JP4563359B2 - 自励式共振型スイッチング電源 - Google Patents

Description

本発明は、ロイヤーの発振回路を応用した自励式共振型スイッチング電源において、出力電圧を安定化させるための技術に関する。

蛍光表示管や放電管などの負荷に駆動電圧を供給する電源回路には様々な回路方式が存在する。ここで、負荷が駆動電圧として交流電圧を要求する場合には、その一例として、ロイヤーの発振回路を応用したプッシュプル構成、自励共振方式の電源回路を使用することがある。このロイヤーの発振回路を応用した回路は、構成が簡素でありながら正弦波に近い交流電圧が容易に得られるという利点があり、小型・小容量のインバータ回路として用いられることが多い。また場合によっては、正弦波に近い電圧を発生させる特徴を利用し、ノイズの発生が少ないコンバータ回路に利用されることも有る。

しかし一般に、このロイヤーの発振回路を応用した自励共振型のインバータ回路、あるいはコンバータ回路は、その回路自体に入力電圧や負荷の変動に対して出力電圧を一定にする機能が付加されることはほとんどない。これは、共振現象に伴った自励発振動作を行わせるために、ＰＷＭ制御のようにスイッチング素子のオンデューティを変化させて出力電圧を安定化させるのは困難なためである。そこで、負荷に供給する駆動電圧を安定化する必要が有る場合には、図２に示すように、ロイヤーの発振回路を応用した自励共振型のインバータ回路の入力側に出力電圧の制御機能を有するコンバータ回路を設け、インバータ回路とコンバータ回路全体で電源装置を構成する。そして、コンバータ回路からインバータ回路に供給する電圧を制御し、負荷へ供給する電圧を安定化するという手段が採られていた。

しかし、このようにインバータ回路とコンバータ回路を共に設けるとなると、コンバータ回路を構成するための部品類や基板スペースが余分に必要となる。そのために電源装置の形状が大型化し、コストも上昇するという問題があった。また、電力変換効率はコンバータ回路とインバータ回路との積となるため、高効率化が極めて困難であるという欠点を有している。例えば、両方の効率が８０％の場合、総合効率ηｏはηｏ＝８０×８０＝６４％となる。

そこで、本発明者は、引用文献１−３のように、トランスの一部を利用して出力電圧に相当する電圧信号と基準電圧から誤差信号を発生させる制御部を用いて、自励共振方式の電源回路自体に出力安定化機能を付加した回路を提案している。
この引用文献１−３で提案された出力安定化機能は、第１と第２のスイッチング素子の制御端子に制御部からの誤差信号を供給し、その誤差信号の大きさに応じて各スイッチング素子のバイアスを変化させる。即ち、第１と第２のスイッチング素子の導通タイミングを変化させることにより自励発信周波数を変えて、１次側共振回路を介して２次側に伝達されるエネルギー量を変化させる。その結果、出力電圧の制御が可能となり、安定化が図られる。
特開平１１−２８３７７２号公報 特開平１１−２８５２６２号公報 特開平１１−２８９７６８号公報

しかし、第１と第２のスイッチング素子の導通タイミングを変化させている期間中において必要以上のエネルギーを負荷に供給するため、その間の効率が低下する。
本発明は、上記引用文献１−３より、さらに、効率を改善した自励式共振型スイッチング電源を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の自励式共振型スイッチング電源は、トランスの１次巻線に共振コンデンサを並列に接続し、該１次巻線の所定位置にそれぞれの主電流路の一端が接続され、その制御端子には該トランスの巻線に発生した電圧より得られた帰還信号がそれぞれ逆の位相で供給される第１及び第２のスイッチング素子を備えている。
該トランスの１次巻線の所定位置に設けられたタップと、該第１と第２のスイッチング素子の主電流路の他端の共通接続点との間に、外部の入力電圧源と共に接続されるチョークコイル。該チョークコイルに発生するフライバック電圧を出力電力の一部として利用するための整流平滑回路もしくは整流器を介して、該トランスの２次巻線の中間タップに印可する。該トランスの２次巻線に発生した電圧より出力電圧に相当する電圧信号を得て、該電圧信号と基準電圧との誤差信号をダイオードを介して、該第１と第２のスイッチング素子の制御端子に印加する。該出力電圧が所望値を超えた時、自励発振を一時停止させ、該出力電圧が所望値を下回った時、再び自励発振させる間欠発振によって出力電圧を安定化させたことを特徴とする。

本発明による自励式共振型スイッチング電源は、出力電圧に相当する電圧信号と基準電圧とから誤差信号を得て、その誤差信号をダイオードを介して第１と第２のスイッチング素子の制御端子に印加し、第１と第２のスイッチング素子を間欠スイッチングさせる構成を特徴としている。さらに、第１と第２のスイッチング素子が間欠スイッチングを行った際にチョークコイルに発生するフライバック電圧を出力電力の一部として利用するための整流平滑回路をチョークコイルと並列に付加する構成を特徴としている。
このように、第１と第２のスイッチング素子を間欠スイッチングすることで、負荷が必要とする以上のエネルギー量の流入を防止する。また、入力電力と出力電力が常に均衡を保つため、出力電圧を一定にでき、フライバック電圧を出力電力の一部として利用することで効率が改善できる。その結果、自励式共振型スイッチング電源自体で出力電圧の安定化を図ることができ、出力電圧制御のためのコンバータ回路などを併設する必要がなくなる。従って、本発明によれば、出力電圧の安定化機能が付加された、より効率が改善された自励式共振型スイッチング電源を提供することが可能となる。

本発明による自励式共振型スイッチング電源の実施例を図１に示す。図１に示す回路は以下のような構成となっている。

図１において、入力端子１はチョークコイルＬ１を介してトランスＴの１次巻線Ｎ１の中間タップに接続されている。１次巻線Ｎ１の端子間には共振用コンデンサＣｏが接続され、さらに１次巻線Ｎ１の両端はそれぞれ、電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）よりなる第１のスイッチング素子Ｑ１と第２スイッチング素子Ｑ２の主電流路を介してアースに接続されている。

チョークコイルＬ１には、チョークコイルＬ１に発生するフライバック電圧を出力電力の一部として利用するための整流平滑回路であるコンデンサＣ３とダイオードＤ３のカソードを接続した直列回路が並列に接続され、コンデンサＣ３とダイオードＤ３の接続点ａからトランスＴの２次巻線Ｎ２の中間タップに接続されている。
そして、トランスＴの２次巻線Ｎ２の両端には全波整流用のダイオードＤ１、Ｄ２と平滑用コンデンサＣ５が接続され出力端子２に接続されている。

第１と第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲートは、それぞれたすきがけの形で、自らの主電流路が接続された１次巻線Ｎ１の巻線端とは反対側の巻線端に、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の並列回路あるいは抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２の並列回路を介して接続されている。ここで、抵抗Ｒ１、Ｒ２はスイッチング素子の起動用であり、コンデンサＣ１、Ｃ２はスイッチング素子の保護用である。

そして、出力端子２に接続された抵抗Ｒ３とＲ４の接続点より出力電圧Ｖｏに相当する電圧信号を誤差増幅器（エラーアンプ）ＡＭの反転入力端子（−）に接続され、非反転入力端子（＋）は基準電圧源Ｖｒｅｆに接続されている。誤差増幅器ＡＭの出力端子はダイオードＤ４、ダイオードＤ５を介して第１と第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の制御端子に接続されている。

上記のような構成の回路において、入力端子１に外部より入力電圧Ｖｉｎを供給すると、マルチバイブレータのごとく、第１と第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のどちらか一方が導通する。なおここでは、第１のスイッチング素子Ｑ１が先に導通したと仮定する。第１のスイッチング素子Ｑ１が導通したことによりトランスＴの１次巻線Ｎ１に電流が流れ、１次巻線Ｎ１には電圧が誘導される。この時に誘導された電圧は帰還電圧として第１のスイッチング素子Ｑ１および第２のスイッチング素子Ｑ２の制御端子に印加される。すると第１のスイッチング素子Ｑ１には順方向バイアスが、第２のスイッチング素子Ｑ２には逆バイアスがそれぞれ与えられ、第１のスイッチング素子Ｑ１はオン状態、第２のスイッチング素子Ｑ２はオフ状態となる。また、この時に誘導された電圧は、共振用コンデンサＣｏと１次巻線Ｎ１が形成する共振回路に共振現象を生じさせる。

この共振現象が生じることにより、１次巻線Ｎ１の端子間に現れる電圧（共振電圧）は正弦波状に変化する。この１次巻線Ｎ１の端子間に現れた共振電圧の変化に応じて、第１のスイッチング素子Ｑ１および第２のスイッチング素子Ｑ２は交互にオン状態あるいはオフ状態となり、以後、継続して自励発振動作を行うことになる。そして、２次巻線Ｎ２に現れた交流電圧を整流平滑して出力端子２に直流電圧Ｖｏを出力するものである。

ここで、負荷における出力電圧Ｖｏが所望値を超えた時、オン状態である一方のスイッチング素子、例えば、第１のスイッチング素子Ｑ１の制御端子に誤差増幅器ＡＭの出力端子から（−）の誤差信号がダイオードＤ４を介して加わるため、第１のスイッチング素子Ｑ１は強制的にオフ状態となり自励発振を一時停止させる。また、負荷における出力電圧Ｖｏが所望値を下回った時、オフ状態である一方のスイッチング素子、例えば、第２のスイッチング素子Ｑ２の制御端子に誤差増幅器ＡＭの出力端子から（＋）の誤差信号がダイオードＤ５に加わるため、第２のスイッチング素子Ｑ２は強制的にオン状態となり再び自励発振を開始する。

このように、第１と第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を出力電圧に応じて強制的に間欠スイッチングさせることで、２次巻線に誘起する交流電圧は間欠サイン波となる。ダイオードＤ４およびダイオードＤ５はこの間欠サイン波を整流する。出力電圧は、この繰り返しによって安定化された電圧となる。
なお、第１と第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が間欠スイッチングされると、チョークコイルＬ１に発生するフライバック電圧が発生する。このフライバック電圧を出力電圧の一部として利用するための整流平滑回路、即ち、コンデンサＣ３とダイオードＤ３の直列回路をチョークコイルと並列に接続し、コンデンサＣ３とダイオードＤ３のカソードとの接続点ａをトランスＴの２次巻線のタップに接続する。

以上に述べたように、第１と第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を間欠スイッチングさせることによって、負荷が必要とする以上のエネルギの流入を防止でき、入力電力と出力電力が常に均衡を保つため、出力電圧を一定にすることができる。さらに、チョークコイルＬ１に発生するフライバック電圧を出力電圧の一部として利用するため、さらなる高効率の電源回路とすることができる。

本発明による自励式共振型スイッチング電源の実施例の回路図 コンバータ回路とインバータ回路を併設した従来の自励共振型電源の使用状態を説明する図

符号の説明

１ 入力端子
２ 出力端子
Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子
Ｃｏ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５ ダイオード
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、Ｒ４ 抵抗
Ｌ１ チョークコイル
Ｔ トランス
ＡＭ 誤差増幅器

Claims (3)

1. トランスの１次巻線に共振コンデンサを並列に接続し、該１次巻線の所定位置にそれぞれの主電流路の一端が接続され、その制御端子には該トランスの巻線に発生した電圧より得られた帰還信号がそれぞれ逆の位相で供給される第１及び第２のスイッチング素子を備え、
   該トランスの１次巻線の所定位置に設けられたタップと、該第１と第２のスイッチング素子の主電流路の他端の共通接続点との間に、外部の入力電圧源と共に接続されるチョークコイル、該チョークコイルに発生するフライバック電圧を出力電力の一部として利用するための整流平滑回路もしくは整流器を介して、該トランスの２次巻線の中間タップに印加し、
   該トランスの２次巻線に発生した電圧より出力電圧に相当する電圧信号を得て、該電圧信号と基準電圧との誤差信号をダイオードを介して、該第１と第２のスイッチング素子の制御端子に印加し、該出力電圧が所望値を超えた時、自励発振を一時停止させ、該出力電圧が所望値を下回った時、再び自励発振させる間欠発振によって出力電圧を安定化させたことを特徴とする自励式共振型スイッチング電源。
2. チョークコイルを介して入力電源を供給する前記自励式共振型スイッチング電源において、
   該チョークコイルと並列に整流・平滑用のコンデンサとダイオードの直列回路を接続し、該コンデンサの一端と該ダイオードの一端の接続点から前記トランスの２次巻線の中間タップに接続したことを特徴とする請求項１記載の自励式共振型スイッチング電源。
3. 前記第１と第２のスイッチング素子はＭＯＳＦＥＴを用いたことを特徴とする請求項１記載の自励式共振型スイッチング電源。

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