JP2005086926A

JP2005086926A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2005086926A
Application number: JP2003317850A
Authority: JP
Inventors: Hisaichi Murayama; 寿市村山
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2003-09-10
Filing date: 2003-09-10
Publication date: 2005-03-31

Abstract

【課題】簡単な構成でありながら、デッドアングルを小さくして出力電圧に十分な余裕度をもたせる。
【解決手段】スイッチング素子５がターンオフして、トランス３の二次巻線６に発生するパルス電圧が反転すると、整流ダイオード７のリカバリー電流が低インピーダンス側のバイパス回路２３を通して流れる。バイパス回路２３はスイッチ素子を用いず、抵抗２１とダイオード２２だけで構成されるので、スイッチ素子のタイミング遅れなどが生じない。そのため、整流ダイオード７が速やかに逆バイアス状態になって、リカバリータイムの低減も図れる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マグアンプを利用して出力電圧の安定化を図るスイッチング電源装置に関する。

一般に、可飽和リアクトルであるマグアンプを用いて出力電圧の安定化を図るスイッチング電源装置としては、例えば、図３に示すような回路構成が知られている（特許文献１、特許文献２参照）。同図において、１，２は直流入力電圧Ｖinが供給される入力端子、３は一次側と二次側とを絶縁するトランスで、入力端子１，２間にはトランス３の一次巻線４とスイッチング素子５との直列回路が接続される。スイッチング素子５としては、一般にＭＯＳＦＥＴが使用されているが、他の半導体素子でも適用できる。このスイッチング素子５のゲートには発振器（図示しない）からのパルス駆動電圧が供給され、トランス３の一次巻線４に直流入力電圧Ｖinが断続的に印加されることにより、二次巻線６に電圧が誘起される。そして、二次巻線６に発生するパルス電圧が、整流ダイオード７，転流ダイオード８，チョークコイル９およびコンデンサ１０からなる整流平滑回路１５で整流平滑され、コンデンサ１０の両端間に接続した出力端子１１，１２間に直流出力電圧Ｖｏとして供給される構成となっている。

前記整流平滑回路１５は、二次巻線６の両端間に整流ダイオード７と、チョークコイル９と、コンデンサ１０からなる直列回路を接続し、コンデンサ１０と二次巻線６との接続点と、整流ダイオード７とチョークコイル９との接続点に、転流ダイオード８のアノードとカソードをそれぞれ接続して構成され、スイッチング素子５のオン期間において、整流ダイオード７の導通時には、トランス３の二次巻線６からチョークコイル９にエネルギーを蓄え、スイッチング素子５のオフ期間において、転流ダイオード８の導通時には、チョークコイル９に蓄えられたエネルギーをコンデンサ１０側に送り出すようになっている。またこの回路では、出力電圧Ｖｏを所定の電圧に維持するように制御するために、トランス３の二次巻線６と整流ダイオード７との間に介挿されるマグアンプ２０と、ダイオード１４を介してマグアンプ２０に出力電圧Ｖｏの変動分に応じたリセット信号を供給する制御手段としての誤差検出回路１３とを備えている。すなわち、誤差検出回路１３が出力端子１１，１２間の出力電圧Ｖｏと所定の電圧に対応する基準電圧との誤差分を検出し、この検出結果に応じたリセット信号をマグアンプ２０にフィードバックすることで、マグアンプ２０をあたかもスイッチング素子５のオン，オフと同様に作用させて、出力電圧Ｖｏの安定化を図っている。

マグアンプ２０は、可飽和リアクトルとも呼ばれるもので、図４（ａ）に示すように、磁界Ｈがある値を超えると磁束密度Ｂが急激に飽和するようなＢ−Ｈヒステリシス特性を有するコアに、コイルを巻いた構造である。

マグアンプ２０の動作を図４に示す。図４（ａ）はコアの励磁状態を示し、図４（ｂ）はマグアンプ２０を流れる電流波形を示している。スイッチング素子５がターンオンして、二次巻線６のドット側端子に正極性のパルス電圧が誘起されるａからｂの時点では、マグアンプ２０の透磁率ひいてはインダクタンスが大きいので、マグアンプ２０から整流ダイオード７の方向に保持電流だけが流れるが、マグアンプ２０の磁束密度Ｂが飽和点ｂに達すると、インダクタンスが小さくなるセット状態になり、トランス２からの電流がマグアンプ２０を通過してｃ点に達する。

やがてスイッチング素子５がターンオフし、前記パルス電圧が誘起されなくなると、磁界Ｈがなくなるのでｄ点に達する。ここで、マグアンプ２０に逆方向の電流を流せば、保持されている磁束密度が低下してｅ点に来る。ｄ点からｅ点に移行するには、マグアンプ２０をリセット状態にするためのリセット電流を誤差検出回路１３に与える必要があるが、このリセット電流が大きいほど保持される磁束密度が低下し、ついには逆方向に励磁されることもある。次のパルス電圧が印加されるサイクルは、ａ点から励磁が始まるので、磁束密度が飽和するｂ点に達するまでの時間が、ｅ点の位置で決まる。すなわち、図４（ｂ）に示すように、区間αにおける電圧時間積と、区間βにおける電圧時間積は等しく、ｅ点が下に来るほどｂ点に達するまでの時間が長くなり、マグアンプ２０を流れるパルス電流の幅が狭くなる。マグアンプ制御方式では、上記のマグアンプ２０への逆方向電流の量を誤差検出回路１３からのフィードバックで与えることにより、出力電圧を所定の電圧に維持するように制御している。
特開２０００−９１１３７号公報特開昭６１−１０９４５９号公報

上述したマグアンプ制御方式のスイッチング電源装置では、スイッチング素子５のスイッチングに伴なって、トランス３の二次巻線６にパルス電圧が誘起されるが、スイッチング素子５がターンオフする瞬間、すなわち整流ダイオード７にかかる電圧が正方向から逆方向に反転するときに、整流ダイオード７の特性として瞬間的に逆方向に導通するリカバリータイム（逆回復時間）Ｔrrがあり、その間リカバリーの逆電流が発生する。このリカバリー電流がマグアンプ２０へのリセット電流と同等な働きをして、次のサイクルでのパルス幅を狭くするデッドアングルとなる。

特に従来の回路構成では、二次巻線６間に発生する電圧が反転しても、マグアンプ２０のインピーダンスが高く、整流ダイオード７のアノードとカソード間の電位差が殆どないため、整流ダイオード７は所謂ゼロバイアス状態となって、整流ダイオード７に蓄積されたキャリアが放出するまでのリカバリータイムＴrrが長くなる。こうなると、マグアンプ２０にリカバリー電流が流れ込んでいる時間が延びてデッドアングルが増大し、出力電圧Ｖｏが低下するので、出力電圧Ｖｏの可変範囲が狭まるとともに電圧制御の余裕も小さくなる。特に負荷が大きく変動する場合には、出力電圧Ｖｏの余裕度が小さいと出力電圧Ｖｏが不安定になってしまうという問題がある。また、スイッチング周波数を高くしてトランス３を小型化しようとすると、デッドアングルの比率が高まって出力電圧Ｖｏの余裕度が小さくなるという問題があった。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、簡単な構成でありながら、デッドアングルを小さくして出力電圧に十分な余裕度をもたせることができるスイッチング電源装置を提供することをその目的とする。

本発明の請求項１におけるスイッチング電源装置は、上記目的を達成するために、スイッチング素子のオン，オフ動作により、トランスの二次巻線に発生したパルス電圧を整流平滑回路で整流平滑して直流出力電圧を供給すると共に、前記整流平滑回路は、少なくとも前記スイッチング素子のオン期間中に整流ダイオードが導通するように構成され、さらに前記トランスの二次巻線と前記整流ダイオードとの間に介挿する可飽和リアクトルと、この可飽和リアクトルに供給するリセット電流を可変して、前記直流出力電圧を安定制御する制御手段とを備えたスイッチング電源装置において、前記スイッチング素子のターンオフ時に前記整流ダイオードが逆バイアス状態となるように、抵抗とダイオードとを直列接続してなるバイパス回路を、前記可飽和リアクトルの両端間に接続したものである。

このようにすると、スイッチング素子がターンオフして、トランスの二次巻線に発生するパルス電圧が反転すると、整流ダイオードのリカバリー電流が低インピーダンス側のバイパス回路を通して流れる。しかも、バイパス回路はスイッチ素子を用いず、抵抗とダイオードだけで構成され、スイッチ素子のタイミング遅れなどが生じないので、整流ダイオードが速やかに逆バイアス状態になって、リカバリータイムの低減も図れる。したがって、スイッチング素子がターンオフした直後のデッドアングルを小さくして、出力電圧に十分な余裕度をもたせることができる。

また、バイパス回路を構成するダイオードは、スイッチング素子のオン期間中に、トランスの二次巻線からバイパス回路の抵抗を通って整流平滑回路に流れようとする電流を遮断する。そのため、バイパス回路の抵抗による不必要な電力損失を避けることができる。

本発明の請求項２におけるスイッチング電源装置は、上記目的を達成するために、スイッチング素子のオン，オフ動作により、トランスの二次巻線に発生したパルス電圧を整流平滑回路で整流平滑して直流出力電圧を供給すると共に、前記整流平滑回路は、少なくとも前記スイッチング素子のオン期間中に整流ダイオードが導通して、チョークコイルにエネルギーを蓄えるように構成され、さらに前記トランスの二次巻線と前記整流ダイオードとの間に介挿する可飽和リアクトルと、この可飽和リアクトルに供給するリセット電流を可変して、前記直流出力電圧を安定制御する制御手段とを備えたスイッチング電源装置において、前記スイッチング素子のターンオフ時に前記整流ダイオードが逆バイアス状態となるように、抵抗からなるバイパス回路を前記可飽和リアクトルの両端間に接続したものである。

このようにすると、スイッチング素子がターンオフして、トランスの二次巻線に発生するパルス電圧が反転すると、整流ダイオードのリカバリー電流が低インピーダンス側のバイパス回路を通して流れる。しかもバイパス回路は、スイッチ素子を用いず抵抗だけで極めて簡単に構成され、スイッチ素子のタイミング遅れなどが生じないので、整流ダイオードが速やかに逆バイアス状態になって、リカバリータイムの低減も図れる。したがって、スイッチング素子がターンオフした直後のデッドアングルを小さくして、出力電圧に十分な余裕度をもたせることができる。

本発明の請求項１のスイッチング電源装置によれば、抵抗とダイオードを付加しただけの簡単な構成でありながら、整流ダイオードのリカバリー電流に起因したデッドアングルを小さくして、出力電圧に十分な余裕度を持たせることができる。さらに、バイパス回路の抵抗による不必要な電力損失を避けることができる。

本発明の請求項２のスイッチング電源装置によれば、抵抗を付加しただけのさらに簡単な構成でありながら、整流ダイオードのリカバリー電流に起因したデッドアングルを小さくして、出力電圧に十分な余裕度を持たせることができる。

以下、本発明におけるマグアンプ制御方式のスイッチング電源装置の好ましい実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施例において、従来例と同一部分には同一符号を付し、その共通する箇所の説明は重複するため省略する。

装置の回路図を示す図１において、トランス３の二次巻線６と整流ダイオード７との間に可飽和リアクトルとしてのマグアンプ２０を介挿し、このマグアンプ２０を飽和させるリセット量（リセット電流）を制御手段である誤差検出回路１３により可変して、直流出力電圧Ｖｏを安定制御する構成は従来例のものと一致している。ここでは、スイッチング素子５のターンオフ時に、整流ダイオード７からのリカバリー電流がマグアンプ２０をバイパスしてトランス３の二次巻線６側に流れて、整流ダイオード７が強制的に逆バイアス状態となるように、抵抗２１とダイオード２２との直列回路として構成されるバイパス回路２３を、マグアンプ２０の両端間に接続している。なお、それ以外の構成は従来例の図３と共通している。

次に、上記構成についてその作用を説明すると、スイッチング素子５をオン，オフ動作させることにより、入力端子１，２間に入力される直流入力電圧Ｖｉがトランス３の一次巻線４に断続的に印加され、トランス３の二次巻線６にパルス電圧が誘起される。この二次巻線６に発生するパルス電圧は、後段の整流平滑回路１５により整流平滑され、出力端子１１，１２間に直流出力電圧Ｖｏとして出力される。また誤差検出回路１３は、この出力電圧Ｖｏと所定の電圧に対応する基準電圧との誤差分を検出し、この検出結果に応じた電流量のリセット信号を、二次巻線６のパルス電圧が反転するタイミングで、逆流防止用のダイオード１４を経由してマグアンプ２０にフィードバックする。このとき、リセット電流を多く与えるほど、二次巻線６のドット側端子に正極性の電圧が立ち上がってから、マグアンプ２０がセット状態に移行するまでの時間が長くなるので、結果的に誤差検出回路１３とマグアンプ２０とにより出力電力のパルス幅制御が行われ、出力電圧Ｖｏを所定の電圧に安定化することが可能になる。

マグアンプ２０単独の動作は、前記図４（ａ）に示すように、スイッチング素子５がオン，オフ動作する一周期の間に、コアの磁界Ｈと磁束密度Ｂとの相関関係がヒステリシス状に変化する。ここで、スイッチング素子５がターンオフするのに伴ない、二次巻線６に発生するパルス電圧が正方向から負方向に反転するときに、従来例のようにバイパス回路２３が設けられていないと、整流ダイオード７のリカバリー特性によりマグアンプ２０にリカバリー電流が流れ、マグアンプ２０が制御不能になるデッドアングルが発生して、次にマグアンプ２０がセット状態になる時間幅が狭められる。しかも、二次巻線６のパルス電圧が反転した瞬間は、整流ダイオード７がゼロバイアス状態となって、整流ダイオード７に蓄積されたキャリアが放出するまでのリカバリータイムＴrrが長くなるので、マグアンプ２０にリカバリー電流が流れ込んでいる時間が延び、スイッチング周波数が高い場合には、デッドアングルの比率が高まって出力電圧Ｖｏの低下が甚だしくなる。

しかし本実施例では、マグアンプ２０に抵抗２１とダイオード２２との直列回路からなるバイパス回路２３を並列に接続しているので、二次巻線６に発生するパルス電圧が正方向から負方向に反転するときに、整流ダイオード７を通して流れるリカバリー電流がマグアンプ２０をバイパスして、マグアンプ２０より低インピーダンスのバイパス回路２３に流れ込む。しかも、バイパス回路２３のダイオード２２が導通している関係で、整流ダイオード７のアノード側の電位がカソード側の電位よりも低くなっており、整流ダイオード７がバイパス回路２３により強制的に逆バイアス状態になって、そのリカバリータイムＴrrが短縮する。したがって、マグアンプ２０が制御不能になるデッドアングルの期間がほとんどなくなり、出力電圧Ｖｏの制御幅に余裕を持たせることが可能になる。そのため、出力電圧Ｖｏの可変機能を有するスイッチング電源装置においては、出力電圧Ｖｏの可変範囲（特に上限）が広くなるし、スイッチング周波数を高くしても、デッドアングルの影響に起因する出力電圧Ｖｏの低下はほとんど起こらない。ただしこの回路では、誤差検出回路１３からのリセット電流もバイパス回路２３を流れるので、抵抗２１の適切な選択とフィードバックゲインを高めることが必要である。

次に、従来例と本実施例における各回路構成において、周囲温度Ｔｃが20℃，100℃，120℃の条件下での、出力電圧Ｖｏの上限値を実測したデータを次の表１に示す。なお、この表１において、実施例回路１は、抵抗２１として単独の抵抗素子（抵抗値27ｋΩ、１／４Ｗ）を用いており、また実施例回路２は、抵抗２１として２個の抵抗素子（抵抗値27ｋΩ、１／４Ｗ）を並列接続したものを用いている。また電源装置は何れも、定格出力電圧が２４Ｖのモデルを使用している。

上記実験結果に示すように、バイパス回路２３を付加したものは、定格出力電圧に対し約３〜５Ｖ程度の電圧余裕を持たせることが確認できた。

このように、本実施例のマグアンプ２０を用いたスイッチング電源装置では、マグアンプ２０の小型及び低価格化を実現できる。とりわけ、過電流保護機能を備えた電源装置では、過電流検出時にスイッチング素子５のパルス導通幅をゼロまで絞る必要がある場合に、マグアンプ２０が直ぐに飽和しないようにその巻数を多くしなければならないが、そうなると出力電圧Ｖｏの余裕度が低下しやすい。しかし本実施例の回路構成を適用すれば、マグアンプ２０の巻数が多くても、デッドアングルによる悪影響が回避され、出力電圧Ｖｏの余裕度に十分なマージンをもたせることができる。また、本実施例の回路構成は、特に比較的高い出力電圧Ｖｏを供給する電源装置に有効である。

なお、バイパス回路２３の変形例としては、図２に示すように、単独もしくは複数の抵抗素子からなる抵抗２１だけで構成してもよい。この場合も、整流ダイオード７からのリカバリー電流をバイパス回路２３に流し込むという点で、図１に示す回路例と同様の機能を発揮する。ただし、図１に示す回路例では、スイッチング素子５のオン期間中に、トランス３の二次巻線６からバイパス回路２３の抵抗２１を流れようとする電流をダイオード２２で遮断することができ、抵抗２１による不必要な電力損失を避けることができる。

因みに、バイパス回路２３として、スイッチ素子である例えばトランジスタとダイオード２２との直列回路を用い、リカバリー電流をトランジスタのベースにバイアス電流として供給することも考えられるが、スイッチ素子を利用している分だけ、バイパス回路２３にリカバリー電流が流れ込む動作タイミングが遅くなり、上記回路例のような顕著な効果が発揮されない。また、スイッチ素子を動作させる回路も必要で、図１や図２に示す回路例よりも構成が複雑化する。

以上のように本実施例では、スイッチング素子５のオン，オフ動作により、トランス３の二次巻線６に発生したパルス電圧を整流平滑回路１５で整流平滑して直流出力電圧Ｖｏを供給すると共に、整流平滑回路１５は、少なくともスイッチング素子５のオン期間中に整流ダイオード７が導通して、チョークコイル９にエネルギーが蓄積されるように構成され、さらに前記二次巻線６と整流ダイオード７との間に介挿する可飽和リアクトルとしてのマグアンプ２０と、このマグアンプ２０を飽和させるリセット量を可変して、出力電圧Ｖｏを安定制御する制御手段としての誤差検出回路１３を備えたスイッチング電源装置において、スイッチング素子５のターンオフ時に整流ダイオード７が逆バイアス状態となるように、抵抗２１とダイオード２２とを直列接続してなるバイパス回路２３を、マグアンプ２０の両端間に接続している。

この場合、スイッチング素子５がターンオフして、トランス３の二次巻線６に発生するパルス電圧が反転すると、整流ダイオード７のリカバリー電流が低インピーダンス側のバイパス回路２３を通して流れる。しかも、バイパス回路２３はスイッチ素子を用いず、抵抗２１とダイオード２２だけで構成され、スイッチ素子のタイミング遅れなどが生じないので、整流ダイオード７が速やかに逆バイアス状態になって、リカバリータイムの低減も図れる。したがって、スイッチング素子５がターンオフした直後のデッドアングルを小さくして、出力電圧Ｖｏに十分な余裕度をもたせることができる。

また、バイパス回路２３を構成するダイオード２２は、スイッチング素子５のオン期間中に、トランス３の二次巻線６からバイパス回路２３の抵抗２１を通って整流平滑回路１５に流れようとする電流を遮断する。そのため、バイパス回路２３の抵抗２１による不必要な電力損失を避けることができる。

また、図２に示すように、マグアンプ２０の両端間に接続するバイパス回路２３としては、単独の抵抗２１だけで構成してもよい。特にこの場合のバイパス回路２３は、整流ダイオード７のリカバリー電流が低インピーダンス側のバイパス回路２３を通して流れるとともに、スイッチ素子を用いず抵抗２１だけで極めて簡単に構成され、スイッチ素子のタイミング遅れなどが生じないので、整流ダイオード７が速やかに逆バイアス状態になって、リカバリータイムの低減が図れる。そのため、スイッチング素子５がターンオフした直後のデッドアングルを小さくして、出力電圧Ｖｏに十分な余裕度をもたせることができる。

なお、本実施例は上記各実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。出力手段や出力制限手段などは、実施例中における回路構成に限定されず、同様の趣旨の下に適宜変形が可能である。例えば、可飽和リアクトルを飽和させるリセット量としては、本実施例のようなリセット電流ではなくリセット電圧を適用してもよい。また、整流平滑回路としては、少なくとも整流ダイオードを備えた種々の回路構成を利用できる。

本発明に係わるスイッチング電源装置の回路図である。同上、別な変形例を示す要部の回路図である。従来技術におけるスイッチング電源装置の回路図である。マグアンプの動作を説明する図で、（ａ）はコアのＢ−Ｈ特性曲線を示し、（ｂ）はマグアンプを流れる電流を示している。

符号の説明

３トランス
５スイッチング素子
６二次巻線
７整流ダイオード
１３誤差検出回路（制御手段）
１５整流平滑回路
２０マグアンプ（可飽和リアクトル）
２１抵抗
２２ダイオード
２３バイパス回路

Claims

スイッチング素子のオン，オフ動作により、トランスの二次巻線に発生したパルス電圧を整流平滑回路で整流平滑して直流出力電圧を供給すると共に、前記整流平滑回路は、少なくとも前記スイッチング素子のオン期間中に整流ダイオードが導通するように構成され、さらに前記トランスの二次巻線と前記整流ダイオードとの間に介挿する可飽和リアクトルと、この可飽和リアクトルを飽和させるリセット量を可変して、前記直流出力電圧を安定制御する制御手段とを備えたスイッチング電源装置において、前記スイッチング素子のターンオフ時に前記整流ダイオードが逆バイアス状態となるように、抵抗とダイオードとを直列接続してなるバイパス回路を、前記可飽和リアクトルの両端間に接続したことを特徴とするスイッチング電源装置。
スイッチング素子のオン，オフ動作により、トランスの二次巻線に発生したパルス電圧を整流平滑回路で整流平滑して直流出力電圧を供給すると共に、前記整流平滑回路は、少なくとも前記スイッチング素子のオン期間中に整流ダイオードが導通するように構成され、さらに前記トランスの二次巻線と前記整流ダイオードとの間に介挿する可飽和リアクトルと、この可飽和リアクトルに供給するリセット電流を可変して、前記直流出力電圧を安定制御する制御手段とを備えたスイッチング電源装置において、前記スイッチング素子のターンオフ時に前記整流ダイオードが逆バイアス状態となるように、抵抗からなるバイパス回路を前記可飽和リアクトルの両端間に接続したことを特徴とするスイッチング電源装置。