JP2021197757A - Resonance type power supply device - Google Patents

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Abstract

To provide a resonance type power supply device capable of obtaining a high output voltage.SOLUTION: A resonance type power supply device includes: a switching circuit that receives as an input a DC voltage and applies an AC voltage to a first winding through a resonance capacitor; a rectifier circuit that rectifies a current flowing through a second winding and outputs between both ends of a smoothing capacitor; a transformer that magnetically couples the first and second windings; and a control unit that controls switching elements in the switching circuit and the rectifier circuit. The resonance type power supply device outputs DC power to a load from between both ends of the smoothing capacitor. The control unit controls the switching element so as to include a charging period where the current of the resonance capacitor is increased in a direction of increasing a voltage absolute value of the resonance capacitor.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、直流電源の電力を絶縁して出力する電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device that insulates and outputs the power of a DC power supply.

近年、地球環境保全への意識の高まりから、蓄電池や太陽電池、燃料電池などの直流電源を備えたシステムが開発されている。これらのシステムにおいては、直流電源から負荷や他の直流電源に高い変換効率で給電するDC−DCコンバータが求められている。効率が高い絶縁型DC−DCコンバータの回路方式としては、キャパシタンスとインダクタンスの共振現象を利用した共振形コンバータが知られている。 In recent years, due to the growing awareness of global environmental conservation, systems equipped with DC power sources such as storage batteries, solar cells, and fuel cells have been developed. In these systems, there is a demand for a DC-DC converter that supplies power from a DC power supply to a load or another DC power supply with high conversion efficiency. As a circuit method of an isolated DC-DC converter with high efficiency, a resonance type converter utilizing a resonance phenomenon of capacitance and inductance is known.

共振形コンバータでは、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、一般的に共振形コンバータでは、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、入力電圧が高い場合や出力電圧が低い場合には、スイッチング周波数が高くなる。すると、スイッチング素子に流れる電流が共振により小さくなる前にスイッチング素子をターンオフすることになり、このとき出力電流が大きいと遮断電流が大きく、かつスイッチング周波数も高いため、スイッチング損失が大きくなり効率が低下する。 In the resonance type converter, when the switching element is turned off at the timing when the current flowing through the switching element becomes small due to resonance, the switching loss becomes small because the breaking current is small, and high efficiency can be obtained. However, in general, in a resonant converter, the output is controlled by changing the switching frequency, and the switching frequency is raised when the output power is reduced. Therefore, when the input voltage is high or the output voltage is low, switching is performed. The frequency goes up. Then, the switching element is turned off before the current flowing through the switching element becomes small due to resonance. At this time, if the output current is large, the breaking current is large and the switching frequency is also high, so that the switching loss becomes large and the efficiency decreases. do.

そこで、特許文献1には、出力電流が大きく、かつ入力電圧が高い場合や出力電圧が低い場合においても、高い効率が得られる共振形コンバータ技術が開示されている。特許文献1では、スイッチング周波数を共振コンデンサと共振インダクタの共振周波数より低くしている。さらに特許文献1では、共振コンデンサと共振インダクタによる共振電流が流れ終わった後に、共振コンデンサと共振インダクタとトランス励磁インダクタンスによる共振電流で共振コンデンサを充電し、次にスイッチング回路の出力電圧極性を切り替えたときの入力電圧と共振コンデンサ電圧の和を高くすることで、高い出力電圧を得ている。 Therefore, Patent Document 1 discloses a resonance converter technique that can obtain high efficiency even when the output current is large and the input voltage is high or the output voltage is low. In Patent Document 1, the switching frequency is set lower than the resonance frequency of the resonance capacitor and the resonance inductor. Further, in Patent Document 1, after the resonance current by the resonance capacitor and the resonance inductor has finished flowing, the resonance capacitor is charged by the resonance current by the resonance capacitor, the resonance inductor and the transformer excitation inductance, and then the output voltage polarity of the switching circuit is switched. A high output voltage is obtained by increasing the sum of the input voltage and the resonant capacitor voltage.

特開2017−99182号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2017-99182

特許文献1の共振形コンバータでは、トランスの巻数比より高い出力電圧を得ることができる。 In the resonance type converter of Patent Document 1, it is possible to obtain an output voltage higher than the turns ratio of the transformer.

しかし、共振形コンバータでは、出力電流が大きいと、共振コンデンサと共振インダクタの共振電流が大きくなるため、この共振電流が流れ終わった後には共振コンデンサの電圧がすでに高くなっている。 However, in the resonance type converter, when the output current is large, the resonance current of the resonance capacitor and the resonance inductor becomes large, so that the voltage of the resonance capacitor is already high after the resonance current has finished flowing.

特に入力電圧よりも共振コンデンサの電圧の方が高い場合には、共振コンデンサと共振インダクタとトランス励磁インダクタンスによる共振電流で共振コンデンサを充電しようとしても、この充電電流が減少してしまうため、特許文献1に記載の技術では、共振コンデンサを更に高い電圧に充電することが難しい。 In particular, when the voltage of the resonance capacitor is higher than the input voltage, even if an attempt is made to charge the resonance capacitor with the resonance current due to the resonance capacitor, the resonance inductor, and the transformer excitation inductance, this charging current will decrease. With the technique described in 1, it is difficult to charge the resonant capacitor to a higher voltage.

本発明の目的は、高い出力電圧を得られる共振形電源装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a resonance type power supply device capable of obtaining a high output voltage.

本発明の好ましい一例としては、直流電圧を入力し、共振コンデンサを介して第1巻線に交流電圧を印加するスイッチング回路と、第2巻線に流れる電流を整流して平滑コンデンサの両端間に出力する整流回路と、前記第1巻線と前記第2巻線とを磁気結合するトランスと、前記スイッチング回路と前記整流回路におけるスイッチング素子を制御する制御部とを有し、前記平滑コンデンサの両端間から負荷に直流電力を出力する共振型電源装置であって、
前記制御部は、前記共振コンデンサの電圧絶対値を大きくする向きに前記共振コンデンサの電流を増加させる充電期間を含むように前記スイッチング素子を制御する共振形電源装置である。
As a preferable example of the present invention, a switching circuit in which a DC voltage is input and an AC voltage is applied to the first winding via a resonance capacitor, and a current flowing in the second winding are rectified between both ends of the smoothing capacitor. It has a rectifying circuit that outputs, a transformer that magnetically couples the first winding and the second winding, and a control unit that controls the switching circuit and the switching element in the rectifying circuit, and both ends of the smoothing capacitor. It is a resonance type power supply device that outputs DC power to the load from between.
The control unit is a resonance type power supply device that controls the switching element so as to include a charging period in which the current of the resonance capacitor is increased in a direction of increasing the absolute voltage value of the resonance capacitor.

本発明によれば、高い出力電圧を得られる共振形電源装置を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a resonance type power supply device capable of obtaining a high output voltage.

実施例1における共振形電源装置の回路構成図。The circuit block diagram of the resonance type power supply device in Example 1. FIG. 共振形電源装置の動作を説明する動作図。An operation diagram illustrating the operation of a resonance type power supply device. モードa0の動作を説明する波形図。The waveform diagram explaining the operation of mode a0. モードa1の動作を説明する波形図。The waveform diagram explaining the operation of mode a1. モードa2の動作を説明する波形図。The waveform diagram explaining the operation of mode a2. モードa3の動作を説明する波形図。The waveform diagram explaining the operation of mode a3. モードa4の動作を説明する波形図。The waveform diagram explaining the operation of mode a4. モードa5の動作を説明する波形図。The waveform diagram explaining the operation of mode a5. モードa6の動作を説明する波形図。The waveform diagram explaining the operation of mode a6. モードa7の動作を説明する波形図。The waveform diagram explaining the operation of mode a7. モードa8の動作を説明する波形図。The waveform diagram explaining the operation of mode a8. 共振形電源装置の動作を説明するグラフ。A graph illustrating the operation of a resonant power supply. 実施例2における共振形電源装置の回路構成図。The circuit block diagram of the resonance type power supply device in Example 2.

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, examples of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

図1は、実施例1における共振形電源装置10の回路構成図である。この共振形電源装置10は、直流電源3と負荷4との間に接続され、直流電源3から負荷4に給電する。 FIG. 1 is a circuit configuration diagram of the resonance type power supply device 10 in the first embodiment. The resonance type power supply device 10 is connected between the DC power supply 3 and the load 4, and supplies power from the DC power supply 3 to the load 4.

この共振形電源装置10は、直流電圧を入力し共振コンデンサCrを介して第1巻線N1に交流電圧を印加するスイッチング回路1と、第2巻線N2に流れる電流を整流して平滑コンデンサの両端間に出力する整流回路2と、これらの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5と、直流電源3に並列接続された平滑コンデンサC1と、負荷4に並列接続された平滑コンデンサC2と、第1巻線と第2巻線とを磁気結合するトランスと、を備えている。 The resonance type power supply device 10 has a switching circuit 1 that inputs a DC voltage and applies an AC voltage to the first winding N1 via the resonance capacitor Cr, and a smoothing capacitor that rectifies the current flowing through the second winding N2. A rectifying circuit 2 that outputs between both ends, a control unit 5 that controls the on / off state of the switching element provided in these circuits, a smoothing capacitor C1 connected in parallel to the DC power supply 3, and smoothing connected in parallel to the load 4. It includes a capacitor C2 and a transformer that magnetically couples the first winding and the second winding.

スイッチング回路1は、平滑コンデンサC1の両端間に直列に接続されたスイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2を備え、この直列接続点をノードNd1とする。また、平滑コンデンサC1の両端間に直列に接続されたスイッチング素子Q3とスイッチング素子Q4を備え、この直列接続点をノードNd2とする。このスイッチング回路1は、平滑コンデンサC1から電圧を入力し、ノードNd1−Nd2間に出力する。また、ノードNd1−Nd2間には、共振コンデンサCrと、共振インダクタLrと、トランスTの第1巻線N1が直列に接続されている。第1巻線N1と並列に、トランスTの励磁インダクタンスLmを定義している。 The switching circuit 1 includes a switching element Q1 and a switching element Q2 connected in series between both ends of the smoothing capacitor C1, and the series connection point is a node Nd1. Further, a switching element Q3 and a switching element Q4 connected in series between both ends of the smoothing capacitor C1 are provided, and the series connection point is a node Nd2. This switching circuit 1 inputs a voltage from the smoothing capacitor C1 and outputs it between the nodes Nd1 and Nd2. Further, a resonance capacitor Cr, a resonance inductor Lr, and a first winding N1 of the transformer T are connected in series between the nodes Nd1 and Nd2. The exciting inductance Lm of the transformer T is defined in parallel with the first winding N1.

スイッチング素子Q1〜Q4には、それぞれダイオードD1〜D4が逆並列接続されている。ここで、これらスイッチング素子Q1〜Q4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〜D4は省略可能となる。 Diodes D1 to D4 are connected in antiparallel to the switching elements Q1 to Q4, respectively. Here, when MOSFETs are used as these switching elements Q1 to Q4, the parasitic diodes of MOSFETs can be used, so the diodes D1 to D4 can be omitted.

整流回路2は、平滑コンデンサC2の両端間に直列接続されたダイオードD5とダイオードD6を備え、この直列接続点をノードNd3とする。また、平滑コンデンサC2の両端間に直列接続されたダイオードD7とダイオードD8を備え、この直列接続点をノードNd4とする。この整流回路2は、第1巻線N1と磁気結合した第2巻線N2の電流をノードNd3−Nd4間に入力し、整流して平滑コンデンサC2の両端間に出力する。 The rectifier circuit 2 includes a diode D5 and a diode D6 connected in series between both ends of the smoothing capacitor C2, and the series connection point is a node Nd3. Further, a diode D7 and a diode D8 connected in series between both ends of the smoothing capacitor C2 are provided, and the series connection point is referred to as a node Nd4. This rectifier circuit 2 inputs the current of the second winding N2 magnetically coupled to the first winding N1 between the nodes Nd3-Nd4, rectifies it, and outputs it between both ends of the smoothing capacitor C2.

スイッチング素子Q5〜Q8は、それぞれダイオードD5〜D8と逆並列に接続される。スイッチング素子Q5とスイッチング素子Q6は、平滑コンデンサC2の両端間に第1ノード(ノードNd3)で直列に接続される。スイッチング素子Q7とスイッチング素子Q8は、平滑コンデンサC2の両端間に第2ノード(ノードNd4)で直列に接続される。第2巻線N2の一端は第1ノード(ノードNd3)に接続され、第2巻線N2の他端が第2ノード(ノードNd4)に接続される。 The switching elements Q5 to Q8 are connected in antiparallel to the diodes D5 to D8, respectively. The switching element Q5 and the switching element Q6 are connected in series by a first node (node Nd3) between both ends of the smoothing capacitor C2. The switching element Q7 and the switching element Q8 are connected in series by a second node (node Nd4) between both ends of the smoothing capacitor C2. One end of the second winding N2 is connected to the first node (node Nd3), and the other end of the second winding N2 is connected to the second node (node Nd4).

制御部5は、マイコンなどのCPUが、記録装置に記録したプログラムを読み出して、図2もしくは図3A〜図3Iに示すように、スイッチング回路1や整流回路2を構成するスイッチング素子のオン状態やオフ状態を制御する。 The control unit 5 reads out the program recorded in the recording device by a CPU such as a microcomputer, and as shown in FIGS. 2 or 3A to 3I, the ON state of the switching element constituting the switching circuit 1 and the rectifier circuit 2 is set. Control the off state.

ここで、これらスイッチング素子Q5〜Q8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D5〜D8は省略可能となる。 Here, when MOSFETs are used as these switching elements Q5 to Q8, the parasitic diodes of MOSFETs can be used, so the diodes D5 to D8 can be omitted.

ここで、この共振形電源装置10では、共振コンデンサCrと共振インダクタLrは、第1巻線N1と直列に接続されているが、この共振コンデンサCrと共振インダクタLrは、第2巻線N2と直列接続されるようにしてもよいし、第1巻線N1と第2巻線N2の両方に直列接続されるようにしてもよい。また、共振インダクタLrとして、トランスTの漏れインダクタンスを利用してもよい。 Here, in the resonance type power supply device 10, the resonance capacitor Cr and the resonance inductor Lr are connected in series with the first winding N1, but the resonance capacitor Cr and the resonance inductor Lr are connected to the second winding N2. It may be connected in series, or may be connected in series to both the first winding N1 and the second winding N2. Further, the leakage inductance of the transformer T may be used as the resonance inductor Lr.

平滑コンデンサC1には電圧センサ6が接続され、スイッチング回路1の入力電圧を検出している。平滑コンデンサC2には電圧センサ7が接続され、整流回路2の出力電圧を検出している。また、整流回路2と平滑コンデンサC2との間には電流センサ8が接続され、整流回路2の出力電流を検出している。これらの電圧センサ6、電圧センサ7、および電流センサ8は、制御部5に接続されている。 A voltage sensor 6 is connected to the smoothing capacitor C1 to detect the input voltage of the switching circuit 1. A voltage sensor 7 is connected to the smoothing capacitor C2 to detect the output voltage of the rectifier circuit 2. Further, a current sensor 8 is connected between the rectifier circuit 2 and the smoothing capacitor C2 to detect the output current of the rectifier circuit 2. The voltage sensor 6, the voltage sensor 7, and the current sensor 8 are connected to the control unit 5.

以下、図を用いて共振形電源装置10の動作を説明する。なお、本明細書では、オン状態のスイッチング素子の両端間の電圧や、ダイオードの順方向降下電圧と同等程度かそれ以下の電圧をゼロ電圧と呼称し、スイッチング素子の両端間の電圧がゼロ電圧のときに、このスイッチング素子をターンオンすることをゼロ電圧スイッチングと呼称する。ゼロ電圧スイッチングには、スイッチング損失を抑える効果がある。 Hereinafter, the operation of the resonance type power supply device 10 will be described with reference to the drawings. In this specification, the voltage between both ends of the switching element in the ON state and the voltage equal to or less than the forward voltage drop of the diode are referred to as zero voltage, and the voltage between both ends of the switching element is the zero voltage. At this time, turning on this switching element is called zero voltage switching. Zero voltage switching has the effect of suppressing switching loss.

図2と、図3Aから図3Iを用いて、共振形電源装置10の回路動作を説明する。図2は波形図であり、Vg1〜Vg8は、それぞれスイッチング素子Q1〜Q8のゲート信号すなわちオン/オフ状態を表している。V1はスイッチング回路1のノードNd1−Nd2間の電圧を表しており、ノードNd2を基準としたノードNd1の電圧を正とする。V2は整流回路2のノードNd3−Nd4間の電圧を表しており、ノードNd4を基準としたノードNd3の電圧を正とする。 The circuit operation of the resonance type power supply device 10 will be described with reference to FIG. 2 and FIGS. 3A to 3I. FIG. 2 is a waveform diagram, and Vg1 to Vg8 represent gate signals of switching elements Q1 to Q8, that is, on / off states, respectively. V1 represents the voltage between the nodes Nd1 and Nd2 of the switching circuit 1, and the voltage of the node Nd1 with respect to the node Nd2 is positive. V2 represents the voltage between the nodes Nd3-Nd4 of the rectifier circuit 2, and the voltage of the node Nd3 with respect to the node Nd4 is positive.

VCrは共振コンデンサCrの電圧を表しており、ノードNd1から共振コンデンサCrに向かって電流が流れたときに変化する向きを正とする。 The VCr represents the voltage of the resonance capacitor Cr, and the direction in which the current flows from the node Nd1 toward the resonance capacitor Cr is positive.

ILrは共振インダクタの電流を表しており、ノードNd1から共振インダクタLrに流れる向きを正とする。 ILr represents the current of the resonant inductor, and the direction of flow from the node Nd1 to the resonant inductor Lr is positive.

ILmは励磁インダクタンスLmに流れるトランスTの励磁電流を表しており、電圧V1を正に維持した時に増加する向き、および電圧V2を正に維持した時に増加する向きを正とする。IN2は第2巻線N2に流れる電流を表しており、第2巻線N2からノードNd3に流れる向きを正とする。 ILm represents the exciting current of the transformer T flowing through the exciting inductance Lm, and the direction in which the voltage V1 is positively maintained and the direction in which the voltage V2 is positively maintained are positive. IN2 represents the current flowing through the second winding N2, and the direction of flow from the second winding N2 to the node Nd3 is positive.

t0〜t16は時刻を表している。また、Tpは、t4〜t6までと、t12〜t14までの充電期間を表している。 t0 to t16 represent the time. Further, Tp represents the charging period from t4 to t6 and from t12 to t14.

図3A〜図3Iは、それぞれモードa0〜a8における回路動作を示す。以下、各時刻およびモードにおける回路動作を説明する。
(モードa0:時刻t0〜t1)
図3Aに示すように、モードa0では、スイッチング回路1は、スイッチング素子Q1、Q4がオン状態、スイッチング素子Q2、Q3がオフ状態である。平滑コンデンサC1の電圧がスイッチング回路1から出力され、正の電圧V1が共振コンデンサCrと共振インダクタLrと第1巻線N1に印加され、共振コンデンサCr、共振インダクタLr、第1巻線N1に電流が流れている。
3A to 3I show circuit operations in modes a0 to a8, respectively. The circuit operation at each time and mode will be described below.
(Mode a0: Time t0 to t1)
As shown in FIG. 3A, in the mode a0, in the switching circuit 1, the switching elements Q1 and Q4 are in the on state, and the switching elements Q2 and Q3 are in the off state. The voltage of the smoothing capacitor C1 is output from the switching circuit 1, a positive voltage V1 is applied to the resonance capacitor Cr, the resonance inductor Lr and the first winding N1, and the current is applied to the resonance capacitor Cr, the resonance inductor Lr and the first winding N1. Is flowing.

整流回路2では、スイッチング素子Q5、Q8がオン状態、スイッチング素子Q6、Q7がオフ状態であり、第2巻線N2に誘導された電流がスイッチング素子Q5、Q8を通り、平滑コンデンサC2の両端へ流れている。スイッチング素子Q5、Q8としてMOSFETを用いている場合は、このようにスイッチング素子Q5、Q8をオン状態にすることで、電流がダイオードD5、D8に流れる場合に比べ、導通損失を低減することができる。これを同期整流と呼称する。 In the rectifier circuit 2, the switching elements Q5 and Q8 are in the on state and the switching elements Q6 and Q7 are in the off state, and the current induced in the second winding N2 passes through the switching elements Q5 and Q8 to both ends of the smoothing capacitor C2. Flowing. When MOSFETs are used as the switching elements Q5 and Q8, by turning on the switching elements Q5 and Q8 in this way, the conduction loss can be reduced as compared with the case where the current flows through the diodes D5 and D8. .. This is called synchronous rectification.

第2巻線N2には平滑コンデンサC2の電圧が印加され、電圧V2は正である。このモードでは、共振コンデンサCr、共振インダクタLr、第1巻線N1、第2巻線N2には、共振コンデンサCrと共振インダクタLrによる共振電流が流れている。
(モードa1:時刻t1〜t2)
図3Bに示すように、モードa1では、共振コンデンサCrと共振インダクタLrによる共振電流が流れ終わる時刻t2より前に、時刻t1でスイッチング素子Q5をターンオフする。スイッチング素子Q5を流れていた電流はダイオードD5に流れる。
(モードa2:時刻t2〜t3)
図3Cに示すように、共振コンデンサCrに電荷が蓄積し、共振インダクタ電流ILrが励磁インダクタンス電流ILmまで減少し、第2巻線N2に流れる電流IN2がゼロまで減少すると、モードa2の状態になる。ダイオードD5には逆回復電流が流れ、第2巻線N2には引き続き正の電圧V2が印加され、第2巻線N2に流れる電流IN2は負の方向に増加していく。また、共振インダクタ電流ILrは励磁インダクタンス電流ILmを下回り減少していく。
(モードa3:時刻t3〜t4)
図3Dに示すように、モードa3では、ダイオードD5が逆回復すると、モードa3の状態になる。スイッチング素子Q8は継続してオン状態であり、第2巻線N2に流れる電流IN2は、スイッチング素子Q8とダイオードD6を通る循環電流となる。
The voltage of the smoothing capacitor C2 is applied to the second winding N2, and the voltage V2 is positive. In this mode, the resonance current due to the resonance capacitor Cr and the resonance inductor Lr flows through the resonance capacitor Cr, the resonance inductor Lr, the first winding N1 and the second winding N2.
(Mode a1: Time t1 to t2)
As shown in FIG. 3B, in the mode a1, the switching element Q5 is turned off at the time t1 before the time t2 when the resonance current by the resonance capacitor Cr and the resonance inductor Lr ends. The current flowing through the switching element Q5 flows through the diode D5.
(Mode a2: Time t2 to t3)
As shown in FIG. 3C, when the electric charge is accumulated in the resonant capacitor Cr, the resonant inductor current ILr decreases to the exciting inductance current ILm, and the current IN2 flowing through the second winding N2 decreases to zero, the mode a2 is entered. .. A reverse recovery current flows through the diode D5, a positive voltage V2 is continuously applied to the second winding N2, and the current IN2 flowing through the second winding N2 increases in the negative direction. Further, the resonant inductor current ILr falls below the exciting inductance current ILm and decreases.
(Mode a3: Times t3 to t4)
As shown in FIG. 3D, in the mode a3, when the diode D5 reversely recovers, the mode a3 is reached. The switching element Q8 is continuously on, and the current IN2 flowing through the second winding N2 becomes a circulating current passing through the switching element Q8 and the diode D6.

電圧V2はゼロ電圧であり、第2巻線N2と第1巻線N1もゼロ電圧であるから、スイッチング回路1が出力する電圧V1は、共振コンデンサCrと共振インダクタLrに印加される。このとき、電圧V1より共振コンデンサCrの電圧VCrの方が高いため、共振インダクタLrの電流ILrは減少していき、第2巻線N2に流れる電流IN2は負の方向に増加していく。
(モードa4:時刻t4〜t5)
図2に示されるように、共振インダクタの電流がトランスTの励磁電流より大きい期間に整流回路2のオン状態であるスイッチング素子Q8は、共振インダクタの電流がトランスの励磁電流を下回ってからターンオフされることになる。もしくは、整流回路2のオン状態であるスイッチング素子Q8は、第2巻線の電流の極性が変化してからターンオフされることになる。
Since the voltage V2 is a zero voltage and the second winding N2 and the first winding N1 are also zero voltages, the voltage V1 output by the switching circuit 1 is applied to the resonance capacitor Cr and the resonance inductor Lr. At this time, since the voltage VCr of the resonance capacitor Cr is higher than the voltage V1, the current ILr of the resonance inductor Lr decreases, and the current IN2 flowing through the second winding N2 increases in the negative direction.
(Mode a4: Times t4 to t5)
As shown in FIG. 2, the switching element Q8 in which the rectifier circuit 2 is in the ON state during the period when the current of the resonant inductor is larger than the exciting current of the transformer T is turned off after the current of the resonant inductor falls below the exciting current of the transformer. Will be. Alternatively, the switching element Q8, which is in the ON state of the rectifier circuit 2, is turned off after the polarity of the current of the second winding changes.

図3Eに示すように、スイッチング素子Q8をターンオフすると、モードa4の状態になる。 As shown in FIG. 3E, when the switching element Q8 is turned off, the mode a4 is set.

スイッチング素子Q8を流れていた第2巻線N2電流に流れるIN2は、ダイオードD7に転流し、平滑コンデンサC2に流れる。このとき、スイッチング素子Q6、Q7をターンオンする(ゼロ電圧スイッチング)。なお、スイッチング素子Q6については、モードa3でターンオンしてもゼロ電圧スイッチングとなる。 IN2 flowing in the second winding N2 current flowing through the switching element Q8 is commutated to the diode D7 and flows to the smoothing capacitor C2. At this time, the switching elements Q6 and Q7 are turned on (zero voltage switching). The switching element Q6 is zero voltage switching even if it is turned on in the mode a3.

電圧V2は負となり、第2巻線N2には平滑コンデンサC2の電圧が逆向きに印加される。一方、電圧V1には平滑コンデンサC1の電圧が引き続き正に出力されており、電圧V2を第1巻線N1と第2巻線N2の巻数比で第1巻線N1に側に換算した電圧と、電圧V1との合計電圧が、共振コンデンサCrと共振インダクタLrに印加される。この合計電圧は、共振コンデンサ電圧VCrより高い。このため、モードa3では減少していた共振インダクタ電流ILrが、モードa4では増加に転じている。これに伴い、第2巻線N2に流れる電流IN2の変化も正に転じ、負からゼロに近づいていく。この共振インダクタ電流ILrは、共振コンデンサCrを充電する電流であり、共振コンデンサ電圧VCrは更に上昇する。 The voltage V2 becomes negative, and the voltage of the smoothing capacitor C2 is applied to the second winding N2 in the opposite direction. On the other hand, the voltage of the smoothing capacitor C1 is still positively output to the voltage V1, and the voltage V2 is converted to the first winding N1 by the turns ratio of the first winding N1 and the second winding N2. , The total voltage with the voltage V1 is applied to the resonance capacitor Cr and the resonance inductor Lr. This total voltage is higher than the resonant capacitor voltage VCr. Therefore, the resonant inductor current ILr, which had decreased in the mode a3, has turned to increase in the mode a4. Along with this, the change in the current IN2 flowing in the second winding N2 also turns positive and approaches zero from negative. The resonance inductor current ILr is a current for charging the resonance capacitor Cr, and the resonance capacitor voltage VCr further increases.

このように、スイッチング回路1と整流回路2から互いに逆極性の電圧をトランスTの第1巻線N1と第2巻線N2に印加して、共振コンデンサCrの電圧絶対値を大きくする向きに共振コンデンサCrの電流を増加させる期間を充電期間と呼称する。
(モードa5:時刻t5〜t6)
図3Fに示すように、共振インダクタ電流ILrが励磁インダクタンス電流ILmまで増加し、第2巻線N2に流れる電流IN2がゼロに達すると、モードa5の状態になる。引き続き、トランスTの第1巻線N1と第2巻線N2には、スイッチング回路1と整流回路2から逆極性の電圧を印加しており、共振コンデンサCrの電流すなわち共振インダクタ電流ILrは、共振コンデンサCrの電圧絶対値を大きくする向きに増加する充電期間となっている。
In this way, voltages of opposite polarities are applied from the switching circuit 1 and the rectifying circuit 2 to the first winding N1 and the second winding N2 of the transformer T to resonate in the direction of increasing the absolute voltage value of the resonance capacitor Cr. The period for increasing the current of the capacitor Cr is called the charging period.
(Mode a5: Time t5 to t6)
As shown in FIG. 3F, when the resonant inductor current ILr increases to the exciting inductance current ILm and the current IN2 flowing through the second winding N2 reaches zero, the mode a5 is entered. Subsequently, a voltage of opposite polarity is applied to the first winding N1 and the second winding N2 of the transformer T from the switching circuit 1 and the rectifying circuit 2, and the current of the resonance capacitor Cr, that is, the resonance inductor current ILr resonates. The charging period increases in the direction of increasing the absolute voltage value of the capacitor Cr.

共振インダクタ電流ILrは励磁インダクタンス電流ILmを超えて増加し、第2巻線N2に流れる電流IN2も正の向きに増加しており、平滑コンデンサC2のエネルギーが整流回路2から第2巻線N2に供給されている。 The resonance inductor current ILr increases beyond the exciting inductance current ILm, the current IN2 flowing in the second winding N2 also increases in the positive direction, and the energy of the smoothing capacitor C2 is transferred from the rectifying circuit 2 to the second winding N2. It is being supplied.

モードa5では、制御部5が、充電期間に整流回路2から第2巻線N2にエネルギーを供給する期間をさらに含むように制御する。それにより、出力電圧を高くすることができる。
(モードa6:時刻t6〜t7)
図3Gに示すように、スイッチング素子Q1、Q4をターンオフすると、スイッチング素子Q1、Q4を流れていた電流は、それぞれダイオードD2、D3に転流し、モードa6の状態になる。このとき、スイッチング素子Q2、Q3をターンオンする(ゼロ電圧スイッチング)。なお、スイッチング素子Q2、Q3は、共振インダクタ電流ILrが正の期間すなわち時刻t8までにターンオンすればよく、ゼロ電圧スイッチングとなる。
In the mode a5, the control unit 5 controls so as to further include a period for supplying energy from the rectifier circuit 2 to the second winding N2 during the charging period. Thereby, the output voltage can be increased.
(Mode a6: Times t6 to t7)
As shown in FIG. 3G, when the switching elements Q1 and Q4 are turned off, the current flowing through the switching elements Q1 and Q4 is commutated to the diodes D2 and D3, respectively, and the mode a6 is set. At this time, the switching elements Q2 and Q3 are turned on (zero voltage switching). The switching elements Q2 and Q3 need only be turned on by the positive period, that is, time t8, for the resonant inductor current ILr, resulting in zero voltage switching.

スイッチング回路1が出力する電圧V1の極性が切り替わり、電圧V1は負となっている。共振インダクタ電流ILrと第2巻線N2に流れる電流IN2は減少に転じる。
(モードa7:時刻t7〜t8)
図3Hに示すように、第2巻線N2に流れる電流IN2がゼロに達すると、モードa7の状態になる。共振インダクタ電流ILrは励磁インダクタンス電流ILmより減少する。第2巻線N2に流れる電流IN2は負の向きに増加し、平滑コンデンサC2へのエネルギー供給が開始される。
(モードa8:時刻t8〜t9)
図3Iに示すように、共振インダクタ電流ILrがゼロに達すると、モードa8の状態になる。共振インダクタ電流ILrは負の方向に増加していく。このモードa8は、モードa0の対称動作である。以降、モードa1〜a7の対称動作の後にモードa0へ戻る。
The polarity of the voltage V1 output by the switching circuit 1 is switched, and the voltage V1 becomes negative. The resonance inductor current ILr and the current IN2 flowing through the second winding N2 turn to decrease.
(Mode a7: Times t7 to t8)
As shown in FIG. 3H, when the current IN2 flowing through the second winding N2 reaches zero, the mode a7 is entered. The resonance inductor current ILr is smaller than the exciting inductance current ILm. The current IN2 flowing through the second winding N2 increases in the negative direction, and energy supply to the smoothing capacitor C2 is started.
(Mode a8: Times t8 to t9)
As shown in FIG. 3I, when the resonant inductor current ILr reaches zero, the mode a8 is entered. The resonant inductor current ILr increases in the negative direction. This mode a8 is a symmetrical operation of the mode a0. After that, after the symmetrical operation of the modes a1 to a7, the mode returns to the mode a0.

上記のように、モードa0でオン状態としていた整流回路2が備えた2つのスイッチング素子Q5、Q8のうち、一方のスイッチング素子を、共振インダクタ電流ILrが励磁インダクタンス電流ILmに達する時刻t2より前、すなわち第2巻線N2に流れる電流IN2がゼロまで減少する前にターンオフし、他方のスイッチング素子を、時刻t2より後にターンオフしている。これにより、平滑コンデンサC2からのエネルギーの過大な逆流と、共振コンデンサCrの充電電流低下を防止しつつ、整流回路2が備えたスイッチング素子をゼロ電圧スイッチングできるようにしている。 As described above, of the two switching elements Q5 and Q8 provided in the rectifier circuit 2 that was turned on in the mode a0, one of the switching elements is set before the time t2 when the resonant inductor current ILr reaches the exciting inductance current ILm. That is, the current IN2 flowing in the second winding N2 is turned off before it decreases to zero, and the other switching element is turned off after the time t2. As a result, the switching element provided in the rectifier circuit 2 can be switched to zero voltage while preventing an excessive backflow of energy from the smoothing capacitor C2 and a decrease in the charging current of the resonance capacitor Cr.

図2や図3A〜図3Iに示したように、制御部5は、スイッチング回路1と整流回路2から逆極性の電圧をトランスの第1巻線N1と第2巻線N2に印加して、共振コンデンサCrの電圧絶対値を大きくする向きに共振コンデンサCrの電流を増加させる充電期間Tpを含むようにスイッチング素子を制御する。 As shown in FIGS. 2 and 3A to 3I, the control unit 5 applies a voltage of opposite polarity from the switching circuit 1 and the rectifying circuit 2 to the first winding N1 and the second winding N2 of the transformer. The switching element is controlled so as to include a charging period Tp that increases the current of the resonance capacitor Cr in the direction of increasing the absolute voltage value of the resonance capacitor Cr.

制御部5の制御としては、さらに、次のような構成がある。
制御部5は、充電期間Tpに整流回路2から第2巻線N2にエネルギーを供給する期間をさらに含むように制御する。
The control of the control unit 5 further has the following configuration.
The control unit 5 controls the charging period Tp to further include a period for supplying energy from the rectifier circuit 2 to the second winding N2.

また、制御部5は、共振インダクタの電流がトランスの励磁電流より大きい期間に整流回路2のオン状態であるスイッチング素子を、共振インダクタの電流がトランスの励磁電流を下回ってからターンオフする。 Further, the control unit 5 turns off the switching element in which the rectifier circuit 2 is on during the period when the current of the resonant inductor is larger than the exciting current of the transformer, after the current of the resonant inductor falls below the exciting current of the transformer.

また、制御部5は、整流回路2のオン状態であるスイッチング素子を、第2巻線の電流の極性が変化してからターンオフする。 Further, the control unit 5 turns off the switching element in the ON state of the rectifier circuit 2 after the polarity of the current of the second winding changes.

また、制御部5は、第2巻線の電流が流れている期間にスイッチング素子Q5、Q6、Q7、Q8のうち2つのスイッチング素子をオン状態とし、第2巻線N2の電流の極性が変化する時刻t2の前に前記2つのスイッチング素子の1方をターンオフし、第2巻線N2の電流の極性が変化した後に前記2つのスイッチング素子の他方をターンオフする制御をする。 Further, the control unit 5 turns on two of the switching elements Q5, Q6, Q7, and Q8 while the current of the second winding is flowing, and the polarity of the current of the second winding N2 changes. One of the two switching elements is turned off before the time t2, and the other of the two switching elements is controlled to be turned off after the polarity of the current of the second winding N2 is changed.

このように、本実施例の共振形電源装置10では、制御部5が、スイッチング回路1と整流回路2から逆極性の電圧をトランスTの第1巻線N1と第2巻線N2に印加して、共振コンデンサCrの電圧絶対値を大きくする向きに共振コンデンサCrの電流を増加させる充電期間Tpを備えることで、出力電流が大きい場合においても共振コンデンサCrをより高い電圧まで充電し、より高い出力電圧を得られるようにしている。 As described above, in the resonance type power supply device 10 of the present embodiment, the control unit 5 applies a voltage of opposite polarity from the switching circuit 1 and the rectifying circuit 2 to the first winding N1 and the second winding N2 of the transformer T. By providing a charging period Tp that increases the current of the resonance capacitor Cr in the direction of increasing the absolute voltage value of the resonance capacitor Cr, the resonance capacitor Cr can be charged to a higher voltage even when the output current is large, and the voltage is higher. The output voltage can be obtained.

さらに、この充電期間Tpにおいて、平滑コンデンサC2のエネルギーを整流回路2から第2巻線N2に供給することで、さらに高い出力電圧を得られるようにしている。 Further, during this charging period Tp, the energy of the smoothing capacitor C2 is supplied from the rectifier circuit 2 to the second winding N2 so that a higher output voltage can be obtained.

なお、入出力電圧・電流の条件や充電期間Tpの長さによっては、充電期間Tpにおいて、第2巻線N2に流れる電流IN2の極性が反転しない場合がある。この場合には、モードa4の途中でスイッチング素子Q1、Q4をターンオフすることになり、モードa5及びモードa6が存在しないが、モードa4は充電期間Tpを構成する期間であり、本発明の効果は得られる。 Depending on the input / output voltage / current conditions and the length of the charging period Tp, the polarity of the current IN2 flowing through the second winding N2 may not be reversed during the charging period Tp. In this case, the switching elements Q1 and Q4 are turned off in the middle of the mode a4, and the modes a5 and the mode a6 do not exist. However, the mode a4 is a period constituting the charging period Tp, and the effect of the present invention is effective. can get.

図4は、共振形電源装置の動作を説明するグラフであり、充電期間Tpの決め方を示している。出力電圧が高いときや出力電流が大きいときに、充電期間Tpを長くする。なお、入力電圧が低下した場合についても、出力電圧を入力電圧で除した昇圧比を高くする必要があるから、出力電圧が高いときと同様に、充電期間Tpを長くすればよい。 FIG. 4 is a graph illustrating the operation of the resonance type power supply device, and shows how to determine the charging period Tp. When the output voltage is high or the output current is large, the charging period Tp is lengthened. Even when the input voltage drops, it is necessary to increase the boost ratio obtained by dividing the output voltage by the input voltage. Therefore, the charging period Tp may be lengthened as in the case where the output voltage is high.

制御部5は、負荷に供給する電圧もしくは負荷に供給する電流の増加に伴って充電期間Tpを増加させるように制御する。もしくは、制御部5は、スイッチング回路1に入力する電圧の低下に伴って充電期間Tpを増加させるように制御する。 The control unit 5 controls to increase the charging period Tp as the voltage supplied to the load or the current supplied to the load increases. Alternatively, the control unit 5 controls so that the charging period Tp is increased as the voltage input to the switching circuit 1 decreases.

より具体的には、制御部5は、求める出力電圧が高いときや出力電流が大きいときや入力電圧が低下した場合には、スイッチング周波数を下げて出力電圧を上げるように制御する。スイッチング周波数を下げても求める出力電圧が得られないときには、制御部5は、充電期間Tpを増加させるようにする。具体的には、図2に示すように、制御部5は、スイッチング素子Q8をオフしてからスイッチング素子Q1とQ4をオフするまでの期間を長くするように、スイッチング素子の制御をする。 More specifically, when the desired output voltage is high, the output current is large, or the input voltage is low, the control unit 5 controls to lower the switching frequency and raise the output voltage. When the desired output voltage cannot be obtained even if the switching frequency is lowered, the control unit 5 increases the charging period Tp. Specifically, as shown in FIG. 2, the control unit 5 controls the switching element so as to lengthen the period from turning off the switching element Q8 to turning off the switching elements Q1 and Q4.

ここで、充電期間Tpは、スイッチング回路1と逆極性の電圧を整流回路2から出力してから、スイッチング回路1の出力電圧の極性を切り替えるまでの期間であり、図2においては、時刻t4から時刻t6まで、および時刻t12からt14までの期間である。実用的には、スイッチング回路1の出力電圧の極性を切り替える時刻より充電期間Tpだけ早い時刻に、整流回路2からスイッチング回路1と逆極性の電圧を出力するようにすればよい。 Here, the charging period Tp is a period from the output of the voltage having the opposite polarity to that of the switching circuit 1 from the rectifier circuit 2 until the polarity of the output voltage of the switching circuit 1 is switched. The period up to time t6 and from time t12 to t14. Practically, the voltage having the opposite polarity to that of the switching circuit 1 may be output from the rectifier circuit 2 at a time earlier than the time when the polarity of the output voltage of the switching circuit 1 is switched by the charging period Tp.

なお、上記した回路動作の説明では、スイッチング素子Q8より先にスイッチング素子Q5をターンオフしたが、この2つのスイッチング素子の動作は入れ替えてもよい。同様に、図2では、スイッチング素子Q6より先にスイッチング素子Q7をターンオフしているが、この2つのスイッチング素子の動作も入れ替えてもよい。 In the above description of the circuit operation, the switching element Q5 is turned off before the switching element Q8, but the operations of these two switching elements may be interchanged. Similarly, in FIG. 2, the switching element Q7 is turned off before the switching element Q6, but the operations of these two switching elements may also be interchanged.

また、本実施例においては、平滑コンデンサC1側から平滑コンデンサC2側に給電する動作を説明したが、スイッチング回路1と整流回路2の動作を入れ替えれば、平滑コンデンサC2側から平滑コンデンサC1側に給電することができ、その場合にも本発明の効果を得ることができる。 Further, in this embodiment, the operation of feeding power from the smoothing capacitor C1 side to the smoothing capacitor C2 side has been described, but if the operations of the switching circuit 1 and the rectifier circuit 2 are exchanged, power is supplied from the smoothing capacitor C2 side to the smoothing capacitor C1 side. In that case, the effect of the present invention can be obtained.

図5は、実施例2における共振形電源装置20の回路構成図である。この共振形電源装置20は、直流電源13と負荷14との間に接続され、直流電源13から負荷14に給電する。図1に示した制御部5、制御部5に接続されている電圧センサ6、電圧センサ7、電流センサ8は、図5では省略している。実施例2においても、制御部5、電圧センサ6、電圧センサ7、および電流センサ8は、実施例1と同じ機能を実行する。 FIG. 5 is a circuit configuration diagram of the resonance type power supply device 20 in the second embodiment. The resonance type power supply device 20 is connected between the DC power supply 13 and the load 14, and supplies power from the DC power supply 13 to the load 14. The control unit 5, the voltage sensor 6, the voltage sensor 7, and the current sensor 8 connected to the control unit 5 and the control unit 5 shown in FIG. 1 are omitted in FIG. In the second embodiment, the control unit 5, the voltage sensor 6, the voltage sensor 7, and the current sensor 8 perform the same functions as those in the first embodiment.

この共振形電源装置20は、スイッチング回路11と、整流回路12と、直流電源13に並列接続された平滑コンデンサC11と、負荷14に並列接続された平滑コンデンサC12と、共振コンデンサCr1、Cr2と、共振インダクタLr1とを備えている。 The resonance type power supply device 20 includes a switching circuit 11, a rectifier circuit 12, a smoothing capacitor C11 connected in parallel to the DC power supply 13, a smoothing capacitor C12 connected in parallel to the load 14, and resonance capacitors Cr1 and Cr2. It is provided with a resonance inductor Lr1.

スイッチング回路11は、平滑コンデンサC11の両端間に直列接続されたスイッチング素子Q11とスイッチング素子Q12を備えている。このように、共振形電源装置20は、実施例1の共振形電源装置10と比べ、回路方式をハーフブリッジにした点が異なっている。 The switching circuit 11 includes a switching element Q11 and a switching element Q12 connected in series between both ends of the smoothing capacitor C11. As described above, the resonance type power supply device 20 is different from the resonance type power supply device 10 of the first embodiment in that the circuit method is a half bridge.

また、整流回路12は、実施例1の整流回路2と比べ、スイッチング素子の数が4から2に減少した点が異なっている。実施例1において、入出力電圧・電流の条件や充電期間Tpの長さによっては、充電期間Tpにおいて、第2巻線N2に流れる電流IN2の極性が反転しない場合があることを説明した。 Further, the rectifier circuit 12 is different from the rectifier circuit 2 of the first embodiment in that the number of switching elements is reduced from 4 to 2. In Example 1, it has been described that the polarity of the current IN2 flowing through the second winding N2 may not be reversed during the charging period Tp depending on the input / output voltage / current conditions and the length of the charging period Tp.

この場合には、スイッチング素子Q5、Q7がオンの状態において、スイッチング素子Q5、Q7を順方向に電流が流れる期間が存在しなくなるため、スイッチング素子Q5、Q7は省略することができる。実施例2の整流回路12は、実施例1の整流回路2におけるスイッチング素子Q5、Q7に相当するスイッチング素子を省略した回路構成となっている。 In this case, in the state where the switching elements Q5 and Q7 are on, there is no period in which the current flows in the forward direction through the switching elements Q5 and Q7, so that the switching elements Q5 and Q7 can be omitted. The rectifier circuit 12 of the second embodiment has a circuit configuration in which the switching elements corresponding to the switching elements Q5 and Q7 in the rectifier circuit 2 of the first embodiment are omitted.

図5に示すような実施例2では、整流回路12は、平滑コンデンサC12の両端間に第1ノードで直列に接続された第1ダイオードD15と第1スイッチング素子Q13と、平滑コンデンサC12の両端間に第2ノードで直列に接続された第2ダイオードD16と第2スイッチング素子Q14と、第1スイッチング素子Q13と第2スイッチング素子Q14とそれぞれ逆並列接続された第1の逆並列ダイオードD13と第2の逆並列ダイオードD14を備え、第2巻線N12の一端が第1ノードに接続され、第2巻線N12の他端が第2ノードに接続される。 In the second embodiment as shown in FIG. 5, the rectifier circuit 12 has a first diode D15 and a first switching element Q13 connected in series by a first node between both ends of the smoothing capacitor C12, and between both ends of the smoothing capacitor C12. The second diode D16 and the second switching element Q14 connected in series at the second node, and the first antiparallel diode D13 and the second antiparallel diode D13 and the second switching element Q13 connected in antiparallel to the first switching element Q13 and the second switching element Q14, respectively. The antiparallel diode D14 is provided, one end of the second winding N12 is connected to the first node, and the other end of the second winding N12 is connected to the second node.

そして、制御部は、第2巻線N12の電流が流れている期間に第1スイッチング素子Q13と第2スイッチング素子Q14のうち一方をオン状態とし、第2巻線N12の電流の極性が変化した後にオン状態とした一方をターンオフする。 Then, the control unit turns on one of the first switching element Q13 and the second switching element Q14 while the current of the second winding N12 is flowing, and the polarity of the current of the second winding N12 changes. Turn off the one that was turned on later.

その他の構成および回路動作は、実施例1の共振形電源装置10と同様である。本実施例の共振形電源装置20は、実施例1の共振形電源装置10と比べ、スイッチング素子の数の削減によるコスト削減の効果がある。 Other configurations and circuit operations are the same as those of the resonant power supply device 10 of the first embodiment. The resonance type power supply device 20 of the present embodiment has an effect of cost reduction by reducing the number of switching elements as compared with the resonance type power supply device 10 of the first embodiment.

以上、説明したように、本実施例の共振形電源装置では、トランスを介して入力電圧と出力電圧を直列に接続し、その合計電圧を共振回路に印加することで、共振コンデンサをより高い電圧に充電し、これにより高い出力電圧を得られるようにしている。本発明により、トランスの2次巻数比の増加を抑えることが可能であり、出力電圧が高くないときの効率を改善することができる。 As described above, in the resonant power supply device of the present embodiment, the input voltage and the output voltage are connected in series via a transformer, and the total voltage is applied to the resonant circuit to increase the voltage of the resonant capacitor. It is charged to a high output voltage. According to the present invention, it is possible to suppress an increase in the secondary winding ratio of the transformer, and it is possible to improve the efficiency when the output voltage is not high.

また、実施例においては、スイッチング回路としてフルブリッジ回路とハーフブリッジ回路を用いて説明したが、シングルエンドプッシュプル回路やプッシュプル回路などの他の回路方式に変更しても、同様な効果を得ることができる。 Further, in the embodiment, a full bridge circuit and a half bridge circuit have been described as switching circuits, but the same effect can be obtained by changing to another circuit method such as a single-ended push-pull circuit or a push-pull circuit. be able to.

本発明は、絶縁型のDC−DC変換機能を必要とし、入力電圧または出力電圧の変化範囲が比較的広い用途に適用して効果を得ることが可能である。例えば、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補機用DC−DCコンバータ、非接触給電装置、X線管用電源や加工機用電源、バッテリー充放電用やソリッドステートトランス用の双方向コンバータなど、共振形の電源装置に広く適用できる。 The present invention requires an isolated DC-DC conversion function, and can be applied to an application in which the range of change of the input voltage or the output voltage is relatively wide to obtain an effect. For example, converters that convert the power of solar cells and fuel cells, power supplies for information devices such as servers, DC-DC converters for chargers and auxiliary equipment of electric vehicles, contactless power supply devices, power supplies for X-ray tubes and processing machines. It can be widely applied to resonance type power supply devices such as bidirectional converters for power supplies, battery charging / discharging and solid state transformers.

10、20…共振形電源装置、
1、11…スイッチング回路、
2、12…整流回路、
3、13…直流電源、
4、14…負荷、
5…制御部、
6、7…電圧センサ、
8…電流センサ
10, 20 ... Resonant power supply,
1, 11 ... Switching circuit,
2, 12 ... Rectifier circuit,
3, 13 ... DC power supply,
4, 14 ... load,
5 ... Control unit,
6, 7 ... Voltage sensor,
8 ... Current sensor

Claims (10)

直流電圧を入力し、共振コンデンサを介して第1巻線に交流電圧を印加するスイッチング回路と、
第2巻線に流れる電流を整流して平滑コンデンサの両端間に出力する整流回路と、
前記第1巻線と前記第2巻線とを磁気結合するトランスと、
前記スイッチング回路と前記整流回路におけるスイッチング素子を制御する制御部とを有し、
前記平滑コンデンサの両端間から負荷に直流電力を出力する共振型電源装置であって、
前記制御部は、
前記共振コンデンサの電圧絶対値を大きくする向きに前記共振コンデンサの電流を増加させる充電期間を含むように前記スイッチング素子を制御する共振形電源装置。
A switching circuit that inputs a DC voltage and applies an AC voltage to the first winding via a resonant capacitor.
A rectifier circuit that rectifies the current flowing in the second winding and outputs it between both ends of the smoothing capacitor,
A transformer that magnetically couples the first winding and the second winding,
It has a control unit that controls the switching element in the switching circuit and the rectifier circuit.
A resonance type power supply device that outputs DC power to a load from between both ends of the smoothing capacitor.
The control unit
A resonance type power supply device that controls the switching element so as to include a charging period in which the current of the resonance capacitor is increased in a direction of increasing the absolute voltage value of the resonance capacitor.
請求項1に記載の共振形電源装置において、
前記制御部は、
前記充電期間に前記整流回路から前記第2巻線にエネルギーを供給する期間をさらに含むように制御する共振形電源装置。
In the resonance type power supply device according to claim 1,
The control unit
A resonance type power supply device that controls so that the charging period further includes a period for supplying energy from the rectifier circuit to the second winding.
請求項1に記載の共振形電源装置において、
前記制御部は、
前記負荷に供給する電圧もしくは前記負荷に供給する電流の増加に伴って前記充電期間を増加させるように制御する共振形電源装置。
In the resonance type power supply device according to claim 1,
The control unit
A resonance type power supply device that controls to increase the charging period as the voltage supplied to the load or the current supplied to the load increases.
請求項1に記載の共振形電源装置において、
前記制御部は、
前記スイッチング回路に入力する電圧の低下に伴って前記充電期間を増加させるように制御する共振形電源装置。
In the resonance type power supply device according to claim 1,
The control unit
A resonance type power supply device that controls to increase the charging period as the voltage input to the switching circuit decreases.
請求項1に記載の共振形電源装置において、
前記第1巻線と直列に、前記トランスの漏れインダクタンス成分を備えるか、もしくは、前記第1巻線と直列に、インダクタにより構成される共振インダクタを備えた共振形電源装置。
In the resonance type power supply device according to claim 1,
A resonance type power supply device including a leakage inductance component of the transformer in series with the first winding, or a resonance inductor composed of an inductor in series with the first winding.
請求項5に記載の共振形電源装置において、
前記制御部は、
前記共振インダクタの電流が前記トランスの励磁電流より大きい期間に前記整流回路のオン状態である前記スイッチング素子を、前記共振インダクタの電流が前記トランスの励磁電流を下回ってからターンオフする共振形電源装置。
In the resonance type power supply device according to claim 5.
The control unit
A resonance type power supply device that turns off the switching element in which the rectifying circuit is on during a period in which the current of the resonant inductor is larger than the exciting current of the transformer after the current of the resonant inductor falls below the exciting current of the transformer.
請求項1に記載の共振形電源装置において、
前記制御部は、
前記整流回路のオン状態である前記スイッチング素子を、前記第2巻線の電流の極性が変化してからターンオフする共振形電源装置。
In the resonance type power supply device according to claim 1,
The control unit
A resonance type power supply device that turns off the switching element, which is in the ON state of the rectifier circuit, after the polarity of the current of the second winding changes.
請求項1に記載の共振形電源装置において、
前記整流回路は、
前記平滑コンデンサの両端間の第1ノードで直列に接続された第1スイッチング素子と第2スイッチング素子と、
前記平滑コンデンサの両端間の第2ノードで直列に接続された第3スイッチング素子と第4スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子から前記第4スイッチング素子のそれぞれに逆並列に接続された、第1逆並列ダイオードと、第2逆並列ダイオードと、第3逆並列ダイオードと、第4逆並列ダイオードとを備え、
前記第2巻線の一端が前記第1ノードに接続され、前記第2巻線の他端が前記第2ノードに接続され、
前記制御部は、
前記第2巻線の電流が流れている期間に前記第1スイッチング素子から前記第4スイッチング素子のうち2つのスイッチング素子をオン状態とし、
前記第2巻線の電流の極性が変化する前に前記2つのスイッチング素子の1方をターンオフし、
前記第2巻線の電流の極性が変化した後に前記2つのスイッチング素子の他方をターンオフする共振形電源装置。
In the resonance type power supply device according to claim 1,
The rectifier circuit
The first switching element and the second switching element connected in series by the first node between both ends of the smoothing capacitor,
A third switching element and a fourth switching element connected in series by a second node between both ends of the smoothing capacitor,
A first antiparallel diode, a second antiparallel diode, a third antiparallel diode, and a fourth antiparallel diode connected in antiparallel to each of the first switching element and the fourth switching element are provided. ,
One end of the second winding is connected to the first node and the other end of the second winding is connected to the second node.
The control unit
During the period in which the current of the second winding is flowing, two switching elements from the first switching element to the fourth switching element are turned on.
One of the two switching elements is turned off before the polarity of the current of the second winding changes.
A resonant power supply that turns off the other of the two switching elements after the polarity of the current in the second winding changes.
請求項1に記載の共振形電源装置において、
前記整流回路は,
前記平滑コンデンサの両端間の第1ノードで直列に接続された第1ダイオードと第1スイッチング素子と、
前記平滑コンデンサの両端間の第2ノードで直列に接続された第2ダイオードと第2スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子と第2スイッチング素子にそれぞれ逆並列接続された第1逆並列ダイオードと第2逆並列ダイオードとを備え、
前記第2巻線の一端が前記第1ノードに接続され、前記第2巻線の他端が前記第2ノードに接続され、
前記制御部は、
前記第2巻線の電流が流れている期間に前記第1スイッチング素子と第2スイッチング素子のうち一方をオン状態とし、
前記第2巻線の電流の極性が変化した後に前記オン状態とした前記一方をターンオフする共振形電源装置。
In the resonance type power supply device according to claim 1,
The rectifier circuit
A first diode and a first switching element connected in series by a first node between both ends of the smoothing capacitor,
A second diode and a second switching element connected in series by a second node between both ends of the smoothing capacitor,
A first antiparallel diode and a second antiparallel diode connected in antiparallel to the first switching element and the second switching element, respectively, are provided.
One end of the second winding is connected to the first node and the other end of the second winding is connected to the second node.
The control unit
While the current of the second winding is flowing, one of the first switching element and the second switching element is turned on.
A resonance type power supply device that turns off one of the turned-on states after the polarity of the current of the second winding changes.
請求項8に記載の共振形電源装置において、
前記整流回路は、
前記平滑コンデンサの両端間から直流電力を入力し、
前記スイッチング回路から直流電力を出力する共振形電源装置。
In the resonance type power supply device according to claim 8,
The rectifier circuit
DC power is input from between both ends of the smoothing capacitor,
A resonance type power supply device that outputs DC power from the switching circuit.
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