JPH0731143A - 電圧共振コンバータ - Google Patents

電圧共振コンバータ

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JPH0731143A
JPH0731143A JP19403793A JP19403793A JPH0731143A JP H0731143 A JPH0731143 A JP H0731143A JP 19403793 A JP19403793 A JP 19403793A JP 19403793 A JP19403793 A JP 19403793A JP H0731143 A JPH0731143 A JP H0731143A
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JP
Japan
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circuit
switch element
voltage
capacitor
transformer
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JP19403793A
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Masahiko Matsumoto
匡彦 松本
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Murata Manufacturing Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 回路効率に優れた電圧共振コンバータを提供
する。 【構成】 入力電源Vinと入力側グランドGND1間に
第1のスイッチ素子Q1と第2のスイッチ素子Q2の直
列回路を介設する。各スイッチ素子Q1,Q2には逆向
きのダイオードD1,D2を並列接続する。ダイオード
D1には第1のコンデンサC1を並列接続し、第1のコ
ンデンサC1の両端間にトランスT1の一次コイルN1
と第2のコンデンサC2の直列回路を接続する。二次コ
イルN2にはインダクタL1と整流ダイオードD3を直
列に接続し、この直列回路を平滑コンデンサC3の両端
間に接続し、整流ダイオードD3と平滑コンデンサC3
とで半波整流回路1を構成する。制御回路2は出力電圧
が低下(上昇)したときに、第2のスイッチ素子Q2の
オン期間を長く(短く)、第1のスイッチ素子Q1のオ
ン期間を短く(長く)制御する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、スイッチング電源等に
用いられる電圧共振コンバータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】図9には電圧共振コンバータとして一般
的に知られている一次回生部分共振フライバックコンバ
ータと呼ばれている回路が示されている。この回路は、
トランスT1の一次側を入力回路とし、同トランスT1
の二次側を出力回路としたもので、トランスT1の一次
コイルN1の巻き終わり側は入力電源Vinに接続されて
おり、一次コイルN1の巻き始め側と入力側グランドG
ND1間には共振コンデンサC10と、ダンパーダイオー
ドD10と、第1のスイッチ素子Q1の並列回路が介設さ
れている。また、一次コイルN1の巻き始め側と入力側
グランドGND1との間には第2のスイッチ素子Q2と
コンデンサC20の直列回路が接続され、第2のスイッチ
素子Q2には並列にダイオードD20が接続されている。
【0003】トランスT1の二次コイルN2側にはダイ
オードD30とコンデンサC30からなる半波整流回路1が
接続されている。そして、出力回路の出力端Vout と出
力側グランドGND2間には抵抗器R1,R2の直列回
路が接続されており、この抵抗器R1,R2に抵抗分割
されて取り出される出力電圧の検出電圧が制御回路2に
加えられている。
【0004】制御回路2は出力電圧の検出信号を受け、
出力電圧が一定になるように、第1のスイッチ素子Q1
と第2のスイッチ素子Q2のオン・オフのタイミングお
よびパルス幅を制御するものである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】この種の電圧共振コン
バータは、スイッチ素子Q1,Q2が共に零電圧スイッ
チング(印加電圧が零電圧の状態でオン・オフスイッチ
ング動作を行うこと)が可能で、スイッチング電力損失
が解消されていることと、前記スイッチ素子Q1,Q2
の制御を固定周波数で行えるという利点を持っている反
面、次のような欠点を有している。
【0006】第1の欠点は、この種の回路がフライバッ
クコンバータの回路として構成されているため、出力回
路側に大きな電圧を供給する関係上、トランス励磁電流
が大きく設定されており、このトランス励磁電流は、負
荷の大小に拘わらず、常に重負荷に備えて大きな励磁電
流をトランスT1に加えておくため、特に、軽負荷時の
回路効率が悪くなるという問題がある。
【0007】第2の欠点として、スイッチ素子Q1,Q
2に加わる印加電圧が入力電源Vinの入力電圧よりも大
きくなり、スイッチ素子Q1,Q2をMOS FET
(電界効果トランジスタ)を使用して構成する場合、そ
のスイッチ素子の耐圧を大きくしなければならないとい
う制約がある。MOS FETの耐圧はオン抵抗の2.6
乗に比例するため、耐圧を大きくすると、必然的にスイ
ッチのオン抵抗が大きくなり、これにより、回路効率が
低下するという問題がある。従来の回路では、スイッチ
印加電圧が大きいためにスイッチオン抵抗がかなり大き
くなり、前記スイッチ素子Q1,Q2の零電圧スイッチ
ングによるスイッチング損失の低下改善を図っても、オ
ン抵抗増大の効率低下が大きくなり、零電圧スイッチン
グを行っても、総合的に、回路効率の向上が図れなくな
るという問題がある。
【0008】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、前記従来の回路の利
点を維持し、さらに、軽負荷時におけるトランス励磁電
流を小さくし、かつ、スイッチ素子の印加電圧をより小
さくして、回路効率を大幅に高めることができる電圧共
振コンバータを提供することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、次のように構成されている。すなわち、本
発明は、トランスの一次側を入力回路とし、トランスの
二次側を出力回路とし、入力回路の入力電源とグランド
間には第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子の直列
回路が介設されており、第1のスイッチ素子には第1の
ダイオードが、第2のスイッチ素子には第2のダイオー
ドがそれぞれ逆向き並列に接続され、また、第1のスイ
ッチ素子には等価回路上で並列に第1のコンデンサが接
続され、グランドと入力電源のいずれか一方側と第1、
第2のスイッチ素子の接続部との間には前記トランスの
一次コイルと前記第1のコンデンサよりは容量の大きい
第2のコンデンサの直列回路が接続されており、出力回
路側では前記トランスの二次コイルに整流ダイオードと
平滑コンデンサで構成される半波整流回路が接続されて
おり、前記トランスの一次コイルと二次コイルの少なく
とも一方側コイルは等価回路上で直列にインダクタが接
続されていることを特徴としている。
【0010】
【作用】本発明では、出力回路の出力電圧が低くなる
と、第2のスイッチ素子のオン期間が長く、第1のスイ
ッチ素子のオン期間が短くなるように制御される。この
パルス幅制御により、第2のスイッチ素子のオン期間に
第2のコンデンサに蓄えられるエネルギが大きくなり、
これによりトランスに加えられる励磁電流が大きくなる
ことで、出力電圧の低下分は補われ、出力電圧の安定化
が図られる。
【0011】これに対し、出力電圧が高くなった時に
は、その分、第2のスイッチ素子のオン期間が短くな
り、第1のスイッチ素子のオン期間が長くなる結果、第
2のスイッチ素子のオン期間に蓄えられる第2のコンデ
ンサのエネルギが小さくなる。これに伴い、トランスの
励磁電流が小さくなる結果、出力電圧の上昇分を相殺す
る方向に作用し、出力電圧の安定化が図られる。
【0012】本発明では、出力側の負荷抵抗が大きくな
る軽負荷時にはトランスへの励磁電流が小さくなり、励
磁電流の無駄がなくなることで、回路効率が高められ
る。
【0013】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図1には本発明に係る電圧共振コンバータの第1
の実施例が示されている。この図において、トランスT
1の一次側は入力回路となっており、同トランスT1の
二次側は出力回路となっている。
【0014】入力回路の入力電源Vinと入力側グランド
GND1間にはMOS FETからなる第1のスイッチ
素子Q1と第2のスイッチ素子Q2の直列回路が介設さ
れている。そして、これらのスイッチ素子Q1,Q2に
はそれぞれ逆向きのダイオードD1,D2が並列に接続
されている。また、第1のスイッチ素子Q1には並列に
第1のコンデンサC1が接続されており、この第1のコ
ンデンサC1の両端間にトランスT1の一次コイルN1
と第2のコンデンサC2の直列回路が接続されている。
この第2のコンデンサC2の容量は前記第1のコンデン
サC1よりも十分大きなものを使用している。
【0015】出力回路側では、トランスT1の二次コイ
ルN2の出力端側にインダクタL1と整流ダイオードD
3が直列に接続されており、この二次コイルN2とイン
ダクタL1と整流ダイオードD3の直列回路は平滑コン
デンサC3の両端間に接続されており、この平滑コンデ
ンサC3と整流ダイオードD3により半波整流回路1が
構成されている。この半波整流回路1の出力側には、前
記平滑コンデンサC3の両端間、つまり、出力回路の出
力端と、出力側グランドGND2間に抵抗器R1,R2
の直列回路が接続され、従来例と同様に、出力回路の出
力電圧が抵抗器R1,R2に抵抗分割されて検出され、
その検出電圧が制御回路2に加えられている。
【0016】制御回路2は、例えば、図2に示すような
回路構成からなる。同図の三角波発生回路3は図3の
(a)に示すような三角波を発生出力する。この三角波
には第1のスイッチ素子Q1のドライブ電圧を作製する
ための基準電圧Vref1と第2のスイッチ素子Q2のドラ
イブ電圧を作り出すための基準電圧Vref2が与えられて
おり、三角波の上に凸になる部分が基準電圧Vref2を越
える幅をパルス幅としてスイッチ素子Q2のドライブ電
圧が作製され、三角波が下に凸となる部分が基準電圧V
ref1を下側に越える幅をパルス幅として第1のスイッチ
素子Q1のドライブ電圧が作製される。
【0017】この制御回路2は次のように動作する。図
2において、出力回路の出力電圧Vout が大きくなる
と、抵抗器R3側からフォトカプラPC1に流れる電流
1 が大きくなり、抵抗器R4側から抵抗器R5を経て
フォトカプラPC1に流れる電流I2 が増加する。この
電流の増加により、抵抗器R4とR5の接続点の電圧V
s が減少する。この電圧Vs の減少により、三角波のレ
ベルが低下する。そうすると、三角波の上に凸の部分が
基準電圧Vref2を切る幅が狭くなる結果、スイッチ素子
Q2のドライブ電圧のパルス幅が狭くなる。その一方
で、三角波の下に凸となる部分が基準電圧Vref1を切る
幅が広くなるので、スイッチ素子Q1のドライブ電圧の
パルス幅が広くなる。
【0018】これとは逆に、出力回路側の電圧Vout
下がると、三角波のレベルが上がる結果、スイッチ素子
Q2のドライブ電圧のパルス幅が広くなり、スイッチ素
子Q1のドライブパルスのパルス幅が狭くなる。このよ
うに、制御回路2は出力電圧の増減変化に応じてスイッ
チ素子Q1,Q2のドライブパルスのパルス幅を可変制
御する。
【0019】本実施例は上記のように構成されており、
次に、図5および図6の等価回路と図4のタイムチャー
トに基づき、回路動作を説明する。なお、この等価回路
は、回路動作を簡単に説明するために、トランスT1の
一次コイルN1と二次コイルN2の巻き数比をN2/N
1=1と仮定し、かつ、第2のコンデンサC2と平滑コ
ンデンサC3は、定常状態において一定電圧の電圧源と
仮定し、第2のコンデンサC2の電圧源およびその電圧
をVc2と記し、平滑コンデンサC3の電圧源およびそ
の電圧をVc3と記している。また、トランスT1の一
次コイルN1のインダクタンスLN1と表している。な
お、R0 は負荷抵抗である。
【0020】この等価回路で、t=t0 の初期状態で
は、第2のコンデンサC2に流れる電流は零であり、ス
イッチ素子Q1はオン、スイッチ素子Q2はオフとなっ
ている。第2のコンデンサC2にはVc2、平滑コンデ
ンサC3にはVc3の電圧がそれぞれ印加されており、
Vc2>Vc3となっている。この初期状態では、整流
ダイオードD3からL1,LN1に向かう閉グループの
電流Id3が流れている。
【0021】次に、図5の(b)に示すt=t0 〜t1
の期間では、電圧源Vc2によって、インダクタL1か
ら第2のコンデンサC2の方向(これを−方向とする)
に電流Ic2が流れ始め、この電流は直線的な傾斜に従
って増加する。この第2のコンデンサC2に流れる電流
Ic2は、前記整流ダイオードD3に流れる閉グループ
の電流Id3と、一次コイルN1のインダクタンスLN
1に流れる電流ILN1の合成された電流になってお
り、次の(1)式で表される。
【0022】 Ic2=Id3+ILN1={(Vc3−Vc2)/L1−(Vc2/LN1 )}t・・・・・(1)
【0023】この式で、tは時間である。この電流Ic
2の流れにより、インダクタL1に電磁エネルギが蓄え
られる。
【0024】t=t1 において、スイッチ素子Q1がオ
フされると、インダクタL1に電磁エネルギが蓄えられ
ていることで、インダクタL1から第2のコンデンサC
2に向けて電流Ic2が流れる。t=t1 のときの電流
Ic2の大きさをIc2(t1 )とすると、Ic2は次
の(2)式で表され、Ic2は直線的な傾きに従って減
少する。
【0025】 Ic2=Id3+ILN1={(Vin+Vc3−Vc2)/L1+(Vin−V c2)/LN1}t+Ic2(t1 )・・・・・(2)
【0026】このIc2が流れているt1 〜t2 の期間
中に、第2のスイッチQ2をオンすることで、零クロス
スイッチング(零電圧スイッチング)が達成される。
【0027】t2 において、Ic2が零になると、今度
は第2のスイッチ素子Q2から第2のコンデンサC2の
方向(これを+方向)に電流が流れ始める。このときの
電流Ic2は前記(2)式と同じ式で表され、この電流
Ic2は時間と共に直線的な傾きに従って増加する。こ
の電流Ic2の流れにより、t2 〜t3 の期間で第2の
コンデンサC2には静電エネルギが蓄積されていく。
【0028】t=t3 〜t4 の期間では、まず、t3
おいて、電流Id3が零になると、入力電源Vinから第
2のスイッチ素子Q2、第2のコンデンサC2を順に経
てインダクタンスLN1に至る経路で電流が流れる。こ
のとき、t=t3 のときの電流Ic2の大きさをIc2
(t3 )とすると、Ic2は次の(3)式で表され、I
c2は時間と共に直線的な傾きに従って増加していく。
【0029】 Ic2=ILN1=(Vin−Vc2)t/LN1+Ic2(t3 )・・・・・ (3)
【0030】このt3 〜t4 の期間においても、引き続
き、電流Ic2の流れにより、第2のコンデンサC2に
静電エネルギが蓄えられる。
【0031】次に、t=t4 において第2のスイッチ素
子Q2がオフすると、電圧源Vc2によって整流ダイオ
ードD3に電流Id3が流れ始める。t=t4 のときの
Ic2をIc2(t4 )とすると、t4 〜t5 期間にお
けるIc2は次の(4)式で表され、Ic2は直線的な
傾きに従って減少する。
【0032】 Ic2=Id3+ILN1={(Vc3−Vc2)/L1−Vc2/LN1} t+Ic2(t)・・・・(4)
【0033】このIc2が流れている期間中に第1のス
イッチ素子Q1をオンすることにより、スイッチ素子Q
1の零クロススイッチング(零電圧スイッチング)が達
成される。Ic2が減少して零になると、最初の初期状
態の動作に戻り、以下、図5の(a)から図6の(d)
の動作を繰り返し行うことで、回路動作が継続する。
【0034】本実施例の回路によれば、出力回路の電圧
out が下がると、制御回路2は第2のスイッチ素子Q
2のオン期間を長く、第1のスイッチ素子Q1のオン期
間を短くするようにスイッチ素子Q1,Q2のドライブ
電圧のパルス幅を制御する。このように、第2のスイッ
チ素子Q2のオン期間が長くなる方向に制御されると、
第2のコンデンサC2に電荷が蓄積される期間が長くな
るため、電圧源Vc2の電圧が増加する。この結果、図
5の(b)および図6の(d)の期間における電流Id
3の増加率が上昇して、Id3の電流平均値も大きくな
るので、出力電圧が高くなる方向に制御され、出力電圧
の低下分が補われて出力電圧の安定化が図られる。
【0035】その逆に、出力回路の出力電圧Vout が高
くなると、制御回路2により、第2のスイッチ素子Q2
のオン期間を短く、第1のスイッチ素子Q1のオン期間
を長くする方向にスイッチ素子Q1,Q2のドライブ電
圧のパルス幅が制御される。このスイッチング制御によ
り、第2のコンデンサC2に電荷が蓄積される期間が減
少するため、電圧源Vc2の電圧が減少し、この結果、
前記t=t0 〜t1 の期間と、t=t4 〜t5 の期間に
おける電流Id3の増加率が減少し、Id3の電流平均
値も減少するので、出力電圧が低くなる方向に制御さ
れ、これにより、出力電圧の上昇分が差し引かれること
で、出力電圧が一定に制御される。
【0036】本実施例ではこれらのスイッチング制御現
象を利用することで、固定周波数で、スイッチ素子Q
1,Q2のパルス幅制御が実現でき、また、スイッチ素
子Q1,Q2の零電圧スイッチング動作が可能となって
いる。
【0037】また、本実施例の回路では、t0 〜t1
期間およびt4 〜t5 の期間で整流ダイオードD3に電
流Id3が流れるがこの電流の大きさはVc2−Vc3
の大きさに依存する。出力回路が軽負荷になると、この
Vc2−Vc3の値が小さくなり、その結果、図4の
(d)および(e)で破線で示すように、Id3の電流
が小さくなり、トランスT1の一次コイルN1に流れる
電流も小さくなって、トランスT1の励磁電流が小さく
なり、これにより、軽負荷時の回路効率を大幅に改善す
ることができる。
【0038】さらに、本実施例の回路では、第1のスイ
ッチ素子Q1と第2のスイッチ素子Q2の直列回路が入
力電源Vinと入力側グランドGND1間に介設されてい
るので、スイッチ素子Q1およびQ2には入力電源Vin
の入力電圧以上の電圧が印加されるということがない。
したがって、スイッチ素子Q1,Q2の耐圧を小さくす
ることができ、スイッチ素子Q1,Q2をMOS FE
Tで構成しても、そのオン抵抗を十分に小さくすること
ができることとなり、前記スイッチ素子Q1,Q2の零
電圧スイッチングと相俟って、回路効率を格段に高める
ことが可能となる。
【0039】図7には本発明の第2の実施例が示されて
いる。この実施例は、インダクタL1をトランスT1の
一次コイルN1に直列に接続した構成となっており、そ
れ以外の構成は前記第1の実施例と同様である。この実
施例の回路も、前記第1の実施例と近似した回路動作を
行い、前記第1の実施例と同様な効果を奏することがで
きる。
【0040】図8には本発明の第3の実施例が示されて
いる。この実施例が前記第1の実施例と異なることは、
トランスT1の二次コイルN2の巻き方向を逆にしたも
のであり、それ以外の構成は前記第1の実施例と同様で
ある。この実施例では、整流ダイオードD3に流れる電
流Id3が増加する期間は第1のスイッチ素子Q1のオ
ン期間ではなく、第2のスイッチ素子Q2のオン期間と
なる。また、第2のコンデンサC2の電流波形も、前記
第1の実施例の場合と正負対称になるが、その回路動作
の原理は殆ど第1の実施例の場合と同様である。なお、
この第3の実施例の構成の場合には、第2のスイッチ素
子Q2のオン期間を短くし、かつ、第1のスイッチ素子
Q1のオン期間を長くするように制御すると、出力電圧
は高くなり、逆に、第2のスイッチ素子Q2のオン期間
を長くして、かつ、第1のスイッチ素子Q1のオン期間
を短くするように制御することにより、出力電圧は低く
なる。
【0041】本発明は上記各実施例に限定されることは
なく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記各実
施例ではスイッチ素子Q1,Q2をMOS FETを用
いて構成したが、例えば、バイポーラトランジスタ等の
他のスイッチ素子を用いて構成してもよい。
【0042】また、第1のコンデンサC1を外付け回路
部品を用いて構成したが、これとは異なり、スイッチ素
子Q1,Q2をMOS FETで構成する場合には、M
OSFET自身が内部容量を保有しているので、この内
部容量を第1のコンデンサC1として利用してもよい。
この場合は等価回路上で、この内部容量C1がスイッチ
素子Q1に並列に接続された回路となる。
【0043】さらに、上記各実施例ではインダクタL1
を外付け部品により構成したが、トランスT1のリーケ
ージインダクタンスのみを用いて構成することもでき
る。この場合、等価回路上ではトランスT1の一次コイ
ルN1や二次コイルN2に直列にリーケージインダクタ
ンスのインダクタL1を接続したものとなる。
【0044】
【発明の効果】本発明の回路によれば、第1のスイッチ
素子と第2のスイッチ素子が共に零電圧スイッチングを
行うことができ、さらに、固定周波数で第1および第2
の各スイッチ素子のパルス幅を制御することができる。
その上に、軽負荷時のトランス励磁電流を小さくするこ
とができ、これにより、回路効率を高めることができ
る。
【0045】また、第1および第2の各スイッチ素子は
直列に接続されて入力電源とグランド間に介設されるの
で、各スイッチ素子に印加される電圧は入力電源の入力
電圧よりも小さなものとなり、したがって、その分、ス
イッチ素子の耐圧を小さくすることができ、特に、スイ
ッチ素子をMOS FETを用いて構成した場合には、
その耐圧が小さくなる分だけオン抵抗が小さくなり、前
記スイッチ素子の零電圧スイッチングが可能となること
と相俟って、回路動作の効率を飛躍的に向上することが
できる。
【0046】さらに、固定周波数制御方式の電圧共振コ
ンバータとしては、従来のものに比べ部品点数を少なく
構成できるので、装置の小型化と装置コストの低減化を
共に図ることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例を示す回路図である。
【図2】本実施例の電圧共振コンバータに用いられるス
イッチ制御回路の説明図である。
【図3】スイッチ制御回路の動作波形を示すタイムチャ
ートである。
【図4】同実施例における電圧共振コンバータの動作状
態を示す各部波形のタイムチャートである。
【図5】同実施例の各回路動作を等価回路用いて示す説
明図である。
【図6】図5に続く回路動作を等価回路を用いて示す説
明図である。
【図7】本発明の第2の実施例を示す回路図である。
【図8】本発明の第3の実施例を示す回路図である。
【図9】従来の電圧共振コンバータを示す回路図であ
る。
【符号の説明】
C2 第2のコンデンサ C3 平滑コンデンサ D3 整流ダイオード L1 インダクタ Q1 第1のスイッチ素子 Q2 第2のスイッチ素子

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 トランスの一次側を入力回路とし、トラ
    ンスの二次側を出力回路とし、入力回路の入力電源とグ
    ランド間には第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子
    の直列回路が介設されており、第1のスイッチ素子には
    第1のダイオードが、第2のスイッチ素子には第2のダ
    イオードがそれぞれ逆向き並列に接続され、また、第1
    のスイッチ素子には等価回路上で並列に第1のコンデン
    サが接続され、グランドと入力電源のいずれか一方側と
    第1、第2のスイッチ素子の接続部との間には前記トラ
    ンスの一次コイルと前記第1のコンデンサよりは容量の
    大きい第2のコンデンサの直列回路が接続されており、
    出力回路側では前記トランスの二次コイルに整流ダイオ
    ードと平滑コンデンサで構成される半波整流回路が接続
    されており、前記トランスの一次コイルと二次コイルの
    少なくとも一方側コイルには等価回路上で直列にインダ
    クタが接続されていることを特徴とする電圧共振コンバ
    ータ。
JP19403793A 1993-07-09 1993-07-09 電圧共振コンバータ Pending JPH0731143A (ja)

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