JP3578113B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、自励発振式のスイッチング電源装置、特に起動および停止を制御する起動停止回路を備えた自励発振式のスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
起動および停止を制御する起動停止回路を備えた従来の自励発振式のスイッチング電源装置としては、たとえば、実願昭６１−１９４２８８号、特願２０００−２９５２０３号、特開平１１−３４１８０２号（図１０）に示されるものがある。実願昭６１−１９４２８８号に示されるリンギングチョークコンバータ（ＲＣＣ）では、入力電源とスイッチング素子の制御端子間に接続された起動抵抗を用いてスイッチング素子に対し起動電圧を与えるようにしている。また、特願２０００−２９５２０３号に示されるハーフブリッジコンバータのスイッチング電源装置においても、スイッチング素子に対し、入力電源とスイッチング素子の制御端子間に接続された起動抵抗を用いて起動電圧を与えるようにしている。また、特開平１１−３４１８０２号（図１０）に示されるスイッチング電源装置は、サイリスタを用いて、スイッチング素子の制御端子に起動電圧を与えるようにしている。
【０００３】
図１１は、特願平２０００−２９５２０３号に示されるハーフブリッジコンバータの回路図を示している。このコンバータ回路の概略の構成を説明すると、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２の直列回路が入力電源Ｖｉｎに並列に接続され、キャパシタＣとインダクタＬとトランスＴの１次巻線Ｔ１との直列回路の一端が第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２の接続点に接続され、他端が入力電源Ｖｉｎに接続され、トランスＴの２次巻線に整流平滑回路が接続されている。トランスＴは、１次巻線Ｔ１の電圧に略比例した電圧を発生する第１の駆動巻線Ｔ３および、第２の駆動巻線Ｔ４を有し、第１の駆動巻線Ｔ３と第１のスイッチング素子Ｑ１との間に第１の制御回路Ａ１が接続され、第２の駆動巻線Ｔ４と第２のスイッチング素子Ｑ２との間に第２の制御回路Ａ２が接続されている。第１および第２の制御回路は、第１および第２のスイッチング素子を両スイッチング素子が共にオフする期間を挟んで交互にオン／オフするようにオン／オフ制御する。これにより、このスイッチング電源装置は自励発振する。
【０００４】
以上の構成において、キャパシタＣがトランスＴの１次巻線Ｔ１と入力電源Ｖｉｎ間に直列に接続されていることから、この回路はハーフブリッジコンバータとして動作する。
【０００５】
また、起動回路としては、入力電源Ｖｉｎと第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子との間に接続された抵抗Ｒ２と、該制御端子とソース端子間に接続された抵抗Ｒ７とからなる抵抗分圧回路が使用されている。すなわち、入力電源Ｖｉｎが上昇して、入力電源電圧を抵抗Ｒ２、Ｒ７で分圧した分圧電圧が、第１のスイッチング素子Ｑ１のスレッショルド電圧を超えると、第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオンする。第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオンすると１次巻線Ｔ１に電流が流れ、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生し、第１のスイッチング素子Ｑ１のオンを促進する。その後、第１の制御回路のトランジスタＴｒ１がオンして第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオフすると、第２の駆動巻線Ｔ４に電圧が発生し、次に第２のスイッチング素子Ｑ２がターンオンする。このようにして、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２とが交互にオン／オフ制御され自励発振が行われる。
【０００６】
図１２は、特開平１１−３４１８０２号公報（図１０）に示される、サイリスタを用いた起動回路と同様の回路を備えたハーフブリッジコンバータの回路図を示している。この回路の基本的構成は図１１に示すものと同様であって、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２とが交互にオン／オフ制御されて自励発振が行われる。両者の相違点は起動回路であって、図１２に示す回路では、第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子にサイリスタＳＲを接続している。起動時の概略動作を説明すると以下のようである。
【０００７】
入力電源Ｖｉｎが上昇すると、抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１が充電され、その充電電圧がツェナーダイオードＤｚのツェナー電圧を超えるとサイリスタＳＲが導通する。これにより、コンデンサＣ１に充電された電荷が第１のスイッチグ素子Ｑ１のゲートに流れ、第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオンする。この第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオンするとコンデンサＣ１の電荷は、抵抗Ｒ４および第１のスイッチング素子Ｑ１を介して短絡放電される。また、１次巻線Ｔ１に電流が流れ第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生して第１のスイッチング素子Ｑ１のオンを促進する。その後、第１の制御回路によって第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオフし、次に第２のスイッチング素子Ｑ２がターンオンする。こうして、第１のスイッチング素子Ｑ１とＱ２とが交互にオン／オフ制御されて自励発振が行われる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来の構成では、起動時や発振停止時に以下のような不都合があった。
【０００９】
▲１▼起動抵抗を用いた自励式ＲＣＣ
起動時に、起動抵抗による起動とスイッチング素子のターンオフを繰り返しながら負荷に電力を供給するため、スイッチング素子のターンオフから再起動するまでの起動時間が長くなる場合、単位時間における電力供給量が小さいために、重負荷においては所定の出力電圧を得ることができずに起動不良となってしまう不都合がある。
【００１０】
また、停止時、入力電圧が低くなるまで発振が持続すると、１次巻線の電流ピーク値が大きくなりトランスの飽和を起こしてしまう不都合がある。
【００１１】
▲２▼起動抵抗を用いた自励式ハーフブリッジコンバータ
入力電源電圧が緩慢に上昇した場合、スイッチング素子Ｑ１が能動領域から徐々にオン状態となるが、この時トランスに流れる電流の変化率が小さくなってトランスに電圧が発生しない状況に陥る。この場合には自励発振動作が行われず起動不良となる。
【００１２】
また、停止時に、入力電圧が低下してスイッチング素子Ｑ１のオンデューティが大きくなりすぎると、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する第１の制御回路が誤動作する可能性がある。
【００１３】
▲３▼サイリスタやダイアックを用いた自励式ハーフブリッジコンバータ
入力電圧がゆっくりと上昇した場合でも起動特性には問題は生じないが、サイリスタやダイアックなどの特殊な高価な素子が必要となる。また、図１２に示すような回路でのサイリスタやダイアックは、導通するまでの期間に高い電圧が印加されることから、高耐電圧特性のものが必要となってくる。
【００１４】
また、図１２において、コンデンサＣ１に蓄積された電荷がスイッチング素子Ｑ１のオンの度に短絡放電されるために、スイッチング損失が増加するという不都合がある。
【００１５】
また、停止時、入力電圧が低下してスイッチング素子Ｑ１のオンデューテイが大きくなりすぎると、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する制御回路が誤動作する可能性がある。
【００１６】
本発明は、上述の各課題を解決し、確実な起動機能と誤動作の無い発振停止機能を合わせ持つ起動停止回路を備えるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のように構成される。
【００１８】
（１）入力電源とトランスＴの１次巻線と第１のスイッチング素子Ｑ１とが直列に接続され、トランスＴの２次巻線に整流平滑回路が接続され、１次巻線電圧に略比例し前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンさせる電圧を発生させる第１の駆動巻線を前記トランスＴに備え、前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御し自励発振するスイッチング電源装置において、
前記第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子とソース端子との間に接続されたスイッチ手段と、
入力電源端子間の入力電源電圧を抵抗分圧して、この分圧した電圧を前記第１のスイッチング素子Ｑ１の起動電圧として供給する第１の抵抗分圧回路と、
入力電源端子間の入力電源電圧を抵抗分圧して、この分圧した電圧を前記スイッチ手段の制御電圧として供給する第２の抵抗分圧回路とを備え、
入力電源端子間の入力電源電圧の上昇時において、前記第２の抵抗分圧回路の分圧電圧が前記スイッチ手段をオフし、且つ前記第１の抵抗分圧回路の分圧電圧が前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンする大きさになると、そのときの前記入力電源電圧が起動開始入力電圧に達したものとして、前記スイッチ手段をオフし、且つ前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンして発振を開始させ、
前記入力電源端子間の入力電源電圧の降下時において、前記第２の抵抗分圧回路の分圧電圧が前記スイッチ手段をオンする大きさになると、そのときの前記入力電源電圧が発振停止入力電圧に達したものとして、前記スイッチ手段をオンし、前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオフして発振を停止させ、
前記起動開始入力電圧が前記発振停止入力電圧よりも高い電圧となるように前記第１の抵抗分圧回路又は前記第２の抵抗分圧回路の値を設定した、起動停止回路を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この発明では、入力電源電圧が上昇していき、あるしきい値を超えると、スイッチ手段がオフすることによって第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子に対し起動抵抗により起動電圧が一気に印加され、このスイッチング素子Ｑ１がオンする。これにより、入力電源電圧がゆっくりと上昇した場合であっても、第１のスイッチング素子Ｑ１をオンするための十分な電荷が一気に供給されるため、確実に起動することができる。また、たとえば、ＡＣ２３０Ｖの商用電源で動作するように設計された電源装置に、誤ってＡＣ１００Ｖの商用電源を投入した場合であっても、起動電圧がＡＣ１００Ｖよりも高くなるように前記所定の電圧を設定しておくことによって、ＡＣ１００Ｖを投入しても電源装置は動作せず、誤った電圧の電源投入によって誤動作するのを防止することができる。
【００２０】
また、入力電源をオフして入力電源電圧が低下した場合においても、所定の入力電圧以下になった時に発振を停止させるように動作するために、１次電流ピークの増加によるトランス飽和やオンデューティの拡大による誤動作を防止することができる。
【００２１】
また、１つの制御回路で、起動機能と発振停止機能を兼用させることができる。このため、それぞれ独立に２つの回路を設ける必要がなく、全体として部品点数を削減でき、スイッチング電源装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。
【００２２】
（２）前記第１の駆動巻線と前記起動停止回路の制御端子との間に、前記スイッチ手段をオフするよう該第１の駆動巻線の出力電圧を該制御端子に帰還させる帰還回路を設けた。
【００２３】
帰還回路は、第１の駆動巻線に発生する電圧を起動停止回路の制御端子に正帰還するように作動する。このため、起動時は、入力電源電圧のみが起動停止回路の制御端子に印加されるのに対し、発振開始後は、入力電源電圧に加えて、帰還回路により、第１の駆動巻線に発生した電圧が起動停止回路の制御端子に印加される。これにより、起動を開始する入力電源電圧よりも発振が停止する入力電源電圧のほうが低くなり、それらの入力電源電圧の間にヒステリス特性を持たせることができる。このヒステリシスにより、入力電圧のチャタリングによる誤動作を防ぐことができる。たとえば、商用電源電圧を整流平滑した電圧を入力電源電圧とすると、入力電源電圧に商用周波数の２倍の周波数のリップル電圧が発生する。この場合、起動電圧と停止電圧にほとんど差がなく、リップル電圧の変動が大きいと、入力電源電圧がこの電圧付近になると発振と停止を繰り返す誤動作を生じてしまう。本発明によれば、このチャタリングによる誤動作を上記ヒステリシス特性によって防止することができる。
【００２４】
また、上記ヒステリス特性は、出力に供給する電力等に係わらず発振停止電圧を起動電圧より低い電圧とするために、瞬時停電発生時等において発振が停止してから再び入力電圧が上昇した場合でも起動が可能となる。この場合、もし、発振停止電圧が起動電圧以上になっていると起動不良を生じてしまうことになる。
【００２５】
また、たとえば、ハーフブリッジコンバータのようにトランスの１次巻線に直列にキャパシタが接続されているコンバータ構成の場合、第１のスイッチング素子Ｑ１が能動領域からゆっくりオンするとトランスに流れる電流の変化率が小さく第１の駆動巻線に電圧が発生しないため自励発振動作が行われず、起動不良になるが、帰還回路による正帰還をかけることによって第１のスイッチング素子Ｑ１を急速にターンオンすることができ、これにより、起動不良を防止することができる。
【００２６】
また、起動時に起動とスイッチング素子のターンオフとを繰り返して負荷に電力を供給して起動するリンギングチョークコンバータにおいても、起動時のターンオンスピードを速くして起動周期を短くすることにより、重負荷時においても安定して起動することが可能となる。
【００２７】
また、帰還回路の定数を適切にすることによって、停止時において、入力電源電圧が低下するのに伴い第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間を次第に短縮させていくことができる。これにより、オンデューティの拡大による誤動作を抑制し、低い入力電圧まで発振を持続することができ、出力電圧の保持時間を長くすることができ、また、長い時間の瞬時停電に対応することができる。
【００２８】
（３）前記スイッチ手段を第１のトランジスタで構成し、前記制御回路を第１のトランジスタの制御端子に接続された第２のトランジスタで構成し、
該第２のトランジスタは、前記入力電源電圧が所定の電圧を超えることを検出するとオンして前記第１のトランジスタをオフすることで前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンして発振を開始させ、前記入力電源電圧が所定の電圧以下であることを検出するとオフして前記第１のトランジスタをオンすることで前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオフして発振を停止させる。
【００２９】
スイッチ手段を第１のトランジスタ、スイッチ手段の制御回路を第２のトランジスタで構成することによって回路部品を削減し、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００３０】
（４）前記第２のトランジスタは、ベース・エミッタ間のしきい値電圧と前記入力電源電圧の抵抗分圧電圧とを比較し、該抵抗分圧電圧が前記しきい値電圧を超えるかどうかで、前記入力電源電圧が所定の電圧を超えるかどうか、および、前記入力電源電圧が所定の電圧以下であるかどうかを検出する。
【００３１】
入力電源電圧と所定の電圧とを比較する手段として、第２のトランジスタのベース・エミッタ間のしきい値電圧を用いることによって、コンパレータや高耐圧のツェナーダイオード等の部品を必要としない。これにより、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００３２】
（５）前記第２のトランジスタのベース・エミッタ回路に該ベース・エミッタ間電圧の温度特性を補正するツェナーダイオードを接続した。
【００３３】
一般に、トランジスタのベース・エミッタ間電圧は約−２．０ｍＶ／℃の温度特性を持っている。このため、入力電源電圧の検出比較手段として、トランジスタのベース・エミッタ間電圧を用いると温度により起動電圧が変動する。これを補正するために、トランジスタのベース・エミッタ間電圧とツェナーダイオードのツェナー電圧の和を基準電圧として用い、たとえば、約＋２．０ｍＶ／℃の温度特性を持っている約７Ｖのツェナーダイオードを用いると基準電圧の温度変動はほとんどなくなる。これにより、温度による起動電圧の変動を抑制することができる。
【００３４】
（６）前記帰還回路は、前記第１の駆動巻線に発生する電圧を前記第２のトランジスタに印加する、少なくとも直列に接続された抵抗とダイオードとを含む回路で構成した。
【００３５】
ダイオードを用いることで、起動時は、帰還回路に電流が流れないため、帰還回路に流れる電流を考慮せずに容易に起動電圧を設定することができる。また、帰還回路を少ない部品点数で簡単に構成することができるため、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００３６】
（７）前記帰還回路は、前記第１の駆動巻線に発生する電圧を前記第２のトランジスタに印加する、少なくとも直列に接続された抵抗とコンデンサとを含む回路で構成した。
【００３７】
コンデンサを用いることで、起動時の直流電流を帰還回路に流すことなく、容易に起動電圧を設定することができ、発振開始後は交流電流を流すことにより帰還をかけることができる。また、上記（６）と同様に、帰還回路を少ない部品点数で簡単に構成することができるため、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００３８】
（８）前記帰還回路は、前記第１の駆動巻線に発生する電圧を前記第２のトランジスタに印加する、少なくとも直列に接続されたダイオードと抵抗とツェナーダイオードと、該ダイオードに並列に接続されたコンデンサを含む回路で構成した。
【００３９】
ダイオードに並列に接続されたコンデンサは、起動時においてその充電電荷を正帰還させ帰還値を大きくし、第１のスイッチング素子Ｑ１のターンオンスピードを上げることができる。また、直列に接続されたツェナーダイオードのツェナー電圧値を自由に設定出来るから、発振停止電圧の設定自由度を拡大することができる。
【００４０】
（９）上記（１）〜（８）のいずれかに記載のスイッチング電源装置の構成に加えて、
前記第１のスイッチング素子Ｑ１に第２のスイッチング素子Ｑ２を直列に接続してこの直列回路を入力電源に並列に接続されるようにし、キャパシタＣとインダクタＬとトランスＴの１次巻線との直列回路の一端が前記第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２との接続点に接続され、該直列回路の他端が入力電源に接続され、
前記第１のスイッチング素子に並列に第１のダイオードＤ１と第１のキャパシタＣ１とを接続し、
前記第２のスイッチング素子に並列に第２のダイオードＤ２と第２のキャパシタＣ２とを接続し、
１次巻線電圧に略比例し前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンさせる電圧を発生させる前記第１の駆動巻線とともに、１次巻線電圧に略比例し前記第２のスイッチング素子Ｑ２をオンさせる電圧を発生させる前記第２の駆動巻線をトランスＴに設け、
且つ、前記第１および第２のスイッチング素子を両スイッチング素子が共にオフする期間を挟んで交互にオン／オフするスイッチング制御回路を設け、これにより自励発振するようにした。
【００４１】
上記の構成のスイッチング電源装置は、ハーフブリッジ構成のコンバータである。ハーフブリッジ構成のコンバータでは、入力電源とトランス間に直列にコンデンサが挿入されるために、図１１に示すような従来の構成では、入力電源電圧がゆっくりと上昇すると起動不良を起こすことがあるが、本発明では、入力電源電圧がゆっくりと上昇した場合であっても、スイッチング素子Ｑ１を急速にターンオンして、トランスの１次巻線に流れる電流の変化率を大きくし、第１の駆動巻線に電圧を発生させて確実に自励発振動作を開始することができる。また、停止時において、入力電圧が低くなり、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティが拡大して、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する第１の制御回路が誤動作する前に発振を止める、またはオン時間を短縮することによって誤動作を防止することができる。さらに、図１２に示すような、スイッチング素子のオンのたびに短絡放電されるコンデンサＣ１がないために、スイッチング損失を低減し、スイッチング電源装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。
【００４２】
（１０）前記インダクタとしてトランスＴが有する漏れインダクタを用いた。インダクタＬとしてトランスＴが有する漏れインダクタを用いることによって、部品点数を削減し、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００４３】
（１１）前記第１のスイッチング素子Ｑ１および第２のスイッチング素子として電界効果トランジスタを用い、該電界効果トランジスタの寄生ダイオードおよび寄生容量により前記第１、第２のダイオードおよび前記第１、第２のキャパシタを構成した。
【００４４】
スイッチング素子として電界効果トランジスタを用いることによって、電界効果トランジスタが有する寄生ダイオード、寄生容量を回路部品として用いることができ、部品点数を削減し、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
【００４６】
第１のスイッチ回路Ｓ１は、第１のスイッチング素子Ｑ１、第１のダイオードＤ１、および第１のキャパシタＣ１の並列接続回路で構成され、第２のスイッチ回路Ｓ２は、第２のスイッチング素子Ｑ２、第２のダイオードＤ２、および第２のキャパシタＣ２の並列接続回路で構成される。これらの第１のスイッチ回路Ｓ１とＳ２とは直列に接続されて、この直列回路は入力電源Ｖｉｎに並列接続されている。第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２には、この実施形態の装置では電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴと称する）が使用される。
【００４７】
トランスＴの１次巻線Ｔ１にはインダクタＬおよびキャパシタＣが直列接続され、この直列回路の一端が、第１スイッチ回路Ｓ１と第２のスイッチ回路Ｓ２の接続点に接続され、他端が入力電源Ｖｉｎに接続されている。
【００４８】
トランスＴの第１の駆動巻線Ｔ３は、１次巻線Ｔ１の電圧に略比例した電圧を発生し、この駆動巻線電圧は第１の制御回路Ａ１に入力される。この第１の制御回路Ａ１は、第１の駆動巻線Ｔ３と第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）の間に接続されたコンデンサと抵抗の直列回路からなる遅延回路と、第１のスイッチング素子Ｑ１をターンオフさせるためのスイッチ手段であるトランジスタＴｒ３と、このトランジスタＴｒ３の制御端子（ベース）に接続され、検出回路Ｅからのフィードバック信号を受けるフォトカプラおよび該トランジスタＴｒ３をオンさせるための時定数回路で構成されている。なお、帰還回路Ｆはこの第１の制御回路Ａ１に含まれない。
【００４９】
第１の制御回路Ａ１は、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生してから、遅延して第１のスイッチング素子Ｑ１をオンさせるとともに、第１の駆動巻線Ｔ３の電圧が発生してから、フォトカプラのインピーダンスとコンデンサＣ４からなる時定数回路によって決まる時間経過後にトランジスタＴｒ３がオンすることによって第１のスイッチング素子Ｑ１を急速にターンオフさせる。
【００５０】
トランスＴには第２の駆動巻線Ｔ４が設けられており、この第２の駆動巻線Ｔ４の電圧は第２の制御回路Ａ２に入力される。この第２の制御回路Ａ２も、上記第１の制御回路Ａ１と同様の構成にあって、第２の駆動巻線Ｔ４に直列に遅延回路が接続され、また、第２のスイッチング素子Ｑ２をターンオフさせるためのトランジスタＴｒ５と、このトランジスタＴｒ５の制御端子（ベース）に接続される時定数回路を含んでいる。
【００５１】
なお、第１の制御回路Ａ１または第２の制御回路Ａには、それぞれ、キャパシタＣ１またはＣ２の両端電圧が零電圧または零電圧付近まで低下した後にスイッチング素子Ｑ１またはＱ２をオンさせるように遅延時間を設定する。これにより、各スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は零電圧スイッチング動作を行う。したがって、ターンオン損失を低減し、スイッチングノイズの発生を抑制することができる。また、第２の制御回路Ａ２は、第２のスイッチング素子Ｑ２を流れる電流が零または零付近でターンオフさせるように制御する。これによって、第２のスイッチング素子Ｑ２が零電流ターンオフ動作し、ターンオフ時のスイッチング損失、スイッチングサージが低減される。さらに、整流素子Ｄｓに流れる電流波形は矩形波に近いほど、該整流素子での損失が小さくなるが、このような波形となるように、キャパシタＣとインダクタＬとの値、およびスイッチング制御回路による第２のスイッチング素子Ｑ２のオン期間が設定される。
【００５２】
検出回路Ｅは、分圧抵抗Ｒ９、Ｒ１０と、その抵抗の基準点が基準電圧入力端子Ｖｒに接続されるシャントレギュレータＩＣ１と、このシャントレギュレータＩＣ１に直列に接続されるフォトダイオードＰＣとを備えている。シャントレギュレータＩＣ１は、基準電圧入力端子Ｖｒの電圧が一定になるようにカソード−アノード間の電流を制御し、この電流の変化は、フォトダイオードＰＣの光の強弱に変換され、トランスＴの第１の駆動巻線Ｔ３に接続されていフォトトランジスタに入光する。この回路では、フォトダイオードＰＣに流れる電流の強弱によってフォトトランジスタを介してトランジスタＴｒ３のオンタイミングを制御し、結果として第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間の制御を行う。すなわち、出力電圧が高くなってフォトダイオードＰＣの電流が大きくなろうとすると、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間が短くなり、出力電圧を下げようとし、反対に、出力電圧が低くなってフォトダイオードＰＣに流れる電流が小さくなろうとすると、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間が長くなって出力電圧を上げようとする。この動作によって、出力電圧の安定化が図られる。
【００５３】
次に上記のスイッチング電源装置の動作を説明する。
【００５４】
図２は、図１に示す回路の波形図である。以下、図１および図２を参照して同回路の動作を説明する。
【００５５】
図２において、Ｑ１、Ｑ２はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフを表す信号、Ｖｄｓ１、Ｖｄｓ２、Ｖｄｓは、それぞれキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃｓの両端電圧波形信号、ｉｄ１、ｉｄ２、ｉｓは、それぞれスイッチ回路Ｓ１、Ｓ２、制御素子Ｄｓの電流波形信号である。
【００５６】
本回路の起動後のスイッチング動作は、１スイッチング周期Ｔｓにおいて、主に時間ｔ１〜ｔ５の４つの動作状態に分けることができる。まず、起動時（発振開始時）について説明し、次に各状態における動作を示す。
【００５７】
（起動時）
入力電源Ｖｉｎが印加されると、後述するように起動停止回路Ｂによってスイッチング素子Ｑ１がオン状態となる。
【００５８】
スイッチング素子Ｑ１がオン状態からの最適な定格条件での１スイッチング周期Ｔｓにおける時間ｔ１〜ｔ５の４つの動作状態は次に示す通りである。
【００５９】
（状態１）ｔ１〜ｔ２
スイッチング素子Ｑ１はオンしており、入力電源Ｖｉｎの電圧からコンデンサ電圧を引いた電圧がトランスＴの１次巻線Ｔ１に印加され、１次巻線電流が直線的に増加し、トランスＴに励磁エネルギーが蓄えられる。また、この電流によりキャパシタＣは充電され、キャパシタＣに静電エネルギーが蓄えられる。
【００６０】
この時、第１の制御回路Ａ１のフォトトランジスタを介してコンデンサＣ４が充電され、Ｃ４の電圧がトランジスタＴｒ３のしきい電圧（約０． ６Ｖ）に達するとＴｒ３がオンして、時間ｔ２でスイッチング素子Ｑ１がターンオフし、状態２に遷移する。
【００６１】
（状態２）ｔ２〜ｔ３
スイッチング素子Ｑ１がターンオフすると、トランスＴの１次巻線Ｔ１とインダクタＬは、キャパシタＣ１およびＣ２と共振し、キャパシタＣ１を充電し、キャパシタＣ２を放電する。また、２次側ではトランスＴの２次巻線Ｔ２とキャパシタＣｓが共振し、キャパシタＣｓを放電する。Ｖｄｓ１の立ち上がり、およびＶｄｓ２の立ち下がり部分の曲線は、インダクタＬおよび１次巻線Ｔ１とキャパシタＣ１、Ｃ２との共振による正弦波の一部である。
【００６２】
キャパシタＣ２の両端電圧Ｖｄｓ２が下降し零電圧となると、ダイオードＤ２が導通する。駆動巻線Ｔ４に発生した電圧が第２の制御回路Ａ２のコンデンサと抵抗を介してスイッチング素子Ｑ１のターンオフより少し遅れてスイッチング素子Ｑ２のゲート端子に与えられ、このスイッチングトランジスタＱ２がターンオンされる。これにより零電圧スイッチング動作が行われ、状態３に遷移する。
【００６３】
この時、２次側ではキャパシタＣｓの両端電圧Ｖｓが零電圧まで下降し、整流素子Ｄｓが導通し、零電圧ターンオン動作となる。このＶｓの立ち下がり部分の曲線は、キャパシタＣｓと２次巻線Ｔ２との共振による正弦波の一部である。
【００６４】
（状態３）ｔ３〜ｔ４
状態３では、１次側でダイオードＤ２またはスイッチング素子Ｑ２が導通し、インダクタＬとキャパシタＣが共振を始める。この期間においてキャパシタＣの充電電荷は放電される。この時、２次側では整流素子Ｄｓが導通し、トランスＴに蓄えられた励磁エネルギーと、キャパシタＣに蓄えられた静電エネルギーを２次巻線Ｔ２から放出し、整流平滑回路を介して出力される。この時、整流素子Ｄｓに流れる電流ｉｓは、１次側のインダクタＬとキャパシタＣによる共振電流ｉｄ２に対し、直線的に減少する励磁電流ｉｍを引いた値と相似形となる。このため、零電流から比較的急峻に立ち上がり、正弦波状の曲線を有する波形となって、電流変化率が零となるピーク点に達した後、零電流に向かって下降する。トランスの励磁電流ｉｍが０となると、整流素子Ｄｓは零電流ターンオフ動作が行われ、２次側電流ｉｓが０となる。
【００６５】
１次側では、キャパシタＣの放電によって励磁電流ｉｍの向きが反転し、状態１とは逆方向にトランスＴを励磁する。第２の駆動巻線Ｔ４に発生した電圧により第２の制御回路Ａ２のトランジスタＴｒ２のベースに接続されているコンデンサが充電され、しきい電圧（約０． ６Ｖ）に達するとトランジスタＴｒ２がオンし、時間ｔ４でスイッチング素子Ｑ２が零電流付近でターンオフされ、零電流ターンオフが行われる。スイッチング素子Ｑ２がターンオフされると、２次側整流ダイオードに逆電圧が掛かり、キャパシタＣｓが共振を始め、トランスの巻線電圧が反転しはじめる。
【００６６】
ここで、出力端子に接続される負荷により、励磁電流がｉｍが０になるタイミングとスイッチング素子Ｑ２がターンオフされるタイミングが異なる。すなわち、負荷が軽い場合には、励磁電流ｉｍが０になってからＱ２がターンオフされ整流素子Ｄｓに逆電圧が掛かるが、重負荷の場合は、Ｑ２がターンオフされてから励磁電流ｉｍが０となり、整流素子Ｄｓに逆電圧が掛かる。すなわち、いずれの負荷条件においても、Ｑ２と整流素子Ｄｓがともにオフとなる時間ｔ４で整流素子Ｄｓに逆電圧が掛かり、状態４に移行する。
【００６７】
（状態４）ｔ４〜ｔ５
状態４では、トランスＴの２次巻線Ｔ２とキャパシタＣｓとが共振し、キャパシタＣｓが充電される。１次側では、トランスＴの１次巻線Ｔ１とインダクタＬは、キャパシタＣ１およびＣ２と共振し、キャパシタＣ１を放電し、キャパシタＣ２を充電する。
【００６８】
キャパシタＣ１の両端電圧Ｖｄｓ１が下降し零電圧になると、ダイオードＤ１が導通する。この時、第１の駆動巻線Ｔ３に発生した電圧が第１の制御回路Ａ１の抵抗およびコンデンサを介して少し遅延してスイッチング素子Ｑ１のゲートに与えられ、時間ｔ５でスイッチング素子Ｑ１がターンオンされ、零電圧スイッチング動作が行われて状態５が終了する。この時、２次側では、キャパシタＣｓの両端電圧Ｖｓが零電圧から上昇し、２次巻線電圧と出力電圧との和の電圧にクランプされる。
【００６９】
１スイッチング周期当たり、以上のような動作を行って、次のスイッチング周期も同様の動作を行い、以降この動作を繰り返す。
【００７０】
以上の動作によって、第１のスイッチング素子Ｑ１がオンされている期間にトランスＴの１次巻線Ｔ１に励磁エネルギーが蓄えられるとともに、キャパシタＣに静電エネルギーが蓄えられ、同スイッチング素子Ｑ１がオフすると、これらの励磁エネルギーと静電エネルギーが放出されることになるために、従来のスイッチング電源装置、すなわちスイッチング素子Ｑ１のオン期間に励磁エネルギーのみが蓄えられて、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間にこの励磁エネルギーを放出する装置に比較して、電流ピーク値を低減でき、導通損失を低減できる利点がある。
【００７１】
なお、図１に示すスイッチング電源装置においても、従来のスイッチング電源装置と同様に、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２は零電圧でターンし、スイッチング素子Ｑ２は零電流付近でターンオフするために、スイッチング損失、スイッチングサージが大幅に低減される。また、２次側の整流素子Ｄｓは零電流でオンし、且つその電流波形は零電流から比較的急峻に立ち上がり、電流の変化率が零となるピーク点に達した後、再び零電流となってターンオフする波形となるために、整流素子に流れる電流波形が矩形波的となってピーク電流値が低く抑えられ、実効電流値が低減されて導通損が低減される。
【００７２】
また、トランスの漏れインダクタＬが回路動作に取り込まれ、漏れインダクタＬによるスイッチングサージの発生がなく電圧がクランプされるために低耐圧の半導体素子を利用できる。また、スイッチング素子に流れる電流および電圧波形の急峻な変化が緩和されるために、スイッチングノイズの発生を低減することができる。
【００７３】
次に起動停止回路について説明する。
【００７４】
図１において、起動停止回路Ｂは、第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）と入力電源Ｖｉｎの基準電位端子（ソース）間に接続されたスイッチ手段としての第１のトランジスタＴｒ１と、この第１のトランジスタＴｒ１の制御端子（ベース）にコレクタが接続された第２のトランジスタＴｒ２と、この第２のトランジスタＴｒ２の制御端子（ベース）に接続されたツェナーダイオードＤｚ１と、このツェナーダイオードＤｚ１のカソードが分圧点であるａ点に接続された抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４からなる抵抗分圧回路とを備えている。このうち、第２のトランジスタＴｒ２とツェナーダイオードＤｚ１と抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４からなる抵抗分圧回路、および抵抗Ｒ２とで、スイッチ手段としての第１のトランジスタＴｒ１の制御回路を構成する。
【００７５】
上記の起動停止回路の動作を説明する。
【００７６】
電源が投入され、入力電源Ｖｉｎの電圧が上昇して、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の分圧点であるａ点の電位が上昇していった時、次の条件で第２のトランジスタＴｒ２がオンする。
【００７７】
Ｖｉｎ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）＞（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）・・・（１）
ただし、第２のトランジスタＴｒ２のしきい値電圧（約０．６Ｖ）をＶｂｅとし、ツェナーダイオードＤｚ１のツェナー電圧をＶｚとする。
【００７８】
第２のトランジスタＴｒ２がオンすると、第１のトランジスタＴｒ１がオフする。第１のトランジスタＴｒ１がオフすると、起動抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子Ｑ１のゲートに以下の電圧Ｖｇｓが印加される。
【００７９】
Ｖｇｓ＝Ｖｉｎ・Ｒ５／（Ｒ１＋Ｒ５）・・・（２）
この電圧をスイッチング素子Ｑ１のスレッショルド電圧より高く設定しておくことによって、上記（１）式が成立したときにスイッチング素子Ｑ１がターンオンする。スイッチング素子Ｑ１がターンオンすると、トランスＴの１次巻線Ｔ１に電流が流れ、１次巻線Ｔ１に電圧が発生する。これにより、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生し、この電圧は帰還回路Ｆによって第２のトランジスタＴｒ２に印加され、このトランジスタＴｒ２をさらにオン状態に移行し、これによりトランジスタＴｒ１をさらにオフ状態に移行させることによって、第１のスイッチング素子Ｑ１を急速にオン状態とする。
【００８０】
以上の動作において、上記（１）式に示すように、ａ点の電位Ｖａが所定の電圧を超えることを検出すると、第１のトランジスタＴｒ１をオフすることによって、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲートに対し一気に電圧を印加する。これにより、入力電源Ｖｉｎの電圧がゆっくり上昇した場合であっても、確実に起動することができる。
【００８１】
また、発振停止時の動作は次のようになる。
【００８２】
電源スイッチをオフすると、入力電源Ｖｉｎの電圧が低下する。この電圧が低下していって、
Ｖｉｎ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）＜（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）・・・（３）
となっても、起動時と異なり、発振はすぐに停止しない。これは、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生していることから、この電圧が帰還回路Ｆによってａ点に印加され、電位Ｖａを、Ｖａ＞（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）とするためで、第２のトランジスタＴｒ２はオンし続け、第１のトランジスタＴｒ１がオフとなり、発振を持続する。さらに、入力電源Ｖｉｎの電圧が低下すると、これに伴い、第１の駆動巻線Ｔ３の発生電圧は入力電源Ｖｉｎに比例していることから、低下し、第２のトランジスタＴｒ２のオン時間が短くなり、第１のトランジスタが第３のトランジスタＴｒ３よりも早いタイミングでオフするようになり、その結果、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間が徐々に短くなる。次に、Ｖａ＜（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）となると、第２のトランジスタＴｒ２がオフし、第１のトランジスタＴｒ１がオンする。これにより、第１のスイッチング素子Ｑ１はオフ状態となり、発振動作が停止する。
【００８３】
このように、起動停止回路Ｂを設けることによって、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧が入力電源Ｖｉｎの立ち上がり（電源オン時）および立ち下がり（電源オフ時）の変化に比例したものとならず、第１のトランジスタＴｒ１のオフまたはオンによってスイッチング素子Ｑ１のゲートに対し電圧が一気に印加されたりゲート電圧が一気に零となるため、単に、抵抗分圧回路によって起動電圧を印加する従来の回路に比べ、起動と停止を確実なものにすることができる。また、たとえば、ＡＣ２３０Ｖの商用電源で動作するように設計された電源装置に、誤ってＡＣ１００Ｖの商用電源を投入した場合等であっても、ＡＣ１００Ｖ投入時のａ点の電位Ｖａが（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）よりも低くなるように設定しておくことで、誤った電源投入による誤動作を防止することができる。また、電源オフ時においては、起動電圧より低い入力電圧で徐々にオン時間を短くして、所定の入力電圧で発振を停止させることによって、１次電流ピークの増加によるトランスＴの飽和やオンデューティの拡大による誤動作を防止することができる。さらに、起動停止回路Ｂは、起動機能と発振停止機能を合わせ持っているために、それぞれ独立に２つの回路を設ける場合と比較して部品点数を削減でき、スイッチング電源装置の高効率化、小型軽量化に寄与することができる。
【００８４】
図１に示す本発明の実施形態では、起動の確実性と停止時での誤動作防止の確実性をさらに高めるために、帰還回路Ｆを設けている。
【００８５】
この帰還回路Ｆは、第１の駆動巻線Ｔ３の端子と、分圧点のａ点との間に接続され、抵抗Ｒ６、ツェナーダイオードＤｚ２、ダイオードＤ２を直列に接続し、且つダイオードＤ２に並列にコンデンサＣ３を接続したものである。
【００８６】
次に、この帰還回路Ｆの動作を詳細に説明する。
【００８７】
起動時においては、上述のように、入力電源Ｖｉｎの電圧が所定の電圧を超えと、第１のトランジスタＴｒ１がオフして、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲートに起動抵抗Ｒ１を介して電圧が印加され、これによって、１次巻線Ｔ１に電流が流れ、さらに第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生する。この時、この電圧は帰還回路Ｆを介して起動停止回路Ｂのａ点に正帰還される。これにより、第２のトランジスタＴｒ２は帰還回路Ｆがない場合に比較してより急速にオン状態に移行し、したがって、第１のトランジスタＴｒ１はより急速にオフ状態に移行し、第１のスイッチング素子Ｑ１は一気にオン状態となる。
【００８８】
また、入力電源Ｖｉｎがその上昇時に上記（１）式が成立したりしなかったりするように変動すると、帰還回路Ｆがない場合、入力電源Ｖｉｎの変動に応じてトランジスタＴｒ２がオン／オフしてトランジスタＴｒ１がオフ／オンし、発振と停止を繰り返す誤動作をする可能性がある。しかし、帰還回路Ｆを設けることによって、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧がａ点に印加されるため、一度発振が開始され、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生すると、（１）式が成立しなくても、Ｖａ＞（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）となるため、第２のトランジスタＴｒ２はオンとなり、第１のトランジスタＴｒ１はオフとなり、上述の誤動作を防ぐことができる。さらに、入力電圧が低下して、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧が十分に低下すると、トランジスタＴｒ１がトランジスタＴｒ３よりも早いタイミングでオンして、スイッチング素子Ｑ１のオン時間が短くなり、入力電圧が所定の電圧に低下した時点でトランジスタＴｒ１がオン状態となり、確実に発振動作が停止する。このように、帰還回路Ｆは、スイッチング電源装置の起動電圧が停止電圧よりも高くなるヒステリス特性を与える。
【００８９】
図３は、このヒステリシス特性を模式的に示している。このヒステリシス特性は、たとえば、入力電源電圧のチャタリングや商用電源電圧を整流平滑して入力電源を得て、入力電源電圧が大きく変動する場合により有効である。すなわち、入力電源電圧のオン／オフによるチャタリングや入力電源電圧の商用周波数のリップル電圧等により、入力電圧が変動（振動）した場合、起動電圧と停止電圧にほとんど差がない特性であると、入力電源電圧がこの起動電圧付近（または停止電圧付近）を上下するような電圧になった時に、発振と停止を繰り返す誤動作を起こす可能性がある。そこで、帰還回路Ｆを設けて図３に示すヒステリシス特性を与えることにより、この誤動作を抑制することができる。また、発振停止する停止電圧が起動電圧以上の場合には、入力電圧が起動電圧以下となる前に再起動すると起動不良を生じるが、停止電圧が起動電圧以下であるヒステリシス特性によって、このような状況になるのを確実に防止できる。また、本実施形態のようなハーブブリッジコンバータでは、トランスの１次巻線Ｔ１に直列にキャパシタＣが接続されているために、スイッチング素子Ｑ１が能動領域からゆっくりオンする時に起動不良になる可能性があるが、帰還回路Ｆによって正帰還をかけ、スイッチング素子Ｑ１を急速にターンオンする構成としているために、どのような状況であっても起動不良を生じることがない。
【００９０】
また、帰還回路Ｆは、さらに、発振停止時においても誤動作を抑制するように動作する。図４は、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧Ｖｂｉａｓがある程度まで低下した時の波形図である。Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ図１におけるｂ点およびｃ点の電位を示している。この状態では、帰還回路ＦのコンデンサＣ３に、負極性の時（駆動巻線Ｔ３の発生電圧の極性が逆の時）に充電されている電荷が、正極性に切り換わった時に、この充電電位にＶｂｉａｓが加算された電位がａ点に印加されて、トランジスタＴｒ２がオンしてトランジスタＴｒ１がオフする。しかし、コンデンサＣ３の充電電荷が消費されＶａ＜（ Ｖｂｅ＋Ｖｚ）となると、その時点でトランジスタＴｒ２がオフしてトランジスタＴｒ１がオンしてしまう。このトランジスタＴｒ１がオンするタイミングは、図４のｔａである。一方、トランジスタＴｒ１がオンしない場合には、トランジスタＴｒ３は、図４のＶｂｉａｓの極性切り換わりタイミングｔ２でオン動作する。したがって、帰還回路Ｆの上記の動作により、入力電源Ｖｉｎの電圧がある程度まで低下した状態では、第１の駆動巻線Ｔ３が正極性になった時のオン時間（期間）Ｔｏｎを、トランジスタＴｒ３よりトランジスタＴｒ１がより速くオンすることによって矢印Ｐのように短縮しようとする。この結果、入力電源Ｖｉｎの電圧が低下するに伴い、スイッチング素子Ｑ１のオン時間がしだいに短縮して発振が停止状態になる。これにより、入力電源電圧の低下時に、オンデューテイが拡大することによって誤動作が生じるのを抑制し、低い入力電源電圧まで発振を持続することができ、出力電圧の保持時間を長くすることができ、また、長い時間の瞬時停電に対応することもできる。
【００９１】
このように、発振停止動作時には、入力電源Ｖｉｎの電圧低下に応じて、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧が低下し、これにより、トランジスタＴｒ２のベース電流が小さくなり、トランジスタＴｒ１のオフ時間がしだいに短くなっていく。そして、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間がしだいに短縮されていき、さらに入力電源電圧が低下すると、帰還回路ＦのツェナーダイオードＤｚ２がオフとなって、発振が停止する。
【００９２】
図５は、帰還回路Ｆの構成図を示している。また、図６は、帰還回路Ｆの他の構成例を示し、図７は、さらに他の構成例を示す。
【００９３】
図５および図７に示す帰還回路では、コンデンサＣ３を設けているために、上述のように、発振停止時において第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間をしだいに短縮して発振を停止させることが可能である。また、このコンデンサＣ３は、定常状態においては、トランジスタＴｒ２をより早くオンする（トランジスタＴｒ１をより早くオフする）ように帰還量を増やすスピードアップコンデンサとして機能する。なお、ダイオードＤ２は、抵抗Ｒ３とＲ４の抵抗分圧回路によるａ点で起動時に帰還回路に電流が流れ込むのを防止し、抵抗Ｒ３とＲ４の分圧比のみで起動電圧を容易に決めることができる。また、ツェナーダイオードＤｚ２は、発振停止電圧を所定の値に設定するためのものであって、このツェナーダイオードのツェナー電圧によって、発振停止電圧を設定する自由度を拡大することが可能である。
【００９４】
以上のように、本実施形態の自励式ハーフブリッジコンバータにおいては、入力電源Ｖｉｎの電圧がゆっくりと上昇した場合であっても、第１のスイッチング素子Ｑ１を急速にターンオンして、トランスＴの１次巻線Ｔ１に流れる電流の変化率を大きくし、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧を発生させて自励発振動作を確実に開始することができる。また、停止時においては、入力電源電圧の低下に伴いスイッチング素子Ｑ１のオン時間を短縮していくことによって誤動作するのを防止することができる。さらに、起動停止回路Ｂは、高耐圧のサイリスタやダイアック等の素子を用いる必要がない。このためスイッチング電源装置の低コスト化を図ることができる。また、図１２に示すような、スイッチング素子のオンのたびに、短絡放電されるコンデンサＣ１がないために、スイッチング損失が低減される。
【００９５】
なお、図１に示す自励式ハーブブリッジコンバータでは、インダクタＬを別部品として設けているが、これを、トランスＴが有する漏れインダクタで構成することができる。これにより、部品点数を削減できる。また、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２に、電界効果トランジスタを用いることによって、この電界効果トランジスタが有する寄生ダイオード、寄生容量をダイオードＤ１、Ｄ２およびコンデンサＣ１、Ｃ２に代えて使用することができる。これにより、部品点数を削減できる。
【００９６】
図８は、商用電源を整流平滑して入力電源Ｖｉｎを得る場合の回路ブロック図である。
【００９７】
図９は、本発明の他の実施形態であるリンギングチョークコンバータの回路図である。この発明に係る起動停止回路Ｂと帰還回路Ｆとは、図１に示す自励式ハーブブリッジコンバータだけではなく、図９に示すリンギングチョークコンバータにも適用することが可能である。起動停止回路Ｂおよび帰還回路Ｆの動作は、自励式ハーフブリッジコンバータでの動作と変わるところはない。
【００９８】
図１０は、この発明のさらに他の実施形態である自励式ハーフブリッジコンバータの回路図である。構成において、図１に示す回路構成と相違する点は、抵抗Ｒ１に直列にツェナーダイオードＤｚ４を接続したことと、抵抗Ｒ３に直列にツェナーダイオードＤｚ３を接続したことである。この回路では、入力電源Ｖｉｎの電圧がツェナーダイオードＤｚ３がオンするまでに上昇しない限り起動しない。したがって、誤った入力電源が接続されて誤動作するのを防止出来る。また、トランジスタＴｒ１にベース電流を供給する経路である抵抗Ｒ２を、ツェナーダイオードＤｚ４のカソードに接続し、このカソード電位を入力電圧よりも十分低い値とすることによって、抵抗Ｒ２を入力電源に接続する場合と比較して、抵抗Ｒ２の値を小さくでき、損失を低減できる。さらに、トランジスタＴｒ１がオンした状態でも、ツェナーダイオードＤｚ４のツェナー電位により、抵抗Ｒ２を経路として十分なベース電流を供給できる。
【００９９】
【発明の効果】
この発明によれば、起動時においては、入力電源電圧が所定の電圧を超えた時に一気に第１のスイッチング素子Ｑ１をターンオンして発振を開始するため、特に入力電源電圧が緩やかに上昇する場合に起動不良となるのを防止することができる。また、上記所定の電圧を適当な値に設定することによって、ＡＣ２３０Ｖの商用電源で動作するように設計された電源装置に誤ってＡＣ１００Ｖの商用電源が投入された場合等、誤った電源投入によって起こす可能性のある誤動作を防ぐこともできる。入力電源をオフして発振を停止させようとする時には、所定の電圧以下になった時に発振を停止させることによって、１次電流ピークの増加によるトランスの飽和やオンデューティの拡大による誤動作を防止することができる。また、起動機能と発振停止機能を１つの起動停止回路で合わせ持つことによって、それぞれ独立に２つの回路を設ける場合と比較して部品点数を削減することができる。
【０１００】
また、起動停止回路に加えて帰還回路を設けることによって、起動をさらに確実なものとし、また、起動電圧と停止電圧との間にヒステリシス特性を持たせることによって、入力電圧のチャタリング発生や、瞬時停電等の入力電圧の変動が不安定な場合における誤動作を防止でき、起動をさらに確実なものとすることができる。また、発振停止時においても、誤動作を防ぎ確実に発振停止させることができるとともに、出力電圧の保持時間を長くすることが出来る。
【０１０１】
この発明は、特に、トランスの１次巻線に直列にキャパシタが接続されるハーフブリッジコンバータにおいて、これまでに起動不良が生じやすかった不具合をなくすことができる。そして、高耐圧のサイリスタやダイアック等の素子を用いる必要がなく、また、起動回路に充放電されるコンデンサを使用する必要がないために、スイッチング電源装置の低コスト化、高効率化、小型軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態である自励式ハーフブリッジコンバータの回路図
【図２】上記自励式ハーフブリッジコンバータの動作波形図
【図３】ヒステリシス特性を示す図
【図４】発振停止時の動作を説明する図
【図５】帰還回路の第１の実施例
【図６】帰還回路の第２の実施例
【図７】帰還回路の第３の実施例
【図８】自励式ハーフブリッジコンバータに商用電源の整流平滑回路を接続した時の回路ブロック図
【図９】この発明の他の実施形態であるリンギングチョークコンバータの回路図
【図１０】この発明のさらに他の実施形態の自励式ハーフブリッジコンバータの回路図
【図１１】従来のスイッチング電源装置の回路図
【図１２】従来のスイッチング電源装置の他の例の回路図
【符号の説明】
Ｖｉｎ−入力電源
Ｑ１−第１のスイッチング素子
Ｑ２−第２のスイッチング素子
Ｂ−起動停止回路
Ｆ−帰還回路
【発明の属する技術分野】
本発明は、自励発振式のスイッチング電源装置、特に起動および停止を制御する起動停止回路を備えた自励発振式のスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
起動および停止を制御する起動停止回路を備えた従来の自励発振式のスイッチング電源装置としては、たとえば、実願昭６１−１９４２８８号、特願２０００−２９５２０３号、特開平１１−３４１８０２号（図１０）に示されるものがある。実願昭６１−１９４２８８号に示されるリンギングチョークコンバータ（ＲＣＣ）では、入力電源とスイッチング素子の制御端子間に接続された起動抵抗を用いてスイッチング素子に対し起動電圧を与えるようにしている。また、特願２０００−２９５２０３号に示されるハーフブリッジコンバータのスイッチング電源装置においても、スイッチング素子に対し、入力電源とスイッチング素子の制御端子間に接続された起動抵抗を用いて起動電圧を与えるようにしている。また、特開平１１−３４１８０２号（図１０）に示されるスイッチング電源装置は、サイリスタを用いて、スイッチング素子の制御端子に起動電圧を与えるようにしている。
【０００３】
図１１は、特願平２０００−２９５２０３号に示されるハーフブリッジコンバータの回路図を示している。このコンバータ回路の概略の構成を説明すると、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２の直列回路が入力電源Ｖｉｎに並列に接続され、キャパシタＣとインダクタＬとトランスＴの１次巻線Ｔ１との直列回路の一端が第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２の接続点に接続され、他端が入力電源Ｖｉｎに接続され、トランスＴの２次巻線に整流平滑回路が接続されている。トランスＴは、１次巻線Ｔ１の電圧に略比例した電圧を発生する第１の駆動巻線Ｔ３および、第２の駆動巻線Ｔ４を有し、第１の駆動巻線Ｔ３と第１のスイッチング素子Ｑ１との間に第１の制御回路Ａ１が接続され、第２の駆動巻線Ｔ４と第２のスイッチング素子Ｑ２との間に第２の制御回路Ａ２が接続されている。第１および第２の制御回路は、第１および第２のスイッチング素子を両スイッチング素子が共にオフする期間を挟んで交互にオン／オフするようにオン／オフ制御する。これにより、このスイッチング電源装置は自励発振する。
【０００４】
以上の構成において、キャパシタＣがトランスＴの１次巻線Ｔ１と入力電源Ｖｉｎ間に直列に接続されていることから、この回路はハーフブリッジコンバータとして動作する。
【０００５】
また、起動回路としては、入力電源Ｖｉｎと第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子との間に接続された抵抗Ｒ２と、該制御端子とソース端子間に接続された抵抗Ｒ７とからなる抵抗分圧回路が使用されている。すなわち、入力電源Ｖｉｎが上昇して、入力電源電圧を抵抗Ｒ２、Ｒ７で分圧した分圧電圧が、第１のスイッチング素子Ｑ１のスレッショルド電圧を超えると、第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオンする。第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオンすると１次巻線Ｔ１に電流が流れ、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生し、第１のスイッチング素子Ｑ１のオンを促進する。その後、第１の制御回路のトランジスタＴｒ１がオンして第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオフすると、第２の駆動巻線Ｔ４に電圧が発生し、次に第２のスイッチング素子Ｑ２がターンオンする。このようにして、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２とが交互にオン／オフ制御され自励発振が行われる。
【０００６】
図１２は、特開平１１−３４１８０２号公報（図１０）に示される、サイリスタを用いた起動回路と同様の回路を備えたハーフブリッジコンバータの回路図を示している。この回路の基本的構成は図１１に示すものと同様であって、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２とが交互にオン／オフ制御されて自励発振が行われる。両者の相違点は起動回路であって、図１２に示す回路では、第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子にサイリスタＳＲを接続している。起動時の概略動作を説明すると以下のようである。
【０００７】
入力電源Ｖｉｎが上昇すると、抵抗Ｒ１を介してコンデンサＣ１が充電され、その充電電圧がツェナーダイオードＤｚのツェナー電圧を超えるとサイリスタＳＲが導通する。これにより、コンデンサＣ１に充電された電荷が第１のスイッチグ素子Ｑ１のゲートに流れ、第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオンする。この第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオンするとコンデンサＣ１の電荷は、抵抗Ｒ４および第１のスイッチング素子Ｑ１を介して短絡放電される。また、１次巻線Ｔ１に電流が流れ第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生して第１のスイッチング素子Ｑ１のオンを促進する。その後、第１の制御回路によって第１のスイッチング素子Ｑ１がターンオフし、次に第２のスイッチング素子Ｑ２がターンオンする。こうして、第１のスイッチング素子Ｑ１とＱ２とが交互にオン／オフ制御されて自励発振が行われる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の従来の構成では、起動時や発振停止時に以下のような不都合があった。
【０００９】
▲１▼起動抵抗を用いた自励式ＲＣＣ
起動時に、起動抵抗による起動とスイッチング素子のターンオフを繰り返しながら負荷に電力を供給するため、スイッチング素子のターンオフから再起動するまでの起動時間が長くなる場合、単位時間における電力供給量が小さいために、重負荷においては所定の出力電圧を得ることができずに起動不良となってしまう不都合がある。
【００１０】
また、停止時、入力電圧が低くなるまで発振が持続すると、１次巻線の電流ピーク値が大きくなりトランスの飽和を起こしてしまう不都合がある。
【００１１】
▲２▼起動抵抗を用いた自励式ハーフブリッジコンバータ
入力電源電圧が緩慢に上昇した場合、スイッチング素子Ｑ１が能動領域から徐々にオン状態となるが、この時トランスに流れる電流の変化率が小さくなってトランスに電圧が発生しない状況に陥る。この場合には自励発振動作が行われず起動不良となる。
【００１２】
また、停止時に、入力電圧が低下してスイッチング素子Ｑ１のオンデューティが大きくなりすぎると、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する第１の制御回路が誤動作する可能性がある。
【００１３】
▲３▼サイリスタやダイアックを用いた自励式ハーフブリッジコンバータ
入力電圧がゆっくりと上昇した場合でも起動特性には問題は生じないが、サイリスタやダイアックなどの特殊な高価な素子が必要となる。また、図１２に示すような回路でのサイリスタやダイアックは、導通するまでの期間に高い電圧が印加されることから、高耐電圧特性のものが必要となってくる。
【００１４】
また、図１２において、コンデンサＣ１に蓄積された電荷がスイッチング素子Ｑ１のオンの度に短絡放電されるために、スイッチング損失が増加するという不都合がある。
【００１５】
また、停止時、入力電圧が低下してスイッチング素子Ｑ１のオンデューテイが大きくなりすぎると、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する制御回路が誤動作する可能性がある。
【００１６】
本発明は、上述の各課題を解決し、確実な起動機能と誤動作の無い発振停止機能を合わせ持つ起動停止回路を備えるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のように構成される。
【００１８】
（１）入力電源とトランスＴの１次巻線と第１のスイッチング素子Ｑ１とが直列に接続され、トランスＴの２次巻線に整流平滑回路が接続され、１次巻線電圧に略比例し前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンさせる電圧を発生させる第１の駆動巻線を前記トランスＴに備え、前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御し自励発振するスイッチング電源装置において、
前記第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子とソース端子との間に接続されたスイッチ手段と、
入力電源端子間の入力電源電圧を抵抗分圧して、この分圧した電圧を前記第１のスイッチング素子Ｑ１の起動電圧として供給する第１の抵抗分圧回路と、
入力電源端子間の入力電源電圧を抵抗分圧して、この分圧した電圧を前記スイッチ手段の制御電圧として供給する第２の抵抗分圧回路とを備え、
入力電源端子間の入力電源電圧の上昇時において、前記第２の抵抗分圧回路の分圧電圧が前記スイッチ手段をオフし、且つ前記第１の抵抗分圧回路の分圧電圧が前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンする大きさになると、そのときの前記入力電源電圧が起動開始入力電圧に達したものとして、前記スイッチ手段をオフし、且つ前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンして発振を開始させ、
前記入力電源端子間の入力電源電圧の降下時において、前記第２の抵抗分圧回路の分圧電圧が前記スイッチ手段をオンする大きさになると、そのときの前記入力電源電圧が発振停止入力電圧に達したものとして、前記スイッチ手段をオンし、前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオフして発振を停止させ、
前記起動開始入力電圧が前記発振停止入力電圧よりも高い電圧となるように前記第１の抵抗分圧回路又は前記第２の抵抗分圧回路の値を設定した、起動停止回路を備えたことを特徴とする。
【００１９】
この発明では、入力電源電圧が上昇していき、あるしきい値を超えると、スイッチ手段がオフすることによって第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子に対し起動抵抗により起動電圧が一気に印加され、このスイッチング素子Ｑ１がオンする。これにより、入力電源電圧がゆっくりと上昇した場合であっても、第１のスイッチング素子Ｑ１をオンするための十分な電荷が一気に供給されるため、確実に起動することができる。また、たとえば、ＡＣ２３０Ｖの商用電源で動作するように設計された電源装置に、誤ってＡＣ１００Ｖの商用電源を投入した場合であっても、起動電圧がＡＣ１００Ｖよりも高くなるように前記所定の電圧を設定しておくことによって、ＡＣ１００Ｖを投入しても電源装置は動作せず、誤った電圧の電源投入によって誤動作するのを防止することができる。
【００２０】
また、入力電源をオフして入力電源電圧が低下した場合においても、所定の入力電圧以下になった時に発振を停止させるように動作するために、１次電流ピークの増加によるトランス飽和やオンデューティの拡大による誤動作を防止することができる。
【００２１】
また、１つの制御回路で、起動機能と発振停止機能を兼用させることができる。このため、それぞれ独立に２つの回路を設ける必要がなく、全体として部品点数を削減でき、スイッチング電源装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。
【００２２】
（２）前記第１の駆動巻線と前記起動停止回路の制御端子との間に、前記スイッチ手段をオフするよう該第１の駆動巻線の出力電圧を該制御端子に帰還させる帰還回路を設けた。
【００２３】
帰還回路は、第１の駆動巻線に発生する電圧を起動停止回路の制御端子に正帰還するように作動する。このため、起動時は、入力電源電圧のみが起動停止回路の制御端子に印加されるのに対し、発振開始後は、入力電源電圧に加えて、帰還回路により、第１の駆動巻線に発生した電圧が起動停止回路の制御端子に印加される。これにより、起動を開始する入力電源電圧よりも発振が停止する入力電源電圧のほうが低くなり、それらの入力電源電圧の間にヒステリス特性を持たせることができる。このヒステリシスにより、入力電圧のチャタリングによる誤動作を防ぐことができる。たとえば、商用電源電圧を整流平滑した電圧を入力電源電圧とすると、入力電源電圧に商用周波数の２倍の周波数のリップル電圧が発生する。この場合、起動電圧と停止電圧にほとんど差がなく、リップル電圧の変動が大きいと、入力電源電圧がこの電圧付近になると発振と停止を繰り返す誤動作を生じてしまう。本発明によれば、このチャタリングによる誤動作を上記ヒステリシス特性によって防止することができる。
【００２４】
また、上記ヒステリス特性は、出力に供給する電力等に係わらず発振停止電圧を起動電圧より低い電圧とするために、瞬時停電発生時等において発振が停止してから再び入力電圧が上昇した場合でも起動が可能となる。この場合、もし、発振停止電圧が起動電圧以上になっていると起動不良を生じてしまうことになる。
【００２５】
また、たとえば、ハーフブリッジコンバータのようにトランスの１次巻線に直列にキャパシタが接続されているコンバータ構成の場合、第１のスイッチング素子Ｑ１が能動領域からゆっくりオンするとトランスに流れる電流の変化率が小さく第１の駆動巻線に電圧が発生しないため自励発振動作が行われず、起動不良になるが、帰還回路による正帰還をかけることによって第１のスイッチング素子Ｑ１を急速にターンオンすることができ、これにより、起動不良を防止することができる。
【００２６】
また、起動時に起動とスイッチング素子のターンオフとを繰り返して負荷に電力を供給して起動するリンギングチョークコンバータにおいても、起動時のターンオンスピードを速くして起動周期を短くすることにより、重負荷時においても安定して起動することが可能となる。
【００２７】
また、帰還回路の定数を適切にすることによって、停止時において、入力電源電圧が低下するのに伴い第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間を次第に短縮させていくことができる。これにより、オンデューティの拡大による誤動作を抑制し、低い入力電圧まで発振を持続することができ、出力電圧の保持時間を長くすることができ、また、長い時間の瞬時停電に対応することができる。
【００２８】
（３）前記スイッチ手段を第１のトランジスタで構成し、前記制御回路を第１のトランジスタの制御端子に接続された第２のトランジスタで構成し、
該第２のトランジスタは、前記入力電源電圧が所定の電圧を超えることを検出するとオンして前記第１のトランジスタをオフすることで前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンして発振を開始させ、前記入力電源電圧が所定の電圧以下であることを検出するとオフして前記第１のトランジスタをオンすることで前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオフして発振を停止させる。
【００２９】
スイッチ手段を第１のトランジスタ、スイッチ手段の制御回路を第２のトランジスタで構成することによって回路部品を削減し、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００３０】
（４）前記第２のトランジスタは、ベース・エミッタ間のしきい値電圧と前記入力電源電圧の抵抗分圧電圧とを比較し、該抵抗分圧電圧が前記しきい値電圧を超えるかどうかで、前記入力電源電圧が所定の電圧を超えるかどうか、および、前記入力電源電圧が所定の電圧以下であるかどうかを検出する。
【００３１】
入力電源電圧と所定の電圧とを比較する手段として、第２のトランジスタのベース・エミッタ間のしきい値電圧を用いることによって、コンパレータや高耐圧のツェナーダイオード等の部品を必要としない。これにより、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００３２】
（５）前記第２のトランジスタのベース・エミッタ回路に該ベース・エミッタ間電圧の温度特性を補正するツェナーダイオードを接続した。
【００３３】
一般に、トランジスタのベース・エミッタ間電圧は約−２．０ｍＶ／℃の温度特性を持っている。このため、入力電源電圧の検出比較手段として、トランジスタのベース・エミッタ間電圧を用いると温度により起動電圧が変動する。これを補正するために、トランジスタのベース・エミッタ間電圧とツェナーダイオードのツェナー電圧の和を基準電圧として用い、たとえば、約＋２．０ｍＶ／℃の温度特性を持っている約７Ｖのツェナーダイオードを用いると基準電圧の温度変動はほとんどなくなる。これにより、温度による起動電圧の変動を抑制することができる。
【００３４】
（６）前記帰還回路は、前記第１の駆動巻線に発生する電圧を前記第２のトランジスタに印加する、少なくとも直列に接続された抵抗とダイオードとを含む回路で構成した。
【００３５】
ダイオードを用いることで、起動時は、帰還回路に電流が流れないため、帰還回路に流れる電流を考慮せずに容易に起動電圧を設定することができる。また、帰還回路を少ない部品点数で簡単に構成することができるため、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００３６】
（７）前記帰還回路は、前記第１の駆動巻線に発生する電圧を前記第２のトランジスタに印加する、少なくとも直列に接続された抵抗とコンデンサとを含む回路で構成した。
【００３７】
コンデンサを用いることで、起動時の直流電流を帰還回路に流すことなく、容易に起動電圧を設定することができ、発振開始後は交流電流を流すことにより帰還をかけることができる。また、上記（６）と同様に、帰還回路を少ない部品点数で簡単に構成することができるため、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００３８】
（８）前記帰還回路は、前記第１の駆動巻線に発生する電圧を前記第２のトランジスタに印加する、少なくとも直列に接続されたダイオードと抵抗とツェナーダイオードと、該ダイオードに並列に接続されたコンデンサを含む回路で構成した。
【００３９】
ダイオードに並列に接続されたコンデンサは、起動時においてその充電電荷を正帰還させ帰還値を大きくし、第１のスイッチング素子Ｑ１のターンオンスピードを上げることができる。また、直列に接続されたツェナーダイオードのツェナー電圧値を自由に設定出来るから、発振停止電圧の設定自由度を拡大することができる。
【００４０】
（９）上記（１）〜（８）のいずれかに記載のスイッチング電源装置の構成に加えて、
前記第１のスイッチング素子Ｑ１に第２のスイッチング素子Ｑ２を直列に接続してこの直列回路を入力電源に並列に接続されるようにし、キャパシタＣとインダクタＬとトランスＴの１次巻線との直列回路の一端が前記第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２との接続点に接続され、該直列回路の他端が入力電源に接続され、
前記第１のスイッチング素子に並列に第１のダイオードＤ１と第１のキャパシタＣ１とを接続し、
前記第２のスイッチング素子に並列に第２のダイオードＤ２と第２のキャパシタＣ２とを接続し、
１次巻線電圧に略比例し前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンさせる電圧を発生させる前記第１の駆動巻線とともに、１次巻線電圧に略比例し前記第２のスイッチング素子Ｑ２をオンさせる電圧を発生させる前記第２の駆動巻線をトランスＴに設け、
且つ、前記第１および第２のスイッチング素子を両スイッチング素子が共にオフする期間を挟んで交互にオン／オフするスイッチング制御回路を設け、これにより自励発振するようにした。
【００４１】
上記の構成のスイッチング電源装置は、ハーフブリッジ構成のコンバータである。ハーフブリッジ構成のコンバータでは、入力電源とトランス間に直列にコンデンサが挿入されるために、図１１に示すような従来の構成では、入力電源電圧がゆっくりと上昇すると起動不良を起こすことがあるが、本発明では、入力電源電圧がゆっくりと上昇した場合であっても、スイッチング素子Ｑ１を急速にターンオンして、トランスの１次巻線に流れる電流の変化率を大きくし、第１の駆動巻線に電圧を発生させて確実に自励発振動作を開始することができる。また、停止時において、入力電圧が低くなり、スイッチング素子Ｑ１のオンデューティが拡大して、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する第１の制御回路が誤動作する前に発振を止める、またはオン時間を短縮することによって誤動作を防止することができる。さらに、図１２に示すような、スイッチング素子のオンのたびに短絡放電されるコンデンサＣ１がないために、スイッチング損失を低減し、スイッチング電源装置の高効率化、小型軽量化を図ることができる。
【００４２】
（１０）前記インダクタとしてトランスＴが有する漏れインダクタを用いた。インダクタＬとしてトランスＴが有する漏れインダクタを用いることによって、部品点数を削減し、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００４３】
（１１）前記第１のスイッチング素子Ｑ１および第２のスイッチング素子として電界効果トランジスタを用い、該電界効果トランジスタの寄生ダイオードおよび寄生容量により前記第１、第２のダイオードおよび前記第１、第２のキャパシタを構成した。
【００４４】
スイッチング素子として電界効果トランジスタを用いることによって、電界効果トランジスタが有する寄生ダイオード、寄生容量を回路部品として用いることができ、部品点数を削減し、スイッチング電源装置の低コスト化、小型軽量化を図ることができる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
図１は、この発明の第１の実施形態のスイッチング電源装置の回路図である。
【００４６】
第１のスイッチ回路Ｓ１は、第１のスイッチング素子Ｑ１、第１のダイオードＤ１、および第１のキャパシタＣ１の並列接続回路で構成され、第２のスイッチ回路Ｓ２は、第２のスイッチング素子Ｑ２、第２のダイオードＤ２、および第２のキャパシタＣ２の並列接続回路で構成される。これらの第１のスイッチ回路Ｓ１とＳ２とは直列に接続されて、この直列回路は入力電源Ｖｉｎに並列接続されている。第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２には、この実施形態の装置では電界効果型トランジスタ（以下、ＦＥＴと称する）が使用される。
【００４７】
トランスＴの１次巻線Ｔ１にはインダクタＬおよびキャパシタＣが直列接続され、この直列回路の一端が、第１スイッチ回路Ｓ１と第２のスイッチ回路Ｓ２の接続点に接続され、他端が入力電源Ｖｉｎに接続されている。
【００４８】
トランスＴの第１の駆動巻線Ｔ３は、１次巻線Ｔ１の電圧に略比例した電圧を発生し、この駆動巻線電圧は第１の制御回路Ａ１に入力される。この第１の制御回路Ａ１は、第１の駆動巻線Ｔ３と第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）の間に接続されたコンデンサと抵抗の直列回路からなる遅延回路と、第１のスイッチング素子Ｑ１をターンオフさせるためのスイッチ手段であるトランジスタＴｒ３と、このトランジスタＴｒ３の制御端子（ベース）に接続され、検出回路Ｅからのフィードバック信号を受けるフォトカプラおよび該トランジスタＴｒ３をオンさせるための時定数回路で構成されている。なお、帰還回路Ｆはこの第１の制御回路Ａ１に含まれない。
【００４９】
第１の制御回路Ａ１は、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生してから、遅延して第１のスイッチング素子Ｑ１をオンさせるとともに、第１の駆動巻線Ｔ３の電圧が発生してから、フォトカプラのインピーダンスとコンデンサＣ４からなる時定数回路によって決まる時間経過後にトランジスタＴｒ３がオンすることによって第１のスイッチング素子Ｑ１を急速にターンオフさせる。
【００５０】
トランスＴには第２の駆動巻線Ｔ４が設けられており、この第２の駆動巻線Ｔ４の電圧は第２の制御回路Ａ２に入力される。この第２の制御回路Ａ２も、上記第１の制御回路Ａ１と同様の構成にあって、第２の駆動巻線Ｔ４に直列に遅延回路が接続され、また、第２のスイッチング素子Ｑ２をターンオフさせるためのトランジスタＴｒ５と、このトランジスタＴｒ５の制御端子（ベース）に接続される時定数回路を含んでいる。
【００５１】
なお、第１の制御回路Ａ１または第２の制御回路Ａには、それぞれ、キャパシタＣ１またはＣ２の両端電圧が零電圧または零電圧付近まで低下した後にスイッチング素子Ｑ１またはＱ２をオンさせるように遅延時間を設定する。これにより、各スイッチング素子Ｑ１およびＱ２は零電圧スイッチング動作を行う。したがって、ターンオン損失を低減し、スイッチングノイズの発生を抑制することができる。また、第２の制御回路Ａ２は、第２のスイッチング素子Ｑ２を流れる電流が零または零付近でターンオフさせるように制御する。これによって、第２のスイッチング素子Ｑ２が零電流ターンオフ動作し、ターンオフ時のスイッチング損失、スイッチングサージが低減される。さらに、整流素子Ｄｓに流れる電流波形は矩形波に近いほど、該整流素子での損失が小さくなるが、このような波形となるように、キャパシタＣとインダクタＬとの値、およびスイッチング制御回路による第２のスイッチング素子Ｑ２のオン期間が設定される。
【００５２】
検出回路Ｅは、分圧抵抗Ｒ９、Ｒ１０と、その抵抗の基準点が基準電圧入力端子Ｖｒに接続されるシャントレギュレータＩＣ１と、このシャントレギュレータＩＣ１に直列に接続されるフォトダイオードＰＣとを備えている。シャントレギュレータＩＣ１は、基準電圧入力端子Ｖｒの電圧が一定になるようにカソード−アノード間の電流を制御し、この電流の変化は、フォトダイオードＰＣの光の強弱に変換され、トランスＴの第１の駆動巻線Ｔ３に接続されていフォトトランジスタに入光する。この回路では、フォトダイオードＰＣに流れる電流の強弱によってフォトトランジスタを介してトランジスタＴｒ３のオンタイミングを制御し、結果として第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間の制御を行う。すなわち、出力電圧が高くなってフォトダイオードＰＣの電流が大きくなろうとすると、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間が短くなり、出力電圧を下げようとし、反対に、出力電圧が低くなってフォトダイオードＰＣに流れる電流が小さくなろうとすると、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間が長くなって出力電圧を上げようとする。この動作によって、出力電圧の安定化が図られる。
【００５３】
次に上記のスイッチング電源装置の動作を説明する。
【００５４】
図２は、図１に示す回路の波形図である。以下、図１および図２を参照して同回路の動作を説明する。
【００５５】
図２において、Ｑ１、Ｑ２はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオンオフを表す信号、Ｖｄｓ１、Ｖｄｓ２、Ｖｄｓは、それぞれキャパシタＣ１、Ｃ２、Ｃｓの両端電圧波形信号、ｉｄ１、ｉｄ２、ｉｓは、それぞれスイッチ回路Ｓ１、Ｓ２、制御素子Ｄｓの電流波形信号である。
【００５６】
本回路の起動後のスイッチング動作は、１スイッチング周期Ｔｓにおいて、主に時間ｔ１〜ｔ５の４つの動作状態に分けることができる。まず、起動時（発振開始時）について説明し、次に各状態における動作を示す。
【００５７】
（起動時）
入力電源Ｖｉｎが印加されると、後述するように起動停止回路Ｂによってスイッチング素子Ｑ１がオン状態となる。
【００５８】
スイッチング素子Ｑ１がオン状態からの最適な定格条件での１スイッチング周期Ｔｓにおける時間ｔ１〜ｔ５の４つの動作状態は次に示す通りである。
【００５９】
（状態１）ｔ１〜ｔ２
スイッチング素子Ｑ１はオンしており、入力電源Ｖｉｎの電圧からコンデンサ電圧を引いた電圧がトランスＴの１次巻線Ｔ１に印加され、１次巻線電流が直線的に増加し、トランスＴに励磁エネルギーが蓄えられる。また、この電流によりキャパシタＣは充電され、キャパシタＣに静電エネルギーが蓄えられる。
【００６０】
この時、第１の制御回路Ａ１のフォトトランジスタを介してコンデンサＣ４が充電され、Ｃ４の電圧がトランジスタＴｒ３のしきい電圧（約０． ６Ｖ）に達するとＴｒ３がオンして、時間ｔ２でスイッチング素子Ｑ１がターンオフし、状態２に遷移する。
【００６１】
（状態２）ｔ２〜ｔ３
スイッチング素子Ｑ１がターンオフすると、トランスＴの１次巻線Ｔ１とインダクタＬは、キャパシタＣ１およびＣ２と共振し、キャパシタＣ１を充電し、キャパシタＣ２を放電する。また、２次側ではトランスＴの２次巻線Ｔ２とキャパシタＣｓが共振し、キャパシタＣｓを放電する。Ｖｄｓ１の立ち上がり、およびＶｄｓ２の立ち下がり部分の曲線は、インダクタＬおよび１次巻線Ｔ１とキャパシタＣ１、Ｃ２との共振による正弦波の一部である。
【００６２】
キャパシタＣ２の両端電圧Ｖｄｓ２が下降し零電圧となると、ダイオードＤ２が導通する。駆動巻線Ｔ４に発生した電圧が第２の制御回路Ａ２のコンデンサと抵抗を介してスイッチング素子Ｑ１のターンオフより少し遅れてスイッチング素子Ｑ２のゲート端子に与えられ、このスイッチングトランジスタＱ２がターンオンされる。これにより零電圧スイッチング動作が行われ、状態３に遷移する。
【００６３】
この時、２次側ではキャパシタＣｓの両端電圧Ｖｓが零電圧まで下降し、整流素子Ｄｓが導通し、零電圧ターンオン動作となる。このＶｓの立ち下がり部分の曲線は、キャパシタＣｓと２次巻線Ｔ２との共振による正弦波の一部である。
【００６４】
（状態３）ｔ３〜ｔ４
状態３では、１次側でダイオードＤ２またはスイッチング素子Ｑ２が導通し、インダクタＬとキャパシタＣが共振を始める。この期間においてキャパシタＣの充電電荷は放電される。この時、２次側では整流素子Ｄｓが導通し、トランスＴに蓄えられた励磁エネルギーと、キャパシタＣに蓄えられた静電エネルギーを２次巻線Ｔ２から放出し、整流平滑回路を介して出力される。この時、整流素子Ｄｓに流れる電流ｉｓは、１次側のインダクタＬとキャパシタＣによる共振電流ｉｄ２に対し、直線的に減少する励磁電流ｉｍを引いた値と相似形となる。このため、零電流から比較的急峻に立ち上がり、正弦波状の曲線を有する波形となって、電流変化率が零となるピーク点に達した後、零電流に向かって下降する。トランスの励磁電流ｉｍが０となると、整流素子Ｄｓは零電流ターンオフ動作が行われ、２次側電流ｉｓが０となる。
【００６５】
１次側では、キャパシタＣの放電によって励磁電流ｉｍの向きが反転し、状態１とは逆方向にトランスＴを励磁する。第２の駆動巻線Ｔ４に発生した電圧により第２の制御回路Ａ２のトランジスタＴｒ２のベースに接続されているコンデンサが充電され、しきい電圧（約０． ６Ｖ）に達するとトランジスタＴｒ２がオンし、時間ｔ４でスイッチング素子Ｑ２が零電流付近でターンオフされ、零電流ターンオフが行われる。スイッチング素子Ｑ２がターンオフされると、２次側整流ダイオードに逆電圧が掛かり、キャパシタＣｓが共振を始め、トランスの巻線電圧が反転しはじめる。
【００６６】
ここで、出力端子に接続される負荷により、励磁電流がｉｍが０になるタイミングとスイッチング素子Ｑ２がターンオフされるタイミングが異なる。すなわち、負荷が軽い場合には、励磁電流ｉｍが０になってからＱ２がターンオフされ整流素子Ｄｓに逆電圧が掛かるが、重負荷の場合は、Ｑ２がターンオフされてから励磁電流ｉｍが０となり、整流素子Ｄｓに逆電圧が掛かる。すなわち、いずれの負荷条件においても、Ｑ２と整流素子Ｄｓがともにオフとなる時間ｔ４で整流素子Ｄｓに逆電圧が掛かり、状態４に移行する。
【００６７】
（状態４）ｔ４〜ｔ５
状態４では、トランスＴの２次巻線Ｔ２とキャパシタＣｓとが共振し、キャパシタＣｓが充電される。１次側では、トランスＴの１次巻線Ｔ１とインダクタＬは、キャパシタＣ１およびＣ２と共振し、キャパシタＣ１を放電し、キャパシタＣ２を充電する。
【００６８】
キャパシタＣ１の両端電圧Ｖｄｓ１が下降し零電圧になると、ダイオードＤ１が導通する。この時、第１の駆動巻線Ｔ３に発生した電圧が第１の制御回路Ａ１の抵抗およびコンデンサを介して少し遅延してスイッチング素子Ｑ１のゲートに与えられ、時間ｔ５でスイッチング素子Ｑ１がターンオンされ、零電圧スイッチング動作が行われて状態５が終了する。この時、２次側では、キャパシタＣｓの両端電圧Ｖｓが零電圧から上昇し、２次巻線電圧と出力電圧との和の電圧にクランプされる。
【００６９】
１スイッチング周期当たり、以上のような動作を行って、次のスイッチング周期も同様の動作を行い、以降この動作を繰り返す。
【００７０】
以上の動作によって、第１のスイッチング素子Ｑ１がオンされている期間にトランスＴの１次巻線Ｔ１に励磁エネルギーが蓄えられるとともに、キャパシタＣに静電エネルギーが蓄えられ、同スイッチング素子Ｑ１がオフすると、これらの励磁エネルギーと静電エネルギーが放出されることになるために、従来のスイッチング電源装置、すなわちスイッチング素子Ｑ１のオン期間に励磁エネルギーのみが蓄えられて、スイッチング素子Ｑ１のオフ期間にこの励磁エネルギーを放出する装置に比較して、電流ピーク値を低減でき、導通損失を低減できる利点がある。
【００７１】
なお、図１に示すスイッチング電源装置においても、従来のスイッチング電源装置と同様に、スイッチング素子Ｑ１およびスイッチング素子Ｑ２は零電圧でターンし、スイッチング素子Ｑ２は零電流付近でターンオフするために、スイッチング損失、スイッチングサージが大幅に低減される。また、２次側の整流素子Ｄｓは零電流でオンし、且つその電流波形は零電流から比較的急峻に立ち上がり、電流の変化率が零となるピーク点に達した後、再び零電流となってターンオフする波形となるために、整流素子に流れる電流波形が矩形波的となってピーク電流値が低く抑えられ、実効電流値が低減されて導通損が低減される。
【００７２】
また、トランスの漏れインダクタＬが回路動作に取り込まれ、漏れインダクタＬによるスイッチングサージの発生がなく電圧がクランプされるために低耐圧の半導体素子を利用できる。また、スイッチング素子に流れる電流および電圧波形の急峻な変化が緩和されるために、スイッチングノイズの発生を低減することができる。
【００７３】
次に起動停止回路について説明する。
【００７４】
図１において、起動停止回路Ｂは、第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子（ゲート）と入力電源Ｖｉｎの基準電位端子（ソース）間に接続されたスイッチ手段としての第１のトランジスタＴｒ１と、この第１のトランジスタＴｒ１の制御端子（ベース）にコレクタが接続された第２のトランジスタＴｒ２と、この第２のトランジスタＴｒ２の制御端子（ベース）に接続されたツェナーダイオードＤｚ１と、このツェナーダイオードＤｚ１のカソードが分圧点であるａ点に接続された抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４からなる抵抗分圧回路とを備えている。このうち、第２のトランジスタＴｒ２とツェナーダイオードＤｚ１と抵抗Ｒ３および抵抗Ｒ４からなる抵抗分圧回路、および抵抗Ｒ２とで、スイッチ手段としての第１のトランジスタＴｒ１の制御回路を構成する。
【００７５】
上記の起動停止回路の動作を説明する。
【００７６】
電源が投入され、入力電源Ｖｉｎの電圧が上昇して、抵抗Ｒ３と抵抗Ｒ４の分圧点であるａ点の電位が上昇していった時、次の条件で第２のトランジスタＴｒ２がオンする。
【００７７】
Ｖｉｎ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）＞（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）・・・（１）
ただし、第２のトランジスタＴｒ２のしきい値電圧（約０．６Ｖ）をＶｂｅとし、ツェナーダイオードＤｚ１のツェナー電圧をＶｚとする。
【００７８】
第２のトランジスタＴｒ２がオンすると、第１のトランジスタＴｒ１がオフする。第１のトランジスタＴｒ１がオフすると、起動抵抗Ｒ１を介してスイッチング素子Ｑ１のゲートに以下の電圧Ｖｇｓが印加される。
【００７９】
Ｖｇｓ＝Ｖｉｎ・Ｒ５／（Ｒ１＋Ｒ５）・・・（２）
この電圧をスイッチング素子Ｑ１のスレッショルド電圧より高く設定しておくことによって、上記（１）式が成立したときにスイッチング素子Ｑ１がターンオンする。スイッチング素子Ｑ１がターンオンすると、トランスＴの１次巻線Ｔ１に電流が流れ、１次巻線Ｔ１に電圧が発生する。これにより、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生し、この電圧は帰還回路Ｆによって第２のトランジスタＴｒ２に印加され、このトランジスタＴｒ２をさらにオン状態に移行し、これによりトランジスタＴｒ１をさらにオフ状態に移行させることによって、第１のスイッチング素子Ｑ１を急速にオン状態とする。
【００８０】
以上の動作において、上記（１）式に示すように、ａ点の電位Ｖａが所定の電圧を超えることを検出すると、第１のトランジスタＴｒ１をオフすることによって、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲートに対し一気に電圧を印加する。これにより、入力電源Ｖｉｎの電圧がゆっくり上昇した場合であっても、確実に起動することができる。
【００８１】
また、発振停止時の動作は次のようになる。
【００８２】
電源スイッチをオフすると、入力電源Ｖｉｎの電圧が低下する。この電圧が低下していって、
Ｖｉｎ・Ｒ４／（Ｒ３＋Ｒ４）＜（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）・・・（３）
となっても、起動時と異なり、発振はすぐに停止しない。これは、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生していることから、この電圧が帰還回路Ｆによってａ点に印加され、電位Ｖａを、Ｖａ＞（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）とするためで、第２のトランジスタＴｒ２はオンし続け、第１のトランジスタＴｒ１がオフとなり、発振を持続する。さらに、入力電源Ｖｉｎの電圧が低下すると、これに伴い、第１の駆動巻線Ｔ３の発生電圧は入力電源Ｖｉｎに比例していることから、低下し、第２のトランジスタＴｒ２のオン時間が短くなり、第１のトランジスタが第３のトランジスタＴｒ３よりも早いタイミングでオフするようになり、その結果、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間が徐々に短くなる。次に、Ｖａ＜（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）となると、第２のトランジスタＴｒ２がオフし、第１のトランジスタＴｒ１がオンする。これにより、第１のスイッチング素子Ｑ１はオフ状態となり、発振動作が停止する。
【００８３】
このように、起動停止回路Ｂを設けることによって、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲート電圧が入力電源Ｖｉｎの立ち上がり（電源オン時）および立ち下がり（電源オフ時）の変化に比例したものとならず、第１のトランジスタＴｒ１のオフまたはオンによってスイッチング素子Ｑ１のゲートに対し電圧が一気に印加されたりゲート電圧が一気に零となるため、単に、抵抗分圧回路によって起動電圧を印加する従来の回路に比べ、起動と停止を確実なものにすることができる。また、たとえば、ＡＣ２３０Ｖの商用電源で動作するように設計された電源装置に、誤ってＡＣ１００Ｖの商用電源を投入した場合等であっても、ＡＣ１００Ｖ投入時のａ点の電位Ｖａが（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）よりも低くなるように設定しておくことで、誤った電源投入による誤動作を防止することができる。また、電源オフ時においては、起動電圧より低い入力電圧で徐々にオン時間を短くして、所定の入力電圧で発振を停止させることによって、１次電流ピークの増加によるトランスＴの飽和やオンデューティの拡大による誤動作を防止することができる。さらに、起動停止回路Ｂは、起動機能と発振停止機能を合わせ持っているために、それぞれ独立に２つの回路を設ける場合と比較して部品点数を削減でき、スイッチング電源装置の高効率化、小型軽量化に寄与することができる。
【００８４】
図１に示す本発明の実施形態では、起動の確実性と停止時での誤動作防止の確実性をさらに高めるために、帰還回路Ｆを設けている。
【００８５】
この帰還回路Ｆは、第１の駆動巻線Ｔ３の端子と、分圧点のａ点との間に接続され、抵抗Ｒ６、ツェナーダイオードＤｚ２、ダイオードＤ２を直列に接続し、且つダイオードＤ２に並列にコンデンサＣ３を接続したものである。
【００８６】
次に、この帰還回路Ｆの動作を詳細に説明する。
【００８７】
起動時においては、上述のように、入力電源Ｖｉｎの電圧が所定の電圧を超えと、第１のトランジスタＴｒ１がオフして、第１のスイッチング素子Ｑ１のゲートに起動抵抗Ｒ１を介して電圧が印加され、これによって、１次巻線Ｔ１に電流が流れ、さらに第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生する。この時、この電圧は帰還回路Ｆを介して起動停止回路Ｂのａ点に正帰還される。これにより、第２のトランジスタＴｒ２は帰還回路Ｆがない場合に比較してより急速にオン状態に移行し、したがって、第１のトランジスタＴｒ１はより急速にオフ状態に移行し、第１のスイッチング素子Ｑ１は一気にオン状態となる。
【００８８】
また、入力電源Ｖｉｎがその上昇時に上記（１）式が成立したりしなかったりするように変動すると、帰還回路Ｆがない場合、入力電源Ｖｉｎの変動に応じてトランジスタＴｒ２がオン／オフしてトランジスタＴｒ１がオフ／オンし、発振と停止を繰り返す誤動作をする可能性がある。しかし、帰還回路Ｆを設けることによって、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧がａ点に印加されるため、一度発振が開始され、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧が発生すると、（１）式が成立しなくても、Ｖａ＞（Ｖｂｅ＋Ｖｚ）となるため、第２のトランジスタＴｒ２はオンとなり、第１のトランジスタＴｒ１はオフとなり、上述の誤動作を防ぐことができる。さらに、入力電圧が低下して、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧が十分に低下すると、トランジスタＴｒ１がトランジスタＴｒ３よりも早いタイミングでオンして、スイッチング素子Ｑ１のオン時間が短くなり、入力電圧が所定の電圧に低下した時点でトランジスタＴｒ１がオン状態となり、確実に発振動作が停止する。このように、帰還回路Ｆは、スイッチング電源装置の起動電圧が停止電圧よりも高くなるヒステリス特性を与える。
【００８９】
図３は、このヒステリシス特性を模式的に示している。このヒステリシス特性は、たとえば、入力電源電圧のチャタリングや商用電源電圧を整流平滑して入力電源を得て、入力電源電圧が大きく変動する場合により有効である。すなわち、入力電源電圧のオン／オフによるチャタリングや入力電源電圧の商用周波数のリップル電圧等により、入力電圧が変動（振動）した場合、起動電圧と停止電圧にほとんど差がない特性であると、入力電源電圧がこの起動電圧付近（または停止電圧付近）を上下するような電圧になった時に、発振と停止を繰り返す誤動作を起こす可能性がある。そこで、帰還回路Ｆを設けて図３に示すヒステリシス特性を与えることにより、この誤動作を抑制することができる。また、発振停止する停止電圧が起動電圧以上の場合には、入力電圧が起動電圧以下となる前に再起動すると起動不良を生じるが、停止電圧が起動電圧以下であるヒステリシス特性によって、このような状況になるのを確実に防止できる。また、本実施形態のようなハーブブリッジコンバータでは、トランスの１次巻線Ｔ１に直列にキャパシタＣが接続されているために、スイッチング素子Ｑ１が能動領域からゆっくりオンする時に起動不良になる可能性があるが、帰還回路Ｆによって正帰還をかけ、スイッチング素子Ｑ１を急速にターンオンする構成としているために、どのような状況であっても起動不良を生じることがない。
【００９０】
また、帰還回路Ｆは、さらに、発振停止時においても誤動作を抑制するように動作する。図４は、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧Ｖｂｉａｓがある程度まで低下した時の波形図である。Ｖｂ、Ｖｃは、それぞれ図１におけるｂ点およびｃ点の電位を示している。この状態では、帰還回路ＦのコンデンサＣ３に、負極性の時（駆動巻線Ｔ３の発生電圧の極性が逆の時）に充電されている電荷が、正極性に切り換わった時に、この充電電位にＶｂｉａｓが加算された電位がａ点に印加されて、トランジスタＴｒ２がオンしてトランジスタＴｒ１がオフする。しかし、コンデンサＣ３の充電電荷が消費されＶａ＜（ Ｖｂｅ＋Ｖｚ）となると、その時点でトランジスタＴｒ２がオフしてトランジスタＴｒ１がオンしてしまう。このトランジスタＴｒ１がオンするタイミングは、図４のｔａである。一方、トランジスタＴｒ１がオンしない場合には、トランジスタＴｒ３は、図４のＶｂｉａｓの極性切り換わりタイミングｔ２でオン動作する。したがって、帰還回路Ｆの上記の動作により、入力電源Ｖｉｎの電圧がある程度まで低下した状態では、第１の駆動巻線Ｔ３が正極性になった時のオン時間（期間）Ｔｏｎを、トランジスタＴｒ３よりトランジスタＴｒ１がより速くオンすることによって矢印Ｐのように短縮しようとする。この結果、入力電源Ｖｉｎの電圧が低下するに伴い、スイッチング素子Ｑ１のオン時間がしだいに短縮して発振が停止状態になる。これにより、入力電源電圧の低下時に、オンデューテイが拡大することによって誤動作が生じるのを抑制し、低い入力電源電圧まで発振を持続することができ、出力電圧の保持時間を長くすることができ、また、長い時間の瞬時停電に対応することもできる。
【００９１】
このように、発振停止動作時には、入力電源Ｖｉｎの電圧低下に応じて、第１の駆動巻線Ｔ３に発生する電圧が低下し、これにより、トランジスタＴｒ２のベース電流が小さくなり、トランジスタＴｒ１のオフ時間がしだいに短くなっていく。そして、第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間がしだいに短縮されていき、さらに入力電源電圧が低下すると、帰還回路ＦのツェナーダイオードＤｚ２がオフとなって、発振が停止する。
【００９２】
図５は、帰還回路Ｆの構成図を示している。また、図６は、帰還回路Ｆの他の構成例を示し、図７は、さらに他の構成例を示す。
【００９３】
図５および図７に示す帰還回路では、コンデンサＣ３を設けているために、上述のように、発振停止時において第１のスイッチング素子Ｑ１のオン時間をしだいに短縮して発振を停止させることが可能である。また、このコンデンサＣ３は、定常状態においては、トランジスタＴｒ２をより早くオンする（トランジスタＴｒ１をより早くオフする）ように帰還量を増やすスピードアップコンデンサとして機能する。なお、ダイオードＤ２は、抵抗Ｒ３とＲ４の抵抗分圧回路によるａ点で起動時に帰還回路に電流が流れ込むのを防止し、抵抗Ｒ３とＲ４の分圧比のみで起動電圧を容易に決めることができる。また、ツェナーダイオードＤｚ２は、発振停止電圧を所定の値に設定するためのものであって、このツェナーダイオードのツェナー電圧によって、発振停止電圧を設定する自由度を拡大することが可能である。
【００９４】
以上のように、本実施形態の自励式ハーフブリッジコンバータにおいては、入力電源Ｖｉｎの電圧がゆっくりと上昇した場合であっても、第１のスイッチング素子Ｑ１を急速にターンオンして、トランスＴの１次巻線Ｔ１に流れる電流の変化率を大きくし、第１の駆動巻線Ｔ３に電圧を発生させて自励発振動作を確実に開始することができる。また、停止時においては、入力電源電圧の低下に伴いスイッチング素子Ｑ１のオン時間を短縮していくことによって誤動作するのを防止することができる。さらに、起動停止回路Ｂは、高耐圧のサイリスタやダイアック等の素子を用いる必要がない。このためスイッチング電源装置の低コスト化を図ることができる。また、図１２に示すような、スイッチング素子のオンのたびに、短絡放電されるコンデンサＣ１がないために、スイッチング損失が低減される。
【００９５】
なお、図１に示す自励式ハーブブリッジコンバータでは、インダクタＬを別部品として設けているが、これを、トランスＴが有する漏れインダクタで構成することができる。これにより、部品点数を削減できる。また、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２に、電界効果トランジスタを用いることによって、この電界効果トランジスタが有する寄生ダイオード、寄生容量をダイオードＤ１、Ｄ２およびコンデンサＣ１、Ｃ２に代えて使用することができる。これにより、部品点数を削減できる。
【００９６】
図８は、商用電源を整流平滑して入力電源Ｖｉｎを得る場合の回路ブロック図である。
【００９７】
図９は、本発明の他の実施形態であるリンギングチョークコンバータの回路図である。この発明に係る起動停止回路Ｂと帰還回路Ｆとは、図１に示す自励式ハーブブリッジコンバータだけではなく、図９に示すリンギングチョークコンバータにも適用することが可能である。起動停止回路Ｂおよび帰還回路Ｆの動作は、自励式ハーフブリッジコンバータでの動作と変わるところはない。
【００９８】
図１０は、この発明のさらに他の実施形態である自励式ハーフブリッジコンバータの回路図である。構成において、図１に示す回路構成と相違する点は、抵抗Ｒ１に直列にツェナーダイオードＤｚ４を接続したことと、抵抗Ｒ３に直列にツェナーダイオードＤｚ３を接続したことである。この回路では、入力電源Ｖｉｎの電圧がツェナーダイオードＤｚ３がオンするまでに上昇しない限り起動しない。したがって、誤った入力電源が接続されて誤動作するのを防止出来る。また、トランジスタＴｒ１にベース電流を供給する経路である抵抗Ｒ２を、ツェナーダイオードＤｚ４のカソードに接続し、このカソード電位を入力電圧よりも十分低い値とすることによって、抵抗Ｒ２を入力電源に接続する場合と比較して、抵抗Ｒ２の値を小さくでき、損失を低減できる。さらに、トランジスタＴｒ１がオンした状態でも、ツェナーダイオードＤｚ４のツェナー電位により、抵抗Ｒ２を経路として十分なベース電流を供給できる。
【００９９】
【発明の効果】
この発明によれば、起動時においては、入力電源電圧が所定の電圧を超えた時に一気に第１のスイッチング素子Ｑ１をターンオンして発振を開始するため、特に入力電源電圧が緩やかに上昇する場合に起動不良となるのを防止することができる。また、上記所定の電圧を適当な値に設定することによって、ＡＣ２３０Ｖの商用電源で動作するように設計された電源装置に誤ってＡＣ１００Ｖの商用電源が投入された場合等、誤った電源投入によって起こす可能性のある誤動作を防ぐこともできる。入力電源をオフして発振を停止させようとする時には、所定の電圧以下になった時に発振を停止させることによって、１次電流ピークの増加によるトランスの飽和やオンデューティの拡大による誤動作を防止することができる。また、起動機能と発振停止機能を１つの起動停止回路で合わせ持つことによって、それぞれ独立に２つの回路を設ける場合と比較して部品点数を削減することができる。
【０１００】
また、起動停止回路に加えて帰還回路を設けることによって、起動をさらに確実なものとし、また、起動電圧と停止電圧との間にヒステリシス特性を持たせることによって、入力電圧のチャタリング発生や、瞬時停電等の入力電圧の変動が不安定な場合における誤動作を防止でき、起動をさらに確実なものとすることができる。また、発振停止時においても、誤動作を防ぎ確実に発振停止させることができるとともに、出力電圧の保持時間を長くすることが出来る。
【０１０１】
この発明は、特に、トランスの１次巻線に直列にキャパシタが接続されるハーフブリッジコンバータにおいて、これまでに起動不良が生じやすかった不具合をなくすことができる。そして、高耐圧のサイリスタやダイアック等の素子を用いる必要がなく、また、起動回路に充放電されるコンデンサを使用する必要がないために、スイッチング電源装置の低コスト化、高効率化、小型軽量化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態である自励式ハーフブリッジコンバータの回路図
【図２】上記自励式ハーフブリッジコンバータの動作波形図
【図３】ヒステリシス特性を示す図
【図４】発振停止時の動作を説明する図
【図５】帰還回路の第１の実施例
【図６】帰還回路の第２の実施例
【図７】帰還回路の第３の実施例
【図８】自励式ハーフブリッジコンバータに商用電源の整流平滑回路を接続した時の回路ブロック図
【図９】この発明の他の実施形態であるリンギングチョークコンバータの回路図
【図１０】この発明のさらに他の実施形態の自励式ハーフブリッジコンバータの回路図
【図１１】従来のスイッチング電源装置の回路図
【図１２】従来のスイッチング電源装置の他の例の回路図
【符号の説明】
Ｖｉｎ−入力電源
Ｑ１−第１のスイッチング素子
Ｑ２−第２のスイッチング素子
Ｂ−起動停止回路
Ｆ−帰還回路
Claims (11)
- 入力電源とトランスＴの１次巻線と第１のスイッチング素子Ｑ１とが直列に接続され、トランスＴの２次巻線に整流平滑回路が接続され、１次巻線電圧に略比例し前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンさせる電圧を発生させる第１の駆動巻線を前記トランスＴに備え、前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御し自励発振するスイッチング電源装置において、
前記第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子とソース端子との間に接続されたスイッチ手段と、
入力電源端子間の入力電源電圧を抵抗分圧して、この分圧した電圧を前記第１のスイッチング素子Ｑ１の起動電圧として供給する第１の抵抗分圧回路と、
入力電源端子間の入力電源電圧を抵抗分圧して、この分圧した電圧を前記スイッチ手段の制御電圧として供給する第２の抵抗分圧回路とを備え、
入力電源端子間の入力電源電圧の上昇時において、前記第２の抵抗分圧回路の分圧電圧が前記スイッチ手段をオフし、且つ前記第１の抵抗分圧回路の分圧電圧が前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンする大きさになると、そのときの前記入力電源電圧が起動開始入力電圧に達したものとして、前記スイッチ手段をオフし、且つ前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンして発振を開始させ、
前記入力電源端子間の入力電源電圧の降下時において、前記第２の抵抗分圧回路の分圧電圧が前記スイッチ手段をオンする大きさになると、そのときの前記入力電源電圧が発振停止入力電圧に達したものとして、前記スイッチ手段をオンし、前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオフして発振を停止させ、
前記起動開始入力電圧が前記発振停止入力電圧よりも高い電圧となるように前記第１の抵抗分圧回路又は前記第２の抵抗分圧回路の値を設定した、起動停止回路を備えたことを特徴とする、自励発振式のスイッチング電源装置。 - 前記第１の駆動巻線と前記起動停止回路の制御端子との間に、前記スイッチ手段をオフするよう該第１の駆動巻線の出力電圧を該制御端子に帰還させ、この帰還電圧を前記第２の抵抗分圧回路の分圧電圧に加える帰還回路を設けた、請求項１記載のスイッチング電源装置。
- 前記スイッチ手段を第１のトランジスタで構成し、前記制御回路を第１のトランジスタの制御端子に接続された第２のトランジスタで構成し、該第２のトランジスタは、前記入力電源電圧が所定の電圧を超えることを検出するとオンして前記第１のトランジスタをオフすることで前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンして発振を開始させ、前記入力電源電圧が所定の電圧以下であることを検出するとオフして前記第１のトランジスタをオンすることで前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオフして発振を停止させる、請求項１または２記載のスイッチング電源装置。
- 前記第２のトランジスタは、ベース・エミッタ間のしきい値電圧と前記入力電源電圧の抵抗分圧電圧とを比較し、該抵抗分圧電圧が前記しきい値電圧を超えるかどうかで、前記入力電源電圧が所定の電圧を超えるかどうか、および、前記入力電源電圧が所定の電圧以下であるかどうかを検出する、請求項３記載のスイッチング電源装置。
- 前記第２のトランジスタのベース・エミッタ回路に該ベース・エミッタ間電圧の温度特性を補正するツェナーダイオードを接続した、請求項４記載のスイッチング電源装置。
- 前記帰還回路は、前記第１の駆動巻線に発生する電圧を前記第２のトランジスタに印加する、少なくとも直列に接続された抵抗とダイオードとを含む回路で構成した、請求項３〜５のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
- 前記帰還回路は、前記第１の駆動巻線に発生する電圧を前記第２のトランジスタに印加する、少なくとも直列に接続された抵抗とコンデンサとを含む回路で構成した、請求項３〜５のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
- 前記帰還回路は、前記第１の駆動巻線に発生する電圧を前記第２のトランジスタに印加する、少なくとも直列に接続されたダイオードと抵抗とツェナーダイオードと、該ダイオードに並列に接続されたコンデンサを含む回路で構成した、請求項３〜５のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
- 請求項１〜８のいずれかに記載のスイッチング電源装置の構成に加えて、
前記第１のスイッチング素子Ｑ１に第２のスイッチング素子Ｑ２を直列に接続してこの直列回路を入力電源に並列に接続されるようにし、キャパシタＣとインダクタＬとトランスＴの１次巻線との直列回路の一端が前記第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２との接続点に接続され、該直列回路の他端が入力電源に接続され、
前記第１のスイッチング素子に並列に第１のダイオードＤ１と第１のキャパシタＣ１とを接続し、
前記第２のスイッチング素子に並列に第２のダイオードＤ２と第２のキャパシタＣ２とを接続し、
１次巻線電圧に略比例し前記第１のスイッチング素子Ｑ１をオンさせる電圧を発生させる前記第１の駆動巻線とともに、１次巻線電圧に略比例し前記第２のスイッチング素子Ｑ２をオンさせる電圧を発生させる前記第２の駆動巻線をトランスＴに設け、
且つ、前記第１および第２のスイッチング素子を両スイッチング素子が共にオフする期間を挟んで交互にオン／オフするスイッチング制御回路を設け、これにより自励発振するようにした、自励発振式のスイッチング電源装置。 - 前記インダクタＬとしてトランスＴが有する漏れインダクタを用いた請求項９記載のスイッチング電源装置。
- 前記第１のスイッチング素子Ｑ１および第２のスイッチング素子として電界効果トランジスタを用い、該電界効果トランジスタの寄生ダイオードおよび寄生容量により前記第１、第２のダイオードおよび前記第１、第２のキャパシタを構成した請求項９または１０記載のスイッチング電源装置。
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