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JP6917274B2 - Synchronous rectifying forward converter - Google Patents
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Description

本発明は、DC/DCコンバータの一つである同期整流型フォワードコンバータに関する。 The present invention relates to a synchronous rectification type forward converter, which is one of the DC / DC converters.

同期整流型コンバータは、DC/DCコンバータの効率を高めるために、非同期整流型コンバータにおけるスイッチであるダイオードを、FET等のトランジスタに置き換え、オンオフのタイミングを制御して非同期整流型コンバータと同様の動作を行わせるものである。 In order to improve the efficiency of the DC / DC converter, the synchronous rectifier converter replaces the diode, which is a switch in the asynchronous rectifier converter, with a transistor such as a FET, and controls the on / off timing to operate in the same manner as the asynchronous rectifier converter. Is to be done.

図4は、同期整流型フォワードコンバータの基本的な回路構成と、その動作を説明するためのタイミングチャートの一例を概略的に示している。ここでの同期整流型フォワードコンバータは、トランスを用いて入力側と出力側を絶縁した絶縁型コンバータである。例えば、特許文献1、2等に記載されている。 FIG. 4 schematically shows an example of a basic circuit configuration of a synchronous rectification type forward converter and a timing chart for explaining its operation. The synchronous rectification type forward converter here is an isolated type converter in which the input side and the output side are insulated by using a transformer. For example, it is described in Patent Documents 1 and 2.

トランスTは、極性の向きが同じ一次コイルNpおよび二次コイルNsを有する(巻き始端を黒丸で示す)。一次コイルNpに印加される直流入力電圧+Vinは主スイッチング素子Q1によりスイッチングされる。二次コイルNsに対し整流スイッチング素子Q2およびチョークコイルLが直列接続されている。さらに、二次コイルNsおよび整流スイッチング素子Q2に対し転流スイッチング素子Q3が並列接続されている。二次コイルNs、整流スイッチング素子Q2およびチョークコイルLに対し平滑コンデンサCが並列接続されている。平滑コンデンサCの両端が直流出力電圧の出力端p、nである。主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2をオンオフ制御するPWM(pulse width modulation)信号と、転流スイッチング素子Qをオンオフ制御するそれとは、相反関係にあり、前者がオンのとき後者はオフであり、またその逆となる。 The transformer T has a primary coil Np and a secondary coil Ns having the same polarity direction (the winding start end is indicated by a black circle). The DC input voltage + Vin applied to the primary coil Np is switched by the main switching element Q1. The rectifying switching element Q2 and the choke coil L are connected in series to the secondary coil Ns. Further, the commutation switching element Q3 is connected in parallel to the secondary coil Ns and the rectifying switching element Q2. A smoothing capacitor C is connected in parallel to the secondary coil Ns, the rectifying switching element Q2, and the choke coil L. Both ends of the smoothing capacitor C are output ends p and n of the DC output voltage. The PWM (pulse width modulation) signal that controls the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 on and off and the PWM (pulse width modulation) signal that controls the commutation switching element Q on and off are in a reciprocal relationship. And vice versa.

PWM信号の生成には、PWMICが広く用いられている。PWMICは、通常、一定の周波数のパルス波形における所定のデューティ比を決定してPWM信号を生成し、出力する。この例では、転流スイッチング素子Q3のオンオフのタイミングを調整するために制御部(Cont.)が設けられている。 PWM ICs are widely used to generate PWM signals. The PWM IC usually determines a predetermined duty ratio in a pulse waveform having a constant frequency, generates a PWM signal, and outputs the PWM signal. In this example, a control unit (Cont.) Is provided to adjust the on / off timing of the commutation switching element Q3.

特開平11−178334号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-178334 特開2013−90432号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2013-90432

図4を参照して一般的な同期整流型フォワードコンバータの問題点について説明する。
図4(a)はPWM信号、(b)は主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2のゲートソース間電圧(すなわちQ2のオンオフ)、(c)はチョークコイルLと転流スイッチング素子Q3の接続点の電位(以下「チョークコイル電位」と称する)V、(d)は転流スイッチング素子Q3のゲートソース間電圧(すなわちQ3のオンオフ)のそれぞれの波形を示している。時間軸に沿ってモードI〜IIIについて説明する。
Problems of a general synchronous rectification type forward converter will be described with reference to FIG.
FIG. 4A shows a PWM signal, FIG. 4B shows a voltage between the gate and source of the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 (that is, turning on / off Q2), and FIG. 4C shows a connection point between the choke coil L and the commutation switching element Q3. (Hereinafter referred to as “choke coil potential”) VL , (d) shows the respective waveforms of the gate-source voltage (that is, on / off of Q3) of the commutation switching element Q3. Modes I to III will be described along the time axis.

モードI:PWM信号のオン期間には、主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2が導通(オン)する。一次コイルNpに電流が流れることにより、二次コイルNsに生じた正の起電圧により、整流スイッチング素子Q2およびチョークコイルLに電流が流れ、出力端p、nから負荷に供給される。チョークコイルLには磁気エネルギーが蓄積される。転流スイッチング素子Q3は遮断(オフ)されている。 Mode I: During the ON period of the PWM signal, the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are conducted (ON). When the current flows through the primary coil Np, the positive electromotive voltage generated in the secondary coil Ns causes the current to flow through the rectifying switching element Q2 and the choke coil L, and is supplied to the load from the output terminals p and n. Magnetic energy is stored in the choke coil L. The commutation switching element Q3 is cut off (off).

モードII:PWM信号がオフになると、主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2が遮断(オフ)され、チョークコイル電圧Vには負の逆起電圧が生じる。このとき転流スイッチング素子Q3はまだオフのままである。モードIIの期間は、整流スイッチング素子Q2と転流スイッチング素子Q3を同時にオンとしないために設けられるいわゆるデッドタイムである。制御部は、例えばチョークコイル電位Vをモニタリングし、所定のデッドタイムの経過後に転流スイッチング素子Q3をオンとする。図示の例とは異なるが、転流スイッチング素子Q3がオフした後、所定のデッドタイムの経過後に整流スイッチング素子Q2をオンさせる制御を行う場合もある。このようなデッドタイム制御は非常に複雑であり、通常、演算処理のためにプロセッサ等が用いられる。 Mode II: When the PWM signal is turned off, the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are cut off (off), and a negative counter electromotive voltage is generated in the choke coil voltage VL. At this time, the commutation switching element Q3 is still off. The period of mode II is a so-called dead time provided to prevent the rectifying switching element Q2 and the commutation switching element Q3 from being turned on at the same time. The control unit monitors, for example, the choke coil potential VL , and turns on the commutation switching element Q3 after a predetermined dead time has elapsed. Although different from the illustrated example, control may be performed to turn on the rectifying switching element Q2 after a predetermined dead time elapses after the commutation switching element Q3 is turned off. Such dead time control is very complicated, and a processor or the like is usually used for arithmetic processing.

モードIII:オンになった転流スイッチング素子Q3を通ってチョークコイルLに電流が流れ、出力端p、nから負荷に供給される。これによりチョークコイルLに蓄積された磁気エネルギーが放出される。電流が零になると逆起電圧は零に戻る。そしてPWM信号の次のオンを迎える。これが繰り返される。図示の例では、制御部が、チョークコイルL電位V(または電流)をモニタリングし、これが零となったときに転流スイッチング素子Q3をオフにする制御を行っている。しかしながら、電位Vは、通常、零付近で変動するため、転流スイッチング素子Q3がオンオフを繰り返すチャタリングが発生しやすい(図4(d)参照)。また、チョークコイル電位Vを何ら制御しないままにすると、発振し易いという問題もある。 Mode III: A current flows through the choke coil L through the commutation switching element Q3 that has been turned on, and is supplied to the load from the output terminals p and n. As a result, the magnetic energy stored in the choke coil L is released. When the current becomes zero, the counter electromotive voltage returns to zero. Then, the next ON of the PWM signal is reached. This is repeated. In the illustrated example, the control unit monitors the choke coil L potential VL (or current) and controls to turn off the commutation switching element Q3 when it becomes zero. However, since the potential VL usually fluctuates near zero, chattering in which the commutation switching element Q3 repeatedly turns on and off is likely to occur (see FIG. 4D). Further, if the choke coil potential VL is left uncontrolled, there is a problem that oscillation is likely to occur.

以上の問題点から、本発明は、同期整流型フォワードコンバータにおいて、複雑な制御を必要とせずに、各スイッチング素子の安全かつ確実な同期制御を可能とすると共に、より高い効率と安定性を実現することを目的とする。 From the above problems, the present invention enables safe and reliable synchronous control of each switching element in a synchronous rectification type forward converter without requiring complicated control, and realizes higher efficiency and stability. The purpose is to do.

上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明の態様は、一次コイルおよび二次コイルを有するトランスと、前記一次コイルに直列接続された主スイッチング素子と、前記二次コイルに直列接続された整流スイッチング素子およびチョークコイルと、前記二次コイルおよび前記整流スイッチング素子に並列接続された転流スイッチング素子と、前記二次コイル、前記整流スイッチング素子および前記チョークコイルに並列接続された平滑コンデンサと、を備え、前記主スイッチング素子、前記整流スイッチング素子および前記転流スイッチング素子がPWM信号によりそれぞれオンオフ制御される同期整流型フォワードコンバータにおいて、
前記PWM信号がそれぞれ入力され、その入力された時点から所定の同じ遅延時間の経過後に、入力された該PWM信号にしたがって前記主スイッチング素子および前記整流スイッチング素子をそれぞれオンオフ制御する第1の遅延回路および第2の遅延回路と、
所定の参照電位、前記PWM信号、及び、前記チョークコイルと前記転流スイッチング素子の接続点の電位であるチョークコイル電位を入力され、前記転流スイッチング素子をオンオフ制御する演算増幅回路と、を有し、
前記演算増幅回路は、
前記PWM信号がオフでありかつ前記チョークコイル電位が前記参照電位以下に降下しようとするときに前記転流スイッチング素子をオフからオンにして前記チョークコイル電位を前記参照電位と同電位に保持するように動作すると共に、
前記PWM信号がオンとなるかまたは前記チョークコイル電位が前記参照電位を超えたときに前記転流スイッチング素子をオンからオフにすることを特徴とする。
・ 上記態様において、前記参照電位が、前記二次コイルに生じる逆起電圧と同極性でかつ逆起電圧よりも絶対値が小さい電圧であることが、好適である。
・ 上記態様において、前記整流スイッチング素子がオフとなったときに前記二次コイルに発生する逆起電圧に対して順方向となるように、前記二次コイルの一端と前記平滑コンデンサの一端との間に接続された整流要素をさらに有することが、好適である。
・ 上記態様において、前記PWM信号がフォトカプラを介して前記第1の遅延回路に入力されることが、好適である。
In order to achieve the above object, the present invention provides the following configurations.
-Aspects of the present invention include a transformer having a primary coil and a secondary coil, a main switching element connected in series with the primary coil, a rectifying switching element and a choke coil connected in series with the secondary coil, and the above two. A commutation switching element connected in parallel to the next coil and the rectifying switching element, the secondary coil, the rectifying switching element, and a smoothing capacitor connected in parallel to the choke coil are provided, and the main switching element and the rectifying element are provided. In a synchronous rectification type forward converter in which the switching element and the commutation switching element are each turned on and off by a PWM signal.
A first delay circuit that controls on / off of the main switching element and the rectifying switching element according to the input PWM signal after each of the PWM signals is input and a predetermined same delay time elapses from the input time. And the second delay circuit,
It has a predetermined reference potential, the PWM signal, and an arithmetic amplifier circuit that controls the on / off of the commutation switching element by inputting the choke coil potential which is the potential of the connection point between the choke coil and the commutation switching element. death,
The arithmetic amplifier circuit
When the PWM signal is off and the choke coil potential is about to drop below the reference potential, the commutation switching element is turned from off to on to keep the choke coil potential at the same potential as the reference potential. As well as working on
The commutation switching element is turned from on to off when the PWM signal is turned on or the choke coil potential exceeds the reference potential.
-In the above embodiment, it is preferable that the reference potential is a voltage having the same polarity as the counter electromotive voltage generated in the secondary coil and having an absolute value smaller than the counter electromotive voltage.
In the above embodiment, one end of the secondary coil and one end of the smoothing capacitor are arranged so as to be in the forward direction with respect to the counter electromotive voltage generated in the secondary coil when the rectifying switching element is turned off. It is preferable to have additional rectifying elements connected in between.
-In the above embodiment, it is preferable that the PWM signal is input to the first delay circuit via a photocoupler.

本発明の同期整流型フォワードコンバータでは、複雑な制御を必要とせずに、各スイッチング素子の安全かつ確実な同期制御が行われる。加えて、より高い効率と安定性が実現される。 In the synchronous rectification type forward converter of the present invention, safe and reliable synchronous control of each switching element is performed without requiring complicated control. In addition, higher efficiency and stability are achieved.

図1は、本発明の同期整流型フォワードコンバータの実施形態の回路構成例を概略的に示した図である。FIG. 1 is a diagram schematically showing a circuit configuration example of an embodiment of the synchronous rectification type forward converter of the present invention. 図2は、図1に示した回路の重負荷時のタイミングチャートの一例を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing an example of a timing chart of the circuit shown in FIG. 1 under heavy load. 図3は、図1に示した回路の軽負荷時のタイミングチャートの一例を示した図である。FIG. 3 is a diagram showing an example of a timing chart of the circuit shown in FIG. 1 when a light load is applied. 同期整流型フォワードコンバータの基本的な回路構成とタイミングチャートの一例を示した図である。It is a figure which showed an example of the basic circuit configuration and the timing chart of a synchronous rectification type forward converter.

(1)回路構成
図1は、本発明の同期整流型フォワードコンバータの実施形態の回路構成例を概略的に示した図である。上述した図4の同期整流型フォワードコンバータの基本形態と同一の構成要素には同一符号を付している。本明細書において、ある電位がOPアンプの入力端に「入力される」とは、ダイオードまたは抵抗を介して入力される場合を含む。
(1) Circuit Configuration FIG. 1 is a diagram schematically showing a circuit configuration example of an embodiment of the synchronous rectification type forward converter of the present invention. The same components as those in the basic form of the synchronous rectification type forward converter of FIG. 4 described above are designated by the same reference numerals. As used herein, the term "input" to an input end of an operational amplifier includes the case where a potential is input via a diode or a resistor.

トランスTは、極性の向きが同じ一次コイルNpおよび二次コイルNsを有する。コイルの巻き始端は黒丸で示している。一次コイルNpに対し、主スイッチング素子Q1が直列接続されている。本例では、主スイッチング素子Q1はnチャネルFETであり、ドレインが一次コイルNpに、ソースが一次側の接地端に接続されている。主スイッチング素子Q1は、そのゲートに印加される電圧によりオンオフ制御される。これにより、一次コイルNpに印加される直流入力電圧+Vinがスイッチングされる。 The transformer T has a primary coil Np and a secondary coil Ns having the same polarity direction. The winding start end of the coil is indicated by a black circle. The main switching element Q1 is connected in series to the primary coil Np. In this example, the main switching element Q1 is an n-channel FET, the drain is connected to the primary coil Np, and the source is connected to the ground end on the primary side. The main switching element Q1 is on / off controlled by the voltage applied to the gate. As a result, the DC input voltage + Vin applied to the primary coil Np is switched.

トランスTの二次コイルNsに対し、整流スイッチング素子Q2およびチョークコイルLが直列接続されている。本例では、整流スイッチング素子Q2はnチャネルFETであり、ドレインが二次コイルNsに、ソースが二次側の接地端である出力端nに接続されている。整流スイッチング素子Q2は、非同期整流型フォワードコンバータの整流ダイオードの役割を担う。整流スイッチング素子Q2は、そのゲートに印加される電圧によりオンオフ制御される。チョークコイルLは、その一端が二次コイルNsに、他端が出力端pに接続されている。 The rectifying switching element Q2 and the choke coil L are connected in series to the secondary coil Ns of the transformer T. In this example, the rectifying switching element Q2 is an n-channel FET, and the drain is connected to the secondary coil Ns and the source is connected to the output terminal n which is the ground end on the secondary side. The rectifying switching element Q2 plays the role of a rectifying diode of an asynchronous rectifying forward converter. The rectifying switching element Q2 is on / off controlled by the voltage applied to the gate. One end of the choke coil L is connected to the secondary coil Ns, and the other end is connected to the output end p.

さらに、直列接続された二次コイルNsおよび整流スイッチング素子Q2に対し、転流スイッチング素子Q3が並列接続されている。本例では、転流スイッチング素子Q3はnチャネルFETであり、ドレインがチョークコイルLの一端に、ソースが二次側の接地端である出力端nに接続されている。さらに転流スイッチング素子Q3に対し、そのボディダイオードと同じ向きにダイオードD6が並列接続されている。ダイオードD6は必須ではないが、FETのボディダイオードを電流が流れると損失が大きくなるため、ダイオードD6を接続することが好ましい。ダイオードD6は、応答が速くかつ電圧降下の小さい、例えばショットキーバリアダイオードが好適である。転流スイッチング素子Q3は、非同期整流型フォワードコンバータの転流ダイオードの役割を担う。転流スイッチング素子Q3は、そのゲートに印加される電圧によりオンオフ制御される。 Further, the commutation switching element Q3 is connected in parallel to the secondary coil Ns and the rectifying switching element Q2 connected in series. In this example, the commutation switching element Q3 is an n-channel FET, and the drain is connected to one end of the choke coil L and the source is connected to the output end n which is the ground end on the secondary side. Further, a diode D6 is connected in parallel to the commutation switching element Q3 in the same direction as the body diode. Although the diode D6 is not indispensable, it is preferable to connect the diode D6 because the loss increases when a current flows through the body diode of the FET. As the diode D6, for example, a Schottky barrier diode having a fast response and a small voltage drop is suitable. The commutation switching element Q3 plays the role of a commutation diode of the asynchronous rectifying forward converter. The commutation switching element Q3 is on / off controlled by the voltage applied to the gate.

さらに、直列接続された二次コイルNs、整流スイッチング素子Q2およびチョークコイルLに対し、平滑コンデンサCが並列接続されている。平滑コンデンサCの両端が直流出力電圧の出力端p、nである。 Further, a smoothing capacitor C is connected in parallel to the secondary coil Ns, the rectifying switching element Q2, and the choke coil L connected in series. Both ends of the smoothing capacitor C are output ends p and n of the DC output voltage.

さらに、二次コイルNsと正の出力端pの間にダイオードD7が接続されている。ダイオードD7は、アノードが二次コイルNsの巻き終端に、カソードが出力端pに接続されている。 Further, a diode D7 is connected between the secondary coil Ns and the positive output end p. In the diode D7, the anode is connected to the winding end of the secondary coil Ns, and the cathode is connected to the output end p.

次に、スイッチング素子Q1、Q2、Q3をそれぞれオンオフ制御する回路について説明する。上述した通り、同期整流型フォワードコンバータにおいては、主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2を制御するPWM信号と、転流スイッチング素子Q3を制御するそれとは、基本的に相反関係である。加えて、双方が同時にオンする状態を確実に回避する必要がある。 Next, a circuit that controls each of the switching elements Q1, Q2, and Q3 on and off will be described. As described above, in the synchronous rectification type forward converter, the PWM signal that controls the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 and that that controls the commutation switching element Q3 are basically in a reciprocal relationship. In addition, it is necessary to ensure that both are turned on at the same time.

本発明による図1の回路では、スイッチング素子Q1、Q2、Q3をそれぞれオンオフ制御する電圧は、図示のPWMICのout端子から出力される1つのPWM信号を用いてそれぞれ生成される。PWMICは、通常、一定の周波数のパルス波形における所定のデューティ比を決定してPWM信号を生成し、出力する。PWMICにおけるデューティ比の決定方法については、本発明の範囲外であるのでここでは言及しない。 In the circuit of FIG. 1 according to the present invention, the voltage for on / off control of the switching elements Q1, Q2, and Q3 is generated by using one PWM signal output from the out terminal of the illustrated PWM IC. The PWM IC usually determines a predetermined duty ratio in a pulse waveform having a constant frequency, generates a PWM signal, and outputs the PWM signal. The method of determining the duty ratio in the PWM IC is not described here because it is outside the scope of the present invention.

先ず、主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2のオンオフ制御のための回路構成について説明する。PWMICのout端子から出力されるPWM信号(例えば、H:+15V、L:0Vのパルス信号)は、実質的にコンパレータとして機能するOPアンプA1とOPアンプA2を介して、主スイッチング素子Q1と整流スイッチング素子Q2の各ゲートにそれぞれ印加される。OPアンプA1とOPアンプA2は、同じ所定の応答速度を有している。 First, a circuit configuration for on / off control of the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 will be described. The PWM signal (for example, H: + 15V, L: 0V pulse signal) output from the out terminal of the PWM IC is rectified with the main switching element Q1 via the OP amplifier A1 and the OP amplifier A2 that substantially function as comparators. It is applied to each gate of the switching element Q2. The OP amplifier A1 and the OP amplifier A2 have the same predetermined response speed.

OPアンプA1とOPアンプA2に入力される信号は、所定の応答速度に相当する遅延時間の経過後に出力端に出力される。したがって、OPアンプA1とOPアンプA2は、PWM信号を所定の時間だけ遅延させて主スイッチング素子Q1と整流スイッチング素子Q2のゲートに印加するための、第1の遅延回路と第2の遅延回路を構成している。 The signals input to the OP amplifier A1 and the OP amplifier A2 are output to the output terminal after a delay time corresponding to a predetermined response speed has elapsed. Therefore, the OP amplifier A1 and the OP amplifier A2 provide a first delay circuit and a second delay circuit for delaying the PWM signal by a predetermined time and applying the PWM signal to the gates of the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2. It is configured.

主スイッチング素子Q1については、PWM信号が抵抗R1を介してOPアンプA1の非反転入力端に印加される。OPアンプA1の反転入力端は接地端に接続されている。ダイオードD1は電圧制限用である。非反転入力端に印加されたPWM信号は、OPアンプA1の応答速度に起因する所定の遅延時間だけ遅れて、OPアンプA1の出力端に出力され、主スイッチング素子Q1のゲートに印加される。OPアンプA2についても同様である。この結果、主スイッチング素子Q1と整流スイッチング素子Q2は、同時にオンオフすることとなる。 For the main switching element Q1, a PWM signal is applied to the non-inverting input end of the OP amplifier A1 via the resistor R1. The inverting input end of the OP amplifier A1 is connected to the ground end. The diode D1 is for voltage limiting. The PWM signal applied to the non-inverting input terminal is output to the output terminal of the OP amplifier A1 with a delay of a predetermined delay time due to the response speed of the OP amplifier A1, and is applied to the gate of the main switching element Q1. The same applies to the OP amplifier A2. As a result, the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are turned on and off at the same time.

図示の例では、PWM信号が直接OPアンプA1に入力され、OPアンプA1とOPアンプA2の反転入力端同士が接続されているが、フォトカプラ等を用いて一次側を二次側から絶縁することが、好適である。 In the illustrated example, the PWM signal is directly input to the OP amplifier A1, and the inverting input ends of the OP amplifier A1 and the OP amplifier A2 are connected to each other, but the primary side is insulated from the secondary side by using a photocoupler or the like. Is preferable.

次に、転流スイッチング素子Q3のオンオフ制御のための回路構成について説明する。out端子から出力されるPWM信号は、抵抗R3およびダイオードD3を介してOPアンプA3の反転入力端に印加される。OPアンプA3は、上述したOPアンプA1、A2に比べて応答速度の速い高速アンプである。OPアンプA3の非反転入力端には、一定の参照電位Vrefが印加される。 Next, a circuit configuration for on / off control of the commutation switching element Q3 will be described. The PWM signal output from the out terminal is applied to the inverting input end of the OP amplifier A3 via the resistor R3 and the diode D3. The OP amplifier A3 is a high-speed amplifier having a faster response speed than the above-mentioned OP amplifiers A1 and A2. A constant reference potential Vref is applied to the non-inverting input end of the OP amplifier A3.

参照電位Vrefは、二次コイルNsの巻き始端に生じる逆起電圧と同極性であって、逆起電圧よりも絶対値が小さい電位とする。好ましくは、接地端電位すなわち零電位に近い電位とする。図1の回路では、例えば、零電位より若干低い負電位(例えば−10mV)に設定する。 The reference potential Vref is a potential having the same polarity as the counter electromotive voltage generated at the winding start end of the secondary coil Ns and having an absolute value smaller than the counter electromotive voltage. Preferably, the ground potential is set to a potential close to zero potential. In the circuit of FIG. 1, for example, a negative potential slightly lower than the zero potential (for example, −10 mV) is set.

OPアンプA3は正電源+Vcc(例えば+15V)と負電源−Vcc(例えば−15V)により駆動される。OPアンプA3の出力端は、2つのトランジスタからなるプッシュプルエミッタフォロワ回路を介して転流スイッチング素子Q3のゲートに接続されている。プッシュプルエミッタフォロワ回路は電流供給のために設けられている。 The OP amplifier A3 is driven by a positive power supply + Vcc (for example, + 15V) and a negative power supply-Vcc (for example, -15V). The output end of the OP amplifier A3 is connected to the gate of the commutation switching element Q3 via a push-pull emitter follower circuit composed of two transistors. The push-pull emitter follower circuit is provided for current supply.

さらに、転流スイッチング素子Q3のドレインとチョークコイルLの接続点(二次コイルNsの巻き始端でもある)が、抵抗R4を介してOPアンプA3の反転入力端に接続されることによって、OPアンプA3が演算増幅回路として動作する際の帰還路を形成している。 Further, the connection point between the drain of the commutation switching element Q3 and the choke coil L (which is also the winding start end of the secondary coil Ns) is connected to the inverting input end of the OP amplifier A3 via the resistor R4, whereby the OP amplifier It forms a feedback path when A3 operates as an operational amplifier circuit.

反転入力端と接地端の間に逆並列接続されたダイオードD4とダイオードD5は、反転入力端の入力電圧制限用に設けられている。 A diode D4 and a diode D5 connected in antiparallel between the inverting input end and the ground end are provided for limiting the input voltage at the inverting input end.

OPアンプA3の反転入力端には、抵抗R3及びダイオードD3を介してPWM信号のオン(H)またはオフ(L)の電位が印加されると共に、抵抗R4を介してチョークコイル電位Vが印加される。これら2つの反転入力端への入力電位と、非反転入力端の参照電位Vrefとの関係によって、出力端に正電位(H)または負電位(L)が出力される。この関係を、概略的に表1に示す。 The on (H) or off (L) potential of the PWM signal is applied to the inverting input end of the OP amplifier A3 via the resistor R3 and the diode D3, and the choke coil potential VL is applied via the resistor R4. Will be done. A positive potential (H) or a negative potential (L) is output to the output terminal depending on the relationship between the input potentials to these two inverting input ends and the reference potential Vref of the non-inverting input end. This relationship is schematically shown in Table 1.

Figure 0006917274
Figure 0006917274

表1のモードIIIのときにのみ、OPアンプA3の出力端に正電位(H)が出力され、転流スイッチング素子Q3のゲートソース間に印加され、転流スイッチング素子Q3はオン状態となる。 Only in the mode III of Table 1, a positive potential (H) is output to the output end of the OP amplifier A3, is applied between the gate sources of the commutation switching element Q3, and the commutation switching element Q3 is turned on.

モードIIIの条件は、PWM信号がオフ(L)であり、かつ、チョークコイル電位Vが参照電位Vrefより低い(または参照電位Vrefより低い電位に降下しようとする)ことである。但し、後述するように、モードIIIにおいて、転流スイッチング素子Q3が一旦オン状態となると、OPアンプA3の増幅動作によってチョークコイルV電位は参照電位Vrefと同電位となるように保持される。 The condition of mode III is that the PWM signal is off (L) and the choke coil potential VL is lower than the reference potential Vref (or tries to drop to a potential lower than the reference potential Vref). However, as will be described later, once the commutation switching element Q3 is turned on in the mode III, the choke coil VL potential is held so as to be the same as the reference potential Vref by the amplification operation of the OP amplifier A3.

一方、モードI、II及びIVでは、転流スイッチング素子Q3はオフ状態となる。これらのモードの条件は、PWM信号がオン(H)であるか、または、チョークコイル電位Vが参照電位Vrefより高いかの少なくとも一方を満たすときである。 On the other hand, in modes I, II and IV, the commutation switching element Q3 is turned off. The condition of these modes is when the PWM signal is on (H) or at least one of the choke coil potential VL is higher than the reference potential Vref is satisfied.

(2)回路動作
以下、図1の同期整流型フォワードコンバータの回路動作を、重負荷時と軽負荷時の各々の場合について説明する。重負荷時と軽負荷時は相対的なものであるが、ここでは一応、出力電流が連続モードであるか、不連続モードであるかで区別する。
(2) Circuit Operation Hereinafter, the circuit operation of the synchronous rectification type forward converter of FIG. 1 will be described for each of the cases of heavy load and light load. The heavy load and the light load are relative, but here we distinguish whether the output current is in continuous mode or discontinuous mode.

<重負荷時の動作>
図2は、図1に示した回路において負荷(図示せず)が重い時のタイミングチャートの一例を示した図である。これは、負荷が多くの電流を必要とするときである。PWM信号のデューティ比は比較的大きく、すなわちオン期間が長い。図2(b)および(d)に記載のVgsは、FETのゲートソース間電圧を意味する(図3においても同じ)。
<Operation under heavy load>
FIG. 2 is a diagram showing an example of a timing chart when a load (not shown) is heavy in the circuit shown in FIG. This is when the load requires a lot of current. The duty ratio of the PWM signal is relatively large, that is, the on period is long. Vgs shown in FIGS. 2 (b) and 2 (d) means the voltage between the gate and source of the FET (the same applies to FIG. 3).

図2のタイミングチャートには、表1に示したモードI、II、III、IVにほぼ対応する期間をそれぞれ示している。以下、モードの順序にしたがって説明する。 The timing chart of FIG. 2 shows the periods substantially corresponding to the modes I, II, III, and IV shown in Table 1, respectively. Hereinafter, the description will be given according to the order of the modes.

・モードI
モードIの始点は、PWM信号のオン期間の始点ではなく、そこから所定の遅延時間だけ遅れた時点とする(図2(a))。所定の遅延時間は、OPアンプA1、A2の応答遅れにより決まる。主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2は、OPアンプA1、A2の応答遅れによってPWM信号よりも所定の遅延時間だけ遅れてオンになる(図2(b))。スイッチング素子Q1、Q2のオン時が、モードIの始点である。
・ Mode I
The start point of the mode I is not the start point of the ON period of the PWM signal, but a time point delayed by a predetermined delay time from the start point (FIG. 2A). The predetermined delay time is determined by the response delay of the OP amplifiers A1 and A2. The main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are turned on after a predetermined delay time from the PWM signal due to the response delay of the OP amplifiers A1 and A2 (FIG. 2B). When the switching elements Q1 and Q2 are turned on, the start point of the mode I is.

主スイッチング素子Q1がオンになると一次コイルNpに電流が流れ、二次コイルNsに起電圧(例えば、+30V)が発生し、チョークコイル電位Vが正電位となる(図2(c))。二次コイルNsの起電圧は、入力直流電圧VinとトランスTの巻数比により決まる。 When the main switching element Q1 is turned on, a current flows through the primary coil Np, an electromotive voltage (for example, + 30V) is generated in the secondary coil Ns, and the choke coil potential VL becomes a positive potential (FIG. 2C). The electromotive voltage of the secondary coil Ns is determined by the turn ratio of the input DC voltage Vin and the transformer T.

これにより、整流スイッチング素子Q2およびチョークコイルLを通って出力端pへ電流Iが流れる(図2(f))。電流Iは、負荷へ供給される。電流Iは、二次コイルNsに起電圧が発生している間、リニアに増加していく。チョークコイルLに電流Iが流れることにより、チョークコイルLに磁気エネルギーが蓄積される。また、トランスTにも磁気エネルギーが蓄積される。 As a result, the current IL flows to the output end p through the rectifying switching element Q2 and the choke coil L (FIG. 2 (f)). The current IL is supplied to the load. Current I L, while electromotive force is generated in the secondary coil Ns, increases linearly. When the current IL flows through the choke coil L, magnetic energy is stored in the choke coil L. In addition, magnetic energy is also stored in the transformer T.

モードIでは、転流スイッチング素子Q3はオフである(図2(d))。また、ダイオードD6およびボディダイオードも逆バイアスであるので、この経路に電流は流れない。さらに、ダイオードD7も逆バイアスとなるので電流は流れない(図2(g))。 In mode I, the commutation switching element Q3 is off (FIG. 2 (d)). Further, since the diode D6 and the body diode are also reverse biased, no current flows in this path. Further, since the diode D7 also has a reverse bias, no current flows (FIG. 2 (g)).

・モードII
モードIIの始点は、PWM信号がオンからオフとなる時点である(図2(a))。主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2のオフ時は、OPアンプA1、A2の応答遅れによってPWM信号のオフ時よりも遅れる。スイッチング素子Q1、Q2のオフ時を、モードIIの終点とする(図2(b))。
・ Mode II
The starting point of mode II is the time when the PWM signal changes from on to off (FIG. 2A). When the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are off, the response delay of the OP amplifiers A1 and A2 causes a delay compared to when the PWM signal is off. When the switching elements Q1 and Q2 are off, the end point of the mode II is set (FIG. 2 (b)).

モードIIでは、スイッチング素子Q1、Q2はまだオン状態であるので、二次コイルNsの巻き始端およびチョークコイル電位Vは正電位を保持している(図2(c))。 In mode II, since the switching elements Q1 and Q2 are still in the ON state, the winding start end of the secondary coil Ns and the choke coil potential VL hold a positive potential (FIG. 2C).

モードIIでは、転流スイッチング素子Q3はまだオフ状態である(図2(d))。PWM信号はオフとなっても、まだチョークコイル電位Vが正電位だからである。 In mode II, the commutation switching element Q3 is still in the off state (FIG. 2 (d)). This is because the choke coil potential VL is still a positive potential even when the PWM signal is turned off.

・モードIII
モードIIIの始点は、主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2のオフ時である(図2(b))。これにより一次コイルNpの電流が遮断され、一次コイルNp、二次コイルNs、チョークコイルLに逆起電圧が発生する。これによりチョークコイル電位Vは、正電位から負電位となる(図2(c))。そして、OPアンプA3の反転入力端の電位が、非反転入力端の参照電位Vref(図2(e)、例えば−10mV)よりも降下したとき、OPアンプA3の出力端が正電位となり、転流スイッチング素子Q3がオンとなる(図2(d))。
・ Mode III
The starting point of the mode III is when the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are off (FIG. 2B). As a result, the current of the primary coil Np is cut off, and a counter electromotive voltage is generated in the primary coil Np, the secondary coil Ns, and the choke coil L. As a result, the choke coil potential VL changes from a positive potential to a negative potential (FIG. 2 (c)). Then, when the potential at the inverting input end of the OP amplifier A3 drops below the reference potential Vref (FIG. 2 (e), for example, -10 mV) at the non-inverting input end, the output end of the OP amplifier A3 becomes a positive potential and turns. The flow switching element Q3 is turned on (FIG. 2 (d)).

モードIIIの始点における、主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2のオフから、転流スイッチング素子Q3のオンまでの過程において、スイッチング素子Q1、Q2とスイッチング素子Q3とが、同時にオンとなることはない。主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2のオフ後、チョークコイル電位Vが負電位まで降下してから、転流スイッチング素子Q3がオンとなるからである。 In the process from the turning off of the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 to the turning on of the commutation switching element Q3 at the start point of the mode III, the switching elements Q1 and Q2 and the switching element Q3 are not turned on at the same time. .. This is because after the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are turned off, the choke coil potential VL drops to a negative potential, and then the commutation switching element Q3 is turned on.

これにより、電流Iは、転流スイッチング素子Q3およびチョークコイルLを通って出力端pへ流れ(図2(f))、チョークコイルLに蓄積されていた磁気エネルギーが放出される。電流Iは、チョークコイルLの磁気エネルギーの放出と共に、リニアに減少していく。 Accordingly, current I L, the commutation switching elements Q3 and flow through the choke coil L to the output p (FIG. 2 (f)), the magnetic energy stored in the choke coil L is released. Current I L, with the release of magnetic energy in the choke coil L, decreases linearly.

また、二次コイルNsに逆起電圧が生じることにより、ダイオードD7が順バイアスとなり、電流Iが出力端pへ流れる(図2(g))。これにより、トランスTに蓄積されていた磁気エネルギーを二次側に電力として取り出すことができる。電流Iは、磁気エネルギーが放出されるにつれて、リニアに減少する。 Further, when a counter electromotive voltage is generated in the secondary coil Ns, the diode D7 becomes a forward bias and the current ID flows to the output end p (FIG. 2 (g)). As a result, the magnetic energy stored in the transformer T can be taken out as electric power to the secondary side. The current ID decreases linearly as the magnetic energy is released.

一般的なフォワードコンバータでは、オン期間にトランスTに蓄積された磁気エネルギーをリセットするためのリセット回路や、オフ時に一次コイルNsに生じる逆起電圧対策のためのスナバ回路を、一次側に設ける必要がある。本回路では、トランスTに蓄積された磁気エネルギーをダイオードD7を介して二次側に出力できるので、一次側のリセット回路やスナバ回路を簡素化することができる。 In a general forward converter, it is necessary to provide a reset circuit for resetting the magnetic energy stored in the transformer T during the on period and a snubber circuit for countermeasures against the counter electromotive voltage generated in the primary coil Ns when the transformer T is off. There is. In this circuit, the magnetic energy stored in the transformer T can be output to the secondary side via the diode D7, so that the reset circuit and snubber circuit on the primary side can be simplified.

さらに、モードIIIにおいて転流スイッチング素子Q3がオンとなると、OPアンプA3の出力端→チョークコイルLの一端(Q3のドレイン)→抵抗R4→OPアンプA3の反転入力端、という帰還路が形成される。これにより、OPアンプA3は、実質的にボルテージフォロワの演算増幅回路として機能する。したがって、転流スイッチング素子Q3がオンの間、チョークコイル電位Vは、OPアンプA3の非反転入力端の参照電位Vrefと同電位に保持される(図2(c))。 Further, when the commutation switching element Q3 is turned on in the mode III, a feedback path is formed such that the output end of the OP amplifier A3 → one end of the choke coil L (drain of Q3) → the resistor R4 → the inverting input end of the OP amplifier A3. NS. As a result, the OP amplifier A3 substantially functions as an arithmetic amplifier circuit of the voltage follower. Therefore, while the commutation switching element Q3 is on, the choke coil potential VL is held at the same potential as the reference potential Vref at the non-inverting input end of the OP amplifier A3 (FIG. 2C).

この演算増幅回路の機能によって、チョークコイル電位Vが安定化する。このような演算増幅回路が無い、従来の同期整流型フォワードコンバータの場合、チョークコイル電位Vが接地端電位(0V)の近傍において揺らいで不安定となったり、発振しやすくなったりすることがある。 The function of this arithmetic amplifier circuit stabilizes the choke coil potential VL. In the case of a conventional synchronous rectification type forward converter without such an arithmetic amplifier circuit, the choke coil potential VL may fluctuate in the vicinity of the ground end potential (0V) and become unstable or easily oscillate. be.

・モードIV
モードIVの始点は、PWM信号がオフからオンになる時点である(図2(a))。主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2は、OPアンプA1、A2の応答遅れによって、モードIVではまだオフ状態である(図2(b))。
・ Mode IV
The starting point of mode IV is the time when the PWM signal changes from off to on (FIG. 2A). The main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are still in the off state in mode IV due to the response delay of the OP amplifiers A1 and A2 (FIG. 2B).

一方、OPアンプA3の反転入力端は、PWM信号がオンとなるため、正電位(ダイオードD4による上限電圧、例えば+0.6V)となり、OPアンプA3の出力端の電位が反転し、転流スイッチング素子Q3はオフとなる(図2(d))。 On the other hand, since the PWM signal is turned on at the inverting input end of the OP amplifier A3, it becomes a positive potential (upper limit voltage due to the diode D4, for example, + 0.6V), the potential at the output end of the OP amplifier A3 is inverted, and commutation switching is performed. The element Q3 is turned off (FIG. 2 (d)).

転流スイッチング素子Q3がオフとなっても、チョークコイルLに磁気エネルギーが残っている場合、電流IがダイオードD6を通って流れ続ける(図2(f))。このとき、チョークコイル電位Vは、ダイオードD6の電圧降下による電位(例えば−0.6V)となる(図2(c))。 Even commutation switching element Q3 is turned off, if there are remaining magnetic energy in the choke coil L, the current I L continues to flow through the diode D6 (FIG. 2 (f)). At this time, the choke coil potential VL becomes the potential (for example, −0.6 V) due to the voltage drop of the diode D6 (FIG. 2 (c)).

モードIVでは、電流IがダイオードD6を通るので、転流スイッチング素子Q3がオンのときに比べて電力損失が大きいが、モードIVの期間は短く、電流Iも減少しているので、さほど大きな問題とはならない。電流Iは、次のモードIの始点において主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2がオンになると、再び増加し始める。電流Iは連続モードであり、零となることはない。 In mode IV, the current I L through diode D6, but commutation switching element Q3 is larger power loss as compared to when on period of the mode IV is short, since also decreased current I L, less It's not a big problem. Current I L, the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 is turned on at the beginning of the following modes I, starts to increase again. The current IL is in continuous mode and never goes to zero.

電流Iは、モードIVにおいてまだ流れていた場合も、次のモードIの始点において、ダイオードD7が逆バイアスとなるので零になる(図2(g))。 Even if the current ID is still flowing in the mode IV, the current ID becomes zero at the start point of the next mode I because the diode D7 has a reverse bias (FIG. 2 (g)).

モードIVでは、PWM信号がオフからオンとなっても、OPアンプA1、A2の応答遅れによって、主スイッチング素子Q1及び整流スイッチング素子Q2は、オフのままである。したがって、PWM信号がオフからオンになるときも、スイッチング素子Q1、Q2とスイッチング素子Q3とが、同時にオンとなることはない。 In mode IV, even if the PWM signal is turned from off to on, the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 remain off due to the response delay of the OP amplifiers A1 and A2. Therefore, even when the PWM signal is turned from off to on, the switching elements Q1 and Q2 and the switching element Q3 are not turned on at the same time.

<軽負荷時の動作>
図3は、図1に示した回路において負荷(図示せず)が軽い時のタイミングチャートの一例を示した図である。これは、負荷があまり電流を必要としないときである。PWM信号のデューティ比が比較的小さく、すなわちオン期間が短い。
<Operation under light load>
FIG. 3 is a diagram showing an example of a timing chart when the load (not shown) is light in the circuit shown in FIG. This is when the load does not require much current. The duty ratio of the PWM signal is relatively small, that is, the on period is short.

図3のタイミングチャートには、図2と同様に、表1に示したモードI、II、III、IVにほぼ対応する期間をそれぞれ示している。軽負荷時には、モードIIIとモードIVの間に、別のモードが現れる。これをモードIIIaと称する。以下、軽負荷時の動作について、主として重負荷時の動作とは異なる部分を説明する。 Similar to FIG. 2, the timing chart of FIG. 3 shows the periods substantially corresponding to the modes I, II, III, and IV shown in Table 1, respectively. At light loads, another mode appears between Mode III and Mode IV. This is referred to as mode IIIa. Hereinafter, the part of the operation under a light load that is different from the operation under a heavy load will be described.

・モードI
軽負荷時のモードIの動作は、重負荷時の動作と同じである。但し、軽負荷時では、二次側に流れる電流Iが不連続モードである。したがって、モードIにおける電流Iは、零からリニアに増加する(図3(f))。
・ Mode I
The operation of mode I under a light load is the same as the operation under a heavy load. However, in the light load, the current I L flowing through the secondary side is discontinuous mode. Therefore, current I L in mode I is increased from zero linearly (FIG. 3 (f)).

・モードII
軽負荷時のモードIIの動作は、重負荷時の動作と同じである。
・ Mode II
The operation of Mode II under light load is the same as the operation under heavy load.

・モードIII
モードIIIの動作は、電流Iが不連続モードの場合、重負荷時の動作と異なる。モードIIIの始点における動作は、重負荷時と同じであり、主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2のオフ時に始まる(図3(b))。これにより一次コイルNpの電流が遮断され、一次コイルNp、二次コイルNs、チョークコイルLに逆起電圧が発生する。したがってチョークコイル電位Vは、正電位から負電位となる(図3(c))。そして、OPアンプA3の反転入力端の電位が、非反転入力端の参照電位Vref(例えば、−10mV、図3(e))よりも降下したとき、OPアンプA3の出力端が正電位となり、転流スイッチング素子Q3がオンとなる(図3(d))。
・ Mode III
The operation of mode III is different from the operation under heavy load when the current IL is in the discontinuous mode. The operation at the start point of the mode III is the same as that at the time of heavy load, and starts when the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are turned off (FIG. 3 (b)). As a result, the current of the primary coil Np is cut off, and a counter electromotive voltage is generated in the primary coil Np, the secondary coil Ns, and the choke coil L. Therefore, the choke coil potential VL changes from a positive potential to a negative potential (FIG. 3 (c)). Then, when the potential at the inverting input end of the OP amplifier A3 drops below the reference potential Vref (for example, -10 mV, FIG. 3 (e)) at the non-inverting input end, the output end of the OP amplifier A3 becomes a positive potential. The commutation switching element Q3 is turned on (FIG. 3 (d)).

モードIIIの始点における、主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2のオフから、転流スイッチング素子Q3のオンまでの過程において、スイッチング素子Q1、Q2とスイッチング素子Q3とが、同時にオンとなることはない。 In the process from the turning off of the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 to the turning on of the commutation switching element Q3 at the start point of the mode III, the switching elements Q1 and Q2 and the switching element Q3 are not turned on at the same time. ..

これにより、電流Iは、転流スイッチング素子Q3およびチョークコイルLを通って出力端pへ流れ(図3(f))、チョークコイルLに蓄積されていた磁気エネルギーが放出される。軽負荷時にはチョークコイルLに蓄積される磁気エネルギーは小さい。不連続モードの電流Iは、チョークコイルLの磁気エネルギーの放出と共にリニアに減少していき、やがて零になる(図3(f))。 Thus, a current I L flows through the commutation switching element Q3 and the choke coil L to the output p (Fig. 3 (f)), the magnetic energy stored in the choke coil L is released. When the load is light, the magnetic energy stored in the choke coil L is small. Current I L of the discontinuous mode, gradually decreases linearly with the release of magnetic energy in the choke coil L, eventually becomes zero (FIG. 3 (f)).

軽負荷時には、電流Iが零になった時点でモードIIIが終了し、モードIIIaに移行する。電流Iが零になると、チョークコイル電位Vが正電位に上昇する(図3(c))。これは、出力端pの電位(例えば+12V)に相当する。この正のチョークコイル電位Vが、抵抗R4を介してOPアンプA3の反転入力端に印加されると、OPアンプA3の出力端の電位が正電位から負電位に反転する。この結果、転流スイッチング素子Q3はオフとなる(図3(d))。 At the time of light load , the mode III ends when the current IL becomes zero, and the mode IIIa shifts to the mode IIIa. When the current IL becomes zero, the choke coil potential VL rises to a positive potential (FIG. 3 (c)). This corresponds to the potential of the output end p (for example, + 12V). When this positive choke coil potential VL is applied to the inverting input end of the OP amplifier A3 via the resistor R4, the potential at the output end of the OP amplifier A3 is inverted from the positive potential to the negative potential. As a result, the commutation switching element Q3 is turned off (FIG. 3 (d)).

なお、モードIIIでは、二次コイルNsに逆起電圧が生じることにより、重負荷時と同じくダイオードD7が順バイアスとなり、電流Iが出力端pへ流れる(図3(g))。電流Iは、トランスTの磁気エネルギーが放出されるにつれてリニアに減少し、磁気エネルギーがなくなると零になる。 In mode III, a counter electromotive voltage is generated in the secondary coil Ns, so that the diode D7 becomes a forward bias as in the case of a heavy load, and the current ID flows to the output end p (FIG. 3 (g)). The current ID decreases linearly as the magnetic energy of the transformer T is released, and becomes zero when the magnetic energy disappears.

・モードIIIa
モードIIIaでは、PWM信号はオフ期間が続いており(図3(a))、主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2はオフであり(図3(b))、チョークコイル電位Vは出力端電位であり(図3(c))、転流スイッチング素子Q3はオフであり(図3(d))、電流Iは零である(図3(f))。
・ Mode IIIa
In mode IIIa, the PWM signal continues to be off (FIG. 3 (a)), the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are off (FIG. 3 (b)), and the choke coil potential VL is at the output end. It is an electric potential (FIG. 3 (c)), the commutation switching element Q3 is off (FIG. 3 (d)), and the current IL is zero (FIG. 3 (f)).

・モードIV
軽負荷時のモードIVは、重負荷時にはないモードIIIaに続くモードであるので、重負荷時のモードIVとは動作が異なる。
・ Mode IV
Mode IV under heavy load is a mode following mode IIIa, which is not under heavy load, and therefore operates differently from mode IV under heavy load.

モードIVの始点は、重負荷時と同じくPWM信号がオフからオンになる時点である(図3(a))。主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2は、OPアンプA1、A2の応答遅れによって、モードIVではまだオフ状態である(図3(b))。 The starting point of the mode IV is the time when the PWM signal changes from off to on as in the case of heavy load (FIG. 3 (a)). The main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are still in the off state in mode IV due to the response delay of the OP amplifiers A1 and A2 (FIG. 3B).

したがって、モードIVでは、トランスTの一次側および二次側のいずれにおいてもモードIIIaと同じ状態が持続する。転流スイッチング素子Q3もオフ状態のままである。 Therefore, in mode IV, the same state as in mode IIIa is maintained on both the primary side and the secondary side of the transformer T. The commutation switching element Q3 also remains in the off state.

モードIVは、次のモードIの始点まで持続する。モードIの始点は、上述した通り、所定の遅延時間後に主スイッチング素子Q1および整流スイッチング素子Q2がオンした時点である。 Mode IV continues until the next mode I start point. As described above, the start point of the mode I is the time when the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2 are turned on after a predetermined delay time.

軽負荷時には、転流スイッチング素子Q3は、PWM信号のオフ期間中に電流Iが零となった時点で既にオフとなっている。したがって、転流スイッチング素子Q3は、次のPWM信号のオン時よりさらに遅れてオンになる主スイッチング素子Q1及び整流スイッチング素子Q2と、同時にオンとなることはない。 At the time of light load, the commutation switching element Q3 is already turned off when the current IL becomes zero during the off period of the PWM signal. Therefore, the commutation switching element Q3 does not turn on at the same time as the main switching element Q1 and the rectifying switching element Q2, which turn on later than when the next PWM signal is turned on.

以上説明した本発明の同期整流型フォワードコンバータの動作を実現する回路構成は、図1に示したものに限定されず、多様な回路構成が可能である。 The circuit configuration that realizes the operation of the synchronous rectification type forward converter of the present invention described above is not limited to that shown in FIG. 1, and various circuit configurations are possible.

p 正の出力端
n 負の出力端(二次側接地端)
T トランス
Np 一次コイル
Ns 二次コイル
Q1、Q2、Q3 スイッチング素子(FET)
D1〜D7 整流要素(ダイオード)
C コンデンサ(平滑コンデンサ)
p Positive output end n Negative output end (secondary side grounded end)
T transformer Np primary coil Ns secondary coil Q1, Q2, Q3 switching element (FET)
D1-D7 Rectifying element (diode)
C capacitor (smoothing capacitor)

Claims (4)

一次コイルおよび二次コイルを有するトランスと、前記一次コイルに直列接続された主スイッチング素子と、前記二次コイルに直列接続された整流スイッチング素子およびチョークコイルと、前記二次コイルおよび前記整流スイッチング素子に並列接続された転流スイッチング素子と、前記二次コイル、前記整流スイッチング素子および前記チョークコイルに並列接続された平滑コンデンサと、を備え、前記主スイッチング素子、前記整流スイッチング素子および前記転流スイッチング素子がPWM信号によりそれぞれオンオフ制御される同期整流型フォワードコンバータにおいて、
前記PWM信号がそれぞれ入力され、その入力された時点から所定の同じ遅延時間の経過後に、入力された該PWM信号にしたがって前記主スイッチング素子および前記整流スイッチング素子をそれぞれオンオフ制御する第1の遅延回路および第2の遅延回路と、
所定の参照電位、前記PWM信号、及び、前記チョークコイルと前記転流スイッチング素子の接続点の電位であるチョークコイル電位を入力され、前記転流スイッチング素子をオンオフ制御する演算増幅回路と、を有し、
前記演算増幅回路は、
前記PWM信号がオフでありかつ前記チョークコイル電位が前記参照電位以下に降下しようとするときに前記転流スイッチング素子をオフからオンにして前記チョークコイル電位を前記参照電位と同電位に保持するように動作すると共に、
前記PWM信号がオンとなるかまたは前記チョークコイル電位が前記参照電位を超えたときに前記転流スイッチング素子をオンからオフにすることを特徴とする
同期整流型フォワードコンバータ。
A transformer having a primary coil and a secondary coil, a main switching element connected in series with the primary coil, a rectifying switching element and a choke coil connected in series with the secondary coil, the secondary coil and the rectifying switching element. A commutation switching element connected in parallel to the secondary coil, a rectifying switching element, and a smoothing capacitor connected in parallel to the choke coil, the main switching element, the rectifying switching element, and the commuting switching. In a synchronous rectification type forward converter in which each element is turned on and off by a PWM signal,
A first delay circuit that controls on / off of the main switching element and the rectifying switching element according to the input PWM signal after each of the PWM signals is input and a predetermined same delay time elapses from the input time. And the second delay circuit,
It has a predetermined reference potential, the PWM signal, and an arithmetic amplifier circuit that controls the on / off of the commutation switching element by inputting the choke coil potential which is the potential of the connection point between the choke coil and the commutation switching element. death,
The arithmetic amplifier circuit
When the PWM signal is off and the choke coil potential is about to drop below the reference potential, the commutation switching element is turned from off to on to keep the choke coil potential at the same potential as the reference potential. As well as working on
A synchronous rectification type forward converter, characterized in that the commutation switching element is turned from on to off when the PWM signal is turned on or the choke coil potential exceeds the reference potential.
前記参照電位が、前記二次コイルに生じる逆起電圧と同極性でかつ逆起電圧よりも絶対値が小さい電圧であることを特徴とする請求項1に記載の同期整流型フォワードコンバータ。 The synchronous rectification type forward converter according to claim 1, wherein the reference potential is a voltage having the same polarity as the counter electromotive voltage generated in the secondary coil and having an absolute value smaller than the counter electromotive voltage. 前記整流スイッチング素子がオフとなったときに前記二次コイルに発生する逆起電圧に対して順方向となるように、前記二次コイルの一端と前記平滑コンデンサの一端との間に接続された整流要素をさらに有することを特徴とする請求項1または2に記載の同期整流型フォワードコンバータ。 It is connected between one end of the secondary coil and one end of the smoothing capacitor so as to be in the forward direction with respect to the counter electromotive voltage generated in the secondary coil when the rectifying switching element is turned off. The synchronous rectifying forward converter according to claim 1 or 2, further comprising a rectifying element. 前記PWM信号がフォトカプラを介して前記第1の遅延回路に入力されることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の同期整流型フォワードコンバータ。 The synchronous rectification type forward converter according to any one of claims 1 to 3, wherein the PWM signal is input to the first delay circuit via a photocoupler.
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