JP3022620B2 - DC-DC converter - Google Patents

DC-DC converter

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JP3022620B2
JP3022620B2 JP3099463A JP9946391A JP3022620B2 JP 3022620 B2 JP3022620 B2 JP 3022620B2 JP 3099463 A JP3099463 A JP 3099463A JP 9946391 A JP9946391 A JP 9946391A JP 3022620 B2 JP3022620 B2 JP 3022620B2
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capacitor
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transformer
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勇美 乗越
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株式会社電設
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

[発明の目的] [Object of the invention]

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング損失を低
減するためのDC−DCコンバータに関し、特に2種類
の共振回路を組み合わせてその損失を低減するDC−D
Cコンバータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a DC-DC converter for reducing switching loss, and more particularly to a DC-D converter for reducing the loss by combining two types of resonance circuits.
It relates to a C converter.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年DC−DCコンバータに用いるスイ
ッチング素子にスイッチング周波数の高いものが出現し
てきているのに伴い、DC−DCコンバータに大きな体
積を占めるトランス,チョークコイル,平滑コンデンサ
等の部品の小型化が図れるようになり、この結果として
DC−DCコンバータの小型化が期待される。
2. Description of the Related Art In recent years, as switching elements used in DC-DC converters having high switching frequencies have appeared, small-sized components such as transformers, choke coils, and smoothing capacitors occupying a large volume in DC-DC converters. Therefore, miniaturization of a DC-DC converter is expected as a result.

【0003】ところが、スイッチング素子がスイッチン
グ動作を行うときのターンオン,ターンオフ時の電流と
電圧との重なりによって生ずるスイッチング損失が高周
波化に伴って増加してきていて、前記したように部品が
小型化しているにもかかわらず、スイッチング損失によ
る発熱に対する放熱対策のために全体の小型化が妨げら
れているのが現状である。
However, the switching loss caused by the overlap of the current and the voltage at the time of turning on and turning off when the switching element performs the switching operation is increasing with an increase in the frequency, and as described above, the components are downsized. Nevertheless, at present, miniaturization as a whole is hindered by heat dissipation measures against heat generation due to switching loss.

【0004】また、DC−DCコンバータの高周波化に
伴ってスイッチング素子として絶縁ゲート形電界効果ト
ランジスタ(以下MOSFETと称する)を使用するこ
とが一般的になっているが、MOSFETは内部に寄生
容量を有し、電圧を印加したままスイッチング動作を行
うと寄生容量の短絡が生じて損失及びノイズが発生す
る。このためノイズ対策も必要である。
[0004] Further, with the increase in the frequency of DC-DC converters, insulated gate field effect transistors (hereinafter referred to as MOSFETs) have been generally used as switching elements. However, MOSFETs have parasitic capacitance inside. If the switching operation is performed while a voltage is applied, a short circuit of the parasitic capacitance occurs, causing loss and noise. Therefore, noise countermeasures are required.

【0005】図4は従来のDC−DCコンバータの一例
を示すもので、一石式のフォワード形DC−DCコンバ
ータの構成を示すものである。トランスTの1次側には
直流源ES,1次巻線L1及びスイッチング素子である
MOSFET Q1が直列接続されると共に、トランス
Tの2次側には2次巻線L2に整流ダイオードD4,フ
ライホイールダイオードD5,チョークコイルL3,平
滑コンデンサC3から成る整流・平滑回路RECが接続
されている。なおMOSFET Q1に並列接続されて
いるD1は寄生ダイオード,C1は寄生容量である。
FIG. 4 shows an example of a conventional DC-DC converter, and shows a configuration of a single-type forward DC-DC converter. On the primary side of the transformer T, a DC source ES, a primary winding L1, and a MOSFET Q1 as a switching element are connected in series, and on the secondary side of the transformer T, a rectifier diode D4 is connected to a secondary winding L2. A rectifying / smoothing circuit REC including a wheel diode D5, a choke coil L3, and a smoothing capacitor C3 is connected. D1 connected in parallel to the MOSFET Q1 is a parasitic diode, and C1 is a parasitic capacitance.

【0006】このようなDC−DCコンバータは、MO
SFET Q1がオンしているときに入力側の1次巻線
L1に電流が流れ、これによって出力側の2次巻線L2
に交流電圧が誘起されて整流・平滑回路RECにより直
流に交換されて端子TO−TO′から出力される。
[0006] Such a DC-DC converter is an MO.
When the SFET Q1 is turned on, a current flows through the primary winding L1 on the input side, and thereby the secondary winding L2 on the output side.
And a rectifier / smoothing circuit REC converts the voltage into a direct current, which is output from a terminal TO-TO '.

【0007】図5はこのDC−DCコンバータの動作を
説明する波形図で、VG1はMOSFET Q1のゲー
ト電圧,VQ1はドレイン・ソース間電圧,IQ1は1
次巻線L1を経てMOSFET Q1を流れるドレイン
電流(ドレイン・ソース間電流)を示している。横軸は
共通の時間軸を示している。この波形図において、Q1
がターンオンする時刻t1から時刻t2までの期間及び
Q1がターンオフする時刻t3から時刻t4までの期
間、いずれもVQ1及びIQ1が零ではなく或る値を有
して重なっている。従って、MOSFET Q1のター
ンオン時及びターンオフ時にスイッチング損失(電力損
失)が生じるようになる。
FIG. 5 is a waveform diagram for explaining the operation of the DC-DC converter. VG1 is the gate voltage of the MOSFET Q1, VQ1 is the drain-source voltage, and IQ1 is 1.
It shows a drain current (a drain-source current) flowing through the MOSFET Q1 via the next winding L1. The horizontal axis shows a common time axis. In this waveform diagram, Q1
In the period from time t1 to time t2 when is turned on and the period from time t3 to time t4 when Q1 is turned off, VQ1 and IQ1 are not zero but overlap with a certain value. Therefore, switching loss (power loss) occurs when the MOSFET Q1 is turned on and off.

【0008】このため従来においてスイッチング損失を
低減するため、共振現象を利用して零電圧スイッチング
を行わせる技術が開発されてきている。この技術は共振
用コイル又はトランスの1次巻線とコンデンサとを組み
合わせて共振回路を構成するようにしたものである。
Therefore, in order to reduce the switching loss, a technique for performing zero voltage switching using a resonance phenomenon has been developed. In this technique, a resonance circuit is configured by combining a resonance coil or a primary winding of a transformer and a capacitor.

【0009】[0009]

【発明が解決しようとする課題】ところで従来における
そのように電圧による共振現象を利用する技術は、回路
電圧に比べてスイッチング素子に加わる電圧が高くなる
のでスイッチング素子として高耐圧の素子が必要になる
という問題がある。例えば最近では一般的にスイッチン
グ素子としては、MOSFETが使用されるが、高耐圧
のMOSFETはオン抵抗が高いので、スイッチング素
子の導通時の損失が大きくなって結果的にスイッチング
損失はそれ程低減できないことになる。又、共振条件が
固定のインダクタンスとコンデンサの容量で決定される
ため、スイッチング動作のオン,オフ比による制御がで
きない。
However, in the conventional technique utilizing the resonance phenomenon due to voltage as described above, the voltage applied to the switching element becomes higher than the circuit voltage, so that an element having a high breakdown voltage is required as the switching element. There is a problem. For example, recently, MOSFETs are generally used as switching elements. However, since MOSFETs with high breakdown voltage have high on-resistance, losses when the switching elements are conducting become large, and as a result, switching losses cannot be reduced so much. become. In addition, since the resonance condition is determined by the fixed inductance and the capacitance of the capacitor, the switching operation cannot be controlled by the on / off ratio.

【0010】本発明は以上のような問題に対処してなさ
れたもので、スイッチング素子に高電圧が加わらない零
電圧スイッチングを可能ならしめると共に、低いオン抵
抗のスイッチング素子を用いることにより導通時におい
てもスイッチング損失を低減し、更にオン,オフ比によ
る制御を可能にしたDC−DCコンバータを提供するこ
とを目的とするものである。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above-described problems, and enables zero voltage switching without applying a high voltage to a switching element. It is another object of the present invention to provide a DC-DC converter capable of reducing switching loss and enabling control by an ON / OFF ratio.

【0011】[発明の構成][Structure of the Invention]

【0012】[0012]

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明は、トランスの1次側に直流源、1次巻線及び
主スイッチング素子が直列接続されると共に、トランス
の2次側に整流・平滑回路が接続されたDC−DCコン
バータにおいて、共振条件を制御する主スイッチング素
子に並列接続されたトランスにリセット電圧を与える副
スイッチング素子、1つの共振条件を与える第1のコン
デンサ及び共振条件を切換えるダイオードと、前記副ス
イッチング素子に直列接続されもう1つの共振条件を与
える第2のコンデンサと、前記トランスの2次側に接続
された共振条件を安定化させる可飽和リアクトルとを備
え、前記第1のコンデンサと1次巻線とで短い周期の共
振回路を、前記第2のコンデンサと1次巻線とで長い周
期の共振回路を各々構成し、主スイッチング素子及び副
スイッチング素子のオン,オフに応じて2種類の共振回
路の動作が互いに移行可能に制御されることを特徴とす
るものである。
According to the present invention, a DC source, a primary winding and a main switching element are connected in series to a primary side of a transformer, and a secondary side of the transformer is connected to a primary side of the transformer. In a DC-DC converter to which a rectifying / smoothing circuit is connected, a sub-switching element for applying a reset voltage to a transformer connected in parallel to a main switching element for controlling a resonance condition, a first capacitor for providing one resonance condition, and a resonance condition And a second capacitor connected in series with the sub-switching element to provide another resonance condition, and a saturable reactor connected to the secondary side of the transformer for stabilizing the resonance condition. The first capacitor and the primary winding form a short-period resonance circuit, and the second capacitor and the primary winding form a long-period resonance circuit. Configured, on of the main switching element and the sub-switching element, it is characterized in that the operation of the two resonant circuits in accordance with the off is migratable controlled together.

【0013】[0013]

【作用】主スイッチング素子及び副スイッチング素子を
同時にオフする期間を設けて交互にオン,オフさせるこ
とにより共振現象が確保される。またこのオフ期間を設
けることにより共振波形が零電圧に到達するまで一方の
スイッチング素子のオンを抑えて、零電圧スイッチング
を行わせることができる。更に第2のコンデンサを第1
のコンデンサより十分大きな容量に設定することによ
り、副スイッチング素子によって主スイッチング素子の
オフ時に加わる電圧を実用可能な程度までフラットにす
ることができるので、低いオン抵抗のスイッチング素子
を用いることにより導通時においてもスイッチング損失
を低減することができる。またオン,オフ比による制御
が可能となる。
The resonance phenomenon is ensured by providing a period in which the main switching element and the sub-switching element are simultaneously turned off and alternately turned on and off. Further, by providing this off period, it is possible to perform zero voltage switching by suppressing the ON of one of the switching elements until the resonance waveform reaches zero voltage. Further, the second capacitor is connected to the first capacitor.
By setting the capacitance to be sufficiently larger than that of the capacitor, the voltage applied when the main switching element is turned off by the sub-switching element can be flattened to a practically usable level. Also, the switching loss can be reduced. Also, control based on the on / off ratio is possible.

【0014】[0014]

【実施例】以下図面を参照して本発明の実施例を説明す
る。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

【0015】図1は本発明のDC−DCコンバータの実
施例を示す回路図で、トランスTの1次側には直流源E
S,1次巻線L1及び共振条件を制御する主スイッチン
グ素子である例えばNチャンネル絶縁ゲート形電界効果
トランジスタ(以下MOSFETと称する)Q1が直列
接続されている。D1はMOSFET Q1の寄生ダイ
オード,C1は寄生容量である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a DC-DC converter according to the present invention.
S, a primary winding L1, and a main switching element for controlling resonance conditions, for example, an N-channel insulated gate field effect transistor (hereinafter referred to as MOSFET) Q1 are connected in series. D1 is a parasitic diode of the MOSFET Q1, and C1 is a parasitic capacitance.

【0016】主スイッチング素子であるMOSFET
Q1には後述のように素子に加わる電圧状態を制御する
副スイッチング素子である例えばNチャンネル絶縁ゲー
ト形電界効果トランジスタ(MOSFET)Q2,第1
のコンデンサCr及びダイオードD3が並列接続されて
いる。また副スイッチング素子であるMOSFETQ2
には第2のコンデンサCcが直列接続されている。これ
ら第1及び第2のコンデンサCc,Crは各々異なる回
路電圧の共振条件を発生させるために用いられ、両者は
(Cr×10)よりCcの容量値が十分大きくなるよう
な関係に設定される。
MOSFET as a main switching element
Q1 is a sub-switching element for controlling a voltage state applied to the element as described later, for example, an N-channel insulated gate field effect transistor (MOSFET) Q2,
Are connected in parallel with each other. MOSFET Q2 which is a sub-switching element
Is connected in series with a second capacitor Cc. These first and second capacitors Cc and Cr are used to generate resonance conditions of different circuit voltages, respectively, and they are set in a relationship such that the capacitance value of Cc is sufficiently larger than (Cr × 10). .

【0017】トランスTの2次側には2次巻線L2に共
振条件を安定化させる可飽和リアクトルSR,整流ダイ
オードD4,フライホイールダイオードD5,チョーク
コイルL3,平滑コンデンサC3から成る整流・平滑回
路RECが接続されている。トランスTには共振条件の
1つであるL1の値を確保するために必要に応じてギャ
ップを設ける。
On the secondary side of the transformer T, a rectifying / smoothing circuit including a saturable reactor SR, a rectifying diode D4, a flywheel diode D5, a choke coil L3, and a smoothing capacitor C3 for stabilizing resonance conditions in a secondary winding L2. REC is connected. A gap is provided in the transformer T as necessary to secure the value of L1, which is one of the resonance conditions.

【0018】第1及び第2のコンデンサCr,Ccを前
記のような関係に設定することにより、第1のコンデン
サCrと1次巻線L1とで短い周期の第1の共振回路が
構成され、また第2のコンデンサCcと1次巻線L1と
で長い周期の第2の共振回路が構成される。これら第1
及び第2の共振回路は前記MOSFET Q1,Q2の
オン,オフに応じてその動作が互いに移行可能なように
制御される。
By setting the first and second capacitors Cr and Cc in the above-described relationship, a first resonance circuit having a short cycle is constituted by the first capacitor Cr and the primary winding L1. Further, the second capacitor Cc and the primary winding L1 form a second resonance circuit having a long cycle. These first
The second resonance circuit is controlled so that its operation can be shifted to each other according to the on / off state of the MOSFETs Q1 and Q2.

【0019】MOSFET Q1,Q2は図2に示すよ
うに、同時にオフしている期間ΔT1及びΔT2を有し
かつオンしている期間Toを有している周期Tで交互に
オン,オフし、Q1のオン時間比(To/T)をdとす
ると、Q2は{1−d−(ΔT1+ΔT2)/T}のオ
ン時間比で制御されるように構成されている。このよう
にQ1,Q2を同時にオフする期間を設けて交互にオ
ン,オフさせることにより共振現像を確保することがで
きる。このようにオン,オフ制御される主スイッチング
素子及び副スイッチング素子は、MOSFETに限らず
他の素子例えばSIT,IGBT,バイポーラトランジ
スタ等で同様に構成することができる。
As shown in FIG. 2, the MOSFETs Q1 and Q2 are turned on and off alternately in a cycle T having periods ΔT1 and ΔT2 which are simultaneously off and a period To which is on. Assuming that the ON time ratio (To / T) is d, Q2 is configured to be controlled by the ON time ratio of {1−d− (ΔT1 + ΔT2) / T}. Thus, resonance development can be ensured by providing a period in which Q1 and Q2 are simultaneously turned off and alternately turned on and off. The main switching element and the sub-switching element that are turned on / off in this manner are not limited to MOSFETs, but can be similarly configured with other elements such as SITs, IGBTs, and bipolar transistors.

【0020】次に本実施例の作用を図3の波形図を参照
して説明する。なお図3で、VG1はMOSFET Q
1のゲート電圧,VG2はMOSFET Q2のゲート
電圧,VQ1はQ1のドレイン電圧(ドレイン・ソース
間電圧),IQ1はQ1を流れるドレイン電流(ドレイ
ン・ソース間電流),ILは1次巻線L1を流れる電
流,ICrは第1のコンデンサCrを流れる電流,IC
cは第2のコンデンサCcを流れる電流,VCcは第2
のコンデンサの電圧,VQ2はQ2のドレイン電圧(ド
レイス・ソース間電圧),IQ2はQ2を流れるドレイ
ン電流(ドレイン・ソース間電流)を示している。横軸
は共通の時間軸を示している。
Next, the operation of this embodiment will be described with reference to the waveform diagram of FIG. In FIG. 3, VG1 is a MOSFET Q
1, VG2 is the gate voltage of MOSFET Q2, VQ1 is the drain voltage (drain-source voltage) of Q1, IQ1 is the drain current (drain-source current) flowing through Q1, and IL is the primary winding L1. The current flowing, ICr is the current flowing through the first capacitor Cr, IC
c is the current flowing through the second capacitor Cc, VCc is the second current
VQ2 indicates the drain voltage (drain-source voltage) of Q2, and IQ2 indicates the drain current (drain-source current) flowing through Q2. The horizontal axis shows a common time axis.

【0021】先ず、時刻t1から時刻t2までのQ1の
オン期間では、直流源ESからトランスTの1次巻線L
1に電圧が印加されることにより、トランスTを介して
2次巻線L2にエネルギーが伝達され、これと同時に1
次巻線L1の励磁電流が増加していく。トランスTの2
次側の出力端子TO−TO′から出力される直流電圧
は、オン時間比(To/T)を制御することにより安定
化が図られる。
First, during the ON period of Q1 from time t1 to time t2, the primary winding L of the transformer T is switched from the DC source ES.
When the voltage is applied to 1, the energy is transmitted to the secondary winding L2 via the transformer T, and at the same time, 1
The exciting current of the next winding L1 increases. Transformer T 2
The DC voltage output from the output terminal TO-TO 'on the next side is stabilized by controlling the on-time ratio (To / T).

【0022】時刻t2でQ1がオフすると、1次巻線L
1を流れていた励磁電流ILはインダクタンスの存在上
急には零にはなり得ず、第1のコンデンサCrを充電す
る充電電流ICrとなる。これと共に第1のコンデンサ
Crと並列接続されているQ1のドレイン電圧VQ1も
波形Aのように徐々に増加する。このとき電圧の上昇値
は第2のコンデンサCrと1次巻線L1とで構成される
第1の共振回路によって決定される。ここでQ1のドレ
イン電流IQ1は第1のコンデンサCrから成るバイパ
ス回路が存在することにより、時刻t2のQ1のターン
オフ時直ちに零となる。これによりQ1のターンオフ時
にドレイン電流IQ1とドレイン電圧VQ1との重なり
は生じないので、スイッチング損失は生じない。
When Q1 turns off at time t2, the primary winding L
The exciting current IL flowing through 1 cannot suddenly become zero due to the presence of the inductance, and becomes the charging current ICr for charging the first capacitor Cr. At the same time, the drain voltage VQ1 of Q1, which is connected in parallel with the first capacitor Cr, gradually increases as shown by the waveform A. At this time, the rise value of the voltage is determined by the first resonance circuit including the second capacitor Cr and the primary winding L1. Here, the drain current IQ1 of Q1 becomes zero immediately at the time of turning off Q1 at time t2 due to the presence of the bypass circuit including the first capacitor Cr. This prevents the drain current IQ1 and the drain voltage VQ1 from overlapping at the time of turning off Q1, so that no switching loss occurs.

【0023】また時刻t2時は電流ICc,電圧VCc
はこれ以前と変化しない。Crの充電は同時に寄生容量
C2を放電するように働くため、Q2のドレイン電圧V
Q2は減少に向い、t3の時点で零となる。
At time t2, the current ICc and the voltage VCc
Is unchanged from before. Since the charging of Cr works to discharge the parasitic capacitance C2 at the same time, the drain voltage V
Q2 tends to decrease and becomes zero at time t3.

【0024】Q1のドレイン電圧VQ1(すなわち第1
のコンデンサCrの電圧)が、それ以前のサイクルで予
め充電されている第2のコンデンサCcの電圧とダイオ
ードD3との順方向電圧降下分との和を越えた時点で、
共振現像は第2のコンデンサCcが加わった形に変わ
る。ここで第2のコンデンサCcと第1のコンデンサC
rとの容量値の大小関係を前記のように設定することに
より、共振はこれまでのCrとL1とによる第1の共振
回路からCcとL1とによる第2の共振回路の動作へと
移行する。この場合ダイオードD3はQ1のオフ後第1
のコンデンサCrによる共振電圧が或る値になった後、
第1の共振から第2の共振へ切換えるように働く。なお
寄生ダイオードD2で代用するようにしてもよい。
The drain voltage VQ1 of Q1 (ie, the first
At the time when the voltage of the second capacitor Cc exceeds the sum of the voltage of the second capacitor Cc previously charged in the previous cycle and the forward voltage drop of the diode D3,
The resonance development changes to a form in which the second capacitor Cc is added. Here, the second capacitor Cc and the first capacitor C
By setting the magnitude relationship of the capacitance value with r as described above, the resonance shifts from the first resonance circuit using Cr and L1 to the operation of the second resonance circuit using Cc and L1. . In this case, the diode D3 becomes the first
After the resonance voltage due to the capacitor Cr reaches a certain value,
It works to switch from the first resonance to the second resonance. Note that the parasitic diode D2 may be used instead.

【0025】時刻t3とt4間で、Q1がオン期間に増
加されていた1次巻線L1の励磁電流ILが減少し、零
になるまでD3を通してILが継続し、その後反転す
る。この電流の大部分がCcの充電電流となるがCcの
容量が大きいのでその充電電圧VCcは見かけ上ほとん
ど変化しない。従って、Q1のドレイン電圧VQ1は波
形Bのように変化せずに、フラットな電圧波形となる。
このことは電圧共振回路の1つの欠点である、スイッチ
ング素子に対する余分な電圧ストレスを抑制できること
を示している。またこのことは、通常低いオン抵抗素子
を製造し易いMOSFETの製法上の特徴を考慮する
と、この低いオン抵抗素子すなわち低い耐圧の素子を採
用することによりスイッチオン時のスイッチング損失を
低減できることを示している。このように、共振条件の
異なる第1及び第2の共振回路を組み合わせておき、必
要部分のみを有効に利用する部分電圧共振を利用するこ
とによりスイッチング損失を低減することができる。
Between times t3 and t4, the exciting current IL of the primary winding L1, whose Q1 has been increased during the ON period, decreases and continues through D3 until it becomes zero, and then reverses. Most of this current is the charging current for Cc, but the charging voltage VCc hardly changes apparently because the capacity of Cc is large. Therefore, the drain voltage VQ1 of Q1 does not change like the waveform B, but has a flat voltage waveform.
This indicates that an extra voltage stress on the switching element, which is one disadvantage of the voltage resonance circuit, can be suppressed. This also shows that, taking into account the characteristics of MOSFETs that are usually easy to manufacture low on-resistance elements, the adoption of this low on-resistance element, that is, a low withstand voltage element, can reduce the switching loss at the time of switch-on. ing. As described above, the switching loss can be reduced by combining the first and second resonance circuits having different resonance conditions and using the partial voltage resonance that effectively uses only necessary parts.

【0026】更に、図から明らかなように、第2のコン
デンサCcの充電から放電に移る直前までのタイミング
(t3とt4間)で、Q2をオンさせれば零電圧におけ
るスイッチング動作となり、{1−d−(ΔT1+ΔT
2)/T}の時間比で制御することが可能となる。
Further, as is clear from the figure, when Q2 is turned on at a timing (between t3 and t4) immediately before the second capacitor Cc is changed from charging to discharging, a switching operation at zero voltage is performed. −d− (ΔT1 + ΔT
2) It is possible to control with a time ratio of / T}.

【0027】このことは2つの共振の組み合わせにおい
て、出力安定化制御を主スイッチング素子として動作す
るQ1のオン時間比を制御することにより行う上で、固
定周期(すなわち固定周波数)で実現する必要条件とな
る。これらの組み合せは、電圧共振回路の有する他の欠
点である、制御が難しく複雑になる及び固定周波数で制
御することができない等の欠点を克服することができる
ことを示している。
This is a necessary condition to be realized at a fixed period (ie, a fixed frequency) in performing the output stabilization control by controlling the ON time ratio of Q1 operating as a main switching element in a combination of two resonances. Becomes These combinations show that other drawbacks of the voltage resonant circuit can be overcome, such as difficult and complicated control and inability to control at a fixed frequency.

【0028】更に、前記オン時間比で制御することは、
トランスTのリセット電圧にとっても重要な意味を有
し、固定周期においてオン時間比を広い範囲で変化させ
ても、トランスTを偏磁させることなく広範囲入力電源
への適用が可能となることを示している。またトランス
Tを容易に並列接続させることも可能である。
Further, the control based on the on-time ratio,
It has an important meaning for the reset voltage of the transformer T, and shows that even if the on-time ratio is changed in a wide range in a fixed cycle, it can be applied to a wide range of input power without demagnetizing the transformer T. ing. Also, the transformers T can be easily connected in parallel.

【0029】時刻t3から時刻t5までのQ2のオン期
間では、Q1のドレイン電圧VQ1は前記したように波
形Bでフラットな状態を保ち、ドレイン電流IQ1は零
を維持している。また電流ILは第2のコンデンサCc
と1次巻線L1とで構成される第2の共振回路の共振波
形のピーク時(時刻t4)に零となり、電流ICcも同
様に変化し、以降電流方向は反転する。すなわちCcか
らの放電電流となり1次巻線L1にとっては逆方向の励
磁電流となる。しかしながらこのオン期間では前記のよ
うに第2のコンデンサCcの値がCrに比べて十分大き
くなっているので、その端子電圧VCcはわずかに変化
するだけである。またこの期間はQ2のドレイン電圧V
Q2は零を維持している。
During the ON period of Q2 from time t3 to time t5, the drain voltage VQ1 of Q1 keeps a flat state with the waveform B as described above, and the drain current IQ1 keeps zero. The current IL is equal to the value of the second capacitor Cc.
At the peak (time t4) of the resonance waveform of the second resonance circuit composed of the first winding L1 and the primary winding L1, the current becomes zero, the current ICc also changes, and the current direction thereafter reverses. That is, it becomes a discharge current from Cc and becomes an exciting current in the opposite direction for the primary winding L1. However, during this ON period, as described above, the value of the second capacitor Cc is sufficiently larger than Cr, so that the terminal voltage VCc only slightly changes. Also, during this period, the drain voltage V of Q2
Q2 remains at zero.

【0030】時刻t5でQ2がオフすると、Q2を流れ
ていたCcによる1次巻線L1の逆方向の励磁電流IL
は、Q2がオフするとインダクタンスの存在上急には零
になり得ず第1のコンデンサCrを放電する電流となり
減少しながら継続する。このとき周期の長い第2のコン
デンサCcと1次巻線L1とで構成される第2の共振回
路から、周期の短い第1のコンデンサCrと1次巻線L
1とで構成される第1の共振回路の動作へと移行する。
ここでQ1,Q2が本実施例のようにMOSFETから
成っている場合は、寄生容量C1,C2の一方へ充電す
るときは他方への放電となり、等価回路では図1のよう
に大きな容量を持ったCcを介して直列に接続されてい
る。よって動作上第1のコンデンサCrは寄生容量C1
と外部に付加したコンデンサとの合計値として扱えば全
く等価な現象として見なせる。従ってQ1オフ時と同様
零電圧スイッチングを実現することができる。
When Q2 is turned off at time t5, the exciting current IL in the reverse direction of the primary winding L1 due to Cc flowing through Q2.
When Q2 is turned off, the current does not suddenly become zero due to the presence of the inductance, but becomes a current for discharging the first capacitor Cr, and continues to decrease. At this time, the first capacitor Cr and the primary winding L having a short cycle are obtained from the second resonance circuit including the second capacitor Cc having a long cycle and the primary winding L1.
Then, the operation shifts to the operation of the first resonance circuit composed of the first and the second resonance circuits.
Here, when Q1 and Q2 are composed of MOSFETs as in the present embodiment, when one of the parasitic capacitances C1 and C2 is charged, the other is discharged to the other, and the equivalent circuit has a large capacitance as shown in FIG. Are connected in series via the connected Cc. Therefore, in operation, the first capacitor Cr is the parasitic capacitance C1.
If it is treated as the sum of the sum of the value and the externally added capacitor, it can be regarded as a completely equivalent phenomenon. Accordingly, zero voltage switching can be realized as in the case of turning off Q1.

【0031】Q2のオフ時に移行した周期の短い前記第
1の共振回路の共振現象により、1次巻線L1にはQ1
のオン期間と同方向の電圧が誘起され、これと同時に第
1のコンデンサCrはICrのように放電を開始するの
で、時刻t6ではQ1のドレイン電圧VQ1は波形Cの
ように零に低下する。このときQ1によるスイッチング
動作を行わせることにより、零電圧のスイッチングが実
現できる。すなわち、Q1のターンオン時にドレイン電
流IQ1とドレイン電圧VQ1との重なりは生じないの
で、スイッチング損失は生じないし、又ノイズの発生も
ない。
Due to the resonance phenomenon of the first resonance circuit having a short period shifted when Q2 is turned off, the primary winding L1 has Q1
, A voltage in the same direction as the ON period is induced, and at the same time, the first capacitor Cr starts discharging like ICr. Therefore, at time t6, the drain voltage VQ1 of Q1 drops to zero as shown by the waveform C. At this time, by performing the switching operation by Q1, zero voltage switching can be realized. That is, since the drain current IQ1 and the drain voltage VQ1 do not overlap when Q1 is turned on, no switching loss occurs and no noise occurs.

【0032】ここで共振現像により1次巻線L1の電圧
が零から正転(Q1のオン期間の電圧極性を正転とし、
Q2のオン期間の電圧極性を反転とする)したときの時
刻t6とt7間では、トランスTの2次巻線L2も同様
に正転しており、共振エネルギーが2次側へ伝達されて
しまい零とならない状態が生ずる。ここで2次コイルL
2に可飽和リアクトルSRを接続したことにより、時刻
t6とt7間で2次側をハイインピーダンスとし、共振
条件の中に2次側の各要素が含まれてしまうのを防止す
ることができ、共振条件を安定化することができる。こ
れによりDC−DCコンバータを電源装置に用いた場合
に、あらゆる使用状態においても零電圧スイッチングを
より確実に行わせることができ、これによってスイッチ
ング損失を低減することができる。
Here, the voltage of the primary winding L1 is changed from zero to normal by resonance development (the voltage polarity during the ON period of Q1 is changed to normal,
Similarly, between times t6 and t7 when the voltage polarity during the ON period of Q2 is inverted), the secondary winding L2 of the transformer T is also normally rotated, and the resonance energy is transmitted to the secondary side. A non-zero state occurs. Where the secondary coil L
By connecting the saturable reactor SR to 2, it is possible to make the secondary side high impedance between times t6 and t7 and prevent each element of the secondary side from being included in the resonance condition, The resonance condition can be stabilized. Thus, when the DC-DC converter is used for the power supply device, zero-voltage switching can be performed more reliably in any use state, thereby reducing switching loss.

【0033】ここで可飽和リアクトルSRとしては、時
刻t6とt7間に高いインダクタンスを有し、その後は
飽和して低いインピーダンスとなるような特性のものが
使用される。このことは、1次巻線L1のインダクタン
スにより確実に共振条件を作り出すための必要条件とな
る。すなわち、インダクタンスはトランスTの1次巻線
自身を利用しているために、共振条件が2次側の電流
(負荷電流)の影響を受けて不正確となるのを防止する
ことが必要となる。なおこの可飽和リアクトルSRは、
前記条件を満たせば必要に応じて出力電圧を検出しリセ
ット量を制御する磁気増幅器に置き換えても良い。
Here, as the saturable reactor SR, one having such a characteristic that it has a high inductance between the times t6 and t7 and then saturates to a low impedance is used. This is a necessary condition for reliably creating a resonance condition by the inductance of the primary winding L1. That is, since the inductance uses the primary winding itself of the transformer T, it is necessary to prevent the resonance condition from being inaccurate due to the influence of the secondary side current (load current). . This saturable reactor SR is
If the above condition is satisfied, a magnetic amplifier that detects the output voltage and controls the reset amount may be used as needed.

【0034】Q1,Q2としてMOSFETを用いた場
合、寄生容量に電荷が充電されてもこの電荷による内部
短絡損失をなくすことができる。なお第1のコンデンサ
CrはQ1の寄生容量C1に置き換えることも可能であ
り、この場合にはCr=C1となる。また別にコンデン
サC4を用いたとすると、この場合にはCr=C1+C
4となる。
When MOSFETs are used as Q1 and Q2, even if the parasitic capacitance is charged, the internal short-circuit loss due to the charge can be eliminated. Note that the first capacitor Cr can be replaced with the parasitic capacitance C1 of Q1, and in this case, Cr = C1. If a capacitor C4 is used separately, in this case, Cr = C1 + C
It becomes 4.

【0035】Q1,Q2は図示しない制御回路によって
オン,オフ制御され、前記のようにQ1のオン時間比を
dとするとQ2は{1−d−(ΔT1+ΔT2)/T}
のオン時間比となるように制御される。この制御回路は
トランスTの二次側の端子TO−TO′が出力された直
流電圧を検出して基準電圧と比較し、この比較結果に応
じて固定周期のパルス幅変調された信号を出力する一般
のレギュレータIC等によって構成することができる。
Q1 and Q2 are ON / OFF controlled by a control circuit (not shown). Assuming that the ON time ratio of Q1 is d as described above, Q2 is {1-d- (ΔT1 + ΔT2) / T}.
Is controlled so that the on-time ratio becomes as follows. This control circuit detects the DC voltage output from the secondary terminal TO-TO 'of the transformer T, compares it with the reference voltage, and outputs a fixed-period pulse width modulated signal in accordance with the comparison result. It can be constituted by a general regulator IC or the like.

【0036】なお主スイッチング素子及び副スイッチン
グ素子としては、MOSFET Q1,Q2を使用した
例で示したが、これらに限らず他の素子を用いることが
できることは本文中に説明した通りである。
As the main switching element and the sub-switching element, the examples using the MOSFETs Q1 and Q2 have been described. However, the present invention is not limited to these, and other elements can be used as described in the text.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、第1
及び第2の共振回路を組み合せ主スイッチング素子及び
副スイッチング素子のオン,オフに応じて各共振回路の
動作を互いに移行可能なように制御するようにしたの
で、零電圧スイッチングを可能ならしめると共に、低い
オン抵抗のスイッチング素子を用いることにより、導通
時においてもスイッチング損失を低減することができ更
にオン,オフ比による制御を可能にできる。
As described above, according to the present invention, the first
And the second resonance circuit is combined to control the operation of each resonance circuit so as to be able to shift to each other according to the ON / OFF of the main switching element and the sub-switching element, thereby enabling zero voltage switching, By using a switching element having a low on-resistance, switching loss can be reduced even during conduction, and control by an on / off ratio can be performed.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明のDC−DCコンバータの実施例を示す
回路図である。
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment of a DC-DC converter of the present invention.

【図2】本実施例コンバータに用いられる主スイッチン
グ素子及び副スイッチング素子の制御原理を説明する波
形図である。
FIG. 2 is a waveform diagram illustrating a control principle of a main switching element and a sub-switching element used in the converter according to the embodiment.

【図3】本実施例の作用を説明する波形図である。FIG. 3 is a waveform diagram illustrating the operation of the present embodiment.

【図4】従来例コンバータを示す回路図である。FIG. 4 is a circuit diagram showing a conventional converter.

【図5】従来例の作用を説明する波形図である。FIG. 5 is a waveform chart for explaining the operation of the conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

Q1 スイッチング素子(絶縁ゲート形FET) Q2 副スイッチング素子(絶縁ゲート形FET) ES 直流源 L1 1次巻線 Cr 第1のコンデンサ Cc 第2のコンデンサ D3 ダイオード SR 可飽和リアクトル Q1 Switching element (insulated gate type FET) Q2 Sub switching element (insulated gate type FET) ES DC source L1 Primary winding Cr First capacitor Cc Second capacitor D3 Diode SR Saturable reactor

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 トランスの1次側に直流源、1次巻線及
び主スイッチング素子が直列接続されると共に、トラン
スの2次側に整流・平滑回路が接続されたDC−DCコ
ンバータにおいて、共振条件を制御する主スイッチング
素子に並列接続されたトランスにリセット電圧を与える
副スイッチング素子、1つの共振条件を与える第1のコ
ンデンサ及び共振条件を切換えるダイオードと、前記副
スイッチング素子に直列接続されもう1つの共振条件を
与える第2のコンデンサと、前記トランスの2次側に接
続された共振条件を安定化させる可飽和リアクトルとを
備え、前記第1のコンデンサと1次巻線とで短い周期の
共振回路を、前記第2のコンデンサと1次巻線とで長い
周期の共振回路を各々構成し、主スイッチング素子及び
副スイッチング素子のオン,オフに応じて2種類の共振
回路の動作が互いに移行可能に制御されることを特徴と
するDC−DCコンバータ。
1. A DC-DC converter in which a DC source, a primary winding, and a main switching element are connected in series to a primary side of a transformer and a rectifier / smoothing circuit is connected to a secondary side of the transformer. A sub-switching element for providing a reset voltage to a transformer connected in parallel to the main switching element for controlling the condition, a first capacitor for providing one resonance condition, and a diode for switching the resonance condition; A second capacitor for providing two resonance conditions, and a saturable reactor connected to the secondary side of the transformer for stabilizing the resonance condition, wherein the first capacitor and the primary winding have a short-period resonance. A main switching element and a sub-switching element, each of which comprises a long-period resonance circuit composed of the second capacitor and the primary winding; A DC-DC converter characterized in that the operations of two types of resonance circuits are controlled so as to be able to shift to each other in accordance with the on / off state of the circuit.
【請求項2】 前記主スイッチング素子及び副スイッチ
ング素子が、同時にオフしている期間ΔT1及びΔT2
を有して周期Tで交互にオン,オフし、主スイッチング
素子のオン時間比をdとしたとき、副スイッチング素子
が{1−d−(ΔT1+ΔT2)/T}のオン時間比で
制御される請求項1記載のDC−DCコンバータ。
2. The periods ΔT1 and ΔT2 in which the main switching element and the sub-switching element are simultaneously turned off.
When the ON time ratio of the main switching element is d and the ON time ratio of the main switching element is d, the sub switching element is controlled by the ON time ratio of {1-d- (ΔT1 + ΔT2) / T}. The DC-DC converter according to claim 1.
【請求項3】 前記第2のコンデンサの容量を前記第1
のコンデンサの容量よりも十分大きな値とした請求項1
記載のDC−DCコンバータ。
3. The capacity of the second capacitor is set to the first capacitor.
2. A value sufficiently larger than the capacity of the capacitor of claim 1.
A DC-DC converter as described.
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