JP2008011688A - Switching power supply apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、昇圧チョッパ回路を用いたスイッチング電源装置に関し、主に電源投入時などの電流サージを低減する技術に関する。 The present invention relates to a switching power supply device using a step-up chopper circuit, and mainly relates to a technique for reducing a current surge when power is turned on.
従来、昇圧チョッパ回路を用いたスイッチング電源装置が知られている(例えば、特許文献1参照)。図4は特許文献1に開示されている従来の昇圧チョッパ回路を用いたスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。 Conventionally, a switching power supply device using a step-up chopper circuit is known (see, for example, Patent Document 1). FIG. 4 is a circuit diagram showing a configuration of a switching power supply device using a conventional step-up chopper circuit disclosed in Patent Document 1. In FIG.
図示しない交流電源又は直流電源(以下、単に「電源」という)からの入力電圧1は、入力整流素子としてのダイオードブリッジ3で整流され、昇圧チョッパ回路100に印加される。昇圧チョッパ回路100の入力端子間(ダイオードブリッジ3の出力端子間)には、チョークコイル4とスイッチング素子として動作するMOSFET5とが直列に接続された回路が接続され、MOSFET5のソース−ドレイン間には、出力整流素子としてのダイオード6、突入電流を低減するためのサージ抑制素子7及び平滑用コンデンサ8が直列に接続された回路が接続されている。
An input voltage 1 from an AC power source or a DC power source (hereinafter simply referred to as “power source”) (not shown) is rectified by a diode bridge 3 as an input rectifying element and applied to the
また、平滑用コンデンサ8とサージ抑制素子7との接続点には、出力電圧(平滑用コンデンサ8の両端に現れる電圧)を検出してMOSFET5のゲートに供給することにより、MOSFET5のオン/オフを制御する制御回賂10が接続されている。昇圧チョッパ回路100の出力は、平滑用コンデンサ8で平滑された後、負荷9に供給される。
Further, at the connection point between the
このように構成された昇圧チョッパ回路100においては、MOSFET5のオン時にダイオードブリッジ3からチョークコイル4に電流が流れて該チョークコイル4に磁気的にエネルギーが蓄積される。MOSFET5のオフ時に電源からのエネルギー及びチョークコイル4に蓄積されているエネルギーが、ダイオード6及びサージ抑制素子7を介して平滑用コンデンサ8に移される。制御回路10は、MOSFET5のオン/オフを制御してチョークコイル4に蓄積されるエネルギーを変えることにより、負荷9に供給される出力電圧を一定電圧に制御する。
In the step-
このスイッチング電源装置においては、電源投入時に、平滑用コンデンサ8に突入電流が流れる。サージ抑制素子7は、突入電流を抑制するため、昇圧チョッパ回路100の出力段、すなわち、ダイオード6と平滑用コンデンサ8との間に接続されている。サージ抑制素子7としては、例えばパワーサーミスタが用いられている。
しかしながら、上述した従来のスイッチング電源装置には、以下のような問題がある。すなわち、MOSFET5のオン時にチョークコイル4に蓄積されたエネルギーが、MOSFET5のオフ時にダイオード6及びサージ抑制素子7を介して平滑用コンデンサ8に移されるため、突入電流のような電流サージを抑制するためのサージ抑制素子として設けられているサージ抑制素子7での電圧降下分が出力電圧に加算されてMOSFET5に印加される。
However, the above-described conventional switching power supply device has the following problems. That is, the energy accumulated in the
その結果、MOSFET5の定格電圧を高くする必要があり、また、オン抵抗も高くなる。MOSFET5の定格電圧が高く、オン抵抗が同じであると大きなチップサイズのスイッチング素子を使用する必要があり、スイッチング素子、ひいてはスイッチング電源装置が高価になるという問題がある。
As a result, it is necessary to increase the rated voltage of the
特に、サージ抑制素子7としてサーミスタを使用した場合は、軽負荷状態で稼動中に定格負荷に移行すると、常温抵抗値(抵抗値が高い)のまま定格時の電流が流れることになり、サージ抑制素子としてのサーミスタによる電圧降下(サージ電圧)が大きくなる。
In particular, when a thermistor is used as the
その結果、サーミスタの温度が上昇して抵抗値が下がるまでMOSFET5に印加される電圧は高い状態を継続する。このような状況が発生すると、MOSFET5の使用率が高くなり信頼性が劣化するという問題がある。
As a result, the voltage applied to the
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、その課題は、突入電流などのサージを低減できる安価なスイッチング電源装置を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an inexpensive switching power supply device that can reduce surges such as inrush current.
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、入力電源の両端に接続され、チョークコイルとスイッチング素子とが直列に接続されてなる第1直列回路と、前記スイッチング素子に並列に接続され、出力整流素子とサージ抑制素子と平滑用コンデンサとが直列に接続されてなる第2直列回路と、前記スイッチング素子のオン/オフを制御する制御回路とを備えた昇圧チョッパ回路を有し、前記スイッチング素子のオン時に前記入力電源から前記チョークコイルに電流を流してエネルギーを蓄積し、前記スイッチング素子のオフ時に前記入力電源及び前記チョークコイルに蓄積されたエネルギーを前記出力整流素子を介して前記平滑用コンデンサに移し、該平滑用コンデンサの出力電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置において、前記制御回路は、前記出力整流素子と前記サージ抑制素子との接続点の電圧に基づき前記スイッチング素子のオン/オフを制御して前記接続点の電圧を所定の電圧に制御することを特徴とする。 In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to claim 1 is connected to both ends of an input power source, and is connected in parallel to the first series circuit in which a choke coil and a switching element are connected in series, and to the switching element. A step-up chopper circuit comprising: a second series circuit in which an output rectifying element, a surge suppression element, and a smoothing capacitor are connected in series; and a control circuit that controls on / off of the switching element; When the switching element is turned on, current is passed from the input power source to the choke coil to accumulate energy, and when the switching element is turned off, the energy accumulated in the input power source and the choke coil is passed through the output rectifier element. In a switching power supply that moves to a smoothing capacitor and supplies the output voltage of the smoothing capacitor to a load, The control circuit controls on / off of the switching element based on a voltage at a connection point between the output rectifying element and the surge suppression element to control the voltage at the connection point to a predetermined voltage. .
請求項2の発明は、入力電源の両端に接続され、チョークコイルとスイッチング素子とが直列に接続されてなる第1直列回路と、前記スイッチング素子に並列に接続され、出力整流素子とサージ抑制素子と平滑用コンデンサとが直列に接続されてなる第2直列回路と、前記スイッチング素子のオン/オフを制御する制御回路とを備えた昇圧チョッパ回路を有し、前記スイッチング素子のオン時に前記入力電源から前記チョークコイルに電流を流してエネルギーを蓄積し、前記スイッチング素子のオフ時に前記入力電源及び前記チョークコイルに蓄積されたエネルギーを前記出力整流素子を介して前記平滑用コンデンサに移し、該平滑用コンデンサの出力電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置において、前記制御回路は、前記出力整流素子と前記サージ抑制素子との接続点の電圧と前記平滑用コンデンサの両端に現れる出力電圧とに基づき前記スイッチング素子のオン/オフを制御することを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, there is provided a first series circuit connected to both ends of an input power source, wherein a choke coil and a switching element are connected in series, an output rectifying element and a surge suppressing element connected in parallel to the switching element. And a step-up chopper circuit comprising a second series circuit in which a smoothing capacitor is connected in series and a control circuit for controlling on / off of the switching element, and the input power supply when the switching element is on Current is passed through the choke coil to accumulate energy, and when the switching element is turned off, the energy accumulated in the input power source and the choke coil is transferred to the smoothing capacitor via the output rectifying element, and the smoothing capacitor In the switching power supply device that supplies the output voltage of the capacitor to the load, the control circuit includes the output rectifier element. And controls the on / off of the switching element based on the output voltage the voltage at the connection point to appear at both ends of the smoothing capacitor of the surge suppression device and.
また、請求項3記載の発明は、請求項1又は請求項2記載の発明において、前記サージ抑制素子と平滑用コンデンサとからなる直列回路に並列に、前記スイッチング素子のオン/オフに起因して発生する高周波ノイズをバイパスさせるバイパスコンデンサを接続したことを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, in the first or second aspect of the present invention, the switching element is turned on / off in parallel with a series circuit including the surge suppression element and the smoothing capacitor. A bypass capacitor for bypassing the generated high-frequency noise is connected.
また、請求項4記載の発明は、請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載の発明において、前記サージ抑制素子をサーミスタにより構成したことを特徴とする。
The invention according to
請求項1記載の発明によれば、制御回路が出力整流素子とサージ抑制素子との接続点の電圧を所定の電圧に制御するので、スイッチング素子や出力整流素子に大きなサージ電圧が印加されなくなる。その結果、耐圧やオン抵抗の低い定格の大きなスイッチング素子を使用しなくて済むので、スイッチング素子の価格の上昇やサイズが大きくなるのを防ぐことができる。 According to the first aspect of the present invention, since the control circuit controls the voltage at the connection point between the output rectifying element and the surge suppressing element to a predetermined voltage, a large surge voltage is not applied to the switching element or the output rectifying element. As a result, it is not necessary to use a large switching element with a low withstand voltage and low on-resistance, so that an increase in the price and size of the switching element can be prevented.
また、請求項2記載の発明によれば、制御回路が出力整流素子とサージ抑制素子との接続点の電圧と平滑用コンデンサの両端に現れる出力電圧とに基づきスイッチング素子のオン/オフを制御するので、サージ電圧を低下させるとともに、スイッチング電源装置の出力電圧の変動を低減させることができる。 According to the second aspect of the invention, the control circuit controls on / off of the switching element based on the voltage at the connection point between the output rectifying element and the surge suppression element and the output voltage appearing at both ends of the smoothing capacitor. Therefore, it is possible to reduce the surge voltage and reduce the fluctuation of the output voltage of the switching power supply device.
また、請求項3記載の発明によれば、サージ抑制素子と平滑用コンデンサとからなる直列回路に並列にバイパスコンデンサを接続したので、サージ電圧を低下させるとともに、EMIノイズ等を低減させることができる。 According to the invention described in claim 3, since the bypass capacitor is connected in parallel to the series circuit including the surge suppression element and the smoothing capacitor, the surge voltage can be reduced and the EMI noise and the like can be reduced. .
また、請求項4記載の発明によれば、サージ抑制素子をサーミスタによって構成したので、突入電流を低減しつつ、定常運転時の損失を低減させることができる。
According to the invention described in
以下、本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。 Hereinafter, a switching power supply according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
図1は本発明の実施例1に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。このスイッチング電源装置は、図4に示した従来のスイッチング電源装置において、昇圧チョッパ回路100の制御回路10の入力端子に、出力電圧を入力するのではなく、ダイオード6とサージ抑制素子7との接続点の電圧を入力するように構成されている。
FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a switching power supply apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. This switching power supply device is a connection between the
このように構成される実施例1に係るスイッチング電源装置においては、入力電圧1がダイオードブリッジ3に印加される電源投入時には、昇圧チョッパ回路100の出力段に設けられている平滑用コンデンサ8には電荷が蓄積されていないので、チョークコイル4及びダイオード6を介して平滑用コンデンサ8に充電用の突入電流が流れようとする。しかし、この経路にはサージ抑制素子7が挿入されているため、平滑用コンデンサ8を充電するための突入電流は、サージ抑制素子7によって抑制される。
In the switching power supply according to the first embodiment configured as described above, the
電源投入後に平滑用コンデンサ8の充電が完了すると、制御回路10によるMOSFET5のオン/オフ制御により昇圧チョッパ回路100が稼働し、昇圧チョッパ回路100のダイオード6とサージ抑制素子7との接続点の電圧は所定の電圧に制御される。その結果、MOSFET5に印加される電圧は所定の電圧となり、サージ抑制素子7を挿入することによってサージ電圧が増大するといった従来のスイッチング電源装置の不具合を解消することができる。
When charging of the
図2は本発明の実施例2に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。このスイッチング電源装置は、図4に示した従来のスイッチング電源装置において、昇圧チョッパ回路100の制御回路10の入力端に、出力電圧を入力する他に、ダイオード6とサージ抑制素子7との接続点の電圧をも入力するように構成されている。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a switching power supply apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. This switching power supply device is the same as the conventional switching power supply device shown in FIG. 4 except that the output voltage is input to the input terminal of the
このように構成される実施例1に係るスイッチング電源装置においては、制御回路10は、出力電圧と、ダイオード6とサージ抑制素子7との接続点の電圧、つまりMOSFET5に印加される電圧といった2つの電圧に基づきMOSFET5のオン/オフを制御する。これにより、MOSFET5に印加される電圧を抑制しながら、出力電圧の安定化を図ることができる。
In the switching power supply device according to the first embodiment configured as described above, the
図3は本発明の実施例3に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。このスイッチング電源装置は、実施例1に係るスイッチング電源装置において、サージ抑制素子7と平滑用コンデンサ8とからなる直列回路に対し、並列にバイパスコンデンサ12が追加されて構成されている。バイパスコンデンサ12は、MOSFET5のスイッチング周期(例えば、20kHz〜200kHz)に対応して平滑用コンデンサ8に流れる高周波成分の電流をバイパスするように容量(例えば、1000pF〜数μF)が決められている。
FIG. 3 is a circuit diagram showing a configuration of a switching power supply apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. This switching power supply apparatus is configured by adding a
バイパスコンデンサ12を設けることにより次の利点が得られる。
Providing the
(1)インバータとして動作するMOSFET5がオンからオフに移行する際に、サージ状のピーク電流を生ずるが、このピーク電流の高周波成分がバイパスコンデンサ12を通って流れることによりピーク値が抑制される。その結果、サージ抑制素子7に発生するピーク電流に依存した電圧が抑制されてインバータ電圧の上昇を抑え、結果としてダイオード、コンデンサ及び抵抗からなるDCRスナバのような抑制動作を得ることができる。
(1) When the
(2)このピーク電流の高周波成分がバイパスコンデンサ12を通って流れることによりスイッチング電源装置から発生するノイズが抑制され、EMI等のノイズ特性が良好になる。
(2) When the high-frequency component of this peak current flows through the
なお、上述した実施例3に係るスイッチング電源装置は、実施例1に係るスイッチング電源装置にバイパスコンデンサ12を追加するように構成したが、実施例2に係るスイッチング電源装置にバイパスコンデンサ12を追加するように構成することもできる。
The switching power supply device according to the third embodiment described above is configured to add the
また、上述した実施例1〜実施例3に係るスイッチング電源装置においては、昇圧チョッパ回路100のインバータ用のスイッチング素子としてMOSFET5を使用しているが、バイポーラトランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)といった他のスイッチング素子を用いることもできる。また、サージ抑制素子7としては、サーミスタ(パワーサーミスタ)、抵抗、その他半導体を使用した抵抗素子、リアクトルやフェライトビーズなどを用いることができる。これは、単に突入電流を抑制する場合に限定されず、出力整流素子と平滑用コンデンサの間にEMI対策として挿入したフェライトビーズなどによるサージに対しても同様にスイッチング素子の耐圧上昇が発生し、これらに対しても有効であると考えられるためである。
In the switching power supply according to the first to third embodiments described above, the
1 入力電圧
3 ダイオードブリッジ
4 チョークコイル
5 MOSFET
6 ダイオード
7 サージ抑制素子(サーミスタなど)
8 平滑用コンデンサ
9 負荷
10 制御回路
12 バイパスコンデンサ
100 昇圧チョッパ回路
1 Input voltage 3
6
8 Smoothing capacitor 9
Claims (4)
前記スイッチング素子のオン時に前記入力電源から前記チョークコイルに電流を流してエネルギーを蓄積し、前記スイッチング素子のオフ時に前記入力電源及び前記チョークコイルに蓄積されたエネルギーを前記出力整流素子を介して前記平滑用コンデンサに移し、該平滑用コンデンサの出力電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置において、
前記制御回路は、前記出力整流素子と前記サージ抑制素子との接続点の電圧に基づき前記スイッチング素子のオン/オフを制御して前記接続点の電圧を所定の電圧に制御することを特徴とするスイッチング電源装置。 A first series circuit that is connected to both ends of the input power source and in which a choke coil and a switching element are connected in series, and is connected in parallel to the switching element, and an output rectifying element, a surge suppression element, and a smoothing capacitor are connected in series. A step-up chopper circuit comprising: a second series circuit connected to the control circuit; and a control circuit for controlling on / off of the switching element,
When the switching element is turned on, current is passed from the input power source to the choke coil to store energy, and when the switching element is turned off, energy stored in the input power source and the choke coil is passed through the output rectifier element. In a switching power supply that moves to a smoothing capacitor and supplies the output voltage of the smoothing capacitor to a load,
The control circuit controls on / off of the switching element based on a voltage at a connection point between the output rectifying element and the surge suppression element to control the voltage at the connection point to a predetermined voltage. Switching power supply.
前記スイッチング素子のオン時に前記入力電源から前記チョークコイルに電流を流してエネルギーを蓄積し、前記スイッチング素子のオフ時に前記入力電源及び前記チョークコイルに蓄積されたエネルギーを前記出力整流素子を介して前記平滑用コンデンサに移し、該平滑用コンデンサの出力電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置において、
前記制御回路は、前記出力整流素子と前記サージ抑制素子との接続点の電圧と前記平滑用コンデンサの両端に現れる出力電圧とに基づき前記スイッチング素子のオン/オフを制御することを特徴とするスイッチング電源装置。 A first series circuit that is connected to both ends of the input power source and in which a choke coil and a switching element are connected in series, and is connected in parallel to the switching element, and an output rectifying element, a surge suppression element, and a smoothing capacitor are connected in series. A step-up chopper circuit comprising: a second series circuit connected to the control circuit; and a control circuit for controlling on / off of the switching element,
When the switching element is turned on, current is passed from the input power source to the choke coil to accumulate energy, and when the switching element is turned off, the energy accumulated in the input power source and the choke coil is passed through the output rectifier element. In a switching power supply that moves to a smoothing capacitor and supplies the output voltage of the smoothing capacitor to a load,
The control circuit controls on / off of the switching element based on a voltage at a connection point between the output rectifying element and the surge suppression element and an output voltage appearing at both ends of the smoothing capacitor. Power supply.
The switching power supply according to any one of claims 1 to 3, wherein the surge suppression element is a thermistor.
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