JP4033158B2 - Power circuit - Google Patents
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Description
本発明は、直流電圧を入力としてON−OFF動作する電力変換用スイッチング素子を備えた電力変換回路の複数を、共通のトランスの一次側に備え、これら複数の電力変換回路からの電力を負荷に供給するための二次側直流変換回路を前記トランスの二次側に備えさせてなる電源回路に関する。 The present invention includes a plurality of power conversion circuits including switching elements for power conversion that perform an ON-OFF operation using a DC voltage as an input, on the primary side of a common transformer, and uses the power from the plurality of power conversion circuits as a load. The present invention relates to a power supply circuit provided with a secondary side DC conversion circuit for supply on the secondary side of the transformer.
上記電源回路において、例えば一次側に備えた2つの電力変換回路のうちの一方の電力変換回路を駆動しているときに、その電力変換回路に発生するエネルギーによって他方の電力変換回路へ過電流が流れてしまうことを阻止するための逆流阻止ダイオードを各電力変換回路に備えさせたものが既に提案されている(例えば、特許文献1参照)。
上記特許文献1の電源回路では、一方の電力変換回路のエネルギーによって他方の電力変換回路へ電流が流れてしまうことを逆流阻止ダイオードにて阻止することができるものの、直流電圧を入力としてON−OFF動作する電力変換用スイッチング素子のON動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減するための対策がなされておらず、改善の余地があった。
In the power supply circuit disclosed in
本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、電力変換用スイッチング素子のON動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減することができる電源回路を提供する点にある。 In view of the above-mentioned situation, the present invention intends to provide a power supply circuit that can reduce switching noise and switching loss that occur when the power conversion switching element is turned on.
本発明は、前述の課題解決のために、直流電圧を入力としてON−OFF動作する電力変換用スイッチング素子を備えた電力変換回路の複数を、共通のトランスの一次側に備え、前記各電力変換回路に、一方の電力変換回路から他方の電力変換回路へ誘起電圧による電流の逆流を阻止するための逆流阻止ダイオードを設け、前記電力変換回路により発生する電力を負荷に供給するための二次側直流変換回路を前記トランスの二次側に備えさせてなる電源回路において、前記トランスに電気的に絶縁された状態で接続するための共振用コイルと、前記共振用コイルに蓄積されたエネルギーを電荷の形で蓄積するための共振用コンデンサと、前記スイッチング素子がONする前に前記共振用コンデンサに蓄積された電荷を共振電流として流すためにスイッチングさせるための共振用スイッチング素子とを備えた閉回路から構成され、前記スイッチング素子のON動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減するための、前記電力変換回路と別に設けた共振回路を、前記トランスの一次側又は二次側に電気的に絶縁された状態で接続し、前記複数の電力変換回路に対して前記共振回路を共用してなり、前記共振回路により各電力変換回路の電源側へ帰還する共振電流を電荷の形でチャージして前記逆流阻止ダイオードの逆電圧の発生を抑制するためのチャージ用のコンデンサを、前記逆流阻止ダイオードに対して並列に接続して、電源回路を構成した。
従って、スイッチング素子のON動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を共振回路にて低減することができる。そして、共振回路により発生する共振電流が、各電力変換回路の電源側へ帰還し、逆流阻止ダイオードに逆電圧が加わることになるが、これをチャージ用のコンデンサにて電荷の形で蓄積することで回避することができるから、逆流阻止ダイオードが損傷してしまうことを回避することができることは勿論のこと、逆耐圧の小さな(低い)逆流阻止ダイオードを用いることができる。
In order to solve the above-described problems, the present invention includes a plurality of power conversion circuits each including a power conversion switching element that performs an ON-OFF operation using a DC voltage as an input, on the primary side of a common transformer, The circuit is provided with a backflow prevention diode for preventing a backflow of current due to an induced voltage from one power conversion circuit to the other power conversion circuit, and a secondary side for supplying power generated by the power conversion circuit to a load In a power supply circuit comprising a DC conversion circuit on the secondary side of the transformer, a resonance coil for being electrically connected to the transformer and energy stored in the resonance coil being charged A resonance capacitor for storing in the form of and a charge accumulated in the resonance capacitor before the switching element is turned on to flow as a resonance current A resonance circuit provided separately from the power conversion circuit for reducing switching noise and switching loss generated at the time of ON operation of the switching element, comprising a closed circuit including a resonance switching element for switching. The transformer is connected to the primary side or the secondary side in an electrically insulated state, and the resonance circuit is shared with the plurality of power conversion circuits, and the power supply side of each power conversion circuit by the resonance circuit A power supply circuit is configured by connecting a capacitor for charging in order to suppress the generation of a reverse voltage of the reverse current blocking diode by charging a resonance current that is fed back to the reverse current blocking diode in parallel with the reverse current blocking diode. did.
Therefore, switching noise and switching loss generated when the switching element is turned on can be reduced by the resonance circuit. Then, the resonance current generated by the resonance circuit is fed back to the power supply side of each power conversion circuit, and a reverse voltage is applied to the backflow prevention diode, but this is stored in the form of charge by the charge capacitor. Therefore, it is possible to avoid the backflow prevention diode from being damaged, and it is possible to use a backflow prevention diode having a small (low) reverse breakdown voltage.
前記複数の電力変換回路が、商用交流電源からの商用交流電圧を直流電圧に変換する整流回路を備えた第1電力変換回路と、商用交流電源の停電時において二次電池からの直流電圧により前記二次側直流変換回路を通じて負荷に電力を供給する第2電力変換回路とから構成されてもよい。 The plurality of power conversion circuits include a first power conversion circuit including a rectifier circuit that converts a commercial AC voltage from a commercial AC power source into a DC voltage, and the DC voltage from the secondary battery during a power failure of the commercial AC power source. You may comprise from the 2nd power converter circuit which supplies electric power to a load through a secondary side DC converter circuit.
スイッチング素子のON動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を共振回路にて低減することができるものでありながら、その共振回路を設けることにより、逆流阻止ダイオードに逆電圧が加わったとしても、逆流阻止ダイオードが損傷することをチャージ用のコンデンサにて確実に回避することができる信頼性の高い電源回路を提供することができる。又、前記逆流阻止ダイオードを例えばショットキーダイオードなどの逆耐圧の小さなダイオードから構成することができる。また、複数の電力変換回路に対して共用する、前記電力変換回路と別に設けた共振回路を備えたものから構成することによって、共振回路の共用化による部品点数の削減化を図ることができ、製造面及びコスト面において有利になる。また、共振回路を、トランスに電気的に絶縁された状態で接続するための共振用コイルと、共振用コイルに蓄積されたエネルギーを電荷の形で蓄積するための共振用コンデンサと、スイッチング素子がONする前に共振用コンデンサに蓄積された電荷を共振電流として流すためにスイッチングさせるための共振用スイッチング素子とを備えた閉回路から構成することによって、共振回路を電力変換回路に組み込む場合に比べて、トランスの一次側でも二次側でも自由に配置することができ、設計の自由度を高めることができる。 Although switching noise and switching loss generated when the switching element is turned on can be reduced by a resonance circuit, even if a reverse voltage is applied to the backflow prevention diode by providing the resonance circuit, backflow prevention is possible. It is possible to provide a highly reliable power supply circuit capable of reliably avoiding damage to the diode with a charging capacitor. Further, the reverse current blocking diode can be constituted by a diode having a small reverse breakdown voltage such as a Schottky diode. In addition, by composing a resonance circuit provided separately from the power conversion circuit shared for a plurality of power conversion circuits, it is possible to reduce the number of parts by sharing the resonance circuit, This is advantageous in terms of manufacturing and cost. A resonance coil for connecting the resonance circuit to the transformer in an electrically insulated state, a resonance capacitor for storing energy accumulated in the resonance coil in the form of electric charge, and a switching element Compared to the case where the resonance circuit is incorporated in the power conversion circuit by comprising a closed circuit including a resonance switching element for switching the charge accumulated in the resonance capacitor to flow as a resonance current before turning on. Thus, the transformer can be freely arranged on either the primary side or the secondary side, and the degree of freedom in design can be increased.
第1電力変換回路を、商用交流電源からの商用交流電圧を直流電圧に変換する整流回路を備えたものから構成し、第2電力変換回路を、商用交流電源の停電時において二次電池からの直流電圧により二次側直流変換回路を通じて負荷に電力を供給するものから構成することによって、停電時においても第2電力変換回路にて負荷に電力を供給することが可能になり、さらに信頼性の高い電源回路とすることができる。 The first power conversion circuit includes a rectifier circuit that converts a commercial AC voltage from a commercial AC power source into a DC voltage, and the second power conversion circuit is connected to the secondary battery during a power failure of the commercial AC power source. By configuring the unit to supply power to the load through the secondary side DC conversion circuit with DC voltage, it becomes possible to supply power to the load with the second power conversion circuit even in the event of a power failure. A high power circuit can be obtained.
図1に、フォワード型の電源回路を示している。この電源回路は、共通の高周波トランス(低周波トランスでもよい)1の二次側巻線N2に電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、負荷2へ直流電力を供給するための二次側直流変換回路3と、前記共通の高周波トランス1の一次側の第1巻線N1に電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、商用交流電源4からの交流電圧を整流して直流電圧に変換するための整流回路5を介して出力される直流電圧により前記共通の高周波トランス1を介して二次側直流変換回路3へ電力供給するための第1の電力変換回路6と、前記共通の高周波トランス1の一次側の第2巻線N3に電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、二次電池7の出力により前記共通の高周波トランス1を介して二次側直流変換回路3へ電力供給するための第2の電力変換回路8とを備えている。前記二次電池7としては、燃料電池や太陽電池あるいは原子力電池等を用いてもよく、二次電池7に代えて発電機等であってもよい。又、2つの電力変換回路6,8のうちの一方を商用交流電源からの交流電圧により動作する電力変換回路とし、他方を二次電池からの直流電圧により動作する電力変換回路としたが、2つとも商用交流電源からの電力により動作する電力変換回路としてもよいし、又直流電圧により動作する電力変換回路としてもよい。又、電力変換回路を3つ以上設けて実施することもできる。この場合、電源部を商用交流電源にて構成したものと、二次電池等の直流電源にて構成したものをそれぞれ少なくとも1個ずつ備えさせて電源回路を構成しておけば、例えば商用交流電源の停電時でも直流電源を利用して二次側直流変換回路3へ電力供給が行える利点がある。又、電源回路としては、図1のようなフォワード型の他、フライバック型、フルブリッジ型、ハーフブリッジ型等であってもよく、どのような形式の電源回路に構成してもよい。
FIG. 1 shows a forward type power supply circuit. This power supply circuit is connected to a secondary winding N2 of a common high-frequency transformer (which may be a low-frequency transformer) 1 in an electrically insulated state and is a secondary for supplying DC power to the
図1に示すように、前記第1の電力変換回路6は、高周波トランス1の一次側の第1巻線N1に接続され、ON−OFFを繰り返し行うことにより二次側へ設定された電圧を供給するための電力変換用スイッチング素子としてのFETQ1と、前記作動中の第2の電力変換回路8からの誘起電圧による電流の逆流を阻止するための逆流阻止ダイオード9を備えている。
又、前記第2の電力変換回路8は、高周波トランス1の一次側の第2巻線N3に接続され、ON−OFFを繰り返し行うことにより二次側へ設定された電圧を供給するための電力変換用スイッチング素子としてのFETQ3と、前記作動中の第1の電力変換回路6からの誘起電圧による電流の逆流を阻止するための逆流阻止ダイオード10を備えている。
前記FETQ1及びFETQ3には、図示していない制御装置からの制御信号が入力されるゲート回路11,12が接続されており、ゲート回路11,12からのゲート信号によりFETQ1及びFETQ3がON−OFFされるようになっている。
As shown in FIG. 1, the first
The second
前記FETQ1及びFETQ3のON動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減するための共振回路13を、前記トランス1の二次側に電気的に絶縁された状態で接続している。ここでは、共振回路13をトランス1の二次側へ配置したが、一次側に配置してもよい。このように複数の電力変換回路6,8に対して共用する共振回路13を設けることによって、全ての電力変換回路6,8に対して共振回路13を設けるものに比べて部品点数の削減化を図ることができる利点がある。
前記共振回路13を、トランス1の二次側に電気的に絶縁された状態で接続するための共振用コイルN4と、この共振用コイルN4に蓄積されたエネルギーを電荷の形で蓄積(充電)するための共振用コンデンサ14と、前記共振用コイルN4の電流をFETQ1又はQ3がONする前に共振電流として流すためにスイッチングさせるための共振用スイッチング素子としてのFETQ2とを備えた閉回路から構成することによって、共振回路13の位置を自由に変更する(図では二次側に配置しているが、一次側であってもよい)ことができる利点がある。尚、図示していないが、前記FETQ2には、図示していない制御装置からの制御信号が入力されるゲート回路(図示せず)が接続されている。又、前記共振回路13は、図に示される形式に限らず、どのような形式に構成してもよい。
A
A resonance coil N4 for connecting the
前記各電力変換回路6,8には、前記共振回路13の共振用コイルN4の電流が共振用スイッチング素子Q2にて遮断される際にトランス1を介して一次側の電力変換回路6,8へ共振電流が流れ、逆流阻止ダイオード9,10に逆電圧が加わることを電荷の形でチャージするためのチャージ用のコンデンサ15,16を備えてあり、これらコンデンサ15,16は、逆流阻止ダイオード9,10に対して並列に接続されている。
In each of the
前記第1の電力変換回路6を作動させて、該電力変換回路6からの電力供給により二次側に配置した負荷2を駆動する場合を説明する。尚、図2(a)は、チャージ用のコンデンサ15,16を設けていない場合を示し、図2(b)は、チャージ用のコンデンサ15,16を設けた場合の各種の波形を示している。
まず図2(a),(b)に、FETQ1を所定の周期でON−OFFさせるパルス波形を示している。そして、FETQ1がOFFになると同時に、図1のa点の電位が図2(a),(b)に示すように、立ち上がるため、共振回路13にコンデンサ14を充電するための充電電流Iが流れ始める(d1の期間)。前記コンデンサ14の充電が完了する前にFETQ2をONするためのゲート信号(図2(b)参照)をFETQ2のゲート回路(図示せず)へ出力する。そして、前記充電が完了すると、コンデンサ14から電荷の放電が開始され、図2(b)に示すように前記方向とは逆方向に電流Iが流れる。そして、FETQ1がONする直前にFETQ2をOFFし、共振用コイルN4を流れていた逆方向の電流Iをトランス1を介して図1に示す一次側巻線N1の電流I1に変換する。この逆方向の電流I1を逆流阻止ダイオー9に並列接続されたチャージ用のコンデンサ15によりチャージすることにより、図1におけるa点の電位及びb−a間の電位が図2(a)のV1で示すように急激に変化することがなく、図2(b)のV2で示すように変化が緩やかな電圧変化(0に近い電圧)にすることができ、逆流阻止ダイオード9,10が損傷することを回避することができることは勿論のこと、逆流阻止ダイオード9,10をショットキーダイオードなどの逆耐圧の小さな(低い)素子を用いることが可能になる。前記一次側巻線N1の共振電流I1によりスイッチング素子Q1の点の電位が十分に低下してから該スイッチング素子Q1をONするため、スイッチング素子Q1のON時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減することができる。
A case will be described in which the first
First, FIGS. 2A and 2B show pulse waveforms for turning the FET Q1 on and off at a predetermined cycle. At the same time as the FET Q1 is turned off, the potential at the point a in FIG. 1 rises as shown in FIGS. 2A and 2B, so that the charging current I for charging the
図1では、逆流阻止ダイオード9,10及びそれらに対するチャージ用のコンデンサ15,16を高周波トランス1の一次側巻線N1,N3のマイナス側に接続した電源回路図を示したが、図3に示すように、逆流阻止ダイオード9,10を一次側巻線N1,N3のプラス側あるいはスイッチング素子Q1のマイナス側に接続し、チャージ用のコンデンサ15,16を、図3で示すように一次側巻線N1,N3のプラス側とこの一次側巻線N1,N3のマイナス側に直列に接続されている前記スイッチング素子Q1のマイナス側とに渡る状態で接続した電源回路図であってもよい。
FIG. 1 shows a power supply circuit diagram in which the reverse
又、スイッチング素子の抵抗成分によるロスを減らすためにON抵抗の低い(小さい)FETを用いたカスケードフォワード型の回路を、図4に示している。このON抵抗の低いFETは、耐圧が低いものであるため、2個のFETQ11,Q12又はQ31,Q32を直列にしてスイッチング素子のオフ時電圧を分圧して低減できるようにしている。これら2個のFETQ11,Q12又はQ31,Q32は、同じタイミングにてON−OFF駆動することになるが、素子自体のバラツキなどにより該タイミングにずれが発生する。このため、先にOFFしたFETQ11又はQ12(Q31又はQ32)に耐圧を越える電圧が加えられることを防ぐと共に両FETQ11,Q12(又はQ31,Q32)がOFFの時の一次側の第1巻線N1又は第2巻線N3の電位を安定させるために、コンデンサ17,18又は19,20を設けている。これらコンデンサ17,18又は19,20を設けることによって、耐圧の低いFETQ11,Q12又はQ31,Q32を用いることができるようになっている。しかも、これらコンデンサ17,18又は19,20は、前記チャージ用のコンデンサの役割も果たしている。前記コンデンサ17,18又は19,20は、一次側の第1巻線N1又は第2巻線N3の中間部(中点)に接続された共通線(中線)21又は22と電源(整流回路5からの直流電圧)のプラス側(正の出力端)との間及び該共通線(中線)21又は22とマイナス側(負の出力端)との間に接続されたものである。換言すれば、一次側の第1巻線N1又は第2巻線N3の中間部(中点)に接続された共通線(中線)21又は22と前記プラス側に備えたFETQ11のドレインとの間及び該共通線(中線)21又は22とマイナス側に備えたFETQ12のソースとの間に、前記コンデンサ17,18又は19,20を接続している。図4に示す9,10は、前記した逆流阻止ダイオードであり、前記コンデンサ17,18又は19,20の直流電圧の正負出力端の接続点よりも入力側(整流回路5側)に位置させている。又、図4に示す11A,11B、12A,12Bは、FETQ11,Q12、Q31,Q32に対するゲート回路である。図5に、図4で示した回路における各種の波形を示しており、この場合も図2と同様にコンデンサ17,18又19,20を設けることによって、FETQ11のソース電圧及びFETQ12のドレイン電圧の変化を緩やかな状態に維持することができるようになっている。
Further, FIG. 4 shows a cascade forward type circuit using a FET having a low (small) ON resistance in order to reduce the loss due to the resistance component of the switching element. Since the FET having a low ON resistance has a low withstand voltage, two FETs Q11 and Q12 or Q31 and Q32 are connected in series so that the off-time voltage of the switching element can be divided and reduced. These two FETs Q11, Q12 or Q31, Q32 are driven to be turned on and off at the same timing, but there is a deviation in the timing due to variations in the elements themselves. For this reason, it is possible to prevent a voltage exceeding the withstand voltage from being applied to the FET Q11 or Q12 (Q31 or Q32) that was previously turned off, and the primary winding N1 on the primary side when both FETs Q11 and Q12 (or Q31, Q32) are off. Alternatively,
図6及び図7にフライバック型の電源回路図を示し、図8及び図9にハーフブリッジ型の電源回路図を示し、図10及び図11にフルブリッジ型の電源回路図を示している。尚、図6〜図11で付した符号は、図1、図3及び図4で示した電源回路図に付したものを用い、同一の符号を付している。 FIGS. 6 and 7 show flyback power supply circuit diagrams, FIGS. 8 and 9 show half-bridge power supply circuit diagrams, and FIGS. 10 and 11 show full-bridge power supply circuit diagrams. 6 to 11 are the same reference numerals as those used in the power supply circuit diagrams shown in FIGS. 1, 3 and 4.
1 高周波トランス
2 負荷
3 二次側直流変換回路
4 商用交流電源
5 整流回路
6,8 電力変換回路
7 二次電池
9,10 逆流阻止ダイオード
11,12 ゲート回路
13 共振回路
14 共振用コンデンサ
15,16 コンデンサ
N1,N3 一次側巻線
N2 二次側巻線
L 設定距離
N4 共振用コイル
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