JP2007221905A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】良好な効率を維持する。
【解決手段】トランス2の一次巻線2aに直列接続されて入力電圧VinをスイッチングするFET4と、FET7、トランス9の一次巻線9a、およびコンデンサ10を直列接続して構成されてトランス2の二次巻線2bの両端間に接続された整流平滑回路と、一次巻線9aおよびコンデンサ10の直列回路に並列接続された転流電流通過回路と、一次巻線9aと磁気的に結合された検出コイル(二次巻線9b)に誘起される交流電圧V2に基づいてFET4を制御するスイッチング制御回路15とを備え、転流電流通過回路は、転流電流(電流I2)を通過させるダイオード8a、およびダイオード8aに並列に接続されてオン状態のときに転流電流とは逆向きの電流(電流I2)を通過させるFET8を備え、スイッチング制御回路15は、FET4のオフ期間の全期間に亘ってFET8をオン状態に維持する。
【選択図】図1
【解決手段】トランス2の一次巻線2aに直列接続されて入力電圧VinをスイッチングするFET4と、FET7、トランス9の一次巻線9a、およびコンデンサ10を直列接続して構成されてトランス2の二次巻線2bの両端間に接続された整流平滑回路と、一次巻線9aおよびコンデンサ10の直列回路に並列接続された転流電流通過回路と、一次巻線9aと磁気的に結合された検出コイル(二次巻線9b)に誘起される交流電圧V2に基づいてFET4を制御するスイッチング制御回路15とを備え、転流電流通過回路は、転流電流(電流I2)を通過させるダイオード8a、およびダイオード8aに並列に接続されてオン状態のときに転流電流とは逆向きの電流(電流I2)を通過させるFET8を備え、スイッチング制御回路15は、FET4のオフ期間の全期間に亘ってFET8をオン状態に維持する。
【選択図】図1
Description
本発明は、スイッチングによって直流電圧を生成するフォーワード型スイッチング電源装置に関するものである。
この種のフォーワード型スイッチング電源装置(以下、「スイッチング電源装置」ともいう)として、特開平2−101960号公報に開示されているスイッチング電源装置が知られている。このスイッチング電源装置は、コンバータトランスの1次側の電源入力をスイッチング素子により断続し、2次側に発生する電力を整流、平滑して所定の負荷に給電するスイッチング電源装置であって、コンバータトランスの1次側には、スイッチング素子、誤差増幅器およびPWM回路が配設され、コンバータトランスの2次側には、整流用のダイオードと、フライホイールダイオード、チョークコイルおよび平滑用コンデンサで構成されたフィルタ回路とが配設されて構成されている。また、このスイッチング電源装置は、チョークコイルと磁気的に結合された検出コイルと、この検出コイルの出力を直流電圧信号に変換する整流平滑回路とを備えている。
このスイッチング電源装置では、検出コイルがチョークコイルに印加されている電圧に比例した電圧の交流信号を出力し、整流平滑回路がこの交流信号を直流電圧信号に変換し、誤差増幅器がフィードバックされた直流電圧信号を所定の目標負荷電圧に対応した基準電圧と比較してその誤差信号をPWM回路に出力し、PWM回路が誤差信号に応じたデューティ比の駆動パルスでスイッチング素子を駆動するというフィードバック制御を実行して、出力電圧を安定化させる。このスイッチング電源装置によれば、チョークコイルに2次巻線を追加して検出コイルとするだけで、特に電圧検出回路を設けることなく負荷電圧を検出できる。また、チョークコイルと検出コイルとは磁気的に結合されており、電気的には絶縁されているため、なんら絶縁手段を必要としないで、検出信号をコンバータトランスの1次側にフィードバックすることができる。したがって、装置の部品点数を減少させることができ、装置構成を簡単、安価にすることができる。
特開平2−101960号公報(第2−4頁、第1図)
ところが、この従来のスイッチング電源装置には、以下の問題点がある。すなわち、このスイッチング電源装置は、負荷への出力電流が十分に小さくなる軽負荷のとき(無負荷のときまたは無負荷に近い状態のとき)には、スイッチング素子のオフ期間において、チョークコイルを流れる電流がゼロになるモード(いわゆる不連続モード)で動作する。この場合、このスイッチング電源装置では、チョークコイルを流れる電流がゼロになっている期間(チョークコイルを流れる電流がゼロになってから次にスイッチング素子がオンになるまでの期間)において、出力電圧に対するフィードバック制御が行われないため、出力電圧がコンバータトランスの2次巻線に誘起される電圧まで必要以上に上昇するという問題点が存在している。したがって、従来では、不連続モード(軽負荷状態)を避けるために、スイッチング電源装置の出力段にブリーダ抵抗を配設してブリーダ抵抗に常時電流を流している。しかしながら、ブリーダ抵抗を配設する構成では、ブリーダ抵抗で不要な電力を常時消費する結果、スイッチング電源装置全体の効率が低下するという問題点がある。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、良好な効率を維持し得るスイッチング電源装置を提供することを主目的とする。
上記目的を達成すべく請求項1記載のスイッチング電源装置は、一次巻線および二次巻線を有する第1トランスと、前記一次巻線に直列接続されて入力電圧をスイッチングする第1スイッチング素子と、第1整流用半導体素子、平滑用のインダクタ、および平滑用の蓄電素子を直列接続して構成されて前記二次巻線の両端間に接続された整流平滑回路と、前記インダクタおよび前記蓄電素子の直列回路に並列接続された転流電流通過回路と、前記平滑用のインダクタと磁気的に結合された検出コイルと、前記検出コイルに誘起される電圧に基づいて前記第1スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御回路とを備えたフォワード型のスイッチング電源装置であって、前記転流電流通過回路は、転流電流を通過させる第2整流用半導体素子、および当該第2整流用半導体素子に並列に接続されてオン状態のときに前記転流電流とは逆向きの電流を通過させる第2スイッチング素子を備え、前記スイッチング制御回路は、前記第1スイッチング素子のオフ期間の全期間に亘って前記第2スイッチング素子をオン状態に維持する制御信号を出力する。なお、「第1スイッチング素子のオフ期間の全期間」とは、第1スイッチング素子と第2スイッチング素子とが同時にオン状態になる事態を回避するために設けられるデッドタイムを第1スイッチング素子のオフ期間から除いた残りの全期間をいう。
また、請求項2記載のスイッチング電源装置は、請求項1記載のスイッチング電源装置において、前記スイッチング制御回路から出力された前記制御信号を電気的に絶縁しつつ前記第2スイッチング素子に出力する第2トランスを備えている。
以上のように、請求項1記載のスイッチング電源装置では、転流電流通過回路が、転流電流を通過させる第2整流用半導体素子とオン状態のときに転流電流とは逆向きの電流を通過させる第2スイッチング素子とを備え、スイッチング制御回路が、第1スイッチング素子のオフ期間の全期間に亘って第2スイッチング素子をオン状態に維持する。したがって、このスイッチング電源装置によれば、軽負荷時に出力電流が減少したときにおいて、転流電流とは逆向きの電流を第2スイッチング素子が通過させることができるため、軽負荷であることに起因して、出力電圧が規定の範囲を超えて上昇しようとしているときには、その後最初に第1スイッチング素子がオン状態になるまでの期間において、負荷側(出力電圧の高い側)から第2スイッチング素子を経由して負荷側(出力電圧の低い側)に至る経路で転流電流とは逆向きの電流が流れる結果、出力電圧の上昇を回避することができる。したがって、このスイッチング電源装置によれば、軽負荷時においても、ブリーダ抵抗を使用することなく出力電圧の上昇を回避することができるため、電源装置の効率を向上させることができる。
また、請求項2記載のスイッチング電源装置によれば、スイッチング制御回路から出力された制御信号を第2トランスで電気的に絶縁しつつ第2スイッチング素子に出力することにより、フォトカプラを用いないで構成することができる。したがって、フォトカプラを用いたときの経年変化、応答性の低さ、および耐環境性の低さなどの問題を回避することができるため、電源装置の高性能化を図ることができる。
以下、添付図面を参照して、本発明に係るスイッチング電源装置の最良の形態について説明する。
図1に示すように、スイッチング電源装置1は、フォワード型のDC/DCコンバータであって、トランス2を備え、トランス2の一次回路側には、一対の入力端子3a,3b、FET(電界効果型トランジスタ)4、コンデンサ5、ダイオード6が配設されている。また、トランス2の二次回路側には、FET7,8、トランス9、コンデンサ10、一対の出力端子11a,11bが配設されている。さらに、トランス9の二次巻線9b側(トランス2の一次回路側)には、ダイオード12、コンデンサ13、トランス14およびスイッチング制御回路15が配設されている。
トランス2は、本発明における第1トランスに相当し、一次巻線2a、二次巻線2bおよびリセット巻線2cを備えている。この場合、一次巻線2aは、その巻始め側端子(・印が付された側の端子)2dがリセット巻線2cの巻き終わり側端子(・印の付されていない側の端子)に接続されている。入力端子3aは、一次巻線2aの巻始め側端子2dに接続されている。他方、入力端子3bは、FET4を介して一次巻線2aの巻き終わり側端子(・印の付されていない側の端子であって、FET4のオン期間において一次巻線2aに電圧が誘起した際に巻始め側端子に対して負電圧となる端子)に接続されている。
FET4は、nチャンネル型のFETで構成され、一次巻線2aに直列接続されて本発明における第1スイッチング素子として機能し、入力電圧Vinをスイッチングする。具体的には、FET4は、そのドレイン端子が一次巻線2aの巻き終わり側端子に接続され、そのソース端子が入力端子(マイナス側端子)3bに接続されている。コンデンサ5は、一対の入力端子3a,3b間に接続されている。ダイオード6は、そのカソード端子がリセット巻線2cの巻始め側端子(・印が付された側の端子)に接続され、そのアノード端子がFET4のソース端子に接続されている。
FET7は、nチャンネル型のFETで構成され、そのボディダイオードであるダイオード7aと共に本発明における第1整流用半導体素子として機能する。この場合、FET7は、そのドレイン端子が二次巻線2bの巻き終わり側端子に接続され、そのソース端子がトランス9の一次巻線9aにおける一端(・印の付された側の端子)に接続されている。ここで、二次巻線2bの巻き終わり側端子とは、FET4のオン期間において交流電圧Vsが二次巻線2bに誘起した際に巻始め側端子(・印が付された側の端子)に対して低電圧となる端子である。また、FET7のゲート端子は、トランス2の二次巻線2bの巻始め側端子に接続されている。なお、ダイオード7aは、FET7に代えてトランジスタを用いるときには、FET7のボディダイオードに代えて別個独立したダイオードで構成することもできる。トランス9の一次巻線9aは、本発明における平滑用のインダクタとして機能し、その他端がコンデンサ10および出力端子(マイナス側端子)11bに接続されている。
FET8は、nチャンネル型のFETで構成され、本発明における第2スイッチング素子として機能する。また、FET8は、そのソース端子がトランス9の一次巻線9aにおける一端に接続され、そのドレイン端子が二次巻線2bの巻始め側端子および出力端子(プラス側端子)11aに接続されている。また、ダイオード8aは、FET8に等価的に並列接続されたFET8のボディダイオードであって、本発明における第2整流用半導体素子として機能すると共に、FET8本体と相俟って本発明における転流電流通過回路として機能する。なお、ダイオード8aは、FET8に代えてトランジスタを用いるときには、FET8のボディダイオードに代えて別個独立したダイオードで構成することもできる。
コンデンサ10は、本発明における蓄電素子に相当し、その一端が出力端子11aに接続され、その他端が出力端子11bに接続されている。また、コンデンサ10は、トランス9の一次巻線9aおよびFET7と直列に接続されて、これらと共に本発明における整流平滑回路を構成する。また、トランス9の一次巻線9aと磁気的に結合された二次巻線9bは、本発明における検出コイルとして機能する。また、二次巻線9bの一端には、ダイオード12のアノード端子が接続されている。コンデンサ13は、その一端がダイオード12のカソード端子に接続され、その他端が二次巻線9bの他端に接続されている。また、コンデンサ13の両端には、トランス9の二次巻線9bに誘起した交流電圧V2がダイオード12とコンデンサ13とで平滑されることにより、トランス9の一次巻線9aの両端間に発生する電圧V1に比例した直流電圧V3が生成される。
スイッチング制御回路15は、所定の周期のパルス信号であるスイッチング制御信号S1、およびスイッチング制御信号S1と位相が反転する(スイッチング制御信号S1のローレベル期間(FET4のオフ期間)中にハイレベル期間(FET8のオン期間)となる)パルス信号であるスイッチング制御信号(本発明における制御信号)S2を生成する。また、スイッチング制御回路15は、生成したスイッチング制御信号S1をFET4に出力してFET4のオン/オフ制御を行うと共に、生成したスイッチング制御信号S2をトランス14を介して出力してFET8のオン/オフ制御を行う。この際に、スイッチング制御回路15は、トランス9の二次巻線9bに誘起される交流電圧V2に基づいて、具体的には、交流電圧V2を整流平滑して生成された直流電圧V3に基づいて、スイッチング制御信号S1のデューティ比およびスイッチング制御信号S2のデューティ比を制御することにより、出力電圧Voを予め設定された電圧に維持する。また、スイッチング制御回路15は、例えばトランス2の一次巻線2aとFET4のドレインとの間に配設されている図示しないカレントトランスによって検出される電流値が所定電流値を超えたときには、出力電流が異常に大きな電流値に達したものとしてFET4に対するスイッチング動作を停止させる(オーバーカレント動作)。さらに、スイッチング制御回路15は、例えばトランス9の二次巻線9bに並列に配設されている図示しないツェナーダイオードが導通したときには、出力電圧Voが異常に高い電圧値に達したとものとしてFET4に対するスイッチング動作を停止させる(オーバーボルテージ動作)。
次に、スイッチング電源装置1の全体的な動作について、図1〜図3を参照して説明する。なお、発明の理解を容易にするため、スイッチング電源装置1は、一定の入力電圧Vinを入力して、一定の出力電圧Voを出力している動作状態にあるものとする。
この動作状態のときには、スイッチング制御回路15がFET4のゲート端子にスイッチング制御信号S1を所定のデューティ比で出力し、FET4が、このスイッチング制御信号S1に同期して、図2に示すようにオン状態とオフ状態とを繰り返す。この場合、FET4がオン状態となるオン期間T0では、入力電圧Vinに起因した電流が一次巻線2aに流入することにより、二次巻線2bに交流電圧Vsが図1に示す極性で誘起され、他方、FET4がオフ状態となるオフ期間T1では、一次巻線2aへの電流の流入が停止することにより、一次巻線2aに逆起電力が発生して、二次巻線2bには交流電圧Vsとは逆極性の電圧が誘起される。したがって、FET7のゲート端子には、FET4のオン/オフに同期して、ソース端子を基準として正電圧/負電圧が印加される結果、FET7は、図2に示すように、FET4のオン/オフに同期して、オン状態とオフ状態とを繰り返す。
また、スイッチング制御回路15は、FET8のゲート端子にトランス14を介してスイッチング制御信号S2を出力し、FET8が、スイッチング制御信号S2に同期して、図2に示すようにオン状態とオフ状態とを繰り返す。この場合、上記したように、スイッチング制御信号S2は、スイッチング制御信号S1と位相が反転するパルス信号のため、FET8は、FET4,7のオン期間T0では、その全期間においてオフ状態になり、FET4,7のオフ期間T1では、その全期間においてオン状態になる。
このように、スイッチング制御回路15の制御下で、各FET4,7,8がオン/オフをそれぞれ繰り返すことにより、各FET4,7のオン期間T0(FET8のオフ期間)では、図1に示すように、トランス2の二次巻線2bから、出力端子11a,11bに接続されている負荷(図示せず)、トランス9の一次巻線9a、並びにFET7(およびダイオード7a)を経由して二次巻線2bに戻る経路に電流I1が流れる。また、この電流I1は、トランス9における一次巻線9aのインダクタンスで規定される傾きで増加する(図2,3参照)。他方、各FET4,7のオフ期間T1(FET8のオン期間)では、図1に示すように、トランス9のフライバック電圧に基づく電流(本発明における転流電流)I2が、インダクタとして機能するトランス9の一次巻線9aから、FET8(およびダイオード8a)、並びに出力端子11a,11bに接続されている負荷を経由して一次巻線9aに戻る経路に流れる。この電流I2は、電流I1とは逆に、トランス9における一次巻線9aのインダクタンスで規定される傾きで減少する(図2,3参照)。このようにして、負荷には、FET4のオン期間T0中においては電流I1が出力電流I3として供給され、FET4のオフ期間T1中においては電流I2が出力電流I3として供給される。
この場合、例えば負荷が定格負荷の範囲内で変動しているときのように、FET4のオフ期間T1中において常に電流I2がゼロ以上の状態(図2に示す状態。ただし、同図では、オフ期間T1の期末において電流I2がゼロとなる状態を示す)のときには、スイッチング電源装置1は、出力電圧Voを一定に制御しつつ、負荷の重軽に応じて、電流I3の平均電流値Iaveを増減する。つまり、この状態では、スイッチング電源装置1は連続動作モードで作動する。
この状態において、負荷が定格の範囲を超えて軽くなったときには、スイッチング電源装置1は、負荷に供給する電流I3の平均電流値Iaveを大幅に減少させるため、図3に示すように、FET4のオフ期間T1の途中において電流I2がゼロに達する動作状態に移行することがある。この場合、従来のスイッチング電源装置では、不連続モードに移行する。一方、このスイッチング電源装置1では、同図に示すように、FET4のオフ期間T1の全期間に亘りFET8がオン状態にあるため、トランス9の一次巻線9aから負荷への電流I2(電流I3)の供給が終了した直後(電流I2がゼロに達した直後)から、その後FET4がオン状態になるまでの期間T2において、負荷側(出力端子11a)から、FET8およびトランス9の一次巻線9aを経由して負荷側(出力端子11b)に至る経路で、電流電流とは逆向き(電流値がマイナスとなる向き)の電流I2が流れ得る状態になっている。したがって、軽負荷であることに起因して、その出力電圧Voが規定の範囲を超えて上昇しようとしているときには、この期間T2中において、その逆向きの電流I2が上記経路で流れるため、この出力電圧Voの上昇が回避される。
また、FET4のオフ期間T1が終了してオン期間T0に移行した時点で、FET8もオン状態からオフ状態に移行するが、この際には、負荷からFET8および一次巻線9aを経由して負荷に戻るように流れていた電流I2と同じ電流値の電流I4が、出力端子11aからトランス2の二次巻線2bおよび一次巻線9aを経由して出力端子11bに至る経路(電流I1とは逆向き)に流入する。したがって、図3に示すように、FET4のオン期間T0では、電流I1は、期間T2の期末における電流I2の電流値を初期電流値(始点)として徐々に増加する。これにより、電流I1と電流I2とは互いに連続した状態で、電流I3として負荷に供給される。つまり、電流I3は連続モードで負荷に供給される。
このように、このスイッチング電源装置1では、電流I2を通過させるダイオード8aと、ダイオード8aに並列に接続されてオン状態のときに転流電流とは逆向きの(ドレインからソースに向かう)電流I2を通過させるFET8とを備え、スイッチング制御回路15がFET4のオフ期間T1の全期間(デットタイムを除く)に亘ってFET8をオン状態に維持するスイッチング制御信号S2を出力する。したがって、このスイッチング電源装置1によれば、軽負荷時に出力電流I3の平均電流値Iaveが減少したときにおいて、転流電流とは逆向きの電流I2をFET8が通過させることができるため、軽負荷であることに起因して、出力電圧Voが規定の範囲を超えて上昇しようとしているときには、その後最初にFET4がオン状態になるまでの期間T2において、負荷側(出力端子11a)からFET8およびトランス9の一次巻線9aを経由して負荷側(出力端子11b)に至る経路で転流電流とは逆向きの電流I2が流れる結果、出力電圧Voの上昇を回避することができる。したがって、このスイッチング電源装置1によれば、軽負荷時においても、ブリーダ抵抗を使用することなく出力電圧Voの上昇を回避することができるため、電源装置の効率を向上させることができる。
また、このスイッチング電源装置1によれば、スイッチング制御回路15から出力されたスイッチング制御信号S2をトランス14で電気的に絶縁しつつFET8に出力することにより、トランス2の二次回路側を流れる電流I3をトランス9で電気的に絶縁しつつ検出してスイッチング制御回路15に対するフィードバック制御用の交流電圧V2を生成する構成と相俟って、フォトカプラを全く用いないで構成することができる。したがって、フォトカプラを用いたときの経年変化、応答性の低さ、および耐環境性の低さなどの問題を回避することができるため、電源装置の高性能化を図ることができる。
なお、本発明は、上記した実施の形態に限定されず、その構成を適宜変更することができる。例えば、本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置1では、図1に示すように、FET7が二次巻線2bの巻終わり側に配設されているが、FET7を二次巻線2bの巻始め側に配設してもよい。同様にして、トランス9の一次巻線9aを二次巻線2bの巻始め側に配設してもよい。また、二次巻線2bに発生した交流電圧Vsに基づいてFET7を駆動しているが、スイッチング制御信号S1を不図示のトランスで電気的に絶縁しつつ出力してFET7を駆動する構成を採用することもできる。
1 スイッチング電源装置
2 トランス
2a 一次巻線
2b 二次巻線
4,7,8 FET
8a ダイオード
9 トランス
9a 一次巻線
9b 二次巻線
10 コンデンサ
14 トランス
15 スイッチング制御回路
I2 電流
S1,S2 スイッチング制御信号
V2 交流電圧
2 トランス
2a 一次巻線
2b 二次巻線
4,7,8 FET
8a ダイオード
9 トランス
9a 一次巻線
9b 二次巻線
10 コンデンサ
14 トランス
15 スイッチング制御回路
I2 電流
S1,S2 スイッチング制御信号
V2 交流電圧
Claims (2)
- 一次巻線および二次巻線を有する第1トランスと、
前記一次巻線に直列接続されて入力電圧をスイッチングする第1スイッチング素子と、
第1整流用半導体素子、平滑用のインダクタ、および平滑用の蓄電素子を直列接続して構成されて前記二次巻線の両端間に接続された整流平滑回路と、
前記インダクタおよび前記蓄電素子の直列回路に並列接続された転流電流通過回路と、
前記平滑用のインダクタと磁気的に結合された検出コイルと、
前記検出コイルに誘起される電圧に基づいて前記第1スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング制御回路とを備えたフォワード型のスイッチング電源装置であって、
前記転流電流通過回路は、転流電流を通過させる第2整流用半導体素子、および当該第2整流用半導体素子に並列に接続されてオン状態のときに前記転流電流とは逆向きの電流を通過させる第2スイッチング素子を備え、
前記スイッチング制御回路は、前記第1スイッチング素子のオフ期間の全期間に亘って前記第2スイッチング素子をオン状態に維持する制御信号を出力するスイッチング電源装置。 - 前記スイッチング制御回路から出力された前記制御信号を電気的に絶縁しつつ前記第2スイッチング素子に出力する第2トランスを備えている請求項1記載のスイッチング電源装置。
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