JP5925150B2 - DC power supply - Google Patents

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Description

本発明は、入力直流電圧を負荷装置で利用可能な直流電圧に変換する直流電源装置に関する。   The present invention relates to a DC power supply device that converts an input DC voltage into a DC voltage that can be used by a load device.

電圧の高い直流電源を入力とする直流電源装置の利用分野として、艦船用または航空機用など3相交流発電機の出力電圧を整流して使用する電源システムや、バッテリーを複数台直列に接続して一次電源とする電気自動車などの電源システムがある。この種の電源システムでは、出力電流が無負荷に近い状態から定格負荷まで幅広く変化する中で、常に高い変換効率を維持し、消費電力を低く抑えるとともに、小型軽量で信頼性の高い直流電源装置が要求されている。   DC power supply systems that use high-voltage DC power as an input include power systems that rectify and use the output voltage of three-phase AC generators, such as for ships or aircraft, or by connecting multiple batteries in series. There are power supply systems such as electric vehicles that use primary power. In this type of power supply system, a high-efficiency DC power supply that maintains high conversion efficiency, keeps power consumption low, and is compact, lightweight, and highly reliable while the output current varies widely from a nearly no-load condition to a rated load. Is required.

ここで、艦船用または航空機用の電源システムで使用される従来の直流電源装置では、4個のスイッチング素子を交互にオン/オフさせ、スイッチングトランスの一次電流を双方向に流して、トランスの利用効率を高めたフルブリッジ型の直流電源装置を搭載したものが知られている。   Here, in a conventional DC power supply device used in a ship or aircraft power supply system, the four switching elements are alternately turned on / off, and the primary current of the switching transformer is allowed to flow in both directions to use the transformer. A device equipped with a full-bridge type DC power supply device with improved efficiency is known.

このようなフルブリッジ型の直流電源装置としては、スイッチング素子にFET(Field Effect Transistor:電界効果トランジスタ)を使用したスイッチング方式によるDC/DCコンバータ回路が一般的であるが、シリコン(以下、「Si」という)を用いたパワー半導体素子を用いた回路においては、オン抵抗や飽和電圧の低減化が要求されているものの、技術的に限界に達しつつあり、これに伴いDC/DCコンバータ回路の高効率化に関しても頭打ちの状況にある。   As such a full-bridge type DC power supply device, a DC / DC converter circuit by a switching method using a FET (Field Effect Transistor) as a switching element is generally used, but silicon (hereinafter referred to as “Si”). In the circuit using the power semiconductor element using “)”, although the on-resistance and the saturation voltage are required to be reduced, the technical limit is being reached. It is also at the peak of efficiency.

しかし、近年では、Siのバンドギャップに対し2倍程度の値を有するワイドバンドギャップ半導体(以下、「WBG半導体」という)の研究が進められた結果、低オン抵抗で高耐圧であって大電流かつ高速スイッチングが可能な、窒化ガリウム(以下、「GaN」という)を用いたFETや、炭化ケイ素(以下SiCという)を用いたスイッチングデバイスが使用され始めている。   However, in recent years, as a result of research on wide band gap semiconductors (hereinafter referred to as “WBG semiconductors”) having a value about twice that of Si, the results are low on-resistance, high breakdown voltage, and high current. In addition, FETs using gallium nitride (hereinafter referred to as “GaN”) and switching devices using silicon carbide (hereinafter referred to as SiC) that are capable of high-speed switching are beginning to be used.

一般的に、GaNやSiCを用いたFETを使用すれば、スイッチング損失を削減することができ、さらに小型で高効率なDC/DCコンバータ回路が提供できることが知られている。   In general, it is known that if a FET using GaN or SiC is used, switching loss can be reduced, and a more compact and highly efficient DC / DC converter circuit can be provided.

しかしながら、現在、実用化されつつあるGaNやSiCで作られたMOSFET(Metal−Oxide−Semiconductor Field Effect Transistor)は、Siで作られたMOSFETに比べ、耐電圧が高く、オン抵抗が低いうえに高温動作においても特性の劣化がなく、導通状態における損失(以下、「導通損失」という)は小さいが、ドレイン−ソース間およびドレイン−ゲート間の寄生容量が大きいため、FETがオフ状態の時に蓄えた電荷をオンと同時に消費する充放電損失が大きい。   However, MOSFETs (Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor) made of GaN and SiC, which are currently in practical use, have higher withstand voltage, lower on-resistance, and higher temperature than MOSFETs made of Si. There is no deterioration in characteristics even during operation, and the loss in the conducting state (hereinafter referred to as “conducting loss”) is small, but since the parasitic capacitance between the drain and source and between the drain and gate is large, it was stored when the FET was off. Charge / discharge loss that consumes charge at the same time as turning on is large.

さらに、FETがオフ状態からオン状態に移る際には、ドレイン−ソース間に印加された電圧が飽和電圧になるまでの時間に流れた電流と、その間ドレイン−ソース間に加わっていた電圧との積を時間積分した値に相当する損失が発生し、逆に、FETがオン状態からオフ状態に移る際には、ドレイン−ソース間を流れている電流がゼロとなるまでの間に加わった電圧と流れた電流との積を時間積分した値に相当する損失が発生する。これらの損失はスイッチングロスと呼称され、スイッチング周波数に比例して増加する。   Furthermore, when the FET shifts from the off state to the on state, the current flowing during the time until the voltage applied between the drain and the source becomes the saturation voltage and the voltage applied between the drain and the source during that time A loss corresponding to the value obtained by integrating the product over time occurs. Conversely, when the FET changes from the on state to the off state, the voltage applied until the current flowing between the drain and the source becomes zero. And a loss corresponding to a value obtained by time-integrating the product of the flowed current. These losses are called switching losses and increase in proportion to the switching frequency.

一般に、このスイッチングロスを低減する方法としては、所謂ゼロ電圧スイッチング技術やゼロ電流スイッチング技術などが用いられ、フルブリッジ型の直流電源装置に適用されるゼロ電圧スイッチング技術としては、所謂フェイズシフト・フルブリッジ方式が知られている。   In general, a so-called zero voltage switching technique, a zero current switching technique, or the like is used as a method for reducing the switching loss. As a zero voltage switching technique applied to a full-bridge type DC power supply device, a so-called phase shift full A bridge method is known.

このフェイズシフト・フルブリッジ方式は、互いに位相を180°ずらして動作する2個のFETを直列に接続したブリッジ回路を2組、入力コンデンサと並列に接続し、第1のブリッジ回路の中点をスイッチングトランス一次側巻き線の片方の端子に共振コイルを介して接続し、第2のブリッジ回路の中点をスイッチングトランス一次側巻き線の他方の端子に接続し、2組のブリッジ回路の位相を制御して、スイッチングトランスの一次側に電流を流す時間を可変する方式である。   In this phase shift full bridge system, two sets of bridge circuits in which two FETs operating in phase with each other by 180 ° are connected in series, connected in parallel with the input capacitor, and the midpoint of the first bridge circuit is set. Connect to one terminal of the switching transformer primary winding via a resonance coil, connect the midpoint of the second bridge circuit to the other terminal of the switching transformer primary winding, and adjust the phase of the two bridge circuits. This is a method in which the time for flowing current to the primary side of the switching transformer is varied by controlling.

このフェイズシフト・フルブリッジ方式では、各FETの位相のずれと共振コイルのエネルギーとを利用して、各FETの寄生容量に蓄えられた電荷を入力側に回生するとともに、FETのドレイン−ソース間電位をゼロに近付けてからFETをオン状態に移すことでスイッチングロスを抑制する。一方で、各FETの寄生容量に蓄えられた電荷を回生する際には、次にFETがオンするまでの間、FET内の寄生ダイオードやFETと逆並列に接続されたフリーホイールダイオードを介して共振コイルに電流を流し続ける必要があり、この電流を維持可能なエネルギーを共振コイルに蓄えておく必要がある。このため、共振コイルが小さい場合には、負荷電流が少なくなるとスイッチング電流が減少してゼロ電圧スイッチングが維持できず、非常に大きなスイッチングロスが発生する。   In this phase shift full bridge method, using the phase shift of each FET and the energy of the resonant coil, the charge stored in the parasitic capacitance of each FET is regenerated to the input side, and between the drain and source of the FET Switching loss is suppressed by moving the FET to the ON state after the potential is brought close to zero. On the other hand, when regenerating the charge stored in the parasitic capacitance of each FET, the parasitic diode in the FET or the free wheel diode connected in antiparallel with the FET until the next FET turns on. It is necessary to keep a current flowing through the resonance coil, and it is necessary to store energy capable of maintaining this current in the resonance coil. For this reason, when the resonant coil is small, when the load current is reduced, the switching current is reduced and zero voltage switching cannot be maintained, and a very large switching loss occurs.

つまり、低オン抵抗で高耐圧であって大電流かつ高速スイッチングが可能なGaNやSiCで作られたMOSFETを用いて、入力電圧が高く出力電力が大きいフルブリッジ型のDC/DCコンバータ回路を構成する場合、ゼロ電圧スイッチングが可能なフェイズシフト・フルブリッジ方式の適用が有効であるが、このフェイズシフト・フルブリッジ方式のDC/DCコンバータ回路において、無負荷に近い軽負荷状態でもゼロ電圧スイッチングを維持してスイッチングロスを抑制するためには、非常に大きな共振コイルが必要となり、電源回路が大きくなってしまうといった欠点がある。   In other words, a full-bridge type DC / DC converter circuit with high input voltage and high output power is constructed using MOSFETs made of GaN or SiC that have low on-resistance, high breakdown voltage, high current and high-speed switching. In this case, it is effective to apply a phase shift full bridge method capable of zero voltage switching. However, in this phase shift full bridge method DC / DC converter circuit, zero voltage switching is possible even in light load conditions close to no load. In order to maintain and suppress the switching loss, a very large resonance coil is required, and there is a disadvantage that the power supply circuit becomes large.

そこで、例えば、直流電源装置の負荷電流をモニタし、この負荷電流が大きい時にはスイッチング周波数を高くし、負荷電流が小さい時にはスイッチング周波数を低くして共振コイルに流れる電流を増やすことにより、負荷変動幅の大きい機器でもゼロ電圧スイッチングを維持してスイッチングロスを抑制する技術が開示されている(例えば、特許文献1)。   Therefore, for example, by monitoring the load current of the DC power supply device, when the load current is large, the switching frequency is increased, and when the load current is small, the switching frequency is decreased to increase the current flowing through the resonance coil, thereby increasing the load fluctuation range. A technology that suppresses switching loss by maintaining zero-voltage switching even in a large-sized device is disclosed (for example, Patent Document 1).

特開2010−172146号公報JP 2010-172146 A

しかしながら、特許文献1に示された構成においては、出力電流が小さい時にスイッチング周波数を低くして動作させるため、スイッチング周波数の最低周波数に対応した設計を行う必要がある。このため、出力チョークコイルやスイッチングトランス、入出力に挿入されたコンデンサ等の個々の部品が大きくなり、機器の小型軽量化の阻害要因となる、という問題があった。   However, in the configuration shown in Patent Document 1, since the switching frequency is lowered when the output current is small, it is necessary to perform a design corresponding to the lowest switching frequency. For this reason, there is a problem in that individual components such as an output choke coil, a switching transformer, and a capacitor inserted in the input / output are increased, which is an obstacle to reducing the size and weight of the device.

さらに、負荷電流が定格負荷に近くなった状態では、スイッチング周波数が十分高くなっているため、出力チョークコイルやコンデンサ等の個々の部品がスイッチング周波数に対して必要以上に大きく無駄な体積を占めることとなる。また、高いスイッチング周波数に適合した小型の部品を用いる場合よりも導通損失が増加する等、負荷電流の大きさによっては高効率化を図ることができない、という問題があった。   Furthermore, when the load current is close to the rated load, the switching frequency is sufficiently high, so individual components such as the output choke coil and capacitor occupy a larger and larger volume than necessary for the switching frequency. It becomes. In addition, there is a problem that the efficiency cannot be increased depending on the magnitude of the load current, such as an increase in conduction loss compared to the case of using a small component adapted to a high switching frequency.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、簡単な回路構成で、負荷変動に影響されることなくゼロ電圧スイッチングを維持してスイッチングロスを低減することができ、高効率で小型軽量かつ低コストで実現可能な直流電源装置を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above, and has a simple circuit configuration, can maintain zero voltage switching without being affected by load fluctuations, reduce switching loss, and is highly efficient, small and light. It is another object of the present invention to provide a DC power supply device that can be realized at low cost.

上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかる直流電源装置は、入力直流電圧を負荷装置で利用可能な直流電圧に変換する直流電源装置であって、前記入力直流電圧が印加される入力コンデンサと、複数個のFETがフルブリッジ接続されて構成されたスイッチング回路と、一次側巻線と二次側巻線とを有するトランスと、前記スイッチング回路の出力間に前記一次側巻線を介して接続された共振コイルと、複数個の同期整流用FETを有する同期整流回路と、前記スイッチング回路に流れるスイッチング電流を検出する電流検出回路と、前記各FETの駆動信号の位相を制御する位相制御回路と、前記スイッチング電流に基づいて、前記位相制御回路が前記各FETの寄生ダイオードがオンした状態で当該FETをオンさせるゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対し、前記スイッチング電流が不足している場合に、前記二次側巻線に短絡ループ電流が流れるように、前記同期整流用FETを制御するゼロ電圧制御回路と、を備え、前記同期整流回路は、前記二次側巻線の一方の端子にドレイン端子が接続される第1の同期整流用FETと、前記二次側巻線の他方の端子にドレイン端子が接続される第2の同期整流用FETと、前記二次側巻線の一方の端子に一端が接続される第1の出力チョークコイルと、前記二次側巻線の他方の端子に一端が接続される第2の出力チョークコイルと、前記第1の出力チョークコイルの他端と前記第2の出力チョークコイルの他端との接続点に一端が接続され、前記第1の同期整流用FETのソース端子と前記第2の同期整流用FETのソース端子との接続点に他端が接続される出力コンデンサと、を備え、前記ゼロ電圧制御回路は、前記電流下限値に対する不足電流を算出し、前記共振コイルのインダクタンス値、前記トランスの漏れインダクタンス値、および前記入力直流電圧に基づいて、前記不足電流を補うために必要な前記第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETの1スイッチング周期における同時オン時間を算出すると共に、前記第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETのオンタイミングを、前記同時オン時間分だけ早めて前記第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETが同時にオンしている期間を設けることを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, a DC power supply according to the present invention is a DC power supply that converts an input DC voltage into a DC voltage that can be used in a load device, and the input DC voltage is applied to the DC power supply. An input capacitor, a switching circuit configured by full-bridge connection of a plurality of FETs, a transformer having a primary side winding and a secondary side winding, and the primary side winding between the outputs of the switching circuit. A resonant coil connected via a line, a synchronous rectifier circuit having a plurality of FETs for synchronous rectification, a current detection circuit for detecting a switching current flowing in the switching circuit, and a phase of a drive signal of each FET Based on the switching current, the phase control circuit turns on the FET with the parasitic diode of each FET turned on. Zero voltage control for controlling the synchronous rectification FET so that a short-circuit loop current flows in the secondary winding when the switching current is insufficient with respect to a current lower limit value at which zero voltage switching can be achieved. The synchronous rectifier circuit includes a first synchronous rectification FET having a drain terminal connected to one terminal of the secondary winding, and a drain connected to the other terminal of the secondary winding. A second synchronous rectification FET to which a terminal is connected; a first output choke coil having one end connected to one terminal of the secondary winding; and one end to the other terminal of the secondary winding. Is connected to a connection point of the second output choke coil to which the other output choke coil is connected, the other end of the first output choke coil, and the other end of the second output choke coil. The source terminal of the FET and the second An output capacitor having the other end connected to a connection point with the source terminal of the rectifying FET, the zero voltage control circuit calculates an insufficient current with respect to the current lower limit value, and an inductance value of the resonance coil, Simultaneous on-time in one switching period of the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET required to compensate for the shortage current based on the leakage inductance value of the transformer and the input DC voltage And the on-timing of the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET are advanced by an amount corresponding to the simultaneous on-time, so that the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification use FET is characterized Rukoto provided a period in which are turned on simultaneously.

本発明によれば、負荷電流が少ない状態でも、スイッチング回路を構成するFETのゼロ電圧スイッチングを実現することができるため、負荷変動に影響されることなく高効率に電力変換できる直流電源装置を小型軽量かつ低コストで実現することができる、という効果を奏する。   According to the present invention, since the zero voltage switching of the FET constituting the switching circuit can be realized even in a state where the load current is small, the DC power supply device capable of converting the power efficiently without being affected by the load fluctuation is miniaturized. There is an effect that it can be realized at a low weight and at a low cost.

図1は、実施の形態1にかかる直流電源装置の一構成例を示す図である。FIG. 1 is a diagram of a configuration example of the DC power supply device according to the first embodiment. 図2は、実施の形態1にかかる直流電源装置の詳細動作を説明するためのブロック図である。FIG. 2 is a block diagram for explaining a detailed operation of the DC power supply device according to the first embodiment. 図3は、実施の形態1にかかる直流電源装置の初期状態における各部波形を示す図である。FIG. 3 is a diagram illustrating waveforms of respective parts in the initial state of the DC power supply device according to the first embodiment. 図4は、実施の形態1にかかる直流電源装置の出力電流が最大となる定格負荷運転時における各部波形を示す図である。FIG. 4 is a diagram illustrating each part waveform during rated load operation in which the output current of the DC power supply device according to the first embodiment is maximized. 図5は、実施の形態1にかかる直流電源装置の出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時における各部波形を示す図である。FIG. 5 is a diagram illustrating waveforms at various parts during a light load operation in which the output current of the DC power supply device according to the first embodiment is close to no load. 図6は、実施の形態2にかかる直流電源装置の一構成例を示す図である。FIG. 6 is a diagram of a configuration example of the DC power supply device according to the second embodiment. 図7は、実施の形態2にかかる直流電源装置の出力電流が最大となる定格負荷運転時における各部波形を示す図である。FIG. 7 is a diagram illustrating each part waveform during rated load operation in which the output current of the DC power supply device according to the second embodiment is maximized. 図8は、実施の形態2にかかる直流電源装置の出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時における各部波形を示す図である。FIG. 8 is a diagram illustrating the waveforms of each part during light load operation in which the output current of the DC power supply device according to the second embodiment is close to no load. 図9は、実施の形態3にかかる直流電源装置の一構成例を示す図である。FIG. 9 is a diagram of a configuration example of the DC power supply device according to the third embodiment. 図10は、実施の形態3にかかる直流電源装置の出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時における各部波形を示す図である。FIG. 10 is a diagram illustrating each part waveform during light load operation in which the output current of the DC power supply device according to the third embodiment is close to no load.

以下に添付図面を参照し、本発明の実施の形態にかかる直流電源装置について説明する。なお、以下に示す実施の形態により本発明が限定されるものではない。   A DC power supply device according to an embodiment of the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings. In addition, this invention is not limited by embodiment shown below.

図1は、実施の形態1にかかる直流電源装置の一構成例を示す図である。図1に示すように、実施の形態1にかかる直流電源装置100は、直流電源1から入力される直流電圧を負荷装置13で利用可能な直流電圧に変換するものであり、入力コンデンサ2、スイッチング回路3、共振コイル4、トランス5、同期整流回路20、電流検出回路11、位相制御回路12、およびゼロ電圧制御回路14を備えている。   FIG. 1 is a diagram of a configuration example of the DC power supply device according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, a DC power supply device 100 according to a first embodiment converts a DC voltage input from a DC power supply 1 into a DC voltage that can be used by a load device 13, and includes an input capacitor 2, switching A circuit 3, a resonance coil 4, a transformer 5, a synchronous rectification circuit 20, a current detection circuit 11, a phase control circuit 12, and a zero voltage control circuit 14 are provided.

図1において、直流電源1は、例えば、艦船用または航空機用の電源システムにおいて一次電源として使用されている3相発電機の交流電圧を全波整流した後に得られる直流電圧源である。直流電源1の出力電圧は、例えばAC440Vrmsデルタ結線の発電機をもつ艦船では約600Vdcであり、AC115Vrmsスター結線の発電機を持つ航空機では約270Vdcである。   In FIG. 1, a DC power source 1 is a DC voltage source obtained after full-wave rectification of an AC voltage of a three-phase generator used as a primary power source in a ship or aircraft power system, for example. The output voltage of the DC power supply 1 is, for example, about 600 Vdc for a ship having an AC440Vrms delta-connected generator, and about 270Vdc for an aircraft having an AC115Vrms star-connected generator.

入力コンデンサ2は、直流電源1の出力電圧を平滑し、後段のスイッチング回路3がスイッチングすることによって流れる矩形波状のリップル電流を安定供給するためのものである。   The input capacitor 2 is for smoothing the output voltage of the DC power source 1 and for stably supplying a rectangular wave ripple current that flows when the switching circuit 3 in the subsequent stage is switched.

スイッチング回路3は、各FET21,22がブリッジ接続され、各FET23,24がブリッジ接続され、これら2つのブリッジ回路が並列に接続され構成されたフルブリッジ構成のスイッチング回路であり、一方のブリッジ回路の中点は、共振コイル4を介してトランス5の一次側巻線5−1の一方の端子に接続され、他方のブリッジ回路の中点は、トランス5の一次側巻線5−1の他方の端子に接続されている。スイッチング回路3を構成する各FET21〜24は、同じオン/オフ比でそれぞれ異なる位相でオンとオフが繰り返される。   The switching circuit 3 is a full-bridge switching circuit in which the FETs 21 and 22 are bridge-connected, the FETs 23 and 24 are bridge-connected, and the two bridge circuits are connected in parallel. The midpoint is connected to one terminal of the primary side winding 5-1 of the transformer 5 via the resonance coil 4, and the midpoint of the other bridge circuit is the other side of the primary side winding 5-1 of the transformer 5. Connected to the terminal. The FETs 21 to 24 constituting the switching circuit 3 are repeatedly turned on and off at different phases with the same on / off ratio.

同期整流回路20は、第1の同期整流用FET6、第2の同期整流用FET7、第1の出力チョークコイル8、第2の出力チョークコイル9、および出力コンデンサ10を備えている。   The synchronous rectification circuit 20 includes a first synchronous rectification FET 6, a second synchronous rectification FET 7, a first output choke coil 8, a second output choke coil 9, and an output capacitor 10.

トランス5の二次側巻線5−2は、一方の端子が第1の出力チョークコイル8を介して、他方の端子が第2の出力チョークコイル9を介して出力コンデンサ10の一方の端子に接続されている。また、トランス5の二次側巻線5−2は、一方の端子が第1の同期整流用FET6のドレイン端子に接続され、他方の端子が第2の同期整流用FET7のドレイン端子に接続され、各同期整流用FET6,7の各ソース端子の接続点が出力コンデンサ10の他方の端子に接続されている。出力コンデンサ10には、負荷装置13が並列に接続される。   The secondary winding 5-2 of the transformer 5 has one terminal connected to the one terminal of the output capacitor 10 via the first output choke coil 8 and the other terminal connected to the one terminal of the output capacitor 10 via the second output choke coil 9. It is connected. The secondary winding 5-2 of the transformer 5 has one terminal connected to the drain terminal of the first synchronous rectification FET 6 and the other terminal connected to the drain terminal of the second synchronous rectification FET 7. The connection point of the source terminals of the synchronous rectification FETs 6 and 7 is connected to the other terminal of the output capacitor 10. A load device 13 is connected to the output capacitor 10 in parallel.

電流検出回路11は、スイッチング回路3に流れる電流(以下、「スイッチング電流」という)を検出し、位相制御回路12およびゼロ電圧制御回路14に出力する。   The current detection circuit 11 detects a current flowing in the switching circuit 3 (hereinafter referred to as “switching current”) and outputs the current to the phase control circuit 12 and the zero voltage control circuit 14.

位相制御回路12は、出力コンデサ10の両端電圧と電流検出回路11により検出されたスイッチング電流とが入力され、出力コンデンサ10の両端電圧が常に一定となるようスイッチング回路3を構成する各FET21〜24の位相を制御している。ゼロ電圧制御回路14については後述する。   The phase control circuit 12 receives the voltage across the output capacitor 10 and the switching current detected by the current detection circuit 11, and the FETs 21 to 24 constituting the switching circuit 3 so that the voltage across the output capacitor 10 is always constant. Is controlling the phase. The zero voltage control circuit 14 will be described later.

また、本実施の形態では、負荷装置13としては、ほぼ無負荷状態とも言える軽負荷状態から、出力電流が最大となる定格負荷状態まで、負荷状態が任意に変化するものを想定している。   In the present embodiment, it is assumed that the load device 13 is arbitrarily changed from a light load state, which can be said to be a substantially no-load state, to a rated load state where the output current is maximum.

本実施の形態にかかる直流電源装置100は、トランス5の一次側巻線5−1に対して襷掛け状に接続された4個のFET21〜24が互いに位相を変えながら交互にオン/オフすることによって、トランス5の一次側巻線5−1に印加される電圧の時間幅を制御して、一次側巻線5−1と二次側巻線5−2との巻線比に応じた電圧と電流とを二次側巻線5−2に発生させて電力を伝送する、所謂フェイズシフト・フルブリッジ方式のDC/DCコンバータ回路として構成したものである。   In the DC power supply device 100 according to the present embodiment, the four FETs 21 to 24 connected to the primary winding 5-1 of the transformer 5 are alternately turned on / off while changing the phase. Thus, the time width of the voltage applied to the primary side winding 5-1 of the transformer 5 is controlled, and according to the winding ratio between the primary side winding 5-1 and the secondary side winding 5-2. This is configured as a so-called phase shift full bridge type DC / DC converter circuit that generates voltage and current in the secondary winding 5-2 to transmit electric power.

フェイズシフト・フルブリッジ方式のDC/DCコンバータ回路において、トランス5の一次側に直列に接続された共振コイル4は、各FET21〜24のスイッチング時に流れる電流を遅らせて各FET21〜24にかかる電圧と電流のタイミングをずらしてスイッチングロスを削減するとともに、共振コイル4に流れた電流によって蓄えられたエネルギーを使って、各FET21〜24の寄生ダイオードを介して、各FET21〜24の寄生容量に蓄えられた電荷を各FET21〜24がオフしている間に入力コンデンサ2へ回生する機能を有している。また、各FET21〜24の寄生ダイオードがオンして電流が流れ、各FET21〜24のドレイン−ソース間の電位差が寄生ダイオードのオン電圧に等しくなっている間に各FET21〜24をターンオンさせることで電圧および電流の重なりを無くすゼロ電圧スイッチングを実現する。このような動作を行うことにより、非常に大きな電力を出力している時でも損失を抑えることができ、高効率な電力変換を実現している。   In the phase-shift full-bridge DC / DC converter circuit, the resonance coil 4 connected in series to the primary side of the transformer 5 delays the current that flows when the FETs 21 to 24 are switched, and the voltage applied to the FETs 21 to 24. The switching loss is reduced by shifting the timing of the current, and the energy stored by the current flowing in the resonance coil 4 is used to store the parasitic capacitance of each FET 21-24 via the parasitic diode of each FET 21-24. It has a function of regenerating the electric charge to the input capacitor 2 while the FETs 21 to 24 are turned off. Also, by turning on the FETs 21 to 24 while the parasitic diodes of the FETs 21 to 24 are turned on and current flows, and the potential difference between the drain and source of the FETs 21 to 24 is equal to the ON voltage of the parasitic diodes. Achieve zero voltage switching that eliminates voltage and current overlap. By performing such an operation, even when a very large amount of electric power is output, loss can be suppressed, and highly efficient power conversion is realized.

つぎに、実施の形態1にかかる直流電源回路100の動作について、図1〜図5を参照して説明する。図2は、実施の形態1にかかる直流電源装置の詳細動作を説明するためのブロック図である。   Next, the operation of the DC power supply circuit 100 according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a block diagram for explaining a detailed operation of the DC power supply device according to the first embodiment.

図2に示す例では、各FET21〜24の内部要素を図示している。なお、ここでは、以下の説明において詳細に説明するFET22,23の内部要素には符号を付して説明する。   In the example shown in FIG. 2, the internal elements of the FETs 21 to 24 are illustrated. Here, the internal elements of the FETs 22 and 23, which will be described in detail in the following description, are described with reference numerals.

FET22は、その内部要素として、FET22に対して逆並列に接続された寄生ダイオード25、FET22のゲートに接続された寄生ゲート抵抗(RB)26、FET22のゲート−ソース間に存在する寄生抵抗(RGS)27、FET22のゲート−ソース間に存在する寄生容量(CGS)28、FET22のドレイン−ゲート間に存在する寄生容量(CGD)29、FET22のドレイン−ソース間に存在する寄生容量(CDS)30を有している。   The FET 22 includes, as internal elements, a parasitic diode 25 connected in antiparallel to the FET 22, a parasitic gate resistance (RB) 26 connected to the gate of the FET 22, and a parasitic resistance (RGS) existing between the gate and source of the FET 22. 27, parasitic capacitance (CGS) 28 existing between the gate and source of the FET 22, parasitic capacitance (CGD) 29 existing between the drain and gate of the FET 22, and parasitic capacitance (CDS) 30 existing between the drain and source of the FET 22. have.

また、FET23は、その内部要素として、FET23に対して逆並列に接続された寄生ダイオード31、FET23のゲートに接続された寄生ゲート抵抗(RB)32、FET23のゲート−ソース間に存在する寄生抵抗(RGS)33、FET23のゲート−ソース間に存在する寄生容量(CGS)34、FET23のドレイン−ゲート間に存在する寄生容量(CGD)35、FET23のドレイン−ソース間に存在する寄生容量(CDS)36を有している。なお、図2に示す例では、位相制御回路12から出力される各FET21〜24の駆動信号が駆動回路を介して各FET21〜24に入力される例を示している。   The FET 23 has, as internal elements, a parasitic diode 31 connected in antiparallel to the FET 23, a parasitic gate resistance (RB) 32 connected to the gate of the FET 23, and a parasitic resistance existing between the gate and source of the FET 23. (RGS) 33, parasitic capacitance (CGS) 34 existing between the gate and source of FET 23, parasitic capacitance (CGD) 35 existing between the drain and gate of FET 23, and parasitic capacitance (CDS existing between the drain and source of FET 23) 36). In the example illustrated in FIG. 2, an example in which the drive signals of the FETs 21 to 24 output from the phase control circuit 12 are input to the FETs 21 to 24 via the drive circuit is illustrated.

図3は、実施の形態1にかかる直流電源装置の初期状態における各部波形を示す図である。また、図4は、実施の形態1にかかる直流電源装置の出力電流が最大となる定格負荷運転時における各部波形を示す図である。また、図5は、実施の形態1にかかる直流電源装置の出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時における各部波形を示す図である。   FIG. 3 is a diagram illustrating waveforms of respective parts in the initial state of the DC power supply device according to the first embodiment. FIG. 4 is a diagram showing waveforms at various parts during rated load operation in which the output current of the DC power supply device according to the first embodiment is maximized. FIG. 5 is a diagram illustrating waveforms of each part during light load operation in which the output current of the DC power supply device according to the first embodiment is close to no load.

各図3〜5(a)は、FET21へのゲート電圧波形を示し、各図3〜5(b)は、FET22へのゲート電圧波形を示し、各図3〜5(c)は、FET23へのゲート電圧波形を示し、各図3〜5(d)は、FET24へのゲート電圧波形を示している。また、各図3〜5(e)は、トランス5の一次側電圧波形を示し、各図3〜5(f)は、共振コイル4に流れる電流波形を示し、各図3〜5(g)は、同期整流用FET7の駆動信号波形を示し、各図3〜5(h)は、同期整流用FET6の駆動信号波形を示している。図3〜5に示すように、FET21のオン期間とFET22のオン期間との間、および、FET23のオン期間とFET24のオン期間との間にデッドタイムを設け、それぞれのオン期間が重なりスイッチング回路3に短絡電流が流れるのを防止している。   Each of FIGS. 3 to 5 (a) shows a gate voltage waveform to the FET 21, each of FIGS. 3 to 5 (b) shows a gate voltage waveform to the FET 22, and FIGS. 3 to 5 (c) of FIG. 3 to 5D show the gate voltage waveform to the FET 24. FIG. Each of FIGS. 3 to 5 (e) shows a primary voltage waveform of the transformer 5, each of FIGS. 3 to 5 (f) shows a waveform of a current flowing through the resonance coil 4, and each of FIGS. 3 to 5 (g). Shows the drive signal waveform of the synchronous rectification FET 7, and FIGS. 3 to 5 (h) each show the drive signal waveform of the synchronous rectification FET 6. As shown in FIGS. 3 to 5, a dead time is provided between the ON period of the FET 21 and the ON period of the FET 22, and between the ON period of the FET 23 and the ON period of the FET 24. 3 prevents a short-circuit current from flowing.

ここで、スイッチング回路3、位相制御回路12、および共振コイル4の動作について、理解を容易にするため、図2および図3を用いて詳細を説明する。なお、図2中に示す破線矢印は、1スイッチング周期において、FET21,24のオン期間が重なっている期間Aに流れる電流の経路を示し、図2中に示す一点鎖線矢印は、FET21がオフとなる期間B1に流れるFET22の寄生容量29,30の回生電流の経路を示し、図2中に示す二点鎖線矢印は、FET24もオフとなる期間B2に流れる寄生ダイオード25の順方向電流の経路を示している。   Here, in order to facilitate understanding of the operations of the switching circuit 3, the phase control circuit 12, and the resonance coil 4, details will be described with reference to FIGS. 2 and 3. 2 indicates a path of a current flowing in the period A in which the ON periods of the FETs 21 and 24 overlap in one switching cycle, and a one-dot chain line arrow in FIG. 2 indicates that the FET 21 is off. 2 shows the path of the regenerative current of the parasitic capacitances 29 and 30 of the FET 22 that flows during the period B1, and the two-dot chain arrow shown in FIG. Show.

FET21およびFET22は、互いに位相を180°違えて動作しており、FET23およびFET24も同様に、位相を180°違えて動作している。直流電源装置100の起動直後の初期状態では、図3に示すように、FET21とFET23とが同位相でスイッチ動作し(図3(a)〜(d)参照)、FET6,7は停止している(図3(g),(h)参照)。このとき、共振コイル4には電流は流れず(図3(f)参照)、トランス5の一次側電圧も生じない(図3(e)参照)。   The FET 21 and the FET 22 operate with a phase difference of 180 °, and the FET 23 and the FET 24 operate similarly with a phase difference of 180 °. In the initial state immediately after the start of the DC power supply device 100, as shown in FIG. 3, the FET 21 and the FET 23 switch in the same phase (see FIGS. 3A to 3D), and the FETs 6 and 7 stop. (See FIGS. 3 (g) and 3 (h)). At this time, no current flows through the resonance coil 4 (see FIG. 3F), and no primary voltage is generated in the transformer 5 (see FIG. 3E).

その後、徐々にFET21およびFET22の位相を遅らせ、FET21のオン期間とFET24のオン期間とが重なると、図4,5に示すように、共振コイル4に電流が流れ(図4,5(f)参照)、トランス5の一次側巻線5−1に電圧が印加される(図4,5(e)参照)。   Thereafter, the phases of the FET 21 and the FET 22 are gradually delayed. When the ON period of the FET 21 and the ON period of the FET 24 overlap, a current flows in the resonance coil 4 as shown in FIGS. 4 and 5 (FIG. 4, 5 (f)). The voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5 (see FIGS. 4 and 5 (e)).

直流電源装置100の出力電流が最大となる定格負荷運転時には、図4に示すように、各FET21,22のオフに同期して第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7を制御し、第1の同期整流用FET6のオン期間と第2の同期整流用FET7のオン期間とが重なる時間を設けることにより、ゼロ電圧スイッチングを達成することが可能である。以下、図4においてゼロ電圧スイッチングを達成しているときの動作について説明する。   During rated load operation at which the output current of the DC power supply device 100 is maximum, as shown in FIG. 4, the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 are controlled in synchronization with the FETs 21 and 22 being turned off. In addition, by providing a time in which the ON period of the first synchronous rectification FET 6 and the ON period of the second synchronous rectification FET 7 overlap, it is possible to achieve zero voltage switching. Hereinafter, an operation when zero voltage switching is achieved in FIG. 4 will be described.

1スイッチング周期において、FET21,24のオン期間が重なっている期間A(図4参照)では、図2に破線矢印で示す経路で電流が流れる。これにより、トランス5の一次側巻線5−1に電圧が印加される。   In one switching cycle, in a period A (see FIG. 4) in which the ON periods of the FETs 21 and 24 overlap, a current flows along a path indicated by a broken-line arrow in FIG. As a result, a voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5.

FET21がオフとなり、FET24のみオンしている期間B1(図4参照)では、期間Aにおいて共振コイル4に電流か流れていたことにより生じた起電力によりFET22の寄生容量29,30に蓄えられた電荷が放電し、共振コイル4およびトランス5の一次側巻線5−1を介して通電状態のFET24に向かい電流が流れ、図2に一点鎖線矢印で示す経路でループ電流が流れる。   In the period B1 (see FIG. 4) in which the FET 21 is turned off and only the FET 24 is turned on, the current is flowing in the resonance coil 4 in the period A and is stored in the parasitic capacitors 29 and 30 of the FET 22. The electric charge is discharged, a current flows toward the energized FET 24 via the primary coil 5-1 of the resonance coil 4 and the transformer 5, and a loop current flows along a path indicated by a one-dot chain line arrow in FIG.

このとき、FET22の寄生容量29,30に蓄えられていた電荷は、トランス5の一次側巻線5−1を通ってGNDに放電されるため、FET22の寄生容量29,30に蓄えられていた電荷によるエネルギーは、トランス5の二次側巻線5−2に伝送されたことになる。   At this time, the charges stored in the parasitic capacitances 29 and 30 of the FET 22 are discharged to the GND through the primary winding 5-1 of the transformer 5, and thus are stored in the parasitic capacitances 29 and 30 of the FET 22. The energy due to the electric charge is transmitted to the secondary winding 5-2 of the transformer 5.

そして、FET22の寄生容量29,30に蓄えられていた電荷がすべて放電されると、FET22の寄生ダイオード25に電流が流れる。これにより、FET22のドレイン−ソース間電圧は、寄生ダイオード25のオン電圧に等しくなる。この状態でFET22をターンオンさせることで、FET22のゼロ電圧スイッチングが達成される。   When all the charges stored in the parasitic capacitors 29 and 30 of the FET 22 are discharged, a current flows through the parasitic diode 25 of the FET 22. As a result, the drain-source voltage of the FET 22 becomes equal to the on-voltage of the parasitic diode 25. By turning on the FET 22 in this state, zero voltage switching of the FET 22 is achieved.

FET21,24が双方ともオフとなる期間B2(図4参照)では、FET22から共振コイル4とトランス5の一次巻き線を介して流れる電流と、期間Aにおいて共振コイル4に電流か流れていたことにより生じた起電力によりFET23の寄生容量35,36に蓄えられた電荷が放電し、FET22から共振コイル4とトランス5の一次巻き線5−1を介して流れる電流に合流して、入力コンデンサ2に向かい電流が流れ、図2に二点鎖線矢印で示す経路で電流が流れる。   In the period B2 (see FIG. 4) in which both the FETs 21 and 24 are off, current flows from the FET 22 through the primary winding of the resonance coil 4 and the transformer 5 and current flows to the resonance coil 4 in the period A. The electric charge stored in the parasitic capacitances 35 and 36 of the FET 23 is discharged by the electromotive force generated by the, and merges with the current flowing from the FET 22 via the primary coil 5-1 of the resonant coil 4 and the transformer 5. A current flows in the direction of, and a current flows along a path indicated by a two-dot chain line arrow in FIG.

このとき、FET23の寄生容量35,36に蓄えられていた電荷が入力コンデンサ2へ回生されることになる。   At this time, the charges stored in the parasitic capacitances 35 and 36 of the FET 23 are regenerated to the input capacitor 2.

そして、FET23の寄生容量35,36に蓄えられていた電荷がすべて放電されると、FET23の寄生ダイオード31に電流が流れる。これにより、FET23のドレイン−ソース間電圧は、寄生ダイオード31のオン電圧に等しくなる。この状態でFET23をターンオンさせることで、FET23のゼロ電圧スイッチングが達成される。   When all the charges stored in the parasitic capacitors 35 and 36 of the FET 23 are discharged, a current flows through the parasitic diode 31 of the FET 23. As a result, the drain-source voltage of the FET 23 becomes equal to the on-voltage of the parasitic diode 31. By turning on the FET 23 in this state, zero voltage switching of the FET 23 is achieved.

以下、同様にFET22,23の制御が行われることにより、FET21,24のゼロ電圧スイッチングが達成され、スイッチング回路3のスイッチングロスの抑制が可能となる。   Thereafter, by controlling the FETs 22 and 23 in the same manner, zero voltage switching of the FETs 21 and 24 is achieved, and the switching loss of the switching circuit 3 can be suppressed.

ここで、上述したような各FET21〜24のゼロ電圧スイッチングを達成するためには、各寄生容量を充放電させ、各寄生ダイオードをオン状態に保つだけのエネルギーが必要となる。   Here, in order to achieve the zero voltage switching of each of the FETs 21 to 24 as described above, energy is required to charge and discharge each parasitic capacitance and keep each parasitic diode in an on state.

このため、直流電源装置100の出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時には、図5に破線で示すように、各FET21〜24のオフ期間において共振コイル4に流れる電流が少なくなり、各FET21〜24の寄生ダイオードのオン状態が保たれない状態、あるいは、各FET21〜24の各寄生容量の電荷が放電されない状態でFETがターンオンされる、つまり、各FET21〜24のゼロ電圧スイッチングを達成できず、大きなスイッチングロスが発生してしまうこととなる。   For this reason, when the output current of the DC power supply device 100 is light load operation close to no load, as shown by a broken line in FIG. 5, the current flowing through the resonance coil 4 during the off period of each of the FETs 21 to 24 is reduced. The FET is turned on in a state where the on-state of the 24 parasitic diodes is not maintained, or in a state where the charges of the parasitic capacitances of the FETs 21 to 24 are not discharged, that is, the zero voltage switching of the FETs 21 to 24 cannot be achieved. A large switching loss will occur.

直流電源装置100の出力電流が少ない状態で各FET21〜24のゼロ電圧スイッチングを達成するためには、共振コイル4のインダクタンス値を大きくする手法が考えられるが、この場合には、直流電源装置の出力電流が増加した場合でも共振コイル4が飽和しないよう大型のチョークコイルが必要となり、小型軽量化の阻害要因となる。あるいは、直流電源装置100の出力電流を増やして蓄えられるエネルギーを増やす手法が考えられるが、この場合には、負荷装置13以外に負荷を設け電流を流す必要があり、無駄に電力を消費したことになり効率が悪化する。   In order to achieve zero voltage switching of each of the FETs 21 to 24 in a state where the output current of the DC power supply device 100 is small, a method of increasing the inductance value of the resonance coil 4 can be considered. Even when the output current increases, a large choke coil is required so that the resonance coil 4 does not saturate, which is an obstacle to reducing the size and weight. Alternatively, a method of increasing the stored energy by increasing the output current of the DC power supply device 100 is conceivable, but in this case, it is necessary to provide a load other than the load device 13 to flow the current, and power is consumed wastefully. And the efficiency deteriorates.

したがって、本実施の形態では、直流電源装置100の出力電流が少なく、ゼロ電圧スイッチングを達成できない場合に、第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7のオンタイミングをFET21,22のオフタイミングよりも早め、二次側巻線5−2に短絡ループ電流を流すことにより、ゼロ電圧スイッチングを達成可能とするゼロ電圧制御回路14を設けている。以下、このゼロ電圧制御回路14の動作について説明する。   Therefore, in the present embodiment, when the output current of the DC power supply device 100 is small and zero voltage switching cannot be achieved, the on-timing of the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 is set to the FETs 21 and 22. A zero voltage control circuit 14 that can achieve zero voltage switching is provided by causing a short-circuit loop current to flow through the secondary winding 5-2 earlier than the off timing. Hereinafter, the operation of the zero voltage control circuit 14 will be described.

ゼロ電圧制御回路14は、電流検出回路11により検出されたスイッチング電流をモニタし、ゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対する不足電流を算出し、共振コイル4のインダクタンス値、トランス5の漏れインダクタンス値、および入力直流電圧に基づいて、上述した不足電流を補うのに必要な第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7の1スイッチング周期における同時オン時間(Ton)を算出し、これら第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7のオンタイミングを、この同時オン時間(Ton)分だけ早める。   The zero voltage control circuit 14 monitors the switching current detected by the current detection circuit 11, calculates an insufficient current with respect to the current lower limit value at which zero voltage switching can be achieved, and determines the inductance value of the resonance coil 4 and the leakage inductance of the transformer 5. Based on the value and the input DC voltage, the simultaneous on-time (Ton) in one switching period of the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 necessary to compensate for the above-described insufficient current is calculated, The on-timing of the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 is advanced by this simultaneous on-time (Ton).

より具体的には、電流検出回路11により検出されたスイッチング電流がゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値よりも小さい場合には、スイッチング電流がこの電流下限値以上である場合にFET21のターンオフに同期してターンオンする第1の同期整流用FET6を、FET21のオフタイミングよりもTonだけ早くオンさせる。これにより、図5に示すように、1スイッチング周期において第1の同期整流用FET6のオン期間と第2の同期整流用FET7のオン期間とが重なる時間を設ける。   More specifically, when the switching current detected by the current detection circuit 11 is smaller than the current lower limit value capable of achieving zero voltage switching, the FET 21 is turned off when the switching current is equal to or higher than the current lower limit value. The first synchronous rectification FET 6 that is turned on synchronously is turned on earlier by Ton than the OFF timing of the FET 21. As a result, as shown in FIG. 5, a time is provided in which the ON period of the first synchronous rectification FET 6 and the ON period of the second synchronous rectification FET 7 overlap in one switching cycle.

このように、1スイッチング周期において第1の同期整流用FET6のオン期間と第2の同期整流用FET7のオン期間とが重なる時間を設けることで、トランス5の二次側巻線5−2、第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7を介して、図2に実線矢印で示す短絡ループ電流が流れ、これに伴い共振コイル4に流れる電流が増加して(図5(f)の実線)、共振コイル4に蓄えられるエネルギーが補われ、FET22,23のゼロ電圧スイッチングを維持することが可能となる。   Thus, by providing a time in which the ON period of the first synchronous rectification FET 6 and the ON period of the second synchronous rectification FET 7 overlap in one switching cycle, the secondary winding 5-2 of the transformer 5; A short-circuit loop current indicated by a solid line arrow in FIG. 2 flows through the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7, and the current flowing through the resonance coil 4 increases accordingly (FIG. 5 (f ), The energy stored in the resonance coil 4 is supplemented, and the zero voltage switching of the FETs 22 and 23 can be maintained.

また同様に、スイッチング電流が電流下限値以上である場合にFET22のターンオフに同期してターンオンする第2の同期整流用FET7を、FET22のオフタイミングよりもTonだけ早くオンさせることにより、FET21,24のゼロ電圧スイッチングを維持することができる。   Similarly, the second synchronous rectification FET 7 that is turned on in synchronization with the turn-off of the FET 22 when the switching current is equal to or greater than the current lower limit value is turned on earlier than Ton by the FET 22 by turning on the FET 21, 24. Zero voltage switching can be maintained.

ここで、ゼロ電圧スイッチングが維持できなくなり、スイッチングロスが発生するメカニズムについて説明する。直流電源装置100の出力電流が少なくなり、スイッチング回路3に流れるスイッチング電流が少なくなると、図5に示す期間Aにおいて共振コイル4に蓄えられるエネルギーは、スイッチング電流の電流値の2乗に比例して減少する。   Here, a mechanism in which zero voltage switching cannot be maintained and a switching loss occurs will be described. When the output current of the DC power supply device 100 decreases and the switching current flowing through the switching circuit 3 decreases, the energy stored in the resonance coil 4 in the period A shown in FIG. 5 is proportional to the square of the current value of the switching current. Decrease.

このとき、FET21がオフとなってトランス5の一次側巻線5−1に電圧が印加されない状態になると(図5に示す期間Aから期間Bへの移行)、図2に破線矢印で示した電流経路から図2に一点鎖線矢印で示した電流経路へ移行した際に、共振コイル4のエネルギーが不足することとなり、図2に一点鎖線矢印で示した電流経路に電流を流し続けることができなくなるか、あるいは、図2に二点鎖線矢印で示した電流経路に電流を流し続けることができず、FET22の各寄生容量29,30やFET23の各寄生容量35,36に電荷が残留した状態、あるいは、FET22,23のドレイン−ソース間に入力電圧が印加された状態でFET22,23がターンオンする、つまり、ゼロ電圧スイッチングを達成することができず、スイッチングロスが発生することとなる。   At this time, when the FET 21 is turned off and no voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5 (transition from the period A to the period B shown in FIG. 5), it is indicated by a broken line arrow in FIG. When the current path shifts to the current path indicated by the one-dot chain line arrow in FIG. 2, the energy of the resonance coil 4 becomes insufficient, and the current can continue to flow through the current path indicated by the one-dot chain line arrow in FIG. Or the current cannot be kept flowing in the current path indicated by the two-dot chain line arrow in FIG. 2, and charges remain in the parasitic capacitors 29 and 30 of the FET 22 and the parasitic capacitors 35 and 36 of the FET 23. Alternatively, the FETs 22 and 23 are turned on in a state where an input voltage is applied between the drains and sources of the FETs 22 and 23, that is, zero voltage switching cannot be achieved. So that the Chingurosu occurs.

本実施の形態にかかる直流電源装置100では、上述したように、ゼロ電圧スイッチングを達成可能なスイッチング電流の電流下限値に対する不足分を算出し、このスイッチング電流の不足分を補うのに必要な第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7の1スイッチング周期における同時オン時間(Ton)を算出し、これら第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7のオンタイミングを、この同時オン時間(Ton)分だけ早めて第1の同期整流FET6および第2の同期整流用FET7を同時にオンさせることにより、トランス5の二次側巻線5−2に強制的に短絡ループ電流を流して、共振コイル4に流れる電流を増加させる(図5(f)参照)。これにより、各FET21〜24に回生電流が流れ、1スイッチング周期において各FET21〜24がターンオフするタイミング、つまり、図5に示す期間Aから期間Bへの移行時には、ゼロ電圧スイッチングを維持するために十分なエネルギーが共振コイル4に蓄えられた状態となる。   In the DC power supply device 100 according to the present embodiment, as described above, the deficiency with respect to the current lower limit value of the switching current that can achieve zero voltage switching is calculated, and the deficiency necessary to compensate for the deficiency of this switching current is calculated. The simultaneous on-time (Ton) of one synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 in one switching cycle is calculated, and the on-timing of the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 is calculated as follows: The first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 are simultaneously turned on earlier by the simultaneous on-time (Ton), thereby forcibly causing the secondary winding 5-2 of the transformer 5 to short circuit loop current. To increase the current flowing through the resonance coil 4 (see FIG. 5F). As a result, a regenerative current flows through each FET 21 to 24, in order to maintain zero voltage switching at the timing when each FET 21 to 24 is turned off in one switching cycle, that is, at the transition from the period A to the period B shown in FIG. Sufficient energy is stored in the resonance coil 4.

以上説明したように、実施の形態1の直流電源装置によれば、スイッチング回路を構成する各FETの寄生ダイオードがオンした状態で各FETをオンさせるゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対し、スイッチング回路に流れるスイッチング電流が不足している場合に、二次側巻線に短絡ループ電流を流すことにより共振コイルに生じる起電力を利用して、各FETに回生電流を流すことによりゼロ電圧スイッチングを実現するゼロ電圧制御を行うようにしたので、大型のチョークコイルを用いることなく、無負荷に近い軽負荷運転時でもゼロ電圧スイッチングを維持することができ、負荷変動に影響されることなくスイッチングロスを低減することができるので、高効率で小型軽量かつ低コストで実現可能な直流電源装置を得ることができる。   As described above, according to the direct-current power supply device of the first embodiment, the current lower limit value that can achieve zero voltage switching that turns on each FET while the parasitic diode of each FET constituting the switching circuit is turned on is achieved. When the switching current flowing through the switching circuit is insufficient, zero voltage can be obtained by flowing a regenerative current through each FET using the electromotive force generated in the resonance coil by flowing a short-circuit loop current through the secondary winding. Since zero voltage control is implemented to realize switching, zero voltage switching can be maintained even during light load operation close to no load without using a large choke coil, and it is not affected by load fluctuations Since switching loss can be reduced, a DC power supply that can be realized with high efficiency, small size, light weight and low cost is obtained. It is possible.

より具体的には、ゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対する不足電流を算出し、共振コイルのインダクタンス値、トランスの漏れインダクタンス値、および入力直流電圧に基づいて、不足電流を補うための第1の同期整流用FETおよび第2の同期整流用FETの1スイッチング周期における同時オン時間を算出すると共に、第1の同期整流用FETおよび第2の同期整流用FETのオンタイミングを、この同時オン時間分だけ早めて第1の同期整流FETおよび第2の同期整流用FETを同時にオンさせることにより、二次側巻線に短絡ループ電流を流してゼロ電圧スイッチングを達成するゼロ電圧制御回路を具備したので、従来の構成から回路構成を大きく変更することなく、簡単な回路構成で実現することができる。なお、上述した実施の形態1では、説明の都合上、ゼロ電圧スイッチングの定義として、各FET内部の寄生ダイオードがオンしてこの寄生ダイオードに電流が流れている状態で各FETをオンさせることとしているが、各FETと逆並列にフリーホイールダイオードを接続し、このフリーホイールダイオードがオンしてフリーホイールダイオードに電流が流れている状態で各FETをオンさせてもゼロ電圧スイッチングが達成可能であることは言うまでもない。また、以下の実施の形態2,3においても同様である。   More specifically, a shortage current for the lower limit of the current that can achieve zero voltage switching is calculated, and a first step for compensating for the shortage current is based on the inductance value of the resonant coil, the leakage inductance value of the transformer, and the input DC voltage. The simultaneous ON time in one switching period of one synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET is calculated, and the ON timing of the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET is determined as the simultaneous ON time. A zero voltage control circuit that achieves zero voltage switching by causing a short-circuit loop current to flow through the secondary winding by simultaneously turning on the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET earlier by the amount of time Therefore, it can be realized with a simple circuit configuration without greatly changing the circuit configuration from the conventional configuration. In the first embodiment described above, for convenience of explanation, as a definition of zero voltage switching, a parasitic diode inside each FET is turned on, and each FET is turned on while a current is flowing through the parasitic diode. However, zero voltage switching can be achieved even if a freewheeling diode is connected in antiparallel with each FET and each FET is turned on while the freewheeling diode is on and current is flowing through the freewheeling diode. Needless to say. The same applies to the following second and third embodiments.

実施の形態2.
図6は、実施の形態2にかかる直流電源装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態1と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 6 is a diagram of a configuration example of the DC power supply device according to the second embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which is the same as that of Embodiment 1, or equivalent, and the detailed description is abbreviate | omitted.

図6に示すように、実施の形態2にかかる直流電源装置100aでは、トランス5aとして、第1の二次側巻線5−2aと第2の二次側巻線5−2bとからなる2組の二次側巻線をセンタータップで接続したフルブリッジ用トランスを具備している。   As shown in FIG. 6, in the DC power supply device 100a according to the second embodiment, the transformer 5a includes a first secondary winding 5-2a and a second secondary winding 5-2b. A full-bridge transformer in which a pair of secondary windings are connected by a center tap is provided.

また、実施の形態1において説明した構成に加え、同期整流回路20aは、第1の同期整流用FET6を駆動する第1の駆動回路15と第2の同期整流用FET7を駆動する第2の駆動回路16とをさらに備えている。   In addition to the configuration described in the first embodiment, the synchronous rectification circuit 20a includes a first drive circuit 15 that drives the first synchronous rectification FET 6 and a second drive that drives the second synchronous rectification FET 7. And a circuit 16.

トランス5aの第1の二次側巻線5−2aは、一方の端子が第1の同期整流用FET6のソース端子に接続されている。トランス5aの第2の二次側巻線5−2bは、一方の端子が第2の同期整流用FET7のソース端子に接続されている。第1の同期整流用FET6のドレイン端子と第2の同期整流用FET7のドレイン端子とが接続され、出力チョークコイル8を介して出力コンデンサ10の一方の端子に接続されている。また、トランス5aの第1の二次側巻線5−2aの他方の端子と第2の二次側巻線5−2bの他方の端子との接続点は、出力コンデンサ10の他方の端子に接続されている。出力コンデンサ10には、負荷装置13が並列に接続される。   One terminal of the first secondary winding 5-2a of the transformer 5a is connected to the source terminal of the first synchronous rectification FET 6. One terminal of the second secondary winding 5-2b of the transformer 5a is connected to the source terminal of the second synchronous rectification FET7. The drain terminal of the first synchronous rectification FET 6 and the drain terminal of the second synchronous rectification FET 7 are connected, and are connected to one terminal of the output capacitor 10 via the output choke coil 8. The connection point between the other terminal of the first secondary winding 5-2a of the transformer 5a and the other terminal of the second secondary winding 5-2b is connected to the other terminal of the output capacitor 10. It is connected. A load device 13 is connected to the output capacitor 10 in parallel.

図6に示す本実施の形態の構成では、FET21,24がオンしている際には、第1の同期整流用FET6をオンさせて第1の二次巻線5−2aに電流を流し、FET22,23がオンしている際には、第2の同期整流用FET7をオンさせて第2の二次巻線5−2bに電流を流すことにより、電力変換を行う構成としている。   In the configuration of the present embodiment shown in FIG. 6, when the FETs 21 and 24 are on, the first synchronous rectification FET 6 is turned on to pass a current through the first secondary winding 5-2a. When the FETs 22 and 23 are turned on, the second synchronous rectification FET 7 is turned on and a current is passed through the second secondary winding 5-2b to perform power conversion.

図6に示す構成では、第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7は、共にソース端子がフローティングとなるため、それぞれソース電位を基準とした駆動信号が必要である。このため、第1の駆動回路15および第2の駆動回路16がゼロ電圧制御回路14からの信号に基づいて第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7の駆動信号を生成している。この駆動信号により第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7がオン/オフ制御されることにより出力コンデンサ10に電荷が蓄えられる。この出力コンデンサ10に蓄えられた電荷をトランス5aの一次側巻線5−1へ回生させるよう動作させる。   In the configuration shown in FIG. 6, since the source terminals of both the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 are in a floating state, a drive signal based on the source potential is required. For this reason, the first drive circuit 15 and the second drive circuit 16 generate drive signals for the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 based on the signal from the zero voltage control circuit 14. Yes. Electric charges are stored in the output capacitor 10 by the on / off control of the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 by this drive signal. The electric charge stored in the output capacitor 10 is operated to be regenerated to the primary winding 5-1 of the transformer 5a.

図6に示す本実施の形態の構成においても、実施の形態1と同様のゼロ電圧制御を行うことにより、直流電源装置100aの出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時でも、スイッチング回路3を構成する各FET21〜24のゼロ電圧スイッチングを維持することができる。以下、実施の形態1にかかる直流電源回路100aの動作について、図6〜図8を参照して説明する。   Also in the configuration of the present embodiment shown in FIG. 6, by performing the zero voltage control similar to that of the first embodiment, the switching circuit 3 is provided even during light load operation where the output current of the DC power supply device 100a is close to no load. It is possible to maintain zero voltage switching of each of the FETs 21 to 24 to be configured. The operation of the DC power supply circuit 100a according to the first embodiment will be described below with reference to FIGS.

図7は、実施の形態2にかかる直流電源装置の出力電流が最大となる定格負荷運転時における各部波形を示す図である。また、図8は、実施の形態2にかかる直流電源装置の出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時における各部波形を示す図である。   FIG. 7 is a diagram illustrating each part waveform during rated load operation in which the output current of the DC power supply device according to the second embodiment is maximized. FIG. 8 is a diagram illustrating the waveforms of the respective parts during light load operation in which the output current of the DC power supply device according to the second embodiment is close to no load.

各図7,8(a)は、FET21へのゲート電圧波形を示し、各図7,8(b)は、FET22へのゲート電圧波形を示し、各図7,8(c)は、FET23へのゲート電圧波形を示し、各図7,8(d)は、FET24へのゲート電圧波形を示している。また、各図7,8(e)は、トランス5aの一次側電圧波形を示し、各図7,8(f)は、共振コイル4に流れる電流波形を示し、各図7,8(g)は、同期整流用FET7の駆動信号波形を示し、各図7,8(h)は、同期整流用FET6の駆動信号波形を示している。図7,8に示すように、FET21のオン期間とFET22のオン期間との間、および、FET23のオン期間とFET24のオン期間との間にデッドタイムを設け、それぞれのオン期間が重なりスイッチング回路3に短絡電流が流れるのを防止している。   7 and 8 (a) show the gate voltage waveform to the FET 21, FIGS. 7 and 8 (b) show the gate voltage waveform to the FET 22, and FIGS. 7 and 8 (c) to the FET 23. FIG. 7 and 8D show the gate voltage waveform to the FET 24. FIG. FIGS. 7 and 8 (e) show the primary voltage waveform of the transformer 5a. FIGS. 7 and 8 (f) show the current waveform flowing through the resonance coil 4. FIGS. Shows the drive signal waveform of the synchronous rectification FET 7, and FIGS. 7 and 8 (h) each show the drive signal waveform of the synchronous rectification FET 6. As shown in FIGS. 7 and 8, dead times are provided between the ON period of the FET 21 and the ON period of the FET 22, and between the ON period of the FET 23 and the ON period of the FET 24, and the respective ON periods overlap to each other. 3 prevents a short-circuit current from flowing.

FET21およびFET22は、互いに位相を180°違えて動作しており、FET23およびFET24も同様に、位相を180°違えて動作している。FET21のオン期間とFET24のオン期間とが重なると、図7,8に示すように、共振コイル4に電流が流れ(図7,8(f)参照)、トランス5aの一次側巻線5−1に電圧が印加される(図7,8(e)参照)。   The FET 21 and the FET 22 operate with a phase difference of 180 °, and the FET 23 and the FET 24 operate similarly with a phase difference of 180 °. When the ON period of the FET 21 and the ON period of the FET 24 overlap, as shown in FIGS. 7 and 8, a current flows through the resonance coil 4 (see FIGS. 7 and 8 (f)), and the primary side winding 5- A voltage is applied to 1 (see FIGS. 7 and 8 (e)).

直流電源装置100aの出力電流が最大となる定格負荷運転時には、図7に示すように、FET21のオフに同期して第2の同期整流用FET7をオン制御し、FET22のオフに同期して第1の同期整流用FET6をオン制御することにより、ゼロ電圧スイッチングを達成することが可能である。   At the rated load operation in which the output current of the DC power supply device 100a is maximum, as shown in FIG. 7, the second synchronous rectification FET 7 is turned on in synchronization with the FET 21 being turned off, and the second synchronous rectifying FET 7 is turned on in synchronization with the FET 22 being turned off. Zero voltage switching can be achieved by turning on one synchronous rectification FET 6.

直流電源装置100aの出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時には、ゼロ電圧制御回路14は、電流検出回路11により検出されたスイッチング電流をモニタし、ゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対する不足電流を算出し、共振コイル4のインダクタンス値、トランス5aの漏れインダクタンス値、および入力直流電圧に基づいて、上述した不足電流を補うのに必要な第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7の1スイッチング周期における同時オン時間(Ton)を算出し、第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7のオンタイミングを、この同時オン時間(Ton)分だけ早める。   At the time of light load operation where the output current of the DC power supply device 100a is close to no load, the zero voltage control circuit 14 monitors the switching current detected by the current detection circuit 11, and lacks the current lower limit value that can achieve zero voltage switching. Based on the inductance value of the resonance coil 4, the leakage inductance value of the transformer 5a, and the input DC voltage, the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification necessary to compensate for the above-described insufficient current are calculated. The simultaneous on-time (Ton) in one switching period of the FET for FET 7 is calculated, and the on-timing of the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 is advanced by this simultaneous on-time (Ton).

より具体的には、電流検出回路11により検出されたスイッチング電流がゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値よりも小さい場合には、スイッチング電流がこの電流下限値以上である場合にFET21のターンオフに同期してターンオンする第1の同期整流用FET6を、FET21のオフタイミングよりもTonだけ早くオンさせる。これにより、図5に示すように、1スイッチング周期において第1の同期整流用FET6のオン期間と第2の同期整流用FET7のオン期間とが重なる時間を設ける。   More specifically, when the switching current detected by the current detection circuit 11 is smaller than the current lower limit value capable of achieving zero voltage switching, the FET 21 is turned off when the switching current is equal to or higher than the current lower limit value. The first synchronous rectification FET 6 that is turned on synchronously is turned on earlier by Ton than the OFF timing of the FET 21. As a result, as shown in FIG. 5, a time is provided in which the ON period of the first synchronous rectification FET 6 and the ON period of the second synchronous rectification FET 7 overlap in one switching cycle.

このように、同期整流用のFET6,7のオン期間が重なる時間を設けることで、トランス5aの二次側巻線5−2a,5−2bおよびFET6,7を介して短絡ループ電流が流れ、これに伴い共振コイル4に流れる電流が増加して(図8(f)の実線)、共振コイル4に蓄えられるエネルギーが補われ、FET22,23のゼロ電圧スイッチングを維持することが可能となる。   In this way, by providing a time in which the ON periods of the synchronous rectification FETs 6 and 7 overlap, a short-circuit loop current flows through the secondary windings 5-2a and 5-2b of the transformer 5a and the FETs 6 and 7, Along with this, the current flowing through the resonance coil 4 increases (solid line in FIG. 8 (f)), and the energy stored in the resonance coil 4 is supplemented, and the zero voltage switching of the FETs 22 and 23 can be maintained.

また同様に、スイッチング電流が電流下限値以上である場合にFET22のターンオフに同期してターンオンする第2の同期整流用FET7を、FET22のオフタイミングよりもTonだけ早くオンさせることにより、FET21,24のゼロ電圧スイッチングを維持することができる。   Similarly, the second synchronous rectification FET 7 that is turned on in synchronization with the turn-off of the FET 22 when the switching current is equal to or greater than the current lower limit value is turned on earlier than Ton by the FET 22 by turning on the FET 21, 24. Zero voltage switching can be maintained.

上述した動作により、1スイッチング周期において各FET21〜24がターンオフするタイミング、つまり、図8に示す期間Aから期間Bへの移行時には、ゼロ電圧スイッチングを維持するために十分なエネルギーが共振コイル4に蓄えられた状態となる。   With the above-described operation, at the timing when each FET 21 to 24 is turned off in one switching cycle, that is, at the transition from the period A to the period B shown in FIG. It becomes a stored state.

以上説明したように、実施の形態2の直流電源装置によれば、第1の二次側巻線と第2の二次側巻線とからなる2組の二次側巻線をセンタータップで接続したフルブリッジ用トランスを具備した構成においても、実施の形態1と同様に、ゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対する不足電流を算出し、共振コイルのインダクタンス値、トランスの漏れインダクタンス値、および入力直流電圧に基づいて、不足電流を補うための第1の同期整流用FETおよび第2の同期整流用FETの1スイッチング周期における同時オン時間を算出すると共に、第1の同期整流用FETおよび第2の同期整流用FETのオンタイミングを、この同時オン時間分だけ早めて第1の同期整流FETおよび第2の同期整流用FETを同時にオンさせることにより、二次側巻線に短絡ループ電流を流してゼロ電圧スイッチングを達成するゼロ電圧制御回路を具備したので、大型のチョークコイルを用いることなく、また、従来の構成から回路構成を大きく変更することなく、簡単な回路構成で、無負荷に近い軽負荷運転時でもゼロ電圧スイッチングを維持することができ、負荷変動に影響されることなくスイッチングロスを低減することができるので、高効率で小型軽量かつ低コストで実現可能な直流電源装置を得ることができる。   As described above, according to the direct-current power supply device of the second embodiment, two sets of secondary side windings composed of the first secondary side winding and the second secondary side winding are formed by the center tap. Even in the configuration including the connected full-bridge transformer, as in the first embodiment, the undercurrent relative to the current lower limit value at which zero voltage switching can be achieved is calculated, the inductance value of the resonance coil, the leakage inductance value of the transformer, And calculating the simultaneous on-time in one switching period of the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET for compensating for the undercurrent based on the input DC voltage, and the first synchronous rectification FET and The first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET can be turned on simultaneously by advancing the ON timing of the second synchronous rectification FET by this simultaneous ON time. Thus, a zero voltage control circuit that achieves zero voltage switching by supplying a short-circuit loop current to the secondary winding is provided, so that the circuit configuration is greatly changed from the conventional configuration without using a large choke coil. In addition, with a simple circuit configuration, zero voltage switching can be maintained even during light load operation close to no load, and switching loss can be reduced without being affected by load fluctuations. It is possible to obtain a DC power supply that is light and can be realized at low cost.

実施の形態3.
出力電圧が比較的高く出力電流も大きい直流電源装置を実施の形態1あるいは2の構成を用いて実現する場合には、同期整流用FETとして、耐電圧が高くオン抵抗の低いものが要求される。この場合には、各同期整流用FETをそれぞれ複数個並列に接続してオン抵抗を低くすることが考えられるが、直流電源装置の出力電流によっては、各同期整流用FETをそれぞれ複数個並列に接続してオン抵抗を低くするよりもダイオード整流回路を構成する方がオン時の電圧が低くなり、高効率化や小型軽量化を図れる場合がある。
Embodiment 3 FIG.
When a DC power supply device having a relatively high output voltage and a large output current is realized by using the configuration of the first or second embodiment, a synchronous rectification FET having a high withstand voltage and a low on-resistance is required. . In this case, a plurality of synchronous rectification FETs may be connected in parallel to lower the on-resistance, but depending on the output current of the DC power supply, a plurality of synchronous rectification FETs may be connected in parallel. When the diode rectifier circuit is configured rather than connecting to lower the on-resistance, the voltage at the time of turning on becomes lower, and there are cases where higher efficiency and smaller size and weight can be achieved.

図9は、実施の形態3にかかる直流電源装置の一構成例を示す図である。なお、実施の形態1,2と同一または同等の構成部には同一符号を付して、その詳細な説明は省略する。   FIG. 9 is a diagram of a configuration example of the DC power supply device according to the third embodiment. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the component which is the same as that of Embodiment 1, 2, or equivalent, and the detailed description is abbreviate | omitted.

図9に示すように、実施の形態3にかかる直流電源装置100bでは、トランス5bとして、出力用の第1の二次側巻線5−2aと第2の二次側巻線5−2bとからなる2組の二次側巻線をセンタータップで接続し、第1の二次側補助巻線5−3aと第2の二次側補助巻線5−3bとからなる2組の二次側補助巻線をセンタータップで接続したフルブリッジ用トランスを具備している。   As shown in FIG. 9, in the DC power supply device 100b according to the third embodiment, as the transformer 5b, the first secondary winding 5-2a for output and the second secondary winding 5-2b are used. Two sets of secondary windings are connected by a center tap, and two sets of secondary windings consisting of a first secondary side auxiliary winding 5-3a and a second secondary side auxiliary winding 5-3b It has a full-bridge transformer with side auxiliary windings connected by a center tap.

また、実施の形態2において説明した構成において、同期整流回路20aに具備していた第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7に代えて、第1の二次側巻線5−2aの出力を整流する第1の整流ダイオード17と、第2の二次側巻線5−2bの出力を整流する第2の整流ダイオード18とを備え、ダイオード整流回路40として構成している。また、同期整流回路20bとして、第1の二次側補助巻線5−3aおよび第2の二次側補助巻線5−3bの出力を充電する補助コンデンサ19と、第1の同期整流用FET6を駆動する駆動回路15と、第2の同期整流用FET7を駆動する駆動回路16とを備えている。   Further, in the configuration described in the second embodiment, instead of the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 provided in the synchronous rectification circuit 20a, the first secondary winding 5- The first rectifier diode 17 that rectifies the output of 2a and the second rectifier diode 18 that rectifies the output of the second secondary winding 5-2b are configured as a diode rectifier circuit 40. The synchronous rectifier circuit 20b includes an auxiliary capacitor 19 that charges the outputs of the first secondary side auxiliary winding 5-3a and the second secondary side auxiliary winding 5-3b, and the first synchronous rectification FET 6. And a drive circuit 16 for driving the second synchronous rectification FET 7.

トランス5bの第1の二次側巻線5−2aは、一方の端子が第1の整流ダイオード17のアノード端子に接続されている。トランス5bの第2の二次側巻線5−2bは、一方の端子が第2の整流ダイオード18のアノード端子に接続されている。第1の整流ダイオード17のカソード端子と第2の整流ダイオード18のカソード端子とが接続され、出力チョークコイル8を介して出力コンデンサ10の一方の端子に接続されている。また、トランス5bの第1の二次側巻線5−2aの他方の端子と第2の二次側巻線5−2bの他方の端子との接続点は、出力コンデンサ10の他方の端子に接続されている。出力コンデンサ10には、負荷装置13が並列に接続される。   One terminal of the first secondary winding 5-2a of the transformer 5b is connected to the anode terminal of the first rectifier diode 17. One terminal of the second secondary winding 5-2b of the transformer 5b is connected to the anode terminal of the second rectifier diode 18. The cathode terminal of the first rectifier diode 17 and the cathode terminal of the second rectifier diode 18 are connected, and are connected to one terminal of the output capacitor 10 via the output choke coil 8. The connection point between the other terminal of the first secondary winding 5-2a of the transformer 5b and the other terminal of the second secondary winding 5-2b is connected to the other terminal of the output capacitor 10. It is connected. A load device 13 is connected to the output capacitor 10 in parallel.

トランス5bの第1の二次側補助巻線5−3aは、一方の端子が第1の同期整流用FET6のソース端子に接続されている。トランス5bの第2の二次側補助巻線5−3bは、一方の端子が第2の同期整流用FET7のソース端子に接続されている。第1の同期整流用FET6のドレイン端子と第2の同期整流用FET7のドレイン端子とが接続され、補助コンデンサ19の一方の端子に接続されている。また、トランス5bの第1の二次側補助巻線5−3aの他方の端子と第1の二次側補助巻線5−3bの他方の端子との接続点は、補助コンデンサ19の他方の端子に接続されている。   One terminal of the first secondary auxiliary winding 5-3a of the transformer 5b is connected to the source terminal of the first synchronous rectification FET 6. One terminal of the second secondary auxiliary winding 5-3b of the transformer 5b is connected to the source terminal of the second synchronous rectification FET 7. The drain terminal of the first synchronous rectification FET 6 and the drain terminal of the second synchronous rectification FET 7 are connected, and are connected to one terminal of the auxiliary capacitor 19. The connection point between the other terminal of the first secondary auxiliary winding 5-3a of the transformer 5b and the other terminal of the first secondary auxiliary winding 5-3b is the other end of the auxiliary capacitor 19. Connected to the terminal.

図9に示す構成では、実施の形態2と同様に、第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7は、共にソース端子がフローティングとなるため、それぞれソース電位を基準とした駆動信号が必要である。このため、第1の駆動回路15および第2の駆動回路16がゼロ電圧制御回路14からの信号に基づいて第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7の駆動信号を生成している。この駆動信号により第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7がオン/オフ制御されることにより補助コンデンサ19に電荷が蓄えられ、この補助コンデンサ19に蓄えられた電荷をトランス5bの一次側巻線5−1へ回生させるよう動作させる。   In the configuration shown in FIG. 9, since the source terminals of both the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 are floating as in the second embodiment, the drive signals are based on the source potential. is necessary. For this reason, the first drive circuit 15 and the second drive circuit 16 generate drive signals for the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 based on the signal from the zero voltage control circuit 14. Yes. By the on / off control of the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification FET 7 by this drive signal, electric charge is stored in the auxiliary capacitor 19, and the electric charge stored in the auxiliary capacitor 19 is transferred to the transformer 5b. The primary winding 5-1 is operated to regenerate.

図10は、実施の形態3にかかる直流電源装置の出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時における各部波形を示す図である。   FIG. 10 is a diagram illustrating each part waveform during light load operation in which the output current of the DC power supply device according to the third embodiment is close to no load.

図10(a)は、FET21へのゲート電圧波形を示し、図10(b)は、FET22へのゲート電圧波形を示し、図10(c)は、FET23へのゲート電圧波形を示し、図10(d)は、FET24へのゲート電圧波形を示している。また、図10(e)は、トランス5bの一次側電圧波形を示し、図10(f)は、共振コイル4に流れる電流波形を示し、図10(g)は、同期整流用FET7の駆動信号波形を示し、図10(h)は、同期整流用FET6の駆動信号波形を示している。図10に示すように、FET21のオン期間とFET22のオン期間との間、および、FET23のオン期間とFET24のオン期間との間にデッドタイムを設け、それぞれのオン期間が重なりスイッチング回路3に短絡電流が流れるのを防止している。   10A shows the gate voltage waveform to the FET 21, FIG. 10B shows the gate voltage waveform to the FET 22, FIG. 10C shows the gate voltage waveform to the FET 23, and FIG. (D) shows the gate voltage waveform to the FET 24. 10E shows the primary voltage waveform of the transformer 5b, FIG. 10F shows the current waveform flowing through the resonance coil 4, and FIG. 10G shows the drive signal for the synchronous rectification FET 7. The waveform is shown, and FIG. 10H shows the drive signal waveform of the synchronous rectification FET 6. As shown in FIG. 10, a dead time is provided between the ON period of the FET 21 and the ON period of the FET 22, and between the ON period of the FET 23 and the ON period of the FET 24. The short circuit current is prevented from flowing.

FET21およびFET22は、互いに位相を180°違えて動作しており、FET23およびFET24も同様に、位相を180°違えて動作している。FET21のオン期間とFET24のオン期間とが重なると、図10に示すように、共振コイル4に電流が流れ(図10(f)参照)、トランス5bの一次側巻線5−1に電圧が印加される(図10(e)参照)。   The FET 21 and the FET 22 operate with a phase difference of 180 °, and the FET 23 and the FET 24 operate similarly with a phase difference of 180 °. When the ON period of the FET 21 and the ON period of the FET 24 overlap, as shown in FIG. 10, a current flows through the resonance coil 4 (see FIG. 10F), and a voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5b. Applied (see FIG. 10E).

直流電源装置100bの出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時には、ゼロ電圧制御回路14は、電流検出回路11により検出されたスイッチング電流をモニタし、ゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対する不足電流を算出し、共振コイル4のインダクタンス値、トランス5bの漏れインダクタンス値、および入力直流電圧に基づいて、上述した不足電流を補うのに必要な第1の同期整流用FET6および第2の同期整流用FET7の1スイッチング周期におけるオン時間(Ton)を算出する。   At the time of light load operation where the output current of the DC power supply device 100b is close to no load, the zero voltage control circuit 14 monitors the switching current detected by the current detection circuit 11 and lacks the current lower limit value at which zero voltage switching can be achieved. Based on the inductance value of the resonance coil 4, the leakage inductance value of the transformer 5b, and the input DC voltage, the first synchronous rectification FET 6 and the second synchronous rectification necessary to compensate for the above-described insufficient current are calculated. The on-time (Ton) in one switching cycle of the FET 7 is calculated.

図9に示す本実施の形態の構成では、FET21とFET24とが共にオンし、トランス5bの一次側巻線5−1に正電圧が印加されている期間と、その直前のトランス5bの一次側巻線5−1に電圧が印加されていない期間とで、(Ton/2)時間ずつ第1の同期整流用FET6をオンさせ、FET22とFET23とが共にオンし、トランス5bの一次側巻線5−1に負電圧が印加されている期間と、その直前のトランス5bの一次側巻線5−1に電圧が印加されていない期間とで、(Ton/2)時間ずつ第2の同期整流用FET7をオンさせる。   In the configuration of the present embodiment shown in FIG. 9, both the FET 21 and the FET 24 are turned on and a positive voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5b, and the primary side of the transformer 5b immediately before that. The first synchronous rectification FET 6 is turned on every (Ton / 2) time during a period in which no voltage is applied to the winding 5-1, and both the FET 22 and FET 23 are turned on, and the primary side winding of the transformer 5b. The second synchronous rectification is performed every (Ton / 2) time in a period in which a negative voltage is applied to 5-1 and a period in which no voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5b immediately before that. The FET 7 is turned on.

より具体的には、例えば、1スイッチング周期において、FET24のオンタイミング(一次側巻線5−1に印加されている正電圧が立ち上がるタイミング)よりも(Ton/2)時間だけ早い時刻から、FET24のオンタイミング(一次側巻線5−1に印加されている正電圧が立ち上がるタイミング)までの期間、および、FET21のオフタイミング(一次側巻線5−1に印加されている正電圧が立ち下がるタイミング)よりも(Ton/2)時間だけ早い時刻から、FET21のオフタイミング(一次側巻線5−1に印加されている正電圧が立ち下がるタイミング)までの期間に、第1の同期整流用FET6をオンさせる。また、1スイッチング周期において、FET23のオンタイミング(一次側巻線5−1に印加されている負電圧が立ち下がるタイミング)よりも(Ton/2)時間だけ早い時刻から、FET23のオンタイミング(一次側巻線5−1に印加されている負電圧が立ち下がるタイミング)までの期間、および、FET22のオフタイミング(一次側巻線5−1に印加されている負電圧が立ち上がるタイミング)よりも(Ton/2)時間だけ早い時刻から、FET22のオフタイミング(一次側巻線5−1に印加されている負電圧が立ち上がるタイミング)までの期間に、第2の同期整流用FET7をオンさせる。   More specifically, for example, in one switching cycle, the FET 24 starts from a time earlier by (Ton / 2) time than the ON timing of the FET 24 (timing at which the positive voltage applied to the primary winding 5-1 rises). Until the ON timing (the timing at which the positive voltage applied to the primary winding 5-1 rises), and the OFF timing of the FET 21 (the positive voltage applied to the primary winding 5-1 falls). For the first synchronous rectification in a period from the time earlier than (Ton / 2) time to (off) timing of the FET 21 (timing at which the positive voltage applied to the primary winding 5-1 falls). The FET 6 is turned on. Further, in one switching cycle, the on-timing of the FET 23 (primary) from the time earlier by (Ton / 2) time than the on-timing of the FET 23 (timing at which the negative voltage applied to the primary winding 5-1 falls). Than the period until the negative voltage applied to the side winding 5-1 falls) and the OFF timing of the FET 22 (the timing when the negative voltage applied to the primary winding 5-1 rises). Ton / 2) The second synchronous rectification FET 7 is turned on during a period from the time earlier by the time to the OFF timing of the FET 22 (the timing at which the negative voltage applied to the primary winding 5-1 rises).

このように、FET21とFET24とが共にオンし、トランス5bの一次側巻線5−1に正電圧が印加されている期間に、(Ton/2)時間分だけ、第1の同期整流用FET6をオンさせ、FET22とFET23とが共にオンし、トランス5bの一次側巻線5−1に負電圧が印加されている期間に、(Ton/2)時間分だけ、第2の同期整流用FET7をオンさせることにより、トランス5bの第1の二次側補助巻線5−3a、第2の二次側補助巻線5−3bに短絡ループ電流が流れ、これに伴い共振コイル4に流れる電流が増加して、共振コイル4に蓄えられるエネルギーが補われる。   As described above, the first synchronous rectification FET 6 is turned on for the period of (Ton / 2) during the period when both the FET 21 and the FET 24 are turned on and the positive voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5b. The FET 22 and the FET 23 are both turned on, and the second synchronous rectification FET 7 is applied for (Ton / 2) time during a period in which a negative voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5b. Is turned on, a short-circuit loop current flows through the first secondary side auxiliary winding 5-3a and the second secondary side auxiliary winding 5-3b of the transformer 5b. Increases to supplement the energy stored in the resonance coil 4.

また、FET21とFET24とが共にオンし、トランス5bの一次側巻線5−1に正電圧が印加されている期間の直前のトランス5bの一次側巻線5−1に電圧が印加されていない期間に、(Ton/2)時間分だけ、第1の同期整流用FET6をオンさせ、FET22とFET23とが共にオンし、トランス5bの一次側巻線5−1に負電圧が印加されている期間の直前のトランス5bの一次側巻線5−1に電圧が印加されていない期間に、(Ton/2)時間分だけ、第2の同期整流用のFET7をオンさせることにより、補助コンデンサ19に蓄えられた電荷をトランス5bの第1の二次側補助巻線5−3a、第2の二次側補助巻線5−3bを介して入力コンデンサ2へ回生させることができる。   Further, both the FET 21 and the FET 24 are turned on, and no voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5b immediately before the positive voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5b. In the period, the first synchronous rectification FET 6 is turned on for (Ton / 2) time, both the FET 22 and FET 23 are turned on, and a negative voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5b. The auxiliary capacitor 19 is turned on by turning on the second synchronous rectification FET 7 for (Ton / 2) time in a period in which no voltage is applied to the primary winding 5-1 of the transformer 5b immediately before the period. Can be regenerated to the input capacitor 2 via the first secondary side auxiliary winding 5-3a and the second secondary side auxiliary winding 5-3b of the transformer 5b.

上述した動作により、1スイッチング周期において各FET21〜24がターンオフするタイミング、つまり、図10に示す期間Aから期間Bへの移行時には、ゼロ電圧スイッチングを維持するために十分なエネルギーが共振コイル4に蓄えられた状態となる。   With the above-described operation, at the timing when each FET 21 to 24 is turned off in one switching cycle, that is, at the transition from the period A to the period B shown in FIG. It becomes a stored state.

以上説明したように、実施の形態3の直流電源装置によれば、出力用の第1の二次側巻線と第2の二次側巻線とからなる2組の二次側巻線をセンタータップで接続し、第1の二次側補助巻線と第2の二次側補助巻線とからなる2組の二次側補助巻線をセンタータップで接続したフルブリッジ用トランスを具備した構成において、ゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対する不足電流を算出し、共振コイルのインダクタンス値、トランスの漏れインダクタンス値、および入力直流電圧に基づいて、不足電流を補うための第1の同期整流用FETおよび第2の同期整流用FETの1スイッチング周期におけるオン時間を算出すると共に、第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETを、このオン時間だけオン制御することにより、第1の二次側補助巻線、第2の二次側補助巻線に短絡ループ電流を流してゼロ電圧スイッチングを達成するゼロ電圧制御回路を具備したので、実施の形態1,2と同様に、大型のチョークコイルを用いることなく、また、従来の構成から回路構成を大きく変更することなく、簡単な回路構成で、無負荷に近い軽負荷運転時でもゼロ電圧スイッチングを維持することができ、負荷変動に影響されることなくスイッチングロスを低減することができるので、高効率で小型軽量かつ低コストで実現可能な直流電源装置を得ることができる。   As described above, according to the DC power supply device of the third embodiment, two sets of secondary side windings including the first secondary winding for output and the second secondary winding for output are provided. A full-bridge transformer in which two sets of secondary side auxiliary windings composed of a first secondary side auxiliary winding and a second secondary side auxiliary winding are connected by a center tap, connected by a center tap. In the configuration, a first synchronization for compensating for the undercurrent based on the inductance value of the resonance coil, the leakage inductance value of the transformer, and the input DC voltage is calculated based on the current lower limit value at which zero voltage switching can be achieved. The ON time in one switching period of the rectifying FET and the second synchronous rectifying FET is calculated, and the first synchronous rectifying FET and the second synchronous rectifying FET are ON-controlled only by this ON time. Thus, the first and second secondary auxiliary windings and the second secondary auxiliary winding are provided with a zero voltage control circuit that achieves zero voltage switching by passing a short-circuit loop current. Similarly, it is possible to maintain zero voltage switching even in light load operation near no load with a simple circuit configuration without using a large choke coil and without greatly changing the circuit configuration from the conventional configuration. Since the switching loss can be reduced without being affected by the load fluctuation, a DC power supply device that can be realized with high efficiency, small size, light weight and low cost can be obtained.

また、トランスの一次側巻線に電圧が印加されている期間とトランスの一次側巻線に電圧が印加されていない期間とで(Ton/2)時間ずつに分けて同期整流用FETをオンさせるようにしたので、電流容量の小さい部品で構成することができ、直流電源装置のさらなる小型軽量化、低コスト化が実現可能となる。   In addition, the synchronous rectification FET is turned on for each period (Ton / 2) of a period in which a voltage is applied to the primary winding of the transformer and a period in which no voltage is applied to the primary winding of the transformer. Since it did in this way, it can comprise with components with small current capacity, and it becomes possible to implement | achieve further size reduction, weight reduction, and cost reduction of a DC power supply device.

なお、上述した各実施の形態は、状況に応じて適宜組み合わせることも可能であることは言うまでもなく、例えば、実施の形態1あるいは2の構成と実施の形態3の構成とを組み合わせてゼロ電圧制御を行うことにより、より高効率化の精度を高めた直流電源装置を得ることができるようになる。   Needless to say, the above-described embodiments can be appropriately combined depending on the situation. For example, the zero voltage control is performed by combining the configuration of the first or second embodiment and the configuration of the third embodiment. By performing the above, it becomes possible to obtain a DC power supply device with higher accuracy of higher efficiency.

また、上述した実施の形態では、直流電源装置の出力電流が無負荷に近い軽負荷運転時でも、スイッチング回路を構成する各FETのゼロ電圧スイッチングを維持することができるので、特に、スイッチング回路を構成する各FETとして、Si半導体に比べてドレイン−ソース間およびドレイン−ゲート間の寄生容量が大きいGaNやSiC、あるいはダイヤモンドにより形成されたWBG半導体を用いたFETを適用した構成に適しており、寄生容量が大きいことに起因する充放電損失やスイッチングロスをより効果的に低減することが可能となる。   In the above-described embodiment, the zero voltage switching of each FET constituting the switching circuit can be maintained even during light load operation where the output current of the DC power supply device is close to no load. As each of the FETs to be configured, it is suitable for a configuration in which a FET using a WBG semiconductor formed of GaN, SiC, or diamond having a large parasitic capacitance between the drain and the source and between the drain and the gate as compared with the Si semiconductor, It is possible to more effectively reduce charge / discharge loss and switching loss due to the large parasitic capacitance.

また、上述した実施の形態において説明したWBG半導体により構成されたFETを用いることによる効果は、上述した効果にとどまらない。   Moreover, the effect by using FET comprised by the WBG semiconductor demonstrated in embodiment mentioned above is not restricted to the effect mentioned above.

例えば、WBG半導体によって構成されたFETは、耐電圧性が高く、許容電流密度も高いため、FETのより一層の小型化が可能であり、スイッチング回路を構成する各FETとして、これら小型化されたFETを用いることにより、直流電源装置のより一層の小型化が可能となる。   For example, FETs composed of WBG semiconductors have a high withstand voltage and a high allowable current density, so that further miniaturization of the FETs is possible, and each of these FETs constituting a switching circuit has been miniaturized. By using the FET, the DC power supply can be further reduced in size.

また、以上の実施の形態に示した構成は、本発明の構成の一例であり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、一部を省略する等、変更して構成することも可能であることは言うまでもない。   The configurations described in the above embodiments are examples of the configurations of the present invention, and can be combined with other known techniques, and a part of the configurations is omitted without departing from the gist of the present invention. Needless to say, it is possible to change the configuration.

以上のように、本発明にかかる直流電源装置は、低価格化かつ小型化が可能で、高効率に入力直流電圧を負荷装置で利用可能な直流電圧に変換できる直流電源装置として有用であり、特に、車載用や艦船用または航空機用の電源システムで使用する直流電源装置として好適である。   As described above, the DC power supply device according to the present invention can be reduced in price and size, and is useful as a DC power supply device that can convert an input DC voltage into a DC voltage that can be used in a load device with high efficiency. In particular, it is suitable as a DC power supply device used in a power supply system for in-vehicle use, ship use, or aircraft use.

1 直流電源、2 入力コンデンサ、3 スイッチング回路、4 共振コイル、5 トランス、5−1 一次側巻線、5−2 二次側巻線、5−2a 第1の二次側巻線、5−2b 第2の二次側巻線、5−3a 第1の二次側補助巻線、5−3b 第2の二次側補助巻線、6 同期整流用FET(第1の同期整流用FET)、7 同期整流用FET(第2の同期整流用FET)、8 出力チョークコイル(第1の出力チョークコイル)、9 出力チョークコイル(第2の出力チョークコイル)、10 出力コンデンサ、11 電流検出回路、12 位相制御回路、13 負荷装置、14 ゼロ電圧制御回路、15 駆動回路(第1の駆動回路)、16 駆動回路(第2の駆動回路)、17 整流ダイオード(第1の整流ダイオード)、18 整流ダイオード(第2の整流ダイオード)、19 補助コンデンサ、20,20a,20b 同期整流回路、21,22,23,24 FET、25 寄生ダイオード、26 寄生ゲート抵抗(RB)、27 寄生抵抗(RGS)、28 寄生容量(CGS)、29 寄生容量(CGD)、30 寄生容量(CDS)、31 寄生ダイオード、32 寄生ゲート抵抗(RB)、33 寄生抵抗(RGS)、34 寄生容量(CGS)、35 寄生容量(CGD)、36 寄生容量(CDS)、40 ダイオード整流回路、100,100a,100b 直流電源装置。   1 DC power supply, 2 input capacitor, 3 switching circuit, 4 resonance coil, 5 transformer, 5-1 primary side winding, 5-2 secondary side winding, 5-2a first secondary side winding, 5- 2b Second secondary side winding, 5-3a First secondary side auxiliary winding, 5-3b Second secondary side auxiliary winding, 6 Synchronous rectification FET (first synchronous rectification FET) , 7 FET for synchronous rectification (second synchronous rectification FET), 8 output choke coil (first output choke coil), 9 output choke coil (second output choke coil), 10 output capacitor, 11 current detection circuit , 12 phase control circuit, 13 load device, 14 zero voltage control circuit, 15 drive circuit (first drive circuit), 16 drive circuit (second drive circuit), 17 rectifier diode (first rectifier diode), 18 Rectifier diode (Second rectifier diode), 19 auxiliary capacitor, 20, 20a, 20b synchronous rectifier circuit, 21, 22, 23, 24 FET, 25 parasitic diode, 26 parasitic gate resistance (RB), 27 parasitic resistance (RGS), 28 parasitic Capacitance (CGS), 29 Parasitic capacitance (CGD), 30 Parasitic capacitance (CDS), 31 Parasitic diode, 32 Parasitic gate resistance (RB), 33 Parasitic resistance (RGS), 34 Parasitic capacitance (CGS), 35 Parasitic capacitance (CGD) 36, parasitic capacitance (CDS), 40 diode rectifier circuit, 100, 100a, 100b DC power supply.

Claims (7)

入力直流電圧を負荷装置で利用可能な直流電圧に変換する直流電源装置であって、
前記入力直流電圧が印加される入力コンデンサと、
複数個のFETがフルブリッジ接続されて構成されたスイッチング回路と、
一次側巻線と二次側巻線とを有するトランスと、
前記スイッチング回路の出力間に前記一次側巻線を介して接続された共振コイルと、
複数個の同期整流用FETを有する同期整流回路と、
前記スイッチング回路に流れるスイッチング電流を検出する電流検出回路と、
前記各FETの駆動信号の位相を制御する位相制御回路と、
前記スイッチング電流に基づいて、前記位相制御回路が前記各FETの寄生ダイオードがオンした状態で当該FETをオンさせるゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対し、前記スイッチング電流が不足している場合に、前記二次側巻線に短絡ループ電流が流れるように、前記同期整流用FETを制御するゼロ電圧制御回路と、を備え、
前記同期整流回路は、
前記二次側巻線の一方の端子にドレイン端子が接続される第1の同期整流用FETと、
前記二次側巻線の他方の端子にドレイン端子が接続される第2の同期整流用FETと、
前記二次側巻線の一方の端子に一端が接続される第1の出力チョークコイルと、
前記二次側巻線の他方の端子に一端が接続される第2の出力チョークコイルと、
前記第1の出力チョークコイルの他端と前記第2の出力チョークコイルの他端との接続点に一端が接続され、前記第1の同期整流用FETのソース端子と前記第2の同期整流用FETのソース端子との接続点に他端が接続される出力コンデンサと、
を備え、
前記ゼロ電圧制御回路は、
前記電流下限値に対する不足電流を算出し、前記共振コイルのインダクタンス値、前記トランスの漏れインダクタンス値、および前記入力直流電圧に基づいて、前記不足電流を補うために必要な前記第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETの1スイッチング周期における同時オン時間を算出すると共に、前記第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETのオンタイミングを、前記同時オン時間分だけ早めて前記第1の同期整流FETおよび前記第2の同期整流用FETが同時にオンしている期間を設けることを特徴とする直流電源装置。
A DC power supply device that converts an input DC voltage into a DC voltage that can be used by a load device,
An input capacitor to which the input DC voltage is applied;
A switching circuit configured by full-bridge connection of a plurality of FETs;
A transformer having a primary winding and a secondary winding;
A resonant coil connected between the outputs of the switching circuit via the primary winding;
A synchronous rectification circuit having a plurality of synchronous rectification FETs;
A current detection circuit for detecting a switching current flowing in the switching circuit;
A phase control circuit for controlling the phase of the drive signal of each FET;
Based on the switching current, when the switching current is insufficient with respect to the current lower limit value at which the phase control circuit can achieve zero voltage switching that turns on the FET with the parasitic diode of each FET turned on And a zero voltage control circuit for controlling the synchronous rectification FET so that a short-circuit loop current flows in the secondary side winding,
The synchronous rectifier circuit is
A first synchronous rectification FET whose drain terminal is connected to one terminal of the secondary winding;
A second synchronous rectification FET whose drain terminal is connected to the other terminal of the secondary winding;
A first output choke coil having one end connected to one terminal of the secondary winding;
A second output choke coil having one end connected to the other terminal of the secondary winding;
One end is connected to a connection point between the other end of the first output choke coil and the other end of the second output choke coil, and the source terminal of the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification An output capacitor whose other end is connected to a connection point with the source terminal of the FET;
With
The zero voltage control circuit is
The first synchronous rectification necessary for compensating the shortage current is calculated based on the inductance value of the resonance coil, the leakage inductance value of the transformer, and the input DC voltage, based on the current lower limit value. The simultaneous on-time in one switching cycle of the FET and the second synchronous rectification FET is calculated, and the on-timing of the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET is set to the amount of the simultaneous on-time. only early and said first synchronous rectification FET and said second dc power supply you comprising providing a synchronization period rectification FET is turned on at the same time.
入力直流電圧を負荷装置で利用可能な直流電圧に変換する直流電源装置であって、
前記入力直流電圧が印加される入力コンデンサと、
複数個のFETがフルブリッジ接続されて構成されたスイッチング回路と、
一次側巻線と二次側巻線とを有するトランスと、
前記スイッチング回路の出力間に前記一次側巻線を介して接続された共振コイルと、
複数個の同期整流用FETを有する同期整流回路と、
前記スイッチング回路に流れるスイッチング電流を検出する電流検出回路と、
前記各FETの駆動信号の位相を制御する位相制御回路と、
前記スイッチング電流に基づいて、前記位相制御回路が前記各FETの寄生ダイオードがオンした状態で当該FETをオンさせるゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対し、前記スイッチング電流が不足している場合に、前記二次側巻線に短絡ループ電流が流れるように、前記同期整流用FETを制御するゼロ電圧制御回路と、を備え、
前記二次側巻線は、中点が接続された第1の二次側巻線および第2の二次側巻線からなり、
前記同期整流回路は、
前記第1の二次側巻線の一方の端子にソース端子が接続される第1の同期整流用FETと、
前記第2の二次側巻線の一方の端子にソース端子が接続される第2の同期整流用FETと、
前記第1の同期整流用FETのドレイン端子と前記第2の同期整流用FETのドレイン端子との接続点に一端が接続された出力チョークコイルと、
前記出力チョークコイルの他端に一端が接続され、前記第1の二次側巻線の他方の端子と前記第2の二次側巻線の他方の端子との接続点に他端が接続される出力コンデンサと、
前記第1の同期整流用FETを駆動する第1の駆動回路と、
前記第2の同期整流用FETを駆動する第2の駆動回路と、
を備え、
前記ゼロ電圧制御回路は、
前記電流下限値に対する不足電流を算出し、前記共振コイルのインダクタンス値、前記トランスの漏れインダクタンス値、および前記入力直流電圧に基づいて、前記不足電流を補うために必要な前記第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETの1スイッチング周期における同時オン時間を算出すると共に、前記第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETのオンタイミングを、前記同時オン時間分だけ早めて前記第1の同期整流FETおよび前記第2の同期整流用FETが同時にオンしている期間を延長することを特徴とする直流電源装置。
A DC power supply device that converts an input DC voltage into a DC voltage that can be used by a load device,
An input capacitor to which the input DC voltage is applied;
A switching circuit configured by full-bridge connection of a plurality of FETs;
A transformer having a primary winding and a secondary winding;
A resonant coil connected between the outputs of the switching circuit via the primary winding;
A synchronous rectification circuit having a plurality of synchronous rectification FETs;
A current detection circuit for detecting a switching current flowing in the switching circuit;
A phase control circuit for controlling the phase of the drive signal of each FET;
Based on the switching current, when the switching current is insufficient with respect to the current lower limit value at which the phase control circuit can achieve zero voltage switching that turns on the FET with the parasitic diode of each FET turned on And a zero voltage control circuit for controlling the synchronous rectification FET so that a short-circuit loop current flows in the secondary side winding,
The secondary winding is composed of a first secondary winding and a second secondary winding to which a midpoint is connected,
The synchronous rectifier circuit is
A first synchronous rectification FET having a source terminal connected to one terminal of the first secondary winding;
A second synchronous rectification FET having a source terminal connected to one terminal of the second secondary winding;
An output choke coil having one end connected to a connection point between the drain terminal of the first synchronous rectification FET and the drain terminal of the second synchronous rectification FET;
One end is connected to the other end of the output choke coil, and the other end is connected to a connection point between the other terminal of the first secondary winding and the other terminal of the second secondary winding. An output capacitor
A first drive circuit for driving the first synchronous rectification FET;
A second drive circuit for driving the second synchronous rectification FET;
With
The zero voltage control circuit is
The first synchronous rectification necessary for compensating the shortage current is calculated based on the inductance value of the resonance coil, the leakage inductance value of the transformer, and the input DC voltage, based on the current lower limit value. The simultaneous on-time in one switching cycle of the FET and the second synchronous rectification FET is calculated, and the on-timing of the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET is set to the amount of the simultaneous on-time. only early and said first synchronous rectifier dc power supply you characterized in that FET and the second synchronous rectification FET to extend the period during which simultaneously turned on.
入力直流電圧を負荷装置で利用可能な直流電圧に変換する直流電源装置であって、
前記入力直流電圧が印加される入力コンデンサと、
複数個のFETがフルブリッジ接続されて構成されたスイッチング回路と、
一次側巻線と二次側巻線とを有するトランスと、
前記スイッチング回路の出力間に前記一次側巻線を介して接続された共振コイルと、
複数個の同期整流用FETを有する同期整流回路と、
前記スイッチング回路に流れるスイッチング電流を検出する電流検出回路と、
前記各FETの駆動信号の位相を制御する位相制御回路と、
前記スイッチング電流に基づいて、前記位相制御回路が前記各FETの寄生ダイオードがオンした状態で当該FETをオンさせるゼロ電圧スイッチングを達成可能な電流下限値に対し、前記スイッチング電流が不足している場合に、前記二次側巻線に短絡ループ電流が流れるように、前記同期整流用FETを制御するゼロ電圧制御回路と、を備え、
前記二次側巻線は、中点が接続された第1の二次側巻線および第2の二次側巻線と、中点が接続された第1の二次側補助巻線および第2の二次側補助巻線からなり、
前記同期整流回路は、
前記第1の二次側巻線の一方の端子にアノード端子が接続される第1の整流ダイオードと、
前記第2の二次側巻線の一方の端子にアノード端子が接続される第2の整流ダイオードと、
前記第1の整流ダイオードのカソード端子と前記第2の整流ダイオードのカソード端子との接続点に一端が接続された出力チョークコイルと、
前記出力チョークコイルの他端に一端が接続され、前記第1の二次側巻線の他方の端子と前記第2の二次側巻線の他方の端子とが接続された中点に他端が接続される出力コンデンサと、
前記第1の二次側補助巻線の一方の端子にソース端子が接続される第1の同期整流用FETと、
前記第2の二次側補助巻線の一方の端子にソース端子が接続される第2の同期整流用FETと、
前記第1の同期整流用FETのドレイン端子と前記第2の同期整流用FETのドレイン端子との接続点に一端が接続され、前記第1の二次側巻線の他方の端子と前記第2の二次側巻線の他方の端子とが接続された中点に他端が接続されるコンデンサと、
前記第1の同期整流用FETを駆動する第1の駆動回路と、
前記第2の同期整流用FETを駆動する第2の駆動回路と、
を備え、
前記ゼロ電圧制御回路は、
前記電流下限値に対する不足電流を算出し、前記共振コイルのインダクタンス値、前記トランスの漏れインダクタンス値、および前記入力直流電圧に基づいて、前記不足電流を補うために必要な前記第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETの1スイッチング周期におけるオン時間を算出すると共に、前記第1の同期整流用FETおよび前記第2の同期整流用FETを、前記オン時間だけオン制御することを特徴とする直流電源装置。
A DC power supply device that converts an input DC voltage into a DC voltage that can be used by a load device,
An input capacitor to which the input DC voltage is applied;
A switching circuit configured by full-bridge connection of a plurality of FETs;
A transformer having a primary winding and a secondary winding;
A resonant coil connected between the outputs of the switching circuit via the primary winding;
A synchronous rectification circuit having a plurality of synchronous rectification FETs;
A current detection circuit for detecting a switching current flowing in the switching circuit;
A phase control circuit for controlling the phase of the drive signal of each FET;
Based on the switching current, when the switching current is insufficient with respect to the current lower limit value at which the phase control circuit can achieve zero voltage switching that turns on the FET with the parasitic diode of each FET turned on And a zero voltage control circuit for controlling the synchronous rectification FET so that a short-circuit loop current flows in the secondary side winding,
The secondary side winding includes a first secondary side winding and a second secondary side winding to which a middle point is connected, a first secondary side auxiliary winding and a second side winding to which a middle point is connected. 2 secondary side auxiliary windings,
The synchronous rectifier circuit is
A first rectifier diode having an anode terminal connected to one terminal of the first secondary winding;
A second rectifier diode having an anode terminal connected to one terminal of the second secondary winding;
An output choke coil having one end connected to a connection point between the cathode terminal of the first rectifier diode and the cathode terminal of the second rectifier diode;
One end is connected to the other end of the output choke coil, and the other end is at a midpoint where the other terminal of the first secondary winding and the other terminal of the second secondary winding are connected. An output capacitor to which
A first synchronous rectification FET having a source terminal connected to one terminal of the first secondary auxiliary winding;
A second synchronous rectification FET having a source terminal connected to one terminal of the second secondary auxiliary winding;
One end is connected to a connection point between the drain terminal of the first synchronous rectification FET and the drain terminal of the second synchronous rectification FET, and the other terminal of the first secondary winding and the second terminal A capacitor having the other end connected to a midpoint to which the other terminal of the secondary side winding is connected;
A first drive circuit for driving the first synchronous rectification FET;
A second drive circuit for driving the second synchronous rectification FET;
With
The zero voltage control circuit is
The first synchronous rectification necessary for compensating the shortage current is calculated based on the inductance value of the resonance coil, the leakage inductance value of the transformer, and the input DC voltage, based on the current lower limit value. Calculating an ON time in one switching period of the FET and the second synchronous rectification FET, and ON-controlling the first synchronous rectification FET and the second synchronous rectification FET for the ON time. dc power supply you characterized.
前記ゼロ電圧制御回路は、
前記一次側巻線に正電圧が印加されている期間と、その直前の前記一次側巻線に電圧が印加されていない期間とで、前記オン時間の1/2ずつ前記第1の同期整流用FETをオンさせ、前記一次側巻線に負電圧が印加されている期間と、その直前の前記一次側巻線に電圧が印加されていない期間とで、前記オン時間の1/2ずつ前記第2の同期整流用FETをオンさせることを特徴とする請求項に記載の直流電源装置。
The zero voltage control circuit is
The first synchronous rectification ½ each of the ON time in a period in which a positive voltage is applied to the primary winding and a period in which no voltage is applied to the primary winding just before The FET is turned on, and a period during which a negative voltage is applied to the primary side winding and a period during which no voltage is applied to the primary side winding immediately before, 4. The DC power supply device according to claim 3 , wherein two synchronous rectification FETs are turned on.
前記ゼロ電圧制御回路は、
前記一次側巻線に印加されている正電圧が立ち上がるタイミングよりも前記オン時間の1/2早い時刻から、前記一次側巻線に印加されている正電圧が立ち上がるタイミングまでの期間、および、前記一次側巻線に印加されている正電圧が立ち下がるタイミングよりも前記オン時間の1/2早い時刻から、前記一次側巻線に印加されている正電圧が立ち下がるタイミングまでの期間、前記第1の同期整流用FETをオンさせ、
前記一次側巻線に印加されている負電圧が立ち下がるタイミングよりも前記オン時間の1/2早い時刻から、前記一次側巻線に印加されている負電圧が立ち下がるタイミングまでの期間、および、前記一次側巻線に印加されている負電圧が立ち上がるタイミングよりも前記オン時間の1/2早い時刻から、前記一次側巻線に印加されている負電圧が立ち上がるタイミングまでの期間、前記第2の同期整流用FETをオンさせる
ことを特徴とする請求項に記載の直流電源装置。
The zero voltage control circuit is
A period from a time that is 1/2 of the on-time earlier than the timing at which the positive voltage applied to the primary winding rises to the timing at which the positive voltage applied to the primary winding rises; and The period from the time ½ earlier than the on-time than the timing when the positive voltage applied to the primary winding falls to the timing when the positive voltage applied to the primary winding falls, 1 synchronous rectification FET is turned on,
A period from a time ½ earlier than the on-time than the timing when the negative voltage applied to the primary winding falls to the timing when the negative voltage applied to the primary winding falls; and A period from a time that is 1/2 of the on-time earlier than the timing at which the negative voltage applied to the primary winding rises to the timing at which the negative voltage applied to the primary winding rises, 5. The DC power supply device according to claim 4 , wherein the two synchronous rectification FETs are turned on.
前記スイッチング回路を構成するFETは、ワイドバンドギャップ半導体により形成されたことを特徴とする請求項1から5の何れか一項に記載の直流電源装置。 FET constituting the switching circuit includes a DC power supply device according to any one of claims 1 5, characterized in that it is formed by a wide band gap semiconductor. 前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料、またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項に記載の直流電源装置。 The DC power supply device according to claim 6 , wherein the wide band gap semiconductor is silicon carbide, a gallium nitride-based material, or diamond.
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