JP5424327B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
本発明は、外部から入力される交流電圧を負荷に供給すべき所定の直流電圧に変換して出力するスイッチング電源装置に関する。 The present invention relates to a switching power supply apparatus that converts an externally input AC voltage into a predetermined DC voltage to be supplied to a load and outputs the same.
近年、マイクロプロセッサ等の半導体集積回路を駆動するスイッチング電源装置には、低出力電圧化、大出力電流化、高効率化といったことが求められている。これらの要求を満足するよう検討された従来のスイッチング電源装置としては、例えば、非特許文献1に記載のものがある(図5参照)。 In recent years, switching power supply devices that drive semiconductor integrated circuits such as microprocessors are required to have low output voltage, high output current, and high efficiency. As a conventional switching power supply device studied to satisfy these requirements, for example, there is one described in Non-Patent Document 1 (see FIG. 5).
また、力率改善、高調波対策のために、図5に示すスイッチング電源装置1’にさらにPFC回路を付加したものも従来から知られている。
In addition, a switching
図6に示すように、従来のスイッチング電源装置1”は、商用交流電圧を整流および平滑する整流平滑部2と、その出力側に備えられた力率改善部3(PFC回路)と、その出力を所定の直流電圧V2に変換する降圧型のDC/DCコンバータ部4’と、直流電圧V2をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部5と、一次巻線T1および二次巻線T2を有し、一次巻線T1にスイッチング電圧が供給されるトランスTと、二次巻線T2の誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧VOを出力する二次側出力部6とを備えている。
As shown in FIG. 6, a conventional
また、スイッチング電源装置1”は、さらに二次側出力電圧VOをDC/DCコンバータ部4’のスイッチング制御部4aにフィードバックするフィードバック部7’を備えている。これにより、スイッチング電源装置1”は、二次側出力電圧VOを負荷の要求電圧に維持している。
Further, the switching
図7に示すように、力率改善部3から出力される電圧V1は商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けて変動する。このため、DC/DCコンバータ部4’は、上記変動の下限よりもさらに低い電圧にまで電圧V1を降圧させることにより、スイッチング部5やトランスTに供給する直流電圧V2を安定化させている。
As shown in FIG. 7, the voltage V 1 output from the power
しかしながら、この従来のスイッチング電源装置1”では、スイッチング部5やトランスTに向かう電流IDCの全てがDC/DCコンバータ部4’のスイッチング素子Q3およびチョークコイルLを流れることになり、スイッチング素子Q3の導通損失やチョークコイルLのインピーダンスによる損失が避けられなかった。
However, in this conventional switching
そこで、本発明は、DC/DCコンバータ部における損失を低減し、従来よりも効率を大幅に改善することができるスイッチング電源装置を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a switching power supply device that can reduce loss in a DC / DC converter section and can significantly improve efficiency compared to the conventional one.
上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、外部から入力される交流電圧を整流および平滑する整流平滑部と、前記整流平滑部の出力側に備えられ、力率を改善するための力率改善部と、前記力率改善部の出力を所定の直流電圧に変換するDC/DCコンバータ部と、前記所定の直流電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部と、一次巻線および二次巻線を有し、前記一次巻線に前記スイッチング電圧が供給されるトランスと、前記二次巻線に誘起される誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧を出力する二次側出力部とを備えたスイッチング電源装置であって、
前記力率改善部は、前記二次側出力電圧の直流成分に基づいてフィードバック制御され、前記DC/DCコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向DC/DCコンバータであり、前記二次側出力電圧の交流成分に基づいてフィードバック制御されることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, a switching power supply according to the present invention includes a rectifying / smoothing unit that rectifies and smoothes an AC voltage input from the outside, and an output side of the rectifying / smoothing unit, and improves a power factor. A power factor improving unit, a DC / DC converter unit that converts an output of the power factor improving unit into a predetermined DC voltage, a switching unit that generates a switching voltage by switching the predetermined DC voltage, and a primary winding A transformer having a wire and a secondary winding, to which the switching voltage is supplied to the primary winding, and a secondary output voltage obtained by rectifying and smoothing the induced voltage induced in the secondary winding. A switching power supply device including a secondary output unit for outputting,
The power factor improvement unit is feedback controlled based on a DC component of the secondary output voltage, and the DC / DC converter unit is a bidirectional DC / DC converter capable of both step-down and step-up operations, The feedback control is performed based on the AC component of the secondary output voltage.
この構成によれば、負荷の要求電圧と二次側出力電圧との間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部と、交流成分の安定化を担当するDC/DCコンバータ部とが協働することにより、二次側出力電圧を負荷の要求電圧に維持することができる。また、この構成によれば、DC/DCコンバータ部で直流成分の安定化を行う必要がないので、DC/DCコンバータ部を構成する各素子(昇圧/降圧動作に欠かせないチョークコイル等)には、リプル電流のみが流れることになる。したがって、DC/DCコンバータ部における損失を大幅に低減することができる。 According to this configuration, when a deviation occurs between the required voltage of the load and the secondary output voltage, the power factor improving unit that is responsible for stabilizing the DC component and the DC that is responsible for stabilizing the AC component By cooperating with the / DC converter unit, the secondary output voltage can be maintained at the required voltage of the load. Further, according to this configuration, since there is no need to stabilize the DC component in the DC / DC converter unit, each element (such as a choke coil that is indispensable for the step-up / step-down operation) constituting the DC / DC converter unit. In this case, only a ripple current flows. Therefore, the loss in the DC / DC converter unit can be greatly reduced.
ここで、上記スイッチング電源装置における前記DC/DCコンバータ部は、例えば、高電位ラインにドレインが接続された第1のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第2のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、前記チョークコイルの他端と前記低電位ラインの間に接続された第1のコンデンサと、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の出力側において前記高電位ラインおよび前記低電位ラインの間に接続された第2のコンデンサと、前記二次側出力電圧の交流成分の多寡に基づいて、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部とで構成することができる。 Here, the DC / DC converter unit in the switching power supply device includes, for example, a first switching element having a drain connected to a high potential line, a drain connected to a source of the first switching element, A second switching element connected to a low potential line; a choke coil having one end connected to a connection point of the first switching element and the second switching element; the other end of the choke coil; and the low potential line A second capacitor connected between the high-potential line and the low-potential line on the output side of the first switching element and the second switching element; Based on the AC component of the secondary output voltage, the first switching element and the second switch It can be composed of a switching control unit for controlling the switching element.
また、前記DC/DCコンバータ部が、前記DC/DCコンバータ部にフィードバックされる交流成分が正の場合は、前記第1のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第2のコンデンサの蓄積電荷で前記第1のコンデンサを充電する降圧型DC/DCコンバータとして動作し、前記DC/DCコンバータ部にフィードバックされる交流成分が負の場合は、前記第2のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第1のコンデンサの蓄積電荷で前記第2のコンデンサを充電する昇圧型DC/DCコンバータとして動作するように構成することで、比較的容易に双方向DC/DCコンバータを実現することができる。 When the AC component fed back to the DC / DC converter unit is positive, the first switching element switches under the control of the switching control unit, and the second switching unit When the alternating current component fed back to the DC / DC converter section is negative, it operates as a step-down DC / DC converter that charges the first capacitor with the accumulated charge of the capacitor. It is configured to operate as a step-up DC / DC converter that switches under the control of the control unit and charges the second capacitor with the accumulated charge of the first capacitor, so that the bidirectional DC / DC can be operated relatively easily. A DC converter can be realized.
本発明によれば、従来よりも効率を大幅に改善することができ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 improve efficiency significantly conventionally can be provided.
以下、添付図面を参照して、本発明に係るスイッチング電源装置の好ましい実施形態について説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of a switching power supply according to the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
図1に、本発明に係るスイッチング電源装置を示す。スイッチング電源装置1は、交流電圧(例えば、商用交流電圧)を整流および平滑する整流平滑部2と、その出力側に備えられたPFC回路からなる力率改善部3と、その出力を所定の直流電圧V2に変換するDC/DCコンバータ部4と、直流電圧V2をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部5と、を備えている。これらは、全てスイッチング電源装置1の一次側に備えられている。
FIG. 1 shows a switching power supply device according to the present invention. The switching
また、スイッチング電源装置1は、一次巻線T1にスイッチング電圧が供給されるとともに、二次巻線T2に交流電圧が誘起されるトランスTと、二次巻線T2の誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧VOを負荷に向けて出力する二次側出力部6と、を備えている。図1に示す一実施形態において、スイッチング部5、トランスTおよび二次側出力部6は、共振型ハーフブリッジ回路を構成しているが、トランスの磁束を両方向に利用するハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路およびプッシュプル回路を構成するよう、適宜変更することができる。
The switching
スイッチング電源装置1は、二次側出力電圧VOをPFC回路3およびDC/DCコンバータ部4のスイッチング制御部3a、4aにフィードバックするフィードバック部7をさらに備えている。これにより、スイッチング電源装置1は、二次側出力電圧VOを負荷の要求電圧に維持している。
The switching
フィードバック部7は、二次側出力電圧VOを直流成分と交流成分とに分離する機能を有し、スイッチング制御部3aには二次側出力電圧VOの直流成分のみがフィードバックされる。また、スイッチング制御部4aには二次側出力電圧VOの交流成分のみがフィードバックされる。
The
DC/DCコンバータ部4は、スイッチング制御部4aの制御下で、昇圧型のDC/DCコンバータとしても降圧型のDC/DCコンバータとしても動作する双方向DC/DCコンバータである。DC/DCコンバータ部4は、例えば、以下のような構成とすることで、比較的容易に双方向DC/DCコンバータを実現することができる。
The DC /
すなわち、DC/DCコンバータ部4は、高電位ライン8Hにドレインが接続された第1のスイッチング素子Q1と、第1のスイッチング素子Q1のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ライン8Lに接続された第2のスイッチング素子Q2と、第1および第2のスイッチング素子Q1、Q2の接続点に一端が接続されたチョークコイルLと、チョークコイルLの他端と低電位ライン8Lの間に接続された第1のコンデンサC1と、高電位ライン8Hおよび低電位ライン8Lの間に接続された第2のコンデンサC2と、第1および第2のスイッチング素子Q1、Q2を制御するスイッチング制御部4aとを備えている。
That is, the DC /
スイッチング制御部4aは、フィードバックされてきた二次側出力電圧VOの交流成分の極性(正/負)および絶対値の多寡に基づいて、第1および第2のスイッチング素子Q1、Q2を制御する。図1に示す一実施形態において、第1および第2のスイッチング素子Q1、Q2はいずれもFETであるが、これに代えてバイポーラトランジスタ、IGBTを使用することもできる。
The
DC/DCコンバータ部4にフィードバックされてきた交流成分が“正”の場合、すなわち二次側出力電圧VOが負荷の要求電圧よりも高い場合、スイッチング制御部4aは、直流電圧V2を低下させるべくDC/DCコンバータ部4を降圧型のDC/DCコンバータとして動作させる。この場合は、DC/DCコンバータ部4を、第2のコンデンサC2と第1のスイッチング素子Q1との接続点(高電位ライン8H)を入力、チョークコイルLと第1のコンデンサC1との接続点を出力とする等価回路として取り扱うことができる(図2(A)参照)。
When the AC component fed back to the DC /
同図に示すように、降圧型のDC/DCコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部4aの制御下で第1のスイッチング素子Q1がON/OFFを繰り返し、第2のコンデンサC2に蓄積されていた電荷を第1のコンデンサC1に移動させる。これにより、第2のコンデンサC2は放電し、両端電圧(=直流電圧V2)が低下する。一方、第1のコンデンサC1は充電され、両端電圧が上昇する。なお、第2のスイッチング素子Q2はOFFのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。
As shown in the figure, when operating as a step-down DC / DC converter, the first switching element Q 1 is repeatedly turned ON / OFF under the control of the
DC/DCコンバータ部4にフィードバックされてきた交流成分が“負”の場合、すなわち二次側出力電圧VOが負荷の要求電圧よりも低い場合、スイッチング制御部4aは、直流電圧V1を上昇させるべくDC/DCコンバータ部4を昇圧型のDC/DCコンバータとして動作させる。この場合は、DC/DCコンバータ部4を、チョークコイルLと第1のコンデンサC1との接続点を入力、第2のコンデンサC2と第1のスイッチング素子Q1との接続点(高電位ライン8H)を出力とする等価回路として取り扱うことができる(図2(B)参照)。
When the AC component fed back to the DC /
同図に示すように、昇圧型のDC/DCコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部4aの制御下で第2のスイッチング素子Q2がON/OFFを繰り返し、第1のコンデンサC1に蓄積されていた電荷を第2のコンデンサC2に移動させる。これにより、第1のコンデンサC1は放電し、両端電圧が低下する。一方、第2のコンデンサC2は充電され、両端電圧(=直流電圧V2)が上昇する。なお、第1のスイッチング素子Q1はOFFのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。
As shown in the figure, when operating as a step-up DC / DC converter, the second switching element Q 2 repeats ON / OFF under the control of the switching
一方、前記の通り、力率改善部3のスイッチング制御部3aは、二次側出力電圧VOの直流成分に基づいてフィードバック制御される。このため、図3に示すように、力率改善部3から出力される電圧V1は、商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けて変動するものの、その直流成分はスイッチング部5やトランスTに供給する直流電圧V2に一致している。したがって、DC/DCコンバータ部4は、電圧V1を降圧または昇圧することにより、商用リプル電圧や瞬時停電による変動のみを取り除けばよい。
On the other hand, as described above, the switching
言い換えると、本発明に係るスイッチング電源装置1は、負荷の要求電圧と二次側出力電圧VOとの間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部3と、交流成分の安定化を担当するDC/DCコンバータ部4とが協働することにより、二次側出力電圧VOを負荷の要求電圧に維持する。なお、当然ながら、力率改善部3は力率改善のための波形整形も行う。
In other words, the switching
次に、図4を参照しながら、本発明に係るスイッチング電源装置1による損失低減効果について説明する。なお、同図において、r1は力率改善部3の入力インピーダンス、r2はDC/DCコンバータ部4、4’の入力インピーダンス、IDCは電流の直流値、Irmsは電流の実効値、Irはリプル電流を意味する。IDC、Irms、Irはそれぞれ次式で表すことができる。
また、図4および以下の説明では、簡略化するために、
(a)DC/DCコンバータ部4、4’の力率を1とする、
(b)スイッチング損失はないものとする(インピーダンスのみを考慮する)、
(c)DC/DCコンバータ部4、4’の入力インピーダンスは等しいものとする、
こととしている。
Also, in FIG. 4 and the following description, for simplicity,
(A) The power factor of the DC /
(B) No switching loss (considering only impedance)
(C) The input impedances of the DC /
I am going to do that.
まず、図4(B)を参照して、従来のスイッチング電源装置1”(図6参照)について説明する。スイッチング電源装置1”では、スイッチング部5やトランスTに向かう直流電流IDCの全てがDC/DCコンバータ部4’のスイッチング素子Q3およびチョークコイルLを流れるので、DC/DCコンバータ部4’では、r2・IDC 2(=P’)の損失が発生する。
First, a conventional switching
一方、本発明に係るスイッチング電源装置1では、直流電流IDCが流れる経路に対して、DC/DCコンバータ部4の第1のスイッチング素子Q1、第2のスイッチング素子Q2およびチョークコイルLが並列に接続されている。したがって、これらの素子には、直流電流IDCが流れることはなく、交流成分を安定化する際に第1のコンデンサC1と第2のコンデンサC2との間を流れるリプル電流Irのみが流れる。その結果、DC/DCコンバータ部4では、図4(A)に示すように、r2・Ir 2(=P)の損失が発生する。
On the other hand, in the switching
本発明に係るスイッチング電源装置1におけるDC/DCコンバータ部4の損失Pと、従来のスイッチング電源装置1”におけるDC/DCコンバータ部4’の損失P’とを比較すると、次式のようになる。
以上のように、本発明によれば、DC/DCコンバータ部における損失を従来よりも大幅に低減することができる。したがって、本発明によれば、従来よりも効率を大幅に改善した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 present invention, it is possible to significantly reduce the loss in the DC / DC converter unit as compared with the conventional case. Therefore, according to the present invention, it is possible to provide a switching power supply apparatus in which the efficiency is greatly improved as compared with the prior art.
なお、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記した具体的な構成に限定されるものではなく、当業者であれば、種々の変形例を想到し得ることは自明である。 Note that the switching power supply according to the present invention is not limited to the specific configuration described above, and it is obvious that various modifications can be conceived by those skilled in the art.
1 スイッチング電源装置
2 整流平滑部
3 力率改善部(PFC回路)
4 DC/DCコンバータ部
5 スイッチング部
6 二次側出力部
7 フィードバック部
C1 第1のコンデンサ
C2 第2のコンデンサ
Q1 第1のスイッチング素子
Q2 第2のスイッチング素子
L チョークコイル
T トランス
1 Switching
4 DC /
Claims (3)
前記力率改善部は、前記二次側出力電圧の直流成分に基づいてフィードバック制御され、
前記DC/DCコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向DC/DCコンバータであり、前記二次側出力電圧の交流成分に基づいてフィードバック制御される、
ことを特徴とするスイッチング電源装置。 A rectifying / smoothing unit for rectifying and smoothing an AC voltage input from the outside, a power factor improving unit for improving a power factor provided on the output side of the rectifying / smoothing unit, and an output of the power factor improving unit are predetermined. A DC / DC converter unit for converting the DC voltage into a DC voltage, a switching unit for switching the predetermined DC voltage to generate a switching voltage, a primary winding and a secondary winding, and the switching on the primary winding A switching power supply device comprising: a transformer to which a voltage is supplied; and a secondary side output unit that outputs a secondary side output voltage obtained by rectifying and smoothing the induced voltage induced in the secondary winding. ,
The power factor improvement unit is feedback controlled based on a DC component of the secondary output voltage,
The DC / DC converter unit is a bidirectional DC / DC converter capable of both step-down and step-up operations, and is feedback-controlled based on an AC component of the secondary side output voltage.
The switching power supply device characterized by the above-mentioned.
高電位ラインにドレインが接続された第1のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第2のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子および第2のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、
前記チョークコイルの他端と前記低電位ラインの間に接続された第1のコンデンサと、
前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子の出力側において前記高電位ラインおよび前記低電位ラインの間に接続された第2のコンデンサと、
前記二次側出力電圧の交流成分に基づいて、前記第1のスイッチング素子および前記第2のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。 The DC / DC converter unit includes:
A first switching element having a drain connected to the high potential line;
A second switching element having a drain connected to a source of the first switching element and a source connected to a low potential line;
A choke coil having one end connected to a connection point of the first switching element and the second switching element;
A first capacitor connected between the other end of the choke coil and the low potential line;
A second capacitor connected between the high potential line and the low potential line on the output side of the first switching element and the second switching element;
A switching control unit for controlling the first switching element and the second switching element based on an AC component of the secondary output voltage;
The switching power supply device according to claim 1, further comprising:
前記DC/DCコンバータ部にフィードバックされる交流成分が正の場合は、前記第1のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第2のコンデンサの蓄積電荷で前記第1のコンデンサを充電する降圧型DC/DCコンバータとして動作し、
前記DC/DCコンバータ部にフィードバックされる交流成分が負の場合は、前記第2のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第1のコンデンサの蓄積電荷で前記第2のコンデンサを充電する昇圧型DC/DCコンバータとして動作する、
ことを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。 The DC / DC converter unit includes:
When the AC component fed back to the DC / DC converter unit is positive, the first switching element switches under the control of the switching control unit, and the first capacitor is stored by the charge stored in the second capacitor. Operates as a step-down DC / DC converter that charges
When the AC component fed back to the DC / DC converter unit is negative, the second switching element is switched under the control of the switching control unit, and the second capacitor is stored by the charge stored in the first capacitor. Operates as a step-up DC / DC converter that charges
The switching power supply device according to claim 2.
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