JP4328417B2 - 電源回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源回路に関し、特に、スイッチング電源の改善に関する。
【従来の技術】
電源は電子装置にとって欠かせない回路であり、特にスイッチ素子を有するスイッチング電源は、安定な電圧を負荷に供給することができるので、多く用いられている。
【０００２】
図１４の符号１０１に示したものは、直流電圧を降圧させて負荷に供給するＤＣ−ＤＣコンバータであって、直流電源１０２と、ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴ１０３と、チョークコイル１０４と、フライホイールダイオード１０５と、平滑コンデンサ１０６と、制御回路１０７とを有している。
【０００３】
直流電源１０２は、正極側端子と負極側端子とを有し、負極側端子が接地されており、正極側端子に正の直流電圧Ｖｉを発生させることができるようにされている。
【０００４】
ＭＯＳＦＥＴ１０３は、そのドレインが直流電源１０２の正極側端子に接続されている。チョークコイル１０４は、その一端がＭＯＳＦＥＴ１０３のソースに接続され、他端が負荷１０８の一端に接続されている。
【０００５】
平滑コンデンサ１０６は、その一端がチョークコイル１０４の負荷１０８側の端子に、他端が直流電源１０２の負極側端子に接続されている。
フライホイールダイオード１０５は、カソードがＭＯＳＦＥＴ１０３のソースに接続され、アノードが直流電源１０２の負極側端子に接続されている。
【０００６】
制御回路１０７は、検出用の端子がチョークコイル１０４の負荷１０８側の端子に接続され、出力端子がＭＯＳＦＥＴ１０３のゲートに接続されており、チョークコイル１０３の負荷１０８側の端子の電位を検出して、検出された電位に応じてＭＯＳＦＥＴ１０３のオン／オフを制御することができるようにされている。
【０００７】
上記の電源回路１０１で、直流電圧を負荷１０８に印加する動作について以下で説明する。
直流電源１０２が起動しており、ＭＯＳＦＥＴ１０３がオフ状態で定常状態にあるものとする。かかる定常状態でＭＯＳＦＥＴ１０３がオンすると、ＭＯＳＦＥＴ１０３を介して直流電源１０２からチョークコイル１０４へと電流ＩL1が流れる。
【０００８】
チョークコイル１０４の負荷１０８側の端子の電位は平滑コンデンサ１０６で平滑化されて負荷１０８に印加される。ＭＯＳＦＥＴ１０３がオン状態にある間は、直流電源１０２からチョークコイル１０４にエネルギーが供給され、エネルギーが蓄えられる。
【０００９】
ＭＯＳＦＥＴ１０３がオン状態に切り換わった時刻から所定時間(以下でオン時間ＴONと称する。)経過したら、ＭＯＳＦＥＴ１０３がオフする。するとチョークコイル１０４の両端子間に起電力が生じ、この起電力によりフライホイールダイオード１０５が順バイアスされ、チョークコイル１０４のエネルギーが負荷１０８側に供給される。チョークコイル１０３の負荷１０８側の端子の電位は平滑コンデンサ１０６で平滑化されて負荷１０８に印加される。
その後、ＭＯＳＦＥＴ１０３は、オフ状態に切り替わった時刻から所定時間(以下でオフ時間ＴOFFと称する。)が経過した後に、再びオンする。
【００１０】
以上述べた動作を繰り返し、ＭＯＳＦＥＴ１０３は交互にオン／オフを繰り返す。制御回路１０７はオン時間ＴONとオフ時間ＴOFFとの比を制御することで、負荷１０８に印加される電圧が一定になるようにしている。
【００１１】
以上は電源回路１０１が理想的なものとして説明したが、実際には、上述のＭＯＳＦＥＴ１０３のドレイン・ソース間には、寄生容量Ｃossが生じており、ＭＯＳＦＥＴ１０３のドレインと直流電源１０２の正極側端子との間及び直流電源１０２の負極側端子とフライホイールダイオード１０５のアノード端子との間の配線には、寄生インダクタンスＬ0が生じている。寄生容量Ｃossと寄生インダクタンスＬ0は直列に接続されているので、それらで一種の共振回路が形成されている。
【００１２】
かかる共振回路の共振動作により、ＭＯＳＦＥＴ１０３がオン又はオフした瞬間には、ＭＯＳＦＥＴ１０３に電流ＩDSが流れた状態で、ＭＯＳＦＥＴ１０３のドレイン・ソース間の電圧ＶDSが大きく振動してしまう。
【００１３】
従って、ＭＯＳＦＥＴ１０３がオン又はオフするときに、ＭＯＳＦＥＴ１０３のドレイン・ソース間の電圧ＶDSと電流ＩDSとの積で示されるＭＯＳＦＥＴ１０３の電力損失ＰLOSSが大きくなり、電源回路の効率が低下してしまうという問題が生じていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、高効率なスイッチング電源を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決する手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、主スイッチ素子と、前記主スイッチ素子が導通すると、電源から電流が供給され、エネルギーが蓄積されるように構成されたチョークコイルと、前記主スイッチ素子が遮断し、チョークコイルに発生する起電力により順バイアスされ、前記チョークコイルの放電電流が流れるように構成された整流素子とを有する電源回路であって、共振コイルと、補助スイッチ素子と、共振コンデンサとを有し、前記共振コイルは、前記主スイッチ素子に直列接続され、前記補助スイッチ素子と、前記共振コンデンサとが直列接続された回路が、前記共振コイルに並列接続され、前記共振コイルは前記主スイッチ素子が導通したときにエネルギーが蓄積され、前記主スイッチ素子が遮断したときに前記補助スイッチ素子を導通させて前記共振コイルに生じた電圧で、前記共振コイルと、前記補助スイッチ素子と、前記共振コンデンサによって形成される閉ループ内を電流が流れて前記共振コンデンサを充電し、前記共振コンデンサの放電によって前記閉ループ内に前記主スイッチ素子が導通しているときと逆の電流を流して前記共振コイルにエネルギーを蓄積した後、前記補助スイッチを遮断させ、前記主スイッチ素子に並列接続されたコンデンサの電荷を放出した後に、前記主スイッチ素子に逆並列接続されたダイオードに電流を流すように構成されたことを特徴とする電源回路である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電源回路であって、前記主スイッチ素子に並列に接続された補助コンデンサを更に有することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の電源回路であって、前記補助スイッチ素子は、電界効果型トランジスタで構成され、前記電界効果型トランジスタは、前記電源から前記共振コイルに電流が供給されるときに、前記電界効果トランジスタ内部の寄生ダイオードが逆バイアスされる向きに接続されたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３記載のいずれか１項記載の電源回路であって、前記共振コイルと前記補助スイッチ素子の直列接続回路の一端は前記電源に接続され、他端は前記チョークコイルの一端に接続され、前記チョークコイルの他端は出力端子にされ、前記整流素子は、前記直列接続回路と前記チョークコイルの接続点と接地との間に接続された降圧型の電源回路である。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電源回路であって、前記共振コイルと前記補助スイッチ素子の直列接続回路の一端は接地され、他端は前記チョークコイルの一端に接続され、前記チョークコイルの他端は前記電源に接続され、前記整流素子は、前記直列接続回路と前記チョークコイルの接続点と出力端子との間に接続された昇圧型の電源回路である。
【００１６】
本発明の電源回路によれば、主スイッチ素子が導通し、主スイッチ素子に電流が流れると、電源からチョークコイルへと電流が供給される。このとき主スイッチ素子と直列接続された共振コイルにも電流は流れ、チョークコイルと共振コイルの両方にエネルギーが蓄積される。
【００１７】
補助スイッチ素子が電界効果型トランジスタで構成された場合には、この状態で主スイッチ素子が遮断されると、共振コイルの両端子間に起電力が発生し、補助スイッチ素子内部の寄生ダイオードを介して共振コイルから共振コンデンサに電流が流れはじめる。このとき共振コイルに流れる電流の向きは、主スイッチ素子の導通期間に流れる方向と同方向であり、寄生ダイオードは共振コイルの両端の起電力で順バイアスされている。
【００１８】
この状態で、補助スイッチ素子のゲート端子に高電圧を印加すると、ソース−ドレイン間が導通し、寄生ダイオードに電流が流れずにソース−ドレイン間に電流が流れる(以下でこの動作を第三象限動作と称する。)。すると、電流が寄生ダイオードを介して流れる場合に比して電流による電圧降下が少なくなり、導通損失が少なくなる。
【００１９】
こうして共振コイルから共振コンデンサに電流が流れると、共振コイルに蓄積されていたエネルギーが共振コンデンサに移動し、共振コンデンサが充電される。
共振コンデンサに共振コイルのエネルギーが全部移動したら、共振コンデンサは放電し、共振コンデンサから共振コイルに逆向きの電流が流れ、逆向きの電流により、共振コンデンサから共振コイルへとエネルギーが移動する。
【００２０】
ある時間経過後、補助スイッチ素子を遮断すると、主スイッチ素子が遮断されたときに生じていた起電力と逆極性の起電力が生じる。逆極性の起電力により共振コイルには主スイッチ素子の導通時と逆方向に電流が流れ、逆方向の電流は電源へ回生される。主スイッチ素子に並列に補助コンデンサが接続されていた場合には、電源を介して補助コンデンサへと逆方向の電流が供給される。
【００２１】
逆方向の電流が補助コンデンサに流れると、補助コンデンサが放電して補助コンデンサの両端子間の電圧が低下し、主スイッチ素子の両端子間の電圧が低下して、０Ｖに達すると、主スイッチ素子の逆並列に接続されているダイオードが導通する。
【００２２】
この期間に主スイッチ素子の両端子間の電圧が０Ｖになったときに主スイッチ素子を導通させると、電流が主スイッチ素子に流れていた場合であっても、主スイッチ素子の両端子間に流れる電流と、主スイッチ素子の両端子間の電圧との積で示される主スイッチ素子のスイッチング損失は０になるので、従来に比して効率の高い電源回路を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１の符号１は、本発明の実施形態に係る電源回路である。この電源回路１は、直流電圧を降圧させて負荷に印加するＤＣ−ＤＣコンバータであって、直流電源２と、共振コイル１０と、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなる主スイッチ素子３と、チョークコイル４と、フライホイールダイオード５と、平滑化コンデンサ６とを有している。
【００２４】
共振コイル１０と、主スイッチ素子３とは直列接続されている。このうち、共振コイル１０には直流電源２が接続され、主スイッチ素子３にはチョークコイル４の一端が接続されている。チョークコイル４の他端は出力端子として負荷８側に接続されており、主スイッチ素子３がオンすると、共振コイル１０、主スイッチ素子３、チョークコイル４を通って直流電源２から負荷８側へと電流が供給される。
【００２５】
フライホイールダイオード５は、アノードが接地され、カソードがチョークコイル４の出力端子と反対側の端子に接続されており、主スイッチ素子３がオンからオフに転じ、チョークコイル４の両端子間に起電力が生じると、その起電力で順バイアスされるようになっている。順バイアスされると、チョークコイル４に蓄積されたエネルギーを、負荷８側に供給することができるようにされている。
【００２６】
負荷８側には、負荷８と並列に平滑化コンデンサ６が接続されている。平滑化コンデンサ６は、主スイッチ素子３のオン／オフによって供給された電流で充放電され、出力端子に現れる電圧を出力電圧として負荷８に印加できるようにされている。
【００２７】
電源回路１にはさらに制御回路７が設けられている。この制御回路７は、基準電圧生成器２４と、誤差アンプ２３と、コンパレータ２２と、ＰＷＭコントローラ２１とを有している。誤差アンプ２３には、出力電圧をサンプリングした電圧である検出電圧と、基準電圧生成器２４が生成する基準電圧とが入力されており、その差分が増幅されて誤差信号としてコンパレータ２２に出力される。コンパレータ２２には、誤差信号とともに、周波数一定の鋸歯状波も入力されており、誤差信号は鋸歯状波と比較されて、比較結果から、矩形波の比較検出信号が生成され、ＰＷＭコントローラ２１に出力される。
【００２８】
ＰＷＭコントローラ２１は、比較検出信号の電圧に応じて主スイッチ素子３のゲート電圧を制御し、主スイッチ素子３をオン／オフさせる。
従って、主スイッチ素子３のスイッチング周波数は一定であり、鋸歯状波の比較対象である誤差信号の大きさにより、オン／オフ比が変化する。
【００２９】
誤差アンプ２３と、コンパレータ２２と、ＰＷＭコントローラとで、出力電圧を主スイッチ素子３に負帰還させると、検出電圧が基準電圧よりも大きい場合には、誤差アンプ２３と、コンパレータ２２と、ＰＷＭコントローラとは、主スイッチ素子３のオフ期間を長くさせ、その結果、検出電圧は基準電圧と一致するまで低下する。逆に、基準電圧が検出電圧よりも高い場合には、主スイッチ素子のオン期間が長くなり、検出電圧は基準電圧と一致するまで上昇する。
【００３０】
上述の電源回路１は、補助スイッチ素子１１と共振コンデンサ１２とを有しており、補助スイッチ素子１１と共振コンデンサ１２とは互いに直列接続され、共振コイルに並列接続されている。図１では、直列接続された補助スイッチ素子１１と共振コンデンサ１２とを符号１５に示している。
【００３１】
ここでは補助スイッチ素子１１にはｎチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。補助スイッチ素子１１のソース端子は共振コイル１０の主スイッチ素子３側の一端に接続され、ドレイン端子は、共振コンデンサ１２を介して共振コイル１０の電源側の一端に接続されている。
この補助スイッチ素子１１のゲート端子はＰＷＭコントローラ２１に接続され、制御回路７によって制御されている。
【００３２】
上述の構成を有する電源回路１が定常運転しているものとし、主スイッチ素子３がオンしている状態から、主スイッチ素子３がオフし、再びオンするまでの動作について、図２のタイミングチャートと、図３〜図１０の電流状態図とを参照しながら以下で説明する。
【００３３】
図２のタイミングチャートでは、ＶQ3GSは主スイッチ素子３のゲート−ソース間の電圧を示し、ＶQ11GSは補助スイッチ素子１１のゲート−ソース間の電圧を示している。
【００３４】
また、ＶQ3DSは主スイッチ素子３のドレイン−ソース間の電圧を示し、ＶQ11DSは補助スイッチ素子１１のドレイン−ソース間の電圧を示している。ＩQ3は主スイッチ素子３のドレイン−ソース間に流れる電流を示し、ＩQ11は補助スイッチ素子１１のドレイン−ソース間に流れる電流を示している。
【００３５】
さらに、ＩC9は補助コンデンサ９に流れる電流を示し、ＩL10は共振コイル１０に流れる電流を示し、ＩD13は、後述する主スイッチ素子３の寄生ダイオード１３に流れる電流をそれぞれ示している。
【００３６】
主スイッチ素子３がオンしている状態では、補助スイッチ素子１１はオフ状態にあり、この状態では、図３に示すように、直流電源２から、共振コイル１０、主スイッチ素子３、チョークコイル４を介して負荷８へと電流Ｉ1が供給される。図２では、主スイッチ素子３がオンしている状態におけるある時刻を符号ｔ1で示している。電流Ｉ1が供給されることで、チョークコイル４及び共振コイル１０にエネルギーが蓄えられる。
【００３７】
かかる状態から、制御回路７からの制御電圧により、主スイッチ素子３がオフする。図２では、主スイッチ素子３が時刻ｔ2でオフするものとしている。
主スイッチ素子３がオフすると、図４に示すように補助コンデンサ９を通じてチョークコイル４及び共振コイル１０に電流Ｉ2が流れる。電流Ｉ2により補助コンデンサ９が充電され、補助コンデンサ９の両端の電圧が大きくなると、チョークコイル４及び共振コイル１０の両端子に起電力が生じる。チョークコイル４に生じる起電力の極性は、負荷８側の端子に正電圧が生じる向きであり、共振コイル１０に生じる起電力の向きは、主スイッチ素子３側の端子に正電圧が生じる向きである。
【００３８】
チョークコイル４、共振コイル１０のそれぞれに生じた起電力によりフライホイールダイオード５と、寄生ダイオード１４とがそれぞれ順バイアスされ、ターンオンする。フライホイールダイオード５がターンオンすると、チョークコイル４、負荷８、フライホイールダイオード５により閉ループが形成され、図５に示すように、チョークコイル４に生じた起電力により、この閉ループに電流Ｉ3が流されれる。
【００３９】
他方、寄生ダイオード１３がターンオンすると、共振コイル１０に生じた起電力により、共振コイル１０、寄生ダイオード１４、共振コンデンサ１２の間に形成された閉ループに、図５に示すように電流Ｉ4が流される。図２では、時刻ｔ2′でフライホイールダイオード５がターンオンしているものとし、時刻ｔ3で寄生ダイオード１４がターンオンするものとしている。
【００４０】
電流Ｉ4が寄生ダイオード１４に流れ始めたら、制御回路７の制御信号により補助スイッチ素子１１のゲート・ソース間にゲート信号を印加して、補助スイッチ素子１１を導通させる。図２では時刻ｔ4で補助スイッチ素子１１が導通するものとしている。
【００４１】
共振コイル１０の起電力により電流Ｉ5が流され、その電流Ｉ5で共振コンデンサ１２が充電されると、共振コイル１０に蓄積されていたエネルギーは共振コンデンサ１２に移動する。
【００４２】
共振コイル１０に蓄積されていたエネルギーが共振コンデンサ１２に全部移動すると、今度は共振コンデンサ１２が放電を開始し、図７に示すように、直前まで流れていた電流Ｉ5と逆向きの放電電流Ｉ6を共振コイル１０に流す。図２では時刻ｔ5に、放電電流Ｉ6が流れはじめるものとしている。その放電電流Ｉ6により、共振コンデンサ１２から共振コイル１０へとエネルギーが移動したら、制御回路７により、補助スイッチ素子１１がオフさせられる。図２では時刻ｔ6で、補助スイッチ素子１１がオフさせられている。
【００４３】
補助スイッチ素子１１がオフすると、共振コイル１０は共振コンデンサ１２から切り離される。すると、共振コイル１０には、共振コンデンサ１２の放電電流Ｉ6と同じ向きの電流Ｉ7を発生させる起電力が生じる。
【００４４】
その電流Ｉ7は図８に示すように、共振コイル１０の起電力により、直流電源２と、ターンオンしたフライホイールダイオード５と、補助コンデンサ９とを流れる。補助コンデンサ９は、主スイッチ素子３のドレイン側が正、ソース側が負の極性で充電されているが、電流Ｉ7は補助コンデンサ９を放電させる向きに流れるから、まず補助コンデンサ９の両端子間の電圧が低下し、次に逆向きに充電され始める。
【００４５】
主スイッチ素子３内部には、図９に示すように符号１３に示す寄生ダイオードが形成され、主スイッチ素子３と並列に接続されている。補助コンデンサ９が電流Ｉ7により逆向きに充電され始めると、寄生ダイオード１３が順バイアスされ、導通すると寄生ダイオード１３に電流Ｉ8が流れる。その状態では主スイッチ素子３のソース−ドレイン間の電圧は寄生ダイオード１３の導通電圧ＶFでクランプされる。図２では時刻ｔ7で寄生ダイオード１３が導通している。
【００４６】
主スイッチ素子３のソース−ドレイン間の電圧が導通電圧ＶFでクランプされた後、主スイッチ素子３がオンさせられる。図２では時刻ｔ7′で主スイッチ素子３がオンしている。
【００４７】
このように主スイッチ素子３は、寄生ダイオード１３が導通したのちにオンしており、オンした時刻でのドレイン−ソース間の電圧は導通電圧ＶFであり、非常に小さい状態でオフからオンに転じる。従って、主スイッチ素子３のスイッチング損失は非常に小さくなっている。
【００４８】
寄生ダイオード１３を流れる電流Ｉ8は、図２に示した時刻ｔ8で流れなくなり、直流電源２から、共振コイル１０、主スイッチ素子３、チョークコイル４を介して負荷８側へと電流Ｉ9が供給され、次いで、フライホイールダイオード５が逆バイアスされると、電流Ｉ3は流れなくなる。この状態では、図１０に示すように図３の状態で流れる電流Ｉ1と同じ閉ループを電流Ｉ9が流れ、時刻ｔ1と同じ状態に復帰する。図２では時刻ｔ1′で、電源回路１が時刻ｔ1と同じ状態に復帰するものとする。以上のようにして主スイッチ素子３はオン状態からオフし、再びオンした状態になる。上記動作を繰り返すことにより、主スイッチ素子３はオン／オフを繰り返す。
【００４９】
なお、本実施形態では、図１に示すように、直列接続された主スイッチ素子３と共振コイル１０とのうち、共振コイル１０が直流電源２側に配置され、主スイッチ素子３が負荷８側に配置された電源回路１について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図１１に示すように、主スイッチ素子３が直流電源２側に配置され、共振コイル１０が負荷８側に配置されてなる電源回路３１の構成としてもよい。
【００５０】
また、図１２に示すようなブースト型の電源回路４１の構成としてもよい。この電源回路４１は、チョークコイル４とフライホイールダイオード５とが直列接続され、チョークコイル４が直流電源２側に、フライホイールダイオード５が負荷８側にそれぞれ配置され、主スイッチ素子３と共振コイル１０との直列接続回路が直流電源２に並列に接続され、補助スイッチ回路１５が共振コイル１０に並列接続されてなる昇圧型の電源回路である。
【００５１】
かかる電源回路４１では、主スイッチ素子３がオフからオンに転ずると、直流電源２が生成する電源電圧により、直流電源２、チョークコイル４、共振コイル１０、主スイッチ素子３で形成される閉ループに電流が流され、この電流により、チョークコイル４及び共振コイル１０にエネルギーが蓄積される。
【００５２】
主スイッチ素子３がオンからオフに転ずると、蓄積されたエネルギーによりチョークコイル４及び共振コイル１０の両端子に、それぞれ起電力が生じ、チョークコイル４では、フライホイールダイオード５側の端子に正電圧が生じ、共振コイル１０では、主スイッチ素子３側の端子に正電圧が生じる。負荷８側には、直流電源２で生成された電源電圧と、チョークコイル４の両端に生じた起電力とにより、フライホイールダイオード５を介して電流が供給され、負荷８側には、電源電圧に、チョークコイル４の両端子間に生じる起電力が加算された電圧が印加される。
【００５３】
主スイッチ素子３が再びオフからオンに転じたときに、負荷８側から直流電源２側へ電流が流れようとしても、その電流の向きは、フライホイールダイオード５が逆バイアスされる向きであるため、かかる電流は流れないようになっている。
【００５４】
主スイッチ素子３がオフからオンに転ずるときには、チョークコイル４及び共振コイル１０に生じる起電力により、補助コンデンサ９に電流が供給され、補助コンデンサ９が充電される。
【００５５】
共振コイル１０の両端子に生じる起電力により、補助スイッチ素子１１の寄生ダイオード１４は順バイアスされ、次いで導通する。すると、共振コイル１０から寄生ダイオード１４を介して共振コンデンサ１２に電流が流される。
【００５６】
この状態で補助スイッチ素子１１がオンすると、第三象限動作により、共振コイル１０から供給される電流は寄生ダイオード１４を介さずに、補助スイッチ素子１１のソース−ドレイン間を流れる。
【００５７】
共振コイル１０から共振コンデンサ１２に流れる電流により、共振コイル１０に蓄積されたエネルギーは共振コンデンサ１２に移動する。全部のエネルギーが共振コンデンサ１２に移動すると、今度は共振コンデンサ１２が放電を開始し、直前まで流れていた電流と逆向きの放電電流を共振コイル１０に流す。放電した結果、共振コンデンサ１２の両端子間の電圧が０Ｖになると、制御回路７により、補助スイッチ素子１１がオフさせられる。
【００５８】
補助スイッチ素子１１がオフすると、共振コイル１０には、共振コンデンサ１２の放電電流と同じ向きの電流を発生させる起電力が生じる。
放電電流と同じ向きの電流は、共振コイル１０の起電力により、チョークコイル４と、直流電源２とを介して補助コンデンサ９に流される。補助コンデンサ９は、主スイッチ素子３のドレイン側が正、ソース側が負の極性で充電されているが、放電電流と同じ向きの電流は、補助コンデンサ９を放電させる向きに流れるから、まず補助コンデンサ９の両端子間の電圧が低下し、次に逆向きに充電され、主スイッチ素子の寄生ダイオード１３の導通電圧ＶFでクランプされ、その後主スイッチ素子３がオンさせられる。このように、電源回路４１においても、主スイッチ素子３は、寄生ダイオード１３がクランプされ、ソース−ドレイン間の電圧が非常に小さい導通電圧ＶFの状態でオフからオンに転じるので、図１の電源回路１と同様に、主スイッチ素子３のスイッチング損失は非常に小さくなる。
【００５９】
さらに、図１３に示すようなバックブースト型の電源回路５１の構成としてもよい。この電源回路５１は、チョークコイル４が平滑化コンデンサ６に並列接続され、フライホイールダイオード５のカソードがチョークコイル４側に接続され、アノードが平滑コンデンサ８側に接続されている点で図１の電源回路１と異なる。
【００６０】
この電源回路５１では、主スイッチ素子３がオフからオンに転ずると、直流電源２の起電力により、直流電源２、共振コイル１０、主スイッチ素子３、チョークコイル４で形成される閉ループに電流が流され、チョークコイル４及び共振コイル１０にエネルギーが蓄積される。
【００６１】
主スイッチ素子３がオンからオフに転じると、蓄積されたエネルギーによりチョークコイル４及び共振コイル１０の両端子に、それぞれ起電力が生じ、チョークコイル４では、フライホイールダイオード５側の端子に負電圧が生じ、共振コイル１０では、主スイッチ素子３側の端子に正電圧が生じる。
【００６２】
チョークコイル４の両端子に生じた起電力により、チョークコイル４と負荷８とフライホイールダイオード５との間で形成される閉ループに電流が流れる。この電流は、図１で説明した電源回路１の負荷８側に流れる電流と逆向きに負荷８側を流れるので、負荷８側には、図１の電源回路１と逆極性の電圧が印加される。
【００６３】
この回路では、主スイッチ素子３が再びオフからオンに転じ、直流電源２の起電力により、直流電源２から共振コイル１０、主スイッチ素子３を介して負荷８側に電流が流れようとしても、その電流の向きはフライホイールダイオード５が逆バイアスされる向きなので、流れることはできない。
【００６４】
主スイッチ素子３がオンからオフに転じるときには、蓄積されたエネルギーによりチョークコイル４及び共振コイル１０の両端子に、それぞれ起電力が生じる。この起電力により、補助コンデンサ９に電流が供給され、この電流により補助コンデンサ９が充電される。
【００６５】
共振コイル１０の両端子に生じる起電力により、補助スイッチ素子１１の寄生ダイオード１４は順バイアスされ、導通する。すると、共振コイル１０から寄生ダイオード１４を介して共振コンデンサ１２に電流が流される。
【００６６】
この状態で補助スイッチ素子１１がオンすると、第三象限動作により、共振コイル１０から供給される電流は寄生ダイオード１４を介さずに、補助スイッチ素子１１のソース−ドレイン間を流れる。
【００６７】
共振コイル１０から共振コンデンサ１２に流れる電流により、共振コイル１０に蓄積されたエネルギーは共振コンデンサ１２に移動する。全部のエネルギーが共振コンデンサ１２に移動すると、今度は共振コンデンサ１２が放電を開始し、直前まで流れていた電流と逆向きの放電電流を共振コイル１０に流す。この放電電流により、共振コンデンサ１２から共振コイル１０へとエネルギーが移動し、共振コンデンサ１２の両端子間の電圧が０Ｖになると、制御回路７により、補助スイッチ素子１１がオフさせられる。
【００６８】
補助スイッチ素子１１がオフすると、共振コイル１０には、共振コンデンサ１２の放電電流と同じ向きの電流を発生させる起電力が生じる。
放電電流と同じ向きの電流は、共振コイル１０の起電力により、直流電源２と、チョークコイル４とを順次介して補助コンデンサ９に流れる。
【００６９】
補助コンデンサ９は、主スイッチ素子３のドレイン側が正、ソース側が負の極性で充電されているが、放電電流と同じ向きの電流は、補助コンデンサ９を放電させる向きに流れるから、まず補助コンデンサ９の両端子間の電圧が低下し、次に逆向きに充電され、主スイッチ素子の寄生ダイオード１３の導通電圧ＶFでクランプされ、その後主スイッチ素子３がオンさせられる。
【００７０】
このように主スイッチ素子３は、オンした時刻でのソース−ドレイン間の電圧は導通電圧ＶFであり、非常に小さい状態でオフからオンに転じる。従って、図１の電源回路１と同様に、主スイッチ素子３のスイッチング損失は非常に小さくなる。
【００７１】
また、本実施形態では、整流素子としてフライホイールダイオード５を用いたが、本発明はこれに限らず、整流素子をＭＯＳＦＥＴで構成し、第三象限動作をするように構成してもよい。
さらに、補助スイッチ素子１１としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、ＩＧＢＴを用いてもよい。
【００７２】
また、主スイッチ素子３、補助スイッチ素子１１にそれぞれ寄生ダイオード１３、１４が形成されているものとしたが、本発明はこれに限らず、主スイッチ素子３、補助スイッチ素子１１の各ソース−ドレイン間に、外付けのダイオードを接続するように構成してもよい。
【００７３】
【発明の効果】
スイッチング損失を低減し、電源回路の効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電源回路の一例を示す回路図
【図２】本発明の電源回路の動作を説明するタイミングチャート
【図３】本発明の電源回路の電流状態を説明する第１の状態図
【図４】本発明の電源回路の電流状態を説明する第２の状態図
【図５】本発明の電源回路の電流状態を説明する第３の状態図
【図６】本発明の電源回路の電流状態を説明する第４の状態図
【図７】本発明の電源回路の電流状態を説明する第５の状態図
【図８】本発明の電源回路の電流状態を説明する第６の状態図
【図９】本発明の電源回路の電流状態を説明する第７の状態図
【図１０】本発明の電源回路の電流状態を説明する第８の状態図
【図１１】本発明の他の実施形態を示す第１の回路図
【図１２】本発明の他の実施形態を示す第２の回路図
【図１３】本発明の他の実施形態を示す第３の回路図
【図１４】従来の電源回路を示す回路図
【図１５】従来の電源回路の動作を説明するタイミングチャート
【符号の説明】
１……電源回路 ２……直流電源 ３……主スイッチ素子 ４……チョークコイル ５……フライホイールダイオード(整流素子) ６……平滑コンデンサ７……制御回路 ８……負荷 ９……補助コンデンサ １０……共振コイル １１……補助スイッチ素子 １２……共振コンデンサ １３、１４……寄生ダイオード
【発明の属する技術分野】
本発明は電源回路に関し、特に、スイッチング電源の改善に関する。
【従来の技術】
電源は電子装置にとって欠かせない回路であり、特にスイッチ素子を有するスイッチング電源は、安定な電圧を負荷に供給することができるので、多く用いられている。
【０００２】
図１４の符号１０１に示したものは、直流電圧を降圧させて負荷に供給するＤＣ−ＤＣコンバータであって、直流電源１０２と、ｎチャネルのＭＯＳＦＥＴ１０３と、チョークコイル１０４と、フライホイールダイオード１０５と、平滑コンデンサ１０６と、制御回路１０７とを有している。
【０００３】
直流電源１０２は、正極側端子と負極側端子とを有し、負極側端子が接地されており、正極側端子に正の直流電圧Ｖｉを発生させることができるようにされている。
【０００４】
ＭＯＳＦＥＴ１０３は、そのドレインが直流電源１０２の正極側端子に接続されている。チョークコイル１０４は、その一端がＭＯＳＦＥＴ１０３のソースに接続され、他端が負荷１０８の一端に接続されている。
【０００５】
平滑コンデンサ１０６は、その一端がチョークコイル１０４の負荷１０８側の端子に、他端が直流電源１０２の負極側端子に接続されている。
フライホイールダイオード１０５は、カソードがＭＯＳＦＥＴ１０３のソースに接続され、アノードが直流電源１０２の負極側端子に接続されている。
【０００６】
制御回路１０７は、検出用の端子がチョークコイル１０４の負荷１０８側の端子に接続され、出力端子がＭＯＳＦＥＴ１０３のゲートに接続されており、チョークコイル１０３の負荷１０８側の端子の電位を検出して、検出された電位に応じてＭＯＳＦＥＴ１０３のオン／オフを制御することができるようにされている。
【０００７】
上記の電源回路１０１で、直流電圧を負荷１０８に印加する動作について以下で説明する。
直流電源１０２が起動しており、ＭＯＳＦＥＴ１０３がオフ状態で定常状態にあるものとする。かかる定常状態でＭＯＳＦＥＴ１０３がオンすると、ＭＯＳＦＥＴ１０３を介して直流電源１０２からチョークコイル１０４へと電流ＩL1が流れる。
【０００８】
チョークコイル１０４の負荷１０８側の端子の電位は平滑コンデンサ１０６で平滑化されて負荷１０８に印加される。ＭＯＳＦＥＴ１０３がオン状態にある間は、直流電源１０２からチョークコイル１０４にエネルギーが供給され、エネルギーが蓄えられる。
【０００９】
ＭＯＳＦＥＴ１０３がオン状態に切り換わった時刻から所定時間(以下でオン時間ＴONと称する。)経過したら、ＭＯＳＦＥＴ１０３がオフする。するとチョークコイル１０４の両端子間に起電力が生じ、この起電力によりフライホイールダイオード１０５が順バイアスされ、チョークコイル１０４のエネルギーが負荷１０８側に供給される。チョークコイル１０３の負荷１０８側の端子の電位は平滑コンデンサ１０６で平滑化されて負荷１０８に印加される。
その後、ＭＯＳＦＥＴ１０３は、オフ状態に切り替わった時刻から所定時間(以下でオフ時間ＴOFFと称する。)が経過した後に、再びオンする。
【００１０】
以上述べた動作を繰り返し、ＭＯＳＦＥＴ１０３は交互にオン／オフを繰り返す。制御回路１０７はオン時間ＴONとオフ時間ＴOFFとの比を制御することで、負荷１０８に印加される電圧が一定になるようにしている。
【００１１】
以上は電源回路１０１が理想的なものとして説明したが、実際には、上述のＭＯＳＦＥＴ１０３のドレイン・ソース間には、寄生容量Ｃossが生じており、ＭＯＳＦＥＴ１０３のドレインと直流電源１０２の正極側端子との間及び直流電源１０２の負極側端子とフライホイールダイオード１０５のアノード端子との間の配線には、寄生インダクタンスＬ0が生じている。寄生容量Ｃossと寄生インダクタンスＬ0は直列に接続されているので、それらで一種の共振回路が形成されている。
【００１２】
かかる共振回路の共振動作により、ＭＯＳＦＥＴ１０３がオン又はオフした瞬間には、ＭＯＳＦＥＴ１０３に電流ＩDSが流れた状態で、ＭＯＳＦＥＴ１０３のドレイン・ソース間の電圧ＶDSが大きく振動してしまう。
【００１３】
従って、ＭＯＳＦＥＴ１０３がオン又はオフするときに、ＭＯＳＦＥＴ１０３のドレイン・ソース間の電圧ＶDSと電流ＩDSとの積で示されるＭＯＳＦＥＴ１０３の電力損失ＰLOSSが大きくなり、電源回路の効率が低下してしまうという問題が生じていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、高効率なスイッチング電源を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決する手段】
上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、主スイッチ素子と、前記主スイッチ素子が導通すると、電源から電流が供給され、エネルギーが蓄積されるように構成されたチョークコイルと、前記主スイッチ素子が遮断し、チョークコイルに発生する起電力により順バイアスされ、前記チョークコイルの放電電流が流れるように構成された整流素子とを有する電源回路であって、共振コイルと、補助スイッチ素子と、共振コンデンサとを有し、前記共振コイルは、前記主スイッチ素子に直列接続され、前記補助スイッチ素子と、前記共振コンデンサとが直列接続された回路が、前記共振コイルに並列接続され、前記共振コイルは前記主スイッチ素子が導通したときにエネルギーが蓄積され、前記主スイッチ素子が遮断したときに前記補助スイッチ素子を導通させて前記共振コイルに生じた電圧で、前記共振コイルと、前記補助スイッチ素子と、前記共振コンデンサによって形成される閉ループ内を電流が流れて前記共振コンデンサを充電し、前記共振コンデンサの放電によって前記閉ループ内に前記主スイッチ素子が導通しているときと逆の電流を流して前記共振コイルにエネルギーを蓄積した後、前記補助スイッチを遮断させ、前記主スイッチ素子に並列接続されたコンデンサの電荷を放出した後に、前記主スイッチ素子に逆並列接続されたダイオードに電流を流すように構成されたことを特徴とする電源回路である。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の電源回路であって、前記主スイッチ素子に並列に接続された補助コンデンサを更に有することを特徴とする。
請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の電源回路であって、前記補助スイッチ素子は、電界効果型トランジスタで構成され、前記電界効果型トランジスタは、前記電源から前記共振コイルに電流が供給されるときに、前記電界効果トランジスタ内部の寄生ダイオードが逆バイアスされる向きに接続されたことを特徴とする。
請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３記載のいずれか１項記載の電源回路であって、前記共振コイルと前記補助スイッチ素子の直列接続回路の一端は前記電源に接続され、他端は前記チョークコイルの一端に接続され、前記チョークコイルの他端は出力端子にされ、前記整流素子は、前記直列接続回路と前記チョークコイルの接続点と接地との間に接続された降圧型の電源回路である。
請求項５記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電源回路であって、前記共振コイルと前記補助スイッチ素子の直列接続回路の一端は接地され、他端は前記チョークコイルの一端に接続され、前記チョークコイルの他端は前記電源に接続され、前記整流素子は、前記直列接続回路と前記チョークコイルの接続点と出力端子との間に接続された昇圧型の電源回路である。
【００１６】
本発明の電源回路によれば、主スイッチ素子が導通し、主スイッチ素子に電流が流れると、電源からチョークコイルへと電流が供給される。このとき主スイッチ素子と直列接続された共振コイルにも電流は流れ、チョークコイルと共振コイルの両方にエネルギーが蓄積される。
【００１７】
補助スイッチ素子が電界効果型トランジスタで構成された場合には、この状態で主スイッチ素子が遮断されると、共振コイルの両端子間に起電力が発生し、補助スイッチ素子内部の寄生ダイオードを介して共振コイルから共振コンデンサに電流が流れはじめる。このとき共振コイルに流れる電流の向きは、主スイッチ素子の導通期間に流れる方向と同方向であり、寄生ダイオードは共振コイルの両端の起電力で順バイアスされている。
【００１８】
この状態で、補助スイッチ素子のゲート端子に高電圧を印加すると、ソース−ドレイン間が導通し、寄生ダイオードに電流が流れずにソース−ドレイン間に電流が流れる(以下でこの動作を第三象限動作と称する。)。すると、電流が寄生ダイオードを介して流れる場合に比して電流による電圧降下が少なくなり、導通損失が少なくなる。
【００１９】
こうして共振コイルから共振コンデンサに電流が流れると、共振コイルに蓄積されていたエネルギーが共振コンデンサに移動し、共振コンデンサが充電される。
共振コンデンサに共振コイルのエネルギーが全部移動したら、共振コンデンサは放電し、共振コンデンサから共振コイルに逆向きの電流が流れ、逆向きの電流により、共振コンデンサから共振コイルへとエネルギーが移動する。
【００２０】
ある時間経過後、補助スイッチ素子を遮断すると、主スイッチ素子が遮断されたときに生じていた起電力と逆極性の起電力が生じる。逆極性の起電力により共振コイルには主スイッチ素子の導通時と逆方向に電流が流れ、逆方向の電流は電源へ回生される。主スイッチ素子に並列に補助コンデンサが接続されていた場合には、電源を介して補助コンデンサへと逆方向の電流が供給される。
【００２１】
逆方向の電流が補助コンデンサに流れると、補助コンデンサが放電して補助コンデンサの両端子間の電圧が低下し、主スイッチ素子の両端子間の電圧が低下して、０Ｖに達すると、主スイッチ素子の逆並列に接続されているダイオードが導通する。
【００２２】
この期間に主スイッチ素子の両端子間の電圧が０Ｖになったときに主スイッチ素子を導通させると、電流が主スイッチ素子に流れていた場合であっても、主スイッチ素子の両端子間に流れる電流と、主スイッチ素子の両端子間の電圧との積で示される主スイッチ素子のスイッチング損失は０になるので、従来に比して効率の高い電源回路を得ることができる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下で図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。
図１の符号１は、本発明の実施形態に係る電源回路である。この電源回路１は、直流電圧を降圧させて負荷に印加するＤＣ−ＤＣコンバータであって、直流電源２と、共振コイル１０と、ｎチャネルＭＯＳＦＥＴからなる主スイッチ素子３と、チョークコイル４と、フライホイールダイオード５と、平滑化コンデンサ６とを有している。
【００２４】
共振コイル１０と、主スイッチ素子３とは直列接続されている。このうち、共振コイル１０には直流電源２が接続され、主スイッチ素子３にはチョークコイル４の一端が接続されている。チョークコイル４の他端は出力端子として負荷８側に接続されており、主スイッチ素子３がオンすると、共振コイル１０、主スイッチ素子３、チョークコイル４を通って直流電源２から負荷８側へと電流が供給される。
【００２５】
フライホイールダイオード５は、アノードが接地され、カソードがチョークコイル４の出力端子と反対側の端子に接続されており、主スイッチ素子３がオンからオフに転じ、チョークコイル４の両端子間に起電力が生じると、その起電力で順バイアスされるようになっている。順バイアスされると、チョークコイル４に蓄積されたエネルギーを、負荷８側に供給することができるようにされている。
【００２６】
負荷８側には、負荷８と並列に平滑化コンデンサ６が接続されている。平滑化コンデンサ６は、主スイッチ素子３のオン／オフによって供給された電流で充放電され、出力端子に現れる電圧を出力電圧として負荷８に印加できるようにされている。
【００２７】
電源回路１にはさらに制御回路７が設けられている。この制御回路７は、基準電圧生成器２４と、誤差アンプ２３と、コンパレータ２２と、ＰＷＭコントローラ２１とを有している。誤差アンプ２３には、出力電圧をサンプリングした電圧である検出電圧と、基準電圧生成器２４が生成する基準電圧とが入力されており、その差分が増幅されて誤差信号としてコンパレータ２２に出力される。コンパレータ２２には、誤差信号とともに、周波数一定の鋸歯状波も入力されており、誤差信号は鋸歯状波と比較されて、比較結果から、矩形波の比較検出信号が生成され、ＰＷＭコントローラ２１に出力される。
【００２８】
ＰＷＭコントローラ２１は、比較検出信号の電圧に応じて主スイッチ素子３のゲート電圧を制御し、主スイッチ素子３をオン／オフさせる。
従って、主スイッチ素子３のスイッチング周波数は一定であり、鋸歯状波の比較対象である誤差信号の大きさにより、オン／オフ比が変化する。
【００２９】
誤差アンプ２３と、コンパレータ２２と、ＰＷＭコントローラとで、出力電圧を主スイッチ素子３に負帰還させると、検出電圧が基準電圧よりも大きい場合には、誤差アンプ２３と、コンパレータ２２と、ＰＷＭコントローラとは、主スイッチ素子３のオフ期間を長くさせ、その結果、検出電圧は基準電圧と一致するまで低下する。逆に、基準電圧が検出電圧よりも高い場合には、主スイッチ素子のオン期間が長くなり、検出電圧は基準電圧と一致するまで上昇する。
【００３０】
上述の電源回路１は、補助スイッチ素子１１と共振コンデンサ１２とを有しており、補助スイッチ素子１１と共振コンデンサ１２とは互いに直列接続され、共振コイルに並列接続されている。図１では、直列接続された補助スイッチ素子１１と共振コンデンサ１２とを符号１５に示している。
【００３１】
ここでは補助スイッチ素子１１にはｎチャネルＭＯＳＦＥＴが用いられている。補助スイッチ素子１１のソース端子は共振コイル１０の主スイッチ素子３側の一端に接続され、ドレイン端子は、共振コンデンサ１２を介して共振コイル１０の電源側の一端に接続されている。
この補助スイッチ素子１１のゲート端子はＰＷＭコントローラ２１に接続され、制御回路７によって制御されている。
【００３２】
上述の構成を有する電源回路１が定常運転しているものとし、主スイッチ素子３がオンしている状態から、主スイッチ素子３がオフし、再びオンするまでの動作について、図２のタイミングチャートと、図３〜図１０の電流状態図とを参照しながら以下で説明する。
【００３３】
図２のタイミングチャートでは、ＶQ3GSは主スイッチ素子３のゲート−ソース間の電圧を示し、ＶQ11GSは補助スイッチ素子１１のゲート−ソース間の電圧を示している。
【００３４】
また、ＶQ3DSは主スイッチ素子３のドレイン−ソース間の電圧を示し、ＶQ11DSは補助スイッチ素子１１のドレイン−ソース間の電圧を示している。ＩQ3は主スイッチ素子３のドレイン−ソース間に流れる電流を示し、ＩQ11は補助スイッチ素子１１のドレイン−ソース間に流れる電流を示している。
【００３５】
さらに、ＩC9は補助コンデンサ９に流れる電流を示し、ＩL10は共振コイル１０に流れる電流を示し、ＩD13は、後述する主スイッチ素子３の寄生ダイオード１３に流れる電流をそれぞれ示している。
【００３６】
主スイッチ素子３がオンしている状態では、補助スイッチ素子１１はオフ状態にあり、この状態では、図３に示すように、直流電源２から、共振コイル１０、主スイッチ素子３、チョークコイル４を介して負荷８へと電流Ｉ1が供給される。図２では、主スイッチ素子３がオンしている状態におけるある時刻を符号ｔ1で示している。電流Ｉ1が供給されることで、チョークコイル４及び共振コイル１０にエネルギーが蓄えられる。
【００３７】
かかる状態から、制御回路７からの制御電圧により、主スイッチ素子３がオフする。図２では、主スイッチ素子３が時刻ｔ2でオフするものとしている。
主スイッチ素子３がオフすると、図４に示すように補助コンデンサ９を通じてチョークコイル４及び共振コイル１０に電流Ｉ2が流れる。電流Ｉ2により補助コンデンサ９が充電され、補助コンデンサ９の両端の電圧が大きくなると、チョークコイル４及び共振コイル１０の両端子に起電力が生じる。チョークコイル４に生じる起電力の極性は、負荷８側の端子に正電圧が生じる向きであり、共振コイル１０に生じる起電力の向きは、主スイッチ素子３側の端子に正電圧が生じる向きである。
【００３８】
チョークコイル４、共振コイル１０のそれぞれに生じた起電力によりフライホイールダイオード５と、寄生ダイオード１４とがそれぞれ順バイアスされ、ターンオンする。フライホイールダイオード５がターンオンすると、チョークコイル４、負荷８、フライホイールダイオード５により閉ループが形成され、図５に示すように、チョークコイル４に生じた起電力により、この閉ループに電流Ｉ3が流されれる。
【００３９】
他方、寄生ダイオード１３がターンオンすると、共振コイル１０に生じた起電力により、共振コイル１０、寄生ダイオード１４、共振コンデンサ１２の間に形成された閉ループに、図５に示すように電流Ｉ4が流される。図２では、時刻ｔ2′でフライホイールダイオード５がターンオンしているものとし、時刻ｔ3で寄生ダイオード１４がターンオンするものとしている。
【００４０】
電流Ｉ4が寄生ダイオード１４に流れ始めたら、制御回路７の制御信号により補助スイッチ素子１１のゲート・ソース間にゲート信号を印加して、補助スイッチ素子１１を導通させる。図２では時刻ｔ4で補助スイッチ素子１１が導通するものとしている。
【００４１】
共振コイル１０の起電力により電流Ｉ5が流され、その電流Ｉ5で共振コンデンサ１２が充電されると、共振コイル１０に蓄積されていたエネルギーは共振コンデンサ１２に移動する。
【００４２】
共振コイル１０に蓄積されていたエネルギーが共振コンデンサ１２に全部移動すると、今度は共振コンデンサ１２が放電を開始し、図７に示すように、直前まで流れていた電流Ｉ5と逆向きの放電電流Ｉ6を共振コイル１０に流す。図２では時刻ｔ5に、放電電流Ｉ6が流れはじめるものとしている。その放電電流Ｉ6により、共振コンデンサ１２から共振コイル１０へとエネルギーが移動したら、制御回路７により、補助スイッチ素子１１がオフさせられる。図２では時刻ｔ6で、補助スイッチ素子１１がオフさせられている。
【００４３】
補助スイッチ素子１１がオフすると、共振コイル１０は共振コンデンサ１２から切り離される。すると、共振コイル１０には、共振コンデンサ１２の放電電流Ｉ6と同じ向きの電流Ｉ7を発生させる起電力が生じる。
【００４４】
その電流Ｉ7は図８に示すように、共振コイル１０の起電力により、直流電源２と、ターンオンしたフライホイールダイオード５と、補助コンデンサ９とを流れる。補助コンデンサ９は、主スイッチ素子３のドレイン側が正、ソース側が負の極性で充電されているが、電流Ｉ7は補助コンデンサ９を放電させる向きに流れるから、まず補助コンデンサ９の両端子間の電圧が低下し、次に逆向きに充電され始める。
【００４５】
主スイッチ素子３内部には、図９に示すように符号１３に示す寄生ダイオードが形成され、主スイッチ素子３と並列に接続されている。補助コンデンサ９が電流Ｉ7により逆向きに充電され始めると、寄生ダイオード１３が順バイアスされ、導通すると寄生ダイオード１３に電流Ｉ8が流れる。その状態では主スイッチ素子３のソース−ドレイン間の電圧は寄生ダイオード１３の導通電圧ＶFでクランプされる。図２では時刻ｔ7で寄生ダイオード１３が導通している。
【００４６】
主スイッチ素子３のソース−ドレイン間の電圧が導通電圧ＶFでクランプされた後、主スイッチ素子３がオンさせられる。図２では時刻ｔ7′で主スイッチ素子３がオンしている。
【００４７】
このように主スイッチ素子３は、寄生ダイオード１３が導通したのちにオンしており、オンした時刻でのドレイン−ソース間の電圧は導通電圧ＶFであり、非常に小さい状態でオフからオンに転じる。従って、主スイッチ素子３のスイッチング損失は非常に小さくなっている。
【００４８】
寄生ダイオード１３を流れる電流Ｉ8は、図２に示した時刻ｔ8で流れなくなり、直流電源２から、共振コイル１０、主スイッチ素子３、チョークコイル４を介して負荷８側へと電流Ｉ9が供給され、次いで、フライホイールダイオード５が逆バイアスされると、電流Ｉ3は流れなくなる。この状態では、図１０に示すように図３の状態で流れる電流Ｉ1と同じ閉ループを電流Ｉ9が流れ、時刻ｔ1と同じ状態に復帰する。図２では時刻ｔ1′で、電源回路１が時刻ｔ1と同じ状態に復帰するものとする。以上のようにして主スイッチ素子３はオン状態からオフし、再びオンした状態になる。上記動作を繰り返すことにより、主スイッチ素子３はオン／オフを繰り返す。
【００４９】
なお、本実施形態では、図１に示すように、直列接続された主スイッチ素子３と共振コイル１０とのうち、共振コイル１０が直流電源２側に配置され、主スイッチ素子３が負荷８側に配置された電源回路１について説明したが、本発明はこれに限らず、例えば、図１１に示すように、主スイッチ素子３が直流電源２側に配置され、共振コイル１０が負荷８側に配置されてなる電源回路３１の構成としてもよい。
【００５０】
また、図１２に示すようなブースト型の電源回路４１の構成としてもよい。この電源回路４１は、チョークコイル４とフライホイールダイオード５とが直列接続され、チョークコイル４が直流電源２側に、フライホイールダイオード５が負荷８側にそれぞれ配置され、主スイッチ素子３と共振コイル１０との直列接続回路が直流電源２に並列に接続され、補助スイッチ回路１５が共振コイル１０に並列接続されてなる昇圧型の電源回路である。
【００５１】
かかる電源回路４１では、主スイッチ素子３がオフからオンに転ずると、直流電源２が生成する電源電圧により、直流電源２、チョークコイル４、共振コイル１０、主スイッチ素子３で形成される閉ループに電流が流され、この電流により、チョークコイル４及び共振コイル１０にエネルギーが蓄積される。
【００５２】
主スイッチ素子３がオンからオフに転ずると、蓄積されたエネルギーによりチョークコイル４及び共振コイル１０の両端子に、それぞれ起電力が生じ、チョークコイル４では、フライホイールダイオード５側の端子に正電圧が生じ、共振コイル１０では、主スイッチ素子３側の端子に正電圧が生じる。負荷８側には、直流電源２で生成された電源電圧と、チョークコイル４の両端に生じた起電力とにより、フライホイールダイオード５を介して電流が供給され、負荷８側には、電源電圧に、チョークコイル４の両端子間に生じる起電力が加算された電圧が印加される。
【００５３】
主スイッチ素子３が再びオフからオンに転じたときに、負荷８側から直流電源２側へ電流が流れようとしても、その電流の向きは、フライホイールダイオード５が逆バイアスされる向きであるため、かかる電流は流れないようになっている。
【００５４】
主スイッチ素子３がオフからオンに転ずるときには、チョークコイル４及び共振コイル１０に生じる起電力により、補助コンデンサ９に電流が供給され、補助コンデンサ９が充電される。
【００５５】
共振コイル１０の両端子に生じる起電力により、補助スイッチ素子１１の寄生ダイオード１４は順バイアスされ、次いで導通する。すると、共振コイル１０から寄生ダイオード１４を介して共振コンデンサ１２に電流が流される。
【００５６】
この状態で補助スイッチ素子１１がオンすると、第三象限動作により、共振コイル１０から供給される電流は寄生ダイオード１４を介さずに、補助スイッチ素子１１のソース−ドレイン間を流れる。
【００５７】
共振コイル１０から共振コンデンサ１２に流れる電流により、共振コイル１０に蓄積されたエネルギーは共振コンデンサ１２に移動する。全部のエネルギーが共振コンデンサ１２に移動すると、今度は共振コンデンサ１２が放電を開始し、直前まで流れていた電流と逆向きの放電電流を共振コイル１０に流す。放電した結果、共振コンデンサ１２の両端子間の電圧が０Ｖになると、制御回路７により、補助スイッチ素子１１がオフさせられる。
【００５８】
補助スイッチ素子１１がオフすると、共振コイル１０には、共振コンデンサ１２の放電電流と同じ向きの電流を発生させる起電力が生じる。
放電電流と同じ向きの電流は、共振コイル１０の起電力により、チョークコイル４と、直流電源２とを介して補助コンデンサ９に流される。補助コンデンサ９は、主スイッチ素子３のドレイン側が正、ソース側が負の極性で充電されているが、放電電流と同じ向きの電流は、補助コンデンサ９を放電させる向きに流れるから、まず補助コンデンサ９の両端子間の電圧が低下し、次に逆向きに充電され、主スイッチ素子の寄生ダイオード１３の導通電圧ＶFでクランプされ、その後主スイッチ素子３がオンさせられる。このように、電源回路４１においても、主スイッチ素子３は、寄生ダイオード１３がクランプされ、ソース−ドレイン間の電圧が非常に小さい導通電圧ＶFの状態でオフからオンに転じるので、図１の電源回路１と同様に、主スイッチ素子３のスイッチング損失は非常に小さくなる。
【００５９】
さらに、図１３に示すようなバックブースト型の電源回路５１の構成としてもよい。この電源回路５１は、チョークコイル４が平滑化コンデンサ６に並列接続され、フライホイールダイオード５のカソードがチョークコイル４側に接続され、アノードが平滑コンデンサ８側に接続されている点で図１の電源回路１と異なる。
【００６０】
この電源回路５１では、主スイッチ素子３がオフからオンに転ずると、直流電源２の起電力により、直流電源２、共振コイル１０、主スイッチ素子３、チョークコイル４で形成される閉ループに電流が流され、チョークコイル４及び共振コイル１０にエネルギーが蓄積される。
【００６１】
主スイッチ素子３がオンからオフに転じると、蓄積されたエネルギーによりチョークコイル４及び共振コイル１０の両端子に、それぞれ起電力が生じ、チョークコイル４では、フライホイールダイオード５側の端子に負電圧が生じ、共振コイル１０では、主スイッチ素子３側の端子に正電圧が生じる。
【００６２】
チョークコイル４の両端子に生じた起電力により、チョークコイル４と負荷８とフライホイールダイオード５との間で形成される閉ループに電流が流れる。この電流は、図１で説明した電源回路１の負荷８側に流れる電流と逆向きに負荷８側を流れるので、負荷８側には、図１の電源回路１と逆極性の電圧が印加される。
【００６３】
この回路では、主スイッチ素子３が再びオフからオンに転じ、直流電源２の起電力により、直流電源２から共振コイル１０、主スイッチ素子３を介して負荷８側に電流が流れようとしても、その電流の向きはフライホイールダイオード５が逆バイアスされる向きなので、流れることはできない。
【００６４】
主スイッチ素子３がオンからオフに転じるときには、蓄積されたエネルギーによりチョークコイル４及び共振コイル１０の両端子に、それぞれ起電力が生じる。この起電力により、補助コンデンサ９に電流が供給され、この電流により補助コンデンサ９が充電される。
【００６５】
共振コイル１０の両端子に生じる起電力により、補助スイッチ素子１１の寄生ダイオード１４は順バイアスされ、導通する。すると、共振コイル１０から寄生ダイオード１４を介して共振コンデンサ１２に電流が流される。
【００６６】
この状態で補助スイッチ素子１１がオンすると、第三象限動作により、共振コイル１０から供給される電流は寄生ダイオード１４を介さずに、補助スイッチ素子１１のソース−ドレイン間を流れる。
【００６７】
共振コイル１０から共振コンデンサ１２に流れる電流により、共振コイル１０に蓄積されたエネルギーは共振コンデンサ１２に移動する。全部のエネルギーが共振コンデンサ１２に移動すると、今度は共振コンデンサ１２が放電を開始し、直前まで流れていた電流と逆向きの放電電流を共振コイル１０に流す。この放電電流により、共振コンデンサ１２から共振コイル１０へとエネルギーが移動し、共振コンデンサ１２の両端子間の電圧が０Ｖになると、制御回路７により、補助スイッチ素子１１がオフさせられる。
【００６８】
補助スイッチ素子１１がオフすると、共振コイル１０には、共振コンデンサ１２の放電電流と同じ向きの電流を発生させる起電力が生じる。
放電電流と同じ向きの電流は、共振コイル１０の起電力により、直流電源２と、チョークコイル４とを順次介して補助コンデンサ９に流れる。
【００６９】
補助コンデンサ９は、主スイッチ素子３のドレイン側が正、ソース側が負の極性で充電されているが、放電電流と同じ向きの電流は、補助コンデンサ９を放電させる向きに流れるから、まず補助コンデンサ９の両端子間の電圧が低下し、次に逆向きに充電され、主スイッチ素子の寄生ダイオード１３の導通電圧ＶFでクランプされ、その後主スイッチ素子３がオンさせられる。
【００７０】
このように主スイッチ素子３は、オンした時刻でのソース−ドレイン間の電圧は導通電圧ＶFであり、非常に小さい状態でオフからオンに転じる。従って、図１の電源回路１と同様に、主スイッチ素子３のスイッチング損失は非常に小さくなる。
【００７１】
また、本実施形態では、整流素子としてフライホイールダイオード５を用いたが、本発明はこれに限らず、整流素子をＭＯＳＦＥＴで構成し、第三象限動作をするように構成してもよい。
さらに、補助スイッチ素子１１としてＭＯＳＦＥＴを用いたが、ＩＧＢＴを用いてもよい。
【００７２】
また、主スイッチ素子３、補助スイッチ素子１１にそれぞれ寄生ダイオード１３、１４が形成されているものとしたが、本発明はこれに限らず、主スイッチ素子３、補助スイッチ素子１１の各ソース−ドレイン間に、外付けのダイオードを接続するように構成してもよい。
【００７３】
【発明の効果】
スイッチング損失を低減し、電源回路の効率を高くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電源回路の一例を示す回路図
【図２】本発明の電源回路の動作を説明するタイミングチャート
【図３】本発明の電源回路の電流状態を説明する第１の状態図
【図４】本発明の電源回路の電流状態を説明する第２の状態図
【図５】本発明の電源回路の電流状態を説明する第３の状態図
【図６】本発明の電源回路の電流状態を説明する第４の状態図
【図７】本発明の電源回路の電流状態を説明する第５の状態図
【図８】本発明の電源回路の電流状態を説明する第６の状態図
【図９】本発明の電源回路の電流状態を説明する第７の状態図
【図１０】本発明の電源回路の電流状態を説明する第８の状態図
【図１１】本発明の他の実施形態を示す第１の回路図
【図１２】本発明の他の実施形態を示す第２の回路図
【図１３】本発明の他の実施形態を示す第３の回路図
【図１４】従来の電源回路を示す回路図
【図１５】従来の電源回路の動作を説明するタイミングチャート
【符号の説明】
１……電源回路 ２……直流電源 ３……主スイッチ素子 ４……チョークコイル ５……フライホイールダイオード(整流素子) ６……平滑コンデンサ７……制御回路 ８……負荷 ９……補助コンデンサ １０……共振コイル １１……補助スイッチ素子 １２……共振コンデンサ １３、１４……寄生ダイオード
Claims (5)
- 主スイッチ素子と、
前記主スイッチ素子が導通すると、電源から電流が供給され、エネルギーが蓄積されるように構成されたチョークコイルと、
前記主スイッチ素子が遮断し、チョークコイルに発生する起電力により順バイアスされ、前記チョークコイルの放電電流が流れるように構成された整流素子とを有する電源回路であって、
共振コイルと、補助スイッチ素子と、共振コンデンサとを有し、
前記共振コイルは、前記主スイッチ素子に直列接続され、
前記補助スイッチ素子と、前記共振コンデンサとが直列接続された回路が、前記共振コイルに並列接続され、
前記共振コイルは前記主スイッチ素子が導通したときにエネルギーが蓄積され、前記主スイッチ素子が遮断したときに前記補助スイッチを導通させて前記共振コイルに生じた電圧で、前記共振コイルと、前記補助スイッチ素子と、前記共振コンデンサによって形成される閉ループ内を電流が流れて前記共振コンデンサを充電し、前記共振コンデンサの放電によって前記閉ループ内に前記主スイッチが導通しているときと逆の電流を流して前記共振コイルにエネルギーを蓄積した後、前記補助スイッチを遮断させ、前記主スイッチ素子に並列接続されたコンデンサの電荷を放出した後に、前記主スイッチ素子に逆並列接続されたダイオードに電流を流すように構成されたことを特徴とする電源回路。 - 前記主スイッチ素子に並列に接続された補助コンデンサを更に有することを特徴とする請求項１記載の電源回路。
- 前記補助スイッチ素子は、電界効果型トランジスタで構成され、
前記電界効果型トランジスタは、前記電源から前記共振コイルに電流が供給されるときに、前記電界効果トランジスタ内部の寄生ダイオードが逆バイアスされる向きに接続されたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電源回路。 - 前記共振コイルと前記補助スイッチ素子の直列接続回路の一端は前記電源に接続され、他端は前記チョークコイルの一端に接続され、前記チョークコイルの他端は出力端子にされ、
前記整流素子は、前記直列接続回路と前記チョークコイルの接続点と接地との間に接続された降圧型の請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電源回路。 - 前記共振コイルと前記補助スイッチ素子の直列接続回路の一端は接地され、他端は前記チョークコイルの一端に接続され、前記チョークコイルの他端は前記電源に接続され、
前記整流素子は、前記直列接続回路と前記チョークコイルの接続点と出力端子との間に接続された昇圧型の請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の電源回路。
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