JPH0678533A - Dc/dc converter - Google Patents

Dc/dc converter

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JPH0678533A
JPH0678533A JP22891292A JP22891292A JPH0678533A JP H0678533 A JPH0678533 A JP H0678533A JP 22891292 A JP22891292 A JP 22891292A JP 22891292 A JP22891292 A JP 22891292A JP H0678533 A JPH0678533 A JP H0678533A
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アール.オルガンティ
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Kee Jii Tan Jiefurii
ケー.ジー.タン ジェフリー
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Abstract

PURPOSE:To reduce the rated voltage of each switching means of a DC/DC converter, by minimizing the voltage stress applied to each switching means. CONSTITUTION:Switches Q1, Q2 having capacitors C1, C2 respectively are connected with each other in the form of a totempole. The switch Q1 and a transformer T1 are so connected by a blocking capacitor C3 as to insert the capacitor in between the switch and transformer. Thereby, the source-drain voltage of a FET S1 when operating is restricted to at most an input voltage VS added to the voltage drop of a diode DI. Similarly, the source-drain voltage of a FET S2 when operating is restricted to at most the input voltage VS added to the voltage drop of a diode D2 too.

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、MHz領域における高
スイッチング周波数化を可能にした、いわゆる共振形の
DC/DCコンバータに関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a so-called resonance type DC / DC converter capable of achieving a high switching frequency in the MHz region.

【0002】[0002]

【従来の技術】従来、DC/DCコンバータ技術の動向
は、磁気またはフィルター素子の形状および重量を減ら
すための、MHz領域における高スイッチング周波数化
に向けられている。しかし、従来のパルス幅変調(PW
M)コンバータにおいては、非常に高いスイッチング損
失によって、一般にこうした高周波数領域で使用するこ
とが不可能であった。このような理由により、最近は、
IEEE パワーエレクトロニクス会報 Vo.1.P
E−1,1987年1月号の第62〜71頁に記載され
た、K.H.リウ,オルガンティ,F.C.リーによる
「準共振形コンバータのトポロジーおよびその特性」
や、K.H.リウ,F.C.リーに与えられた、米国特
許4720667号の「全波モードにおけるゼロ電流ス
イッチ準共振形コンバータの動作」により紹介された、
ゼロ電流スイッチング準共振形コンバータ(ZCS−Q
RC)、あるいは、IEEE PESCレコード 19
86年6月号の第58〜70頁に記載された、K.H.
リウ,F.C.リーによる「DC/DCコンバータにお
けるゼロ電圧スイッチング技術」や、IEEE パワー
エレクトロニクス スペシャリスト会議,ブラックスバ
ーグ,Va,1987年の第404〜413頁に記載さ
れた、W.A.ダビッツ,P.グラツキー,F.C.リ
ーによる「ゼロ電圧スイッチ準共振形バック型またはフ
ライバック型コンバータ− 10MHzでの実験結果」
により紹介された、ゼロ電圧スイッチング準共振形コン
バータ(ZVS−QRC)、あるいは、IEEE/PE
SC会議1988年の、W.A.ダビッツ,F.C.リ
ーによる「ゼロ電圧スイッチングマルチ共振技術 高周
波準共振形コンバータにおける性能改良のための新規な
アプローチ」や、パワーエレクトロニクス NO−1,
1991年1月号の第141〜150頁に記載された、
ドラカン マクシモビッチ,スロボダン クックによる
「準共振形コンバータの定周波制御」により紹介され
た、最新形であるゼロ電圧スイッチングマルチ共振形コ
ンバータのような共振スイッチに、研究者の注意が向け
られている。また、4個のスイッチが必要とされる、I
EEE パワーエレクトロニクス スペシャリスト会
議,1987年の第424〜430頁に記載された、
O.D.パターソン,D.M.ディーバンによる「疑似
共振フルブリッジDC/DCコンバータ」や、バセッ
ト,ジョン A.に与えられた、欧州特許0 428
377 A2号により公知の「ゼロ電圧スイッチングと
定スイッチング周波数を特徴とする新規なPWMトポロ
ジー」も、注目すべき価値のあるコンバータである。
2. Description of the Related Art Conventionally, the trend of DC / DC converter technology has been directed to a high switching frequency in the MHz region in order to reduce the shape and weight of a magnetic or filter element. However, conventional pulse width modulation (PW
In M) converters, very high switching losses have generally made it impossible to use them in these high frequency regions. For this reason, recently
IEEE Power Electronics Bulletin Vo. 1. P
E-1, January 1987, pages 62-71, K.K. H. Riu, Organty, F.M. C. Lee's Topology and Characteristics of Quasi-Resonant Converters
Or K. H. Liu, F. C. Lee, US Pat.
Zero current switching quasi-resonant converter (ZCS-Q
RC) or IEEE PESC record 19
K. K., published on pages 58-70 of the June 1986 issue. H.
Liu, F. C. Lee, "Zero Voltage Switching Techniques in DC / DC Converters" and W. W., IEEE Power Electronics Specialist Conference, Blacksburg, Va., Pp. 404-413. A. Davids, P. Grazky, F.F. C. Lee's "Zero Voltage Switch Quasi-Resonant Buck or Flyback Converter-Experimental Results at 10MHz"
Zero-Voltage Switching Quasi-Resonant Converter (ZVS-QRC) or IEEE / PE
SC Conference 1988, W. A. Davids, F.F. C. Lee's "Zero Voltage Switching Multi-Resonance Technology: A Novel Approach for Performance Improvement in High Frequency Quasi-Resonant Converters", Power Electronics NO-1,
As described on pages 141 to 150 of the January 1991 issue,
Researchers are paying attention to resonant switches such as the latest type of zero-voltage switching multi-resonant converter introduced by "Constant frequency control of quasi-resonant converter" by Dorakan Makshimovich and Slobodan Cook. Also, four switches are required, I
EEE Power Electronics Specialist Conference, 1987, pages 424-430,
O. D. Patterson, D. M. "Quasi-Resonant Full Bridge DC / DC Converter" by Devan, Bassett, John A. European Patent 0 428
The "new PWM topology featuring zero voltage switching and constant switching frequency" known from 377 A2 is also a converter of noteworthy value.

【0003】図12は、前記欧州特許0 428 37
7 A2号において提案された、絶縁型トランスを用い
たDC/DCコンバータを示すものである。1は一次側
に一次巻線1Aと、二次側に二次巻線1Bとを備えた絶
縁型トランスであり、この一次巻線1AとMOS型FE
T2との直列回路が直流入力電源3の両端に接続される
ことで、直流入力電源3からの直流入力電圧VINが、選
択的にトランス1の一次巻線1Aに印加される。また、
一次巻線1A間には、容量性素子たるキャパシタ4とM
OS型FET5との直列回路が接続され、これらFET
2,5は、それぞれ固有のキャパシタンスたるキャパシ
タ6,7と、ダイオード8,9が含まれ、FET2とダ
イオード8とにより第1のスイッチング手段が構成さ
れ、一方、FET5とダイオード9とにより第2のスイ
ッチング手段が構成される。
FIG. 12 shows the above-mentioned European Patent 0 428 37.
7 shows a DC / DC converter using an insulation type transformer proposed in No. 7 A2. Reference numeral 1 is an insulation type transformer having a primary winding 1A on the primary side and a secondary winding 1B on the secondary side. The primary winding 1A and the MOS type FE
By connecting the series circuit with T2 to both ends of the DC input power source 3, the DC input voltage VIN from the DC input power source 3 is selectively applied to the primary winding 1A of the transformer 1. Also,
Between the primary winding 1A, capacitors 4 and M, which are capacitive elements,
A series circuit with the OS type FET5 is connected to these FETs.
The capacitors 2 and 5 include capacitors 6 and 7, which are inherent capacitances, and diodes 8 and 9, respectively, and the FET 2 and the diode 8 form a first switching means, while the FET 5 and the diode 9 form a second switching means. Switching means is configured.

【0004】一方、トランス1の二次側において、二次
巻線1Bには整流ダイオード11,12を介してフィルター
回路10が接続されており、このフィルター回路10は、イ
ンダクタ13と、平滑用キャパシタ14とからなる。そし
て、図示しない制御回路により前記FET2,5をスイ
ッチングすることで、二次巻線1Bに誘起された電圧が
ダイオード11,12およびフィルター回路10を介して、直
流出力電圧Vout として出力される。このとき、FET
2をターンオンする前に、前記トランス1の一次巻線1
Aに蓄積されたエネルギーによってキャパシタ6が放電
され、FET5をターンオンする前に、一次巻線1Aに
蓄積されたエネルギーによってキャパシタ7が放電され
るように構成すれば、ゼロ電圧スイッチングが達成され
ると同時に、各FET2,5におけるスイッチング損失
は最小になる。
On the other hand, on the secondary side of the transformer 1, a filter circuit 10 is connected to the secondary winding 1B via rectifying diodes 11 and 12, and the filter circuit 10 includes an inductor 13 and a smoothing capacitor. Consisting of 14 and. Then, by switching the FETs 2 and 5 by a control circuit (not shown), the voltage induced in the secondary winding 1B is output as the DC output voltage Vout via the diodes 11 and 12 and the filter circuit 10. At this time, FET
Before turning on 2, the primary winding 1 of the transformer 1
If the capacitor 6 is discharged by the energy stored in A and the capacitor 7 is discharged by the energy stored in the primary winding 1A before the FET 5 is turned on, zero voltage switching is achieved. At the same time, the switching loss in each FET 2, 5 is minimized.

【0005】こうした各コンバータの背景にある原理
は、MOS型FETからなる能動素子2,5がターンオ
ンする前に、電流あるいは電圧のいずれか一方をゼロに
し、かつ、このスイッチング素子2,5がターンオフさ
れる間にソフトスイッチングを行うことにある。すなわ
ち、絶縁型トランスにおいて固有に存在する漏れインダ
クタンスと、スイッチング素子2,5の寄生キャパシタ
ンス6,7が、ゼロ電圧/電流スイッチングのメカニズ
ムを達成するのに一般的に利用され、ターンオンおよび
スイッチオフ時におけるスイッチング損失は、これらの
コンバータにおいては略ゼロとなる。
The principle behind each of these converters is that either the current or the voltage is set to zero before the active elements 2 and 5 composed of MOS type FETs are turned on, and the switching elements 2 and 5 are turned off. It is to perform soft switching in the meantime. That is, the leakage inductance that is inherent in the isolation transformer and the parasitic capacitances 6 and 7 of the switching elements 2 and 5 are commonly used to achieve the zero voltage / current switching mechanism. The switching loss at is approximately zero in these converters.

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】前記従来技術に示され
た回路において、キャパシタ4の両端間の電圧Vcは、
FET2,5に対するデューティをDとすれば、Vc=
VIN×D/(1−D)となる。仮に、デューティDが
0.5であり、キャパシタ4の電圧Vcが入力電圧VIN
に等しいものとすると、FET2がオンの場合には、キ
ャパシタ4が充電されることによって、FET5のドレ
イン電位はFET2のソースを基準電位とすると+VIN
となるため、FET5のソース・ドレイン間には入力電
圧VINの2倍の電圧が印加される。一方、FET2がオ
フの場合には、キャパシタ4が放電されることによっ
て、FET5のドレイン電位はFET2のソースを基準
電位とすると−VINとなるため、FET2のソース・ド
レイン間にも入力電圧VINの2倍の電圧が印加される。
つまり、FET2,5のスイッチングにより、このFE
T2,5のソース・ドレイン間には、少なくとも入力電
圧VINの2倍の電圧ストレスが加わるため、定格電圧の
より大きなスイッチング素子2,5を使用しなければな
らず、しかも、これに伴ってFET2,5のオン抵抗が
大きくなるため、トランス1の一次側電力の損失が増加
するといった欠点を有していた。
In the circuit shown in the above-mentioned prior art, the voltage Vc across the capacitor 4 is
If the duty for the FETs 2 and 5 is D, Vc =
It becomes VIN × D / (1-D). If the duty D is 0.5 and the voltage Vc of the capacitor 4 is the input voltage VIN
When the FET2 is turned on, the capacitor 4 is charged so that the drain potential of the FET5 is + VIN when the source of the FET2 is the reference potential.
Therefore, a voltage twice the input voltage VIN is applied between the source and drain of the FET 5. On the other hand, when the FET 2 is off, the drain potential of the FET 5 becomes −VIN when the source of the FET 2 is used as a reference potential by discharging the capacitor 4, so that the input voltage VIN is also applied between the source and drain of the FET 2. Double the voltage is applied.
In other words, by switching the FETs 2 and 5, this FE
Since a voltage stress at least twice the input voltage VIN is applied between the source and drain of T2 and T5, switching elements 2 and 5 having a larger rated voltage must be used, and in addition, the FET2 , 5 has a large on-resistance, so that the primary side power loss of the transformer 1 increases.

【0007】そこで、本発明は上記問題点を解決して、
共振形コンバータの利点を損なうことなく、各スイッチ
ング手段間に加えられる電圧ストレスを最小にして、そ
の定格電圧を小さくすることの可能なDC/DCコンバ
ータを提供することを目的とする。
Therefore, the present invention solves the above problems,
An object of the present invention is to provide a DC / DC converter capable of minimizing the voltage stress applied between each switching means and reducing the rated voltage thereof without impairing the advantages of the resonant converter.

【0008】[0008]

【課題を解決するための手段】本発明は直流入力電源
と、一次側と二次側とを備えたトランスと、固有のキャ
パシタンスを含み前記直流入力電源からの電力を選択的
に前記トランスの一次巻線に印加する第1のスイッチン
グ手段と、前記トランスの一次巻線と第1のスイッチン
グ手段間に挿入接続された容量性素子と、固有のキャパ
シタンスを含み前記トランスの一次巻線と第1のスイッ
チング手段との直列回路の両端に接続された第2のスイ
ッチング手段と、前記トランスの二次側に接続される整
流回路と、この整流回路に接続される容量性または誘導
性のフィルター回路とを備え、前記第1のスイッチング
手段および第2のスイッチング手段はそれぞれ所定の時
間間隔で交互にターンオンされ、かつ、その間にある一
定のデッドバンドが存在するように構成されたものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a DC input power supply, a transformer having a primary side and a secondary side, and a primary capacitance of the transformer which includes an inherent capacitance and selectively powers from the DC input power supply. A first switching means applied to the winding; a capacitive element inserted and connected between the primary winding of the transformer and the first switching means; and a primary winding of the transformer including an inherent capacitance; A second switching means connected to both ends of a series circuit with the switching means, a rectifier circuit connected to the secondary side of the transformer, and a capacitive or inductive filter circuit connected to the rectifier circuit. The first switching means and the second switching means are alternately turned on at predetermined time intervals, and a certain dead band between them is turned on. Those configured to stationary.

【0009】[0009]

【作用】上記構成により、第1のスイッチング手段およ
び第2のスイッチング手段をスイッチングする際におい
て、これら各スイッチング手段間に加えられる電圧は、
電源からの入力電圧に略等しくなり、この状態でゼロ電
圧スイッチングが達成される。
With the above structure, when the first switching means and the second switching means are switched, the voltage applied between the respective switching means is
It is approximately equal to the input voltage from the power supply, and zero voltage switching is achieved in this state.

【0010】[0010]

【実施例】以下、本発明の各実施例につき、図1乃至図
11を参照して説明する。
Embodiments of the present invention will be described below with reference to FIGS.

【0011】図1乃至図6は、本発明におけるDC/D
Cコンバータの第1実施例を示すものである。図1は容
量性のフィルターを備えたソフトスイッチコンバータの
回路図を示すものであり、周波数制御と、提案される新
規な非対称パルス幅変調(PWM)制御(D,1−D)
との双方に適応可能な、新しいDC/DCコンバータト
ポロジーである。同図において、VS は電源たる直流入
力電源であり、この直流入力電源VS からの電力は、M
OS型FETS1により選択的にトランスT1の一次巻
線に印加される。また、トランスT1の一次巻線とFE
TS1との間には、容量性素子たるブロッキングキャパ
シタC3が挿入接続されるとともに、このキャパシタC
3と、トランスT1の一次巻線とにより構成される直列
回路の両端には、MOS型FETS2が接続される。各
FETS1,S2は、それぞれ固有のキャパシタンスと
してのキャパシタC1,C2と、ダイオードD1,D2
を含み、このダイオードD1,D2はMOS型FETS
1,S2に内蔵のボディーダイオードか、あるいは、外
付けのダイオードで構成することが可能である。また、
キャパシタC1,C2は、出力側のキャパシター素子C
o で構成することが可能である。ダイオードD1および
FETS1全体を表わすのに、第1のスイッチング手段
たるスイッチQ1を用い、同様に、ダイオードD2およ
びFETS2を、第2のスイッチング手段たるスイッチ
Q2として表わす。
1 to 6 show the DC / D according to the present invention.
1 shows a first embodiment of a C converter. FIG. 1 shows a circuit diagram of a soft switch converter with a capacitive filter, frequency control and proposed novel asymmetric pulse width modulation (PWM) control (D, 1-D).
It is a new DC / DC converter topology that can be applied to both. In the figure, VS is a DC input power source as a power source, and the power from this DC input power source VS is M
It is selectively applied to the primary winding of the transformer T1 by the OS type FET S1. Also, the primary winding of the transformer T1 and the FE
A blocking capacitor C3, which is a capacitive element, is inserted and connected between TS1 and TS1.
A MOS type FET S2 is connected to both ends of a series circuit constituted by 3 and the primary winding of the transformer T1. Each of the FETs S1 and S2 has capacitors C1 and C2 as its own capacitance and diodes D1 and D2.
And the diodes D1 and D2 are MOS type FETS.
It is possible to use a body diode built in 1, S2 or an external diode. Also,
The capacitors C1 and C2 are capacitor elements C on the output side.
It can be configured with o. A switch Q1 as a first switching means is used to represent the diode D1 and the FET S1 as a whole, and similarly, a diode D2 and a FET S2 are represented as a switch Q2 as a second switching means.

【0012】スイッチQ1,Q2はトーテムポール形に
接続されているために、素子の定格電圧上における付加
的な損失はなくなる。このスイッチQ1,Q2は交互に
ターンオンされ、その間に電圧の転移を可能にするため
のデッドバンドが存在することで、ゼロ電圧スイッチン
グが達成され得る。前記キャパシタC3は、動作サイク
ルの一部分に対するエネルギー源として作用するもので
ある。このキャパシタC3の他の機能は、トランスT1
が飽和するのを避けるための、ブロッキングキャパシタ
として作用することにある。また、定常動作状態の下で
は、キャパシタC3によって吸収/排出される平均のチ
ャージ量が1サイクルを通してゼロに等しくなるよう
に、トランスT1の磁化電流が適当な値で自動的にセッ
トされる。インダクタLはトランスT1の漏れインダク
タンスを用いることが可能であり、必要ならば、外付け
のインダクタにより増加させることができる。このイン
ダクタLは、素子のゼロ電圧スイッチングを達成するの
に利用される。
Since the switches Q1 and Q2 are connected in a totem pole type, there is no additional loss in the rated voltage of the device. The switches Q1 and Q2 are alternately turned on, and there is a dead band between them to allow voltage transfer, so that zero voltage switching can be achieved. The capacitor C3 acts as an energy source for part of the operating cycle. The other function of this capacitor C3 is the transformer T1.
Is to act as a blocking capacitor to avoid saturation. Further, under the steady operation state, the magnetizing current of the transformer T1 is automatically set to an appropriate value so that the average amount of charge absorbed / exhausted by the capacitor C3 becomes equal to zero throughout one cycle. The inductor L can use the leakage inductance of the transformer T1 and can be increased by an external inductor if necessary. This inductor L is used to achieve zero voltage switching of the device.

【0013】トランスT1の二次側電流は、このトラン
スT1の二次巻線の両端にダイオードD3,D4を接続
してなるセンタータップ形の整流回路によって整流さ
れ、直接容量性のフィルター回路たるキャパシタCO に
供給される。この出力方式における重要な利点とは、出
力側ダイオードD3,D4が、出力電圧Voの2倍に理
想的に制限されることにある。したがって、ダイオード
D3,D4の低い順方向電圧降下は、総合効率を向上さ
せることに用いられる。
The secondary side current of the transformer T1 is rectified by a center tap type rectifier circuit in which diodes D3 and D4 are connected to both ends of the secondary winding of the transformer T1 and a capacitor which is a direct capacitive filter circuit is rectified. Supplied to CO. An important advantage of this output method is that the output side diodes D3 and D4 are ideally limited to twice the output voltage Vo. Therefore, the low forward voltage drop of the diodes D3, D4 is used to improve the overall efficiency.

【0014】スイッチQ1は時間DTの間隔で、また、
スイッチQ2は時間(1−D)Tの間隔で交互にターン
オンし、その間にある一定のデッドバンドが存在するよ
うにする。Dの可変は、動作時におけるデューティーサ
イクルに基づくものであり、このデューティーサイクル
Dを変化させることによって、出力の制御が達成され
る。こうした制御は、それぞれ対をなすスイッチが時間
DTの間隔でターンオンする、従来例の「疑似共振フル
ブリッジDC/DCコンバータ」とは異なる。回路の動
作は、デューティーサイクルDが0%から50%の間
と、50%から100%の間で、実際に非対称となる。
したがって、制御の全範囲はデューティーサイクルDが
50%から100%と、0%から50%とで達成され得
るものであり、コンバータの動作はデューティーサイク
ルDの範囲の一方に対してのみ解析されることが必要で
ある。次の説明は、デューティーサイクルDの範囲が0
%から50%の場合に基づくものである。
Switch Q1 is at intervals of time DT, and
Switch Q2 is alternately turned on at intervals of time (1-D) T so that there is a certain dead band in between. The change of D is based on the duty cycle during operation, and by changing the duty cycle D, control of the output is achieved. Such control is different from the conventional "quasi-resonant full-bridge DC / DC converter" in which each pair of switches is turned on at an interval of time DT. The operation of the circuit is actually asymmetric for duty cycles D between 0% and 50% and between 50% and 100%.
Thus, the full range of control can be achieved with a duty cycle D of 50% to 100% and 0% to 50% and the converter operation is analyzed for only one of the duty cycle D ranges. It is necessary. In the following explanation, the range of duty cycle D is 0
% To 50%.

【0015】次に、図1における回路の動作原理を説明
する。先ず、本回路における基本的な動作として、次の
仮定が成り立つものとする。
Next, the operating principle of the circuit in FIG. 1 will be described. First, as the basic operation of this circuit, the following assumptions are established.

【0016】・トランスT1の二次側漏れインダクタン
スは無視する。
Ignore the secondary side leakage inductance of the transformer T1.

【0017】・出力側ダイオードD3,D4の順方向降
下、および、接合キャパシタンスは無視されるものとす
る。
The forward drop of the output side diodes D3, D4 and the junction capacitance shall be ignored.

【0018】・ブロッキングキャパシタC3は、キャパ
シタC3間電圧Vc が略一定となり、リプルを無視でき
る程大きなものを用いる。
The blocking capacitor C3 has a voltage Vc across the capacitor C3 that is substantially constant, and is large enough to ignore ripples.

【0019】・キャパシタCoは、出力電圧Voが一定
となるような大きなものを用いる。
A large capacitor Co is used so that the output voltage Vo is constant.

【0020】・磁化インダクタンスLM は、磁化電流I
M が略一定となるような大きなものを用いる。
The magnetizing inductance LM is the magnetizing current I
Use a large one such that M is almost constant.

【0021】・電圧リプルを無視することにより、ブロ
ッキングキャパシタC3に印加する電圧VC は、D×V
S と略等しい直流電圧となる。
By ignoring the voltage ripple, the voltage VC applied to the blocking capacitor C3 is D × V
DC voltage is almost equal to S.

【0022】動作状態に基づく図1における回路の各波
形を、図2および図3に示す。これらの各状態におい
て、図1の回路は1サイクルの動作中に、種々のトポロ
ジー的モードを経る。図2および図3に対して、回路の
概略の電流変換比率は、次の数式に示される。
Waveforms of the circuit in FIG. 1 based on the operating state are shown in FIGS. 2 and 3. In each of these states, the circuit of FIG. 1 undergoes various topological modes during one cycle of operation. 2 and 3, the approximate current conversion ratio of the circuit is shown by the following mathematical formula.

【0023】[0023]

【数1】 [Equation 1]

【0024】[0024]

【数2】 [Equation 2]

【0025】但し、VO =出力側電圧、VS =入力側直
流電圧、n=トランス巻線比、fs=スイッチング周波
数、D=スイッチQ1のデューティーサイクルである。
However, VO = output side voltage, VS = input side DC voltage, n = transformer winding ratio, fs = switching frequency, D = duty cycle of switch Q1.

【0026】図4は、図1の回路が経過する、種々のト
ポロジー的モードに対する方式を示すものである。回路
の動作は次のようにして説明され得る。最初に、回路は
図4aにおけるモード1の状態にあるものと仮定する。
なぜならば、このモードは図2および図3の双方に共通
するからである。モード1において、スイッチQ1(F
ETS1あるいはダイオードD1)とダイオードD3は
オンとなり、一方、スイッチQ2(FETS2あるいは
ダイオードD2)とダイオードD4はオフとなる。イン
ダクタ電流iL は、スイッチQ1がスイッチオフする時
まで、次の数式に示すように、磁化電流IM のレベルよ
り所定の割合で上昇傾斜する。
FIG. 4 illustrates the scheme for the various topological modes that the circuit of FIG. 1 goes through. The operation of the circuit can be described as follows. First, assume the circuit is in the mode 1 state in FIG. 4a.
This mode is common to both FIG. 2 and FIG. In mode 1, switch Q1 (F
The ETS1 or diode D1) and the diode D3 are turned on, while the switch Q2 (FETS2 or diode D2) and the diode D4 are turned off. The inductor current iL rises and rises at a predetermined rate from the level of the magnetizing current IM as shown in the following equation until the switch Q1 is switched off.

【0027】[0027]

【数3】 [Equation 3]

【0028】[0028]

【数4】 [Equation 4]

【0029】但し、VO'=一次側に反射された出力電
圧、VC =キャパシタC3に印加する一定の直流電圧、
iL =一次側インダクタンス電流である。
However, VO '= output voltage reflected on the primary side, VC = constant DC voltage applied to the capacitor C3,
iL = primary-side inductance current.

【0030】直ちに、インダクタLはキャパシタC1,
C2と共振し、コンバータは図4bのモード2の状態と
なる。初めにFETS1に流れる電流は切換えられ、キ
ャパシタC1,C2をそれぞれ充電/放電する。キャパ
シタC1はFETS1に対して無損失スナバとして作用
し、これによって、スイッチがターンオフの状態で、ソ
フトスイッチングが達成される。普通キャパシタC1,
C2は非常に小さな値であるため、この共振が持続して
いる時間は通常、非常に短い。最初に入力供給電圧VS
が印加されるキャパシタC2は放電してゼロボルトとな
り、キャパシタC1は充電して入力電圧VS となる。キ
ャパシタC2が完全に放電すると、回路は図4cのモー
ド3に移行して、スイッチQ2のダイオードD2が導通
し始める。その後、インダクタ電流iL がその極性を変
える前に、FETS2はゼロ電圧スイッチングを行う。
ここで、インダクタ電流iL は、次の数式に示す下降傾
斜をなす。
Immediately, the inductor L becomes the capacitor C1,
Resonating with C2, the converter is in the mode 2 state of Figure 4b. First, the current flowing through the FET S1 is switched to charge / discharge the capacitors C1 and C2, respectively. Capacitor C1 acts as a lossless snubber for FET S1, thereby achieving soft switching with the switch turned off. Ordinary capacitor C1,
Since C2 is a very small value, the duration of this resonance is usually very short. First, the input supply voltage VS
The capacitor C2 to which is applied discharges to zero volts, and the capacitor C1 charges to the input voltage VS. When the capacitor C2 is completely discharged, the circuit moves to mode 3 in FIG. 4c and the diode D2 of the switch Q2 starts to conduct. Thereafter, before the inductor current iL changes its polarity, FETS2 performs zero voltage switching.
Here, the inductor current iL has a descending slope shown in the following equation.

【0031】[0031]

【数5】 [Equation 5]

【0032】このモードは、インダクタ電流iL が磁化
電流IM と等しくなり、ダイオードD3を流れる電流i
D3がゼロアンペアに一致するまで継続する。この状態か
ら、ブロッキングキャパシタC3の電圧VC (D×VS
)が、一次側に反射された出力電圧VO'よりも大きい
か、あるいは小さいかによって、回路は図4dのモード
4、あるいは、図4gのモード7のいずれかに移行す
る。おそらく、デューティーの小さい軽負荷状態であれ
ば、ブロッキングキャパシタC3の電圧Vcは一次側に
反射された出力電圧VO'よりも小さくなり、結果的に回
路はモード7に移行することになる。一方、ブロッキン
グキャパシタC3の電圧Vcが一次側に反射された出力
電圧VO'よりも大きければ、モード4に移行することに
なる。図4dのモード4に移行するものと仮定すると、
ダイオードD4は導通し始める。インダクタ電流iL
は、次の数式に示す新たな割合で下降傾斜する。
In this mode, the inductor current iL becomes equal to the magnetizing current IM and the current i flowing through the diode D3 is
Continue until D3 matches zero amps. From this state, the voltage VC of the blocking capacitor C3 (D × VS
) Is greater or less than the output voltage VO 'reflected on the primary side, the circuit transitions to either mode 4 of Figure 4d or mode 7 of Figure 4g. Probably, in the light load state where the duty is small, the voltage Vc of the blocking capacitor C3 becomes smaller than the output voltage VO 'reflected on the primary side, and as a result, the circuit shifts to the mode 7. On the other hand, if the voltage Vc of the blocking capacitor C3 is larger than the output voltage VO 'reflected on the primary side, the mode 4 is entered. Assuming a transition to mode 4 of Figure 4d,
The diode D4 begins to conduct. Inductor current iL
Slops down at a new rate as shown in the following equation.

【0033】[0033]

【数6】 [Equation 6]

【0034】FETS2がターンオフするとこのモード
は停止し、回路は図4eのモード5に移行する。再度こ
のモード5においては、インダクタLがキャパシタC
1,C2と共振するが、モード2と比較して反対の方向
をなす。このモードにおいては、FETS2はソフトに
ターンオンするとともに、FETS1は無損失状態でタ
ーンオンする。キャパシタC1の電圧がゼロボルトに達
すると、直ちにダイオードD1は導通し始め、かつ、回
路は図4fのモード6になる。このポイントでは、イン
ダクタ電流iL が再び磁化電流IM と等しくなり、ダイ
オードD4を流れる電流iD4がゼロに減少するまで、イ
ンダクタ電流iL は次の数式のように上昇傾斜して、回
路はその動作の1サイクルを完了する。
When FETS2 is turned off, this mode ceases and the circuit transitions to mode 5 in Figure 4e. Again in this mode 5, the inductor L is connected to the capacitor C.
1 and C2 resonate, but in the opposite direction compared to mode 2. In this mode, FETS2 turns on softly and FETS1 turns on losslessly. As soon as the voltage on the capacitor C1 reaches zero volts, the diode D1 begins to conduct and the circuit goes into mode 6 in FIG. 4f. At this point, until the inductor current iL again equals the magnetizing current IM and the current iD4 through the diode D4 decreases to zero, the inductor current iL ramps up as Complete the cycle.

【0035】[0035]

【数7】 [Equation 7]

【0036】モード3に引続き、ブロッキングキャパシ
タC3の電圧VC が一次側に反射された出力電圧VO'と
等しいか、あるいはそれ以下の場合には、回路は選択的
に図4gのモード7に移行する。磁化インダクタンスL
M はインダクタLよりもはるかに大きいため、トランス
T1の電圧VX はブロッキングキャパシタC3の電圧V
C の負電圧に等しくなる。磁化インダクタンスLM は大
きく、これによって、インダクタ電流iL は次の数式の
ように減少して略ゼロとなる。
Following Mode 3, if the voltage VC on blocking capacitor C3 is less than or equal to the output voltage VO 'reflected on the primary side, the circuit selectively transitions to Mode 7 of FIG. 4g. . Magnetizing inductance L
Since M is much larger than the inductor L, the voltage VX of the transformer T1 is the voltage VX of the blocking capacitor C3.
Equal to the negative voltage on C. The magnetizing inductance LM is large, and as a result, the inductor current iL decreases as shown by the following equation and becomes substantially zero.

【0037】[0037]

【数8】 [Equation 8]

【0038】したがって、インダクタ電流iL は略一定
値を示し、磁化電流IM と等しくなる。そして、スイッ
チQ2が再びスイッチオフとなるまで、この一定の状態
を保持する。その後、回路は図4bのモード2に移行
し、インダクタLは再度キャパシタC1,C2と共振す
る。キャパシタC2に印加する電圧がゼロボルトに達す
ると回路はモード1に戻り、これによってその動作の1
サイクルが完了する。
Therefore, the inductor current iL exhibits a substantially constant value and becomes equal to the magnetizing current IM. Then, this constant state is maintained until the switch Q2 is switched off again. The circuit then transitions to mode 2 in Figure 4b, where the inductor L resonates with the capacitors C1, C2. When the voltage applied to capacitor C2 reaches zero volts, the circuit returns to mode 1, which causes it to operate at one
The cycle is complete.

【0039】上述のように、図1の回路は固定されたデ
ューティーサイクルDの下で、周波数を可変制御しなが
ら動作することも可能である。デューティーサイクルD
はあらゆる値となり得るが、実効電流が最低となり、し
かも、これによって最高の効率を達成する約50%程度
のデューティーDが賢明である、しかしながら、IEE
E パワーエレクトロニクス会報 Vol.4,NO.
4,1987年10月号の第459〜469頁、M.
M.ヨバノビッチ,W.A.ダビッツ,F.C.リーに
よる、「ゼロ電圧スイッチング準共振形およびマルチ共
振形技術を用いた高周波オフラインパワー変換」に記載
されたハーフブリッジ型のゼロ電圧スイッチング準共振
形コンバータにおいては、周波数制御の方法が、入力電
圧VS や負荷RL の変動のために広い周波数の範囲上に
及ぶ可能性がある。したがって、この制御方法は、制限
された負荷範囲における利用に対してのみ、良い候補と
なる。
As mentioned above, the circuit of FIG. 1 can also be operated under a fixed duty cycle D with variable frequency control. Duty cycle D
Can be any value, but the effective current is the lowest, and a duty D of about 50%, which achieves the highest efficiency by this, is sensible. However, IEEE
E Power Electronics Bulletin Vol. 4, NO.
4, October 1987, pages 459-469, M.S.
M. Jovanovich, W. A. Davids, F.F. C. In the half-bridge type zero-voltage switching quasi-resonant converter described in "High-frequency offline power conversion using zero-voltage switching quasi-resonant type and multi-resonant type technology" by Lee, the frequency control method uses an input voltage VS. And can vary over a wide frequency range due to variations in load RL. Therefore, this control method is only a good candidate for use in a limited load range.

【0040】上述の周波数範囲が広いという問題点を解
決するために提案された方法は、入力電圧VS の変動に
対してのみ変化する、周波数制御の機構を紹介するため
のものである。これは、制御する周波数の範囲をより狭
くさせるものである、すなわち、コンバータは、PWM
制御の下で負荷変動に対して動作する。
The method proposed to solve the above-mentioned problem of the wide frequency range is to introduce a frequency control mechanism that changes only in response to fluctuations in the input voltage VS. This causes the range of frequencies to be controlled to be narrower, i.e. the converter is PWM
Operates against load variations under control.

【0041】また、FETS1がオン、FETS2がオ
フの状態では、FETS2のソース・ドレイン間電圧
は、入力電圧VS にスイッチQ1のダイオードD1によ
る電圧降下分が加えられるとともに、FETS1がオ
フ、FETS2がオンの状態においても、FETS1の
ソース・ドレイン間電圧は、同様に入力電圧VS にスイ
ッチQ2のダイオードD2による電圧降下分が加えられ
る。すなわち、FETS1,S2のソース・ドレイン間
は、いかなる場合においても、キャパシタC3の充放電
電圧が直接印加されることがなく、各FETS1,S2
に対する電圧ストレスは、従来例の回路に比べてはるか
に小さくなる。
When the FETS1 is on and the FETS2 is off, the source-drain voltage of the FETS2 is the input voltage VS plus a voltage drop due to the diode D1 of the switch Q1, and the FETS1 is off and the FETS2 is on. In this state, the source-drain voltage of the FET S1 is similarly added to the input voltage VS by the voltage drop due to the diode D2 of the switch Q2. That is, the charge / discharge voltage of the capacitor C3 is not directly applied between the source and drain of the FETs S1 and S2 in any case, and the FETs S1 and S2 are not directly applied.
The voltage stress on the circuit is much smaller than that of the conventional circuit.

【0042】次に、図1に示す回路に対する実験結果に
ついて説明する。新規なソフトスイッチコンバータとし
て、出力50Wのコンバータが、入力範囲42V〜63
V、出力5V、負荷範囲0〜10A用に設計される。パ
ワーステージ用に使用された各部品は、以下の表の通り
である。
Next, experimental results for the circuit shown in FIG. 1 will be described. As a new soft switch converter, a converter with an output of 50 W has an input range of 42 V to 63
Designed for V, output 5V, load range 0-10A. The parts used for the power stage are shown in the table below.

【0043】[0043]

【表1】 [Table 1]

【0044】図5は、図1における回路の電流並びに電
圧波形である。図中、上段はインダクタ電流iL 、中段
はスイッチQ1のゲート・ソース間電圧VGS1 およびド
レイン・ソース間電圧VDS1 、下段はスイッチQ2のゲ
ート・ソース間電圧VGS2 およびドレイン・ソース間電
圧VDS2 であり、各波形は入力42V、出力5V、およ
び負荷範囲10Aの条件の下で測定されたものである。
さらに、デューティーは動作状態において約50%であ
る。
FIG. 5 shows current and voltage waveforms of the circuit in FIG. In the figure, the upper stage is the inductor current iL, the middle stage is the gate-source voltage VGS1 and the drain-source voltage VDS1 of the switch Q1, and the lower stage is the gate-source voltage VGS2 and the drain-source voltage VDS2 of the switch Q2. Waveforms were measured under conditions of 42V input, 5V output, and 10A load range.
Further, the duty is about 50% in the operating state.

【0045】図5における上段の波形はインダクタ電流
iL のものであり、その形は理論的な分析において予測
された三角波形状をなす。図5の中段の電圧波形は、ス
イッチQ1がターンオンする前にゼロに降下し、かつ、
ターンオン時に除々に上昇するスイッチQ1のドレイン
・ソース間電圧VDS1 を示している。これは、スイッチ
Q1に対して無損失スイッチングが行われていることを
証明するものである。一方、下段の波形は、スイッチQ
2に対してゼロ電圧スイッチングが行われていることを
示すものである。
The upper waveform in FIG. 5 is for the inductor current iL, and its shape is the triangular wave shape predicted in the theoretical analysis. The voltage waveform in the middle of FIG. 5 drops to zero before switch Q1 turns on, and
The drain-source voltage VDS1 of the switch Q1 gradually increases at turn-on. This proves that the switch Q1 is losslessly switched. On the other hand, the lower waveform shows the switch Q
It is shown that zero voltage switching is being performed on No. 2.

【0046】図6は各入力電圧VS における効率対出力
電力曲線を示している。実線はコンバータが入力電圧V
S 全体に対して、固定周波数動作の下で運転しているこ
とを示し、また、点線は異なる入力電圧VS に対して、
異なる周波数の下での動作を示している。この回路で
は、入力電圧VS が42V、周波数142kHz、全負
荷状態において、最も効率が良いことがわかる。これに
よって、ゲート駆動の損失を除いて、約85%の効率を
達成できる。しかし、入力電圧VS が50Vおよび63
Vにおける他の2本の実線は、入力電圧VS の増加によ
る効率の低下を示している。これは、より高い入力電圧
VS によって、全負荷状態で回路がより小さなデューテ
ィーで動作することに起因する。回路の実効電流は、デ
ューティーが約50%で入力電圧VS が42Vの時と比
較して高くなり、結果的に効率の悪化を招く。
FIG. 6 shows the efficiency vs. output power curve at each input voltage VS. The solid line indicates that the converter has input voltage V
For the whole S, it shows that it is operating under fixed frequency operation, and the dotted line is for different input voltage VS.
It shows operation under different frequencies. It can be seen that this circuit has the highest efficiency when the input voltage VS is 42 V, the frequency is 142 kHz, and the full load state. This allows an efficiency of about 85% to be achieved, excluding gate drive losses. However, if the input voltage VS is 50V and 63
The other two solid lines at V show a decrease in efficiency with increasing input voltage VS. This is because the higher input voltage VS causes the circuit to operate at a lower duty under full load conditions. The effective current of the circuit becomes higher than that when the duty is about 50% and the input voltage VS is 42V, and as a result, the efficiency is deteriorated.

【0047】点線は、スイッチング周波数をそれぞれ2
45kHzと335kHzに上昇した場合の、入力電圧
VS が50Vと43Vに対する改善された効率を示すも
のである。周波数の上昇によって、回路はより高いデュ
ーティーで実際に動作することが可能となり、回路の実
効電流を最終的に減少する。すなわち、スイッチング周
波数が入力電圧VS に基づいて変化するならば、回路に
とって好適である。
The dotted lines show the switching frequencies of 2
It shows the improved efficiency for input voltages VS of 50V and 43V when increasing to 45kHz and 335kHz. The increased frequency allows the circuit to actually operate at higher duty, ultimately reducing the effective current of the circuit. That is, it is suitable for the circuit if the switching frequency changes based on the input voltage VS.

【0048】次に、図7乃至図11に基づいて、本発明
の第2実施例を説明する。図7は誘導性フィルタータイ
プのトポロジーを示すものであり、図8は、提案された
非対称のデューティーサイクルPWM制御の下での、異
なる動作モードに対する各電流および電圧波形を示すも
のである。図1における出力側のフィルターは、容量性
から誘導性のフィルターに変更される。トランスT1の
二次側電流は整流され、インダクタLO と、キャパシタ
CO とにより構成される誘導性フィルターに供給され
る。この方式では、追加のインダクタLO が必要であ
る、本トポロジーにおける重要な利点とは、一次側およ
び二次側の電流が略方形波に近づくことにある。本実施
例における回路に対して提案された制御方法は、新規な
非対称タイプのパルス幅変調制御方法(D,1−D)で
あり、前述のハーフブリッジ型のゼロ電圧スイッチング
準共振形コンバータにおける、大きな制御周波数の変化
を伴うといった問題点を解決するものである。各スイッ
チQ1,Q2の動作時において、ゼロ電圧スイッチン
グ、一定の周波数、および低い電圧ストレスという第1
実施例における回路の特徴の殆どが、本回路に継続され
る。さらに、一次側および二次側の矩形の電流波形が、
より低い実効電流を与え、これによって、パワー半導体
素子やその他の素子に対して導通損を低くすることを可
能にする。概略の電圧変換比率は、次の数式のように示
される。
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 shows an inductive filter type topology and FIG. 8 shows each current and voltage waveform for different modes of operation under the proposed asymmetric duty cycle PWM control. The filter on the output side in FIG. 1 is changed from a capacitive filter to an inductive filter. The secondary side current of the transformer T1 is rectified and supplied to the inductive filter formed by the inductor L0 and the capacitor C0. An important advantage of this topology, which requires an additional inductor LO in this scheme, is that the primary and secondary currents approach a square wave. The control method proposed for the circuit in this embodiment is a novel asymmetric type pulse width modulation control method (D, 1-D), which is used in the half bridge type zero voltage switching quasi-resonant converter. This solves the problem that a large control frequency is changed. During operation of each switch Q1 and Q2, the first of zero voltage switching, constant frequency, and low voltage stress
Most of the features of the circuit in the embodiment are retained in this circuit. Furthermore, the rectangular current waveforms on the primary and secondary sides are
It provides a lower effective current, which allows lower conduction losses for power semiconductor devices and other devices. The approximate voltage conversion ratio is expressed by the following equation.

【0049】[0049]

【数9】 [Equation 9]

【0050】但し、D=Q1のデューティーサイクルで
ある。図8に示すように、回路はその動作を行うため
に、1個のシーケンスのみを備えているに過ぎないが、
本回路における実際の動作モードは、非常に複雑であ
る。しかしながら、これは、8つの基本的な動作モード
によって明確に説明され得るとともに、各トポロジー的
モードに対する説明図は、図7において示される。回路
1でキャパシタC3,磁化インダクタンスLM および順
電圧降下VF に対してなされた仮説を、次の説明におい
てそのまま使用する。
However, the duty cycle is D = Q1. As shown in FIG. 8, the circuit only has one sequence to perform its operation,
The actual operating mode in this circuit is very complicated. However, this can be clearly explained by the eight basic modes of operation, and an illustration for each topological mode is shown in FIG. The hypotheses made in the circuit 1 for the capacitor C3, the magnetizing inductance LM and the forward voltage drop VF are used as they are in the following description.

【0051】図9aに示すように、回路はモード1の状
態にあるものと仮定する。このモードにおいて、FET
S1はターンオンするとともに、FETS2はオフす
る。出力電流はダイオードD3を流れ、一次側インダク
タ電流iLはLoの傾斜に基づいて上昇傾斜する。この
傾斜は、次の数式のように近似される。
Assume that the circuit is in Mode 1 state, as shown in FIG. 9a. In this mode, the FET
The S1 turns on and the FET S2 turns off. The output current flows through the diode D3, and the primary-side inductor current iL rises and rises based on the inclination of Lo. This slope is approximated by the following equation.

【0052】[0052]

【数10】 [Equation 10]

【0053】但し、Lo=出力側フィルターのインダク
タンスである。FETS1がターンオフすると、回路は
図9bに示すモード2に移行し、インダクタLの連続電
流が、キャパシタC2,C1をリニアーに放電/充電す
る。キャパシタC2の電圧、すなわち入力電圧VS は、
素早くキャパシタC3の電圧Vcに放電され、一方、キ
ャパシタC1は(VS −VC )なる電圧に充電される。
その後、コンバータは図9cに示すモード3に移行し、
トランスT1の電圧Vxがゼロボルトにクランプされる
とともに、インダクタLはキャパシタC2の電圧がゼロ
ボルトに達するまでに、キャパシタC1,C2と共振す
る。キャパシタC1,C2の値が低く、しかも、インダ
クタ電流iL が適度に高いことから、モード2およびモ
ード3の間隔時間は通常、非常に短い。キャパシタC2
が放電してゼロボルトとなると、スイッチQ2のボディ
ーダイオードD2は電流を流し出す。ダイオードD2が
導通状態にある間、FETS2はターンオンされ、これ
によって、ゼロ電圧スイッチングが行われる。
However, Lo = the inductance of the output side filter. When FET S1 is turned off, the circuit moves to mode 2 shown in FIG. 9b, where the continuous current in inductor L discharges / charges capacitors C2 and C1 linearly. The voltage of the capacitor C2, that is, the input voltage VS is
The capacitor C3 is quickly discharged to the voltage Vc, while the capacitor C1 is charged to a voltage (VS-VC).
After that, the converter goes to mode 3 shown in Figure 9c,
The voltage Vx of the transformer T1 is clamped to zero volt, and the inductor L resonates with the capacitors C1 and C2 by the time the voltage of the capacitor C2 reaches zero volt. The interval time between mode 2 and mode 3 is usually very short because of the low values of capacitors C1 and C2 and the reasonably high inductor current iL. Capacitor C2
When is discharged to zero volt, the body diode D2 of the switch Q2 gives off a current. While diode D2 is conducting, FET S2 is turned on, which results in zero voltage switching.

【0054】ダイオードD2とFETS2との導通は、
図9dに示す本コンバータのモード4における動作を記
す。このモードでは、トランスT1は短絡状態のままで
あるため、双方の出力側ダイオードD3,D4は導通し
て、出力側インダクタLO のコアがリセットするのを可
能にする。このモードの間、一次側インダクタンスLの
電圧はVC でクランプされ、かつ、インダクタ電流iL
は次の数式に示すように、所定の割合で下降傾斜する。
The conduction between the diode D2 and the FET S2 is
The operation in Mode 4 of the present converter shown in FIG. 9d will be described. In this mode, the transformer T1 remains short circuited, so that both output side diodes D3, D4 are conducting, allowing the core of the output side inductor LO to reset. During this mode, the voltage of the primary side inductance L is clamped at VC and the inductor current iL
Is inclined downward at a predetermined rate as shown in the following formula.

【0055】[0055]

【数11】 [Equation 11]

【0056】このインダクタ電流iL が変化している
間、ダイオードD4を流れる電流iD4=iO となるま
で、ダイオードD3における電流iD3は下降傾斜し、一
方、ダイオードD4における電流iD4は上昇傾斜する。
図9eに示すモード5において、ダイオードD3は完全
にオフし、トランスT1の電圧VX は、ゼロボルトから
キャパシタC3の電圧VC の負電圧にその極性を反転す
る。このとき、インダクタ電流iL は、次の数式に示す
ような緩やかな割合でさらに下降傾斜する。
While the inductor current iL is changing, the current iD3 in the diode D3 slopes down, while the current iD4 in the diode D4 slopes up until the current iD4 = iO flowing through the diode D4.
In mode 5 shown in FIG. 9e, the diode D3 is completely turned off, and the voltage VX of the transformer T1 reverses its polarity from zero volt to the negative voltage of the voltage VC of the capacitor C3. At this time, the inductor current iL further declines and slopes at a gentle rate as shown in the following equation.

【0057】[0057]

【数12】 [Equation 12]

【0058】図9fに示すモード6においてS2はスイ
ッチオフし、モード2のように、負の連続インダクタ電
流iL がキャパシタC1/C2を(VS −VC )/Vc
なる電圧にそれぞれ充電/放電する。その後、図7gに
示すモード7に移行し、一方、キャパシタC2は共振に
よってVS に充電される。
In mode 6 shown in FIG. 9f, S2 is switched off and, as in mode 2, the negative continuous inductor current iL causes the capacitor C1 / C2 to become (VS -VC) / Vc.
Charge / discharge to each voltage. Thereafter, the mode 7 shown in FIG. 7g is entered, while the capacitor C2 is charged to VS by resonance.

【0059】ボディーダイオードD1が導通すると、ス
イッチQ1はモード8にてターンオンする。このモード
においては、モード4のように出力側フィルターのイン
ダクタLO がリセットされ得るように、トランスT1の
電圧VX が短絡される。しかしながら、このときのイン
ダクタ電流iL は,次の数式に示す割合で上昇傾斜す
る。
When body diode D1 conducts, switch Q1 turns on in mode 8. In this mode, the voltage VX of the transformer T1 is short-circuited so that the inductor LO of the output filter can be reset as in the mode 4. However, the inductor current iL at this time rises and inclines at the rate shown in the following equation.

【0060】[0060]

【数13】 [Equation 13]

【0061】ここに、動作全体のサイクルが完了する。
また、動作中においては、図1における回路と同様に、
FETS1がオン、FETS2がオフの状態では、FE
TS2のソース・ドレイン間電圧は、入力電圧VS にス
イッチQ1のダイオードD1による電圧降下分が加えら
れ、FETS1がオフ、FETS2がオンの状態では、
FETS1のソース・ドレイン間電圧は、入力電圧VS
にスイッチQ2のダイオードD2による電圧降下分が加
えられる。したがって、いかなる場合でも、FETS
1,S2のソース・ドレイン間にキャパシタC3の充放
電電圧が直接印加されず、各FETS1,S2への電圧
ストレスは、従来例の回路に比べてはるかに小さくな
る。
At this point, the cycle of the entire operation is completed.
Also, during operation, like the circuit in FIG.
When FETS1 is on and FETS2 is off, FE
As for the source-drain voltage of TS2, when the voltage drop due to the diode D1 of the switch Q1 is added to the input voltage VS, the FETS1 is off and the FETS2 is on,
The source-drain voltage of FETS1 is the input voltage VS
Is added to the voltage drop due to the diode D2 of the switch Q2. Therefore, in any case, FETS
Since the charging / discharging voltage of the capacitor C3 is not directly applied between the source and the drain of S1 and S2, the voltage stress on the FETs S1 and S2 becomes much smaller than that of the conventional circuit.

【0062】次に、本実施例における図7に示す回路の
実験結果について説明する。本実施例においては、図1
に示す回路に962nHの出力側インダクタLO を追加
することによって、同様に、出力50Wのコンバータが
設計される。変更点は、以下の表の通りである。
Next, experimental results of the circuit shown in FIG. 7 in this embodiment will be described. In this embodiment, FIG.
Similarly, a converter with an output of 50 W is designed by adding an output inductor L0 of 962 nH to the circuit shown in FIG. The changes are shown in the table below.

【0063】[0063]

【表2】 [Table 2]

【0064】図10は、図7に示す回路の電流および電
圧に対する実験波形を示すものである。図中、上段はイ
ンダクタ電流iL 、中段はスイッチQ1のゲート・ソー
ス間電圧VGS1 およびドレイン・ソース間電圧VDS1 、
下段はスイッチQ2のゲート・ソース間電圧VGS2 およ
びドレイン・ソース間電圧VDS2 である。図10におい
て、上段の波形はインダクタ電流iL のものである。下
段の4つの波形は、この回路も同様に、双方のスイッチ
Q1,Q2に対して、ゼロ電圧スイッチングが達成され
ていることを示すものである。
FIG. 10 shows experimental waveforms for the current and voltage of the circuit shown in FIG. In the figure, the upper stage is the inductor current iL, the middle stage is the gate-source voltage VGS1 and the drain-source voltage VDS1 of the switch Q1,
The lower row shows the gate-source voltage VGS2 and the drain-source voltage VDS2 of the switch Q2. In FIG. 10, the upper waveform is for the inductor current iL. The lower four waveforms show that this circuit also achieves zero voltage switching for both switches Q1, Q2.

【0065】図11は、各入力電圧VS における効率対
出力電力曲線を示している。この回路では、出力側が全
負荷電流時で、かつ、入力電圧VS が42Vの場合、効
率87.6%を達成する。しかしながら、第1実施例の
回路と同様に、入力電圧VSが高くなるにしたがって、
効率が低下する。すわわち、入力電圧VS が60Vでは
効率は87.1%になり、入力電圧VS が63Vでは効
率は85.8%になる。しかし、準方形波の形状をなす
電流によって、この低下はそれほど急激なものとはなら
ない。効率の低下は、入力電圧VS が高くなることによ
り、磁化電流IM のリプルがより高くなることに起因す
るものと推量する。
FIG. 11 shows the efficiency vs. output power curve at each input voltage VS. This circuit achieves an efficiency of 87.6% when the output side is at full load current and the input voltage VS is 42V. However, like the circuit of the first embodiment, as the input voltage VS increases,
Efficiency is reduced. That is, when the input voltage VS is 60V, the efficiency is 87.1%, and when the input voltage VS is 63V, the efficiency is 85.8%. However, due to the current in the form of a quasi-square wave, this drop is not very rapid. It is speculated that the decrease in efficiency is caused by the higher ripple of the magnetizing current IM due to the higher input voltage VS.

【0066】以上のように、上記各実施例では、共振回
路の一部分として、絶縁型トランスT1の漏れインダク
タンスと、MOS型FETS1,S2の寄生キャパシタ
ンスとを利用した、新規な非対称のPWM制御を伴う新
たなソフトスイッチコンバータが紹介された。図1およ
び図7における各実施例の回路は、いずれもFETS
1,S2がトーテムポール形に接続されているため、こ
のFETS1,S2のソース・ドレイン間に印加される
電圧は、入力電圧VS にダイオードD1,D2の電圧降
下分を加えたものに過ぎない。すなわち、FETS1,
S2に対する電圧ストレスは、従来例に比べてはるかに
小さいため、共振形コンバータの利点を損なうことな
く、より小さな定格電圧のFETS1,S2を使用する
ことが可能となり、しかも、同時にFETS1,S2の
オン抵抗も小さくなるため、トランスT1の一次側の電
力損失を減少させ、かつ、回路の全体的な効率を改良す
ることもできる。
As described above, in each of the above-described embodiments, as a part of the resonance circuit, a novel asymmetrical PWM control using the leakage inductance of the insulation type transformer T1 and the parasitic capacitance of the MOS type FETs S1 and S2 is involved. A new soft switch converter was introduced. The circuits of the respective embodiments in FIGS. 1 and 7 are FETS.
Since 1 and S2 are connected in a totem pole type, the voltage applied between the source and drain of these FETs S1 and S2 is only the input voltage VS plus the voltage drop of the diodes D1 and D2. That is, FETS1,
Since the voltage stress on S2 is much smaller than that of the conventional example, it is possible to use the FETs S1 and S2 having a smaller rated voltage without deteriorating the advantage of the resonant converter, and at the same time, turning on the FETs S1 and S2. Since the resistance is also reduced, the power loss on the primary side of the transformer T1 can be reduced and the overall efficiency of the circuit can be improved.

【0067】上記各回路における利点、効果は、次の通
りである。
The advantages and effects of the above circuits are as follows.

【0068】・図1に示す回路において、出力側ダイオ
ードD3,D4に対する電圧ストレスを低下でき、ダイ
オードD3,D4に対する導通損を低下することができ
る。
In the circuit shown in FIG. 1, the voltage stress on the output side diodes D3, D4 can be reduced, and the conduction loss for the diodes D3, D4 can be reduced.

【0069】・図7に示す回路において、回路の実効電
流を低下できるため、ダイオードD1,D2やMOS型
FETS1,S2に対する導通損を低下できる。
In the circuit shown in FIG. 7, since the effective current of the circuit can be reduced, the conduction loss for the diodes D1 and D2 and the MOS type FETs S1 and S2 can be reduced.

【0070】・各FETS1,S2がトーテムポール形
に接続されるため、このFETS1,S2に対する電圧
ストレスを低下できる。すなわち、MOS型FETS
1,S2の定格電圧および導通損を低く抑えることがで
きる。
Since the FETs S1 and S2 are connected in a totem pole type, the voltage stress on the FETs S1 and S2 can be reduced. That is, MOS type FETS
The rated voltage and conduction loss of 1 and S2 can be suppressed low.

【0071】・全負荷状態における、入力側の回路電流
を低下させることができる。すなわち、入力側の各素子
に対する電流ストレスを低下できる。
The circuit current on the input side can be reduced in the full load state. That is, the current stress on each element on the input side can be reduced.

【0072】・特に、図1に示す回路において、少ない
部品点数で構成できる。
In particular, the circuit shown in FIG. 1 can be constructed with a small number of parts.

【0073】・トランスT1に対して、正方向および負
方向に電流を流すことにより、このトランスT1のコア
を完全利用することが可能となる。
By passing a current in the positive and negative directions with respect to the transformer T1, it becomes possible to fully utilize the core of the transformer T1.

【0074】・負荷変動に対する動作周波数の固定化を
図ることができる。
It is possible to fix the operating frequency with respect to load fluctuations.

【0075】・無負荷を含む広範囲な負荷状態に対応で
きる。
A wide range of load conditions including no load can be handled.

【0076】・不完全な負荷状態であっても、全体の効
率が高い。
The overall efficiency is high even in an incompletely loaded state.

【0077】[0077]

【発明の効果】本発明は直流入力電源と、一次側と二次
側とを備えたトランスと、固有のキャパシタンスを含み
前記直流入力電源からの電力を選択的に前記トランスの
一次巻線に印加する第1のスイッチング手段と、前記ト
ランスの一次巻線と第1のスイッチング手段間に挿入接
続された容量性素子と、固有のキャパシタンスを含み前
記トランスの一次巻線と第1のスイッチング手段との直
列回路の両端に接続された第2のスイッチング手段と、
前記トランスの二次側に接続される整流回路と、この整
流回路に接続される容量性または誘導性のフィルター回
路とを備え、前記第1のスイッチング手段および第2の
スイッチング手段はそれぞれ所定の時間間隔で交互にス
イッチオンされ、かつ、その間にある一定のデッドバン
ドが存在するように構成されたものであり、共振形コン
バータの利点を損なうことなく、各スイッチング手段間
に加えられる電圧ストレスを最小にして、その定格電圧
を小さくすることの可能なDC/DCコンバータを提供
することができる。
According to the present invention, a DC input power supply, a transformer having a primary side and a secondary side, and an electric power from the DC input power supply including a specific capacitance are selectively applied to the primary winding of the transformer. Of the primary winding of the transformer, a capacitive element inserted and connected between the primary winding of the transformer and the first switching means, and a primary winding of the transformer including the inherent capacitance and the first switching means. Second switching means connected to both ends of the series circuit;
A rectifier circuit connected to the secondary side of the transformer and a capacitive or inductive filter circuit connected to the rectifier circuit are provided, and the first switching means and the second switching means are respectively provided for a predetermined time. It is configured to switch on alternately at intervals with a certain dead band in between, minimizing the voltage stress applied between each switching means without compromising the advantages of the resonant converter. Thus, it is possible to provide a DC / DC converter whose rated voltage can be reduced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】本発明の第1実施例を示す回路図である。FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention.

【図2】同上各部の波形図である。FIG. 2 is a waveform diagram of each part of the above.

【図3】同上各部の波形図である。FIG. 3 is a waveform diagram of each part of the same as above.

【図4】同上回路の動作状態を示す説明図である。FIG. 4 is an explanatory diagram showing an operating state of the same circuit.

【図5】同上回路の電流および電圧を示す波形図であ
る。
FIG. 5 is a waveform diagram showing current and voltage of the same circuit.

【図6】同上各入力電圧における効率対出力電力の特性
を示すグラフである。
FIG. 6 is a graph showing the characteristics of efficiency vs. output power at each input voltage.

【図7】本発明の第2実施例を示す回路図である。FIG. 7 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.

【図8】同上各部の波形図である。FIG. 8 is a waveform diagram of each part of the above.

【図9】同上回路の動作状態を示す説明図である。FIG. 9 is an explanatory diagram showing an operating state of the same circuit.

【図10】同上回路の電流および電圧を示す波形図であ
る。
FIG. 10 is a waveform diagram showing current and voltage of the same circuit.

【図11】同上各入力電圧における効率対出力電力の特
性を示すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing characteristics of efficiency vs. output power at each input voltage.

【図12】従来例を示す回路図である。FIG. 12 is a circuit diagram showing a conventional example.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

VS 直流入力電源 T1 トランス Q1 スイッチ(第1のスイッチ手段) Q2 スイッチ(第2のスイッチ手段) C3 キャパシタ(容量性素子) D3,D4 ダイオード(整流回路) CO キャパシタ(フィルター回路) LO インダクタ(フィルター回路) VS DC input power supply T1 transformer Q1 switch (first switch means) Q2 switch (second switch means) C3 capacitor (capacitive element) D3, D4 diode (rectifier circuit) CO capacitor (filter circuit) LO inductor (filter circuit) )

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 直流入力電源と、一次側と二次側とを備
えたトランスと、固有のキャパシタンスを含み前記直流
入力電源からの電力を選択的に前記トランスの一次巻線
に印加する第1のスイッチング手段と、前記トランスの
一次巻線と第1のスイッチング手段間に挿入接続された
容量性素子と、固有のキャパシタンスを含み前記トラン
スの一次巻線と第1のスイッチング手段との直列回路の
両端に接続された第2のスイッチング手段と、前記トラ
ンスの二次側に接続される整流回路と、この整流回路に
接続される容量性または誘導性のフィルター回路とを備
え、前記第1のスイッチング手段および第2のスイッチ
ング手段はそれぞれ所定の時間間隔で交互にターンオン
され、かつ、その間にある一定のデッドバンドが存在す
るように構成されたものであることを特徴とするDC/
DCコンバータ。
1. A direct current input power supply, a transformer having a primary side and a secondary side, and a first capacitance for selectively applying power from the direct current input power source to a primary winding of the transformer. Switching means, a capacitive element inserted and connected between the primary winding of the transformer and the first switching means, and a series circuit of the primary winding of the transformer and the first switching means including a specific capacitance. The second switching means connected to both ends, a rectifier circuit connected to the secondary side of the transformer, and a capacitive or inductive filter circuit connected to the rectifier circuit, the first switching The means and the second switching means are alternately turned on at predetermined time intervals, and there is a certain dead band between them. DC / characterized by being
DC converter.
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