JP3235711B2 - スイッチング電源 - Google Patents

スイッチング電源

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JP3235711B2
JP3235711B2 JP02333596A JP2333596A JP3235711B2 JP 3235711 B2 JP3235711 B2 JP 3235711B2 JP 02333596 A JP02333596 A JP 02333596A JP 2333596 A JP2333596 A JP 2333596A JP 3235711 B2 JP3235711 B2 JP 3235711B2
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泰輔 遠藤
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する分野】本発明は、ハ−フブリッジ型スイ
ッチング電源の、スイッチング損失及びサ−ジの低減、
さらにはノイズの低減化等を行う、高効率かつ低ノイズ
化を図るスイッチング電源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来のハ−フブリッジ型スイッチング電
源装置を用いた回路構成を図1に、その動作波形を図2
に示す。
【0003】 (2) 図1に於いて、1は直流電源、2、3はコンデンサ、
4、7は主スイッチング素子でFETで例示してある。
5、8は、前記FET4、7の寄生容量、6、9はスナ
バ−回路、10は配線及びトランス13に含まれる寄生
インダクタンス、11は前記スイッチング素子4、7を
駆動するドライブ回路、14は前記トランス13の2次
巻線13−2から得られた出力を整流する整流回路、1
5、16は出力平滑回路のリアクトルとコンデンサ、1
7は負荷、18はパルス発生器、19は誤差増巾器、2
0は出力設定用基準電圧を表している。
【0004】前記スイッチング素子4、7を交互にO
N、OFF動作をする事に依り、前記トランス13の1
次巻線13−1に高周波電圧が発生し2次巻線13−2
には1次と2次の巻数比に応じた高周波電圧が発生し、
整流回路14と出力平滑回路15、16で直流に平滑
し、負荷17に供給している。
【0005】又、出力電圧を前記誤差増巾器19に入力
し、前記誤差増巾器のもう一方に入力されている基準電
圧20と比較され、それに応じたパルスが出力されるパ
ルス発生器18に依り、ドライブ回路11を通して、ス
イッチング素子4、7がスイッチングされるので、負荷
には安定した直流電圧が供給される。
【0006】図2の動作波形に於いて、a、bは主スイ
ッチング素子4、7のドライブ波形、c、dは主スイッ
チング素子4、7のドレイン電流波形、e、fは主スイ
ッチング素子4、7のドレイン・ソ−ス間電圧、gは整
流回路14の内の1個のダイオ−ドの電圧波形である。
【0007】以上の動作波形からも解る様に、主スイッ
チング素子のON、OFF時には配線に依る寄生インダ
クタンスやトランスのリ−ケ−ジインダクタンス10及
び主スイッチング素子の寄生容量5、8、更に出力ダイ
オ−ド14のリカバリ−等によって主スイッチング素子
及び出力ダイオ−ドの電流、電圧、波形にはサ−ジが (3) 発生し、大きなノイズ及び損失となり、高効率化は難し
かった。このため、図1に示したスナバ−回路6、9等
で対策を行っていたが、エネルギ−を抵抗ロスにしたり
して充分ではなく、特に出力容量の大きいコンバ−タ等
では対策が困難であった。
【0008】
【発明の目的】本発明は、この様な欠点を解決し、損
失、ノイズ及びサ−ジを低減しながら、高効率動作を行
う事の出来る、ハ−フブリッジ型スイッチング電源装置
を提供するものである。
【0009】
【実施の形態】図3は、本発明の第一の実施例を示し、
図4は図3の動作波形を示す。尚、部品記号について
は、図1と同一機能のものは同一符号を付す。図3に於
いて、ハ−フブリッジ型スイッチング電源の部分は、図
1の従来技術と同じであるので説明は省略する。
【0010】本発明は、ハ−フブリッジ回路を構成す
る、第1のスイッチング素子4と第2のスイッチング素
子7の直列回路に対して、並列に、第3のスイッチング
素子26と第4のスイッチング素子27の直列回路を接
続したものである。尚、第3のスイッチング素子26及
び第4のスイッチング素子27には、それぞれ電源に順
方向にダイオ−ド30及び31を直列に接続する。
【0011】第1のスイッチング素子4と第2のスイッ
チング素子7のコモン点と、第3のスイッチング素子2
6と第4のスイッチング素子27のコモン点との間に、
主トランス13の補助巻線(3次巻線)13−1と、リ
アクトル25の直列回路を接続し、スイッチングエネル
ギ−を主トランスの1次巻線を通して電源に帰還出来る
様に構成されている。
【0012】 (4) 図4は、本発明の第一の実施例に於ける動作波形であ
る。図に於いて、a、bは第1、第2スイッチング素子
4、7のドライブ波形、a′b′は第3、第4スイッチ
ング素子のドライブ波形で、cdは、第1、第2のスイ
ッチング素子4、7の寄生ダイオ−ド21、23に流れ
る電流を含んだドレイン電流波形、e、fは前記第1、
第2のスイッチング素子のドレインソ−ス間電圧波形、
h、iは、第3、第4スイッチング素子26、27のド
レイン電流、波形を示している。
【0013】又時間t0〜t7は主スイッチング素子4が
タ−ンオフした後、主スイッチング素子7がタ−ンオン
してからタ−ンオフするまでの1/2周期の間の動作状
態を表したもので、以後は同様なくり返しを行うためこ
こでの説明は省略する。
【0014】〈t0〜t1期間〉主スイッチング素子4が
時間t0でタ−ンオフすると、前記スイッチング素子4
と並列に入っているコンデンサ22(寄生容量も含む)
に、電流が流れ込み充電を始めるため、前記主スイッチ
ング素子4のドレイン−ソ−ス間電圧(e)が立上が
る。この時、電圧の立上がり時間は、コンデンサ22と
時間t0でのドレイン電流値の大きさに依って決まり、
スイッチング損失が極めて少なくなる。又時間t1付近
では、主スイッチング素子4、7のドレインソ−ス間電
圧(e、f)は直流電源Vccの1/2Vccにおちつく。
【0015】〈t1〜t2〉時間t1でスイッチング素子
27がタ−ンオンすると、スイッチング素子27にはi
で示すドレイン電流が流れはじめる。ドレイン電流iの
上昇傾向は、リアクトル25と直流電源の1/2Vccの
大きさに依って決まるため、スイッチング素子27はス
イッチング損失は発生せず、ゼロ電流でスイッチング動
作を行う。
【0016】 (5) 〈t2〜t3〉時間t2でトランス13の1次巻線電流、
すなわち、スイッチング素子27のドレイン電流(i)
が出力電流値に達すると、コンデンサ24とリアクトル
25で共振作用を起し、スイッチング素子7のドレイン
−ソ−ス間電圧(f)は、1/2Vccからゼロボルトま
で下がる。
【0017】〈t3〜t4〉時間t3でコンデンサ24の
電荷は全て放出されるが、リアクトル25にはスイッチ
ング素子27のドレイン電流iが、リアクトル25→ス
イッチング素子27→ダイオ−ド31→ダイオ−ド23
→トランス巻線13−3→リアクトル25の経路で流れ
る。この期間に主スイッチング素子7をタ−ンオンさせ
ると、主スイッチング素子7は、ゼロボルトスイッチン
グ動作を行うため、スイッチング損失は発生しない。
【0018】<t4〜t5>すでに時間t3〜t4間で主ス
イッチング素子7はタ−ンオンしているため、この期間
には、主スイッチング素子7にもドレイン電流(d)が
流れる。トランス13には直流電源の1/2Vccが印加
されるため、トランスの3次巻線13−3にも同極性に
発生する。仮に1次巻線と3次巻線の巻数比が1:1の
場合、3次巻線にも1/2Vccが発生する。このためス
イッチング素子27のドレイン電流iは下がり前記主ス
イッチング素子7のドレイン電流(d)は増加してい
く。従って、この間のスイッチング素子27のドレイン
電流(i)と主スイッチ素子7のドレイン電流(d)の
総和は、出力電流I0を1次側に換算した値になる。
【0019】〈t5〜t6〉時間t5にてスイッチング素
子27のドレイン電流(i)は零になり、主スイ (6) ッチング素子7のドレイン電流(d)は出力電流の1次
側換算値に達し、ほぼ一定値になる。(実際は出力リア
クトル15の値と、トランスの2次巻線13−2に発生
する電圧に依って決まる。)
【0020】〈t6〜t7)時間t6でスイッチング素子
27がタ−ンオフされるため、スイッチング損失は殆ど
発生しない。又、ダイオ−ド31は、トランスの3次巻
線13−3に発生している電圧の短絡防止のために設け
られている。
【0021】以上の様な動作を行っているので、主スイ
ッチング素子のスイッチング時に於けるスイッチング損
失及びサ−ジ発生は極めて少なくなり、高効率で低ノイ
ズ化されたスイッチング電源装置が容易に得られる。
【0022】次に図3に於いて、制御系の動作について
説明する。誤差増巾器19で出力電圧と基準電圧20を
比較し第1のパルス発生器18で前記誤差増巾器19の
出力信号によりパルス変調を行い、第2のパルス発生器
28で、図4の動作波形の各スイッチング素子のドライ
ブ波形a、a′、b、b′の波形を作る。すなわち主ス
イッチング素子がタ−ンオンする直前に、補助スイッチ
ング素子がタ−ンオンする様な信号を、各スイッチング
素子のドライブ回路11に送出し、主スイッチング素子
4、7及び補助スイッチング素子26、27を、スイッ
チング動作を行わせる事に依り、出力負荷に安定に電源
を供給する。これによってスイッチング損失及びノイズ
やサ−ジが少ないスイッチング電源を作る事が可能にな
る。
【0023】図6は本発明の他の実施例であって、図3
の本発明で用いたトランス13の3次巻線13−3のか
わりに、第2のトランス29を用いて、スイッチングエ
ネル (7) ギ−を電源に帰還する方法である。又、30は全波整流
ダイオ−ドである。動作については図3のトランスの3
次巻線の場合と同じである。
【0024】
【発明の効果】本発明に依り、比較的容量の大きい場合
に用いられるハ−フブリッジ型スイッチング電源に於い
て、スイッチングの共振作用により、主スイッチング素
子のスイッチング損失を低減すると共に、主スイッチン
グ素子及び整流ダイオ−ドのサ−ジ電圧、ノイズ低減に
効果があり、コンバ−タの低ノイズ化、高効率化、小型
化が実現出来、産業上の効果は大である。
【図面の簡単な説明】
【図1】従来のハ−フブリッジ型スイッチング電源。
【図2】従来のハ−フブリッジ型スイッチング電源の動
作波形。
【図3】本発明第1の実施例のハ−フブリッジ型スイッ
チング電源。
【図4】本発明のハ−フブリッジ型スイッチング電源の
動作形。
【図5】本発明第2の実施例のハ−フブリッジ型スイッ
チング電源。
【符号の説明】
1 直流電源 2、3、16 コンデンサ 4、7 第1、第2スイッチング素子 5、8、22、24 スイッチング素子の寄生容量を含む
コンデンサ 6、9 スナバ−回路 10 寄生インダクタンス (8) 11 ドライブ回路 13 主トランス 13−1 主トランスの1次巻線 13−2 主トランスの2次巻線 13−3 主トランスの3次巻線 29 第2のトランス 29−1 第2のトランスの1次巻線 29−2 第2のトランスの2次巻線 14、30 全波整流ダイオ−ド 15 インダクタンス 17 負荷 18 パルス発生器 19 誤差増巾器 20 基準電圧 21、23 寄生ダイオ−ド 25 リアクトル 28 第2パルス発生器
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/335 H02M 7/48 H02M 7/5387

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流電源間に第1、第2コンデンサの直列
    回路と、第1、第2のスイッチング素子の直列回路を夫
    々並列に接続すると共に、該、第1、第2コンデンサの
    接続点と、該第1、第2のスイッチング素子の接続点間
    に主トランスの1次巻線を接続し、該第1、第2のスイ
    ッチング素子を交互にON,OFFすることにより、該
    主トランスの2次巻線側より負荷に電力を供給するハー
    フブリッジ型スイッチング電源において、該第1、第2
    のスイッチング素子の直列回路に、第3、第4のスイッ
    チング素子の直列回路を並列に接続すると共に、該第
    1、第2のスイッチング素子の接続点と、該第3、第4
    のスイッチング素子の接続点間に主トランスの3次巻線
    とリアクトルの直列回路を接続し、該第3、第4のスイ
    ッチング素子は、該第1、第2のスイッチング素子の動
    作タイミングに連動し、且つ、該第1、第2のスイッチ
    ング素子より早くON,OFF動作せしめることによ
    り、該第1、第2のスイッチング素子の動作モード中に
    発生するスイッチングエネルギーを、該主トランスの3
    次巻線を介して該直流電源に帰還するようにしたことを
    特徴とするスイッチング電源。
  2. 【請求項2】直流電源間に第1、第2コンデンサの直列
    回路と、第1、第2のスイッチング素子の直列回路を夫
    々並列に接続すると共に、該、第1、第2コンデンサの
    接続点と、該第1、第2のスイッチング素子の接続点間
    に主トランスの1次巻線を接続し、該第1、第2のスイ
    ッチング素子を交互にON,OFFすることにより、該
    主トランスの2次巻線側より負荷に電力を供給するハー
    フブリッジ型スイッチング電源において、該第1、第2
    のスイッチング素子の直列回路に、第3、第4のスイッ
    チング素子の直列回路を並列に接続すると共に、該第
    1、第2のスイッチング素子の接続点と、該第3、第4
    のスイッチング素子の接続点間に第2トランスの1次巻
    線とリアクトルの直列回路を接続し、該第3、第4のス
    イッチング素子は、該第1、第2のスイッチング素子の
    動作タイミングに連動し、且つ、該第1、第2のスイッ
    チング素子より早くON,OFF動作せしめることによ
    り、該第1、第2のスイッチング素子の動作モード中に
    発生するスイッチングエネルギーを、該第2トランスを
    介して該直流電源に帰還するようにしたことを特徴とす
    るスイッチング電源。
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