JP4253809B2 - DC-DC converter - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はスイッチング電源に関し、特にソフトスイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来は、図4に示したようにダイオードにコンデンサを並列に接続し、これによってソフトスイッチ化していた。図4は降圧チョッパ型を例にしているが、昇圧チョッパ型においても同じ。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
図4において、スイッチ素子101が高速でターンオフしてもコンデンサ108の電荷の放電はコンデンサ108の容量とリアクトル102のインダクタンスによって決定される速さで行われるため、コンデンサ108の容量をある程度大きくすることによって放電のスピードを遅くさせることができ、スイッチ素子101とリアクトル102の接続点の電圧の上昇率を緩めることができる。その結果、スイッチ素子101の電流と電圧の関係が、電流がほぼゼロになってから電圧が立ち上がることになり、ターンオフ時のスイッチングロスが小さくなる。また、スイッチングノイズを減ずる効果をもたらす。
【0004】
図4において、コンデンサ108の電圧はスイッチ素子101がオン状態の間に直流電源106の電圧にほぼ等しい電圧まで充電され、スイッチ素子がターンオフすると、ゼロまで下がる。コンデンサ108が放電するとき、電荷は負荷側に流れるのでコンデンサ108の充電エネルギが損失になることはない。しかし、スイッチ素子101がターンオンして、コンデンサ108が充電されるとき、スイッチ素子101に突入電流が流れ、これがスイッチ素子101の電力損失になる。コンデンサ108の容量を大きくすればスイッチングノイズを減ずる効果は上がるが、同時にスイッチ素子101の突入電流が大きくなり、電力損失が増える。
【0005】
本発明は、上に示した従来方式の欠点を除去するものでスイッチ素子の突入電流をなくすことを目的としている。
【0006】
【課題を解決するための手段】
上の目的を達成するために請求項1記載の発明は、従来方式において用いられていたコンデンサ108に代わって第2のコンデンサと第2のダイオードからなる直列回路を第1のダイオードに並列に接続し、第2のダイオードによって第1のスイッチ素子がターンオンしたときに第2のコンデンサに突入電流が流れることを防ぎ、更に、第1のスイッチ素子がターンオフする前に第2のコンデンサに、直流電源の電圧に等しい電圧に達する電荷を充電する回路を設けた。
【0007】
第2のコンデンサを充電する回路は請求項1記載の発明では次のように構成されている。直流電源にトランスの1次巻線と第2のスイッチ素子からなる直列回路を接続し、この第2のスイッチ素子をオン期間一定のパルスによって、第1のスイッチ素子と同期してターンオンさせ、1次巻線によってトランスに蓄積される励磁エネルギを2次巻線とこの2次巻線に直列に接続された第3のダイオードを通して放出して第2のコンデンサを充電する。
【0008】
【作用】
請求項1記載の発明において、第2のスイッチ素子の1回のオン期間でトランスに蓄積されるエネルギEは直流電源の電圧をV1、1次巻線のインダクタンスをL、オン期間をT1、1次巻線のピーク電流をIPとおくと、次の式で表すことができる。
【0009】
【数1】
【0010】
一方、1次巻線によって蓄積された励磁エネルギの全てが第2のコンデンサの充電エネルギになると仮定すれば、充電される電圧Vは、第2のコンデンサの容量をCとおくと、次の式で表すことができる。
【0011】
【数2】
【0012】
数2に示されているように、T1が所定の値に設定されていれば、第2のコンデンサには発振の度に直流電源と同じ電圧が充電され、第1のスイッチ素子がターンオフしたとき、第1のスイッチ素子両端の電圧をゼロからゆっくり上昇させることができる。
【0013】
請求項2記載の発明は発振の周期が第2のスイッチ素子の制御電極に接続された発振器によって決められるという点で請求項1記載の発明と異なるが、第1のスイッチ素子がターンオフする前に第2のコンデンサを充電するというメカニズムは上に述べた内容と同じ。
【0014】
請求項3記載の発明においては、第2のコンデンサに充電される電圧が出力電圧に等しくなることによって第1のスイッチ素子両端の電圧がゼロから上昇するようになる。そこで、トランスの1次巻線と第2のスイッチ素子からなる直列回路を出力電圧が充電される第1のコンデンサに接続し、第2のスイッチ素子のオン期間を所定の値に設定して、第2のコンデンサが発振の度に出力電圧に等しい電圧まで充電されるようにした。
【0015】
請求項4記載の発明は発振の周期が第2のスイッチ素子の制御電極に接続された発振器によって決められるという点で請求項3記載の発明と異なるが、第2のコンデンサを出力電圧に等しい電圧まで充電するメカニズムは請求項3記載の発明と同じ。
【0016】
【実施例】
図1は請求項1記載の発明に係る実施例を示す回路図である。図1に示した回路において、第1のスイッチ素子1と第2のスイッチ素子12はほぼ同時にターンオンし、第2のスイッチ素子12が先にターンオフする。第2のスイッチ素子12のオン期間に1次巻線11aに流れる電流によってトランス11に励磁エネルギが蓄積され、第2のスイッチ素子12がターンオフするとその励磁エネルギは2次巻線11bと第3のダイオード14を通って第2のコンデンサ16を充電する。
【0017】
図3は第1のスイッチ素子1のオン期間と第2のスイッチ素子12のオン期間と2次巻線11bを流れる電流と第2のコンデンサ16の電圧の波形を示している。2次巻線11bと第3のダイオード14と第2のコンデンサ16は半波共振回路を構成するので、2次巻線11bの電流は正弦波の片側だけになり、この電流がゼロになったとき第2のコンデンサ16の電圧はピークになる。この電圧のピークは作用で述べたように直流電源6の電圧に一致させることができる。第1のスイッチ素子1がターンオフすると、第2のコンデンサ16の電荷はリアクトルを通り負荷側に流れるが、ターンオフの直後は第1のスイッチ素子1とリアクトル2の接続点の電圧は直流電源6の電圧に等しい電圧から、第2のコンデンサ16の電荷の放電とともに下がっていくので第1のスイッチ素子1両端の電圧はゼロからゆっくり上昇する。
【0018】
第2のコンデンサ16の充電と放電のいずれの場合も、電流経路にインダクタンス成分が存在するので、電流波形は正弦波状になり、突入電流が生じる従来の方式のような電力損失はない。
【0019】
図2は請求項3記載の発明に係る実施例を示す回路である。図2に示した回路において、第2のコンデンサ16に充電される電圧は図1の場合と違って、出力電圧に等しい値になる。第1のスイッチ素子1がターンオフした直後はリアクトル2の励磁エネルギの放電は第2のダイオード15と第2のコンデンサ16を経由して流れて第1のコンデンサ4を充電するので、リアクトル2と第2のダイオード15の接続点の電圧はゼロからゆっくり上昇する。すなわち、第1のスイッチ素子1の両端の電圧はゼロからゆっくり上昇する。第2のコンデンサ16に充電される電圧が出力電圧に等しいという点を除けば、図1に関して図3の波形図を用いて述べた上記の説明をあてはめることができる。
【0020】
図1及び図2に各々示した回路において、加えられたパルスの立ち上がりから所定のパルス幅のパルスを作る回路13を、受動部品だけで構成することも、能動素子を組み合わせて作ることも、単安定マルチバイブレータを使うこともできる。
【0021】
請求項2記載の発明の実施例及び請求項4記載の発明の実施例を示す回路図を省略するが、図1及び図2に示した回路図において、発振制御回路5を外部信号同期端子付き発振制御回路に変更し、加えられたパルスの立ち上がりから所定のパルス幅のパルスを作る回路13をパルス発生器に変更し、パルス発生器の信号で発振制御回路がトリガされるように構成すれば各々請求項2記載の発明と請求項4記載の発明の実施例を示す回路になる。
【0022】
図1及び図2に各々示した請求項1及び請求項3記載の発明の実施例において、第1のスイッチ素子1と第2のスイッチ素子12のいずれにもバイポーラ型トランジスタを用いているが、これらをMOSFET等の他のスイッチ素子で置き換えることも可能である。
【0023】
【発明の効果】
ソフトスイッチングに用いるコンデンサによる突入電流がなくなるため、このコンデンサの容量を大幅に増すことが可能になり、ソフトスイッチングの効果を上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1記載の発明に係るDC−DCコンバータを示す回路図である。
【図2】請求項3記載の発明に係るDC−DCコンバータを示す回路図である。
【図3】図1の主要部の波形を示す波形図である。
【図4】従来方式の一例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 第1のスイッチ素子
2 リアクトル
3 第1のダイオード
4 第1のコンデンサ
5 発振制御回路
6 直流電源
7 負荷
11 トランス
11a 1次巻線
11b 2次巻線
12 第2のスイッチ素子
13 加えられたパルスの立ち上がりから所定のパルス幅のパルスを作る回路
14 第3のダイオード
15 第2のダイオード
16 第2のコンデンサ
101 スイッチ素子
102 リアクトル
103 ダイオード
104 コンデンサ
105 発振制御回路
106 直流電源
107 負荷[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a switching power supply, and more particularly to a soft switch.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, as shown in FIG. 4, a capacitor is connected in parallel to a diode, thereby forming a soft switch. Although FIG. 4 shows the step-down chopper type as an example, the same applies to the step-up chopper type.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In FIG. 4, even when the
[0004]
In FIG. 4, the voltage of the
[0005]
The object of the present invention is to eliminate the inrush current of the switch element by eliminating the drawbacks of the conventional method described above.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, according to the first aspect of the present invention, a series circuit including a second capacitor and a second diode is connected in parallel to the first diode in place of the
[0007]
According to the first aspect of the present invention, the circuit for charging the second capacitor is configured as follows. A DC power supply is connected to a series circuit composed of a primary winding of a transformer and a second switch element, and the second switch element is turned on in synchronization with the first switch element by a pulse having a constant ON period. The excitation energy stored in the transformer by the secondary winding is discharged through the secondary winding and a third diode connected in series with the secondary winding to charge the second capacitor.
[0008]
[Action]
According to the first aspect of the present invention, the energy E stored in the transformer in one on period of the second switch element is V1, the voltage of the DC power source is V1, the inductance of the primary winding is L, the on period is T1, If the peak current of the next winding is IP, it can be expressed by the following equation.
[0009]
[Expression 1]
[0010]
On the other hand, if it is assumed that all of the excitation energy accumulated by the primary winding becomes the charging energy of the second capacitor, the charged voltage V can be expressed by the following equation when the capacitance of the second capacitor is C. Can be expressed as
[0011]
[Expression 2]
[0012]
As shown in Equation 2, if T1 is set to a predetermined value, the second capacitor is charged with the same voltage as the DC power source every time it oscillates, and the first switch element is turned off. The voltage across the first switch element can be slowly increased from zero.
[0013]
The invention according to claim 2 is different from the invention according to claim 1 in that the period of oscillation is determined by an oscillator connected to the control electrode of the second switch element, but before the first switch element is turned off. The mechanism for charging the second capacitor is the same as described above.
[0014]
According to the third aspect of the present invention, the voltage charged to the second capacitor becomes equal to the output voltage, whereby the voltage across the first switch element rises from zero. Therefore, a series circuit composed of the primary winding of the transformer and the second switch element is connected to the first capacitor charged with the output voltage, and the ON period of the second switch element is set to a predetermined value, The second capacitor is charged to a voltage equal to the output voltage every time it oscillates.
[0015]
The invention according to claim 4 differs from the invention according to claim 3 in that the oscillation period is determined by an oscillator connected to the control electrode of the second switch element, but the second capacitor is set to a voltage equal to the output voltage. The mechanism for charging up to is the same as that of the third aspect of the invention.
[0016]
【Example】
FIG. 1 is a circuit diagram showing an embodiment according to the first aspect of the present invention. In the circuit shown in FIG. 1, the first switch element 1 and the
[0017]
FIG. 3 shows waveforms of the ON period of the first switch element 1, the ON period of the
[0018]
In both cases of charging and discharging the second capacitor 16, since an inductance component exists in the current path, the current waveform is sinusoidal and there is no power loss as in the conventional method in which an inrush current occurs.
[0019]
FIG. 2 is a circuit showing an embodiment according to the third aspect of the present invention. In the circuit shown in FIG. 2, the voltage charged in the second capacitor 16 is equal to the output voltage, unlike the case of FIG. Immediately after the first switch element 1 is turned off, the discharge of the excitation energy of the reactor 2 flows through the
[0020]
In the circuits shown in FIGS. 1 and 2, the
[0021]
Although the circuit diagrams showing the embodiment of the invention described in claim 2 and the embodiment of the invention described in claim 4 are omitted, the oscillation control circuit 5 is provided with an external signal synchronization terminal in the circuit diagrams shown in FIGS. If the circuit is changed to an oscillation control circuit, the
[0022]
In the embodiments of the invention according to claim 1 and claim 3 shown in FIGS. 1 and 2, respectively, bipolar transistors are used for both the first switch element 1 and the
[0023]
【The invention's effect】
Since the inrush current due to the capacitor used for soft switching is eliminated, the capacity of the capacitor can be greatly increased, and the effect of soft switching can be improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a DC-DC converter according to a first aspect of the present invention.
FIG. 2 is a circuit diagram showing a DC-DC converter according to a third aspect of the present invention.
FIG. 3 is a waveform diagram showing waveforms of main parts of FIG. 1;
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a conventional method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st switch element 2 Reactor 3 1st diode 4 1st capacitor 5
Claims (4)
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- 1999-03-04 JP JP10160599A patent/JP4253809B2/en not_active Expired - Fee Related
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