JP2004147404A

JP2004147404A - 同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路

Info

Publication number: JP2004147404A
Application number: JP2002308147A
Authority: JP
Inventors: Takamasa Sakai; 酒井　隆正
Original assignee: Cosel Co Ltd
Current assignee: Cosel Co Ltd
Priority date: 2002-10-23
Filing date: 2002-10-23
Publication date: 2004-05-20

Abstract

【課題】転流用半導体スイッチ素子を常に素速くターンオンさせることができる同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路を提供する。
【解決手段】主スイッチ素子４を駆動する制御回路２と、主スイッチ素子４のオン・オフに同期して主トランス３を介して電流を流す整流用半導体スイッチ素子５と転流用半導体スイッチ素子６とを備える。転流用半導体スイッチ素子６のゲート回路には、主トランス３のサブ巻線３ｃの一端が接続され、他端はダイオード１２等のインピーダンス素子とコンデンサ１３からなる直列回路の中点に接続されている。ダイオード１２のアノードは、主トランス３の二次巻線３ｂのドットを付した側の端子に接続され、カソードがコンデンサ１３の一端に接続されている。コンデンサ１３の他端は、整流用半導体スイッチ素子５のソースに接続されている。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流入力電圧を所望の直流電圧に変換し電子機器に供給するスイッチング電源であって、同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
【特許文献１】公報２０００−３５０４４６号公報
従来の同期整流方式の整流回路を備えたフォワードコンバータの基本的な回路構成は、特許文献１や図３に示すように、主トランス３の一次巻線３ａ側に直流入力電源１とＦＥＴ等の主スイッチ素子４より成る直列回路が接続されている。主スイッチ素子４のドレインには、一次巻線３ａのドットのない側の端子が接続され、ソースが直流入力電源１のマイナス側に接続されている。また、主スイッチ素子４のゲートには、主スイッチ素子４を所定の周期で駆動する制御回路２の出力端子が接続されている。
【０００３】
主トランス３の二次巻線３ｂ側には、整流用半導体スイッチ素子５、転流用半導体スイッチ素子６より成る同期整流回路を備え、整流用半導体スイッチ素子５のドレインが二次巻線３ｂのドットのない側の端子に接続され、ソースが転流用半導体スイッチ素子６のソースに接続されている。転流用半導体スイッチ素子６のドレインは、二次巻線３ｂのドットを付した側の端子に接続されている。
【０００４】
整流用半導体スイッチ素子５のゲートは、二次巻線３ｂのドットのある側の端子が接続され、転流用半導体スイッチ素子６のゲートは、二次巻線３ｂのドットのない側の端子に、ダイオード１０を介して接続されている。ダイオード１０はアノードが二次巻線３ｂのドットのない側の端子に接続され、カソードが転流用半導体スイッチ素子６のゲートに接続している。そして、転流用半導体スイッチ素子６のドレイン−ソース間に、チョークコイル７と出力コンデンサ８から成る出力平滑回路が接続されている。出力コンデンサ８の両端には、出力端子１４を介して外部の負荷９が接続されている。転流用半導体スイッチ素子６のゲート−ソース間には、外部の制御手段によりオン−オフし、ゲート電荷を放電して転流用半導体スイッチ素子６をターンオフするスイッチ素子１１が設けられている。
【０００５】
この従来の同期整流回路の動作は、図４に示すように、制御回路２の出力がハイ（以下Ｈと称す）になり、主スイッチ素子４がターンオンすると、主トランス３の二次巻線３ｂには、そのドットのある側がプラスの極性で電圧が発生し、整流用半導体スイッチ素子５のゲートに電圧が印加され、整流用半導体スイッチ素子５がオンする。このとき転流用半導体スイッチ素子はオフ６している。
【０００６】
次に、制御回路２の出力信号がＨからロウ（以下Ｌと称す）に変化すると、主スイッチ素子４はターンオフして主トランス３の二次巻線３ｂには、ドットのある側がマイナスになる極性で逆起電圧が生じ、整流用半導体スイッチ素子５のゲート電圧が低下して整流用半導体スイッチ素子５がターンオフする。これとともに、転流用半導体スイッチ素子６のゲートに上記逆起電圧が印加され、転流用半導体スイッチ素子６がオンになる。この後、スイッチ素子１１がオンし、転流用半導体スイッチ素子６のゲート電圧がＬになり、その直後に制御回路２の出力信号がＨになると、主スイッチ素子４がオンする。以上の動作を繰り返して整流動作を行い、チョークコイル７と出力コンデンサ８から成る出力平滑回路に電力が供給され、出力コンデンサ８から直流出力が得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
図３に示す同期整流回路の場合、このスイッチング電源の負荷が重く、主トランス３の漏れインダクタンスも大きい場合には、トランス二次巻線３ｂに大きなスパイク電圧が発生するため、転流用半導体スイッチ素子６のゲート電圧は素早く立ち上り、転流用半導体スイッチ素子６が速やかにターンオンする。しかしながら、このスイッチング電源の負荷が軽い場合や、主トランス３の漏れインダクタンスが小さい場合にはトランス二次巻線３ｂに十分なスパイク電圧が発生しないため、図４に示すように、転流用半導体スイッチ素子６のゲート電圧の立ち上りが緩やかになり、転流用半導体スイッチ素子６のターンオンが遅れて電源効率が低下するという問題があった。
【０００８】
この発明は、上記の従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、転流用半導体スイッチ素子を常に素速くターンオンさせることができる同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、主スイッチ素子を駆動する制御回路と、上記主スイッチ素子のオン・オフに同期して主トランスを介して電流を流す整流用半導体スイッチ素子と転流用半導体スイッチ素子とを備えた同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路である。そして、上記転流用半導体スイッチ素子には、その制御端子に対して順方向に接続されたダイオード等を含むゲート回路を介して、上記主トランスのサブ巻線の一端が接続され、このサブ巻線の他端は他のダイオードや抵抗等のインピーダンス素子とコンデンサとからなる直列回路の中点に接続され、上記他のダイオードのアノードは、上記主トランスの二次巻線のドットを付した側の端子に接続され、カソードが上記コンデンサの一端に接続され、上記コンデンサの他端が上記整流用半導体スイッチ素子のソースに接続されている同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路である。
【００１０】
この発明の同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路は、主スイッチ素子がオンしている期間に主トランスの二次巻線電圧によって上記コンデンサが充電され、主スイッチ素子のターンオフ時に、上記コンデンサの電圧に上記主トランスのサブ巻線電圧を上乗せした電圧によって、上記転流用半導体スイッチ素子のゲート回路を駆動しそのスイッチ素子をターンオンさせるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。図１は、この発明の一実施形態の同期整流式フォワードコンバータ回路を示す。ここで、図３の回路と同様の構成は同一の符号を付して説明する。この実施形態は、主トランス３の一次巻線３ａ側には、直流入力電源１とＭＯＳ―ＦＥＴの主スイッチ素子４より成る直列回路が接続されている。主スイッチ素子４のドレインに一次巻線３ａのドットのない側の端子が接続され、ソースが直流入力電源１のマイナス側に接続されている。また、主スイッチ素子４の制御端子であるゲートには、主スイッチ素子４を所定の周期で駆動する制御信号を出力する制御回路２の出力端子が接続されている。
【００１２】
主トランス３の二次巻線３ｂ側には、ＭＯＳ−ＦＥＴの整流用半導体スイッチ素子５と、ＭＯＳ−ＦＥＴの転流用半導体スイッチ素子６より成る同期整流回路を備え、整流用半導体スイッチ素子５のドレインが二次巻線３ｂのドットのない側の端子に接続され、ソースが転流用半導体スイッチ素子６のソースに接続されている。整流用半導体スイッチ素子５の制御端子であるゲートは、主トランス３の二次巻線３ａのドットを付した側に接続されている。転流用半導体スイッチ素子６のドレインは、主トランス３の二次巻線３ｂのドットを付した側の端子に接続されている。
【００１３】
転流用半導体スイッチ素子６のドレイン−ソース間には、チョークコイル７と出力コンデンサ８から成る出力平滑回路が接続されている。出力コンデンサ８の両端は出力端子１４に接続され、出力端子１４に外部の負荷９が接続されている。転流用半導体スイッチ素子６のゲート−ソース間には、外部の制御手段によりオン−オフし、ゲート電荷を放電して転流用半導体スイッチ素子６をターンオフするＦＥＴ等のスイッチ素子１１が設けられている。
【００１４】
転流用半導体スイッチ素子６の制御端子であるゲートには、ゲート回路であるダイオード１０のカソードが接続され、ダイオード１０のアノードが主トランス３のサブ巻線３ｃのドットを付してない側の端子に接続されている。サブ巻線３ｃのドットを付した側の端子は、ダイオード１２とコンデンサ１３からなる直列回路の中点に接続されている。ダイオード１２のアノードは、二次巻線３ｂのドットを付した側の端子に接続され、カソードがコンデンサ１３の一端に接続されている。また、コンデンサ１３の他端が整流用半導体スイッチ素子５のソースに接続されている。ダイオード１２は他の抵抗等のインピーだダンス素子に置き換えても良い。
【００１５】
この実施形態の同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路の動作は、図２に示すように、制御回路２の出力端子からの制御信号がＬからＨに変化し、主スイッチ素子４がターンオンすると、主トランス３の二次巻線３ｂのドットを付した側がプラスの極性で電圧が発生し、整流用半導体スイッチ素子５のゲートにその電圧が印加され、整流用半導体スイッチ素子５がオンする。このとき、転流用半導体スイッチ素子６はオフしており、コンデンサ１３は主トランス３の二次巻線３ｂの電圧とほぼ同じ電圧まで充電される。主トランス３の二次巻線３ｂとサブ巻線３ｃの巻数が等しいとすると、サブ巻線３ｃのドットを付していない一端（ダイオード１０のアノード端子）に発生する電圧は、ほぼゼロになる。また、転流用半導体スイッチ素子６のゲート−ソース間には電圧が印加されない。
【００１６】
この後、制御回路２の出力信号がＨからＬに変化すると、主スイッチ素子４がターンオフし、主トランス３の二次巻線３ｂのドットを付した側が、マイナスになる極性で逆起電圧が生じる。その瞬間にサブ巻線３ｃに発生する電圧は、一旦ゼロとなるが、コンデンサ１３には主スイッチ素子４がオンの期間に充電された電圧が保持されているため、図２に示すように、ダイオード１０を介して転流用半導体スイッチ素子６のゲートにプラスの電圧が印加され、転流用半導体スイッチ素子６は素早くターンオンする。さらに、主スイッチ素子４のターンオフによりサブ巻線３ｃのドットを付してない側の端子が高電位となり、サブ巻線３ｃの電圧がコンデンサ１３の電圧に加算され、転流用半導体スイッチ素子６のゲートに印加される。同時に、整流用半導体スイッチ素子５のゲート電圧は低下して整流用半導体スイッチ素子５はターンオフする。
【００１７】
この後、スイッチ素子１１がオンすると、転流用半導体スイッチ素子６のゲート電荷が放電され、転流用半導体スイッチ素子６がターンオフし、その直後に制御回路２の出力がＨになり、主スイッチ４がターンオンして整流用半導体スイッチ素子５もターンオンする。以後これを繰り返し、チョークコイル７と出力コンデンサ８から成る出力平滑回路に電力が供給され、出力コンデンサ８を経て直流出力が得られる。
【００１８】
この実施形態の同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路は、電源の負荷が軽い場合や、漏れインダクタンスの小さい主トランス３を用いた場合であっても、転流用半導体スイッチ素子６のターンオンに際して、そのゲートにコンデンサ１３による電圧を印加することができ、素早く立ち上げることができ、スイッチング周波数を高くすることができ、効率の高い同期整流式フォワードコンバータを構成することができる。
【００１９】
なお、本発明は同期整流型フォワードコンバータの回路であれば良く、各種スイッチ素子や制御回路の種類は問わない。例えば、転流用半導体スイッチ素子のゲート回路は、ダイオードや半導体スイッチ素子等でも良く、ゲート駆動用のバッファ回路であっても良い。またダイオード１２等のインピーダンス素子は、ゲート駆動用のバッファ回路に接続された抵抗であっても良い。
【００２０】
【発明の効果】
この発明の同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路は、転流用半導体スイッチ素子の制御端子にかかる電圧を素速く立ち上げることができ、高周波化が可能であり、効率の高い同期整流式フォワードコンバータを構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の一実施形態の同期整流式フォワードコンバータ回路を示す概略図である。
【図２】この実施形態の同期整流回路の動作を示すタイミングチャートである。
【図３】従来の同期整流式フォワードコンバータ回路を示す概略図である。
【図４】従来の同期整流回路の動作を示すタイミングチャートである。
【符号の説明】
１　直流入力電源
２　制御回路
３　主トランス
３ｃ　サブ巻線
４　主スイッチ素子
５　整流用半導体スイッチ素子
６　転流用半導体スイッチ素子
７　チョークコイル
８　出力コンデンサ
９　負荷
１０，１２　　　　ダイオード
１３　コンデンサ

Claims

主スイッチ素子を駆動する制御回路と、上記主スイッチ素子のオン・オフに同期して主トランスを介して電流を流す整流用半導体スイッチ素子と転流用半導体スイッチ素子とを備えた同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路において、上記転流用半導体スイッチ素子のゲート回路には上記主トランスのサブ巻線の一端が接続され、このサブ巻線の他端はインピーダンス素子とコンデンサからなる直列回路の中点に接続され、上記インピーダンス素子の一端が上記主トランスの二次巻線のドットを付した側に接続され、他端は上記コンデンサの一端に接続され、上記コンデンサの他端が上記整流用半導体スイッチ素子のソースに接続されていることを特徴とする同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路。
上記転流用半導体スイッチ素子のゲート回路は、上記転流用半導体スイッチ素子の制御端子に対して順方向に接続されたダイオードを含むことを特徴とする請求項１記載の同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路。
上記インピーダンス素子はダイオードであり、上記ダイオードのアノードは上記主トランスの二次巻線のドットを付した側に接続され、カソードが上記コンデンサの一端に接続されていることを特徴とする請求項１記載の同期整流式フォワードコンバータのドライブ回路。