JPH05304776A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 スイッチング手段の印加電圧を下げ、スイッ
チング時に伴うスパイク電圧スパイク電流の発生を無く
す。 【構成】 １次巻線３ａと１つ以上の２次巻線３ｃを有
するトランス３と、直流電圧を保持するためのコンデン
サ１３と、オンオフを繰り返し、オンの時入力電圧をコ
ンデンサ１３とトランス３の１次巻線３ａの直列回路に
印加する第１のスイッチング素子４と、第１のスイッチ
ング素子４と交互にオンオフを繰り返し、オンの時にコ
ンデンサ１３に保持された直流電圧をトランス３の１次
巻線３ａに印加する第２のスイッチング素子１１と、第
１のスイッチング素子４がオンの時トランス３の２次巻
線３ｃに誘起する電圧を整流平滑手段を介して出力に供
給する構成を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は産業用や民生用の電子機
器に直流安定化電圧を供給するスイッチング電源装置に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】近年、スイッチング電源装置は電子機器
の低価格化・小型化・高性能化・省エネルギー化に伴
い、より小型で出力の安定性が高く高効率なものが強く
求められている。

【０００３】以下に従来のスイッチング電源装置につい
て説明する。図１１は従来のスイッチング電源装置でい
わゆるフォワード型のスイッチング電源装置である。図
１１において１は入力直流電源で交流電圧を整流平滑す
ることで、もしくは電池などで構成されるものであり、
入力端子２−２’に入力電圧を供給し正電圧を入力端子
２に接続し、負電圧を入力端子２’に接続している。３
はトランスであり１次巻線３ａおよび２次巻線３ｃおよ
びリセット巻線３ｄを有し、１次巻線３ａは一端を入力
端子２に接続し、一端をスイッチング手段４を介して入
力端子２’に接続されている。

【０００４】２次巻線３ｃの一端は整流ダイオード７、
インダクタンス素子１９を介して出力端子１０−１０’
の正端子１０に接続され、他端は出力端子１０’に接続
されている。

【０００５】リセット巻線３ｄは一端を入力端子２に接
続し他端をダイオード２１を通して入力端子２’に接続
されている。４はスイッチング手段であり、制御回路２
０のオンオフ信号によりオンオフされ、入力電圧を前記
トランス３の１次巻線３ａに印加したり遮断したりす
る。７は第１の整流ダイオードであり、前記スイッチン
グ手段４がオンの時前記トランス３の２次巻線３ｃに発
生する電圧をインダクタンス素子１９の一端に印加する
ように接続されている。

【０００６】１８は第２の整流ダイオードであり前記第
１の整流ダイオード７がオフの時オンとなり前記インダ
クタンス素子１９の電流を連続としインダクタンス素子
１９の一端にゼロ電圧を印加する。１９はインダクタン
ス素子であり前記整流ダイオード７と前記整流ダイオー
ド１８によって作られる電圧を平均化することで出力端
子２に電流を供給する。８は平滑コンデンサであり前記
出力端子１０−１０’間に接続され前記インダクタンス
素子１９によって平均化された電圧を保持する。

【０００７】２０は制御回路であり、出力端子１０−１
０’間の電圧を検出し、出力電圧を一定に保つようにス
イッチング手段４のオンオフ比を変化させる。２１はダ
イオードであり前記スイッチング手段４がオフの時前記
トランス３のリセット巻線３ｄに発生するフライバック
電圧を入力電圧でクランプしトランス３の磁束をリセッ
トし、スパイク電圧を吸収するためのものである。

【０００８】以上のように構成されたスイッチング電源
装置について図１２も参照して詳しく動作説明を行う。
図１２（ａ）〜（ｄ）は、図１１の従来のスイッチング
電源装置の各部動作波形を示しており、（ａ）はスイッ
チング手段４に印加される電圧波形Ｖ_DSであり、（ｂ）
はスイッチング手段４に流れる電流波形Ｉ_Dであり、
（ｃ）はスイッチング手段４に印加される制御回路２０
のオンオフ信号Ｖ_Gであり、（ｄ）はインダクタンス素
子１９の一端に印加される電圧波形Ｖ_Sである。

【０００９】動作状態の時間的変化を示すためｔ₁〜ｔ₄
を図中に記している。時刻ｔ₁でオンオフ信号Ｖ_Gにより
ターンオンすると、スイッチング手段４にはＶ_DSの電圧
変動に伴ってスパイク電流が流れる。これはトランス３
の各巻線間に存在する線間容量および層間容量などの分
布容量への充放電電流やスイッチング手段４に関連する
寄生容量の放電電流によるものである。このスパイク電
流はノイズの増加や信頼性の低下および損失の増加を招
く。

【００１０】スイッチング手段４がオンとなりＶ_DSが十
分に小さくなると、トランス３の１次巻線３ａに入力電
圧Ｖ_INが印加され、トランス３の２次巻線３ｃにＶ_IN／
ｎ（但しｎは１次巻線と２次巻線の巻数比であり、１次
巻線数：２次巻線数＝ｎ：１である）の電圧が発生し、
整流ダイオード７をオンとする。整流ダイオード７がオ
ンとなると整流ダイオード１８はオフとなりインダクタ
ンス素子１９の一端への印加電圧Ｖ_S＝Ｖ_IN／ｎとな
り、インダクタンス素子１９を流れる電流は整流ダイオ
ード７を通って２次巻線３ｃを流れる。

【００１１】従って１次巻線３ａにはインダクタンス素
子１９を流れる電流Ｉ_Oの１次側換算電流Ｉ_O／ｎの電流
とトランス３の励磁電流の和電流が流れる。時刻ｔ₂で
オンオフ信号Ｖ_Gによりスイッチング手段４がターンオ
フすると、トランス３の漏れインダクタンスに伴うスパ
イク電圧が発生する。このスパイク電圧の発生はノイズ
や損失の発生を招く。

【００１２】さらにトランス３のリセット巻線３ｄにフ
ライバック電圧が発生し、ダイオード２１がオンとなる
リセット巻線３ｄに入力電圧が印加される。リセット巻
線３ｄと１次巻線３ａの巻数比を１：１とするとスイッ
チング手段４には２×Ｖ_INの電圧が印加され、２次巻線
３ｃには整流ダイオード７を逆バイアスするように電圧
が発生し整流ダイオード７はオフとなり、インダクタン
ス素子１９の電流により整流ダイオード１８をオンとし
て、Ｖ_Sはゼロとなる。ｔ₃でリセット巻線電流がゼロと
なりダイオード２１がオフとなるとトランス３の１次巻
線３ａに印加される電圧はゼロとなりスイッチング手段
４に印加される電圧はＶ_INとなる。

【００１３】このときトランス３の２次巻線３ｃには電
圧は発生しないので引続き整流ダイオード７はオフとな
り整流ダイオード１８はオンとなる。スイッチング手段
４のオンオフ信号によりスイッチング手段４がターンオ
ンすることによりトランス３の１次巻線３ａに入力電圧
が印加される。これを繰り返す。

【００１４】出力電圧Ｖ_OUTはＶ_Sの平均値であるので、
スイッチング手段４のオン期間をＴ _ON、オフ期間をＴ
_OFFとすると

【００１５】

【数１】

【００１６】となりオンオフ比を変えることで出力電圧
の制御が可能である。しかしながら従来の構成ではスイ
ッチング手段４には入力電圧の２倍の電圧が印加され、
さらにはスイッチングに伴う、スパイク電圧およびスパ
イク電流の発生があるという問題点がある。

【００１７】図１３は従来のスイッチング電源装置でい
わゆるフライバック型のスイッチング電源装置である。
図１３において図１１と同じものは同一の符号を記し説
明は省略する。図１３において、１は直流電源であり、
２−２’は入力端子であり、３はトランスであり１次巻
線３ａおよび２次巻線３ｃを有する。１次巻線３ａはス
イッチング手段４を通して入力端子２−２’に接続さ
れ、２次巻線３ｃは、整流ダイオード７を通して出力端
子１０−１０’に接続される。７は整流ダイオードであ
り、スイッチング手段４がオフのとき発生するフライバ
ック電圧によりオンとなりトランス３の励磁電流を出力
端子１０−１０’に供給する。８は平滑コンデンサであ
り出力端子間に接続され出力電圧を維持平滑する。１０
−１０’は出力端子であり、２０は制御回路である。

【００１８】以上のように構成されたスイッチング電源
装置に付いて図１４も参照して詳しく動作説明を行う。
図１４（ａ）〜（ｄ）は、図１３の従来のスイッチング
電源装置の各部動作波形を示しており、（ａ）はスイッ
チング手段４に印加される電圧波形Ｖ_DSであり、（ｂ）
はスイッチング手段４に流れる電流波形Ｉ_Dであり、
（ｃ）はスイッチング手段４に印加される制御回路２０
のオンオフ信号Ｖ_Gであり、（ｄ）はトランス３の２次
巻線３ｃに発生する電圧波形Ｖ_Sである。

【００１９】動作状態の時間的変化を示すためｔ₁〜ｔ₃
を図中に記している。時刻ｔ₁でオンオフ信号Ｖ_Gにより
ターンオンすると、スイッチング手段４にはＶ_DSの電圧
変動に伴ってスパイク電流が流れる。これはトランス３
の各巻線間に存在する線間容量および層間容量などの分
布容量への充放電電流やスイッチング手段４に関連する
寄生容量の放電電流によるものである。このスパイク電
流はノイズの増加や信頼性の低下および損失の増加を招
く。スイッチング手段４がオンとなりＶ_DSが十分に小さ
くなると、トランス３の１次巻線３ａに入力電圧Ｖ_INが
印加され、トランス３の２次巻線３ｃにＶ_IN／ｎ（但し
ｎは１次巻線と２次巻線の巻数比であり、１次巻線数：
２次巻線数＝ｎ：１である）の電圧が発生し、整流ダイ
オード５を逆バイアスし、オフとする。従って１次巻線
３ａにはトランス３の励磁電流が流れ、直線状に増加す
る。

【００２０】時刻ｔ₂でオンオフ信号Ｖ_Gによりスイッチ
ング手段４がターンオフすると、トランス３の漏れイン
ダクタンスに伴うスパイク電圧が発生する。このスパイ
ク電圧の発生はノイズや損失の発生を招く。

【００２１】さらにトランス３の２次巻線３ｃにフライ
バック電圧が発生し、整流ダイオード７がオンとなると
平滑コンデンサ８に保持されている出力電圧Ｖ_OUTでク
ランプされる。スイッチング手段４にはＶ_IN＋ｎ×Ｖ
_OUTの電圧が印加される。ｔ₃でスイッチング手段４のオ
ンオフ信号によりスイッチング手段４がターンオンする
ことによりトランス３の１次巻線３ａに入力電圧が印加
される。これを繰り返す。

【００２２】出力電圧Ｖ_OUTはトランス３のリセット条
件により、スイッチング手段４のオン期間をＴ_ON、オフ
期間をＴ_OFFとすると

【００２３】

【数２】

【００２４】となりオンオフ比を変えることで出力電圧
の制御が可能である。

【００２５】しかしながら従来の構成では、フォワード
型同様にスイッチング手段４には入力電圧の２倍の電圧
が印加され、さらにはスイッチングに伴う、スパイク電
圧およびスパイク電流の発生があるという問題点があ
る。

【００２６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら前記の従
来の構成では、スイッチング手段４に印加される電圧が
フォワード型で２×Ｖ_IN、フライバック形でＶ_IN＋Ｖ
_OUT／ｎとなり高耐圧のスイッチング手段が必要とな
り、半導体によってスイッチング手段を構成するときに
は、オン状態のときの寄生抵抗分が大きくなるため損失
が増大するという問題点とトランス３の１次巻線３ａに
入力電圧が直接印加されるために、１次巻線数が多くな
り銅損が増大するという欠点を有していた。

【００２７】さらにスイッチング手段４のターンオン時
のスパイク電流およびターンオフ時のスパイク電圧の発
生があるという問題点を有していた。

【００２８】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に本発明のスイッチング電源装置は、少なくとも１次巻
線と１つ以上の２次巻線を有するトランスと、直流電圧
を保持するためのコンデンサと、オンオフを繰り返し、
オンの時入力電圧を前記コンデンサと前記トランスの１
次巻線の直列回路に印加する第１のスイッチング手段
と、この第１のスイッチング手段と交互にオンオフを繰
り返し、オンの時に前記コンデンサに保持された直流電
圧を前記トランスの１次巻線に印加する第２のスイッチ
ング手段と、前記第１のスイッチング手段がオンの時ト
ランスの２次巻線に誘起する電圧を整流平滑手段を介し
て出力に供給する構成を有している。

【００２９】

【作用】この構成によって第１のスイッチング手段がオ
フのとき第２のスイッチング手段がオンとなり第１のス
イッチング手段の両端には入力電圧を超える電圧は印加
されず、スパイク電圧の発生もない。また第１および第
２のスイッチング手段のターンオン時には、スイッチン
グ手段の寄生コンデンサおよびトランスの分布容量に蓄
えられたエネルギーを放電してからターンオンするため
スパイク電流の発生もない。同様に第２のスイッチング
手段がオフのとき第１のスイッチング手段はオンであり
第２のスイッチング手段にも入力電圧を超える電圧は印
加されない。またトランスの１次巻線には、入力電圧と
は逆向きの電圧を発生したコンデンサと入力電圧が直列
に１次巻線に印加されるためトランスに印加される電圧
は入力電圧より小さくなる。

【００３０】

【実施例】（実施例１）以下本発明の第１の実施例につ
いて、図面を参照しながら説明する。図１は本発明の第
１の実施例におけるスイッチング電源の構成を示すもの
である。図１において、図１１と同じものは同一の符号
を記し説明は省略する。１は入力直流電源であり、２−
２’は入力端子であり、３はトランスで１次巻線３ａの
一端をコンデンサ１３を介して入力端子２に接続し他端
をスイッチング素子４を介して入力端子２’に接続し、
２次巻線３ｃの一端を出力端子１０’に他端をダイオー
ド７を介して出力端子１０に接続し、バイアス巻線３ｂ
の一端を入力端子２’に接続し他端を同期発振回路６に
接続している。４はスイッチング素子であり、５はダイ
オードでありスイッチング素子４とダイオード５で第１
のスイッチング手段を構成する。

【００３１】６は同期発振回路であり、スイッチング素
子４を決められたオン期間でオン動作させ、スイッチン
グ素子４のオフ期間を前記バイアス巻線３ｂの誘起電圧
の極性が反転するまで持続するようにオフ動作させ、こ
のオン・オフの繰り返しにより発振を続けるものであ
る。７は整流ダイオードであり、アノード側を前記２次
巻線３ｃの一端に接続しカソード側を出力端子１０に接
続し、第１のスイッチング手段がオンのときオンとなり
出力端子１０−１０’に電流を供給する。８は平滑コン
デンサであり、９は制御回路であり、１０−１０’は出
力端子である。

【００３２】１１はスイッチング素子であり、制御回路
９によりオンオフされる。尚、制御回路９はその内部で
出力端子１０−１０’に接続される部分とスイッチング
素子１１を駆動する部分とは絶縁されているものとす
る。１２はダイオードであり、スイッチング素子１１と
ダイオード１２とで第２のスイッチング手段を構成す
る。１３はコンデンサであり、一端を入力端子２に他端
を前記トランス３の１次巻線３ａに接続され直流電圧を
保持する。

【００３３】以上のように構成されたスイッチング電源
装置について、以下にその動作を図２の各部動作波形を
参照しながら説明する。

【００３４】図２において（ａ）はスイッチング素子４
の両端電圧波形Ｖ_DSを示しており、（ｂ）は前記スイッ
チング素子４またはダイオード５に流れる１次電流Ｉ_D
を示しており、（ｃ）は同期発振回路６のスイッチング
素子４の駆動パルス波形Ｖ_G1を示しており、（ｄ）は前
記スイッチング素子１１または整流ダイオード１２に流
れる１次電流Ｉ_Cを示しており、（ｅ）はスイッチング
素子１１への駆動パルス波形Ｖ_G2を示しており、（ｆ）
は前記２次巻線３ｃに流れる２次電流Ｉ_Oを示してお
り、（ｇ）はトランス３の磁束φの変化を示している。

【００３５】同期発振回路６により決められたオン期間
で動作するスイッチング素子４のオン期間に前記トラン
ス３の１次巻線３ａにコンデンサ１３を通して入力電圧
とコンデンサ１３の直流電圧の差電圧Ｖ_IN−Ｖ_Cが印加
され、前記１次巻線３ａを介して流れる１次巻線Ｉ_Dに
よりトランス３に磁束が発生しエネルギーが蓄積され
る。

【００３６】同時にトランス３の２次巻線３ｃに誘起電
圧が発生し、整流ダイオード７をターンオンして出力電
流Ｉ_Oとして放出され、平滑コンデンサ８により平滑さ
れて出力電圧Ｖ_OUTとして出力端子１０−１０’に供給
される。

【００３７】また１次側のダイオード１２は逆バイアス
され、スイッチング素子１１はオフしているように構成
されている。この時スイッチング素子１１には入力電圧
Ｖ_INしか印加されない。

【００３８】またトランス３の１次巻線３ａにはトラン
ス３の励磁電流と出力電流の１次側換算電流の和電流が
流れる。ｔ₂で同期発振回路６のオフ信号によりスイッ
チング素子４がオフすると前記１次巻線３ａにフライバ
ック電圧が発生し、ダイオード１２が順バイアスされる
とトランス３に蓄積されたエネルギーが前記１次巻線３
ａとダイオード１２を介して１次電流Ｉ_Cとして放出さ
れ、コンデンサ１３により平滑されて直流電圧Ｖ_Cとし
て供給される。

【００３９】この時スイッチング素子１１は制御回路９
によりオンされるがダイオード１２とスイッチング素子
１１のどちらを１次電流Ｉ_Cが流れても特に動作上変化
は生じない。このとき前記２次巻線３ｃにもフライバッ
ク電圧が発生し、整流ダイオード７は逆バイアスする方
向に電圧が印加されるため整流ダイオード７はオフとな
り出力に電流は供給されない。直流電圧Ｖ_Cはトランス
３のリセット条件から

【００４０】

【数３】

【００４１】となる。この時スイッチング素子４には入
力電圧Ｖ_INしか印加されないのは明らかである。

【００４２】ｔ₃で制御回路９によってスイッチング素
子１１がオフするとトランス３の各巻線電圧は反転し、
１次巻線３ａに発生する誘起電圧はスイッチング素子４
の接続端を負電圧に、入力端子２の接続端を正電圧にす
る方向に発生するため、ダイオード５を介して入力直流
電源１を充電する方向に１次電流Ｉ_Dが流れ、オフ期間
中に蓄積されたトランス３のエネルギーを入力直流電源
１に電力回生を行う。

【００４３】この時に同期発振回路６はスイッチング素
子４をオンさせるが、１次電流Ｉ_Dがどちらを流れても
特に動作上変化は生じない。オフ期間にトランス３に蓄
積されたエネルギーがすべて放出され１次電流がゼロに
なると、すでにオンしているスイッチング素子４を介し
て入力直流電源１より前記とは逆方向に充電するように
１次電流Ｉ_Dが流れてトランス３に磁束が発生しエネル
ギーが蓄積される。この状態ではトランス３の各巻線に
発生する誘起電圧の極性は変化せず、同期発振回路６に
よりスイッチング素子４はオンを持続する。これらの動
作を繰り返すことで、出力電圧は連続的に出力端子１０
−１０’より供給される。

【００４４】出力電圧は第１のスイッチング手段がオン
のときトランス３の２次巻線３ｃに発生する電圧となり
トランス３の１次巻線３ａには電圧Ｖ_IN−Ｖ_Cが印加さ
れているため１次巻線３ａと２次巻線３ｃの巻数比を
ｎ：１とすると２次巻線３ｃには電圧（Ｖ_IN−Ｖ_C）／
ｎが発生する。従って出力電圧Ｖ_OUTは

【００４５】

【数４】

【００４６】であり第１のスイッチ手段のオンオフ比を
調整することで出力電圧が制御できる。

【００４７】（実施例２）以下本発明の第２の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。図３は本発明の
第２の実施例におけるスイッチング電源の構成を示すも
のである。図３において、図１１と同じものは同一の符
号を記し説明は省略する。

【００４８】１は入力直流電源であり、２−２’は入力
端子であり、３はトランスで１次巻線３ａ、２次巻線３
ｃ、バイアス巻線３ｂを有しており、４は第１のスイッ
チング手段としてのスイッチング素子であり、５はダイ
オードであり、６は同期発振回路であり、７は整流ダイ
オードであり、８は平滑コンデンサであり、整流ダイオ
ード７と平滑コンデンサ８とで第１の整流平滑回路を構
成する。９は制御回路であり、１０−１０’は出力端子
である。

【００４９】１１は第２のスイッチ手段としてのスイッ
チング素子であり、制御回路９によりオンオフされる。
尚、制御回路９はその内部で出力端子１０−１０’に接
続される部分とスイッチング素子１１を駆動する部分と
は絶縁されているものとする。１２は整流ダイオードで
あり、１３はコンデンサである。１４はコンデンサであ
り、スイッチング素子４の両端に接続され、スイッチン
グ素子４およびスイッチング素子１１に印加される電圧
の急峻な変化を抑える。なお前記スイッチング素子４と
スイッチング素子１１は同時にオフの期間を持つように
制御回路９のオンオフ信号と前記同期発振回路６のオン
オフ信号は設定されている。

【００５０】以上のように構成されたスイッチング電源
装置について、以下にその動作を図４の各部動作波形を
参照しながら説明する。

【００５１】図４において（ａ）はスイッチング素子４
の両端電圧波形Ｖ_DSを示しており、（ｂ）は前記スイッ
チング素子４またはダイオード５に流れる１次電流Ｉ_D
を示しており、（ｃ）は同期発振回路６のスイッチング
素子４の駆動パルス波形Ｖ_G1を示しており、（ｄ）は前
記スイッチング素子１１または整流ダイオード１２に流
れる１次電流Ｉ_Cを示しており、（ｅ）はスイッチング
素子１１への駆動パルス波形Ｖ_G2を示しており、（ｆ）
は前記２次巻線３ｃに流れる２次電流Ｉ_Oを示してお
り、（ｇ）はトランス３の磁束φの変化を示している。

【００５２】基本的な動作は第１の実施例の回路構成と
同じであるが、スイッチング素子４とスイッチング素子
１１は同時にオフの期間を持ち、その期間にスイッチン
グ素子４とスイッチング素子１１に印加される電圧が変
化するように設定されている。スイッチング素子４の両
端にはコンデンサ１４が接続されているためスイッチン
グ素子４のターンオフおよびターンオフ時の電圧波形の
急峻な立ち上がり立ち下がりは緩和され、またコンデン
サ１４に蓄えられた電荷を前記入力直流電源１に回生し
てから、スイッチング素子４をターンオンできるため、
スイッチング素子４のターンオン損失にならない。同様
な効果はスイッチング素子１１にもある。

【００５３】これらのような過渡時以外の動作は図１で
説明した実施例と同様であるので省略する。またこれら
のコンデンサを付加した場合、過渡時においてトランス
３の各巻線の出力インピーダンスが変化し、特にスイッ
チング素子４のオフ時の各巻線電流の初期電流値が変化
するが制御動作そのものへの影響は少なく、２次巻線電
流波形を共振電流とする効果に加えて、スイッチング素
子４とスイッチング素子１１に印加される電圧波形は急
峻でないために、ノイズの発生が抑えられ、スイッチン
グ素子４とスイッチング素子１１のスイッチング損失の
発生も抑えられる効果がある。さらに本回路構成では、
コンデンサ１３とダイオード１２によりクランプ回路を
構成しており、第１の従来例に示したスイッチング素子
４のターンオフに伴うサージ電圧の発生がないという効
果もある。

【００５４】（実施例３）以下本発明の第３の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。図５は本発明の
第３の実施例におけるスイッチング電源の構成を示すも
のである。図５において、図１１と同じものは同一の符
号を記し説明は省略する。

【００５５】１は入力直流電源であり、２−２’は入力
端子であり、３はトランスで１次巻線３ａの一端を漏れ
インダクタンスまたはインダクタンス素子１５とコンデ
ンサ１３を介して入力端子２に接続し他端をスイッチン
グ素子４を介して入力端子２’に接続し、２次巻線３ｃ
の一端を出力端子１０’に他端をダイオード７を介して
出力端子１０に接続し、バイアス巻線３ｂの一端を入力
端子２’に接続し他端を同期発振回路６に接続してい
る。４はスイッチング素子であり、５はダイオードであ
り、６は同期発振回路であり、７は整流ダイオードであ
り、８は平滑コンデンサであり、９は制御回路であり、
１０−１０’は出力端子である。

【００５６】１１はスイッチング素子であり、制御回路
９によりオンオフされる。１２はダイオードである。１
３はコンデンサであり、一端を入力端子２に他端を前記
漏れインダクタンスまたはインダクタンス素子１４に接
続され直流電圧を保持する。１５は前記トランス３の１
次巻線３ａと２次巻線３ｃ間の漏れインダクタンスまた
は外付けのインダクタンス素子である。ここで漏れイン
ダクタンスまたはインダクタンス素子１５とコンデンサ
１３は共振し、前記トランス３の２次巻線３ｃを流れる
電流を共振電流とするように設定される。

【００５７】以上のように構成されたスイッチング電源
装置について、以下にその動作を図６の各部動作波形を
参照しながら説明する。

【００５８】図６において（ａ）はスイッチング素子４
の両端電圧波形Ｖ_DSを示しており、（ｂ）は前記スイッ
チング素子４またはダイオード５に流れる１次電流Ｉ_D
を示しており、（ｃ）は同期発振回路６のスイッチング
素子４の駆動パルス波形Ｖ_G1を示しており、（ｄ）は前
記スイッチング素子１１または整流ダイオード１２に流
れる１次電流Ｉ_Cを示しており、（ｅ）はスイッチング
素子１１への駆動パルス波形Ｖ_G2を示しており、（ｆ）
は前記２次巻線３ｃに流れる２次電流Ｉ_Oを示してお
り、（ｇ）はトランス３の磁束φの変化を示している。

【００５９】ｔ₁で同期発振回路６により決められたオ
ン期間で動作するスイッチング素子４のオン期間に前記
トランス３の１次巻線３ａにコンデンサ１３を通して入
力電圧Ｖ_IN−Ｖ_Cが印加され、前記１次巻線３ａを介し
て流れる１次電流Ｉ_Dによりトランス３に磁束が発生し
エネルギーが蓄積される。同時にトランス３の２次巻線
３ｃに誘起電圧が発生し、整流ダイオード７をターンオ
ンして出力電流Ｉ_Oとして放出され、平滑コンデンサ８
により平滑されて出力電圧Ｖ_OUTとして出力端子１０−
１０’に供給される。

【００６０】この時コンデンサ１３と漏れインダクタン
スまたはインダクタンス素子１５は共振し、共振周波数
を十分小さく設定されているので、出力電流Ｉ_Oは正弦
波状となりゼロから立ち上がり、ｔ₂で再びゼロとな
る。従って整流ダイオード７はゼロ電流スイッチングと
なりリカバリは発生しない。

【００６１】また１次側のダイオード１２は逆バイアス
され、スイッチング素子１１はオフしているように構成
されている。この時スイッチング素子１１には入力電圧
Ｖ_INしか印加されない。このときトランス３の１次巻線
３ａにはトランス３の励磁電流と出力電流の１次側換算
電流の和電流が流れる。ｔ₃で同期発振回路６のオフ信
号によりスイッチング素子４がオフすると前記１次巻線
３ａにフライバック電圧が発生し、ダイオード１２が順
バイアスされるとトランス３に蓄積されたエネルギーが
前記１次巻線３ａとダイオード１２を介して１次電流Ｉ
_Cとして放出され、コンデンサ１３により平滑されて直
流電圧Ｖ_Cとして供給される。

【００６２】この時スイッチング素子１１は制御回路９
によりオンされるがダイオード１２とスイッチング素子
１１のどちらを１次電流Ｉ_Cが流れても特に動作上変化
は生じない。このとき前記２次巻線３ｃにもフライバッ
ク電圧が発生し、整流ダイオード７は逆バイアスする方
向に電圧が印加されるため整流ダイオード７はオフとな
り出力に電流は供給されない。直流電圧Ｖ_Cは実際は直
流電圧分と共振電圧である変動分の和電圧となるが、共
振電圧による変動分は十分小さく設定できる。

【００６３】直流電圧Ｖ_Cはトランス３のリセット条件
から

【００６４】

【数５】

【００６５】となる。この時スイッチング素子４には入
力電圧Ｖ_INしか印加されないのは明らかである。ｔ₄で
制御回路９によってスイッチング素子１１がオフすると
トランス３の各巻線電圧は反転し、１次巻線３ａに発生
する誘起電圧はスイッチング素子４の接続端を負電圧
に、入力端子２の接続端を正電圧にする方向に発生する
ため、ダイオード５を介して入力直流電源１を充電する
方向に１次電流Ｉ_Dが流れ、オフ期間中に蓄積されたト
ランス３のエネルギーを入力直流電源１に電力回生を行
う。

【００６６】この時に同期発振回路６はスイッチング素
子４をオンさせるが、１次電流Ｉ_Dがどちらを流れても
特に動作上変化は生じない。オフ期間にトランス３に蓄
積されたエネルギーがすべて放出され１次電流がゼロに
なると、すでにオンしているスイッチング素子４を介し
て入力直流電源１より前記とは逆方向に充電するように
１次電流Ｉ_Dが流れてトランス３に磁束が発生しエネル
ギーが蓄積される。この状態ではトランス３の各巻線に
発生する誘起電圧の極性は変化せず、同期発振回路６に
よりスイッチング素子４はオンを持続する。これらの動
作を繰り返すことで、出力電圧は連続的に出力端子１０
−１０’より供給される。

【００６７】出力電圧は第１のスイッチング手段がオン
のときトランス３の２次巻線３ｃに発生する電圧となり
トランス３の１次巻線３ａには電圧Ｖ_IN−Ｖ_Cが印加さ
れているため１次巻線３ａと２次巻線３ｃの巻数比を
ｎ：１とすると２次巻線には電圧（Ｖ_IN−Ｖ_C）／ｎが
発生する。従って出力電圧Ｖ_OUTは

【００６８】

【数６】

【００６９】であり第１のスイッチング手段のオンオフ
比を調整することで出力電圧が制御できる。

【００７０】本構成では、２次側整流ダイオードがゼロ
電流スイッチングとなり、リカバリの発生をなくすこと
が可能である。さらにスイッチング素子４のターンオフ
電流を小さくでき、スイッチングロスを小さくできると
いう効果もある。

【００７１】（実施例４）以下本発明の第４の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。図７は本発明の
第４の実施例におけるスイッチング電源の構成を示すも
のである。図７において、図１１と同じものは同一の符
号を記し説明は省略する。

【００７２】１は入力直流電源であり、２−２’は入力
端子であり、３はトランスで１次巻線３ａ、２次巻線３
ｃ、バイアス巻線３ｂを有しており、４は第１のスイッ
チング手段としてのスイッチング素子であり、５はダイ
オードであり、６は同期発振回路であり、７は整流ダイ
オードであり、８は平滑コンデンサであり、整流ダイオ
ード７と平滑コンデンサ８とで第１の整流平滑回路を構
成する。９は制御回路であり、１０−１０’は出力端子
である。

【００７３】１１は第２のスイッチング手段としてのス
イッチング素子であり、制御回路９によりオンオフされ
る。尚、制御回路９はその内部で出力端子１０−１０’
に接続される部分とスイッチング素子１１を駆動する部
分とは絶縁されているものとする。１２は整流ダイオー
ドであり、１３はコンデンサである。

【００７４】１５は前記トランス３の１次巻線３ａと２
次巻線３ｃ間の漏れインダクタンスまたは外付けのイン
ダクタンス素子である。コンデンサ１３と漏れインダク
タンスまたはインダクタンス素子１５は共振し、整流ダ
イオード７の電流波形を正弦波状にするように設定され
る。１４はコンデンサであり、スイッチング素子４の両
端に接続され、スイッチング素子４およびスイッチング
素子１１に印加される電圧の急峻な変化を抑える。

【００７５】なお前記スイッチング素子４とスイッチン
グ素子１１は同時にオフの期間を持つように制御回路９
のオンオフ信号と前記同期発振回路６のオンオフ信号は
設定されている。

【００７６】以上のように構成されたスイッチング電源
装置について、以下にその動作を図８の各部動作波形を
参照しながら説明する。

【００７７】図８において（ａ）はスイッチング素子４
の両端電圧波形Ｖ_DSを示しており、（ｂ）は前記スイッ
チング素子４またはダイオード５に流れる１次電流Ｉ_D
を示しており、（ｃ）は同期発振回路６のスイッチング
素子４の駆動パルス波形Ｖ_G1を示しており、（ｄ）は前
記スイッチング素子１１またはダイオード１２に流れる
１次電流Ｉ_Cを示しており、（ｅ）はスイッチング素子
１１への駆動パルス波形Ｖ_G2を示しており、（ｆ）は前
記２次巻線３ｃに流れる２次電流Ｉ_Oを示しており、
（ｇ）はトランス３の磁束φの変化を示している。

【００７８】基本的な動作は第３の実施例の回路構成と
同じであるが、スイッチング素子４とスイッチング素子
１１は同時にオフの期間を持ち、その期間にスイッチン
グ素子４とスイッチング素子１１に印加される電圧が変
化するように設定されている。

【００７９】スイッチング素子４の両端にはコンデンサ
１４が接続されているためスイッチング素子４のターン
オフおよびターンオフ時の電圧波形の急峻な立ち上がり
立ち下がりは緩和され、またコンデンサ１４に蓄えられ
た電荷を前記入力直流電源に回生してから、スイッチン
グ素子４をターンオンできるため、スイッチング素子４
のターンオン損失にならない。同様な効果はスイッチン
グ１１にもある。

【００８０】これらのような過渡時以外の動作は図３で
説明した実施例と同様であるので省略する。またこれら
のコンデンサを付加した場合、過渡時においてトランス
３の各巻線の出力インピーダンスが変化し、特にスイッ
チング素子４のオフ時の各巻線電流の初期電流値が変化
するが制御動作そのものへの影響は少なく、２次巻線電
流波形を共振電流とする効果に加えて、スイッチング素
子４とスイッチング素子１１に印加される電圧波形は急
峻でないために、ノイズの発生が抑えられ、スイッチン
グ素子４とスイッチング素子１１のスイッチング損失の
発生も抑えられる効果がある。

【００８１】さらに本回路構成では、コンデンサ１３と
ダイオード１２によりクランプ回路を構成しており、第
１の従来例に示したスイッチング素子４のターンオフに
伴うサージ電圧の発生がないという効果もある。

【００８２】（実施例５）以下本発明の第５の実施例に
ついて、図面を参照しながら説明する。図９は本発明の
第５の実施例におけるスイッチング電源の構成を示すも
のである。図９において、図１１と同じものは同一の符
号を記し説明は省略する。

【００８３】１は入力直流電源であり、２−２’は入力
端子であり、３はトランスで１次巻線３ａ、２次巻線３
ｃ、バイアス巻線３ｂを有しており、４は第１のスイッ
チング手段としてのスイッチング素子であり、５はダイ
オードであり、７は整流ダイオードであり、８は平滑コ
ンデンサであり、整流ダイオード７と平滑コンデンサ８
とで第１の整流平滑回路を構成する。９は制御回路であ
り、１０−１０’は出力端子である。

【００８４】１１は第２のスイッチング手段としてのス
イッチング素子であり、制御回路９によりオンオフされ
る。尚、制御回路９はその内部で出力端子１０−１０’
に接続される部分とスイッチング素子１１を駆動する部
分とは絶縁されているものとする。１２はダイオードで
あり、１３はコンデンサである。

【００８５】１６は電流制限手段であり、起動前のスイ
ッチング素子４がオンの時、コンデンサ１３の充電電流
を制限する。１７はスイッチング手段でありスイッチン
グ電源が起動後にオンし、前記電流制限手段１６を短絡
し、損失及びノイズの発生を制限する。６は同期発振回
路であり、起動前にスイッチング素子４をオンとしコン
デンサ１３に入力電圧が印加されているようにする。

【００８６】さらにスイッチング手段１７をオフとして
前記電流制限手段１６により前記コンデンサ１３の充放
電電流を制限する。また起動後は、スイッチング素子４
を決められたオン期間でオン動作させ、スイッチング素
子４のオフ期間を前記バイアス巻線３ｂの誘起電圧の極
性が反転するまで持続するようにオフ動作させ、このオ
ン・オフの繰り返しにより発振を続けるものである。

【００８７】以上のように構成されたスイッチング電源
装置について、以下にその動作を図１０の各部動作波形
を参照しながら説明する。

【００８８】図１０において（ａ）はスイッチング素子
４の両端電圧波形Ｖ_DSを示しており、（ｂ）は前記スイ
ッチング素子４またはダイオード５に流れる１次電流Ｉ
_Dを示しており、（ｃ）は同期発振回路６のスイッチン
グ素子４の駆動パルス波形Ｖ _G1を示しており、（ｄ）は
スイッチング手段１７の駆動パルス波形Ｖ_G3を示してお
り、（ｅ）はコンデンサ１３の両端電圧波形Ｖ_Cを示し
ており、（ｆ）は出力電圧Ｖ_Oを示している。

【００８９】スイッチング電源の起動前には、同期発振
回路６はスイッチング素子４をオンとしスイッチング手
段１７をオフとして、コンデンサ１３に入力電圧が印加
されるようにする。同時に電流制限手段１６により、コ
ンデンサ１３の充放電電流を制限し、スイッチング素子
４の破壊を妨げる。コンデンサ１３が十分に入力電圧Ｖ
_INに充電された後、スイッチング素子４をオフ、スイッ
チング手段１７をオンとして、スイッチング素子１１の
オン信号で起動させると、起動直後にはトランス３の１
次巻線３ａには、スイッチング素子４のオン時にはトラ
ンス３の１次巻線３ａには電圧が印加されないので、出
力電圧はほとんど０Ｖとなる。

【００９０】トランスのリセット条件によりコンデンサ
１３の電圧が減少してくると、トランス３の１次巻線３
ａの印加電圧Ｖ_IN−Ｖ_Cが上昇し出力電圧が次第に上昇
する。

【００９１】起動後定常状態の動作は図１で説明した実
施例と同様であるので省略する。このような構成では、
起動時にコンデンサ１３が充電されていないとき、スイ
ッチング素子４がオンすることで出力電圧が急激に上昇
するのを防ぐ効果がある。

【００９２】

【発明の効果】以上のように第１のスイッチング手段が
オフのとき第２のスイッチング手段がオンとなり第１の
スイッチング手段の両端には入力電圧を超える電圧は印
加されず、スパイク電圧の発生もない。また第１および
第２のスイッチング手段のターンオン時には、スイッチ
ング手段の寄生コンデンサおよびトランスの分布容量に
蓄えられたエネルギーを放電してからターンオンするた
めスパイク電流の発生もない。同様に第２のスイッチン
グ手段がオフのとき第１のスイッチング手段はオンであ
り第２のスイッチング手段にも入力電圧を超える電圧は
印加されない。またトランスの１次巻線には、入力電圧
とは逆向きの電圧を発生したコンデンサと入力電圧が直
列に１次巻線に印加されるためトランスに印加される電
圧は入力電圧より小さくなる。

【００９３】以上のように本発明によれば、第１のスイ
ッチング手段がオフのとき第２のスイッチング手段がオ
ンとなり第１のスイッチング手段の両端には入力電圧を
超える電圧は印加されない。同様に第２のスイッチング
手段がオフのとき第１のスイッチング手段はオンであり
第２のスイッチング手段にも入力電圧を超える電圧は印
加されずスイッチング素子の耐圧を下げることができ、
またスイッチング時のスパイク電圧の発生もない。また
第１および第２のスイッチング手段のターンオン時に
は、スイッチング手段の寄生コンデンサおよびトランス
の分布容量に蓄えられたエネルギーを放電してからター
ンオンするためスパイク電流の発生もない。またトラン
スの１次巻線には、入力電圧とは逆向きの電圧を発生し
たコンデンサと入力電圧が直列に１次巻線に印加される
ため、トランスの励磁電圧が小さくなることから１次巻
線数を少なくでき損失を減らすことができ、小型、高効
率、低ノイズの優れたスイッチング電源装置を実現する
ものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例におけるスイッチング電
源装置を示す回路構成図

【図２】本発明の図１の回路構成図の動作波形を示す説
明図

【図３】本発明の第２の実施例におけるスイッチング電
源装置を示す回路構成図

【図４】本発明の図３の回路構成図の動作波形を示す説
明図

【図５】本発明の第３の実施例におけるスイッチング電
源装置を示す回路構成図

【図６】本発明の図５の回路構成図の動作波形を示す説
明図

【図７】本発明の第４の実施例におけるスイッチング電
源装置を示す回路構成図

【図８】本発明の図７の回路構成図の動作波形を示す説
明図

【図９】本発明の第５の実施例におけるスイッチング電
源装置を示す回路構成図

【図１０】本発明の図９の回路構成図の動作波形を示す
説明図

【図１１】第１の従来例におけるスイッチング電源装置
の回路構成図

【図１２】従来の図１１の回路構成図の動作波形を示す
説明図

【図１３】第２の従来例におけるスイッチング電源装置
の回路構成図

【図１４】従来の図１３の回路構成図の動作波形を示す
説明図

【符号の説明】

１ 入力直流電源 ２−２’ 入力端子 ３ トランス ４ スイッチング素子 ５ ダイオード ６ 同期発振回路 ７ 整流ダイオード ８ 平滑コンデンサ ９ 制御回路 １０−１０’ 出力端子 １１ スイッチング素子 １２ ダイオード １３ コンデンサ １４ コンデンサ １５ 漏れインダクタンスまたはインダクタンス素子 １６ 電流制限手段 １７ スイッチング手段 １８ 整流ダイオード １９ インダクタンス素子 ２０ 制御回路 ２１ ダイオード

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】少なくとも１次巻線と１つ以上の２次巻線
   を有するトランスと、直流電圧を保持するためのコンデ
   ンサと、オンオフを繰り返しオンの時入力電圧を前記コ
   ンデンサと前記トランスの１次巻線の直列回路に印加す
   る第１のスイッチング手段と、この第１のスイッチング
   手段と交互にオンオフを繰り返し、オンの時に前記コン
   デンサに保持された直流電圧を前記トランスの１次巻線
   に印加する第２のスイッチング手段と、前記第１のスイ
   ッチング手段がオンの時トランスの２次巻線に誘起する
   電圧を整流平滑手段を介して出力に供給するスイッチン
   グ電源装置。
2. 【請求項２】第１のスイッチング手段の両端または第２
   のスイッチング手段の両端またはその両方にコンデンサ
   を接続し、前記第１のスイッチング手段と第２のスイッ
   チング手段を両方ともオフとなる期間を持ち、交互にオ
   ンオフを繰り返すようにした請求項１記載のスイッチン
   グ電源装置。
3. 【請求項３】少なくとも１次巻線と１つ以上の２次巻線
   を有するトランスと、直流電圧を保持するためのコンデ
   ンサと、オンオフを繰り返しオンの時入力電圧を前記コ
   ンデンサと前記トランスの１次巻線の直列回路に印加す
   る第１のスイッチング手段と、この第１のスイッチング
   手段と交互にオンオフを繰り返し、オンの時に前記コン
   デンサに保持された直流電圧を前記トランスの１次巻線
   に印加する第２のスイッチング手段と、前記第１のスイ
   ッチング手段がオンの時トランスの２次巻線に誘起する
   電圧を整流平滑手段を介して出力に供給し、前記第１の
   スイッチング手段がオンの時、前記トランスの１次巻線
   と２次巻線を介して結合される前記入力電源、前記コン
   デンサ、整流平滑手段、前記第１のスイッチング手段か
   らなるループにおいて、前記コンデンサまたは入力電源
   またはそれらの組合せとトランスのリーケージインダク
   タンスまたは外付けのインダクタンスとで共振しループ
   電流を共振電流とすることを特徴としたスイッチング電
   源装置。
4. 【請求項４】第１のスイッチング手段の両端または第２
   のスイッチング手段の両端またはその両方にコンデンサ
   を接続し、前記第１のスイッチング手段と第２スイッチ
   ング手段を両方ともオフとなる期間を持ち、交互にオン
   オフを繰り返すようにした請求項３記載のスイッチング
   電源装置。
5. 【請求項５】入力電圧または補助電圧により前記第１の
   スイッチング手段をオンオフ開始以前に電流制限手段を
   介して前記コンデンサに予め電圧を印加させるようにす
   る請求項１記載のスイッチング電源装置。