JP4543174B2 - Tap inductor step-down converter - Google Patents

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Description

マイクロプロセッサにおいて、高クロック周波数、高集積、低消費電力を実現させるには、駆動電圧を下げる必要がある。パソコンのCPUでは、数年前に2.5Vで駆動していたのに対し、近年では、1.4Vで駆動している。一方、マイクロプロセッサの高集積化に伴って、消費電流は急増しており、CPUの最大消費電流は100Aに達している。本発明における電源装置は、低電圧大電流を高効率に出力する場合に適している。   In a microprocessor, in order to realize a high clock frequency, high integration, and low power consumption, it is necessary to lower the drive voltage. The CPU of a personal computer was driven with 2.5V several years ago, but recently it has been driven with 1.4V. On the other hand, with the high integration of microprocessors, the current consumption has increased rapidly, and the maximum current consumption of the CPU has reached 100A. The power supply apparatus according to the present invention is suitable for outputting a low voltage and large current with high efficiency.

低電圧出力を作る場合には、一般的に、図15に示す降圧形コンバータが用いられている。しかし、降圧形コンバータは、降圧比が大きくなるに連れて電力効率が悪くなるため、大幅に降圧する用途には不向きである。 In order to produce a low voltage output, a step-down converter shown in FIG. 15 is generally used. However, the step-down converter is not suitable for use in a step-down operation because the power efficiency becomes worse as the step-down ratio increases.

そこで、降圧比を大きく取るために、図16に示す様なタップインダクタ降圧形コンバータが提案されている。このコンバータは、従来の降圧形コンバータの持つインダクタに中間タップを設けたもので、1次巻線と2次巻線の巻数比に比例して降圧比を大きくとることが出来る。 In order to increase the step-down ratio, a tap inductor step-down converter as shown in FIG. 16 has been proposed. In this converter, an intermediate tap is provided in the inductor of the conventional step-down converter, and the step-down ratio can be increased in proportion to the turn ratio of the primary winding and the secondary winding.

ただし、タップインダクタを用いた方式は、巻数比に比例して、巻線間の漏れインダクタンスも大きくなる傾向があり、漏れインダクタンスによって生じるスイッチングサージを取り除く対策が必要となる。しかし、RCスナバ回路など、熱損失としてサージエネルギーを捨てる方法は、電力効率を悪くするため問題がある。 However, the method using the tap inductor tends to increase the leakage inductance between the windings in proportion to the turns ratio, and it is necessary to take measures to eliminate the switching surge caused by the leakage inductance. However, a method of discarding surge energy as a heat loss such as an RC snubber circuit has a problem because power efficiency is deteriorated.

そこで、損失を伴わない方法として、アクティブクランプ方式が広く知られている。図17にその一例を示す。この方式は、1次巻線n1と並列にクランプコンデンサCcとクランプスイッチScを接続し、主スイッチSmとクランプスイッチScを交互にオン・オフさせる。これにより、クランプスイッチScがオンの期間中に、サージエネルギーが一端クランプコンデンサCcで吸収され、その後、このエネルギーは入力電源Viもしくは負荷Rへ回生されるため、原理的には電力損失が発生しない。また、スイッチング転換時に両方のスイッチがオフとなる期間(デッドタイム)を設けることで、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)が実現できるため、スイッチング損失も低減できる。 Therefore, an active clamp method is widely known as a method without loss. An example is shown in FIG. In this method, a clamp capacitor Cc and a clamp switch Sc are connected in parallel with the primary winding n1, and the main switch Sm and the clamp switch Sc are alternately turned on and off. As a result, during the period when the clamp switch Sc is on, surge energy is absorbed by the clamp capacitor Cc once, and then this energy is regenerated to the input power source Vi or the load R, so no power loss occurs in principle. . Further, by providing a period (dead time) in which both switches are turned off at the time of switching, zero voltage switching (ZVS) can be realized, so that switching loss can also be reduced.

ただし、タップインダクタ方式の降圧形コンバータは、一見、降圧形コンバータの改良形の様に見えるが、実際には、フライバックコンバータや昇降圧形コンバータに近い動作となるため、降圧形コンバータの持つ利点を失ってしまう。
降圧形の利点としては、
(1)インダクタを流れる直流電流成分が負荷電流値以上にはならないので、インダクタのサイズを小さく出来る。
(2)時比率に対する出力電圧特性が線形的であるため、PWM制御の安定度が高い。また、降圧比を大きく取れる。
(3)スイッチ素子の耐圧が電源電圧までしか上がらないので、耐圧の低いスイッチ素子が利用できる。
などがあげられる。これらの利点が失われるため、
(1)インダクタの重畳電流が負荷電流値以上になるため、インダクタのサイズが大きくなる。
(2)時比率に対する出力電圧特性が指数関数的であり、PWM制御の安定度が悪い。また、時比率を大きく取ると、降圧比が大きく取れない。
(3)スイッチ素子の耐圧が電源電圧の2倍前後になるため、耐圧の高いスイッチ素子が必要。
といった問題が生じる。
However, the step-down converter using the tap inductor method appears to be an improved version of the step-down converter at first glance, but in reality, the operation is similar to that of a flyback converter or a buck-boost converter. Will be lost.
As an advantage of the buck type,
(1) Since the direct current component flowing through the inductor does not exceed the load current value, the size of the inductor can be reduced.
(2) Since the output voltage characteristic with respect to the duty ratio is linear, the stability of PWM control is high. Also, a large step-down ratio can be obtained.
(3) Since the withstand voltage of the switch element only rises to the power supply voltage, a switch element with a low withstand voltage can be used.
Etc. Because these benefits are lost,
(1) Since the superimposed current of the inductor exceeds the load current value, the size of the inductor increases.
(2) The output voltage characteristic with respect to the duty ratio is exponential, and the stability of PWM control is poor. In addition, if the time ratio is increased, the step-down ratio cannot be increased.
(3) Since the withstand voltage of the switch element is about twice that of the power supply voltage, a switch element with a high withstand voltage is required.
Problems arise.

また、アクティブクランプを用いた方式は、サージ除去のためだけにスイッチ素子を1個増やす必要があり、電源コストが高くなることは避けられない。また、主スイッチSmとクランプスイッチScの駆動に既存のドライブICが利用し難い。なぜなら、クランプコンデンサCcがこれらのスイッチと直列接続されており、クランプコンデンサにマイナスの電圧が発生するためである。そのため、ドライブ回路には、パルストランスなどを用いた複雑な回路が必要となる。 Further, the method using the active clamp needs to increase one switch element only for surge removal, and the power supply cost is inevitably increased. Further, it is difficult to use an existing drive IC for driving the main switch Sm and the clamp switch Sc. This is because the clamp capacitor Cc is connected in series with these switches, and a negative voltage is generated in the clamp capacitor. Therefore, a complicated circuit using a pulse transformer or the like is required for the drive circuit.

従来のアクティブクランプ方式を用いたタップインダクタ降圧形コンバータがクランプコンデンサを一次巻線と並列接続させるのに対して本発明の特徴は、各実施例とその図に記載のように、
「入力電源Eiと負荷Rの間に、主スイッチSmと、第1巻線n1及び第2巻線n2からなるタップインダクタTrsと、整流素子Dと、負荷Rに並列に出力平滑コンデンサCoとを備えたタップインダクタ降圧形コンバータにおいて、
1)、前記1次巻線n1の入力側にクランプコンデンサCcを直列接続し、
2)、1次巻線n1とクランプコンデンサCcに並列に又は前記主スイッチSmの一端と入力電源Eiの一端との間に前記主スイッチSmと交互にオン・オフさせるクランプスイッチScを接続し、
3)、前記2次巻線n2に前記出力平滑コンデンサCoを直列接続この両端に前記整流素子Dを並列接続し、
または前記2次巻線n2を前記整流素子Dと直列接続しこの両端に前記出力平滑コンデンサCoを並列接続した
ことを特徴とするタップインダクタ降圧形コンバータ。」である。
この構成により、前記主スイッチSmとクランプスイッチScを交互にオン・オフさせることにより、前記1次巻線n1と前記クランプコンデンサCcを流れる電流を転流させる。

Whereas a conventional tap inductor step-down converter using an active clamp system connects a clamp capacitor in parallel with a primary winding, the features of the present invention are as shown in each embodiment and its drawings.
“A main switch Sm, a tap inductor Trs composed of a first winding n1 and a second winding n2, a rectifier element D, and an output smoothing capacitor Co in parallel with the load R are connected between the input power source Ei and the load R. In the provided tap inductor step-down converter,
1) A clamp capacitor Cc is connected in series to the input side of the primary winding n1,
2) A clamp switch Sc that is turned on / off alternately with the main switch Sm is connected in parallel with the primary winding n1 and the clamp capacitor Cc or between one end of the main switch Sm and one end of the input power supply Ei,
3) The output smoothing capacitor Co is connected in series to the secondary winding n2, and the rectifier element D is connected in parallel to both ends thereof.
Alternatively, the tap inductor step-down converter is characterized in that the secondary winding n2 is connected in series with the rectifier element D and the output smoothing capacitor Co is connected in parallel at both ends thereof. Is.
With this configuration, the current flowing through the primary winding n1 and the clamp capacitor Cc is commutated by alternately turning on and off the main switch Sm and the clamp switch Sc .

本発明は、上記構成により、従来方式と同様に、スイッチング損失とサージを低減できるだけでなく、従来方式の回路動作が昇降圧形コンバータに近いのに対して、降圧形コンバータに近い動作となるため、降圧形コンバータの利点を引き継ぐことが出来る。以下に、その利点を示す。
(1)降圧比を大きくとれる(巻数比を減らせる、漏れインダクタを減らせる)
(2)タップインダクタの直流重畳成分が少なくなる(インダクタを小型化できる)
(3)スイッチ素子の耐圧が半分で済む(スイッチ素子を安価にできる)
(4)上記理由から、電力効率が改善できる
(5)制御の安定度が高い(負荷応答特性が改善できる、出力平滑コンデンサを小型化できる)
また、本発明のコンバータでは、メインスイッチとクランプスイッチの間にクランプコンデンサが直列接続されていないため、駆動に、既存のドライブICがそのまま利用できる。そのため、ドライブ回路の設計が容易である。さらに、ソフトスイッチングや電流共振を組み合わせることで、電力効率の向上と低ノイズ化が可能である。また、本発明のコンバータを多相構成にすれば、出力電圧リップルの低減や応答特性の改善も可能となる。
With the above configuration, the present invention can not only reduce switching loss and surge as in the conventional method, but also the operation of the conventional method is close to a buck-boost converter, whereas the operation is similar to a step-down converter. The advantages of the buck converter can be taken over. The advantages are shown below.
(1) Large step-down ratio (reducing the turns ratio, reducing leakage inductor)
(2) The direct current superposition component of the tap inductor is reduced (the inductor can be downsized)
(3) The switch element has half the withstand voltage (the switch element can be made inexpensive).
(4) For the above reasons, power efficiency can be improved.
(5) High stability of control (load response characteristics can be improved, output smoothing capacitor can be downsized)
Further, in the converter of the present invention, since the clamp capacitor is not connected in series between the main switch and the clamp switch, the existing drive IC can be used as it is for driving. Therefore, the drive circuit can be easily designed. Further, by combining soft switching and current resonance, it is possible to improve power efficiency and reduce noise. Further, if the converter of the present invention has a multi-phase configuration, output voltage ripple can be reduced and response characteristics can be improved.

前記本発明の構成の形態の好ましい変形として、2次巻線を出力平滑コンデンサと直列接続し、この両端に整流素子を並列接続してもよい。
また、2次巻線を前記整流素子と直列接続し、この両端に出力平滑コンデンサを並列接続させることもできる。
なお、整流素子として同期整流スイッチを用いて、主スイッチと交互にオン・オフさせても同様の作用効果が得られる。
クランプスイッチは、直列接続された1次巻線とクランプコンデンサに並列接続させてもよい。
また、クランプスイッチを、主スイッチの一端と入力電源の一端との間に接続させてもよい。これにより、ドライブ回路の設計が容易となる。
なお、スイッチング転換時に全スイッチがオフとなる期間(デッドタイム)を設けることにより、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)のソフトスイッチング動作を行うことができる。
また、タップインダクタの持つ漏れインダクタンスとクランプコンデンサとを電流共振させることで、スイッチング転換時の損失を低減できる。
さらに、本発明のコンバータを複数個並列接続し、多相駆動することによって、出力リップルの低減や負荷応答特性の改善が可能である。
本発明におけるタップインダクタ降圧形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。
As a preferred modification of the configuration of the present invention, a secondary winding may be connected in series with an output smoothing capacitor, and a rectifying element may be connected in parallel at both ends.
Further, a secondary winding can be connected in series with the rectifying element, and an output smoothing capacitor can be connected in parallel at both ends.
Note that the same effect can be obtained by using a synchronous rectifier switch as the rectifier element and alternately turning it on and off with the main switch.
The clamp switch may be connected in parallel to the primary winding and the clamp capacitor connected in series.
A clamp switch may be connected between one end of the main switch and one end of the input power supply. This facilitates the design of the drive circuit.
Note that by providing a period (dead time) in which all switches are turned off at the time of switching, a zero voltage switching (ZVS) soft switching operation can be performed.
Moreover, the loss at the time of switching switching can be reduced by causing current resonance between the leakage inductance of the tap inductor and the clamp capacitor.
Furthermore, by connecting a plurality of converters of the present invention in parallel and driving them in multiple phases, output ripple can be reduced and load response characteristics can be improved.
There are a plurality of specific circuit configuration examples of the tap inductor step-down converter according to the present invention, and the present invention is not limited to the circuit examples described below.

図1に本発明におけるタップインダクタ降圧形コンバータの回路例を示す。本コンバータの回路構成が、従来のアクティブクランプ方式のタップインダクタ降圧形コンバータと異なる点は、クランプコンデンサCcが1次巻線と直列に挿入されている点である。タップインダクタ降圧形コンバータは、MOSFETである主スイッチSm、整流素子であるダイオードD、及び、1次巻線n1及び2次巻線n2を持つタップインダクタTrs、出力平滑コンデンサCo、クランプコンデンサCc、クランプスイッチSc、から成る。なお、Eiは入力電源、Rは負荷である。制御部は、PWM(Pulse Width Modulator)と、ドライバとを含む。 FIG. 1 shows a circuit example of a tap inductor step-down converter according to the present invention. The circuit configuration of this converter is different from that of a conventional active clamp type tap inductor step-down converter in that a clamp capacitor Cc is inserted in series with the primary winding. The tap inductor step-down converter includes a MOSFET main switch Sm, a rectifier diode D, a tap inductor Trs having a primary winding n1 and a secondary winding n2, an output smoothing capacitor Co, a clamp capacitor Cc, and a clamp. Switch Sc. Ei is an input power source and R is a load. The control unit includes a PWM (Pulse Width Modulator) and a driver.

入力電源Eiの正極は、主スイッチSmのドレインと接続され、主スイッチSmのソースは、クランプコンデンサCcの一端と接続され、クランプコンデンサCcの他端は、タップインダクタTrsの1次巻線n1の一端と接続され、1次巻線n1の他端は、2次巻線n2の一端と接続され、2次巻線n2の他端は、負荷Rの一端と接続され、負荷Rの他端は入力電源Eiの負極と接続される。また、ダイオードDのアノードは、1次巻線n1と2次巻線n2の接続点に接続され、ダイオードDのカソードは、入力直流電源Eiの負極と接続される。出力平滑コンデンサCoは、負荷と並列接続される。クランプスイッチScのドレインは、スイッチSmのソースと接続され、クランプスイッチScのソースは、ダイオードDのアノードに接続される。 The positive electrode of the input power source Ei is connected to the drain of the main switch Sm, the source of the main switch Sm is connected to one end of the clamp capacitor Cc, and the other end of the clamp capacitor Cc is the primary winding n1 of the tap inductor Trs. Connected to one end, the other end of the primary winding n1 is connected to one end of the secondary winding n2, the other end of the secondary winding n2 is connected to one end of the load R, and the other end of the load R is Connected to the negative terminal of the input power supply Ei. The anode of the diode D is connected to the connection point between the primary winding n1 and the secondary winding n2, and the cathode of the diode D is connected to the negative electrode of the input DC power supply Ei. The output smoothing capacitor Co is connected in parallel with the load. The drain of the clamp switch Sc is connected to the source of the switch Sm, and the source of the clamp switch Sc is connected to the anode of the diode D.

Figure 0004543174
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Figure 0004543174
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先ず、期間t0〜t1では、図3に示す等価回路のように、主スイッチSmがオン、クランプスイッチScはオフとなり、入力電源Ei、クランプコンデンサCc、タップインダクタ、出力平滑コンデンサCoが連結される。これにより、入力電源Eiから、クランプコンデンサCcと出力平滑コンデンサCoにエネルギーが送られる。また、この間、ダイオードDは逆バイアスされているため、タップインダクタは、単なるインダクタとして機能する。よって、インダクタ成分Lm、Lkgにエネルギーが蓄積され、主スイッチの電流ism及び、タップインダクタの各電流iLm、iLkg、in2は共に増加する。 First, in the period t0 to t1, as in the equivalent circuit shown in FIG. 3, the main switch Sm is turned on, the clamp switch Sc is turned off, and the input power supply Ei, the clamp capacitor Cc, the tap inductor, and the output smoothing capacitor Co are connected. . Thereby, energy is sent from the input power source Ei to the clamp capacitor Cc and the output smoothing capacitor Co. During this time, the diode D is reverse-biased, so that the tap inductor functions as a simple inductor. Therefore, energy is accumulated in the inductor components Lm and Lkg, and the current ism of the main switch and the currents iLm, iLkg, and in2 of the tap inductor both increase.

期間t1〜t2では、図4に示す等価回路のように、主スイッチSmがオフ、クランプスイッチScはオンとなり、励磁インダクタLmと漏れインダクタLkgが、クランプコンデンサCcと連結される。これにより、期間t0〜t1でインダクタLm、Lkgに蓄えられたエネルギーは、クランプコンデンサCcへ放出され、インダクタ電流iLm、iLk1は減少する。一方、クランプコンデンサCcは1次巻線n1と連結され、2次巻線n2は出力平滑コンデンサCoと連結されているため、ダイオードDは順バイアスとなっている。そのため、タップインダクタはトランスとして機能し、クランプコンデンサに蓄えられているエネルギーが、巻線n1、n2を通して出力平滑コンデンサCoへ放出される。 In the period t1 to t2, as in the equivalent circuit shown in FIG. 4, the main switch Sm is turned off and the clamp switch Sc is turned on, and the exciting inductor Lm and the leakage inductor Lkg are connected to the clamp capacitor Cc. As a result, the energy stored in the inductors Lm and Lkg in the period t0 to t1 is released to the clamp capacitor Cc, and the inductor currents iLm and iLk1 decrease. On the other hand, the clamp capacitor Cc is connected to the primary winding n1, and the secondary winding n2 is connected to the output smoothing capacitor Co. Therefore, the diode D is forward biased. Therefore, the tap inductor functions as a transformer, and the energy stored in the clamp capacitor is discharged to the output smoothing capacitor Co through the windings n1 and n2.

上記のごとく、本発明のコンバータは、漏れインダクタLkgのエネルギーがクランプコンデンサで吸収され、その後、巻線を通して負荷へ放出される。したがって、従来のアクティブクランプ方式を用いたタップインダクタ降圧形コンバータと同様に、スイッチングサージやエネルギー損失が抑制できる。 As described above, in the converter of the present invention, the energy of the leakage inductor Lkg is absorbed by the clamp capacitor and then discharged through the winding to the load. Therefore, switching surge and energy loss can be suppressed as in the tap inductor step-down converter using the conventional active clamp method.

さらに、本発明のコンバータでは、期間t0〜t1にクランプコンデンサCcが、入力電源Eiと1次巻線n1に連結され、期間t1〜t2に1次巻線n1のみと連結される。つまり、クランプコンデンサCcは、常に1次巻線n1と連結されている。この動作は、降圧形コンバータの出力平滑コンデンサが、常にリアクトルと連結されている動作と似ている。そのため、本発明のコンバータは、降圧形コンバータと似た動作となり降圧形コンバータが持つ利点を引き継ぐことが出来る。
先ず、クランプコンデンサの電圧VCcが、入力電圧Eiと逆向きに発生する。この効果により、従来方式よりも降圧比を大きく取ることが可能となる。これに伴って、タップインダクタの巻数比を小さくできるので、漏れインダクタンスの少ないトランスを作ることが出来る。また、主スイッチの時比率に対する出力電圧は、線形的に変化するため、制御の安定度も高い。さらに、スイッチにかかる耐圧は、従来方式では、電源電圧の約2倍であったのに対し、本方式は、電源電圧までしか加わらないため、耐圧の低い素子を使用できる。さらに、タップインダクタの直流重畳成分が少ないため、コアサイズの小型かも可能である。
Further, in the converter of the present invention, the clamp capacitor Cc is connected to the input power source Ei and the primary winding n1 during the period t0 to t1, and is connected only to the primary winding n1 during the period t1 to t2. That is, the clamp capacitor Cc is always connected to the primary winding n1. This operation is similar to the operation in which the output smoothing capacitor of the step-down converter is always connected to the reactor. Therefore, the converter of the present invention operates similarly to the step-down converter and can take over the advantages of the step-down converter.
First, the voltage VCc of the clamp capacitor is generated in the direction opposite to the input voltage Ei. Due to this effect, it is possible to make the step-down ratio larger than that of the conventional method. Along with this, since the turn ratio of the tap inductor can be reduced, a transformer with less leakage inductance can be made. Further, since the output voltage with respect to the duty ratio of the main switch changes linearly, the stability of the control is also high. Further, the withstand voltage applied to the switch is about twice that of the power supply voltage in the conventional method, whereas in this method, only the power supply voltage is applied, so that an element with a low withstand voltage can be used. Furthermore, since the direct current superposition component of the tap inductor is small, the core size can be small.

図6に、2次巻線の接続位置を変更し、ダイオードと直列に挿入した場合の回路図を示す。この回路においても、同様の効果が得られる。 FIG. 6 shows a circuit diagram when the connection position of the secondary winding is changed and inserted in series with the diode. In this circuit, the same effect can be obtained.

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0.3Vの順方向電圧降下が生じるので、低電圧出力では、大幅に電力効率が低下してしまう。そこで、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、主スイッチと交互にオン・オフさせる同期整流方式が一般的に用いられる。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。
図7示す回路は、図1の回路のダイオードを同期整流スイッチSRに交換したものである。
図8に示す回路は、図6の回路のダイオードを同期整流スイッチSRに交換したものである。
In a switching power supply, a diode is normally used as a rectifying element. However, since the rectifying diode has a forward voltage drop of at least 0.3 V, the power efficiency is greatly reduced at a low voltage output. Therefore, in the case of a low voltage output, a synchronous rectification method is generally used in which a semiconductor switching element is used instead of the rectifying diode and the main switch is alternately turned on / off. In this case, since the on-resistance of the FET is as small as several mΩ, the power supply efficiency can be greatly improved.
The circuit shown in FIG. 7 is obtained by replacing the diode of the circuit of FIG. 1 with a synchronous rectification switch SR.
The circuit shown in FIG. 8 is obtained by replacing the diode of the circuit of FIG. 6 with a synchronous rectification switch SR.

また、クランプスイッチを、図9、図10の様に、入力電源の一端と主スイッチの一端と接続しても、同様の効果が得られる。この場合、クランプスイッチのソースが入力電源の負極と接続されるため、スイッチの駆動が更に容易となる。 The same effect can be obtained by connecting the clamp switch to one end of the input power source and one end of the main switch as shown in FIGS. In this case, since the source of the clamp switch is connected to the negative electrode of the input power supply, it becomes easier to drive the switch.

図11の模式図に示すように、スイッチSm、Sc、SRは、寄生容量CSm、CSc、CSRを持つ。そのため、スイッチ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1から4の回路(図1、図6、図7、図8、図9、図10)にソフトスイッチングと呼ばれる技術を適用する。当業者には周知の技術であるため、簡単な説明のみを以下に行う。ソフトスイッチングを実現するには、図12に示すように、スイッチングの転換時に全スイッチがオフとなる期間(デッドタイム)t1〜t3、t4〜t6を設ける。このデッドタイム帰還中に、漏れインダクタを流れる電流が、次にオンさせるスイッチの持つ寄生容量に蓄えられたエネルギーを放電させる。この放電により、スイッチの電圧がゼロまで減圧し、ゼロになった以降も、電流がボディーダイオードを流れてフライホイール状態となるため、0Vを保持し続ける。したがって、このフライホイール中にスイッチをオンにすれば、スイッチング損失やサージが発生しない。 As shown in the schematic diagram of FIG. 11, the switches Sm, Sc, SR have parasitic capacitances CSm, CSc, CSR. Therefore, the energy stored in the parasitic capacitance during the period when the switch 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 circuits (FIGS. 1, 6, 7, 8, 9, and 10) of the first to fourth embodiments. Since this is a technique well known to those skilled in the art, only a brief description will be given below. In order to realize soft switching, as shown in FIG. 12, periods (dead times) t1 to t3 and t4 to t6 in which all switches are turned off at the time of switching are provided. During this dead time feedback, the current flowing through the leakage inductor discharges the energy stored in the parasitic capacitance of the next switch to be turned on. Due to this discharge, the voltage of the switch is reduced to zero, and even after it becomes zero, the current flows through the body diode and enters the flywheel state, so it keeps 0V. Therefore, if the switch is turned on during the flywheel, no switching loss or surge occurs.

スイッチング損失やサージを低減する方法として、整流素子を流れる電流を正弦波状にすることも有効である。正弦波状の波形を作るには、タップインダクタの持つ漏れインダクタとクランプコンデンサとを電流共振させればよい。この場合、出力電圧の制御方法に周波数制御を用いれば、共振条件と同期整流スイッチのオン時間を一致させることができるので、ZCS(ゼロカレントスイッチング)が実現できる。また、PWM制御であっても、電流共振によりスイッチング転換時の電流値が小さくなっているため、スイッチング損失やサージが低減できる。 As a method for reducing switching loss and surge, it is also effective to make the current flowing through the rectifier element a sine wave. In order to create a sinusoidal waveform, it is only necessary to cause current resonance between the leakage inductor of the tap inductor and the clamp capacitor. In this case, if frequency control is used as a method for controlling the output voltage, the resonance condition and the on-time of the synchronous rectification switch can be matched, so that ZCS (zero current switching) can be realized. Even in the PWM control, the switching loss and surge can be reduced because the current value at the time of switching switching is reduced due to current resonance.

マイクロプロセッサの電源として、複数個のコンバータを並列接続し、多相駆動する方法が、広く用いられている。これにより、出力電圧リップルの低減や出力平滑コンデンサの小型が可能となる。本発明のコンバータにおいても、同じ方法で同じ効果が得られる。この具体的な動作については、当業者には自明であるので省略する。 As a power source for a microprocessor, a method of connecting a plurality of converters in parallel and driving them in a multiphase is widely used. Thereby, the output voltage ripple can be reduced and the output smoothing capacitor can be downsized. In the converter of the present invention, the same effect can be obtained by the same method. Since this specific operation is obvious to those skilled in the art, it will be omitted.

図9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 : 48 V 、Eo : 1.2 V、Cc : 22mF、Co : 500mF、タップインダクタの1次巻数10巻、2次巻数1巻、スイッチング周波数 : 100 kHz。
図13に、時比率に対する出力電圧の関係を示す。従来方式に比べ、本発明のコンバータは、時比率が大きくても、出力電圧を大幅に降圧することが可能であることがわかる。また、従来方式は昇降圧形コンバータの様に、指数関数的な変化をしているのに対して、本発明のコンバータは、降圧形コンバータの様に、直線状に変化する。したがって、降圧形コンバータと同様に、安定したPWM制御が可能である。図14に、主スイッチのドレイン・ソース間電圧波形を示す。電圧波形にサージの発生はなく、電源電圧48Vにクランプされている。
In order to evaluate the present embodiment shown in FIG. 9, an experiment was conducted with the following circuit parameters.
Ei: 48 V, Eo: 1.2 V, Cc: 22 mF, Co: 500 mF, tap inductor primary turns 10 turns, secondary turns 1 turn, switching frequency: 100 kHz.
FIG. 13 shows the relationship of the output voltage with respect to the duty ratio. Compared to the conventional method, the converter of the present invention can greatly reduce the output voltage even if the duty ratio is large. The conventional method changes exponentially like a buck-boost converter, whereas the converter of the present invention changes linearly like a step-down converter. Therefore, as with the step-down converter, stable PWM control is possible. FIG. 14 shows a drain-source voltage waveform of the main switch. The voltage waveform has no surge and is clamped at a power supply voltage of 48V.

マイクロプロセッサの電源には、低電圧大電流を出力することが求められる。本発明は、前記手段とするタップインダクタ降圧形コンバータによって、低電圧大電流を高効率に出力できるので、この種産業に多大な貢献を呈するものである。   The power source of the microprocessor is required to output a low voltage and large current. The present invention makes a great contribution to this kind of industry because the tap inductor step-down converter as the above means can output a low voltage and large current with high efficiency.

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おける回路の動作説明のための等価回路を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating an equivalent circuit for explaining the operation of the circuit in the first embodiment. 実施例1おける回路のt0〜t1期間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 t0-t1 period of the circuit in Example 1. FIG. 実施例1おける回路のt1〜t2期間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 t1-t2 period 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. 図1の回路のダイオードを同期整流スイッチSRに交換した回路を示す実施例3おける回路図である。FIG. 6 is a circuit diagram in Example 3 showing a circuit in which a diode in the circuit of FIG. 1 is replaced with a synchronous rectification switch SR. 図6の回路のダイオードを同期整流スイッチSRに交換した回路を示す実施例3おける回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram in Example 3 showing a circuit in which a diode in the circuit of FIG. 6 is replaced with a synchronous rectification switch SR. 図7に示す変形回路を示す実施例4おける回路図である。It is a circuit diagram in Example 4 which shows the deformation | transformation circuit shown in FIG. 図8に示す変形回路を示す実施例4おける回路図である。FIG. 9 is a circuit diagram in a fourth embodiment showing the modified circuit shown in FIG. 8. 実施例4おける図9の回路のFETの寄生成分の模式図である。10 is a schematic diagram of a parasitic component of an FET in the circuit of FIG. 9 in Example 4. FIG. 実施例4おける図9の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。FIG. 10 is a voltage-current waveform diagram when performing soft switching in the circuit of FIG. 9 in Example 4. 実施例4における図9の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 of the circuit of FIG. 9 in Example 4, and an output voltage. 実施例4における図9の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。FIG. 10 is a diagram illustrating a drain-source voltage of a circuit of FIG. 9 and a conventional synchronous rectifier switch according to a fourth embodiment. 低電圧出力を作る従来の降圧形コンバータ例を示す図である。It is a figure which shows the example of the conventional pressure | voltage fall type | mold converter which produces a low voltage output. 降圧比を大きく取るタップインダクタ降圧形コンバータ例を示図であるIt is a figure which shows the tap inductor step-down type converter example which takes large step-down ratio. 損失を伴わないアクティブクランプ方式の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the active clamp system without a loss.

符号の説明Explanation of symbols

Ei 入力電源
Sm メインスイッチ(主スイッチ)
D ダイオード
Sc クランプスイッチ
Cc、 クランプコンデンサ
SR 同期整流スイッチ
Co 出力平滑コンデンサ
Trs タップインダクタ
n1 1次巻線
n2 2次巻線
Ti 理想トランス
Lm 励磁インダクタ
Lkg 漏れインダクタ
R 負荷


Ei input power
Sm Main switch (Main switch)
D diode
Sc clamp switch
Cc, clamp capacitor
SR synchronous rectifier switch
Co output smoothing capacitor
Trs Tap inductor
n1 Primary winding
n2 Secondary winding
Ti ideal transformer
Lm magnetizing inductor
Lkg leakage inductor
R load


Claims (1)

入力電源Eiと負荷Rの間に、主スイッチSmと、第1巻線n1及び第2巻線n2からなるタップインダクタTrsと、整流素子Dと、負荷Rに並列に出力平滑コンデンサCoとを備えたタップインダクタ降圧形コンバータにおいて、
1)、前記1次巻線n1の入力側にクランプコンデンサCcを直列接続し、
2)、前記1次巻線n1と前記クランプコンデンサCcに並列に又は前記主スイッチSmの一端と前記入力電源Eiの一端との間に前記主スイッチSmと交互にオン・オフさせるクランプスイッチScを接続し、
3)、前記2次巻線n2に前記出力平滑コンデンサCoを直列接続すると共にこの両端に前記整流素子Dを並列接続し、
または前記2次巻線n2を前記整流素子Dと直列接続すると共にこの両端に前記出力平滑コンデンサCoを並列接続した
ことを特徴とするタップインダクタ降圧形コンバータ。
Between the input power source Ei and the load R, a main switch Sm, a tap inductor Trs including a first winding n1 and a second winding n2, a rectifier element D, and an output smoothing capacitor Co in parallel with the load R are provided. Tap inductor step-down converter
1) A clamp capacitor Cc is connected in series to the input side of the primary winding n1,
2), the main switch Sm and clamp switch Sc to turn on and off alternately between one end of the one end and the input power supply Ei of the primary winding n1 and the clamp capacitor Cc in parallel or the main switch Sm connection,
3) The output smoothing capacitor Co is connected in series to the secondary winding n2, and the rectifier element D is connected in parallel to both ends thereof .
Alternatively, the tap inductor step-down converter is characterized in that the secondary winding n2 is connected in series with the rectifying element D and the output smoothing capacitor Co is connected in parallel at both ends thereof.
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Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4839468B2 (en) * 2007-06-20 2011-12-21 国立大学法人 大分大学 Multi-stage DC-DC converter
JP4966249B2 (en) * 2008-05-07 2012-07-04 コーセル株式会社 Switching power supply
KR100999228B1 (en) 2009-07-29 2010-12-07 엘지이노텍 주식회사 Boost converter with high voltage gain
JP5417235B2 (en) * 2010-03-26 2014-02-12 Tdkラムダ株式会社 Overvoltage protection circuit for non-isolated converter
AT511540B1 (en) * 2011-05-16 2016-06-15 Felix Dipl Ing Dr Himmelstoss MULTISTAGE CONVERTER
JP5743269B2 (en) * 2011-07-11 2015-07-01 富士電機株式会社 Buck-boost converter
JP6464061B2 (en) * 2014-09-05 2019-02-06 国立大学法人 大分大学 Power converter
CN112953240B (en) * 2021-03-08 2023-10-20 浙江工业大学 High-gain energy storage buck converter based on coupling inductance

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004343923A (en) * 2003-05-16 2004-12-02 Murata Mfg Co Ltd Switching power supply
JP2004537949A (en) * 2001-07-31 2004-12-16 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Tap inductor step-down converter
JP2005502299A (en) * 2001-09-06 2005-01-20 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Voltage regulator with clamping circuit
JP2005039877A (en) * 2003-07-15 2005-02-10 Ushio Inc Dc-dc converter and high-pressure discharge lamp lighting device using the same

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2004537949A (en) * 2001-07-31 2004-12-16 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Tap inductor step-down converter
JP2005502299A (en) * 2001-09-06 2005-01-20 コーニンクレッカ フィリップス エレクトロニクス エヌ ヴィ Voltage regulator with clamping circuit
JP2004343923A (en) * 2003-05-16 2004-12-02 Murata Mfg Co Ltd Switching power supply
JP2005039877A (en) * 2003-07-15 2005-02-10 Ushio Inc Dc-dc converter and high-pressure discharge lamp lighting device using the same

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