JP4442967B2 - スイッチモード電源装置用保護回路 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は１次および２次巻線を備えた変圧器と、１次巻線に並列に接続されているスイッチングトランジスタと、駆動段とを有するスイッチモード電源装置用の保護回路に関する。
【０００２】
【従来の技術】
上記の電源装置は駆動段の代わりに調整のための制御キャパシタを有することができる。この種のスイッチモード電源装置は例えばＥＰＡ０８０８０１５に記載されている。
【０００３】
短絡の場合に電源装置のスイッチングトランジスタは、オフインターバル中に完全には阻止されないで不安定な状態になることがある。この場合、スイッチングトランジスタは過度の電力損失を来たし、これによって損傷されることがある。このことは殊に、所定のスイッチング電圧を供給する駆動回路が存在せず、短絡中に不確定な状態で発振し続ける自励式のスイッチモード電源装置に当てはまることである。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、上記のようなスイッチモード電源装置用の保護回路を提供することである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記課題は本発明により、１次巻線および少なくとも２つの２次巻線を備えた変圧器と、１次巻線に直列接続されたスイッチングトランジスタと、スイッチングトランジスタを制御する制御キャパシタを備えた駆動段とを含むスイッチモード電源装置用保護回路において、この保護回路には、２次巻線の端子に接続されている蓄積キャパシタが含まれており、２次巻線により、スイッチングトランジスタのオンインターバル中に充電電圧が供給され、上記蓄積キャパシタはオンインターバル中、基準電位と接続されているダイオードを介して充電され、蓄積キャパシタの電荷は、スイッチングトランジスタのオフインターバル中、上記制御キャパシタに供給され、これにより２次巻線のうちの１つが短絡している場合には、スイッチングトランジスタは阻止されるかまたは阻止状態に維持されることを特徴とするスイッチモード電源装置用保護回路を構成することによって解決される。
【０００６】
【発明の実施の形態】
本発明の保護回路は蓄積キャパシタを有しており、この蓄積キャパシタの一方の端部は、１つの２次巻線の端子に接続されている。この２次巻線は、スイッチングトランジスタの導通インターバル中に蓄積キャパシタのための充電電圧を供給する。このキャパシタの電荷は、スイッチングトランジスタのオフインターバル中に、駆動段または制御キャパシタに供給されて電圧を供給し、２次巻線の１つが短絡している場合に、スイッチングトランジスタをスイッチオフおよび／または阻止状態に維持する。充電キャパシタのこの付加的な電荷により、スイッチングトランジスタはオフインターバル中全体に渡って完全にオフであることが保証され、これによりスイッチングトランジスタの損傷が回避される。スイッチモード電源装置の出力側の１つが短絡した場合、当該電圧出力側のダイオードが導通している限りは２次巻線に電圧が印加されない。しかし１次側にある２次巻線における出力電圧が、スイッチングトランジスタを阻止するために必要とされることは多い。これは殊にフライバックモードで動作する自励式のスイッチモード電源装置の場合に当てはまることである。
【０００７】
蓄積キャパシタは有利には制御キャパシタに接続可能であり、この制御キャパシタは駆動段の一部であり、かつ電源装置の動作中に供給される調整電流により充電される。この蓄積キャパシタは別の１つの端部により２次巻線の端子に接続することができ、この２次巻線によりスイッチングトランジスタのオンインターバル中に負の電圧が供給され、これが蓄積キャパシタを充電する。スイッチングトランジスタがスイッチオフされる時に、巻線の端子は負から０Ｖに切り替わり、これにより充電キャパシタの電荷が制御キャパシタに運ばれて、スイッチングトランジスタを阻止状態に維持する正の電圧または電流が供給される。
【０００８】
本発明は、例えばテレビジョン装置またはビデオレコーダに使用することができる。
【０００９】
本発明の発展形態は従属請求項に記載されている。
【００１０】
【実施例】
本発明の有利な実施例を、概略的な回路図を参照して以下に説明する。
【００１１】
図１の回路図には商用電源接続点ＡＣが示されており、この下流にブリッジ整流器ＢＲがＡＣ電圧の整流のために接続されている。整流された電圧Ｕ０は、大容量キャパシタＣＰ１０により平滑化され、端子９，１を有する、変圧器ＬＰ０３の第１の１次巻線Ｗ１、スイッチングトランジスタＴＰ２０のコレクタ−エミッタ区間、および電流検出用の低抵抗ＲＰ２０全体に印加される。変圧器ＬＰ０３は、１次側に配置された接続点３，４，５と６，７，８を備える２次巻線Ｗ２とＷ３とを有しており、さらに安定化された電圧ＵＢ，±ＵＡおよびＵＸを生成する２次巻線Ｗ４，Ｗ５，Ｗ６を有している。これらの電圧は例えばテレビジョン装置に使用されており、偏向段、オーディオ部および電子回路を給電する。
【００１２】
スイッチモード電源装置は、フライバックコンバータ原理に基づいて動作しており、スイッチングトランジスタＴＰ２０がスイッチオンされるインターバルとスイッチオフされるインターバルとを有している。オフインターバルはフライバックフェーズとも称される。この電源装置はまた、ＥＰ−Ａ−０８０８０１５に記載されているように、オフインターバルの終わりに発振インターバルを有することもある。スイッチオンフェーズ中に、電流が１次巻線Ｗ１に増大し、この電流は変圧器ＬＰ０３内に磁化を生成する。所定の磁化レベルが生成された後に、スイッチングトランジスタＴＰ２０はスイッチオフされる。これに続くオフインターバルで変圧器ＬＰ０３の磁化は、２次巻線Ｗ２〜Ｗ６に伝達されて減少する。スイッチオンフェーズからオフフェーズへの移行中、巻線Ｗ２の端子３，４，５および巻線Ｗ３の端子６，８の電圧はそれぞれ反転する。ただしここで端子７は接地されている。
【００１３】
ダンピングキャパシタＣＰ２１は、スイッチングトランジスタＴＰ２０のコレクタとエミッタに並列に接続されている。このキャパシタＣＰ２１は、スイッチングスパイクを回避するために使用されており、スイッチングトランジスタＴＰ２０がスイッチオフされる時に充電される。変圧器ＬＰ０３の磁化が、オフインターバル中に所定の値以下に降下した場合には、１次巻線Ｗ１とキャパシタＣＰ２１との間で発振が発生する。これが発振フェーズである。この発振フェーズ中にスイッチングトランジスタＴＰ２０のコレクタ電圧は周期的に０〜１５０Ｖの電圧に発振の極小点で降下するが、これは商用電源電圧、巻線比、および２次側負荷に依存する。
【００１４】
第１の極小点は、スイッチングトランジスタＴＰ２０を導通させるのに最適な時間である。なぜならばこの時点で発振の振幅は最大であり、さらに電力伝達に使用されない発振時間は比較的小さいからである。したがってスイッチングトランジスタＴＰ２０のスイッチオン損失は格段に低減される。
【００１５】
スイッチングトランジスタＴＰ２０のベースは、つぎのような要求を満たすベース電流回路網により駆動される。この要求とはベース電流回路網が、一方ではスイッチオンフェーズ中に、正のベース電流を十分に供給してスイッチングトランジスタＴＰ２０を良好に飽和させなければならないということであり、他方では負のベース電流を十分に供給して迅速にスイッチングオフさせると共に、スイッチングトランジスタＴＰ２０が完全にオフになっているインターバル中に、負のベース電圧を供給しければならないというである。スイッチオンインターバル中のベース電流は、２次巻線Ｗ３の順方向の巻線(forward winding)６および７と、ダイオードＤＰ１９と、抵抗の低い抵抗ＲＰ１９およびＲＰ２１とを介して供給される。
【００１６】
スイッチングトランジスタＴＰ２０は、トランジスタＴＰ２２およびＴＰ２３による駆動段を介してスイッチオフされる。これらのトランジスタは、抵抗ＲＰ２６、ＲＰ２８、およびＲＰ２９を介して相互に接続されており、ダーリントン回路を形成しており、このダーリントン回路により極めて迅速な導通が行われる。スイッチングトランジスタＴＰ２０のコレクタ−エミッタ電流が導通フェーズにおいて次第に上昇すると、抵抗ＲＰ２０の両端の電圧も同時に上昇する。トランジスタＴＰ２２ひいてはトランジスタＴＰ２３は、制御キャパシタＣＰ２２の両端の電圧が約０・７Ｖ以上で導通する。トランジスタＴＰ２３が導通すると、スイッチングトランジスタＴＰ２０のエミッタおよびベースは、キャパシタＣＰ２３の端子に接続され、この結果、このキャパシタの負の電荷と電圧による負の大きなベース電流によりスイッチングトランジスタＴＰ２０は極めて急速に不飽和状態になり、極めて迅速にスイッチオフされる。キャパシタＣＰ２３は各々のスイッチオンフェーズ中に巻線Ｗ２、ダイオードＤＰ１２およびＤＰ２３を介して再び充電される。
【００１７】
巻線Ｗ３の端子８に接続されている制御回路網ＮＷは、出力段の電力消費に依存する別の調整電流を供給してキャパシタＣＰ２２を充電する。したがってトランジスタＴＰ２０のスイッチオフは、抵抗ＲＰ２０と回路網ＮＷとによって供給される２つの電流により制御される。キャパシタＣＰ２２の電圧が約０．７Ｖに達すると、トランジスタＴＰ２２は導通しひいてはＴＰ２３も導通し、したがってスイッチングトランジスタＴＰ２０はスイッチオフされる。このことはすでに上に説明したとおりである。回路網ＮＷの機能はＥＰ−Ａ−０８０８０１５に詳しく記載されている。
【００１８】
変圧器ＬＰ０３内の磁化がオフフェーズ中に減衰すると、フライバック電圧は下降し、順電圧はすべて上昇する。この時、正の電圧が端子６で利用可能であり、したがってスイッチングトランジスタＴＰ２０をスイッチオンするための正の電流が、キャパシタＣＰ２４を介して利用可能である。このベース電流は、ダイオードＤＰ１９と抵抗ＲＰ１９とを介して維持される。一旦巻線Ｗ３の端子８の電圧が０Ｖ以下に下降してしまうと、もはや制御回路網ＮＷに正の電流は流れず、トランジスタＴＰ２２はスイッチオフされ、これによりトランジスタＴＰ２０はスイッチオンされる。スイッチングトランジスタＴＰ２０のオフインターバル中、端子６の電圧は負である。
【００１９】
スイッチモード電源装置をスイッチオンするために、抵抗のチェーンＲＰ０５，ＲＰ０６およびＲＰ０７が、ブリッジ整流器ＢＲの正の端子と、始動電流を供給するキャパシタＣＰ２３の正の端子との間に接続されている。
【００２０】
制御キャパシタＣＰ２２には、蓄積キャパシタＣＰ３７とダイオードＤＰ３７と抵抗ＲＰ３７とからなる保護回路も接続されている。キャパシタＣＰ３７は、巻線Ｗ３の端子８に接続されており、この巻線Ｗ３によりスイッチングトランジスタＴＰ２０のオンインターバル中に負の電圧が供給され、したがってＣＰ３７をダイオードＤＰ３７を介して負に充電する。
【００２１】
スイッチングトランジスタＴＰ２０がスイッチオフされると、１次巻線Ｗ１の端子１の電圧は上昇し、したがって巻線Ｗ３の端子８の電圧が上昇する。その結果、キャパシタＣＰ３７の電荷が、抵抗ＲＰ３７を介して制御キャパシタＣＰ２２に運ばれる。これは例えば出力電圧ＵＢが短絡している場合も同じである。ダイオードＤＰ８０は当然、スイッチングトランジスタＴＰ２０のオンフェーズ中も短絡中も導通していない。したがって充電キャパシタＣＰ３７を負に充電する電圧が端子８につねに存在する。
【００２２】
通常モードではキャパシタＣＰ３７の電荷は、オフインターバル中に制御キャパシタＣＰ２２にも運ばれるが、これは制御回路網ＮＷにとって問題ではない。なぜならばオフインターバルではトランジスタＴＰ２２は導通しており、キャパシタＣＰ２２の電圧を０．７Ｖで一定に保っており、したがってキャパシタＣＰ３７からの付加的な電荷により、制御キャパシタＣＰ２２の電圧が変化させられることはないからである。キャパシタＣＰ２２はオンインターバル中にのみ充電され、その際には充電キャパシタＣＰ３７は抵抗ＲＰ３７により十分にデカップリングされる。保護回路は３つの受動素子だけを使用して構成することができる。しかし例えばトランジスタを使用する別の実施形態も可能である。
【００２３】
本発明を引き続いて図２ａおよび２ｂの電圧線図を用いて説明する。図２ａには端子８の電圧Ｕ_Cが通常モードの場合に示されている。同様の電圧は、巻線Ｗ４，Ｗ５およびＷ６のフライバック端子にも存在する。スイッチングトランジスタＴＰ２０のフライバック期間中つまりオフインターバル中、電圧Ｕ_Cは正である。フライバック期間の終わりにこの電源装置は、変圧器ＬＰ０３の磁化が低下した時に発振フェーズを有することがある。このフェーズでは電圧Ｕ_Cが０ボルト以下に下がることがある。スイッチングトランジスタＴＰ２０が導通している時、端子８の電圧は負である。
【００２４】
図２ｂは、変圧器ＬＰ０３のフライバック出力端子例えばＵＢに短絡がある場合の状況を示している。この場合、時点Ｔ１〜Ｔ２のフライバック期間には短絡のために端子８に電圧が存在しない。しかし負の電圧は時点Ｔ２〜Ｔ３にはまだ存在する。この期間に充電キャパシタＣＰ３７は充電され、端子８の電圧が時点Ｔ３で０ボルトに上昇すると、キャパシタＣＰ３７の電荷は制御キャパシタＣＰ２２に運ばれる。
【００２５】
スイッチングトランジスタＴＰ２０が導通している場合、抵抗ＲＰ２０は常時、所定の時間の後にスイッチングトランジスタＴＰ２０をスイッチオフするための電圧を常に供給する。しかし回路網ＮＷは短絡の場合にキャパシタＣＰ２２に電圧を供給することができない。それは短絡の場合に端子８が正の電圧をまったく供給しないからである。その後、蓄積キャパシタＣＰ３７を備える保護回路は付加的な電荷を制御キャパシタＣＰ２２に供給し、これによりトランジスタＴＰ２２には確実にバイアスがかかり、フライバック期間に阻止状態に維持される。
【００２６】
図１では商用電源と絶縁された、テレビジョン受信機に使用するスイッチモード電源装置が示されている。しかしこの保護回路は例えばＤＣ−ＤＣコンバータに対しても使用することができる。この電源装置にはＭＯＳＦＥＴ、バイポーラトランジスタ、または別の形のトランジスタをスイッチングトランジスタＴＰ２０として使用することができる。この電源装置は、スイッチングトランジスタＴＰ２０用の駆動段を含むことができ、この駆動段によりスイッチングトランジスタをスイッチオンおよびスイッチオフするための電圧と電流を供給する。これには例えば集積回路、スイッチングトランジスタのスイッチオフ専用の駆動段、または自励式のスイッチモード電源装置を制御する制御キャパシタだけが使用される。
【図面の簡単な説明】
【図１】保護回路を有するスイッチモード電源装置の回路図である。
【図２】ａ、ｂはそれぞれ電源装置の通常動作時および短絡時の出力電圧を示す線図である。
【符号の説明】
ＬＰ０３ 変圧器
１〜９ 端子
Ｗ１ 第１の１次巻線
Ｗ２，Ｗ３ １次側にある２次巻線
Ｗ４〜Ｗ６ 出力側の２次巻線
ＴＰ２０ スイッチングトランジスタ
ＴＰ２２，ＴＰ２３ トランジスタ（駆動段）
ＣＰ２２ 制御キャパシタ（駆動段）
ＲＰ３７ 抵抗（保護回路）
ＤＰ３７ ダイオード（保護回路）
ＣＰ３７ 蓄積キャパシタ（保護回路）
ＮＷ 制御回路網

Claims (5)

1. １次巻線（Ｗ１）および少なくとも２つの２次巻線（Ｗ２〜Ｗ６）を備えた変圧器（ＬＰ０３）と、
   １次巻線（Ｗ１）に直列接続されたスイッチングトランジスタ（ＴＰ２０）と、
   スイッチングトランジスタ（ＴＰ２０）をスイッチオフするための制御キャパシタ（ＣＰ２２）を備えた駆動段（ＴＰ２２，ＴＰ２３）とを含むスイッチモード電源装置とともに構成された保護回路において、
   前記制御キャパシタ（ＣＰ２２）は、前記駆動段（ＴＰ２２，ＴＰ２３）のトランジスタ（ＴＰ２２）のベースに接続されており、
   該保護回路（ＲＰ３７，ＤＰ３７，ＣＰ３７，ＬＰ０３，Ｗ１〜Ｗ６，ＴＰ２０，ＴＰ２２，ＴＰ２３，ＣＰ２２）には、２次巻線（Ｗ３）の端子（８）に接続されている蓄積キャパシタ（ＣＰ３７）が含まれており、
   前記２次巻線（Ｗ３）により、スイッチングトランジスタ（ＴＰ２０）のオンインターバル中に充電電圧が、基準電位と接続されているダイオード（ＤＰ３７）を介して前記蓄積キャパシタ（ＣＰ３７）へ供給され、
   当該保護回路（ＲＰ３７，ＤＰ３７，ＣＰ３７，ＬＰ０３，Ｗ１〜Ｗ６，ＴＰ２０，ＴＰ２２，ＴＰ２３，ＣＰ２２）に次のような抵抗素子（ＲＰ３７）、すなわち、蓄積キャパシタ（ＣＰ３７）の電荷をスイッチングトランジスタ（ＴＰ２０）のオフインターバル中に前記制御キャパシタ（ＣＰ２２）に供給するために前記蓄積キャパシタ（ＣＰ３７）と前記制御キャパシタ（ＣＰ２２）とを接続する抵抗素子（ＲＰ３７）が含まれ、これにより前記２次巻線（Ｗ２〜Ｗ６）のうちの１つが短絡している場合には、スイッチングトランジスタ（ＴＰ２０）は阻止されるかまたは阻止状態に維持され、
   当該保護回路（ＲＰ３７，ＤＰ３７，ＣＰ３７）は、前記スイッチモード電源を調整するために前記制御キャパシタ（ＣＰ２２）を充電する制御回路網（ＮＷ）に並列接続されていることを特徴とする、保護回路。
2. 前記短絡の場合、蓄積キャパシタ（ＣＰ３７）の電荷は、前記駆動段（ＴＰ２２，ＴＰ２３）の前記トランジスタ（ＴＰ２２）を導通させ、これによりスイッチングトランジスタ（ＴＰ２０）を阻止する、
   請求項１に記載の保護回路。
3. 前記の２次巻線（Ｗ３）の端子（８）は、オンインターバル中、負の電圧を供給する、
   請求項１に記載の保護回路。
4. 制御キャパシタ（ＣＰ２２）は、スイッチングトランジスタ（ＴＰ２０）に直列接続された抵抗（ＲＰ２０）によりさらに充電される、
   請求項１に記載の保護回路。
5. スイッチモード電源装置は、フライバックモードで動作する自励式のスイッチモード電源装置である、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の保護回路。

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