JP2017034793A - Active clamp dc-dc converter circuit - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an active clamp DC-DC converter circuit, capable of reducing a switching loss in a switching device disposed on the primary side of a transformer of an active clamp DC-DC converter circuit.SOLUTION: An active clamp DC-DC converter circuit includes: a transformer T1; a semiconductor switching device Qm on a primary side of the transformer T1; a first capacitor Cm connected in parallel with the semiconductor switching device Qm; and a rectifier circuit on a secondary side of the transformer T1. The rectifier circuit includes a coupling inductor which, when the first capacitor Cm is being discharged, blocks a discharge current flow from the first capacitor Cm to the rectifier circuit through the transformer T1.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路に関する。   The present invention relates to an active clamp type DC-DC converter circuit.

アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路のトランスの一次側にはスイッチ素子、スイッチ素子に並列接続されるコンデンサ及びトランスをリセットするためのトランスリセット回路とが設けられる。トランスリセット回路はスイッチ素子とコンデンサとで構成される。トランスの二次側には整流回路として、例えばダイオードが設けられる。   On the primary side of the transformer of the active clamp type DC-DC converter circuit, a switch element, a capacitor connected in parallel to the switch element, and a transformer reset circuit for resetting the transformer are provided. The transformer reset circuit includes a switch element and a capacitor. For example, a diode is provided as a rectifier circuit on the secondary side of the transformer.

関連する技術として、特許文献1に示されているアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路が知られている。
しかし、高周波動作しているトランスの一次側に設けられているスイッチ素子のスイッチング損失は、入力電圧と出力電流に依存し、例えば、入力電圧によってはゼロボルトスイッチング(ZVS)動作ができなくなるため、スイッチング損失が大きくなる。
As a related technique, an active clamp type DC-DC converter circuit disclosed in Patent Document 1 is known.
However, the switching loss of the switch element provided on the primary side of the transformer operating at high frequency depends on the input voltage and output current. For example, depending on the input voltage, zero volt switching (ZVS) operation cannot be performed. Loss increases.

特許第2743869号公報Japanese Patent No. 2743869

本発明の一側面に係る目的は、アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路のトランスの一次側に設けられるスイッチ素子のスイッチング損失を低減できるアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路を提供することである。   The objective which concerns on one side of this invention is to provide the active clamp type DC-DC converter circuit which can reduce the switching loss of the switch element provided in the primary side of the transformer of an active clamp type DC-DC converter circuit.

本実施の態様のひとつであるアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路は、トランスと、トランスの一次側のスイッチング半導体素子と、スイッチング半導体素子に対して並列接続される第一のコンデンサと、トランスの二次側の整流回路と、を備えている。   An active clamp type DC-DC converter circuit according to one embodiment of the present invention includes a transformer, a switching semiconductor element on the primary side of the transformer, a first capacitor connected in parallel to the switching semiconductor element, and two transformers. And a rectifier circuit on the next side.

整流回路は、第一のコンデンサが放電をしているときに、トランスを介して整流回路に第一のコンデンサを放電している電流が流れない状態にする結合インダクタを備えている。   The rectifier circuit includes a coupled inductor that prevents a current discharging the first capacitor from flowing through the transformer through the transformer when the first capacitor is discharging.

また、結合インダクタは、タップの一方に設けられる第一のコイル、及び、タップの他方に設けられる第二のコイルを有している。
また、トランスの一次側には、スイッチング半導体素子がオフ状態のときに、トランスに蓄えられたエネルギーを放出させるリセット回路が設けられている。
The coupled inductor has a first coil provided on one of the taps and a second coil provided on the other of the taps.
In addition, a reset circuit is provided on the primary side of the transformer to release energy stored in the transformer when the switching semiconductor element is in an off state.

整流回路は、例えば、トランスの二次側の巻線の一方の端子と、結合インダクタのタップに接続されている第一のコイルの一方の端子と第二のコイルの一方の端子と、が接続され、トランスの二次側の巻線の他方の端子は第一の半導体素子の一方の端子と接続され、第二のコイルの他方の端子は第二の半導体素子の一方の端子と接続されている。そして、第一のコイルの他方の端子と、第二のコンデンサの一方の端子と、が接続され、第一の半導体素子の他方の端子は、第二の半導体素子の他方の端子と、第二のコンデンサの他方の端子と、に接続される。   In the rectifier circuit, for example, one terminal of the secondary winding of the transformer is connected to one terminal of the first coil connected to the tap of the coupled inductor and one terminal of the second coil. The other terminal of the secondary winding of the transformer is connected to one terminal of the first semiconductor element, and the other terminal of the second coil is connected to one terminal of the second semiconductor element. Yes. Then, the other terminal of the first coil and one terminal of the second capacitor are connected, and the other terminal of the first semiconductor element is connected to the other terminal of the second semiconductor element and the second terminal. And the other terminal of the capacitor.

また、整流回路は、例えば、第一の半導体素子の一方の端子と、結合インダクタのタップに接続されている第一のコイルの一方の端子と第二のコイルの一方の端子と、が接続され、トランスの二次側の巻線の一方の端子は第一の半導体素子の他方の端子と接続されている。そして、第一のコイルの他方の端子は第二のコンデンサの一方の端子と接続され、第二のコイルの他方の端子と、第二の半導体素子の一方の端子と、が接続され、トランスの二次側の巻線の他方の端子は、第二の半導体素子の他方の端子と、第二のコンデンサの他方の端子と、に接続される。   In addition, the rectifier circuit includes, for example, one terminal of the first semiconductor element, one terminal of the first coil connected to the tap of the coupled inductor, and one terminal of the second coil. One terminal of the secondary winding of the transformer is connected to the other terminal of the first semiconductor element. The other terminal of the first coil is connected to one terminal of the second capacitor, the other terminal of the second coil is connected to one terminal of the second semiconductor element, and the transformer The other terminal of the secondary winding is connected to the other terminal of the second semiconductor element and the other terminal of the second capacitor.

アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路のトランスの一次側に設けられるスイッチ素子のスイッチング損失を低減できる。   The switching loss of the switch element provided on the primary side of the transformer of the active clamp type DC-DC converter circuit can be reduced.

アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of an active clamp type DC-DC converter circuit. アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of an active clamp type DC-DC converter circuit. トランスリセット回路の一実施例を示す図である。It is a figure which shows one Example of a transformer reset circuit. 期間T8におけるアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit of the active clamp type DC-DC converter circuit in period T8. アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の動作を説明するための図である。It is a figure for demonstrating operation | movement of an active clamp type DC-DC converter circuit.

以下図面に基づいて実施形態について詳細に説明する。
図1、2は、アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の一実施例を示す図である。図1のアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路は、トランスT1、スイッチ素子Qm(スイッチング半導体素子で、主スイッチ素子)、スイッチ素子Qr(補助スイッチ素子で、トランスリセットに用いるスイッチング半導体素子)、コンデンサCm(第一のコンデンサ)、コンデンサCr(トランスリセットに用いるコンデンサ)、整流回路を有する。整流回路は、トランスT1の二次側に設けられ、結合インダクタT2(コイルL1(第一のコイル)、コイルL2(第二のコイル)から構成されるインダクタ)、ダイオードD1(第一の半導体素子)、ダイオードD2(第二の半導体素子)、コンデンサC1(第二のコンデンサ)を有する。結合インダクタT2は、例えば、トランス、タップインダクタなどを用いることが考えられる。また、図1、2においてアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路には、電源Eから入力電圧Vinの電力が供給され、負荷Routの両端に所望の出力電圧Vout(=出力電流Iout×負荷Rout)が出力される。なお、図1、2には、トランスT1の漏洩インダクタンスLs及び励磁インダクタンスLpを示している。
Hereinafter, embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
1 and 2 are diagrams showing an embodiment of an active clamp type DC-DC converter circuit. The active clamp type DC-DC converter circuit of FIG. 1 includes a transformer T1, a switch element Qm (a switching semiconductor element, a main switch element), a switch element Qr (an auxiliary switch element, a switching semiconductor element used for transformer reset), and a capacitor Cm. (First capacitor), capacitor Cr (capacitor used for transformer reset), and rectifier circuit. The rectifier circuit is provided on the secondary side of the transformer T1, and is coupled inductor T2 (inductor composed of coil L1 (first coil) and coil L2 (second coil)), diode D1 (first semiconductor element). ), A diode D2 (second semiconductor element), and a capacitor C1 (second capacitor). For example, a transformer or a tap inductor may be used as the coupling inductor T2. 1 and 2, the active clamp type DC-DC converter circuit is supplied with power of the input voltage Vin from the power source E, and a desired output voltage Vout (= output current Iout × load Rout) is applied to both ends of the load Rout. Is output. 1 and 2 show the leakage inductance Ls and the excitation inductance Lp of the transformer T1.

図1、2のアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の接続について説明する。電源Eの一方の端子には、コンデンサCrの一方の端子と、トランスT1の一次側の巻線の一方の端子と、が接続されている。コンデンサCrの他方の端子にはスイッチ素子Qrの一方の端子(ドレイン)が接続されている。トランスT1の一次側の巻線の他方の端子には、スイッチ素子Qrの他方の端子(ソース)と、スイッチ素子Qmの一方の端子(ドレイン)と、コンデンサCmの一方の端子と、が接続されている。電源Eの他方の端子にはスイッチ素子Qmの他方の端子(ソース)と、コンデンサCmの他方の端子と、が接続されている。すなわち、スイッチ素子Qmに対してコンデンサCmが並列接続されている。なお、スイッチ素子Qr、Qmは、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)などのスイッチング半導体素子を用いることが考えられる。さらに、スイッチ素子Qr、Qmは、図示されていない制御回路によりPWM(Pulse Width Modulation)制御される。すなわち、スイッチ素子Qr、Qmのゲートには交互にオンオフ信号が制御回路から入力され、アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路から所望の出力電圧Voutが出力される。   The connection of the active clamp type DC-DC converter circuit of FIGS. One terminal of the power source E is connected to one terminal of the capacitor Cr and one terminal of the primary winding of the transformer T1. One terminal (drain) of the switch element Qr is connected to the other terminal of the capacitor Cr. The other terminal (source) of the switching element Qr, one terminal (drain) of the switching element Qm, and one terminal of the capacitor Cm are connected to the other terminal of the primary winding of the transformer T1. ing. The other terminal (source) of the switch element Qm and the other terminal of the capacitor Cm are connected to the other terminal of the power source E. That is, the capacitor Cm is connected in parallel to the switch element Qm. For example, switching semiconductor elements such as MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) may be used as the switching elements Qr and Qm. Further, the switch elements Qr and Qm are PWM (Pulse Width Modulation) controlled by a control circuit (not shown). That is, on / off signals are alternately input from the control circuit to the gates of the switch elements Qr and Qm, and a desired output voltage Vout is output from the active clamp type DC-DC converter circuit.

なお、コンデンサCmは、スイッチ素子Qmの寄生容量、又は、スイッチ素子Qmに並列に接続したコンデンサCmがある場合にはスイッチ素子Qmの寄生容量とコンデンサCmの容量との合成容量、を示す。また、コンデンサCmはZVSに用いるコンデンサである。   Capacitor Cm indicates the parasitic capacitance of switch element Qm or the combined capacitance of the parasitic capacitance of switch element Qm and the capacitance of capacitor Cm when there is a capacitor Cm connected in parallel to switch element Qm. The capacitor Cm is a capacitor used for ZVS.

また、スイッチ素子QrとコンデンサCrとを直列に接続した回路はトランスリセット回路で、スイッチング素子Qmがオフ状態で、スイッチ素子Qrがオン状態のときに、トランスT1に蓄えられたエネルギーを放出させる。なお、トランスリセット回路は、図1、2に限定されるものでなく、図3に示すように直列に接続されたスイッチ素子Qr、QmにコンデンサCrを並列に接続してもよい。なお、図3はトランスリセット回路の一実施例を示す図である。   A circuit in which the switch element Qr and the capacitor Cr are connected in series is a transformer reset circuit, and releases energy stored in the transformer T1 when the switching element Qm is in an off state and the switch element Qr is in an on state. The transformer reset circuit is not limited to those shown in FIGS. 1 and 2, and a capacitor Cr may be connected in parallel to the switch elements Qr and Qm connected in series as shown in FIG. FIG. 3 is a diagram showing an embodiment of the transformer reset circuit.

整流回路について説明する。
整流回路は、コンデンサCmが放電をしているときに、トランスT1を介して整流回路にコンデンサCmを放電している電流が流れない状態にする結合インダクタT2を備えている。また、結合インダクタT2は、コイルL1、コイルL2、コイルL1の一方の端子とコイルL2の一方の端子が接続されるタップを有している。図1の整流回路は、トランスT1の二次側の巻線の一方の端子と、結合インダクタT2のタップに接続されているコイルL1の一方の端子とコイルL2の一方の端子と、が接続され、トランスT1の二次側の巻線の他方の端子はダイオードD1の一方の端子(カソード)と接続され、コイルL2の他方の端子はダイオードD2の一方の端子(カソード)と接続されている。そして、コイルL1の他方の端子と、コンデンサC1の一方の端子と、が接続され、ダイオードD1の他方の端子(アノード)は、ダイオードD2の他方の端子(アノード)と、コンデンサC1の他方の端子と、が接続されている。
A rectifier circuit will be described.
The rectifier circuit includes a coupling inductor T2 that prevents the current discharging the capacitor Cm from flowing through the rectifier circuit via the transformer T1 when the capacitor Cm is discharging. The coupled inductor T2 has a tap to which one terminal of the coil L1, the coil L2, and the coil L1 and one terminal of the coil L2 are connected. In the rectifier circuit of FIG. 1, one terminal of the secondary winding of the transformer T1, one terminal of the coil L1 connected to the tap of the coupling inductor T2, and one terminal of the coil L2 are connected. The other terminal of the secondary winding of the transformer T1 is connected to one terminal (cathode) of the diode D1, and the other terminal of the coil L2 is connected to one terminal (cathode) of the diode D2. The other terminal of the coil L1 is connected to one terminal of the capacitor C1, and the other terminal (anode) of the diode D1 is connected to the other terminal (anode) of the diode D2 and the other terminal of the capacitor C1. And are connected.

また、図2の整流回路は、例えば、ダイオードD1の一方の端子と、結合インダクタT2のタップに接続されているコイルL1の一方の端子とコイルL2の一方の端子と、が接続され、トランスT1の二次側の巻線の一方の端子はダイオードD1の他方の端子と接続されている。そして、コイルL1の他方の端子と、コンデンサC1の一方の端子と、が接続され、コイルL2の他方の端子はダイオードD2の一方の端子と接続され、トランスT1の二次側の巻線の他方の端子と、ダイオードD2の他方の端子と、コンデンサC1の他方の端子と、が接続される。   In the rectifier circuit of FIG. 2, for example, one terminal of the diode D1, one terminal of the coil L1 connected to the tap of the coupling inductor T2, and one terminal of the coil L2 are connected, and the transformer T1 One terminal of the secondary winding is connected to the other terminal of the diode D1. The other terminal of the coil L1 and one terminal of the capacitor C1 are connected, the other terminal of the coil L2 is connected to one terminal of the diode D2, and the other of the secondary windings of the transformer T1. , The other terminal of the diode D2, and the other terminal of the capacitor C1 are connected.

なお、図1、2のダイオードD1、D2は、例えば、MOSFETなどのスイッチング半導体素子を用いてもよい。
結合インダクタT2のコイルL1とコイルL2の巻線比NLは、スイッチ素子Qmがオフ状態で、スイッチ素子Qrがターンオフして、コンデンサCmが放電をしている期間において、ダイオードD1がオン状態にならないように設定する。
The diodes D1 and D2 in FIGS. 1 and 2 may be switching semiconductor elements such as MOSFETs.
The winding ratio NL between the coil L1 and the coil L2 of the coupled inductor T2 is such that the diode D1 is not turned on during the period when the switch element Qm is turned off, the switch element Qr is turned off, and the capacitor Cm is discharged. Set as follows.

アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の動作について説明する。
期間T1(スイッチ素子Qmがオン状態で、スイッチ素子Qrがオフ状態の期間)では、トランスT1の一次巻線からスイッチ素子Qmのドレインからソース方向に電流が流れると、トランスT1の二次巻線からダイオードD1で整流されてコイルL1を通って負荷Routに流れる。
The operation of the active clamp type DC-DC converter circuit will be described.
In a period T1 (a period in which the switch element Qm is on and the switch element Qr is off), when a current flows from the primary winding of the transformer T1 to the source from the drain of the switch element Qm, the secondary winding of the transformer T1 Is rectified by the diode D1 and flows to the load Rout through the coil L1.

期間T2(スイッチ素子Qrがオフ状態で、スイッチ素子Qmがターンオフする期間)では、コンデンサCmは充電されて電圧が上昇し、スイッチ素子Qrの電圧(ドレイン−ソース間電圧)が下降する。スイッチ素子Qmの電圧Vds(ドレイン−ソース間電圧)が上昇するにともないダイオードD2がオン状態になると、期間T3に移行する。   In the period T2 (period in which the switch element Qr is off and the switch element Qm is turned off), the capacitor Cm is charged to increase the voltage, and the voltage of the switch element Qr (drain-source voltage) decreases. When the diode D2 is turned on as the voltage Vds (drain-source voltage) of the switch element Qm increases, the period shifts to a period T3.

期間T3(スイッチ素子Qmがオフ状態で、スイッチ素子Qrがオフ状態の期間)では、ダイオードD1、D2がともにオン状態になると、スイッチ素子Qmの電圧Vdsが上昇し、スイッチ素子Qrの電圧が略0[V]になり、期間T4に移行する。   In the period T3 (period in which the switch element Qm is off and the switch element Qr is off), when both the diodes D1 and D2 are on, the voltage Vds of the switch element Qm rises and the voltage of the switch element Qr is substantially reduced. It becomes 0 [V], and it shifts to the period T4.

期間T4(スイッチ素子Qmがオフ状態で、スイッチ素子Qrがターンオンしてオン状態になる期間)では、トランスT1の一次側の漏洩インダクタンスLsのエネルギーをスイッチ素子Qrのボディダイオードを介してコンデンサCrに充電する。ダイオードD1がオフ状態になると、期間T5に移行する。   In a period T4 (a period in which the switch element Qm is off and the switch element Qr is turned on and turned on), the energy of the leakage inductance Ls on the primary side of the transformer T1 is transferred to the capacitor Cr via the body diode of the switch element Qr. Charge. When the diode D1 is turned off, the period shifts to a period T5.

期間T5(スイッチ素子Qmがオフ状態で、スイッチ素子Qrがオン状態の期間)では、トランスT1の励磁電流を用いてコンデンサCrを充電する。コンデンサCrへ充電する電流が略0[A]になると、期間T6に移行する。   In a period T5 (a period in which the switch element Qm is off and the switch element Qr is on), the capacitor Cr is charged using the exciting current of the transformer T1. When the current charged in the capacitor Cr becomes approximately 0 [A], the period shifts to a period T6.

期間T6(スイッチ素子Qmがオフ状態で、スイッチ素子Qrがオン状態の期間で、コンデンサCrのエネルギーを放出する期間)では、スイッチ素子Qrに流れる電流が反転して、順方向に流れる。すなわち、充電されたコンデンサCrからトランスT1の一次側へエネルギーが移動する。   In the period T6 (the period in which the switch element Qm is in the off state and the switch element Qr is in the on state and the energy of the capacitor Cr is released), the current flowing through the switch element Qr is reversed and flows in the forward direction. That is, energy moves from the charged capacitor Cr to the primary side of the transformer T1.

期間T7(スイッチ素子Qmがオフ状態で、スイッチ素子Qrがターンオフしてオフ状態になる期間)では、コンデンサCmが放電をすると、スイッチ素子Qmの電圧VdsがVin[V]付近まで下降する。   In a period T7 (a period in which the switch element Qm is in the off state and the switch element Qr is turned off and in the off state), when the capacitor Cm is discharged, the voltage Vds of the switch element Qm drops to near Vin [V].

期間T8(スイッチ素子Qmがオフ状態で、スイッチ素子Qrがオフ状態の期間)では、スイッチ素子Qmの電圧Vdsが0[V]付近まで下降させる。コンデンサCmが放電しているときに、トランスT1を介して整流回路にコンデンサCmが放電した電流Imが、トランスT1の二次側に流れないようにする。すなわち、結合インダクタT2を用いて、コイルL2に電圧Vtapを発生させて、スイッチ素子Qmの電圧Vdsが下降してもダイオードD1がオン状態にならないようにする。スイッチ素子Qrの電圧が上昇して、ダイオードD2がオン状態になり、期間T9に移行する。上記のように、スイッチ素子Qmの電圧Vdsを0[V]付近まで降下させることで、ZVSができるようにして、スイッチ素子Qmのスイッチング損失を低減させる。   In a period T8 (a period in which the switch element Qm is in an off state and the switch element Qr is in an off state), the voltage Vds of the switch element Qm is lowered to around 0 [V]. When the capacitor Cm is discharged, the current Im discharged from the capacitor Cm to the rectifier circuit via the transformer T1 is prevented from flowing to the secondary side of the transformer T1. That is, the voltage Vtap is generated in the coil L2 using the coupled inductor T2, so that the diode D1 is not turned on even when the voltage Vds of the switch element Qm decreases. The voltage of the switch element Qr rises, the diode D2 is turned on, and the period shifts to the period T9. As described above, by reducing the voltage Vds of the switch element Qm to near 0 [V], ZVS can be performed, and the switching loss of the switch element Qm is reduced.

期間T9(スイッチ素子Qrがオフ状態で、スイッチ素子Qmがターンオンする期間)では、スイッチ素子Qmの電圧Vdsが0[V]付近になり、スイッチ素子Qmのボディダイオードに電流が流れる。スイッチ素子Qmのボディダイオードに流れる電流が略0[A]になると、期間T10に移行する。   In a period T9 (a period in which the switch element Qr is turned off and the switch element Qm is turned on), the voltage Vds of the switch element Qm is close to 0 [V], and a current flows through the body diode of the switch element Qm. When the current flowing through the body diode of the switch element Qm becomes approximately 0 [A], the period shifts to a period T10.

期間T10(スイッチ素子Qmがオン状態で、スイッチ素子Qrがオフ状態の期間)では、スイッチ素子Qmの電流が順方向になり電源Eからエネルギーが供給され、ダイオードD2に流れる電流が略0[A]になると、期間T1に移行する。   In a period T10 (a period in which the switch element Qm is on and the switch element Qr is off), the current of the switch element Qm is in the forward direction, energy is supplied from the power source E, and the current flowing through the diode D2 is approximately 0 [A ], The period shifts to the period T1.

効果について説明する。
結合インダクタT2を用いずに、従来のアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路のようにコイルのみを用いた場合(該コイルの一方の端子を接続し、該コイルの他方の端子にコンデンサC1の一方の端子を接続した回路の場合)、期間T7において、スイッチ素子Qmの電圧Vdsの電圧が0[V]付近まで降下しないため(電圧が電源Eの入力電圧Vinあたりまでしか降下しないため)、スイッチ素子Qmに大きなスイッチング損失が発生し、アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の効率が低下する。また、スイッチ素子Qmの発熱も大きくなり、さらにはノイズを発生させることもある。
The effect will be described.
When only the coil is used as in the conventional active clamp type DC-DC converter circuit without using the coupled inductor T2 (one terminal of the coil is connected and one terminal of the capacitor C1 is connected to the other terminal of the coil. In the case of a circuit in which terminals are connected), since the voltage Vds of the switch element Qm does not drop to near 0 [V] in the period T7 (because the voltage drops only to around the input voltage Vin of the power supply E), the switch element A large switching loss occurs in Qm, and the efficiency of the active clamp type DC-DC converter circuit decreases. In addition, the heat generated by the switch element Qm increases, and noise may be generated.

また、従来のアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路における期間T6では、スイッチ素子Qrに電流が順方向に流れているときにスイッチ素子Qrがターンオフし、期間T7においてスイッチ素子Qmとスイッチ素子Qrとがともにオフ状態になると、トランスT1の漏洩インダクタンスLsとコンデンサCmとにより共振が発生する。そしてダイオードD1がオン状態になると期間T8に移行し、期間T8においてダイオードD1、D2がともにオン状態になると、励磁インダクタンスLpが短絡され、漏洩インダクタンスLsとコンデンサCmとにより共振が発生する。また、励磁インダクタンスLpが短絡されたことによりエネルギーが減るので、スイッチ素子Qmの電圧が0[V]付近まで降下しないで、スイッチ素子Qmがオン状態になるまで、入力電圧Vinを中心に共振を続ける。   Further, in the period T6 in the conventional active clamp type DC-DC converter circuit, the switch element Qr is turned off when a current flows in the forward direction in the switch element Qr. In the period T7, the switch element Qm and the switch element Qr are turned off. When both are turned off, resonance occurs due to the leakage inductance Ls of the transformer T1 and the capacitor Cm. When the diode D1 is turned on, the period shifts to a period T8. When both the diodes D1 and D2 are turned on in the period T8, the exciting inductance Lp is short-circuited, and resonance occurs due to the leakage inductance Ls and the capacitor Cm. Further, since the energy is reduced due to the short-circuit of the excitation inductance Lp, the voltage of the switch element Qm does not drop to near 0 [V], and resonance occurs around the input voltage Vin until the switch element Qm is turned on. to continue.

また、従来のように図2に示した結合インダクタT2を用いずに、図2のダイオードD2の一方の端子(カソード)に、コイルの一方の端子を接続し、該コイルの他方の端子にコンデンサC1の一方の端子を接続した場合にも、期間T8において、電圧が0[V]付近まで降下しないで、スイッチ素子Qmがオン状態になるまで共振を続ける。   Further, instead of using the coupled inductor T2 shown in FIG. 2 as in the prior art, one terminal of the coil (cathode) of the diode D2 in FIG. 2 is connected, and a capacitor is connected to the other terminal of the coil. Even when one terminal of C1 is connected, in the period T8, the voltage does not drop to near 0 [V], and the resonance continues until the switch element Qm is turned on.

しかし、結合インダクタT2を用いた場合には、期間T8において、結合インダクタT2によりダイオードD1をオフ状態のまま維持することができるため、スイッチ素子Qmの電圧を0[V]付近まで降下させることができる。   However, when the coupled inductor T2 is used, the diode D1 can be maintained in the OFF state by the coupled inductor T2 in the period T8, so that the voltage of the switch element Qm can be lowered to around 0 [V]. it can.

図4、5を用いて説明をする。図4は、期間T8におけるアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の等価回路を示す図である。図4の等価回路では、トランスT1の巻線比を一対一としてトランスT1を電流源Ip1と見做し、トランスT1の励磁インダクタンスをLm(=Lp+Ls)とし、結合インダクタT2のコイルL1を電流源Ip2(Iout/Ntr)と見做し、結合インダクタT2のコイルL1、L2により生成された電圧源の電圧をVtapとして、表している。図5は、アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路の動作を説明するための図である。図5の縦軸には電圧Vtapと電圧Vdsが示され、横軸には時間が示されている。電圧Vtapは図5の曲線501で、電圧Vdsは図5の曲線502である。   This will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of the active clamp type DC-DC converter circuit in the period T8. In the equivalent circuit of FIG. 4, the transformer T1 has a winding ratio of 1: 1, the transformer T1 is regarded as the current source Ip1, the exciting inductance of the transformer T1 is Lm (= Lp + Ls), and the coil L1 of the coupled inductor T2 is the current source. Assuming Ip2 (Iout / Ntr), the voltage of the voltage source generated by the coils L1 and L2 of the coupled inductor T2 is expressed as Vtap. FIG. 5 is a diagram for explaining the operation of the active clamp type DC-DC converter circuit. The vertical axis in FIG. 5 indicates the voltage Vtap and the voltage Vds, and the horizontal axis indicates time. The voltage Vtap is the curve 501 in FIG. 5, and the voltage Vds is the curve 502 in FIG.

スイッチ素子Qrがターンオフすると、時間t0から時間t1(期間T7)において、電圧VtapはVout/(NL1+NL2)/NL2[V]から0[V]となる。ここで、NL1はコイルL1の巻数で、NL2はコイルL2の巻数である。   When the switch element Qr is turned off, the voltage Vtap changes from Vout / (NL1 + NL2) / NL2 [V] to 0 [V] from time t0 to time t1 (period T7). Here, NL1 is the number of turns of the coil L1, and NL2 is the number of turns of the coil L2.

続いて、時間t1から時間t2(期間T8)において、電圧Vtapは0[V]から{(Vin/Ntr)−Vout}/NL−Ls*di/dt[V]まで上昇する。ここで、*は乗算を示している。また、NtrはトランスT1の一次巻線と二次巻線の巻線比でである。di/dtはスイッチ素子Qmに流れる電流iの傾きを示している。   Subsequently, from time t1 to time t2 (period T8), the voltage Vtap increases from 0 [V] to {(Vin / Ntr) −Vout} / NL−Ls * di / dt [V]. Here, * indicates multiplication. Ntr is a winding ratio of the primary winding and the secondary winding of the transformer T1. di / dt represents the slope of the current i flowing through the switch element Qm.

続いて、時間t2から時間t3(期間T9)及び時間t3からt4(期間T10)において、{(Vin/Ntr)−Vout}/NL−Ls*di/dt[V]になるように継続する。また、時間t4以降(期間T1)において、{(Vin/Ntr)−Vout}/NL[V]に電圧Vtapは上昇する。   Subsequently, from time t2 to time t3 (period T9) and from time t3 to t4 (period T10), the process continues to be {(Vin / Ntr) −Vout} / NL−Ls * di / dt [V]. Further, after time t4 (period T1), the voltage Vtap increases to {(Vin / Ntr) −Vout} / NL [V].

図5に示すように時間t1において電圧Vtap503(斜線部)を発生させる。すなわち、電圧Vtapが0[V]以上のとき、ダイオードD1をオン状態にしないようにすることができるので、コンデンサCmが放電している電流ImがトランスT1を介して整流回路に流れないようにできる。図4に示すように、電流ImをトランスT1の二次側に還流することなく、電流ImをトランスT1の一次側で還流させることができるため、コンデンサCmを放電させてスイッチ素子Qmの電圧Vdsを0[V]付近まで降下させることができる。なお、ダイオードD1は、電圧Vtap+0.6[V](接合部飽和電圧)以上でオンする。   As shown in FIG. 5, the voltage Vtap 503 (shaded portion) is generated at time t1. That is, when the voltage Vtap is 0 [V] or more, the diode D1 can be prevented from being turned on, so that the current Im discharged from the capacitor Cm does not flow to the rectifier circuit via the transformer T1. it can. As shown in FIG. 4, the current Im can be recirculated on the primary side of the transformer T1 without recirculating the current Im to the secondary side of the transformer T1, so that the capacitor Cm is discharged and the voltage Vds of the switch element Qm is discharged. Can be lowered to around 0 [V]. The diode D1 is turned on at a voltage Vtap + 0.6 [V] (junction saturation voltage) or higher.

また、図4の等価回路において、ダイオードD2の印加電圧とスイッチ素子Qmのスイッチング損失との関係は、ダイオードD2の印加電圧が上昇(電圧Vtapが上昇)するのに応じて、スイッチ素子Qmのスイッチング損失が低減する(電圧Vdsが低減する)関係にあるので、巻線比NLの設定は上記関係を考慮し、スイッチ素子Qmがオフ状態で、スイッチ素子Qrがターンオフして、コンデンサCmが放電をしている期間において、ダイオードD1がオン状態にならないように設定する。   In the equivalent circuit of FIG. 4, the relationship between the voltage applied to the diode D2 and the switching loss of the switch element Qm is such that the switching of the switch element Qm increases as the voltage applied to the diode D2 increases (the voltage Vtap increases). Since the loss is reduced (voltage Vds is reduced), the winding ratio NL is set in consideration of the above relationship, the switch element Qm is turned off, the switch element Qr is turned off, and the capacitor Cm is discharged. It is set so that the diode D1 is not turned on during the period.

このように、スイッチ素子Qmの電圧Vdsが0[V]付近まで降下させることで、ZVSができるようにし、アクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路のトランスの一次側に設けられるスイッチ素子Qmのスイッチング損失を低減させる。   As described above, the voltage Vds of the switch element Qm is lowered to near 0 [V] so that ZVS can be performed, and the switching loss of the switch element Qm provided on the primary side of the transformer of the active clamp type DC-DC converter circuit. Reduce.

また、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変更が可能である。   The present invention is not limited to the above-described embodiment, and various improvements and modifications can be made without departing from the gist of the present invention.

Cm、Cr、C1 コンデンサ
D1、D2 ダイオード
E 電源
Ip1、Ip2 電流源
L1、L2 コイル
Lp、Ls、Lm インダクタンス
Qm、Qr スイッチ素子
Rout 負荷
T1 トランス
T2 結合インダクタ
Cm, Cr, C1 Capacitor D1, D2 Diode E Power supply Ip1, Ip2 Current source L1, L2 Coil Lp, Ls, Lm Inductance Qm, Qr Switch element Rout Load T1 Transformer T2 Coupled inductor

Claims (5)

トランスと、
前記トランスの一次側のスイッチング半導体素子と、
前記スイッチング半導体素子に対して並列接続される第一のコンデンサと、
前記トランスの二次側の整流回路と、を備えるアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路であって、
前記整流回路は、前記第一のコンデンサが放電をしているときに、前記トランスを介して前記整流回路に前記第一のコンデンサを放電している電流が流れない状態にする結合インダクタを備える、
ことを特徴とするアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路。
With a transformer,
A switching semiconductor element on the primary side of the transformer;
A first capacitor connected in parallel to the switching semiconductor element;
An active clamp type DC-DC converter circuit comprising a rectifier circuit on the secondary side of the transformer,
The rectifier circuit includes a coupled inductor that prevents the current discharging the first capacitor from flowing through the transformer to the rectifier circuit when the first capacitor is discharging.
An active clamp type DC-DC converter circuit.
請求項1に記載のアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路であって、
前記結合インダクタは、タップの一方に設けられる第一のコイル及び前記タップの他方に設けられる第二のコイルを有する、
ことを特徴とするアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路。
An active clamp type DC-DC converter circuit according to claim 1,
The coupled inductor has a first coil provided on one of the taps and a second coil provided on the other of the taps,
An active clamp type DC-DC converter circuit.
請求項1又は2に記載のアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路であって、
前記スイッチング半導体素子がオフ状態のときに、前記トランスに蓄えられたエネルギーを放出させるリセット回路を、前記トランスの一次側に設ける、
ことを特徴とするアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路。
An active clamp type DC-DC converter circuit according to claim 1 or 2,
When the switching semiconductor element is in an off state, a reset circuit that releases energy stored in the transformer is provided on the primary side of the transformer.
An active clamp type DC-DC converter circuit.
請求項2に記載のアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路であって、
前記整流回路は、
前記トランスの二次側の巻線の一方の端子と、前記結合インダクタの前記タップに接続されている前記第一のコイルの一方の端子と前記第二のコイルの一方の端子と、が接続され、
前記トランスの二次側の巻線の他方の端子と、第一の半導体素子の一方の端子と、が接続され、
前記第二のコイルの他方の端子と、第二の半導体素子の一方の端子と、が接続され、
前記第一のコイルの他方の端子と、第二のコンデンサの一方の端子と、が接続され、
前記第一の半導体素子の他方の端子と、前記第二の半導体素子の他方の端子と、前記第二のコンデンサの他方の端子と、が接続される、
ことを特徴とするアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路。
An active clamp type DC-DC converter circuit according to claim 2,
The rectifier circuit is
One terminal of the secondary winding of the transformer is connected to one terminal of the first coil connected to the tap of the coupled inductor and one terminal of the second coil. ,
The other terminal of the secondary winding of the transformer is connected to one terminal of the first semiconductor element,
The other terminal of the second coil and one terminal of the second semiconductor element are connected,
The other terminal of the first coil and one terminal of the second capacitor are connected;
The other terminal of the first semiconductor element, the other terminal of the second semiconductor element, and the other terminal of the second capacitor are connected.
An active clamp type DC-DC converter circuit.
請求項2に記載のアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路であって、
前記整流回路は、
第一の半導体素子の一方の端子と、前記結合インダクタの前記タップに接続されている前記第一のコイルの一方の端子と前記第二のコイルの一方の端子と、が接続され、
前記トランスの二次側の巻線の一方の端子と、前記第一の半導体素子の他方の端子と、が接続され、
前記第一のコイルの他方の端子と、第二のコンデンサの一方の端子と、が接続され、
前記第二のコイルの他方の端子と、第二の半導体素子の一方の端子と、が接続され、
前記トランスの二次側の巻線の他方の端子と、前記第二の半導体素子の他方の端子と、前記第二のコンデンサの他方の端子と、が接続される、
ことを特徴とするアクティブクランプ型DC−DCコンバータ回路。
An active clamp type DC-DC converter circuit according to claim 2,
The rectifier circuit is
One terminal of the first semiconductor element, one terminal of the first coil connected to the tap of the coupled inductor, and one terminal of the second coil are connected,
One terminal of the secondary winding of the transformer and the other terminal of the first semiconductor element are connected,
The other terminal of the first coil and one terminal of the second capacitor are connected;
The other terminal of the second coil and one terminal of the second semiconductor element are connected,
The other terminal of the secondary winding of the transformer, the other terminal of the second semiconductor element, and the other terminal of the second capacitor are connected.
An active clamp type DC-DC converter circuit.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2019159901A1 (en) * 2018-02-14 2019-08-22 日本電産株式会社 Power conversion circuit, dc/dc converter, and ac/dc converter
US11316432B2 (en) 2019-06-11 2022-04-26 Kabushiki Kaisha Toyota Jidoshokki DC-DC converter

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