JPH04262A - スイッチングレギュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野コ 本発明は、共振を利用してスイッチング素子の損失を低
減するように構成された共振型スイッチングレギュレー
タに関する。

［従来の技術］ トランスの巻線のインダクタンスと共振用コンテンサト
の共振現象を利用してスイッチング素子のスイッチング
損失を低減させる構成のフォワード（オン・オン）タイ
プの共振型スイッチングレギュレータは公知である。

Ｃ発明が解決しようとする課題〕 しかし、リバースタイプ（オン・オフタイプ）の共振型
スイッチングレギュレータを作ることは困難又は不可能
とされていた。

そこで、本発明の目的はリバースタイプの共振型スイッ
チングレギュレータを提供することにある。

［課題を解決するための手段〕 上記目的を達成するための本発明は、直流電源と、前記
直流電源の一端と他端との間に接続されたトランスと、
前記トランスに直列に接続されているスイッチと、前記
スイッチのオフの期間に前記トランスの一対の出力端子
間に発生する電圧によってオンになる方向性を有して前
記トランスの一対の出力端子の一方に接続された整流ダ
イオードと、前記整流ダイオードの出力側端子と前記ト
ランスの一対の出力端子の他方との間に接続されたコン
デンサと、前記整流ダイオードに並列に接続されており
、且つ前記スイッチのオフ期間に前記一対の出力端子に
発生する電圧によって容量が変化するように形成されて
いる可変容量コンデンサと、前記スイッチのオフ期間に
おける前記トランスのエネルギーの放出路後に前記スイ
ッチをターンオンさせ、所望時間後にターンオフさせる
スイッチ制御回路とから成るスイッチングレギュレータ
に係わるものである。

なお、請求項２に示すように、可変容量コンデンサをこ
れとトランスのインダクタンスとで共振回路を形成する
ことができる種々場所に接続することができる。即ち、
可変容量コンデンサをスイッチに並列に接続すること、
又はトランスに並列に接続すること、又は３次巻線を設
けてここに接続すること、又はトランスの出力端子間に
接続することが可能である。

請求項３に示すように可変容量コンデンサを可変容量ダ
イオードとする場合にはこの逆バイアス状態を得るため
の電圧源を設ける。

［作　用コ 本発明においては、共振用コンデンサが固定コンデンサ
ではなくて可変容量コンデンサである。

この可変容量コンデンサはスイッチのオン期間には小さ
な静電容量となるので、他の回路に実質的に無関係であ
るが、スイッチのオフ期間には静電容量が大きくなり、
エネルギーの蓄積量が大きくなる。これにより、スイッ
チの両端電圧を共振によって徐々に低下させ、零ボルト
の状態でターンオンさせることが可能になる。

［第１の実施例］ 次に、第１図〜第５図を参照して本発明の第１の実施例
に係わる電圧共振型スイッチングレギュレータを説明す
る。

スイッチングレギュレータを示す第１図において、交流
電源（図示せず）に接続された整流平滑回路から成る直
流電源１の一端はトランス２の第１の入力端子３に接続
され、トランス２の第２の入力端子４と電源１の他端（
グランド端子）との間にはソースをサブストレートに接
続した構成の絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＦＥ
Ｔ）から成るスイッチ５が接続されている。なお、ＦＥ
Ｔはソース・ドレイン間にダイオードを内蔵している。

トランス２は一対の入力端子３．４間に接続された１次
巻線６と、一対の出力端子７．８間に接続された２次巻
線９とから成る。２次巻線９の一方の出力端子７と負荷
１０の一端との間に整流ダイオード１１が接続され、整
流ダイオード１１の出力端子（カソード）と２次巻線９
の他方の出力端子８との間に平滑用コンデンサ１２が接
続されている。

スイッチ５の制御端子（ゲート）に接続された制御回路
１３はスイッチ５のオン・オフ制御信号を形成する回路
であり、ここには負荷１０の端子電圧を検出する電圧検
出回路１４の出力ライン１５が接続され、且つスイッチ
５の両端電圧検出回路１６の出力ライン１６ａが接続さ
れている。

量コンデンサであって、整流ダイオード１１に並列に接
続されている。この可変容量ダイオード１７の順方向立
上り電圧は、整流ダイオード１１の順方向立上り電圧よ
りも高く設定されている。従って、整流ダイオードが導
通状態になっても、可変容量ダイオード１７は導通せず
に、比較的大きな容量を提供する。

第２図は第１図の制御回路１３を詳しく示す。

この制御回路１３は、順次に接続されたトリガー回路２
１と可変モノマルチバイブレータ２２と駆動回路２３と
から成る。トリガー回路２１はスイッチ５の両端電圧Ｅ
ｓが零又はこの近傍になったことを検出して可変モノマ
ルチバイブレータ２２にトリガー信号を与えるものであ
る。可変モノマルチバイブレータ２２はスイッチ５をオ
ン制御するための制御パルスを発生する。なお、可変モ
ノマルチバイブレータ２２は電圧検出回路１４の出力に
応答してこの制御パルスの幅を検出電圧値に反比例する
ように制御する。

第３図は第１図のトランス２の２次巻線９と可変容量ダ
イオード１７と平滑用コンデンサ１２とから成る部分の
等価回路を示す。２次巻線９は共振用インダクタンスＬ
１可変容量ダイオード１７は共振用の容量Ｃ１平滑用コ
ンデンサ１２は電源Ｅ１として機能する。ＬＣ共振回路
の周波数は可変容量ダイオード１７の容量Ｃの変化に応
じて変化する。もし、可変容量ダイオード１７の代りに
一定容量の比較的小さいコンデンサが接続されていると
仮定すれば、第４図で実線で示すような共振電圧が巻線
９に得られる。これに対して可変容量ダイオード１７を
接続した場合には、巻線９の電圧Ｅ２の変化に応じて容
量Ｃの値が変化し、共振周波数も変化し、第４図で点線
で示す波形になる。

［動　作］ 次に、第５図を参照して第１図の回路の動作を説明する
。第５図（Ａ）に示すようなゲート電圧Ｅｇをスイッチ
５に与え、これをオン・オフ制御すると、スイッチ５の
両端電圧Ｅｓは第５図（Ｂ）に示すように変化し、スイ
ッチ５の電流Ｉｓは第５図（Ｃ）に示すように変化し、
整流ダイオード１１の電圧Ｅｄは第５図（Ｄ）に示すよ
うに変化し、ダイオード１１の電流１ｄは第５図（Ｅ）
に示すように変化する。

スイッチ５のターンオフ時点１１は第２図の可変モノマ
ルチバイブレータ２２の出力パルスの後縁（立下り）で
決定される。このスイッチングレギュレータはリバース
タイプ（オンφオフタイプ）であるので１、スイッチ５
のオン期間には２次巻線９に下向きの電圧が発生し、整
流ダイオード１１がオフに保たれ、トランス２のインダ
クタンスにエネルギーが蓄積される。ｔ１時点でスイッ
チ５がターンオフすると、トランス２に蓄積されたエネ
ルギーの放出が開始する。即ち、２次巻線９に上向きの
電圧が発生する。整流ダイオード１１に並列に可変容量
ダイオード１７が接続されているでいるので、整流ダイ
オード１１がオンになる前に、２次巻線９と可変容量ダ
イオード１７と平滑用コンデンサ１２とから成る閉回路
が第３図に示すように形成され、ＬＣ共振回路の動作に
従って２次巻線９の電圧Ｅ２及び可変容量ダイオード１
７と整流ダイオード１１の電圧Ｅｄが変化する。

可変容量ダイオード１７は等測的に１次巻線６に並列接
続されているので、スイッチ５の電圧Ｅｓは第５図（Ｂ
）に示すようにＬＣ共振に基づいて徐々に立上る。これ
により、スイッチ５の電圧ＥＳが実質的に零の間にスイ
ッチ５をターンオフさせることが可能になり、ターンオ
フ時のスイッチング損失が小さくなる。

共振動作で可変容量ダイオード１７の容量Ｃが充電され
、これがｔ２時点で整流ダイオード１１をオンにするこ
とができるレベルになると、整流ダイオード１１を通っ
て電流Ｉｄが第５図（Ｅ）に示すように流れ、平滑用コ
ンデンサ１２及び負荷１０に対してエネルギーが与えら
れる。スイッチ５のオン期間（ｔｌ以前）には、可変容
量ダイオード１７は２次巻線９の下向きの電圧と平滑用
コンデンサ１２の電圧ＥＯとの和によって逆バイアスさ
れているので、この容量Ｃは比較的小さい。

しかる後、スイッチ５のターンオフで２次巻線９に上向
きの電圧が発生すると、可変容量ダイオード１７は低い
順バイアス状態となり、この容量Ｃが大きくなる。第５
図で整流ダイオード１１かオンする前のｔ１〜ｔ２期間
には可変容量ダイオド１７に第５図（Ｅ）で点線で示す
電流１ｃか流れ、可変容量ダイオード１７の容量Ｃの充
電電圧の極性が今迄と逆になる。そして、この充電電圧
が整流ダイオード１１の立上り電圧になると、整流ダイ
オード１１がオンになり、可変容量ダイオード１７の両
端電圧は整流ダイオード１１の電圧に固定され、ｔ１〜
ｔ２て可変容量ダイオード１７に蓄積されたエネルギー
は保持される。

トランス２のエネルギーの放出が進み、この放出が終了
に近づくと、ｔ３時点で２次巻線９の電圧Ｅ２が出力平
滑用コンデンサ１２の電圧ＥＯと等しくなり、整流ダイ
オード１１がターンオフする。その後、２次巻線９の電
圧Ｅ２が出力平滑用コンデンサ１２よりも低くなると、
可変容量ダイオード１７のバイアス電圧の方向か反対に
なるため、出力平滑用コンデンサ１２と可変容量ダイオ
ード１７と２次巻線９とから成る閉回路で第１図で矢印
で示す向きに電流Ｉｅか流れる。即ち第５図（Ｅ）でｔ
３〜ｔ５期間に点線で示す電流１ｅが流れる。この電流
１ｅは可変容量ダイオード１７の容量Ｃと２次巻線９の
インダクタンスＬとの共振に基づいて流れる。電流ｒｅ
はｔ４まで増大した後に減少する。ｔ３〜ｔ５期間では
可変容量ダイオード１７は出力側（右側）端子が正にな
るように充電され、整流ダイオード１１にはこれに応じ
た逆バイアス電圧が印加される。２次巻線９に共振電流
１ｅが流れると、１次巻線６にこれに応じた共振電圧が
得られ、スイッチ５の電圧Ｅｓも共振電圧に応じて徐々
に低下する。

この実施例では、スイッチ５の電圧が零になる時点ｔ５
をコンパレータから成る検出回路１６で検出し、ｔ５時
点で可変モノマルチバイブレーク２２をトリガーし、第
５図（Ａ）に対応する制御パルスを発生している。共振
電流１ｅが零になる時点即ちスイッチ５の電圧ＥＳが零
又はこの近傍値になる時点は回路定数によって固定的に
決定されるので、この時点を検出にたよらないでタイマ
設定することも可能である。

ｔ５〜ｔ６のオン時間幅の調整は、出力電圧の検出に基
づいて可変モノマルチノくイブレータ２２を制御するこ
とによって達成される。

上述から明らかなように、本実施例によればスイッチ５
のオフ時に可変容量ダイオード１７の容量Ｃが大きくな
り、蓄積電荷が多くなるため、共振動作によるターンオ
ン及びターンオフか可能になり、スイッチング損失が小
さくなる。

また、整流ダイオード１１の電圧が零ボルト又はこの近
傍になった時に可変容量ダイオード１７の容量Ｃが最大
になるので、整流ダイオード１１のターンオン及びター
ンオフ時に発生するノイズを効果的に抑制することかで
きる。

［第２の実施例コ 次に、第６図に示す第２の実施例のスイッチングレギュ
レータを説明する。但し、第６図及び後で説明する第７
図〜第１１図において、第１図と共通する部分には同一
の符号を付してその説明を省略する。

第６図では可変容量ダイオード１７がスイ・ソチ５に並
列に接続されている。また、可変容量ダイオード１７を
逆バイアスするための電圧源１８が可変容量ダイオード
１７に直列に接続されている。

電圧源１８の電圧Ｅｂは電源１の電圧Ｅａとスイッチ５
のオフ時の１次巻線６の電圧Ｅ１との和よりも高く設定
されている。この電圧源１８は第３図の平滑用コンデン
サ１２と等価な働きを有する。

従って、可変容量ダイオード１７がオンになることはな
く、常にコンデンサとして機能する。１次巻線６のイン
ダクタンスＬと可変容量ダイオード１７の容ｊｉＣとの
共振回路に基づいて容量Ｃの電圧が変化し、スイッチ５
の両端電圧も第１図の回路と同様に変化し、同様な効果
が得られる。

［第３の実施例］ 第７図の第３の実施例では１次巻線６に並列に可変容量
ダイオード１７とこれを逆バイアスする電圧源１８とか
接続されている。この様に構成しても、第１図及び第６
図の回路と同様な作用効果が得られる。

［第４の実施例コ 第８図の第４の実施例では、１次巻線６に並列に可変容
量ダイオード１７が接続され、これを逆バイアスするた
めの電圧源としてのコンデンサ１８ａが設けられ、この
コンデンサ１８ａを充電するためのダイオード１９が可
変容量ダイオード１７に並列に接続され、またコンデン
サ１８ａに並列に抵抗２０が接続されている。これによ
り、逆バイアス用の電圧を容易に得ることが可能になる
。

［第５の実施例コ 第９図に示す第５の実施例では、２次巻線９に対して並
列に可変容量ダイオード１７と逆バイアス用電圧源１８
の直列回路が接続されている。この様に構成しても第１
図、第６図〜第８図と等価な効果が得られる。

［第６の実施例］ 第１０図の第６の実施例ではトランス２に３次巻線３０
が設けられ、ここに可変容量ダイオード１７とこの逆バ
イアス用電圧源１８が接続されている。この回路も第１
図、第６図〜第９図と等価であり、同様な作用効果が得
られる。

［第７の実施例］ 第１１図の第７の実施例では、セラミックコンデンサか
ら成る可変容量コンデンサ１７ａが整流ダイオード１１
に並列に接続されている。この可変容量コンデンサ１７
ａは一対の電極３１．３２の他に制御電極３３を有し、
この制御電極３３の電圧を変えることによって一対の電
極３１．３２間の容量が変化するように構成されている
。この制御電極３３の電圧を制御するためにトランス２
に３次巻線３４が設けられ、この電圧によって制御電圧
を決定する制御回路が設けられている。この回路におい
ても可変容量コンデンサ１７ａの容量Ｃを第１図と同様
に変化させることによって同様な作用効果を得ることが
できる。

［第８の実施例コ 第１２図に示す第８の実施例のスイッチングレギュレー
タは、電源１と１次巻線６との間もスイッチ５ａを有す
る。このスイッチ５ａはスイッチ５と同時にオン・オフ
する。従って、オフ期間の電圧を２つのスイッチ５．５
ａで１／２ずつ分担する。他の構成は第８図と同一であ
るので、第８図のスイッチングレギュレータと同様な作
用効果を有する。

［変形例］ 本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば
次の変形が可能なものである。

（１）　第１図、第６図〜第１０図、及び第１２図の可
変容量ダイオード１７を第１１図の可変容量コンデンサ
１７ａに置き換えることが可能である。

（２）　第６図、第９図、第１０図の電圧源１８を第８
図と同様なコンデンサ１８ａとその充電回路で構成する
ことができる。

（３）　スイッチ５をバイポーラトランジスタとダイオ
ードとの組み合せスイッチ等の別のスイッチに置き換え
ることができる。

（４）　　ＬＣ共振を生じさせ易くするために、１次巻
線６又は２次巻線９又は３次巻線３０に直列にインダク
タンス素子及び／又はコンデンサを付加することができ
る。

（５）　　トランス２を単巻トランスとすることができ
る。

（６）　可変モノマルチバイブレータ２３をカウンタか
ら成る可変パルス発生回路に置き換えることができる。

（７）　　ｔ５時点をダイオード１１の電圧検出に基づ
いて決定することが可能である。

［発明の効果コ 上述のように、各請求項の発明によれば、リバースタイ
プのスイッチングレギュレータのターンオフ時及びター
ンオン時に共振動作を生じさせてスイッチング損失を低
減させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のスイッチングレギュレ
ータを示す回路図、 第２図は第１図の制御回路を詳しく示すブロック図、 第４図は第３図の巻線電圧を示す波形図、第５図は第１
図の各部の状態を示す波形図、第６図、第７図、第８図
、第９図、第１０図、第１１図及び第１２図は本発明の
第２、第３、第４、第５、第６、第７及び第８の実施例
を夫々示す回路図である。 １・・・電源、２・・・トランス、５・・・スイッチ、
６１．。 １次巻線、９・・・２次巻線、１１・・・整流ダイオー
ド、１２・・・平滑用コンデンサ、１７・・・可変容量
ダイオード、１８・・・電圧源。 代　　理　　人　　　高　　野　　則　　次−〇 第５図 ｔｌ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］直流電源と、 前記直流電源の一端と他端との間に接続されたトランス
   と、 前記トランスに直列に接続されているスイッチと、 前記スイッチのオフの期間に前記トランスの一対の出力
   端子間に発生する電圧によってオンになる方向性を有し
   て前記トランスの一対の出力端子の一方に接続された整
   流ダイオードと、 前記整流ダイオードの出力側端子と前記トランスの一対
   の出力端子の他方との間に接続されたコンデンサと、 前記整流ダイオードに並列に接続されており、且つ前記
   スイッチのオフ期間に前記一対の出力端子に発生する電
   圧によって容量が変化するように形成されている可変容
   量コンデンサと、 前記スイッチのオフ期間における前記トランスのエネル
   ギーの放出終了後に前記スイッチをターンオンさせ、所
   望時間後にターンオフさせるスイッチ制御回路と から成るスイッチングレギュレータ。 ［２］直流電源と、 前記直流電源の一端と他端との間に接続されたトランス
   と、 前記トランスに直列に接続されているスイッチと、 前記スイッチのオフの期間に前記トランスの一対の出力
   端子間に発生する電圧によってオンになる方向性を有し
   て前記トランスの一対の出力端子の一方に接続された整
   流ダイオードと、 前記整流ダイオードの出力側端子と前記トランスの一対
   の出力端子の他方との間に接続されたコンデンサと、 前記トランスのインダクタンスと共振するように前記ト
   ランスに関係付けられた可変容量コンデンサと、 前記スイッチのオフ期間に前記トランスに発生する電圧
   に対応して前記可変容量コンデンサの容量を大きくする
   ように前記可変容量コンデンサに関係付けた駆動手段と
   、 前記スイッチのオフ期間における前記トランスのエネル
   ギーの放出終了後に前記スイッチをターンオンさせ、所
   望時間後にターンオフさせるスイッチ制御回路と から成るスイッチングレギュレータ。 ［３］前記可変容量コンデンサは可変容量ダイオードで
   あり、 前記駆動手段は前記スイッチのオン期間に前記可変容量
   ダイオードを逆バイアスするための電圧源であることを
   特徴とする請求項２記載のスイッチングレギュレータ。