JP2006211773A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、励磁電流を大きくする事無くゼロボルトスイッチ動作の範囲を拡大させる事が可能なＢＨＢ方式のスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】 一次・二次を絶縁するトランスＴ１を設け、一次側に入力端子Ｖ_INと、入力チョークＬ_INと第一スイッチ素子Ｑ１との直列回路と、第一スイッチ素子の端子間に接続されるトランスの一次巻線と第一コンデンサＣ１との直列回路と、該一次巻線の両端に接続される第二スイッチ素子Ｑ２と第二コンデンサＣ２の直列回路とを、二次側に整流回路Ｄ１，Ｄ２と、平滑回路Ｃｏと、出力端子とを設け、出力端子の出力電圧を検出して前記二つのスイッチ素子を交互にオン、オフ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、二つのスイッチ素子の接続部と該一次巻線の一端との間に共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとを直列接続してなる共振回路を有することを特徴とするスイッチング電源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源に関するものであり、特に共振型ブーストハーフブリッジ方式のスイッチング電源に関するものである。

従来のブーストハーフブリッジ（以下「ＢＨＢ」という。）方式のスイッチング電源装置を図５に示す。このスイッチング電源装置は、直流電圧Ｖ_INを受ける入力端子と、一次巻線Ｎｐと二次巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２とを備えたトランスＴと、該入力端子間に接続される入力チョークＬ_INと第一のスイッチ素子Ｑ１との直列回路と、該第一のスイッチ素子Ｑ１の端子間に接続される該トランスＴの一次巻線ＮｐとコンデンサＣ１との直列回路と、該トランスＴの一次巻線Ｎｐの端子間に接続される第二のスイッチ素子Ｑ２とコンデンサＣ２の直列回路と、該トランスＴの二次巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２に接続される整流回路Ｄ１，Ｄ２と、この整流回路Ｄ１，Ｄ２に接続される平滑回路Ｃｏと、出力端子とを有し、出力端子には負荷Ｒｏが接続してあり、出力端子の出力電圧を検出する電圧検出回路１と、該電圧検出回路１からの信号を受け、該第一のスイッチ素子Ｑ１と該第二のスイッチ素子Ｑ２を交互にオン、オフ制御する制御回路２とを有する（特許文献１参照）。
特開２００３−７９１４２公報

しかし、従来のＢＨＢ方式のスイッチング電源装置は、一次側のスイッチ素子のゼロボルトスイッチ動作が可能であるが、軽負荷域でゼロボルトスイッチさせるには大きな励磁電流が必要であり、効率低下を招く。そのため負荷の大きさに関係なく全範囲でゼロボルトスイッチ動作させることは困難である。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、励磁電流を大きくする事無くゼロボルトスイッチ動作の範囲を拡大させる事が可能なＢＨＢ方式のスイッチング電源装置を提供する。

上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、直流電圧を受ける入力端子と、一次巻線と二次巻線とを備えたトランスと、該入力端子間に接続される入力チョークと第一のスイッチ素子との直列回路と、該第一のスイッチ素子の端子間に接続される該トランスの一次巻線と第一のコンデンサとの直列回路と、該トランスの一次巻線の端子間に接続される第二のスイッチ素子と第二のコンデンサの直列回路と、該トランスの二次巻線に接続される整流回路と、この整流回路に接続される平滑回路と、出力端子と、該出力端子の出力電圧を検出して該第一のスイッチ素子と該第二のスイッチ素子を交互にオン、オフ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、該二つのスイッチ素子の接続部と該トランスの一次巻線の一端との間に共振用チョークと共振用コンデンサとを直列に接続してなる共振回路を有することを特徴とする。
該トランスの一次巻線の漏れインダクタンスを該共振用チョークとして用いていることを特徴とする。

該トランスと該入力チョークとを一つのコアで巻回して構成してあることを特徴とする。

本発明によれば、一次側にチョークとコンデンサとを直列に接続してなる共振回路を設けたことにより、励磁電流を大きくする事無くゼロボルトスイッチ動作の範囲を拡大させる事ができる効果がある。

発明を実施するための最良の形態の基本回路図を図１に示す。図１図示のスイッチング電源装置は、直流電圧Ｖ_INを受ける入力端子を備え、この入力端子間に入力チョークＬ_INと第一のスイッチ素子Ｑ１との直列回路を接続してある。第一のスイッチ素子Ｑ１の端子間にトランスＴの一次巻線ＮｐとコンデンサＣ１との直列回路を接続してある。トランスＴの一次巻線Ｎｐの端子間に第二のスイッチ素子Ｑ２とコンデンサＣ２との直列回路を接続してある。また、第一のスイッチ素子Ｑ１及び第二のスイッチ素子Ｑ２はそれぞれ寄生ダイオードＤＱ１，ＤＱ２及び内部コンデンサＱＣ１，ＱＣ２を備えてある。

トランスＴ１は一次・二次間を絶縁し、トランスＴ１の二次巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２にはそれぞれ整流ダイオードＤ１，Ｄ２を接続してあり、整流ダイオードＤ１，Ｄ２は平滑コンデンサＣｏを接続してある。出力端子には負荷Ｒｏが接続してあり、出力端子の出力電圧を検出する電圧検出回路１と、該電圧検出回路１からの信号を受け、第一のスイッチ素子Ｑ１と第二のスイッチ素子Ｑ２を交互にオン、オフ制御する制御回路２を有する。

このスイッチング電源装置は、二つのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２の接続部とトランスＴの一次巻線Ｎｐの一端との間に共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとを直列に接続してなる共振回路を接続してある。なお、本実施形態では、共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとを直列に接続して共振回路を構成してあるが、トランスＴの一次巻線Ｎｐの漏れインダクタンスＬｐを共振用チョークとして用いることも可能である。以下の実施例も同様である。

以上のように構成してあるスイッチング電源装置は、以下のように作用する。作用については、図２に示す動作波形図を用いて説明する。先ず、図２に示す時間ｔ０の際に、第二のスイッチ素子Ｑ２がオンする。このとき、二次側の第二の整流ダイオードＤ２は導通状態である。

続いて、図２に示すように、時間ｔ１で二次側の第二の整流ダイオードＤ２がオフし、トランスＴの巻線電圧が反転する。スイッチ素子Ｑ２のドレインには入力チョークＬ_ＩＮからの電流と、共振回路を構成する共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流が流れる。このとき、二次側の第一の整流ダイオードＤ１が導通し、共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流により二次側に電力供給を始める。第一のスイッチ素子Ｑ１の電圧は、
ほぼＶ_ＩＮ｛１／（１−Ｄ）｝でクランプされている。

時間ｔ２になると、第二のスイッチ素子Ｑ２がオフする。そのとき、共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流により第二のスイッチ素子Ｑ２の内部コンデンサＣＱ２は充電され、第一のスイッチ素子Ｑ１の内部コンデンサＣＱ１は放電される。二次側の第一の整流ダイオードＤ１電流は減少を始めるが、二次側への電力供給は続いている。

時間ｔ３になると、第一のスイッチ素子Ｑ１の寄生ダイオードＤＱ１が導通する。ここには入力チョークＬ_INからの電流と、励磁インダクタンスＬｐ並びに共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとで構成する共振回路を流れる電流との合計量の電流が流れる。

時間ｔ４で第一のスイッチ素子Ｑ１がオンする。この時、第一のスイッチ素子Ｑ１はこの寄生ダイオードＤＱ１が導通した状態であるので、ゼロボルトスイッチングする。二次側の第一の整流ダイオードＤ１は時間ｔ５まで導通する。

時間ｔ５になると、二次側の第一の整流ダイオードＤ１はオフし、トランスＴの巻線電圧が反転する。このとき、二次側に設けた第二の整流ダイオードＤ２が導通し、共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流およびコンデンサＣ１の放電により二次側に電力供給を始める。

時間ｔ６で第一のスイッチ素子Ｑ１がオフする。共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流により第一のスイッチ素子Ｑ１の内部コンデンサＣＱ１は充電され、第二のスイッチ素子Ｑ２の内部コンデンサＣＱ２は放電される。このとき、二次側の第二の整流ダイオードＤ２電流は減少し始める。

時間ｔ７になると、第二のスイッチ素子Ｑ２の内部コンデンサＣＱ２は充分放電されており、第二のスイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードＤＱ２が導通し始める。次のサイクルが始まるときには、第二のスイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードＤＱ２が導通した状態であるので、第二のスイッチ素子Ｑ２はゼロボルトスイッチングする。二次側の第二の整流ダイオードＤ２は時間ｔ１まで導通する。

本実施形態に係るスイッチング電源装置は、以上のような作用により、励磁電流を大きくする事無くゼロボルトスイッチ動作の範囲を拡大させる事ができる。

実施例１の基本回路図を図３に示す。図３図示のスイッチング電源装置は、概ね前記実施形態と同様であるが、本実施例に係るスイッチング電源装置はトランスＴと前記実施形態の入力チョークＬ_INとを一つのコアで巻回して構成してあることを特徴とする。トランスＴ１は入力チョークＬ_INの役割も兼ねるため、図３に示すように、トランスＴ１の一次巻線Ｎｐ１が前記実施形態の入力チョークＬ_INの位置に接続される。

以上のように構成してあるスイッチング電源装置は、以下のように作用する。作用については、図４に示す動作波形図を用いて説明する。

先ず、図４に示す時間ｔ０の際に、第二のスイッチ素子Ｑ２がオンする。このとき、二次側の第二の整流ダイオードＤ２は導通状態である。

続いて、図２に示すように、時間ｔ１で二次側の第二の整流ダイオードＤ２がオフし、トランスＴの巻線電圧が反転する。スイッチ素子Ｑ２のドレインにはトランスＴ１の一次巻線Ｎｐ１からの電流と、共振回路を構成する共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流が流れる。このとき、二次側の第一の整流ダイオードＤ１が導通し、トランスＴ１の一次巻線Ｎｐ１からの電流と、共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流により二次側に電力供給を始める。第一のスイッチ素子Ｑ１の電圧は、ほぼＶ_ＩＮ｛１／（１−Ｄ）｝でクランプされている。

時間ｔ２になると、第二のスイッチ素子Ｑ２がオフする。そのとき、共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流により第二のスイッチ素子Ｑ２の内部コンデンサＣＱ２は充電され、第一のスイッチ素子Ｑ１の内部コンデンサＣＱ１は放電される。二次側の第一の整流ダイオードＤ１電流は減少を始めるが、二次側への電力供給は続いている。

時間ｔ３になると、第一のスイッチ素子Ｑ１の寄生ダイオードＤＱ１が導通する。ここには、トランスＴ１の一次巻線Ｎｐ１からの電流と、励磁インダクタンスＬｐ並びに共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流との合計量の電流が流れる。

時間ｔ４になると、第一のスイッチ素子Ｑ１がオンする。この時、第一のスイッチ素子Ｑ１はこの寄生ダイオードＤＱ１が導通した状態であるので、ゼロボルトスイッチングする。二次側の第一の整流ダイオードＤ１は時間ｔ５まで導通する。

続いて、時間ｔ５になると、二次側の第一の整流ダイオードＤ１はオフし、トランスＴの巻線電圧が反転する。このとき、二次側に設けた第二の整流ダイオードＤ２が導通し、共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流およびコンデンサＣ１の放電により二次側に電力供給を始める。

続いて、時間ｔ６で第一のスイッチ素子Ｑ１がオフする。共振用チョークＬｒと共振用コンデンサＣｒとの共振電流により第一のスイッチ素子Ｑ１の内部コンデンサＣＱ１は充電され、第二のスイッチ素子Ｑ２の内部コンデンサＣＱ２は放電される。このとき、二次側の第二の整流ダイオードＤ２電流は減少し始める。

時間ｔ７になると、第二のスイッチ素子Ｑ２の内部コンデンサＣＱ２は充分放電されており、第二のスイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードＤＱ２が導通し始める。次のサイクルが始まるときには、第二のスイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードＤＱ２が導通した状態であるので、第二のスイッチ素子Ｑ２はゼロボルトスイッチングする。二次側の第二の整流ダイオードＤ２は時間ｔ１まで導通する。

本実施例に係るスイッチング電源装置は、以上のような作用により、励磁電流を大きくする事無くゼロボルトスイッチ動作の範囲を拡大させる事ができる。

本発明によれば、一次側にチョークとコンデンサとを直列に接続してなる共振回路を設けたことにより、励磁電流を大きくする事無くゼロボルトスイッチ動作の範囲を拡大させる事ができる。

本発明に係るスイッチング電源装置における発明を実施するための最良の形態の基本回路図である。 図１図示実施形態における動作波形図である。 本発明に係るスイッチング電源装置における実施例１の基本回路図である。 図３図示実施形態における動作波形図である。 従来の実施例の基本回路図である。

符号の説明

Ｔ トランス
Ｑ スイッチ素子
Ｌ チョーク
Ｃ コンデンサ
Ｄ ダイオード
Ｎｐ 一次巻線
Ｎｓ 二次巻線
Ｒｏ 負荷
１ 電圧検出回路
２ 制御回路

Claims (3)

1. 直流電圧を受ける入力端子と、一次巻線と二次巻線とを備えたトランスと、該入力端子間に接続される入力チョークと第一のスイッチ素子との直列回路と、該第一のスイッチ素子の端子間に接続される該トランスの一次巻線と第一のコンデンサとの直列回路と、該トランスの一次巻線の端子間に接続される第二のスイッチ素子と第二のコンデンサの直列回路と、該トランスの二次巻線に接続される整流回路と、この整流回路に接続される平滑回路と、出力端子と、該出力端子の出力電圧を検出して該第一のスイッチ素子と該第二のスイッチ素子を交互にオン、オフ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、該二つのスイッチ素子の接続部と該トランスの一次巻線の一端との間に共振用チョークと共振用コンデンサとを直列に接続してなる共振回路を有することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 該トランスの一次巻線の漏れインダクタンスを該共振用チョークとして用いていることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 該トランスと該入力チョークとを一つのコアで巻回して構成してあることを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチング電源装置。

Images