JP3936320B2 - 同期整流型スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、直流電圧を所望の電圧に変換して電子機器に供給する同期整流型スイッチング電源装置に関する。

従来、スイッチング電源装置において、変換効率を高める方法の一つとして、同期整流型スイッチング電源装置が知られている。この同期整流型スイッチング電源装置の基本的な回路構成は、図３に示すように、主トランス５の一次巻線５ａには、直流入力電圧源１とＭＯＳ−ＦＥＴの主スイッチ素子４より成る直列回路が接続されている。主スイッチ素子４のドレインには一次巻線５ａのドットのない側の端子が接続され、ソースには直流入力電源１のマイナス側が接続されている。

制御回路２はパルス幅変調されたパルスを出力するもので、制御回路２の出力は、遅延回路３の入力に接続され、遅延回路３は制御回路２の出力を一定期間遅延させて、駆動パルスを出力し、主スイッチ素子４を所定の時比率でＯＮ／ＯＦＦ制御する。

また、主トランス５の二次巻線５ｂには、ＭＯＳ−ＦＥＴから成る同期整流用半導体スイッチ素子である整流用スイッチ素子６と転流用スイッチ素子７より成る同期整流回路と、チョークコイル２０とコンデンサ２１から成る出力平滑回路が接続される。二次巻線５ｂのドットのある側の端子は、転流用スイッチ素子７のドレインに接続され、ドットのない側の端子が整流用スイッチ素子６のドレインに接続されている。整流用スイッチ素子６のソースは、転流用スイッチ素子７のソースに接続されている。さらに、転流用スイッチ素子７のドレインには、チョークコイル２０の一端が接続され、チョークコイル２０の他端が、コンデンサ２１の一端に接続され、コンデンサ２１の他端が、転流用スイッチ素子７のソースに接続されるとともに、コンデンサ２１の両端が出力端子２５，２６につながり、図示しない負荷が接続される。

整流用スイッチ素子６のゲートは、主トランス５の二次巻線５ｂのドットのある側の端子に接続されている。また、転流用スイッチ素子７のゲートは、ダイオード８のカソードに接続され、ダイオード８のアノードが、二次巻線５ｂのドットのない側の端子に接続されている。さらに、転流用スイッチ素子７のゲートは、ゲート電荷を放電するための放電用補助スイッチ素子９のドレインに接続され、放電用補助スイッチ素子９のソースが転流用スイッチ素子７のソースに接続されている。また、転流用スイッチ素子７のゲートは、抵抗１０を介して転流用スイッチ素子７のソースに接続されている。

制御回路２の出力は、結合コンデンサ２２を介して、ドライブトランス２４の一次巻線２４ａのドットのある側の端子に接続されている。ドライブトランス２４の一次巻線２４ａには、ドットのある側にカソードが接続されドットのない側にアノードが接続されたダイオード２３が設けられている。

ドライブトランス２４の二次巻線２４ｂは、ドットを付した側の端子が放電用補助スイッチ素子９のゲートに接続され、二次巻線２４ｂのドットのない側の端子が放電用補助スイッチ素子９のソース側に接続されている。ドライブトランス２４の二次巻線２４ｂのドットのある側に発生する電圧は、放電用補助スイッチ素子９のスレッショルド電圧Ｖｔｈよりも高い電圧である。

この同期整流型スイッチング電源装置の動作は、図４に示すように、制御回路２の出力端子からの制御信号がＬ（ロウ）からＨ（ハイ）に立ち上がると、そのパルス信号が遅延回路３へ出力されるとともに、ドライブトランス２４の一次巻線２４ａに印加される。これにより、ドライブトランス２４の二次巻線２４ｂに発生した電圧は、放電用補助スイッチ素子９のゲートに印加され、放電用補助スイッチ素子９がターンオンすることにより、主スイッチ素子４がターンオンする前に、転流側スイッチ素子７のゲート電圧を引き下げ、転流側スイッチ素子７をターンオフさせる。

この後、所定の遅延時間を経て遅延回路３から制御パルス信号が出力される。遅延回路３の出力がＨに立ち上がると、図４に示すように主スイッチ素子４がオンし、主トランス５の二次巻線５ｂには、ドットを付した側がプラスとなる極性で電圧が発生し、整流用スイッチ素子６のゲートが充電され、整流用スイッチ素子６がターンオンする。

次に、制御回路２からの制御パルス信号がＬになり、このときは遅延回路３による遅延なく主スイッチ素子４がターンオフする。すると、転流用スイッチ素子７のボディダイオードが導通し、整流側スイッチ素子６のゲート電荷が引き抜かれ、整流用スイッチ素子６はターンオフし、主トランス５の二次巻線５ｂに逆起電圧が発生し、ダイオード８を介して転流用スイッチ素子７のゲートが充電され、転流用スイッチ素子７がターンオンする。

この状態は、次にドライブトランス２４の二次巻線２４ｂに電圧が発生して放電用補助スイッチ素子９がオンするまで継続し、放電用補助スイッチ素子９が再びオンした後は、以上に説明した動作が繰り返されることになる。

上記従来の同期整流方式の電源装置では、同期整流用のスイッチ素子６，７のゲートに主トランス５の二次巻線５ｂの電圧が直接印加されるため、例えば電源装置の入力電圧が高い場合に同期整流用のスイッチ素子６，７のゲートに必要以上の電圧が印加されて駆動損失が増大したり、過渡的な動作時など主トランス５の二次巻線５ｂに高電圧が発生した際に同期整流用のスイッチ素子６，７のゲートに耐圧を超える電圧が印加され、最悪の場合には同期整流用のスイッチ素子６，７が破壊されてしまうといった問題があった。

そこで、この問題の対策として、特許文献１に開示された同期整流回路が知られている。これは、同期整流用のスイッチ素子である整流用スイッチ素子や、転流用スイッチ素子に、各々ゲートクランプＦＥＴを設け、このクランプＦＥＴのゲートを直流電圧源に接続することで、同期整流用のスイッチ素子のゲート電圧を、ゲートクランプＦＥＴのゲート電圧−ゲートクランプＦＥＴのスレッショルド電圧で制限し、同期整流用のスイッチ素子のゲートを保護するものである。
特開２００２−２３８２４４号公報

特許文献１に開示されたスイッチング電源装置の同期整流回路では、同期整流用のスイッチ素子のゲート電圧は、ゲートクランプＦＥＴのゲートに接続された直流電圧源の電圧−ゲートクランプＦＥＴのスレッショルド電圧によって制限されているため、同期整流用のスイッチ素子のゲートに十分なゲート電圧を加えるためには、必然的に補助スイッチ素子であるゲートクランプＦＥＴのゲート電圧を固定している電圧源の電圧も高くしておかなければならない。しかし、出力電圧の低い電源装置では二次側回路の動作電圧が低くなるため、ゲートクランプＦＥＴのゲートに十分な電圧を与えることが難しいという問題があった。

この発明は、上記の従来の技術の問題点に鑑みてなされたもので、整流用スイッチ素子の制御端子に過大な電圧が印加されることがなく、かつ損失が小さく、駆動が容易な同期整流型スイッチング電源装置を提供することを目的とする。

この発明は、一次側回路に設けられたＭＯＳ−ＦＥＴ等の主スイッチ素子を駆動する制御回路と、上記主スイッチ素子のオン・オフに同期して二次側回路に電流を流すＭＯＳ−ＦＥＴ等の整流用スイッチ素子とを備えた同期整流型スイッチング電源装置であって、上記整流用スイッチ素子を駆動するＭＯＳ−ＦＥＴ等の補助スイッチ素子と、この補助スイッチ素子の制御端子に接続され上記整流用スイッチ素子及び補助スイッチ素子の各ゲート電圧定格より低いクランプ電圧のツェナーダイオード等の電圧制限素子と、この電圧制限素子と並列に接続され、電圧の最大値が上記補助スイッチ素子のスレッショルド電圧より高く、上記電圧制限素子のクランプ電圧よりは低い電圧源と、この電圧源と上記制御端子との間に設けられ上記制御端子側にカソードが接続されアノードが上記電圧源側に接続された逆流防止用ダイオードとを備えた同期整流型スイッチング電源装置である。

上記二次側回路は、整流用スイッチ素子と転流用スイッチ素子を備え、主トランスの二次巻線の一方の端子に接続され上記整流用スイッチ素子を駆動する整流側補助スイッチ素子と、この整流側補助スイッチ素子の制御端子に接続され上記整流用スイッチ素子及び整流側補助スイッチ素子の各ゲート電圧定格より低いクランプ電圧の第一の電圧制限素子と、主トランスの二次巻線の他方の端子に接続され上記転流用スイッチ素子を駆動する転流側補助スイッチ素子と、この転流側補助スイッチ素子の制御端子に接続され上記転流用スイッチ素子及び転流側補助スイッチ素子の各ゲート電圧定格より低いクランプ電圧の第二の電圧制限素子を備えたものである。

さらに、上記電圧源のうち、上記整流側補助スイッチ素子の制御端子に接続された第一の電圧源は、上記制御回路の出力に基づいて一次巻線が駆動されるドライブトランスの二次巻線電圧である。また、上記転流側補助スイッチ素子の制御端子に接続された第二の電圧源は、上記整流側スイッチ素子のゲート電圧を基にしたものである。

この発明の同期整流型スイッチング電源装置は、整流用スイッチ素子の制御端子に電圧をかける補助スイッチ素子のゲート駆動電圧を低く抑え、かつ整流用スイッチ素子のゲートには必要十分な電圧を印加することができる。これにより、整流用スイッチ素子の制御端子に過大な電圧が印加されることがなく、かつ損失が小さく、駆動が容易な同期整流型スイッチング電源装置を構成することができる。同様に、転流用スイッチ素子の制御端子に電圧をかける補助スイッチ素子のゲート駆動電圧も低く抑え、かつ転流用スイッチ素子のゲートには必要十分な電圧を印加することができ、上記と同様の効果を得ることができる。

以下、この発明の実施の形態について図面に基づいて説明する。この実施形態は同期整流方式の整流回路を備えたフォワードコンバータについてのものであり、主トランス５の一次巻線５ａには、直流入力電圧源１とＭＯＳ−ＦＥＴの主スイッチ素子４より成る直列回路が接続されている。主スイッチ素子４のドレインには主トランス５の一次巻線５ａのドットのない側の端子が接続され、ソースには直流入力電源１のマイナス側が接続されている。

また、主トランス５の二次巻線５ｂには、ＭＯＳ−ＦＥＴから成る同期整流用半導体スイッチ素子である整流用スイッチ素子６と転流用スイッチ素子７より成る同期整流回路と、チョークコイル２０とコンデンサ２１から成る出力平滑回路が接続される。二次巻線５ｂのドットのある側の端子は、転流用スイッチ素子７のドレインに接続され、ドットのない側の端子が整流用スイッチ素子６のドレインに接続されている。整流用スイッチ素子６のソースは、転流用スイッチ素子７のソースに接続されている。さらに、転流用スイッチ素子７のドレインには、チョークコイル２０の一端が接続され、チョークコイル２０の他端が、コンデンサ２１の一端に接続されコンデンサ２１の他端が、転流用スイッチ素子７のソースに接続されるとともに、コンデンサ２１の両端が出力端子２５，２６につながり、図示しない負荷が接続される。

整流用スイッチ素子６のゲートには、整流側補助スイッチ素子１４のソースが接続され、整流側補助スイッチ素子１４のドレインが二次巻線５ｂのドットのある側の端子に接続されている。整流側補助スイッチ素子１４のゲートは、逆流防止用ダイオード１１のカソードに接続され、逆流防止用ダイオード１１のアノードが、後述するドライブトランス２４の二次巻線２４ｂのドットを付した側の端子に接続されている。さらに、整流側補助スイッチ素子１４のゲートは、ツェナーダイオード１３のカソードに接続され、ツェナーダイオード１３のアノードが、整流用スイッチ素子６のソースに接続されている。また、ツェナーダイオード１３のアノードとカソード間には抵抗１２が並列に接続されている。

整流側補助スイッチ素子１４のソースは、ダイオード１５のアノードに接続され、ダイオード１５のカソードが抵抗１６を介して、転流側補助スイッチ素子１９のゲートに接続されている。さらに、転流側補助スイッチ素子１９のゲートには、ツェナーダイオード１８のカソードが接続され、ツェナーダイオード１８のアノードは転流用スイッチ素子７のソースに接続されている。ツェナーダイオード１８のカソードとアノード間には、抵抗１７が並列に接続されている。

転流側補助スイッチ素子１９のドレインは、ダイオード８のカソードに接続され、ダイオード８のアノードが、二次巻線５ｂのドットのない側の端子に接続されている。転流側補助スイッチ素子１９のソースは、転流用スイッチ素子７のゲートに接続されているとともに、そのゲートを放電するための放電用補助スイッチ素子９のドレインに接続されている。そして、放電用補助スイッチ素子９のソースは、転流用スイッチ素子７のソースに接続されている。また、転流側補助スイッチ素子１９のソースと放電用補助スイッチ素子９のドレインとの接続点は、抵抗１０を介して転流用スイッチ素子７のソースにも接続されている。

この実施形態の同期整流型スイッチング電源装置の主スイッチ素子４を駆動する制御回路２は、パルス幅変調されたパルスを出力するもので、制御回路２の出力は、遅延回路３の入力に接続され、遅延回路３は制御回路２の出力を一定期間遅延させて、駆動パルスを出力し、主スイッチ素子４を所定の時比率でＯＮ／ＯＦＦ制御する。

制御回路２の出力は、さらに結合コンデンサ２２を介して、ドライブトランス２４の一次巻線２４ａのドットのある側の端子にも接続されている。また、ドライブトランス２４の一次巻線２４ａには、ドットのある側にカソードが接続されドットのない側にアノードが接続されたダイオード２３が設けられている。

ドライブトランス２４の二次巻線２４ｂのドットを付した側の端子は、放電用補助スイッチ素子９のゲートに接続され、二次巻線２４ｂのドットのない側の端子が放電用補助スイッチ素子９のソース側に接続されている。そして、ドライブトランス２４の二次巻線２４ｂのドットのある側に発生する電圧は、放電用補助スイッチ素子９及び整流側補助スイッチ素子１４のスレッショルド電圧Ｖｔｈよりも高く、ツェナーダイオード１３によるクランプ電圧であるツェナー電圧Ｖｚｄよりは低い電圧である。

この実施形態の同期整流型スイッチング電源装置の動作は、図２に示すように、制御回路２の出力端子からの制御信号がＬからＨに立ち上がると、そのパルス信号が遅延回路３へ出力されるとともに、ドライブトランス２４の一次巻線２４ａに印加される。これにより、ドライブトランス２４の二次巻線２４ｂに発生した電圧は、放電用補助スイッチ素子９のゲートに印加され、放電用補助スイッチ素子９がターンオンすることにより、主スイッチ素子４がターンオンする前に、転流側スイッチ素子７のゲート電圧を引き下げ、転流側スイッチ素子７をターンオフさせる。

同時に、ドライブトランス２４の二次巻線２４ｂに発生した電圧により、整流側補助スイッチ素子１４のゲート−ソース間に電圧が印加され、整流側補助スイッチ素子１４がターンオンする。ドライブトランス２４の二次巻線２４ｂに発生した電圧は、ツェナーダイオード１３のツェナー電圧Ｖｚｄより低く、かつ補助スイッチ素子１４のスレッショルド電圧Ｖｔｈより高く設定されているため、ツェナーダイオード１３は導通しないが、補助スイッチ素子１４はオン状態になる。このツェナー電圧は、整流用スイッチ素子６及び整流側補助スイッチ素子１４の各ゲート電圧定格より低い電圧であるので、整流用スイッチ素子６及び整流側補助スイッチ素子１４の各ゲートを高電圧から保護することができる。

この後、所定の遅延時間を経て遅延回路３から制御パルス信号が出力される。遅延回路３の出力がＨに立ち上がると、図２に示すように主スイッチ素子４がオンし、主トランス５の二次巻線５ｂには、ドットを付した側がプラスとなる極性で電圧が発生する。このとき補助スイッチ素子１４は既にオン状態にあるので、整流側補助スイッチ素子１４を介して整流用スイッチ素子６のゲートが充電され、電圧が上昇してゆく。また、整流側補助スイッチ素子１４のゲート−ソース間電圧は、整流側補助スイッチ素子１４の入力容量によって電圧が保持されるため、整流側補助スイッチ１４のゲート電圧は整流用スイッチ素子６のゲート電圧の上昇分とほぼ同じだけ上昇する。

やがて、整流側補助スイッチ素子１４のゲート電圧がツェナーダイオード１３のツェナー電圧まで達すると、ツェナーダイオード１３がオンして整流側補助スイッチ素子１４のゲート電圧は、それ以上は上がらなくなる。整流用スイッチ素子６のゲート電圧は、整流側補助スイッチ素子１４のゲート電圧−補助スイッチ素子１４のスレッショルド電圧以上には充電されないため、整流用スイッチ素子６のゲート電圧も上昇せず、ゲート電圧が制限される。また、このとき整流側スイッチ素子１６のゲート電圧を抵抗１６，１７により分圧した電圧で、転流側補助スイッチ素子１９のゲートに電圧が印加され、転流側補助スイッチ素子１９がオン状態になる。

次に、制御回路２からの制御パルス信号がＬになり、このときは遅延回路３による遅延なく主スイッチ素子４がターンオフする。すると、転流用スイッチ素子７のボディダイオードが導通し、整流側補助スイッチ素子１４のボディダイオードを介して整流側スイッチ素子６のゲート電荷が引き抜かれ、整流用スイッチ素子６はターンオフし、主トランス５の二次巻線５ｂに逆起電圧が発生する。このとき転流側補助スイッチ素子１９は既にオン状態にあるので、転流側補助スイッチ素子１９を介して転流用スイッチ素子７のゲートが充電され、ゲート電圧が上昇する。また転流側補助スイッチ素子１９のゲート−ソース間電圧は、転流側補助スイッチ素子１９の入力容量によって電圧が保持されるため、転流側補助スイッチ素子１９のゲート電圧は転流用スイッチ素子７のゲート電圧の上昇分とほぼ同じだけ上昇する。

やがて転流側補助スイッチ素子１９のゲート電圧がツェナーダイオード１８のツェナー電圧Ｖｚｄまで達すると、ツェナーダイオード１８が導通し、転流側補助スイッチ素子１９のゲート電圧はそれ以上は上昇しなくなる。転流用スイッチ素子７のゲート電圧は転流側補助スイッチ素子１９のゲート電圧−補助スイッチ素子１９のスレッショルド電圧Ｖｔｈ以上には充電されないため、転流用スイッチ素子７のゲート電圧も上昇せず、ゲート電圧が制限される。このツェナーダイオード１８のツェナー電圧Ｖｚｄも、転流用スイッチ素子７及び転流側補助スイッチ素子１９の各ゲート電圧定格より低い電圧であるので、各ゲートを高電圧から保護することができる。

この状態は、次にドライブトランス２４の二次巻線２４ｂに電圧が発生して放電用補助スイッチ素子９がオンするまで継続し、放電用補助スイッチ素子９が再びオンして上記動作を行う。そして、制御回路２により所定の時比率で主スイッチ素子４がＯＮ／ＯＦＦし、以上の動作を繰り返す。

この実施形態の同期整流型スイッチング電源装置は、同期整流用のスイッチ素子６，７のゲート電圧を設定する補助スイッチ素子１４，１９のゲート駆動電圧を低く抑え、かつ同期整流用のスイッチ素子６，７のゲートには必要十分な電圧を印加することができる。これにより、同期整流用のスイッチ素子６，７のゲートに過大な電圧が印加されることがなく、かつ損失が小さく、駆動が容易な同期整流型スイッチング電源装置を構成することができる。

また、同期整流型スイッチング電源装置においては、電源停止時に出力端子に外部から電圧を印加すると同期整流用のスイッチ素子がターンオンして回路に大電流が流れたり、同期整流回路が自励発振を起し、回路内に予期せぬ高電圧が発生して電源装置が破壊されてしまうといった問題が発生する場合がある。一方、本実施形態の同期整流型スイッチング電源装置によれば、同期整流用のスイッチ素子６，７を駆動する補助スイッチ素子１４，１９のゲート電圧が短時間で自然に低下するため、電源装置がスイッチング動作を停止した状態では同期整流用のスイッチ素子６，７がオンになることが無く、出力端子に外部から電圧が印加されても同期整流用のスイッチ素子６，７が誤ってオンする事がないという利点もある。

なお、本実施例はフォワードコンバータに適用した例であるが、本発明はコンバータの基本回路に依存するものではないため、フォワードコンバータ以外の同期整流コンバータにも適用が可能である。

この発明の一実施形態の同期整流型スイッチング電源装置の概略回路図である。 この実施形態の同期整流型スイッチング電源装置の各部の動作波形を示すタイミングチャートである。 従来の同期整流型スイッチング電源装置の概略回路図である。 従来の同期整流型スイッチング電源装置の各部の動作波形を示すタイミングチャートである。

符号の説明

１ 直流入力電源
２ 制御回路
３ 遅延回路
４ 主スイッチ素子
５ 主トランス
６ 整流用スイッチ素子
７ 転流用スイッチ素子
８，２３，１１，１５ ダイオード
９ 放電用補助スイッチ素子
１３，１８ ツェナーダイオード
１４ 整流側補助スイッチ素子
１９ 転流側補助スイッチ素子
２４ ドライブトランス

Claims (1)

1. 一次側回路に設けられた主スイッチ素子を駆動する制御回路と、上記主スイッチ素子のオン・オフに同期して二次側回路に電流を流す整流用スイッチ素子と転流用スイッチ素子を備えた同期整流型スイッチング電源装置において、
   主トランスの二次巻線の一方の端子に接続され、上記整流用スイッチ素子を駆動する整流側補助スイッチ素子と、
   上記整流側補助スイッチ素子の制御端子に接続され上記整流用スイッチ素子及び整流側補助スイッチ素子の各ゲート電圧定格より低いクランプ電圧の第一の電圧制限素子と、
   主トランスの二次巻線の他方の端子に接続され、上記転流用スイッチ素子を駆動する転流側補助スイッチ素子と、
   上記転流側補助スイッチ素子の制御端子に接続され、上記転流用スイッチ素子及び転流側補助スイッチ素子の各ゲート電圧定格より低いクランプ電圧の第二の電圧制限素子と、
   上記整流側補助スイッチ素子の制御端子に接続され、上記制御回路の出力に基づいて一次巻線が駆動されるドライブトランスの二次巻線電圧であって、上記第一の電圧制限素子と並列に接続され、電圧の最大値が上記整流側補助スイッチ素子のスレッショルド電圧より高く、上記第一の電圧制限素子のクランプ電圧よりは低い第一の電圧源と、
   上記転流側補助スイッチ素子の制御端子に接続されているとともに上記第二の電圧制限素子と並列に接続され、上記整流側スイッチ素子のゲート電圧を基にして電圧の最大値が上記転流側補助スイッチ素子のスレッショルド電圧より高く、上記第二の電圧制限素子のクランプ電圧よりは低い第二の電圧源と、
   上記各電圧源と上記各補助スイッチ素子の制御端子との間に設けられ、上記各制御端子側にカソードが接続されアノードが上記各電圧源側に接続された逆流防止用ダイオードとを備えたことを特徴とする同期整流型スイッチング電源装置。

Images