JP4374808B2

JP4374808B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP4374808B2
Application number: JP2001229523A
Authority: JP
Inventors: 正巳和田
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2001-07-30
Filing date: 2001-07-30
Publication date: 2009-12-02
Anticipated expiration: 2021-07-30
Also published as: JP2003047243A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、トランス手段の１次側に設けたスイッチング素子を制御して１次巻線に電圧を印加することによって２次巻線に電圧を誘起するスイッチング電源装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図５は従来におけるスイッチング電源装置の構成例を示した図である。この図ではリンギング・チョーク・コンバータの例を示している。
図５で、電圧源１０は直流電圧を発生する。電圧源１０の負側はコモン電位点に接続されている。トランス手段１１は、１次側に１次巻線１２及び駆動巻線１３を設け、２次側には２次巻線１４を設けた構成になっている。スイッチング素子１５は、ＮＰＮ型トランジスタで構成されている。電圧源１０、１次巻線１２及びスイッチング素子１５は直列接続され、電圧源１０の直流電圧がスイッチング素子１５を介して１次巻線１２に印加される構成になっている。スイッチング素子１５を制御して１次巻線１２に電圧を印加することによって２次巻線１４に電圧が誘起される。
【０００３】
２次巻線１４に発生する交流電圧は、ダイオード１６、コンデンサ１７よりなる整流平滑回路により直流出力電圧Ｖ０に変換される。
ダイオード１８とコンデンサ１９は駆動巻線１３の両端に直列接続されている。駆動巻線１３の両端に発生した電圧はダイオード１８とコンデンサ１９により整流し平滑化される。
【０００４】
抵抗２０は、駆動巻線１３の一端とスイッチング素子１５のベースの間に接続されている。抵抗２１は、１次巻線１２の一端とスイッチング素子１５のベースの間に接続されている。１次側と２次側の巻線の巻方向は逆になっている。
トランジスタ２２はＮＰＮ型トランジスタで構成されていて、エミッタはコンデンサ１９に、コレクタはスイッチング素子１５のベースにそれぞれ接続されている。電圧制御回路２３は、ダイオード１８とコンデンサ１９の接続点の電位Ｖ１が入力され、電位Ｖ１が一定になるようにトランジスタ２２の駆動を制御する。
【０００５】
図５の回路で、２次側の出力電圧をＶ０、ダイオード１８，１６の順方向電圧降下をそれぞれＶＦ１，ＶＦ２、駆動巻線１３及び２次巻線１４の巻数をそれぞれＮ２及びＮ３とすると、トランスの出力電圧は巻線比に比例するため次式が成立する。
−（Ｖ０＋ＶＦ２）／（Ｖ１＋ＶＦ１）＝Ｎ３／Ｎ２
電圧制御回路２３は、オペアンプで構成され、電圧Ｖ１が一定になるように制御する。これによって、Ｎ３とＮ２の巻線比に応じた出力電圧を得ることができる。電圧制御回路２３を構成するオペアンプでは、負側入力端子はダイオード１８とコンデンサ１９の接続点（電位Ｖ１）に接続され、正側入力端子はコモン電位点に接続され、出力端子はトランジスタ２２のベースに接続されている。
例えば、簡単のためにＮ２＝Ｎ３とおき、順方向電圧降下ＶＦ１とＶＦ２が等しいとすると、−Ｖ０＝Ｖ１となる。
【０００６】
しかし、図５の従来例では電圧制御回路にオペアンプを用いているため、回路構成が複雑になるという問題点があった。また、１次巻線と駆動巻線にはそれぞれ２端子ずつ設けられているため、１次側が３端子になったトランスを使用できないという問題点があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上述した問題点を解決するためになされたものであり、電圧制御回路の構成を簡略化でき、しかも１次側が３端子になったトランスを使用できるスイッチング電源装置を実現することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は次のとおりの構成になったスイッチング電源装置である。
【０００９】
（１）トランス手段の１次側に設けたスイッチング素子を制御して１次巻線に電圧を印加することによって２次巻線に電圧を誘起し、２次巻線に発生した電圧を１次側に設けた駆動巻線で検出し、検出した電圧をもとに前記スイッチング素子を制御し、２次側の出力電圧を一定に制御するスイッチング電源装置において、
前記駆動巻線の検出電圧に応じてコレクタ電流が変わる第１のトランジスタ素子と、
この第１のトランジスタ素子の駆動により流れるコレクタ電流がベースに供給され、ベース電流によって両端電圧が変化し、この両端電圧によって前記スイッチング素子がオンである時間を制御する第２のトランジスタ素子と、を有することを特徴とするスイッチング電源装置。
【００１０】
（２）前記第１のトランジスタ素子のベースの前段に分圧回路を設けたことを特徴とする（１）記載のスイッチング電源装置。
【００１１】
（３）前記第１のトランジスタ素子のベースの前段にトランジスタ素子と抵抗からなるエミッタフォロアを設け、このエミッタフォロアにあるトランジスタ素子のベースに分圧回路を接続し、この分圧回路に前記駆動巻線の検出電圧に応じた電圧を印加することを特徴とする（１）記載のスイッチング電源装置。
【００１２】
（４）前記第１のトランジスタ素子のベースの前段に分圧回路を設け、第１のトランジスタ素子のエミッタにトランジスタ素子と抵抗とからなるエミッタフォロアを接続し、エミッタフォロアにあるトランジスタ素子と第１のトランジスタ素子のエミッタはエミッタフォロアにある抵抗に共通接続し、前記分圧回路に前記駆動巻線の検出電圧に応じた電圧を印加することを特徴とする（１）記載のスイッチング電源装置。
【００１３】
（５）前記１次巻線と駆動巻線の一方の端子はセンタータップを共用し、１次巻線の一端はコモン電位点に接続され、前記スイッチング素子は１次側にある電圧源の正側に接続されていることを特徴とする（１）記載のスイッチング電源装置。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図１は本発明の一実施例を示す構成図である。図１で前出の図と同一のものは同一符号を付ける。実施例のスイッチング電源装置はリンギング・チョーク・コンバータである。
図１で、トランス手段３１は、１次側に１次巻線３２及び駆動巻線３３を設け、２次側には２次巻線３４を設けた構成になっている。１次巻線３２と駆動巻線３３の一方の端子はセンタータップ３５を共用している。１次側と２次側の巻線の巻方向は逆になっている。１次巻線３２の一端（センタータップ３５側の端子）はコモン電位点に接続されている。
【００１５】
ダイオード３６とコンデンサ３７は駆動巻線３３の両端に直列接続されている。駆動巻線３３の両端に発生した電圧はダイオード３６とコンデンサ３７により整流し平滑化される。
スイッチング素子３８は、ＭＯＳ型ＦＥＴにより構成されている。スイッチング素子３８のソースは電圧源１０の正側に、ドレインは１次巻線３２の一端にそれぞれ接続されている。抵抗３９は、一端はスイッチング素子３８のゲートに、他端はコモン電位点にそれぞれ接続されている。コンデンサ４０は、一端はスイッチング素子３８のゲートに、他端は駆動巻線３３の一端にそれぞれ接続されている。
【００１６】
トランジスタ素子４１は、ＰＮＰ型トランジスタにより構成されている。トランジスタ素子４１は、エミッタは電圧源１０の正側に、コレクタはスイッチング素子３８のゲートにそれぞれ接続されている。
電圧制御回路４２は、１個のトランジスタ素子４２１で構成されている。トランジスタ素子４２１は、ＮＰＮ型トランジスタにより構成され、エミッタには制御電圧Ｖctrlが印加され、コレクタはトランジスタ素子４１のベースに接続され、ベースはダイオード３６のカソード側に接続されている。制御電圧Ｖctrlは、定電圧源等から与えられる一定電圧である。
【００１７】
図１の回路で、ダイオード３６とコンデンサ３７で構成される整流平滑回路の出力電圧をＶ１０、ダイオード３６，１６の順方向電圧降下をそれぞれＶＦ１０，ＶＦ２０、駆動巻線３３及び２次巻線３４の巻数をそれぞれＮ２及びＮ３とすると、トランスの出力電圧は巻線比に比例するため次式が成立する。
（Ｖ０＋ＶＦ２０）／（Ｖ１０＋ＶＦ１０）＝Ｎ３／Ｎ２
【００１８】
トランジスタ素子４２１は出力電圧Ｖ０を次のようにして制御する。
トランジスタ素子４２１のベース・エミッタ間電圧をＶＢＥ３とする。Ｖ１０＞Ｖctrl＋ＶＢＥ３になるとトランジスタ素子４２１がオンになり、トランジスタ素子４１にベース電流が流れ、スイッチング素子３８のゲート・ソース間電圧を小さくする。この結果、スイッチング素子３８がオンしている時間が短くなり、出力電圧Ｖ０の上昇を抑える。これにより、Ｖ１０＝Ｖctrl＋ＶＢＥ３となるように電圧を安定化する。
このとき、出力電圧Ｖ０は次式で与えられる。
Ｖ０＝（Ｎ３／Ｎ２）・（Ｖctrl＋ＶＢＥ３＋ＶＦ１０）−ＶＦ２０
【００１９】
図２は本発明の他の実施例を示す構成図である。
図２の回路は、電圧制御回路４２に抵抗４２２と４２３からなる分圧回路を設けて出力電圧Ｖ０の自由度を大きくした回路である。
図２の回路では、ダイオード３６とコンデンサ３７から構成される整流平滑回路の出力電圧Ｖ１０を抵抗４２２と４２３で分圧してトランジスタ素子４２１のベースに入力する。この回路では出力電圧Ｖ１０は次式で与えられる。
Ｖ０＝（Ｎ３／Ｎ２）・｛Ａ（Ｖctrl＋ＶＢＥ３）＋ＶＦ１０｝−ＶＦ２０
Ａ＝（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ３
Ｒ２：抵抗４２２の抵抗値、Ｒ３：抵抗４２３の抵抗値
簡単のために、Ｎ３＝Ｎ２、ＶＦ１０＝ＶＦ２０とおくと、
Ｖ０＝｛（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ３｝・（Ｖctrl＋ＶＢＥ３）
となる。
【００２０】
図３は本発明の他の実施例を示す構成図である。
トランジスタのベース・エミッタ間電圧は周囲温度の影響を受けて変化する。つまり、ベース・エミッタ間電圧が出力電圧の誤差要因となる。図３の実施例はこれを解決したものである。
図３の実施例では、図２の実施例における電圧制御回路において、トランジスタ素子４２４と抵抗４２５とからなるエミッタフォロアを追加した。トランジスタ素子４２４はＰＮＰ型トランジスタで、エミッタはトランジスタ素子４２１のベースに、コレクタはコモン電位点に、ベースは抵抗４２２と４２３の接続点にそれぞれ接続されている。抵抗４２５は、一端は電圧源１０の正側に、他端はトランジスタ素子４２４のエミッタにそれぞれ接続されている。トランジスタ素子４２１と４２４のベース・エミッタ間電圧が等しいとすると、これら２つのトランジスタ素子のベース・エミッタ間電圧は相殺される。従って、出力電圧Ｖ０は次式で与えられる。
Ｖ０＝｛（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ３｝・Ｖctrl
これによって、ベース・エミッタ間電圧の誤差要因を除去できる。
【００２１】
図４は本発明の他の実施例を示す構成図である。
図４の回路は、トランジスタのベース・エミッタ間電圧の影響を除去するための他の構成例である。
この実施例の電圧制御回路では、トランジスタ素子４２１のエミッタと制御電圧Ｖctrlがかかる点との間に、トランジスタ素子４２４と抵抗４２５とからなるエミッタフォロアを追加した。トランジスタ素子４２４のエミッタはトランジスタ素子４２１のエミッタと共通に抵抗４２５の一端に接続されている。トランジスタ素子４２４のコレクタは電圧源１０の正側に接続され、ベースには制御電圧Ｖctrlが印加されている。抵抗４２５の他端はコモン電位点に接続されている。
【００２２】
この実施例の電圧制御回路でも、トランジスタ素子４２１と４２４のベース・エミッタ間電圧が等しいとすると、これら２つのトランジスタ素子のベース・エミッタ間電圧は相殺される。従って、出力電圧Ｖ０は次式で与えられる。
Ｖ０＝｛（Ｒ２＋Ｒ３）／Ｒ３｝・Ｖctrl
【００２３】
【発明の効果】
本発明によれば次の効果が得られる。
【００２４】
請求項１記載の発明では、電圧制御回路を１個のトランジスタ素子で構成しているため、従来例に比べて電圧制御回路の構成を簡略化できる。
【００２５】
請求項２記載の発明では、電圧制御回路に分圧回路を設けているため、スイッチング電源装置の出力電圧の自由度を大きくすることができる。
【００２６】
請求項３及び請求項４記載の発明では、電圧制御回路にエミッタフォロアを設けているため、トランジスタのベース・エミッタ間電圧による誤差要因を除去できる。
【００２７】
請求項５記載の発明では、１次巻線と駆動巻線の一方の端子はセンタータップを共用し、１次巻線の一端はコモン電位点に接続され、スイッチング素子は１次側の電圧源の正側に接続している。このような構成にしたことによって、１次側が３端子になったトランスを使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す構成図である。
【図２】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図４】本発明の他の実施例を示す構成図である。
【図５】従来におけるスイッチング電源装置の構成例を示した図である。
【符号の説明】
１０電圧源
３１トランス手段
３２１次巻線
３３駆動巻線
３４２次巻線
３５センタータップ
３８スイッチング素子
４１トランジスタ素子（第２のトランジスタ素子）
４２電圧制御回路
４２１トランジスタ素子（第１のトランジスタ素子）
４２２，４２３，４２５抵抗
４２４トランジスタ素子

Claims

トランス手段の１次側に設けたスイッチング素子を制御して１次巻線に電圧を印加することによって２次巻線に電圧を誘起し、２次巻線に発生した電圧を１次側に設けた駆動巻線で検出し、検出した電圧をもとに前記スイッチング素子を制御し、２次側の出力電圧を一定に制御するスイッチング電源装置において、
前記駆動巻線の検出電圧に応じてコレクタ電流が変わる第１のトランジスタ素子と、
この第１のトランジスタ素子の駆動により流れるコレクタ電流がベースに供給され、ベース電流によって両端電圧が変化し、この両端電圧によって前記スイッチング素子がオンである時間を制御する第２のトランジスタ素子と、を有することを特徴とするスイッチング電源装置。
前記第１のトランジスタ素子のベースの前段に分圧回路を設けた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のトランジスタ素子のベースの前段にトランジスタ素子と抵抗からなるエミッタフォロアを設け、このエミッタフォロアにあるトランジスタ素子のベースに分圧回路を接続し、この分圧回路に前記駆動巻線の検出電圧に応じた電圧を印加す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のトランジスタ素子のベースの前段に分圧回路を設け、第１のトランジスタ素子のエミッタにトランジスタ素子と抵抗とからなるエミッタフォロアを接続し、エミッタフォロアにあるトランジスタ素子と第１のトランジスタ素子のエミッタはエミッタフォロアにある抵抗に共通接続し、前記分圧回路に前記駆動巻線の検出電圧に応じた電圧を印加す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１次巻線と駆動巻線の一方の端子はセンタータップを共用し、１次巻線の一端はコモン電位点に接続され、前記スイッチング素子は１次側にある電圧源の正側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。