JP3364498B2 - スイッチング電源 - Google Patents
スイッチング電源Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は交流電源を入力とし、入
力の力率を1に近い値にすると同時に前記入力と電気的
に絶縁された直流電圧を出力することのできる高力率形
スイッチング電源の改善に関するものである。 【0002】 【従来の技術】このようなスイッチング電源の一例とし
て従来図1に示すような回路が知られている。図1にお
いて交流電源1に高域阻止フィルタ2を介して全波整流
器3を接続し全波整流器3の出力にトランス4の1次巻
線5とオン、オフ動作を行うスイッチ素子6を直列に接
続する。一方、トランス4の2次巻線7の両端には整流
用ダイオード8と平滑用コンデンサ9を直列に接続して
前記コンデンサ9の両端に接続された電気的負荷10に
直流電圧を供給する。11は制御回路でスイッチ素子6
のデューティ比を制御する。 【0003】上記のような構成においてその動作を図2
の動作波形図を参照して説明する。ただし、図2では、
模式的にスイッチング周期を交流電源の周期に比べて、
あまり短く表わしていないが、実際には充分短いものと
する。図2においてI2′はトランス4の2次巻線電流
I2を1次巻線電流に換算したものであり、トランス4
の巻数比をNとすると I2′=I2*Nの関係が成り立つ。 以下の説明では簡単のために半導体素子の順方向の電圧
降下やトランス4の洩れインダクタンスは無視するもの
とする。上記のような構成において入力電流波形Iiを
入力電圧波形に比例したものとすることにより力率を1
に近い高力率とするためにはスイッチ素子6のデューテ
ィ比dは周期Tが一定でPWM制御され、かつ定常状態
においては交流電源の一周期の間dが一定値であるよう
に制御されると共に、次にスイッチ素子6がオンする前
に2次巻線7に流れる電流I2が零になるいわゆる電流
不連続モードで動作するようになされる。ここで、入力
交流電圧がVp×sinθで表され、Sinθが正とな
るような半サイクルについて考えるものとすると、スイ
ッチ素子6のスイッチング周期Tが入力交流電源の周期
に比べて充分短いものとすればスイッチ素子6のオン期
間のような短時間においてはトランス4の1次巻線5の
電圧は略一定値、Vp×sinθとみなせるので1次巻
線5を流れる電流I1は一定の傾きで増加し、オン期間
の初めに電流値が零であるとすれば電流のピーク値I1
pは次式で示される。 【数1】 ここで、L1:トランス4の1次巻線5のインダクタン
ス値 Ton:スイッチ素子6のオン時間 このとき、電源の入力電流Iiは高域阻止フィルタによ
り高周波成分が除去されて1次巻線電流の平均電流が流
れるので次式で表される。 【数2】 (数1)、(数2)より 【数3】 ここで、K=d2×T×Vp/(2×L1) dはデューティー比で d=Ton/T dは一定値であるものとすればKも一定値となり、
(3)式より入力電流Iiの波形は入力電圧波形に比例
するので高力率を達成することができる。制御回路はよ
く知られたPWM制御系を構成し、デューティ−比dを
制御し直流出力電圧を安定化する。 【0004】 【従来技術の問題点】しかしながら、上記のようなスイ
ッチング電源では、入力電圧範囲がひろい場合にはスイ
ッチ素子6に加わるストレスが大きくなる欠点がある。
以下この点に付いて説明する。 入力電流Iiはピーク値をIpとすると(数3)より Ii=Ip×sinθのようにあらわされるので(数
2)より 【数4】 1次巻線5を流れる電流はスイッチ素子6を流れる電流
と同じであるのでスイッチ素子6を流れる電流のピーク
値Idpは(数1)、(数4)より 【数5】 ただしPは入力電力でP=Vp×Ip/2である。
(5)式よりIdpは入力電力が一定であればsinθ
に比例するだけで入力電圧のピーク値Vpが変化しても
変わらないことがわかる。一方、スイッチ素子6に加わ
る電圧はVpの増加につれて高くなるのでスイッチング
時、スイッチ素子6に加わるストレスはVpの上昇にと
もない増加することになる。このことはまた、入力電圧
が高いときに発生するスイッチングノイズが大きくなり
EMI対策が難しくなるなどの欠点にもなる。特に入力
電圧範囲が広い場合にはこの傾向は顕著である。 【0005】 【発明の目的】本発明の目的はスイッチ素子を流れる電
流Idpを上記の方式に比べて小さくできる制御方法を
提供しようとするものである。 【0006】 【発明の概要】本発明は、スイッチング周期は一定の周
期でなく、オフ期間の終わりに変換トランスの励磁がリ
セットされたのを検出し、次のオン期間が始まるように
制御されたスイッチング電源において、スイッチ素子を
定常状態においては交流電源の一周期の間、オン幅が略
一定値であるように制御するスイッチング電源である。 【0007】以下、上記の制御方法について図3の動作
波形図を参照して説明する。(なお、符号は図1を引用
する。)トランス4の1次巻線電流I1は一定の傾きで
増加し、オン期間の初めに電流値が零であるとすれば電
流のピーク値I1pは次式で示される。 【数6】 トランス4の2次巻線7を流れる電流I2は一定の傾き
で減少し、オフ期間の終わりに電流値が零であるとすれ
ば電流のピーク値I2pは次式で示される。 【数7】 ここで、L2:トランス4の2次巻線7のインダクタン
ス値 Toff:スイッチ素子6のオフ時間 1次巻線電流のピーク値I1pと2次巻線電流のピーク
値I2pとは次式の関係がある。 【数8】 このとき、電源の入力電流Iiは1次巻線電流I1の平
均電流が流れるので(数2)における周期Tの代わりに
本発明ではTon+Toffを使って次式で表される。 【数9】 トランス4の1次巻線5のインダクタンス値L1と2次
巻線7のインダクタンス値L2にはL2=Ll×N2の
関係があるので(数6)、(数7)より 【数10】 (数6)、(数9)、(数10)より 【数11】 (数11)を使って入力電力Pは次式で表される。 【数12】 1次巻線5を流れる電流はスイッチ素子6を流れる電流
と同じであるのでスイッチ素子6を流れる電流のピーク
値Idpは(数6)、(数12)より 【数13】 で表される。一例として、P=300W、L1=25μ
H、N=0.375、Vo=28Vであるような場合に
ついて従来例と本発明による制御方法を比較する。入力
電圧が85Vrmsの時、従来例の場合、(数5)によ
りIdpを求めると24.6Aになり、本発明による場
合、(数13)より23.1Aである。ここで、入力電
圧が264Vrmsになった時は、上と同様にしてId
pは従来例の場合は85Vの時と変わらず24.6Aで
あるのに対し本発明による場合は16.1Aとなり従来
例より小さくできることがわかる。ただし、入力電流波
形は(数11)に示されるように入力電圧波形に完全に
比例しなくなる結果、力率は従来例に比べて若干低下す
るが、実用範囲内にある。 【0008】 【実施例】図4に本発明による制御機能を有する回路の
一実施例を示す。以下、図4の構成について説明する。
図4において図1で説明したものと同じものは同じ符号
を付けている。インバータ回路16は、検出巻線12に
接続され、巻線出力を論理レベルに変換する。誤差増幅
器13は、負荷10の両端の直流電圧を一方の入力と
し、基準電圧14を他方の入力として、それらの差電圧
を増幅し、その出力はコンパレータ21の一方の入力に
接続されている。コンパレータ21の他方の入力に接続
されたコンデンサ20は、充電回路19により充電さ
れ、ダイオード18を介してインバータ回路16により
放電されることで、その両端に鋸歯状波電圧を発生す
る。コンパレータ21とインバータ回路16の出力は、
それぞれアンド回路17の各々の入力端子に接続され、
アンド回路17の出力は駆動回路15により増幅され、
スイッチ素子6を駆動する。 【0009】以上の回路構成の動作を図5の動作波形図
を用いて説明する。ただし、検出巻線12の電圧の極性
は黒丸印を付けた方が正になった場合に正極性であると
する。スイッチ素子6がオフからオンになりスイッチン
グの一周期が始まったものとすると、図5Aで示される1
次巻線電流I1は一定の傾きで増加し同時にコンデンサ
20は充電回路19によって充電され、電圧(図5Cの
b)は0Vから上昇し、図5Cのaで示される誤差増幅
器13の出力電圧を越えるとコンパレータ21の出力は
“H”レベルから“L”レベルに反転し、この結果、ス
イッチ素子6をオンからオフにし、オン期間が終了しオ
フ期間に移る。スイッチ素子6がオフになると、図5B
で示される検出巻線12の電圧は正に反転し、インバー
タ回路16の出力を“L”レベルにするので、オフが継
続され、同時にコンデンサ20は図5Cのbで示される
ようにダイオード18を介して放電される。トランス4
の2次巻線電流が零になり磁芯の励磁がリセットされる
と検出巻線12の電圧は負に反転する結果、インバータ
回路16の出力を“H”レベルにし、スイッチ素子6をオ
フからオンにすると同時にコンデンサ20の充電が開始
されて、次の周期が始まる。もし、コンデンサ20の両
端の直流出力電圧が高くなると、誤差増幅器13の入力
の差電圧が大きくなって、誤差増幅器13の出力電圧レ
ベルは小さくなり、スイッチ素子6のオン期間が短くな
るので、出力電流は小さくなり出力電圧を低くするよう
に動作する結果、出力電圧を安定化できる。この構成と
動作は所謂臨界モードコンバータとして広く知られてい
るが、ここで本発明は、誤差増幅器13の周波数特性を
その出力信号レベルが交流入力電圧の一周期で大きく変
化しないように設定すれば前述のように入力電流波形を
入力交流電圧波形に略比例した波形とすることができ、
この結果、高力率を達成する事ができる。 【0010】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、入力電圧
範囲の広い場合には入力電圧の高いときにスイッチ素子
6を流れる電流のピーク値を従来例に比べて小さくする
ことができる。
力の力率を1に近い値にすると同時に前記入力と電気的
に絶縁された直流電圧を出力することのできる高力率形
スイッチング電源の改善に関するものである。 【0002】 【従来の技術】このようなスイッチング電源の一例とし
て従来図1に示すような回路が知られている。図1にお
いて交流電源1に高域阻止フィルタ2を介して全波整流
器3を接続し全波整流器3の出力にトランス4の1次巻
線5とオン、オフ動作を行うスイッチ素子6を直列に接
続する。一方、トランス4の2次巻線7の両端には整流
用ダイオード8と平滑用コンデンサ9を直列に接続して
前記コンデンサ9の両端に接続された電気的負荷10に
直流電圧を供給する。11は制御回路でスイッチ素子6
のデューティ比を制御する。 【0003】上記のような構成においてその動作を図2
の動作波形図を参照して説明する。ただし、図2では、
模式的にスイッチング周期を交流電源の周期に比べて、
あまり短く表わしていないが、実際には充分短いものと
する。図2においてI2′はトランス4の2次巻線電流
I2を1次巻線電流に換算したものであり、トランス4
の巻数比をNとすると I2′=I2*Nの関係が成り立つ。 以下の説明では簡単のために半導体素子の順方向の電圧
降下やトランス4の洩れインダクタンスは無視するもの
とする。上記のような構成において入力電流波形Iiを
入力電圧波形に比例したものとすることにより力率を1
に近い高力率とするためにはスイッチ素子6のデューテ
ィ比dは周期Tが一定でPWM制御され、かつ定常状態
においては交流電源の一周期の間dが一定値であるよう
に制御されると共に、次にスイッチ素子6がオンする前
に2次巻線7に流れる電流I2が零になるいわゆる電流
不連続モードで動作するようになされる。ここで、入力
交流電圧がVp×sinθで表され、Sinθが正とな
るような半サイクルについて考えるものとすると、スイ
ッチ素子6のスイッチング周期Tが入力交流電源の周期
に比べて充分短いものとすればスイッチ素子6のオン期
間のような短時間においてはトランス4の1次巻線5の
電圧は略一定値、Vp×sinθとみなせるので1次巻
線5を流れる電流I1は一定の傾きで増加し、オン期間
の初めに電流値が零であるとすれば電流のピーク値I1
pは次式で示される。 【数1】 ここで、L1:トランス4の1次巻線5のインダクタン
ス値 Ton:スイッチ素子6のオン時間 このとき、電源の入力電流Iiは高域阻止フィルタによ
り高周波成分が除去されて1次巻線電流の平均電流が流
れるので次式で表される。 【数2】 (数1)、(数2)より 【数3】 ここで、K=d2×T×Vp/(2×L1) dはデューティー比で d=Ton/T dは一定値であるものとすればKも一定値となり、
(3)式より入力電流Iiの波形は入力電圧波形に比例
するので高力率を達成することができる。制御回路はよ
く知られたPWM制御系を構成し、デューティ−比dを
制御し直流出力電圧を安定化する。 【0004】 【従来技術の問題点】しかしながら、上記のようなスイ
ッチング電源では、入力電圧範囲がひろい場合にはスイ
ッチ素子6に加わるストレスが大きくなる欠点がある。
以下この点に付いて説明する。 入力電流Iiはピーク値をIpとすると(数3)より Ii=Ip×sinθのようにあらわされるので(数
2)より 【数4】 1次巻線5を流れる電流はスイッチ素子6を流れる電流
と同じであるのでスイッチ素子6を流れる電流のピーク
値Idpは(数1)、(数4)より 【数5】 ただしPは入力電力でP=Vp×Ip/2である。
(5)式よりIdpは入力電力が一定であればsinθ
に比例するだけで入力電圧のピーク値Vpが変化しても
変わらないことがわかる。一方、スイッチ素子6に加わ
る電圧はVpの増加につれて高くなるのでスイッチング
時、スイッチ素子6に加わるストレスはVpの上昇にと
もない増加することになる。このことはまた、入力電圧
が高いときに発生するスイッチングノイズが大きくなり
EMI対策が難しくなるなどの欠点にもなる。特に入力
電圧範囲が広い場合にはこの傾向は顕著である。 【0005】 【発明の目的】本発明の目的はスイッチ素子を流れる電
流Idpを上記の方式に比べて小さくできる制御方法を
提供しようとするものである。 【0006】 【発明の概要】本発明は、スイッチング周期は一定の周
期でなく、オフ期間の終わりに変換トランスの励磁がリ
セットされたのを検出し、次のオン期間が始まるように
制御されたスイッチング電源において、スイッチ素子を
定常状態においては交流電源の一周期の間、オン幅が略
一定値であるように制御するスイッチング電源である。 【0007】以下、上記の制御方法について図3の動作
波形図を参照して説明する。(なお、符号は図1を引用
する。)トランス4の1次巻線電流I1は一定の傾きで
増加し、オン期間の初めに電流値が零であるとすれば電
流のピーク値I1pは次式で示される。 【数6】 トランス4の2次巻線7を流れる電流I2は一定の傾き
で減少し、オフ期間の終わりに電流値が零であるとすれ
ば電流のピーク値I2pは次式で示される。 【数7】 ここで、L2:トランス4の2次巻線7のインダクタン
ス値 Toff:スイッチ素子6のオフ時間 1次巻線電流のピーク値I1pと2次巻線電流のピーク
値I2pとは次式の関係がある。 【数8】 このとき、電源の入力電流Iiは1次巻線電流I1の平
均電流が流れるので(数2)における周期Tの代わりに
本発明ではTon+Toffを使って次式で表される。 【数9】 トランス4の1次巻線5のインダクタンス値L1と2次
巻線7のインダクタンス値L2にはL2=Ll×N2の
関係があるので(数6)、(数7)より 【数10】 (数6)、(数9)、(数10)より 【数11】 (数11)を使って入力電力Pは次式で表される。 【数12】 1次巻線5を流れる電流はスイッチ素子6を流れる電流
と同じであるのでスイッチ素子6を流れる電流のピーク
値Idpは(数6)、(数12)より 【数13】 で表される。一例として、P=300W、L1=25μ
H、N=0.375、Vo=28Vであるような場合に
ついて従来例と本発明による制御方法を比較する。入力
電圧が85Vrmsの時、従来例の場合、(数5)によ
りIdpを求めると24.6Aになり、本発明による場
合、(数13)より23.1Aである。ここで、入力電
圧が264Vrmsになった時は、上と同様にしてId
pは従来例の場合は85Vの時と変わらず24.6Aで
あるのに対し本発明による場合は16.1Aとなり従来
例より小さくできることがわかる。ただし、入力電流波
形は(数11)に示されるように入力電圧波形に完全に
比例しなくなる結果、力率は従来例に比べて若干低下す
るが、実用範囲内にある。 【0008】 【実施例】図4に本発明による制御機能を有する回路の
一実施例を示す。以下、図4の構成について説明する。
図4において図1で説明したものと同じものは同じ符号
を付けている。インバータ回路16は、検出巻線12に
接続され、巻線出力を論理レベルに変換する。誤差増幅
器13は、負荷10の両端の直流電圧を一方の入力と
し、基準電圧14を他方の入力として、それらの差電圧
を増幅し、その出力はコンパレータ21の一方の入力に
接続されている。コンパレータ21の他方の入力に接続
されたコンデンサ20は、充電回路19により充電さ
れ、ダイオード18を介してインバータ回路16により
放電されることで、その両端に鋸歯状波電圧を発生す
る。コンパレータ21とインバータ回路16の出力は、
それぞれアンド回路17の各々の入力端子に接続され、
アンド回路17の出力は駆動回路15により増幅され、
スイッチ素子6を駆動する。 【0009】以上の回路構成の動作を図5の動作波形図
を用いて説明する。ただし、検出巻線12の電圧の極性
は黒丸印を付けた方が正になった場合に正極性であると
する。スイッチ素子6がオフからオンになりスイッチン
グの一周期が始まったものとすると、図5Aで示される1
次巻線電流I1は一定の傾きで増加し同時にコンデンサ
20は充電回路19によって充電され、電圧(図5Cの
b)は0Vから上昇し、図5Cのaで示される誤差増幅
器13の出力電圧を越えるとコンパレータ21の出力は
“H”レベルから“L”レベルに反転し、この結果、ス
イッチ素子6をオンからオフにし、オン期間が終了しオ
フ期間に移る。スイッチ素子6がオフになると、図5B
で示される検出巻線12の電圧は正に反転し、インバー
タ回路16の出力を“L”レベルにするので、オフが継
続され、同時にコンデンサ20は図5Cのbで示される
ようにダイオード18を介して放電される。トランス4
の2次巻線電流が零になり磁芯の励磁がリセットされる
と検出巻線12の電圧は負に反転する結果、インバータ
回路16の出力を“H”レベルにし、スイッチ素子6をオ
フからオンにすると同時にコンデンサ20の充電が開始
されて、次の周期が始まる。もし、コンデンサ20の両
端の直流出力電圧が高くなると、誤差増幅器13の入力
の差電圧が大きくなって、誤差増幅器13の出力電圧レ
ベルは小さくなり、スイッチ素子6のオン期間が短くな
るので、出力電流は小さくなり出力電圧を低くするよう
に動作する結果、出力電圧を安定化できる。この構成と
動作は所謂臨界モードコンバータとして広く知られてい
るが、ここで本発明は、誤差増幅器13の周波数特性を
その出力信号レベルが交流入力電圧の一周期で大きく変
化しないように設定すれば前述のように入力電流波形を
入力交流電圧波形に略比例した波形とすることができ、
この結果、高力率を達成する事ができる。 【0010】 【発明の効果】以上のように本発明によれば、入力電圧
範囲の広い場合には入力電圧の高いときにスイッチ素子
6を流れる電流のピーク値を従来例に比べて小さくする
ことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】高力率形スイッチング電源の基本回路図
【図2】従来例の動作を説明するための動作波形図
【図3】本発明による制御方法の動作を説明するための
動作波形図 【図4】本発明の一実施例回路図 【図5】本発明の実施例の動作を説明するための動作波
形図である。 【符号の説明】 1・・・交流電源 2・・・高域阻止フィルタ 3・・・全波整流器 4・・・トランス 5・・・1次巻線 6・・・スイッチ素子 7・・・2次巻線 8・・・整流用ダイオード 9・・・平滑用コンデンサ 10・・・電気的負荷 11・・・制御回路 12・・・リセッ卜検出用巻線 13・・・誤差増幅器 14・・・基準電圧源 15・・・駆動回路 16・・・インバータ回路 17・・・アンド回路 18・・・放電用ダイオード 19・・・充電回路 20・・・鋸歯状波電圧発生用コンデンサ 21・・・コンパレータ
動作波形図 【図4】本発明の一実施例回路図 【図5】本発明の実施例の動作を説明するための動作波
形図である。 【符号の説明】 1・・・交流電源 2・・・高域阻止フィルタ 3・・・全波整流器 4・・・トランス 5・・・1次巻線 6・・・スイッチ素子 7・・・2次巻線 8・・・整流用ダイオード 9・・・平滑用コンデンサ 10・・・電気的負荷 11・・・制御回路 12・・・リセッ卜検出用巻線 13・・・誤差増幅器 14・・・基準電圧源 15・・・駆動回路 16・・・インバータ回路 17・・・アンド回路 18・・・放電用ダイオード 19・・・充電回路 20・・・鋸歯状波電圧発生用コンデンサ 21・・・コンパレータ
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名)
H02M 3/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項1】交流電源に高域阻止フィルタを介して接続
された全波整流器の直流出力にスイッチ素子と変換トラ
ンスの1次巻線を直列に接続し、該変換トランスの2次
巻線には整流平滑回路を接続して直流電圧を得るように
し、該スイッチ素子のオン時に該変換トランスに蓄えら
れた磁気エネルギーをオフ時に該変換トランスの2次巻
線側に供給すると共に、該スイッチ素子のスイッチング
周期は一定周期でなく、該スイッチ素子のオフ期間の終
わりに該変換トランスの励磁がリセットされたことを検
出し、該スイッチ素子を該変換トランスの励磁がリセッ
トされると同時にオンが始まるように制御するようにし
たスイッチング電源において、一定の入出力条件では交
流電源の一周期においてオン幅が略一定になるように制
御することを特徴とするスイッチング電源。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10992091A JP3364498B2 (ja) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | スイッチング電源 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP10992091A JP3364498B2 (ja) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | スイッチング電源 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH04265665A JPH04265665A (ja) | 1992-09-21 |
JP3364498B2 true JP3364498B2 (ja) | 2003-01-08 |
Family
ID=14522480
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP10992091A Expired - Fee Related JP3364498B2 (ja) | 1991-02-19 | 1991-02-19 | スイッチング電源 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3364498B2 (ja) |
Families Citing this family (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011062043A (ja) * | 2009-09-14 | 2011-03-24 | Sanken Electric Co Ltd | 力率改善回路及びこれを用いたled照明器具 |
-
1991
- 1991-02-19 JP JP10992091A patent/JP3364498B2/ja not_active Expired - Fee Related
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Publication number | Publication date |
---|---|
JPH04265665A (ja) | 1992-09-21 |
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