JP2010088251A - エネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部端子を削減することで、スイッチング電源装置の設計を容易化することができ、かつ、小型化や低コスト化が可能となるエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置を提供する。
【解決手段】スイッチング素子１のドレイン電圧から所定の電圧以上の部分をクランプした電圧信号を出力する電圧制限回路６と、その電圧信号からスイッチング素子１をターンオンさせるタイミングを検出するターンオン検出回路７を備えることで、外部端子を追加することなく、スイッチング素子１をドレイン電圧の極小値でターンオンさせる。
【選択図】図１

Description

本発明は、入力電圧に対してスイッチング素子を通じてスイッチングすることにより出力電圧を制御するエネルギー伝達装置およびそれを構成するエネルギー伝達制御用半導体装置に関するものである。

従来から、家電製品等の一般家庭用機器には、その電源装置として、消費電力の低減化による電力効率の向上等の目的から、半導体（トランジスタなどのスイッチング素子）によるスイッチング動作を利用して出力電圧を制御するスイッチング電源制御用半導体装置を有するスイッチング電源装置が広く用いられている。

しかしながら、スイッチング電源装置は、スイッチング素子のオンオフによるスイッチング動作に伴い高いスイッチングノイズを発生することから、ノイズ発生源として他の電子機器の誤動作や機能停止などといった弊害を招く恐れがあるため、スイッチングノイズを低減したスイッチング電源装置が要求されている。

また、電源効率の向上のため、スイッチング損失を低減したスイッチング電源装置もまた要求されている。
上記要求に応えるため、例えば、ソフトスイッチングであるＲＣＣ（リンギングチョークコンバータ）擬似共振型制御方式を採用することで、スイッチングノイズやスイッチング損失を低減するスイッチング電源装置がある。

このスイッチング電源装置は、スイッチング素子がターンオフしてからトランスの二次巻線を流れる二次電流が流れなくなった後に発生するリンギング電圧から適切なタイミングを検出し、スイッチング素子をターンオンさせることでソフトスイッチングを実現する。

ターンオンのタイミングを検出する手段として、例えば、特許文献１に開示されるようなものがある。特許文献１に開示されるスイッチング電源装置は、図９に示すように、ターンオン検出回路７によって、スイッチング素子１のスイッチング動作によりトランス１１０の補助巻線１１０ｃに誘起される電圧が正から負に切り替わるタイミングを、補助巻線１１０ｃに接続された抵抗１４３、１４４を介して検出することで、スイッチング素子１に印加される電圧が低下したところでスイッチング素子１をターンオンするように制御している。

また、ターンオンのタイミングを検出する手段として、例えば、特許文献２に開示されるようなものもある。特許文献２に開示されるスイッチング電源装置は、図１０に示すように、スイッチング素子１に印加される電圧の時間に関する導関数が零以下のある基準値に等しく、かつ、比較回路９による比較動作の結果、スイッチング素子１に印加される電圧が入力電圧よりも小さい時、すなわち、スイッチング素子１に印加される電圧が極小値を示す瞬間にスイッチング素子１をターンオンするように制御している。
特開２００５−２８７２６０号公報 特表２００３−５２４３５９号公報 特開平９−２６６２５６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されるような従来のスイッチング電源装置では、ターンオンのタイミングを補助巻線に誘起される電圧から擬似的に検出しているため、スイッチング素子に印加される電圧を直接モニターする場合に比べて検出精度が低くなる。また、極小値を示す瞬間にスイッチング素子をターンオンするために、コンデンサなどの外付け部品で調整が必要になる。さらに、補助巻線に接続するための外部端子が必要になり、外付け部品と共にコスト増加の原因にもなる。

また、特許文献２に開示されるような従来のスイッチング電源装置では、スイッチング素子に印加される電圧を直接モニターしているため、特許文献１に開示されるようなスイッチング電源装置に比べると、極小値を示す瞬間にスイッチング素子をターンオンすることが容易になるが、ターンオンのタイミングを検出する回路は、スイッチング素子に印加される高電圧に耐え得ることが要求される。

また、一般に、スイッチング素子がターンオフした直後にスイッチング素子に印加される電圧は、トランスのリーケージインダクタンスとスイッチング素子の寄生容量などに起因して振動するため、特許文献２に開示されるようなスイッチング電源装置は、ターンオンのタイミングを誤検出しないように、スイッチング素子に印加される電圧が入力電圧よりも小さい時にのみ、スイッチング素子をターンオンするように制御している。

そのため、特許文献２に開示されるようなスイッチング電源制御用半導体装置は、スイッチング素子および入力ラインに接続される比較器を備えており、入力ラインに接続するための外部端子が必要になる。また、この比較器も高電圧に耐え得ることが要求される。高耐圧素子で比較器を構成することは、チップ面積の増大や製造工程の増加を招き、コスト増加の原因にもなる。

本発明は、上記従来の問題点を解決するものであり、スイッチング素子がターンオフしてから二次巻線を流れる二次電流が流れなくなった後に発生するリンギング電圧の状態を検出し、スイッチング素子をターンオンさせるスイッチング電源装置において、外部端子を削減することで、スイッチング電源装置の設計を容易化することができ、かつ、小型化や低コスト化が可能となるエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のエネルギー伝達装置は、一次巻線と二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に直列接続され前記一次巻線を介して入力される第１の直流電圧をスイッチングするスイッチング素子と、前記スイッチング素子によるスイッチングを制御する制御回路と、前記制御回路によるスイッチング制御によって前記二次巻線に発生する交流電圧を第２の直流電圧に変換して負荷に電力供給する出力電圧生成部とを備えたエネルギー伝達装置であって、前記制御回路は、前記制御回路によるスイッチング制御によって前記スイッチング素子に印加される電圧が所定電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を出力する電圧制限手段と、前記電圧制限手段により得られた電圧信号により、前記スイッチング素子がターンオフしてから前記二次巻線を流れる二次電流が流れなくなった後に発生するリンギング電圧の状態を検出し、前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成するターンオン検出回路とを備えたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載のエネルギー伝達装置は、請求項１記載のエネルギー伝達装置であって、前記ターンオン検出回路は、前記スイッチング素子に印加される電圧が所定電圧以上である時には、前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成しないことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載のエネルギー伝達装置は、請求項１または請求項２記載のエネルギー伝達装置であって、前記電圧制限手段は、前記スイッチング素子がターンオフしてから前記リンギング電圧が発生するまでの期間に、前記スイッチング素子に印加される電圧の第１の最下点よりも小さい電圧を第１の基準電圧として、前記スイッチング素子に印加される電圧が前記基準電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を出力することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載のエネルギー伝達装置は、請求項１から請求項３のいずれかに記載のエネルギー伝達装置であって、前記ターンオン検出回路は、前記スイッチング素子がターンオフしてから所定期間は、前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成しないことを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載のエネルギー伝達装置は、請求項４記載のエネルギー伝達装置であって、前記電圧制限手段は、前記スイッチング素子がターンオフして前記所定期間経過後から前記リンギング電圧が発生するまでの期間に、前記スイッチング素子に印加される電圧の第２の最下点よりも小さい電圧を第２の基準電圧として、前記スイッチング素子に印加される電圧が前記第２の基準電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を出力することを特徴とする。

また、本発明の請求項６に記載のエネルギー伝達装置は、請求項１から請求項５のいずれかに記載のエネルギー伝達装置であって、前記電圧制限手段は、前記ターンオン検出回路を構成する回路素子の耐電圧よりも小さい電圧に制限した電圧信号を出力することを特徴とする。

また、本発明の請求項７に記載のエネルギー伝達装置は、請求項１から請求項６のいずれかに記載のエネルギー伝達装置であって、前記電圧制限手段は、前記ターンオン検出回路が前記リンギング電圧を検出する値よりも大きい電圧を第３の基準電圧として、前記スイッチング素子に印加される電圧が前記第３の基準電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を出力することを特徴とする。

また、本発明の請求項８に記載のエネルギー伝達装置は、請求項１から請求項７のいずれかに記載のエネルギー伝達装置であって、前記電圧制限手段は、前記スイッチ素子に印加される電圧が入力され、所定の電圧でピンチオフして出力する接合型電界効果トランジスタを有することを特徴とする。

また、本発明の請求項９に記載のエネルギー伝達装置は、請求項１から請求項８のいずれかに記載のエネルギー伝達装置であって、前記電圧制限手段は、前記スイッチング素子に印加される電圧に応じて電圧信号を出力し、前記スイッチング素子に印加される電圧が所定電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を、さらに分圧回路によって降圧して出力することを特徴とする。

また、本発明の請求項１０に記載のエネルギー伝達装置は、請求項１から請求項９のいずれかに記載のエネルギー伝達装置であって、前記ターンオン検出回路は、前記リンギング電圧の極小点を検出し、前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成することを特徴とする。

また、本発明の請求項１１に記載のエネルギー伝達装置は、請求項１から請求項９のいずれかに記載のエネルギー伝達装置であって、前記ターンオン検出回路は、前記リンギング電圧の発生から二次電流オン期間を検出し、前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成することを特徴とする。

また、本発明の請求項１２に記載のエネルギー伝達制御用半導体装置は、請求項１から請求項１１のいずれかに記載のエネルギー伝達装置を構成するエネルギー伝達制御用半導体装置であって、前記スイッチング素子と前記制御回路とを、同一基板上に半導体集積回路化して形成したことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、スイッチング素子がターンオフしてから二次巻線を流れる二次電流が流れなくなった後に発生するリンギング電圧の状態を検出し、スイッチング素子をターンオンさせるスイッチング電源装置において、スイッチング素子に印加される電圧からリンギング電圧の状態を検出するため、外部端子を削減することができる。

また、スイッチング素子がターンオフした直後に、スイッチング素子に印加される電圧が振動しても、前記スイッチング素子に印加される電圧が所定電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を出力する電圧制限手段を備えることによって、ターンオンのタイミングを誤検出することがなく、スイッチング素子および入力ラインに接続される比較器や、入力ラインに接続するための外部端子を削減することができる。

また、電圧制限手段に、適切なピンチオフ電圧になるように設計された接合型電界効果トランジスタを用いることで、ターンオンのタイミングを誤検出しないようにしたり、ターンオン検出回路を低耐圧素子で構成したりすることを容易に実現できる。

以上により、ターンオンのタイミングを検出するための外部端子の削減を実質的に実現することで、スイッチング電源装置の設計を容易化することができ、かつ、小型化や低コスト化が可能となる。

以下、本発明の実施の形態を示すエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１のエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置を説明する。

図１は本実施の形態１のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の一構成例を示す回路ブロック図である。図１において、エネルギー伝達制御用半導体装置１００は、内部に、パワーＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子１と、スイッチング素子１のスイッチング動作を制御するスイッチング制御回路２を備える。また、外部接続端子として、スイッチング素子１の高電圧入力端子（ＤＲＡＩＮ端子）、補助電源電圧入力端子（ＶＣＣ端子）、フィードバック入力端子（ＦＢ端子）、スイッチング素子１の出力端子（ＳＯＵＲＣＥ）でもあるエネルギー伝達制御用半導体装置１００のＧＮＤ端子の４端子を備える。

トランス１１０は一次巻線１１０ａ、二次巻線１１０ｂ、および補助巻線１１０ｃを有し、一次巻線１１０ａと二次巻線１１０ｂの極性は逆になっている。このエネルギー伝達装置、すなわち、スイッチング電源装置はフライバック型となっている。また、補助巻線１１０ｃと二次巻線１１０ｂは極性が同じであり、補助巻線１１０ｃには、スイッチング素子１のスイッチング動作によって二次巻線１１０ｂに発生する交流電圧（二次側交流電圧）に比例する交流電圧（補助側交流電圧）が発生する。

一次巻線１１０ａはエネルギー伝達制御用半導体装置１００のＤＲＡＩＮ端子に接続されており、スイッチング素子１の制御電極（ゲート）は、スイッチング制御回路２の出力信号によりオンオフのスイッチング制御がなされる。これにより、一次巻線１１０ａを介してスイッチング素子１に入力される第１の直流電圧（入力電圧）Ｖｉｎをスイッチング制御し、二次巻線１１０ｂおよび補助巻線１１０ｃに交流電圧を発生させる。第１の直流電圧Ｖｉｎは、例えば、商用の交流電源が整流かつ平滑化されたものである。

二次巻線１１０ｂには、ダイオード１２１とコンデンサ１２２とからなる出力電圧生成部が接続されている。出力電圧生成部は、スイッチング素子１のスイッチング動作によって二次巻線１１０ｂに発生する二次側交流電圧を整流かつ平滑化して第２の直流電圧（出力電圧）Ｖｏｕｔに変換し、その電圧Ｖｏｕｔを負荷１３１に供給する。

補助巻線１１０ｃには、ダイオード１４１とコンデンサ１４２とからなる整流平滑化回路が接続されている。この整流平滑化回路は、スイッチング素子１のスイッチング動作によって補助巻線１１０ｃに発生する補助側交流電圧を整流かつ平滑化して補助電源電圧ＶＣＣに変換し、その電圧ＶＣＣをエネルギー伝達制御用半導体装置１００のＶＣＣ端子に供給する。この整流平滑化回路は、後述するレギュレータ４によって、エネルギー伝達制御用半導体装置１００の補助電源部として活用される。

また、エネルギー伝達制御用半導体装置１００のＤＲＡＩＮ端子とＧＮＤ端子との間には、トランス１１０との共振によるリンギングの大きさおよび周期を決定するためのコンデンサ１５１が挿入されている。

また、エネルギー伝達制御用半導体装置１００のＦＢ端子には、出力電圧生成部に接続された出力電圧フィードバック回路１６１から出力されるフィードバック信号、例えば、フォトトランジスタによる電流信号が入力される。

続いて、エネルギー伝達制御用半導体装置１００が備える制御回路について説明する。この制御回路は、内部回路電源電圧ＶＤＤを制御するレギュレータ３と、スイッチング電源装置の起動・停止を制御する起動・停止回路４と、スイッチング素子１に流れるドレイン電流を検出するドレイン電流検出回路５と、スイッチング素子１のＤＲＡＩＮ端子に印加される電圧が所定電圧以上である時には、所定の電圧範囲にクランプ（制限）した電圧信号を出力する電圧制限回路６と、スイッチング素子１のターンオンのタイミングを決定するターンオン検出回路７と、フィードバック信号および各種制御信号に応じてスイッチング素子１をオンオフするための信号を出力するスイッチング制御回路２とを有する。以下、各回路の機能について順に説明する。

レギュレータ３は、スイッチング素子１のＤＲＡＩＮ端子、ＶＣＣ端子、起動・停止回路４およびエネルギー伝達制御用半導体装置１００の内部回路電源電圧ＶＤＤに接続されており、入力直流電圧Ｖｉｎがトランス１１０を介してスイッチング素子１のＤＲＡＩＮ端子に印加されると、ＤＲＡＩＮ端子からＶＣＣ端子を介して、補助電源電圧ＶＣＣを出力する整流平滑回路のコンデンサ１４２に電流を供給し、補助電源電圧ＶＣＣを上昇させる。

なお、ＶＣＣ端子電圧が起動電圧まで達すると、レギュレータ３の動作により、ＤＲＡＩＮ端子からＶＣＣ端子への電流供給はカットされ、内部回路への電流供給は補助電源電圧ＶＣＣを出力する整流平滑回路のコンデンサ１４２より行われる。また、ＶＣＣ端子電圧が停止電圧まで低下した場合は、起動前と同様に、レギュレータ３の動作により、ＤＲＡＩＮ端子からＶＣＣ端子へ電流供給がなされ、再びＶＣＣ端子電圧は上昇する。このようにして、内部回路電源電圧ＶＤＤは、レギュレータ３により、一定電圧となるよう制御されている。

起動・停止回路４は、ＶＣＣ端子電圧をモニターしており、ＶＣＣ端子電圧の大きさによって、スイッチング素子１の発振（オンオフ）および停止を制御している。ＶＣＣ端子電圧が起動電圧に達すると、起動信号をスイッチング制御回路２に出力し、ＶＣＣ端子電圧が停止電圧まで低下すると、停止信号をスイッチング制御回路２に出力する。

スイッチング素子電流検出回路であるドレイン電流検出回路５は、例えば、スイッチング素子１に流れるドレイン電流とスイッチング素子１のオン抵抗との積で決まるオン電圧を検出することにより、相対的にスイッチング素子１に流れるドレイン電流を検出して、ドレイン電流の大きさに比例した電圧信号をスイッチング制御回路２に出力する。

電圧制限回路６は、ＤＲＡＩＮ端子に印加される電圧に応じて電圧信号を出力し、ＤＲＡＩＮ端子に印加される電圧が所定電圧以上である時には所定の電圧範囲にクランプした電圧信号をターンオン検出回路７へ出力する。電圧制限回路６は、例えば、図２に示すように、接合型電界効果トランジスタ２０１と、接合型電界効果トランジスタ２０１の出力を抵抗２０２、２０３で分割する分圧回路とから構成される。ここでいう、接合型電界効果トランジスタ２０１とは、図３（ａ）に示すように、所定の入力電圧に対してピンチオフし、出力は所定の電圧で固定され、それ以上の電圧信号が出力されないものが望まれる。

なお、接合型電界効果トランジスタ２０１のピンチオフ電圧Ｖｐは、デバイス構造や製造条件によって決定され、作製時に任意の電圧に設定することもできる。例えば、Ｖｐ＝５０Ｖに設定される。ただし、ここでは、接合型電界効果トランジスタ２０１がピンチオフする時の入力電圧と出力電圧を同じＶｐとしているが、一致していなくても問題ない。

また、接合型電界効果トランジスタ２０１がピンチオフした時に、出力は一定値で固定されることが理想的であるが、出力信号が入力されるターンオン検出回路７がスイッチング素子１のターンオンのタイミングを誤検出しない程度の電圧範囲であれば、一定値に固定されていなくても問題ない。

ターンオン検出回路７は、電圧制限回路６から入力した電圧信号からスイッチング素子１のターンオンのタイミングを検出し、ターンオン信号をスイッチング制御回路２へ出力する。ターンオン検出回路７は、例えば、図２に示すように、ボトム検出回路２１１と、マスク時間設定回路２１２と、ＡＮＤ回路２１３で構成される。ボトム検出回路２１１は、例えば、微分回路を有しており、電圧制限回路６から入力した電圧信号の極小点を検出する。マスク時間設定回路２１２は、スイッチング素子１がターンオフしてから所定の期間にマスク時間信号を出力する。ボトム検出回路２１１とマスク時間設定回路２１２のそれぞれの出力をＡＮＤ回路２１３に入力し、論理和をターンオン検出信号としてスイッチング制御回路２へ出力する。

スイッチング制御回路２は、起動・停止回路４、ドレイン電流検出回路５、ターンオン検出回路７のそれぞれから入力された各種制御信号、および、ＦＢ端子を介して出力電圧フィードバック回路１６１から入力されたフィードバック信号に応じて、出力直流電圧Ｖｏｕｔを一定に安定させるように、スイッチング素子１をオンオフするための信号を出力する。

以上のように構成された図１および図２に示すエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置１００の動作を説明する。
図示しないがダイオードブリッジなどの整流器に商用電源からの交流電源が入力されると、整流器と入力コンデンサとにより、整流かつ平滑化されて、直流電圧Ｖｉｎに変換される。この直流入力電圧Ｖｉｎは、トランス１１０の一次巻線１１０ａを介して、ＤＲＡＩＮ端子に印加され、ＤＲＡＩＮ端子からエネルギー伝達制御用半導体装置１００内のレギュレータ３を介して、ＶＣＣ端子に接続されているコンデンサ１４２に起動用充電電流が流れる。この充電電流により、エネルギー伝達制御用半導体装置１００のＶＣＣ端子電圧が起動・停止回路４で設定された起動電圧に達すると、スイッチング素子１によるスイッチング動作の制御が開始される。

起動時、図１には明記していないが、起動・停止回路４からの出力信号を基に起動パルスが発生し、スイッチング素子１がターンオンする。一旦、スイッチング素子１がターンオンすると、スイッチング素子１に電流が流れ、スイッチング素子１に流れる電流の大きさに応じた電圧が、ドレイン電流検出回路５よりスイッチング制御回路２へ入力される。スイッチング素子１を流れる電流が過電流保護基準電圧ＶＬＩＭＩＴで決まる設定値に達する、または、スイッチング素子１を流れる電流が出力電圧フィードバック回路１６１からのフィードバック信号によって決定される電流値に達する、または、スイッチング素子１がターンオンしている期間がスイッチング制御回路２内で設定された最大オン時間に達すると、スイッチング制御回路２はスイッチング素子１をターンオフさせる。

スイッチング素子１がターンオフすると、スイッチング素子１のターンオン時にトランス１１０の一次巻線１１０ａに蓄えられたエネルギーが二次巻線１１０ｂに伝達される。その後、二次巻線１１０ｂに流れる二次側電流がなくなると、トランス１１０の一次巻線１１０ａによるインダクタンスＬとスイッチング素子１のＤＲＡＩＮ端子とＳＯＵＲＣＥ端子（ＧＮＤ端子）間に接続された共振用コンデンサ１５１の容量値Ｃで決定される共振動作が開始される。

この時、ターンオン検出回路７によって、スイッチング素子１のＤＲＡＩＮ端子電圧が極小値になるタイミングでターンオン信号が生成され、スイッチング素子１は再びターンオンする。

以上のようなスイッチング動作が繰り返されて、出力電圧Ｖｏｕｔが上昇していくが、出力電圧フィードバック回路１６１で設定された電圧以上になると、出力電圧フィードバック回路１６１は、フィードバック信号として、例えば、エネルギー伝達制御用半導体装置１００のＦＢ端子から電流を流出するように制御する。この流出電流が大きくなると、スイッチング素子１を流れる電流を制限するように、スイッチング制御回路２はスイッチング素子１をターンオフする。

このようにして、スイッチング素子１のオンデューティ（オン期間の比率）は適切な状態に変化していく。つまり、スイッチング素子１のターンオンは、ターンオン検出回路７からのターンオン信号により行われ、ターンオフはスイッチング素子１に流れる電流が、ＦＢ端子から流出する電流量により決定される電流レベルに達することにより行われる。

すなわち、負荷１３１への電流供給が小さい軽負荷時は、スイッチング素子１に電流が流れる期間が短くなり、重負荷時には、スイッチング素子１に電流が流れる期間が長くなることになる。

このように、エネルギー伝達制御用半導体装置１００は、スイッチング電源装置の負荷１３１に供給される電力に応じて、スイッチング素子１に流れる電流を制御し、オンデューティを変化させるといった制御を行う。なお、スイッチング素子１のターンオンするタイミングを、共振動作中のＤＲＡＩＮ端子電圧が最も低下した時に出力するように設定することにより、ターンオン時のスイッチングロスおよびスイッチングノイズが抑えられ、スイッチング電源装置の高効率化および低ノイズ化を実現することができる。

ここで、電圧制限回路６とターンオン検出回路７の詳細について、図２および図３を用いて説明する。
図２に示す電圧制限回路６は、ＤＲＡＩＮ端子に印加される電圧を入力して、所定の電圧以上の部分をクランプした電圧信号を、さらに分圧回路によって降圧してターンオン検出回路７へ出力する。ターンオン検出回路７は、電圧制限回路６から入力した電圧信号からスイッチング素子１のターンオンのタイミングを検出し、ターンオン信号をスイッチング制御回路２へ出力する。

一般に、高電圧信号を降圧する際には、分圧回路のみを使用する場合が多いが、図２に示す電圧制限回路６のように、所定の入力電圧に対してピンチオフし、所定の電圧以上の部分をクランプして出力する接合型電界効果トランジスタ２０１を挿入することで、スイッチング素子１がターンオフした直後に発生する電圧振動成分の一部または全てを削減することができる。なお、このターンオフ直後の電圧振動成分は、トランス１１０のリーケージインダクタンスとスイッチング素子１の寄生容量などに起因したもので、ターンオンのタイミングを誤検出してしまう恐れがあり、可能な限り削減されることが望まれる。

そこで、スイッチング素子１のＤＲＡＩＮ端子に印加される電圧波形が、例えば、図３（ｂ）に示すような場合に、接合型電界効果トランジスタ２０１のピンチオフ電圧ＶｐをＶｐ＝Ｖｐｍａｘ１（ターンオフ直後の電圧振動の最下点、例えば、３０（Ｖ）以下となるように、接合型電界効果トランジスタ２０１を設計することで、上記ターンオフ直後の電圧振動成分を全て削減することができる。

なお、接合型電界効果トランジスタ２０１がピンチオフした時に、出力は一定値で固定されることが理想的であるが、出力が入力依存性を持っていて上記ターンオフ直後の電圧振動成分が多少残っていても、出力信号が入力されるターンオン検出回路７がスイッチング素子１のターンオンのタイミングを誤検出しないように、ターンオン検出回路７が設計されていることが望ましい。

また、図２に示すように、スイッチング素子１のターンオン検出を、スイッチング素子１がターンオフしてから所定の期間は無効化するマスク時間設定回路２１２をターンオン検出回路７に有してもよい。こうすることで、マスク時間経過後から、二次側電流が流れなくなったことによるリンギングが発生するまでの期間の電圧振動の最下点であるＶｐｍａｘ２（例えば、５０Ｖ）付近までピンチオフ電圧を高く設定できるので、接合型電界効果トランジスタ２０１の設計が容易になる。

なお、スイッチング素子１のターンオンのタイミングを電圧制限回路６からの出力信号で検出するために、接合型電界効果トランジスタ２０１のピンチオフ電圧は、二次側電流が流れなくなったことにより発生するリンギング電圧の最小値（例えば、図３（ｂ）におけるＶｐｍｉｎ）よりも大きく設定する必要がある。

また、接合型電界効果トランジスタ２０１は、例えば、特許文献３に開示されているように、スイッチング素子１と同一半導体基板内に作製してもよい。こうすることで、さらなるチップサイズの縮小を実現することができる。

また、接合型電界効果トランジスタ２０１と、スイッチング素子１と、その制御回路とを同一半導体基板上に形成して集積回路化することで、当該スイッチング電源装置を構成するための部品点数を削減することができ、容易に小型化および軽量化さらにコスト低減を実現することができる。

また、接合型電界効果トランジスタ２０１の出力を、抵抗２０２、２０３で分割する分圧回路によって、さらに降圧してもよい。こうすることで、接合型電界効果トランジスタ２０１のピンチオフ電圧を高く設定しても、ターンオン検出回路７を低耐圧な素子で構成することができる。言うまでもなく、チップサイズの縮小や低コスト化を実現することができる。

次に、本発明の実施の形態１のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の代表的な動作を図７にタイミングチャートで示す。
電圧制限回路６にピンチオフ電圧をＶｐに設定された接合型電界効果トランジスタ２０１を備えている場合、ドレイン電圧がＶｐを超える部分がクランプされた波形が電圧制限回路６の出力電圧として出力される。この出力信号はターンオン検出回路７に入力され、微分回路などによって谷部分を検出して、ボトム検出信号として処理される。一方、マスク時間設定回路２１２よりゲート信号（スイッチング制御信号）がオフしてから所定の期間はボトム検出信号を受け付けないようにされる。所定の期間後、ボトム検出可能となり、ボトム検出信号が出力されると、ＡＮＤ回路２１３によってターンオン検出信号が出力される。このターンオン検出信号に基づき、ゲート信号（スイッチング制御信号）が出力される。

以上のように本実施の形態によれば、スイッチング素子がターンオフしてから二次巻線を流れる二次電流が流れなくなった後に発生するリンギング電圧の状態を検出し、スイッチング素子１をターンオンさせるスイッチング電源装置において、スイッチング素子１に印加される電圧からリンギング電圧の状態を検出するため、外部端子を削減することができる。

また、スイッチング素子１がターンオフした直後に、スイッチング素子１に印加される電圧が振動しても、所定の電圧以上の部分をクランプした電圧信号を出力する電圧制限回路６を備えることによって、ターンオンのタイミングを誤検出することがない。すなわち、従来例２（図１０）において設けられていたスイッチング素子１および入力ラインに接続される比較回路９や、入力ラインに接続するための外部端子を削減することができる。

また、電圧制限回路６を有することで、ターンオン検出回路７を低耐圧素子で構成することができ、チップサイズの縮小や低コスト化、製造プロセスの容易化が可能となる。
なお、本実施の形態１では、エネルギー伝達制御用半導体装置１００はＦＢ端子を備え、出力電圧生成部に接続された出力電圧フィードバック回路１６１から出力されるフィードバック信号がＦＢ端子に入力されるように構成されているが、図４に示すように、出力電圧フィードバック回路１６１から出力されるフィードバック信号を、エネルギー伝達制御用半導体装置１００のＶＣＣ端子電圧に重畳させて、ＶＣＣ端子電圧に接続された出力電圧検出回路８により、フィードバック制御を行うこともできる。こうすることで、エネルギー伝達制御用半導体装置１００のＦＢ端子を削減することができ、例えば、エネルギー伝達制御用半導体装置１００の外部端子をＤＲＡＩＮ端子、ＶＣＣ端子、ＧＮＤ端子の３端子のみで構成することも可能となる。

また、図５に示すように、補助電源電圧ＶＣＣは出力電圧Ｖｏｕｔに比例していることを利用して、出力電圧検出を行うことでも、エネルギー伝達制御用半導体装置１００のＦＢ端子を削減してもよい。

また、本実施の形態１では、レギュレータ３やドレイン電流検出回路５をスイッチング素子１のＤＲＡＩＮ端子に接続しているが、図６に示すように、スイッチング素子１のＤＲＡＩＮ端子電圧を入力した接合型電界効果トランジスタ２０１の出力を、レギュレータ３やドレイン電流検出回路５の入力信号として共通化してもよい。こうすることで、レギュレータ３やドレイン電流検出回路５を低耐圧素子で構成することが可能となり、チップサイズの縮小や低コスト化を実現することができる。なお、この場合、レギュレータ３に必要な入力電圧を考慮した上で、接合型電界効果トランジスタ２０１のピンチオフ電圧を設定するとよい。

また、本実施の形態１では、エネルギー伝達制御用半導体装置１００は、補助巻線１１０ｃに接続されたＶＣＣ端子を備えているが、図６に示すように、エネルギー伝達制御用半導体装置１００の消費電力はＤＲＡＩＮ端子を介してのみ供給することで、補助巻線１１０ｃと、補助巻線１１０ｃに接続された整流平滑化回路と、エネルギー伝達制御用半導体装置１００のＶＣＣ端子を削減することも可能である。
（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２のエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置を説明する。ただし、前述した実施の形態１において説明した部材や回路ブロックと同一のものには同一符号を付して、説明を省略する。

図８は本実施の形態２のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の一構成例を示す回路ブロック図である。本実施の形態２では、ターンオン検出回路７は、二次電流出力時間検出回路１０と二次電流オンデューティ制御回路１１とを備える。また、補助電源電圧ＶＣＣは出力電圧Ｖｏｕｔに比例していることを利用して、出力電圧検出回路８によって出力電圧検出を行う。スイッチング制御回路２は、出力電圧検出回路８から入力された信号によって、出力電圧Ｖｏｕｔが一定に保たれるようにスイッチング素子１のスイッチング制御を行う（定電圧制御）。

次に、本発明の実施の形態２のエネルギー伝達制御用半導体装置１００が有する定電流制御機能について説明する。この機能は、二次電流出力時間検出回路１０および二次電流オンデューティ制御回路１１により実現する。この機能により、二次電流が流れている第１期間（二次電流のオン期間）と二次電流が流れていない第２期間（二次電流のオフ期間）とからなる第３期間、すなわちスイッチング素子１の発振周期に対する二次電流のオン期間のオンデューティ比（二次電流のデューティレシオ）が一定となるようにスイッチング素子１の発振周波数を制御して、ある負荷範囲において出力電流を一定に制御することができる。

なお、二次電流出力時間検出回路１０は電圧制限回路６に接続されており、電圧制限回路６から出力される電圧信号から二次電流のオフタイミングを検出する。また、図８に明記していないが、二次電流出力時間検出回路１０は、スイッチング制御回路２の出力信号から二次電流が流れ始めるタイミング（二次電流のオンタイミング）も検出することで、二次電流のオン期間を検出する。

以上のように構成された図８に示すエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置１００の動作を説明する。
本実施の形態２のスイッチング電源装置では、スイッチング素子１のオン期間に、トランス１１０の一次巻線１１０ａに電流が流れてトランス１１０にエネルギーが蓄えられ、スイッチング素子１のオフ期間に、トランス１１０に蓄えられたエネルギーが放出されてトランス１１０の二次巻線１１０ｂに電流（二次電流）が流れる。その後、二次電流がゼロになると、トランス１１０のインダクタンスとスイッチング素子１の寄生容量による共振現象が起こる。この時、スイッチング素子１に印加される電圧から、電圧制限回路６を介して得られる電圧信号を二次電流出力時間検出回路１０に入力し、二次電流のオフタイミングを検出する。

また、二次電流はスイッチング素子１がターンオフすると流れ始めるので、二次電流出力時間検出回路１０は、二次電流のオンタイミングとして、スイッチング制御回路２の出力信号の立下りを検出する。

二次電流オンデューティ制御回路１１は、二次電流出力時間検出回路１０が生成する信号に基づき、二次電流のデューティレシオ（二次電流のオンデューティ）が所定値（一定値）に維持されるように、スイッチング素子１をターンオンさせるためのターンオン検出信号を出力する。

定電流領域では、このターンオン検出信号によりスイッチング素子１の発振（オンオフ）周波数が決まる。この周波数は、負荷１３１に流れる電流が大きくなり、二次電流のオン期間が長くなるにつれて低くなる。

なお、詳細は記述しないが、二次電流のオンデューティが一定値に達していない負荷領域では、出力電圧Ｖｏｕｔが一定に保たれるように、ＰＦＭ制御などによってスイッチング素子１を制御する。すなわち、二次側の負荷１３１に応じて、定電圧制御と定電流制御が選択されることになる。

このように、本実施の形態２に係るスイッチング電源装置によれば、スイッチング素子１に印加される電圧からリンギング電圧の状態を検出するため、二次電流のオン期間検出をエネルギー伝達制御用半導体装置１００の外部端子を追加することなく実現でき、さらに、フォトカプラ等の高価な部品を使用した出力電圧フィードバック回路１６１を使用することなく、定電圧特性および定電流特性を得ることができるので、小型化および軽量化さらにコスト低減が可能となる。

以上のように、実施の形態１および実施の形態２では、本発明に係るエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置において、スイッチング素子のターンオンタイミングを検出する手段や半導体装置の端子数削減に着目して説明したが、この他にも本発明の主旨を逸脱しない範囲でのエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置の構成を含むことは言うまでもない。

本発明のエネルギー伝達装置およびエネルギー伝達制御用半導体装置は、外部端子を削減することで、スイッチング電源装置の設計を容易化することができ、かつ、小型化や低コスト化が可能となり、ＡＣ−ＤＣコンバータやＤＣ−ＤＣコンバータなどのスイッチング電源装置等に有効に適応できる。

本発明の実施の形態１のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の構成例１を示す回路ブロック図 同実施の形態１のエネルギー伝達制御用半導体装置における電圧制限回路およびターンオン検出回路の構成例を示す回路ブロック図 同実施の形態１のエネルギー伝達制御用半導体装置における電圧制限回路内の接合型電圧効果トランジスタの入力ＶＤ−出力ＶＴＡＰの特性とピンチオフ電圧Ｖｐを設定する基準を示すスイッチング素子に印加される電圧の波形図 同実施の形態１のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の構成例２を示す回路ブロック図 同実施の形態１のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の構成例３を示す回路ブロック図 同実施の形態１のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の構成例４を示す回路ブロック図 同実施の形態１のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の動作を示すタイミングチャート 本発明の実施の形態２のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の構成例を示す回路ブロック図 従来例１のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の構成例を示す回路ブロック図 従来例２のエネルギー伝達制御用半導体装置を備えたエネルギー伝達装置の構成例を示す回路ブロック図

符号の説明

１ スイッチング素子
２ スイッチング制御回路
３ レギュレータ
４ 起動・停止回路
５ ドレイン電流検出回路
６ 電圧制限回路
７ ターンオン検出回路
８ 出力電圧検出回路
９ 比較回路
１０ 二次電流出力時間検出回路
１１ 二次電流オンデューティ制御回路
１００ エネルギー伝達制御用半導体装置
１１０ トランス
１１０ａ 一次巻線
１１０ｂ 二次巻線
１１０ｃ 補助巻線
１２１、１４１ 整流ダイオード
１２２、１４２ コンデンサ
１３１ 負荷
１４３、１４４、２０２、２０３ 抵抗
１５１ 共振用コンデンサ
１６１ 出力電圧フィードバック回路
２０１ 接合型電界効果トランジスタ
２１１ ボトム検出回路
２１２ マスク時間設定回路
２１３ ＡＮＤ回路

Claims (12)

1. 一次巻線と二次巻線を有するトランスと、
   前記一次巻線に直列接続され前記一次巻線を介して入力される第１の直流電圧をスイッチングするスイッチング素子と、
   前記スイッチング素子によるスイッチングを制御する制御回路と、
   前記制御回路によるスイッチング制御によって前記二次巻線に発生する交流電圧を第２の直流電圧に変換して負荷に電力供給する出力電圧生成部とを備えたエネルギー伝達装置であって、
   前記制御回路は、
   前記制御回路によるスイッチング制御によって前記スイッチング素子に印加される電圧が所定電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を出力する電圧制限手段と、
   前記電圧制限手段により得られた電圧信号により、前記スイッチング素子がターンオフしてから前記二次巻線を流れる二次電流が流れなくなった後に発生するリンギング電圧の状態を検出し、前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成するターンオン検出回路とを備えた
   ことを特徴とするエネルギー伝達装置。
2. 前記ターンオン検出回路は、
   前記スイッチング素子に印加される電圧が所定電圧以上である時には、前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成しない
   ことを特徴とする請求項１記載のエネルギー伝達装置。
3. 前記電圧制限手段は、
   前記スイッチング素子がターンオフしてから前記リンギング電圧が発生するまでの期間に、
   前記スイッチング素子に印加される電圧の第１の最下点よりも小さい電圧を第１の基準電圧として、
   前記スイッチング素子に印加される電圧が前記基準電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を出力する
   ことを特徴とする請求項１または請求項２記載のエネルギー伝達装置。
4. 前記ターンオン検出回路は、
   前記スイッチング素子がターンオフしてから所定期間は、前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成しない
   ことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載のエネルギー伝達装置。
5. 前記電圧制限手段は、
   前記スイッチング素子がターンオフして前記所定期間経過後から前記リンギング電圧が発生するまでの期間に、
   前記スイッチング素子に印加される電圧の第２の最下点よりも小さい電圧を第２の基準電圧として、
   前記スイッチング素子に印加される電圧が前記第２の基準電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を出力する
   ことを特徴とする請求項４記載のエネルギー伝達装置。
6. 前記電圧制限手段は、
   前記ターンオン検出回路を構成する回路素子の耐電圧よりも小さい電圧に制限した電圧信号を出力する
   ことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載のエネルギー伝達装置。
7. 前記電圧制限手段は、
   前記ターンオン検出回路が前記リンギング電圧を検出する値よりも大きい電圧を第３の基準電圧として、
   前記スイッチング素子に印加される電圧が前記第３の基準電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を出力する
   ことを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載のエネルギー伝達装置。
8. 前記電圧制限手段は、
   前記スイッチ素子に印加される電圧が入力され、所定の電圧でピンチオフして出力する接合型電界効果トランジスタを有する
   ことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のエネルギー伝達装置。
9. 前記電圧制限手段は、
   前記スイッチング素子に印加される電圧に応じて電圧信号を出力し、
   前記スイッチング素子に印加される電圧が所定電圧以上である時には、所定の電圧範囲に制限した電圧信号を、さらに分圧回路によって降圧して出力する
   ことを特徴とする請求項１から請求項８のいずれかに記載のエネルギー伝達装置。
10. 前記ターンオン検出回路は、
    前記リンギング電圧の極小点を検出し、
    前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成する
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載のエネルギー伝達装置。
11. 前記ターンオン検出回路は、
    前記リンギング電圧の発生から二次電流オン期間を検出し、
    前記スイッチング素子をターンオンさせる信号を生成する
    ことを特徴とする請求項１から請求項９のいずれかに記載のエネルギー伝達装置。
12. 請求項１から請求項１１のいずれかに記載のエネルギー伝達装置を構成するエネルギー伝達制御用半導体装置であって、
    前記スイッチング素子と前記制御回路とを、同一基板上に半導体集積回路化して形成した
    ことを特徴とするエネルギー伝達制御用半導体装置。

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