JP4218094B2

JP4218094B2 - Switching power supply circuit

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Publication number: JP4218094B2
Application number: JP33613398A
Authority: JP
Inventors: 昌之安村
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1998-11-26
Filing date: 1998-11-26
Publication date: 2009-02-04
Anticipated expiration: 2018-11-26
Also published as: JP2000166234A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器に電源として備えられるスイッチング電源回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源回路として、例えばフライバックコンバータやフォワードコンバータなどの形式のスイッチングコンバータを採用したものが広く知られている。これらのスイッチングコンバータはスイッチング動作波形が矩形波状であることから、スイッチングノイズの抑制には限界がある。また、その動作特性上、電力変換効率の向上にも限界があることが分かっている。
そこで、先に本出願人により、各種共振形コンバータによるスイッチング電源回路が各種提案されている。共振形コンバータは容易に高電力変換効率が得られると共に、スイッチング動作波形が正弦波状となることで低ノイズが実現される。また、比較的少数の部品点数により構成することができるというメリットも有している。
【０００３】
図４は先に本出願人により提案された発明に基づいて構成することのできるスイッチング電源回路の一構成例を示す回路図である。この電源回路には自励式の電流共振形コンバータが採用されている。また、この電源回路は、商用交流電源（交流入力電圧）が例えば日本や米国などのＡＣ１００Ｖ系で、負荷電力１５０Ｗ以上の条件に対応する構成を採っている。
【０００４】
この図に示すスイッチング電源回路においては、交流電源ＡＣを整流平滑化するための整流平滑回路として、整流ダイオードＤｉ1，Ｄｉ2、及び平滑コンデンサＣｉ1，Ｃｉ2を図のように接続して成る、いわゆる倍電圧整流回路が備えられる。この倍電圧整流回路においては、例えば交流入力電圧ＶACのピーク値の１倍に対応する直流入力電圧をＥｉとすると、その約２倍の直流入力電圧２Ｅｉを生成する。例えば交流入力電圧ＶAC＝１４４Ｖであるとすると、直流入力電圧２Ｅｉは約４００Ｖとなる。
このように、整流平滑回路として倍電圧整流回路を採用するのは、上述したように、交流入力電圧がＡＣ１００Ｖ系とされ、かつ、最大負荷電力が１５０Ｗ以上という比較的重負荷の条件に対応するためとされる。つまり、直流入力電圧を通常の２倍とすることで、後段のスイッチングコンバータへの流入電流量を抑制し、当該スイッチング電源回路を形成する構成部品の信頼性が確保されるようにするものである。
なお、この図に示す倍電圧整流回路に対しては、その整流電流経路に対して突入電流制限抵抗Ｒｉが挿入されており、例えば電源投入時に平滑コンデンサに流入する突入電流を抑制するようにしている。
【０００５】
この電源回路のスイッチングコンバータは、図のように２つのスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 をハーフブリッジ結合したうえで、平滑コンデンサＣｉの正極側の接続点とアース間に対して挿入するようにして接続されている。
このスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 の各コレクタ−ベース間には、それぞれ起動抵抗ＲS1、ＲS2が挿入される。また、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 の各ベース−エミッタ間にはそれぞれクランプダイオードＤD1，ＤD2が挿入される。
また、スイッチング素子Ｑ1のベースとスイッチング素子Ｑ2のコレクタ間に対しては、共振用コンデンサＣB1，ベース電流制限用抵抗ＲB1，駆動巻線ＮB1から成る直列接続回路が挿入される。共振用コンデンサＣB1は自身のキャパシタンスと、次に説明する駆動巻線ＮB1のインダクタンスＬB1と共に自励発振用の直列共振回路を形成し、これによりスイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数を決定する。
同様に、スイッチング素子Ｑ2のベースと一次側アース間に対しては、共振用コンデンサＣB2，ベース電流制限用抵抗ＲB2，駆動巻線ＮB2から成る直列接続回路が挿入されており、共振用コンデンサＣB2と駆動巻線ＮB2のインダクタンスＬB2と共に自励発振用の直列共振回路を形成して、スイッチング素子Ｑ2のスイッチング周波数を決定している。
【０００６】
コンバータドライブトランスＣＤＴ(Converter Drive Transformer）はスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 を固定による所定のスイッチング周波数により駆動するために設けられるもので、この図の場合には駆動巻線ＮB1、ＮB2及び共振電流検出巻線ＮD が巻回されて構成される。
コンバータドライブトランスＣＤＴの駆動巻線ＮB1の一端は、抵抗ＲB1−共振用コンデンサＣB1の直列接続を介してスイッチング素子Ｑ1 のベースに接続され、他端はスイッチング素子Ｑ2 のコレクタに接続される。駆動巻線ＮB2の一端はアースに接地されると共に、他端は抵抗ＲB2−共振用コンデンサＣB2の直列接続を介してスイッチング素子Ｑ2 のベースと接続されている。駆動巻線ＮB1と駆動巻線ＮB2は互いに逆極性の電圧が発生するように巻装されている。
また、共振電流検出巻線ＮDの一端はスイッチング素子Ｑ1のエミッタとスイッチング素子Ｑ2のコレクタとの接続点（スイッチング出力点）に対して接続され、他端は、後述する直交型制御トランスＰＲＴの被制御巻線ＮRの直列接続を介して一次巻線Ｎ1の一端に対して接続される。
【０００７】
絶縁コンバータトランスＰＩＴ (Power Isolation Transformer)は、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 のスイッチング出力を二次側に伝送する。
この場合、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1 の一端は、被制御巻線ＮR−共振電流検出巻線ＮD を介してスイッチング素子Ｑ1 のエミッタとスイッチング素子Ｑ2 のコレクタの接点に接続されることで、スイッチング出力が得られるようにされる。また、一次巻線Ｎ1 の他端は、直列共振コンデンサＣ1 を介して一次側アースに接地されている。
この場合、上記直列共振コンデンサＣ1 及び一次巻線Ｎ1及び被制御巻線ＮRはは直列に接続されているが、この直列共振コンデンサＣ1 のキャパシタンス、及び一次巻線Ｎ1 （直列共振巻線）を含む絶縁コンバータトランスＰＩＴの漏洩インダクタンス（リーケージインダクタンス）Ｌ1の成分と被制御巻線ＮRのインダクタンスＬRとの成分の合成インダクタンスにより、スイッチングコンバータの動作を電流共振形とするための直列共振回路を形成している。
【０００８】
また、この図における絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次側では、二次巻線Ｎ2に対してセンタータップを設けた上で、整流ダイオードＤO1，ＤO2，ＤO3，ＤO4及び平滑コンデンサＣO1，ＣO2を図のように接続することで、［整流ダイオードＤO1，ＤO2，平滑コンデンサＣO1］の組と、［整流ダイオードＤO3，ＤO4，平滑コンデンサＣO2］の組とによる、２組の全波整流回路が設けられる。［整流ダイオードＤO1，ＤO2，平滑コンデンサＣO1］から成る全波整流回路は直流出力電圧ＥO1を生成し、［整流ダイオードＤO3，ＤO4，平滑コンデンサＣO2］から成る全波整流回路は直流出力電圧ＥO2を生成する。つまり、この図に示す回路では、二次側において直流出力電圧を得るのにあたり全波整流回路が設けられる。
なお、この場合には、直流出力電圧ＥO1及び直流出力電圧ＥO2は制御回路１に対しても分岐して入力される。制御回路１においては、直流出力電圧ＥO1を検出電圧として利用し、直流出力電圧ＥO2を制御回路１の動作電源として利用する。
また、二次巻線Ｎ2に対しては、例えば小容量のセラミックコンデンサＣｃが並列に接続される。このセラミックコンデンサＣｃは、二次側の整流ダイオードのオン／オフ動作によって生じるノイズを吸収するために設けられるもので、例えば２２０ｐＦ〜４７０ｐＦ程度とされ、電圧共振作用は生じない。つまり、二次巻線Ｎ2と並列共振回路を形成し得るほどのキャパシタンスは有していない。
【０００９】
制御回路１は、例えば二次側の直流電圧出力ＥO1のレベルに応じてそのレベルが可変される直流電流を、制御電流として直交型制御トランスＰＲＴの制御巻線ＮC に供給することにより後述するようにして定電圧制御を行う。
この図に示す直交型制御トランスＰＲＴは、例えば４本の磁脚を有する立体型コアに対して、被制御巻線ＮRが巻装され、更にこの被制御巻線ＮRに対してその巻回方向が直交するようにして制御巻線ＮCとが巻装された、直交型の可飽和リアクトルとして構成される。
【００１０】
上記構成による電源回路のスイッチング動作としては、先ず商用交流電源が投入されると、例えば起動抵抗ＲS1、ＲS2を介してスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 のベースに起動電流が供給されることになるが、例えばスイッチング素子Ｑ1 が先にオンとなったとすれば、スイッチング素子Ｑ2 はオフとなるように制御される。そしてスイッチング素子Ｑ1 の出力として、共振電流検出巻線ＮD →一次巻線Ｎ1→直列共振コンデンサＣ1 に共振電流が流れるが、この共振電流が０となる近傍でスイッチング素子Ｑ2 がオン、スイッチング素子Ｑ1 がオフとなるように制御される。そして、スイッチング素子Ｑ2 を介して先とは逆方向の共振電流が流れる。以降、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 が交互にオンとなる自励式のスイッチング動作が開始される。
このように、平滑コンデンサＣｉの端子電圧を動作電源としてスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 が交互に開閉を繰り返すことによって、絶縁コンバータトランスの一次側巻線Ｎ1 に共振電流波形に近いドライブ電流を供給し、二次側の巻線Ｎ2 に交番出力を得る。
【００１１】
この場合の制御回路１は、例えば負荷電力や交流入力電圧の変動に応じて直流出力電圧ＥO1 が変動するのに応じて、制御巻線ＮC に流れる電流レベルを可変制御する。これにより直交型制御トランスＰＲＴにおいては、被制御巻線ＮRのインダクタンスＬRが可変される。
被制御巻線ＮRのインダクタンスＬRは、前述したように、一次側の直列共振回路を形成していることから、インダクタンスＬRが変化することによって、直列共振回路の共振周波数を変化させることになる。これにより、固定のスイッチング周波数に対する直列共振周波数の差が可変されて共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスＰＲＴにおける二次側への伝送出力が可変制御されることになる。このようにして、二次出力電圧ＥO の定電圧制御が行われる。なお、以降、本明細書では上述のごとき構成による定電圧制御方式について「直列共振周波数制御方式」ということにして、後述する「スイッチング周波数制御方式」と区別する。
【００１２】
図５は、先に本出願人により提案された発明に基づいて構成することのできるスイッチング電源回路の他の構成例を示す回路図である。この電源回路も自励式の電流共振形コンバータが採用されていると共に、交流入力電圧ＡＣ１００Ｖ系で負荷電力１５０Ｗ以上の条件に対応する構成を採っている。なお、この図において図４と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１３】
この図に示す電源回路においては、図４に示したコンバータドライブトランスＣＤＴが直交型制御トランスとしても機能するドライブトランスＰＲＴ (Power Regulating Transformer）が設けられる。即ち、ドライブトランスＰＲＴはスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 を駆動すると共に、後述するようにして定電圧制御を行う。
この図のドライブトランスＰＲＴの場合には、駆動巻線ＮB1、ＮB2及び共振電流検出巻線ＮD が巻回され、更にこれらの各巻線に対して制御巻線ＮC が直交する方向に巻回された直交型の可飽和リアクトルとして構成される。また、この場合にも、駆動巻線ＮB1と駆動巻線ＮB2は互いに逆極性の電圧が発生するように巻装されていることで、図４にて説明した場合と同様に、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2は交互にオン／オフとなるタイミングでスイッチング動作を行う。
【００１４】
また、この図に示す電源回路では、被制御巻線ＮRは省略されることになるため、一次巻線Ｎ1は、共振電流検出巻線ＮDを介してスイッチング素子Ｑ1のエミッタとスイッチング素子Ｑ2のコレクタとの接続点（スイッチング出力点）に対して接続される形態を採る。従って、この場合には、一次巻線Ｎ1−直列共振コンデンサＣ1の直列接続によって一次側直列共振回路を形成することになる。
【００１５】
ドライブトランスＰＲＴによる定電圧制御は次のようにして行われる。
例えば、交流入力電圧や負荷電力の変動によって二次側出力電圧ＥO1 が変動したとすると、制御回路１では、二次側出力電圧ＥO1 の変動に応じて制御巻線ＮC に流れる制御電流のレベルを可変制御する。
この制御電流によりドライブトランスＰＲＴに発生する磁束の影響で、ドライブトランスＰＲＴにおいては飽和傾向の状態が変化し、駆動巻線ＮB1，ＮB2のインダクタンスを変化させるように作用するが、これにより自励発振回路の条件が変化してスイッチング周波数が変化するように制御される。
この図に示す電源回路では、直列共振コンデンサＣ1 及び一次巻線Ｎ1 の直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数領域でスイッチング周波数を設定しているが、例えばスイッチング周波数が高くなると、直列共振回路の共振周波数に対してスイッチング周波数が離れていくようにされる。これにより、スイッチング出力に対する一次側直列共振回路の共振インピーダンスは高くなる。
このようにして共振インピーダンスが高くなることで、一次側直列共振回路の一次巻線Ｎ1 に供給されるドライブ電流が抑制される結果、二次側出力電圧が抑制されることになって、定電圧制御が図られることになる。
なお、本明細書では、上記方法による定電圧制御方式を「スイッチング周波数制御方式」と呼び、先に述べた「直列共振周波数制御方式」と区別する。
【００１６】
また、図５に示す電源回路においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の各コレクタ−エミッタ間に対して、それぞれ小容量のセラミックコンデンサＣｃ1，Ｃｃ2が並列に接続される。このセラミックコンデンサＣｃ1，Ｃｃ2もまた、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のスイッチングノイズを吸収するために設けられるものであるが、ここでは、上記定電圧制御動作によって比較的広範囲に変化するスイッチング周波数に対応して、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のターンオフ時にゼロ電圧スイッチング動作を得るための作用も有する。
【００１７】
また、図５に示す電源回路で、絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次側において、二次巻線Ｎ2，Ｎ2Aがそれぞれ独立して巻装された形態を採っている。そして、二次巻線Ｎ2に対しては、ブリッジ整流回路ＤBRが設けられてブリッジ整流方式によって直流出力電圧ＥO1を得るようにしている。このようなブリッジ整流回路ＤBRに対しては、図のように、その正極入力端子と負極入力端子間に小容量のセラミックコンデンサＣｃ3を挿入することで、ブリッジ整流回路ＤBRを形成する整流ダイオードのスイッチングノイズを吸収することができる。この場合も、セラミックコンデンサＣｃ3の容量としては、２２０ｐＦ〜４７０ｐＦ程度とされ、二次側における電圧共振作用は生じない。
また、二次巻線Ｎ2Aに対しては、整流ダイオードＤO3，ＤO4による全波整流回路が備えられて、直流出力電圧ＥO2を得るようにしている。
【００１８】
図６は、先に本出願人により提案された発明に基づいて構成することのできるスイッチング電源回路の他の構成例を示す回路図である。この電源回路も自励式の電流共振形コンバータが採用されていると共に、交流入力電圧ＡＣ１００Ｖ系で負荷電力１５０Ｗ以上の条件に対応する構成を採っている。なお、この図において図４、図５と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１９】
この図に示す電源回路では、直流入力電圧を得るために、ブリッジ整流回路Ｄｉと１本の平滑コンデンサＣｉとからなる整流平滑回路が備えられる。つまり、交流入力電圧ＶACのピークレベルの等倍に対応する整流平滑電圧Ｅｉを生成して後段のスイッチングコンバータに供給する構成を採る。
【００２０】
この図においては、４本のスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14をフルブリッジ結合した他励式の電流共振形コンバータが備えられる。この場合のフルブリッジ結合は、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12の組によるハーフブリッジ結合と、スイッチング素子Ｑ13，Ｑ14によるハーフブリッジ結合とを組み合わせることによって形成される。また、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14としてはＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる。
スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12の組によるハーフブリッジ結合は、スイッチング素子Ｑ11のドレインを整流平滑電圧Ｅｉのラインと接続し、スイッチング素子Ｑ11のソースとスイッチング素子Ｑ12のドレインを接続し、スイッチング素子Ｑ12のソースを一次側アースに接続することで形成される。
同様に、スイッチング素子Ｑ13，Ｑ14の組によるハーフブリッジ結合は、スイッチング素子Ｑ13のドレインを整流平滑電圧Ｅｉのラインと接続し、スイッチング素子Ｑ13のソースとスイッチング素子Ｑ14のドレインを接続し、スイッチング素子Ｑ14のソースを一次側アースに接続することで形成される。
また、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14の各ドレイン−ソース間に対しては、それぞれ、図に示す方向により並列にダンパーダイオードＤD1，ＤD2，ＤD3，ＤD4が備えられ、スイッチングオフ時の帰還電流の経路を形成する。
【００２１】
この場合には、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1 の一端は、スイッチング素子Ｑ11、Ｑ12のソース−ドレインの接続点（スイッチング出力点）に対して接続され、一次巻線Ｎ1の他端は、直列共振コンデンサＣ1を介してスイッチング素子Ｑ13，Ｑ14のソース−ドレインの接続点（スイッチング出力点）に対して接続される。
これにより、一次巻線Ｎ1 及び直列共振コンデンサＣ1を備えて形成される直列共振回路に対して、後述するようにして行われるスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給されるようになっている。
【００２２】
起動回路４は、電源投入直後に整流平滑ラインに得られる電圧或いは電流を検出して、発振回路２を起動させるために設けられており、この起動回路４には、動作電源として絶縁コンバータトランスＰＩＴに設けられた三次巻線Ｎ3 と整流ダイオードＤ3 、及び平滑コンデンサＣ3 により供給される低圧直流電圧が供給される。
【００２３】
発振回路２は、所要のスイッチング周波数に対応する周波数信号を発振させてドライブ回路３に対して出力する。ドライブ回路３は、発振回路２から入力した周波数信号を利用して、スイッチング駆動信号を生成する。
ドライブ回路３はスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14にスイッチング駆動信号を出力するが、この際、ドライブ回路３では、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ14が同じオン／オフタイミングとなり、スイッチング素子Ｑ12，Ｑ13が同じオン／オフタイミングとなるようにされ、かつ、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12が交互にオン／オフ動作を行い、スイッチング素子Ｑ13，Ｑ14が交互にオン／オフ動作を行うように、各駆動信号を生成するものである。
そして、ドライブ回路３がスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14を駆動する状態では、上記のオン／オフタイミングでスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14が動作することになるが、これがフルブリッジ式のスイッチング動作となる。
【００２４】
この場合制御回路１は、例えば二次側直流出力電圧Ｅ01 の変動に対応したレベルの制御信号を発振回路２に出力する。発振回路２では制御回路１から供給された制御信号に基づいて、周波数信号（スイッチング駆動信号）の周波数を変化させて、スイッチング周波数を可変するようにしている。
このような電源回路では、スイッチング周波数は例えば直列共振周波数よりも高い領域として設定されている。そして、例えば二次側直流出力電圧Ｅ0 が高くなると発振ドライブ回路２はスイッチング周波数を高くするように制御動作を行うことになるが、これにより直列共振回路の共振インピーダンスが大きくなる。この結果、直列共振回路の一次巻線Ｎ1 に流れるスイッチング出力電流が制限されることで、二次側に伝送される電圧を低下させる。このようにして、定電圧制御が行われる。つまり、図５の電源回路と同様に、スイッチング周波数制御方式による定電圧制御となる。
【００２５】
ここで、図４〜図６に示した電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造を図７により断面的に示す。
絶縁コンバータトランスＰＩＴは、例えばフェライト材によるＥ型コアＣＲ１、ＣＲ２を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ型コアが形成される。この際、中央磁脚には図のようにギャップは形成されない。そして、この中央磁脚に対して、ボビンＢを利用して一次巻線Ｎ1 、二次巻線Ｎ2（Ｎ2A）をそれぞれ分割した状態で巻装して構成される。これにより、一次巻線Ｎ1 と二次巻線Ｎ2 とでは疎結合（例えば結合係数ｋ≒０．９）の状態が得られることになる。
【００２６】
また、絶縁コンバータトランスＰＩＴにおいては、一次巻線Ｎ1 、二次巻線Ｎ2 の極性（巻方向）と整流ダイオードＤO （［ＤO1，ＤO2］，［ＤO3，ＤO4］）の接続との関係によって、一次巻線Ｎ1 のインダクタンスＬ1と二次巻線Ｎ2 のインダクタンスＬ2 との相互インダクタンスＭについて、＋Ｍ（加極性モード）となる場合と−Ｍ（減極性モード）となる場合とがある。
例えば、図８（ａ）に示す接続形態を採る場合の動作では相互インダクタンスは＋Ｍとなり、図８（ｂ）に示す接続形態を採る場合の動作では相互インダクタンスは−Ｍとなる。
この相互インダクタンス＋Ｍ／−Ｍの動作モードは、図４〜図６に示した二次側の構成に対応させれば、二次巻線Ｎ2（Ｎ2A）に得られる交番電圧が負の期間に整流ダイオードにより整流する動作と、正の期間に整流ダイオードにより整流する動作とに相当するものである。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記図４，図５に示す構成による電流共振形コンバータでは、交流入力電圧ＶACがＡＣ１００Ｖ系で最大負荷電力が１５０Ｗ以上の条件に対応するため、倍電圧整流方式により２Ｅｉのレベルの直流入力電圧を得るようにしている。このため、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2については、スイッチングオフ時に印加される高レベルの共振電圧に対応するために、４００Ｖの耐圧品を選定している。
これによって、スイッチング素子は相応に大型化してしまう。また、スイッチング素子について高耐圧品を選定した場合においては、飽和電圧ＶCE(SAT)、蓄積時間ｔSTG、下降時間ｔｆが大きく、電流増幅率ｈFEが小さくなるなど、特性が劣化するため、スイッチング周波数を高く設定することが困難となる。スイッチング周波数が低ければスイッチング損失とドライブ電力が増加するため、それだけ電源回路としての電力損失が大きくなる。
更には、上述したように高レベルの直流入力電圧を得て信頼性を確保するために倍電圧整流回路が必要となることで、比較的大型の平滑コンデンサが２本必要となって基板面積も大きくなる。
【００２８】
これに対して、図６に示した電源回路では、４本のスイッチング素子をフルブリッジ結合して他励式により駆動することで負荷電力への対応が図られるので、例えばブリッジ整流回路による等倍電圧整流回路によって直流入力電圧を得ることが可能となり、従って、各スイッチング素子の耐圧も２００Ｖに抑えることが可能になる。
但し実際には、他励式の駆動回路系を構成するために、発振回路２やドライブ回路３などの回路をＩＣによる外付け部品として設ける必要がある他、制御回路１に対して二次側の直流出力電圧を帰還するために、実際にはフォトカプラを介在させて、一次側と二次側を直流的に絶縁する必要がある。つまり、図６に示す回路では上記部品を追加して電源回路を構成することになるので、実際の回路基板のサイズが大きくなってしまう。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記した課題を考慮して、例えばＡＣ１００Ｖ系に対応するスイッチング電源回路として、比較的重負荷の条件に対応可能とされた上で、電力変換効率の向上、及び小型軽量化が促進されるようにすることを目的とするものである。
【００３０】
このため本発明としては、商用交流電源を入力して、この商用交流電源レベルの等倍に対応するレベルの整流平滑電圧を生成して直流入力電圧として出力する整流平滑手段と、疎結合とされる所要の結合係数が得られるようにギャップが形成され、一次側出力を二次側に伝送するために設けられる絶縁コンバータトランスと、スイッチング素子を備えて、直流入力電圧を断続して上記絶縁コンバータトランスの一次巻線に出力するように構成されたスイッチング手段と、少なくとも絶縁コンバータトランスの一次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と、一次巻線に対して直列に接続される直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されてスイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路と、絶縁コンバータトランスの二次巻線に対して二次側直列共振コンデンサを直列に接続することで絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と二次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成される二次側直列共振回路と、二次側整流電流経路に対して二次側直列共振コンデンサを挿入して形成され、絶縁コンバータトランスの二次巻線に得られる交番電圧を入力して倍電圧全波整流動作を行って、入力電圧レベルのほぼ２倍に対応する二次側直流出力電圧を得るように構成された直流出力電圧生成手段と、二次側直流出力電圧のレベルに応じて、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変制御することによって定電圧制御を行うようにされた定電圧制御手段と備えてスイッチング電源回路を構成することとした。
【００３１】
また、商用交流電源を入力して、この商用交流電源レベルの等倍に対応するレベルの整流平滑電圧を生成して直流入力電圧として出力する整流平滑手段と、疎結合とされる所要の結合係数が得られるようにギャップが形成され、一次側出力を二次側に伝送するために設けられる絶縁コンバータトランスと、スイッチング素子を備えて、直流入力電圧を断続して絶縁コンバータトランスの一次巻線に出力するように構成されたスイッチング手段と、少なくとも絶縁コンバータトランスの一次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と一次巻線に対して直列に接続される直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されてスイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路と、絶縁コンバータトランスの二次巻線に対して二次側並列共振コンデンサを並列に接続することで絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と二次側並列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成される二次側並列共振回路と、絶縁コンバータトランスの二次巻線に得られる交番電圧を入力して全波整流動作を行って、入力電圧レベルのほぼ等倍に対応する二次側直流出力電圧を得るように構成された直流出力電圧生成手段と、二次側直流出力電圧のレベルに応じて、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変制御することによって定電圧制御を行うようにされた定電圧制御手段とスイッチング電源回路を構成することとした。
【００３２】
上記構成によれば、一次側に対してはスイッチング動作を電流共振形とする直列共振回路が備えられたうえで、絶縁コンバータトランスは疎結合とされる。そして、二次側においては二次側直列共振回路と倍電圧全波整流回路によって二次側直流出力電圧を生成して負荷に電力を供給するようにされる。或いは、二次側並列共振回路と等倍電圧全波整流回路によって二次側直流出力電圧を生成して負荷に電力を供給するようにされる。つまり、本実施の形態では、一次側と二次側に共振回路が設けられ、所要の負荷条件に対しては、一次側の直列共振作用と二次側における共振動作とにより得られる電磁エネルギーを利用して、倍電圧全波整流回路又は等倍電圧整流回路により直流出力電圧を生成することで対応するようにされる。これに伴い、一次側は倍電圧整流回路ではなく、交流入力電圧レベルの１倍に対応する整流平滑電圧を生成する全波整流回路を備えて構成されることになる。
【００３３】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。この図に示す電源回路においては先に説明した図４、図５の場合と同様に、一次側に対しては、２石のスイッチング素子（バイポーラトランジスタ）をハーフブリッジ結合した自励式の電流共振形スイッチングコンバータが備えられる。なお、この図において、図４〜図６と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００３４】
この図に示す本実施の形態としての電源回路においては、交流入力電圧ＶACを入力して交流入力電圧を得るための整流平滑回路として、ブリッジ整流回路Ｄｉ及び平滑コンデンサＣｉからなる全波整流回路が備えられ、交流入力電圧ＶACの１倍のレベルに対応する整流平滑電圧Ｅｉを生成するようにされる。つまり、本実施の形態においては、従来のように倍電圧整流回路は備えられないものである。
なお、本明細書においては交流入力電圧ＶACのレベルの１倍に対応する整流平滑電圧Ｅｉを生成する全波整流回路を「等倍電圧整流回路」ともいうことにする。
【００３５】
また、この図に示す電流共振形コンバータの自励発振駆動回路では、ベース電流制限用の抵抗ＲB1，ＲB2の挿入位置として、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のベースと共振用コンデンサＣB1，ＣB2間にそれぞれ挿入されている点が、図４，図５に示す回路と異なるが、このような接続形態であっても、図４，図５にて説明したのと同様にスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のための自励発振駆動回路を形成する。また、この図においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のコレクタ−エミッタ間に対して、スイッチングノイズ除去用としての小容量のセラミックコンデンサＣｃ1，Ｃｃ2がそれぞれ並列に接続されている。
【００３６】
本実施の形態の電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスＰＩＴは、図２に示すように、例えばフェライト材によるＥ型コアＣＲ１、ＣＲ２を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ型コアが備えられ、このＥＥ型コアの中央磁脚に対して、一次側と二次側とで巻装部が分割された分割ボビンＢを利用して一次巻線Ｎ1と、二次巻線Ｎ2（Ｎ2A，Ｎ2B）をそれぞれ分割した状態で巻装している。そして、本実施の形態では、中央磁脚に対しては図のようにギャップＧを形成するようにしている。このギャップＧは、Ｅ型コアＣＲ１、ＣＲ２の中央磁脚を、２本の外磁脚よりも短く形成することで形成することが出来る。また、本実施の形態では、ギャップＧのギャップ幅は１ｍｍ以上の所要の間隔を有するものとされる。
これによって、例えば従来例として図７に示した絶縁コンバータトランスＰＩＴよりも小さな結合係数による疎結合となるようにして、その分、飽和状態が得られにくいようにしている。この場合の結合係数ｋとしては、例えばｋ≒０．８５とされる。
【００３７】
また、一次側の定電圧制御回路系としては、図５に示した電源回路と同様の構成を採ることで、スイッチング周波数制御方式による定電圧制御を行うようにされている。
【００３８】
この場合、本実施の形態の電源回路の二次側においては、二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bが設けられる。
二次巻線Ｎ2Aの一端は二次側アースに接続され、他端は直列共振コンデンサＣｓ1の直列接続を介して整流ダイオードＤO1のアノードと整流ダイオードＤO2のカソードの接続点に対して接続される。整流ダイオードＤO1のカソードは平滑コンデンサＣO1の正極と接続され、整流ダイオードＤO2のアノードは二次側アースに対して接続される。平滑コンデンサＣO1の負極側は二次側アースに対して接続される。
また、二次巻線Ｎ2Bについても、同様にして、その一端は二次側アースに接続され、他端は直列共振コンデンサＣｓ2の直列接続を介して整流ダイオードＤO3のアノードと整流ダイオードＤO4のカソードの接続点に対して接続される。整流ダイオードＤO3のカソードは平滑コンデンサＣO2の正極と接続され、整流ダイオードＤO4のアノードは二次側アースに対して接続される。平滑コンデンサＣO2の負極側は二次側アースに対して接続される。
このような接続形態では結果的に、［二次巻線Ｎ2A，直列共振コンデンサＣｓ1，整流ダイオードＤO1，ＤO2、平滑コンデンサＣO1］の組と、［二次巻線Ｎ2B，直列共振コンデンサＣｓ2，整流ダイオードＤO3，ＤO4、平滑コンデンサＣO2］の組とから成る２組の倍電圧全波整流回路が設けられることになる。ここで、直列共振コンデンサＣｓ1は、自身のキャパシタンスと二次巻線Ｎ2Aの漏洩インダクタンス成分とによって、整流ダイオードＤO1，ＤO2のオン／オフ動作に対応する直列共振回路を形成し、直列共振コンデンサＣｓ2は、自身のキャパシタンスと二次巻線Ｎ2Bの漏洩インダクタンス成分とによって、整流ダイオードＤO3，ＤO4のオン／オフ動作に対応する直列共振回路を形成する。
ここで、一次側の直列共振回路（Ｎ1，Ｃ1）の直列共振周波数をｆｏ１とし、上記二次側の直列共振回路の直列共振周波数をｆｏ２とすると、ｆｏ１≒ｆｏ２なるように、二次側の直列共振コンデンサＣｓ1，Ｃｓ2のキャパシタンスが選定される。
【００３９】
このように、本実施の形態の電源回路は、一次側にはスイッチング動作を電流共振形とするための直列共振回路が備えられ、二次側には、倍電圧全波整流動作を得るための直列共振回路が備えられる。なお、本明細書では、このように一次側及び二次側に対して共振回路が備えられて動作する構成のスイッチングコンバータについては、「複合共振形スイッチングコンバータ」ともいうことにする。
【００４０】
上記［二次巻線Ｎ2A，直列共振コンデンサＣｓ1，整流ダイオードＤO1，ＤO2，平滑コンデンサＣO1］の組による倍電圧全波整流動作としては次のようになる。
一次側のスイッチング動作により一次巻線Ｎ1にスイッチング出力が得られると、このスイッチング出力は二次巻線Ｎ2Aに励起される。
そして、整流ダイオードＤO1がオフとなり、整流ダイオードＤO2がオンとなる期間においては、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2Aとの極性が−Ｍとなる減極性モードで動作して、二次巻線Ｎ2Aの漏洩インダクタンスと直列共振コンデンサＣｓ1による直列共振作用によって、整流ダイオードＤO2により整流した整流電流ＩC2を直列共振コンデンサＣｓ1に対して充電する動作が得られる。
そして、整流ダイオードＤO2がオフとなり、整流ダイオードＤO1がオンとなって整流動作を行う期間においては、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2との極性が＋Ｍとなる加極性モードとなり、二次巻線Ｎ2Aに誘起された電圧に直列共振コンデンサＣｓ1の電位が加わるという直列共振が生じる状態で平滑コンデンサＣO1に対して充電が行われる動作となる。
上記のようにして、加極性モード（＋Ｍ；フォワード動作）と減極性モード（−Ｍ；フライバック動作）との両者のモードを利用して整流動作が行われることで、平滑コンデンサＣO1においては、二次巻線Ｎ2の誘起電圧のほぼ２倍に対応する直流出力電圧ＥO1が得られる。
また、［二次巻線Ｎ2B，直列共振コンデンサＣｓ2，整流ダイオードＤO3，ＤO4、平滑コンデンサＣO2］の組とから成る倍電圧全波整流回路によっても同様の動作によって、二次巻線Ｎ2Bの誘起電圧のほぼ２倍に対応する直流出力電圧ＥO2が得られることになる。
【００４１】
上記した倍電圧全波整流動作を得るための構成は、先に図２にて説明したように、絶縁コンバータトランスＰＩＴに対してギャップＧを形成して所要の結合係数による疎結合としたことによって、絶縁コンバータトランスＰＩＴが更に飽和状態となりにくい状態を得たことで実現されるものである。例えば、従来のように絶縁コンバータトランスＰＩＴに対してギャップＧが設けられない場合には、フライバック動作時において絶縁コンバータトランスＰＩＴが飽和状態となって動作が異常となる可能性が高く、本実施の形態のような倍電圧整流動作が適正に行われるのを望むのは難しい。
【００４２】
上記構成によると、本実施の形態では、相互インダクタンスが＋Ｍと−Ｍの動作モードとなる状態を利用して、倍電圧全波整流を行うことで二次側直流出力電圧を得るようにしている。
そしてこの倍電圧整流動作は、疎結合（結合係数ｋ＝０．８５）とされた絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線から二次巻線に伝送される電磁エネルギーを、一次側と二次側の両方の電流共振回路（直列共振回路）間で結合しているものと見ることができ、これによって、一次側と二次側とでの直列共振回路の共振インピーダンスを低くして二次側共振電流を増幅するようにも動作する。そして、この二次側共振電流の増幅作用によって負荷側に供給される電力も増加して、最大負荷電力の増加が図られることになる。
【００４３】
また、上記のようにして最大負荷電力の増加を図ることで、本実施の形態では、直流入力電圧を生成する整流平滑回路としては倍電圧整流方式を採って負荷電力をカバーする必要はない。このため、図１にて説明したように、例えばブリッジ整流回路による通常の等倍電圧整流回路の構成を採ることができる。
これにより、例えば交流入力電圧ＶAC＝１４４Ｖ時における整流平滑電圧Ｅｉは２００Ｖ程度となる。スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の両端に得られる共振電圧は、整流平滑電圧Ｅｉに対して一次側の直列共振回路が作用することで、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のオフ時に発生するが、本実施の形態では、上記のように整流平滑電圧Ｅｉが倍電圧整流時の約１／２とされていることで、共振電圧Ｖｃｒは、先に図４，図５に示した従来例としての電源回路にて発生する共振電圧の約１／２程度に抑えられることになる。つまり、共振電圧Ｖｃｒはピークで２００程度にまで抑えられることになる。
従って、本実施の形態においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2については、２００Ｖの耐圧品を選定すればよいことになる。
【００４４】
また、二次側においては、二次巻線（Ｎ2A，Ｎ2B）の励起電圧が正負の両期間において整流動作を行う倍電圧全波整流回路を設けたことで、本実施の形態では、二次側整流ダイオードのオフ期間に発生する二次側整流ダイオードの両端電圧は、二次側直流出力電圧ＥOと同等のレベルにまで抑制される。これにより、二次側の倍電圧整流回路を形成する整流ダイオードとしては、二次側直流出力電圧ＥOのレベルに対応する耐圧品を選定すればよいことになる。
【００４５】
また、倍電圧全波整流回路によって二次側直流出力電圧を得るようにしていることで、例えば等倍電圧整流回路によって得られる二次側直流出力電圧と同等のレベルを得ようとすれば、本実施の形態の二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bとしては、従来の１／２の巻数で済むことになる。この巻数の削減は、絶縁コンバータトランスＰＩＴの小型軽量化、及び低コスト化につながる。
【００４６】
更に本実施の形態では、スイッチング素子Ｑ1、及び二次側の整流ダイオードについて、従来備えられるべきものよりも低耐圧品を用いることができるため、素子としてはそれだけ安価となる。このため、特にコストアップを考慮することなく、例えばスイッチング素子Ｑ1及び二次側の整流ダイオードについて特性の向上されたもの（スイッチング素子Ｑ1であれば、飽和電圧ＶCE(SAT)、蓄積時間ｔSTG、下降時間ｔｆ、電流増幅率ｈFE等の特性の良好なもの、また、整流ダイオードであれば順方向電圧降下ＶF、逆回復時間ｔｒｒ等の特性の良好なもの）を選定することができる。
このような特性の向上によって、本実施の形態では、従来よりもスイッチング周波数を高く設定できることになり、それだけ電力損失の低減、及び各種部品の小型・軽量化が促進されることにもなる。つまり、従来よりも電力変換効率など諸特性の向上を図ることが可能になると共に、各種部品素子及び直交型制御トランスＰＲＴ、絶縁コンバータトランスＰＩＴ等の小型軽量化及び低コスト化を促進することが可能になる。
【００４７】
更に、電源回路の小型・軽量化及び低コスト化の観点からすれば、従来のように直流入力電圧の生成のために倍電圧整流回路を備える構成では、それぞれ２組の整流ダイオードと平滑コンデンサが必要とされたのであるが、本実施の形態では、例えば通常のブリッジ整流回路による全波整流回路とされるため、１組のブロック型の平滑コンデンサとブリッジ整流ダイオードを採用することができるので、それだけ、コストの削減及び部品の小型化が図られるものである。
【００４８】
更に、図１に示す構成では、一次側における定電圧制御動作としてスイッチング周波数を可変制御する結果、一次側の直列共振回路の共振インピーダンスと二次側の直列共振回路の共振インピーダンスとの両者を同時に制御するという動作が得られる。このため、従来よりも定電圧制御のための制御感度が向上し、例えば従来と同一のスイッチング周波数可変幅（制御電流可変幅）に対する制御範囲が拡大され、例えば定電圧制御可能な最小負荷電力も拡大される。
【００４９】
実際の実験結果として、最大負荷電力１８０Ｗ、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖスイッチング周波数ｆｓの制御範囲（可変幅）がｆｓ＝１００ＫＨｚ〜１５０ＫＨｚとされる条件の下では、図５に示した従来としての電源回路の構成では、電力変換効率が８９％、最小負荷電力が６０Ｗであったのに対して、図１に示す本実施の形態の電源回路では、電力変換効率が９３％、最小負荷電力が１０Ｗとなり、電力変換効率の向上及び制御範囲の大幅な拡大が図られている。
【００５０】
図３は、本発明の第２の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。なお、この図において、図１、及び図４〜図６と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す電源回路の一次側においては、図６に示した回路と同様に、４石のスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）をフルブリッジ結合した他励式による電流共振形コンバータを備えた構成が採られている。但し、この図においては、図６に示した発振回路２、ドライブ回路３，及び起動回路４を１つにまとめて、発振ドライブ回路５として示している。
また、この図においては、絶縁コンバータトランスＰＩＴに巻装される巻線Ｎ3、整流ダイオードＤ1、及び平滑コンデンサＣ3からなる半波整流回路が設けられ、この半波整流回路にて得られる低圧直流電圧が発振・ドライブ回路５の動作電源として供給される。
【００５１】
また、この図に示す電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスＰＩＴは、先に図２により説明したのと同様の構造を採るものとされる。
【００５２】
そして、この図に示す電源回路の二次側においては、二次巻線Ｎ2Aに対して、ブリッジ整流回路ＤBR及び平滑コンデンサＣO1からなる全波整流回路が接続されることで、全波整流方式により、二次巻線Ｎ2Aに得られた交番電圧レベルの等倍に対応するレベルの二次側直流電圧O1を生成する。また、二次巻線Ｎ2Aに対しては並列に並列共振コンデンサＣ2が接続されることで、二次巻線Ｎ2Aの漏洩インダクタンスと並列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスにより並列共振回路（電圧共振回路）が形成される。つまり、この構成では、一次側に直列共振回路が備えられ、二次側に並列共振回路が備えられた複合共振形コンバータを形成することになる。この場合、
なお、この場合、二次巻線Ｎ2B側においては、この二次巻線Ｎ2Bにセンタータップを設けて、このタップ出力を接地した上で、図のようにして整流ダイオードＤ4，Ｄ5及び平滑コンデンサＣO2によるセンタータップ方式による全波整流回路を形成することで、二次側直流電圧ＥO2を得るようにしている。
【００５３】
このような構成によっても、二次側並列共振回路（Ｎ2A，Ｃ2）が共振動作を行うことで、第１の実施の形態の場合と同様に最大負荷電力の増加と、一次側のスイッチング周波数制御に伴う一次側と二次側の共振インピーダンスの同時制御による制御範囲の拡大が図られ、結果的に第１の実施の形態と同様の効果が得られる。また、フルブリッジ結合の構成としたことで、対応可能な最大負荷電力は、２５０Ｗ以上にまで向上される。
【００５４】
なお、本発明の電源回路としては、上記図１に示した第１の実施の形態の電源回路に対して、図３に示したような二次側並列共振回路を備える構成としてもよいものであり、逆に、図３に示した第２の実施の形態の電源回路に対して、図１に示したような二次側直列共振回路を備える構成としてもよいものである。
また、上記図１及び図３に示した構成の細部は実際の使用条件に対応して適宜変更されて構わないし、スイッチング素子としても、バイポーラトランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴの以外の他の部品素子が採用されて構わないものである。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、スイッチング電源回路として、一次側に電流共振形スイッチングコンバータ（即ち、一次側直列共振回路）を備えたうえで、絶縁コンバータトランスを疎結合とすることで、一次巻線と二次巻線の相互インダクタンスが互いに逆極性となる動作モード（＋Ｍ／−Ｍ）が得られるようにしている。
そして、二次側においては、二次巻線に二次側直列共振回路を直列に接続して直列共振回路を形成して、この直列共振回路を利用した倍電圧全波整流回路を備えることで、二次巻線に得られる交番電圧（励起電圧）の二倍に対応する二次側直流出力電圧を得るようにされる。
或いは、二次側においては、二次巻線に二次側並列共振回路を形成して、この二次側並列共振回路の共振動作を利用した全波整流回路によって、二次巻線に得られる交番電圧の等倍に対応する二次側直流出力電圧を得るように構成される。
【００５６】
上記したような二次側の構成によって負荷に電力供給をする結果、本発明では、対応可能な最大負荷電力を従来よりも向上させることが可能になる。
そしてこれに伴い、一次側は倍電圧整流回路ではなく、通常の全波整流回路により交流入力電圧レベルに対応するレベルの整流平滑電圧を入力するように構成しても、充分に上記した条件に対応することができることになる。
【００５７】
また、以上の構成から次のようなことも言える。
例えば従来においては、上記の条件に対応する場合には、倍電圧整流回路により交流入力電圧レベルの２倍に対応する整流平滑電圧を得る必要があり、このため、スイッチング素子や一次側の並列共振コンデンサには、整流平滑電圧レベルに応じて発生するスイッチング電圧に応じた耐圧品を選定する必要があった。
【００５８】
これに対して本発明では、整流平滑電圧レベルに依存するスイッチング電圧が従来の１／２となることから、スイッチング素子や一次側の共振コンデンサについて、従来の１／２程度の耐圧品を用いることができる。
また、二次側においては、倍電圧整流方式と全波整流方式の何れの構成を採るにせよ、交番電圧が正／負の両期間で整流動作を行う整流動作となる結果、整流ダイオードに印加される電圧は整流平滑電圧レベルとほぼ同等に抑制されるため、二次側の整流ダイオードについても従来より耐圧の低いものを選定することができる。
これによって、先ずスイッチング素子、一次側の並列共振コンデンサ、及び二次側整流ダイオード等にかかるコストを削減することができる。また、スイッチング素子及び二次側整流ダイオードの特性の向上したものを選定して、スイッチング周波数を高く設定することも容易に可能となり、これによって、電力変換効率の向上が図られることになる。また、スイッチング素子周辺の回路部品の小型・軽量化を図ることも可能になるものである。
また、前述のように、商用交流電源から整流平滑電圧を得る回路が通常の等倍電圧整流回路とされたことで、例えば通常の１組のブロック型の平滑コンデンサとブリッジ整流ダイオードを採用することができるので、この点でも、コストの削減及び回路規模の縮小が図られる。
【００５９】
更に本発明として、二次側に設けられる整流回路について倍電圧全波整流回路が採用される場合、例えば等倍電圧整流回路が備えられる場合と同等レベルの直流出力電圧を得ようとすれば、二次巻線の巻数を従来の１／２程度にまで少なくすることが可能になる。
【００６０】
更には、スイッチング手段としてフルブリッジ結合方式による構成を採れば、比較的簡略な回路構成によっても、対応可能な負荷電力を更に増加させることが可能になる。
【００６１】
また、本発明の回路構成では、一次側においてスイッチング周波数制御方式により定電圧制御を行うようにされるのであるが、この際、スイッチング周波数が可変されるのに応じて、一次側直列共振回路の共振インピーダンスと、二次側の共振回路（直列共振回路又は並列共振回路）の共振インピーダンスを同時に制御する動作が得られるため、定電圧制御範囲が拡大される。
【００６２】
このように本発明では、電圧共振形コンバータを備えた電源回路の低コスト化、小型軽量化、及び電力変換効率や定電圧制御範囲等の諸特性の向上が促進されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図２】本実施の形態の電源回路の絶縁コンバータトランスの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図４】従来例としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図５】従来例としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図６】従来例としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図７】従来例としての絶縁コンバータトランスの構成を示す断面図である。
【図８】相互インダクタンスが＋Ｍ／−Ｍの場合の各動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１制御回路、２発振回路、３ドライブ回路、４起動回路、５発振・ドライブ回路、Ｃｉ平滑コンデンサ、Ｃｓ1，Ｃｓ2 二次側直列共振コンデンサ、Ｃ2 二次側並列共振コンデンサ、Ｄｉ，ＤBR ブリッジ整流回路、ＤO1，ＤO2，ＤO3，ＤO4 整流ダイオード、ＰＲＴ直交型制御トランス、ＰＩＴ絶縁コンバータトランス、ＮC 制御巻線、Ｑ1，Ｑ2，Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14 スイッチング素子[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching power supply circuit provided as a power source for various electronic devices.
[0002]
[Prior art]
As a switching power supply circuit, a circuit using a switching converter such as a flyback converter or a forward converter is widely known. Since these switching converters have a rectangular switching operation waveform, there is a limit to suppression of switching noise. Moreover, it has been found that there is a limit in improving the power conversion efficiency due to its operating characteristics.
Therefore, various types of switching power supply circuits using various resonant converters have been previously proposed by the present applicant. The resonant converter can easily obtain high power conversion efficiency, and low noise is realized by making the switching operation waveform sinusoidal. In addition, there is an advantage that it can be configured with a relatively small number of parts.
[0003]
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration example of a switching power supply circuit that can be configured based on the invention previously proposed by the present applicant. This power supply circuit employs a self-excited current resonance type converter. In addition, this power supply circuit adopts a configuration in which a commercial AC power supply (AC input voltage) is an AC100V system such as Japan or the US, and corresponds to a load power of 150 W or more.
[0004]
In the switching power supply circuit shown in this figure, as a rectifying / smoothing circuit for rectifying and smoothing the AC power supply AC, a so-called voltage doubler formed by connecting rectifying diodes Di1, Di2 and smoothing capacitors Ci1, Ci2 as shown in the figure. A rectifier circuit is provided. In this voltage doubler rectifier circuit, for example, when a DC input voltage corresponding to one time the peak value of the AC input voltage VAC is Ei, a DC input voltage 2Ei approximately twice that is generated. For example, if the AC input voltage VAC = 144V, the DC input voltage 2Ei is about 400V.
As described above, the voltage doubler rectifier circuit is adopted as the rectifying / smoothing circuit, as described above, in response to a relatively heavy load condition in which the AC input voltage is AC100V and the maximum load power is 150 W or more. It is for the purpose. That is, by making the DC input voltage twice that of the normal one, the amount of current flowing into the subsequent switching converter is suppressed, and the reliability of the components forming the switching power supply circuit is ensured. .
For the voltage doubler rectifier circuit shown in this figure, an inrush current limiting resistor Ri is inserted in the rectified current path so as to suppress an inrush current flowing into the smoothing capacitor when the power is turned on, for example. Yes.
[0005]
The switching converter of this power supply circuit is connected so that two switching elements Q1 and Q2 are half-bridged as shown in the figure and then inserted between the connection point on the positive electrode side of the smoothing capacitor Ci and the ground. Yes.
Starting resistors RS1 and RS2 are inserted between the collectors and bases of the switching elements Q1 and Q2, respectively. Clamp diodes DD1 and DD2 are inserted between the bases and emitters of the switching elements Q1 and Q2, respectively.
Further, a series connection circuit including a resonance capacitor CB1, a base current limiting resistor RB1, and a drive winding NB1 is inserted between the base of the switching element Q1 and the collector of the switching element Q2. The resonance capacitor CB1 forms a series resonance circuit for self-oscillation together with its own capacitance and the inductance LB1 of the drive winding NB1 described below, thereby determining the switching frequency of the switching element Q1.
Similarly, a series connection circuit including a resonance capacitor CB2, a base current limiting resistor RB2, and a drive winding NB2 is inserted between the base of the switching element Q2 and the primary side ground, and the resonance capacitor CB2 A series resonance circuit for self-excited oscillation is formed together with the inductance LB2 of the drive winding NB2, and the switching frequency of the switching element Q2 is determined.
[0006]
A converter drive transformer CDT (Converter Drive Transformer) is provided to drive the switching elements Q1, Q2 at a fixed switching frequency. In the case of this figure, the drive windings NB1, NB2 and the resonance current detection winding are provided. It is constructed by winding ND.
One end of the drive winding NB1 of the converter drive transformer CDT is connected to the base of the switching element Q1 through a series connection of a resistor RB1 and a resonance capacitor CB1, and the other end is connected to the collector of the switching element Q2. One end of the drive winding NB2 is grounded, and the other end is connected to the base of the switching element Q2 via a series connection of a resistor RB2 and a resonance capacitor CB2. The drive winding NB1 and the drive winding NB2 are wound so that voltages having opposite polarities are generated.
One end of the resonance current detection winding ND is connected to a connection point (switching output point) between the emitter of the switching element Q1 and the collector of the switching element Q2, and the other end is covered by an orthogonal control transformer PRT described later. The control winding N R is connected to one end of the primary winding N 1 through a series connection.
[0007]
An insulating converter transformer PIT (Power Isolation Transformer) transmits the switching outputs of the switching elements Q1 and Q2 to the secondary side.
In this case, one end of the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT is connected to the contact of the emitter of the switching element Q1 and the collector of the switching element Q2 via the controlled winding NR-resonance current detection winding ND. A switching output is obtained. The other end of the primary winding N1 is grounded to the primary side ground via a series resonant capacitor C1.
In this case, the series resonant capacitor C1, the primary winding N1 and the controlled winding NR are connected in series, but include the capacitance of the series resonant capacitor C1 and the primary winding N1 (series resonant winding). A series resonance circuit for making the operation of the switching converter into a current resonance type is formed by a combined inductance of a component of the leakage inductance (leakage inductance) L1 of the insulating converter transformer PIT and a component of the inductance LR of the controlled winding NR. Yes.
[0008]
Further, on the secondary side of the insulating converter transformer PIT in this figure, a center tap is provided for the secondary winding N2, and rectifier diodes DO1, DO2, DO3, DO4 and smoothing capacitors CO1, CO2 are shown in the figure. Are connected to each other to provide two sets of full-wave rectifier circuits, each consisting of a set of [rectifier diodes DO1, DO2, smoothing capacitor CO1] and a set of [rectifier diodes DO3, DO4, smoothing capacitor CO2]. The full-wave rectifier circuit composed of [rectifier diodes DO1, DO2, smoothing capacitor CO1] generates a DC output voltage EO1, and the full-wave rectifier circuit composed of [rectifier diodes DO3, DO4, smoothing capacitor CO2] generates a DC output voltage EO2. To do. That is, in the circuit shown in this figure, a full-wave rectifier circuit is provided to obtain a DC output voltage on the secondary side.
In this case, the DC output voltage E01 and the DC output voltage E02 are also branched and input to the control circuit 1. In the control circuit 1, the DC output voltage EO 1 is used as a detection voltage, and the DC output voltage EO 2 is used as an operation power source for the control circuit 1.
For example, a small-capacity ceramic capacitor Cc is connected in parallel to the secondary winding N2. The ceramic capacitor Cc is provided to absorb noise generated by the on / off operation of the secondary-side rectifier diode. The ceramic capacitor Cc is, for example, about 220 pF to 470 pF, and does not generate a voltage resonance effect. That is, it does not have a capacitance that can form a parallel resonant circuit with the secondary winding N2.
[0009]
As will be described later, the control circuit 1 supplies, for example, a direct current whose level is varied in accordance with the level of the secondary side DC voltage output E01 to the control winding NC of the orthogonal control transformer PRT as a control current. To perform constant voltage control.
In the orthogonal type control transformer PRT shown in this figure, a controlled winding NR is wound around a three-dimensional core having, for example, four magnetic legs, and the winding direction of the controlled winding NR is further wound. Is configured as an orthogonal saturable reactor in which the control winding NC is wound so as to be orthogonal to each other.
[0010]
As a switching operation of the power supply circuit having the above configuration, when commercial AC power is first turned on, for example, a starting current is supplied to the bases of the switching elements Q1 and Q2 via the starting resistors RS1 and RS2, for example. If the switching element Q1 is turned on first, the switching element Q2 is controlled to be turned off. As an output of the switching element Q1, a resonance current flows from the resonance current detection winding ND → the primary winding N1 → the series resonance capacitor C1, but when the resonance current becomes zero, the switching element Q2 is turned on and the switching element Q1 is turned on. Controlled to be off. A resonant current in the opposite direction flows through the switching element Q2. Thereafter, a self-excited switching operation in which the switching elements Q1 and Q2 are alternately turned on is started.
In this way, the switching elements Q1, Q2 are alternately opened and closed using the terminal voltage of the smoothing capacitor Ci as the operating power supply, thereby supplying a drive current close to the resonance current waveform to the primary winding N1 of the insulating converter transformer. An alternating output is obtained at the next winding N2.
[0011]
In this case, the control circuit 1 variably controls the level of the current flowing through the control winding NC according to the fluctuation of the DC output voltage EO1 according to the fluctuation of the load power or the AC input voltage. Thereby, in the orthogonal control transformer PRT, the inductance LR of the controlled winding NR is varied.
Since the inductance LR of the controlled winding NR forms a primary side series resonance circuit as described above, the resonance frequency of the series resonance circuit is changed by changing the inductance LR. As a result, the difference in series resonance frequency with respect to the fixed switching frequency is varied to change the resonance impedance, and the transmission output to the secondary side in the insulating converter transformer PRT is variably controlled. In this way, constant voltage control of the secondary output voltage EO is performed. Hereinafter, in the present specification, the constant voltage control method having the above-described configuration is referred to as a “series resonance frequency control method” and is distinguished from a “switching frequency control method” described later.
[0012]
FIG. 5 is a circuit diagram showing another configuration example of the switching power supply circuit that can be configured based on the invention previously proposed by the present applicant. This power supply circuit also adopts a self-excited current resonance converter and adopts a configuration corresponding to a condition of a load power of 150 W or more in an AC input voltage AC100V system. In this figure, the same parts as those in FIG.
[0013]
In the power supply circuit shown in this figure, a drive transformer PRT (Power Regulating Transformer) in which the converter drive transformer CDT shown in FIG. 4 also functions as an orthogonal control transformer is provided. That is, the drive transformer PRT drives the switching elements Q1 and Q2, and performs constant voltage control as will be described later.
In the case of the drive transformer PRT in this figure, the drive windings NB1, NB2 and the resonance current detection winding ND are wound, and further, the control winding NC is wound in a direction orthogonal to these windings. It is configured as an orthogonal saturable reactor. Also in this case, since the drive winding NB1 and the drive winding NB2 are wound so as to generate voltages of opposite polarities, the switching elements Q1, Q2 performs a switching operation at a timing when it is alternately turned on / off.
[0014]
Further, in the power supply circuit shown in this figure, since the controlled winding NR is omitted, the primary winding N1 is connected to the emitter of the switching element Q1 and the collector of the switching element Q2 via the resonance current detection winding ND. It is connected to the connection point (switching output point). Therefore, in this case, the primary side series resonance circuit is formed by the series connection of the primary winding N1 and the series resonance capacitor C1.
[0015]
The constant voltage control by the drive transformer PRT is performed as follows.
For example, if the secondary output voltage EO1 fluctuates due to fluctuations in the AC input voltage or load power, the control circuit 1 sets the level of the control current flowing in the control winding NC according to the fluctuation in the secondary output voltage EO1. Variable control.
Due to the influence of the magnetic flux generated in the drive transformer PRT by this control current, the saturation state changes in the drive transformer PRT and acts to change the inductance of the drive windings NB1 and NB2. Control is performed so that the switching frequency changes as the circuit conditions change.
In the power supply circuit shown in this figure, the switching frequency is set in a frequency range higher than the resonance frequency of the series resonance capacitor C1 and the series resonance circuit of the primary winding N1, but for example, when the switching frequency increases, the series resonance circuit The switching frequency is separated from the resonance frequency. Thereby, the resonance impedance of the primary side series resonance circuit with respect to a switching output becomes high.
Since the resonance impedance is increased in this way, the drive current supplied to the primary winding N1 of the primary side series resonance circuit is suppressed, and as a result, the secondary output voltage is suppressed, and the constant voltage Control will be achieved.
In the present specification, the constant voltage control method according to the above method is referred to as a “switching frequency control method” and is distinguished from the “series resonance frequency control method” described above.
[0016]
In the power supply circuit shown in FIG. 5, ceramic capacitors Cc1 and Cc2 having small capacities are connected in parallel between the collectors and emitters of the switching elements Q1 and Q2, respectively. The ceramic capacitors Cc1 and Cc2 are also provided to absorb the switching noise of the switching elements Q1 and Q2. Here, the ceramic capacitors Cc1 and Cc2 correspond to switching frequencies that change in a relatively wide range by the constant voltage control operation. Also, it has an action for obtaining a zero voltage switching operation when the switching elements Q1, Q2 are turned off.
[0017]
In the power supply circuit shown in FIG. 5, the secondary windings N2 and N2A are independently wound on the secondary side of the insulating converter transformer PIT. For the secondary winding N2, a bridge rectifier circuit DBR is provided so as to obtain a DC output voltage EO1 by a bridge rectification method. For such a bridge rectifier circuit DBR, as shown in the figure, a small-capacity ceramic capacitor Cc3 is inserted between the positive input terminal and the negative input terminal to switch the rectifier diode forming the bridge rectifier circuit DBR. Noise can be absorbed. Also in this case, the capacitance of the ceramic capacitor Cc3 is set to about 220 pF to 470 pF, and no voltage resonance action occurs on the secondary side.
The secondary winding N2A is provided with a full-wave rectifier circuit using rectifier diodes D03 and D04 so as to obtain a DC output voltage E02.
[0018]
FIG. 6 is a circuit diagram showing another configuration example of the switching power supply circuit that can be configured based on the invention previously proposed by the present applicant. This power supply circuit also adopts a self-excited current resonance converter and adopts a configuration corresponding to a condition of a load power of 150 W or more in an AC input voltage AC100V system. In this figure, the same parts as those in FIG. 4 and FIG.
[0019]
The power supply circuit shown in this figure is provided with a rectifying / smoothing circuit including a bridge rectifier circuit Di and one smoothing capacitor Ci in order to obtain a DC input voltage. That is, a configuration is adopted in which the rectified and smoothed voltage Ei corresponding to the same level as the peak level of the AC input voltage VAC is generated and supplied to the subsequent switching converter.
[0020]
In this figure, a separately-excited current resonance converter in which four switching elements Q11, Q12, Q13, and Q14 are coupled by a full bridge is provided. The full bridge coupling in this case is formed by combining the half bridge coupling by the combination of the switching elements Q11 and Q12 and the half bridge coupling by the switching elements Q13 and Q14. Further, MOS-FETs are used as the switching elements Q11, Q12, Q13, and Q14.
In the half-bridge coupling by the combination of the switching elements Q11 and Q12, the drain of the switching element Q11 is connected to the line of the rectified smoothing voltage Ei, the source of the switching element Q11 and the drain of the switching element Q12 are connected, and the source of the switching element Q12 is connected It is formed by connecting to the primary side ground.
Similarly, the half-bridge coupling by the combination of the switching elements Q13 and Q14 connects the drain of the switching element Q13 to the line of the rectified smoothing voltage Ei, connects the source of the switching element Q13 and the drain of the switching element Q14, and switches the switching element Q14. The source is connected to the primary side ground.
Further, between the drains and sources of the switching elements Q11, Q12, Q13, and Q14, damper diodes DD1, DD2, DD3, and DD4 are provided in parallel in the directions shown in the figure, respectively, and the feedback current at the time of switching off. Form the path.
[0021]
In this case, one end of the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT is connected to the source-drain connection point (switching output point) of the switching elements Q11 and Q12, and the other end of the primary winding N1 is The switching elements Q13 and Q14 are connected to the source-drain connection point (switching output point) via the series resonant capacitor C1.
Thus, a switching output obtained by a switching operation performed as described later is supplied to a series resonance circuit formed by including the primary winding N1 and the series resonance capacitor C1.
[0022]
The startup circuit 4 is provided to detect the voltage or current obtained on the rectifying / smoothing line immediately after the power is turned on and to start up the oscillation circuit 2. The startup circuit 4 includes an insulating converter transformer PIT as an operating power source. Is supplied with a low-voltage DC voltage supplied by a tertiary winding N3, a rectifier diode D3, and a smoothing capacitor C3.
[0023]
The oscillation circuit 2 oscillates a frequency signal corresponding to a required switching frequency and outputs it to the drive circuit 3. The drive circuit 3 uses the frequency signal input from the oscillation circuit 2 to generate a switching drive signal.
The drive circuit 3 outputs a switching drive signal to the switching elements Q11, Q12, Q13, and Q14. At this time, in the drive circuit 3, the switching elements Q11 and Q14 have the same on / off timing, and the switching elements Q12 and Q13 are the same. Each drive signal is generated so that the on / off timing is achieved, the switching elements Q11 and Q12 alternately perform on / off operations, and the switching elements Q13 and Q14 alternately perform on / off operations. Is.
When the drive circuit 3 drives the switching elements Q11, Q12, Q13, and Q14, the switching elements Q11, Q12, Q13, and Q14 operate at the on / off timing described above. Switching operation is performed.
[0024]
In this case, the control circuit 1 outputs a control signal of a level corresponding to the fluctuation of the secondary side DC output voltage E01 to the oscillation circuit 2, for example. In the oscillation circuit 2, the frequency of the frequency signal (switching drive signal) is changed based on the control signal supplied from the control circuit 1, so that the switching frequency is varied.
In such a power supply circuit, for example, the switching frequency is set as a region higher than the series resonance frequency. For example, when the secondary side DC output voltage E0 increases, the oscillation drive circuit 2 performs a control operation so as to increase the switching frequency. This increases the resonance impedance of the series resonance circuit. As a result, the switching output current flowing through the primary winding N1 of the series resonant circuit is limited, thereby reducing the voltage transmitted to the secondary side. In this way, constant voltage control is performed. That is, as in the power supply circuit of FIG. 5, the constant voltage control is performed by the switching frequency control method.
[0025]
Here, the structure of the insulating converter transformer PIT provided in the power supply circuit shown in FIGS.
The insulating converter transformer PIT is formed with an EE type core in which E type cores CR1 and CR2 made of, for example, a ferrite material are combined so that their magnetic legs face each other. At this time, no gap is formed in the central magnetic leg as shown in the figure. The central magnetic leg is constructed by winding the primary winding N1 and the secondary winding N2 (N2A) using the bobbin B in a divided state. Thereby, a state of loose coupling (for example, coupling coefficient k≈0.9) is obtained between the primary winding N1 and the secondary winding N2.
[0026]
Further, in the insulating converter transformer PIT, the primary winding N1 and the primary winding N2 are connected to the polarity (winding direction) of the primary winding N2 and the connection of the rectifier diode D0 ([DO1, D02], [D03, D04]). The mutual inductance M of the inductance L1 of the winding N1 and the inductance L2 of the secondary winding N2 may be + M (additional polarity mode) or -M (depolarization mode).
For example, the mutual inductance is + M in the operation when the connection form shown in FIG. 8A is adopted, and the mutual inductance is −M in the operation when the connection form shown in FIG. 8B is adopted.
If the operation mode of the mutual inductance + M / -M is made to correspond to the configuration on the secondary side shown in FIGS. 4 to 6, the alternating voltage obtained in the secondary winding N2 (N2A) is rectified during a negative period. This corresponds to the operation of rectifying by the diode and the operation of rectifying by the rectifying diode during the positive period.
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the current resonance type converter having the configuration shown in FIGS. 4 and 5, since the AC input voltage VAC corresponds to the AC 100V system and the maximum load power is 150 W or more, the DC input at the level of 2Ei by the voltage doubler rectification method. Try to get voltage. For this reason, as for the switching elements Q1 and Q2, a withstand voltage product of 400 V is selected in order to cope with a high level resonance voltage applied when switching off.
As a result, the switching element is correspondingly enlarged. In addition, when a high withstand voltage product is selected for the switching element, characteristics such as saturation voltage VCE (SAT), storage time tSTG, fall time tf are large, and current amplification factor hFE is small. It becomes difficult to set high. If the switching frequency is low, the switching loss and the drive power increase, so that the power loss as a power supply circuit increases accordingly.
Furthermore, as described above, a voltage doubler rectifier circuit is required to obtain a high-level DC input voltage and ensure reliability, so that two relatively large smoothing capacitors are required, and the board area is also increased. growing.
[0028]
On the other hand, in the power supply circuit shown in FIG. 6, it is possible to cope with the load power by driving the four switching elements by full-bridge coupling and driving by separate excitation. The DC input voltage can be obtained by the rectifier circuit, and therefore the breakdown voltage of each switching element can be suppressed to 200V.
However, in actuality, in order to configure a separately-excited drive circuit system, it is necessary to provide circuits such as the oscillation circuit 2 and the drive circuit 3 as external components by the IC, and the secondary circuit side with respect to the control circuit 1 In order to feed back the DC output voltage, it is actually necessary to insulate the primary side and the secondary side in a DC manner through a photocoupler. That is, in the circuit shown in FIG. 6, since the power supply circuit is configured by adding the above components, the size of the actual circuit board is increased.
[0029]
[Means for Solving the Problems]
Therefore, in consideration of the above-described problems, the present invention, for example, as a switching power supply circuit corresponding to an AC 100V system, can cope with relatively heavy load conditions, and can improve power conversion efficiency and reduce the size and weight. It is intended to be promoted.
[0030]
For this reason, the present invention is loosely coupled to a rectifying / smoothing means that inputs a commercial AC power supply, generates a rectified smoothing voltage having a level corresponding to the commercial AC power supply level, and outputs it as a DC input voltage. A gap formed so as to obtain a required coupling coefficient, and an insulating converter transformer provided for transmitting the primary side output to the secondary side, and a switching element, wherein the DC input voltage is intermittently connected to the insulating converter By switching means configured to output to the primary winding of the transformer, a leakage inductance component including at least the primary winding of the isolated converter transformer, and a capacitance of a series resonant capacitor connected in series to the primary winding A primary-side series resonant circuit formed as a current resonance type operation of the switching means, and an insulating converter transformer A secondary side series resonant capacitor connected in series to the secondary winding forms a secondary side series formed by the leakage inductance component of the secondary winding of the insulating converter transformer and the capacitance of the secondary side series resonant capacitor. Resonant circuit and secondary side rectified current path are inserted into the secondary side series resonant capacitor, and the alternating voltage obtained by the secondary winding of the insulation converter transformer is input to perform double voltage full wave rectification operation. And a DC output voltage generating means configured to obtain a secondary side DC output voltage corresponding to approximately twice the input voltage level, and the switching of the switching means according to the level of the secondary side DC output voltage. The switching power supply circuit is configured with constant voltage control means adapted to perform constant voltage control by variably controlling the frequency.
[0031]
Also, a rectifying / smoothing means for inputting a commercial AC power, generating a rectified and smoothed voltage having a level corresponding to the commercial AC power level and outputting it as a DC input voltage, and a required coupling coefficient that is loosely coupled Insulation converter transformer provided with a gap formed to transmit the primary side output to the secondary side and a switching element, the DC input voltage is intermittently connected to the primary winding of the insulation converter transformer. Operation of the switching means formed by the switching means configured to output, a leakage inductance component including at least the primary winding of the isolated converter transformer and the capacitance of a series resonant capacitor connected in series with the primary winding The primary side series resonant circuit with a current resonance type and the secondary side with respect to the secondary winding of the isolated converter transformer By connecting the column resonant capacitors in parallel, the secondary parallel resonant circuit formed by the leakage inductance component of the secondary winding of the isolated converter transformer and the capacitance of the secondary parallel resonant capacitor, and the secondary of the isolated converter transformer DC output voltage generating means configured to input an alternating voltage obtained in the winding and perform a full-wave rectification operation to obtain a secondary side DC output voltage corresponding to approximately equal input voltage level; The constant voltage control means and the switching power supply circuit configured to perform constant voltage control by variably controlling the switching frequency of the switching means according to the level of the secondary side DC output voltage are configured.
[0032]
According to the above configuration, the primary converter is provided with a series resonance circuit whose switching operation is a current resonance type, and the insulating converter transformer is loosely coupled. On the secondary side, a secondary side DC output voltage is generated by a secondary side series resonance circuit and a voltage doubler full wave rectifier circuit to supply power to the load. Alternatively, a secondary side DC output voltage is generated by the secondary side parallel resonance circuit and the equal voltage full wave rectifier circuit to supply power to the load. In other words, in the present embodiment, resonance circuits are provided on the primary side and the secondary side, and the electromagnetic energy obtained by the series resonance action on the primary side and the resonance operation on the secondary side is obtained for the required load conditions. Utilizing this, a DC output voltage is generated by a voltage doubler full-wave rectifier circuit or an equal voltage rectifier circuit. Along with this, the primary side is configured not with a voltage doubler rectifier circuit but with a full-wave rectifier circuit that generates a rectified and smoothed voltage corresponding to one time of the AC input voltage level.
[0033]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
FIG. 1 shows an example of the configuration of a switching power supply circuit as a first embodiment of the present invention. In the power supply circuit shown in this figure, as in the case of FIGS. 4 and 5 described above, a self-excited current resonance type in which a two-stone switching element (bipolar transistor) is half-bridge coupled to the primary side. A switching converter is provided. In this figure, the same parts as those in FIGS. 4 to 6 are denoted by the same reference numerals and the description thereof is omitted.
[0034]
In the power supply circuit as the present embodiment shown in this figure, a full-wave rectifier circuit including a bridge rectifier circuit Di and a smoothing capacitor Ci is used as a rectifier / smoothing circuit for obtaining an AC input voltage by inputting the AC input voltage VAC. And a rectified and smoothed voltage Ei corresponding to a level that is one time the AC input voltage VAC. That is, in the present embodiment, a voltage doubler rectifier circuit is not provided as in the prior art.
In this specification, a full-wave rectifier circuit that generates a rectified and smoothed voltage Ei corresponding to one level of the AC input voltage VAC is also referred to as an “equal voltage rectifier circuit”.
[0035]
Further, in the self-oscillation drive circuit of the current resonance type converter shown in this figure, the insertion positions of the base current limiting resistors RB1 and RB2 are inserted between the bases of the switching elements Q1 and Q2 and the resonance capacitors CB1 and CB2, respectively. 4 is different from the circuit shown in FIGS. 4 and 5, but even in such a connection form, the switching elements Q 1 and Q 2 for the switching elements Q 1 and Q 2 are not affected. An excitation oscillation drive circuit is formed. Further, in this figure, small-capacitance ceramic capacitors Cc1 and Cc2 for removing switching noise are connected in parallel between the collector and emitter of the switching elements Q1 and Q2, respectively.
[0036]
As shown in FIG. 2, the insulating converter transformer PIT provided in the power supply circuit according to the present embodiment includes an EE type core in which, for example, ferrite type E cores CR1 and CR2 are combined so that their magnetic legs face each other. The primary winding N1 and the secondary winding N2 (N2A, N2A, N2A, etc.) using the divided bobbin B in which the winding portion is divided on the primary side and the secondary side with respect to the central magnetic leg of the EE type core N2B) is wound in a divided state. In this embodiment, a gap G is formed with respect to the central magnetic leg as shown in the figure. The gap G can be formed by forming the center magnetic legs of the E-type cores CR1 and CR2 shorter than the two outer magnetic legs. In the present embodiment, the gap width of the gap G has a required interval of 1 mm or more.
As a result, for example, as a conventional example, loose coupling with a smaller coupling coefficient than that of the insulating converter transformer PIT shown in FIG. 7 is achieved, so that a saturation state is hardly obtained. In this case, the coupling coefficient k is, for example, k≈0.85.
[0037]
Further, the primary side constant voltage control circuit system is configured to perform the constant voltage control by the switching frequency control method by adopting the same configuration as the power supply circuit shown in FIG.
[0038]
In this case, secondary windings N2A and N2B are provided on the secondary side of the power supply circuit of the present embodiment.
One end of the secondary winding N2A is connected to the secondary side ground, and the other end is connected to a connection point between the anode of the rectifier diode D01 and the cathode of the rectifier diode D02 through a series connection of the series resonant capacitor Cs1. The cathode of the rectifier diode DO1 is connected to the positive electrode of the smoothing capacitor CO1, and the anode of the rectifier diode DO2 is connected to the secondary side ground. The negative side of the smoothing capacitor CO1 is connected to the secondary side ground.
Similarly, one end of the secondary winding N2B is connected to the secondary side ground, and the other end is connected to the anode of the rectifier diode D03 and the cathode of the rectifier diode D04 via the series connection of the series resonant capacitor Cs2. Connected to the connection point. The cathode of the rectifier diode D03 is connected to the positive electrode of the smoothing capacitor C02, and the anode of the rectifier diode D04 is connected to the secondary side ground. The negative side of the smoothing capacitor CO2 is connected to the secondary side ground.
As a result, such a connection configuration results in a set of [secondary winding N2A, series resonant capacitor Cs1, rectifier diodes DO1, DO2, smoothing capacitor CO1], [secondary winding N2B, series resonant capacitor Cs2, rectifier diode. Two sets of voltage doubler full-wave rectifier circuits comprising a set of D03, D04, and smoothing capacitor C02] are provided. Here, the series resonant capacitor Cs1 forms a series resonant circuit corresponding to the on / off operation of the rectifier diodes DO1 and DO2 by its own capacitance and the leakage inductance component of the secondary winding N2A. The series resonant capacitor Cs2 The series resonance circuit corresponding to the on / off operation of the rectifier diodes D03 and D04 is formed by its own capacitance and the leakage inductance component of the secondary winding N2B.
Here, when the series resonance frequency of the primary side series resonance circuit (N1, C1) is fo1, and the series resonance frequency of the secondary side series resonance circuit is fo2, the secondary side resonance frequency is fo1≈fo2. The capacitances of the series resonant capacitors Cs1 and Cs2 are selected.
[0039]
As described above, the power supply circuit of the present embodiment is provided with a series resonance circuit for making the switching operation a current resonance type on the primary side, and for obtaining a voltage doubler full-wave rectification operation on the secondary side. A series resonant circuit is provided. In the present specification, the switching converter configured to operate with the resonance circuits provided on the primary side and the secondary side as described above is also referred to as a “composite resonance switching converter”.
[0040]
The voltage doubler full wave rectification operation by the set of [secondary winding N2A, series resonant capacitor Cs1, rectifier diodes DO1, DO2, smoothing capacitor CO1] is as follows.
When a switching output is obtained in the primary winding N1 by the switching operation on the primary side, this switching output is excited in the secondary winding N2A.
During the period when the rectifier diode DO1 is turned off and the rectifier diode DO2 is turned on, the secondary winding operates in the depolarization mode in which the polarity of the primary winding N1 and the secondary winding N2A is -M. By the series resonance action of the N2A leakage inductance and the series resonance capacitor Cs1, the operation of charging the series resonance capacitor Cs1 with the rectified current IC2 rectified by the rectifier diode D02 is obtained.
During the period in which the rectification diode D02 is turned off and the rectification diode D01 is turned on and the rectification operation is performed, the polarity of the primary winding N1 and the secondary winding N2 becomes + M, and the secondary winding is set. The smoothing capacitor CO1 is charged in a state where series resonance occurs in which the potential of the series resonance capacitor Cs1 is added to the voltage induced on the line N2A.
As described above, the rectifying operation is performed using both the additional mode (+ M; forward operation) and the depolarization mode (−M; flyback operation). A DC output voltage EO1 corresponding to approximately twice the induced voltage of the secondary winding N2 is obtained.
In addition, an induced voltage of the secondary winding N2B is also obtained by a similar operation with a voltage doubler full-wave rectifier circuit composed of a set of [secondary winding N2B, series resonant capacitor Cs2, rectifier diodes DO3, DO4, smoothing capacitor CO2]. DC output voltage EO2 corresponding to approximately twice this is obtained.
[0041]
As described above with reference to FIG. 2, the structure for obtaining the above-described voltage doubler full-wave rectification operation is formed by forming a gap G with respect to the insulating converter transformer PIT to achieve loose coupling with a required coupling coefficient. This is realized by obtaining a state in which the insulating converter transformer PIT is more difficult to be saturated. For example, when the gap G is not provided for the insulating converter transformer PIT as in the prior art, it is highly possible that the insulating converter transformer PIT becomes saturated during the flyback operation and the operation becomes abnormal. It is difficult to hope that the voltage doubler rectification operation as shown in FIG.
[0042]
According to the above configuration, in the present embodiment, the secondary side DC output voltage is obtained by performing voltage doubler full-wave rectification using the state in which the mutual inductance is in the + M and −M operation modes. .
This voltage doubler rectification operation causes electromagnetic energy transmitted from the primary winding to the secondary winding of the isolated converter transformer PIT having a loose coupling (coupling coefficient k = 0.85) to be transmitted between the primary side and the secondary side. It can be seen that the current resonant circuit (series resonant circuit) is coupled to each other, thereby reducing the resonant impedance of the series resonant circuit on the primary side and the secondary side, thereby reducing the secondary side resonant current. It also works to amplify. Then, the power supplied to the load side is also increased by the amplification effect of the secondary side resonance current, and the maximum load power is increased.
[0043]
Further, by increasing the maximum load power as described above, in this embodiment, it is not necessary to cover the load power by adopting a voltage doubler rectification system as a rectifying and smoothing circuit for generating a DC input voltage. Therefore, as described with reference to FIG. 1, for example, a normal equal voltage rectifier circuit configuration using a bridge rectifier circuit can be employed.
Thereby, for example, the rectified and smoothed voltage Ei when the AC input voltage VAC = 144 V is about 200 V. The resonance voltage obtained at both ends of the switching elements Q1 and Q2 is generated when the switching elements Q1 and Q2 are turned off by the series resonance circuit on the primary side acting on the rectified and smoothed voltage Ei. In the present embodiment, As described above, the rectified and smoothed voltage Ei is about ½ that of the double voltage rectification, so that the resonance voltage Vcr is generated in the power supply circuit as the conventional example shown in FIGS. The resonance voltage is suppressed to about ½ of the resonance voltage. That is, the resonance voltage Vcr is suppressed to about 200 at the peak.
Accordingly, in the present embodiment, a 200V withstand voltage product may be selected for the switching elements Q1 and Q2.
[0044]
In addition, on the secondary side, a double voltage full-wave rectifier circuit that performs a rectification operation in both periods in which the excitation voltage of the secondary winding (N2A, N2B) is positive and negative is provided. The voltage across the secondary rectifier diode generated during the off period of the side rectifier diode is suppressed to a level equivalent to the secondary DC output voltage EO. As a result, as the rectifier diode forming the secondary side voltage doubler rectifier circuit, a withstand voltage product corresponding to the level of the secondary side DC output voltage EO may be selected.
[0045]
Moreover, by trying to obtain the secondary side DC output voltage by the voltage doubler full wave rectifier circuit, for example, if trying to obtain a level equivalent to the secondary side DC output voltage obtained by the equal voltage rectifier circuit, The secondary windings N2A and N2B of the present embodiment need only be ½ the number of turns. This reduction in the number of turns leads to a reduction in size and weight and cost of the insulating converter transformer PIT.
[0046]
Further, in the present embodiment, the switching element Q1 and the secondary side rectifier diode can be used with a lower withstand voltage than those conventionally provided, so that the element is less expensive. For this reason, the characteristics of the switching element Q1 and the secondary side rectifier diode are improved without considering the cost increase (for the switching element Q1, the saturation voltage VCE (SAT), the storage time tSTG, the drop Those having good characteristics such as time tf and current amplification factor hFE and those having good characteristics such as forward voltage drop VF and reverse recovery time trr can be selected.
By improving the characteristics as described above, in this embodiment, the switching frequency can be set higher than the conventional one, and accordingly, the reduction of power loss and the reduction in size and weight of various components are promoted. In other words, it is possible to improve various characteristics such as power conversion efficiency as compared with the prior art, and to promote reduction in size and weight and cost reduction of various component elements, orthogonal control transformer PRT, insulation converter transformer PIT, and the like. It becomes possible.
[0047]
Furthermore, from the viewpoint of reducing the size and weight of the power supply circuit and reducing the cost, the conventional configuration including the voltage doubler rectifier circuit for generating the DC input voltage includes two sets of rectifier diodes and smoothing capacitors. Although it is required, in this embodiment, since it is a full-wave rectifier circuit by a normal bridge rectifier circuit, for example, a set of block type smoothing capacitors and bridge rectifier diodes can be adopted. Accordingly, cost reduction and component miniaturization can be achieved.
[0048]
Furthermore, in the configuration shown in FIG. 1, as a result of variably controlling the switching frequency as a constant voltage control operation on the primary side, both the resonance impedance of the primary side series resonance circuit and the resonance impedance of the secondary side series resonance circuit are simultaneously controlled. The operation of controlling is obtained. For this reason, control sensitivity for constant voltage control is improved as compared with the conventional case, and for example, the control range for the same switching frequency variable width (control current variable width) as in the conventional case is expanded. Enlarged.
[0049]
As an actual experimental result, the conventional power source shown in FIG. 5 is obtained under the condition that the control range (variable width) of the maximum load power 180 W and the AC input voltage VAC = 100 V switching frequency fs is fs = 100 KHz to 150 KHz. In the circuit configuration, the power conversion efficiency was 89% and the minimum load power was 60 W, whereas in the power supply circuit of the present embodiment shown in FIG. 1, the power conversion efficiency was 93% and the minimum load power was 10 W. Thus, improvement of power conversion efficiency and a significant expansion of the control range are achieved.
[0050]
FIG. 3 shows a configuration example of a switching power supply circuit according to the second embodiment of the present invention. In this figure, the same parts as those in FIG. 1 and FIGS.
On the primary side of the power supply circuit shown in this figure, similarly to the circuit shown in FIG. 6, a configuration including a separately excited type current resonance type converter in which four stone switching elements (MOS-FETs) are coupled by a full bridge is adopted. It has been. However, in this figure, the oscillation circuit 2, the drive circuit 3, and the starting circuit 4 shown in FIG. 6 are collectively shown as an oscillation drive circuit 5.
In this figure, a half-wave rectifier circuit comprising a winding N3 wound around an insulating converter transformer PIT, a rectifier diode D1, and a smoothing capacitor C3 is provided, and a low-voltage DC voltage obtained by this half-wave rectifier circuit. Is supplied as an operating power source for the oscillation / drive circuit 5.
[0051]
Further, the insulating converter transformer PIT provided in the power supply circuit shown in this figure has the same structure as that described above with reference to FIG.
[0052]
On the secondary side of the power supply circuit shown in this figure, a full-wave rectification circuit comprising a bridge rectification circuit DBR and a smoothing capacitor CO1 is connected to the secondary winding N2A. Then, the secondary side direct-current voltage O1 having a level corresponding to the same multiple of the alternating voltage level obtained in the secondary winding N2A is generated. Further, a parallel resonant capacitor C2 is connected in parallel to the secondary winding N2A, so that a parallel resonant circuit (voltage resonant circuit) is formed by the leakage inductance of the secondary winding N2A and the capacitance of the parallel resonant capacitor C2. Is done. That is, in this configuration, a complex resonance type converter is formed in which a series resonance circuit is provided on the primary side and a parallel resonance circuit is provided on the secondary side. in this case,
In this case, on the secondary winding N2B side, a center tap is provided in the secondary winding N2B, the tap output is grounded, and then the rectifier diodes D4 and D5 and the smoothing capacitor CO2 as shown in the figure. The secondary side DC voltage E02 is obtained by forming a full-wave rectifier circuit by the center tap method.
[0053]
Even in such a configuration, the secondary parallel resonant circuit (N2A, C2) performs a resonance operation, so that the maximum load power is increased and the switching frequency of the primary side is controlled as in the case of the first embodiment. As a result, the control range can be expanded by simultaneous control of the resonance impedances on the primary side and the secondary side, and as a result, the same effect as in the first embodiment can be obtained. In addition, with the configuration of full bridge coupling, the maximum load power that can be handled is improved to 250 W or more.
[0054]
Note that the power supply circuit of the present invention may be configured to include a secondary side parallel resonant circuit as shown in FIG. 3 in addition to the power supply circuit of the first embodiment shown in FIG. On the contrary, the power supply circuit of the second embodiment shown in FIG. 3 may be configured to include a secondary side series resonance circuit as shown in FIG.
The details of the configuration shown in FIGS. 1 and 3 may be changed as appropriate in accordance with actual use conditions, and other component elements other than bipolar transistors and MOS-FETs are used as switching elements. It does not matter.
[0055]
【The invention's effect】
As described above, the present invention provides a primary winding by providing a current resonance type switching converter (that is, a primary side series resonance circuit) on the primary side as a switching power supply circuit and making an insulating converter transformer loosely coupled. An operation mode (+ M / −M) is obtained in which the mutual inductances of the wire and the secondary winding are opposite to each other.
On the secondary side, a secondary side series resonant circuit is connected in series to the secondary winding to form a series resonant circuit, and a voltage doubler full wave rectifier circuit using this series resonant circuit is provided. The secondary side DC output voltage corresponding to twice the alternating voltage (excitation voltage) obtained in the secondary winding is obtained.
Alternatively, on the secondary side, a secondary parallel resonance circuit is formed in the secondary winding, and the secondary winding is obtained by a full-wave rectifier circuit using the resonance operation of the secondary side parallel resonance circuit. A secondary side direct-current output voltage corresponding to the same voltage as the alternating voltage is obtained.
[0056]
As a result of supplying power to the load by the secondary side configuration as described above, in the present invention, the maximum load power that can be handled can be improved as compared with the conventional case.
As a result, the primary side is not a voltage doubler rectifier circuit, but a normal full-wave rectifier circuit is configured to input a rectified and smoothed voltage having a level corresponding to the AC input voltage level. It will be possible to respond.
[0057]
The following can also be said from the above configuration.
For example, conventionally, when the above conditions are met, it is necessary to obtain a rectified and smoothed voltage corresponding to twice the AC input voltage level by the voltage doubler rectifier circuit. For this reason, the switching element and the primary side parallel resonance are required. As the capacitor, it was necessary to select a withstand voltage product corresponding to the switching voltage generated according to the rectified smoothing voltage level.
[0058]
On the other hand, in the present invention, the switching voltage depending on the rectified and smoothed voltage level is ½ that of the conventional one. Therefore, the conventional withstand voltage product of about ½ is used for the switching element and the primary side resonance capacitor. Can do.
In addition, on the secondary side, whether the voltage doubler rectification method or the full-wave rectification method is adopted, the result is a rectification operation in which the alternating voltage is rectified in both positive and negative periods. Since the voltage to be applied is suppressed to approximately the same level as the rectified and smoothed voltage level, a secondary side rectifier diode having a lower withstand voltage than the conventional one can be selected.
As a result, it is possible to reduce costs for the switching element, the primary side parallel resonant capacitor, the secondary side rectifier diode, and the like. In addition, it is possible to easily select a switching element and a secondary side rectifier diode with improved characteristics and set a high switching frequency, thereby improving power conversion efficiency. It is also possible to reduce the size and weight of the circuit components around the switching element.
In addition, as described above, the circuit for obtaining the rectified and smoothed voltage from the commercial AC power supply is a normal equal voltage rectifier circuit, so that, for example, a normal set of block-type smoothing capacitors and bridge rectifier diodes are employed. Therefore, also in this respect, cost reduction and circuit scale reduction can be achieved.
[0059]
Further, as the present invention, when a voltage doubler full-wave rectifier circuit is adopted for the rectifier circuit provided on the secondary side, for example, if it is attempted to obtain a DC output voltage of the same level as that provided with an equal voltage rectifier circuit, It is possible to reduce the number of turns of the secondary winding to about ½ of the conventional number.
[0060]
Furthermore, if a configuration using a full-bridge coupling system is adopted as the switching means, it is possible to further increase the load power that can be handled with a relatively simple circuit configuration.
[0061]
In the circuit configuration of the present invention, constant voltage control is performed on the primary side by the switching frequency control method. At this time, according to the switching frequency being varied, the primary side series resonant circuit is controlled. Since the operation of simultaneously controlling the resonance impedance and the resonance impedance of the secondary side resonance circuit (series resonance circuit or parallel resonance circuit) is obtained, the constant voltage control range is expanded.
[0062]
As described above, according to the present invention, the power supply circuit including the voltage resonance type converter is reduced in cost, reduced in size and weight, and improved in various characteristics such as power conversion efficiency and constant voltage control range.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration example of a power supply circuit according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a configuration of an insulating converter transformer of the power supply circuit according to the present embodiment.
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration example of a power supply circuit according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a power supply circuit as a conventional example.
FIG. 5 is a circuit diagram showing a configuration of a power supply circuit as a conventional example.
FIG. 6 is a circuit diagram showing a configuration of a power supply circuit as a conventional example.
FIG. 7 is a cross-sectional view showing a configuration of an insulating converter transformer as a conventional example.
FIG. 8 is an explanatory diagram showing each operation when the mutual inductance is + M / −M.
[Explanation of symbols]
1 control circuit, 2 oscillation circuit, 3 drive circuit, 4 start-up circuit, 5 oscillation / drive circuit, Ci smoothing capacitor, Cs1, Cs2 secondary side series resonance capacitor, C2 secondary side parallel resonance capacitor, Di, DBR bridge rectifier circuit , D01, D02, D03, D04 Rectifier diode, PRT orthogonal control transformer, PIT isolation converter transformer, Nc control winding, Q1, Q2, Q11, Q12, Q13, Q14 switching element

Claims

Rectifying and smoothing means for inputting a commercial AC power supply, generating a rectified and smoothed voltage having a level corresponding to the same magnification as the level of the commercial AC power supply, and outputting it as a DC input voltage;
An insulating converter transformer provided to form a gap so as to obtain a required coupling coefficient to be loosely coupled, and to transmit the primary side output to the secondary side;
Switching means comprising two switching elements that are half-bridge coupled, and configured to intermittently output the DC input voltage to the primary winding of the isolation converter transformer;
At least a leakage inductance component including a primary winding of the insulating converter transformer and a capacitance of a series resonance capacitor connected in series to the primary winding, and the operation of the switching means is a current resonance type. A primary side series resonant circuit that
A resonance current detection winding, a drive winding, and a control winding, the resonance current detection winding being a primary winding of the insulating converter transformer and a connection point of the two switching elements that are half-bridge coupled; Is connected between and the inductance of the drive winding is changed according to the control current level flowing in the control winding, thereby making the switching frequency of the switching means variable, and the orthogonal control as a saturable reactor With a transformer,
By connecting a secondary side series resonant capacitor in series with the secondary winding of the insulation converter transformer, the leakage inductance component of the secondary winding of the insulation converter transformer and the capacitance of the secondary series resonance capacitor A secondary side series resonance circuit having a resonance frequency equal to the resonance frequency of the primary side series resonance circuit formed by
The secondary side series resonant capacitor is inserted into the secondary side rectified current path, and the alternating voltage obtained is input to the secondary winding of the insulating converter transformer to perform the double voltage full wave rectification operation. DC output voltage generating means configured to obtain a secondary DC output voltage corresponding to approximately twice the input voltage level;
A control circuit that performs constant voltage control by variably controlling the switching frequency by controlling the magnitude of the control current flowing in the control winding according to the level of the secondary side DC output voltage;
Switching power supply circuit comprising a.