JP4158054B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
本発明における前記同期整流は前記主スイッチのオンオフに所望の位相関係を有して前記変換回路の出力を整流するあらゆる動作を意味する。また、本発明における前記同期整流半導体スイッチは前記主スイッチのオンオフに所望の位相関係を有して前記変換回路の出力を整流又は平滑するために寄与するスイッチを意味する。
2,2a,2b,2c,2d 変換回路
3、3a、3b 同期整流回路
4a、4b 直流出力端子
8 同期整流半導体スイッチ
11 スイッチ状態信号検出手段
12 NOR回路
20,20a、20b、20c 論理回路手段
Q1 主スイッチ
Q2 同期整流素子
主スイッチQ1のオン期間には、2次巻線N2の電圧と平滑コンデンサCoの電圧との和の電圧が同期整流素子Q2に印加され、この和の電圧は2つの抵抗R3、R4で分割される。この結果、相互接続点13が高レベル電位状態になる。他方、主スイッチQ1のオフ期間には、同期整流素子Q2が導通状態になるので、このドレイン電極Dとソース電極Sとの間の電圧は主スイッチQ1のオン期間のその値よりも低くなり、相互接続点13が低レベル電位になる。これにより、相互接続点13に主スイッチQ1のオン期間とオフ期間とに対応した電位を有するスイッチ状態信号を得ることができる。相互接続点13のスイッチ状態信号は同期整流半導体スイッチ8の導通許容期間を示す。
なお、図示は省略されているが、NOT回路10及びNOR回路12はこれ等を駆動するための周知の直流電源に接続されている。
(1)論理回路手段20を含む比較的簡単な回路構成の同期整流制御回路7によって、同期整流半導体スイッチ8のオン時間幅を主スイッチQ1のオフ時間幅に適合するように自動的に変えることができる。これにより、主スイッチQ1のオン期間中に同期整流半導体スイッチ8がオンになることを確実に防止できる。即ち、同期整流半導体スイッチ8が両方向の電流を流すことができる場合において、もし、主スイッチQ1のオン期間に同期整流半導体スイッチ8にオン制御信号が印加されると、同期整流半導体スイッチ8が導通し、2次巻線N2から同期整流半導体スイッチ8の方向へ電流が流れ、正常な整流動作が妨害され、且つノイズの発生、回路の破壊等が生じる虞れがある。これに対し、図1の回路では同期整流半導体スイッチ8のオン制御期間が主スイッチQ1のオフ期間内に限定されるので、上述の問題が発生しない。
(2)同期整流半導体スイッチ8のオン時間幅をオン期間決定用コンデンサC1の充電及び放電時定数、及びNOT回路10のしきい値で容易且つ正確に調整することができる。
なお、図5のオン期間制限用コンデンサC2を含む付加のオン期間制限回路を図3、図4、図11、図13〜図18の実施例にも適用できる。
図21の実施例17においても第1及び第2の同期整流制御回路7j、7j′が図1の同期整流制御回路7と実質的に同一に構成されているので、図1の実施例と同様な効果を得ることができる。
(1)図1、図18、図19、図20及び図21の変換回路2,2a,2b、2c、2dの代わりに、ハーフブリッジ型インバータ回路、又は極性逆転型DC−DCコンバータ回路を設けることができる。
(2)図18、図19、図20及び図21の同期整流制御回路7i、7i′、7j、7j′を図3、図4、図5、図7、図9、図10、図11、図13〜図17等に示す同期整流制御回路に変形することができる。また、図13〜図17の同期整流制御回路7d,7e,7f,7g,7hを、図4、図5、図7、図9、図10及び図11の回路にそのまま又は変形して適用することができる。
(3)図3、図4、図5及び図7のスイッチング電源装置を図11と同様に昇圧型に変形することができる。
(4)各実施例において、同期整流素子Q2を2次巻線N2又は1次巻線N1と正側の直流出力端子4bとの間のラインに直列に接続することができる。
(5)図1、図3、図4、図5、図7、図11、図18、図19の主スイッチQ1をトランジスタ、IGBT(絶縁ゲート型バイホーラトランジスタ)等の別の半導体スイッチとすることができる。また、図20、図21の主スイッチQ1、Q11、Q12を電界効果トランジスタ、IGBT(絶縁ゲート型バイホーラトランジスタ)等の別の半導体スイッチとすることができる。
(6)同期整流素子Q2、Q2′を、トランジスタ、IGBT(絶縁ゲート型バイホーラトランジスタ)等の別の半導体スイッチとダイオードとの組み合わせで構成することができる。
Claims (19)
- 直流電圧を供給するための直流電圧入力手段と、
直流電圧を出力するための直流電圧出力手段と、
前記直流電圧入力手段と前記直流電圧出力手段との間に接続され且つ直流電圧をオン・オフするための少なくとも1つの主スイッチを含んでいる変換回路と、
オン・オフ制御するための制御信号を前記主スイッチに供給するために前記主スイッチの制御端子に接続されている主スイッチ制御回路と、
前記変換回路と前記直流電圧出力手段との間に接続された同期整流半導体スイッチと、
前記同期整流半導体スイッチに並列に接続された内蔵又は個別のダイオードと、
前記主スイッチのオン・オフ状態を示す信号に基づいて前記同期整流半導体スイッチの導通許容期間か否かを検出するために、前記同期整流半導体スイッチと前記変換回路と前記主スイッチ制御回路とのいずれか1つに接続された導通許容期間検出手段と、
前記同期整流半導体スイッチのオン期間を決定するためのオン期間決定用コンデンサと、
前記主スイッチのオン・オフ状態に対応させて前記オン期間決定用コンデンサを充電及び放電させるために前記オン期間決定用コンデンサ及び前記変換回路に接続された充放電回路と、
前記導通許容期間検出手段に接続された第1の端子と前記オン期間決定用コンデンサに接続された第2の端子と前記同期整流半導体スイッチの制御端子に接続された出力端子とを有し、且つ前記オン期間決定用コンデンサの電圧が所定電圧値よりも高いか否かを判定する機能、前記オン期間決定用コンデンサの電圧が所定電圧値を横切る時点によって前記同期整流半導体スイッチのオン終了時点を決定する機能、及び前記オン期間決定用コンデンサの電圧が所定電圧値よりも高いか否かの判定結果と前記導通許容期間検出手段の出力とに基づいて前記同期整流半導体スイッチのオン期間を決定して前記同期整流半導体スイッチの制御信号を出力する機能を有している論理回路手段と
を備えていることを特徴とするスイッチング電源装置。 - 前記導通許容期間検出手段は、前記主スイッチのオン期間に第1の電圧レベルとなり、前記主スイッチのオフ期間に第2の電圧レベルとなるスイッチ状態信号を前記同期整流半導体スイッチの導通許容期間検出信号として出力するものであることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
- 前記導通許容期間検出手段は、前記同期整流半導体スイッチの主端子間電圧又は前記主スイッチの制御信号又は前記主スイッチの電圧を検出する電圧検出手段であることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
- 前記充放電回路は、前記主スイッチのオン期間に前記オン期間決定用コンデンサを充電し、前記主スイッチのオフ期間に前記オン期間決定用コンデンサを放電させるものであることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
- 前記充放電回路は、前記同期整流半導体スイッチの第1の主端子と前記オン期間決定用コンデンサの一端との間に接続された抵抗(R1)で有り、前記オン期間決定用コンデンサの他端は前記同期整流半導体スイッチの第2の主端子に接続されていることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
- 前記充放電回路は、更に、前記オン期間決定コンデンサに並列に接続された充放抵抗(R2)を有していることを特徴とする請求項5記載のスイッチング電源装置。
- 前記充放電回路は、更に、前記同期整流半導体スイッチの第1の主端子と前記オン期間決定用コンデンサの一端との間に接続された抵抗(R1)に対して直列に接続されたダイオード(D1)を有していることを特徴とする請求項6記載のスイッチング電源装置。
- 前記充放電回路は、前記同期整流半導体スイッチの第1の主端子と前記オン期間決定用コンデンサの一端との間に接続された第1のダイオード(D1)と第1の抵抗(R1)との直列回路から成る充電回路と、前記オン期間決定用コンデンサの一端と前記同期整流半導体スイッチの第1の主端子との間に接続された第2のダイオード(D2)と第2の抵抗(R2’)との直列回路から成る放電回路とを有し、
前記オン期間決定用コンデンサの他端は前記同期整流半導体スイッチの第2の主端子に接続されていることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。 - 前記直流電圧入力手段は対の直流電源端子(1a,1b)から成り、
前記変換回路は、更に、前記主スイッチに直列に接続されたインダクタンス手段(6又は6a)を有し、
前記主スイッチは前記インダクタンス手段(6又は6a)を介して前記対の直流電源端子の一方(1a)に接続された一方の主端子と前記対の直流電源端子の他方(1b)に接続された他方の主端子と前記主スイッチ制御回路に接続された制御端子とを有し、
前記導通許容期間検出手段は前記主スイッチの前記制御信号を検出するために前記主スイッチ制御回路に接続された導体(21a)であり、
前記充放電回路は、前記主スイッチの前記制御信号を検出する導体(21a)と前記オン期間決定用コンデンサの一端との間に接続された整流ダイオード(D1)と充電抵抗(R1)との直列回路から成る充電回路と、前記オン期間決定用コンデンサに並列に接続された放電回路(R2)とから成り、
前記オン期間決定用コンデンサの他端は前記主スイッチの前記他方の主端子に接続されていることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。 - 前記直流電圧入力手段は対の直流電源端子(1a,1b)から成り、
前記変換回路は、更に、前記主スイッチに直列に接続されたインダクタンス手段(6又は6a)を有し、
前記主スイッチは前記インダクタンス手段(6又は6a)を介して前記対の直流電源端子の一方(1a)に接続された一方の主端子と前記対の直流電源端子の他方(1b)に接続された他方の主端子と前記主スイッチ制御回路に接続された制御端子とを有し、
前記導通許容期間検出手段は前記主スイッチの前記制御信号を検出するために前記主スイッチ制御回路に接続された導体(21a)であり、
前記充放電回路は、前記主スイッチの前記一方の主端子と前記オン期間決定用コンデンサの一端との間に接続された第1の整流ダイオード(D1)と充電抵抗(R1)との直列回路から成る充電回路と、前記制御用コンデンサの一端と前記主スイッチの前記一方の主端子との間に接続された第2の整流ダイオード(D2)と放電抵抗(R2’)との直列回路から成る放電回路とからなることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。 - 更に、前記論理回路手段と前記同期整流半導体スイッチの制御端子との間に接続され電気的絶縁手段(23)を含む信号伝送路を有していることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
- 前記論理回路手段は、
前記オン期間決定用コンデンサの電圧が所定電圧値よりも高い時に第1の電圧値となり、前記オン期間決定用コンデンサの電圧が前記所定電圧値よりも低い時に第2の電圧値となるように前記オン期間決定用コンデンサの電圧を波形整形する機能を有して前記オン期間決定用コンデンサに接続されている第1の回路と、
前記第1の回路に接続された第1の入力端子と前記導通許容期間検出手段に接続された第2の入力端子と前記同期整流半導体スイッチの制御端子に接続された出力端子とを有し、且つ前記第1の回路の出力が前記第1の電圧値を示し且つ前記導通許容期間検出手段の出力が前記主スイッチのオフを示している時に前記同期整流半導体スイッチをオン制御する機能を有している第2の回路と
から成ることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。 - 前記第1の回路は前記所定電圧値として機能する所定のしきい値を有しているNOT回路(10)又は2つの入力端子の両方が前記オン期間決定用コンデンサに接続されたNOR回路(10a)であることを特徴とする請求項12記載のスイッチング電源装置。
- 前記第1の回路は、前記所定電圧値として所定の基準電圧を与える基準電圧源(42)と、一方の入力端子が前記オン期間決定用コンデンサに接続され、他方の入力端子が前記基準電圧源(42)に接続された比較器(41)とから成ることを特徴とする請求項12記載のスイッチング電源装置。
- 前記第2の回路はNOR回路(12)又は入力反転手段を伴ったAND回路(12a)から成ることを特徴とする請求項12記載のスイッチング電源装置。
- 前記論理回路手段は、
前記導通許容期間検出手段に接続された否定回路(12b)と、
前記オン期間決定用コンデンサに接続された第1の入力端子と前記否定回路(12b)に接続された第2の入力端子と前記同期整流半導体スイッチの制御端子に接続された出力端子とを有し、且つ所定のしきい値を有している論理積回路(10b)と
から成ることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。 - 更に、前記同期整流半導体スイッチのオン期間を制限するためのオン期間制限用コンデンサ(C2)と、
前記オン期間制限用コンデンサ(C2)に充電電流を供給し、前記主スイッチのオフ期間に前記オン期間制限用コンデンサ(C2)を放電させるために前記オン期間制限用コンデンサ(C2)に接続されたオン期間制限用充放電回路(30)と、
前記オン期間制限用コンデンサ(C2)の電圧を2値信号に波形整形するために前記オン期間制限用コンデンサ(C2)に接続され、且つオン期間制限用基準電圧値(Vth2)を有し、且つ前記オン期間制限用コンデンサ(C2)の電圧が前記オン期間制限用基準電圧値(Vth2)よりも高い時に第1の電圧値を出力し、前記オン期間制限用コンデンサの電圧が前記オン期間制限用基準電圧値(Vth2)よりも低い時に第2の電圧値を出力する機能を有し、前記主スイッチのオン期間が正常範囲の時には前記第1の電圧値を出力し、前記主スイッチのオン期間が正常範囲よりも長くなった時には前記第1の電圧値を出力するように前記制限用基準電圧値(Vth2)が設定されているオン期間制限用波形整形回路(31)と、
前記オン期間制限用波形整形回路(31)と前記オン期間決定用コンデンサとの間に接続された強制放電回路形成手段(32)と
を備えていることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。 - 前記強制放電回路形成手段は、前記オン期間制限用波形整形回路と前記オン期間決定用コンデンサの一端との間に接続されたダイオード(32)であり、このダイオード(32)は前記オン期間制限用波形整形回路(31)の出力が前記第1の電圧値を示している時に導通する方向性を有していることを特徴とする請求項17記載のスイッチング電源装置。
- 前記強制放電回路形成手段は、更に、前記ダイオード(32)に直列に接続され且つ前記ダイオード(32)と逆の方向性を有している定電圧ダイオード(33)を備えていることを特徴とする請求項1 8記載のスイッチング電源装置。
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