JPH0919135A - Dc/dcコンバータ - Google Patents

Dc/dcコンバータ

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JPH0919135A
JPH0919135A JP16528995A JP16528995A JPH0919135A JP H0919135 A JPH0919135 A JP H0919135A JP 16528995 A JP16528995 A JP 16528995A JP 16528995 A JP16528995 A JP 16528995A JP H0919135 A JPH0919135 A JP H0919135A
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JP
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winding
switching element
transformer
voltage
diode
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JP16528995A
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Ikuro Suga
郁朗 菅
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 トランスに新たに3次巻線を設置することに
よって、出力チョ−クコイルを不要または小型化して、
小型、軽量、低コストのDC/DCコンバ−タを得るこ
と。 【構成】 直流電源1とスイッチング素子2およびトラ
ンスの1次巻線3aからなる直列回路と、出力端子間に
接続された3次巻線3cと還流ダイオ−ド6の直列回路
と、このダイオ−ドに並列接続された2次巻線3bと整
流ダイオ−ド7の直列回路と、出力端子間に接続された
コンデンサ5とこのコンデンサの入力側に直列に接続さ
れたチョ−クコイル10とを備え、2次巻線3bと3次
巻線3cの巻線方向は互いに逆方向に直列接続され、3
次巻線3cの巻数が2次巻線3bの巻数よりも少なくな
るように構成した。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、フォワード形DC/
DCコンバータに関するものである。
【0002】
【従来の技術】図8は「スイッチングコンバータの基
礎」(原田、二宮、顧共著、コロナ社)の34頁に示さ
れた従来の1石式フォワード形DC/DCコンバータを
示す回路図であり、1は直流電源、2はスイッチング素
子としての電界効果形トランジスタ(FET)、3はト
ランスであり、3aはトランス3の1次巻線、3bは2
次巻線、3cは還流用巻線である。
【0003】また、4はトランス3と異なるコアで構成
されたチョークコイル、5は平滑コンデンサであり、こ
れらは出力フィルタを構成している。6はこの出力フィ
ルタの入力側に並列接続した環流ダイオードであり、こ
の環流ダイオード6の一端は整流ダイオード7を介して
2次巻線3bの一端に接続している。8は励磁エネルギ
ー還流ダイオードであり、還流用巻線3cの一端と直流
電源1の負極側端子に接続している。9a、9bはこの
DC/DCコンバータの出力端子である。
【0004】また、図9は図8のDC/DCコンバータ
の動作波形図であり、(a)トランスの1次巻線電圧V
1の波形、(b)は出力フィルタ入力側の電圧波形、
(c)はチョークコイルの電流波形である。
【0005】次に動作について説明する。スイッチング
素子2を周期的にオン、オフ駆動する。オン状態では1
次巻線3aに直流電源1から電圧V1(=Vin)がかか
り、電圧は巻線の巻数に比例するので、1次巻線の巻数
をn1、2次巻線の巻数をn2とすると、2次巻線3b
には電圧V2=n2V1/n1がかかる。この時、整流
ダイオード7はオン、環流ダイオード6はオフであり、
チョークコイル4には2次巻線電圧V2と出力電圧VO
との差である電圧VL=V2−VOがかかることにな
る。また、チョークコイル4のリップル電流△iLはイ
ンダクタンス値をL、スイッチング素子2のオン時間を
TONとすると△iL=VLTON/Lとなる。
【0006】スイッチング素子2のオフ状態では、励磁
エネルギー還流ダイオード8がオンして、1次巻線3a
にかかっていた電圧が反転して還流用巻線3cの方に出
てくる。これにより、スイッチング素子2のオン期間に
トランス3に蓄えられた励磁エネルギーを直流電源1に
還流することができる。この時、整流ダイオード7はオ
フ、環流ダイオード6はオンであり、チョークコイル4
には平滑コンデンサ5の電圧である出力電圧VOがかか
ることになる。出力電圧VOはスイッチング素子2のオ
ンオフ時間比、即ちデューティ比で制御する。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来のフォワード形D
C/DCコンバータは、以上のように構成されているの
で、チョークコイル4にはVL=V2−VOの高い電圧
がかかる。チョークコイル4のリップル電流△iLは△
iL=VLTON/Lであるので、リップル電流を小さ
くするためには、スイッチング周波数を高くしてスイッ
チング素子2のオン時間TONを短くするか、チョーク
コイル4のインダクタンス値Lを大きくする必要があ
る。しかし、スイッチング周波数を高くするとノイズの
増加や効率の低下などが起こったり、スイッチング素子
2のスイッチング速度にも限界があるため、スイッチン
グ周波数を高くするには限界が存在する。従って、従来
はチョークコイル4のインダクタンス値Lを大きくして
リップル電流△iLを低減しているので、インダクタン
ス値を大きくするために、大きく重いチョークコイルが
必要になるなどの問題点があった。
【0008】この発明は上記のような問題点を解消する
ためになされたものであり、トランスに新たに3次巻線
を設置することによりチョークコイルを不要にするか、
あるいは前記3次巻線とチョークコイルを組み合わせる
ことによりチョークコイルを小型化して、小型、軽量、
低コストのDC/DCコンバータを得ることを目的とす
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】請求項1の発明に係るD
C/DCコンバータは、直流電源とスイッチング素子お
よびトランスの1次巻線で構成された直列回路と、出力
端子間に接続されたトランスの3次巻線と還流ダイオー
ドの直列回路と、還流ダイオードに並列接続されたトラ
ンスの2次巻線と整流ダイオードの直列回路と、出力端
子間に接続されたコンデンサを備え、2次巻線と3次巻
線の巻線方向は互いに逆方向に直列接続され、かつ3次
巻線の巻数が2次巻線の巻数よりも少なくなるように構
成したものである。
【0010】また、請求項2の発明に係るDC/DCコ
ンバータは、前記コンデンサの入力側に直列にチョーク
コイルを接続する構成としたものである。
【0011】また、請求項3の発明に係るDC/DCコ
ンバータは、整流ダイオードと環流ダイオードの代わり
に、整流用スイッチング素子と環流用スイッチング素子
を用いる構成としたものである。
【0012】また、請求項4の発明に係るDC/DCコ
ンバータは、トランスのいずれかの巻線、またはスイッ
チング素子と並列にコンデンサを接続する構成としたも
のである。
【0013】
【作用】請求項1の発明におけるDC/DCコンバータ
は、トランスに新たに3次巻線を設置し、スイッチング
素子がオン状態のときにトランスの2次巻線に誘起され
る電圧とトランスの3次巻線に誘起される電圧とが減算
されるように接続され、かつ3次巻線の巻数が2次巻線
の巻数よりも少なくなるようにすることにより、チョー
クコイルを不要にしてDC/DCコンバータを小型、軽
量、低コストにする。また、3次巻線によりスイッチン
グ素子がオンの期間にトランスに蓄積された励磁エネル
ギーを、スイッチング素子がオフの期間に出力コンデン
サに伝達できるので、トランスの還流用巻線と励磁エネ
ルギー還流ダイオードを省略して、更にDC/DCコン
バータを小型、軽量、低コストにする。
【0014】また、請求項2の発明におけるDC/DC
コンバータは、コンデンサの入力側に直列にチョークコ
イルを接続することにより、出力電圧の調整を可能と
し、また入力電圧の変動に対して出力電圧を一定に制御
できるようにしたものである。
【0015】また、請求項3の発明におけるDC/DC
コンバータは、整流ダイオードと環流ダイオードの代わ
りに、整流用スイッチング素子と環流用スイッチング素
子を用いることにより、導通時の電圧降下を低くして導
通損失を低減し、電力変換効率を良くすることによりD
C/DCコンバータを小型軽量化する。
【0016】また、請求項4の発明におけるDC/DC
コンバータは、トランスのいずれかの巻線、またはスイ
ッチング素子と並列にコンデンサを接続することによ
り、トランスと異なるコアのチョークコイル、あるいは
トランスの3次巻線の漏洩インダクタンス、またはこれ
らの和のインダクタンスと前記コンデンサとのLC共振
現象が生じ、スイッチング素子やトランス巻線にかかる
電圧が正弦波状に変化するため、スイッチング素子オフ
時のスパイク電圧が抑制でき、従ってノイズの低減が図
れる。
【0017】
【実施例】
実施例1.以下、この発明の一実施例を図について説明
する。図1はこの発明の実施例1によるDC/DCコン
バータを示す回路図である。図において、1は直流電
源、2はスイッチング素子としての電界効果形トランジ
スタ、3はトランスであり、3aはトランス3の1次巻
線、3bは2次巻線、3dは3次巻線である。また、5
は平滑コンデンサ、6は環流ダイオードであり、この還
流ダイオ−ド6の一端は整流ダイオ−ド7を介して2次
巻線3bの一端に接続している。9a、9bはこのDC
/DCコンバータの出力端子である。図8に示した従来
例と同一、もしくは相当部分には同一符号を符してい
る。
【0018】スイッチング素子2がオン状態のときにト
ランスの2次巻線3bに誘起される電圧の高電位となる
端子(図中ドットで表示)と、トランスの3次巻線3d
に誘起される電圧の高電位となる端子(図中ドットで表
示)とが整流ダイオード7を介して接続される極性に巻
線を巻いている。また、3次巻線3dの巻数n3は2次
巻線3bの巻数n2よりも少なくなるように巻線を巻い
ており、この実施例では、1次巻線3aの巻数をn1、
直流電源1の電圧をVin、出力電圧をVO、3次巻線
3dに誘起される電圧をV3とすると、3次巻線3dの
巻数n3はV3=V2−VO、即ち n3=n2−n1VO/Vin・・・・・・・・・・・・・(1) を満足するように決めている。
【0019】次に動作について説明する。スイッチング
素子2を周期的にオン、オフ駆動する。オン状態では1
次巻線3aに直流電源1から電圧V1(=Vin)がか
かり、電圧は巻線の巻数に比例するので、1次巻線の巻
数をn1、2次巻線をn2とすると、2次巻線3bには
電圧V2=n2V1/n1がかかる。この時、整流ダイ
オード7はオン、環流ダイオード6はオフであり、3次
巻線3dには3次巻線の巻数をn3とすると電圧V3=
n3V1/n1がかかり、巻数n3はV3=V2−V
O、即ち式(1)を満足するように決めているので、3
次巻線の出力端(非ドット側)の電圧はVOに等しくな
る。従って、コンデンサ5には電圧変動が生じないので
チョークコイルを不要にできる。
【0020】また、スイッチング素子2のオフ状態で
は、整流ダイオード7はオフ、環流ダイオード6はオン
であり、3次巻線3dに発生する反跳電圧はVOと等し
くなる。この時、スイッチング素子2のオン期間にトラ
ンス3に蓄えられた励磁エネルギーを出力コンデンサ5
に還流することができる。これにより、従来必要であっ
たトランスの還流用巻線と励磁エネルギー還流ダイオー
ドをなくすことができる。
【0021】前記トランス3の還流電流が存在する期間
中はコンデンサ5が充電され、還流終了後は負荷の消費
電流によってコンデンサ5が放電される。この充放電に
よるコンデンサ5の電圧リップルは小さいものであり、
チョークコイルを用いないでもほぼ平滑な出力電圧VO
が得られる。
【0022】実施例2.前記実施例1は、従来例図8の
トランス3の巻線3cおよびダイオード8のないものに
ついて示したが、これらが接続されたものであっても同
様の効果を奏するとともに、出力電圧の過電圧保護の効
果がある。前記実施例1においては、負荷がないとき過
電圧が発生する場合があり、これに対する保護効果があ
る。
【0023】図2はこの実施例2によるDC/DCコン
バータを示す図で、前記図1の実施例1と同一部分の説
明は省略する。3cはトランス3に巻いた巻線で、8は
ダイオードである。
【0024】次に動作について説明する。この実施例2
によるDC/DCコンバータは、前記実施例1のDC/
DCコンバータと基本的に同様の動作をするとともに、
出力電圧が上昇しすぎると、巻線3cの働きによりスイ
ッチング素子2のオフ期間に出力電圧をn3Vin/n
4の電圧にクランプし、余分なエネルギーを直流電源1
に還流して、出力電圧の過電圧を防止することができ
る。ここで、n3は3次巻線3dの巻線数、n4は巻線
3cの巻線数、Vinは直流電源1の電圧である。過電
圧防止の目的からは、前記のクランプ電圧n3Vin/
n4を出力電圧VOとほぼ等しく、またはわずかに大き
くすれば良い。
【0025】実施例3.前記実施例1および2において
はチョークコイルを全く用いない構成としたが、この構
成ではトランスの巻線比に式(1)の関係を前提として
いたので出力電圧を自由に調節することはできない。そ
こで本実施例は、出力電圧の調整を可能とし、また入力
電圧の変動に対して出力電圧を一定に制御できるように
したものである。
【0026】図3はこの実施例3によるDC/DCコン
バータを示す図で、前記図1の実施例1と同一部分の説
明は省略する。10はトランス3と異なる別のコアから
なるチョークコイルである。トランス3の3次巻線3d
の巻線数n3は前記実施例1、2と同様に2次巻線3b
の巻数n2よりも少なくなるように巻線を巻くが、本実
施例ではさらに少なくする。即ち、1次巻線3aの巻数
をn1、直流電源1の電圧をVin、出力電圧をVO、
3次巻線3dに誘起される電圧をV3とすると、3次巻
線3dの巻数n3はV2−V3>VO、即ち n2−n3>n1VO/Vin・・・・・・・・・・・
・・(2)を満足するように決めている。式(2)の関
係は、スイッチング素子2がオンの期間中のトランス3
の出力電圧を、出力電圧VOより大きいものとし、出力
電圧の調整のための余裕を与えるためのものである。
【0027】次に動作について説明する。まず、スイッ
チング素子2を周期的にオン、オフ駆動する。オン状態
では1次巻線3aに直流電源1から電圧V1(=Vi
n)がかかり、電圧は巻線の巻数に比例するので、1次
巻線の巻数をn1、2次巻線の巻数をn2とすると、2
次巻線3bには電圧V2=n2V1/n1がかかる。こ
の時、整流ダイオード7はオン、環流ダイオード6はオ
フであり、3次巻線3dには3次巻線の巻数をn3とす
ると電圧V3=n3V1/n1がかかり、出力電圧をV
Oとするとチョークコイル10には電圧VL=V2−V
O−V3がかかる。これは前記従来例より3次巻線電圧
V3だけ低い電圧がかかることになり、チョークコイル
10のリップル電流△iLはインダクタンス値をL、ス
イッチング素子2のオン時間をTONとすると△iL=
VLTON/Lとなるため、インダクタンス値が小さく
ても良く、チョークコイルの小型化ができる。
【0028】なお出力電圧の調整は、従来例と同様にス
イッチング素子2のオンオフ時間比によって制御する。
【0029】上記実施例では、トランス3と異なる別の
コアからなるチョークコイル10を設けるものである
が、実際のトランス巻線に存在する漏洩インダクタンス
を利用するか、もしくはトランスの1次巻線と2次巻線
との結合度に対して、3次巻線と他の巻線との結合度を
下げ、人為的に漏洩インダクタンスを大きくして上記チ
ョークコイルの代用としても良く、上記実施例と同様の
効果を奏する。
【0030】実施例4.前記実施例1、2および3で
は、整流ダイオードと環流ダイオードを用いたものにつ
いて示したが、それらに替わる電界効果型トランジスタ
(FET)による整流用スイッチング素子と環流用スイ
ッチング素子を用いたものであっても良い。この整流ダ
イオードと還流ダイオードはスイッチング素子2と同期
してオン/オフさせる。前記実施例1、2および3と同
様の効果を奏すると共に、整流用スイッチング素子ある
いは環流用スイッチング素子の導通時の電圧降下がダイ
オードのそれに比べて低いので、導通損失を低減し電力
変換効率を改善する効果がある。
【0031】図4はこの実施例4によるDC/DCコン
バータを示す図で、前記図1の実施例1と同一部分の説
明は省略する。11はトランス3の2次巻線3bの一端
に接続された整流用スイッチング素子としてのFETで
あり、12は2次巻線3bの他端と整流用スイッチング
素子11に接続された環流用スイッチング素子としての
FETである。また、11aは整流用スイッチング素子
11の寄生ダイオード、12aは環流用スイッチング素
子12の寄生ダイオードである。
【0032】次に動作について説明する。基本的には前
記実施例1と同様の動作をするが、スイッチング素子2
がオン状態では、整流用スイッチング素子11がオン、
環流用スイッチング素子12がオフであり、整流用スイ
ッチング素子11によりダイオードに比較し、導通時の
電圧降下を低くする。また、スイッチング素子2のオフ
状態では、整流用スイッチング素子11がオフ、環流用
スイッチング素子12はオンであり、環流用スイッチン
グ素子12によりダイオードに比較し、導通時の電圧降
下を低くする。これらの導通時の電圧降下低減により、
導通損失を低減し電力変換効率を改善する。
【0033】実施例5.図5はこの発明の実施例5によ
るDC/DCコンバータを示す図で、1〜3、および5
〜7、9a、9b、10は図3に示した実施例3のDC
/DCコンバータの構成部分と同一または相当する部分
であるので、ここではその重複する説明を省略する。1
3はトランス3の1次巻線3aと並列に接続したコンデ
ンサである。
【0034】また、図6は図5のDC/DCコンバータ
の動作波形であり、(a)はスイッチング素子2の駆動
波形、(b)はスイッチング素子2にかかる電圧波形で
ある。
【0035】次に、動作について説明する。基本的には
前記実施例3と同様の動作をするが、スイッチング素子
2がオフの期間にコンデンサ13とトランスを介したイ
ンダクタンス10とのLC共振現象により、スイッチン
グ素子2のオンの期間にトランス3に蓄積された励磁エ
ネルギーをスイッチング素子2のオフの期間に還流し、
その還流期間は共振周期で決めることができる。このイ
ンダクタンス10は、トランス3のコアと異なる別のコ
アに巻いたチョークコイルやトランス3の3次巻線3d
の漏洩インダクタンス、あるいはこれらの和のインダク
タンスである。このLC共振現象により、スイッチング
素子2にかかる電圧は図6(b)の様に正弦波状に変化
し、これによりトランス3にかかる電圧も正弦波状に変
化する。そのためスイッチング素子2をオフした瞬間の
スパイク電圧が抑制でき、また時間に対する電圧変化率
が低減されるためノイズの低減が図れる。
【0036】上記実施例は、コンデンサ13をトランス
3の1次巻線3aに接続した例だが、コンデンサ13を
トランス3の2次巻線3b、または3次巻線3d、また
は図7のようにスイッチング素子2に並列に接続しても
上記実施例と同様の効果を奏する。
【0037】なお、前記実施例1〜5のDC/DCコン
バータでは、1石式のフォワード形DC/DCコンバー
タを示したが、2石式のフォワード形DC/DCコンバ
ータあっても良く、同様の効果を奏する。
【0038】
【発明の効果】以上のように請求項1の発明によれば、
トランスに新たに3次巻線を設置し、この巻線数をトラ
ンスの2次巻線の巻線数より少なくなるように構成した
のでチョークコイルを不要にし、更に3次巻線によりト
ランスの還流ができるため、トランスの還流用巻線と励
磁エネルギー還流ダイオードを不要にすることができ、
小型、軽量、低コストのDC/DCコンバータが得られ
る効果がある。
【0039】また、請求項2の発明によれば、コンデン
サの入力側に直列にチョークコイルを接続することによ
り、出力電圧の調整を可能とし、また入力電圧の変動に
対して出力電圧を一定に制御できるようなDC/DCコ
ンバータが得られる効果がある。
【0040】また、請求項3の発明によれば、整流ダイ
オードと環流ダイオードの代わりに整流用スイッチング
素子と環流用スイッチング素子を用いることにより、導
通時の電圧降下を低くして導通損失を低減し、電力変換
効率が改善でき、小型、軽量、低コストで高効率のDC
/DCコンバータが得られる効果がある。
【0041】また、請求項4の発明によれば、トランス
のいずれかの巻線、またはスイッチング素子と並列にコ
ンデンサを接続する構成としたので、トランスと異なる
コアに巻いたチョークコイル、あるいはトランスの3次
巻線の漏洩インダクタンス、またはこれらの和のインダ
クタンスと前記コンデンサとのLC共振現象により、ス
イッチング素子のオン期間にトランスに蓄積された励磁
エネルギーを、スイッチング素子のオフ期間に還流する
ことができるので、トランスの還流用巻線と励磁エネル
ギー還流ダイオードを省略できるとともに、スイッチン
グ素子やトランス巻線にかかる電圧が正弦波状に変化す
るため、スパイク電圧の抑制、ノイズの低減ができ、小
型、軽量、低コストで低ノイズのDC/DCコンバータ
が得られる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の実施例1によるDC/DCコンバ
ータを示す回路図である。
【図2】 この発明の実施例2によるDC/DCコンバ
ータを示す回路図である。
【図3】 この発明の実施例3によるDC/DCコンバ
ータを示す回路図である。
【図4】 この発明の実施例4によるDC/DCコンバ
ータを示す回路図である。
【図5】 この発明の実施例5によるDC/DCコンバ
ータを示す回路図である。
【図6】 上記実施例5の回路動作を説明するための波
形図である。
【図7】 この発明の実施例5によるDC/DCコンバ
ータの他の構成を示す回路図である。
【図8】 従来のDC/DCコンバータを示す回路図で
ある。
【図9】 上記従来例の回路動作を説明するための波形
図である。
【符号の説明】
1 直流電源、2 スイッチング素子、3 トランス、
3a 1次巻線、3b2次巻線、3c 還流用巻線、3
d 3次巻線、5 平滑コンデンサ、6 環流ダイオー
ド、7 整流ダイオード、8 ダイオード、9a、9b
出力端子、10 チョークコイル、11 整流用スイ
ッチング素子、11a 寄生ダイオード、12 環流用
スイッチング素子、12a 寄生ダイオード、13 コ
ンデンサ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源とスイッチング素子およびトラ
    ンスの1次巻線で構成された直列回路と、出力端子間に
    接続された前記トランスの3次巻線と還流ダイオードの
    直列回路と、前記還流ダイオードに並列接続された前記
    トランスの2次巻線と整流ダイオードの直列回路と、前
    記出力端子間に接続されたコンデンサとを備え、前記2
    次巻線と3次巻線の巻線方向は互いに逆方向に直列接続
    され、前記3次巻線の巻数が前記2次巻線の巻数よりも
    少なくなるように構成したことを特徴とするDC/DC
    コンバータ。
  2. 【請求項2】 前記コンデンサの入力側に直列にチョー
    クコイルを接続する構成としたことを特徴とする請求項
    1記載のDC/DCコンバータ。
  3. 【請求項3】 請求項1または2のいずれかに記載のD
    C/DCコンバータにおいて、前記整流ダイオードと前
    記環流ダイオードの代わりに、整流用スイッチング素子
    と環流用スイッチング素子を用いる構成としたことを特
    徴とするDC/DCコンバータ。
  4. 【請求項4】 前記トランスのいずれかの巻線、または
    前記スイッチング素子と並列にコンデンサを接続する構
    成としたことを特徴とする前記請求項1から3のいずれ
    かに記載のDC/DCコンバータ。
JP16528995A 1995-06-30 1995-06-30 Dc/dcコンバータ Pending JPH0919135A (ja)

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JP16528995A JPH0919135A (ja) 1995-06-30 1995-06-30 Dc/dcコンバータ

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