JP6865985B1 - Resonance isolated DC-DC converter - Google Patents

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Abstract

【課題】共振動作が負荷電流に応じた大きさで共振電流を流すことができ、共振電流が零の時点で、スイッチのオン、オフ制御ができるため、スイッチング損失及びスイッチングノイズの低減ができる共振絶縁形DC−DCコンバータを提供する。【解決手段】直流電圧源100に対し、電圧形方形波インバータ210と絶縁形変圧器220と整流回路230、LC共振回路250及びLCフィルタ回路260で構成される共振絶縁形DC−DCコンバータ回路200であって、直流スイッチ回路を加え方形波電圧の整流出力に対して共振回路の共振周期幅に依存する一定の期間幅の電圧波形を共振回路に加えるか、インバータ単独で正負対称性を保ちながら同様の期間幅の電圧波形を共振回路に加えるとともに、スイッチング周期を変える。【効果】変圧器の偏磁を防ぎながら電流回路損失の少ない零電流スイッチング動作のもとで直流出力電圧を連続的に制御することができる。【選択図】図8PROBLEM TO BE SOLVED: To reduce switching loss and switching noise because a resonance current can flow in a resonance operation having a magnitude corresponding to a load current and a switch can be turned on and off at a time when the resonance current is zero. An isolated DC-DC converter is provided. SOLUTION: A resonant isolated DC-DC converter circuit 200 composed of a voltage square wave inverter 210, an insulated transformer 220, a rectifying circuit 230, an LC resonance circuit 250 and an LC filter circuit 260 with respect to a DC voltage source 100. Therefore, a DC switch circuit is added and a voltage waveform with a certain period width that depends on the resonance period width of the resonance circuit is added to the resonance circuit with respect to the rectified output of the square wave voltage, or the inverter alone maintains positive and negative symmetry. A voltage waveform having the same period width is added to the resonant circuit, and the switching period is changed. [Effect] The DC output voltage can be continuously controlled under a zero-current switching operation with little current circuit loss while preventing demagnetization of the transformer. [Selection diagram] FIG. 8

Description

本発明は、広範な直流出力電圧設定が可能な絶縁形DC-DCコンバータの小型・軽量・高効率化とスイッチングノイズの低減化に貢献する技術である。 The present invention is a technique that contributes to miniaturization, light weight, high efficiency, and reduction of switching noise of an isolated DC-DC converter capable of setting a wide range of DC output voltages.

近年、パワーエレクトロニクス装置の急激な発達と、リチウムイオン電池などの蓄電池の発達普及とも相まって、小型・軽量・高効率の小中容量の様々な出力電圧レベルの直流電源装置から、容量の大きなものでは周波数変換電源やモータドライブ用のインバータの直流電源など幅広い応用分野でDC-DCコンバータの需要が高まってきた。 In recent years, coupled with the rapid development of power electronics equipment and the development and widespread use of storage batteries such as lithium-ion batteries, DC power supply equipment with various output voltage levels of small, lightweight, and highly efficient small and medium capacity can be used with large capacity. Demand for DC-DC converters has increased in a wide range of application fields such as frequency conversion power supplies and DC power supplies for inverters for motor drives.

DC-DCコンバータは、大幅な電圧変換制御が求められる場合、ハードスイッチングによるスイッチングデューティだけで電圧制御を行うと効率が著しく低下するとともに、DC-DCコンバータで直流電源と直流出力間で絶縁がとられていない場合は、適用できる範囲も限定されるなどの課題がある。 When a large voltage conversion control is required for a DC-DC converter, if voltage control is performed only by switching duty by hard switching, the efficiency will be significantly reduced, and the DC-DC converter will be isolated between the DC power supply and the DC output. If not, there is a problem that the applicable range is limited.

このため、変圧器を介在させることで絶縁する装置の一つとして、直流電源を一度交流に変換して、変圧器で必要な電圧出力が得られる電圧に変換した後、整流回路、フィルタ回路を介して直流出力を得る絶縁形DC-DCコンバータが用いられている。 For this reason, as one of the devices that insulate by interposing a transformer, the DC power supply is once converted to AC, converted to a voltage that can obtain the voltage output required by the transformer, and then the rectifier circuit and filter circuit are installed. An isolated DC-DC converter that obtains a DC output via a DC output is used.

この変圧器の小型化軽量化のため、高い周波数の交流電圧が要求されるが、インバータで高周波電圧を発生するとき、流れている電流に関係なくスイッチングするハードスイッチングすると、スイッチング損失やスイッチングノイズなどの課題を生じる。 A high frequency AC voltage is required to reduce the size and weight of this transformer. However, when a high frequency voltage is generated by an inverter, hard switching that switches regardless of the flowing current causes switching loss, switching noise, etc. Causes the problem of.

このため、課題となるハードスイッチング制御する代わりに、電圧あるいは電流が零あるいはこれに近い状態でスイッチングするソフトスイッチング制御を用いた様々なDC-DCコンバータが提案されているが、LC共振作用による振動電流損失の増加や素子耐圧の増加を招くなどの問題があり、その対策として部分共振によるものも提案されているが、回路構成や制御システムが複雑化するなどの傾向にある。
For this reason, various DC-DC converters using soft switching control that switches in a state where the voltage or current is zero or close to zero have been proposed instead of the problematic hard switching control, but vibration due to LC resonance action. There are problems such as an increase in current loss and an increase in element withstand voltage, and partial resonance has been proposed as a countermeasure, but the circuit configuration and control system tend to become complicated.

特開平1−157273号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-157273 特開平1−218352号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 1-218352 特開平4−368464号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 4-368464 特開2011−211886号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2011-2111886 特開2013−201833号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-201833 国際公開第2017/090118号International Publication No. 2017/090118 特開2010−4724号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2010-4724 特開2003−259643Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-2596343 特願2016−181995Japanese Patent Application No. 2016-181995 特許第6667750号Patent No. 6667750

これまでの共振ソフトスイッチング制御手法に関する先行技術文献のうち、絶縁形DC-DCコンバータで特徴的な先行技術文献として、回路形態や制御方式に分類して挙げたが、本発明の絶縁形DC-DCコンバータとは、以下の点で異なっている Among the prior art documents relating to the resonance soft switching control method so far, the prior art documents characteristic of the isolated DC-DC converter are classified into the circuit form and the control method. It differs from the DC converter in the following points.

本発明は零電流スイッチ作用によっており、先行技術文献のうち、(特許文献1)から(特許文献8)までは零電流スイッチ(ZCS)作用を用いているが、(特許文献9)は零電圧スイッチ(ZVS)作用によるもので、ソフトスイッチの基本的な制御手段そのものが本発明のものと異なっている。 The present invention uses a zero-current switch action, and among the prior art documents, (Patent Document 1) to (Patent Document 8) use the zero-current switch (ZCS) action, but (Patent Document 9) has a zero voltage. Due to the switch (ZVS) action, the basic control means of the soft switch itself is different from that of the present invention.

次に、(特許文献1)と(特許文献2)は、共にフォワードコンバータ構成によっているので、本発明とは回路構成が異なっており、制御原理においても共振キャパシタの電圧を毎周期零電圧まで下げているなどの点も大きな違いとなっている。 Next, since both (Patent Document 1) and (Patent Document 2) have a forward converter configuration, the circuit configuration is different from that of the present invention, and the voltage of the resonant capacitor is lowered to zero voltage every cycle even in the control principle. It is also a big difference in that it is.

また、(特許文献3)から(特許文献6)までは、インバータ、変圧器、共振インダクタ、ダイオードブリッジ整流回路、共振キャパシタを用いた共振回路とLCフィルタ回路で主回路が構成されている点では、本発明の回路構成と類似しているが、いずれも共振キャパシタと直列あるいは並列に共振動作をさせるためのスイッチ回路を接続することによる零電流スイッチの制御手段がとられている点で、本発明とは回路構成と制御手段が異なっている。 Further, from (Patent Document 3) to (Patent Document 6), the main circuit is composed of an inverter, a transformer, a resonant inductor, a diode bridge rectifying circuit, a resonant circuit using a resonant capacitor, and an LC filter circuit. Although it is similar to the circuit configuration of the present invention, it is described in that the control means of the zero current switch is taken by connecting a switch circuit for performing resonance operation in series or in parallel with the resonance capacitor. The circuit configuration and control means are different from the invention.

そして、(特許文献7)と(特許文献8)は、インバータ、変圧器、共振インダクタ、ダイオードブリッジ整流回路、共振キャパシタを用いて共振回路が構成されているが、共振キャパシタのが交流回路に直列に接続され平滑用キャパシタのみが接続された構成となっていていることから主回路構成と制御手法が本発明とは異なっている。 In (Patent Document 7) and (Patent Document 8), a resonance circuit is configured by using an inverter, a transformer, a resonance inductor, a diode bridge rectifier circuit, and a resonance capacitor, and the resonance capacitor is connected in series with the AC circuit. The main circuit configuration and the control method are different from those of the present invention because the configuration is such that only the smoothing capacitor is connected to the main circuit.

これらに対して、(
)では、LC共振電流が零あるいはほぼ零に近い値でスイッチオフしてLC共振動作が継続できるのに必要な無給電期間を電圧形方形波インバータの出力に零電圧期間を設け、共振動作を継続させるとともに、共振キャパシタの電圧をあまり低下させない維持した状態で再度スイッチを投入する制御手法を採っているため、スイッチ投入時点での電源電圧と共振キャパシタの電圧差が小さくできるため、LC共振による振動電流を小さくできるところが大きな特徴となっている。
For these, (
In), the non-feeding period required for the LC resonance current to switch off at zero or a value close to zero to continue the LC resonance operation is set to the zero voltage period at the output of the voltage square wave inverter, and the resonance operation is performed. Since the control method is adopted in which the switch is turned on again while maintaining the voltage of the resonance capacitor so that it is not lowered so much, the voltage difference between the power supply voltage and the resonance capacitor at the time of turning on the switch can be reduced. A major feature is that the vibration current can be reduced.

このため、この電流共振形ソフトスイッチング制御手法を使ったDCDCコンバータは、直流電圧源に対して、変圧器を介在させているため、大幅な電圧制御が高効率で行え、直流出力電圧の制御を必ずしも必要としない用途においては、スイッチングノイズを抑えながら小型、軽量、高効率化が期待できる大変有益なDCDC変換制御技術であるといえる。 For this reason, the DCDC converter using this current resonance type soft switching control method has a transformer interposed in the DC voltage source, so that a large voltage control can be performed with high efficiency and the DC output voltage can be controlled. It can be said that it is a very useful DCDC conversion control technology that can be expected to be compact, lightweight, and highly efficient while suppressing switching noise in applications that do not necessarily require it.

しかしながら、出力電圧制御手法としては、ソフトスイッチング動作をさせる電源からの給電共振動作モードに対して、無給電期間を設けて共振キャパシタの電圧を低下させることにより、LCフィルタ回路の出力を制御する方法が採られているため、無給電期間の動作から給電スイッチ投入時に大きな電流が流入する場合があることや、変圧器を用いているため変圧器に加わる電圧の正負電圧の対称性が少しでも崩れると変圧器の偏磁による大きな電流が流れる恐れがあり、その対策も実用化する上での課題となる。
However, as an output voltage control method, a method of controlling the output of the LC filter circuit by lowering the voltage of the resonance capacitor by providing a non-feeding period for the feeding resonance operation mode from the power supply that performs the soft switching operation. Because of this, a large current may flow in when the power supply switch is turned on from the operation during the non-power supply period, and because the transformer is used, the symmetry of the positive and negative voltages of the voltage applied to the transformer is broken even a little. There is a risk that a large current will flow due to the demagnetization of the transformer, and countermeasures against this will be an issue in practical use.

図1は、(
)による絶縁形DC-DCコンバータの主回路構成であり、電圧形方形波インバータ、変圧器、ダイオード全波整流回路、LC共振回路およびLC平滑回路により構成される。
Figure 1 shows (
) Is the main circuit configuration of the isolated DC-DC converter, and is composed of a voltage square wave inverter, a transformer, a diode full-wave rectifier circuit, an LC resonance circuit, and an LC smoothing circuit.

なお、(
)には、LC共振回路を構成する共振インダクタをダイオード全波整流回路の交流回路側に配置した図2の構成も示されていて、基本的な動作は図1と同じである。
In addition, (
) Also shows the configuration of FIG. 2 in which the resonant inductor constituting the LC resonant circuit is arranged on the AC circuit side of the diode full-wave rectifier circuit, and the basic operation is the same as that of FIG.

図3は、電圧形方形波インバータのスイッチングタイミングをLC共振回路の共振周期に対応させてスイッチング制御をかけたときの動作波形を示している。 FIG. 3 shows an operation waveform when switching control is applied so that the switching timing of the voltage square wave inverter corresponds to the resonance period of the LC resonance circuit.

図3(a)は、電圧形方形波インバータをLC共振回路の共振周波数に対応した周波数で方形波電圧を発生させたときの動作波形であり、スイッチ素子にかかる電圧eswと素子に流れる電流iswの波形から、スイッチ素子をオンした時点で共振回路により振動電流が零電流から流れ始め、再び零電流に戻ってからスイッチ素子をオフすることができる零電流ソフトスイッチング(ZCS:零電流スイッチング)動作が実現できることがを示す。 FIG. 3A shows an operating waveform when a voltage square wave inverter generates a square wave voltage at a frequency corresponding to the resonance frequency of the LC resonance circuit, and the voltage esw applied to the switch element and the current isw flowing through the element. From the waveform of, when the switch element is turned on, the vibration current starts to flow from zero current by the resonance circuit, and after returning to zero current again, the switch element can be turned off. Zero current soft switching (ZCS: zero current switching) operation Is shown to be feasible.

また、同図には、このときの交流電圧eaと交流電流ia、共振回路の共振インダクタ電流irおよび共振キャパシタ電圧erを示している。 Further, the figure shows the AC voltage ea and the AC current ia, the resonant inductor current ir of the resonant circuit, and the resonant capacitor voltage er at this time.

従来からの共振動作を用いたものは、毎週期間共振キャパシタの電圧erを零電圧まで放電させているのに対し、(
)による本回路では、共振キャパシタの電圧波形erの低下が特に負荷が軽くなると抑えられる。
Whereas the conventional one using the resonance operation discharges the voltage er of the resonance capacitor to zero voltage every week, (
In this circuit due to), the decrease in the voltage waveform er of the resonant capacitor is suppressed especially when the load becomes light.

このため、スイッチが投入され電圧が加わったときの、電源電圧と共振キャパシタ電圧との差電圧が小さくなるため、共振振動電流irを小さく抑えることができため、従来からの共振動作を用いたものは異なり、共振電流損失を抑える事ができる。 Therefore, when the switch is turned on and the voltage is applied, the difference voltage between the power supply voltage and the resonance capacitor voltage becomes small, so that the resonance vibration current ir can be suppressed to a small value. Unlike, the resonance current loss can be suppressed.

本発明は、共振電流が流れる期間TWが終わってから、スイッチをオフさせれば零電流スイッチング動作ができるが、この期間より短い周期でスイッチ切り替えを行うと、ソフトスイッチング動作が実現できなくなることに着目した出力電圧の制御法を詳しく検討したものである。 In the present invention, the zero current switching operation can be performed by turning off the switch after the period TW in which the resonance current flows ends, but if the switch is switched in a cycle shorter than this period, the soft switching operation cannot be realized. This is a detailed study of the output voltage control method of interest.

零電流ソフトスイッチング動作は、共振電流が流れる期間TWが終わった時点であれば可能であり、前記LC共振回路に流れる共振電流が零に戻るまでの一定の期間幅の正負対称波形の方形波電圧を発生させれば、LC共振周期幅だけでなく2倍、3倍、、、と整数倍の周期幅単位の一定の期間幅の正負電圧の方形波電圧を発生させれば零電流スイッチング動作を実現することができる。 The zero current soft switching operation is possible as long as the period TW in which the resonance current flows ends, and the square wave voltage having a positive and negative symmetric waveform with a certain period width until the resonance current flowing in the LC resonance circuit returns to zero. If is generated, not only the LC resonance period width but also the square wave voltage of positive and negative voltage with a fixed period width of an integral multiple of the period width unit is generated, and the zero current switching operation is performed. It can be realized.

図3(b)は、LC共振回路の共振周期の2倍の周期幅を少し超える期間を半周期とする方形波電圧を発生させたときの動作波形を示しており、スイッチ素子にかかる電圧eswと素子に流れる電流iswの波形から、零電流スイッチング動作ができていることがわかる。 FIG. 3B shows the operation waveform when a square wave voltage is generated with a period slightly exceeding twice the period width of the resonance period of the LC resonance circuit as a half period, and the voltage esw applied to the switch element. From the waveform of the current isw flowing through the element, it can be seen that the zero current switching operation is possible.

こ絶縁型DC-DCコンバータは、出力電圧の制御においてインバータから出力する電圧波形の正負の対称性が崩れると、変圧器が偏磁して大きな直流電流が流れることが懸念される。 In this isolated DC-DC converter, if the positive / negative symmetry of the voltage waveform output from the inverter is broken in the control of the output voltage, there is a concern that the transformer will be demagnetized and a large DC current will flow.

この問題を解決する手段として、1)電圧形方形波インバータで正負対称の方形波電圧を変圧器に加えた後、出力電圧の制御に対しては、別のスイッチ回路で共振制御で必要な一定期間幅の電圧を出力制御する手法と、2)電圧形方形波インバータで、出力電圧の制御に対して共振制御で必要とされる一定期間幅の正負対称波形の方形波電圧を出力制御する手法が考えられる。 As a means to solve this problem, 1) After applying a positive / negative symmetric square wave voltage to the transformer with a voltage square wave inverter, the output voltage is controlled by another switch circuit, which is necessary for resonance control. A method of output control of a period width voltage and a method of 2) a voltage square wave inverter that outputs and controls a square wave voltage of a positive and negative symmetric waveform with a certain period width required for resonance control with respect to output voltage control. Can be considered.

図4は、図1に示す共振制御DC-DCコンバータの基本回路において、ダイオード全波整流回路の直流出力に直流スイッチを介してから共振回路に接続する絶縁形DC-DCコンバータの主回路構成を示している。 FIG. 4 shows the main circuit configuration of the isolated DC-DC converter in the basic circuit of the resonance control DC-DC converter shown in FIG. 1 in which the DC output of the diode full-wave rectifier circuit is connected to the resonance circuit via a DC switch. Shown.

同図において、追加した直流スイッチの出力端に破線で示すフリーフォイーリングダイオードDfは、共振インダクタに流れる電流が零のときに直流スイッチを切るために通常は不要であるが、そうでない動作になったときの共振インダクタの電流をバイパスさせ、過電圧の発生を抑えるための保護用として必要に応じて接続する場合の回路図を示している。 In the figure, the free foiling diode Df shown by the broken line at the output end of the added DC switch is normally unnecessary to turn off the DC switch when the current flowing through the resonant inductor is zero, but it is not necessary for other operations. The circuit diagram in the case of bypassing the current of the resonant inductor at the time of the occurrence and connecting as necessary for protection to suppress the occurrence of overvoltage is shown.

また、交流ラインにインダクタがある場合、直流スイッチに流れる電流が零でないときに直流スイッチを切ると、過電圧を発生するので、ダイオード全波整流回路の出力端子に小さなキャパシタを接続することが考えられ、この場合は直流スイッチに共振キャパシタからの逆電圧がかからないように、逆流防止用直列ダイオードを保護用として必要に応じて接続することもある。 Also, if there is an inductor in the AC line, if the DC switch is turned off when the current flowing through the DC switch is not zero, an overvoltage will be generated, so it is conceivable to connect a small capacitor to the output terminal of the diode full-wave rectifier circuit. In this case, a backflow prevention series diode may be connected as necessary for protection so that the reverse voltage from the resonance capacitor is not applied to the DC switch.

これにより、変圧器には出力電圧制御とは関係なく正負電圧の対称性が保たれるために、変圧器の偏磁の問題は解消する事ができる。 As a result, the symmetry of the positive and negative voltages is maintained in the transformer regardless of the output voltage control, so that the problem of the demagnetization of the transformer can be solved.

ここで、図4の回路による共振絶縁形DCDCコンバータの具体的な出力電圧法を説明する。 Here, a specific output voltage method of the resonant insulation type DCDC converter by the circuit of FIG. 4 will be described.

図5は、電圧制御を行っていないほぼ100%出力のときの直流スイッチング動作波形である。 FIG. 5 is a DC switching operation waveform when the output is almost 100% without voltage control.

電圧形インバータは直流スイッチング信号P1,P2により方形波電圧が出力され、偏磁の問題を生じることなく変圧器を介して方形波電圧eaがダイオード全波整流回路の交流入力に加えられ、図示するようなスイッチング信号Pswにより共振電流が流れる期間TW後に直流スイッチSWをオフさせることにより、図示する共振電流irが流れ、交流電流iaは、共振電流irが半周期毎に正負に切り換わった波形の電流となる。 In the voltage type inverter, the square wave voltage is output by the DC switching signals P1 and P2, and the square wave voltage ea is applied to the AC input of the diode full-wave rectifier circuit via the transformer without causing the problem of polarization, which is shown in the figure. By turning off the DC switch SW after the period T W in which the resonance current flows due to the switching signal Psw, the illustrated resonance current ir flows, and the AC current ia is the waveform in which the resonance current ir is switched between positive and negative every half cycle. It becomes the current of.

方形波インバータおよび直流スイッチは、この共振電流が零になってからオフ動作に移るため零電流スイッチング動作が実現できる。 Since the square wave inverter and the DC switch move to the off operation after the resonance current becomes zero, the zero current switching operation can be realized.

図6は、同じ共振回路定数で、スイッチング信号Pswのパルス幅Twは一定のもとで方形波インバータのスイッチング周期Tsを長く、周波数fsを低くしたときの動作波形を示している。 FIG. 6 shows an operation waveform when the switching period Ts of the square wave inverter is long and the frequency fs is lowered under the same resonance circuit constant and the pulse width Tw of the switching signal Psw is constant.

このとき、変圧器には正負対称の方形波電圧が印加されているため、正負電圧波形の非対称性による偏磁の問題はなく、スイッチング信号Pswで直流スイッチSwがオンオフ制御されるため、共振電流irが流れるが、パルス間の間隔が広くなり、交流電流iaの周期も長くなることを示している。 At this time, since a square wave voltage having positive and negative symmetry is applied to the transformer, there is no problem of deviation due to the asymmetry of the positive and negative voltage waveforms, and the DC switch Sw is controlled on and off by the switching signal Psw, so that the resonance current is resonated. Although ir flows, it shows that the interval between pulses becomes wider and the period of the alternating current ia becomes longer.

図7は、これらの動作波形を拡大表示したものであり、同図(a)のほぼ100%出力時の動作波形に対して、同図(b)はパルス幅Twは一定のもとで一定のスイッチング周期Tsを長くしたときの動作波形である。 FIG. 7 is an enlarged display of these operation waveforms. In contrast to the operation waveform at almost 100% output in FIG. 7A, FIG. 7B shows that the pulse width Tw is constant and constant. It is an operation waveform when the switching period Ts of is lengthened.

同図より、スイッチング周期Tsを長くすることにより、共振キャパシタの端子電圧の放電期間が長くなるため、平均電圧が下げられ、出力電圧が制御できることがわかる。 From the figure, it can be seen that by lengthening the switching cycle Ts, the discharge period of the terminal voltage of the resonant capacitor is lengthened, so that the average voltage is lowered and the output voltage can be controlled.

なお、共振キャパシタ電圧を下げて出力電圧制御をかけるときは、共振回路の共振周波数が同じであっても、共振キャパシタCrのキャパシタンス値が大きいと、スイッチング周期を長くした時の共振キャパシタの電圧低下が小さくなると共に、共振インダクタLrのインダクタンス値が小さいため、直流スイッチを再投入したときに大きな電流が流れ込むこととなる。 When the output voltage is controlled by lowering the resonance capacitor voltage, even if the resonance frequency of the resonance circuit is the same, if the capacitance value of the resonance capacitor Cr is large, the voltage of the resonance capacitor drops when the switching cycle is lengthened. Since the inductance value of the resonant inductor Lr is small, a large current will flow in when the DC switch is turned on again.

これとは逆に、共振キャパシタCrのキャパシタンス値が小さく、共振インダクタLrのインダクタンス値を大きくすると、無給電期間におけるキャパシタ電圧の低下が大きくなり、電圧制御が容易になると共に、直流スイッチを再投入したときの電源からの電流を小さく抑える事ができる。 On the contrary, if the capacitance value of the resonant capacitor Cr is small and the inductance value of the resonant inductor Lr is increased, the voltage drop of the capacitor during the non-feeding period becomes large, the voltage control becomes easy, and the DC switch is turned on again. The current from the power supply can be kept small.

直流出力電圧は、共振キャパシタ電圧に対してLC平滑回路を通すことにより、平滑インダクタで負荷電流変動が抑制できるとともに、平滑キャパシタにより共振キャパシタの電圧変動が抑えられた脈動の少ない電圧波形を得ることができる。 By passing the DC output voltage through the LC smoothing circuit with respect to the resonance capacitor voltage, the load current fluctuation can be suppressed by the smoothing inductor, and the voltage fluctuation of the resonance capacitor is suppressed by the smoothing capacitor to obtain a voltage waveform with less pulsation. Can be done.

図8は、この制御原理に基づく共振絶縁形DCDCコンバータの主制御部を電圧型方形波インバータと直流スイッチ回路で構成した主回路構成に対する制御システムの構成例を示している。 FIG. 8 shows a configuration example of a control system for a main circuit configuration in which the main control unit of a resonance-isolated DCDC converter based on this control principle is composed of a voltage-type square wave inverter and a DC switch circuit.

同図に示すように、スイッチング信号発生部でスイッチングパルスP1およびP2を方形波インバータのスイッチング制御信号とし、共振回路定数で決まる一定のスイッチングパルス幅Twのスイッチング信号Pswを直流スイッチSwのスイッチング信号とし、スイッチング周波数あるいはスイッチング周期を変えることにより、直流出力電圧を制御することができる。 As shown in the figure, the switching pulses P1 and P2 are used as the switching control signal of the square wave inverter in the switching signal generator, and the switching signal Psw having a constant switching pulse width Tw determined by the resonance circuit constant is used as the switching signal of the DC switch Sw. , The DC output voltage can be controlled by changing the switching frequency or the switching cycle.

一方、直流スイッチ回路を接続しない図1または図2の主回路構成において、共振回路定数で決まる一定のスイッチングパルス幅Twの正負対称の電圧波形を出力するスイッチング信号で電圧形方形波インバータを働かせ、スイッチング周波数あるいはスイッチング周期を変えることにより直流出力電圧を制御することができる。 On the other hand, in the main circuit configuration of FIG. 1 or 2 in which the DC switch circuit is not connected, the voltage square wave inverter is operated by a switching signal that outputs a positive / negative symmetric voltage waveform having a constant switching pulse width Tw determined by the resonance circuit constant. The DC output voltage can be controlled by changing the switching frequency or the switching cycle.

電圧形方形波インバータで一定のスイッチングパルス幅Twの正負対称の電圧波形を出力する期間以外はスイッチ信号をオフにするか、方形波スイッチング信号に零電圧を出力するスイッチング信号を付加することで共振動作に必要な電圧波形を発生させる事ができる。 Resonates by turning off the switch signal or adding a switching signal that outputs zero voltage to the square wave switching signal except during the period when the voltage type square wave inverter outputs a positive / negative symmetric voltage waveform with a constant switching pulse width Tw. It is possible to generate the voltage waveform required for operation.

図9は、この制御原理に基づく共振絶縁形DCDCコンバータの主制御部を電圧型方形波インバータのみで構成した主回路構成に対する制御システムの構成例を示している。 FIG. 9 shows a configuration example of a control system for a main circuit configuration in which the main control unit of the resonance-insulated DCDC converter based on this control principle is composed only of a voltage-type square wave inverter.

同図では、電圧形方形波インバータへの信号として、共振回路定数で決まる一定のスイッチングパルス幅Twの期間を有する正負の対称電圧が出力できるように、スイッチング信号発生部で零電圧期間を付加したスイッチングパルスP1SWおよびP2swを方形波インバータのスイッチング制御信号とし、スイッチング周波数あるいはスイッチング周期を変えることにより、直流出力電圧を制御する制御システムの動作波形と共に示している。
In the figure, a zero voltage period is added at the switching signal generator so that a positive or negative symmetric voltage having a period of a constant switching pulse width Tw determined by the resonance circuit constant can be output as a signal to the voltage square wave inverter. The switching pulses P 1 SW and P 2 sw are used as the switching control signals of the square wave inverter, and are shown together with the operating waveform of the control system that controls the DC output voltage by changing the switching frequency or switching cycle.

以上、本発明の共振絶縁形DCDCコンバータは、共振動作が負荷電流に応じた大きさで共振電流を流すことができ、共振電流が零の時点で、スイッチのオン、オフ制御ができるため、スイッチング損失及びスイッチングノイズの低減ができる(
)の大きな特徴を有している。
As described above, in the resonance-insulated DCDC converter of the present invention, the resonance operation can flow a resonance current with a magnitude corresponding to the load current, and when the resonance current is zero, the switch can be turned on and off, so that switching can be performed. Loss and switching noise can be reduced (
) Has a major feature.


)で課題となっていた、変圧器を用いることによる偏磁が懸念されることに対しては、本発明では、電圧形方形波インバータで正負対称の方形波電圧を変圧器に加えた後、直流スイッチを介して共振回路に加える電圧を制御することにより、変圧器の偏磁の問題を解消しながら、スイッチング周波数制御により出力電圧が容易に制御することができる。
(
), In response to the concern about demagnetization due to the use of a transformer, in the present invention, after applying a positive / negative symmetric square wave voltage to the transformer with a voltage square wave inverter, By controlling the voltage applied to the resonance circuit via the DC switch, the output voltage can be easily controlled by the switching frequency control while solving the problem of the demagnetization of the transformer.

また、本発明では、電圧形方形波インバータで、出力電圧の制御に対して共振制御で必要とされる一定期間幅の正負対称波形の方形波電圧を加える手法により、主回路構成を変更することなく、変圧器の偏磁の問題を解消しながら、スイッチング周波数制御により出力電圧を制御することができる。 Further, in the present invention, in the voltage type square wave inverter, the main circuit configuration is changed by a method of applying a square wave voltage having a positive / negative symmetric waveform with a certain period width required for resonance control to the control of the output voltage. It is possible to control the output voltage by switching frequency control while solving the problem of the demagnetization of the transformer.

そして、本発明では、共振キャパシタの電圧制御することにより出力電圧を制御する場合、共振回路の定数として、共振キャパシタCrのキャパシタンス値を小さくし、共振インダクタLrのインダクタンス値を大きく選ぶと、無給電期間におけるキャパシタ電圧の低下が大きくなるので、電圧制御が容易になると共に、直流スイッチを再投入したときの電源からの電流を小さく抑える事ができることを明らかにした。 In the present invention, when the output voltage is controlled by controlling the voltage of the resonance capacitor, if the capacitance value of the resonance capacitor Cr is reduced and the inductance value of the resonance inductor Lr is selected as a constant of the resonance circuit, no power supply is supplied. It was clarified that since the decrease in the capacitor voltage during the period becomes large, the voltage control becomes easy and the current from the power supply when the DC switch is turned on again can be suppressed to a small value.

さらに、本発明では、零電流ソフトスイッチング動作は、共振電流が流れる期間TWが終わった時点であれば可能であり、前記LC共振回路に流れる共振電流が零に戻るまでの一定の期間幅の正負対称波形の方形波電圧を発生させれば、LC共振周期幅だけでなく2倍、3倍、、、と整数倍の周期幅単位の一定の期間幅の正負電圧の方形波電圧を発生させれば零電流スイッチング動作を実現することができることを示した。
Further, in the present invention, the zero current soft switching operation is possible as long as the period TW in which the resonance current flows ends, and the positive and negative of a certain period width until the resonance current flowing in the LC resonance circuit returns to zero. If a square wave voltage with a symmetric waveform is generated, not only the LC resonance period width but also a square wave voltage with a fixed period width of an integral multiple of the period width unit can be generated. For example, it was shown that zero current switching operation can be realized.

電流共振型ソフトスイッチン制御の基本回路例1Current resonance type soft switchon control basic circuit example 1 電流共振型ソフトスイッチン制御の基本回路例2Current resonance type soft switchon control basic circuit example 2 スイッチング制御の基本動作波形と共振周波数Basic operating waveform and resonance frequency of switching control 直流スイッチを付加した電流共振型ソフトスイッチン制御回路Current resonance type soft switchon control circuit with a DC switch added 直流スイッチとの組み合わせ制御動作波形Combination control operation waveform with DC switch 直流スイッチとの組み合わせ周波数制御動作波形Combination frequency control operation waveform with DC switch 共振キャパシタ電圧制御による直流電圧制御動作波形DC voltage control operation waveform by resonance capacitor voltage control 直流スイッチとの組み合わせソフトスイッチング制御システム(Aタイプ )Combination with DC switch Soft switching control system (A type) 基本回路のみによるソフトスイッチング制御システム(Bタイプ )Soft switching control system using only basic circuits (B type) 直流電圧制御システム(Aタイプ )DC voltage control system (A type) 直流電流制御システム(Aタイプ )DC current control system (A type) 直流電圧電流制御システム(Aタイプ )DC voltage current control system (A type) 直流電圧制御システム(Bタイプ )DC voltage control system (B type) 直流電流制御システム(Bタイプ )DC current control system (B type) 直流電圧電流制御システム(Bタイプ )DC voltage current control system (B type) 変圧器偏磁抑制付き直流電圧制御システム(Bタイプ )DC voltage control system with transformer demagnetization suppression (B type) Aタイプのシミュレーション解析回路A type simulation analysis circuit Aタイプにおけるソフトスイッチング動作波形Soft switching operation waveform in A type Aタイプにおける周波数制御動作波形Frequency control operation waveform in A type Aタイプの直流電圧制御動作波形A type DC voltage control operation waveform Aタイプの直流電流制御動作波形A type DC current control operation waveform Bタイプのシミュレーション解析回路B type simulation analysis circuit Bタイプにおけるソフトスイッチング動作波形Soft switching operation waveform in B type 2倍の共振周期幅制御時のソフトスイッチング動作波形Soft switching operation waveform when controlling the resonance period width twice Bタイプにおける周波数制御動作波形Frequency control operation waveform in B type Bタイプの直流電圧制御動作波形B type DC voltage control operation waveform Bタイプの直流電流制御動作波形B type DC current control operation waveform Bタイプの直流電流制御時における偏磁抑制特性Demagnetization suppression characteristics during B-type DC current control

本発明を実施するためのDCDCコンバータの制御システムとして、1)スイッチ制御部を付加して主回路構成で制御するAタイプ(図8)と、2)基本回路のみで構成制御するBタイプ(図9)の2つの基本制御システムに対する具体的な周波数制御システムの構成例を以下に示す。 As a DCDC converter control system for carrying out the present invention, 1) A type (FIG. 8) in which a switch control unit is added and controlled by a main circuit configuration, and 2) B type in which configuration control is performed only by a basic circuit (FIG. 8). A specific configuration example of the frequency control system for the two basic control systems of 9) is shown below.

図10は、Aタイプによる直流電圧制御システムの構成例であり、直流出力電圧を検出し、その平均電圧eoが直流基準電圧Edrと一致するように電圧制御器を介してスイッチング周波数を制御するもので、電圧制御発振器からのクロックで電圧形インバータを働かせるとともに、直流スイッチ回路で共振回路定数で決まる一定のスイッチングパルス幅Twの電圧を共振回路に加えることで具体的な制御システムを構成する事ができる。 FIG. 10 shows a configuration example of a DC voltage control system using the A type, which detects a DC output voltage and controls the switching frequency via a voltage controller so that the average voltage eo matches the DC reference voltage Edr. Then, while operating the voltage inverter with the clock from the voltage control oscillator, it is possible to configure a concrete control system by applying a voltage with a constant switching pulse width Tw determined by the resonance circuit constant in the DC switch circuit to the resonance circuit. it can.

図11は、Aタイプによる直流電流制御システムの構成例であり、直流負荷電流または平滑用インダクタの電流を検出し、その平均電流が直流基準電流Idrと一致するように電流制御器を介してスイッチング周波数を制御するものである。 FIG. 11 shows a configuration example of a DC current control system using the A type, which detects a DC load current or a smoothing inductor current and switches the current through a current controller so that the average current matches the DC reference current Idr. It controls the frequency.

図12は、Aタイプによる直流電圧電流制御システムの構成例であり、直流出力電圧を検出し、その平均電圧eoが直流基準電圧Edrと一致するように電圧制御器を介して直流基準電流Idrを発生させ、直流負荷電流または平滑用インダクタの電流の平均電流がこの直流基準電流Idrと一致するように電流制御器を介してスイッチング周波数を制御するものである。 FIG. 12 shows a configuration example of a DC voltage / current control system using the A type. The DC output voltage is detected, and the DC reference current Idr is set via the voltage controller so that the average voltage eo matches the DC reference voltage Edr. The switching frequency is controlled via a current controller so that the average current of the generated DC load current or the current of the smoothing inductor matches this DC reference current Idr.

なお、この制御システムに於いては、制御可能範囲であれば、直流電圧および直流電流がそれぞれの基準値と一致するように制御できると共に、また基準電流を発生させる量にリミッタを設けることにより電流制限をかけることができる。 In this control system, if it is within the controllable range, the DC voltage and the DC current can be controlled so as to match the respective reference values, and the current is provided by providing a limiter in the amount of generating the reference current. You can put restrictions.

図13は、Bタイプによる直流電圧制御システムの構成例であり、Aタイプと同様に直流出力電圧を検出し、その平均電圧eoが直流基準電圧Edrと一致するように電圧制御器を介してスイッチング周波数を制御する事ができる。 FIG. 13 shows a configuration example of a DC voltage control system using the B type. Similar to the A type, the DC output voltage is detected and switched via the voltage controller so that the average voltage eo matches the DC reference voltage Edr. The frequency can be controlled.

なお、Bタイプでは、共振回路定数で決まる一定のスイッチングパルス幅Twの期間を有する正負の対称電圧が出力できるように、零電圧期間を付加したスイッチングパルスP1SWおよびP2swがスイッチング信号発生部で発生してインバータのドライブ信号として入力される。 In the B type, switching pulses P1 SW and P2sw with a zero voltage period are generated at the switching signal generator so that positive and negative symmetric voltages having a period of a constant switching pulse width Tw determined by the resonant circuit constant can be output. Then, it is input as a drive signal of the inverter.

図14は、Bタイプによる直流電流制御システムの構成例であり、Aタイプと同様に構成制御する事ができる。 FIG. 14 is a configuration example of a DC current control system using the B type, and the configuration can be controlled in the same manner as the A type.

図15は、Bタイプによる直流電圧電流制御システムの構成例でありAタイプと同様に構成制御する事ができる。 FIG. 15 is a configuration example of a DC voltage / current control system using the B type, and the configuration can be controlled in the same manner as the A type.

図16は、Bタイプによる直流電圧制御システムで、インバータから変圧器への一次電流を検出して、直流成分電流が流れないようにスイッチングパルス信号P1SWあるいはP2swのスイッチングパルス幅Twの期間を調整する変圧器の偏磁を抑制部を付加した制御システムを示している。
FIG. 16 shows a B-type DC voltage control system that detects the primary current from the inverter to the transformer and prevents the DC component current from flowing during the switching pulse width Tw of the switching pulse signal P 1SW or P 2 sw. The control system which added the part which suppresses the eccentricity of the transformer which adjusts is shown.

本発明の共振絶縁形DCDCコンバータの実施例として、先ず、Aタイプの電圧電流制御システムの基本制御動作をシミュレーション解析結果より確認する。 As an example of the resonant insulation type DCDC converter of the present invention, first, the basic control operation of the A type voltage-current control system is confirmed from the simulation analysis result.

図17は、Aタイプの電圧電流制御システムのシミュレーション回路であり、同図(a)は、共振インダクタをダイオード全波整流回路の直流出力側に接続した回路、同図(b)はダイオード全波整流回路の交流側に接続した回路を示している。 FIG. 17 is a simulation circuit of an A type voltage / current control system, FIG. 17A is a circuit in which a resonant inductor is connected to the DC output side of a diode full-wave rectifier circuit, and FIG. 17B is a diode full-wave rectifier circuit. The circuit connected to the AC side of the rectifying circuit is shown.

図18は、本発明によるAタイプにおけるソフトスイッチング制御動作波形であり、変圧器を介したインバータの交流電圧波形eaとスイッチング信号pswで直流スイッチとの組み合わせスイッチ制御による電圧が共振回路に印加したときの共振インダクタの電流ir、共振キャパシタの電圧erの動作波形と、方形波インバータのスイッチ素子にかかる電圧esw1と電流isw1および直流スイッチにかかる電圧vsと流れる電流ieの波形を示している。 FIG. 18 shows a soft switching control operation waveform in the A type according to the present invention, in which a combination of an AC voltage waveform ea of an inverter via a transformer and a DC switch with a switching signal psw a voltage controlled by a switch is applied to a resonance circuit. The operating waveforms of the resonance inductor current ir and the resonance capacitor voltage er, and the waveforms of the voltage esw1 and current isw1 applied to the switch element of the square wave inverter and the voltage vs. the flowing current ie applied to the DC switch are shown.

同図(a)は直流負荷抵抗値がR=10Ω、同図(b)は直流負荷抵抗値がR=50Ωのときの各動作波形であり、いずれの場合も図中○で囲んだスイッチ素子にかかる電圧と電流波形から、零電流スイッチング動作が確認される。 Figure (a) shows the operating waveforms when the DC load resistance value is R = 10Ω, and Figure (b) shows the operating waveforms when the DC load resistance value is R = 50Ω. In each case, the switch elements circled in the figure. The zero-current switching operation is confirmed from the voltage and current waveforms applied to.

なお、キャパシタの端子電圧波形eoより、負荷が軽くなると共振キャパシタ電圧変動が小さく、直流成分を有するようになった結果、共振電流の大きさが負荷状態に応じて小さくなっていることがわかる。 From the terminal voltage waveform eo of the capacitor, it can be seen that when the load becomes lighter, the resonance capacitor voltage fluctuation becomes smaller, and as a result of having a DC component, the magnitude of the resonance current becomes smaller according to the load state.

図19は、スイッチング動作の周波数を40kHzから20kHzへと半減させたときの動作波形であり、共振キャパシタ電圧erが低下し、その平均値となる直流出力電圧eoも低下しており、スイッチング周波数によって直流電圧が制御できることが確認できる。 FIG. 19 shows an operation waveform when the switching operation frequency is halved from 40 kHz to 20 kHz. The resonance capacitor voltage er decreases, and the DC output voltage eo, which is the average value thereof, also decreases, depending on the switching frequency. It can be confirmed that the DC voltage can be controlled.

図20は、Aタイプによる直流電圧制御システムにおける解析動作波形であり、同図(a)は、直流出力電圧が100%となる基準電圧としてEdr=50Vの場合、同図(b)は、基準電圧を30Vに設定した場合の動作波形を示している。 FIG. 20 shows an analysis operation waveform in a DC voltage control system using the A type, and FIG. 20A shows a reference voltage when Edr = 50V as a reference voltage at which the DC output voltage becomes 100%. The operation waveform when the voltage is set to 30V is shown.

基準電圧が低くなると、直流スイッチへのスイッチング信号Pswの通流幅が制御された結果、共振キャパシタの電圧が低下し、その平均値となる出力電圧eoが低下し、いずれの場合も、出力電圧は基準値と一致した電圧値で制御できていることがわかる。 When the reference voltage becomes low, the flow width of the switching signal Psw to the DC switch is controlled, and as a result, the voltage of the resonance capacitor drops, and the output voltage eo, which is the average value, drops. It can be seen that can be controlled with a voltage value that matches the reference value.

図21は、Aタイプによる直流電流制御システムにおいて、ここでは共振インダクタを交流側に接続したときの解析動作波形を示している。 FIG. 21 shows the analysis operation waveform when the resonant inductor is connected to the AC side in the A type DC current control system.

同図(a)は、直流電流が100%となる基準電流としてIdr=5A の場合、同図(b)は、基準電流を3Aに設定した場合の動作波形であり、いずれの場合も直流電流は基準値と一致した電流値で制御できていることがわかる。
Fig. (A) shows the operating waveform when Idr = 5A as the reference current for which the DC current is 100%, and Fig. (B) shows the operating waveform when the reference current is set to 3A. In both cases, the DC current It can be seen that can be controlled with a current value that matches the reference value.

次に、本発明の共振絶縁形DCDCコンバータの実施例として、Bタイプの電圧電流制御システムの基本制御動作をシミュレーション解析結果より確認する。 Next, as an example of the resonance-insulated DCDC converter of the present invention, the basic control operation of the B-type voltage-current control system will be confirmed from the simulation analysis results.

図22は、Bタイプの電圧電流制御システムのシミュレーション回路であり、同図(a)は、共振インダクタをダイオード全波整流回路の直流出力側に接続した回路、同図(b)はダイオード全波整流回路の交流側に接続した回路を示している。 FIG. 22 is a simulation circuit of a B-type voltage-current control system, FIG. 22A is a circuit in which a resonant inductor is connected to the DC output side of a diode full-wave rectifier circuit, and FIG. 22B is a diode full-wave rectifier circuit. The circuit connected to the AC side of the rectifying circuit is shown.

図23は、 本発明によるBタイプのソフトスイッチング制御動作波形であり、インバータで
一定のスイッチングパルス幅Twの正負対称となる電圧波形を出力しているが、Aタイプと同様の結果が得られている。
FIG. 23 shows a B-type soft switching control operation waveform according to the present invention, and the inverter outputs a voltage waveform having positive and negative symmetry of a constant switching pulse width Tw, but the same result as the A type is obtained. There is.

図24は、スイッチング動作の周波数を40kHzから20kHzへと半減させたときの動作波形であり、Aタイプの場合と同様の結果が得られていることが確認できる。 FIG. 24 shows an operation waveform when the frequency of the switching operation is halved from 40 kHz to 20 kHz, and it can be confirmed that the same result as in the case of the A type is obtained.

図25は、Bタイプによる直流電圧制御システムにおける解析動作波形であり、直流基準電圧をEdr=50VとEdr=30Vに設定したときの動作波形であり、Aタイプの場合と同様に基準値に一致した出力電圧が得られている。 FIG. 25 shows an analysis operation waveform in the DC voltage control system by the B type, and is an operation waveform when the DC reference voltage is set to Edr = 50V and Edr = 30V, and matches the reference value as in the case of the A type. The output voltage is obtained.

図26は、Bタイプによる直流電流制御システムにおける解析動作波形であり、直流基準電流をIdr=5AとIdr=3Aに設定したときの動作波形であり、Aタイプの場合と同様に基準値に一致した電流制御ができていることがわかる。 FIG. 26 is an analysis operation waveform in the DC current control system by the B type, and is an operation waveform when the DC reference currents are set to Idr = 5A and Idr = 3A, and matches the reference values as in the case of the A type. It can be seen that the current control is performed.

図27は、Bタイプによる直流電圧制御システムにおいて、変圧器の励磁回路を含めた回路で、変圧器の一次電流の直流成分電流をもとに、インバータの出力電圧のパルス幅の補償制御をかけたときとかけないときのシミュレーション解析結果による動作波形の比較を示している。 FIG. 27 shows a circuit including an excitation circuit of a transformer in a B-type DC voltage control system, in which compensation control of the pulse width of the output voltage of the inverter is applied based on the DC component current of the primary current of the transformer. The comparison of the operation waveforms based on the simulation analysis results when the voltage is applied and when the voltage is not applied is shown.

同図(a)は、変圧器の偏磁補償制御をかけていないとき、同図(b)は、変圧器の偏磁補償制御を付加したときの制結果であり、変圧器の励磁回路電流imは、前者が直流成分電流を含んでいるのに対して、後者では直流成分電流は殆ど見られず、偏磁補償制御効果が確認できる。
Fig. (A) shows the control result when the demagnetization compensation control of the transformer is not applied, and Fig. (B) shows the control result when the demagnetization compensation control of the transformer is added. In im, the former contains a DC component current, whereas the latter contains almost no DC component current, and the demagnetization compensation control effect can be confirmed.

最後に、図28は、本発明による共振絶縁形DCDCコンバータでスイッチング周波数は40kHz一定として、LC共振回路の共振インダクタンスと共振キャパシタンスをいずれも半分の値とすることにより、共振周期を半分としたときのシミュレーション解析結果を示している。。 Finally, FIG. 28 shows a case where the resonance period is halved by halving both the resonance inductance and the resonance capacitance of the LC resonance circuit while the switching frequency is constant at 40 kHz in the resonance insulation type DCDC converter according to the present invention. The simulation analysis result of is shown. ..

同図(a)はAタイプ、同図(a)はBタイプにおける動作波形であり、いずれも2倍の周波数で共振電流が流れるが、スイッチングのタイミングでは振動電流は零になっているため、スイッチの電圧と電流波形から零電流ソフトスイッチング制御が実現できていることが確認できる。
Fig. (A) shows the operating waveforms of the A type and Fig. (A) shows the operating waveforms of the B type. In both cases, the resonance current flows at twice the frequency, but the vibration current is zero at the switching timing. It can be confirmed from the voltage and current waveforms of the switch that zero-current soft switching control is realized.

100 … 直流電圧源
200 … 共振絶縁形DCDCコンバータの主回路部
210 … 電圧形方形はインバータ
220 … 変圧器
230 … ダイオード全波整流回路
240 … 直流スイッチ回路
250 … LC共振回路
260 … LC平滑回路
300 … 負荷
400 … 共振絶縁形DCDCコンバータの制御回路部
410 … スイッチング信号発生部
420 … 直流電流制御部
430 … 直流電圧制御部
440 … 方形波パルス幅制御部
100 ... DC voltage source 200 ... Main circuit of resonance-isolated DCDC converter 210 ... Voltage square is inverter 220 ... Transformer 230 ... Diode full-wave rectifier circuit 240 ... DC switch circuit 250 ... LC resonance circuit 260 ... LC smoothing circuit 300 ... Load 400 ... Resonant isolated DCDC converter control circuit unit 410 ... Switching signal generator 420 ... DC current control unit 430 ... DC voltage control unit 440 ... Square wave pulse width control unit

Claims (8)

直流電圧源に接続した電圧形方形波インバータの交流出力に対し変圧器を介して必要とする交流電圧に変圧した出力をダイオード全波整流回路で整流してスイッチ単独または必要に応じてスイッチオフ時点の保護用フリーフォイーリングダイオードとで構成する直流スイッチ回路を経て共振インダクタと共振キャパシタで構成するLC共振回路に接続し、前記共振キャパシタの両端に平滑インダクタと平滑キャパシタで構成するLC平滑回路を接続して直流負荷に導く直流―交流―直流変換回路において、
前記電圧形方形波インバータで、前記LC共振回路に電圧を加えて流れる共振電流が零に戻るまでの共振周期幅あるいはその整数倍の周期幅に依存する一定の期間幅の正負電圧の方形波電圧を発生させて、その方形波電圧波形に同期して半周期毎に前記直流スイッチ回路を前記LC共振回路の共振周期幅あるいはその整数倍の周期幅とほぼ一致する期間オンした後、オフ期間を入れるスイッチング動作をスイッチング周期とするオンオフ電圧波形を前記LC共振回路に加えることにより、
前記電圧形方形波インバータおよび前記直流スイッチ回路のスイッチング素子に流れる電流が零あるいはほぼ零に近い値でスイッチング動作をさせ、スイッチング損失とスイッチングノイズの低減ができ、高周波スイッチング動作による前記変圧器および前記LC共振回路、前記LC平滑回路などの小型軽量化ができることを特徴とする共振絶縁形DC-DCコンバータ。
The output transformed into the required AC voltage via a transformer with respect to the AC output of the voltage square wave inverter connected to the DC voltage source is rectified by a diode full-wave rectifier circuit, and the switch alone or when the switch is turned off if necessary. An LC smoothing circuit composed of a smoothing inductor and a smoothing capacitor is connected to both ends of the resonance capacitor via a DC switch circuit composed of a free foiling diode for protection and connected to an LC resonance circuit composed of a resonance inductor and a resonance capacitor. In a DC-AC-DC conversion circuit that connects and leads to a DC load
In the voltage square wave inverter, a square wave voltage having a constant period width that depends on the resonance period width until the resonance current flowing by applying a voltage to the LC resonance circuit returns to zero or a period width that is an integral multiple of the resonance period width. Is generated, and the DC switch circuit is turned on every half cycle in synchronization with the square wave voltage waveform for a period that substantially matches the resonance cycle width of the LC resonance circuit or a cycle width that is an integral multiple of the resonance cycle width, and then the off period is set. By adding an on / off voltage waveform whose switching cycle is the switching operation to be input to the LC resonant circuit,
The transformer and the transformer by the high frequency switching operation can reduce the switching loss and the switching noise by operating the switching operation at a value where the current flowing through the switching element of the voltage type square wave inverter and the DC switch circuit is zero or almost zero. A resonance-insulated DC-DC converter characterized by being able to reduce the size and weight of an LC resonance circuit, the LC smoothing circuit, and the like.
請求項1記載の共振絶縁形DC-DCコンバータにおいて、前記電圧形方形波インバータおよび前記直流スイッチ回路の前記スイッチング周期を変えることにより、直流電圧、直流電流を制御することを特徴とする共振絶縁形DC-DCコンバータ。 The resonance-insulated DC-DC converter according to claim 1, wherein the DC voltage and the DC current are controlled by changing the switching period of the voltage square wave inverter and the DC switch circuit. DC-DC converter. 請求項1から2記載の共振絶縁形DC-DCコンバータにおいて、前記直流負荷または前記共振キャパシタの端子電圧の平均電圧が基準電圧と一致するように前記スイッチング周期を制御することにより、直流電圧を制御することを特徴とする共振絶縁形DCDCコンバータ。 In the resonance-insulated DC-DC converter according to claims 1 and 2, the DC voltage is controlled by controlling the switching cycle so that the average voltage of the terminal voltage of the DC load or the resonance capacitor matches the reference voltage. A resonant isolated DCDC converter characterized by 請求項1から2記載の共振絶縁形DC-DCコンバータにおいて、前記直流負荷または前記平滑インダクタに流れる電流の平均値が基準電流と一致するように前記スイッチング周期を制御することにより、直流電流を制御することを特徴とする共振絶縁形DCDCコンバータ。 In the resonance-insulated DC-DC converter according to claims 1 and 2, the DC current is controlled by controlling the switching cycle so that the average value of the current flowing through the DC load or the smoothing inductor matches the reference current. A resonant isolated DCDC converter characterized by 請求項1から2記載の共振絶縁形DC-DCコンバータにおいて、前記直流負荷または前記共振キャパシタの端子電圧の平均電圧が基準電圧と一致するように基準電流を発生させ、この基準電流に前記直流負荷または前記平滑インダクタに流れる電流の平均値が一致するように前記スイッチング周期を制御することにより、直流電圧、直流電流を制御することを特徴とする共振絶縁形DCDCコンバータ。 In the resonance-insulated DC-DC converter according to claims 1 and 2, a reference current is generated so that the average voltage of the terminal voltage of the DC load or the resonance capacitor matches the reference voltage, and the DC load is combined with the reference current. Alternatively, a resonance-isolated DCDC converter characterized in that a DC voltage and a DC current are controlled by controlling the switching cycle so that the average values of the currents flowing through the smoothing inductor match. 請求項1から5記載の共振絶縁形DC-DCコンバータにおいて、前記直流スイッチ回路を取り除き、前記直流スイッチ回路のオフ期間のスイッチング動作の代わりに、前記電圧形方形波インバータの方形波スイッチング信号をオフにするか、零電圧期間を含む方形波スイッチング信号で前記電圧形方形波インバータを働かせ、正負対称方形波電圧の波形制御を行うことにより、スイッチング素子に流れる電流が零あるいはほぼ零に近い値でスイッチング動作を可能とし、前記電圧形方形波インバータの前記スイッチング周期を変えることにより、直流電圧、直流電流を制御することを特徴とする共振絶縁形DC-DCコンバータ。 In the resonance-isolated DC-DC converter according to claims 1 to 5, the DC switch circuit is removed, and instead of the switching operation during the off period of the DC switch circuit, the square wave switching signal of the voltage square wave inverter is turned off. Or, by operating the voltage square wave inverter with a square wave switching signal including a zero voltage period and controlling the waveform of the positive and negative symmetric square wave voltage, the current flowing through the switching element becomes zero or a value close to zero. A resonance-isolated DC-DC converter characterized in that a switching operation is possible and a DC voltage and a DC current are controlled by changing the switching cycle of the voltage type square wave inverter. 請求項1から6記載の共振絶縁形DC-DCコンバータにおいて、前記ダイオード全波整流回路の直流側に接続していた前記共振インダクタを交流側に変更接続して制御することを特徴とする共振絶縁形DC-DCコンバータ。 The resonance-insulated DC-DC converter according to claims 1 to 6, wherein the resonance inductor connected to the DC side of the diode full-wave rectifier circuit is changed and connected to the AC side for control. Type DC-DC converter. 請求項1から7記載の共振絶縁形DC-DCコンバータにおいて、前記変圧器が偏磁することによる直流成分電流が流れないように前記電圧形方形波インバータの正電圧期間あるいは負電圧期間の幅を調整する制御部を付加して制御することを特徴とする共振絶縁形DC-DCコンバータ。

In the resonance-insulated DC-DC converter according to claims 1 to 7, the width of the positive voltage period or the negative voltage period of the voltage square wave inverter is set so that the DC component current due to the demagnetization of the transformer does not flow. A resonance-isolated DC-DC converter characterized by adding a control unit to be adjusted for control.

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