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JPH0648905B2 - Series resonant converter - Google Patents
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JPH0648905B2 - Series resonant converter - Google Patents

Series resonant converter

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Publication number
JPH0648905B2
JPH0648905B2 JP63251392A JP25139288A JPH0648905B2 JP H0648905 B2 JPH0648905 B2 JP H0648905B2 JP 63251392 A JP63251392 A JP 63251392A JP 25139288 A JP25139288 A JP 25139288A JP H0648905 B2 JPH0648905 B2 JP H0648905B2
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resonance
transformer
current
switching element
primary winding
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靖生 大橋
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NTT Inc
Original Assignee
Nippon Telegraph and Telephone Corp
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Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明はスイッチング素子での損失とスイッチング雑
音を低減でき、かつ負荷短絡のような過負荷でも安定に
動作する直列共振コンバータに関するものである。
Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a series resonant converter capable of reducing loss and switching noise in a switching element and stably operating even in an overload such as a load short circuit.

〔従来の技術〕[Conventional technology]

直流電圧を極性の異なったあるいは電圧値の異なった直
流電圧に変換する回路には小形・軽量化、高効率化を狙
いとしてDC−DCコンバータが適用されている。DC
−DCコンバータでは変換周波数を高めることにより、
トランスや出力フィルタの小形・軽量化を図ることが可
能である。
A DC-DC converter is applied to a circuit for converting a DC voltage into a DC voltage having a different polarity or a different voltage value, aiming at downsizing, weight reduction, and high efficiency. DC
-In the DC converter, by increasing the conversion frequency,
It is possible to reduce the size and weight of transformers and output filters.

現在、最も多く使用されているDC−DCコンバータの
回路形式は、スイッチング素子を流れる電流をスイッチ
ング素子をオフさせることにより強制的に遮断するフォ
ワードタイプあるいはフライバックタイプである。これ
らの回路形式では高周波化する際に以下のような問題が
ある。
Currently, the most frequently used circuit type of the DC-DC converter is a forward type or flyback type in which the current flowing through the switching element is forcibly cut off by turning off the switching element. These circuit types have the following problems when increasing the frequency.

(1) スイッチング素子のターンオン時は整流用ダイオ
ードのリカバリ電流によるスパイク状の電流が流れるた
め、ターンオン時の損失や雑音が大きい。
(1) When the switching element is turned on, a spike-shaped current flows due to the recovery current of the rectifying diode, resulting in large loss and noise at turn-on.

(2) スイッチング素子のターンオフ時の負荷はトラン
スのリーケージインダクタンスや回路に分布するインダ
クタンス成分により誘導性となるため、スイッチング素
子やスナバ回路(スパイク電圧吸収回路)での損失が大
きい。
(2) The load at the turn-off of the switching element is inductive due to the leakage inductance of the transformer and the inductance component distributed in the circuit, so the loss in the switching element and snubber circuit (spike voltage absorption circuit) is large.

これらの問題のため現状では出力容量が100W程度ま
ではスイッチング素子にMOSFETを用いても、変換
周波数は500kHz程度、1kW以上では100kH
z程度が限界とされている。さらに変換周波数を高める
ためにはスイッチング素子、整流素子の特性改善、リー
ケージインダクタンスの少ないトランスの製造法、浮遊
インダクタンスの少ない部品の実装法、スナバ回路の低
損失化など検討すべき項目が多い。このためコンデンサ
とインダクタによりスイッチング素子を流れる電流波形
を正弦波状にし、スイッチング素子での損失を低減でき
るDC−DCコンバータの検討が盛んに行われるように
なった。このDC−DCコンバータの回路形式は直列共
振コンバータと呼ばれている。一般的に検討されている
直列共振コンバータの回路構成を第2図に示す。直流電
源1の両端に、スイッチング素子(例としてMOS−F
ET)2,3の直列回路と、帰還用ダイオード4,5の
直列回路と共振用コンデンサ11,12の直列回路とが
接続され、スイッチング素子2,3の接続点と帰還用ダ
イオード4、5の接続点とにトランス6の一次巻線の一
端が接続され、その他端は共振用インダクタ13を通じ
て共振用コンデンサ11,12の接続点に接続され、ト
ランス6の二次巻線の両端は整流用ダイオード7,8の
各一端に接続され、整流用ダイオード7,8の各他端
と、トランス6の二次巻線の中点との間に平滑用コンデ
ンサ9及び負荷抵抗10が接続される。次に動作を説明
する。スイッチング素子2をターンオンさせると、直流
電源1−スイッチング素子2−トランス6の一次巻線−
共振用インダクタ13−共振用コンデンサ12−直流電源
1のループと、共振用コンデンサ11−スイッチング素
子2−トランス6の一次巻線−共振用インダクタ13−
共振用コンデンサ11のループで共振電流が流れる。ス
イッチング素子3をターンオンさせた時は直流電源1−
共振用コンデンサ11−共振用インダクタ13−トラン
ス6の一次巻線−スイッチング素子3−直流電源1のル
ープと、共振用コンデンサ12−共振用インダクタ13
−トランス6の一次巻線−スイッチング素子3−共振用
コンデンサ12のループで共振電流が流れる。トランス6
の一次巻線数(N)と二次巻線数(N)の比をn
(=N/N)とすれば、トランス6の二次巻線には
n倍の共振電流が流れるので、この共振電流を整流用ダ
イオード7及び、8で整流し、平滑用コンデンサ9を充
電して直流電圧を負荷抵抗10に供給する。
Due to these problems, at present, even if a MOSFET is used as a switching element up to an output capacity of about 100 W, a conversion frequency is about 500 kHz and 100 kHz for a power of 1 kW or more.
The limit is about z. Furthermore, in order to increase the conversion frequency, there are many items to be considered, such as improving the characteristics of switching elements and rectifying elements, manufacturing transformers with less leakage inductance, mounting components with less stray inductance, and reducing the loss of snubber circuits. Therefore, a DC-DC converter that can reduce the loss in the switching element by making the waveform of the current flowing through the switching element sinusoidal by the capacitor and the inductor has been actively studied. The circuit type of this DC-DC converter is called a series resonance converter. FIG. 2 shows a circuit configuration of a series resonance converter which is generally considered. A switching element (for example, a MOS-F
ET) 2 and 3 series circuits, feedback diodes 4 and 5 series circuits and resonance capacitors 11 and 12 series circuits are connected, and the connection points of the switching elements 2 and 3 and the feedback diodes 4 and 5 are connected. One end of the primary winding of the transformer 6 is connected to the connection point, the other end is connected to the connection point of the resonance capacitors 11 and 12 through the resonance inductor 13, and both ends of the secondary winding of the transformer 6 are rectifying diodes. A smoothing capacitor 9 and a load resistor 10 are connected between the respective ends of the rectifying diodes 7 and 8 and the middle points of the secondary windings of the transformer 6, which are connected to the respective ends of the rectifying diodes 7 and 8. Next, the operation will be described. When the switching element 2 is turned on, the DC power supply 1-the switching element 2-the primary winding of the transformer 6-
Resonance inductor 13-Resonance capacitor 12-DC power supply 1 loop, resonance capacitor 11-Switching element 2-Primary winding of transformer 6-Resonance inductor 13-
A resonance current flows in the loop of the resonance capacitor 11. DC power supply 1-when switching element 3 is turned on
Resonance capacitor 11-Resonance inductor 13-Transformer 6 primary winding-Switching element 3-DC power supply 1 loop, resonance capacitor 12-Resonance inductor 13
A resonance current flows in the loop of the primary winding of the transformer 6, the switching element 3 and the resonance capacitor 12. Transformer 6
The ratio of the number of primary windings (N 1 ) to the number of secondary windings (N 2 ) is n
If (= N 1 / N 2 ), n times the resonance current flows in the secondary winding of the transformer 6, so this resonance current is rectified by the rectification diodes 7 and 8 and the smoothing capacitor 9 is set. It is charged and a DC voltage is supplied to the load resistor 10.

直流電源1の電圧をEとすると、共振用コンデンサの充
電電圧が3E/2以下であれば帰還用ダイオード4また
は5には電流は流れない。この領域をモードIと呼ぶこ
とにする。
Assuming that the voltage of the DC power supply 1 is E, if the charging voltage of the resonance capacitor is 3E / 2 or less, no current flows in the feedback diode 4 or 5. This area will be called mode I.

モードIにおけるスイッチング素子2または3を流れる
共振電流iはスイッチング素子がターンオンした時を
t=0とすると式(1)となる。
The resonance current i 0 flowing through the switching element 2 or 3 in the mode I is given by the equation (1) when t = 0 when the switching element is turned on.

i0=[I0sin〔t/ {2C0(L1+L2)} 1/2〕] /4nf1 {2C0(L1+ L2)} 1/2 (1) ここでIは負荷抵抗10を流れる電流、Lはトラン
ス6のリーケージインダクタンス、Lは共振用インダ
クタ13のインダクタンス、Cは共振用コンデンサ1
1,12のキャパシタンス、fは動作周波数である。
i 0 = [I 0 sin [t / {2C 0 (L 1 + L 2 )} 1/2 ]] / 4nf 1 {2C 0 (L 1 + L 2 )} 1/2 (1) where I 0 Is the current flowing through the load resistance 10, L 1 is the leakage inductance of the transformer 6, L 2 is the inductance of the resonance inductor 13, and C 0 is the resonance capacitor 1
The capacitance of 1 , 12 and f 1 are the operating frequencies.

モードIでは式(1)から判るように負荷抵抗10を小さ
くして流れる電流Iを大きくすると、共振電流i
ピーク値も大きくなる。この結果、負荷抵抗10の電圧
(出力電圧)は一定になり、E/(2n)で与えられ
る。Eとnは自由に変えることはできないので定電圧D
C−DCコンバータとしてはこのモードでは使用しな
い。
In mode I, when the load resistance 10 is reduced and the flowing current I 0 is increased, the peak value of the resonance current i 0 is also increased, as can be seen from the equation (1). As a result, the voltage (output voltage) of the load resistor 10 becomes constant and given by E / (2n). Since E and n cannot be changed freely, constant voltage D
It is not used in this mode as a C-DC converter.

共振用コンデンサ11,12の充電電圧は負荷抵抗10
を小さくするにつれて上昇し、3E/2以上になると共
振用コンデンサ12−共振用インダクタ13−トランス
6の一次巻線−帰還用ダイオード4−直流電源1−共振
用コンデンサ12のループまたは共振用コンデンサ11
−直流電源1−帰還用ダイオード5−トランス6の一次
巻線−共振用インダクタ13−共振用コンデンサ11の
ループで帰還電流が流れだす。この流域をモードIIと呼
ぶことにする。モードIIでは負荷抵抗10を変化させて
も出力電流は一定で、共振周波数をfとすると、f
>2fの場合には8f1C0nE で与えられる。出力電圧は
負荷抵抗10の抵抗値をRとすれば8fnERで
与えられ、出力電圧を一定にするにはfを変えること
により得られるから、DC−DCコンバータとしてはこ
のモードで使用する。モードIIにおけるスイッチンッグ
素子2または3を流れる共振電流iは式(2)となる。
The charging voltage of the resonance capacitors 11 and 12 is the load resistance 10
Rises as it becomes smaller, and becomes 3E / 2 or more, the resonance capacitor 12-the resonance inductor 13-the primary winding of the transformer 6-the feedback diode 4-the DC power supply 1-the resonance capacitor 12 loop or the resonance capacitor 11
A feedback current starts to flow in the loop of the DC power supply 1-the feedback diode 5-the primary winding of the transformer 6-the resonance inductor 13-the resonance capacitor 11. This basin will be called Mode II. In mode II, the output current is constant even if the load resistance 10 is changed, and if the resonance frequency is f 0 , then f 0
In the case of> 2f 1 , it is given by 8f 1 C 0 nE. The output voltage is given by 8f 1 C 0 nER when the resistance value of the load resistor 10 is R, and is obtained by changing f 1 to keep the output voltage constant. Therefore, in this mode as a DC-DC converter, use. The resonance current i 0 flowing through the switching element 2 or 3 in the mode II is given by the equation (2).

i0=[{nV0+(E/2)} sin〔t/ {2C0(L1+L2)} 1/2〕] / {(L1+L2)/2C0} 1/2 (2) 帰還用ダイオード4または5を流れる帰還電流iはi
が流れだす時刻をTとすれば式(3)となる。
i 0 = [{nV 0 + (E / 2)} sin [t / {2C 0 (L 1 + L 2 )} 1/2 ]] / {(L 1 + L 2 ) / 2C 0 } 1/2 (2) The feedback current i 1 flowing through the feedback diode 4 or 5 is i
If the time at which 1 starts to flow is T 0 , equation (3) is obtained.

i1=−[{-nV0+(E/2)} sin 〔(t-T0/ {2C0(L1+L2)} 1/2〕] / {(L1+L2)/2C0} 1/2 (3) ここでVは出力電圧(負荷抵抗10の電圧)である。
第3図にモードI及び、モードIIにおけるスイッチング
素子2または3、帰還用ダイオード4または5を流れる
電流波形を示す。
i 1 =-[{-nV 0 + (E / 2)} sin [(tT 0 / {2C 0 (L 1 + L 2 )} 1/2 ]] / {(L 1 + L 2 ) / 2C 0 } 1/2 (3) Here, V 0 is the output voltage (voltage of the load resistor 10).
FIG. 3 shows current waveforms flowing through the switching element 2 or 3 and the feedback diode 4 or 5 in the mode I and the mode II.

モードIIでは負荷抵抗10が小さくなるとnV0も小さく
なるから、式(2)から共振電流のピーク値は減少、式(3)
から帰還電流のピーク値は増加しiとiの平均値の
和は一定になるので出力電流は一定になる。すなわち、
動作周波数fを固定すれば良好な電圧垂下特性を得る
ことができる。また、トランス6のリーケージインダク
タンスLは共振用インダクタンスLと直列に入るた
め回路動作に悪影響を与えることはない。
In mode II, when the load resistance 10 becomes smaller, nV 0 also becomes smaller. Therefore, the peak value of the resonance current decreases from the formula (2), and the formula (3)
Therefore, the peak value of the feedback current increases and the sum of the average values of i 0 and i 1 becomes constant, so that the output current becomes constant. That is,
If the operating frequency f 1 is fixed, good voltage drooping characteristics can be obtained. Further, since the leakage inductance L 1 of the transformer 6 is in series with the resonance inductance L 2 , it does not adversely affect the circuit operation.

しかしこの直列共振コンバータでは共振周波数fを高
くするにつれて帰還用ダイオードの逆方向阻止能力回復
時間が問題となってくる。すなわち、帰還用ダイオード
の逆方向阻止能力が回復する前にスイッチング素子がタ
ーンオンすると、直流電源を短絡するモードが発生し、
損失や雑音が増加する問題があり、場合によってはスイ
ッチング素子が破壊される恐れがある。また、この直列
共振コンバータをf<2fで使用する場合は、帰還
電流がトランスの一次巻線と帰還用ダイオードに流れて
いる時にスイッチング素子をターンオンさせることにな
るので、スイッチング素子には急峻な立ち上がりの電流
が流れることに加えて、帰還用ダイオードの逆方向阻止
機能が回復するまでは大きなスパイク状の電流が流れる
ので、損失や雑音の増加、スイッチング素子へのストレ
スの増大などの問題が発生する。これらのことから、従
来の直列共振コンバータでは動作周波数fを共振周波
数fの1/2以下で使用しなければならず、出力容量
の制約や平滑用コンデンサが大形化する問題もある。
However, in this series resonance converter, as the resonance frequency f 0 is increased, the reverse blocking capability recovery time of the feedback diode becomes a problem. That is, if the switching element turns on before the reverse blocking capability of the feedback diode is restored, a mode in which the DC power supply is short-circuited occurs,
There is a problem that loss and noise increase, and the switching element may be destroyed in some cases. Further, when this series resonant converter is used at f 0 <2f 1 , the switching element is turned on when the feedback current flows through the primary winding of the transformer and the feedback diode. In addition to a rising current, a large spike-shaped current flows until the reverse blocking function of the feedback diode is restored, causing problems such as increased loss and noise, and increased stress on the switching element. Occur. For these reasons, in the conventional series resonance converter, the operating frequency f 1 must be used at ½ or less of the resonance frequency f 0 , and there are problems that the output capacitance is restricted and the smoothing capacitor becomes large.

この問題を解決するため帰還電流をトランスの一次巻線
を介さずに直流電源に帰還できるように帰還用ダイオー
ドを接続することにより、f<2fで使用してもス
イッチング素子の電流の立ち上がりが急峻にならず、ま
た帰還用ダイオードの逆方向阻止機能が回復していなく
てもスパイク状の電流が流れないようにした直列共振コ
ンバータが提案されている。この回路は第4図に示すよ
うにトランス6の一次巻線と共振用インダクタ13の接続
点に帰還用ダイオード4,5を接続して、帰還電流をト
ランスの一次巻線に流すことなくかつf<2fの場
合で、帰還用ダイオードの逆方向阻止機能が回復してい
なくてもスイッチング素子にスパイク状の電流が流れな
いことを特徴としている。
In order to solve this problem, by connecting a feedback diode so that the feedback current can be fed back to the DC power supply without passing through the primary winding of the transformer, the current of the switching element rises even when used with f 0 <2f 1. There is proposed a series resonant converter in which the spike current does not flow even when the feedback diode does not have the reverse blocking function restored. In this circuit, feedback diodes 4 and 5 are connected to the connection point between the primary winding of the transformer 6 and the resonance inductor 13 as shown in FIG. In the case of 0 <2f 1 , a spike-shaped current does not flow in the switching element even if the reverse blocking function of the feedback diode is not restored.

次に回路の動作を説明する。スイッチング素子2をター
ンオンさせると、直流電源1−スイッチング素子2−ト
ランス6の一次巻線−共振用インダクタ13−共振用コ
ンデンサ12−直流電源1のループと、共振用コンデン
サ11−スイッチング素子2−トランス6の一次巻線−
共振用インダクタ13−共振用コンデンサ11のループ
で共振電源が流れる。スイッチング素子3をターンオン
させた時は、直流電源1−共振用コンデンサ11−共振
用インダクタ13−トランス6の一次巻線−スイッチン
グ素子3−直流電源1のループと、共振用コンデンサ1
2−共振用インダクタ13−トランス6の一次巻線−ス
イッチン素子3−共振用コンデンサ12のループで共振
電流が流れる。トランス6の一次巻線数と二次巻線数の
比をnとすれば二次巻線にはn倍の共振電流が流れるの
で、この共振電流を整流用ダイオード7及び8で整流
し、平滑用コンデンサ9を充電して直流電圧を負荷抵抗
10に供給する。直流電源1の電圧をEとすると、共振
用コンデンサの充電電圧がE以下であれば帰還用ダイオ
ード4または5には電流は流れない。この領域をモード
Iと呼ぶことにする。
Next, the operation of the circuit will be described. When the switching element 2 is turned on, the DC power supply 1-the switching element 2-the primary winding of the transformer 6, the resonance inductor 13-the resonance capacitor 12-the loop of the DC power supply 1 and the resonance capacitor 11-the switching element 2-transformer. 6 primary winding-
A resonance power supply flows in a loop of the resonance inductor 13 and the resonance capacitor 11. When the switching element 3 is turned on, the DC power supply 1-the resonance capacitor 11-the resonance inductor 13-the primary winding of the transformer 6-the switching element 3-the loop of the DC power supply 1 and the resonance capacitor 1
A resonance current flows in a loop of 2-resonance inductor 13-transformer 6 primary winding-switching element 3-resonance capacitor 12. If the ratio of the number of primary windings to the number of secondary windings of the transformer 6 is n, n times the resonance current flows in the secondary windings, so this resonance current is rectified by the rectifying diodes 7 and 8 and smoothed. The charging capacitor 9 is charged and a DC voltage is supplied to the load resistor 10. Assuming that the voltage of the DC power supply 1 is E, if the charging voltage of the resonance capacitor is E or less, no current flows through the feedback diode 4 or 5. This area will be called mode I.

モードIにおけるスイッチング素子2または3を流れる
共振電流iはスイッチング素子をターンさせた時刻を
t=0とすれば式(1)で与えられる。
The resonance current i 0 flowing through the switching element 2 or 3 in the mode I is given by the equation (1), where t = 0 is the time when the switching element is turned.

モードIでは式(1)から判るように負荷抵抗10を小さ
くして流れる電流を大きくすると、共振電流のピーク値
が大きくなる。この結果、出力電圧は一定となり、E/
(2n)で与えられる。
In mode I, as can be seen from equation (1), when the load resistance 10 is reduced and the flowing current is increased, the peak value of the resonance current increases. As a result, the output voltage becomes constant and E /
It is given by (2n).

共振用コンデンサの充電電圧は負荷抵抗10を小さくす
るにつれて上昇し、Eになると共振用コンデンサ11−
直流電源1−帰還用ダイオード5−共振用インダクタ1
3−共振用コンデンサ11のループまたは共振用コンデ
ンサ12−共振用インダクタ13−帰還用ダイオード4
−直流電源1−共振用コンデンサ12のループで帰還電
流が流れ出す。この領域をモードIIと呼ぶことにする。
モードIIでは負荷抵抗10を変化させても出力電流は一
定でf>2fの場合、4fnEで与えられ
る。
The charging voltage of the resonance capacitor rises as the load resistance 10 is reduced, and when it reaches E, the resonance capacitor 11-
DC power supply 1-feedback diode 5-resonance inductor 1
3-loop of resonance capacitor 11 or resonance capacitor 12-resonance inductor 13-feedback diode 4
A feedback current begins to flow in the loop of the DC power supply 1-resonance capacitor 12. This area is called Mode II.
In mode II, when the output current is constant even if the load resistance 10 is changed and f 0 > 2f 1 , it is given by 4f 1 C 0 nE.

モードIIにおけるスイッチング素子2または3を流れる
共振電流iは式(4)となる。
The resonance current i 0 flowing through the switching element 2 or 3 in the mode II is given by the equation (4).

i0=[Esin 〔t/ {2C0(L1+L2)} 1/2〕] /2 {(L1+L2)/2C0} 1/2 (4) 帰還用ダイオード4または5を流れる帰還電流iはi
が流れ出す時刻をTとすれば式(5)となる。
i 0 = [Esin [t / {2C 0 (L 1 + L 2 )} 1/2 ]] / 2 {(L 1 + L 2 ) / 2C 0 } 1/2 (4) Feedback diode 4 or 5 The feedback current i 1 flowing through
If the time when 1 starts to flow is T 0 , the equation (5) is obtained.

i1=-[ {-nV0+(E/2)} sin {(t-T0)/(2C0L2)1/2}〕 /(L2/2C0)1/2 (5) モードIIでは負荷抵抗10が小さくなると、式(5)から
帰還電流のピーク値は増加するが、式(4)から共振電流
のピーク値は一定となる。出力電流はiの平均値のn
倍であるから一定となる。すなわち、出力電圧は減少す
る。
i 1 =-[{-nV 0 + (E / 2)} sin {(tT 0 ) / (2C 0 L 2 ) 1/2 }] / (L 2 / 2C 0 ) 1/2 (5) Mode II Then, when the load resistance 10 becomes smaller, the peak value of the feedback current increases from the equation (5), but the peak value of the resonance current becomes constant from the equation (4). The output current is n of the average value of i 0
It is constant because it is doubled. That is, the output voltage decreases.

第5図にモードI及び、モードIIにおけるスイッチング
素子2または3及び、帰還用ダイオード4または5を流
れる電流波形を示す。
FIG. 5 shows current waveforms flowing through the switching element 2 or 3 and the feedback diode 4 or 5 in the mode I and the mode II.

〔発明が解決しようとする課題〕[Problems to be Solved by the Invention]

第4図の回路は上述のように多くのメリットがあるが、
負荷短絡のような過負荷が発生した場合にはトランス6
のリーケージインダクタンスLのためにつぎのような
問題点がある。トランス6のリーケージインダクタに発
生する電圧Vは式(4)から式(6)となる。
The circuit of FIG. 4 has many advantages as described above,
In case of overload such as load short circuit, transformer 6
Due to the leakage inductance L 1 of, there are the following problems. The voltage V 1 generated in the leakage inductor of the transformer 6 is given by the equations (4) to (6).

=L(di/dt) (6) 式(6)で示される電圧がトランス6の一次巻線の電圧n
に対して nV<V (7) となると、トランス6の一次巻線−帰還用ダイオード4
−スイッチング素子2−トランス6の一次巻線のループ
またはトランス6の一次巻線−スイッチング素子3−帰
還用ダイオード5−トランス6の一次巻線のループに循
環電流が流れる。循環電流が流れている間はサージ電圧
や雑音の観点から電流を強制的に遮断することを避ける
ためスイッチング素子をオン状態にしておくことが必要
である。トランス6の一次巻線を流れる電流iは循環
電流が流れ出した時のトランス6の一次巻線電流をIを
すれば次式にしたがって減衰する。
V 1 = L 1 (di 0 / dt) (6) The voltage represented by the equation (6) is the voltage n of the primary winding of the transformer 6.
When nV 0 <V 1 (7) with respect to V 0 , the primary winding of the transformer 6-the feedback diode 4
A circulating current flows in the loop of the switching element 2-the primary winding of the transformer 6 or the primary winding of the transformer 6-the switching element 3-the feedback diode 5-the loop of the primary winding of the transformer 6. While the circulating current is flowing, it is necessary to keep the switching element in the ON state in order to prevent the current from being forcibly cut off from the viewpoint of surge voltage and noise. The current i 2 flowing through the primary winding of the transformer 6 is attenuated according to the following equation if I is the primary winding current of the transformer 6 when the circulating current flows out.

=I−(nVt/L) (8) 出力が短絡されてV=0となった場合はi=Iとな
り、iは減衰しない。
i 2 = I- (nV 0 t / L 1 ) (8) When the output is short-circuited and V 0 = 0, i 2 = I and i 2 is not attenuated.

第6図にnV<Vとなった場合のi,i,i
の波形を示す。t<tであれば問題ないが、t
となった場合は共振電流が再び流れ出す現象が発生
し動作が不安定になるとともに良好な電圧垂下特性が得
られない問題がある。
FIG. 6 shows i 0 , i 1 , i 2 when nV 0 <V 1 .
Shows the waveform of. No problem if t 2 <t 3 , but t 2 >
When it becomes t 3 , there is a problem that a phenomenon that the resonance current flows out again occurs, the operation becomes unstable, and a good voltage drooping characteristic cannot be obtained.

この発明の目的は循環電流の減衰を速めるとともに帰還
電流が流れている期間を長くすることにより、トランス
6のリーケージインダクタンスの悪影響を除去し、動作
が安定でかつ、電圧垂下特性が良好な直列共振コンバー
タを提供することにある。
An object of the present invention is to speed up the decay of the circulating current and lengthen the period during which the feedback current is flowing, thereby eliminating the adverse effect of the leakage inductance of the transformer 6 and ensuring stable operation and series resonance with good voltage drooping characteristics. To provide a converter.

〔課題を解決するための手段〕[Means for Solving the Problems]

この発明は2個の帰還用ダイオードの接続点と、トラン
スの一次巻線と共振用インダクタの接続点との間に第二
の共振用インダクタを接続することにより負荷短絡のよ
うな過負荷でも直列共振コンバータを安定に動作させる
ことができることを最も主要な特徴とする。
According to the present invention, a second resonance inductor is connected between the connection point of two feedback diodes and the connection point of the primary winding of the transformer and the resonance inductor, so that even if an overload such as a load short circuit occurs, the series connection is achieved. The most important feature is that the resonant converter can be operated stably.

〔実施例〕〔Example〕

以下にこの発明の実施例について説明する。第1図はこ
の発明の実施例の接続図であって、第4図と対応する部
分には同一符号を付けてある。この発明においては帰還
用ダイオード4,5の接続点と、トランス6の一次巻線
及び共振用インダクタ13の接続点との間に共振用イン
ダクタ14を接続する。
Examples of the present invention will be described below. FIG. 1 is a connection diagram of an embodiment of the present invention, in which parts corresponding to those in FIG. 4 are designated by the same reference numerals. In the present invention, the resonance inductor 14 is connected between the connection point of the feedback diodes 4 and 5 and the connection point of the primary winding of the transformer 6 and the resonance inductor 13.

つぎに回路の動作を説明する。スイッチング素子2をタ
ーンオンさせると、直流電源1−スイッチング素子2−
トランス6の一次巻線−共振用インダクタ13−共振用
コンデンサ12−直流電源1のループと、共振用コンデ
ンサ11−スイッチング素子2−トランス6の一次巻線
−共振用インダクタ13−共振用コンデンサ11のルー
プで共振電流が流れる。スイッチング素子3をターンオ
ンさせた時は、直流電源1−共振用コンデンサ11−共振
用インダクタ13−トランス6の一次巻線−スイッチン
グ素子3−直流電源1のループと、共振用コンデンサ1
2−共振用インダクタ13−トランス6の一次巻線−ス
イッチング素子3−共振用コンデンサ12のループで共
振電流が流れる。トランス6の一次巻線数と二次巻線数
の比をnとすれば二次巻線にはn倍の共振電流が流れる
ので、この共振電流を整流用ダイオード7及び8で整流
し、平滑コンデンサ9を充電して直流電圧を負荷抵抗1
0に供給する。直流電源1の電圧をEとすると、共振用
コンデンサの充電電圧がE以下であれば帰還用ダイオー
ド4または5と共振用インダクタ14には電流は流れな
い。この領域は第2図の動作のモードIと同じであり、
スイッチング素子2または3を流れる共振電流は式(1)
で与えられる。モードIでは式(4)から判るように負荷
抵抗10を小さくすると、共振電流のピーク値が大きくな
り出力電圧は一定になりE/(2n)で与えられる。
Next, the operation of the circuit will be described. When the switching element 2 is turned on, the DC power supply 1-the switching element 2-
Primary winding of transformer 6-Resonance inductor 13-Resonance capacitor 12-DC power supply 1 loop and resonance capacitor 11-Switching element 2-Primary winding of transformer 6-Resonance inductor 13-Resonance capacitor 11 Resonant current flows in the loop. When the switching element 3 is turned on, the DC power supply 1-the resonance capacitor 11-the resonance inductor 13-the primary winding of the transformer 6-the switching element 3-the loop of the DC power supply 1 and the resonance capacitor 1
A resonance current flows in a loop of 2-resonance inductor 13-transformer 6 primary winding-switching element 3-resonance capacitor 12. If the ratio of the number of primary windings to the number of secondary windings of the transformer 6 is n, n times the resonance current flows in the secondary windings, so this resonance current is rectified by the rectifying diodes 7 and 8 and smoothed. Charge the capacitor 9 and apply DC voltage to the load resistor 1
Supply to 0. When the voltage of the DC power supply 1 is E, if the charging voltage of the resonance capacitor is E or less, no current flows in the feedback diode 4 or 5 and the resonance inductor 14. This area is the same as the mode I of the operation of FIG.
The resonance current flowing through the switching element 2 or 3 is calculated by the formula (1)
Given in. In mode I, when the load resistance 10 is reduced as can be seen from the equation (4), the peak value of the resonance current increases and the output voltage becomes constant, which is given by E / (2n).

共振用コンデンサ11,12の充電電圧は負荷抵抗10
を小さくするにつれて上昇し、E以上になると共振用コ
ンデンサ11−直流電源1−帰還用ダイオード5−共振
用インダクタ14−共振用インダクタ13−共振用コン
デンサ11のループ、または共振用コンデンサ12−共
振用インダクタ13−共振用イダクタ14−帰還用ダイ
オード4−直流電源1−共振用コンデンサ12のループ
で帰還電流が流れ出す。この領域をモードIIと呼ぶこと
にする。モードIIでは負荷抵抗10を変化させても出力
電流は一定で、f>2f1の場合には4fnEで
与えられる。モードIIにおけるスイッチング素子2また
は3を流れる共振電流iは(4)で与えられる。
The charging voltage of the resonance capacitors 11 and 12 is the load resistance 10
Rises as the value becomes smaller and becomes equal to or higher than E.-Resonance capacitor 11-DC power supply 1-Feedback diode 5-Resonance inductor 14-Resonance inductor 13-Resonance capacitor 11 loop or resonance capacitor 12-Resonance capacitor A feedback current starts to flow in the loop of the inductor 13-resonance inductor 14-feedback diode 4-DC power supply 1-resonance capacitor 12. This area is called Mode II. In mode II, the output current is constant even if the load resistance 10 is changed, and when f 0 > 2f 1 , it is given by 4f 1 C 0 nE. The resonance current i 0 flowing through the switching element 2 or 3 in the mode II is given by (4).

帰還用ダイオード4または5を流れる帰還電流iはi
は流れ出す時刻をTとすれば式(9)となる。
The feedback current i 1 flowing through the feedback diode 4 or 5 is i
Is given by Eq. (9), where T 0 is the starting time.

i1=[ {-nV0+(E/2)} sin 〔(t-T0 )/ {2C0(L2+L3 )} 1/2 〕] / {(L2+L3)/2C0)} 1/2 (9) ここでLは共振用インダクタ14のインダクタンスで
ある。
i 1 = [{-nV 0 + (E / 2)} sin [(tT 0 ) / {2C 0 (L 2 + L 3 )} 1/2 ]] / {(L 2 + L 3 ) / 2C 0 ) } 1/2 (9) Here, L 3 is the inductance of the resonance inductor 14.

式(5)の帰還電流の共振半サイクルはπ(2C0L2)1/2であ
るが、式(9)の帰還電流の共振半サイクルはπ {2C0(L2+
L3 } 1/2であるため帰還電流が流れている期間はこの発
明による回路の方が従来の回路より長くなっていること
が容易に判断できる。
The resonance half cycle of the feedback current in Eq. (5) is π (2C 0 L 2 ) 1/2 , but the resonance half cycle of the feedback current in Eq. (9) is π (2C 0 (L 2 +
Since L 3 } 1/2 , it can be easily determined that the circuit according to the present invention is longer than the conventional circuit during the period in which the feedback current is flowing.

モードIIでは負荷抵抗10が小さくなると、式(5)から
帰還電流のピーク値は増加するが、式(4)から共振電流
のピーク値は一定となる。出力電流はiの平均値のn
倍であるから一定となる。すなわち、出力電圧は減少す
る。
In mode II, when the load resistance 10 becomes smaller, the peak value of the feedback current increases from the equation (5), but the peak value of the resonance current becomes constant from the equation (4). The output current is n of the average value of i 0
It is constant because it is doubled. That is, the output voltage decreases.

負荷抵抗10が小さくなり式(7)で示す条件になった時
はトランス6の一次巻線−共振用インダクタ14−帰還
用ダイオード4−スイッチング素子2−トランス6の一
次巻線のループまたはトランス6の一次巻線−スイチン
グ素子3−帰還用ダイオード5−共振用インダクタ14
−トランス6の一次巻線のループに循環電流が流れ出
す。共振用インダクタ14を流れる電流をiとすれば
次式が成り立つ。
When the load resistance 10 becomes small and the condition expressed by the expression (7) is satisfied, the primary winding of the transformer 6-resonance inductor 14-feedback diode 4-switching element 2-the primary winding loop of the transformer 6 or the transformer 6 Primary winding-switching element 3-feedback diode 5-resonance inductor 14
A circulating current begins to flow in the loop of the primary winding of the transformer 6. If the current flowing through the resonance inductor 14 is i 2 , the following equation holds.

nV0=L1(di1/dt)+L3(di2/dt) (10) 負荷短絡の場合には式(10)でV=0とおくと次式が得
られる。
nV 0 = L 1 (di 1 / dt) + L 3 (di 2 / dt) (10) In the case of load short circuit, if V 0 = 0 in the equation (10), the following equation is obtained.

di1/dt=−(L3/L1)(di2/dt) (11) 式(11)から明らかなように負荷短絡が発生した場合でも
(di/dt)<0であるから、トランス6の一次巻
線の電流は減衰することが判る。減衰率を大きくするに
は共振用インダクタ14のインダクタンスLを大きく
すればよい。
di 1 / dt = − (L 3 / L 1 ) (di 2 / dt) (11) As is clear from the equation (11), (di 1 / dt) <0 even if a load short circuit occurs. It can be seen that the current in the primary winding of the transformer 6 is attenuated. In order to increase the attenuation factor, the inductance L 3 of the resonance inductor 14 may be increased.

〔発明の効果〕〔The invention's effect〕

以上説明したように、この発明による直列共振コンバー
タはトランスのリーケジインダクタの悪影響を除去して
負荷短絡のような過負荷の場合でも良好な電圧垂下特性
とすることができるので、高効率で安定した起動特性を
有する直列共振コンバータが得られる利点がある。
As described above, the series resonant converter according to the present invention can eliminate the adverse effects of the leakage inductor of the transformer and provide good voltage drooping characteristics even in the case of an overload such as a load short circuit, so it is highly efficient and stable. There is an advantage that a series resonant converter having the above starting characteristics can be obtained.

【図面の簡単な説明】 第一図はこの発明の直列共振コンバータの接続図、第2
図は従来の直列共振コンバータの接続図、第3図は第2
図の共振電流波形図、第4図は第3図の直列共振コンバ
ータの問題点を改良した直列共振コンバータの接続図、
第5図は第4図の共振電流波形図、第6図は第4図でト
ランスの一次巻線の電圧よりトランスのリーケージイン
ダクタに発生する電圧が大きい場合の電流波形図であ
る。 1……直流電源、2,3……スイッチング素子、4,5
……帰還用ダイオード、6……トランス、7,8……整
流用ダイオード、9……平滑用コンデンサ、10……負
荷抵抗、11,12……共振用コンデンサ、13,14
……共振用インダクタ。
BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a connection diagram of a series resonance converter of the present invention, and FIG.
The figure is a connection diagram of a conventional series resonant converter, and Fig. 3 is the second diagram.
FIG. 4 is a resonance current waveform diagram, FIG. 4 is a connection diagram of a series resonance converter in which the problems of the series resonance converter of FIG. 3 are improved,
FIG. 5 is a resonance current waveform diagram of FIG. 4, and FIG. 6 is a current waveform diagram when the voltage generated in the leakage inductor of the transformer is larger than the voltage of the primary winding of the transformer in FIG. 1 ... DC power supply, 2, 3 ... Switching element, 4, 5
...... Feedback diode, 6 …… Transformer, 7,8 …… Rectification diode, 9 …… Smoothing capacitor, 10 …… Load resistance, 11,12 …… Resonance capacitor, 13,14
…… Resonance inductor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】2個のスイッチング素子の直列回路、2個
の共振用コンデンサの直列回路、2個の帰還用ダイオー
ドの直列回路を直流電源に接続し、上記スイッチッング
素子の直列回路の接続点にトランスの一次巻線と第一の
共振用インダクタとの直列回路のトランス一次巻線を接
続し、上記共振用コンデンサの直列回路の接続点に上記
トランスの一次巻線と第一の共振用インダクタとの直列
回路の第一の共振用インダクタを接続し、上記帰還用ダ
イオードの直列回路の接続点と上記トランスの一次巻線
及び第一の共振用インダクタの接続点との間に第二の共
振用インダクタを接続するとともに、上記トランスの二
次巻線に全波整流回路と平滑用コンデンサを接続してな
る直列共振コンバータ。
1. A series circuit of two switching elements, a series circuit of two resonance capacitors, and a series circuit of two feedback diodes are connected to a DC power source, and are connected to a connection point of the series circuit of the switching element. The primary winding of the transformer is connected to the primary winding of the transformer, and the primary winding of the transformer is connected to the connection point of the series circuit of the resonant capacitor. The first resonance inductor of the series circuit is connected, and the second resonance inductor is connected between the connection point of the series circuit of the feedback diode and the connection point of the primary winding of the transformer and the first resonance inductor. A series resonance converter in which an inductor is connected and a full-wave rectifier circuit and a smoothing capacitor are connected to the secondary winding of the transformer.
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