JP6514175B2

JP6514175B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP6514175B2
Application number: JP2016199943A
Authority: JP
Inventors: 浩次東堂
Original assignee: Cosel Co Ltd
Current assignee: Cosel Co Ltd
Priority date: 2016-10-11
Filing date: 2016-10-11
Publication date: 2019-05-15
Anticipated expiration: 2036-10-11
Also published as: JP2018064317A

Description

本発明は、主スイッチング素子がハイサイド側に設けられた降圧チョッパ型のスイッチング電源装置に関する。

この種のスイッチング電源装置は、主スイッチング素子を駆動するドライバに動作用の駆動電源電圧を生成するため、いわゆるブートストラップ回路が設けられる。ただし、単にブートストラップ回路を設けただけでは、例えば、入力電源が遮断されスイッチング動作が停止した後、出力平滑コンデンサに電圧が残った状態で再び入力電源が投入されると、ブートストラップ回路が動作できず、スイッチング動作が適切に再開されないという問題が発生する。したがって、この問題を確実に解決できる技術が求められている。

従来、例えば特許文献１に開示されているように、スイッチ素子（主スイッチング素子）と第一のダイオード（整流素子）との接続点である主電流ラインをグランドとする駆動回路（ドライバ）が設けられ、駆動回路に駆動電圧（主電流ラインが基準）を印加する駆動電圧ラインと主電流ラインとの間にキャパシタが接続され、入力電圧を定電圧化した所定電圧（主電流ラインが基準）を駆動電圧ラインに供給する定電圧回路が設けられ、さらに外部から入力される外部制御電圧を駆動電圧ラインへ印加するブートストラップダイオードが設けられたスイッチング電源装置があった。定電圧回路の定電圧設定値は、外部制御電圧より低い値に設定されている。

概略の動作を説明すると、入力電源が遮断されスイッチング動作が停止した後、出力平滑コンデンサに電圧が残った状態で再び入力電源がオンされると、まず、定電圧回路から駆動回路に駆動電圧を供給することによってスイッチ素子のスイッチング動作を開始させる。これでブートストラップ回路が動作可能になり、ブートストラップ回路からの駆動電圧の供給が開始され、スイッチング動作を継続させることができる。そして、ブートストラップ回路が動作を開始すると、定電圧回路の出力端に、定電圧設定値よりも高い電圧（外部制御電圧）が外部印加された状態になるので、定電圧回路は、電流を出力できなくなって動作を停止する。

このように、特許文献１のスイッチング電源装置は、入力電源が再投入されたとき、スイッチング動作が適切に再開されないという問題を解決することができる。また、電源装置が継続運転しているとき、定電圧回路が動作を停止するので、定電圧回路で無駄な損失が発生し続けることもない。

国際公開ＷＯ２０１３／１８７２６９号公報

主スイッチング素子は、矩形波である駆動パルスによって駆動され、駆動パルスのピーク値の２乗に比例した駆動損失が発生する。したがって、電源装置が継続運転しているときの駆動損失を小さく抑えるためには、主スイッチング素子が適切にオンオフできる範囲で、駆動パルスのピーク値を低くすることが好ましい。

しかし、特許文献１のスイッチング電源装置の場合、定電圧回路の定電圧設定値は、駆動回路が動作可能な一定の値であり、外部制御電圧は、定電圧設定値よりも高い値に設定される。そして、電源装置が継続運転しているときの駆動パルスのピーク値は、ほぼ外部制御電圧となる。つまり、電源装置が継続運転しているときのスイッチ素子は、低い電圧（定電圧設定値）で駆動できるにもかかわらず、必要以上に高い電圧（外部制御電圧）で駆動されることになる。したがって、このスイッチング電源装置の構成は、スイッチ素子の駆動損失が無駄に大きくなってしまうという問題があった。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、入力電源の再投入時にスイッチング動作を適切に再開させることができ、継続運転時の主スイッチング素子の駆動損失も小さくできるスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

本発明は、入力電源の一端が接続されて入力電圧が入力される入力ラインと、前記入力電源の他端が接続されるグランドラインと、一端が前記入力ラインに接続された主スイッチング素子と、前記主スイッチング素子の他端と前記グランドラインとの間に接続された整流素子と、前記主スイッチング素子及び前記整流素子の接続点である駆動グランドラインと前記グランドラインとの間に発生する電圧を平滑する平滑回路とを備えた降圧チョッパ型のスイッチング電源装置であって、
駆動電源ラインと前記駆動グランドラインとの間に設けられ、前記主スイッチング素子の駆動端子に駆動パルスを出力するドライバと、前記駆動電源ラインと前記駆動グランドラインとの間に接続され、両端に駆動電源電圧が発生する駆動電源コンデンサと、制御電源ラインと前記グランドラインとの間に第一の電源電圧を出力する電源部と、アノードが前記制御電源ラインに接続されカソードが前記駆動電源ラインに接続されたブートストラップダイオードと、前記入力ラインと前記駆動グランドラインとの間に設けられ、前記入力電圧を降圧して第二の電源電圧を出力する定電圧回路と、前記定電圧回路の出力を前記駆動電源ラインに接続するとともに、前記駆動電源ラインから前記定電圧回路の方向に電流が流れるのを防ぐ逆流阻止ダイオードと、前記駆動電源電圧の値に応じて、前記定電圧回路の定電圧設定値を変更する設定値変更回路とを備え、
前記定電圧回路の前記定電圧設定値は、前記第一の電源電圧より高い値に初期設定されており、前記入力電圧が投入され、前記逆流阻止ダイオードが導通して前記駆動電源電圧が上昇し、前記第一の電源電圧から前記ブートストラップダイオードの順方向電圧を引き算した電圧以上になった時、前記設定値変更回路が前記定電圧設定値を前記第一の電源電圧より低い値に変更し、前記逆流阻止ダイオードが非導通になるスイッチング電源装置である。

本発明のスイッチング電源装置は、入力電源が投入又は再投入されたとき、定電圧回路の定電圧設定値を所定のタイミングで変更するという独特な構成を備えている。したがって、出力平滑コンデンサに電圧が残った状態で入力電源が再投入された場合でも、定電圧回路の第二の電源電圧を用いてドライバを動作させることによって確実にスイッチング動作を再開させることができ、しかも、継続運転中に使用される第一の電源電圧を十分低い値に設定することができるので、主スイッチング素子の駆動損失を小さく抑えることができる。また、定電圧設定値を変更する設定値変更回路はシンプルに構成できるので、部品点数の増加やコストアップはほとんど問題にならない。

本発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態を示す回路図である。第一の実施形態のスイッチング電源装置の動作を示すフローチャートである。本発明のスイッチング電源装置の第二の実施形態を示す回路図である。第二の実施形態のスイッチング電源装置の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態について、図１、図２に基づいて説明する。この実施形態のスイッチング電源装置１０は、図１に示すように、入力電源１２の一端が接続されて入力電圧Viが入力される入力ライン１４と、入力電源１２の他端が接続されるグランドライン１６とを備えている。

入力ライン１４には、主スイッチング素子１８の一端が接続され、主スイッチング素子１８の他端とグランドライン１６との間に整流素子２０が接続され、さらに、主スイッチング素子１８及び整流素子２０の接続点（以下、駆動グランドライン２２と称する。）とグランドライン１６との間に発生する電圧を平滑する平滑回路２４が設けられている。

主スイッチング素子１８は、例えばＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴであり、ドレインが入力ライン１４に接続され、ソースが駆動グランドライン２２に接続され、ゲートソース間に入力される駆動パルスVgsにより駆動される。整流素子２０は、例えばダイオードであり、アノードがグランドライン１６に接続され、カソードが駆動グランドライン２２に接続されている。平滑回路２４は、出力平滑インダクタ２４ａ及び出力平滑コンデンサ２４ｂで構成されたローパスフィルタであり、出力平滑コンデンサ２４ｂの両端に発生する出力電圧Voを負荷２６に向けて出力する。このように、スイッチング電源装置１０の電力変換を行う部分は、主スイッチング素子１８がハイサイド側に設けられた降圧チョッパ型の構成になっている。

駆動電源ライン２８と駆動グランドライン２２との間には、主スイッチング素子の１８の駆動端子であるゲートに向けて駆動パルスVgsを出力するドライバ３０が設けられている。さらに、駆動電源ライン２８と駆動グランドライン２２との間には、駆動電源コンデンサ３２が接続されている。ドライバ３０は、駆動電源コンデンサ３２の両端に発生する駆動電源電圧Vcを受けて動作し、ドライバ３０が出力する駆動パルスVgsのピーク値は、ほぼVcとなる。

入力ライン１４とグランドライン１６との間には、入力電圧Viを定電圧化し、制御電源ライン３４とグランドライン１６との間に、第一の電源電圧V1を出力する電源部３６が設けられている。制御電源ライン３４とグランドライン１６との間には、第一の電源電圧V1を受けて動作するスイッチング制御回路３８が設けられている。スイッチング制御回路３８は、主スイッチング素子１８のスイッチング動作（オン時間およびオフ時間）を制御する信号を生成し、ドライバ３０に向けて出力する。

制御電源ライン３４と駆動電源ライン２８との間には、ブートストラップダイオード４０が設けられている。ブートストラップダイオード４０は、アノードが制御電源ライン３４に、カソードが駆動電源ライン２８にそれぞれ接続されている。

入力ライン１４と駆動グランドライン２２との間は、入力電圧Viを降圧して第二の電源電圧V2を出力する定電圧回路４２が設けられ、定電圧回路４２の出力は、逆流阻止ダイオード４４を介して駆動電源ライン２８に接続されている。

定電圧回路４２は、ＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴ４２ａ、ツェナダイオード４２ｂ及び複数の抵抗で構成されたシリーズレギュレータで、ＭＯＳ型ＦＥＴ４２ａのソースから第二の電源電圧V2を出力する。定電圧回路４２の初期の定電圧設定値V2(max1)は、ツェナダイオード４２ｂのツェナ電圧Vzd1からＭＯＳ型ＦＥＴ４２ａのゲート閾値Vthを引き算した値であり、第一の電源電圧V1よりも高くなっている。逆流阻止ダイオード４４は、定電圧回路４２の出力を駆動電源ライン２８に接続するとともに、駆動電源ライン２８から定電圧回路４２の方向に電流が流れるのを防ぐ働きをする素子であり、アノードが定電圧回路４２側に接続されている。

さらに、定電圧回路４２には、上記の定電圧設定値V2(max1)を駆動電源電圧Vcの値に応じて変更する設定値変更回路４６が接続されている。設定値変更回路４６は、ツェナダイオード４２ｂの両端を短絡又は開放するトランジスタ４６ａと、駆動電源電圧Vcの値に応じてトランジスタ４６ａをオフからオンに切り替えるトランジスタ制御回路４６ｂとで構成されている。トランジスタ制御回路４６ｂは、駆動電源電圧Vcが上昇し、第一の電源電圧V1からブートストラップダイオード４０の順方向電圧Vfを引き算した電圧（V1−Vf）になった時、トランジスタ４６ａを飽和領域又は能動領域で導通させる動作を行う。その結果、初期の定電圧設定値V2(max1)が、第一の電源電圧V1よりも低い定電圧設定値V2(max2)に変化する。

次に、スイッチング電源装置１０の動作を、図２のフローチャートに基づいて説明する。ここで、スイッチング電源装置１０の初期状態は、入力電源１２が遮断されて主スイッチング素子１８のスイッチング動作が停止した直後で、出力平滑コンデンサ２４ｂに所定の出力電圧Voが残っている状態である。

この状態で入力電源１２が再投入されると（ステップS11）、まず、電源部３６が動作を開始して第一の電源電圧V1が確立し、スイッチング制御回路３８がスタンバイ状態になる（ステップS12）。この時点では、スイッチング制御回路３８は、ドライバ３０に向けて信号出力は行わない。また、ブートストラップダイオード４０は出力電圧Voにより逆バイアスされ導通できず、定電圧回路４２が出力する第二の電源電圧V2も低いので、駆動電源電圧Vcはドライバ３０の動作開始電圧に達していない。したがって、主スイッチング素子１８のスイッチング動作は開始されない
定電圧回路４２が出力する第二の電源電圧V2は、定電圧設定値V2(max1)に向かって上昇し、逆流阻止ダイオード４４が導通して駆動電源電圧Vcが上昇する（ステップS13）。このとき、駆動電源電圧Vcは、第二の電源電圧V2から逆流阻止ダイオード４４の順方向電圧Vfを引き算した電圧（V2−Vf）である。

駆動電源電圧Vc＝V2―Vfがドライバ３０の動作開始電圧に達すると、ドライバ３０がスタンバイ状態になる。そして、所定のタイミング（例えば、入力電圧Viが所定の値まで上昇したタイミング）で、スイッチング制御回路３８がドライバ３０に向けて信号出力を開始し、ドライバ３０がこの信号に基づいて主スイッチング素子１８をオンオフさせる（ステップS14）。

その後、駆動電源電圧Vc＝V2−Vfがさらに上昇して電圧（V1−Vf）に達すると、これを設定値変更回路４６が検出し、現行の定電圧設定値V2(max1)を、第一の電源電圧V1よりも低い定電圧設定値V2(max2)に変更する動作を行う（ステップS15）。その結果、逆流阻止ダイオード４４が逆バイアスされて非導通になるので、定電圧回路４２は、電流を出力できなくなって動作を停止する。

逆流阻止ダイオード４４が非導通になるが、すでに主スイッチング素子１８のスイッチング動作が開始しているため、代わりにブートストラップダイオード４０が導通し、駆動電源コンデンサ３２がピーク充電され、駆動電源電圧Vcが電圧（V1−Vf）に保持される。そして、ドライバが動作を継続する（ステップS16）。

以上説明したように、スイッチング電源装置１０は、入力電源１２が再投入されたとき、所定のタイミングで定電圧回路４２の定電圧設定値V2(max1)をV2(max2)に変更するという独特な構成を備えている。したがって、出力平滑コンデンサ２４ｂに出力電圧Voが残った状態で入力電源１２が再投入された場合でも、定電圧回路４２の第二の電源電圧V2を用いてドライバ３０を動作させることによって確実にスイッチング動作を再開させることができ、しかも、継続運転中に使用される第一の電源電圧V1を十分低い値に設定することができるので、主スイッチング素子１８の駆動損失を小さく抑えることができる。

また、定電圧設定値をV2(max2)に変更する設定値変更回路４６はシンプルに構成できるので、部品点数の増加やコストアップはほとんど問題にならない。

なお、上記の説明の中では、出力電圧Voがほぼゼロボルトになっている状態で入力電源１２が投入されたときの動作については説明を省略したが、問題なくスイッチング動作を開始することができる。また、主スイッチング素子１８の駆動損失も、上記と同様に小さく抑えられる。

次に、本発明のスイッチング電源装置の第二の実施形態について、図３、図４に基づいて説明する。ここで、上記実施形態と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。この実施形態のスイッチング電源装置４８は、図３に示すように、主スイッチング素子１８がハイサイド側に設けられた降圧チョッパ型の電源装置である。上記スイッチング電源装置１０と異なるのは、定電圧回路４２及び設定値変更回路４６に代えて、定電圧回路５０及び設定値変更回路５２が設けられている点である。以下、新たに設けられた定電圧回路５０及び設定値変更回路５２の構成について説明する。

定電圧回路５０は、入力ライン１４と駆動グランドライン２２との間に設けられ、上記定電圧回路４２と同様に、入力電圧Viを降圧した第二の電源電圧V2を出力する回路である。

定電圧回路５０は、ＮＰＮ型のバイポーラトランジスタ５０ａ、ツェナダイオード５０ｂ及び複数の抵抗で構成されたシリーズレギュレータである。ここでは、バイポーラトランジスタ５０ａのベースエミッタ間のＰＮ接合が逆流阻止ダイオード４４として兼用されているので、バイポーラトランジスタ５０ａのベースに第二の電源電圧V2を発生させる形になる。定電圧回路５０の初期の定電圧設定値V2(max1)は、ツェナダイオード５０ｂのツェナ電圧Vzd1であり、第一の電源電圧V1よりも高くなっている。バイポーラトランジスタ５０ａのベースエミッタ間のＰＮ接合（逆流阻止ダイオード４４）は、定電圧回路５０の出力を駆動電源ライン２８に接続するとともに、駆動電源ライン２８から定電圧回路５０の方向に電流が流れるのを防ぐ働きをする。

設定値変更回路５２は、定電圧回路５０の定電圧設定値V2(max1)を駆動電源電圧Vcの値に応じて変更する回路である。

設定値変更回路５２は、カソードがツェナダイオード５０ｂのカソードに接続されたツェナダイオード５２ａと、ツェナダイオード５２ａのアノードをツェナダイオード５０ｂのアノードに接続又は開放するトランジスタ５２ｂと、駆動電源電圧Vcの値に応じてトランジスタ５２ｂをオフからオンに切り替える比較器５２ｃとで構成されている。ツェナダイオード５２ａのツェナ電圧Vzd2は、ツェナダイオード５０ｂのツェナ電圧Vzd1より低く、第一の電源電圧V1より低い。比較器５２ｃは、駆動電源電圧Vcが上昇し、第一の電源電圧V1からブートストラップダイオード４０の順方向電圧Vfを引き算した電圧（V1−Vf）よりも高い所定電圧に達した時、トランジスタ５２ｂをオンさせる動作を行う。その結果、初期の定電圧設定値V2(max1)が、第一の電源電圧V1よりも低い定電圧設定値V2(max2)＝Vzd2に切り替わる。

次に、スイッチング電源装置４８の動作を、図４のフローチャートに基づいて説明する。ここで、スイッチング電源装置４８の初期状態は、入力電源１２が遮断されて主スイッチング素子１８のスイッチング動作が停止した直後で、出力平滑コンデンサ２４ｂに所定の出力電圧Voが残っている状態である。

この状態で入力電源１２が再投入されると（ステップS21）、まず、電源部３６が動作を開始して第一の電源電圧V1が確立し、スイッチング制御回路３８がスタンバイ状態になる（ステップS22）。この時点では、スイッチング制御回路３８は、ドライバ３０に向けて信号出力は行わない。また、ブートストラップダイオード４０は出力電圧Voにより逆バイアスされ導通できず、定電圧回路５０が出力する第二の電源電圧V2も低いので、駆動電源電圧Vcはドライバ３０の動作開始電圧に達していない。したがって、主スイッチング素子１８のスイッチング動作は開始されない
定電圧回路５０が出力する第二の電源電圧V2は、定電圧設定値V2(max1)に向かって上昇し、逆流阻止ダイオード４４が導通して駆動電源電圧Vcが上昇する（ステップS23）。このとき、駆動電源電圧Vcは、第二の電源電圧V2から逆流阻止ダイオード４４の順方向電圧Vfを引き算した電圧（V2−Vf）である。

駆動電源電圧Vc＝V2―Vfがドライバ３０の動作開始電圧に達すると、ドライバ３０がスタンバイ状態になる。そして、所定のタイミング（例えば、入力電圧Viが所定の値まで上昇したタイミング）で、スイッチング制御回路３８がドライバ３０に向けて信号出力を開始し、ドライバ３０がこの信号に基づいて主スイッチング素子１８をオンオフさせる（ステップS24）。

その後、駆動電源電圧Vc＝V2−Vfがさらに上昇して電圧（V1−Vf）よりも高い所定電圧に達すると、これを設定値変更回路５２が検出し、現行の定電圧設定値V2(max1)を、第一の電源電圧V1よりも低い定電圧設定値V2(max2)＝Vzd2に変更する動作を行う（ステップS25）。その結果、逆流阻止ダイオード４４が逆バイアスされて非導通になるので、定電圧回路５０は、電流を出力できなくなって動作を停止する。

逆流阻止ダイオード４４が非導通になるが、すでに主スイッチング素子１８のスイッチング動作が開始しているため、代わりにブートストラップダイオード４０が導通し、駆動電源コンデンサ３２がピーク充電され、駆動電源電圧Vcが電圧（V1−Vf）に保持される。そして、ドライバが動作を継続する（ステップS26）。このとき、駆動電源電圧Vcは、ステップS25で設定値変更回路５２が動作した電圧より低くなるが、比較器５２ｃが有するヒステリシス特性により、その後もトランジスタ５２ｂのオンが継続し、定電圧設定値がV2(max2)に保持される。

このスイッチング電源装置４８においても、上記のスイッチング電源装置１０と同様の優れた効果を得ることができる。

なお、本発明のスイッチング電源装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、定電圧回路は、上記定電圧回路４２，５０の構成が好適であるが、定電圧設定値を変更可能なものであれば、異なる構成に変更することができる。また、設定値変更回路の構成についても、定電圧回路の構成に合わせて変更することができる。

上記の電源部３６は、入力電圧Viを定電圧化して第一の電源電圧V1を生成する構成であるが、外部入力される他の電圧（入力電圧Vi以外の電圧）を定電圧化して第一の電源電圧V1を生成する構成に変更してもよい。

１０，４８スイッチング電源装置
１２入力電源
１４入力ライン
１６グランドライン
１８主スイッチング素子
２０整流素子
２２駆動グランドライン
２４平滑回路
２８駆動電源ライン
３０ドライバ
３２駆動電源コンデンサ
３４制御電源ライン
３６電源部
３８スイッチング制御回路
４０ブートストラップダイオード
４２，５０定電圧回路
４４逆流阻止ダイオード
４６，５２設定値変更回路
V1 第一の電源電圧
V2 第二の電源電圧
V2(max1)，V2(max2) 定電圧設定値
Vc 駆動電源電圧
Vf ブートストラップダイオード及び逆流阻止ダイオードの順方向電圧
Vgs 駆動パルス
Vi 入力電圧
Vo 出力電圧
Vth ゲート閾値
Vzd1，Vzd2 ツェナダイオードのツェナ電圧

Claims

入力電源の一端が接続されて入力電圧が入力される入力ラインと、前記入力電源の他端が接続されるグランドラインと、一端が前記入力ラインに接続された主スイッチング素子と、前記主スイッチング素子の他端と前記グランドラインとの間に接続された整流素子と、前記主スイッチング素子及び前記整流素子の接続点である駆動グランドラインと前記グランドラインとの間に発生する電圧を平滑する平滑回路とを備えた降圧チョッパ型のスイッチング電源装置において、
駆動電源ラインと前記駆動グランドラインとの間に設けられ、前記主スイッチング素子の駆動端子に駆動パルスを出力するドライバと、
前記駆動電源ラインと前記駆動グランドラインとの間に接続され、両端に駆動電源電圧が発生する駆動電源コンデンサと、
制御電源ラインと前記グランドラインとの間に第一の電源電圧を出力する電源部と、
アノードが前記制御電源ラインに接続されカソードが前記駆動電源ラインに接続されたブートストラップダイオードと、
前記入力ラインと前記駆動グランドラインとの間に設けられ、前記入力電圧を降圧して第二の電源電圧を出力する定電圧回路と、
前記定電圧回路の出力を前記駆動電源ラインに接続するとともに、前記駆動電源ラインから前記定電圧回路の方向に電流が流れるのを防ぐ逆流阻止ダイオードと、
前記駆動電源電圧の値に応じて、前記定電圧回路の定電圧設定値を変更する設定値変更回路とを備え、
前記定電圧回路の前記定電圧設定値は、前記第一の電源電圧より高い値に初期設定されており、前記入力電圧が投入され、前記逆流阻止ダイオードが導通して前記駆動電源電圧が上昇し、前記第一の電源電圧から前記ブートストラップダイオードの順方向電圧を引き算した電圧以上になった時、前記設定値変更回路が前記定電圧設定値を前記第一の電源電圧より低い値に変更し、前記逆流阻止ダイオードが非導通になることを特徴とするスイッチング電源装置。