JP4845973B2 - スイッチング電源 - Google Patents

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Description

本発明は、スイッチング電源における小型化及び高出力化を可能とした制御回路及び制御方法に関するものである。
従来のフライバックコンバータ方式のスイッチング電源の一例を図5に示す。このスイッチング電源は、トランスT1の二次コイルNsの電流がゼロになったときにトランスT1の制御コイルNc電圧が反転することを検出してメインスイッチQ1をオンする周波数可変制御を行っている。
さらに、トランスT1の二次コイルNsの電流がゼロになったときにトランスT1の制御コイルNc電圧が反転することを検出し、トランスT1の一次コイルNpと直列もしくは並列に接続されたコンデンサによる共振を利用し、メインスイッチQ1のオンタイミングを遅延調整することでスイッチング損失の低減および低ノイズを実現する制御いわゆるソフトスイッチング動作を行っている(特許文献1参照)。
また、スイッチング電源のフライバックコンバータ方式において、発振周波数を固定としオン・オフ比による制御いわゆるPWM制御を行い、スイッチング電流波形を台形の電流波形で動作させることでトランスの小型化実現している。
特開平9−205771号公報
しかしながら、フライバックコンバータ方式の周波数可変制御においては、スイッチング電流が三角の電流波形となり波高値および実効値が高くなりメインスイッチ、コイル、及び出力平滑回路の損失が大きく大電力の電源には適していない。
また、フライバックコンバータ方式のPWM制御においてはスイッチング電流波形を台形の電流波形で動作させることが出来るため波高値および実効値は低減できメインスイッチ、コイル、及び出力平滑回路の小型化が可能となる反面、発振周波数が固定されるため特定周波数における放出ノイズが大きく、さらに共振を利用したソフトスイッチングが困難なため、ダンパコンデンサの放電による急峻な電流や、二次整流ダイオードのリカバリ電流による短絡電流などスイッチング損失の増加及び急峻なスイッチングによる高周波ノイズの発生が問題となる。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、スイッチ素子、コイル及び出力平滑回路の損失を軽減することにより大電力にも対応可能なフライバックコンバータ方式のスイッチング電源を提供する。
本発明に係るスイッチング電源は、入力電圧をトランスの一次コイルに接続し、入力電圧をスイッチ素子によりスイッチング駆動して前記トランスの二次コイルから整流回路を接続し直流電力を出力する電源装置において、前記直流出力電圧を検出しオン期間を制御するとともに、前記トランスに制御コイルを備え、前記制御コイルからの電圧信号により二次コイルの電流がゼロになったことを検出し、前記スイッチ素子をオンさせるトリガ制御回路を備え、さらに前記制御コイルの電圧信号によりタイマ回路を動作させ計時し、この計時して得た計時信号により前記トリガ制御回路にオン信号を与えて制御するように構成してあることを特徴とする。
また、前記タイマ回路を構成する計時用コンデンサにおいて、前記制御コイルからの電圧信号により前記スイッチ素子のオン期間に発生する入力電圧と比例した負の電圧レベルにより前記計時コンデンサをマイナス充電し、さらにオフ期間に制御コイルに発生する出力電圧に比例した正の電圧レベルにより上記計時コンデンサをプラス充電することで、前記制御コイル電圧のオン期間とオフ期間の演算により1周期を計時し、発振周期を制御するように構成してあることを特徴とする。
前記タイマ回路により計時して得た計時信号と、二次コイルの電流がゼロになったことを検出するゼロ検出信号とを排他的構成とし、前記計時信号と前記ゼロ検出信号とのうち早い方がオン信号として優先される制御を行うように構成してあることを特徴とする。
本発明によれば、従来のフライバックコンバータ方式のスイッチング電源の周波数可変制御における欠点であったスイッチ素子、コイル及び出力平滑回路の損失を軽減することにより大電力にも対応可能なフライバックコンバータ方式のスイッチング電源を安価に提供することができる。
また、従来のフライバックコンバータ方式のスイッチング電源のPWM制御おける欠点であった特定周波数における放出ノイズを低減することが可能となり、さらに共振を利用したソフトスイッチングも可能である。また、ダンパコンデンサの放電による急峻な電流や、二次整流ダイオードのリカバリ電流による短絡電流などスイッチング損失の増加及び急峻なスイッチングによる高周波ノイズの発生も低減できる。
本発明に係るスイッチング電源の一実施例を示した回路図である。 図1の図示回路における実施例の動作波形である。 本発明に係る動作説明図である。 図1の図示回路における実施例の出力特性図である。 本発明に係るスイッチング電源の従来例を示した回路図である。 IGBTとMOSFETとを比較した温度特性図である。
符号の説明
T1 トランス
Np トランスT1の一次コイル
Nc トランスT1の制御コイル
Ns トランスT1の二次コイル
Q1 メインスイッチ
Q2 タイマ回路12内のスイッチ
D1 タイマ回路12内の定電圧ダイオード
D2 出力平滑回路21内のダイオード
C1 一次回路ダンパー用コンデンサ
C2 オントリガ用のタイミング調整コンデンサ
C3 タイマ回路12の計時用コンデンサ
C4 出力平滑回路21内の平滑コンデンサ
R1 メインスイッチQ1電流検出用の抵抗
R2 オントリガ用のタイミング調整抵抗
R3 タイマ回路12内の計時設定用抵抗
R4,R5 出力電圧設定用抵抗
PH1 フィードバック用フォトカプラ
GND1 一次回路グランド
GND2 二次回路グランド
Vo 出力電圧
10 入力電圧源
11 メインスイッチQ1の制御回路
12 タイマ回路(発振周期制御回路)
21 出力平滑回路
22 出力電圧検出回路
Z/C 制御回路11内のオントリガ入力端子
F/B 制御回路11内のオン幅制御入力端子
DR 制御回路内11のメインスイッチQ1のゲート・ドライブ出力
OCP 制御回路11内の過電流検出端子
以下、添付図面を用いて本発明のスイッチング電源に係る実施例を説明する。図1は本発明に係るスイッチング電源に適用する回路を示した図である。本実施に係るスイッチング電源は、一次コイルNp、二次コイルNs及び制御コイルNcを持つトランスT1を有する。このトランスT1の一次コイルNpに入力電圧と入力電圧をオン・オフするメインスイッチQ1を接続し、メインスイッチQ1と直列に電流検出抵抗R1を接続してあり、メインスイッチQ1と並列にダンパコンデンサC1を接続してある。なお、本実施例においては、メインスイッチQ1をMOSFETで構成してあるが、メインスイッチQ1を高速なIGBTで構成することができる。例えば、特開昭61−150280におけるドレイン電極をN+あるいはP+とせずショットキー接合とした縦型MOSトランジスタはサチュレーション電圧(VCE(sat))が低く抑えられまた高速であり温度依存性が少ないため通常のオーミックコンタクトされたMOSFETと比較して熱暴走しにくいためピーク負荷電力を必要とする本発明の電源用途に適している(図6 VCE(sat)−tf、温度特性 比較例)。従って、電源の用途に応じて、スイッチ素子を使い分けることが最適である。
二次コイルNsにはフライバック出力による平滑回路21を接続してある。具体的には、トランスT1の二次コイルNsの一端に整流ダイオードD2のアノードを接続し、この整流ダイオードD2のカソードを平滑コンデンサC4に接続してある。
平滑回路21により平滑された出力には電圧を検出する出力電圧検出回路22が接続してある。出力電圧検出回路22は発光ダイオードPH1を備え、この出力電圧検出回路22によって検出された信号は発光ダイオードPH1から一次側に設けたフォトトランジスタPH1(以下、「発光ダイオードPH1」と「フォトトランジスタPH1」とを合わせて、「フォトカプラPH1」という。)を介して制御回路11のオン幅制御入力F/Bへ入力するように構成してある。
トランスT1の制御コイルNcは、オンタイミング調整抵抗R2を介して制御回路11のトリガ入力Z/Cと接続してある。制御回路11のドライブ出力DRはメインスイッチQ1のゲートと接続してある。また、トランスT1の制御コイルNcは、タイマ回路12と接続してある。
本実施例におけるタイマ回路12は以下のように構成してある。トランスT1の制御コイルNcの一端と計時設定用抵抗R3とを接続し、計時設定用抵抗R3並びに定電圧ダイオードD1を介してスイッチQ2のベース端子に接続してあり、スイッチQ2のベースとエミッタ端子間に計時用コンデンサC3が並列に接続し、スイッチQ2のコレクタ端子は制御回路11のトリガ入力Z/C端子に接続してある。計時用コンデンサC3の一端は制御コイルNcの他端と接続してある。尚、トランスT1の制御コイルNcの出力は、出力コイルNsと同位相に巻いてある。
制御回路11は、トリガ入力Z/C端子に“Hi”から“Lo”へのトリガ信号を受けるとドライブ出力DRからメインスイッチQ1のゲートにオン信号を出力し、メインスイッチQ1がオンする。また、フォトカプラPH1からの信号によりオン幅制御入力F/Bを制御することで、メインスイッチQ1のオン期間を制御するように構成されている。
本発明に係るスイッチング電源は以下のように作用する。なお、図2に本発明に係るスイッチング電源の動作波形図を示す。本実施例に示すスイッチング電源はフライバックコンバータ方式の周波数可変制御を基本回路としているため、メインスイッチQ1がオンするとトランスT1の一次コイルに電磁エネルギが蓄積される。オン幅制御入力F/Bにより設定された時間に達しメインスイッチQ1がオフするとトランスT1に蓄えられた電磁エネルギは出力平滑回路21を経て出力に供給され、トランスT1に蓄えられた電磁エネルギがすべて供給されるとダイオードD2の導通がなくなり、二次コイルNsの電流がゼロになるとトランスT1の制御コイルNcに発生する電圧も正から負へと反転し、制御回路11によりメインスイッチQ1がオンする。出力するエネルギが小さい場合はオン期間、オフ期間とも短く、出力するエネルギが大きい場合は周期が長くなるよう動作する。
また前記一連のスイッチング動作と同時に、タイマ回路12が以下のように動作する。メインスイッチQ1がオンするとトランスT1の制御コイルNcには入力電圧に比例した負の電圧が発生し、この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD1の設定により制限された電流によって計時用コンデンサC3を負に充電し、メインスイッチQ1がオフするとトランスT1の制御コイルNcには出力電圧に比例した正の電圧が発生し、この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD1により制限された電流によって計時用コンデンサC3を正に充電することで計時用コンデンサC3端子間には三角波状の電圧が発生する(例えば図2の計時用コンデンサC3端子間電圧波形)。
この実施例において、タイマ回路12は、制御コイル電圧から計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD1により計時用コンデンサC3の充電により計時を行っているが、あくまでも一例であり、入力電圧及び出力電圧に比例した電圧を発生させ、これを時間に換算しタイマとすることでも実現可能である。
出力するエネルギが大きい状態において発振周期が長くなると、メインスイッチQ1のオフ期間中に計時用コンデンサC3が正に充電された結果、計時用コンデンサC3端子間電圧がスイッチQ2のオン電圧に達しスイッチQ2がオンすると制御回路11のトリガ入力Z/C端子にトリガ信号が与えられる(例えば図2の重負荷時の計時用コンデンサC3端子間電圧波形)。
尚、この実施例でのスイッチQ2はバイポーラトランジスタにより構成されているが、FET(電界効果トランジスタ)、コンパレータ集積回路、ロジック集積回路等でも構成することが出来る。
即ち、本発明では、出力エネルギが少ない動作領域、つまり、トランスT1の蓄積エネルギが小さい短い周期の状態においては従来の周波数可変制御で動作し、出力するエネルギが大きく周期が広がり、タイマ回路12で設定される時間に対し長い場合は、トランスT1の電磁エネルギの放出を待たずにタイマ回路によるトリガ入力が優先され、メインスイッチQ1をオンする動作となる。
前記タイマ回路によるトリガ入力が優先される動作においては、オン幅制御入力F/Bで設定されたメインスイッチQ1のオン期間、トランスT1の制御コイルNcには入力電圧に比例した負の電圧が発生する。この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD1の設定により制限された電流によってC3を負に充電する。
メインスイッチQ1がオフするとトランスT1の制御コイルNcには出力電圧に比例した正の電圧が発生する。この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD1により制限された電流によって計時用コンデンサC3を正に充電する。計時用コンデンサC3端子間電圧がスイッチQ2のオン電圧に達しスイッチQ2がオンすると制御回路11のトリガ入力Z/C端子にトリガ信号が与えられメインスイッチQ1がオンする。
この時トランスT1は出力平滑回路21に電磁エネルギを放出し終わる前にメインスイッチQ1がオンするため、オンする時のメインスイッチQ1の電流は正にバイアスされた状態となり、バイアスされた状態からトランスT1の蓄積を行う(例えば、図3の重負荷時TdにおけるメインスイッチQ1のスイッチング電流波形)。
前記タイマ回路によるトリガ入力が優先される動作においては、一次回路のスイッチングされた電流波形は台形波となり、フライバックコンバータ方式の周波数可変制御での三角波の電流波形に対し同一なピーク電流値とした場合、トランスT1に蓄えられる電磁エネルギが増加し出力平滑回路に大きなエネルギを供給できることになる。つまり、温度による要因を除けば同一の最大電流・電圧定格のスイッチング素子と、同一のインダクタンス値・巻数・コアサイズのトランスにおいて出力エネルギが増加できることになる。
しかし、前記タイマ回路による制御を行った場合、強制的にメインスイッチQ1オンとするため、共振コンデンサC1の急峻な放電電流及び二次整流ダイオードD21のリカバリ電流による影響で、スイッチングノイズ及びスイッチング損失が増加してしまう。
よって、本発明は特に定常状態の負荷電力は比較的小さく、短いパルスで大きな負荷電力を必要とする負荷に適しており、定常負荷電力まではソフトスイッチングが可能な周波数可変制御とし、パルスでの大きな負荷電力時や異常時等の過電流時に前記タイマ回路によるフライバックコンバータ方式のPWM制御になるよう設定することで、小型で安価に大電力が取れる。さらに定常負荷電力時はスイッチング損失及びノイズの少ないスイッチング電源を提供することができる。
さらに本発明の制御コイル電圧のオン期間とオフ期間で演算により 1周期を計時し、発振周期を制御する方式によれば大電力化した領域に対しての過電力低減機能も得られる。
例えば大電力出力でのPWM制御動作時で、入力電圧が高い状態の時はメインスイッチQ1のオン期間中はトランスT1の制御コイルに入力電圧に比例した負の高い電圧が発生する。この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD1により制限された電流によって計時用コンデンサC3を負に充電する。トランスT1の制御コイルには入力電圧に比例した負の高い電圧が発生することによりC3端子に発生する負の電圧が大きくなり、オフ期間にトランスT1の制御コイルに発生する出力電圧に比例した正の電圧は変わらないため、スイッチQ2がオン電圧に達するまでの時間が長くなる。したがってタイマ回路で計時される時間が長くなり、トランスT1は出力平滑回路21に電磁エネルギをより放出し、メインスイッチQ1がオンする時の電磁エネルギによるバイアス電流は小さくなり、メインスイッチQ1の電流波形は台形波から三角波に近くなることでスイッチQ1のピーク電流が増加する。よって入力電圧が高い時はR1に発生する電圧がより大きくなる傾向となるため、制御回路11の電流検出回路による出力電力制限が動作しやすくなる。
一般的なPWM制御のスイッチQ1のソース電流検出による過電流保護の場合、入力電圧が高くなるに従い過電流保護が働く出力電力値は増加するが、本発明によれば入力依存による過電流保護の電力値の増加を低減することが出来る。
また、メインスイッチQ1のオン期間中はトランスT1の制御コイルには入力電圧に比例した負の電圧が発生する。この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD1の設定により制限された電流によって計時用コンデンサC3を負に充電する。
メインスイッチQ1のオフ期間中はトランスT1の制御コイルには出力電圧に比例した正の電圧が発生する。この電圧を計時設定用抵抗R3及び定電圧ダイオードD1により制限された電流によって計時用コンデンサC3を正に充電する。
計時用コンデンサC3端子間電圧がスイッチQ2のオン電圧に達しスイッチQ2がオンすると制御回路11のトリガ入力Z/C端子にトリガ信号が与えられメインスイッチQ1がオンすることで電流波形を台形波とし出力エネルギが増加可能であるが、出力過負荷による異常時において一次回路の電流制限回路により出力が低下した場合、オフの期間時は、制御コイル出力は出力電圧に比例した電圧が発生するため、出力に比例して制御コイル電圧も同時に低下することで計時用コンデンサC3の充電が緩やかとなる。よってスイッチQ2がオンするまでの時間が延びオフ期間が広がることで発振周期が伸びて出力エネルギが低下し、さらなる過負荷により出力が低下して最終的にはオフ期間時の制御コイル出力の低下によりスイッチQ2が常にオンできない状態、つまり従来の周波数可変制御となり出力エネルギが制限され、出力過負荷時の安全性が保たれる。
例えば、図4が本発明による出力特性例であり、従来のフライバックコンバータ方式の周波数可変制御電源(図4の破線)と、同一なメインスイッチ素子及び、同一なトランスを使用し、本発明を適用した場合(図4の実線)の、縦軸に出力電圧、横軸に出力電流とした出力特性の比較であり従来の電源に対し大電力が得られ、過電流により出力電圧が低下するに従い、出力電力も減少し従来の周波数可変制御での過電流特性となることを示している。
本発明によれば、タイマ回路12で動作するフライバックコンバータ方式のPWM制御領域において安定した発振状態に制御できる特徴を兼ね備えている。
例えば、図3の動作説明図で、単に周波数が固定された状態つまりオン期間とオフ期間との和(Ton+Toff)が固定された状態から負荷が変化した場合、出力電流が変化してもメインスイッチQ1のオン期間Tonは一定でフィードバックによるオン期間Ton制御にほぼ関係がなく、応答することになる。
出力電流増加により出力電圧Voが低下すると二次コイルのL値は一定のため電圧低下により二次コイルNs出力巻線の放出電流の傾斜は緩やかになり、より多くの残留エネルギをトランスT1に保持した状態つまり出力コイル電流で示すと図3図示のDa点の電流がより大きい内に、固定周期として設定されたオントリガが入るとメインスイッチQ1はオンし、次のメインスイッチQ1のオン周期での立ち上がり時の電流Qaが増加することで、この周期はトランスに蓄えられるエネルギが増加し二次平滑回路への供給電力が増加し、これにより出力電圧Voが一定に保たれる。
しかし、この動作において、供給電力が過剰となった場合、出力が図3図示のVc点まで上昇し二次コイルのL値及びオフ期間Toffは一定のため出力電圧Voの上昇により放出電流の傾斜は急となり、トランスT1蓄えられたエネルギを放出しやすくなりトランスT1の残留エネルギが少ない状態つまり出力コイル電流で示すとDc点の状態で、固定周期として設定されたオントリガが入るとメインスイッチQ1はオンし、次のメインスイッチQ1のオン周期、立ち上がり時の電流がQc点のように減少することでトランスに蓄えられるエネルギが低下し、よって二次平滑回路への供給電力が低下することで出力電圧Voが低下する動作となり、図3図示のVe点のように出力電圧Voの低下が過度な場合、前記動作を繰り返すこととなり、さらに前記動作が収束しない場合は不安定な発振が継続してしまう。
また、前記の繰り返される周期はフィードバックによる出力安定化が困難な周波数領域であり、前記、収束しない状態が継続された場合、出力の電圧リップルの増加や、可聴領域での発振周期となった場合にはトランスT1からの発振音の発生を引き起こすことになる。
しかし、本発明においては、完全な周波数固定ではなく制御コイルからの信号により周期を発振周期毎に制御している為、フィードバック回路とは別に発振周期毎に補正する特別な補正回路を必要とせず安定した発振を実現することが可能となる。
本発明の場合、出力電流増加により出力コンデンサC4の電圧が低下すると同時にメインスイッチQ1のオフ期間に制御コイルに発生する出力電圧に比例した正の電圧が低下することで計時用コンデンサC3の充電が緩やかになりオフ期間が延びる。このオフ期間が延びたことにより、出力回路により多くのエネルギの放出が行われるため、トランスに蓄えられる電磁エネルギが低下し、次のメインスイッチQ1オン時の、立ち上がり時の電流増加を抑えることで、このオン期間にトランスに蓄えられる電磁エネルギが低減され急峻な出力への供給を抑える働きとなる。
また、出力コンデンサC4の電圧の上昇時においても、メインスイッチQ1のオフ期間に制御コイルに発生する出力電圧に比例した正の電圧が上昇することで計時用コンデンサC3の充電電流が増加しオフ期間が短くなる。このオフ期間が短くなったことにより、出力回路への電磁エネルギの放出が抑えられ急峻なトランスT1の残留エネルギの減少を抑制し、メインスイッチQ1がオンした時の残留エネルギを過渡に減少しないようにコントロールされる。以上の動作により、負荷変動に対する過渡的な応答が抑制され、安定した動作が提供できる。
本発明によれば、従来のフライバックコンバータ方式のスイッチング電源の周波数可変制御における欠点であったスイッチ素子、コイル及び出力平滑回路の損失を軽減することにより大電力にも対応可能なフライバックコンバータ方式のスイッチング電源を安価に提供することができ、産業上の利用が可能である。
また、従来のフライバックコンバータ方式スイッチング電源のPWM制御おける欠点であった特定周波数における放出ノイズを低減することが可能となり、さらに共振を利用したソフトスイッチングも可能である。また、ダンパコンデンサの放電による急峻な電流や、二次整流ダイオードのリカバリ電流による短絡電流などスイッチング損失の増加及び急峻なスイッチングによる高周波ノイズの発生も低減でき、産業上の利用が可能である。

Claims (2)

  1. 入力電圧をトランスの一次コイルに接続し、入力電圧をスイッチ素子によりスイッチング駆動して前記トランスの二次コイルから整流回路を接続し直流電力を出力する電源装置において、前記直流出力電圧を検出しオン期間を制御するとともに、前記トランスに制御コイルを備え、前記制御コイルからの電圧信号により二次コイルの電流がゼロになったことを検出し、前記スイッチ素子をオンさせるトリガ制御回路を備え、
    さらに前記制御コイルからの電圧信号により前記スイッチング素子のオン期間に発生する入力電圧と比例した負の電圧レベルにより前記計時用コンデンサをマイナス充電し、オフ期間に制御コイルに発生する出力電圧に比例した正の電圧レベルにより上記計時コンデンサをプラス充電するタイマ回路を備え、前記タイマ回路における前記制御コイル電圧のオン期間とオフ期間での演算により1周期を計時し、発振周期を制御するように構成してあることを特徴とするスイッチング電源。
  2. 前記タイマ回路により計時して得た計時信号と、二次コイルの電流がゼロのなったことを検出するゼロ検出信号とを排他的な構成とし、前記計時信号と前記ゼロ検出信号とのうち早いほうがオン信号として優先される制御を行うように構成してあることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源。
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