JP3334604B2 - 共振型スイッチング電源 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はスイッチング電源回
路に係わり、特に電流共振型スイッチング電源において
電力損失を軽減する際に有用なスイッチング電源に関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】図５はハーフブリッジ回路によって構成
されているスイッチング電源回路の原理図を示したもの
で、Ｑ１、Ｑ２は直列接続されているＭＯＳＦＥＴから
なるスイッチング素子、Ｔは１次側のスイッチング電力
を２次側に転送する絶縁トランスである。ＩＣは前記ス
イッチング素子Ｑ１，Ｑ２を交互に開閉するための電源
コントロール回路を示し、通常は図示されていない電圧
検出手段によって出力電圧Ｖ０と基準電圧を比較しなが
ら、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチング周波数
を可変できるように構成し、出力電圧Ｖ０を定電圧化す
ることができるように制御するものである。

【０００３】スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２の出力は絶縁
トランスＴの１次巻線Ｌ１と共振コンデンサＣ１に供給
されている。そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が交
互に開閉すると、絶縁トランスＴのリーケージインダク
タンスと共振する共振コンデンサＣ１を充放電する電流
によって、トランスの１次巻線Ｌ１がドライブされる。
そして、この共振電流によってスイッチング素子に流れ
る電流が零となるタイミングでスイッチング素子の切り
換えが行われるようにすることにより、スイッチング素
子の損失電力を少なくすることができる。なお、絶縁ト
ランスＴの２次巻線Ｌ２に全波整流のダイオードＤ１、
Ｄ２と、平滑コンデンサＣ０が接続され、直流出力電圧
Ｖ０が得られる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、このような
スイッチング電源回路は、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２
による開閉によって 電圧ｖ１と共振電流、及び負荷に
供給される電流成分が１次巻線Ｌ１に流れ、スイッチン
グ素子Ｑ１のターンオン時には、トランジスタに流れる
電流はマイナス方向から共振条件により決まる傾きで流
れはじめ、ほぼ零クロスのスイッチングを実現するが、
流れる電流Ｉには、電力伝送分の電流Ｉ１に対して共振
回路分の共振電流Ｉ _R が重畳されているので、そのピー
ク電流値が増加する。このため、スイッチング素子Ｑ
１、Ｑ２で切り換える際の飽和電圧と電流の積による電
力損失が増加するという問題があった。

【０００５】また、特に従来の電流共振型スイッチング
電源は、共振電流を形成するために絶縁トランスＴのリ
ーケージインダクタンスを利用し、このリーケージイン
ダクタンスと共振コンデンサＣ１によって共振周波数が
設定されようにしているので、絶縁トランスＴの設計が
難しいという問題が生じると共に、絶縁トランスＴにわ
ざわざリーケージ磁束が生じるように、例えば１次巻線
Ｌ１と２次巻線Ｌ２を粗結合となるように設計するた
め、電力の変換効率が低下し、漏洩磁界の発生が問題と
なる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の共振型スイッチ
ング電源ははかかる問題点を解消するために電源電圧を
所定のスイッチング周波数でスイッチング素子により断
続するスイッチング動作を行うと共に、該スイッチング
動作によって生じる交番電力をトランスを介して出力す
るようなスイッチング電源回路において、前記トランス
の出力巻線に共振コイルと共振コンデンサを直列接続し
て、スイッチング電源の共振素子とすると共に、前記共
振コイルの両端に発生する電圧を整流素子によって整流
し直流電圧を得るようにしたものである。

【０００７】また、上記スイッチング電源はハーフブリ
ッジタイプのスイッチング回路によって構成すると共
に、上記出力側の巻線を中点を零電圧とする両波整流タ
イプの巻線によって構成し、両波整流回路のそれぞれの
回路に共振素子を配置する。そして、この共振素子のコ
イルの両端に発生する電圧を同期型の整流素子によって
整流し直流出力を得るように形成する。

【０００８】電流共振回路をトランスの出力巻線側に付
加してスイッチング電源の共振周波数を定めるようにし
たので、スイッチング素子によって直接共振電流を断続
することがなくなり、その分スイッチング素子の損失を
低減することができる。また、絶縁トランスの場合は１
次巻線と２次巻線を密結合とすることができるので、伝
送する電力の変換効率を従来の電流共振型スイッチング
電源に比較して向上させることができる。

【０００９】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例を示すハー
フブリッジタイプの電流共振型スイッチング電源回路で
あって、前記した図５に示すように、Ｅは供給電源、Ｑ
１、Ｑ２はハーフブリッジ接続のスイッチング回路を形
成するスイッチング素子であり、ＭＯＳトランジスタに
よって構成されている。そして、その出力は絶縁トラン
スＴの１次巻線Ｌ１を介してハーフブリッジ構成とする
ための二つの転流用のコンデンサＣ１、Ｃ２の中点に接
続されている。

【００１０】また、絶縁トランスＴの出力巻線となる２
次巻線Ｌ２に誘起される誘起電圧はコンデンサＣ３、
（Ｃ４）及び共振コイルＬ３（Ｌ４）からなる共振回路
に供給され、共振コイルＬ３（Ｌ４）の両端の電圧がダ
イオードＤ１、Ｄ２を介して平滑コンデンサＣ０を充電
するように全波整流回路を構成している。このように、
本発明の実施例では絶縁トランスＴの２次巻線Ｌ２に対
して共振用コンデンサＣ３、（Ｃ４）と共振用コイルＬ
３（Ｌ４）を設けて、この共振コンデンサＣ３と共振コ
イルＬ３、および、共振コンデンサＣ４と共振コイルＬ
４によってスイッチング電源の共振条件が得られるよう
な共振回路を付加するようにしている。

【００１１】図２は２次巻線に誘起された電圧Ｖ２と共
振コンデンサＣ３、共振コイルＬ３に流れる共振電流ｉ
ｒ１と、共振コンデンサＣ４と共振コイルＬ４に流れる
共振電流ｉｒ２の波形図を示したものである。また、ｉ
ｄはダイオードで整流される負荷電流を示し、この負荷
電流の一部が平滑コンデンサにチャージされる。このよ
うなトランス結合回路は図３に示すように等価的には絶
縁トランスＴを介して１次側のスイッチング回路に巻線
比Ｎ１／Ｎ２＝ａを介して接続されたものになる。この
場合、Ｒ１と（１ーｋ）Ｌ１は１次巻線の抵抗成分と、
リーケージインダクタンス分を示し、Ｋは１次巻線と２
次巻線の結合係数を示している。密結合によってＫ＝１
と見なせるときは、共振素子Ｃ３、Ｌ３（Ｃ４、Ｃ４）
のインピーダンス（Ｚｃ、ＺL）は巻線比をａとすると
き、良く知られているようにａ２倍されたものになる。

【００１２】そしてこの等価的な共振素子のインピーダ
ンスによって設定された共振周波数が、スイッチング素
子Ｑ１、Ｑ２を開閉したときに共振電流としてスイッチ
ング電源の１次側のスイッチングのタイミングを制御
し、スイッチング素子のターンオン時に零電流のスイッ
チング条件を作る。なお、ＩＣはスイッチング素子Ｑ
１、Ｑ２をドライブするための制御用ＩＣ回路であり、
このＩＣ回路は通常は出力電圧Ｖ０を電圧検出回路Ｄに
よって検出し、出力電圧が一定の電圧に維持するように
スイッチング周波数を制御すると共に、スイッチング電
源の異常な温度上昇等を検知してスイッチング動作を停
止させる保護機能を持つことができるようにしている。

【００１３】以下、本発明のスイッチング電源の動作を
説明する。例えばＭＯＳトランジスタＱ１がオン、ＭＯ
ＳトランジスタＱ２がオフとなるように駆動されると、
電圧Ｖ１が電源ＥからＭＯＳトランジスタＱ１、トラン
スの１次巻線Ｌ１を介して転流コンデンサＣ１に電流が
流れ、転流コンデンサＣ１が充電されると同時にトラン
スの１次巻線Ｌ１の負荷に供給される電流成分と励磁電
流が流れる。次に、共振周期に対応してＭＯＳトランジ
スタＱ１がオフ、ＭＯＳトランジスタＱ２がオンとなる
ように駆動することにより、電圧Ｖ１がトランジスタの
飽和電圧となり、転流コンデンサＣ２、トランスの１次
巻線Ｌ１を介して逆方向の電流が絶縁トランスＴの１次
巻線Ｌ１に供給され、２次巻線Ｌ２に交番電圧が誘起さ
れる。

【００１４】スイッチング周期のデューティが５０パー
セントであれば転流コンデンサＣ１、Ｃ２には電源電圧
の１／２が定常状態でそれぞれ充電される。ところで、
この絶縁トランスＴに印加された交番電圧は、２次巻線
Ｌ２にも誘起されるが、２次巻線には共振コンデンサＣ
３（Ｃ４）と共振コイルＬ３（Ｌ４）によって直列共振
を起こすように形成されているため、２次巻線に流れる
電流の一方は共振電流ｉｒ１として共振コイルＬ３に流
れ、また、整流電流ｉｄがダイオードＤを介して平滑コ
ンデンサＣ０を充電すると共に負荷に流れる。

【００１５】共振電流ｉｒ１（ｉｒ２）は、図３に示し
た絶縁トランスＴの１次、２次間の等価的な回路から、
共振素子のインピーダンスωＬ＋１／ωＣの共振インピ
ーダンスを巻線比ａ２倍したものが１次側回路に挿入さ
れていることと等価になり、従来の電流共振型回路と同
様にスイッチング周期を適宜定めることによってほぼ零
電流の制御を実現させることができる。しかしながら、
本発明の場合はこの共振電流成分がスイッチング素子に
よって直接断続されることがないため、スイッチング素
子のロスを少なくすることができる。

【００１６】また、共振周波数の設定はトランスのリー
ケージインダクタンスを使用していないので、絶縁トラ
ンスの１次巻線と２次巻線の結合をできるだけ密結合と
なるように巻線を施すことができ、絶縁トランスの設計
を容易にすると共に、特に２次巻線に対する電力の伝送
効率を高くすることができる。図１に示されているよう
に、本発明の場合は、共振コイルＬ３（Ｌ４）の両端よ
り出力電圧を得るようにしているが、この電圧はトラン
スの２次巻線の電圧と同じ位相で、出力電流Ｉｄが流れ
ることになり、効率的に電力を伝送することができる。

【００１７】共振素子を構成するコンデンサＣ３（Ｃ
４）には共振電流と整流電流が流れるがＬ３（Ｌ４）に
は共振電流のみしか流れない。この共振電流はトランス
の巻線比に依存しているので比較的小さく押さえること
ができ、共振回路で失われる電力損失は小さい。ちなみ
に、図１の回路においてＣ３（Ｃ４）とＬ３（Ｌ４）の
位置を置き換えても共振電流が得られるが、この場合は
整流出力は一旦コンデンサＣ３に蓄えられて出力される
ので、２次電圧Ｖ２と出力電流ｉｄの位相がずれ、ま
た、共振電流のピーク値が増大する。従って、共振コイ
ルＬ３（Ｌ４）の両端から出力電圧を得ることは共振電
流を小さくすると共に、効率を改善を図る上で効果的に
なる。

【００１８】さらに本願発明の場合は、２次巻線側に共
振素子を配しているので、これらの素子の低耐圧化を実
現することができ、先に述べたように絶縁トランスを密
結合によって設計できるため、トランスの伝送効率が高
くなり漏洩磁束が少ないため実際に機器への取り付けも
容易になると利点がある。

【００１９】図４は本発明の他の実施例を示したもので
ある。この図では出力巻線側に整流素子としてダイオー
ドに代えてＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４が設けられて
いる。そしてこのＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４を出力
電圧と同期して開閉するために２次巻線Ｌ２の両端を巻
き上げて駆動巻線Ｌ２ａ、Ｌ２ｂを形成し、この巻線の
出力をＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４のゲートに印加す
ることにより同期整流方式を構築している。例えば正電
圧極性となっている方のＭＯＳトランジスタが交互に導
通するように制御することによって平滑コンデンサＣ０
に対して両波整流電流がチャージされるようにする。

【００２０】また、この実施例では共振素子を構成する
コイルＬ３ａと、Ｌ４ａを同一のコアに巻き込むことに
よって、共振コイルの点数が少なくなるようにしてい
る。この場合両コイルＬ３ａとＬ４ａの巻方向は図に示
すように逆特性となるようにする。

【００２１】上記実施例はハーフブリッジタイプの電流
共振型コンバータを例として説明したが、本発明はトラ
ンスの巻線を通過する電流を断続し、そのスッチング動
作によって交番電圧を発生すると共に、スイッチング電
流を共振波形を利用して断続する共振型電力変換装置に
おいて、共振回路のみを接続する巻線を備えることによ
って共振型スイッチング電源を形成する他の方式の共振
型電力変換装置にも応用できることはいうまでもない。

【００２２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明はトランス
のリーケージインダクタンスを使用して共振型のコンバ
ータを形成するような電力変換装置において、所定の共
振周波数で共振する共振回路を出力側の巻線に設けてい
るので、共振電流をスイッチングしたときのスイッチン
グ素子のロスを少なくすることができ、変換装置の効率
を高くすることができるという効果がある。また、特に
絶縁型の電力変換装置の場合は、１次巻線と、２次巻線
の結合を密にすることができるため、トランスの設計が
容易になると共に、電力の転送効率を向上することがで
きると効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のスイッチングで電源回路の実施例を示
す回路図である。

【図２】図１において２次巻線側に流れる電流電圧波形
の説明図を示す。

【図３】３次巻線に設けた共振インピーダンスの等価的
な回路図である。

【図４】本発明の他の実施例を示す回路図である。

【図５】電流共振型スイッチング電源の概要を示し説明
回路図である

【符号の説明】

Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子、Ｔ 絶縁トランス、Ｃ
３、Ｃ４ 共振コンデンサ、Ｌ３、Ｌ４ 共振コイル、
Ｌ１ １次巻線、Ｌ２ ２次巻線

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電源電圧を所定のスイッチング周波数で
   スイッチング素子により断続するスイッチング動作を行
   うと共に、該スイッチング動作によって生じる交番電力
   を１次巻線に供給し、トランスを介して出力するスイッ
   チング電源回路において、 前記トランスの出力巻線に共振コイルと共振コンデンサ
   を直列接続して、スイッチング電源の共振素子とすると
   共に、 前記共振コイルの両端に発生する電圧を整流素子によっ
   て整流し直流電圧を得るように構成したことを特徴とす
   る共振型スイッチング電源。
2. 【請求項２】 上記スイッチング素子はハーフブリッジ
   接続された二つのＭＯＳトランジスタで構成されている
   ことを特徴とする請求項１に記載の共振型スイッチング
   電源。
3. 【請求項３】 上記１次巻線と出力巻線は密結合とされ
   ていることを特徴とする請求項１に記載の共振型スイッ
   チング電源。
4. 【請求項４】 上記出力巻線は中点を零電圧として正、
   及び負の電圧を出力する巻線とし、同期整流型の整流素
   子によって全波整流回路を形成するように構成されてい
   ることを特徴とする請求項１に記載の共振型スイッチン
   グ電源。
5. 【請求項５】 上記全波整流回路に設けられている二つ
   の共振コイルは、同一のコアに巻き回されていることを
   特徴とする請求項４に記載の共振型スイッチング電源。