JP3457442B2 - スイッチング電源装置 - 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、整流素子としての
トランジスタの導通時の損失を少なくして電力変換効率
を向上させた、同期整流方式のスイッチング電源装置に
関する。

【０００２】

【従来の技術】オン状態にあるトランジスタのコレク
タ、エミッタ間の飽和電圧はダイオードの順方向降下電
圧よりも小さいため、それぞれの素子に電流を流した時
に発生する損失は、ダイオードよりもトランジスタの方
が少ないということが知られている。そこで、スイッチ
ング電源装置の電力変換効率を向上させる一手段とし
て、その回路中に設けられる整流素子に、ダイオードに
代えてトランジスタを使用することが考えられている。
このようなトランジスタによる同期整流素子を使用した
スイッチング電源装置の一例として、本発明者は、特願
平５−３０７５２０号において図２に示すようなスイッ
チング電源装置を提案した。

【０００３】図２に示す回路の構成と動作の詳細な説明
は省略するが、このスイッチング電源装置は、整流素子
にダイオードに代えてＰＮＰ型のトランジスタＱ２を使
用することにより高い電力変換効率が実現されている。
さらに、このスイッチング電源装置は、トランジスタＱ
２の動作を、ベースにコンデンサＣ４を介して制御信号
を受けるＮＰＮ型の駆動用トランジスタＱ３にて制御す
ることにより、ＰＮＰ型トランジスタの構造上発生す
る、コレクタからベースあるいはエミッタへ向かって漏
洩する電流を防止するのと同時に、このスイッチング電
源装置を昇降圧型のコンバータとして動作させることを
可能としている。

【０００４】整流素子にダイオードに代えてトランジス
タを使用することにより、スイッチング電源装置の電力
変換効率を向上させることができる。しかし、トランジ
スタ素子はダイオードと異なりオン、オフ制御を行う必
要があり、周知のごとくトランジスタ素子の動作には、
そのベース領域における電荷の蓄積あるいは消滅を原因
とする遅延時間が存在する。同期整流素子のトランジス
タがオン、オフ動作をしている時に発生する損失のほと
んどは、この動作の遅延時間内にトランジスタ素子のコ
レクタ、エミッタ間に現れる電圧と、そこを流れる電流
によって発生するものであり、当然、遅延時間が長い
程、損失が大きくなる。

【０００５】図２に示すスイッチング電源装置では、同
期整流素子としてのトランジスタＱ２の損失を少なくす
るために、ベース電流を設定するための抵抗Ｒ３にスピ
ードアップ用のコンデンサＣ５を並列接続し、さらにト
ランジスタＱ２のベースとアースとの間にコンデンサＣ
６と抵抗Ｒ６の直列回路を設けている。ここで、コンデ
ンサＣ６と抵抗Ｒ６の直列回路は、トランジスタＱ２の
ターンオン時においてはトランジスタＱ２のベース電流
を引き込みターンオン動作の速度を向上させ、また、ト
ランジスタＱ２のターンオフ時においてはトランジスタ
Ｑ２のベース領域の蓄積電荷の放電経路を形成し、蓄積
電荷の消滅を促進してターンオフ動作の速度を向上させ
るように作用する。スピードアップ用のコンデンサＣ５
の作用については一般的な技術であり、説明を省略す
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】図２に示す回路では昇
降圧型コンバータとして機能させるために、駆動用トラ
ンジスタＱ３のベースに、入力電圧Ｖ_INによる直流バイ
アスを阻止するためのコンデンサＣ４を介してオン、オ
フ制御信号を入力している。このコンデンサＣ４は、ベ
ース電流を設定するための抵抗Ｒ４と直列回路を形成す
ることで、前記オン、オフ制御信号にスイッチングトラ
ンジスタＱ１の動作に対する位相ズレを発生させる。こ
の制御信号の位相ズレは駆動用トランジスタＱ３の動作
タイミングにズレを発生させ、結果的にスイッチングト
ランジスタＱ１の動作に対してトランジスタＱ２の相補
動作のタイミングを外れさせる。また、コンデンサＣ５
及びコンデンサＣ６と抵抗Ｒ６の直列回路は、トランジ
スタＱ２の動作とその結果流れるベース電流に対して受
動的に上記した作用を行うものであり、トランジスタＱ
２の動作タイミングのズレ（遅延）の短縮には限界があ
った。

【０００７】そのため図２に示すようなスイッチング電
源装置では、スイッチングトランジスタＱ１のスイッチ
ング周波数を高周波化した際には、動作タイミングのズ
レに起因した整流手段（トランジスタＱ２）に発生する
損失が増大してしまい、損失低減の作用が思うように行
われなくなる結果となっていた。従って本発明は、整流
素子にＰＮＰ型トランジスタを使用したスイッチング電
源装置において、制御信号の位相ズレによる駆動用トラ
ンジスタの動作タイミング外れを改善し、さらには、整
流素子としてのトランジスタのベース領域の電荷の蓄積
あるいは消滅を速やかに行わせることで、スイッチング
周波数を高周波化した際にも高い電力変換効率を得るこ
とができるスイッチング電源装置を提供する事を目的と
する。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、スイッチング
素子がターンオフした時にインダクタンス要素にフライ
バック電圧を発生させ、そのフライバック電圧が入力電
圧に重畳した電圧を整流素子を介して整流し、所定の出
力電圧を得るスイッチング電源装置において、ＰＮＰ型
のバイポーラトランジスタよりなり、インダクタンス要
素と出力端子との間に設けられ、整流作用を担うトラン
ジスタ整流素子及び、ＮＰＮ型のバイポーラトランジス
タよりなり、トランジスタ整流素子のベースとインダク
タンス要素の入力端子側の一端との間に接続され、トラ
ンジスタ整流素子とインダクタンス要素の接続点よりオ
ン、オフ制御信号の供給を受けてトランジスタ整流素子
の動作を制御する駆動用トランジスタ、および、トラン
ジスタ整流素子のベースとインダクタンス要素の入力端
子側の一端との間に駆動用トランジスタの主電流路と並
列に接続した、抵抗とコンデンサの直列回路もしくはコ
ンデンサからなる補助バイアス回路をを具備することを
特徴する。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の基本的な実施の形態とし
ては、整流素子としてのトランジスタＱ２のベースを抵
抗Ｒ３を介して駆動用トランジスタＱ３のコレクタへ接
続し、駆動用トランジスタＱ３のエミッタをチョークコ
イルＬ１の入力端子１側の一端に接続する。駆動用トラ
ンジスタＱ３のベースは、抵抗Ｒ４を介してトランジス
タＱ２のエミッタに接続し、さらに、ダイオードＤ１の
カソード、アノードを介してチョークコイルＬ１の入力
端子１側の一端に接続する。そして、トランジスタＱ２
のベースとチョークコイルＬ１の入力端子１側の一端と
の間に、駆動用トランジスタＱ３の主電流路と並列した
電流路を形成する、抵抗Ｒ５とコンデンサＣ３の直列回
路による補助バイアス回路４を接続する。

【００１０】

【実施例】同期整流素子としてのトランジスタに発生す
る損失を低減することにより、高い電力変換効率が得ら
れる、本発明によるスイッチング電源装置の実施例の回
路を図１に示した。なお、図１中における図２に示され
たのと同じ機能を果たす構成要素に対しては、同一の符
号を付与してある。図１において本発明のスイッチング
電源装置は以下のような構成となっている。

【００１１】入力端子１にチョークコイルＬ１の一端
（ａ）を接続し、チョークコイルＬ１の他端（ｂ）をＮ
ＰＮ型のスイッチングトランジスタＱ１のコレクタに接
続する。スイッチングトランジスタＱ１のエミッタをア
ースに接続し、ベースをＰＷＭ制御回路３のパルス出力
端子ＰＯに接続する。チョークコイルＬ１の他端（ｂ）
をさらに同期整流素子としてのＰＮＰ型のトランジスタ
Ｑ２のエミッタに接続し、トランジスタＱ２のコレクタ
を出力端子２に接続する。出力端子２とアースとの間
に、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回路及び平滑コンデンサ
Ｃ２をそれぞれ接続し、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点を
ＰＷＭ制御回路の出力電圧検出端子ＦＢに接続する。

【００１２】トランジスタＱ２のベースは抵抗Ｒ３を介
してＮＰＮ型の駆動用トランジスタＱ３のコレクタに接
続し、駆動用トランジスタＱ３のエミッタをチョークコ
イルＬ１の一端（ａ）に接続する。駆動用トランジスタ
Ｑ３のベースをダイオードＤ１を介してチョークコイル
Ｌ１の一端（ａ）に接続し、さらにそのベースを抵抗Ｒ
４を介してチョークコイルＬ１の他端（ｂ）に接続す
る。トランジスタＱ２のベースとチョークコイルＬ１の
一端（ａ）との間にコンデンサＣ３と抵抗Ｒ５の直列回
路を接続し、このコンデンサＣ３と抵抗Ｒ５により補助
バイアス回路４を形成する。このような回路構成とした
スイッチング電源装置における、同期整流素子としての
トランジスタＱ２及びその駆動回路部分の動作は以下の
通りである。

【００１３】スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態
となるとチョークコイルＬ１にフライバック電圧が発生
し、チョークコイルＬ１の他端（ｂ）の電位は入力電圧
Ｖ_INとフライバック電圧を合わせた電圧値まで上昇す
る。このチョークコイルＬ１に発生したフライバック電
圧は、抵抗Ｒ４を介してＮＰＮ型のトランジスタＱ３に
順方向バイアスを与え、その結果駆動用トランジスタＱ
３をオン状態とし、さらに抵抗Ｒ５とコンデンサＣ３に
よる補助バイアス回路４を介してＰＮＰ型のトランジス
タＱ２のベースに順方向バイアスを与える。これにより
トランジスタＱ２のベースには、オン状態となった駆動
用トランジスタＱ３に流れる電流と補助バイアス回路４
に流れる電流を合わせたベース電流が流れ、トランジス
タＱ２はオン状態となる。

【００１４】次にスイッチングトランジスタＱ１がオン
状態となると、スイッチングトランジスタＱ１のコレク
タ〔チョークコイルＬ１の他端（ｂ）〕の電位はアース
電位まで低下し、チョークコイルＬ１の両端間にはチョ
ークコイルＬ１を流れる電流により入力電圧Ｖ_INに等し
い自己誘導電圧が現れる。するとチョークコイルＬ１の
両端間の自己誘導電圧によってダイオードＤ１に順方向
の電流が流れ、駆動用トランジスタＱ３は、このダイオ
ードＤ１のアノード、カソード間に現れる順方向降下電
圧によりそのベース、エミッタ間が逆バイアスを受け、
オフ状態となる。またチョークコイルＬ１の両端間の自
己誘導電圧は補助バイアス回路４を介してトランジスタ
Ｑ２のベース、エミッタ間に逆バイアスを与える。

【００１５】従ってトランジスタＱ２は、駆動用トラン
ジスタＱ３がオフ状態となることによるベース電流の流
通の停止と補助バイアス回路４を介して印加される逆バ
イアスとにより、オフ状態となる。なお、入力電圧Ｖ_IN
が出力電圧Ｖ_O より低い場合にはスイッチングトランジ
スタＱ１のオンデューティが大きくなり、チョークコイ
ルＬ１に発生するフライバック電圧は大きくなる。する
と上記したごとく、駆動用トランジスタＱ３とトランジ
スタＱ２はスイッチングトランジスタＱ１の動作に同期
して相補的にオン、オフ動作をする。これによりトラン
ジスタＱ２は同期整流素子として動作を行い、回路全体
としては昇圧コンバータとして機能する。

【００１６】これに対して入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_O
より高い場合にはスイッチングトランジスタＱ１のオン
デューティは非常に小さくなり、チョークコイルＬ１に
発生するフライバック電圧は小さくなる。すると駆動用
トランジスタＱ３及びトランジスタＱ２は、スイッチン
グトランジスタＱ１がオフ状態の時に完全なオン状態に
なることができず、非飽和領域での導通、非導通状態を
繰り返す。この時、駆動用トランジスタＱ３がそのコレ
クタへ導くトランジスタＱ２のベース電流は、スイッチ
ングトランジスタＱ１のオンデューティによってほぼ決
定され、トランジスタＱ２はスイッチングトランジスタ
Ｑ１の動作に応じてコレクタ、エミッタ間の電圧を変化
させ、出力電圧Ｖ_O が一定となるように制御する。これ
によりトランジスタＱ２はシリーズレギュレータに似た
動作を行い、回路全体としては降圧コンバータとして機
能する。

【００１７】図１に示す回路では、駆動用トランジスタ
Ｑ３をオン、オフ動作させる制御信号はチョークコイル
Ｌ１の両端に現れる交番した電圧となっており、図２に
示す回路と比較して駆動用トランジスタＱ３が入力電圧
Ｖ_INによる直流バイアスを受けないことから、駆動用ト
ランジスタＱ３のベースに直列に接続される容量素子が
不要となる。従って制御信号に位相ズレが生じず、駆動
用トランジスタＱ３の動作がスイッチングトランジスタ
Ｑ１の動作と時間的なズレを生じずに行われ、トランジ
スタＱ２の動作タイミングの同調と動作タイミングのズ
レに起因する損失の低減が可能となる。さらに図１に示
す回路では、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ５による補助バイ
アス回路４により、チョークコイルＬ１の両端間に現れ
る電圧がトランジスタＱ２のベースに順方向バイアスあ
るいは逆バイアスとして印加される。この２つのバイア
スはトランジスタＱ２のベース領域の電荷の蓄積あるい
は消滅を促進し、トランジスタＱ２の動作を高速化す
る。このことからもトランジスタＱ２の動作タイミング
のズレが改善され、それに起因する損失が低減される。

【００１８】なお、図１に示す回路のダイオードＤ１
は、スイッチング電源装置の仕様によっては省略される
ことがある。またスイッチングトランジスタのスイッチ
ング周波数が低い、電源装置が小容量である等の仕様の
時には、補助バイアス回路４は、省略あるいはコンデン
サのみで構成されることがある。さらに、スイッチング
周波数の高周波化に対して一層の動作速度の向上を図る
ため、抵抗Ｒ４に並列にスピードアップコンデンサを設
けることもあり、図１に示す回路構成のみに限定される
ものでは無い。

【００１９】

【発明の効果】以上に説明したように、本発明によるス
イッチング電源装置は、ＰＮＰ型トランジスタを整流素
子として使用し、トランジスタ整流素子のベースとチョ
ークコイルの入力端子側の一端との間に駆動用トランジ
スタを設け、その駆動用トランジスタには容量素子を介
さずに制御信号を入力する構成としている。これにより
駆動用トランジスタに供給される制御信号に位相ズレが
生じず、駆動用トランジスタの動作タイミングがスイッ
チング素子の動作にほぼ一致し、また補助バイアス回路
を設けることにより、チョークコイルの両端に現れる電
圧が順方向バイアスあるいは逆バイアスとして印加され
る。その結果、トランジスタ整流素子の動作タイミング
外れの改善と動作タイミング外れに起因する損失の低減
が可能となり、電力変換効率が高いスイッチング電源装
置が提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるスイッチング電源装置の実施例
の回路図。

【図２】 特願平５−３０７５２０号（図３）において
提案されたスイッチング電源装置の回路図。

【符号の説明】

１ 入力端子 ２ 出力端子 ３ ＰＷＭ制御回路 ４ 補助バイアス回路 Ｑ１ スイッチングトランジスタ Ｑ２ 同期整流素子としてのトランジスタ Ｑ３ 駆動用トランジスタ Ｌ１ チョークコイル Ｃ２ 平滑コンデンサ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スイッチング素子がターンオフした時にイ
   ンダクタンス要素にフライバック電圧を発生させ、該フ
   ライバック電圧が入力電圧に重畳した電圧を整流素子を
   介して整流し、所定の出力電圧を得るスイッチング電源
   装置において、 ＰＮＰ型のバイポーラトランジスタよりなり、該インダ
   クタンス要素と出力端子との間に設けられ、整流作用を
   担うトランジスタ整流素子、 ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタよりなり、該トラン
   ジスタ整流素子のベースと該インダクタンス要素の入力
   端子側の一端との間に接続され、該トランジスタ整流素
   子と該インダクタンス要素の接続点よりオン、オフ制御
   信号の供給を受けて該トランジスタ整流素子の動作を制
   御する駆動用トランジスタ、該トランジスタ整流素子のベースと該インダクタンス要
   素の入力端子側の一端との間に該駆動用トランジスタの
   主電流路と並列に接続した、抵抗とコンデンサの直列回
   路もしくはコンデンサからなる補助バイアス回路、 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】前記駆動用トランジスタのベース、エミッ
   タ間に、エミッタからベースの方向を順方向としたダイ
   オード素子を接続したことを特徴とする、請求項１に記
   載したスイッチング電源装置。