JP6037972B2 - Step-down chopper circuit - Google Patents
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Description
この発明は降圧チョッパ回路に関し、特に、第1の直流電圧を降圧して第2の直流電圧を出力する降圧チョッパ回路に関する。 The present invention relates to a step-down chopper circuit, and more particularly to a step-down chopper circuit that steps down a first DC voltage and outputs a second DC voltage.
従来より、スイッチング素子、リアクトル、および還流ダイオードを備え、直流電圧を降圧して所望の直流電圧を生成する降圧チョッパ回路が知られている。このような降圧チョッパ回路では、動作条件によっては、スイッチング素子の寄生コンデンサとリアクトルによって共振現象が発生し、リアクトルに発生した共振電圧によってスイッチング素子に電流が逆流する場合がある。スイッチング素子に電流が逆流すると、降圧チョッパ回路の前段の直流電源の性能劣化や誤動作を招き、また、スイッチング素子の電力損失が増加する。 2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a step-down chopper circuit that includes a switching element, a reactor, and a free wheel diode, and generates a desired DC voltage by stepping down a DC voltage. In such a step-down chopper circuit, depending on the operating conditions, a resonance phenomenon may occur due to the parasitic capacitor and the reactor of the switching element, and a current may flow back to the switching element due to the resonance voltage generated in the reactor. When the current flows backward through the switching element, the DC power supply in the previous stage of the step-down chopper circuit deteriorates in performance and malfunctions, and the power loss of the switching element increases.
この対策として、抵抗素子とダイオードの直列接続体をスイッチング素子またはリアクトルに並列接続し、リアクトルに発生した共振電圧を減衰させる方法がある(たとえば特許文献1,2参照)。 As a countermeasure, there is a method in which a series connection body of a resistance element and a diode is connected in parallel to a switching element or a reactor to attenuate a resonance voltage generated in the reactor (for example, refer to Patent Documents 1 and 2).
また、電流経路にダイオードを接続し、ダイオードに逆バイアス電圧が印加された場合にスイッチング素子をオフさせる方法がある(たとえば特許文献3参照)。 Further, there is a method in which a diode is connected to the current path, and the switching element is turned off when a reverse bias voltage is applied to the diode (see, for example, Patent Document 3).
しかし、特許文献1,2の降圧チョッパ回路では、抵抗素子で電力が消費されるので、効率が低下するという問題があった。
However, the step-down chopper circuits of
また、特許文献3では、ダイオードに逆バイアス電圧が印加されたことを検出する回路を設ける必要があり、回路構成が複雑になるという問題があった。
Further, in
それゆえに、この発明の主たる目的は、スイッチング素子に逆電流が流れることを防止することが可能で高効率で構成が簡単な降圧チョッパ回路を提供することである。 Therefore, a main object of the present invention is to provide a step-down chopper circuit that can prevent a reverse current from flowing through a switching element and has a high efficiency and a simple configuration.
この発明に係る降圧チョッパ回路は、第1および第2の入力端子間に与えられた第1の直流電圧を降圧して第1および第2の出力端子間に第2の直流電圧を出力する降圧チョッパ回路であって、第1の電極が第1の入力端子に接続され、第2の直流電圧が目標電圧になるようにオン/オフ制御されるスイッチング素子と、アノードがスイッチング素子の第2の電極に接続され、アノードからカソードに向かう方向にのみ電流を流す逆流防止素子と、一方端子が逆流防止素子のカソードに接続され、他方端子が第1の出力端子に接続されたリアクトルと、第1および第2の出力端子間に接続されたコンデンサと、アノードが第2の入力端子および第2の出力端子に接続され、スイッチング素子がオフされたときにリアクトルの他方端子から出力される電流をリアクトルの一方端子に戻す還流ダイオードとを備えたものである。 The step-down chopper circuit according to the present invention steps down the first DC voltage applied between the first and second input terminals and outputs the second DC voltage between the first and second output terminals. A switching element having a first electrode connected to a first input terminal and controlled to be turned on / off so that a second DC voltage becomes a target voltage; and an anode serving as a second switching element A backflow prevention element connected to the electrode and configured to flow current only in a direction from the anode to the cathode; a reactor having one terminal connected to the cathode of the backflow prevention element and the other terminal connected to the first output terminal; And a capacitor connected between the second output terminal and an anode connected to the second input terminal and the second output terminal, and output from the other terminal of the reactor when the switching element is turned off. The current is obtained by a reflux diode back to one terminal of the reactor.
また、この発明に係る他の降圧チョッパ回路は、第1および第2の入力端子間に与えられた直流電圧を降圧して第1および第2の出力端子間に第2の直流電圧を出力する降圧チョッパ回路であって、アノードが第1の入力端子に接続され、カソードが第1の出力端子に接続され、アノードからカソードに向かう方向にのみ電流を流す逆流防止素子と、第1および第2の出力端子間に接続されたコンデンサと、一方端子が第2の出力端子に接続されたリアクトルと、第1の電極がリアクトルの他方端子に接続され、第2の電極が第2の入力端子に接続され、第2の直流電圧が目標電圧になるようにオン/オフ制御されるスイッチング素子と、アノードがリアクトルの他方端子に接続され、スイッチング素子がオフされたときにリアクトルの他方端子から出力される電流を第1の出力端子に流す還流ダイオードとを備えたものである。 Another step-down chopper circuit according to the present invention steps down a DC voltage applied between the first and second input terminals and outputs a second DC voltage between the first and second output terminals. A step-down chopper circuit having an anode connected to a first input terminal, a cathode connected to a first output terminal, and a backflow prevention element for flowing a current only in a direction from the anode to the cathode; A capacitor connected between the two output terminals, a reactor having one terminal connected to the second output terminal, a first electrode connected to the other terminal of the reactor, and a second electrode connected to the second input terminal A switching element that is connected and controlled to be turned on / off so that the second DC voltage becomes a target voltage, and an anode connected to the other terminal of the reactor and the other of the reactor when the switching element is turned off It is obtained by a reflux diode passing a current output from the child to the first output terminal.
この発明に係る降圧チョッパ回路では、スイッチング素子に逆電流が流れる経路に逆流防止素子を設けたので、スイッチング素子に逆電流が流れることを防止することができ、効率が低下したり、構成が複雑になることもない。 In the step-down chopper circuit according to the present invention, since the backflow prevention element is provided in the path through which the reverse current flows in the switching element, the reverse current can be prevented from flowing in the switching element, the efficiency is lowered, and the configuration is complicated. It will never be.
[実施の形態1]
本願発明の実施の形態1による降圧チョッパ回路は、図1に示すように、入力端子T1,T2、出力端子T3,T4、入力コンデンサ1、NチャネルMOSトランジスタ2(スイッチング素子)、還流ダイオード3、逆流防止ダイオード4、リアクトル5、出力コンデンサ6、フィードバック回路7、制御回路8、および駆動回路9を備える。
[Embodiment 1]
As shown in FIG. 1, the step-down chopper circuit according to the first embodiment of the present invention includes input terminals T1, T2, output terminals T3, T4, an input capacitor 1, an N-channel MOS transistor 2 (switching element), a
入力端子T1,T2は、それぞれ直流電源10の正極および負極に接続される。直流電源10は、入力端子T1,T2間に直流電圧Viを出力する。出力端子T3,T4間には、負荷11が接続される。入力端子T2および出力端子T4は、互いに接続されている。この降圧チョッパ回路は、入力端子T1,T2間に与えられた直流電圧Viを降圧して所望の直流電圧Voを生成し、その直流電圧Voを出力端子T3,T4間に出力するものである。負荷11は、降圧チョッパ回路の出力電圧Voによって駆動される。
Input terminals T1 and T2 are connected to the positive electrode and the negative electrode of
入力コンデンサ1は、入力端子T1,T2間に接続され、入力された直流電圧Viを安定化させる。NチャネルMOSトランジスタ2のドレインは入力端子T1に接続される。NチャネルMOSトランジスタ2は、アノードがソースに接続され、カソードがドレインに接続された寄生ダイオード2dと、ソース−ドレイン間に接続された寄生コンデンサ2cとを含む。
The input capacitor 1 is connected between the input terminals T1 and T2, and stabilizes the input DC voltage Vi. The drain of the N
還流ダイオード3のアノードは入力端子T2および出力端子T4に接続され、そのカソードはNチャネルMOSトランジスタ2のソースに接続される。逆流防止ダイオード4のアノードは、NチャネルMOSトランジスタ2のソース(還流ダイオード3のカソード)に接続される。リアクトル5の一方端子は逆流防止ダイオード4のカソードに接続され、その他方端子は出力端子T3に接続される。出力コンデンサ6は、出力端子T3,T4間に接続され、出力端子T3,T4間の直流電圧Voを平滑化および安定化させる。
The anode of the
フィードバック回路7は、出力端子T3,T4間の電圧Voを検出し、その検出値を示す信号を制御回路8に与える。制御回路8は、フィードバック回路7からの信号に基づいて、出力電圧Voが目標電圧になるように制御信号CNTを生成する。制御信号CNTは、所定のスイッチング周期で交互に「H」レベルおよび「L」レベルになる。「H」レベルになる時間とスイッチング周期の比はデューティ比と呼ばれる。駆動回路9は、制御信号CNTに応答してNチャネルMOSトランジスタ2のゲートを駆動させる。
The
フィードバック回路7、制御回路8、および駆動回路9は、スイッチング制御部を構成し、出力端子T3,T4間の直流電圧Voが目標電圧になるように、NチャネルMOSトランジスタ2をオン/オフさせる。
The
次に、この降圧チョッパ回路の動作について説明する。制御信号CNTが「H」レベルにされると、NチャネルMOSトランジスタ2がオンし、直流電源10の正極から、NチャネルMOSトランジスタ2、逆流防止ダイオード4、リアクトル5、および出力コンデンサ6と負荷11の並列接続体を介して直流電源10の負極に至る経路で電流が流れる。これにより、出力コンデンサ6が充電されるとともに、リアクトル5に電磁エネルギーが蓄えられる。このとき、リアクトル5に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に増加する。
Next, the operation of this step-down chopper circuit will be described. When control signal CNT is set to “H” level, N-
制御信号CNTが「L」レベルにされると、NチャネルMOSトランジスタ2がオフし、リアクトル5の電磁エネルギーが放出されて、リアクトル5の他方端子(出力端子T3側の端子)から、出力コンデンサ6と負荷11の並列接続体、還流ダイオード3、および逆流防止ダイオード4を介してリアクトル5の一方端子(入力端子T1側の端子)に至る経路で電流が流れる。このような経路で電流が流れる状態は一般的に還流と呼ばれる。この場合、リアクトル5に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に減少する。
When the control signal CNT is set to the “L” level, the N-
リアクトル5の電磁エネルギーの放出が終了すると、リアクトル5に電流が流れない期間(リアクトル電流が0となる期間)が発生する。この期間では出力コンデンサ6から負荷11に対して電力供給が行なわれる。
When the release of the electromagnetic energy of the
NチャネルMOSトランジスタ2がオンとオフを繰り返す1周期のうちに、リアクトル電流が流れなくなる期間を持つ動作モードを不連続モードと呼び、リアクトル電流が流れなくなる期間を持たない動作モードを連続モードと呼ぶ。制御回路8には通常、所定のスイッチング周期が予め設定されている。制御回路8は、オン時間およびオフ時間の和が予め定められたスイッチング周期に達したならば、NチャネルMOSトランジスタ2を再びオン状態にし、以後、このようなオン/オフ制御を繰り返す。
An operation mode having a period in which the reactor current does not flow in one cycle in which the N-
ここで、連続モードと不連続モードにおける素子の損失について説明する。還流ダイオード3は、NチャネルMOSトランジスタ2がオンする期間は電流を阻止し、NチャネルMOSトランジスタ2がオフする期間はリアクトル5に蓄えられた電磁エネルギーを放出させる方向に電流を流す。
Here, the element loss in the continuous mode and the discontinuous mode will be described. The free-
連続モードと不連続モードの違いは、NチャネルMOSトランジスタ2のオフ期間にリアクトル5に流れる電流がゼロになるか否かの違いと言える。すなわち、連続モードでは、リアクトル5に蓄えられたエネルギーを全て放出する前に、次のNチャネルMOSトランジスタ2のオン動作が始まる。これに対して不連続モードでは、リアクトル5に蓄えられたエネルギーを全て放出し、リアクトル電流がゼロになった状態が続いた後に、次のNチャネルMOSトランジスタ2のオン動作が始まる。
It can be said that the difference between the continuous mode and the discontinuous mode is whether or not the current flowing through the
連続モードと不連続モードの差異の影響を受ける素子の一つに還流ダイオード3がある。還流ダイオード3としては、ショットキダイオードやファーストリカバリーダイオードが使用されるが、これらの使い分けは耐圧によって決められる。還流ダイオード3に必要とされる耐圧が200V未満である場合は、主にショットキダイオードが還流ダイオード3として使用される。また、還流ダイオード3に必要とされる耐圧が200Vを超える場合は、ファーストリカバリーダイオ―ドが還流ダイオード3として使用される。
One of the elements affected by the difference between the continuous mode and the discontinuous mode is the
また、ダイオードの損失には、大きく分けて順方向損失と逆方向損失がある。順方向損失とは、ダイオードが本来電流を流す方向での損失を指し、ダイオードのアノードとカソードの間の電圧と電流との積で求められる。これに対して逆方向損失とは、本来ダイオードが電流を阻止する方向に流れる際の損失である。理想的なダイオードであれば、逆方向に電流は流れないが、実際のダイオードでは、順方向期間に流れていた電流の方向が逆転した際に速やかに電流を遮断することができず、一定の時間電流が流れてしまう。この期間を逆回復時間と呼ぶ。逆方向損失はダイオードにかかる逆電圧と逆電流の積で求まる。 Further, the loss of the diode is roughly classified into a forward loss and a reverse loss. The forward loss refers to a loss in a direction in which a diode originally flows current, and is obtained by a product of a voltage and a current between the anode and the cathode of the diode. On the other hand, the reverse loss is a loss when the diode originally flows in the direction of blocking current. In the case of an ideal diode, current does not flow in the reverse direction, but in an actual diode, when the direction of the current flowing in the forward direction is reversed, the current cannot be cut off quickly, and the current is constant. Time current flows. This period is called reverse recovery time. The reverse loss is determined by the product of the reverse voltage and reverse current applied to the diode.
ショットキダイオードでは、逆方向時間が発生する原因であるキャリアの蓄積がないために、逆方向損失はほとんど発生しない。これに対してファーストリカバリーダイオードでは逆方向損失が発生してしまう。一般的に耐圧が200Vを超えるショットキバリアダイオードはないので、高電圧用の降圧チョッパ回路の還流ダイオードには、ファーストリカバリーダイオードを使用せざるを得ない。また逆方向損失はダイオードにかかる電圧と電流の積で求まるので、高電圧であればあるほど、この逆方向損失が大きくなってしまい、熱破壊を起こしてしまう。 In the Schottky diode, there is almost no reverse loss because there is no carrier accumulation that causes reverse time to occur. On the other hand, reverse loss occurs in the fast recovery diode. In general, there is no Schottky barrier diode with a breakdown voltage exceeding 200V, so a fast recovery diode must be used as the freewheeling diode of the step-down chopper circuit for high voltage. Further, since the reverse loss is obtained by the product of the voltage and current applied to the diode, the higher the voltage, the larger the reverse loss, causing thermal destruction.
この逆方向損失は、順方向電流が流れている期間から、極性を反転した際に発生する損失であり、順方向電流が予め流れていない場合は、突然逆方向の電圧を印加しても、逆方向損失は発生しない。そこで、高電圧を扱う降圧チョッパ回路の場合、ダイオードのこの特性を利用して不連続モードを積極的に採用する。不連続モードでは、還流ダイオード3の電流がゼロになる期間があるために、次のNチャネルMOSトランジスタ2がオンするタイミング、すなわち還流ダイオード3に逆方向の電流が流れるタイミングでも逆方向損失が発生しない。このため不連続モードを採用することにより、還流ダイオード3の損失を低減することができる。
This reverse loss is a loss that occurs when the polarity is reversed from the period in which the forward current flows, and when the forward current does not flow in advance, suddenly applying a reverse voltage, There is no reverse loss. Therefore, in the case of a step-down chopper circuit that handles a high voltage, the discontinuous mode is actively adopted by utilizing this characteristic of the diode. In the discontinuous mode, since there is a period during which the current of the
不連続モードは還流ダイオード3にとってメリットがある一方、回路全体においてデメリットもある。還流期間が終了すると、NチャネルMOSトランジスタ2のソース−ドレイン間の寄生コンデンサ2cとリアクトル5により直列共振回路が形成され、出力電圧値を中心とした共振電圧(自由振動電圧)が、還流ダイオード3のアノード−カソード間に発生する。
The discontinuous mode has advantages for the
このとき、共振電圧の影響でNチャネルMOSトランジスタ2のソース電位が上昇し、ソース電位がドレイン電位(直流電源10の出力電圧Vi)よりも高くなった場合、NチャネルMOSトランジスタ2の寄生ダイオード2dを介して電流が入力側に逆流する。なお、逆流が発生し、NチャネルMOSトランジスタ2の寄生ダイオード2dに電流が流れている状態においては、ソース電位は直流電源10の出力電圧Viと寄生ダイオード2dの順方向降下電圧との和の電圧にクランプされる。
At this time, when the source potential of the N-
入力側への逆流は、入力電圧Viと出力電圧Voの関係がVo≧Vi/2となる場合に起こり易い。入力電流の逆流は、入力側に接続される直流電源10の性能劣化や回路誤動作を招く恐れがあり、さらにはNチャネルMOSトランジスタ2の電力損失を増加させる。
Backflow to the input side is likely to occur when the relationship between the input voltage Vi and the output voltage Vo is Vo ≧ Vi / 2. The backflow of the input current may cause performance degradation and circuit malfunction of the
したがって、本実施の形態1の通り、逆流防止ダイオード4をNチャネルMOSトランジスタ2のソースとリアクトル5の一方端子との間に順方向に接続することにより、NチャネルMOSトランジスタ2の寄生コンデンサ2cとリアクトル5との直列共振に伴う逆流経路が絶たれ、入力側への逆流が防止される。これにより、入力側に接続される直流電源10の性能劣化や回路誤動作を防止することができ、また、NチャネルMOSトランジスタ2の損失を軽減することができる。
Therefore, as shown in the first embodiment, by connecting the
また、特許文献1,2のように抵抗素子を使用しないので効率が低下することもない。また、特許文献3のようにダイオードに逆バイアス電圧が印加されたことを検出する回路を設けないので、回路構成が複雑化することもない。
Further, since no resistive element is used as in
なお、本実施の形態1では、電磁エネルギー蓄積要素としてリアクトル5を用いたが、これに限るものではなく、電磁エネルギー蓄積要素としてスイッチングトランスの1次巻線などを用いてもよい。
In the first embodiment, the
[実施の形態2]
図2は、この発明の実施の形態2による降圧チョッパ回路の構成を示す回路ブロック図であって、図1と対比される図である。図2を参照して、この降圧チョッパ回路が図1の降圧チョッパ回路と異なる点は、還流ダイオード3のカソードが逆流防止ダイオード4のカソードに接続されている点である。
[Embodiment 2]
FIG. 2 is a circuit block diagram showing the configuration of the step-down chopper circuit according to the second embodiment of the present invention, which is compared with FIG. Referring to FIG. 2, this step-down chopper circuit is different from the step-down chopper circuit of FIG. 1 in that the cathode of freewheeling
次に、この降圧チョッパ回路の動作について説明する。制御信号CNTが「H」レベルにされると、NチャネルMOSトランジスタ2がオンし、直流電源7の正極から、NチャネルMOSトランジスタ2、逆流防止ダイオード4、リアクトル5、および出力コンデンサ6と負荷11の並列接続体を介して直流電源10の負極に至る経路で電流が流れる。これにより、出力コンデンサ6が充電されるとともに、リアクトル5に電磁エネルギーが蓄えられる。
Next, the operation of this step-down chopper circuit will be described. When control signal CNT is set to “H” level, N-
制御信号CNTが「L」レベルにされると、NチャネルMOSトランジスタ2がオフし、リアクトル5の電磁エネルギーが放出されて、リアクトル5の他方端子(出力端子T3側の端子)から、出力コンデンサ6と負荷11の並列接続体、および還流ダイオード3を介してリアクトル5の一方端子(入力端子T1側の端子)に至る経路で電流が流れる。このように、逆流防止ダイオード4を追加することによって、降圧チョッパ回路本来の動作に支障をきたすことはない。
When the control signal CNT is set to the “L” level, the N-
また、不連続モードにおいても、実施の形態1と同様に、NチャネルMOSトランジスタ2の寄生コンデンサ2cとリアクトル5との直列共振を絶つ位置に逆流防止ダイオード4が接続されているので、入力側への逆流を防止することができる。
Also in the discontinuous mode, as in the first embodiment, the
また、還流の経路内に逆流防止ダイオード4が配置されていないので、還流期間に逆流防止ダイオード4で損失が発生しなくなり、実施の形態1よりも電力損失が軽減される。
Further, since the
[実施の形態3]
降圧チョッパ回路の動作モードを連続モードにするか不連続モードにするかを選定する条件は、入出力電圧仕様および消費電流に依存する。また、同じ入出力電圧仕様および消費電流であっても、リアクトル5のインダクタンス値によって異なる。
[Embodiment 3]
The conditions for selecting the operation mode of the step-down chopper circuit as a continuous mode or a discontinuous mode depend on input / output voltage specifications and current consumption. Even with the same input / output voltage specifications and current consumption, it varies depending on the inductance value of the
リアクトル5のインダクタンス値をLとし、リアクトル5に流れる電流をILとし、入力電圧をViとし、出力電圧をVoとし、NチャネルMOSトランジスタ2のオン時間をTonとすると、IL=(Vi−Vo)×Ton/Lとなる。
When the inductance value of the
ここで、(Vi−Vo)/ILを一定とすると、NチャネルMOSトランジスタ2のオン時間Tonは、リアクトル5のインダクタンス値Lに比例する。つまり、不連続モードにするためには、オン時間Tonを短くする、すなわちインダクタンス値Lを小さくすればよいことになる。
Here, if (Vi−Vo) / IL is constant, the ON time Ton of the N-
また、(Vin−Vout)×Tonを一定とすると、リアクトル5に流れる電流ILは、リアクトル5のインダクタンス値Lに反比例する。ここで、リアクトル損失は、鉄損と銅損に分類される。このうち銅損はリアクトル5に流れる電流の2乗にリアクトル5の銅線の断面積抵抗×長さを積算すればよい。したがって、リアクトル5のインダクタンス値Lが小さくなり、かつリアクトル5に関する他の条件が変わらなければ、リアクトル5の損失が増大し、リアクトル5の温度が上昇する。
If (Vin−Vout) × Ton is constant, the current IL flowing through the
つまり、還流ダイオード3の逆方向損失低減策として、不連続モードを採用すると、リアクトル5のインダクタンス値Lを小さくすることができる反面、リアクトル5の温度上昇を招く。そこで、本実施の形態3では、リアクトル5の温度上昇を低減するため、リアクトル5を複数に分割する。
That is, if the discontinuous mode is adopted as a measure for reducing the reverse loss of the
図3は、この発明の実施の形態3による降圧チョッパ回路の構成を示す回路ブロック図であって、図1と対比される図である。図3を参照して、この降圧チョッパが図1の降圧チョッパと異なる点は、リアクトル5が2つのスイッチングトランス20,21で置換され、ダイオード22およびコンデンサ23が追加されている点である。
FIG. 3 is a circuit block diagram showing the configuration of the step-down chopper circuit according to the third embodiment of the present invention, which is compared with FIG. Referring to FIG. 3, this step-down chopper is different from the step-down chopper of FIG. 1 in that
スイッチングトランス20の1次巻線20aとスイッチングトランス21の1次巻線21aは、逆流防止ダイオード4のカソードと出力端子T3との間に直列接続される。スイッチングトランス20,21の1次巻線20a,21aの第1端子(●が付された端子)は出力端子T3側に向けられている。つまり、本実施の形態3では、リアクトル5を2つのスイッチングトランス20,21の1次巻線20a,21aで構成し、リアクトル5の温度上昇を抑制する。
The primary winding 20a of the switching
また、スイッチングトランス20の2次巻線20bとスイッチングトランス21の2次巻線21bは、ダイオード22のアノードと端子T2,T4との間に直列接続される。スイッチングトランス20,21の2次巻線20b,21bの第1端子(●が付された端子)はダイオード22のアノード側に向けられている。ダイオード22のカソードは、フィードバック回路7の電源ノード7aと制御回路8の電源ノード8aとに接続されている。コンデンサ23は、電源ノード7a,8aと端子T2,T4との間に接続されている。したがって、2次巻線20b,21bに発生した交流電圧はダイオード22によって整流され、コンデンサ23によって平滑化および安定化されてフィードバック回路7および制御回路8の直流電源電圧となる。
The secondary winding 20b of the switching
この実施の形態3では、2つのスイッチングトランス20,21の1次巻線20a,21aを直列接続してリアクトル5を構成したので、リアクトル5の温度上昇を抑制することができる。
In the third embodiment, since the
また、スイッチングトランス20,21の2次巻線20b,21bに現れる交流電圧を整流および平滑化してフィードバック回路7および制御回路8の直流電源電圧を生成するので、外部からフィードバック回路7および制御回路8に直流電源電圧を供給する必要が無くなる。
Further, since the AC voltage appearing in the
また、フィードバック回路7および制御回路8の直流電源電圧を2つのスイッチングトランス20,21で分担するので、スイッチングトランスの巻線数を減らしてスイッチングトランスの小型化を図ることができる。
In addition, since the DC power supply voltage of the
なお、この実施の形態3では、2つのスイッチングトランス20,21の1次巻線20a,21aを直列接続してリアクトル5を構成したが、3つ以上のスイッチングトランスの1次巻線を直列接続してリアクトル5を構成してもよい。この場合、同じ種類のスイッチングトランスを使用すれば、低コスト化を図ることができる。
In the third embodiment, the
[実施の形態4]
図4は、この発明の実施の形態4による降圧チョッパ回路の構成を示す回路ブロック図であって、図3と対比される図である。図4を参照して、この降圧チョッパが図3の降圧チョッパと異なる点は、スイッチングトランス20,21の2次巻線20b,21bが切り離されている点と、ダイオード24,26,27およびコンデンサ25が追加されている点である。
[Embodiment 4]
4 is a circuit block diagram showing a configuration of a step-down chopper circuit according to a fourth embodiment of the present invention, which is compared with FIG. Referring to FIG. 4, this step-down chopper is different from the step-down chopper of FIG. 3 in that
スイッチングトランス20の2次巻線20bの第1端子(●が付された端子)はダイオード22のアノードに接続され、2次巻線20bの第2端子は端子T2,T4に接続される。コンデンサ23は、ダイオード22のカソードと端子T2,T4との間に接続される。ダイオード22のカソードはダイオード26のアノードに接続され、ダイオード26のカソードは電源ノード7a,8aに接続される。
The first terminal (terminal marked with ●) of the secondary winding 20b of the switching
スイッチングトランス21の2次巻線21bの第1端子(●が付された端子)はダイオード24のアノードに接続され、2次巻線21bの第2端子は端子T2,T4に接続される。コンデンサ25は、ダイオード24のカソードと端子T2,T4との間に接続される。ダイオード24のカソードはダイオード27のアノードに接続され、ダイオード27のカソードは電源ノード7a,8aに接続される。
The first terminal (terminal marked with ●) of the secondary winding 21b of the switching
スイッチングトランス20の2次巻線20bに発生した交流電圧は、ダイオード22およびコンデンサ23によって整流および平滑化されて直流電圧に変換され、ダイオード26を介して電源ノード7a,8aに与えられる。また、スイッチングトランス21の2次巻線21bに発生した交流電圧は、ダイオード24およびコンデンサ25によって整流および平滑化されて直流電圧に変換され、ダイオード27を介して電源ノード7a,8aに与えられる。
The AC voltage generated in the secondary winding 20 b of the switching
この実施の形態4では、実施の形態3と同じ効果が得られる他、ダイオード22およびコンデンサ23を含む整流回路と、ダイオード24およびコンデンサ25を含む整流回路とのうちのいずれか一方が故障しても、電源ノード7a,8aに直流電源電圧を供給することができる。
In the fourth embodiment, the same effect as in the third embodiment can be obtained, and any one of the rectifier circuit including the
[実施の形態5]
図5は、この発明の実施の形態5による降圧チョッパ回路の構成を示す回路ブロック図であって、図1と対比される図である。図5を参照して、この降圧チョッパが図1の降圧チョッパと異なる点は、ダイオード28および抵抗素子29が追加されている点である。
[Embodiment 5]
5 is a circuit block diagram showing a configuration of a step-down chopper circuit according to a fifth embodiment of the present invention, which is compared with FIG. Referring to FIG. 5, the step-down chopper is different from the step-down chopper of FIG. 1 in that a
ダイオード28のカソードは、逆流防止ダイオード4のカソードに接続される。抵抗素子29は、ダイオード28のアノードと出力端子T3との間に接続される。ダイオード28および抵抗素子29は、リアクトル5に並列接続されたスナバ回路を構成している。リアクトル5の配線容量を原因として自由振動が発生しても、その自由振動をスナバ回路によって速やかに収束させることができる。
The cathode of the
[実施の形態6]
図6は、この発明の実施の形態6による降圧チョッパ回路の構成を示す回路ブロック図であって、図1と対比される図である。図6を参照して、この降圧チョッパが図1の降圧チョッパと異なる点は、NチャネルMOSトランジスタ2およびリアクトル5を直流電源10の負極側に設けてローサイドスイッチングを行なう点である。
[Embodiment 6]
6 is a circuit block diagram showing a configuration of a step-down chopper circuit according to a sixth embodiment of the present invention, which is compared with FIG. Referring to FIG. 6, this step-down chopper is different from the step-down chopper of FIG. 1 in that N-
すなわち、NチャネルMOSトランジスタ2のソースは入力端子T2に接続され、そのドレインはリアクトル5を介して出力端子T4に接続される。逆流防止ダイオード4のアノードは入力端子T1に接続され、そのカソードは出力端子T3に接続される。還流ダイオード3のアノードはNチャネルMOSトランジスタ2のドレインに接続され、そのカソードは逆流防止ダイオード4のアノードに接続される。他の構成は、図1の降圧チョッパ回路と同じであるので、その説明は繰り返さない。
That is, the source of the N-
次に、この降圧チョッパ回路の動作について説明する。制御信号CNTが「H」レベルである期間は、NチャネルMOSトランジスタ2がオンし、直流電源10の正極から逆流防止ダイオード4、出力コンデンサ6および負荷11の並列接続体、リアクトル5、およびNチャネルMOSトランジスタ2を介して直流電源1の負極に至る経路で電流が流れる。これにより、出力コンデンサ6が充電されるとともに、リアクトル5に電磁エネルギーが蓄えられる。このとき、リアクトル5に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に増加する。
Next, the operation of this step-down chopper circuit will be described. During the period when control signal CNT is at “H” level, N-
制御信号CNTが「L」レベルにされると、NチャネルMOSトランジスタ2がオフし、リアクトル5の電磁エネルギーが放出されて、リアクトル5の一方端子から、還流ダイオード3、逆流防止ダイオード4、および出力コンデンサ6と負荷11の並列接続体を介してリアクトル5の他方端子に至る経路で電流が流れる。このような経路で電流が流れる状態は一般的に還流と呼ばれる。この場合、リアクトル5に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に減少する。したがって、制御信号CNTのデューティ比を調整することにより、出力端子T3,T4間の電圧Voを所望の目標電圧に制御することができる。
When the control signal CNT is set to the “L” level, the N-
また、この降圧チョッパ回路においても、逆流防止ダイオード4が無い場合は、電流不連続期間において、NチャネルMOSトランジスタ2の寄生コンデンサ2cとリアクトル5によって直列共振が発生し、直流電源10に電流が逆流する場合がある。しかし、この降圧チョッパ回路では、直列共振回路を形成する経路(トランジスタ2のドレインからリアクトル5、出力コンデンサ6、および直流電源11を介してトランジスタ2のソースに至る経路)内に逆流防止ダイオード4を接続したので、直列共振に伴う逆流経路を絶ち、電流の逆流を防止することができる。
Also in this step-down chopper circuit, when there is no
また、実施の形態1〜5の駆動回路9では、基準グラウンドがNチャネルMOSトランジスタ2のソースであり、負荷11側のグラウンドと異なるので、駆動回路9に絶縁回路を設ける必要がある。これに対して、本実施の形態6では、NチャネルMOSトランジスタ2のソースが負荷11側のグラウンドと共通になるので、駆動回路9に絶縁回路を設ける必要がない。したがって、駆動回路9をより安価に構成することができる。
In the
また、特許文献1,2のように抵抗素子を使用しないので効率が低下することもない。また、特許文献3のようにダイオードに逆バイアス電圧が印加されたことを検出する回路を設けないので、回路構成が複雑化することもない。
Further, since no resistive element is used as in
[実施の形態7]
図7は、この発明の実施の形態7による降圧チョッパ回路の構成を示す回路ブロック図であって、図6と対比される図である。図7を参照して、この降圧チョッパが図6の降圧チョッパと異なる点は、還流ダイオード3のカソードが逆流防止ダイオード4のカソードに接続されている点である。
[Embodiment 7]
FIG. 7 is a circuit block diagram showing a configuration of the step-down chopper circuit according to the seventh embodiment of the present invention, and is compared with FIG. Referring to FIG. 7, this step-down chopper is different from the step-down chopper of FIG. 6 in that the cathode of freewheeling
次に、この降圧チョッパ回路の動作について説明する。制御信号CNTが「H」レベルである期間は、NチャネルMOSトランジスタ2がオンし、直流電源10の正極から逆流防止ダイオード4、出力コンデンサ6および負荷11の並列接続体、リアクトル5、およびNチャネルMOSトランジスタ2を介して直流電源1の負極に至る経路で電流が流れる。これにより、出力コンデンサ6が充電されるとともに、リアクトル5に電磁エネルギーが蓄えられる。このとき、リアクトル5に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に増加する。
Next, the operation of this step-down chopper circuit will be described. During the period when control signal CNT is at “H” level, N-
制御信号CNTが「L」レベルにされると、NチャネルMOSトランジスタ2がオフし、リアクトル5の電磁エネルギーが放出されて、リアクトル5の一方端子から、還流ダイオード3、および出力コンデンサ6と負荷11の並列接続体を介してリアクトル5の他方端子に至る経路で電流が流れる。この場合、リアクトル5に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に減少する。したがって、制御信号CNTのデューティ比を調整することにより、出力端子T3,T4間の電圧Voを所望の目標電圧に制御することができる。
When the control signal CNT is set to the “L” level, the N-
また、直列共振回路を形成する経路(トランジスタ2のドレインからリアクトル5、出力コンデンサ6、および直流電源11を介してトランジスタ2のソースに至る経路)内に逆流防止ダイオード4を接続したので、直列共振に伴う逆流経路を絶ち、電流の逆流を防止することができる。
In addition, since the
また、還流の経路内に逆流防止ダイオード4が配置されていないので、還流期間に逆流防止ダイオード4で損失が発生しなくなり、実施の形態6よりも電力損失が軽減される。
Further, since the
[実施の形態8]
図8は、この発明の実施の形態8による降圧チョッパ回路の構成を示す回路ブロック図であって、図6と対比される図である。図8を参照して、この降圧チョッパが図6の降圧チョッパと異なる点は、リアクトル5が2つのスイッチングトランス20,21で置換され、ダイオード22,24およびコンデンサ23,25が追加されている点である。
[Embodiment 8]
FIG. 8 is a circuit block diagram showing the configuration of the step-down chopper circuit according to the eighth embodiment of the present invention, which is compared with FIG. Referring to FIG. 8, this step-down chopper is different from the step-down chopper of FIG. 6 in that
スイッチングトランス20の1次巻線20aとスイッチングトランス21の1次巻線21aは、出力端子T4とNチャネルMOSトランジスタ2のドレインとの間に直列接続される。スイッチングトランス20,21の1次巻線20a,21aの第1端子(●が付された端子)はNチャネルMOSトランジスタ2のドレインに向けられている。つまり、本実施の形態8では、リアクトル5を2つのスイッチングトランス20,21の1次巻線20a,21aで構成し、リアクトル5の温度上昇を抑制する。
The primary winding 20a of the switching
また、スイッチングトランス20の2次巻線20bの第1端子(●が付された端子)はダイオード22のアノードに接続され、2次巻線20bの第2端子は出力端子T4に接続されている。ダイオード22のカソードはフィードバック回路7の電源ノード7aに接続されている。コンデンサ23は、電源ノード7aと出力端子T4との間に接続されている。2次巻線20bに発生した交流電圧はダイオード22によって整流され、コンデンサ23によって平滑化および安定化されてフィードバック回路7の直流電源電圧となる。
The first terminal (terminal marked with ●) of the secondary winding 20b of the switching
また、スイッチングトランス21の2次巻線21bの第1端子(●が付された端子)はダイオード24のアノードに接続され、2次巻線21bの第2端子は入力端子T2に接続されている。ダイオード24のカソードは制御回路8の電源ノード8aに接続されている。コンデンサ25は、電源ノード8aと入力端子T2との間に接続されている。2次巻線21bに発生した交流電圧はダイオード24によって整流され、コンデンサ25によって平滑化および安定化されて制御回路8の直流電源電圧となる。
The first terminal (terminal marked with ●) of the secondary winding 21b of the switching
この実施の形態8では、2つのスイッチングトランス20,21の1次巻線20a,21aを直列接続してリアクトル5を構成したので、リアクトル5の温度上昇を抑制することができる。
In the eighth embodiment, since the
また、スイッチングトランス20,21の2次巻線20b,21bに現れる交流電圧を整流および平滑化してフィードバック回路7および制御回路8の直流電源電圧を生成するので、外部からフィードバック回路7および制御回路8に直流電源電圧を供給する必要が無くなる。
Further, since the AC voltage appearing in the
また、フィードバック回路7および制御回路8の直流電源電圧を2つのスイッチングトランス20,21で分担するので、スイッチングトランスの巻線数を減らしてスイッチングトランスの小型化を図ることができる。
In addition, since the DC power supply voltage of the
なお、この実施の形態8では、2つのスイッチングトランス20,21の1次巻線20a,21aを直列接続してリアクトル5を構成したが、3つ以上のスイッチングトランスの1次巻線を直列接続してリアクトル5を構成してもよい。この場合、同じ種類のスイッチングトランスを使用すれば、低コスト化を図ることができる。
In the eighth embodiment, the
[実施の形態9]
図9は、この発明の実施の形態9による降圧チョッパ回路の構成を示す回路ブロック図であって、図6と対比される図である。図9を参照して、この降圧チョッパが図6の降圧チョッパと異なる点は、ダイオード28および抵抗素子29が追加されている点である。
[Embodiment 9]
FIG. 9 is a circuit block diagram showing the configuration of the step-down chopper circuit according to the ninth embodiment of the present invention, which is compared with FIG. Referring to FIG. 9, the step-down chopper is different from the step-down chopper of FIG. 6 in that a
ダイオード28のカソードは、出力端子T4に接続される。抵抗素子29は、ダイオード28のアノードNチャネルMOSトランジスタ2のドレインとの間に接続される。ダイオード28および抵抗素子29は、リアクトル5に並列接続されたスナバ回路を構成している。リアクトル5の配線容量を原因として自由振動が発生しても、その自由振動をスナバ回路によって速やかに収束させることができる。
The cathode of the
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。 The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
T1,T2 入力端子、T3,T4 出力端子、1 入力コンデンサ、2 NチャネルMOSトランジスタ、3 還流ダイオード、4 逆流防止ダイオード、5 リアクトル、6 出力コンデンサ、7 フィードバック回路、8 制御回路、9 駆動回路、10 直流電源、11 負荷、20,21 スイッチングトランス、20a,21a 1次巻線、20b,21b 2次巻線、22,24,26〜28 ダイオード、23,25 コンデンサ、29 抵抗素子。 T1, T2 input terminal, T3, T4 output terminal, 1 input capacitor, 2 N channel MOS transistor, 3 freewheeling diode, 4 backflow prevention diode, 5 reactor, 6 output capacitor, 7 feedback circuit, 8 control circuit, 9 drive circuit, 10 DC power supply, 11 load, 20, 21 switching transformer, 20a, 21a primary winding, 20b, 21b secondary winding, 22, 24, 26-28 diode, 23, 25 capacitor, 29 resistance element.
Claims (6)
第1の電極が前記第1の入力端子に接続され、前記第2の直流電圧が目標電圧になるようにオン/オフ制御されるスイッチング素子と、
アノードが前記スイッチング素子の第2の電極に接続され、アノードからカソードに向かう方向にのみ電流を流す逆流防止素子と、
一方端子が前記逆流防止素子のカソードに接続され、他方端子が前記第1の出力端子に接続されたリアクトルと、
前記第1および第2の出力端子間に接続されたコンデンサと、
アノードが前記第2の入力端子および前記第2の出力端子に接続され、前記スイッチング素子がオフされたときに前記リアクトルの他方端子から出力される電流を前記リアクトルの一方端子に戻す還流ダイオードとを備え、
前記リアクトルは、直列接続された複数の1次巻線を含み、
前記複数の1次巻線とそれぞれ複数のトランスを構成する複数の2次巻線と、
前記複数の2次巻線に現れる交流電圧を整流して電源電圧を生成する整流回路と、
前記整流回路から前記電源電圧を受け、かつ前記第1、第2の出力端子間の電圧を検出して検出値を示す信号を出力するフィードバック回路と、
前記整流回路から前記電源電圧を受け、かつ前記検出値を示す信号に基づいて前記スイッチング素子のオン/オフを制御する制御信号を出力する制御回路とをさらに備える、降圧チョッパ回路。 A step-down chopper circuit that steps down a first DC voltage applied between first and second input terminals and outputs a second DC voltage between first and second output terminals,
A switching element having a first electrode connected to the first input terminal and controlled to be turned on / off so that the second DC voltage becomes a target voltage;
A backflow prevention element having an anode connected to the second electrode of the switching element and flowing a current only in a direction from the anode toward the cathode;
A reactor having one terminal connected to the cathode of the backflow prevention element and the other terminal connected to the first output terminal;
A capacitor connected between the first and second output terminals;
A freewheeling diode having an anode connected to the second input terminal and the second output terminal, and returning a current output from the other terminal of the reactor to the one terminal of the reactor when the switching element is turned off; Prepared ,
The reactor includes a plurality of primary windings connected in series,
A plurality of secondary windings that respectively constitute a plurality of transformers with the plurality of primary windings;
A rectifier circuit that rectifies an alternating voltage appearing in the plurality of secondary windings to generate a power supply voltage;
A feedback circuit that receives the power supply voltage from the rectifier circuit, detects a voltage between the first and second output terminals, and outputs a signal indicating a detected value;
A step-down chopper circuit, further comprising: a control circuit that receives the power supply voltage from the rectifier circuit and outputs a control signal for controlling on / off of the switching element based on a signal indicating the detection value .
前記複数の第1のダイオードが整流した電流がそれぞれ充電される複数のコンデンサと、A plurality of capacitors each charged with current rectified by the plurality of first diodes;
前記複数のコンデンサにそれぞれアノードが接続される複数の第2のダイオードとを含み、A plurality of second diodes each having an anode connected to the plurality of capacitors,
前記複数の第2のダイオードの各々のカソードは、前記電源電圧を前記制御回路および前記フィードバック回路に供給する電源配線に接続される、請求項1に記載の降圧チョッパ回路。2. The step-down chopper circuit according to claim 1, wherein a cathode of each of the plurality of second diodes is connected to a power supply wiring that supplies the power supply voltage to the control circuit and the feedback circuit.
アノードが前記第1の入力端子に接続され、カソードが前記第1の出力端子に接続され、アノードからカソードに向かう方向にのみ電流を流す逆流防止素子と、
前記第1および第2の出力端子間に接続されたコンデンサと、
一方端子が前記第2の出力端子に接続されたリアクトルと、
第1の電極が前記リアクトルの他方端子に接続され、第2の電極が前記第2の入力端子に接続され、前記第2の直流電圧が目標電圧になるようにオン/オフ制御されるスイッチング素子と、
アノードが前記リアクトルの他方端子に接続され、前記スイッチング素子がオフされたときに前記リアクトルの他方端子から出力される電流を前記第1の出力端子に流す還流ダイオードとを備え、
前記リアクトルは、直列接続された複数の1次巻線を含み、
前記複数の1次巻線とそれぞれ複数のトランスを構成する複数の2次巻線と、
前記複数の2次巻線に現れる交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路から電源供給を受け、かつ前記第1、第2の出力端子間の電圧を検出して検出値を示す信号を出力するフィードバック回路と、
前記整流回路から電源供給を受け、かつ前記検出値を示す信号に基づいて前記スイッチング素子のオン/オフを制御する制御信号を出力する制御回路とをさらに備える、降圧チョッパ回路。 A step-down chopper circuit that steps down a DC voltage applied between first and second input terminals and outputs a second DC voltage between first and second output terminals,
A backflow preventing element having an anode connected to the first input terminal, a cathode connected to the first output terminal, and a current flowing only in a direction from the anode toward the cathode;
A capacitor connected between the first and second output terminals;
A reactor having one terminal connected to the second output terminal;
A switching element in which the first electrode is connected to the other terminal of the reactor, the second electrode is connected to the second input terminal, and is controlled to be turned on / off so that the second DC voltage becomes a target voltage When,
A reflux diode that has an anode connected to the other terminal of the reactor and causes a current output from the other terminal of the reactor to flow to the first output terminal when the switching element is turned off ;
The reactor includes a plurality of primary windings connected in series,
A plurality of secondary windings that respectively constitute a plurality of transformers with the plurality of primary windings;
A rectifying circuit for rectifying an AC voltage appearing in the plurality of secondary windings;
A feedback circuit that receives power supply from the rectifier circuit, detects a voltage between the first and second output terminals, and outputs a signal indicating a detection value;
A step-down chopper circuit, further comprising: a control circuit that receives power supply from the rectifier circuit and outputs a control signal for controlling on / off of the switching element based on a signal indicating the detection value .
前記複数の2次巻線のうちの第1の2次巻線に流れる電流を整流する第1のダイオードと、A first diode for rectifying a current flowing in a first secondary winding of the plurality of secondary windings;
前記第1のダイオードが整流した電流が充電される第1のコンデンサと、A first capacitor charged with a current rectified by the first diode;
前記複数の2次巻線のうちの第2の2次巻線に流れる電流を整流する第2のダイオードと、A second diode for rectifying a current flowing in a second secondary winding of the plurality of secondary windings;
前記第2のダイオードが整流した電流が充電される第2のコンデンサとを含み、A second capacitor charged with a current rectified by the second diode;
前記フィードバック回路は、前記第1のコンデンサの充電電圧を電源電圧として受け、The feedback circuit receives a charging voltage of the first capacitor as a power supply voltage;
前記制御回路は、前記第2のコンデンサの充電電圧を電源電圧として受ける、請求項3に記載の降圧チョッパ回路。The step-down chopper circuit according to claim 3, wherein the control circuit receives a charging voltage of the second capacitor as a power supply voltage.
前記スナバ回路は、カソードが前記リアクトルの一方端子に接続されたダイオードと、前記ダイオードのアノードと前記リアクトルの他方端子に接続された抵抗素子とを含む、請求項1または請求項3に記載の降圧チョッパ回路。 Furthermore, a snubber circuit connected in parallel to the reactor,
The snubber circuit, the cathode includes one and a diode connected to the terminals of the reactor, the anode and a resistor element connected to the other terminal of the reactor of the diode, the step-down of claim 1 or claim 3 Chopper circuit.
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