JP4716596B2

JP4716596B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP4716596B2
Application number: JP2001106829A
Authority: JP
Inventors: 浩之芳賀
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2001-04-05
Filing date: 2001-04-05
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2021-04-05
Also published as: JP2002315338A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、負荷急変に対する高速応答性に優れ、低電圧大電流出力に向いた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】
低電圧出力のスイッチング電源では、変換効率向上のために同期整流方式を適用する例が多いが、例えばフォワードコンバータの場合、いくつかの問題点が存在する。
【０００３】
第一の問題点として、貫通電流の問題がある。
トランスが励磁されているときに、フライホイール側のスイッチ素子が導通していると、電流を阻止する素子がなくなり、入力電源を短絡することになる。このときに流れる電流が貫通電流であり、貫通電流が流れると素子にストレスを与え、変換効率が低下する問題がある。
これを避けるために、フライホイール側のスイッチ素子は、トランスが励磁されるタイミングより早めに非導通とする、いわゆるデッドタイムを設ける必要がある。しかしながらデッドタイムの設定を長くしすぎると、同期整流方式のメリットが薄れて変換効率の低下を招き、短くしすぎると部品のばらつきで貫通電流が流れる危険性が増大する。
この問題は、低電圧大電流出力のスイッチング電源で特に顕著にあらわれる。
以上のように、貫通電流を避けつつ変換効率の低下を最小限におさえる、最適なデッドタイムの設定が困難である問題があった。
【０００４】
第二の問題点として、負荷急変に対する高速応答性という観点から見ると、チョークの励磁期間に制約がある問題がある。
負荷電流が急変したときに出力電圧の変動を最小限に抑えるためには、チョーク電流は負荷電流に速やかに追従しなくてはならない。これは、（負荷電流−チョーク電流）が出力コンデンサから流れ出すことから明らかである。
図８は負荷電流(A)と、それに対する理想のチョーク電流(B)を示した波形である。これはチョークが励磁されるデューティを100%とした場合の波形である。また、制御回路の遅れはないものとしている。
しかしながら、フォワードコンバータではトランスの励磁期間とチョークの励磁期間が等しいため、トランスの制約条件からチョークが励磁されるデューティを100%とする事はできない。トランスが飽和する危険性があること、スイッチ素子の印加電圧が増大することから、５０〜６０％が実用的な最大デューティである。
したがって、実際のチョーク電流動作は(C)に示すような波形となる。理想波形(B)と比べると、明らかに応答が遅れていることがわかる。
以上のように、チョークが励磁されるデューティに制約があるため、負荷急変に対する高速応答性にも制約がある問題があった。
【０００５】
第三の問題として、大電流出力の場合、チョークが大型化する問題がある。これはリップル分を除き、出力電流とチョーク電流が等しいためである。
近年、マイクロプロセッサの電源電圧は低下の一途をたどり、かつ消費電流は増加傾向にあるため、チョークとしても大電流が流せるものが必要となってきた。しかしながら一方で小型化の要求もあるわけだが、チョークを無理に小型化すると、直流抵抗が増えて導通損失が増大するため、チョークが大型化する傾向があった。
【０００６】
第四の問題として、出力から入力へエネルギーが逆流する問題がある。これは同期整流により、チョーク電流がマイナスになる状態が成立するためである。
エネルギーの逆流があると、並列運転時に問題が発生する場合がある。例えば、同期整流化したフォワードコンバータを並列運転する場合、出力電圧の設定に差があると、設定電圧の高いものから低いものにエネルギーが流れ込み、設定電圧の低いコンバータでは、出力から入力にエネルギーが流れるようになる。各コンバータの入力に保護用のヒューズがあり、逆流しているコンバータのヒューズが何らかの原因により切れた場合、そのコンバータは破損する。これはエネルギーの行き場がなくなって、一次側の電圧が上昇する為である。
上記のような問題を避けるため、例えば軽負荷では同期整流用スイッチ素子の駆動をやめるなど、保護回路を追加する必要があった。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、前記の問題点を解決する回路方式を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
入力電源に並列に第一のトランスの一次巻線と第一のスイッチ素子の直列回路を接続し、前記第一のトランスの二次巻線に並列に第一の整流素子と第一のコンデンサの直列回路を接続し、前記第一のコンデンサに並列に負荷を接続したスイッチング電源装置において、前記第一のトランスの一次巻線に直列に第一のチョークを挿入し、前記第一のチョークに並列に第二の整流素子と第二のトランスの一次巻線と第二のスイッチ素子の直列回路を接続し、前記第二のトランスの二次巻線と第三の整流素子の直列回路を前記第一のコンデンサと並列に接続する事により課題を解決する。
同期整流にする場合は、第一の整流素子と第三の整流素子にそれぞれ並列にスイッチ素子をつければよい。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の基本回路構成を図１に示す。スイッチ素子１１がパルス幅制御を行う為のメインスイッチである。スイッチ素子１２はチョーク２のリセット電流を流すルートとトランス３２のリセット条件を確保するための補助スイッチである。
スイッチ素子１２はオン幅固定でよい。ただし動作条件としては、スイッチ素子１１がオフの時はスイッチ素子１２がオンしている必要がある。
また、スイッチ素子１２のオフ期間は、トランス３２のリセット条件を確保する様に決める必要がある。
【００１０】
次に動作を説明する。
スイッチ素子１１がオンすると、入力電源からチョーク２、トランス３１の一次巻線、スイッチ素子１１のルートで電流が流れ、同時に整流素子２１が導通する。チョーク２には（入力電圧−出力電圧×トランス３１の巻数比）の電圧がかかるため、電流が直線的に増加する。
スイッチ素子１１がオフすると、チョーク２のリセット電流が整流素子２２、トランス３２の一次巻線、スイッチ素子１２のルートで流れ、同時に整流素子２３が導通する。チョーク２の電圧は出力電圧×トランス３２の巻数比でクランプされる為、電流が直線的に減少する。
【００１１】
シミュレーション用の回路図を図４に示す。図１との相違点は、二次側を同期整流とし(QD1,QD3を追加)、そのために整流素子D1,D3をマイナス側に移動したこと、トランスリセット用の巻線とダイオードDT1,DT2を追加したこと、スイッチ素子１、２に並列にダイオードDQ1,DQ2を接続した事である。なおLm1、Lm2はトランスの励磁インダクタンスを表している。
【００１２】
シミュレーション結果を図６に示す。図６では二周期の動作波形を示した。
シミュレーション回路の入出力条件は、入力電圧４８Ｖ、出力電圧１．５Ｖ、出力電流１００Ａである。
Q2はデューティ５０％固定とし、QD3はQ2と同期させた。またQD1はQ1と同期させた。
図６を見ると、前述の動作説明と同じ動作となっていることがわかる。
【００１３】
図４の回路では、従来方式の第一の問題点として挙げた貫通電流の問題が発生しない。なぜならQ1,Q2,QD1,QD3のすべてのスイッチ素子が同時にオンしても、D2が短絡電流を阻止するためである。
したがって従来方式の、貫通電流を避けつつ変換効率の低下を最小限におさえる様な最適なデッドタイムの設定が困難である、という問題は存在しない。そもそもデッドタイムが不要なので、同期整流方式のメリットが薄れて変換効率の低下を招く事がなく、結果として高効率化に寄与する。
【００１４】
また従来方式の第三の問題点として挙げた、チョークの大型化の問題も解決する。これは、チョークが一次側に存在する為、チョーク電流がトランスによって巻数比変換される事によるものである。このためチョーク電流は大幅に減少し、チョークの大型化を避けることができる。
例えば、図４ではトランスの巻数比が16:1であるため、チョーク電流の平均値は100/16=6.25Aとなる。
図６のQ1の電流とQ2の電流を合成したものがチョークの電流であるが、ほぼその値となっていることがわかる。
【００１５】
図１の回路は基本回路だが、実用上制約条件が厳しい。この回路では、スイッチ素子１１のオンデューティが狭くなると、逆にスイッチ素子１２のオンデューティが広くなって、トランス３２のオンデューティが広くなる。前述したように、トランスの実用的な最大デューティは５０〜６０％程度なので、そこからスイッチ素子１１の最小デューティは４０％ということになる。これは軽負荷時にオンデューティを狭めたいことを考えると、相当厳しい制約条件である。
【００１６】
この問題を解決する回路が図２である。図１に対してスイッチ素子１３、トランス３３、整流素子２４が増えている。
これはチョーク２のリセット電流をトランス３２とトランス３３に分けて流すための回路である。これにより、チョーク２のリセット期間が最大１００％になっても、トランス３２とトランス３３のデューティは５０％で済むので、前述した問題を解決することができる。
【００１７】
さて、図２によりチョーク２のリセット期間を１００％にする事は可能になったが、励磁期間に対する制約はそのまま残っている。同様の考え方で、チョーク２の励磁期間を１００％にする事を可能にしたのが図３の回路である。
図３の回路では、チョーク２の励磁期間、リセット期間共０％から１００％まで変えることができる。これにより従来回路の第二の問題点が解決される。したがってチョーク電流動作は制御回路の遅れがない場合、図８の理想波形となり、高速応答性に対する制約はなくなる。
【００１８】
図３のシミュレーション用回路図を図５に、シミュレーション結果を図７に示す。図７では二周期の動作波形を示した。
図３と図５の相違点は、図１と図４の相違点と同様である。また入出力条件は図４と同様である。
Q1とQ4のオンデューティは同じとし、位相を１８０°ずらして駆動した。また同期整流用のスイッチ素子は、自分のトランスを励磁するスイッチ素子と同期させた。
Q2とQ3のオンデューティは５５％とし、位相を１８０°ずらして駆動した。これによりQ2とQ3が同時にオフする事がなくなり、チョークのリセット電流が流れるルートを必ず確保することができる。
【００１９】
図７を見ると、チョーク電流が二分割されただけで、動作としては図６と変わりないことがわかる。
Q1〜Q4の電流を合成したものがチョークの電流であるが、図６と比べると周波数が二倍になっていることがわかる。これはQ1とQ4の位相を１８０°ずらして駆動した為である。これにより、チョークのリップル電流が半分になるメリットがある。リップル電流が同じでよければ、チョークのインダクタンスが半分でよいことになり、チョークの小型化が可能となる。
【００２０】
これまでチョーク電流を二分割してトランスに流す回路について説明してきたが、分割数が二に限定されるものではないことは、これまでの説明から明らかである。分割数を増やすことにより、更にリップル電流は減っていくメリットがある。
【００２１】
次にエネルギーが逆流するという、従来方式の第四の問題点であるが、本発明では問題とならない。なぜなら、チョークのリセット電流が流れるルートには整流素子があり、チョーク電流が逆流しないためである。したがって、出力から入力へエネルギーが流れることはない。
反対に、エネルギーを逆流させたいという要求がある場合は、図１、２、３の整流素子２２に並列にスイッチ素子を接続すればよい。ただし、貫通電流が流れる事があり得るので、各スイッチ素子の駆動タイミングには注意を払う必要がある。例えば図１の場合、スイッチ素子１１、１２、２３と整流素子２２に並列に接続したスイッチ素子を同時に導通させると貫通電流が流れる。
【００２２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、同期整流による貫通電流の問題がなく、負荷急変に対する高速応答性に優れ、チョークの大型化を抑制し、エネルギー逆流の問題のない、低電圧大電流出力向けのスイッチング電源を実現すること可能となる。
【００２３】
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の基本回路
【図２】本発明の応用回路１
【図３】本発明の応用回路２
【図４】図１のシミュレーション用回路
【図５】図３のシミュレーション用回路
【図６】図４のシミュレーション結果
【図７】図５のシミュレーション結果
【図８】負荷電流とチョーク電流の波形
【符号の説明】
１入力電源
２チョーク
３コンデンサ
４負荷
１１〜１４スイッチ素子
２１〜２５整流素子
３１〜３４トランス

Claims

入力電源に並列に第一のトランスの一次巻線と第一のスイッチ素子の直列回路を接続し、前記第一のトランスの二次巻線に並列に第一の整流素子と第一のコンデンサの直列回路を接続し、前記第一のコンデンサに並列に負荷を接続したスイッチング電源装置において、前記第一のトランスの一次巻線に直列に第一のチョークを挿入し、前記第一のチョークに並列に第二の整流素子と第二のトランスの一次巻線と第二のスイッチ素子の直列回路を接続し、前記第二のトランスの二次巻線と第三の整流素子の直列回路を前記第一のコンデンサと並列に接続したことを特徴とするスイッチング電源装置。
前記第二のトランスの一次巻線と第二のスイッチ素子の直列回路に並列に第三のトランスの一次巻線と第三のスイッチ素子の直列回路を接続し、前記第三のトランスの二次巻線と第四の整流素子の直列回路を前記第一のコンデンサと並列に接続することを特徴とする請求項１のスイッチング電源装置。
前記第一のトランスの一次巻線と第一のスイッチ素子の直列回路に並列に第四のトランスの一次巻線と第四のスイッチ素子の直列回路を接続し、前記第四のトランスの二次巻線と第五の整流素子の直列回路を前記第一のコンデンサと並列に接続することを特徴とする請求項２のスイッチング電源装置。
トランスの一次巻線とスイッチ素子の直列回路及びトランスの二次巻線と整流素子の直列回路からなり、トランスの一次巻線の一端とスイッチ素子の一端を入力端子、トランスの二次巻線の一端と整流素子の一端を出力端子とする回路ブロックを任意の数だけ設け、前記各回路ブロックは出力端子を前記第一のコンデンサと並列に接続し、入力端子を前記第一のトランスの一次巻線と第一のスイッチ素子の直列回路に並列に接続するか、或いは前記第二のトランスの一次巻線と第二のスイッチ素子の直列回路に並列に接続することを特徴とする請求項１のスイッチング電源装置。
前記各スイッチ素子と並列に整流素子を接続したことを特徴とする、請求項１、請求項２、請求項３又は請求項４のスイッチング電源装置。
前記各スイッチ素子と整流素子の並列回路の代わりにMOSFETを用いたことを特徴とする、請求項５のスイッチング電源装置。
前記各整流素子のうち、任意の整流素子に並列にスイッチ素子を接続したことを特徴とする、請求項５或いは請求項６のスイッチング電源装置。