JP4329451B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、高効率、小型、低ノイズなスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply device with high efficiency, small size, and low noise.
図12に従来の力率改善回路とコンバータ回路との2コンバータ方式のスイッチング電源装置の回路構成図を示す。図12に示すスイッチング電源装置は、交流電源Vac1の交流電圧を全波整流する全波整流回路B1と、この全波整流回路B1からの全波整流電圧をチョークコイルL1を介して入力し、制御回路101からの制御信号によりスイッチQ2をオン/オフさせて、ダイオードD2及びコンデンサC3により整流平滑して直流電圧を得る力率改善回路50と、この力率改善回路50からの直流電圧を別の直流電圧に変換するコンバータ回路60とを有している。
FIG. 12 shows a circuit configuration diagram of a conventional two-converter switching power supply device including a power factor correction circuit and a converter circuit. The switching power supply device shown in FIG. 12 controls the full-wave rectification circuit B1 for full-wave rectification of the AC voltage of the AC power supply Vac1, and the full-wave rectification voltage from the full-wave rectification circuit B1 via the choke coil L1. A power
力率改善回路50内の制御回路101は、スイッチQ2を流れるピーク電流が入力電圧に比例するようにスイッチQ2のオン期間を制御するとともに、チョークコイルL1の電流がゼロになってからスイッチQ2をターンオンさせる。具体的には、制御回路101は、スイッチQ2の電流を検出する抵抗r3の両端電圧と、入力電圧(全波整流電圧)を抵抗r1と抵抗r2とで分圧した電圧とをコンパレータ(図示せず)に入力し、このコンパレータの出力信号によりRSフリップフロップ(図示せず)を動作させてスイッチQ2をターンオフさせる。これにより、スイッチQ2のピーク電流は入力電圧に比例する。また、チョークコイルL1に補助巻線103を付加し、制御回路101は、補助巻線103に生ずるフライバック電圧がゼロになるのを検出してスイッチQ2をターンオンさせる。即ち、チョークコイルL1に流れる電流がゼロから始まり、正弦波の包絡線上のピークに達し、そこからゼロまで戻る。これにより、交流電源Vac1に流れる入力電流(交流電流)も交流電源Vac1の交流電圧に追従した正弦波電流波形となり、力率が大幅に改善される。
The
また、制御回路101は、コンデンサC3の出力電圧と基準電圧と全波整流電圧とに基づきスイッチQ2をオン/オフ制御するので、出力電圧が一定に保たれる。
In addition, since the
一方、コンバータ回路60において、コンデンサC3にトランスT1の1次巻線5a(巻数n1)を介してMOSFET等からなる主スイッチQ1が接続され、この主スイッチQ1の両端には、直列に接続された抵抗R2及びコンデンサC2が接続されている。主スイッチQ1は、制御回路102のPWM制御によりオン/オフするようになっている。
On the other hand, in the
また、トランスT1の1次巻線5aとトランスT1の2次巻線5bとは互いに逆相電圧が発生するように巻回されており、トランスT1の2次巻線5b(巻数n2)にはダイオードD1及びコンデンサC1からなる整流平滑回路が接続されている。この整流平滑回路は、トランスT1の2次巻線5bに誘起された電圧(オン/オフ制御されたパルス電圧)を整流平滑して直流出力を負荷RLに出力する。
Further, the
制御回路102は、図示しない演算増幅器及びフォトカプラを有し、演算増幅器は、負荷RLの出力電圧と基準電圧とを比較し、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、主スイッチQ1に印加されるパルスのオン幅を狭くするように制御する。すなわち、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、主スイッチQ1のパルスのオン幅を狭くすることで、出力電圧を一定電圧に制御するようになっている。
The
次に、コンバータ回路60の動作を図13に示すタイミングチャートを参照しながら説明する。なお、図13では、主スイッチQ1の両端間の電圧Q1v、主スイッチQ1に流れる電流Q1i、トランスT1の1次巻線5a(巻数n1)に流れる電流n1i、ダイオードD1に流れる電流D1i、主スイッチQ1をオン/オフ制御するQ1制御信号を示している。
Next, the operation of the
まず、時刻t31において、Q1制御信号により主スイッチQ1がオンし、コンデンサC3からトランスT1の1次巻線5aを介して主スイッチQ1に電流Q1iが流れる。この電流は、時刻t32まで時間の経過とともに直線的に増大していく。また、1次巻線5aを流れる電流n1iも電流Q1iと同様に時刻t32まで時間の経過とともに直線的に増大していく。
At time t 31, the main switch Q1 is turned on by Q1 control signal, current Q1i is flowing through the main switch Q1 via the
なお、時刻t31から時刻t32では、1次巻線5aの主スイッチQ1側が−側になり、1次巻線5aと2次巻線5bとは逆相になっているので、ダイオードD1のアノード側が−側になるため、ダイオードD1には電流D1iは流れない。
In time t 32 from the time t 31, the main switch Q1 side is the primary winding 5a - becomes the side, since the reversed phase to the primary winding 5a and the
次に、時刻t32において、主スイッチQ1は、Q1制御信号により、オン状態からオフ状態に変わる。このとき、トランスT1の1次巻線5aに誘起された励磁エネルギーと、リーケージインダクタンスLg(2次巻線5bと結合していないインダクタンス)の励磁エネルギーは、抵抗R2を介してコンデンサC2に蓄えられる。このため、トランスT1の1次巻線5aのリーケージインダクタンスLgとコンデンサC2とにより電圧共振され、その共振波形は、図14に示すように、ターンオフ時(オン状態からオフ状態に変わること)にリンギング波形RG(減衰振動波形)となる。
Then, at time t 32, the main switch Q1, the Q1 control signal, changes from the ON state to the OFF state. At this time, the excitation energy induced in the
なお、コンデンサC2の値と抵抗R2の値とを適当な値に調整すれば、このリンギング波形を非常に小さくすることができる。そして、このリンギング波形RGは、抵抗R2により時間の経過とともに減衰して一定値となり、この一定値は時刻t33直前まで継続する。また、時刻t32〜時刻t33では、主スイッチQ1がオフであるため、電流Q1i及び電流n1iはゼロになる。 If the value of the capacitor C2 and the value of the resistor R2 are adjusted to appropriate values, this ringing waveform can be made very small. Then, the ringing waveform RG is attenuated with the lapse of time by the resistors R2 becomes a constant value, the constant value continues until just before the time t 33. At time t 32 ~ time t 33, since the main switch Q1 is off, current Q1i and current n1i becomes zero.
なお、時刻t32から時刻t33では、1次巻線5aの主スイッチQ1側が+側になり、且つ1次巻線5aと2次巻線5bとは逆相になっているので、ダイオードD1のアノード側が+側になるため、ダイオードD1に電流D1iが流れる。
In time t 33 from the time t 32, becomes the primary switch Q1 side is the positive side of the primary winding 5a, since the reversed phase with and the
このようなコンバータ回路60によれば、主スイッチQ1の両端に回路(C2,R2)を挿入し、主スイッチQ1の電圧の時間的な変化を緩やかにすることで、スイッチングノイズを低減できると共に、トランスT1のリーケージインダクタンスLgによる主スイッチQ1へのサージ電圧を抑制することができる。
しかしながら、従来のこの種のスイッチング電源装置にあっては、高調波規制に対応するため、力率改善回路50とコンバータ回路60の2コンバータ方式で対応していた。このため、制御回路が2系統(力率改善回路用、コンバータ回路用)必要であり、スイッチング回路も2系統必要であった。
However, in this type of conventional switching power supply device, in order to comply with the harmonic regulation, the two-converter system of the power
このため、回路が複雑となり、スイッチング部分が2回路あるため、ノイズや損失が増大し、小型化、低ノイズ化、高効率化の妨げとなっていた。 For this reason, the circuit is complicated and there are two switching portions, so noise and loss increase, which hinders miniaturization, low noise, and high efficiency.
また、従来のスイッチング電源装置にあっては、コンデンサC2に充電された電荷を抵抗R2によって消費させるため、損失が増大した。この損失は、コンデンサ容量、変換周波数に比例するため、ノイズ抑制を目的としてコンデンサ容量を増やしたり、あるいは、小型化を目的として変換周波数を上昇させた場合には、損失が増大し、効率が低下する欠点があった。 Further, in the conventional switching power supply device, since the charge charged in the capacitor C2 is consumed by the resistor R2, the loss increases. Since this loss is proportional to the capacitor capacity and the conversion frequency, if the capacitor capacity is increased for the purpose of noise suppression or the conversion frequency is increased for the purpose of miniaturization, the loss increases and the efficiency decreases. There was a drawback.
本発明の第1の課題は、1つのコンバータで高調波規制に対応でき、小型化、低ノイズ化、高効率化を図るスイッチング電源装置を提供することにある。また、本発明の第2の課題は、補助スイッチを用いて、ゼロ電圧スイッチングを可能とし、低ノイズ化、高効率化を図るスイッチング電源装置を提供することにある。 A first object of the present invention is to provide a switching power supply device that can cope with harmonic regulation with a single converter and that achieves miniaturization, low noise, and high efficiency. A second object of the present invention is to provide a switching power supply device that enables zero voltage switching by using an auxiliary switch to achieve low noise and high efficiency.
本発明は前記課題を解決するために以下の構成とした。請求項1の発明は、交流を入力し、力率を改善させるとともに直流を出力するスイッチング電源装置であって、交流電源に接続して交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の両端に接続され、第1リアクトルとトランスの3次巻線と前記トランスの1次巻線と主スイッチとが直列に接続された第1直列回路と、前記トランスの3次巻線と前記1次巻線との接続点と前記トランスの1次巻線と前記主スイッチとの接続点との間に接続され、補助スイッチとスナバコンデンサとが直列に接続された第2直列回路と、前記トランスの3次巻線と前記1次巻線との接続点と前記整流回路の一端との間に接続された平滑コンデンサと、前記1次巻線とは逆相に巻回された前記トランスの2次巻線に発生した電圧を整流平滑する整流平滑回路と、前記主スイッチの両端に接続され、第1ダイオードと第1コンデンサとが並列に接続された第1並列回路と、前記補助スイッチの両端に接続され、第2ダイオードと第2コンデンサとが並列に接続された第2並列回路と、前記トランスの1次巻線と前記第2直列回路との間に接続された第2リアクトルと、前記主スイッチと前記補助スイッチとを交互にオン/オフさせ、前記整流平滑回路の出力電圧と基準電圧とに基づき前記主スイッチのオン幅をPWM制御することにより前記出力電圧を所定電圧に制御する制御回路とを有し、前記制御回路は、前記主スイッチの電圧がゼロ電圧になった後、前記第1ダイオードが導通期間中に前記主スイッチをオンさせ、前記補助スイッチの電圧がゼロ電圧になった後、前記第2ダイオードが導通期間中に前記補助スイッチをオンさせることを特徴とする。
The present invention has the following configuration in order to solve the above problems. The invention according to
請求項2の発明において、前記第1ダイオード及び前記第1コンデンサは、前記主スイッチの寄生ダイオード及び寄生容量であり、前記第2ダイオード及び前記第2コンデンサは、前記補助スイッチの寄生ダイオード及び寄生容量であることを特徴とする。
In the invention of
請求項3の発明において、前記第1リアクトル及び前記第2リアクトルは、前記トランスのリーケージインダクタンスであることを特徴とする。
The invention according to
請求項4の発明において、前記トランスは、磁気回路が形成された第1脚、第2脚及び第3脚を有するコアからなり、前記第1脚に前記1次巻線と前記2次巻線とを巻回し、前記第2脚に前記3次巻線を巻回し、前記第3脚にギャップを設けたことを特徴とする。
5. The transformer according to
請求項5の発明において、前記3次巻線の巻数は、前記1次巻線の巻数以上であり、前記3次巻線は、前記1次巻線と同相に巻回されていることを特徴とする。
The invention according to
請求項6の発明において、前記整流回路と前記平滑コンデンサとの間に接続され、前記交流電源がオンされたときに前記平滑コンデンサの突入電流を軽減する突入電流制限抵抗を有し、前記主スイッチは、ノーマリオンタイプのスイッチからなり、前記制御回路は、前記交流電源がオンされたときに前記突入電流制限抵抗に発生した電圧により前記主スイッチをオフさせ、前記平滑コンデンサが充電された後、前記主スイッチをオン/オフさせるスイッチング動作を開始させることを特徴とする。
7. The main switch according to
請求項7の発明において、前記トランスは4次巻線をさらに備え、該トランスの4次巻線に発生する電圧を前記制御回路に供給する通常動作電源部を有することを特徴とする。 According to a seventh aspect of the present invention, the transformer further includes a quaternary winding, and has a normal operation power supply unit that supplies a voltage generated in the quaternary winding of the transformer to the control circuit.
請求項8の発明は、前記突入電流制限抵抗に並列に接続された半導体スイッチを有し、前記制御回路は、前記主スイッチのスイッチング動作を開始させた後、前記半導体スイッチをオンさせることを特徴とする。
The invention according to
本発明によれば、1つのコンバータで高調波規制に対応でき、小型化、低ノイズ化、高効率化を図るスイッチング電源装置を提供することができる。また、補助スイッチを用いて、ゼロ電圧スイッチングを可能とし、低ノイズ化、高効率化を図るスイッチング電源装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the switching power supply device which can respond to a harmonic regulation with one converter, and aims at size reduction, low noise, and high efficiency can be provided. In addition, it is possible to provide a switching power supply device that enables zero voltage switching by using an auxiliary switch to achieve low noise and high efficiency.
また、一つのコアでトランスを構成でき、主スイッチがオン時及びオフ時ともに直流励磁をキャンセルできるため、小型、高効率、低ノイズのスイッチング電源装置を提供することができる。 In addition, since a transformer can be configured with one core and DC excitation can be canceled both when the main switch is on and off, a switching power supply device with a small size, high efficiency, and low noise can be provided.
以下、本発明に係るスイッチング電源装置の実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。 Embodiments of a switching power supply apparatus according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings.
第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置は、交流を入力して直流を出力するフライバック方式のスイッチング電源装置であって、1つのコンバータで高調波規制に対応でき、小型化、低ノイズ化、高効率化を図ることを特徴とする。 The switching power supply according to the first embodiment is a flyback switching power supply that inputs alternating current and outputs direct current, and can cope with harmonic regulation with a single converter, and can be downsized and reduced in noise. It is characterized by high efficiency.
また、補助スイッチを用いて、ゼロ電圧スイッチングを可能とし、低ノイズ化、高効率化を図ることを特徴とする。即ち、主スイッチのオン時に3次巻線に接続されたリアクトルに電力を蓄え、主スイッチのオフ時に、2次巻線を介して負荷に電力を供給するとともに、平滑コンデンサを充電し、1次巻線に接続されたリアクトルに蓄えられた電力を、スナバコンデンサに蓄え、補助スイッチをオンすることにより、この電力を出力に還流するとともに、ゼロ電圧スイッチングを達成し、高効率、低ノイズ化することを特徴とする。 In addition, zero voltage switching can be performed by using an auxiliary switch to reduce noise and increase efficiency. That is, when the main switch is on, power is stored in a reactor connected to the tertiary winding, and when the main switch is off, power is supplied to the load via the secondary winding, and the smoothing capacitor is charged to charge the primary By storing the power stored in the reactor connected to the windings in the snubber capacitor and turning on the auxiliary switch, this power is returned to the output and zero voltage switching is achieved to achieve high efficiency and low noise. It is characterized by that.
また、トランスの巻線に流れる電流の起磁力を常に相殺することにより、トランスの直流励磁を軽減させ、トランスの小型化を図ることを特徴とする。 Further, the present invention is characterized in that the DC excitation of the transformer is reduced by constantly canceling the magnetomotive force of the current flowing through the winding of the transformer, thereby reducing the size of the transformer.
図1は第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路構成図である。図1に示すスイッチング電源装置において、全波整流回路B1は、交流電源Vac1に接続され、交流電源Vac1からの交流電圧を整流して正極側出力端P1及び負極側出力端P2に出力する。 FIG. 1 is a circuit configuration diagram of the switching power supply device according to the first embodiment. In the switching power supply device shown in FIG. 1, the full-wave rectifier circuit B1 is connected to the AC power supply Vac1, rectifies the AC voltage from the AC power supply Vac1, and outputs the rectified voltage to the positive output terminal P1 and the negative output terminal P2.
全波整流回路B1の両端には、リアクトルL2とトランスTの3次巻線5c(巻数n3)とリアクトルL3とトランスTの1次巻線5a(巻数n1)とMOSFET等からなるスイッチQ1(主スイッチ)との直列回路が接続されている。スイッチQ1の両端にはダイオードD1とコンデンサC1(共振用コンデンサ)とが並列に接続されている。 At both ends of the full-wave rectifier circuit B1, a reactor L2 and a tertiary winding 5c (number of turns n3) of the transformer T, a reactor L3, a primary winding 5a (number of turns n1) of the transformer T, a switch Q1 (mainly) A series circuit with a switch) is connected. A diode D1 and a capacitor C1 (resonance capacitor) are connected in parallel to both ends of the switch Q1.
トランスTの1次巻線5aの一端とスイッチQ1の一端との接続点にはMOSFET等からなるスイッチQ2(補助スイッチ)の一端が接続され、スイッチQ2の他端はコンデンサC3(スナバコンデンサ)を介してトランスTの3次巻線5cとリアクトルL3との接続点に接続されている。 One end of a switch Q2 (auxiliary switch) made of a MOSFET or the like is connected to a connection point between one end of the primary winding 5a of the transformer T and one end of the switch Q1, and a capacitor C3 (snubber capacitor) is connected to the other end of the switch Q2. And is connected to a connection point between the tertiary winding 5c of the transformer T and the reactor L3.
スイッチQ2の両端にはダイオードD2及びコンデンサC2が並列に接続されている。トランスTの3次巻線5cとリアクトルL3との接続点と、全波整流回路B1の負極側出力端P2との間には平滑コンデンサC4が接続されている。スイッチQ1,Q2は、共にオフとなる期間(デッドタイム)を有し、制御回路10のPWM制御により交互にオン/オフする。
A diode D2 and a capacitor C2 are connected in parallel across the switch Q2. A smoothing capacitor C4 is connected between the connection point between the tertiary winding 5c of the transformer T and the reactor L3 and the negative-side output terminal P2 of the full-wave rectifier circuit B1. The switches Q1, Q2 both have a period (dead time) in which they are turned off, and are alternately turned on / off by PWM control of the
なお、ダイオードD1及びコンデンサC1は、スイッチQ1の寄生ダイオード及び寄生容量であってもよく、ダイオードD2及びコンデンサC2は、スイッチQ2の寄生ダイオード及び寄生容量であってもよい。また、リアクトルL2は、トランスTの巻線間のリーケージインダクタンスであってもよく、リアクトルL3は、トランスTの巻線間のリーケージインダクタンスであってもよい。 The diode D1 and the capacitor C1 may be a parasitic diode and a parasitic capacitance of the switch Q1, and the diode D2 and the capacitor C2 may be a parasitic diode and a parasitic capacitance of the switch Q2. Further, the reactor L2 may be a leakage inductance between the windings of the transformer T, and the reactor L3 may be a leakage inductance between the windings of the transformer T.
トランスTのコアには、1次巻線5aと密結合させてトランスTの2次巻線5b(n2)が巻回されており、また、トランスTのコアには、1次巻線5aと疎結合させてトランスTの3次巻線5c(n3)が巻回されている。2次巻線5bの両端には、ダイオードD11と平滑コンデンサC11とからなる整流平滑回路が接続されている。平滑コンデンサC11は直流出力を負荷RLに出力する。 A secondary winding 5b (n2) of the transformer T is wound around the core of the transformer T so as to be tightly coupled to the primary winding 5a, and the primary winding 5a is wound around the core of the transformer T. A tertiary winding 5c (n3) of the transformer T is wound loosely. A rectifying / smoothing circuit including a diode D11 and a smoothing capacitor C11 is connected to both ends of the secondary winding 5b. The smoothing capacitor C11 outputs a direct current output to the load RL.
また、トランスTの3次巻線5cの巻数は、トランスT1の1次巻線5aの巻数以上となっている。トランスTの2次巻線5bは、トランスTの1次巻線5aに対して逆相に巻回され、トランスTの3次巻線5cは、トランスTの1次巻線5aと同相に巻回されている。 Further, the number of turns of the tertiary winding 5c of the transformer T is equal to or greater than the number of turns of the primary winding 5a of the transformer T1. The secondary winding 5b of the transformer T is wound in an opposite phase to the primary winding 5a of the transformer T, and the tertiary winding 5c of the transformer T is wound in the same phase as the primary winding 5a of the transformer T. It has been turned.
制御回路10は、スイッチQ1とスイッチQ2とを交互にオン/オフ制御し、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1に印加されるパルスのオン幅を狭くし、スイッチQ2に印加されるパルスのオン幅を広くするように制御する。すなわち、負荷RLの出力電圧が基準電圧以上となったときに、スイッチQ1のパルスのオン幅を狭くすることで、出力電圧を一定電圧に制御するようになっている。
The
また、制御回路10は、スイッチQ1をターンオンするときに、スイッチQ1の電圧がスイッチQ1と並列に接続されたコンデンサC1とトランスTの巻線間のリーケージインダクタンスとの共振によりゼロ電圧となった時から所定期間中にスイッチQ1をオンさせる。
When the
次にこのように構成された第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置の動作を説明する。 Next, the operation of the switching power supply according to the first embodiment configured as described above will be described.
図2では、交流電源Vac1の入力電圧Vi(交流電圧)、交流電源Vac1を流れる入力電流Ii(交流電流)を示している。図2に示す入力電流Iiのピーク付近(P部)の各信号の詳細を図4のタイミングチャートに示す。 FIG. 2 shows the input voltage Vi (AC voltage) of the AC power supply Vac1 and the input current Ii (AC current) flowing through the AC power supply Vac1. Details of each signal near the peak (P portion) of the input current Ii shown in FIG. 2 are shown in the timing chart of FIG.
最初に、図2のタイミングチャートを参照しながら、入力電圧と入力電流との動作、即ち、入力電流Iiが正弦波状電流のピーク付近にこぶ状のピーク電流を持った波形となり、高調波規制に対応できることについて説明する。 First, referring to the timing chart of FIG. 2, the operation of the input voltage and the input current, that is, the input current Ii has a waveform having a hump-like peak current near the peak of the sinusoidal current, Explain what can be done.
まず、スイッチQ1をオンさせると、平滑コンデンサC4に蓄えられた電荷は、トランスTの1次巻線5aを通って放電し、トランスTの励磁インダクタンスにエネルギーが蓄えられる。 First, when the switch Q1 is turned on, the electric charge stored in the smoothing capacitor C4 is discharged through the primary winding 5a of the transformer T, and energy is stored in the exciting inductance of the transformer T.
また、これと同時に、交流電源Vac1からの交流電圧が、全波整流回路B1により整流されて全波整流電圧が正極側出力端P1及び負極側出力端P2から出力される。このため、全波整流回路B1により整流された全波整流電圧により、リアクトルL2及びトランスTの3次巻線5cを介して平滑コンデンサC4が充電される。 At the same time, the AC voltage from the AC power supply Vac1 is rectified by the full-wave rectifier circuit B1, and the full-wave rectified voltage is output from the positive output terminal P1 and the negative output terminal P2. For this reason, the smoothing capacitor C4 is charged through the reactor L2 and the tertiary winding 5c of the transformer T by the full-wave rectified voltage rectified by the full-wave rectifier circuit B1.
このとき、リアクトルL2に加わる電圧は、トランスTの3次巻線5cの電圧と入力電圧の整流電圧(│Vac1│)との和であり、トランスTの1次巻線5aの巻数n1と3次巻線5cの巻数n3とが同じである場合には、スイッチQ1のオン時には、│Vac1│となる。 At this time, the voltage applied to the reactor L2 is the sum of the voltage of the tertiary winding 5c of the transformer T and the rectified voltage (| Vac1 |) of the input voltage, and the number of turns n1 and 3 of the primary winding 5a of the transformer T When the number of turns n3 of the next winding 5c is the same, | Vac1 | is obtained when the switch Q1 is turned on.
このため、図2に示すように、入力電圧Viに比例した入力電流Iiが流れる。交流電圧のピーク付近では、リアクトルL2の電流は、連続的となり、増大する。そして、リアクトルL2に蓄えられたエネルギーは、トランスTの3次巻線5cを介して、スイッチQ1がオフ時に、2次巻線5bに伝送され、出力に放出される。このため、入力電流Iiのピーク(P部)は、抑制される。 For this reason, as shown in FIG. 2, an input current Ii proportional to the input voltage Vi flows. In the vicinity of the peak of the AC voltage, the current of the reactor L2 becomes continuous and increases. The energy stored in the reactor L2 is transmitted to the secondary winding 5b via the tertiary winding 5c of the transformer T when the switch Q1 is turned off and released to the output. For this reason, the peak (P part) of the input current Ii is suppressed.
即ち、入力電流Iiは、正弦波状電流のピーク付近にこぶ状のピーク電流を持った波形となり、入力電流Iiの高調波は低減され、高調波規制を満足する波形とすることができる。即ち、1つのコンバータで高調波規制に対応することができる。 That is, the input current Ii has a waveform having a hump-like peak current near the peak of the sinusoidal current, the harmonics of the input current Ii are reduced, and a waveform satisfying the harmonic regulation can be obtained. That is, it is possible to cope with harmonic regulation with one converter.
図3は交流入力電流の半周期の波形を判定するためのクラスD判定波形を示す図である。交流入力電流の半周期の波形が、図3の太い実線W1の内側に、少なくとも半周期の95%に渡って入る特殊波形の交流入力電流を有する機器をクラスDと判定し、限度値が適用される。限度値は国際標準規格IEC61000−3−2による。実施の形態の入力電流波形も図3(b)に示すように、太い実線W1の内側に、少なくとも半周期の95%に渡って入っているので、特殊波形とみなされ、限度値が適用される。また、リアクトルL2とリアクトルL3と平滑コンデンサC4とによる低域フィルタにより、高い周波数を抑制できるので、高調波を大幅に低減することができる。 FIG. 3 is a diagram showing a class D determination waveform for determining a half-cycle waveform of the AC input current. A device with a special waveform AC input current in which the waveform of the half cycle of the AC input current enters at least 95% of the half cycle inside the thick solid line W1 in FIG. Is done. The limit value is based on the international standard IEC61000-3-2. As shown in FIG. 3 (b), the input current waveform of the embodiment is also inside the thick solid line W1 for at least 95% of the half cycle, and thus is regarded as a special waveform and the limit value is applied. The Moreover, since a high frequency can be suppressed by the low-pass filter by the reactor L2, the reactor L3, and the smoothing capacitor C4, a harmonic can be reduced significantly.
また、図4からも明らかのように、入力電流は連続的となり、高周波リップルが少なく、ノイズフィルタの小型化が図れる。 Further, as apparent from FIG. 4, the input current becomes continuous, the high-frequency ripple is small, and the noise filter can be downsized.
次に、図4、図5、図6、図8に示すタイミングチャートを参照しながらP部における詳細な動作を説明する。図5は第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置のスイッチQ1のターンオン時の各部における信号の詳細を示すタイミングチャートである。図6は第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置のスイッチQ1のターンオフ時の各部における信号の詳細を示すタイミングチャートである。 Next, detailed operations in the P section will be described with reference to the timing charts shown in FIGS. 4, 5, 6, and 8. FIG. 5 is a timing chart showing details of signals in the respective parts when the switch Q1 of the switching power supply according to the first embodiment is turned on. FIG. 6 is a timing chart showing details of signals in the respective portions when the switch Q1 of the switching power supply according to the first embodiment is turned off.
なお、図4乃至図6では、スイッチQ1の両端間の電圧Q1v、スイッチQ1に流れる電流Q1i、スイッチQ2の両端間の電圧Q2v、スイッチQ2に流れる電流Q2i、3次巻線5cに流れる入力電流Ii、ダイオードD11に流れる電流で且つ2次巻線5bに流れる電流I2、スイッチQ1をオン/オフ制御するQ1制御信号(Q1g)、スイッチQ2をオン/オフ制御するQ2制御信号(Q2g)を示している。 4 to 6, the voltage Q1v across the switch Q1, the current Q1i flowing through the switch Q1, the voltage Q2v across the switch Q2, the current Q2i flowing through the switch Q2, the input current flowing through the tertiary winding 5c. Ii, current I 2 flowing through the diode D11 and flowing through the secondary winding 5b, a Q1 control signal (Q1g) for on / off control of the switch Q1, and a Q2 control signal (Q2g) for on / off control of the switch Q2 Show.
また、図8は第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置のトランスの各巻線に流れる電流のタイミングチャートである。図8では、3次巻線5cに流れる入力電流I3で且つ入力電流Iiとは大きさが同じで正負の符号が逆の電流(−Ii)、1次巻線5aに流れる主巻線電流I1、2次巻線5bに流れる出力電流I2を示している。また、図8では、1次巻線5a、2次巻線5b、3次巻線5cの巻数を同一巻数としたときの波形である。 FIG. 8 is a timing chart of the current flowing in each winding of the transformer of the switching power supply device according to the first embodiment. In FIG. 8, a current (−Ii) which is the input current I 3 flowing through the tertiary winding 5c and has the same magnitude as the input current Ii but having the opposite sign (−Ii), and the main winding current flowing through the primary winding 5a. I 1 shows the output current I 2 flowing through the secondary winding 5b. FIG. 8 shows a waveform when the number of turns of the primary winding 5a, the secondary winding 5b, and the tertiary winding 5c is the same.
まず、時刻t1(時刻t11〜t14に対応)において、スイッチQ1をオンさせると、C4→L3→5a→Q1→C4で電流Q1iが流れる。また、これと同時に、1次巻線5aに疎結合したトランスTの3次巻線5cにも電圧が発生し、B1→L2→5c→C4→B1で入力電流Iiが流れて増加していく。入力電流I3は減少していく。このため、平滑コンデンサC4に電力を供給するとともに、リアクトルL2に電力を蓄える。
At time t 1 (corresponding to
次に、時刻t2(時刻t21〜t23に対応)において、スイッチQ1をオフさせると、リアクトルL2の電流は流れ続けるため、3次巻線5cの電圧が反転し、これと同時に1次巻線5aの電圧及び2次巻線5bの電圧も反転する。このため、
リアクトルL2に蓄えられたエネルギーはトランスTの3次巻線5cを介して2次巻線5bに伝送されるため、2次巻線5bに電流I2が流れ始めて、ダイオードD11が導通し、負荷RLに電力が供給されるとともに、平滑コンデンサC4が充電される。
Then, at time t 2 (corresponding to time t 21 ~t 23), when to turn off the switch Q1, because the current of the reactor L2 continues to flow, the voltage of the tertiary winding 5c is reversed, and at the same time the primary The voltage of the winding 5a and the voltage of the secondary winding 5b are also inverted. For this reason,
Since the energy stored in the reactor L2 is transmitted to the secondary winding 5b via the tertiary winding 5c of the transformer T, secondary winding and 5b current I 2 begins to flow in the diode D11 is rendered conductive, the load Electric power is supplied to the RL and the smoothing capacitor C4 is charged.
また、トランスTの1次巻線5aの電圧が反転するとともに、リアクトルL3に蓄えられたエネルギーにより、時刻t23において、L3→5a→D2→C3→L3と電流D2iが流れて、コンデンサC1を充電するとともに、コンデンサC2を放電させる。コンデンサC2の放電が終了した(スイッチQ2の電圧Q2vがゼロ電圧になった)後、ダイオードD2を介してコンデンサC3を充電する。ダイオードD2が導通中の時刻t23に、スイッチQ2をオンさせると、スイッチQ2のゼロ電圧スイッチングを達成することができる。 Further, the voltage of the primary winding 5a is inverted in the transformer T, the energy stored in the reactor L3, at time t 23, L3 → 5a → D2 → C3 → L3 and current D2i flows through the capacitor C1 While charging, the capacitor C2 is discharged. After the discharge of the capacitor C2 is completed (the voltage Q2v of the switch Q2 becomes zero voltage), the capacitor C3 is charged via the diode D2. At time t 23 the diode D2 in conduction and turn on the switch Q2, it is possible to achieve zero-voltage switching of the switch Q2.
コンデンサC3の充電が完了した後、コンデンサC3に充電された電荷は、スイッチQ2、1次巻線5aを介して、出力に放出される。このとき、スイッチQ2に電流Q2iが流れ、1次巻線5aに電流I1が流れるとともに、2次巻線5bに電流I2が流れる。また、1次巻線5aの電圧は、出力電圧によりクランプされるため、電流I1は、リアクトルL3とコンデンサC3との共振動作により、正弦波状に流れる(図8に示す例えば時刻t0〜t1の波形)。 After the charging of the capacitor C3 is completed, the electric charge charged in the capacitor C3 is discharged to the output through the switch Q2 and the primary winding 5a. At this time, the current Q2i flows in the switch Q2, with the current I 1 flows through the primary winding 5a, a current I 2 flows through the secondary winding 5b. Also, first voltage of winding 5a are clamped by the output voltage, current I 1 is the resonance operation of the reactor L3 and the capacitor C3, flows sinusoidally (shown in FIG. 8, for example time t 0 ~t 1 waveform).
このため、スイッチQ1のオフ期間を半周期とする周波数より低い周波数になるように、リアクトルL3とコンデンサC3との定数を設定すると、スイッチQ2のオフ時に電流I1が正であるため、電流I1は継続して、L3→C4→C1→5a→L3と流れる。このため、コンデンサC1が放電され、コンデンサC2が充電される。 Therefore, so that the off period of the switch Q1 to a frequency lower than the frequency of the half period, setting the constant of the reactor L3 and the capacitor C3, a current I 1 is positive when OFF switch Q2, current I 1 continues and flows through L3->C4->C1->5a-> L3. For this reason, the capacitor C1 is discharged and the capacitor C2 is charged.
コンデンサC1の放電が終了した(スイッチQ1の電圧Q1vがゼロ電圧になった)後、ダイオードD1が導通する。このダイオードD1が導通している期間中(図5に示す例えば時刻t13)に、スイッチQ1をオンさせると、スイッチQ1のゼロ電圧スイッチングを達成することができる。 After the discharge of the capacitor C1 is completed (the voltage Q1v of the switch Q1 becomes zero voltage), the diode D1 becomes conductive. Into this period the diode D1 is conducting (for example, time t 13 shown in FIG. 5), when to turn on the switch Q1, it is possible to achieve zero-voltage switching of the switch Q1.
出力電圧は、リアクトルL2のエネルギーに比例するため、スイッチQ1のオン/オフのデューティを制御回路10により制御することにより、出力電圧を制御することができる。
Since the output voltage is proportional to the energy of the reactor L2, the output voltage can be controlled by controlling the on / off duty of the switch Q1 by the
また、図8からもわかるように、主巻線電流I1と出力電流I2と入力電流I3との電流の総和は、全てのタイミングにおいて、略ゼロとなっている。即ち、全体のトランスTとしては直流起磁力が減少し、つまり直流励磁分が略ゼロであることがわかる。従って、トランスTのギャップは少なくなり、インダクタンスの大きなトランスを容易に製作できる。また、直流励磁分は略ゼロとなるので、磁束の動作範囲が拡大することができる。これにより、トランスを小型化できる。また、1次巻線5aの巻数n1と3次巻線5cの巻数n3とを同じにすれば、ほぼ電流は、ギャップによる励磁分を除いて、相殺できる。 A sum of current as can be seen from FIG. 8, a main winding current I 1 and the output current I 2 and the input current I 3 in all of the timing, are substantially zero. That is, it can be seen that the DC magnetomotive force of the entire transformer T decreases, that is, the DC excitation component is substantially zero. Therefore, the gap of the transformer T is reduced, and a transformer having a large inductance can be easily manufactured. Further, since the DC excitation is substantially zero, the operating range of the magnetic flux can be expanded. Thereby, a transformer can be reduced in size. Further, if the number of turns n1 of the primary winding 5a and the number of turns n3 of the tertiary winding 5c are the same, the current can be substantially canceled out except for the excitation due to the gap.
このように第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置によれば、トランスTの1次巻線5aに直列に3次巻線5cを接続し、3次巻線5cに直列にリアクトルL2を接続して、トランスTの巻線に流れる電流の起磁力を常に相殺することにより、トランスTの直流励磁を軽減させ、トランスTの小型化を図ることができる。 As described above, according to the switching power supply according to the first embodiment, the tertiary winding 5c is connected in series to the primary winding 5a of the transformer T, and the reactor L2 is connected in series to the tertiary winding 5c. Thus, by always canceling the magnetomotive force of the current flowing through the winding of the transformer T, the DC excitation of the transformer T can be reduced, and the transformer T can be downsized.
また、スイッチQ1をオンした時に3次巻線5cに接続されたリアクトルL2に電力を蓄え、スイッチQ1をオフした時に、2次巻線5bを介して負荷RLに電力を供給するとともに、平滑コンデンサC4を充電し、1次巻線5aに接続されたリアクトルL3に蓄えられた電力を、スナバコンデンサC3に蓄え、スイッチQ2をオンすることにより、この電力を出力に還流するとともに、ゼロ電圧スイッチングを達成でき、高効率、低ノイズ化することができる。 Further, when the switch Q1 is turned on, power is stored in the reactor L2 connected to the tertiary winding 5c, and when the switch Q1 is turned off, power is supplied to the load RL via the secondary winding 5b, and a smoothing capacitor Charging C4, storing the power stored in the reactor L3 connected to the primary winding 5a in the snubber capacitor C3 and turning on the switch Q2, this power is returned to the output and zero voltage switching is performed. It can be achieved, and high efficiency and low noise can be achieved.
図7は第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置に設けられたトランスの構造図である。図7に示すトランスは、日の字型のコア20を有し、コア20の中央脚20aには、1次巻線5aと、1次巻線5a上で1次巻線5aと密結合させた2次巻線5bとが巻回されている。即ち、1次巻線5aと2次巻線5bとを同一脚に巻回し、小さなリーケージインダクタンスを得ている。このリーケージインダクタンスをリアクトルL3の代用としている。
FIG. 7 is a structural diagram of the transformer provided in the switching power supply according to the first embodiment. The transformer shown in FIG. 7 has a Japanese-shaped
また、側脚20dには、3次巻線5cが巻回され、側脚20bには、ギャップ20cが形成されている。このギャップ20cにより大きなリーケージインダクタンスを3次巻線5c及び1次巻線5aに設け、このリーケージインダクタンスをリアクトルL2の代用している。
A tertiary winding 5c is wound around the
リアクトルL2,L3にリーケージインダクタンスを用いることにより、全ての巻線を1つのトランスTで構成できるので、トランスTを小型化できる。 By using the leakage inductance for the reactors L2 and L3, all the windings can be constituted by one transformer T, so that the transformer T can be reduced in size.
また、トランスTのコアの中央脚20aにもギャップ20eが形成されている。ギャップ20c、20eを設けたのは、交流入力電圧の谷間でも、均一に負荷RLに電力を供給するために、平滑コンデンサC4に蓄えられた電荷を1次巻線5aのインダクタンス(リアクトルL3)に蓄え負荷RLに放出し、交流入力電圧の山の部分では、1次巻線5aと3次巻線5cとの両方のインダクタンス(リアクトルL2,L3)に蓄えたエネルギーを負荷に供給するためである。このように構成することにより、交流入力電圧の谷の部分でも負荷RLに電力を供給することができる。
A
次に第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置を説明する。第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置では、スイッチとして、ノーマリオフタイプのMOS FET等を用いた。このノーマリオフタイプのスイッチは、電源がオフ時にオフ状態となるスイッチである。 Next, a switching power supply device according to a second embodiment will be described. In the switching power supply according to the first embodiment, a normally-off type MOS FET or the like is used as a switch. This normally-off type switch is a switch that is turned off when the power is turned off.
一方、SIT(static induction transistor、静電誘導トランジスタ)等のノーマリオンタイプのスイッチは、電源がオフ時にオン状態となるスイッチである。このノーマリオンタイプのスイッチは、スイッチングスピードが速く、オン抵抗も低くスイッチング電源等の電力変換装置に使用した場合、理想的な素子であり、スイッチング損失を減少させ高効率が期待できる。 On the other hand, normally-on type switches such as SIT (static induction transistor) are switches that are turned on when the power is turned off. This normally-on type switch has a high switching speed, a low on-resistance, and is an ideal element when used in a power conversion device such as a switching power supply, and can be expected to reduce switching loss and achieve high efficiency.
しかし、ノーマリオンタイプのスイッチング素子にあっては、電源をオンすると、スイッチがオン状態であるため、スイッチが短絡する。このため、ノーマリオンタイプのスイッチを起動できず、特殊な用途以外には使用できない。 However, in the normally-on type switching element, when the power is turned on, the switch is in an on state, so that the switch is short-circuited. For this reason, normally-on type switches cannot be activated and cannot be used for anything other than special purposes.
そこで、第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置は、第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を有すると共に、スイッチQ1nにノーマリオンタイプのスイッチを使用するために、交流電源オン時に、コンデンサの突入電流を軽減する目的で挿入されている突入電流制限抵抗の電圧降下による電圧を、ノーマリオンタイプのスイッチの逆バイアス電圧に使用し、電源オン時の問題をなくす構成を追加したことを特徴とする。 Therefore, the switching power supply according to the second embodiment has the configuration of the switching power supply according to the first embodiment and uses a normally-on type switch for the switch Q1n. The configuration that eliminates the power-on problem by using the voltage due to the voltage drop of the inrush current limiting resistor inserted for the purpose of reducing the inrush current of the capacitor as the reverse bias voltage of the normally-on type switch. It is characterized by.
図9は第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置を示す回路構成図である。図9に示すスイッチング電源装置は、図1に示す第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を有すると共に、全波整流回路B1の負極側出力端P2と、スイッチQ1nと平滑コンデンサC4との接続点との間には、突入電流制限抵抗R1が接続されている。 FIG. 9 is a circuit configuration diagram showing a switching power supply according to the second embodiment. The switching power supply device shown in FIG. 9 has the configuration of the switching power supply device according to the first embodiment shown in FIG. 1, and includes a negative output terminal P2 of the full-wave rectifier circuit B1, a switch Q1n, a smoothing capacitor C4, and the like. The inrush current limiting resistor R1 is connected between these connection points.
全波整流回路B1の正極側出力端P1には、リアクトルL2、トランスTbの3次巻線5c、リアクトルL3、トランスTbの1次巻線5aを介してSIT等のノーマリオンタイプのスイッチQ1nが接続され、スイッチQ1nは、制御回路11のPWM制御によりオン/オフする。なお、スイッチQ2は、ノーマリオフタイプのスイッチである。
A normally-on type switch Q1n such as SIT is connected to the positive output terminal P1 of the full-wave rectifier circuit B1 via the reactor L2, the tertiary winding 5c of the transformer Tb, the reactor L3, and the primary winding 5a of the transformer Tb. The switch Q1n is connected and turned on / off by PWM control of the
また、突入電流制限抵抗R1の両端にはスイッチS1が接続されている。このスイッチS1は、例えばノーマリオフタイプのMOSFET,BJT(バイポーラ接合トランジスタ)等の半導体スイッチであり、制御回路11からの短絡信号によりオン制御される。
A switch S1 is connected to both ends of the inrush current limiting resistor R1. The switch S1 is a semiconductor switch such as a normally-off type MOSFET or BJT (bipolar junction transistor), and is ON-controlled by a short circuit signal from the
突入電流制限抵抗R1の両端には、コンデンサC6と抵抗R2とダイオードD5とからなる起動電源部12が接続されている。この起動電源部12は、突入電流制限抵抗R1の両端に発生する電圧を取り出し、コンデンサC6の両端電圧をスイッチQ1nのゲートへの逆バイアス電圧として使用するために、制御回路11に出力する。また、平滑コンデンサC4に充電された充電電圧を制御回路11に供給する。
A starting
制御回路11は、交流電源Vac1をオンしたときに、コンデンサC6から供給された電圧により起動し、制御信号として端子bからスイッチQ1nのゲートに逆バイアス電圧を出力し、スイッチQ1nをオフさせる。この制御信号は、例えば、−15Vと0Vとのパルス信号からなり、−15Vの電圧によりスイッチQ1nがオフし、0Vの電圧によりスイッチQ1nがオンする。
When the AC power supply Vac1 is turned on, the
制御回路11は、平滑コンデンサC4の充電が完了した後、端子bから制御信号として0Vと−15Vとのパルス信号をスイッチQ1nのゲートに出力し、スイッチQ1nをスイッチング動作させる。制御回路11は、スイッチQ1nをスイッチング動作させた後、所定時間経過後にスイッチS1のゲートに短絡信号を出力し、スイッチS1をオンさせる。
After the charging of the smoothing capacitor C4 is completed, the
また、トランスTbに設けられた4次巻線5d(巻数n4)の一端は、スイッチQ1nの一端とコンデンサC7の一端と制御回路11とに接続され、4次巻線5dの他端は、ダイオードD7のカソードに接続され、ダイオードD7のアノードはコンデンサC7の他端及び制御回路11の端子cに接続されている。4次巻線5dとダイオードD7とコンデンサC7とは通常動作電源部13を構成し、この通常動作電源部13は、4次巻線5dで発生した電圧をダイオードD7及びコンデンサC7を介して制御回路11に供給する。
One end of the quaternary winding 5d (number of turns n4) provided in the transformer Tb is connected to one end of the switch Q1n, one end of the capacitor C7, and the
次にこのように構成された第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の動作を図9乃至図11を参照しながら説明する。 Next, the operation of the switching power supply according to the second embodiment configured as described above will be described with reference to FIGS.
なお、図11において、Vac1は、交流電源Vac1の交流電圧を示し、入力電流は、交流電源Vac1に流れる電流を示し、R1電圧は、突入電流制限抵抗R1に発生する電圧を示し、C4電圧は、平滑コンデンサC4の電圧を示し、C6電圧は、コンデンサC6の電圧を示し、出力電圧は、コンデンサC11の電圧を示し、制御信号は、制御回路11の端子bからスイッチQ1nのゲートへ出力される信号を示す。
In FIG. 11, Vac1 indicates the AC voltage of the AC power supply Vac1, the input current indicates the current flowing through the AC power supply Vac1, the R1 voltage indicates the voltage generated in the inrush current limiting resistor R1, and the C4 voltage is The voltage of the smoothing capacitor C4 indicates the voltage of the capacitor C6, the output voltage indicates the voltage of the capacitor C11, and the control signal is output from the terminal b of the
まず、時刻t0において、交流電源Vac1を印加(オン)すると、交流電源Vac1の交流電圧は全波整流回路B1で全波整流される。このとき、ノーマリオンタイプのスイッチQ1nは、オン状態であり、スイッチS1は、オフ状態である。このため、全波整流回路B1からの電圧は、平滑コンデンサC4を介して突入電流制限抵抗R1に印加される(図10中の(1))。 First, at time t 0, applying the AC power Vac1 (ON), the AC voltage of the AC power source Vac1 is full-wave rectified by the full-wave rectifier circuit B1. At this time, the normally-on type switch Q1n is in the on state, and the switch S1 is in the off state. For this reason, the voltage from the full-wave rectifier circuit B1 is applied to the inrush current limiting resistor R1 via the smoothing capacitor C4 ((1) in FIG. 10).
この突入電流制限抵抗R1に発生した電圧は、ダイオードD5、抵抗R2を介してコンデンサC6に蓄えられる(図10中の(2))。ここで、コンデンサC6の端子f側が例えば零電位となり、コンデンサC6の端子g側が例えば負電位となる。このため、コンデンサC6の電圧は、図11に示すように、負電圧(逆バイアス電圧)となる。このコンデンサC6の負電圧が端子aを介して制御回路11に供給される。
The voltage generated in the inrush current limiting resistor R1 is stored in the capacitor C6 via the diode D5 and the resistor R2 ((2) in FIG. 10). Here, the terminal f side of the capacitor C6 has, for example, a zero potential, and the terminal g side of the capacitor C6 has, for example, a negative potential. For this reason, the voltage of the capacitor C6 becomes a negative voltage (reverse bias voltage) as shown in FIG. The negative voltage of the capacitor C6 is supplied to the
そして、コンデンサC6の電圧が、スイッチQ1nのスレッシホールド電圧THLになった時点(図11の時刻t1)で、制御回路11は、端子bから−15Vの制御信号をスイッチQ1nのゲートに出力する(図10中の(3))。このため、スイッチQ1nは、オフ状態となる。
When the voltage of the capacitor C6 reaches the threshold voltage THL of the switch Q1n (time t 1 in FIG. 11), the
すると、全波整流回路B1からの電圧により、平滑コンデンサC4は、充電されて(図10中の(4))、平滑コンデンサC4の電圧が上昇していき、平滑コンデンサC4の充電が完了する。 Then, the smoothing capacitor C4 is charged by the voltage from the full-wave rectifier circuit B1 ((4) in FIG. 10), the voltage of the smoothing capacitor C4 rises, and the charging of the smoothing capacitor C4 is completed.
次に、時刻t2において、制御回路11は、スイッチング動作を開始させる。始めに、端子bから0Vの制御信号をスイッチQ1nのゲートに出力する(図10中の(5))。このため、スイッチQ1nは、オン状態となると、C4→L3→5a→Q1→C4で電流Q1iが流れる(図10中の(6))。 Then, at time t 2, the control circuit 11 starts the switching operation. First, a control signal of 0V is output from the terminal b to the gate of the switch Q1n ((5) in FIG. 10). Therefore, when the switch Q1n is turned on, the current Q1i flows in the order of C4 → L3 → 5a → Q1 → C4 ((6) in FIG. 10).
また、トランスTbの1次巻線5aと電磁結合している4次巻線5dにも電圧が発生し、発生した電圧は、ダイオードD7及びコンデンサC7を介して制御回路11に供給される(図10中の(7))。このため、制御回路11が動作を継続することができるので、スイッチQ1nのスイッチング動作を継続して行うことができる。
Also, a voltage is generated in the quaternary winding 5d that is electromagnetically coupled to the primary winding 5a of the transformer Tb, and the generated voltage is supplied to the
次に、時刻t3において、端子bから−15Vの制御信号をスイッチQ1nのゲートに出力する。このため、時刻t3にスイッチQ1nがオフすると、リアクトルL2の電流は流れ続けるため、3次巻線5cの電圧が反転し、これと同時に1次巻線5aの電圧及び2次巻線5bの電圧も反転する。このため、2次巻線5bに電流I2が流れ始めて、ダイオードD11が導通し、負荷RLに電力が供給されるとともに、平滑コンデンサC4が充電される。 Then, at time t 3, and outputs from the terminal b of the control signal of -15V to the gate of the switch Q1n. Therefore, when off switch Q1n is a time t 3, to continue the current reactor L2 flows, tertiary winding 5c voltage is inverted, and at the same time the primary winding 5a of the voltage and the secondary winding 5b of the The voltage is also reversed. Thus, secondary winding and 5b the current I 2 begins to flow, the diode D11 becomes conductive, power is supplied to the load RL, the smoothing capacitor C4 is charged.
また、時刻t3に制御回路11から短絡信号をスイッチS1に出力すると、スイッチS1がオンして(図10中の(8))、突入電流制限抵抗R1の両端が短絡される。このため、突入電流制限抵抗R1の損失を減ずることができる。
Further, when the output from the
なお、時刻t3は、交流電源Vac1をオンしたとき(時刻t0)からの経過時間として設定され、例えば平滑コンデンサC4と突入電流制限抵抗R1との時定数(τ=C4・R1)の約5倍以上の時間に設定される。以後、スイッチQ1nはオン/オフによるスイッチング動作を繰り返す。スイッチQ1nがスイッチング動作を開始した後には、スイッチQ1n及びスイッチQ2は、図1に示す第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置のスイッチQ1,Q2の動作、即ち、図4、図5、図6に示すタイミングチャートに従った動作と同様に動作する。 The time t 3 is about when the turning on the AC power Vac1 is set as the elapsed time from (time t 0), for example, the time constant of the smoothing capacitor C4 and inrush current limiting resistor R1 (τ = C4 · R1) The time is set to 5 times or more. Thereafter, the switch Q1n repeats the switching operation by on / off. After the switch Q1n starts the switching operation, the switch Q1n and the switch Q2 perform the operations of the switches Q1 and Q2 of the switching power supply device according to the first embodiment shown in FIG. 1, that is, FIG. 4, FIG. The operation is similar to the operation according to the timing chart shown in FIG.
このように第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置によれば、制御回路11は、交流電源Vac1がオンされたときに突入電流制限抵抗R1に発生した電圧によりスイッチQ1nをオフさせ、平滑コンデンサC4が充電された後、スイッチQ1nをオン/オフさせるスイッチング動作を開始させるので、電源オン時における問題もなくなる。従って、ノーマリオンタイプの半導体スイッチが使用可能となり、損失の少ない、即ち、高効率なスイッチング電源装置を提供することができる。
As described above, according to the switching power supply device according to the second embodiment, the
本発明のスイッチング電源装置は、DC−DC変換型の電源回路やAC−DC変換型の電源回路に適用可能である。 The switching power supply device of the present invention is applicable to a DC-DC conversion type power supply circuit and an AC-DC conversion type power supply circuit.
Vdc1 直流電源
Vac1 交流電源
B1 全波整流回路
10,11,101,102 制御回路
Q1,Q2,Q1n スイッチ
RL 負荷
C1〜C3 コンデンサ
C4,C11 平滑コンデンサ
S1 スイッチ
T,Tb トランス
5a 1次巻線(n1)
5b 2次巻線(n2)
5c 3次巻線(n3)
5d 4次巻線(n4)
12 起動電源部
13 通常動作電源部
D1,D2,D5,D7,D11 ダイオード
L1〜L3 リアクトル
Vdc1 DC power supply Vac1 AC power supply B1 Full-
C1 to C3 Capacitor C4, C11 Smoothing capacitor S1 Switch T,
5b Secondary winding (n2)
5c Tertiary winding (n3)
5d quaternary winding (n4)
12 Start-up
Claims (8)
交流電源に接続して交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の両端に接続され、第1リアクトルとトランスの3次巻線と前記トランスの1次巻線と主スイッチとが直列に接続された第1直列回路と、
前記トランスの3次巻線と前記1次巻線との接続点と前記トランスの1次巻線と前記主スイッチとの接続点との間に接続され、補助スイッチとスナバコンデンサとが直列に接続された第2直列回路と、
前記トランスの3次巻線と前記1次巻線との接続点と前記整流回路の一端との間に接続された平滑コンデンサと、
前記1次巻線とは逆相に巻回された前記トランスの2次巻線に発生した電圧を整流平滑する整流平滑回路と、
前記主スイッチの両端に接続され、第1ダイオードと第1コンデンサとが並列に接続された第1並列回路と、
前記補助スイッチの両端に接続され、第2ダイオードと第2コンデンサとが並列に接続された第2並列回路と、
前記トランスの1次巻線と前記第2直列回路との間に接続された第2リアクトルと、
前記主スイッチと前記補助スイッチとを交互にオン/オフさせ、前記整流平滑回路の出力電圧と基準電圧とに基づき前記主スイッチのオン幅をPWM制御することにより前記出力電圧を所定電圧に制御する制御回路とを有し、
前記制御回路は、前記主スイッチの電圧がゼロ電圧になった後、前記第1ダイオードが導通期間中に前記主スイッチをオンさせ、前記補助スイッチの電圧がゼロ電圧になった後、前記第2ダイオードが導通期間中に前記補助スイッチをオンさせることを特徴とするスイッチング電源装置。 A switching power supply that inputs alternating current, improves power factor and outputs direct current,
A rectifier circuit that rectifies the AC voltage by connecting to an AC power source;
A first series circuit connected to both ends of the rectifier circuit, wherein a first reactor, a tertiary winding of the transformer, a primary winding of the transformer, and a main switch are connected in series;
Connected between the connection point of the tertiary winding of the transformer and the primary winding and the connection point of the primary winding of the transformer and the main switch, and the auxiliary switch and the snubber capacitor are connected in series. A second series circuit,
A smoothing capacitor connected between a connection point between the tertiary winding and the primary winding of the transformer and one end of the rectifier circuit;
A rectifying / smoothing circuit for rectifying and smoothing a voltage generated in the secondary winding of the transformer wound in a phase opposite to that of the primary winding;
A first parallel circuit connected to both ends of the main switch and having a first diode and a first capacitor connected in parallel;
A second parallel circuit connected to both ends of the auxiliary switch and having a second diode and a second capacitor connected in parallel;
A second reactor connected between the primary winding of the transformer and the second series circuit;
The main switch and the auxiliary switch are alternately turned on / off, and the on-width of the main switch is PWM-controlled based on the output voltage of the rectifying and smoothing circuit and a reference voltage, thereby controlling the output voltage to a predetermined voltage. Control circuit,
The control circuit turns on the main switch while the first diode is in a conduction period after the voltage of the main switch becomes zero voltage, and after the voltage of the auxiliary switch becomes zero voltage, A switching power supply device, wherein the diode turns on the auxiliary switch during a conduction period.
前記主スイッチは、ノーマリオンタイプのスイッチからなり、 The main switch is a normally-on type switch,
前記制御回路は、前記交流電源がオンされたときに前記突入電流制限抵抗に発生した電圧により前記主スイッチをオフさせ、前記平滑コンデンサが充電された後、前記主スイッチをオン/オフさせるスイッチング動作を開始させることを特徴とする請求項1乃至請求項5のいずれか1項記載のスイッチング電源装置。 The control circuit turns off the main switch by a voltage generated in the inrush current limiting resistor when the AC power source is turned on, and turns on / off the main switch after the smoothing capacitor is charged The switching power supply device according to claim 1, wherein the switching power supply device is started.
前記制御回路は、前記主スイッチのスイッチング動作を開始させた後、前記半導体スイッチをオンさせることを特徴とする請求項6又は請求項7記載のスイッチング電源装置。 8. The switching power supply device according to claim 6, wherein the control circuit turns on the semiconductor switch after starting a switching operation of the main switch.
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