JP4122496B2

JP4122496B2 - 可飽和インダクタを利用した同期整流回路

Info

Publication number: JP4122496B2
Application number: JP2002258284A
Authority: JP
Inventors: 俊一郎大塚
Original assignee: 大平電子株式会社
Priority date: 2002-07-31
Filing date: 2002-07-31
Publication date: 2008-07-23
Anticipated expiration: 2022-07-31
Also published as: JP2004064988A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスイッチング電源装置に関し、特に同期整流に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、励磁エネルギの放出に同期整流を適用する手段としては本出願人が先に提供した同期整流回路（特願２００１−６０９４２）がある。図３にその回路例を示し、図４にその動作波形を示す。
【０００３】
図３はフライバックコンバータに同期整流を応用した回路構成となっており、主スイッチ素子７のオン・オフによってトランス６の１次巻線６ａには断続した電流が流れる。オン期間にトランス６に蓄積された励磁エネルギは、オフ期間に第１の巻線６ｂによって負荷側に供給される。第３の巻線６ｃはオフ期間にＭＯＳＦＥＴ２をオン状態にする巻線である。ＭＯＳＦＥＴ２は出力電流が流れたときにそのドロップ電圧がダイオード８の順方向電圧より小さくなるようにオン抵抗が選ばれている。
主スイッチ素子７がターン・オフすると、励磁エネルギによって第１の巻線６ｂに生じる電流はダイオード８を通り負荷側に流れるが、第３の巻線６ｃに生じる電圧でＭＯＳＦＥＴ２がターン・オンすると、電圧ドロップのより小さいＭＯＳＦＥＴ２を流れるようになる。このときの電流によって可飽和コア１は飽和し第２の巻線１ａはショート状態になっている。
励磁エネルギの放出が終わってもＭＯＳＦＥＴ２がオン状態であるため、コンデンサ１１の電荷がオン状態のＭＯＳＦＥＴ２をドレインからソースに向かって流れようとするが、このとき、可飽和コア１は逆向きに対しては飽和していないため、第２の巻線１ａは逆方向に加わる電圧に対し高いインピーダンスを示し、その結果、第３の巻線６ｃの電圧はＭＯＳＦＥＴ２のゲートに十分な電圧を供給できなくなりＭＯＳＦＥＴ２がターン・オフする。
【０００４】
図４は図３の各部の波形を示している。図の上段に示したように、第１の巻線６ｂの電圧が正になると第３の巻線６ｃの電圧も正になり、ＭＯＳＦＥＴ２がターン・オンするので、ＭＯＳＦＥＴ２には図の中段のような波形の電流が流れる。電流が流れ始める時刻は図の下段に示した第２の巻線１ａの両端電圧がゼロになったときに一致している。すなわち、可飽和コア１が順方向で飽和するとＭＯＳＦＥＴ２に電流が流れる。また、順方向の電流がゼロに達したとき、第１の巻線６ｂの電圧も、第３の巻線６ｃの電圧も、いずれもゼロにはなっていないので、電流はそのままの傾きを保って流れ続けようとするが、第２の巻線１ａには逆向きの電圧が生じるので、これが第３の巻線６ｃによってＭＯＳＦＥＴ２のゲートに供給されている電圧をはばみ、ＭＯＳＦＥＴ２がターン・オフする。
【０００５】
図３の可飽和コア１に巻かれた第２の巻線がＭＯＳＦＥＴ２をターン・オフするきっかけを作るところにこの回路の最大の特徴がある。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
図３のＭＯＳＦＥＴ２は、主スイッチ素子７のオンの間はオフ状態に、また、オフの間はオン状態になっている。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ２のオン・オフは主スイッチ素子７のオン・オフに対して反転して同期しているが、具体的には、ＭＯＳＦＥＴ２のターン・オンは第３の巻線６ｃがＭＯＳＦＥＴ２のゲートに送る信号に同期し、ターン・オフはドレインからソースに向かって流れようとする電流を第２の巻線１ａがとらえた瞬間に同期している。
【０００７】
第２の巻線１ａは可飽和コア１に巻かれていて、電流が逆向きになった瞬間だけ信号を作り出す。その様子は図４の動作波形図に第２の巻線１ａの電圧として示されている。そこで本発明は、可飽和インダクタに生じる信号で同期整流用のスイッチ素子を直接ターン・オンさせ、これによって同期整流用のスイッチ素子をターン・オンさせるために励磁エネルギを放出する巻線に電磁的に結合した巻線を巻く必要のない回路を提供するものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明において、巻線の励磁エネルギを放出する第１のダイオードに可飽和インダクタを直列に挿入し、前記第１のダイオードに制御電極を有する第１のスイッチ素子を並列に接続し、前記第１のスイッチ素子の制御電極と前記可飽和インダクタの前記第１のダイオードに接続された端子と反対側の端子の間に第２のダイオードを接続し、前記第２のダイオードに制御電極を有する第２のスイッチ素子を並列に接続し、前記第２のスイッチ素子の制御電極を前記可飽和インダクタの前記第１のダイオードに接続された端子に接続した。
【０００９】
【発明の実施の形態】
課題を解決するための手段で述べた回路の動作を、スイッチング電源の動作を解析する場合に用いられる状態という用語を用いて説明する。
巻線が励磁エネルギを放出する状態にあるとき、巻線には巻線に直列に接続されている第１のダイオードと可飽和インダクタからなる直列回路に電流を流そうとする電力が発生する。このとき可飽和インダクタは飽和していないのでその両端に電圧が生じその電圧は第２のダイオードを介して第１のスイッチ素子の制御電極に供給され第１のスイッチ素子はターン・オンする。可飽和インダクタは所定の時間内に飽和するので発生した電力は飽和した可飽和インダクタと第１のスイッチ素子を流れて放出する。
【００１０】
巻線が励磁エネルギを放出する状態から蓄積する状態に変ると、巻線両端の電圧の向きも変り、第１のスイッチ素子と可飽和インダクタの直列回路に逆向きの電圧が加わる。このとき第１のスイッチ素子はオン状態であるため、逆向きの電圧は可飽和インダクタに加わる。可飽和インダクタは逆向きの電圧に対しては飽和していないため、その両端に電圧が生じ、その電圧は第２のスイッチ素子の制御電極に加わり、第２のスイッチ素子がターン・オンして第１のスイッチ素子の制御電極の電荷を吸い込みその結果第１のスイッチ素子がターン・オフする。
【００１１】
【実施例】
図１は本発明を降圧チョッパに実施した例を示す回路図である。
図１において発振制御回路１１０は平滑コンデンサ１１１の電圧を一定に保つためにＭＯＳＦＥＴ１０９のオン・オフを制御している。ＭＯＳＦＥＴ１０９がオンの状態のとき、巻線１０１には直流電源１０８と平滑コンデンサ１１１の電圧の差が加わり、励磁エネルギが増加する。ＭＯＳＦＥＴ１０９がターン・オフすると、巻線１０１に電圧の向きが反転した起電力が発生し、平滑コンデンサ１１１と可飽和インダクタ１０３と第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ１０４からなる直列回路に電圧が加わる。可飽和インダクタ１０３が飽和していれば、巻線１０１の電圧は平滑コンデンサ１１１の電圧に第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ１０４のドロップ電圧を加えた値になる。しかし、巻線１０１の電圧が反転した直後は可飽和インダクタ１０３は飽和していないため巻線１０１に生じる電圧は不定の値をとり、一瞬ではあるがサージ電圧を生む。そのため、可飽和インダクタ１０３の両端の電圧は、図１において、第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ１０４のソース電極よりグランド側が一瞬高くなり、第２のダイオード１０５を介して、ＭＯＳＦＥＴ１０４の制御電極を充電する。すなわち、可飽和インダクタに生じる電圧が第１のスイッチ素子をターン・オンさせる。
【００１２】
ＭＯＳＦＥＴ１０９が再びターン・オンすると、直流電源１０８の電圧は第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ１０４と可飽和インダクタ１０３の直列回路に加わるが、このとき、ＭＯＳＦＥＴ１０４はオン状態であるため、可飽和インダクタ１０３両端に直流電源１０８の電圧が加わる。この電圧によって、抵抗１０７を介して第２のスイッチ素子であるトランジスタ１０６のベースに電流が流れ、トランジスタ１０６がターン・オンしてＭＯＳＦＥＴ１０４のゲート電荷を引き抜きＭＯＳＦＥＴ１０４をターン・オフさせる。可飽和インダクタ１０３が飽和するまでの時間とＭＯＳＦＥＴ１０４がターン・オフするまでの時間を適当に選ぶことによってＭＯＳＦＥＴ１０９とＭＯＳＦＥＴ１０４を同時に貫通する電流が流れないようにすることができる。
【００１３】
図１において、第１のスイッチ素子１０４としてＭＯＳＦＥＴが使われているので、その寄生ダイオードを第１のダイオード１０２として使っている。また、第２のスイッチ素子１０６としてトランジスタを用いているのでベース電流制限用の抵抗１０７を付けている。
【００１４】
ＭＯＳＦＥＴは制御電極であるゲートが絶縁されているので一度電荷がたまって充電すると、その電荷を外部回路によって引き抜くまでオン状態を保つ。そこで、制御電極の電荷の引き抜きは次のように行われる。
図１のＭＯＳＦＥＴ１０９がオフ状態からターン・オンすると、第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ１０４のドレイン端子の電圧が上昇する。このとき上述の如く、ＭＯＳＦＥＴ１０４がオン状態であるが直列に接続されている可飽和インダクタ１０３が飽和していないため、上昇する電圧は可飽和インダクタ１０３両端に加わり、可飽和インダクタ１０３両端の電圧は抵抗１０７を介して第２のスイッチ素子であるトランジスタ１０６をターン・オンして、ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲートの電荷を引き抜く。
【００１５】
図２は図１の各部の動作波形を示している。図２の波形（１）は第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ１０４のドレイン電圧を示しており、電圧の高いところで巻線１０１は励磁エネルギを蓄積し、低いところで励磁エネルギを放出している。波形（２）は可飽和インダクタ１０３の両端の電圧を示しており、ＭＯＳＦＥＴ１０４のドレイン電圧が立上がると同時に正のパルスを発生させてＭＯＳＦＥＴ１０４をターン・オフさせ、ＭＯＳＦＥＴ１０４のドレイン電圧が立下がると同時に負のパルスを発生させてＭＯＳＦＥＴ１０４をターン・オンさせている。波形（３）と（４）は、ＭＯＳＦＥＴ１０４のゲート電圧とドレイン電流を各々示している。
【００１６】
本発明は図１に示した降圧チョッパの他に、励磁エネルギの蓄積と放出を利用している、フライバックコンバータやフォワードコンバータをはじめ全てのスイッチング電源において、その励磁エネルギを放出する整流回路に応用することができる。
【００１７】
【発明の効果】
簡単な回路で同期整流ができるので経済的効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例を示す回路図である。
【図２】図１の回路の動作波形である。
【図３】従来方式の１例を示す回路図である。
【図４】図３の回路の動作波形である。
【符号の説明】
１可飽和コア
１ａ第２の巻線
２ＭＯＳＦＥＴ
４抵抗
６トランス
６ａ１次巻線
６ｂ第１の巻線
６ｃ第３の巻線
７主スイッチ素子
８ダイオード
９直流電源
１０発振制御回路
１１コンデンサ
１２負荷
１０１巻線
１０２第１のダイオード（ＭＯＳＦＥＴ１０４の寄生ダイオード）
１０３可飽和インダクタ
１０４第１のスイッチ素子であるＭＯＳＦＥＴ
１０５第２のダイオード
１０６第２のスイッチ素子であるトランジスタ
１０７抵抗
１０８直流電源
１０９ＭＯＳＦＥＴ
１１０発振制御回路
１１１平滑コンデンサ
１１２負荷

Claims

巻線と、前記巻線に蓄積される励磁エネルギを放出する第１のダイオードを備えたスイッチング電源装置において、前記第１のダイオードに可飽和インダクタを直列に挿入し、前記第１のダイオードに制御電極を有する第１のスイッチ素子を並列に接続し、前記第１のスイッチ素子の制御電極と前記可飽和インダクタの前記第１のダイオードに接続された端子と反対側の端子の間に第２のダイオードを接続し、前記第２のダイオードに制御電極を有する第２のスイッチ素子を並列に接続し、前記第２のスイッチ素子の制御電極を前記可飽和インダクタの前記第１のスイッチ素子が接続された端子に接続し、これによって前記巻線の励磁エネルギを放出する電流が第１のスイッチ素子を流れることを特徴とするスイッチング電源装置。