JP2861246B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は産業用や民生用の電子機器に直流安定化電圧
を供給するスイッチング電源装置に関する。

従来の技術 近年、各種高性能な電子機器の開発にともない、その
電子機器に用いられる電源も高機能，高性能が要求され
てきている。その中で高能率動作として特徴のある電力
の回生動作を行わせる電源装置の改善についても各種提
案がなされている。（たとえば、特願平１−235035号） 従来、この種のスイッチング電源装置は第２図に示す
ような構成であった。

第２図において、１は直流電源、２は抵抗、３はスイ
ッチ手段としてのトランジスタ、４はコレクタ巻線、５
はベース巻線、６は抵抗、７は抵抗、８はコンデンサ、
９はダイオード、10はトランジスタ、11はコンデンサ、
12は２次巻線、13は電界効果型トランジスタ、14は電界
効果型トランジスタ13の寄生ダイオード、15は平滑コン
デンサ、16,16′は出力端子、17は基準電源、18は誤差
増幅器、19はパルス幅変換器、20は抵抗、21は抵抗、22
はコンデンサ、23はダイオード、25はトランスという構
成要素となっている。

つぎに第２図の各構成要素相互の関係と動作について
説明する。直流電源１が接続されると抵抗２を介して起
動電流がトランジスタ３に流れ、トランジスタ３はオン
する。トランジスタ３のオンにともなってコレクタ巻線
４と電磁結合している巻線５に電圧が誘起され、抵抗６
を介してトランジスタ３に電流が流れるため、トランジ
スタ３はオンを続ける。一方トランジスタ３がオンして
いるとき、抵抗７を介してコンデンサ８は充電され、所
定の電圧に達するとダイオード９を介してトランジスタ
10をオンさせ、トランジスタ３はオフする。トランジス
タ３がオンしている期間にトランス25に貯えられたエネ
ルギーはコンデンサ11にその一部が充電され、コレクタ
電圧の上昇を抑えてノイズの低減を図るとともに２次巻
線12から電界効果型トランジスタ13の寄生ダイオード14
を通じて平滑コンデンサ15に放出され、出力端子16,1
6′を介して負荷に供給される。出力端子16,16′間の電
圧は基準電源17と誤差増幅器18で比較・増幅されパルス
幅変換器19に加わる。パルス幅変換器19は前記入力を所
定のパルス幅に変換した後抵抗20を介して電界効果型ト
ランジスタ13に印加し、電界効果型トランジスタ13をオ
ンからオフへ移行させる。もし出力端子16,16′間の電
圧が基準電源17より高ければ２次巻線12からすべてのエ
ネルギーが平滑コンデンサ15に放出された後も電界効果
型トランジスタ13をオンさせ続け、平滑コンデンサ15か
ら電界効果型トランジスタ13を通じて２次巻線12に電流
を流し続ける。電界効果型トランジスタ13がオフしたと
き、トランス25に貯えられていたエネルギーはコレクタ
巻線４からコンデンサ11を介して直流電源１へ回生され
る。このときコンデンサ22,抵抗21で決まる時間トラン
ジスタ10のベースには電流が流れるため、トランジスタ
３は所定の時間オンが遅れ、コンデンサ11に貯えられた
エネルギーがトランジスタ３で短絡されることを防止す
る。コレクタ巻線４から直流電源１へエネルギーの回生
が続きコンデンサ11の両端電圧が低下して逆極性になる
とダイオード23は導通しコンデンサ11の両端電圧をクラ
ンプする。その後トランジスタ10は再びオフになりトラ
ンジスタ３をオンさせて再び直流電源１からコレクタ巻
線４を介して電流を流し、トランジスタ25にエネルギー
を貯える動作を繰り返す。

もし、出力端子16,16′間の電圧が低下すればパルス
幅変換器19の出力は電界効果型トランジスタ13をオフさ
せるように出力されるため寄生ダイオード14を介して２
次巻線12から平滑コンデンサ15ヘのエネルギー放出が終
了すれば平滑コンデンサ15から２次巻線12を介して電流
は流れないので前記エネルギー回生は行われず、出力端
子16,16′間の電圧は上昇する。また、出力端子16,16′
間の電圧が上昇すれば前記動作とは逆の動作を行い出力
端子16,16′間の電圧を一定に保つ。

発明が解決しようとする課題 このような従来の技術では直流電源（１）が接続され
てトランジスタ３が初めてオンしたとき２次巻線12を介
して電界効果型トランジスタ13のドインに電圧が印加さ
れるが平滑コンデンサ15には何の電荷も貯えられておら
ずパルス幅変換器19の動作も停止したままであるので、
電界効果型トランジスタ13はオフしようとする。しかし
ながら電界効果型トランジスタ13は第３図に示すように
そのゲート・ドレイン間は寄生容量26があるため、ドレ
インに印加された電圧は寄生容量26を介して抵抗20を流
れパルス幅変換器19に印加される。

寄生容量26の値を1500PF、ドレインに印加される電圧
の上昇率を200V/μＳとすると寄生容量26を流れる電流
は0.45Aにも達する。抵抗20の値は通常20〜50Ωに選定
されるので、このため （１） もしパルス幅変換器19の内部で抵抗20が等価的
に出力端子16′に接続されていても電界効果型トランジ
スタ13のゲートには、９〜22.5Vの電圧が印加され、電
界効果型トランジスタ13はオンしてしまう。したがって
トランジスタ３がオンしているときに、電界効果型トラ
ンジスタ13もオンするためコレクタ巻線４のインダクタ
ンスは消滅し、トランジスタ３には過大な電流が流れ最
悪の場合にはトランジスタ３が焼損してしまうことにな
る。とくにプラズマ放電器に使用されるスイッチング電
源装置の場合出力端子16,16′間電圧は定格時150〜200V
に選定されるため、電界効果型トランジスタ13のドレイ
ンに印加される電圧の上昇率は2000V/μＳに達すること
もまれではなく、この場合には3Aの電流が流れることに
なり、とても使用できるものではなかった。

（２） 一方前記課題を防止するためトランジスタ３を
大型化すれば装置全体の高価格化となる。

（３） また電界効果型トランジスタ13をバイポーラト
ランジスタとダイオードの並列接続素子に置きかえれば
このような課題はないが、バイポーラトランジスタはそ
の動作スピードが遅く、またベース電流が必要であるの
でスイッチング損失およびドライブ損失が増加し、高周
波動作ができないため、トランス，ヒートシンクの大型
化，駆動回路の複雑化，内部損失の増加をまねき、装置
としての大型化，高価格化，低効率化，信頼性の低下と
なっていた。

本発明は上記課題に留意し、電源投入時にも安定した
動作が行われ、小型，低価格，高信頼性，高効率のスイ
ッチング電源を提供しようとするものである。

課題を解決するための手段 本発明は上記目的を達成するために、第1,第２および
第３の巻線を有するトランスと、前記第１の巻線の一端
に接続した第１のスイッチング手段と第１のコンデンサ
の並列回路と、この並列回路の他端と第１の巻線の他端
間に接続された電源と、第２の巻線の両端に接続された
第２のコンデンサと電界効果型トランジスタの直列回路
と、第３の巻線の一端と前記電界効果型トランジスタの
ゲート間に電界効果型トランジスタに逆バイアスが加わ
る向きに接続された整流素子とを具備し、第１のスイッ
チング手段を周期的にオンオフさせ電源より第１の巻線
に電流を流す第１の制御手段と、第２のコンデンサの両
端電圧を検出し、電界効果型トランジスタをオンオフさ
せ、この両端電圧を一定に保つ第２の制御手段を有する
構成としたスイッチング電源装置である。

作用 上記構成の本発明のスイッチング電源は第１の制御手
段で第１のスイッチング手段をスイッチングさせること
によりトランスの第１の巻線に電流を流すことにより貯
えられたエネルギーは、第２の巻線を介して電界効果型
トランジスタのスイッチングにより第２のコンデンサに
放出する。

さらに第２のコンデンサが所定の電圧に達していると
きには、電界効果型トランジスタがオンを続け、エネル
ギーを第１の巻線を介して第１のコンデンサから電源に
回生する。このように第２の制御手段により電界効果型
トランジスタのオン期間を制御し、平滑コンデンサであ
る第２のコンデンサの電圧を一定に保つように制御され
る。

ここで、第１のコンデンサに電荷が貯っていないとき
に、第１のスイッチング手段がオンする場合、そのエネ
ルギーが第２の巻線を介して電界効果型トランジスタに
かかる。この場合、第２の制御手段によりオフしている
が、電界効果型トランジスタのドレイン−ゲート間に寄
生容量があるため、ドレインに発生した電圧がゲートに
加わり、電界効果型トランジスタがオンするように働
く。オンすると第２のコンデンサに電荷が貯ってないの
で、第２の巻線が短絡されたことになり、第１のスイッ
チング手段に大電流がながれる。これを防ぐために第３
の巻線に同じように発生した電圧を利用し、整流素子を
介して電界効果型トランジスタをオフするように逆バイ
アスがかかるような極性で接続されているので、電界効
果型トランジスタのゲートに逆バイアスがかかり、第１
のスイッチング手段がオンしているときに、電界効果型
トランジスタがオンすることはない。

実施例 以下、本発明の一実施例について第１図を参照しなが
ら説明する。第１図において従来例の第３図と同じもの
は同一の符号を付して説明は省略する。第２図に追加さ
れたのはトランス２次側に設けた第３の巻線である補助
巻線12aとダイオード24である。

つぎに、上記構成要素の関連動作を説明する。

まず第１のスイッチング手段であるトランジスタ３が
第１の制御手段によりはじめてオンしたとき第２の巻線
である２次巻線12には第２のスイッチング手段である電
界効果型トランジスタ13のドレイン電圧を上昇させる極
性の電圧が誘起される。また補助巻線12aにも電圧が誘
起されるがその極性は第１図の中の黒点印が正になるよ
う巻回されているためダイオード24を介して電界効果型
トランジスタ13のゲート電位を逆バイアスすることによ
って、従来例で説明した第３図の寄生容量26を介して流
れる電流を吸収し、ゲート・ソース間の電圧の上昇を抑
制する。この結果電界効果型トランジスタ13はオンして
トランジスタ３に大電流を流すようなことがなくオフを
続ける。所定の時間経過後２次巻線12および補助巻線12
aの電圧の極性が反転すれば２次巻線12から寄生ダイオ
ード14を介して平滑コンデンサ15ヘエネルギー放電が行
われる。前記動作をくり返して出力電圧16,16′間の電
圧が上昇すれば誤差増幅器18,基準電源17,パルス幅変換
器19で構成され、出力電圧を一定に保つ第２の制御手段
による動作を開始し電界効果型トランジスタ13をオン・
オフさせる信号を抵抗20を介して電界効果型トランジス
タのゲートに与えるが、電界効果型トランジスタ13がオ
ンしなければならないときにはダイオード24は補助巻線
12aの出力電圧で逆バイアスされるためパルス幅変換器1
9による動作に支障を与えることはない。

以上の説明はＮチャネル電界効果型トランジスタを用
いた場合で行ったが、Ｐチャネル電界効果型トランジス
タを用いた場合は、ダイオード24の極性も異なることは
明らかである。

発明の効果 以上の説明より明らかなように本発明によれば電界効
果型トランジスタのドレイン電圧が印加されている間、
ゲートに接続されたダイオードが導通し、電界効果型ト
ランジスタは逆バイアスされるので確実にオフできる したがって、スイッチングトランジスタが初めてオン
したときに生じる電界効果型トランジスタのオン動作を
防止できるため、スイッチングトランジスタに過大な電
流が流れることを防止でき、トランジスタに小型・安価
な部品が使用でき、スイッチングトランジスタの焼損も
防止できるため、信頼性が高いとともに、小型で、安価
な、高効率なスイッチング電源が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のスイッチング電源装置の構
成を示す回路図、第２図は従来の技術によるスイッチン
グ電源装置の構成を示す回路図、第３図は電界効果型ト
ランジスタの内部等価回路図である。 １……直流電源、３……トランジスタ（第１のスイッチ
ング手段）、４……コレクタ巻線（第１の巻線）、11…
…コンデンサ（第１のコンデンサ）、12……２次巻線
（第２の巻線）、12a……補助巻線（第３の巻線）、13
……電界効果型トランジスタ（第２のスイッチング）、
14……寄生ダイオード、15……平滑コンデンサ（第２の
コンデンサ）、17……基準電源、18……誤差増幅器、19
……パルス幅変換器、24……ダイオード、25……トラン
ス。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】第1,第２および第３の巻線を有するトラン
   スと、前記第１の巻線の一端に接続した第１のスイッチ
   ング手段と第１のコンデンサの並列回路と、前記並列回
   路の他端と前記第１の巻線の他端間に接続された電源
   と、前記第２の巻線の両端に接続された第２のコンデン
   サと第２のスイッチング手段である電界効果型トランジ
   スタの直列回路と、前記第３の巻線の一端と前記電界効
   果型トランジスタのゲート間前記電界効果型トランジス
   タに逆バイアスが加えられる向きに接続された整流素子
   とを具備し、前記第１のスイッチング手段を制御し、前
   記第１の巻線に電流を流す第１の制御手段と、前記第２
   のスイッチング手段を制御し、前記第２のコンデンサの
   両端電圧を一定に保つ第２の制御手段を有するスイッチ
   ング電源装置。