JPH05260736A - スイッチングレギュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 安全性および電力利用率を低下させることな
くサージ電流によるスイッチ素子の焼損を防止し，機器
の信頼性の向上を図る。 【構成】 トランジスタ（スイッチ素子）Ｑ１１のコレ
クタ端子とアース間にガスチューブアレスタＡＲ１と，
ガスチューブアレスタＡＲ１の続流を防止するためのバ
リスタＢ１２と，ガスチューブアレスタＡＲ１及びバリ
スタＢ１２が短絡したときの地絡を防止するためのコン
デンサＣ１８とを直列に接続してなるサージ電流吸収手
段を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，ＯＡ機器等の電源装置
として用いられるスイッチングレギュレータに関し，よ
り詳細には，サージ電流によるスイッチ素子の焼損を防
止するスイッチングレギュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】ＯＡ機器（電子機器）等の電源装置は，
常に一定の電圧を供給できることが望まれており，その
電源装置に用いられているものとしてスイッチングレギ
ュレータがある。スイッチングレギュレータは，スイッ
チ素子を用いて入力用電源から流れる電流を断続させる
ことにより，一定の電圧を供給するものである。

【０００３】図３は，従来におけるスイッチングレギュ
レータの一例を示す回路図である。図３に示すスイッチ
ングレギュレータは，交流電源３０１の出力電圧に含ま
れるノイズを除去するノイズフィルタ部３０２と，ノイ
ズフィルタ部３０２によりノイズが除去された交流電圧
を整流・平滑化する整流平滑部３０３と，整流平滑部３
０３により平滑化された直流電圧をスイッチ素子を用い
て断続させることにより一定の電圧を出力するコンバー
タ部３０４とに大別される。

【０００４】ノイズフィルタ部３０２は，π型のコモン
モード・ノイズ用のものであり，コンデンサＣ３１，Ｃ
３２，Ｃ３３と，チョークコイルＬ３１ａ，Ｌ３１ｂと
が図示の如く接続されている。また，入力端子Ｌ〜Ｎ間
にはバリスタ（酸化亜鉛バリスタ）Ｂ３１が接続され，
更にコンデンサＣ３２〜Ｃ３３間はアースに接続されて
いる。

【０００５】整流平滑部３０３は，ノイズフィルタ部３
０２によりノイズが除去された交流電圧を整流するダイ
オードブリッジＤＢ３と，ダイオードブリッジＤＢ３の
出力側端子間に接続されたコンデンサＣ３４とからな
る。なお，ダイオードブリッジＤＢ３は，図３に向かっ
て右側の出力端子が＋端子であり，左側が−端子であ
る。

【０００６】コンバータ部３０４は，制御部３０５がス
イッチ素子であるトランジスタＱ３１をオンオフ制御す
ることにより一定の電圧を供給するものであり，トラン
スＴ３１の一次巻線側（以降，一次側と記す）と，二次
巻線側（以降，二次側と記す）との２つの部分からな
る。

【０００７】一次側は，ダイオードブリッジＤＢ３の出
力端子間に直列に接続されたトランスＴ３１の一次巻線
およびトランジスタＱ３１と，該一次巻線に並列に接続
された抵抗Ｒ３１，コンデンサＣ３５，及びダイオード
Ｄ３１と，トランジスタＱ３１のエミッタ〜アース間に
接続されたコンデンサＣ３６と，一次巻線が制御部３０
５に接続されたトランスＴ３３の二次巻線に直列に接続
された抵抗Ｒ３２，Ｒ３３とからなる。

【０００８】また，二次側は，トランスＴ３１の二次巻
線に，ダイオードＤ３２，Ｄ３３と，チョークコイルＬ
３２と，コンデンサＣ３７と，抵抗Ｒ３４とが図示の如
く接続されている。なお，抵抗Ｒ３４の両端の電圧は，
このスイッチングレギュレータの出力電圧ＶＯ３であ
る。

【０００９】以上の構成において，制御部３０５には，
トランスＴ３２により電圧が供給され，出力電圧ＶＯ３
がフィードバックされる。制御部３０５は，フィードバ
ックされた出力電圧ＶＯ３が一定となるように，ある周
期におけるオン／オフ比を変化させてトランジスタＱ３
１を駆動する。

【００１０】このようなスイッチングレギュレータは，
直列制御式の電源装置（ドロッパー形）の消耗する電力
が大きいという欠点を解決するために開発されたもので
あり，コンバータ用トランス（図３においてトランスＴ
３１）が高周波（５０〜２００ＫＨｚ）で駆動できるこ
と，スイッチ素子により電流を断続的に流すこと等によ
り，小型化，軽量化，電力利用率の向上が可能となり，
最近の殆どのＯＡ機器に用いられている。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，従来の
スイッチングレギュレータによれば，トランジスタ等の
スイッチ素子を用いて電流を断続させることにより一定
の電圧を出力させているが，このようなスイッチ素子は
熱に弱いため，何らかの原因により大きな電流（サージ
電流）が回路に流れるとスイッチ素子が焼損し，機器に
よっては過剰な電流が流れることにより故障を招来する
恐れがあるという問題点があった。

【００１２】前述した問題点について，図３に示すスイ
ッチングレギュレータを例にとって具体的に説明する。
回路に大きな電流が流れる場合としては，落雷による誘
起，交流電源３０１に接続されている負荷の大きい機器
のオン／オフ，電圧を供給している機器のオン／オフ等
がある。

【００１３】入力端子Ｌ〜Ｎ間に侵入したサージ電流
は，コンデンサＣ３１，Ｃ３２，Ｃ３３，チョークコイ
ルＬ３１ａ，Ｌ３１ｂの容量アップ，及び，バリスタＢ
３１の容量アップにより吸収することができる。実際に
は，サージ電圧は双方向性定電圧素子であるバリスタＢ
３１によりクランプされ，侵入したサージ電流の大半は
バリスタＢ３１に流れる。即ち，バリスタＢ３１内部で
サージ電流の大半のエネルギーは消費（吸収）される。

【００１４】入力端子Ｌ或いはＮと接地間に侵入したサ
ージ電流の吸収は，コンデンサＣ３２，Ｃ３３の容量を
アップすることによって可能だが，コンデンサＣ３２，
Ｃ３３の容量をアップすると，リーク電流が増大して規
格オーバーとなったり，更には感電の危険性が増大した
り，また，損失する電流の増大による電力利用率の低下
等の不具合が発生するため，安易に容量を大きなものと
することができない。この入力端子Ｌ或いはＮと接地間
のサージ電圧は，場合によっては１０ＫＶに達すること
があり，スイッチ素子が焼損すると，スイッチ素子が短
絡して過剰な電流が流れ，機器を故障（システムダウ
ン）させたりする。

【００１５】電圧を供給している機器の負荷が大きく，
また，トランスＴ３１のインダクタンスが大きい場合，
機器のオン／オフにより一次巻線に大きな誘導起電力が
発生し，トランジスタＱ３１を焼損させる恐れもある。

【００１６】本発明は上記に鑑みてなされたものであっ
て，安全性および電力利用率を低下させることなくサー
ジ電流によるスイッチ素子の焼損を防止し，機器の信頼
性の向上を図ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の目的を達
成するために，入力用電源にスイッチ素子を接続し，ス
イッチ素子をオン，オフすることにより一定の電圧を出
力するスイッチングレギュレータにおいて，スイッチ素
子の一端とアース間にサージ電流吸収手段を接続したス
イッチングレギュレータを提供するものである。

【００１８】なお，サージ電流吸収手段は，ガスチュー
ブアレスタと，ガスチューブアレスタの続流防止用素子
と，コンデンサとを直列に接続してなることが望まし
い。また，続流防止用素子は，双方向性定電圧素子ある
いは抵抗であることが望ましい。

【００１９】

【作用】本発明によるスイッチングレギュレータは，ガ
スチューブアレスタと，双方向性定電圧素子あるいは抵
抗と，コンデンサとを直列に接続してなるサージ電流吸
収手段をスイッチ素子の一端とアース間に接続し，大き
な電流がスイッチ素子に流れるのを防止する。

【００２０】

【実施例】以下，本発明の実施例について，図面を参照
しながら説明する。図１は，第１の実施例によるスイッ
チングレギュレータの回路図を示す。第１の実施例によ
るスイッチングレギュレータは，交流電源１０１の出力
電圧に含まれるノイズを除去するノイズフィルタ部１０
２と，ノイズフィルタ部１０２によりノイズが除去され
た交流電圧を整流・平滑化する整流平滑部１０３と，整
流平滑部１０３により平滑化された直流電圧をスイッチ
素子を用いて断続させることにより一定の電圧を出力す
るコンバータ部１０４とに大別される。

【００２１】ノイズフィルタ部１０２は，π型のコモン
モード・ノイズ用のものであり，コンデンサＣ１１，Ｃ
１２，Ｃ１３と，チョークコイルＬ１１ａ，Ｌ１１ｂと
が図示の如く接続されている。また，入力端子Ｌ〜Ｎ間
にはバリスタ（酸化亜鉛バリスタ）Ｂ１１が接続され，
更にコンデンサＣ１２〜Ｃ１３間はアースに接続されて
いる。

【００２２】整流平滑部１０３は，ノイズフィルタ部１
０２によりノイズが除去された交流電圧を整流するダイ
オードブリッジＤＢ１と，ダイオードブリッジＤＢ１の
出力側端子間に接続されたコンデンサＣ１４とからな
る。なお，ダイオードブリッジＤＢ１は，図１に向かっ
て右側の出力端子が＋端子であり，左側が−端子であ
る。

【００２３】コンバータ部１０４は，制御部１０５がス
イッチ素子であるトランジスタＱ１１をオンオフ制御す
ることにより一定の電圧を供給するものであり，トラン
スＴ１１の一次巻線側（以降，一次側と記す）と，二次
巻線側（以降，二次側と記す）との２つの部分からな
る。

【００２４】一次側は，ダイオードブリッジＤＢ１の出
力端子間に直列に接続されたトランスＴ１１の一次巻線
およびトランジスタＱ１１と，該一次巻線に並列に接続
された抵抗Ｒ１１，コンデンサＣ１５，及びダイオード
Ｄ１１と，一次巻線が制御部１０５に接続されたトラン
スＴ１３の二次巻線に直列に接続された抵抗Ｒ１２，Ｒ
１３とからなり，更に，トランジスタＱ１１のコレクタ
端子とアース間にサージ電流吸収手段を構成するガスチ
ューブアレスタＡＲ１と，ガスチューブアレスタＡＲ１
の続流防止用素子であるバリスタ（酸化金属バリスタ）
Ｂ１２と，強化絶縁タイプのコンデンサＣ１８とが直列
に接続されている。

【００２５】また，二次側は，トランスＴ１１の二次巻
線に，ダイオードＤ１２，Ｄ１３と，チョークコイルＬ
１２と，コンデンサＣ１７と，抵抗Ｒ１４とが図示の如
く接続されている。なお，抵抗Ｒ１４の両端の電圧は，
このスイッチングレギュレータの出力電圧ＶＯ１であ
る。

【００２６】以上の構成において，その動作を説明す
る。制御部１０５は，誤差増幅器，発信回路，基準電圧
発生回路等で構成されており，トランスＴ１２を介して
電圧が供給され，出力電圧ＶＯ１がフィードバックされ
る。制御部１０５内の誤差増幅器は，フィードバックさ
れた出力電圧ＶＯ１と基準電圧発生回路が出力する基準
電圧とを比較し，該比較結果に応じて発信回路が出力す
る一定の周波数のもとでオン，オフデューティを変更し
たパルスを出力し，該パルスを増幅して出力する。この
誤差増幅器が出力するパルスは，出力電圧ＶＯ１が交流
電源１０１の出力変動，負荷変動等の何らかの原因によ
り低下すると，オン比が大きくされ，反対に出力電圧Ｖ
Ｏ１が上昇すると，オン比が小さくされる。トランジス
タＱ１１は，このパルスによりトランスＴ１３を介して
駆動され，これにより，出力電圧ＶＯ１は高精度に安定
化される。

【００２７】次に，第１の実施例によるサージ電流の吸
収について説明する。スイッチ素子として用いられるト
ランジスタＱ１１は，図１に示す回路のなかで最も熱に
弱く，第１の実施例はこのトランジスタＱ１１をサージ
電圧から保護するために設置したものである。

【００２８】トランジスタＱ１１のコレクタ端子に接続
されたガスチューブアレスタＡＲ１は，トランジスタＱ
１１の最大定格に応じた放電開始電圧のものである。放
電は負特性であり，従って，大きなサージ電圧が回路に
侵入した場合においても，侵入した電流の大部分はガス
チューブアレスタＡＲ１に流れることになり，トランジ
スタＱ１１を保護することができる。

【００２９】また，自続放電には，放電開始電圧よりも
消滅電圧の方が低いという特性がある。このため，ガス
チューブアレスタＡＲ１だけをトランジスタＱ１１のコ
レクタ端子とアース間に接続した場合，サージ電圧が低
下しても交流電源１０１から供給される電圧により放電
が継続する現象（以降，この現象を続流と記す）が発生
することがある。この続流の発生を防止するには，ガス
チューブアレスタＡＲ１の両端の電位差を小さくすれば
良く，第１の実施例ではバリスタＢ１２を用いて続流の
発生を防止するものである。

【００３０】ここで，最近のガスチューブアレスタは，
微小ギャップの組み合わせにより放電特性を良くしたも
のがあるが，これらは放電特性が改善されている反面，
ショートモードで破壊する恐れがある。また，例えば酸
化金属バリスタはそのほとんどがショートモードでの破
壊である。このため，ガスチューブアレスタＡＲ１およ
びバリスタＢ１２が耐量を超えるようなサージ電圧を受
けてショートモードで破壊したときの地絡を防止するた
めに，バリスタＢ１２とアース間に強化絶縁タイプのコ
ンデンサＣ１８を接続している。

【００３１】このように，サージ電圧によるトランジス
タ（スイッチ素子）Ｑ１１の焼損をリーク電流を増大さ
せることなく防止することができるので，安全性および
電力利用率を低下することがなく，また，スイッチング
レギュレータを用いた機器の信頼性を向上させることが
できる。

【００３２】交流電源１０１の出力が２００Ｖであるス
イッチングレギュレータ（図１参照）を用いて実験を行
った結果，ガスチューブアレスタＡＲ１の放電開始電圧
範囲７００Ｖ〜２４００Ｖ，バリスタＢ１２のバリスタ
電圧範囲５０Ｖ〜４７０Ｖ，コンデンサＣ１８の容量範
囲１０００ＰＦ〜４７００ＰＦとした組み合わせにおい
て良好な結果が得られた。また，このとき，コンデンサ
Ｃ１８は交流電圧定格４００Ｖ，耐電圧はＡＣ４ＫＶと
極めて高信頼性のものを使用した。

【００３３】次に，第２の実施例について説明する。第
２の実施例は，ガスチューブアレスタの続流防止用素子
として抵抗を用いたものである。図２は，第２の実施例
が適用されたスイッチングレギュレータの回路図を示
す。

【００３４】図２に示す如く，第２の実施例は，第１の
実施例の続流防止用素子であるバリスタＢ１２を抵抗Ｒ
２１に置き換えたものである。抵抗Ｒ２１もショートモ
ードでの破壊が起こることがある。このため，第１の実
施例と同様に，ガスチューブアレスタＡＲ１，抵抗Ｒ２
１が耐量を超えるようなサージ電圧により破壊したとき
の地絡を防止する目的で，強化絶縁タイプのコンデンサ
Ｃ１８が抵抗Ｒ２１とアース間に接続されている。

【００３５】第２の実施例においても第１の実施例と同
様の効果があるが，抵抗Ｒ２１の抵抗値としては，第１
の実施例と同様の実験を行った結果，数オームのときに
良好な結果を得ることができた。

【００３６】なお，本実施例（第１および第２）におい
て，サージ電流吸収手段を一つのみ用いているが，複数
用いても良い。このとき，例えば，入力端子Ｌ及びＮと
アース間に設けた場合，入力端子Ｌ及びＮとアース間に
侵入したサージ電圧から回路の全ての素子を保護するこ
とができ，また，サージ電圧によりトランスＴ１１の二
次巻線に大きな誘導起電力が発生するのを防止すること
もできる。これにより，機器の信頼性を更に向上させる
ことができる。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように本発明のスイッチン
グレギュレータによれば，入力用電源にスイッチ素子を
接続し，スイッチ素子をオン，オフすることにより一定
の電圧を出力するスイッチングレギュレータにおいて，
スイッチ素子の一端とアース間にサージ電流吸収手段を
接続したため，安全性および電力利用率を低下させるこ
となくサージ電流によるスイッチ素子の焼損を防止し，
機器の信頼性の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の実施例によるスイッチングレギュレータ
を示す回路図である。

【図２】第２の実施例によるスイッチングレギュレータ
を示す回路図である。

【図３】従来におけるスイッチングレギュレータを示す
回路図である。

【符号の説明】

Ｑ１１ トランジスタ ＡＲ１ ガスチ
ューブアレスタ Ｂ１２ バリスタ Ｒ２１ 抵抗 Ｃ１８ コンデンサ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力用電源にスイッチ素子を接続し，前
   記スイッチ素子をオン，オフすることにより一定の電圧
   を出力するスイッチングレギュレータにおいて，前記ス
   イッチ素子の一端とアース間にサージ電流吸収手段を接
   続したことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
2. 【請求項２】 前記サージ電流吸収手段は，ガスチュー
   ブアレスタと，前記ガスチューブアレスタの続流防止用
   素子と，コンデンサとを直列に接続してなることを特徴
   とする請求項１記載のスイッチングレギュレータ。
3. 【請求項３】 前記続流防止用素子は，双方向性定電圧
   素子あるいは抵抗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。