JP2837886B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、トランスの一次側への直流電圧をスイッチ
ングし、二次側の誘起電圧を整流、平滑するスイッチン
グ電源回路の改良に関する。

〔従来の技術〕

従来、トランスの一次側に印加された直流電圧をスイ
ッチングすることにより、二次側に生じる交流電圧を整
流、平滑して負荷に供給するようにしたスイッチング電
源回路が、例えば第５図〜第７図に示すように、各種知
られている。

すなわち、第５図に示すフォワード方式（ON−ON方
式）のスイッチング電源回路では、直流電源１が接続さ
れた後、駆動回路３からの駆動パルスによりスイッチン
グ用のトランジスタQ₁がオン、オフ駆動されると、トラ
ンスT₅の一次側コイルL₅₁への電流がスイッチングさ
れ、二次側コイルL₅₂に電圧が誘起される。この誘起電
圧により生じる電流はダイオードD₄およびチョークコイ
ルL₄で整流、平滑された後、負荷２に供給される。一
方、上記トランジスタQ₁がオフのときはチョークコイル
L₄に蓄積された電力がフライホイール用ダイオードD₅を
通して負荷２に供給される。

また、第６図のフォワード方式のスイッチング電源回
路は大電力用のプッシュプル方式のスイッチング電源回
路である。すなわち、このスイッチング電源回路では、
直流電源１が接続された後、駆動回路４からの駆動パル
スによりスイッチング用トランジスタQ₇,Q₈が交互にオ
ン、オフ駆動され、トランスT₅の一次側コイルL₆₁,L₆₂
に交互に逆向きの電流が流れる。このため、二次側コイ
ルL₆₃,L₆₄に交流電圧が誘起され、この誘起電圧により
生じる交流電流がダイオードD₆,D₇により整流され、更
にチョークコイルL₄およびコンデンサC₂により平滑され
て負荷２に供給される。

また、上記駆動パルスは回路の安全動作を考慮してト
ランジスタQ₇,Q₈を共にオフにするデッド期間が形成さ
れ、チョークコイルL₄に蓄積された電力がこのデッド期
間中、ダイオードD₆もしくはダイオードD₇を通して負荷
２に供給されるようにしている。

さらに、第７図のスイッチング電源回路は上記プッシ
ュプル方式のスイッチング電源回路にフライホイール用
ダイオードD₈を設けたものである。すなわち、このスイ
ッチング電源回路では、デッド期間中、チョークコイル
L₄の蓄積電力がダイオードD₈を通して負荷２に供給され
るようにしている。このようにデッド期間中の負荷２へ
の電力供給により、その変動が低減される。

〔発明が解決しようとする課題〕

上記第５図のスイッチング電源回路では、上述したよ
うにトランジスタQ₁がオフの間、チョークコイルL₄、負
荷２およびダイオードD₅のループに電流が流れて、ダイ
オードD₅は順方向にバイアスされている。ところが、次
にトランジスタQ₁がオンしてダイオードD₅に二次側コイ
ルL₅₂の誘起電圧が逆バイアスとして印加されると、ダ
イオードの特性上、ダイオード内部のRN接合部のキャリ
アの消滅する短時間だけ、ダイオードD₅に逆方向電流
（リカバリ電流）が流れる。そして、この逆方向電流が
ダイオードD₅、二次側コイルL₅₂およびダイオードD₄の
ループを形成して流れることにより、スイッチング電源
回路の高周波ノイズ発生の原因となっていた。

また、上記第６図のスイッチング電源回路では、例え
ばトランジスタQ₇のオフ直後のデッド期間にチョークコ
イルL₄、二次側コイルL₆₃、ダイオードD₆のループに電
流が流れ、ダイオードD₆は順方向にバイアスされてい
る。ところが、デッド期間が経過してトランジスタQ₈が
オンすると、ダイオードD₇が二次側コイルL₆₄により順
方向にバイアスされ、上記第５図のスイッチング電源回
路の場合と同様に、ダイオードD₆に二次側コイルL₆₄の
誘起電圧が逆バイアスとして印加される。この結果、上
述したように、ダイオードD₆に逆方向電流が流れて高周
波ノイズが発生する。この高周波ノイズは出力電力が大
きさに比例して大きくなる。

さらに、上記第７図のスイッチング電源回路では、デ
ッド期間経過後、トランジスタQ₇またはトランジスタQ₈
がオンすると、上記第５図および第６図のスイッチング
電源回路の場合と同様に、ダイオードD₈は順方向電流が
流れている状態で逆バイアス電圧が印加されることにな
り、逆方向電流が流れて高周波ノイズを発生する。

一方、上記高周波ノイズを低減するために、抵抗とコ
ンデンサからなるスナバ回路を並列接続したものがある
が、ダイオードのスイッチング速度が遅くなるととも
に、ダイオードでの損失、発熱が問題になる。

また、上記高周波ノイズが発生しないフライバック方
式（ON−OFF方式）のスイッチング電源回路が知られて
いる。すなわち、このスイッチング電源回路はスイッチ
ング用のトランジスタがオンしたとき、二次側のダイオ
ードに電流が流れないようにトランスの一次側および二
次側コイルの巻線の極性を設定して逆方向電流を流さな
いようにしたものである。ところが、フライバック方式
のスイッチング電源回路はその構成上、大電力用には不
向きであり、汎用性に欠ける点がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたもので、高周波
ノイズの発生を低減させるフォワード方式のスイッチン
グ電源回路を提供することを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明は、トランスの一
次側コイルの中点と両端との間にそれぞれ接続されたス
イッチング手段と、該スイッチング手段を交互にオンさ
せる駆動回路と、二次側コイルの中点と両端との間に誘
起される電圧をそれぞれ整流して共通ラインに導く整流
手段と、共通ライン上に設けられ各整流手段からの出力
を平滑するインダクタンスを含む平滑手段とを有し、平
滑手段の出力を負荷に供給するフォワード方式のスイッ
チング電源回路であって、上記整流手段は、二次側コイ
ルの一端側と平滑手段との間に接続された第１のスイッ
チング素子と、二次側コイルの他端側と平滑手段との間
に接続された第２のスイッチング素子と、トランスの一
次側コイルと磁気結合された他の二次側コイルの両端が
それぞれ上記第１、第２のスイッチング素子の制御端子
に接続されると共に、上記他の二次側コイルの中点と上
記第１、第２のスイッチング素子の制御端子との間に、
前記インダクタンスと磁気結合された二次コイルをそれ
ぞれ接続したことを特徴とするものである。

（作用） 上記構成のスイッチング電源回路によれば、トランス
の一次側のスイッチング手段のオンオフに同期して、二
次側の第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素
子とが交互にオンされる。第１のスイッチング素子がオ
ンする時点では、他の二次側コイルを介して第２のスイ
ッチング素子の制御端子に入力される逆極性の電圧によ
り該第２のスイッチング素子がオフにされる。逆に、第
２のスイッチング素子がオンする時点では、他の二次側
コイルを介して第１のスイッチング素子の制御端子に入
力される逆極性の電圧により該第１のスイッチング素子
がオフにされる。このため、各スイッチング手段が交互
にオンするのと同期してオンするスイッチング素子とは
異なる方のスイッチング素子がオフされることになるの
で、高周波ノイズの発生が低減される。

〔実施例〕

第１図は本発明にかかるスイッチング電源回路の第１
実施例の回路図である。

直流電源１は電池等からなり、直流電圧を本スイッチ
ング電源回路に供給するものである。スイッチング用の
トランジスタQ₁は駆動回路３からの駆動パルスによりオ
ン、オフ駆動されるものである。そして、トランジスタ
Q₁が駆動回路３からのパルス信号を入力してオンする
と、直流電源１からの電流がトランスT₁の一次側コイル
L₁に流れる。駆動回路３は所定周波数のパルスからなる
駆動パルスをトランジスタQ₁のベースに出力してトラン
ジスタQ₁を駆動するものである。コンデンサC₁は平滑用
コンデンサである。

トランスT₁の二次側コイルL₂〜L₄は一次側コイルL₁に
電流が流れると、電圧を誘起するものである。二次側コ
イルL₂は負荷２に電力を供給するためのもので、二次側
コイルL₃はトランジスタQ₂をオンさせるためのものであ
る。また、二次側コイルL₄はトランジスタQ₃をオフにす
るためのものである。トランジスタQ₂は二次側コイルL₂
に誘起される電圧を整流するもので、オンの期間中、チ
ョークコイルL₄を通して二次側コイルL₂の誘起電圧によ
り生じる電流を負荷２に供給する。トランジスタQ₃はオ
ンの期間中、チョークコイルL₄の蓄積電力を負荷２に供
給するループを形成させるものである。

チョークコイルL₄はトランジスタQ₂がオン期間に蓄積
した電力を、トランジスタQ₂のオフ期間に負荷２に供給
するためのものである。コンデンサC₂は平滑用コンデン
サである。

次に、上記第１実施例の動作について説明する。

直流電源１が接続された後、駆動回路３からの駆動パ
ルスによりトランジスタQ₁がオンすると、直流電源１か
らの電流がトランスT₁の一次側コイルL₁に流れ、二次側
コイルL₂〜L₄に電圧がそれぞれ誘起される。この二次側
コイルL₃,L₄の誘起電圧によりトランジスタQ₁のオンと
同時にトランジスタQ₂がオンするとともにトランジスタ
Q₃がオフになる。そして、二次側コイルL₂の誘起電圧に
よる電流がトランジスタQ₂およびチョークコイルL₄を通
して負荷２へ供給される。

一方、トランジスタQ₁がオフになると、二次側コイル
L₂〜L₄の電圧もローレベルになり、上記トランジスタQ₁
のオフと同時にトランジスタQ₂がオフになるとともにト
ランジスタQ₃がオンする。このため、チョークコイルL₄
の蓄積電力がトランジスタQ₃を通して負荷２へ供給され
る。

次に、駆動回路３から駆動パルスが入力されてトラン
ジスタQ₁がオンすると、これと同時にトランジスタQ₂が
オンするとともにトランジスタQ₃がオフになり、電流が
トランジスタQ₂およびチョークコイルL₄を経て負荷２へ
供給される。すなわち、上述したトランジスタQ₁〜Q₃の
オン、オフ動作が繰り返されて、電力が負荷２へ供給さ
れる。

このように第１実施例では、二次側コイルL₃,L₄を用
いてトランジスタQ₂,Q₃をオン、オフ駆動するので、簡
単な回路構成でトランジスタQ₂,Q₃のオン、オフ動作を
トランジスタQ₁のオン、オフ動作に同期させることがで
きる。

次に、本発明にかかるスイッチング電源回路の第２実
施例について第２図を用いて説明する。なお、図中、第
１図と同一符号が付されたものは同一物を示す。

トランスT₂の二次側コイルL₆,L₇は駆動回路３からの
駆動パルスでトランジスタQ₁がオン、オフされ、一次側
コイルL₅に電流が流れると、電圧がそれぞれ誘起される
ものである。ダイオードD₁およびコンデンサC₃は上記二
次側コイルL₇の誘起電圧を整流、平滑し、抵抗R₁,R₂を
通してフォトカプラPIを構成する受光トランジスタおよ
びトランジスタQ₆に供給するためのものである。フォト
カプラPIを構成する発光ダイオードは駆動回路３からの
駆動パルスの出力期間中、点灯して上記受光トランジス
タをオンするものである。

トランジスタQ₆は上記受光トランジスタがオンする
と、オフになる。そして、このトランジスタQ₆がオフに
なると、抵抗R₂を通してトランジスタQ₄,Q₅のベースに
ハイレベルが出力される。一方、上記受光トランジスタ
がオフになると、抵抗R₁を通してトランジスタQ₆のベー
スにハイレベルが印加されてトランジスタQ₆がオンし、
トランジスタQ₄,Q₅のベースがローレベルになる。

トランジスタQ₄はオン期間中、チョークコイルL₄を通
して二次側コイルL₆の誘起電圧に生じる電流を負荷２に
供給するものである。トランジスタQ₅はオン期間中、チ
ョークコイルL₄の蓄積電力を負荷２に供給するループを
形成させるものである。

次に、上記第２実施例の動作について説明する。

直流電源１が接続されると、駆動回路３からのの駆動
パルスによりトランジスタQ₁がオンするとともに、フォ
トカプラPIを構成する発光ダイオードが点灯してフォト
カプラPIを構成する受光トランジスタをオンする。この
ため、直流電源１からの電流がトランスT₂の一次側コイ
ルL₅に流れ、二次側コイルL₆,L₇に電圧がそれぞれ誘起
される。

一方、上記受光トランジスタのオンによりトランジス
タQ₆がオフになり、抵抗R₂を通してトランジスタQ₄,Q₅
のベースにハイレベルが出力される。このため、トラン
ジスタQ₁のオンと同時にトランジスタQ₄がオンするとと
もにトランジスタQ₅がオフになり、二次側コイルL₆の誘
起電圧による電流がトランジスタQ₄およびチョークコイ
ルL₄を通して負荷２へ供給される。

一方、駆動回路３からの駆動パルスのハイ期間が終了
すると、トランジスタQ₁がオフになるとともにフォトカ
プラPIを構成する発光ダイオードが消灯されてフォトカ
プラPIを構成する受光トランジスタがオフになる。する
と、二次側コイルL₆,L₇の電圧もローレベルになる。ま
た、上記受光トランジスタのオフによりトランジスタQ₆
がオンしてトランジスタQ₄,Q₅のベースがそれぞれロー
レベルになる。このため、トランジスタQ₁のオフと同時
にトランジスタQ₄がオフになるとともにトランジスタQ₅
がオンする。そして、チョークコイルL₄の蓄積電力がト
ランジスタQ₅を通して負荷２へ供給される。

次に、駆動回路３から駆動パルスが入力されてトラン
ジスタQ₁がオンすると、これと同時にトランジスタQ₄が
オンするとともにトランジスタQ₅がオフになり、電流が
トランジスタQ₄およびチョークコイルL₄を経て負荷２へ
供給される。すなわち、上述したトランジスタQ₁,Q₄お
よびQ₅のオン、オフ動作が繰り返されて、電力が負荷２
へ供給される。

このように第２実施例では、駆動回路３からの駆動パ
ルスを用いて二次側のトランジスタを駆動するので、応
答性を高めることができる。

なお、第２実施例では、一次、二次間の絶縁を確実に
するためにフォトカプラPIを用いたが、一次、二次間の
絶縁を必要としない場合には、フォトカプラPIを用いず
に駆動回路３からの駆動パルスで直接トランジスタQ₄,Q
₅を駆動するようにしてもよい。

次に、本発明にかかるスイッチング電源回路の第３実
施例について第３図を用いて説明する。なお、図中、第
１図と同一符号が付されたものは同一物を示す。

駆動回路４はスイッチング用のトランジスタQ₇,Q₈に
それぞれ駆動パルスを出力してトランジスタQ₇,Q₈を交
互にオン、オフさせるものである。上記駆動パルスには
トランジスタQ₇,Q₈を共にオフにするデッド期間が形成
されている。

トランジスタQ₇はオン期間中、トランスT₃の一次側コ
イルL₈に電流を流して二次側コイルL₁₀,L₁₁,L₁₅およびL
₁₆にそれぞれ電圧を誘起させるものである。トランジス
タQ₈はオンすると、トランスT₃の一次側コイルL₉に電流
を流して二次側コイルL₁₀,L₁₁,L₁₅,L₁₆にそれぞれ逆極
性の電圧を誘起させるものである。

トランジスタQ₉は二次側コイルL₁₀に誘起される電流
を整流するもので、二次側コイルL₁₅から誘起電圧がベ
ースに印加される間オンして二次側コイルL₁₀の誘起電
圧による電流をチョークトランスT₃₁の一次側コイルL₁₄
を通して負荷２に供給する。また、トランジスタQ₁₀は
トランジスタQ₈のオン期間中、一次側コイルL₉に流れる
電流により二次側コイルL₁₆に誘起された逆極性の電圧
によってオフにされる。トランジスタQ₁₀は二次側コイ
ルL₁₁に誘起される電流を整流するもので、二次側コイ
ルL₁₆の誘起電圧がベースに印加される間オンして二次
側コイルL₁₁の誘起電圧による電流をチョークトランスT
₃₁の一次側コイルL₁₄を通して負荷２に供給する。ま
た、トランジスタQ₉はトランジスタQ₇がオン期間中、一
次側コイルL₈に流れる電流により二次側コイルL₁₅に誘
起された逆極性の電圧によってオフにされる。

チョークトランスT₃₁は互いに逆極性の二次側コイルL
₁₂,L₁₁が形成されている。これらの二次側コイルL₁₂,L
₁₁にはデッド期間に一次側コイルL₁₄の電流が遮断され
ることによってそれぞれ逆極性の電圧が誘起されるもの
である。そして、二次側コイルL₁₂に誘起された電圧が
ダイオードD₂を通してトランジスタQ₉のベースに印加さ
れることにより、トランジスタQ₉がオンする。また、二
次側コイルL₁₃に誘起された電圧がダイオードD₃を通し
てトランジスタQ₁₀のベースに印加されることにより、
トランジスタQ₁₀がオンする。

なお、ダイオードD₂,D₃はトランスT₃の二次側コイルL
₁₅,L₁₆の誘起電圧がチョークトランスT₃₁の二次側コイ
ルL₁₂,L₁₃に印加されて、チョークトランスT₃₁の一次側
コイルL₁₄に電圧を誘起しないようにするものである。

次に、上記第３実施例の動作について説明する。

直流電源１が接続され、駆動回路４からの駆動パルス
により、例えば、まずトランジスタQ₈がオンすると、ト
ランスT₃の一次側コイルL₉に電流が流れる。この一次電
流により、二次側コイルL₁₅に誘起された電圧がトラン
ジスタQ₉のベースに印加されてトランジスタQ₉がオン
し、二次側コイルL₁₀の誘起電圧による電流をチョーク
トランスT₃₁の一次側コイルL₁₄を通して負荷２に供給す
る。

そして、上記駆動パルスの送出が終了すると、トラン
ジスタQ₈がオフになってデッド期間に移行する。このと
き、チョークトランスT₃₁の二次側コイルL₁₂,L₁₃にそれ
ぞれ電圧が誘起され、これらの誘起電圧がそれぞれダイ
オードD₂,D₃を通してトランジスタQ₉,Q₁₀の各ベースに
印加される。このため、上記トランジスタQ₉,Q₁₀がそれ
ぞれオンしてチョークトランスT₃₁の一次側コイルL₁₄の
蓄積電力が上記トランジスタQ₉,Q₁₀およびトランスT₃の
二次側コイルL₁₀,L₁₁を通して負荷２へ供給される。

次に、次周期の駆動パルスにより、トランジスタQ₇が
オンすると、トランスT₃の一次側コイルL₈に電流が流れ
る。この一次電流により、二次側コイルL₁₆に誘起され
た電圧がトランジスタQ₁₀のベースに印加されてトラン
ジスタQ₁₀がオンする。このため、二次側コイルL₁₁の誘
起電圧による電流がチョークトランスT₃₁の一次側コイ
ルL₁₄を通して負荷２に流れる。こののち、トランジス
タQ₇がオフになってデッド期間に移行すると、上述同様
チョークトランスT₃₁の二次側コイルL₁₂,L₁₃の誘起電圧
により、トランジスタQ₉,Q₁₀がそれぞれオンしてチョー
クトランスT₃₁の一次側コイルL₁₄の蓄積電力が負荷２へ
供給される。

さらに、次周期の駆動パルスにより、トランジスタQ₇
がオンすると、トランジスタQ₉がオンし、二次側コイル
L₁₀の誘起電圧による電流がチョークトランスT₃₁の一次
側コイルL₁₄を通して負荷２に供給される。すなわち、
上述したトランジスタQ₇とQ₈およびトランジスタQ₉とQ
₁₀のオン、オフ動作が交互に繰り返され、電力が負荷２
へ供給される。

このように第３実施例では、トランスT₃の二次側コイ
ルL₁₀,L₁₁に加えてチョークトランスT₃₁の二次側コイル
L₁₂,L₁₃を設けたことにより、簡単な回路構成でデッド
期間中、トランジスタQ₉,Q₁₀の駆動を行うことができ
る。

次に、本発明にかかるスイッチング電源回路の第４実
施例について説明する。なお、図中、第３図と同一符号
が付されたものは同一物を示す。

第４実施例では、上記第３実施例のチョークトランス
T₃₁およびダイオードD₂,D₃に代えて、一次側コイルL₂₁
および二次側コイルL₂₂からなるチョークトランスT₄₁お
よびトランジスタQ₁₁を設けたものである。

すなわち、チョークトランスT₄₁の二次側コイルL₂₂は
トランジスタQ₇,Q₈のいずれかのオン期間中、トランジ
スタQ₁₁のベースに誘起電圧（逆方向バイアス）を印加
してトランジスタQ₁₁をオフにするものである。また、
上記二次側コイルL₂₂はトランジスタQ₇,Q₈が共にオフに
なるデッド期間中、トランジスタQ₁₁のベースに逆向き
の誘起電圧（順方向バイアス）を印加してトランジスタ
Q₁₁をオンさせるものである。トランジスタQ₁₁は上記デ
ッド期間中、オンしてチョークトランスT₄₁の一次側コ
イルL₂₁の蓄積電力を負荷２へ供給するものである。

このように第４実施例では、チョークトランスT₄₁お
よびトランジスタQ₁₁からなる簡単な回路構成でデッド
期間中、チョークトランスT₄₁の一次側コイルL₂₁の蓄積
電力を負荷２へ供給することができる。

なお、第３実施例および第４実施例は、ハーフブリッ
ジ方式やブリッジ方式のスイッチング電源回路にもダイ
オードに代えてトランジスタを用いることにより、適用
可能である。

〔発明の効果〕

本発明は、スイッチング素子を用いるので、逆方向電
流による高周波ノイズの発生を低減することができる。
また、トランスの一次側のスイッチング時点と同期して
二次側のスイッチング素子をオン、オフするようにした
ので、スイッチング素子に逆向きの電圧が印加される時
点では常にスイッチング素子がオフになる。このため、
大電力用のスイッチング電源回路であっても逆方向電流
に起因する高周波ノイズを低減することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明にかかるスイッチング電源回路の第１実
施例の回路図、第２図は本発明にかかるスイッチング電
源回路の第２実施例の回路図、第３図は本発明にかかる
スイッチング電源回路の第３実施例の回路図、第４図は
本発明にかかるスイッチング電源回路の第４実施例の回
路図、第５図〜第７図は従来のスイッチング電源回路の
回路図である。 １……直流電源、２……負荷、3,4……駆動回路、Q₁〜Q
₁₁……トランジスタ、T₁〜T₃……トランス、T₃₁,T₄₁…
…チョークトランス、L₁〜L₁₁,L₁₅,L₁₆……トランスの
コイル、L₁₂〜L₁₄,L₂₁,L₂₂……チョークトランスのコイ
ル、PI……フォトカプラ、D₂,D₃……ダイオード。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】トランスの一次側コイルの中点と両端との
   間にそれぞれ接続されたスイッチング手段と、該スイッ
   チング手段を交互にオンさせる駆動回路と、二次側コイ
   ルの中点と両端との間に誘起される電圧をそれぞれ整流
   して共通ラインに導く整流手段と、共通ライン上に設け
   られ各整流手段からの出力を平滑するインダクタンスを
   含む平滑手段とを有し、平滑手段の出力を負荷に供給す
   るフォワード方式のスイッチング電源回路であって、上
   記整流手段は、二次側コイルの一端側と平滑手段との間
   に接続された第１のスイッチング素子と、二次側コイル
   の他端側と平滑手段との間に接続された第２のスイッチ
   ング素子と、トランスの一次側コイルと磁気結合された
   他の二次側コイルの両端がそれぞれ上記第１、第２のス
   イッチング素子の制御端子に接続されると共に、上記他
   の二次側コイルの中点と上記第１、第２のスイッチング
   素子の制御端子との間に、前記インダクタンスと磁気結
   合された二次コイルをそれぞれ接続したことを特徴とす
   るスイッチング電源回路。