JP2015195677A - Switching power unit - Google Patents
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Description
本発明は、主スイッチ手段がノーマリオン型(D型)とノーマリオフ型(E型)の2つのスイッチング素子の縦続接続(カスケード接続)で構成され、コントロールICが出力電圧の増・減変化に応じてノーマリオフ型(E型)のスイッチング素子に対するオンデューティを減・増変化させるように構成されたスイッチング電源装置であって、ノーマリオフ型(E型)のスイッチング素子のスイッチング動作による高周波ノイズを吸収してコントロールICの給電ラインに回生するスナバ回路が接続されたスイッチング電源装置に関する。本明細書では、「ノーマリオン型」と「ノーマリオフ型」の区別を容易化するため、ノーマリオン型がデプレッション型であり、ノーマリオフ型がエンハンスメント型であることから、それぞれ「ノーマリオン型(D型)」と「ノーマリオフ型(E型)」のように記載している。 In the present invention, the main switch means is constituted by cascade connection of two switching elements of normally-on type (D type) and normally-off type (E type), and the control IC responds to an increase / decrease in output voltage. A switching power supply device configured to reduce or increase the on-duty for a normally-off type (E-type) switching element, and absorbs high-frequency noise caused by the switching operation of the normally-off type (E-type) switching element. The present invention relates to a switching power supply device in which a regenerative snubber circuit is connected to a power supply line of a control IC. In this specification, in order to facilitate the distinction between “normally-on type” and “normally-off type”, the normally-on type is a depression type and the normally-off type is an enhancement type. ) "And" Normally off type (E type) ".
図2は従来技術におけるスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。同図に示すように、一次側回路10と二次側回路20とがトランスT1を介してトランス結合されている。平滑コンデンサC1の正極端子に接続されたトランスT1の一次巻線N1にさらに縦続接続されたノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子Q1およびノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子Q2の直列回路からなる主スイッチ回路30が接続されている。スイッチング電源装置の電源投入によって図示しないダイオードブリッジ整流回路を介して平滑コンデンサC1に充電が行われ、直流電圧が発生する。この平滑コンデンサC1に現れる一次側整流後の電圧から起動用抵抗素子R1を介してコントロールIC 40の電源入力端子(Vcc)にIC用電源の給電ラインHHの電圧が供給され、コントロールIC 40が起動される。第1のスイッチング素子Q1はデプレッション型(D型)のもので、電源投入前にゲート電圧をかけないときでも導通状態となるノーマリオン型のFET(電界効果トランジスタ)である。このため、第2のスイッチング素子Q2が導通すれば、トランスT1の一次巻線N1に電流が流れ、二次巻線N2、補助巻線N3にも電流が流れる。コントロールIC 40が起動されると、そのパルス信号出力端子(Out)からPWM(パルス幅変調)制御のスイッチング制御信号を送出して第2のスイッチング素子Q2を高周波でスイッチングし、トランスT1の一次巻線N1にスイッチング電流を流す。これによってトランスT1の二次巻線N2に逆位相の関係で電力が発生し、整流ダイオードD5と平滑コンデンサC6とによって整流平滑され生成された出力電圧Voが図示しない負荷へ供給される。同時に、二次巻線N2から同相の関係で補助巻線N3に誘起された電流を補助電源部60において整流ダイオードD3で整流し、平滑コンデンサC4で平滑化してコントロールIC 40の電源入力端子(Vcc)に給電する。この直後に起動用抵抗素子R1に代わって補助電源部60によってコントロールIC 40の電源入力端子に電源電圧Vccが供給される。
FIG. 2 is a circuit diagram showing a configuration of a switching power supply device in the prior art. As shown in the figure, the
二次側回路20の直流出力端子T2p,T2n間に接続した出力電圧検出回路50が検出した出力電圧Voの検出信号はコントロールIC 40のフィードバック端子FBに入力される。検出した出力電圧Voが基準電圧を上回るときは、コントロールIC 40は第2のスイッチング素子Q2に対して出力するPWM制御のスイッチング制御信号のオンデューティを減少させ、一次側回路10から二次側回路20への伝達電力を下げることによって出力電圧Voを規定電圧に安定化させる。逆に、出力電圧Voが基準電圧を下回るときは、PWM制御のスイッチング制御信号のオンデューティを増加させることによって出力電圧Voを規定電圧に安定化させる。
A detection signal of the output voltage Vo detected by the output
コントロールIC 40の制御によって第2のスイッチング素子Q2がスイッチングするときに高周波ノイズが発生するが、この高周波ノイズは整流ダイオードD1とスナバコンデンサC2からなるスナバ回路70によって吸収され、逆流防止ダイオードD2を介して回生され、補助電源部60における平滑コンデンサC4の充電に利用される。
High-frequency noise is generated when the second switching element Q2 is switched by the control of the
上記で説明した従来例のスイッチング電源装置にあっては、ノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子Q1はデプレッション型で、例えばGaN(窒化ガリウム)トランジスタで構成される。そして、その場合のオフ時のゲート・ソース間電圧は−5Vもあれば良いとされている。ちなみに、図3はノーマリオン型(D型)のGaNトランジスタについて、特許文献1(特開2009−76845号公報)の図面(図5)に記載されたゲート電圧・ドレイン電流特性の例を転載したものである(段落[0038]参照)。これによれば、逆ゲートバイアス−5Vではドレイン電流をオフできることが分かる。(−3.4Vでドレイン・ソース電流Idsが0になっているので、−5Vであれば確実にオフ状態に保たれる)。 In the conventional switching power supply device described above, the first switching element Q1 of normally-on type (D type) is a depletion type, and is composed of, for example, a GaN (gallium nitride) transistor. In such a case, the gate-source voltage at the time of OFF should be -5V. Incidentally, FIG. 3 reprints an example of the gate voltage / drain current characteristics described in the drawing (FIG. 5) of Patent Document 1 (Japanese Patent Laid-Open No. 2009-76845) for a normally-on type (D-type) GaN transistor. (See paragraph [0038]). This shows that the drain current can be turned off with a reverse gate bias of -5V. (Because the drain-source current Ids is 0 at -3.4 V, it is reliably kept off at -5 V).
これに対して、ノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子(電力MOSFET)Q2はエンハンスメント型で、印加するゲート電圧は10V以上とするのが普通である。そしてこのことが原因で、第1のスイッチング素子(GaN)Q1のオフ時のゲート・ソース間電圧を−10V以下とする場合が多い。しかし、第1のスイッチング素子Q1のオフ時のゲート・ソース間電圧(絶対値)をこれほど大きくするとなると、そのゲート電圧が過大となって第1のスイッチング素子Q1が破壊されてしまうおそれがある。 On the other hand, the normally-off type (E type) second switching element (power MOSFET) Q2 is an enhancement type, and the gate voltage to be applied is usually 10 V or more. For this reason, in many cases, the gate-source voltage when the first switching element (GaN) Q1 is off is set to −10V or less. However, if the gate-source voltage (absolute value) when the first switching element Q1 is turned off becomes too large, the gate voltage may become excessive and the first switching element Q1 may be destroyed. .
特許文献2(特開2006−352839号公報)のスイッチング波形(図3)を参照すると、第2のスイッチング素子Q2のゲート電圧は14Vにもなり、第1のスイッチング素子Q1のオフ時の逆ゲートバイアス電圧は−15V程度になる。その結果として、第2のスイッチング素子Q2のドレイン・ソース間のサージ電力損失が大きなものになってしまうという問題がある。 Referring to the switching waveform (FIG. 3) in Patent Document 2 (Japanese Patent Laid-Open No. 2006-352839), the gate voltage of the second switching element Q2 is as high as 14 V, and the reverse gate when the first switching element Q1 is off. The bias voltage is about -15V. As a result, there is a problem that the surge power loss between the drain and source of the second switching element Q2 becomes large.
本発明はこのような事情に鑑みて創作したものであり、ノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子のオフ時の逆ゲートバイアス電圧が過大となることに起因する素子破壊を防止するとともに、ノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子のドレイン・ソース間のサージ電力損失を低減することを目的としている。 The present invention was created in view of such circumstances, and prevents element destruction caused by an excessively large reverse gate bias voltage when the first switching element of the normally-on type (D type) is turned off. In addition, an object is to reduce the surge power loss between the drain and the source of the normally-off type (E type) second switching element.
本発明は、次の手段を講じることにより上記の課題を解決する。 The present invention solves the above problems by taking the following measures.
本発明によるスイッチング電源装置は、
一対の直流入力端子間にトランスの一次巻線を介して接続される主スイッチ手段がノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子とノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子の縦続接続で構成され、
前記第2のスイッチング素子をスイッチング制御するコントロールICは前記トランスの補助巻線で直流電圧を生成する補助電源部からIC用電源を給電され、かつ、出力電圧の変動に応じて前記第2のスイッチング素子に対するスイッチング制御信号のオンデューティを可変して前記出力電圧を安定化させるように構成され、
前記第2のスイッチング素子の両端間にはこの素子のスイッチング動作による高周波ノイズを吸収し、生成される電圧を前記補助電源部から前記コントロールICへの前記IC用電源の給電ラインに回生するスナバ回路が接続された構成をもつスイッチング電源装置において、
前記スナバ回路の出力電圧を昇圧した上で前記IC用電源の給電ラインに回生するもので、前記IC用電源の給電ラインの電圧を検出し、その検出したIC用電源の給電ラインの電圧とIC基準電圧との誤差に応じて調整されるオンデューティに基づいた第3のスイッチング素子のスイッチング動作により前記IC用電源の給電ラインの電圧の安定化制御を行う昇圧コンバータと、
前記スナバ回路が出力するスナバ出力電圧を監視し、規定電圧を超えるか否かを判定するスナバ電圧判定回路とを備え、
前記昇圧コンバータは前記スナバ電圧判定回路によって前記スナバ出力電圧が規定電圧を超えたと判定されたときに当該昇圧コンバータにおける前記第3のスイッチング素子に対するオンデューティを増加させるように構成されていることを特徴としている。
The switching power supply device according to the present invention includes:
A first switching element whose main switch means is connected between a pair of DC input terminals via a primary winding of a transformer is a normally-on type (D type) and a second switching element which is a normally-off type (E type) Consists of a cascade connection of
The control IC that controls the switching of the second switching element is supplied with power for the IC from an auxiliary power supply unit that generates a DC voltage by the auxiliary winding of the transformer, and the second switching element is controlled according to the fluctuation of the output voltage. The output voltage is stabilized by varying the on-duty of the switching control signal for the element,
Between both ends of the second switching element, a snubber circuit that absorbs high-frequency noise due to the switching operation of the element and regenerates the generated voltage to the power supply line of the IC power supply from the auxiliary power supply unit to the control IC. In a switching power supply device having a configuration in which
The output voltage of the snubber circuit is boosted and regenerated in the power supply line of the IC power supply, the voltage of the power supply line of the IC power supply is detected, and the detected voltage of the power supply line of the IC power supply and the IC A step-up converter that controls the stabilization of the voltage of the power supply line of the IC power supply by the switching operation of the third switching element based on the on-duty adjusted according to the error from the reference voltage;
A snubber voltage determination circuit that monitors a snubber output voltage output from the snubber circuit and determines whether or not a specified voltage is exceeded;
The boost converter is configured to increase an on-duty for the third switching element in the boost converter when the snubber voltage determination circuit determines that the snubber output voltage exceeds a specified voltage. It is said.
トランスを介して一次側回路から二次側回路への高力率の電圧変換を伴う電力伝達を行うために、トランスの一次巻線に直列に接続される主スイッチ手段としてノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子とノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子との縦続接続を構成している。また、第2のスイッチング素子の両端間にスナバ回路を接続し、そのスナバ回路で生成される電圧をコントロールICへのIC用電源の給電ラインに回生することにより、第2のスイッチング素子の高周波スイッチング動作によって生じる高周波ノイズをコントロールICのIC用電源の給電ラインの電圧として利用し、効率の高いスイッチング電源装置を実現している。コントロールICは出力電圧が高くなるほど第2のスイッチング素子に対するスイッチング制御信号のオンデューティを減少させるので、出力電圧を安定化できる。 In order to transmit power with high power factor voltage conversion from the primary side circuit to the secondary side circuit via the transformer, normally-on type (D type) as the main switch means connected in series with the primary winding of the transformer ) And a normally-off type (E type) second switching element are connected in cascade. In addition, a snubber circuit is connected between both ends of the second switching element, and the voltage generated by the snubber circuit is regenerated to the power supply line of the IC power supply to the control IC, whereby high-frequency switching of the second switching element is performed. A high-efficiency switching power supply is realized by using high-frequency noise generated by operation as the voltage of the power supply line of the power supply for the control IC. Since the control IC decreases the on-duty of the switching control signal for the second switching element as the output voltage increases, the output voltage can be stabilized.
このような構成・機能を有するスイッチング電源装置において、第1のスイッチング素子のオフ時の逆ゲートバイアス電圧過大や第2のスイッチング素子のサージ電力損失の課題を解決すべく、本発明ではスナバ回路とコントロールICとの間にフィードバック制御系を構築している。そのフィードバック制御系は昇圧コンバータとスナバ電圧判定回路から構成されている。昇圧コンバータはスナバ回路とコントロールICへのIC用電源の給電ラインとの間に接続されて、IC用電源の給電ラインの電圧とIC基準電圧との誤差に応じて調整されるオンデューティに基づいた第3のスイッチング素子のスイッチング動作によりIC用電源の給電ラインの電圧の安定化制御を行う。そして、スナバ電圧判定回路ではスナバ回路が出力するスナバ出力電圧が規定電圧を超えるか否かを判定し、スナバ出力電圧が規定電圧を超えたと判定したときは、その判定結果を受けて昇圧コンバータは第3のスイッチング素子に対するオンデューティを増加させる。第3のスイッチング素子のオンデューティが増加すれば、スナバ回路の出力端子から第3のスイッチング素子の経路での放電量が増加するためスナバ出力電圧が低下し、規定電圧へと収束することになる。その結果として、第1および第2のスイッチング素子とスナバ回路との共通接続点の電圧もある一定の電圧レベルに安定化する。そして、この共通接続点の電圧レベルを低めのある一定電圧に設定すれば、ノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子のオフ時の逆ゲートバイアス電圧を低く抑えることが可能となる。さらに、共通接続点の電圧レベルを低めのある一定電圧に制御することは、ノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子のドレイン・ソース間の電圧も低めに抑えることが可能となる。 In the switching power supply having such a configuration and function, in order to solve the problems of excessive reverse gate bias voltage when the first switching element is turned off and surge power loss of the second switching element, the present invention provides a snubber circuit and A feedback control system is constructed with the control IC. The feedback control system includes a boost converter and a snubber voltage determination circuit. The boost converter is connected between the snubber circuit and the power supply line of the IC power supply to the control IC, and is based on an on-duty adjusted according to an error between the voltage of the power supply line of the IC power supply and the IC reference voltage. Stabilization control of the voltage of the power supply line of the IC power supply is performed by the switching operation of the third switching element. Then, the snubber voltage determination circuit determines whether or not the snubber output voltage output from the snubber circuit exceeds the specified voltage. When it is determined that the snubber output voltage exceeds the specified voltage, the boost converter receives the determination result and The on-duty for the third switching element is increased. If the on-duty of the third switching element increases, the amount of discharge in the path of the third switching element from the output terminal of the snubber circuit increases, so that the snubber output voltage decreases and converges to the specified voltage. . As a result, the voltage at the common connection point between the first and second switching elements and the snubber circuit is also stabilized at a certain voltage level. If the voltage level of the common connection point is set to a low constant voltage, the reverse gate bias voltage when the first switching element which is normally on (D type) is turned off can be kept low. . Furthermore, controlling the voltage level of the common connection point to a constant voltage that is lower can suppress the voltage between the drain and the source of the normally-off type (E type) second switching element to be lower.
ここで、IC用電源の給電ラインの電圧とIC基準電圧との誤差には、IC用電源の給電ラインの電圧自体とIC基準電圧との誤差に限らず、IC用電源の給電ラインの電圧に比例する電圧とIC基準電圧との誤差も含まれる。この場合、IC基準電圧は、比較対象であるIC用電源の給電ラインの電圧に比例する電圧に応じて適宜、設定される。 Here, the error between the voltage of the IC power supply line and the IC reference voltage is not limited to the error between the IC power supply line voltage itself and the IC reference voltage. The error between the proportional voltage and the IC reference voltage is also included. In this case, the IC reference voltage is appropriately set according to a voltage proportional to the voltage of the power supply line of the IC power supply to be compared.
同様にして、スナバ出力電圧が規定電圧を超えたときとは、スナバ出力電圧自体が規定電圧を超えたときに限らず、スナバ出力電圧に比例する電圧が規定電圧を超えたときも含まれる。この場合、規定電圧は、比較対象であるスナバ出力電圧に比例する電圧に応じて適宜、設定される。 Similarly, when the snubber output voltage exceeds the specified voltage is not limited to when the snubber output voltage itself exceeds the specified voltage, but also includes when the voltage proportional to the snubber output voltage exceeds the specified voltage. In this case, the specified voltage is appropriately set according to a voltage proportional to the snubber output voltage to be compared.
本発明によれば、ノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子のオフ時の逆ゲートバイアス電圧過大に起因する素子破壊を防止することができるとともに、ノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子のドレイン・ソース間のサージ電力損失を低減することができる。 According to the present invention, it is possible to prevent element breakdown due to excessive reverse gate bias voltage when the first switching element which is normally on (D type) is turned off, and is normally off (E type). The surge power loss between the drain and the source of the second switching element can be reduced.
上記構成の本発明のスイッチング電源装置には、次のような好ましい態様がある。 The switching power supply device of the present invention having the above configuration has the following preferred modes.
上記構成のスイッチング電源装置において、前記のスナバ電圧判定回路と昇圧コンバータとの間に検出電圧シフト回路を設ける構成がある。その検出電圧シフト回路はスナバ電圧判定回路によってスナバ出力電圧が規定電圧を超えたと判定されたときに昇圧コンバータが検出するIC用電源の給電ラインの電圧を跳躍的にアップシフトさせるものとして構成されている。上記した本発明によるスイッチング電源装置の基本の構成においては、その昇圧コンバータはスナバ電圧判定回路によってスナバ出力電圧が規定電圧を超えたと判定されたときに当該の昇圧コンバータにおける第3のスイッチング素子に対するオンデューティを増加させるように構成されている。この基本の制御態様について、上記の検出電圧シフト回路を有する本実施形態はより高次に調整されたものを提供する。 In the switching power supply having the above configuration, there is a configuration in which a detection voltage shift circuit is provided between the snubber voltage determination circuit and the boost converter. The detection voltage shift circuit is configured to jump upshift the voltage of the power supply line of the IC power supply detected by the boost converter when the snubber voltage determination circuit determines that the snubber output voltage exceeds the specified voltage. Yes. In the basic configuration of the switching power supply device according to the present invention, the boost converter is turned on with respect to the third switching element in the boost converter when the snubber voltage determination circuit determines that the snubber output voltage exceeds the specified voltage. It is configured to increase the duty. With respect to this basic control mode, this embodiment having the detection voltage shift circuit described above provides a higher-order adjustment.
すなわち、スナバ出力電圧が規定電圧を超えるときに検出電圧シフト回路は昇圧コンバータが検出するIC用電源の給電ラインの電圧を跳躍的にアップシフトさせる。検出されたIC用電源の給電ラインの電圧が一気にアップシフトすれば、昇圧コンバータは第3のスイッチング素子に対するオンデューティを跳躍的に増加させることになり、スナバ回路の出力端子から第3のスイッチング素子の経路での放電量を一気に増加させるため、スナバ出力電圧の規定電圧へ向けた降下収束も高速に応答することになる。 That is, when the snubber output voltage exceeds the specified voltage, the detection voltage shift circuit jumps up the voltage of the power supply line of the IC power supply detected by the boost converter. If the detected voltage of the power supply line of the IC power supply is upshifted at once, the boost converter dramatically increases the on-duty with respect to the third switching element, and the third switching element from the output terminal of the snubber circuit. In order to increase the amount of discharge in this path at once, the drop convergence toward the specified voltage of the snubber output voltage also responds at high speed.
また、前記のスナバ回路については、第2のスイッチング素子の両端間に接続された整流ダイオードとスナバコンデンサの直列回路から構成されているものとし、前記のスナバ電圧判定回路によってスナバコンデンサの両端電圧が規定電圧を超えたと判定されたときに昇圧コンバータにおける第3のスイッチング素子に対するオンデューティを増加させることで、スナバコンデンサの両端電圧を低下させるように構成されている実施形態もある。これは、スナバ回路とスナバ電圧判定回路をより具体的レベルで記述したものであり、回路構成の可及的な簡素化を図っている。 The snubber circuit is composed of a series circuit of a rectifier diode and a snubber capacitor connected between both ends of the second switching element, and the snubber voltage determination circuit determines the voltage across the snubber capacitor. In some embodiments, the voltage across the snubber capacitor is reduced by increasing the on-duty for the third switching element in the boost converter when it is determined that the specified voltage has been exceeded. This is a more specific description of the snubber circuit and the snubber voltage determination circuit, and simplifies the circuit configuration as much as possible.
以下、本発明にかかわるスイッチング電源装置の実施例を説明する。図1は本発明の実施例におけるスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。図1において、10は一次側回路、20は二次側回路、T1p,T1nは一次側回路10における直流入力端子、T2p,T2nは二次側回路20における直流出力端子、T1は一次側回路10と二次側回路20の間に介在されたトランス、C1は平滑コンデンサ、R1は起動用抵抗素子、Q1はノーマリオン型(D型)の第1のスイッチング素子、Q2はノーマリオフ型(E型)の第2のスイッチング素子、30は主スイッチ回路、40はコントロールIC、50は出力電圧検出回路、60は補助電源部、70はスナバ回路、80は昇圧コンバータ、90はスナバ電圧判定回路、100は検出電圧シフト回路である。
Embodiments of a switching power supply apparatus according to the present invention will be described below. FIG. 1 is a circuit diagram showing a configuration of a switching power supply apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, 10 is a primary side circuit, 20 is a secondary side circuit, T1p and T1n are DC input terminals in the
一次側回路10において、一対の直流入力端子T1p,T1nは図示しない全波整流回路(ダイオードブリッジ)の出力端子に接続されるが、平滑コンデンサC1の両端子も直流入力端子T1p,T1nに接続されている。この一対の直流入力端子T1p,T1n間にトランスT1の一次巻線N1を介して接続された主スイッチ回路30はノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子Q1とノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子Q2の縦続接続で構成されている。トランスT1の二次巻線N2には整流ダイオードD5と平滑コンデンサC6の直列回路が接続されており、平滑コンデンサC6の両端に直流出力端子T2p,T2nが接続されている。平滑コンデンサC6の両端間に接続された出力電圧検出回路50は、その出力端子がコントロールIC 40のフィードバック端子FBに接続されている。この場合、一次二次間を絶縁する回路が記載されていないが、フォトカプラ等を用いて一次二次間を絶縁した回路とするのが通常である。トランスT1の補助巻線N3の両端間に整流ダイオードD3と平滑コンデンサC4の直列回路からなる補助電源部60が接続され、平滑コンデンサC4の正極端子がIC用電源の給電ラインHHを介してコントロールIC 40の電源入力端子(Vcc)に接続されている。トランスT1における二次巻線N2は一次巻線N1に対して逆極性の関係となっており、補助巻線N3は二次巻線N2に対して同極性の関係となっている。ノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子Q1は例えばGaN(窒化ガリウム)トランジスタで構成される。ノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子Q2は例えばシリコンのMOS‐FETで構成される。
In the
正極側の直流入力端子T1pはIC用電源の給電ラインHHに対して起動用抵抗素子R1を介して接続されている。コントロールIC 40は、そのパルス信号出力端子(Out)が第2のスイッチング素子Q2のゲートに接続されている。この第2のスイッチング素子Q2はNチャンネル型MOSトランジスタで構成されている。コントロールIC 40によって第2のスイッチング素子Q2を高周波でスイッチングすることにより、トランスT1において一次側回路10から二次側回路20へ交流電力を伝達し、さらに整流ダイオードD5と平滑コンデンサC6で整流平滑し、得られた直流の出力電圧Voを直流出力端子T2p,T2nより図示しない負荷へ供給する。そして、二次巻線N2から補助巻線N3に誘起され、補助電源部60における整流ダイオードD3と平滑コンデンサC4で整流平滑して得られた直流電圧をIC用電源の給電ラインHHを介してコントロールIC 40の電源入力端子(Vcc)に供給する。出力電圧検出回路50は出力電圧Voを検出してコントロールIC 40のフィードバック端子FBに出力するが、コントロールIC 40は得られた出力電圧Voの増・減変化に応じて第2のスイッチング素子Q2に対するオンデューティを減・増変化させるように構成されている。
The DC input terminal T1p on the positive electrode side is connected to the power supply line HH of the IC power supply via the starting resistance element R1. The
第2のスイッチング素子Q2の両端間に整流ダイオードD1とスナバコンデンサC2の直列回路からなるスナバ回路70が接続されている。スナバ回路70の出力端子であるスナバコンデンサC2の正極端子が昇圧コンバータ80を介してコントロールIC 40への給電ラインHHに接続されている。昇圧コンバータ80はインダクタ(チョークコイル)L1、第3のスイッチング素子Q3、逆流防止ダイオードD2、抵抗素子R5とツェナーダイオードZD1からなる第1の基準電圧回路81、抵抗素子R3,R4の抵抗分割回路からなるIC用電源電圧検出回路82、オペアンプからなる第1の誤差増幅器83、コンデンサC3と抵抗素子R2からなる位相補償回路84および制御回路85から構成されている。第3のスイッチング素子Q3はNチャンネル型MOSトランジスタで構成されている。スナバ回路70の両端間にインダクタL1と第3のスイッチング素子Q3の直列回路が接続され、インダクタL1と第3のスイッチング素子Q3の接続点が逆流防止ダイオードD2を介してIC用電源の給電ラインHHに接続されている。IC用電源の給電ラインHHとグランドラインLLとの間に抵抗素子R5とツェナーダイオードZD1の直列回路からなる第1の基準電圧回路81が接続され、抵抗素子R5とツェナーダイオードZD1の接続点が第1の誤差増幅器83を構成するオペアンプの非反転入力端子(+)に接続されている。また、IC用電源の給電ラインHHとグランドラインLLとの間に抵抗素子R3,R4の抵抗分割回路からなるIC用電源電圧検出回路82が接続され、抵抗素子R3,R4の接続点が第1の誤差増幅器83を構成するオペアンプの反転入力端子(−)に接続されている。第1の誤差増幅器83を構成するオペアンプの出力端子と反転入力端子(−)との間にはコンデンサC3と抵抗素子R2の直列回路からなる位相補償回路84が接続されている。第1の誤差増幅器83は基準電圧Vref1と検出したIC用電源の給電ラインの電圧VHH(=Vcc)の分割値k1 ・VHHとの誤差をとって誤差電圧ΔV1 (=Vref1−k1 ・VHH)とし、その信号を制御回路85に出力するようになっている。ただし、抵抗分割比k1 は、k1 =R4/(R3+R4)で与えられる。制御回路85はその電源ラインがIC用電源の給電ラインHHとグランドラインLLとの間に接続され、第1の誤差増幅器83から入力した誤差電圧ΔV1 の振幅に応じたオンデューティにて第3のスイッチング素子Q3をスイッチング制御するようになっている。すなわち、検出したIC用電源の給電ラインHHの電圧VHH(=Vcc)の分割値k1 ・VHHが基準電圧Vref1より低く、誤差電圧ΔV1 がマイナスとなるときは第3のスイッチング素子Q3に対するオンデューティを増加させる制御信号を出力する。これで、インダクタL1への蓄積エネルギーを増やし、昇圧のレベルを上げてIC用電源の給電ラインHHへの印加電圧を上昇させ、給電ラインHHの電圧VHHの分割値k1 ・VHHが基準電圧に近づくように上昇させる。上記とは逆に、検出した給電ラインHHの電圧VHHの分割値k1 ・VHHが基準電圧Vref1より高く、誤差電圧ΔV1 がプラスとなるときは第3のスイッチング素子Q3に対するオンデューティを減少させる制御信号を出力する。これで、インダクタL1への蓄積エネルギーを減らし、昇圧のレベルを下げてIC用電源の給電ラインHHへの印加電圧を降下させ、給電ラインHHの電圧VHHの分割値k1 ・VHHが基準電圧に近づくように降下させる。
A
スナバコンデンサC2の両端電圧すなわちスナバ回路70の出力電圧であるスナバ出力電圧Vsはスナバ電圧判定回路90に取り込まれる。スナバ電圧判定回路90は抵抗素子R6,R7,R8,R9、コンデンサC5、ツェナーダイオードZD2、オペアンプからなる第2の誤差増幅器93から構成されている。スナバ回路70の両端間に抵抗素子R6とツェナーダイオードZD2の直列回路からなる第2の基準電圧回路91が接続され、抵抗素子R6とツェナーダイオードZD2の接続点が第2の誤差増幅器93を構成するオペアンプの非反転入力端子(+)に接続されている。また、スナバ回路70の両端間に抵抗素子R7,R8の抵抗分割回路からなるスナバ出力電圧検出回路92が接続され、抵抗素子R7,R8の接続点が第2の誤差増幅器93を構成するオペアンプの反転入力端子(−)に接続されている。第2の誤差増幅器93を構成するオペアンプの出力端子と反転入力端子(−)との間にはコンデンサC5と抵抗素子R9の直列回路からなる位相補償回路94が接続されている。第2の誤差増幅器93は基準電圧Vref2と検出したスナバ出力電圧Vsの分割値k2 ・Vsとの誤差をとり、その誤差信号を“H”レベル、“L”レベルの2値信号として出力するようになっている。ただし、抵抗分割比k2 は、k2 =R8/(R7+R8)で与えられる。
The voltage across the
スナバ電圧判定回路90の出力端子すなわち第2の誤差増幅器93の出力端子は逆流防止ダイオードD4と抵抗素子R10からなる検出電圧シフト回路100を介して昇圧コンバータ80におけるIC用電源電圧検出回路82の抵抗素子R3,R4の抵抗分割点に接続されている。スナバ電圧判定回路90は検出したスナバ出力電圧Vsの分割値k2 ・Vsが基準電圧Vref2より低いときは“H”レベルを出力して検出電圧シフト回路100を不活性とする。逆に、検出したスナバ出力電圧Vsの分割値k2 ・Vsが基準電圧Vref2より高いときは“L”レベルを出力して検出電圧シフト回路100を活性化し、昇圧コンバータ80における第1の誤差増幅器83の反転入力端子(−)に接続された抵抗素子R4に対して抵抗素子R10を並列に接続し、反転入力端子(−)に印加されるIC用電源の給電ラインHHの電圧VHHを跳躍的にアップシフトさせる。
The output terminal of the snubber
次に、上記のように構成されたスイッチング電源装置の動作を説明する。 Next, the operation of the switching power supply device configured as described above will be described.
(1)スイッチング電源装置の電源投入によって平滑コンデンサC1に充電が行われ、平滑コンデンサC1に現れる一次側整流後の入力電圧Viから起動用抵抗素子R1を介してコントロールIC 40の電源入力端子(Vcc)にIC用電源の給電ラインHHの電圧VHH(=Vcc)が供給され、コントロールIC 40が起動される。コントロールIC 40はそのパルス信号出力端子(Out)からスイッチング制御信号(PWM制御信号)を第2のスイッチング素子Q2のゲートに対して出力し、第2のスイッチング素子Q2を高周波でスイッチング制御し、トランスT1の一次巻線N1にスイッチング電流を流す。これによってトランスT1の二次巻線N2に逆位相の関係で電力が発生し、二次側回路20における整流ダイオードD5と平滑コンデンサC6とによって整流平滑され生成された出力電圧Voが図示しない負荷へ供給される。同時に、二次巻線N2から同相の関係で補助巻線N3に誘起された電流を補助電源部60において整流ダイオードD3で整流し、平滑コンデンサC4で平滑化し、IC用電源の給電ラインHHを介してコントロールIC 40の電源入力端子(Vcc)に給電する。
(1) When the switching power supply is turned on, the smoothing capacitor C1 is charged. From the input voltage Vi after the primary side rectification appearing in the smoothing capacitor C1, the power input terminal (Vcc) of the
(2)二次側回路20において出力電圧検出回路50が検出した出力電圧Voの検出信号はコントロールIC 40のフィードバック端子FBに入力される。検出した出力電圧Voが基準電圧を上回るときは、コントロールIC 40は第2のスイッチング素子Q2に対するパルス信号出力端子(Out)から出力するスイッチング制御信号のオンデューティを減少させ、トランスT1の一次巻線N1に蓄積される磁気エネルギーを少なくして、一次側回路から二次側回路への伝達電力を下げることによって出力電圧Voを低下させる。逆に、出力電圧検出回路50が検出した出力電圧Voが基準電圧を下回るときは、コントロールIC 40はスイッチング制御信号のオンデューティを増加させることによって出力電圧Voを上昇させる。いずれにしても、出力電圧検出回路50からコントロールIC 40へのフィードバック制御により二次側回路20の出力電圧Voを規定電圧に安定化させる。
(2) The detection signal of the output voltage Vo detected by the output
(3)コントロールIC 40の制御によって第2のスイッチング素子Q2がスイッチングするときに高周波ノイズが発生するが、この高周波ノイズは整流ダイオードD1とスナバコンデンサC2からなるスナバ回路70によって吸収され、さらにスナバ回路70から昇圧コンバータ80に出力される。昇圧コンバータ80において、第3のスイッチング素子Q3は制御回路85からのスイッチング制御信号により高周波でスイッチング制御される。第3のスイッチング素子Q3のオン期間ではスナバ回路70からの電流がインダクタL1と第3のスイッチング素子Q3の経路を流れ、インダクタL1に磁気エネルギーが蓄積される。第3のスイッチング素子Q3のオフ期間ではインダクタL1から放出される磁気エネルギーによる電流とスナバ回路70からの電流が合流した上で逆流防止ダイオードD2を介してIC用電源の給電ラインHHに給電が行われる。すなわち、スナバ出力電圧Vsの昇圧が行われた上でIC用電源の給電ラインHHに供給される。昇圧コンバータ80における詳しい動作は次のとおりである。
(3) High frequency noise is generated when the second switching element Q2 is switched by the control of the
昇圧コンバータ80において、抵抗素子R3,R4の抵抗分割回路からなるIC用電源電圧検出回路82はIC用電源の給電ラインHHの電圧VHH(=Vcc)を検出する。第1の誤差増幅器83は抵抗素子R5とツェナーダイオードZD1からなる第1の基準電圧回路81による基準電圧Vref1と検出したIC用電源の給電ラインの電圧VHHの分割値k1 ・VHHとの誤差をとって誤差電圧ΔV1 (=Vref1−k1 ・VHH)とし、その信号を制御回路85に出力する。制御回路85は入力した誤差電圧ΔV1 の振幅に応じて第3のスイッチング素子Q3に対するオンデューティを制御する。すなわち、検出したIC用電源の給電ラインの電圧VHHの分割値k1 ・VHHが基準電圧Vref1より低くて誤差電圧ΔV1 がプラスとなるときは制御回路85は第3のスイッチング素子Q3に対するオンデューティを増加させる制御信号を出力する。これで、インダクタL1への蓄積エネルギーを増やし、昇圧のレベルを上げてIC用電源の給電ラインHHへの印加電圧を上昇させる。上記とは逆に、検出したIC用電源の給電ラインの電圧VHHの分割値k1 ・VHHが基準電圧Vref1よりも高くて誤差電圧ΔV1 がマイナスとなるときは制御回路85はオンデューティを減少させる制御信号を出力する。これで、インダクタL1への蓄積エネルギーを減らし、昇圧のレベルを下げてIC用電源の給電ラインHHへの印加電圧を降下させる。いずれにしても、昇圧コンバータ80内のフィードバック制御により給電ラインHHの電圧VHHの分割値k1 ・VHHは基準電圧Vref1に収束し、コントロールIC 40の電源電圧Vccが安定化される。
In step-up
(4)以上のようにして、スナバ回路70の出力をIC用電源の給電ラインHHに送ってスイッチングノイズ成分を有効に利用しながらも、コントロールIC 40の電源電圧Vccを安定させ、二次側回路20からの出力電圧Voも安定化させる制御を実行する。そして、このような制御動作において、スナバ回路70の出力電圧であるスナバ出力電圧Vsの変動に関して、スナバ電圧判定回路90、検出電圧シフト回路100、昇圧コンバータ80およびコントロールIC 40によるフィードバック制御の動作について以下に説明する。
(4) As described above, the output of the
スナバ電圧判定回路90において、抵抗素子R7,R8の抵抗分割回路からなるスナバ出力電圧検出回路92はスナバ回路70の出力電圧であるスナバ出力電圧Vsを検出する。第2の誤差増幅器93は抵抗素子R6とツェナーダイオードZD2からなる第2の基準電圧回路91による基準電圧Vref2と検出されたスナバ出力電圧Vsの分割値k2 ・Vsとの誤差をとって誤差電圧ΔV2 (=Vref2−k2 ・Vs)として出力する。検出したスナバ出力電圧Vsの分割値k2 ・Vsが基準電圧Vref2より低いときは第2の誤差増幅器93の出力端子は“H”レベルとなるから、逆流防止ダイオードD4は導通せず、検出電圧シフト回路100は非活性のままであり、昇圧コンバータ80におけるIC用電源電圧検出回路82の構成は抵抗素子R3,R4のみの抵抗分割回路となる。このときの制御動作は上記したとおりである。
In the snubber
一方、検出したスナバ出力電圧Vsの分割値k2 ・Vsが上昇して基準電圧Vref2より高くなったときは第2の誤差増幅器93の出力端子は“L”レベルとなって逆流防止ダイオードD4が導通し、検出電圧シフト回路100が活性化され、IC用電源電圧検出回路82の構成は抵抗素子R3,R4の抵抗分割点に対して抵抗素子R10が加わる。その結果、抵抗分割点である第1の誤差増幅器83の反転入力端子(−)の電位が下がり、第1の誤差増幅器83の出力電圧が上昇する。すると、制御回路85は第3のスイッチング素子Q3に対するオンデューティを増加させる。第3のスイッチング素子Q3のオンデューティが増加するということは、スナバ回路70におけるスナバコンデンサC2の正極端子からインダクタL1−第3のスイッチング素子Q3の経路での放電量が増加することである。その結果として、スナバコンデンサC2の両端電圧つまりスナバ出力電圧Vsを低下させ、分割値k2 ・Vsは基準電圧Vref2に収束することになる。
On the other hand, when the divided value k 2 · Vs of the detected snubber output voltage Vs rises and becomes higher than the reference voltage V ref2 , the output terminal of the
スナバ電圧判定回路90における第2の基準電圧回路91による基準電圧Vref2を例えば2.25Vに設定し、R7=R8としておくと、上記のスナバ電圧判定回路90、検出電圧シフト回路100、昇圧コンバータ80およびコントロールIC 40によるフィードバック制御でスナバ回路70の出力電圧であるスナバ出力電圧Vsは4.5V以下に抑えられる。スナバ回路70における整流ダイオードD1の順方向電圧Vfを例えば0.5Vとすると、ノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子Q2のドレイン・ソース間電圧は5Vとなり、ノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子Q1の逆ゲートバイアス電圧も−5Vに抑えることができる。以上の結果、第1のスイッチング素子Q1のオフ時の逆ゲートバイアス電圧過大に起因する素子破壊を防止することができるとともに、第2のスイッチング素子Q2のドレイン・ソース間のサージ電力損失を低減することができる。
When the reference voltage V ref2 by the second
なお、上記実施例では昇圧コンバータ80はIC用電源の給電ラインHHの電圧VHH(=Vcc)の分割値k1 ・VHHとIC基準電圧(基準電圧Vref1)との誤差に応じて第3のスイッチング素子Q3のスイッチング動作のオンデューティを調整しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、IC用電源の給電ラインHHの電圧VHH(=Vcc)に比例する電圧とIC基準電圧との誤差に基づいて前記のオンデューティを調整すればよい。また、IC用電源の給電ラインHHの電圧VHH(=Vcc)自体とIC基準電圧との誤差に基づいて前記のオンデューティを調整してもよい。上記の場合、IC基準電圧は目的達成のため適宜、設定変更される。
In the above-described embodiment, the step-up
同様に、スナバ電圧判定回路90はスナバ出力電圧(スナバコンデンサC2の両端電圧)Vsの分割値k2 ・Vsが規定電圧(基準電圧Vref2)を超えるか否かを判定しているが、本発明はこれに限定されるものではなく、スナバ出力電圧Vsに比例する電圧と規定電圧とを比較して判定すればよい。また、スナバ出力電圧Vs自体と規定電圧とを比較して判定してもよい。上記の場合、規定電圧は目的達成のため適宜、設定変更される。
Similarly, the snubber
本発明は、主スイッチ手段がノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子とノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子の縦続接続で構成され、第2のスイッチング素子のスイッチング動作による高周波ノイズを吸収してコントロールICの給電ラインに回生するスナバ回路を有するスイッチング電源装置において、ノーマリオン型(D型)である第1のスイッチング素子のオフ時の逆ゲートバイアス電圧過大に起因する素子破壊を防止するとともに、ノーマリオフ型(E型)である第2のスイッチング素子のドレイン・ソース間のサージ電力損失を低減する技術として有用である。 The present invention comprises a first switching element whose main switch means is a normally-on type (D type) and a second switching element which is a normally-off type (E type) in cascade connection, and the switching of the second switching element. In a switching power supply device having a snubber circuit that absorbs high-frequency noise due to operation and regenerates to the power supply line of the control IC, due to an excessive reverse gate bias voltage when the first switching element that is normally on (D type) is off This is useful as a technique for preventing the element destruction and reducing the surge power loss between the drain and the source of the normally-off type (E type) second switching element.
10 一次側回路
20 二次側回路
30 主スイッチ回路
40 コントロールIC
50 出力電圧検出回路
60 補助電源部
70 スナバ回路
80 昇圧コンバータ
81 第1の基準電圧回路
82 IC用電源電圧検出回路
83 第1の誤差増幅器
85 制御回路
90 スナバ電圧判定回路
91 第2の基準電圧回路
92 スナバ出力電圧検出回路
93 第2の誤差増幅器
100 検出電圧シフト回路
C2 スナバコンデンサ
Q1 ノーマリオン型(D型)の第1のスイッチング素子
Q2 ノーマリオフ型(E型)の第2のスイッチング素子
Q3 第3のスイッチング素子
T1p,T1n 直流入力端子
T2p,T2n 直流出力端子
T1 トランス
ZD1,ZD2 ツェナーダイオード
10
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記第2のスイッチング素子をスイッチング制御するコントロールICは前記トランスの補助巻線で直流電圧を生成する補助電源部からIC用電源を給電され、かつ、出力電圧の変動に応じて前記第2のスイッチング素子に対するスイッチング制御信号のオンデューティを可変して前記出力電圧を安定化させるように構成され、
前記第2のスイッチング素子の両端間にはこの素子のスイッチング動作による高周波ノイズを吸収し、生成される電圧を前記補助電源部から前記コントロールICへの前記IC用電源の給電ラインに回生するスナバ回路が接続された構成をもつスイッチング電源装置において、
前記スナバ回路の出力電圧を昇圧した上で前記IC用電源の給電ラインに回生するもので、前記IC用電源の給電ラインの電圧を検出し、その検出したIC用電源の給電ラインの電圧とIC基準電圧との誤差に応じて調整されるオンデューティに基づいた第3のスイッチング素子のスイッチング動作により前記IC用電源の給電ラインの電圧の安定化制御を行う昇圧コンバータと、
前記スナバ回路が出力するスナバ出力電圧を監視し、規定電圧を超えるか否かを判定するスナバ電圧判定回路とを備え、
前記昇圧コンバータは前記スナバ電圧判定回路によって前記スナバ出力電圧が規定電圧を超えたと判定されたときに当該昇圧コンバータにおける前記第3のスイッチング素子に対するオンデューティを増加させるように構成されているスイッチング電源装置。 The main switch means connected between the pair of DC input terminals via the primary winding of the transformer is composed of a cascade connection of a first switching element that is normally on and a second switching element that is normally off.
The control IC that controls the switching of the second switching element is supplied with power for the IC from an auxiliary power supply unit that generates a DC voltage by the auxiliary winding of the transformer, and the second switching element is controlled according to the fluctuation of the output voltage. The output voltage is stabilized by varying the on-duty of the switching control signal for the element,
Between both ends of the second switching element, a snubber circuit that absorbs high-frequency noise due to the switching operation of the element and regenerates the generated voltage to the power supply line of the IC power supply from the auxiliary power supply unit to the control IC. In a switching power supply device having a configuration in which
The output voltage of the snubber circuit is boosted and regenerated in the power supply line of the IC power supply, the voltage of the power supply line of the IC power supply is detected, and the detected voltage of the power supply line of the IC power supply and the IC A step-up converter that controls the stabilization of the voltage of the power supply line of the IC power supply by the switching operation of the third switching element based on the on-duty adjusted according to the error from the reference voltage;
A snubber voltage determination circuit that monitors a snubber output voltage output from the snubber circuit and determines whether or not a specified voltage is exceeded;
The boost converter is configured to increase an on-duty with respect to the third switching element in the boost converter when the snubber voltage determination circuit determines that the snubber output voltage exceeds a specified voltage. .
前記スナバ電圧判定回路によって前記スナバコンデンサの両端電圧が規定電圧を超えたと判定されたときに前記昇圧コンバータにおける前記第3のスイッチング素子に対するオンデューティを増加させることで、前記スナバコンデンサの両端電圧を低下させるように構成されている請求項1または請求項2に記載のスイッチング電源装置。 The snubber circuit includes a series circuit of a rectifier diode and a snubber capacitor connected between both ends of the second switching element,
When the snubber voltage determination circuit determines that the voltage across the snubber capacitor has exceeded a specified voltage, the voltage across the snubber capacitor is decreased by increasing the on-duty for the third switching element in the boost converter. The switching power supply device according to claim 1, wherein the switching power supply device is configured to cause the switching power supply to be
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