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JP6168809B2 - Switching power supply circuit - Google Patents
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Description

本発明は、スイッチング電源回路に関し、特に直流の電流の中に含まれている脈動の成分であるリプルの発生を改善できるスイッチング電源回路に関する。   The present invention relates to a switching power supply circuit, and more particularly to a switching power supply circuit that can improve the generation of ripple that is a pulsation component contained in a direct current.

電源回路の電圧昇圧部に用いられる回路として、2つ以上のスイッチング回路を備えるインターリーブ方式のスイッチング電源回路が知られている(例えば、特許文献1)。   As a circuit used for a voltage booster of a power supply circuit, an interleaved switching power supply circuit including two or more switching circuits is known (for example, Patent Document 1).

特許文献1は、2つのスイッチング回路のそれぞれに属するリアクトル、スイッチング素子及びダイオードの少なくともいずれか一つの特性が相互に異なるスイッチング電源回路を開示している。特許文献1によると、このスイッチング電源回路は、3つの電気特性を適宜に選択することができるので、力率、効率、高調波を調整できるとしている。   Patent Document 1 discloses a switching power supply circuit in which at least one of the characteristics of a reactor, a switching element, and a diode belonging to each of two switching circuits is different from each other. According to Patent Document 1, since this switching power supply circuit can select three electrical characteristics as appropriate, the power factor, efficiency, and harmonics can be adjusted.

特許第4844696号公報(図9〜図11)Japanese Patent No. 4844696 (FIGS. 9 to 11)

特許文献1には、種々のスイッチング方法を採用した時の各々のリアクトルを流れる電流I1,I2とその和である電流Iの波形の例がその図9〜図11に示されている。このスイッチング電源回路は、一方のリアクトルのインダクタンスを他方のリアクトルのインダクタンスの2倍としている。なお、I1,I2,Iは各々の電流を区別するためだけに用いており、以下も同様である。
ところが、特許文献1の図9〜図11に示される電流波形を参照する限り、電流Iのリプル率が大きくなり、安定した出力が得られない。
本発明は、リアクトル、スイッチング素子及びダイオードを含むスイッチング回路を少なくとも2つ備えるスイッチング電源回路において、リプル率を低減して安定した出力電流を得ること目的とする。
In Patent Document 1, FIGS. 9 to 11 show examples of waveforms of currents I1 and I2 flowing through the respective reactors and a current I which is the sum of the currents when various switching methods are employed. In this switching power supply circuit, the inductance of one reactor is twice that of the other reactor. Note that I1, I2, and I are used only to distinguish each current, and so on.
However, as long as the current waveforms shown in FIGS. 9 to 11 of Patent Document 1 are referred to, the ripple rate of the current I becomes large and a stable output cannot be obtained.
An object of the present invention is to obtain a stable output current by reducing a ripple rate in a switching power supply circuit including at least two switching circuits including a reactor, a switching element, and a diode.

かかる目的のもと、本発明のスイッチング電源回路は、第1のスイッチング回路と、第2のスイッチング回路と、制御部と、を備える。
第1のスイッチング回路は、第1のリアクトルと、第1のリアクトルと直列に接続され、アノードを第1のリアクトル側に向けて配置される第1のダイオードと、第1のリアクトルと第1のダイオードの間に設けられる第1のスイッチング素子と、を有する。
第2のスイッチング回路は、第1のリアクトルよりもインダクタンスが小さい第2のリアクトルと、
第2のリアクトルと直列に接続され、アノードを第2のリアクトル側に向けて配置される第2のダイオードと、第2のリアクトルと第2のダイオードの間に設けられる第2のスイッチング素子と、を有する。
制御部は、第1のスイッチング素子と第2のスイッチング素子のスイッチング動作を制御するが、
第1のスイッチング素子のスイッチング周波数をf1、第2のスイッチング素子のスイッチング周波数をf2とすると、スイッチング周波数f1よりもスイッチング周波数f2が大きくなるように、スイッチング動作を制御する。
本発明のスイッチング電源回路によると、第2のリアクトルは第1のリアクトルよりもインダクタンスが小さいので、第2のリアクトルを構成するコイルの巻数を第1のリアクトルよりも少なくできる。よって、第2のリアクトルの小型化を実現できるのに加えて、製造コストを抑えることができる。
また、本発明のスイッチング電源回路は、スイッチング周波数f1よりもスイッチング周波数f2が大きくすることで、第2のリアクトルを流れる電流I2を、第1のリアクトルを流れる電流I1と相似形で、かつ、180度の位相差を設けることができる。したがって、電流I1と電流I2の和である電流Iのリプル率を低減できる。
For this purpose, the switching power supply circuit of the present invention includes a first switching circuit, a second switching circuit, and a control unit.
The first switching circuit is connected in series to the first reactor, the first reactor, the first diode disposed with the anode facing the first reactor, the first reactor, and the first reactor And a first switching element provided between the diodes.
The second switching circuit includes a second reactor having an inductance smaller than that of the first reactor,
A second diode connected in series with the second reactor and having the anode facing the second reactor, and a second switching element provided between the second reactor and the second diode; Have
The control unit controls the switching operation of the first switching element and the second switching element,
When the switching frequency of the first switching element is f1 and the switching frequency of the second switching element is f2, the switching operation is controlled so that the switching frequency f2 is higher than the switching frequency f1.
According to the switching power supply circuit of the present invention, since the second reactor has an inductance smaller than that of the first reactor, the number of turns of the coil constituting the second reactor can be made smaller than that of the first reactor. Therefore, in addition to realizing the downsizing of the second reactor, the manufacturing cost can be suppressed.
In the switching power supply circuit of the present invention, the switching frequency f2 is larger than the switching frequency f1, so that the current I2 flowing through the second reactor is similar to the current I1 flowing through the first reactor, and 180 A degree of phase difference can be provided. Therefore, the ripple rate of the current I, which is the sum of the currents I1 and I2, can be reduced.

本発明のスイッチング電源回路において、第1のスイッチング素子が珪素半導体によって構成され、第2のスイッチング素子が炭化珪素半導体又は窒化ガリウム半導体によって構成される。
本発明において、第2のスイッチング素子は、第1のスイッチング素子より高周波でスイッチングするため、スイッチングによる損失が第1のスイッチング素子よりも大きくなる。したがって、第2のスイッチング素子として、損失が大幅に低減できる、SiC(炭化珪素)半導体又はGaN(窒化ガリウム)半導体を用いる。一方、第1のスイッチング素子は、低コストであるSi(珪素)半導体によって形成することで、製造コストを低減できる。
In the switching power supply circuit of the present invention, the first switching element is constituted by a silicon semiconductor, the second switching element is Ru is constituted by a silicon carbide semiconductor or gallium nitride semiconductor.
In the present invention, since the second switching element switches at a higher frequency than the first switching element, the loss due to switching is larger than that of the first switching element. Therefore, a SiC (silicon carbide) semiconductor or a GaN (gallium nitride) semiconductor that can significantly reduce the loss is used as the second switching element. On the other hand, the manufacturing cost can be reduced by forming the first switching element by a low-cost Si (silicon) semiconductor.

本発明のスイッチング電源回路において、制御部は、第2のリアクトルを流れる電流が、第1のリアクトルを流れる電流の波形と相似形でかつ180度だけ位相差を設けた基準波形に対して、所定のリプル電流幅に収まるように、スイッチング動作を制御することができる。
この制御は、ヒステリシス制御に基づくものであり、リプル幅を一定に制御できるので、リプルが安定した高精度な電流出力が重視される用途に向いている。
In the switching power supply circuit of the present invention, the control unit has a predetermined current with respect to a reference waveform in which the current flowing through the second reactor is similar to the waveform of the current flowing through the first reactor and has a phase difference of 180 degrees. The switching operation can be controlled so as to be within the ripple current width.
This control is based on hysteresis control, and since the ripple width can be controlled to be constant, it is suitable for applications in which high-precision current output with stable ripple is important.

本発明のスイッチング電源回路において、制御部は、第2のスイッチング素子のスイッチング周波数が、第1のスイッチング素子のスイッチング周波数の、2以上の整数倍となるようにのスイッチング動作を制御する制御することができる。
この制御は、PWM(Pulse Width Modulation)制御は、低コストが重視される用途に向いている。
In the switching power supply circuit of the present invention, the control unit controls the switching operation so that the switching frequency of the second switching element is an integer multiple of 2 or more of the switching frequency of the first switching element. Can do.
In this control, PWM (Pulse Width Modulation) control is suitable for applications where low cost is important.

本発明によれば、第2のリアクトルの小型化、低コスト化を実現するのに加えて、電流I1と電流I2の和である電流Iのリプル率を低減できる。   According to the present invention, it is possible to reduce the ripple rate of the current I, which is the sum of the current I1 and the current I2, in addition to the reduction in size and cost of the second reactor.

本実施形態におけるスイッチング電源回路の概略構成を示す図である。It is a figure which shows schematic structure of the switching power supply circuit in this embodiment. ヒステリシス制御を行って得られる本実施形態による第2のリアクトルの電流の波形を示す。The waveform of the electric current of the 2nd reactor by this embodiment obtained by performing hysteresis control is shown. 本実施形態において測定されたスイッチング周波数比(f2/f1)とリプル率の関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the switching frequency ratio (f2 / f1) measured in this embodiment, and a ripple rate. PWM制御を行って得られる本実施形態による第2のリアクトルの電流の波形を示す。The waveform of the electric current of the 2nd reactor by this embodiment obtained by performing PWM control is shown. インターリーブ制御による電流波形の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the current waveform by interleave control.

以下、リプル率を低減する本発明のスイッチング電源回路を、図1〜図5に示される実施形態に基づいて説明する。
[スイッチング電源回路の構成]
はじめに、スイッチング電源回路10の構成について説明する。
図1に示すように、スイッチング電源回路10は、複数(ここでは2つ)の第1のスイッチング回路3a,第2のスイッチング回路3bを備えている。各々のスイッチング回路3a,3bは、入力端11,12及び出力端13,14に接続されており、入力端11,12の間に印加された直流電圧を昇圧して、出力端13,14から出力される。
スイッチング電源回路10は、交流電源1と整流回路2を備え、交流電源1から供給される交流電圧を整流回路2で整流し、整流後の直流電圧を入力端11,12の間に印加する。
スイッチング電源回路10は、スイッチング回路3a,3bで昇圧された直流電圧を、出力端13,14を介してインバータ4に入力される。また、スイッチング電源回路10は、スイッチング回路3a,3bのスイッチング素子S1,S2の動作を制御する制御部5を備えている。
Hereinafter, the switching power supply circuit of the present invention for reducing the ripple rate will be described based on the embodiment shown in FIGS.
[Configuration of switching power supply circuit]
First, the configuration of the switching power supply circuit 10 will be described.
As shown in FIG. 1, the switching power supply circuit 10 includes a plurality of (here, two) first switching circuits 3a and second switching circuits 3b. Each of the switching circuits 3a and 3b is connected to the input terminals 11 and 12 and the output terminals 13 and 14, and boosts the DC voltage applied between the input terminals 11 and 12, and from the output terminals 13 and 14, respectively. Is output.
The switching power supply circuit 10 includes an AC power supply 1 and a rectifier circuit 2, rectifies the AC voltage supplied from the AC power supply 1 by the rectifier circuit 2, and applies the rectified DC voltage between the input terminals 11 and 12.
In the switching power supply circuit 10, the DC voltage boosted by the switching circuits 3 a and 3 b is input to the inverter 4 via the output terminals 13 and 14. Further, the switching power supply circuit 10 includes a control unit 5 that controls the operation of the switching elements S1 and S2 of the switching circuits 3a and 3b.

スイッチング回路3aは、第1のリアクトルL1と、第1のダイオードD1と、第1のスイッチング素子S1を備えている。リアクトルL1及びダイオードD1は、入力端11と出力端13とを接続する導電ライン15上に、リアクトルL1が入力端11側に、ダイオードD1が出力端13側になるように配置され、両者は直列に接続される。ダイオードD1は、そのアノードがリアクトルL1に向けて配置されている。   The switching circuit 3a includes a first reactor L1, a first diode D1, and a first switching element S1. The reactor L1 and the diode D1 are arranged on a conductive line 15 connecting the input end 11 and the output end 13 such that the reactor L1 is on the input end 11 side and the diode D1 is on the output end 13 side. Connected to. The anode of the diode D1 is arranged toward the reactor L1.

スイッチング素子S1は、リアクトルL1とダイオードD1の間で、導電ライン15に接続されている。スイッチング素子S1の動作、つまり導通及び非導通は制御部5によって制御される。   Switching element S1 is connected to conductive line 15 between reactor L1 and diode D1. The operation of the switching element S1, that is, conduction and non-conduction is controlled by the control unit 5.

スイッチング回路3bは、第2のリアクトルL2と、第2のダイオードD2と、第2のスイッチング素子S2を備えている。リアクトルL2及びダイオードD2は、入力端12と出力端14とを接続する導電ライン16上に、リアクトルL2が入力端12側に、ダイオードD2が出力端14側になるように配置され、両者は直列に接続される。ダイオードD2は、そのアノードがリアクトルL2に向けて設けられている。   The switching circuit 3b includes a second reactor L2, a second diode D2, and a second switching element S2. The reactor L2 and the diode D2 are arranged on the conductive line 16 connecting the input terminal 12 and the output terminal 14 such that the reactor L2 is on the input terminal 12 side and the diode D2 is on the output terminal 14 side. Connected to. The anode of the diode D2 is provided toward the reactor L2.

本実施形態は、スイッチング回路3bのリアクトルL2のインダクタンス値をスイッチング回路3aのリアクトルL1のインダクタンス値よりも小さく、例えば1/2に設定できる。そうすることで、リアクトルL2を構成するコイルの巻数をリアクトルL1の半分にすることができる。よって、リアクトルL2の小型化を実現できるのに加えて、製造コストを抑えることができる。ただし、1/2は一例であり、本発明を限定するものでない。   In the present embodiment, the inductance value of the reactor L2 of the switching circuit 3b can be set smaller than the inductance value of the reactor L1 of the switching circuit 3a, for example, 1/2. By doing so, the number of turns of the coil constituting reactor L2 can be made half of reactor L1. Therefore, the reactor L2 can be reduced in size, and the manufacturing cost can be reduced. However, 1/2 is an example and does not limit the present invention.

スイッチング回路3a,3bに入力される電流のノイズを低減するために入力端11,12の間にコンデンサを設けたり、スイッチング回路3a,3bによって昇圧された直流電圧を平滑化するために、出力端13,14の間にコンデンサを設けるなど、スイッチング電源回路10に他の要素を付加することもできる。   In order to reduce noise of currents input to the switching circuits 3a and 3b, a capacitor is provided between the input terminals 11 and 12, and an output terminal is used to smooth the DC voltage boosted by the switching circuits 3a and 3b. Other elements can be added to the switching power supply circuit 10, such as providing a capacitor between 13 and 14.

制御部5は、演算処理装置5aと記憶装置5bを備えている。演算処理装置5aは、記憶装置5bに記憶されているプログラムにしたがって、スイッチング素子S1,S2の動作を含め、スイッチング電源回路10の動作を制御する手順を実行する。
演算処理装置5aは、例えばマイクロコンピュータにより構成され、また、記憶装置5bは、例えばROM(Read-Only-Memory)、RAM(Random-Access-Memory)、ハードディスク装置などの記憶装置の単数又は複数で構成される。
The control unit 5 includes an arithmetic processing device 5a and a storage device 5b. The arithmetic processing unit 5a executes a procedure for controlling the operation of the switching power supply circuit 10 including the operations of the switching elements S1 and S2 according to the program stored in the storage device 5b.
The arithmetic processing unit 5a is composed of, for example, a microcomputer, and the storage unit 5b is a single or plural storage units such as a ROM (Read-Only-Memory), a RAM (Random-Access-Memory), and a hard disk unit. Composed.

スイッチング電源回路10は種々の用途に用いられる。例えば空気調和機に用いられる場合には、インバータ4は空気調和機が有する圧縮機又はファンを駆動する電動機に向けて交流電圧を印加する。   The switching power supply circuit 10 is used for various applications. For example, when used in an air conditioner, the inverter 4 applies an AC voltage toward a compressor or a motor that drives a fan of the air conditioner.

[スイッチング電源回路(スイッチング回路3a,3b)の動作]
以下、スイッチング電源回路10の動作について説明する。
スイッチング電源回路10は、スイッチング素子S1とスイッチング素子S2の各々のスイッチングの位相をずらして、スイッチング回路3a,3bを動作させる。この制御は制御部5が行う。ここで、スイッチング素子S1とスイッチング素子S2の位相をずらすと、図5に示すように、リアクトルL1を流れる電流I1の値が低い谷の部分とリアクトルL2を流れる電流I2の値が高い山の部分とが相殺され、リアクトルL1を流れる電流I1の値が高い山の部分とリアクトルL2を流れる電流I2の値が低い谷の部分とが相殺される。したがって、電流I1と電流I2の和である電流Iの変動成分(いわゆる高調波成分)を低くすることができる。
[Operation of Switching Power Supply Circuit (Switching Circuits 3a, 3b)]
Hereinafter, the operation of the switching power supply circuit 10 will be described.
The switching power supply circuit 10 operates the switching circuits 3a and 3b by shifting the switching phases of the switching element S1 and the switching element S2. This control is performed by the control unit 5. Here, when the phases of the switching element S1 and the switching element S2 are shifted, as shown in FIG. 5, the valley part where the value of the current I1 flowing through the reactor L1 is low and the peak part where the value of the current I2 flowing through the reactor L2 is high Are offset, and the peak portion where the value of the current I1 flowing through the reactor L1 is high and the valley portion where the value of the current I2 flowing through the reactor L2 is low are offset. Therefore, the fluctuation component (so-called harmonic component) of the current I that is the sum of the current I1 and the current I2 can be reduced.

特に、図5の上段は理想的な例を示しており、電流I1と電流I2が、周波数及び振幅が同じで、かつ、位相差が180度だけずれているために、電流I(電流I1+電流I2)が平坦な波形を示し、リプル率が0である。ここで、本願発明におけるリプル率(ripple ratio)は、電流Iの変動幅を電流Iの平均で除した値である。図5の下段の例は、電流I1と電流I2は周波数が同じであるが、電流I2の振幅が電流I1の2倍の例を示しており、この例はリプル率が0.67となる。   In particular, the upper part of FIG. 5 shows an ideal example. Since the current I1 and the current I2 have the same frequency and amplitude and the phase difference is shifted by 180 degrees, the current I (current I1 + current I2) shows a flat waveform, and the ripple rate is zero. Here, the ripple ratio in the present invention is a value obtained by dividing the fluctuation range of the current I by the average of the current I. The lower example in FIG. 5 shows an example in which the currents I1 and I2 have the same frequency, but the amplitude of the current I2 is twice that of the current I1, and in this example, the ripple ratio is 0.67.

本実施形態は、制御部5が、スイッチング素子S1とスイッチング素子S2の各々のスイッチングの位相をずらす。つまり、スイッチング素子S2は、スイッチング素子S1が導通した時点から所定時間だけ経過したときに導通する。ここで、スイッチング素子S1が導通してから再び導通するまでの期間から求められる周波数をf1とすると、スイッチング素子S2の当該周波数f2を周波数f1より小さくする。ここで、リアクトルを構成するコイルに流れる電流の時間当たりの変化量は、周波数が小さくなるほど、大きくなる。したがって、スイッチング素子S1に対しスイッチング素子S2を高い周波数でスイッチングすると、リアクトルL2に流れる電流I2の平均としての波形が、リアクトルL1の電流I1の波形と相似になり、かつ、両者の波形の位相差を180度にできる(図2(d)参照)。   In the present embodiment, the control unit 5 shifts the switching phases of the switching element S1 and the switching element S2. That is, the switching element S2 is turned on when a predetermined time has elapsed since the switching element S1 was turned on. Here, if the frequency obtained from the period from when the switching element S1 is turned on to when it is turned on again is f1, the frequency f2 of the switching element S2 is made smaller than the frequency f1. Here, the amount of change per hour of the current flowing through the coil constituting the reactor increases as the frequency decreases. Therefore, when switching element S2 is switched at a higher frequency than switching element S1, the average waveform of current I2 flowing through reactor L2 is similar to the waveform of current I1 of reactor L1, and the phase difference between the two waveforms Can be set to 180 degrees (see FIG. 2D).

スイッチング素子S1に対するスイッチング素子S2の周波数の比(スイッチング周波数比=f2/f1)を変えてリアクトルL2に流れる電流I2の波形を測定するとともに、リアクトルL1に流れる電流I1との和である電流Iから求めたリプル率の結果を、図2及び図3を参照して説明する。ここでは、スイッチングのオン・オフのタイミングを、基準波形ISに対し、リアクトルL2の電流I2が設定したリプル電流幅RWとなるようにヒステリシス制御に基づいて行った。基準波形ISは、リアクトルL1の電流I1の波形と相似形で180度だけ位相差を設けたものであり、電流I2の波形を電流I1の波形と相似にするとともに、両者の位相差を180度にするために機能する。   While changing the ratio of the frequency of the switching element S2 to the switching element S1 (switching frequency ratio = f2 / f1), the waveform of the current I2 flowing through the reactor L2 is measured, and from the current I which is the sum of the current I1 flowing through the reactor L1 The result of the obtained ripple rate will be described with reference to FIGS. Here, the switching ON / OFF timing is performed based on the hysteresis control so that the current I2 of the reactor L2 becomes the set ripple current width RW with respect to the reference waveform IS. The reference waveform IS is similar to the waveform of the current I1 of the reactor L1 and has a phase difference of 180 degrees. The waveform of the current I2 is similar to the waveform of the current I1, and the phase difference between the two is 180 degrees. To function.

図2及び図3に示すように、スイッチング素子S2のスイッチング周波数f2をスイッチング周波数f1に対して高くすることで、電流I2のリプルを低減することができる。そして、スイッチング周波数比(f2/f1)を13にすると、電流I2の平均としての波形を電流I1の波形と相似形でかつ180度だけ位相差を設けることができることがわかる。このように、スイッチング周波数比(f2/f1)を高く設定することで、高調波電流規制を満足し、出力に接続される機器に安定した出力電流を供給できる。一般的に電源回路は出力リプルが低なるように設計されるが、出力リプルの変動が大きい場合は、それを平滑化するために、コンデンサやリアクトルなどの平滑用フィルタ回路が別途必要となる。したがって、リプル率を低減できる本実施形態によると、スイッチング電源回路10のサイズを小さくできるのに加えて、コスト低減にも寄与する。
スイッチング周波数比(f2/f1)が大きくするほど、リプル率が低下し、出力電流が平坦になるが、一方で、スイッチング素子S2の周波数を高くする必要があるため、スイッチング損失が増加し、回路の効率が低下する。スイッチング損失を抑えるために、後述するように、スイッチング素子S2にワイドギャップ半導体パワー素子と称されるSiC(炭化珪素)半導体又はGaN(窒化ガリウム)半導体を使用することが好ましいが、スイッチング周波数比(f2/f1)が大きくなりすぎると、損失を無視できなくなる。したがって、リプル率を抑えるとともにスイッチング損失の増加をも抑えることを考慮すると、スイッチング周波数比(f2/f1)は5〜15の範囲が好ましく、5〜10の範囲がより好ましい。
As shown in FIGS. 2 and 3, the ripple of the current I2 can be reduced by increasing the switching frequency f2 of the switching element S2 with respect to the switching frequency f1. When the switching frequency ratio (f2 / f1) is set to 13, it can be seen that the waveform as the average of the current I2 is similar to the waveform of the current I1 and can be provided with a phase difference of 180 degrees. Thus, by setting the switching frequency ratio (f2 / f1) high, the harmonic current regulation is satisfied, and a stable output current can be supplied to the device connected to the output. In general, the power supply circuit is designed so that the output ripple is low. However, if the fluctuation of the output ripple is large, a smoothing filter circuit such as a capacitor or a reactor is separately required to smooth the fluctuation. Therefore, according to the present embodiment that can reduce the ripple rate, the size of the switching power supply circuit 10 can be reduced, and the cost can be reduced.
As the switching frequency ratio (f2 / f1) increases, the ripple ratio decreases and the output current becomes flat. On the other hand, since the frequency of the switching element S2 needs to be increased, the switching loss increases, and the circuit increases. Decreases the efficiency. In order to suppress the switching loss, it is preferable to use a SiC (silicon carbide) semiconductor or a GaN (gallium nitride) semiconductor called a wide gap semiconductor power element for the switching element S2, as described later, but the switching frequency ratio ( If f2 / f1) becomes too large, the loss cannot be ignored. Therefore, in consideration of suppressing the ripple rate and suppressing the increase in switching loss, the switching frequency ratio (f2 / f1) is preferably in the range of 5 to 15, more preferably in the range of 5 to 10.

本実施形態において、スイッチング素子S1及びスイッチング素子S2のスイッチングのタイミングは、PWM(Pulse Width Modulation)制御によっても行なうことができる。この場合、図4に示すように、スイッチング素子S2のスイッチング周波数f2は、スイッチング素子S1のスイッチング周波数f2の整数倍(ただし、2以上)となる。
ヒステリシス制御によるスイッチングは、電流リプルを設定値以下に抑え、電流リプルが閾値に達するとオン・オフを切り替えるので、スイッチング周波数が一定にならない。これに対して、PWM制御を適用すると、図4に示すように、スイッチング周波数を一定にできる。ただし、スイッチング毎のリプルの大きさが変化する。したがって、スイッチング制御をCPU(Central Processing Unit)で実施すると、整数倍で周期を同期させることができるので、スイッチング制御のためのソフトウェアが簡素になり、整数倍以外(ヒステリシス制御)にするよりも処理量を減らすことができる。また、PWM制御を適用すると、リアクトルL1とリアクトルL2の電流検出時のサンプリングを同期して行なうことができるので、ソフトウェア処理が簡素化される。
In the present embodiment, the switching timing of the switching element S1 and the switching element S2 can also be performed by PWM (Pulse Width Modulation) control. In this case, as shown in FIG. 4, the switching frequency f2 of the switching element S2 is an integral multiple (however, 2 or more) of the switching frequency f2 of the switching element S1.
Switching by hysteresis control suppresses the current ripple below a set value and switches on / off when the current ripple reaches a threshold value, so the switching frequency does not become constant. On the other hand, when PWM control is applied, the switching frequency can be made constant as shown in FIG. However, the magnitude of the ripple for each switching changes. Therefore, when switching control is performed by a CPU (Central Processing Unit), the cycle can be synchronized by an integer multiple, so the software for switching control is simplified, and processing is performed more than by non-integer multiples (hysteresis control). The amount can be reduced. Further, when PWM control is applied, the sampling at the time of detecting the current of the reactor L1 and the reactor L2 can be performed synchronously, so that software processing is simplified.

以上の通りであり、ヒステリシス制御は、リプル幅が一定であり、リプルが安定しているので、高精度な電流出力が重視される用途に向いており、一方、PWM制御は、低コストが重視される用途に向いている。   As described above, hysteresis control is suitable for applications where high-precision current output is important because ripple width is constant and ripple is stable, while PWM control is important for low cost. Suitable for use.

ところで、スイッチング素子S2は、スイッチング素子S1より高周波でスイッチングされるため、スイッチングによる損失がスイッチング素子S1よりも大きくなる。したがって、スイッチング素子S2は、スイッチング時の損失が大幅に低減できる素子を用いるのが好ましい。例えば、スイッチング素子S2にはワイドギャップ半導体パワー素子と称されるSiC(炭化珪素)半導体又はGaN(窒化ガリウム)半導体を用いることで、スイッチング素子S2のスイッチングによる損失を大幅に低減できる。一方、スイッチング素子S1は、SiC半導体又はGaN半導体よりも低コストで製造できるSi(珪素)半導体によって形成することが好ましい。そうすれば、スイッチング素子S1,S2の両方がSiC半導体又はGaN半導体によって形成される場合に比べて、製造コストを低減できる。
ただし、本発明は他のスイッチング素子、例えば、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、MOS電界効果型トランジスタ(Metal-Oxide-Semiconductor,Filed Effect Transistor)を用いるができる。
Incidentally, since the switching element S2 is switched at a higher frequency than the switching element S1, a loss due to switching is larger than that of the switching element S1. Therefore, the switching element S2 is preferably an element that can greatly reduce the loss during switching. For example, by using a SiC (silicon carbide) semiconductor or a GaN (gallium nitride) semiconductor called a wide gap semiconductor power element for the switching element S2, loss due to switching of the switching element S2 can be greatly reduced. On the other hand, the switching element S1 is preferably formed of a Si (silicon) semiconductor that can be manufactured at a lower cost than a SiC semiconductor or a GaN semiconductor. If it does so, compared with the case where both switching element S1, S2 is formed with a SiC semiconductor or a GaN semiconductor, a manufacturing cost can be reduced.
However, the present invention can use other switching elements such as an insulated gate bipolar transistor and a MOS field effect transistor (Metal-Oxide-Semiconductor, Filed Effect Transistor).

以上、本発明を実施形態に基づいて説明したが、本発明の主旨を逸脱しない限り、上記実施の形態で挙げた構成を取捨選択したり、他の構成に適宜変更することが可能である。
スイッチング電源回路10は、スイッチング回路を2つ備えているが、本発明は、3つ以上のスイッチング回路を備えるスイッチング電源回路にも適用することができる。
また、以上では、2つのスイッチング回路3a,3bをインターリーブ制御する際の動作に焦点を当てて説明しているが、インターリーブ制御するのに加えて、2つのスイッチング回路3a,3bを個別に動作させてもよい。
As described above, the present invention has been described based on the embodiment. However, the configuration described in the above embodiment may be selected or changed to another configuration as long as it does not depart from the gist of the present invention.
Although the switching power supply circuit 10 includes two switching circuits, the present invention can also be applied to a switching power supply circuit including three or more switching circuits.
In the above description, the operation when the two switching circuits 3a and 3b are interleaved is described. However, in addition to the interleave control, the two switching circuits 3a and 3b are operated individually. May be.

10 スイッチング電源回路
1 交流電源
2 整流回路
3a,3b スイッチング回路
4 インバータ
5 制御部
11,12 入力端
13,14 出力端
15,16 導電ライン
L1,L2 リアクトル
S1,S2 スイッチング素子
D1,D2 ダイオード
I,I1,I2 電流
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Switching power supply circuit 1 AC power supply 2 Rectifier circuit 3a, 3b Switching circuit 4 Inverter 5 Control part 11,12 Input end 13,14 Output end 15,16 Conductive line L1, L2 Reactor S1, S2 Switching element D1, D2 Diode I, I1, I2 current

Claims (3)

第1のリアクトルと、
前記第1のリアクトルと直列に接続され、アノードを前記第1のリアクトル側に向けて配置される第1のダイオードと、
前記第1のリアクトルと前記第1のダイオードの間に設けられる第1のスイッチング素子と、を有する第1のスイッチング回路と、
前記第1のリアクトルよりもインダクタンスが小さい第2のリアクトルと、
前記第2のリアクトルと直列に接続され、アノードを前記第2のリアクトル側に向けて配置される第2のダイオードと、
前記第2のリアクトルと前記第2のダイオードの間に設けられる第2のスイッチング素子と、を有する第2のスイッチング回路と、
前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御部と、
を備え、
前記制御部は、
前記第1のスイッチング素子のスイッチング周波数をf1、前記第2のスイッチング素子のスイッチング周波数をf2とすると、
スイッチング周波数f1よりもスイッチング周波数f2が大きくなるように、前記スイッチング動作を制御
前記第1のスイッチング素子が珪素半導体によって構成され、
前記第2のスイッチング素子が炭化珪素半導体又は窒化ガリウム半導体によって構成される、
ことを特徴とするスイッチング電源回路。
A first reactor;
A first diode connected in series with the first reactor and disposed with an anode directed toward the first reactor;
A first switching circuit having a first switching element provided between the first reactor and the first diode;
A second reactor having an inductance smaller than that of the first reactor;
A second diode connected in series with the second reactor and having an anode facing the second reactor;
A second switching circuit having a second switching element provided between the second reactor and the second diode;
A control unit for controlling a switching operation of the first switching element and the second switching element;
With
The controller is
When the switching frequency of the first switching element is f1, and the switching frequency of the second switching element is f2,
As the switching frequency f2 is greater than the switching frequency f1, to control the switching operation,
The first switching element is formed of a silicon semiconductor;
The second switching element is composed of a silicon carbide semiconductor or a gallium nitride semiconductor;
A switching power supply circuit.
前記制御部は、
前記第2のリアクトルを流れる電流が、
前記第1のリアクトルを流れる電流の波形と相似形でかつ180度だけ位相差を設けた基準波形に対して、所定のリプル電流幅に収まるように、
前記第2のスイッチング素子の前記スイッチング動作を制御する、
請求項1に記載のスイッチング電源回路。
The controller is
The current flowing through the second reactor is
With respect to a reference waveform that is similar to the waveform of the current flowing through the first reactor and has a phase difference of 180 degrees, it fits within a predetermined ripple current width,
Controlling the switching operation of said second switching element,
The switching power supply circuit according to claim 1 .
前記制御部は、
前記第2のスイッチング素子のスイッチング周波数が、前記第1のスイッチング素子のスイッチング周波数の、2以上の整数倍となるように前記スイッチング動作を制御する、請求項1に記載のスイッチング電源回路。
The controller is
2. The switching power supply circuit according to claim 1, wherein the switching operation is controlled such that a switching frequency of the second switching element is an integer multiple of 2 or more of a switching frequency of the first switching element.
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