JP4613951B2 - 同期整流型フォワードコンバータ - Google Patents

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Description

この発明は、出力電流を同期整流するフォワードコンバータに関するものである。
従来の同期整流型のフォワードコンバータとして特許文献1が開示されている。図1にその特許文献1のコンバータの回路を示す。
この図1に示す回路は、トランス130の1次コイル131に対して直列に主スイッチ素子1を接続し、その主スイッチ素子1のオン・オフ駆動により、負荷143に供給するトランス130の2次コイル132の出力電圧を一定電圧に制御する同期整流型フォワードコンバータである。このコンバータは、トランス130の3次コイル133に対して直列に接続したスイッチ素子150を含み、3次コイル133の誘起電圧から出力電圧を検出するための出力電圧検出回路119の検出電圧を基に、主スイッチ素子1をオン・オフ制御するスイッチ素子駆動回路121を備えている。
特開2004−208444号公報
ところが、図1に示した従来の同期整流型フォワードコンバータにおいては、出力側から過電圧が印加(逆流)された時に、トランス130の2次側チョークコイル4の励磁が増大し、それに伴ってトランスのオン期間が長くなる。図1に示したようなトランス巻線駆動型の同期整流回路では、トランスのオン期間が異常に増大することによって出力側のチョークコイル4による自励発振動作が上記逆流時に起こってしまう。その結果、1次側のスイッチ素子駆動回路121の制御が不安定になる場合があった。
また、上記トランスのオン期間の増大により、チョークコイル4の励磁がスイッチング周波数の一周期でリセットできない状態となる場合があり、その場合に上記スイッチ素子駆動回路121の制御範囲を超えてトランスのオン期間が広がるため、トランス130の励磁状態がリセットできなくなって、主スイッチ素子1のドレイン電圧に過大な電圧が発生して主スイッチ素子1へストレスが掛かるという問題もあった。
そこで、この発明の目的は、上述の問題を解消し、出力過電圧による逆流動作および自励発振時にも、1次側スイッチング制御を安定化し、またトランスのリセットを行って主スイッチ素子へストレスが掛かるのを防止した同期整流型フォワードコンバータを提供することにある。
上記課題を解決するために、この発明の同期整流型フォワードコンバータは次のように構成する。
[1]1次巻線(N11)、2次巻線(N12)、3次巻線(N13)をそれぞれ備えたトランス(T1)と、該トランス(T1)の1次巻線(N11)に直列に接続した主スイッチ素子(Q1)と、トランス(T1)の2次巻線(N12)に対して直列に接続したチョークコイル(L2)と、出力端子間に並列に接続した平滑コンデンサ(C1)と、トランス(T2)の2次巻線(N12)に対して直列に接続され、主スイッチ素子(Q1)のオン・オフに同期してオン・オフする整流スイッチ素子(Q2)と、主スイッチ素子(Q1)のオンに同期してオフし、オンによってチョークコイルの励磁エネルギの放出経路を構成する転流スイッチ素子(Q3)と、トランス(T1)の3次巻線(N13)の誘起電圧により前記出力端子間の出力電圧を間接的に検出する出力電圧検出回路と、主スイッチ素子(Q1)のスイッチング制御を行うスイッチング制御回路(23)と、を備えた同期整流型フォワードコンバータにおいて、
整流スイッチ素子(Q2)の制御端子の電圧を制御して該整流スイッチ素子(Q2)を強制オフする整流スイッチ制御用スイッチ素子(Q7)と、スイッチング制御回路(23)の制御により主スイッチ素子(Q1)がターンオフするタイミングで、整流スイッチ制御用スイッチ素子(Q7)を制御する整流スイッチ素子駆動回路(29または24の半分)を設けたことを特徴としている。
[2]前記スイッチング制御回路(23)の制御により前記主スイッチ素子(Q1)がターンオンするタイミングで、前記転流スイッチ素子(Q3)の制御端子の電圧を制御して該転流スイッチ素子(Q3)を強制オフする転流スイッチ素子駆動回路(28または24の半分)を設ける。
[3]前記転流スイッチ素子駆動回路(24の半分)は、前記トランスのいずれかの巻線に発生する電圧をAC電圧源として動作するものとする。
[4]前記整流スイッチ素子(Q2)の駆動用電力供給経路に対して直列にスイッチ素子(Q8)を設け、該スイッチ素子(Q8)を、前記主スイッチ素子(Q1)のオン・オフに同期してオン・オフさせるスイッチ素子制御回路(31)を設ける。
[5]前記主スイッチ素子(Q1)のオン・オフ信号を整流し、前記整流スイッチ素子(Q2)と前記転流スイッチ素子(Q3)のオフタイミングを同一信号ラインに乗せて伝達させるダイオードブリッジを、前記主スイッチ素子(Q1)のオン・オフ信号を伝達するパルストランス(T2)の2次側に設ける。
[6]前記パルストランス(T2)の1次−2次間に同一方向で前記主スイッチ素子(Q1)のオン・オフタイミング信号を発生させるダイオードブリッジを、前記主スイッチ素子(Q1)のオン・オフ信号を伝達するパルストランス(T2)の1次側に設ける。
[7]前記主スイッチ素子(Q1)のオン・オフ信号を伝達するパルストランス(T2)と主スイッチ素子(Q1)への制御信号用経路とを分離し、前記オン・オフ信号と主スイッチ素子(Q1)のオン制御信号の立ち上がりに遅延時間を設定する遅延回路(33)を設ける。
[8]前記トランス(T1)の補助巻線(N14)に対して直列に接続され、前記転流スイッチ素子(Q3)の制御端子に対する、前記トランス(T1)の補助巻線(N14)の起電圧の印加制御を行う第1・第2の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子(Q5・Q9)と、前記主スイッチ素子(Q1)のオン時に前記第1の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子(Q5)をオンする制御用スイッチ素子駆動回路(24)と、前記スイッチング制御回路(23)の制御停止状態を検知するとともに前記第2の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子(Q9)をオンする1次側制御停止検知回路(25)とを設けることによって、第1の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子(Q5)で前記転流スイッチ素子(Q3)のオフタイミングを制御し、第2の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子(Q9)で前記主スイッチ素子(Q1)のスイッチング停止時に転流スイッチ素子(Q3)のオン期間を制御する。
[9]前記トランス(T1)の2次巻線(N12)の一端から前記整流スイッチ素子(Q2)の制御端子への制御信号のオン時駆動電力供給経路に対して直列に接続された整流スイッチターンオン制御用スイッチ素子(Q8)と、前記スイッチング制御回路(23)の制御停止状態を検知するとともに前記整流スイッチターンオン制御用スイッチ素子(Q8)をオフする1次側制御停止検知回路(25)とを設けることによって、前記主スイッチ素子(Q1)のスイッチング停止時に、前記整流スイッチ素子(Q2)のオン期間を制限して該整流スイッチ素子(Q2)の同期整流を停止する。
[1]スイッチング制御回路23の制御により主スイッチ素子Q1がターンオフするタイミングで整流スイッチ素子Q2が強制オフされるので、トランスの2次側出力に通常電圧以上の電圧が発生した場合(逆流時)に、整流スイッチ素子Q2が強制オフされた時点で、整流スイッチ素子Q2と転流スイッチ素子Q3が共にオフする状態となり、チョークコイルL2と整流スイッチ素子Q2の出力容量との間で自由共振が生じる。この自由共振によりチョークコイルL2がリセットされる。その結果、トランスT1の3次巻線N13の誘起電圧が安定化し、出力端子間の出力電圧の制御が安定化する。また、トランスT1の励磁期間が増加しないため、トランスT1の各巻線の誘起電圧を信号として利用する回路に悪影響を与えない。
[2]転流スイッチ素子駆動回路によって、主スイッチ素子Q1のターンオフタイミングで転流スイッチ素子Q3の強制オフが行われると、転流スイッチ素子Q3がトランス電圧の反転と同時にターンオンしてトランスの2次巻線N12が短絡するといった現象を防ぐことができ、損失が低減できる。
[3]前記転流スイッチ素子駆動回路を、トランスT1のいずれかの巻線に発生する電圧をAC電圧源として動作するものとすることにより、主スイッチ素子Q1のターンオフ→逆流動作時の遅延時間発生(通常動作時は発生しない)→トランスのフライバック電圧の発生→転流スイッチ素子Q3のターンオン、となって、主スイッチ素子Q1のオフから転流スイッチ素子Q3のオンまでの間に遅延が発生するので特別な遅延回路が不要となる。
[4]整流スイッチ素子Q2の駆動用電力供給経路に対して直列に設けられたスイッチ素子Q8が、制御回路31によって主スイッチ素子Q1のオン・オフに同期してオン・オフすることにより、整流スイッチ素子Q2のゲート・ソース間容量の放電時に、Q2のゲート・ソース間を短絡するスイッチ素子Q7を設けても、トランスT1の2次巻線N12からの充電電流があるため、速やかな放電が行えないが、このように整流スイッチ素子Q2の駆動用電力供給経路に対して直列にスイッチ素子Q8を設け、そのスイッチ素子Q8で整流スイッチ素子Q2の駆動用電力供給経路を遮断することによって整流スイッチ素子Q2のオフを完全に行える。また、整流スイッチ素子Q2のゲートには整流スイッチ素子Q2と転流スイッチ素子Q3の同時オフ時に共振電圧が発生し、整流スイッチ素子Q2が再びオンしようとするが、オフ状態の上記スイッチ素子Q8によって整流スイッチ素子Q2の駆動用電力供給経路が遮断されるため、再度整流スイッチ素子Q2がオンすることはなく逆流防止特性が向上する。
[5]主スイッチ素子Q1のオン・オフ信号をパルストランスT2の2次側でダイオードブリッジを用いて整流し、整流スイッチ素子Q2と転流スイッチ素子Q3のオフタイミングを同一信号ラインに載せてパルストランスT2の1次−2次間を伝達するようにしたことにより、単一のパルストランスを用いて整流スイッチ素子Q2と転流スイッチ素子Q3の制御が可能となる。
[6]主スイッチ素子Q1のオン・オフ信号を伝達するパルストランスT2の1次側に、パルストランスT2の1次−2次間に同一方向で主スイッチ素子Q1のオン・オフタイミング信号を発生させるダイオードブリッジを設けたことにより、パルストランスの2次側にダイオードブリッジを設けた場合のような、そのスイッチ特性によって(バイポーラトランジスタの使用等)、パルストランスの自由振動によるノイズでオフタイミングに同期させるスイッチがオンタイミング時に誤動作するおそれがない。また、同一方向に信号電圧を発生させることにより、信号反転用の回路も不要となる。
[7]遅延回路33によって、主スイッチ素子Q1のオン・オフ信号を伝達するパルストランスT2と主スイッチ素子Q1への制御信号用経路とを分離し、前記オン・オフ信号と主スイッチ素子Q1のオン制御信号の立ち上がりに遅延時間が設定されることによって、整流スイッチ素子Q2と転流スイッチ素子Q3の制御をそれぞれパルストランスを用いて行う場合に比べて整流スイッチ素子Q2と転流スイッチ素子Q3の同時オンをより確実に防止でき損失が低減できる。
[8]トランスT1の補助巻線N14に対して直列に接続され、転流スイッチ素子Q3の制御端子に対する、トランスT1の補助巻線N14の起電圧の印加制御を行う第1・第2の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5・Q9と、主スイッチ素子Q1のオン時に第1の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5をオンする制御用スイッチ素子駆動回路24と、スイッチング制御回路23の制御停止状態を検知するとともに第2の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q9をオンする1次側制御停止検知回路25とを設けることによって、第1の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5で転流スイッチ素子Q3のオフタイミングを制御し、主スイッチ素子Q1のスイッチング停止時に、第2の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q9で転流スイッチ素子Q3のオン期間を制御するようにしたことにより、主スイッチ素子Q1のスイッチング停止時に生じる自励発振の発振周波数の低下が抑制でき、その結果、整流スイッチ素子Q2および転流スイッチ素子Q3のストレスが軽減できる。
[9]トランスT1の2次巻線N12の一端から整流スイッチ素子Q2の制御端子への制御信号のオン時駆動電力供給経路に対して直列に接続された整流スイッチターンオン制御用スイッチ素子Q8と、スイッチング制御回路23の制御停止状態を検知するとともに整流スイッチターンオン制御用スイッチ素子Q8をオフする1次側制御停止検知回路25とを設けることによって、主スイッチ素子Q1のスイッチング停止時に、整流スイッチ素子Q2のオン期間を制限して該整流スイッチ素子Q2の同期整流を停止するようにしたことにより、主スイッチ素子Q1のスイッチング停止時にも、自励発振が停止し、逆流が完全に停止できる。
特許文献1に係るコンバータの構成を示す回路図である。 第1の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図である。 第2の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図である。 同コンバータの主要部の波形図である。 第3の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図である。 同コンバータの主要部の波形図である。 第4の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図である。 同コンバータの主要部の波形図である。 第5の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図である。 同コンバータの主要部の波形図である。 第6の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図である。 第7の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図である。 同コンバータの主要部の波形図である。 第8の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図である。 第9の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図である。
符号の説明
T1−主トランス
21−入力端子
22−3次整流平滑回路
23−スイッチング制御回路
24−制御用スイッチ素子駆動回路
25−1次側制御停止検知回路
26−制御電圧信号生成回路
27−1次側制御停止時制御回路
28,30−転流スイッチ素子駆動回路
29−整流スイッチ素子駆動回路
31−スイッチ素子制御回路
32−出力端子
33−遅延回路
Q1−主スイッチ素子
Q2−整流スイッチ素子
Q3−転流スイッチ素子
Q5,Q9−転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子
Q6−制御用スイッチ素子
Q7−整流スイッチ制御用スイッチ素子
Q8−制御用スイッチ素子
N1−1次巻線
N2−2次巻線
N3−3次巻線
N4−補助巻線
L1,L2−チョークコイル
C1−平滑コンデンサ
《第1の実施形態》
第1の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの構成について図2を基に説明する。
図2は、一部をブロック化および記号化した同期整流型フォワードコンバータの回路図である。図2に示すように、主トランスT1には1次巻線N11、2次巻線N12、3次巻線N13を備えている。1次巻線N11には直列に主スイッチ素子Q1を接続し、入力端子21(21a,21b)の間にコンデンサを接続している。主トランスT1の2次巻線N12には直列にチョークコイルL2および整流スイッチ素子Q2を接続し、出力端子32(32a,32b)の間には平滑コンデンサC1を接続している。また、チョークコイルL2と平滑コンデンサC1とともにループを構成し、チョークコイルL2の励磁エネルギの放出時の転流経路となる位置に転流スイッチ素子Q3を設けている。転流スイッチ素子Q3の制御端子には、主トランスT1の2次巻線N12に発生する信号を遅延させて転流スイッチ素子Q3を駆動する転流スイッチ素子駆動回路28を設けている。
主トランスT1の3次巻線N13には、ダイオードD1,D2、チョークコイルL1、コンデンサC2からなる3次整流平滑回路22を接続している。スイッチング制御回路23は、3次整流平滑回路22の出力を電源としておよび出力電圧検出信号として入力し、主スイッチ素子Q1に対してスイッチング制御信号を出力する。
整流スイッチ素子Q2の制御端子には、主トランスT1の2次巻線N12の起電圧を印加するように回路を構成している。また、この整流スイッチ素子Q2の制御端子には、その制御電圧を制御する整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7を接続している。整流スイッチ素子駆動回路29は、スイッチング制御回路23から出力される主スイッチ素子Q1に対するスイッチング制御信号を入力し、それに同期するタイミングで整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7を制御する。
図2に示した同期整流型フォワードコンバータの動作は次のとおりである。
〈通常動作〉
先ず、スイッチング制御回路23から主スイッチ素子Q1のゲートへ印加される電圧によって主スイッチ素子Q1がオンする。このQ1のオンにより主トランスT1の1次巻線N11に電流が流れる。これに伴い、2次巻線N12の起電圧によって整流スイッチ素子Q2がオンして、N12→C1→L2→Q2→N12の経路で電流が流れ、C1が充電されると共にL2に励磁エネルギが蓄積される。この時、転流スイッチ素子駆動回路28は、転流スイッチ素子Q3をオンすることがなく、Q3はオフのままである。
スイッチング制御回路23の制御により主スイッチ素子Q1がターンオフすると、2次巻線N12の起電圧が反転してQ2の制御端子電圧が反転するのでQ2がターンオフする。また、転流スイッチ素子駆動回路28は、このトランス電圧の反転タイミングから一定時間遅延して転流スイッチ素子Q3をターンオンする。これにより、L2→Q3→C1→L2の経路で転流が生じる。
上記主スイッチ素子Q1のオン・オフによって上記整流と転流を繰り返す。
〈出力側からの過電圧印加(逆流)時〉
出力から通常動作電圧以上の異常電圧が印加された場合や、出力負荷の過渡急変時に出力に過大な電圧が発生した場合、何の手立ても施さないと、チョークコイルL2が通常動作時より過大に励磁される。
そこで、主スイッチ素子Q1のオフに同期して整流スイッチ素子Q2を強制オフする。これにより、整流スイッチ素子Q2と転流スイッチ素子Q3が共にオフしている状態となり、チョークコイルL2と整流スイッチ素子Q2の出力容量との間で自由共振が生じる。この自由共振によりチョークコイルL2がリセットされる。従ってトランスT1の3次巻線N13の誘起電圧が安定化する。
その結果、3次整流平滑回路22の出力電圧が一定となるようにQ1のオン(主トランスT1のオン)期間を制御することで出力電圧の安定した制御が可能となる。
また、トランスの励磁期間が増加しないことによって、トランスT1の巻線を利用して転流スイッチ素子Q3を駆動した場合に、1次側のスイッチング制御回路23による制御と2次側のチョークコイルL2の励磁による制御が混在する異常発振(1次側のスイッチング制御回路23が安定動作していても2次側が異常発振しているような状態)の発生を止めることができる。
さらに、スイッチング制御回路23の制御範囲を超えてトランスのオン期間が広がることがなく、主トランスT1の励磁状態がリセットできなくなって、主スイッチ素子Q1のドレイン電圧に過大な電圧が発生して主スイッチ素子Q1へストレスが掛かるという問題も解消できる。
具体的には次のように作用する。
出力に通常動作電圧Vo以上の異常電圧Vabが生じた場合、Q3オン時にチョークコイルL2に異常電圧が印加され励磁される。この実施形態のようなチョークインプット整流のフォワードコンバータでは、主トランスT1のオンデューティ比をD、主トランスT1の1次巻線N11の巻数をn1、主トランスT1の2次巻線N12の巻数をn2、主トランスT1の3次巻線の巻数をn3、2次出力電圧をVo、3次出力電圧をVt、入力電圧をVinとすると、通常以下の式が成立する。
Vo=(n2/n1)×D×Vin …(1)
Vt=(n3/n1)×D×Vin …(2)
異常電圧が発生した場合、スイッチング周期をT、定格出力電圧をVocとすると、チョークコイルL2には次式で示す磁束密度ΔBが発生する。
ΔB=Vab(1−D)/T>ΔBc=Voc(1−D)/T …(3)
ここで、ΔBcは定格電圧出力時のチョークコイルL2に生じる磁束密度の変化量である。
このΔBをトランスのオン期間にリセットする必要があるが、定格電圧時のリセット電圧をVl2rcとすると、トランスオン期間でのチョークコイルL2の電圧は入力電圧Vinと出力の異常電圧Vabで抑制され、チョークコイルリセット電圧Vl2rは
Vl2r=(n2/n1)×Vin−Vab<Vl2rc …(4)
の関係となる。
ΔBのリセットに要する時間をtl2r、通常動作時のリセット期間をtl2rcとすると、
tl2r=ΔB/Vl2r>tl2rc=ΔBc/Vl2rc
の関係となり、通常のトランスオン期間より長くなる。この動作は2次のトランス巻線を整流スイッチ素子Q2の駆動に使用した場合に共通であり、整流スイッチ素子Q2のオフが1次側のスイッチング制御回路により制御されていないことに起因する。
上記構成では、整流スイッチ素子Q2が主スイッチ素子Q1と同時にオフし、2次側のチョークコイルL2と整流スイッチ素子Q2の出力容量(スイッチに対して並列に存在する寄生容量)で自由共振現象を起こし、上記ΔBをtl2rより短い期間でリセットすることができる。上記自由共振の共振周波数の半周期TresがD・T>Tresとなる場合は、チョークコイルL2の励磁によるトランスのオン期間の増加を防ぐことができ、スイッチング制御回路23からの出力パルスは短くなるが、トランスのオン期間は延びず、3次巻線N13の電圧が上昇しない状態で制御が行われる。
《第2の実施形態》
次に、第2の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの構成について図3・図4を基に説明する。
図3は第2の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図、図4はその主要部の波形図である。
図3に示すように、スイッチング制御回路23は、3次整流平滑回路22からの出力を電源として動作し、且つ抵抗R2,R3による分圧電圧を入力するスイッチング制御用IC230を備えている。このスイッチング制御用IC230は、パルストランスT2の1次巻線N21を通して主スイッチ素子Q1のゲートへスイッチング制御信号を出力する。その際、入力した上記分圧電圧と基準電圧とに基づいて、上記分圧電圧が基準電圧と一致するように主スイッチ素子Q1をPWM制御する。パルストランスT2の1次巻線N21にはパルストランスT2の励磁リセット用のダイオードD6を接続している。
整流スイッチ素子Q2のドレイン・ソース間には並列ダイオードD3を接続している。整流スイッチ素子Q2のゲートには、主トランスT1の2次巻線N12の起電圧を、コンデンサC4を介して印加するようにコンデンサC4を接続している。この整流スイッチ素子Q2のゲート・ソース間には整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7を接続している。また、同じく整流スイッチ素子Q2のゲート・ソース間に、整流スイッチ素子Q2のゲートに負電位が掛からないようにグランド電位に保持するダイオードD4を接続している。
転流スイッチ素子Q3のゲートには転流スイッチ素子駆動回路28を接続している。この転流スイッチ素子駆動回路28はドライバIC280とダイオード・抵抗回路281を備えていて、主トランスT1の2次巻線N12に生じる信号に基づいて転流スイッチ素子Q3を制御する。
パルストランスT2の2次巻線N22には信号振幅調整用の抵抗R1を接続するとともに、整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7のゲートへ制御信号を与えるように構成している。このパルストランスT2、ダイオードD6,抵抗R1によって整流スイッチ素子駆動回路29を構成している。
上記整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7はゲートが通常グランドレベルになっているためオフ状態である。スイッチング制御回路23から主スイッチ素子Q1をオフする信号が出る時(Q1のゲートに印加される信号の立ち下がりタイミング)だけパルストランスT2を介して伝達されるパルスによって、この整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7がオンする。このQ7のオンによって整流スイッチ素子Q2のゲート電圧がグランドに落ちてQ2は強制的にターンオフする。これによって逆流時にもQ1のオフと同期してQ2が強制オフするようになる。
図4の(A)は、図3に示したチョークコイルL2の両端電圧の変化を示している。また図4の(B)は、図3における整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7を設けなかった場合の(従来の)チョーク回路L2の両端電圧の変化の例を示している。ここでToutは出力による励磁期間、Tonは整流スイッチ素子Q2のオン期間(=主スイッチ素子Q1のオン期間)、Toffは整流スイッチ素子Q2および転流スイッチ素子Q3のオフ期間である。図中のハッチング部分が正負で同一面積となる時に励磁状態のリセットが完了することになる。すなわち、Ton+Toff(=Tr)がチョークコイルL2のリセット期間である。
上記Q2のオン期間Tonの電圧Voutは出力電圧(この電圧は外部印加電圧のために固定されている。)である。また、電圧Voは、主トランスT1の1次巻線N11,2次巻線N12の巻数をそれぞれn11,n12とし、入力電圧をVinとした時、
Vo=(n12/n11)Vin
の関係にある電圧である。
一方、図4の(B)に示すように、逆流時に整流スイッチ素子Q2が主スイッチ素子Q1のオフと同期してオフしない場合には、チョークコイルL2のリセット期間Tr′が長くなってしまう。そのため、前述したとおりトランス励磁期間が延びず、3次巻線N13の電圧が上昇しない状態で、1次側のスイッチング制御回路23の制御が行われる。その結果、3次整流平滑回路22の出力電圧が一定となるようにQ1のオン(主トランスT1のオン)期間を制御することで出力電圧の安定した制御が可能となる。また、異常発振の発生を止めることができる。さらに、スイッチング制御回路23の制御範囲を超えてトランスのオン期間が広がって主トランスT1の励磁状態がリセットできなくなることによる主スイッチ素子Q1のストレスの問題も解消できる。
《第3の実施形態》
次に、第3の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの構成について図5・図6を基に説明する。
図5は第3の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図、図6はその主要部の波形図である。
図5に示すように、転流スイッチ素子Q3のゲートには、主トランスT1の補助巻線N14の一端を接続し、この補助巻線N14の他端には、転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5を接続している。この転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5のドレイン・ソース間には転流スイッチ素子Q3ゲート電圧調整用の抵抗R12およびQ3のゲート電圧調整用のツェナーダイオードZD1を接続している。
パルストランスT3の2次巻線N32にはパルストランスT2の出力電圧調整用の抵抗R4を接続するとともに、パルストランスT3の2次巻線N32の一端を転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5のゲートに接続している。パルストランスT3の1次巻線N31には励磁リセット用のダイオードD7を接続するとともに、パルストランスT2の1次巻線N21に対して直列に接続している。このパルストランスT3、ダイオードD7、抵抗R4によって転流スイッチ素子駆動回路30を構成している。
その他の構成・作用は図3に示したものと同様である。
主スイッチ素子Q1のオフタイミング信号は、図3に示した場合と同様にパルストランスT2で2次側に伝達され、整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7をオンして整流スイッチ素子Q2をオフするので、図3に示した場合と同様に、3次整流平滑回路22の出力電圧が一定となるようにQ1のオン期間を制御することで出力電圧の安定した制御が可能となる。また、異常発振の発生を止めることができる。さらに、スイッチング制御回路23の制御範囲を超えてトランスのオン期間が広がって主トランスT1の励磁状態がリセットできなくなることによる主スイッチ素子Q1のストレスの問題も解消できる。
しかも、この図5に示した例では、主スイッチ素子Q1のオンタイミング信号をパルストランスT3で2次側に伝達し、転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5をQ1と同期してオフする。そのため、Q1のオン時に、N12→Q3→D3の経路で生じる短絡電流が、Q3のターンオフにより抑制でき、損失が低減できる。
また、主トランスT1の補助巻線N14を転流スイッチ素子Q3の駆動に用いることによって、主トランスT1のトランス電圧反転時のQ2,Q3同時オフ期間を遅延回路なしで実現できる。図6はその作用を示す波形図である。
図6において、(a)はQ1のゲート・ソース間電圧、(b)はQ1のドレイン・ソース間電圧、(c)はN32の両端電圧、(d)はN22の両端電圧、(e)はN12の両端電圧、(f)はQ2のゲート・ソース間電圧、(g)はQ3のゲート・ソース間電圧、(h)はQ3のドレイン・ソース間電圧である。この図6の特に(g),(h)において波形Wdで示すように、Q2,Q3の同時オフ期間にQ3のドレイン・ソース間電圧は、チョークコイルL2とQ2,Q3の並列容量との共振により定まる共振(自由共振)波形となる。また、Q3のゲートに発生する電圧波形は入力電圧にクランプされたトランスT1の電圧で0V以下となるため、Q3のゲートスレショルド電圧に上昇するまでの時間、Q3はオフされる。従って、主トランスT1のトランス電圧反転時のQ2,Q3同時オフ期間を遅延回路なしで実現できる。
《第4の実施形態》
次に、第4の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの構成について図7・図8を基に説明する。
図7は第4の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの回路図、図8はその主要部の波形図および信号の流れを示している。
パルストランスT2の2次巻線N22にはダイオードD8,D9によるダイオードブリッジを設けている。このパルストランスT2とダイオードD8,D9によって制御用スイッチ素子駆動回路24を構成している。この制御用スイッチ素子駆動回路24は、図5に示した整流スイッチ素子駆動回路29と転流スイッチ素子駆動回路30の両方の機能を持ったものである。すなわち、パルストランスT2の1次側のリセット用ダイオードを削除し、代わりにクランプ用のダイオードD11,D12を設けるとともに、パルストランスT2の2次側にダイオードD8,D9からなるダイオードブリッジを設けている。ダイオードD11,D12はパルストランスT2のオン・オフ時の励磁をリセットする。
この構成によって、主スイッチ素子Q1のオン信号とオフ信号をパルストランスT2の2次側で分離し、単一のパルストランスを用いて、整流スイッチ素子Q2のオフタイミングと転流スイッチ素子Q3のオフタイミングを制御する。
整流スイッチ素子Q2のゲートには、主トランスT1の2次巻線N12の起電圧を、コンデンサC4および制御用スイッチ素子Q8を介して印加するように構成している。制御用スイッチ素子Q8はQ7オン時にオフし、主トランスT1の2次巻線N12→C4→Q7を介して流れる電流を防止し、Q7の損失を低減する。この制御用スイッチ素子Q8のドレインと転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5のドレインとの間には、抵抗R10,R7,R8、コンデンサC5、ダイオードD5、ツェナーダイオードZD2からなるスイッチ素子制御回路31を設けている。
上記制御用スイッチ素子Q8は、ダイオードD5を介して入力される電流でそのゲート・ソース間容量を充電することによってオンする。ダイオードD5はQ8からQ3への逆流を防止する。ダイオードD15はコンデンサC4の放電経路として作用する。ツェナーダイオードZD1はQ3のゲート電圧を調整するために設けている。ツェナーダイオードZD2はQ2のゲート電圧の上限を制限してQ2を保護する。抵抗R5,R6はQ5,Q7のゲートインピーダンス調整用抵抗、R7,R8はQ8のゲート電圧調整用抵抗である。
なお、抵抗R8に対して並列にツェナーダイオードZD2を接続したので、Q2のゲート電圧を一定値以内に保つことができるが、Q2が正常に動作する条件であればこのツェナーダイオードZD2は必須ではない。また、コンデンサC5,抵抗R10の部分は、ダイオードD5を介して入力される電流が不十分な時にそれを補うためのものであり、これも必須ではない。
上記ダイオードD8,D9によるダイオードブリッジ回路の作用は図8に示すとおりである。図8中の(1)はQ1オン時の信号電圧極性、(2)はQ1オフ時の信号電圧極性を示している。図8においてICVccはスイッチング制御用IC230の電源電圧、ICoutはパルストランスT2の1次巻線N21の一端の電圧である。またQ7のゲートにはQ1のオフタイミング信号が印加され、Q5のゲートにはQ1のオンタイミング信号が印加される。
図8に示すように、主スイッチ素子Q1のゲートとグランド間に接続したダイオードD12と、Q1のゲートと3次整流平滑回路22の出力端子間に接続したダイオードD11と、によってパルストランスT2の自由共振がクランプされる。そのため、Q7のゲートに印加されるQ1のオフタイミング信号、Q5のゲートに印加されるQ1のオンタイミング信号のいずれについても、パルストランスT2の自由共振による振動(図中破線で示す波形部分)が、Q5,Q7のスレショルド電圧を超えることがなく誤動作を防止される。なお、図中のVfはダイオードの順方向降下電圧である。
《第5の実施形態》
次に、第5の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの構成について図9・図10を基に説明する。
図9はその回路図、図10はその主要部の波形図である。
この例ではパルストランスT2の1次側に、ダイオードD7〜D10からなるダイオードブリッジを設けている。パルストランスT2の2次巻線N22には抵抗R4を接続している。このダイオードD7〜D10、パルストランスT2、抵抗R4によって制御用スイッチ素子駆動回路24を構成している。
また、整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7のゲート・ソース間に制御用スイッチ素子Q6を接続している。そして、整流スイッチ制御用スイッチ素子Q7のゲートに、信号分流用のコンデンサC3を介してパルストランスT2の2次側の信号を印加するように構成している。また、制御用スイッチ素子Q8のゲートと転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5のドレインと間にスイッチ素子制御回路31を設けるとともに、Q5のドレインから取り出した信号を抵抗R7,R5により分圧し、これをQ6のゲートに印加するように構成している。ダイオードD5はQ6,Q8のゲート・ソース間容量へのピークチャージ用に設けている。このダイオードD5はQ3のゲート側に挿入してもよい。
このようにパルストランスT2の1次側にダイオードブリッジを設けることによって、パルストランスT2の2次側にQ1のオンタイミングとオフタイミングで同じ信号が現れる。Q5はQ1のオフタイミング、Q7はQ1のオンタイミングを利用する。Q5は元々Q1のオフタイミングにおいてボディダイオードを介して導通するために、Q1のオフタイミングでオンするようになっても問題とはならない。一方、Q1のオンタイミングでQ7がオンすることによってQ2がオフしてしまうと問題であるので、Q1のオンタイミングでQ6をオンすることによって、Q7のゲートへのQ1オンタイミング信号をマスクするようにしている。その他の構成・作用は図7に示したものと同様である。
なお、Q8を駆動するスイッチ素子制御回路31には、図7に示した場合と同様にコンデンサC5および抵抗R10を設けてもよい。
図10に示すように、スイッチング制御用IC230から出力される信号の立ち上がりでダイオードD10→N21→D8→Q1の経路で電流が流れ、スイッチング制御用IC230の立ち下がりでQ1→D9→N21→D7の経路で電流が流れ、パルストランスT2の2次側には図に示すような信号が表れる。Q1のゲート電圧の立ち上がりタイミングでQ6がオンするので、図10に示すようにQ7のゲート電圧へのN22出力がマスクされてQ7のオン(すなわちQ2のオフ)が防止される。
《第6の実施形態》
次に、第6の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの構成について図11を基に説明する。
図11はその回路図である。第2の実施形態として図3に示した回路と異なるのは、転流スイッチ素子駆動回路28の構成と、主スイッチ素子Q1のゲートに接続されている回路の構成である。この図11に示す例では、パルストランスT2の1次巻線N21の信号を直接Q1のゲートに印加せずに(パルストランスT2とQ1への制御信号用経路とを分離し)、制御用ICを含む遅延回路33を介して印加するように構成している。このような構成であっても、Q2とQ3の同時オンを防ぐことができるため、損失が低減できる。
転流スイッチ素子駆動回路28は抵抗R2、コンデンサC3、ドライバIC280からなり、主トランスT1の2次巻線N12の起電圧信号の波形整形および遅延行う。この転流スイッチ素子駆動回路28も設けたことにより、Q2とQ1のオフ時間遅延を独立して調整可能となる。なお、このオン・オフの遅延時間を調整する回路としては、PNPトランジスタ、NPNトランジスタで構成されるトーテムポール回路に遅延時間設定用コンデンサ、ダイオード、抵抗を用いた回路をドライバIC280の出力部に設けることによって構成してもよい。
《第7の実施形態》
次に、第7の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの構成について図12・図13を基に説明する。
図12はその回路である。図7に示した回路と異なるのは、スイッチ素子制御回路31の構成と、パルストランスT2の2次側からQ7のゲートに対する信号経路の構成である。図12に示す例では、Q8のゲートに抵抗R10、コンデンサC5からなる遅延回路を設けている。この遅延回路により、整流スイッチ素子Q2のオンタイミングですぐにQ8がオンしないようにして、トランス電圧から遅延してQ2をオンするように構成している。そのため、Q2に発生するサージ電圧を低減できる。
図13はその作用を示す波形図である。この図13の(a)はQ1のゲート・ソース間電圧、(b)はQ1のドレイン・ソース間電圧、(c)はQ5のゲート電圧、(d)はQ7のゲート電圧、(e)はN12の両端電圧、(f)はQ2のゲート・ソース間電圧、(g)はQ3のゲート・ソース間電圧、(h)はQ3のドレイン・ソース間電圧である。この図13の特に(h)で示すように、Q2,Q3同時オフ期間でのQ3のドレイン・ソース電圧の共振波形Wdが(f)で示すようにQ2のゲートに印加されようとするが、この時Q7がオンしているため、実際にはQ2のゲートに上記共振波形Wdが印加されることはない。
《第8の実施形態》
次に、第8の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータの構成について図14を基に説明する。
図14はその回路図である。パルストランスT2の2次側にはダイオードD8,D9によるダイオードブリッジを設けるとともに、ダイオードD14、コンデンサC6、抵抗R13および転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q9からなる1次側制御停止検知回路25を設けている。上記D14,C6,R13は整流平滑回路を構成していて、1次側のスイッチング制御回路23のスイッチング制御が停止すれば、パルストランスT2の2次巻線N22に電圧が発生しなくなるため、C6の電荷がR13を通して放電し続け、Q9のゲート電圧が低下することにより、Q9がオンする(Q9はデプレッション型のpチャンネルMOS−FETである。)Q9のオンにより、Q8のゲートがグランドレベルになってQ8はオフする。それによってQ2がオフするので自励発振が停止する。
その他の構成・作用は図7に示したものと同様である。
《第9の実施形態》
次に第9の実施形態に係る同期整流型フォワードコンバータについて図15を基に説明する。
図14の場合と同様に、この図15に示す回路も、パルストランスT2の2次側にダイオードD14、コンデンサC7、抵抗R13、転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q9からなる1次側制御停止検知回路25を設けている。但し、Q9のソースをQ5のドレインに接続している。スイッチング制御回路23の制御停止によってQ9がオンすると、このQ9がQ5のドレイン・ソース間を短絡する。その他の構成・作用は図12に示したものと同様である。
このように1次側制御が停止したときに転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子Q5を短絡することにより、転流スイッチ素子Q3のオン期間がトランス共振周期に制限され、チョークコイルL2の励磁期間が制限されることにより、自励発振時の発振周波数の低下が抑制できる。

Claims (9)

  1. 1次巻線、2次巻線、3次巻線をそれぞれ備えたトランスと、該トランスの1次巻線に直列に接続した主スイッチ素子と、前記トランスの2次巻線に対して直列に接続したチョークコイルと、出力端子間に並列に接続した平滑コンデンサと、前記トランスの2次巻線に対して直列に接続され、前記主スイッチ素子のオン・オフに同期してオン・オフする整流スイッチ素子と、前記主スイッチ素子のオンに同期してオフし、オンによって前記チョークコイルの励磁エネルギの放出経路を構成する転流スイッチ素子と、前記トランスの3次巻線の誘起電圧により前記出力端子間の出力電圧を間接的に検出する出力電圧検出回路と、前記主スイッチ素子のスイッチング制御を行うスイッチング制御回路と、を備えた同期整流型フォワードコンバータにおいて、
    前記整流スイッチ素子の制御端子の電圧を制御して該整流スイッチ素子を強制オフする整流スイッチ制御用スイッチ素子と
    記スイッチング制御回路の制御により前記主スイッチ素子がターンオフするタイミングで前記整流スイッチ素子を強制オフするように、前記主スイッチ素子をターンオフさせるオフ制御信号によって前記整流スイッチ制御用スイッチ素子を制御する整流スイッチ素子駆動回路と、
    前記主スイッチ素子がターンオフするタイミングから遅延して前記転流スイッチ素子をターンオンするように、前記転流スイッチ素子の制御端子の電圧を制御する転流スイッチ素子駆動回路と、を設けた同期整流型フォワードコンバータ。
  2. 前記転流スイッチ素子駆動回路は、前記スイッチング制御回路の制御により前記主スイッチ素子がターンオンするタイミングで、前記転流スイッチ素子の制御端子の電圧を制御して該転流スイッチ素子を強制オフするものである請求項1に記載の同期整流型フォワードコンバータ。
  3. 前記転流スイッチ素子駆動回路は、前記トランスのいずれかの巻線に発生する電圧をAC電圧源として動作するものである請求項2に記載の同期整流型フォワードコンバータ。
  4. 前記整流スイッチ素子の駆動用電力供給経路に対して直列にスイッチ素子を設け、該スイッチ素子を、前記主スイッチ素子のオン・オフに同期してオン・オフさせるスイッチ素子制御回路を設けた請求項1〜3のいずれか1項に記載の同期整流型フォワードコンバータ。
  5. 前記主スイッチ素子のオン・オフ信号を整流し、前記整流スイッチ素子と前記転流スイッチ素子のオフタイミングを同一信号ラインに乗せて伝達させるダイオードブリッジを、前記主スイッチ素子のオン・オフ信号を伝達するパルストランスの2次側に設けた請求項3に記載の同期整流型フォワードコンバータ。
  6. 前記パルストランスの1次−2次間に同一方向で前記主スイッチ素子のオン・オフタイミング信号を発生させるダイオードブリッジを、前記主スイッチ素子のオン・オフ信号を伝達するパルストランスの1次側に設けた請求項3に記載の同期整流型フォワードコンバータ。
  7. 前記主スイッチ素子のオン・オフ信号を伝達するパルストランスと主スイッチ素子への制御信号用経路とを分離し、前記オン・オフ信号と主スイッチ素子のオン制御信号の立ち上がりに遅延時間を設定する遅延回路を設けた請求項1に記載の同期整流型フォワードコンバータ。
  8. 前記トランスの補助巻線に対して直列に接続され、前記転流スイッチ素子の制御端子に対する、前記トランスの補助巻線の起電圧の印加制御を行う第1・第2の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子と、
    前記主スイッチ素子のオン時に前記第1の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子をオンする制御用スイッチ素子駆動回路と、
    前記スイッチング制御回路の制御停止状態を検知するとともに前記第2の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子をオンする1次側制御停止検知回路とを設け、
    第1の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子で前記転流スイッチ素子のオフタイミングを制御し、第2の転流スイッチターンオフ制御用スイッチ素子で前記主スイッチ素子のスイッチング停止時に転流スイッチ素子のオン期間を制御するようにした請求項5に記載の同期整流型フォワードコンバータ。
  9. 前記トランスの2次巻線の一端から前記整流スイッチ素子の制御端子への制御信号のオン時駆動電力供給経路に対して直列に接続された整流スイッチターンオン制御用スイッチ素子と、
    前記スイッチング制御回路の制御停止状態を検知するとともに前記整流スイッチターンオン制御用スイッチ素子をオフする1次側制御停止検知回路とを設け、
    前記主スイッチ素子のスイッチング停止時に、前記整流スイッチ素子のオン期間を制限し、該整流スイッチ素子の同期整流を停止するようにした請求項5に記載の同期整流型フォワードコンバータ。
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