(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024050412
(43)【公開日】2024-04-10
(54)【発明の名称】補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路
(51)【国際特許分類】
H02M 3/28 20060101AFI20240403BHJP
【FI】
H02M3/28 Q
H02M3/28 H
【審査請求】有
【請求項の数】5
【出願形態】OL
【外国語出願】
(21)【出願番号】P 2023115381
(22)【出願日】2023-07-13
(31)【優先権主張番号】202211200958.6
(32)【優先日】2022-09-29
(33)【優先権主張国・地域又は機関】CN
(71)【出願人】
【識別番号】523268343
【氏名又は名称】ダイオーズ インコーポレイテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100137969
【弁理士】
【氏名又は名称】岡部 憲昭
(74)【代理人】
【識別番号】100104824
【弁理士】
【氏名又は名称】穐場 仁
(74)【代理人】
【識別番号】100121463
【弁理士】
【氏名又は名称】矢口 哲也
(72)【発明者】
【氏名】イン, ツェン
(72)【発明者】
【氏名】チェン,ボー
(72)【発明者】
【氏名】ワン,フェン
【テーマコード(参考)】
5H730
【Fターム(参考)】
5H730AA14
5H730BB43
5H730CC01
5H730DD04
5H730EE02
5H730EE07
5H730EE13
5H730EE58
5H730EE59
5H730FD01
5H730FD51
5H730FF19
5H730VV03
(57)【要約】 (修正有)
【課題】補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のゼロ電圧ソフトスイッチング(ZVS)を実現する回路を提供する。
【解決手段】回路は、ZVSコンデンサC2とZVSスイッチングモジュールQaを増設し、ZVSコンデンサC2の片端と補助巻線Wの異極端を第1ノードVauxに接続し、一次側電力スイッチQpが導通する前に、制御回路が第1ノード電圧に基づいてZVS制御信号を生成してZVSスイッチングモジュールQaを導通させ、補助巻線W、ZVSコンデンサC2、ZVSスイッチングモジュールQaの間に共振電流を形成し、それと同時に、補助巻線Wと変圧器Tの間の磁気結合で一次側巻線の励磁電流の逆転を実現し、一次側電力スイッチQpの結合容量電荷を逆抽出し、それにより一次側電力スイッチQpのVds電圧をゼロまで引き下げて、一次側電力スイッチQpのZVSを実現し、フライバック電源システムの動作効率を向上させる。
【選択図】
図1
【特許請求の範囲】
【請求項1】
補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路において、
一次側巻線と、二次側巻線と、補助巻線とを有する変圧器と、
前記一次側巻線の同極端と結合し、前記フライバックスイッチング電源の制御回路によって制御される電力スイッチと、
ZVSスイッチングモジュールであって、その第1端はZVSコンデンサの片端と接続され、前記ZVSコンデンサの他端と前記補助巻線の異極端は第1ノードに接続され、前記補助巻線の同極端及び前記ZVSスイッチングモジュールの第2端はそれぞれ接地され、前記制御回路が前記第1ノードでの電圧に基づいてZVS制御信号を生成し、かつZVSスイッチングモジュールの制御端を通して前記ZVSスイッチングモジュールを制御することにより、前記電力スイッチのZVSを実現するZVSスイッチングモジュールと、を含むことを特徴とする、
補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路。
【請求項2】
前記ZVSスイッチングモジュールは電界効果トランジスタであり、
前記電界効果トランジスタの第1端は前記ZVSコンデンサの片端と接続される接続端であり、第2端は接地され、かつ制御端が前記制御回路のZVS制御端と接続されることを特徴とする、
請求項1に記載の補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路。
【請求項3】
第1抵抗と第2抵抗をさらに含み、
前記第1抵抗と前記第2抵抗は直列接続され、かつ共通端は前記制御回路の電圧サンプリング端と接続され、前記第1抵抗の他端は前記補助巻線の異極端と接続され、前記第2抵抗の他端は接地されていることを特徴とする、
請求項2に記載の補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路。
【請求項4】
第1ダイオードと第1コンデンサをさらに含み、
前記第1ダイオードの負極と前記第1コンデンサの片端を接続して生成される共通端は前記制御回路の電源端と接続され、前記第1コンデンサの他端は接地され、かつ前記第1ダイオードの正極は前記補助巻線の異極端と接続されており、前記電力スイッチが導通すると、前記補助巻線、前記第1ダイオードと前記第1コンデンサがエネルギー蓄積回路を形成して第1コンデンサを充電することにより、前記第1コンデンサが前記制御回路に給電しやすくなることを特徴とする、
請求項1に記載の補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路。
【請求項5】
請求項1~4のいずれかに記載の補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路を含むことを特徴とする、フライバックスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本願はスイッチング電源分野に関し、特に補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路に関する。
【背景技術】
【0002】
フライバック電源では、従来の擬似共振フライバック(QR)モードまたは連続導通(CCM)モードは、多くの高電力負荷に電源を供給する場合、往々にして動作効率がよくない。現在では、ゼロ電圧ソフトスイッチング(Zero Voltage Switch、略称ZVS)技術を使用して、フライバック電源システムの動作効率を向上させることができる。
【0003】
そのうち、ZVS技術の動作原理は、変圧器の一次側の主電力スイッチトランジスタ(MOSFETトランジスタ)がオンになる前に、MOSFETトランジスタのドレイン電極とソース電極の間の電圧(Vds)をゼロまで下げるというものである。
【0004】
フライバック電源にZVS技術を使用する場合、変圧器の一次側に単独の補助巻線を増設することで、変圧器一次側の励磁電流の逆転を実現し、それによりMOSFETトランジスタの結合容量電荷を逆抽出し、MOSFETトランジスタが導通する前にVds電圧をゼロまで下げることにより、ZVSを実現してフライバック電源システムの動作効率を高める。しかし、余分に補助巻線を増設する方法は、コストを増加させるだけでなく、変圧器の巻線作成の複雑さや一次側回路の制御の複雑さも増加させ、製品の信頼性を低下させている。
【0005】
このことから、コストを如何にして引き下げながら、フライバックスイッチング電源のZVS機能を実現し、システムの動作効率を向上させるかが、当業者が早急に解決すべき問題であることがわかる。
【発明の概要】
【0006】
本願の目的は、フライバックスイッチング電源のZVSを実現することでフライバックスイッチング電源の動作効率を向上させるための、補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路を提供することにある。
【0007】
上記の技術的課題を解決するために、本願では補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路を提供しており、
一次側巻線と、二次側巻線と、補助巻線とを有する変圧器と、
前記一次側巻線の同極端と結合し、前記スイッチング電源の制御回路によって制御される電力スイッチと、
ZVSスイッチングモジュールであって、その第1端はZVSコンデンサの片端と接続され、前記ZVSコンデンサの他端と前記補助巻線の異極端が第1ノードに接続され、前記補助巻線の同極端及び前記ZVSスイッチングモジュールの第2端はそれぞれ接地され、前記制御回路が前記第1ノードでの電圧に基づいてZVS制御信号を生成し、かつZVSスイッチングモジュールの制御端によって前記ZVSスイッチングモジュールを制御することで、前記電力スイッチのZVSを実現するZVSスイッチングモジュールと、を含む。
【0008】
好適には、前記ZVSスイッチングモジュールは電界効果トランジスタであり、
前記電界効果トランジスタの第1端は前記ZVSコンデンサの片端と接続される接続端であり、第2端は接地され、かつ制御端は前記制御回路のZVS制御端と接続されている。
【0009】
好適には、前記補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路は、第1抵抗と第2抵抗をさらに含み、
前記第1抵抗と前記第2抵抗は直列接続され、かつ共通端は前記制御回路の電圧サンプリング端と接続されており、前記第1抵抗の他端は前記第1ダイオードの正極と接続され、前記第2抵抗の他端は接地されている。
【0010】
好適には、前記補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路は、第1ダイオードと第1コンデンサをさらに含み、
前記第1ダイオードの負極と前記第1コンデンサの片端を接続して生成される共通端は前記制御回路の電源端と接続され、前記第1コンデンサの他端は接地され、かつ前記第1ダイオードの正極は前記補助巻線の異極端と接続され、前記電力スイッチが導通すると、前記補助巻線、前記第1ダイオードと前記第1コンデンサがエネルギー蓄積回路を形成して第1コンデンサを充電するので、前記第1コンデンサが前記制御回路に給電しやすくなる。
【0011】
上記の技術的課題を解決するために、本願ではさらに、前記の補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路を含むフライバックスイッチング電源を提供している。
【0012】
本願で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路は、変圧器が本来持っている補助巻線をベースとして、ZVSコンデンサとZVSスイッチングモジュールを増設し、ZVSコンデンサの片端と補助巻線の異極端を第1ノードに接続し、一次側電力スイッチが導通する前に、制御回路が第1ノード電圧に基づいてZVS制御信号を生成してZVSスイッチングモジュールを導通させ、補助巻線、ZVSコンデンサ、ZVSスイッチングモジュールの間に共振電流を形成させ、該共振電流は一次側電力スイッチ電圧に影響を与え、下向きに共振を生成する。それと同時に、補助巻線と変圧器の間の磁気結合が一次側巻線の励磁電流の逆転を実現し、一次側電力スイッチの結合容量電荷を逆抽出し、それにより一次側電力スイッチのVds電圧をゼロまで低下させて、一次側電力スイッチのZVSを実現し、変圧器の一次側に単独の補助巻線を増設することによるコスト高を回避するとともに、フライバック電源システムの動作効率も向上させる。
【0013】
また、本願ではさらに、上記の補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路に対応するフライバックスイッチング電源も提供しており、効果は同じである。
【0014】
本願の実施例をより明確に説明するために、以下では、実施例において使用する必要のある図面について簡単に紹介しているが、以下の記述における図面は本願の一部の実施例にすぎず、当業者であれば、創造的な労働を行わないという前提において、これらの図面に基づいて他の図面を得ることができることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【0015】
【
図1】本願の実施例で提供する、補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路の概略図である。
【
図2】本願のもう一つの実施例で提供する、補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路の概略図である。
【
図3】本願の実施例で提供する、補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路の電圧波形図である。
【発明を実施するための形態】
【0016】
以下では、本願の実施例における図面と結び付けて、本願の実施例における技術手法を明確に、完全に記述するが、記述している実施例は本願の実施例の一部にすぎず、すべての実施例ではないことは明らかである。本願の実施例に基づいて、当業者が創造的な労働を行わないことを前提に獲得したその他のすべての実施例は、本願の保護範囲に属する。
【0017】
本願の核心は、補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路を提供することであり、本来の補助巻線をベースとして、ZVSコンデンサとZVSスイッチングモジュールを増設しており、補助巻線、ZVSコンデンサ、ZVSスイッチングモジュールによって形成される共振電流が電力スイッチに影響を与えて下向きの共振を生み出すと同時に、変圧器と補助巻線の間の励磁結合が一次側巻線の励磁電流を逆転させて一次側電力スイッチの結合容量を逆抽出することで、フライバックスイッチング電源のZVSを実現してシステムの動作効率を向上させる。
【0018】
当業者に本願の手段をより適切に理解させるために、以下では図面と具体的実施形態を結び付けて、本願についてさらに詳細に説明する。
【0019】
フライバック電源では、従来の擬似共振フライバック(QR)モードまたは連続導通(CCM)モードが多くの高電力負荷に電源を供給する場合、往々にして動作効率が低くなる。現時点では、ZVS技術を使うことで、フライバック電源システムの動作効率を向上させることができる。
【0020】
そのうち、ZVS技術の動作原理とは、変圧器の一次側の主電力スイッチトランジスタ(MOSFETトランジスタ)がオンになる前に、MOSFETトランジスタのドレイン電極とソース電極の間の電圧(Vds)をゼロまで下げるというものである。
【0021】
フライバック電源にZVS技術を使用する場合、変圧器の一次側に単独の補助巻線を増設することで、変圧器の一次側励磁電流の逆転を実現し、それによりMOSFETトランジスタの結合容量電荷を逆抽出し、MOSFETトランジスタが導通する前にVds電圧をゼロまで下げることにより、ZVSを実現してフライバック電源システムの動作効率を高める。しかし、余分に補助巻線を増設する方法は、コストを増加させるだけでなく、変圧器の巻線作成の複雑さや一次側回路の制御の複雑さも増加させ、製品の信頼性を低下させることになる。
【0022】
コスト削減を実現すると同時に、フライバックスイッチング電源のZVS機能を実現し、フライバック電源システムの動作効率を向上させるために、本願では補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路を提供しており、変圧器が本来持っている補助巻線の技術に、ZVSスイッチングモジュールとZVSコンデンサを追加して、ZVSスイッチングモジュールの制御端と制御回路のZVS制御端を接続し、一次側電力スイッチが導通する前に、制御回路がZVSスイッチングモジュールの導通を制御することによって、補助巻線、ZVSスイッチングモジュール、ZVSコンデンサの間に、電力スイッチに下向きの共振を生じさせる共振電流を生成させ、それと同時に、補助巻線と変圧器によって電力スイッチの結合容量電荷の励磁、逆抽出を実現することで、電力スイッチのZVSを実現する。
【0023】
図1は、本願の実施例で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路の概略図であり、
図1に示すように、該回路は、変圧器Tと、電力スイッチQpと、ZVSスイッチングモジュールQaと、ZVSコンデンサC2とを含む。変圧器Tは一次側巻線、二次側巻線と補助巻線Wを有し、電力スイッチQpは一次側巻線の同極端と結合され、制御回路の制御端ゲートによって制御される。ZVSスイッチングモジュールQaの第1端とZVSコンデンサC2の片端はノードVswに接続され、ZVSコンデンサC2の他端と補助巻線Wの異極端は第1ノードVauxに接続され、補助巻線Wの同極端及びZVSスイッチングモジュールQaの第2端はそれぞれ接地されている。
【0024】
実施において、電力スイッチQpが導通する前に、制御回路が第1ノードVauxの電圧に基づいてZVS制御信号を生成してZVSスイッチングモジュールQaを導通させる。この時、補助巻線W、ZVSコンデンサC2とZVSスイッチングモジュールQaの間には接地電流が形成され、該電流が電力スイッチQpの電圧に影響を与え、下向きに共振を発生させる。それと同時に、補助巻線Wと変圧器Tの間に発生する励磁結合が一次側巻線の励磁電流に電力スイッチQpの結合容量電荷を逆抽出させることで、電源スイッチQpのZVSを実現する。即ち、フライバックスイッチング電源のZVSを実現するのである。
【0025】
実施において、制御回路は、補助巻線の電圧差をサンプリングすることによって、若干の段階的試行錯誤アルゴリズムを経て、ZVSスイッチングモジュールQaの適切な導通時間を決定し、それによりシステムの最適なZVSを実現する。即ち、システムの動作効率を最大限に高めるのである。
【0026】
本願の実施例で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路は、変圧器が本来持っている補助巻線をベースとして、ZVSコンデンサとZVSスイッチングモジュールを増設し、ZVSコンデンサの片端と補助巻線の異極端を第1ノードに接続し、一次側電力スイッチが導通する前に、制御回路が第1ノード電圧に基づいてZVS制御信号を生成してZVSスイッチングモジュールを導通させ、補助巻線、ZVSコンデンサ、ZVSスイッチングモジュールの間に共振電流を形成させる。該共振電流は一次側電力スイッチの電圧に影響を与え、下向きに共振を発生させる。それと同時に、補助巻線と変圧器の間の磁気結合が一次側巻線の励磁電流の逆転を実現し、一次側電力スイッチの結合容量電荷を逆抽出し、それにより一次側電力スイッチのVds電圧をゼロまで低下させて、一次側電力スイッチのZVSを実現し、変圧器の一次側に単独の補助巻線を増設することによるコスト高を回避するとともに、フライバック電源システムの動作効率も向上させる。
【0027】
図2は、本願のもう一つの実施例で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路の概略図であり、具体的な実施例では、ZVSスイッチングモジュールは電界効果トランジスタであってもよいし、ダイオードとトライオードが並列接続された構成であってもよく、本願はこれについては限定していない。電界効果トランジスタは、それ自身が寄生のダイオードを持っており、使いやすいので、電界効果トランジスタが好適である。
【0028】
ZVSスイッチングモジュールが電界効果トランジスタである場合は、
図2に示すように、電界効果トランジスタQaの第1端はZVSコンデンサC2の片端と接続される接続端であり、第2端は接地され、かつ制御端が制御回路の制御端ZVS_DRと接続される。制御回路は第1ノードVauxの電圧によってZVS制御信号を生成し、かつ電界効果トランジスタQaの制御端によってQaを制御して電力スイッチQpが導通する前に導通させることで、補助巻線W、ZVSコンデンサC2、電界効果トランジスタQaの間に共振電流を形成し、電力スイッチQpのZVSを実現しやすくする。
【0029】
本願の実施例で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路は、ZVSスイッチングモジュールを電界効果トランジスタとして設置することで、フライバックスイッチング電源のZVSの実現を保証しており、しかも設計が簡単で、使いやすい。
【0030】
好適な実施例として、
図2に示すように、本願で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路は、第1抵抗R1と第2抵抗R2をさらに含み、第1抵抗R1と第2抵抗R2は直列接続され、かつ共通端は制御回路の電圧サンプリング端DEMと接続され、第1抵抗R1の他端は補助巻線Wの異極端と接続され、第2抵抗R2の他端は接地されている。
【0031】
実施において、制御回路は第1抵抗R1と第2抵抗R2を利用して補助巻線Wの異極端電圧Vauxに対する分圧サンプリングを実現し、かつZVS制御信号を生成してZVSスイッチングモジュールQaのオンとオフを制御し、それにより電力スイッチQpのZVSを実現する。
【0032】
図3は、本願の実施例で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路の電圧波形図であり、
図3に示すように、Vauxプラットフォーム負電圧はスイッチング電源の電力電圧Voutを表し、プラットフォーム正電圧はスイッチング電源の入力電圧Vinを表しており、Vaux共振波形はボトムを表すことができる。つまり、本実施例は、Vauxをサンプリングするだけで入力電圧Vin、電力電圧Vout及び共振ボトムなどの情報を検出することができる。また、抵抗分圧を経る場合、制御回路の電圧サンプリング端DEMの耐圧は5Vでよい。
【0033】
本願の実施例で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路は、第1抵抗と第2抵抗を増設して補助巻線の異極端の分圧サンプリングを実現し、それにより電力スイッチのZVSを実現するZVS制御信号を生成することを実現している。
【0034】
上記の実施例を基礎として、本願で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路は、第1ダイオードD1と第1コンデンサC1をさらに含み、
図2に示すように、第1ダイオードD1の負極と第1コンデンサC1の片端を接続して成る共通端は制御回路の電源端と接続され、第1コンデンサC1の他端は接地され、かつ第1ダイオードD1の正極は補助巻線の異極端と接続されており、電力スイッチが導通すると、補助巻線、第1ダイオードD1と第1コンデンサC1がエネルギー蓄積回路を形成して第1コンデンサC1を充電するので、第1コンデンサC1が制御回路に給電しやすくなる。
【0035】
実施において、電力スイッチQpがオフになると、補助巻線W、ZVSコンデンサC2とZVSスイッチングモジュールQaがフライバックエネルギー蓄積回路を形成し、ZVSコンデンサC2のために充電とエネルギーの蓄積を行う。電力スイッチQpがオンになると、補助巻線W、第1ダイオードD1と第1コンデンサC1がフォワードエネルギー蓄積回路を形成して第1コンデンサC1のために充電とエネルギーの蓄積を行う。この時、制御回路に給電するフォワード状態であれば、ZVSコンデンサC2がフライバックで蓄積している電気エネルギーと第1コンデンサC1がフォワードで蓄積している電気エネルギーが結合して制御回路VCC端に給電することにより、制御回路VCC端のロスが減少する。
【0036】
つまり、本願は、同じ補助巻線を使用してフライバックスイッチング電源のZVSを共同で実現し、制御回路のための給電機能を実現している。即ち、同じ変圧器補助巻線を使用して、補助巻線と回路設計の複雑さを軽減することにより、電源全体の製造コストを引き下げているのである。
【0037】
本願の実施例で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路は、第1ダイオードと第1コンデンサを直列に接続して生成する共通端を制御回路の給電端と接続し、かつ第1ダイオードの正極と補助巻線を接続している。これにより、本願で提供する技術手法は、制御回路への給電を実現できるだけでなく、フライバックスイッチング電源のZVSを実現することもでき、それによりシステムの動作効率や信頼性を高めているのである。
【0038】
上記の実施例では、補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路について詳細に記述しているが、本願の実施例ではさらに、補助巻線を用いてフライバックスイッチング電源のZVSを実現する上記の回路を含むフライバックスイッチング電源を提供しており、生み出される有益な効果は、補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路に対応しており、効果は同じなので、ここでは繰り返し述べない。
【0039】
上記のように、本願で提供する補助巻線を利用してフライバックスイッチング電源のZVSを実現する回路について詳しく紹介してきた。明細書の各実施例は漸進方式で記述しているが、各実施例の説明のポイントは、いずれもその他の実施例とは異なる点であり、各実施例の間で同一または似ている部分については、相互参照することができる。実施例で公開している装置については、実施例で公開している方法に対応しており、比較的簡単に記述しているので、関連する点については、方法部分の説明を参照すればよい。当業者であれば、本願の原理から逸脱することなく、本願に対して若干の改良や修飾を行うことはできるが、それらの改良及び修飾も、本願の請求項の範囲内に含まれることを指摘しておく。
【0040】
本明細書では、第1、第2といった関係性の用語は、1つの実体または操作を別の実体または操作と区別するためにのみ使用されており、必ずしもこれらの実体または操作の間に何らかの実質的な関係または順序が存在することを要求または暗示するものではないことも、説明しておかなければならない。また、用語の「包括する」、「含む」またはその他の何らかの変形は、非排他的な包括をカバーしているので、一連の要素を含むプロセス、方法、物品または設備には、それらの要素が含まれるだけでなく、明確に列挙されていない他の要素、またはその種のプロセス、方法、物品または設備に固有の要素も含まれている。より多くの限定がない限り、語句の「1つの・・・を含む」によって限定される要素は、その要素を含むプロセス、方法、物品または設備の中に、さらに別の同一要素が存在することを排除するものではない。
【外国語明細書】