JP4348472B2 - Switching power supply - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明はスイッチング電源装置に関し、特にスイッチ素子のスイッチング動作を、共振作用を利用してソフトスイッチ化する技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
図4は従来方式の1例を示す回路図であり、共振作用を利用したスイッチングとして既に知られている(コロナ社スイッチングコンバータの基礎)。図4において、スイッチ素子8のオン期間にトランスの1次巻線7aに電流が流れ、そのうちの大部分は2次巻線7bを介して負荷15に供給され、一部はトランス7に励磁エネルギとして蓄積される。スイッチ素子8がオン状態からターンオフすると、トランス7の励磁エネルギは1次巻線7aとスナバコンデンサ10とダイオード18が作る閉路を流れ、スナバコンデンサ10に電荷を蓄積する。このとき、スナバコンデンサ10の両端の電圧は電荷を容量で割った値になるが、その値と直流電源5の電圧の和がスイッチ素子8に加わる電圧になるので、スイッチ素子8の耐圧を越えることがないようにスナバコンデンサ10の容量が選ばれている。
【0003】
一方、スイッチ素子8がオフ状態からターンオンすると、スナバコンデンサ10の電荷は、スナバコンデンサ10とスイッチ素子8とダイオード19とリアクトル20が作る閉路を流れる。スイッチ素子8のオン状態の間にスナバコンデンサ10とリアクトル20によって共振を生じるがダイオード19によって半波で終了するため、電流はゼロから立ち上がりゼロで終わり、スナバコンデンサ10には極性が反転した共振開始直前の電圧と同じ電圧が充電される。このときのスナバコンデンサ10の電圧が直流電源5の電圧と一致していれば、スイッチ素子8がオン状態からターンオフして、トランス7の励磁エネルギが電流となって1次巻線7aとスナバコンデンサ10とダイオード18が作る閉路を流れるとき、スイッチ素子8の電圧はゼロから立ち上がる。スイッチ素子8がターンオフする直前のスナバコンデンサ10の電圧が直流電源5の電圧より低ければ、その差に相当する電圧より立ち上がる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
スイッチ素子8がターンオフするときに電圧がゼロから立ち上がるということはスイッチ素子8の両端の電圧がゼロの間にスイッチ素子8に流れる電流がピーク値からゼロまで下がるということになり、スイッチ素子8のターンオフにおけるスイッチングロスは理論的にゼロまで下げることができる。更に、1次巻線7aの電流がピーク値からゼロに下がる間、電流は1次巻線7aとスナバコンデンサ10とダイオード18が作る閉路を流れるのでターンオフの間の電流の変化率が緩くなってノイズの発生が抑えられる。
【0005】
しかし、スイッチ素子8がターンオンする直前のスナバコンデンサ10の電圧が直流電源5の電圧と同じ値に達するということは、スイッチ素子8のオフ期間にスイッチ素子8に加わる電圧が直流電源5の電圧の2倍に達するということでもあるから、スイッチ素子8の耐圧が直流電源5の電圧の2倍以上のものを使わなければならない。一方、耐圧が高い程スイッチ素子8のコストが高くなるのでスナバコンデンサ10の電圧も直流電源5の電圧より低くなるようにスナバコンデンサ10の容量が選ばれている。スイッチ素子8がターンオンする直前のスナバコンデンサ10の電圧が直流電源5の電圧に達しなければスイッチ素子8がターンオンして反転した電圧も直流電源5の電圧に達しないのでスイッチ素子8の電圧が、ゼロから立ち上がることはない。
【0006】
そこで請求項1記載の発明は、スナバコンデンサとリアクトルとダイオードを適当に組み合わせることにより、スイッチ素子がターンオフするときに必ずゼロボルトから立ち上がる回路を提供することを目的としている。また、請求項2記載の発明は、時間によって変化する交流電源の電圧に対しても、スイッチ素子がターンオフするときに必ずゼロボルトから立ち上がる回路を提供することを目的としている。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項1記載の発明は、直流電源と、平滑コンデンサと、平滑コンデンサと閉路を作る、トランスの1次巻線とスイッチ素子からなる直列回路と、スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、スイッチ素子に並列に接続されたスナバコンデンサを備えたスイッチング電源装置において、スナバコンデンサの平滑コンデンサとスイッチ素子の接続点に接続されている端子側に第1のダイオードとリアクトルからなる直列回路を直列に挿入し、直流電源の平滑コンデンサとスイッチ素子の接続点に接続されている端子側に第2のダイオードを直列に挿入し、第1のダイオードとリアクトルからなる直列回路とスナバコンデンサの接続点と直流電源と第2のダイオードの接続点の間に第3のダイオードを接続した。
【0008】
請求項2記載の発明は、交流電源と、全波整流器と、平滑コンデンサと、平滑コンデンサと閉路を作る、トランスの1次巻線とスイッチ素子からなる直列回路と、スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、スイッチ素子に並列に接続されたスナバコンデンサを備えたスイッチング電源装置において、スナバコンデンサの平滑コンデンサとスイッチ素子の接続点に接続されている端子側に第1のダイオードとリアクトルからなる直列回路を直列に挿入し、第1のダイオードとリアクトルからなる直列回路とスナバコンデンサの接続点と、交流電源の一方の端子との間に第2のダイオードを接続し、別の一方の端子との間に第3のダイオードを接続した。
【0009】
請求項1記載の発明において、スイッチ素子がオン状態からターンオフすると、トランス7の励磁エネルギは、1次巻線とスナバコンデンサと第3のダイオードと直流電源が作る閉路を流れ、スナバコンデンサに電荷を蓄積する。この閉路は電流が一方通行の直列共振回路であるため、電流はスイッチ素子がターンオフする直前に1次巻線を流れていた電流を初期値として始まりゼロで終了する。電流がゼロになったときのスナバコンデンサ両端の電圧は平滑コンデンサの電圧より高くなっているので、スナバコンデンサの電荷は第1のダイオードとリアクトルからなる直列回路とスナバコンデンサと1次巻線と平滑コンデンサが作る閉路を流れて放電する。この閉路も電流が一方通行の直列共振回路であるため、そして前の共振電流がゼロで終わっているので、ゼロから立ち上がる。この閉路を電流が流れる期間は、もしスイッチ素子がターンオンしなければゼロになるまで続くが、スイッチ素子がターンオンすることにより、電流の経路は途中から第1のダイオードとリアクトルとスナバコンデンサとスイッチ素子が作る閉路に変わる。
【0010】
スイッチ素子のオン状態の間に、スナバコンデンサの電荷が放電を続けてゼロに達すると、スナバコンデンサのエネルギはゼロになり、代わって、励磁エネルギがピークに達しているリアクトルが電流を流し続けようとするが、電流は、第1のダイオードとリアクトルからなる直列回路と第3のダイオードと直流電源と平滑コンデンサが作る閉路を流れる。第2のダイオードはこのときの閉路を確保している。スナバコンデンサの両端の電圧はゼロを保つ。
【0011】
スイッチ素子がオン状態からターンオフするとき、スナバコンデンサ両端の電圧がゼロなので、スイッチ素子の加わる電圧はゼロから立ち上がる。すなわち、ターンオフにおいてソフトスイッチ化がなされる。
【0012】
請求項2記載の発明において、スイッチ素子がオン状態からターンオフすると、1次巻線の励磁エネルギは1次巻線とスナバコンデンサと第2のダイオードまたは第3のダイオードのいずれか1つと交流電源と全波整流器が作る閉路を流れスナバコンデンサに電荷を蓄積する。請求項1記載の発明に関する上の記述と異なるのは直流電源の代わりに交流電源を用いているため、交流電圧の極性が変化すれば、閉路に第2のダイオードが入るか第3のダイオードが入るかの違いだけであり、請求項1記載の発明に関する上の説明をあてはめることができる。
【0013】
励磁エネルギが流れる経路に交流電源が入っているので、コンデンサインプット型整流回路において導通角が狭くなって力率が低下するという問題を改善することができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
請求項1記載の発明の実施の形態を実施例を示す図1を参照して説明する。図1において、平滑コンデンサ6の電圧は、スイッチ素子8のオン・オフ動作によって、断続してトランス7の1次巻線7aに加わる。断続した電圧によってトランス7のコアに生じる磁束の変化を2次巻線7bが断続した電圧として取り出し、ダイオード11とダイオード12とリアクトル13とコンデンサ14によって整流平滑して直流電圧とし、これを負荷15に供給している。この実施例はフォワードコンバータと呼ばれる配線形態である。
【0015】
図1において、スイッチ素子8のオン期間にトランス7に蓄積される励磁エネルギはスイッチ素子8がターンオフするとスナバコンデンサ10と第3のダイオード4と直流電源5を経由して流れ、スナバコンデンサ10に電荷を蓄積する。スナバコンデンサ10両端の電圧は図中のA点の電位がB点の電位より高くなり、その電位差が上昇して直流電源5の電圧を越し、更に、ピークに達すると、スナバコンデンサ10の電荷は1次巻線7aと平滑コンデンサ6と、第1のダイオード1とリアクトル2からなる直列回路を流れて下がり、やがて直流電源5の電圧まで下がって安定する。
【0016】
スナバコンデンサ10の電圧が上昇の途中か、降下の途中か、または直流電源5の電圧まで下がって安定した状態か、いずれの状態でスイッチ素子8がターンオンしても、スナバコンデンサ10に残っている電荷はスイッチ素子8と、第1のダイオード1とリアクトル2からなる直列回路が作る閉路を流れて放電する。
【0017】
スイッチ素子8がターンオンした後の放電は、はじめは共振電流であるが、スナバコンデンサ10両端の電圧がゼロになると、すなわち、図中のB点の電位がゼロになると、リアクトル2の励磁エネルギがピークに達し、このエネルギが、第3のダイオード4と直流電源5と平滑コンデンサ6と第1のダイオード1を流れ、平滑コンデンサ6の電荷を増やす。スナバコンデンサ10はスイッチ素子8がターンオフするまでゼロボルトを保っているので、ターンオフのときにはゼロから充電され、スイッチ素子8の電圧もゼロから立ち上がる。
【0018】
図2は請求項1記載の発明の別の実施例を示している。トランス7の1次巻線7aとスイッチ素子8の上下の位置関係が図1のそれと逆になっているが、動作原理は図1のそれと同じである。
【0019】
図3は請求項2記載の発明の実施例を示している。図1に示した請求項1記載の発明の実施例では直流電源を用いているのに対して、図3では交流電源を用いているので、図1の第3のダイオード4に相当するダイオードは図3においては第2のダイオード3と第3のダイオード4である。また、図1の第2のダイオード3に相当するダイオードは図3においてはブリッジ整流器17が兼ねている。
【0020】
【発明の効果】
従来方式のスイッチング電源装置にわずかな部品を追加することによってソフトスイッチ化がなされ、電力損失とノイズが改善されるので応用範囲が広く、また、経済的効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】請求項1記載の発明の実施例に係るスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図2】請求項1記載の発明の別の実施例に係るスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図3】請求項2記載の発明の実施例に係るスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図4】従来方式の例を示す回路図である。
【符号の説明】
1 第1のダイオード
2 リアクトル
3 第2のダイオード
4 第3のダイオード
5 直流電源
6 平滑コンデンサ
7 トランス
8 スイッチ素子
9 発振制御回路
10 スナバコンデンサ
11、12 ダイオード
13 リアクトル
14 コンデンサ
15 負荷
17 ブリッジ整流器
18、19 ダイオード
20 リアクトル
7a 1次巻線
7b 2次巻線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a technique for making a switching operation of a switch element into a soft switch using a resonance action.
[0002]
[Prior art]
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a conventional system, which is already known as switching using resonance action (basic of Corona switching converter). In FIG. 4, current flows through the primary winding 7 a of the transformer during the ON period of the
[0003]
On the other hand, when the
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
The fact that the voltage rises from zero when the
[0005]
However, when the voltage of the snubber capacitor 10 immediately before the
[0006]
Accordingly, an object of the present invention is to provide a circuit that always rises from zero volts when the switch element is turned off by appropriately combining a snubber capacitor, a reactor, and a diode. Another object of the present invention is to provide a circuit that always rises from zero volts when the switch element is turned off, even with respect to the voltage of the AC power supply that changes with time.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention is directed to a DC power source, a smoothing capacitor, a series circuit composed of a primary winding of a transformer and a switch element, and a control electrode of the switch element. And a snubber capacitor connected in parallel to the switch element, the first diode on the terminal side connected to the connection point between the smoothing capacitor of the snubber capacitor and the switch element. And a series circuit composed of a reactor and a second diode are inserted in series on the terminal side connected to the connection point of the smoothing capacitor and the switch element of the DC power source, and a series composed of the first diode and the reactor. Connect a third diode between the connection point of the circuit and the snubber capacitor and the connection point of the DC power supply and the second diode. .
[0008]
The invention according to claim 2 is connected to an AC power source, a full-wave rectifier, a smoothing capacitor, a series circuit composed of a primary winding of a transformer and a switch element, and a control electrode of the switch element. In a switching power supply device comprising a controlled oscillation circuit and a snubber capacitor connected in parallel to a switch element, a first diode and a reactor are connected to a terminal connected to a connection point between the smoothing capacitor of the snubber capacitor and the switch element. A series circuit comprising: a second diode connected between the connection point of the series circuit comprising the first diode and the reactor and the snubber capacitor, and one terminal of the AC power supply; A third diode was connected between the terminals.
[0009]
In the first aspect of the present invention, when the switch element is turned off from the ON state, the excitation energy of the transformer 7 flows through a closed circuit formed by the primary winding, the snubber capacitor, the third diode, and the DC power source, and charges the snubber capacitor. accumulate. Since this closed circuit is a series resonant circuit in which the current is one-way, the current starts from the current flowing through the primary winding immediately before the switch element is turned off, and ends at zero. Since the voltage across the snubber capacitor when the current becomes zero is higher than the voltage of the smoothing capacitor, the charge of the snubber capacitor is smoothed by the series circuit consisting of the first diode and the reactor, the snubber capacitor, the primary winding, and so on. It discharges through the closed circuit created by the capacitor. This closed circuit also rises from zero because the current is a one-way series resonant circuit and because the previous resonant current ends at zero. The period in which the current flows through the closed circuit continues until it becomes zero if the switch element is not turned on. However, when the switch element is turned on, the current path is changed from the middle to the first diode, the reactor, the snubber capacitor, and the switch element. Changes to a closed circuit.
[0010]
If the charge of the snubber capacitor continues to discharge and reaches zero while the switch element is on, the energy of the snubber capacitor will be zero, and instead, the reactor whose excitation energy has peaked will continue to flow current. However, the current flows through a closed circuit formed by a series circuit including a first diode and a reactor, a third diode, a DC power source, and a smoothing capacitor. The second diode secures a closed circuit at this time. The voltage across the snubber capacitor remains zero.
[0011]
When the switch element is turned off from the on state, the voltage across the snubber capacitor is zero, so the voltage applied to the switch element rises from zero. That is, soft switching is performed at the turn-off.
[0012]
According to the second aspect of the present invention, when the switch element is turned off from the ON state, the excitation energy of the primary winding is the primary winding, the snubber capacitor, any one of the second diode or the third diode, and the AC power source. It flows through the closed circuit created by the full-wave rectifier and accumulates electric charge in the snubber capacitor. The difference from the above description regarding the invention of
[0013]
Since the AC power supply is in the path through which the excitation energy flows, the problem that the conduction angle becomes narrow and the power factor decreases in the capacitor input type rectifier circuit can be improved.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
An embodiment of the invention described in
[0015]
In FIG. 1, the excitation energy accumulated in the transformer 7 during the ON period of the
[0016]
The snubber capacitor 10 remains in the snubber capacitor 10 even if the
[0017]
The discharge after the
[0018]
FIG. 2 shows another embodiment of the present invention. Although the vertical positional relationship between the primary winding 7a of the transformer 7 and the
[0019]
FIG. 3 shows an embodiment of the second aspect of the present invention. The embodiment of the invention according to
[0020]
【The invention's effect】
By adding few components to the conventional switching power supply device, soft switching is achieved, and power loss and noise are improved, so the application range is wide and the economic effect is great.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a circuit diagram showing a switching power supply device according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a circuit diagram showing a switching power supply device according to another embodiment of the invention as set forth in
FIG. 3 is a circuit diagram showing a switching power supply device according to an embodiment of the invention as set forth in claim 2;
FIG. 4 is a circuit diagram showing an example of a conventional method.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF
Claims (2)
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