JP2000278945A - スイッチング電源装置 - Google Patents

スイッチング電源装置

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JP2000278945A JP11253550A JP25355099A JP2000278945A JP 2000278945 A JP2000278945 A JP 2000278945A JP 11253550 A JP11253550 A JP 11253550A JP 25355099 A JP25355099 A JP 25355099A JP 2000278945 A JP2000278945 A JP 2000278945A
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    • H02M3/3385Conversion 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 using devices of a triode or a transistor type requiring continuous application of a control signal using semiconductor devices only in a self-oscillating arrangement with automatic control of output voltage or current

Abstract

(57)【要約】 【課題】 軽負荷時にスイッチング周波数を低減し、重
負荷時には、従来と同等のスイッチング周波数を得るこ
とが可能で、高効率のスイッチング電源装置を提供す
る。 【解決手段】 スイッチング電源装置1において、FE
TQ1のゲートに、トランジスタQ3と、コンデンサC
5および抵抗R8からなる時定数回路とを含む遅延回路
6を接続する。そして、トランスTの帰還巻線Nbに発
生する電圧、および、整流平滑回路7を構成するコンデ
ンサC6の充電電圧Vc1をコンデンサC5に充電し、
コンデンサC5の充電電圧Vc2が、トランジスタQ3
がオンする電圧Vonに達するまで、FETQ1のター
ンオンを遅延させる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング電源
装置、特に、リンギングチョークコンバータ(以下、R
CC)方式のスイッチング電源装置に関する。
【0002】
【従来の技術】一般に、電子計算機もしくは通信機器等
の電子機器は安定した直流電圧を必要とし、商用交流電
源から安定した直流電圧を供給するために、構成が比較
的簡単で効率の高いRCC方式のスイッチング電源装置
が広く用いられている。このようなスイッチング電源装
置の構成を、図8を用いて説明する。
【0003】同図において、10はスイッチング電源装
置であり、入力回路2、DC−DCコンバータ回路3、
電圧検出回路4および制御回路5を備えてなる。
【0004】このうち、入力回路2は、交流電源ACに
接続されたヒューズF、フィルタ回路LF、および整流
用のダイオードブリッジDBからなる。
【0005】また、DC−DCコンバータ回路3は、入
力回路2のダイオードブリッジDBの出力端間に設けら
れた平滑用のコンデンサC1と、1次巻線N1、1次巻
線N1とは逆の極性の2次巻線N2、および1次巻線N
1と同じ極性の帰還巻線Nbを有するトランスTと、ト
ランスTの1次巻線N1の一端に直列に接続された主ス
イッチング素子としてのFETQ1と、1次巻線N1の
他端とFETQ1の制御端子であるゲートとの間に接続
された起動用の抵抗R1と、FETQ1のゲート−ソー
ス間に接続された抵抗R10と、トランスTの2次巻線
N2の一端に直列に接続された整流用のダイオードD1
と、2次巻線N2の両端間に接続された平滑用のコンデ
ンサC4とからなる。
【0006】また、DC−DCコンバータ回路3の出力
側に設けられた電圧検出回路4は、抵抗R5、フォトカ
プラPCの発光側の発光ダイオードPD、シャントレギ
ュレータSr、抵抗R6、R7からなる。このうち、抵
抗R5、発光ダイオードPDおよびシャントレギュレー
タSrは互いに直列に接続され、DC−DCコンバータ
回路3のコンデンサC4に並列に設けられている。ま
た、抵抗R6とR7も互いに直列に接続され、同じくコ
ンデンサC4に並列に設けられている。そして、抵抗R
6とR7の接続点はシャントレギュレータSrに接続さ
れている。
【0007】また、制御回路5は、帰還巻線Nbの一端
とFETQ1のゲートとの間に直列に接続された抵抗R
13およびコンデンサC3、 FETQ1のゲート−ソ
ース間に接続されたトランジスタQ2、帰還巻線Nbの
一端とトランジスタQ2のベースとの間に接続された抵
抗R2、トランジスタQ2のベース−エミッタ間に並列
に接続された抵抗R3およびコンデンサC2、帰還巻線
Nbの一端とトランジスタQ2のベースとの間に互いに
直列に接続された抵抗R4、ダイオードD2およびフォ
トカプラPCの受光側のフォトトランジスタPTからな
る。
【0008】次に、このように構成されるスイッチング
電源装置10の動作を説明する。
【0009】まず、起動時においては、抵抗R1を介し
てFETQ1のゲートに電圧が印加されて、FETQ1
がターンオンする。FETQ1がターンオンすると、ト
ランスTの1次巻線N1に電源電圧が印加され、帰還巻
線Nbに、1次巻線N1に発生する電圧と同じ方向に電
圧が発生し、FETQ1は、正帰還により急速にオンす
る。このとき、1次巻線N1には励磁エネルギが蓄積さ
れる。
【0010】そして、トランジスタQ2のベース電位が
閾値に達すると、トランジスタQ2がオンし、FETQ
1がターンオフする。これにより、FETQ1のオン期
間内にトランスTの1次巻線N1に蓄積されていた励磁
エネルギは、2次巻線N2を介して電気エネルギとして
放出され、ダイオードD1で整流され、コンデンサC4
で平滑されて、負荷に供給される。
【0011】こうして、トランスTの1次巻線N1に蓄
積された励磁エネルギが、2次巻線N2を介して全て放
出されると、帰還巻線Nbに電圧が発生し、FETQ1
がターンオンする。FETQ1がターンオンすると、再
びトランスTの1次巻線N1に電圧が印加されて、1次
巻線N1に励磁エネルギが蓄積される。
【0012】スイッチング電源装置10においては、上
述の発振動作が繰り返される。
【0013】ここで、定常状態においては、負荷側の出
力電圧は、抵抗R6、R7で分圧され、この分圧された
検出電圧と、シャントレギュレータSrが有する基準電
圧とが比較される。そして、出力電圧の変動量がシャン
トレギュレータSrで増幅され、フォトカプラPCの発
光ダイオードPDに流れる電流が変化し、発光ダイオー
ドPDの発光量に応じて、フォトトランジスタPTのイ
ンピーダンスが変化する。これにより、コンデンサC2
の充放電時間を変化させることができ、出力電圧が一定
となるように制御される。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】ところが、従来のスイ
ッチング電源装置10においては、RCCの特性とし
て、図4の(d)に示すように、FETQ1のスイッチ
ング周波数が、負荷電力に略反比例して変化するもので
ある。したがって、軽負荷時には、スイッチング周波数
が増大し、これに伴ってスイッチング損失が大きくな
り、重負荷時には、スイッチング周波数が低減し、これ
に伴って導通損失が大きくなり、これらの損失により、
回路効率が低下するという問題があった。
【0015】そこで、本発明においては、軽負荷時に
は、スイッチング周波数を低減し、重負荷時には、従来
のスイッチング電源装置と同等のスイッチング周波数を
実現することができ、回路効率が高いスイッチング電源
装置を提供することを目的とする。
【0016】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明においては、直流電源と、1次巻線、2次巻
線および帰還巻線を有するトランスと、前記1次巻線に
直列に接続される主スイッチング素子と、前記帰還巻線
および主スイッチング素子の制御端子間に接続された制
御回路とを備え、直流出力が得られるスイッチング電源
装置において、前記トランスの1次側に設けられ、負荷
電力に応じた電圧を出力する電圧発生手段と、該電圧発
生手段から出力される電圧に応じて、前記主スイッチン
グ素子のターンオンを遅延させ、オフ期間を延長するこ
とによりスイッチング周波数を低下させる遅延回路とを
設けたことを特徴とする。
【0017】また、前記電圧発生手段が、前記帰還巻線
の両端間に接続された整流平滑回路からなることを特徴
とする。
【0018】また、前記トランスに前記制御回路と前記
主スイッチング素子の制御端子との間に接続された副帰
還巻線が設けられ、前記電圧発生手段が、前記副帰還巻
線の両端間に接続された整流平滑回路からなることを特
徴とする。
【0019】また、前記遅延回路は、前記帰還巻線と前
記主スイッチング素子の制御端子との間に設けられたス
イッチ手段、および、時定数回路からなることを特徴と
する。
【0020】また、前記時定数回路が、前記スイッチ手
段の制御端子に接続されるコンデンサおよび抵抗を備え
てなることを特徴とする。
【0021】また、前記時定数回路を構成する抵抗に対
して、直列にツェナダイオードが接続されたことを特徴
とする。
【0022】また、前記時定数回路を構成する抵抗が、
互いに並列に接続される二つの抵抗からなり、一方の抵
抗に直列にツェナダイオードが接続されたことを特徴と
する。
【0023】本発明にかかるスイッチング電源装置によ
れば、時定数回路を構成するコンデンサの充電を、負荷
電力に比例して増大する電圧を用いて行うものである。
したがって、軽負荷時には、時定数回路のコンデンサの
充電時間が延長され、主スイッチング素子のターンオン
が遅延し、オフ期間が延長され、スイッチング周波数が
低下する。一方、重負荷時には、主スイッチング素子の
ターンオンが早まり、従来のスイッチング電源装置と同
等のオフ期間となる。
【0024】また、時定数回路を構成する抵抗に対し
て、直列にツェナダイオードを接続したり、時定数回路
のコンデンサの充電に用いる電圧を発生する巻線の巻数
を増やしたりすることにより、重負荷時のスイッチング
周波数を急速に上昇させ、スイッチング周波数の変化幅
を増大させることができる。
【0025】
【発明の実施の形態】本発明の第1の実施例にかかるス
イッチング電源装置の構成を、図1を用いて説明する。
なお、同図に示すスイッチング電源装置1は、図8に示
すスイッチング電源装置10に、遅延回路6および整流
平滑回路7を付加したものであり、これらの回路6、7
以外の部分には図8と同一の符号を付し、詳細な説明は
省略する。
【0026】図1において、スイッチング電源装置1を
構成する遅延回路6は、pnp型のトランジスタQ3
と、コンデンサC5および抵抗R8からなる時定数回路
とを含む。このうち、トランジスタQ3は、エミッタ
が、制御回路5のコンデンサC3を介して、トランスT
の帰還巻線Nbの一端に接続され、コレクタが抵抗R1
3を介して、FETQ1のゲートに接続されるものであ
る。また、トランジスタQ3のエミッタ−コレクタ間に
は、抵抗R14およびダイオードD3の直列回路が接続
される。また、遅延回路を構成するコンデンサC5は、
トランジスタQ3のベース−エミッタ間に接続される。
【0027】また、整流平滑回路7は、トランスTの帰
還巻線Nbの両端間に、互いに直列に接続された整流用
のダイオードD4および平滑用のコンデンサC6からな
るものである。
【0028】次に、このように構成されるスイッチング
電源装置1の動作を説明する。なお、ここでは、回路全
体の動作のうち、要部のみ説明する。
【0029】まず、FETQ1がターンオフし、FET
Q1のオフ期間が始まると、トランスTの帰還巻線Nb
に発生した電圧により、整流平滑回路7のコンデンサC
6が充電される。そして、トランスTに蓄積されたエネ
ルギが2次側に放出され、2次側のダイオードD1に流
れる電流が零になると、コンデンサC6の充電電圧Vc
1が放出され、この充電電圧Vc1および帰還巻線Nb
に発生する電圧Vnbにより、遅延回路6のコンデンサ
C5が充電される。そして、コンデンサC5の充電電圧
Vc2が、トランジスタQ3がオンする電圧Vonに達
し、トランジスタQ3がオンし、FETQ1のゲートに
電圧が印加され、FETQ1がターンオンする。すなわ
ち、充電電圧Vc2が、電圧Vonに達するまで、FE
TQ1のターンオンが遅延することとなる。
【0030】ここで、充電電圧Vc1の絶対値は、トラ
ンスTのリーケージインダクタンス等の影響により、図
2に示すように、スイッチング電源装置1の負荷電力に
比例して増加するものとなる。
【0031】したがって、軽負荷のとき、充電電圧Vc
1の絶対値は比較的小さい値となり、時定数回路を構成
するコンデンサC5の充電電圧Vc2が、トランジスタ
Q3がオンする電圧Vonに達するまでに要する時間が
長くなる。これにより、FETQ1のターンオンが遅延
し、FETQ1のオフ期間が延長されることとなり、そ
の結果、FETQ1のスイッチング周波数が低下する。
一方、重負荷のとき、充電電圧Vc1の絶対値が比較的
大きい値となり、充電電圧Vc2が電圧Vonに達する
までに要する時間が短くなる。これにより、FETQ1
のターンオンが早められ、FETQ1のオフ期間が短縮
される。
【0032】上述のように、FETQ1のターンオン
が、負荷に応じて遅れたり、早まったりすることに伴
い、FETQ1のドレイン電流は、図3に示すように変
化する。同図において、(a)、(b)、(c)の順
に、軽負荷から重負荷への電流波形の変化を示してい
る。この(a)、(b)、(c)のそれぞれにおいて、
idはFETQ1のドレイン電流の波形であり、id1
は、整流平滑回路および時定数回路を備えない従来のス
イッチング電源装置における主スイッチング素子のドレ
イン電流の波形である。また、iDは、トランスTの2
次側の整流ダイオードD1に流れる電流の波形であり、
iD1は、整流平滑回路および時定数回路を備えない従
来のスイッチング電源装置の2次側の整流ダイオードに
流れる電流の波形である。
【0033】そして、従来のスイッチング電源装置にお
ける主スイッチング素子は、整流ダイオードのオンオフ
動作に対して反転したオンオフ動作を行うものであり、
id1とiD1とで、互いに反転した波形となる。
【0034】ここで、比較的負荷が軽い場合の(a)、
(b)においては、スイッチング電源装置1のFETQ
1は、従来の主スイッチング素子のターンオンから、そ
れぞれdt1、dt2で示す時間だけ遅れてターンオン
する。このため、スイッチング周波数が低下する。ま
た、比較的負荷が重い場合(c)においては、ターンオ
ンの遅延は発生せず、従来と同様の波形となり、スイッ
チング周波数も従来と等しいものとなる。
【0035】なお、図3の(c)においては、idとi
d1が等しいのと同様に、iDとiD1も等しいため、
iDおよびiD1の図示は省略した。
【0036】さらに、スイッチング電源装置1における
負荷電力の増加に伴うスイッチング周波数の変化を図4
の(a)に示す。図4の(a)は、整流平滑回路および
時定数回路を備えない従来のスイッチング電源装置の周
波数(d)に比べて、軽負荷時の値が格段に低く、負荷
の増加に伴って緩やかに上昇し、ある時点から、従来の
周波数(d)と同様の変化を示すものである。
【0037】次に、本発明の第2の実施例にかかるスイ
ッチング電源装置の構成を、図5を用いて説明する。な
お、同図において、図1と同一または相当する部分には
同一の符号を付し、その説明は省略する。
【0038】同図に示すスイッチング電源装置1aは、
遅延回路6aを構成する時定数回路の抵抗R8に対し
て、ツェナダイオードZDが直列に接続されてなるもの
である。
【0039】このようなスイッチング電源装置1aのス
イッチング周波数の変化を図4の(b)に示す。図4の
(b)においては、コンデンサC6の充電電圧Vc1
と、帰還巻線Nbに発生する電圧Vnbとの和が、ツェ
ナダイオードZDのツェナ電圧Vzに達するまでは、ス
イッチング周波数は、図4の(a)に示す第1の実施例
の周波数より低い値に保たれる。そして、充電電圧Vc
1と電圧Vnbとの和が、ツェナ電位Vzに達する時点
Pを境に、抵抗R8に対して急速に電流が流れ、コンデ
ンサC5の充電電圧Vc2が、トランジスタQ3がオン
する電圧Vonに達するのに要する時間が短くなり、ス
イッチング周波数が急激に上昇することとなる。
【0040】このように、スイッチング電源装置1aに
おいては、重負荷時のスイッチング周波数が急激に上昇
し、スイッチング周波数の変化幅が大きい。このため、
スイッチング損失を低減するために、軽負荷時のスイッ
チング周波数を大幅に低く設定しても、重負荷時には、
従来のスイッチング電源装置と同等のスイッチング周波
数が得られ、導通損失が増大する恐れがない。
【0041】次に、本発明の第3の実施例にかかるスイ
ッチング電源装置の構成を、図6を用いて説明する。
【0042】同図に示すスイッチング電源装置1bは、
遅延回路6bを構成する時定数回路の抵抗R8に対し
て、抵抗R9およびツェナダイオードZDの直列回路が
並列に接続されてなるものである。
【0043】このように構成されるスイッチング電源装
置1bのスイッチング周波数の変化を図4の(c)に示
す。図4の(c)においては、コンデンサC6の充電電
圧Vc1と、帰還巻線Nbに発生する電圧Vnbとの和
が、ツェナダイオードZDのツェナ電位Vzに達する時
点Pまでは、抵抗R8により、トランジスタQ3に流れ
る電流は微量なものとなり、スイッチング周波数は緩や
かに上昇する。そして、Pの時点を境に、抵抗R9に対
して急速に電流が流れ、コンデンサC5の充電電圧Vc
2が、トランジスタQ3がオンする電圧Vonに達する
のに要する時間が短くなり、スイッチング周波数は急速
に上昇する。
【0044】次に、本発明の第4の実施例にかかるスイ
ッチング電源装置の構成を、図7を用いて説明する。
【0045】同図に示すスイッチング電源装置1cにお
いては、トランスT1に、帰還巻線Nbに加えて副帰還
巻線Nb1が設けられ、この副帰還巻線Nb1に整流平
滑回路7が接続されている。すなわち、副帰還巻線Nb
1は、制御回路5を介さず直接、整流平滑回路7に接続
される。このため、副帰還巻線Nb1を構成する巻線
は、その巻数に制約を受けず、巻数を大幅に増やすこと
ができる。
【0046】このように、副帰還巻線Nb1の巻数を増
やすことにより、整流平滑回路7のコンデンサC6の充
電電圧Vc1を大きくし、時定数回路を構成するコンデ
ンサC5への充電時間を短縮することができ、これによ
り、重負荷時のスイッチング周波数が急激に上昇する。
こうして、スイッチング周波数の変化幅が大きくなるた
め、スイッチング損失を低減するために、軽負荷時のス
イッチング周波数を大幅に低く設定しても、重負荷時に
は、従来のスイッチング電源装置と同等のスイッチング
周波数が得られ、導通損失が増大する恐れがない。
【0047】また、スイッチング電源装置1cのスイッ
チング周波数は、特に図示しないが、図4の(a)に示
す第1の実施例の周波数と比較して、重負荷時の値が同
等で、軽負荷時の値が低いものとなる。
【0048】なお、前述の第2および第3の実施例で示
したスイッチング電源装置において、制御回路が接続さ
れる帰還巻線とは別個の副帰還巻線に整流平滑回路を接
続しても良く、それぞれ、軽負荷時のスイッチング周波
数をより一層低減することができる。
【0049】
【発明の効果】本発明にかかるスイッチング電源装置に
よれば、主スイッチング素子のターンオンを遅延させる
時定数回路のコンデンサが、トランスの帰還巻線に発生
する電圧、および、帰還巻線に接続された整流平滑回路
を構成するコンデンサの充電電圧により充電される。
【0050】そして、整流平滑回路のコンデンサの充電
電圧は、トランスのリーケージインダクタンス等の影響
により、負荷電力に比例して増大する。したがって、軽
負荷時には、整流平滑回路のコンデンサの充電電圧の絶
対値が比較的小さい値となり、時定数回路のコンデンサ
の充電時間が延長され、主スイッチング素子のターンオ
ンが遅延する。このため、主スイッチング素子のオフ期
間が延長されることとなり、スイッチング周波数が低く
なる。一方、重負荷時には、整流平滑回路のコンデンサ
の充電電圧の絶対値が比較的大きい値となり、主スイッ
チング素子のターンオンが早くなり、主スイッチング素
子のオフ期間が短縮される。
【0051】このように、スイッチング周波数が、軽負
荷時に低減し、重負荷時に増大するため、スイッチング
損失および導通損失が低減され、回路効率が向上する。
【0052】また、時定数回路の抵抗にツェナダイオー
ドを直列に接続すること、または、整流平滑回路を制御
回路が接続される巻線と異なる別個の巻線に接続し、こ
の巻線の巻数を増やすことにより、重負荷時のスイッチ
ング周波数を急速に上昇させることができる。したがっ
て、スイッチング損失を低減するために、軽負荷時のス
イッチング周波数を大幅に低く設定しても、重負荷時に
は、従来のスイッチング電源装置と同等のスイッチング
周波数が得られ、導通損失が増大する恐れがない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例にかかるスイッチング電
源装置を示す回路図である。
【図2】図1のスイッチング電源装置の1次側の整流平
滑回路を構成するコンデンサの充電電圧の絶対値の変化
を示すグラフである。
【図3】図1のスイッチング電源装置を構成する主スイ
ッチング素子のドレイン電流、および整流ダイオードに
流れる電流を示す波形図である。
【図4】本発明の各実施例にかかるスイッチング電源装
置におけるスイッチング周波数の変化を示すグラフであ
る。
【図5】本発明の第2の実施例にかかるスイッチング電
源装置を示す回路図である。
【図6】本発明の第3の実施例にかかるスイッチング電
源装置を示す回路図である。
【図7】本発明の第4の実施例にかかるスイッチング電
源装置を示す回路図である。
【図8】従来のスイッチング電源装置を示す回路図であ
る。
【符号の説明】
1、1a、1b、1c…スイッチング電源装置 5…制御回路 6、6a、6b…遅延回路 7…整流平滑回路 Q1…FET(主スイッチング素子) Q3…トランジスタ C5…(時定数回路を構成する)コンデンサ R8、R9…(時定数回路を構成する)抵抗 ZD…(時定数回路を構成する)ツェナダイオード C6…(整流平滑回路を構成する)コンデンサ D4…(整流平滑回路を構成する)ダイオード T、T1…トランス N1…1次巻線 N2…2次巻線 Nb…帰還巻線 Nb1…副帰還巻線
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Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源と、1次巻線、2次巻線および
    帰還巻線を有するトランスと、前記1次巻線に直列に接
    続される主スイッチング素子と、前記帰還巻線および主
    スイッチング素子の制御端子間に接続された制御回路と
    を備え、直流出力が得られるスイッチング電源装置にお
    いて、 前記トランスの1次側に設けられ、負荷電力に応じた電
    圧を出力する電圧発生手段と、該電圧発生手段から出力
    される電圧に応じて、前記主スイッチング素子のターン
    オンを遅延させ、オフ期間を延長することによりスイッ
    チング周波数を低下させる遅延回路とを設けたことを特
    徴とするスイッチング電源装置。
  2. 【請求項2】 前記電圧発生手段が、前記帰還巻線の両
    端間に接続された整流平滑回路からなることを特徴とす
    る請求項1に記載のスイッチング電源装置。
  3. 【請求項3】 前記トランスに前記制御回路と前記主ス
    イッチング素子の制御端子との間に接続された副帰還巻
    線が設けられ、前記電圧発生手段が、前記副帰還巻線の
    両端間に接続された整流平滑回路からなることを特徴と
    する請求項1に記載のスイッチング電源装置。
  4. 【請求項4】 前記遅延回路は、前記帰還巻線と前記主
    スイッチング素子の制御端子との間に設けられたスイッ
    チ手段、および、時定数回路からなることを特徴とする
    請求項1乃至3のいずれかに記載のスイッチング電源装
    置。
  5. 【請求項5】 前記時定数回路が、前記スイッチ手段の
    制御端子に接続されるコンデンサおよび抵抗を備えてな
    ることを特徴とする請求項4に記載のスイッチング電源
    装置。
  6. 【請求項6】 前記時定数回路を構成する抵抗に対し
    て、直列にツェナダイオードが接続されたことを特徴と
    する請求項5に記載のスイッチング電源装置。
  7. 【請求項7】 前記時定数回路を構成する抵抗が、互い
    に並列に接続される二つの抵抗からなり、一方の抵抗に
    直列にツェナダイオードが接続されたことを特徴とする
    請求項6に記載のスイッチング電源装置。
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