JPH04299067A - 共振型スイッチング電源回路 - Google Patents

共振型スイッチング電源回路

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JPH04299067A
JPH04299067A JP8721691A JP8721691A JPH04299067A JP H04299067 A JPH04299067 A JP H04299067A JP 8721691 A JP8721691 A JP 8721691A JP 8721691 A JP8721691 A JP 8721691A JP H04299067 A JPH04299067 A JP H04299067A
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JP
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switching element
voltage
circuit
power supply
switching
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Yukio Takahashi
幸雄 高橋
Yukio Okada
幸夫 岡田
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Sanyo Electric Co Ltd
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Sanyo Electric Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は絶縁トランスとコンデン
サの直列共振を利用するスイッチング電源回路に関し、
詳細には、広範囲の入力電圧で低損失で動作するスイッ
チング電源回路に関する。
【0002】
【従来の技術】図9を参照して従来のスイッチング電源
回路を説明する。スイッチング電源回路の主回路はその
出力DCOUTを入力電源DCINから絶縁するトラン
ス (72)、このトランス(72)の一次コイルL1
の電流をスイッチング制御するスイッチング素子SW、
このスイッチング素子SWを所定タイミングで駆動する
制御回路(60)から構成され、大電流スイッチングお
よび高電圧スイッチングに基づくノイズの防止、あるい
はこのノイズによるスイッチング素子SW等の破壊防止
のために、抵抗R22、コンデンサC22、ダイオード
D22からなるスナバ回路、抵抗R21、コンデンサC
21からなるスナバ回路、抵抗R23、コンデンサC2
4からなるスナバ回路および急峻な立ち上がり、立ち下
がりを抑え、ノイズの発生を抑制する目的でビーズコア
(80)等のインダクタンスが回路の所定箇所に付加さ
れている。
【0003】スイッチング素子SWにはパワーMOSF
ET、あるいはバイポーラトランジスタが使用され、バ
イポーラトランジスタが使用される場合には、そのオン
抵抗を低くするために、トランス駆動によって充分な大
きさのベース電流が供給される。また、パワーMOSF
ETが使用される場合には、図示するように、パワーM
OSFETの被制御電極に並列にフライホィールダイオ
ードD23が内蔵される。
【0004】集積回路として提供されることが多い制御
回路(60)はパルスジェネレータ(62)、アンドゲ
ート(64)、フリップフロップ(66)、バッファ(
68)、比較器(70)を備える。パルスジェネレータ
(62)は端子TPINと接地間に接続されるコンデン
サと内蔵抵抗とのCR時定数で決められる一定の周波数
で動作し、あるいは外部よりトリガパルスを供給する場
合にはトリガパルスに同期した周波数で動作する。
【0005】次に、このスイッチング電源回路の動作を
説明する。制御回路(60)は抵抗R20を介して端子
VCCに供給される入力電源DCINにより起動し、起
動後はダイオードD20およびコンデンサC20により
整流、平滑されるトランス(72)の三次コイルL3出
力により動作する。
【0006】今、比較器(70)の出力がハイレベルで
あれば、フリップフロップ(66)はパルスジェネレー
タ(62)出力の立ち上がりでアンドゲート(64)に
よりセットされ、パルスジェネレータ(62)出力の立
ち下がりでリセットされる。スイッチング素子SWはこ
のフリップフロップ(66)のセット出力Qに基づいて
バッファ(68)により駆動される。そして、トランス
(72)の一次回路電流はこのスイッチング素子SWの
スイッチング動作に基づいて所定の時定数で変化して、
トランス(72)の二次コイルL2および三次コイルL
3に電圧を誘起する。従って、このスイッチング電源回
路の出力電圧DCOUTはパルスジェネレータ(62)
の出力デューティにより決定される。
【0007】また、トランス(72)の一次回路電流は
電流検出抵抗RSENにより検出され、比較器(70)
の反転入力端子に入力されている。そこで、入力電源D
CINの電圧が低くなるか、出力DCOUTの電流が増
加するかして、電流検出抵抗RSENにより検出される
一次回路電流が設定値VS以上になると、比較器(70
)がアンドゲート(64)にローレベルを出力し、この
アンドゲート(64)によりパルスジェネレータ(62
)からフリップフロップ(66)に入力されるセット信
号が遮断される。この結果、一次回路電流の過電流制御
が行われる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】従来のスイッチング電
源回路はスイッチング特性あるいは周波数特性の良好な
ダイオード、抵抗、コンデンサにより構成されるスナバ
回路およびビーズコアを複数必要とするためスイッチン
グ電源回路に対する小型化の要求、低価格化の要求に応
えることができない欠点を有している。そして、このス
ナバ回路およびビーズコアの付加によりスイッチング電
源回路の動作周波数が制限されるばかりか、スナバ回路
において電力消費されスイッチング電源回路の変換効率
が低下する欠点を有している。即ち、スイッチング電源
回路から発生するノイズを低減させようとする場合には
変換効率が低下し、またスイッチング電源回路の変換効
率を向上させようとする場合にはノイズ発生が大きくな
る問題を有する。このため、ノイズの低減と高い変換効
率という相反する技術的事項を解決したスイッチング電
源回路を実現できなかった。
【0009】また、大電流、高電圧をスイッチングする
ため、有限の傾斜でオン・オフするスイッチング素子内
部で消費される電力が大きく、スイッチング電源回路の
変換効率が低下する欠点を有している。特に、スイッチ
ング素子としてオン抵抗が低いIGBTを使用する場合
には、逆バイアス時に残留少数キャリアに基づく電流が
流れ、スイッチング素子内部で消費される電力が大きく
なる欠点を有する。
【0010】さらには、スイッチング素子としてIGB
Tを使用する場合には、高速動作によってスイッチング
損失が大きく増加するため、スイッチング電源回路の小
型化が困難である欠点を有する。同様な理由により、パ
ルスジェネレータの出力周波数およびデューティを大き
く変化させて定電圧制御を行うことが困難であるため、
スイッチング電源回路の入出力電圧比を大きく変化させ
ることができない欠点を有する。
【0011】
【問題点を解決するための手段】本発明は斯る問題点に
鑑みてなされ、その出力を入力電源から絶縁するトラン
スと、このトランスの一次コイル電流を制御するスイッ
チング素子と、このスイッチング素子を所定タイミング
で駆動する制御回路と、前記スイッチング素子の被制御
電極間に接続した共振コンデンサからなり、絶縁トラン
スとコンデンサの直列共振による共振コンデンサの振動
電圧を検出し、この共振コンデンサの電圧が所定値とな
るタイミングから、入出力電圧比で定まる所定時間の後
に制御回路をトリガしてスイッチング素子をオンさせる
よう構成することによって、前記した従来のスイッチン
グ電源回路が有する問題を全て解決するものである。
【0012】
【作用】共振コンデンサの振動電圧を検出し、この共振
コンデンサの電圧が所定値となる所定のタイミングでス
イッチング素子をオンさせるため、(スイッチング素子
が駆動する電圧レベルを任意の低い値とすることができ
)スイッチング素子内部で消費される電力が低下する。 また、これにより、スイッチングノイズのレベルが低下
するためスナバ回路およびビーズコアが不要となる。
【0013】さらに、共振コンデンサの充電電荷レベル
の極小点でスイッチング素子がオンするため、共振コン
デンサの充電エネルギーが有効に二次側に伝達され、ス
イッチング素子内部で消費される充電エネルギーが低下
する。さらにまた、スイッチング素子をオンさせるタイ
ミングを入出力電圧比に応じて変更するため、広範囲の
入力電圧に対して、大幅な設計変更をすることなく、ス
イッチング損失が最小となる最適タイミングでスイッチ
ング素子を動作させることができる。
【0014】
【実施例】図1乃至図5を参照して本発明の共振型スイ
ッチング電源回路(以下、単にスイッチング電源回路と
称する)を説明する。図1を参照すると、本発明のスイ
ッチング電源回路はその出力DCOUTを入力電源DC
INから絶縁するトランス(50)、パワーMOSFE
TあるいはIGBT等が使用されるスイッチング素子S
W、スイッチング素子SWの被制御電極間に接続される
共振コンデンサCRES、スイッチング素子SWを所定
タイミングで駆動する制御回路(20)、出力電圧検出
回路(52)、共振コンデンサCRESの残留電圧を検
出する電圧検出回路(トランジスタQ0、抵抗R9、ダ
イオードD2)等から構成される。なお、スイッチング
素子SWの被制御電極間にスナバ回路としてのコンデン
サを並列接続したスイッチング電源回路が知られている
が本発明のスイッチング電源回路の動作はその種のもの
とは明らかに相違するものである。
【0015】制御回路(20)は図2にブロック図が示
されているように、端子VCCの電源電圧の立ち上がり
を検出する比較器(22)、この比較器(22)の出力
に基づいてそれぞれ5Vの基準電圧VREF、VSを出
力する基準電圧回路(34)、3入力オアゲート(24
)、端子CTに接続されるコンデンサC3と抵抗R4(
図1参照)により設定される周波数であって、幅の狭い
パルスを出力するクロックジェネレータ(26)、フリ
ップフロップ(28)、差動増幅器(30)、比較器(
32)、プッシュプル接続されるトランジスタQ1、Q
2から構成される。
【0016】本実施例ではトランス(50)の二次側の
出力回路に出力電圧検出回路(52)を備え、ホトカプ
ラPCを介するこの出力により、スイッチング素子SW
がOFFするタイミングが決められ、電圧検出回路(ト
ランジスタQ0、抵抗R9、ダイオードD2)によって
、スイッチング素子SWのONするタイミング(VDS
の極小点)が決められ、それぞれ独立に制御回路(20
)が制御される。 この結果、本発明のスイッチング電源回路は入出力条件
並びにトランス(50)とコンデンサCRESの共振条
件に従った周波数でオン・オフ動作する。
【0017】図1および図2を参照して実施例の基本的
なスイッチング動作をまず説明する。制御回路(20)
は抵抗R1を介して端子VCCに供給される入力電源D
CINにより起動する。この端子VCCの電圧が遷移す
る不安定動作期間では、端子VCCの電圧と基準電圧V
STとを比較する比較器(22)およびこの比較出力を
反転入力する3入力オアゲート(24)により、トラン
ジスタQ1がオフ、トランジスタQ2がオンして制御回
路(20)の出力OUTがローレベルに保たれている。 従って、このタイミングではスイッチング素子SWはオ
フしている。
【0018】スイッチング素子SWがオフしていると、
この被制御電極間に並列接続された共振コンデンサCR
ESに所定の時定数で充電が行われた後、トランス(5
0)の一次コイルL1と共振コンデンサCRESによっ
て形成される直列共振回路により回路電流が正弦的に振
動する。そこで、電圧検出回路(トランジスタQ0、抵
抗R9、ダイオードD2)によりこの振動電圧の極小点
を検出し、そのタイミングで端子CTよりクロックジェ
ネレータ(26)がトリガされる。
【0019】クロックジェネレータ(26)がトリガさ
れると、その幅の狭いパルスによりフリップフロップ(
28)がセットされ、その反転出力がローレベルになる
。続いて、クロックジェネレータ(26)出力がローレ
ベルになると、3入力オアゲート(24)出力によりト
ランジスタQ1がオン、トランジスタQ2がオフして(
図2参照)、スイッチング素子SWがオンする。
【0020】スイッチング素子SWがオンすると、トラ
ンス(50)の一次コイルL1に所定の時定数で立ち上
がる電流が流れ、二次コイルL2および三次コイルL3
に電圧が誘起される。この一次コイルL1の電流は二次
コイルL2の負荷に応じた時間の後急激に減少して所定
電流となる。
【0021】本発明のスイッチング電源回路では、オフ
時のスイッチング素子SWの被制御電極間電圧VDSは
VDS=DCIN+(L1/L2)・DCOUT・Co
sωt(ω=1/(LP・CRES)−1/2:但しL
Pは一次コイルL1のインダクタンス)で表され、スイ
ッチング素子SWの被制御電極間電圧VDSの立ち下が
りの期間のみが一定となる。そして、スイッチング素子
SWのオン・オフのタイミングおよびオン・オフ期間は
不定となる。また、本発明のスイッチング電源回路は出
力電圧検出回路(52)、ホトカプラPCを介するフィ
ードバック系により定電圧制御され、電流検出抵抗RS
ENによりトランス(50)の一次コイルL1電流をI
SENとして検出し、比較器(32)において基準電圧
VSと比較する。そこで、ISENが基準電圧VSより
大きくなるタイミングでフリップフロップ(28)がリ
セットされ、スイッチング素子SWがオフして過電流制
御が行われる。
【0022】図3および図4を参照して本発明をさらに
詳細に説明する。なお、図3、図4はそれぞれ従来のス
イッチング電源回路と本発明のスイッチング電源回路の
スイッチング素子SWの被制御電極間電圧VDSおよび
電流IDSの波形を模式的に示している。これら波形を
参照する上で、スイッチング素子SWの被制御電極間電
圧VDSと電流IDSの位相がずれ、スイッチング素子
SWの電圧・電流積が小さくなる点に注意が必要である
【0023】スイッチング素子SWを随時、強制的にオ
ン・オフさせて、高インダクタンス回路の電流を制御す
る従来のスイッチング電源回路では、図3に示されるよ
うに、特にスイッチング素子SWのターンオン時(VD
Sの立ち下がり時)に高レベルのノイズが発生すること
が理解される。また、スイッチング素子SWが有限の速
度で動作するため、VDSの立ち上がり、立ち下がりの
タイミングにおいて、被制御電極間電圧VDSと電流I
DSの積で表されるスイッチング素子SWの内部損失が
大きくなることも理解される。これに対して、トランス
(50)の一次コイルL1と共振コンデンサCRESに
よって直列共振回路を形成する本発明では、比較的大容
量の共振コンデンサCRESが回路に直列に接続されて
いるため、スイッチング素子SWのオフ時に高インダク
タンス回路が開路されることがなく、図4に示されるよ
うに、ノイズが抑制される。また、VDSが立ち下がっ
てからスイッチング素子SWがターンオンされるため、
ターンオン時のノイズ発生も極めて少ない。同様に、ス
イッチング素子SWのターンオン時の内部損失が無視し
得るため、ターンオン時のスイッチング損失が大きく、
スイッチング電源回路への適用が困難であったIGBT
をスイッチング素子SWとして使用することができる。
【0024】ここで、図5および図6を参照してIGB
Tを簡単に説明する。IGBTは図5に示すように、N
−ベース領域に形成したP+領域を除いて、周知のパワ
ーMOSFETと類似の断面構造を備える。P+領域を
備えないパワーMOSFETのN−ベース領域がオン時
に抵抗体として作用するに対して、IGBTではPベー
ス領域、N−ベース領域、P+領域によりPNPトラン
ジスタが形成されるため(図6参照)、オン時のN−ベ
ース領域の抵抗は無視できる程に小さくなる。この反面
、PNPトランジスタが形成されるため、オフ直後にN
−ベース領域の残留少数キャリアに基づく電流IM(図
3、図4参照)が流れる欠点を有している。
【0025】しかしながら、本発明によれば、スイッチ
ング素子SWのスイッチングが電流・電圧積が発生しな
いタイミングで行われるため、残留少数キャリアに基づ
く電流IMに基づく内部損失は低いオン抵抗により相殺
される。また、構造上、フライホィールダイオードを内
蔵しないため、フライホィールダイオードD4をスイッ
チング素子SWの高圧側被制御電極と接地間に接続する
ことができる。この結果、フライホィールダイオードD
4を流れる電流が電流検出抵抗RSENによって電力消
費されることがなくなる。
【0026】本発明の電圧検出回路(トランジスタQ0
、抵抗R9、ダイオードD2)には、前記した振動する
被制御電極間電圧VDSの極小点、望ましくは最初の振
動の極小点を検出し、このタイミングでスイッチング素
子SWをオンさせる機能を有する任意の回路を使用する
ことができ、この電圧検出回路によって、共振コンデン
サCRESからトランス(50)の二次コイルL2へエ
ネルギー伝達が完了したタイミングが検出される。
【0027】このタイミングによってスイッチング素子
SWをオンさせるときには、共振コンデンサCRESに
充電されたエネルギーがスイッチング素子SW内部で消
費されることが少なく、またVDSの立ち上がり、立ち
下がりのタイミングにおいて、被制御電極間電圧VDS
と電流IDSの積で表されるスイッチング素子SWの内
部損失が抑制される。
【0028】実施例は電圧検出回路としてエミッタを制
御回路(20)の電源端子VCCに接続したトランジス
タQ0、このトランジスタQ0のベースとスイッチング
素子SWの被制御電極に接続した抵抗R9、高耐圧のス
イッチングダイオードD2からなる具体回路を例示して
いる。 次に、この電圧検出回路の検出レベルとトランス(50
)のコイルの巻数比および入力電圧DCIN相互の関係
を図7、図8を参照して説明する。
【0029】被制御電極間電圧VDSは図7に示される
ように振動し、最初の振動の極値VRが極小値となる。 図8に示すように、この極値VRが主としてトランス(
50)の二次コイルと一次コイルの巻数比R=L2/L
1および入力電圧DCINに支配されることが本件発明
者等の研究によって知られた。
【0030】図8は、例えば、CTVやCRTディスプ
レイ等に使用される出力電圧が120〜130V程度の
電源回路におけるコイルの巻数比R=L2/L1を示す
特性図であり、そのグラフ  は巻数比R=L2/L1
=1.0のときの被制御電極間電圧VDS、即ち共振コ
ンデンサCRESの残留電圧VRを示し、グラフ  は
巻数比R=L2/L1=0.75のときの共振コンデン
サCRESの残留電圧VRを示している。同図より、ス
イッチング素子SWで消費される電力を低下させるには
トランス(50)の巻数比Rを小さくして共振コンデン
サCRESの残留電圧VRを低くするのが好ましいこと
が容易に理解される。
【0031】さらに、同図は100Vの入力電圧DCI
Nで最適設計された実施例の残留電圧VRが約5Vであ
り、135Vの入力電圧DCINの場合のそれが約50
Vであることを示している。本実施例は電圧検出回路(
トランジスタQ0、抵抗R9、ダイオードD2)によっ
て共振コンデンサCRESの残留電圧VRと一定電圧と
を比較してスイッチング素子SWをターンオンするタイ
ミングを決定するため、本実施例を広範囲の入力電圧D
CINに共用する場合には、入力電圧DCINに応じて
、電圧検出回路(トランジスタQ0、抵抗R9、ダイオ
ードD2)の出力は抵抗R10、コンデンサC3、C4
から構成される遅延回路で遅延した後、制御回路(20
)のCT端子に入力される。そして、これにより、本発
明のスイッチング電源回路は大幅な設計変更することな
く広範囲の入力電圧DCINに共用することができる。 なお、入力電圧DCINが変更される場合であっても、
通常、出力電圧DCOUTと負荷電流は一定であるため
、出力電圧検出回路(52)、ホトカプラPCから構成
されるフィードバック系、その他の回路は変更の必要が
ない。
【0032】かかる本発明によれば、共振コンデンサの
振動電圧を検出し、この共振コンデンサの電圧が所定値
となるタイミングでスイッチング素子をオンさせるため
、(スイッチング素子が駆動する電圧レベルを任意の低
い値とすることができ)スイッチング素子内部で消費さ
れる電力が低下する。また、これにより、スイッチング
ノイズのレベルが低下するためスナバ回路およびビーズ
コアが不要となる。
【0033】さらには、広範囲の入力電圧に対して、常
に、共振コンデンサの充電電荷レベルの極小点でスイッ
チング素子がオンするため、共振コンデンサの充電エネ
ルギーが有効に二次側に伝達され、スイッチング素子内
部で消費される充電エネルギーが低下する利点を有する
。さらにまた、スイッチング素子SWへの印加電圧は上
昇するものの、2次側高速ダイオードD3の電圧は減少
するため、耐圧の小さいよりスイッチングスピードの速
いVFの小さい高性能のダイオ−ドが使用できる。なお
、本発明の実施に際しては、集積回路基板上に、例えば
、図1に示すごとく、ブロック(10)を集積化して実
現される。
【0034】
【発明の効果】以上述べたように本発明によれば、(1
) スイッチング素子のオン・オフが電圧レベル、電流
レベルが低いタイミングで行われるため、スイッチング
ノイズのレベルが低下する。このため、スナバ回路やビ
ーズコアが不要となり、スイッチング電源回路の小型化
、低価格化が達成される。 (2) 共振コンデンサの充電電荷レベルの極小点でス
イッチング素子がオンするため、共振コンデンサの充電
エネルギーが有効に二次側に伝達され、スイッチング素
子内部で消費される充電エネルギーが低下する。 (3) スイッチング素子のオン・オフが電圧レベル、
電流レベルが低いタイミングで行われ、且つ互いに時間
的位相関係がずれているため、電圧・電流積であらわさ
れるスイッチング素子内部損失が低下する。 (4) 単に遅延回路の定数を変更するのみで、広範囲
の入力電圧に対応することができる。
【0035】
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例のブロック図。
【図2】実施例で使用される制御回路のブロック図。
【図3】従来例のスイッチング素子の電圧・電流波形図
【図4】実施例のスイッチング素子の電圧・電流波形図
【図5】本発明に好適なIGBTの断面図。
【図6】IGBTの等価回路図。
【図7】共振コンデンサの残留電圧を説明する図。
【図8】共振コンデンサの残留電圧と絶縁トランスの巻
数比の関係を説明する図。
【図9】従来例のブロック図。
【符号の説明】
20  制御回路 50  絶縁トランス 52  出力電圧検出回路

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  絶縁トランスと、この絶縁トランスの
    一次コイル電流を制御するスイッチング素子と、このス
    イッチング素子を所定タイミングで駆動する制御回路と
    、前記スイッチング素子の被制御電極間に接続した共振
    コンデンサと、この共振コンデンサの電圧が所定値とな
    るタイミングを検出する電圧検出回路と、この電圧検出
    回路の出力信号を遅延し、前記制御回路をトリガしてス
    イッチング素子をオンさせる遅延回路とから構成され、
    前記遅延回路の遅延量を入力電圧に応じて変更すること
    を特徴とする共振型スイッチング電源回路。
  2. 【請求項2】  前記電圧検出回路により共振コンデン
    サの振動電圧の最初の極小点を検出したことを特徴とす
    る請求項1記載の共振型スイッチング電源回路。
  3. 【請求項3】  二次側の出力回路に出力電圧検出回路
    を備え、この出力により、前記電圧検出回路出力と独立
    に前記制御回路を制御したことを特徴とする請求項1記
    載の共振型スイッチング電源回路。
  4. 【請求項4】  前記スイッチング素子としてパワーM
    OSFETを使用したことを特徴とする請求項1記載の
    共振型スイッチング電源回路。
  5. 【請求項5】  前記スイッチング素子としてIGBT
    を使用したことを特徴とする請求項1記載の共振型スイ
    ッチング電源回路。
  6. 【請求項6】  前記スイッチング素子の高圧側被制御
    電極と接地間にダイオードを接続したことを特徴とする
    請求項5記載の共振型スイッチング電源回路。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7301786B2 (en) 2005-03-10 2007-11-27 Sanyo Electric Co., Ltd. Quasi resonant type switching power supply apparatus with overcurrent limiting

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