JP2515640B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents

スイッチング電源回路

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JP2515640B2
JP2515640B2 JP3219181A JP21918191A JP2515640B2 JP 2515640 B2 JP2515640 B2 JP 2515640B2 JP 3219181 A JP3219181 A JP 3219181A JP 21918191 A JP21918191 A JP 21918191A JP 2515640 B2 JP2515640 B2 JP 2515640B2
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茂 近藤
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、電圧共振型コンバータ
で発生する非ゼロ・クロス動作の改善に関するものであ
る。さらに詳しくは、電圧共振型コンバータをフォワー
ド整流方式のチョークインプット型平滑回路としたとき
の非ゼロ・クロス動作による変換効率の低下やノイズの
発生を抑制するための遅延インダクタンスのリセット回
路を具備したスイッチング電源回路に関するものであ
る。
【0002】
【従来の技術】スイッチング素子の電圧波形が矩形波モ
ードのスイッチング電源回路において、スイッチング素
子のターン・オンとターン・オフのスイッチング・ロス
(遷移損)は、スイッチング周波数の高周波化に対して
比例的に増加し、スイッチング電源の小型化を妨げるも
のである。これら遷移損を原理的に削減する方式とし
て、スイッチング素子の電圧と電流波形がゼロ・クロス
する共振型コンバータが提案され、実用化されている。
図5は、この電圧共振型コンバータの基本回路とスイッ
チング素子の動作を示し、20、21は入力端子、11
はMOSFETからなるスイッチング素子、12、13
はコンデンサ、14はスイッチング素子11のボディー
・ダイオード、15はVFM信号入力端子、16はイン
バータ・トランス、17、18は出力端子である。
【0003】この図5に示す電圧共振型コンバータにお
いて、スイッチング素子11がオフのときの電圧波形
は、図6に示すように、共振容量Crと共振インダクタ
ンスLrによって正弦波状になり、オフ時間Toffは
入力電圧Vinにおいては共振波数fで固定される。
このため共振インダクタンスLrにインバータ・トラン
ス16のリーケージ・インダクタンスを利用して、フラ
イバック整流方式でコンデンサ・インプット型の平滑回
路とした出力回路とするのが合理的である。しかし、フ
ライバック整流方式では、コンデンサのリップル電流が
多くなることや、出力のリップル電圧が多くなるため、
図7のように、あえてフォワード整流方式でチョーク・
インプット型の平滑回路とした出力回路を用いている。
【0004】図7のフォワード整流方式において、スイ
ッチング素子11の電圧共振は、入力電圧Vinを中心
に共振するため、スイッチング素子11のオフ時のフラ
イバック電圧が入力電圧以下に低下すると出力側に電力
供給する。このため電圧共振型コンバータからみた出力
インピーダンスが低下し、図8のようにスイッチング素
子11のオン直前にスイッチング素子11の電圧波形が
正弦波モードから矩形波モードになり、スイッチング素
子11の電流は正から流れ出してゼロ・クロス・オンと
はならない。このため、遷移損が発生し、変換効率の低
下とノイズの増加によりスイッチング電源の信頼性を著
しく低下している。この場合のターン・オン時のスイッ
チング・ロス(遷移損)は以下の式で算出される。 ターン・オン・ロス=1/2・C・V・f 〔W〕 但し、C=共振コンデンサの容量 V=オン直前のスイッチング素子11の電圧 f=スイッチング周波数である。
【0005】そこで、電圧共振型コンバータにおいて、
フォワード整流した場合の非ゼロ・クロス・オンを避け
るため、図9のようにインバータ・トランス16の出力
と整流ダイオード22の間に遅延インダクタンス(レゾ
ナンサー)25を直列に挿入した回路が知られている
(例えば、特開平3−135367号公報)。このとき
のインバータ・トランス16の他方の出力端子と遅延イ
ンダクタンス25との間の電圧Vlsと、スイッチング
素子11の電流Iqと、スイッチング素子11間の電
圧Vqは、図10に示され、出力インピーダンスの低
下を遅延させることによってフォワード整流時の電圧共
振動作を継続させ、ゼロ・クロス・オンを達成してい
る。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】しかし、遅延インダク
タンス(レゾナンサー)25のリセットは整流ダイオー
ド22の逆回復時間に頼っており、また、Co基アモル
ファス磁性合金の残留磁束密度(Br)が高いため、図
11のB−Hカーブに示すように、毎サイクルにおいて
確実なリセットがなされていない。このため、インバー
タ・トランス16の2次タップ電圧と遅延時間の積に対
して、遅延インダクタンス(レゾナンサー)25のコア
・ボリュームを十分大きくしても電圧共振動作が継続さ
れず、変換効率の向上とノイズの低減ができないという
問題があった。本発明は、電圧共振型コンバータをフォ
ワード整流したときの非ゼロ・クロス動作による変換効
率の低下やノイズの発生を、簡単な回路構成により抑制
することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は、インバータ・
トランス16の出力側と整流ダイオード22の間に、C
o基アモルファス磁性合金で作られた遅延インダクタン
ス25を直列に挿入してなる電圧共振動作を用いたスイ
ッチング電源において、電圧共振を助長するための前記
遅延インダクタンス25をスイッチング・サイクル毎に
リセットして、その作用により電圧共振動作を確実にす
るリセット回路を具備し、このリセット回路は、前記遅
延インダクタンス25の出力側とインバータ・トランス
16の他端との間に、ダイオード26と抵抗27の直列
回路を挿入し、この抵抗27に、さらにコンデンサ29
を並列接続してなることを特徴とするスイッチング電源
回路である。
【0008】
【作用】出力に電力を供給しないスイッチング素子11
のオフ時のインバータ・トランス11の2次逆電圧を利
用することで、遅延インダクタンス(レゾナンサー)2
5をスイッチング・サイクル毎に確実にリセットするこ
とが可能となり、スイッチング素子11の遷移損増加を
削減できる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づき説明す
る。図1は、本発明の基本的な回路を示すもので、この
図1は、前記図9における遅延インダクタンス(レゾナ
ンサー)25の出力側に、ダイオード26のカソード側
を接続し、かつ、このダイオード26のアノード側に抵
抗27を直列に接続し、この抵抗27の他端を、インバ
ータ・トランス16の他端に接続したものである。この
ような回路構成において、スイッチング素子11のオフ
時に、ダイオード26と抵抗27とによって遅延インダ
クタンス(レゾナンサー)25にリセット電流Il≒V
ns÷R〔A〕を流すものである。このとき、 最大リセット電流≒(Vt−VF)÷R 〔A〕 となる。 但し、Vt=トランス16のタップ電圧 VF=ダイオード26の順方向電圧降下 R=抵抗27の抵抗値である。
【0010】遅延インダクタンスが必要とするリセット
電流は、安定した遅延時間を得るために、遅延インダク
タンスに用いる磁芯の保磁力(Hc)以上を流す必要が
ある。具体的なリセット電流は、磁芯の材料や形状によ
るが、以下の式で算出される。 リセット電流=Hc×Le÷N 〔A〕 但し、Hc=磁芯の保磁力 Le=磁芯の磁路長 N=コイルの巻数である。
【0011】この図1の回路では、インバータ・トラン
ス16の2次電圧Vnsと直列抵抗27の抵抗値Rによ
って、遅延インダクタンス(レゾナンサー)25のリセ
ット電流を決定し、リセット時間はスイッチング素子1
1のオフ時間となり、特に出力電圧が高い場合には、遅
延インダクタンス(レゾナンサー)25のリセット電流
を一定とするために抵抗27のロスが多くなってしま
う。そこで、リセット電流による制御電力を少なくする
方法としては、図2のように、遅延インダクタンス(レ
ゾナンサー)25の2次側に制御コイル28を設け、こ
の制御コイル28に、ダイオード26、抵抗27の直列
回路を接続し、インバータ・トランス16の2次側に接
続する。
【0012】このような回路構成とすることによって、
リセット電流は、遅延インダクタンス(レゾナンサー)
25と制御コイル28の巻き数比と抵抗27によって決
定することができ、図1の回路の抵抗のロスが減少でき
る。このとき、 最大リセット電流≒{(Vt−VF)÷R}×(NLs
s÷NLsp) 〔A〕となる。 但し、NLss=遅延インダクタンス25の主巻線数 NLsp=遅延インダクタンス25の制御コイル28の
巻線数である。
【0013】リセット電流とリセット時間を少なくする
方法としては、また、遅延インダクタンス(レゾナンサ
ー)25に制御コイル28を使用しない方法で、同等の
機能を有する簡便な回路構成として、図1の回路の抵抗
27にコンデンサ29を並列接続して図3のような回路
構成とし、このコンデンサ29の充電時定数を利用して
リセットする回路も可能である。このとき、 最大リセット電流≒(Vt−VF)×C÷t 〔A〕 となる。
【0014】一方、遅延インダクタンスの側からリセッ
ト電流を低減する手段としては、磁芯中に磁場中焼き鈍
した角型比の高いCo基アモルファス合金を用いること
が効果的である。例えば、若干量のFeを含有するCo
−Fe−Si−Bアモルファス合金は、磁歪が略零であ
り、保磁力(Hc)が極めて小さいため、少ない電流で
リセットが可能である。さらに、磁芯の発熱を抑えるた
め、アモルファス合金の飽和磁化(Bs)が小さな組成
を選択することが好ましい。飽和磁化(Bs)を下げる
ための具体的な方法としては、Co,Feの比を磁歪零
に保ったまま、Co+Feの総量を低減する方法、また
はMo,Nb,Ta,W,Cr,Vなどを5原子%以下
の少量添加する方法がある。さらに加えてSn,Siを
1原子%以下の微量添加したものは、アニール条件の適
正範囲が広がり、磁芯加工プロセス上好ましい結果をも
たらす。
【0015】遅延インダクタンス用の磁芯として最適な
仕様は、以下のとおりである。 角型比:0.98, Bs:0.3T, Hc:0.0
06Oe 組 成:Co−Fe−Si−B−Mo−Snのアモルフ
ァス合金
【0016】
【発明の効果】本発明は、上述のように構成したので、
遅延インダクタンス(レゾナンサー)のリセット回路
は、電圧共振型コンバータにおけるフォワード出力時の
遅延インダクタンス(レゾナンサー)素子をスイッチン
グ・サイクル毎にリセットすることができ、スイッチン
グ素子の確実なゼロ・クロスにより電源回路の高効率化
とノイズ発生を低減でき、安定動作な信頼性の高いスイ
ッチング電源回路を提供するものである。また、リセッ
ト回路は、遅延インダクタンス25に、ダイオード26
と抵抗27の直列回路を接続し、この抵抗27に、さら
にコンデンサ29を並列接続したので、コンデンサ29
の充電時定数を利用してリセット時間を短くでき、かつ
回路構成も簡単になる。さらに、スイッチング素子11
の電圧波形が正弦波状のスイッチング電源であって、イ
ンバータ・トランス16の1次側と同相に巻かれた2次
側に、整流ダイオード22と、インダクタンス19と、
コンデンサ24とをフォワード整流方式で、かつチョー
クインプット型平滑回路に接続した回路において、イン
バータ・トランス16の2次側と整流ダイオード22と
の間に電圧共振を助長するための遅延インダクタンス2
5を直列に挿入し、この遅延インダクタンス25をスイ
ッチング・サイクル毎にリセットして、その作用により
電圧共振動作を確実にするリセット回路を具備し、この
リセット回路は、遅延インダクタンス25の2次側の制
御コイル28とダイオード26と抵抗27との直列回路
を、インバータ・トランス16の出力側の両端間に挿入
してなるから、リセット電流は、遅延インダクタンス
(レゾナンサー)25と制御コイル28の巻き数比と抵
抗27によって決定することができ、図1の回路の抵抗
のロスが減少できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるスイッチング電源回路の第1実施
例の電気回路図である。
【図2】本発明によるスイッチング電源回路の第2実施
例の電気回路図である。
【図3】本発明によるスイッチング電源回路の第3実施
例の電気回路図である。
【図4】リセット回路を具備した遅延インダクタンスの
B−Hカーブである。
【図5】電圧共振型コンバータの基本回路図である。
【図6】電圧共振型コンバータの基本動作波形図であ
る。
【図7】電圧共振型コンバータのフォワード方式の回路
図である。
【図8】図7における波形図である。
【図9】遅延インダクタンスを具備した電圧共振型コン
バータの回路図である。
【図10】図9における波形図である。
【図11】リセット回路を具備しない遅延インダクタン
スのB−Hカーブである。
【符号の説明】
11…スイッチング素子、12…コンデンサ、13…コ
ンデンサ、14…スイッチング素子11のボディー・ダ
イオード、15…VFM信号入力端子、16…インバー
タ・トランス、17…出力端子、18…出力端子、19
…インダクタンス、20…入力端子、21…入力端子、
22…ダイオード、23…ダイオード、24…コンデン
サ、25…遅延インダクタンス、26…ダイオード、2
7…抵抗、28…制御コイル、29…コンデンサ。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 インバータ・トランス16の出力側と整
    流ダイオード22の間に、Co基アモルファス磁性合金
    で作られた遅延インダクタンス25を直列に挿入してな
    る電圧共振動作を用いたスイッチング電源において、電
    圧共振を助長するための前記遅延インダクタンス25を
    スイッチング・サイクル毎にリセットして、その作用に
    より電圧共振動作を確実にするリセット回路を具備し、
    このリセット回路は、前記遅延インダクタンス25の出
    力側とインバータ・トランス16の他端との間に、ダイ
    オード26と抵抗27の直列回路を挿入し、この抵抗2
    7に、さらにコンデンサ29を並列接続してなることを
    特徴とするスイッチング電源回路。
  2. 【請求項2】 インバータ・トランス16の1次側に、
    直列にスイッチング素子11を接続するとともに、並列
    にコンデンサ13を接続してなるスイッチング素子11
    の電圧波形が正弦波状のスイッチング電源であって、前
    記インバータ・トランス16の1次側と同相に巻かれた
    2次側に、整流ダイオード22と、インダクタンス19
    と、コンデンサ24とをフォワード整流方式で、かつチ
    ョークインプット型平滑回路に接続した回路において、
    前記インバータ・トランス16の2次側と前記整流ダイ
    オード22との間にCo基アモルファス磁性合金で作ら
    れ電圧共振を助長するための遅延イングクタンス25を
    直列に挿入し、この遅延インダクタンス25をスイッチ
    ング・サイクル毎にリセットして、その作用により電圧
    共振動作を確実にするリセット回路を具備し、このリセ
    ット回路は、前記遅延インダクタンス25の2次側の制
    御コイル28とダイオード26と抵抗27との直列回路
    を、インバータ・トランス16の出力側の両端間に挿入
    してなることを特徴とするスイッチング電源回路。
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