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JP6472051B2 - Switching power supply device and electromagnet power supply system - Google Patents

Switching power supply device and electromagnet power supply system Download PDF

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JP6472051B2 JP2015159537A JP2015159537A JP6472051B2 JP 6472051 B2 JP6472051 B2 JP 6472051B2 JP 2015159537 A JP2015159537 A JP 2015159537A JP 2015159537 A JP2015159537 A JP 2015159537A JP 6472051 B2 JP6472051 B2 JP 6472051B2
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Description

本発明は、スイッチング電源装置および当該スイッチング電源装置を備えた電磁石電源システムに関する。   The present invention relates to a switching power supply device and an electromagnet power supply system including the switching power supply device.

電磁石用のスイッチング電源装置としては、例えば、特許文献1に記載のものが知られている。この特許文献1に記載のスイッチング電源装置は、ブリッジ接続したIGBTからなるスイッチ回路およびコンデンサを含む第1電流源と、同じくスイッチ回路およびコンデンサを含む第2電流源とを備えている。このスイッチング電源装置によれば、第1電流源および第2電流源を制御して、電磁石に供給するパルス状電流の頂部における変化を抑制することができる。   As a switching power supply device for an electromagnet, for example, the one described in Patent Document 1 is known. The switching power supply device described in Patent Document 1 includes a first current source including a switch circuit and a capacitor made of a bridge-connected IGBT, and a second current source similarly including a switch circuit and a capacitor. According to this switching power supply device, the first current source and the second current source can be controlled to suppress a change at the top of the pulsed current supplied to the electromagnet.

図4に、別のスイッチング電源装置1Bを備えた電磁石電源システム100Bを示す。電磁石電源システム100Bは、変圧器11と、電圧変換回路12と、スイッチング電源装置1Bとを備えている。   FIG. 4 shows an electromagnet power supply system 100B including another switching power supply apparatus 1B. The electromagnet power supply system 100B includes a transformer 11, a voltage conversion circuit 12, and a switching power supply device 1B.

電圧変換回路12は、変圧器11から入力された交流電圧を直流電圧に変換して出力する。電圧変換回路12は、ダイオードで構成された整流手段と、コイルおよびコンデンサC1で構成された平滑手段とを含む。   The voltage conversion circuit 12 converts the AC voltage input from the transformer 11 into a DC voltage and outputs the DC voltage. The voltage conversion circuit 12 includes a rectifying unit composed of a diode and a smoothing unit composed of a coil and a capacitor C1.

スイッチング電源装置1Bは、IGBTをブリッジ接続したスイッチ回路2と、LC高周波フィルタを含むフィルタ回路3と、スイッチ回路2のIGBTをPWM制御する制御回路(図示略)とを備えている。スイッチング電源装置1Bの制御回路は、IGBTのオン時間(デューティ比)を制御することで、電磁石10に供給される出力電流を制御することができる。   The switching power supply device 1B includes a switch circuit 2 in which IGBTs are bridge-connected, a filter circuit 3 including an LC high frequency filter, and a control circuit (not shown) that performs PWM control of the IGBTs of the switch circuit 2. The control circuit of the switching power supply device 1B can control the output current supplied to the electromagnet 10 by controlling the on-time (duty ratio) of the IGBT.

特開2012−243503号公報JP 2012-243503 A

ところで、IGBTのオン時間を所定の下限値(最小ONゲート幅)よりも小さくしようとすると、IGBTは特性上オンしないことがある。例えば、制御回路が20[kHz]のスイッチング周波数(50[μs]のスイッチング周期)でIGBTをPWM制御する場合、IGBTのオン時間を1[μs]よりも小さくしようとすると、IGBTはオンしないことがある。   By the way, if the ON time of the IGBT is made smaller than a predetermined lower limit value (minimum ON gate width), the IGBT may not be turned on due to characteristics. For example, when the control circuit performs PWM control of the IGBT at a switching frequency of 20 [kHz] (switching cycle of 50 [μs]), if the IGBT on-time is attempted to be smaller than 1 [μs], the IGBT is not turned on. There is.

IGBTがオンしないと、PWM制御によるIGBTのスイッチング動作が間欠的になってしまい、IGBTのスイッチング周波数が下がってしまう。ここで、フィルタ回路3は、IGBTのスイッチングによる電流リプルを減衰させるべくPWM制御時のIGBTのスイッチング周波数に応じて設計されているため、スイッチング周波数が下がってしまうと、スイッチングによる電流リプルの減衰率が小さくなる。   If the IGBT is not turned on, the switching operation of the IGBT by PWM control becomes intermittent, and the switching frequency of the IGBT is lowered. Here, since the filter circuit 3 is designed according to the switching frequency of the IGBT at the time of PWM control so as to attenuate the current ripple due to the switching of the IGBT, if the switching frequency is lowered, the attenuation factor of the current ripple due to the switching Becomes smaller.

このため、IGBTのオン時間を所定の下限値よりも小さくして低電流出力制御を行う場合、従来のスイッチング電源装置1Bでは、フィルタ回路3でのスイッチングによる電流リプルの減衰率が小さくなり、その結果、フィルタ回路3から出力される出力電流リプルが大きくなってしまうという問題があった。   For this reason, when the low current output control is performed by making the on-time of the IGBT smaller than the predetermined lower limit value, in the conventional switching power supply device 1B, the attenuation factor of the current ripple due to the switching in the filter circuit 3 becomes small. As a result, there is a problem that the output current ripple output from the filter circuit 3 becomes large.

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、出力電流リプルを増大させることなく低電流出力制御を実行可能なスイッチング電源装置および当該スイッチング電源装置を備えた電磁石電源システムを提供することにある。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a switching power supply device capable of performing low current output control without increasing output current ripple and an electromagnet including the switching power supply device. To provide a power supply system.

上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、
少なくとも1つの第1スイッチ手段を含む第1スイッチ回路と、
前記第1スイッチ回路の出力端に接続されたフィルタ回路と、
前記第1スイッチ手段をPWM制御する制御回路と、
を備えたスイッチング電源装置であって、
前記第1スイッチ回路に並列接続された、少なくとも1つの第2スイッチ手段を含む第2スイッチ回路を備え、
前記制御回路は、
前記第2スイッチ手段のオン時間が前記第1スイッチ手段のオン時間よりも小さく、かつ前記第1スイッチ回路と前記第2スイッチ回路とが互いに異なる極性の電圧を出力するように、前記第2スイッチ手段を前記第1スイッチ手段と同じスイッチング周波数でPWM制御し、
前記第1スイッチ回路は、複数の前記第1スイッチ手段をブリッジ接続したブリッジ回路であり、
前記第2スイッチ回路は、複数の前記第2スイッチ手段をブリッジ接続したブリッジ回路である
ことを特徴とすることを特徴とする。
In order to solve the above problems, a switching power supply device according to the present invention provides:
A first switch circuit including at least one first switch means;
A filter circuit connected to an output terminal of the first switch circuit;
A control circuit for PWM controlling the first switch means;
A switching power supply device comprising:
A second switch circuit including at least one second switch means connected in parallel to the first switch circuit;
The control circuit includes:
The second switch so that the ON time of the second switch means is shorter than the ON time of the first switch means, and the first switch circuit and the second switch circuit output voltages having different polarities. PWM control means with the same switching frequency as the first switch means ,
The first switch circuit is a bridge circuit in which a plurality of the first switch means are bridge-connected,
The second switch circuit is a bridge circuit in which a plurality of the second switch means are bridge-connected .

この構成によれば、第1スイッチ回路の過剰な出力電圧を第2スイッチ回路で吸収することができるので、低電流出力制御時に第1スイッチ手段のオン時間を極端に小さくする必要がなくなる。その結果、この構成によれば、低電流出力制御時に出力電流リプルが大きくなってしまうのを防ぐことができる。   According to this configuration, since the excessive output voltage of the first switch circuit can be absorbed by the second switch circuit, it is not necessary to extremely reduce the ON time of the first switch means during the low current output control. As a result, according to this configuration, it is possible to prevent the output current ripple from becoming large during the low current output control.

上記スイッチング電源装置では、
前記制御回路は、
前記第1スイッチ手段のスイッチング周波数が変化しない範囲で、前記第1スイッチ手段のオン時間の下限値を設定するとともに、
前記第2スイッチ手段の最小オン時間が前記下限値よりも小さくなるように前記第2スイッチ手段をPWM制御することが好ましい。
In the above switching power supply device,
The control circuit includes:
In the range where the switching frequency of the first switch means does not change, the lower limit value of the ON time of the first switch means is set,
Preferably, the second switch means is PWM-controlled so that the minimum ON time of the second switch means becomes smaller than the lower limit value.

この構成によれば、低電流出力制御時に第1スイッチ手段のオン時間を下限値より小さくすることがなくなるので、スイッチング周波数が下がることなく、当該スイッチング周波数に応じて設計されたフィルタ回路により出力電流リプルを確実に抑えることができる。   According to this configuration, since the on-time of the first switch means is not made smaller than the lower limit value during the low current output control, the output current is reduced by the filter circuit designed according to the switching frequency without lowering the switching frequency. Ripple can be reliably suppressed.

上記スイッチング電源装置では、
前記制御回路は、前記第1スイッチ手段の最小オン時間が前記下限値となる場合にのみ、前記第2スイッチ手段をPWM制御するよう構成できる。
In the above switching power supply device,
The control circuit can be configured to PWM control the second switch means only when the minimum on-time of the first switch means becomes the lower limit value.

上記スイッチング電源装置では、例えば、
記フィルタ回路は、コイルおよびコンデンサからなるLCフィルタ回路である。
In the switching power supply device, for example,
Before SL filter circuit is a LC filter circuit comprising a coil and a capacitor.

上記スイッチング電源装置では、例えば、
前記第1スイッチ手段は、IGBTであり、
前記第2スイッチ手段は、FETである。
In the switching power supply device, for example,
The first switch means is an IGBT;
The second switch means is an FET.

上記課題を解決するために、本発明に係る電磁石電源システムは、
変圧器と、
前記変圧器から出力された交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換回路と、
前記電圧変換回路から出力された直流電圧に基づいて電磁石に供給する出力電流を生成する上記いずれかのスイッチング電源装置と、を備えたことを特徴とする。
In order to solve the above problems, an electromagnet power supply system according to the present invention includes:
A transformer,
A voltage conversion circuit that converts the alternating voltage output from the transformer into a direct voltage; and
One of the above-described switching power supplies that generates an output current to be supplied to the electromagnet based on the DC voltage output from the voltage conversion circuit.

本発明によれば、出力電流リプルを増大させることなく低電流出力制御を実行可能なスイッチング電源装置および電磁石電源システムを提供することができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the switching power supply device and electromagnet power supply system which can perform low current output control, without increasing output current ripple can be provided.

本発明に係るスイッチング電源装置のブロック図である。1 is a block diagram of a switching power supply device according to the present invention. (A)は第1スイッチ手段S1〜S4のタイミングチャートである。(B)は第2スイッチ手段S5〜S8のタイミングチャートである。(C)は、端子電圧V1〜V3の状態を示すタイミングチャートである。(A) is a timing chart of the first switch means S1 to S4. (B) is a timing chart of the second switch means S5 to S8. (C) is a timing chart which shows the state of terminal voltage V1-V3. 図2に示す時間Ta〜Tcと出力電流との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between time Ta-Tc shown in FIG. 2, and an output current. 従来の電磁石電源システムを示すブロック図である。It is a block diagram which shows the conventional electromagnet power supply system.

以下、添付図面を参照して、本発明に係るスイッチング電源装置および電磁石電源システムの実施形態について説明する。   Embodiments of a switching power supply apparatus and an electromagnet power supply system according to the present invention will be described below with reference to the accompanying drawings.

本発明の一実施形態に係る電磁石電源システムは、図4に示す従来の電磁石電源システム100Bにおいて、スイッチング電源装置1Bを図1に示すスイッチング電源装置1Aに置き換えたものである。   The electromagnet power supply system according to an embodiment of the present invention is obtained by replacing the switching power supply 1B with the switching power supply 1A shown in FIG. 1 in the conventional electromagnet power supply system 100B shown in FIG.

スイッチング電源装置1Aは、図1に示すように、第1スイッチ回路2と、フィルタ回路3と、制御回路4と、第2スイッチ回路5とを備えている。なお、図1に示されている各構成要素のうち、図4と同一の符号を付した構成要素については従来技術で説明したものと同様なので、ここでは説明を一部省略する。   As shown in FIG. 1, the switching power supply device 1 </ b> A includes a first switch circuit 2, a filter circuit 3, a control circuit 4, and a second switch circuit 5. Note that, among the components shown in FIG. 1, the components given the same reference numerals as those in FIG. 4 are the same as those described in the related art, and thus the description thereof is partially omitted here.

第1スイッチ回路2は、4つの第1スイッチ手段S1〜S4をブリッジ接続したブリッジ回路である。4つの第1スイッチ手段S1〜S4は、それぞれIGBTからなり、IGBTには各1つのダイオードD1〜D4が逆並列接続されている。第1スイッチ回路2は、入力端が電圧変換回路12のコンデンサC1に接続され、出力端T1、T1’がコイルL1、L2を介してフィルタ回路3の入力端T3、T3’に接続されている。   The first switch circuit 2 is a bridge circuit in which four first switch means S1 to S4 are bridge-connected. The four first switch means S1 to S4 are each composed of an IGBT, and each of the diodes D1 to D4 is connected in reverse parallel to the IGBT. The first switch circuit 2 has an input terminal connected to the capacitor C1 of the voltage conversion circuit 12, and output terminals T1 and T1 ′ connected to the input terminals T3 and T3 ′ of the filter circuit 3 via the coils L1 and L2. .

フィルタ回路3は、コイルL3およびコンデンサC2からなるLC高周波フィルタである。フィルタ回路3は、第1スイッチ手段S1〜S4のスイッチングによる電流リプルを減衰させるべく、PWM制御時の第1スイッチ手段S1〜S4のスイッチング周波数に応じて設計されている。   The filter circuit 3 is an LC high frequency filter including a coil L3 and a capacitor C2. The filter circuit 3 is designed according to the switching frequency of the first switch means S1 to S4 during PWM control so as to attenuate the current ripple due to the switching of the first switch means S1 to S4.

第2スイッチ回路5は、第1スイッチ回路2に並列接続されている。具体的には、第2スイッチ回路5は、入力端が第1スイッチ回路2の入力端に接続され、出力端T2、T2’がコイルL4、L5およびコイルL1、L2を介して第1スイッチ回路2の出力端T1、T1’に接続されている。また、第2スイッチ回路5は、4つの第2スイッチ手段S5〜S8をブリッジ接続したブリッジ回路である。4つの第2スイッチ手段S5〜S8は、それぞれFETからなり、FETには各1つのダイオードD5〜D8が逆並列接続されている。   The second switch circuit 5 is connected in parallel to the first switch circuit 2. Specifically, the input terminal of the second switch circuit 5 is connected to the input terminal of the first switch circuit 2, and the output terminals T2 and T2 ′ are connected to the first switch circuit via the coils L4 and L5 and the coils L1 and L2. 2 are connected to the output terminals T1 and T1 ′. The second switch circuit 5 is a bridge circuit in which four second switch means S5 to S8 are bridge-connected. The four second switch means S5 to S8 are each composed of an FET, and each of the diodes D5 to D8 is connected in reverse parallel to the FET.

制御回路4は、第1スイッチ手段S1〜S4および第2スイッチ手段S5〜S8に対して、PWM制御とオン/オフ制御とを行う。PWM制御は、スイッチ手段を一定のスイッチング周波数でスイッチング動作させる制御であり、オン/オフ制御は、スイッチ手段を連続的にオン状態またはオフ状態にする制御である。図2の場合、制御回路4は、第1スイッチ手段S1、S2および第2スイッチ手段S6、S7に対してPWM制御を行い、第1スイッチ手段S3、S4および第2スイッチ手段S5、S8に対してオン/オフ制御を行っている。   The control circuit 4 performs PWM control and on / off control for the first switch means S1 to S4 and the second switch means S5 to S8. The PWM control is control for switching the switch means at a constant switching frequency, and the on / off control is control for continuously turning the switch means on or off. In the case of FIG. 2, the control circuit 4 performs PWM control on the first switch means S1, S2 and the second switch means S6, S7, and on the first switch means S3, S4 and the second switch means S5, S8. On / off control.

また、制御回路4は、第1スイッチ手段S1〜S4のスイッチング周波数が変化しない範囲で、第1スイッチ手段S1〜S4のオン時間の下限値を設定し、PWM制御下の第1スイッチ手段のオン時間が当該下限値を下回らないようにする。例えば、スイッチング周波数が20[kHz]の場合(スイッチング周期が50[μs]の場合)、制御回路4は、第1スイッチ手段S1〜S4のオン時間の下限値を1[μs]に設定し、PWM制御下の第1スイッチ手段のオン時間が1[μs]を下回らないようにする。このように下限値を設定するのは、第1スイッチ手段S1〜S4であるIGBTは、オン時間を小さくしようとするとオンしない場合があり、その場合、スイッチング周波数が変化してしまうからである。一方、第2スイッチ手段S5〜S8に対しては、制御回路4は、オン時間の下限値を設定していない。これは、第2スイッチ手段S5〜S8であるFETは、オン時間を小さくしても正常に動作する(オンする)からである。   Further, the control circuit 4 sets a lower limit value of the ON time of the first switch means S1 to S4 within a range where the switching frequency of the first switch means S1 to S4 does not change, and turns on the first switch means under PWM control. Make sure that time does not fall below the lower limit. For example, when the switching frequency is 20 [kHz] (when the switching period is 50 [μs]), the control circuit 4 sets the lower limit value of the ON time of the first switch means S1 to S4 to 1 [μs], The ON time of the first switch means under PWM control is made not to be less than 1 [μs]. The reason why the lower limit value is set in this way is that the IGBTs that are the first switch means S1 to S4 may not turn on when the on-time is reduced, and in that case, the switching frequency changes. On the other hand, for the second switch means S5 to S8, the control circuit 4 does not set the lower limit value of the on time. This is because the FETs that are the second switch means S5 to S8 operate normally (turn on) even if the ON time is reduced.

さらに、制御回路4は、第2スイッチ手段S5〜S8の最小オン時間が上述の下限値よりも小さく、かつ第1スイッチ回路2と第2スイッチ回路5とが互いに異なる極性の電圧を出力するように、第2スイッチ手段S5〜S8をPWM制御する。ここで、最小オン時間とは、PWM制御下のスイッチ手段のオン時間のうち最も小さいものをいう。例えば、図2(A)の場合、最小オン時間は第1スイッチ手段S1のオン時間になり、図2(B)の場合、最小オン時間は第2スイッチ手段S6、S7のオン時間になる。   Further, the control circuit 4 is configured so that the minimum ON time of the second switch means S5 to S8 is smaller than the above lower limit value, and the first switch circuit 2 and the second switch circuit 5 output voltages having different polarities. The second switch means S5 to S8 are PWM-controlled. Here, the minimum on-time is the smallest of the on-times of the switch means under PWM control. For example, in the case of FIG. 2A, the minimum on time is the on time of the first switch means S1, and in the case of FIG. 2B, the minimum on time is the on time of the second switch means S6 and S7.

上述のとおり、第1スイッチ回路2と第2スイッチ回路5とが互いに異なる極性の電圧を出力することにより、第1スイッチ回路2の過剰な出力電圧を第2スイッチ回路5で吸収することができる。このため、スイッチング電源装置1Aでは、第1スイッチ手段S1〜S4のオン時間を下限値よりも小さくすることなく、低電流出力制御が可能となる。   As described above, when the first switch circuit 2 and the second switch circuit 5 output voltages having different polarities, an excessive output voltage of the first switch circuit 2 can be absorbed by the second switch circuit 5. . For this reason, in the switching power supply device 1A, the low current output control can be performed without making the ON time of the first switch means S1 to S4 smaller than the lower limit value.

次に、図2および図3を参照して、低電流出力制御の具体例について説明する。以下では、出力電流をプラス方向(図2(C)に示す端子電圧V3が正電圧)に流す場合について説明する。なお、第1スイッチ手段S1〜S4のオン時間の下限値は、1[μs]に設定されているものとする。   Next, a specific example of low current output control will be described with reference to FIGS. Hereinafter, a case where the output current is supplied in the positive direction (the terminal voltage V3 shown in FIG. 2C is a positive voltage) will be described. It is assumed that the lower limit value of the ON time of the first switch means S1 to S4 is set to 1 [μs].

図2(A)に示すように、制御回路4は、第1スイッチ手段S1、S2をスイッチング周期T(スイッチング周波数は20[kHz])でPWM制御している。一方、制御回路4は、第1スイッチ手段S3、S4をオン/オフ制御しており、第1スイッチ手段S3はオフ状態、第1スイッチ手段S4はオン状態に維持されている。   As shown in FIG. 2A, the control circuit 4 performs PWM control of the first switch means S1 and S2 with a switching period T (switching frequency is 20 [kHz]). On the other hand, the control circuit 4 performs on / off control of the first switch means S3 and S4, the first switch means S3 is maintained in the off state, and the first switch means S4 is maintained in the on state.

図2(B)に示すように、制御回路4は、第2スイッチ手段S6、S7をスイッチング周期T(スイッチング周波数は20[kHz])でPWM制御している。一方、制御回路4は、第2スイッチ手段S5、S8をオン/オフ制御しており、第2スイッチ手段S5、S8はオフ状態に維持されている。   As shown in FIG. 2B, the control circuit 4 performs PWM control of the second switch means S6 and S7 with a switching period T (switching frequency is 20 [kHz]). On the other hand, the control circuit 4 performs on / off control of the second switch means S5 and S8, and the second switch means S5 and S8 are maintained in the off state.

時間t〜tの1つのスイッチング周期Tに着目すると、時間t〜tにおいて、第1スイッチ手段S1、S4および第2スイッチ手段S6、S7はオン状態となり、第1スイッチ手段S2、S3および第2スイッチ手段S5、S8はオフ状態となる。このとき、第1経路(コンデンサC1→第1スイッチ手段S1→コイルL1→コイルL4→第2スイッチ手段S6)と第2経路(コンデンサC1→第2スイッチ手段S7→コイルL5→コイルL2→第1スイッチ手段S4)に電流が流れる。 Focusing on one switching cycle T from time t 1 to t 4 , the first switch means S1 and S4 and the second switch means S6 and S7 are turned on during the time t 1 to t 2 , and the first switch means S2, S3 and the second switch means S5 and S8 are turned off. At this time, the first path (capacitor C1 → first switch means S1 → coil L1 → coil L4 → second switch means S6) and the second path (capacitor C1 → second switch means S7 → coil L5 → coil L2 → first A current flows through the switch means S4).

このため、コンデンサC1の両端電圧をX(X>0)[V]とすると、第1スイッチ回路2からは正の電圧(X[V]の電圧)が出力され、図2(C)に示すように第1スイッチ回路2の出力端T1、T1’の端子電圧V1はX[V]となる。一方、第2スイッチ回路5からは負の電圧(−X[V]の電圧)が出力され、第2スイッチ回路5の出力端T2、T2’の端子電圧V2は−X[V]となる。その結果、フィルタ回路3に入力される電圧は0[V]になり、フィルタ回路3の入力端T3、T3’の端子電圧V3は0[V]となる。   Therefore, if the voltage across the capacitor C1 is X (X> 0) [V], a positive voltage (X [V] voltage) is output from the first switch circuit 2, as shown in FIG. As described above, the terminal voltage V1 of the output terminals T1 and T1 ′ of the first switch circuit 2 is X [V]. On the other hand, a negative voltage (−X [V] voltage) is output from the second switch circuit 5, and the terminal voltage V2 at the output terminals T2 and T2 ′ of the second switch circuit 5 becomes −X [V]. As a result, the voltage input to the filter circuit 3 becomes 0 [V], and the terminal voltage V3 at the input terminals T3 and T3 'of the filter circuit 3 becomes 0 [V].

時間t〜tにおいては、第1スイッチ手段S1およびS4はオン状態となり、第1スイッチ手段S2、S3および第2スイッチ手段S5〜S8はオフ状態となる。このとき、第3経路(コンデンサC1→第1スイッチ手段S1→コイルL1→フィルタ回路3→電磁石10→フィルタ回路3→コイルL2→第1スイッチ手段S4)に電流が流れる。 At time t 2 ~t 3, the first switch means S1 and S4 are turned on, the first switch means S2, S3 and the second switch means S5~S8 is turned off. At this time, a current flows through the third path (capacitor C1 → first switch means S1 → coil L1 → filter circuit 3 → electromagnet 10 → filter circuit 3 → coil L2 → first switch means S4).

このため、第1スイッチ回路2からはX[V]の電圧が出力され、第1スイッチ回路2の出力端T1、T1’の端子電圧V1はX[V]となる。一方、第2スイッチ回路5から出力される電圧は0[V]となり、第2スイッチ回路5の出力端T2、T2’の端子電圧V2は0[V]となる。その結果、フィルタ回路3に入力される電圧はX[V]になり、フィルタ回路3の入力端T3、T3’の端子電圧V3はX[V]となる。   For this reason, the voltage X [V] is output from the first switch circuit 2, and the terminal voltage V1 of the output terminals T1 and T1 'of the first switch circuit 2 is X [V]. On the other hand, the voltage output from the second switch circuit 5 is 0 [V], and the terminal voltage V2 of the output terminals T2 and T2 'of the second switch circuit 5 is 0 [V]. As a result, the voltage input to the filter circuit 3 is X [V], and the terminal voltage V3 at the input terminals T3 and T3 'of the filter circuit 3 is X [V].

時間t〜tにおいては、第1スイッチ手段S2、S4はオン状態となり、第1スイッチ手段S1、S3および第2スイッチ手段S5〜S8はオフ状態となる。なお、上記のとおり、第1スイッチ手段S4は出力電流を還流させるためにオン状態にしておく必要があるが、第1スイッチ手段S2は常時オフ状態としても問題はない。このため、第1スイッチ回路2および第2スイッチ回路5から出力される電圧はいずれも0[V]となり、第1スイッチ回路2の出力端T1、T1’の端子電圧V1および第2スイッチ回路5の出力端T2、T2’の端子電圧V2はいずれも0[V]となる。その結果、フィルタ回路3の入力端T3、T3’の端子電圧V3も0[V]となる。 At time t 3 ~t 4, first switching means S2, S4 are turned on, the first switch means S1, S3 and the second switch means S5~S8 is turned off. As described above, the first switch means S4 needs to be turned on in order to recirculate the output current, but there is no problem even if the first switch means S2 is always turned off. Therefore, the voltages output from the first switch circuit 2 and the second switch circuit 5 are both 0 [V], the terminal voltages V1 of the output terminals T1, T1 ′ of the first switch circuit 2, and the second switch circuit 5 Both terminal voltages V2 of the output terminals T2 and T2 ′ are 0 [V]. As a result, the terminal voltage V3 of the input terminals T3 and T3 ′ of the filter circuit 3 is also 0 [V].

ここで、図2(C)に示すように、1つのスイッチング周期Tにおいて端子電圧V1がX[V]となる時間をTaとし、端子電圧V2が−X[V]となる時間をTbとし、端子電圧V3はX[V]となる時間をTcとすると、時間Ta〜Tcと出力電流との関係は、図3のとおりになる。図3において、Y[A]は、第2スイッチ回路5を動作させず、かつ第1スイッチ手段S1〜S4の最小オン時間(第1スイッチ手段S1のオン時間)が下限値である1[μs]となるよう第1スイッチ回路2を動作させたときに、フィルタ回路3から出力される出力電流値である。   Here, as shown in FIG. 2C, the time when the terminal voltage V1 becomes X [V] in one switching period T is Ta, and the time when the terminal voltage V2 becomes -X [V] is Tb. If the time when the terminal voltage V3 is X [V] is Tc, the relationship between the time Ta to Tc and the output current is as shown in FIG. In FIG. 3, Y [A] does not operate the second switch circuit 5, and the minimum on time of the first switch means S1 to S4 (the on time of the first switch means S1) is a lower limit value of 1 [μs. ], The output current value output from the filter circuit 3 when the first switch circuit 2 is operated so that

図3から分かるように、出力電流値がY[A]よりも小さい場合、時間Taは1[μs]で一定となる。また、時間Tbは出力電流値がY[A]に近づくにつれて0に近づき、時間Tcは出力電流値がY[A]に近づくにつれて1[μs]に近づく。すなわち、図3から、出力電流値がY[A]よりも小さい場合、フィルタ回路3に入力される電圧は、第1スイッチ回路2の出力電圧から第2スイッチ回路5で吸収される電圧を差し引いたものであることが分かり、出力電流値がY[A]に近づくにつれて第2スイッチ回路5の吸収量が小さくなることも分かる。   As can be seen from FIG. 3, when the output current value is smaller than Y [A], the time Ta is constant at 1 [μs]. The time Tb approaches 0 as the output current value approaches Y [A], and the time Tc approaches 1 [μs] as the output current value approaches Y [A]. That is, from FIG. 3, when the output current value is smaller than Y [A], the voltage input to the filter circuit 3 is obtained by subtracting the voltage absorbed by the second switch circuit 5 from the output voltage of the first switch circuit 2. It can also be seen that the amount of absorption of the second switch circuit 5 decreases as the output current value approaches Y [A].

一方、出力電流値がY[A]以上の場合、時間Taと時間Tcとが一致し、ともに出力電流値に比例して大きくなる。時間Tbは0になる。すなわち、図3から、出力電流値がY[A]以上の場合、フィルタ回路3に入力される電圧は、第1スイッチ回路2の出力電圧に一致することが分かる。なお、コイルL1、L2および配線等による電圧降下は無視している。   On the other hand, when the output current value is Y [A] or more, the time Ta and the time Tc coincide with each other, and both increase in proportion to the output current value. Time Tb becomes zero. That is, it can be seen from FIG. 3 that when the output current value is Y [A] or more, the voltage input to the filter circuit 3 matches the output voltage of the first switch circuit 2. Note that the voltage drop due to the coils L1, L2 and the wiring is ignored.

結局、本実施形態に係るスイッチング電源装置1Aおよび電磁石電源システムによれば、第1スイッチ回路2の過剰な出力電圧を第2スイッチ回路5で吸収することができるので、低電流出力制御時、すなわち出力電流値がY[A]よりも小さくなるような制御時に、第1スイッチ手段S1〜S4の最小オン時間(第1スイッチ手段S1のオン時間)を下限値よりも小さくする必要がなくなる。その結果、本実施形態に係るスイッチング電源装置1Aおよび電磁石電源システムによれば、低電流出力制御時に出力電流リプルが大きくなってしまうのを防ぐことができる。   After all, according to the switching power supply device 1A and the electromagnet power supply system according to the present embodiment, the excessive output voltage of the first switch circuit 2 can be absorbed by the second switch circuit 5, so that at the time of low current output control, At the time of control such that the output current value is smaller than Y [A], it is not necessary to make the minimum ON time of the first switch means S1 to S4 (ON time of the first switch means S1) smaller than the lower limit value. As a result, according to the switching power supply device 1A and the electromagnet power supply system according to the present embodiment, it is possible to prevent the output current ripple from becoming large during the low current output control.

なお、上記では、出力電流をプラス方向に流す場合について説明したが、出力電流をマイナス方向(図2(C)に示す端子電圧V3が負電圧)に流す場合でも同様な効果を奏する。すなわち、出力電流をマイナス方向に流す場合には、第1スイッチ手段S4を常時オン状態にすることに替えて第1スイッチ手段S2を常時オン状態にするとともに、第1スイッチ手段S1、第2スイッチ手段S6、S7をオン/オフ動作させることに替えて第1スイッチ手段S3、第2スイッチ手段S5、S8をオン/オフ動作させることになるが、この場合は、第1スイッチ手段S1〜S4の最小オン時間(第1スイッチ手段S3のオン時間)を下限値よりも小さくする必要がなくなる。   In the above description, the case where the output current is supplied in the positive direction has been described. However, the same effect can be achieved even when the output current is supplied in the negative direction (the terminal voltage V3 shown in FIG. 2C is a negative voltage). That is, when the output current flows in the minus direction, the first switch means S2 is always turned on instead of the first switch means S4 being always turned on, and the first switch means S1 and the second switch The first switch means S3 and the second switch means S5 and S8 are turned on / off instead of turning the means S6 and S7 on / off. In this case, the first switch means S1 to S4 There is no need to make the minimum ON time (ON time of the first switch means S3) smaller than the lower limit value.

以上、本発明に係るスイッチング電源装置および電磁石電源システムの実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。   As mentioned above, although embodiment of the switching power supply device and electromagnet power supply system concerning this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment.

第1スイッチ手段S1〜S4および第2スイッチ手段S5〜S8のスイッチングパターンは、少なくも低電流出力制御時に、第2スイッチ手段S5〜S8の最小オン時間(上記具体例では、第2スイッチ手段S6、S7のオン時間)が、第1スイッチ手段S1〜S4のオン時間の下限値よりも小さく、かつ第1スイッチ回路2と第2スイッチ回路5とが互いに異なる極性の電圧を出力できるのであれば、適宜変更することができる。例えば、時間t〜tではなく時間t〜tにおいて、第2スイッチ手段S6、S7をオン状態にしてもよい。 The switching patterns of the first switch means S1 to S4 and the second switch means S5 to S8 are at least the minimum on-time of the second switch means S5 to S8 during the low current output control (in the above specific example, the second switch means S6). , S7 ON time) is smaller than the lower limit value of the ON time of the first switch means S1 to S4, and the first switch circuit 2 and the second switch circuit 5 can output voltages having different polarities. Can be changed as appropriate. For example, at time t 1 ~t 2 rather than time t 2 ~t 3, second switching means S6, S7 may be turned on to.

上記実施形態では、第1スイッチ手段S1〜S4をIGBTとし、第2スイッチ手段S5〜S8をFETとしているが、第1スイッチ手段S1〜S4のオン時間よりも第2スイッチ手段S5〜S8のオン時間の方が小さくなるのであれば、第1スイッチ手段S1〜S4および第2スイッチ手段S5〜S8として任意のスイッチ手段を用いることができる。例えば、第1スイッチ手段S1〜S4を一般的な(比較的安価な)IGBTとし、第2スイッチ手段S5〜S8を高性能な(比較的高価な)IGBTとしてもよい。また、第1スイッチ手段S1〜S4および第2スイッチ手段S5〜S8のうち、PWM制御を行わないスイッチ手段は、省略したりダイオード等の整流素子に置き換えたりすることができる。   In the above embodiment, the first switch means S1 to S4 are IGBTs and the second switch means S5 to S8 are FETs. However, the second switch means S5 to S8 are turned on rather than the on time of the first switch means S1 to S4. If the time becomes smaller, any switch means can be used as the first switch means S1 to S4 and the second switch means S5 to S8. For example, the first switch means S1 to S4 may be general (relatively inexpensive) IGBTs, and the second switch means S5 to S8 may be high performance (relatively expensive) IGBTs. Of the first switch means S1 to S4 and the second switch means S5 to S8, the switch means that does not perform PWM control can be omitted or replaced with a rectifying element such as a diode.

フィルタ回路3の構成は、PWM制御下の第1スイッチ手段S1〜S4のスイッチング周波数に応じて設計されているのであれば適宜変更することができる。   If the structure of the filter circuit 3 is designed according to the switching frequency of 1st switch means S1-S4 under PWM control, it can change suitably.

また、本発明の電磁石電源システムでは、低電流出力制御時に、電圧変換回路12の出力電圧(コンデンサC1のプラス側の直流リンク電圧)を低下させてもよい。なお、この場合、電圧変換回路12の整流手段をAC/DCコンバータで構成することが好ましい。   In the electromagnet power supply system of the present invention, the output voltage of the voltage conversion circuit 12 (the DC link voltage on the plus side of the capacitor C1) may be reduced during low current output control. In this case, it is preferable that the rectifying means of the voltage conversion circuit 12 is constituted by an AC / DC converter.

1A スイッチング電源装置
2 第1スイッチ回路
3 フィルタ回路
4 制御回路
5 第2スイッチ回路
10 電磁石
11 変圧器
12 電圧変換回路
1A switching power supply device 2 first switch circuit 3 filter circuit 4 control circuit 5 second switch circuit 10 electromagnet 11 transformer 12 voltage conversion circuit

Claims (6)

少なくとも1つの第1スイッチ手段を含む第1スイッチ回路と、
前記第1スイッチ回路の出力端に接続されたフィルタ回路と、
前記第1スイッチ手段をPWM制御する制御回路と、
を備えたスイッチング電源装置であって、
前記第1スイッチ回路に並列接続された、少なくとも1つの第2スイッチ手段を含む第2スイッチ回路を備え、
前記制御回路は、
前記第2スイッチ手段のオン時間が前記第1スイッチ手段のオン時間よりも小さく、かつ前記第1スイッチ回路と前記第2スイッチ回路とが互いに異なる極性の電圧を出力するように、前記第2スイッチ手段を前記第1スイッチ手段と同じスイッチング周波数でPWM制御し、
前記第1スイッチ回路は、複数の前記第1スイッチ手段をブリッジ接続したブリッジ回路であり、
前記第2スイッチ回路は、複数の前記第2スイッチ手段をブリッジ接続したブリッジ回路である
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
A first switch circuit including at least one first switch means;
A filter circuit connected to an output terminal of the first switch circuit;
A control circuit for PWM controlling the first switch means;
A switching power supply device comprising:
A second switch circuit including at least one second switch means connected in parallel to the first switch circuit;
The control circuit includes:
The second switch so that the ON time of the second switch means is shorter than the ON time of the first switch means, and the first switch circuit and the second switch circuit output voltages having different polarities. PWM control means with the same switching frequency as the first switch means ,
The first switch circuit is a bridge circuit in which a plurality of the first switch means are bridge-connected,
The switching power supply device, wherein the second switch circuit is a bridge circuit in which a plurality of the second switch means are bridge-connected .
前記制御回路は、
前記第1スイッチ手段のスイッチング周波数が変化しない範囲で、前記第1スイッチ手段のオン時間の下限値を設定するとともに、
前記第2スイッチ手段の最小オン時間が前記下限値よりも小さくなるように前記第2スイッチ手段をPWM制御する
ことを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
The control circuit includes:
In the range where the switching frequency of the first switch means does not change, the lower limit value of the ON time of the first switch means is set,
2. The switching power supply device according to claim 1, wherein the second switch means is PWM-controlled so that the minimum ON time of the second switch means becomes smaller than the lower limit value.
前記制御回路は、前記第1スイッチ手段の最小オン時間が前記下限値となる場合にのみ、前記第2スイッチ手段をPWM制御する
ことを特徴とする請求項2に記載のスイッチング電源装置。
3. The switching power supply device according to claim 2, wherein the control circuit performs PWM control on the second switch unit only when the minimum ON time of the first switch unit becomes the lower limit value.
記フィルタ回路は、コイルおよびコンデンサからなるLCフィルタ回路である
ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
Before SL filter circuit, the switching power supply device according to claim 1, characterized in that an LC filter circuit comprising a coil and a capacitor.
前記第1スイッチ手段は、IGBTであり、
前記第2スイッチ手段は、FETである
ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置。
The first switch means is an IGBT;
The switching power supply according to any one of claims 1 to 4, wherein the second switch means is an FET.
変圧器と、
前記変圧器から出力された交流電圧を直流電圧に変換する電圧変換回路と、
前記電圧変換回路から出力された直流電圧に基づいて電磁石に供給する出力電流を生成する請求項1〜5のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置と、を備えた
ことを特徴とする電磁石電源システム。
A transformer,
A voltage conversion circuit that converts the alternating voltage output from the transformer into a direct voltage; and
An electromagnet power source comprising: the switching power source device according to any one of claims 1 to 5 that generates an output current to be supplied to an electromagnet based on a DC voltage output from the voltage conversion circuit. system.
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