JP2005295669A

JP2005295669A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2005295669A
Application number: JP2004105960A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Tsuji; 仁司辻
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2004-03-31
Filing date: 2004-03-31
Publication date: 2005-10-20

Abstract

【課題】出力電圧Ｖoutの急激な変動を抑制する。
【解決手段】二次側整流平滑回路３に設けられた平滑用のチョークコイル６に補助巻線１７を設ける。チョークコイル６には、二次側整流平滑回路３から負荷８に向けて出力される電圧Ｖoutの変動に関わる電圧が発生することから、補助巻線１７は、出力電圧Ｖoutの変動を直接的に検出し当該直接検出電圧Ｖdを出力することができる。出力電圧検出用整流平滑回路１０は三次巻線Ｎ３の誘起電圧に基づき出力電圧Ｖoutを間接的に検出する構成を有する。補助巻線１７は出力電圧検出用整流平滑回路１０に接続して、三次巻線Ｎ３による間接検出電圧Ｖkに、補助巻線１７による直接検出電圧Ｖdを重畳させる。出力電圧検出用整流平滑回路１０はその重畳電圧を、メインスイッチ素子Ｑのスイッチング制御用（出力電圧安定制御用）の制御回路１５に出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、トランスの二次側の回路から外部に向けて出力される電圧を間接的に検出し当該間接検出電圧に基づいて出力電圧の安定化制御が行われる構成を備えたスイッチング電源装置に関するものである。

図８にはスイッチング電源装置を構成するスイッチング電源回路の主要な構成部分の一回路構成例が示されている。このスイッチング電源回路１はフォワードコンバータタイプのＤＣ−ＤＣコンバータであり、当該スイッチング電源回路１はトランス２を有し、このトランス２の一次巻線Ｎ１にはメインスイッチ素子（例えばＭＯＳＦＥＴ）Ｑが接続されている。このトランス２とメインスイッチ素子Ｑの接続回路には外部の入力電源Ｅが接続される構成と成し、メインスイッチ素子Ｑのスイッチオン・オフ動作によって、その入力電源Ｅから一次巻線Ｎ１に電力が供給され、これにより、トランス２の二次巻線Ｎ２には電圧が誘起される。

トランス２の二次巻線Ｎ２には二次側整流平滑回路３が接続されている。この二次側整流平滑回路３は、整流用のダイオード４，５と、平滑用のチョークコイル６とコンデンサ７とを有して構成されている。当該二次側整流平滑回路３は、二次巻線Ｎ２から出力された電圧を整流平滑し、これにより得られた直流電圧Ｖoutを外部の負荷８に向けて出力する。

このスイッチング電源回路１では、トランス２には三次巻線Ｎ３が設けられており、この三次巻線Ｎ３には出力電圧検出用整流平滑回路１０が接続されている。この出力電圧検出用整流平滑回路１０は、二次側整流平滑回路３と同様の回路構成を有するものであり、整流用のダイオード１１，１２と、平滑用のチョークコイル１３とコンデンサ１４とを有して構成されている。三次巻線Ｎ３には、二次巻線Ｎ２に応じた電圧が誘起されることから、出力電圧検出用整流平滑回路１０は、その三次巻線Ｎ３の誘起電圧を二次側整流平滑回路３と同様に整流平滑することで、二次側整流平滑回路３から外部に向けて出力される出力電圧Ｖoutを間接的に検出している。つまり、出力電圧検出用整流平滑回路１０は、三次巻線Ｎ３の誘起電圧を整流平滑し当該整流平滑した電圧を二次側整流平滑回路３の出力電圧Ｖoutの間接検出電圧Ｖkとして出力する。

メインスイッチ素子Ｑの制御端子であるゲート端子には制御回路１５が接続されている。この制御回路１５は、出力電圧検出用整流平滑回路１０から出力された間接検出電圧Ｖkに基づき、例えばＰＷＭ方式により出力電圧Ｖoutの安定化を図るべくメインスイッチ素子Ｑのスイッチオン・オフ動作を制御している。

実開昭５５−１０２３９３号公報

図８に示す回路構成では、三次巻線Ｎ３の誘起電圧を利用して二次側整流平滑回路３の出力電圧Ｖoutを間接的に検出し、この間接検出電圧Ｖkに基づいて出力電圧Ｖoutの安定化を図るべくメインスイッチ素子Ｑのスイッチング動作を制御している。しかしながら、出力電圧Ｖoutを間接的に検出する構成であるために、次に示すような問題がある。

例えば入力電源Ｅから供給される入力電圧Ｖinが急激に上昇又は降下したり、二次側整流平滑回路３から負荷８への出力電流Ｉoutが例えば負荷変動に起因して急激に上昇又は降下したときには、二次側整流平滑回路３のチョークコイル６に通電している電流量が変動し、これに起因して、二次側整流平滑回路３から負荷８への出力電圧Ｖoutが急減に変動することがある。このような場合に、その出力電圧Ｖoutの変動が瞬時に三次巻線Ｎ３の誘起電圧には現れない、つまり、出力電圧検出用整流平滑回路１０から制御回路１５への間接検出電圧Ｖkには、出力電圧Ｖoutの急激な変動が瞬時に現れない。この間接検出電圧Ｖkの応答遅れのために、出力電圧Ｖoutの急激な変動に対する制御回路１５の対応が遅れ、これにより、出力電圧Ｖoutの変動を小さく抑制することが困難であった。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、その目的は、トランスの三次巻線の誘起電圧を利用して二次側整流平滑回路の出力電圧を間接的に検出し当該間接検出電圧に基づいてメインスイッチ素子のスイッチング制御を行う回路構成を備えるものにおいて、二次側整流平滑回路の出力電圧の急激な変動を小さく抑制することができるスイッチング電源装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、この発明は次に示す構成をもって前記課題を解決するための手段としている。すなわち、この発明は、トランスと、トランスの一次巻線に接続されているメインスイッチ素子と、このメインスイッチ素子のスイッチオン・オフ動作に基づいてトランスの二次巻線から出力される電力を整流平滑して外部に出力する二次側整流平滑回路と、トランスの三次巻線に誘起される電圧を整流平滑し当該整流平滑した電圧を二次側整流平滑回路の出力電圧の間接検出電圧として出力する出力電圧検出用整流平滑回路と、この出力電圧検出用整流平滑回路の間接検出電圧に基づき二次側整流平滑回路の出力電圧の安定化を図るべくメインスイッチ素子のスイッチオン・オフ動作を制御する制御回路とを有するスイッチング電源装置において、二次側整流平滑回路は、トランスの二次巻線の出力電力を平滑するためのチョークコイルを有し、当該チョークコイルの電圧には二次側整流平滑回路の出力電圧の変動に関わる電圧変動が発生する構成と成しており、そのチョークコイルには、当該チョークコイルの電圧に基づいて二次側整流平滑回路の出力電圧変動を直接的に検出するための補助巻線が設けられ、この補助巻線は出力電圧検出用整流平滑回路に接続されて、当該補助巻線の誘起電圧が二次側整流平滑回路の出力電圧変動の直接検出電圧として、出力電圧検出用整流平滑回路から制御回路へ出力される間接検出電圧に重畳されることを特徴としている。

例えば、外部から一次巻線に向けて供給される入力電圧が急激に上昇又は降下したり、二次側整流平滑回路から負荷に出力される出力電流が負荷変動によって急激に上昇又は降下したときには、二次側整流平滑回路のチョークコイルに通電する電流量が急激に変化し、これに起因して二次側整流平滑回路の出力電圧が急激に変動する事態が発生することがある。そのような出力電圧急変時には、二次側整流平滑回路のチョークコイルの電圧は、チョークコイルの通電電流量の変動によって変動する。

この発明では、そのことに着目し、二次側整流平滑回路のチョークコイルに補助巻線を設けた。この補助巻線には、チョークコイルの電圧に応じた電圧が誘起されることから、当該補助巻線を利用して、二次側整流平滑回路の出力電圧の変動を直接的に検出することができる。

この発明では、その補助巻線による二次側整流平滑回路の出力電圧変動の直接検出電圧を、出力電圧検出用整流平滑回路から制御回路への間接検出電圧に重畳する構成とした。補助巻線から出力される直接検出電圧は、二次側整流平滑回路の出力電圧が変動したときにほぼ同時に、その出力電圧変動と同様に変動するので、二次側整流平滑回路の出力電圧が変動したときに、制御回路は、出力電圧検出用整流平滑回路側から加えられる電圧（つまり、間接検出電圧に直接検出電圧が重畳された電圧）に基づいて、その出力電圧変動を瞬時に検知することができる。これにより、制御回路は、二次側整流平滑回路の出力電圧変動に対して応答遅れなく瞬時に対応できることとなる。

したがって、例えば入力電圧の急激な変化や、負荷変動による二次側整流平滑回路の出力電流の急激な変化などに起因した二次側整流平滑回路の出力電圧の変動を小さく抑制することができる。また、この発明では、補助巻線を設け当該補助巻線を出力電圧検出用整流平滑回路に接続させただけの構成を設けることにより、回路構成の煩雑化を抑制しながら、上記のような優れた効果を得ることができる。

以下に、この発明に係る実施形態例を図面に基づいて説明する。

図１には、この実施形態例のスイッチング電源装置を構成するスイッチング電源回路の主要な構成部分が示されている。このスイッチング電源回路はフォワードコンバータタイプのＤＣ−ＤＣコンバータであり、この実施形態例の次に述べる特有な構成以外の構成は、図８のスイッチング電源回路１と同様な回路構成となっている。なお、この実施形態例の説明では、図８に示したスイッチング電源回路と同一構成部分には同一符号を付し、その共通部分の重複説明は省略する。

この実施形態例では、二次側整流平滑回路３のチョークコイル６の電圧を検出し当該検出電圧を出力する回路１６が設けられている。チョークコイル６には、二次側整流平滑回路３から負荷８への出力電圧Ｖoutの急激な変動に関わる電圧変動が生じる。このチョークコイル６の電圧変動は、出力電圧Ｖoutの急激な変動とほぼ同時に、かつ、同様に発生することから、チョークコイル６の電圧を検出することによって、出力電圧Ｖoutの急変を直接的に検出することができる。つまり、回路１６から出力される電圧は、出力電圧Ｖoutの変動の直接検出電圧Ｖdと成している。

この実施形態例では、その回路１６は、出力電圧検出用整流平滑回路１０に接続されている。ところで、二次側整流平滑回路３を通電している電力は、出力電圧検出用整流平滑回路１０を通電している電力と大幅に異なっている場合が多く、そのように電力差がある場合には、二次側整流平滑回路３側と、出力電圧検出用整流平滑回路１０側とを直接的に接続することは好ましくない。このことを考慮して、この実施形態例では、回路１６は、チョークコイル６に設けた補助巻線１７により構成されている。つまり、補助巻線１７には、チョークコイル６の電圧に応じた電圧が誘起されることから、当該補助巻線１７の誘起電圧は、チョークコイル６の電圧の検出電圧となる。すなわち、補助巻線１７により回路１６を構成することによって、当該回路１６は、二次側整流平滑回路３に直接接続することなく、チョークコイル６の電圧、つまり、出力電圧Ｖoutの変動の直接検出電圧Ｖdを検出出力することができる。換言すれば、二次側整流平滑回路３と出力電圧検出用整流平滑回路１０を直接接続することなく、出力電圧Ｖoutの変動の直接検出電圧Ｖdを出力電圧検出用整流平滑回路１０に加えることができる。

図４〜図６には、それぞれ、回路１６を構成する補助巻線１７と、出力電圧検出用整流平滑回路１０との接続形態例が示されている。図４の例では、補助巻線１７は、三次巻線Ｎ３とコンデンサ１４との間の電流経路に直列的に設けられている。図５の例では、補助巻線１７は、三次巻線Ｎ３と、ダイオード１２のカソード側との間の電流経路に直列的に設けられている。図６の例では、補助巻線１７は、ダイオード１１のアノード側とダイオード１２のアノード側との間の電流経路に直列的に設けられている。

このように、補助巻線１７を出力電圧検出用整流平滑回路１０に接続することによって、補助巻線１７の出力電圧（つまり、出力電圧Ｖoutの変動の直接検出電圧）Ｖdが三次巻線Ｎ３の誘起電圧に基づいた出力電圧Ｖoutの間接検出電圧Ｖkに重畳されることとなる。

この重畳電圧（Ｖs）が出力電圧検出用整流平滑回路１０から制御回路１５に向けて出力される。このため、制御回路１５に加えられた重畳電圧Ｖsの直接検出電圧成分Ｖdによって、二次側整流平滑回路３の出力電圧Ｖoutが急激に変動したときに、応答遅れなく、制御回路１５は、その出力電圧Ｖoutの急変に瞬時に応じてメインスイッチ素子Ｑのスイッチング制御を行うことができる。これにより、二次側整流平滑回路３から負荷８に向けて出力される電圧Ｖoutの急激な変動を小さく抑制することができる。

例えば、図２（ａ）に示されるように二次側整流平滑回路３から負荷８への出力電流Ｉoutが周期的に変動する場合には、出力電流Ｉoutが急峻に増加するとき（例えば時間Ｔ１，Ｔ３参照）、および、出力電流Ｉoutが急峻に低下するときに（例えば時間Ｔ２，Ｔ４参照）、出力電圧Ｖoutが変動する。図８に示されるような従来の回路構成のままである場合には、その出力電圧Ｖoutの変動は、図２（ｂ）に示されるような状態である。これに対して、この実施形態例に示した特有な構成を備えることによって、図２（ｃ）に示されるように、出力電流Ｉoutの急変に起因した出力電圧Ｖoutの変動を小さく抑制することができる。

また、例えば、図３（ａ）に示されるように入力電源Ｅから供給される入力電圧Ｖinが周期的に変動する場合には、入力電圧Ｖinが急峻に増加するとき（例えば時間ｔ１，ｔ３参照）、および、入力電圧Ｖinが急峻に低下するときに（例えば時間ｔ２，ｔ４参照）、出力電圧Ｖoutが変動する。図８に示されるような従来の回路構成のままである場合には、その出力電圧Ｖoutの変動は、図３（ｂ）に示されるような状態である。これに対して、この実施形態例に示した特有な構成を備えることによって、図３（ｃ）に示されるように、入力電圧Ｖinの急変に起因した出力電圧Ｖoutの変動を小さく抑制することができる。

なお、この発明はこの実施形態例の形態に限定されるものではなく、様々な実施の形態を採り得る。例えば、この実施形態例では、二次側整流平滑回路３は、ダイオード４，５を利用して整流動作を行っていたが、そのダイオード４，５に代えて、例えば、図７に示されるように、同期整流器（例えばＭＯＳＦＥＴ）２０，２１を設け、当該同期整流器２０，２１によって整流が行われる構成としてもよい。図７に示す例では、同期整流器２０は、二次巻線Ｎ２の誘起電圧によって、メインスイッチ素子Ｑのスイッチオン・オフ動作と同じスイッチオン・オフ動作を行う構成と成している。また、同期整流器２１の制御端子には駆動回路２２が接続されており、この駆動回路２２の制御動作によって、同期整流器２１は、メインスイッチ素子Ｑのスイッチオン・オフ動作とは逆のスイッチオン・オフ動作を行う構成と成している。

このように、二次側整流平滑回路３が同期整流器２０，２１を有して構成されている場合に、この実施形態例に示した特有な構成（つまり、チョークコイル６に補助巻線１７を設け当該補助巻線１７を出力電圧検出用整流平滑回路１０に接続する構成）を設け、かつ、二次側整流平滑回路３のチョークコイル６および出力電圧検出用整流平滑回路１０のチョークコイル１３に常に電流が通電している連続モードとなるように設計して、制御回路１５からメインスイッチ素子Ｑの制御端子（ゲート端子）に加える制御信号（パルス信号）のパルス幅を例えばデューティ比０．５以下の範囲で制御する構成とすることによって、出力電圧Ｖoutの急変に対する制御回路１５の極めて高速な応答性を実現することができる。

また、この実施形態例では、補助巻線１７と出力電圧検出用整流平滑回路１０との接続形態として、図４〜図６に示されるような例を示したが、補助巻線１７による直接検出電圧Ｖdを、三次巻線Ｎ３に基づいた間接検出電圧Ｖkに重畳させることができる位置であれば、補助巻線１７は出力電圧検出用整流平滑回路１０の何れの位置に接続されていてもよく、例えば回路基板上に形成されるスイッチング電源回路の部品配置や配線の配置等を考慮した適切な位置に補助巻線１７を接続させてよい。

さらに、この実施形態例では、フォワードコンバータタイプのスイッチング電源回路を例にして説明したが、この発明は、他のタイプのスイッチング電源回路を備えたスイッチング電源装置にも適用することができるものである。

本発明に係るスイッチング電源装置の一形態例を説明するための回路図である。実施形態例のスイッチング電源装置の特有な構成から得られる効果を説明するための図である。図２と同様に、実施形態例のスイッチング電源装置の特有な構成から得られる効果を説明するための図である。二次側整流平滑回路のチョークコイルに設けた補助巻線と、出力電圧検出用整流平滑回路との接続形態の一例を示した回路図である。二次側整流平滑回路のチョークコイルに設けた補助巻線と、出力電圧検出用整流平滑回路との別の接続形態例を示した回路図である。二次側整流平滑回路のチョークコイルに設けた補助巻線と、出力電圧検出用整流平滑回路とのさらに別の接続形態例を示した回路図である。その他の実施形態例を説明するための回路図である。従来例を説明するための回路図である。

符号の説明

１スイッチング電源回路
２トランス
３二次側整流平滑回路
６チョークコイル
１０出力電圧検出用整流平滑回路
１５制御回路
１７補助巻線
Ｎ１一次巻線
Ｎ２二次巻線
Ｎ３三次巻線
Ｑメインスイッチ素子

Claims

トランスと、トランスの一次巻線に接続されているメインスイッチ素子と、このメインスイッチ素子のスイッチオン・オフ動作に基づいてトランスの二次巻線から出力される電力を整流平滑して外部に出力する二次側整流平滑回路と、トランスの三次巻線に誘起される電圧を整流平滑し当該整流平滑した電圧を二次側整流平滑回路の出力電圧の間接検出電圧として出力する出力電圧検出用整流平滑回路と、この出力電圧検出用整流平滑回路の間接検出電圧に基づき二次側整流平滑回路の出力電圧の安定化を図るべくメインスイッチ素子のスイッチオン・オフ動作を制御する制御回路とを有するスイッチング電源装置において、二次側整流平滑回路は、トランスの二次巻線の出力電力を平滑するためのチョークコイルを有し、当該チョークコイルの電圧には二次側整流平滑回路の出力電圧の変動に関わる電圧変動が発生する構成と成しており、そのチョークコイルには、当該チョークコイルの電圧に基づいて二次側整流平滑回路の出力電圧変動を直接的に検出するための補助巻線が設けられ、この補助巻線は出力電圧検出用整流平滑回路に接続されて、当該補助巻線の誘起電圧が二次側整流平滑回路の出力電圧変動の直接検出電圧として、出力電圧検出用整流平滑回路から制御回路へ出力される間接検出電圧に重畳されることを特徴とするスイッチング電源装置。