JP2010057326A - 半波整流電流共振型スイッチング電源装置、及びその起動方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】直流電源の出力端子間に直列接続された第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2の直列体と、第2スイッチング素子Q2に並列接続されたトランスT1の一次巻線と電流共振コンデンサCriの直列体と、トランスT1の二次巻線に接続された半波整流回路と、起動時に第1スイッチング素子Q1のオン期間を徐々に長くすると共に、第2スイッチング素子Q2のオン期間を徐々に短くするゲート制御回路とを備えた。これにより本来電圧制御に必要な周波数から外れることなくソフトスタートを行うことができる。
【選択図】図1
Description
図8を参照すると、直流電源Vinにハイサイドのスイッチング素子(第1スイッチング素子)QHとローサイドのスイッチング素子(第2スイッチング素子)QLが直列に接続されている。DH、DLはハイサイドのスイッチング素子QH、ローサイドのスイッチング素子QLに逆並列接続されたボディダイオードである。また、ローサイドのスイッチング素子QLには、電圧共振コンデンサCrvが並列に接続されている。さらにローサイドのスイッチング素子QLには、リアクトルLriとトランスT1の一次巻線Np(励磁インダクタンスLp)と電流共振コンデンサCriからなる直列共振回路が並列に接続されている。トランスT1の二次巻線NsにはダイオードRCと平滑コンデンサCoが直列に接続され、平滑コンデンサCoにより平滑された直流電力が負荷Roに供給されている。なお、ハイサイド及びローサイドのスイッチング素子QH、QLは、例えばMOSFET(Metal
Oxide Semiconductor Field Efect Transistor)やIGBT(Insulated Gate Bipolar
Transistor)などが使用される。
また、本発明の半波整流電流共振型スイッチング電源装置は、前記ゲート制御回路が、起動時又は再起動時から徐々に変化する基準電圧と鋸歯状波信号の電圧を比較して出力する比較手段を備え、前記比較手段の出力に基づいて前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする。
また、本発明の半波整流電流共振型スイッチング電源装置は、前記ゲート制御回路が、前記半波整流回路の出力電圧の帰還信号により決められた周波数の前記鋸歯状波信号を発生する鋸歯状波信号生成回路を備えたことを特徴とする。
また、本発明の半波整流電流共振型スイッチング電源装置は、前記鋸歯状波信号生成回路が、コンデンサを定電流源により充放電させ前記鋸歯状波信号を生成する定電流充放電回路を備えたことを特徴とする。
また、本発明の半波整流電流共振型スイッチング電源装置は、前記ゲート制御回路が、起動時や再起動時に発生するパルス信号により所定の初期値にセットされ、前記パルス信号がないとき徐々に所定の定常値に変化する前記基準電圧を発生するソフトスタート信号生成回路を備えたことを特徴とする。
また、本発明の半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法は、
直流電源の出力端子間に直列接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有する半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法において、
起動時又は再起動時に前記第1スイッチング素子のオン期間を徐々に長くすると共に、前記第2スイッチング素子のオン期間を徐々に短くするように制御することを特徴とする。
また、本発明の半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法は、起動時又は再起動時から徐々に変化する基準電圧と鋸歯状波信号の電圧を比較し、前記比較結果に基づいて前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする。
また、本発明の半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法は、出力電圧の帰還信号により決められた周波数で前記鋸歯状波信号を発生することを特徴とする。
また、本発明の半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法は、コンデンサを定電流源により充放電させ前記鋸歯状波信号を生成することを特徴とする。
また、本発明の半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法は、起動時や再起動時に発生するパルス信号により所定の初期値にセットされ、前記パルス信号がないとき徐々に所定の定常値に変化する前記基準電圧を発生することを特徴とする。
図1は本発明によるスイッチング電源装置の第1の実施の形態の回路構成を示したもので、スイッチング電源装置は半波整流電流共振型スイッチング電源装置である。図1に示した半波整流電流共振型スイッチング電源装置10において、図8に示した従来の半波整流電流共振型スイッチング電源装置100の回路構成の各部に付した符号と同一符号で示されるものは同じ機能を有する構成要素を示している。ハイサイドのスイッチング素子QH(第1スイッチング素子)とローサイドのスイッチング素子QL(第2スイッチング素子)にはNチャンネルMOSFETを使用している。図2は、図1におけるゲート制御回路1の詳細な回路構成を示すものである。以下、図1、図2を参照して第1の実施の形態における半波整流電流共振型スイッチング電源装置の構成を具体的に説明する。
電源投入された起動時や過電流保護動作後の再起動時にソフトスタートを行うとき、ソフトスタート指令回路SSsigから所定の幅のパルス信号がスイッチSWに出力される。このときスイッチSWはオンする。ソフトスタート指令回路SSsigからパルス信号が出力されないときスイッチSWはオフしている。ソフトスタート指令回路SSsigからパルス信号が出力されスイッチSWがオンされるとコンデンサC2は放電する。このときコンデンサC2の電圧が0VになるのでVef2はVCCまで上昇する。その後ソフトスタート指令回路SSsigからパルス信号が出力されなくなるとスイッチSWは開放されコンデンサC2が徐々に充電される。コンデンサC2の充電に伴いVref2の電圧は下降し、最終的にR1とR2とで決まる分圧比に応じた電圧となる。このVref2の電圧は比較器25の(+)入力端子に出力される。
波形「VC1」は鋸歯状波信号生成回路23の出力波形を示したもので、発振器22の出力(「OSC」)がパルス信号を出力しているとき0Vとなり、パルス信号を出力していないとき徐々に立上がる鋸歯状波信号となっている。
波形「QL」はゲート制御回路1のドライバ26からの出力波形で、ローサイドのスイッチング素子QLに向けて出力されるゲート信号を示している。波形「QH」はゲート制御回路1のドライバ27からの出力波形で、ハイサイドのスイッチング素子QHに向けて出力されるゲート信号を示している。
波形「VC1」には、「SSsig入力直後のVref2(点線)」と「定常時のVref2(実線)」が併記されている。「VC1」と「Vref2」は比較器25で比較され「Vref2」が「VC1」より大きいとき「QL」はオンとなり、波形「QL」を見ると「Vref2」が「VC1」より小さいとき「QL」はオフとなっていることが理解される。また波形「QH」は波形「QL」を反転した信号となっていることが理解される。
基準電圧Vref2は、SSsig入力直後(点線で示す)から定常時(実線で示す)に向けて図中に矢印で示したように変化し、波形「QL」は矢印で示すように徐々にオン期間が狭くなり、「QH」は矢印で示すように徐々にオン期間が広くなるように変化している。
図4において、「SSsig」はソフトスタート指令回路SSsigの出力信号を示したもので、電源投入された起動時や過電流保護動作後の再起動時に所定幅のパルス信号が出力される。波形「OSC」、波形「VC1」、波形「QL」、波形「QH」は図3と同じ信号波形である。
波形「VC1」に一点鎖線で併記された基準電圧Vref2はソフトスタート信号生成回路24の出力信号であり、「SSsig」のパルス信号が出力されているt4〜t5の期間は最大値である制御電源Vccの電圧値になる。そして時間t5で「SSsig」のパルス信号が出力されなくなると徐々に値が低下し、時間t6で定常時のVref2に達する。「Vref2」が「VC1」より大きいとき「QL」はオンとなり、「Vref2」が「VC1」より小さいとき「QL」はオフとなるので、図のように波形「QL」は徐々にオン期間が狭くなり、「QH」は徐々にオン期間が広くなるように変化することが理解される。
図5は本発明によるゲート制御回路の第2の実施の形態を示したものである。
図5に示したゲート制御回路30は、第1の実施の形態における図2に示したゲート制御回路1に対し、鋸歯状波信号生成回路23を鋸歯状波信号生成回路31に代え、ソフトスタート信号生成回路24をソフトスタート信号生成回路32に代えている。そして、鋸歯状波信号生成回路31の出力を比較器33の(+)入力に接続し、ソフトスタート信号生成回路32の基準電圧Vref3出力を比較器33の(−)入力に接続している。その他は第1の実施の形態の構成と同じである。
図6において、波形「OSC」は発振器22の出力波形を示したもので、誤差増幅器21の出力電圧に応じた周波数でパルス信号が出力されている。
波形「VC3」は鋸歯状波信号生成回路31の出力波形を示したもので、発振器22の出力(「OSC」)がパルス信号を出力しているとき制御電源Vccの電圧となり、パルス信号を出力していないとき徐々に立下がる鋸歯状波信号となっている。
波形「QL」はゲート制御回路30のドライバ26からの出力波形で、ローサイドのスイッチング素子QLに向けて出力されるゲート信号を示している。波形「QH」はゲート制御回路30のドライバ27からの出力波形で、ハイサイドのスイッチング素子QHに向けて出力されるゲート信号を示している。
波形「VC3」には、「SSsig入力直後のVref3(点線)」と「定常時のVref3(実線)」が併記されている。「VC3」と「Vref3」は比較器33で比較され「Vref3」が「VC3」より大きいとき「QL」はオフとなり、波形「QL」を見ると「Vref3」が「VC3」より小さいとき「QL」はオンとなっていることが理解される。また波形「QH」は波形「QL」を反転した信号となっていることが理解される。
基準電圧Vref3は、SSsigからの信号がなくなって、その入力直後(点線で示す)から定常時(実線で示す)に向けて図中に矢印で示したように変化し、波形「QL」は矢印で示すように徐々にオン期間が狭くなり、「QH」は矢印で示すように徐々にオン期間が広くなるように変化する。
図7は本発明による半波整流電流共振型スイッチング電源装置の他の実施の形態を示したものである。
図7に示した半波整流電流共振型スイッチング電源装置40は、第1の実施の形態における図1に示した半波整流電流共振型スイッチング電源装置に対し、共振回路の接続された位置が相違している(第2の実施の形態に対しても同様)。即ち、第1の実施の形態における図1に示した電圧共振コンデンサCrv、及びリアクトルLriとトランスT1の一次巻線Np(励磁インダクタンスLp)と電流共振コンデンサCriからなる直列共振回路はローサイドのスイッチング素子QLに並列に接続されているが、本実施の形態ではハイサイドのスイッチング素子QHに並列に接続されている。トランスT1の二次巻線NsにはダイオードRCと平滑コンデンサCoが直列に接続され、平滑コンデンサCoにより平滑された直流電力が負荷Roに供給される。ハイサイドのスイッチング素子QHの役割とローサイドのスイッチング素子QLの役割が上記第1の実施の形態に対し逆転する(ハイサイドのスイッチング素子QHが上記第1の実施の形態における第2スイッチング素子の役割、ローサイドのスイッチング素子QLが上記第1の実施の形態における第1スイッチング素子の役割をする)ので、ゲート信号の制御も逆転させる。その他の構成は第1の実施の形態と同様であり、その動作も第1の実施の形態から容易に類推することができるので、ここでは動作についての詳細説明は省略する。
例えば、ハイサイド及びローサイドのスイッチング素子QH、QLはMOSFETを例に説明したが、これに限定されず、IGBT、MOS形でないFET(接合形FETなど)などを使用することができる。
また、リアクトルLriは出力トランスTr1のリーケージリアクタンスが充分であれば兼用し、リアクトルLriを省略しても良い。
2、3・・・ゲート駆動回路
4・・・電圧帰還回路
21・・・誤差増幅器
22・・・発振器(OSC)
23、31・・・鋸歯状波信号生成回路
24、32・・・ソフトスタート信号生成回路
25、33・・・比較器
26、27・・・ドライバ
28・・・インバータ(反転回路)
10、40、100・・・半波整流電流共振型スイッチング電源装置
Vin・・・直流電源
QH、QL・・・スイッチング素子
DH、DL・・・ボディダイオード
Crv・・・電圧共振コンデンサ
Cri・・・電流共振コンデンサ
Co・・・平滑コンデンサ
T1・・・トランス
Np・・・トランスT1の一次巻線
Ns・・・トランスT1の二次巻線
Lri・・・リアクトル
Lp・・・励磁インダクタンス
RC・・・ダイオード
Ro・・・負荷
ICri・・・共振電流
IRC・・・ダイオードRCの電流
VQL・・・ローサイドのスイッチング素子QLのドレイン・ソース間電圧
Claims (10)
- 直流電源の出力端子間に直列接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子の直列体と、
前記第2スイッチング素子に並列接続されたトランスの一次巻線と電流共振コンデンサの直列体と、
前記トランスの二次巻線に接続された半波整流回路と、
起動時に前記第1スイッチング素子のオン期間を徐々に長くすると共に、前記第2スイッチング素子のオン期間を徐々に短くするゲート制御回路と、
を備えたことを特徴とする半波整流電流共振型スイッチング電源装置。 - 前記ゲート制御回路は、起動時又は再起動時から徐々に変化する基準電圧と鋸歯状波信号の電圧を比較して出力する比較手段を備え、
前記比較手段の出力に基づいて前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする請求項1に記載の半波整流電流共振型スイッチング電源装置。 - 前記ゲート制御回路は、前記半波整流回路の出力電圧の帰還信号により決められた周波数の前記鋸歯状波信号を発生する鋸歯状波信号生成回路を備えたことを特徴とする請求項2に記載の半波整流電流共振型スイッチング電源装置。
- 前記鋸歯状波信号生成回路は、
コンデンサを定電流源により充放電させ前記鋸歯状波信号を生成する定電流充放電回路を備えたことを特徴とする請求項3に記載の半波整流電流共振型スイッチング電源装置。 - 前記ゲート制御回路は、
起動時や再起動時に発生するパルス信号により所定の初期値にセットされ、前記パルス信号がないとき徐々に所定の定常値に変化する前記基準電圧を発生するソフトスタート信号生成回路を備えたことを特徴とする請求項2から請求項4のいずれか一項に記載の半波整流電流共振型スイッチング電源装置。 - 直流電源の出力端子間に直列接続された第1スイッチング素子及び第2スイッチング素子を有する半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法において、
起動時又は再起動時に前記第1スイッチング素子のオン期間を徐々に長くすると共に、前記第2スイッチング素子のオン期間を徐々に短くするように制御することを特徴とする半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法。 - 起動時又は再起動時から徐々に変化する基準電圧と鋸歯状波信号の電圧を比較し、前記比較結果に基づいて前記第1スイッチング素子及び前記第2スイッチング素子をオンオフ制御することを特徴とする請求項6に記載の半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法。
- 出力電圧の帰還信号により決められた周波数で前記鋸歯状波信号を発生することを特徴とする請求項7に記載の半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法。
- コンデンサを定電流源により充放電させ前記鋸歯状波信号を生成することを特徴とする請求項8に記載の半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法。
- 起動時や再起動時に発生するパルス信号により所定の初期値にセットされ、前記パルス信号がないとき徐々に所定の定常値に変化する前記基準電圧を発生することを特徴とする請求項7から請求項9のいずれか一項に記載の半波整流電流共振型スイッチング電源装置の起動方法。
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