JP2007053885A

JP2007053885A - 電圧共振型スイッチング電源

Info

Publication number: JP2007053885A
Application number: JP2005261297A
Authority: JP
Inventors: Kenzo Watanabe; 健蔵渡辺
Original assignee: Denshi System Design Kk
Current assignee: Denshi System Design Kk
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-03-01

Abstract

【課題】スイッチ素子に加わる電圧ストレスを抑えた電圧共振型スイッチング電源を提供する。
【解決手段】定電圧ダイオード、バリスタ、あるいはアレスタを電圧クランプ素子としてフォワード型スイッチング電源のトランス一次巻線、あるいはスイッチ素子に並列に接続し、スイッチがオフの時にスイッチに加わるピーク電圧をある電圧以下に抑えるとともに、電圧クランプ素子の寄生容量を共振用キャパシタとして用いる。
【選択図】図１

Description

発明の詳細な説明

本発明は電圧共振型スイッチング電源に関し、特にスイッチ素子に加わる電圧ストレスを軽減する技術に関する。

インダクタとキャパシタの共振を利用して半導体スイッチをソフトスイッチングさせる共振型スイッチング電源は、高い電力変換効率及び低雑音の点から広く注目されている。共振型には、電流共振型、電圧共振型、および電流共振と電圧共振を共に利用する複合共振型があるが、半導体スイッチとしてＭＯＳトランジスタを用いる場合は、電圧共振型が効率向上及び雑音低減の点から特に有効である。

電圧共振型スイッチング電源では、共振用インダクタンスとしてトランスの一次巻線の励磁インダクタンスを用い、この励磁インダクタンスを半導体スイッチ素子に並列に接続したキャパシタとで共振させている。従って、フォワード型スイッチング電源にキャパシタを１つ追加すれば電圧共振型が構成できる。

発明が解決しようとする課題

このような簡単な構成で電力変換効率の向上と雑音の低減が図れる電圧共振型スイッチング電源において、スイッチの端子間電圧がゼロの時にスイッチをオンにするゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ：Ｚｅｒｏ−Ｖｏｌｔａｇｅ−Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ）を行うためには、トランスの一次巻線と共振用キャパシタからなる共振回路のＱを高くしなければならない。このため、スイッチに加わるピーク電圧はフライバック方式やフォワード方式に比較して著しく高くなる。

この電圧ストレスを軽減するために、従来は図４に示すように、フォワード型スイッチング電源のトランス２にリセット巻線２２を設け、リセット巻線２２の一端は直流電源６のプラス側に、他端はダイオード３を介して直流電源６のマイナス側に接続する電圧クランプ回路が設けられている（例えば、参考文献１、参考文献２、及び特許文献１）。

参考文献１

Ｓ．ＡｎｇａｎｄＡ．Ｏｌｉｖａ：ＰｏｗｅｒＳｗｉｔｃｈｉｎｇＣｏｎｖｅｒｔｅｒｓ，Ｃｈａｐ．４，ＣＲＣＰｒｅｓｓ，２００５．

参考文献２

長尾、岡村、原田：「フォワード型ソフトスイッチングＡＣ／ＤＣワンコンバターのクランプ化について」電子情報通信学会技術研究報告、Ｖｏｌ．１０５，Ｎｏ．４５，ｐｐ．１３−１７，２００５．特開平５−３０４７７３号公報

リセット巻線とダイオードを用いる電圧クランプ回路では、リセット巻線と一次励磁巻線の巻数を同じとすると、オフ時にスイッチ素子に加わる電圧は電源電圧の約２倍となる。従って、１００Ｖの交流電圧を直接整流して直流電源とするスイッチング電源では、スイッチ素子に加わるピーク電圧は３００Ｖ以下となるので、この回路は電圧クランプに極めて有効である。しかし、リセット巻線を設けるため、トランスが大きくなるとともに、コストも高くなる。さらに、ＺＶＳは極めて難しくなる。

また、スイッチ素子に加わる電圧ストレスを軽減する別の手段として、アクティブクランプを用いる方法が特許文献２に、共振キャパシタを並列に接続したスイッチを２つ用いる方法が特許文献３に開示されている。

特開平１１−３２４７９号公報特開２０００−３２４８２８号公報

アクティブクランプによる方法ではアクティブクランプに用いられるＭＯＳトランジスタを駆動するスイッチング回路が複雑となる。又、スイッチ素子を２つ用いる方法ではいずれか一方のスイッチ素子がフローティングとなるため、その駆動にはパルストランスが必要となる。この問題はアクティブクランプによる方法にも共通している。さらに、これら２つの方法ではパワーＭＯＳトランジスタが２つ必要となるのでコストも高くなる。

本発明は、このような従来の電圧クランプ手段が有している問題点を解決しようとしてなされたものであり、電圧共振型スイッチング電源のスイッチ素子に加わる電圧ストレスを軽減するための簡便で安価な手段を提供するものである。

問題を解決するための手段

本出願の請求項１に係る発明は、スイッチ素子がオフのとき、スイッチ素子に並列に接続されたキャパシタとトランスの一次励磁インダクタンスで電圧共振させる共振型スイッチング電源において、トランスの一次励磁巻線間に電圧クランプ素子を並列に接続することによってスイッチ素子に加わるピーク電圧を制限しようとするものである。電圧クランプ素子のクランプ電圧をＶ_{ｃｌａｍｐ}，直流電源の電圧をＶ_ＤＣとすると、スイッチ素子に加わるピーク電圧Ｖ_ｐｅａｋは

となる。

また、請求項２に係る発明は、共振用キャパシタとともに電圧クランプ素子をスイッチ素子に並列に接続してスイッチ素子に加わるピーク電圧を制限しようとするものである。この場合、電圧クランプ素子のクランプ電圧をＶ_{ｃｌａｍｐ}とすると、スイッチ素子に加わるピーク電圧Ｖ_ｐｅａｋは

となる。

また、請求項３に係る発明は、請求項１あるいは請求項２における電圧クランプ素子の寄生容量が共振用キャパシタと並列になることに鑑み、寄生容量自体を共振用キャパシタとするものである。これによって高耐圧のキャパシタが不要となるので電圧共振型スイッチング電源の回路が簡略化されるとともに、コストも安くなる。

また、請求項４に係る発明は、低電圧ダイオード、バリスタ、あるいはアレスタによって電圧クランプを具現するものであって、これらの受動二端子素子を電圧クランプ素子として用いることによって、回路の簡略化が図れる。

以下、本発明の実施の形態として、実施例を図１から図３に基づいて説明する。なお、各図において、１はスイッチ素子、２はトランス、３は電圧クランプ素子、４は共振用キャパシタ、５はスイッチ素子１をオン・オフさせるための駆動パルス源、６は直流電源、７は降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ、８は負荷である。降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ７は本発明の本質的な要素ではなく、トランスの二次側は単なる整流回路であってもよい。また、直流電源６は１００Ｖの交流電源をブリッジ整流した後、キャパシタで平滑したものであり、その電圧Ｖ_ＤＣは約１４０Ｖである。

図１は本発明の第１の実施例であり、電圧クランプを採り入れた電圧共振型スイッチング電源の構成図である。この例では電圧クランプ素子として降伏電圧約３６０Ｖのバリスタを用い、これをトランス２の一次巻線に並列に接続することによってバリスタの寄生容量とトランス２の一次巻線とで共振回路を形成している。この構成で、スイッチ素子１に加わるピーク電圧は約５００Ｖである。

図２は本発明の第２の実施例であって、電圧クランプを採り入れた電圧共振型スイッチング電源の構成図である。この例では電圧クランプ素子として定電圧ダイオード３１とシリコンダイオード３２を用いている。定電圧ダイオード３１のツェナー電圧は３００Ｖであり、この構成ではスイッチ１としてのパワーＭＯＳトランジスタに加わるピーク電圧は約４４０Ｖとなっている。共振用キャパシタ４には耐圧６００Ｖ、容量１６０ｐＦのフィルムキャパシタが用いられている。

図３は本発明の第３の実施例であって、電圧クランプを採り入れた電圧共振型スイッチング電源の構成図である。この実施例では電圧クランプ素子３としてバリスタをスイッチ１に並列接続し、バリスタの寄生容量とトランス２の一次巻線とで共振回路を形成している。用いたバリスタの降状電圧は約４３０Ｖであり、スイッチ１に加わるピーク電圧はこのバリスタの降状電圧となっている。

以上の実施例では、スイッチとしてパワーＭＯＳトランジスタを用いているが、バイポーラトランジスタや絶縁ゲート型トランジスタに置き換えられることは明らかである。

発明の効果

以上述べたように、本発明によれば電圧共振型スイッチング電源のスイッチ素子に加わる電圧ストレスを、回路構成を複雑にすることなく、また、ゼロ電圧スイッチングを阻害することなく、抑えることができる。従って、本発明は高効率、低雑音スイッチング電源に極めて有用である。

バリスタをトランスの一次巻線に並列に接続した電圧共振型スイッチング電源。定電圧ダイオードを電圧クランプに用いた電圧共振型スイッチング電源。バリスタをスイッチ素子に並列接続した電圧共振型スイッチング電源。トランスのリセット巻線とダイオードによるクランプ回路を設けた従来のフォワード型スイッチング電源。

符号の説明

１スイッチ素子
２トランス
３電圧クランプ素子
４スイッチ駆動パルス源
５キャパシタ
６直流電源
７降圧型ＤＣ−ＤＣコンバータ
８負荷

Claims

直流電源から給電されるトランスの一次巻線に直列に接続された半導体スイッチ素子をオン・オフ制御して、該トランスの二次側に電力を供給するスイッチング電源であって、
該スイッチ素子に並列に接続された共振用キャパシタと該トランスの一次巻線に並列に接続された電圧クランプ素子を備えたことを特徴とする電圧共振型スイッチング電源。
スイッチ素子に共振用キャパシタと共に電圧クランプ素子を並列に接続した請求項１に記載の電圧共振型スイッチング電源。
電圧クランプ素子の寄生容量を共振用キャパシタとする請求項１および請求項２に記載の電圧共振型スイッチング電源。
電圧クランプ素子として、定電圧ダイオード、バリスタ、あるいはアレスタを用いる請求項１および請求項２に記載の電圧共振型スイッチング電源。