JP2017123710A - Non-insulation type step-up switching power supply device - Google Patents

Non-insulation type step-up switching power supply device Download PDF

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a non-insulation type step-up switching power supply device capable of effectively reducing a loss generated at switching by adding an extremely simple circuit.SOLUTION: A non-insulation type step-up switching power supply device comprises: a choke coil L1 and a rectification diode D1 series-connected between input/output terminals; a main switching element Qm connected between their connection point and the ground; and a capacitor Co connected at a cathode side of the rectification diode, and that smooths a step-up voltage generated by connection and disconnection of the main switching element. A partial resonance circuit that supplies a reverse current to the main switching element at turn-on of the main switching element is parallel-connected. The partial resonance circuit is configured by: a first series circuit parallel-connected with the main switching element and that includes a first resonance diode D2 and a second capacitor Cs; and a second series circuit parallel-connected with the second capacitor and that includes a second resonance diode D3, a reactor L2, and a sub switching element Qs.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、非絶縁型昇圧スイッチング電源装置に関する。   The present invention relates to a non-insulated step-up switching power supply device.

特許文献1,2には、非絶縁昇圧型のスイッチング電源装置が開示されている。
図10に示すように、従来の非絶縁昇圧型のスイッチング電源装置は、入出力端子間に直列接続されたチョークコイルL1及び整流ダイオードD1と、チョークコイルL1と整流ダイオードD1との接続点とグランドとの間に接続された主スイッチング素子Qmと、整流ダイオードD1のカソード側に接続され主スイッチング素子Qmが断続されることにより生じる昇圧電圧を平滑化するコンデンサC0と、を備えて構成されていた。
Patent Documents 1 and 2 disclose a non-insulated step-up switching power supply device.
As shown in FIG. 10, the conventional non-insulated step-up switching power supply device includes a choke coil L1 and a rectifier diode D1 connected in series between input and output terminals, a connection point between the choke coil L1 and the rectifier diode D1, and a ground. And a capacitor C0 that is connected to the cathode side of the rectifier diode D1 and smoothes the boosted voltage generated when the main switching element Qm is intermittently connected. .

入力端子に入力電圧Vinが印加された状態で、主スイッチング素子QmがオンされるとチョークコイルL1に電流が流れてエネルギーが蓄積され、その後主スイッチング素子QmがオフされるとチョークコイルL1に蓄積されたエネルギーが入力電圧Vinに重畳して整流ダイオードD1を流れ、コンデンサC0で平滑化されて負荷RLに供給される。   When the input voltage Vin is applied to the input terminal, when the main switching element Qm is turned on, current flows in the choke coil L1 to accumulate energy, and when the main switching element Qm is turned off thereafter, the energy is accumulated in the choke coil L1. The generated energy is superimposed on the input voltage Vin, flows through the rectifier diode D1, is smoothed by the capacitor C0, and is supplied to the load RL.

特開1996−205528号公報Japanese Patent Laid-Open No. 1996-205528 特開2014−128027号公報JP 2014-128027 A

図11には、上述した従来の非絶縁型昇圧スイッチング電源装置をPowerSim社により開発された回路シミュレータPSIMで解析したときの各部の波形図が示されている。   FIG. 11 shows a waveform diagram of each part when the above-described conventional non-insulated step-up switching power supply is analyzed by a circuit simulator PSIM developed by PowerSim.

主スイッチング素子QmとしてNチャネルMOSFETが用いられ、ゲート電圧VGmに正の制御電圧が印加されるとドレインソース間が導通してドレイン電流IDmが流れ、ドレインソース間電圧が出力電圧Voから0Vに低下する。   An N-channel MOSFET is used as the main switching element Qm. When a positive control voltage is applied to the gate voltage VGm, the drain-source becomes conductive, the drain current IDm flows, and the drain-source voltage decreases from the output voltage Vo to 0V. To do.

この間にチョークコイルL1に蓄えられたエネルギーが、主スイッチング素子Qmのオフ時に開放され、入力電圧Vinに重畳して出力電圧VoとなってコンデンサC0に供給される。   The energy stored in the choke coil L1 during this period is released when the main switching element Qm is turned off, and is superposed on the input voltage Vin to be output to the capacitor C0.

例えばPWM制御によって主スイッチング素子Qmのオン/オフのデューティ比を調整することにより所望の出力電圧Voが得られる。   For example, the desired output voltage Vo can be obtained by adjusting the ON / OFF duty ratio of the main switching element Qm by PWM control.

図12には、主スイッチング素子Qmのターンオン時の波形が拡大表示されている。主スイッチング素子Qmにゲート電圧VGmが印加されてターンオンする際に、図中破線で囲まれた領域で電流が流れるため、スイッチング損失が発生していることが判る。   FIG. 12 shows an enlarged waveform when the main switching element Qm is turned on. When the gate voltage VGm is applied to the main switching element Qm and turned on, current flows in a region surrounded by a broken line in the figure, so that it can be seen that switching loss occurs.

図13には、主スイッチング素子Qmのターンオフ時の波形が拡大表示されている。主スイッチング素子Qmに印加されていたゲート電圧VGmが低下してターンオフする際に、図中破線で囲まれた領域で電流が流れるため、同様にスイッチング損失が発生していることが判る。そして、このようなスイッチング時に発生する損失は、スイッチング周波数が高いほど大きくなる。   In FIG. 13, the waveform at the time of turn-off of the main switching element Qm is enlarged and displayed. When the gate voltage VGm applied to the main switching element Qm is lowered and turned off, a current flows in a region surrounded by a broken line in the figure, so that it can be seen that switching loss similarly occurs. And the loss which generate | occur | produces at the time of such switching becomes so large that a switching frequency is high.

このようなスイッチング損失が発生すると昇圧効率が低下するばかりか、回路の温度上昇を招き、そのため放熱部品の増加等によるコストの上昇をもたらすという問題があった。   When such switching loss occurs, there is a problem that not only the boosting efficiency is lowered, but also the temperature of the circuit is increased, and therefore, the cost is increased due to an increase in heat radiation components.

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、極めて簡単な回路を付加することでスイッチング時に発生する損失を効果的に低減することができる非絶縁型昇圧スイッチング電源装置を提供する点にある。   In view of the above-described problems, an object of the present invention is to provide a non-insulated step-up switching power supply device that can effectively reduce a loss generated during switching by adding a very simple circuit.

上述の目的を達成するため、本発明による非絶縁型昇圧スイッチング電源装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項1に記載した通り、入出力端子間に直列接続されたチョークコイル及び整流ダイオードと、前記チョークコイルと整流ダイオードとの接続点とグランドとの間に接続された主スイッチング素子と、前記整流ダイオードのアノード側に接続され前記主スイッチング素子が断続されることにより生じる昇圧電圧を平滑化するコンデンサと、を備えて構成されている非絶縁型昇圧スイッチング電源装置であって、前記主スイッチング素子のターンオン時に前記主スイッチング素子に逆方向電流を供給する部分共振回路が、前記主スイッチング素子と並列に接続されている点にある。   In order to achieve the above-mentioned object, the first characteristic configuration of the non-isolated step-up switching power supply device according to the present invention is connected in series between the input and output terminals as described in claim 1 of the claims. A choke coil, a rectifier diode, a main switching element connected between a connection point of the choke coil and the rectifier diode, and a ground; and the main switching element connected to the anode side of the rectifier diode is interrupted. A non-isolated step-up switching power supply device configured to smooth a generated boost voltage, and a partial resonance circuit that supplies a reverse current to the main switching element when the main switching element is turned on. The main switching element is connected in parallel.

上述の構成によれば、主スイッチング素子のターンオン時に入力端子から主スイッチング素子に流入する電流に抗して、主スイッチング素子と並列に接続された部分共振回路から主スイッチング素子に逆方向電流が供給されるようになり、両電流が略相殺されるようになり、スイッチング損失がほぼゼロになる。   According to the above configuration, a reverse current is supplied to the main switching element from the partial resonance circuit connected in parallel with the main switching element against the current flowing into the main switching element from the input terminal when the main switching element is turned on. As a result, both currents are substantially cancelled, and the switching loss becomes substantially zero.

同第二の特徴構成は、同請求項2に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記部分共振回路は、前記主スイッチング素子と並列に接続され第1共振ダイオードと第2コンデンサとを含む第1直列回路と、前記第2コンデンサと並列に接続され第2共振ダイオードとリアクトルと副スイッチング素子とを含む第2直列回路とで構成されている点にある。   In the second characteristic configuration, as described in claim 2, in addition to the first characteristic configuration described above, the partial resonance circuit is connected in parallel with the main switching element, and the first resonant diode and the second resonant circuit are connected. A first series circuit including a capacitor and a second series circuit connected in parallel with the second capacitor and including a second resonant diode, a reactor, and a sub-switching element.

主スイッチング素子のオフ時に整流ダイオードに向けて流れる電流の一部が第1共振ダイオードを介して第2コンデンサに流れ込み、略出力電圧と同レベルまで充電される。この状態で副スイッチング素子がターンオンすると、第2コンデンサの充電電荷が第2共振ダイオード、リアクトル及び副スイッチング素子を介して放電される。第2コンデンサの充電電荷が放電され、その放電電流がピークから減少に転じた時点で、リアクトルに発生する逆起電力により主スイッチング素子には所定時間負方向の電流が流れる。このときに主スイッチング素子がターンオンすると、当該負方向の電流が主スイッチング素子に流入するので、ターンオン時にスイッチング損失が発生しない。また、副スイッチング素子も共振動作によってスイッチング損失が低減されるようになる。更に主スイッチング素子がターンオフする際には、第2コンデンサに充電電荷が無いので第2コンデンサの両端電圧はその後緩やかに上昇する。その結果、主スイッチング素子の電圧の立上りが緩やかになってスイッチング損失は低減するようになり、副スイッチング素子にスイッチング損失が発生することがない。   A part of the current flowing toward the rectifier diode when the main switching element is turned off flows into the second capacitor via the first resonance diode, and is charged to substantially the same level as the output voltage. When the sub switching element is turned on in this state, the charge of the second capacitor is discharged through the second resonant diode, the reactor, and the sub switching element. When the charge of the second capacitor is discharged and the discharge current starts to decrease from the peak, a negative current flows through the main switching element for a predetermined time due to the counter electromotive force generated in the reactor. When the main switching element is turned on at this time, the current in the negative direction flows into the main switching element, so that no switching loss occurs at the time of turn-on. Further, the switching loss of the sub switching element is also reduced by the resonance operation. Furthermore, when the main switching element is turned off, the voltage across the second capacitor gradually increases because there is no charge in the second capacitor. As a result, the voltage rise of the main switching element becomes gradual and the switching loss is reduced, so that no switching loss occurs in the sub switching element.

同第三の特徴構成は、同請求項3に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記副スイッチング素子を前記主スイッチング素子のターンオンの直前にターンオンする制御回路を備えている点にある。   In addition to the second feature configuration described above, the third feature configuration includes a control circuit that turns on the sub switching element immediately before the main switching device is turned on. In the point.

主スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失の発生を確実に回避することができるようになる。   It is possible to reliably avoid the occurrence of switching loss when the main switching element is turned on.

同第四の特徴構成は、同請求項4に記載した通り、上述の第二または第三の特徴構成に加えて、前記チョークコイルが高周波トランスの一次側巻線で構成され、前記リアクトルが前記高周波トランスの二次側巻線で構成されている点にある。   In the fourth feature configuration, as described in claim 4, in addition to the second or third feature configuration described above, the choke coil is configured by a primary side winding of a high-frequency transformer, and the reactor is configured by the reactor. It is in the point comprised by the secondary side winding of a high frequency transformer.

チョークコイル及びリアクトルを高周波トランスで構成することにより、部品占有空間を低減でき、小型化を図ることができるようになる。   By configuring the choke coil and the reactor with a high-frequency transformer, the space occupied by the components can be reduced and the size can be reduced.

以上説明した通り、本発明によれば、極めて簡単な回路を付加することでスイッチング時に発生する損失を効果的に低減することができる非絶縁型昇圧スイッチング電源装置を提供することができるようになった。   As described above, according to the present invention, it is possible to provide a non-insulated step-up switching power supply device that can effectively reduce loss generated during switching by adding a very simple circuit. It was.

本発明によるスイッチング電源装置の回路図Circuit diagram of switching power supply device according to the present invention 本発明によるスイッチング電源装置に入力電源及び負荷素子を接続した回路図The circuit diagram which connected the input power supply and the load element to the switching power supply device by this invention 本発明によるスイッチング電源装置の各部に印加される電圧及び流れる電流の説明図Explanatory drawing of the voltage applied to each part of the switching power supply device by this invention, and the flowing electric current 本発明によるスイッチング電源装置に対するシミュレーション結果を示す各部の波形図Waveform diagram of each part showing simulation results for switching power supply device according to the present invention 本発明によるスイッチング電源装置に対するシミュレーション結果を示す要部の波形図Waveform diagram of main part showing simulation results for switching power supply device according to present invention 本発明によるスイッチング電源装置にて主スイッチング素子のターンオン時のシミュレーション結果を示す要部の拡大波形図The enlarged waveform figure of the principal part which shows the simulation result at the time of turn-on of the main switching element in the switching power supply device by this invention 本発明によるスイッチング電源装置にて主スイッチング素子のターンオフ時のシミュレーション結果を示す要部の拡大波形図The enlarged waveform figure of the principal part which shows the simulation result at the time of turn-off of the main switching element in the switching power supply device by this invention 本発明によるスイッチング電源装置にて副スイッチング素子の信号入力時のシミュレーション結果を示す要部の拡大波形図The enlarged waveform figure of the principal part which shows the simulation result at the time of the signal input of a subswitching element in the switching power supply device by this invention 本発明の回路と従来の回路の特性の比較図Comparison of characteristics of the circuit of the present invention and the conventional circuit 従来のスイッチング電源装置の回路図Circuit diagram of conventional switching power supply 従来のスイッチング電源装置に対するシミュレーション結果を示す要部の波形図Waveform diagram of the main part showing simulation results for a conventional switching power supply device 従来のスイッチング電源装置にて主スイッチング素子のターンオン時のシミュレーション結果を示す要部の拡大波形図Enlarged waveform diagram of the main part showing simulation results when the main switching element is turned on in a conventional switching power supply device 従来のスイッチング電源装置にて主スイッチング素子のターンオフ時のシミュレーション結果を示す要部の拡大波形図Enlarged waveform diagram of the main part showing simulation results when the main switching element is turned off in a conventional switching power supply device

以下、本発明による非絶縁型昇圧スイッチング電源装置を図面に基づいて説明する。図1には本発明による非絶縁型昇圧スイッチング電源装置100が示されている。   Hereinafter, a non-insulated step-up switching power supply apparatus according to the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows a non-insulated step-up switching power supply device 100 according to the present invention.

非絶縁型昇圧スイッチング電源装置100は、入出力端子間に直列接続されたチョークコイルL1及び整流ダイオードD1と、チョークコイルL1と整流ダイオードD1との接続点とグランドとの間に接続された主スイッチング素子Qmと、整流ダイオードD1のアノード側に接続され主スイッチング素子Qmが断続されることにより生じる昇圧電圧を平滑化するコンデンサCoと、を備えて構成されている非絶縁型昇圧スイッチング電源装置であって、主スイッチング素子Qmのターンオン時に主スイッチング素子Qmに逆方向電流を供給する部分共振回路が、主スイッチング素子Qmと並列に接続されている。   The non-insulated step-up switching power supply device 100 includes a choke coil L1 and a rectifier diode D1 connected in series between input and output terminals, and a main switching connected between a connection point between the choke coil L1 and the rectifier diode D1 and the ground. A non-insulated step-up switching power supply device comprising: an element Qm; and a capacitor Co that is connected to the anode side of the rectifier diode D1 and smoothes the boosted voltage generated when the main switching element Qm is intermittently connected. A partial resonance circuit that supplies a reverse current to the main switching element Qm when the main switching element Qm is turned on is connected in parallel with the main switching element Qm.

スイッチング素子Qmのゲートには非絶縁型昇圧スイッチング電源装置100の出力電圧を制御する為のPWM信号がフィードバック制御回路10から入力される。また、副スイッチング素子Qsのゲートには主スイッチング素子Qmのターンオンの直前にパルス信号を発生させる制御回路20が接続されている。   A PWM signal for controlling the output voltage of the non-insulated step-up switching power supply device 100 is input from the feedback control circuit 10 to the gate of the switching element Qm. A control circuit 20 for generating a pulse signal immediately before the main switching element Qm is turned on is connected to the gate of the sub switching element Qs.

部分共振回路は、主スイッチング素子Qmと並列に接続され第1共振ダイオードD2と第2コンデンサCsとを含む第1直列回路と、第2コンデンサCsと並列に接続され第2共振ダイオードD3とリアクトルL2と副スイッチング素子Qsとを含む第2直列回路とで構成されている。   The partial resonance circuit includes a first series circuit including a first resonance diode D2 and a second capacitor Cs connected in parallel to the main switching element Qm, and a second resonance diode D3 and a reactor L2 connected in parallel to the second capacitor Cs. And a second series circuit including the sub-switching element Qs.

チョークコイルL1が高周波トランスTの一次側巻線で構成され、リアクトルL2が高周波トランスTの二次側巻線で構成されている。   The choke coil L1 is composed of a primary side winding of the high frequency transformer T, and the reactor L2 is composed of a secondary side winding of the high frequency transformer T.

図2は図1の本発明の非絶縁型昇圧スイッチング電源装置100の入力端子に入力電源Vinと出力端子に負荷抵抗RLを接続した回路である。入力電源Vinは図1の非絶縁型昇圧スイッチング電源装置100の入力端子に接続され、非絶縁型昇圧スイッチング電源装置100を動作させる事により昇圧された電圧を出力端子に接続された負荷RLに供給する事ができる。   FIG. 2 is a circuit in which the input power source Vin is connected to the input terminal of the non-insulated step-up switching power supply device 100 of the present invention shown in FIG. 1 and the load resistor RL is connected to the output terminal. The input power supply Vin is connected to the input terminal of the non-isolated step-up switching power supply apparatus 100 in FIG. 1, and the voltage boosted by operating the non-isolated step-up switching power supply apparatus 100 is supplied to the load RL connected to the output terminal. I can do it.

本発明の絶縁型昇圧スイッチング電源装置100を動作させた時に各部に発生する電圧と流れる電流を図3に示す。   FIG. 3 shows the voltage generated in each part and the flowing current when the isolated step-up switching power supply apparatus 100 of the present invention is operated.

符号Vinは入力端子に接続される電源の電圧を示す。V1はチョークコイルL1の電流変化量に応じて発生する電圧である。VGmは図1のフィードバック制御回路10から主スイッチング素子Qmのゲート電極に印加されるPWL信号の電圧を示し、VGsは図1のタイミング制御回路20から副スイッチング素子Qsのゲート電極に印加されるパルス信号の電圧を示す。VDSmは主スイッチング素子Qmのソースとドレイン間に発生する電圧を示し、VDSsは副スイッチング素子Qsのソースとドレイン間に発生する電圧を示す。   The symbol Vin indicates the voltage of the power supply connected to the input terminal. V1 is a voltage generated according to the current change amount of the choke coil L1. VGm represents the voltage of the PWL signal applied from the feedback control circuit 10 of FIG. 1 to the gate electrode of the main switching element Qm, and VGs represents a pulse applied from the timing control circuit 20 of FIG. 1 to the gate electrode of the sub switching element Qs. Indicates the voltage of the signal. VDSm represents a voltage generated between the source and drain of the main switching element Qm, and VDSs represents a voltage generated between the source and drain of the sub switching element Qs.

IDmは主スイッチング素子Qmのドレインとソース間に流れる電流を示し、IDsは副スイッチング素子Qsのドレインとソース間に流れる電流を示す。ISは第2コンデンサに充電される電流を示し、VCSは第2コンデンサに充電される電流により第2コンデンサCsの端子間に発生する電圧を示す。V2はリアクトルL2に流れる電流により発生する電圧を示す。VD1は整流ダイオードD1のアノード端子とカソード端子の間に発生する電圧を示し、Voは負荷抵抗RLに出力端子から供給される電圧を示す。   IDm represents a current flowing between the drain and source of the main switching element Qm, and IDs represents a current flowing between the drain and source of the sub switching element Qs. IS indicates a current charged in the second capacitor, and VCS indicates a voltage generated between the terminals of the second capacitor Cs due to the current charged in the second capacitor. V2 indicates a voltage generated by the current flowing through the reactor L2. VD1 indicates a voltage generated between the anode terminal and the cathode terminal of the rectifier diode D1, and Vo indicates a voltage supplied from the output terminal to the load resistor RL.

図4には、本発明の絶縁型昇圧スイッチング電源装置100をPowerSim社により開発された回路シミュレータPSIMで解析したときの各部の波形図が示されている。   FIG. 4 shows a waveform diagram of each part when the isolated step-up switching power supply apparatus 100 of the present invention is analyzed by a circuit simulator PSIM developed by PowerSim.

以下本発明による絶縁型昇圧スイッチング電源装置100の特性を説明する。図5には、上述したシミュレーション結果の中で本発明の非絶縁型昇圧スイッチング電源装置において要部と考えられる信号の波形図が示されている。   Hereinafter, the characteristics of the isolated step-up switching power supply device 100 according to the present invention will be described. FIG. 5 shows a waveform diagram of signals considered to be a main part in the non-insulated step-up switching power supply device of the present invention in the above-described simulation results.

主スイッチング素子QmにはNチャネルMOSFETが用いられ、そのゲートにはフィードバック制御回路10により生成された信号VGmが印加される。副スイッチング素子QsにはNチャネルMOSFETが用いられ、そのゲートにはタイミング制御回路20で生成された信号VGsが印加される。   An N-channel MOSFET is used for the main switching element Qm, and a signal VGm generated by the feedback control circuit 10 is applied to its gate. An N-channel MOSFET is used as the sub switching element Qs, and a signal VGs generated by the timing control circuit 20 is applied to its gate.

主スイッチング素子Qmのゲートに正の入力電圧が印加されることによりドレインソース間が導通してドレイン電流IDmが流れ、ドレインソース間の電圧VDSmが出力電圧Voから0Vに低下する。副スイッチング素子Qsのゲートに正の入力電圧が印加されることによりドレインソース間が導通してドレイン電流IDsが流れ、ドレインソース間の電圧VDSsが入力電圧Vinから0Vに低下する。図4より、副スイッチング素子Qsのゲートに正の電圧VGsにパルス信号が入力され副スイッチング素子Qsのドレインソース間が導通した時、リアクトルL2にかかる電圧V2は一瞬0Vになっている。これにより、副スイッチング素子Qsのドレインソース間が導通した瞬間に、第2コンデンサCsの初期電荷は放電され0Vになる。また、リアクトルL2にかかる電圧V2はダイオードD3があるために、副スイッチング素子Qsのゲートに正の電圧VGsが0Vになり、副スイッチング素子Qsのドレインソース間が非導通になってもその両端に電圧は印加されない。そのために図4に示すようにVDSsの状態が維持し続ける。   When a positive input voltage is applied to the gate of the main switching element Qm, the drain and the source become conductive, the drain current IDm flows, and the drain-source voltage VDSm decreases from the output voltage Vo to 0V. When a positive input voltage is applied to the gate of the sub-switching element Qs, the drain-source becomes conductive, the drain current IDs flows, and the drain-source voltage VDSs drops from the input voltage Vin to 0V. From FIG. 4, when a pulse signal is input to the gate of the sub switching element Qs to the positive voltage VGs and the drain and source of the sub switching element Qs are conducted, the voltage V2 applied to the reactor L2 is instantaneously 0V. As a result, the initial charge of the second capacitor Cs is discharged to 0 V at the moment when the drain and source of the sub switching element Qs are conducted. Further, since the voltage V2 applied to the reactor L2 includes the diode D3, even if the positive voltage VGs becomes 0 V at the gate of the sub switching element Qs and the drain and source of the sub switching element Qs become non-conductive, both ends thereof No voltage is applied. Therefore, the state of VDSs continues to be maintained as shown in FIG.

この間にチョークコイルL1に蓄えられたエネルギーが主スイッチング素子Qmのオフ時に開放され、入力電圧Vinに重畳して出力電圧Voとなり平滑化コンデンサCoに供給される事は従来の非絶縁昇圧型のスイッチング電源装置と同じである。   The energy stored in the choke coil L1 during this period is released when the main switching element Qm is turned off, and is superimposed on the input voltage Vin to become the output voltage Vo, which is supplied to the smoothing capacitor Co. Same as power supply.

まず、図8を用いて、副スイッチング素子Qsのゲートにパルス信号VGsが印加された後に主スイッチング素子Qmのゲート電圧VGmがターンオンする時のシミュレーション結果を拡大表示してその回路動作の詳細を説明する。   First, with reference to FIG. 8, the simulation result when the gate voltage VGm of the main switching element Qm is turned on after the pulse signal VGs is applied to the gate of the sub switching element Qs is enlarged to explain the details of the circuit operation. To do.

本発明の非絶縁型部分共振回路では、チョークコイルL1にエネルギーが蓄えられるとともに、主スイッチング素子Qmのターンオン時に入力端子から主スイッチング素子Qmに流入する電流に抗して、主スイッチング素子Qmと並列に接続された部分共振回路の副スイッチング素子Qsが主スイッチング素子Qmのターンオンに先立ち、ターンオンする事からリアクトルL2を通じて主スイッチング素子Qmに逆方向電流が供給され、両電流が略相殺されるようになり、スイッチング損失がほぼゼロになる。   In the non-insulated partial resonance circuit of the present invention, energy is stored in the choke coil L1, and in parallel with the main switching element Qm against the current flowing from the input terminal to the main switching element Qm when the main switching element Qm is turned on. Since the sub-switching element Qs of the partial resonance circuit connected to is turned on before the main switching element Qm is turned on, a reverse current is supplied to the main switching element Qm through the reactor L2, so that both currents are substantially canceled out. Thus, the switching loss becomes almost zero.

次に、図6を用いて主スイッチング素子Qmのターンオン時の波形が拡大表示してその回路動作の詳細を説明する。主スイッチング素子Qmのオフ時に整流ダイオードD1に向けて流れる電流の一部が第1共振ダイオードD2を介して第2コンデンサCsに流れ込み、略出力電圧と同レベルまで充電される。この状態で副スイッチング素子Qsがターンオンすると、第2コンデンサCsの充電電荷が第2共振ダイオードD3、リアクトルL2及び副スイッチング素子Qsを介して放電される。   Next, with reference to FIG. 6, the waveform at the time of turn-on of the main switching element Qm is enlarged and the details of the circuit operation will be described. A part of the current that flows toward the rectifier diode D1 when the main switching element Qm is turned off flows into the second capacitor Cs via the first resonant diode D2, and is charged to substantially the same level as the output voltage. When the sub switching element Qs is turned on in this state, the charge of the second capacitor Cs is discharged through the second resonance diode D3, the reactor L2, and the sub switching element Qs.

第2コンデンサCsの充電電荷が放電され、その放電電流がピークから減少に転じた時点で、リアクトルL2に発生する逆起電力により主スイッチング素子Qmには所定時間負方向の電流が流れる。このときに主スイッチング素子Qmがターンオンすると、当該負方向の電流が主スイッチング素子Qmに流入するので、ターンオン時にスイッチング損失が発生しない。また、副スイッチング素子Qsも共振動作によってスイッチング損失が低減されるようになる。   When the charge of the second capacitor Cs is discharged and the discharge current starts to decrease from the peak, a negative current flows through the main switching element Qm for a predetermined time due to the counter electromotive force generated in the reactor L2. At this time, when the main switching element Qm is turned on, the current in the negative direction flows into the main switching element Qm, so that no switching loss occurs at the time of turn-on. Further, the switching loss of the sub switching element Qs is also reduced by the resonance operation.

このようにして、主スイッチング素子Qmのターンオン時のスイッチング損失の発生を確実に回避することができるようになる。   In this way, it is possible to reliably avoid the occurrence of switching loss when the main switching element Qm is turned on.

図7を用いて主スイッチング素子Qmのターンオフ時の波形を拡大表示して主その回路動作の詳細を説明する。主スイッチング素子Qmがターンオフする際には、第2コンデンサCsに充電電荷が無いので第2コンデンサCsの両端電圧はその後緩やかに上昇する。その結果、主スイッチング素子Qmの電圧の立上りが緩やかになってスイッチング損失は低減するようになり、副スイッチング素子Qsにスイッチング損失が発生することがない。   With reference to FIG. 7, the waveform of the main switching element Qm at the time of turn-off will be enlarged and the details of the main circuit operation will be described. When the main switching element Qm is turned off, the voltage across the second capacitor Cs gradually rises after that because the second capacitor Cs has no charge. As a result, the rise of the voltage of the main switching element Qm becomes gentle and the switching loss is reduced, so that no switching loss occurs in the sub switching element Qs.

図6から図8で説明したように、本発明の非絶縁型昇圧スイッチング電源装置によれば、スイッチング動作に伴うスイッチング損失が低減され或いは発生しない事がわかる。   As described with reference to FIGS. 6 to 8, according to the non-insulated step-up switching power supply device of the present invention, it can be seen that the switching loss accompanying the switching operation is reduced or does not occur.

更に、チョークコイルL1及びリアクトルL2を高周波トランスで構成することにより、部品占有空間を低減でき、小型化を図ることができるようになる。   Furthermore, by configuring the choke coil L1 and the reactor L2 with high frequency transformers, the space occupied by the components can be reduced and the size can be reduced.

以上のように従来の昇圧チョッパー回路と本発明による非絶縁型部分共振回路の特性を図9に比較する。電力損失は従来の昇圧チョッパー回路が従来技術で説明したようにスイッチング素子のスイッチング動作時に発生するのに対して、本発明の非絶縁型部分共振回路ではスイッチング素子のスイッチング動作時,大幅に低減される。また、回路動作に高周波信号が従来の回路に比べて少ない為に、高周波の電磁波ノイズが発生しにくい。   As described above, the characteristics of the conventional step-up chopper circuit and the non-insulated partial resonance circuit according to the present invention are compared with FIG. The power loss occurs during the switching operation of the switching element as described in the prior art in the conventional boost chopper circuit, whereas in the non-insulated partial resonance circuit of the present invention, the power loss is greatly reduced during the switching operation of the switching element. The In addition, since there are fewer high-frequency signals in circuit operation than in conventional circuits, high-frequency electromagnetic noise is less likely to occur.

但し、従来の回路には無かった副スイッチング素子Qsのゲートに入力する信号を主スイッチング素子Qmに入力する信号と同期してタイミング制御回路20にて発生させる必要がある為、従来の回路に比べて制御部品点数等が増えている。   However, since it is necessary to generate the signal input to the gate of the sub switching element Qs, which was not found in the conventional circuit, in the timing control circuit 20 in synchronization with the signal input to the main switching element Qm, compared with the conventional circuit. The number of control parts is increasing.

しかし、上述したように電磁ノイズが発生しにくい為に、従来の回路では必要だった電磁ノイズ対策の部品点数は本発明の回路では低減できる。   However, as described above, since electromagnetic noise is less likely to occur, the number of parts for countermeasures against electromagnetic noise required in the conventional circuit can be reduced in the circuit of the present invention.

以下に本発明の別実施形態を説明する。
上述の実施例では昇圧電源回路の回路構成にて説明したが、スイッチング素子の構成を変更する事により、降圧電源回路や極性の異なる電圧を発生させる、他の他励式スイッチング電源装置に適用が可能である。
Another embodiment of the present invention will be described below.
In the above-described embodiment, the circuit configuration of the boost power supply circuit has been described. However, by changing the configuration of the switching element, it can be applied to a step-down power supply circuit or other separately-excited switching power supply device that generates a voltage having a different polarity. It is.

また、上述の実施例ではインダクタとして高周波トランスTを用いたが、高周波トランスTを用いずに個別のインダクタでチョークコイルL1及びリアクトルL2を構成する事も可能である。   In the above-described embodiment, the high-frequency transformer T is used as the inductor. However, the choke coil L1 and the reactor L2 can be configured by individual inductors without using the high-frequency transformer T.

上述した実施形態に示した共振回路を構成する共振用コイルのインダクタンス、共振用コンデンサ容量は特に限定されるものではなく、本発明の作用効果を奏する範囲において適宜適切な値を選択できることは言うまでもない。   The inductance of the resonance coil and the resonance capacitor capacity constituting the resonance circuit shown in the above-described embodiment are not particularly limited, and it is needless to say that appropriate values can be selected as long as the effects of the present invention are achieved. .

10:フィードバック制御回路
20:タイミング制御回路
Qm:主スイッチング素子
Qs:副スイッチング素子
L1:チョークコイル
L2:リアクトル
Co:平滑化コンデンサ
Cs:第2コンデンサ
D1:整流ダイオード
D2:第1共振ダイオード
D3:第2共振ダイオード
10: feedback control circuit 20: timing control circuit Qm: main switching element Qs: sub-switching element L1: choke coil L2: reactor Co: smoothing capacitor Cs: second capacitor D1: rectifier diode D2: first resonant diode D3: first 2 resonant diode

Claims (4)

入出力端子間に直列接続されたチョークコイル及び整流ダイオードと、前記チョークコイルと整流ダイオードとの接続点とグランドとの間に接続された主スイッチング素子と、前記整流ダイオードのアノード側に接続され前記主スイッチング素子が断続されることにより生じる昇圧電圧を平滑化するコンデンサと、を備えて構成されている非絶縁型昇圧スイッチング電源装置であって、
前記主スイッチング素子のターンオン時に前記主スイッチング素子に逆方向電流を供給する部分共振回路が、前記主スイッチング素子と並列に接続されている非絶縁型昇圧スイッチング電源装置。
A choke coil and a rectifier diode connected in series between the input and output terminals, a main switching element connected between a connection point between the choke coil and the rectifier diode and the ground, and connected to the anode side of the rectifier diode A capacitor for smoothing a boosted voltage generated when the main switching element is interrupted, and a non-insulated boosting switching power supply device,
A non-insulated step-up switching power supply apparatus in which a partial resonance circuit that supplies a reverse current to the main switching element when the main switching element is turned on is connected in parallel with the main switching element.
前記部分共振回路は、前記主スイッチング素子と並列に接続され第1共振ダイオードと第2コンデンサとを含む第1直列回路と、前記第2コンデンサと並列に接続され第2共振ダイオードとリアクトルと副スイッチング素子とを含む第2直列回路とで構成されている請求項1記載の非絶縁型昇圧スイッチング電源装置。   The partial resonance circuit includes a first series circuit including a first resonance diode and a second capacitor connected in parallel to the main switching element, and a second resonance diode, a reactor, and sub-switching connected in parallel to the second capacitor. The non-insulated step-up switching power supply device according to claim 1, comprising a second series circuit including an element. 前記副スイッチング素子を前記主スイッチング素子のターンオンの直前にターンオンする制御回路を備えている請求項2記載の非絶縁型昇圧スイッチング電源装置。   3. The non-insulated step-up switching power supply device according to claim 2, further comprising a control circuit that turns on the sub switching element immediately before the main switching element is turned on. 前記チョークコイルが高周波トランスの一次側巻線で構成され、前記リアクトルが前記高周波トランスの二次側巻線で構成されている請求項2または3記載の非絶縁型昇圧スイッチング電源装置。
4. The non-insulated step-up switching power supply apparatus according to claim 2, wherein the choke coil is constituted by a primary side winding of a high frequency transformer, and the reactor is constituted by a secondary side winding of the high frequency transformer.
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