JPWO2009025157A1 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Abstract

DC−DCコンバータの主スイッチ素子としての第1のスイッチ素子(Q1)と、力率改善回路のスイッチ素子としての第3のスイッチ素子(Q3)を、ターンオンタイミングは同期させつつ、オン期間制御を独立して行うことで、スイッチング周波数の上昇を防ぎ、間欠発振させないことで音鳴りを防止する。軽負荷或いは無負荷時の第1のスイッチ素子(Q1)のスイッチング周波数上昇による間欠発振制御が防止でき、間欠発振の周波数が可聴周波数帯に入って音鳴りを起こしたり、リプル電圧が大きくなったりする問題が解消される。

Description

本発明は、入力電源からの供給電力を断続すると共にインダクタにより電力変換を行って所定の直流電圧を出力するスイッチング電源装置に関するものである。
一般にスイッチング電源装置の性能指標の1つとして高調波特性と力率特性がある。高調波特性はスイッチング電源装置からその入力電源ラインへ流れる高調波電流の抑制機能であり、他の機器へ悪影響を与えないように高調波電流の上限が規定されている。また、力率特性はスイッチング電源装置から入力を見た力率であり、電力系統の低損失化のためには高力率である程好ましい。
そこで、従来は特許文献1または特許文献2に開示されているような構造のスイッチング電源装置が考案されている。
特許文献1のスイッチング電源装置の構成例を図12に示す。図12において、第1のスイッチ回路(S1)は第1のスイッチ素子(Q1),第1のダイオード(D1)、および第1のキャパシタ(Cds1)の並列回路で構成されており、第2のスイッチ回路(S2)は第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、および第2のキャパシタ(Cds2)の並列回路で構成されている。
Vinは入力電源であり、この場合は商用交流電源である。VinはEMIフィルタ(EMI−F)を介して整流ダイオード(Da)によって整流される。Tはトランスであり、その1次巻線(Lp)と、第1のインダクタ(Lr)と、第1のスイッチ回路(S1)と、整流ダイオード(Da)とで閉ループを形成するとともに、第2のスイッチ回路(S2)とキャパシタ(Cr)との直列回路を1次巻線(Lp)と第1のインダクタ(Lr)との直列回路に対して並列に接続している。
トランス(T)の2次巻線(Ls)には整流ダイオード(Ds)と平滑コンデンサ(Co)からなる整流平滑回路を設けている。2次側の整流ダイオード(Ds)には並列にキャパシタ(Cs)を接続している。
帰還回路(FB1)は整流平滑回路(RS)から出力端子(OUT)へ出力される電圧(Vo)を検出し、該電圧(Vo)が安定化するように帰還制御する。第1のスイッチング制御回路(SC1)は駆動巻線(Lb1)の発生電圧を入力して、第1のスイッチ素子(Q1)のオフタイミングを制御することにより、第1のスイッチ素子(Q1)のオン期間を制御する。
第2のスイッチング制御回路(SC2)は駆動巻線(Lb2)の発生電圧を入力して、第2のスイッチ素子(Q2)のオフタイミングを制御することにより第2のスイッチ素子(Q2)のオン期間を制御する。また第1のスイッチ回路(S1)と第2のスイッチ回路(S2)との接続点に第2のインダクタ(Li)の一端を接続し、その他端を第3のダイオードDiに接続している。また第2のスイッチ回路(S2)と第5のキャパシタ(Cr)との接続点と、第3のダイオード(Di)と第2のインダクタ(Li)との接続点に、第4のダイオード(Dc)の両端を接続している。
第1のスイッチ回路(S1)と第3のキャパシタ(Ca)との接続点と第1のインダクタ(Lr)の一端との間には第4のキャパシタ(Ci)を接続している。
第1・第2のスイッチ回路(S1,S2)にはそれぞれスイッチング制御回路(SC1,SC2)を接続している。入力側整流回路(Da)と第4のキャパシタ(Ci)との間に第4のダイオード(Db)を接続している。
スイッチング制御回路(SC1)は第1のスイッチ素子(Q1)のゲート−ソース間に接続したトランジスタ(Tr1)と遅延回路(DL1)と時定数回路(TC1)とを備えている。遅延回路(DL1)はコンデンサ(Cg1)と抵抗(Rg1)の直列回路およびスイッチ素子(Q1)の入力容量(不図示)によって構成している。第1のスイッチ素子(Q1)は駆動巻線(Lb1)の誘起電圧によってターンオンされるが、遅延回路(DL1)によってQ1のターンオンタイミングが遅延される。
時定数回路(TC1)は、抵抗(Rt1)、ダイオード(Dt1)、フォトカプラのフォトトランジスタ(Pt1)から成るインピーダンス回路とコンデンサ(Ct1)とからなる。この時定数回路(TC1)とトランジスタ(Tr1)とによって第1のスイッチ素子(Q1)のオン期間制御を行う。
第2のスイッチング制御回路(SC2)も第1のスイッチング制御回路(SC1)と同様の構成であり、同様に作用する。
第1のスイッチング制御回路(SC1)のフォトカプラのフォトトランジスタ(Pt1)には帰還回路(FB1)を接続している。この帰還回路(FB1)は整流平滑回路(RS)から出力端子(OUT)へ出力される電圧(Vo)を検出して、その電圧(Vo)が安定化するように帰還制御する。第2の帰還回路(FB2)は第4のキャパシタ(Ci)の入力電圧(Vi)を検出して、その入力電圧(Vi)が軽負荷時に所定値より上昇しないように第2のスイッチ素子(Q2)のオン期間が制御されるように帰還制御する。
特許文献2において従来例[図6]として図示されているスイッチング電源装置の構成例を図13に示す。図13において、商用電源(VAC)を整流するダイオードブリッジ(DB)の出力端子の一端にリアクトル(L1)とダイオード(D1)の直列回路を接続し、ダイオード(D1)とダイオードブリッジ(DB)の出力端子の他端との間に平滑用コンデンサ(C1)を接続し、リアクトル(L1)とダイオード(D1)の接続点とダイオードブリッジ(DB)とコンデンサ(C1)の接続点の間にスイッチ素子(S1)を接続して構成される。
また、部分電圧共振形DC/DCコンバータは、平滑用コンデンサ(C1)の正極端子と負極端子と並列に絶縁トランス(TR1)の一次巻線と主スイッチ素子(S2)の直列回路を接続し、絶縁トランス(TR1)と主スイッチ素子(S2)の接続点と、平滑用コンデンサ(C1)の正極端子との間にコンデンサ(C5)と補助スイッチ素子(S3)の直列回路を接続し、主スイッチ素子(S2)と補助スイッチ素子(S3)の各々に並列にそれぞれコンデンサ(C3,C4)を接続して構成される。また、主スイッチ素子(S2)と補助スイッチ素子(S3)の各々に逆並列にそれぞれダイオード(D3,D4)を接続する。また、絶縁トランスの二次巻線の両端にダイオード(D2)とコンデンサ(C2)の直列回路を接続し、コンデンサ(C2)の両端が直流出力端子となる。
国際公開特許WO2005/074113号公報 特開2000−116126号公報
ところが、特許文献1では、[請求項19]に記載があるように、軽負荷または無負荷状態に発振期間と停止期間を周期的に繰り返す間欠発振モードに移行する。
この場合、間欠発振の周期が可聴周波数帯に入ってきてしまい、音鳴りの原因となる場合があった。
また、間欠発振をすることで、出力電圧のリプルが大きくなってしまうという問題があった。
また、特許文献2においては、力率改善回路と部分共振型DC/DCコンバータが別々に制御されるため、異なるスイッチング周波数の干渉によってビート妨害が起こったり、過電流等の保護回路や制御回路と、その電圧源が各々必要なことにより制御回路が複雑になる、といった問題があった。
そこで、この発明の目的は、高調波電流の低減効果を高め、高調波特性および力率特性を改善するスイッチング電源において、軽負荷または無負荷時の音鳴りや、リプル電圧の増大という課題の解決を図りつつ、制御回路をシンプルにしたスイッチング電源装置を提供することにある。
(1)この発明のスイッチング電源装置は、第1のスイッチ素子(Q1)、第1のダイオード(D1)、および第1のキャパシタ(Cds1)の並列接続回路で構成された第1のスイッチ回路(S1)と、
第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、および第2のキャパシタ(Cds2)の並列接続回路で構成された第2のスイッチ回路(S2)と、
第3のスイッチ素子(Q3)、第3のダイオード(D3)、および第3のキャパシタ(Cds3)の並列接続回路で構成された第3のスイッチ回路(S3)と、
交流入力電圧(Vin)を整流する少なくとも1つの整流素子により構成された入力側整流回路(Da)と、
前記整流回路(Da)により整流された電圧が印加される第4のキャパシタ(Ca)と、
1次巻線(Lp)、2次巻線(Ls)、第1の駆動巻線(Lb1)および第2の駆動巻線(Lb2)を少なくとも有するトランス(T)と、
前記2次巻線(Ls)に接続された整流平滑回路(RS)と、
前記1次巻線(Lp)に直列に接続された第1のインダクタ(Lr)と、
第3のスイッチ回路(S3)は、そのオン期間が第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に含まれるように動作し、前記第3のスイッチ回路(S3)のオン期間に第4のキャパシタ(Ca)の電圧が印加されるように接続された第2のインダクタ(Li)と、
前記第2のインダクタ(Li)に逆電流が流れるのを阻止するために、前記第2のインダクタ(Li)の一端にアノードが接続され、前記第2のスイッチ素子(Q2)の一端にカソードが接続された第4のダイオード(Di)と、
前記第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁エネルギーにより充電され、且つ、前記第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に前記1次巻線(Lp)および第1のインダクタ(Lr)からなる直列回路に電圧を印加するように接続された第5のキャパシタ(Ci)と、
前記トランス(T)の1次巻線(Lp)に対して並列に接続される、前記第2のスイッチ回路(S2)と直列回路を成す第6のキャパシタ(Cr)と、
前記第1・第2のスイッチ素子(Q1,Q2)を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオンオフ駆動する第1のスイッチング制御回路(SC1)および第2のスイッチング制御回路(SC2)と、前記第3のスイッチ素子(Q3)のオンオフ駆動を制御するスイッチング制御回路(SC3)とを備え、
前記第1のスイッチング制御回路(SC1)および前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は、共に前記第1の駆動巻線(Lb1)に生じる電圧によって動作し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は、前記第2の駆動巻線(Lb2)に生じる電圧によって動作することを特徴とする。
(2)この発明のスイッチング電源装置は、第1のスイッチ素子(Q1)、第1のダイオード(D1)、および第1のキャパシタ(Cds1)の並列接続回路で構成された第1のスイッチ回路(S1)と、
第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、および第2のキャパシタ(Cds2)の並列接続回路で構成された第2のスイッチ回路(S2)と、
第3のスイッチ素子(Q3)、第3のダイオード(D3)、および第3のキャパシタ(Cds3)の並列接続回路で構成された第3のスイッチ回路(S3)と、交流入力電圧(Vin)を整流する少なくとも1つの整流素子により構成された入力側整流回路(Da)と、
前記整流回路(Da)により整流された電圧が印加される第4のキャパシタ(Ca)と、
1次巻線(Lp)、2次巻線(Ls)、第1の駆動巻線(Lb1)および第2の駆動巻線(Lb2)を少なくとも有するトランス(T)と、
前記2次巻線(Ls)に接続された整流平滑回路(RS)と、前記1次巻線(Lp)に直列に接続された第1のインダクタ(Lr)と、
第3のスイッチ回路(S3)は、そのオン期間が第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に含まれるように動作し、前記第3のスイッチ回路(S3)のオン期間に第4のキャパシタ(Ca)の電圧が印加されるように接続された第2のインダクタ(Li)と、
前記第2のインダクタ(Li)に逆電流が流れるのを阻止するために、前記第2のインダクタ(Li)の一端にアノードが接続され、前記第2のスイッチ素子(Q2)の一端にカソードが接続された第4のダイオード(Di)と、
前記第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁エネルギーにより充電され、且つ、前記第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に前記1次巻線(Lp)、第1のインダクタ(Lr)および第6のキャパシタ(Cr)からなる直列回路に電圧を印加するように接続された第5のキャパシタ(Ci)と、
前記第5のキャパシタ(Ci)と前記第1のインダクタ(Lr)間に直列に挿入された第6のキャパシタ(Cr)と、
前記第1・第2のスイッチ素子(Q1,Q2)を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオンオフ駆動する第1のスイッチング制御回路(SC1)および第2のスイッチング制御回路(SC2)と、
前記第3のスイッチ素子(Q3)のオンオフ駆動を制御するスイッチング制御回路(SC3)とを備え、
前記第1のスイッチング制御回路(SC1)および前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は、共に前記第1の駆動巻線(Lb1)に生じる電圧によって動作し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は、前記第2の駆動巻線(Lb2)に生じる電圧によって動作することを特徴とする。
(3)この発明のスイッチング電源装置は、第1のスイッチ素子(Q1)、第1のダイオード(D1)、および第1のキャパシタ(Cds1)の並列接続回路で構成された第1のスイッチ回路(S1)と、
第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、および第2のキャパシタ(Cds2)の並列接続回路で構成された第2のスイッチ回路(S2)と、
第3のスイッチ素子(Q3)、第2のダイオード(D3)、および第2のキャパシタ(Cds3)の並列接続回路で構成された第3のスイッチ回路(S3)と、
交流入力電圧(Vin)を整流する少なくとも1つの整流素子により構成された入力側整流回路(Da)と前記整流回路(Da)により整流された電圧が印加される第4のキャパシタ(Ca)と、
1次巻線(Lp)、2次巻線(Ls)、第1の駆動巻線(Lb1)および第2の駆動巻線(Lb2)を少なくとも有するトランス(T)と、
前記2次巻線(Ls)に接続された整流平滑回路(RS)と、
前記1次巻線(Lp)に直列に接続された第1のインダクタ(Lr)と、
第3のスイッチ回路(S3)は、そのオン期間が第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に含まれるように動作し、前記第3のスイッチ回路(S3)のオン期間に第4のキャパシタ(Ca)の電圧が印加されるように接続された第2のインダクタ(Li)と、
第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁エネルギーにより充電され、且つ、前記第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に前記1次巻線(Lp)、第1のインダクタ(Lr)および第6のキャパシタ(Cr)からなる直列回路に電圧を印加するように接続された第5のキャパシタ(Ci)と、
一端が前記トランス(T)の1次巻線(Lp)に接続され、他端が前記第1のスイッチ回路(S1)と前記第2のスイッチ回路(S2)の接続点に接続された第6のキャパシタ(Cr)と、
前記第2のインダクタ(Li)に逆電流が流れるのを阻止するために、前記第2のインダクタ(Li)の一端にアノードが接続され、前記トランス(T)の1次巻線(Lp)と前記第6のキャパシタ(Cr)の接続点にカソードが接続された第4のダイオード(Di)と、
前記第1・第2のスイッチ素子(Q1,Q2)を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオンオフ駆動する第1のスイッチング制御回路(SC1)および第2のスイッチング制御回路(SC2)と、
前記第3のスイッチ素子(Q3)のオンオフ駆動を制御するスイッチング制御回路(SC3)とを備え、
前記第1のスイッチング制御回路(SC1)および前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は、共に前記第1の駆動巻線(Lb1)に生じる電圧によって動作し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は、前記第2の駆動巻線(Lb2)に生じる電圧によって動作することを特徴とする。
(4)この発明のスイッチング電源装置は、第1のスイッチ素子(Q1)、第1のダイオード(D1)、および第1のキャパシタ(Cds1)の並列接続回路で構成された第1のスイッチ回路(S1)と、
第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、および第2のキャパシタ(Cds2)の並列接続回路で構成された第2のスイッチ回路(S2)と、
第3のスイッチ素子(Q3)、第3のダイオード(D3)、および第3のキャパシタ(Cds3)の並列接続回路で構成された第3のスイッチ回路(S3)と、
交流入力電圧(Vin)を整流する少なくとも1つの整流素子により構成された入力側整流回路(Da)と、
前記整流回路(Da)により整流された電圧が印加される第4のキャパシタ(Ca)と、
1次巻線(Lp)、2次巻線(Ls)、第1の駆動巻線(Lb1)および第2の駆動巻線(Lb2)を少なくとも有するトランス(T)と、
前記2次巻線(Ls)に接続された整流平滑回路(RS)と、
前記1次巻線(Lp)に直列に接続された第1のインダクタ(Lr)と、
第3のスイッチ回路(S3)は、そのオン期間が第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に含まれるように動作し、前記第3のスイッチ回路(S3)のオン期間に第4のキャパシタ(Ca)の電圧が印加されるように接続された第2のインダクタ(Li)と、
前記第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁エネルギーにより充電され、且つ、前記第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に前記1次巻線(Lp)および第1のインダクタ(Lr)からなる直列回路に電圧を印加するように接続された第5のキャパシタ(Ci)と、
第1のスイッチ回路(S1)の両端に接続される直列回路を第2のスイッチ回路(S2)とで構成する第6のキャパシタ(Cr)と、
前記第1・第2のスイッチ素子(Q1,Q2)を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオンオフ駆動する第1のスイッチング制御回路(SC1)および第2のスイッチング制御回路(SC2)と、
前記第3のスイッチ素子(Q3)のオンオフ駆動を制御するスイッチング制御回路(SC3)とを備え、
前記第1のスイッチング制御回路(SC1)および前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は、共に前記第1の駆動巻線(Lb1)に生じる電圧によって動作し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は、前記第2の駆動巻線(Lb2)に生じる電圧によって動作することを特徴とする。
(5)この発明のスイッチング電源装置は、(1)〜(4)のいずれかにおいて、前記入力側整流回路(Da)にアノード端子を、前記第5のキャパシタ(Ci)にカソード端子を接続した第5のダイオード(Db)を備えたことを特徴とする。
(6)この発明のスイッチング電源装置は、(1)〜(5)のいずれかにおいて、前記第1のインダクタ(Lr)は、前記トランス(T)の漏れインダクタンスを利用したものであることを特徴とする。
(7)この発明のスイッチング電源装置は、(1)〜(6)のいずれかにおいて、前記第1のスイッチ素子(Q1)、前記第2のスイッチ素子(Q2)、および前記第3のスイッチ素子(Q3)の少なくとも1つは電界効果トランジスタ(FET)で構成されていることを特徴とする。
(8)この発明のスイッチング電源装置は、(1)〜(7)のいずれかにおいて、前記第1のスイッチ素子(Q1)の制御端子と前記第1の駆動巻線(Lb1)の間に、抵抗(Rg1)とキャパシタ(Cg1)の直列回路からなる第1の遅延回路(DL1)が接続され、前記第2のスイッチ素子(Q2)の制御端子と前記第2の駆動巻線(Lb2)との間に、抵抗(Rg2)とキャパシタ(Cg2)の直列回路からなる第2の遅延回路(DL2)が接続され、前記第3のスイッチ素子(Q3)の制御端子と前記第1の駆動巻線(Lb1)との間に、抵抗(Rg3)とキャパシタ(Cg3)の直列回路からなる第3の遅延回路(DL3)が接続され、前記第1、第2および第3のスイッチング制御回路(SC1,SC2,SC3)は、前記第1および第2の駆動巻線(Lb1,Lb2)にそれぞれ前記第1、第2および第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)をターンオンさせる電圧が発生してから、前記第1、第2および第3の遅延回路(DL1,DL2,DL3)によって該電圧を所定時間遅延させた後、前記第1、第2および第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)をターンオンさせることを特徴とする。
(9)この発明のスイッチング電源装置は、(8)において、前記第1、第2および第3の遅延回路(DL1,DL2,DL3)の遅延時間は、それぞれ前記第1のスイッチ素子(Q1)、第2のスイッチ素子(Q2)および第3のスイッチ素子(Q3)のドレイン−ソース間或いはコレクタ−エミッタ間の電圧が零電圧または零電圧付近に低下してからターンオンするように、各々設定されていることを特徴とする。
(10)この発明のスイッチング電源装置は、(1)〜(9)のいずれかにおいて、前記第1のスイッチング制御回路(SC1)は第1のトランジスタ(Tr1)と第1の時定数回路(TC1)を有し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は第2のトランジスタ(Tr2)と第2の時定数回路(TC2)を有し、前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は第3のトランジスタ(Tr3)と第3の定数回路(TC3)を有し、前記第1・第2の駆動巻線(Lb1,Lb2)に発生した電圧によって、前記第1または第2または第3の時定数回路(TC1,TC2,TC3)で設定された時間後に前記第1または第2または第3のトランジスタ(Tr1,Tr2,Tr3)がターンオンし、それに応じて前記第1または第2または第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)がターンオフする構成となっていることを特徴とする。
(11)この発明のスイッチング電源装置は、(1)〜(10)のいずれかにおいて、前記整流平滑回路(RS)の後段には第1の帰還回路(FB1)が設けられ、前記帰還回路(FB1)は前記トランス(T)の2次側に前記整流平滑回路(RS)を介して出力される出力電圧をモニタし、前記出力電圧が所定の値を超えた場合に、フィードバック信号を1次側に絶縁状態で伝達する絶縁手段を有し、前記フィードバック信号を受けて、即座に前記第1のトランジスタ(Tr1)をターンオンさせ、その結果として前記第1のスイッチ素子(Q1)をターンオフさせる構成としたことを特徴とする。
(12)この発明のスイッチング電源装置は、(11)において、前記絶縁手段はフォトカプラであることを特徴とする。
(13)この発明のスイッチング電源装置は、(1)〜(12)のいずれかにおいて、前記第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧をモニタする第2の帰還回路(FB2)が設けられ、前記第2の帰還回路(FB2)は、前記第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧が所定の値を超えた場合、即座に前記第3のトランジスタ(Tr3)をターンオンさせ、その結果として前記第3のスイッチ素子(Q3)をターンオフさせる構成としたことを特徴とする。
(1)この発明によれば、第1のスイッチ素子(Q1)と第2のスイッチ素子(Q2)がゼロ電圧スイッチング動作することによりスイッチング損失が大幅に低減される。
また、入力される半波整流電圧または全波整流電圧を第3のスイッチ素子(Q3)によってスイッチングして整流電圧に比例した電流を流すので、電流のピーク値が正弦波状となって高力率が得られる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)と第3のスイッチ素子(Q3)を同じ第1の駆動巻線(Lb1)からの電圧で駆動することにより、同期を取りながらもオン期間を別々に制御できるため、軽負荷或いは無負荷状態になっても、第1のスイッチ素子(Q1)のスイッチング周波数が上昇することを防ぐことができ、間欠発振による音鳴りや、リプル電圧の増大といった問題を防止できる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)がターンオフすると、必ず第3のスイッチ素子(Q3)も同期してターンオフする構成になっているので、第1のスイッチ素子(Q1)の最大オン期間によって第2のインダクタ(Li)の電流ピーク値が制限され、第2のインダクタ(Li)の磁気飽和を防ぐことができる。
(2)この発明によれば、第1のスイッチ素子(Q1)と第2のスイッチ素子(Q2)がゼロ電圧スイッチング動作することによりスイッチング損失が大幅に低減される。
また、入力される半波整流電圧または全波整流電圧を第3のスイッチ素子(Q3)によってスイッチングして整流電圧に比例した電流を流すので、電流のピーク値が正弦波状となって高力率が得られる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)と第3のスイッチ素子(Q3)を同じ第1の駆動巻線(Lb1)からの電圧で駆動することにより、同期を取りながらもオン期間を別々に制御できるため、軽負荷或いは無負荷状態になっても、第1のスイッチ素子(Q1)のスイッチング周波数が上昇することを防ぐことができ、間欠発振による音鳴りや、リプル電圧の増大といった問題を防止できる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)がターンオフすると、必ず第3のスイッチ素子(Q3)も同期してターンオフする構成になっているので、第1のスイッチ素子(Q1)の最大オン期間によって第2のインダクタ(Li)の電流ピーク値が制限され、第2のインダクタ(Li)の磁気飽和を防ぐことができる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)のオン期間において、トランス(T)の1次巻線と第6のキャパシタ(Cr)の直列回路に電流が流れるため、トランス(T)の1次巻線(Lp)に蓄えられるエネルギーに加えて、第6のキャパシタ(Cr)に蓄えられた静電エネルギーをも2次側に伝達できるため、より大出力のコンバータを構成することができる。
(3)この発明によれば、第1のスイッチ素子(Q1)と第2のスイッチ素子(Q2)がゼロ電圧スイッチング動作することによりスイッチング損失が大幅に低減される。
また、入力される半波整流電圧または全波整流電圧を第3のスイッチ素子(Q3)によってスイッチングして整流電圧に比例した電流を流すので、電流のピーク値が正弦波状となって高力率が得られる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)と第3のスイッチ素子(Q3)を同じ第1の駆動巻線(Lb1)からの電圧で駆動することにより、同期を取りながらもオン期間を別々に制御できるため、軽負荷或いは無負荷状態になっても、第1のスイッチ素子(Q1)のスイッチング周波数が上昇することを防ぐことができ、間欠発振による音鳴りや、リプル電圧の増大といった問題を防止できる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)がターンオフすると、必ず第3のスイッチ素子(Q3)も同期してターンオフする構成になっているので、第1のスイッチ素子(Q1)の最大オン期間によって第2のインダクタ(Li)の電流ピーク値が制限され、第2のインダクタ(Li)の磁気飽和を防ぐことができる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)のオン期間において、トランス(T)の1次巻線と第6のキャパシタ(Cr)の直列回路に電流が流れるため、トランス(T)の1次巻線(Lp)に蓄えられるエネルギーに加えて、第6のキャパシタ(Cr)に蓄えられた静電エネルギーをも2次側に伝達できるため、より大出力のコンバータを構成することができる。
さらに、第4のダイオード(Di)のカソードを、トランス(T)の1次巻線(Lp)と第6のキャパシタ(Cr)との接続点に接続しているので、第4のダイオード(Di)の両端にかかる電圧が比較的低くて済み、耐圧の低いダイオードを使用することができる。
(4)この発明によれば、第1のスイッチ素子(Q1)と第2のスイッチ素子(Q2)がゼロ電圧スイッチング動作することによりスイッチング損失が大幅に低減される。
また、入力される半波整流電圧または全波整流電圧を第3のスイッチ素子(Q3)によってスイッチングして整流電圧に比例した電流を流すので、電流のピーク値が正弦波状となって高力率が得られる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)と第3のスイッチ素子(Q3)を同じ第1の駆動巻線(Lb1)からの電圧で駆動することにより、同期を取りながらもオン期間を別々に制御できるため、軽負荷或いは無負荷状態になっても、第1のスイッチ素子(Q1)のスイッチング周波数が上昇することを防ぐことができ、間欠発振による音鳴りや、リプル電圧の増大といった問題を防止できる。
また、第1のスイッチ素子(Q1)がターンオフすると、必ず第3のスイッチ素子(Q3)も同期してターンオフする構成になっているので、第1のスイッチ素子(Q1)の最大オン期間によって第2のインダクタ(Li)の電流ピーク値が制限され、第2のインダクタ(Li)の磁気飽和を防ぐことができる。
また第6のキャパシタ(Cr)の印加電圧は大きくなるが、蓄える電荷量を一定として考えると、第6のキャパシタ(Cr)の容量を低減できるため、第6のキャパシタ(Cr)の小型化を図ることができる。
(5)この発明によれば、入力側整流回路(Da)と第5のキャパシタ(Ci)との間に第5のダイオード(Db)を接続したことにより、起動時に第5のキャパシタ(Ci)に対して直接充電でき、定常状態に到るまでのトランスの偏磁現象等を防止することができる。
(6)この発明によれば、トランス(T)の漏れインダクタンスを第1のインダクタ(Lr)として利用することにより部品点数が削減できる。
(7)この発明によれば、第1のスイッチ回路(S1)、第2のスイッチ回路(S2)および第3のスイッチ回路(S3)の少なくとも1つを電界効果トランジスタで構成したことにより、第1、第2および第3のダイオード(D1,D2,D3)の少なくとも1つを寄生ダイオードで、第1、第2および第3のキャパシタ(Cds1,Cds2,Cds3)の少なくとも1つを寄生キャパシタでそれぞれ構成でき、第1、第2および第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)、第1、第2および第3のダイオード(D1,D2,D3)、および第1、第2および第3のキャパシタ(Cds1,Cds2,Cds3)の並列接続回路を少ない部品点数で構成できる。
(8)この発明によれば、第1、第2および第3の遅延回路(DL1,DL2,DL3)を設け、第1、第2の駆動巻線(Lb1,Lb2)に第1、第2および第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)をターンオンさせる電圧が発生してから所定時間遅延させて第1、第2および第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)をターンオンさせるようにしたことにより、デッドタイムが形成され、第1、第2および第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)を適切なタイミングで交互にオンオフ駆動することができる。
(9)この発明によれば、第1、第2および第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)の両端に印加される電圧が零電圧または零電圧付近まで低下してからターンオンするように第1、第2および第3の遅延回路(DL1,DL2,DL3)の遅延時間を設定したことにより、ゼロ電圧スイッチング動作することになり、スイッチング損失を低減して高効率化を図れる。
(10)この発明によれば、第1、第2および第3のスイッチング制御回路(SC1,SC2,SC3)をそれぞれ第1、第2および第3のトランジスタ(Tr1,Tr2,Tr3)で構成し、第1、第2および第3の時定数回路(TC1,TC2,TC3)を構成したことにより、第1、第2および第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)のオン期間の設定が容易となる。
(11)この発明によれば、第1のスイッチ素子(Q1)は、力率改善回路のスイッチ素子の役割を果たす第3のスイッチ素子(Q3)と、ターンオンタイミングは同期しながらも、オン期間制御は独立して行われるので、リプル電圧が減少し、出力電圧が安定化する。
(12)この発明によれば、トランス(T)の2次側に生じる出力電圧(Vo)を第1の帰還回路(FB1)でモニタし、1次側にフィードバックする絶縁手段としてフォトカプラを用いることで、省スペース化を図ることができる。
(13)この発明によれば、第2の帰還回路(FB2)が第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧(Vi)の値をモニタし、Viが所定の値を超えた場合、第4のトランジスタ(Tr4)をターンオンさせることで、即座に第3のトランジスタ(Tr3)をターンオンさせ、その結果第3のスイッチ素子(Q3)をターンオフさせるので、第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧が一定値以上にならないように制限することができ、耐圧の大きい高価な部品を使う必要性がなくなる。
さらに、第3のスイッチ素子(Q3)は、第1のスイッチ素子(Q1)とターンオンタイミングは同期しながらも、オン期間制御は独立して行われるため、軽負荷或いは無負荷の場合は第3のスイッチ素子(Q3)のオン期間は第1のスイッチ素子(Q1)のオン期間に比べて短くなり、重負荷の場合は、最大で第3のスイッチ素子(Q3)のオン期間は第1のスイッチ素子(Q1)のオン期間と同等にまで変化させることができ、負荷に応じて最適なオン期間制御を行うことができる。
第1の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 第2の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 第3の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 第4の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 第5の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 第6の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 第7の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 第8の実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 (A)は第1の帰還回路(FB1)の一実施形態を示す回路図、(B)は第2の帰還回路(FB2)の一実施形態を示す回路図である。 第1の実施形態に係るスイッチング電源装置の各素子の電圧・電流波形図である。 第1の実施形態に係るスイッチング電源装置の入力電圧、入力電流、第2のインダクタ(Li)に流れる電流の相関波形図である。 特許文献1に記載された従来のスイッチング電源装置の回路図である。 特許文献2に記載された従来のスイッチング電源装置の回路図である。
符号の説明
EMI−F −EMIフィルタ
Da−入力側整流回路
Q1−第1のスイッチ素子
D1−第1のダイオード
Cds1−第1のキャパシタ
S1−第1のスイッチ回路
Q2−第2のスイッチ素子
D2−第2のダイオード
Cds2−第2のキャパシタ
S2−第2のスイッチ回路
Q3−第3のスイッチ素子
D3−第3のダイオード
Cds3−第3のキャパシタ
S3−第3のスイッチ回路
Ca−第4のキャパシタ
T−トランス
Lp−トランス(T)の1次巻線
Ls−トランス(T)の2次巻線
Lb1−第1の駆動巻線
Lb2−第2の駆動巻線
Ds−整流ダイオード
Co−平滑コンデンサ
RS−整流平滑回路
Lr−第1のインダクタ
Li−第2のインダクタ
Ci−第5のキャパシタ
Cr−第6のキャパシタ
SC1−第1のスイッチング制御回路
SC2−第2のスイッチング制御回路
SC3−第3のスイッチング制御回路
Di−第4のダイオード
Db−第5のダイオード
Tr1,Tr2−トランジスタ
DL1−第1の遅延回路
DL2−第2の遅延回路
DL3−第3の遅延回路
FB1−第1の帰還回路
FB2−第2の帰還回路
TC1−第1の時定数回路
TC2−第2の時定数回路
TC3−第3の時定数回路
PC1−フォトカプラ
第1の実施形態に係るスイッチング電源装置について図1を参照して説明する。
図1はスイッチング電源装置の回路図である。図1においてVinは商用交流電源である。入力側整流回路(Da)はダイオードブリッジからなり、EMIフィルタ(EMI−F)を介して商用交流電源(Vin)を全波整流する。第1のスイッチ回路(S1)は、第1のスイッチ素子(Q1)、第1のダイオード(D1)、第1のキャパシタ(Cds1)からなる。同様に第2のスイッチ回路(S2)は、第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、第2のキャパシタ(Cds2)からなり、第3のスイッチ回路(S3)は、第3のスイッチ素子(Q3)、第3のダイオード(D3)、第3のキャパシタ(Cds3)からなる。第1〜第3のダイオード(D1,D2,D3)はFETである第1〜第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)の寄生ダイオード、第1〜第3のキャパシタ(Cds1,Cds2,Cds3)は第1〜第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)の寄生キャパシタである。但し、必要な特性を得るためにQ1,Q2,Q3とは別にD1,D2,D3,Cds1,Cds2、Cds3を付加してもよい。
入力側整流回路(Da)の整流電圧は第4のキャパシタ(Ca)に印加される。トランス(T)は1次巻線(Lp)、2次巻線(Ls)、第1の駆動巻線(Lb1),第2の駆動巻線(Lb2)を備えている。トランス(T)の2次巻線(Ls)には整流ダイオード(Ds)と平滑コンデンサ(Co)からなる整流平滑回路(RS)を接続している。整流ダイオード(Ds)にはトランス(T)の電圧が反転するときの共振用のコンデンサ(Cs)を並列接続している。このコンデンサ(Cs)としては整流ダイオード(Ds)の寄生容量を用いることもできる。またトランス(T)の1次巻線(Lp)には直列に第1のインダクタ(Lr)を接続している。この第1のインダクタ(Lr)はトランス(T)の漏れインダクタンスを利用することもできる。第2のインダクタ(Li)は、一端が第3のスイッチ回路(S3)に直列に接続され、他端が入力側整流回路(Da)の出力に接続される。
第2のスイッチ回路(S2)には第6のキャパシタ(Cr)を直列に接続している。この第2のスイッチ回路(S2)と、第6のキャパシタ(Cr)と、第1のインダクタ(Lr)およびトランス(T)の1次巻線(Lp)によって閉ループを構成している。また第2のインダクタ(Li)に逆電流が流れるのを阻止するために、第2のインダクタ(Li)の一端にアノードが接続され、第2のスイッチ素子(Q2)の一端にカソードが接続された第4のダイオード(Di)が挿入されている。
第1のスイッチ回路(S1)と第4のキャパシタ(Ca)との接続点と第1のインダクタ(Lr)の一端との間には第5のキャパシタ(Ci)を接続している。
第1〜第3のスイッチ回路(S1,S2,S3)にはそれぞれ第1〜第3のスイッチング制御回路(SC1,SC2,SC3)を接続している。入力側整流回路(Da)と第5のキャパシタ(Ci)との間に第5のダイオード(Db)が接続されている。
第1のスイッチング制御回路(SC1)は第1のスイッチ素子(Q1)のゲート−ソース間に接続した第1のトランジスタ(Tr1)と第1の遅延回路(DL1)と第1の時定数回路(TC1)とを備えている。第1の遅延回路(DL1)はコンデンサ(Cg1)と抵抗(Rg1)の直列回路およびスイッチ素子(Q1)の入力容量(不図示)によって構成している。第1のスイッチ素子(Q1)は第1の駆動巻線(Lb1)の誘起電圧によってターンオンされるが、第1の遅延回路(DL1)によって第1のスイッチ素子(Q1)のターンオンタイミングが遅延される。
第1の時定数回路(TC1)は、抵抗(Rt1)、ダイオード(Dt1)、フォトカプラ(PC1)のフォトトランジスタから成るインピーダンス回路とコンデンサ(Ct1)とからなる。この第1の時定数回路(TC1)と第1のトランジスタ(Tr1)とによって第1のスイッチ素子(Q1)のターンオフ制御を行う。
第2のスイッチング制御回路(SC2)および第3のスイッチング制御回路(SC3)も第1のスイッチング制御回路(SC1)と同様の構成であり、同様に作用する。
第1のスイッチング制御回路(SC1)のフォトカプラ(PC1)のフォトトランジスタには第1の帰還回路(FB1)が接続されている。この第1の帰還回路(FB1)は整流平滑回路(RS)から出力端子(OUT)へ出力される出力電圧(Vo)を検出して、その出力電圧(Vo)が安定化するように帰還制御する。第2の帰還回路(FB2)は第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧(Vi)を検出して、その両端電圧(Vi)が軽負荷時に所定値より上昇しないように第3のスイッチ素子(Q3)のオン期間が制御されるように帰還制御する。
第4のキャパシタ(Ca)は、第1のスイッチ素子(Q1)、第2のスイッチ素子(Q2)のスイッチングによる高周波電流の入力電源ライン側への伝搬を防止してノイズを低減する。また、インダクタ等を挿入して、そのインダクタンスと第4のキャパシタ(Ca)のキャパシタンスとによってローパスフィルタを構成してもよい。
次に、図1に示したスイッチング電源装置の回路動作について図10、図11を基に説明する。
図10は図1各部の波形図である。また、図11は商用電源の入力電圧Vin、入力電流iin、インダクタLiに流れる電流ilの概略波形図である。第1〜第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)のオンオフ信号(ゲート・ソース間電圧)をVgs1,Vgs2,Vgs3、ドレイン・ソース間電圧をVds1,Vds2,Vds3、ドレイン電流をid1,id2,id3、整流ダイオード(Ds)の電流をisとし、各状態の動作を示す。
(1)状態1 state1 [t1〜t2]第1のダイオード(D1)または第1のスイッチ素子(Q1)は導通しており、第1のダイオード(D1)の導通時に第1の駆動巻線(Lb1)の電圧により第1のスイッチ素子(Q1)がターンオンしてZVS(ゼロ電圧スイッチング)動作が行われる。トランス(T)の1次巻線(Lp)には入力電圧(Vi)が印加されて励磁され、第2のインダクタ(Li)には全波整流電圧(Vac)が印加される。第1のスイッチ素子(Q1)と同期して第3のスイッチ素子(Q3)もオンし、第3の遅延回路(DL3)によりゼロ電圧付近でターンオンする。第2の帰還回路(FB2)は第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧(Vi)をモニタしており、Viが所定値よりも高くなると、第3のスイッチング制御回路(SC3)内部にある第4のトランジスタ(Tr4)をターンオンさせ、キャパシタ(Ct3)を充電されて、第3のトランジスタ(tr3)の閾値電圧となり第3のトランジスタ(Tr3)がオン、第3のスイッチ素子(Q3)がターンオフして、第2のインダクタ(Li)の電圧が反転する。
(2)状態2 state2 [t2〜t3]
時刻t2で第3のスイッチ素子(Q3)はターンオフするが、第1のスイッチ素子(Q1)はオンし続けている。時刻t3でキャパシタ(Ct1)の電圧が第1のトランジスタ(Tr1)の閾値電圧となり第1のトランジスタ(Tr1)がオン、第1のスイッチ素子(Q1)がターンオフしてトランス(T)の電圧(トランスTの各巻線の電圧)が反転する。
(3) 状態3 state3 [t3〜t4]トランス(T)の1次巻線(Lp)および第1のインダクタ(Lr)に流れていた電流により第1のキャパシタ(Cds1)が充電され、第2のキャパシタ(Cds2)が放電される。時刻t4で第2のスイッチ素子(Q2)のドレイン−ソース間電圧(Vds2)が零電圧となり第2のダイオード(D2)が導通する。トランス(T)の2次側では電圧(Vs)が零になると整流ダイオード(Ds)が導通する。
(4) 状態4 state4 [t4〜t5]第2のダイオード(D2)の導通時、第2の駆動巻線(Lb2)の電圧により第2のスイッチ素子(Q2)はターンオンしてZVS動作が行われる。トランス(T)の1次側では第1のインダクタ(Lr)と第6のキャパシタ(Cr)が共振し、第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁電流により第5のキャパシタ(Ci)が充電される。トランス(T)の2次側ではトランス(T)の励磁エネルギーが2次巻線(Ls)から放出され、ダイオード(Ds)に流れる電流(is)は曲線波形となる。図10において、tr1はトランス(T)のリセット時間である。時刻t5で(t2からtr2経過後)電流(il)が零となると、第5のキャパシタ(Ci)の充電は終了する。
(5) 状態5 state5 [t5〜t6]電流(il)が零となると、第2のインダクタ(Li)と第3のキャパシタ(Cds3)により第3のスイッチ素子(Q3)のドレイン−ソース間電圧(Vds3)は振動する。
状態4,状態5では第6のキャパシタ(Cr)の電圧(Vr)はトランス(T)の1次巻線(Lp)と第1のインダクタ(Lr)との直列回路に印加され、励磁電流(im)は直線的に減少する。励磁電流(im)は零となると負電流となり、状態1とは逆方向にトランス(T)の1次巻線(Lp)を励磁する。2次側では、電流(is)が零となるまで流れる。時刻t6でキャパシタ(Ct2)の電圧が第2のトランジスタ(Tr2)の閾値電圧となり第2のトランジスタ(Tr2)がオンすると、第2のスイッチ素子(Q2)がターンオフする。
(6) 状態6 state6 [t6〜t7]トランス(T)の2次側ではダイオード(Ds)に逆電圧が印加されトランス(T)の2次巻線(Ls)の電圧が反転する。1次側では1次巻線(Lp)と第1のインダクタ(Lr)に流れていた電流により第1のキャパシタ(Cds1)が放電され、第2のキャパシタ(Cds2)が充電され、時刻t7で第1のスイッチ素子(Q1)のドレイン−ソース間電圧(Vds1)が零になると第1のダイオード(D1)が導通する。
以上の状態1〜6を繰り返す。
なお、第1の帰還回路(FB1)の回路構成としては、代表的なものとして図9(A)に示したような回路が挙げられる。出力端子(OUT)に出力される電圧(Vo)を分圧抵抗で分圧し、その値が予め決められた基準値を超えた場合にのみ、フォトカプラ(PC1)のフォトダイオードが発光するように、シャントレギュレータ(符号なし)を設けている。
また、第2の帰還回路(FB2)の回路構成としては、代表的なものとして図9(B)に示したような回路が挙げられる。第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧(Vi)を分圧抵抗で分圧し、その値が予め決められた基準値を超えた場合にのみ、シャントレギュレータ(符号なし)が動作し、第4のトランジスタをオンさせる。この動作によって、結果的に第3のスイッチ素子(Q3)が即座にターンオフされ、第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧(Vi)の上昇を抑える仕組みとなっている。
図1に示したスイッチング電源装置の効果はまとめると次のとおりである。
(1)第1および第2のスイッチ素子(Q1,Q2)はZVS動作し、第3のスイッチ素子(Q3)は第3の遅延回路(DL3)によりゼロ電圧付近でターンオンするため、スイッチング損失が大幅に低減される。
(2)第4のダイオード(Di)にはスイッチング電流が流れ、このスイッチング電流が第4のキャパシタ(Ca)に流れることにより、入力側整流回路(Da)にはスイッチング電流が流れず、損失を低減できる。また、第4のダイオード(Di)はスイッチング周波数に対応した高速動作が要求されるが、入力側整流回路(Da)および第5のダイオード(Db)は商用電源周波数に対応した低速動作の一般ダイオードで対応できる。
(3)出力電圧(Vo)は、第1の帰還回路(FB1)の信号に基づいて第1のスイッチ素子(Q1)のオン期間を制御することにより安定化制御される。
(4)入力電圧(Vi)は、第2の帰還回路(FB2)の信号に基づいて第3のスイッチ素子(Q3)のオン期間を制御することにより制御される。このため、軽負荷時や無負荷時での第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧(Vi)の上昇を抑制できる。
次に、第2の実施形態に係るスイッチング電源装置について、図2を基に説明する。
図2はその回路図である。図1に示した構成と異なり、この図2に示す例では、第6のキャパシタ(Cr)を第5のキャパシタ(Ci)の一端と第1のインダクタ(Lr)との間に接続している。その他は図2に示した場合と同様である。
このような構成であっても第1の実施形態の場合と同様の効果が得られる。また、第1のインダクタ(Lr)に直列につながる第6のキャパシタ(Cr)と第5のキャパシタ(Ci)との接続点に第2のスイッチ素子(Q2)の一端を接続したので第1・第2のスイッチ素子(Q1,Q2)の印加電圧を低減でき、それらの電圧ストレスを低減できる。
次に、第3の実施形態に係るスイッチング電源装置について、図3を基に説明する。
図3はその回路図である。図1に示した構成と異なり、この図3に示す例では、第6のキャパシタ(Cr)を第4のダイオード(Di)のカソードと、第1のスイッチ素子(Q1)と第2のスイッチ素子(Q2)との接続点の間に接続している。その他は図1に示した場合と同様である。
このような構成であっても第1の実施形態の場合と同様の効果が得られる。また、第3のスイッチング素子(Q3)がターンオフした際には、第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁電流は、第4のダイオード(Di)→第6のキャパシタ(Cr)→第2のスイッチ素子(Q2)→第5のキャパシタ(Ci)というルートを通って第5のキャパシタ(Ci)を充電するので、第1の実施例と同様の動作である。また、第1のスイッチ素子(Q1)がオンしている期間は、第6のキャパシタ(Cr)とトランス(T)の1次巻線(Lp)は直列接続されるため、よりハイパワーな出力が可能なコンバータを構成することができる。
次に、第4の実施形態に係るスイッチング電源装置について、図4を基に説明する。
図4はその回路図である。図1に示したスイッチング電源装置と異なり、この例では第2のスイッチ回路(S2)と第6のキャパシタ(Cr)の直列回路を第1のスイッチ回路(S1)に対して並列に接続している。その他の構成は図1に示したものと同様である。
このような回路構成であっても第1の実施形態の場合と同様の効果を奏する。また第6のキャパシタ(Cr)の印加電圧は大きくなるが、蓄える電荷量を一定として考えると、第6のキャパシタ(Cr)の容量を低減できるため、第6のキャパシタ(Cr)の小型化を図ることができる。
次に、第5の実施形態に係るスイッチング電源装置について、図5を基に説明する。
図5はその回路図である。この例では1次側の回路構成は図2で示した第2の実施例と同一の構成である。相違点は、トランス(T)を2次側巻線(Ls)を2つの巻線(Ls1,Ls2)からなるセンタータップ型とし、2次側の整流平滑回路(RS)を全波整流回路とした点である。
このような回路構成であっても第1の実施形態の場合と同様の効果を奏する。また、第1および第2のスイッチ素子(Q1,Q2)の電流波形は正弦波状となるので、ターンオフ時の電流ピークは小さく、スイッチング損失は小さい。さらに、第1のインダクタ(Lr)と第6のキャパシタ(Cr)の直列回路にエネルギーを蓄積するので、トランス(T)の負担が軽減される。
次に、第6の実施形態に係るスイッチング電源装置について、図6を基に説明する。
図6はその回路図である。この例では1次側の回路構成は図2で示した第2の実施例と同一の構成である。相違点は、トランス(T)の2次側の整流平滑回路(RS)をDs1〜Ds4からなるダイオードブリッジの全波整流回路とした点である。
このような回路構成であっても第1・第5の実施形態の場合と同様の効果を奏する。また、ダイオード(Ds1〜Ds4)の印加電圧を低くでき、低耐圧の素子を使用することができる。
次に、第7の実施形態に係るスイッチング電源装置について、図7を基に説明する。
図7はその回路図である。この例では1次側の回路構成は図2で示した第2の実施例と同一の構成である。相違点は、トランス(T)の2次側の整流平滑回路(RS)を倍電圧回路とした点である。
このような回路構成であっても第1,第5,第6の実施形態の場合と同様の効果を奏する。また、トランス(T)の2次巻線(Ls)のターン数を少なくできる。
次に、第8の実施形態に係るスイッチング電源装置について、図8を基に説明する。
図8はその回路図である。この例では1次側の回路構成は図2で示した第2の実施例と同一の構成である。相違点は、トランス(T)の2次側の整流平滑回路(RS)を整流側ダイオード(Ds)と転流側ダイオード(Do)、インダクタ(Lo)、平滑コンデンサ(Co)で構成し、フォワードコンバータ形式としている点である。
このような回路構成であっても第1の実施形態の場合と同様の効果を奏する。また、インダクタ(Lo)に励磁エネルギーを蓄積するため、その分トランス(T)を小型化できる。

Claims (13)

  1. 第1のスイッチ素子(Q1)、第1のダイオード(D1)、および第1のキャパシタ(Cds1)の並列接続回路で構成された第1のスイッチ回路(S1)と、
    第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、および第2のキャパシタ(Cds2)の並列接続回路で構成された第2のスイッチ回路(S2)と、
    第3のスイッチ素子(Q3)、第3のダイオード(D3)、および第3のキャパシタ(Cds3)の並列接続回路で構成された第3のスイッチ回路(S3)と、
    交流入力電圧(Vin)を整流する少なくとも1つの整流素子により構成された入力側整流回路(Da)と、
    前記入力側整流回路(Da)により整流された電圧が印加される第4のキャパシタ(Ca)と、1次巻線(Lp)、2次巻線(Ls)、第1の駆動巻線(Lb1)および第2の駆動巻線(Lb2)を少なくとも有するトランス(T)と、
    前記2次巻線(Ls)に接続された整流平滑回路(RS)と、
    前記1次巻線(Lp)に直列に接続された第1のインダクタ(Lr)と、
    第3のスイッチ回路(S3)は、そのオン期間が第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に含まれるように動作し、前記第3のスイッチ回路(S3)のオン期間に第4のキャパシタ(Ca)の電圧が印加されるように接続された第2のインダクタ(Li)と、
    前記第2のインダクタ(Li)に逆電流が流れるのを阻止するために、前記第2のインダクタ(Li)の一端にアノードが接続され、前記第2のスイッチ素子(Q2)の一端にカソードが接続された第4のダイオード(Di)と、
    前記第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁エネルギーにより充電され、且つ、前記第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に前記1次巻線(Lp)および前記第1のインダクタ(Lr)からなる直列回路に電圧を印加するように接続された第5のキャパシタ(Ci)と、
    前記トランス(T)の1次巻線(Lp)に対して並列に接続される、前記第2のスイッチ回路(S2)と直列回路を成す第6のキャパシタ(Cr)と、
    前記第1・第2のスイッチ素子(Q1,Q2)を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオンオフ駆動する第1のスイッチング制御回路(SC1)および第2のスイッチング制御回路(SC2)と、
    前記第3のスイッチ素子(Q3)のオンオフ駆動を制御するスイッチング制御回路(SC3)とを備え、
    前記第1のスイッチング制御回路(SC1)および前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は、共に前記第1の駆動巻線(Lb1)に生じる電圧によって動作し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は、前記第2の駆動巻線(Lb2)に生じる電圧によって動作することを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 第1のスイッチ素子(Q1)、第1のダイオード(D1)、および第1のキャパシタ(Cds1)の並列接続回路で構成された第1のスイッチ回路(S1)と、
    第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、および第2のキャパシタ(Cds2)の並列接続回路で構成された第2のスイッチ回路(S2)と、
    第3のスイッチ素子(Q3)、第3のダイオード(D3)、および第3のキャパシタ(Cds3)の並列接続回路で構成された第3のスイッチ回路(S3)と、
    交流入力電圧(Vin)を整流する少なくとも1つの整流素子により構成された入力側整流回路(Da)と、
    前記入力側整流回路(Da)により整流された電圧が印加される第4のキャパシタ(Ca)と、
    1次巻線(Lp)、2次巻線(Ls)、第1の駆動巻線(Lb1)および第2の駆動巻線(Lb2)を少なくとも有するトランス(T)と、
    前記2次巻線(Ls)に接続された整流平滑回路(RS)と、
    前記1次巻線(Lp)に直列に接続された第1のインダクタ(Lr)と、
    第3のスイッチ回路(S3)は、そのオン期間が第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に含まれるように動作し、前記第3のスイッチ回路(S3)のオン期間に第4のキャパシタ(Ca)の電圧が印加されるように接続された第2のインダクタ(Li)と、
    前記第2のインダクタ(Li)に逆電流が流れるのを阻止するために、前記第2のインダクタ(Li)の一端にアノードが接続され、前記第2のスイッチ素子(Q2)の一端にカソードが接続された第4のダイオード(Di)と、
    前記第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁エネルギーにより充電され、且つ、前記第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に前記1次巻線(Lp)、第1のインダクタ(Lr)および第6のキャパシタ(Cr)からなる直列回路に電圧を印加するように接続された第5のキャパシタ(Ci)と、
    前記第5のキャパシタ(Ci)と前記第1のインダクタ(Lr)間に直列に挿入された第6のキャパシタ(Cr)と、
    前記第1・第2のスイッチ素子(Q1,Q2)を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオンオフ駆動する第1のスイッチング制御回路(SC1)および第2のスイッチング制御回路(SC2)と、
    前記第3のスイッチ素子(Q3)のオンオフ駆動を制御するスイッチング制御回路(SC3)とを備え、前記第1のスイッチング制御回路(SC1)および前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は、共に前記第1の駆動巻線(Lb1)に生じる電圧によって動作し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は、前記第2の駆動巻線(Lb2)に生じる電圧によって動作することを特徴とするスイッチング電源装置。
  3. 第1のスイッチ素子(Q1)、第1のダイオード(D1)、および第1のキャパシタ(Cds1)の並列接続回路で構成された第1のスイッチ回路(S1)と、
    第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、および第2のキャパシタ(Cds2)の並列接続回路で構成された第2のスイッチ回路(S2)と、
    第3のスイッチ素子(Q3)、第3のダイオード(D3)、および第3のキャパシタ(Cds3)の並列接続回路で構成された第3のスイッチ回路(S3)と、
    交流入力電圧(Vin)を整流する少なくとも1つの整流素子により構成された入力側整流回路(Da)と前記入力側整流回路(Da)により整流された電圧が印加される第4のキャパシタ(Ca)と、
    1次巻線(Lp)、2次巻線(Ls)、第1の駆動巻線(Lb1)および第2の駆動巻線(Lb2)を少なくとも有するトランス(T)と、
    前記2次巻線(Ls)に接続された整流平滑回路(RS)と、
    前記1次巻線(Lp)に直列に接続された第1のインダクタ(Lr)と、
    第3のスイッチ回路(S3)は、そのオン期間が第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に含まれるように動作し、前記第3のスイッチ回路(S3)のオン期間に第4のキャパシタ(Ca)の電圧が印加されるように接続された第2のインダクタ(Li)と、
    第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁エネルギーにより充電され、且つ、前記第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に前記1次巻線(Lp)、第1のインダクタ(Lr)および第6のキャパシタ(Cr)からなる直列回路に電圧を印加するように接続された第5のキャパシタ(Ci)と、
    一端が前記トランス(T)の1次巻線(Lp)に接続され、他端が前記第1のスイッチ回路(S1)と前記第2のスイッチ回路(S2)の接続点に接続された第6のキャパシタ(Cr)と、
    前記第2のインダクタ(Li)に逆電流が流れるのを阻止するために、前記第2のインダクタ(Li)の一端にアノードが接続され、前記トランス(T)の1次巻線(Lp)と前記第6のキャパシタ(Cr)の接続点にカソードが接続された第4のダイオード(Di)と、
    前記第1・第2のスイッチ素子(Q1,Q2)を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオンオフ駆動する第1のスイッチング制御回路(SC1)および第2のスイッチング制御回路(SC2)と、
    前記第3のスイッチ素子(Q3)のオンオフ駆動を制御するスイッチング制御回路(SC3)とを備え、
    前記第1のスイッチング制御回路(SC1)および前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は、共に前記第1の駆動巻線(Lb1)に生じる電圧によって動作し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は、前記第2の駆動巻線(Lb2)に生じる電圧によって動作することを特徴とするスイッチング電源装置。
  4. 第1のスイッチ素子(Q1)、第1のダイオード(D1)、および第1のキャパシタ(Cds1)の並列接続回路で構成された第1のスイッチ回路(S1)と、
    第2のスイッチ素子(Q2)、第2のダイオード(D2)、および第2のキャパシタ(Cds2)の並列接続回路で構成された第2のスイッチ回路(S2)と、
    第3のスイッチ素子(Q3)、第3のダイオード(D3)、および第3のキャパシタ(Cds3)の並列接続回路で構成された第3のスイッチ回路(S3)と、
    交流入力電圧(Vin)を整流する少なくとも1つの整流素子により構成された入力側整流回路(Da)と、
    前記入力側整流回路(Da)により整流された電圧が印加される第4のキャパシタ(Ca)と、
    1次巻線(Lp)、2次巻線(Ls)、第1の駆動巻線(Lb1)および第2の駆動巻線(Lb2)を少なくとも有するトランス(T)と、
    前記2次巻線(Ls)に接続された整流平滑回路(RS)と、
    前記1次巻線(Lp)に直列に接続された第1のインダクタ(Lr)と、
    第3のスイッチ回路(S3)は、そのオン期間が第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に含まれるように動作し、前記第3のスイッチ回路(S3)のオン期間に第4のキャパシタ(Ca)の電圧が印加されるように接続された第2のインダクタ(Li)と、
    前記第2のインダクタ(Li)に蓄えられた励磁エネルギーにより充電され、且つ、前記第1のスイッチ回路(S1)のオン期間に前記1次巻線(Lp)および第1のインダクタ(Lr)からなる直列回路に電圧を印加するように接続された第5のキャパシタ(Ci)と、
    第1のスイッチ回路(S1)の両端に並列に接続される直列回路を第2のスイッチ回路(S2)とで構成する第6のキャパシタ(Cr)と、
    前記第1・第2のスイッチ素子(Q1,Q2)を両スイッチ素子が共にオフする期間を挟んで交互にオンオフ駆動する第1のスイッチング制御回路(SC1)および第2のスイッチング制御回路(SC2)と、
    前記第3のスイッチ素子(Q3)のオンオフ駆動を制御するスイッチング制御回路(SC3)とを備え、
    前記第1のスイッチング制御回路(SC1)および前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は、共に前記第1の駆動巻線(Lb1)に生じる電圧によって動作し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は、前記第2の駆動巻線(Lb2)に生じる電圧によって動作することを特徴とするスイッチング電源装置。
  5. 前記入力側整流回路(Da)にアノード端子を、前記第5のキャパシタ(Ci)にカソード端子を接続した第5のダイオード(Db)を備えたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  6. 前記第1のインダクタ(Lr)は、前記トランス(T)の漏れインダクタンスを利用したものであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  7. 前記第1のスイッチ素子(Q1)、前記第2のスイッチ素子(Q2)、および前記第3のスイッチ素子(Q3)の少なくとも1つは電界効果トランジスタ(FET)で構成されていることを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  8. 前記第1のスイッチ素子(Q1)の制御端子と前記第1の駆動巻線(Lb1)の間に、抵抗(Rg1)とキャパシタ(Cg1)の直列回路からなる第1の遅延回路(DL1)が接続され、前記第2のスイッチ素子(Q2)の制御端子と前記第2の駆動巻線(Lb2)との間に、抵抗(Rg2)とキャパシタ(Cg2)の直列回路からなる第2の遅延回路(DL2)が接続され、前記第3のスイッチ素子(Q3)の制御端子と前記第1の駆動巻線(Lb1)の間に、抵抗(Rg3)とキャパシタ(Cg3)の直列回路からなる第3の遅延回路(DL3)が接続され、前記第1、第2および第3のスイッチング制御回路(SC1,SC2,SC3)は、前記第1および第2の駆動巻線(Lb1,Lb2)にそれぞれ前記スイッチ素子(Q1,Q2)をターンオンさせる電圧が発生してから、前記第1、第2および第3の遅延回路(DL1,DL2,DL3)によって該電圧を所定時間遅延させた後、前記第1、第2および第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)をターンオンさせることを特徴とする請求項1乃至7のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  9. 前記第1、第2および第3の遅延回路(DL1,DL2,DL3)の遅延時間は、それぞれ前記第1のスイッチ素子(Q1)、第2のスイッチ素子(Q2)および第3のスイッチ素子(Q3)のドレイン−ソース間或いはコレクタ−エミッタ間の電圧が零電圧または零電圧付近に低下してからターンオンするように、各々設定されていることを特徴とする請求項8に記載のスイッチング電源装置。
  10. 前記第1のスイッチング制御回路(SC1)は第1のトランジスタ(Tr1)と第1の時定数回路(TC1)を有し、前記第2のスイッチング制御回路(SC2)は第2のトランジスタ(Tr2)と第2の時定数回路(TC2)を有し、前記第3のスイッチング制御回路(SC3)は第3のトランジスタ(Tr3)と第3の時定数回路(TC3)を有し、前記第1・第2の駆動巻線(Lb1,Lb2)に発生した電圧によって、前記第1または第2または第3の時定数回路(TC1,TC2,TC3)で設定された時間後に前記第1または第2または第3のトランジスタ(Tr1,Tr2,Tr3)がターンオンし、それに応じて前記第1または第2または第3のスイッチ素子(Q1,Q2,Q3)がターンオフする構成となっていることを特徴とする請求項1乃至9のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  11. 前記整流平滑回路(RS)の後段には第1の帰還回路(FB1)が設けられ、前記帰還回路(FB1)は前記トランス(T)の2次側に前記整流平滑回路(RS)を介して出力される出力電圧をモニタし、前記出力電圧が所定の値を超えた場合に、フィードバック信号を1次側に絶縁状態で伝達する絶縁手段を有し、前記フィードバック信号を受けて、即座に前記第1のトランジスタ(Tr1)をターンオンさせ、その結果として前記第1のスイッチ素子(Q1)をターンオフさせる構成としたことを特徴とする請求項1乃至10のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
  12. 前記絶縁手段はフォトカプラであることを特徴とする請求項11に記載のスイッチング電源装置。
  13. 前記第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧をモニタする第2の帰還回路(FB2)が設けられ、前記第2の帰還回路(FB2)は、前記第5のキャパシタ(Ci)の両端電圧が所定の値を超えた場合、即座に前記第3のトランジスタ(Tr3)をターンオンさせ、その結果として前記第3のスイッチ素子(Q3)をターンオフさせる構成としたことを特徴とする請求項1乃至12のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
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