JP2012244652A - Switching power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、直流電圧を所望の電圧に変換し電子機器に供給するためのスイッチング電源装置に関し、特に、高効率化を追求するスイッチング電源装置に関する。
The present invention relates to a switching power supply device for converting a DC voltage into a desired voltage and supplying it to an electronic device, and more particularly to a switching power supply device that seeks high efficiency.
スイッチング電源装置は、直流電力をスイッチング素子のオン・オフにより交流電力に変換してトランスの一次側に供給し、トランスの二次側に伝達される交流電力を整流・平滑することで所定の直流電力を得る電源装置である。代表的なものとしては、トランスの一次側から二次側へのエネルギーの伝達を、スイッチング素子がオン状態の時に行うフォワードコンバータ方式のスイッチング電源装置があり、スイッチング素子のオン・オフを行う制御回路には補助電源から電圧が供給されている。 The switching power supply device converts the DC power into AC power by turning on / off the switching element, supplies the AC power to the primary side of the transformer, and rectifies and smoothes the AC power transmitted to the secondary side of the transformer to thereby generate a predetermined DC It is a power supply device that obtains electric power. A typical example is a forward converter type switching power supply device that transfers energy from the primary side to the secondary side of the transformer when the switching element is in an on state, and a control circuit that turns the switching element on and off. Is supplied with voltage from an auxiliary power source.
スイッチング電源内部の制御回路を動作させるための補助電源回路としては、トランスに三次巻線を設け、ダイオード及びコンデンサを接続した回路が知られている(例えば特許文献1等参照)。 As an auxiliary power supply circuit for operating a control circuit inside a switching power supply, a circuit in which a tertiary winding is provided in a transformer and a diode and a capacitor are connected is known (see, for example, Patent Document 1).
本方式の補助電源回路は、入力電圧範囲が広く、スイッチング周波数が高いスイッチング電源装置では、電源を高効率なものにすることができない。 The auxiliary power circuit of this system has a wide input voltage range and a switching power supply device with a high switching frequency cannot make the power supply highly efficient.
このため、電源の高効率化を図った補助電源回路として、三次巻線TN3に、ダイオードDsub1、ダイオードDsub2、チョークコイルLsub、コンデンサCsubを接続した回路構成が提案されている(例えば特許文献2等参照)。 For this reason, a circuit configuration in which the diode Dsub1, the diode Dsub2, the choke coil Lsub, and the capacitor Csub are connected to the tertiary winding TN3 is proposed as an auxiliary power supply circuit that achieves high efficiency of the power supply (for example, Patent Document 2) reference).
本方式の補助電源回路は、スイッチング電源装置の出力電流が小さくなると補助電源電圧が低下する。即ち、スイッチング電源装置の出力電流が小さくなると、デューティを狭くする制御が行われ、その結果、補助電源電圧が低下することになる。この補助電源電圧の低下を改善する方法として、出力整流平滑回路を同期整流化する方法がある。 In the auxiliary power supply circuit of this system, the auxiliary power supply voltage decreases when the output current of the switching power supply device decreases. That is, when the output current of the switching power supply device becomes small, the duty is controlled to be narrowed, and as a result, the auxiliary power supply voltage is lowered. As a method of improving the drop in the auxiliary power supply voltage, there is a method of synchronously rectifying the output rectifying and smoothing circuit.
二次巻線の出力平滑を同期整流化することで、スイッチング電源装置の出力電流によらず、出力チョークコイルが電流連続モードで動作することができるようになり、補助電源電圧の低下が改善されるが、この補助電源回路では、補助電源チョークコイルを電流連続モードで用いるため、補助電源チョークコイルを大きなインダクタンスのチョークコイルとする必要がある。また、トランスに設ける三次巻線TN3の巻数が増大する。 Synchronous rectification of the output smoothing of the secondary winding enables the output choke coil to operate in the continuous current mode regardless of the output current of the switching power supply device, and the reduction of the auxiliary power supply voltage is improved. However, in this auxiliary power circuit, since the auxiliary power choke coil is used in the continuous current mode, the auxiliary power choke coil needs to be a choke coil having a large inductance. Further, the number of turns of the tertiary winding TN3 provided in the transformer increases.
高効率なスイッチング電源装置を実現する手段として、同期整流を用いた出力整流平滑回路を持つフォワードコンバータでは、一次巻線側にアクティブクランプ回路を適用したものがある(例えば特許文献3等参照)。 As a means for realizing a high-efficiency switching power supply device, there is a forward converter having an output rectification smoothing circuit using synchronous rectification in which an active clamp circuit is applied to the primary winding side (see, for example, Patent Document 3).
トランスの一次巻線側にアクティブクランプ回路を用いたフォワードコンバータは、メインスイッチング素子に印加される電圧を低く抑えることができ、導通抵抗の低い素子を使用することが可能となり、スイッチング電源の効率を向上できる。
A forward converter that uses an active clamp circuit on the primary winding side of the transformer can keep the voltage applied to the main switching element low, enabling the use of elements with low conduction resistance, and improving the efficiency of the switching power supply. It can be improved.
しかしながら、広い入力電圧範囲に対しても補助電源電圧が安定な高効率スイッチング電源装置とするためには、従来提案された回路には以下に説明する問題がある。 However, in order to obtain a high-efficiency switching power supply device in which the auxiliary power supply voltage is stable over a wide input voltage range, the conventionally proposed circuits have the problems described below.
図4は、補助電源回路として、トランスに三次巻線を設け、ダイオード及びコンデンサを接続した回路を、フォワードコンバータ方式のスイッチング電源装置50に適用した回路図を示している。入力電源52から絶縁トランスT1に巻回された一次巻線TN1に、MOS−FETを使用したメインスイッチング素子TR1が接続され、スイッチング動作を行う。絶縁トランスT1には、二次巻線TN2を巻回し、二次巻線TN2にダイオードD21およびD22、出力チョークコイルLo、出力コンデンサCoからなる出力整流平滑回路58を接続している。また、補助電源回路60として、絶縁トランスT1に巻回された三次巻線TN3を設け、ダイオードDsub1、コンデンサCsubを接続し、補助電源電圧Vsubを制御回路54に供給している。
FIG. 4 is a circuit diagram in which a circuit in which a tertiary winding is provided in a transformer and a diode and a capacitor are connected as an auxiliary power supply circuit is applied to a forward converter type
メインスイッチング素子TR1がオンの時、トランスT1の一次巻線TN1のドット印側にプラスの電圧が印加され、三次巻線TN3のドット印側にプラスの電圧が発生する。三次巻線TN3に発生した電圧によって、ダイオードDsub1を介してコンデンサCsubを充電する。このとき、コンデンサCsubの電圧が、補助電源電圧Vsubとなる。入力電圧Vin、一次巻線TN1の巻数N1、三次巻線TN3の巻数N3より、ダイオードDsub1の順方向電圧降下が無視できるものとすると、補助電源電圧Vsubは次式で与えられる。 When the main switching element TR1 is on, a positive voltage is applied to the dot marking side of the primary winding TN1 of the transformer T1, and a positive voltage is generated on the dot marking side of the tertiary winding TN3. The capacitor Csub is charged via the diode Dsub1 by the voltage generated in the tertiary winding TN3. At this time, the voltage of the capacitor Csub becomes the auxiliary power supply voltage Vsub. If the forward voltage drop of the diode Dsub1 is negligible from the input voltage Vin, the number of turns N1 of the primary winding TN1, and the number of turns N3 of the tertiary winding TN3, the auxiliary power supply voltage Vsub is given by the following equation.
スイッチング電源装置50を低損失なものとするためには、メインスイッチング素子TR1のオン抵抗が飽和するだけの電圧を与える必要がため、入力電圧Vinが最低のときでもメインスイッチング素子TR1のゲートに十分な電圧を与えることができるように、巻数N1と巻数N3の巻数比を設定することになる。ところが、図4のスイッチング電源装置50は、入力電圧Vinが高くなると補助電源電圧Vsubも高くなるため、制御回路54に供給される電圧も高くなり、従って、メインスイッチング素子TR1のゲートにも高い電圧が印加されることになる。
In order to make the switching
メインスイッチング素子TR1のゲートに飽和電圧以上の電圧を与えてもオン抵抗は変化せず、また、メインスイッチング素子TR1は、オン・オフの際にゲート電荷を充放電するため、ゲートに必要電圧以上の電圧を与えると損失が増加することになる。この損失は、ゲート電圧が高いほど、また、スイッチング周波数が高いほど顕著になる。ここで、メインスイッチング素子TR1のゲートの充放電の損失を低減するために、補助電源回路60と制御回路54の間に電圧を安定化するためのシリーズレギュレータ回路等を挿入することもできるが、この場合、入力電圧Vinが高くなるとシリーズレギュレータ回路の損失が増加することになる。
Even if a voltage higher than the saturation voltage is applied to the gate of the main switching element TR1, the on-resistance does not change, and the main switching element TR1 charges and discharges the gate charge when it is turned on / off. If this voltage is applied, the loss increases. This loss becomes more prominent as the gate voltage is higher and the switching frequency is higher. Here, in order to reduce the charge / discharge loss of the gate of the main switching element TR1, a series regulator circuit or the like for stabilizing the voltage can be inserted between the auxiliary
従って、本方式の補助電源回路60は、入力電圧範囲が広く、スイッチング周波数が高いスイッチング電源装置では、電源を高効率なものにすることができない。
Therefore, the auxiliary
このため、電源の高効率化を図った補助電源回路として提案されているのは、三次巻線TN3に、ダイオードDsub1、ダイオードDsub2、チョークコイルLsub、コンデンサCsubを接続した回路構成である。 For this reason, a circuit configuration in which a diode Dsub1, a diode Dsub2, a choke coil Lsub, and a capacitor Csub are connected to the tertiary winding TN3 is proposed as an auxiliary power supply circuit that achieves high efficiency of the power supply.
図5は、この補助電源回路をフォワードコンバータ方式のスイッチング電源装置に適用した回路図を示している。図4に対して、補助電源回路74は、ダイオードDsub2と補助電源チョークコイルLsubが追加されている。補助電源チョークコイルLsubのインダクタンスは、補助電源チョークコイルLsubの臨界電流が補助電源の出力電流Isub以下になるように設定する。これにより、補助電源チョークコイルLsubは常に臨界電流以上の電流が流れている状態となり、補助電源チョークコイルLsubは電流連続モードで動作する状態とする。
FIG. 5 shows a circuit diagram in which this auxiliary power supply circuit is applied to a forward converter type switching power supply device. 4, the auxiliary
メインスイッチング素子TR1がオンの時、トランスT1の一次巻線TN1のドット印側にプラスの電圧が印加され、三次巻線TN3のドット印側にもプラスの電圧が発生する。三次巻線TN3に発生した電圧によって、ダイオードDsub1、補助電源チョークコイルLsubを介してコンデンサCsubに電流が流れ、補助電源チョークコイルLsubを励磁すると共にコンデンサCsubが充電される。 When the main switching element TR1 is on, a positive voltage is applied to the dot marking side of the primary winding TN1 of the transformer T1, and a positive voltage is also generated on the dot marking side of the tertiary winding TN3. The voltage generated in the tertiary winding TN3 causes a current to flow through the capacitor Csub via the diode Dsub1 and the auxiliary power choke coil Lsub, thereby exciting the auxiliary power choke coil Lsub and charging the capacitor Csub.
メインスイッチング素子TR1がオフの時、トランスT1にリセット電圧が発生することで、三次巻線のドット印が付されていない側にプラスの電圧が発生する。同時に、補助電源チョークコイルLsubに誘起電圧が発生し、補助電源チョークコイルLsubのドット印の付されていない側にプラスの電圧が発生する。これにより、ダイオードDsub1には逆バイアスが印加された状態となり、ダイオードDsub2には順バイアスが印加された状態となる。ここでは、補助電源チョークコイルLsubからコンデンサCsubを経由してダイオードDsub2を通過し、補助電源チョークコイルLsubへ戻る電流経路が形成され、補助電源チョークコイルLsubが消磁するとともにコンデンサCsubが充電される。 When the main switching element TR1 is off, a reset voltage is generated in the transformer T1, thereby generating a positive voltage on the side of the tertiary winding not marked with a dot. At the same time, an induced voltage is generated in the auxiliary power choke coil Lsub, and a positive voltage is generated on the non-dotted side of the auxiliary power choke coil Lsub. As a result, a reverse bias is applied to the diode Dsub1, and a forward bias is applied to the diode Dsub2. Here, a current path is formed from the auxiliary power choke coil Lsub through the diode Csub2 via the capacitor Csub and back to the auxiliary power choke coil Lsub, and the auxiliary power choke coil Lsub is demagnetized and the capacitor Csub is charged.
補助電源電圧Vsubは、ダイオードDsub1、Dsub2の電圧降下が無視できるものとして、メインスイッチング素子TR1がオンとなるデューティdutyから次式で得られる。 The auxiliary power supply voltage Vsub is obtained by the following equation from the duty duty at which the main switching element TR1 is turned on, assuming that the voltage drop of the diodes Dsub1 and Dsub2 can be ignored.
ここまで、出力整流平滑回路72の出力チョークコイルLo、補助電源回路74の補助電源チョークコイルLsub共に、電流連続モードで動作している場合について述べてきたが、スイッチング電源装置70に要求する出力電流が小さくなることで、出力整流平滑回路72の出力チョークコイルLoが電流不連続モードになった場合、制御回路54はメインスイッチング素子TR1のデューティdutyを減少させる制御を行うことになる。
Up to this point, the output choke coil Lo of the output rectifying and
この様な出力チョークコイルLoが電流不連続モードの場合の出力電圧Voは、メインスイッチング素子TR1のオン時間をTon、オフ時間をToffとして、次式で得られる。 The output voltage Vo when the output choke coil Lo is in the current discontinuous mode is obtained by the following equation, where Ton is the on time of the main switching element TR1 and Toff is the off time.
図6は、図5のスイッチング電源装置70の出力整流平滑回路72を同期整流化した出力整流平滑回路84の回路構成を適用したスイッチング電源回路80を示している。図6のスイッチング電源装置80では、スイッチング電源装置70でのダイオードD21を、NチャネルMOS−FETである同期整流素子TR21とし、スイッチング電源装置70でのダイオードD22を、NチャネルMOS−FETである同期整流素子TR22として置き換えている。
FIG. 6 shows a switching
二次巻線TN2の出力平滑を同期整流化することで、スイッチング電源装置80の出力電流Ioによらず、出力チョークコイルLoが電流連続モードで動作することができるようになり、補助電源電圧Vsubの低下が改善されるが、この補助電源回路86では、補助電源チョークコイルLsubを電流連続モードで用いるため、補助電源チョークコイルLsubを大きなインダクタンスのチョークコイルとする必要がある。
By synchronously rectifying the output smoothing of the secondary winding TN2, the output choke coil Lo can operate in the current continuous mode regardless of the output current Io of the switching
例えば、図6のスイッチング電源装置80を、巻数N1:巻数N2=8ターン:2ターンのトランスT1を用いて、スイッチング周波数fsw=200kHzとして、入力電圧Vin=48Vで出力電圧Vo=5Vを得るようなスイッチング電源にしたとする。補助電源としては、MOS−FETのゲートを駆動するための電圧が必要であるので、補助電源電圧Vsub=約10V、制御回路54に必要な電流として、補助電源電流Isub=0.05Aとした場合を考える。
For example, the switching
まず、三次巻線TN3に必要な巻数N3は、式(4)から次式で得られる。 First, the number of turns N3 required for the tertiary winding TN3 can be obtained from the equation (4) by the following equation.
292uHのインダクタンスのチョークコイルを得るためには、フェライトコア等の磁性材料に多数の巻線を巻く必要があり、チョークコイルの高コスト化を招く。また、「補助電源の出力電流Isub>チョークコイルの臨界電流Icr」の関係を考慮しなければならないため、スイッチング電源装置の使用環境に対して式(8)を精査する必要が有り、設計が複雑になると言う問題も併せ持つ。 In order to obtain a choke coil having an inductance of 292 uH, it is necessary to wind a large number of windings around a magnetic material such as a ferrite core, resulting in an increase in cost of the choke coil. In addition, since the relationship of “the output current Isub of the auxiliary power supply> the critical current Icr of the choke coil” must be taken into consideration, it is necessary to examine the equation (8) for the usage environment of the switching power supply device, and the design is complicated. It also has the problem of becoming.
さらには、補助電源電圧Vsubは、出力電圧Voに対して、式(4)で得られるため、出力電圧Voが低いスイッチング電源装置に本補助電源回路86を用いると、トランスに設ける三次巻線TN3の巻数が増大する(上記条件では4ターン)欠点をもつ。三次巻線TN3の巻数N3が増加すると、トランスT1の大型化を招くことになる。もし、トランスT1の大きさを変更できない場合には、三次巻線TN3の分だけ、一次巻線TN1や二次巻線TN2がトランスT1に占める割合が減少することになり一次巻線TN1や二次巻線TN2の導通抵抗が上昇し、スイッチング電源装置の効率の低下につながる。
Further, since the auxiliary power supply voltage Vsub is obtained from the expression (4) with respect to the output voltage Vo, when the auxiliary
ここで、同期整流を用いた出力整流平滑回路を持つフォワードコンバータの一次側トランスにアクティブクランプ回路を適用してスイッチング電源装置の効率を向上させることができる。 Here, the efficiency of the switching power supply device can be improved by applying an active clamp circuit to the primary transformer of the forward converter having the output rectification smoothing circuit using synchronous rectification.
図6のスイッチング電源装置80は、出力整流回路に同期整流回路を持ち、出力チョークコイルが電流連続モードで動作するフォワードコンバータとして、アクティブクランプ回路を組み合わせて用いる事ができる。 6 has a synchronous rectifier circuit in the output rectifier circuit, and an active clamp circuit can be used in combination as a forward converter in which the output choke coil operates in the current continuous mode.
図7は、図6のフォワードコンバータにアクティブクランプ回路96を適用したスイッチング電源装置90を示している。アクティブクランプ回路96は、クランプ素子TR12とクランプコンデンサC12を直列に接続して、トランスT1の一次巻線TN1に並列に接続している。スイッチング電源装置90は、クランプ素子TR12とメインスイッチング素子TR1を交互にオン・オフさせる動作を行う。
FIG. 7 shows a switching power supply device 90 in which an
アクティブクランプ回路を用いたフォワードコンバータは、メインスイッチング素子TR1に印加される電圧を低く抑えることができるため、スイッチング素子に耐圧の低い素子を使用することが可能となる。耐圧の低い素子は、耐圧の高い素子に比較して、導通抵抗が小さいと言う特性を持つため、導通損失を低減することが可能となり、スイッチング電源の効率を向上できる。また、同期整流回路により二次側の同期整流素子TR21、同期整流素子TR22,の導通抵抗を低減することが可能となり、スイッチング電源装置をさらに高効率なものとすることができる。 Since the forward converter using the active clamp circuit can keep the voltage applied to the main switching element TR1 low, it is possible to use an element with a low withstand voltage as the switching element. An element having a low withstand voltage has a characteristic that the conduction resistance is smaller than that of an element having a high withstand voltage, so that conduction loss can be reduced and the efficiency of the switching power supply can be improved. Further, the synchronous rectifier circuit can reduce the conduction resistance of the secondary side synchronous rectifier element TR21 and the synchronous rectifier element TR22, and the switching power supply can be made more efficient.
しかしながら、図7に示したスイッチン電源装置90でスイッチング電源の効率を向上できたとしても、補助電源回路96に大型のインダクタンスが必要であることは変わりなく、このインダクタンスの設計には、スイッチング電源使用環境、即ち、入力電圧、スイッチング周波数、補助電源回路電流を考慮しなければならず、設計が難しいこと、また、三次巻線の巻数が多くなること等の問題はそのまま残っており、さらに、部品点数が増加するため、スイッチング電源装置が大型で高コストなものになってしまう問題もある。
However, even if the switching power supply device 90 shown in FIG. 7 can improve the efficiency of the switching power supply, the auxiliary
本発明は、上記問題点を解決し、広い入力電圧範囲に対しても補助電源電圧が安定な高効率スイッチング電源装置を提供することを目的としている。
An object of the present invention is to solve the above-described problems and to provide a high-efficiency switching power supply apparatus in which an auxiliary power supply voltage is stable even over a wide input voltage range.
本発明によるスイッチング電源装置は、
直流入力電圧を断続して断続電圧を発生させるために、直列に接続された、直流入力電源と絶縁トランスの一次巻線とオン・オフ動作を行うメインスイッチング素子と、
メインスイッチング素子のオン・オフ動作によって絶縁トランスの二次巻線に発生する断続電圧を整流平滑して直流出力電圧を生成し、負荷に電力を供給する出力整流平滑回路と、
メインスイッチング素子のオン・オフ動作を制御する制御回路と、
絶縁トランスに設けた三次巻線に接続され、制御回路の電源を供給する補助電源回路とを備えたフォワードコンバータ型のスイッチング電源装置において、
補助電源回路は、三次巻線とアクティブクランプ回路を介して接続されていることを特徴とするスイッチング電源装置である。
The switching power supply device according to the present invention includes:
In order to intermittently generate a DC input voltage and generate an intermittent voltage, a DC input power source connected in series and a primary winding of an isolation transformer and a main switching element that performs on / off operation,
An output rectifying / smoothing circuit that rectifies and smoothes the intermittent voltage generated in the secondary winding of the isolation transformer by the on / off operation of the main switching element to generate a DC output voltage and supplies power to the load;
A control circuit for controlling the on / off operation of the main switching element;
In a forward converter type switching power supply device including an auxiliary power supply circuit that is connected to a tertiary winding provided in an isolation transformer and supplies power for a control circuit,
The auxiliary power supply circuit is a switching power supply device that is connected to the tertiary winding via an active clamp circuit.
アクティブクランプ回路は、直列接続されたオン・オフ動作を行うクランプ素子とクランプコンデンサが、三次巻線と並列に接続され、クランプ素子の両端に、補助電源回路が接続されている。 In the active clamp circuit, a clamp element that performs on / off operation connected in series and a clamp capacitor are connected in parallel with the tertiary winding, and an auxiliary power supply circuit is connected to both ends of the clamp element.
補助電源回路は、ダイオードとダイオードのカソードに直列接続されたコンデンサとで構成され、コンデンサ両端に発生する電圧を補助電源電圧として、制御回路に供給する。 The auxiliary power supply circuit includes a diode and a capacitor connected in series to the cathode of the diode, and supplies a voltage generated across the capacitor as an auxiliary power supply voltage to the control circuit.
出力整流平滑回路は、同期整流素子駆動回路と、同期整流素子駆動回路によりオン・オフ制御され、二次巻線に並列に接続される2個の同期整流素子と、同期整流素子の一方の両端に並列に、直列に接続された出力チョークコイルと出力コンデンサとから構成され、コンデンサの両端に発生する電圧を負荷に供給する。
The output rectifying / smoothing circuit includes a synchronous rectifying element driving circuit, two synchronous rectifying elements that are ON / OFF controlled by the synchronous rectifying element driving circuit and connected in parallel to the secondary winding, and both ends of the synchronous rectifying element. And an output choke coil and an output capacitor connected in series, and supplies a voltage generated across the capacitor to the load.
本発明によるスイッチング電源装置は、補助電源として使用されているトランスの三次巻線に、一定の電源を超えないように規制するアクティブクランプ回路を接続し、クランプ素子の両端に発生する断続電圧を、ダイオードとコンデンサから構成される整流平滑回路を用いて取り出して補助電源としている。これにより、広い入力電圧範囲においても変動の小さい補助電源電圧を得ることができる。また、従来の補助電源回路からチョークコイルを不要とし、このために、チョークコイルのインダクタンス設計をする必要が無くなる他、トランスに巻回する三次巻線の巻数が低減でき、スイッチング電源装置の部品点数の低減と小型化を可能とする効果がある。
The switching power supply according to the present invention is connected to an active clamp circuit that regulates not to exceed a certain power supply to the tertiary winding of a transformer used as an auxiliary power supply, and the intermittent voltage generated at both ends of the clamp element is The auxiliary power supply is taken out using a rectifying / smoothing circuit composed of a diode and a capacitor. This makes it possible to obtain an auxiliary power supply voltage with small fluctuations even in a wide input voltage range. In addition, the choke coil is unnecessary from the conventional auxiliary power supply circuit, so that it is not necessary to design the inductance of the choke coil, the number of tertiary windings wound around the transformer can be reduced, and the number of parts of the switching power supply device can be reduced. This is effective in reducing the size and size.
本発明によるスイッチング電源装置について、添付図面を参照しながら詳細に説明する。 A switching power supply device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明によるスイッチング電源装置10を説明する回路図であり、絶縁型同期整流フォワードコンバータタイプであり、補助電源回路22は、アクティブクランプ回路24を介してトランスT1に巻回された三次巻線TN3と接続されている。
FIG. 1 is a circuit diagram illustrating a switching
入力電源12は直流電源であり、絶縁トランスT1の一次巻線TN1と接続され、一次巻線TN1からさらにメインスイッチング素子TR1が直列に接続されている。メインスイッチング素子TR1は、制御回路14により制御され、直流電圧を断続的にオン・オフし、断続電圧に変換する。絶縁トランスT1のニ次巻線TN2には出力整流平滑回路20が接続され、負荷16に電源を供給している。出力整流平滑回路20は、直列に接続された同期整流素子TR21と同期整流素子TR22が絶縁トランスT1と並列に接続されている。同期整流素子TR21と同期整流素子TR22は、同期整素子駆動回路18により制御されている。同期整流素子TR22の両端には、直列に接続された出力コンデンサCoと出力チョークコイルLoが、並列に接続され、出力コンデンサCoの両端に発生する電圧を出力電圧として負荷16に供給している。
The
アクティブクランプ回路24は、直列に接続されたクランプコンデンサC2とクランプ素子TR2が、三次巻線TN3と並列に接続した構成である。クランプ素子TR2は制御回路14により、メインスイッチング素子TR1と交互にオン・オフする制御がされている。
The
補助電源回路22は、ダイオードDsubとコンデンサCsubから構成される整流平滑回路となっており、ダイオードDsubのアノードからカソード方向に流れる電流がコンデンサCsubに充電される構成となっており、クランプ素子TR2の両端と接続されている。コンデンサCsubに発生した電圧を補助電源電圧Vsubとして制御回路14に供給している。 The auxiliary power supply circuit 22 is a rectifying / smoothing circuit including a diode Dsub and a capacitor Csub. The capacitor Csub is charged with a current flowing from the anode to the cathode of the diode Dsub. Connected to both ends. The voltage generated in the capacitor Csub is supplied to the control circuit 14 as the auxiliary power supply voltage Vsub.
メインスイッチング素子TR1、同期整流素子TR21、同期整流素子TR22とクランプ素子TR2は、NチャネルのMOS−FETを用いているが、同様の動作をする素子であれば、他の素子を用いても良い。 The main switching element TR1, the synchronous rectifying element TR21, the synchronous rectifying element TR22, and the clamp element TR2 use N-channel MOS-FETs, but other elements may be used as long as they operate similarly. .
本発明のスイッチング電源10の動作を具体的に説明するため、入力電圧Vin=30V〜60Vの範囲で出力電圧Vo=5V、MOS−FETを駆動する補助電源電圧Vsub=約10Vを得る場合を例として説明する。絶縁トランスT1の一次巻線TN1の巻数N1は8ターン、ニ次巻線TN2の巻数N2は2ターンとした。本発明では、補助電源回路にチョークコイルを用いないため、臨界電流、補助電源の出力電流、および、スイッチング周波数の関係は考慮する必要が無い。
In order to specifically describe the operation of the switching
本発明のスイッチング電源装置10では、メインスイッチング素子TR1がオンの時にはクランプ素子TR2がオフし、メインスイッチング素子TR1がオフの時にはクランプ素子TR2がオンする動作を行う。実際の制御では、クランプ素子TR2のオフとメインスイッチング素子TR1のオンの間にデッドタイムを設けることで、メインスイッチング素子TR1のドレイン・ソース間電圧が低下した後でオンするように制御して、メインスイッチング素子TR1のスイッチング動作に伴うスイッチング損失を低減している。
In the switching
本発明では、スイッチング電源装置10の出力電流Ioによらず、出力チョークコイルLoを電流連続モードで動作させるために、同期整流回路を使用する同期整流フォワードコンバータ方式としている。同期整流素子駆動回路18は、メインスイッチング素子TR1がオンの時には同期整流素子TR21がオンし同期整流素子TR22がオフ、メインスイッチング素子TR1がオフの時には、同期整流素子TR21がオフ、同期整流素子TR22がオンとなるように、メインスイッチング素子TR1に同期して、同期整流素子TR21と同期整流素子TR22を制御している。
In the present invention, in order to operate the output choke coil Lo in the current continuous mode regardless of the output current Io of the switching
図2(A)に、入力電圧Vinを30Vとした場合における本発明によるスイッチング電源装置10の各部の動作波形を、また、図2(B)に、入力電圧Vinを60Vとした場合における本発明によるスイッチング電源装置10の各部の動作波形を示す。図2において、メインスイッチング素子TR1の、ゲート・ソース間電圧Vgsは(a)に、ドレイン・ソース間電圧Vdsは(b)に、また、アクティブクランプ回路24におけるクランプ素子TR2の、ゲート・ソース間電圧VGSは(c)に、ドレイン・ソース間電圧VDSは(d)に示している。入力電圧を一定に保つために、入力電圧が低い場合、即ち、入力電圧Vinが30Vの場合は、図2(A)のように、メインスイッチング素子TR1のゲート・ソース間電圧を示す(a)Vgsのオン時間Tonを長くしてデューティdutyを広げ、入力電圧が高い場合は、即ち、入力電圧Vinが60Vの場合は、図2(B)のようにメインスイッチング素子TR1のゲート・ソース間電圧を示す(a)Vgsのオン時間Tonを短くしてデューティdutyを狭くする制御を行う。
FIG. 2 (A) shows the operation waveforms of each part of the switching
メインスイッチング素子TR1がオンの時に絶縁トランスT1の一次巻線には、入力電圧Vinが印加される。アクティブクランプ方式のフォワードコンバータの絶縁トランスT1は、メインスイッチング素子TR1がオンしている時に励磁した分を、メインスイッチング素子TR1がオフしているときに消磁するように動作し、励磁量と消磁量が同じになるように動作している。図2(A)及び(B)のメインスイッチング素子TR1のドレイン・ソース間電圧を示す(b)Vdsで示したように、励磁と消磁が同じになるためには、(入力電圧Vin×メインスイッチング素子TR1のオン時間Ton)と、(メインスイッチング素子TR1がオフの時にトランスに発生する電圧Vr×メインスイッチング素子TR1のオフ時間Toff)が等しくなるように、絶縁トランスT1に電圧Vrが発生する。このため、入力電圧Vinが低いと絶縁トランスT1に発生する電圧Vrが高くなり、入力電圧Vinが高いと絶縁トランスT1に発生する電圧Vrが低くなる。 When the main switching element TR1 is on, the input voltage Vin is applied to the primary winding of the isolation transformer T1. The isolation transformer T1 of the active clamp type forward converter operates to demagnetize the amount excited when the main switching element TR1 is turned on when the main switching element TR1 is turned off. Are working to be the same. As shown by (b) Vds indicating the drain-source voltage of the main switching element TR1 in FIGS. 2A and 2B, in order to make excitation and demagnetization the same, (input voltage Vin × main switching) The voltage Vr is generated in the insulating transformer T1 so that the ON time Ton of the element TR1 is equal to (the voltage Vr generated in the transformer when the main switching element TR1 is OFF × the OFF time Toff of the main switching element TR1). For this reason, when the input voltage Vin is low, the voltage Vr generated in the insulating transformer T1 increases, and when the input voltage Vin is high, the voltage Vr generated in the insulating transformer T1 decreases.
この時、クランプ素子TR2の、ゲート・ソース間電圧VGSは、図2(A)及び(B)の(c)VGSに示したように、メインスイッチング素子TR1とは逆位相でオン・オフ制御され、クランプ素子TR2の、ドレイン・ソース間電圧VDSは(d)VDSで示したように、クランプ素子TR2の、ゲート・ソース間電圧を示す(b)Vdsと同位相の電圧となる。 At this time, the gate-source voltage VGS of the clamp element TR2 is on / off controlled in the opposite phase to the main switching element TR1, as shown in (c) VGS of FIGS. 2 (A) and 2 (B). As shown in (d) VDS, the drain-source voltage VDS of the clamp element TR2 is a voltage having the same phase as (b) Vds indicating the gate-source voltage of the clamp element TR2.
この時、クランプ素子TR2のドレイン・ソース間電圧VDSは、以下のように求めることができる。 At this time, the drain-source voltage VDS of the clamp element TR2 can be obtained as follows.
本発明のスイッチング電源装置10は、出力チョークコイルLoが電流連続モードで動作する同期整流フォワードコンバータであり、メインスイッチング素子TR1のデューティdutyは、式(3)を変形した次式となる。
The switching
メインスイッチング素子TR1がオフの時、一次巻線TN1に電圧Vrが発生すると同時に、三次巻線TN3にも電圧Vrに比例した電圧が発生する。三次巻線TN3は、図1におけるドット印の無い側にプラスの電圧が発生する。三次巻線TN3に発生する電圧は、クランプコンデンサC2の電圧VC2に蓄えられることになるので、ダイオードDsubの順方向電圧降下が無視できるとすると、クランプコンデンサC2の電圧VC2は次式となる。 When the main switching element TR1 is off, the voltage Vr is generated in the primary winding TN1, and at the same time, a voltage proportional to the voltage Vr is generated in the tertiary winding TN3. The tertiary winding TN3 generates a positive voltage on the side without the dot mark in FIG. Since the voltage generated in the tertiary winding TN3 is stored in the voltage VC2 of the clamp capacitor C2, if the forward voltage drop of the diode Dsub can be ignored, the voltage VC2 of the clamp capacitor C2 is expressed by the following equation.
補助電源回路22は、クランプ素子TR2のドレイン―ソース間電圧VDSを、ダイオードDsubとコンデンサCsubから構成される整流回路で構成されており、整流した電圧を制御回路の補助電源としているため、補助電源電圧Vsubはクランプ素子TR2に印加される電圧VDSとなる。このため、補助電源の電圧として約10Vを得るためには、式(13)より、三次巻線TN3の巻数N3を1ターンに設定すれば良いことになる。 The auxiliary power supply circuit 22 is composed of a drain-source voltage VDS of the clamp element TR2 by a rectifier circuit including a diode Dsub and a capacitor Csub, and the rectified voltage is used as an auxiliary power supply for the control circuit. The voltage Vsub is the voltage VDS applied to the clamp element TR2. For this reason, in order to obtain about 10 V as the voltage of the auxiliary power supply, the number of turns N3 of the tertiary winding TN3 may be set to 1 turn from the equation (13).
図3に本発明のスイッチング電源装置の入力電圧Vinに対する、メインスイッチング素子TR1がオフ時にトランスに発生する電圧Vrおよび補助電源電圧Vsubを示した。図3より、入力電圧Vinが高くなると、メインスイッチング素子TR1がオフ時にトランスに発生する電圧Vrが低くなることが分かる。一方、入力電圧Vinが大きく変化しても、補助電源電圧Vsubはほとんど変化せず、約10Vとなっていることが分かる。 FIG. 3 shows the voltage Vr generated in the transformer and the auxiliary power supply voltage Vsub when the main switching element TR1 is off with respect to the input voltage Vin of the switching power supply apparatus of the present invention. As can be seen from FIG. 3, when the input voltage Vin increases, the voltage Vr generated in the transformer decreases when the main switching element TR1 is turned off. On the other hand, even if the input voltage Vin changes greatly, it can be seen that the auxiliary power supply voltage Vsub hardly changes and is about 10V.
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明はその目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含み、更に、上記の実施形態よる限定は受けない。
As mentioned above, although embodiment of this invention was described, this invention contains the appropriate deformation | transformation which does not impair the objective and advantage, Furthermore, it does not receive the restriction | limiting by said embodiment.
10 スイッチング電源装置
12 入力電源
14 制御回路
16 負荷
18 同期整流素子駆動回路
20 出力整流平滑回路
22 補助電源回路
24 アクティブクランプ回路
T1 絶縁トランス
TN1 絶縁トランスの一次巻線
N1 一次巻線の巻数
TN2 絶縁トランスのニ次巻線
N2 絶縁トランスのニ次巻線の巻数
TN3 三次巻線
TR1 メインスイッチング素子
TR21 同期整流素子
TR22 同期整流素子
Vin 入力電圧
Vo 出力電圧
Vsub 補助電源電圧
TR2 クランプ素子
Io 出力電流
Lo 出力チョークコイル
Vsub 補助電源電圧
Isub 補助電源電流
Vds メインスイッチング素子のドレイン・ソース間電圧
Vgs メインスイッチング素子のゲート・ソース間電圧
VDS クランプ素子のドレイン・ソース間電圧
VGS クランプ素子のゲート・ソース間電圧
Dsub ダイオード
Csub コンデンサ
C2 クランプコンデンサ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
前記メインスイッチング素子のオン・オフ動作によって前記絶縁トランスの二次巻線に発生する断続電圧を整流平滑して直流出力電圧を生成し、負荷に電力を供給する出力整流平滑回路と、
前記メインスイッチング素子のオン・オフ動作を制御する制御回路と、
前記絶縁トランスに設けた三次巻線に接続され、前記制御回路の電源を供給する補助電源回路とを備えたフォワードコンバータ型のスイッチング電源装置において、
前記補助電源回路は、前記三次巻線とアクティブクランプ回路を介して接続されていること、を特徴とするスイッチング電源装置。
In order to intermittently generate a DC input voltage and generate an intermittent voltage, a DC input power source connected in series and a primary winding of an isolation transformer and a main switching element that performs on / off operation,
An output rectifying / smoothing circuit that rectifies and smoothes the intermittent voltage generated in the secondary winding of the isolation transformer by the on / off operation of the main switching element to generate a DC output voltage and supplies power to the load;
A control circuit for controlling the on / off operation of the main switching element;
In a forward converter type switching power supply device including an auxiliary power supply circuit that is connected to a tertiary winding provided in the isolation transformer and supplies power for the control circuit,
The auxiliary power supply circuit is connected to the tertiary winding via an active clamp circuit.
前記アクティブクランプ回路は、
直列接続されたオン・オフ動作を行うクランプ素子とクランプコンデンサが、前記三次巻線と並列に接続され、
前記クランプ素子の両端に、前記補助電源回路が接続されていること、
を特徴とするスイッチング電源装置。
In claim 1,
The active clamp circuit is:
A clamp element that performs on / off operation connected in series and a clamp capacitor are connected in parallel with the tertiary winding,
The auxiliary power circuit is connected to both ends of the clamp element;
A switching power supply device.
前記補助電源回路は、ダイオードと前記ダイオードのカソードに直列接続されたコンデンサとで構成され、
前記コンデンサ両端に発生する電圧を補助電源電圧として、前記制御回路に供給することを特徴とするスイッチング電源装置。
In claim 2,
The auxiliary power circuit is composed of a diode and a capacitor connected in series to the cathode of the diode,
A switching power supply device characterized in that a voltage generated across the capacitor is supplied to the control circuit as an auxiliary power supply voltage.
前記出力整流平滑回路は、同期整流素子駆動回路と、前記同期整流素子駆動回路によりオン・オフ制御され、前記二次巻線に並列に接続される2個の同期整流素子と、前記同期整流素子の一方の両端に並列に、直列に接続された出力チョークコイルと出力コンデンサとから構成され、前記コンデンサの両端に発生する電圧を負荷に供給することを特徴とするスイッチング電源装置。 In claim 1,
The output rectifying / smoothing circuit includes: a synchronous rectifying element driving circuit; two synchronous rectifying elements that are ON / OFF controlled by the synchronous rectifying element driving circuit and connected in parallel to the secondary winding; and the synchronous rectifying element A switching power supply comprising: an output choke coil and an output capacitor connected in series in parallel at one end of the capacitor, and supplying a voltage generated at both ends of the capacitor to a load.
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