JP5265235B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、２石フォワード型、１石フォワード型のスイッチング電源装置に係り、特に、トランスの一次巻線に接続された主スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失の低減を図ることができ、且つ、構成の簡略化と装置の小型化を図ることができるように工夫したものに関する。

一般に、各種電子機器の安定化電源としてスイッチング電源装置が使用されている。この種のスイッチング電源装置の場合には、主スイッチング素子の「ターンオフ」時にいわゆる「サージ電圧」が発生してしまう。そこで、そのようなサージ電圧を抑制させるためにスナバ回路を設けている。そのようなスナバ回路を設けたスイッチング電源装置の構成を開示するものとして、例えば、特許文献１がある。
特公平７−６７２７３号公報

上記特許文献１に開示されているスイッチング電源装置は図８に示すような構成になっている。
まず、電源端子１０１、１０３があるとともに出力端子１０５、１０７がある。上記電源端子１０１、１０３側と出力端子１０５、１０７側との間には、トランスＴ_１が設置されている。このトランスＴ_１は一次巻線Ｔ_１−Ｐと二次巻線Ｔ_１−Ｓとから構成されている。上記電源端子１０１、１０３側には、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１が設置されている。又、上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１には駆動トランスＴ_２が設置されている。

上記駆動トランスＴ_２は後述する制御回路１０９からの駆動信号を入力する一次巻線Ｔ_２−Ｄと、この信号を出力して上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と補助スイッチング素子Ｑ_ａ１を駆動する二次巻線Ｔ_２−Ｑ１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２と二次巻線Ｔ_{２−Ｑａ１}とから構成されている。上記スイッチング素子Ｑ_１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ１との間には抵抗Ｒ_１が設置されている。又、上記主スイッチング素子Ｑ_２と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２との間には抵抗Ｒ_２が設置されている。又、上記補助スイッチング素子Ｑ_ａ１と二次巻線Ｔ_{２−Ｑａ１}との間には抵抗Ｒ_ａ１が設置されている。

又、上記電源端子１０１、１０３側には、ダイオードＤ_１、Ｄ_２、Ｄ_ａ１、Ｄ_ａ２、Ｄ_ａ３が設置されている。又、上記電源端子１０１、１０３側には、コンデンサＣ_１、Ｃ_ａ１、Ｃ_ａ２が設置されているとともにチョークコイルＬ_ａ１が設置されている。そして、上記補助スイッチング素子Ｑ_ａ１、ダイオードＤ_ａ１、Ｄ_ａ２、Ｄ_ａ３、コンデンサＣ_ａ１、Ｃ_ａ２、チョークコイルＬ_ａ１によってスナバ回路１１１を構成している。

上記出力端子１０５、１０７側には制御回路１０９が設置されている。又、上記出力端子１０５、１０７側にはダイオードＤ_３、Ｄ_４が設置されているとともにチョークコイルＬ_１、コンデンサＣ_２が設置されている。
尚、図７中Ｖ_ｉｎは電源電圧を示している。

上記構成において、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１が「オン」すると、チョークコイルＬ_ａ１とコンデンサＣ_ａ１、Ｃ_ａ２とによる共振回路が形成されて共振電流が流れる。その共振電流はダイオードＤ_ａ２の作用によって、コンデンサＣ_ａ１からコンデンサＣ_ａ２にのみ流れる。

又、トランスＴ_１の二次巻線Ｔ_１−Ｓの誘起電圧は、ダイオードＤ_３、Ｄ_４によって整流され、且つ、チョークコイルＬ_１、コンデンサＣ_２によって平滑化され、出力端子１０５、１０７を介して出力される。その際、その出力電圧は駆動制御回路１０９によって予め設定された設定値になるように制御される。

又、上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１が「ターンオフ」すると、トランスＴ_１の蓄積エネルギにより、主スイッチング素子Ｑ_２のドレイン・ソース間に加わる電圧が、ダイオードＤ_ａ１を介してコンデンサＣ_ａ１に加えられ、それによって、充電が行われる。スイッチング素子Ｑ_２のドレイン・ソース間の電圧はコンデンサＣ_ａ１の端子電圧の上昇に伴って徐々に上昇することになり、それによって、サージ電圧の発生を抑制することができる。又、コンデンサＣ_ａ２の充電電荷はダイオードＤ_ａ３を介してトランスＴ_１の一次巻線Ｔ_１−Ｐを介して放電される。

又、上記スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１が「ターンオン」すると、トランスＴ_１の一次巻線Ｔ_１−Ｐに主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２を介して直流電源からの電流が流れる。又、スナバ回路１１１においては、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１が「オン」となるので、前述したように、コンデンサＣ_ａ１からＣ_ａ２に共振電流が流れる。その際、コンデンサＣ_ａ１、Ｃ_ａ２の容量を等しく設定しておくことにより、共振電流による放電によって、コンデンサＣ_ａ１の端子電圧は略「０」となる。

上記構成をなすスイッチング電源装置の場合には次のような問題があった。
まず、従来のスイッチング電源装置用の構成では、スナバ回路１１１における損失が大きく、結局、スイッチング損失が大きくなってしまうという問題があった。
又、別の問題として構成が複雑であって小型化に不向きであるという問題があった。具体的には、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１を駆動するために、駆動トランスＴ_２の二次巻線を多数必要とするものであり（具体的には、二次巻線Ｔ_２−Ｑ１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２と二次巻線Ｔ_{２−Ｑａ１}という３つの二次巻線を必要とする）、又、それ以外にも多数の電子部品を必要としており、それによって、構成が複雑化してしまって小型化が困難であるという問題があった。

そこで、本件特許出願人は、上記問題点を解決するものとして、図９に示すような新たなスイッチング電源装置を提案している。これは主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２の「ターンオフ」時のスイッチング損失の低減と構成の簡略化及び装置の小型化を目的として提案されているものである。
因みに、図９に示す内容については本件と同日付で別途特許出願しているものである。

図９に示すように、まず、電源端子２０１、２０３があるとともに出力端子２０５、２０７がある。上記電源端子２０１、２０３側と出力端子２０５、２０７側との間にはトランスＴ_１が設置されている。このトランスＴ_１は一次巻線Ｔ_１−Ｐと二次巻線Ｔ_１−Ｓとから構成されている。上記電源端子２０１、２０３側には、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１が設置されている。又、上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１には駆動トランスＴ_２が設置されている。

上記駆動トランスＴ_２は後述する制御回路２０９からの駆動信号を入力する一次巻線Ｔ_２−Ｄと、この信号を出力して上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と補助スイッチング素子Ｑ_ａ１を駆動する二次巻線Ｔ_２−Ｑ１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２とから構成されている。上記スイッチング素子Ｑ_１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ１との間には抵抗Ｒ_１が設置されている。又、上記スイッチング素子Ｑ_２と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２との間には抵抗Ｒ_２が設置されている。又、上記補助スイッチング素子Ｑ_ａ１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ１との間には抵抗Ｒ_ａ１が設置されている。

又、上記電源端子２０１、２０３側にはダイオードＤ_ａ１、Ｄ_ａ２が設置されている。又、上記電源端子２０１、２０３側にはコンデンサＣ_１、Ｃ_ａ１が設置されているとともにチョークコイルＬ_ａ１が設置されている。そして、上記スイッチング素子Ｑ_ａ１、ダイオードＤ_ａ１、Ｄ_ａ２、コンデンサＣ_ａ１、チョークコイルＬ_ａ１によってスナバ回路２１１を構成している。

上記出力端子２０５、２０７側には制御回路２０９が設置されている。又、上記出力端子２０５、２０７側にはダイオードＤ_３、Ｄ_４が設置されていると共にチョークコイルＬ_１、コンデンサＣ_２が設置されている。
尚、図９中符号Ｖ_ｉｎは電源電圧を示している。

上記構成によると、スナバ回路２１１としての損失を低減させ、それによって、スイッチング電源装置としてのスイッチング損失を低減させることができる。これは、上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と補助スイッチング素子Ｑ_ａ１が「ターンオフ」した時、ダイオードＤ_ａ１とコンデンサＣ_ａ１の作用によって、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２の両端電圧Ｖ_１、Ｖ_２が徐々に上昇するようになるためである。

尚、図１０は図９に示したスイッチング電源装置の主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のゲート駆動波形を示す図である。図１０（ａ）は主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のゲート駆動波形Ｖ_ｇｓ１、Ｖ_ｇｓ２を示しており、図１０（ｂ）は補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のゲート駆動波形Ｖ_ｇｓａ１を示している。

上記従来の構成によると次のような問題があった。すなわち、図９に示すスイッチング電源装置の場合には、ターンオフ時のスイッチング損失を低減させることはできるものの、ターンオン時のスイッチング損失を低減させることができないという問題があった。すなわち、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２が「ターンオン」する際、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２の寄生コンデンサを放電する時にスイッチング損失が発生してしまうからである。

本発明はこのような点に基づいてなされたものでその目的とするところは、主スイッチング素子のターンオン時におけるスイッチング損失を低減させることが可能なスイッチング電源装置用を提供することにある。

上記目的を達成するべく本願発明の請求項１によるスイッチング電源装置は、トランス（Ｔ_１）の一次巻線（Ｔ_１−Ｐ）に主スイッチング素子（Ｑ_１、Ｑ_２）を接続し、上記トランス（Ｔ_１）の一次巻線（Ｔ_１−Ｐ）に補助スイッチング素子（Ｑ_ａ１）を接続してなるスイッチング電源装置において、上記補助スイッチング素子（Ｑ_ａ１）のスイッチ機能部(ＳＷ_ａ１)をターンオンさせた後予め設定された遅れ時間（ｔ_ｄ）が経過した後上記主スイッチング素子（Ｑ_１、Ｑ_２）のスイッチ機能部（ＳＷ_１、ＳＷ_２）をターンオンさせる回路を設け、上記トランス（Ｔ _１ ）の一次巻線（Ｔ _１−Ｐ ）に対してチョークコイル（Ｌ _ａ１ ）とコンデンサ（Ｃ _ａ１ ）を並列に接続し、上記主スイッチング素子（Ｑ _１ ）のスイッチ機能部（ＳＷ _１ ）に対してコンデンサ（Ｃ _ｓｗ１ ）とダイオード（Ｄ _ｓｗ１ ）を並列に接続し、上記主スイッチング素子（Ｑ ₂ ）のスイッチ機能部（ＳＷ _２ ）に対してコンデンサ（Ｃ _ｓｗ２ ）とダイオード（Ｄ _ｓｗ２ ）を並列に接続し、上記補助スイッチング素子（Ｑ _ａ１ ）のスイッチ機能部(ＳＷ _ａ１ )をターンオンすることにより上記チョークコイル（Ｌ _ａ１ ）とコンデンサ（Ｃ _ａ１ ）を共振させ、上記チョークコイル（Ｌ _ａ１ ）の両端電圧が電源電圧（Ｖ _ｉｎ ）以上となり、上記コンデンサ（Ｃ _ｓｗ１ 、Ｃ _ｓｗ２ ）を放電させ、上記ダイオード（Ｄ _ｓｗ１ 、Ｄ _ｓｗ２ ）に電流が流れてから上記主スイッチング素子（Ｑ _１ 、Ｑ _２ ）のスイッチ機能部（ＳＷ _１ 、ＳＷ _２ ）をターンオンさせるようにしたことを特徴とするものである。

以上述べたように本願発明の請求項１によるスイッチング電源装置によると、トランス（Ｔ_１）の一次巻線（Ｔ_１−Ｐ）に主スイッチング素子（Ｑ_１、Ｑ_２）を接続し、上記トランス（Ｔ_１）の一次巻線（Ｔ_１−Ｐ）に補助スイッチング素子（Ｑ_ａ１）を接続してなるスイッチング電源装置において、上記補助スイッチング素子（Ｑ_ａ１）のスイッチ機能部(ＳＷ_ａ１)をターンオンさせた後予め設定された遅れ時間（ｔ_ｄ）が経過した後上記主スイッチング素子（Ｑ_１、Ｑ_２）のスイッチ機能部（ＳＷ_１、ＳＷ_２）をターンオンさせる回路を設けた構成となっているので、主スイッチング素子（Ｑ_１、Ｑ_２）のターンオン時のスイッチング損失を低減させることができる。又、上記効果によってスイッチング周波数の高周波化が可能になり、よって、スイッチング電源装置の小型化を図ることができる。
又、請求項２によるスイッチング電源装置は、請求項１記載のスイッチング電源装置において、上記トランス（Ｔ_１）の一次巻線（Ｔ_１−Ｐ）に対してチョークコイル（Ｌ_ａ１）とコンデンサ（Ｃ_ａ１）を並列に接続し、上記主スイッチング素子（Ｑ_１）のスイッチ機能部（ＳＷ_１）に対してコンデンサ（Ｃ_ｓｗ１）とダイオード（Ｄ_ｓｗ１）を並列に接続し、上記主スイッチング素子（Ｑ₂）のスイッチ機能部（ＳＷ_２）に対してコンデンサ（Ｃ_ｓｗ２）とダイオード（Ｄ_ｓｗ２）を並列に接続し、上記補助スイッチング素子（Ｑ_ａ１）のスイッチ機能部(ＳＷ_ａ１)をターンオンすることにより上記チョークコイル（Ｌ_ａ１）とコンデンサ（Ｃ_ａ１）を共振させ、上記チョークコイル（Ｌ_ａ１）の両端電圧が電源電圧（Ｖ_ｉｎ）以上となり、上記コンデンサ（Ｃ_ｓｗ１、Ｃ_ｓｗ２）を放電させ、上記ダイオード（Ｄ_ｓｗ１、Ｄ_ｓｗ２）に電流が流れてから上記主スイッチング素子（Ｑ_１、Ｑ_２）のスイッチ機能部（ＳＷ_１、ＳＷ_２）をターンオンさせるようにした構成になっているので、簡単な構成で上記効果を確実に得ることができる。
又、請求項３によるスイッチング電源装置は、請求項１又は請求項２記載のスイッチング電源装置用スナバ回路において、上記スイッチング電源装置は、２石フォワード型又は１石フォワード型のスイッチング電源装置であり、何れの場合にも上記した効果を確実に得ることができるものである。

以下、図１乃至図５を参照して本発明の第１の実施の形態を説明する。図１に示すスイッチング電源装置は、本願発明を２石フォワード型のスイッチング電源装置に適用した例を示すものである。
因みに、フォワード型とは、スイッチング素子を構成するトランジスタが「オン」した時にエネルギの伝達が実行される「ＯＮ―ＯＮ方式」を意味している。又、２石とは主スイッチング素子の個数を意味するものであり、この実施の形態の場合には２個の主スイッチング素子を使用しているものである。

図１に示すように、まず、電源端子１、３があるとともに出力端子５、７がある。上記電源端子１、３側と出力端子５、７側との間にはトランスＴ_１が設置されている。このトランスＴ_１は一次巻線Ｔ_１−Ｐと二次巻線Ｔ_１−Ｓとから構成されている。上記電源端子１、３側には、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１が設置されている。又、上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１には駆動トランスＴ_２が設置されている。

上記駆動トランスＴ_２は後述する制御回路９からの駆動信号を入力する一次巻線Ｔ_２−Ｄと、この信号を出力して上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と補助スイッチング素子Ｑ_ａ１を駆動する二次巻線Ｔ_２−Ｑ１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２とから構成されている。上記スイッチング素子Ｑ_１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ１との間には抵抗Ｒ_１、抵抗Ｒ_ｄ１、コンデンサＣ_ｄ１、ダイオードＤ_ｄ１が夫々設置されている。又、上記スイッチング素子Ｑ_２と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２との間には、抵抗Ｒ_２、抵抗Ｒ_ｄ２、コンデンサＣ_ｄ２、ダイオードＤ_ｄ２が夫々設置されている。又、上記補助スイッチング素子Ｑ_ａ１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ１との間には抵抗Ｒ_ａ１が設置されている。

又、上記電源端子１、３側にはダイオードＤ_ａ１、Ｄ_ａ２が設置されている。上記電源端子１、３側にはコンデンサＣ_１、Ｃ_ａ１が設置されているとともにチョークコイルＬ_ａ１が設置されている。そして、上記スイッチング素子Ｑ_ａ１、ダイオードＤ_ａ１、Ｄ_ａ２、コンデンサＣ_ａ１、チョークコイルＬ_ａ１によってスナバ回路１１を構成している。

上記出力端子５、７側には制御回路９が設置されている。又、上記出力端子５、７側にはダイオードＤ_３、Ｄ_４が設置されていると共にチョークコイルＬ_１、コンデンサＣ_２が設置されている。
尚、図９中符号Ｖ_ｉｎは電源電圧を示している。

又、図２は本実施の形態における主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のゲート駆動波形を示す図である。図２中主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のゲート駆動波形をＶ_ｇｓ１、Ｖ_ｇｓ２で示すと共に、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のゲート駆動波形をＶ_ｇｓａ１で示す。又、図２中閾値を破線で示していて、閾値以上になったときを「オン」とし、閾値以下のときを「オフ」とするものである。図２に示すように、本実施の形態の場合には、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１の「ターンオン」に対して予め設定された遅れ時間「ｔ_ｄ」を経た後に、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２を「ターンオン」させているものである。

又、図３は図１に示した回路と同じ内容であって動作原理を説明するための図として表したものであり、図４は図３に対応させて主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１の制御信号を示す図である。

図３に示す動作原理図に関して説明を補充する。図３中符号ＳＷ_１は主スイッチング素子Ｑ_１における「オン／オフ」スイッチ機能部を表すものであり、Ｃ_ｓｗ１は主スイッチング素子Ｑ_１におけるドレイン・ソース間の寄生コンデンサを示し、Ｄ_ｓｗ１は主スイッチング素子Ｑ_１におけるソースからドレインの向きに電流を流すことができる寄生ダイオードを示している。又、図３中符号ＳＷ_２は主スイッチング素子Ｑ_２における「オン／オフ」スイッチ機能部を表すものであり、Ｃ_ｓｗ２は主スイッチング素子Ｑ_２におけるドレイン・ソース間の寄生コンデンサを示し、Ｄ_ｓｗ２は主スイッチング素子Ｑ_２におけるソースからドレインの向きに電流を流すことができる寄生ダイオードを示している。又、図３中ＳＷ_ａ１は補助スイッチング素子Ｑ_ａ１における「オン／オフ」スイッチ機能部を表すものであり、Ｄ_ｓｗａ１は補助スイッチング素子Ｑ_ａ１におけるソースからドレインの向きに電流を流すことができる寄生ダイオードを示している。
尚、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２の夫々のドレイン・ソース間に容量を追加することも可能であり、その場合には寄生コンデンサＣ_ｓｗ１、Ｃ_ｓｗ２は寄生コンデンサの容量と追加した容量の和となる。又、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と補助スイッチング素子Ｑ_ａ１の寄生ダイオードＤ_ｓｗ１、Ｄ_ｓｗ２、Ｄ_ｓｗａ１については、寄生ダイオード以外にも同一方向のダイオードを追加することもある。

又、図３において、制御回路９より出力される制御信号をＧＤ_１、ＧＤ_２、ＧＤ_ａ１で示している。上記制御信号ＧＤ_１は主スイッチング素子Ｑ_１の「オン／オフ」スイッチ機能部ＳＷ_１を駆動するための制御信号である。その際、「オン」信号として、図１において、駆動トランスＴ_２の二次巻線Ｔ_２−Ｑ１からの抵抗Ｒ_ｄ１を通してコンデンサＣ_ｄ１を充電し、抵抗Ｒ_１を通して主スイッチング素子Ｑ_１のゲートにプラス電圧を供給する。そして、抵抗Ｒ_ｄ１とコンデンサＣ_ｄ１とによるＣＲ時定数回路によって、既に説明した遅れ時間「ｔ_ｄ」をつくる。これに対して、「オフ」信号として、図１において、駆動トランスＴ_２の二次巻線Ｔ_２−Ｑ１からダイオードＤ_ｄ１を介して抵抗Ｒ_１を通して主スイッチング素子Ｑ_１のゲートにマイナス電圧を供給する。同時に、コンデンサＣ_ｄ１をダイオードＤ_ｄ１を介して放電するものである。

又、制御信号ＧＤ_２は主スイッチング素子Ｑ_２の「オン／オフ」スイッチ機能部ＳＷ_２を駆動するための制御信号である。「オン」信号として、図１において、駆動トランスＴ_２の二次巻線Ｔ_２−Ｑ２からの抵抗Ｒ_ｄ２を通してコンデンサＣ_ｄ２を充電し、抵抗Ｒ_２を通して主スイッチング素子Ｑ_２のゲートにプラス電圧を供給する。そして、抵抗Ｒ_ｄ２とコンデンサＣ_ｄ２とによるＣＲ時定数回路によって遅れ時間「ｔ_ｄ」をつくる。これに対して、「オフ」信号として、図１において、駆動トランスＴ_２の二次巻線Ｔ_２−Ｑ２からダイオードＤ_ｄ２を介して抵抗Ｒ_２を通して主スイッチング素子Ｑ_２のゲートにマイナス電圧を供給する。同時に、コンデンサＣ_ｄ２をダイオードＤ_ｄ２を介して放電するものである。

又、制御信号ＧＤ_ａ１は補助スイッチング素子Ｑ_ａ１の「オン／オフ」スイッチ機能部ＳＷ_ａ１を駆動するための制御信号である。「オン」信号として、図１において、駆動トランスＴ_２の二次巻線Ｔ_２−Ｑ１からの抵抗Ｒ_ａ１を通して補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のゲートにプラス電圧を供給する。これに対して、「オフ」信号として、図１において、駆動トランスＴ_２の二次巻線Ｔ_２−Ｑ２から抵抗Ｒ_ａ１を通して補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のゲートにマイナス電圧を供給する。

又、図４においては、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と補助スイッチング素子Ｑ_ａ１の制御信号を示していて、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２の制御信号ＧＤ_１、ＧＤ_２を図４（ａ）に示すと共に、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１の制御信号ＧＤ_ａ１を図４（ｂ）に示している。図４に示すように、本実施の形態の場合には、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１の「ターンオン」に対して予め設定された遅れ時間「ｔ_ｄ」を経た後に、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２を「ターンオン」させているものである。
尚、この図４の場合には駆動信号「ＬＯＷ」を「０Ｖ」で表している。

以上の構成を基に図５を参照してその作用を説明する。
尚、図５はタイミングチャートであり、Ｖ_１、Ｖ_２は主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２の両端電圧を示し、Ｉ_１は主スイッチング素子Ｑ_１のスイッチ機能部ＳＷ_１、寄生ダイオードＤ_ｓｗ１、寄生コンデンサＣ_ｓｗ１を流れる電流を示し、Ｉ_２は主スイッチング素子Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_２、寄生ダイオードＤ_ｓｗ２、寄生コンデンサＣ_ｓｗ２を流れる電流を示す。Ｉ_ｄａ１、Ｉ_ｄａ２はダイオードＤ_ａ１、Ｄ_ａ２を流れる電流を示し、Ｉ_Ｃａ１はコンデンサＣ_ａ１を流れる電流を示し、Ｖ_Ｃａ１はコンデンサＣ_ａ１の両端電圧を示し、Ｖ_ｌａ１はチョークコイルＬ_ａ１の両端電圧を示している。
そして、図５（ａ）は主スイッチング素子Ｑ_１のスイッチ機能部ＳＷ_１の駆動信号ＧＤ_１の時間変化を示しており、図５（ｂ）主スイッチング素子Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_２の駆動信号ＧＤ_２の時間変化を示しており、図５（ｃ）補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のスイッチ機能部ＳＷ_ａ１の駆動信号ＧＤ_ａ１の時間変化を示しており、図５（ｄ）主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２の両端電圧Ｖ_１、Ｖ_２の時間を示しており、図５（e）主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２を流れる電流Ｉ_１、Ｉ_２の時間変化を示しており、図５（ｆ）ダイオードＤ_ａ１を流れる電流Ｉ_ｄａ１の時間変化を示しており、図５（ｇ）ダイオードＤ_ａ２を流れる電流Ｉ_ｄａ２の時間変化を示しており、図５（ｈ）はコンデンサＣ_ａ１を流れる電流Ｉ_ｃａ１の時間変化を示しており、図５（ｉ）はコンデンサＣ_ａ１の両端電圧Ｖ_ｃａ１の時間変化を示しており、図５（ｊ）はチョークコイルＬ_ａ１の両端電圧Ｖ_ｌａ１の時間変化を示している。

まず、図５における期間「（１）（時刻ｔ_１〜ｔ_２）」の場合であるが、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のスイッチ機能部ＳＷ_ａ１を「ターンオフ」すると、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２を流れる電流Ｉ_１、Ｉ_２が瞬時に「０」となる。そして、トランスＴ_１の蓄積エネルギによってダイオードＤ_ａ１に電流Ｉ_ｄａ１が流れる。そして、コンデンサＣ_ａ１の電圧Ｖ_ｃａ１は「−Ｖ_ｉｎ」から徐々に高くなって「正」に反転する。主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２の電圧Ｖ_１、Ｖ_２はコンデンサＣ_ａ１の電圧Ｖ_ｃａ１の上昇に伴って徐々に高くなる。このように主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２両端電圧Ｖ_１、Ｖ_２が徐々に上昇するため「ターンオフ」時のスイッチング損失は略「０」になる。

次に、図５における期間「（２）（時刻ｔ_２〜ｔ_３）」の場合であるが、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のスイッチ機能部ＳＷ_ａ１ は「オフ」したままである。そして、ダイオードＤ_ａ２に流れる電流は略「０」である。これは主スイッチング素子Ｑ_ａ１のスイッチ機能部ＳＷ_ａ１が「オフ」しているからである。又、コンデンサＣ_ａ１の電圧Ｖ_ｃａ１には充放電が殆どなく「正」の電圧で略一定に維持される。

次に、図５における期間「（３）（時刻ｔ_３〜ｔ_４）」の場合であるが、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のスイッチ機能部ＳＷ_ａ１ を「ターンオン」することにより、コンデンサＣ_ａ１とコイルＬ_ａ１ による共振回路が形成され、ダイオードＤ_ａ２、コイルＬ_ａ１、主スイッチング素子Ｑ_ａ１のスイッチ機能部ＳＷ_ａ１を介して共振電流が流れる。そして、コンデンサＣ_ａ１の電圧Ｖ_ｃａ１は徐々に減少する。

次に、図５における期間「（４）（時刻ｔ_４〜ｔ_５）」の場合であるが、コンデンサＣ_ａ１の電圧の極性が反転するとともにダイオードＤ_ａ１が導通して電流Ｉ_ｄａ１が流れる。コンデンサＣ_ａ１の電圧Ｖ_ｃａ１が「Ｖ_ｉｎ」を越え、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２ と並列のコンデンサＣ_ｓｗ１、Ｃ_ｓｗ２の電荷が電源に向かって回生される。このため、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２の両端電圧Ｖ_１、Ｖ_２は徐々に減少する。

次に、図５における期間「（５）（時刻ｔ_５〜ｔ_６）」の場合であるが、ダイオードＤ_ｓｗ１、Ｄ_ｓｗ２が導通したとき、つまり主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２の両端電圧Ｖ_１、Ｖ_２が略「０」になってから主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２が「ターンオン」する。この「ターンオン」のタイミングは、既に説明した補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のスイッチ機能部ＳＷ_ａ１ を「ターンオン」のタイミング対して、遅れ時間「ｔ_ｄ」だけ遅れているものである。そして、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２に電流Ｉ_１、Ｉ_２が流れ始める。このように、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２の両端電圧Ｖ_１、Ｖ_２が略「０」になってから主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２を「ターンオン」するため、「ターンオン」時のスイッチング損失は略「０」になる

次に、図５における期間「（６）（時刻ｔ_６〜ｔ_７）」の場合であるが、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２が「オン」で電流Ｉ_１、Ｉ_２が流れる。そして、期間「（１）（時刻ｔ_１〜ｔ_２）」と同じ動作に戻り以下同様の内容を繰り返すものである。

以上本実施の形態によると次のような効果を奏することができるものである。
すなわち、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のターンオン時のスイッチング損失を低減させることができる。これは、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２のスイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２の「ターンオン」のタイミングを補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のスイッチ機能部ＳＷ_ａ１ を「ターンオン」のタイミング対して、遅れ時間「ｔ_ｄ」だけ遅らせることにより実現されているものである。
その他、スナバ回路１１としての損失を低減させ、それによって、スイッチング電源装置としてのスイッチング損失を低減させることができる。これは、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２、の「オン／オフ」スイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１の「オン／オフ」スイッチ機能部ＳＷ_ａ１が「ターンオフ」した時、ダイオードＤ_ａ１とコンデンサＣ_ａ１の作用によって、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２、の「オン／オフ」スイッチ機能部ＳＷ_１、ＳＷ_２の両端電圧Ｖ_１、Ｖ_２が徐々に上昇するようになるためである。
又、駆動トランスＴ_２の二次巻線の数を減少させることができる。すなわち、従来の場合には、二次巻線Ｔ_２−Ｑ１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２と二次巻線Ｔ_{２−Ｑａ１}を必要としていたが、本実施の形態の場合には、二次巻線Ｔ_２−Ｑ１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２の二つで事足りるものである。このように必要な電子部品の個数を減少させることができ、それによって、構成の簡略化と装置の小型化を図ることができる。具体的には、図７に示した従来の構成の場合には２１点の電子部品を必要としていたが、図１に示す本実施の形態の場合には１７点の電子部品で事足りることになる。
又、上記効果によってスイッチング周波数の高周波化が可能になり、よって、スイッチング電源装置の小型化を図ることができる。

次に、図６及び図７を参照して本発明の第２の実施の形態を説明する。この第２の実施の形態によるスイッチング電源装置は図６に示すような構成になっている。まず、電源端子１、３があるとともに出力端子５、７がある。上記電源端子１、３側と出力端子５、７側との間には、トランスＴ_１が設置されている。このトランスＴ_１は一次巻線Ｔ_１−Ｐと二次巻線Ｔ_１−Ｓとから構成されている。上記電源端子１、３側には、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１が設置されている。又、上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１には駆動トランスＴ_２が設置されている。

上記駆動トランスＴ_２は後述する制御回路９からの駆動信号を入力する一次巻線Ｔ_２−Ｄと、この信号を出力して上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と補助スイッチング素子Ｑ_ａ１を駆動する二次巻線Ｔ_２−Ｑ１と二次巻線Ｔ_２−Ｑ２と二次巻線Ｔ_{２−Ｑａ１}とから構成されている。上記スイッチング素子Ｑ_１と一次巻線Ｔ_２−Ｑ１との間には抵抗Ｒ_１、抵抗Ｒ_ｄ１、コンデンサＣ_ｄ１、ダイオードＤ_ｄ１が夫々設置されている。又、上記主スイッチング素子Ｑ_２と一次巻線Ｔ_２−Ｑ２との間には抵抗Ｒ_２、抵抗Ｒ_ｄ２、コンデンサＣ_ｄ２、ダイオードＤ_ｄ２が夫々設置されている。又、上記補助スイッチング素子Ｑ_ａ１と一次巻線Ｔ_{２−Ｑａ１}との間には抵抗Ｒ_ａ１、Ｒ_ａｄ１、コンデンサＣ_ａｄ１、ダイオードＤ_ａｄ１が夫々設置されている。

又、上記電源端子１、３側には、ダイオードＤ_ａ１、Ｄ_ａ２、Ｄ_ａ３が設置されている。又、上記電源端子１、３側には、コンデンサＣ_１、Ｃ_ａ１、Ｃ_ａ２が設置されているとともにチョークコイルＬ_ａ１が設置されている。そして、上記補助スイッチング素子Ｑ_ａ１、ダイオードＤ_ａ１、Ｄ_ａ２、Ｄ_ａ３、コンデンサＣ_ａ１、Ｃ_ａ２、チョークコイルＬ_ａ１によってスナバ回路１１を構成している。

上記出力端子５、７側には制御回路９が設置されている。又、上記出力端子５、７側にはダイオードＤ_３、Ｄ_４が設置されているとともにチョークコイルＬ_１、コンデンサＣ_２が設置されている。
尚、図６中Ｖ_ｉｎは電源電圧を示している。
又、図７は主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２と、補助スイッチング素子Ｑ_ａ１のゲート駆動波形を示す図である。

このような構成をなす第２の実施の形態の場合にも前記第１の実施の形態の場合と同様の効果を奏することができる。すなわち、上記補助スイッチング素子Ｑ_ａ１をターンオンすることにより上記チョークコイルＬ_ａ１とコンデンサＣ_ａ１を共振させる。そして、上記チョークコイルＬ_ａ１の両端電圧が電源電圧Ｖ_ｉｎ以上となり、上記コンデンサＣ_ｄ１、Ｃ_ｄ２を放電させ、上記ダイオードＤ_ｄ１、Ｄ_ｄ２に電流が流れてから上記主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２をターンオンさせるようにしているものである。つまり、前記第１の実施の形態の場合と同様に、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２の「ターンオン」のタイミングを補助スイッチング素子Ｑ_ａ１の「ターンオン」のタイミング対して、遅れ時間「ｔ_ｄ」だけ遅らせることにより、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２の「ターンオン」時のスイッチング損失を低減させることができ、それによって、スイッチング周波数の高周波化が可能になり、よって、スイッチング電源装置の小型化を図ることができる。

尚、本発明は前記第１、第２の実施の形態に限定されるものではない。
まず、前記第１及び第２の実施の形態の場合には、２石フォワード型のスイッチング電源装置を例に挙げて説明しているが、１石フォワード型のスイッチング電源装置にも同様に適用可能である。
又、駆動トランスＴ_２としては、絶縁ホトカプラ素子、ブートスとラップ回路により生成される信号でもよい。
又、主スイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２の「ターンオフ」時の蓄積エネルギが不足する場合には、トランスＴの一次巻線Ｔ_１−Ｐに別体のコイルを直列に接続するようにしてもよい。

本発明は、スイッチング電源装置に係り、特に、トランスの一次巻線に接続された主スイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失の低減を図ることができ、且つ、構成の簡略化と装置の小型化を図ることができるように工夫したものに関し、例えば、２石フォワード型、１石フォワード型のスイッチング電源装置に好適である。

本発明の第１の実施の形態を示す図で、スイッチング電源装置の回路構成を示す図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、主スイッチング素子のゲート駆動波形を示す図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、スイッチング電源装置の原理を説明するための図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、主スイッチング素子のゲート駆動波形を示す図である。 本発明の第１の実施の形態を示す図で、スイッチング電源装置の動作を説明するためのタイミングチャートである。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、スイッチング電源装置の回路構成を示す図である。 本発明の第２の実施の形態を示す図で、主スイッチング素子のゲート駆動波形を示す図である。 従来例を示す図で、スイッチング電源装置の回路構成を示す図である。 参考例を示す図で、スイッチング電源装置の回路構成を示す図である。 参考例を示す図で、主スイッチング素子のゲート駆動波形を示す図である。

符号の説明

１ 電源端子
３ 電源端子
５ 出力端子
７ 出力端子
９ 制御回路
Ｔ_１ トランス
Ｔ_２ 駆動トランス
Ｑ_１ 主スイッチング素子
Ｑ_２ 主スイッチング素子
Ｑ_ａ１ 補助スイッチング素子
Ｄ_ａ１ ダイオード
Ｄ_ａ２ ダイオード
Ｃ_ａ１ コンデンサ
Ｌ_ａ１ チョークコイル
Ｒ_ａ１ 抵抗
Ｒ１ 抵抗
Ｒｄ１ 抵抗
Ｃｄ１ コンデンサ
Ｄｄ１ ダイオード
Ｒ２ 低抗
Ｒｄ２ 抵抗
Ｃｄ２ コンデンサ
Ｄｄ２ ダイオード

Claims (1)

1. トランス（Ｔ_１）の一次巻線（Ｔ_１−Ｐ）に主スイッチング素子（Ｑ_１、Ｑ_２）を接続し、上記トランス（Ｔ_１）の一次巻線（Ｔ_１−Ｐ）に補助スイッチング素子（Ｑ_ａ１）を接続してなるスイッチング電源装置において、
   上記補助スイッチング素子（Ｑ_ａ１）のスイッチ機能部(ＳＷ_ａ１)をターンオンさせた後予め設定された遅れ時間（ｔ_ｄ）が経過した後上記主スイッチング素子（Ｑ_１、Ｑ_２）のスイッチ機能部（ＳＷ_１、ＳＷ_２）をターンオンさせる回路を設け、
   上記トランス（Ｔ _１ ）の一次巻線（Ｔ _１−Ｐ ）に対してチョークコイル（Ｌ _ａ１ ）とコンデンサ（Ｃ _ａ１ ）を並列に接続し、
   上記主スイッチング素子（Ｑ _１ ）のスイッチ機能部（ＳＷ _１ ）に対してコンデンサ（Ｃ _ｓｗ１ ）とダイオード（Ｄ _ｓｗ１ ）を並列に接続し、上記主スイッチング素子（Ｑ ₂ ）のスイッチ機能部（ＳＷ _２ ）に対してコンデンサ（Ｃ _ｓｗ２ ）とダイオード（Ｄ _ｓｗ２ ）を並列に接続し、
   上記補助スイッチング素子（Ｑ _ａ１ ）のスイッチ機能部(ＳＷ _ａ１ )をターンオンすることにより上記チョークコイル（Ｌ _ａ１ ）とコンデンサ（Ｃ _ａ１ ）を共振させ、上記チョークコイル（Ｌ _ａ１ ）の両端電圧が電源電圧（Ｖ _ｉｎ ）以上となり、上記コンデンサ（Ｃ _ｓｗ１ 、Ｃ _ｓｗ２ ）を放電させ、上記ダイオード（Ｄ _ｓｗ１ 、Ｄ _ｓｗ２ ）に電流が流れてから上記主スイッチング素子（Ｑ _１ 、Ｑ _２ ）のスイッチ機能部（ＳＷ _１ 、ＳＷ _２ ）をターンオンさせるようにしたことを特徴とするスイッチング電源装置。

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