JP2017085689A - Power source device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a power supply device that is highly efficient over a wide load range.SOLUTION: The power supply device comprises: a DC power source; an inverter converting a DC voltage from the DC power source into an AC voltage; and a control unit for controlling the operation of the inverter. The inverter circuit comprises: a switching circuit comprised of switching elements Q1 and Q2, a resonance coil Lr, and a resonance capacitor Cr. When the output power Pout from the inverter is smaller than a predetermined threshold power Pth, the control unit performs control in such a manner that the switching frequency fsw of the switching circuit is in a first mode lower than the resonance frequency fr of the resonance circuit. When the output power Pout from the inverter is larger than a predetermined threshold power Pth, the control unit performs control in such a manner that the switching frequency fsw of the switching circuit is in a second mode higher than the resonance frequency fr.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は,直流電圧を異なる電圧の交流電圧へ変換する電源装置に関し,特に共振形電源装置に関する。   The present invention relates to a power supply device that converts a DC voltage into an AC voltage of a different voltage, and more particularly to a resonant power supply device.

誘導加熱調理器は,高周波インバータから加熱コイルに高周波電流を流し,コイルに近接して配置された金属製の被加熱物に渦電流を発生させ,被加熱物自体の電気抵抗により発熱させる。   An induction heating cooker causes a high-frequency current to flow from a high-frequency inverter to a heating coil, generates an eddy current in a metal heated object disposed in the vicinity of the coil, and generates heat by the electric resistance of the heated object itself.

誘導加熱調理器に用いられる高周波インバータでは,共振形インバータを用いることが一般的である。この共振形のインバータ回路は,スイッチング素子に流れる電流が共振により小さくなったタイミングでスイッチング素子をターンオフすると,遮断電流が小さいためスイッチング損失が小さくなり,高い効率を得ることができる。しかし,一般的に共振形インバータは,スイッチング周波数を変化させて出力を制御しており,出力電力を絞る時には,スイッチング周波数を高くするためスイッチング損失が発生し,効率が低下していた。   In a high-frequency inverter used for an induction heating cooker, a resonance type inverter is generally used. In this resonance type inverter circuit, when the switching element is turned off at the timing when the current flowing through the switching element becomes small due to the resonance, the cutoff current is small, so that the switching loss is small and high efficiency can be obtained. However, in general, the resonance type inverter controls the output by changing the switching frequency. When the output power is reduced, the switching frequency is increased to cause a switching loss and the efficiency is lowered.

このような問題を解決する従来技術として,特許文献1がある。特許文献1には,軽負荷時にインバータのオン時比率を変化させて,スイッチング周波数の高周波化を防ぐ電流共振形電源装置が開示されている。   As a conventional technique for solving such a problem, there is Patent Document 1. Patent Document 1 discloses a current resonance type power supply device that changes the on-time ratio of an inverter at a light load to prevent a high switching frequency.

特開2015−70708号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2015-70708

特許文献1に開示された電源装置では,周波数制御とオン時比率制御を組み合わせることにより,低電力出力時におけるスイッチング損失の増大を抑制している。しかしながら,低電力出力時においても,スイッチング周波数は共振周波数より高い範囲でのみ動作しており,依然として大きなスイッチング損失が発生していた。   In the power supply device disclosed in Patent Document 1, an increase in switching loss at the time of low power output is suppressed by combining frequency control and on-time ratio control. However, even at low power output, the switching frequency operates only in a range higher than the resonance frequency, and a large switching loss still occurs.

本発明の目的は,広い負荷範囲において高効率な電源装置を提供することである。   An object of the present invention is to provide a highly efficient power supply device in a wide load range.

前記目的を達成するために本発明に係る電源装置は,直流電源と,前記直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と,前記スイッチング回路の動作を制御する制御部と,共振コイルLr,共振コンデンサCrから成る共振回路を備え,前記制御部は,前記スイッチング回路への入力電力Pinが,所定の閾値電力Pthよりも小さい場合には,前記スイッチング回路のスイッチング周波数fswは,前記共振回路の共振周波数frより低い第1のモードとなる様に制御し,前記スイッチング回路への入力電力Pinが,所定の閾値電力Pthよりも大きい場合には,前記スイッチング回路のスイッチング周波数fswが共振周波数frより高くなる第2のモードとなる様に制御する。   In order to achieve the above object, a power supply apparatus according to the present invention includes a DC power supply, a switching circuit that converts a DC voltage from the DC power supply into an AC voltage, a control unit that controls the operation of the switching circuit, and a resonance coil. The control unit includes a resonance circuit including Lr and a resonance capacitor Cr. When the input power Pin to the switching circuit is smaller than a predetermined threshold power Pth, the switching frequency fsw of the switching circuit is When control is performed so that the first mode is lower than the resonance frequency fr of the circuit, and the input power Pin to the switching circuit is larger than a predetermined threshold power Pth, the switching frequency fsw of the switching circuit is the resonance frequency. Control is performed so that the second mode becomes higher than fr.

本発明によれば,広い負荷範囲において高効率な電磁誘導加熱装置を提供することができる。   According to the present invention, a highly efficient electromagnetic induction heating device can be provided in a wide load range.

実施例1の電源装置1の回路構成図1 is a circuit configuration diagram of a power supply device 1 according to a first embodiment. 実施例1の電源装置1が実行する処理の流れを示すフローチャートThe flowchart which shows the flow of the process which the power supply device 1 of Example 1 performs. 実施例1の入力電力Pinとスイッチング周波数fsw,または,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示した概念図The conceptual diagram which showed the relationship between the input electric power Pin of Example 1, and switching frequency fsw, or duty ratio dutyQ1, dutyQ2 of switching element Q1, Q2. 実施例1のスイッチング周波数fswと入力電力Pinの関係について,共振回路30の共振特性と併せて示したグラフA graph showing the relationship between the switching frequency fsw and the input power Pin of the first embodiment together with the resonance characteristics of the resonance circuit 30. 図3,図4に示す動作点1〜4における動作波形Operation waveforms at operation points 1 to 4 shown in FIGS. 実施例2の入力電力Pinとスイッチング周波数fsw,または,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示した概念図The conceptual diagram which showed the relationship between the input electric power Pin of Example 2, and switching frequency fsw, or duty ratio dutyQ1, dutyQ2 of switching element Q1, Q2. 実施例2のスイッチング周波数fswと入力電力Pinの関係について,共振回路30の共振特性と併せて示したグラフGraph showing the relationship between the switching frequency fsw and the input power Pin of Example 2 together with the resonance characteristics of the resonance circuit 30 図6,図7に示す動作点1〜4における動作波形Operation waveforms at operation points 1 to 4 shown in FIGS. 実施例3の入力電力Pinとスイッチング周波数fsw,または,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示した概念図The conceptual diagram which showed the relationship between the input electric power Pin of Example 3, and switching frequency fsw or duty ratio dutyQ1, dutyQ2 of switching element Q1, Q2. 実施例3のスイッチング周波数fswと入力電力Pinの関係について,共振回路30の共振特性と併せて示したグラフ,および,入力電力Pinとスイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示したグラフThe relationship between the switching frequency fsw and the input power Pin of Example 3 is shown together with the resonance characteristics of the resonance circuit 30, and the relationship between the input power Pin and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2. Graph 図9,図10に示す動作点1〜4における動作波形Operation waveforms at operation points 1 to 4 shown in FIGS. 実施例4の入力電力Pinとスイッチング周波数fsw,または,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示した概念図The conceptual diagram which showed the relationship between the input electric power Pin of Example 4, switching frequency fsw, or duty ratio dutyQ1, dutyQ2 of switching element Q1, Q2. 実施例4のスイッチング周波数fswと入力電力Pinの関係について,共振回路30の共振特性と併せて示したグラフ,および,入力電力Pinとスイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示したグラフThe relationship between the switching frequency fsw and the input power Pin of the fourth embodiment is shown together with the resonance characteristics of the resonance circuit 30, and the relationship between the input power Pin and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2. Graph 図12,図13に示す動作点1〜4における動作波形Operation waveforms at operation points 1 to 4 shown in FIGS. 実施例5における電源装置2の回路構成図Circuit configuration diagram of power supply device 2 in Embodiment 5

以下,本発明の実施例について図面を参照しながら詳細に説明する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は,本実施例における電源装置1の回路構成図である。この電源装置1は,直流電源10の電圧を入力するスイッチング回路20,共振回路30,スイッチング回路への入力電力検出手段40,スイッチング回路が備えたスイッチング素子のオン・オフ状態を制御する制御部50によって構成されている。   FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a power supply device 1 according to the present embodiment. The power supply device 1 includes a switching circuit 20 that inputs the voltage of the DC power supply 10, a resonance circuit 30, input power detection means 40 for the switching circuit, and a control unit 50 that controls the on / off state of the switching elements included in the switching circuit. It is constituted by.

スイッチング回路20は,スイッチング素子Q1,Q2で構成され,スイッチング素子Q1,Q2には,それぞれダイオードD1,D2が逆並列接続される。ここで,これらのスイッチング素子Q1,Q2としてMOSFETを用いた場合は,MOSFETの寄生ダイオードを利用することができるので,ダイオードD1,D2は省略可能となる。スイッチング回路20は,直流電源10の正電極点であるノードNd1と,負電極点であるノードNd2との間に接続されており,直流電源10から供給される直流電圧を高周波の交流電圧に変換して,共振回路30に印加する。   The switching circuit 20 includes switching elements Q1 and Q2, and diodes D1 and D2 are connected in reverse parallel to the switching elements Q1 and Q2, respectively. Here, when MOSFETs are used as the switching elements Q1 and Q2, parasitic diodes of the MOSFETs can be used, so that the diodes D1 and D2 can be omitted. The switching circuit 20 is connected between a node Nd1 that is a positive electrode point of the DC power supply 10 and a node Nd2 that is a negative electrode point, and converts a DC voltage supplied from the DC power supply 10 into a high-frequency AC voltage. Then, it is applied to the resonance circuit 30.

共振回路30は,直列接続された共振コイルLr,共振コンデンサCr1,Cr2から構成され,共振コイルLrにはスイッチング回路20から高周波電力が供給される。   The resonance circuit 30 includes a resonance coil Lr and resonance capacitors Cr1 and Cr2 connected in series, and high frequency power is supplied from the switching circuit 20 to the resonance coil Lr.

図2は,電源装置1が実行する処理の流れを示すフローチャートである。ステップ1(S1)において制御部50は,電力検出手段40によって検出された入力電力Pinを読み込む。ステップ2(S2)において制御部50は,入力電力Pinが,閾値電力Pthよりも小さいか否かを判定する。入力電力Pinが,閾値電力Pthよりも大きい場合(S2→Yes),制御部50の処理はステップ3(S3)に進む。ステップ3において制御部50は,電源装置1の軽負荷時の動作モードである第1のモードへと遷移する。また,入力電力Pinが,閾値電力Pthよりも小さい場合(S2→No),制御部50の処理はステップ4(S4)に進む。ステップ4において制御部50は,電源装置1の重負荷時の動作モードである第2のモードへと遷移する。ステップ5(S5)において,制御部50は,決定した駆動モードに対応する駆動信号を生成し,スイッチング素子Q1,Q2に駆動信号を出力し,電源装置1を駆動する。ステップ5の処理を実行した後,制御部50の処理はSTARTに戻る(RETURN)。   FIG. 2 is a flowchart showing a flow of processing executed by the power supply device 1. In step 1 (S1), the control unit 50 reads the input power Pin detected by the power detection means 40. In step 2 (S2), the control unit 50 determines whether or not the input power Pin is smaller than the threshold power Pth. When the input power Pin is larger than the threshold power Pth (S2 → Yes), the process of the control unit 50 proceeds to step 3 (S3). In step 3, the control unit 50 transitions to the first mode, which is an operation mode when the power supply device 1 is lightly loaded. When the input power Pin is smaller than the threshold power Pth (S2 → No), the process of the control unit 50 proceeds to step 4 (S4). In step 4, the control unit 50 makes a transition to the second mode, which is an operation mode when the power supply device 1 is under heavy load. In step 5 (S5), the control unit 50 generates a drive signal corresponding to the determined drive mode, outputs the drive signal to the switching elements Q1, Q2, and drives the power supply device 1. After executing the process of step 5, the process of the control unit 50 returns to START (RETURN).

図3〜図5を用いて,電源装置1の動作を説明する。なお,本明細書では,スイッチング素子Q1のオン時比率をdutyQ1,スイッチング素子Q2のオン時比率をdutyQ2と定義し,共振コイルLrと共振コンデンサCr1,Cr2による共振周波数をfrと定義する。本実施例では,軽負荷時である第1のモードにおいてスイッチング回路のスイッチング周波数fswを共振周波数frより低くすることで,スイッチング損失の増大を抑制しながら低電力を出力することができる。   The operation of the power supply device 1 will be described with reference to FIGS. In this specification, the on-time ratio of the switching element Q1 is defined as duty Q1, the on-time ratio of the switching element Q2 is defined as duty Q2, and the resonance frequency by the resonance coil Lr and the resonance capacitors Cr1, Cr2 is defined as fr. In the present embodiment, by setting the switching frequency fsw of the switching circuit to be lower than the resonance frequency fr in the first mode when the load is light, low power can be output while suppressing an increase in switching loss.

図3aは,実施例1における入力電力Pinとスイッチング周波数fswの関係を示した概念図である。同図において,Pminは最小入力電力,Pthは閾値電力,Pmaxは定格入力電力,f1は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f2は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの下限値,f3は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f4は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswの下限値である。まず,定格電力Pmaxが電源装置1に入力される時は,スイッチング周波数fswは共振周波数frより高い周波数f2で動作している。その後,スイッチング周波数fswを増加させることにより,入力電力Pinを絞っていく。そして,入力電力Pinが閾値電力Pthに達した時,スイッチング周波数fswをf3へとシフトさせる。この時,本実施例では,f3は共振周波数frよりも低く,共振周波数frの1/2よりも高い範囲,即ち1/2fr〜frに設定する。その後,スイッチング周波数fswを低減させることで入力電力Pinを絞り,スイッチング周波数fswがf4となった時に,下限入力電力Pminに達する。   FIG. 3A is a conceptual diagram illustrating a relationship between the input power Pin and the switching frequency fsw in the first embodiment. In the figure, Pmin is the minimum input power, Pth is the threshold power, Pmax is the rated input power, f1 is the upper limit value of the switching frequency fsw in the second mode, f2 is the lower limit value of the switching frequency fsw in the second mode, and f3. Is the upper limit value of the switching frequency fsw in the first mode, and f4 is the lower limit value of the switching frequency fsw in the first mode. First, when the rated power Pmax is input to the power supply device 1, the switching frequency fsw operates at a frequency f2 higher than the resonance frequency fr. Thereafter, the input power Pin is reduced by increasing the switching frequency fsw. When the input power Pin reaches the threshold power Pth, the switching frequency fsw is shifted to f3. At this time, in this embodiment, f3 is set to a range lower than the resonance frequency fr and higher than 1/2 of the resonance frequency fr, that is, 1/2 fr to fr. Thereafter, the input power Pin is reduced by reducing the switching frequency fsw, and reaches the lower limit input power Pmin when the switching frequency fsw becomes f4.

図3bは,本実施例における,入力電力Pinとスイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示した概念図である。本実施例では,入力電力Pinによらず,オン時比率を0.5で固定する。   FIG. 3b is a conceptual diagram showing the relationship between the input power Pin and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2 in the present embodiment. In this embodiment, the on-time ratio is fixed at 0.5 regardless of the input power Pin.

このように,閾値電力Pthを設定することで,軽負荷時においてスイッチング周波数fswを共振周波数frよりも低い領域で動作させることができるため,本発明の電源装置1は,広い入力電力範囲での動作を可能としつつ,軽負荷時のスイッチング周波数の増加を低減し,高い効率を得ることができる。   As described above, by setting the threshold power Pth, the switching frequency fsw can be operated in a region lower than the resonance frequency fr at a light load. Therefore, the power supply device 1 of the present invention has a wide input power range. While enabling operation, it is possible to reduce the increase in switching frequency at light load and obtain high efficiency.

図4は,スイッチング周波数fswと入力電力Pinの関係について,共振回路30の共振特性と併せて示したグラフである。同図において,Pminは最小入力電力,Pthは閾値電力,Pmaxは定格入力電力,f1は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f2は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの下限値,f3は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f4は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswの下限値である。入力電力がPth〜Pmaxの範囲である第2のモードでは,スイッチング周波数fswが,共振周波数frより高い共振特性の遅相側を用い,入力電力がPth〜Pminの範囲である第1のモードでは,スイッチング周波数fswが,1/2fr〜frの範囲,即ち共振特性の進相側を用いる。   FIG. 4 is a graph showing the relationship between the switching frequency fsw and the input power Pin together with the resonance characteristics of the resonance circuit 30. In the figure, Pmin is the minimum input power, Pth is the threshold power, Pmax is the rated input power, f1 is the upper limit value of the switching frequency fsw in the second mode, f2 is the lower limit value of the switching frequency fsw in the second mode, and f3. Is the upper limit value of the switching frequency fsw in the first mode, and f4 is the lower limit value of the switching frequency fsw in the first mode. In the second mode in which the input power is in the range of Pth to Pmax, in the first mode in which the switching frequency fsw is on the slow phase side having a resonance characteristic higher than the resonance frequency fr, and the input power is in the range of Pth to Pmin. The switching frequency fsw is in the range of 1/2 fr to fr, that is, the fast phase side of the resonance characteristics is used.

したがって,第2のモードでは,入力電力Pinを減少させる場合,スイッチング周波数fswを増加させ,第1のモードでは,入力電圧Pinを減少させる場合,スイッチング周波数fswを減少させる。このように動作させることにより,幅広い入力電力範囲での動作が可能となる。   Therefore, in the second mode, when the input power Pin is decreased, the switching frequency fsw is increased. In the first mode, when the input voltage Pin is decreased, the switching frequency fsw is decreased. By operating in this way, it is possible to operate in a wide input power range.

また,本実施例において,閾値電力Pth近傍で入力電力Pinを微調整した場合,スイッチング周波数fswが連続的に急変する。その場合は,スイッチング周波数fswの急変を抑制するため,第1のモードから第2のモードに変化させる閾値電力と,第2のモードから第1のモードに変化させる閾値電力との間に,調節感度(ヒステリシス)を設けた方が良い。   In this embodiment, when the input power Pin is finely adjusted in the vicinity of the threshold power Pth, the switching frequency fsw changes continuously and suddenly. In this case, in order to suppress a sudden change in the switching frequency fsw, the adjustment is made between the threshold power for changing from the first mode to the second mode and the threshold power for changing from the second mode to the first mode. It is better to provide sensitivity (hysteresis).

次に,図5を用いて,スイッチング素子Q1,Q2と共振コイルLrに流れる電流との関係を説明する。図5において,Q1VGE,Q2VGEは,それぞれスイッチング素子Q1,Q2のゲート電圧を表している。ILrは,共振コイルLrの電流を表しており,Nd3からNd4に流れる向きを正とする。   Next, the relationship between the switching elements Q1, Q2 and the current flowing through the resonance coil Lr will be described with reference to FIG. In FIG. 5, Q1VGE and Q2VGE represent gate voltages of the switching elements Q1 and Q2, respectively. ILr represents the current of the resonance coil Lr, and the direction flowing from Nd3 to Nd4 is positive.

図5a,図5bは,それぞれ図3,図4に示す動作点1,動作点2における動作波形を示している。スイッチング素子Q1,Q2は,共振コイルLrと共振コンデンサCr1,Cr2による共振電流を遮断する動作となっている。   5a and 5b show operation waveforms at the operation point 1 and the operation point 2 shown in FIGS. 3 and 4, respectively. The switching elements Q1 and Q2 operate to cut off the resonance current caused by the resonance coil Lr and the resonance capacitors Cr1 and Cr2.

図5cは,図3,図4に示す動作点3における動作波形を示しており,動作点2と同じ入力電力のまま,スイッチング周波数fswを共振周波数frよりも低いf3にシフトさせた条件における動作波形を示している。f3がfrよりも低いため,スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング半周期内に,共振電流が半周期以上流れる動作となっている。   FIG. 5c shows an operation waveform at the operation point 3 shown in FIGS. 3 and 4, and the operation is performed under the condition that the switching frequency fsw is shifted to f3 lower than the resonance frequency fr with the same input power as that of the operation point 2. The waveform is shown. Since f3 is lower than fr, the resonance current flows for more than a half cycle within the switching half cycle of the switching elements Q1, Q2.

図5dは,図3,図4に示す動作点4における動作波形を示しており,動作点3からさらに入力電力を絞った時の動作波形を示している。図5dに示すように,スイッチング周波数fswを低減させた効果により,共振コイルLrに流れる実効電流は減少するため,入力電力が減少する。そして,スイッチング周波数fswがf4に達した時,最小入力電力Pminとなる。   FIG. 5d shows an operation waveform at the operation point 4 shown in FIGS. 3 and 4, and shows an operation waveform when the input power is further reduced from the operation point 3. FIG. As shown in FIG. 5d, the effective current flowing through the resonance coil Lr is reduced due to the effect of reducing the switching frequency fsw, so that the input power is reduced. When the switching frequency fsw reaches f4, the minimum input power Pmin is obtained.

以上,説明したように,電源装置1では,軽負荷時にスイッチング周波数を共振周波数より低い範囲に低減させ,スイッチング損失を低減させる。   As described above, in the power supply device 1, the switching frequency is reduced to a range lower than the resonance frequency at a light load, thereby reducing the switching loss.

続けて,実施例2について説明する。基本的な構成は,実施例1と同じであるが,本実施例では,第1のモード時に,スイッチング周波数fswを,共振周波数frの1/2以下の範囲まで低減させる。   Next, Example 2 will be described. The basic configuration is the same as that of the first embodiment, but in this embodiment, the switching frequency fsw is reduced to a range of ½ or less of the resonance frequency fr in the first mode.

図6〜図8を用いて,本実施例における,電源装置1の動作について説明する。   The operation of the power supply device 1 according to this embodiment will be described with reference to FIGS.

図6aは,本実施例における,入力電力Pinとスイッチング周波数fswの関係を示した概念図である。同図において,Pminは最小入力電力,Pthは閾値電力,Pmaxは定格入力電力,f1は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f2は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの下限値,f5は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f6は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswの下限値である。   FIG. 6A is a conceptual diagram showing the relationship between the input power Pin and the switching frequency fsw in the present embodiment. In the figure, Pmin is the minimum input power, Pth is the threshold power, Pmax is the rated input power, f1 is the upper limit value of the switching frequency fsw in the second mode, f2 is the lower limit value of the switching frequency fsw in the second mode, f5 Is the upper limit value of the switching frequency fsw in the first mode, and f6 is the lower limit value of the switching frequency fsw in the first mode.

本実施例では,実施例1と異なり,第1のモードにおいて,スイッチング周波数fswを,共振周波数frの1/2以下の範囲まで低減させる。まず,定格電力Pmaxが電源装置1に入力される時は,スイッチング周波数fswは共振周波数frより高い周波数f2で動作している。その後,スイッチング周波数fswを増加させることにより,入力電力Pinを絞っていく。そして,入力電力Pinが閾値電力Pthに達した時,スイッチング周波数fswを共振周波数frよりも低いf6へとシフトさせる。この時,本実施例では,f6は共振周波数frの1/2よりも低く,共振周波数frの1/3よりも高い範囲,即ち1/2fr〜1/3frに設定する。その後,スイッチング周波数fswを増加させることで入力電力Pinを絞り,スイッチング周波数fswがf5となった時に,下限入力電力Pminに達する。   In the present embodiment, unlike the first embodiment, in the first mode, the switching frequency fsw is reduced to a range of 1/2 or less of the resonance frequency fr. First, when the rated power Pmax is input to the power supply device 1, the switching frequency fsw operates at a frequency f2 higher than the resonance frequency fr. Thereafter, the input power Pin is reduced by increasing the switching frequency fsw. When the input power Pin reaches the threshold power Pth, the switching frequency fsw is shifted to f6 that is lower than the resonance frequency fr. At this time, in this embodiment, f6 is set to a range lower than 1/2 of the resonance frequency fr and higher than 1/3 of the resonance frequency fr, that is, 1 / 2fr to 1 / 3fr. Thereafter, the input power Pin is reduced by increasing the switching frequency fsw, and reaches the lower limit input power Pmin when the switching frequency fsw becomes f5.

図6bは,本実施例における,入力電力Pinとスイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示した概念図である。本実施例では,入力電力Pinによらず,オン時比率を0.5で固定する。   FIG. 6B is a conceptual diagram showing the relationship between the input power Pin and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2 in the present embodiment. In this embodiment, the on-time ratio is fixed at 0.5 regardless of the input power Pin.

図7は,スイッチング周波数fswと入力電力Pinの関係について,共振回路30の共振特性と併せて示したグラフである。同図において,Pminは最小入力電力,Pthは閾値電力,Pmaxは定格入力電力,f1は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f2は定格電力入力時のスイッチング周波数,f5は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f6は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswの下限値である。本実施例では,入力電力がPth〜Pmaxの範囲である第1のモードでは,スイッチング周波数fswが,共振周波数frより高い共振特性の遅相側を用い,入力電力がPth〜Pminの範囲である第2のモードでは,スイッチング周波数fswを,1/2fr〜1/3frの範囲,即ち三倍共振特性における遅相側を用いる。したがって本実施例では,第1のモードと第2のモードともに,入力電力Pinを減少させる場合,スイッチング周波数fswを増加させる。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the switching frequency fsw and the input power Pin, together with the resonance characteristics of the resonance circuit 30. In the figure, Pmin is the minimum input power, Pth is the threshold power, Pmax is the rated input power, f1 is the upper limit value of the switching frequency fsw in the second mode, f2 is the switching frequency when the rated power is input, and f5 is the first power. The upper limit value of the switching frequency fsw in the mode, and f6 is the lower limit value of the switching frequency fsw in the first mode. In the present embodiment, in the first mode in which the input power is in the range of Pth to Pmax, the switching frequency fsw is in the range of Pth to Pmin, using the slow phase side having the resonance characteristics higher than the resonance frequency fr. In the second mode, the switching frequency fsw is in the range of 1/2 fr to 1/3 fr, that is, the slow phase side in the triple resonance characteristic. Therefore, in this embodiment, when the input power Pin is decreased in both the first mode and the second mode, the switching frequency fsw is increased.

また,本実施例においても実施例1と同様に,閾値電力Pth近傍で入力電力Pinを微調整した場合,スイッチング周波数fswが連続的に急変する。その場合は,スイッチング周波数fswの急変を抑制するため,第1のモードから第2のモードに変化させる閾値電力と,第2のモードから第1のモードに変化させる閾値電力との間に,調節感度(ヒステリシス)を設けた方が良い。   Also in the present embodiment, similarly to the first embodiment, when the input power Pin is finely adjusted in the vicinity of the threshold power Pth, the switching frequency fsw continuously changes suddenly. In this case, in order to suppress a sudden change in the switching frequency fsw, the adjustment is made between the threshold power for changing from the first mode to the second mode and the threshold power for changing from the second mode to the first mode. It is better to provide sensitivity (hysteresis).

次に,図8を用いて,スイッチング素子Q1,Q2と共振コイルLrに流れる電流との関係を説明する。図8a,図8bは,それぞれ図5,図6に示す動作点1,動作点2における動作波形を示している。スイッチング素子Q1,Q2は共振コイルLrと共振コンデンサCr1,Cr2による共振電流を遮断する動作となっている。   Next, the relationship between the switching elements Q1, Q2 and the current flowing through the resonance coil Lr will be described with reference to FIG. 8a and 8b show operation waveforms at the operation points 1 and 2 shown in FIGS. 5 and 6, respectively. The switching elements Q1 and Q2 operate to cut off the resonance current by the resonance coil Lr and the resonance capacitors Cr1 and Cr2.

図8cは,図6,図7に示す動作点3における動作波形を示しており,動作点2と同じ入力電力のまま,スイッチング周波数fswを共振周波数frよりも低いf6に低下させた条件における動作波形を示している。f6がfrの半分の値,即ち1/2frよりも低いため,スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング半周期内に,共振電流が1周期以上流れる動作となっている。   FIG. 8c shows the operation waveform at the operation point 3 shown in FIGS. 6 and 7, and the operation under the condition that the switching frequency fsw is lowered to f6 lower than the resonance frequency fr while keeping the same input power as the operation point 2. The waveform is shown. Since f6 is lower than half of fr, that is, ½fr, the resonance current flows for one period or more in the switching half cycle of the switching elements Q1 and Q2.

図8dは,図6,図7に示す動作点4における動作波形を示しており,動作点6からさらに入力電力を絞った時の動作波形を示している。図8dに示すように,スイッチング周波数fswを低減させた効果により,共振コイルLrに流れる電流が減少するため,入力電力が減少する。そして,スイッチング周波数fswがf5に達した時,最小入力電力Pminとなる。   FIG. 8 d shows an operation waveform at the operation point 4 shown in FIGS. 6 and 7, and shows an operation waveform when the input power is further reduced from the operation point 6. As shown in FIG. 8d, due to the effect of reducing the switching frequency fsw, the current flowing through the resonance coil Lr is reduced, so that the input power is reduced. When the switching frequency fsw reaches f5, the minimum input power Pmin is obtained.

以上,説明したように,本実施例では,実施例1よりも更に軽負荷時のスイッチング周波数を低減することができ,軽負荷時の効率を更に高くできる。   As described above, in this embodiment, the switching frequency at light load can be further reduced as compared with Embodiment 1, and the efficiency at light load can be further increased.

また,実施例1と実施例2を応用させることにより,第1のモードでは,共振回路30の多倍共振特性により生じるいずれの共振部においても,進相側,遅相側ともに用いることができる。即ち,第1のモードでは,スイッチング周波数fswが共振周波数frより低いいずれの範囲においても,本発明を適用可能である。   Further, by applying the first embodiment and the second embodiment, in the first mode, both the fast phase side and the slow phase side can be used in any resonance part generated by the multiple resonance characteristic of the resonance circuit 30. . That is, in the first mode, the present invention can be applied in any range where the switching frequency fsw is lower than the resonance frequency fr.

続けて,実施例3について説明する。基本的な構成は,実施例1と同じであるが,本実施例では,第1のモード時に,スイッチング周波数fswを,共振周波数fr以下の範囲まで低減させ,且つ,第1のモードにおいて,一方のスイッチング素子のオン時比率を0.5より低い範囲で動作させ,他方のスイッチング素子のオン時比率を0.5より高い範囲で動作させることで,入力電力を調整する。   Next, Example 3 will be described. The basic configuration is the same as that of the first embodiment, but in this embodiment, the switching frequency fsw is reduced to a range below the resonance frequency fr in the first mode, and in the first mode, The input power is adjusted by operating the on-time ratio of the switching element in a range lower than 0.5 and operating the other switching element in the range higher than 0.5.

本実施例では,第1のモードにおいて,スイッチング素子Q1のオン時比率dutyQ1を低減させ,スイッチング素子Q2のオン時比率dutyQ2を増加させた場合の動作について述べる。   In this embodiment, the operation when the on-time ratio dutyQ1 of the switching element Q1 is reduced and the on-time ratio dutyQ2 of the switching element Q2 is increased in the first mode will be described.

図9〜図11を用いて,本実施例における,電源装置1の動作について説明する。   The operation of the power supply device 1 in this embodiment will be described with reference to FIGS.

図9aは,本実施例における,入力電力Pinとスイッチング周波数fswの関係を示した概念図である。同図において,Pminは最小入力電力,Pthは閾値電力,Pmaxは定格入力電力,f1は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f2は定格電力入力時のスイッチング周波数,f7は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswである。   FIG. 9a is a conceptual diagram showing the relationship between the input power Pin and the switching frequency fsw in the present embodiment. In the figure, Pmin is the minimum input power, Pth is the threshold power, Pmax is the rated input power, f1 is the upper limit value of the switching frequency fsw in the second mode, f2 is the switching frequency when the rated power is input, and f7 is the first power. The switching frequency fsw in the mode.

本実施例では,実施例1と異なり,第1のモードにおいて,スイッチング周波数fswを,共振周波数fr以下の範囲に低減させ,固定周波数f7で動作させる。まず,定格電力Pmaxが電源装置1に入力される時は,スイッチング周波数fswは共振周波数frより高い周波数f2で動作している。その後,スイッチング周波数fswを増加させることにより,入力電力Pinを絞っていく。そして,入力電力Pinが閾値電力Pthに達した時,スイッチング周波数fswを共振周波数frよりも低いf7へとシフトさせる。この時,本実施例では,第1のモードにおいて,スイッチング周波数fswを固定周波数f7として動作させ,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2を変化させる。   In the present embodiment, unlike the first embodiment, in the first mode, the switching frequency fsw is reduced to a range below the resonance frequency fr and the operation is performed at the fixed frequency f7. First, when the rated power Pmax is input to the power supply device 1, the switching frequency fsw operates at a frequency f2 higher than the resonance frequency fr. Thereafter, the input power Pin is reduced by increasing the switching frequency fsw. When the input power Pin reaches the threshold power Pth, the switching frequency fsw is shifted to f7 that is lower than the resonance frequency fr. At this time, in this embodiment, in the first mode, the switching frequency fsw is operated as the fixed frequency f7, and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2 are changed.

図9bは,本実施例における,入力電力Pinとスイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示した概念図である。本実施例では,入力電力PinがPmax〜Pthである第2のモードでは,スイッチング素子Q1,Q2ともにオン時比率を0.5で固定させる。そして,入力電力PinがPthより低い第1のモードでは,スイッチング素子Q1のオン時比率dutyQ1を低減させ,スイッチング素子Q2のオン時比率dutyQ2を増加させることで入力電力Pinを絞り,dutyQ1がdutyminに,またdutyQ2がdutymaxに達した時に,下限入力電力Pminに達する。   FIG. 9b is a conceptual diagram showing the relationship between the input power Pin and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2 in the present embodiment. In the present embodiment, in the second mode in which the input power Pin is Pmax to Pth, the on-time ratio is fixed at 0.5 for both the switching elements Q1 and Q2. In the first mode in which the input power Pin is lower than Pth, the input power Pin is reduced by reducing the on-time ratio dutyQ1 of the switching element Q1 and increasing the on-time ratio dutyQ2 of the switching element Q2, so that the dutyQ1 becomes dutymin. When the duty Q2 reaches the duty max, the lower limit input power Pmin is reached.

図10aは,スイッチング周波数fswと入力電力Pinの関係について,共振回路30の共振特性と併せて示したグラフである。同図において,Pthは閾値電力,Pmaxは定格入力電力,f1は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f2は定格電力出力時のスイッチング周波数,f7は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswである。本実施例では,入力電力がPth〜Pmaxの範囲である第2のモードでは,スイッチング周波数fswが,共振周波数frより高い共振特性の遅相側を用い,入力電力がPth〜Pminの範囲である第1のモードでは,スイッチング周波数fswが,共振周波数frより低い,固定周波数で動作させる。   FIG. 10 a is a graph showing the relationship between the switching frequency fsw and the input power Pin, together with the resonance characteristics of the resonance circuit 30. In the figure, Pth is the threshold power, Pmax is the rated input power, f1 is the upper limit value of the switching frequency fsw in the second mode, f2 is the switching frequency at the rated power output, and f7 is the switching frequency fsw in the first mode. is there. In the present embodiment, in the second mode in which the input power is in the range of Pth to Pmax, the switching frequency fsw is on the slow phase side having a resonance characteristic higher than the resonance frequency fr, and the input power is in the range of Pth to Pmin. In the first mode, the switching frequency fsw is operated at a fixed frequency lower than the resonance frequency fr.

図10bは,本実施例における,入力電力Pinとスイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示したグラフである。本実施例では,入力電力PinがPmax〜Pthである第2のモードにおいては,dutyQ1を0.5に固定させる。入力電力PinがPth〜Pminである第1のモードにおいては,dutyQ1を0.5より低い範囲で動作させ,dutyQ2を0.5より高い範囲で動作させる。   FIG. 10B is a graph showing the relationship between the input power Pin and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2 in the present embodiment. In the present embodiment, the duty Q1 is fixed to 0.5 in the second mode in which the input power Pin is Pmax to Pth. In the first mode in which the input power Pin is Pth to Pmin, the duty Q1 is operated in a range lower than 0.5, and the duty Q2 is operated in a range higher than 0.5.

また,本実施例においても実施例1,実施例2と同様に,閾値電力Pth近傍で入力電力Pinを微調整した場合,スイッチング周波数fswが連続的に急変する。その場合は,スイッチング周波数fswの急変を抑制するため,第1のモードから第2のモードに変化させる閾値電力と,第2のモードから第1のモードに変化させる閾値電力との間に,調節感度(ヒステリシス)を設けた方が良い。   Also in this embodiment, as in the first and second embodiments, when the input power Pin is finely adjusted in the vicinity of the threshold power Pth, the switching frequency fsw changes continuously and suddenly. In this case, in order to suppress a sudden change in the switching frequency fsw, the adjustment is made between the threshold power for changing from the first mode to the second mode and the threshold power for changing from the second mode to the first mode. It is better to provide sensitivity (hysteresis).

次に,図11を用いて,スイッチング素子Q1,Q2と共振コイルLrに流れる電流との関係を説明する。図11a,図11bは,それぞれ図9,図10に示す動作点1,動作点2における動作波形を示している。スイッチング素子Q1,Q2は共振コイルLrと共振コンデンサCr1,Cr2による共振電流を遮断する動作となっている。   Next, the relationship between the switching elements Q1, Q2 and the current flowing through the resonance coil Lr will be described with reference to FIG. 11a and 11b show operation waveforms at the operation point 1 and the operation point 2 shown in FIGS. 9 and 10, respectively. The switching elements Q1 and Q2 operate to cut off the resonance current by the resonance coil Lr and the resonance capacitors Cr1 and Cr2.

図11cは,図9,図10に示す動作点3における動作波形を示しており,動作点2と同じ入力電力のまま,スイッチング周波数fswを共振周波数frよりも低いf7に低下させた条件における動作波形を示している。f7がfrよりも低いため,スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング半周期内に,共振電流が半周期以上流れる動作となっている。   FIG. 11c shows the operation waveform at the operation point 3 shown in FIGS. 9 and 10, and the operation under the condition that the switching frequency fsw is lowered to f7 lower than the resonance frequency fr while maintaining the same input power as that of the operation point 2. The waveform is shown. Since f7 is lower than fr, the resonance current flows in the switching half cycle of the switching elements Q1, Q2 for more than a half cycle.

図11dは,図9,図10に示す動作点4における動作波形を示しており,動作点3からさらに入力電力を絞った時の動作波形を示している。図11dに示すように,スイッチング素子Q1のオン時比率dutyQ1を減少させた効果により,共振コイルLrに流れる実効電流は減少するため,入力電力が減少する。ここで,dutyminを0と設定した場合,スイッチング素子Q1のオン時比率dutyQ1が0となった時,入力電力も0となる。   FIG. 11 d shows an operation waveform at the operation point 4 shown in FIGS. 9 and 10, and shows an operation waveform when the input power is further reduced from the operation point 3. As shown in FIG. 11d, the effective current flowing through the resonance coil Lr is reduced due to the effect of reducing the on-time ratio dutyQ1 of the switching element Q1, so that the input power is reduced. Here, when dutymin is set to 0, when the on-time ratio dutyQ1 of the switching element Q1 becomes 0, the input power also becomes 0.

以上,説明したように,本実施例では,実施例1,2と同様,広い負荷範囲での動作を可能としながら,軽負荷時のスイッチング周波数を低減することができ,軽負荷時の効率を高くできる。   As described above, in this embodiment, as in Embodiments 1 and 2, the switching frequency at light load can be reduced while enabling operation in a wide load range, and the efficiency at light load can be reduced. Can be high.

なお,第1のモードにおいて,スイッチング素子Q2のオン時比率dutyQ2を増加させ,スイッチング素子Q1のオン時比率dutyQ1を低減させた場合においても,本実施例に記した効果が得られる。また,本発明において,Pth近傍で入力電力Pinを微調整した場合,スイッチング周波数fswが連続的に急変するが,その場合はPthに幅を持たせ,切り替わり点にヒステリシス特性を持たせることでスイッチング周波数fswの急変を抑制することが可能である。   In the first mode, even when the on-time ratio dutyQ2 of the switching element Q2 is increased and the on-time ratio dutyQ1 of the switching element Q1 is decreased, the effects described in this embodiment can be obtained. In the present invention, when the input power Pin is finely adjusted in the vicinity of Pth, the switching frequency fsw continuously changes suddenly. In this case, the switching is performed by giving a width to Pth and giving a hysteresis characteristic at the switching point. It is possible to suppress a sudden change in the frequency fsw.

続けて,実施例4について説明する。基本的な構成は,実施例1と同じであるが,本実施例では,第1のモード時に,スイッチング周波数fswを,共振周波数fr以下の範囲まで低減させ,且つ,第1のモードにおいて,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2を共に0.5より低い範囲で動作させることで,入力電力を調整する。     Next, Example 4 will be described. The basic configuration is the same as that of the first embodiment, but in this embodiment, the switching frequency fsw is reduced to a range below the resonance frequency fr in the first mode, and the switching is performed in the first mode. The input power is adjusted by operating the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the elements Q1 and Q2 in a range lower than 0.5.

図12〜図14を用いて,本実施例における,電源装置1の動作について説明する。   The operation of the power supply device 1 according to the present embodiment will be described with reference to FIGS.

図12aは,本実施例における,入力電力Pinとスイッチング周波数fswの関係を示した概念図である。同図において,Pminは最小入力電力,Pthは閾値電力,Pmaxは定格入力電力,f1は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f2は定格電力出力時のスイッチング周波数,f8は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswである。   FIG. 12A is a conceptual diagram showing the relationship between the input power Pin and the switching frequency fsw in the present embodiment. In the figure, Pmin is the minimum input power, Pth is the threshold power, Pmax is the rated input power, f1 is the upper limit value of the switching frequency fsw in the second mode, f2 is the switching frequency at the rated power output, and f8 is the first power. The switching frequency fsw in the mode.

本実施例では,実施例3と同様,第1のモードにおいて,スイッチング周波数fswを,共振周波数fr以下の範囲に低減させ,固定周波数で動作させる。まず,定格電力Pmaxが電源装置1に入力される時は,スイッチング周波数fswは共振周波数frより高い範囲で動作している。その後,スイッチング周波数fswを増加させることにより,入力電力Pinを絞っていく。そして,入力電力Pinが閾値電力Pthに達した時,スイッチング周波数fswを共振周波数frよりも低いf8へとシフトさせる。この時,本実施例では,第1のモードにおいて,スイッチング周波数fswを固定周波数f8として動作させ,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2を変化させる。   In the present embodiment, as in the third embodiment, in the first mode, the switching frequency fsw is reduced to a range below the resonance frequency fr and is operated at a fixed frequency. First, when the rated power Pmax is input to the power supply device 1, the switching frequency fsw operates in a range higher than the resonance frequency fr. Thereafter, the input power Pin is reduced by increasing the switching frequency fsw. When the input power Pin reaches the threshold power Pth, the switching frequency fsw is shifted to f8 that is lower than the resonance frequency fr. At this time, in this embodiment, in the first mode, the switching frequency fsw is operated as the fixed frequency f8, and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2 are changed.

図12bは,本実施例における,入力電力Pinとスイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示した概念図である。本実施例では,入力電力PinがPmax〜Pthである第2のモードでは,スイッチング素子Q1,Q2ともにオン時比率を0.5で固定させる。そして,入力電力PinがPthより低い第1のモードでは,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2を共に減少させ,dutyQ1,dutyQ2がdutyminに達した時に,下限入力電力Pminに達する。   FIG. 12B is a conceptual diagram showing the relationship between the input power Pin and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2 in the present embodiment. In the present embodiment, in the second mode in which the input power Pin is Pmax to Pth, the on-time ratio is fixed at 0.5 for both the switching elements Q1 and Q2. In the first mode in which the input power Pin is lower than Pth, the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2 are both reduced, and when the dutyQ1 and dutyQ2 reach the dutymin, the lower limit input power Pmin is reached.

図13aは,スイッチング周波数fswと入力電力Pinの関係について,共振回路30の共振特性と併せて示したグラフである。同図において,Pthは閾値電力,Pmaxは定格入力電力,f1は第2のモードにおけるスイッチング周波数fswの上限値,f2は定格電力出力時のスイッチング周波数,f8は第1のモードにおけるスイッチング周波数fswである。本実施例では,入力電力がPth〜Pmaxの範囲である第2のモードでは,スイッチング周波数fswが,共振周波数frより高い共振特性の遅相側を用い,入力電力がPth〜Pminの範囲である第1のモードでは,スイッチング周波数fswが,共振周波数frより低い,固定周波数で動作させる。   FIG. 13 a is a graph showing the relationship between the switching frequency fsw and the input power Pin together with the resonance characteristics of the resonance circuit 30. In the figure, Pth is the threshold power, Pmax is the rated input power, f1 is the upper limit value of the switching frequency fsw in the second mode, f2 is the switching frequency at the rated power output, and f8 is the switching frequency fsw in the first mode. is there. In the present embodiment, in the second mode in which the input power is in the range of Pth to Pmax, the switching frequency fsw is on the slow phase side having a resonance characteristic higher than the resonance frequency fr, and the input power is in the range of Pth to Pmin. In the first mode, the switching frequency fsw is operated at a fixed frequency lower than the resonance frequency fr.

図13bは,本実施例における,入力電力Pinとスイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,dutyQ2の関係を示したグラフである。本実施例では,入力電力PinがPmax〜Pthである第2のモードにおいては,dutyQ1を0.5に固定させ,入力電力PinがPth〜Pminである第1のモードにおいては,dutyQ1,dutyQ2を共に0.5より低い範囲で動作させる。   FIG. 13b is a graph showing the relationship between the input power Pin and the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of the switching elements Q1 and Q2 in the present embodiment. In the present embodiment, in the second mode in which the input power Pin is Pmax to Pth, the duty Q1 is fixed to 0.5, and in the first mode in which the input power Pin is Pth to Pmin, the duty Q1 and the duty Q2 are set. Both are operated in a range lower than 0.5.

また,本実施例においても実施例1〜実施例3と同様に,閾値電力Pth近傍で入力電力Pinを微調整した場合,スイッチング周波数fswが連続的に急変する。その場合は,スイッチング周波数fswの急変を抑制するため,第1のモードから第2のモードに変化させる閾値電力と,第2のモードから第1のモードに変化させる閾値電力との間に,調節感度(ヒステリシス)を設けた方が良い。   Also in this embodiment, as in the first to third embodiments, when the input power Pin is finely adjusted in the vicinity of the threshold power Pth, the switching frequency fsw changes continuously and suddenly. In this case, in order to suppress a sudden change in the switching frequency fsw, the adjustment is made between the threshold power for changing from the first mode to the second mode and the threshold power for changing from the second mode to the first mode. It is better to provide sensitivity (hysteresis).

次に,図14を用いて,スイッチング素子Q1,Q2と共振コイルLrに流れる電流との関係を説明する。図14a,図14bは,それぞれ図12,図13に示す動作点1,動作点2における動作波形を示している。スイッチング素子Q1,Q2は,共振コイルLrと共振コンデンサCrによる共振電流を遮断する動作となっている。   Next, the relationship between the switching elements Q1, Q2 and the current flowing through the resonance coil Lr will be described with reference to FIG. 14a and 14b show operation waveforms at the operation points 1 and 2 shown in FIGS. 12 and 13, respectively. The switching elements Q1 and Q2 operate to cut off the resonance current caused by the resonance coil Lr and the resonance capacitor Cr.

図14cは,図12,図13に示す動作点3における動作波形を示しており,動作点2と同じ入力電力のまま,スイッチング周波数fswを共振周波数frよりも低いf8に低下させた条件における動作波形を示している。f8がfrよりも低いため,スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング半周期内に,共振電流が半周期以上流れる動作となっている。   FIG. 14c shows the operation waveform at the operation point 3 shown in FIGS. 12 and 13, and the operation under the condition that the switching frequency fsw is lowered to f8 lower than the resonance frequency fr while maintaining the same input power as the operation point 2. The waveform is shown. Since f8 is lower than fr, the resonance current flows in the switching half cycle of the switching elements Q1, Q2 for more than a half cycle.

図14dは,図12,図13に示す動作点4における動作波形を示しており,動作点3からさらに入力電力を絞った時の動作波形を示している。図13dに示すように,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,Q2を減少させた効果により,共振コイルLrに流れる実効電流は減少するため,入力電力が減少する。そして,スイッチング素子Q1,Q2のオン時比率dutyQ1,Q2が0となった時,入力電力も0となる。   FIG. 14 d shows an operation waveform at the operation point 4 shown in FIGS. 12 and 13, and shows an operation waveform when the input power is further reduced from the operation point 3. As shown in FIG. 13d, the effective current flowing through the resonance coil Lr is reduced due to the effect of reducing the on-time ratios duty Q1 and Q2 of the switching elements Q1 and Q2, so that the input power is reduced. When the on-duty ratios Duty Q1 and Q2 of the switching elements Q1 and Q2 are 0, the input power is also 0.

以上,説明したように,本実施例では,実施例1〜3と同様,広い負荷範囲での動作を可能としながら,軽負荷時のスイッチング周波数を低減することができ,軽負荷時の効率を高くできる。また,本発明において,Pth近傍で入力電力Pinを微調整した場合,スイッチング周波数fswが連続的に急変するが,その場合はPthに幅を持たせ,切り替わり点にヒステリシス特性を持たせることでスイッチング周波数fswの急変を抑制することが可能である。   As described above, in this embodiment, as in Embodiments 1 to 3, the switching frequency at light load can be reduced while enabling operation in a wide load range, and the efficiency at light load can be reduced. Can be high. In the present invention, when the input power Pin is finely adjusted in the vicinity of Pth, the switching frequency fsw continuously changes suddenly. In this case, the switching is performed by giving a width to Pth and giving a hysteresis characteristic at the switching point. It is possible to suppress a sudden change in the frequency fsw.

図15は,実施例5における電源装置2の回路構成図である。この電源装置2は,直流電源10の電圧を入力するスイッチング回路21,共振回路31,整流回路24,整流回路からの出力電力検出手段41,スイッチング回路が備えたスイッチング素子のオン・オフ状態を制御する制御部50,負荷60によって構成されており,直流電源10から負荷60に給電する。   FIG. 15 is a circuit configuration diagram of the power supply device 2 according to the fifth embodiment. This power supply device 2 controls the ON / OFF state of the switching element provided in the switching circuit 21, the resonance circuit 31, the rectifier circuit 24, the output power detection means 41 from the rectifier circuit, and the switching circuit that inputs the voltage of the DC power source 10. The control unit 50 and the load 60 are configured to supply power to the load 60 from the DC power supply 10.

スイッチング回路21は,上アームスイッチング素子Q1と下アームスイッチング素子Q2をノードNd5で直列接続したスイッチングレッグ22と,上アームスイッチング素子Q3と下アームスイッチング素子Q4をノードNd6で直列接続したスイッチングレッグ23とを並列接続し,スイッチングレッグ21,22の両端間,即ちノードNd1,Nd2間をスイッチング回路21の入力とし,ノードNd5,Nd6間をスイッチング回路21の出力としている。このスイッチング回路21は,実施例1のスイッチング回路20と比べ,スイッチング素子の耐圧が低くなるという利点がある。   The switching circuit 21 includes a switching leg 22 in which an upper arm switching element Q1 and a lower arm switching element Q2 are connected in series at a node Nd5, and a switching leg 23 in which an upper arm switching element Q3 and a lower arm switching element Q4 are connected in series at a node Nd6. Are connected in parallel, and both ends of the switching legs 21 and 22, that is, between the nodes Nd 1 and Nd 2 are input to the switching circuit 21, and between the nodes Nd 5 and Nd 6 are output to the switching circuit 21. The switching circuit 21 has an advantage that the withstand voltage of the switching element is lower than the switching circuit 20 of the first embodiment.

スイッチング回路21の出力には,共振コイルLrと,トランスTrの巻線N1と,共振コンデンサCrが接続されている。ここで,巻線N1と並列に,トランスTrの励磁インダクタンスLmを定義している。ここで,本実施例の電源装置2においては,共振コイルLrと共振コンデンサCrは,スイッチング回路21の出力と,平滑コンデンサC1の間に存在すれば良く,例えば共振コイルLrを巻線N2と直列に挿入してもよい。また,共振コイルLrとして,トランスTrの漏れインダクタンスを利用してもよい。   The output of the switching circuit 21 is connected to a resonance coil Lr, a winding N1 of a transformer Tr, and a resonance capacitor Cr. Here, the exciting inductance Lm of the transformer Tr is defined in parallel with the winding N1. Here, in the power supply device 2 of the present embodiment, the resonance coil Lr and the resonance capacitor Cr only need to exist between the output of the switching circuit 21 and the smoothing capacitor C1, for example, the resonance coil Lr is connected in series with the winding N2. May be inserted. Further, the leakage inductance of the transformer Tr may be used as the resonance coil Lr.

巻線N1と磁気結合した巻線N2は,ダイオードD3〜D6をブリッジ接続した整流回路24の入力に接続され,整流回路24の出力には平滑コンデンサC1が接続されている。負荷60は,平滑コンデンサC1に並列接続され,電源装置2は,直流電源10から入力した電力を平滑コンデンサC1の両端に出力する。平滑コンデンサC1には,出力電力検出手段41が接続され,電力検出手段41は,制御部50に接続されている。   A winding N2 magnetically coupled to the winding N1 is connected to an input of a rectifier circuit 24 in which diodes D3 to D6 are bridge-connected, and a smoothing capacitor C1 is connected to an output of the rectifier circuit 24. The load 60 is connected in parallel to the smoothing capacitor C1, and the power supply device 2 outputs the power input from the DC power supply 10 to both ends of the smoothing capacitor C1. An output power detection means 41 is connected to the smoothing capacitor C1, and the power detection means 41 is connected to the control unit 50.

この電源装置2は,フルブリッジ接続されたスイッチング素子Q1〜Q4により,巻線N1に電圧を印加し,巻線N2に生じた電圧をダイオードD3〜D6を介して平滑コンデンサC1に印加し負荷60に出力する。   The power supply device 2 applies a voltage to the winding N1 by the switching elements Q1 to Q4 connected in a full bridge, and applies a voltage generated in the winding N2 to the smoothing capacitor C1 via the diodes D3 to D6. Output to.

このスイッチング回路21は,上アーム側のスイッチング素子Q1,Q3と下アーム側のスイッチング素子Q2,Q4とが,相互に逆のオン・オフ駆動を行うことで,実施例1〜4に示す,スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2のオン・オフ駆動と同様の回路動作が実現可能である。   In this switching circuit 21, the switching elements Q1 and Q3 on the upper arm side and the switching elements Q2 and Q4 on the lower arm side perform on / off driving opposite to each other. A circuit operation similar to the on / off drive of the element Q1 and the switching element Q2 can be realized.

また,実施例3,4に示すオン時比率を絞る際は,スイッチングレッグ21のオン・オフ駆動と,スイッチングレッグ22のオン・オフ駆動との位相をずらす,一般的な位相シフト方式を適用することで,実施例3,4に示すQ1のオン時比率dutyQ1,dutyQ2を可変する動作を実現可能である。   Further, when the on-time ratio shown in the third and fourth embodiments is reduced, a general phase shift method is used in which the phases of the on / off drive of the switching leg 21 and the on / off drive of the switching leg 22 are shifted. Thus, the operation of varying the on-time ratios dutyQ1 and dutyQ2 of Q1 shown in the third and fourth embodiments can be realized.

以上,説明したように,本発明の電源装置は,直流電源と,前記直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と,前記スイッチング回路の動作を制御する制御部と,共振コイルLr,共振コンデンサCrから成る共振回路を備え,前記制御部は,前記スイッチング回路への入力電力Pinが,所定の閾値電力Pthよりも小さい場合には,前記スイッチング回路のスイッチング周波数fswは,前記共振回路の共振周波数frより低い第1のモードとなる様に制御し,前記スイッチング回路への入力電力Pinが,所定の閾値電力Pthよりも大きい場合には,前記スイッチング回路のスイッチング周波数fswが共振周波数frより高くなる第2のモードとなる様に制御する。これにより,広い出力電力範囲での動作を可能としつつ,軽負荷時のスイッチング周波数の増加を低減し,高い効率を得ることができる。   As described above, the power supply device of the present invention includes a DC power supply, a switching circuit that converts a DC voltage from the DC power supply into an AC voltage, a control unit that controls the operation of the switching circuit, and a resonance coil Lr. , A resonance circuit including a resonance capacitor Cr, and when the input power Pin to the switching circuit is smaller than a predetermined threshold power Pth, the control unit sets the switching frequency fsw of the switching circuit to the resonance circuit. If the input power Pin to the switching circuit is larger than a predetermined threshold power Pth, the switching frequency fsw of the switching circuit is set to the resonance frequency fr. Control is performed so that the second mode becomes higher. As a result, an increase in the switching frequency at light load can be reduced and high efficiency can be obtained while enabling operation in a wide output power range.

本発明は,高周波スイッチング回路から共振要素を備えた回路に電流を流す装置に広く適用して効果を得ることが可能である。例えば,誘導加熱装置やLED照明,太陽電池や燃料電池の電力を変換するコンバータや,サーバー等の情報機器向け電源,電気自動車の充電器やDC−DCコンバータ,非接触給電装置,X線管用電源やレーザー加工機用電源,バッテリー充放電用の双方向コンバータなど,高周波インバータを用いた共振形の電源装置に広く適用できる。   The present invention can be applied to a wide range of devices that allow a current to flow from a high-frequency switching circuit to a circuit having a resonance element, thereby obtaining an effect. For example, induction heating devices, LED lighting, converters that convert the power of solar cells and fuel cells, power supplies for information devices such as servers, chargers and DC-DC converters for electric vehicles, non-contact power supply devices, power supplies for X-ray tubes It can be widely applied to resonance-type power supply devices using high-frequency inverters, such as power supplies for laser machines and bidirectional converters for battery charging and discharging.

1,2…電源装置,20,21…スイッチング回路,22,23…スイッチングレッグ,24…整流回路,30,31…共振回路,40,41…電力検出手段,50…制御部,60…負荷,Q1,Q2,Q3,Q4…スイッチング素子,D1,D2,D3,D4,D5,D6…ダイオード,Lr…共振コイル,Cr,Cr1,Cr2…共振コンデンサ,C1…平滑コンデンサ,Tr…トランス,Lm…励磁インダクタンス,N1,N2…巻線,Nd1,Nd2,Nd3,Nd4,Nd5,Nd6…ノード。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1, 2 ... Power supply device 20, 21 ... Switching circuit, 22, 23 ... Switching leg, 24 ... Rectifier circuit, 30, 31 ... Resonance circuit, 40, 41 ... Power detection means, 50 ... Control part, 60 ... Load, Q1, Q2, Q3, Q4 ... switching element, D1, D2, D3, D4, D5, D6 ... diode, Lr ... resonant coil, Cr, Cr1, Cr2 ... resonant capacitor, C1 ... smoothing capacitor, Tr ... transformer, Lm ... Excitation inductance, N1, N2 ... winding, Nd1, Nd2, Nd3, Nd4, Nd5, Nd6 ... node.

Claims (9)

直流電源と,前記直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と,前記スイッチング回路の交流端子間に接続された共振コンデンサ及び共振インダクタからなる共振回路と,前記スイッチング回路の動作を制御する制御部とを備え,
前記制御部は,前記スイッチング回路への入力電力が,所定の閾値電力よりも小さい場合には,前記スイッチング回路のスイッチング周波数は,前記共振回路の共振周波数より低い第1のモードとなる様に制御し,
前記スイッチング回路への入力電力が,所定の閾値電力よりも大きい場合には,前記スイッチング回路のスイッチング周波数が前記共振回路の共振周波数より高くなる第2のモードとなる様に制御することを特徴とする電源装置。
A DC power supply, a switching circuit for converting a DC voltage from the DC power supply to an AC voltage, a resonance circuit including a resonance capacitor and a resonance inductor connected between AC terminals of the switching circuit, and controlling the operation of the switching circuit And a control unit for
When the input power to the switching circuit is smaller than a predetermined threshold power, the control unit controls the switching frequency of the switching circuit to be in a first mode lower than the resonance frequency of the resonance circuit. And
When the input power to the switching circuit is larger than a predetermined threshold power, the switching circuit is controlled to be in a second mode in which the switching frequency is higher than the resonance frequency of the resonance circuit. Power supply.
請求項1に記載の電源装置であって,前記スイッチング回路は,第1,第2のスイッチング素子を直列接続した第1スイッチングレッグと,第1,第2の共振コンデンサを直列接続し,且つ前記第1のスイッチングレッグに並列接続された第1の共振コンデンサ直列接続体を備え,前記第1のスイッチングレッグの両端間を直流端子間とし,前記第1,第2のスイッチング素子の直列接続点と,前記第1,第2の共振コンデンサの直列接続点との間を交流端子間としたことを特徴とする電源装置。   2. The power supply device according to claim 1, wherein the switching circuit includes a first switching leg in which first and second switching elements are connected in series, a first and second resonant capacitor, and the switching circuit. A first resonance capacitor series connection body connected in parallel to the first switching leg, wherein both ends of the first switching leg are between DC terminals, and a series connection point of the first and second switching elements; The power supply device is characterized in that between the first and second resonant capacitors connected in series is between the AC terminals. 請求項1に記載の電源装置であって,前記スイッチング回路は,第3,第4のスイッチング素子を直列接続した第2スイッチングレッグと,第5,第6のスイッチング素子を直列接続し,且つ前記第2のスイッチングレッグに並列接続された第3スイッチングレッグとを備え,前記第2のスイッチングレッグの両端間を直流端子間とし,前記第3,第4のスイッチング素子の直列接続点と前記第5,第6のスイッチング素子の直列接続点との間を交流端子間としたことを特徴とする電源装置。   2. The power supply device according to claim 1, wherein the switching circuit includes a second switching leg in which third and fourth switching elements are connected in series, and fifth and sixth switching elements in series, and A third switching leg connected in parallel to the second switching leg, wherein both ends of the second switching leg are between the DC terminals, and the third connection point of the third and fourth switching elements and the fifth switching leg A power supply device characterized in that a portion between the series connection points of the sixth switching elements is between AC terminals. 請求項1から3のいずれかに記載の電源装置であって,制御部は,第1のモードにおいて,前記スイッチング回路のスイッチング周波数を調整することにより出力電力を調整することを特徴とする電源装置。   4. The power supply device according to claim 1, wherein the control unit adjusts the output power by adjusting a switching frequency of the switching circuit in the first mode. . 請求項1から4のいずれかに記載の電源装置であって,制御部は,第1のモードにおいて,前記スイッチング回路のオン時比率を調整することにより出力電力を調整することを特徴とする電源装置。   5. The power supply device according to claim 1, wherein the control unit adjusts output power by adjusting an on-time ratio of the switching circuit in the first mode. apparatus. 請求項1から5のいずれかに記載の電源装置であって,制御部は,第1のモードにおいて,前記スイッチング回路のオン時間を調整することにより出力電力を調整することを特徴とする電源装置。   6. The power supply device according to claim 1, wherein the control unit adjusts output power by adjusting an on time of the switching circuit in the first mode. . 請求項1から6のいずれかに記載の電源装置であって,前記スイッチング回路の出力に誘導加熱用コイルを備えたことを特徴とする電源装置。   7. The power supply device according to claim 1, further comprising an induction heating coil at an output of the switching circuit. 直流電源と,前記直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と,前記スイッチング回路の出力に接続された1次巻線と,前記1次巻線と2次巻線とを磁気結合させたトランスと,前記2次巻線の電流を整流する整流回路と,前記スイッチング回路の出力と前記整流回路の入力との間に直列に接続された共振コンデンサ及び共振インダクタと,前記スイッチング回路の動作を制御する制御部とを備え,
前記制御部は,前記電源装置からの出力電力が,所定の閾値電力よりも小さい場合には,前記スイッチング回路のスイッチング周波数は,前記共振回路の共振周波数より低い第1のモードとなる様に制御し,
前記電源装置からの出力電力が,所定の閾値電力よりも大きい場合には,前記スイッチング回路のスイッチング周波数が前記共振回路の共振周波数より高くなる第2のモードとなる様に制御することを特徴とする電源装置。
A DC power supply, a switching circuit that converts a DC voltage from the DC power supply to an AC voltage, a primary winding connected to the output of the switching circuit, and the primary and secondary windings are magnetically coupled. A transformer, a rectifier circuit for rectifying the current of the secondary winding, a resonant capacitor and a resonant inductor connected in series between the output of the switching circuit and the input of the rectifier circuit, A control unit for controlling the operation,
When the output power from the power supply device is smaller than a predetermined threshold power, the control unit controls the switching frequency of the switching circuit to be in a first mode lower than the resonance frequency of the resonance circuit. And
When the output power from the power supply device is larger than a predetermined threshold power, control is performed so that the switching mode of the switching circuit becomes a second mode in which the switching frequency is higher than the resonance frequency of the resonance circuit. Power supply.
直流電源と,前記直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と,前記スイッチング回路の交流端子間に接続された共振コンデンサ及び共振インダクタからなる共振回路と,前記スイッチング回路の動作を制御する制御部とを備え,
前記制御部は,スイッチング周波数fswを減少させて入力電圧を減少させる第1のモードと、スイッチング周波数fswを増加させて入力電圧を減少させる第2のモードの両方を用いて前記入力電圧を制御することを特徴とする電源装置。
A DC power supply, a switching circuit for converting a DC voltage from the DC power supply to an AC voltage, a resonance circuit including a resonance capacitor and a resonance inductor connected between AC terminals of the switching circuit, and controlling the operation of the switching circuit And a control unit for
The control unit controls the input voltage using both a first mode in which the input voltage is decreased by decreasing the switching frequency fsw and a second mode in which the input voltage is decreased by increasing the switching frequency fsw. A power supply device characterized by that.
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