JP2013198196A - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】直列接続された二つの電力スイッチの同時ターンオンを回避して、貫通電流の発生を防止するスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】ローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5を交互にオン及びオフして、直流電圧を交流電圧へ変換するスイッチング電源装置101において、第1のPWM信号に基づく第1のターンオンエッジ信号により、FET58をターンオンして、ハイサイドスイッチング素子5のゲートに電圧を印加し、ハイサイドスイッチング素子5をターンオンする。また、ローサイドスイッチング素子4をターンオンする第2のPWM信号に基づくターンオンエッジ信号により、FET59をターンオンし、ハイサイドスイッチング素子5のゲート電圧を放電し、ハイサイドスイッチング素子5をターンオフする。
【選択図】図1
【解決手段】ローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5を交互にオン及びオフして、直流電圧を交流電圧へ変換するスイッチング電源装置101において、第1のPWM信号に基づく第1のターンオンエッジ信号により、FET58をターンオンして、ハイサイドスイッチング素子5のゲートに電圧を印加し、ハイサイドスイッチング素子5をターンオンする。また、ローサイドスイッチング素子4をターンオンする第2のPWM信号に基づくターンオンエッジ信号により、FET59をターンオンし、ハイサイドスイッチング素子5のゲート電圧を放電し、ハイサイドスイッチング素子5をターンオフする。
【選択図】図1
Description
この発明は、ハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子を備えたスイッチング電源装置に関するものである。
特許文献1に記載のDC−DCコンバータは、主トランスと、第1及び第2のパルストランスと、ハイサイドスイッチング素子と、ローサイドスイッチング素子とを備えている。ハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子をスイッチング制御する制御回路で発生したターンオフエッジ信号及びターンオンエッジ信号は、第1のパルストランスを介して2次側へ伝送され、第1の同期整流器の駆動信号が生成される。また、1次側回路で発生した第2のターンオフエッジ信号及び第2のターンオンエッジ信号は、第2のパルストランスを介して2次側へ伝送され、第2の同期整流器の駆動信号が生成される。この構成により、特許文献1では、1次側のハイサイドスイッチング素子及びローサイドスイッチング素子と2次側の同期整流器とがほぼ相補的なタイミングで駆動されるようにして高効率な電力変換を維持することを可能としている。
特許文献1に記載のDC−DCコンバータは、第1、第2のFETを有し、ハイサイドスイッチング素子は、パルス充放電によるエッジ信号で第1、第2のFETがオンオフしてスイッチング制御されている。具体的には、エッジ信号により第1のFETがオンすることでハイサイドスイッチング素子がオンし、エッジ信号により第2のFETがオンすることでハイサイドスイッチング素子がオフする。この第1及び第2のFETのオン時間はエッジ信号に応じた短い時間であり、エッジ信号がオフした後はハイサイドスイッチング素子のゲート−ソース間容量でオン状態又はオフ状態が維持される。そのため、ハイサイドスイッチング素子のソース電位が変動した場合などにはゲート−ソース間容量だけではオフ状態を維持できず、意図しないタイミングでハイサイドスイッチング素子がオンすることがあり、ハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とが同時にターンオンして貫通電流が流れるおそれがある。
そこで、本発明の目的は、直列接続された二つの電力スイッチの同時ターンオンを回避して、貫通電流の発生を防止するスイッチング電源装置を提供することにある。
本発明に係るスイッチング電源装置は、1次巻線及び2次巻線を有する主トランスと、該主トランスの1次側の入力電源ラインに直列接続された第1及び第2の電力スイッチと、前記第1の電力スイッチをターンオン及びターンオフする第1の信号、並びに、前記第2の電力スイッチのターンオン及びターンオフ用の第2の信号を出力する制御回路と、前記主トランスの2次側に接続される第1及び第2の同期整流器及びチョークコイルと、を備えたスイッチング電源装置において、前記第1の信号に基づいて前記第1の電力スイッチのターンオン及びターンオフのタイミングにほぼ対応する第1のターンオンエッジ信号及び第1のターンオフエッジ信号を発生する第1の駆動回路と、第2の信号に基づいて前記第2の電力スイッチのターンオン及びターンオフのタイミングにほぼ対応する第2のターンオンエッジ信号及び第2のターンオフエッジ信号を発生する第2の駆動回路と、を備え、前記第2の駆動回路は、前記第2のターンオンエッジ信号により前記第2の電力スイッチをターンオンする第1の電力スイッチターンオン回路と、前記第2のターンオフエッジ信号、又は、前記第1の駆動回路からの前記第1のターンオンエッジ信号により、前記第1の電力スイッチをターンオフする第2の電力スイッチターンオン回路と、を有することを特徴とする。
この構成では、第1の電力スイッチは制御回路からの第1の信号に基づいて、ターンオン及びターンオフされる。これに対し、第2の電力スイッチは、第2の信号に基づく第2のターンオンエッジ信号が発生すると、ターンオンされ、第1の信号に基づく第1のターンオンエッジ信号が入力されると、ターンオフされる。すなわち、第1の電力スイッチをターンオンする際に、第2の電力スイッチはターンオフされる。これにより、第1及び第2の電力スイッチが同時にターンオン状態となることがなく、貫通電流の発生を防止することができる。
前記第1の電力スイッチターンオン回路は、前記第2のターンオンエッジ信号によりターンオンして、前記第1の電力スイッチの制御端子に電圧を充電する第1の駆動スイッチであり、前記第2の電力スイッチターンオン回路は、前記第2のターンオフエッジ信号、又は、前記第2のターンオンエッジ信号によりターンオンして、前記制御端子の電圧を放電する第2の駆動スイッチである、構成が好ましい。
この構成では、第1及び第2の電力スイッチをエッジ信号によりターンオン及びターンオフさせることが可能となる。
前記スイッチング電源装置は、前記第2の電力スイッチの制御端子の電圧を放電する第3の駆動スイッチと、前記第1の電力スイッチがターンオンされたときに、前記第3の駆動スイッチをターンオンし、前記第1の電力スイッチがターンオフされたときに、前記第1の電力スイッチのターンオフ時から遅延して前記第3の駆動スイッチをターンオフする、第3の駆動回路と、を備える構成でもよい。
この構成では、第1の電力スイッチがターンオフしてから一定時間(遅延時間)の間は第3の駆動スイッチがターンオン状態となっている。このため、第2の電力スイッチの制御端子の電圧は放電され続けるため、第2の電力スイッチはターンオフ状態を維持する。これにより、第1の電力スイッチのターンオフに起因して第2の電力スイッチがターンオンされる誤作動を防止できる。
前記第3の駆動回路は、前記第3の駆動スイッチの基準電圧端子を前記第1の電力スイッチ及び前記第2の電力スイッチの接続点に接続する第1の接続ラインと、前記第2の駆動回路へ電源を供給する電源部に前記第3の駆動スイッチの制御端子を接続する第2の接続ラインと、を有する、構成が好ましい。
この構成では、第3の駆動スイッチをターンオン及びターンオフさせる制御回路を設ける必要がないため、回路構成が簡易となり、コストダウンを実現できる。
前記スイッチング電源装置は、前記主トランスの前記1次巻線の電圧極性反転に応じて前記第3の駆動スイッチの制御端子へ電圧を印加し、かつ、前記第3の駆動スイッチの前記制御端子へ印加する電圧をレベルシフトさせる第4の駆動回路を備えた構成でもよい。
この構成では、主トランスの1次巻線の電圧極性反転に応じて、第3の駆動スイッチの制御端子に電圧が印加され、かつ、その電圧はレベルシフトされる。これにより、より確実に第3の駆動スイッチをターンオンすることができ、第1の電力スイッチのターンオフに起因して第2の電力スイッチがターンオンされる誤作動をより確実に防止できる。
本発明では、第1の電力スイッチのターンオン時に、第2の電力スイッチをターンオフさせることにより、第1及び第2の電力スイッチが同時にターンオン状態となることがなく、貫通電流の発生を防止することができる。
<実施形態1>
図1は実施形態1に係るスイッチング電源装置の回路図である。
図1は実施形態1に係るスイッチング電源装置の回路図である。
スイッチング電源装置101は、1次巻線8A及び2次巻線8B,8Cを有する主トランス8を備えている。スイッチング電源装置101は、主トランス8の1次側に入力直流電源1が接続され、2次側に出力端子Po(+),Po(−)が接続されている。スイッチング電源装置101は、入力直流電源1からの直流電圧を交流電圧へ変換し、出力端子Po(+),Po(−)に接続された負荷(不図示)へ供給する。
スイッチング電源装置101は、主トランス8の2次側に第1の同期整流器11、第2の同期整流器12、チョークコイル13及び出力平滑コンデンサ14を備えている。主トランス8の2次巻線は、センタータップを有する構成であり、2次巻線8B,8Cを備えている。チョークコイル13は、一端が2次巻線8B、8Cの接続点にされ、他端が出力端子Po(+)に接続されている。出力端子Po(+),Po(−)間には、出力平滑コンデンサ14が接続されている。第1の同期整流器11及び第2の同期整流器12はn型MOS−FETである。第1の同期整流器11は、ドレインが主トランス8の2次巻線8Bの一端に接続され、ソースが出力端子Po(−)に接続されている。第2の同期整流器12は、ドレインが主トランス8の2次巻線8Cの一端に接続され、ソースが出力端子Po(−)に接続されている。
スイッチング電源装置101は、主トランス8の1次側にローサイドスイッチング素子(本発明の第1の電力スイッチ)4、ハイサイドスイッチング素子(本発明の第2の電力スイッチ)5及びコンデンサ6,7を備えている。ローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5は直列接続され、入力直流電源1からの電源ラインに接続されている。コンデンサ6,7は直列接続され、電源ラインに接続されている。そして、ローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5の接続点と、コンデンサ6,7の接続点とに、主トランス8の1次巻線8Aが接続されている。コンデンサ6,7は、1次巻線8Aと共振回路を形成する。
スイッチング電源装置101は、主トランス8の1次側に、PWM制御回路(本発明の制御回路)2、第1の駆動回路31及び第2の駆動回路32を備えている。また、スイッチング電源装置101は、制御電源電圧が印加される電源入力部(本発明の電源部)16を備えている。制御電源電圧は第2の駆動回路32の駆動用電圧である。電源入力部16には、ハイサイドスイッチング素子5の駆動用電力を確保するため、ダイオード55及びコンデンサ56からなるブートストラップ回路が接続されている。ブートストラップ回路のコンデンサ56は、ローサイドスイッチング素子4のドレインに接続されている。
PWM制御回路2は、PWM信号出力端子2A,2B及びグランド端子2Cを備えている。PWM信号出力端子2A(以下、2A端子という。)には第1の駆動回路31が接続されている。PWM信号出力端子2B(以下、2B端子という。)には第2の駆動回路32が接続されている。グランド端子2Cには1次側のグランドラインが接続されている。PWM制御回路2は、ローサイドスイッチング素子4をターンオン及びターンオフする第1のPWM信号(本発明の第1の信号)を2A端子から出力する。また、PWM制御回路2は、ハイサイドスイッチング素子5をターンオン及びターンオフする第2のPWM信号(本発明の第2の信号)を2B端子から出力する。
PWM制御回路2の2A端子及び2B端子には伝達回路40が接続されている。伝達回路40はパルストランスと同期整流駆動回路とを備えている。伝達回路40は、PWM制御回路2の2A端子及び2B端子から出力される第1及び第2のPWM信号を2次側の第1の同期整流器11及び第2の同期整流器12のゲートに印加する。そして、ローサイドスイッチング素子4と第1の同期整流器11とを、ほぼ相補的なタイミングで駆動し、また、ハイサイドスイッチング素子5と第2の同期整流器12を、ほぼ相補的なタイミングで駆動する。
また、PWM制御回路2の2A端子は、遅延回路41を介して、ローサイドスイッチング素子4のゲートに接続されている。遅延回路41は、抵抗及びショットキーバリアダイオード等を含む。遅延回路41は、PWM制御回路2の2A端子から出力された第1のPWM信号を遅延させて、ローサイドスイッチング素子4のゲートへ印加する。
第2の駆動回路32は、1次巻線9A及び2次巻線9Bを有するパルストランス9を備えている。第2の駆動回路32は、パルストランス9の1次側に、直列接続されたダイオード17,18と、ダイオード18に対し並列接続されたコンデンサ21とを有している。ダイオード18のカソードとダイオード17のアノードとが接続され、ダイオード18のアノードはグランドラインに接続され、ダイオード17のカソードは電源入力部16に接続されている。パルストランス9の1次巻線9Aは、一端がPWM制御回路2の2B端子に接続され、他端がダイオード17,18の接続点に接続されている。
第2の駆動回路32は、パルストランス9の2次側に直列接続されたFET(本発明の第1の駆動スイッチ)58及びFET(本発明の第2の駆動スイッチ)59を備えている。FET58はn型MOS−FETであり、FET59はp型MOS−FETである。FET58,59はソース同士が接続されている。FET58のドレインは抵抗57を介して前記ブートストラップ回路の出力部(ダイオード55とコンデンサ56の接続点)に接続されている。FET59のドレインは、ローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5の接続点に接続されている。FET58,59の接続点は、ハイサイドスイッチング素子5のゲートに接続している。ハイサイドスイッチング素子5のゲート−ソース間には抵抗67が接続されている。さらに、FET59のドレイン−ゲート間には抵抗66が接続されている。
パルストランス9の2次巻線9Bは、一端がダイオード60,61、抵抗62及びツェナーダイオード63からなる回路を介して、FET58のゲートに接続されている。ダイオード60は、アノードが2次巻線9Bに接続され、カソードがFET58のゲートに接続されている。ダイオード61は、カソードが2次巻線9Bに接続され、アノードがツェナーダイオード63のアノードに接続されている。ツェナーダイオード63は、カソードがFET58のゲートに接続され、アノードがFET59のゲートに接続されている。抵抗62は、FET58のゲートとダイオード61のアノードとの間に接続されている。
また、パルストランス9の2次巻線9Bは、一端が抵抗64を介してFET59のゲートに接続されている。FET59と抵抗64との接続点には、ダイオード65のアノードが接続されている。このダイオード65は、カソードが、後述の第1の駆動回路31の2次巻線10Bに接続されている。
第1の駆動回路31は、1次巻線10A及び2次巻線10Bを含むパルストランス10を備えている。第1の駆動回路31は、パルストランス10の1次側に直列接続されたダイオード19,20と、ダイオード20に対し並列接続されたコンデンサ22を備えている。ダイオード20のカソードとダイオード19のアノードとが接続され、ダイオード19のカソードは、電源入力部16に接続されている。また、ダイオード20のカソードは、主トランス8の1次側のグランドラインに接続されている。1次巻線10Aは、一端がPWM制御回路2の2A端子に接続され、他端がダイオード19,20の接続点に接続されている。
パルストランス10の2次巻線10Bは、一端が第2の駆動回路32のパルストランス9の2次巻線9Bに接続され、他端が第2の駆動回路32のダイオード65のカソードに接続されている。2次巻線9B,10Bの接続点は、FET58,59の接続点に接続されている。
次に、図1に示す回路構成のスイッチング電源装置101の回路動作を図2の波形を参照して説明する。図2は、図1の主要部の電圧又は電流の波形図である。図2(1)は、PWM制御回路2の2B端子の出力電圧波形を示す。図2(2)は、PWM制御回路2の2A端子の出力電圧波形を示す。図2(3)は、パルストランス9のエッジ信号の電圧波形を示す。図2(4)は、パルストランス10のエッジ信号の電圧波形を示す。図2(5)は、ハイサイドスイッチング素子5のゲート−ソース電圧Vgsの波形を示す。図2(6)は、ローサイドスイッチング素子4のドレイン−ソース電圧Vdsの波形を示す。
図1に示したスイッチング電源装置101はハーフブリッジ型のコンバータであり、ローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5のオンデューティは、図2(1)及び図2(2)に示すように略等しい。ローサイドスイッチング素子4のオンデューティが狭まると、ハイサイドスイッチング素子5のオンデューティも狭まる。
入力直流電源1から直流電圧が加わると、ローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5が交互にスイッチングして直流電力が交流電力に変換される。この交流電力は主トランス8で1次側回路から2次側回路に伝送され、第1及び第2の同期整流器11,12で整流され、チョークコイル13、出力平滑コンデンサ14で平滑される。そして、出力端子Po(+),Po(−)に接続される負荷へ供給される。
また、不図示のフィードバック回路によって、出力電圧の検出、基準電圧との比較による誤差信号の生成、主トランス8の2次側回路から1次側回路への誤差信号の伝送が行われ、PWM制御回路2はパルス幅制御された第1及び第2のPWM信号を出力する。
PWM制御回路2の2A端子から第1のPWM信号(図2(2)参照)が出力されると、第1のPWM信号は、遅延回路41を介してローサイドスイッチング素子4のゲートに入力される。この遅延回路41により、ローサイドスイッチング素子4のゲート充電電圧が制限される。ローサイドスイッチング素子4は、第1のPWM信号に応じて、ターンオン又はターンオフする。遅延回路41によって、図2(6)に示すように、ローサイドスイッチング素子4の電圧Vdsの立下り(又は立ち上がり)は、第1のPWM信号の立ち上がり(又は立下り)から時間td1だけ遅延する。換言すれば、ローサイドスイッチング素子4は、第1のPWM信号の立ち上がり(又は立下り)から時間td1だけ遅延してターンオン(又はターンオフ)される。
また、PWM制御回路2の2A端子から第1のPWM信号が出力されると、第1のPWM信号の立ち上がり時に、パルストランス10の1次巻線10Aを通してコンデンサ22が充電され、パルストランス10には第1のターンオンエッジ信号A(図2(4)参照)が発生する。第1のターンオンエッジ信号Aは、1次巻線10Aから2次巻線10Bに伝送される。そして、ダイオード65を通して、FET59のゲートに電荷が充電される。これにより、FET59はターンオンされる。
また、ローサイドスイッチング素子4がオンされると、抵抗66を通してFET59のゲート電圧には負電圧が印加され、FET59はターンオンされる。すなわち、ローサイドスイッチング素子4がオン状態のとき、FET59はオン状態が維持される。
第1のPWM信号によりローサイドスイッチング素子4がターンオンされたとき、ハイサイドスイッチング素子5のソース側の電位にスイッチングノイズE(図2(5)参照)が発生する場合がある。このスイッチングノイズEは、ローサイドスイッチング素子4のオン時のハイサイドスイッチング素子5のソース電圧変動(48V入力の電源で約10V/ns程度のスルーレート)により発生するものである。FET59がオフ状態であるために、ハイサイドスイッチング素子5のゲートがソースに対して高インピーダンスとなる。このため、ゲート・ソース間電圧が一時充電され、FET59がオフ状態のために電荷が保持され、ハイサイドスイッチング素子5がターンオンされる場合がある。結果、ローサイドスイッチング素子4のターンオン時に、ハイサイドスイッチング素子5もターンオンされることで、貫通電流が発生する。
しかし、ローサイドスイッチング素子4がターンオンされたときに、上述の通り、FET59がターンオンして、ハイサイドスイッチング素子5のゲート蓄電電荷が放電されるので、ハイサイドスイッチング素子5はオフ状態に維持される。これにより、ローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5が同時にターンオンしないため、貫通電流の発生を回避できる。
なお、第1のターンオンエッジ信号Aの電圧はコンデンサ22の充電に伴って小さくなる。コンデンサ22の電圧が電源入力部16の電圧より大きくなってダイオード19が導通すると、1次巻線10Aにダイオード19の順方向降下電圧に相当する電圧が現れる。ダイオード19の順方向降下電圧に相当する電圧は第1のターンオンエッジ信号Aとは逆極性であり、第1のターンオンエッジ信号Aの発生時にパルストランス10に蓄えられた励磁エネルギーが放出される。
第1のPWM信号の立下り時では、パルストランス10には第1のターンオフエッジ信号B(図2(4)参照)が発生する。第1のターンオフエッジ信号Bは、第1のターンオンエッジ信号Aとは逆極性である。第1のターンオフエッジ信号Bは、1次巻線10Aから2次巻線10Bに伝送されるが、ダイオード65により遮断される。
第1のターンオフエッジ信号Bの電圧はコンデンサ22の放電に伴って小さくなる。コンデンサ22の電圧がグランドラインより小さくなってダイオード20が導通すると、1次巻線10Aにダイオード20の順方向降下電圧に相当する電圧が現れる。ダイオード20の順方向降下電圧に相当する電圧は第1のターンオフエッジ信号Bとは逆極性であり、第1のターンオフエッジ信号Bの発生時にパルストランス10に蓄えられた励磁エネルギーが放出される。
PWM制御回路2の2B端子から第2のPWM信号(図2(1)参照)が出力されると、第2のPWM信号の立ち上がり時に、パルストランス9の1次巻線9Aを通してコンデンサ21が充電され、パルストランス9には第2のターンオンエッジ信号C(図2(3)参照)が発生する。
第2のターンオンエッジ信号Cは、1次巻線9Aから2次巻線9Bに伝送され、ダイオード60を通してFET58のゲートに正電圧が印加される。そして、FET58はターンオンされる。また、第2のターンオンエッジ信号Cは、ダイオード60から抵抗62を通り、FET59のゲートに正電圧が印加され、FET59はターンオフされる。これにより、FET58がターンオンされると、ハイサイドスイッチング素子5のゲートに電荷が充電され、ハイサイドスイッチング素子5はターンオンされる。
第2のターンオンエッジ信号Cの電圧はコンデンサ21の充電に伴って小さくなる。コンデンサ21の電圧が電源入力部16の電圧より大きくなってダイオード17が導通すると、1次巻線9Aにダイオード17の順方向降下電圧に相当する電圧が現れる。ダイオード17の順方向降下電圧に相当する電圧は第2のターンオンエッジ信号Cと逆極性であり、第2のターンオンエッジ信号Cの発生時にパルストランス9に蓄えられた励磁エネルギーが放出される。
第2のPWM信号の立下り時、パルストランス9には第2のPWM信号に基づく第2のターンオフエッジ信号D(図2(3)参照)が発生する。第2のターンオフエッジ信号Dは、第2のターンオンエッジ信号Cとは逆極性である。第2のターンオフエッジ信号Dは、1次巻線9Aから2次巻線9Bへ伝送され、ダイオード61を通してFET58のゲート電圧を放電する。これにより、FET58はターンオフされる。また、ダイオード61を通してFET59のゲートに負電圧が印加され、FET59はターンオンされる。FET59がターンオンされることにより、ハイサイドスイッチング素子5のゲートの電荷が放電され、ハイサイドスイッチング素子5はターンオフされる。
なお、ツェナーダイオード63は、第2のターンオフエッジ信号Dの発生時にFET58のゲート蓄積電荷を速やかに放電させるために設けている。ツェナーダイオード63のツェナー電圧がFET58,59のしきい値電圧の合計値より小さければ、FET58,59が同時にターンオン状態とならず、貫通電流は発生しない。
第2のターンオフエッジ信号Dの電圧はコンデンサ21の放電に伴って小さくなる。コンデンサ21の電圧がグランドラインより小さくなってダイオード18が導通すると、1次巻線9Aにダイオード18の順方向降下電圧に相当する電圧が現れる。ダイオード18の順方向降下電圧に相当する電圧は第2のターンオフエッジ信号Dと逆極性であり、第2のターンオフエッジ信号Dの発生時にパルストランス9に蓄えられた励磁エネルギーが放出される。
以上説明したように、実施形態1に係るスイッチング電源装置101は、FET58,59を備え、ローサイドスイッチング素子4をターンオンするときに、FET59をターンオンさせて、ハイサイドスイッチング素子5の電圧Vgsをしきい値以下にする。この結果、ハイサイドスイッチング素子5がターンオンされることを防止し、ローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5が同時にターンオン状態となることを回避して、貫通電流の発生を防ぐことができる。
<実施形態2>
図3は実施形態2に係るスイッチング電源装置の回路図である。実施形態2に係るスイッチング電源装置102は、実施形態1に係るスイッチング電源装置101の回路(図1参照)に加え、n型MOS−FET(以下、FETという。)70と、抵抗71,72,73及びダイオード74からなる回路(本発明の第3の駆動回路)とを備えている。
図3は実施形態2に係るスイッチング電源装置の回路図である。実施形態2に係るスイッチング電源装置102は、実施形態1に係るスイッチング電源装置101の回路(図1参照)に加え、n型MOS−FET(以下、FETという。)70と、抵抗71,72,73及びダイオード74からなる回路(本発明の第3の駆動回路)とを備えている。
FET70(本発明の第3の駆動スイッチ)は、ソース(本発明の基準電圧端子)がローサイドスイッチング素子4及びハイサイドスイッチング素子5の接続点に接続され、ドレインが抵抗73を介してハイサイドスイッチング素子5のゲートに接続されている。また、FET70は、ゲート(本発明の制御端子)が抵抗72及びダイオード74を介して電源入力部16に接続されている。ダイオード74はアノードが電源入力部16に接続され、カソードが抵抗72に接続されている。他の回路構成は実施形態1と同じであり、説明を省略する。
次に、図3に示す回路構成のスイッチング電源装置102の回路動作を図4の波形を参照して説明する。図4は、図3の主要部の電圧又は電流の波形図である。図4(1)は、PWM制御回路2の2B端子の出力電圧波形を示す。図4(2)は、PWM制御回路2の2A端子の出力電圧波形を示す。図4(3)は、パルストランス9のエッジ信号の電圧波形を示す。図4(4)は、パルストランス10のエッジ信号の電圧波形を示す。図4(5)は、ハイサイドスイッチング素子5の電圧Vgsの波形を示す。図4(6)は、ローサイドスイッチング素子4の電圧Vdsの波形を示す。図4(7)は、FET70の電圧Vgsの波形を示す。なお、図2と同様の波形については説明を省略する。
PWM制御回路2の2A端子から出力された第1のPWM信号の立ち上がり時にローサイドスイッチング素子4がターンオンされると、ハイサイドスイッチング素子5のソース電位がグランド電位となる。この結果、電源入力部16からの制御電源電圧によりFET70のゲート−ソース間容量が充電され(図4(7)参照)、FET70はターンオンされる。
PWM制御回路2の2A端子から出力された第1のPWM信号の立下り時にローサイドスイッチング素子4がターンオフされると、ハイサイドスイッチング素子5のソース電位がハイレベルとなり、電源入力部16からの制御電源電圧がFET70のゲートへ印加されなくなる。FET70のゲート蓄電電荷は抵抗71により放電され、FET70はターンオフされる(図4(7)参照)。具体的には、FET70は、ゲート−ソース間容量により、ローサイドスイッチング素子4がターンオフされてから時間td2だけ遅延してターンオフされる。この遅延する時間td2の間は、ハイサイドスイッチング素子5のゲート蓄電電荷を放電し続けるため、ハイサイドスイッチング素子5をターンオフ状態に維持することができる。
実施形態1で説明した、ローサイドスイッチング素子4のオン時にスイッチングノイズEが発生する場合と同様に、第1のPWM信号によりローサイドスイッチング素子4がターンオフされたとき、スイッチングノイズF(図4(5)参照)が発生する場合がある。このスイッチングノイズFによって、ハイサイドスイッチング素子5のゲート−ソース間容量が変動する。これにより、ハイサイドスイッチング素子5がターンオンされるおそれがある。このため、ローサイドスイッチング素子4のターンオフから一定時間FET70をオン状態とすることで、ハイサイドスイッチング素子5をオフ状態に維持することができる。これにより、ローサイドスイッチング素子4のターンオフ時にハイサイドスイッチング素子5が誤作動でターンオンされることを防止できる。
なお、抵抗73は、FET58,70が同時にターンオンされた場合(オーバーラップ)に流れる電流を制限して、損失を減らすものである。このオーバーラップは、PWM信号のオンデューティ比が大きい場合に発生する可能性がある。
以上説明したように、実施形態2に係るスイッチング電源装置102は、FET70をさらに備え、このFET70をローサイドスイッチング素子4のターンオフから遅延させてターンオフさせる。これにより、実施形態1に係る効果に加え、ローサイドスイッチング素子4のターンオフ時にハイサイドスイッチング素子5が誤作動でターンオンされることを防止できる。
なお、実施形態2に係るスイッチング電源装置102は、アクティブクランプフォワード回路に適用することが可能である。図5は実施形態2に係るスイッチング電源装置102をアクティブフィルタに適用させた回路図である。スイッチング電源装置102Aでは、コンデンサ6がハイサイドスイッチング素子5のドレインに接続されている。主トランス8は、2次側のセンタータップを有していない。
<実施形態3>
図6は実施形態3に係るスイッチング電源装置の回路図である。実施形態3に係るスイッチング電源装置103は、実施形態2に係るスイッチング電源装置102が備えるFET70をターンオン及びターンオフさせる回路構成が、実施形態2と異なる。
図6は実施形態3に係るスイッチング電源装置の回路図である。実施形態3に係るスイッチング電源装置103は、実施形態2に係るスイッチング電源装置102が備えるFET70をターンオン及びターンオフさせる回路構成が、実施形態2と異なる。
スイッチング電源装置103は、抵抗73,77,78,79と、1次巻線80A及び2次巻線80Bからなるトランス80と、コンデンサ75と、ダイオード76とからなる回路(本発明の第4の駆動回路)、並びに、極性反転検出回路81を備えている。トランス80の1次巻線80Aは極性反転検出回路81に接続されている。
極性反転検出回路81は、主トランス8の1次巻線8Aの電圧を検出し、極性反転を検出する。極性反転検出回路81は、検出した電圧の極性反転に応じて、1次巻線80Aに印加する電圧の極性を反転させる。
トランス80の2次巻線80Bは、抵抗77,78、コンデンサ75及びダイオード76からなる電圧レベルシフト回路を介して、FET70のゲート及びソースに接続されている。抵抗79は、FET70のゲート−ソース間に接続されている。他の回路構成は実施形態1と同じであり、説明を省略する。
次に、図6に示す回路構成のスイッチング電源装置103の回路動作を図7の波形を参照して説明する。図7は、図6の主要部の電圧又は電流の波形図である。図7(1)は、PWM制御回路2の2B端子の出力電圧波形を示す。図7(2)は、PWM制御回路2の2A端子の出力電圧波形を示す。図7(3)は、パルストランス9のエッジ信号の電圧波形を示す。図7(4)は、パルストランス10のエッジ信号の電圧波形を示す。図7(5)は、ハイサイドスイッチング素子5の電圧Vgsの波形を示す。図7(6)は、ローサイドスイッチング素子4の電圧Vdsの波形を示す。図7(7)は、FET70の電圧Vgsの波形を示す。なお、図2と同様の波形については説明を省略する。
極性反転検出回路81は、主トランス8の1次巻線8Aの電圧極性を検出し、ローサイドスイッチング素子4のターンオン及びターンオフに応じて、FET70がターンオンされるようにトランス80の1次巻線80Aへ信号を出力する。詳しくは、ローサイドスイッチング素子4がターンオンされたとき、極性反転検出回路81はFET70のゲートへ正電圧が印加されるよう、トランス80の1次巻線80Aへ信号を出力し、FET70をターンオンする。従って、ローサイドスイッチング素子4の電圧Vdsの立下り(図7(6)参照)と、FET70の電圧Vgsの立ち上がりとは略同じタイミングとなる(図7(7)参照)。
ローサイドスイッチング素子4がターンオフされるとき、極性反転検出回路81は、トランス80の1次巻線80Aへ出力する信号を反転する。このとき、ダイオード76により、コンデンサ75が充電される。コンデンサ75が充電されることで、図7(7)に示すように、FET70のゲートに印加される電圧は、トランス80からの電圧に、コンデンサ75の充電電圧ΔVが加算される。
また、ローサイドスイッチング素子4がターンオフされると、FET70のゲート蓄電電荷は抵抗79により放電され、FET70はターンオフされる(図4(7)参照)。このとき、FET70は、ゲート−ソース間容量により、ローサイドスイッチング素子4がターンオフされてから時間td2だけ遅延してターンオフされる。この遅延する時間td2の間は、ハイサイドスイッチング素子5のゲート蓄電電荷を放電し続けるため、ハイサイドスイッチング素子5をオフ状態に維持することができる。このため、ローサイドスイッチング素子4のターンオフ時にスイッチングノイズF(図7(5)参照)が発生しても、FET70がターンオン状態であるため、ハイサイドスイッチング素子5をターンオフ状態に維持することができる。これにより、ローサイドスイッチング素子4のターンオフ時にハイサイドスイッチング素子5が誤作動でターンオンされることを防止できる。
1−入力直流電源1
2−PWM制御回路
4−ローサイドスイッチング素子(第1の電力スイッチ)
5−ハイサイドスイッチング素子(第2の電力スイッチ)
6,7−コンデンサ
8−主トランス
8A−1次巻線
8B,8C−2次巻線
9,10−パルストランス
11−第1の同期整流器
12−第2の同期整流器
13−チョークコイル
14−平滑コンデンサ
16−電源入力部(電源部)
31−第1の駆動回路
32−第2の駆動回路
40−伝達回路
41−遅延回路
58−FET(第1の電力スイッチターンオン回路、第1の駆動スイッチ)
59−FET(第2の電力スイッチターンオン回路、第2の駆動スイッチ)
60,61,65−ダイオード
63−ツェナーダイオード
101,102,103−スイッチング電源装置
Po(+),Po(−)−出力端子
2−PWM制御回路
4−ローサイドスイッチング素子(第1の電力スイッチ)
5−ハイサイドスイッチング素子(第2の電力スイッチ)
6,7−コンデンサ
8−主トランス
8A−1次巻線
8B,8C−2次巻線
9,10−パルストランス
11−第1の同期整流器
12−第2の同期整流器
13−チョークコイル
14−平滑コンデンサ
16−電源入力部(電源部)
31−第1の駆動回路
32−第2の駆動回路
40−伝達回路
41−遅延回路
58−FET(第1の電力スイッチターンオン回路、第1の駆動スイッチ)
59−FET(第2の電力スイッチターンオン回路、第2の駆動スイッチ)
60,61,65−ダイオード
63−ツェナーダイオード
101,102,103−スイッチング電源装置
Po(+),Po(−)−出力端子
Claims (5)
- 1次巻線及び2次巻線を有する主トランスと、該主トランスの1次側の入力電源ラインに直列接続された第1及び第2の電力スイッチと、前記第1の電力スイッチをターンオン及びターンオフする第1の信号、並びに、前記第2の電力スイッチのターンオン及びターンオフ用の第2の信号を出力する制御回路と、前記主トランスの2次側に接続される第1及び第2の同期整流器及びチョークコイルと、を備えたスイッチング電源装置において、
前記第1の信号に基づいて前記第1の電力スイッチのターンオン及びターンオフのタイミングにほぼ対応する第1のターンオンエッジ信号及び第1のターンオフエッジ信号を発生する第1の駆動回路と、
第2の信号に基づいて前記第2の電力スイッチのターンオン及びターンオフのタイミングにほぼ対応する第2のターンオンエッジ信号及び第2のターンオフエッジ信号を発生する第2の駆動回路と、
を備え、
前記第2の駆動回路は、
前記第2のターンオンエッジ信号により前記第2の電力スイッチをターンオンする第1の電力スイッチターンオン回路と、
前記第2のターンオフエッジ信号、又は、前記第1の駆動回路からの前記第1のターンオンエッジ信号により、前記第1の電力スイッチをターンオフする第2の電力スイッチターンオン回路と、
を有する、スイッチング電源装置。 - 前記第1の電力スイッチターンオン回路は、
前記第2のターンオンエッジ信号によりターンオンして、前記第1の電力スイッチの制御端子に電圧を充電する第1の駆動スイッチであり、
前記第2の電力スイッチターンオン回路は、
前記第2のターンオフエッジ信号、又は、前記第2のターンオンエッジ信号によりターンオンして、前記制御端子の電圧を放電する第2の駆動スイッチである、
請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記第2の電力スイッチの制御端子の電圧を放電する第3の駆動スイッチと、
前記第1の電力スイッチがターンオンされたときに、前記第3の駆動スイッチをターンオンし、前記第1の電力スイッチがターンオフされたときに、前記第1の電力スイッチのターンオフ時から遅延して前記第3の駆動スイッチをターンオフする、第3の駆動回路と、
を備える、請求項1又は2に記載のスイッチング電源装置。 - 前記第3の駆動回路は、
前記第3の駆動スイッチの基準電圧端子を前記第1の電力スイッチ及び前記第2の電力スイッチの接続点に接続する第1の接続ラインと、
前記第2の駆動回路へ電源を供給する電源部に前記第3の駆動スイッチの制御端子を接続する第2の接続ラインと、
を有する、請求項3に記載のスイッチング電源装置。 - 前記主トランスの前記1次巻線の電圧極性反転に応じて前記第3の駆動スイッチの制御端子へ電圧を印加し、かつ、前記第3の駆動スイッチの前記制御端子へ印加する電圧をレベルシフトさせる第4の駆動回路を備えた
請求項3に記載のスイッチング電源装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012060122A JP2013198196A (ja) | 2012-03-16 | 2012-03-16 | スイッチング電源装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2012060122A JP2013198196A (ja) | 2012-03-16 | 2012-03-16 | スイッチング電源装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2013198196A true JP2013198196A (ja) | 2013-09-30 |
Family
ID=49396528
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2012060122A Pending JP2013198196A (ja) | 2012-03-16 | 2012-03-16 | スイッチング電源装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2013198196A (ja) |
-
2012
- 2012-03-16 JP JP2012060122A patent/JP2013198196A/ja active Pending
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