JP2018121381A - スイッチング電源 - Google Patents
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Abstract
【課題】スイッチング素子の高耐圧化を簡易な構成で実現するスイッチング電源を提供する。
【解決手段】一次コイルL1二次コイルL2とを具備するトランスTと、一次コイルL1に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される制御端を具備する第1スイッチング素子Q1と、第1スイッチング素子Q1と一次コイルL1の間に挿入され第1スイッチング素子Q1の電流路と直列接続された電流路と制御端とを具備する第2スイッチング素子Q2と、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2の接続点と第2スイッチング素子Q2の制御端との間に接続されたツェナーダイオードZDと、第1入力端1と第2スイッチング素子Q2の制御端との間に接続された抵抗素子Rと、を有し、ツェナーダイオードZDは第1入力端1と第2入力端2間の電圧に対して逆バイアスとなる向きに接続されている。
【選択図】図1
【解決手段】一次コイルL1二次コイルL2とを具備するトランスTと、一次コイルL1に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される制御端を具備する第1スイッチング素子Q1と、第1スイッチング素子Q1と一次コイルL1の間に挿入され第1スイッチング素子Q1の電流路と直列接続された電流路と制御端とを具備する第2スイッチング素子Q2と、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2の接続点と第2スイッチング素子Q2の制御端との間に接続されたツェナーダイオードZDと、第1入力端1と第2スイッチング素子Q2の制御端との間に接続された抵抗素子Rと、を有し、ツェナーダイオードZDは第1入力端1と第2入力端2間の電圧に対して逆バイアスとなる向きに接続されている。
【選択図】図1
Description
本発明は、トランスの一次コイルに接続されたスイッチング素子を具備するスイッチング電源に関する。
スイッチング電源には、目的に応じてAC/DCコンバータ、DC/DCコンバータ、PFC等、多様な回路構成が存在する。スイッチング電源のトランスの一次コイルに接続されたスイッチング素子をオンオフ制御することにより、一次コイルに入力される直流又は交流の電流を導通又は遮断し、二次コイルから所望する直流電力を取り出す回路構成は周知である。
スイッチング素子がオンからオフに切り替わったとき、トランスの一次コイルには逆起電力によるスパイク電圧が発生する。このスパイク電圧がスイッチング素子に印加されるため、スイッチング素子はこのスパイク電圧に対する耐圧特性が要求される。1つのスイッチング素子のみでは耐圧特性を確保することができない場合、2つのスイッチング素子をカスケード接続する場合がある。
2つのスイッチング素子をカスケード接続した場合、これらのスイッチング素子を同時にオンオフ制御する必要がある。例えば特許文献1では、第1のスイッチング素子の制御端子(FETの場合はゲート端子)を所定のスイッチング周波数でオンオフ駆動すると共に、カスケード接続された第2のスイッチング素子も同期してオンオフ動作を行うように構成されている。
しかしながら、従来技術においては、カスケード接続により追加された第2のスイッチング素子を、第1のスイッチング素子と同期させてオンオフ制御するための回路は、別途駆動電源を必要とすることに加え、駆動回路の素子数も多く複雑な構成となるという問題があった。
以上の問題点に鑑み本発明の目的は、簡易な構成によりスイッチング素子の高耐圧化を実現するスイッチング電源を提供することである。
上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。なお、括弧内の符号は後述する図面中の符号であり、参考のために付するものである。
・ 本発明によるスイッチング電源の態様は、
(A)第1入力端(1)に一端が接続された一次コイル(L1)と該一次コイル(L1)に対し磁気結合された二次コイル(L2)とを具備するトランス(T)と、
(B)第2入力端(2)に電流路の一端が接続されかつ前記一次コイル(L1)に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される制御端を具備する第1スイッチング素子(Q1)と、
(C)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記一次コイル(L1)の間に挿入され該第1スイッチング素子(Q1)の電流路と直列接続された電流路と、制御端とを具備する第2スイッチング素子(Q2)と、
(D)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記第2スイッチング素子(Q2)の接続点と該第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続されたツェナーダイオード(ZD)と、
(E)前記第1入力端(1)と前記第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続された抵抗素子(R)と、を有し、
(F)前記ツェナーダイオード(ZD)は前記第1入力端(1)と前記第2入力端(2)間の電圧に対して逆バイアスとなる向きに接続されていることを特徴とする。
・ 本発明によるスイッチング電源の別の態様は、
(A)一次コイル(L1)と該一次コイル(L1)に接続されかつ磁気結合された二次コイル(L2)とを具備するトランス(T)と、
(B)第1入力端(1)に電流路の一端が接続されかつ前記一次コイル(L1)に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される制御端を具備する第1スイッチング素子(Q1)と、
(C)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記一次コイル(L1)の間に挿入され該第1スイッチング素子(Q1)の電流路と直列接続された電流路と、制御端とを具備する第2スイッチング素子(Q2)と、
(D)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記第2のスイッチング素子(Q2)の接続点と該第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続されたツェナーダイオード(ZD)と、
(E)第2入力端(2)と前記第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続された抵抗素子(R2)と、を有し、
(F)前記ツェナーダイオード(ZD)は前記第1入力端(1)と前記第2入力端(2)間の電圧に対して逆バイアスとなる向きに接続されていることを特徴とする。
(A)第1入力端(1)に一端が接続された一次コイル(L1)と該一次コイル(L1)に対し磁気結合された二次コイル(L2)とを具備するトランス(T)と、
(B)第2入力端(2)に電流路の一端が接続されかつ前記一次コイル(L1)に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される制御端を具備する第1スイッチング素子(Q1)と、
(C)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記一次コイル(L1)の間に挿入され該第1スイッチング素子(Q1)の電流路と直列接続された電流路と、制御端とを具備する第2スイッチング素子(Q2)と、
(D)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記第2スイッチング素子(Q2)の接続点と該第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続されたツェナーダイオード(ZD)と、
(E)前記第1入力端(1)と前記第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続された抵抗素子(R)と、を有し、
(F)前記ツェナーダイオード(ZD)は前記第1入力端(1)と前記第2入力端(2)間の電圧に対して逆バイアスとなる向きに接続されていることを特徴とする。
・ 本発明によるスイッチング電源の別の態様は、
(A)一次コイル(L1)と該一次コイル(L1)に接続されかつ磁気結合された二次コイル(L2)とを具備するトランス(T)と、
(B)第1入力端(1)に電流路の一端が接続されかつ前記一次コイル(L1)に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される制御端を具備する第1スイッチング素子(Q1)と、
(C)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記一次コイル(L1)の間に挿入され該第1スイッチング素子(Q1)の電流路と直列接続された電流路と、制御端とを具備する第2スイッチング素子(Q2)と、
(D)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記第2のスイッチング素子(Q2)の接続点と該第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続されたツェナーダイオード(ZD)と、
(E)第2入力端(2)と前記第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続された抵抗素子(R2)と、を有し、
(F)前記ツェナーダイオード(ZD)は前記第1入力端(1)と前記第2入力端(2)間の電圧に対して逆バイアスとなる向きに接続されていることを特徴とする。
本発明は、スイッチング電源において、第1と第2のスイッチング素子がカスケード接続すなわち互いの電流路を直列に接続され、2つのスイッチング素子は、一次コイルに発生するスパイク電圧に対する耐圧特性を分担することができる。この場合、第1スイッチング素子の制御端がオンオフ駆動されると、それと同期して第2スイッチング素子がオンオフするように構成されている。この構成において、第2スイッチング素子のオンオフは、1つのツェナーダイオードと1つの抵抗素子を介して行うことが可能であり、第2スイッチング素子のための駆動電源や複雑な駆動回路は不要である。従って、スイッチング電源において、極めて簡易な構成によりスイッチング素子の高耐圧化を実現できる。
以下、図面を参照しつつ、本発明によるスイッチング電源の実施形態について詳細に説明する。
本発明は、スイッチング電源におけるスイッチング素子を、簡易な構成によって高耐圧化するものである。本発明の対象とするスイッチング電源は、絶縁型又は非絶縁型のコンバータ、力率改善回路(PFC)等の多様な回路が含まれる。入力は、一定電圧の直流の他、脈流や方形波等の変動する電圧・電流をもつものでもよい。
(1)第1の実施形態(昇圧型スイッチング電源)
(1−1)第1の実施形態の回路構成
図1は、本発明のスイッチング電源の第1の実施形態の構成例を概略的に示す回路図である。一例としてフライバック方式の昇圧型コンバータに適用した構成を示している。
(1−1)第1の実施形態の回路構成
図1は、本発明のスイッチング電源の第1の実施形態の構成例を概略的に示す回路図である。一例としてフライバック方式の昇圧型コンバータに適用した構成を示している。
本回路は、入力端1と入力端2の間に直流電圧が印加される。本例では、入力端2を基準電位とし、入力端1を正の入力電位とする場合について説明する。
本回路は、一次コイルL1及び二次コイルL2を具備するトランスTを有する。各コイルの巻き始め端子を黒丸で示している。一次コイルL1と二次コイルL2は、磁気結合されており、結合係数1であることが好適である。結合係数が1未満であると、一次コイルL1に発生するスパイク電圧がより大きくなるため、スイッチング素子に対してより高耐圧が要求されるためである。
トランスTの二次側の構成は、フライバック方式となっており、二次コイルL2の巻き終わり端子に出力ダイオードDのアノードが接続され、出力ダイオードDのカソードと二次コイルL2の巻き始め端子の間に平滑コンデンサCが接続されている。平滑コンデンサCの両端である出力端3と出力端4の間に出力され、負荷に電力供給される。
一次コイルL1の一端は入力端1に接続されており、入力電位が印加される。一次コイルL1の他端と入力端2の間には、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2がカスケード接続、すなわち各スイッチング素子の互いの電流路が直列となるように接続されている。本例では、各スイッチング素子はNチャネルFETである。
第1スイッチング素子Q1のソースは入力端2に接続されており、入力側基準電位が印加される。第1スイッチング素子Q1のゲートには、第1スイッチング素子Q1のドレインソース間の電流路を導通又は遮断するための制御電圧Vgが入力される。すなわち、第1スイッチング素子Q1は、入力電位に起因して一次コイルL1に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される。制御電圧Vgは、ゲートソース間に印加される所定のスイッチング周波数とデューティ比をもつパルス信号であり、図示しない制御部により生成される。この場合、第1スイッチング素子Q1は、ゲートが高電位のときにオンとなり、低電位のときにオフとなる。
第2スイッチング素子Q2は、第1スイッチング素子Q1と一次コイルの間に挿入され、そのドレインが一次コイルL1の他端に、ソースが第1スイッチング素子Q1のドレインに接続されている。
さらに、第2スイッチング素子Q2のゲートソース間にはツェナーダイオードZDが接続される。ツェナーダイオードZDは、第2スイッチング素子Q2のゲートソース間のオン制御電圧の向きに対して逆バイアスとなるような向きで接続されている。NチャネルFETである第2スイッチング素子Q2のオン制御電圧は、ソースに対してゲート高電位となる向きであるので、ツェナーダイオードZDは、カソードがゲートに、アノードがソースに接続される。
ツェナーダイオードZDのツェナー電圧は、第2スイッチング素子Q2のゲート閾値電圧よりも十分に大きく設定する。また、ツェナー電圧は、入力電位と入力側基準電位の間の入力電圧よりも十分に小さく設定する。
さらに、第2スイッチング素子Q2のゲートと一次コイルL1の一端との間に抵抗素子Rが接続されている。従って、入力端1と入力端2の間の入力電圧は、抵抗素子R、ツェナーダイオードZD及び第1スイッチング素子Q1に分圧されて印加されることになる。ツェナーダイオードZDは、この入力電圧に対して逆バイアスとなるような向きで接続されているということもできる。
別の例として、入力端1は負の入力電位であってもよい。入力電圧が負電圧の場合は、スイッチング素子Q1、Q2として、NチャネルFETに替えてPチャネルFETを用いる。その場合、スイッチング素子Q1、Q2のソースとドレインを逆向きに、ツェナーダイオードZDも極性を逆向きに接続され、また二次側の出力ダイオードDは二次コイルL2の巻き始め端子側に接続され、平滑コンデンサCの極性も逆向きとなる。
(1−2)第1の実施形態の回路動作
図2は、図1に示した回路の動作を説明するために電位関係を模式的に示した図であり、(a)は第1スイッチング素子Q1の制御電圧Vgのオン時(オン期間の開始直後)であり、(b)はオフ時(オフ期間の開始直後)の各状態を示す。図1の回路図に示したa点〜d点を用いて説明する。
図2は、図1に示した回路の動作を説明するために電位関係を模式的に示した図であり、(a)は第1スイッチング素子Q1の制御電圧Vgのオン時(オン期間の開始直後)であり、(b)はオフ時(オフ期間の開始直後)の各状態を示す。図1の回路図に示したa点〜d点を用いて説明する。
<オン時の動作>
制御電圧Vgがオン電圧になると、第1スイッチング素子Q1が導通し、第1スイッチング素子Q1のドレインソース間電圧(c点−d点間電圧)は短絡により零となる。よって、c点電位=d点電位=入力側基準電位である。
制御電圧Vgがオン電圧になると、第1スイッチング素子Q1が導通し、第1スイッチング素子Q1のドレインソース間電圧(c点−d点間電圧)は短絡により零となる。よって、c点電位=d点電位=入力側基準電位である。
a点には常に入力電位Vinが印加されている。入力電位Vinはd点の基準電位に対して例えば300ボルト程度であり、ツェナーダイオードZDの、例えば20ボルトであるツェナー電圧Vzより十分に大きいものとする。a点−d点間電圧は、抵抗素子RとツェナーダイオードZDに分圧されてそれぞれに印加されることになる。ツェナーダイオードZDの両端間電圧すなわち第2スイッチング素子Q2のゲートソース間電圧(e点−c点間電圧)は、ツェナー電圧Vzとなる。ツェナー電圧Vzは、第2スイッチング素子Q2のゲート閾値電圧すなわちオン電圧より十分に大きく選択されている。この結果、第2スイッチング素子Q2が導通し、第2スイッチング素子Q2のドレインソース間電圧(b点−c点間電圧)は短絡により零となる。よって、b点電位=c点電位=d点電位=入力側基準電位である。
ツェナーダイオードZDは、オン期間の第2スイッチング素子Q2のゲート閾値電圧を確保する役割と、第2スイッチング素子Q2のゲートソース間に過大な電圧が負荷されることを防ぐ保護ダイオードとしての役割を有する。
トランスTにおいては、一次コイルL1の巻き始め端子に入力電位Vinが印加され、それによる電流が流れることにより、二次コイルL2に起電力が発生するが、出力ダイオードDは逆バイアスであるので二次電流は流れず、トランスTに磁気エネルギーが蓄積される。
<オフ時の動作>
制御電圧Vgがオフになると、第1スイッチング素子Q1のドレインソース電流路が遮断され、一次コイルL1には逆方向のスパイク電圧が瞬間的に発生する。スパイク電圧により、一次コイルL1の巻き終わり端子のb点電位は、入力電位Vinすなわちa点電位よりも遙かに高く、例えば基準電位からみてa点電位又はそれ以上となる。これにより、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2の接続点であるc点電位が上昇していく。
制御電圧Vgがオフになると、第1スイッチング素子Q1のドレインソース電流路が遮断され、一次コイルL1には逆方向のスパイク電圧が瞬間的に発生する。スパイク電圧により、一次コイルL1の巻き終わり端子のb点電位は、入力電位Vinすなわちa点電位よりも遙かに高く、例えば基準電位からみてa点電位又はそれ以上となる。これにより、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2の接続点であるc点電位が上昇していく。
ここで、c点には、ツェナーダイオードZDのアノードが接続されており、そのカソードは抵抗素子Rを介して入力電位Vinに接続されているので、c点電位は入力電位Vinすなわちa点電位を超えることはない。
言い換えると、第2スイッチング素子Q2がソースフォロア回路を構成していることにより、第2スイッチング素子Q2のソースであるc点電位は、第2スイッチング素子Q2のゲートであるe点電位に従い、e点電位は入力電位Vin(a点電位)を超えることはない。従って、c点電位もa点電位を超えることはない。
ツェナーダイオードZDは、オフ期間にも保護ダイオードとしての役割を果たしていることになる。このようにして、a点、e点、c点の電位は最終的にほぼ同程度となり、第2スイッチング素子Q2のゲートソース間電圧(e点−c点間電圧)がゲート閾値電圧より十分に小さくなる結果、第2スイッチング素子Q2は遮断される。この結果、b点−d点間電圧は、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2に分圧されて印加されることとなる。このb点−d点間電圧の分圧においては、中間点であるc点電位がほぼa点電位に固定されるので、2つのスイッチング素子Q1、Q2の一方に大きな偏りを生じることなく適切に分圧されることになる。
以上に説明したオン時及びオフ時の各動作は、実際には瞬間的に生じる。よって、図1の回路では、第1スイッチング素子Q1を制御電圧Vgによりオンオフ駆動することにより、第2スイッチング素子Q2も同期してオンオフされることになる。加えて、第2スイッチング素子Q2のオンオフは、1つのツェナーダイオードZDと1つの抵抗素子Rを付加するのみで実現される。本回路によれば、第2スイッチング素子Q2のための駆動電源や複雑な駆動回路を設ける必要がなく、入力電圧から駆動電源を得ることができる。
なお、二次コイルL2は、オフ時に巻き終わり端子が正電位となり、出力ダイオードDが順バイアスとなるので、負荷へ電流を供給すると共に平滑コンデンサCを充電する。これによりトランスTに蓄積された磁気エネルギーが放出される。
(2)第2の実施形態(降圧型スイッチング電源)
(2−1)第2の実施形態の回路構成
図3は、本発明のスイッチング電源の第2の実施形態の構成例を概略的に示す回路図である。
(2−1)第2の実施形態の回路構成
図3は、本発明のスイッチング電源の第2の実施形態の構成例を概略的に示す回路図である。
本回路は、入力端1と入力端2の間に直流電圧が印加される。本例では、入力端2を基準電位とし、入力端1を正の入力電位として説明する。この場合、出力端3が正の出力電位となり、出力端4は、入力端2と共通ラインで接続された基準電位である。
本回路は、一次コイルL1と二次コイルL2を具備するタップドインダクタを構成するトランスTを有する。各コイルの巻き始め端子を黒丸で示している。上述した第1の実施形態と同様に、一次コイルL1と二次コイルL2は、磁気結合されており、結合係数1であることが好適である。二次コイルL2の巻き終わり端子は、出力端3に接続されている。出力端3と出力端4の間には、平滑コンデンサCと負荷が並列接続されている。
一次コイルL1と二次コイルL2の接続点であるトランスTの中間タップには、還流ダイオードDのカソードが接続され、還流ダイオードDのアノードは、基準電位である出力端4に接続されている。
入力端1と一次コイルL1の一端との間には、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2がカスケード接続、すなわち各スイッチング素子の電流路が直列となるように接続されている。本例では、各スイッチング素子はPチャネルFETである。
第1スイッチング素子Q1のソースは入力端1に接続されており、入力電位が印加される。第1スイッチング素子Q1のソースとゲート間には抵抗素子R1が接続されている。ゲートソース間電圧は抵抗素子R1を介して印加される。第1スイッチング素子Q1のゲートには、第1スイッチング素子Q1のソースドレイン間の電流路を導通又は遮断するための制御電圧Vgが入力される。すなわち、第1スイッチング素子Q1は、入力電位に起因して一次コイルL1に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される。制御電圧Vgは、ゲートソース間に印加される所定のスイッチング周波数とデューティ比をもつパルス信号であり、図示しない制御部により生成される。この場合、第1スイッチング素子Q1は、ゲートが低電位のときにがオンとなり、高電位のときにオフとなる。
第2スイッチング素子Q2は、第1スイッチング素子Q1と一次コイルL1の間に挿入され、そのソースが第1スイッチング素子Q1のドレインに、ドレインが一次コイルL1の一端に接続されている。
さらに、第2スイッチング素子Q2のゲートソース間にはツェナーダイオードZDが接続される。ツェナーダイオードZDは、第2スイッチング素子Q2のゲートソース間のオン制御電圧の向きに対して逆バイアスとなるような向きで接続されている。PチャネルFETである第2スイッチング素子Q2のオン制御電圧は、ソースに対してゲートが低電位となる向きであるので、ツェナーダイオードZDは、カソードがソースに、アノードがゲートに接続される。
ツェナーダイオードZDのツェナー電圧は、第2スイッチング素子Q2のゲート閾値電圧よりも十分に大きく設定する。また、ツェナー電圧は、入力電位と基準電位の間の入力電圧よりも十分に小さく設定する。
さらに、第2スイッチング素子Q2のゲートと入力端2との間に抵抗素子R2が接続されている。
別の例として、入力端1は負の入力電位であってもよい。入力電圧が負電圧の場合は、スイッチング素子Q1、Q2として、PチャネルFETに替えてNチャネルFETを用いる。その場合、スイッチング素子Q1、Q2のソースとドレインを逆向きに、ツェナーダイオードZDも極性を逆向きに接続され、また還流ダイオードD及び平滑コンデンサCの極性も逆向きとなる。
(2−2)第2の実施形態の回路動作
図4は、図3に示した回路の動作を説明するために電位関係を模式的に示した図であり、(a)は第1スイッチング素子Q1の制御電圧Vgのオン時(オン期間の開始直後)であり、(b)はオフ時(オフ期間の開始直後)の各状態を示す。図3の回路図に示したa点〜d点を用いて説明する。
図4は、図3に示した回路の動作を説明するために電位関係を模式的に示した図であり、(a)は第1スイッチング素子Q1の制御電圧Vgのオン時(オン期間の開始直後)であり、(b)はオフ時(オフ期間の開始直後)の各状態を示す。図3の回路図に示したa点〜d点を用いて説明する。
<オン時の動作>
制御電圧Vgがオンになると、第1スイッチング素子Q1が導通し、第1スイッチング素子Q1のソースドレイン間電圧(a点−c点間電圧)は短絡により零となる。よって、a点電位=c点電位=入力電位である。
制御電圧Vgがオンになると、第1スイッチング素子Q1が導通し、第1スイッチング素子Q1のソースドレイン間電圧(a点−c点間電圧)は短絡により零となる。よって、a点電位=c点電位=入力電位である。
このとき、a点には入力電位Vinが印加されている。d点の基準電位に対する入力電位Vinは例えば300ボルト程度であり、ツェナーダイオードZDの、例えば20ボルトであるツェナー電圧Vzより十分に大きいものとする。c点−d点間電圧は、ツェナーダイオードZDと抵抗素子R2に分圧されてそれぞれに印加されることになる。ツェナーダイオードZDの両端間電圧すなわち第2スイッチング素子Q2のゲートソース間電圧(c点−e点間電圧)は、ツェナー電圧Vzとなる。ツェナー電圧Vzは、第2スイッチング素子Q2のゲート閾値電圧より十分に大きく選択されている。この結果、第2スイッチング素子Q2が導通し、第2スイッチング素子Q2のソースドレイン間電圧(c点−b点間電圧)は短絡により零となる。よって、a点電位=c点電位=b電位=入力電位である。
ツェナーダイオードZDは、オン期間の第2スイッチング素子Q2のゲート閾値電圧を確保する役割と、第2スイッチング素子Q2のゲートソース間に過大な電圧が負荷されることを防ぐ保護ダイオードとしての役割を有する。
この結果、一次コイルL1の巻き始め端子b点に入力電位Vinが印加されることにより一次コイルL1及び二次コイルL2に電流が流れ、負荷に供給されると共に平滑コンデンサCを充電する。この電流は励磁電流にもなり、トランスTに磁気エネルギーが蓄積される。
<オフ時の動作>
制御電圧Vgがオフになると、第1スイッチング素子Q1のソースドレイン間電流路が遮断され、一次コイルL1には逆方向のスパイク電圧が瞬間的に発生する。スパイク電圧により、一次コイルL1の巻き初め端子の電位(b点電位)は、入力電位Vinすなわちa点電位よりも遙かに降下し、d点の基準電位よりも低い負電位となる。例えば、a点−b点間電圧は、a点−d点間電圧又はそれ以上となる。これにより、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2の接続点であるc点電位が降下していく。
制御電圧Vgがオフになると、第1スイッチング素子Q1のソースドレイン間電流路が遮断され、一次コイルL1には逆方向のスパイク電圧が瞬間的に発生する。スパイク電圧により、一次コイルL1の巻き初め端子の電位(b点電位)は、入力電位Vinすなわちa点電位よりも遙かに降下し、d点の基準電位よりも低い負電位となる。例えば、a点−b点間電圧は、a点−d点間電圧又はそれ以上となる。これにより、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2の接続点であるc点電位が降下していく。
ここで、c点には、ツェナーダイオードZDのカソードが接続されており、そのアノードは抵抗素子R2を介して基準電位であるd点に接続されているので、c点電位は基準電位すなわちd点電位より降下することはない。
言い換えると、第2スイッチング素子Q2がソースフォロア回路を構成していることにより、第2スイッチング素子Q2のソースであるc点電位は、第2スイッチング素子Q2のゲートであるe点電位に従い、e点電位は基準電位(d点電位)より降下することはない。従って、c点電位もd点電位より降下することはない。
ツェナーダイオードZDは、オフ期間にも保護ダイオードとしての役割を果たしていることになる。このようにして、d点、e点、c点の電位は最終的にほぼ同程度となり、第2スイッチング素子Q2のゲートソース間電圧(e点−c点間電圧)がゲート閾値電圧より十分に小さくなる結果、第2スイッチング素子Q2は遮断される。この結果、a点−b点間電圧は、第1スイッチング素子Q1と第2スイッチング素子Q2に分圧されて印加されることとなる。このa点−b点間電圧の分圧においては、中間点であるc点電位がほぼd点電位に固定されるので、2つのスイッチング素子Q1、Q2の一方に大きな偏りを生じることなく適切に分圧されることになる。
以上に説明したオン時及びオフ時の各動作は、実際には瞬間的に生じる。よって、図3の回路では、第1スイッチング素子Q1を制御電圧Vgによりオンオフ駆動することにより、第2スイッチング素子Q2も同期してオンオフされることになる。加えて、第2スイッチング素子Q2のオンオフは、1つのツェナーダイオードZDと1つの抵抗素子R2を付加するのみで実現される。本回路によれば、第2スイッチング素子Q2のための駆動電源や複雑な駆動回路を設ける必要がなく、入力電圧から駆動電源を得ることができる。
なお、オフ期間における二次コイルL2は、巻き始め端子が負電位となり巻き終わり端子が正電位となり、還流ダイオードDが順バイアスとなって電流が流れ、負荷へ電流を供給すると共に平滑コンデンサCを充電する。これによりトランスTに蓄積された磁気エネルギーが放出される。
(3)その他
PFC回路のように、例えば交流電圧を整流した脈流や、方形波など、変動する電圧・電流が入力されるスイッチング電源について補足する。その場合、入力電圧がツェナーダイオードZDのツェナー電圧より十分に大きい範囲では、上記と同じ動作となる。一方、入力電圧がツェナー電圧より低い範囲では第2スイッチング素子Q2はオフのままとなり、スイッチング電源が機能しない。しかしながら、入力電圧がツェナー電圧より低くなる期間が十分に短ければ、この期間は無視できる。別の例として、第2スイッチング素子Q2がオフのままとなる期間がある場合、当該期間(少なくとも第1スイッチング素子のオン期間)には、第2スイッチング素子Q2のゲートに、ゲート閾値電圧を超える別の電圧が印加されるように構成してもよい。
PFC回路のように、例えば交流電圧を整流した脈流や、方形波など、変動する電圧・電流が入力されるスイッチング電源について補足する。その場合、入力電圧がツェナーダイオードZDのツェナー電圧より十分に大きい範囲では、上記と同じ動作となる。一方、入力電圧がツェナー電圧より低い範囲では第2スイッチング素子Q2はオフのままとなり、スイッチング電源が機能しない。しかしながら、入力電圧がツェナー電圧より低くなる期間が十分に短ければ、この期間は無視できる。別の例として、第2スイッチング素子Q2がオフのままとなる期間がある場合、当該期間(少なくとも第1スイッチング素子のオン期間)には、第2スイッチング素子Q2のゲートに、ゲート閾値電圧を超える別の電圧が印加されるように構成してもよい。
好適には、入力電圧は、ツェナー電圧より十分に大きくなるように例えば10倍以上であるようにツェナー電圧を設定する。その一方でツェナー電圧は、第2スイッチング素子Q2のゲート閾値電圧よりも大きくなければならない。
別の例として、第1スイッチング素子Q1及び第2スイッチング素子Q2をバイポーラトランジスタ又はIGBTとしてもよい。
1、2 入力端
3、4 出力端
T トランス
L1 一次コイル
L2 二次コイル
Q1 第1スイッチング素子
Q2 第2スイッチング素子
ZD ツェナーダイオード
R、R1、R2 抵抗素子
D ダイオード
C 平滑コンデンサ
3、4 出力端
T トランス
L1 一次コイル
L2 二次コイル
Q1 第1スイッチング素子
Q2 第2スイッチング素子
ZD ツェナーダイオード
R、R1、R2 抵抗素子
D ダイオード
C 平滑コンデンサ
Claims (2)
- (A)第1入力端(1)に一端が接続された一次コイル(L1)と該一次コイル(L1)に対し磁気結合された二次コイル(L2)とを具備するトランス(T)と、
(B)第2入力端(2)に電流路の一端が接続されかつ前記一次コイル(L1)に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される制御端を具備する第1スイッチング素子(Q1)と、
(C)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記一次コイル(L1)の間に挿入され該第1スイッチング素子(Q1)の電流路と直列接続された電流路と、制御端とを具備する第2スイッチング素子(Q2)と、
(D)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記第2スイッチング素子(Q2)の接続点と該第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続されたツェナーダイオード(ZD)と、
(E)前記第1入力端(1)と前記第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続された抵抗素子(R)と、を有し、
(F)前記ツェナーダイオード(ZD)は前記第1入力端(1)と前記第2入力端(2)間の電圧に対して逆バイアスとなる向きに接続されていることを特徴とする
スイッチング電源。 - (A)一次コイル(L1)と該一次コイル(L1)に接続されかつ磁気結合された二次コイル(L2)とを具備するトランス(T)と、
(B)第1入力端(1)に電流路の一端が接続されかつ前記一次コイル(L1)に流れる電流を導通又は遮断するべくオンオフ駆動される制御端を具備する第1スイッチング素子(Q1)と、
(C)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記一次コイル(L1)の間に挿入され該第1スイッチング素子(Q1)の電流路と直列接続された電流路と、制御端とを具備する第2スイッチング素子(Q2)と、
(D)前記第1スイッチング素子(Q1)と前記第2のスイッチング素子(Q2)の接続点と該第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続されたツェナーダイオード(ZD)と、
(E)第2入力端(2)と前記第2スイッチング素子(Q2)の制御端との間に接続された抵抗素子(R2)と、を有し、
(F)前記ツェナーダイオード(ZD)は前記第1入力端(1)と前記第2入力端(2)間の電圧に対して逆バイアスとなる向きに接続されていることを特徴とする
スイッチング電源。
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