JP2979465B2 - 共振型dc−dcコンバータ - Google Patents

共振型dc−dcコンバータ

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JP2979465B2
JP2979465B2 JP8115273A JP11527396A JP2979465B2 JP 2979465 B2 JP2979465 B2 JP 2979465B2 JP 8115273 A JP8115273 A JP 8115273A JP 11527396 A JP11527396 A JP 11527396A JP 2979465 B2 JP2979465 B2 JP 2979465B2
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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

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  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、直流電圧を変換し
て所望の電圧値の直流電圧を出力するようにした共振型
のDC−DCコンバータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】この種の共振型DC−DCコンバータの
従来の構成を示す回路図を図5に示す。この図に示す共
振型DC−DCコンバータにおいて、出力トランスTに
は、共振コンデンサCoが両端子間に並列接続されてい
る一次巻線、両端子間に整流用ダイオードD1,D2が
接続された二次巻線、および帰還用の三次巻線が巻回さ
れている。また、この出力トランスの一次巻線に駆動電
流を供給する第1,第2のバイポーラトランジスタTR
1,TR2が設けられ、このバイポーラトランジスタT
R1,TR2は三次巻線に誘起された電圧によりオン/
オフが交互に制御されている。
【0003】さらに、出力トランスTの二次巻線の両端
子にはダイオードD1,D2のアノードが接続されてお
り、ダイオードD1,D2のカソードが共通接続された
接続点と、出力トランスTの二次巻線のセンタータップ
との間に平滑用コンデンサC1が接続されている。ま
た、第1,第2のバイポーラトランジスタTR1,TR
2のベースはそれぞれ起動用の第1抵抗R1,第2抵抗
R2、およびスイッチSWを介して直流電源Eに接続さ
れている。
【0004】次に、このように構成された共振型DC−
DCコンバータの動作を説明すると、スイッチSWを閉
じると直流電源Eが、第1抵抗R1を介して第1のバイ
ポーラトランジスタTR1のベースに供給されると共
に、第2抵抗R2を介して第2のバイポーラトランジス
タTR2のベースに供給される。この時、第1のバイポ
ーラトランジスタTR1が先にオンしたとすると、直流
電源E−スイッチSW−インダクタL−出力トランスT
の一次側巻線のセンタータップ−出力トランスTの一次
側巻線−第1のバイポーラトランジスタTR1−直流電
源Eのループに電流が流れるようになる。
【0005】すると、出力トランスTの一次側巻線に電
流が流れることにより、その三次巻線に電圧が誘起さ
れ、三次巻線には図示するA方向に電流が流れるように
なる。このA方向に流れる電流により、第1のバイポー
ラトランジスタTR1はますますオンされると共に、第
2のバイポーラトランジスタTR2はオフするようにな
る。この場合、出力トランスTの一次側のインダクタン
スと共振用コンデンサCoとにより共振回路が形成され
て、出力トランスTの一次巻線には正弦波状の電圧ep
が発生し、電圧epより約90°遅れた正弦波状の電流
が流れるようになる。したがって、出力トランスTの二
次巻線および三次巻線には、この電流により正弦波状の
電圧が誘起されるようになる。なお、二次巻線に誘起さ
れる電圧esの電圧値は、一次巻線のセンタータップま
での巻き数Npと、二次巻線のセンタータップまでの巻
き数Nsとの巻き数比Ns/Npで決定される。
【0006】そして、出力トランスTの一次巻線に流れ
る電流が正弦波状に変化していくことに伴い、三次巻線
に誘起される電圧が減少してA方向に流れる電流が減少
するようになると、第1のバイポーラトランジスタTR
1のコレクタ電流が減少するようになる。すると、一次
巻線に流れる電流が減少することから、三次巻線には反
転した電圧が誘起されるようになる。したがって、この
誘起電圧により三次巻線に流れる電流も反転して図示す
るB方向に流れるようになり、この結果、第1バイポー
ラトランジスタTR1がオフするようになり、逆に第2
のバイポーラトランジスタTR2のベースにはベース電
流が供給されてオンするようになる。
【0007】第2のバイポーラトランジスタTR2がオ
ンすると、出力トランスTの一次巻線には、先程とは逆
方向の正弦波状の電圧ep’が発生すると共に、反転し
た正弦波状の電流が流れるようになる。これにより、出
力トランスTの二次巻線および三次巻線にも反転した正
弦波状の電圧が誘起されるようになる。この場合、二次
巻線に誘起される電圧es’は、一次巻線のセンタータ
ップまでの巻き数Np’と、二次巻線のセンタータップ
までの巻き数Ns’との巻き数比Ns’/Np’で決定
される。ただし、Np=Np’およびNs=Ns’とな
るように出力トランスTには一次および二次巻線が巻か
れている。
【0008】そして、出力トランスTの一次巻線に流れ
る反転した電流が正弦波状に変化していくことに伴い、
三次巻線に誘起される電圧が減少してB方向に流れる電
流が減少するようになると、第2のバイポーラトランジ
スタTR2のコレクタ電流が減少するようになる。する
と、一次巻線に流れる電流が減少することから、三次巻
線には再度反転した電圧が誘起されるようになる。した
がって、この誘起電圧により流れる電流も再度反転して
図示するA方向に流れるようになり、この結果、第2バ
イポーラトランジスタTR2がオフするようになり、逆
に第1のバイポーラトランジスタTR1のベースにはベ
ース電流が供給されてオンするようになる。
【0009】これにより、最初の状態とされて前述した
動作が繰り返し行われるようになり、第1のバイポーラ
トランジスタTR1と第2のバイポーラトランジスタT
R2とが交互にオン/オフを繰り返すようになる。すな
わち、第1のバイポーラトランジスタTR1と第2のバ
イポーラトランジスタTR2の作用により、発振が継続
するようになる。したがって、出力トランスTの一次巻
線にはバイポーラトランジスタTR1,TR2がオン/
オフする毎に反転した方向の電流が供給されるようにな
るが、一次巻線には共振コンデンサCoが接続されてい
るため、一次巻線には正弦波状に変化する電流が流れる
ようになり、その二次巻線に正弦波状の電圧が誘起され
るようになる。この二次巻線に誘起された交流電圧は、
ダイオードD1,D2により全波整流されて、平滑コン
デンサC1により平滑されることにより直流電圧とされ
て、負荷Loadに供給されるようになる。
【0010】この場合の負荷Loadに供給される直流
電圧の値は、出力トランスTの巻き数比Ns/Np(=
Ns’/Np’)で変換された直流電源Eの電圧値が出
力されるようになる。また、DC−DCコンバータの発
振周波数は出力トランスTの一次側のインダクタンス
と、共振用コンデンサCoによりほぼ決定されるように
なり、インダクタLが発振周波数に与える影響は少な
い。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】前記した従来の共振型
DC−DCコンバータにおいては、第1,第2のバイポ
ーラトランジスタTR1,TR2がオン時に飽和状態と
なるように駆動されているため、ベース蓄積効果により
オフになるよう駆動されてからオフ状態になるまでの遅
れ時間が大きくなる。このため、第1,第2のバイポー
ラトランジスタTR1,TR2による電力損失が大きく
なり、無効に消費される電力が大きくなるという問題点
があった。また、DC−DCコンバータを小型化するに
は動作周波数を上げる必要があるが、単に動作周波数を
上げると無効な電力損失が増加する欠点がある。
【0012】さらに、起動用の抵抗R1,R2は第1,
第2のバイポーラトランジスタTR1,TR2を起動す
るためのベース電流を供給するための抵抗であると共
に、第1,第2のバイポーラトランジスタTR1,TR
2のベース電流制限用の抵抗でもある。ここで、起動し
易いように抵抗R1,R2の抵抗値を小さくすると、D
C−DCコンバータは確実に起動するようになるが、無
効な電力損失が増加することになる。一方、抵抗R1,
R2の抵抗値を大きくすると電力損失が低減されるもの
の、起動に失敗する恐れがあり、起動に失敗すると短絡
電流が流れて事故が発生してしまうという問題点が生じ
る。
【0013】そこで、本発明は無効な電力損失を低減す
ると共に、動作周波数を上げることができるように、ス
イッチング素子のスイッチングスピードを向上すること
のできる共振型DC−DCコンバータを提供することを
目的としている。
【0014】
【課題を解決しようとする手段】上記目的を達成するた
めに、本発明の共振型DC−DCコンバータは、所定の
巻線比で一次巻線、出力用の二次巻線、および三次巻線
が巻回されている出力トランスと、該出力トランスの一
次側巻線に並列に接続され共振回路を形成する共振コン
デンサと、該共振回路の両端子間に接続されている第1
の電界効果トランジスタおよび第2の電界効果トランジ
スタと、該第1,第2の電界効果トランジスタのソース
同士が接続された接続点と、前記第1の電界効果トラン
ジスタのゲート間に接続された第1のツェナーダイオー
ドと、前記接続点と前記第2の電界効果トランジスタの
ゲート間に接続された第2のツェナーダイオードとを備
え、前記三次巻線の両端子間が抵抗とスピードアップコ
ンデンサの並列回路を介して、縦続接続されている前記
第1のツェナーダイオードと前記第2のツェナーダイオ
ードの両端子間に接続されていると共に、前記第1の電
界効果トランジスタあるいは前記第2の電界効果トラン
ジスタのゲートと入力電源間に起動用抵抗が接続されて
いるものである。
【0015】また、上記共振型DC−DCコンバータに
おいて、前記起動用抵抗に並列にスピードアップコンデ
ンサを接続するようにしてもよいものである。
【0016】このような本発明の共振型DC−DCコン
バータによれば、スイッチング素子である電界効果トラ
ンジスタをオフする場合に、ゲートのストレー容量に蓄
積された電荷をツェナーダイオードにより瞬時に放電す
ることができるため、電界効果トランジスタを高速にオ
フすることができるようになる。また、ゲートに接続さ
れている抵抗にスピードアップコンデンサを接続したの
で、電界効果トランジスタを高速にオンすることができ
る。これにより、スイッチング素子のスイッチングスピ
ードが向上されるようになり、動作周波数を高くするこ
とができると共に、無効な電力消費を低減することがで
きる。
【0017】
【発明の実施の形態】本発明の共振型DC−DCコンバ
ータの実施の形態の回路図を図1に示す。この図に示す
本発明の共振型DC−DCコンバータにおいて、出力ト
ランスTには、共振コンデンサCoが両端子間に並列接
続されている一次巻線、両端子間に整流用ダイオードD
1,D2が接続された二次巻線、および帰還用の三次巻
線が巻回されている。この一次巻線および三次巻線に付
した●印は巻線の巻き始めを示している。また、この出
力トランスTの一次巻線のセンタータップにスイッチS
Wの出力端子に一端が接続されているインダクタLの他
端が接続されると共に、第1,第2の電界効果トランジ
スタFET1,FET2のドレインが一次巻線の両端子
間に接続されている。
【0018】さらに、第1,第2の電界効果トランジス
タFET1,FET2のソース同士が接続されており、
第1の電界効果トランジスタFET1のゲート・ソース
間に第1のツェナーダイオードZD1が、カソードがゲ
ートに接続されるよう設けられていると共に、第2の電
界効果トランジスタFET2のゲート・ソース間に第2
のツェナーダイオードZD2が、カソードがゲートに接
続されるよう設けられている。さらにまた、三次巻線の
一端が第2のツェナーダイオードZD2と第2の電界効
果トランジスタFET2のゲートとの接続点に接続さ
れ、他端が制限抵抗R2とスピードアップコンデンサC
2との並列回路を介して第1のツェナーダイオードZD
1と第1の電界効果トランジスタFET1のゲートとの
接続点に接続されている。
【0019】さらにまた、第1のツェナーダイオードZ
D1と第1の電界効果トランジスタFET1のゲートと
の接続点は、起動用抵抗R1を介してスイッチSWの出
力側端子に接続されている。ところで、出力トランスT
の二次巻線の両端子には第1,第2のダイオードD1,
D2のアノードが接続されており、第1,第2のダイオ
ードD1,D2のカソードが共通に接続された接続点
と、出力トランスTの二次巻線のセンタータップとの間
に平滑用コンデンサC1が接続されている。
【0020】また、スイッチSWの入力側と、第1,第
2の電界効果トランジスタFET1,FET2の各ソー
スおよびツェナーダイオードZD1,ZD2が共通に接
続された接続点間に直流電源Eが接続されている。この
直流電源Eは、例えば商用電源を整流して得た約140
Vの電圧値を有する電源とされている。
【0021】次に、このように構成された共振型DC−
DCコンバータの動作を、図2に示す各部波形図、およ
び図3,図4に示す出力トランスTの出力側を省略した
回路図を参照しながら説明する。スイッチSWを閉じる
と直流電源Eが、起動用抵抗R1を介して第1の電界効
果トランジスタFET1のゲートに供給されると共に、
制限抵抗R2とスピードアップコンデンサC2の並列回
路、および三次巻線を介して第2の電界効果トランジス
タFET2のゲートに供給される。この場合、第1の電
界効果トランジスタFET1と第2の電界効果トランジ
スタFET2とのいずれが先にオンするかは一概に決定
することはできないが、この場合、第1の電界効果トラ
ンジスタFET1が先にオンしたとする。
【0022】すると、直流電源Eから供給された電流
は、スイッチSWおよびインダクタLを介して、出力ト
ランスTの一次側巻線のセンタータップから出力トラン
スTの一次側巻線の上半分、および第1の電界効果トラ
ンジスタFET1のドレイン・ソース間を介して直流電
源Eへ戻るようになる。このようにして、出力トランス
Tの一次側巻線に電流が流れることにより、その三次巻
線に電圧が誘起され、三次巻線には図3に示す方向に電
流が流れるようになる。これにより、図2に示すよ
うに三次巻線に誘起された電圧が印加される第1のツェ
ナーダイオードZD1の両端にはツェナー降伏電圧Vz
1が生じ、第2のツェナーダイオードZD2の両端には
ダイオードの順方向電圧Vdが生じるようになる。この
第1のツェナーダイオードZD1の両端に生じたツェナ
ー降伏電圧Vz1により、第1の電界効果トランジスタ
FET1はますますオンすると共に、第2の電界効果ト
ランジスタFET2のゲートは導通した第2のツェナー
ダイオードZD2により短絡されるためオフするように
なる(図2FET1,FET2参照)。
【0023】この場合、出力トランスTの一次側のイン
ダクタンスと共振用コンデンサCoとにより共振回路が
形成されて、出力トランスTの一次巻線には図2に示
す正弦波状の電圧epが発生し、この電圧epより約9
0°遅れた正弦波状の電流が流れるようになる。したが
って、出力トランスTの二次巻線および三次巻線には正
弦波状の電圧が誘起されるようになる。なお、二次巻線
に誘起される電圧esの電圧値は、一次巻線のセンター
タップまでの巻き数Npと、二次巻線のセンタータップ
までの巻き数Nsとの巻き数比Ns/Npで決定され
る。
【0024】そして、出力トランスTの一次巻線に流れ
る電流が正弦波状に変化していくことに伴い、三次巻線
に誘起される電圧が減少して図3に示す方向の電流が減
少するようになると、第1の電界効果トランジスタFE
T1のドレイン電流が減少するようになる。すると、一
次巻線に流れる電流が減少することから、三次巻線には
反転した電圧が誘起されるようになる。したがって、こ
の誘起電圧により流れる電流も反転して図4に示す方向
に流れるようになり、この結果、図2に示すように
第2のツェナーダイオードZD2の両端にはツェナー降
伏電圧Vz2が生じ、第1のツェナーダイオードZD1
の両端にはダイオードの順方向電圧Vdが生じるように
なる。
【0025】この第2のツェナーダイオードZD2の両
端に生じたツェナー降伏電圧Vz2により、第2の電界
効果トランジスタFET2はますますオンすると共に、
第1の電界効果トランジスタFET1のゲートは導通し
た第1のツェナーダイオードZD1により短絡されるた
めオフするようになる(図2FET1,FET2参
照)。この時、第1の電界効果トランジスタFET1に
ゲートのストレー容量に蓄積された電荷は、導通した第
1のツェナーダイオードZD1により瞬時に放電される
ため、第1の電界効果トランジスタFET1は高速にオ
フするようになる。さらに、第2の電界効果トランジス
タFET2のゲートはスピードアップコンデンサC2を
介して駆動されるため、高速にオンするようになる。こ
のように、第1の電界効果トランジスタFET1および
第2の電界効果トランジスタFET2は高速にスイッチ
ングされるようになる。
【0026】第2の電界効果トランジスタFET2がオ
ンすると、出力トランスTの一次巻線には、先程とは逆
方向の図2に示す正弦波状の電圧ep’が発生すると
共に、反転した正弦波状の電流が流れるようになる。こ
れにより、出力トランスTの二次巻線および三次巻線に
も反転した正弦波状の電圧が誘起されるようになる。こ
の時の一次巻線の両端に生じる電圧を図2−に示
し、二次巻線に誘起される電圧es’を図2に示す。
なお、二次巻線に誘起される電圧es’は、一次巻線の
センタータップまでの巻き数Np’と、二次巻線のセン
タータップまでの巻き数Ns’との巻き数比Ns’/N
p’で決定される。ただし、Np=Np’およびNs=
Ns’となるように出力トランスTには一次および二次
巻線が巻かれている。
【0027】そして、出力トランスTの一次巻線に流れ
る反転した電流が正弦波状に変化していくことに伴い、
三次巻線に誘起される電圧が減少して図4に示す方向に
流れる電流が減少するようになると、第2の電界効果ト
ランジスタFET2のドレイン電流が減少するようにな
る。すると、一次巻線に流れる電流が減少することか
ら、三次巻線には再度反転した電圧が誘起されるように
なる。したがって、この誘起電圧により流れる電流も再
度反転して図3に示す方向に流れるようになり、この結
果、前記したように第1のツェナーダイオードZD1の
両端に生じるツェナー降伏電圧Vz1により第1の電界
効果トランジスタFET1はますますオンすると共に、
第2の電界効果トランジスタFET2のゲートは導通し
た第2のツェナーダイオードZD2により短絡されてオ
フするようになる。
【0028】この時、第2の電界効果トランジスタFE
T2にゲートのストレー容量に蓄積された電荷は、導通
した第2のツェナーダイオードZD2により瞬時に放電
されるため、第2の電界効果トランジスタFET2は高
速にオフするようになる。さらに、第1の電界効果トラ
ンジスタFET1のゲートはスピードアップコンデンサ
C2を介して駆動されるため、高速にオンするようにな
る。このように、第1電界効果トランジスタFET1お
よび第2の電界効果トランジスタFET2は高速にスイ
ッチングされるようになる。
【0029】このような動作が繰り返し行われることに
より、第1の電界効果トランジスタFET1と第2の電
界効果トランジスタFET2とが交互にオン/オフを繰
り返すようになり、発振が継続するようになる。したが
って、出力トランスTの一次巻線には第1,第2の電界
効果トランジスタFET1,FET2がオン/オフする
毎に反転した方向の電流が供給されるようになり、この
一次巻線には共振コンデンサCoが接続されているた
め、一次巻線には図2−に示すような正弦波状に変
化する電圧が生じるようになると共に、その二次巻線に
は図2に示すような正弦波状の電圧が誘起されるよう
になる。この二次巻線に誘起された交流電圧は、ダイオ
ードD1,D2により全波整流され、平滑コンデンサC
1により平滑されることにより直流電圧とされて、負荷
Loadに供給されるようになる。
【0030】この場合の負荷Loadに供給される直流
電圧の値は、出力トランスTの巻き数比Ns/Np(=
Ns’/Np’)で変換された直流電源Eの電圧値が出
力されるようになる。また、DC−DCコンバータの発
振周波数foは出力トランスTの一次側のインダクタン
スと、共振用コンデンサCoによりほぼ決定されるよう
になり、インダクタLが発振周波数に与える影響は少な
い。
【0031】以上説明したように、本発明の共振型DC
−DCコンバータが起動して発振した場合は、図3およ
び図4に示すループにより発振が継続するようになる。
この場合、前記したように第1の電界効果トランジスタ
FET1および第2の電界効果トランジスタFET2は
高速にスイッチングされるため、発振周波数foを高く
しても無効に消費される電力を少なくすることができる
ようになる。このため、共振型DC−DCコンバータを
より小型化することができる。
【0032】また、抵抗R1は共振型DC−DCコンバ
ータを起動する作用しかないが、起動を安定化するため
に抵抗R1にスピードアップコンデンサC3を並列に接
続するようにしてもよい。なお、制限抵抗R2は図3お
よび図4に示すループに挿入されて第1,第2のツェナ
ーダイオードZD1,ZD2流れる電流を制限する抵抗
であり、小さくすると無効に消費される電力が増加する
ことから余り小さくすることはできない。しかしなが
ら、制限抵抗R2を大きくするとオン電圧の立ち上がり
が遅れることから第1の電界効果トランジスタFET1
および第2の電界効果トランジスタFET2がオンする
スイッチングスピードが低下するので、スピードアップ
コンデンサC2を制限抵抗R2に並列に接続してスイッ
チングスピードを向上するようにしているのである。
【0033】
【発明の効果】本発明の共振型DC−DCコンバータは
以上のように構成されているので、スイッチング素子で
ある電界効果トランジスタをオフする場合に、ゲートの
ストレー容量に蓄積された電荷を順方向に導通したツェ
ナーダイオードにより瞬時に放電することができるた
め、電界効果トランジスタを高速にオフすることができ
るようになる。また、ゲートに接続されている制限抵抗
にスピードアップコンデンサを接続したので、電界効果
トランジスタを高速にオンすることができる。これによ
り、スイッチング素子のスイッチングスピードを向上す
ることができるようになり、動作周波数を高くすること
ができると共に、無効な電力消費を低減することができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の共振型DC−DCコンバータの実施の
形態の構成を示す回路図である。
【図2】本発明の共振型DC−DCコンバータの動作波
形図である。
【図3】本発明の共振型DC−DCコンバータの動作を
説明するための回路図である。
【図4】本発明の共振型DC−DCコンバータの動作を
説明するための回路図である。
【図5】従来の共振型DC−DCコンバータの構成を示
す回路図である。
【符号の説明】
FET1,FET2 電界効果トランジスタ ZD1,ZD2 ツェナーダイオード Co 共振コンデンサ C1 平滑コンデンサ C2,C3 スピードアップコンデンサ D1,D2 整流用ダイオード E 直流電源 L インダクタ T 出力トランス R1 起動用抵抗 R2 制限抵抗 SW スイッチ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 所定の巻線比で一次巻線、出力用の二
    次巻線、および三次巻線が巻回されている出力トランス
    と、 該出力トランスの一次側巻線に並列に接続され共振回路
    を形成する共振コンデンサと、 該共振回路の両端子間に接続されている第1の電界効果
    トランジスタおよび第2の電界効果トランジスタと、 該第1,第2の電界効果トランジスタのソース同士が接
    続された接続点と、前記第1の電界効果トランジスタの
    ゲート間に接続された第1のツェナーダイオードと、前
    記接続点と前記第2の電界効果トランジスタのゲート間
    に接続された第2のツェナーダイオードとを備え、 前記三次巻線の両端子間が抵抗とスピードアップコンデ
    ンサの並列回路を介して、縦続接続されている前記第1
    のツェナーダイオードと前記第2のツェナーダイオード
    の両端子間に接続されていると共に、前記第1の電界効
    果トランジスタあるいは前記第2の電界効果トランジス
    タのゲートと入力電源間に起動用抵抗が接続されている
    ことを特徴とする共振型DC−DCコンバータ。
  2. 【請求項2】 前記起動用抵抗に並列にスピードアッ
    プコンデンサが接続されていることを特徴とする請求項
    1記載の共振型DC−DCコンバータ。
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