JP2006060907A - Switching power supply - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、スイッチング電源装置に関するものであり、特に、軽負荷時から定格負荷時の全域にわたって高効率な運転を可能とするスイッチング電源装置に関するものである。 The present invention relates to a switching power supply device, and more particularly to a switching power supply device that enables high-efficiency operation over the entire range from a light load to a rated load.
スイッチング電源装置は、制御方式の観点から、RCC(リンギング・チョーク・コンバータ)方式と同期整流方式とに大別することができる。これらの制御方式の中で、RCC方式では、スイッチング素子のオン期間中にトランス内に蓄積した励磁エネルギーをスイッチング素子のオフ期間中に2次側回路へ出力し、その出力終了後にトランスの制御巻線に発生したリンギングパルスの帰還出力に基づいてスイッチング素子を再度オン駆動することで、所望の電圧を出力するような構成が採られる。したがって、RCC方式では、電力変換効率が悪いという問題があった。一方、同期整流方式では、常時スイッチングを行っているため、待機消費電力が無視できないという問題があった。 Switching power supply devices can be roughly classified into an RCC (ringing choke converter) method and a synchronous rectification method from the viewpoint of a control method. Among these control methods, in the RCC method, the excitation energy accumulated in the transformer during the ON period of the switching element is output to the secondary circuit during the OFF period of the switching element, and the control winding of the transformer is completed after the output is completed. The switching element is turned on again based on the feedback output of the ringing pulse generated on the line, so that a desired voltage is output. Therefore, the RCC method has a problem that power conversion efficiency is poor. On the other hand, the synchronous rectification method has a problem that standby power consumption cannot be ignored because switching is always performed.
例えば、下記特許文献1に示されるRCC方式のスイッチング電源装置では、制御巻線と主スイッチング素子との間に備えられた遅延回路が、2次巻線に接続された整流素子の電流が零となってから所定の時間、主スイッチング素子のターンオンを禁止することで、待機時の損失を低減するようにしている。
For example, in an RCC switching power supply device disclosed in
しかしながら、上記特許文献1などのRCC方式のスイッチング電源装置では、軽負荷時から定格負荷時の運転域にわたって高効率な運転を維持することが困難であるといった問題点を抱えていた。具体的には、RCC方式のスイッチング電源装置では、定格負荷時において、ダイオード損失が大であり、かつ、トランス利用率が低いので、定格負荷時の運転効率が低いという問題点があった。
However, the RCC switching power supply device such as
また、上述のように、同期整流方式のスイッチング電源装置では、常時スイッチングを行っているため、待機消費電力が無視できないという問題点があった。 In addition, as described above, the synchronous rectification switching power supply device has a problem in that standby power consumption cannot be ignored because switching is always performed.
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、待機時から定格負荷時の全域にわたって、高効率な運転を可能とする、同期整流方式またはRCC方式にも分類されないスイッチング電源装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above, and provides a switching power supply device that is not classified into a synchronous rectification method or an RCC method, which enables high-efficiency operation over the entire range from standby to rated load. For the purpose.
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明にかかるスイッチング電源装置は、主スイッチング素子のオン期間中に直流電源から出力されたエネルギーを負荷側に出力しつつチョークコイルに蓄積し、該主スイッチング素子のオフ期間中に該チョークコイルに蓄積されたエネルギーを負荷側に出力するスイッチング電源装置において、一端が前記直流電源の正極または負極のいずれかに接続され、該直流電源からの直流入力を断続する直流入力スイッチング素子と、一次巻線と該一次巻線に磁気結合する二次巻線とを具備し、該一次巻線の一端が前記直流電源の正極または負極のいずれかに接続されるとともに、他端が前記直流入力スイッチング素子の他端に接続される第1のトランスと、一次巻線と該一次巻線に磁気結合する二次巻線とを具備し、前記第1のトランスの二次巻線と前記負荷との間を接続する負荷接続ラインの一方の間に該一次巻線が挿入される第2のトランスと、前記第1のトランスの二次巻線に生ずる電圧に基づいて前記負荷接続ラインの一方または他方のいずれかに挿入された前記主スイッチング素子を導通制御する第1のゲートドライブ回路と、一端が前記第1のトランスの二次巻線の一端に接続されるとともに他端が前記主スイッチング素子の一端に接続される構成、または一端が前記主スイッチング素子の他端に接続されるとともに他端が前記第1のトランスの二次巻線の他端に接続される構成のいずれか一つの構成にて接続される副スイッチング素子と、前記負荷に供給される出力電圧に基づいて制御パルス信号を生成出力する制御回路と、前記負荷に供給される出力電圧と、前記第2のトランスの二次巻線に生ずる電圧と、前記制御回路から出力される制御パルスと、に基づいて前記副スイッチング素子を導通制御する第2のゲートドライブ回路と、前記制御回路から出力される制御パルスが印加される一次巻線と該一次巻線に磁気結合する二次巻線とを具備し、該二次巻線に生ずる電圧に基づいて前記直流入力スイッチング素子を制御する第3のトランスと、を備えたことを特徴とする。 In order to solve the above-described problems and achieve the object, the switching power supply device according to the present invention accumulates energy output from the DC power supply during the ON period of the main switching element in the choke coil while outputting to the load side, In a switching power supply device that outputs energy accumulated in the choke coil to a load side during an off period of the main switching element, one end is connected to either the positive electrode or the negative electrode of the DC power source, and the DC power from the DC power source is A DC input switching element for intermittent input, a primary winding and a secondary winding magnetically coupled to the primary winding, and one end of the primary winding connected to either the positive electrode or the negative electrode of the DC power supply A first transformer having the other end connected to the other end of the DC input switching element, a primary winding, and a secondary magnetically coupled to the primary winding. A second transformer in which the primary winding is inserted between one of the load connection lines connecting the secondary winding of the first transformer and the load; and the first transformer A first gate drive circuit for controlling conduction of the main switching element inserted in one or the other of the load connection lines based on a voltage generated in the secondary winding of the transformer, and one end of the first switching circuit A configuration in which one end of the secondary winding of the transformer is connected and the other end is connected to one end of the main switching element, or one end is connected to the other end of the main switching element and the other end is the first A sub-switching element connected in any one of the configurations connected to the other end of the secondary winding of the transformer, and a control circuit that generates and outputs a control pulse signal based on the output voltage supplied to the load When A second control circuit for controlling conduction of the sub-switching element based on an output voltage supplied to the load, a voltage generated in a secondary winding of the second transformer, and a control pulse output from the control circuit; A gate drive circuit; a primary winding to which a control pulse output from the control circuit is applied; and a secondary winding magnetically coupled to the primary winding, based on a voltage generated in the secondary winding. And a third transformer for controlling the DC input switching element.
つぎの発明にかかるスイッチング電源装置は、上記の発明において、前記制御回路が出力する制御パルスのパルス幅は、略一定であることを特徴とする。 The switching power supply according to the next invention is characterized in that, in the above invention, the pulse width of the control pulse output from the control circuit is substantially constant.
つぎの発明にかかるスイッチング電源装置は、上記の発明において、前記制御回路と前記第3のトランスとの間に遅延回路をさらに備えることを特徴とする。 The switching power supply according to the next invention is characterized in that in the above invention, a delay circuit is further provided between the control circuit and the third transformer.
つぎの発明にかかるスイッチング電源装置は、上記の発明において、前記制御回路は、前記負荷に供給される出力電圧に基づいて前記制御パルスの周期を可変することを特徴とする。 The switching power supply according to the next invention is characterized in that, in the above invention, the control circuit varies the cycle of the control pulse based on an output voltage supplied to the load.
つぎの発明にかかるスイッチング電源装置は、上記の発明において、前記制御回路は、無安定マルチバイブレータと、単安定マルチバイブレータと、を備えることを特徴とする。 The switching power supply according to the next invention is characterized in that, in the above invention, the control circuit comprises an astable multivibrator and a monostable multivibrator.
本発明にかかるスイッチング電源装置によれば、直流入力を断続するスイッチング周波数を他励制御方式としているので、簡単な回路構成でありながら、待機モード時から軽負荷、さらには定格負荷までの広範囲にわたって、運転効率を高めることができるという効果を奏する。 According to the switching power supply device according to the present invention, since the switching frequency for intermittently connecting the DC input is a separately excited control method, it has a simple circuit configuration, but covers a wide range from a standby mode to a light load and further to a rated load. , There is an effect that the driving efficiency can be increased.
以下に、本発明にかかるスイッチング電源装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。 Embodiments of a switching power supply device according to the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. In addition, this invention is not limited by this embodiment.
図1は、本発明にかかるスイッチング電源装置の動作原理を説明するための簡略化した回路図である。同図において、入力端と出力端とをそれぞれ有するスイッチング電源装置10は、3つのトランスT1〜T3、3つのスイッチング素子SW1〜SW3、2つのコンデンサC1,C2、スイッチング素子SW1,SW2をそれぞれ制御するゲートドライブ回路11,12、遅延回路15、ならびに遅延回路15およびトランスT3を介してスイッチング素子SW3を制御する制御回路14を備えている。なお、スイッチング電源装置10の入力端には入力電源(直流電源)が接続され、出力端には負荷が接続されている。
FIG. 1 is a simplified circuit diagram for explaining the operating principle of a switching power supply device according to the present invention. In the figure, a
つぎに、図1に示したスイッチング電源装置の回路構成について説明する。なお、トランスT1〜T3のそれぞれは、一次巻線および二次巻線を備えており、スイッチング素子SW1〜SW3のそれぞれは、一端、他端および制御端を有する3端子スイッチとして回路の所定の箇所に挿入されている。 Next, the circuit configuration of the switching power supply device shown in FIG. 1 will be described. Each of the transformers T1 to T3 includes a primary winding and a secondary winding, and each of the switching elements SW1 to SW3 is a predetermined part of the circuit as a three-terminal switch having one end, the other end, and a control end. Has been inserted.
図1において、トランスT1の一次巻線T1−1側では、トランスT1の一次巻線T1−1の一端が入力電源(直流電源)の正極側に接続されるとともに、トランスT1の一次巻線T1−1の他端とスイッチング素子SW3の他端とが接続され、スイッチング素子SW3の一端が入力電源(直流電源)の負極側に接続される。すなわち、トランスT1の一次巻線T1−1とスイッチング素子SW3とは直列回路を構成して入力電源の両端に接続される。また、スイッチング素子SW3の制御端および他端にはトランスT3の二次巻線T3−2が接続されており、遅延回路15を介して一次巻線T3−1に入力された制御回路14からの制御信号に基づいてスイッチング素子SW3が制御され得るように構成される。なお、コンデンサC1は、トランスT1の一次巻線T1−1およびスイッチング素子SW3の直列回路の両端に印加される直流電圧を平滑化するための直流平滑コンデンサである。
In FIG. 1, on the primary winding T1-1 side of the transformer T1, one end of the primary winding T1-1 of the transformer T1 is connected to the positive side of the input power supply (DC power supply) and the primary winding T1 of the transformer T1. -1 is connected to the other end of the switching element SW3, and one end of the switching element SW3 is connected to the negative side of the input power supply (DC power supply). That is, the primary winding T1-1 of the transformer T1 and the switching element SW3 form a series circuit and are connected to both ends of the input power supply. Further, the secondary winding T3-2 of the transformer T3 is connected to the control end and the other end of the switching element SW3, and the switching element SW3 is connected to the primary winding T3-1 via the
一方、トランスT1の二次巻線T1−2側では、トランスT1の二次巻線T1−2と負荷16とを電気的に接続する負荷接続ライン上において、トランスT2とスイッチング素子SW1とがそれぞれ挿入されている。より詳細には、二次巻線T1−2の一端と負荷16の一端との間の接続ライン(以下「負荷接続ラインの正極側」と呼称)上にトランスT2の一次巻線T2−1が挿入され、二次巻線T1−2の他端と負荷16の他端との間の接続ライン(以下「負荷接続ラインの負極側」と呼称)上にスイッチング素子SW1の他端が二次巻線T1−2の他端に接続されるように挿入されている。なお、負荷16の両端に並列に接続されるコンデンサC2は、コンデンサC1と同様に直流電圧を平滑化するための直流平滑コンデンサである。
On the other hand, on the secondary winding T1-2 side of the transformer T1, the transformer T2 and the switching element SW1 are respectively connected on the load connection line that electrically connects the secondary winding T1-2 of the transformer T1 and the
前述のように、スイッチング素子SW1が負荷接続ラインの負極側上に挿入されるのに対して、スイッチング素子SW2は負荷接続ラインの正極側と負荷接続ラインの負極側との間に挿入される。より詳細には、トランスT2の一次巻線T2−1の一端側にスイッチング素子SW2の一端が接続され、スイッチング素子SW1の他端側(負荷16の他端側)にスイッチング素子SW2の他端が接続される。 As described above, the switching element SW1 is inserted on the negative electrode side of the load connection line, whereas the switching element SW2 is inserted between the positive electrode side of the load connection line and the negative electrode side of the load connection line. More specifically, one end of the switching element SW2 is connected to one end of the primary winding T2-1 of the transformer T2, and the other end of the switching element SW2 is connected to the other end of the switching element SW1 (the other end of the load 16). Connected.
また、上述のようにスイッチング素子SW1,SW2をそれぞれ制御するゲートドライブ回路11,12が備えられる。これらのゲートドライブ回路において、ゲートドライブ回路11はトランスT1の二次巻線T1−2に生ずる電圧に基づいてスイッチング素子SW1を制御し、ゲートドライブ回路12は負荷16への印加電圧(すなわちスイッチング電源装置の出力電圧)、トランスT2の二次巻線T2−2の両端電圧、および制御回路14からの制御信号(制御パルス)に基づいてスイッチング素子SW2を制御する。すなわち、ゲートドライブ回路11は、スイッチング素子SW1に対する制御が自律的に行われるような自励制御方式的に構成されている。一方、ゲートドライブ回路12は、スイッチング素子SW2に対する制御が制御回路14の制御に基づいて他律的に行われるような他励制御方式的に構成されている。
Further, as described above,
図2は、図1に示したスイッチング電源装置の具体的な構成例を示す回路図である。同図に示すスイッチング電源装置は、図1に示したゲートドライブ回路11,12および制御回路14の各構成部の具体的な回路構成を示したものであり、特に、制御回路14は、無安定マルチバイブレータ21と、単安定マルチバイブレータ23とにより構成されている。なお、図2において、図1と同一部分には同一符号を付して示している。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a specific configuration example of the switching power supply device shown in FIG. The switching power supply device shown in the figure shows a specific circuit configuration of each component of the
また、図1に示す回路構成では、制御回路14とトランスT3との間に遅延回路15を備えるように構成していたが、図2においては、説明の都合上省略している。なお、遅延回路15の機能については後述する。
In the circuit configuration shown in FIG. 1, the
つぎに、図2に示すスイッチング電源装置の回路動作について説明する。まず、図2の下段部に示す制御回路14の動作について説明する。制御回路14の無安定マルチバイブレータ21には、スイッチング電源装置10の出力電圧(P5)がフィードバックされ、無安定マルチバイブレータ21に備えられた一対のトランジスタTR11,TR12の共通の接続点である各ベース端子に入力される。無安定マルチバイブレータ21は、フィードバックされた出力電圧(P5)に基づいて自身の発信周波数を変化させる。詳細には、出力電圧(P5)が下降すると発信周波数が増加し、出力電圧(P5)が上昇すると発信周波数が減少する。なお、無安定マルチバイブレータ21から出力されるパルス信号の一例を同図に示している。同図のパルス波形が示すように、無安定マルチバイブレータ21から出力されるパルス信号は、発信周波数は変化するもののデューティ比が一定の信号となる。
Next, the circuit operation of the switching power supply device shown in FIG. 2 will be described. First, the operation of the
無安定マルチバイブレータ21から出力されたパルス信号は、コンデンサC3と抵抗R15とからなる微分回路22に入力されて、同図に示すような入力パルス信号の立ち上がり部に応答するトリガ信号となる。このトリガ信号は、次段の単安定マルチバイブレータ23に出力される。単安定マルチバイブレータ23では、入力されたトリガ信号に基づいてコンデンサC4および抵抗R16の時定数に基づいて決定される一定パルス幅のパルス信号が生成される。なお、無安定マルチバイブレータ21から出力されるトリガ信号は、発信周波数の変化に基づいてトリガ周期が変化するので、単安定マルチバイブレータ23から出力されるパルス信号は、同図に示されるような、パルス幅が一定で、デューティ比が異なるパルス信号となる。
The pulse signal output from the
上述の処理を制御回路14の機能として説明すると、制御回路14は、スイッチング電源装置10の出力電圧(P5)が下降するとパルス幅一定でデューティ比大のパル信号が出力され、出力電圧(P5)が上昇するとパルス幅一定でデューティ比小のパル信号が出力される。なお、制御回路14から出力されるパルス信号のデューティ比が上昇するとスイッチング素子の導通時間が上昇するのでスイッチング電源装置の出力電圧(P5)が上昇し、パルス信号のデューティ比が下降するスイッチング電源装置の出力電圧(P5)が下降する。スイッチング電源装置10にかかるこれらの動作については後述する。
Explaining the above processing as a function of the
つぎに、図2の上段部に示す回路の動作について説明する。トランスT3の一次巻線T3−1に、制御回路14からのパルス(正極パルス)信号が印加されると、このパルス幅の時間だけ、二次巻線T3−2に電圧が発生し、TR10がオンとなって、トランスT1の一次巻線T1−1に電流が流れる。このとき、トランスT1の一次巻線T1−1を介してトランスT1の二次巻線T1−2に負荷接続ラインの正極側がプラス極性となる電圧が発生する。事前に(回路的に)抵抗R5とトランジスタTR5により、一対のトランジスタTR4,TR5の接続点の電圧P1が所定の電圧(一般的な半導体のPN接合部の順方向電圧降下を“0.6V”と仮定(以下同様))未満すれすれとなるように設定しておくと、トランジスタTR4のコレクタ電圧(同時に「電界効果トランジスタFET1のドレイン電圧」でもある)P2が僅かでもマイナス方向(例えば、“−10mV”でも“−100mV”でも構わない)に変化すると、トランスT1−2の両端に負荷接続ラインの正極側がプラス極性となる電圧が発生するのでトランジスタTR4のベース電流が流れる。トランジスタTR4がオンすると、トランジスタTR3のベース電流が流れてトランジスタTR3がオンとなり、トランジスタTR1もオンとなり、電界効果トランジスタFET1のゲート電位が上昇して電界効果トランジスタFET1がオンとなる。このとき、トランジスタTR2は、自身のベース電位がプラス電位となるためオフの状態となる。
Next, the operation of the circuit shown in the upper part of FIG. 2 will be described. When a pulse (positive pulse) signal from the
電界効果トランジスタFET1がオンとなるとき、T1−2→T2−1→C2(あるいは負荷(図示省略))→FET1→T1-2の閉回路が形成され、電流I1が流れる。このとき、トランスT2−2の端子T2−2−2側がマイナス電位となるのでトランジスタTR6はオフであり、したがって、電界効果トランジスタFET2のゲートはプラス電位とならず、電界効果トランジスタFET2はオフを継続し、電界効果トランジスタFET2が接続されている端子A−B間は導通しない。 When the field effect transistor FET1 is turned on, a closed circuit of T1-2 → T2-1 → C2 (or load (not shown)) → FET1 → T1-2 is formed, and a current I1 flows. At this time, since the terminal T2-2-2 side of the transformer T2-2 has a negative potential, the transistor TR6 is off. Therefore, the gate of the field effect transistor FET2 does not become a positive potential, and the field effect transistor FET2 continues to be off. However, the terminals A and B to which the field effect transistor FET2 is connected are not conducted.
つぎに、トランスT3の一次巻線T3−1に、制御回路14からの正極パルス信号の印加が停止(オフ状態)すると、トランジスタTR10がオフとなり、トランスT1の一次巻線T1−1に電流が流れないので、トランスT1の二次巻線T1−2に発生していた電圧が消滅し、トランジスタTR1がオフとなり、電界効果トランジスタFET1もオフとなる。
Next, when the application of the positive pulse signal from the
この状態では、入力電源から供給されたエネルギーに基づいて流れる電流I1に代わって、トランスT2に蓄積された電磁エネルギーに基づく電流I2が流れる。より詳細には、トランスT2の一次巻線T2−1の端子T2−1−2側プラス電位となり、TR6のエミッタ→TR6のベース→R10→D2→TR8のコレクタ→TR8のエミッタという経路で電流が流れ、トランジスタTR6がオンとなり抵抗R7に電流が流れ、電界効果トランジスタFET2のゲート電位が上昇して電界効果トランジスタFET2がオンとなる。このとき、T2−1−2→C2(あるいは負荷(図示省略))→FET2→T2−1−1の閉回路が形成され、電流I2が流れる。 In this state, a current I2 based on the electromagnetic energy accumulated in the transformer T2 flows instead of the current I1 flowing based on the energy supplied from the input power supply. More specifically, the terminal T2-1-2 side positive potential of the primary winding T2-1 of the transformer T2 becomes a positive potential, and the current flows along the path TR6 emitter → TR6 base → R10 → D2 → TR8 collector → TR8 emitter. The transistor TR6 is turned on, a current flows through the resistor R7, the gate potential of the field effect transistor FET2 rises, and the field effect transistor FET2 is turned on. At this time, a closed circuit of T2-1-2 → C2 (or load (not shown)) → FET2 → T2-1-1 is formed, and a current I2 flows.
つぎに、制御回路14からの正極パルスが再度出力された場合、抵抗R12を介してトランジスタTR7のベースに正極パルスが印加されるのでトランジスタTR7はオンとなり、逆に、電界効果トランジスタFET2はオフとなる。また、トランスT3−1にも正極パルスが印加されるので、上述の動作のように、電界効果トランジスタFET1が再度オンとなり、以上の動作が繰り返される。
Next, when the positive pulse from the
なお、上述の動作は、電源投入時を想定した説明になっているが、電源投入時でなくても同様な動作が行われる。その理由は、電源が投入された以後、コンデンサC2には所定の電圧がチャージされているが、トランスT2の一次巻線T2−1に発生する電圧はコンデンサC2の両端の電圧よりも高いので、電流I2は電源投入時であるか否かに関わらずトランスT2の一次巻線T2−1からコンデンサC2側に向かって流れるからである。 The above operation is described assuming that the power is turned on, but the same operation is performed even when the power is not turned on. The reason is that after the power is turned on, the capacitor C2 is charged with a predetermined voltage, but the voltage generated in the primary winding T2-1 of the transformer T2 is higher than the voltage across the capacitor C2. This is because the current I2 flows from the primary winding T2-1 of the transformer T2 toward the capacitor C2 regardless of whether or not the power is turned on.
なお、以上説明した動作の繰り返し過程において、トランスT2に蓄積された電磁エネルギーが消費され、トランスT2の一次巻線T2−1の両端に発生した電圧が、コンデンサC2の両端の電圧より低下した場合、C2の正極→T2−1→FET2→C2の負極の閉回路が形成され、コンデンサC2に蓄積された電気エネルギーが逆流することが考えられる。 When the electromagnetic energy accumulated in the transformer T2 is consumed in the repetition process of the operation described above, the voltage generated at both ends of the primary winding T2-1 of the transformer T2 is lower than the voltage at both ends of the capacitor C2. , The closed circuit of the positive electrode of C2 → T2-1 → FET2 → the negative electrode of C2 is formed, and the electric energy accumulated in the capacitor C2 may flow backward.
上述のような電気エネルギーの逆流現象は、スイッチング電源装置にとって好ましい状態ではない。したがって、この逆流現象を防止するため、トランジスタTR8,TR9などを中心とした差動回路を構成している。 The phenomenon of backflow of electrical energy as described above is not preferable for a switching power supply device. Therefore, in order to prevent this reverse flow phenomenon, a differential circuit centered on the transistors TR8, TR9 and the like is configured.
具体的な状態の一例として、コンデンサC2に10Vの電圧がチャージされており、トランスT2の一次巻線T2−1の両端の電圧が10V未満に降下した場合を想定する。このとき、コンデンサC2にチャージされた電気エネルギーは、トランスT2に向かって逆流しようとする。一方、上述したように、トランスT2の一次巻線T2−1の端子T2−2−2の電位がプラスとなるとき、トランジスタTR6がオンとなり、電界効果トランジスタFET2のゲート電位がプラスとなって電界効果トランジスタFET2がオンし、コンデンサC2の正極からトランスT2を介してコンデンサC2の負極に向かう閉回路が形成されてしまう。したがって、コンデンサC2からトランスT2に向かう電気エネルギーの逆流現象を防止するためには、トランジスタTR6のオンを防止する必要がある。 As an example of a specific state, a case is assumed in which a voltage of 10V is charged in the capacitor C2, and the voltage across the primary winding T2-1 of the transformer T2 drops below 10V. At this time, the electric energy charged in the capacitor C2 tends to flow backward toward the transformer T2. On the other hand, as described above, when the potential of the terminal T2-2-2 of the primary winding T2-1 of the transformer T2 is positive, the transistor TR6 is turned on, and the gate potential of the field effect transistor FET2 is positive and the electric field is increased. The effect transistor FET2 is turned on, and a closed circuit is formed from the positive electrode of the capacitor C2 to the negative electrode of the capacitor C2 via the transformer T2. Therefore, in order to prevent the reverse flow phenomenon of electric energy from the capacitor C2 toward the transformer T2, it is necessary to prevent the transistor TR6 from being turned on.
また、トランジスタTR9は、コンデンサC2の電圧によって常にオン状態が継続している。したがって、抵抗R11の上端部の電位(P4)は約9.4Vとなる。一方、上述のような逆流現象が問題となるときは、トランスT2の一次巻線T2−1の端子T2−1−2の電位は10V未満であり、トランスT2の巻数比を1:1とすれば、二次巻線T2−2の端子T2−2−2の電位も10V未満となる。したがって、トランジスタTR8がオンとなることはなく、同時に、トランジスタTR6もオンとはならないので、FET2はOFFとなり、コンデンサC2からトランスT2に向かう電気エネルギーの逆流現象を防止することができる。 Further, the transistor TR9 is always kept on by the voltage of the capacitor C2. Therefore, the potential (P4) at the upper end of the resistor R11 is about 9.4V. On the other hand, when the backflow phenomenon as described above becomes a problem, the potential of the terminal T2-1-2 of the primary winding T2-1 of the transformer T2 is less than 10V, and the turn ratio of the transformer T2 is set to 1: 1. For example, the potential of the terminal T2-2-2 of the secondary winding T2-2 is also less than 10V. Therefore, the transistor TR8 is not turned on, and at the same time, the transistor TR6 is not turned on. Therefore, the FET2 is turned off, and the backflow phenomenon of the electric energy from the capacitor C2 toward the transformer T2 can be prevented.
また、トランスT2に蓄積されていた電磁エネルギーが消滅し、コンデンサC2のチャージ電圧10Vが、トランスT1の二次巻線T1−2が接続されている負荷接続ラインの正極側に印加されることになるが、上述したように、トランスT1の一次巻線T1−1に電流が流れていなくトランスT1の二次巻線T1−2の両端に電圧が生じていないときには、二次巻線T1−2に接続されているトランジスタTR4のコレクタ電位(P2)も約10Vの電位が維持されるので、電界効果トランジスタFET1がオンとなることはない。 Further, the electromagnetic energy accumulated in the transformer T2 disappears, and the charge voltage 10V of the capacitor C2 is applied to the positive side of the load connection line to which the secondary winding T1-2 of the transformer T1 is connected. However, as described above, when no current flows through the primary winding T1-1 of the transformer T1 and no voltage is generated across the secondary winding T1-2 of the transformer T1, the secondary winding T1-2. Since the collector potential (P2) of the transistor TR4 connected to is also maintained at a potential of about 10 V, the field effect transistor FET1 is not turned on.
また、トランジスタTR8のベース電位を可変抵抗VRによって調整するようにしているが、このように構成することで、電界効果トランジスタFET2を導通させるタイミングを的確に制御している。すなわち図2において、ポイントP3の電位がポイントP5の電位以上になれば、トランジスタTR8がオン、トランジスタTR6がオンとなり、更にFET2をオンとさせることができるためである。具体的には、コンデンサC2のチャージ電圧が10Vと仮定した場合に、例えば、トランジスタTR8のベース電位(P3)を10.01V程度に設定することができる。これは、上述したようにトランスT2に蓄積された電磁エネルギーにより、コンデンサC2及び負荷に電流を流そうとするとき、トランスT2の一次巻線T2−1の端子T2−1−2の電位がコンデンサC2のチャージ電圧を超過していれば足りる訳であるが、しかしこのとき、FET2がオンとなっていなければ、電流路の閉回路が成立しない。したがって、その具体的対策としてトランスT2の一次巻線と二次巻線の巻線比をたとえば1:2のようにすることで、トランスT2の二次巻線に充分な電圧を発生させ、抵抗R9と可変抵抗VRの調整により、トランジスタTR8のベース電位(P3)に、トランジスタTR8を即座にオンとするための適正な電圧を発生させることができる。このような電圧に設定すれば、トランスT2の一次巻線T2−1の端子T2−1−2の電位がコンデンサC2のチャージ電圧より若干でも超過した時点で、即座にトランジスタTR8,TR6をオン、更にFET2をオンさせることができ、トランスT2に発生した電磁エネルギーを無駄無く効率よくコンデンサC2(あるいは負荷)に供給することができる。
In addition, the base potential of the transistor TR8 is adjusted by the variable resistor VR. With this configuration, the timing for turning on the field effect transistor FET2 is accurately controlled. That is, in FIG. 2, when the potential at the point P3 becomes equal to or higher than the potential at the point P5, the transistor TR8 is turned on, the transistor TR6 is turned on, and the
なお、最後に、図1に示した遅延回路15の機能について説明する。これまで、本発明にかかるスイッチング電源装置の動作について詳細に説明してきたが、これらの説明は、本スイッチング電源装置が理想的な動作状態を維持していることが前提となる。一方、負荷の種類や、回路の配線長、あるいはトランジスタ素子の動作遅延などが原因となり、制御回路14から出力された正極パルスによって、トランジスタTR7がオンとなり、電界効果トランジスタFET2がオフとなる以前に、トランジスタTR10のオンによってトランスT1の二次巻線T1−2に発生した電圧が電界効果トランジスタFET2に流れてしまう僅かな時間帯が存在することが考えられる。このような場合、トランスT1の二次巻線T1−2に発生した電圧がトランスT2に蓄積されずに自身に戻ってしまうので、運転効率が低下する要因となる。このような場合、図1に示したように、制御回路14とトランスT3との間に遅延回路15を挿入することによって、運転効率の低下を抑制することができるという効果が得られる。
Finally, the function of the
なお、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば、種々の変形が可能であり、例えば、以下に例示するような種々の変形が可能である。 Note that the present invention is not limited to the above-described embodiment, and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention. For example, various modifications as exemplified below are possible. Is possible.
(変形例1)
図3は、図1に示した本発明の変形例を示す回路図である。同図に示すスイッチング電源装置10aは、図1に示したスイッチング電源装置の1次側回路部において、直流電源に接続されるスイッチング素子SW3およびトランスT1の接続を逆に変えたものである。すなわち、トランスT1の一次巻線T1−1の一端とスイッチング素子SW3の他端とが接続されるとともに、スイッチング素子SW3の一端が入力電源(直流電源)の正極側に接続され、トランスT1の一次巻線T1−1の他端が入力電源(直流電源)の負極側に接続されるように構成したものである。このように構成した場合であっても、上述した動作と同様な動作が行われる。なお、図3に示すスイッチング素子の導電型は図1のスイッチング素子とは異なる導電型のものを用いている。
(Modification 1)
FIG. 3 is a circuit diagram showing a modification of the present invention shown in FIG. The switching
(変形例2)
図4は、図3に示した変形例とは異なる他の変形例を示す回路図である。同図に示すスイッチング電源装置10bは、図1に示したスイッチング電源装置の2次側回路部において、負荷接続ラインの負極側に接続されていたスイッチング素子SW1を負荷接続ラインの正極側に接続したものである。このように構成した場合であっても、上述した動作と同様な動作が行われる。なお、図示は省略するが、図1において負荷接続ラインの正極側に接続させていたトランスT2を、スイッチング素子SW1と同様な趣旨で負荷接続ラインの負極側に接続することも可能である。
(Modification 2)
FIG. 4 is a circuit diagram showing another modification different from the modification shown in FIG. The switching
以上説明したように、本発明にかかるスイッチング電源装置によれば、第1のゲートドライブ回路が負荷接続ライン上に挿入された主スイッチング素子を導通制御し、第2のゲートドライブ回路が負荷接続ライン間に接続された副スイッチング素子を導通制御し、制御回路がスイッチング電源装置の出力電圧に基づいて直流入力スイッチング素子の制御周波数を決定するようにしているので、簡単な回路構成でありながら待機モード時から軽負荷、さらには定格負荷までの広範囲にわたって、運転効率を高めることができる。 As described above, according to the switching power supply device of the present invention, the first gate drive circuit controls conduction of the main switching element inserted on the load connection line, and the second gate drive circuit controls the load connection line. The sub-switching elements connected in between are controlled in conduction, and the control circuit determines the control frequency of the DC input switching element based on the output voltage of the switching power supply device. Operation efficiency can be increased over a wide range from time to light load and even to rated load.
以上のように、本発明にかかるスイッチング電源装置は、高効率、かつ安価な電源装置として有用である。 As described above, the switching power supply device according to the present invention is useful as a highly efficient and inexpensive power supply device.
10 スイッチング電源装置
11,12 ゲートドライブ回路
14 制御回路
15 遅延回路
16 負荷
21 無安定マルチバイブレータ
22 微分回路
23 単安定マルチバイブレータ
C1,C2,C3,C4 コンデンサ
FET1,FET2 電界効果トランジスタ
SW1,SW2,SW3 スイッチング素子
T1,T2,T3 トランス
TR1〜TR14 トランジスタ
R1〜R4,R6〜R12,R15,R16 抵抗
R5,VR 可変抵抗
DESCRIPTION OF
Claims (5)
一端が前記直流電源の正極または負極のいずれかに接続され、該直流電源からの直流入力を断続する直流入力スイッチング素子と、
一次巻線と該一次巻線に磁気結合する二次巻線とを具備し、該一次巻線の一端が前記直流電源の正極または負極のいずれかに接続されるとともに、他端が前記直流入力スイッチング素子の他端に接続される第1のトランスと、
一次巻線と該一次巻線に磁気結合する二次巻線とを具備し、前記第1のトランスの二次巻線と前記負荷との間を接続する負荷接続ラインの一方の間に該一次巻線が挿入される第2のトランスと、
前記第1のトランスの二次巻線に生ずる電圧に基づいて前記負荷接続ラインの一方または他方のいずれかに挿入された前記主スイッチング素子を導通制御する第1のゲートドライブ回路と、
一端が前記第1のトランスの二次巻線の一端に接続されるとともに他端が前記主スイッチング素子の一端に接続される構成、または一端が前記主スイッチング素子の他端に接続されるとともに他端が前記第1のトランスの二次巻線の他端に接続される構成のいずれか一つの構成にて接続される副スイッチング素子と、
前記負荷に供給される出力電圧に基づいて制御パルス信号を生成出力する制御回路と、
前記負荷に供給される出力電圧と、前記第2のトランスの二次巻線に生ずる電圧と、前記制御回路から出力される制御パルスと、に基づいて前記副スイッチング素子を導通制御する第2のゲートドライブ回路と、
前記制御回路から出力される制御パルスが印加される一次巻線と該一次巻線に磁気結合する二次巻線とを具備し、該二次巻線に生ずる電圧に基づいて前記直流入力スイッチング素子を制御する第3のトランスと、
を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。 The energy output from the DC power supply during the ON period of the main switching element is stored in the choke coil while being output to the load side, and the energy stored in the choke coil is output to the load side during the OFF period of the main switching element In the switching power supply device
A DC input switching element having one end connected to either the positive electrode or the negative electrode of the DC power supply, and interrupting DC input from the DC power supply;
A primary winding and a secondary winding magnetically coupled to the primary winding, wherein one end of the primary winding is connected to either the positive electrode or the negative electrode of the DC power supply and the other end is the DC input A first transformer connected to the other end of the switching element;
A primary winding and a secondary winding magnetically coupled to the primary winding, the primary winding between one of the load connection lines connecting the secondary winding of the first transformer and the load A second transformer into which the winding is inserted;
A first gate drive circuit for controlling conduction of the main switching element inserted in one or the other of the load connection lines based on a voltage generated in the secondary winding of the first transformer;
One end is connected to one end of the secondary winding of the first transformer and the other end is connected to one end of the main switching element, or one end is connected to the other end of the main switching element and the other A sub-switching element connected in any one of the configurations in which the end is connected to the other end of the secondary winding of the first transformer;
A control circuit that generates and outputs a control pulse signal based on an output voltage supplied to the load;
A second control circuit for controlling conduction of the sub-switching element based on an output voltage supplied to the load, a voltage generated in a secondary winding of the second transformer, and a control pulse output from the control circuit; A gate drive circuit;
The DC input switching element comprises a primary winding to which a control pulse output from the control circuit is applied and a secondary winding magnetically coupled to the primary winding, and the DC input switching element based on a voltage generated in the secondary winding A third transformer for controlling
A switching power supply device comprising:
5. The switching power supply device according to claim 1, wherein the control circuit includes an astable multivibrator and a monostable multivibrator. 6.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2004239554A JP2006060907A (en) | 2004-08-19 | 2004-08-19 | Switching power supply |
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008278639A (en) * | 2007-04-27 | 2008-11-13 | Cosel Co Ltd | Switching power supply unit |
-
2004
- 2004-08-19 JP JP2004239554A patent/JP2006060907A/en active Pending
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