JP6869854B2 - 電源装置 - Google Patents
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Description
半導体スイッチで過電圧を抑制するもっとも単純な方法として半導体スイッチにクランプ回路を接続する方式が最も簡単で効果があると考えられるが、定常状態で高周波増幅器の入力電圧に対して3〜4倍の電圧が半導体スイッチに発生する事から、従来技術では高コストという問題があった。
本発明は、直流主電圧点から直流主電圧を出力する主電源と、入力された前記直流主電圧から出力点に交流電圧を発生させる高周波増幅回路と、前記高周波増幅回路に駆動信号を出力し、前記高周波増幅回路を動作させる制御回路と、前記出力点の電圧を、所定のクランプ電圧でクランプするクランプ回路と、を有し、前記高周波増幅回路は、一端は前記直流主電圧点に接続され、他端は前記出力点に接続された主インダクタンス素子と、前記駆動信号によって制御され、前記出力点と接地電位との間を導通させ又は遮断させるスイッチング動作を行う主スイッチ素子と、一端が前記出力点と接続され他端が接地電位に接続された主キャパシタンス素子と、を有し、前記主スイッチ素子は、前記駆動信号により、前記スイッチング動作によって前記主インダクタンス素子と前記主キャパシタンス素子とに共振電流を流し、前記交流電圧に、前記直流主電圧の電圧値よりも接地電位から遠いピーク値を設けるように動作される電源装置であって、前記主電源は、直流高電圧を直流高電圧点に出力する第一直流電源と、前記直流高電圧が入力され、前記直流高電圧よりも接地電位に近い値の前記直流主電圧を前記直流主電圧点に出力する第二直流電源と、を有し、前記第一直流電源は、前記直流高電圧を前記直流高電圧点に出力する電圧源と、一端が前記直流高電圧点に接続され他端が接地電位に接続され、前記直流高電圧に充電される第一電源キャパシタンス素子とを有し、前記第二直流電源は一端が前記直流主電圧点に接続され他端が接地電位に接続された第二電源キャパシタンス素子を有し、前記クランプ回路は、保護用キャパシタンス素子と保護用整流素子と保護用インダクタンス素子とが設けられ、前記保護用キャパシタンス素子の一端と前記保護用整流素子の一端と前記保護用インダクタンス素子の一端とが接続された第一、第二バイアス回路と、補助インダクタンス素子と、を有し、前記第一バイアス回路では、前記保護用キャパシタンス素子の他端は前記出力点に接続され、前記保護用整流素子の他端と前記第二バイアス回路の前記保護用キャパシタンス素子の他端とは接続点で接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、前記第二バイアス回路では、前記保護用整流素子の他端は前記直流高電圧点に接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、前記補助インダクタンス素子の一端は前記接続点に接続され、他端は前記直流高電圧点に接続され、第一、第二バイアス回路の前記保護用整流素子は、前記出力点の電圧が、前記直流高電圧点の電圧よりも接地電位から遠い前記クランプ電圧になったときに導通する向きで接続された電源装置である。
本発明は、直流主電圧点から直流主電圧を出力する主電源と、入力された前記直流主電圧から出力点に交流電圧を発生させる高周波増幅回路と、前記高周波増幅回路に駆動信号を出力し、前記高周波増幅回路を動作させる制御回路と、前記出力点の電圧を、所定のクランプ電圧でクランプするクランプ回路と、を有し、前記高周波増幅回路は、一端は前記直流主電圧点に接続され、他端は前記出力点に接続された主インダクタンス素子と、前記駆動信号によって制御され、前記出力点と接地電位との間を導通させ又は遮断させるスイッチング動作を行う主スイッチ素子と、一端が前記出力点と接続され他端が接地電位に接続された主キャパシタンス素子と、を有し、前記主スイッチ素子は、前記駆動信号により、前記スイッチング動作によって前記主インダクタンス素子と前記主キャパシタンス素子とに共振電流を流し、前記交流電圧に、前記直流主電圧の電圧値よりも接地電位から遠いピーク値を設けるように動作される電源装置であって、前記主電源は、直流高電圧を直流高電圧点に出力する第一直流電源と、前記直流高電圧が入力され、前記直流高電圧よりも接地電位に近い値の前記直流主電圧を前記直流主電圧点に出力する第二直流電源と、を有し、前記第一直流電源は、前記直流高電圧を前記直流高電圧点に出力する電圧源と、一端が前記直流高電圧点に接続され他端が接地電位に接続され、前記直流高電圧に充電される第一電源キャパシタンス素子とを有し、前記第二直流電源は一端が前記直流主電圧点に接続され他端が接地電位に接続された第二電源キャパシタンス素子を有し、前記クランプ回路は、保護用キャパシタンス素子と保護用整流素子と保護用インダクタンス素子とが設けられ、前記保護用キャパシタンス素子の一端と前記保護用整流素子の一端と前記保護用インダクタンス素子の一端とが接続された第一、第二バイアス回路と、補助インダクタンス素子と、を有し、前記第一バイアス回路では、前記保護用キャパシタンス素子の他端は前記出力点に接続され、前記保護用整流素子の他端と前記第二バイアス回路の前記保護用キャパシタンス素子の他端とは接続点で接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、前記第二バイアス回路では、前記保護用整流素子の他端は前記直流高電圧点に接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、前記補助インダクタンス素子の一端は前記接続点に接続され、他端は前記直流主電圧点に接続され、第一、第二バイアス回路の前記保護用整流素子は、前記出力点の電圧が、前記直流主電圧点の電圧よりも接地電位から遠い前記クランプ電圧になったときに導通する向きで接続された電源装置である。この場合、前記直流高電圧点の電圧よりも接地電位から遠い前記クランプ電圧になったときに導通する向きで接続されるようにすることもできる。
本発明は、直流主電圧点から直流主電圧を出力する主電源と、入力された前記直流主電圧から出力点に交流電圧を発生させる高周波増幅回路と、前記高周波増幅回路に駆動信号を出力し、前記高周波増幅回路を動作させる制御回路と、前記出力点の電圧を、所定のクランプ電圧でクランプするクランプ回路と、を有し、前記高周波増幅回路は、一端は前記直流主電圧点に接続され、他端は前記出力点に接続された主インダクタンス素子と、前記駆動信号によって制御され、前記出力点と接地電位との間を導通させ又は遮断させるスイッチング動作を行う主スイッチ素子と、一端が前記出力点と接続され他端が接地電位に接続された主キャパシタンス素子と、を有し、前記主スイッチ素子は、前記駆動信号により、前記スイッチング動作によって前記主インダクタンス素子と前記主キャパシタンス素子とに共振電流を流し、前記交流電圧に、前記直流主電圧の電圧値よりも接地電位から遠いピーク値を設けるように動作される電源装置であって、前記主電源は、直流高電圧を直流高電圧点に出力する第一直流電源と、前記直流高電圧が入力され、前記直流高電圧よりも接地電位に近い値の前記直流主電圧を前記直流主電圧点に出力する第二直流電源と、を有し、前記第一直流電源は、前記直流高電圧を前記直流高電圧点に出力する電圧源と、一端が前記直流高電圧点に接続され他端が接地電位に接続され、前記直流高電圧に充電される第一電源キャパシタンス素子とを有し、前記第二直流電源は一端が前記直流主電圧点に接続され他端が接地電位に接続された第二電源キャパシタンス素子を有し、前記クランプ回路は、保護用キャパシタンス素子と保護用整流素子と保護用インダクタンス素子とが設けられ、前記保護用キャパシタンス素子の一端と前記保護用整流素子の一端と前記保護用インダクタンス素子の一端とが接続された第一、第二バイアス回路と、補助インダクタンス素子と、を有し、前記第一バイアス回路では、前記保護用キャパシタンス素子の他端は前記出力点に接続され、前記保護用整流素子の他端と前記第二バイアス回路の前記保護用キャパシタンス素子の他端とは接続点で接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、前記第二バイアス回路では、前記保護用整流素子の他端は前記直流主電圧点に接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、前記補助インダクタンス素子の一端は前記接続点に接続され、他端は前記直流高電圧点に接続され、第一、第二バイアス回路の前記保護用整流素子は、前記出力点の電圧が、前記直流主電圧点の電圧よりも接地電位から遠い前記クランプ電圧になったときに導通する向きで接続された電源装置である。この場合、第一、第二バイアス回路の前記保護用整流素子は、前記出力点の電圧が、前記直流高電圧点の電圧よりも接地電位から遠い前記クランプ電圧になったときに導通する向きで接続させることもできる。
図1〜図4は本発明の第一例〜第四例の電源装置1〜4であり、各電源装置1〜4は、主電源20と、高周波増幅回路23と、フィルタ回路24と、制御回路26とを有している。
高周波増幅回路23は、主インダクタンス素子L2と、主スイッチ素子SW3と、主キャパシタンス素子C2とを有している。
次いで、主インダクタンス素子L2から供給される電流が減少すると、充電された主キャパシタンス素子C2が放電を開始し、その放電によって主インダクタンス素子L2に電流が供給され、主電源20の内部の後述する第二電源キャパシタンス素子C1を充電する。
出力端子25は、スパッタリング装置のターゲットや、プラズマ生成装置の電極等の負荷に接続されており、負荷に高周波電圧を供給する。
本発明の電源装置1〜4が有する主電源20は、直流高電圧を直流高電圧点11に出力する第一直流電源21と、第一直流電源21が出力する直流高電圧が入力され、直流高電圧よりも接地電位に近い値の直流主電圧を直流主電圧点13から出力する第二直流電源22と、を有している。
第二電源キャパシタンス素子C1の一端は直流主電圧点13に接続され、他端は接地電位に接続されている。
上述したように、直流主電圧は直流高電圧よりも接地電位に近い値であり、第二直流電源22は、降圧DC−DCコンバータと言える。
本発明の電源装置1〜4はそれぞれクランプ回路31,35〜37を有している。
各電源装置1〜4に設けられたバイアス回路32〜34は同一構造であり、バイアス回路32〜34は、保護用キャパシタンス素子C5と保護用整流素子D1と保護用インダクタンス素子L4とを有しており、保護用キャパシタンス素子C5の一端と、保護用整流素子D1の一端と、保護用インダクタンス素子L4の一端とは中心点14において互いに接続されている。
先ず、図1の第一例の電源装置1のバイアス回路32では、保護用キャパシタンス素子C5の他端は出力点12に接続され、保護用整流素子D1の他端は直流高電圧点11に接続され、保護用インダクタンス素子L4の他端は接地電位に接続されている。
反射によって出力点12の電圧が通常のピーク値よりも大きくなると、主スイッチ素子SW3が破壊する虞がある。
図6に定常状態の電圧関係を示す。
であり、スイッチ電圧VSW3(t)のピーク値が直流主電圧VDCampの4倍に達するまでクランプ回路31を動作させない場合は、下記(6)式が成立するように、直流主電圧VDCampと直流高電圧VDCbusとの値を設定する。
次に、第二例の電源装置2は図2に示されており、そのクランプ回路35は、二個のバイアス回路33,34を有している。
第一バイアス回路33の保護用整流素子D1の他端と、第二バイアス回路34の保護用キャパシタンス素子C5の他端とが接続された点を接続点15と呼ぶと、接続点15は補助インダクタンス素子L5によって直流高電圧点11に接続されている。
保護用整流素子D1に閾値電圧を超える電圧が印加されると、クランプ回路35は導通し、保護状態に移行する(図10)。
図3は第三例の電源装置3の回路を示しており、第三例の電源装置3のクランプ回路36内において補助インダクタンス素子L5の他端が直流高電圧点11ではなく直流主電圧点13に接続された点以外は第二例の電源装置2と同じである。定常状態中に形成される閉回路を図11に示す。
第三、第四例の電源装置3,4の簡略化したクランプ回路36、37を、図13,14に示す。高周波増幅回路23のスイッチ電圧VSW3(t)は、高周波成分VRF(t)と直流主電圧VDCampとに分けてある。
高周波増幅回路23の内部インピーダンスは無視できるほど小さい。
なお、上記第一例〜第四例の電源装置1〜4では、第一、第二直流電源21、22は直流の正電圧を出力していたが、直流の負電圧を出力する第一、第二直流電源を有する電源装置も本発明に含まれる。
12……出力点
13……直流主電圧点
15……接続点
20……主電源
21……第一直流電源
22……第二直流電源
23……高周波増幅回路
26……制御回路
31、35〜37……クランプ回路
32……バイアス回路
33……第一バイアス回路
34……第二バイアス回路
C0……第一電源キャパシタンス素子
C1……第二電源キャパシタンス素子
C2……主キャパシタンス素子
C5……保護用キャパシタンス素子
D1……保護用整流素子
L4……保護用インダクタンス素子
L2……主インダクタンス素子
SW3……主スイッチ素子
Claims (4)
- 直流主電圧点から直流主電圧を出力する主電源と、
入力された前記直流主電圧から出力点に交流電圧を発生させる高周波増幅回路と、
前記高周波増幅回路に駆動信号を出力し、前記高周波増幅回路を動作させる制御回路と、
前記出力点の電圧を、所定のクランプ電圧でクランプするクランプ回路と、
を有し、
前記高周波増幅回路は、一端は前記直流主電圧点に接続され、他端は前記出力点に接続された主インダクタンス素子と、
前記駆動信号によって制御され、前記出力点と接地電位との間を導通させ又は遮断させるスイッチング動作を行う主スイッチ素子と、
一端が前記出力点と接続され他端が接地電位に接続された主キャパシタンス素子と、
を有し、
前記主スイッチ素子は、前記駆動信号により、前記スイッチング動作によって前記主インダクタンス素子と前記主キャパシタンス素子とに共振電流を流し、前記交流電圧に、前記直流主電圧の電圧値よりも接地電位から遠いピーク値を設けるように動作される電源装置であって、
前記主電源は、
直流高電圧を直流高電圧点に出力する第一直流電源と、
前記直流高電圧が入力され、前記直流高電圧よりも接地電位に近い値の前記直流主電圧を前記直流主電圧点に出力する第二直流電源と、を有し、
前記第一直流電源は、前記直流高電圧を前記直流高電圧点に出力する電圧源と、一端が前記直流高電圧点に接続され他端が接地電位に接続され、前記直流高電圧に充電される第一電源キャパシタンス素子とを有し、
前記第二直流電源は一端が前記直流主電圧点に接続され他端が接地電位に接続された第二電源キャパシタンス素子を有し、
前記クランプ回路は、保護用キャパシタンス素子と保護用整流素子と保護用インダクタンス素子とが設けられ前記保護用キャパシタンス素子の一端と前記保護用整流素子の一端と前記保護用インダクタンス素子の一端とが接続されたバイアス回路を有し、
前記バイアス回路では、前記保護用キャパシタンス素子の他端は前記出力点に接続され、前記保護用整流素子の他端は前記直流高電圧点に接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、
前記保護用整流素子は、前記出力点の電圧が、前記直流高電圧点の電圧よりも接地電位から遠い前記クランプ電圧になったときに導通する向きで接続された電源装置。 - 直流主電圧点から直流主電圧を出力する主電源と、
入力された前記直流主電圧から出力点に交流電圧を発生させる高周波増幅回路と、
前記高周波増幅回路に駆動信号を出力し、前記高周波増幅回路を動作させる制御回路と、
前記出力点の電圧を、所定のクランプ電圧でクランプするクランプ回路と、
を有し、
前記高周波増幅回路は、一端は前記直流主電圧点に接続され、他端は前記出力点に接続された主インダクタンス素子と、
前記駆動信号によって制御され、前記出力点と接地電位との間を導通させ又は遮断させるスイッチング動作を行う主スイッチ素子と、
一端が前記出力点と接続され他端が接地電位に接続された主キャパシタンス素子と、
を有し、
前記主スイッチ素子は、前記駆動信号により、前記スイッチング動作によって前記主インダクタンス素子と前記主キャパシタンス素子とに共振電流を流し、前記交流電圧に、前記直流主電圧の電圧値よりも接地電位から遠いピーク値を設けるように動作される電源装置であって、
前記主電源は、
直流高電圧を直流高電圧点に出力する第一直流電源と、
前記直流高電圧が入力され、前記直流高電圧よりも接地電位に近い値の前記直流主電圧を前記直流主電圧点に出力する第二直流電源と、を有し、
前記第一直流電源は、前記直流高電圧を前記直流高電圧点に出力する電圧源と、一端が前記直流高電圧点に接続され他端が接地電位に接続され、前記直流高電圧に充電される第一電源キャパシタンス素子とを有し、
前記第二直流電源は一端が前記直流主電圧点に接続され他端が接地電位に接続された第二電源キャパシタンス素子を有し、
前記クランプ回路は、保護用キャパシタンス素子と保護用整流素子と保護用インダクタンス素子とが設けられ、前記保護用キャパシタンス素子の一端と前記保護用整流素子の一端と前記保護用インダクタンス素子の一端とが接続された第一、第二バイアス回路と、補助インダクタンス素子と、を有し、
前記第一バイアス回路では、前記保護用キャパシタンス素子の他端は前記出力点に接続され、前記保護用整流素子の他端と前記第二バイアス回路の前記保護用キャパシタンス素子の他端とは接続点で接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、
前記第二バイアス回路では、前記保護用整流素子の他端は前記直流高電圧点に接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、
前記補助インダクタンス素子の一端は前記接続点に接続され、他端は前記直流高電圧点に接続され、
第一、第二バイアス回路の前記保護用整流素子は、前記出力点の電圧が、前記直流高電圧点の電圧よりも接地電位から遠い前記クランプ電圧になったときに導通する向きで接続された電源装置。 - 直流主電圧点から直流主電圧を出力する主電源と、
入力された前記直流主電圧から出力点に交流電圧を発生させる高周波増幅回路と、
前記高周波増幅回路に駆動信号を出力し、前記高周波増幅回路を動作させる制御回路と、
前記出力点の電圧を、所定のクランプ電圧でクランプするクランプ回路と、
を有し、
前記高周波増幅回路は、一端は前記直流主電圧点に接続され、他端は前記出力点に接続された主インダクタンス素子と、
前記駆動信号によって制御され、前記出力点と接地電位との間を導通させ又は遮断させるスイッチング動作を行う主スイッチ素子と、
一端が前記出力点と接続され他端が接地電位に接続された主キャパシタンス素子と、
を有し、
前記主スイッチ素子は、前記駆動信号により、前記スイッチング動作によって前記主インダクタンス素子と前記主キャパシタンス素子とに共振電流を流し、前記交流電圧に、前記直流主電圧の電圧値よりも接地電位から遠いピーク値を設けるように動作される電源装置であって、
前記主電源は、
直流高電圧を直流高電圧点に出力する第一直流電源と、
前記直流高電圧が入力され、前記直流高電圧よりも接地電位に近い値の前記直流主電圧を前記直流主電圧点に出力する第二直流電源と、を有し、
前記第一直流電源は、前記直流高電圧を前記直流高電圧点に出力する電圧源と、一端が前記直流高電圧点に接続され他端が接地電位に接続され、前記直流高電圧に充電される第一電源キャパシタンス素子とを有し、
前記第二直流電源は一端が前記直流主電圧点に接続され他端が接地電位に接続された第二電源キャパシタンス素子を有し、
前記クランプ回路は、保護用キャパシタンス素子と保護用整流素子と保護用インダクタンス素子とが設けられ、前記保護用キャパシタンス素子の一端と前記保護用整流素子の一端と前記保護用インダクタンス素子の一端とが接続された第一、第二バイアス回路と、補助インダクタンス素子と、を有し、
前記第一バイアス回路では、前記保護用キャパシタンス素子の他端は前記出力点に接続され、前記保護用整流素子の他端と前記第二バイアス回路の前記保護用キャパシタンス素子の他端とは接続点で接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、
前記第二バイアス回路では、前記保護用整流素子の他端は前記直流高電圧点に接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、
前記補助インダクタンス素子の一端は前記接続点に接続され、他端は前記直流主電圧点に接続され、
第一、第二バイアス回路の前記保護用整流素子は、前記出力点の電圧が、前記直流主電圧点の電圧よりも接地電位から遠い前記クランプ電圧になったときに導通する向きで接続された電源装置。 - 直流主電圧点から直流主電圧を出力する主電源と、
入力された前記直流主電圧から出力点に交流電圧を発生させる高周波増幅回路と、
前記高周波増幅回路に駆動信号を出力し、前記高周波増幅回路を動作させる制御回路と、
前記出力点の電圧を、所定のクランプ電圧でクランプするクランプ回路と、
を有し、
前記高周波増幅回路は、一端は前記直流主電圧点に接続され、他端は前記出力点に接続された主インダクタンス素子と、
前記駆動信号によって制御され、前記出力点と接地電位との間を導通させ又は遮断させるスイッチング動作を行う主スイッチ素子と、
一端が前記出力点と接続され他端が接地電位に接続された主キャパシタンス素子と、
を有し、
前記主スイッチ素子は、前記駆動信号により、前記スイッチング動作によって前記主インダクタンス素子と前記主キャパシタンス素子とに共振電流を流し、前記交流電圧に、前記直流主電圧の電圧値よりも接地電位から遠いピーク値を設けるように動作される電源装置であって、
前記主電源は、
直流高電圧を直流高電圧点に出力する第一直流電源と、
前記直流高電圧が入力され、前記直流高電圧よりも接地電位に近い値の前記直流主電圧を前記直流主電圧点に出力する第二直流電源と、を有し、
前記第一直流電源は、前記直流高電圧を前記直流高電圧点に出力する電圧源と、一端が前記直流高電圧点に接続され他端が接地電位に接続され、前記直流高電圧に充電される第一電源キャパシタンス素子とを有し、
前記第二直流電源は一端が前記直流主電圧点に接続され他端が接地電位に接続された第二電源キャパシタンス素子を有し、
前記クランプ回路は、保護用キャパシタンス素子と保護用整流素子と保護用インダクタンス素子とが設けられ、前記保護用キャパシタンス素子の一端と前記保護用整流素子の一端と前記保護用インダクタンス素子の一端とが接続された第一、第二バイアス回路と、補助インダクタンス素子と、を有し、
前記第一バイアス回路では、前記保護用キャパシタンス素子の他端は前記出力点に接続され、前記保護用整流素子の他端と前記第二バイアス回路の前記保護用キャパシタンス素子の他端とは接続点で接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、
前記第二バイアス回路では、前記保護用整流素子の他端は前記直流主電圧点に接続され、前記保護用インダクタンス素子の他端は接地電位に接続され、
前記補助インダクタンス素子の一端は前記接続点に接続され、他端は前記直流高電圧点に接続され、
第一、第二バイアス回路の前記保護用整流素子は、前記出力点の電圧が、前記直流主電圧点の電圧よりも接地電位から遠い前記クランプ電圧になったときに導通する向きで接続された電源装置。
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