JPH0258861B2 - - Google Patents

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JPH0258861B2
JPH0258861B2 JP55014757A JP1475780A JPH0258861B2 JP H0258861 B2 JPH0258861 B2 JP H0258861B2 JP 55014757 A JP55014757 A JP 55014757A JP 1475780 A JP1475780 A JP 1475780A JP H0258861 B2 JPH0258861 B2 JP H0258861B2
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JP
Japan
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switching
transformer
voltage
circuit
ein
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Application number
JP55014757A
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Japanese (ja)
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JPS56112878A (en
Inventor
Yoichi Masuda
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Toshiba Corp
Original Assignee
Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Tokyo Shibaura Electric Co Ltd filed Critical Tokyo Shibaura Electric Co Ltd
Priority to JP1475780A priority Critical patent/JPS56112878A/en
Publication of JPS56112878A publication Critical patent/JPS56112878A/en
Publication of JPH0258861B2 publication Critical patent/JPH0258861B2/ja
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    • HELECTRICITY
    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M3/00Conversion of DC power input into DC power output
    • H02M3/22Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC
    • H02M3/24Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters
    • H02M3/28Conversion of DC power input into DC power output with intermediate conversion into AC by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate AC

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Inverter Devices (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は周波数の高いハーフブリツジ形スイ
ツチング回路に関する。 近年、電子計算機及びその周辺機器や一般通信
機用として小電圧、大電流の電源が要求され、小
形、軽量、高効率という利点を持つスイツチング
式電源が多く使われている。従来、そのスイツチ
ング電源のバイポーラ・トランジスタ等のスイツ
チング素子によるスイツチング回路としては種々
の回路が考案されている。その内、スイツチング
素子を1個使う、いわゆるシングル・エンド形の
回路は回路構成も簡単で、小形化に適すが、出力
電力が大きくなるとスイツチング素子に大電流の
素子が必要になり、また、電力伝送用変成器に直
流が重畳されるので、変成器の利用効率が悪く比
較的低出力電力のスイツチング式電源にしか、使
用できない。また、スイツチング素子を4個使
う、ブリツジ形のスイツチング回路は大出力電力
のスイツチング式電源には適しているが、低出力
電力の場合はトランジスタを4個も使用するため
電源装置の形状が大きくなり、回路構成も複雑な
ので適さない。しかしスイツチング素子を2個使
用するブツシユプル形やハーフブリツジ形のスイ
ツチング回路はブリツジ形に較べて回路構成は簡
単であり、電力伝送用変成器に直流が重畳されな
いので変成器の利用効率も良く、もし同じスイツ
チング素子を使用したとすればシングルエンド形
の2倍の出力電力が得られるので低出力電力から
大出力電力のスイツチング式電源にまで使用でき
る。しかしプツシユプル形の回路ではスイツチン
グ素子の両端たとえばバイポーラ・トランジスタ
のコレクターエミツタ間に入力電圧の2倍の電圧
が加わるために高耐圧のスイツチング素子が必要
になるという欠点がある。 また、スイツチング式電源のよりいつそうの小
形化、負荷変動や入力変動に対する応答速度の向
上を図るためスイツチング回路の高周波化がのぞ
まれている。しかし、上記の従来の回路では、ス
イツチング周波数を上げていくとスイツチング素
子の両端の電圧の立上り、立下りにその電圧とス
イツチング素子を流れる電流のかさなる部分の時
間がスイツチングの周期にくらべて無視できない
ほど大きくなり、いわゆるスイツチング損失が増
大する。これはバイポーラ・トランジスタ等のス
イツチング素子の特性上やむをえないものであ
り、このスイツチング損失の増大により、スイツ
チング式電源の電力伝達効率が劣化したり、この
損失により生じた熱を逃すために大きな放熱板が
必要になり電源装置の形状が大きくなるなどスイ
ツチング式電源の利点が失われてしまうために、
スイツチング周波数を50KHz〜100KHz以上(バ
イポーラ・トランジスタ使用時)に上げる事は実
用上不可能であつた。 また、スイツチング回路から発生するノイズが
負荷に影響をあたえるため、問題となつていた。 この発明は上記の点に鑑みてなされたものでそ
の目的はスイツチング周波数が100KHz程度以上
の周波数でもスイツチング損失の極めて少くノイ
ズも少いハーフブリツジ形高周波スイツチング回
路を提供するにある。 以下この発明を図面を参照して説明する。 第1図は従来のハーフブリツジ形スイツチング
回路、第2図はこの発明の一実施例のスイツチン
グ回路の基本構成を示すもので、両者の比較から
明らかのようにこの発明は従来のハーフブリツジ
形スイツチング回路のそれぞれのスイツチング素
子3,4の両端にコンデンサ13,14を並列に
接続し、変形器5の1次側からみたインダクタン
ス及びチヨーク・コイル6のインダクタンスとコ
ンデンサ13,14の共振動作を利用してスイツ
チング素子3,4の両端の電圧がスイツチング周
期に較べて急激な変化をさせない様にすることに
より、その電圧とスイツチング素子を流れる電流
がかさなり合う時間を極めて短くして、スイツチ
ング周波数が高くなつてもスイツチング損失を極
めて少くすることのできるハーフブリツジ形スイ
ツチング回路である。 以下この第2図に示すスイツチング回路につい
て詳細に説明する。図示するように2つの入力直
流電源1と2とが直列に接続されその両端に例え
ばバイポーラトランジスタからなる2つのスイツ
チング素子3と4の直列接続回路が並列に接続さ
れ、各直列回路の各々の中点に電力伝送変成器5
の一次巻線の各一端がそれぞれ接続される。また
スイツチング素子3と4のそれぞれの両端にはそ
れぞれ共振用コンデンサ13と14及びダンパ
ー・ダイオード11と12が図示の方向に並列に
接続される。また、変成器の二次巻線の両端に
はそれぞれ整流用ダイオード7と8のアノードが
接続され、ダイオード7と8のカソードはともに
チヨーク・コイル6の一方の端に接続され、チヨ
ークコイルのもう一方の端は変成器5の二次巻線
の中点に平滑用コンデンサ9を介して接続されて
いる。またコンデンサ9の両端はそれぞれ負荷端
10に並列接続される。また、図示せぬスイツチ
ング素子3と4の制御端子たとえばバイポーラ・
トランジスタのベースにはスイツチング素子を導
通またはしや断されるためのドライブ回路が接続
されている。また、下記の回路動作の説明をわか
りやすくするため入力直流電源1と2の電圧は同
じ電圧としてそれぞれEinとし、共振用コンデン
サ13と14の容量値も同じ容量値としてそれぞ
れCとし、変成器5の二次巻線の一方の端から中
点までの巻回数をN2とし、一次巻線の巻線をN1
とする。またスイツチング素子3,4、ダイオー
ド7,8,11,12は理想スイツチとする。次
に、共振用コンデンサ13と14の容量値C、変
成器5の一次側からみたインダクタンス値L1
チヨーク・コイル6のインダクタンス値に変成器
5の巻線比の2乗(N1/N2)2をかけた値L2、整流後 のコンデンサ9の両端に生じる定常直流出力電圧
に変成器5の巻線比N1/N2をかけた値Eout等の設 定条件は、CとL1の共振周波数をスイツチング
素子3及び4のスイツチング周波数にほぼ合せ
る。またCをスイツチング素子3及び4の両端の
間に等価的に存在する浮遊容量の値より十分大き
く選ぶ。EoutをEinより小さくする。また、L2
L1の0.1〜10倍程度に選ぶ。 以上の設定条件をもとにこの実施例の回路動作
を説明する。 第3図a〜hは第2図に示す実施例の回路動作
の一周期の各々の区間を等価回路により示したも
のである。なお、第3図a〜hにおいてスイツチ
ング素子3,4とダイオード7,8,11,12
は理想スイツチとして示してある。さらにコンデ
ンサ9は理想電池として示してある。また、第4
図a〜jは、この実施例の回路動作上重要な部分
の電圧及び電流波形図であり、aはスイツチング
素子3に流れる電圧i3の波形図、bはスイツチン
グ素子3の両端の電圧v3の波形図、cはダンパ
ー・ダイオード11に流れる電流i11の波形図、
dはスイツチング素子4に流れる電流i4の波形
図、eはスイツチング素子4の両端の電圧v4の波
形図、fはダンパー・ダイオード12に流れる電
流i12の波形図、gは電力伝送用変成器の1次
側からみたインダクタンスに流れる電流i1の波形
図、hは出力整流用ダイオード7に流れる電流に
変成器の巻線比N2/N1をかけた電流i7の波形図、 iは出力整流用ダイオード8に流れる電流に変成
器5の巻線比N2/N1をかけた電流i8の波形図、jは チヨーク・コイル6に流れる電流に変成器5の巻
線比N2/N1をかけた電流i2の波形図である。そして 第4図a〜jに示すt=0〜t1の区間の等価回路
が第3図aであり、以下t=t1〜t2の区間が第3
図b、t=t2〜t3の区間が第3図c、t=t3〜t4
の区間が第3図d、t=t4〜t5の区間が第3図
e、t=t5〜t6の区間が第3図f、t=t6〜t7
第3図g、t=t7〜t8の区間が第3図hにそれぞ
れ対応する。そしてt=0で周期が始まり、t=
t8で一周期が終了する。次に、t=0からt=t8
まで順をおつて説明する。まず、t=0における
回路の初期条件であるが、第4図a〜j示す通
り、スイツチング素子4、ダンパー・ダイオード
11,12、出力整流用ダイオード8がそれぞれ
しや断状態、コンデンサ13は0〔V〕、コンデン
サ14は2×Ein〔V〕に充電され、i1=−i2であ
る。以下の説明上たとえばt=t1におけるi3はi3
(t1)、t=t3におけるv4はv4(t8)とする。第2図
において区間t=0〜t1はスイツチング素子3が
導通状態にあり、変成器の1次巻線に電源1の
電圧Ein〔V〕が印加されている区間である。ま
た、コンデンサ14には2×Ein〔V〕の電圧が充
電されており、電源2の電圧Ein〔V〕と変成器
の1次巻線の電圧Ein〔V〕の和の電圧と平衡状態
を保つ為、この区間では電源2、変成器5の1次
巻線、コンデンサ14からなる閉回路は無視でき
る。またスイツチング素子4、ダンパーダイオー
ド12は常にしや断状態にあるので無視する。ま
た、変成器の二次巻線には巻線比により電圧が
印加されることともに上記初期条件により、ダイ
オード7が導通、ダイオード8がしや断状態にあ
る。以上の点から、第3図aの等価回路が得られ
る。この時、v3=0〔V〕v4=2×Ein〔V〕であり
変化せず、i1及びi2は次式により変化する。 i1=−i2(t0)+Ein/L1(tθ−t0) i2=i2(t0)+Ein−Eout/L2(tθ−t0) tθは0〜t1間の任意の時間t0=0 また第3図aよりスイツチング素子3に流れる
電流i3は i3=i1+i2 である。 またこの区間の時間t1はスイツチング素子3の
制御端子から任意に変化させる。 区間t=t1〜t2はスイツチング素子3がしや断
され、変成器の1次側からみたインダクタンス
及びチヨークコイル6のインダクタンスとコンデ
ンサ13,14の共振現象によりコンデンサ13
がゆるやかに充電、コンデンサ14がゆるやかに
放電され、v3=0〔V〕v4=2×Ein〔V〕からv3
v4=Ein〔V〕まで変化する期間である。この区間
はスイツチング素子3,4、ダイオード8,1
1,12は全てしや断状態なので無視できる、よ
つて第3図bの等価回路が得られる。この区間の
時間t2−t1は次式により得られる。 またv3,v4,i1,i2は次式により変化する v3=i1(t1)+i2(t1)/2Cωsin(ω(tθ−t1))
+Ein(1−Cos(ω(tθ−t1))) EoutL1/L1+L2(1−Cos(ω(tθ−t1))) v4=2Ein−v3 i1=i1(t1)−(i1(t1)+i2(t1))L2/L1+L2
1−cos(ω(tθ−t1))) +(Ein/ωL1−Eout/2Cω)sin(ω(tθ−t1
)+Eout/L1+L2(tθ−t1) i2=i2(t1)−(i1(t1)+i2(t1))L1/L1+L2
1−cos(ω(tθ−t1))) +(Ein/ωL2−L1Eout/ωL2(L1+L2))sin(ω
(tθ−t1))−1/L1+L2Eout(tθ−t1) tθはt1〜t2間の任意の時間 よつてt=t2でv3=v4=Einとなり変成器
1次巻線の両端の電圧が0〔V〕になり、二次巻線
に生じる電圧も0〔V〕になるのでダイオード7は
しや断されるがチヨーク・コイル6のインダクタ
ンスにはある有限な電流が流れているので次のし
ゆん間ダイオード8を導通して電流が流れる。区
間t=t2〜t3は区間t=t1〜t2と同じく、変成器
5の1次側からみたインダクタンス及びチヨー
ク・コイル6のインダクタンスとコンデンサ1
3,14の共振現象によりコンデンサ13がゆる
やかに充電、コンデンサ14がゆるやかに放電さ
れv3=v4=Ein〔V〕からv3=2×Ein〔V〕、v4
0〔V〕まで変化する期間である。この区間は変成
の1次巻線の電圧が区間t=t1〜t2の時と反
転するため、ダイオード7がしや断、ダイオード
8が導通状態になる。また、スイツチング素子
3,4とダイオード11,12は常にしや断状態
である。よつて第3図cの等価回路が得られる。
この区間の時間t3〜t2は次式により得られる。 またv3,v4,i1,i2は次式により変化する v3=i1(t2)−i2(t2)/2Cωsin(ω(tθ−t2))
+L1/L1+L2(1−cos(ω(tθ−t2)))Eout+Ein v4=2Ein−v3 i1=(L1/L1+L2+L2/L1+L2cos(ω(tθ−t2))
)i1(t2)+L2/L1+L2(1−cos(ω(tθ−t2)))
i2(t2) Eout/L1+L2(tθ−t2)+Eout/ω(L1+L2)sin
(ω(tθ−t2)) i2=L1/L1+L2(i1(t2)−i2(t2))(1−cos(
ω(tθ−t2)))+i2(t2) −Eout/L1+L2(tθ−t2)−L1/ωL2(L1+L2)E
out sin(ω(tθ−t2)) tθはt2〜t3の任意の時間 よつてt=t3でv3=2Ein〔V〕、v4=0〔V〕にな
るがi1及びi2はまだ残つておりそれがv32Ein〔V
以上、v4を0〔V〕以下に充電しようとするが、ダ
ンパー・ダイオード12が正バイアスされて導通
状態になりそれ以後は変化しなくなる。 区間t=t3〜t4はダンパー・ダイオード12に
電流が流れ初めてからその電流が0〔A〕になるま
での期間である。ダイオード12が導通状態にあ
り、変成器の1次巻線には、区間t=0〜t1
は逆の方向に電源2によつてEin〔V〕の電圧が印
加される。また、コンデンサ13には2Ein〔V
の電圧が充電されており、電源1の電圧Ein〔V
と上記変成器の1次巻線の電圧Ein〔V〕の和の
電圧と平衡状態を保つ為、この区間では、電源
1、変成器の1次巻線、コンデンサ13からな
る閉回路は無視できる。またスイツチング素子
3、ダイオード11,7は常にしや断状態にあ
る。よつて第3図dの等価回路が得られる。 第3図dよりダイオード12に流れる電流はi1
〜i2であるので、ダイオード12の電流が0〔A
になるということはi1=i2になるということであ
る。よつてこの区間の時間t4−t3は次式により得
られる。 t4−t3=L1L2(i1(t3)−i2(t3)/(L1+L2)Ei
n−L1Eout またこの区間は、v3=2Ein〔V〕、v4=0〔V〕で
あり変化せず、i1及びi2は次式により変化する。 i1=−Ein/L1(tθ−t3)+i1(t3) i2=Ein−Eout/L2(tθ−t3)+i2(t3) tθはt3〜t4の任意の時間 区間t=t4〜t5はスイツチング素子4が導通状
態にあり、変成器の1次巻線に電源2の電圧
Ein〔V〕が区間t=t0〜t1とは逆の方向に印加さ
れている区間である。またコンデンサ13には
2Fin〔V〕の電圧が充電されたままになつており
その他区間t=t3〜t4と同じ理由で第3図eの等
価回路が得られる。図中、t=t4においてはiL1
方向が逆であるがこの区間中、図示の方向に反転
する。またこの区間の時間t5−t4はスイツチング
素子4の制御端子から任意に変化させる。この区
間ではv3=2Ein〔V〕v4=0〔V〕で変化せずi1
i2,i3はi1が区間t=0〜t1とは逆の方向を正とす
ると区間t=0〜t1と同じ式で変化する。ただし
tθはt4〜t5間の任意の時間とし、t0はt4におきかえ
る。 区間t=t5〜t6はスイツチング素がしや断さ
れ、変成器5の1次側みたインダクタンス及びチ
ヨーク・コイル6のインダクタンスとコンデンサ
13,14の共振現象により区間t=t1〜t2とは
逆にコンデンサ13がゆるやかに放電、コンデン
サ14がゆるやかに充電され、v3=Ein〔V〕、v4
=0〔V〕からv3=v4=Ein〔V〕まで変化する期間
である。 この区間はスイツチング素子3,4、ダイオー
ド7,11,12は全てしや断状態なので無視で
きる。よつて第3図fの等価回路が得られる。i1
の流れる方向を区間t=t1〜t2の逆の方向が正と
すると、この区間の時間t6−t5はt2−t1の式と同
じ式より得られる。またv3は区間t=t1〜t2のv4
v4は区間t=t1〜t2のv3,i1とi2は区間t=t1〜t2
と同じ式により変化する。ただし式中tθはt5〜t6
間の任意の時間とし、t1をt5におきかえる。 よつてt=t6でv3=v4=Einとなり変成器5の
1次巻線の両端の電圧が0〔V〕になり、二次巻線
に生じる電圧も0〔V〕になるためダイオード8は
しや断されるがチヨーク・コイル6のインダクタ
ンスには電流が流れているので次の瞬間ダイオー
ド8を導通して電流が流れる。 区間t=t6〜t7は区間t=t5〜t6と同じく、変
成器の1次側からみたインダクタンス及びチヨ
ークコイル6のインダクタンスとコンデンサ1
3,14の共振現象により区間t=t2〜t3とは逆
にコンデンサ13がゆるやかに放電、コンデンサ
14がゆるやかに充電されv3=v4=Ein〔V〕から
v3=0〔V〕、v4=2Ein〔V〕まで変化する期間であ
る。この区間は変成器の1次巻線の電圧が区間
t=t5〜t6の時と反転するため、ダイオード8が
しや断、ダイオード7が導通状態となる。また、
スイツチング素子3,4とダイオード11,12
は常にしや断状態である。よつて第3図gの等価
回路が得られる。i1の流れる方向を区間t=t2
t3の逆の方向が正とすると、この区間の時間t7
t6はt3−t2の式と同じ式より得られる。またv3
区間t=t2〜t3のv4,v4は区間t=t2〜t3のv3,i1
とi2は区間t=t2〜t3と同じ式により変化する。
ただし式中tθはt6〜t7間の任意の時間とし、t2をt6
におきかえる。 よつてt=t7でv3=0〔V〕、v4=2Ein〔V〕にな
るがi1及びi2はまだ残つており、それがv3
0〔V〕以下、v4を2Ein〔V〕以上に充電しようと
するが、ダンパーダイオード11が正バイアスさ
れて導通状態になり、それ以後は変化しなくな
る。 区間t=t7〜t8はダンパー・ダイオード11に
電流が流れ初めてからその電流が0〔A〕になるま
での期間である。ダイオード11が導通状態にあ
り、変成器の1次巻線には、区間t=t0〜t1
同じ様に電源1によつてEin〔V〕の電圧が印加さ
れる。また、その他区間t=t0〜t1と同じ理由に
より第3図hの等価回路が得られる。i1の流れる
方向を区間t=t3〜t4の逆の方向が正とすると、
この区間の時間t8−t7はt4−t3の式と同じ式より
得られる。またv3=0〔V〕、v4=2Ein〔V〕で変化
せずi1とi2は区間t=t3〜t4と同じ式で変化する。
ただしtθはt7〜t8間の任意の時間であり、t3はt7
おきかえる。 よつてt=t8でi1=i2となり、その他このt=t8
における状態が上記t=t0の初期条件となり、新
しい周期が始まる。 以上の点から第4図a,b,c,d,eをみれ
ばわかるようにスイツチング素子3,4がしや断
状態から導通状態になるとき、すでにその両端の
電圧はなく、また、導通状態からしや断状態にな
るときその両端の電圧が急激に立ち上る事がない
ためその電圧とスイツチング素子に流れる電流が
かさなる時間をきわめて短くする事ができる。 次に、この実施例をスイツチング式電源に応用
した時に問題になる出力電力であるが、それはt
=t0〜t8までのi2の式を積分しそれにEoutをかけ
た値が第2図の負荷端10より負荷へ供給される
出力電力値である。 また、出力電力を変化させるためにはスイツチ
ング素子3,4の導通時間つまりt1−t0,t5−t4
を変化させれば良い。しかし、その際、上記した
いくつかの式からもわかる通り各区間の最終時の
i1,i2が次の区間の初期条件として、次の区間の
時間等に影響をあたえているため、t1−t0,t5
t4が変化すると、全体の周期t0〜t8までも変化し
てしまう。このことにより出力電力を変化させる
場合、スイツチング素子の導通時間とともにスイ
ツチング周期をも考慮する必要がある。たとえば
第5図はL1を40〔〓H)、L2を120〔〓H〕、Cを
22000〔PF〕、Einを65〔V〕、Eoutを56〔V〕、スイ
ツチング素子及びダイオードを全て理想スイツ
チ、電力伝送用変成器を理想変成器、t1−t0=t5
−t4=tonとした場合のt1−t0及びt5−t4と出力電
力Poutとスイツチング周波数の関係を示した
図である。第5図をみればわかる通り、たとえば
Poutを20〔W〕から100〔W〕まで変化させるに
は、tonを2.26〔〓s〕から3.5〔〓S〕まで変化させる
とともにを91.1〔KHz〕から81.4〔KHz〕まで変
化させれば良い。 また上記の動作がこの実施例の基本動作である
が、上記動作においてスイツチング素子3,4の
導通している時間つまり、t1−t0、t5−t4を短く
していくと、t1〜t3間のある時点よりt3まで、及
びt5〜t7間のある時点よりt7までt2が0〔A〕になる
回路動作になることがあるが、その場合でも基本
的には特に問題はない。 以上述べた様に、この発明によれば、スイツチ
ング素子に流れる電流とその両端の電圧がかさな
る時間をきわめて短くする事ができ、スイツング
損失をきわめて少くすることができるためスイツ
チング素子の発熱が激減し、素子自体の寿命が長
くなり信頼性、安全性が向上する。また、スイツ
チング式電源等に応用した場合、放熱板が小さく
なるとともに、スイツチング周波数を上げる事が
できるのでインダクタンス、コンデンサ等が小さ
くできることや、変成器に直流が重畳しないた
め、その利用効果が良い事等により電源装置をよ
り小形、軽量化することができる。また、入力変
動や負荷変動に対する応答速度も向上する。 また、第4図a,eを見ればわかる通り、スイ
ツチング素子の両端には2Ein〔V〕しか加わらな
いため比較的低耐圧のトランジスタが使用でき
る。 また、スイツチング素子の両端の電圧や、電力
伝送用変成器の1次巻線の電圧、電流が急激な変
化をしないため、そこから発生する雑音を極めて
少くすることができる。 なお、この発明は上記の実施例に限定されるも
のではなく要旨を変更しない範囲において種々変
形して実施することができる。 第6図はチヨーク・コイル6を電力伝送用変成
器5の二次巻線の中点からコンデンサ9を介して
ダイオード7,8に接続した例、第7図はチヨー
ク・コイル6を変成器5の一次巻線に直列に接続
した例である。この2例は上記実施例とほぼ同じ
回路動作、効果が得られる。 出力電力をあまり変化させなくて良い場合には
第4図a〜jのt3及びt7においてそれぞれv3
2Ein〔V〕になると同時にi1=i2になるように回路
定数、スイツチング素子3,4の導通時間を調整
すれば第8図に示すようにダンパー・ダイオード
が省略できる。 また、変成器5の1次側と2次側の間に等価的
に生じるリーケージ・イソダクタンスが大きい場
合にはそれがチヨーク・コイルの役割をはたす
為、第9図に示す様にチヨーク・コイルが省略で
きる。 第10図は第2図において電源1と2を2つ使
用しているのに対して1つの電源15の電圧をコ
ンデンサ16と17で分割して等価的に電源が2
つになる様にしたものである。ただし第2図の回
路と同じ動作をさせるためには、電源1と2の和
の電圧を電源15の電圧とすることと、コンデン
サ16,17は、変成器及びチヨーク・コイル
6とコンデンサ13,14の共振同作にほぼ影響
をあたえない様な、大きな値にする必要がある。 第11図はスイツチング素子3,4にバイポー
ラトランジタを使用した場合にそのベース〜エミ
ツタ間にダンパーダイオード11及び12を接続
した特種な例である。これはバイポーラ・トラン
ジスタのコレクタ〜ベース間に等価的に存在する
ダイオードとダンパー・ダイオード11または1
2を直列に接続した形になり、この直列の2個の
ダイオードがしや断状態の時に、その耐圧はトラ
ンジスタのコレクタ〜ベース間のダイオードが負
担するため、ダンパー・ダイオード11,12に
は比較的低耐圧のダイオードが使用できる。 第12図〜第15図は2つの出力を取り出す場
合の回路である。第12図、第13図は負荷端1
8の中点に対して両端が同極性、第14図、第1
5図は異極性である。また第12図、第14図は
負荷端18の中点に対してそれぞれの出力にチヨ
ークコイル19及び20が挿入されている為、反
対側の出力の影響を受けにくいが、チヨーク・コ
イル19,20には一方向の電流しか流れないた
めチヨーク・コイルに使用するコアの利用効率が
悪い。第15図は変成器の二次巻線の中点にチ
ヨーク・コイル6が接続されており、両方向の電
流が流れる為、チヨーク・コイル6に使用するコ
アの利用効率が良いが、反端側の出力の影響を受
けやすい。また第12図〜第15図において変成
の二次巻線の中点のタツプをどちらかにずら
す、またはスイツチ3と4の導通時間を同じでは
なく別々の時間にすることにより、負荷端18の
中点からみて、両側の電圧の絶対値を変えること
ができる。このことにより、第12図、第13図
において、負荷端18の中点を使用せず両端に負
荷を接続した場合、その電圧は、コンデンサ21
と22の両端の電圧の差の電圧になる為、スイツ
チ3と4の導通時間を変化させれば、正から負ま
たは負から正に電圧がなめらかに切り変る出力が
得られる。なお第12図、第13図において両側
の出力は変成器の二次巻線の中点及び負荷端1
8の中点で共通になつているが、変成器の二次
巻線を切りはなし、負荷端18の中点を2つ設け
て、2本の線路で接続すれば、両側の出力を絶縁
することができる。この場合出力は2つとは限ら
ず、片側だけ複数とか両端とも複数の出力を得る
ことも可能である。もちろんそのそれぞれの出力
を接続したり、絶縁するのは自由である。 第16図は変成器の1次巻線の接続方法が第
2図の回路と異なるが、ほぼ同じ回路動作と効果
が得られる回路であるが、変成器の1次巻線数
が2倍になる。 第17図〜第21図は共振用コンデンサの接続
位置が異なる回路であり、コンデンサ13,1
4,23が共振用コンデンサである。それぞれ回
路動作が少しづつ異なるが効果は同じものが得ら
れる。 第2図の回路の実施例の説明で述べた様に、ス
イツチング素子3,4の導通時間を変化させて出
力を制御する場合、そのスイツチング周期を考慮
しなければならない。しかし、上記の説明でもわ
かる様に、ダイオード11に電流が流れたあと、
スイツチ3が導通、ダイオード12に電流が流れ
たあと、スイツチ4が導通すれば良いのだから第
22図に示すようにダイオード11,12の電流
を検出してスイツチング素3,4のドライブ回路
26に強制同期をかけてやれば良い。この例では
電流検出には電流変成器24,25を使用してい
るがその他の方法でももちろん良い。 以上、いくつかの実施例、変形例を述べたが、
そのほとんどが出力の整流にいわゆる両波整流を
用いた図を示したが、これらはブリツジ整流等の
整流方法でももちろんかまわない。また整流ダイ
オードの向きは全ての実施例、変形例において、
逆向きでの実施が可能である。また出力は1つま
たは2つとは限らず変成器の二次巻壁を複数に
すれば複数の出力を得ることも可能である。また
上記の実施例、変形例をいくつか組み合わせて使
用することも可能である。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION The present invention relates to a high frequency half bridge type switching circuit. In recent years, low-voltage, high-current power supplies have been required for electronic computers, their peripheral equipment, and general communications equipment, and switching power supplies, which have the advantages of being small, lightweight, and highly efficient, have been widely used. Conventionally, various circuits have been devised as switching circuits using switching elements such as bipolar transistors for the switching power supply. Among these, so-called single-ended circuits that use one switching element have a simple circuit configuration and are suitable for miniaturization, but as the output power increases, a large current element is required as the switching element, and the power Since direct current is superimposed on the transmission transformer, the transformer is inefficiently utilized and can only be used in switching type power supplies with relatively low output power. In addition, a bridge-type switching circuit that uses four switching elements is suitable for switching power supplies with high output power, but for low output power, as many as four transistors are used, which increases the size of the power supply. , is not suitable because the circuit configuration is complicated. However, bush-pull type and half-bridge type switching circuits that use two switching elements have simpler circuit configurations than bridge type switching circuits, and the use of the transformer is more efficient because direct current is not superimposed on the power transmission transformer. If a switching element is used, twice the output power of a single-ended type can be obtained, so it can be used for switching type power supplies ranging from low output power to high output power. However, the push-pull type circuit has a drawback in that a voltage twice the input voltage is applied between both ends of the switching element, such as the collector-emitter of a bipolar transistor, so a switching element with a high withstand voltage is required. Furthermore, in order to make switching type power supplies more compact and to improve response speed to load fluctuations and input fluctuations, it is desired to increase the frequency of switching circuits. However, in the above conventional circuit, as the switching frequency is increased, the time required for the rise and fall of the voltage across the switching element and the current flowing through the switching element cannot be ignored compared to the switching cycle. The larger the loss, the more the so-called switching loss increases. This is unavoidable due to the characteristics of switching elements such as bipolar transistors, and due to this increased switching loss, the power transfer efficiency of switching power supplies deteriorates, and a large heat sink is required to dissipate the heat generated by this loss. The advantages of a switching power supply are lost, such as the size of the power supply becoming larger.
It was practically impossible to increase the switching frequency above 50KHz to 100KHz (when using bipolar transistors). Additionally, noise generated from the switching circuit affects the load, which has been a problem. The present invention has been made in view of the above points, and its object is to provide a half-bridge type high frequency switching circuit which has extremely low switching loss and low noise even when the switching frequency is approximately 100 KHz or higher. The present invention will be explained below with reference to the drawings. FIG. 1 shows the basic configuration of a conventional half-bridge type switching circuit, and FIG. 2 shows the basic configuration of a switching circuit according to an embodiment of the present invention. Capacitors 13 and 14 are connected in parallel to both ends of each switching element 3 and 4, and switching is performed using the inductance seen from the primary side of the transformer 5, the inductance of the chiyoke coil 6, and the resonance operation of the capacitors 13 and 14. By preventing the voltage across elements 3 and 4 from changing rapidly compared to the switching period, the time during which the voltage and the current flowing through the switching element overlap is extremely shortened, and even when the switching frequency becomes high, This is a half-bridge type switching circuit that can extremely reduce switching loss. The switching circuit shown in FIG. 2 will be explained in detail below. As shown in the figure, two input DC power supplies 1 and 2 are connected in series, and a series connection circuit of two switching elements 3 and 4 made of, for example, bipolar transistors is connected in parallel to both ends of the input DC power supplies 1 and 2. Point to power transmission transformer 5
The respective one ends of the primary windings are connected to each other. Resonant capacitors 13 and 14 and damper diodes 11 and 12 are connected in parallel to both ends of switching elements 3 and 4, respectively, in the direction shown. Further, the anodes of rectifying diodes 7 and 8 are connected to both ends of the secondary winding of the transformer 5 , respectively, the cathodes of the diodes 7 and 8 are both connected to one end of the chiyoke coil 6, and the cathodes of the diodes 7 and 8 are connected to one end of the chiyoke coil 6. One end is connected to the midpoint of the secondary winding of the transformer 5 via a smoothing capacitor 9. Further, both ends of the capacitor 9 are connected in parallel to a load end 10, respectively. In addition, control terminals of switching elements 3 and 4 (not shown), such as bipolar
A drive circuit for turning on or off the switching element is connected to the base of the transistor. In addition, in order to make the explanation of the circuit operation below easier to understand, the voltages of the input DC power supplies 1 and 2 are assumed to be the same voltage and are respectively referred to as Ein, the capacitance values of the resonance capacitors 13 and 14 are also assumed to be the same and are respectively referred to as C, and the transformer 5 The number of turns from one end to the midpoint of the secondary winding of is N 2 , and the number of turns of the primary winding is N 1
shall be. Furthermore, the switching elements 3 and 4 and the diodes 7, 8, 11, and 12 are assumed to be ideal switches. Next, the capacitance value C of the resonance capacitors 13 and 14, the inductance value L 1 seen from the primary side of the transformer 5,
The value L 2 is obtained by multiplying the inductance value of the chiyoke coil 6 by the square of the turns ratio of the transformer 5 (N1/N2) 2 , and the constant DC output voltage generated across the capacitor 9 after rectification is applied to the windings of the transformer 5. Setting conditions such as the value Eout multiplied by the linear ratio N1/N2 are such that the resonance frequency of C and L1 is approximately matched to the switching frequency of the switching elements 3 and 4. Further, C is selected to be sufficiently larger than the value of the stray capacitance equivalently existing between both ends of the switching elements 3 and 4. Make Eout smaller than Ein. Also, L 2 is
Choose around 0.1 to 10 times L 1 . The circuit operation of this embodiment will be explained based on the above setting conditions. 3a to 3h are equivalent circuit diagrams showing each section of one cycle of the circuit operation of the embodiment shown in FIG. 2. In FIG. In addition, in FIGS. 3a to 3h, switching elements 3, 4 and diodes 7, 8, 11, 12
is shown as an ideal switch. Furthermore, capacitor 9 is shown as an ideal battery. Also, the fourth
Figures a to j are voltage and current waveform diagrams of important parts of the circuit operation of this embodiment, where a is a waveform diagram of the voltage i 3 flowing through the switching element 3, and b is a diagram of the voltage v 3 across the switching element 3. c is a waveform diagram of the current i 11 flowing through the damper diode 11,
d is a waveform diagram of the current i 4 flowing through the switching element 4, e is a waveform diagram of the voltage v 4 across the switching element 4, f is a waveform diagram of the current i 12 flowing through the damper diode 12, and g is a power transmission transformer. A waveform diagram of the current i 1 flowing through the inductance seen from the primary side of the transformer 5 , h is a waveform diagram of the current i 7 which is the current flowing through the output rectifying diode 7 multiplied by the turns ratio N2/ N1 of the transformer 5 , i is the waveform diagram of current i8, which is the current flowing through the output rectifying diode 8 multiplied by the turns ratio N2/N1 of the transformer 5, and j is the waveform diagram of the current flowing through the chiyoke coil 6 multiplied by the turns ratio N2/N1 of the transformer 5. 2 is a waveform diagram of current i 2 multiplied by . The equivalent circuit for the section t=0 to t1 shown in FIG. 4 a to j is shown in FIG .
Figure b, the section from t = t 2 to t 3 is shown in Figure 3 c, t = t 3 to t 4
The section from t= t4 to t5 is shown in FIG. 3e, the section from t= t5 to t6 is shown in FIG. 3f, and the section from t= t6 to t7 is shown in FIG. , t= t7 to t8 correspond to FIG. 3h, respectively. Then, the cycle begins at t=0, and t=
One cycle ends at t 8 . Next, from t=0 to t=t 8
I will explain step by step. First, the initial conditions of the circuit at t=0 are as shown in FIGS. [ V ], the capacitor 14 is charged to 2×Ein [ V ], and i 1 =−i 2 . For the following explanation, for example, i 3 at t=t 1 is i 3
(t 1 ), and v 4 at t=t 3 is v 4 (t 8 ). In FIG. 2, the interval t=0 to t1 is the interval in which the switching element 3 is in a conductive state and the voltage Ein [ V ] of the power supply 1 is applied to the primary winding of the transformer 5 . In addition, the capacitor 14 is charged with a voltage of 2×Ein [ V ], and the voltage Ein [ V ] of the power supply 2 and the transformer 5
In this section, the closed circuit consisting of the power supply 2, the primary winding of the transformer 5, and the capacitor 14 can be ignored in order to maintain a state of equilibrium with the sum of the primary winding voltages Ein [ V ]. Furthermore, since the switching element 4 and the damper diode 12 are always in a damped state, they are ignored. Further, a voltage is applied to the secondary winding of the transformer 5 according to the turns ratio, and the diode 7 is in a conductive state and the diode 8 is in a slightly off state due to the above-mentioned initial conditions. From the above points, the equivalent circuit shown in FIG. 3a is obtained. At this time, v 3 =0 [ V ] v 4 =2×Ein [ V ] and does not change, and i 1 and i 2 change according to the following equation. i 1 = −i 2 (t 0 ) + Ein/L 1 (tθ − t 0 ) i 2 = i 2 (t 0 ) + Ein − Eout/L 2 (tθ − t 0 ) tθ can be any value between 0 and t 1 time t0=0 Also, from FIG. 3a, the current i 3 flowing through the switching element 3 is i 3 =i 1 +i 2 . Further, the time t 1 in this section is arbitrarily changed from the control terminal of the switching element 3. During the interval t= t1 to t2 , the switching element 3 is briefly disconnected, and the capacitor 13 is disconnected due to the resonance phenomenon between the inductance seen from the primary side of the transformer 5 , the inductance of the choke coil 6, and the capacitors 13 and 14.
is slowly charged, the capacitor 14 is slowly discharged, and from v 3 = 0 [ V ] v 4 = 2 × Ein [ V ], v 3 =
This is the period in which it changes up to v 4 = Ein [ V ]. This section includes switching elements 3, 4, diodes 8, 1
1 and 12 are all in the damped state and can therefore be ignored, resulting in the equivalent circuit shown in FIG. 3b. The time t 2 −t 1 in this interval is obtained by the following equation. Also, v 3 , v 4 , i 1 , and i 2 change according to the following formula: v 3 = i 1 (t 1 ) + i 2 (t 1 )/2Cωsin(ω(tθ−t 1 ))
+Ein(1−Cos(ω(tθ−t 1 ))) EoutL 1 /L 1 +L 2 (1−Cos(ω(tθ−t 1 ))) v 4 =2Ein−v 3 i 1 =i 1 (t 1 ) − (i 1 (t 1 ) + i 2 (t 1 )) L 2 /L 1 +L 2 (
1−cos(ω(tθ−t 1 ))) +(Ein/ωL 1 −Eout/2Cω) sin(ω(tθ−t 1 )
) + Eout / L 1 + L 2 (tθ−t 1 ) i 2 = i 2 (t 1 ) − (i 1 (t 1 ) + i 2 (t 1 )) L 1 /L 1 + L 2 (
1−cos(ω(tθ−t 1 ))) +(Ein/ωL 2 −L 1 Eout/ωL 2 (L 1 +L 2 )) sin(ω
(tθ− t1 ))−1/ L1 + L2Eout (tθ− t1 ) tθ is any time between t1 and t2 . Therefore, at t= t2 , v3=v4=Ein and transformer 5 The voltage across the primary winding becomes 0 [ V ], and the voltage generated in the secondary winding also becomes 0 [ V ], so the diode 7 is soon cut off, but the inductance of the chiyoke coil 6 has a certain finite value. Since a current flows through the diode 8 during the next period, the current flows through the diode 8. The interval t = t 2 - t 3 is the same as the interval t = t 1 - t 2 , where the inductance seen from the primary side of the transformer 5, the inductance of the chiyoke coil 6, and the capacitor 1
Due to the resonance phenomenon of 3 and 14, the capacitor 13 is slowly charged and the capacitor 14 is slowly discharged, and from v 3 = v 4 = Ein [ V ], v 3 = 2 × Ein [ V ], v 4 =
This is the period during which the voltage changes up to 0 [ V ]. In this section, the voltage of the primary winding of the transformer 5 is reversed from that in the section t= t1 to t2 , so the diode 7 is cut off and the diode 8 is turned on. Furthermore, the switching elements 3 and 4 and the diodes 11 and 12 are always in a depleted state. Thus, the equivalent circuit shown in FIG. 3c is obtained.
The time t 3 to t 2 in this section is obtained by the following equation. Also, v 3 , v 4 , i 1 , and i 2 change according to the following formula: v 3 = i 1 (t 2 )−i 2 (t 2 )/2Cωsin(ω(tθ−t 2 ))
+L 1 /L 1 +L 2 (1-cos (ω(tθ-t 2 ))) Eout + Ein v 4 = 2Ein-v 3 i 1 = (L 1 /L 1 +L 2 +L 2 /L 1 +L 2 cos (ω (tθ− t2 ))
) i 1 (t 2 ) + L 2 /L 1 + L 2 (1−cos(ω(tθ−t 2 )))
i 2 (t 2 ) Eout/L 1 +L 2 (tθ−t 2 )+Eout/ω(L 1 +L 2 ) sin
(ω(tθ− t2 )) i2 = L1 / L1 + L2 ( i1 ( t2 ) −i2 ( t2 ))(1−cos(
ω(tθ− t2 )))+ i2 ( t2 )−Eout/ L1 + L2 (tθ− t2 ) −L1 / ωL2 ( L1 + L2 )E
out sin(ω(tθ−t 2 )) tθ is any time from t 2 to t 3 Therefore, at t = t 3 , v 3 = 2Ein [ V ], v 4 = 0 [ V ], but i 1 and i 2 still remains, which is v 3 2Ein [ V ]
As described above, an attempt is made to charge v4 to below 0 [ V ], but the damper diode 12 is positively biased and becomes conductive, and does not change thereafter. The interval t=t 3 to t 4 is a period from when the current first flows through the damper diode 12 until the current reaches 0 [ A ]. The diode 12 is conductive and a voltage of Ein [ V ] is applied to the primary winding of the transformer 5 by the power supply 2 in the opposite direction to the interval t=0 to t1. Also, the capacitor 13 has 2Ein [ V ]
is charged, and the voltage of power supply 1 is Ein [ V ]
In order to maintain a balanced state with the sum of the voltage Ein [ V ] of the primary winding of the transformer 5 and the voltage Ein [V] of the primary winding of the transformer 5, in this section, the closed circuit consisting of the power supply 1, the primary winding of the transformer 5 , and the capacitor 13 is Can be ignored. Moreover, the switching element 3 and the diodes 11 and 7 are always in a damped state. Thus, the equivalent circuit shown in FIG. 3d is obtained. From Figure 3d, the current flowing through the diode 12 is i 1
~i 2 , so the current in diode 12 is 0 [ A ]
This means that i 1 = i 2 . Therefore, the time t 4 −t 3 in this section can be obtained from the following equation. t 4 − t 3 = L 1 L 2 (i 1 (t 3 ) − i 2 (t 3 )/(L 1 + L 2 ) Ei
In this interval, v 3 = 2Ein [ V ] and v 4 = 0 [ V ], which do not change, and i 1 and i 2 change according to the following equation. i 1 = -Ein/L 1 (tθ - t 3 ) + i 1 (t 3 ) i 2 = Ein - Eout/L 2 (tθ - t 3 ) + i 2 (t 3 ) tθ is any value between t 3 and t 4 During the period t= t4 to t5 , the switching element 4 is in a conductive state, and the voltage of the power supply 2 is applied to the primary winding of the transformer 5.
This is a section in which Ein[ V ] is applied in the opposite direction to the section t= t0 to t1 . Also, in capacitor 13
The voltage of 2Fin [ V ] remains charged, and for the same reason as in the other section t= t3 to t4 , the equivalent circuit shown in FIG. 3e is obtained. In the figure, at t= t4 , the direction of i L1 is reversed, but during this section it reverses to the direction shown. Further, the time t 5 -t 4 in this section is arbitrarily changed from the control terminal of the switching element 4. In this interval, v 3 = 2Ein [ V ] v 4 = 0 [ V ] and does not change, i 1 ,
i 2 and i 3 change using the same formula as the interval t=0 to t 1 when i 1 is positive in the opposite direction to the interval t=0 to t 1 . however
tθ is any time between t 4 and t 5 , and t 0 is replaced with t 4 . In the section t= t5 to t6 , the switching element is suddenly disconnected, and due to the resonance phenomenon of the inductance seen on the primary side of the transformer 5, the inductance of the chiyoke coil 6, and the capacitors 13 and 14, the section t= t1 to t2 On the contrary, capacitor 13 is slowly discharged, capacitor 14 is slowly charged, and v3=Ein [ V ], v4
This is the period in which the voltage changes from = 0 [ V ] to v 3 = v 4 = Ein [ V ]. In this section, the switching elements 3 and 4 and the diodes 7, 11, and 12 are all in a damped state, so they can be ignored. Thus, the equivalent circuit shown in FIG. 3f is obtained. i 1
If the opposite direction of the flow direction in the interval t=t 1 to t 2 is positive, then the time t 6 −t 5 in this interval can be obtained from the same equation as the equation for t 2 −t 1 . Also, v 3 is v 4 in the interval t = t 1 to t 2 ,
v 4 is v 3 in the interval t = t 1 - t 2 , i 1 and i 2 are in the interval t = t 1 - t 2
It changes according to the same formula as . However, tθ in the formula is t 5 to t 6
Set it to any time in between, and replace t 1 with t 5 . Therefore, at t=t 6 , v 3 = v 4 = Ein, the voltage across the primary winding of transformer 5 becomes 0 [ V ], and the voltage generated in the secondary winding also becomes 0 [ V ]. The diode 8 is soon cut off, but since current is flowing through the inductance of the chiyoke coil 6, the diode 8 becomes conductive the next moment, and a current flows. The interval t = t 6 - t 7 is the same as the interval t = t 5 - t 6 , and the inductance seen from the primary side of the transformer 5 , the inductance of the chiyoke coil 6, and the capacitor 1
3 and 14, the capacitor 13 is slowly discharged and the capacitor 14 is slowly charged, contrary to the interval t=t 2 to t 3 , and from v 3 = v 4 = Ein [ V ]
This is the period in which it changes from v 3 = 0 [ V ] to v 4 = 2Ein [ V ]. In this section, the voltage of the primary winding of the transformer 5 is reversed from that in the section t= t5 to t6 , so the diode 8 is cut off and the diode 7 is turned on. Also,
Switching elements 3, 4 and diodes 11, 12
is always in a state of decline. Thus, the equivalent circuit shown in FIG. 3g is obtained. The flow direction of i 1 is defined as the interval t=t 2 ~
If the opposite direction of t 3 is positive, then the time t 7 − of this interval
t 6 is obtained from the same formula as t 3 −t 2 . Also, v 3 is v 4 in the interval t = t 2 - t 3 , and v 4 is v 3 , i 1 in the interval t = t 2 - t 3 .
and i 2 change according to the same formula as the interval t=t 2 to t 3 .
However, in the formula, tθ is any time between t 6 and t 7 , and t 2 is t 6
Change it to a new one. Therefore, at t = t 7 , v 3 = 0 [ V ] and v 4 = 2Ein [ V ], but i 1 and i 2 still remain, which makes v 3
Below 0 [ V ], an attempt is made to charge v4 to more than 2Ein [ V ], but the damper diode 11 is positively biased and becomes conductive, and does not change thereafter. The interval t=t 7 to t 8 is a period from when the current first flows to the damper diode 11 until the current reaches 0 [ A ]. The diode 11 is in a conductive state, and a voltage of Ein [ V ] is applied to the primary winding of the transformer 5 by the power supply 1 in the same way as in the interval t=t 0 -t 1 . Further, for the same reason as for the other section t= t0 to t1 , the equivalent circuit shown in FIG. 3h is obtained. If the flow direction of i 1 is positive in the interval t = t 3 to t 4 , then
The time t 8 -t 7 in this interval is obtained from the same equation as the equation for t 4 -t 3 . Further, v 3 =0 [ V ] and v 4 =2Ein [ V ], which do not change, and i 1 and i 2 change using the same formula as in the interval t = t 3 to t 4 .
However, tθ is any time between t7 and t8 , and t3 is replaced with t7 . Therefore, i 1 = i 2 at t = t 8 , and otherwise this t = t 8
The state at becomes the initial condition for t=t 0 above, and a new cycle begins. From the above points, as can be seen from FIG. Since the voltage across the switching element does not rise suddenly when the switching element goes from a closed state to an off state, the time during which the voltage and the current flowing through the switching element increase can be extremely shortened. Next, when this embodiment is applied to a switching type power supply, there is a problem with the output power, which is t.
The value obtained by integrating the equation of i 2 from =t 0 to t 8 and multiplying it by Eout is the output power value supplied to the load from the load end 10 in FIG. In addition, in order to change the output power, the conduction time of the switching elements 3 and 4, that is, t 1 −t 0 , t 5 −t 4
All you have to do is change the . However, in that case, as can be seen from some of the formulas above, the
Since i 1 and i 2 are the initial conditions for the next section and influence the time etc. of the next section, t 1 − t 0 , t 5
When t 4 changes, the entire period t 0 to t 8 also changes. When changing the output power due to this, it is necessary to consider the switching period as well as the conduction time of the switching element. For example, in Figure 5, L1 is 40 [〓 H) , L2 is 120 [〓 H ], and C is
22000 [ PF ], Ein is 65 [ V ], Eout is 56 [ V ], switching elements and diodes are all ideal switches, power transmission transformer is ideal transformer, t 1 − t 0 = t 5
FIG. 7 is a diagram showing the relationship between t 1 −t 0 and t 5 −t 4 , output power Pout, and switching frequency when −t 4 =ton. As you can see from Figure 5, for example
To change Pout from 20 [ W ] to 100 [ W ], change ton from 2.26 [〓 s ] to 3.5 [〓 S ] and from 91.1 [ K Hz] to 81.4 [ K Hz]. Good. Furthermore, although the above operation is the basic operation of this embodiment, when the time during which the switching elements 3 and 4 are conductive in the above operation, that is, t 1 - t 0 and t 5 - t 4 are shortened, t The circuit may operate in such a way that t 2 becomes 0 [ A ] from a certain point between 1 and t 3 until t 3 , and from a certain point between t 5 and t 7 until t 7 , but even in that case, the basic There are no particular problems with this. As described above, according to the present invention, the time during which the current flowing through the switching element and the voltage across it increase can be extremely shortened, and switching loss can be extremely reduced, resulting in a drastic reduction in the heat generation of the switching element. , the life of the element itself is extended, and reliability and safety are improved. In addition, when applied to switching power supplies, etc., the heat sink becomes smaller and the switching frequency can be increased, so inductance and capacitors can be reduced, and direct current is not superimposed on the transformer, so the effect of its use is good. As a result, the power supply device can be made smaller and lighter. Furthermore, the response speed to input fluctuations and load fluctuations is also improved. Furthermore, as can be seen from FIGS. 4a and 4e, since only 2Ein [ V ] is applied to both ends of the switching element, a relatively low breakdown voltage transistor can be used. Furthermore, since the voltage across the switching element and the voltage and current in the primary winding of the power transmission transformer do not change abruptly, noise generated therefrom can be extremely reduced. Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments, and can be implemented with various modifications without changing the gist. FIG. 6 shows an example in which the Chiyoke coil 6 is connected to the diodes 7 and 8 via the capacitor 9 from the middle point of the secondary winding of the power transmission transformer 5. This is an example in which the coil is connected in series to the primary winding of the coil. In these two examples, substantially the same circuit operation and effects as in the above embodiment can be obtained. If the output power does not need to be changed much, v 3 = v 3 at t 3 and t 7 in Figure 4 a to j, respectively.
If the circuit constants and the conduction times of the switching elements 3 and 4 are adjusted so that i 1 =i 2 at the same time as 2Ein [ V ], the damper diode can be omitted as shown in FIG. In addition, if the leakage isoductance generated equivalently between the primary and secondary sides of the transformer 5 is large, it will act as a chiyoke coil, so as shown in FIG. can be omitted. In Fig. 10, two power supplies 1 and 2 are used in Fig. 2, but the voltage of one power supply 15 is divided by capacitors 16 and 17, so that two power supplies are equivalently used.
It was designed so that it would become one. However, in order to perform the same operation as the circuit shown in FIG. , 14 must be set to a large value so as to have almost no effect on the resonance motion. FIG. 11 shows a special example in which damper diodes 11 and 12 are connected between the base and emitter of bipolar transistors used as the switching elements 3 and 4. This is equivalent to the diode and damper diode 11 or 1 that exist between the collector and base of the bipolar transistor.
2 are connected in series, and when the two diodes in series are in a damped state, the withstand voltage is borne by the diode between the collector and base of the transistor, so damper diodes 11 and 12 have a comparative Diodes with low breakdown voltage can be used. FIGS. 12 to 15 show circuits for taking out two outputs. Figures 12 and 13 show load end 1.
Both ends are the same polarity with respect to the midpoint of 8, Fig. 14, 1
Figure 5 shows different polarities. In addition, in FIGS. 12 and 14, since the chiyoke coils 19 and 20 are inserted at the respective outputs relative to the midpoint of the load end 18, they are not easily affected by the output on the opposite side, but the chiyoke coils 19 and 20 Because current flows in only one direction, the core used in the chiyoke coil is inefficiently utilized. In Fig. 15, a chiyoke coil 6 is connected to the middle point of the secondary winding of the transformer 5 , and current flows in both directions, so the core used for the chiyoke coil 6 is used efficiently. easily affected by side output. In addition, in Figures 12 to 15, by shifting the tap at the midpoint of the secondary winding of transformer 5 to either side, or by setting the conduction times of switches 3 and 4 to different times instead of the same, the load end Viewed from the midpoint of 18, the absolute value of the voltage on both sides can be changed. As a result, in FIGS. 12 and 13, if the load is connected to both ends of the load end 18 without using the midpoint, the voltage will be the same as that of the capacitor 21.
Since the voltage is the difference between the voltages at both ends of and 22, by changing the conduction time of switches 3 and 4, an output in which the voltage changes smoothly from positive to negative or from negative to positive can be obtained. In Figures 12 and 13, the outputs on both sides are the midpoint of the secondary winding of the transformer 5 and the load end 1.
However, if the secondary winding of the transformer 5 is cut off, two midpoints of the load end 18 are provided, and two lines are connected to each other, the outputs on both sides can be isolated. can do. In this case, the number of outputs is not limited to two, and it is also possible to obtain a plurality of outputs from only one side or a plurality of outputs from both ends. Of course, you are free to connect or isolate each output. Although the connection method of the primary winding of the transformer 5 in FIG . 16 is different from the circuit in FIG. 2, it is a circuit that can obtain almost the same circuit operation and effect. Double. 17 to 21 show circuits in which the connection positions of the resonance capacitors are different, and the capacitors 13, 1
4 and 23 are resonance capacitors. Although the circuit operation is slightly different, the same effect can be obtained. As described in the explanation of the embodiment of the circuit shown in FIG. 2, when controlling the output by changing the conduction time of the switching elements 3 and 4, the switching period must be taken into consideration. However, as can be seen from the above explanation, after the current flows through the diode 11,
After switch 3 becomes conductive and current flows through diode 12, switch 4 only needs to become conductive, so as shown in FIG. You can do a forced synchronization. In this example, current transformers 24 and 25 are used for current detection, but other methods may of course be used. Several embodiments and modifications have been described above, but
Although most of the diagrams use so-called double-wave rectification for output rectification, it is of course possible to use a rectification method such as bridge rectification. In addition, the direction of the rectifier diode is as follows in all embodiments and modifications:
It is possible to perform it in the opposite direction. Further, the number of outputs is not limited to one or two, and by providing a plurality of secondary winding walls of the transformer 5 , it is possible to obtain a plurality of outputs. It is also possible to use a combination of some of the above embodiments and modifications.

【図面の簡単な説明】[Brief explanation of the drawing]

第1図は従来のハーフブリツジ形スイツチング
回路構成図、第2図はこの発明の一実施例の回路
構成図、第3図は同実施例における各期間の等価
回路図、第4図は同実施例における重要な部分の
電圧、電流波形図でa,dは各々のスイツチング
素子に流れる電流波形図、b,eはその両端の電
圧波形図、c,fは各々のダンパーダイオードに
流れる電流波形図、gは電力伝送用変成器の1次
側からみたインダクタンスに流れる電流波形図、
h,iは各々の出力整流ダイオードに流れる電流
波形図、jはチヨーク・コイルに流れる電流波形
図、第5図は同実施例における、スイツチング素
子の導通時間と出力電力とスイツチング周波数の
関係を示す図、第6図〜第22図はその他の実施
例変形例を示す回路構成図である。 1,2,15……入力直流電源、3,4……ス
イツチング素子、5……電力伝送用変成器、6,
19,20……チヨーク・コイル、7,8……出
力整流ダイオード、9,21,22……出力平滑
コンデンサ、10,18……負荷端、11,12
……ダンパー・ダイオード、13,14,23…
…共振用コンデンサ、16,17……入力電圧分
割コンデンサ。
Fig. 1 is a diagram showing the configuration of a conventional half-bridge type switching circuit, Fig. 2 is a circuit diagram of an embodiment of the present invention, Fig. 3 is an equivalent circuit diagram of each period in the embodiment, and Fig. 4 is a diagram of the same embodiment. In the voltage and current waveform diagrams of important parts, a and d are current waveform diagrams flowing through each switching element, b and e are voltage waveform diagrams at both ends thereof, c and f are current waveform diagrams flowing through each damper diode, g is the current waveform diagram flowing through the inductance seen from the primary side of the power transmission transformer,
h and i are current waveform diagrams flowing through each output rectifier diode, j is a current waveform diagram flowing through the choke coil, and Figure 5 shows the relationship between the conduction time of the switching element, output power, and switching frequency in the same example. 6 to 22 are circuit configuration diagrams showing other modified examples of the embodiment. 1, 2, 15... Input DC power supply, 3, 4... Switching element, 5... Power transmission transformer, 6,
19, 20... Chiyoke coil, 7, 8... Output rectifier diode, 9, 21, 22... Output smoothing capacitor, 10, 18... Load end, 11, 12
...damper diode, 13, 14, 23...
...Resonance capacitor, 16, 17...Input voltage dividing capacitor.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 1 2つの入力直流電源を直列に接続するととも
にこの直列回路に2つのスイツチング素子を直列
接続した回路を並列に接続し、上記2つの直流電
源の接続点および2つのスイツチング素子の接続
点の電力伝送用変成器の1次巻線の両端をそれぞ
れ接続し、前記各々のスイツチング素子の両端に
ダンパーダイオードと共振用コンデンサとを並列
に接続し、さらに上記変成器の2次巻線に整流回
路とチヨークコイルを介して平滑コンデンサを接
続し、平滑コンデンサの両端に負荷が接続される
ようにしたことを特徴とするハーフブリツジ形高
周波スイツチング回路。
1. Two input DC power supplies are connected in series, and a circuit in which two switching elements are connected in series is connected in parallel to this series circuit, and power transmission is performed between the connection point of the two DC power supplies and the connection point of the two switching elements. A damper diode and a resonant capacitor are connected in parallel to both ends of each switching element, and a rectifier circuit and a choke coil are connected to the secondary winding of the transformer. A half-bridge type high-frequency switching circuit characterized in that a smoothing capacitor is connected through the capacitor, and a load is connected to both ends of the smoothing capacitor.
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