JP6675867B2 - Switching power supply - Google Patents

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Description

本発明は、入力する直流電圧の直流電力をFETにより所定の出力電圧の直流電力に変換するスイッチング電源装置に関する。   The present invention relates to a switching power supply device that converts DC power of an input DC voltage into DC power of a predetermined output voltage by an FET.

従来、入力する直流電圧の直流電力を変換して所定の出力電圧の直流電力を得るに際しては、図4に示すようなスイッチング電源装置が用いられている。同図は、直流入力電圧を所定の直流電圧に降圧する降圧型チョッパの回路構成を例示してある。   Conventionally, a switching power supply device as shown in FIG. 4 is used to convert a DC power of an input DC voltage to obtain a DC power of a predetermined output voltage. FIG. 1 illustrates a circuit configuration of a step-down chopper that steps down a DC input voltage to a predetermined DC voltage.

図4において、直流入力電圧Viは、その脈流分をキャパシタC1により平滑化されて例えばPチャネルのFETQ1に印加される。このFETQ1は、制御回路50からの制御信号aを受けてオン・オフを繰り返し、直流入力電圧Viをチョッピングする。このFETQ1がオンのときにリアクトルLに蓄えられるエネルギが、FETQ1のオフのときにダイオードD1を通して放出され、かつリアクトルLと共に平滑フィルタを構成するキャパシタC2によって平滑化されて、その直流出力電圧Voが負荷(図示せず)に供給される。   In FIG. 4, the DC input voltage Vi has its pulsating component smoothed by a capacitor C1 and applied to, for example, a P-channel FET Q1. The FET Q1 repeats ON / OFF in response to the control signal a from the control circuit 50, and chops the DC input voltage Vi. The energy stored in the reactor L when the FET Q1 is on is released through the diode D1 when the FET Q1 is off, and is smoothed by the capacitor C2 forming a smoothing filter together with the reactor L, so that the DC output voltage Vo is reduced. It is supplied to a load (not shown).

制御回路50からは、デューテイパルスからなる制御信号aが出力される。すなわち、制御信号aは、出力電圧Voの低下に応じてパルス幅が大きくなり、かつ出力電圧Voの上昇に応じてパルス幅が小さくなるよう調整され、この制御信号aにより、直流出力電圧Voがフィードバック制御される。その結果、直流出力電圧Voは、入力直流電圧Viの変動にかかわらず一定値になるよう制御される。   The control circuit 50 outputs a control signal a including a duty pulse. That is, the control signal a is adjusted so that the pulse width increases as the output voltage Vo decreases and the pulse width decreases as the output voltage Vo increases, and the DC output voltage Vo is adjusted by the control signal a. Feedback controlled. As a result, the DC output voltage Vo is controlled to have a constant value regardless of the fluctuation of the input DC voltage Vi.

このスイッチング電源装置では、従来から電力変換効率を向上させるために、FETQ1のスイッチング速度を速めてスイッチング損失を低減することが要求されている。このため、FETQ1のゲート抵抗R1をオーバードライブやアンダードライブが生じない適切な定数に設定し、かつ、このゲート抵抗R1の抵抗値r1とFETQ1のゲート・ソース間抵抗R5の抵抗値r5との比r5/r1をできる限り小さくして、FETQ1がオフするのに要する時間を短縮化することが知られている。   This switching power supply device has conventionally been required to increase the switching speed of the FET Q1 to reduce the switching loss in order to improve the power conversion efficiency. Therefore, the gate resistance R1 of the FET Q1 is set to an appropriate constant that does not cause overdrive or underdrive, and the ratio of the resistance r1 of the gate resistance R1 to the resistance r5 of the gate-source resistance R5 of the FET Q1 is set. It is known that r5 / r1 is made as small as possible to reduce the time required for the FET Q1 to turn off.

しかし、上記の電力変換効率を改善する方法では、スイッチング速度を速めるのには限界がある。すなわち、抵抗比r5/r1を小さすぎて設定してもFETQ1のオン抵抗が高くなってスイッチング損失が大きくなる。逆に大きすぎて設定してもそのゲートに多く電荷が蓄積されるため、すぐには完全にオフとならないで、ドレイン電流IDが流れ続ける結果、FETQ1が実際にオフするタイミングが遅れがちとなる。この場合、図5(a)、(b)のγ期間のように、FETQ1のドレイン・ソース間電圧VDSとドレイン電流IDとがゼロクロスしないで重なり、スイッチング損失が発生し、電力変換効率を十分に向上することができない。なお、図5(c)のε期間のように、FETQ1のオフ時にはそのゲート・ソース間電圧VGSは0Vである。   However, in the method for improving the power conversion efficiency, there is a limit in increasing the switching speed. That is, even if the resistance ratio r5 / r1 is set to be too small, the on-resistance of the FET Q1 increases and the switching loss increases. Conversely, even if it is set too large, a large amount of charge is accumulated in the gate, so that it does not turn off completely immediately, and the drain current ID continues to flow, so that the timing at which the FET Q1 actually turns off tends to be delayed. . In this case, as in the γ period of FIGS. 5A and 5B, the drain-source voltage VDS of the FET Q1 and the drain current ID overlap without zero-crossing, a switching loss occurs, and the power conversion efficiency is sufficiently improved. Can't improve. When the FET Q1 is off, the gate-source voltage VGS is 0 V as in the period ε in FIG. 5C.

また、例えばMOS−FETのような寄生ダイオードを有するFETを使用したスイッチング電源装置の同期整流用途などでは、寄生ダイオードの順方向に対して逆電流(貫通電流)が流れるのを阻止するために、逆回復時間(Trr)が高速であることが要求され、FETをオン・オフするタイミングが重要となる。従来から、この一例として、ドライブ回路の駆動により、MOS−FETのオフタイミングを最適に制御して、電力変換効率を向上させるスイッチング電源回路が知られている(例えば、特許文献1)。   Further, for example, in a synchronous rectification application of a switching power supply using an FET having a parasitic diode such as a MOS-FET, in order to prevent a reverse current (through current) from flowing in a forward direction of the parasitic diode, It is required that the reverse recovery time (Trr) be fast, and the timing of turning on / off the FET is important. Conventionally, as an example of this, a switching power supply circuit that improves the power conversion efficiency by optimally controlling the off-timing of a MOS-FET by driving a drive circuit is known (for example, Patent Document 1).

特開2011−72160号公報JP 2011-72160 A

ところで、上記FETのスイッチング速度を速くしてスイッチング損失を低減させ電力変換効率を向上させるためや、FETのオフ時の逆回復時間(Trr)などに起因するノイズを十分に低減させるため等に、ドライブ回路の駆動により方形波の電圧を負側にずらして負電圧を含むように動作させる負電圧生成回路を設けて、MOS−FETのゲート電圧に負電圧を印加させてMOS−FETをオフさせることが想定される。この負電圧生成回路は、例えばツェナーダイオードZD1とキャパシタC5とを並列に接続して構成される。   By the way, in order to improve the power conversion efficiency by reducing the switching loss by increasing the switching speed of the FET, or to sufficiently reduce the noise caused by the reverse recovery time (Trr) when the FET is off, etc. A negative voltage generating circuit is provided that operates by including a negative voltage by shifting the voltage of the square wave to the negative side by driving the drive circuit, and applying a negative voltage to the gate voltage of the MOS-FET to turn off the MOS-FET. It is assumed that This negative voltage generating circuit is configured by, for example, connecting a Zener diode ZD1 and a capacitor C5 in parallel.

この場合、装置の動作上、キャパシタC5の容量>>MOS−FETの入力容量Ciss(Cgs)にする必要があり、MOS−FETがオンのとき、MOS−FETの入力容量Cissは、ほぼ電源電圧まで充電される。このとき、キャパシタC5はほとんど充電されない結果、MOS−FETがオフのとき、ゲート・ソース間に負電圧がほとんど印加されない。そうすると、負電圧生成回路が十分に働かず、その目的とするスイッチング損失を低減させることや電力変換効率の向上、ノイズによる誤動作防止を図るのが困難となる。   In this case, the operation of the device requires that the capacitance of the capacitor C5 >> the input capacitance Ciss (Cgs) of the MOS-FET. When the MOS-FET is turned on, the input capacitance Ciss of the MOS-FET is almost equal to the power supply voltage. Charged up to. At this time, the capacitor C5 is hardly charged. As a result, when the MOS-FET is off, almost no negative voltage is applied between the gate and the source. Then, the negative voltage generation circuit does not operate sufficiently, and it is difficult to reduce the intended switching loss, improve the power conversion efficiency, and prevent malfunction due to noise.

また、単にスイッチング速度の速いFETを使用しても、電力変換効率は向上するが、ノイズが発生しやすいという問題がある。したがって、装置上で負電圧生成回路を十分に働かせてFETのオフのスイッチング速度をより速めさせる技術の実現が要請される。   Further, simply using an FET having a high switching speed improves the power conversion efficiency, but has a problem that noise is easily generated. Therefore, it is required to realize a technique for making the negative voltage generating circuit sufficiently operate on the device to further increase the switching speed of turning off the FET.

さらに、スイッチング電源装置の起動時においてMOS−FETのゲート電圧の立ち上がりが急峻であると、寄生ダイオードの接合容量と回路配線によるLC共振によって誤動作が発生する場合があるという問題があった。   Further, if the rise of the gate voltage of the MOS-FET is steep when the switching power supply device is started, a malfunction may occur due to the junction capacitance of the parasitic diode and LC resonance caused by the circuit wiring.

本発明は、前記の問題点を解決して、簡単な構成で、FETのスイッチング速度を速めてスイッチング損失を低減させ電力変換効率を向上させることが可能で、また、スイッチング電源起動時に、FETのゲート電圧の立ち上がりを緩やかにして誤動作を防止することが可能なスイッチング電源装置を提供することを目的としている。   The present invention solves the above-mentioned problems, can increase the switching speed of the FET, reduce the switching loss and improve the power conversion efficiency with a simple configuration, and improve the power conversion efficiency when the switching power supply is started. An object of the present invention is to provide a switching power supply device capable of preventing a malfunction by making a rise of a gate voltage gentle.

上記目的を達成するために、本発明の一構成に係るスイッチング電源装置は、入力する直流電圧の直流電力を、ドライブ回路の駆動によってFETをオン・オフ制御することにより、所定電圧の直流電力に変換して出力するものである。
前記ドライブ回路は、
前記FETの直流入力側と制御極との間に接続されたFET動作用スイッチング素子と、FET動作用スイッチング素子の制御極とFETの出力側との間に接続された第1のキャパシタおよび第1の抵抗とを有し、FETがオフし始めたとき、前記出力側の電圧降下に応動してFET動作用スイッチング素子の制御極に第1のキャパシタの充電電流を流すことにより、FET動作用スイッチング素子をオンしてFETを急速にスイッチオフさせる急速オフ制御回路と、
前記FET動作用スイッチング素子のオン時に、FETの制御極に負電圧を印加させてFETのスイッチオフの速度を速めるように、FETの制御極の電圧を負側にずらして負電圧を含ませるよう動作する負電圧生成回路と、前記負電圧生成回路とFETの制御極の間に配置されて、FETの寄生ダイオードの影響を受けないように前記負電圧生成回路を動作させ、前記負電圧を含む電圧をFETの制御極に印加させる保護回路とを備えている。ここで、FETとは、MOS−FET、FETを一部有するIGBT素子などを含むスイッチング素子をいう。
In order to achieve the above object, a switching power supply according to one configuration of the present invention converts a DC power of a DC voltage to be input into a DC power of a predetermined voltage by controlling on / off of a FET by driving a drive circuit. It is converted and output.
The drive circuit includes:
A switching element for FET operation connected between the DC input side of the FET and the control electrode; a first capacitor connected between the control electrode of the switching element for FET operation and the output side of the FET; When the FET starts to be turned off, the charging current of the first capacitor is caused to flow through the control electrode of the switching element for FET operation in response to the voltage drop on the output side, whereby the switching for FET operation is performed. A quick-off control circuit for turning on the element and rapidly switching off the FET;
When the FET operation switching element is turned on, a negative voltage is applied to the control electrode of the FET to increase the speed of switching off the FET so that the voltage of the control electrode of the FET is shifted to the negative side to include the negative voltage. An operating negative voltage generating circuit, disposed between the negative voltage generating circuit and the control electrode of the FET, operating the negative voltage generating circuit so as not to be affected by the parasitic diode of the FET, including the negative voltage A protection circuit for applying a voltage to the control pole of the FET. Here, the FET refers to a switching element including a MOS-FET, an IGBT element partially including an FET, and the like.

この構成によれば、急速オフ制御回路により、FETがオフし始めて、その出力側の電位が直流入力側の電位に対し僅かに低下したときに、直流入力側からFET動作用スイッチング素子の制御極を通じて充電電流が流れて第1のキャパシタが充電されて、FET動作用スイッチング素子が瞬間的にオンしてFETを急速にオフさせる。これとともに、負電圧生成回路により、FET動作用スイッチング素子のオン時に、FETの制御極の電圧を負側にずらして負電圧を含ませるよう、つまり負側に引くように動作してスイッチオフのスイッチング速度を速めるようにしている。このとき、保護回路により、FETの寄生ダイオードの影響を受けないように負電圧生成回路を十分に動作させ、負電圧を含む電圧をFETの制御極に印加させる。したがって、FETは即座にオフされるため、可及的にオフのスイッチング速度を速めてスイッチング損失を低減させ電力変換効率の向上を確保することができる。   According to this configuration, when the FET starts to be turned off by the quick-off control circuit and the potential on the output side thereof is slightly lower than the potential on the DC input side, the control electrode of the FET operation switching element is controlled from the DC input side. A charging current flows through the first capacitor to charge the first capacitor, and the switching element for FET operation is momentarily turned on to rapidly turn off the FET. At the same time, when the switching element for FET operation is turned on, the voltage of the control electrode of the FET is shifted to the negative side to include the negative voltage when the switching element for FET operation is turned on. The switching speed is increased. At this time, the negative voltage generating circuit is operated sufficiently by the protection circuit so as not to be affected by the parasitic diode of the FET, and a voltage including the negative voltage is applied to the control electrode of the FET. Therefore, since the FET is turned off immediately, the switching speed of turning off is increased as much as possible to reduce the switching loss and to improve the power conversion efficiency.

本発明では、前記FETはMOS−FETであり、前記保護回路は、MOS−FETのゲート・ソース間に設けられて、ダイオードと、並列接続された第2の抵抗および第2のキャパシタとが直列接続されて構成され、MOS−FETのゲート電圧の立ち上げを緩やかにするように、保護回路の第2の抵抗および第2のキャパシタの時定数を大きくすることが好ましい。この場合、簡単な構成で、スイッチング電源装置の起動時のサージ電圧入力時に、MOS−FETのゲート電圧の立ち上がりを緩やかにして、寄生ダイオードの接合容量と回路配線によるLC共振の発生を抑えて、ノイズの発生を抑制し、誤動作を防止することができる。   In the present invention, the FET is a MOS-FET, and the protection circuit is provided between a gate and a source of the MOS-FET, and includes a diode and a second resistor and a second capacitor connected in parallel. It is preferable to increase the time constants of the second resistor and the second capacitor of the protection circuit so as to make the rise of the gate voltage of the MOS-FET slower. In this case, with a simple configuration, at the time of inputting a surge voltage at the time of starting the switching power supply, the rise of the gate voltage of the MOS-FET is moderated, and the occurrence of LC resonance due to the junction capacitance of the parasitic diode and the circuit wiring is suppressed. Generation of noise can be suppressed, and malfunction can be prevented.

好ましくは、前記急速オフ制御回路は、前記第1のキャパシタおよび第1の抵抗を含むスナバ回路を有する。したがって、FETに印加される耐圧を低減させることができる。   Preferably, the quick-off control circuit has a snubber circuit including the first capacitor and a first resistor. Therefore, the breakdown voltage applied to the FET can be reduced.

また、好ましくは、前記スイッチング電源回路は降圧型チョッパを構成する。この場合、降圧型チョッパについて、可及的にFETのスイッチング速度を速めてスイッチング損失を低減させ電力変換効率を向上させることができる。   Preferably, the switching power supply circuit forms a step-down chopper. In this case, for the step-down chopper, the switching speed of the FET can be increased as much as possible to reduce switching loss and improve power conversion efficiency.

本発明は、急速オフ制御回路によりFETを急速にスイッチオフさせるとともに、負電圧生成回路により当該スイッチオフのスイッチング速度をより速め、かつ保護回路によりFETの寄生ダイオードの影響を受けないように負電圧生成回路を動作させるので、可及的にスイッチング損失を低減させて電力変換効率の向上を確保することができる。   According to the present invention, the FET is quickly switched off by the quick-off control circuit, the switching speed of the switch-off is further increased by the negative voltage generation circuit, and the negative voltage is controlled by the protection circuit so as not to be affected by the parasitic diode of the FET. Since the generation circuit is operated, it is possible to reduce the switching loss as much as possible and to improve the power conversion efficiency.

本発明の一実施形態に係るスイッチング電源回路を示す回路構成図である。FIG. 1 is a circuit configuration diagram illustrating a switching power supply circuit according to an embodiment of the present invention. 図1のスイッチング電源回路の動作を示すタイムチャートである。2 is a time chart illustrating an operation of the switching power supply circuit of FIG. 1. 同上の直流入力電圧と電力変換効率との関係を示す特性図である。FIG. 3 is a characteristic diagram showing a relationship between a DC input voltage and power conversion efficiency according to the first embodiment. 従来のスイッチング電源回路の一例を示す回路構成図である。FIG. 9 is a circuit diagram illustrating an example of a conventional switching power supply circuit. 従来におけるスイッチング電源回路の動作を示すタイムチャートである。9 is a time chart illustrating an operation of a conventional switching power supply circuit.

以下、本発明の実施形態を図面にしたがって説明する。図1は本発明に係るスイッチング電源装置における回路構成図である。同図において、図4と同様に、FETQ1がオンのときにリアクトルLに蓄えられたエネルギをダイオードD1を通じて出力する降圧型チョッパであり、これと同一若しくは同等のものには同一の符号を付してある。図4と相違する点はスイッチング電源装置を駆動するドライブ回路10を付設した構成にある。このドライブ回路10は、急速オフ制御回路3、負電圧生成回路5および保護回路7を備えており、制御部20により制御される。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a circuit configuration diagram of a switching power supply device according to the present invention. 4, a step-down chopper that outputs energy stored in a reactor L through a diode D1 when the FET Q1 is on is the same as in FIG. 4, and the same or equivalent components are denoted by the same reference numerals. It is. The difference from FIG. 4 lies in the configuration in which a drive circuit 10 for driving the switching power supply is provided. The drive circuit 10 includes a quick-off control circuit 3, a negative voltage generation circuit 5, and a protection circuit 7, and is controlled by the control unit 20.

急速オフ制御回路3は、FETQ1のソース(直流入力側)Sとゲート(制御極)Gとの間に接続されたFET動作用スイッチング素子であるバイポーラトランジスタQ2と、このトランジスタQ2のエミッタ(直流入力側)Eとベース(制御極)Bとの間に接続されたダイオードD2および抵抗R2の並列回路と、トランジスタQ2のベースBとFETQ1のドレイン(出力側)Dとの間に接続されたキャパシタ(第1のキャパシタ)C4および抵抗(第1の抵抗)R4とを備えており、トランジスタQ2のオンによりFETQ1を急速にスイッチオフさせる。   The quick-off control circuit 3 includes a bipolar transistor Q2, which is a switching element for FET operation, connected between a source (DC input side) S and a gate (control pole) G of the FET Q1, and an emitter (DC input) of the transistor Q2. Side) A parallel circuit of a diode D2 and a resistor R2 connected between E and a base (control pole) B, and a capacitor (A) connected between the base B of the transistor Q2 and the drain (output side) D of the FET Q1. A first capacitor C4 and a resistor (first resistor) R4 are provided, and the FET Q1 is quickly turned off by turning on the transistor Q2.

FETQ1は、例えばPチャネルのMOS−FETであり、バイポーラトランジスタQ2は、例えばPNP型のトランジスタである。また、前記ダイオードD2、抵抗R2、キャパシタC4および抵抗R4はスナバ回路を構成する。このスナバ回路は、ノイズを吸収しながらエネルギ損失が大きくならないような素子で形成される。さらに、入力電圧Viが高い場合、キャパシタC4に充電された電圧が、FETQ1のオン時にトランジスタQ2のエミッタ・ベース間を逆バイアスするので、この場合、このエミッタ・ベース間電圧の定格をオーバーするおそれがある。このため、ダイオードD2によって、その順電圧降下によりトランジスタQ2のベース・エミッタ間に、定格をオーバーするような逆バイアスがかからないようにしてある。   The FET Q1 is, for example, a P-channel MOS-FET, and the bipolar transistor Q2 is, for example, a PNP transistor. The diode D2, the resistor R2, the capacitor C4 and the resistor R4 form a snubber circuit. This snubber circuit is formed of an element that does not increase energy loss while absorbing noise. Further, when the input voltage Vi is high, the voltage charged in the capacitor C4 reverse-biases the emitter-base of the transistor Q2 when the FET Q1 is turned on. In this case, the rating of the emitter-base voltage may be exceeded. There is. For this reason, the diode D2 prevents a reverse bias exceeding the rating from being applied between the base and the emitter of the transistor Q2 due to the forward voltage drop.

負電圧生成回路5は、FETQ1を急速にスイッチオフさせるトランジスタQ2のオン時に、FETQ1のゲート(制御極)Gに負電圧を印加させてFETQ1のスイッチオフの速度を速めるように、FETQ1のベース電圧を負側にずらして負電圧を含ませる、つまり負側に引くように動作してスイッチオフのスイッチング速度を速めるものである。負電圧生成回路6は、例えば、ツェナーダイオードZD1およびキャパシタC5が並列に接続されてなり、抵抗R1を介して制御信号aを出力する制御部20と、FETQ1のゲートGとの間に配置されている。   The negative voltage generation circuit 5 applies a negative voltage to the gate (control electrode) G of the FET Q1 to increase the switching-off speed of the FET Q1 when the transistor Q2 that rapidly switches off the FET Q1 is turned on. Is shifted to the negative side to include a negative voltage, that is, the operation is performed so as to be pulled to the negative side to increase the switch-off switching speed. The negative voltage generation circuit 6 includes, for example, a Zener diode ZD1 and a capacitor C5 connected in parallel, and is disposed between a control unit 20 that outputs a control signal a via a resistor R1 and a gate G of the FET Q1. I have.

保護回路7は、FETQ1の寄生ダイオードの影響を受けないように負電圧生成回路5を動作させ、前記負電圧を含む電圧をFETQ1のゲートGに印加させる。保護回路7は、例えば、ダイオードD3と、並列接続された抵抗(第2の抵抗)R3およびキャパシタ(第2のキャパシタ)C3とが直列接続されて構成され、FETQ1のゲートGとソース(直流入力側)Sとの間に配置されている。   The protection circuit 7 operates the negative voltage generation circuit 5 so as not to be affected by the parasitic diode of the FET Q1, and applies a voltage including the negative voltage to the gate G of the FET Q1. The protection circuit 7 includes, for example, a diode D3, a resistor (second resistor) R3 and a capacitor (second capacitor) C3 connected in parallel, which are connected in series, and has a gate G and a source (DC input) of the FET Q1. Side) S.

この抵抗R3は、トランジスタQ1のオン時に、負電圧生成回路5のキャパシタC5がツェナーダイオードZD1のツェナー電圧まで充電されるように、FETQ1のソースSとゲートGとの間に接続されている。   The resistor R3 is connected between the source S and the gate G of the FET Q1 such that when the transistor Q1 is turned on, the capacitor C5 of the negative voltage generation circuit 5 is charged up to the Zener voltage of the Zener diode ZD1.

つぎに、図1のスイッチング電源装置の動作について、図2を参照しながら説明する。   Next, the operation of the switching power supply device of FIG. 1 will be described with reference to FIG.

図1の制御部20は、直流出力電圧Voを検知して、一定周期で発生するデューテイパルスのパルス幅が直流出力電圧Voの変動に応じて変化する制御信号aを出力する。FETQ1は、制御信号aをゲートGに受けてオン・オフを繰り返し、図2(a)のように、ドレイン・ソース間電位VDSを矩形状(方形波)に変化させる。   The control unit 20 in FIG. 1 detects the DC output voltage Vo and outputs a control signal a in which the pulse width of a duty pulse generated in a constant cycle changes according to the fluctuation of the DC output voltage Vo. The FET Q1 receives the control signal a at the gate G and repeats on / off to change the drain-source potential VDS to a rectangular shape (square wave) as shown in FIG.

図1のMOS−FETQ1はPチャネルであり、制御信号aがローレベルのときにオンして、図2(a)の期間αに、ドレイン・ソース間電位VDSがオン電圧となって、ドレイン側(出力側)に図2(b)の期間αに、オン電流のドレイン電流IDが流れる。また、このトランジスタQ1のオン時には、図2(c)のゲート・ソース間電位VGSもオン電圧(図では下側が正)を示す。このとき、キャパシタC5もVC5の方向に充電されている。   The MOS-FET Q1 in FIG. 1 is a P-channel and is turned on when the control signal a is at a low level, and during a period α in FIG. The drain current ID of the ON current flows to the (output side) during the period α in FIG. 2B. When the transistor Q1 is turned on, the gate-source potential VGS in FIG. 2C also indicates the on-voltage (the lower side is positive in the figure). At this time, the capacitor C5 is also charged in the direction of VC5.

制御信号aがハイレベルに立ち上がるとFETQ1がオフし始めてオフとなるとき、図2(a)の電位VDSがオフ電圧の入力電圧Viとなって、図2(b)のドレイン電流IDがオフ電流の0A、FETQ1の出力電圧VDもオフ電圧の0Vを示す。   When the control signal a rises to a high level and the FET Q1 starts to turn off and turns off, the potential VDS in FIG. 2A becomes the input voltage Vi of the off voltage, and the drain current ID in FIG. 0A, and the output voltage VD of the FET Q1 also shows the off voltage of 0V.

FETQ1がオフし始めるとき、急速オフ回路3のキャパシタC4にかかる電圧はまだ0Vである。つづいて、FETQ1のドレイン側(出力側)の電圧の電位がソース側(直流入力側)の電位よりも僅かなV値だけ低下した瞬間にキャパシタC4に、電流が流れて充電される。この充電電流がトランジスタQ2のベースBおよび抵抗R2を流れることによって、トランジスタQ2がオンする。このとき、充電電流は抵抗R4によって適当なレベルに抑制される。   When the FET Q1 starts to turn off, the voltage applied to the capacitor C4 of the quick-off circuit 3 is still 0V. Subsequently, at the moment when the potential of the voltage on the drain side (output side) of the FET Q1 drops by a slight V value from the potential on the source side (DC input side), a current flows through the capacitor C4 and is charged. This charging current flows through the base B and the resistor R2 of the transistor Q2, turning on the transistor Q2. At this time, the charging current is suppressed to an appropriate level by the resistor R4.

また、急速オフ回路3のダイオードD2、抵抗R2、キャパシタC4および抵抗R4はスナバ回路を構成しているので、FETQ1のドレイン・ソース間に印加されるVDSの耐圧を低減することができる。   Further, since the diode D2, the resistor R2, the capacitor C4, and the resistor R4 of the quick-off circuit 3 form a snubber circuit, the withstand voltage of VDS applied between the drain and source of the FET Q1 can be reduced.

このトランジスタQ2のオン時に、キャパシタC5にかかる電圧VC5によりFETQ1の電位VGSは逆バイアスされることにより、図2(c)のオフし始める期間βにおいて、急速にスイッチオフされるとともに、そのゲートGに蓄積された電荷が急速に放電され、オフ電圧の0Vよりもさらに負側に引かれて、電位VGSは−tVの負電圧となる。こうして、FETQ1がオフし始めるときに、FETQ1のゲート電圧が負側に引かれることによってFETQ1のスイッチオフのスイッチング速度を速めることができる。   When the transistor Q2 is turned on, the potential VGS of the FET Q1 is reverse-biased by the voltage VC5 applied to the capacitor C5, so that the transistor Q2 is rapidly turned off in a period β to start turning off in FIG. Is rapidly discharged, and is pulled further to the negative side than the OFF voltage of 0 V, so that the potential VGS becomes a negative voltage of -tV. Thus, when the FET Q1 starts to be turned off, the gate voltage of the FET Q1 is pulled to the negative side, so that the switching speed at which the FET Q1 is turned off can be increased.

保護回路7は、FETQ1の寄生ダイオードの影響を受けることなく、負電圧生成回路5を十分に動作させて、FETQ1のゲート電圧が確実に負側に引かれることが可能となる。   The protection circuit 7 operates the negative voltage generation circuit 5 sufficiently without being affected by the parasitic diode of the FET Q1, and the gate voltage of the FET Q1 can be reliably pulled to the negative side.

トランジスタQ2がオンし始めた後、オン時にはキャパシタC4にかかる電圧が上昇するので、トランジスタQ2は次第にオフされる。また、FETQ1のオン時に、キャパシタC4に充電された電荷は、ダイオードD2と抵抗R2、FETQ1、抵抗R4、キャパシタC4のループで放電されて、次の充電に備えられる。   After the transistor Q2 starts to turn on, the voltage applied to the capacitor C4 increases when the transistor Q2 turns on, so that the transistor Q2 is gradually turned off. When the FET Q1 is turned on, the charge stored in the capacitor C4 is discharged through a loop of the diode D2 and the resistor R2, the FET Q1, the resistor R4, and the capacitor C4, and is prepared for the next charge.

従来では、上述のとおり、FETQ1のドレイン・ソース間電圧VDSとドレイン電流IDとがゼロクロスしないで重なるなどして、スイッチング損失が発生する。これに対し、本発明では、急速オフ制御回路3により、FETQ1がスイッチオフし始めたとき、ドレイン側(出力側)の電位がソース側(直流入力側)の電位よりも僅かに低下した瞬間にキャパシタC4に充電電流が瞬間的に流れて、トランジスタQ2がオンして、FETQ1が逆バイアスされ、FETQ1を急速にスイッチオフさせてスイッチング速度が速められる。さらに、負電圧生成回路5により、FETQ1のベース電圧が負電圧に引かれて、よりスイッチング速度が速められる。その結果、FETQ1がオフし始めてドレイン・ソース間電圧VDSが上昇(出力側の電位が下降)し始めた瞬間に、ドレイン電流IDがゼロレベルに低下して、図2(a)、(b)のように、ID、VDSはともに垂直状に変化してゼロクロスする。したがって、スイッチング損失を低減することができる。そして、保護回路7は、FETQ1の寄生ダイオードの影響を受けることなく、負電圧生成回路5を確実に動作させることができる。   Conventionally, as described above, switching loss occurs because the drain-source voltage VDS of the FET Q1 and the drain current ID overlap without zero crossing. On the other hand, according to the present invention, when the FET Q1 starts to be turned off by the quick-off control circuit 3, at the moment when the potential on the drain side (output side) is slightly lower than the potential on the source side (DC input side). A charging current instantaneously flows through the capacitor C4, turning on the transistor Q2, reverse-biasing the FET Q1, and rapidly switching off the FET Q1, thereby increasing the switching speed. Further, the negative voltage generation circuit 5 pulls the base voltage of the FET Q1 to a negative voltage, thereby further increasing the switching speed. As a result, at the moment when the FET Q1 starts to turn off and the drain-source voltage VDS starts to increase (the potential on the output side starts to decrease), the drain current ID decreases to zero level, and FIGS. 2 (a) and 2 (b). , Both ID and VDS change vertically and cross zero. Therefore, switching loss can be reduced. Then, the protection circuit 7 can reliably operate the negative voltage generation circuit 5 without being affected by the parasitic diode of the FET Q1.

こうして、本発明では、急速オフ制御回路3、負電圧生成回路5および保護回路7が相俟って、FETQ1がオフし始めるとき、FETQ1のドレイン・ソース間電圧VDSとドレイン電流IDとは、重なりが極めて少なくなるので、スイッチング損失が可及的に小さくなる。   Thus, in the present invention, when the FET Q1 starts to be turned off by the rapid-off control circuit 3, the negative voltage generating circuit 5, and the protection circuit 7, the drain-source voltage VDS of the FET Q1 and the drain current ID overlap. Is extremely small, so that the switching loss is as small as possible.

図3の直流入力電圧(横軸)に対する電力変換効率(たて軸)の特性図から明らかなように、本発明は、従来に比べて、入力電圧の増加に対する電力変換効率の下がり方が緩やかであり、全体として電力変換効率がかなり高くなっている。   As is clear from the characteristic diagram of the power conversion efficiency (vertical axis) with respect to the DC input voltage (horizontal axis) in FIG. Therefore, the power conversion efficiency is considerably high as a whole.

これにより、本発明は、ドライブ回路の駆動によりFETQ1がオフし始めて出力側の電位が直流入力側の電位に対し僅かに低下したときに、直流入力側からトランジスタQ2の制御極を通じて充電電流が流れてキャパシタが充電されて、トランジスタQ1が瞬間的にオンしてFETQ1を急速にスイッチオフさせる。これとともに、トランジスタQ2のオン時に、FETQ1の制御極の電圧を負側にずらして負電圧を含ませるよう、つまり負側に引くように動作してスイッチオフのスイッチング速度を速めるようにしている。したがって、FETQ1は即座にスイッチオフされるため、可及的にスイッチオフのスイッチング速度を速めてスイッチング損失を低減させ電力変換効率の向上を確保することができる。   Thus, according to the present invention, the charging current flows from the DC input side through the control electrode of the transistor Q2 when the FET Q1 starts to be turned off by the drive of the drive circuit and the output side potential slightly decreases with respect to the DC input side potential. The capacitor is charged and the transistor Q1 turns on momentarily, rapidly switching off the FET Q1. At the same time, when the transistor Q2 is turned on, the voltage of the control electrode of the FET Q1 is shifted to the negative side to include the negative voltage, that is, the transistor Q2 is operated to be pulled to the negative side to increase the switching speed of the switch-off. Therefore, since the FET Q1 is immediately switched off, the switching speed of the switch-off can be increased as much as possible to reduce the switching loss and to improve the power conversion efficiency.

また、保護回路7の抵抗R3およびキャパシタC3の時定数を大きくすることにより、スイッチング電源装置の起動直後のFETQ1のゲート電圧の立ち上げをより緩やかにすることができる。そうすると、FETQ1のオンへの移行が緩やかになり、寄生ダイオードの接合容量と回路電線のL成分とによるLC共振を抑えて、ノイズの発生を抑制し、誤動作を防止することができる。   Further, by increasing the time constant of the resistor R3 and the capacitor C3 of the protection circuit 7, the rise of the gate voltage of the FET Q1 immediately after the start of the switching power supply device can be made gentler. Then, the transition of the FET Q1 to the ON state becomes gradual, the LC resonance caused by the junction capacitance of the parasitic diode and the L component of the circuit wire can be suppressed, noise can be suppressed, and malfunction can be prevented.

抵抗R3、キャパシタC3の時定数が大きく、通常運転時もゲートの立ち上がりが緩やかになると、FETQ1が十分オンしなくなり、オン抵抗も大きくなるので、ダイオードD3により、通常運転時はキャパシタC3の放電を抑えている。つまり、保護回路7は起動時のみ、FETQ1のゲート電圧を緩やかに立ち上げるように動作する。通常動作時には、直列接続されたダイオードD3および抵抗R3の回路として動作する。   If the time constant of the resistor R3 and the capacitor C3 is large and the rising of the gate becomes slow even during the normal operation, the FET Q1 does not turn on sufficiently and the on-resistance increases, so that the capacitor C3 is discharged by the diode D3 during the normal operation. I am holding it down. That is, the protection circuit 7 operates so as to gradually raise the gate voltage of the FET Q1 only at the time of startup. During normal operation, the circuit operates as a circuit including a diode D3 and a resistor R3 connected in series.

なお、この実施形態では、FETにMOS−FETを使用しているが、FETを一部有するIGBT素子などを使用してもよい。   In this embodiment, a MOS-FET is used for the FET, but an IGBT element having a part of the FET may be used.

以上のとおり図面を参照しながら好適な実施形態を説明したが、当業者であれば、本件明細書を見て、自明な範囲内で種々の変更および修正を容易に想定するであろう。したがって、そのような変更および修正は、添付の請求の範囲から定まる本発明の範囲内のものと解釈される。   As described above, the preferred embodiment has been described with reference to the drawings. However, those skilled in the art will easily envisage various changes and modifications within the obvious scope by referring to the present specification. Accordingly, such changes and modifications are to be construed as being within the scope of the invention as defined by the appended claims.

3:急速オフ制御回路
5:負電圧生成回路
7:保護回路
10:ドライブ回路
20:制御部
Q1:FET
Q2:FET動作用スイッチング素子
C3:第2のキャパシタ。
C4:第1のキャパシタ。
R3:第2の抵抗
R4:第1の抵抗
3: Quick off control circuit 5: Negative voltage generation circuit 7: Protection circuit 10: Drive circuit 20: Control unit Q1: FET
Q2: FET operation switching element C3: second capacitor.
C4: first capacitor.
R3: second resistor R4: first resistor

Claims (4)

入力する直流電圧の直流電力を、ドライブ回路の駆動によってFETをオン・オフ制御することにより、所定の出力電圧の直流電力に変換して出力するスイッチング電源装置であって、
前記ドライブ回路は、
前記FETの直流入力側と制御極との間に接続されたFET動作用スイッチング素子と、FET動作用スイッチング素子の制御極とFETの出力側との間に接続された第1のキャパシタおよび第1の抵抗とを有し、FETがオフし始めたとき、前記出力側の電圧降下に応動してFET動作用スイッチング素子の制御極に第1のキャパシタの充電電流を流すことにより、FET動作用スイッチング素子をオンしてFETを急速にスイッチオフさせる急速オフ制御回路と、前記FET動作用スイッチング素子のオン時に、FETの制御極に負電圧を印加させて前記急速オフ制御回路により急速にスイッチオフさせたFETのスイッチオフの速度をさらに速めるように、FETの制御極の電圧を負側にずらして負電圧を含ませるよう動作する負電圧生成回路と、
前記負電圧生成回路とFETの制御極の間に配置されて、FETの寄生ダイオードの影響を受けないように前記負電圧生成回路を動作させ、前記負電圧を含む電圧をFETの制御極に印加させる保護回路と、
を備えた、スイッチング電源回路。
A switching power supply device that converts input DC power of DC voltage into DC power of a predetermined output voltage by controlling on / off of a FET by driving a drive circuit, and outputs the DC power.
The drive circuit includes:
A switching element for FET operation connected between the DC input side of the FET and the control electrode; a first capacitor connected between the control electrode of the switching element for FET operation and the output side of the FET; When the FET starts to be turned off, the charging current of the first capacitor is caused to flow through the control electrode of the switching element for FET operation in response to the voltage drop on the output side, whereby the switching for FET operation is performed. a rapid off control circuit for rapidly switching off the FET turns on the device, during on of the FET operating switching element, rapidly is switched off by the rapid off control circuit by applying a negative voltage to the control electrode of the FET was to further speed the switching off of the FET, the negative voltage operable to include a negative voltage a voltage of the control electrode is shifted to the negative side of the FET And forming circuit,
The negative voltage generation circuit is disposed between the negative voltage generation circuit and the control electrode of the FET, operates the negative voltage generation circuit so as not to be affected by the parasitic diode of the FET, and applies a voltage including the negative voltage to the control electrode of the FET. Protection circuit
A switching power supply circuit.
請求項1において、
前記FETはMOS−FETであり、前記保護回路は、MOS−FETのゲート・ソース間に設けられて、ダイオードと、並列接続された第2の抵抗および第2のキャパシタとが直列接続されて構成され、MOS−FETのゲート電圧の立ち上げを緩やかにするように、保護回路の第2の抵抗および第2のキャパシタの時定数を大きくしたものである、スイッチング電源回路。
In claim 1,
The FET is a MOS-FET, and the protection circuit is provided between a gate and a source of the MOS-FET, and includes a diode, a second resistor and a second capacitor connected in parallel, connected in series. And a switching power supply circuit in which the time constants of the second resistor and the second capacitor of the protection circuit are increased so as to moderate the rise of the gate voltage of the MOS-FET.
請求項1において、
前記急速オフ制御回路は、前記第1のキャパシタおよび第1の抵抗を含むスナバ回路を有する、スイッチング電源回路。
In claim 1,
The switching power supply circuit, wherein the quick-off control circuit has a snubber circuit including the first capacitor and a first resistor.
請求項1において、
前記スイッチング電源回路が降圧型チョッパを構成する、スイッチング電源回路。
In claim 1,
A switching power supply circuit, wherein the switching power supply circuit forms a step-down chopper.
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