JP3001057B1 - スイッチング電源装置及びその制御方法 - Google Patents

Abstract

【要約】 【課題】 入力回路に大容量の電解コンデンサを接続す
ること無しに、異常発振の発生を無くし小形で安定で安
全なスイッチング電源装置を提供する。 【解決手段】 スイッチング電源装置において、スイッ
チング手段に流れる電流を検出した検出電圧Ｖｐに、一
定の傾きののこぎり波電圧Ｖｎを加えて和電圧Ｖｗを得
る。和電圧のピーク値を一定に保つように、前記スイッ
チング手段のオフタイミングを決定することにより、異
常発振に関与するオープンループゲインが小さくなるの
で異常発振の発生を防止できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電子機器に直流電
圧を供給するスイッチング電源装置に関し、特に過負荷
状態において、過大な電流が流れない様にする過電流保
護回路を有するスイッチング電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、スイッチング電源装置は、電子機
器の低価格化、小型化、高性能化、及び省エネルギー化
に伴い、より小型で出力の安定性が高く、高い変換効率
を有するものが強く求められている。さらに、スイッチ
ング電源装置は、過電流による事故を防止するために安
全性の高い過電流保護回路を有するものが求められてい
る。以下、従来のスイッチング電源装置について図５か
ら図８を参照しつつ説明する。図５は、従来のフルブリ
ッジ方式のスイッチング電源装置の回路図である。

【０００３】図５において、スイッチング電源装置の入
力端子２ａに一端が接続されたインダクタンス素子３と
コンデンサ４との直列接続体が入力端子２ｂに接続され
て入力回路を形成している。インダクタンス素子３は、
直流電源１からのノイズに対してノイズフィルタの役割
を果たす。このインダクタンス素子３は、ノーマルチョ
ークまたはコモンチョークの寄生ノーマルインダクタン
ス成分などで構成されている。また、コンデンサ４は、
入力電圧の変動を抑え、入力電圧Ｖ_inを安定に保つ役割
を果たす。カレントトランス５は、１次巻線５ａと２次
巻線５ｂを有し、１次巻線５ａと２次巻線５ｂとの巻数
比を１対Ｎ（Ｎ＞１）とする。第１のスイッチング素子
６と第２のスイッチング素子７とカレントトランス５の
１次巻線５ａとの直列回路は、コンデンサ４に並列に接
続されている。第３のスイッチング素子８と第４のスイ
ッチング素子９との直列回路は、前記第１及び第２のス
イッチング素子６、７の直列接続体に並列に接続されて
いる。

【０００４】トランス１０は、１次巻線１０ａと第１の
２次巻線１０ｂと第２の２次巻線１０ｃを有している。
トランス１０の１次巻線１０ａの一端は、第１のスイッ
チング素子６と第２のスイッチング素子７との接続点に
接続され、他端は、第３のスイッチング素子８と第４の
スイッチング素子９との接続点に接続されている。第１
の整流ダイオード１１及び第２の整流ダイオード１２の
それぞれのアノードは、トランス１０の第１の２次巻線
１０ｂと第２の２次巻線１０ｃに接続され、カソードは
互いに接続されている。直列に接続されたインダクタン
ス素子１３と平滑コンデンサ１４とは、一端が第１の整
流ダイオード１１と第２の整流ダイオード１２との接続
点に接続され、他端がトランス１０の第１の２次巻線１
０ｂと前記第２の２次巻線１０ｃとの接続点に接続され
ている。平滑コンデンサ１４の静電容量は十分大きく、
出力端子１５ａ、１５ｂへは安定化された直流出力電圧
が出力される。負荷１６は、出力端子１５ａ、１５ｂ間
に接続され、電力を消費する。

【０００５】カレントトランス５の１次巻線５ａに流れ
る電流により、カレントトランス５の巻数比Ｎに応じた
２次電圧が２次巻線５ｂに誘起される。そのため、２次
電流がダイオード１８を経て第２の抵抗１９を流れるこ
とで、第２の抵抗１９の両端にカレントトランス５の１
次巻線５ａに流れる電流Ｉｐに比例した検出電圧Ｖｐが
得られる。第１の抵抗１７は、カレントトランス５の１
次巻線に電流が流れていないときに、カレントトランス
５に蓄積された励磁エネルギーを消費する。コンパレー
タ２３は、検出電圧Ｖｐと、基準電圧源２２の基準電圧
Ｖｒとを比較し、各スイッチング素子６、７，８、９の
それぞれのターンオフのタイミングを決定する信号をア
ンド回路２５に出力する。

【０００６】ＰＷＭ制御回路２４は、前記直流出力電圧
を検出し、これを安定化するように、オンオフ信号を生
成する。アンド回路２５は、ＰＷＭ制御回路２４の出力
とコンパレータ２３の出力とのアンド演算を行う。分配
器２６は、アンド回路２５の出力を、２つのドライブ回
路２７、２８に交互に振り分けて出力する。ドライブ回
路２７は、分配器２６からの出力を受けて、第１スイッ
チング素子６と第４のスイッチング素子９とをオンオフ
する。ドライブ回路２８は、分配器２６からの出力を受
けて、第２スイッチング素子７と第３のスイッチング素
子８とをオンオフする。

【０００７】以下、上述の従来のスイッチング電源装置
の動作について図６を参照しつつ説明する。図６は、従
来のスイッチング電源装置における各部の動作波形図で
ある。図６の（ａ）は第１のスイッチング素子６および
第４のスイッチング素子９のオンオフ信号Ｇ１及びＧ４
であり、（ｂ）は第２のスイッチング素子７および第３
のスイッチング素子８のオンオフ信号Ｇ２及びＧ３であ
る。図６の（ｃ）はインダクタンス素子１３と平滑コン
デンサ１４との直列回路に印加される電圧Ｖｆの電圧波
形を示しており、（ｄ）はインダクタンス素子１３を流
れる電流Ｉｆの電流波形を示している。図６の（ｅ）は
カレントトランス５の１次巻線５ａの電流Ｉｐの電流波
形を示しており、（ｆ）は検出電圧Ｖｐの電圧波形を示
している。

【０００８】時刻ｔ０において、 第１のスイッチング
素子６と第４のスイッチング素子９とがオンになると、
トランス１０の１次巻線１０ａにコンデンサ４の保持
する入力電圧Ｖ_inが印加される。トランス１０の第１の
２次巻線１０ｂに、入力電圧Ｖ_inにトランス１０の巻数
比を乗じた値の２次電圧が誘起され、第１の整流ダイオ
ード１１を導通状態にする。その結果、インダクタンス
素子１３に第１の２次巻線１０ｂに誘起した電圧が印加
され、インダクタンス素子１３を流れる電流Ｉｆは、直
線状に増加する。この時、トランス１０の第１の２次巻
線１０ｂには、インダクタンス素子１３を流れる電流Ｉ
ｆが流れ、トランス１０の１次巻線１０ａには、この電
流Ｉｆにトランス１０の巻数比を乗じた値の電流Ｉｐが
流れる。第１のスイッチング素子６と第４のスイッチン
グ素子９を通して、カレントトランス５の１次巻線５ａ
にも同じ電流Ｉｐが流れる。この電流Ｉｐは、トランス
１０の２次電流の１次換算値に加え、トランス１０の励
磁インダクタンスによる励磁電流分が重畳されている。
しかし、トランス１０の励磁インダクタンスには直流電
圧が印加されているので、電流Ｉｐは直線状に増加す
る。この電流Ｉｐはカレントトランス５により１／Ｎに
変換されて抵抗１９を流れ、検出電圧Ｖｐに変換され
る。この検出電圧Ｖｐが、基準電圧源２２の基準電圧Ｖ
ｒに対して十分に低いときは、コンパレータ２３の出力
は、常にハイレベルであるので、ＰＷＭ制御回路２４の
オンオフ信号により出力電圧を安定化する制御が行われ
る。

【０００９】インダクタンス素子１３を流れる電流Ｉｆ
が十分に大きくなり、時刻ｔ１において、検出電圧Ｖｐ
が基準電圧Ｖｒに達すると、コンパレータ２３が動作す
る。その結果出力されるコンパレータ２３の出力信号が
分配器２６とドライブ回路２７を経由して、第１のスイ
ッチング素子６および第４のスイッチング素子９を瞬時
にオフさせる。時刻ｔ１において、第１及び第４のスイ
ッチング素子６、９が同時にオフすると、トランス１０
の１次巻線１０ａは開放される。インダクタンス素子１
３を流れる電流Ｉｆはトランス１０の磁束の連続性を保
つように、第２の整流ダイオード１２を導通状態とし
て、トランス１０の第１の２次巻線１０ｂと第２の２次
巻線１０ｃに分流して流れる。トランス１０の第１及び
第２の２次巻線１０ａ、１０ｂに誘起される電圧はゼロ
となるので、インダクタンス素子１３を流れる電流Ｉｆ
は直線状に減少する。

【００１０】時刻ｔ２において、ＰＷＭ制御回路２４に
よりターンオン信号が発生すると、この信号が分配器２
６を経由して送られ、第２のスイッチング素子７と第３
のスイッチング素子８とが同時にオンする。その結果、
トランスの１次巻線７ａにコンデンサ４に保持された入
力電圧Ｖ_inは、時刻ｔ０〜ｔ１のときと逆向きに印加さ
れる。従って、トランスの第１の２次巻線１０ｂと第２
の２次巻線１０ｃに逆向きの２次電圧が誘起され、第１
の整流ダイオード１１を不導通状態とする。この時、導
通状態である第２の整流ダイオード１２を通してインダ
クタンス素子１３に２次巻線１０ｃに誘起した２次電圧
が印加される。インダクタンス素子１３に２次電圧が印
加されると、インダクタンス素子１３を流れる電流Ｉｆ
は直線状に増加する。この電流Ｉｆはトランス１０の２
次巻線１０ｃを介して１次側に伝達され、カレントトラ
ンス５の１次巻線５ａを流れる。カレントトランス５の
１次巻線５ａを流れる電流Ｉｐが、カレントトランス５
と抵抗１９によって検出電圧Ｖｐに変換される。

【００１１】時刻ｔ３において、検出電圧Ｖｐが基準電
源２２の基準電圧Ｖｒに達すると、コンパレータ２３が
動作し、第２のスイッチング素子７と第３のスイッチン
グ素子８を瞬時にオフする。従って、トランス１０の１
次巻線１０ａは開放され、トランス１０の第１及び第２
の２次巻線１０ｂ、１０ｃに誘起される２次電圧はゼロ
となる。その結果、インダクタンス素子１３を流れる電
流は、第１の整流ダイオード１１を導通状態として、ト
ランス１０の磁束の連続性を保つように、トランス１０
の第１の２次巻線１０ｂと第２の２次巻線１０ｃに分流
して流れる。この動作を繰り返す。以上の動作により、
検出電圧Ｖｐのピーク値が基準電圧Ｖｒ以上にならない
ように第１ないし第４のスイッチング素子６、７、８、
９のオンオフが制御される。検出電圧Ｖｐが制限される
ので、結果的にインダクタンス素子３を流れる電流およ
び入力端子２ａ、２ｂからの流入電流に対して制限がか
かる動作となる。

【００１２】ここでは、フルブリッジコンバータの過電
流制御について説明したが、同様にスイッチング素子の
オンオフ制御がＰＷＭ制御により行われるプッシュプル
コンバータやハーフブリッジコンバータにおいても同様
な動作となる。また、フォワードコンバータやフライバ
ックコンバータにおいても全く同様である。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】上述した従来のスイッ
チング電源装置では、入力電圧が高くなると、トランス
１０の１次巻線１０ａとインダクタンス素子３に印加さ
れる電圧が大きくなる。すると、トランス１０の１次巻
線１０ａを流れる電流の変化の勾配が大きくなることに
より、検出電圧Ｖｐの立ち上がりの勾配が大きくなる。
図３の（ａ）に示すように、入力電圧 Ｖ_inが高いとき
には、検出電圧Ｖｐのピーク値が基準電圧Ｖｒに早く達
し、スイッチング素子のターンオフのタイミングが早く
なるので、実質的にデューティ比が小さくなる。デュー
ティ比が小さくなると、コンデンサ４からトランス１０
の１次巻線１０ａへ流出する電流が減少する。この時、
コンデンサ４とインダクタンス素子３からなる入力回路
のインピーダンスＺ_inが大きければ、流出する電流の変
化に対する、入力電圧Ｖ_inの変化が大きくなり、それに
より入力電圧Ｖ_inがさらに高くなろうとするように正帰
還が生じる。

【００１４】従って、図７に示すように、コンデンサ４
に保持された入力電圧Ｖ_inが異常発振により変動し、ス
イッチング素子のオンオフのデューティ比が変化して出
力電圧を変動させるという問題点があった。特に、図４
に示すように、インダクタンス素子３とコンデンサ４に
よりＬＣフィルタを構成した入力回路では、インダクタ
ンス素子３とコンデンサ４の並列共振により、コンデン
サ４に保持された入力電圧 Ｖ_inが異常発振するという
問題があった。また、図８に示すように、入力回路のイ
ンピーダンスＺ_inの変化は、インダクタンス素子３のイ
ンダクタンス Ｌ_inとコンデンサ４の容量 Ｃ_inとで定
まる並列共振周波数Ｆｒにおいて急激にインピーダンス
Ｚ_inが大きくなるので並列共振周波数Ｆｒにおいて異常
発振しやすくなる。そこで、入力インピーダンスＺ_inを
下げる必要が有るが、入力回路のコンデンサ４としては
大容量で大型のものが必要になり、インダクタンス素子
３として大きなインダクタンス値のものを使うと、スイ
ッチング電源装置が大型になるという問題があった。

【００１５】本発明は、入力回路に大容量のコンデンサ
を接続することなく、異常発振を防止することができる
小形で安定で安全なスイッチング電源装置を提供するこ
とを目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明のスイッチング電
源装置は、直流電源から入力される入力電流をスイッチ
ング手段でオンオフしてトランスの１次巻線に印加し、
前記トランスの２次巻線に誘起する電圧を整流し、平滑
して直流出力電圧を得るスイッチング電源装置におい
て、前記直流電源の正極と負極間に接続されたインダク
タンス素子とコンデンサとの直列接続体、前記コンデン
サの両端子間に接続されたスイッチング手段、前記スイ
ッチング手段に流れる電流を検出して検出電圧を生成す
る手段、電圧の上昇が一定の傾きを有するのこぎり波形
電圧を発生する手段、前記検出電圧に前記のこぎり波形
電圧を重畳して和電圧を得る手段、及び前記和電圧のピ
ーク電圧を一定に保つように前記スイッチング手段のオ
フするタイミングを決定する手段を有する過電流保護回
路を具備することを特徴とする。また、入力電圧を保持
する前記インダクタンス素子とコンデンサの共振周波数
において、前記入力電圧が変動したときの前記スイッチ
ング手段のオンオフ比の変化に対する応答性を減衰させ
る手段を有するのが望ましい。また、この過電流保護回
路は、スイッチング手段のオンオフ制御をＰＷＭ制御す
るスイッチング電源装置であれば、全てのスイッチング
電源方式のスイッチング電源装置に用いることができ
る。

【００１７】このスイッチング電源装置によれば、入力
電圧が変動した場合にスイッチング素子のターンオフの
タイミングの変化を小さくできる。その結果、入力回路
の正帰還によるオープンループゲインを小さくできるの
で、入力回路に大容量のコンデンサを接続しなくても異
常発振の発生をなくすることができる。従って、異常発
振の発生を抑制した小型で安定なスイッチング電源を提
供できる。本発明のスイッチング電源装置の制御方法
は、入力電流をスイッチング手段でオンオフしてトラン
スの１次巻線に印加し、前記トランスの２次巻線に誘起
する電圧を整流平滑し、直流出力電圧を得るスイッチン
グ電源装置の制御方法であって、前記スイッチング手段
に流れる電流を検出して検出電圧を生成する工程、前記
検出電圧に電圧の上昇が一定の傾きを有するのこぎり波
形電圧を重畳して和電圧を得る工程、及び前記和電圧の
ピーク電圧を制御して入出力制御を行う工程を有するこ
とを特徴とする。

【００１８】また、入力電圧を安定化する入力回路の有
する共振周波数において、前記入力電圧が変動した場合
の前記スイッチング手段のオンオフ比の変化に対する応
答性を減衰させる工程を有するのが望ましい。このスイ
ッチング電源装置の制御方法によれば、入力電圧が変動
した場合にスイッチング手段のターンオフのタイミング
の変化を小さくできる。その結果、入力回路の正帰還に
よるオープンループゲインを小さくできるので、入力回
路に大容量のコンデンサを接続しなくても異常発振の発
生を防止できる。また、この制御方法は、スイッチング
手段のオンオフ制御をＰＷＭ制御するスイッチング電源
装置であれば、全てのスイッチング電源方式に対して適
用できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明のスイッチング電源
装置の好適な実施例について図１ないし図４を参照しつ
つ説明する。 《実施例》図１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である。なお、従来例と同一
部分には同一参照符号を付して説明する。図１におい
て、直流電源１は、入力端子２ａ、２ｂ間に接続されて
いる。また、入力端子２ａ、２ｂ間には、入力回路を形
成するインダクタンス素子３とコンデンサ４の直列接続
体が接続されている。インダクタンス素子３は、直流電
源１に対するノイズフィルタの役割を果たし、そのイン
ダクタンス値はＬ_inである。コンデンサ４は、入力直流
電圧の変動を抑えるもので、その容量値をＣ_inとし、保
持する入力電圧を Ｖ_inとする。カレントトランス５
は、１次巻線５ａと２次巻線５ｂを有し、その１次巻線
５ａと２次巻線５ｂとの巻数比を１対Ｎ（Ｎ＞１）であ
る。

【００２０】第１のスイッチング素子６と第２のスイッ
チング素子７とカレントトランス５の１次巻線５ａとの
直列回路は、コンデンサ４に接続されている。第３のス
イッチング素子８と第４のスイッチング素子９との直列
回路は、前記第１及び第２のスイッチング素子６、７の
直列接続体に並列に接続されている。トランス１０の１
次巻線１０ａと第１の２次巻線１０ｂと第２の２次巻線
１０ｃとの巻数比はＮｔ対１対１とし、１次巻線５ａの
インダクタンス値をＬｍとする。

【００２１】トランス１０の１次巻線１０ａの一端は、
第１のスイッチング素子６と第２のスイッチング素子７
との接続点に接続され、他端は、第３のスイッチング素
子８と第４のスイッチング素子９との接続点に接続され
ている。第１の整流ダイオード１１と第２の整流ダイオ
ード１２とのそれぞれのアノードはトランス１０の第１
の２次巻線１０ｂと第２の２次巻線１０ｃとに接続さ
れ、カソードは互いに接続されている。インダクタンス
素子１３のインダクタンス値はＬｆであり、平滑コンデ
ンサ１４の容量値はＣｆである。インダクタンス素子１
３と平滑コンデンサ１４は直列に接続され一端は第１の
整流ダイオード１１と第２の整流ダイオード１２のカソ
ードの接続点に接続され、他方はトランス１０の第１の
２次巻線１０ｂと第２の２次巻線１０ｃとの接続点に接
続されている。第１の整流ダイオード１１と第２の整流
ダイオード１２とで整流された電圧を平滑コンデンサ１
４で平滑し、出力直流電圧として出力端子１５ａと１５
ｂ間に接続した負荷に供給している。

【００２２】平滑コンデンサ１４の静電容量は十分大き
く、出力端子１５ａ、１５ｂへは安定化された出力電圧
Ｖ_outが得られる。カレントトランス５の１次巻線５ａ
に流れる電流により、カレントトランス５の巻数比に応
じた２次電圧が２次巻線５ｂに誘起する。そのため、２
次電流がダイオード１８で整流され、抵抗値がＲｓの第
２の抵抗１９を流れる。第２の抵抗１９の両端にカレン
トトランス５の１次巻線５ａに流れる電流Ｉｐに比例し
た検出電圧Ｖｐ（Ｎ×Ｒｓ×Ｉｐ）が誘起される。第１
の抵抗１７は、カレントトランス５の１次巻線５ａに電
流が流れていないときに、カレントトランス５に蓄積さ
れた励磁エネルギーを消費する。のこぎり波発生回路２
０は、ＰＷＭ制御回路２４に同期した、電圧の上昇の傾
きをＭとする一定の傾きの電圧Ｖｎを発生する。加算器
２１は、検出電圧Ｖｐとのこぎり波電圧Ｖｎとの和電圧
Ｖｗを作る。のこぎり波発生器２０と加算器２１で補償
回路を構成している。

【００２３】基準電圧源２２は基準電圧Ｖｒを発生す
る。コンパレータ２３は、和電圧Ｖｗと基準電圧Ｖｒと
を比較し、和電圧Ｖｗが基準電圧Ｖｒと等しくなったタ
イミングでスイッチング素子をターンオフする信号をア
ンド回路２５に出力する。ＰＷＭ制御回路２４は、出力
電圧Ｖ_outを検出し、安定化するように、一定の周期Ｔ
ｓでオンオフ信号を発生する。アンド回路２５は、ＰＷ
Ｍ制御回路２４の出力とコンパレータ２３の出力とのア
ンド演算を行う。分配器２６は、アンド回路２５の出力
をスイッチング素子を駆動するドライブ回路２７、２８
に２チャンネルの出力に交互に分配する。ドライブ回路
２７は、分配された出力を受けて第１スイッチング素子
６と第４のスイッチング素子９をオンオフする。ドライ
ブ回路２８は、分配された出力を受けて第２スイッチン
グ素子７と第３のスイッチング素子８をオンオフする。

【００２４】以上説明したように、本実施例のスイッチ
ング電源装置は、のこぎり波発生器２０と加算器２１と
で構成される補償回路以外は従来のスイッチング電源と
同じ構成のものである。以下、本実施例のスイッチング
電源装置の動作について図２を参照しつつ説明する。図
２は、本実施例のスイッチング電源装置の各部の動作波
形図である。図２の（ａ）は第１及び第４のスイッチン
グ素子６、９のオンオフ信号Ｇ１及びＧ４であり、
（ｂ）は第２及び第３のスイッチング素子７、８のオン
オフ信号Ｇ２及びＧ３である。図２の（ｃ）はインダク
タンス素子１３と平滑コンデンサ１４の直列回路に印加
する電圧Ｖｆの電圧波形を示しており、（ｄ）はインダ
クタンス素子１３を流れる電流Ｉｆの電流波形を示して
いる。図２の（ｅ）はカレントトランス５の１次巻線５
ａを流れる電流Ｉｐの電流波形を示しており、（ｆ）は
検出電圧Ｖｐの電圧波形を示している。図２の（ｇ）は
のこぎり波発生回路２０の出力電圧Ｖｎの電圧波形を示
しており、（ｈ）は加算器２１の出力である和電圧Ｖｗ
の電圧波形を示している。

【００２５】時刻ｔ０において、第１のスイッチング素
子６と第４のスイッチング素子９がオンになると、トラ
ンス１０の１次巻線１０ａにコンデンサ４の保持電圧Ｖ
_inが印加される。トランス１０の第１の２次巻線１０ｂ
にトランス１０巻数比に応じたＶ_in／Ｎｔの２次電圧が
誘起され、第１の整流ダイオード１１を導通状態にす
る。その結果、インダクタンス素子１３に電圧Ｖ_outが
印加され、インダクタンス素子１３を流れる電流Ｉｆ
は、直線状に増加する。この時、トランス１０の第１の
２次巻線１０ｂには、インダクタンス素子１３のを流れ
る電流が流れ、トランス１０の１次巻線１０ａには、ト
ランス１０の巻数比に応じた電流が流れる。従って、カ
レントトランス５の１次巻線５ａにも同じ電流が流れ
る。この電流Ｉｐは、トランス１０の２次電流の１次換
算値に加え、トランスの励磁インダクタンスによる励磁
電流分が重畳されている。しかし、トランス１０の励磁
インダクタンスには直流電圧が印加されているので電流
Ｉｐは直線状に増加する。この電流Ｉｐはカレントトラ
ンス５により、１／Ｎに変換されて、第２の抵抗１９を
流れ、検出電圧Ｖｐに変換される。検出電圧Ｖｐとのこ
ぎり波電圧Ｖｎは加算器２１により重畳されて和電圧Ｖ
ｗとなる。この和電圧Ｖｗが基準電圧Ｖｒに対して十分
に低いときは、コンパレータ２３の出力は常にハイレベ
ルである。従って、ＰＷＭ制御回路２４のオンオフ信号
により各スイッチング素子６、７、８、９のオンオフの
デューティ比を制御して出力電圧を安定化する制御が行
われる。

【００２６】インダクタンス素子１３を流れる電流が十
分に大きくなり、時刻ｔ１において、和電圧Ｖｗが基準
電圧Ｖｒに達すると、コンパレータ２３が動作する。そ
の結果、コンパレータ２３の出力するオフ信号が分配器
２６によりドライブ回路２７を経由して、第１及び第４
のスイッチング素子６、９を瞬時にオフさせる。時刻ｔ
１において、第１及び第４のスイッチング素子６、９が
同時にオフすると、トランス１０の１次巻線１０ａは開
放される。インダクタンス素子１３の電流は、トランス
１０の磁束の連続性を保つように、第２の整流ダイオー
ド１２を導通状態にして、トランス１０の第１の２次巻
線１０ｂと第２の２次巻線１０ｃに分流して流れる。ト
ランス１０の第１及び第２の２次巻線１０ｂ、１０ｃの
誘起電圧はゼロとなるので、インダクタンス素子１３を
流れる電流Ｉｆは直線状に減少する。

【００２７】時刻ｔ２において、ＰＷＭ制御回路２４か
らターンオン信号が発せられる。この信号が分配器２６
によりドライブ回路２８を経由して送られ、第２及び第
３のスイッチング素子７、８を同時にオンさせる。その
結果、トランス１０の１次巻線１０ａにコンデンサ４の
保持された入力電圧Ｖ_inは、時刻ｔ０〜ｔ１のときと逆
向きに印加される。従って、トランス１０の第１の２次
巻線１０ｂと第２の２次巻線１０ｃに逆向きの２次電圧
が誘起され、第１の整流ダイオード１１を不導通状態に
する。この時、導通状態である第２の整流ダイオード１
２を通してインダクタンス素子１３に２次巻線１０ｃに
誘起した２次電圧が印加される。インダクタンス素子１
３に２次電圧が印加されると、インダクタンス素子１３
を流れる電流Ｉｆは、直線状に増加する。この電流Ｉｆ
は、トランス１０の２次巻線１０ｃを介して１次側に伝
達され、カレントトランス５の１次巻線５ａを流れる。
カレントトランス５の１次巻線５ａを流れる電流Ｉｐ
が、カレントトランス５と抵抗１９によって検出電圧Ｖ
ｐに変換される。検出電圧Ｖｐは、のこぎり波電圧Ｖｎ
に重畳され、和電圧Ｖｗとなる。

【００２８】時刻ｔ３において、検出電圧Ｖｗが基準電
圧Ｖｒに達すると、コンパレータ２３が動作する。その
結果出力されるコンパレータのオフ信号が分配器２６に
よりドライブ回路２８を経由して送られ、第２及び第３
のスイッチング素子７、８を瞬時にオフさせる。第２及
び第３のスイッチング素子７、８がオフすると、トラン
ス１０の１次巻線１０ａは開放され、トランス１０の第
１及び第２の２次巻線１０ｂ、１０ｃの誘起電圧はゼロ
となる。インダクタンス素子１３を流れる電流Ｉｆは、
第１の整流ダイオード１１を導通状態にして、トランス
１０の磁束の連続性を保つように、トランス１０の第１
の２次巻線１０ｂと第２の２次巻線１０ｃに分流して流
れる。この動作を繰り返す。以上の動作により、和電圧
Ｖｗのピーク値が基準電圧Ｖｒ以上にならないように第
１ないし第４のスイッチング素子６、７、８、９のオン
オフが制御される。和電圧Ｖｗが制限されるので、結果
的にインダクタンス素子３を流れる電流値および入力端
子２ａ、２ｂから流入する電流に対して制限がかかる動
作となる。

【００２９】このとき電圧Ｖ_inを保持する入力回路は、
インダクタンス素子３とコンデンサ４により構成され、
従来のスイッチング電源装置と同じく図８に示されるよ
うな並列共振による高いピーク値が存在する。次に、本
実施例の補償回路の動作について図３を参照しつつ簡単
に説明する。図３は、補償回路有りの場合と無しの場合
の、それぞれの入力電圧の変動に対するターンオフのタ
イミングの変化を示している。本実施例の回路では、図
３の（ｂ）に示すように、検出電圧Ｖｐにのこぎり波電
圧Ｖｎを重畳することで、入力電圧Ｖ_inが変動したとき
の、スイッチング素子のターンオフのタイミングの変動
幅が図３の（ａ）に示す従来の補償回路無しの場合に比
べ小さくなる。従って、入力電圧が変化したときのデュ
ーティ比の変化を抑えることができる。その結果、異常
発振に関与するオープンループゲインが小さくなり、異
常発振の発生を無くすことが可能になる。

【００３０】さらに、正帰還のオープンループゲインを
解析しつつ、発振現象に対する本実施例の補償回路の作
用をさらに詳しく説明する。解析では簡単のために以下
のような３つの仮定をする。トランス１０の巻線１０
ａ、１０ｂ、１０ｃの巻数比は１対１対１とする。 ［仮定1］負荷１６は抵抗値ＲLの抵抗負荷とする。 ［仮定2］各スイッチング素子６、７、８、９のＦＥＴ
（電界効果トランジスタ）と整流ダイオード１１、１２
は寄生容量や寄生インダクタンス等の無い理想スイッチ
とする。 ［仮定3］各素子は寄生容量や寄生インダクタンス等の
無い理想的な素子とし、入力回路のフィルタ素子である
インダクタンス素子３とコンデンサ４の直列抵抗のみを
考慮する。まず、図２を参照して、入力回路から流出す
る電流ＤI_out（Ｉｐの平均値、但し、Ｉ_outは出力電
流、Ｎｔ＝１とする）が微小量ΔＤI_out変化したときの
入力電圧Ｖ_inの変動分ΔＶ_inは以下の式（１）で与えら
れる。

【００３１】

【数１】

【００３２】但し、入力回路のインピーダンスＺ_inは、
式（２）で与えられる。

【００３３】

【数２】

【００３４】但し、ＲC_inはコンデンサ４の等価直列抵
抗、Ｃ_inはコンデンサ４の容量値、ＲLｃ_inはインダク
タンス素子３の等価直列抵抗、Ｌ_inはインダクタンス素
子３のインダクタンス値である。出力電流、出力電圧、
デューティ比、入力電圧のそれぞれの変動分、ΔI_out、
ΔV_out、ΔD、ΔV_inの関係を求めるために、Ｉ_outとＶ
_outに対して状態平均化した微分方程式を立てると式
（３）のようになる。

【００３５】

【数３】

【００３６】安定状態から、入力電圧、デューティ比、
出力電流、出力電圧それぞれのV_in→V_in+ΔV_in、D→D+
ΔD、IL→IL+ΔIL、V_out→V_out+ΔV_outのような微小変
動を考えると、変動分に対して、同様な微分方程式が成
立し、高次の変動分を無視すると、ラプラス変換により
以下の式（４）が成立する。

【００３７】

【数４】

【００３８】ΔＶ_out、ΔＩ_outについてこの微分方程式
を解くと式（５）のようになる。

【００３９】

【数５】

【００４０】但し、Ｄeltaは式（６）で与えられる。

【００４１】

【数６】

【００４２】式（５）を式（１）に代入して、ΔV_in/Δ
Dを求めると式（７）のようになる。

【００４３】

【数７】

【００４４】次に、入力電圧が変動したときのデューテ
ィ比の変動を考える。過電流制御時には、電流のピーク
値Ｉｐが一定値Ｖｒになるようにデューティ比が決定さ
れるので式（８）が成立する。

【００４５】

【数８】

【００４６】但し、Ｍはのこぎり波発生器２０の出力電
圧の上昇の傾きを示している。安定状態からの変動分を
考えて、高次の変動分を無視すると式（９）が成り立
つ。

【００４７】

【数９】

【００４８】式（５）を用いると、ΔD/ΔV_inは式（１
０）のようになる。

【００４９】

【数１０】

【００５０】式（７）と式（１０）の積をとることで、
異常発振に関与するオープンループゲインを計算でき
る。図４は、のこぎり波発生器２０の出力電圧の上昇の
傾きＭ（補償係数）を変えたときの、周波数の変化に対
するオープンループゲインの変化を示すグラフである。
図４に示すように、補償係数Ｍを０とすると補償無しと
なるが、前述したのこぎり波発生器２０と加算器２１と
による補償回路により補償係数Ｍを大きくすると、入力
回路の共振周波数近傍におけるオープンループゲインを
小さくすることが可能である。ここで、トランス１０の
巻線１０ａ、１０ｂ、１０ｃの巻数比は１対１対１であ
るときの説明をしたが、巻数比がＮｔ対１対１である場
合は、式（１１）に示すように、それぞれの定数を変換
することで、式（１）から式（１０）により同様に説明
できる。

【００５１】

【数１１】

【００５２】なお、本実施例では、４つのスイッチング
素子６、７、８、９でブリッジ回路を構成したフルブリ
ッジコンバータを例に説明した。しかし、シングルエン
ドフォワードやフライバックコンバータ、ハーフブリッ
ジコンバータ、プッシュプルコンバータ等や、またそれ
らの回路をベースにしたコンバータのように、スイッチ
ング素子を流れる電流波形が矩形波となるいかなる方式
のコンバータにおいても本発明の制御方法が適用できる
ことは言うまでもない。また、本実施例で示した電流検
出回路は、一実施例に過ぎず、電流波形に対して比例し
た電圧波形が得られる回路であれば、いかなる回路でも
同様な動作になることは言うまでもない。また、ここで
は電流制限回路に関して説明したが、ピーク電流値を目
標値にする制御においても同様である。

【００５３】

【発明の効果】上述したように、本発明のスイッチング
電源装置及びその制御方法によれば、異常発振に関与す
るオープンループゲインを補償回路により非常に小さく
することができ、異常発振の発生を無くすことが可能に
なる。従って、異常発振の防止対策として従来用いられ
た大容量のコンデンサを入力回路に接続する必要が無く
なる。その結果、異常発振の発生を防止しかつ小形で安
定で安全なスイッチング電源装置を提供することができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例におけるスイッチング電源装置
の回路図である。

【図２】本発明の実施例のスイッチング電源装置におけ
る各部の動作波形図であり、（ａ）は第１及び第４のス
イッチング素子のオンオフ信号波形図、（ｂ）は第２及
び第３のスイッチング素子のオンオフ信号波形図、
（ｃ）はインダクタンス素子１３と平滑コンデンサ１４
との直列回路に印加される電圧波形図、（ｄ）はインダ
クタンス素子１３に流れる電流波形図、（ｅ）はカレン
トトランス５の１次巻線５ａに流れる電流波形図、
（ｆ）は検出電圧の波形図、（ｇ）はのこぎり波発生器
２０の出力電圧波形図、（ｈ）は加算器２１の出力であ
る和電圧の波形図である。

【図３】入力電圧変動時の補償回路の動作を説明する動
作波形図であり、（ａ）は比較例である補償回路のない
従来のスイッチング電源装置における動作波形図、
（ｂ）は実施例のスイッチング電源装置における補償回
路の動作波形図である。

【図４】本発明の実施例のスイッチング電源装置におけ
る過電流制御時の周波数の変化に対するオープンループ
ゲインの変化を示すグラフである。

【図５】従来のスイッチング電源装置の回路図である。

【図６】従来のスイッチング電源装置における各部の動
作波形図であり、（ａ）は第１及び第４のスイッチング
素子のオンオフ信号波形図、（ｂ）は第２及び第３のス
イッチング素子のオンオフ信号波形図、（ｃ）はインダ
クタンス素子１３とコンデンサ１４との直列回路に印加
される電圧波形図、（ｄ）はインダクタンス素子１３に
流れる電流波形図、（ｅ）はカレントトランス５の１次
巻線５ａを流れる電流波形図、（ｆ）は検出電圧波形図
である。

【図７】従来のスイッチング電源装置における異常発振
時の動作波形図であり、（ａ）はカレントトランス５の
検出電流波形図、（ｂ）は入力電圧波形図である。

【図８】従来のスイッチング電源装置における周波数の
変化に対して入力回路のインピーダンスの変化を示すグ
ラフである。

【符号の説明】

１ 入力直流電源 ２ａ、２ｂ 入力端子 ３ インダクタンス素子 ４ コンデンサ ５ カレントトランス ５ａ １次巻線 ５ｂ ２次巻線 ６ 第１のスイッチング手段 ７ 第２のスイッチング手段 ８ 第３のスイッチング手段 ９ 第４のスイッチング手段 １０ トランス １０ａ １次巻線 １０ｂ、１０ｃ ２次巻線 １１ 第１の整流ダイオード １２ 第２の整流ダイオード １３ インダクタンス素子 １４ 平滑コンデンサ １５ａ、１５ｂ 出力端子 １６ 負荷 １７ 第１の抵抗 １８ ダイオード １９ 第２の抵抗 ２０ のこぎり波発生器 ２１ 加算器 ２２ 基準電圧源 ２３ コンパレータ ２４ ＰＷＭ制御回路 ２５ アンド回路 ２６ 分配器 ２７、２８ ドライブ回路

Claims (14)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源から入力される入力電流をスイ
   ッチング手段でオンオフしトランスの１次巻線に印加し
   て、前記トランスの２次巻線に誘起する電圧を整流平滑
   し、直流出力電圧を得るスイッチング電源装置におい
   て、 前記直流電源の正極と負極間に接続された、インダクタ
   ンス素子とコンデンサとの直列接続体、 前記コンデンサの両端子間に接続されたスイッチング手
   段、 前記スイッチング手段に流れる電流を検出して検出電圧
   を生成する手段、 電圧の上昇が一定の傾きを有するのこぎり波形電圧を発
   生する手段、 前記検出電圧に前記のこぎり波形電圧を重畳して和電圧
   を得る手段、及び前記和電圧のピーク電圧値を一定に保
   つように、前記スイッチング手段をオフするタイミング
   を決定する手段を有する過電流保護回路を具備すること
   を特徴とするスイッチング電源装置。
2. 【請求項２】 入力電圧を保持する前記インダクタンス
   とコンデンサとの直列接続体の共振周波数において、前
   記入力電圧が変動したときの前記スイッチング手段のオ
   ンオフ比の変化に対する応答性を減衰させる手段を有す
   ることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装
   置。
3. 【請求項３】 スイッチング電源方式がフォワード方式
   である請求項１または２記載のスイッチング電源装置。
4. 【請求項４】 スイッチング電源方式がフライバック方
   式である請求項１または２記載のスイッチング電源装
   置。
5. 【請求項５】 スイッチング電源方式がフルブリッジ方
   式である請求項１または２記載のスイッチング電源装
   置。
6. 【請求項６】 スイッチング電源方式がハーフブリッジ
   方式である請求項１または２記載のスイッチング電源装
   置。
7. 【請求項７】 スイッチング電源が、プッシュプル方式
   である請求項１または２記載のスイッチング電源装置。
8. 【請求項８】 入力電流をスイッチング手段でオンオフ
   しトランスの１次巻線に印加し、前記トランスの２次巻
   線に誘起する電圧を整流平滑し、直流出力電圧を得るス
   イッチング電源装置の制御方法であって、 前記スイッチッチング手段に流れる電流を検出して検出
   電圧を生成する工程、 前記検出電圧に、電圧の上昇が一定の傾きを有するのこ
   ぎり波形電圧を重畳して、和電圧を得る工程、及び前記
   和電圧のピーク電圧を制御して入出力制御を行う工程を
   有するスイッチング電源装置の制御方法。
9. 【請求項９】 入力電圧を保持する入力回路の共振周波
   数において、前記入力電圧が変動したときの前記スイッ
   チング手段のオンオフ比の変化に対する応答性を減衰さ
   せる工程を有することを特徴とする請求項８記載のスイ
   ッチング電源装置の制御方法。
10. 【請求項１０】 スイッチング電源方式がフォワード方
    式である請求項８または９記載のスイッチング電源装置
    の制御方法。
11. 【請求項１１】 スイッチング電源方式がフライバック
    方式である請求項８または９記載のスイッチング電源装
    置の制御方法。
12. 【請求項１２】 スイッチング電源方式がフルブリッジ
    方式である請求項８または９記載のスイッチング電源装
    置の制御方法。
13. 【請求項１３】 スイッチング電源方式がハーフブリッ
    ジ方式である請求項８または９記載のスイッチング電源
    装置の制御方法。
14. 【請求項１４】 スイッチング電源方式がプッシュプル
    方式である請求項８または９記載のスイッチング電源装
    置の制御方法。