JP2010088209A

JP2010088209A - スナバ回路

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Publication number: JP2010088209A
Application number: JP2008254517A
Authority: JP
Inventors: Yasuhiro Fujii; 泰博藤井
Original assignee: Nichicon Corp
Current assignee: Nichicon Corp
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2010-04-15
Anticipated expiration: 2028-09-30
Also published as: JP5116160B2

Abstract

【課題】二次側整流ダイオードにおける電圧変動、および無負荷時の入力電力を低減することができるスナバ回路を提供する。
【解決手段】スナバ回路１ａは、二次側整流ダイオードＤのカソード側にカソード端子が接続された第１のダイオードＤ_1aと、二次側整流ダイオードＤのアノード端子と第１のダイオードＤ_1aのアノード端子との間に接続された第１のコンデンサＣ_1aと、第１のダイオードＤ_1aのアノード側にカソード端子が接続された第２のダイオードＤ_2aと、第２のダイオードＤ_2aのアノード端子と二次巻線Ｔ₂の他方端との間に接続されたコイルＬ_ａと、第２のダイオードＤ_2aのアノード端子と第１のダイオードＤ_1aのカソード端子との間に接続された第２のコンデンサＣ_2aとを備える。スイッチ素子ＳＷのターンオン時、二次側整流ダイオードＤのアノード端子−カソード端子間には、第２のコンデンサＣ_2aを介した新たな電流経路が形成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、フライバック型スイッチング電源装置の二次側に備えられるスナバ回路に関する。

図４に、従来のスナバ回路を備えたフライバック型スイッチング電源装置を示す。このスイッチング電源装置は、入力交流電圧Ｖ_AINを出力直流電圧Ｖ_DOUTに変換して出力するもので、その一次側には、整流・平滑部２、トランスＴの一次巻線Ｔ₁、およびスイッチ素子ＳＷが備えられている。また、二次側には、トランスＴの二次巻線Ｔ₂、二次巻線Ｔ₂の一方端に接続された二次側整流ダイオードＤ、二次側平滑コンデンサＣおよびスナバ回路１ｃが備えられている。

出力直流電圧Ｖ_DOUTは不図示の負荷回路に向かって出力される。また、出力直流電圧Ｖ_DOUTの多寡は不図示の制御ＩＣにフィードバックされ、制御ＩＣは出力直流電圧Ｖ_DOUTが一定になるようにスイッチ素子ＳＷのスイッチング動作を制御する。

スナバ回路１ｃは、二次側整流ダイオードＤのカソード側にカソード端子が接続された第１のダイオードＤ_1cと、二次側整流ダイオードＤのアノード端子と第１のダイオードＤ_1cのアノード端子との間に接続された第１のコンデンサＣ_1cと、第１のダイオードＤ_1cのアノード側にカソード端子が接続された第２のダイオードＤ_2cと、該第２のダイオードＤ_2cのアノード端子と二次巻線Ｔ₂の他方端との間に接続されたコイルＬ_cとから構成される（例えば、特許文献１参照）。

この従来のスイッチング電源装置では、スイッチ素子ＳＷがターンオン（導通状態となる）すると、コイルＬ_cおよび第２のダイオードＤ_2cを介して第１のコンデンサＣ_1cにエネルギーが供給されて蓄えられるとともに、コイルＬ_c、第２のダイオードＤ_2cおよび第１のダイオードＤ_1cを介して、二次側平滑コンデンサＣおよび負荷回路にエネルギーが供給される。

一方、スイッチ素子ＳＷがターンオフ（非導通状態となる）すると、二次側整流ダイオードＤが導通状態となり、二次巻線Ｔ₂に蓄えられていたエネルギーが、二次側整流ダイオードＤを介して二次側平滑コンデンサＣおよび負荷回路に供給される。これとともに、第１のコンデンサＣ_1cに蓄えられていたエネルギーも、第１のダイオードＤ_1cを介して二次側平滑コンデンサＣおよび負荷回路に供給される。

また、スナバ回路は、図５の符号１ｄに示されるような構成とする場合もある。
特開２００２−１２５３７０号公報

上記従来のスナバ回路１ｃ、１ｄによれば、一次側スイッチ素子ＳＷに起因するスパイク（オフ時リンギング）を低減することができる。しかしながら、当該スナバ回路では、二次側整流ダイオードＤに起因するスパイク（オン時リンギング、図２（Ｂ)参照）を低減することはできなかった。したがって、従来のスナバ回路１ｃ、１ｄを備えたスイッチング電源装置では、二次側整流ダイオードＤとして、より耐圧特性に優れたダイオードを使用しなければならず、部品の大型化、高コスト化を招いていた。

また、従来のスナバ回路１ｃ、１ｄを備えたスイッチング電源装置では、無負荷時に、スイッチ素子ＳＷのオン時間（ターンオンしてからターンオフするまでの時間）が他の負荷条件に比べて短くなるので、第１のコンデンサＣ_1c、Ｃ_1dに蓄積されるエネルギーが比較的少ない。したがって、無負荷時には、スナバ回路１ｃ、１ｄによる損失低減効果を十分に得ることができなかった。

そこで、本発明は、フライバック型スイッチング電源装置の二次側に備えられるスナバ回路であって、二次側整流ダイオードにおける電圧変動、および無負荷時の入力電力を低減することができるスナバ回路を提供することを課題とする。

本願発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討を重ねた結果、従来のスナバ回路にコンデンサを１つ追加するだけで、二次側整流ダイオードにおける電圧変動、および無負荷時の入力電力を低減できることを見い出し、本願発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る第１のスナバ回路は、トランスと、該トランスの一次巻線に接続されたスイッチ素子と、前記トランスの二次巻線の一方端にアノード端子が接続され、前記二次巻線に誘起される交流電圧を整流する二次側整流ダイオードと、該二次側整流ダイオードのカソード端子と前記二次巻線の他方端との間に接続され、前記二次側整流ダイオードにより整流された後の電圧を平滑する二次側平滑コンデンサとを有するフライバック型スイッチング電源装置の二次側に備えられたスナバ回路であって、前記二次側整流ダイオードのカソード側にカソード端子が接続された第１のダイオードと、前記二次側整流ダイオードのアノード端子と前記第１のダイオードのアノード端子との間に接続された第１のコンデンサと、前記第１のダイオードのアノード側にカソード端子が接続された第２のダイオードと、前記第２のダイオードのアノード端子と前記二次巻線の他方端との間に接続されたコイルと、前記第２のダイオードのアノード端子と前記第１のダイオードのカソード端子との間に接続された第２のコンデンサとを備え、前記スイッチ素子のターンオン時に、前記二次側整流ダイオードのカソード側に出力された電圧を前記第２のコンデンサを介して前記トランスの二次巻線に帰還させることを特徴とする。

また、本発明に係る第２のスナバ回路は、トランスと、該トランスの一次巻線に接続されたスイッチ素子と、前記トランスの二次巻線の他方端にカソード端子が接続され、前記二次巻線に誘起される交流電圧を整流する二次側整流ダイオードと、該二次側整流ダイオードのアノード端子と前記二次巻線の一方端との間に接続され、前記二次側整流ダイオードにより整流された後の電圧を平滑する二次側平滑コンデンサとを有するフライバック型スイッチング電源装置の二次側に備えられたスナバ回路であって、前記二次側整流ダイオードのアノード側にアノード端子が接続された第１のダイオードと、前記二次側整流ダイオードのカソード端子と前記第１のダイオードのカソード端子との間に接続された第１のコンデンサと、前記第１のダイオードのカソード側にアノード端子が接続された第２のダイオードと、前記第２のダイオードのカソード端子と前記二次巻線の一方端との間に接続されたコイルと、前記第２のダイオードのカソード端子と前記第１のダイオードのアノード端子との間に接続された第２のコンデンサとを備え、前記スイッチ素子のターンオン時に、前記二次側整流ダイオードのアノード側に出力された電圧を前記第２のコンデンサを介して前記トランスの二次巻線に帰還させることを特徴とする。

上記第１および第２のスナバ回路によれば、スイッチ素子のターンオン時に、二次側整流ダイオードのカソード端子−アノード端子間に第２のコンデンサを介した帰還経路が形成される。すなわち、第１のスナバ回路においては、第２のコンデンサ、第２のダイオードおよび第１のコンデンサを順に接続した帰還経路が形成され、二次側整流ダイオードのカソード側に出力された電圧は当該帰還経路を経由してトランスの二次巻線（二次側整流ダイオードのアノード側）に帰還される。また、第２のスナバ回路においても、第２のコンデンサ、第２のダイオードおよび第１のコンデンサを順に接続した帰還経路が形成され、二次側整流ダイオードのアノード側に出力された電圧は当該帰還経路を経由してトランスの二次巻線（二次側整流ダイオードのカソード側）に帰還される。このとき、スイッチ素子のターンオン時に発生するスパイク電圧（オン時リンギング）が吸収され、二次側整流ダイオードに起因する電圧変動を低減することができる。
また、二次側整流ダイオードに起因する電圧変動が低減されると、二次側出力電圧のピーク電圧が低下するので、特に無負荷時において、スイッチ素子のオン時間が長くなる。したがって、上記第１および第２のスナバ回路によれば、スイッチ素子のターンオン時に第１のコンデンサに蓄積されるエネルギー量が増大し、スナバ回路によるトランス二次側へのエネルギー帰還量が増加する。その結果、入力電力を低減することができる。

本発明によれば、二次側整流ダイオードにおける電圧変動、および無負荷時の入力電力を低減することができるスナバ回路を提供することができる。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るスナバ回路の好ましい実施形態について説明する。

図１に、実施例１に係るスナバ回路１ａを備えたフライバック型スイッチング電源装置を示す。このスイッチング電源装置は、入力交流電圧Ｖ_AINを出力直流電圧Ｖ_DOUTに変換して出力するもので、その一次側には、整流・平滑部２、トランスＴの一次巻線Ｔ₁、およびスイッチ素子ＳＷが備えられている。また、二次側には、トランスＴの二次巻線Ｔ₂、二次側整流ダイオードＤ、二次側平滑コンデンサＣおよびスナバ回路１ａが備えられている。

トランスＴは、一次巻線Ｔ₁と二次巻線Ｔ₂とで構成される。図１に示すように、一次巻線Ｔ₁と二次巻線Ｔ₂は逆位相となるように配置されている。なお、以下の説明では、便宜上、各巻線の●が付された側を“開始端”（本発明の「他方端」に相当）、その反対側を“終了端”（本発明の「一方端」に相当）と称することとする。

一次側に備えられた整流・平滑部２は、主にダイオードブリッジと平滑コンデンサとからなり、入力交流電圧Ｖ_AIN（例えば、１１５Ｖ／６０Ｈｚ、２３０Ｖ／５０Ｈｚ等）を整流および平滑し、これにより得られた直流電圧を一次巻線Ｔ₁の開始端（●が付されている側）とスイッチ素子ＳＷとに出力する。

スイッチ素子ＳＷは、例えば、ＭＯＳトランジスタ等の高速スイッチングが可能な半導体スイッチで構成され、一次巻線Ｔ₁の終了端（●が付されていない側）と整流・平滑部２との間に接続される。また、スイッチ素子ＳＷは、不図示の制御ＩＣから出力される制御信号によってオン／オフが切替えられるようになっている。

二次側に備えられた二次側整流ダイオードＤは、アノード端子が二次巻線Ｔ₂の終了端に接続され、カソードが不図示の負荷回路と二次側平滑コンデンサＣに接続される。二次側整流ダイオードＤは、スイッチ素子ＳＷのスイッチング動作によって二次巻線Ｔ₂に誘起される交流電圧を整流する。そして、整流された後の該交流電圧は二次側平滑コンデンサＣによって平滑される。これにより、不図示の負荷回路に出力するための出力直流電圧Ｖ_DOUTが生成される。

実施例１に係るスナバ回路１ａは、二次側整流ダイオードＤのカソード側にカソード端子が接続された第１のダイオードＤ_1aと、二次側整流ダイオードＤのアノード端子と第１のダイオードＤ_1aのアノード端子との間に接続された第１のコンデンサＣ_1aと、第１のダイオードＤ_1aのアノード側にカソード端子が接続された第２のダイオードＤ_2aと、第２のダイオードＤ_2aのアノード端子と二次巻線Ｔ₂の他方端との間に接続されたコイルＬ_ａと、第２のダイオードＤ_2aのアノード端子と第１のダイオードＤ_1aのカソード端子との間に接続された第２のコンデンサＣ_2aとから構成される。

続いて、スイッチ素子ＳＷをターンオン／オフさせた際の、実施例１に係るスナバ回路１ａの動作について説明する。

スイッチ素子ＳＷがターンオンすると、一次巻線Ｔ₁の開始端の電位が終了端に比べて相対的に高くなる。そして、二次巻線Ｔ₂においても開始端の電位が終了端に比べて相対的に高くなる。これにより、コイルＬ_aおよび第２のダイオードＤ_2aを介して第１のコンデンサＣ_1aにエネルギーが供給されて蓄えられるとともに、コイルＬ_a、第２のダイオードＤ_2aおよび第１のダイオードＤ_1aを介して、二次側平滑コンデンサＣおよび不図示の負荷回路にエネルギーが供給される。なお、コイルＬ_aは、第１のコンデンサＣ_1aへの急激なエネルギー供給を抑制する役割を果たしている。

また、スイッチ素子ＳＷのターンオン時に、第２のコンデンサＣ_2a、第２のダイオードＤ_2aおよび第１のコンデンサＣ_1aから形成された帰還経路を経由して二次側整流ダイオードＤのカソード側に出力された電圧がトランスの二次巻線Ｔ₂（二次側整流ダイオードＤのアノード側）に帰還される。換言すれば第２のコンデンサＣ_2a、第２のダイオードＤ_2aおよび第１のコンデンサＣ_1aを順次通って、二次側整流ダイオードＤのカソード側からアノード側（二次巻線Ｔ₂の終了側）に向かって高周波電流が流れる。すなわち、第２のコンデンサＣ_2aを備えた本発明に係るスナバ回路では、スイッチ素子ＳＷのターンオン時に、二次側整流ダイオードＤのカソード側からアノード側に向かって高周波電流を流通させる新たな電流経路が形成される。これにより、二次側整流ダイオードＤに起因するスパイク、詳しくは二次側整流ダイオードＤの両端に発生する逆方向の電圧変動（アノードを基準としたカソードの電圧変動）が低減される。

一方、スイッチ素子ＳＷがターンオフすると、二次巻線Ｔ₂の終了端の電位が開始端に比べて相対的に高くなる。そして、二次側整流ダイオードＤが導通状態となり、二次巻線Ｔ₂に蓄えられていたエネルギーが、二次側整流ダイオードＤを介して二次側平滑コンデンサＣおよび負荷回路に供給される。これとともに、第１のコンデンサＣ_1aに蓄えられていたエネルギーが、第１のダイオードＤ_1aを介して二次側平滑コンデンサＣおよび負荷回路に供給される。

また、このとき、第２のコンデンサＣ_2aに蓄えられていたエネルギーも、第２のダイオードＤ_2aおよび第１のダイオードＤ_1aを介して、二次側平滑コンデンサＣおよび負荷回路に供給される。

以上のように、本発明に係るスナバ回路によれば、スイッチ素子ＳＷのターンオン時に、二次側整流ダイオードＤのカソード−アノード間に新たな電流経路が形成されることになる。そして、この経路を介して、カソード側からアノード側に向かって高周波電流を流すことにより、二次側整流ダイオードＤに起因するスパイク（二次側整流ダイオードＤの両端に発生する逆方向の電圧変動）を低減することができる。

実施例１に係るスナバ回路１ａを備えたスイッチング電源装置（図１参照）と、従来のスナバ回路１ｃを備えたスイッチング電源装置（図４参照。以下、従来例という）において、二次側整流ダイオードＤに発生する電圧変動（Ｖ_RRM）と、無負荷時入力電力を測定した結果を表１および図２に示す。

なお、各測定を行った条件は下記の通りである。

・電圧変動Ｖ_RRMの測定条件
（１）入力交流電圧Ｖ_AIN＝１１５Ｖ（ＡＣ１００Ｖ）
（２）一次巻線Ｔ₁の巻数：二次巻線Ｔ₂の巻数＝３２：６
（３）コイルＬ_a、Ｌ_cインダクタンス：１００μＨ
（４）第１のコンデンサＣ_1a、Ｃ_1cの容量：４７００ｐＦ（４．７ｎＦ）
（５）第２のコンデンサＣ_2aの容量：４７００ｐＦ（４．７ｎＦ）
（６）負荷電流：２．６Ａ

・無負荷時入力電力の測定条件
（１）入力交流電圧Ｖ_AIN＝１１５Ｖ（ＡＣ１００Ｖ）／２３０Ｖ（ＡＣ２００Ｖ）
（６）負荷電流：０Ａ
その他の条件は上記電圧変動Ｖ_RRMの測定条件と同様

表１および図２に示すように、実施例１に係るスナバ回路１ａでは、スイッチ素子ＳＷのターンオン時に発生する二次側整流ダイオードＤの電圧変動Ｖ_RRMが、図２（Ｂ）に示す９５Ｖから図２（Ａ）に示す８２Ｖに低減された。前記の通り、これは、第２のコンデンサＣ_2aを追加したことにより、スイッチ素子ＳＷのターンオン時に、二次側整流ダイオードＤのカソード側からアノード側に向かって高周波電流を流通させる新たな電流経路が形成されたことによる。

また、実施例１に係るスナバ回路１ａでは、特にＡＣ２００Ｖ時の無負荷時入力電力が低減された（０．２７９Ｗ→０．２４２Ｗ）。これは、二次側整流ダイオードＤの電圧変動Ｖ_RRMが低減されることにより、不図示の制御ＩＣの制御下でスイッチング動作するスイッチ素子ＳＷのオン時間が従来例に比べて長くなり、第１のコンデンサＣ_1aに蓄積されるエネルギーが増大し、スナバ回路１ａによるトランス二次側へのエネルギー帰還量が増加するためである。

以上のように、実施例１に係るスナバ回路１ａによれば、二次側整流ダイオードＤにおける電圧変動Ｖ_RRM、および無負荷時の入力電力を低減することができた。
また、この実施例１では、第２のコンデンサＣ_2aと第１のコンデンサＣ_1aとで共通の仕様（静電容量を含む）のコンデンサを使用しているので、回路構成部材の共通化を図ることができる。

図３に、実施例２に係るスナバ回路１ｂを備えたフライバック型スイッチング電源装置を示す。このスイッチング電源装置は、入力交流電圧Ｖ_AINを出力直流電圧Ｖ_DOUTに変換して出力するもので、その一次側には、整流・平滑部２、トランスＴの一次巻線Ｔ₁、およびスイッチ素子ＳＷが備えられている。また、二次側には、トランスＴの二次巻線Ｔ₂、二次側整流ダイオードＤ、二次側平滑コンデンサＣおよびスナバ回路１ｂが備えられている。

実施例２に係るスナバ回路１ｂは、二次側整流ダイオードＤのアノード側にアノード端子が接続された第１のダイオードＤ_1bと、二次側整流ダイオードＤのカソード端子と第１のダイオードＤ_1bのカソード端子との間に接続された第１のコンデンサＣ_1bと、第１のダイオードＤ_1bのカソード側にアノード端子が接続された第２のダイオードＤ_2bと、第２のダイオードＤ_2bのカソード端子と二次巻線Ｔ₂の終了端との間に接続されたコイルＬ_ｂと、第２のダイオードＤ_2bのカソード端子と第１のダイオードＤ_1bのアノード端子との間に接続された第２のコンデンサＣ_2bとから構成される。

その他の構成については、実施例１に係るスイッチング電源装置（図１参照）と同様なので、説明を省略する。

本実施例に係るスナバ回路１ｂにおいても、新たに追加した第２のコンデンサＣ_2bによって、スイッチ素子ＳＷのターンオン時に、二次側整流ダイオードＤのカソード端子−アノード端子間に新たな電流経路が形成されるので、二次側整流ダイオードＤの両端に発生する逆方向の電圧変動Ｖ_RRMを低減することができる。また、本実施例に係るスナバ回路１ｂによれば、実施例１に係るスナバ回路１ａと同様に、無負荷時入力電力の低減効果を得ることもできる。

以上、本発明に係るスナバ回路の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
例えば、実施例１に係るスナバ回路１ａでは、新たに追加した第２のコンデンサＣ_2aの容量を従来から備えられている第１のコンデンサＣ_1aの容量と同一としたが、第２のコンデンサＣ_2aの容量はこれに限定されない。例えば、リンギング（二次側整流ダイオードＤにおける電圧変動Ｖ_RRM）を低減する観点から、第２のコンデンサＣ_2aの容量を第１のコンデンサＣ_1aの容量に比べ、大きくしてもよい。
また、出力直流電圧Ｖ_DOUTが低い場合は、二次巻線Ｔ₂から出力される電圧が小さくリンギング低減効果が低下するため、第１および第２のコンデンサＣ_1a、Ｃ_2aの容量を増加させることが好ましい。但し、第１および第２のコンデンサＣ_1a、Ｃ_2aの大幅な容量増は部品の大型化、コスト増を招き、好ましくない。

実施例１に係るスナバ回路の回路図である。二次側ダイオードの電圧波形を示すグラフであって、（Ａ）は実施例１に係るスナバ回路を備えた場合、（Ｂ）は従来のスナバ回路を備えた場合である。実施例２に係るスナバ回路の回路図である。従来のスナバ回路の回路図である。従来の別のスナバ回路の回路図である。

符号の説明

１ａ、１ｂスナバ回路
２整流・平滑部
Ｃ二次側平滑コンデンサ
Ｃ_1a、Ｃ_1b 第１のコンデンサ
Ｃ_2a、Ｃ_2b 第２のコンデンサ
Ｄ二次側整流ダイオード
Ｄ_1a、Ｄ_1b 第１のダイオード
Ｄ_2a、Ｄ_2b 第２のダイオード
Ｌ_a、Ｌ_b コイル
ＳＷスイッチ素子
Ｔトランス
Ｔ₁ 一次側巻線
Ｔ₂ 二次側巻線

Claims

トランスと、該トランスの一次巻線に接続されたスイッチ素子と、前記トランスの二次巻線の一方端にアノード端子が接続され、前記二次巻線に誘起される交流電圧を整流する二次側整流ダイオードと、該二次側整流ダイオードのカソード端子と前記二次巻線の他方端との間に接続され、前記二次側整流ダイオードにより整流された後の電圧を平滑する二次側平滑コンデンサとを有するフライバック型スイッチング電源装置の二次側に備えられたスナバ回路であって、
前記二次側整流ダイオードのカソード側にカソード端子が接続された第１のダイオードと、
前記二次側整流ダイオードのアノード端子と前記第１のダイオードのアノード端子との間に接続された第１のコンデンサと、
前記第１のダイオードのアノード側にカソード端子が接続された第２のダイオードと、
前記第２のダイオードのアノード端子と前記二次巻線の他方端との間に接続されたコイルと、
前記第２のダイオードのアノード端子と前記第１のダイオードのカソード端子との間に接続された第２のコンデンサと、
を備え、
前記スイッチ素子のターンオン時に、前記二次側整流ダイオードのカソード側に出力された電圧を前記第２のコンデンサを介して前記トランスの二次巻線に帰還させることを特徴とするスナバ回路。
トランスと、該トランスの一次巻線に接続されたスイッチ素子と、前記トランスの二次巻線の他方端にカソード端子が接続され、前記二次巻線に誘起される交流電圧を整流する二次側整流ダイオードと、該二次側整流ダイオードのアノード端子と前記二次巻線の一方端との間に接続され、前記二次側整流ダイオードにより整流された後の電圧を平滑する二次側平滑コンデンサとを有するフライバック型スイッチング電源装置の二次側に備えられたスナバ回路であって、
前記二次側整流ダイオードのアノード側にアノード端子が接続された第１のダイオードと、
前記二次側整流ダイオードのカソード端子と前記第１のダイオードのカソード端子との間に接続された第１のコンデンサと、
前記第１のダイオードのカソード側にアノード端子が接続された第２のダイオードと、
前記第２のダイオードのカソード端子と前記二次巻線の一方端との間に接続されたコイルと、
前記第２のダイオードのカソード端子と前記第１のダイオードのアノード端子との間に接続された第２のコンデンサと、
を備え、
前記スイッチ素子のターンオン時に、前記二次側整流ダイオードのアノード側に出力された電圧を前記第２のコンデンサを介して前記トランスの二次巻線に帰還させることを特徴とするスナバ回路。