JP2001178126A - スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 共振用コンデンサに瞬時的に印加される過電
圧を抑制し得る共振型スイッチング電源を提供する。 【解決手段】 スイッチング回路１は、入力された直流
電圧Ｖｉｎをスイッチングする。共振回路は、共振用コ
ンデンサ２１を含み、スイッチング回路１とトランス３
の一次巻線３１とを含む回路ループ内に接続されてい
る。制御回路６４は、共振回路２の共振周波数ｆｏより
も高い動作周波数Ｆでスイッチング回路１を動作させ
る。過電圧保護回路６３は共振用コンデンサ２１に印加
される電圧Ｖｃｒに対応した信号Ｓ３が入力され、信号
Ｓ３が予め定められたコンデンサ印加電圧Ｖｃｒに対応
するとき、制御回路６４に制御を加え、動作周波数Ｆ
を、コンデンサ印加電圧Ｖｃｒが過電圧とならない周波
数に設定する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、共振型のスイッチ
ング電源に関する。

【０００２】

【従来の技術】共振型スイッチング電源は、高効率、低
雑音が達成できる可能性があるスイッチング電源として
注目されている。共振型スイッチング電源は、直流電圧
をスイッチング回路によってスイッチングし、スイッチ
ング出力を共振回路で共振させ、共振出力を、トランス
の巻線を介して取り出し、直流に変換して出力する。ス
イッチング回路のスイッチング動作は、制御回路から供
給される制御信号によって制御される。例えば、共振回
路の共振周波数よりも高い周波数領域に設定された周波
数制御領域を持ち、出力電圧が高くなった場合は、動作
周波数を上げて出力電圧を低下させ、出力電圧が低下し
た場合は動作周波数を低下させて、出力電圧が高くなる
方向に制御する。

【０００３】上述の共振回路は、共振用コンデンサ及び
共振用インダクタを含んで構成される。共振回路方式と
しては、直列共振、並列共振、直並列共振、複共振また
は準複共振等、種々の回路方式が知られている。共振型
スイッチング電源に係る先行技術文献例としては特開平
７−２９８６１４号公報、特開平７−２７４４９９号公
報等がある。

【０００４】共振型スイッチング電源の歴史は比較的新
しく、種々の解決すべき課題が、未解決のまま残されて
いる。その内の一つが、共振用コンデンサに瞬時的に印
加される過電圧の問題である。

【０００５】例えば、スイッチング電源の起動時には、
出力側平滑コンデンサの蓄積電荷が極めて少量であるの
で、出力側平滑コンデンサに流れ込むチャージ電流等に
起因する過電流状態が発生し、共振用コンデンサに瞬時
的に過電圧が印加される。

【０００６】また、共振回路の共振用インダクタとして
は、コアに巻線を施したものが用いられる。コアは、そ
の材料等によって定まるＢーＨ特性を有する。このた
め、共振用インダクタに、コアのＢーＨ特性において、
磁気飽和を生じるような大きな共振電流が流れると、共
振用インダクタのインダクタンス値が小さくなり、共振
回路のインピーダンスが低下する。共振回路のインピー
ダンスが低下すると、共振回路に流れる電流が増大する
ので、共振用インダクタのインピーダンスが更に小さく
なる。このような正帰還動作により、共振回路に流れる
電流が急激に増大し、共振用コンデンサに印加される電
圧が、急激に、過電圧状態になる。

【０００７】一般に、共振型スイッチング電源には、回
路を過電流から保護する目的で、過電流保護回路が設け
られている。過電流保護回路は、過電流を検出したと
き、スイッチング回路を制御して過電流を抑制する。し
かしながら、過電流制御系は、通常、閉ループ構成であ
るので、過電流を抑制するのに時間を要する。このた
め、瞬時的な過電流は回避できず、共振用コンデンサ
に、過電圧が瞬時的に印加されることになる。

【０００８】共振用コンデンサに瞬時的に印加される過
電圧を抑制する手段として、過電流制御系の応答速度を
増大させることが考えられる。しかしながら、過電流制
御系は閉ループを構成しているので、過電流制御系の応
答速度を増大させると、過電流制御系に異常発振を生じ
る。出力電圧制御系の応答速度を増大させた場合も同様
である。

【０００９】また、過電流制御系の応答速度を早くした
場合、起動時に、出力側平滑コンデンサに流れ込むチャ
ージ電流等に起因する過電流に対しても、過電流制御系
が動作してしまい、起動できなくなってしまうという事
態を生じる。

【００１０】起動時の過電流を回避する手段として、ソ
フトスタート方式は既に知られている。この方式では、
スイッチング電源の起動時に、電力が序々に出力される
ようにスイッチング制御を行うことにより、過電流を回
避する。しかし、負荷容量が未知の場合は、チャージ時
間が決定できないため、ソフトスタート期間を設計する
ことができず、共振用コンデンサを、安定して、過電圧
から保護することができない。

【００１１】特開平７ー２９８６１４号公報は、過電流
時に、第１及び第２のスイッチを完全にオフにしない
で、オン時間幅を狭めることにより、過電流保護、負荷
への電力供給、及び、正常運転への移行を行うスイッチ
ング電源を開示している。しかしながら、この従来技術
はスイッチを保護するものであって、共振用コンデンサ
を、過電圧から保護するものではない。

【００１２】過電流保護制御にパルス・バイ・パルス制
御を利用すれば、過電流検出後に瞬時にスイッチパルス
幅を狭めることができるので、瞬時的な過電流を回避で
き、よって、共振用コンデンサに瞬時的に印加される過
電圧を回避できる。しかし、動作周波数が一定で、パル
ス幅が変わるので、ゼロ・ボルト・スイッチング（ＺＶ
Ｓ）を行うことができなくなり、スイッチ損失が増大す
る。

【００１３】上述したように、共振用コンデンサを、瞬
時的な過電圧から保護する有効な手段がない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、共振
用コンデンサの過電圧を、瞬時に抑制し得る共振型スイ
ッチング電源を提供することである。

【００１５】本発明のもう１つの課題は、動作の安定し
た共振型スイッチング電源を提供することである。

【００１６】本発明の更にもう１つの課題は、共振用コ
ンデンサとして、耐電圧の低いコンデンサを用い得る共
振型スイッチング電源を提供することである。

【００１７】本発明の更にもう１つの課題は、ゼロ・ボ
ルト・スイッチングに適した共振型スイッチング電源を
提供することである。

【００１８】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係るスイッチング電源は、スイッチング
回路と、共振回路と、トランスと、出力整流平滑回路
と、制御回路と、過電圧保護回路とを含む。

【００１９】前記スイッチング回路は、入力された直流
電圧をスイッチングする。前記トランスは、少なくと
も、一次巻線と、二次巻線とを含んでいる。前記共振回
路は、共振用コンデンサを含み、前記スイッチング回路
と前記一次巻線とを含む回路ループ内に接続されてい
る。前記出力整流平滑回路は、前記二次巻線に接続され
ている。

【００２０】前記制御回路は、前記共振回路の共振周波
数よりも高い動作周波数で前記スイッチング回路を動作
させる。

【００２１】前記過電圧保護回路は、前記共振用コンデ
ンサに印加される電圧に対応した信号が入力され、前記
信号が予め定められたコンデンサ印加電圧に対応すると
き、前記制御回路に制御を加え、前記動作周波数を、コ
ンデンサ印加電圧が過電圧とならない周波数に設定す
る。

【００２２】上述した本発明に係るスイッチング電源に
おいて、スイッチング回路は、入力された直流電圧をス
イッチングし、そのスイッチング出力を共振回路及びト
ランスの一次巻線に供給する。

【００２３】スイッチング回路とトランスの一次巻線と
を含む回路ループ内に、共振回路が接続されているか
ら、スイッチング回路のスイッチング動作により、共振
回路及びトランスの一次巻線に、共振回路の共振周波数
に対応した疑似正弦波電流が流れる。このとき、一次巻
線と結合する二次巻線に誘起電圧が発生する。この誘起
電圧は、トランスの二次巻線に接続された出力整流平滑
回路により直流に変換され、出力される。

【００２４】制御回路は、共振回路の共振周波数よりも
高い動作周波数でスイッチング回路を動作させる。より
具体的には、出力電圧が低下したときには、動作周波数
を低下させ、出力電圧が上昇したときには、動作周波数
を高くすることにより、出力電圧を安定化する。

【００２５】更に、本発明に係るスイッチング電源は、
過電圧保護回路を備える。過電圧保護回路は、共振用コ
ンデンサに印加される電圧に対応した信号が入力され、
信号が予め定められたコンデンサ印加電圧に対応すると
き、制御回路に制御を加え、動作周波数を、コンデンサ
印加電圧が過電圧とならない周波数に設定する。これに
より、共振回路のインピーダンスが、その設定された周
波数に対応した値になり、共振回路に流れる電流が、そ
の周波数に対応した値に押えられ、共振用コンデンサに
印加される電圧の上昇が押えられる。従って、共振用コ
ンデンサが過電圧から保護される。また、共振用インダ
クタのコアの磁気飽和に起因する過電圧も回避すること
ができる。

【００２６】しかも、上述した過電圧保護動作は開ルー
プ制御である。このため、共振用コンデンサに過電圧が
印加されたとき、即座にその過電圧を抑制できる。従っ
て、共振用コンデンサの過電圧を瞬時に抑制することが
できる。起動時に、出力側平滑コンデンサに大きなチャ
ージ電流が流れ込んだ場合も、過電圧保護回路が動作
し、起動時の過電圧が防止される。

【００２７】更に、上述の過電圧保護動作は、開ループ
制御であるので、異常発振を生じる恐れはない。従っ
て、本発明の共振型スイッチング電源は、安定した動作
を確保できる。

【００２８】しかも、上述のように、共振用コンデンサ
に瞬時的に印加される過電圧を抑制できる。従って、本
発明の共振型スイッチング電源では、共振用コンデンサ
として、耐電圧の低いコンデンサを用いることができ
る。

【００２９】更に、本発明では、パルス・バイ・パルス
制御を用いずに、共振用コンデンサに瞬時的に印加され
る過電圧を抑制できる。このため、ゼロ・ボルト・スイ
ッチングに適した共振型スイッチング電源を実現でき
る。

【００３０】本発明の他の目的、構成及び利点について
は、実施例である添付図面を参照して、更に詳しく説明
する。

【００３１】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るスイッチング
電源を概略的に示す図である。図示するように、本発明
に係るスイッチング電源は、スイッチング回路１と、共
振回路と、トランス３と、出力整流平滑回路４と、制御
回路６４と、過電圧保護回路６３とを有する。

【００３２】スイッチング回路１は、入力された直流電
圧Ｖｉｎをスイッチングする。図示のスイッチング回路
１は、直流電源装置７から直流電圧Ｖｉｎが入力され
る。直流電源装置７は、通常は、交流電源を直流に変換
する整流平滑回路として構成される。直流電源装置７は
スイッチング電源の一部として備えられていてもよい
し、外部要素であってもよい。図示されたスイッチング
回路１は、２つのスイッチング素子１１、１２を有す
る。２つのスイッチング素子１１、１２は、互いに直列
に接続され、直列回路の両端が直流電源７に導かれてい
る。

【００３３】更に、２つのスイッチング素子１１、１２
は、交互に駆動される。図示のスイッチング回路１には
駆動回路１０が備えられている。この駆動回路１０に
は、前述の制御回路６４からの信号Ｓ７が供給される。
そして、駆動回路１０は、信号Ｓ７に基づき、２つのス
イッチング素子１１、１２を交互に駆動する。図示のス
イッチング素子１１、１２は、それぞれ、電界効果トラ
ンジスタ（ＦＥＴ）により構成されている。

【００３４】トランス３は、少なくとも、一次巻線３１
と、二次巻線３２とを含んでいる。実施例は、出力整流
平滑回路４を両波整流回路方式とした場合に適した二次
巻線構造を示し、二次巻線３２は、第１の巻線３２１
と、第２の巻線３２２の２つの巻線を備える。第１の巻
線３２１の一端及び第２の巻線３２２の一端は、互いに
接続されている。

【００３５】共振回路は、共振用コンデンサ２１と、共
振用インダクタ２２とを含み、スイッチング回路１とト
ランス３の一次巻線３１とを含む回路ループ内に接続さ
れている。共振用コンデンサ２１と、共振用インダクタ
２２とは、直列に接続され、直列共振回路を構成してい
る。直列回路の両端は２つのスイッチング素子１１、１
２の接続点と、２つのスイッチング素子１１、１２によ
って構成される直列回路の一端との間に接続されてい
る。

【００３６】実施例では、トランス３の一次巻線３１も
インダクタとして動作するので、共振回路は、共振用コ
ンデンサ２１及び共振用インダクタ２２の他に、トラン
ス３の一次巻線３１をも含むことになる。これとは異な
って、共振回路は、トランス３の一次巻線３１のインダ
クタンスを含まず、専ら、共振用コンデンサ２１と、共
振用インダクタ２２とによって構成されるように、設計
することも可能である。

【００３７】共振回路方式としては、図示の直列共振の
他、並列共振、直並列共振、複共振または準複共振等、
種々の回路方式が知られており、本発明は何れの回路方
式も適用が可能である。

【００３８】出力整流平滑回路４は、トランス３の二次
巻線３２に接続されている。出力整流平滑回路４は、二
次巻線３２に生じる誘起電圧を直流に変換して出力す
る。出力整流平滑回路４は、整流平滑された出力電圧Ｖ
ｏを、負荷８に供給する。出力整流平滑回路４は、整流
回路４２と、平滑回路４１とを含む。整流回路４２は、
第１のダイオード４２１と、第２のダイオード４２２と
を有する。第１のダイオード４２１のアノードは第１の
巻線３２１の他端に接続され、第２のダイオード４２２
のアノードは第２の巻線３２２の他端に接続されてい
る。第１のダイオード４２１のカソード及び第２のダイ
オード４２２のカソードは、互いに接続されて接続点Ｔ
２を構成する。

【００３９】図示の平滑回路４１は、出力チョークコイ
ル４１１及び出力平滑コンデンサ４１２を有するチョー
クインプット型である。出力チョークコイル４１１の一
端は、上述の接続点Ｔ２に接続されている。出力チョー
クコイル４１１の他端及び出力平滑コンデンサ４１２の
一端は、互いに接続され、出力端子Ｔ３に接続されてい
る。出力平滑コンデンサ４１２の他端と、第１の巻線３
２１及び第２の巻線３２２の接続点とは、互いに接続さ
れ、出力端子Ｔ４に接続されている。

【００４０】２つの出力端子Ｔ３、Ｔ４の間には負荷８
が接続されている。出力端子Ｔ３と出力端子Ｔ４との間
に生じる出力電圧をＶｏで示し、出力端子Ｔ３から負荷
８に流れる出力電流をＩｏで示す。平滑回路４１は、図
示と異なり、出力平滑コンデンサのみを有するコンデン
サインプット型であってもよい。

【００４１】制御回路６４は、スイッチング回路１に信
号Ｓ７を供給し、共振回路の共振周波数よりも高い動作
周波数で、スイッチング回路１を動作させる。図示され
た制御回路６４は、電圧制御発振回路（以下ＶＣＯと称
する）６５と、最低周波数設定回路６６と、ドライブパ
ルス生成回路６７とを有する。

【００４２】ＶＣＯ６５は、入力される電圧信号に応じ
て発振周波数が制御されるもので、その回路構成は従来
よりよく知られている。ＶＣＯ６５は、通常、周波数信
号Ｓ６の最低（最小）周波数ｆｍｉｎを指定するための
最低周波数設定端子Ｔ１を有する。最低周波数設定回路
６６は、コンデンサ９１と、抵抗９２とを有する。コン
デンサ９１と、抵抗９２とは、互いに並列に接続され、
並列回路の一端がＶＣＯ６５の最低周波数設定端子Ｔ１
に接続され、並列回路の他端がアースされている。最低
周波数設定回路６６は、その回路定数によって、所定の
出力電力を出力することが可能な最低周波数ｆｍｉｎを
設定する。その回路構成は、任意であり、図示に限定さ
れるものではない。

【００４３】図２は、図１に示したスイッチング電源に
おいて、共振回路の周波数−インピーダンス特性を示す
図である。図示において、横軸は周波数（ｋＨｚ）を示
し、縦軸は共振回路のインピーダンスを示している。特
性Ｐ１は周波数−インピーダンス特性を示している。制
御回路６４は、図２の周波数ーインピーダンス特性を利
用し、共振回路の共振周波数ｆｏよりも高い動作周波数
Ｆでスイッチング回路１を動作させる。

【００４４】過電圧保護回路６３には、共振用コンデン
サ２１に印加される電圧Ｖｃｒに対応した信号Ｓ３が入
力される。過電圧保護回路６３は、上述の信号Ｓ３が過
電圧に対応するとき、制御回路６４に対し、制御回路６
４の動作周波数を、共振回路の共振周波数ｆ０よりは高
い特定周波数ｆｓｔに固定する制御を加える（図２参
照）。

【００４５】図１に示す実施例では、電流検出手段５１
が備えられている。電流検出手段５１は、トランス３の
二次巻線３２側に流れる電流を検出して電流検出信号を
出力する。具体的には、電流検出手段５１は、トランス
３の二次巻線３２を構成する第２の巻線３２２と、第２
のダイオード４２２との間に挿入されており、第２の巻
線３２２に流れる電流Ｉ４を検出して電流検出信号を出
力する。電流検出信号は、電流Ｉ４に比例する電圧信号
として取り出される。このような電流検出手段５１は、
カレントトランスまたは抵抗等を用いて構成することが
できる。

【００４６】過電圧保護回路６３には、電流検出手段５
１で電圧信号として生成された電流検出信号が、共振用
コンデンサ２１に印加される電圧Ｖｃｒに対応した信号
Ｓ３として入力される。この種の共振型スイッチング電
源では、第２の巻線３２２に流れる電流Ｉ４と、共振用
コンデンサ２１に印加される電圧Ｖｃｒとに、相関関係
があるから、電流Ｉ４に対応する電圧信号は、結局、共
振用コンデンサ２１に印加される電圧Ｖｃｒにほぼ対応
することになる。実施例は、この特徴を利用している。

【００４７】過電圧保護回路６３は、電流検出手段５１
から電圧信号として供給される信号Ｓ３の値が、予め定
められた電圧値に対応するとき、最低周波数設定回路６
６の回路定数を変更し、制御回路６４の動作周波数Ｆ
を、共振回路の共振周波数ｆｏより高い特定周波数ｆｓ
ｔに固定する。具体的には、抵抗９３を介して、コンデ
ンサ９１と、抵抗９２との接続点及び最低周波数設定端
子Ｔ１に接続し、この抵抗９３を、コンデンサ９１及び
抵抗９２に並列に接続することにより、その回路定数を
変更する。これによって、ＶＣＯ５の発振周波数が共振
回路の共振周波数ｆｏより高い特定周波数ｆｓｔに固定
される。最低周波数設定回路６６の回路定数を変更する
手段として、過電圧保護回路６３に備えられるべき回路
素子または回路は、抵抗９３に限らず、その他の回路素
子、例えば、コンデンサであってもよいし、抵抗または
コンデンサの直並列回路等であってもよい。

【００４８】更に、実施例では、過電流保護回路６１が
備えられている。過電流保護回路６１は、電流検出手段
５１から電流検出信号Ｓ１が供給される。そして、過電
流保護回路６１は、電流検出信号Ｓ１に基づき、過電流
を抑制するための信号Ｓ１１を生成し、この信号Ｓ１１
を制御回路６４に供給する。

【００４９】制御回路６４は、過電流保護回路６１から
供給される信号Ｓ１１に基づいて、スイッチング回路１
に対し、動作周波数Ｆを上昇させ、出力電圧Ｖｏを零電
圧まで垂下させる過電流保護動作を与える。更に詳しく
は、制御回路６４に含まれるＶＣＯ６５が、過電流保護
回路６１から供給される信号Ｓ１１の電圧値に対応した
発振周波数で動作し、過電流保護のための信号Ｓ６を、
ドライブパルス生成回路６７に供給する。ドライブパル
ス生成回路６７は、ＶＣＯ６５から供給される信号Ｓ６
に基づき、スイッチング回路１に過電流保護動作を与え
る。

【００５０】実施例では、過電流保護回路６１と、制御
回路６４とを異なるブロックとして表現したが、過電流
保護回路６１を制御回路６４の一部と見做してよい。

【００５１】更に、実施例には出力電圧制御回路６２が
備えられている。出力電圧制御回路６２には、出力整流
平滑回路４から出力される出力電圧Ｖｏに対応する信号
Ｓ２が供給される。出力電圧制御回路６２は、信号Ｓ２
に基づき、出力電圧検出信号Ｓ２１を生成し、この信号
Ｓ２１を制御回路６４に供給する。

【００５２】制御回路６４は、出力電圧制御回路６２か
ら供給される信号Ｓ２１に基づいて、スイッチング回路
１に供給される信号Ｓ７の周波数を変化させ、スイッチ
ング回路１の動作周波数Ｆを変化させ、出力電圧Ｖｏを
一定とする出力電圧制御動作を与える。具体的には、制
御回路６に含まれるＶＣＯ６５が、出力電圧制御回路６
２から供給される信号Ｓ２１の電圧値に対応した発振周
波数で発振動作をし、発振周波数である信号Ｓ６を、ド
ライブパルス生成回路６７に供給する。ドライブパルス
生成回路６７は、ＶＣＯ６５から供給される信号Ｓ６に
基づき、その周波数に応じた動作周波数Ｆで、スイッチ
ング回路１を動作させる。これにより、出力電圧安定化
制御が得られる。

【００５３】実施例では、出力電圧制御回路６２と、制
御回路６４とを異なるブロックとして表現したが、出力
電圧制御回路６２を制御回路６４の一部と見做してよ
い。

【００５４】上述した本発明に係るスイッチング電源に
おいて、スイッチング回路１は、入力された直流電圧Ｖ
ｉｎをスイッチングし、そのスイッチング出力を共振回
路及びトランス３の一次巻線３１に供給する。

【００５５】スイッチング回路１とトランス３の一次巻
線３１とを含む回路ループ内に、共振回路が接続されて
いるから、スイッチング回路１のスイッチング動作によ
り、共振回路及びトランス３の一次巻線３１に疑似正弦
波電流が流れる。このとき、一次巻線３１と結合する二
次巻線３２に誘起電圧が発生する。この誘起電圧は、ト
ランス３の二次巻線３２に接続された出力整流平滑回路
４により直流に変換され、得られた出力電圧Ｖｏが端子
Ｔ３、Ｔ４から負荷８に供給される。

【００５６】負荷８の変動等により、出力電圧Ｖｏが低
下した場合、この出力電圧Ｖｏの低下は、信号Ｓ２とし
て、出力電圧制御回路６２に入力される。出力電圧制御
回路６２は、信号Ｓ２に基づき、出力電圧検出信号Ｓ２
１を生成し、この信号Ｓ２１を制御回路６４に供給す
る。制御回路６４は、出力電圧制御回路６２から供給さ
れる信号Ｓ２１に基づいて、スイッチング回路１に供給
される信号Ｓ７の周波数（動作周波数Ｆ）を、低下させ
る方向に動作する。これにより、共振回路のインピーダ
ンスＺが低くなるので、出力電圧Ｖｏが高くなる方向に
制御され、出力電圧Ｖｏが安定化される。出力電圧Ｖｏ
が上昇した場合には、上記とは逆の制御作用により、出
力電圧Ｖｏが安定化される。

【００５７】負荷８が重くなった場合、負荷８に見合っ
た出力電流Ｉｏを供給しなければならない。負荷８の増
大は、出力電圧Ｖｏが低下する方向であるから、制御回
路４は、出力電圧Ｖｏの低下を補うために、動作周波数
Ｆを低下させる方向に動作し、出力電圧Ｖｏを一定に保
つ。

【００５８】負荷８の増大等によって、出力電流Ｉｏが
予め定められた過電流設定値に達した場合、その過電流
状態は電流検出手段５１によって検出される。電流検出
手段５１によって生成された信号Ｓ１は、過電流保護回
路６１に供給される。過電流保護回路６１は、過電流で
あることを示す信号Ｓ１が供給されたとき、制御回路６
４に過電流制御信号Ｓ１１を送る。これにより、過電流
保護作用が与えられる。

【００５９】具体的には、過電流保護回路６１から、制
御回路６４のＶＣＯ６５に対して、電圧信号である信号
Ｓ１１が供給され、信号Ｓ１１の電圧値に対応した周波
数で発振動作をし、発振周波数の信号Ｓ６を出力する。
制御回路６４のドライブパルス生成回路６７は、信号Ｓ
６に基づいて、スイッチング回路１に過電流制御のため
の信号Ｓ７を供給する。

【００６０】図３は過電流保護回路６１による過電流保
護動作を示す図である。図３において、横軸に出力電流
Ｉｏをとり、縦軸に出力電圧Ｖｏをとってある。図示す
るように、制御回路６４は、過電流設定値Ｉｏｃに対応
する過電流制御信号Ｓ１１が供給されたとき、出力電圧
Ｖｏを零ボルトまでに垂下させるような過電流保護作用
を、スイッチング回路１に与える。

【００６１】ここで、共振用コンデンサ２１に印加され
る電圧をＶｃｒ、共振回路に流れる電流をＩｒ、励磁電
流をＩｍ、負荷８に流れる電流をＩｏ、トランス３の巻
数比をｎとすると、共振回路に流れる電流Ｉｒは、励磁
電流Ｉｍと、一次側換算負荷電流（Ｉｏ／ｎ）との和、
即ち、 Ｉｒ＝Ｉｍ＋Ｉｏ／ｎ となる。ここに、励磁電流Ｉｍは共振用インダクタ２２
の励磁電流と、トランス３の励磁電流との和である。

【００６２】起動時において、トランス３の二次側に流
れる電流Ｉ３は、負荷電流Ｉｏと、出力平滑用コンデン
サ４１２に流れ込む充電電流Ｉ５との和となるから、電
流Ｉ３は通常の定格出力電流よりも大きな電流となる。
この電流Ｉ３は、当然、トランス３の一次巻線３１の側
から供給されるので、電流Ｉ３は、起動時には、共振回
路に流れる電流Ｉｒも、通常よりは大きな値（過電流）
になる。共振回路は、共振用コンデンサ２１、共振用イ
ンダクタ２２及びトランス３で構成されており、共振用
コンデンサ２１には、共振回路によって流れた電流Ｉｒ
によって定まる電圧が発生する。起動時には、前述した
ように、大きな電流（過電流）が流れるので、共振用コ
ンデンサ２１には大きな電圧（過電圧）Ｖｃｒが印加さ
れる。

【００６３】ところが、過電流保護回路６１を含む過電
流制御系は、閉ループ制御系であり応答遅れ時間を持
つ。このため、共振回路に流れる電流Ｉｒが瞬時に増大
し、共振用コンデンサ２１に印加される電圧Ｖｃｒが、
瞬時に過電圧となった場合には、過電流保護回路６１
は、この過電圧に応答することができない。仮に応答速
度を速くして応答させようとした場合は、異常発振を招
いてしまう。この点について、図１を参照して更に具体
的に説明する。

【００６４】図１に示したスイッチング電源は、既に述
べたように、動作周波数Ｆを制御することによって、共
振回路のインピーダンスを変化させ、伝送されるエネル
ギーを制御するものであって、通常動作時は、出力電圧
Ｖｏを検出し、その検出信号Ｓ２を出力電圧制御回路６
２に供給し、更に出力電圧制御回路６２から制御回路６
４に信号Ｓ２１を供給することによって、動作周波数Ｆ
を決定し、決定された動作周波数Ｆを有する信号Ｓ７
を、ドライブ回路１０を介して、スイッチング回路１
１、１２に与えて動作させる。過電流保護動作も、上述
した動作と同様であり、過電流を検出して、動作周波数
Ｆを決定する。

【００６５】このような閉ループ制御系では、位相とゲ
インとを適正値に設定しなければならない。閉ループ制
御系の応答速度は、出力フィルタとして動作する平滑回
路４１のカットオフ周波数よりも低く設定する必要があ
る。応答速度を、カットオフ周波数よりも高い帯域に設
定すると、異常発振を引き起こす。例えば、出力平滑回
路４１に含まれるチョークコイル４１１のインダクタン
ス値を２．３μＨとし、出力平滑コンデンサ４１２の容
量値を６６００μＦとした場合、出力平滑回路４１のカ
ットオフ周波数は約１．３ｋＨｚとなる。出力電圧の安
定化制御及び過電流保護のための制御ループの応答速度
は、このカットオフ周波数１．３ｋＨｚよりも遅くなる
ように設定する必要がある。

【００６６】もし、出力電圧制御ループの応答速度を、
カットオフ周波数よりも速くなるように設定した場合に
は、通常の制御動作において、異常発振が起こり、異音
の発生、リップルの増大等の問題を生じる。

【００６７】また、過電流制御ループの応答速度をカッ
トオフ周波数よりも速くなるように設定した場合には、
過電流保護動作において、異常発振が起こり、または起
動不良等の問題を生じる。

【００６８】本発明に係るスイッチング電源では、この
ような問題点を解決する手段として、過電圧保護回路６
３を有する。過電圧保護回路６３には、共振用コンデン
サ２１に印加される電圧Ｖｃｒに対応した信号Ｓ３が入
力される。

【００６９】起動時において、共振用コンデンサ２１に
印加される電圧ＶＣｒが瞬時的に過電圧に近い電圧値に
上昇した場合、過電圧保護回路６３は、上述の信号Ｓ３
に基づき、制御回路６４の動作周波数Ｆを制御し、共振
用コンデンサに過電圧が印加されるのを防止する。より
具体的には、過電圧保護回路６３は、共振用コンデンサ
２１に印加される電圧ＶＣｒが瞬時的に過電圧に近い電
圧値に上昇した場合、共振回路の共振周波数ｆｏより高
い特定周波数ｆｓｔに固定する。

【００７０】瞬時的過電圧を生じる代表例は、起動時で
あるが、それ以外の場面でも、過電流保護回路６１の追
従できない瞬時的過電圧は発生し得る。このような場合
も、動作周波数Ｆを特定周波数ｆｓｔに固定する過電圧
保護動作が行われる。

【００７１】特定周波数ｆｓｔは、実用上、部品ディレ
ーテイングを確保するために、共振用コンデンサ２１に
おいて許容される最大印加電圧に対応する周波数よりも
高い値に設定するのがよい。

【００７２】過電圧保護回路６３の動作点Ｉｓｔは過電
流保護時の動作点Ｉｏｃよりも高い値に設定してある
（図３参照）から、通常動作時には、過電圧保護回路６
３は動作しない。

【００７３】上述のように、制御回路６４の動作周波数
Ｆを、共振回路の共振周波数ｆｏより高い特定周波数ｆ
ｓｔに固定すると、共振回路のインピーダンスＺが、こ
の特定周波数ｆｓｔに対応した値Ｚ１（図２参照）に固
定される。この結果、共振回路に流れる電流Ｉｒの増加
が押えられ、共振用コンデンサ２１に印加される電圧Ｖ
ｃｒの上昇が押えられる。従って、共振用コンデンサ２
１が過電圧から保護される。

【００７４】図４は従来のスイッチング電源における起
動時の各部の電圧及び電流の波形図である。従来のスイ
ッチング電源とは、図１の回路図において、過電圧保護
回路６３を省いたものである。図４（ａ）は、図１にお
いてスイッチング素子１２の両端に印加される電圧Ｖｄ
ｓの波形図である。電圧Ｖｄｓは、ＦＥＴでなるスイッ
チング素子１２のドレイン−ソース間電圧である。図４
（ｂ）は、共振回路を流れる電流Ｉｒの波形図である。
図４（ｃ）は共振用コンデンサ２１に印加される電圧Ｖ
ｃｒの波形図である。図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にお
いて、横軸は時間軸である。

【００７５】従来のスイッチング電源は、過電流保護回
路６１は有するが、その応答速度が遅い。このため、図
４（ａ）に示すように、スイッチング素子１２の両端に
印加される電圧Ｖｄｓ（約４００Ｖ）が断続された場合
に、図４（ｂ）に示すように、電源投入時を基準（０）
にして約３０μＳの間、共振回路に最大１３．５Ａの電
流Ｉｒが流れ、図４（ｃ）に示すように、共振用コンデ
ンサ２１に、最大１３００Ｖの過電圧Ｖｃｒが印加され
る。即ち、過電流保護回路６１は、起動時過電流及び過
電圧に応答できない。もし、応答速度を上げた場合は、
異常発振を生じるし、起動不良を招いてしまう。

【００７６】図５は、図１に示したスイッチング電源に
おける起動時の各部の電圧及び電流の波形図である。図
５（ａ）はスイッチング素子１２の両端に印加される電
圧Ｖｄｓの波形図である。電圧Ｖｄｓは、ＦＥＴでなる
スイッチング素子１２のドレイン−ソース間電圧であ
る。図５（ｂ）は、共振回路を流れる電流Ｉｒの波形図
である。図５（ｃ）は、共振用コンデンサ２１に印加さ
れる電圧Ｖｃｒの波形図である。図５（ａ）、（ｂ）、
（ｃ）において、横軸は時間軸である。

【００７７】図１に示したスイッチング電源では、過電
圧保護回路６３により、制御回路６４の動作周波数Ｆ
を、特定周波数ｆｓｔに固定することができるので、共
振回路のインピーダンスＺが、この特定周波数ｆｓｔに
対応した値Ｚ１に固定される（図２参照）。この結果、
共振回路に流れる電流Ｉｒが、図５（ｂ）のように、最
大５．６Ａに抑えられ、共振用コンデンサ２１に印加さ
れる電圧Ｖｃｒも、図５（ｃ）に示すように、最大５４
０Ｖに抑えられる。従って、共振用コンデンサ２１が過
電圧から保護される。

【００７８】しかも、上述した過電圧保護動作は開ルー
プ制御である。このため、共振用コンデンサ２１に過電
圧が印加されようとしたとき、即座にその過電圧を抑制
できる。

【００７９】更に、上述の過電圧保護動作は、開ループ
制御であるので、異常発振を生じる恐れはない。従っ
て、本発明の共振型スイッチング電源は、安定した動作
を確保できる。

【００８０】また、上述のように、共振用コンデンサ２
１に印加される過電圧を瞬時的に抑制できる。従って、
本発明の共振型スイッチング電源では、共振用コンデン
サ２１として、耐電圧の低いコンデンサを用いることが
できる。

【００８１】本発明では、パルス・バイ・パルス制御を
用いずに、共振用コンデンサ２１に印加される過電圧を
瞬時的に抑制できる。このため、ゼロ・ボルト・スイッ
チングに適した共振型スイッチング電源を実現できる。

【００８２】更に、過電圧保護回路６３を有することに
より、共振回路に含まれる共振用インダクタ２２のコア
の磁気飽和に起因する過電圧をも、確実に阻止できる。
次に、この点について述べる。

【００８３】図６は、図１に示したスイッチング電源に
含まれる共振用インダクタ２２の電流−インダクタンス
特性を示す図である。図示において、横軸は、共振用イ
ンダクタ２２に流れる電流Ｉｒを示し、縦軸は、共振用
インダクタ２２のインダクタンスＬを示している。図６
はフェライト・コアを用いたインダクタ２２の具体的な
特性例である。

【００８４】図６に示すように、共振用インダクタ２２
は、共振回路に流れる電流Ｉｒが大きくなると、インダ
クタンスＬが低下するような電流−インダクタンス特性
を有する。共振用インダクタ２２は、コアに磁気飽和を
生じない電流Ｉｒが流れている間は、一定したインダク
タンス値Ｌ１を示すが、コアが磁気飽和し始める程の電
流Ｉｒ１が流れると、インダクタンス値が急激に低下す
る。図６の場合、電流Ｉｒ２が流れると、インダクタン
ス値Ｌ１の約半分のインダクタンス値Ｌ２まで低下して
しまう。

【００８５】図７は共振回路の周波数−インピーダンス
特性を示す図である。図示において、横軸は周波数を示
し、縦軸は共振回路のインピーダンスを示している。特
性Ｐ２は、共振用インダクタ２２が図５のインダクタン
ス値Ｌ１で動作している時の周波数−インピーダンス特
性、特性Ｐ３は共振用インダクタ２２が図６のインダク
タンス値Ｌ２で動作している時の周波数−インピーダン
ス特性である。

【００８６】共振用インダクタ２２のインダクタンスＬ
がインダクタンス値Ｌ１からインダクタンス値Ｌ２に低
下すると、共振回路の周波数−インピーダンス特性は、
図７に示すように、特性Ｐ２から特性Ｐ３に変化する。

【００８７】共振用インダクタ２２が図５のインダクタ
ンス値Ｌ１で動作している時の特性Ｐ２では、動作周波
数Ｆ＝ｆ１（ｋＨｚ）におけるインピーダンスＺ３は約
２０Ωであるが、共振用インダクタ２２がインダクタン
ス値Ｌ２で動作している時の特性Ｐ３では、同一の動作
周波数Ｆ＝ｆ１（ｋＨｚ）におけるインピーダンスＺ４
は約１０Ωであり、特性Ｐ２の約半分のインピーダンス
値に低下している。この状態は、更に過大な電力を出力
できる状態であり、共振回路に流れる電流Ｉｒに含まれ
る励磁電流Ｉｍが更に増加し、電流Ｉｒも増加するか
ら、インピーダンスが更に低下する。この正帰還作用に
より、共振用コンデンサ２１に印加される電圧Ｖｃｒが
急速に過電圧状態になる。

【００８８】本発明のスイッチング電源の場合、共振回
路に流れる電流Ｉｒが増大し、共振用コンデンサ２１に
印加される電圧Ｖｃｒが過電圧に近い状態となったと
き、動作周波数Ｆが周波数ｆｓｔに固定され、共振回路
のインピーダンスＺがその周波数ｆｓｔに対応した値に
固定される。この結果、共振回路に流れる電流Ｉｒの増
加が抑制され、共振用コンデンサ２１に印加される電圧
Ｖｃｒの上昇が止まる。従って、共振用コンデンサ２１
が過電圧から保護される。

【００８９】図８は図１に示したスイッチング電源に含
まれる電流検出手段５１、過電流保護回路６１、出力電
圧制御回路６２及び過電圧保護回路６３の具体的な回路
構成を示す図である。

【００９０】電流検出手段５１は、カレントトランスで
なり、一次巻線５１１を出力整流ダイオード４２２に直
列に接続し、二次巻線５１２の両端間に抵抗５１３を接
続してある。電流検出信号は、電圧信号として、二次巻
線５１２に取り出される。

【００９１】過電流保護回路６１は、電流検出手段５１
の二次巻線５１２に生じた信号を整流素子６１３によっ
て整流し、整流された信号をコンデンサ６１４によって
平滑し、平滑された信号を、増幅回路６１１の入力端子
（−）に供給するようになっている。増幅回路６１１の
入力端子（＋）には基準電圧源６１２が供給されてい
る。増幅回路６１１は、入力端子（−）に供給される電
流検出信号Ｓ１と、基準電圧源６１２との差分を増幅
し、増幅された信号（電圧）Ｓ１１を、制御回路６４を
構成するＶＣＯ６５に供給する。過電流保護回路６１の
動作は既に述べた通りである。

【００９２】出力電圧制御回路６２は、出力電圧検出信
号Ｓ２を、整流素子６２３を介して、増幅回路６２１の
入力端子（−）に供給するようになっている。増幅回路
６２１の入力端子（＋）には基準電圧源６２２が供給さ
れている。増幅回路６２１は、入力端子（−）に供給さ
れる出力電圧検出信号Ｓ２と、基準電圧源６２２との差
分を増幅し、増幅された信号（電圧）Ｓ２１を、制御回
路６４を構成するＶＣＯ６５に供給する。出力電圧制御
回路６２の動作は既に述べた通りである。

【００９３】過電圧保護回路６３は、トランジスタ６３
１、ツェナーダイオード６３３、ダイオード６３４、抵
抗６３２及びコンデンサ６３５等を含んでいる。電流検
出手段５１の二次巻線５１２に生じた電流検出信号Ｓ３
をダイオード６３４によって整流し、整流された信号を
コンデンサ６３５によって平滑し、平滑された信号を、
ツェナーダイオード６３３を介して、トランジスタ６３
１のベースに供給する。電流検出手段５１の二次巻線５
１２に生じた電流検出信号Ｓ３の電圧レベルが過電圧に
近い値に対応するとき、ツェナーダイオード６３３が導
通し、トランジスタ６３１が導通する。これにより、最
低周波数設定回路６６の抵抗９２に対して、抵抗９３が
並列に接続され、抵抗９２及びコンデンサ９１とによっ
て定まっていた最低周波数ｆｍｉｎが、それよりも高い
特定周波数ｆｓｔに固定される。これにより、共振用コ
ンデンサ２１が過電圧から保護される。

【００９４】次に、本発明に係るスイッチング電源の他
の実施例を、図９、１０を参照して説明する。これらの
図において、図１に図示された構成部分と同一の構成部
分については、同一の参照符号を付し、重複説明は省略
する。

【００９５】まず、図９の実施例では、電流検出手段５
１は一次巻線３１と直列に挿入してある。図１０の実施
例では、共振用コンデンサ２１の端子電圧Ｖｃｒを直接
に検出して、その検出信号を、過電圧保護回路６３に供
給するようにしてある。図１０の実施例は、一次側に印
加される電圧が低い場合に有効である。

【００９６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような効果が得られる。 （ａ）共振用コンデンサに瞬時的に印加される過電圧を
抑制し得る共振型スイッチング電源を提供することがで
きる。 （ｂ）動作の安定した共振型スイッチング電源を提供す
ることができる。 （ｃ）共振用コンデンサとして、耐電圧の低いコンデン
サを用い得る共振型スイッチング電源を提供することが
できる。 （ｄ）ゼロ・ボルト・スイッチングに適した共振型スイ
ッチング電源を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスイッチング電源の電気回路図で
ある。

【図２】図１に示したスイッチング電源において、共振
回路の周波数−インピーダンス特性を示す図である。

【図３】図１に示したスイッチング電源に含まれる過電
流保護回路の過電流保護動作を示す図である。

【図４】従来のスイッチング電源における起動時の各部
の電圧及び電流の波形図である。

【図５】図１に示したスイッチング電源における起動時
の各部の電圧及び電流の波形図である。

【図６】図１に示したスイッチング電源に含まれる共振
用インダクタの電流−インダクタンス特性を示す図であ
る。

【図７】図１に示したスイッチング電源に含まれる共振
回路の周波数−インピーダンス特性を示す図である。

【図８】図１に示したスイッチング電源に含まれる電流
検出手段、過電流保護回路、出力電圧制御回路及び過電
圧保護回路の具体的な回路構成を示す図である。

【図９】本発明に係るスイッチング電源の別の実施例を
示す電気回路図である。

【図１０】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実
施例を示す電気回路図である。

【符号の説明】

１ スイッチング回路 ２１ 共振用コンデンサ ２２ 共振用インダクタ ３ トランス ３１ 一次巻線 ３２ 二次巻線 ４ 出力整流平滑回路 ６４ 制御回路 ６３ 過電圧保護回路

Claims (11)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スイッチング回路と、共振回路と、トラ
   ンスと、出力整流平滑回路と、制御回路と、過電圧保護
   回路とを含むスイッチング電源であって、 前記スイッチング回路は、入力された直流電圧をスイッ
   チングし、 前記トランスは、少なくとも、一次巻線と、二次巻線と
   を含んでおり、 前記共振回路は、共振用コンデンサを含み、前記スイッ
   チング回路と前記一次巻線とを含む回路ループ内に接続
   されており、 前記出力整流平滑回路は、前記二次巻線に接続されてお
   り、 前記制御回路は、前記共振回路の共振周波数よりも高い
   動作周波数で前記スイッチング回路を動作させるもので
   あり、 前記過電圧保護回路は、前記共振用コンデンサに印加さ
   れる電圧に対応した信号が入力され、前記信号が予め定
   められたコンデンサ印加電圧に対応するとき、前記制御
   回路に制御を加え、前記動作周波数を、コンデンサ印加
   電圧が過電圧とならない周波数に設定するスイッチング
   電源。
2. 【請求項２】 請求項１に記載されたスイッチング電源
   であって、 前記過電圧保護回路は、前記制御回路に対し、前記制御
   回路の前記動作周波数を、前記共振回路の共振周波数よ
   りは高い特定周波数に固定する制御を加えるスイッチン
   グ電源。
3. 【請求項３】 請求項１または２の何れかに記載された
   スイッチング電源であって、 前記制御回路は、過電流保護回路を含み、前記過電流保
   護回路による過電流検出時に、前記スイッチング回路に
   対し過電流保護動作を与えるスイッチング電源。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３の何れかに記載されたス
   イッチング電源であって、 更に、電流検出手段を含み、 前記電流検出手段は、出力電流を検出して電流検出信号
   を生成し、前記電流検出信号を、前記過電流保護回路に
   供給するスイッチング電源。
5. 【請求項５】 請求項４に記載されたスイッチング電源
   であって、 前記過電圧保護回路は、前記電流検出手段で生成された
   前記電流検出信号が、前記共振用コンデンサに印加され
   る電圧に対応した信号として入力されるスイッチング電
   源。
6. 【請求項６】 請求項５に記載されたスイッチング電源
   であって、 前記過電圧保護回路は、前記電流検出信号で見て、動作
   点が、前記過電流保護回路の動作点よりも高いスイッチ
   ング電源。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６の何れかに記載されたス
   イッチング電源であって、 前記制御回路は、出力電圧制御回路を含み、前記出力電
   圧制御回路は出力電圧を検出して、出力電圧検出信号を
   生成し、 前記制御回路は、前記出力電圧検出信号に基づいて前記
   動作周波数が制御されるスイッチング電源。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７の何れかに記載されたス
   イッチング電源であって、 前記制御回路は、電圧制御発振回路を含んでおり、 前記電圧制御発振回路は、入力される電圧信号に応じて
   発振周波数が制御され、前記発振周波数が前記動作周波
   数として利用されるスイッチング電源。
9. 【請求項９】 請求項８に記載されたスイッチング電源
   であって、 前記電圧制御発振回路は、最低発振周波数設定回路を有
   し、前記最低発振周波数設定回路の回路定数によって最
   低発振周波数が定まり、 前記過電圧保護回路は、前記最低発振周波数設定回路の
   回路定数を変更させるスイッチング電源。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至９の何れかに記載された
    スイッチング電源であって、 前記共振用コンデンサ及び前記共振用インダクタは、直
    列共振回路を構成するスイッチング電源。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０の何れかに記載され
    たスイッチング電源であって、 前記スイッチング回路は、２つのスイッチング素子を有
    し、 前記２つのスイッチング素子は、互いに直列に接続さ
    れ、直列回路の両端が直流電源に導かれ、交互に駆動さ
    れるものであり、 前記共振用コンデンサ及び前記一次巻線は、互いに直列
    に接続され、直列回路の両端が前記２つのスイッチング
    素子の接続点と、前記２つのスイッチング素子によって
    構成される前記直列回路の一端との間に接続されている
    スイッチング電源。