JP3328671B2 - 同期整流回路、これを備えたフォワードコンバータおよび同期整流方法 - Google Patents

同期整流回路、これを備えたフォワードコンバータおよび同期整流方法

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    • H02GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02MAPPARATUS FOR CONVERSION BETWEEN AC AND AC, BETWEEN AC AND DC, OR BETWEEN DC AND DC, AND FOR USE WITH MAINS OR SIMILAR POWER SUPPLY SYSTEMS; CONVERSION OF DC OR AC INPUT POWER INTO SURGE OUTPUT POWER; CONTROL OR REGULATION THEREOF
    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/38Means for preventing simultaneous conduction of switches

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、フォワードコンバ
ータにおける同期整流回路に関し、特に整流用および転
流用の各トランジスタを最適にオンオフ駆動する技術に
関する。
【0002】
【従来の技術】よく知られているフォワードコンバータ
を図7のブロック図に示す。同図のものは二次側制御タ
イプである。先ず構成について説明すると、直流入力端
子間にトランスTの一次巻線L1とスイッチングトラン
ジスタQ0とを直列に接続する。スイッチングトランジ
スタQ0としてはFET(電解効果型トランジスタ)を
用いる。トランスTの一次巻線L1間にはコンデンサC
rを接続しておく。スイッチングトランジスタQ0のゲ
ートにはスイッチング駆動回路10の出力端子が接続さ
れる。このスイッチング駆動回路10にはパルス幅制御
回路20の出力端子が接続される。トランスTのニ次巻
線間には整流用のトランジスタQ1および転流用のトラ
ンジスタQ2を直列に接続する。各トランジスタQ1,
Q2はFETで構成され、各ゲートには同期整流駆動回
路30の各出力端子が接続される。この同期整流駆動回
路30にはパルス幅制御回路20の出力端子が接続され
る。整流用および転流用トランジスタQ1,Q2と同期
整流駆動回路30とでもって同期整流回路が構成され
る。転流用のトランジスタQ2のドレインソース間にチ
ョークコイルL0と平滑コンデンサC0とを直列に接続
する。平滑コンデンサC0の両端を負荷に接続する出力
端子とする。
【0003】このような構成のフォワードコンバータに
ついて動作を説明する。スイッチング駆動回路10によ
って駆動されるスイッチングトランジスタQのオンオフ
動作によって直流入力電圧Vinは高周波電圧に変換さ
れる。この高周波電圧はトランスTにより変換されてそ
の二次巻線L2からは所定の周波数のパルス正電圧Bが
出力される。このパルス正電圧Bは、同期整流駆動回路
30で駆動されるトランジスタQ1,Q2の相補的なオ
ンオフ動作により整流される。これが同期整流回路によ
る整流作用である。転流用トランジスタQ2のドレイン
ソース間から得られる整流出力をチョークコイルL0お
よび平滑コンデンサC0の平滑回路で平滑する。平滑コ
ンデンサC0の両端からは負荷に供給する直流出力Vo
utが得られる。
【0004】同期整流回路による整流動作について説明
する。この同期整流回路は、図8のタイミングチャート
に示すようにパルス幅制御回路20の制御信号Aに同期
して各トランジスタQ1,Q2の駆動信号X,Yを生成
して出力する。すなわち、スイッチングトランジスタQ
0のターンオンに合わせて整流用トランジスタQ1をオ
ンする一方、スイッチングトランジスタQ0のターンオ
フに合わせて整流用トランジスタQ1をオフする。転流
用トランジスタQ2には、スイッチングトランジスタQ
0および整流用トランジスタQ1に対して反転したオン
オフ信号Yが与えられる。このことで、整流用トランジ
スタQ1と転流用トランジスタQ2とが交互にオンオフ
動作する。
【0005】このような同期整流回路の駆動方法による
各トランジスタQ0〜Q2の動作波形を図9(a)〜
(g)に示す。スイッチングトランジスタQ0について
ゲートソース間電圧を同図(a)に示し、ドレインソー
ス間電圧を同図(b)に示す。トランスTの二次巻線L
2から得られるパルス正電圧Bを同図(c)に示す。整
流用トランジスタQ1についてゲートソース間電圧を同
図(d)に示し、そのチャネル電流を同図(e)に示
す。転流用トランジスタQ2についてゲートソース間電
圧を同図(f)に示し、そのチャネル電流を同図(g)
に示す。
【0006】このような図9の動作波形図では、ゲート
ソース間電圧の立ち上がり(ターンオン)および立ち下
がり(ターンオフ)の各タイミングは、整流用トランジ
スタQ1とスイッチングトランジスタQ0とで一致して
いる。一方、転流用トランジスタQ2のターンオフのタ
イミングはスイッチングトランジスタQ0のターンオン
のそれと一致し、転流用トランジスタQ2のターンオン
のタイミングはスイッチングトランジスタQ0のターン
オフのそれと一致する。
【0007】このような同期整流動作を行うことによ
り、各トランジスタQ1,Q2に代えてショットキーバ
リアダイオード(SBD)のみを用いた場合に比べ、同
様の整流作用を確保した上でSBDの順方向降下電圧に
よる損失をなくせる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな同期整流回路にあっては、整流用トランジスタQ1
および転流用トランジスタQ2が同時に導通する期間が
生じる問題がある。このような導通をクロスコンダクシ
ョンと称する。同期整流駆動回路30による応答遅れと
各トランジスタQ1,Q2の寄生容量とによって各トラ
ンジスタQ1,Q2のON時間が広がるためにクロスコ
ンダクションが生じる。
【0009】具体的には図9(a)(c)に示すよう
に、トランスTのパルス正電圧Bは、スイッチングトラ
ンジスタQ0がターンオフしてもトランスTの応答遅れ
分だけ出力電圧をわずかに維持しほぼリニアに降下する
(図中斜線部分)。この応答遅れ期間中では、図9
(e)に示すように整流用トランジスタQ1のターンオ
フ後に減少するチャネル電流が残存するとともに、図9
(g)に示すように転流用トランジスタQ2のターンオ
ン後に上昇するチャネル電流が存在する(図中斜線部
分)。
【0010】また図9には表れていないが、スイッチン
グトランジスタQ0がターンオンする前後において、転
流用トランジスタQ2のターンオフ後に減少するチャネ
ル電流が残存するとともに、整流用トランジスタQ1の
ターンオン後に上昇するチャネル電流が存在する。ここ
でもクロスコンダクションが発生する。このようなクロ
スコンダクションにより無駄なチャネル電流が流れて効
率を悪化させる。
【0011】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であって、その目的は、整流用および転流用のトランジ
スタが同時に導通するクロスコンダクションを確実にな
くして効率的な同期整流動作を行うことにある。
【0012】
【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
に、本発明に係る同期整流回路では、トランスの一次巻
線と、スイッチング制御駆動回路のスイッチング信号に
よって動作するスイッチング素子とが直列に直流入力端
子間に接続されて、このスイッチング動作により前記ト
ランスの二次巻線から生成される出力を整流平滑して直
流出力を得るフォワードコンバータに用いられ、前記ト
ランスの二次巻線間に直列に接続された整流用トランジ
スタおよび転流用トランジスタと、これらトランジスタ
を前記スイッチング信号と前記トランス出力のパルス正
電圧とに基づいて相補的にオンオフ駆動することで前記
トランス出力を整流する同期整流制御駆動回路とを備え
た同期整流回路であって、前記同期整流制御駆動回路
は、前記スイッチング素子のターンオンに合わせて前記
転流用トランジスタをターンオフさせるとともに、前記
パルス正電圧の立ち上がりに合わせて前記整流用トラン
ジスタをターンオンさせる一方、前記スイッチング素子
のターンオフに合わせて前記整流用トランジスタをター
ンオフさせるとともに、前記パルス正電圧の立ち下がり
に合わせて前記転流用トランジスタをターンオンさせ
パルス正電圧が生じている時間内において前記整流用ト
ランジスタのターンオンからターンオフまでの動作を完
了し、パルス正電圧が生じていない時間内に前記転流用
トランジスタのターンオンからターンオフするまでの動
作を完了する。
【0013】また前記目的を達成するために、本発明に
係るフォワードコンバータでは、同期整流回路を備え、
前記転流用トランジスタの端子間に接続された平滑回路
から直流出力が得られる。
【0014】さらに前記目的を達成するために、本発明
に係る同期整流方法、トランスの一次巻線と、スイッ
チング制御駆動回路のスイッチング信号によって動作す
るスイッチング素子とが直列に直流入力端子間に接続さ
れて、このスイッチング動作により前記トランスの二次
巻線から生成される出力を整流平滑して直流出力を得る
フォワードコンバータにおいて、前記トランスの二次巻
線間に直列に接続された整流用トランジスタおよび転流
用トランジスタを前記スイッチング信号と前記トランス
出力のパルス正電圧とに基づいて相補的にオンオフ駆動
することで前記トランス出力を整流する前記同期整流回
路における同期整流方法であって、前記スイッチング素
子のターンオンに合わせて前記転流用トランジスタをタ
ーンオフさせるとともに、前記パルス正電圧の立ち上が
りに合わせて前記整流用トランジスタをターンオンさせ
る一方、前記スイッチング素子のターンオフに合わせて
前記整流用トランジスタをターンオフさせるとともに、
前記パルス正電圧の立ち下がりに合わせて前記転流用ト
ランジスタをターンオンさせる。
【0015】
【発明の実施の形態】この形態の一実施例として同期整
流回路を含むフォワードコンバータのブロック回路図を
図1に示す。前述した図7の従来例と同一の構成要素に
は同一符号を付してある。従来と共通する事項で説明の
重複する部分は省略し、相違する事項を中心に説明す
る。主たる相違事項は次の(イ)(ロ)である。
【0016】(イ)同期整流駆動回路30には同期整流
制御回路40の出力端子が接続される。この同期整流制
御回路40にはパルス幅制御回路20の出力端子および
トランスTの二次巻線L2の高圧ラインが接続される。
すなわち同期整流制御回路40には、図1に示すように
パルス幅制御信号AとトランスTのパルス正電圧Bとが
入力される。整流用および転流用トランジスタQ1,Q
2と同期整流の駆動回路30および制御回路40とでも
って同期整流回路が構成される。 (ロ)同期整流駆動回路30からの各トランジスタQ
1,Q2の駆動信号X,Yは、パルス幅制御信号Aだけ
でなくパルス正電圧Bにも基づき、所定の制御アルゴリ
ズムでもって生成出力される。
【0017】この制御アルゴリズムについて説明する。
整流用トランジスタQ1のターンオンは、図2のタイミ
ングチャートに示すようにトランスTのパルス正電圧B
が立ち上がるのに合わせて行う。整流用トランジスタQ
1のターンオフは従来同様にパルス幅制御信号Aの立ち
下がりに合わせる。このことで、転流用トランジスタQ
2のチャネル電流の立ち下がりと整流用トランジスタQ
1のチャネル電流の立ちあがりとの重複期間を確実にな
くす。アルゴリズムとして、整流用トランジスタQ1の
ゲート駆動信号Xは、パルス幅制御信号Aとパルス正電
圧Bとの論理積となる。
【0018】転流用トランジスタQ2のターンオンは、
図2のタイミングチャートに示すようにトランスTのパ
ルス正電圧Bが立ち下がるのに合わせて行う。転流用ト
ランジスタQ2のターンオフは従来同様にパルス幅制御
信号Aの立ち上がりに合わせる。このことで、スイッチ
ングトランジスタQ0のターンオフより適宜な遅延時間
をもって転流用トランジスタQ2のターンオンを行わ
せ、整流用トランジスタQ1のチャネル電流の立ち下が
りと転流用トランジスタQ2のチャネル電流の立ちあが
りとの重複期間を確実になくす。アルゴリズムとして、
転流用トランジスタQ2のゲート駆動信号Yは、パルス
幅制御信号Aの反転信号とパルス正電圧Bの反転信号と
の論理積となる。
【0019】このような制御アルゴリズムによる実際の
動作波形を図3(a)〜(g)に示す。各(a)〜
(g)は前述した従来の図9の各(a)〜(g)と同じ
動作波形を示している。図3(c)(d)に示すように
トランスTの二次巻線L2にパルス正電圧Bが発生して
いる時間内において整流用トランジスタQ1のターンオ
ンしてからターンオフするまでの動作を完了する。そし
て、図3(c)(f)に示すようにトランスTの二次巻
線L2にパルス正電圧が発生していない時間内に転流用
トランジスタQ2のターンオンからターンオフするまで
の動作を完了する。このことで、整流用トランジスタQ
1と転流用トランジスタQ2とが同時にオフしているデ
ッドタイムが生じ、クロスコンダクションの発生を確実
に防止する。
【0020】このクロスコンダクションの除去によるフ
ォワードコンバータの効率向上の効果を図4に示す。横
軸は負荷に出力される電流値を示し、縦軸が効率を示
す。図1で示した実施例を黒い三角印でプロットしたグ
ラフで示し、図1の設計変更として各トランジスタQ
1,Q2を二つずつ用いた例を白抜きの菱形でプロット
したグラフで示す。図7で示した従来例を黒い四角印で
プロットしたグラフで示す。図4に示すように、従来例
より実施例の方が効率が明らかによい。負荷電流が10
A以上では約5%もの効率の向上が認められる。
【0021】図1の実施例の具体的な回路設計の一例を
図5に示す。発明の特徴事項である整流用および転流用
トランジスタQ1,Q2の制御アルゴリズムを実現した
部分を説明する。同期整流制御回路40がパルス幅制御
回路20の出力AおよびトランスTのパルス正電圧Bを
NAND出力して反転Xを出力する。この反転Xを同期
整流駆動回路が反転して整流用トランジスタQ1のゲー
トに駆動信号Xを出力する。また、同期整流制御回路が
パルス幅制御回路20の信号AおよびトランスTのパル
ス正電圧Bをそれそれ反転させた信号をNAND出力し
て反転Yを出力する。この反転Yを同期整流駆動回路3
0が反転して転流用トランジスタQ2のゲートに駆動信
号Yを出力する。
【0022】図1の実施例の変形例を図6に示す。スイ
ッチングトランジスタQ0を一次側で制御するタイプを
示している。パルス幅制御回路の出力Aを遅延回路50
でスイッチング駆動回路10に出力するとともにフォト
カプラ60で絶縁して同期整流制御回路にも出力してい
る。フォトカプラ60の電源はトランスTの二次側の補
助巻線から得る。その他の構成は図1のものと同様であ
る。
【0023】なお、次のような実施の形態もこの発明の
技術的範囲〜に含まれる。 整流用および転流用トランジスタQ1,Q2の制御ア
ルゴリズムを実現するために様々な回路設計を施したも
の。 図1や図6において整流用トランジスタQ1を直流出
力の高圧ライン側に配置したもの。 整流用トランジスタQ1および転流用トランジスタQ
2を2個づつ用意してそれぞれ並列接続したもの。 各トランジスタQ1,Q2がFETの場合にnpn型
あるいはpnp型のいずれかを問わない。 各トランジスタQ1,Q2についてFET以外のトラ
ンジスタ素子にダイオードを並列接続したもの。 図1においてスイッチング駆動回路10,パルス幅制
御回路20,同期整流駆動回路30および同期整流制御
回路40を適宜組み合わせチップ化したもの。 FETで構成される各トランジスタQ1,Q2にショ
ットキーバリアダイオードを並列接続したもの。 この実施の形態で挙げた回路例以外に特許請求の範囲
に記載された技術的範囲に含まれる種々の回路。
【0024】
【発明の効果】トランスの二次側のパルス正電圧は、ス
イッチング素子のオンオフ動作に対して応答遅れをもっ
て立ち上がったり、立ち下がったりする。
【0025】つまり、スイッチング素子のターンオンに
合わせて転流用トランジスタをターンオフさせるととも
に、トランス出力のパルス正電圧の立ち上がりに合わせ
て整流用トランジスタをターンオンさせる。すると、転
流用トランジスタがターンオフした後に整流用トランジ
スタはターンオンすることになる。一方、スイッチング
素子のターンオフに合わせて前記整流用トランジスタを
ターンオフさせるとともに、パルス正電圧の立ち下がり
に合わせて前記転流用トランジスタをターンオンさせ
る。すると、整流用トランジスタがターンオフした後に
転流用トランジスタはターンオンすることになる。
【0026】このため、トランス出力のパルス正電圧が
生じている時間内において整流用トランジスタのターン
オンからターンオフまでの動作が完了する。なおかつ、
このパルス正電圧が生じていない時間内において転流用
トランジスタのターンオンからターンオフまでの動作が
完了する。しかも、整流用トランジスタおよび転流用ト
ランジスタとが同時にオフする期間が生じる。
【0027】したがって、同時にオンすることは全くな
く、クロスコンダクションを確実に防止することがで
き、効率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る同期整流回路を含むフォワードコ
ンバータの一実施例のブロック回路図である。
【図2】同上実施例の同期整流回路の制御アルゴリズム
を示すタイミングチャートである。
【図3】同上実施例の各部の動作波形図であり、(a)
はスイッチングトランジスタQ0のゲートソース間電圧
を示し、(b)はそのドレインソース間電圧を示し、
(c)はトランスTの二次巻線L2のパルス正電圧Bを
示し、(d)は整流用トランジスタQ1のゲートソース
間電圧を示し、(e)はそのチャネル電流を示し、
(f)は転流用トランジスタQ2のゲートソース間電圧
を示し、(g)はそのチャネル電流を示す。
【図4】フォワードコンバータの効率について同上実施
例と従来例とを比較したグラフである。
【図5】同上実施例の具体的な設計例を示す回路図であ
る。
【図6】同上実施例の変形例を示すブロック回路図であ
る。
【図7】従来の同期整流回路を含むフォワードコンバー
タのブロック回路図である。
【図8】同上従来の同期整流回路の制御アルゴリズムを
示すタイミングチャートである。
【図9】同上従来の各部の動作波形図であり、(a)は
スイッチングトランジスタQ0のゲートソース間電圧を
示し、(b)はそのドレインソース間電圧を示し、
(c)はトランスTの二次巻線L2のパルス正電圧Bを
示し、(d)は整流用トランジスタQ1のゲートソース
間電圧を示し、(e)はそのチャネル電流を示し、
(f)は転流用トランジスタQ2のゲートソース間電圧
を示し、(g)はそのチャネル電流を示す。
【符号の説明】
Cr コンデンサ L0 チョークコイル C0 平滑コンデンサ T トランス L1 一次巻線 L2 二次巻線 Q0 スイッチングトランジスタ Q1 整流用トランジスタ Q2 転流用トランジスタ 10 スイッチング駆動回路 20 パルス幅制御回路 30 同期整流駆動回路 40 同期整流制御回路 50 遅延回路 60 フォトカプラ A パルス幅制御信号 B パルス正電圧 X,Y 各トランジスタQ1,Q2の駆動信号
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平8−289538(JP,A) 特開 平4−127869(JP,A) 特開 平8−37777(JP,A) 特開 平7−337006(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/28

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 トランスの一次巻線と、スイッチング制
    御駆動回路のスイッチング信号によって動作するスイッ
    チング素子とが直列に直流入力端子間に接続されて、こ
    のスイッチング動作により前記トランスの二次巻線から
    生成される出力を整流平滑して直流出力を得るフォワー
    ドコンバータに用いられ、 前記トランスの二次巻線間に直列に接続された整流用ト
    ランジスタおよび転流用トランジスタと、これらトラン
    ジスタを前記スイッチング信号と前記トランス出力のパ
    ルス正電圧とに基づいて相補的にオンオフ駆動すること
    で前記トランス出力を整流する同期整流制御駆動回路と
    を備えた同期整流回路であって、 前記同期整流制御駆動回路は、前記スイッチング素子の
    ターンオンに合わせて前記転流用トランジスタをターン
    オフさせるとともに、前記パルス正電圧の立ち上がりに
    合わせて前記整流用トランジスタをターンオンさせる一
    方、前記スイッチング素子のターンオフに合わせて前記
    整流用トランジスタをターンオフさせるとともに、前記
    パルス正電圧の立ち下がりに合わせて前記転流用トラン
    ジスタをターンオンさせ、パルス正電圧が生じている時間内において前記整流用ト
    ランジスタのターンオンからターンオフまでの動作を完
    了し、パルス正電圧が生じていない時間内に前記転流用
    トランジスタのターンオンからターンオフするまでの動
    作を完了すること を特徴とする同期整流回路。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の同期整流回路を備えた
    フォワードコンバータであって、前記転流用トランジス
    タの端子間に接続された平滑回路から直流出力が得られ
    ることを特徴とする。
  3. 【請求項3】 請求項1に記載の同期整流回路における
    同期整流方法であって、 前記スイッチング素子のターンオンに合わせて前記転流
    用トランジスタをターンオフさせるとともに、前記パル
    ス正電圧の立ち上がりに合わせて前記整流用トランジス
    タをターンオンさせる一方、前記スイッチング素子のタ
    ーンオフに合わせて前記整流用トランジスタをターンオ
    フさせるとともに、前記パルス正電圧の立ち下がりに合
    わせて前記転流用トランジスタをターンオンさせること
    を特徴とする同期整流方法。
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