JP2011176973A - Resonance type switching power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、共振コンバータからの高周波電力をインピーダンス変換した後に直流電力に変換するトランスレスの共振型スイッチング電源装置に関する。
The present invention relates to a transformerless resonant switching power supply device that converts high frequency power from a resonant converter into DC power after impedance conversion.
従来、この種のインピーダンス変換型の共振型スイッチング電源装置としては例えば図12乃至図14に示すものがある。 Conventionally, as this type of impedance conversion type resonant switching power supply device, for example, there are those shown in FIGS.
図12は特許文献1の共振コンバータであり、直流電源306、スイッチング素子301を備えたスイッチング回路302、制御部307を備え、トランス305の1次側コイルの漏れインダクタンス308と分布容量309でLC共振(タンク)回路を構成し、2次側において効率よく共振電流が発生できるように負荷側インピーダンスを高くするようにしている。これを実現するためトランス305を介して共振調整用コンデンサ312、整流回路313、平滑コイル310及び平滑コンデンサ314で構成されたチョークインプット型の整流平滑回路を使用している。ここで、共振周波数調整用のコンデンサ312は小容量なので2次側に付加されても共振動作に影響が少ない。
FIG. 12 shows a resonance converter disclosed in
図13は特許文献2の共振型スイッチング電源であり、MOSトランジスタQ1,Q2、1次巻線L1と2次巻線L2を備えた絶縁トランスT、転流コンデンサC1,C2、ダイオードD1,D2及び平滑コンデンサCoで構成され、LC共振(タンク)回路をトランスTの3次巻線L3に共振コンデンサCrと共振コイルLrを接続することでインバータや整流回路と分離し、確実に共振動作を確保するようにしている。このことにより伝送電力を電力伝送用と共振電力用のそれぞれ分けた状態で運転することができ、非線形動作を伴う伝送変換動作を行っても、線形共振動作への影響を極力少なくすることができ、変換効率の改善ができる。
FIG. 13 shows a resonant switching power supply disclosed in
図14は特許文献3のイミタンス変換器307であり、直流電源320に続いてスイッチング用に4個のトランジスタ321,322,323,324と変圧器303が設けられ、中間タップを持つ変圧器303には1次巻線331と2次巻線332があり、一次巻線にはイミタンス変換器の共振用コンデンサ372と共振用リアクトル371が接続されている。二次側巻線は両端をダイオード341,342で両波整流し、平滑リアクトル351を通じて溶接部361,362に電流を供給する。
FIG. 14 shows an
このようなイミタンス変換器は、負荷に直接接続した場合は、負荷のひずみ電流が共振用リアクトル371と共振用コンデンサ372で構成するLC共振(タンク)回路の電流と電圧に影響を与えるため、共振回路と整流平滑回路との接続に変圧器303を介在するようしている。
When such an immittance converter is directly connected to the load, the distortion current of the load affects the current and voltage of the LC resonance (tank) circuit formed by the
このように従来の共振型スイッチング電源装置にあっては、伝送電力を一時蓄えるためのLC共振回路(タンク回路)からこの電力を出力側に引き出すためにトランスを用い、共振回路と整流平滑回路を分離して相互の影響を少なくしている。これは整合負荷が抵抗などの線形の場合では問題とならない。 As described above, in the conventional resonance type switching power supply device, a transformer is used to extract this power from the LC resonance circuit (tank circuit) for temporarily storing the transmission power to the output side, and the resonance circuit and the rectifying / smoothing circuit are provided. Separated to reduce mutual influence. This is not a problem when the matching load is linear such as resistance.
一方、ダイオードやリアクタンスの組み合わせによる不連続な非線形性を持つ整流平滑回路や、極端な低インピーダンス負荷の場合には、インピーダンスを変換する前提として、線形動作による連続した共振電流及び共振電圧を必要とするLC共振回路の動作とはなじまない。 On the other hand, in the case of a rectifying / smoothing circuit with discontinuous nonlinearity due to a combination of diodes and reactance, or an extremely low impedance load, continuous resonance current and resonance voltage by linear operation are required as a prerequisite for impedance conversion. This is not compatible with the operation of the LC resonance circuit.
このため共振回路と整流平滑回路をトランスで分離し、巻き数比や漏れインダクタンスなどで整流側リアクタンスやインピーダンスの影響を極力小さくすると同時に、なるべくLC共振回路の独立性を保って共振電流及び共振電圧の連続性を向上させ、共振回路の動作Qの低下を抑えている。 For this reason, the resonant circuit and the rectifying / smoothing circuit are separated by a transformer to minimize the influence of the rectifying side reactance and impedance by the turn ratio, leakage inductance, etc. Continuity is improved, and a decrease in the operation Q of the resonance circuit is suppressed.
これは信号処理や小電力を扱う変換においてはその整流効率の低下はさして問題とはならないが、変換電力が数W〜数キロWになるとその損失は大きく、従来では必ずトランスが必要になっている。 This is not a problem in signal processing or conversion that handles low power, but the loss of rectification efficiency is not a problem, but when the conversion power is several watts to several kilowatts, the loss is large, and a transformer is always required in the past. Yes.
しかしながら、このような従来の共振型スイッチング電源装置にあっては、共振回路と整流平滑回路との間に分離用のトランスを設けていたため、外形が大型になり、またコストアップとなっていた。 However, in such a conventional resonant switching power supply device, since a separating transformer is provided between the resonant circuit and the rectifying / smoothing circuit, the outer shape becomes large and the cost increases.
またLC共振回路と整流平滑回路の間にトランスを設けずに直接接続する場合、共振電流や共振電圧に歪みが重畳し、共振回路の動作Qが低下してインピーダンス変換作用が無くなる。このため1次側(高周波供給側)と2次側(負荷側)が不整合となってしまい、電力変換効率が著しく低下する。 Further, when a direct connection is made without providing a transformer between the LC resonance circuit and the rectifying / smoothing circuit, distortion is superimposed on the resonance current and the resonance voltage, the operation Q of the resonance circuit is lowered, and the impedance conversion action is eliminated. For this reason, the primary side (high frequency supply side) and the secondary side (load side) are mismatched, and the power conversion efficiency is significantly reduced.
またLC共振回路と整流平滑回路を直接接続すると、共振回路動作が入力電力や負荷電力の影響を受けやすく、起動時に共振電流が流れ始めるのに大きな入力電圧が必要であり、運転中の入力瞬断や過渡的な負荷変化の際、その衝撃で瞬時に共振電流が消滅し、インバータの破壊や、共振回路の発熱でコイル焼損事故が起きやすいという問題がある。 If the LC resonant circuit and the rectifying / smoothing circuit are directly connected, the resonant circuit operation is easily affected by the input power and load power, and a large input voltage is required for the resonant current to begin to flow during startup. In the event of a break or transient load change, there is a problem that the resonance current disappears instantaneously due to the impact, and the coil burnout accident is likely to occur due to destruction of the inverter or heat generation of the resonance circuit.
本発明は、共振回路側と整流平滑回路側とを分離用トランスを使用することなく直接接続して小型化、コストダウン、変換効率の改善する共振型スイッチング電源装置を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a resonant switching power supply device in which a resonant circuit side and a rectifying / smoothing circuit side are directly connected without using a separating transformer, thereby reducing the size, reducing the cost, and improving the conversion efficiency. .
本発明はトランスレスとした共振型スイッチング電源装置を提供するものであり、
入力した直流電圧または商用交流電圧を高周波電流に変換して出力する高周波電流源と、
高周波電流源から出力される高周波電流を2次側に伝送する平衡コンデンサと、
平衡コンデンサを介して入力された高周波電流をインピーダンス変換して出力するインピーダンス変換回路と、
インピーダンス変換回路から変換出力された高周波電流を整流して直流出力に変換するリアクタンス整流平滑回路と、
を備え、
インピーダンス変換回路はLC直列共振回路であり、リアクタンス整流平滑回路から見て共振電流源を構成し、リアクタンス整流平滑回路をチョークインプット型とした場合、インピーダンス変換回路と前記リアクタンス整流平滑回路との結合点に分流用コンデンサを並列に接続したことを特徴とする。
The present invention provides a transformer-less resonant switching power supply device,
A high-frequency current source that converts the input DC voltage or commercial AC voltage into a high-frequency current and outputs it;
A balanced capacitor that transmits the high-frequency current output from the high-frequency current source to the secondary side;
An impedance conversion circuit for impedance-converting and outputting a high-frequency current input via a balanced capacitor;
A reactance rectifying / smoothing circuit that rectifies the high-frequency current converted and output from the impedance conversion circuit and converts the high-frequency current into a DC output;
With
The impedance conversion circuit is an LC series resonance circuit. When the reactance rectification smoothing circuit is a choke input type when viewed from the reactance rectification smoothing circuit, the impedance conversion circuit and the reactance rectification smoothing circuit are connected to each other. In addition, a shunt capacitor is connected in parallel.
本発明による共振型スイッチング電源装置別の形態にあっては、前述と同様に、高周波電流源、平衡コンデンサ、インピーダンス変換回路、リアクタンス整流平滑回路を備え、
インピーダンス変換回路はLC並列共振回路であり、リアクタンス整流平滑回路から見て共振電圧源を構成し、リアクタンス整流平滑回路をコンデンサインプット型とした場合、インピーダンス変換回路とリアクタンス整流平滑回路との結合点に分圧用チョークコイルを直列に接続したことを特徴とする。
In another embodiment of the resonant switching power supply device according to the present invention, as described above, a high-frequency current source, a balanced capacitor, an impedance conversion circuit, and a reactance rectification smoothing circuit are provided.
The impedance conversion circuit is an LC parallel resonance circuit. When the reactance rectification smoothing circuit is configured as a resonant voltage source as viewed from the reactance rectification smoothing circuit, and the reactance rectification smoothing circuit is a capacitor input type, the impedance conversion circuit is connected to the reactance rectification smoothing circuit at A voltage dividing choke coil is connected in series.
本発明による共振型スイッチング電源装置別の形態にあっては、前述と同様に、高周波電流源、平衡コンデンサ、インピーダンス変換回路、リアクタンス整流平滑回路を備え、
インピーダンス変換回路は入力端と出力端の間に変換必要値の1/2の値をもつ一対のインダクタンスを直列に平衡接続すると共に入力端の間にコンデンサを並列接続したLC直列共振回路であり、リアクタンス整流平滑回路から見て共振電流源を構成し、リアクタンス整流平滑回路をチョークインプット型とした場合、インピーダンス変換回路とリアクタンス整流平滑回路との結合点に分流用コンデンサを並列に接続したことを特徴とする。
In another embodiment of the resonant switching power supply device according to the present invention, as described above, a high-frequency current source, a balanced capacitor, an impedance conversion circuit, and a reactance rectification smoothing circuit are provided.
The impedance conversion circuit is an LC series resonance circuit in which a pair of inductances having a value that is 1/2 of the conversion required value is balanced in series between the input terminal and the output terminal, and a capacitor is connected in parallel between the input terminals. When a resonant current source is configured as viewed from the reactance rectifying / smoothing circuit, and the reactance rectifying / smoothing circuit is a choke input type, a shunt capacitor is connected in parallel at the connection point between the impedance conversion circuit and the reactance rectifying / smoothing circuit. And
本発明による共振型スイッチング電源装置別の形態にあっては、前述と同様に、高周波電流源、平衡コンデンサ、インピーダンス変換回路、リアクタンス整流平滑回路を備え、
インピーダンス変換回路は一対の入力端と出力端の間に変換必要値の2倍の値を持つ一対のコンデンサを直列に平衡接続すると共に入力端の間にインダクタンスを並列接続したLC直列共振回路であり、リアクタンス整流平滑回路から見て共振電流源を構成し、前記リアクタンス整流平滑回路をチョークインプット型とした場合、インピーダンス変換回路とリアクタンス整流平滑回路との結合点に分流用コンデンサを並列に接続したことを特徴とする。
In another embodiment of the resonant switching power supply device according to the present invention, as described above, a high-frequency current source, a balanced capacitor, an impedance conversion circuit, and a reactance rectification smoothing circuit are provided.
The impedance conversion circuit is an LC series resonance circuit in which a pair of capacitors having a value twice the required conversion value is connected in series between a pair of input terminals and an output terminal, and an inductance is connected in parallel between the input terminals. When a resonant current source is configured as viewed from the reactance rectifying / smoothing circuit and the reactance rectifying / smoothing circuit is a choke input type, a shunt capacitor is connected in parallel at the coupling point between the impedance conversion circuit and the reactance rectifying / smoothing circuit. It is characterized by.
ここで、高周波電流源は共振コンバータである。
Here, the high-frequency current source is a resonant converter.
本発明の共振型スイッチング電源装置によれば、分離用トランスを使わずにLC共振回路側と整流平滑回路側を直接接続する際に、共振回路側の出力形態と整流平滑回路側の入力形態に合わせ、共振回路側が高周波電流源で整流平滑側がチョークインプット型であれば共振電流分流用の分流コンデンサを両者の結合点に接続し、また共振回路側が高周波電圧源で整流平滑側がコンデンサインプット型であれば共振電圧分圧分用の分圧チョークコイルを両者の結合点に接続したため、非線形動作をする負荷に対して、共振回路側から見た分流コンデンサまたは分圧チョークコイルが不連続部分を補間し、共振回路側の電流及び電圧連続性を保ち動作Qの低下を防ぐことができる。 According to the resonant switching power supply device of the present invention, when the LC resonant circuit side and the rectifying / smoothing circuit side are directly connected without using a separation transformer, the output form on the resonant circuit side and the input form on the rectifying / smoothing circuit side are used. In addition, if the resonant circuit side is a high-frequency current source and the rectifying and smoothing side is a choke input type, a shunt capacitor for resonant current shunting is connected to the connection point between them, and the resonant circuit side is a high-frequency voltage source and the rectifying and smoothing side is a capacitor input type. For example, the voltage dividing choke coil for dividing the resonant voltage is connected to the connection point between them, so that the shunt capacitor or voltage dividing choke coil viewed from the resonant circuit side interpolates the discontinuous part for the load that performs nonlinear operation. The current and voltage continuity on the resonance circuit side can be maintained and the operation Q can be prevented from being lowered.
また負荷側においても、共振回路側から整流平滑動作に必要な不連続電力を、無理なく引き出すことが出来る。 Also on the load side, discontinuous power necessary for the rectifying and smoothing operation can be extracted without difficulty from the resonant circuit side.
さらに整流ダイオードのリカバリに起因する瞬間的な整流インピーダンスの変化や、同期整流のスイッチタイムの不安定領域なども、分流コンデンサまたは分圧チョークコイルが吸収し、ノイズの増大や効率の低下を防ぐ副効果もある。 Furthermore, instantaneous changes in rectification impedance due to recovery of the rectifier diode, unstable regions of synchronous rectification switch time, etc. are absorbed by the shunt capacitor or voltage dividing choke coil to prevent noise increase and efficiency reduction. There is also an effect.
このように共振回路側と整流回路側の間にトランスが不要となるので、回路の小型化、コストダウンが見込める。また、電源起動時に低い電圧から共振動作が始まり、スムースな立ち上がりが出来る。更に、過渡時にも共振動作が継続するので、インバータの破壊や共振コイルの異常発熱を防止できる。
In this way, no transformer is required between the resonance circuit side and the rectification circuit side, so that the circuit can be reduced in size and cost. In addition, the resonance operation starts from a low voltage when the power is turned on, and a smooth rise can be achieved. Further, since the resonance operation continues even during the transition, it is possible to prevent the inverter from being destroyed and the abnormal heating of the resonance coil.
図1は高周波定電流源にチョークインプット型の整流平滑回路を接続する本発明の第1実施形態を示した回路図である。図2は、図1で示した回路での電圧、電流波形を示している。以下、図1と図2を用いて、回路の動作を説明する。 FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention in which a choke input type rectifying and smoothing circuit is connected to a high-frequency constant current source. FIG. 2 shows voltage and current waveforms in the circuit shown in FIG. Hereinafter, the operation of the circuit will be described with reference to FIGS.
図1における、第1実施例は相対的に入力電圧が高く出力電圧が低い場合に向く共振型スイッチング電源装置の形態で、この場合直流電源10として例えばDC200Vを入力し、DC5Vに変換して負荷48に供給する。
The first embodiment shown in FIG. 1 is a resonance type switching power supply suitable for a case where the input voltage is relatively high and the output voltage is low. In this case, for example, DC 200 V is input as the
直流電源10は、入力コイル巻線11,12による不平衡平衡変換部を入力インダクタンスとして入力し、共振コンバータ14で交流電源に変換する。共振コンバータ14は、負荷側との絶縁結合を行うため、平衡結合回路16で結合され、平衡用コンデンサ30,32を接続している。
The
共振コンバータ14は、共振コンデンサ22と共振コイル24が並列に接続され、共振コイル24にはFET(Field Effect Transistor)26が直列に接続され、FET26のゲート電圧VDSのオン・オフによりスイッチング動作が行われる。
In the
なお共振コンデンサ22と共振コイル24は、FET26自身の内部容量や寄生容量も含め、電流電圧波形を重ならないように滑らかにし、スイッチング損失を減らす目的があるが、共振コンデンサ22と共振コイル24を省略しても本発明の高周波電流源としての機能は変わらない。このため、基本動作の説明のため共振コンデンサ22と共振コイル24を省略し、共振コンバータ14はスイッチ動作する機能として以下説明する。
The
共振コンバータ14では、FETのオン・オフは、ゲートに接続された制御回路28により行われる。FET26のゲート電圧VGSがオンのときは、入力コイル巻線11,12に直流電源10から電流ILが時間に比例して増加し、流れ込む。またオン時間により入力コイルの電流値(インダクタンス蓄積エネルギ)が決まる。
In the
FET26のゲート電圧VGSがオフのときは、入力コイル巻線11,12の電流ILが平衡用コンデンサ30,32に流れ込み、入力コイルと平衡コンデンサで共振(第一の共振)した半波状の正弦波が、ドレイン−ソース間電圧波形Vdsとなる。
When the gate voltage V GS of the FET26 is turned off, the input current I L of the
共振した半波状正弦波のドレイン−ソース間電圧Vdsは、電圧下降のタイミングでは入力コイル電流ILが減少し、正から負に反転するが、FET26に生じるボディダイオードを通して流れることになり、このときドレイン−ソース間電圧Vdsはゼロとなる。
The resonant half-wave sinusoidal drain-source voltage V ds flows through the body diode generated in the
この共振動作をスイッチング周期で繰り返し行い、入力コイル巻線11,12の電流IL(インダクタンス蓄積エネルギ)を、平衡用コンデンサ30,32を通してインピーダンス変換回路18のコンデンサ34に、FET26のゲート電圧VGSがオフのタイミングで送り込み、コンデンサ34の電位を上昇(コンデンサ蓄積エネルギーに変換)させる。
This resonance operation is repeated at the switching period, and the current I L (inductance accumulated energy) of the
以上の動作により直流電源を等価的に交流電源に変換し、平衡コンデンサを通して電力を伝送する。 With the above operation, the DC power source is equivalently converted to an AC power source, and power is transmitted through the balanced capacitor.
このときの第一の共振周波数frは、インダクタンス分として、入力コイル巻線11,12の合成インダクタンスLrと、キャパシタンス分として平衡結合コンデンサ30,32との合成キャパシタンスCrとで決定される。合成インダクタンスLrは、Lr=L1+L2で求められる。また、合成キャパシタンスCrは、Cr=C30・C32/(C30+C32)で求められる。これより、共振周波数frは、
fr=(1/2π)(1/LrCr)1/2
となる。
The first resonant frequency f r at this time is, as an inductance component, is determined by the total inductance L r of the
f r = (1 / 2π) (1 / L r C r ) 1/2
It becomes.
また、負荷側から見た電力供給源インピーダンスは電力伝送タイミング(FETオフ)におけるこの共振回路の(|電圧|/|電流|)であり(Lr/Cr)1/2となる。 The power supply source impedance viewed from the load side is (| voltage | / | current |) of this resonance circuit at the power transmission timing (FET off), and becomes (L r / C r ) 1/2 .
供給源インピーダンスの設計は伝送電力、周波数、部品の電流・電圧定格など多くの要素から決められるが、例えば200V入力インバータの一次共振回路を700V/12Aで設計すると58Ωなどとなる。 The design of the supply source impedance is determined by many factors such as transmission power, frequency, component current / voltage rating, etc., for example, when the primary resonant circuit of a 200V input inverter is designed at 700V / 12A, it becomes 58Ω.
図2において、(A)はFET26のスイッチングを行うゲート電圧VGS、(B)はドレイン−ソース間電圧Vds、(C)は共振コンバータ14への入力電流、即ち、コイル11,12に流れる電流ILである。
2, (A) is a gate voltage V GS for switching the
FET26のゲート電圧源電圧VGSのオンまたはオフのタイミングは、共振周波数frに同期して行われる。 Timing of on or off of the gate voltage source voltage V GS of the FET26 is performed in synchronization with the resonance frequency f r.
図1において、直流電源10からの出力電流は共振コバータ14と平衡結合回路16を通過した後は、インピーダンス変換回路18に入力され第二の共振周波数fmの正弦波となる。
In Figure 1, the output current from the
インピーダンス変換回路18は、コンデンサ34を並列に、コイル36を直列に接続した回路である。インピーダンス変換は、入力側の高周波電源と出力側の負荷とのインピーダンスマッチングを行い、また共振波形の歪を少なくして電力損失を軽減する。
The
インピーダンス変換回路18はコンデンサ34を並列に、コイル36を直列に接続した回路であり、コンデンサ34のキャパシタンスとコイル36のインダクタンスで決まる共振周波数を有するため、LC共振回路ともなっている。このLC共振回路において、インダクタンスとキャパシタンスにより、共振コンバータ14におけるFET26のゲート電圧VGSがオンのときに入力コイル巻線11,12に電流を蓄え、オフのときに平衡コンデンサ30,32と共振させながら、二次側のインピーダンス変換回路18を電流励振して倍電流整流回路20へ電力を送る。
The
図2(D)及び(E)は、インピーダンス変換回路18におけるコンデンサ34の電圧Vmの波形と電流Imの波形である。
第二の共振周波数fmは、
fm=(1/2π)(1/LmCm)1/2
となる。電圧Vmと電流Imは共振周波数fmの正弦波となっている。
Figure 2 (D) and (E) is a waveform of the waveform and the current I m of the voltage V m of the
The second resonance frequency f m is
f m = (1 / 2π) (1 / L m C m ) 1/2
It becomes. The voltage V m and the current I m are sine waves having a resonance frequency f m .
続いて分流用コンデンサ38を、インピーダンス変換回路18と並列に接続する。インピーダンス変換回路18から、直接的に倍電流整流回路20に接続してもよいが、一般に電流整流回路は、コイル又はコンデンサと整流用のダイオードを組み合わせた非線形回路であるために、電流波形の歪が生じてしまうこと、また、極端な低インピーダンスの負荷に対しては、共振電流が過大となり共振現象そのものに影響を与えて歪波成分が増大することによる電力変換効率の低下を招く。
Subsequently, the
これらの現象による電力変換効率の低下を防ぐために、分流用コンデンサ38を挿入している。ここで分流用コンデンサ38とは、静的インピーダンス設計された直列LC共振の共振電流出力に対し、チョークインプット型整流の被電流入力値が、共振整流のタイミングで大きく変化するダイナミック特性を持っているため、両者の瞬時電流変移差を、電流を吸収・放出する性質を利用したコンデンサなどで代表される部品により、静的インピーダンスと動的インピーダンスとの間の変換を行う機能を目的とするものである。
In order to prevent a decrease in power conversion efficiency due to these phenomena, a
図1に示した電源回路では、負荷はチョークインプット型の倍電流整流回路20である。従って、分流用コンデンサ38により、電流波形のひずみを調整している。分流用コンデンサ38は、負荷に依存したインピーダンスの変動に対して効率を向上させるために、可変コンデンサとして適宜調整するようにしてもよい。
In the power supply circuit shown in FIG. 1, the load is a choke input type double
負荷に電力を供給する倍電流整流回路20は、チョークコイル40,42を接続する中点に負荷48を接続し、チョークコイル40,42の直列接続した他の端子は、分流用コンデンサ38に接続している。一方、チョークコイル40,42と並列に接続したダイオード44,46は、分流用コンデンサ38の両端子側からそれぞれ負荷48に接続している。この様な構成により、ダイオード44,46を介して負荷48には倍電流が流れる。電流はチョークコイル40,42に蓄えられたエネルギで平滑化されている。
In the double
図2(F)は、ダイオード44,46の両端電圧VD44及びVD46と、チョークコイル40,42の電流IL40及びIL42である。チョークコイル40,42に蓄積されたエネルギ放出による電流平滑化作用により失われたエネルギは、インピーダンス変換回路18から印加される電圧(VD44及びVD46から負荷48の電圧を差し引いた電圧)がチョークコイル40,42に加わり、再び電流IL40及びIL42の増加でエネルギ補充されながら一定の電流を流す。ダイオード44、46の両端電圧VD44及びVD46が発生しないタイミングでは、チョークコイル40,42にフライバック電圧として負荷48の電圧が生ずる波形となる。
FIG. 2F shows the voltages V D44 and V D46 across the
電流IL40、IL42はチョークコイル40,42に流れる電流であり、負荷48では重畳され、整流回路に流入する電流の2倍となっている。また整流回路に印加される電圧はチョークコイル40,42にエネルギ蓄積のため負荷48両端電圧の2倍以上必要である。このことから、電力源から見た倍電流整流回路の入力インピーダンスは、少なくとも負荷48の4倍以上の値であるダイナミックインピーダンスとして表現され、例えば出力が5V60Aであれば0.34Ω以上となる。
The currents I L40 and I L42 are currents that flow through the choke coils 40 and 42, are superimposed on the
図1における制御回路28は、負荷48に印加される電圧または電流を検知して一次共振周期と二次共振周期の同期を取りつつ変調された制御用信号で、FET26のゲート電圧を制御している。この場合、一次インバータ側共振周波数frと、二次共振整流側共振周波数fmをスイッチング動作でタイミングを合わせ電力伝送しているため、同一共振周波数を前提とした整合の一般式は使えず、周波数fmを基軸とするイミタンスチャートで入出力の静的インピーダンス整合を行う。
The
図3は、図1の電源回路の等価回路と、インピーダンス変換回路18において、インピーダンスマッチングを行うために、コンデンサ34及びコイル36の値を求める方法としてのイミタンスチャート220を示している。
FIG. 3 shows an
図3(A)で示した等価回路は、図1に示した電源回路における分流用コンデンサ38は除いている。分流用コンデンサ38は、波形の歪を補正する機能であり、インピーダンスマッチングを考える場合には必要ないからである。
The equivalent circuit shown in FIG. 3A excludes the
図3(A)に示した等価回路において、高周波入力部50は、直流電源10と入力コイル巻線11,12と共振コンバータ14及び平衡結合回路の合成インピーダンスを等価回路としたものである。電源は交流電源200とし、等価抵抗Ri202、等価インダクタンスLr204と等価キャパシタンスCr206を直列に接続し、高周波源入力部50の等価回路とした。インピーダンス変換回路部52は、実際の回路構成と同様であり、コンデンサCm208とインダクタンスLm210をインピーダンスマッチングにより求めることになる。負荷出力部54は、倍電流整流回路と負荷の合成インピーダンスであり、抵抗Ro212である。
In the equivalent circuit shown in FIG. 3A, the high-
図3(B)は、イミタンスチャート220である。イミタンスチャートは、インピーダンスとアドミタンスを極座標上に同時に表現できる図表であり、インピーダンス整合等における回路定数を求めるために使用されている。イミタンスチャート上のインピーダンスは、共振周波数fmによる角周波数2π・fmを乗じた値としてプロットする。インピーダンスマッチングの方法は次の通りである。
FIG. 3B is an
まず、図3(A)の等価回路から、入力側の等価抵抗Riの値を、イミタンスチャートの等レジスタンス円222と中心線との交点226に記入する。次に等価インダクタンスLmの等リアクタンス円224との交点228まで移動する(矢印1参照)。さらに、等価キャパシタンスCmだけ、等レジスタンス円222に沿って、半時計方向に移動する(矢印2参照)。この点232が高周波入力部50の等価インピーダンスとなる。
出力負荷Ro212は等価抵抗である。従って、インピーダンス変換回路部52の等価キャパシタンスCm208と等価インダクタンスLm210により、出力負荷Ro212の等価レジスタンス円236と中心線との交点238になるようにすれば、インピーダンスマッチングが図れることになる。
First, from the equivalent circuit of FIG. 3A, the value of the equivalent resistance R i on the input side is entered at the
The
高周波源入力部50の等価インピーダンスは点232であり、インピーダンス変換部52の等価キャパシタンスCmは平行に接続されているから、等価抵抗Riの等コンダクタンス円230を考え、等価抵抗Riの等コンダクタンス円230に沿って、出力負荷Ro212の等レジスタンス円236との交点234まで移動させる(矢印3参照)。次に、等価インダクタンスLmは直列接続だから、出力負荷Ro212の等レジスタンス円236に沿って、中心線との交点238まで移動させる(矢印4参照)。
Equivalent impedance of the RF
ここで、矢印3の移動距離が、等価キャパシタンスCm208となり、矢印4の移動距離が、等価インダクタンスLm210となる。
Here, the moving distance of the
等価キャパシタンスCm208及び等価インダクタンスLm210は周波数に依存した値だから、実際に使用するキャパシタンスとインダクタンスは共振周波数fmを用いて、キャパシタンスC=2π・fm・Cmで、インダクタンスL=Lm/(2π・fm)で求められる。
Since the
図1に示した電源回路は、メガヘルツオーダの高い動作周波数において電力変換効率のよいインバータを実現する電源であり、入力コイルと平衡コンデンサで生じる共振した半波状正弦波とのタイミングを最適設定することにより、Eクラスの動作条件を満足するスイッチング動作が可能である。動作周波数は高く、負荷出力部側から、インピーダンス変換回路部52での等価キャパシタンスCmと等価インダクタンスLmとで決まる共振周波数であり、高周波入力部50を見ると容量性の電力源となっている。
The power supply circuit shown in FIG. 1 is a power supply that realizes an inverter with high power conversion efficiency at a high operating frequency on the order of megahertz, and optimally sets the timing of a resonant half-wave sine wave generated by an input coil and a balanced capacitor. Thus, a switching operation that satisfies the E-class operating conditions is possible. The operating frequency is high, and is a resonance frequency determined by the equivalent capacitance C m and equivalent inductance L m in the impedance
インピーダンス変換回路18は、入出力回路間でインピーダンスのマッチングを図るものであり、図1に示した回路だけでなく、他の回路構成でもよい。
The
図4は、インピーダンス変換回路の他の回路構成の例を示している。図4(A)は、インダクタンス60を平行に接続し、キャパシタンス62を直列に接続した回路である。さらに(B)は、(A)のキャパシタンスの容量Cを2倍として、2端子対回路に分割接続している。
FIG. 4 shows an example of another circuit configuration of the impedance conversion circuit. FIG. 4A shows a circuit in which an
図5は本発明による第2の実施形態であり、図1に示した電源回路において、インピーダンス変換回路18のコイル36に対して、インダクタンスを1/2として分割し、分割したコイル36A、36Bを2端子対回路に接続した回路図である。
FIG. 5 shows a second embodiment according to the present invention. In the power supply circuit shown in FIG. 1, the
回路の動作は、図1で示した電源回路と同様であるが、コイル36を2分割してコイル36A、36Bとして2端子回路に平行に接続しているから、コイル36Aとコイル36Bとでは逆極性の電圧、電流とする不平衡平衡変換によりコモンモードノイズを低減し、漏れ電流の低減も図ることができるため、出力電圧が高い場合に有効である。
The operation of the circuit is the same as that of the power supply circuit shown in FIG. 1, but the
図6は本発明による第3の実施形態であり、図5に示した電源回路において、全波整流を行って倍電流としている倍電流整流回路20を、半波整流とした半波整流回路21とした電源回路である。半波整流回路21では、ダイオード68をインピーダンス変換回路18に平行に接続して、チョークコイル70は負荷72に直列接続している。基本的な動作原理は図1に示した電源回路と同様であるが、出力部の平滑化は半波整流により行われており、整流部の部品数が少なく簡単な回路とすることができる。
FIG. 6 shows a third embodiment according to the present invention. In the power supply circuit shown in FIG. 5, a half-
図7は本発明による第4の実施形態であり、図5に示した電源回路において、分流用としてのコンデンサを、倍電流整流回路20における各ダイオード44,46と平行に接続して、分流コンデンサ38A、38Bとしている。分流用としてのコンデンサ36A,36Bの機能は、波形歪みの是正であり、各ダイオード44,46に平行に接続しても同様の機能が得られる。この場合には、さらにノイズ除去機能を兼用することができる効果を有する。分流コンデンサ38A,38Bは、負荷48にあわせて調整可能としており、また効率とノイズを考慮して最適になる容量値で固定すれば部品数が少なくなる。
FIG. 7 shows a fourth embodiment according to the present invention. In the power supply circuit shown in FIG. 5, a capacitor for shunting is connected in parallel with each of the
図8は本発明による第5の実施例で、相対的に入力電圧が低く出力電圧が高い電力変換に向く形態である。 FIG. 8 shows a fifth embodiment according to the present invention which is suitable for power conversion with a relatively low input voltage and a high output voltage.
入力側の共振コンバータは、プッシュプル型を使用したプッシュプル共振コンバータ74として、平衡結合回路76とコンデンサ結合し、インピーダンス変換回路78に接続している。インピーダンス変換は、コイル98とコンデンサ100の平行接続回路である。
The input-side resonant converter is a push-pull
出力側は、コンデンサインプット型の倍電圧整流回路80である。倍電圧整流回路80は、コンデンサ104,106を平行にして負荷112の両端子に接続し、ダイオード108,110をそれぞれが逆になる方向に負荷112の両端子側に接続される。負荷側の倍電圧整流回路80はコンデンサインプット型であるため、分圧用チョークコイル102を直列に接続している。ここで分圧用チョークコイル102とは、静的インピーダンス設計された並列LC共振の共振電圧出力に対し、コンデンサインプット型整流の被電圧入力値が、共振整流のタイミングで大きく変化するダイナミック特性を持っているため、両者の瞬時電圧変移差を、斯かる電圧を吸収・放出する性質を利用したチョークコイルなどで代表される部品でもって、静的インピーダンスと動的インピーダンスとの間の変換を行う機能を目的とするものである。
The output side is a capacitor input type voltage
プッシュプル共振コンバータ74は、転流コイル92の中点に共振コイル88を介して直流電源10を接続し、直流電源10の他方の端子を2つのFET84,86をスイッチング用として転流コイル92の両端に接続している。転流コイル92から平衡結合回路76により、平衡結合コンデンサ94,96を介してインピーダンス変換回路78に接続している。
The push-
共振周波数はプッシュプル共振コンバータ74で決定され、平衡結合コンデンサ94,96は絶縁接続を行っている。インピーダンス変換回路78で平行に接続されたコイル98とコンデンサ100は、入力側と出力側のインピーダンスをマッチングさせており、図1で説明したインピーダンス変換回路18と同様の機能を有している。
The resonance frequency is determined by the push-
さらに、分圧用チョークコイル102が直列接続され、コンデンサインプット型の倍電圧整流回路80で全波整流による電圧の平滑化が行われている。
Further, the voltage dividing
図9は、図8の電源回路の等価回路とインピーダンス変換によりインピーダンスのマッチングを図るための回路定数を決めるイミタンスチャートであり、分圧用チョークコイル102は除いている。
FIG. 9 is an immittance chart for determining circuit constants for impedance matching by impedance conversion with the equivalent circuit of the power supply circuit of FIG. 8, excluding the voltage dividing
図9(A)は等価回路であり、高周波入力部114、インピーダンス変換回路部116、コンデンサインプット型負荷回路の等価回路としての負荷出力部118よりなっている。高周波入力部114は、共振周波数を入力源とする交流電源250と等価抵抗Ri252の直列回路に、等価インダクタンスLi254と等価キャパシタンスCi256が並列に接続され、等価結合キャパシタンスCc258が直列に接続されている。
FIG. 9A shows an equivalent circuit, which includes a high-
インピーダンス変換回路部116は、図8に示す実際の回路と同様であり、等価インダクタンスLm260と等価キャパシタンスCm262の並列接続である。負荷出力部118は、等価抵抗Ro264としている。
The impedance
図9(A)で示した等価回路から、等価結合キャパシタンスCcとインピーダンス変換回路部116の等価インダクタンスLm、等価キャパシタンスCmを求めることができる。
From the equivalent circuit shown in FIG. 9A, the equivalent coupling capacitance C c , the equivalent inductance L m of the impedance
図9(B)は、(A)での等価回路からインピーダンスマッチングを図るためのスミスチャート280である。まず、図9(B)のスミスチャート280に、入力等価抵抗Riを中心線上の点284に記入する。
FIG. 9B is a
高周波入力部114は回路素子が並列接続された等価回路であるから、等コンダクタンス円282を考える。そして、等価インダクタンスLmの等サセプタンス円286との交点288まで等コンダクタンス円282に沿って移動させる(矢印1参照)。
Since the high-
次に、並列に接続された等価キャパシタンスCiのサセプタンス分だけ、時計方向に点290まで移動させる(矢印2参照)。等価結合コンデンサCcは直列接続だから、点290の等レジスタンス円298に沿って反時計方向に移動させ、等価出力抵抗Roによる等コンダクタンス円296と等レジスタンス円292の交点294まで移動させる(矢印3参照)。
Next, it is moved clockwise to the
そして、等価出力抵抗Roの等コンダクタンス円296に沿って、インピーダンス変換回路部78の等価インダクタンスLmに相当する点292まで、反時計方向に移動させる(矢印4参照)。最後に、等価キャパシタンスCmのサセプタンス相当分を点300の出力抵抗Roまで移動させる(矢印5参照)。
Then, along with
これにより、インピーダンスマッチングが実現されるから、等価キャパシタンスCcは矢印3の移動によるキャパシタンス分から、等価インダクタンスLmは矢印4の移動によるインダクタンス分から、そして等価キャパシタンスCmは矢印5の移動によるキャパシタンス分から求めることができる。
Since impedance matching is thereby realized, the equivalent capacitance C c is from the capacitance due to the movement of the
結合コンデンサ258は、分割して接続されているから、分割後のキャパシタンスは等価キャパシタンスCcの2倍とする。 Since the coupling capacitor 258 is divided and connected, the divided capacitance is twice the equivalent capacitance C c .
実施の値は、高周波入力源におけるスイッチング周波数fSWから、図3で説明したと同様の計算で求めることができる。 The implementation value can be obtained from the switching frequency f SW in the high frequency input source by the same calculation as described in FIG.
分圧用コイル102は、インピーダンスマッチングされた回路状態での電圧波形の歪みを抑制するために挿入されるものであり、負荷に応じて容量は調整されることとなる。
The
図10は第6の実施例あり、図8における電源回路における回路において、分圧用コイル102を、分圧コイル102A,102Bに分割して、倍電圧整流回路80におけるダイオード108,109に直列に接続している。分圧コイル102A,102Bによりダイオード108,110でのリカバリ電流を抑制しノイズの発生も抑止している。
FIG. 10 shows a sixth embodiment. In the circuit of the power supply circuit shown in FIG. 8, the
図11は第7の実施形態であり、図8に示した実施形態での負荷112に対する整流回路を全波整流としたものである。全波整流回路130は、ダイオード132と負荷112とダイオード138を接続した回路部と、ダイオード134と負荷112とダイオード136を直列に接続した回路部とを平行にしたブリッジ回路を構成し、全波整流による電圧をコンデンサ140で平滑化して、負荷112に電力供給している。
FIG. 11 shows a seventh embodiment in which the rectifier circuit for the
なお、本発明は上記の実施形態に限定されず、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。
In addition, this invention is not limited to said embodiment, This invention contains the appropriate deformation | transformation which does not impair the objective and advantage, Furthermore, the limitation by said embodiment is not received.
10:直流電源
11,12:入力コイル巻線
14:共振コンバータ
16,76:平衡結合回路
18,78:インピーダンス変換回路
20:倍電流整流回路
21:半波整流回路
22,90:共振コンデンサ
24,88:共振コイル
26,84,86:FET
28,82:制御回路
30,32,94,96:平衡用コンデンサ
36,36A,36B,60,98:コイル
34,62,62A,62B,100,104,106:コンデンサ
38,38A,38B:分流用コンデンサ
40,42,70:チョークコイル
44,46,68,108,110,132,134,136,138:ダイオード
48,72,112:負荷
50,114:高周波入力部
52,116:インピーダンス変換回路部
54,118:負荷出力部
74:プッシュプル共振コンバータ
80:倍電圧整流回路
92:転流コイル
102,102A,102B:分圧用チョークコイル
130:全波整流回路
140:平滑コンデンサ
220,280:イミタンスチャート
10:
28, 82:
Claims (5)
前記高周波電流源から出力される高周波電流を2次側に伝送する平衡コンデンサと、
前記平衡コンデンサを介して入力された高周波電流をインピーダンス変換して出力するインピーダンス変換回路と、
前記インピーダンス変換回路から変換出力された高周波電流を整流して直流出力に変換するリアクタンス整流平滑回路と、
を備え、
前記インピーダンス変換回路はLC直列共振回路であり、前記リアクタンス整流平滑回路から見て共振電流源を構成し、前記リアクタンス整流平滑回路をチョークインプット型とした場合、前記インピーダンス変換回路と前記リアクタンス整流平滑回路との結合点に分流用コンデンサを並列に接続したことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
A high-frequency current source that converts the input DC voltage or commercial AC voltage into a high-frequency current and outputs it;
A balanced capacitor that transmits a high-frequency current output from the high-frequency current source to the secondary side;
An impedance conversion circuit for impedance-converting and outputting a high-frequency current input via the balanced capacitor;
A reactance rectifying / smoothing circuit that rectifies a high-frequency current converted and output from the impedance conversion circuit and converts the high-frequency current into a DC output;
With
The impedance conversion circuit is an LC series resonance circuit, and constitutes a resonance current source when viewed from the reactance rectification smoothing circuit. When the reactance rectification smoothing circuit is a choke input type, the impedance conversion circuit and the reactance rectification smoothing circuit A resonance-type switching power supply device, wherein a shunt capacitor is connected in parallel to the connection point.
前記高周波電流源から出力される高周波電流を2次側に伝送する平衡コンデンサと、
前記平衡コンデンサを介して入力された高周波電流をインピーダンス変換して出力するインピーダンス変換回路と、
前記インピーダンス変換回路から変換出力された高周波電流を整流して直流出力に変換するリアクタンス整流平滑回路と、
を備え、
前記インピーダンス変換回路はLC並列共振回路であり、前記リアクタンス整流平滑回路から見て共振電圧源を構成し、前記リアクタンス整流平滑回路をコンデンサインプット型とした場合、前記インピーダンス変換回路と前記リアクタンス整流平滑回路との結合点に分圧用チョークコイルを直列に接続したことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
A high-frequency current source that converts the input DC voltage or commercial AC voltage into a high-frequency current by a converter, and outputs it;
A balanced capacitor that transmits a high-frequency current output from the high-frequency current source to the secondary side;
An impedance conversion circuit for impedance-converting and outputting a high-frequency current input via the balanced capacitor;
A reactance rectifying / smoothing circuit that rectifies a high-frequency current converted and output from the impedance conversion circuit and converts the high-frequency current into a DC output;
With
The impedance conversion circuit is an LC parallel resonance circuit, and constitutes a resonance voltage source when viewed from the reactance rectification smoothing circuit. When the reactance rectification smoothing circuit is a capacitor input type, the impedance conversion circuit and the reactance rectification smoothing circuit A resonance type switching power supply device, wherein a voltage dividing choke coil is connected in series to the coupling point.
前記高周波電流源から出力される高周波電流を2次側に伝送する平衡コンデンサと、
前記平衡コンデンサを介して入力された高周波電流をインピーダンス変換して出力するインピーダンス変換回路と、
前記インピーダンス変換回路から変換出力された高周波電流を整流して直流出力に変換するリアクタンス整流平滑回路と、
を備え、
前記インピーダンス変換回路は入力端と出力端の間に変換必要値の1/2の値をもつ一対のインダクタンスを直列に平衡接続すると共に入力端の間にコンデンサを並列接続したLC直列共振回路であり、前記リアクタンス整流平滑回路から見て共振電流源を構成し、前記リアクタンス整流平滑回路をチョークインプット型とした場合、前記インピーダンス変換回路と前記リアクタンス整流平滑回路との結合点に分流用コンデンサを並列に接続したことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
A high-frequency current source that converts the input DC voltage or commercial AC voltage into a high-frequency current and outputs it;
A balanced capacitor that transmits a high-frequency current output from the high-frequency current source to the secondary side;
An impedance conversion circuit for impedance-converting and outputting a high-frequency current input via the balanced capacitor;
A reactance rectifying / smoothing circuit that rectifies a high-frequency current converted and output from the impedance conversion circuit and converts the high-frequency current into a DC output;
With
The impedance conversion circuit is an LC series resonance circuit in which a pair of inductances having a value that is half the required conversion value is connected in series between the input terminal and the output terminal, and a capacitor is connected in parallel between the input terminals. When a resonant current source is configured as viewed from the reactance rectifying / smoothing circuit and the reactance rectifying / smoothing circuit is a choke input type, a shunting capacitor is connected in parallel at the coupling point between the impedance conversion circuit and the reactance rectifying / smoothing circuit. A resonance type switching power supply device characterized by being connected.
前記高周波電流源から出力される高周波電流を2次側に伝送する平衡コンデンサと、
前記平衡コンデンサを介して入力された高周波電流をインピーダンス変換して出力するインピーダンス変換回路と、
前記インピーダンス変換回路から変換出力された高周波電流を整流して直流出力に変換するリアクタンス整流平滑回路と、
を備え、
前記インピーダンス変換回路は一対の入力端と出力端の間に変換必要値の2倍の値をもつ一対のコンデンサを直列に平衡接続すると共に入力端の間にインダクタンスを並列接続したLC直列共振回路であり、前記リアクタンス整流平滑回路から見て共振電流源を構成し、前記リアクタンス整流平滑回路をチョークインプット型とした場合、前記インピーダンス変換回路と前記リアクタンス整流平滑回路との結合点に分流用コンデンサを並列に接続したことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。
A high-frequency current source that converts the input DC voltage or commercial AC voltage into a high-frequency current and outputs it;
A balanced capacitor that transmits a high-frequency current output from the high-frequency current source to the secondary side;
An impedance conversion circuit for impedance-converting and outputting a high-frequency current input via the balanced capacitor;
A reactance rectifying / smoothing circuit that rectifies a high-frequency current converted and output from the impedance conversion circuit and converts the high-frequency current into a DC output;
With
The impedance conversion circuit is an LC series resonance circuit in which a pair of capacitors having a value twice the necessary conversion value is connected in series between a pair of input terminals and an output terminal, and an inductance is connected in parallel between the input terminals. Yes, when a resonant current source is configured as viewed from the reactance rectifying / smoothing circuit, and the reactance rectifying / smoothing circuit is a choke input type, a shunt capacitor is connected in parallel at the coupling point between the impedance conversion circuit and the reactance rectifying / smoothing circuit. A resonance type switching power supply device characterized by being connected to.
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