JP2014230312A - Dc power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、直流電圧を昇圧あるいは降圧し、負荷に直流電流を供給することのできる昇降圧型の直流電源装置に関し、特に装置の低損失化および小型、低コスト化に関するものである。 The present invention relates to a step-up / step-down type DC power supply device capable of boosting or stepping down a DC voltage and supplying a DC current to a load, and more particularly, to reducing the loss, size, and cost of the device.
入力電圧と負荷電圧が共に変化するような車載機器用電源では、昇降圧可能なコンバータを有するスイッチング電源が使用される。その昇降圧コンバータの1つにCukコンバータ(例えば、特許文献1参照)があるが、Cukコンバータでは、各素子に印加される電圧が入力電圧と出力電圧の和となるため、素子の大型化、損失増大および高コスト化を避けることが困難であった。 In an in-vehicle power supply in which both the input voltage and the load voltage change, a switching power supply having a converter capable of step-up / step-down is used. One of the buck-boost converters is a Cuk converter (see, for example, Patent Document 1). In the Cuk converter, the voltage applied to each element is the sum of the input voltage and the output voltage. It was difficult to avoid an increase in loss and an increase in cost.
この問題を解決するため、DC/DC変換回路と、DC/DC変換回路の直流出力を調整して負荷に供給する負荷回路とを備え、DC/DC変換回路はスイッチング素子と、スイッチング素子を介して直流電源の電源電圧が1次巻線に印加される変圧器と変圧器の2次巻線と整流素子との直列回路とを具備し、直流電源、変圧器の1次巻線、およびスイッチング素子からなる閉回路にコンデンサを介して変圧器の2次巻線および整流素子の直列回路を接続した電源装置が開示されている(例えば、特許文献2参照)。 In order to solve this problem, a DC / DC conversion circuit and a load circuit that adjusts a direct current output of the DC / DC conversion circuit and supplies the load to a load are provided. The DC / DC conversion circuit includes a switching element and a switching element. A transformer in which the power supply voltage of the DC power supply is applied to the primary winding, a series circuit of the secondary winding of the transformer and the rectifier element, the DC power supply, the primary winding of the transformer, and the switching A power supply device is disclosed in which a secondary circuit of a transformer and a series circuit of rectifying elements are connected to a closed circuit composed of elements via a capacitor (see, for example, Patent Document 2).
特許文献2の開示発明は、変圧器漏れインダクタンスによるサージ電圧が考慮されていないため、スイッチング素子の両端に過大な電圧が印加され、回路損失が増大し、回路が大型化するという問題があった。
The invention disclosed in
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたものであり、サージ電圧を低減し、回路の小型化、低損失化を図ることができる直流電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a DC power supply device that can reduce a surge voltage and reduce the size and loss of a circuit. To do.
この発明に係る第1の直流電源装置は、直流入力電源に変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との直列回路を接続し、変圧器の1次側と第1のスイッチング素子の接続点に変圧器の2次側と第1のダイオードとの直列回路をコンデンサを介して接続し、変圧器の2次側と第1のダイオードとの直列回路に並列に第2のダイオードを接続し、コンデンサと変圧器の2次側との接続点に負荷をリアクトルを介して接続し、第1のスイッチング素子を制御して直流入力電源の電圧を昇降圧し、負荷に供給する制御回路を備えたものである。 In a first DC power supply device according to the present invention, a series circuit of a primary side of a transformer and a first switching element is connected to a DC input power source, and the primary side of the transformer and the first switching element are connected. A series circuit of the secondary side of the transformer and the first diode is connected to the point via a capacitor, and a second diode is connected in parallel to the series circuit of the secondary side of the transformer and the first diode. A control circuit for connecting a load to a connection point between the capacitor and the secondary side of the transformer via a reactor, controlling the first switching element to step up / down the voltage of the DC input power supply, and supplying the load to the load Is.
この発明に係る第2の直流電源装置は、直流入力電源に変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との直列回路を接続し、変圧器の1次側と第1のスイッチング素子の接続点に変圧器の2次側と第2のスイッチング素子との直列回路をコンデンサを介して接続し、変圧器の2次側と第2のスイッチング素子との直列回路に並列に第2のダイオードを接続し、コンデンサと変圧器の2次側との接続点に負荷をリアクトルを介して接続し、第1および第2のスイッチング素子を制御して直流入力電源の電圧を昇降圧し、負荷に供給する制御回路を備えたものである。 In a second DC power supply device according to the present invention, a series circuit of a primary side of a transformer and a first switching element is connected to a DC input power source, and the primary side of the transformer and the first switching element are connected. A series circuit of the secondary side of the transformer and the second switching element is connected to the point via a capacitor, and a second diode is connected in parallel to the series circuit of the secondary side of the transformer and the second switching element. Connect the load to the connection point between the capacitor and the secondary side of the transformer via the reactor, and control the first and second switching elements to step up / down the voltage of the DC input power supply and supply it to the load A control circuit is provided.
この発明に係る第1の直流電源装置は、上記のように構成されているため、サージ電圧を低減し、回路の小型化、低損失化を図ることができる。 Since the first DC power supply device according to the present invention is configured as described above, it is possible to reduce the surge voltage and to reduce the size and loss of the circuit.
この発明に係る第2の直流電源装置は、上記のように構成されているため、サージ電圧を低減し、回路の小型化、低損失化を図ることができる。 Since the second DC power supply device according to the present invention is configured as described above, the surge voltage can be reduced, and the circuit can be reduced in size and loss.
実施の形態1.
実施の形態1は、直流入力電源に接続した変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との直列回路と、変圧器の2次側と第1のダイオードとの直列回路と、変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との接続点に変圧器の2次側と第1のダイオードとの直列回路を接続するコンデンサと、変圧器の2次側と第1のダイオードとの直列回路に並列に接続した第2のダイオードと、コンデンサと変圧器の2次側との接続点に負荷を接続するリアクトルと、第1のスイッチング素子を制御して直流入力電源の電圧を昇降圧し、負荷に供給する制御回路とを備えた直流電源装置に関するものである。
The first embodiment includes a series circuit of a primary side of a transformer connected to a DC input power source and a first switching element, a series circuit of a secondary side of the transformer and a first diode, A capacitor for connecting a series circuit of the secondary side of the transformer and the first diode to a connection point between the primary side and the first switching element, and a series circuit of the secondary side of the transformer and the first diode A second diode connected in parallel to the capacitor, a reactor connecting the load to the connection point between the capacitor and the secondary side of the transformer, and the first switching element to control the voltage of the DC input power source, The present invention relates to a DC power supply device that includes a control circuit that supplies power to a power source.
以下、本願発明の実施の形態1の構成、および機能、動作について、直流電源装置の構成図である図1、動作説明図である図2、スイッチング素子の動作説明図である図3、および制御回路の構成図例である図4に基づいて説明する。 Hereinafter, regarding the configuration, function, and operation of the first embodiment of the present invention, FIG. 1 is a configuration diagram of a DC power supply device, FIG. 2 is an operation explanatory diagram, FIG. 3 is an operation explanatory diagram of a switching element, and control. A description will be given based on FIG. 4 which is an example of a circuit configuration diagram.
以下の説明では、直流電源装置の構成および機能、動作を説明した後、制御回路の構成例について説明する。 In the following description, after describing the configuration, function, and operation of the DC power supply device, a configuration example of the control circuit will be described.
まず、図1に基づいて、直流電源装置を含むシステムの構成を説明する。
図1において、システム全体は直流電源装置1と所望の直流電圧を供給する負荷2から構成される。直流電源装置1は、主要部として、直流入力電源部と、電源主回路部と、制御部とから構成される。
First, the configuration of a system including a DC power supply device will be described with reference to FIG.
In FIG. 1, the entire system includes a DC
直流入力電源部は、直流入力電源3が相当する。
次に、電源主回路部について説明する。電源主回路部は、変圧器4と、第1のスイッチング素子5と、コンデンサ6と、第1のダイオード7と、第2のダイオード8と、リアクトル9と、出力コンデンサ10を備える。
直流入力電源3に、変圧器4の1次側巻線4aと第1のスイッチング素子5の直列回路を接続している。変圧器4の1次側巻線4aの第1端を直流入力電源3の正極に接続している。変圧器4の1次側巻線4aの第2端を第1のスイッチング素子5のドレインに接続し、この接続点をA点と称する。
コンデンサ6を介して、変圧器4の2次側巻線4bと第1のダイオード7の直列回路を、第1のスイッチング素子5に並列に接続している。すなわち、コンデンサ6の第1端をA点に接続している。コンデンサ6の第2端を変圧器4の2次側巻線4bの第1端に接続し、この接続点をB点と称する。変圧器4の2次側巻線4bの第2端と第1のダイオード7のアノードを接続している。
The DC input power supply unit corresponds to the DC
Next, the power supply main circuit unit will be described. The power supply main circuit unit includes a
A series circuit of a primary side winding 4 a of the
A series circuit of the
変圧器4の2次側巻線4bと第1のダイオード7の直列回路に並列に第2のダイオード8を接続している。第2のダイオード8のアノードを変圧器4の2次側巻線4bの第1端、すなわちB点に接続している。
リアクトル9を介して、変圧器4の2次側巻線4bと第1のダイオード7の直列回路、すなわち第2のダイオード8に並列に出力コンデンサ10を接続している。リアクトル9の第1端をB点に接続している。リアクトル9の第2端と出力コンデンサ10の第1端との接続点をC点と称する。
電源主回路部の出力端、すなわち出力コンデンサ10の第1端と第2端を負荷2に接続している。
第1のスイッチング素子5のソース、第1のダイオード7のカソード、第2のダイオード8のカソード、および出力コンデンサ10の第2端は、直流入力電源3の負極に接続している。
なお、本実施の形態1の直流電源装置1は、直流入力電源3の電圧(Vin)に対して極性を反転して負荷2に電圧(−Vout)を供給する。
A
An
An output end of the power supply main circuit unit, that is, a first end and a second end of the
The source of the
The DC
次に、制御部について説明する。制御部は、第1のスイッチング素子5をスイッチング制御するパルス信号を生成する制御回路11と、第1のゲート回路12と、出力検出回路13を備える。
Next, the control unit will be described. The control unit includes a
制御部は、第1のスイッチング素子を制御して直流入力電源の電圧を昇降圧し、負荷に供給する。この制御部の動作は、後で詳細を説明するが、各回路の機能を簡単に説明する。
制御回路11は、第1のスイッチング素子5をスイッチング制御するパルス信号を生成する。第1のゲート回路12は、制御回路11からパルス信号を受け、第1のスイッチング素子5のゲートにゲート信号を出力する。出力検出回路13は、第1のスイッチング素子5の制御に必要な負荷2への出力電圧および電流を検出して、制御回路11に出力する。
The control unit controls the first switching element to step up / down the voltage of the DC input power supply and supply it to the load. The operation of this control unit will be described in detail later, but the function of each circuit will be briefly described.
The
次に主要構成要素について、説明する。
負荷2は、車両ヘッドライト用に多直列接続されたLEDなどを想定している。
直流入力電源3は、定電圧電源のように安定な電源、あるいは車載用バッテリー電源のように大きな電圧変動を持つ直流電源である。
Next, main components will be described.
The
The DC
第1のスイッチング素子5は、電圧制御自己消弧型の高速半導体素子であり、図1中のA点が正電位になるため、N型のMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field−Effect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor )を選定することが望ましい。
なお、図1では、第1のスイッチング素子5はN型のMOSFETを想定しており、もしIGBTを使用する場合は、ドレインをコレクタ、ソースをエミッタと読み替える。
The
In FIG. 1, the
変圧器4は、共通の鉄心に二つの巻線を巻いたものであり、必要な励磁インダクタンスが得られるように1次側巻数を調整し、かつ所望の昇圧比が得られるように2次側巻線との巻数比nを決定する。
変圧器4の1次側巻線4aの第1端と、第1のダイオード7に直列に接続した変圧器4の2次側巻線4bの第1端は、図1中の変圧器4に示す黒丸が同一極性となるように接続している。
なお、図1では、変圧器4の2次側巻線4bの第2端を第1のダイオード7のアノードに直列に接続した構成としているが、接続順を入れ替えて第1のダイオード7のカソードと変圧器4の2次側巻線4bの第1端を直列に接続する構成としてもよい。
The
The first end of the primary winding 4a of the
In FIG. 1, the second end of the secondary winding 4 b of the
コンデンサ6は、リアクトル9のインダクタンス値との共振周波数が、第1のスイッチング素子5のスイッチング周波数よりも十分低くなるように、コンデンサ容量を設定する。コンデンサ6とリアクトル9のインダクタンスによる共振周波数は、第1のスイッチング素子5のスイッチング周波数の1/5以下とすることが望ましい。
このような設定とすれば、出力電圧Voutに発生する共振振動を抑制することができ、回路動作を安定にすることができる。
なお、第1のスイッチング素子5のスイッチング毎にコンデンサ6に充放電電流が流れるため、内部インピーダンスの低い電解コンデンサを使用するか、もしくはセラミックコンデンサやフィルムコンデンサを使用することが望ましい。このようなコンデンサを使用すると、損失が低減され、回路をより小型化できる。
The capacitor 6 sets the capacitor capacity so that the resonance frequency with the inductance value of the reactor 9 is sufficiently lower than the switching frequency of the
With such a setting, the resonance vibration generated in the output voltage Vout can be suppressed, and the circuit operation can be stabilized.
Since charging / discharging current flows through the capacitor 6 every time the
第1のダイオード7には、第1のスイッチング素子5がオフの時には順方向電流が流れ、第1のスイッチング素子5がオンする時には、カソードとアノード間に逆方向の電圧が印加される。このようなスイッチング動作は、第1のダイオード7にいわゆるダイオードリカバリを発生させ、損失を増大させる。このため第1のダイオード7には、順方向のオン電圧が低く、ダイオードリカバリの少ないダイオード、例えばショットキーバリアダイオードやファーストリカバリダイオードなどを使用することが望ましい。このようなダイオードを使用すると、第1のダイオード7で発生する損失が低減され、回路をより小型化できる。
A forward current flows through the
第2のダイオード8は、第1のスイッチング素子5がターンオフする際に発生するサージ電圧を抑制するために取り付けられる。電源主回路部を構成するコンデンサ6と第2のダイオード8が第1のスイッチング素子5のドレイン−ソース間に接続される構成とすることで、一種のツェナーダイオードと同等の効果を有する回路を構成している。
この構成により、第1のスイッチング素子5の両端に発生するサージ電圧がコンデンサ6の充電電圧でクランプされ、サージ電圧が抑制される。
なお、第2のダイオード8には、第1のスイッチング素子5のターンオフ期間の数十ナノ秒から数百ナノ秒程度の短い時間に電流が流れるのみであるため、小型のダイオードが使用できる。
The
With this configuration, the surge voltage generated at both ends of the
Note that a small diode can be used for the
出力コンデンサ10は、第1のスイッチング素子5のスイッチングにより生じるリップル電圧を吸収する。しかし、負荷2に出力される直流電圧にリップル電圧の存在が許容される場合には、出力コンデンサ10は必ずしも必要はない。
また、インピーダンスが急激に変動する負荷に定電流を流す場合には、出力コンデンサ10の容量が大きければその負荷変動に追従できない。このため、リアクトル9の値を大きく設定し、出力コンデンサ10を小さく、あるいは取り付けない構成とすることができる。このような構成にすれば、負荷変動時でも負荷に安定して定電流を供給できる直流電源装置を構成できる。
The
Further, when a constant current is supplied to a load whose impedance changes rapidly, the load change cannot be followed if the capacity of the
次に、本実施の形態1における直流電源装置1の動作について、図2および図3に基づいて説明する。
図2(a)は、第1のスイッチング素子5がオンの場合の電流の経路を示し、図中に電流Iaの電流経路a、電流Ibの電流経路bを示している。図2(b)は、第1のスイッチング素子5がオフの場合の電流の経路を示し、図中に電流Icの電流経路c、電流Idの電流経路d、電流Ieの電流経路eを示している。
Next, the operation of DC
FIG. 2A shows a current path when the
まず、図2(a)で、第1のスイッチング素子5がオンの場合を説明する。
第1のスイッチング素子5がオンの場合には、直流入力電源3→変圧器4の1次側巻線→第1のスイッチング素子5→直流入力電源3の電流経路aに電流Iaが流れる。負荷2→リアクトル9→コンデンサ6→第1のスイッチング素子5→負荷2の電流経路bに電流Ibが流れる。変圧器4の2次側巻線4bは第1のダイオード7によって通電が阻止されるので、電流は流れない。
First, a case where the
When the
図2(a)において、入力電圧Vin、出力電圧−Vout、変圧器4の1次側巻線4aの電圧V1a、変圧器4の2次側巻線4bの電圧V2a、コンデンサ6の両端電圧V3a、リアクトル9の両端電圧V4aとし、第1のスイッチング素子5のスイッチング周波数f、第1のスイッチング素子5のオンデューティD、変圧器4の励磁インダクタンスL1、リアクトル9のインダクタンスL2、変圧器4の昇圧比nとし、第1のスイッチング素子5の通電時のオン電圧無視すると、(1)式〜(6)式が成り立つ。
In FIG. 2A, the input voltage Vin, the output voltage -Vout, the voltage V1a of the primary side winding 4a of the
V1a=Vin (1)
V2a=nV1a (2)
V3a=Vin+Vout (3)
V4a=−Vout+V3a (4)
Ia=V1a/L1×D/f (5)
Ib=V4a/L2×D/f (6)
V1a = Vin (1)
V2a = nV1a (2)
V3a = Vin + Vout (3)
V4a = −Vout + V3a (4)
Ia = V1a / L1 × D / f (5)
Ib = V4a / L2 × D / f (6)
次に、図2(b)で、第1のスイッチング素子5がオフの場合を説明する。
Next, a case where the
第1のスイッチング素子5のターンオフ遷移期間tsに、変圧器4の漏れインダクタンスおよび回路配線に含まれる浮遊インダクタンスの影響により、変圧器4の1次側巻線4a→コンデンサ6→第2のダイオード8を通る電流経路cにパルス状の電流Icが流れる。
During the turn-off transition period ts of the
ここで、第2のダイオード8の効果を図3に基づいて説明する。
図3(a)は、変圧器4の漏れインダクタンスおよび回路配線に含まれる浮遊インダクタンスによる第1のスイッチング素子5のドレイン−ソース間電圧を示している。
図3(b)は、第2のダイオード8がある場合の第1のスイッチング素子5のドレイン−ソース間電圧を示している。図3(c)は、この第2のダイオード8に流れる電流を示している。
Here, the effect of the
FIG. 3A shows the drain-source voltage of the
FIG. 3B shows the drain-source voltage of the
第2のダイオード8が無い場合には、第1のスイッチング素子5の両端に、漏れインダクタンスおよび配線インダクタンスの和と、電流の時間変化率の積で定まるサージ電圧が発生する。このため第1のスイッチング素子5には高耐電圧の高価格素子を選定する必要がある。さらに、スイッチングの際に生じるスイッチング損失も増大するため回路効率が低下する。
In the absence of the
また第1のスイッチング素子5に低耐電圧品を使用することを前提に、第1のスイッチング素子5に一般的なサージ抑制用のスナバ回路を取り付けた場合には、サージエネルギーをすべてスナバ回路で消費する必要があるため、スナバ回路での損失が増大し、回路効率が著しく低下する。
In addition, assuming that a low withstand voltage product is used for the
しかし、図3(b)に示すように、第2のダイオード8がある場合には、電源主回路部を構成するコンデンサ6と第2のダイオード8が第1のスイッチング素子5のドレイン−ソース間に接続されるため、第1のスイッチング素子5から見れば、一種のツェナーダイオードと同等の効果を有する回路が両端に接続されたことになる。このため、第1のスイッチング素子5の両端に発生するサージ電圧がコンデンサ6の充電電圧(=Vin+Vout)でクランプされ、サージ電圧が抑制される。
したがって、第1のスイッチング素子5には、低耐電圧で安価な素子を選定できる。また、サージエネルギーはコンデンサ6に蓄積されるため損失が発生せず、回路を小型化、高効率化できる効果もある。
However, as shown in FIG. 3B, when there is the
Therefore, an inexpensive element with a low withstand voltage can be selected as the
ここで、図2(b)の説明に戻る。
第1のスイッチング素子5がオフに移行すると、直流入力電源3→変圧器4の1次側巻線4a→コンデンサ6→変圧器4の2次側巻線4b→第1のダイオード7→直流入力電源3の電流経路dにIdが流れる。負荷2→リアクトル9→変圧器の2次側巻線4b→第1のダイオード7の電流経路eにIeが流れる。
Here, the description returns to FIG.
When the
図2(b)に示すように、入力電圧Vin、出力電圧−Vout、変圧器4の1次側電圧V1b、変圧器4の2次側電圧V2b、コンデンサ6の両端電圧V3b、リアクトル9の両端電圧V4bとし、第1のダイオード7の順方向電圧降下を無視すると(7)式〜(12)式が成り立つ。
As shown in FIG. 2 (b), the input voltage Vin, the output voltage -Vout, the primary side voltage V1b of the
V1b=Vin−V3b−V2b (7)
V2b=nV1b (8)
V3b=Vin+Vout (9)
V4b=−Vout−V2b (10)
Id=V1b/L1×(1−D)/f (11)
Ie=V4b/L2×(1−D)/f (12)
V1b = Vin−V3b−V2b (7)
V2b = nV1b (8)
V3b = Vin + Vout (9)
V4b = −Vout−V2b (10)
Id = V1b / L1 × (1-D) / f (11)
Ie = V4b / L2 × (1-D) / f (12)
(7)式〜(10)式より関係を求めると、(13)式が得られる。
V1b=V4b =−Vout/(1+n) (13)
したがって、第1のスイッチング素子5の両端電圧をVqとすると、(14)式が得られる。
Vq=Vin−V1b=Vin+Vout/(1+n) (14)
When the relationship is obtained from Equations (7) to (10), Equation (13) is obtained.
V1b = V4b = −Vout / (1 + n) (13)
Therefore, when the voltage across the
Vq = Vin−V1b = Vin + Vout / (1 + n) (14)
(13)式と(14)式より、本実施の形態1における第1のスイッチング素子5がターンオフ時に変圧器4に印加される電圧と第1のスイッチング素子5の両端に印加される電圧は、いずれもCukコンバータにおける印加電圧よりも、出力電圧Voutの部分を(1+n)で除した分だけ低減される。
From the expressions (13) and (14), the voltage applied to the
変圧器4への印加電圧の低減は、電圧に比例する変圧器コアの磁束の変化ΔBを抑える。この結果、磁束の変化ΔBの約2.3乗に比例して増加するコアの鉄損を低減することができ、変圧器を小型化、高効率化することができる。
Reduction of the voltage applied to the
第1のスイッチング素子5の両端電圧の低減は、低耐電圧の素子の選定を可能とする。一般的にMOSFETのオン抵抗と耐電圧には素子材料で決まるトレードオフがあり、オン抵抗は耐電圧の約2.5乗に比例して増加することが知られている。このため低耐電圧素子の選定により第1のスイッチング素子5の通電損失を大幅に低減することができる。
また、低耐電圧素子はスイッチング速度も速いため、スイッチング損失も大幅に低減することができる。さらに低耐電圧素子は高耐電圧素子に比べ、パッケージが小型であり、低コストであるなどの利点もある。これら個々の回路部品の小型化、低損失化、低コスト化により、小型で高効率、安価な直流電源装置を構成できる。
Reduction of the voltage between both ends of the
Moreover, since the low withstand voltage element has a high switching speed, the switching loss can be greatly reduced. Furthermore, the low withstand voltage element has advantages such as a small package and low cost compared to the high withstand voltage element. Due to the downsizing, loss reduction, and cost reduction of these individual circuit components, a compact, high-efficiency, inexpensive DC power supply device can be configured.
次に本実施の形態1における直流電源装置1の制御方法について説明する。
リアクトル9に流れる電流は連続的であることから、(6)式のIbと(12)式のIeが等しい。さらに、(3)式と(4)式に(13)式を適用することで、(15)式が得られる。
Vout=(1+n)Vin×D/(D−1) (15)
Next, a method for controlling DC
Since the current flowing through the reactor 9 is continuous, Ib in the equation (6) is equal to Ie in the equation (12). Furthermore, the expression (15) is obtained by applying the expression (13) to the expressions (3) and (4).
Vout = (1 + n) Vin × D / (D−1) (15)
したがって、変圧器の昇圧比nが決定されると、第1のスイッチング素子5のオンデューティをPWM(Pulse Width Modulation:パルス幅変調)制御することで、正の入力電圧Vinから負の出力電圧Voutを得ることができる。
Therefore, when the step-up ratio n of the transformer is determined, the on-duty of the
次に制御部の機能、動作について説明する。
出力検出回路13は、図1に示すように、負荷2の電圧あるいは電流のいずれか一方、もしくは電圧と電流の両方を検出する。制御回路11は、出力検出回路13の検出信号Vsenと出力指令値Vtの偏差に基づき、パルス信号VPを出力する。第1のゲート回路12は、パルス信号VPにより第1のスイッチング素子5を駆動するためのゲート信号VGを出力し、第1のスイッチング素子5をPWM制御する。
Next, functions and operations of the control unit will be described.
As shown in FIG. 1, the
負荷2に定電圧を供給する場合には、出力検出回路13は負荷両端の電圧を検出し、この検出信号Vsenとして制御回路11に出力する。また負荷2に定電流を供給する場合には、出力検出回路13は負荷に流れる電流を検出し、この検出信号Vsenを制御回路11に出力する。
When a constant voltage is supplied to the
制御回路11の回路構成例と機能を、図4に基づいて説明する。
制御回路11は、減算回路111と、PI制御回路112と、三角波発生回路113と、比較回路114とを備える。
A circuit configuration example and function of the
The
減算回路111は、出力検出回路13により検出された検出信号Vsenと、出力指令値Vtの偏差ΔVsen1を算出する。PI制御回路112は、減算回路111によって算出された出力信号ΔVsen1によって比例積分(PI)制御を行うための信号ΔVsen2を出力する。三角波発生回路113は、所定の周波数の三角波信号Vtrを発生する。比較回路114は、PI制御回路112の出力信号ΔVsen2と三角波発生回路113の三角波信号Vtrとを比較する。
比較回路114では、PI制御回路112の出力信号ΔVsen2と三角波発生回路113の三角波信号Vtrとを比較した時に、出力信号ΔVsen2の方が三角波信号Vtrよりも大きい場合には、第1のスイッチング素子5をオンするパルス信号VP=Vpを出力するように設定される。三角波信号Vtrの方が大きい場合には、第1のスイッチング素子5をオフするパルス信号VP=0Vが出力されるように設定される。
The
In the
なお制御回路11は、例えばロジックICやオペアンプといったアナログ制御ICを用いて構成してもよいが、例えばマイコンやFPGAなどのディジタル制御ICを用いて構成してもよい。
The
このように検出信号Vsenと出力指令値Vtの偏差に基づいてパルス信号VPを生成し、パルス信号VP=Vpが第1のゲート回路12に入力された時には、第1のスイッチング素子5をオンさせるVG=Vgの信号がゲート回路から出力される。また、パルス信号VP=0Vが第1のゲート回路12に入力された時には、第1のスイッチング素子5をオフさせるVG=0Vの信号が第1のゲート回路12から出力される。このようにすれば、スイッチング素子に供給されるオン/オフ信号のデューティサイクルに応じて直流入力電源が昇降圧され、極性を反転して、負荷に安定した直流電圧が供給される回路を構成できる。
Thus, the pulse signal VP is generated based on the deviation between the detection signal Vsen and the output command value Vt, and when the pulse signal VP = Vp is input to the
なお、第1のゲート回路12より出力される電圧Vgは、スイッチング素子がオンするしきい電圧以上の電圧値となるようにする。また第1のスイッチング素子5をオフさせる電圧は、スイッチング素子がオンするしきい電圧以下であれば、特に0Vでなくてもよく、負電圧でもよい。
Note that the voltage Vg output from the
以上説明したように、実施の形態1に係る直流電源装置は、直流入力電源に接続した変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との直列回路と、変圧器の2次側と第1のダイオードとの直列回路と、変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との接続点に変圧器の2次側と第1のダイオードとの直列回路を接続するコンデンサと、変圧器の2次側と第1のダイオードとの直列回路に並列に接続した第2のダイオードと、コンデンサと変圧器の2次側との接続点に負荷を接続するリアクトルと、第1のスイッチング素子を制御して直流入力電源の電圧を昇降圧し、負荷に供給する制御回路とを備えている。このため、サージ電圧を低減し、回路の小型化、低損失化を図ることができるという効果を有する。
As described above, the DC power supply according to
実施の形態2.
実施の形態1では、変圧器とリアクトルを別々に取り付ける構成であったが、本実施の形態2では、変圧器とリアクトルを1つにした多出力変圧器を用いた構成としたものである。
In the first embodiment, the transformer and the reactor are separately mounted. However, in the second embodiment, a multi-output transformer having one transformer and one reactor is used.
以下、本願発明の実施の形態2の構成、動作について、直流電源装置100の構成図である図5および多出力変圧器の構成図である図6に基づいて、実施の形態1との差異を中心に説明する。
図5において、実施の形態1の直流電源装置1の構成図である図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
なお、図5において、図1におけるA点〜C点に加えて、多出力変圧器の2次側巻線の第2端と第1のダイオードのアノードとの接続点をD点としている。
Hereinafter, with respect to the configuration and operation of the second embodiment of the present invention, differences from the first embodiment will be described based on FIG. 5 which is a configuration diagram of the DC
In FIG. 5, the same reference numerals are given to the same or corresponding parts as those in FIG. 1, which is a configuration diagram of the DC
5, in addition to the points A to C in FIG. 1, a connection point between the second end of the secondary winding of the multi-output transformer and the anode of the first diode is a D point.
図5の構成図において、図1との差異は多出力変圧器41のみである。制御回路11による第1のスイッチング素子5の制御の方法も実施の形態1と同様であり、その動作による効果も実施の形態1で得られる効果と同様である。
In the configuration diagram of FIG. 5, the difference from FIG. 1 is only the
実施の形態1では、変圧器4とリアクトル9を別々に取り付ける構成であったが、変圧器4やリアクトル9には、コアやコアを保持するためのボビンを使用するため、回路の大型化と高コストの原因の1つとなっている。そこで、本実施の形態2は、図6に示すように共通のコアに3つの巻線(1次側巻線41a、2次側巻線41b、3次側巻線41c)を巻き、図1で示す変圧器4とリアクトル9を1つにした多出力変圧器41を用いた構成としている。
In the first embodiment, the
本発明の実施の形態1に示す回路において、巻数比nの変圧器4の1次側巻線4aと2次側巻線4bおよびリアクトル9両端の電圧比は、スイッチングのオン、オフ時のいずれの時にも1:n:1になることを見いだした。
したがって、図6で示すように、Vin−A間、B−D間およびB−C間を1:n:1となるように巻数比を設定し、図5に示すように多出力変圧器41に示す黒丸が同一極性となるように接続することで、実施の形態1と同様の回路動作を得ることができる。
なお、コンデンサ6と多出力変圧器41の第3次側巻線のインダクタンスによる共振周波数の調整は、主としてコンデンサ6で行う。
In the circuit shown in the first embodiment of the present invention, the voltage ratio between the primary side winding 4a and the secondary side winding 4b of the
Therefore, as shown in FIG. 6, the turn ratio is set so that Vin-A, B-D, and B-C are 1: n: 1, and the
The resonance frequency is adjusted mainly by the capacitor 6 by the inductance of the capacitor 6 and the third winding of the
このように多出力変圧器41を用いた構成とすれば、実施の形態1と同様の効果が得られることに加え、リアクトル9を構成していたコアやボビンを削減することが可能になるため、さらに回路の小型化や低コスト化を図ることができる。
If the
以上説明したように、実施の形態2に係る直流電源装置は、変圧器とリアクトルを1つにした多出力変圧器を用いた構成としたものである。このため、実施の形態1に係る直流電源装置と同様にサージ電圧を低減し、回路の小型化、低損失化を図ることができるという効果を有する。さらに回路の小型化や低コスト化を図ることができる。
As described above, the DC power supply according to
実施の形態3.
実施の形態3は、直流入力電源に接続した変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との直列回路と、変圧器の2次側と第2のスイッチング素子との直列回路と、変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との接続点に変圧器の2次側と第2のスイッチング素子との直列回路を接続するコンデンサと、変圧器の2次側と第2のスイッチング素子との直列回路に並列に接続した第2のダイオードと、コンデンサと変圧器の2次側との接続点に負荷を接続するリアクトルと、第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子を制御して直流入力電源の電圧を昇降圧し、負荷に供給する制御回路とを備えた直流電源装置に関するものである。
具体的には、実施の形態3の直流電源装置は、実施の形態1において変圧器の2次側に直列に接続していた第1のダイオードに代えて第2のスイッチング素子を接続する構成としたものである。 Specifically, the direct-current power supply device according to the third embodiment has a configuration in which a second switching element is connected instead of the first diode connected in series to the secondary side of the transformer in the first embodiment. It is a thing.
以下、本願発明の実施の形態3の構成、動作について、直流電源装置200の構成図である図7およびゲート信号の説明図である図8に基づいて、実施の形態1との差異を中心に説明する。
図7において、実施の形態1の直流電源装置1の構成図である図1と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
Hereinafter, with respect to the configuration and operation of the third embodiment of the present invention, based on FIG. 7 which is a configuration diagram of the DC
In FIG. 7, the same reference numerals are given to the same or corresponding parts as those in FIG. 1, which is a configuration diagram of the DC
本願発明の実施の形態3の直流電源装置200に係る構成について、図7に基づいて説明する。
図7において、システム全体は直流電源装置200と所望の直流電圧を供給する負荷2から構成される。直流電源装置200は、主要部として、直流入力電源部と、電源主回路部と、制御部とから構成される。
A configuration according to DC
In FIG. 7, the entire system includes a DC
直流入力電源部は、直流入力電源3が相当する。
次に、電源主回路部について説明する。電源主回路部は、変圧器4と、第1のスイッチング素子5と、コンデンサ6と、第2のスイッチング素子51と、第2のダイオード8と、リアクトル9と、出力コンデンサ10を備える。
直流入力電源3に、変圧器4の1次側巻線4aと第1のスイッチング素子5の直列回路を接続している。変圧器4の1次側巻線4aの第1端を直流入力電源3の正極に接続している。変圧器4の1次側巻線4aの第2端を第1のスイッチング素子5のドレインに接続し、この接続点をA点と称する。
コンデンサ6を介して、変圧器4の2次側巻線4bと第2のスイッチング素子51の直列回路を、第1のスイッチング素子5に並列に接続している。すなわち、コンデンサ6の第1端をA点に接続している。コンデンサ6の第2端を変圧器4の2次側巻線4bの第1端に接続し、この接続点をB点と称する。変圧器4の2次側巻線4bの第2端と第2のスイッチング素子51のドレインを接続し、その接続点をD点と称する。
The DC input power supply unit corresponds to the DC
Next, the power supply main circuit unit will be described. The power supply main circuit section includes a
A series circuit of a primary side winding 4 a of the
A series circuit of the secondary winding 4 b of the
変圧器4の2次側巻線4bと第2のスイッチング素子51の直列回路に並列に第2のダイオード8を接続している。第2のダイオード8のアノードを変圧器4の2次側巻線4bの第1端、すなわちB点に接続している。
リアクトル9を介して、変圧器4の2次側巻線4bと第2のスイッチング素子51の直列回路、すなわち第2のダイオード8に並列に出力コンデンサ10を接続している。リアクトル9の第1端をB点に接続している。リアクトル9の第2端と出力コンデンサ10の第1端との接続点をC点と称する。
電源主回路部の出力端、すなわち出力コンデンサ10の第1端と第2端に負荷2を接続している。
第1のスイッチング素子5のソース、第2のスイッチング素子51のソース、第2のダイオード8のカソード、および出力コンデンサ10の第2端は、直流入力電源3の負極に接続している。
A
An
The
The source of the
次に、制御部について説明する。制御部は、第1のスイッチング素子5および第2のスイッチング素子51をスイッチング制御するパルス信号を生成する制御回路11と、第1のゲート回路12と、第2のゲート回路22と、および出力検出回路13とを備える。
Next, the control unit will be described. The control unit includes a
制御部は、第1および第2のスイッチング素子を制御して直流入力電源の電圧を昇降圧し、負荷に供給する。
制御回路11は、第1のスイッチング素子5および第2のスイッチング素子51をスイッチング制御するパルス信号を生成する。第1のゲート回路12は、制御回路11からパルス信号を受け、第1のスイッチング素子5のゲートにゲート信号を出力する。第2のゲート回路22は、制御回路11からパルス信号を受け、第2のスイッチング素子51のゲートにゲート信号を出力する。出力検出回路13は、第1のスイッチング素子5および第2のスイッチング素子51の制御に必要な負荷2への出力電圧および電流を検出して、制御回路11に出力する。
The control unit controls the first and second switching elements to step up and down the voltage of the DC input power supply and supply it to the load.
The
実施の形態3では、第2のスイッチング素子51とそれを駆動する第2のゲート回路22以外は実施の形態1と同様である。また、制御の方法も実施の形態1と同じであり、その動作による効果も実施の形態1で得られる効果と同じであるので、以下では第2のスイッチング素子51と第2のスイッチング素子51を駆動する第2のゲート回路22について説明する。
The third embodiment is the same as the first embodiment except for the
第2のスイッチング素子51は電圧制御自己消弧型の高速半導体素子であり、N型、P型いずれの素子を用いても良いが、図7中のD点が負電圧に振れるため、P型のMOSFETを使用することが望ましい。
N型のMOSFETを使用した場合には、図7のD点にソースを接続し、このソースを基準に正電圧のゲート信号VG’を与える必要がある。しかし、D点は浮動電位であることから第2のゲート回路22に絶縁を施す必要が生じる。このため、回路構成が複雑になり、回路が高コストになる問題がある。
P型のMOSFETを使用すれば、0V側を第2のスイッチング素子51のソース電位とすることができ、ソースに対して負のゲート信号Vg’を与えることで、第2のスイッチング素子51をスイッチングさせることができる。したがって、第2のゲート回路22には絶縁を施す必要がなく、回路を安定に動作させることが可能となる。さらに、ゲート回路を低コストで構成できる。
The
When an N-type MOSFET is used, it is necessary to connect a source to point D in FIG. 7 and provide a positive gate signal VG ′ with reference to this source. However, since the point D is a floating potential, the
If a P-type MOSFET is used, the source potential of the
以下では、第2のスイッチング素子51にP型MOSFETを使用した場合を説明する。なお、図8において、図8(a)はパルス信号Vpの信号波形を、図8(b)はゲート信号Vgの信号波形を、図8(c)はゲート信号Vg’の信号波形を示している。
制御回路11は、実施の形態1と同様に検出信号Vsenと出力指令値Vtの偏差に応じてパルス信号VPを出力する。例えば、このパルス信号を2分岐し、一方を第1のゲート回路12に入力し、もう一方を第2のゲート回路22に入力する。第1のゲート回路12では、図8(a)および図8(b)に示すように、パルス信号VP=Vpの時には、第1のスイッチング素子5がオンするための正電圧の信号VG=Vgを出力する。パルス信号VP=0Vの時には、第1のスイッチング素子5がオフするためのVG=0Vの信号を出力する。これにより、第1のスイッチング素子5は、パルス信号VPの信号に応じてオン/オフする。一方、第2のゲート回路22では、図8(a)および図8(c)に示すように、パルス信号VP=Vpの時には、第2のスイッチング素子がオフするためのVG’=0Vの信号を、パルス信号VP=0Vの時には、第2のスイッチング素子51がオンするための負電圧の信号VG’=Vg’を出力する。これにより第2のスイッチング素子51は、パルス信号VPの信号に応じてオフ/オンする。
Below, the case where P-type MOSFET is used for the
The
なお、第1のゲート回路12より出力される電圧VG=Vgは、スイッチング素子がオンするしきい電圧以上の電圧値となるようにする。また第1のスイッチング素子5をオフさせる電圧VG=0Vは、スイッチング素子がオンするしきい電圧以下であれば、特に0Vでなくてもよく、負電圧でもよい。また、第2のゲート回路22より出力される電圧VG=Vg’は、P型MOSFETである第2のスイッチング素子51がオンするしきい電圧以下の電圧値となるようにする。また、第2のスイッチング素子51をオフさせる電圧VG=0Vは、第2のスイッチング素子51がオフするしきい電圧以上であれば、特に0Vでなくてもよく、正電圧でもよい。
また、第2のスイッチング素子51にN型MOSFETを用いた場合には、第2のゲート回路22からの出力を正電圧とすれば、回路の動作は上記記載と同様である。
The voltage VG = Vg output from the
When an N-type MOSFET is used for the
このように、パルス信号VPに応じて第1のスイッチング素子5をオン/オフさせ、第2のスイッチング素子51を第1のスイッチング素子5のオン/オフとは逆にオフ/オンさせることで、実施の形態1における第1のダイオード7を実施の形態3における第2のスイッチング素子51に置き換えることが可能となる。これにより実施の形態1と同様の回路動作を得ることが可能となり、実施の形態1と同様の効果を得ることができる。
さらに、オン抵抗を持つスイッチング素子に電流を流したときに生じるオン電圧は、ダイオードに電流を流したときに生じる通電電圧よりも一桁以上小さいため、回路の損失を大幅に低減することが可能となる。
この構成により、使用する回路部品の小型化、低損失化および低コスト化を図ることができるため、小型で高効率、安価な直流電源装置を構成できる。
Thus, by turning on / off the
Furthermore, the on-voltage generated when a current flows through a switching element having an on-resistance is one order of magnitude smaller than the energized voltage generated when a current flows through a diode, so that circuit loss can be greatly reduced. It becomes.
With this configuration, it is possible to reduce the size, loss, and cost of the circuit components to be used, and thus it is possible to configure a DC power supply that is small, highly efficient, and inexpensive.
実施の形態3においても、実施の形態2と同様に、変圧器とリアクトルを単一の多出力変圧器とすることができる。 In the third embodiment, as in the second embodiment, the transformer and the reactor can be a single multi-output transformer.
以上説明したように、実施の形態3に係る直流電源装置は、直流入力電源に接続した変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との直列回路と、変圧器の2次側と第2のスイッチング素子との直列回路と、変圧器の1次側と第1のスイッチング素子との接続点に変圧器の2次側と第2のスイッチング素子との直列回路を接続するコンデンサと、変圧器の2次側と第2のスイッチング素子との直列回路に並列に接続した第2のダイオードと、コンデンサと変圧器の2次側との接続点に負荷を接続するリアクトルと、第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子を制御して直流入力電源の電圧を昇降圧し、負荷に供給する制御回路とを備えている。このため、サージ電圧を低減し、回路の小型化、低損失化を図ることができるという効果を有する。さらに、使用する回路部品の小型化、低損失化および低コスト化を図ることができるため、小型で高効率、安価な直流電源装置を構成できる。
As described above, the DC power supply according to
実施の形態4.
実施の形態4の直流電源装置は、本実施の形態3における第2のゲート回路の代わりに極性反転コンデンサと引き込みダイオードと電流制限抵抗を用いる構成としたものである。
The DC power supply device according to the fourth embodiment is configured to use a polarity inversion capacitor, a lead-in diode, and a current limiting resistor instead of the second gate circuit in the third embodiment.
以下、本願発明の実施の形態4の構成、動作について、直流電源装置300の構成図である図9および動作説明図である図10、11に基づいて、実施の形態3との差異を中心に説明する。
図9において、実施の形態3の直流電源装置200の構成図である図7と同一あるいは相当部分には、同一の符号を付している。
なお、図10、図11は、第2のスイッチング素子のゲート信号の説明に必要な回路分のみを記載している。
Hereinafter, with respect to the configuration and operation of the fourth embodiment of the present invention, based on FIG. 9 which is a configuration diagram of the DC
In FIG. 9, the same reference numerals are given to the same or corresponding parts as in FIG. 7, which is a configuration diagram of the DC
Note that FIGS. 10 and 11 show only a circuit portion necessary for explaining the gate signal of the second switching element.
実施の形態3では、第2のゲート回路22を用い、第2のスイッチング素子51をパルス信号VPに応じてオフ/オンする構成としていた。しかし、この構成は、ゲート信号VG’を生成するために負出力のゲート用電源を必要とし、第2のゲート回路22の回路構成が若干複雑になる。
In the third embodiment, the
本実施の形態4では、第1のゲート回路12の出力に極性反転コンデンサ61の第1端(図9のE点)を接続し、第2端(図9のF点)を第2のスイッチング素子51のゲートに接続している。このF点と第2のスイッチング素子51のソースとの間に、引き込みダイオード62と電流制限抵抗63の直列回路を接続している。
極性反転コンデンサ61は、第2のスイッチング素子51のゲート入力容量に対して十分大きい容量を有するコンデンサとし、引き込みダイオード62は、第1のゲート回路12の出力電圧よりも高い耐電圧を有するダイオードを選定することが望ましい。また電流制限抵抗63は、引き込みダイオード62の順方向電流を定格値以下に制限する抵抗であり、引き込みダイオード62の電流特性から値を決める。
In the fourth embodiment, the first end (point E in FIG. 9) of the
The
第1のゲート回路12、極性反転コンデンサ61の動作について図10および図11に基づいて説明する。なお、図10はパルス信号VP=Vpの場合の動作を説明し、図11はVP=0Vの場合の動作を説明する
図10に示すように、パルス信号VP=Vpの時には第1のゲート回路12が正のゲート信号VG=Vgを出力すると共に、極性反転コンデンサ61は、引き込みダイオード62と電流制限抵抗63を介してVg−Vfに充電される。ここでVfは引き込みダイオード62のオン電圧である。このときゲート信号電圧VGは、第1のスイッチング素子5がオンする信号であり、ゲート信号VG’はダイオードのオン電圧Vfの分だけ正電圧の信号であるため、第1のスイッチング素子5はオンし、第2のスイッチング素子51はオフする。
Operations of the
一方、図11に示すように、パルス信号VP=0Vの時には、第1のゲート回路12がVG=0Vのゲート信号を出力する。この時、極性反転コンデンサ61の両端電圧はVg−Vfに保持されたままであるので、図11中のF点は−(Vg−Vf)の負電圧となり、第2のスイッチング素子51には、オンするためのゲート信号VG’=−(Vg−Vf)が印加される。したがって、第1のスイッチング素子5はオフし、第2のスイッチング素子51はオンする。
なお、図9から図11では、第1のスイッチング素子5と第2のスイッチング素子51のそれぞれのゲートにゲート抵抗を記載していないが、それぞれのスイッチングが高速で、そのドレイン−ソース間にサージ電圧が発生するような場合には、ゲート抵抗を取り付けることが望ましい。
On the other hand, as shown in FIG. 11, when the pulse signal VP = 0V, the
In FIGS. 9 to 11, the gate resistance is not described for each gate of the
以上説明したように、本実施の形態4の直流電源装置300は、実施の形態3の直流電源装置200と同じ動作となり、実施の形態3と同様に小型で低損失な回路を構成できる。さらに、第2のスイッチング素子51をスイッチングさせるための負出力のゲート用電源が不要となると共に、第1のゲート回路12の信号のみで回路を動作させることが可能となるため、回路が簡略化され、小型で低コストである直流電源装置を構成できる。
As described above, the DC
実施の形態4においても、実施の形態2と同様に、変圧器とリアクトルを単一の多出力変圧器とすることができる。 In the fourth embodiment, as in the second embodiment, the transformer and the reactor can be a single multi-output transformer.
以上説明したように、実施の形態4に係る直流電源装置は、本実施の形態3における第2のゲート回路の代わりに極性反転コンデンサと引き込みダイオードと電流制限抵抗を用いる構成としたものである。このため、サージ電圧を低減し、回路の小型化、低損失化を図ることができるという効果を有する。さらに、回路が簡略化され、小型で低コストである直流電源装置を構成できる。 As described above, the direct-current power supply according to the fourth embodiment is configured to use a polarity inversion capacitor, a pull-in diode, and a current limiting resistor instead of the second gate circuit in the third embodiment. For this reason, there is an effect that the surge voltage can be reduced, and the circuit can be reduced in size and loss. Furthermore, the circuit can be simplified, and a small-sized and low-cost DC power supply device can be configured.
上記実施例では、スイッチング素子及びダイオード素子が珪素によって形成されたものを示したが、珪素に比べてバンドギャップが大きいワイドバンドギャップ半導体によって形成してもよい。ワイドバンドギャップ半導体としては、例えば、炭化珪素、窒化ガリウム系材料又はダイヤモンドがある。 In the above embodiment, the switching element and the diode element are formed of silicon. However, the switching element and the diode element may be formed of a wide band gap semiconductor having a larger band gap than silicon. Examples of the wide band gap semiconductor include silicon carbide, a gallium nitride-based material, and diamond.
このようなワイドバンドギャップ半導体によって形成されたスイッチング素子やダイオード素子は、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、スイッチング素子やダイオード素子の小型化が可能であり、これら小型化されたスイッチング素子やダイオード素子を用いることにより、これらの素子を組み込んだ直流電源装置の小型化が可能となる。 Switching elements and diode elements formed by such wide band gap semiconductors have high voltage resistance and high allowable current density, so that switching elements and diode elements can be miniaturized. By using elements and diode elements, it is possible to reduce the size of a DC power supply apparatus incorporating these elements.
また耐熱性も高いため、ヒートシンクの放熱フィンの小型化や、水冷部の空冷化が可能であるので、直流電源装置の一層の小型化が可能になる。 In addition, since the heat resistance is high, the heat radiation fins of the heat sink can be downsized and the water cooling section can be air cooled, so that the DC power supply can be further downsized.
更に電力損失が低いため、スイッチング素子やダイオード素子の高効率化が可能であり、延いては直流電源装置の高効率化が可能になる。 Furthermore, since the power loss is low, it is possible to increase the efficiency of the switching element and the diode element, and further increase the efficiency of the DC power supply device.
なお、スイッチング素子及びダイオード素子の両方がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていることが望ましいが、いずれか一方の素子がワイドバンドギャップ半導体によって形成されていてもよく、この実施例に記載の効果を得ることができる。 Although both the switching element and the diode element are preferably formed of a wide band gap semiconductor, either one of the elements may be formed of a wide band gap semiconductor, and the effects described in this embodiment are achieved. Can be obtained.
なお、本発明は、その発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせたり、各実施の形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。 It should be noted that the present invention can be freely combined with each other within the scope of the invention, and each embodiment can be appropriately modified or omitted.
1,100,200,300 直流電源装置、2 負荷、3 直流入力電源、
4 変圧器、5 第1のスイッチング素子、6 コンデンサ、7 第1のダイオード、
8 第2のダイオード、9 リアクトル、10 出力コンデンサ、11 制御回路、
12 第1のゲート回路、13 出力検出回路、22 第2のゲート回路、
41 多出力変圧器、51 第2のスイッチング素子、61 極性反転コンデンサ、
62 引き込みダイオード、63 電流制限抵抗、111 減算回路、
112 PI制御回路、113 三角波発生回路、114 比較回路。
1,100,200,300 DC power supply, 2 loads, 3 DC input power supply,
4 transformer, 5 first switching element, 6 capacitor, 7 first diode,
8 Second diode, 9 reactor, 10 output capacitor, 11 control circuit,
12 first gate circuit, 13 output detection circuit, 22 second gate circuit,
41 multi-output transformer, 51 second switching element, 61 polarity inversion capacitor,
62 drawing diode, 63 current limiting resistor, 111 subtracting circuit,
112 PI control circuit, 113 triangular wave generation circuit, 114 comparison circuit.
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