JP6372855B2 - スイッチング電源 - Google Patents

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Description

本発明は、複数のLLC共振コンバータ等で構成され、複数種類の直流(以下「DC」という。)電圧を入力電圧とするスイッチング電源に関するものである。
下記の特許文献1、2には、複数のLLC共振コンバータを並列動作させるスイッチング電源が記載されている。
例えば、単相(1φ)の交流(以下「AC」という。)200V入力電圧及びAC400V入力電圧を整流したDC電圧は、それぞれDC220V〜375V(200V系入力)及びDC440V〜750V(400V系入力)である。この2種類のDC電圧を入力電圧としたスイッチング電源を実現させるための従来の方法として、2つのLLC共振コンバータの入力側を、スイッチによって直列接続又は並列接続に切り替え、出力側を並列に接続して使用する方法がある。
図2は、2種類のDC電圧を入力電圧とした従来のスイッチング電源を示す概略の回路図である。
このスイッチング電源は、DC入力電圧VinとしてDC200V系電圧又はDC400V系電圧を入力する一対の+側入力端子1a及び−側入力端子1bを有している。一対の入力端子1a,1b間には、電荷蓄積用の入力コンデンサ2が接続されると共に、2つの分圧用のコンデンサ3,4及びスイッチ回路5が接続されている。スイッチ回路5は、200V系入力及び400V系入力を切り替えるための回路であり、3つの切り替えスイッチ5a,5b,5cを有している。コンデンサ3、切り替えスイッチ5c、及びコンデンサ4は、一対の+側入力端子1a及び−側入力端子1b間に直列に接続されている。コンデンサ3及び切り替えスイッチ5cの直列回路には、切り替えスイッチ5aが並列に接続されている。切り替えスイッチ5c及びコンデンサ4の直列回路にも、切り替えスイッチ5bが並列に接続されている。
各コンデンサ3,4の+側電極及び−側電極には、コンバータ10,20の入力側がそれぞれ並列に接続されている。各コンバータ10,20は、入力電圧DC220V〜375Vの範囲で動作し、且つ高効率を実現させるためにLLC共振コンバータによってそれぞれ構成されている。このコンバータ10,20の入力側は、スイッチ回路5により、200V系の場合は並列に接続され、400V系の場合は直列に接続される。
一方のコンバータ10は、2つのスイッチング素子(例えば、N型のMOSFET)11a,11bの直列回路からなるスイッチング回路11と、共振コンデンサ12a、共振インダクタ12b及び励磁インダクタ12cの直列回路からなるLLCの共振回路12と、1次巻線13a及び2次巻線13bを有する変圧器(以下「トランス」という。)13と、2つの整流用のダイオード14a,14bからなる整流回路14と、を備えている。トランス13の2次巻線13bには、中間タップ(センタタップ)13cが設けられている。
同様に、他方のコンバータ20は、2つのスイッチング素子(例えば、N型のMOSFET)21a,21bの直列回路からなるスイッチング回路21と、共振コンデンサ22a、共振インダクタ22b及び励磁インダクタ22cの直列回路からなるLLCの共振回路22と、1次巻線23a及び2次巻線23bを有するトランス23と、2つの整流用のダイオード24a,24bからなる整流回路24と、を備えている。トランス23の2次巻線23bには、中間タップ(センタタップ)23cが設けられている。
2つのコンバータ10,20の出力側は、並列に接続され、更に、平滑用の出力コンデンサ15を介して、DC出力電圧Voutを出力する一対の+側出力端子16a及び−側出力端子16bに接続されている。
一方のスイッチング回路11内の2つのMOSFET11a,11bは、第1制御回路25から供給される2つの制御信号S11a,S11bによって相補的にオン/オフ動作する。他方のスイッチング回路21内の2つのMOSFET21a,21bは、第2制御回路26から供給される2つの制御信号S21a,S21bによって相補的にオン/オフ動作する。
図3は、図2のMOSFET11a,11b,21a,21b及び切り替えスイッチ5a,5b,5cの動作を示す図である。更に、図4(a)、(b)は、図3の動作を示すタイミングチャートであり、同図(a)は、200V系のタイミングチャート、及び、同図(b)は、400V系のタイミングチャートである。図4(a),(b)の横軸は、時刻tである。
図3及び図4(a)、(b)を参照しつつ、図2の動作を説明する。
入力電圧VinとしてDC200V系電圧が入力端子1a,1bに入力される場合、図示しないスイッチ切り替え信号により、切り替えスイッチ5a,5bが常時オン状態になると共に、切り替えスイッチ5cが常時オフ状態になる。これにより、各コンデンサ3,4が、入力端子1a,1b間に並列接続される。
第1制御回路25及び第2制御回路26から出力される制御信号S11a,S11b,S21a,S21bにより、MOSFET11a,21aとMOSFET11b,21bとが交互にオン/オフし、2つのコンバータ10,20が並列に動作する。
一方のコンバータ10では、コンデンサ3の+側電極及び−側電極間の電圧(=DC200Vの入力電圧Vin)が、MOSFET11a,11bのスイッチングによってAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、共振回路12によって共振され、この共振されたAC電圧が、トランス13にて所定のAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、整流回路14で整流された後、出力コンデンサ15で平滑され、この平滑されたDC出力電圧Voutが、出力端子16a,16bから出力される。
他方のコンバータ20では、コンデンサ4の+側電極及び−側電極間の電圧(=DC200Vの入力電圧Vin)が、MOSFET21a,21bのスイッチングによってAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、共振回路22によって共振され、この共振されたAC電圧が、トランス23にて所定のAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、整流回路24で整流された後、出力コンデンサ15で平滑され、この平滑されたDC出力電圧Voutが、出力端子16a,16bから出力される。
これに対して、入力電圧VinとしてDC400V系電圧が入力端子1a,1bに入力される場合、図示しないスイッチ切り替え信号により、切り替えスイッチ5a,5bが常時オフ状態になると共に、切り替えスイッチ5cが常時オン状態になる。これにより、2つのコンデンサ3,4が、入力端子1a,1b間に直列接続され、このコンデンサ3,4によってDC入力電圧Vin(=DC400V)が分圧される。
第1制御回路25及び第2制御回路26から出力される制御信号S11a,S11b,S21a,S21bにより、MOSFET11a,21aとMOSFET11b,21bとが交互にオン/オフし、2つのコンバータ10,20が並列に動作する。
一方のコンバータ10では、コンデンサ3の+側電極及び−側電極間の電圧(=DC入力電圧Vin/2)が、MOSFET11a,11bのスイッチングによってAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、共振回路12によって共振され、この共振されたAC電圧が、トランス13にて所定のAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、整流回路14で整流された後、出力コンデンサ15で平滑され、この平滑されたDC出力電圧Voutが、出力端子16a,16bから出力される。
他方のコンバータ20では、コンデンサ4の+側電極及び−側電極間の電圧(=DC入力電圧Vin/2)が、MOSFET21a,21bのスイッチングによってAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、共振回路22によって共振され、この共振されたAC電圧が、トランス23にて所定のAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、整流回路24で整流された後、出力コンデンサ15で平滑され、この平滑されたDC出力電圧Voutが、出力端子16a,16bから出力される。
スイッチング電源の制御では、MOSFET11a,21a,11b,21bのスイッチング周波数fを制御することで、出力端子16a,16bから出力される出力電圧Voutを制御する。スイッチング周波数fを上げると、出力電圧Voutが下がり、スイッチング周波数fを下げると、出力電圧Voutが上がる動作をする。
特開2005−33938号公報 特開2005−33956号公報
しかしながら、従来の図2のスイッチング電源では、次の(1)、(2)のような課題があった。
(1) 2つのコンバータ10,20を用いて、200V系入力及び400V系入力に対応したスイッチング電源を実現しているが、それぞれの入力系で接続方法が異なるため、3つの切り替えスイッチ5a〜5cが必要である。
(2) 2つのコンバータ10,20は、それぞれ別個の第1制御回路25及び第2制御回路26を用いて制御しているので、2つの制御回路が必要になる。そして、2つのコンバータ10,20は、それぞれ独立して動作しているため、直並列を切り替えて使用する場合に、各コンバータ10,20の出力電力を平衡にするための均衡(バランス)回路や制御が必要となる。
この(1)、(2)のように、2つのコンバータ10,20を使用して、200V系入力及び400V系入力に対応したスイッチング電源を実現するためには、切り替えスイッチ5a〜5c、第1、第2制御回路25,26及びバランス回路等の周辺回路と制御が複雑になり、コストも増える課題がある。
本発明のスイッチング電源は、DC電圧を入力する一対の第1入力端子と、DC電圧を出力する一対の第1出力端子と、前記一対の第1入力端子間に直列に接続された複数のコンデンサと、複数のコンバータと、切り替えスイッチと、を備えている。
前記複数のコンバータは、複数対の第2入力端子と、複数対の第2出力端子と、前記各対の第2入力端子間にそれぞれ接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子の出力側にそれぞれ接続された共振回路と、を有し、前記複数対の第2入力端子が前記一対の第1入力端子間に直列に接続され、前記複数対の第2出力端子が前記一対の第1出力端子に対して並列に接続され、前記各対の第2入力端子から入力されるDC電圧を前記スイッチング素子によりスイッチングして前記共振回路により共振させた後に所定のDC電圧に変換して前記各対の第2出力端子から出力する回路である。更に、前記切り替えスイッチは、前記一対の第1入力端子に入力される前記DC電圧の高さに応じて、前記各コンデンサ間の第1接続点と、前記各対の第2入力端子間の第2接続点と、の間を接続/遮断するスイッチである。
そして、前記スイッチング素子は、前記切り替えスイッチの切り替え動作に対応してオン/オフ動作が制御されることを特徴とする。
本発明のスイッチング電源によれば、1つの切り替えスイッチの切り替え動作に対応してスイッチング素子のオン/オフ動作が制御され、その1つの切り替えスイッチを用いて、複数種類の入力電圧を切り替えるようにしたので、複数種類の入力電圧に共用可能なスイッチング電源を、比較的簡単な構成で実現できる。更に、切り替えスイッチも1つで良いので、回路構成の簡単化と低コスト化が可能になる。
図1は本発明の実施例1における2種類のDC電圧を入力電圧としたスイッチング電源を示す概略の回路図である。 図2は2種類のDC電圧を入力電圧とした従来のスイッチング電源を示す概略の回路図である。 図3は図2のMOSFET及び切り替えスイッチの動作を示す図である。 図4は図3の動作を示すタイミングチャートである。 図5は図1のMOSFET、切り替えスイッチ及びスイッチ素子の動作を示す図である。 図6は図1の制御信号を示すタイミングチャートである。 図7は図5の動作を示すタイミングチャートである。 図8は本発明の実施例2におけるスイッチング電源を示す概略の回路図である。
本発明を実施するための形態は、以下の好ましい実施例の説明を添付図面と照らし合わせて読むと、明らかになるであろう。但し、図面はもっぱら解説のためのものであって、本発明の範囲を限定するものではない。
(実施例1の構成)
図1は、本発明の実施例1における2種類のDC電圧を入力電圧としたスイッチング電源を示す概略の回路図である。
このスイッチング電源は、複数種類(例えば、2種類)のDC電圧を入力電圧としたものであり、DC入力電圧VinとしてDC200V系電圧又はDC400V系電圧を入力する一対の第1入力端子としての+側入力端子31a及び−側入力端子31bを有している。+側入力端子31a及び−側入力端子31b間には、電荷蓄積用の入力コンデンサ32が接続されると共に、2つの分圧用のコンデンサ33,34が第1接続点N1を介して直列に接続されている。
コンデンサ33の+側電極には、+側入力端子31aと、コンバータ40の一対の第2入力端子IN1,IN2の内の第2入力端子IN1と、が接続されている。コンデンサ33の−側電極には、第1接続点N1を介して、コンデンサ34の+側電極が接続されると共に、切り替えスイッチ35を介して、第2接続点N2が接続されている。第2接続点N2には、コンバータ40の第2入力端子IN2と、コンバータ50の一対の第2入力端子IN3,IN4の内の第2入力端子IN4と、が接続されている。コンデンサ34の−側電極には、−側入力端子31bと、コンバータ50の第2入力端子IN3と、が接続されている。
切り替えスイッチ35は、図示しないスイッチ切り替え信号に基づき、200V系入力及び400V系入力を切り替えるためのスイッチであり、200V系入力の時には遮断状態(オフ状態)になり、400V系入力の時には接続状態(オン状態)になる。切り替えスイッチ35がオフ状態の時には、2つのコンデンサ33,34の直列回路に対して、コンバータ40の第2入力端子IN1,IN2とコンバータ50の第2入力端子IN4,IN3との直列回路が、並列に接続される。切り替えスイッチ35がオン状態の時には、コンデンサ33に対して、コンバータ40の第2入力端子IN1,IN2が並列に接続されると共に、コンデンサ34に対して、コンバータ50の第2入力端子IN4,IN3が並列に接続される。この切り替えスイッチ35は、MOSFET等のスイッチ素子を含んだ回路により構成されている。
各コンバータ40,50は、入力電圧DC220V〜375Vの範囲で動作し、且つ高効率を実現させるために、LLC共振コンバータによって構成されている。
一方のコンバータ40は、一対の第2入力端子IN1,IN2と一対の第2出力端子OUT1,OUT2とを有し、これらの第2入力端子IN1,IN2と第2出力端子OUT1,OUT2との間に、スイッチング回路42、LLCの共振回路43、トランス44、及び整流回路45が接続されている。スイッチング回路42は、第1、第2スイッチング素子(例えば、N型のMOSFET)42a,42bを有し、このMOSFET42a,42bが、第2入力端子IN1と第2入力端子IN2との間に直列に接続されている。MOSFET42aのゲートには、信号変換回路41が接続されている。
信号変換回路41は、高レベル(以下「Hレベル」という。)及び低レベル(以下「Lレベル」という。)に遷移する第1制御信号S42aが入力されると、その論理状態を変換した駆動信号を出力する回路であり、例えば、ダイオード41a及びスイッチ素子41bにより構成されている。ダイオード41aは、制御信号S42aを入力するアノードと、MOSFET42aのゲートに接続されたカソードと、を有している。スイッチ素子41bは、ダイオード41aに対して並列に接続され、図示しないスイッチ切り替え信号によりオン/オフ動作するものであり、小信号用のトランジスタ、ホトカプラ、ホトスイッチ等により構成されている。
スイッチ素子41bがオンの場合、入力される制御信号S42aがそのまま駆動信号としてMOSFET42aのゲートへ与えられる。制御信号S42aがHレベルの時に、MOSFET42aのドレイン・ソース間がオン状態になり、制御信号S42aがLレベルの時に、MOSFET42aのドレイン・ソース間がオフ状態になる。スイッチ素子41bがオフの場合、入力される制御信号S42aがHレベルの時に、ダイオード41aの出力電圧がHレベルになってMOSFET42aのドレイン・ソース間がオン状態になると共に、その出力電圧のHレベルの電荷が、MOSFET42aのゲート・ソース間の寄生容量に充電される。そのため、入力される制御信号S42aがLレベルの時に、ダイオード41aの出力電圧がLレベルになっても、MOSFET42aのゲート・ソース間の寄生容量に充電された電荷により、MOSFET42aのドレイン・ソース間がオン状態に保持される。
MOSFET42aに対して直列に接続されたMOSFET42bは、Hレベル及びLレベルに遷移する第2制御信号S42bが駆動信号としてゲートに入力されると、制御信号S42bがHレベルの時に、ドレイン・ソース間がオン状態になり、制御信号S42bがLレベルの時に、ドレイン・ソース間がオフ状態になる。
LCCの共振回路43は、MOSFET42bに対して並列に接続され、共振コンデンサ43a、共振インダクタ43b、及び励磁インダクタ43cの直列回路により構成されている。共振インダクタ43bは、例えば、トランス44の漏れインダクタンスにより構成され、更に、励磁インダクタ43cは、トランス44の励磁インダクタンスにより構成されている。トランス44は、共振回路43の出力側に接続された1次巻線44aと、中間タップ44cを有する2次巻線44bと、を有している。
整流回路45は、2次巻線44bに接続された2つの整流用のダイオード45a,45bを有している。一方のダイオード45aのアノードは、2次巻線44bの一方の電極に接続され、他方のダイオード45bのアノードは、2次巻線44bの他方の電極に接続されている。ダイオード45aのカソードは、一対の第2出力端子OUT1,OUT2の内の出力端子OUT1に接続され、ダイオード45bのカソードは、出力端子OUT2に接続されている。2つの出力端子OUT1,OUT2は、一対の第1出力端子としての+側出力端子47a及び−側出力端子47bの内の+側出力端子47aに共通に接続されている。
他方のコンバータ50は、一方のコンバータ40と同様に、一対の第2入力端子IN3,IN4及び一対の第2出力端子OUT3,OUT4を有し、これらの第2入力端子IN3,IN4と第2出力端子OUT3,OUT4との間に、スイッチング回路52、LLCの共振回路53、トランス54、及び整流回路55が接続されている。
スイッチング回路52は、第1、第2スイッチング素子(例えば、N型のMOSFET)52a,52bを有し、このMOSFET52a,52bが、第2入力端子IN3と第2入力端子IN4との間に直列に接続されている。MOSFET52aのゲートには、コンバータ40側と同様に、信号変換回路51が接続されている。信号変換回路51は、Hレベル及びLレベルに遷移する第1制御信号S552aが入力されると、その論理状態を変換した駆動信号を出力する回路であり、例えば、ダイオード51a及びスイッチ素子51bにより構成されている。ダイオード51aは、制御信号S52aを入力するアノードと、MOSFET52aのゲートに接続されたカソードと、を有している。スイッチ素子51bは、ダイオード51aに対して並列に接続され、図示しないスイッチ切り替え信号によりオン/オフ動作するものであり、小信号用のトランジスタ、ホトカプラ、ホトスイッチ等により構成されている。
スイッチ素子51bがオン状態の場合、入力される制御信号S52aがそのまま駆動信号としてMOSFET52aのゲートへ与えられる。制御信号S52aがHレベルの時に、MOSFET52aのドレイン・ソース間がオン状態になり、制御信号S52aがLレベルの時に、MOSFET52aのドレイン・ソース間がオフ状態になる。スイッチ素子51bがオフ状態の場合、入力される制御信号S52aがHレベルの時に、ダイオード51aの出力電圧がHレベルになってMOSFET52aのドレイン・ソース間がオン状態になると共に、その出力電圧のHレベルの電荷が、MOSFET52aのゲート・ソース間の寄生容量に充電される。そのため、入力される制御信号S52aがLレベルの時に、ダイオード51aの出力電圧がLレベルになっても、MOSFET52aのゲート・ソース間の寄生容量に充電された電荷により、MOSFET52aのドレイン・ソース間がオン状態に保持される。
MOSFET52bは、Hレベル及びLレベルに遷移する第2制御信号S52bが駆動信号としてゲートに入力されると、制御信号S52bのHレベルによってドレイン・ソース間がオン状態になり、制御信号S52bのLレベルによってドレイン・ソース間がオフ状態になる。
LCCの共振回路53は、MOSFET52bに対して並列に接続され、共振コンデンサ53a、共振インダクタ53b、及び励磁インダクタ53cの直列回路により構成されている。共振インダクタ53bは、例えば、トランス54の漏れインダクタンスにより構成され、更に、励磁インダクタ53bは、トランス54の励磁インダクタンスにより構成されている。トランス54は、共振回路53の出力側に接続された1次巻線54aと、中間タップ54cを有する2次巻線54bと、を有している。
整流回路55は、2次巻線54bに接続された2つの整流用のダイオード55a,55bを有している。一方のダイオード55aのアノードは、2次巻線54bの一方の電極に接続され、他方のダイオード55bのアノードは、2次巻線54bの他方の電極に接続されている。ダイオード55aのカソードは、一対の第2出力端子OUT3,OUT4の内の第2出力端子OUT3に接続され、ダイオード55bのカソードは、第2出力端子OUT4に接続されている。第2出力端子OUT3,OUT4は、+側出力端子47aに共通に接続されている。
各2次巻線44b,54bの中間タップ44c,54cは、−側出力端子47bに共通に接続されている。+側出力端子47aと−側出力端子47bとの間には、平滑用の出力コンデンサ46が接続されている。
スイッチング電源には、1つの制御回路60が設けられている。制御回路60は、出力電圧Vout等の測定結果に基づき、MOSFET42a,42b,52a,52bをオン/オフ動作させるための制御信号S42a,S42b,S52a,S52bを生成する機能を有している。スイッチング電源では、MOSFET42a,42b,52a,52bのスイッチング周波数fを変化させることで、出力電圧Voutを制御することができる。そのため、制御回路60は、周波数変調(SFM)を行う機能を有し、マイクロコンピュータ、デジタル・シグナル・プロセッサ(DSP)、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ(FPGA)等のプログラム制御可能なプロセッサ等により構成されている。
なお、スイッチング回路42,52を構成している各MOSFET42a,42b,52a,52bのドレイン・ソースに対して並列に、逆方向の寄生ダイオードや寄生容量が設けられるが、説明の簡単化を図るために、それらの図示を省略している。
(実施例1の動作)
図5は、図1のMOSFET42a,42b,52a,52b、切り替えスイッチ35及びスイッチ素子41b,51bの動作を示す図である。
図6は、図1の制御信号S42a,S42b,S52a,S52bを示すタイミングチャートである。更に、図7(a)、(b)は、図5の動作を示すタイミングチャートであり、同図(a)は、200V系のタイミングチャート、及び、同図(b)は、400V系のタイミングチャートである。
図6及び図7(a)、(b)において、横軸は時刻tである。制御信号S42a,S52bと制御信号S42b,S52aとは、相補的にHレベルとLレベルに遷移するが、その遷移時に、制御信号S42a,S52bと制御信号S42b,S52aとが、同時にLレベルになる期間(即ち、デッド・タイムDT)が設けられている。これに対応して、MOSFET42a,52bとMOSFET42b,52aとは、相補的にオンとオフが切り替えられるが、そのオン/オフの切り替え時に、MOSFET42a,52bとMOSFET42b,52aとが、同時にオフ状態になる期間(即ち、デッド・タイムDT)が設けられている。このようなデッド・タイムDTは、MOSFET42a,52bとMOSFET42b,52aとをソフト・スイッチング(即ち、ゼロ電圧スイッチング)させて、スイッチング損失とノイズ発生を減少させ、更に、電力変換効率を向上させるために設けられる。
入力電圧VinとしてDC200V系電圧が入力端子31a,31bに入力される場合、図示しないスイッチ切り替え信号により、切り替えスイッチ35及びスイッチ素子41b,51bが常時オフ状態になる。切り替えスイッチ35が常時オフ状態になると、コンバータ40の入力端子IN1,IN2とコンバータ50の入力端子IN3,IN4とが直列に接続され、この直列回路が、2つのコンデンサ33,34の直列回路に対して並列に接続される。
制御回路60から出力される制御信号S42a,S52bと制御信号S42b,S52aとが、交互にHレベルとLレベルに遷移する。制御信号S42a,S52bがHレベルになると、常時オフ状態になったスイッチ素子41b,51bを有する信号変換回路41,51により、MOSFET42a,52aが常時オン状態に保持される。制御信号S42bと制御信号S52bとが交互にHレベルとLレベルに遷移すると、MOSFET42bとMOSFET52bとが交互にオン/オフし、2つのコンバータ40,50が交互に変換動作を行う。
一方のコンバータ40の変換動作では、コンデンサ33の+側電極とコンデンサ34の−側電極との間の電圧(=DC200Vの入力電圧Vin)が、MOSFET42bのスイッチングによってAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、共振回路43によって共振され、この共振されたAC電圧が、トランス44にて所定のAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、整流回路45で整流された後、出力コンデンサ46で平滑され、この平滑されたDC出力電圧Voutが、出力端子47a,47bから出力される。
他方のコンバータ50の変換動作では、コンデンサ33の+側電極とコンデンサ34の−側電極との間の電圧(=DC200Vの入力電圧Vin)が、MOSFET52bのスイッチングによってAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、共振回路53によって共振され、この共振されたAC電圧が、トランス54にて所定のAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、整流回路55で整流された後、出力コンデンサ46で平滑され、この平滑されたDC出力電圧Voutが、出力端子47a,47bから出力される。
これに対して、入力電圧VinとしてDC400V系電圧が入力端子31a,31bに入力される場合、図示しないスイッチ切り替え信号により、切り替えスイッチ35及びスイッチ素子41b,51bが常時オン状態になる。これにより、コンデンサ33に対してコンバータ40の入力端子IN1,IN2が並列に接続されると共に、コンデンサ34に対してコンバータ50の入力端子IN3,IN4が並列に接続される。
2つのコンデンサ33,34によって分圧された電圧(=DC400Vの入力電圧Vin/2)が、一方のコンバータ40の入力端子IN1,IN2に入力されると共に、他方のコンバータ50の入力端子IN3,IN4に入力される。制御回路60からから出力される制御信号S42a,S52bと制御信号S42b,S52aとが、交互にHレベルとLレベルに遷移する。これにより、MOSFET42a,52bとMOSFET42b,52aとが交互にオン/オフし、2つのコンバータ40,50が並列に動作する。
一方のコンバータ40では、コンデンサ33の+側電極及び−側電極間の電圧(=DC400Vの入力電圧Vin/2)が、MOSFET42a,42bのスイッチングによってAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、共振回路43によって共振され、この共振されたAC電圧が、トランス44にて所定のAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、整流回路45で整流された後、出力コンデンサ46で平滑され、この平滑されたDC出力電圧Voutが、出力端子47a,47bから出力される。
他方のコンバータ50では、コンデンサ34の+側電極及び−側電極間の電圧(=DC400Vの入力電圧Vin/2)が、MOSFET52a,52bのスイッチングによってAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、共振回路53によって共振され、この共振されたAC電圧が、トランス54にて所定のAC電圧に変換される。変換されたAC電圧は、整流回路55で整流された後、出力コンデンサ46で平滑され、この平滑されたDC出力電圧Voutが、出力端子47a,47bから出力される。
制御回路60は、出力電圧Vout等の測定値に基づき、制御信号S42a,S42b,S52a,S52bを生成し、MOSFET42a,42b,52a,52bのスイッチング周波数fを制御することで、出力端子47a,47bから出力される出力電圧Voutが一定になるように制御している。スイッチング周波数fを上げると、出力電圧Voutが下がり、スイッチング周波数fを下げると、出力電圧Voutが上がる。
以上のようなスイッチング電源の動作時に流れる負荷電流について、以下、説明する。
図5に示すように、入力電圧VinとしてDC200V系電圧が入力端子31a,31bに入力される場合、図示しないスイッチ切り替え信号により、切り替えスイッチ35及びスイッチ素子41b,51bがオフ状態になる。スイッチ素子41b,51bがオフ状態になると、MOSFET42a,52aが常時オン状態になる。
図6及び図7(a)に示すように、制御信号S42a,S52bがHレベルになると共に、制御信号S42b,S52aがLレベルになると、MOSFET42bがオフすると共に、MOSFET52bがオンする。この時、MOSFET42a,52aは、常時オン状態である。
MOSFET42bがオフの時、1次側は、コンデンサ33の+側電極→MOSFET42a→共振コンデンサ43a→共振インダクタ43b→1次巻線44a→MOSFET52b,52a→コンデンサ34の−側電極、の経路で負荷電流が流れる。2次側は、2次巻線44b→ダイオード45a→出力コンデンサ46→2次巻線44bの中間タップ44c、の経路で負荷電流が流れる。これにより、出力端子47a,47bからDCの出力電圧Voutが出力される。
図6及び図7(a)に示すように、制御信号S42a,S52bがLレベルになると共に、制御信号S42b,S52aがHレベルになると、MOSFET42bがオンすると共に、MOSFET52bがオフする。この時、MOSFET42a,52aは、常時オン状態である。
1次側は、コンデンサ33の+側電極→MOSFET42a,42b→2次巻線54a→共振インダクタ53b→共振コンデンサ53a→MOSFET52a→コンデンサ34の−側電極、の経路で負荷電流が流れる。2次側は、2次巻線54b→ダイオード55b→出力コンデンサ46→2次巻線54bの中間タップ54c、の経路で負荷電流が流れる。これにより、出力端子47a,47bからDCの出力電圧Voutが出力される。
図5に示すように、入力電圧VinとしてDC400V系電圧が入力端子31a,31bに入力される場合、図示しないスイッチ切り替え信号により、切り替えスイッチ35及びスイッチ素子41b,51bがオン状態になる。
図6及び図7(b)に示すように、制御信号S42a,S52bがHレベルになると共に、制御信号S42b,S52aがLレベルになると、MOSFET42a,52bがオンすると共に、MOSFET42b,52aがオフする。
一方のコンバータ40において、1次側は、コンデンサ33の+側電極→MOSFET42a→共振コンデンサ43a→共振インダクタ43b→1次巻線44a→切り替えスイッチ35→コンデンサ33の−側電極、の経路で負荷電流が流れる。2次側は、2次巻線44b→ダイオード45a→出力コンデンサ46→2次巻線44bの中間タップ44c、の経路で負荷電流が流れる。
同時に、他方のコンバータ50において、1次側は、充電された共振コンデンサ53a→共振インダクタ53b→1次巻線54a→MOSFET52b→共振コンデンサ53a、の経路で負荷電流が流れる。2次側は、2次巻線54b→ダイオード55a→出力コンデンサ46→2次巻線54bの中間タップ54c、の経路で負荷電流が流れる。これにより、出力端子47a,47bからDCの出力電圧Voutが出力される。
次に、図6及び図7(b)に示すように、制御信号S42a,S52bがLレベルになると共に、制御信号S42b,S52aがHレベルになると、MOSFET42a,52bがオフすると共に、MOSFET42b,52aがオンする。
一方のコンバータ40において、1次側は、充電された共振コンデンサ43a→MOSFET42b→1次巻線44a→共振インダクタ43b→共振コンデンサ43a、の経路で負荷電流が流れる。2次側は、2次巻線44b→ダイオード45b→出力コンデンサ46→2次巻線44bの中間タッ44c、の経路で負荷電流が流れる。
同時に、他方のコンバータ50において、1次側は、コンデンサ34の+側電極→切り替えスイッチ35→2次巻線54a→共振インダクタ53b→共振コンデンサ53a→MOSFET52a→コンデンサ34の−側電極、の経路で負荷電流が流れる。2次側は、2次巻線54b→ダイオード55b→出力コンデンサ46→2次巻線54bの中間タップ54c、の経路で負荷電流が流れる。これにより、出力端子47a,47bからDCの出力電圧Voutが出力される。
(実施例1の効果)
本実施例1のスイッチング電源によれば、次の(a)、(b)のような効果がある。
(a) 200V系入力及び400V系入力に共用可能なスイッチング電源を、比較的簡単な構成で実現でき、小型化が可能になる。更に、切り替えスイッチ35は1つで回路構成ができ、低コスト化が可能になる。
(b) 1つの切り替えスイッチ35で、200V系入力と400V系入力を切り替え可能にするには、直列に接続されたMOSFET42a,42b,52b,52aの駆動信号を操作すれば良い。通常は、制御回路60から出力される制御信号S42a,S42b,S52a,S52bによってMOSFET42a,42b,52a,52bを駆動するが、本実施例1では、MOSFET42a,52aのゲートの前段に、制御信号S42a,S52aを常時オン信号に変換する信号変換回路41,51を設けている。そのため、MOSFET42a,42b,52a,52bの駆動信号は、200V系入力と400V系入力とで異なるが、4つの制御信号S42a,S42b,S52a,S52bは同じで、MOSFET42a,52aのゲートに与える駆動信号を操作できるので、制御回路60はシンプルな出力で良い。
(実施例2の構成)
図8は、本発明の実施例2におけるスイッチング電源を示す概略の回路図であり、実施例1を示す図1中の要素と共通の要素には共通の符号が付されている。
本実施例2のスイッチング電源では、実施例1の2つのコンバータ40,50とは構成の異なる2つのコンバータ40A,50Aを有している。実施例1では、2つのコンバータ40,50にそれぞれトランス44,54が設けられているが、本実施例2の2つのコンバータ40A,50Aでは、その2つのトランス44,54とは構成の異なる1つのトランス70が設けられている。
トランス70は、1つのコア70aを有し、このコア70aに、2つの1次巻線71a,71bと2つの2次巻線72a,72bとが巻装されている。各2次巻線72a,72bには、中間タップ72c,72dがそれぞれ設けられている。一方の1次巻線71aは、共振回路43の出力側に接続され、他方の1次巻線71bも、共振回路53の出力側に接続されている。
2次巻線72aの一方の電極は、順方向のダイオード45aを介して第2出力端子OUT1に接続され、その2次巻線72aの他方の電極が、順方向のダイオード45bを介して第2出力端子OUT2に接続されている。2つの第2出力端子OUT1,OUT2は、−側出力端子47bに共通接続されている。2次巻線72aの中間タップ72cは、+側出力端子47aに接続されている。他方の2次巻線72bの一方の電極は、順方向のダイオード55aを介して第2出力端子OUT3に接続され、その2次巻線72bの他方に電極が、順方向のダイオード55bを介して第2出力端子OUT4に接続されている。2つの第2出力端子OUT3,OUT4は、−側出力端子47bに共通接続されている。2次巻線72bの中間タップ72dは、+側出力端子47aに接続されている。+側出力端子47a及び−側出力端子47b間には、平滑用の出力コンデンサ46が接続されている。その他の構成は、実施例1と同様である。
(実施例2の動作・効果)
本実施例2のスイッチング電源では、実施例1のスイッチング電源と同様の動作を行う。
本実施例2のスイッチング電源において、2つのLLCの共振回路43,53は、それぞれの共振コンデンサ43a,53a、共振インダクタ43b,53b、及び励磁インダクタ43c,53cを共振定数として動作する。例えば、共振インダクタ43b,53bは、トランス70の漏れインダクタンスにより構成され、励磁インダクタ43c,53cは、トランス70の励磁インダクタンスにより構成されている。実施例1のように、2つのトランス44,54を使用する場合、この2つのトランス44,54のばらつき(特に、漏れインダクタンスのばらつき)がなければ、各コンバータ40,50の出力電力は、バランスする。2つのトランス44,54のばらつきの要因は、コア特性に大きく依存している。
そこで、本実施例2では、2つのトランスを1つのコア70aで構成した1つのトランス70を設けている。これにより、トランス間のばらつきがなくなり、2つのコンバータ40A,50Aの出力電力がバランスする。そのため、2つのコンバータ40A,50Aの出力電力のばらつきを抑制するためのバランスチョーク等のバランス回路が不要になる。
このように、トランス1個のため、鉄損を低減でき、共振インダクタ43b,53bのばらつきを解消し、更に、回路構成の簡単化によって小型化、及び低コスト化が可能になるといった効果がある。
(変形例)
本発明は、上記実施例1、2に限定されず、種々の利用形態や変形が可能である。この利用形態や変形例としては、例えば、次の(1)〜(3)のようなものがある。
(1) スイッチング電源は、図1及び図8以外の回路構成に変更が可能である。例えば、スイッチング回路42,52を構成しているMOSFET42a,42b,52a,52bに代えて、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ(IGBT)等の他のスイッチング素子を用いても良い。更に、整流用のダイオード45a,45b,55a,55bに代えて、オン/オフ動作するスイッチング素子を用いて電流を一方向へ流すような構成に変更しても良い。このようなスイッチング素子を用いた場合には、オン状態の時に負荷電流が流れ、オフ状態の時には負荷電流が流れないので、電力消費量を減少できる。
(2) 実施例1、2では、2種類の入力(例えば、200V系入力及び400V系入力)の切り替え可能なスイッチング電源について説明したが、その2種類の入力電圧は、他の電圧値であっても良い。更に、コンバータ40,40A,50,50Aを3つ以上設けることにより、3種類以上の入力電圧の切り替えが可能なスイッチング電源を実現できる。
(3) 図1及び図8のスイッチング電源において、入力端子31a,31bの入力側に、AC電源を整流する整流回路を設けて、AC/DCコンバータに変更することも可能である。
31a,31b 第1入力端子
33,34 分圧用のコンデンサ
35 切り替えスイッチ
40,40A,50,50A コンバータ
41,51 信号変換回路
41a,51a ダイオード
41b,51b スイッチ素子
42,52 スイッチング回路
42a,52a MOSFET(第1スイッチング素子)
42b,52b MOSFET(第2スイッチング素子)
43,53 共振回路
44,54,70 トランス
70a コア
45,55 整流回路
47a,47b 第1出力端子
60 制御回路
IN1,IN2,IN3,IN4 第2入力端子
N1,N2 第1、第2接続点
OUT1,OUT2,OUT3,OUT4 第2出力端子

Claims (6)

  1. 直流電圧を入力する一対の第1入力端子と、
    直流電圧を出力する一対の第1出力端子と、
    前記一対の第1入力端子間に直列に接続された複数のコンデンサと、
    複数対の第2入力端子と、複数対の第2出力端子と、前記各対の第2入力端子間にそれぞれ接続されたスイッチング素子と、前記スイッチング素子の出力側にそれぞれ接続された共振回路と、を有し、前記複数対の第2入力端子が前記一対の第1入力端子間に直列に接続され、前記複数対の第2出力端子が前記一対の第1出力端子に対して並列に接続され、前記各対の第2入力端子から入力される直流電圧を前記スイッチング素子によりスイッチングして前記共振回路により共振させた後に所定の直流電圧に変換して前記各対の第2出力端子から出力する複数のコンバータと、
    前記一対の第1入力端子に入力される前記直流電圧の高さに応じて、前記各コンデンサ間の第1接続点と、前記各対の第2入力端子間の第2接続点と、の間を接続/遮断する切り替えスイッチと、
    を備え、
    前記スイッチング素子は、前記切り替えスイッチの切り替え動作に対応してオン/オフ動作が制御される、
    ことを特徴とするスイッチング電源。
  2. 前記各コンバータは、
    前記複数対の第2入力端子と、
    前記複数対の第2出力端子と、
    前記各対の第2入力端子間に直列に接続され、前記各対の第2入力端子に入力される前記直流電圧を相補的にスイッチングして交流電圧に変換する第1の前記スイッチング素子及び第2の前記スイッチング素子と、
    変換された前記交流電圧を共振させる前記共振回路と、
    共振された前記交流電圧の高さを変換する変圧器と、
    変換された前記交流電圧を整流して前記所定の直流電圧を前記各対の第2出力端子へ出力する整流回路と、
    を有することを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源。
  3. 前記共振回路は、
    LLC共振回路であることを特徴とする請求項2記載のスイッチング電源。
  4. 前記複数のコンバータ内にそれぞれ設けられた複数の前記変圧器は、
    1つのコアで構成されていることを特徴とする請求項3記載のスイッチング電源。
  5. 前記第1のスイッチング素子は、相補的な第1制御信号及び第2制御信号の内の第1制御信号のオン/オフ状態が信号変換回路にて変換された信号によりオン/オフ動作し、
    前記第2のスイッチング素子は、前記第2制御信号によりオン/オフ動作する、
    構成になっていることを特徴とする請求項2〜4のいずれか1項記載のスイッチング電源。
  6. 前記信号変換回路は、
    前記第1制御信号を一方向に導通させるダイオードと、
    前記ダイオードに対して並列に接続されたスイッチ素子と、
    を有することを特徴とする請求項5記載のスイッチング電源。
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