JP5560664B2 - Control method of DC-DC converter circuit - Google Patents

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Description

この発明は、一次側がフルブリッジ構成の絶縁形直流−直流(DC/DC)変換回路、特に高効率化が可能な制御方法に関する。   The present invention relates to an insulation type direct current to direct current (DC / DC) conversion circuit whose primary side is a full bridge configuration, and more particularly to a control method capable of increasing efficiency.

図5は、出願人が先願として出願した例(特願2009−018302号)を示す回路構成図、図6はその動作を説明する波形図である。
上記先願では、軽負荷時にはハードスイッチング方式、重負荷時には位相シフト方式でスイッチング素子を制御することにより、軽負荷時でもスイッチング素子のdv/dtが規定値を超えることのないように、安全に動作させるものである。なお、図5の符号1〜4はスイッチング素子(単に素子ともいう)であり、これら4個のデバイスでいわゆるフルブリッジ回路を構成する。
FIG. 5 is a circuit configuration diagram showing an example (Japanese Patent Application No. 2009-018302) filed as an earlier application by the applicant, and FIG. 6 is a waveform diagram for explaining the operation thereof.
In the above-mentioned prior application, the switching element is controlled by the hard switching method at light loads and by the phase shift method at heavy loads, so that the dv / dt of the switching elements does not exceed the specified value even at light loads. It is what makes it work. Reference numerals 1 to 4 in FIG. 5 denote switching elements (also simply referred to as elements), and these four devices constitute a so-called full bridge circuit.

このフルブリッジ回路には直流電源11の直流電圧が印加され、フルブリッジ回路を構成する二つのレグ(アーム)の一方の中点にはインダクタ5の一端が接続されている。このインダクタ5の他端と、ブリッジ回路を構成する他のアームの中点との間には、変圧器(トランス)9の一次側巻線が接続される。この変圧器9の二次側には、センタータップが設けられている。変圧器9の二次側巻線の両端には、整流用のダイオード7,8のアノードがそれぞれ接続される。これらダイオード7,8のカソードは、それぞれ接続されて直流平滑用のインダクタ10の一端に接続される。このインダクタ10の他端と変圧器9のセンタータップ間には、直流平滑用のコンデンサ12が接続される。そしてこの直流平滑用のコンデンサ12と並列に負荷13が接続されるようになっている。   A DC voltage of the DC power source 11 is applied to the full bridge circuit, and one end of the inductor 5 is connected to the midpoint of one of the two legs (arms) constituting the full bridge circuit. A primary winding of a transformer (transformer) 9 is connected between the other end of the inductor 5 and the midpoint of another arm constituting the bridge circuit. A center tap is provided on the secondary side of the transformer 9. The anodes of the rectifying diodes 7 and 8 are connected to both ends of the secondary winding of the transformer 9, respectively. The cathodes of these diodes 7 and 8 are connected to one end of an inductor 10 for DC smoothing. A DC smoothing capacitor 12 is connected between the other end of the inductor 10 and the center tap of the transformer 9. A load 13 is connected in parallel with the DC smoothing capacitor 12.

また、図5のスイッチング素子1,2を交互にオン・オフさせるとともに、素子3,4をスイッチング素子1,2に対し位相差をもってオン・オフさせる制御方式を位相シフト方式と呼び、スイッチング素子1と4、または素子2と3を同時にオン・オフし、素子1と4の制御信号と素子2と3の制御信号を交互に生成し、制御信号のパルス幅で出力電圧を調整する方式をハードスイッチング方式と呼ぶこととする。   A control method in which the switching elements 1 and 2 of FIG. 5 are alternately turned on and off and the elements 3 and 4 are turned on and off with a phase difference with respect to the switching elements 1 and 2 is called a phase shift method. 4 or 4 or elements 2 and 3 are turned on and off simultaneously, the control signals of elements 1 and 4 and the control signals of elements 2 and 3 are generated alternately, and the output voltage is adjusted by the pulse width of the control signal. This is called a switching method.

以下に、ハードスイッチング動作について、図6を参照して説明する。図6のVcは出力電圧指令波形、Vcrはキャリア信号波形、Gs1~Gs4は図5のスイッチング素子1〜4のゲート信号波形、Vs1~Vs4は同素子1〜4のドレイン−ソース間電圧波形を示す。なお、図5には示していないが絶縁形直流−直流(DC/DC)変換回路は、スイッチング素子1〜4のゲートに与えるゲート信号を生成するゲート駆動部を備えている。詳細は後述するがゲート駆動部は、このゲート駆動部に対して与えられる出力電圧指令およびゲート駆動部内で生成するキャリア信号に基づきゲート信号を生成する。   The hard switching operation will be described below with reference to FIG. 6, Vc is an output voltage command waveform, Vcr is a carrier signal waveform, Gs1 to Gs4 are gate signal waveforms of the switching elements 1 to 4 in FIG. 5, and Vs1 to Vs4 are drain-source voltage waveforms of the elements 1 to 4. Show. Although not shown in FIG. 5, the insulated direct current-direct current (DC / DC) conversion circuit includes a gate driving unit that generates a gate signal to be applied to the gates of the switching elements 1 to 4. Although details will be described later, the gate driver generates a gate signal based on an output voltage command given to the gate driver and a carrier signal generated in the gate driver.

まず、期間t1ではスイッチング素子1,4が同時にオンして直流電源11→スイッチング素1→インダクタ5→変圧器9→スイッチング素子4→直流電源11の経路で電流が流れ、変圧器9の一次側に電源電圧Edが印加される。なお、インダクタ5は、変圧器9の漏れインダクタンスに代えることができる。ここで、スイッチング素子1と4はオン状態なので、これらの電圧Vs1とVs4は零、スイッチング素子2と3の電圧Vs2,Vs3は直流電源電圧であるEdにクランプされる。   First, in the period t1, the switching elements 1 and 4 are simultaneously turned on, and a current flows through the path of the DC power source 11 → the switching element 1 → the inductor 5 → the transformer 9 → the switching element 4 → the DC power source 11, and the primary side of the transformer 9 Is supplied with the power supply voltage Ed. The inductor 5 can be replaced with the leakage inductance of the transformer 9. Here, since the switching elements 1 and 4 are in the ON state, these voltages Vs1 and Vs4 are clamped to zero, and the voltages Vs2 and Vs3 of the switching elements 2 and 3 are clamped to Ed which is a DC power supply voltage.

次に、t2の期間において、スイッチング素子1と4がオフすると、スイッチング素子1〜4の寄生容量(等価的にスイッチング素子と並列に形成されているキャパシタンス)と、インダクタ5や回路内のインダクタンス成分とが共振し、スイッチング素子の電圧Vs1〜Vs4はEd/2を中心に振動する。
期間t3ではスイッチング素子2と3のゲート信号Gs2とGs3が同時にオンし、直流電源11→スイッチング素子3→変圧器9→インダクタ5→スイッチング素子2→直流電源11の経路で期間t1とは逆方向の電流が流れ、変圧器9の一次側には逆方向の電圧(−Ed)が印加される。
Next, when the switching elements 1 and 4 are turned off during the period t2, the parasitic capacitances of the switching elements 1 to 4 (capacitance equivalently formed in parallel with the switching elements) and the inductance components in the inductor 5 and the circuit. And the voltages Vs1 to Vs4 of the switching element oscillate around Ed / 2.
In the period t3, the gate signals Gs2 and Gs3 of the switching elements 2 and 3 are turned on at the same time, and the direction of the DC power supply 11 → switching element 3 → transformer 9 → inductor 5 → switching element 2 → DC power supply 11 is opposite to the period t1. Current flows, and a reverse voltage (−Ed) is applied to the primary side of the transformer 9.

ここで、スイッチング素子2と3はオン状態なので、これらの電圧Vs2とVs3は零、スイッチング素子1と4の電圧Vs1,Vs4は直流電源電圧であるEdにクランプされる。
t4の期間では、t2期間と同様に全素子がオフするので共振動作となり、スイッチング素子の電圧Vs1〜Vs4はEd/2を中心に振動する。
このように、変圧器9の一次側には正負の電圧が印加され、その巻数比に比例する電圧が二次側に発生する。さらに、変圧器9の二次側電圧はダイオード7や8で整流され、インダクタ10やコンデンサ12で高周波成分が低減され、直流出力電圧がコンデンサ12の両端に得られる。
Here, since the switching elements 2 and 3 are in the ON state, these voltages Vs2 and Vs3 are zero, and the voltages Vs1 and Vs4 of the switching elements 1 and 4 are clamped to Ed which is a DC power supply voltage.
In the period of t4, all the elements are turned off as in the period of t2, so that the resonance operation occurs, and the voltages Vs1 to Vs4 of the switching elements oscillate around Ed / 2.
Thus, positive and negative voltages are applied to the primary side of the transformer 9, and a voltage proportional to the turns ratio is generated on the secondary side. Further, the secondary side voltage of the transformer 9 is rectified by the diodes 7 and 8, the high frequency component is reduced by the inductor 10 and the capacitor 12, and a DC output voltage is obtained across the capacitor 12.

なお、ゲート信号Gs1~Gs4は、出力電圧指令Vcとキャリア信号Vcrとを比較することで得られる信号Vrを振り分けることにより、生成される。よって、Gs1~Gs4の時間的関係はt1=t3,t2=t4となる。
以上のように、スイッチング素子のターンオン時に、スイッチング素子には既に電圧が印加されている。このため、ターンオンと同時に寄生容量に蓄えられているエネルギーが消費されて損失が発生してしまう。例えば、スイッチング素子2のターンオン(t2→t3)によって素子2の寄生容量は短絡され、寄生容量に蓄えられていたエネルギーは放電されて消費される。このような動作が各素子において、スイッチングのたびに繰り返されることになる。
The gate signals Gs1 to Gs4 are generated by distributing the signal Vr obtained by comparing the output voltage command Vc and the carrier signal Vcr. Therefore, the temporal relationship between Gs1 to Gs4 is t1 = t3 and t2 = t4.
As described above, a voltage is already applied to the switching element when the switching element is turned on. For this reason, the energy stored in the parasitic capacitance is consumed at the same time as the turn-on, and a loss occurs. For example, when the switching element 2 is turned on (t2 → t3), the parasitic capacitance of the element 2 is short-circuited, and the energy stored in the parasitic capacitance is discharged and consumed. Such an operation is repeated at each switching in each element.

ここで、寄生容量を放電することによって生じるスイッチング素子1個あたりの損失Pは、下記(1)式のように表わされる。
P=Cv2fs/2…(1)
Cはスイッチング素子の寄生容量、vはターンオン時に印加されているスイッチング素子の電圧、fsはスイッチング周波数を示す。つまり、ターンオン時における電圧vの2乗に比例して損失が増加することになる。
Here, the loss P per switching element caused by discharging the parasitic capacitance is expressed by the following equation (1).
P = Cv 2 fs / 2 (1)
C is a parasitic capacitance of the switching element, v is a voltage of the switching element applied at turn-on, and fs is a switching frequency. That is, the loss increases in proportion to the square of the voltage v at turn-on.

また、スイッチング素子2がオンすると同時に、その電圧Vs2は零になり、スイッチング素子1の寄生容量は急激に充電され、素子1の電圧Vs1はEdまで上昇する。このとき、素子1の寄生容量を充電する経路は、直流電源11→スイッチング素子1の寄生容量→スイッチング素子2→直流電源11であり、スイッチング素子2のターンオンと同時にスイッチング素子2にも大きな電流が流れる。よって、スイッチング素子2のスイッチング損失(ターンオン損失)が増加してしまう。   At the same time when the switching element 2 is turned on, the voltage Vs2 becomes zero, the parasitic capacitance of the switching element 1 is rapidly charged, and the voltage Vs1 of the element 1 rises to Ed. At this time, the path for charging the parasitic capacitance of the element 1 is the DC power source 11 → the parasitic capacitance of the switching element 1 → the switching element 2 → the DC power supply 11. Flowing. Therefore, the switching loss (turn-on loss) of the switching element 2 increases.

また、寄生容量に蓄えられた大きなエネルギーを急激に充放電するので、回路から発生するノイズが増加し、他の機器が誤動作するなどの障害が生じる危険がある。
なお、重負荷では位相シフト制御方式に切り替えることで、スイッチング素子がターンオンする前に素子の電圧Vs1〜Vs4が零となり、零電圧スイッチング(ソフトスイッチング)が成立するので、上記のような問題は発生しない。
In addition, since the large energy stored in the parasitic capacitance is rapidly charged and discharged, there is a risk that noise generated from the circuit increases and other devices malfunction.
For heavy loads, switching to the phase shift control method causes the voltage Vs1 to Vs4 of the element to become zero before the switching element is turned on, and zero voltage switching (soft switching) is established. do not do.

一方、スイッチング素子の電圧が極小値になったときにスイッチング素子をオンさせる、擬似共振という技術が特許文献1に紹介されている。
しかし、この特許文献1に記載されている擬似共振は、スイッチング素子を1個のみ用いた小容量向けの1石コンバータを対象とするもので、このような1石コンバータでは大きな出力電力を得るのは困難である。
また、この発明にいう大容量向けフルブリッジ構成の回路において、特許文献1のようにスイッチング素子のオンタイミングを変更すると、変圧器に印加される電圧時間積が正負で異なって偏磁し、過大な電流が流れて機器が破損するという問題が生じる。
On the other hand, Patent Literature 1 introduces a technique called pseudo-resonance that turns on a switching element when the voltage of the switching element reaches a minimum value.
However, the quasi-resonance described in Patent Document 1 is intended for a one-stone converter for small capacity using only one switching element, and such a one-stone converter obtains a large output power. It is difficult.
Further, in the circuit having a full-bridge configuration for a large capacity according to the present invention, when the on-timing of the switching element is changed as in Patent Document 1, the voltage / time product applied to the transformer is different in positive and negative and is demagnetized. A problem arises that a large current flows and the device is damaged.

特開2008−312399号公報JP 2008-31399 A

従って、この発明の課題は、大容量の直流−直流変換回路を構成するスイッチング素子が、ターンオン時に発生する寄生容量の充放電に伴う損失を低減し、回路装置の高効率化を図ることにある。   Therefore, an object of the present invention is to reduce the loss associated with charging / discharging of the parasitic capacitance that occurs when the switching element that constitutes the large-capacity DC-DC converter circuit is turned on, thereby improving the efficiency of the circuit device. .

このような課題を解決するため、請求項1の発明では、2個のスイッチング素子を直列に接続した第1,第2の直列回路をそれぞれ直流電源と並列に接続し、前記第1の直列回路の内部接続点には変圧器の一次巻線の一端を接続し、前記第2の直列回路の内部接続点には前記一次巻線の他端を接続し、変圧器の二次巻線には整流素子を接続して直流を得る直流−直流変換回路にてハードスイッチング方式の制御を行なうにあたり、
前記第1の直列回路における上アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における下アームのスイッチング素子がともにオン状態となる第1のオン期間と、
前記第1の直列回路における下アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における上アームのスイッチング素子がともにオン状態となる第2のオン期間とが等しくなることを条件にして、
前記第1の直列回路における上アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における下アームのスイッチング素子がオフした後に、前記第1の直列回路における下アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における上アームのスイッチング素子がオンするまでの全スイッチング素子がオフ状態となる第1のオフ期間と、
前記第1の直列回路における下アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における上アームのスイッチング素子がオフした後に、前記第1の直列回路における上アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における下アームのスイッチング素子がオンするまでの全スイッチング素子がオフ状態となる第2のオフ期間とを、互いに異なるように設定することを特徴とする。
In order to solve such a problem, according to the first aspect of the present invention, first and second series circuits in which two switching elements are connected in series are respectively connected in parallel with a DC power source, and the first series circuit is provided. One end of the primary winding of the transformer is connected to the internal connection point, the other end of the primary winding is connected to the internal connection point of the second series circuit, and the secondary winding of the transformer When performing a hard switching system control in a DC-DC converter circuit that obtains DC by connecting a rectifying element,
A first on-period in which an upper arm switching element in the first series circuit and a lower arm switching element in the second series circuit are both turned on;
On condition that the second on-period in which the switching element of the lower arm in the first series circuit and the switching element of the upper arm in the second series circuit are both turned on is equal,
After the switching element of the upper arm in the first series circuit and the switching element of the lower arm in the second series circuit are turned off, the switching element of the lower arm in the first series circuit and the second series circuit A first off period in which all the switching elements are turned off until the upper arm switching elements are turned on;
After the switching element of the lower arm in the first series circuit and the switching element of the upper arm in the second series circuit are turned off, the switching element of the upper arm in the first series circuit and the second series circuit The second off period in which all the switching elements are turned off until the lower arm switching elements are turned on is set to be different from each other.

上記請求項1の発明においては、前記第1または第2の直列回路における上アームのスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の上アームのスイッチング素子がオンするようにスイッチング周波数を調整するか、
または、前記第1または第2の直列回路における下アームのスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の下アームのスイッチング素子がオンするようにスイッチング周波数を調整することができる(請求項2の発明)。
あるいは、前記第1または第2の直列回路における上アームのスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の上アームのスイッチング素子がオンするように前記第1および第2のオフ期間を調整するか、
または、前記第1または第2の直列回路における下アームのスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の下アームのスイッチング素子がオンするように前記第1および第2のオフ期間を調整することができる(請求項3の発明)。
In the first aspect of the present invention, when the voltage of the switching element of the upper arm in the first or second series circuit reaches a minimum value, the switching element of the upper arm of the series circuit is turned on. Adjust the switching frequency or
Alternatively, the switching frequency may be adjusted so that the switching element of the lower arm of the series circuit is turned on when the voltage of the switching element of the lower arm of the first or second series circuit reaches a minimum value. (Invention of claim 2)
Alternatively, when the voltage of the switching element of the upper arm in the first or second series circuit reaches a minimum value, the switching element of the upper arm of the series circuit is turned on. Adjust the off period,
Alternatively, when the voltage of the switching element of the lower arm in the first or second series circuit reaches a minimum value, the switching element of the lower arm of the series circuit is turned on. The off period can be adjusted (invention of claim 3).

また、請求項1の発明においては、前記第1または第2の直列回路の内部接続点と前記変圧器との間にコンデンサを接続し、
前記第1または第2の直列回路における上アーム(または下アーム)のスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の上アーム(または下アーム)のスイッチング素子がオンし、
前記第1または第2の直列回路における下アーム(または上アーム)のスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の下アーム(または上アーム)のスイッチング素子がオンするように、前記上アーム(または下アーム)のスイッチング素子のオフするタイミングを決定することができる(請求項4の発明)。
上記請求項1〜4のいずれかの発明においては、出力電力および出力電流の大きさに応じて、スイッチング素子のオンタイミング,オフタイミングまたはスイッチング周波数の少なくとも1つを変化させ、スイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときにスイッチング素子がオンするように調整することができる(請求項5の発明)。
上記請求項1〜5のいずれかに記載の制御は、出力電力が所定値以下のときに行ない、出力電力が所定値を超えたときは位相シフト方式の制御を行なうことを特徴とする(請求項6の発明)。
In the invention of claim 1, a capacitor is connected between the internal connection point of the first or second series circuit and the transformer,
When the voltage of the switching element of the upper arm (or lower arm) in the first or second series circuit reaches a minimum value, the switching element of the upper arm (or lower arm) of the series circuit is turned on,
When the voltage of the switching element of the lower arm (or upper arm) in the first or second series circuit reaches a minimum value, the switching element of the lower arm (or upper arm) of the series circuit is turned on. In addition, the timing for turning off the switching element of the upper arm (or the lower arm) can be determined (invention of claim 4).
In the invention according to any one of the first to fourth aspects, at least one of the on-timing, off-timing, or switching frequency of the switching element is changed according to the magnitudes of the output power and the output current, and the voltage of the switching element is changed. It can be adjusted so that the switching element is turned on when it reaches the vicinity of the minimum value (the invention of claim 5).
The control according to any one of claims 1 to 5 is performed when the output power is equal to or less than a predetermined value, and when the output power exceeds a predetermined value, control of a phase shift method is performed (claim). Item 6).

この発明によれば、大容量向けとしてのフルブリッジ構成の直流−直流変換回路において、そのスイッチング素子がターンオンしたときに発生する寄生容量の充放電に伴う損失を低減することができ、回路装置の高効率化が可能となる。また、損失を低減に伴う冷却フィンの小形化や低コスト化が可能となる。さらに、スイッチング時に寄生容量を充放電するエネルギーが減るので、発生するノイズを低減できる。   According to the present invention, in a DC-DC converter circuit having a full bridge configuration for a large capacity, loss due to charging / discharging of the parasitic capacitance generated when the switching element is turned on can be reduced. High efficiency can be achieved. Further, it is possible to reduce the size and cost of the cooling fins accompanying the loss reduction. Further, since the energy for charging and discharging the parasitic capacitance during switching is reduced, the generated noise can be reduced.

この発明の実施形態を説明するための各部波形図。The waveform diagram of each part for explaining the embodiment of the present invention. この発明の別の実施形態を説明するための各部波形図。The waveform diagram of each part for explaining another embodiment of the present invention. この発明の実施形態を示す回路構成図。The circuit block diagram which shows embodiment of this invention. この発明の他の実施形態を説明するための各部波形図。Each part waveform diagram for demonstrating other embodiment of this invention. 従来例を示す回路図。The circuit diagram which shows a prior art example. 図5の動作を説明するための各部波形図。FIG. 6 is a waveform diagram of each part for explaining the operation of FIG. 5.

図1はこの発明による実施形態を説明するための各部波形図である。なお、回路構成は図5と同様とする。
これは、全てのスイッチング素子がオフするt2とt4の期間を調整し、スイッチング素子の電圧が極小値付近に達するときにターンオンするように設定する例である。例えば、Vs2が極小値付近に達したときにスイッチング素子2がターンオンするように、素子2のオンタイミングを調整する。ただし、変圧器に印加される正側と負側の電圧時間積が等しくないと、変圧器が偏磁して過大な電流が流れ回路装置が破損するため、t1=t3の条件を満たした上で、素子2のオンタイミングを調整する必要がある。
FIG. 1 is a waveform diagram of each part for explaining an embodiment according to the present invention. The circuit configuration is the same as in FIG.
This is an example in which the period between t2 and t4 in which all switching elements are turned off is adjusted, and the switching elements are set to turn on when the voltage reaches a minimum value. For example, the on-timing of the element 2 is adjusted so that the switching element 2 is turned on when Vs2 reaches near the minimum value. However, if the positive and negative voltage time products applied to the transformer are not equal, the transformer will be magnetized and excessive current will flow, causing damage to the circuit device. Therefore, it is necessary to adjust the on-timing of the element 2.

そこで、t2+t4を一定として、t2とt4の比率を調整する。例えば素子2のオンタイミングを進ませれば、オフタイミングも同等の時間だけ進ませる必要がある。こうすれば、ターンオン時におけるスイッチング素子の電圧が小さくなるので、先の(1)式からも明らかなように、素子2の寄生容量に蓄えられているエネルギーは小さくなり、ターンオン時に消費される損失も低減できる。   Therefore, the ratio between t2 and t4 is adjusted with t2 + t4 being constant. For example, if the on-timing of the element 2 is advanced, it is necessary to advance the off-timing by the same time. By doing so, the voltage of the switching element at the time of turn-on becomes small, so that the energy stored in the parasitic capacitance of the element 2 becomes small and the loss consumed at the time of turn-on. Can also be reduced.

同時に、素子1の電圧Vs1は次の(2)式のようになり、電圧Vs2が極小のときに電圧Vs1は極大値となる。
Vs1=Ed−Vs2…(2)
つまり、電圧Vs2が極小のときにEd とVs1の差が小さくなるので、素子2のターンオン時に素子1の寄生容量を充電する電流(図5の直流電源11→素子1の寄生容量→素子2→直流電源11の経路)が小さくなり、素子2のターンオン損失も低減される。
At the same time, the voltage Vs1 of the element 1 is expressed by the following equation (2), and the voltage Vs1 has a maximum value when the voltage Vs2 is minimum.
Vs1 = Ed−Vs2 (2)
That is, since the difference between Ed and Vs1 becomes small when the voltage Vs2 is minimal, the current for charging the parasitic capacitance of the element 1 when the element 2 is turned on (DC power supply 11 → parasitic capacitance of the element 1 → element 2 → The path of the DC power source 11 is reduced, and the turn-on loss of the element 2 is also reduced.

また、ターンオン時に充放電する寄生容量のエネルギーを低減できるので、ノイズの発生を抑制でき、その結果、他の機器へ悪影響を与えることなく動作させることができる。
ここでは、素子2のオンタイミングとオフタイミングをずらすことで、t2とt4の比率を変化させる例について説明したが、その他のスイッチング素子の制御タイミングをずらしても、同様に動作させることができる。
In addition, since the energy of the parasitic capacitance charged and discharged at turn-on can be reduced, the generation of noise can be suppressed, and as a result, the operation can be performed without adversely affecting other devices.
Here, the example in which the ratio of t2 and t4 is changed by shifting the on timing and the off timing of the element 2 has been described, but the same operation can be performed even if the control timing of other switching elements is shifted.

図2に請求項2に対応する動作波形図を示す。
ここでは、スイッチング素子の電圧が極小値付近に達するときにオンするように、スイッチング周波数を調整する。例えば、スイッチング周波数を高くするとt0〜t5がそれぞれ短くなり、逆にスイッチング周波数を低くするとt0〜t5がそれぞれ長くなる。しかし、スイッチング素子がオフしているt2やt4における、スイッチング素子の電圧の共振周期は回路定数や寄生成分で決定され、一定である。よって、スイッチング周波数を調整することで、スイッチング素子の電圧が極小値付近に達するときに素子がオンするように、ターンオンのタイミングを調整することができる。その結果、図1と同様の作用・効果がもたらされる。
FIG. 2 shows an operation waveform diagram corresponding to claim 2.
Here, the switching frequency is adjusted so that the switching element is turned on when the voltage of the switching element reaches near the minimum value. For example, when the switching frequency is increased, t0 to t5 are each shortened. Conversely, when the switching frequency is decreased, t0 to t5 are respectively increased. However, the resonance period of the voltage of the switching element at t2 and t4 when the switching element is off is determined by circuit constants and parasitic components and is constant. Therefore, by adjusting the switching frequency, the turn-on timing can be adjusted so that the element is turned on when the voltage of the switching element reaches a minimum value. As a result, the same operations and effects as in FIG. 1 are brought about.

図3にこの発明による主回路例、図4にこの発明の他の実施形態を説明するための動作波形図を示す。
図4では、図5に示すスイッチング素子1と4のオン期間を調整することで、請求項1と同様の作用・効果を得るようにしている。例えば、電圧Vs2が極小となるタイミングで素子2をオンさせるとともに、素子1の電圧Vs1が極小となるときに素子1がオンするように、素子2がオフするタイミングを調整する。ただし、このときの素子1の制御信号は、調整しない。
FIG. 3 shows an example of a main circuit according to the present invention, and FIG. 4 shows an operation waveform diagram for explaining another embodiment of the present invention.
In FIG. 4, by adjusting the ON period of the switching elements 1 and 4 shown in FIG. For example, the element 2 is turned on at the timing when the voltage Vs2 is minimized, and the timing at which the element 2 is turned off is adjusted so that the element 1 is turned on when the voltage Vs1 of the element 1 is minimized. However, the control signal of the element 1 at this time is not adjusted.

上記では、素子2のオンタイミングとオフタイミングの両方を調整するので、素子2の制御パルス幅が変化しt1≠t3となって、変圧器が偏磁する可能性がある。そこで、図3に示すように、変圧器9の一次側にコンデンサ6を挿入することで、変圧器9の一次側電圧の直流成分を除去するようにしている。これにより、変圧器は偏磁することなく回路装置は安全に動作できるようになる。
なお、ここでは素子2のオンタイミングとオフタイミングをずらすことで、素子1の電圧Vs1と素子2の電圧Vs2が極小値となるときに、それぞれの素子がオンするようにしているが、その他の素子2のオンタイミングとオフタイミングをずらすことでも同様の動作となり、同様の効果が得られることは言うまでも無い。
In the above, since both the on-timing and off-timing of the element 2 are adjusted, the control pulse width of the element 2 changes and t1 ≠ t3, and the transformer may be demagnetized. Therefore, as shown in FIG. 3, a DC component of the primary voltage of the transformer 9 is removed by inserting a capacitor 6 on the primary side of the transformer 9. As a result, the circuit device can operate safely without the transformer being demagnetized.
Here, the on-timing and off-timing of the element 2 are shifted so that when the voltage Vs1 of the element 1 and the voltage Vs2 of the element 2 become minimum values, the respective elements are turned on. It goes without saying that the same operation can be obtained by shifting the on-timing and off-timing of the element 2 and the same effect can be obtained.

ところで、出力電力や出力電流が変化しても出力電圧を一定に保つためには、素子がオンしているt1,t3,t5期間とオフしているt2,t4期間との比率、いわゆる導通比を変化させる必要がある。そこで、請求項5のように、出力電力や出力電流の変化に応じて導通比が変化しても、素子の電圧が極小値付近となるようにオンタイミングを変化させることで、広い動作範囲で高効率化,低ノイズ化を図ることができる。デジタル制御を用いれば、オンタイミングの調整量やスイッチング周波数の変化量を制御量として予め保存しておくことが容易であり、その結果、出力電力や出力電流の検出値に応じ、所定の調整量で制御することが可能となる。   By the way, in order to keep the output voltage constant even when the output power or output current changes, the ratio between the t1, t3, and t5 periods when the element is on and the t2, t4 periods when the element is off, the so-called conduction ratio Need to change. Therefore, as in claim 5, even if the conduction ratio changes according to the change in output power or output current, the on-timing is changed so that the voltage of the element is in the vicinity of the minimum value. High efficiency and low noise can be achieved. If digital control is used, it is easy to store in advance the amount of adjustment of on-timing and the amount of change in switching frequency as a control amount. It becomes possible to control with.

また、先願(特願2009−018302号)と同様に、重負荷時には位相シフト動作をさせることでソフトスイッチングが成立し、軽負荷時にはハードスイッチング動作をさせることで、dv/dtの限度値を超えることなく安全に動作させることができる。さらに、この発明を適用することで、軽負荷時のハードスイッチング動作において損失を低減できるだけでなく、広い負荷範囲で損失を低減させることができる。
なお、オンタイミングとオフタイミングの調整は、一般的なデジタル制御やシフトレジスタを用いることなどにより、容易に実現可能である。
Similarly to the previous application (Japanese Patent Application No. 2009-018302), soft switching is established by performing a phase shift operation at a heavy load, and a hard switching operation is performed at a light load, thereby setting a limit value of dv / dt. It can be operated safely without exceeding. Furthermore, by applying the present invention, not only can loss be reduced in a hard switching operation at light load, but also loss can be reduced over a wide load range.
The adjustment of the on timing and the off timing can be easily realized by using a general digital control or a shift register.

1〜4…スイッチング素子、5,10…インダクタ、6,12…コンデンサ、7,8…ダイオード、9…変圧器、11…直流電源、13…負荷。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1-4 ... Switching element, 5,10 ... Inductor, 6, 12 ... Capacitor, 7, 8 ... Diode, 9 ... Transformer, 11 ... DC power supply, 13 ... Load.

Claims (6)

2個のスイッチング素子を直列に接続した第1,第2の直列回路をそれぞれ直流電源と並列に接続し、前記第1の直列回路の内部接続点には変圧器の一次巻線の一端を接続し、前記第2の直列回路の内部接続点には前記一次巻線の他端を接続し、変圧器の二次巻線には整流素子を接続して直流出力を得る直流−直流変換回路にてハードスイッチング方式の制御を行なうにあたり、
前記第1の直列回路における上アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における下アームのスイッチング素子がともにオン状態となる第1のオン期間と、
前記第1の直列回路における下アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における上アームのスイッチング素子がともにオン状態となる第2のオン期間とが等しくなることを条件にして、
前記第1の直列回路における上アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における下アームのスイッチング素子がオフした後に、前記第1の直列回路における下アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における上アームのスイッチング素子がオンするまでの全スイッチング素子がオフ状態となる第1のオフ期間と、
前記第1の直列回路における下アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における上アームのスイッチング素子がオフした後に、前記第1の直列回路における上アームのスイッチング素子と前記第2の直列回路における下アームのスイッチング素子がオンするまでの全スイッチング素子がオフ状態となる第2のオフ期間とを、互いに異なるように設定することを特徴とする直流−直流変換回路の制御方法。
First and second series circuits each having two switching elements connected in series are connected in parallel with a DC power source, and one end of a primary winding of a transformer is connected to an internal connection point of the first series circuit. In the DC-DC converter circuit, the other end of the primary winding is connected to the internal connection point of the second series circuit, and the rectifier is connected to the secondary winding of the transformer to obtain a DC output. When performing hard switching control,
A first on-period in which an upper arm switching element in the first series circuit and a lower arm switching element in the second series circuit are both turned on;
On condition that the second on-period in which the switching element of the lower arm in the first series circuit and the switching element of the upper arm in the second series circuit are both turned on is equal,
After the switching element of the upper arm in the first series circuit and the switching element of the lower arm in the second series circuit are turned off, the switching element of the lower arm in the first series circuit and the second series circuit A first off period in which all the switching elements are turned off until the upper arm switching elements are turned on;
After the switching element of the lower arm in the first series circuit and the switching element of the upper arm in the second series circuit are turned off, the switching element of the upper arm in the first series circuit and the second series circuit A control method for a DC-DC conversion circuit, wherein a second off period in which all switching elements are turned off until the lower arm switching elements are turned on is set to be different from each other.
前記第1または第2の直列回路における上アームのスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の上アームのスイッチング素子がオンするようにスイッチング周波数を調整するか、
または、前記第1または第2の直列回路における下アームのスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の下アームのスイッチング素子がオンするようにスイッチング周波数を調整することを特徴とする請求項1に記載の直流−直流変換回路の制御方法。
Adjusting the switching frequency so that the switching element of the upper arm of the series circuit is turned on when the voltage of the switching element of the upper arm in the first or second series circuit reaches a minimum value;
Alternatively, the switching frequency is adjusted so that the switching element of the lower arm of the series circuit is turned on when the voltage of the switching element of the lower arm of the first or second series circuit reaches a minimum value. The method for controlling a DC-DC converter circuit according to claim 1, wherein:
前記第1または第2の直列回路における上アームのスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の上アームのスイッチング素子がオンするように前記第1および第2のオフ期間を調整するか、
または、前記第1または第2の直列回路における下アームのスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の下アームのスイッチング素子がオンするように前記第1および第2のオフ期間を調整することを特徴とする請求項1に記載の直流−直流変換回路の制御方法。
The first and second off periods so that the switching element of the upper arm of the series circuit is turned on when the voltage of the switching element of the upper arm in the first or second series circuit reaches a minimum value. Adjust or
Alternatively, when the voltage of the switching element of the lower arm in the first or second series circuit reaches a minimum value, the switching element of the lower arm of the series circuit is turned on. 2. The method of controlling a DC-DC converter circuit according to claim 1, wherein the off period is adjusted.
前記第1または第2の直列回路の内部接続点と前記変圧器との間にコンデンサを接続し、
前記第1または第2の直列回路における上アーム(または下アーム)のスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の上アーム(または下アーム)のスイッチング素子がオンし、
前記第1または第2の直列回路における下アーム(または上アーム)のスイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときに、前記直列回路の下アーム(または上アーム)のスイッチング素子がオンするように、前記上アーム(または下アーム)のスイッチング素子のオフするタイミングを決定することを特徴とする請求項1に記載の直流−直流変換回路の制御方法。
A capacitor is connected between an internal connection point of the first or second series circuit and the transformer;
When the voltage of the switching element of the upper arm (or lower arm) in the first or second series circuit reaches a minimum value, the switching element of the upper arm (or lower arm) of the series circuit is turned on,
When the voltage of the switching element of the lower arm (or upper arm) in the first or second series circuit reaches a minimum value, the switching element of the lower arm (or upper arm) of the series circuit is turned on. The method for controlling a DC-DC converter circuit according to claim 1, further comprising: determining a timing at which the switching element of the upper arm (or the lower arm) is turned off.
出力電力および出力電流の大きさに応じて、スイッチング素子のオンタイミング,オフタイミングまたはスイッチング周波数の少なくとも1つを変化させ、スイッチング素子の電圧が極小値付近に達したときにスイッチング素子がオンするように調整することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の直流−直流変換回路の制御方法。   Depending on the magnitude of the output power and output current, at least one of the ON timing, OFF timing or switching frequency of the switching element is changed so that the switching element is turned on when the voltage of the switching element reaches a minimum value. The method for controlling a DC-DC converter circuit according to any one of claims 1 to 4, wherein the control method is adjusted. 前記請求項1〜5のいずれか1項に記載の制御は、出力電力が所定値以下のときに行ない、出力電力が所定値を超えたときは位相シフト方式の制御を行なうことを特徴とする直流−直流変換回路の制御方法。   The control according to any one of claims 1 to 5 is performed when the output power is equal to or less than a predetermined value, and when the output power exceeds a predetermined value, the phase shift control is performed. A method for controlling a DC-DC converter circuit.
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