JP2007244121A - 部分共振型スイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング素子のオン開始のタイミングを、部分共振波形のボトム電圧のポイント、または部分共振の１／２周期で実行し、高周波の駆動信号でもスイッチング損失ならびにスイッチングノイズの低減を図る部分共振型スイッチング電源を提供する。
【解決手段】一次側入力電圧Ｖ１および出力電流Ｉｏを検出し、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１を駆動する発振周波数ｆおよびデューティＤ｛＝ＴON／（ＴON＋ＴOFF）｝を演算し、デューティＤ｛＝ＴON／（ＴON＋ＴOFF）｝および発振周波数ｆからＯＦＦ期間ＴOFFを算出して、算出したＯＦＦ期間ＴOFFに、予め記憶してある部分共振の１／２周期｛＝π√（ＬK×ＣDS）｝（＝遅延時間Ｔr）を加算｛ＴOFF＋π√（ＬK×ＣDS）｝したタイミングでスイッチオン信号ＳONを発生し、スイッチオン信号ＳONでＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１を駆動するスイッチング制御手段２を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は部分共振波形のボトム電位点でスイッチング素子をＯＮ駆動（ボトムＯＮ）し、スイッチング損失を低減する部分共振型スイッチング電源に関する。

従来のスイッチング電源は、スイッチング素子をオン駆動する際、スイッチング素子間に高い電圧が印加（オフ状態）されている場合が多く、特に駆動周波数が高いケースでは、スイッチング素子がオン状態になるまでの過程で、スイッチング素子間に電圧がある状態で、スイッチング素子に電流が流れるため、スイッチング損失が発生してしまい、電源全体の効率の低下を招いている。

図９に従来のスイッチング電源の電圧波形、電流波形およびスイッチング損失波形図を示す。例えば、スイッチング素子にＭＯＳＦＥＴを用いた場合を示しているが、ＭＯＳＦＥＴのＯＦＦ期間ＴOFFには、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧ＶDSが高電圧になっており、オン駆動されるとある時間経過で、ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間電圧ＶDSが充分低いオン状態に移行する。

ＭＯＳＦＥＴ間のドレイン−ソース間電圧ＶDSが高電圧から充分低くなる経過で、電流ＩDSが流れてしまうため、電圧ＶDSと電流ＩDSの積であるスイッチング損失Ｐｓ（＝ＶDS×ＩDS）が発生する。

したがって、スイッチング素子をオフからオンする瞬間では、スイッチング素子間の電圧（例えば、ドレイン−ソース間電圧ＶDS）が充分低いことが望ましい。

スイッチング素子がオフからオンする瞬間で、スイッチング素子間の電圧を充分低くしておく目的で、部分共振型スイッチング電源が用いられている。

部分共振型スイッチング電源は、例えば、スイッチング電源に用いられる絶縁トランスの漏れインダクタンスとスイッチング素子間の静電容量を利用して、スイッチング素子がオフからオンになる状態で発生する部分共振により、スイッチング素子のオフ状態に、スイッチング素子間電圧の低下するタイミングで、スイッチング素子をオン駆動するものである。

従来の部分共振型スイッチング電源は、例えば「特許文献１」（スイッチング電源装置）に、スタンバイモードの微小負荷に対して、ソフトドライブと部分共振を組み合わせた発振動作にして、電源の高効率化ならびに低ノイズ化を実現することが開示されている。
特開２００２−３１５３３３号公報（要約参照）

「特許文献１」に開示された従来の部分共振型スイッチング電源は、微小負荷に対して電源周波数に同期した周波数でスイッチング素子をソフトドライブと共振動作で駆動し、略ゼロボルトスイッチングさせていると記載されている。

しかしながら、スイッチング素子を高周波（例えば、５０Ｋｚや１００Ｋｚ）で駆動した場合、スイッチング素子のオンタイミングを共振周波数のゼロボルトにしないと、スイッチング損失ならびにスイッチングノイズが増える虞があるが、この点についての開示がないため、不明になっている。

この発明はこのような課題を解決するためになされたもので、その目的はスイッチング素子のオン開始のタイミングを、部分共振波形のボトム電圧のポイント、または部分共振の１／２周期のポイントで実行し、高周波の駆動信号でもスイッチング損失ならびにスイッチングノイズの低減を図る部分共振型スイッチング電源を提供することにある。

前記課題を解決するためこの発明に係る部分共振型スイッチング電源は、部分共振を利用してＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子のオン開始を最適化し、スイッチング損失を低減させる部分共振型スイッチング電源であって、スイッチング素子のオン開始を部分共振波形がボトム電圧になるタイミング（ボトムＯＮ）で駆動するスイッチング制御手段を備えたことを特徴とする。

この発明に係る部分共振型スイッチング電源は、スイッチング素子のオン開始を部分共振波形がボトム電圧になるタイミング（ボトムＯＮ）で駆動するスイッチング制御手段を備えたので、スイッチング素子のオン開始をスイッチング素子間電圧の低い部分から開始し、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができる。

また、この発明に係るスイッチング制御手段は、一次側入力電圧および二次側出力電流を検出し、一次側入力電圧および二次側出力電流からスイッチング素子のＯＦＦ期間（ＴOFF）を演算するとともに、部分共振波形の１／２周期（ＴD）を演算し、ＯＦＦ期間（ＴOFF）に１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）を加算したタイミング（ＴOFF＋ＴD）で、スイッチング素子をボトムＯＮすることを特徴とする。

この発明に係るスイッチング制御手段は、一次側入力電圧および二次側出力電流を検出し、一次側入力電圧および二次側出力電流からスイッチング素子のＯＦＦ期間（ＴOFF）を演算するとともに、部分共振波形の１／２周期（ＴD）を演算し、ＯＦＦ期間（ＴOFF）に１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）を加算したタイミング（ＴOFF＋ＴD）で、スイッチング素子をボトムＯＮするので、スイッチング素子のオフ期間と、オフ期間に続いて発生する部分共振のボトム電圧までの時間（遅延時間Ｔr）を算出し、スイッチング素子のターンオンを、スイッチング素子ＯＦＦ期間から、部分共振波形が最小電圧（ボトム電圧）になる遅延時間（Ｔr）のタイミングで開始し、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができる。

さらに、この発明に係るスイッチング制御手段は、一次側入力電圧および二次側出力電圧を検出し、一次側入力電圧および二次側出力電圧から前記部分共振波形のボトム電圧（ＶBO）を演算して記憶し、スイッチング素子間の電圧（ＶDS）を検出して、ボトム電圧（ＶBO）がスイッチング素子間の電圧（ＶDS）に等しくなる（ＶBO＝ＶDS）タイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮすることを特徴とする。

この発明に係るスイッチング制御手段は、一次側入力電圧および二次側出力電圧を検出し、一次側入力電圧および二次側出力電圧から部分共振波形のボトム電圧（ＶBO）を演算して記憶し、スイッチング素子間の電圧（ＶDS）を検出して、ボトム電圧（ＶBO）がスイッチング素子間の電圧（ＶDS）に等しくなる（ＶBO＝ＶDS）タイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮするので、部分共振波形が減少する際のスイッチング素子間の電圧（ＶDS）が記憶されたボトム電圧（ＶBO）に一致するタイミングで、スイッチング素子のターンオンを開始することができる。

また、この発明に係るスイッチング制御手段は、スイッチング素子間のＯＦＦ期間（ＴOFF）のオフ電圧値を検出して記憶しておき、オフ電圧値が部分共振の開始により低下し、部分共振に移行した瞬間の共振電圧値を検出した時点から、部分共振波形の１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮすることを特徴とする。

この発明に係るスイッチング制御手段は、スイッチング素子間のＯＦＦ期間（ＴOFF）のオフ電圧値を検出して記憶しておき、オフ電圧値が部分共振の開始により低下し、部分共振に移行した瞬間の共振電圧値を検出した時点から、部分共振波形の１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮするので、スイッチング素子間のＯＦＦ期間（ＴOFF）終了から部分共振が開始すると、部分共振の半周期遅らせた遅延時間（Ｔr）で、スイッチング素子のターンオンを開始することができる。

さらに、この発明に係るスイッチング制御手段は、スイッチング素子を駆動する駆動信号からＯＦＦ期間（ＴOFF）を検出し、ＯＦＦ期間から、部分共振波形の１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮすることを特徴とする。

この発明に係るスイッチング制御手段は、スイッチング素子を駆動する駆動信号からＯＦＦ期間（ＴOFF）検出し、ＯＦＦ期間から、部分共振波形の１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮするので、制御手段内部の駆動信号を監視し、部分共振の半周期遅らせた遅延時間（Ｔr）を駆動信号に付与するだけで、スイッチング素子のターンオンを最適なポイントで実行することができる。

この発明に係る部分共振型スイッチング電源は、スイッチング素子のオン開始を部分共振波形がボトム電圧になるタイミング（ボトムＯＮ）で駆動するスイッチング制御手段を備えたので、スイッチング素子のオン開始をスイッチング素子間電圧の低い部分から開始し、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができ、電源の全体効率を改善することができる。

また、この発明に係るスイッチング制御手段は、一次側入力電圧および二次側出力電流を検出し、一次側入力電圧および二次側出力電流からスイッチング素子のＯＦＦ期間（ＴOFF）を演算するとともに、部分共振波形の１／２周期（ＴD）を演算し、ＯＦＦ期間（ＴOFF）に１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）を加算したタイミング（ＴOFF＋ＴD）で、スイッチング素子をボトムＯＮするので、スイッチング素子のオフ期間と、オフ期間に続いて発生する部分共振のボトム電圧までの時間（遅延時間Ｔr）を算出し、スイッチング素子のターンオンを、スイッチング素子ＯＦＦ期間から、部分共振波形が最小電圧（ボトム電圧）になる遅延時間（Ｔr）のタイミングで開始し、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができ、最適なタイミングでスイッチグ素子をターンオンすることができる。

さらに、この発明に係るスイッチング制御手段は、一次側入力電圧および二次側出力電圧を検出し、一次側入力電圧および二次側出力電圧から部分共振波形のボトム電圧（ＶBO）を演算して記憶し、スイッチング素子間の電圧（ＶDS）を検出して、ボトム電圧（ＶBO）がスイッチング素子間の電圧（ＶDS）に等しくなる（ＶBO＝ＶDS）タイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮするので、部分共振波形が減少する際のスイッチング素子間の電圧（ＶDS）が記憶されたボトム電圧（ＶBO）に一致するタイミングで、スイッチング素子のターンオンを開始することができ、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができる。

また、この発明に係るスイッチング制御手段は、スイッチング素子間のＯＦＦ期間（ＴOFF）のオフ電圧値を検出して記憶しておき、オフ電圧値が部分共振の開始により低下し、部分共振に移行した瞬間の共振電圧値を検出した時点から、部分共振波形の１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮするので、スイッチング素子間のＯＦＦ期間（ＴOFF）終了から部分共振が開始すると、部分共振の半周期遅らせた遅延時間（Ｔr）で、スイッチング素子のターンオンを開始することができ、部分共振波形の電圧値を監視するだけで、最適なタイミングでスイッチグ素子をターンオンすることができる。

さらに、この発明に係るスイッチング制御手段は、スイッチング素子を駆動する駆動信号からＯＦＦ期間（ＴOFF）を検出し、ＯＦＦ期間から、部分共振波形の１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮするので、制御手段内部の駆動信号を監視し、部分共振の半周期遅らせた遅延時間（Ｔr）を駆動信号に付与するだけで、スイッチング素子のターンオンを最適なポイントで実行することができ、方式の単純化と、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失ならびにスイッチングノイズの低減をアピールすることができる。

以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。図１はこの発明に係る部分共振型スイッチング電源の第１実施の形態全体構成図である。図１において、部分共振型スイッチング電源１は、交流電源ＶAC（１００Ｖ／２００Ｖ、５０Ｈｚ／６０Ｈｚなど）を全波整流するダイオードブリッジＤＢと、全波整流された一次側入力電圧Ｖ１を平滑する平滑コンデンサＣ１と、絶縁トランスＴと、絶縁トランスＴの一次巻線Ｎｐに直列に接続され、平滑された電圧にスイッチングを施して高周波信号（例えば、５０Ｋｚ）を発生するスイッチング素子を構成するＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１と、絶縁トランスＴの二次巻線ＮＳ、整流ダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ２で構成し、二次側出力電圧（ＤＣ）Ｖｏを発生する主電源回路、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のオン／オフ動作を制御するスイッチング制御手段２と、負荷Ｌに流れる出力電流Ｉｏを検出する出力電流検出（手段）３から構成されている。

また、部分共振型スイッチング電源１には、絶縁トランスＴに発生するリーケージインダクタンスＬｋと、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のドレイン−ソース間に発生する寄生容量またはドレイン−ソース間に接続された静電容量で形成されるドレイン−ソース間容量ＣDSとにより、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のＯＦＦ期間ＴOFFの終了時点で、部分共振を発生させる。

スイッチング制御手段２は、マイクロプロセッサを基本に構成し、駆動信号発生機能、演算機能、タイマ機能、一次側入力電圧検出機能、出力電流検出機能、駆動信号出力機能などを備える。

スイッチング制御手段２は、一次側入力電圧Ｖ１を抵抗器Ｒ１，Ｒ２で抵抗分圧した入力電圧情報Ｊ１および電流検出用抵抗器Ｒｘに流れる出力電流Ｉｏを出力電流検出（手段）３で検出して供給される出力電流情報ＪIを取り込み、入力電圧情報Ｊ１および出力電流情報ＪIに基づいてデューティＤ｛＝ＴON／（ＴON＋ＴOFF）｝およびＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１を駆動する発振周波数ｆを演算して、デューティＤ｛＝ＴON／（ＴON＋ＴOFF）｝および発振周波数ｆを格納する。

また、スイッチング制御手段２は、演算したデューティＤ｛＝ＴON／（ＴON＋ＴOFF）｝および発振周波数ｆからＯＦＦ期間ＴOFFを演算する。

さらに、スイッチング制御手段２は、演算したＯＦＦ期間ＴOFFに、予めリーケージインダクタンスＬｋとドレイン−ソース間容量ＣDSから演算して記憶してある部分共振の１／２周期｛＝π√（ＬK×ＣDS）｝（＝遅延時間Ｔr）を加算｛ＴOFF＋π√（ＬK×ＣDS）｝し、ＯＦＦ期間ＴOFFの開始点から１／２周期｛π√（ＬK×ＣDS）｝を監視し、１／２周期｛π√（ＬK×ＣDS）｝の終了時点のタイミングでスイッチオン信号ＳONを発生し、スイッチオン信号ＳONでＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をＯＮ駆動する。

図２はこの発明に係るスイッチング制御手段の第１実施の形態電圧波形および電流波形制御図である。図２において、電圧波形（ドレイン−ソース間電圧ＶDS）は、スイッチング制御手段２が駆動信号ＳDのＯＦＦ期間ＴOFFの開始時点から部分共振の１／２周期｛＝π√（ＬK×ＣDS）｝終了時点で、スイッチオン信号ＳON出力し、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をオン（ターンオン）駆動するので、部分共振波形ＷBの最も低い電圧レベル（ボトム電圧Ｖｂｏ）でＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をオンすることができ、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のオンに伴うスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができる。

電流波形（ドレイン−ソース電流ＩDS）は、ターンオン時点から流れ始めることになり、ドレイン−ソース電流ＩDSとドレイン−ソース間電圧ＶDSの積（＝ＩDS×ＶDS）であるスイッチング損失Ｐｓも極めて低く抑えることができる。

このように、この発明に係るスイッチング制御手段２は、一次側入力電圧Ｖ１および二次側出力電流（出力電流Ｉｏ）を検出し、一次側入力電圧Ｖ１および出力電流Ｉｏからスイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１）のＯＦＦ期間ＴOFFを演算するとともに、部分共振波形の１／２周期ＴDを演算し、ＯＦＦ期間ＴOFFに１／２周期ＴDの遅延時間Ｔrを加算したタイミング（ＴOFF＋ＴD）で、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１）をボトムＯＮするので、スイッチング素子のオフ期間ＴOFFと、オフ期間ＴOFFに続いて発生する部分共振のボトム電圧までの時間｛π√（ＬK×ＣDS）｝＝（遅延時間Ｔr）｝を算出し、スイッチング素子のターンオンを、スイッチング素子ＯＦＦ期間から、部分共振波形が最小電圧（ボトム電圧Ｖｂｏ）になる遅延時間（Ｔr）のタイミングで開始し、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができ、最適なタイミングでスイッチグ素子をターンオンすることができる。

図３はこの発明に係る部分共振型スイッチング電源の第２実施の形態全体構成図である。図３において、部分共振型スイッチング電源４は、スイッチング制御手段５と、出力電圧検出（手段）６と、ドレイン−ソース間電圧ＶDSを分割して検出する抵抗器Ｒ３，Ｒ４を備えた点が図１に示す部分共振型スイッチング電源１と異なる。

スイッチング制御手段５は、マイクロプロセッサを基本に構成し、駆動信号発生機能、演算機能、タイマ機能、比較機能、一次側入力電圧検出機能、出力電圧検出機能、駆動信号出力機能などを備える。

スイッチング制御手段５は、一次側入力電圧Ｖ１を抵抗器Ｒ１，Ｒ２で抵抗分圧した入力電圧情報Ｊ１、二次側出力電圧（ＤＣ）Ｖｏを出力電圧検出（手段）６で検出して供給される出力電圧情報ｊｏおよびドレイン−ソース間電圧ＶDSを抵抗器Ｒ３，Ｒ４で抵抗分割したドレイン−ソース間電圧情報ＪDSを取り込み、入力電圧情報Ｊ１および出力電圧情報ｊｏに基づいてボトム電圧Ｖｂｏ（√２×Ｖ１−Ｎｐ×Ｖｏ／Ｎｓ）を演算して記憶する。

また、スイッチング制御手段５は、ドレイン−ソース間電圧情報ＪDSを監視し、ドレイン−ソース間電圧ＶDSのＯＦＦ期間ＴOFFが終了して、部分共振が発生すると、部分共振波形ＷBのドレイン−ソース間電圧ＶDSと記憶してある共振ボトム電圧Ｖｂｏとを比較して、ドレイン−ソース間電圧ＶDSがボトム電圧Ｖｂｏと等しくなる時点（ＶDS＝Ｖｂｏ）でスイッチオン信号ＳON出力して、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をオン（ボトムＯＮ）駆動する。

ボトム電圧Ｖｂｏは、部分共振波形ＷBの最小電圧レベルなので、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１がオフ状態にあっても、ドレイン−ソース間電圧ＶDSが小さい状態で、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をターンオンすることができる。

図４はこの発明に係るスイッチング制御手段の第２実施の形態電圧波形および電流波形制御図である。図４において、電圧波形（ドレイン−ソース間電圧ＶDS）は、スイッチング制御手段５が駆動信号ＳDのＯＦＦ期間ＴOFFの最終時点から部分共振波形ＷBのドレイン−ソース間電圧ＶDSXがボトム電圧Ｖｂｏと一致する時点（ＶDSX＝Ｖｂｏ）で、スイッチオン信号ＳON出力し、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をオン（ターンオン）駆動するので、部分共振波形ＷBの最も低い電圧レベル（ボトム電圧Ｖｂｏ）でＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をオンすることができ、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のオンに伴うスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができる。

電流波形（ドレイン−ソース電流ＩDS）は、ターンオン時点から流れ始めることになり、ドレイン−ソース電流ＩDSとドレイン−ソース間電圧ＶDSの積（＝ＩDS×ＶDS）であるスイッチング損失Ｐｓも極めて低く抑えることができる。

このように、この発明に係るスイッチング制御手段５は、一次側入力電圧Ｖ１および二次側出力電圧（二次側出力電圧（ＤＣ）Ｖｏ）を検出し、一次側入力電圧および二次側出力電圧から部分共振波形ＷBのボトム電圧（ＶBO）を演算して記憶し、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１）間の電圧（ＶDS）を検出して、ボトム電圧（ＶBO）がスイッチング素子間の電圧（ＶDSX）に等しくなる（ＶBO＝ＶDSX）タイミングで、スイッチング素子をボトムＯＮするので、部分共振波形が減少する際のスイッチング素子間の電圧（ＶDSX）が記憶されたボトム電圧（ＶBO）に一致するタイミングで、スイッチング素子のターンオンを開始することができ、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができる。

図５はこの発明に係る部分共振型スイッチング電源の第３実施の形態全体構成図である。図５において、部分共振型スイッチング電源７は、スイッチング制御手段８と、ドレイン−ソース間電圧ＶDSを分割して検出する抵抗器Ｒ３，Ｒ４を備えた点が図１に示す部分共振型スイッチング電源１と異なる。

スイッチング制御手段８は、マイクロプロセッサを基本に構成し、駆動信号発生機能、演算機能、タイマ機能、記憶機能、駆動信号出力機能を備える。

スイッチング制御手段８は、ドレイン−ソース間電圧情報ＪDSからＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のＯＦＦ期間のオフ電圧値（ドレイン−ソース間電圧ＶDS）を検出して記憶し、オフ電圧値（ドレイン−ソース間電圧ＶDS）が部分共振の開始により低下し、部分共振に移行した瞬間の共振電圧値（ドレイン−ソース間電圧ＶDSK）を検出した時点から、部分共振波形ＷBの１／２周期（ＴD＝｛π√（ＬK×ＣDS）｝）の遅延時間Ｔrのタイミングでスイッチオン信号ＳONを出力し、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をオン（ターンオン）駆動する。

図６はこの発明に係るスイッチング制御手段の第３実施の形態電圧波形および電流波形制御図である。図６において、電圧波形（ドレイン−ソース間電圧ＶDS）は、スイッチング制御手段８が駆動信号ＳDのＯＦＦ期間ＴOFFのオフ電圧であるドレイン−ソース間電圧ＶDSを記憶し、部分共振が開始され、部分共振波形ＷBのドレイン−ソース間電圧ＶDSKがオフ電圧であるドレイン−ソース間電圧ＶDSよりわずかに低下した時点から、部分共振波形ＷBの１／２周期（ＴD＝｛π√（ＬK×ＣDS）｝）の遅延時間Ｔrのタイミングでスイッチオン信号ＳONを発生し、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をオン駆動することができ、部分共振波形ＷBの共振開始電圧ＶDSKを監視するだけで、最適なタイミングでＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をオン（ターンオン）駆動することができる。

電流波形（ドレイン−ソース電流ＩDS）は、ターンオン時点から流れ始めることになり、ドレイン−ソース電流ＩDSとドレイン−ソース間電圧ＶDSの積（＝ＩDS×ＶDS）であるスイッチング損失Ｐｓも極めて低く抑えることができる。

このように、この発明に係るスイッチング制御手段８は、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１間のＯＦＦ期間（ＴOFF）のオフ電圧値（ドレイン−ソース間電圧ＶDS）を検出して記憶しておき、オフ電圧値（ＶDS）が部分共振の開始により低下し、部分共振に移行した瞬間の共振電圧値（共振開始電圧ＶDSK）を検出した時点から、部分共振波形ＷBの１／２周期（ＴD＝｛π√（ＬK×ＣDS）｝）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をボトムＯＮするので、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１間のＯＦＦ期間（ＴOFF）終了から部分共振が開始すると、部分共振の半周期遅らせた遅延時間（Ｔr）で、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のターンオンを開始することができ、部分共振波形の電圧値を監視するだけで、最適なタイミングでＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をターンオンすることができる。

図７はこの発明に係るスイッチング制御手段の一実施の形態ブロック構成図である。図７において、スイッチング制御手段９は、マイクロプロセッサを基本に構成し、駆動信号発生機能、駆動信号監視機能、タイマ機能、駆動信号出力機能を備える。

スイッチング制御手段９は、駆動信号ＳD（スイッチオン信号ＳONとスイッチオフ信号ＳOFFの繰返し）の出力時に、スイッチオフ信号ＳOFFからＯＦＦ期間ＴOFFを検出し、ＯＦＦ期間ＴOFFから、部分共振波形ＷBの１／２周期（ＴD＝｛π√（ＬK×ＣDS）｝）の遅延時間Ｔrのタイミングで、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をボトムＯＮするスイッチオン信号ＳONを出力する。

スイッチオフ信号ＳOFFのＯＦＦ期間ＴOFFから部分共振波形ＷBの１／２周期ＴDの遅延時間Ｔrでスイッチオン信号ＳONをＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１に提供するので、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１を部分共振波形ＷBのボトム電圧ＶｂｏでＯＮ駆動することができる。

図８はこの発明に係るスイッチング制御手段の第４実施の形態電圧波形、電流波形およびスイッチング損失波形制御図である。図８において、電圧波形（ドレイン−ソース間電圧ＶDS）は、スイッチング制御手段９の内部で、駆動信号ＳDのＯＦＦ期間ＴOFFを監視して記憶し、ＯＦＦ期間ＴOFFに続いて部分共振波形ＷBの１／２周期（ＴD＝｛π√（ＬK×ＣDS）｝）の遅延時間Ｔrを付与したタイミングでスイッチオン信号ＳONを発生し、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をオン駆動することができ、スイッチング制御手段９の内部処理だけで、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のターンオンを最適なポイントで実行することができる。

電流波形（ドレイン−ソース電流ＩDS）は、ターンオン時点から流れ始めることになり、ドレイン−ソース電流ＩDSとドレイン−ソース間電圧ＶDSの積（＝ＩDS×ＶDS）であるスイッチング損失Ｐｓも極めて低く抑えることができる。

このように、この発明に係るスイッチング制御手段９は、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１を駆動する駆動信号ＳDからＯＦＦ期間（ＴOFF）を検出し、ＯＦＦ期間から、部分共振波形ＷBの１／２周期（ＴD＝｛π√（ＬK×ＣDS）｝）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１をボトムＯＮするので、制御手段内部の駆動信号ＳDを監視し、部分共振の半周期遅らせた遅延時間Ｔrを駆動信号ＳDに付与するだけで、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のターンオンを最適なポイントで実行することができ、方式の単純化と、ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１のターンオン時のスイッチング損失Ｐｓならびにスイッチングノイズの低減をアピールすることができる。

なお、本実施の形態では、スイッチング素子をＭＯＳＦＥＴで構成したが、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートトランジスタ）で構成してもよい。

また、スイッチング制御手段は、マイクロプロセッサで構成したが、ＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成してもよい。

以上説明したように、この発明に係る部分共振型スイッチング電源１，４，７は、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１）のオン開始を部分共振波形ＷBがボトム電圧Ｖｂｏになるタイミング（ボトムＯＮ）で駆動するスイッチング制御手段２，５，８，９を備えたので、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１）のオン開始をスイッチング素子間電圧（ドレイン−ソース間電圧ＶDS）の低い部分から開始し、スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ−Ｑ１）のターンオン時のスイッチング損失Ｐｓならびにスイッチングノイズを低減することができ、電源の全体効率を改善することができる。

本発明に係る部分共振型スイッチング電源は、部分共振波形の１／２周期またはボトム電圧Ｖｂｏに狙いを合わせて、スイッチング素子のオン開始をスイッチング素子間電圧の低い部分から開始し、スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失ならびにスイッチングノイズを低減することができ、あらゆる部分共振型スイッチング電源に適用することができる。

この発明に係る部分共振型スイッチング電源の第１実施の形態全体構成図 この発明に係るスイッチング制御手段の第１実施の形態電圧波形および電流波形制御図 この発明に係る部分共振型スイッチング電源の第２実施の形態全体構成図 この発明に係るスイッチング制御手段の第２実施の形態電圧波形および電流波形制御図 この発明に係る部分共振型スイッチング電源の第３実施の形態全体構成図 この発明に係るスイッチング制御手段の第３実施の形態電圧波形および電流波形制御図 この発明に係るスイッチング制御手段の一実施の形態ブロック構成図 この発明に係るスイッチング制御手段の第４実施の形態電圧波形、電流波形およびスイッチング損失波形制御図 従来のスイッチング電源の電圧波形、電流波形およびスイッチング損失波形図

符号の説明

１，４，７ 部分共振型スイッチング電源
２，５，８，９ スイッチング制御手段
３ 出力電圧検出（手段）
６ 出力電流検出（手段）
ＤＢ ダイオードブリッジ
Ｄ１ 整流ダイオード
Ｃ１，Ｃ２ 平滑コンデンサ
Ｔ 絶縁トランス
Ｎｐ 一次巻線
Ｎｓ 二次巻線
Ｑ１ ＭＯＳＦＥＴ
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 抵抗器
Ｒｘ 電流検出用抵抗器
Ｌｋ リーケージインダクタンス
ＣDS ドレイン−ソース間容量
Ｖ１ 一次側入力電圧
Ｖｏ 二次側出力電圧（ＤＣ）
ＶDS ドレイン−ソース間電圧
ＶDSX 共振電圧
ＶDSK 共振開始電圧
Ｖｂｏ ボトム電圧
Ｉｏ 出力電流
Ｊ１ 入力電圧情報
ｊｏ 出力電圧情報
ＪDS ドレイン−ソース間電圧情報
ＪI 出力電流情報
ＳD 駆動信号
ＳON スイッチオン信号
ＩDS ドレイン−ソース電流
ＴOFF ＯＦＦ期間
ＷB 部分共振波形
ＴD 部分共振の１／２周期
Ｔr 遅延時間
Ｐｓ スイッチング損失
ＶAC 交流電源
Ｌ 負荷

Claims (5)

1. 部分共振を利用してＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子のオン開始を最適化し、スイッチング損失を低減させる部分共振型スイッチング電源であって、
   前記スイッチング素子のオン開始を部分共振波形がボトム電圧になるタイミング（ボトムＯＮ）で駆動するスイッチング制御手段を備えたことを特徴とする部分共振型スイッチング電源。
2. 前記スイッチング制御手段は、一次側入力電圧および二次側出力電流を検出し、一次側入力電圧および二次側出力電流から前記スイッチング素子のＯＦＦ期間（ＴOFF）を演算するとともに、前記部分共振波形の１／２周期（ＴD）を演算し、前記ＯＦＦ期間（ＴOFF）に前記１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）を加算したタイミング（ＴOFF＋ＴD）で、前記スイッチング素子をボトムＯＮすることを特徴とする請求項１記載の部分共振型スイッチング電源。
3. 前記スイッチング制御手段は、一次側入力電圧および二次側出力電圧を検出し、一次側入力電圧および二次側出力電圧から前記部分共振波形のボトム電圧（ＶBO）を演算して記憶し、前記スイッチング素子間の電圧（ＶDS）を検出して、ボトム電圧（ＶBO）が前記スイッチング素子間の電圧（ＶDS）に等しくなる（ＶBO＝ＶDS）タイミングで、前記スイッチング素子をボトムＯＮすることを特徴とする請求項１記載の部分共振型スイッチング電源。
4. 前記スイッチング制御手段は、前記スイッチング素子間のＯＦＦ期間（ＴOFF）のオフ電圧値を検出して記憶しておき、オフ電圧値が部分共振の開始により低下し、前記部分共振に移行した瞬間の共振電圧値を検出した時点から、前記部分共振波形の１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、前記スイッチング素子をボトムＯＮすることを特徴とする請求項１記載の部分共振型スイッチング電源。
5. 前記スイッチング制御手段は、前記スイッチング素子を駆動する駆動信号からＯＦＦ期間（ＴOFF）を検出し、ＯＦＦ期間から、前記部分共振波形の１／２周期（ＴD）の遅延時間（Ｔr）のタイミングで、前記スイッチング素子をボトムＯＮすることを特徴とする請求項１記載の部分共振型スイッチング電源。
   
   

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