JP4081731B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【産業上の利用分野】
本発明はスイッチング電源装置に関し、特に共振現象を利用した部分共振スイッチに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、固定周波数のパルス幅制御がなされているスイッチング電源の部分共振技術としては、本出願人が先に提供した電流不連続モードの他励式スイッチング電源のソフトスイッチング回路(特開平6−189538)がある。図4にその回路構成を示し、図5に動作波形を示す。
【0003】
図4に示した回路において主スイッチ素子102がターンオフした後、遅延して第2のスイッチ素子104がターンオフする。第2のスイッチ素子104がオン状態のまま主スイッチ素子102がターンオフすれば、ターンオフ時に生じるサージ電圧とノイズはスナバコンデンサ103によって抑えられる。
【0004】
電流不連続モードとは、トランスの励磁エネルギーが放出し終わってから主スイッチ素子102がターンオンする方式を指しているが、励磁エネルギーが放出し終わったとき、トランスは自らのエネルギーで巻線に電圧を生じさせることができなくなり、主スイッチ素子102が次にターンオンするまでの間はスナバコンデンサ103の電圧と直流電源111の電圧の差を振幅とする共振が、コンデンサ103とトランスの1次巻線101によって起きる。
【0005】
図5は主スイッチ素子102両端の電圧波形を示している。図5に示した波形図の不連続期間において、主スイッチ素子102と第2のスイッチ素子104の両方がオフ状態であるため、スナバコンデンサ103の電圧が最も低くなったところで共振が止まる。その理由は、スナバコンデンサ103の放電方向の電流は第2のスイッチ素子104の寄生ダイオードを通って流れるのに対して、充電方向の電流は第2のスイッチ素子104がオフ状態であるために流れることができないからである。
【0006】
主スイッチ素子102がターンオンするとき、スナバコンデンサ103の電圧が最も低い値になっているが、この値もトランスの1次巻線101と2次巻線107の巻線比を適当に選ぶことによりゼロにすることができる。これによって、スナバコンデンサ103の容量を大きくしてもターンオン時に生じる損失が小さくて済む。一方、スナバコンデンサ103の容量を大きくすることによって、主スイッチ素子102のターンオフ時の損失を小さくすることができる。
【0007】
スナバコンデンサ103とトランスの1次巻線101による共振が止まってから、主スイッチ素子102がターンオンするまでの間に、トランスの1次巻線101とその周辺の浮遊容量による周期の短い共振が継続するが浮遊容量が小さいので電圧の高いところでターンオンしても、その損失は小さい。すなわち、ターンオンとターンオフの両方の損失が共に小さいスイッチングが行われる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上に示した従来の部分共振の方式は、入力電圧が広い範囲のときに次のような問題が生じる。スナバコンデンサ103とトランスの1次巻線101による共振が止まったときのスナバコンデンサ103の電圧は入力電圧からトランスの1次巻線101のフライバック電圧を引いた値である。従って、共振が止まったときの電圧が入力電圧の全範囲に渡ってゼロになるためには、トランスの1次巻線101のフライバック電圧が、入力電圧の最も高い値と一致するように巻数比が選ばれていなければならない。
【0009】
一方、主スイッチ素子102のオフ期間に主スイッチ素子102に加わる電圧は、入力電圧にトランスの1次巻線101のフライバック電圧を加えた値であるため、フライバック電圧が高い程、耐圧の高いスイッチ素子が必要になる。それに加えて、電流不連続モードの欠点の1つでもあるが、主スイッチ素子102のピーク電流が大きいために、電流容量の大きいスイッチ素子が必要になる。すなわち、耐圧が高くて、電流容量の大きい分、主スイッチ素子のコストが高くなると言える。
【0010】
本発明は、このような欠点を除去するもので、電流連続モードにも応用ができ、かつ、トランスの1次巻線と2次巻線の巻数比に制限を加えることなく、ターンオンとターンオフの両方の損失を共に小さく抑えることのできるスイッチング電源装置を提供することを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上の目的を達成するために本発明は、トランスの1次巻線に直列に接続された主スイッチ素子と、主スイッチ素子に並列に接続されたスナバコンデンサと、主スイッチ素子のオン期間を制御するパルス幅制御回路を備えたスイッチング電源装置において、主スイッチ素子に直列にダイオードを挿入し、スナバコンデンサに直列にインダクタを挿入し、このインダクタに並列に第2のダイオードと第2のスイッチ素子からなる直列回路を接続し、第2のスイッチ素子の制御電極とパルス幅制御回路の間にパルスの立上がりと立下がりのいずれの時刻も所定時間だけ遅延する遅延回路を接続した。
【0012】
【作用】
主スイッチ素子がターンオフした後、第2のスイッチ素子が遅れてターンオフする。主スイッチ素子がターンオフしたとき第2のスイッチ素子がまだオン状態を維持しているので、スナバコンデンサによってターンオフ時のサージ電圧が吸収される。このときスナバコンデンサを充電する電流は第2のスイッチ素子を通り、スナバコンデンサを放電する電流はインダクタを通る。サージ吸収の期間が過ぎて、スナバコンデンサの電圧が、入力電圧にトランスの1次巻線のフライバック電圧を加えた値で一定になるが、このとき第2のスイッチ素子はオフ状態になっている。
【0013】
主スイッチ素子がオフ状態からターンオンすると、スナバコンデンサはインダクタと主スイッチ素子を流れて放電する。放電は、主スイッチ素子にダイオードが直列に接続されているので半波共振になるが、インダクタの電流がゼロから正弦波の半周期を描いて再びゼロに戻ったときには、スナバコンデンサには極性が反転し、かつ値が放電開始前の電圧に等しい電圧が充電されているので、このとき、第2のスイッチ素子がターンオンすればスナバコンデンサはトランス1次巻線と第2のスイッチ素子を流れて放電する。
【0014】
この放電によりコンデンサの充電エネルギーは、スイッチング電源装置がフライバックコンバータ方式であれば、一旦トランスの励磁エネルギーに変わり、またフォワードコンバータ方式であれば、負荷電流の一部になるので、コンデンサの放電による損失は、充電の回路上に存在する抵抗成分による損失を除けばゼロになる。
【0015】
第2のスイッチ素子に直列に接続されているダイオードは主スイッチ素子がターンオンしたときに、コンデンサの放電が第2のスイッチ素子を流れるのを阻止している。主スイッチ素子に直列に接続されているダイオードは、第2のスイッチ素子がターンオンしたときに、コンデンサの放電が主スイッチ素子を流れるのを阻止している。
【0016】
【実施例】
図1は本発明の実施例に係るフライバックコンバータ方式のスイッチング電源装置を示す回路図である。図2と図3は回路図の主要部分の電圧電流波形を示す波形図である。
【0017】
図1に示した回路において、主スイッチ素子12と第2のスイッチ素子4はパルス幅制御回路14から出力されるパルス電圧によってオンとオフを繰り返すが、第2のスイッチ素子4に加わるパルスは遅延回路5によって遅れる。主スイッチ素子12がターンオンすると、スナバコンデンサ13とインダクタ2による共振電流が主スイッチ素子12を流れ、トランスの1次巻線の励磁電流も主スイッチ素子12を流れる。これらの2つの電流の合計は図2に示したID1の波形によって示される。また、主スイッチ素子12がターンオンする時刻t1と第2のスイッチ素子4がターンオンする時刻t2によってはさまれた区間のスナバコンデンサ13の電圧と電流は、図3のVRとIRの波形によって示される。
【0018】
t1とt2によってはさまれた期間がコンデンサ13とインダクタ2の共振の半周期に調整されていれば、時刻t2においてコンデンサ13の電圧は共振直前の値に負の符号を付けた値になる。すなわち、電圧が反転する。時刻t2において、第2のスイッチ素子4がターンオンするので、コンデンサ13は第2のスイッチ素子を通って放電する。この電流はトランスの1次巻線11を通るのでトランスの励磁エネルギーが増加する。すなわち、コンデンサ13の充電エネルギーがトランスの励磁エネルギーに変換される。図2のID2は第2のスイッチ素子4に流れる電流波形を示している。
【0019】
主スイッチ素子12がターンオフする時刻t3において、第2のスイッチ素子4がオン状態を維持しているので、主スイッチ素子12のターンオフ時に生じるサージ電圧はスナバコンデンサ13によって吸収される。
【0020】
図2に示した波形において、ID1とVD1は主スイッチ素子12の電流と電圧である。時刻t1においては、VD1は高い値であるが、ID1はほぼゼロに近いのでターンオンロスは生じない。また、時刻t3において、ID1は高い値であるが、VD1はほぼゼロに近いのでターンオフロスは生じない。このように、図1に示した回路においては、スイッチングロスが生じないか、または十分小さい値である。
【0021】
t1において、VD1がどのような値をとっても、ID1がゼロから立ち上がるのでターンオンロスを生じない。電流連続モードで動作させるときは、主スイッチ素子12の電圧が高い状態のままターンオンに入るが、このときも、コンデンサ13の放電々流がゼロから立ち上がるのでターンオンロスが生じない。
【0022】
図1に示した実施例は、フライバックコンバータ方式のスイッチング電源装置であるが、本発明はフォワードコンバータ方式のスイッチング電源装置にも実施することができる。
【0023】
【発明の効果】
図4に示した従来方式に比べ、インダクタとダイオードが追加されているが、入力電圧の広い条件下で実施するときには、電流連続モードでも使えるので、主スイッチ素子とトランスに流れるピーク電流が減り、主スイッチ素子とトランスのコストダウンができる。また、フライバックコンバータ方式とフォワードコンバータ方式の両方に実施できるので応用範囲が広い。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例に係るフライバックコンバータ方式のスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図2】図1の主要部の電圧と電流の波形を示す波形図である。
【図3】図1の主要部の電圧と電流の波形を示す波形図である。
【図4】従来方式の一例を示す回路図である。
【図5】図4の主要部の電圧と電流の波形を示す波形図である。
【符号の説明】
1 第1のダイオード
2 インダクタ
3 第2のダイオード
4 第2のスイッチ素子
5 遅延回路
11 トランスの1次巻線
12 主スイッチ素子
13 スナバコンデンサ
14 パルス幅制御回路
15 トランスの2次巻線
16 ダイオード
17 コンデンサ
18 負荷回路
19 直流電源
101 トランスの1次巻線
102 主スイッチ素子
103 スナバコンデンサ
104 第2のスイッチ素子
105 遅延回路
106 パルス幅制御回路
107 トランスの2次巻線
108 ダイオード
109 コンデンサ
110 負荷回路
111 直流電源
VG1 主スイッチ素子のゲート電圧
VG2 第2のスイッチ素子のゲート電圧
ID1 主スイッチ素子の電流
ID2 第2のスイッチ素子の電流
VD1 主スイッチ素子の電圧
VR スナバコンデンサ13の電圧
IR スナバコンデンサ13の電流

Claims (1)

  1. トランスの1次巻線と前記1次巻線に直列に接続された主スイッチ素子と前記主スイッチ素子に並列に接続されたスナバコンデンサと前記主スイッチ素子のオン期間を制御するパルス幅制御回路を備えたスイッチング電源装置において、前記主スイッチ素子に直列に第1のダイオードを挿入し、前記スナバコンデンサに直列にインダクタを挿入し、前記インダクタに並列に第2のダイオードと第2のスイッチ素子からなる直列回路を接続し、前記主スイッチ素子のターンオンとターンオフの時刻から各々所定時間だけ遅延して前記第2のスイッチ素子にターンオンとターンオフの制御信号を与える遅延回路を前記パルス幅制御回路と前記第2のスイッチ素子の制御電極の間に接続したことを特徴とするスイッチング電源装置。
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