained in the first embodiment, it is possible to obtain an effect that the power conversion efficiency in the converter CNV can be further increased.
(第3の実施形態)
以下、第3の実施形態について、先の第1の実施形態との相違点を中心に図面を参照しつつ説明する。
(Third embodiment)
Hereinafter, the third embodiment will be described with reference to the drawings with a focus on differences from the first embodiment.
図12に、本実施形態にかかるコンバータCNVの回路構成を示す。なお、図12において、先の図1に示した部材と同一の部材については、便宜上、同一の符号を付している。 FIG. 12 shows a circuit configuration of the converter CNV according to the present embodiment. In FIG. 12, the same members as those shown in FIG. 1 are given the same reference numerals for the sake of convenience.
図示されるように、本実施形態では、第1の昇圧用スイッチング素子Slaに代えて、第1の低電位側ダイオードDla及び第1の開閉用スイッチング素子Saの並列接続体がコンバータCNVに備えられている。また、第2の昇圧用スイッチング素子Slbに代えて、第2の低電位側ダイオードDlb及び第2の開閉用スイッチング素子Sbの並列接続体がコンバータCNVに備えられている。ここで、第1,第2の低電位側ダイオードDla,Dlbと、第1,第2の開閉用スイッチング素子Sa,Sbとは別部材である。なお、制御装置30は、第1,第2の開閉用スイッチング素子Sa,Sbに対して操作信号ga,gbを出力することで、第1,第2の開閉用スイッチング素子Sa,Sbをオンオフ操作する。また、本実施形態において、第1の低電位側ダイオードDla及び第1の開閉用スイッチング素子Saの並列接続体が「第1の低電位側素子」に相当し、第2の低電位側ダイオードDlb及び第2の開閉用スイッチング素子Sbの並列接続体が「第2の低電位側素子」に相当する。
As shown in the figure, in this embodiment, instead of the first boost switching element Sla, the converter CNV includes a parallel connection body of the first low-potential side diode Dla and the first switching element Sa. ing. Further, instead of the second step-up switching element Slb, the converter CNV includes a parallel connection body of the second low-potential side diode Dlb and the second switching element Sb for switching. Here, the first and second low potential side diodes Dla, Dlb and the first and second switching elements Sa, Sb are separate members. The
以上説明した本実施形態によっても、上記第1の実施形態で得られる効果に準じた効果を得ることができる。 Also according to the present embodiment described above, it is possible to obtain an effect according to the effect obtained in the first embodiment.
(その他の実施形態)
なお、上記各実施形態は、以下のように変更して実施してもよい。
(Other embodiments)
Each of the above embodiments may be modified as follows.
・上記第1の実施形態では、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4がオン操作され、また、第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3がオフ操作される場合、第1の昇圧用スイッチング素子Slaをオフ操作固定したがこれに限らず、オン操作固定してもよい。これにより、第1の昇圧用スイッチング素子Slaのボディダイオードに電流が流れることを回避でき、導通損失を低減させることができる。さらに、第2,第3のスイッチング素子Q2,Q3がオン操作され、また、第1,第4のスイッチング素子Q1,Q4がオフ操作される場合、第2の昇圧用スイッチング素子Slbをオン操作固定してもよい。なお、こうした操作手法は、上記第2の実施形態の図11についても同様に適用できる。 In the first embodiment, when the first and fourth switching elements Q1 and Q4 are turned on, and when the second and third switching elements Q2 and Q3 are turned off, the first booster Although the switching element Sla is fixed to be turned off, the present invention is not limited to this, and it may be fixed to be turned on. Thereby, it is possible to avoid a current from flowing through the body diode of the first boost switching element Sla, and to reduce conduction loss. Further, when the second and third switching elements Q2 and Q3 are turned on, and when the first and fourth switching elements Q1 and Q4 are turned off, the second step-up switching element Slb is fixed to be turned on. May be. Such an operation method can be similarly applied to FIG. 11 of the second embodiment.
・上記第1の実施形態では、「昇圧用スイッチング素子」及び「昇圧用整流素子」として、第1の昇圧用スイッチング素子Sla及び第1のダイオードDha、並びに第2の昇圧用スイッチング素子Slb及び第2のダイオードDhbの双方を用いたがこれに限らない。例えば、第1の昇圧用スイッチング素子Sla及び第1のダイオードDha、並びに第2の昇圧用スイッチング素子Slb及び第2のダイオードDhbのうちいずれか一方のみ用いてもよい。 In the first embodiment, as the “boost switching element” and the “boost rectifier element”, the first boost switching element Sla and the first diode Dha, and the second boost switching element Slb and Although both of the two diodes Dhb are used, the present invention is not limited to this. For example, only one of the first boost switching element Sla and the first diode Dha, and the second boost switching element Slb and the second diode Dhb may be used.
・上記第1の実施形態では、第1の時比率Duty1が第1の上限値D1maxを超えると判断された場合にのみ2次コイル12b側の昇圧機能の動作を許可したがこれに限らない。第1の時比率Duty1が第1の上限値D1maxを超える以前にも2次コイル12b側の昇圧機能の動作を許可してもよい。この場合であっても、コンバータCNVの電力変換効率を高めることはできる。
In the first embodiment, the operation of the step-up function on the
・「昇圧用インダクタ」としては、トランス12の漏れインダクタに限らず、受動素子としてのインダクタであってもよい。ここで、図13には、上記第2の実施形態の図11に示したコンバータCNVをベースとして、昇圧用インダクタを受動素子としてのインダクタ18に変更した構成を例示した。
The “boost inductor” is not limited to the leakage inductor of the
・第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4の操作手法としては、時比率を用いたハードスイッチング処理によるものに限らない。例えば、時比率を固定しつつ、第1のスイッチング素子Q1(第2のスイッチング素子Q2)と第4のスイッチング素子Q4(第3のスイッチング素子Q3)とについて、オン状態への切り替えタイミングとオフ状態への切り替えタイミングとを互いにずらしつつ通流率を調整するフェーズシフト処理によるものであってもよい。この場合であっても、第1〜第4のスイッチング素子Q1〜Q4のオン操作時間が短くなることで、1次コイル12aに流れる電流の実効値が増大するおそれがあるなら、本発明の適用が有効である。
The operation method of the first to fourth switching elements Q1 to Q4 is not limited to the one based on the hard switching process using the time ratio. For example, for the first switching element Q1 (second switching element Q2) and the fourth switching element Q4 (third switching element Q3), the timing of switching to the ON state and the OFF state while fixing the duty ratio It may be based on phase shift processing that adjusts the flow rate while shifting the timing of switching to. Even in this case, if there is a possibility that the effective value of the current flowing through the
・第1の昇圧用スイッチング素子Slaのオン操作タイミングの設定手法としては、上記第1の実施形態に例示したものに限らない。例えば、2次コイル12bに流れる電流を検出するセンサを備え、このセンサの検出値に基づき2次コイル12bに流れる電流の流通方向を判断して第1の昇圧用スイッチング素子Slaのオン操作タイミングを設定してもよい。なお、第2の昇圧用スイッチング素子Slbについても同様である。
The method for setting the ON operation timing of the first boosting switching element Sla is not limited to the one exemplified in the first embodiment. For example, a sensor for detecting the current flowing through the
・「昇圧回路」としては、トランス12及び全波整流回路14の備える素子の一部を流用して構成されるものに限らない。例えば、上記第1の実施形態の図1において、平滑コンデンサ16及び負荷22の間に設けられる昇圧回路(昇圧チョッパ回路)であってもよい。
The “boost circuit” is not limited to one configured by diverting part of elements included in the
・上記第1の実施形態において、「第1の高電位側素子」及び「第2の高電位側素子」としては、ダイオードに限らず、例えばサイリスタであってもよい。 In the first embodiment, the “first high potential side element” and the “second high potential side element” are not limited to diodes, and may be thyristors, for example.
・「スイッチング回路」としては、フルブリッジ回路に限らず、例えば、一対のスイッチング素子の直列接続体を備えるハーフブリッジ回路であってもよい。 The “switching circuit” is not limited to a full bridge circuit, and may be, for example, a half bridge circuit including a series connection body of a pair of switching elements.
・コンバータCNVが搭載される充電器としては、車両に搭載されるものに限らず、例えば、住宅に設置されるものであってもよい。 The charger on which the converter CNV is mounted is not limited to the one mounted on the vehicle, and may be installed on a house, for example.
10…フルブリッジ回路、12…トランス、12a…1次コイル、12b…2次コイル、12c…インダクタ、14…全波整流回路、Sla…第1の昇圧用スイッチング素子、Slb…第2の昇圧用スイッチング素子、Dha…第1のダイオード、Dhb…第2のダイオード、Q1〜Q4…第1〜第4のスイッチング素子。
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記1次コイルに接続されてかつスイッチング素子(Q1〜Q4)を有し、該スイッチング素子のオンオフ操作によって前記1次コイルに交流電圧を印加するスイッチング回路(10)と、
前記2次コイルの出力電流を整流する整流回路(14)と、
当該スイッチング電源の前記2次コイル側に接続されてかつ前記2次コイルの出力電圧を昇圧する昇圧回路(12c,Sla,Slb,Dha,Dhb,16,Sha,Shb,Sa,Dla,Sb,Dlb,18)と、
を備えることを特徴とするスイッチング電源。 A transformer (12) having a primary coil (12a) and a secondary coil (12b);
A switching circuit (10) connected to the primary coil and having switching elements (Q1 to Q4), and applying an AC voltage to the primary coil by an on / off operation of the switching element;
A rectifier circuit (14) for rectifying the output current of the secondary coil;
A booster circuit (12c, Sla, Slb, Dha, Dhb, 16, Sha, Shb, Sa, Dla, Sb, Dlb) that is connected to the secondary coil side of the switching power supply and boosts the output voltage of the secondary coil. 18)
A switching power supply comprising:
高電位側のスイッチング素子(Q1,Q3)及び低電位側のスイッチング素子(Q2,Q4)の直列接続体を備え、
前記高電位側のスイッチング素子及び前記低電位側のスイッチング素子のオンオフ操作によって前記1次コイルに交流電圧を印加し、
前記昇圧回路は、
昇圧用スイッチング素子(Sla,Slb,Sa,Sb)と、
昇圧用インダクタ(12c,18)と、
前記昇圧用スイッチング素子及び前記昇圧用インダクタの接続点に一端が接続されてかつ、前記昇圧用スイッチング素子のオフ操作に伴い前記昇圧用インダクタから出力される電流を整流する昇圧用整流素子(Dha,Dhb,Sha,Shb)と、
前記2次コイルの出力電圧を昇圧すべく前記昇圧用スイッチング素子をオンオフ操作する昇圧操作手段(30)と、
を備え、
前記高電位側のスイッチング素子及び前記低電位側のスイッチング素子のそれぞれを規定時間に対する該スイッチング素子のオン操作時間の比率である時比率に基づきオンオフ操作することで、前記1次コイルに交流電圧を印加する1次側操作手段(30)と、
前記1次側操作手段によって用いられる前記時比率がその上限値になることを条件として、前記昇圧回路による前記2次コイルの出力電圧の昇圧を許可する許可手段と、
を更に備えることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源。 The switching circuit is
A series connection body of switching elements (Q1, Q3) on the high potential side and switching elements (Q2, Q4) on the low potential side;
An alternating voltage is applied to the primary coil by an on / off operation of the high-potential side switching element and the low-potential side switching element;
The booster circuit includes:
Boosting switching elements (Sla, Slb, Sa, Sb);
A step-up inductor (12c, 18);
A boosting rectifier element (Dha,) having one end connected to a connection point of the boosting switching element and the boosting inductor, and rectifying a current output from the boosting inductor when the boosting switching element is turned off. Dhb, Sha, Shb)
A step-up operation means (30) for turning on and off the step-up switching element to step up the output voltage of the secondary coil;
With
An AC voltage is applied to the primary coil by performing an on / off operation on each of the high potential side switching element and the low potential side switching element based on a time ratio that is a ratio of an on operation time of the switching element to a specified time. Primary operating means (30) to apply;
Permission means for permitting boosting of the output voltage of the secondary coil by the boosting circuit, provided that the duty ratio used by the primary side operating means is an upper limit value;
The switching power supply according to claim 1, further comprising:
前記2次コイルの両端のうち一端には、前記第1の高電位側素子及び前記第1の低電位側素子の接続点が接続され、他端には、前記第2の高電位側素子及び前記第2の低電位側素子の接続点が接続され、
前記第1の高電位側素子は、該第1の高電位側素子の両端のうち前記第1の低電位側素子との接続点側から前記第2の高電位側素子との接続点側へと向かう方向の電流の流通を許容し、逆方向の電流の流通を規制する整流機能を有し、
前記第2の高電位側素子は、該第2の高電位側素子の両端のうち前記第2の低電位側素子との接続点側から前記第1の高電位側素子との接続点側へと向かう方向の電流の流通を許容し、逆方向の電流の流通を規制する整流機能を有し、
前記第1の低電位側素子は、該第1の低電位側素子の両端のうち前記第2の低電位側素子との接続点側から前記第1の高電位側素子との接続点側へと向かう方向の電流の流通を許容し、逆方向の電流の流通を規制する整流機能、並びに前記第1の低電位側素子及び前記2次コイルの接続点と前記第1の低電位側素子及び前記第2の低電位側素子の接続点との間の電気経路を開閉する開閉機能を有し、
前記第2の低電位側素子は、該第2の低電位側素子の両端のうち前記第1の低電位側素子との接続点側から前記第2の高電位側素子との接続点側へと向かう方向の電流の流通を許容し、逆方向の電流の流通を規制する整流機能、並びに前記第2の低電位側素子及び前記2次コイルの接続点と前記第2の低電位側素子及び前記第1の低電位側素子の接続点との間の電気経路を開閉する開閉機能を有し、
前記昇圧用スイッチング素子及び前記昇圧用整流素子は、前記第1の低電位側素子及び前記第1の高電位側素子、並びに前記第2の低電位側素子及び前記第2の高電位側素子のうち少なくとも一方であることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項に記載のスイッチング電源。 The rectifier circuit includes a series connection body of a first high potential side element (Dha, Sha) and a first low potential side element (Sla, Dla, Sa), and a second high potential side element (Dhb, Shb). And a parallel connection body with a series connection body of the second low potential side elements (Slb, Dlb, Sb),
A connection point of the first high potential side element and the first low potential side element is connected to one end of both ends of the secondary coil, and the second high potential side element and the other end are connected to the other end. A connection point of the second low potential side element is connected;
The first high potential side element is connected to the connection point side with the second high potential side element from the connection point side with the first low potential side element of both ends of the first high potential side element. Has a rectifying function that allows the flow of current in the direction toward and restricts the flow of current in the reverse direction,
The second high potential side element is connected to a connection point side with the first high potential side element from a connection point side with the second low potential side element among both ends of the second high potential side element. Has a rectifying function that allows the flow of current in the direction toward and restricts the flow of current in the reverse direction,
The first low potential side element is connected to the connection point side with the first high potential side element from the connection point side with the second low potential side element among both ends of the first low potential side element. A rectifying function that allows current to flow in the direction toward and restricts current flow in the reverse direction, and a connection point between the first low potential side element and the secondary coil and the first low potential side element; An open / close function to open and close an electrical path between the connection point of the second low potential side element;
The second low potential side element is connected to the connection point side with the second high potential side element from the connection point side with the first low potential side element among both ends of the second low potential side element. A rectifying function that allows current to flow in the direction toward and restricts current flow in the reverse direction, and a connection point between the second low-potential side element and the secondary coil, the second low-potential side element, and Having an opening / closing function of opening / closing an electrical path between the first low potential side element and a connection point;
The step-up switching element and the step-up rectifying element include the first low potential side element, the first high potential side element, the second low potential side element, and the second high potential side element. The switching power supply according to any one of claims 2 to 4, wherein the switching power supply is at least one of them.
前記第1の低電位側素子及び前記第2の低電位側素子のそれぞれの前記整流機能は、前記電界効果トランジスタのボディダイオード(Dlba,Dlbb)によって実現されることを特徴とする請求項5記載のスイッチング電源。 Each of the first low potential side element (Sla) and the second low potential side element (Slb) is a field effect transistor,
6. The rectifying function of each of the first low potential side element and the second low potential side element is realized by a body diode (Dlba, Dlbb) of the field effect transistor. Switching power supply.
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