JP4899268B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、交流電源を整流して得た直流電源間にトランスからなる誘導性手段を介し接続された半導体スイッチ素子を、ＰＷＭ制御された駆動パルスによって繰り返し開閉し、安定化された直流電源を生成して外部負荷に供給する電源装置としてのスイッチング電源装置であって、
特に軽負荷や無負荷の場合に半導体スイッチ素子の連続のスイッチッグ動作を周期的に一時休止する、間欠的スイッチッグ動作を行わせ、半導体スイッチ素子のスイッチング損失を低減して装置の効率を改善するようにしたスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
なお、以下各図において同一の符号は同一もしくは相当部分を示す。
【０００３】
【従来の技術】
一般的なスイッチング電源装置においては、軽負荷や無負荷時に発生する損失を低減する方法の一つとして、常時は継続して行われている半導体スイッチ素子（以下単にスイッチ素子と略記する）のスイッチング動作を、軽負荷や無負荷の場合には断続的（間欠的）に行わせる方法が用いられている。
【０００４】
図６は、この種のスイッチング電源装置の要部の構成例を示し、この図は商用電源などの交流電源を入力とするスイッチング電源装置の例を示す。
同図において、１は交流電源、２は交流電源１の電圧を全波整流するダイオードブリッジ、３はダイオードブリッジ２によって全波整流された直流電圧を平滑化するコンデンサ、４はフライバック方式のトランスである。
【０００５】
５はトランス４の１次巻線を介して、コンデンサ３の両端に生成された直流電圧を繰り返しオン／オフする、本例ではＮチャネルＭＯＳＦＥＴからなるスイッチ素子、６はスイッチ素子のオフ時にトランス４の２次巻線に発生する電圧を整流するダイオード、７はダイオード６の整流出力を平滑化するコンデンサ、８はこのスイッチング電源装置に接続された外部の負荷である。
【０００６】
１４はこのスイッチング電源装置から外部の負荷８に供給される直流電圧を図外の手段を介して検出しつつ、この供給直流電圧を一定とするようにスイッチ素子５をＰＷＭ（パルス幅変調）制御された（つまり、オン期間とオフ期間の比率を制御によって可変調整された）駆動パルス１４ａによって比較的高い周波数（例えば１００ｋＨｚ）でオン／オフ駆動する制御回路としてのスイッチング電源制御回路である。
【０００７】
次に２１は、スイッチ素子５の動作周波数よりも充分低い周波数（例えば１ｋＨｚ）の発振パルス２１ａを生成する断続動作用の発振器、１５は負荷８の軽負荷状態を検出する軽負荷検出回路、１２は軽負荷検出回路１５の検出出力としての軽負荷検出信号ＬＬＤと断続動作用発振器２１の発振出力パルス２１ａとを入力して常時はオン状態にあるスイッチ１３をオフ状態に切り換えるＡＮＤ回路である。
【０００８】
この図６のスイッチング電源装置では、負荷８がこの電源装置の定格容量程度に充分大きい場合には、スイッチ１３を常にオン状態にして動作させる。するとスイッチ素子５はスイッチング電源制御回路１４の出力する駆動パルス１４ａによって例えば１００ｋＨｚで連続してオンオフ動作（スイッチング動作）を繰り返す。
【０００９】
これに対し負荷８が軽くなった場合には、軽負荷検出回路１５が軽負荷状態であることを示す“Ｈ”の軽負荷検出信号ＬＬＤを出力するので、断続動作用発振器２１の発振出力パルス２１ａが“Ｈ”となるたびにＡＮＤ回路１２の出力が“Ｈ”となって、スイッチ１３をオフし、スイッチ素子５をオフさせる。
従って、例えば断続動作用発振器２１が１ｋＨｚの発振を行い、その出力パルス２１ａの“Ｈ”の期間と“Ｌ”の期間が等しいとすれば、この“Ｈ”および“Ｌ”の期間はいずれも０．５ｍｓとなるから、スイッチ素子５は１００ｋＨｚのスイッチング動作を０．５ｍｓ継続するたびに、０．５ｍｓ休止してオフ状態のままとなるという動作を繰り返すことになる。
【００１０】
このようにして軽負荷や無負荷時には、スイッチ素子５がスイッチング動作を間欠的に行うので、そのスイッチング損失を低減することが可能になる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上述した従来のスイッチング電源装置は、軽負荷や無負荷時にスイッチ素子のスイッチング動作を間欠的に行わせるために、専用の発振器を用意する必要があるため回路が複雑になるという問題があった。
本発明はこの問題を解消し、断続動作用の発振器の代わりに、交流電源の波形を利用するスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記の課題を解決するために、請求項１のスイッチング電源装置は、交流電源（１）から（ダイオードブリッジ２を介して）生成される直流電源（コンデンサ３の両端）間にトランスからなる誘導性手段（トランス４など）を介し接続された半導体スイッチ素子（５）を、（スイッチング電源制御回路１４から出力される）ＰＷＭ制御された駆動パルス（１４ａ）により連続して繰り返し開閉し（以下、この開閉の動作をスイッチング動作といい、（例えば１００ｋＨｚで）連続して繰り返されるスイッチング動作の周期をスイッチング周期という）、安定化された直流電源を生成して外部の負荷（８）に供給するスイッチング電源装置であって、
前記交流電源の全波整流出力を直流電源（１１）の電圧と比較することにより周期的なタイミング信号（ＴＭ）を生成するタイミング信号生成手段、
前記負荷から直接その軽負荷状態を検出して前記負荷が所定値を下回ったことを示す（軽負荷検出回路１５などからの）軽負荷検出信号（ＬＬＤ）の存在時、前記タイミング信号に合わせ、前記半導体スイッチ素子に、少なくとも１スイッチング周期を含む期間にわたる前記の連続するスイッチング動作と少なくとも複数のスイッチング周期を含む期間にわたる開放状態の維持とを交互に繰り返させるスイッチング損失削減手段（ＡＮＤ回路１２，スイッチ１３など）を備え、前記全波整流出力が前記直流電源の電圧を上回る期間（Ｔｈ）で前記開放状態の維持を行うものとする。
【００１３】
また請求項２のスイッチング電源装置は、請求項１に記載のスイッチング電源装置において、
前記タイミング信号生成手段が、前記交流電源の整流波形の振幅の瞬時値と、所定の基準電圧（直流電圧１１、あるいはトランジスタ１８のベース・エミッタ電圧など）とを比較する手段（コンパレータ１０、あるいはトランジスタ１８など）を備えたものとする。
【００１４】
また請求項３のスイッチング電源装置は、請求項２に記載のスイッチング電源装置において、
前記交流電源の整流波形が（交流電源１からダイオードブリッジ９を介して得られる）全波整流波形であるようにする。
また請求項４のスイッチング電源装置は、請求項２に記載のスイッチング電源装置において、
前記交流電源の整流波形が（交流電源１の一端とスイッチング電源装置のグランド間に現れる）半波整流波形であるようにする。
【００１５】
即ち、本発明の作用は、従来の断続動作用発振器を削除し、この発振出力の代わりに交流電源電圧を利用するものである。
【００１６】
【発明の実施の形態】
（実施例１）
図１は本発明の第１の実施例としての要部の構成を示す回路図で、この図は図６に対応している。なお、軽負荷検出回路１５は、この図のように外部の負荷８から直接その軽負荷状態を検出するものであっても、あるいはこのスイッチング電源装置の出力部やスイッチング電源制御回路１４の内部等から負荷８の軽負荷状態を検出するものであっても、いずれでもよい。
【００１７】
この図１および以下に述べる図２〜図４のなかで、破線で囲まれた部分は従来の断続動作用発振器に相当する部分である。図１では破線内はダイオードブリッジ９，コンパレータ１０，基準の直流電源１１からなる。
また、図５は図１の要部動作説明用の波形図である。次に図５を参照しつつ図１の動作を説明する。
【００１８】
交流電源１をダイオードブリッジ９に通すことで、ダイオードブリッジ９の直流出力端子には全波整流された正弦波波形の全波整流出力９ａを得ることができる。
この全波整流出力９ａをコンパレータ１０の入力端子の１つ（本例では＋入力端子）に入力する。またコンパレータ１０のもう１つの入力端子（本例では−入力端子）には基準となる直流電源１１を入力する。
【００１９】
これにより、コンパレータ１０の出力としてのタイミング信号ＴＭは、全波整流出力９ａが直流電源１１の電圧を上回る期間は“Ｈ”、それ以外の期間は“Ｌ”であるような、交流電源１の２倍の周波数の矩形波状の信号となる。
いま、時点ｔ１に軽負荷検出回路１５が軽負荷または無負荷を検出して“Ｈ”の軽負荷検出信号ＬＬＤを出力したとすると、以後コンパレータ出力としてのタイミング信号ＴＭが“Ｈ”となるたびに、ＡＮＤ回路１２の出力は“Ｈ”となり、スイッチ１３をオフする。
【００２０】
このようにして、時点ｔ１以後、スイッチ素子５は図５の例のように比較的高い周波数（本例では１００ｋＨｚ）でのオンオフ動作（スイッチング動作）とオフ状態のままになる休止動作とを繰り返す。換言すれば間欠的にスイッチング動作を行う。
なお、図５においてＴｓはスイッチ素子５のスイッチング動作の期間を示し、Ｔｈはスイッチ素子５の休止期間を示す。
【００２１】
この場合、間欠的にスイッチング動作を繰り返す周波数は、交流電源１の周波数により決定され、任意に設定することはできないが、軽負荷や無負荷時にスイッチ素子５を間欠的にスイッチング動作させ、損失を低減するという目的は達成することができる。
なおこの実施例ではスイッチ素子５を間欠的にスイッチング動作させるのにスイッチ１３を利用しているが、これに代わり、例えばＡＮＤ回路１２の出力によって、スイッチング電源制御回路１４そのものを停止させるなどの他の方法でスイッチ素子５を間欠的にスイッチング動作させても良い。
【００２２】
（実施例２）
図２は本発明の第２の実施例としての要部の構成を示す回路図である。この図２では、図１のダイオードブリッジ９の全波整流出力９ａを、抵抗１６と１７により分圧してコンパレータ１０の＋入力端子に入力している。
この場合、図１の動作と比較すると、全波整流出力９ａの振幅を分圧抵抗１６，１７の選択によって容易に可変できるので、直流電圧１１と分圧抵抗１６，１７との選択によって、全波整流出力９ａの分圧電圧（コンパレータ１０の＋入力端子の電圧）が基準直流電圧１１を上回る期間としての、軽負荷または無負荷時におけるスイッチ素子５の休止期間Ｔｈを調整することが容易になる。
【００２３】
（参考例１）図３は本発明の第１の参考例としての要部の構成を示す回路図である。図３においては図２のコンパレータ１０及び基準直流電源１１がトランジスタ１８，抵抗１９，直流電源２０に置き換わっている。この図３の回路においては、ダイオードブリッジ９からの全波整流出力９ａを分圧抵抗１６，１７で分圧して抵抗１７に現れる電圧が、トランジスタ１８のベース・エミッタ間を導通できる電圧に達しない期間では、トランジスタ１８はオフ状態であり、このトランジスタ１８のコレクタからＡＮＤ回路１２に与えられるタイミング信号ＴＭは“Ｈ”となる。
【００２４】
他方、抵抗１７に現れる電圧がトランジスタ１８のベース・エミッタ間を導通する電圧に達している期間では、トランジスタ１８がオン状態であるためタイミング信号ＴＭは“Ｌ”となる。
従って軽負荷検出信号ＬＬＤが“Ｈ”であって、トランジスタ１８がオフ状態（つまり全波整流出力９ａの分圧値である抵抗１７の電圧が基準電圧としてのトランジスタ１８のベース・エミッタ導通電圧に達しない状態）のとき、タイミング信号ＴＭが“Ｈ”、よってＡＮＤ回路１２の出力が“Ｈ”となってスイッチ１３をオフする。
【００２５】
ここで、図５の全波整流出力９ａと直流電圧１１とをそれぞれ分圧抵抗１７の電圧とトランジスタ１８のベース・エミッタ導通電圧とに置換えてみると、本実施例３の場合、交流電源１に対するタイミング信号ＴＭの“Ｈ”期間と“Ｌ”期間が図５とは逆になり、従って軽負荷検出信号ＬＬＤが“Ｈ”となった後における、スイッチ素子５のスイッチング期間Ｔｓと休止期間Ｔｈが図５とは入れ代わる関係になる。
【００２６】
このようにコンパレータ１０の代わりに、より安価なトランジスタ１８を用いても矩形波状のタイミング信号ＴＭ信号を得ることができ、軽負荷または無負荷時にスイッチ素子５を間欠的にスイッチング動作させることができる。
（参考例２）図４は本発明の第２の参考例としての要部の構成を示す回路図である。この図４では、図１で使用したダイオードブリッジ９を省略してある。
【００２７】
この場合、交流電源１からコンパレータ１０へ入力される電圧は、スイッチング電源側のダイオードブリッジ２により、概略、半波整流波形となる。この半波整流波形を利用すると、軽負荷または無負荷時においてスイッチ素子５を間欠的にスイッチング動作させる際の、間欠動作の周波数は交流電源電圧の周波数と同じになり、図１の場合に比べると半分になるが、スイッチ素子５を間欠的にスイッチング動作させる効果が得られる点では変わりがない。
【００２８】
【発明の効果】
本発明によれば、交流電源から安定化直流電源を得るスイッチング電源装置の軽負荷または無負荷時において、交流電源の波形を利用して生成した周期的なタイミング信号にあわせて、スイッチ素子の連続のスイッチング動作とスイッチ素子のオフ状態の維持とを交互に繰り返す、間欠的スイッチング動作を行わせるようにしたので、
従来のように周期的なタイミング信号を得るための断続動作用発振器を用いることなく、より簡単で安価に軽負荷や無負荷の状態でのスイッチング電源装置の損失の低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例として要部の回路構成図
【図２】本発明の第２の実施例として要部の回路構成図
【図３】本発明の第１の参考例として要部の回路構成図
【図４】本発明の第２の参考例として要部の回路構成図
【図５】図１の動作説明用の各部の波形図
【図６】従来のスイッチング電源装置の要部の回路構成図
【符号の説明】
１ 交流電源
２ ダイオードブリッジ
３ コンデンサ
４ トランス
５ スイッチ素子
６ ダイオード
７ コンデンサ
８ 負荷
９ ダイオードブリッジ
１０ コンパレータ
１１ 直流電源
１２ ＡＮＤ回路
１３ スイッチ
１４ スイッチング電源制御回路
１４ａ 駆動パルス
１５ 軽負荷検出回路
１６，１７ 抵抗
１８ トランジスタ
１９ 抵抗
２０ 直流電源
ＴＭ タイミング信号
ＬＬＤ 軽負荷検出信号

Claims (4)

1. 交流電源から生成される直流電源間にトランスからなる誘導性手段を介し接続された半導体スイッチ素子を、ＰＷＭ制御された駆動パルスにより連続して繰り返し開閉し（以下、この開閉の動作をスイッチング動作といい、連続して繰り返されるスイッチング動作の周期をスイッチング周期という）、安定化された直流電源を生成して外部の負荷に供給するスイッチング電源装置であって、
   前記交流電源の全波整流出力またはその分圧電圧を直流電源の電圧と比較することにより周期的なタイミング信号を生成するタイミング信号生成手段、
   前記負荷から直接その軽負荷状態を検出して前記負荷が所定値を下回ったことを示す軽負荷検出信号の存在時、前記タイミング信号に合わせ、前記半導体スイッチ素子に、少なくとも１スイッチング周期を含む期間にわたる前記の連続するスイッチング動作と少なくとも複数のスイッチング周期を含む期間にわたる開放状態の維持とを交互に繰り返させるスイッチング損失削減手段を備え、
   前記全波整流出力またはその分圧電圧が前記直流電源の電圧を上回る期間で前記開放状態の維持を行うことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 請求項１に記載のスイッチング電源装置において、
   前記タイミング信号生成手段が、前記交流電源の整流波形の振幅の瞬時値と、所定の基準電圧とを比較する手段を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
3. 請求項２に記載のスイッチング電源装置において、
   前記交流電源の整流波形が全波整流波形であることを特徴とするスイッチング電源装置。
4. 請求項２に記載のスイッチング電源装置において、
   前記交流電源の整流波形が半波整流波形であることを特徴とするスイッチング電源装置。

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