JP5170241B2 - 絶縁型スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
このようなヒステリシス制御法によるDC−DCコンバータは、制御回路の構成が簡易であり、誤差アンプによる位相遅れがないので過渡応答性に優れている。
(1)1次コイル及び2次コイルを有し、1次側から2次側へ電力を伝送する主トランスと、
前記主トランスの1次コイルに直列接続され、直流入力電源から前記主トランスの1次コイルに流れる電流を断続する、少なくとも1つの電力スイッチと、
前記主トランスの2次コイルに生じる電圧を整流する整流素子と、
前記整流素子によって整流された電圧を平滑する平滑回路と、を備え、
前記電力スイッチがオンである期間に前記主トランスにエネルギーを蓄積し、前記電力スイッチがオフである期間に前記蓄積したエネルギーを2次側に放出するように構成された絶縁型スイッチング電源装置であって、
前記主トランスに生じる磁束変化に基づくランプ波を生成するランプ波生成回路と、
前記ランプ波が重畳された基準電圧と、前記平滑回路により平滑された出力電圧とを比較して、大小関係が反転するタイミングの信号を出力する比較手段と、
前記比較手段から出力されるタイミング信号を2次側から1次側に伝送するタイミング信号伝送手段と、
前記タイミング信号伝送手段によって伝送されるタイミング信号によって、前記電力スイッチのターンオフタイミングを制御して、前記電力スイッチのオン時間を制御するスイッチング制御手段と、
を備える。
これにより、フォトカプラを用いる必要がないので、使用温度範囲が広く、電流伝達率の経時変化が小さな絶縁型スイッチング電源装置が構成できる。
これにより、前記ランプ波の傾きが前記出力電圧にほぼ比例することにより、フィードフォワード効果により、応答性、出力電圧精度、耐ノイズ性が改善される。
これにより、静的な出力電圧精度が向上する。
前記電力スイッチと前記スイッチ素子が共にオフである期間を挟んで相補的にオン・オフを繰り返し、前記電力スイッチがターンオフした直後に、前記電力スイッチの主電流通電端子間に生じるサージ電圧を前記コンデンサで吸収して回生する電圧クランプ回路を備える。
図2は、第1の実施形態に係る、絶縁型スイッチング電源装置101の回路図である。図3はその各部の波形図である。
図2において、絶縁型スイッチング電源装置101は、オン・オフ型絶縁DC−DCコンバータ(フライバック方式のDC−DCコンバータ)を構成している。絶縁型スイッチング電源装置101は、直流入力電源Vinに接続され、負荷RLへ所定の一定電圧を供給する。
まず、電力変換動作については、直流入力電源Vinから入力される直流電力は、電力スイッチQ1でスイッチングされて交流電力に変換される。電力スイッチQ1がオンすると、主トランスT1の1次コイルn1に、図3(d)に示す電流が流れ、励磁インダクタンスに電磁エネルギーが蓄積される。時刻t0において、電力スイッチQ1がオフすると、図3(c),(f)に示すように、Q1のドレイン−ソース間(以下、「D−S間」と表す。)、及び主トランスT1の電圧が反転し、整流ダイオードRctD1が導通して、図3(e)に示す電流が流れ、主トランスT1に蓄積された電磁エネルギーが平滑回路に放出される。整流ダイオードRctD1の出力は、出力平滑コンデンサCoutにより平滑されて直流電力に変換され、負荷RLに供給される。
図4は、第2の実施形態に係る、絶縁型スイッチング電源装置102の回路図である。また、図5はその各部の波形図である。
図4において、絶縁型スイッチング電源装置102は、オン・オフ型絶縁DC−DCコンバータ(フライバック方式のDC−DCコンバータ)を構成している。絶縁型スイッチング電源装置102は、直流入力電源Vinに接続され、負荷RLへ所定の一定電圧を供給する。
まず、電力変換動作については、直流入力電源Vinから入力される直流電力は、第1の電力スイッチQ1でスイッチングされて交流電力に変換される。第1の電力スイッチQ1がオンすると、主トランスT1の1次コイルn1に図5(c)に示すような直線状に増加する電流が流れ、励磁インダクタンスに電磁エネルギーが蓄積される。第1の電力スイッチQ1がオフすると、図5(b),(g)に示すように、Q1のD−S間、及び主トランスT1の電圧が反転し、第2の電力スイッチQ2の寄生ダイオードと、整流ダイオードRctD2とが導通する。主トランスT1の励磁電流の合計は、図5(c),(e)に点線で示すように直線的に減少するが、励磁電流が第2の電力スイッチQ2と、整流ダイオードRctD2とに分流するため、それぞれの電流は図5(e),(f)に示す波形になる。整流ダイオードRctD2を介して、主トランスT1に蓄積された電磁エネルギーが出力平滑コンデンサCoutにより平滑されて直流電力に変換され、負荷RLに供給される。
図6は、第3の実施形態に係る、絶縁型スイッチング電源装置103の回路図である。
この絶縁型スイッチング電源装置103は、第2の電力スイッチQ2とクランプコンデンサC5で形成される電圧クランプ回路A1を、第1の電力スイッチQ1に対して並列に接続したものである。それ以外の構成は図4と同様である。
図7は、第4の実施形態に係る、絶縁型スイッチング電源装置104の回路図である。図8はその各部の波形図である。
図7において、絶縁型スイッチング電源装置104は、オン・オフ型絶縁DC−DCコンバータ(フライバック方式のDC−DCコンバータ)を構成している。絶縁型スイッチング電源装置104は、直流入力電源Vinに接続され、負荷RLへ所定の一定電圧を供給する。
絶縁型スイッチング電源装置104の電力変換部は非対称制御のハーフブリッジコンバータを構成している。すなわち、直流入力電源Vinに、第1の電力スイッチQ1と第2の電力スイッチQ2とが直列接続され、前記第1の電力スイッチQ1と第2の電力スイッチQ2との接続点と、直流入力電源Vinとの間に主トランスT1の1次コイルn1と、クランプコンデンサC5との直列回路が接続されている。
A1…電圧クランプ回路
AMP…誤差アンプ
AND…ANDゲート
C5…クランプコンデンサ
Cin…入力平滑コンデンサ
COMP…コンパレータ
Cout…出力平滑コンデンサ
INTG…ランプ波補正回路
INV1,INV2…インバータ
MV…マルチバイブレータ
OCP…過電流保護回路
Q1…第1の電力スイッチ
Q2…第2の電力スイッチ
Q2dr…Q2駆動回路
Q3…スイッチ素子
RctD1,RctD2…整流ダイオード
Rct…同期整流素子
RL…負荷
Rs…電流検出抵抗
SRdr…同期整流素子駆動回路
T1…主トランス
T2…パルストランス
Vin…直流入力電源
Vref…基準電圧源
ZVdt…ゼロ電圧検出回路
Claims (11)
- 1次コイル及び2次コイルを有し、1次側から2次側へ電力を伝送する主トランスと、
前記主トランスの1次コイルに直列接続され、直流入力電源から前記主トランスの1次コイルに流れる電流を断続する、少なくとも1つの電力スイッチと、
前記主トランスの2次コイルに生じる電圧を整流する整流素子と、
前記整流素子によって整流された電圧を平滑する平滑回路と、を備え、
前記電力スイッチがオンである期間に前記主トランスにエネルギーを蓄積し、前記電力スイッチがオフである期間に前記蓄積したエネルギーを2次側に放出するように構成された絶縁型スイッチング電源装置であって、
前記主トランスに生じる磁束変化に基づくランプ波を生成するランプ波生成回路と、
前記ランプ波が重畳された基準電圧と、前記平滑回路により平滑された出力電圧とを比較して、大小関係が反転するタイミングの信号を出力する比較手段と、
前記比較手段から出力されるタイミング信号を2次側から1次側に伝送するタイミング信号伝送手段と、
前記タイミング信号伝送手段によって伝送されるタイミング信号によって、前記電力スイッチのターンオフタイミングを制御して、前記電力スイッチのオン時間を制御するスイッチング制御手段と、
を備えた絶縁型スイッチング電源装置。 - 前記タイミング信号伝送手段は、1次コイルと2次コイルとを有するパルストランスである、請求項1に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記ランプ波生成回路は、前記主トランスの2次コイルに生じる電圧または前記整流素子の両端に生じる電圧を積分する積分回路である、請求項1または2に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記平滑回路の出力電圧と所定の基準電圧との誤差電圧を増幅して誤差増幅信号を発生し、前記ランプ波生成回路が生成するランプ波に前記誤差増幅信号を重畳するランプ波補正回路を備えた、請求項1〜3のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記スイッチング制御手段は、前記電力スイッチがターンオフした後、前記主トランスに蓄えられた電磁エネルギーを放出して、前記電力スイッチの両端電圧がゼロ電圧またはゼロ電圧付近まで低下するタイミングを検出して前記電力スイッチをターンオンするゼロ電圧スイッチ制御手段を備えた、請求項1〜4のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 制御端子を有するスイッチ素子とコンデンサとを含む直列回路が、前記主トランスの1次コイルまたは前記電力スイッチに対して並列に接続され、
前記電力スイッチと前記スイッチ素子が共にオフである期間を挟んで相補的にオン・オフを繰り返し、前記電力スイッチがターンオフした直後に、前記電力スイッチの主電流通電端子間に生じるサージ電圧を前記コンデンサで吸収して回生する電圧クランプ回路を備えた、請求項1〜5のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。 - 前記直列回路に含まれる前記コンデンサは前記主トランスの1次コイルと直列に接続され、前記スイッチ素子のオン/オフ動作に同期して充電と放電、または放電と充電が繰り返されることを特徴とする、請求項6に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記主トランスにスイッチ素子駆動巻線が設けられ、前記スイッチング制御手段は、前記スイッチ素子駆動巻線に発生する前記1次コイルに発生する電圧に略比例した電圧を前記制御端子を有するスイッチ素子に入力してそれぞれをオン/オフ制御するスイッチ素子駆動回路を備えた、請求項6または7に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記スイッチ素子駆動回路は、前記制御端子を有するスイッチ素子をターンオフさせるスイッチ手段と、前記スイッチ素子駆動巻線に前記制御端子を有するスイッチ素子をターンオンさせる前記1次コイルの電圧に略比例した電圧を発生させてから、所定の時間後に前記制御端子を有するスイッチ素子を前記スイッチ手段によってターンオフさせるように制御する時定数回路とを備えた、請求項8に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記スイッチ手段はトランジスタで構成され、前記トランジスタが前記制御端子を有するスイッチ素子の制御端子に接続され、前記トランジスタの制御端子に前記時定数回路を構成するインピーダンス回路及びコンデンサが接続された、請求項9に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記整流素子は、制御信号によりスイッチングされるスイッチング素子である、請求項1〜10のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
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