JP4427667B2 - Multiphase switching converter and control method thereof - Google Patents

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Description

本発明は、多相式のスイッチングコンバータとその制御方法に関し、より詳しくは、電力効率の向上と低出力電圧リップル特性、インダクタ電流のバランス制御回路の除去を実現するための技術に関する。   The present invention relates to a multiphase switching converter and a control method thereof, and more particularly to a technique for realizing improvement in power efficiency, low output voltage ripple characteristics, and elimination of a balance control circuit for inductor current.

多相式の降圧形コンバータは、出力電圧リップルの低減や、負荷応答特性の向上のために、一般的に用いられている。多相式の降圧形コンバータとは、並列接続された複数の降圧形コンバータから成り、これらのコンバータの位相を所定角度ずらして駆動させることで、上記の特性が得られる。 A polyphase step-down converter is generally used to reduce output voltage ripple and improve load response characteristics. The polyphase step-down converter is composed of a plurality of step-down converters connected in parallel, and the above characteristics can be obtained by driving the phases of these converters while shifting by a predetermined angle.

しかし、多相式コンバータは、入出力電圧の降圧比が大きいほど、並列接続するコンバータ数を増やさなければ低出力電圧リップル特性が得られない。しかも、回路部品の特性のばらつきなどに起因して、各コンバータのインダクタ電流にアンバランスが生じる問題があり、電流をバランスさせる制御回路が必要不可欠となる。
さらに、降圧形コンバータでは、スイッチング転換時に、ドレイン・ソース電圧が、入力電源の電圧から0Vまで変化するため、入力電源電圧が高いほどに、スイッチング損失が増加する。そのため、入出力電圧の降圧比が大きい用途では、著しく電力効率が低下する。
However, in the multiphase converter, as the input / output voltage step-down ratio is larger, the low output voltage ripple characteristic cannot be obtained unless the number of converters connected in parallel is increased. In addition, there is a problem that the inductor current of each converter is unbalanced due to variations in characteristics of circuit components, and a control circuit that balances the current becomes indispensable.
Further, in the step-down converter, the drain-source voltage changes from the voltage of the input power supply to 0 V at the time of switching switching, so that the switching loss increases as the input power supply voltage increases. Therefore, in applications where the step-down ratio of the input / output voltage is large, the power efficiency is significantly reduced.

そこで本発明の特徴は、次の(1)〜(5)の通りである。
(1)、入力電源の正極から負荷の正側端子へ第1のスイッチング素子、入力平滑コンデンサ、第1のインダクタを順に直列接続し、前記負荷の負側端子を入力電源のアースに接続し、前記負荷の正・負側端子両端に出力平滑コンデンサを並列接続し、前記入力平滑コンデンサと第1のインダクタとの中間点と前記入力電源のアースとの間に第1の整流素子を接続し、前記第1のスイッチング素子と入力平滑コンデンサの中間点から前記負荷の正側端子へ順に第2のスイッチング素子、第2のインダクタを接続し、前記第2のスイッチング素子と第2のインダクタの中間点と前記入力電源のアースとの間に第2の整流素子を接続したことを特徴とする多相式のスイッチングコンバータ。
(2)、入力電源の正極から負荷の正側端子へ第1のスイッチング素子、入力平滑コンデンサ、第1のインダクタを順に直列接続し、前記負荷の負側端子を入力電源のアースに接続し、前記負荷の正・負側端子両端に出力平滑コンデンサを並列接続し、前記入力平滑コンデンサと第1のインダクタとの中間点と前記入力電源のアースとの間に第1の整流素子を接続し、前記第1のスイッチング素子と入力平滑コンデンサの中間点から前記負荷の正側端子へ順に第2のスイッチング素子、第2のインダクタを接続し、前記第2のスイッチング素子と第2のインダクタの中間点と前記入力電源のアースとの間に第2の整流素子を接続してスイッチングコンバータを構成し、前記第1及び第2のスイッチング素子を、所定角度の位相差、かつ、所定の時比率で駆動させて、第1の期間において第1のスイッチング素子のみをオンさせ、第2の期間において第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせ、第3の期間において第2のスイッチング素子のみをオンさせ、第4の期間において第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせる一連の制御を繰り返して直流電圧を負荷に供給することを特徴とする多相式のスイッチングコンバータの制御方法。
(3)、入力電源の正極から負荷の正側端子へ第1のスイッチング素子、入力平滑コンデンサ、第1のインダクタを順に直列接続し、前記負荷の負側端子を入力電源のアースに接続し、前記負荷の正・負側端子両端に出力平滑コンデンサを並列接続し、前記入力平滑コンデンサと第1のインダクタとの中間点と前記入力電源のアースとの間に第3のスイッチング素子を接続し、前記第1のスイッチング素子と入力平滑コンデンサの中間点から前記負荷の正側端子へ順に第2のスイッチング素子、第2のインダクタを接続し、前記第2のスイッチング素子と第2のインダクタの中間点と前記入力電源のアースとの間に第4のスイッチング素子を接続したことを特徴とする多相式のスイッチングコンバータ。
(4)、入力電源の正極から負荷の正側端子へ第1のスイッチング素子、入力平滑コンデンサ、第1のインダクタを順に直列接続し、前記負荷の負側端子を入力電源のアースに接続し、前記負荷の正・負側端子両端に出力平滑コンデンサを並列接続し、前記入力平滑コンデンサと第1のインダクタとの中間点と前記入力電源のアースとの間に第3のスイッチング素子を接続し、前記第1のスイッチング素子と入力平滑コンデンサの中間点から前記負荷の正側端子へ順に第2のスイッチング素子、第2のインダクタを接続し、前記第2のスイッチング素子と第2のインダクタの中間点と前記入力電源のアースとの間に第4のスイッチング素子を接続してスイッチングコンバータを構成し、前記第1及び第2のスイッチング素子を、所定角度の位相差、かつ、所定の時比率で駆動させて、第1の期間において第1のスイッチング素子のみをオンさせ、第2の期間において第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせ、第3の期間において第2のスイッチング素子のみをオンさせ、第4の期間において第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせる一連の制御を繰り返すと共に前記第3のスイッチ素子を前記第1のスイッチ素子と交互にスイッチングさせ、前記第4のスイッチ素子を前記第2のスイッチング素子と交互にスイッチングさせて直流電圧を負荷に供給することを特徴とする多相式のスイッチングコンバータの制御方法。
(5)、前記(3)に記載のスイッチングコンバータの第1および第2のインダクタを流れる電流波形が正負に振れるようにし、前記第1のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子のスイッチング転換時に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイム期間を作り、同様に、前記第2のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子のスイッチング転換時に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイム期間を作ることで、零電圧ソフトスイッチングを行うことを特徴とする前記(3)に記載の多相式のスイッチングコンバータの制御方法。
Therefore, the features of the present invention are as follows (1) to (5).
(1) The first switching element, the input smoothing capacitor, and the first inductor are connected in series in this order from the positive terminal of the input power source to the positive terminal of the load, and the negative terminal of the load is connected to the ground of the input power source. An output smoothing capacitor is connected in parallel to both ends of the positive and negative terminals of the load, and a first rectifier is connected between an intermediate point between the input smoothing capacitor and the first inductor and the ground of the input power source, A second switching element and a second inductor are sequentially connected from an intermediate point between the first switching element and the input smoothing capacitor to a positive terminal of the load, and an intermediate point between the second switching element and the second inductor. And a second rectifying element connected between the input power source and the ground of the input power source.
(2) The first switching element, the input smoothing capacitor, and the first inductor are connected in series from the positive electrode of the input power supply to the positive terminal of the load, and the negative terminal of the load is connected to the ground of the input power supply. An output smoothing capacitor is connected in parallel to both ends of the positive and negative terminals of the load, and a first rectifier is connected between an intermediate point between the input smoothing capacitor and the first inductor and the ground of the input power source, A second switching element and a second inductor are sequentially connected from an intermediate point between the first switching element and the input smoothing capacitor to a positive terminal of the load, and an intermediate point between the second switching element and the second inductor. It said between ground of the input power supply by connecting a second rectifier element constitutes the switching converter, the first and second switching elements, the phase difference of a predetermined angle, and, at a given time The first switching element is turned on in the first period, both the first and second switching elements are turned off in the second period, and the second switching element is turned on in the third period. A control method for a multiphase switching converter, wherein a DC voltage is supplied to a load by repeating a series of controls in which only the first switching element is turned on and both the first and second switching elements are turned off in the fourth period. .
(3) The first switching element, the input smoothing capacitor, and the first inductor are connected in series in this order from the positive terminal of the input power source to the positive terminal of the load, and the negative terminal of the load is connected to the ground of the input power source. An output smoothing capacitor is connected in parallel across the positive and negative terminals of the load, and a third switching element is connected between an intermediate point between the input smoothing capacitor and the first inductor and the ground of the input power source, A second switching element and a second inductor are sequentially connected from an intermediate point between the first switching element and the input smoothing capacitor to a positive terminal of the load, and an intermediate point between the second switching element and the second inductor. And a ground of the input power source, a fourth switching element is connected.
(4) The first switching element, the input smoothing capacitor, and the first inductor are connected in series from the positive electrode of the input power source to the positive terminal of the load, and the negative terminal of the load is connected to the ground of the input power source. An output smoothing capacitor is connected in parallel across the positive and negative terminals of the load, and a third switching element is connected between an intermediate point between the input smoothing capacitor and the first inductor and the ground of the input power source, A second switching element and a second inductor are sequentially connected from an intermediate point between the first switching element and the input smoothing capacitor to a positive terminal of the load, and an intermediate point between the second switching element and the second inductor. fourth connecting the switching elements constituting the switching converter, the first and second switching elements, the phase difference of a predetermined angle between the ground of the input power supply In addition, driving at a predetermined time ratio, only the first switching element is turned on in the first period, both the first and second switching elements are turned off in the second period, and in the third period, A series of control is repeated in which only the second switching element is turned on and both the first and second switching elements are turned off in the fourth period, and the third switch element is alternately arranged with the first switch element. A control method for a multi-phase switching converter, wherein switching is performed and the fourth switching element is alternately switched with the second switching element to supply a DC voltage to a load.
(5) The current waveform flowing through the first and second inductors of the switching converter according to (3) is allowed to swing positive and negative, and at the time of switching switching between the first switching element and the third switching element, By creating a dead time period during which both switching elements are turned off, and similarly, by creating a dead time period during which both switching elements are turned off when switching between the second switching element and the fourth switching element. The method for controlling a multi-phase switching converter according to (3), wherein zero voltage soft switching is performed.

本発明の多相式のスイッチングコンバータの制御方法は、従来の多相式の降圧形コンバータに比べて、2倍の降圧比が得られ、スイッチング損失が少なくなると共に、出力電圧リップルも小さくできる。さらに、各相を流れるインダクタ電流が、自動的にバランスされるため、電流バランスのための制御回路が不要である。なお、本発明の多相式のスイッチングコンバータ制御方法は、従来の多相式の降圧形コンバータに、コンデンサを1個追加しただけの部品数で実現可能である。 The control method of the multiphase switching converter according to the present invention can provide a step-down ratio that is twice that of a conventional multiphase step-down converter, thereby reducing switching loss and output voltage ripple. Furthermore, since the inductor current flowing through each phase is automatically balanced, a control circuit for current balancing is unnecessary. Note that the multi-phase switching converter control method of the present invention can be realized with the number of components required to add one capacitor to the conventional multi-phase step-down converter.

即ち本発明(1)における多相式降圧形コンバータは、新たに追加した、コンデンサが入力電圧を半分に分圧するため、見かけ上、コンバータが入力電源電圧の半分で動作しているかのように振舞う。この作用によって、スイッチング損失や出力電圧リップルが低減される。また、このコンデンサの電圧は、コンバータ内の各インダクタを流れる電流をバランスさせる様に自動的に変化するため、電流バランスのための制御回路が不要となる。
また本発明(2)は、前記のように第1及び第2のスイッチング素子を、所定の角度好ましくは180度の位相差、かつ、所定の時比率好ましくは時比率D≦0.5で駆動することで、第1の期間において、第1のスイッチング素子のみをオンさせ、第2の期間において、第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせ、第3の期間において、第2のスイッチング素子のみをオンさせ、第4の期間において、第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせる制御を繰り返すことにより、前記入力平滑コンデンサに電源電圧の約半分の電圧を生成し、前記第1の期間において、前記第1のインダクタに前記入力電源の電圧から前記入力コンデンサと出力平滑コンデンサの電圧を引いた電圧を加え、前記第2から第4の期間において、第1のインダクタに、前記出力平滑コンデンサの電圧を前記第1の期間とは逆方向に印加し、一方、前記第3の期間において、前記第2のインダクタに、前記入力コンデンサから前記出力平滑コンデンサの端子電圧を引いた電圧を加え、前記第1、第2及び第4の期間において、第2のインダクタに前記出力平滑コンデンサの電圧を前記第3の期間とは逆方向に加えることで、前記第1及び第2のインダクタに、例えば2相の三角波電流波形を誘導し、前記2相の三角波電流波形が、前記出力平滑コンデンサによって平滑されることにより、直流電圧を負荷に供給するものである。
また、前記第1の整流素子を第3のスイッチング素子とし、前記第2の整流素子を第4のスイッチング素子として、しかも前記第3のスイッチング素子を前記第1のスイッチング素子と交互にスイッチングさせ、前記第4のスイッチング素子を前記第2のスイッチング素子と交互にスイッチングさせても同様の制御の作用効果が得られる。
That is, the polyphase step-down converter according to the present invention (1) has a newly added capacitor that divides the input voltage by half, so that it apparently behaves as if the converter is operating at half the input power supply voltage. . This action reduces switching loss and output voltage ripple. Further, since the voltage of the capacitor automatically changes so as to balance the currents flowing through the inductors in the converter, a control circuit for current balance is not necessary.
In the invention (2), as described above, the first and second switching elements are driven at a predetermined angle, preferably a phase difference of 180 degrees, and at a predetermined time ratio, preferably a time ratio D ≦ 0.5. Thus, only the first switching element is turned on in the first period, both the first and second switching elements are turned off in the second period, and only the second switching element is turned on in the third period. Is turned on, and in the fourth period, by repeating the control to turn off both the first and second switching elements, a voltage about half of the power supply voltage is generated in the input smoothing capacitor, and the first period Then, a voltage obtained by subtracting the voltage of the input capacitor and the output smoothing capacitor from the voltage of the input power source is added to the first inductor, and the first inductor is applied during the second to fourth periods. The voltage of the output smoothing capacitor is applied to the inductor in the direction opposite to the first period, while in the third period, the terminal voltage of the output smoothing capacitor is applied to the second inductor from the input capacitor. In the first, second and fourth periods, the voltage of the output smoothing capacitor is applied to the second inductor in the direction opposite to that in the third period. For example, a two-phase triangular wave current waveform is induced in the second inductor, and the two-phase triangular wave current waveform is smoothed by the output smoothing capacitor to supply a DC voltage to the load.
The first rectifying element is a third switching element, the second rectifying element is a fourth switching element, and the third switching element is alternately switched with the first switching element, Even if the fourth switching element is alternately switched with the second switching element, the same effect of control can be obtained.

また、前記2相式のスイッチングコンバータの2相の励磁電流波形が正負に振れるようにし、前記第1のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子のスイッチング転換時に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイム期間を作り、同様に、前記第2のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子のスイッチング転換時に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイム期間を作ってもよい。これにより零電圧ソフトスイッチングが実現できる。 In addition, the two-phase excitation current waveform of the two-phase switching converter swings positively and negatively so that both switching elements are turned off at the time of switching switching between the first switching element and the third switching element. A time period may be created, and similarly, a dead time period in which both switching elements are turned off at the time of switching between the second switching element and the fourth switching element may be created. Thereby, zero voltage soft switching can be realized.

本発明における多相式のスイッチングコンバータの構成する具体的な回路構成例は複数存在しており、以下で述べる回路例に限定されるものではない。 There are a plurality of specific circuit configuration examples of the polyphase switching converter in the present invention, and the present invention is not limited to the circuit examples described below.

図1に本発明における多相式のスイッチングコンバータ例として2相式スイッチングコンバータの回路図を示す。本例コンバータの回路構成が、従来の2相式の降圧形コンバータと異なる点は、1相目の降圧形コンバータのメインスイッチと直列に入力平滑コンデンサCiが直列接続され、この接続点に、もう1相目の降圧形コンバータの入力正側端子が接続されている点である。1相目の降圧形コンバータは、MOSFETである第1メインスイッチング素子Sa、整流素子であるダイオードDa、及び、インダクタLaから成り、2相目の降圧形コンバータは、第2メインスイッチング素子Sb、ダイオードDb、及び、インダクタLbから成る。なお、Coは出力平滑コンデンサ、Viは入力直流電源、Rは負荷である。制御部は、PWM(Pulse Width Modulator)と、ドライバDriverとを含む。 FIG. 1 shows a circuit diagram of a two-phase switching converter as an example of a multi-phase switching converter according to the present invention. The circuit configuration of the converter of this example is different from the conventional two-phase step-down converter in that an input smoothing capacitor Ci is connected in series with the main switch of the first-phase step-down converter. The input positive terminal of the step-down converter of the first phase is connected. The first-phase step-down converter includes a first main switching element Sa that is a MOSFET, a diode Da that is a rectifying element, and an inductor La, and the second-phase step-down converter includes a second main switching element Sb and a diode. It consists of Db and inductor Lb. Co is an output smoothing capacitor, Vi is an input DC power supply, and R is a load. The control unit includes a PWM (Pulse Width Modulator) and a driver Driver.

入力直流電源の正極Eiは、第1メインスイッチング素子Saのドレインと接続され、第1メインスイッチング素子Saのソースは、入力平滑コンデンサCiの一端と接続され、入力平滑コンデンサCiの他端は、インダクタLaの一端と接続され、インダクタLaの他端は、負荷Rの一端と接続され、負荷Rの他端は入力直流電源Eiの負極と接続される。また、ダイオードDaのアノードは、入力平滑コンデンサCiとインダクタの接続点に接続され、ダイオードDaのカソードは、入力直流電源Eiの負極と接続される。第2メインスイッチング素子Sbのドレインは、第1メインスイッチング素子Saのソースと入力平滑コンデンサCiの接続点に接続され、第2メインスイッチ素子SbのソースはインダクタLbの一端と接続され、インダクタLbの他端は、インダクタLaと負荷Rの接続点に接続される。また、ダイオードDbのアノードは、第2メインスイッチング素子SbとインダクタLbの一端の接続点に接続され、ダイオードDbのカソードは、入力直流電源Eiの負極に接続される。 The positive electrode Ei of the input DC power supply is connected to the drain of the first main switching element Sa, the source of the first main switching element Sa is connected to one end of the input smoothing capacitor Ci, and the other end of the input smoothing capacitor Ci is the inductor The other end of the inductor La is connected to one end of the load R, and the other end of the load R is connected to the negative electrode of the input DC power supply Ei. The anode of the diode Da is connected to the connection point between the input smoothing capacitor Ci and the inductor, and the cathode of the diode Da is connected to the negative electrode of the input DC power supply Ei. The drain of the second main switching element Sb is connected to the connection point between the source of the first main switching element Sa and the input smoothing capacitor Ci, and the source of the second main switching element Sb is connected to one end of the inductor Lb. The other end is connected to a connection point between the inductor La and the load R. The anode of the diode Db is connected to a connection point between one end of the second main switching element Sb and the inductor Lb, and the cathode of the diode Db is connected to the negative electrode of the input DC power supply Ei.

Figure 0004427667
Figure 0004427667

図2〜図4に本実施例の各スイッチング状態における等価回路を示し、図5に回路各部の電圧電流波形を示す。

Figure 0004427667
2 to 4 show an equivalent circuit in each switching state of this embodiment, and FIG. 5 shows voltage and current waveforms of each part of the circuit.
Figure 0004427667

先ず、状態aでは、図2に示す等価回路のように、第1メインスイッチング素子Saがオン、第2メインスイッチング素子Sbがオフとなり、インダクタLaが、入力直流電源Ei、入力平滑コンデンサCi、出力平滑コンデンサCoと連結される。これにより、入力直流電源EiからインダクタLaにエネルギーが蓄積されると共に、インダクタ電流iLaが線形的に増加する。なお、この状態におけるインダクタ電流の変化量ΔiLaONは、次式で表される。 First, in the state a, as in the equivalent circuit shown in FIG. 2, the first main switching element Sa is turned on and the second main switching element Sb is turned off, and the inductor La includes the input DC power supply Ei, the input smoothing capacitor Ci, and the output. Connected to smoothing capacitor Co. Thereby, energy is accumulated in the inductor La from the input DC power supply Ei, and the inductor current iLa increases linearly. Note that the change amount ΔiLaON of the inductor current in this state is expressed by the following equation.

Figure 0004427667
状態b〜cでは、図3、図4に示す等価回路のように、第1メインスイッチング素子Saがオフとなり、インダクタLaが、出力平滑コンデンサCoと連結される。これにより、インダクタLaに蓄えられているエネルギーが出力平滑コンデンサCoへ供給されると共に、インダクタ電流iLaが線形的に減少する。なお、この状態におけるインダクタ電流の変化量ΔiLaOFFは、次式で表される。
Figure 0004427667
In states b to c, as in the equivalent circuits shown in FIGS. 3 and 4, the first main switching element Sa is turned off, and the inductor La is connected to the output smoothing capacitor Co. As a result, the energy stored in the inductor La is supplied to the output smoothing capacitor Co and the inductor current iLa decreases linearly. Note that the change amount ΔiLaOFF of the inductor current in this state is expressed by the following equation.

Figure 0004427667
一方、状態cでは、図4に示す等価回路のように、第1メインスイッチング素子Saがオフ、第2メインスイッチング素子Sbがオンとなり、第2メインスイッチング素子SbとダイオードDaを通して、インダクタLbが、入力平滑コンデンサCiと出力平滑コンデンサCoに連結される。これにより、入力平滑コンデンサCiからインダクタLbにエネルギーが蓄積されると共に、インダクタ電流iLaが線形的に増加する。なお、この状態におけるインダクタ電流の変化量ΔiLbONは、次式で表される。
Figure 0004427667
On the other hand, in the state c, as in the equivalent circuit shown in FIG. 4, the first main switching element Sa is turned off, the second main switching element Sb is turned on, and the inductor Lb is passed through the second main switching element Sb and the diode Da. The input smoothing capacitor Ci and the output smoothing capacitor Co are connected. Thereby, energy is accumulated in the inductor Lb from the input smoothing capacitor Ci, and the inductor current iLa increases linearly. Note that the amount of change ΔiLbON of the inductor current in this state is expressed by the following equation.

Figure 0004427667
状態a、b、dでは、図2、図3に示す等価回路のように、第2メインスイッチング素子Sbがオフとなり、インダクタLbが、出力平滑コンデンサCoと連結される。これにより、インダクタLbに蓄えられているエネルギーが出力平滑コンデンサCoへ供給されると共に、インダクタ電流iLbが線形的に減少する。なお、この状態におけるインダクタ電流の変化量ΔiLbOFFは、次式で表される。
Figure 0004427667
In states a, b, and d, as in the equivalent circuits shown in FIGS. 2 and 3, the second main switching element Sb is turned off, and the inductor Lb is connected to the output smoothing capacitor Co. As a result, the energy stored in the inductor Lb is supplied to the output smoothing capacitor Co, and the inductor current iLb decreases linearly. Note that the change amount ΔiLbOFF of the inductor current in this state is expressed by the following equation.

Figure 0004427667
定常状態では、式(1)と(2)の和は零となるため、次式が得られる。
Figure 0004427667
In the steady state, the sum of equations (1) and (2) is zero, so the following equation is obtained.

Figure 0004427667
同様に、式(3)と(4)の和も零となるため、次式が得られる。
Figure 0004427667
Similarly, since the sum of equations (3) and (4) is also zero, the following equation is obtained.

Figure 0004427667
式(5)、(6)より、入力平滑コンデンサの電圧Vciは、次式で求められる。
Figure 0004427667
From the equations (5) and (6), the voltage Vci of the input smoothing capacitor is obtained by the following equation.

Figure 0004427667
式(5)、(7)から、入出力電圧の変換率(Eo/Ei )は、次の式として求められる。
Figure 0004427667
From Expressions (5) and (7), the input / output voltage conversion rate (Eo / Ei) is obtained as the following expression.

Figure 0004427667
式(8)から分かるように、本発明における2相式のスイッチングコンバータは、従来の降圧形コンバータの2倍の降圧比を得ることが可能である。したがって、メインスイッチのング素子オン時間を2倍取れるため、出力電流リップルが低減できる。また、図5に示すように、各状態の転換時において、メインスイッチング素子とダイオードの両端電圧の変化幅は、入力電源電圧の半分であるため、スイッチング損失が低減される。
Figure 0004427667
As can be seen from the equation (8), the two-phase switching converter according to the present invention can obtain a step-down ratio that is twice that of the conventional step-down converter. Therefore, since the on-time of the main switch can be doubled, the output current ripple can be reduced. Also, as shown in FIG. 5, the change width of the voltage across the main switching element and the diode is half of the input power supply voltage at each state change, so that the switching loss is reduced.

Figure 0004427667
Figure 0004427667

Figure 0004427667
また、入出力電圧の変換比は次式に書き換えられる。
Figure 0004427667
In addition, the input / output voltage conversion ratio can be rewritten as:

Figure 0004427667
この入力平滑コンデンサ電圧VCiの変化により、自動的に、インダクタ電流の平均値が負荷電流の半分(Io/2 )にバランスされる。
Figure 0004427667
Due to the change in the input smoothing capacitor voltage VCi, the average value of the inductor current is automatically balanced to half the load current (Io / 2).

スイッチング電源では通常、整流素子にダイオードを用いているが、この整流用ダイオードは、少なくとも0.5Vの順方向電圧降下が生じるため、低電圧電源においては、大幅に電力効率が低下してしまう。よって、低電圧出力の場合には、整流用ダイオードの代わりに半導体スイッチング素子を用い、メインスイッチング素子と交互にオン・オフさせる同期整流方式が有効である。この場合、FETのオン抵抗は数mΩと小さいため、電源効率を大幅に改善できる。
そこで、図1に示した回路の整流素子であるダイオードを図6に示すように同期整流用のスイッチング素子に置き換えることも可能である。すなわち、図1と異なり、ダイオードDaの代わりに第3メインスイッチング素子(同期整流スイッチ)Sraが設けられ、入力平滑コンデンサCiとインダクタLaの接続点に第3メインスイッチング素子(同期整流スイッチ素子)SRaのドレインが接続され、第3メインスイッチング素子SRaのソースは、入力直流電源Eiの負極に接続される。一方、ダイオードDbの代わりに第4メインスイッチング素子(同期整流スイッチ素子)SRbが設けられ、第1メインスイッチング素子SaとインダクタLaの接続点に第4メインスイッチング素子SRbのドレインが接続され、第4メインスイッチング素子SRbのソースは、入力直流電源Eiの負極に接続される。
In a switching power supply, a diode is normally used as a rectifying element, but this rectifying diode has a forward voltage drop of at least 0.5 V, so that the power efficiency is greatly reduced in a low-voltage power supply. Therefore, in the case of a low voltage output, a synchronous rectification method using a semiconductor switching element instead of a rectifying diode and alternately turning on and off with the main switching element is effective. In this case, since the on-resistance of the FET is as small as several mΩ, the power supply efficiency can be greatly improved.
Therefore, the diode which is the rectifying element of the circuit shown in FIG. 1 can be replaced with a switching element for synchronous rectification as shown in FIG. That is, unlike FIG. 1, a third main switching element (synchronous rectification switch) Sra is provided instead of the diode Da, and the third main switching element (synchronous rectification switching element) SRa is provided at the connection point between the input smoothing capacitor Ci and the inductor La. The drain of the third main switching element SRa is connected to the negative electrode of the input DC power supply Ei. On the other hand, a fourth main switching element (synchronous rectification switching element) SRb is provided instead of the diode Db, and the drain of the fourth main switching element SRb is connected to the connection point of the first main switching element Sa and the inductor La. The source of the main switching element SRb is connected to the negative electrode of the input DC power supply Ei.

Figure 0004427667
Figure 0004427667

図7の模式図に示すように、FETメインスイッチング素子Sa、Sb、SRa、SRbは、寄生容量CSa、CSb、CSRa、CSRbを持つ。そのため、スイッチング素子がオフの期間中に寄生容量に蓄えられていたエネルギーが、スイッチがオンした瞬間に短絡電流として放電され、スイッチングサージと電力損失を生み出す。このスイッチング転換時の問題を解決するために、実施例2の回路にソフトスイッチングと呼ばれる技術を適用する。ソフトスイッチングを実現するには、図8に示すように、状態aと状態bの間に状態a'という第1メインスイッチング素子Sa及び第3メインスイッチング素子SRaが両方ともオフとなる期間と、状態bと状態cの間に状態b'という第2メインスイッチング素子Sb及び第4メインスイッチング素子SRbが両方ともオフとなる期間と、状態cと状態dの間に状態c'という第2メインスイッチング素子Sb及び第4メインスイッチング素子SRbが両方ともオフとなる期間と、状態dと状態aの間に状態d'という第1メインスイッチング素子Sa及び第3メインスイッチング素子SRaが両方ともオフとなる期間とを、デッドタイムとして設け、なおかつ、図8に示すようにインダクタの三角波状のインダクタ電流iLa、とiLbが、常に正負に振れるようにインダクタンスを設定すれば、ソフトスイッチングが可能となる。
上記のように、本実施の形態では、特別な部品などを追加することなく、デッドタイム期間a'、b'、c'及びd'において上記のようなスイッチング状態を生成することで実現できる。
As shown in the schematic diagram of FIG. 7, the FET main switching elements Sa, Sb, SRa, SRb have parasitic capacitances CSa, CSb, CSRa, CSRb. Therefore, the energy stored in the parasitic capacitance during the period when the switching element is off is discharged as a short-circuit current at the moment when the switch is turned on, generating a switching surge and power loss. In order to solve this switching problem, a technique called soft switching is applied to the circuit of the second embodiment. In order to realize soft switching, as shown in FIG. 8, a state a ′ between a state a and a state b, a period in which both the first main switching element Sa and the third main switching element SRa are turned off, a second main switching element called state c ′ between the state c and the state d, and a state where both the second main switching element Sb and the fourth main switching element SRb called the state b ′ are turned off between b and the state c A period during which both Sb and the fourth main switching element SRb are off, and a period during which both the first main switching element Sa and the third main switching element SRa are in the state d ′ between the state d and the state a. If the inductance is set so that the triangular wave inductor currents iLa and iLb of the inductor always swing positive and negative as shown in FIG. Shift switching is possible.
As described above, this embodiment can be realized by generating the switching state as described above in the dead time periods a ′, b ′, c ′, and d ′ without adding any special components.

Figure 0004427667
Figure 0004427667

図6に示した本実施の形態を評価するために、以下の回路パラメータで実験を行った。
Ei : 12 V 、Eo : 1.2 V、Ci : 100mF、Co : 500mF、La, Lb : 0.45mH、
スイッチング周波数 : 250 kHz。
図12に、時比率に対する出力電圧の関係を示す。12Vの入力電圧に対して、出力電圧は、時比率の半分に比例して降圧されていることが分かる。図13に、従来の2相式降圧形コンバータとの効率の比較を示す。なお、この実験では、時比率を調整し、出力電圧をEo:1.2Vに固定している。この条件の下、効率は、特に軽負荷時に改善されており5%前後の改善が見られた。また、効率は、特に軽負荷時に改善されており5%前後の改善が見られている。重負荷時においても2%の効率改善が確認された。図14に、第1・第2メインスイッチング素子(同期整流スイッチ素子)のドレイン・ソース間電圧波形を示す。スイッチの電圧は、約6Vであり、入力電源電圧の半分であることが分かる。
図15に、図1の2相方式を3相に拡張した場合の回路図を示す。この場合、2相目の降圧形コンバータのメインスイッチSbと直列に入力平滑コンデンサCibを接続し、3相目の降圧形コンバータの入力端子を、入力平滑コンデンサCibとメインスイッチSbとの中間点に接続すればよい。なお、3相の場合は、各スイッチを90度の位相差でスイッチングさせ、時比率は0から約0.33の範囲内で利用する。また、同様の原理で、本方式は、さらに多相化することも可能である。図16は、4相の場合を示す。
In order to evaluate the present embodiment shown in FIG. 6, an experiment was conducted with the following circuit parameters.
Ei: 12 V, Eo: 1.2 V, Ci: 100mF, Co: 500mF, La, Lb: 0.45mH,
Switching frequency: 250 kHz.
FIG. 12 shows the relationship of the output voltage with respect to the duty ratio. It can be seen that for an input voltage of 12V, the output voltage is stepped down in proportion to half the time ratio. FIG. 13 shows a comparison of efficiency with a conventional two-phase step-down converter. In this experiment, the duty ratio is adjusted and the output voltage is fixed at Eo: 1.2V. Under this condition, the efficiency was improved especially at light loads, and an improvement of around 5% was observed. Further, the efficiency is improved particularly at light loads, and an improvement of about 5% is observed. An efficiency improvement of 2% was confirmed even under heavy load. FIG. 14 shows drain-source voltage waveforms of the first and second main switching elements (synchronous rectification switching elements). It can be seen that the voltage of the switch is about 6V, which is half of the input power supply voltage.
FIG. 15 shows a circuit diagram when the two-phase method of FIG. 1 is expanded to three phases. In this case, the input smoothing capacitor Cib is connected in series with the main switch Sb of the step-down converter of the second phase, and the input terminal of the step-down converter of the third phase is connected to the intermediate point between the input smoothing capacitor Cib and the main switch Sb. Just connect. In the case of three phases, each switch is switched with a phase difference of 90 degrees, and the duty ratio is used in the range of 0 to about 0.33. Further, based on the same principle, the present system can be further multiphased. FIG. 16 shows the case of four phases.

多相式のコンバータは、出力電圧リップルの低減や負荷応答特性の高速化が可能である等の理由から、ディジタルIC用電源に利用されている。本発明は、前記手段とする2相式の降圧形コンバータの制御によって、スイッチング損失の削減、出力電圧リップルの低減、インダクタ電流のバランス回路の除去が可能となるため、該ディジタルIC用電源装置などの製造産業に多大な貢献を呈するものである。 A polyphase converter is used for a power supply for digital IC because it can reduce output voltage ripple and speed up load response characteristics. In the present invention, the control of the two-phase step-down converter as the above means makes it possible to reduce switching loss, output voltage ripple, and inductor current balance circuit. It makes a great contribution to the manufacturing industry.

実施例1おける回路図である。FIG. 2 is a circuit diagram in Example 1. 実施例1おける回路の状態aにおける等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit in the state a of the circuit in Example 1. FIG. 実施例1おける回路の状態b及びdにおける等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit in the states b and d of the circuit in Example 1. FIG. 実施例1おける回路の状態cにおける等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit in the state c of the circuit in Example 1. FIG. 回路各部の電圧電流波形図である。It is a voltage-current waveform diagram of each part of the circuit. 実施例2おける回路図である。6 is a circuit diagram in Example 2. FIG. 実施例2おける回路のFETの寄生成分の模式図である。It is a schematic diagram of the parasitic component of FET of the circuit in Example 2. FIG. 実施例2おける回路におけるソフトスイッチングを行う際の電圧電流波形図である。It is a voltage-current waveform figure at the time of performing soft switching in the circuit in Example 2. FIG. 実施例2における回路のソフトスイッチングを行う際の状態dにおける等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit in the state d at the time of performing soft switching of the circuit in Example 2. FIG. 実施例2における回路のソフトスイッチングを行う際のデッドタイム期間d'における等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit in dead time period d 'at the time of performing the soft switching of the circuit in Example 2. FIG. 実施例4における回路のソフトスイッチングを行う際の状態aにおける等価回路を示す図である。It is a figure which shows the equivalent circuit in the state a at the time of performing soft switching of the circuit in Example 4. 実施例2における回路の時比率と出力電圧との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the duty ratio of the circuit in Example 2, and an output voltage. 実施例2における回路と状来の2相式降圧形コンバータの電力効率を比較した図である。It is the figure which compared the power efficiency of the circuit in Example 2, and the conventional 2-phase step-down converter. 実施例2における回路と状来の同期整流スイッチのドレイン・ソース間電圧を示す図である。It is a figure in Example 2 and shows the drain-source voltage of the conventional synchronous rectification switch. 図1の2相方式を3相に拡張した場合の回路図である。It is a circuit diagram at the time of extending the 2 phase system of FIG. 1 to 3 phases. 図1の2相方式を4相に拡張した場合の回路図である。It is a circuit diagram at the time of extending the 2 phase system of FIG. 1 to 4 phases.

符号の説明Explanation of symbols

Ei 入力直流電源
Sa、Sb、 SRa、SRb 第1〜第4メインスイッチング素子
Ci、 Co コンデンサ
La、Lb インダクタ
Da、Db ダイオード
R 負荷
Ei input DC power supply
Sa, Sb, SRa, SRb 1st to 4th main switching elements
Ci, Co capacitors
La, Lb inductor
Da, Db diode
R load

Claims (5)

入力電源の正極から負荷の正側端子へ第1のスイッチング素子、入力平滑コンデンサ、第1のインダクタを順に直列接続し、前記負荷の負側端子を入力電源のアースに接続し、前記負荷の正・負側端子両端に出力平滑コンデンサを並列接続し、前記入力平滑コンデンサと第1のインダクタとの中間点と前記入力電源のアースとの間に第1の整流素子を接続し、前記第1のスイッチング素子と入力平滑コンデンサの中間点から前記負荷の正側端子へ順に第2のスイッチング素子、第2のインダクタを接続し、前記第2のスイッチング素子と第2のインダクタの中間点と前記入力電源のアースとの間に第2の整流素子を接続したことを特徴とする多相式のスイッチングコンバータ。 A first switching element, an input smoothing capacitor, and a first inductor are connected in series in this order from the positive terminal of the input power source to the positive terminal of the load, and the negative terminal of the load is connected to the ground of the input power source. An output smoothing capacitor is connected in parallel to both ends of the negative terminal, a first rectifier element is connected between an intermediate point between the input smoothing capacitor and the first inductor and the ground of the input power source, and the first A second switching element and a second inductor are connected in order from an intermediate point between the switching element and the input smoothing capacitor to the positive terminal of the load, and an intermediate point between the second switching element and the second inductor and the input power source A multiphase switching converter, characterized in that a second rectifying element is connected to the ground. 入力電源の正極から負荷の正側端子へ第1のスイッチング素子、入力平滑コンデンサ、第1のインダクタを順に直列接続し、前記負荷の負側端子を入力電源のアースに接続し、前記負荷の正・負側端子両端に出力平滑コンデンサを並列接続し、前記入力平滑コンデンサと第1のインダクタとの中間点と前記入力電源のアースとの間に第1の整流素子を接続し、前記第1のスイッチング素子と入力平滑コンデンサの中間点から前記負荷の正側端子へ順に第2のスイッチング素子、第2のインダクタを接続し、前記第2のスイッチング素子と第2のインダクタの中間点と前記入力電源のアースとの間に第2の整流素子を接続してスイッチングコンバータを構成し、前記第1及び第2のスイッチング素子を、所定角度の位相差、かつ、所定の時比率で駆動させて、第1の期間において第1のスイッチング素子のみをオンさせ、第2の期間において第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせ、第3の期間において第2のスイッチング素子のみをオンさせ、第4の期間において第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせる一連の制御を繰り返して直流電圧を負荷に供給することを特徴とする多相式のスイッチングコンバータの制御方法。 A first switching element, an input smoothing capacitor, and a first inductor are connected in series in this order from the positive terminal of the input power source to the positive terminal of the load, and the negative terminal of the load is connected to the ground of the input power source. An output smoothing capacitor is connected in parallel to both ends of the negative terminal, a first rectifier element is connected between an intermediate point between the input smoothing capacitor and the first inductor and the ground of the input power source, and the first A second switching element and a second inductor are connected in order from an intermediate point between the switching element and the input smoothing capacitor to the positive terminal of the load, and an intermediate point between the second switching element and the second inductor and the input power source second by connecting a rectifier element constitutes the switching converter, the first and second switching elements, the phase difference of a predetermined angle, and a predetermined duty ratio between the ground Driving, only the first switching element is turned on in the first period, both the first and second switching elements are turned off in the second period, and only the second switching element is turned on in the third period. A control method for a multi-phase switching converter, characterized in that a DC voltage is supplied to a load by repeating a series of controls to turn on and turn off both the first and second switching elements in a fourth period. 入力電源の正極から負荷の正側端子へ第1のスイッチング素子、入力平滑コンデンサ、第1のインダクタを順に直列接続し、前記負荷の負側端子を入力電源のアースに接続し、前記負荷の正・負側端子両端に出力平滑コンデンサを並列接続し、前記入力平滑コンデンサと第1のインダクタとの中間点と前記入力電源のアースとの間に第3のスイッチング素子を接続し、前記第1のスイッチング素子と入力平滑コンデンサの中間点から前記負荷の正側端子へ順に第2のスイッチング素子、第2のインダクタを接続し、前記第2のスイッチング素子と第2のインダクタの中間点と前記入力電源のアースとの間に第4のスイッチング素子を接続したことを特徴とする多相式のスイッチングコンバータ。 A first switching element, an input smoothing capacitor, and a first inductor are connected in series in this order from the positive terminal of the input power source to the positive terminal of the load, and the negative terminal of the load is connected to the ground of the input power source. An output smoothing capacitor is connected in parallel across the negative terminal, a third switching element is connected between an intermediate point between the input smoothing capacitor and the first inductor and the ground of the input power source, A second switching element and a second inductor are connected in order from an intermediate point between the switching element and the input smoothing capacitor to the positive terminal of the load, and an intermediate point between the second switching element and the second inductor and the input power source A multi-phase switching converter, wherein a fourth switching element is connected to the ground. 入力電源の正極から負荷の正側端子へ第1のスイッチング素子、入力平滑コンデンサ、第1のインダクタを順に直列接続し、前記負荷の負側端子を入力電源のアースに接続し、前記負荷の正・負側端子両端に出力平滑コンデンサを並列接続し、前記入力平滑コンデンサと第1のインダクタとの中間点と前記入力電源のアースとの間に第3のスイッチング素子を接続し、前記第1のスイッチング素子と入力平滑コンデンサの中間点から前記負荷の正側端子へ順に第2のスイッチング素子、第2のインダクタを接続し、前記第2のスイッチング素子と第2のインダクタの中間点と前記入力電源のアースとの間に第4のスイッチング素子を接続してスイッチングコンバータを構成し、前記第1及び第2のスイッチング素子を、所定角度の位相差、かつ、所定の時比率で駆動させて、第1の期間において第1のスイッチング素子のみをオンさせ、第2の期間において第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせ、第3の期間において第2のスイッチング素子のみをオンさせ、第4の期間において第1及び第2のスイッチング素子を両方ともオフさせる一連の制御を繰り返すと共に前記第3のスイッチ素子を前記第1のスイッチ素子と交互にスイッチングさせ、前記第4のスイッチ素子を前記第2のスイッチング素子と交互にスイッチングさせて直流電圧を負荷に供給することを特徴とする多相式のスイッチングコンバータの制御方法。 A first switching element, an input smoothing capacitor, and a first inductor are connected in series in this order from the positive terminal of the input power source to the positive terminal of the load, and the negative terminal of the load is connected to the ground of the input power source. An output smoothing capacitor is connected in parallel across the negative terminal, a third switching element is connected between an intermediate point between the input smoothing capacitor and the first inductor and the ground of the input power source, A second switching element and a second inductor are connected in order from an intermediate point between the switching element and the input smoothing capacitor to the positive terminal of the load, and an intermediate point between the second switching element and the second inductor and the input power source connect the fourth switching element and a switching converter between the ground, the first and second switching elements, the phase difference of a predetermined angle, or , Driven at a predetermined time ratio, only the first switching element is turned on in the first period, both the first and second switching elements are turned off in the second period, and the first switching element is turned off in the third period. Only the second switching element is turned on, and a series of control for turning off both the first and second switching elements in the fourth period is repeated, and the third switching element is alternately switched with the first switching element. And switching the fourth switch element alternately with the second switching element to supply a DC voltage to the load. 請求項3に記載のスイッチングコンバータの第1および第2のインダクタを流れる電流波形が正負に振れるようにし、前記第1のスイッチング素子と前記第3のスイッチング素子のスイッチング転換時に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイム期間を作り、同様に、前記第2のスイッチング素子と前記第4のスイッチング素子のスイッチング転換時に、両方のスイッチング素子がオフとなるデッドタイム期間を作ることで、零電圧ソフトスイッチングを行うことを特徴とする請求項3に記載の多相式のスイッチングコンバータの制御方法。 A current waveform flowing through the first and second inductors of the switching converter according to claim 3 is allowed to swing positively and negatively, and at the time of switching switching between the first switching element and the third switching element, both switching elements are Similarly, zero voltage soft switching is performed by creating a dead time period in which both the second switching element and the fourth switching element are switched off, thereby creating a dead time period in which both switching elements are off. The method for controlling a multiphase switching converter according to claim 3, wherein:
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