JP2002010636A

JP2002010636A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2002010636A
Application number: JP2000189406A
Authority: JP
Inventors: Masakazu Takagi; 雅和高木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2000-06-23
Filing date: 2000-06-23
Publication date: 2002-01-11

Abstract

(57)【要約】【課題】チョーク電流不連続領域で発生するサージ電圧
から転流用スイッチ素子を保護できる低損失の同期整流
方式スイッチング電源装置を提供する。【解決手段】スイッチング変換回路１は、供給された直
流電圧Ｖｉｎをスイッチングする。整流平滑回路２はス
イッチング出力を整流平滑する。転流用スイッチ素子２
３は、スイッチング素子１１のオフ期間にオン期間を有
し、チョークコイル２０に蓄えられたエネルギーを転流
用スイッチ素子２３のオン期間に放出する。制御回路３
はチョーク電流不連続時に、チョーク電流が零となるタ
イミングの近傍で、転流用スイッチ素子２３のオン期間
が終了してオフとなるように制御する。サージ電圧吸収
回路４は、転流用スイッチ素子２３のオフの遅れで生じ
る逆電流に起因して、チョークコイル２０に発生するサ
ージ電圧を吸収する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョーク電流不連
続領域で、チョークコイルにより発生するサージ電圧か
ら転流用スイッチ素子を保護できる同期整流方式のスイ
ッチング電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング電源装置は、直流電圧源か
ら供給された直流電圧をスイッチング変換回路によって
スイッチングし、スイッチング出力を整流平滑回路によ
り整流平滑して、任意の直流電圧を出力するよう構成さ
れている。

【０００３】整流平滑回路は、その整流素子として、一
般に整流ダイオードが用いられてきたが、スイッチング
電源装置の高効率化の観点から、整流ダイオードと比較
して、よりオン電圧の低い、制御電極を有するスイッチ
素子、例えば電界効果トランジスタ等を用いた同期整流
回路が注目されている。

【０００４】このような同期整流回路を用いたスイッチ
ング電源装置では、スイッチング変換回路のスイッチン
グ素子と整流平滑回路のスイッチ素子とを同期して制御
することが、同期整流回路の利点を生かす上で極めて重
要な事項となる。例えば、チョークインプット型整流平
滑回路を備えたスイッチング電源装置では、スイッチン
グ変換回路のスイッチング素子のオン期間に、整流用ス
イッチ素子を介して、フォワード電流をチョークコイル
と負荷に供給するとともに、チョークコイルにエネルギ
ーを蓄える。スイッチング変換回路のスイッチング素子
のオフ期間には、転流用スイッチ素子を介して、フライ
ホイール電流を流し、チョークコイルに蓄えられていた
エネルギーを放出する。

【０００５】このため、理想的には、スイッチング変換
回路のスイッチング素子のオン期間に同期して、整流用
スイッチ素子をオンさせるとともに、転流用スイッチ素
子のオフを維持し、スイッチング変換回路のスイッチン
グ素子がオフになると同時に、整流用スイッチ素子をオ
フさせるとともに、転流用スイッチ素子をオンさせる。

【０００６】さらに、チョーク電流連続の状態では、ス
イッチング変換回路のスイッチング素子の次のオン期間
が開始される迄、転流用スイッチ素子のオンを維持し、
また、チョーク電流不連続の状態では、チョーク電流が
零となった時点で、転流用スイッチ素子をオフさせ、ス
イッチング変換回路のスイッチング素子の次のオン期間
が開始される迄オフ状態を維持する必要がある。

【０００７】同期整流回路を構成する何れのスイッチ素
子においても、オフ期間の開始が早まることは、スイッ
チ素子の内臓ダイオードあるいは、スイッチ素子に並列
に設けられたダイオードを介してフォワード電流および
フライホイール電流が流れることを意味し、同期整流回
路による損失低減効果が損なわれる。また逆に、オン期
間の終了が遅れると、スイッチ素子を介して流れる短絡
電流や、逆方向電流を誘発する。短絡電流や、逆方向電
流は、損失や、ノイズ発生の原因となる。

【０００８】スイッチ素子のオン・オフタイミングのず
れによる損失の発生およびノイズの発生を最小限にする
技術は、本発明者等により、特開平１１−２８９７６０
号公報で提案されている。

【０００９】この技術は、第１のスイッチ手段、すなわ
ちスイッチング変換回路のスイッチング素子の導通状態
で出力回路側に発生する電圧により充電され第１のスイ
ッチ手段が非導通状態のとき放電するコンデンサを有す
る時定数回路と、該コンデンサの電圧を所定値と比較し
て該コンデンサの電圧が所定値より低くなったとき第３
のスイッチ手段、すなわち転流用スイッチ素子を非導通
にする比較手段とが設けられたものである。

【００１０】このため、第１のスイッチ手段が非導通に
なった後、所定の期間は第３のスイッチ手段を導通状態
に保持することができる。第３のスイッチ手段を導通状
態に保持し、適切なタイミングでオフさせることは、上
述のごとく、同期整流回路の利点を生かす上で極めて重
要な事項である。

【００１１】しかしながら、チョーク電流不連続の状態
で、第３のスイッチ手段を適切なタイミングでオフさせ
ること、すなわちチョーク電流が零となったときオフさ
せることは、極めて困難である。

【００１２】また、一般に、半導体スイッチ素子は、ス
イッチング動作を行う際、素子固有のスイッチング時間
を有している。転流用スイッチ素子に好適に用いられる
電界効果トランジスタもその例外ではない。素子固有の
スイッチング時間は、素子間のスイッチング時間のばら
つきとして現れる。このため、コンデンサの時定数を利
用して転流用スイッチ素子をオフさせる場合、オフする
時刻を上述のばらつきの中心値に設定してスイッチング
電源装置を構成すると、その半数には逆電流が発生する
ことになる。逆電流の発生を防止するため、スイッチン
グ時間のばらつきを考慮してオフする時刻を早めると、
内臓ダイオードを介してフライホイール電流が流れるこ
とになり、同期整流回路の利点が損なわれる。さらに、
転流用スイッチ素子のオフタイミングは、スイッチング
電源装置に接続される負荷条件によっても変動し、適切
なタイミングでオフさせることを困難にする。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、チョ
ーク電流不連続領域で、チョークコイルにより発生する
サージ電圧から転流用スイッチ素子を保護できる同期整
流方式のスイッチング電源装置を提供することである。

【００１４】本発明のもう一つの課題は、転流用スイッ
チ素子の内臓ダイオード、あるいは転流用スイッチ素子
に並列に設けられたダイオードを介して流れるフライホ
イール電流を低減した低損失の同期整流方式スイッチン
グ電源装置を提供することである。

【００１５】

【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装置は、スイッチ
ング変換回路と、整流平滑回路と、制御回路と、サージ
電圧吸収回路とを含む。

【００１６】前記スイッチング変換回路は、少なくとも
一つのスイッチング素子を含み、供給された直流電圧を
スイッチングする。

【００１７】前記整流平滑回路は、チョークコイルと、
コンデンサと、制御電極を有する転流用スイッチ素子と
を含み、前記スイッチング変換回路から出力されるスイ
ッチング出力を整流平滑して出力する。前記チョークコ
イルは、前記スイッチング素子のオン期間にエネルギー
を蓄える。

【００１８】前記転流用スイッチ素子は、前記スイッチ
ング素子のオフ期間にオン期間を有し、前記チョークコ
イルに蓄えられていたエネルギーを前記転流用スイッチ
素子のオン期間に放出する。

【００１９】前記制御回路は、チョーク電流不連続時
に、チョーク電流が零となるタイミングの近傍で、前記
転流用スイッチ素子のオン期間が終了してオフとなるよ
うに制御する。

【００２０】前記サージ電圧吸収回路は、前記整流平滑
回路に備えられ、前記転流用スイッチ素子のオフの遅れ
で生じる逆電流に起因して、前記チョークコイルに発生
するサージ電圧を吸収する。

【００２１】このように構成されたスイッチング電源装
置において、スイッチング変換回路に含まれるスイッチ
ング素子は、供給された直流電圧をスイッチングする。
スイッチング出力は、整流平滑回路に出力される。

【００２２】前記整流平滑回路に含まれるチョークコイ
ルは、前記スイッチング素子のオン期間に発生するフォ
ワード電流によりエネルギーを蓄えるとともに、コンデ
ンサを充電する。前記整流平滑回路に含まれる転流用ス
イッチ素子は、前記スイッチング素子のオフ期間にオン
期間を有し、前記チョークコイルに蓄えられていたエネ
ルギーをフライホイール電流として前記転流用スイッチ
素子のオン期間に放出する。このようにして、前記整流
平滑回路は任意の直流電圧を出力する。

【００２３】制御回路は、チョーク電流不連続時に、チ
ョーク電流が零となるタイミングの近傍で、前記転流用
スイッチ素子のオン期間が終了してオフとなるように制
御する。したがって、チョーク電流が零となる以前に、
前記転流用スイッチ素子のオン期間が終了してオフとな
っても、前記転流用スイッチ素子の内臓ダイオード、あ
るいは前記転流用スイッチ素子と並列に接続されるダイ
オードを介して流れるフライホイール電流はわずかとな
り、同期整流回路の損失を低く抑えることができる。

【００２４】本発明は、さらにサージ電圧吸収回路を含
む。前記サージ電圧吸収回路は、前記整流平滑回路に備
えられ、前記転流用スイッチ素子のオフの遅れで生じる
逆電流に起因して、前記チョークコイルに発生するサー
ジ電圧を吸収するように備えられている。したがって、
チョーク電流が零となった以降の、チョークコイルに逆
電流が流れてから、前記転流用スイッチ素子のオン期間
が終了してオフとなっても、前記逆電流に起因して、前
記チョークコイルに発生するサージ電圧を吸収し、前記
転流用スイッチ素子をサージ電圧から保護することがで
きる。

【００２５】前記サージ電圧のエネルギーは、逆電流の
発生時間によって変わる。前記サージ電圧吸収回路は、
前記逆電流の発生時間、前記転流用スイッチ素子の耐電
圧あるいはスイッチング電源装置の仕様等を考慮して、
前記サージ電圧を吸収できる構成とすればよい。

【００２６】前記チョーク電流不連続時に、前記転流用
スイッチ素子がオフとなるタイミングは、前記チョーク
電流が零となった以降であることが好ましい。前記チョ
ーク電流が零となった以降に、前記転流用スイッチ素子
がオフとなると、前記転流用スイッチ素子の内臓ダイオ
ード、あるいは前記転流用スイッチ素子と並列に接続さ
れるダイオードを介して流れるフライホイール電流を無
くすことができ、同期整流回路の損失を低く抑えること
ができる。他方、前記逆電流に起因して、前記チョーク
コイルに前記サージ電圧が発生するが、前記サージ電圧
は、前記サージ電圧吸収回路により吸収されるため、ノ
イズの発生が抑制できるとともに、前記転流用スイッチ
素子を前記サージ電圧から保護できる。

【００２７】また、前記サージ電圧吸収回路は、前記チ
ョークコイルと並列に接続して構成することもできる。
このように構成すれば、前記チョークコイルに発生する
前記サージ電圧を確実に吸収することができる。

【００２８】前記チョークコイルは、二次巻線を含む構
成とすることができる。チョークコイルの二次巻線は、
一般的にＩＣ等の内部制御回路用補助電源として用いら
れる。このため、その二次巻線電圧は、スイッチング電
源装置の出力電圧仕様にかかわらずほぼ同一に設計され
る。したがって、チョークコイルの二次巻線と並列に前
記サージ電圧吸収回路を設ける場合は、同一仕様のサー
ジ電圧吸収回路で種々の出力電圧仕様のスイッチング電
源装置に対応することができ、部品の共通化、コストダ
ウンに効果がある。

【００２９】前記サージ電圧吸収回路は、具体的にはダ
イオードとツェナーダイオードとの直列回路、あるいは
バリスタ等のサージ吸収素子で構成される。

【００３０】なお、同期整流回路の転流用スイッチ素子
と並列にクランプ回路を接続した例が特開平１１−１３
６９３４号公報に記載されている。

【００３１】この公報に記載されたＤＣ−ＤＣコンバー
タは、トランスの二次巻線に直列に接続される整流スイ
ッチと、該二次巻線に並列に接続されるフライホイール
スイッチ、すなわち転流用スイッチ素子とを備え、負荷
に対して複数並列に接続されて、該負荷に所定の直流出
力を供給する同期整流式ＤＣ−ＤＣコンバータである。

【００３２】発明の課題は、並列運転を行っても破損す
るおそれのない同期整流式ＤＣ−ＤＣコンバータを提供
することにある。具体的には、負荷に対して複数並列に
接続されたコンバータの何れかが故障により発振が停止
したとき、正常に動作しているコンバータから出力端子
を介して電流が流れ込むのを防止することにある。しか
し、コンバータが故障したとき、フライホイールスイッ
チがオンしていると電流の流れ込みが発生し、その後、
フライホイールスイッチがオフしたとき、チョークコイ
ルに蓄積されたエネルギーにより、フライホイールスイ
ッチに大きな電圧が印加される。クランプ回路はこの大
きな電圧をクランプして、フライホイールスイッチを保
護するものである。

【００３３】よって、特開平１１−１３６９３４号公報
に記載された発明は、本発明とは、その構成、課題とも
大きく異なっている。

【００３４】本発明の他の目的、構成および利点につい
ては、添付図面を参照して、更に詳しく説明する。図面
は単なる例示に過ぎない。

【００３５】

【発明の実施の形態】図１は、本発明に係るスイッチン
グ電源装置の一実施例を概略的に説明するブロック図で
ある。本実施例のスイッチング電源装置は、スイッチン
グ変換回路１と、整流平滑回路２と、制御回路３と、サ
ージ電圧吸収回路４とを含む。図において、参照符号Ｅ
は直流電圧源、Ｌは負荷である。

【００３６】直流電圧源Ｅはバッテリーや、その他の直
流電圧源、あるいは交流電圧を整流回路を介して直流に
変換した電圧の何れでも利用できる。

【００３７】スイッチング変換回路１は少なくとも一つ
のスイッチング素子１１を含み、直流電圧源Ｅから供給
された直流電圧Ｖｉｎをスイッチングする。スイッチン
グ素子１１は入力された直流電圧Ｖｉｎを高周波でスイ
ッチングできればよく、典型的にはバイポーラトランジ
スタや、電界効果トランジスタ等の半導体素子が用いら
れる。スイッチング変換回路１は、更に変圧器や、チョ
ークコイル等の磁電変換素子を含んでいてもよく、一個
もしくは複数個のスイッチング素子１１、あるいは前記
磁電変換素子とを組み合わせて、絶縁型、あるいは非絶
縁型等の公知のコンバータ回路としても構成できる。

【００３８】整流平滑回路２は、チョークコイル２０
と、コンデンサ２２と、少なくとも転流用スイッチ素子
２３とを含み、スイッチング変換回路１と出力端子Ｔ０
との間に配置される。整流平滑回路２は、スイッチング
変換回路１から出力されるスイッチング出力を整流平滑
して、出力端子Ｔ０に接続された負荷Ｌに任意の直流電
圧を供給する。チョークコイル２０は、スイッチング変
換回路１のスイッチング素子１１のオン期間に流れるフ
ォワード電流によってエネルギーを蓄え、コンデンサ２
２を充電するよう接続される。転流用スイッチ素子２３
は、制御電極を有するスイッチ素子、例えば、バイポー
ラトランジスタや電界効果トランジスタ等のオン・オフ
制御可能な半導体スイッチ素子で構成される。転流用ス
イッチ素子２３は、スイッチング変換回路１のスイッチ
ング素子１１のオフ期間にオンとなってフライホイール
電流を流し、チョークコイル２０に蓄えられていたエネ
ルギーを放出する。

【００３９】制御回路３は、チョーク電流不連続時に、
チョーク電流が零となるタイミングの近傍で、転流用ス
イッチ素子２３のオン期間が終了してオフとなるように
制御する。本実施例では、制御回路３はパルス幅変調回
路３０と、スイッチング素子１１の駆動回路３１と、転
流用スイッチ素子２３の駆動回路３３と反転回路３５
と、チョーク電流検出回路３６と、アンド回路３７とを
含んで構成される。

【００４０】パルス幅変調回路３０は、出力電圧情報を
検出するために、出力端子Ｔ０に接続された信号ライン
Ｌ１を備え、出力電圧に応じた制御信号Ｓ１を駆動回路
３１と、信号反転回路３５とに出力する。駆動回路３１
は、制御信号Ｓ１が高レベルのときスイッチング素子１
１をオン駆動する。

【００４１】チョーク電流検出回路３６は、チョーク電
流情報を検出するために、チョークコイル２０と転流用
スイッチ素子２３との接続点に接続された信号ラインＬ
６を備え、チョーク電流信号Ｓ６をアンド回路３７に出
力する。チョーク電流信号Ｓ６は、チョーク電流が定常
状態で連続しているときは高レベルの信号となり、チョ
ーク電流が零あるいは零となるタイミングの近傍で低レ
ベルの信号となるよう構成される。

【００４２】アンド回路３７はさらに、信号反転回路３
５から出力される反転信号Ｓ５が入力され、制御信号Ｓ
３を駆動回路３３に出力する。制御信号Ｓ３は、チョー
ク電流信号Ｓ６と、反転信号Ｓ５のいずれも高レベルの
とき高レベル信号となり、いずれか一方が低レベルのと
き低レベルの信号となるよう構成される。駆動回路３３
は、制御信号Ｓ３が高レベルのとき、転流用スイッチ素
子２３をオン駆動するよう構成される。

【００４３】サージ電圧吸収回路４は、転流用スイッチ
素子２３のオフの遅れで生じる逆電流に起因して、チョ
ークコイル２０に発生するサージ電圧を吸収するよう構
成される。本実施例では、サージ電圧吸収回路４は、転
流用スイッチ素子２３と並列に接続されるが、チョーク
コイル２０と並列に接続してもよく、また、チョークコ
イル２０が二次巻線を備えていれば、その二次巻線と並
列に接続してもよい。

【００４４】サージ電圧吸収回路４は、図２に示すバリ
スタ４１や、図３に示すツェナーダイオード４２等のサ
ージ電圧吸収素子で構成できる。ツェナーダイオード４
２をダイオード４３と直列に接続してサージ電圧吸収回
路４を構成すれば、ツェナーダイオード４２に印加され
る順方向電圧を阻止できる。

【００４５】このように構成されたスイッチング電源装
置において、スイッチング変換回路１のスイッチング素
子１１は、パルス幅変調回路３０から出力される制御信
号Ｓ１により、駆動回路３１を介してオン・オフ駆動さ
れ、直流電圧源Ｅから供給された直流電圧Ｖｉｎをスイ
ッチングする。

【００４６】制御信号Ｓ１は、信号反転回路３５にも出
力され、その反転信号Ｓ５がアンド回路３７に出力され
る。アンド回路３７には、さらに、チョーク電流検出回
路３６からチョーク電流信号Ｓ６が出力される。チョー
ク電流信号Ｓ６は、チョーク電流が定常状態で連続して
いるときは高レベルの信号となり、チョーク電流が零あ
るいは零となるタイミングの近傍で低レベルの信号とな
る。

【００４７】このため、チョーク電流連続の領域では、
制御信号Ｓ３は、制御信号Ｓ１が高レベルのとき低レベ
ルとなり、逆に、制御信号Ｓ１が低レベルのとき高レベ
ルとなる。駆動回路３１、３３は、それぞれ、制御信号
Ｓ１、Ｓ３が高レベルのときスイッチング素子１１ある
いは転流用スイッチ素子２３をオン駆動する。したがっ
て、転流用スイッチ素子２３は、スイッチング素子１１
のオン期間にオフとなり、スイッチング素子１１のオフ
期間にオンとなる。

【００４８】整流平滑回路２は、スイッチング変換回路
１から出力されるスイッチング出力を整流平滑する。ス
イッチング素子１１のオン期間に発生するフォワード電
流は、転流用スイッチ素子２３がオフなので、チョーク
コイル２０にエネルギーを蓄えるとともに、コンデンサ
２２を充電する。スイッチング素子１１のオン期間が終
了すると、転流用スイッチ素子２３がオンとなって、フ
ライホイール電流を流し、チョークコイル２０に蓄えら
れていたエネルギーを放出する。このようにして、整流
平滑回路２は、出力端子Ｔ０に接続された負荷Ｌに直流
電圧を供給する。

【００４９】ここで、出力端子Ｔ０に接続された負荷Ｌ
が軽くなり、チョーク電流不連続の領域に至ったとす
る。チョーク電流不連続の領域では、チョーク電流が零
あるいは零となるタイミングの近傍でチョーク電流信号
Ｓ６は低レベルの信号となる。このため、チョーク電流
信号Ｓ６は、スイッチング素子１１のオン期間に高レベ
ルとなり、スイッチング素子１１のオン期間が終了して
転流用スイッチ素子２３がオンとなり、チョークコイル
２０がエネルギーの放出を終了し、チョーク電流が零あ
るいは零となるタイミングの近傍で低レベルの信号とな
る。チョーク電流信号Ｓ６の低レベル期間は、スイッチ
ング素子１１の次のオン期間の開始迄継続する。したが
って、アンド回路３７から出力される制御信号Ｓ３は、
スイッチング素子１１のオン期間が終了したとき高レベ
ルとなり、チョーク電流が零あるいは零となるタイミン
グの近傍で低レベルの信号となる。

【００５０】このため、転流用スイッチ素子２３は、ス
イッチング素子１１のオン期間が終了したときオンとな
って、チョーク電流が零あるいは零となるタイミングの
近傍でオフとなり、スイッチング素子１１の次のオン期
間が開始される迄オフ状態が維持される。

【００５１】転流用スイッチ素子２３のオフタイミング
を適切に設定することは、前述のように極めて困難であ
る。チョーク電流が零となった以降に転流用スイッチ素
子２３のオンが継続すると、その間転流用スイッチ素子
２３を介してチョークコイル２０に逆電流が流れる。逆
電流が流れ始めてから転流用スイッチ素子２３がオフと
なると、逆電流により、チョークコイル２１に蓄積され
たエネルギーによるサージ電圧が発生する。

【００５２】サージ電圧吸収回路４は、転流用スイッチ
素子２３と並列に接続されている。サージ電圧はサージ
電圧吸収回路４により吸収される。このため、ノイズの
発生が抑制され、転流用スイッチ素子２３をサージ電圧
から保護することができる。

【００５３】以上のごとく、本実施例のスイッチング電
源装置において、制御回路３は、チョーク電流不連続時
に、チョーク電流が零となるタイミングの近傍で、転流
用スイッチ素子２３のオン期間が終了してオフとなるよ
うに制御する。したがって、チョーク電流が零となる以
前に、転流用スイッチ素子２３のオン期間が終了してオ
フとなっても、転流用スイッチ素子２３の内臓ダイオー
ド、あるいは転流用スイッチ素子２３と並列に接続され
るダイオードを介して流れるフライホイール電流はわず
かとなり、同期整流回路の損失を低く抑えることができ
る。

【００５４】本発明は、さらにサージ電圧吸収回路４を
含む。サージ電圧吸収回路４は、整流平滑回路２に備え
られ、転流用スイッチ素子２３のオフの遅れで生じる逆
電流に起因して、チョークコイル２０に発生するサージ
電圧を吸収する。したがって、チョーク電流が零となっ
た以降の、チョークコイル２０に逆電流が流れてから、
転流用スイッチ素子２３のオン期間が終了してオフとな
っても、前記逆電流に起因して、チョークコイル２０に
発生するサージ電圧を吸収することができる。このた
め、ノイズの発生が抑制でき、転流用スイッチ素子２３
をサージ電圧から保護することができる。

【００５５】図４は、本発明に係るスイッチング電源装
置の別の実施例を示す電気回路図である。図において、
図１と同一参照符号は同一構成部分を示しており、参照
符号Ｔは変圧器、２２は整流用スイッチ素子である。

【００５６】本実施例は絶縁型フォワードコンバータ方
式のスイッチング電源装置に本発明を適用した例を示し
ている。本実施例のスイッチング電源装置は、スイッチ
ング変換回路１と、整流平滑回路２と、制御回路３と、
サージ電圧吸収回路４とを含む。

【００５７】スイッチング変換回路１は電界効果トラン
ジスタでなるスイッチング素子１１と、変圧器Ｔとを含
む。変圧器Ｔは、一次巻線Ｔ１と、二次巻線Ｔ２とを含
み、一次巻線Ｔ１がスイッチング素子１１の主電極を介
して直流電圧源Ｅに接続され、二次巻線Ｔ２が整流平滑
回路２に接続される。

【００５８】整流平滑回路２は、チョークコイル２０
と、コンデンサ２１と、整流用スイッチ素子２２と、転
流用スイッチ素子２３と、ダイオードＤ２２、Ｄ２３と
を含む。チョークコイル２０と、コンデンサ２１と、整
流用スイッチ素子２２とは直列に接続されて、その両端
が変圧器Ｔの二次巻線Ｔ２に接続される。転流用スイッ
チ素子２３は整流用スイッチ素子２２を介して変圧器Ｔ
の二次巻線Ｔ２と並列に接続される。ダイオードＤ２
２、Ｄ２３はそれぞれ、整流用スイッチ素子２２、転流
用スイッチ素子２３と並列に接続される。コンデンサ２
１の両端は、出力端子Ｔ０を介して負荷Ｌに接続され
る。

【００５９】制御回路３はパルス幅変調回路３０と、ス
イッチング素子１１の駆動回路３１と、整流用スイッチ
素子２２の駆動回路３２と、転流用スイッチ素子２３の
駆動回路３３と、絶縁結合回路３４と、反転回路３５
と、チョーク電流検出回路３６とを含んで構成される。

【００６０】パルス幅変調回路３０は、出力電圧情報を
検出するために、出力端子Ｔ０に接続された信号ライン
Ｌ１を備え、出力電圧に応じたパルス幅の制御信号Ｓ１
を駆動回路３１と、絶縁結合回路３４とに出力する。絶
縁結合回路３４は、スイッチング電源装置の一次側と、
二次側とを絶縁するためのもので、パルストランスや、
フォトカプラ等で構成され、制御信号Ｓ１と同期した、
同相の制御信号Ｓ２を駆動回路３２と、信号反転回路３
５とに出力する。

【００６１】チョーク電流検出回路３６は、チョーク電
流情報を検出するために、チョークコイル２０と転流用
スイッチ素子２３との接続点に接続された信号ラインＬ
６を備え、時定数回路３６１と、基準電圧源３６２と、
比較器３６３とを含んで構成される。

【００６２】時定数回路３６１は、抵抗Ｒ１及びコンデ
ンサＣ１の直列回路と、コンデンサＣ１に対して並列に
接続された抵抗Ｒ２とを含み、ダイオードＤ１を介して
信号ラインＬ６に接続される。比較器３６３は、一方の
入力端子（＋）が時定数回路３６１のコンデンサＣ１
と、抵抗Ｒ１との接続点に接続され、他方の入力端子
（−）が基準電圧源３６２に接続される。比較器３６３
は、コンデンサＣ１と、基準電圧源３６２から供給され
る電圧とを比較し、出力端子からチョーク電流信号Ｓ６
を出力する。チョーク電流信号Ｓ６は、コンデンサＣ１
の電圧が、基準電圧源３６２の電圧を上回っているとき
高レベルの信号となり、下回ったとき低レベルの信号と
なるよう構成される。チョーク電流信号Ｓ６はダイオー
ドＤ３を介して信号反転回路３５の出力と、ワイヤード
オア接続され、制御信号Ｓ３が生成される。制御信号Ｓ
３は駆動回路３３に供給される。

【００６３】駆動回路３１、３２は、制御信号Ｓ１が高
レベルのとき、それぞれスイッチング素子１１、整流用
スイッチ素子２２をオン駆動する。駆動回路３３は、制
御信号Ｓ３が高レベルのとき、転流用スイッチ素子２３
をオン駆動する。

【００６４】サージ電圧吸収回路４は、図２に示すバリ
スタ４１や、図３に示すツェナーダイオード４２等のサ
ージ電圧吸収素子で構成できる。本実施例では、サージ
電圧吸収回路４は、転流用スイッチ素子２３と並列に接
続されるが、破線で示す如くチョークコイル２０と並列
に接続してもよく、またチョークコイル２０が二次巻線
を備えていれば、二次巻線と並列に接続してもよい。

【００６５】このように構成されたスイッチング電源装
置において、パルス幅変調回路３０から、駆動回路３１
に制御信号Ｓ１が出力されると、スイッチング変換回路
１のスイッチング素子１１は、直流電圧源Ｅから供給さ
れた直流電圧Ｖｉｎをスイッチングし、変圧器Ｔ１の二
次巻線Ｔ２に電圧を誘起する。制御信号Ｓ１は、絶縁結
合回路３４にも入力される。絶縁結合回路３４は、制御
信号Ｓ１と同期した、同相の制御信号Ｓ２を駆動回路３
２、および、信号反転回路３５に供給する。信号反転回
路３５は、制御信号Ｓ２の反転信号Ｓ５を出力し、チョ
ーク電流検出回路３６の出力と、ワイヤードオア接続さ
れ、制御信号Ｓ３を生成する。

【００６６】次に、図５を参照して、チョーク電流連続
領域における、図４に示すスイッチング電源装置の動作
と、各部の波形について説明する。時刻ｔ１で、スイッ
チング変換回路１のスイッチング素子１１のオン期間が
開始されると、制御信号Ｓ２（図５（ａ）参照）も時刻
ｔ１で高レベルとなり、制御信号Ｓ３は低レベルとなる
（図５（ｂ）参照）。このため、スイッチング変換回路
１のスイッチング素子１１のオンと同時に、時刻ｔ１
で、整流用スイッチ素子２２がオンとなり、転流用スイ
ッチ素子２３がオフとなる。整流用スイッチ素子２２
は、素子固有のスイッチング時間をもってオフからオン
に移行するため、整流用スイッチ素子２２のドレイン電
流は、時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけて立ち上がり、その
後、緩やかに増加するフォワード電流となる（図５
（ｅ）参照）。フォワード電流は、チョーク電流として
チョークコイル２０を介して流れ（図５（ｃ）参照）、
チョークコイル２０にエネルギーを蓄積するとともに、
コンデンサ２１を充電し、負荷にＬに直流電圧を供給す
る。時刻ｔ１から時刻ｔ２にかけての、整流用スイッチ
素子２２のスイッチング時間には、ダイオードＤ２３を
介して、フライホイール電流が減少しながら流れ、時刻
ｔ２で零となる（図５（ｆ）参照）。時刻ｔ２で、フラ
イホイール電流が零になると、整流用スイッチ素子２２
のドレイン・ソース間電圧が上昇し、時定数回路３６１
のコンデンサＣ１の充電が開始される（図５（ｉ）参
照）。

【００６７】時刻ｔ３に至り、スイッチング変換回路１
のスイッチング素子１１のオン期間が終了すると、制御
信号Ｓ２（図５（ａ）は同時に低レベルとなる。この
時、時定数回路３６１のコンデンサＣ１は、基準電圧３
６２の電圧より高い電圧に充電（図５（ｉ）参照）され
ており、チョーク電流検出回路３６のチョーク電流信号
Ｓ６は高レベルであり、制御信号Ｓ３は高レベルとなる
（図５（ｂ）参照）。

【００６８】このため、スイッチング変換回路１のスイ
ッチング素子１１のオフと同時に、時刻ｔ３で、整流用
スイッチ素子２２がオフ（図５（ｅ）参照）となり、転
流用スイッチ素子２３がオンとなる（図５（ｈ）参
照）。転流用スイッチ素子２３は、素子固有のスイッチ
ング時間をもってオフからオンに移行するため、転流用
スイッチ素子２３のドレイン電流は、時刻ｔ３から時刻
ｔ４にかけて立ち上がり、その後、緩やかに減少するフ
ライホイール電流となる（図５（ｇ）参照）。フライホ
イール電流は、チョークコイル２０を流れ、チョークコ
イル２０に蓄積されていたエネルギーを放出する（図５
（ｃ）参照）。時刻ｔ３から時刻ｔ４にかけての、転流
用スイッチ素子２３のスイッチング時間には、ダイオー
ドＤ２２を介して、フォワード電流が減少しながら流
れ、時刻ｔ４で零となる（図５（ｄ）参照）。

【００６９】時定数回路３６１のコンデンサＣ１は、時
刻ｔ３で転流用スイッチ素子２３がオンとなると同時に
放電を開始するが、コンデンサＣ１の電圧は、チョーク
電流連続の領域において、スイッチング素子１１の次の
オン期間が開始されるまで、基準電圧３６２の電圧を下
回ることはない（図５（ｉ）参照）。

【００７０】このため、チョーク電流連続の領域におい
ては、転流用スイッチ素子２３のオン期間が長く維持さ
れ、転流用スイッチ素子２３の内臓ダイオードや、並列
に接続されるダイオードＤ２３を介して流れるフライホ
イール電流を低減できるので、同期整流回路の利点が十
分生かされる。

【００７１】次に、図６を参照して、チョーク電流不連
続領域における、図４に示すスイッチング電源装置の動
作と、各部の波形について説明する。

【００７２】スイッチング変換回路１のスイッチング素
子１１のオン期間が開始されると、時刻ｔ１で、制御信
号Ｓ２も同時に高レベル（図６（ａ）参照）となり、制
御信号Ｓ３は低レベル（図６（ｂ）参照）となる。この
ため、スイッチング変換回路１のスイッチング素子１１
のオンと同時に、時刻ｔ１で、整流用スイッチ素子２２
がオン（図６（ｅ）参照）となる。転流用スイッチ素子
２３はオフを継続する（図６（ｇ）参照）。整流用スイ
ッチ素子２２のドレイン電流は、時刻ｔ１から所定の傾
斜をもって、零から緩やかに増加する（図６（ｅ）参
照）フォワード電流となる。フォワード電流は、チョー
ク電流としてチョークコイル２０を介して流れ（図６
（ｃ）参照）、チョークコイル２０にエネルギーを蓄積
するとともに、コンデンサ２１を充電（図６（ｉ）参
照）し、負荷にＬに直流電圧を供給する。

【００７３】他方、時刻ｔ１で整流用スイッチ素子２２
がオン（図６（ａ）参照）となると、整流用スイッチ素
子２３のドレイン・ソース間電圧が上昇し（図６（ｈ）
参照）、時定数回路３６１のコンデンサＣ１の充電が開
始される（図６（ｉ）参照）。

【００７４】チョーク電流不連続領域におけるスイッチ
ング素子１１のオン期間は、パルス幅変調回路３０のパ
ルス幅制御作用により、短時間で終了する。このため、
時定数回路３６１のコンデンサＣ１の充電は十分行われ
ないが、基準電圧３６２の電圧を上回る電圧まで充電さ
れる（図６（ｉ）参照）。

【００７５】時刻ｔ３に至り、スイッチング変換回路１
のスイッチング素子１１のオン期間が終了すると、制御
信号Ｓ２（図６（ａ））は同時に低レベルとなる。この
時、時定数回路３６１のコンデンサＣ１は、基準電圧３
６２の電圧より高い電圧に充電（図６（ｉ）参照）され
ており、チョーク電流検出回路３６のチョーク電流信号
Ｓ６は高レベル（図６（ｃ）参照）となるので、制御信
号Ｓ３は高レベルとなる（図６（ｂ）参照）。

【００７６】このため、スイッチング変換回路１のスイ
ッチング素子１１のオフと同時に、時刻ｔ３で、整流用
スイッチ素子２２がオフ（図６（ｅ）参照）となり、転
流用スイッチ素子２３がオン（図６（ｈ）参照）とな
る。転流用スイッチ素子２３は、素子固有のスイッチン
グ時間をもってオフからオンに移行するため、転流用ス
イッチ素子２３のドレイン電流は、時刻ｔ３から時刻ｔ
４にかけて立ち上がり、その後、零に向かって減少する
フライホイール電流となる（図６（ｇ）参照）。フライ
ホイール電流は、チョークコイル２０を流れ、チョーク
コイル２０に蓄積されていたエネルギーを放出する。時
刻ｔ３から時刻ｔ４にかけての、転流用スイッチ素子２
３のスイッチング時間には、ダイオードＤ２２を介し
て、フォワード電流が減少しながら流れ、時刻ｔ４で零
となる。

【００７７】時定数回路３６１のコンデンサＣ１は、時
刻ｔ３で転流用スイッチ素子２３がオンとなると同時に
放電を開始する。

【００７８】チョーク電流不連続の領域では、コンデン
サＣ１の充電は短時間で終了する。したがって、コンデ
ンサＣ１の電圧は、チョーク電流連続の領域と比較し、
短時間で基準電圧３６２の電圧を下回る。本実施例のス
イッチング電源装置は、チョーク電流が零となる時刻ｔ
６以降で、その近傍の時刻ｔ７で、コンデンサＣ１の電
圧が基準電圧３６２の電圧を下回るように設定してあ
る。

【００７９】時刻ｔ６で、チョークコイルがエネルギー
の放出を完了し、チョーク電流が零となる（図６（ｃ）
参照）。この時、転流用スイッチ素子２３はオンであ
る。チョークコイルは転流用スイッチ素子２３を介し
て、逆方向に電流を流し始めエネルギーを蓄積する。時
刻ｔ７に至り、コンデンサＣ１の電圧が基準電圧３６２
の電圧を下回ると、チョーク電流検出回路３６から出力
されるチョーク電流信号Ｓ６が低レベルとなる。このた
め、制御信号Ｓ３は低レベルとなり、転流用スイッチ素
子２３がオフする。転流用スイッチ素子２３がオフする
と、チョークコイルに流れていた逆方向電流は行き場を
失い、そのエネルギーで転流用スイッチ素子２３のドレ
イン・ソース間にサージ電圧を発生する。サージ電圧
は、破線で示すごとく大きなサージ電圧になろうとする
が、サージ電圧吸収回路４で設定した吸収特性で吸収さ
れ、実線でしめすごとく、転流用スイッチ素子２３の耐
電圧以下に抑制される。

【００８０】本実施例のスイッチング電源装置では、チ
ョーク電流が零となってから、転流用スイッチ素子２３
がオフするため、転流用スイッチ素子２３の内臓ダイオ
ードや、並列に接続されるダイオードＤ２３を介して流
れるフライホイール電流を無くすことができるので、同
期整流回路の利点が十分生かされる。

【００８１】本実施例では、転流用スイッチ素子２３が
オフするタイミングを、チョーク電流が零となった以降
としたが、設計上、チョーク電流が零となった時、ある
いはその近傍で、零となる以前に転流用スイッチ素子２
３がオフする構成とすることもできる。この場合、転流
用スイッチ素子２３のスイッチング時間のばらつきや、
負荷条件によって、転流用スイッチ素子２３がオフする
タイミングが前後するが、転流用スイッチ素子２３の内
臓ダイオードや、並列に接続されるダイオードＤ２３を
介して流れるフライホイール電流を抑制できるので、同
期整流回路の利点を生かすことができる。

【００８２】図７は、本発明に係るスイッチング電源装
置の更に別の実施例を示す電気回路図である。図におい
て、前図と同一参照符号は同一構成部分を示しており、
参照符号３８は遅延回路、５は補助電源回路である。

【００８３】本実施例は、図４に図示した実施例に用い
ることができる補助電源回路の構成を開示するととも
に、スイッチング変換回路１のスイッチング素子１１を
遅延回路３８を介して駆動することを特徴とし、特に、
降圧型のスイッチング電源装置に好適に用いることがで
きる例を示している。

【００８４】本実施例のスイッチング電源装置は、スイ
ッチング変換回路１と、整流平滑回路２と、制御回路３
と、サージ電圧吸収回路４と、補助電源回路５とを含
む。

【００８５】スイッチング変換回路１の構成は、図４に
図示した実施例と同様であるので、説明を省略する。整
流平滑回路２は、チョークコイル２０に二次巻線２０２
を有する。その他の構成は、図４に図示した実施例と同
様である。

【００８６】制御回路３はパルス幅変調回路３０と、ス
イッチング素子１１の駆動回路３１と、整流用スイッチ
素子２２の駆動回路３２と、転流用スイッチ素子２３の
駆動回路３３と、絶縁結合回路３４と、反転回路３５
と、チョーク電流検出回路３６と、更に、本実施例の特
徴である遅延回路３８とを含んで構成される。

【００８７】遅延回路３８は、パルス幅変調回路３０と
スイッチング素子１１の駆動回路３１との間に配置され
る。絶縁結合回路３４は、パルストランスで構成され
る。このため、パルス幅変調回路３０から出力される制
御信号Ｓ１は遅延回路３８を介して駆動回路３１に出力
され、絶縁結合回路３４には直接出力される。

【００８８】絶縁結合回路３４を構成するパルストラン
スの出力は、図４に図示した実施例と同様、制御信号Ｓ
１と同期した、同相の制御信号Ｓ２を駆動回路３２と、
信号反転回路３５とに出力するが、さらに、補助電源回
路５に接続される。制御回路３のその他の部分は図２に
図示した実施例と同様であり、説明を省略する。

【００８９】サージ電圧吸収回路４は、図２に示すバリ
スタ４１や、図３に示すツェナーダイオード４２等のサ
ージ電圧吸収素子で構成できる。本実施例では、サージ
電圧吸収回路４は、チョークコイル２０に磁気結合した
二次巻線２０２と並列に接続されるが、チョークコイル
２０または転流用スイッチ素子２３と並列に接続しても
よい。

【００９０】補助電源回路５は、絶縁結合回路３４を構
成するパルストランスの二次巻線３４２に接続された整
流平滑回路５１と、チョークコイル２０に磁気結合した
二次巻線２０２に接続されるダイオードＤ５５とで構成
される。整流平滑回路５１は、ダイオード５３とコンデ
ンサ５４とを含み、ダイオード５３とコンデンサ５４と
の接続点が、チョークコイル２０の二次巻線２０２に接
続されるダイオードＤ５５とオア接続される。

【００９１】このように構成されたスイッチング電源装
置において、パルス幅変調回路３０から、遅延回路３８
と、絶縁結合回路３４とに制御信号Ｓ１が出力される
と、スイッチング変換回路１のスイッチング素子１１
は、転流用スイッチ素子２３より遅れてオン信号が供給
される。

【００９２】降圧型のスイッチング電源装置は一次側の
電流が二次側の電流より小さい。現在、この種のスイッ
チング電源装置のスイッチング素子として、好適に用い
られている電界効果トランジスタは、一般的に、小電流
用が大電流用よりスイッチング時間が短い。このため、
その、スイッチング時間が短い分、遅延回路３８により
制御信号Ｓ１を遅らせば、スイッチング変換回路１のス
イッチング素子１１と、整流用スイッチ素子２２のオン
期間を同期させることができる。

【００９３】補助電源回路５は、絶縁結合回路３４を構
成するパルストランスの二次巻線３４２を介して供給さ
れる制御信号Ｓ１を整流平滑回路５１により整流平滑す
る。さらに、チョークコイル２０に磁気結合した二次巻
線２０２に誘起した電圧を整流平滑してコンデンサ５４
の両端に直流電圧を出力する。直流電圧は、駆動回路３
２、駆動回路３３、反転回路３５等の動作用電源とな
る。補助電源回路５は、パルストランスの二次巻線３４
２、チョークコイル２０に磁気結合した二次巻線２０２
から供給される電圧のうち、何れか一方のみを用いても
構成できる。

【００９４】本実施例のスイッチング電源装置のその他
の動作、および各部の波形は図６、図７を用いた説明と
同様であり、転流用スイッチ素子２３の内臓ダイオード
や、並列に接続されるダイオードＤ２３を介して流れる
フライホイール電流を抑制できるので、同期整流回路の
利点を生かすことができる。また、チョークコイル２０
により発生するサージ電圧から転流用スイッチ素子２３
を保護でき、損失の少ないスイッチング電源装置とする
ことができる。

【００９５】以上、本発明の実施例を参照して、本発明
の内容を具体的に説明したが、当業者であれば本発明の
基本的技術思想および教示に基づいて種々の変形を行う
ことができることは自明である。

【００９６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば次の
ような効果を得ることができる。（ａ）チョーク電流不連続領域で、チョークコイルによ
り発生するサージ電圧から転流用スイッチ素子を保護で
きる同期整流方式のスイッチング電源装置を提供するこ
とができる。（ｂ）転流用スイッチ素子の内臓ダイオード、あるいは
転流用スイッチ素子に並列に設けられたダイオードを介
して流れるフライホイール電流を低減した、損失の少な
い同期整流方式のスイッチング電源装置を提供すること
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装置の一実施例
を概略的に説明するブロック図である。

【図２】サージ電圧吸収回路の一例を示す回路図であ
る。

【図３】サージ電圧吸収回路の一例を示す回路図であ
る。

【図４】本発明に係るスイッチング電源装置の別の実施
例を示す電気回路図である。

【図５】図４に図示した実施例の各部の波形図である。

【図６】図４に図示した実施例の各部の波形図である。

【図７】本発明に係るスイッチング電源装置の更に別の
実施例を示す電気回路図である。

【符号の説明】

１スイッチング変換回路１１スイッチング素子２整流平滑回路２０チョークコイル２２コンデンサ２２整流用スイッチ素子２３転流用スイッチ素子３制御回路４サージ電圧吸収回路４１バリスタ４２ツェナーダイオード４３ダイオードＶｉｎ直流電圧Ｔ２二次巻線

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 5H006 AA05 CA02 CA07 CA12 CA13 CB03 CB07 CC02 CC08 DA04 DB02 DC05 5H730 AA20 AS01 BB23 BB57 DD04 DD26 DD32 EE02 EE08 EE13 EE19 EE58 EE59 FD01 FD38 FF18 FG01 XX12 XX26 XX32 XX47

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スイッチング変換回路と、整流平滑回路
と、制御回路と、サージ電圧吸収回路とを含むスイッチ
ング電源装置であって、前記スイッチング変換回路は、少なくとも一つのスイッ
チング素子を含み、供給された直流電圧をスイッチング
し、前記整流平滑回路は、チョークコイルと、コンデンサ
と、制御電極を有する転流用スイッチ素子とを含み、前
記スイッチング変換回路から出力されるスイッチング出
力を整流平滑して出力し、前記チョークコイルは、前記スイッチング素子のオン期
間にエネルギーを蓄え、前記転流用スイッチ素子は、前記スイッチング素子のオ
フ期間にオン期間を有し、前記チョークコイルに蓄えら
れていたエネルギーを前記転流用スイッチ素子のオン期
間に放出し、前記制御回路は、チョーク電流不連続時に、チョーク電
流が零となるタイミングの近傍で、前記転流用スイッチ
素子のオン期間が終了してオフとなるように制御し、前記サージ電圧吸収回路は、前記整流平滑回路に備えら
れ、前記転流用スイッチ素子のオフの遅れで生じる逆電
流に起因して、前記チョークコイルに発生するサージ電
圧を吸収するスイッチング電源装置。
【請求項２】請求項１に記載されたスイッチング電源
装置であって、前記制御回路は、前記チョーク電流不連続時に、チョー
ク電流が零となった以降に、前記転流用スイッチ素子が
オフとなるように制御するスイッチング電源装置。
【請求項３】請求項１または２のいずれかに記載され
たスイッチング電源装置であって、前記サージ電圧吸収回路は、前記転流用スイッチ素子と
並列に接続されているスイッチング電源装置。
【請求項４】請求項１または２のいずれかに記載され
たスイッチング電源装置であって、前記サージ電圧吸収回路は、前記チョークコイルと並列
に接続されているスイッチング電源装置。
【請求項５】請求項１または２のいずれかに記載され
たスイッチング電源装置であって、前記チョークコイルは、二次巻線含み、前記サージ電圧
吸収回路は、前記二次巻線と並列に接続されているスイ
ッチング電源装置。
【請求項６】請求項１乃至５の何れかに記載されたス
イッチング電源装置であって、前記サージ電圧吸収回路は、ダイオードとツェナーダイ
オードとの直列回路で構成されるスイッチング電源装
置。
【請求項７】請求項１乃至５の何れかに記載されたス
イッチング電源装置であって、前記サージ電圧吸収回路は、バリスタで構成されるスイ
ッチング電源装置。