JP6048167B2 - DCDC converter and power supply device including the DCDC converter - Google Patents
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Description
本発明は、インダクタとコンデンサとの共振を利用した電流共振型コンバータを備えた電源装置に関する。 The present invention relates to a power supply device including a current resonance type converter using resonance between an inductor and a capacitor.
スイッチング損失が小さく、高効率なDCDCコンバータとして、特許文献1に開示されているような電流共振型コンバータが知られている。図17は、一般的なハーフブリッジ構成の電流共振型コンバータを示した回路図である。この回路は、トランスT1の一次側にコンデンサCrとインダクタLrとからなる直列共振部を備えている。Lmは、トランスT1の励磁インダクタであり、この励磁インダクタLmとンデンサCrとの共振は、並列共振になる。トランスT1の二次側には、ダイオードD3とダイオードD4とからなる整流回路が構成されている。ダイオードD3とダイオードD4のアノードは、トランスT1の二次側巻線の両端にそれぞれ接続され、これらのカソードは双方ともコンデンサC4の正極側の端子に接続されている。トランスT1の二次側巻線はセンタータップを有し、このセンタータップはコンデンサC4の負極側の端子に接続されている。コンデンサC4に並列に接続された抵抗RLは負荷抵抗である。
As a DCDC converter having a small switching loss and high efficiency, a current resonance type converter as disclosed in
図18は、図17に示した電流共振型コンバータの各部の電圧波形と電流波形を示している。上から一番目と二番目の波形は、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のゲートに印加される駆動電圧の電圧波形をそれぞれ示し、三番目と四番目の波形は、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のドレイン・ソース間の電圧波形をそれぞれ示している。これらの電圧波形からも分かるように、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4は、ほぼ50%の時比率で、デッドタイムを挟んで交互にオンする。 FIG. 18 shows the voltage waveform and current waveform of each part of the current resonance type converter shown in FIG. The first and second waveforms from the top indicate the voltage waveforms of the drive voltages applied to the gates of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4, respectively. The third and fourth waveforms are the transistors (FET). The voltage waveforms between the drain and source of Q3 and transistor (FET) Q4 are shown respectively. As can be seen from these voltage waveforms, the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 are alternately turned on with a dead time between them at a time ratio of approximately 50%.
上から五番目と六番目の波形は、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4を流れる電流の電流波形をそれぞれ示し、上から七番目の波形は、コンデンサCrとインダクタLrを流れる共振電流Irの電流波形を示し、上から八番目の波形は、コンデンサCrの両端の電圧波形を示している。共振電流Irは、トランジスタ(FET)Q3がオンしているときは、トランジスタ(FET)Q3を流れ、トランジスタ(FET)Q4がオンしているときは、トランジスタ(FET)Q4を流れる。トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4は、それぞれのボディーダイオードを介して電流が流れているときにオンする。このようにスイッチングさせることにより、電圧と電流の重なりが少なくなり、高効率化、低ノイズ化が可能になる。上から九番目と十番目の波形は、ダイオードD3を流れる電流の電流波形とダイオードD4を流れる電流の電流波形をそれぞれ示している。これらの電流波形からも分かるように、トランジスタ(FET)Q3がオンしているときは、ダイオードD3に電流が流れ、トランジスタ(FET)Q4がオンしているときは、ダイオードD4に電流が流れる。尚、共振電流Irには励磁電流Imが含まれており、共振電流Irから励磁電流Imを差し引いた電流(斜線部分)だけがトランスT1を介して2次側に供給される。 The fifth and sixth waveforms from the top show the current waveforms of the currents flowing through the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4, respectively, and the seventh waveform from the top shows the resonance current Ir flowing through the capacitor Cr and the inductor Lr. The eighth waveform from the top indicates the voltage waveform across the capacitor Cr. The resonance current Ir flows through the transistor (FET) Q3 when the transistor (FET) Q3 is on, and flows through the transistor (FET) Q4 when the transistor (FET) Q4 is on. The transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 are turned on when current flows through the respective body diodes. By switching in this way, the overlap of voltage and current is reduced, and high efficiency and low noise can be achieved. The ninth and tenth waveforms from the top indicate the current waveform of the current flowing through the diode D3 and the current waveform of the current flowing through the diode D4, respectively. As can be seen from these current waveforms, a current flows through the diode D3 when the transistor (FET) Q3 is on, and a current flows through the diode D4 when the transistor (FET) Q4 is on. The resonance current Ir contains the excitation current Im, and only the current (hatched portion) obtained by subtracting the excitation current Im from the resonance current Ir is supplied to the secondary side via the transformer T1.
次に、トランスT1の一次側の回路に印加される入力電圧VinとランスT1の二次側の回路から出力される出力電圧Voの関係について説明する。図19は、図17に示した電流共振型コンバータの基本波周波数に着目した等価回路を示す回路図である。この等価回路で、電圧Vsの振幅は下記の式1で与えられ、電圧Vacの振幅は下記の式2で与えられ、等価負荷抵抗Racは下記の式3で与えられる。但し、nは、センタータップにより2つに分割されたそれぞれの二次側巻線の巻数を基準とした一次側巻線の巻数(一次側巻線の巻数:二次側巻線の巻数=n:1)である(一次側巻線の巻数:二次側巻線の巻数=n:1)。
次に、スイッチング周波数fswを変化させたときの電圧変換率Mの変化を、グラフを参照して説明する。図20は、λ=0.2のときのFと電圧変換率Mの関係を示したグラフであり、図21は、λ=0.5のときのFと電圧変換率Mの関係を示したグラフである。これらのグラフにおいて、電圧変換率Mは、fsw=f0のときの電圧変換率を1としたときの比率で示されている。また、図20と図21には、Q=0(Rac=∞)、Q=0.4(Rac=2.5×Z0)及びQ=0.8(Rac=1.25×Z0)のときのFと電圧変換率Mの関係がそれぞれ示されている。 Next, a change in the voltage conversion rate M when the switching frequency fsw is changed will be described with reference to a graph. FIG. 20 is a graph showing the relationship between F and voltage conversion rate M when λ = 0.2, and FIG. 21 shows the relationship between F and voltage conversion rate M when λ = 0.5. It is a graph. In these graphs, the voltage conversion rate M is shown as a ratio when the voltage conversion rate is 1 when fsw = f 0 . 20 and 21, Q = 0 (Rac = ∞), Q = 0.4 (Rac = 2.5 × Z 0 ), and Q = 0.8 (Rac = 1.25 × Z 0 ). The relationship between F and the voltage conversion rate M at this time is shown.
図20で、点Aは、スイッチング周波数fswが共振周波数f0と等しいときに対応する。式6からも分かるように、fsw=f0(F=1)のときは、Qの値に関わらず、電圧変換率Mは同じ値になる。点B1は、無負荷状態(Q=0つまりRac=∞)で、スイッチング周波数fswを振周波数f0の0.6倍の周波数(0.6×f0)にしたときに対応する。点B2は、無負荷状態(Q=0)で、スイッチング周波数fswを共振周波数f0の1.6倍の周波数(1.6×f0)にしたときに対応する。無負荷状態(Q=0)で、Fを0.6〜1.6の間で変化させた場合(スイッチング周波数fswを0.6×f0から1.6×f0までの間で変化させた場合)、電圧変換率Mは、点B1、点A及び点B2を通る曲線上で変化する。また、点C1は、Q=0.4の状態で、スイッチング周波数fswを振周波数f0の0.6倍の周波数(0.6×f0)にしたときに対応する。点C2は、Q=0.4の状態で、スイッチング周波数fswを共振周波数f0の1.6倍の周波数(1.6×f0)にしたときに対応する。Q=0.4の状態で、Fを0.6〜1.6の間で変化させた場合(スイッチング周波数fswを0.6×f0から1.6×f0までの間で変化させた場合)、電圧変換率Mは、点C1、点A及び点C2を通る曲線上で変化する。Q=0の曲線とQ=0.4の曲線の比較からも分かるように、スイッチング周波数fswが同じであっても、等価負荷抵抗Racが小さくなるにつれて、つまり、負荷抵抗RLが小さくなるにつれて、電圧変換率Mが小さくなる。
In Figure 20, point A, the switching frequency fsw corresponding to time equal to the resonant frequency f 0. As can be seen from
図21においても、図20と同様に、点Aは、スイッチング周波数fswが共振周波数f0と等しいときに対応する。点B1は、無負荷状態(Q=0つまりRac=∞)で、スイッチング周波数fswを振周波数f0の0.7倍の周波数(0.7×f0)にしたときに対応する。点B2は、無負荷状態(Q=0)で、スイッチング周波数fswを共振周波数f0の1.6倍の周波数(1.6×f0)にしたときに対応する。無負荷状態(Q=0)で、Fを0.7〜1.6の間で変化させた場合(スイッチング周波数fswを0.7×f0から1.6×f0までの間で変化させた場合)、電圧変換率Mは、点B1、点A及び点B2を通る曲線上で変化する。また、点C1は、Q=0.4の状態で、スイッチング周波数fswを振周波数f0の0.7倍の周波数(0.7×f0)にしたときに対応する。点C2は、Q=0.4の状態で、スイッチング周波数fswを共振周波数f0の1.6倍の周波数(1.6×f0)にしたときに対応する。Q=0.4の状態で、Fを0.7〜1.6の間で変化させた場合(スイッチング周波数fswを0.7×f0から1.6×f0までの間で変化させた場合)、電圧変換率Mは、点C1、点A及び点C2を通る曲線上で変化する。図21においても、図20と同様に、等価負荷抵抗Racが小さくなるにつれて、つまり、負荷抵抗RLが小さくなるにつれて、電圧変換率Mが小さくなる。 Also in FIG. 21, similarly to FIG. 20, point A, the switching frequency fsw corresponding to time equal to the resonant frequency f 0. The point B1 corresponds to a case where the switching frequency fsw is set to a frequency (0.7 × f 0 ) that is 0.7 times the oscillation frequency f 0 in a no-load state (Q = 0, that is, Rac = ∞). Point B2 is in the unloaded state (Q = 0), corresponding to when the 1.6 times the frequency of the switching frequency fsw resonance frequency f 0 (1.6 × f 0) . When F is changed between 0.7 and 1.6 in the no-load state (Q = 0) (switching frequency fsw is changed between 0.7 × f 0 and 1.6 × f 0 ) The voltage conversion rate M changes on a curve passing through the points B1, A, and B2. Also, point C1 is in the state of Q = 0.4, corresponding to when the 0.7 times the frequency of the frequency f 0 oscillation switching frequency fsw (0.7 × f 0). The point C2 corresponds to the case where the switching frequency fsw is 1.6 times the resonance frequency f 0 (1.6 × f 0 ) in the state of Q = 0.4. When F is changed between 0.7 and 1.6 with Q = 0.4 (switching frequency fsw is changed between 0.7 × f 0 and 1.6 × f 0 ), The voltage conversion rate M changes on a curve passing through the points C1, A and C2. In FIG. 21, as in FIG. 20, the voltage conversion rate M decreases as the equivalent load resistance Rac decreases, that is, as the load resistance RL decreases.
ここで、λ=0.2のときのグラフ(図20)とλ=0.5のときのグラフ(図21)の比較、又は式6からも分かるように、Fが1より大きい範囲では、電圧変換率Mは、λが大きくなるにつれて小さくなる。従って、出力電圧Voの調整可能範囲の下限を低くしたい場合には、λを大きくすればよい。しかしながら、λを大きくするために、励磁インダクタを小さくすると、励磁インダクタを流れる励磁電流Imが増加し、トランジスタ(FET)Q3、トランジスタ(FET)Q4の導通損失及びトランスT1の1次側銅損が増加してしまう。このように、図17に示した電流共振型コンバータ単独では、高効率化と、下限側の出力電圧調整可能範囲の拡大の双方を達成することができない。
Here, as can be seen from the comparison between the graph when λ = 0.2 (FIG. 20) and the graph when λ = 0.5 (FIG. 21), or from
次に、降圧コンバータと電流共振型コンバータを直列に接続して構成されたコンバータについて説明する。特許文献2に開示されているように、前段のコンバータ(降圧コンバータ)で出力電圧の制御を行い、後段のコンバータ(ハーフブリッジ構成のコンバータ)を一定の電圧変換率で動作させる技術が一般に知られている。図22は、この技術を電流共振型コンバータに適用した場合の回路図である。この回路は、力率改善回路11、降圧コンバータ12、電流共振型コンバータ13、第1の制御回路14、第2の制御回路15及び指令電圧生成回路16により構成されている。
Next, a converter configured by connecting a step-down converter and a current resonance type converter in series will be described. As disclosed in
力率改善回路11は、交流電圧を全波整流するダイオードブリッジBD1と、電流波形を電圧波形に相似な正弦波の波形に整形する昇圧チョッパー回路とで構成されている。この昇圧チョッパー回路は、インダクタL1、トランジスタ(FET)Q1、ダイオードD1及びコンデンサC1により構成されている。第1の制御回路14は、コンデンサC1とダイオードD1の接続部に生成される電圧Vpが所定の電圧値になるようにトランジスタ(FET)Q1のオンオフを制御する。
The power
降圧コンバータ12は、トランジスタ(FET)Q2、ダイオードD2、インダクタL2及びコンデンサC2により構成されている。この降圧コンバータ12は、電圧Vpを降圧して、コンデンサC2とインダクタL2の接続部の電圧である電圧Vbを生成する。第2の制御回路15は、電流共振型コンバータ13から出力される出力電圧Voを指令電圧生成回路16から与えられる目標電圧Vtgtに一致させるように、トランジスタ(FET)Q2のオン期間を制御する。つまり、第2の制御回路15は、出力電圧Voと目標電圧Vtgtに基づいてトランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を調整する。この第2の制御回路15が行うPWM(Pulse Width Modulation)制御により出力電圧Voの調整が行われる。
The step-
電流共振型コンバータ13は、ランジスタ(FET)Q3、トランジスタ(FET)Q4、コンデンサC3、インダクタL3、トランスT1、ダイオードD3、ダイオードD4及びコンデンサC4により構成されている。この電流共振型コンバータ13は、所定の電圧変換率で動作する。例えば、トランジスタ(FET)Q3及びトランジスタ(FET)Q4は、共振周波数f0でオンオフするように設定される。トランジスタ(FET)Q3及びトランジスタ(FET)Q4を共振周波数f0でオンオフさせた場合、負荷抵抗が変動しても電圧変換率が変化しないため、電流共振型コンバータ13に入力される電圧Vbは、常に、一定の電圧変換率で変換される。そして、変換された電圧は、出力電圧Voとして出力される。
The current
このように、トランジスタ(FET)Q3及びトランジスタ(FET)Q4を、共振周波数f0でオンオフさせた場合、電流共振型コンバータ13に入力された電圧Vbは、常に、一定の電圧変換率で変換されるので、降圧コンバータ12により電流共振型コンバータ13に入力される電圧Vbが調整されれば、それに応じて出力電圧Voも調整される。
Thus, the transistor (FET) Q3 and a transistor (FET) Q4, when turns on and off at the resonance frequency f 0, the voltage Vb which is input to the current
上記のように降圧コンバータ12と電流共振型コンバータ13を直列に接続して構成されたコンバータの場合、電流共振型コンバータ13のλを小さい値に設定することができるため、電流共振型コンバータ13の効率を高くすることができる。また、電流共振型コンバータ13に入力される電圧Vbを降圧コンバータ12によって調整することができるので、出力電圧Voの調整可能範囲の下限を低くすることもできる。しかしながら、降圧コンバータ12でのスイッチング損失を低減しなければ、回路全体としての高効率化を図ることができない。
In the case of a converter configured by connecting the step-
そこで、本発明は、降圧コンバータと電流共振型コンバータを直列に接続して構成されたDCDCコンバータを備えた電源装置において、降圧コンバータでのスイッチング損失を低減させることを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to reduce switching loss in a step-down converter in a power supply device including a DCDC converter configured by connecting a step-down converter and a current resonance type converter in series.
本発明に係る第1のDCDCコンバータは、降圧動作を停止しているときに入力電圧と等しい電圧値の出力電圧を出力し、降圧動作を行っているときに入力電圧より低い電圧値の出力電圧を出力する降圧コンバータと、共振電流が流れるスイッチング素子のスイッチング周波数により電圧変換率が調整される共振型コンバータと、前記共振型コンバータから出力される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記出力電圧検出回路により検出される出力電圧に基づいて前記降圧コンバータと前記共振型コンバータの動作を制御する制御回路を備え、前記降圧コンバータは、前記共振型コンバータの前段に接続され、前記制御回路は、前記共振型コンバータのスイッチング周波数を第1の所定周波数から当該第1の所定周波数よりも大きい第2の所定周波数までの間で変化させることにより、前記共振型コンバータの電圧変換率を調整する第1の制御と、前記スイッチング周波数が前記第2の所定周波数に到達したときにだけ、前記降圧コンバータに降圧動作を行わせ、当該降圧動作における降圧比を調整する第2の制御とを行うように構成されている。 The first DCDC converter according to the present invention outputs an output voltage having a voltage value equal to the input voltage when the step-down operation is stopped, and an output voltage having a voltage value lower than the input voltage when performing the step-down operation. A voltage step-down converter, a resonant converter in which a voltage conversion rate is adjusted by a switching frequency of a switching element through which a resonant current flows, an output voltage detection circuit that detects an output voltage output from the resonant converter, and the output A control circuit for controlling the operation of the step-down converter and the resonant converter based on an output voltage detected by a voltage detection circuit; the step-down converter is connected to a preceding stage of the resonant converter; The switching frequency of the resonant converter is changed from a first predetermined frequency to a first frequency greater than the first predetermined frequency. The first step of adjusting the voltage conversion rate of the resonant converter by changing between the predetermined frequency and the step-down converter only when the switching frequency reaches the second predetermined frequency. The step-down operation is performed, and the second control for adjusting the step-down ratio in the step-down operation is performed.
また、本発明に係る第2のDCDCコンバータは、降圧動作を停止しているときに入力電圧と等しい電圧値の出力電圧を出力し、降圧動作を行っているときに入力電圧より低い電圧値の出力電圧を出力する降圧コンバータと、共振電流が流れるスイッチング素子のスイッチング周波数により電圧変換率が調整される共振型コンバータと、前記共振型コンバータから出力される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記出力電圧検出回路により検出される出力電圧に基づいて前記降圧コンバータと前記共振型コンバータの動作を制御する制御回路を備え、前記降圧コンバータは、前記共振型コンバータの前段に接続され、前記制御回路は、前記共振型コンバータのスイッチング周波数を第1の所定周波数から当該第1の所定周波数よりも大きい第2の所定周波数までの間で変化させることにより、前記共振型コンバータの電圧変換率を所定の最小電圧変換率以上の範囲で調整する第1の制御と、前記電圧変換率が前記所定の最小電圧変換率に到達したときにだけ、前記降圧コンバータに降圧動作を行わせ、当該降圧動作における降圧比を調整する第2の制御とを行うように構成されている。 The second DCDC converter according to the present invention outputs an output voltage having a voltage value equal to the input voltage when the step-down operation is stopped, and has a voltage value lower than the input voltage when the step-down operation is performed. A step-down converter that outputs an output voltage; a resonant converter that adjusts a voltage conversion rate according to a switching frequency of a switching element through which a resonant current flows; an output voltage detection circuit that detects an output voltage output from the resonant converter; A control circuit that controls operations of the step-down converter and the resonant converter based on an output voltage detected by the output voltage detection circuit, the step-down converter being connected to a preceding stage of the resonant converter; The switching frequency of the resonant converter is increased from the first predetermined frequency to the first predetermined frequency. A first control for adjusting a voltage conversion rate of the resonant converter in a range equal to or higher than a predetermined minimum voltage conversion rate by changing between the first predetermined frequency and the second predetermined frequency; Only when the minimum voltage conversion rate is reached, the step-down converter performs the step-down operation and performs the second control for adjusting the step-down ratio in the step-down operation.
また、本発明に係る第3のDCDCコンバータは、降圧動作を停止しているときに入力電圧と等しい電圧値の出力電圧を出力し、降圧動作を行っているときに入力電圧より低い電圧値の出力電圧を出力する降圧コンバータと、共振電流が流れるスイッチング素子のスイッチング周波数により電圧変換率が調整される共振型コンバータと、前記共振型コンバータから出力される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、前記共振型コンバータから出力される出力電圧の目標値を出力する指令電圧生成回路と、前記出力電圧検出回路により検出される出力電圧と前記指令電圧生成回路から出力される目標値に基づいて前記降圧コンバータと前記共振型コンバータの動作を制御する制御回路を備え、前記降圧コンバータは、前記共振型コンバータの前段に接続され、前記制御回路は、前記共振型コンバータのスイッチング周波数を第1の所定周波数から当該第1の所定周波数よりも大きい第2の所定周波数までの間で変化させることにより、前記共振型コンバータの電圧変換率を調整する第1の制御と、前記指令電圧生成回路から出力される目標値が所定値以下になったときだけ、前記降圧コンバータに降圧動作を行わせ、当該降圧動作における降圧比を調整する第2の制御とを行うように構成され、前記降圧動作における降圧比は、前記指令電圧生成回路から出力される目標値に基づいて決定される。 The third DCDC converter according to the present invention outputs an output voltage having a voltage value equal to the input voltage when the step-down operation is stopped, and has a voltage value lower than the input voltage when performing the step-down operation. A step-down converter that outputs an output voltage; a resonant converter that adjusts a voltage conversion rate according to a switching frequency of a switching element through which a resonant current flows; an output voltage detection circuit that detects an output voltage output from the resonant converter; A command voltage generation circuit that outputs a target value of an output voltage output from the resonant converter, and the step-down based on an output voltage detected by the output voltage detection circuit and a target value output from the command voltage generation circuit A control circuit for controlling the operation of the converter and the resonant converter, and the step-down converter includes: Connected to a stage, and the control circuit changes the switching frequency of the resonant converter from a first predetermined frequency to a second predetermined frequency that is higher than the first predetermined frequency. The first control for adjusting the voltage conversion rate of the converter, and the step-down converter performs the step-down operation only when the target value output from the command voltage generation circuit becomes a predetermined value or less, and the step-down operation in the step-down operation The step-down ratio in the step-down operation is determined based on a target value output from the command voltage generation circuit.
また、本発明に係る第1から3のDCDCコンバータにおいて、前記降圧コンバータは、前記共振型コンバータの後段に接続され、前記出力電圧検出回路は、前記共振型コンバータから出力される出力電圧に代えて、前記降圧コンバータから出力される出力電圧を検出するようにしてもよい。 In the first to third DCDC converters according to the present invention, the step-down converter is connected to a subsequent stage of the resonant converter, and the output voltage detection circuit is replaced with an output voltage output from the resonant converter. The output voltage output from the step-down converter may be detected.
また、本発明に係る電源装置は、上記DCDCコンバータのうちのいずれかのDCDCコンバータを備える。 Moreover, the power supply device which concerns on this invention is provided with the DCDC converter in any one of the said DCDC converters.
本発明に係るコンバータよれば、当該コンバータの一部をなす降圧コンバータは、電流共振型コンバータのスイッチング周波数が所定の周波数に到達したとき、電流共振型コンバータの電圧変換率が所定の値に到達したとき、又は電流共振型コンバータから出力される出力電圧Vの目標値が所定の電圧値以下になったときにだけ降圧動作を開始するように設定されているので、常に降圧コンバータが降圧動作を行っている電源装置よりも、降圧コンバータでのスイッチング損失を低減させることができる。また、降圧コンバータに降圧動作を行わせる期間を抑えつつ、出力電圧の調整可能範を広げることができる。 According to the converter of the present invention, in the step-down converter that forms part of the converter, when the switching frequency of the current resonant converter reaches a predetermined frequency, the voltage conversion rate of the current resonant converter reaches a predetermined value. Is set to start the step-down operation only when the target value of the output voltage V output from the current resonance type converter becomes equal to or lower than the predetermined voltage value, so that the step-down converter always performs the step-down operation. The switching loss in the step-down converter can be reduced as compared with the power supply device. Further, the adjustable range of the output voltage can be expanded while suppressing the period during which the step-down converter performs the step-down operation.
以下、本発明の電源装置を実施するための形態を、図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments for implementing a power supply device of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る電源装置を示した回路図である。この電源装置は、力率改善回路1、降圧コンバータ2、電流共振型コンバータ3、第1の制御回路4、第2の制御回路5及び指令電圧生成回路6により構成されている。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a power supply device according to the present invention. The power supply device includes a power
力率改善回路1は、交流電圧を全波整流するダイオードブリッジBD1と、電流波形を電圧波形に相似な正弦波の波形に整形する昇圧チョッパー回路とで構成されている。この昇圧チョッパー回路は、インダクタL1、トランジスタ(FET)Q1、ダイオードD1及びコンデンサC1により構成されている。第1の制御回路4は、コンデンサC1とダイオードD1の接続部に生成される電圧Vpが所定の電圧値になるようにトランジスタ(FET)Q1のオンオフを制御する。Vcは、100Vの商用電源であり、電圧Vpは370〜390Vの範囲内の電圧値、例えば、380Vに設定される。
The power
降圧コンバータ2は、トランジスタ(FET)Q2、ダイオードD2、インダクタL2及びコンデンサC2により構成されている。降圧コンバータ2は、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswが所定の周波数に到達したとき、電流共振型コンバータ3の電圧変換率が所定の値に到達したとき、又は電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voの目標値(目標電圧Vtgt)が所定の電圧値以下になったときに降圧動作を開始する。降圧コンバータ2が降圧動作を開始すると、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率が1未満となるため、コンデンサC2とインダクタL2の接続部の電圧である電圧Vbは、電圧Vpよりも低い電圧値になる。降圧コンバータ2が降圧動作を停止しているときには、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率は1に維持され(トランジスタ(FET)Q2はオン状態に維持され)、電圧Vbと電圧Vpは同じ電圧値になる。
The step-down
電流共振型コンバータ3は、トランジスタ(FET)Q3、トランジスタ(FET)Q4、コンデンサC3、インダクタL3、トランスT1、ダイオードD3、ダイオードD4及びコンデンサC4により構成されている。この電流共振型コンバータ3においては、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4が、ほぼ50%の時比率で、デッドタイムを挟んで交互にオンする。このスイッチング動作により、コンデンサC3及びインダクタL3には共振電流が流れる。そして、電流共振型コンバータ3における電圧変換率は、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4がオンオフするスイッチング周波数を変化させることにより、調整することができる。
The current
第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを指令電圧生成回路6から与えられる目標電圧Vtgtに一致させるように、降圧コンバータ2の時比率(トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率)と電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fsw(トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4がオンオフするスイッチング周波数)を制御する。この制御を、図面を参照して説明する。尚、以下の説明おいて、直列共振に関わるインダクタLrと並列共振に関わるインダクタLmによって決まるλ(=Lr/Lm)は、0.2に設定されているものとする。また、共振周波数f0は、コンデンサC3とインダクタLrとの直列共振における共振周波数である。
The second control circuit 5 adjusts the time ratio (transistor (FET) Q2) of the step-down
図2及び図3を参照して第1の実施例を説明する。図2は、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数と電圧変換率の関係を示したグラフである。Q(=Z0/Rac)は、等価負荷抵抗Racと特性インピーダンスZ0により決まる値である。このグラフで、横軸は共振周波数f0を基準としたスイッチング周波数fswの比率F(=fsw/f0)で示されており、縦軸はスイッチング周波数fswが共振周波数f0と等しいときの電圧変換率(Vo/Vb)を基準とした電圧変換率Mで示されている。従って、fsw=f0のとき、F及びMは共に1になる。
The first embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 2 is a graph showing the relationship between the switching frequency of the current
グラフ上の点Aは、スイッチング周波数fswが共振周波数f0と等しいときに対応する。fsw=f0(F=1)のときは、Qの値に関わらず、電圧変換率Mは同じ値になる。点B1は、無負荷状態(Q=0つまりRac=∞)で、スイッチング周波数fswを共振周波数f0の0.6倍の周波数(0.6×f0)にしたときに対応する。点B2は、無負荷状態(Q=0)で、スイッチング周波数fswを共振周波数f0の1.5倍の周波数(1.5×f0)にしたときに対応する。無負荷状態(Q=0)で、Fを0.6〜1.5の間で変化させた場合(スイッチング周波数fswを0.6×f0から1.5×f0までの間で変化させた場合)、電圧変換率Mは、点B1、点A及び点B2を通る曲線上で変化する。また、点C1は、Q=0.4の状態で、スイッチング周波数fswを振周波数f0の0.6倍の周波数(0.6×f0)にしたときに対応する。点C2は、Q=0.4の状態で、スイッチング周波数fswを共振周波数f0の1.5倍の周波数(1.5×f0)にしたときに対応する。Q=0.4の状態で、Fを0.6〜1.5の間で変化させた場合(スイッチング周波数fswを0.6×f0から1.5×f0までの間で変化させた場合)、電圧変換率Mは、点C1、点A及び点C2を通る曲線上で変化する。 A point on the graph, the switching frequency fsw corresponding to time equal to the resonant frequency f 0. When fsw = f 0 (F = 1), the voltage conversion rate M becomes the same value regardless of the value of Q. Point B1 corresponds to a case where the switching frequency fsw is set to a frequency (0.6 × f 0 ) that is 0.6 times the resonance frequency f 0 in a no-load state (Q = 0, that is, Rac = ∞). Point B2 is in the unloaded state (Q = 0), corresponding to when the 1.5 times the frequency of the switching frequency fsw resonance frequency f 0 (1.5 × f 0) . When F is changed between 0.6 and 1.5 in the no-load state (Q = 0) (switching frequency fsw is changed between 0.6 × f 0 and 1.5 × f 0 The voltage conversion rate M changes on a curve passing through the points B1, A, and B2. Point C1 corresponds to the case where the switching frequency fsw is set to a frequency (0.6 × f 0 ) that is 0.6 times the oscillation frequency f 0 in the state of Q = 0.4. The point C2 corresponds to the case where the switching frequency fsw is 1.5 times the resonance frequency f 0 (1.5 × f 0 ) in the state of Q = 0.4. When F is varied between 0.6 and 1.5 with Q = 0.4 (switching frequency fsw is varied between 0.6 × f 0 and 1.5 × f 0 ), The voltage conversion rate M changes on a curve passing through the points C1, A and C2.
図2のグラフからも分かるように、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswを共振周波数f0の0.6倍の周波数である最小周波数fmin(=0.6×f0)から共振周波数f0の1.5倍の周波数である最大周波数fmax(=1.5×f0)までの間で変化させたき、電圧変換率Mは、スイッチング周波数fswが最小周波数fminになったときに最大となり、スイッチング周波数fswが最大周波数fmaxになったときに最小になる。また、スイッチング周波数fswが共振周波数f0と異なる場合には、電圧変換率MはQの値に応じて変化する。つまり、電圧変換率Mは、等価負荷抵抗Racが変動すると、それに応じて変化する。例えば、スイッチング周波数fswを最大周波数fmaxに維持した状態で、等価負荷抵抗Racが変動し、その結果としてQが0〜0.4の間で変化すると、電圧変換率Mは点B2と点C2を結ぶ直線で変化する。尚、図2に示した例では、点B2に対応する電圧変換率Mは、0.9になるように設定されている。
As can be seen from the graph of FIG. 2, the minimum frequency fmin (= 0.6 × f 0) from the resonance frequency f 0 is 0.6 times the frequency of the resonant frequency f 0 of the switching frequency fsw of the current
第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを指令電圧生成回路6から与えられる目標電圧Vtgtに一致させるように、スイッチング周波数fswを最小周波数fminから最大周波数fmaxの間で変化させるスイッチング周波数fswの制御を行う。ここで、スイッチング周波数fswが最大周波数fmaxに到達するまでは、このスイッチング周波数fswの制御により、出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように電圧変換率Mが調整される。このとき、降圧コンバータ2の時比率は1に維持されている。つまり、トランジスタ(FET)Q2はオン状態に維持されている。このようにトランジスタ(FET)Q2がオン状態に維持されているとき、スイッチング損失(トランジスタ(FET)Q2がオンするとき、又はオフするときに生じる損失)、ダイオードD2の損失及びインダクタL2の鉄損が生じないので、降圧コンバータ2で生じる損失を低く抑えることができる。
The second control circuit 5 changes the switching frequency fsw from the minimum frequency fmin to the maximum frequency fmax so that the output voltage Vo output from the current
一方、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswが最大周波数fmaxに到達したとき、第2の制御回路5は、スイッチング周波数fswを最大周波数fmaxに維持した状態で、降圧コンバータ2の時比率を調整する。このとき、降圧コンバータ2の時比率は1より小さくなり、トランジスタ(FET)Q2がスイッチング動作を開始する。つまり、降圧コンバータ2が降圧動作を開始する。この降圧動作により、電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbが力率改善回路1によって生成される電圧Vpよりも低くなる。このようにして電圧Vbを降下させるのは、スイッチング周波数fswが最大周波数fmaxに到達したときには、電流共振型コンバータ3の電圧変換率Mをこれ以上小さくすることができないためである。電圧変換率Mをこれ以上小さくすることができなくなったとき、つまり、スイッチング周波数fswが最大周波数fmaxに到達したときには、次のような制御が行われる。指令電圧生成回路6から与えられる目標電圧Vtgtが電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voよりも低いときには、第2の制御回路5が降圧コンバータ2の時比率を小さくしていく。降圧コンバータ2の時比率が小さくなっていくと、電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbが降下するため、出力電圧Voも降下する。第2の制御回路5は、出力電圧Voが目標電圧Vtgtと等しくなるまで、降圧コンバータ2の時比率を小さくしていく。反対に、目標電圧Vtgtが出力電圧Voよりも高いときには、第2の制御回路5が降圧コンバータ2の時比率を大きくしていく。降圧コンバータ2の時比率が大きくなっていくと、電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbが上昇するため、出力電圧Voも上昇する。第2の制御回路5は、出力電圧Voが目標電圧Vtgtと等しくなるまで、降圧コンバータ2の時比率を大きくしていく。このように、第2の制御回路5は、降圧コンバータ2の時比率を制御することにより、電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbを調整し、出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させる。
On the other hand, when the switching frequency fsw of the current
次に、図3を参照して、降圧コンバータ2と電流共振型コンバータ3の動作を説明する。図3は、降圧コンバータ2のトランジスタ(FET)Q2並びに電流共振型コンバータ3のトランジスタ(FET)Q3及びトランジスタ(FET)Q4のスイッチング動作を説明するためのタイミングチャートである。図3において、上から一番目と二番目の波形は、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のゲートに印加される駆動電圧の電圧波形をそれぞれ示し、上から四番目の波形は、トランジスタ(FET)Q2のゲートに印加される駆動電圧の電圧波形を示している。尚、トランジスタ(FET)Q2〜4は、駆動電圧がハイレベルのときにオンしロウレベルのときにオフする。また、上から三番目に、トランジスタ(FET)Q3及びトランジスタ(FET)Q4がオンオフするスイッチング周波数fswの変化が示され、上から五番目に、降圧コンバータ2から出力される電圧Vbと、力率改善回路1から出力される電圧Vpの比(Vb/Vp)が示されている。
Next, operations of the step-down
期間Taにおいては、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswは上昇していき、トランジスタ(FET)Q2はオン状態に維持されている。この期間、第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswを制御する。この例では、第2の制御回路5は、出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるために、スイッチング周波数fswを上昇させていく。その結果、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voは、スイッチング周波数fswの上昇に応じて降下していく。そして、時点t1でスイッチング周波数fswが最大周波数fmaxに到達し、期間Tbに移行する。
In the period Ta, the switching frequency fsw of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 increases, and the transistor (FET) Q2 is maintained in the on state. During this period, the second control circuit 5 controls the switching frequency fsw of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 so that the output voltage Vo output from the current
期間Tbにおいては、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswは、最大周波数fmaxに維持される。一方、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率は1未満となり、トランジスタ(FET)Q2がスイッチング動作を開始する。この期間、第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswを最大周波数fmaxに維持しつつ、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を制御する。つまり、等価負荷抵抗Racの変化の影響がなければ、第2の制御回路5は、目標電圧Vtgtが降下したときにトランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を降下させ、目標電圧Vtgtが上昇したときにトランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を上昇させる。トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率が降下すると、降圧コンバータ2から出力される電圧Vbが降下するため、Vb/Vpの値が小さくなっていき、出力電圧Voが降下する。トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率が上昇すると、降圧コンバータ2から出力される電圧Vbが上昇するため、Vb/Vpの値が大きくなっていき、出力電圧Voが上昇する。そして、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率が1になると電圧Vpと電圧Vbが等しくなるため、Vb/Vpの値は1になる。この例では、時点t2で、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率が1になる。そして、この期間は、時点t2で終了し、期間Tcに移行する。
In the period Tb, the switching frequency fsw of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 is maintained at the maximum frequency fmax. On the other hand, the time ratio at which the transistor (FET) Q2 is turned on / off is less than 1, and the transistor (FET) Q2 starts a switching operation. During this period, the second control circuit 5 maintains the switching frequency fsw of the current
期間Tcにおいては、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswは降下していき、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率は1に維持されている(トランジスタ(FET)Q2はオン状態に維持されている)。この期間、第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswを制御する。この例では、第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるために、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswを降下させていく。このとき、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voは、等価負荷抵抗Racの変化の影響がなければ、スイッチング周波数fswが降下するにつれて上昇していく。
In the period Tc, the switching frequency fsw of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 decreases, and the time ratio when the transistor (FET) Q2 is turned on / off is maintained at 1 (the transistor (FET) Q2 is Kept on). During this period, the second control circuit 5 controls the switching frequency fsw of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 so that the output voltage Vo output from the current
上述のように、本実施例では、トランジスタ(FET)Q2は、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswが最大周波数fmaxに到達したときにだけ、スイッチング動作を開始する。従って、トランジスタ(FET)Q2が、常時、スイッチング動作を行っている場合よりも、降圧コンバータ2における損失を低減することができる。
As described above, in this embodiment, the transistor (FET) Q2 starts the switching operation only when the switching frequency fsw of the current
図4及び図5を参照して第2の実施例を説明する。図4は、図2と同様に、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数と電圧変換率の関係を示したグラフである。このグラフの横軸と縦軸も、図2と同様に、F(=fsw/f0)と電圧変換率Mにそれぞれ対応している。
A second embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 4 is a graph showing the relationship between the switching frequency of the current
グラフ上の点Aは、スイッチング周波数fswが共振周波数f0と一致しているときに対応する。fsw=f0(F=1)のときは、Qの値に関わらず、電圧変換率Mは同じ値になる。点B1は、無負荷状態(Q=0つまりRac=∞)で、スイッチング周波数fswを振周波数f0の0.6倍の周波数(0.6×f0)にしたときに対応する。点B2は、無負荷状態(Q=0)で、スイッチング周波数fswを共振周波数f0の1.5倍の周波数(1.5×f0)にしたときに対応する。ここで、点B2に対応する電圧変換率Mは、0.9になるように設定されている。そして、本実施例では、電圧変換率Mの最小値を0.9に制限している。また、点C1は、Q=0.4の状態で、スイッチング周波数fswを振周波数f0の0.6倍の周波数(0.6×f0)にしたときに対応する。点C2は、Q=0.4の状態で、電圧変換率Mが0.9になったときに対応する。 A point on the graph corresponds to when the switching frequency fsw is equal to the resonant frequency f 0. When fsw = f 0 (F = 1), the voltage conversion rate M becomes the same value regardless of the value of Q. Point B1 corresponds to a case where the switching frequency fsw is set to a frequency (0.6 × f 0 ) that is 0.6 times the oscillation frequency f 0 in a no-load state (Q = 0, that is, Rac = ∞). Point B2 is in the unloaded state (Q = 0), corresponding to when the 1.5 times the frequency of the switching frequency fsw resonance frequency f 0 (1.5 × f 0) . Here, the voltage conversion rate M corresponding to the point B2 is set to be 0.9. In this embodiment, the minimum value of the voltage conversion rate M is limited to 0.9. Point C1 corresponds to the case where the switching frequency fsw is set to a frequency (0.6 × f 0 ) that is 0.6 times the oscillation frequency f 0 in the state of Q = 0.4. The point C2 corresponds to the case where the voltage conversion rate M becomes 0.9 in the state of Q = 0.4.
本実施例でも実施例1の場合と同様に、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswを共振周波数f0の0.6倍の周波数である最小周波数fmin(=0.6×f0)から共振周波数f0の1.5倍の周波数である最大周波数fmax(=1.5×f0)までの間で変化させるが、電圧変換率Mの下限が0.9に設定されている。このため、電圧変換率Mが0.9に到達したときには、スイッチング周波数fswを変化させる範囲が制限される。つまり、Qが0より大きい場合、電圧変換率Mが0.9に到達したときのスイッチング周波数fswが、スイッチング周波数fswの可変範囲の上限になる。
In the present embodiment, similarly to the first embodiment, the switching frequency fsw of the current
第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3の電圧変換率Mが0.9に到達するまでは、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを指令電圧生成回路6から与えられる目標電圧Vtgtに一致させるように、スイッチング周波数fswを最小周波数fminから最大周波数fmaxの間で変化させるスイッチング周波数fswの制御を行う。ここで、電圧変換率Mが0.9に到達するまでは、このスイッチング周波数fswの制御により、出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように電圧変換率Mが調整される。このとき、降圧コンバータ2の時比率は1に維持され、トランジスタ(FET)Q2はオン状態に維持されている。このようにトランジスタ(FET)Q2がオン状態に維持されているとき、トランジスタ(FET)Q2がオンするとき、又はオフするときのスイッチング損失、ダイオードD2の損失及びインダクタL2の鉄損は生じない。従って、降圧コンバータ2で生じる損失を低く抑えることができる。
The second control circuit 5 is a target in which the output voltage Vo output from the
本実施例では、第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voと電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vb(降圧コンバータ2から出力される電圧Vb)を検出することにより電圧変換率Mを算出することができる。なお、降圧コンバータ2の時比率が1に維持されているとき、力率改善回路1から出力される電圧Vpと、降圧コンバータ2から出力される電圧Vbは等しいので、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voだけを検出して電圧変換率Mを算出するようにしてもよい。つまり、力率改善回路1から出力される電圧Vpが所定電圧に維持されているものとし、その所定電圧と出力電圧Voに基づいて電圧変換率Mを算出するようにしてもよい。このようにした場合、電圧変換率Mが0.9に到達後、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswは、電圧変換率Mが0.9に到達したときのスイッチング周波数fswに維持される。
In the present embodiment, the second control circuit 5 detects the output voltage Vo output from the current
一方、電流共振型コンバータ3の電圧変換率Mが0.9に到達したとき、第2の制御回路5は、電圧変換率Mを0.9に維持した状態で、降圧コンバータ2の時比率を変化させる時比率の制御を行う。このとき、降圧コンバータ2の時比率は1より小さくなり、トランジスタ(FET)Q2がスイッチング動作を開始する。つまり、降圧コンバータ2が降圧動作を開始する。第2の制御回路5は、降圧コンバータ2の時比率を制御することにより、電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbを調整する。
On the other hand, when the voltage conversion rate M of the current
電流共振型コンバータ3の電圧変換率Mが0.9に維持されているときには、次のような制御が行われる。指令電圧生成回路6から与えられる目標電圧Vtgtが電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voよりも低いときは、第2の制御回路5が降圧コンバータ2の時比率を小さくしていく。降圧コンバータ2の時比率が小さくなっていくと、電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbが降下するため、出力電圧Voも降下する。第2の制御回路5は、出力電圧Voが目標電圧Vtgtに一致するまで、降圧コンバータ2の時比率を小さくしていく。反対に、指令電圧生成回路6から与えられる目標電圧Vtgtが電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voよりも高いときは、第2の制御回路5が降圧コンバータ2の時比率を大きくしていく。降圧コンバータ2の時比率が大きくなっていくと、電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbが上昇するため、出力電圧Voも上昇する。第2の制御回路5は、出力電圧Voが目標電圧Vtgtに一致するまで、降圧コンバータ2の時比率を大きくしていく。このように、第2の制御回路5は、降圧コンバータ2の時比率を制御することにより電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbを調整し、出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させる。
When the voltage conversion rate M of the current
次に、図5を参照して、降圧コンバータ2と電流共振型コンバータ3の動作を説明する。図5は、降圧コンバータ2のトランジスタ(FET)Q2並びに電流共振型コンバータ3のトランジスタ(FET)Q3及びトランジスタ(FET)Q4のスイッチング動作を説明するためのタイミングチャートである。図5において、上から一番目と二番目の波形は、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のゲートに印加される駆動電圧の電圧波形をそれぞれ示し、上から五番目の波形は、トランジスタ(FET)Q2のゲートに印加される駆動電圧の電圧波形を示している。尚、トランジスタ(FET)Q2〜4は、駆動電圧がハイレベルのときにオンしロウレベルのときにオフする。また、上から三番目に、トランジスタ(FET)Q3及びトランジスタ(FET)Q4がオンオフするスイッチング周波数fswの変化が示され、上から四番目に、電流共振型コンバータ3の電圧変換率Mの変化が示され、上から六番目に、降圧コンバータ2から出力される電圧Vbと、力率改善回路1から出力される電圧Vpの比(Vb/Vp)が示されている。
Next, operations of the step-down
期間Taにおいては、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswは上昇していき、トランジスタ(FET)Q2はオン状態に維持されている。電圧変換率Mは、スイッチング周波数fswが上昇するにつれて降下していく。この期間、第2の制御回路5は、降圧コンバータ2の時比率を1に維持しつつ、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswを制御する。この例では、第2の制御回路5は、出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるために、スイッチング周波数fswを上昇させ、電圧変換率Mを降下させていく。その結果、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voは、電圧変換率Mと同様に、スイッチング周波数fswが上昇するにつれて降下していく。そして、時点t1で電圧変換率Mが0.9に到達し、期間Tbに移行する。
In the period Ta, the switching frequency fsw of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 increases, and the transistor (FET) Q2 is maintained in the on state. The voltage conversion rate M decreases as the switching frequency fsw increases. During this period, the second control circuit 5 maintains a time ratio of the step-down
期間Tbにおいては、電圧変換率Mが0.9に維持される。一方、降圧コンバータ2の時比率は1未満となり、トランジスタ(FET)Q2がスイッチング動作を開始する。この期間、第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3の電圧変換率Mを0.9に維持しつつ、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を制御する。つまり、第2の制御回路5は、目標電圧Vtgtが降下したときにトランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を降下させ、目標電圧Vtgtが上昇したときにトランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を上昇させる。トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率が降下すると、降圧コンバータ2から出力される電圧Vbが降下するため、Vb/Vpの値が小さくなっていき、出力電圧Voが降下する。トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率が上昇すると、降圧コンバータ2から出力される電圧Vbが上昇するため、Vb/Vpの値が大きくなっていき、出力電圧Voが上昇する。そして、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率が1になると電圧Vpと電圧Vbが等しくなるため、Vb/Vpの値は1になる。この例では、時点t2で、降圧コンバータ2の時比率が1になる。そして、この期間は、時点t2で終了し、期間Tcに移行する。
In the period Tb, the voltage conversion rate M is maintained at 0.9. On the other hand, the time ratio of the step-down
期間Tcにおいては、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswは降下していき、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率は1に維持されている(トランジスタ(FET)Q2はオン状態に維持されている)。電圧変換率Mは、スイッチング周波数fswが降下するにつれて上昇していく。この期間、第2の制御回路5は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswを制御する。この例では、第2の制御回路5は、スイッチング周波数fswを降下させ、電圧変換率Mを上昇させていく。このとき、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voは、電圧変換率Mが上昇するにつれて上昇していく。
In the period Tc, the switching frequency fsw of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 decreases, and the time ratio when the transistor (FET) Q2 is turned on / off is maintained at 1 (the transistor (FET) Q2 is Kept on). The voltage conversion rate M increases as the switching frequency fsw decreases. During this period, the second control circuit 5 controls the switching frequency fsw of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 so that the output voltage Vo output from the current
上述のように、本実施例では、トランジスタ(FET)Q2は、電流共振型コンバータ3の電圧変換率Mが所定の値に到達したときだけ、スイッチング動作を開始する。従って、トランジスタ(FET)Q2が、常時、スイッチング動作を行っている場合よりも、降圧コンバータ2における損失を低減することができる。
As described above, in this embodiment, the transistor (FET) Q2 starts a switching operation only when the voltage conversion rate M of the current
図6から図8を参照して第3の実施例を説明する。図6は、本実施例に係る電源装置を示した回路図である。この電源装置は、力率改善回路1、降圧コンバータ2、電流共振型コンバータ3、第1の制御回路4、第3の制御回路7、第4の制御回路8及び指令電圧生成回路6により構成されている。これらの回路のうち、力率改善回路1、降圧コンバータ2、電流共振型コンバータ3、第1の制御回路4及び指令電圧生成回路6は、図1において同じ番号が付けられているそれぞれの回路と同様の回路である。尚、指令電圧生成回路6から出力される目標電圧Vtgtは、第3の制御回路7及び第4の制御回路8に入力されている。
A third embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 6 is a circuit diagram showing the power supply device according to the present embodiment. The power supply device includes a power
第3の制御回路7は、指令電圧生成回路6から与えられる目標電圧Vtgtに基づいて、降圧コンバータ2の時比率(トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率)を制御する。この制御では、目標電圧Vtgtが所定の電圧値以下になったときに、目標電圧Vtgtに基づいて、降圧コンバータ2から出力される電圧Vb、つまり電流共振型コンバータ3に入力される電圧である電圧Vbの電圧値が調整される。所定の電圧値は、定格出力電圧Vrよりも低い電圧値に設定される。尚、本実施例では、次の2つの条件を満たしているときに電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voの電圧値を定格出力電圧Vrとしている。第1の条件は、力率改善回路1から出力される電圧Vpと電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbが等しいこと、つまり、降圧コンバータ2の時比率が1に維持されていることであり、第2の条件は、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswが共振周波数f0と等しいことである。
The third control circuit 7 controls the time ratio of the step-down converter 2 (the time ratio at which the transistor (FET) Q2 is turned on / off) based on the target voltage Vtgt given from the command
第4の制御回路8は、指令電圧生成回路6から与えられる目標電圧Vtgtに基づいて、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fsw(トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4がオンオフするスイッチング周波数)を制御する。この制御では、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるようにスイッチング周波数fswが制御される。
Based on the target voltage Vtgt given from the command
次に、図7を参照して、第3の制御回路7によって行われる降圧コンバータ2の時比率の制御と、第4の制御回路8によって行われる電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswの制御を具体的に説明する。図7は、スイッチング周波数fswと電圧変化率の関係を示したグラフである。このグラフで、横軸は共振周波数f0を基準としたスイッチング周波数fswの比率F(=fsw/f0)に対応する。縦軸は、Vb=Vpかつfsw=f0のときの電圧変換率(Vo/Vp)を基準とした電圧変換率M’に対応する。この電圧変換率M’は、降圧コンバータ2と電流共振型コンバータ3を併せた電圧変換率である。従って、Vb=Vpであれば、電圧変換率M’は電流共振型コンバータ3の電圧変換率Mと同じになる。
Next, referring to FIG. 7, the control of the time ratio of the step-down
図7において、実線で示された曲線はVb=Vpのときに対応し、破線で示された曲線はVb=0.5Vpのときに対応する。この2つの曲線からも分かるように、Vb=0.5Vpのときに電流共振型コンバータ3に入力される電圧は、Vb=Vpのときに電流共振型コンバータ3に入力される電圧の1/2(0.5倍)になるので、Vb=0.5Vpのときの電圧変換率M’は、Vb=Vpのときの電圧変換率M’の1/2(0.5倍)になる。実線で示された曲線上の点Aはfsw=f0のときに対応し、このときの電圧変換率M’は1になる。一方、破線で示された曲線上の点Bもfsw=f0のときに対応し、このときの電圧変換率M’は0.5になる。尚、点Aのときに電流共振型コンバータ3から出力されている出力電圧Voが定格出力電圧Vrに対応している。従って、点Bのときには、定格出力電圧Vrの1/2(0.5倍)の電圧が出力電圧Voとして電流共振型コンバータ3から出力される。
In FIG. 7, the curve indicated by the solid line corresponds to when Vb = Vp, and the curve indicated by the broken line corresponds to when Vb = 0.5 Vp. As can be seen from these two curves, the voltage input to the current
第3の制御回路7は、目標電圧Vtgtに基づいて降圧コンバータ2の時比率を制御する。なお、目標電圧Vtgtが所定の電圧値よりも大きいとき、第3の制御回路7は、降圧コンバータ2の時比率を1に維持する。以下の説明では、この所定の電圧値を0.9Vr(定格出力電圧Vrの0.9倍)として説明を行う。
The third control circuit 7 controls the time ratio of the step-down
第3の制御回路7は、目標電圧Vtgtが0.9Vrより大きいときには、降圧コンバータ2の時比率を1に維持し、目標電圧Vtgtが0.9Vr以下になったときには、目標電圧Vtgtと定格出力電圧Vrの比(Kref=Vtgt/Vr)が、電流共振型コンバータ3に入力される電圧Vbと力率改善回路1から出力される電圧Vpの比(Vb/Vp)と等しくなるよう降圧コンバータ2の時比率を制御する。つまり、目標電圧Vtgtが0.9Vr以下になったとき、第3の制御回路7は、電圧Vbを電圧VpのKref倍の電圧(Kref×Vp)に一致させるように、降圧コンバータ2の時比率を制御する。例えば、Krefが0.8のとき、第3の制御回路7は、電圧Vbが電圧Vpの0.8倍の電圧(0.8×Vp)と等しくなるように、降圧コンバータ2の時比率を制御する。
The third control circuit 7 maintains the time ratio of the step-down
尚、電圧Vbの目標値の決め方はこれ以外の方法であってもよい。例えば、電圧Vbの目標値を(Kref+0.05)×Vpで得られる値にしてもよい。つまり、電圧Vbが(Kref+0.05)×Vpで得られる値と等しくなるように降圧コンバータ2の時比率が制御されるようにしてもよい。この場合、Krefが0.9のとき、電圧Vbの目標値は0.95Vpになり、Krefが0.8のとき、電圧Vbの目標値は0.85Vpになる。さらに、電圧Vbの目標値は(Kref−0.05)×Vpで得られる値にしてもよい。つまり、電圧Vbが(Kref−0.05)×Vpで得られる値と等しくなるように降圧コンバータ2の時比率が制御されるようにしてもよい。この場合、Krefが0.9のとき、電圧Vbの目標値は0.85Vpになり、Krefが0.8のとき、電圧Vbの目標値は0.75Vpになる。
Note that other methods may be used to determine the target value of the voltage Vb. For example, the target value of the voltage Vb may be a value obtained by (Kref + 0.05) × Vp. That is, the time ratio of the step-down
また、電圧Vbの目標値を段階的に変化させるようにしてもよい。例えば、Krefを小数第2位で四捨五入した値(Kref’)を、Krefの代わりに使用するようにしてもよい。つまり、このKref’Vpを電圧Vbの目標値としてもよい。この場合、Krefが0.85以上0.9以下のとき電圧Vbの目標値は0.9Vpになり、Krefが0.75以上0.85未満のとき電圧Vbの目標値は0.8Vpになり、Krefが0.65以上0.75未満のとき電圧Vbの目標値は0.8Vpになる。 Further, the target value of the voltage Vb may be changed stepwise. For example, a value (Kref ′) obtained by rounding Kref to the second decimal place may be used instead of Kref. That is, this Kref′Vp may be set as the target value of the voltage Vb. In this case, when Kref is 0.85 or more and 0.9 or less, the target value of voltage Vb is 0.9 Vp, and when Kref is 0.75 or more and less than 0.85, the target value of voltage Vb is 0.8 Vp. When Kref is 0.65 or more and less than 0.75, the target value of the voltage Vb is 0.8 Vp.
また、上記の説明では目標電圧Vtgtと定格出力電圧Vrの比(Kref=Vtgt/Vr)に基づいて降圧コンバータ2の時比率を決め、この時比率で降圧コンバータ2をスイッチング動作させるようにしてもよい。この場合、例えば、Krefに所定の定数を乗じて得られた値を、降圧コンバータ2の時比率としてもよい。
In the above description, the time ratio of the step-down
次に、図8を参照して、降圧コンバータ2と電流共振型コンバータ3の動作を説明する。図8は、降圧コンバータ2のトランジスタ(FET)Q2並びに電流共振型コンバータ3のトランジスタ(FET)Q3及びトランジスタ(FET)Q4のスイッチング動作を説明するためのタイミングチャートである。図8において、上から一番目と二番目の波形は、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のゲートに印加される駆動電圧の電圧波形をそれぞれ示し、上から五番目の波形は、トランジスタ(FET)Q2のゲートに印加される駆動電圧の電圧波形を示している。尚、トランジスタ(FET)Q2〜4は、駆動電圧がハイレベルのときにオンしロウレベルのときにオフする。また、上から三番目に、トランジスタ(FET)Q3及びトランジスタ(FET)Q4がオンオフするスイッチング周波数fswの変化が示され、上から四番目に、目標電圧Vtgtと定格出力電圧Vrの比(Kref=Vtgt/Vr)が示され、上から六番目に、降圧コンバータ2から出力される電圧Vbと、力率改善回路1から出力される電圧Vpの比(Vb/Vp)が示されている。
Next, operations of the step-down
期間Taにおいては、目標電圧Vtgtが降下していくため、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswは目標電圧Vtgtの降下に従って上昇していく。このとき、Kref(=Vtgt/Vr)も降下していくが、Krefが0.9より大きいため、トランジスタ(FET)Q2はオン状態に維持されている。この期間、第3の制御回路7は、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を1に維持する。従って、力率改善回路1から出力される電圧Vpと、降圧コンバータ2から出力される電圧Vbは等しい電圧値に維持される。一方、第4の制御回路8は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswを制御する。この例では、第2の制御回路5は、目標電圧Vtgtの降下に従って、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswを上昇させていく。そして、時点t1でKrefが0.9に到達し、期間Tbに移行する。
In the period Ta, since the target voltage Vtgt decreases, the switching frequency fsw of the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) Q4 increases as the target voltage Vtgt decreases. At this time, Kref (= Vtgt / Vr) also decreases. However, since Kref is larger than 0.9, the transistor (FET) Q2 is maintained in the ON state. During this period, the third control circuit 7 maintains a time ratio of 1 at which the transistor (FET) Q2 is turned on / off. Therefore, the voltage Vp output from the power
期間Tbにおいては、Krefが0.9以下になるため、第3の制御回路7は、電圧Vbを電圧VpのKref倍の電圧(Kref×Vp)に一致させるように、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を制御する。このとき、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率は1より小さくなるなり、トランジスタ(FET)Q2がスイッチング動作を開始する。一方、第4の制御回路8は、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswの制御を行い、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させる。つまり、第3の制御回路7は、電圧Vbを目標値(Kref×Vp)に一致させるように、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を制御し、第4の制御回路8は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標値(目標電圧Vtgt)に一致させるように、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswを制御する。第3の制御回路7は、Krefが0.9以下である限り、電圧Vbを目標値(Kref×Vp)に一致させるように降圧コンバータ2の時比率を制御しつづけるが、Krefが0.9より大きい領域に戻ると、降圧コンバータ2の時比率を1にし、電圧Vbと電圧Vpを等しくさせる。この例では、時点t2で、Krefが0.9より大きい領域に戻る。そして、この期間は、時点t2で終了し、期間Tcに移行する。
In the period Tb, since Kref becomes 0.9 or less, the third control circuit 7 causes the transistor (FET) Q2 to match the voltage Vb to a voltage (Kref × Vp) that is Kref times the voltage Vp. Controls the on / off ratio. At this time, the time ratio of turning on / off the transistor (FET) Q2 becomes smaller than 1, and the transistor (FET) Q2 starts a switching operation. On the other hand, the
期間Tcにおいては、Krefが0.9より大きくなったため、トランジスタ(FET)Q2はオン状態になり、電圧Vbは電圧Vpと等しくなる。トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を1に戻したとき(トランジスタ(FET)Q2がスイッチング動作を停止したとき)、電圧Vbが急激に上昇するため、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4がスイッチング周波数fswは一時的に上昇するが、その後は、目標電圧Vtgtの上昇に従って降下していく。この期間、第3の制御回路7は、トランジスタ(FET)Q2がオンオフする時比率を1に維持する。一方、第4の制御回路8は、電流共振型コンバータ3から出力される出力電圧Voを目標電圧Vtgtに一致させるように、トランジスタ(FET)Q3とトランジスタ(FET)Q4のスイッチング周波数fswを制御する。この例では、第2の制御回路5は、目標電圧Vtgtの上昇に従って、電流共振型コンバータ3のスイッチング周波数fswを降下させていく。
In the period Tc, since Kref is larger than 0.9, the transistor (FET) Q2 is turned on, and the voltage Vb becomes equal to the voltage Vp. When the ratio of turning on and off the transistor (FET) Q2 is returned to 1 (when the transistor (FET) Q2 stops switching operation), the voltage Vb increases rapidly, so that the transistor (FET) Q3 and the transistor (FET) In Q4, the switching frequency fsw rises temporarily, but thereafter falls as the target voltage Vtgt rises. During this period, the third control circuit 7 maintains a time ratio of 1 at which the transistor (FET) Q2 is turned on / off. On the other hand, the
上述のように、本実施例では、トランジスタ(FET)Q2は、目標電圧Vtgtが所定の電圧値以下になったときだけ、スイッチング動作を開始する。従って、トランジスタ(FET)Q2が、常時、スイッチング動作を行っている場合よりも、降圧コンバータ2における損失を低減することができる。
As described above, in this embodiment, the transistor (FET) Q2 starts the switching operation only when the target voltage Vtgt is equal to or lower than the predetermined voltage value. Therefore, the loss in the step-down
次に、電流共振型コンバータの共振回路の構成方法について図面を参照して説明する。この共振回路において、直列共振に関わるインダクタ(直列共振インダクタ)と並列共振に関わるインダクタ(並列共振インダクタ)は、以下のようにして構成される。図9は、直列共振インダクタを、トランスT1の漏れインダクタLrp、Lrsにより構成した場合を示している。この場合、トランスT1を疎結合にし、このトランスT1に共振コンデンサを接続することにより共振回路が構成される。このとき、トランスT1の結合係数は0.8〜0.9程度に設定される。尚、トランスT1の励磁インダクタLmは、並列共振インダクタになる。 Next, a configuration method of the resonance circuit of the current resonance type converter will be described with reference to the drawings. In this resonant circuit, an inductor related to series resonance (series resonant inductor) and an inductor related to parallel resonance (parallel resonant inductor) are configured as follows. FIG. 9 shows a case where the series resonant inductor is constituted by leakage inductors Lrp and Lrs of the transformer T1. In this case, a resonant circuit is configured by loosely coupling the transformer T1 and connecting a resonant capacitor to the transformer T1. At this time, the coupling coefficient of the transformer T1 is set to about 0.8 to 0.9. The exciting inductor Lm of the transformer T1 is a parallel resonant inductor.
図10は、直列共振インダクタを、外部インダクタLaddにより構成した場合を示している。この場合、トランスT1を密結合にし、このトランスT1に外部インダクタLaddと共振コンデンサを接続することにより共振回路が構成される。尚、トランスT1の励磁インダクタLmは、図10の場合と同様に、並列共振インダクタになる。 FIG. 10 shows a case where the series resonant inductor is configured by an external inductor Ladd. In this case, the transformer T1 is tightly coupled, and an external inductor Ladd and a resonant capacitor are connected to the transformer T1 to form a resonant circuit. The exciting inductor Lm of the transformer T1 is a parallel resonant inductor as in the case of FIG.
図11は、直列共振インダクタを、外部インダクタLaddと漏れインダクタLrp、Lrsにより構成した場合を示している。この場合、トランスT1を疎結合にし、このトランスT1に外部インダクタLaddと共振コンデンサを接続することにより共振回路が構成される。尚、トランスT1の励磁インダクタLmは、図10の場合と同様に、並列共振インダクタになる。 FIG. 11 shows a case where the series resonant inductor is constituted by an external inductor Ladd and leakage inductors Lrp and Lrs. In this case, the transformer T1 is loosely coupled, and the transformer T1 is connected to an external inductor Ladd and a resonance capacitor to form a resonance circuit. The exciting inductor Lm of the transformer T1 is a parallel resonant inductor as in the case of FIG.
次に、共振回路の共振コンデンサの構成方法について説明する。図12は、コンデンサC11及びコンデンサC12により、共振コンデンサを構成した場合を示している。この場合、直流電源Vinの両端にコンデンサC11とコンデンサC12が直列に接続され、コンデンサC11とコンデンサC12の接続部にトランスT1の一次巻線の一端が接続される。 Next, a configuration method of the resonance capacitor of the resonance circuit will be described. FIG. 12 shows a case where a resonant capacitor is configured by the capacitor C11 and the capacitor C12. In this case, a capacitor C11 and a capacitor C12 are connected in series to both ends of the DC power supply Vin, and one end of the primary winding of the transformer T1 is connected to a connection portion between the capacitor C11 and the capacitor C12.
図13は、コンデンサC13、コンデンサC14及びコンデンサC15により、共振コンデンサを構成した場合を示している。この場合、直流電源Vinの両端にコンデンサC14とコンデンサC15が直列に接続され、コンデンサC14とコンデンサC15の接続部とトランスT1の一次巻線の一端との間にコンデンサC13が接続される。また、コンデンサC14及びコンデンサC15の過負荷保護のために、これらのコンデンサにダイオードD11及びダイオード12を並列に接続してもよい。この例では、コンデンサC14と並列にダイオードD11が接続されており、この接続において、ダイオードD11のカソードは直流電源Vinの正極側に接続される。また、コンデンサC15と並列にダイオードD12が接続されており、この接続において、ダイオードD12のアノードは直流電源Vinの負極側に接続される。尚、このようにダイオードD11及びダイオード12を接続することにより、出力電圧の垂下を行わせることも可能になる。
FIG. 13 shows a case where a resonant capacitor is configured by the capacitor C13, the capacitor C14, and the capacitor C15. In this case, the capacitor C14 and the capacitor C15 are connected in series to both ends of the DC power source Vin, and the capacitor C13 is connected between the connection portion of the capacitor C14 and the capacitor C15 and one end of the primary winding of the transformer T1. Further, a diode D11 and a
また、本実施1から3では、ハーフブリッジ構成の電流共振型コンバータを用いたが、図14に示したようなフルブリッジ構成の電流共振型コンバータであってもよい。この回路では、直流電源Vinの両端にトランジスタ(FET)Q11とトランジスタ(FET)Q12が直列に接続され、更に、トランジスタ(FET)Q13とトランジスタ(FET)Q14も直流電源Vinの両端に直列に接続されている。トランジスタ(FET)Q11とトランジスタ(FET)Q12の接続部は、共振回路を構成するコンデンサCrとインダクタCrを介してトランスT1の一次巻線の一端に接続され、トランジスタ(FET)Q13とトランジスタ(FET)Q14の接続部は、トランスT1の一次巻線の他端に接続されている。トランジスタ(FET)Q11とトランジスタ(FET)Q14が同時にオンし、トランジスタ(FET)Q12とトランジスタ(FET)Q13が同時にオンする。トランジスタ(FET)Q11とトランジスタ(FET)Q14の組と、トランジスタ(FET)Q12とトランジスタ(FET)Q13の組は、ほぼ50%の時比率で、デッドタイムを挟んで交互にオンする。 In the first to third embodiments, the half-bridge current resonance converter is used, but a full-bridge current resonance converter as shown in FIG. 14 may be used. In this circuit, a transistor (FET) Q11 and a transistor (FET) Q12 are connected in series to both ends of the DC power supply Vin, and a transistor (FET) Q13 and a transistor (FET) Q14 are also connected in series to both ends of the DC power supply Vin. Has been. A connection portion between the transistor (FET) Q11 and the transistor (FET) Q12 is connected to one end of the primary winding of the transformer T1 via the capacitor Cr and the inductor Cr constituting the resonance circuit, and the transistor (FET) Q13 and the transistor (FET) ) The connection portion of Q14 is connected to the other end of the primary winding of the transformer T1. The transistor (FET) Q11 and the transistor (FET) Q14 are simultaneously turned on, and the transistor (FET) Q12 and the transistor (FET) Q13 are simultaneously turned on. The pair of the transistor (FET) Q11 and the transistor (FET) Q14 and the pair of the transistor (FET) Q12 and the transistor (FET) Q13 are alternately turned on with a dead time between them at a time ratio of approximately 50%.
また、トランスT1の二次側に設けられる整流回路は、図15に示したようなダイオードブリッジ10であってもよい。
Further, the rectifier circuit provided on the secondary side of the transformer T1 may be a
上述のように、本発明に係るコンバータの一部をなす電流共振型コンバータには色々な構成があるが、共振電流が流れるスイッチング素子のスイッチング周波数により電圧変換率が調整されるように構成されていれば、その構成は、特に、限定されることはない。従って、電流共振型コンバータは、トランスT1の一次巻線又は二次巻線にコンデンサが並列に接続された電流共振型コンバータ(いわゆるLCCコンバータ)であっても、同様に実施することができる。また、降圧コンバータについても、降圧動作をするように構成されていれば、その構成は、特に、限定されることはない。 As described above, there are various configurations of the current resonance type converter that forms a part of the converter according to the present invention, and the voltage conversion rate is adjusted by the switching frequency of the switching element through which the resonance current flows. If so, the configuration is not particularly limited. Therefore, the current resonance type converter can be similarly implemented even if it is a current resonance type converter (so-called LCC converter) in which a capacitor is connected in parallel to the primary winding or the secondary winding of the transformer T1. Further, the configuration of the step-down converter is not particularly limited as long as it is configured to perform a step-down operation.
また、上記の実施例では、降圧コンバータを電流共振型コンバータの前段に接続した場合について説明したが、本発明は、降圧コンバータを電流共振型コンバータの後段に接続した場合にも同様に実施することができる。つまり、図16に示したように、電流共振型コンバータの出力が降圧コンバータの入力に接続される構成であっても、本発明を同様に実施することができる。尚、このように降圧コンバータを電流共振型コンバータの後段に接続した場合、降圧コンバータから出力される出力電圧を、指令電圧生成回路から与えられる目標電圧に一致させるように、降圧コンバータ及び電流共振型コンバータの動作が制御される。 In the above embodiment, the case where the step-down converter is connected to the front stage of the current resonance type converter has been described. However, the present invention is similarly applied to the case where the step-down converter is connected to the subsequent stage of the current resonance type converter. Can do. That is, as shown in FIG. 16, the present invention can be similarly implemented even when the output of the current resonant converter is connected to the input of the step-down converter. When the step-down converter is connected to the subsequent stage of the current resonance type converter in this way, the step-down converter and the current resonance type are set so that the output voltage output from the step-down converter matches the target voltage given from the command voltage generation circuit. The operation of the converter is controlled.
1 力率改善回路
2 降圧コンバータ
3 電流共振型コンバータ
4 第1の制御回路
5 第2の制御回路
6 指令電圧生成回路
7 第3の制御回路
8 第4の制御回路
DESCRIPTION OF
Claims (5)
共振電流が流れるスイッチング素子のスイッチング周波数により電圧変換率が調整される共振型コンバータと、
前記共振型コンバータから出力される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記出力電圧検出回路により検出される出力電圧に基づいて前記降圧コンバータと前記共振型コンバータの動作を制御する制御回路を備え、
前記降圧コンバータは、前記共振型コンバータの前段に接続され、
前記制御回路は、前記共振型コンバータのスイッチング周波数を第1の所定周波数から当該第1の所定周波数よりも大きい第2の所定周波数までの間で変化させることにより、前記共振型コンバータの電圧変換率を所定の最小電圧変換率以上の範囲で調整する第1の制御と、前記電圧変換率が前記所定の最小電圧変換率に到達したときにだけ、前記降圧コンバータに降圧動作を行わせ、当該降圧動作における降圧比を調整する第2の制御とを行うように構成されていることを特徴とするDCDCコンバータ。 A step-down converter that outputs an output voltage equal to the input voltage when the step-down operation is stopped and outputs an output voltage lower than the input voltage when the step-down operation is performed;
A resonant converter in which the voltage conversion rate is adjusted by the switching frequency of the switching element through which the resonant current flows;
An output voltage detection circuit for detecting an output voltage output from the resonant converter;
A control circuit for controlling operations of the step-down converter and the resonant converter based on an output voltage detected by the output voltage detection circuit;
The step-down converter is connected to the previous stage of the resonant converter,
The control circuit changes the switching frequency of the resonant converter from a first predetermined frequency to a second predetermined frequency that is higher than the first predetermined frequency, thereby changing the voltage conversion rate of the resonant converter. And the step-down converter performs a step-down operation only when the voltage conversion rate reaches the predetermined minimum voltage conversion rate, and the step-down converter performs the step-down operation. A DCDC converter configured to perform second control for adjusting a step-down ratio in operation.
共振電流が流れるスイッチング素子のスイッチング周波数により電圧変換率が調整される共振型コンバータと、
前記共振型コンバータから出力される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、
前記共振型コンバータから出力される出力電圧の目標値を出力する指令電圧生成回路と、
前記出力電圧検出回路により検出される出力電圧と前記指令電圧生成回路から出力される目標値に基づいて前記降圧コンバータと前記共振型コンバータの動作を制御する制御回路を備え、
前記降圧コンバータは、前記共振型コンバータの前段に接続され、
前記制御回路は、前記共振型コンバータのスイッチング周波数を第1の所定周波数から当該第1の所定周波数よりも大きい第2の所定周波数までの間で変化させることにより、前記共振型コンバータの電圧変換率を調整する第1の制御と、前記指令電圧生成回路から出力される目標値が所定値以下になったときだけ、前記降圧コンバータに降圧動作を行わせ、当該降圧動作における降圧比を調整する第2の制御とを行うように構成され、
前記降圧動作における降圧比は、前記指令電圧生成回路から出力される目標値に基づいて決定されることを特徴とするDCDCコンバータ。 A step-down converter that outputs an output voltage equal to the input voltage when the step-down operation is stopped and outputs an output voltage lower than the input voltage when the step-down operation is performed;
A resonant converter in which the voltage conversion rate is adjusted by the switching frequency of the switching element through which the resonant current flows;
An output voltage detection circuit for detecting an output voltage output from the resonant converter;
A command voltage generation circuit that outputs a target value of an output voltage output from the resonant converter;
A control circuit for controlling operations of the step-down converter and the resonant converter based on an output voltage detected by the output voltage detection circuit and a target value output from the command voltage generation circuit;
The step-down converter is connected to the previous stage of the resonant converter,
The control circuit changes the switching frequency of the resonant converter from a first predetermined frequency to a second predetermined frequency that is higher than the first predetermined frequency, thereby changing the voltage conversion rate of the resonant converter. And a step of adjusting the step-down ratio in the step-down operation by causing the step-down converter to perform a step-down operation only when the target value output from the command voltage generation circuit becomes a predetermined value or less. 2 control, and
The step-down ratio in the step-down operation is determined based on a target value output from the command voltage generation circuit.
共振電流が流れるスイッチング素子のスイッチング周波数により電圧変換率が調整される共振型コンバータと、 A resonant converter in which the voltage conversion rate is adjusted by the switching frequency of the switching element through which the resonant current flows;
前記降圧コンバータから出力される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、 An output voltage detection circuit for detecting an output voltage output from the step-down converter;
前記出力電圧検出回路により検出される出力電圧に基づいて前記降圧コンバータと前記共振型コンバータの動作を制御する制御回路を備え、 A control circuit for controlling operations of the step-down converter and the resonant converter based on an output voltage detected by the output voltage detection circuit;
前記降圧コンバータは、前記共振型コンバータの後段に接続され、 The step-down converter is connected to a subsequent stage of the resonant converter,
前記制御回路は、前記共振型コンバータのスイッチング周波数を第1の所定周波数から当該第1の所定周波数よりも大きい第2の所定周波数までの間で変化させることにより、前記共振型コンバータの電圧変換率を所定の最小電圧変換率以上の範囲で調整する第1の制御と、前記電圧変換率が前記所定の最小電圧変換率に到達したときにだけ、前記降圧コンバータに降圧動作を行わせ、当該降圧動作における降圧比を調整する第2の制御とを行うように構成されていることを特徴とするDCDCコンバータ。 The control circuit changes the switching frequency of the resonant converter from a first predetermined frequency to a second predetermined frequency that is higher than the first predetermined frequency, thereby changing the voltage conversion rate of the resonant converter. And the step-down converter performs a step-down operation only when the voltage conversion rate reaches the predetermined minimum voltage conversion rate, and the step-down converter performs the step-down operation. A DCDC converter configured to perform second control for adjusting a step-down ratio in operation.
共振電流が流れるスイッチング素子のスイッチング周波数により電圧変換率が調整される共振型コンバータと、 A resonant converter in which the voltage conversion rate is adjusted by the switching frequency of the switching element through which the resonant current flows;
前記降圧コンバータから出力される出力電圧を検出する出力電圧検出回路と、 An output voltage detection circuit for detecting an output voltage output from the step-down converter;
前記共振型コンバータから出力される出力電圧の目標値を出力する指令電圧生成回路と、 A command voltage generation circuit that outputs a target value of an output voltage output from the resonant converter;
前記出力電圧検出回路により検出される出力電圧と前記指令電圧生成回路から出力される目標値に基づいて前記降圧コンバータと前記共振型コンバータの動作を制御する制御回路を備え、 A control circuit for controlling operations of the step-down converter and the resonant converter based on an output voltage detected by the output voltage detection circuit and a target value output from the command voltage generation circuit;
前記降圧コンバータは、前記共振型コンバータの後段に接続され、 The step-down converter is connected to a subsequent stage of the resonant converter,
前記制御回路は、前記共振型コンバータのスイッチング周波数を第1の所定周波数から当該第1の所定周波数よりも大きい第2の所定周波数までの間で変化させることにより、前記共振型コンバータの電圧変換率を調整する第1の制御と、前記指令電圧生成回路から出力される目標値が所定値以下になったときだけ、前記降圧コンバータに降圧動作を行わせ、当該降圧動作における降圧比を調整する第2の制御とを行うように構成され、 The control circuit changes the switching frequency of the resonant converter from a first predetermined frequency to a second predetermined frequency that is higher than the first predetermined frequency, thereby changing the voltage conversion rate of the resonant converter. And a step of adjusting the step-down ratio in the step-down operation by causing the step-down converter to perform a step-down operation only when the target value output from the command voltage generation circuit becomes a predetermined value or less. 2 control, and
前記降圧動作における降圧比は、前記指令電圧生成回路から出力される目標値に基づいて決定されることを特徴とするDCDCコンバータ。 The step-down ratio in the step-down operation is determined based on a target value output from the command voltage generation circuit.
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