JP6565770B2 - Push-pull DC / DC converter - Google Patents

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Description

本発明は、複数の一次側スイッチング素子を交互に動作させ、トランスを介して電力を変換するプッシュプル方式の絶縁型DC/DCコンバータに関する。   The present invention relates to a push-pull type isolated DC / DC converter that alternately operates a plurality of primary side switching elements and converts electric power through a transformer.

従来、複数のスイッチング素子のオンオフを切り替えて電力を変換する電力変換装置が知られている。この種の電力変換装置において、スイッチング素子のドレイン−ソース間電圧が低下しないうちにスイッチング素子をオンし通電を開始すると、電流と電圧との積によるターンオン損失が発生する。
例えば特許文献1に開示されたプッシュプル型DC/DCコンバータは、補助スイッチを操作し、一次側の漏洩インダクタンスを用いて外付けコンデンサの電荷を充放電することにより、メインスイッチの電圧が低下してからターンオンする構成を採用している。
2. Description of the Related Art Conventionally, there is known a power conversion device that converts power by switching on and off a plurality of switching elements. In this type of power conversion device, when the switching element is turned on and energization is started before the drain-source voltage of the switching element decreases, a turn-on loss due to the product of the current and voltage occurs.
For example, in the push-pull DC / DC converter disclosed in Patent Document 1, the voltage of the main switch is lowered by operating the auxiliary switch and charging / discharging the external capacitor using the primary side leakage inductance. The structure that turns on afterwards is adopted.

国際公開WO2008/020629号公報International Publication WO2008 / 020629

特許文献1の技術では、外付けコンデンサの電荷を充放電するために補助スイッチが必要となり、部品点数が増加し、体格が増加するという問題がある。
本発明はこのような点に鑑みて創作されたものであり、その目的は、補助スイッチを用いずに一次側スイッチング素子のターンオン損失を低減するプッシュプル型DC/DCコンバータを提供することにある。
In the technique of Patent Document 1, an auxiliary switch is required to charge and discharge the charge of the external capacitor, and there is a problem that the number of parts increases and the physique increases.
The present invention was created in view of the above points, and an object thereof is to provide a push-pull DC / DC converter that reduces the turn-on loss of the primary side switching element without using an auxiliary switch. .

本発明は、電源(Bt)と負荷(Ld)との間に接続され直流電力を変換するプッシュプル型DC/DCコンバータに係る発明である。このプッシュプル型DC/DCコンバータは、トランス(20)の励磁インダクタを構成する複数の一次コイル(31、32)及び複数の二次コイル(33、34)と、複数の一次側スイッチング素子(SW1、SW2)と、複数の二次側整流素子(SW3、SW4、DI3、DI4)と、二次側整流素子と負荷との間に接続される平滑インダクタ(7)と、スイッチング時間算出部(13)と、スイッチング操作部(18)とを備える。   The present invention relates to a push-pull DC / DC converter that is connected between a power source (Bt) and a load (Ld) and converts DC power. This push-pull type DC / DC converter includes a plurality of primary coils (31, 32) and a plurality of secondary coils (33, 34) constituting an exciting inductor of the transformer (20), and a plurality of primary side switching elements (SW1). , SW2), a plurality of secondary rectifier elements (SW3, SW4, DI3, DI4), a smoothing inductor (7) connected between the secondary rectifier elements and the load, and a switching time calculator (13 ) And a switching operation unit (18).

複数の一次側スイッチング素子は、複数の一次コイルと電源との間に接続され、且つ還流ダイオードが並列に接続されており、交互に動作する。
複数の二次側整流素子は、複数の二次コイルに接続され、二次コイルに流れる電流を整流可能である。例えば二次側整流素子は、ダイオード又はスイッチング素子である。
なお、二次側整流素子がスイッチング素子の構成では、後述の通常状態から逆転状態に移行する前にオン状態の二次側スイッチング素子はターンオフされることを前提とする。
The plurality of primary side switching elements are connected between the plurality of primary coils and the power source, and the return diodes are connected in parallel, and operate alternately.
The plurality of secondary-side rectifying elements are connected to the plurality of secondary coils and can rectify the current flowing through the secondary coils. For example, the secondary side rectifying element is a diode or a switching element.
In the configuration where the secondary-side rectifying element is a switching element, it is assumed that the secondary-side switching element in the on state is turned off before shifting from the normal state described later to the reverse state.

スイッチング時間算出部は、「いずれかの一次側スイッチング素子がターンオンし負荷及び平滑インダクタに流れる負荷電流(iL)が理論的に増加する時間」である理論オン時間(Ton)、及び、「すべての一次側スイッチング素子がターンオフし負荷電流が理論的に減少する時間」である理論オフ時間(Toff)を算出する。
ここで、「理論オフ時間を算出する」とは、固定値として設定されたスイッチング周期から単純に理論オン時間を差し引いた残りを理論オフ時間とするのでなく、何らかの技術的思想に基づいて、負荷電流が理論的に減少する時間を算出することを意味する。
スイッチング操作部は、スイッチング時間算出部が算出した理論オン時間及び理論オフ時間に基づいて一次側スイッチング素子を操作し、二次側整流素子がスイッチング素子の場合にさらに二次側スイッチング素子を操作する。
The switching time calculation unit includes a theoretical on-time (Ton) that is “a time during which any primary-side switching element is turned on and the load current (i L ) flowing through the load and the smoothing inductor is theoretically increased”, and “all The theoretical off time (Toff), which is the time during which the primary side switching element turns off and the load current theoretically decreases, is calculated.
Here, “calculating the theoretical off time” means that the theoretical off time is not simply obtained by subtracting the theoretical on time from the switching period set as a fixed value, but based on some technical idea. It means calculating the time when the current theoretically decreases.
The switching operation unit operates the primary side switching element based on the theoretical on time and the theoretical off time calculated by the switching time calculation unit, and further operates the secondary side switching element when the secondary side rectifying element is a switching element. .

以下、一次側スイッチング素子がすべてオフ時の負荷電流が二次側整流素子を還流する期間において、二次側整流素子一つ当たりに還流する負荷電流を素子当負荷電流(iL/2)とする。また、トランスの励磁インダクタに流れる励磁電流について、二次側整流素子一つ当たりに流れる電流に換算した励磁電流を換算励磁電流(iLm/2N)とする。
また、素子当負荷電流の絶対値が換算励磁電流の絶対値以上である状態を「通常状態」と定義し、素子当負荷電流の絶対値が換算励磁電流の絶対値を下回る状態を「逆転状態」と定義する。
Hereinafter, in the period in which the load current when all the primary side switching elements are off flows back through the secondary side rectifier element, the load current that flows back per secondary side rectifier element is referred to as element load current (i L / 2). To do. Further, regarding the excitation current flowing through the excitation inductor of the transformer, the excitation current converted to the current flowing per secondary side rectifying element is defined as the converted excitation current (i Lm / 2N).
Also, the state where the absolute value of the element load current is equal to or greater than the absolute value of the converted excitation current is defined as `` normal state '', and the state where the absolute value of the element load current is lower than the absolute value of the converted excitation current Is defined.

スイッチング操作部は、通常状態から逆転状態に移行した後、当該逆転状態の間に、次にオンする順番の一次側スイッチング素子をターンオンする。
二次側を流れる励磁電流が一次側へ転流し始めると、一次側スイッチング素子のドレイン−ソース間の容量の電荷が放電され、ドレイン−ソース間電圧が降下する。また、理論オフ時間が経過したタイミングには逆転状態となっている。
そこで、本発明のスイッチング操作部は、スイッチング時間算出部が算出した理論オン時間及び理論オフ時間に基づいて、逆転状態の間に一次側スイッチング素子をターンオンすることにより、通電開始直後の電圧を低く抑えることができる。つまり、本発明では、励磁電流を利用することにより、従来技術のように別の部品である補助スイッチを追加することなく、簡易な構成でターンオン損失を低減することができる。
After switching from the normal state to the reverse rotation state, the switching operation unit turns on the primary side switching elements in the next turn-on state during the reverse rotation state.
When the exciting current flowing on the secondary side starts to commutate to the primary side, the charge of the capacitance between the drain and source of the primary side switching element is discharged, and the drain-source voltage drops. Moreover, it is in a reverse state at the timing when the theoretical off time has elapsed.
Therefore, the switching operation unit of the present invention reduces the voltage immediately after the start of energization by turning on the primary side switching element during the reverse rotation state based on the theoretical on time and the theoretical off time calculated by the switching time calculation unit. Can be suppressed. That is, in the present invention, by using the excitation current, the turn-on loss can be reduced with a simple configuration without adding an auxiliary switch which is a separate part as in the prior art.

ところで、理論オフ時間から判定する以外に逆転状態を判定する構成として、例えば、一次側スイッチング素子又は二次側整流素子に流れる電流や両端電圧の変化を検出して判定することも考えられる。しかし、それらの電流や電圧を検出するためには、逆転状態の検出専用に電流センサや電圧センサを追加する必要がある。また、センサ精度を確保する必要がある。   By the way, as a configuration for determining the reverse rotation state in addition to the determination from the theoretical off time, for example, it may be determined by detecting a current flowing in the primary side switching element or the secondary side rectifying element or a change in both-end voltage. However, in order to detect these currents and voltages, it is necessary to add a current sensor and a voltage sensor exclusively for detecting the reverse state. It is also necessary to ensure sensor accuracy.

それに対し、本発明では、スイッチング時間算出部は、下式により理論オフ時間を算出する。
Toff=[{(i −i Lm )/N}/2v out ]×L
各記号の意味は、以下の通りである。
Toff:理論オフ時間
(i /2):素子当負荷電流の山値
(i Lm /2N):トランスの一次側と二次側との巻線比が1:Nの構成において一次側スイッチング素子がすべてオフ時の換算励磁電流
out :一次側スイッチング素子がすべてオフ時に負荷に出力される出力電圧
L:平滑インダクタのインダクタンス
これらの情報は、プッシュプル型DC/DCコンバータの基本的な動作を制御するために元々必要な情報である。したがって、これらの情報により算出された理論オフ時間に基づいて逆転状態を判定することにより、検出専用のセンサを追加する必要がなく、また、センサ精度の影響を考慮する必要もなくなる。
In contrast, in the present onset bright, the switching time calculation unit calculates the theoretical off-time by the following equation.
Toff = [{(i L −i Lm ) / N} / 2v out ] × L
The meaning of each symbol is as follows.
Toff: Theoretical off time
(I L / 2): Peak value of element load current
(I Lm / 2N): Conversion excitation current when all primary side switching elements are off in a configuration in which the winding ratio between the primary side and the secondary side of the transformer is 1: N
v out : Output voltage output to the load when all primary side switching elements are off
L: Inductance of the smoothing inductor These pieces of information are originally necessary information for controlling the basic operation of the push-pull type DC / DC converter. Therefore, by determining the reverse rotation state based on the theoretical off time calculated based on these pieces of information, it is not necessary to add a sensor dedicated to detection, and it is not necessary to consider the influence of sensor accuracy.

好ましくは、スイッチング操作部は、一次側スイッチング素子のドレイン−ソース間電圧が降下しゼロ電圧に到達した後、次にオンする順番の一次側スイッチング素子をターンオンする。これにより、「ゼロ電圧スイッチング」を実現し、ターンオン損失を特に低減することができる。
そのために、スイッチング時間算出部は、理論オフ時間に所定の延長時間(Tadd)を加算した調整オフ時間(Toff*)をさらに算出し、スイッチング操作部は、調整オフ時間が経過した時、次にオンする順番の一次側スイッチング素子をターンオンすることが好ましい。延長時間を適切に設定することにより、ゼロ電圧スイッチングを確実に実現することができる。
Preferably, the switching operation unit turns on the primary side switching elements in the next turn-on order after the drain-source voltage of the primary side switching elements drops and reaches zero voltage. Thereby, “zero voltage switching” can be realized, and the turn-on loss can be particularly reduced.
For this purpose, the switching time calculation unit further calculates an adjustment off time (Toff * ) obtained by adding a predetermined extension time (Tadd) to the theoretical off time. It is preferable to turn on the primary side switching elements in the turn-on order. By appropriately setting the extension time, zero voltage switching can be reliably realized.

各実施形態に用いられる二次側整流素子がダイオードであるプッシュプル型DC/DCコンバータの構成図。The block diagram of the push pull type DC / DC converter whose secondary side rectification element used for each embodiment is a diode. 各実施形態に用いられる二次側整流素子がスイッチング素子であるプッシュプル型DC/DCコンバータの構成図。The block diagram of the push pull type DC / DC converter whose secondary side rectifier used for each embodiment is a switching element. プッシュプル型DC/DCコンバータの動作を示すタイムチャート。The time chart which shows operation | movement of a push pull type DC / DC converter. 二次側整流素子がダイオード、又は、スイッチング素子であり逆転開始時刻前に同期整流制御を停止する構成で、一次側スイッチング素子オン移行時(負荷電流最小領域)における各部の電流、電圧の変化を示すタイムチャート。The secondary side rectifier is a diode or switching element and the synchronous rectification control is stopped before the reverse rotation start time. Time chart shown. 図4の構成でのモード(a)、(b)の電流経路の図。FIG. 5 is a diagram of current paths in modes (a) and (b) in the configuration of FIG. 図4の構成でのモード(d)、(e)、(f)の電流経路の図。FIG. 5 is a diagram of current paths in modes (d), (e), and (f) in the configuration of FIG. 4. 二次側整流素子がスイッチング素子であり逆転開始時刻後に同期整流制御を継続する構成で、一次側スイッチング素子オン移行時(負荷電流最小領域)における各部の電流、電圧の変化を示すタイムチャート。The time chart which shows the change of the electric current and voltage of each part at the time of a primary side switching element ON transition (load current minimum area | region) by the structure which a secondary side rectifier is a switching element and continues synchronous rectification control after the reverse rotation start time. 図7の構成でのモード(a)、(b)、(c)の電流経路の図。FIG. 8 is a diagram of current paths in modes (a), (b), and (c) in the configuration of FIG. 7. [A]:図6のモード(d)に電圧記号を追加した図。[B]:回路モデル図。[A]: The figure which added the voltage symbol to the mode (d) of FIG. [B]: Circuit model diagram. (a)第1実施形態のスイッチング時間算出部のブロック図。(b)負荷電流の変化と理論オン時間及び理論オフ時間計との関係を示す図。(A) The block diagram of the switching time calculation part of 1st Embodiment. (B) The figure which shows the relationship between the change of load current, a theoretical on time, and a theoretical off hour meter. 周知技術のDuty制御を説明するブロック図。The block diagram explaining Duty control of a well-known technique. 第2実施形態のスイッチング時間算出部のブロック図。The block diagram of the switching time calculation part of 2nd Embodiment. 延長時間を設定しない場合の負荷電流の変化を示すタイムチャート。The time chart which shows the change of the load current when not setting extension time. 延長時間を設定した場合の負荷電流の変化を示すタイムチャート。The time chart which shows the change of load current at the time of setting extension time. ゼロ電圧スイッチングの効果を示す図。The figure which shows the effect of zero voltage switching. ゼロ電圧スイッチングの効果を示す図。The figure which shows the effect of zero voltage switching.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。複数の実施形態において、実質的に同一の構成には同一の符号を付して説明を省略する。また、以下に説明する第1、第2実施形態を包括して「本実施形態」という。
最初に、プッシュプル型DC/DCコンバータの二通りの構成図を図1、図2に示す。これらは二次側整流素子の構成のみが異なり、その他の構成は共通である。図1に示すプッシュプル型DC/DCコンバータ101は、二次側整流素子としてダイオードDI3、DI4が用いられる。一方、図2に示すプッシュプル型DC/DCコンバータ102は、二次側整流素子としてスイッチング素子SW3、SW4が用いられる。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In a plurality of embodiments, substantially the same configuration is denoted by the same reference numeral and description thereof is omitted. Further, the first and second embodiments described below are collectively referred to as “this embodiment”.
First, two configuration diagrams of the push-pull type DC / DC converter are shown in FIG. 1 and FIG. These are different only in the configuration of the secondary side rectifying element, and the other configurations are common. The push-pull type DC / DC converter 101 shown in FIG. 1 uses diodes DI3 and DI4 as secondary side rectifying elements. On the other hand, in the push-pull DC / DC converter 102 shown in FIG. 2, switching elements SW3 and SW4 are used as secondary side rectifying elements.

ただし、各実施形態の特徴は、二次側整流素子の構成そのものではなく、スイッチング時間算出部」が特に理論オフ時間Toffを算出する構成にある。そして、二次側整流素子がダイオードの構成、及びスイッチング素子の構成共に、いずれの実施形態にも適用可能である。そこで、最初に二通りのプッシュプル型DC/DCコンバータ101、102の構成を説明した後、各実施形態の説明に移る。   However, the feature of each embodiment is not the configuration itself of the secondary side rectifying element but a configuration in which the “switching time calculation unit” particularly calculates the theoretical off time Toff. The configuration of the diode as the secondary side rectifying element and the configuration of the switching element can be applied to any of the embodiments. Thus, first, the configuration of the two push-pull type DC / DC converters 101 and 102 will be described, and then the description will proceed to each embodiment.

まず図1を参照し、二次側整流素子がダイオードDI3、DI4の構成のプッシュプル型DC/DCコンバータ101について説明する。プッシュプル型DC/DCコンバータ101は、電源Btと負荷Ldとの間に接続され、直流電力を変換する。
プッシュプル型DC/DCコンバータ101は、トランス20の励磁インダクタを構成する二組の一次コイル31、32及び二次コイル33、34、二つの一次側スイッチング素子SW1、SW2、二つの二次側ダイオードDI3、DI4、及び、平滑インダクタ7等を備える。また、プッシュプル型DC/DCコンバータ101は、一次側スイッチング素子SW1、SW2を操作するスイッチング操作部(図中、「SW操作部」)18、及び、スイッチング時間算出部(図中、「SW時間算出部」)13を備える。
First, a push-pull type DC / DC converter 101 having secondary-side rectifying elements of diodes DI3 and DI4 will be described with reference to FIG. The push-pull type DC / DC converter 101 is connected between the power source Bt and the load Ld, and converts DC power.
The push-pull type DC / DC converter 101 includes two sets of primary coils 31, 32 and secondary coils 33, 34, two primary side switching elements SW1, SW2, and two secondary side diodes that constitute an exciting inductor of the transformer 20. DI3, DI4, smoothing inductor 7 and the like are provided. Further, the push-pull type DC / DC converter 101 includes a switching operation unit (“SW operation unit” in the figure) 18 for operating the primary side switching elements SW1 and SW2, and a switching time calculation unit (“SW time in the figure). Calculation unit ") 13.

トランス20は、一次側と二次側との巻数比が「1:N」となるように構成され、励磁インダクタに励磁電流ILmが流れる。励磁電流ILmは、各コイル31、32、33、34を流れる電流It1、It2、N×It3、N×It4の和に等しい。本実施形態では、主に巻数比が1:1の場合を想定して説明する。
一次コイル31、32の一端同士は一次側センタタップCT1で接続されており、センタタップCT1は、電源Btの正極に接続されている。一次コイル31、32の他端は、それぞれ一次側スイッチング素子SW1、SW2を介して電源Btの負極に接続されている。電源Btから入力される入力電圧を「vin」と表す。
The transformer 20 is configured such that the turns ratio between the primary side and the secondary side is “1: N”, and the exciting current I Lm flows through the exciting inductor. Exciting current I Lm is equal to the sum of the current I t1, I t2, N × I t3, N × I t4 flowing through each coil 31, 32, 33, 34. In the present embodiment, description will be made mainly assuming the case where the turns ratio is 1: 1.
One ends of the primary coils 31 and 32 are connected by a primary side center tap CT1, and the center tap CT1 is connected to the positive electrode of the power source Bt. The other ends of the primary coils 31 and 32 are connected to the negative electrode of the power source Bt via primary switching elements SW1 and SW2, respectively. The input voltage input from the power supply Bt is represented as “v in ”.

二次コイル33、34の一端同士は二次側センタタップCT2で接続されており、センタタップCT2は、負荷Ldの一方の端子Ppに接続されている。二次コイル33、34の他端は、それぞれダイオードDI3、DI4のカソードに接続されている。二次側整流素子としてのダイオードDI3、DI4は、二次コイル33、34に流れる電流を整流する。   One ends of the secondary coils 33 and 34 are connected by a secondary center tap CT2, and the center tap CT2 is connected to one terminal Pp of the load Ld. The other ends of the secondary coils 33 and 34 are connected to the cathodes of the diodes DI3 and DI4, respectively. Diodes DI3 and DI4 as secondary rectifiers rectify the current flowing through the secondary coils 33 and 34.

ダイオードDI3、DI4のアノードと負荷Ldの他方の端子Pnとの間には、通電により磁気エネルギを蓄積する平滑インダクタ7が接続されている。平滑インダクタ7のインダクタンスを「L」と表す。
負荷Ld及び平滑インダクタ7に流れる電流を負荷電流iLという。負荷電流iLは、負荷Ldから平滑インダクタ7を経由してダイオードDI3、DI4に向かう方向を正方向とする。また、負荷Ldと並列に、二次側平滑コンデンサ8が接続されている。
負荷Ldに出力される出力電流を「iout」、出力電圧を「vout」と表す。
Between the anodes of the diodes DI3 and DI4 and the other terminal Pn of the load Ld, a smoothing inductor 7 that stores magnetic energy by energization is connected. The inductance of the smoothing inductor 7 is expressed as “L”.
A current flowing through the load Ld and the smoothing inductor 7 is referred to as a load current i L. The load current i L has a positive direction from the load Ld to the diodes DI3 and DI4 via the smoothing inductor 7. A secondary-side smoothing capacitor 8 is connected in parallel with the load Ld.
The output current output to the load Ld is represented as “i out ” and the output voltage is represented as “v out ”.

一次側スイッチング素子SW1、SW2は、一次コイル31、32と電源Btの負極との間に接続され、且つ還流ダイオードが並列に接続されており、一次コイル31、32に正負の電圧を交互に印加するように交互に動作する。
本実施形態では、一次側スイッチング素子SW1、SW2として、ボディダイオードを有するMOSFETを用いる。この構成でのボディダイオードは、「還流ダイオード」に含まれるものと解釈する。また、図中、ドレインソース間に存在する容量を容量成分として記号で示す。この容量は、トランジスタ、ダイオードの接合容量と、並列に接続されたコンデンサとの合成容量である。この容量記号は、必ずしも独立したコンデンサ素子を意味しない。
The primary side switching elements SW1 and SW2 are connected between the primary coils 31 and 32 and the negative electrode of the power source Bt, and the reflux diodes are connected in parallel, and positive and negative voltages are alternately applied to the primary coils 31 and 32. It works alternately.
In the present embodiment, MOSFETs having body diodes are used as the primary side switching elements SW1 and SW2. The body diode in this configuration is interpreted as being included in the “freewheeling diode”. In the figure, the capacitance existing between the drain and the source is indicated by a symbol as a capacitance component. This capacity is a combined capacity of a junction capacity of a transistor and a diode and a capacitor connected in parallel. This capacitance symbol does not necessarily mean an independent capacitor element.

一次側スイッチング素子SW1、SW2は、ドレインが一次コイル31、32に接続され、ソースが電源Btの負極に接続されている。一次側スイッチング素子SW1、SW2のゲートには、スイッチング操作部18からゲート信号が入力される。
なお、他の実施形態では、スイッチング素子としてIGBT等のトランジスタを用いてもよい。その場合、トランジスタのベース、コレクタ、エミッタを、それぞれゲート相当電極、ドレイン相当電極、ソース相当電極として解釈する。
The primary side switching elements SW1 and SW2 have drains connected to the primary coils 31 and 32 and sources connected to the negative electrode of the power source Bt. A gate signal is input from the switching operation unit 18 to the gates of the primary side switching elements SW1 and SW2.
In other embodiments, a transistor such as an IGBT may be used as the switching element. In that case, the base, collector, and emitter of the transistor are interpreted as a gate equivalent electrode, a drain equivalent electrode, and a source equivalent electrode, respectively.

次に図2を参照し、二次側整流素子がスイッチング素子SW3、SW4の構成のプッシュプル型DC/DCコンバータ102について、ダイオード構成との相違点を説明する。
プッシュプル型DC/DCコンバータ102では、二次側スイッチング素子SW3、SW4が、二次コイル33、34に流れる電流を整流する。二次側スイッチング素子SW3、SW4もまた、還流ダイオードが並列に接続されている。
本実施形態では、一次側スイッチング素子SW1、SW2と同様に、二次側スイッチング素子SW3、SW4としても、ボディダイオードを有するMOSFETを用いる。
Next, the difference between the push-pull type DC / DC converter 102 having the configuration of the switching elements SW3 and SW4 as the secondary side rectifying elements and the diode configuration will be described with reference to FIG.
In the push-pull DC / DC converter 102, the secondary side switching elements SW3 and SW4 rectify the current flowing through the secondary coils 33 and 34. The secondary side switching elements SW3 and SW4 are also connected in parallel with freewheeling diodes.
In the present embodiment, MOSFETs having body diodes are used as the secondary side switching elements SW3 and SW4 as well as the primary side switching elements SW1 and SW2.

二次側スイッチング素子SW3、SW4は、ドレインが二次コイル33、34に接続され、ソースが平滑インダクタ7に接続されている。二次側スイッチング素子SW3、SW4のゲートには、スイッチング操作部18からゲート信号が入力される。
スイッチング操作部18は、一次側スイッチング素子SW1、SW2に加え、さらに二次側スイッチング素子SW3、SW4を操作する。具体的には、SW3、SW4の通電期間に通電による損失(すなわち、導通損)を低減するため、SW3、SW4をオン状態とする「同期整流」を実行する。
The secondary side switching elements SW 3 and SW 4 have drains connected to the secondary coils 33 and 34 and sources connected to the smoothing inductor 7. A gate signal is input from the switching operation unit 18 to the gates of the secondary side switching elements SW3 and SW4.
The switching operation unit 18 operates the secondary side switching elements SW3 and SW4 in addition to the primary side switching elements SW1 and SW2. Specifically, “synchronous rectification” is performed to turn on SW3 and SW4 in order to reduce loss due to energization (that is, conduction loss) during the energization period of SW3 and SW4.

なお、一次側スイッチング素子SW1、SW2と同様に、他の実施形態では、二次側スイッチング素子SW3、SW4としてIGBT等のトランジスタを用いてもよい。その場合、やはり、トランジスタのベース、コレクタ、エミッタを、それぞれゲート相当電極、ドレイン相当電極、ソース相当電極として解釈する。
以下、適宜「スイッチング素子」を省略し、単に「SW1〜SW4」と記す。
Similar to the primary side switching elements SW1 and SW2, in other embodiments, transistors such as IGBTs may be used as the secondary side switching elements SW3 and SW4. In that case, the base, collector, and emitter of the transistor are interpreted as a gate equivalent electrode, a drain equivalent electrode, and a source equivalent electrode, respectively.
Hereinafter, the “switching element” will be omitted as appropriate, and simply referred to as “SW1 to SW4”.

次に図3を参照し、プッシュプル型DC/DCコンバータ101、102の動作の概要について説明する。
一次側スイッチング素子SW1、SW2のオン、オフ状態に基づき、三通りの区間を定義する。区間IではSW1がオン、SW2がオフである。区間IIでは、SW1がオフ、SW2がオンである。区間IIIでは、SW1、SW2共にオフである。プッシュプル型DC/DCコンバータ101、102は、区間I→III→II→III→I・・・というように、SW1とSW2とが、共にオフの期間を間に挟みながら交互にオンする。
区間IIIでは、平滑インダクタ7に蓄積された磁気エネルギが減少し、負荷電流iLが減少する。一方、区間I及び区間IIでは、平滑インダクタ7に磁気エネルギが蓄積され、負荷電流iLが増加する。
Next, an outline of the operation of the push-pull DC / DC converters 101 and 102 will be described with reference to FIG.
Three sections are defined based on the ON / OFF states of the primary side switching elements SW1 and SW2. In section I, SW1 is on and SW2 is off. In section II, SW1 is off and SW2 is on. In section III, both SW1 and SW2 are off. In the push-pull type DC / DC converters 101 and 102, SW1 and SW2 are alternately turned on with a period in which both are turned off, as in the section I → III → II → III → I.
In section III, the magnetic energy stored in the smoothing inductor 7 decreases and the load current i L decreases. On the other hand, in the sections I and II, magnetic energy is accumulated in the smoothing inductor 7 and the load current i L increases.

二次側スイッチング素子SW3、SW4を用い同期整流を行う構成の場合、SW3は、区間Iから区間IIIに移行した後、ターンオンし、区間IIを過ぎ、区間IIIから区間Iに移行する前にターンオフする。SW4は、区間IIから区間IIIに移行した後、ターンオンし、区間Iを過ぎ、区間IIIから区間IIに移行する前にターンオフする。
ここで、一次側スイッチング素子SW1、SW2の切替タイミングに対し、二次側スイッチング素子SW3、SW4の切替タイミングを少しずらしているのは、短絡を防止するためのデッドタイムを確保するためである。
In the case of the configuration in which the synchronous rectification is performed using the secondary side switching elements SW3 and SW4, SW3 is turned on after the transition from the section I to the section III, and is turned off after the section II is passed and before the transition from the section III to the section I is performed. To do. SW4 turns on after transitioning from section II to section III, passes through section I, and turns off before transitioning from section III to section II.
Here, the reason why the switching timing of the secondary side switching elements SW3 and SW4 is slightly shifted from the switching timing of the primary side switching elements SW1 and SW2 is to secure a dead time for preventing a short circuit.

以下、負荷電流iLが減少から増加に転じる谷の領域、すなわち、区間IIIから区間I又は区間IIに移行する領域を「負荷電流最小領域」という。
最小領域における負荷電流iLの最小値は、一次側スイッチング素子SW1、SW2をターンオンするタイミングによって決まる。例えば、SW1、SW2のドレイン−ソース間(以下、「DS間」)電圧がまだ高いうちにSW1、SW2をオンした場合、ターンオン損失が発生する。また、SW1、SW2のターンオン時に、各種寄生成分による共振により二次側ダイオードにサージ電圧が発生するという課題がある。
Hereinafter, a valley region where the load current i L changes from a decrease to an increase, that is, a region where the load current i L shifts from the section III to the section I or the section II is referred to as a “load current minimum region”.
The minimum value of the load current i L in the minimum region is determined by the timing of turning on the primary side switching elements SW1 and SW2. For example, if SW1 and SW2 are turned on while the drain-source voltage of SW1 and SW2 (hereinafter “DS-to-DS”) is still high, turn-on loss occurs. In addition, when SW1 and SW2 are turned on, there is a problem that a surge voltage is generated in the secondary diode due to resonance caused by various parasitic components.

本実施形態は、プッシュプル型DC/DCコンバータの負荷電流最小領域における動作に関し、励磁電流を利用して簡易な構成でターンオン損失を低減することを特徴とする。
以下、負荷電流最小領域における動作を詳しく説明するにあたり、図3に丸印で囲んだ「区間IIIから区間Iに移行する場面」、すなわち、一次側スイッチング素子SW1をターンオンする場面を代表として説明する。二次側で同期整流を行う構成では、二次側スイッチング素子SW3をターンオフした後、一次側スイッチング素子SW1をターンオンする場面となる。
The present embodiment relates to the operation in the minimum load current region of the push-pull type DC / DC converter, and is characterized in that the turn-on loss is reduced with a simple configuration using an excitation current.
Hereinafter, in describing the operation in the minimum load current region in detail, the “scene where the transition is made from the section III to the section I” circled in FIG. 3, that is, the scene where the primary side switching element SW1 is turned on will be described as a representative. . In the configuration in which synchronous rectification is performed on the secondary side, the primary side switching element SW1 is turned on after the secondary side switching element SW3 is turned off.

したがって、以下の説明では、二次側スイッチング素子SW3及び一次側スイッチング素子SW1の電流、電圧変化について主に言及する。逆の「区間IIIから区間IIに移行する場面」では、二次側スイッチング素子SW4及び一次側スイッチング素子SW2について、電流方向の符号等を適宜設定しつつ、同様に解釈可能である。   Therefore, in the following description, the current and voltage changes of the secondary side switching element SW3 and the primary side switching element SW1 are mainly referred to. On the contrary, in the “scene where the transition is made from the section III to the section II”, it is possible to similarly interpret the secondary-side switching element SW4 and the primary-side switching element SW2 while appropriately setting the signs and the like of the current direction.

次に、図4〜図9を参照し、二通りの構成のプッシュプル型DC/DCコンバータについて、負荷電流最小領域における動作を説明する。詳しくは、二次側整流素子がダイオード、又は、スイッチング素子であり逆転開始時刻前に同期整流制御を停止する構成について、図4のタイムチャート、及び図5、図6の電流経路図を参照する。なお、図5、図6では、二次側整流素子がスイッチング素子SW3、SW4である構成について図示する。また、二次側整流素子がスイッチング素子であり逆転開始時刻後に同期整流制御を継続する構成について、図7のタイムチャート、及び図8の電流経路図を参照する。
以下の図中、後述の数式に用いられる電流、電圧、インダクタンス等の物理量を斜字体で記載する。一方、時間変数である「Ton、Toff、Tsw、Tadd」は、図中、正体で記載する。また、「on、off、sw、add」の添字部分について、数式では下付文字で記載し、本文中では通常文字で記載する。
Next, with reference to FIGS. 4 to 9, the operation in the minimum load current region will be described for the push-pull DC / DC converter having two configurations. For details, refer to the time chart of FIG. 4 and the current path diagrams of FIGS. 5 and 6 for the configuration in which the secondary rectifier element is a diode or a switching element and the synchronous rectification control is stopped before the reverse rotation start time. . 5 and 6 illustrate a configuration in which the secondary rectifying elements are switching elements SW3 and SW4. In addition, referring to the time chart of FIG. 7 and the current path diagram of FIG. 8 for the configuration in which the secondary rectifier element is a switching element and the synchronous rectification control is continued after the reverse rotation start time.
In the following figures, physical quantities such as current, voltage, and inductance used in mathematical expressions described later are written in italics. On the other hand, “Ton, Toff, Tsw, Tadd”, which are time variables, are described in their true form in the figure. In addition, the subscript part of “on, off, sw, add” is described with a subscript in the mathematical expression and is written with a normal character in the text.

まず、二次側整流素子がダイオードDI3、DI4、又は、スイッチング素子SW3、SW4であり逆転開始時刻tb前に同期整流制御を停止する構成について説明する。
図4には、上から順に、負荷電流iL及び励磁電流iLm、SW1電流isw1、SW1電圧vsw1、SW3電圧vsw3、及び、各スイッチング素子SW1〜SW4のゲート電圧、すなわち、スイッチング操作部18からのオン信号の入力変化を示す。二次側整流素子については、ダイオードDI3、DI4を用いる構成の場合、ゲート電圧を常に0として示す。また、二次側スイッチング素子SW3、SW4を用いて同期整流を行う構成の場合、ゲート電圧を破線で示す。
First, a configuration will be described in which the secondary side rectifying elements are the diodes DI3 and DI4 or the switching elements SW3 and SW4 and the synchronous rectification control is stopped before the reverse rotation start time tb.
In FIG. 4, in order from the top, the load current i L and the excitation current i Lm , the SW1 current i sw1 , the SW1 voltage v sw1 , the SW3 voltage v sw3 , and the gate voltage of each switching element SW1 to SW4, that is, the switching operation An input change of the ON signal from the unit 18 is shown. Regarding the secondary side rectifying element, the gate voltage is always shown as 0 in the case of the configuration using the diodes DI3 and DI4. Further, in the case of a configuration in which synchronous rectification is performed using the secondary side switching elements SW3 and SW4, the gate voltage is indicated by a broken line.

ここで、本明細書で用いる用語を定義する。
一次側スイッチング素子SW1、SW2がすべてオフ時の負荷電流が二次側整流素子SW3、SW4を還流する期間において、負荷Ld及び平滑インダクタ7を経由して二次側整流素子一つ当たりに還流する電流を「素子当負荷電流」とし、トランス20の励磁インダクタに流れる励磁電流iLmについて、区間I及び区間IIで蓄積される励磁電流値に対し、区間IIIでの励磁電流変化はないものとし、二次側整流素子一つ当たりに流れる電流に換算した励磁電流iLmを「換算励磁電流」とする。
また、素子当負荷電流の絶対値が換算励磁電流の絶対値以上である状態を「通常状態」と定義し、素子当負荷電流の絶対値が換算励磁電流の絶対値を下回る状態を「逆転状態」と定義する。そして、素子当負荷電流と換算励磁電流との大小関係に注目する。
Here, terms used in this specification are defined.
During the period in which the load current when all the primary side switching elements SW1 and SW2 are off flows back through the secondary side rectifying elements SW3 and SW4, the secondary side rectifying elements return via the load Ld and the smoothing inductor 7. Assuming that the current is an “element load current”, the excitation current i Lm flowing in the excitation inductor of the transformer 20 is assumed to have no change in the excitation current in the section III with respect to the excitation current value accumulated in the sections I and II. The excitation current i Lm converted to the current flowing per secondary side rectifying element is referred to as “converted excitation current”.
Also, the state where the absolute value of the element load current is equal to or greater than the absolute value of the converted excitation current is defined as `` normal state '', and the state where the absolute value of the element load current is lower than the absolute value of the converted excitation current Is defined. Attention is paid to the magnitude relationship between the element load current and the converted excitation current.

本実施形態の説明において特に断らない限り、二次側整流素子は、電気的仕様が同等のものを二つ備えており、トランス一次側と二次側との巻線比は1:1とする。この場合、素子当負荷電流は(iL/2)で表され、換算励磁電流は(iLm/2)で表される。
つまり、素子当負荷電流と換算励磁電流とを比較する場合、負荷電流iL及び励磁電流iLmの2分の1の電流同士を比較することになるため、負荷電流iL及び励磁電流iLmそのものを比較しても大小関係の判断は同じとなる。そこで図4では、負荷電流iL及び励磁電流iLmを用いて、両者の大小関係を示している。
Unless otherwise specified in the description of the present embodiment, the secondary side rectifying element includes two elements having the same electrical specifications, and the winding ratio between the transformer primary side and the secondary side is 1: 1. . In this case, the element load current is represented by (i L / 2), and the converted excitation current is represented by (i Lm / 2).
That is, when comparing the load current corresponding to the element and the converted excitation current, the currents ½ of the load current i L and the excitation current i Lm are compared with each other, so the load current i L and the excitation current i Lm are compared. Even if they are compared, the judgment of the magnitude relationship is the same. Therefore, FIG. 4 shows the magnitude relationship between the load current i L and the excitation current i Lm .

図4では、負荷電流最小領域において、(a)、(b)、(d)、(e)、(f)の5つのモードを定義する。なお、モード(c)は存在しない。
図5、図6に、各モードにおける負荷電流iLを実線で、励磁電流iLmを破線で示す。また、各電流、電圧の正負を以下のように定義する。
In FIG. 4, five modes (a), (b), (d), (e), and (f) are defined in the minimum load current region. Note that mode (c) does not exist.
5 and 6, the load current i L in each mode is indicated by a solid line, and the excitation current i Lm is indicated by a broken line. Also, the sign of each current and voltage is defined as follows.

負荷電流iLは、トランスの二次センタタップCT2から平滑インダクタ7を経由して二次側スイッチング素子SW3、SW4に向かう方向を正方向とする。
励磁電流iLmは、各図中の破線矢印の向きを正方向とする。
スイッチング素子に流れるSW1電流isw1等は、ドレインからソースに向かう順方向、すなわち図の下向きを正方向とする。負方向の電流は、図の矢印とは反対向き、すなわち図の上向きに流れる。
SW1電圧vsw1、SW3電圧vsw3等は、スイッチング素子のDS間電圧を意味し、図の矢印のように、ソース電位を基準としたときのドレイン電位を正の電圧と定義する。SW2電圧vsw2は、SW1電圧vsw1と相補的な関係にあり、破線で示す。
The load current i L has a positive direction from the secondary center tap CT2 of the transformer to the secondary side switching elements SW3 and SW4 via the smoothing inductor 7.
The exciting current i Lm has a positive direction in the direction of the broken-line arrow in each figure.
For the SW1 current i sw1 and the like flowing through the switching element, the forward direction from the drain to the source, that is, the downward direction in the figure is the positive direction. The current in the negative direction flows in the direction opposite to the arrow in the figure, that is, upward in the figure.
The SW1 voltage v sw1 , SW3 voltage v sw3, etc. mean the DS voltage of the switching element, and as shown by the arrows in the figure, the drain potential with respect to the source potential is defined as a positive voltage. The SW2 voltage v sw2 is complementary to the SW1 voltage v sw1 and is indicated by a broken line.

続いて、各モードについて順に説明する。
モード(a)では、一次側スイッチング素子SW2がオン、スイッチング素子SW1がオフしている。このとき、負荷電流iLが励磁電流iLm以上である通常状態であり、且つ負荷電流iLは次第に増加する。二次側で同期整流を行う構成の場合、破線で示すように二次側スイッチング素子SW3がオンしている。
モード(a)では、一次側に、スイッチング素子SW2を経由して負荷電流iL及び励磁電流iLmが流れる。また、二次側に、スイッチング素子SW3又はダイオードDI3を経由して負荷電流iLが流れる。
Subsequently, each mode will be described in order.
In mode (a), the primary side switching element SW2 is on and the switching element SW1 is off. At this time, the load current i L is in a normal state where the excitation current i Lm is equal to or greater than the excitation current i Lm , and the load current i L gradually increases. In the case of a configuration in which synchronous rectification is performed on the secondary side, the secondary side switching element SW3 is turned on as indicated by a broken line.
In mode (a), the load current i L and the excitation current i Lm flow to the primary side via the switching element SW2. In addition, a load current i L flows through the switching element SW3 or the diode DI3 on the secondary side.

負荷電流最大時刻taに一次側スイッチング素子SW2がオフすると、モード(b)に移行し、負荷電流iLは増加から減少に転じる。モード(b)では、一次側スイッチング素子SW1、SW2はいずれもオフ状態であり、負荷電流iLは、次第に減少するが、励磁電流iLm以上の通常状態の範囲である。
二次側スイッチング素子SW3、SW4により同期整流を行う構成では、モード(b)へ移行したら、SW4がターンオンされる。また、逆転開始時刻tbの前にSW3がターンオフされる。
モード(b)では、負荷電流iL及び励磁電流iLmは、二次側スイッチング素子SW3、SW4又はダイオードDI3、DI4を経由して還流し、一次側には流れない。
When the primary side switching element SW2 is turned off at the maximum load current time ta, the mode shifts to the mode (b), and the load current i L changes from increasing to decreasing. In mode (b), both the primary side switching elements SW1 and SW2 are in the OFF state, and the load current i L gradually decreases, but is in a normal state range equal to or greater than the excitation current i Lm .
In the configuration in which synchronous rectification is performed by the secondary side switching elements SW3 and SW4, SW4 is turned on when the mode (b) is entered. Further, SW3 is turned off before the reverse rotation start time tb.
In mode (b), the load current i L and the excitation current i Lm circulate via the secondary side switching elements SW3 and SW4 or the diodes DI3 and DI4 and do not flow to the primary side.

負荷電流iLが励磁電流iLmと等しくなる逆転開始時刻tbを過ぎると、逆転状態であるモード(d)に移行する。モード(d)への移行時には、一次側スイッチング素子SW1、SW2はいずれもオフのままである。また、二次側で同期整流を行う構成の場合、スイッチング素子SW3は既にオフしている。 When the reverse rotation start time tb when the load current i L becomes equal to the excitation current i Lm is passed, the mode shifts to the reverse mode (d). At the time of shifting to the mode (d), both the primary side switching elements SW1 and SW2 remain off. Further, in the case of a configuration in which synchronous rectification is performed on the secondary side, the switching element SW3 is already turned off.

ここで、図9を参照し、以下の説明で用いる「ダイオード導通不可電流i」、「一次側転流電流ip」及び「二次側残留電流is」の用語について説明する。
図9[A]には、図6のモード(d)の電流経路図を基に、一次側トランス電圧v1及び二次側トランス電圧v2の記号を付記する。一次側トランス電圧v1は、一次コイル32のセンタタップCT1側でない一方端の電位を基準として一次コイル31のセンタタップCT1側でない一方端の電位を表した電圧である。二次側トランス電圧v2は、二次コイル33のセンタタップCT2側でない一方端の電位を基準として二次コイル34のセンタタップCT2側でない一方端の電位を表した電圧である。
Here, the terms “diode conduction impossible current i”, “primary side commutation current i p ”, and “secondary side residual current i s ” used in the following description will be described with reference to FIG. 9.
In FIG. 9A, symbols of the primary transformer voltage v1 and the secondary transformer voltage v2 are added based on the current path diagram of the mode (d) in FIG. The primary-side transformer voltage v1 is a voltage that represents the potential at one end of the primary coil 31 that is not on the center tap CT1 side with reference to the potential at one end of the primary coil 32 that is not on the center tap CT1 side. The secondary-side transformer voltage v2 is a voltage that represents the potential at one end of the secondary coil 33 that is not on the center tap CT2 side, with reference to the potential at one end that is not on the center tap CT2 side of the secondary coil 33.

なお、二次側スイッチング素子SW3、SW4はダイオードDI3、DI4に置き換えてもよい。一次側スイッチング素子SW1、SW2、及び、二次側スイッチング素子SW3、SW4又は二次側ダイオードDI3、DI4は、それぞれ電気的仕様が同等の素子が二つ並列に設けられている構成を前提とする。
図9[B]は、図9[A]、すなわち図6のモード(d)の等価回路を示す回路モデルである。iは素子当負荷電流(iL/2)から換算励磁電流(iLm/2)を減算したダイオード導通不可電流である。ipは一次側転流電流、isは二次側残留電流を示す。
ds1、Cds2、Cds3は、各スイッチング素子のDS間容量である。
The secondary side switching elements SW3 and SW4 may be replaced with diodes DI3 and DI4. The primary side switching elements SW1 and SW2, and the secondary side switching elements SW3 and SW4 or the secondary side diodes DI3 and DI4 are premised on a configuration in which two elements having the same electrical specifications are provided in parallel. .
FIG. 9B is a circuit model showing an equivalent circuit of FIG. 9A, that is, the mode (d) of FIG. i is a diode conduction impossible current obtained by subtracting the converted excitation current (i Lm / 2) from the element load current (i L / 2). i p is the primary side commutation current, i s denotes a secondary residual current.
C ds1, C ds2, C ds3 is a DS capacitance of the switching elements.

二次側の負荷電流iLが励磁電流iLmを下回ると、励磁電流iLmは二次側スイッチング素子SW3のボディダイオードを導通することができなくなる。そのため、素子当負荷電流(iL/2)から換算励磁電流(iLm/2)を減算したダイオード導通不可電流iの内、一次側スイッチング素子経路と二次側スイッチング素子経路のインピーダンス比を乗算した一次側転流電流ipが二次側から一次側に転流する。 When the load current i L of the secondary side falls below the exciting current i Lm, the exciting current i Lm will be unable to conduct the body diode of the secondary-side switching element SW3. Therefore, the diode conduction impossible current i obtained by subtracting the converted excitation current (i Lm / 2) from the element current load current (i L / 2) is multiplied by the impedance ratio of the primary side switching element path and the secondary side switching element path. The primary commutation current i p thus commutated from the secondary side to the primary side.

この一次側転流電流ipは一次側スイッチング素子SW1と並列に存在するコンデンサの電荷をスイッチング素子SW2と並列に存在するコンデンサに充電する方向に流れるため、SW1電流isw1が負となる。転流電流ipが流れることにより、SW1電圧vsw1は次第に低下し、SW2電圧vsw2は次第に増加する。そのため、図4の構成では逆転開始時刻tbにSW1電圧vsw1の電圧降下が開始する。また、ダイオード導通不可電流iから一次側転流電流ipを減算した電流を二次側残留電流isとすると、二次側残留電流isによりSW3電圧に並列に存在するコンデンサを充電するため、二次側スイッチング素子SW3のDS間電圧vsw3は上昇する。 To flow the charge in the capacitor present in parallel with the primary side commutation current i p is the primary side switching element SW1 in the direction to charge the capacitor that exists in parallel with the switching element SW2, SW1 current i sw1 is negative. By commutating current i p flows, SW1 voltage v sw1 decreases gradually, SW2 voltage v sw2 gradually increases. Therefore, in the configuration of FIG. 4, the voltage drop of the SW1 voltage v sw1 starts at the reverse rotation start time tb. Further, when a current obtained by subtracting the primary side commutation current i p from diode conduction allowed current i and the secondary side residual current i s, for charging the capacitor that exists in parallel to SW3 voltage by the secondary-side residual current i s The DS voltage v sw3 of the secondary side switching element SW3 rises.

ゼロ電圧到達時刻tdにSW1電圧vsw1はゼロ電圧まで降下する。
ゼロ電圧到達時刻tdの後の逆転状態の期間であるモード(e)では、SW1、SW2、SW3の電圧は区間Iの定常電圧に達しているため、各SWと並列に存在するコンデンサの充放電電流は流れなくなる。負荷電流iLとの差分に相当する励磁電流iLmは、すべて一次側を流れ、電源Btに回生する。
一次側スイッチング素子SW1のオンオフに関わらず、SW1電圧vsw1がゼロ電圧であるため、トランス20のコイル31には区間IIとは逆向きの電圧が印加される。このため、SW1電流isw1が順方向に増加する。
The SW1 voltage v sw1 drops to zero voltage at the zero voltage arrival time td.
In mode (e), which is the period of the reverse state after the zero voltage arrival time td, the voltages of SW1, SW2, and SW3 have reached the steady voltage of section I, and therefore charging / discharging of the capacitors present in parallel with each SW Current stops flowing. All of the exciting current i Lm corresponding to the difference from the load current i L flows through the primary side and regenerates to the power source Bt.
Regardless of whether the primary side switching element SW1 is turned on or off, the SW1 voltage v sw1 is zero voltage, so that a voltage in the direction opposite to that in the section II is applied to the coil 31 of the transformer 20. For this reason, the SW1 current i sw1 increases in the forward direction.

図1、図2に示すように、スイッチング時間算出部13は、入力電圧vin、出力電圧vout、出力電流iout及び負荷電流iL等の情報を取得し、これらの情報に基づいて、後述する「理論オン時間Ton」及び「理論オフ時間Toff」を算出する。理論オフ時間Toffに誤差が無いと仮定すると、ゼロ電圧到達時刻tdは、理論オフ時間Toffが経過したタイミングに相当する。
スイッチング操作部18は、スイッチング時間算出部13が算出した理論オン時間Ton及び理論オフ時間Toffに基づいて、逆転状態の間、すなわちモード(d)又はモード(e)の期間中に、「次にオンする順番の一次側スイッチング素子」であるSW1をターンオンする。具体的な理論オフ時間Toffの算出構成については後述する。
As shown in FIGS. 1 and 2, the switching time calculation unit 13 acquires information such as the input voltage v in , the output voltage v out , the output current i out and the load current i L , and based on these information, “Theoretical on time Ton” and “theoretical off time Toff” described later are calculated. Assuming that there is no error in the theoretical off time Toff, the zero voltage arrival time td corresponds to the timing at which the theoretical off time Toff has elapsed.
Based on the theoretical on-time Ton and the theoretical off-time Toff calculated by the switching time calculation unit 13, the switching operation unit 18 performs “next” during the reverse rotation state, that is, during the mode (d) or the mode (e). SW1 which is the “primary side switching element in the turn-on order” is turned on. A specific configuration for calculating the theoretical off time Toff will be described later.

好ましくは、スイッチング時間算出部13は、モード(e)の期間未満の「延長時間Taddを理論オフ時間Toffに加算した「調整オフ時間Toff*」を算出する。理論オフ時間Toffの経過タイミングが理想的にゼロ電圧到達時刻tdに一致する場合、調整オフ時間Toff*が経過したタイミングは、モード(e)の期間内となる。
したがって、調整オフ時間Toff*が経過したタイミングでスイッチング操作部18が一次側スイッチング素子SW1をターンオンすることにより、SW1電圧vsw1がゼロ電圧状態での「ゼロ電圧スイッチング」を確実に実現することができる。
Preferably, the switching time calculation unit 13 calculates “adjusted off time Toff * ” obtained by adding the “extension time Tadd” to the theoretical off time Toff, which is less than the mode (e) period. When the elapsed timing of the theoretical off time Toff ideally matches the zero voltage arrival time td, the timing at which the adjusted off time Toff * has elapsed is within the period of the mode (e).
Accordingly, the switching operation unit 18 turns on the primary side switching element SW1 at the timing when the adjustment off time Toff * has elapsed, so that the “zero voltage switching” can be reliably realized when the SW1 voltage v sw1 is in the zero voltage state. it can.

ゼロ電圧到達時刻tdから一次側スイッチング素子SW1がターンオンするまでの期間は、スイッチング素子SW1がオフであるにもかかわらず、オンのときと同様に負荷電流iLが増加するという回路動作が行われる。つまり、この期間は、回路動作上、一次側スイッチング素子Sw1のオン期間と等価であり、この期間内に一次側スイッチング素子SW1をターンオンすればゼロ電圧スイッチングを実現可能であると考えられる。したがって、理論オフ時間Toffに延長時間Taddを加算することにより、スイッチング素子の動作タイミングのずれやばらつきに対してロバスト性を確保することができる。 During the period from the zero voltage arrival time td to when the primary side switching element SW1 is turned on, a circuit operation is performed in which the load current i L increases in the same manner as when the switching element SW1 is off, even though the switching element SW1 is off. . That is, this period is equivalent to the ON period of the primary side switching element Sw1 in circuit operation, and it is considered that zero voltage switching can be realized if the primary side switching element SW1 is turned on within this period. Therefore, by adding the extension time Tadd to the theoretical off-time Toff, it is possible to ensure robustness against deviations and variations in the operation timing of the switching elements.

また、理論オフ時間Toffの算出誤差により、理論オフ時間Toffの経過タイミングがゼロ電圧到達時刻tdからずれる可能性がある場合には、その誤差を考慮して、調整オフ時間Toff*の経過タイミングがモード(e)の期間内となるように、延長時間Taddを適切に設定することが好ましい。
さらに、二次側スイッチング素子SW3のターンオフから一次側スイッチング素子SW1のターンオンまでの時間であるデッドタイムDTは、素子の特性による最小限の時間が確保されるように設定される。
In addition, if there is a possibility that the elapsed timing of the theoretical off time Toff may deviate from the zero voltage arrival time td due to the calculation error of the theoretical off time Toff, the elapsed timing of the adjustment off time Toff * is considered in consideration of the error. It is preferable to set the extension time Tadd appropriately so as to be within the period of the mode (e).
Furthermore, the dead time DT, which is the time from the turn-off of the secondary side switching element SW3 to the turn-on of the primary side switching element SW1, is set so as to ensure a minimum time due to the characteristics of the element.

モード(e)でSW1電流isw1が順方向に増加し、一次側の電源Btに流れる電流値と等しくなる通常状態復帰時刻teを過ぎると、通常状態であるモード(f)に移行する。モード(f)では、一次側スイッチング素子SW1がオン状態で、SW1電流isw1が順方向に流れる。以後、正のSW1電流isw1が次第に増加する。 When the SW1 current i sw1 increases in the forward direction in the mode (e) and the normal state return time te that is equal to the current value flowing through the power source Bt on the primary side is passed, the mode (f) is shifted to the normal state. In mode (f), the primary side switching element SW1 is in the ON state, and the SW1 current i sw1 flows in the forward direction. Thereafter, the positive SW1 current i sw1 gradually increases.

次に、二次側整流素子がスイッチング素子SW3、SW4であり逆転開始時刻tb後に同期整流制御を継続する構成について、負荷電流最小領域における動作を説明する。
二次側スイッチング素子SW3の動作について、上記構成の図4に破線で示す動作では、二次側スイッチング素子SW3は、負荷電流最大時刻taから逆転開始時刻tbまでのモード(b)の間にターンオフされる。
これに対し、図7の構成では、二次側スイッチング素子SW3は、逆転開始時刻tbを過ぎてから継続時間Tcontの間、オン状態が維持され、同期整流を継続する。この継続時間Tcont中の状態を、図4には存在しないモード(c)とする。
Next, the operation in the minimum load current region will be described for the configuration in which the secondary rectifier elements are the switching elements SW3 and SW4 and the synchronous rectification control is continued after the reverse rotation start time tb.
Regarding the operation of the secondary side switching element SW3, in the operation indicated by the broken line in FIG. 4 of the above configuration, the secondary side switching element SW3 is turned off during the mode (b) from the load current maximum time ta to the reverse rotation start time tb. Is done.
On the other hand, in the configuration of FIG. 7, the secondary side switching element SW3 is maintained in the ON state for the duration T cont after the reverse rotation start time tb and continues the synchronous rectification. The state during the duration time T cont is set to a mode (c) that does not exist in FIG.

図8に、同期整流動作におけるモード(a)、(b)、(c)の電流経路を示す。図8のモード(a)及びモード(b)は、図5のモード(a)、モード(b)に対し、電流が二次側スイッチング素子SW3のDS間を通過している点が異なる。そのため、図8では、電流経路を示す矢印がDS間を通るように記載している。
モード(c)で負荷電流iLが励磁電流iLmを下回ったときでも、励磁電流iLmは、オン状態の二次側スイッチング素子SW3のDS間を経由して流れることができる。したがって、モード(c)の電流経路は、モード(b)と同様となる。
FIG. 8 shows current paths in modes (a), (b), and (c) in the synchronous rectification operation. The mode (a) and the mode (b) in FIG. 8 are different from the mode (a) and the mode (b) in FIG. 5 in that the current passes between the DSs of the secondary side switching element SW3. Therefore, in FIG. 8, it has described so that the arrow which shows an electric current path may pass between DS.
Even when the load current i L falls below the excitation current i Lm in the mode (c), the excitation current i Lm can flow through the DS of the secondary-side switching element SW3 in the on state. Therefore, the current path in mode (c) is the same as in mode (b).

逆転開始時刻tbから継続時間Tcontが経過した時点である同期整流停止時刻tcに、二次側スイッチング素子SW3がターンオフされると、励磁電流iLmはスイッチング素子SW3を導通することができなくなる。そのため、素子当負荷電流(iL/2)から換算励磁電流(iLm/2)を減算したダイオード導通不可電流iの内、一次側スイッチング素子経路と二次側スイッチング素子経路とのインピーダンス比を乗算した一次側転流電流ipが二次側から一次側に転流する。そして、モード(d)に移行する。 If the secondary side switching element SW3 is turned off at the synchronous rectification stop time tc when the duration T cont has elapsed from the reverse rotation start time tb, the exciting current i Lm cannot conduct the switching element SW3. Therefore, the impedance ratio between the primary side switching element path and the secondary side switching element path in the diode conduction impossible current i obtained by subtracting the converted excitation current (i Lm / 2) from the element current load current (i L / 2) the primary side commutation current i p multiplied is commutated to the primary side from the secondary side. And it transfers to mode (d).

このように、同期整流制御を継続する構成では、同期整流停止時刻tcからSW1電圧vsw1の電圧降下が開始する。また、電圧降下開始時点でのダイオード導通不可電流iの初期値がゼロでなく、継続時間Tcontに比例して電流初期値が増加する。
モード(d)では、一次側転流電流ipによって、SW1電圧vsw1がスロープ状に降下し、ゼロ電圧到達時刻tdにゼロとなる。また、SW1電圧vsw1が低下する一方で、二次側スイッチング素子SW3の電圧vsw3は上昇する。
As described above, in the configuration in which the synchronous rectification control is continued, the voltage drop of the SW1 voltage v sw1 starts from the synchronous rectification stop time tc. In addition, the initial value of the diode conduction impossible current i at the start of the voltage drop is not zero, and the initial current value increases in proportion to the duration T cont .
In the mode (d), the SW1 voltage v sw1 drops in a slope shape by the primary-side commutation current i p and becomes zero at the zero voltage arrival time td. Further, while the SW1 voltage v sw1 decreases, the voltage v sw3 of the secondary side switching element SW3 increases.

図7における理論オフ時間Toffの経過タイミングとゼロ電圧到達時刻tdとの関係や延長時間Taddの設定、また、モード(e)、(f)での各電流、電圧の変化に関する説明は図4と同様である。また、モード(d)、(e)、(f)での電流経路は、ほぼ図6と同様に示される。厳密には、オン状態の二次側スイッチング素子SW4のDS間を還流電流が通過可能である点が図6と異なるが、全体の動作に影響しないため図示を省略する。   The relationship between the elapsed time of the theoretical off time Toff in FIG. 7 and the zero voltage arrival time td, the setting of the extension time Tadd, and the current and voltage changes in the modes (e) and (f) are described with reference to FIG. It is the same. Further, the current paths in the modes (d), (e), and (f) are shown in the same manner as in FIG. Strictly speaking, it differs from FIG. 6 in that the reflux current can pass between the DSs of the secondary-side switching element SW4 in the on state, but the illustration is omitted because it does not affect the overall operation.

以上のように、本実施形態では、スイッチング時間算出部13が算出した理論オン時間Ton及び理論オフ時間Toffに基づいて、逆転状態の間に、スイッチング操作部18が「次にオンする順番の一次側スイッチング素子」をターンオンすることを特徴とする。これにより、ターンオン損失を低減するための適切なスイッチングタイミングを簡易な構成で決定することができる。
次に、スイッチング時間算出部13の具体的構成を、第1及び第2実施形態として説明する。以下、各実施形態のスイッチング時間算出部の符号を「131、132」とする。
As described above, in the present embodiment, based on the theoretical on-time Ton and the theoretical off-time Toff calculated by the switching time calculation unit 13, the switching operation unit 18 “primary in the next turn-on order” during the reverse rotation state. The "side switching element" is turned on. Thereby, an appropriate switching timing for reducing the turn-on loss can be determined with a simple configuration.
Next, a specific configuration of the switching time calculation unit 13 will be described as the first and second embodiments. Hereinafter, the code | symbol of the switching time calculation part of each embodiment shall be "131,132".

(第1実施形態)
第1実施形態のスイッチング時間算出部131の構成について、図10を参照して説明する。図10(a)に示すように、スイッチング時間算出部131は、Duty制御部14、理論オフ時間算出(図中、「Toff算出」)部151及び調整オフ時間算出(図中、「Toff*算出」)部16を含む。
Duty制御部14は、出力電流iout又は出力電圧voutの少なくとも一方を取得し、これらについてのフィードバック制御により理論オン時間Tonを算出する。出力電流ioutの代わりに負荷電流iLを用いてもよい。
(First embodiment)
The configuration of the switching time calculation unit 131 of the first embodiment will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 10A, the switching time calculation unit 131 includes a duty control unit 14, a theoretical off time calculation (“Toff calculation” in the drawing) 151, and an adjustment off time calculation (“Toff * calculation in the drawing). ]) Part 16 is included.
The duty control unit 14 acquires at least one of the output current i out and the output voltage v out and calculates the theoretical on-time Ton by feedback control on these. A load current i L may be used instead of the output current i out .

ここで、図11を参照し、スイッチング周期Tswが固定値として設定される周知技術のDuty制御について説明する。Duty制御部14は、出力電流iout又は出力電圧voutを目標値に一致させるようにPI制御等により、スイッチング周期Tswに対するオン時間Tonの比率であるDutyを演算し、スイッチング操作部18に出力する。スイッチング操作部18は、Dutyをキャリアと比較し、PWM変調により一次側スイッチング素子SW1、SW2のゲート信号を生成する。オフ時間Toffは、固定値であるスイッチング周期Tswからオン時間Tonを差し引いて算出される。
第1実施形態のスイッチング時間算出部131は、Duty制御部14がDutyを演算し、オン時間Tonの情報として出力する点は、図11の周知技術と同様である。しかし、スイッチング周期Tswは固定値でなく、オン時間Tonに加えてオフ時間Toffについても算出する点が周知技術とは異なる。
Here, with reference to FIG. 11, the well-known duty control in which the switching period Tsw is set as a fixed value will be described. The duty control unit 14 calculates a duty that is a ratio of the on-time Ton to the switching cycle Tsw by PI control or the like so that the output current i out or the output voltage v out matches the target value, and outputs the duty to the switching operation unit 18. To do. The switching operation unit 18 compares the duty with the carrier and generates gate signals of the primary side switching elements SW1 and SW2 by PWM modulation. The off time Toff is calculated by subtracting the on time Ton from the switching period Tsw that is a fixed value.
The switching time calculation unit 131 of the first embodiment is the same as the known technique in FIG. 11 in that the duty control unit 14 calculates the duty and outputs it as information on the on time Ton. However, the switching period Tsw is not a fixed value, and is different from the known technique in that it calculates the off time Toff in addition to the on time Ton.

次に、図3及び図10(b)を参照し、「理論オン時間Ton」、「理論オフ時間Toff」を定義する。図10(b)には「素子当負荷電流(iL/2)」を示しているが、本文中、絶対的な電流値を換算励磁電流(iLm/2)と比較して論じる部分以外では、単に「負荷電流iL」と記す。後述の図13、図14においても同様とする。
上述の通り、図3において、一次側スイッチング素子SW1又はSW2のいずれか一方がオンである区間I及び区間IIでは負荷電流iLが増加し、一次側スイッチング素子SW1及びSW2が共にオフである区間IIIでは負荷電流iLが減少する。
図10(b)に示すように、負荷電流iLが理論的に増加する時間を理論オン時間Tonといい、負荷電流iLが理論的に減少する時間を理論オフ時間Toffという。理論オン時間Tonと理論オフ時間Toffとの合計がスイッチング周期Tswである。
Next, with reference to FIG. 3 and FIG. 10B, “theoretical on time Ton” and “theoretical off time Toff” are defined. FIG. 10B shows the “element current load current (i L / 2)”, but the part other than the part discussed in the text by comparing the absolute current value with the converted excitation current (i Lm / 2). Here, it is simply written as “load current i L ”. The same applies to FIGS. 13 and 14 described later.
As described above, in FIG. 3, the load current i L increases in the section I and the section II in which either the primary side switching element SW1 or SW2 is on, and the primary side switching elements SW1 and SW2 are both off. In III, the load current i L decreases.
As shown in FIG. 10B, the time when the load current i L theoretically increases is called a theoretical on-time Ton, and the time when the load current i L theoretically decreases is called a theoretical off-time Toff. The sum of the theoretical on-time Ton and the theoretical off-time Toff is the switching period Tsw.

スイッチング周期Tswは、図3における区間I又は区間IIと区間IIIとの合計に相当する。つまり、ここで定義するスイッチング周期Tswは、一次側スイッチング素子SW1、SW2の個々についてのオン/オフ周期ではなく、「いずれか一方の一次側スイッチング素子のオン時間」と、「全ての一次側スイッチング素子が共にオフする時間」との合計である。   The switching period Tsw corresponds to the sum of the section I or the section II and the section III in FIG. That is, the switching cycle Tsw defined here is not the ON / OFF cycle of each of the primary side switching elements SW1 and SW2, but “the ON time of one of the primary side switching elements” and “all the primary side switching elements. It is the total of “the time when both elements are turned off”.

また、本実施形態では、算出した理論オフ時間Toffをそのまま出力するのでなく、さらに延長時間Taddを加算した調整オフ時間Toff*を出力することが好ましい。そこで、この調整オフ時間Toff*と区別するため、理論的に算出されるオフ時間に、接頭語として「理論」を付す。また、「理論オフ時間Toff」とのバランスを考慮し、理論的に算出されるオン時間についても「理論オン時間Ton」という。 In the present embodiment, it is preferable to output the adjusted off time Toff * obtained by adding the extended time Tadd, instead of outputting the calculated theoretical off time Toff as it is. Therefore, in order to distinguish from this adjusted off time Toff * , “theory” is added as a prefix to the theoretically calculated off time. In consideration of the balance with the “theoretical off time Toff”, the theoretically calculated on time is also referred to as “theoretical on time Ton”.

理論オン時間Tonにおける負荷電流iLの増加量Δi、及び、理論オフ時間Toffにおける負荷電流iLの減少量Δiは、入力電圧vin、出力電圧vout、及び平滑インダクタ7のインダクタンスLを用いて、式(1.1)、(1.2)で表される。

Figure 0006565770
The increase amount Δi of the load current i L during the theoretical on-time Ton and the decrease amount Δi of the load current i L during the theoretical off-time Toff use the input voltage v in , the output voltage v out , and the inductance L of the smoothing inductor 7. And expressed by the equations (1.1) and (1.2).
Figure 0006565770

この部分の説明では、負荷電流iLについて、「素子当負荷電流(iL/2)」と記す。一次側スイッチング素子SW1又はSW2がオフし、増加から減少に転じるタイミングでの素子当負荷電流(iL/2)の山値を初期値とすると、素子当負荷電流(iL/2)の変化量Δiは、素子当負荷電流(iL/2)の初期値と換算励磁電流(iLM/2)との差に等しい。すなわち、トランスの巻数比が1:Nの場合、式(2.1)が成り立つ。なお、本文中では、N=1として記載する。
また、式(1.2)と式(2.1)とから式(2.2)が得られる。

Figure 0006565770
In the description of this part, the load current i L is described as “element load current (i L / 2)”. When the peak value of the element current load current (i L / 2) at the timing when the primary side switching element SW1 or SW2 is turned off and starts to decrease is assumed to be the initial value, the element current load current (i L / 2) changes. The amount Δi is equal to the difference between the initial value of the element current load current (i L / 2) and the converted excitation current (i LM / 2). That is, when the transformer turns ratio is 1: N, Equation (2.1) is established. In the text, N = 1 is described.
Moreover, Formula (2.2) is obtained from Formula (1.2) and Formula (2.1).
Figure 0006565770

第1実施形態の理論オフ時間算出部151は、式(2.2)を用いて、素子当負荷電流(iL/2)が初期値から、換算励磁電流(iLM/2)より小さくなるまでの時間を理論オフ時間Toffとして算出する。
このとき、理論オフ時間算出部151は、Duty制御部14の情報として既に検出されている負荷電流iL及び出力電圧voutを重ねて取得する。ただし、励磁電流iLMについては検出が容易でないため、回路定数等を用いて推定された推定値を用いてもよい。
The theoretical off time calculation unit 151 of the first embodiment uses the equation (2.2) to reduce the element load current (i L / 2) from the initial value to the converted excitation current (i LM / 2). Is calculated as the theoretical off time Toff.
At this time, the theoretical off-time calculation unit 151 obtains the load current i L and the output voltage v out that are already detected as information of the duty control unit 14 in an overlapping manner. However, since it is not easy to detect the excitation current i LM , an estimated value estimated using a circuit constant or the like may be used.

続いて、調整オフ時間算出部16は、式(3)により、理論オフ時間Toffに延長時間Taddを加算した調整オフ時間Toff*を算出し、スイッチング操作部18に出力する。この技術的意義については、第2実施形態で一緒に説明する。

Figure 0006565770
Subsequently, the adjustment off-time calculating unit 16 calculates an adjustment off-time Toff * obtained by adding the extension time Tadd to the theoretical off-time Toff by the equation (3), and outputs it to the switching operation unit 18. This technical significance will be described together in the second embodiment.
Figure 0006565770

こうして、スイッチング時間算出部131からスイッチング操作部18に対し、理論オン時間Ton及び調整オフ時間Toff*が出力される。なお、スイッチング時間算出部131は、理論オン時間Tonと調整オフ時間Toff*とを加算してスイッチング周期Tswを算出し、このスイッチング周期Tswと理論オン時間Tonとをスイッチング操作部18に出力するようにしてもよい。 Thus, the theoretical time ON Ton and the adjustment OFF time Toff * are output from the switching time calculator 131 to the switching operation unit 18. The switching time calculation unit 131 calculates the switching cycle Tsw by adding the theoretical on-time Ton and the adjustment off-time Toff *, and outputs the switching cycle Tsw and the theoretical on-time Ton to the switching operation unit 18. It may be.

(第2実施形態)
第2実施形態のスイッチング時間算出部132の構成について、図12を参照して説明する。スイッチング時間算出部132は、第1実施形態の理論オフ時間算出部151とは異なる構成の理論オフ時間算出部152を有している。また、Duty制御部14が算出した理論オン時間Tonは、スイッチング操作部18に直接出力されると共に、理論オフ時間算出部152にも出力される。
(Second Embodiment)
The configuration of the switching time calculation unit 132 of the second embodiment will be described with reference to FIG. The switching time calculation unit 132 includes a theoretical off time calculation unit 152 having a configuration different from that of the theoretical off time calculation unit 151 of the first embodiment. Further, the theoretical on-time Ton calculated by the duty control unit 14 is directly output to the switching operation unit 18 and is also output to the theoretical off-time calculation unit 152.

上述の式(1.1)、(1.2)より、式(4)が得られる。第2実施形態の理論オフ時間算出部152は、理論オン時間Ton、入力電圧vin及び出力電圧voutを取得し、式(4)を用いて、理論オフ時間Toffを算出する。

Figure 0006565770
From the above equations (1.1) and (1.2), equation (4) is obtained. Theory off time calculator 152 of the second embodiment obtains the theoretical ON time Ton, the input voltage v in and the output voltage v out, using Equation (4) to calculate the theoretical off time Toff.
Figure 0006565770

第1実施形態と同様に、調整オフ時間算出部16は、理論オフ時間Toffに延長時間Taddを加算して調整オフ時間Toff*を算出する。そして、スイッチング時間算出部132は、理論オン時間Ton及び調整オフ時間Toff*をスイッチング操作部18に対して出力する。 As in the first embodiment, the adjustment off time calculation unit 16 calculates the adjustment off time Toff * by adding the extension time Tadd to the theoretical off time Toff. Then, the switching time calculation unit 132 outputs the theoretical on time Ton and the adjustment off time Toff * to the switching operation unit 18.

次に、延長時間Taddの技術的意義について、図13、図14を参照して説明する。
図13に示すように、延長時間Taddを設定しない場合、定常状態ではスイッチング周期Tswが一定となり、負荷電流iLの谷値及び山値は同じ値を繰り返す。このとき、基本的に「素子当負荷電流(iL/2)>換算励磁電流(iLm/2)」の領域での動作となり、逆転状態は発生しない。
Next, the technical significance of the extended time Tadd will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 13, when the extension time Tadd is not set, the switching cycle Tsw is constant in the steady state, and the valley value and the peak value of the load current i L repeat the same value. At this time, the operation is basically performed in the region of “element current load current (i L / 2)> converted excitation current (i Lm / 2)”, and the reverse rotation state does not occur.

これに対し、延長時間Taddを設定した場合の挙動を図14に示す。
(a)に示す「素子当負荷電流(iL/2)>換算励磁電流(iLm/2)」の条件下では、理論オフ時間Toffより長い調整オフ時間Toff*を用いるため、オフ時間の負荷電流減少量Δi(Toff)がオン時間の増加量Δi(Ton)よりも大きくなる。その結果、素子当負荷電流(iL/2)の谷値及び山値は次第に低下する。
In contrast, FIG. 14 shows the behavior when the extension time Tadd is set.
Under the condition of “element current load current (i L / 2)> converted excitation current (i Lm / 2)” shown in (a), the adjustment off time Toff * longer than the theoretical off time Toff is used. The load current decrease amount Δi (Toff) is larger than the ON time increase amount Δi (Ton). As a result, the trough value and peak value of the element current load current (i L / 2) gradually decrease.

素子当負荷電流(iL/2)の谷値が換算励磁電流(iLm/2)を下回った後、(b)に示すように、「素子当負荷電流(iL/2)<換算励磁電流(iLm/2)」の条件中、すなわち逆転状態中にスイッチング素子SW1、SW2をオンする。
すると、Duty制御部14による出力電流iout又は出力電圧voutのフィードバック制御により理論オン時間Tonが増加する。また、理論オン時間Tonの増加に伴い、式(4)により理論オフ時間算出部152が算出する理論オフ時間Toffも増加する。したがって、スイッチング周期Tswが可変となる。
After the valley value of the element load current (i L / 2) falls below the converted excitation current (i Lm / 2), as shown in (b), “element load current (i L / 2) <converted excitation The switching elements SW1 and SW2 are turned on during the condition of “current (i Lm / 2)”, that is, during the reverse rotation state.
Then, the theoretical on-time Ton is increased by the feedback control of the output current i out or the output voltage v out by the duty control unit 14. Further, as the theoretical on-time Ton increases, the theoretical off-time Toff calculated by the theoretical off-time calculator 152 according to Equation (4) also increases. Therefore, the switching cycle Tsw is variable.

その結果、各周期でのオン時間の増加量Δi(Ton)とオフ時間の負荷電流減少量Δi(Toff)とが等しくなり、動作が安定する。
つまり、スイッチング操作部18が、毎周期、延長時間Taddが加算された調整オフ時間Toff*が経過した時に、次にオンする順番の一次側スイッチング素子をターンオンすることにより、逆転状態でのターンオンを安定して行うことができる。
As a result, the increase amount Δi (Ton) of the on time in each cycle becomes equal to the load current decrease amount Δi (Toff) of the off time, and the operation is stabilized.
In other words, the switching operation unit 18 turns on the primary side switching element in the turn-on order when the adjustment off time Toff * in which the extension time Tadd is added every cycle has elapsed, thereby turning on in the reverse state. It can be performed stably.

また、図4、図7を参照すると、理論オフ時間Toffが経過したタイミングは、モード(d)からモード(e)に移行するゼロ電圧到達時刻tdに相当する。ただし、現実には、理論オフ時間Toffの誤差を考慮すると、理論オフ時間Toffが経過したタイミングは、逆転状態であるモード(d)又はモード(e)に含まれると考えられる。
スイッチング操作部18がモード(d)で一次側スイッチング素子SW1をターンオンする場合には、SW1電圧vsw1が0まで下がっていないため、ゼロ電圧スイッチングは実現されない。
4 and 7, the timing at which the theoretical off time Toff has elapsed corresponds to the zero voltage arrival time td at which the mode (d) shifts to the mode (e). However, in reality, when the error of the theoretical off time Toff is taken into consideration, it is considered that the timing at which the theoretical off time Toff has elapsed is included in the mode (d) or the mode (e) in the reverse state.
When the switching operation unit 18 turns on the primary side switching element SW1 in the mode (d), the zero voltage switching is not realized because the SW1 voltage v sw1 is not lowered to 0.

そこで、理論オフ時間Toffに対して想定される誤差以上の延長時間Taddを理論オフ時間Toffに加算すると、調整オフ時間Toff*が経過したタイミングは、ゼロ電圧到達時刻tdよりも後になる。さらに、調整オフ時間Toff*の経過時が通常状態復帰時刻teを超えないように延長時間Taddを設定することにより、一次側スイッチング素子SW1は、必ずモード(e)でターンオンする。したがって、ゼロ電圧スイッチングを確実に実現することができる。
なお、第1実施形態で延長時間Taddを設定する場合、理論オン時間Tonの増加に伴って理論オフ時間Toffが増加するという作用は発生しない。しかし、理論オフ時間Toffの誤差によりターンオンタイミングがゼロ電圧到達時刻tdよりも前になることを回避することができる点では、第2実施形態と同様の効果が得られる。
Therefore, when the extension time Tadd that is equal to or greater than the error assumed for the theoretical off time Toff is added to the theoretical off time Toff, the timing at which the adjustment off time Toff * has elapsed is later than the zero voltage arrival time td. Further, by setting the extension time Tadd so that the adjustment off time Toff * does not exceed the normal state return time te, the primary side switching element SW1 is always turned on in the mode (e). Therefore, zero voltage switching can be realized with certainty.
Note that when the extension time Tadd is set in the first embodiment, there is no effect that the theoretical off time Toff increases as the theoretical on time Ton increases. However, the same effect as in the second embodiment can be obtained in that the turn-on timing can be prevented from being earlier than the zero voltage arrival time td due to an error in the theoretical off time Toff.

(効果)
上記第1、第2実施形態を含む本実施形態の効果について記載する。ここでは、一次側スイッチング素子SW1をターンオンする場合を例として記載する。
(1)スイッチング操作部18は、スイッチング時間算出部131、132が算出した理論オン時間Ton及び理論オフ時間Toffに基づいて、逆転状態の間に一次側スイッチング素子SW1をターンオンする。理論オフ時間Toffの誤差を考慮したとしても、一次側スイッチング素子SW1は、少なくとも、逆転状態であるモード(d)又はモード(e)でターンオンすることになる。
(effect)
The effects of this embodiment including the first and second embodiments will be described. Here, a case where the primary side switching element SW1 is turned on will be described as an example.
(1) The switching operation unit 18 turns on the primary side switching element SW1 during the reverse rotation state based on the theoretical on-time Ton and the theoretical off-time Toff calculated by the switching time calculation units 131 and 132. Even if the error of the theoretical off time Toff is taken into consideration, the primary side switching element SW1 is turned on at least in the mode (d) or the mode (e) in the reverse rotation state.

まず、モード(d)で一次側スイッチング素子SW1をターンオンする場合でも、SW1電圧vsw1が低下し始めた後にターンオンするため、モード(b)又はモード(c)の期間中にターンオンする場合に比べ、ターンオン損失を低減することができる。また、ゼロ電圧到達時刻td以後のモード(e)で一次側スイッチング素子SW1をターンオンする場合、ゼロ電圧スイッチングを実現することができ、ターンオン損失を特に低減することができる。
このように、本実施形態では、特許文献1のように補助スイッチ等を設けることなく、励磁電流iLmの転流作用を利用した簡易な構成で、一次側スイッチング素子SW1のターンオン損失を低減することができる。
First, even when the primary side switching element SW1 is turned on in the mode (d), it is turned on after the SW1 voltage v sw1 starts to decrease, so that it is compared with the case where the primary side switching element SW1 is turned on during the period of the mode (b) or mode (c). , Turn-on loss can be reduced. Further, when the primary side switching element SW1 is turned on in the mode (e) after the zero voltage arrival time td, zero voltage switching can be realized, and the turn-on loss can be particularly reduced.
Thus, in the present embodiment, the turn-on loss of the primary side switching element SW1 is reduced with a simple configuration using the commutation action of the excitation current i Lm without providing an auxiliary switch or the like as in Patent Document 1. be able to.

(2)さらに本実施形態では、スイッチング時間算出部131、132が理論オフ時間Toffに延長時間Taddを加算した調整オフ時間Toff*を算出し、スイッチング操作部18は、調整オフ時間Toff*が経過した時に一次側スイッチング素子SW1をターンオンする。延長時間Taddを適切に設定することにより、ゼロ電圧スイッチングを確実に実現することができる。したがって、スイッチング素子の動作タイミングのずれやばらつきに対してロバスト性を確保することができる。 (2) Further, in the present embodiment, the switching time calculation units 131 and 132 calculate the adjustment off time Toff * obtained by adding the extension time Tadd to the theoretical off time Toff, and the switching operation unit 18 passes the adjustment off time Toff *. When this occurs, the primary side switching element SW1 is turned on. By appropriately setting the extension time Tadd, zero voltage switching can be reliably realized. Therefore, robustness can be ensured with respect to deviations and variations in the operation timing of the switching elements.

また、第2実施形態では、延長時間Taddを設定した結果、出力電流iout又は出力電圧voutのフィードバック制御による理論オン時間Tonの増加に伴って、理論オフ時間算出部152が算出する理論オフ時間Toffが増加する。これにより、各周期でのオン時間の増加量Δi(Ton)とオフ時間の負荷電流減少量Δi(Toff)とが等しくなり、動作が安定する。 In the second embodiment, as a result of setting the extension time Tadd, the theoretical off time calculating unit 152 calculates the theoretical off time 152 as the theoretical on time Ton increases due to feedback control of the output current i out or the output voltage v out. Time Toff increases. As a result, the increase amount Δi (Ton) of the on-time in each cycle becomes equal to the load current decrease amount Δi (Toff) of the off-time, and the operation is stabilized.

図15、図16を参照し、通常の連続モード及びゼロ電圧スイッチングモードでプッシュプル型DC/DCコンバータを動作させたときの挙動を比較する。各図において横軸、縦軸の目盛数値は記載しない。ただし、(a)連続モードと(b)ゼロ電圧スイッチングモードとのスケールは同一であるものとする。
図15に、一次側スイッチング素子SW1のDS間電圧vsw1及び電流isw1を示す。比較例の連続モードでは、DS間電圧vsw1が0まで下がらないうちにSW1をターンオンして電流isw1を流すため、電流isw1と電圧vsw1との積によるターンオン損失が発生する。これに対し、ゼロ電圧スイッチングモードでは、DS間電圧vsw1が0まで下がってからSW1をターンオンするため、ターンオン損失を0にすることができる。
Referring to FIG. 15 and FIG. 16, the behavior when the push-pull type DC / DC converter is operated in the normal continuous mode and the zero voltage switching mode will be compared. In each figure, scale values on the horizontal and vertical axes are not shown. However, the scale of (a) continuous mode and (b) zero voltage switching mode shall be the same.
FIG. 15 shows the DS voltage v sw1 and current i sw1 of the primary side switching element SW1. In the continuous mode of the comparative example, the SW1 is turned on and the current i sw1 flows before the DS voltage v sw1 decreases to 0, so that a turn-on loss occurs due to the product of the current i sw1 and the voltage v sw1 . In contrast, in the zero voltage switching mode, the SW1 is turned on after the inter-DS voltage v sw1 drops to 0, so that the turn-on loss can be reduced to zero.

図16に、一次側スイッチング素子SW1及び二次側スイッチング素子SW3のDS間電圧vsw1、vsw3を示す。比較例の連続モードでは、一次側スイッチング素子SW1の電圧降下速度(dvsw1/dt)が比較的大きく、二次側スイッチング素子SW3のサージ電圧が大きくなる。これに対し、ゼロ電圧スイッチングモードでは、一次側スイッチング素子SW1の電圧降下速度(dvsw1/dt)を低減し、二次側スイッチング素子SW3のサージ電圧を小さくすることができる。 FIG. 16 shows inter-DS voltages v sw1 and v sw3 of the primary side switching element SW1 and the secondary side switching element SW3. In the continuous mode of the comparative example, the voltage drop rate (dv sw1 / dt) of the primary side switching element SW1 is relatively large, and the surge voltage of the secondary side switching element SW3 becomes large. On the other hand, in the zero voltage switching mode, the voltage drop rate (dv sw1 / dt) of the primary side switching element SW1 can be reduced, and the surge voltage of the secondary side switching element SW3 can be reduced.

(3)第1、第2実施形態のスイッチング時間算出部131、132が理論オフ時間Toffの算出に用いる各情報は、プッシュプル型DC/DCコンバータ101、102の基本的な動作を制御するために元々必要な情報である。したがって、これらの情報により算出された理論オフ時間に基づいて逆転状態を判定することにより、検出専用のセンサを追加する必要がなく、また、センサ精度の影響を考慮する必要もなくなる。
特に第2実施形態では、第1実施形態のように励磁電流iLmを推定する必要がないため、より精度良く理論オフ時間Toffを算出することができる。
(3) The information used by the switching time calculation units 131 and 132 of the first and second embodiments for calculating the theoretical off time Toff is for controlling the basic operation of the push-pull DC / DC converters 101 and 102. It is necessary information originally. Therefore, by determining the reverse rotation state based on the theoretical off time calculated based on these pieces of information, it is not necessary to add a sensor dedicated to detection, and it is not necessary to consider the influence of sensor accuracy.
In particular, in the second embodiment, since it is not necessary to estimate the excitation current i Lm as in the first embodiment, the theoretical off time Toff can be calculated with higher accuracy.

(その他の実施形態)
上記実施形態では、ゼロ電圧スイッチングを確実に実現するため、スイッチング操作部18は、理論オフ時間Toffに延長時間Taddを加算した調整オフ時間Toff*が経過した時、一次側スイッチング素子SW1をターンオンする。しかし、例えば、理論オフ時間Toffの終期における負荷電流ILが常にゼロとなるようにDutyを調整するプログラムを構築し、延長時間Taddを加算することなく、理論オフ時間Toffが経過した時、一次側スイッチング素子SW1をターンオンするようにしてもよい。
(Other embodiments)
In the above embodiment, in order to reliably realize zero voltage switching, the switching operation unit 18 turns on the primary-side switching element SW1 when the adjustment off time Toff * obtained by adding the extension time Tadd to the theoretical off time Toff has elapsed. . However, for example, when a program for adjusting the duty so that the load current IL at the end of the theoretical off time Toff is always zero is constructed, and the theoretical off time Toff has passed without adding the extension time Tadd, the primary side The switching element SW1 may be turned on.

第1実施形態では、式(1.2)と式(2.1)とから得られる式(2.2)により、素子当負荷電流(iL/2)、換算励磁電流(iLm/2)、及び出力電圧Voutに基づいて、理論オフ時間Toffを算出する。これと同様に、式(1.1)と式(2.1)とから得られる式(5)により、理論オン時間Tonを算出してもよい。

Figure 0006565770
In the first embodiment, the element current load current (i L / 2) and the converted excitation current (i Lm / 2) are obtained by the expression (2.2) obtained from the expressions (1.2) and (2.1). ), And the theoretical off time Toff is calculated based on the output voltage Vout . Similarly, the theoretical on-time Ton may be calculated from the equation (5) obtained from the equations (1.1) and (2.1).
Figure 0006565770

上記では、二次側整流素子が二つ並列接続された構成においてトランス一次側と二次側との巻線比が1:1の場合について説明しているため、全励磁電流iLmを1とすると、二次側整流素子一つ当たりに流れる換算励磁電流は(iLm/2)となる。
これに対し、二次側整流素子が二つ並列接続され、巻線比が1:Nの場合、換算励磁電流は(iLm/2N)となる。また、一般に二次側整流素子がM個並列接続された構成では、換算励磁電流は(1/(M×N))となる。
In the above description, since the winding ratio between the transformer primary side and the secondary side is 1: 1 in a configuration in which two secondary side rectifying elements are connected in parallel, the total excitation current i Lm is set to 1. Then, the converted excitation current flowing per secondary side rectifier element is (i Lm / 2).
On the other hand, when two secondary rectifying elements are connected in parallel and the winding ratio is 1: N, the converted excitation current is (i Lm / 2N). In general, in a configuration in which M secondary side rectifying elements are connected in parallel, the converted excitation current is (1 / (M × N)).

図4、図7のタイムチャートでは、負荷電流iL及び励磁電流iLmの符号を反転することなく直接比較できるように、正負方向を設定している。ただし、電流方向の定義によっては、適宜、符号を反転して比較することが必要となる場合もある。一般化して言うと、「通常状態」及び「逆転状態」の判定は、「素子当負荷電流の絶対値」と「換算励磁電流の絶対値」との比較に基づいて行われるものである。 In the time charts of FIGS. 4 and 7, the positive and negative directions are set so that the load current i L and the excitation current i Lm can be directly compared without reversing the signs. However, depending on the definition of the current direction, it may be necessary to invert the sign as appropriate for comparison. Generally speaking, the determination of “normal state” and “reversed state” is performed based on a comparison between “absolute value of element load current” and “absolute value of converted excitation current”.

本発明において、電源Btや負荷Ldの具体的な種類、或いは、入力電圧vin、出力電圧voutの具体的な数値範囲は問わない。
以上、本発明は、上記実施形態になんら限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施可能である。
In the present invention, the specific types of the power source Bt and the load Ld or the specific numerical ranges of the input voltage v in and the output voltage v out are not limited.
As mentioned above, this invention is not limited to the said embodiment at all, In the range which does not deviate from the meaning of invention, it can implement with a various form.

101、102・・・プッシュプル型DC/DCコンバータ、
13(131、132)・・・スイッチング時間算出部、
18・・・スイッチング操作部、
20・・・トランス、
31、32・・・一次コイル、
33、34・・・二次コイル
7 ・・・平滑インダクタ、
SW1、SW2・・・一次側スイッチング素子、
DI3、DI4・・・ダイオード(二次側整流素子)、
SW3、SW4・・・二次側スイッチング素子(二次側整流素子)。
101, 102... Push-pull type DC / DC converter,
13 (131, 132) ... switching time calculation unit,
18 ... switching operation part,
20 ... Transformer,
31, 32 ... primary coil,
33, 34 ... secondary coil 7 ... smoothing inductor,
SW1, SW2 ... primary side switching elements,
DI3, DI4 ... Diode (secondary rectifier),
SW3, SW4... Secondary side switching element (secondary side rectifying element).

Claims (3)

電源(Bt)及び負荷(Ld)の間に接続され直流電力を変換するプッシュプル型DC/DCコンバータであって、
トランス(20)の励磁インダクタを構成する複数の一次コイル(31、32)、及び複数の二次コイル(33、34)と、
前記複数の一次コイルと前記電源との間に接続され、且つ還流ダイオードが並列に接続されており、交互に動作する複数の一次側スイッチング素子(SW1、SW2)と、
前記複数の二次コイルに接続され、前記二次コイルに流れる電流を整流可能な複数の二次側整流素子(DI3、DI4、SW3、SW4)と、
前記二次側整流素子と前記負荷との間に接続される平滑インダクタ(7)と、
いずれかの前記一次側スイッチング素子がターンオンし前記負荷及び前記平滑インダクタに流れる負荷電流(i)が理論的に増加する時間である理論オン時間(Ton)、及び、すべての前記一次側スイッチング素子がターンオフし前記負荷電流が理論的に減少する時間である理論オフ時間(Toff)を算出するスイッチング時間算出部(13)と、
前記スイッチング時間算出部が算出した前記理論オン時間及び前記理論オフ時間に基づいて前記一次側スイッチング素子を操作し、前記二次側整流素子がスイッチング素子の場合にさらに二次側スイッチング素子を操作するスイッチング操作部(18)と、
を備え、
前記一次側スイッチング素子がすべてオフ時の前記負荷電流が前記二次側整流素子を還流する期間において、前記二次側整流素子一つ当たりに還流する前記負荷電流を素子当負荷電流(i/2)とし、前記トランスの励磁インダクタに流れる励磁電流について、前記二次側整流素子一つ当たりに流れる電流に換算した励磁電流を換算励磁電流(iLm/2N)とすると、
前記スイッチング操作部は、
前記素子当負荷電流の絶対値が前記換算励磁電流の絶対値以上である通常状態から、前記素子当負荷電流の絶対値が前記換算励磁電流の絶対値を下回る逆転状態に移行した後、当該逆転状態の間に、次にオンする順番の前記一次側スイッチング素子をターンオンし、
前記理論オフ時間をToff、前記素子当負荷電流の山値を(i /2)、前記トランスの一次側と二次側との巻線比が1:Nの構成において前記一次側スイッチング素子がすべてオフ時の前記換算励磁電流を(i Lm /2N)、前記一次側スイッチング素子がすべてオフ時に前記負荷に出力される出力電圧をv out 、前記平滑インダクタのインダクタンスをLと表すと、
前記スイッチング時間算出部は、下式により前記理論オフ時間を算出するプッシュプル型DC/DCコンバータ。
Figure 0006565770
A push-pull type DC / DC converter connected between a power source (Bt) and a load (Ld) for converting DC power,
A plurality of primary coils (31, 32) and a plurality of secondary coils (33, 34) constituting an exciting inductor of the transformer (20);
A plurality of primary-side switching elements (SW1, SW2) connected between the plurality of primary coils and the power source and connected in parallel with freewheeling diodes;
A plurality of secondary side rectifier elements (DI3, DI4, SW3, SW4) connected to the plurality of secondary coils and capable of rectifying the current flowing through the secondary coil;
A smoothing inductor (7) connected between the secondary-side rectifying element and the load;
A theoretical on-time (Ton) in which any of the primary-side switching elements is turned on and a load current (i L ) flowing through the load and the smoothing inductor is theoretically increased; and all the primary-side switching elements A switching time calculation unit (13) for calculating a theoretical off time (Toff), which is a time during which the load current is theoretically reduced after turning off,
The primary side switching element is operated based on the theoretical on time and the theoretical off time calculated by the switching time calculation unit, and the secondary side switching element is further operated when the secondary side rectifying element is a switching element. A switching operation unit (18);
With
In the period when the load current when all of the primary side switching elements are off flows back through the secondary side rectifier element, the load current that flows back per one secondary side rectifier element is expressed as the element current load current (i L / 2), and the excitation current converted to the current flowing per one of the secondary side rectifiers is the converted excitation current (i Lm / 2N).
The switching operation unit is
After a transition from a normal state where the absolute value of the element current load current is greater than or equal to the absolute value of the converted excitation current to a reverse state where the absolute value of the element current load current is lower than the absolute value of the converted excitation current, the reverse rotation During the state, turn on the primary-side switching elements in the next turn-on order ,
In the configuration in which the theoretical off time is Toff, the peak value of the element load current is (i L / 2), and the winding ratio between the primary side and the secondary side of the transformer is 1: N, the primary side switching element is The converted excitation current when all are off is expressed as (i Lm / 2N), the output voltage output to the load when all the primary side switching elements are off is expressed as v out , and the inductance of the smoothing inductor is expressed as L.
The switching time calculation unit is a push-pull DC / DC converter that calculates the theoretical off-time according to the following equation .
Figure 0006565770
前記スイッチング操作部は、
前記一次側スイッチング素子のドレイン−ソース間電圧が降下しゼロ電圧に到達した後、次にオンする順番の前記一次側スイッチング素子をターンオンする請求項に記載のプッシュプル型DC/DCコンバータ。
The switching operation unit is
2. The push-pull DC / DC converter according to claim 1 , wherein after the drain-source voltage of the primary side switching element drops and reaches zero voltage, the primary side switching elements in the turn-on order are turned on.
前記スイッチング時間算出部は、前記理論オフ時間に所定の延長時間(Tadd)を加算した調整オフ時間(Toff)をさらに算出し、
前記スイッチング操作部は、
前記調整オフ時間が経過した時、次にオンする順番の前記一次側スイッチング素子をターンオンする請求項に記載のプッシュプル型DC/DCコンバータ。
The switching time calculation unit further calculates an adjustment off time (Toff * ) obtained by adding a predetermined extension time (Tadd) to the theoretical off time,
The switching operation unit is
3. The push-pull DC / DC converter according to claim 2 , wherein when the adjustment off time has elapsed, the primary side switching elements in the turn-on order are turned on.
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