JPH05344721A - スイッチングレギュレ−タ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 スイッチングレギュレータのスイッチング素
子のターンオン時のスイッチング損失を低減させる。 【構成】 １次巻線６と２次巻線８と３次巻線２０とを
有するトランス５を設ける。１次巻線６に直列にスイッ
チング素子７を接続する。スイッチング素子７のドレイ
ン・ソース間にターンオン遅延制御用トランジスタ１９
を接続する。オフ期間に３次巻線２０に得られる電圧で
コンデンサ４０を充電する。コンデンサ４０を抵抗３７
を介してトランジスタ１９のベースに接続する。１次巻
線６の蓄積エネルギーの放出が終了した時点から所定遅
延時間後にスイッチング素子７をオンにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はトランスの１次巻線に直
列に接続したスイッチング素子をオン・オフすることに
よって電圧を調整するスイッチングレギュレータに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】スイッチングレギュレータのスイッチン
グ素子のオン及びオフ時の電力損失を低減させるために
共振動作を使用することが知られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の共振動
作を使用したスイッチングレギュレータは構成が複雑で
あった。

【０００４】そこで、本発明の目的はスイッチング損失
が小さく且つ構成が簡単なスイッチングレギュレータを
提供することにある。

【０００５】

【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、直流電源の一端と他端との間に接続された
トランスの１次巻線と変換用スイッチング素子との直列
回路と、前記トランスの２次巻線と、前記２次巻線に接
続され且つ前記変換用スイッチング素子のオフ期間に導
通する方向性を有している整流ダイオードと、前記整流
ダイオードの出力段に接続された平滑用コンデンサと、
前記トランスの３次巻線と、前記変換用スイッチング素
子の制御端子に接続されたスイッチング制御回路と、前
記トランスの１次巻線のインダクタンスとの共振動作が
生じるように前記１次巻線に関係付けられた共振用コン
デンサと、前記変換用スイッチング素子の制御端子と１
つの主端子との間に接続され、オン状態になって前記変
換用スイッチング素子のターンオンを遅延させるターン
オン遅延制御用スイッチング素子と、前記変換用スイッ
チング素子のオフ期間に前記３次巻線に得られる電圧に
よって導通する方向性を有するダイオードを介して前記
３次巻線に並列に接続されたターンオン遅延制御用コン
デンサと、前記ターンオン遅延制御用コンデンサとター
ンオン遅延制御用スイッチング素子の制御端子との間に
接続された抵抗とを備え、前記１次巻線の蓄積エネルギ
ーの放出終了後における前記１次巻線のインダクタンス
と前記共振用コンデンサとの共振に基づいて前記変換用
スイッチング素子の電圧が実質的にゼロになった時に前
記変換用スイッチング素子がターンオンするように前記
ターンオン制御用コンデンサの放電時定数が設定されて
いることを特徴とするスイッチングレギュレータに係わ
るものである。

【０００６】

【発明の作用及び効果】本発明における共振用コンデン
サは、変換用スイッチング素子のターンオフ時にスイッ
チング素子の電圧の立上りを遅延させ、ターンオフ時の
スイッチング損失を低減させる。また、この共振用コン
デンサは１次巻線の蓄積エネルギーの放出終了後に、１
次巻線のインダクタンスと共振回路を形成する。共振用
コンデンサの電圧がほぼゼロになった時に変換用スイッ
チング素子がターンオンする。この動作を可能にするた
めにオフ制御用スイッチング素子は共振用コンデンサの
電圧が実質的にゼロになった時にオフになり、変換用ス
イッチング素子のターンオンを許す。変換用スイッチン
グ素子はこの電圧がほぼゼロの時にターンオンするの
で、スイッチング損失が小さい。本発明によれば、３次
巻線とオフ制御用スイッチング素子とダイオードとコン
デンサと抵抗とを使用する簡単な構成でスイッチングレ
ギュレータのスイッチング損失の低減を図ることができ
る。

【０００７】

【実施例】次に、図１〜図４を参照して本発明の実施例
に係わるスイッチングレギュレータを説明する。

【０００８】図１において、交流電源端子１に接続され
た整流平滑回路から成る直流電源２の出力端子即ち直流
電源端子３とグランド端子４との間には、トランス５の
１次巻線６とＦＥＴから成る変換用スイッチング素子７
との直列回路が接続されている。１次巻線６とグランド
との間に共振用コンデンサ４２が接続されている。

【０００９】トランス５の２次巻線８には、第１のダイ
オード９とコンデンサ１０とから成る出力整流平滑回路
１１と出力端子１２とを介して負荷１３が接続されてい
る。第１のダイオード９は変換用スイッチング素子７の
オフ期間にオンになる方向性を有する。

【００１０】スイッチング素子７のオン・オフ制御回路
１４は、電源端子１５と、グランド（共通）端子１６
と、制御パルス出力端子１７と、電圧検出端子１８とを
有する。グランド端子１６は直流電源２のグランド端子
４に接続され、制御パルス出力端子１７はスイッチング
素子７の制御端子（ゲート）に接続され、電圧検出端子
１８は出力端子１２に接続されている。スイッチング素
子７の制御端子（ゲート）とソース（グランド）との間
にターンオン遅延制御用スイッチング素子としてのトラ
ンジスタ１９が接続されている。

【００１１】制御回路１４の電源電圧を得るため及び変
換用スイッチング素子７のターンオンの遅延制御を行う
ために、トランス５の３次巻線２０と、第２のダイオー
ド２１と、平滑用コンデンサ２２と、起動抵抗２３と、
第３のダイオード３５と、ベース駆動用抵抗３６と、放
電時定数用抵抗３７と、充電用抵抗３８と、第４のダイ
オ−ド３９と、ターンオン遅延制御用コンデンサ４０と
が設けられている。このスイッチングレギュレータは、
スイッチング素子７がオフの期間に出力整流ダイオード
９がオンになるオン・オフ型（リバース）型であるの
で、スイッチング素子７のオフ期間に３次巻線２０にほ
ぼ一定の電圧が得られる。第２及び第３のダイオード２
１、３５は、スイッチング素子７のオフ期間の３次巻線
２０の電圧で導通する方向性を有する。平滑用コンデン
サ２２はダイオード２１を介して３次巻線２０に並列に
接続され、この上端は制御回路１４の電源端子１５に接
続されている。従って、コンデンサ２２は制御回路１４
の電源として機能する。抵抗２３は電源２の端子３とコ
ンデンサ２２の上端との間に接続され、起動抵抗として
機能する。ターンオン遅延制御用コンデンサ４０は抵抗
３８とダイオード３５を介して３次巻線２０に並列に接
続されている。従って、ターンオフ遅延制御用コンデン
サ４０は３次巻線２０の電圧によって一定の電圧に充電
される。このコンデンサ４０はターンオン遅延制御用ト
ランジスタ１９のベースにダイオード３９と抵抗３７と
を介して接続されている。抵抗３６はダイオード３５の
カソードと抵抗３７との間に接続されている。従って、
この抵抗３６は３次巻線２０のオフ期間の電圧に基づい
てターンオン遅延制御用トランジスタ１９にベース電流
を供給する機能を有する。変換用スイッチング素子７は
制御回路１４からオン制御信号が発生していてもターン
オン遅延制御用トランジスタ１９がオンしていればオフ
状態にある。

【００１２】図１の制御回路１４は、図２に示すように
構成されている。この制御回路１４は、大別して電圧比
較器２４と、オフ幅制御回路２５と、オン幅制御回路２
６と、基準電圧源２７とを有し、図３の（Ｃ）に示すよ
うな制御パルスを出力端子１７を介してスイッチング素
子７に供給する。

【００１３】オフ幅制御回路２５は、第１のコンデンサ
Ｃ1 と、第１、第２及び第３の抵抗Ｒ1 、Ｒ2 、Ｒ3
と、第１の制御素子としてのトランジスタＱ1 と、２つ
のダイオードＤ1 、Ｄ2 とから成る。第１のコンデンサ
Ｃ1 は電源端子１５とグランドとの間に第１のトランジ
スタＱ1 とダイオードＤ1 とを介して接続されている。
第１の抵抗Ｒ1 は放電回路を形成するために第１のコン
デンサＣ1 に並列に接続されている。第１のコンデンサ
Ｃ1 の上端は、比較器２４の負入力端子に接続されてい
る。第１のトランジスタＱ1 のベース（制御端子）は抵
抗Ｒ3 を介して基準電圧源２７に接続されていると共
に、抵抗Ｒ2 とダイオードＤ2 とから成るコンデンサＣ
1 の充電停止制御回路を介して比較器２４の出力端子に
接続されている。比較器２４の正入力端子は抵抗Ｒ3 を
介して基準電圧源２７に接続されていると共に、抵抗Ｒ
2 とダイオードＤ2 を介して比較器２４の出力端子にも
接続されている。

【００１４】オン幅制御回路２６は、第２のコンデンサ
Ｃ2 と、第２の制御素子としてのトランジスタＱ2 と、
第３の制御素子としてのトランジスタＱ3 と、ＮＯＴ回
路（インバータ）２８と、充電制御素子としてのホトト
ランジスタ２９と、発光ダイオード３０と、誤差増幅器
３１と、基準電圧源３２と、分圧用抵抗３３、３４とか
ら成る。

【００１５】第２のコンデンサＣ2 の上端はホトトラン
ジスタ２９を介して電源端子１５に接続され、下端はグ
ランドに接続されている。この第２のコンデンサＣ2 の
電圧Ｖc2を比較器２４に関係付けるために、比較器２４
の正入力端子とグランドとの間に第２のトランジスタＱ
2 が接続され、この第２のトランジスタＱ2 のベース
（制御端子）が第２のコンデンサＣ2 の上端に接続され
ている。また、第２のコンデンサＣ2 の放電を比較器２
４の出力に関係付けるために、第２のコンデンサＣ2 に
対して並列に放電制御素子として第３のトランジスタＱ
3 が接続され、比較器２４の出力端子がＮＯＴ回路２８
を介して第３のトランジスタＱ3 のベース（制御端子）
に接続されている。

【００１６】出力電圧の値に対して反比例的にスイッチ
ング素子７のオン幅を変えるために、電圧検出端子１８
に接続された分圧用抵抗３３、３４の分圧点が誤差増幅
器３１の一方の入力端子に接続され、この他方の入力端
子に基準電圧源３２が接続され、この出力端子に発光ダ
イオード３０が接続されている。発光ダイオード３０は
ホトトランジスタ２９に光結合されているので、誤差増
幅器３１の出力に対応した光入力がホトトランジスタ２
９に与えられる。なお、基準電圧源３２は電圧検出端子
１８に接続された抵抗とツエナーダイオードで形成され
ているが、図２では原理的に示されている。また、基準
電圧源２７も抵抗とツエナーダイオード等の組み合せで
形成されているが、図２では原理的に示されている。

【００１７】

【動作】次に、図３の波形図を参照して図１及び図２の
回路の動作を説明する。但し、理解を容易にするために
ターンオン遅延制御用トランジスタ１９を省いた回路の
動作をまず説明する。図１の直流電源２から電力供給を
開始すると、起動抵抗２３を介してコンデンサ２２が充
電され、この電圧が所定値に達すると、図２におけるツ
エナーダイオード等で構成された基準電圧源２７から基
準電圧Ｖr （約６．３Ｖ）が得られ、これが比較器２４
の正入力端子に与えられる。同時に、第１のトランジス
タＱ1 もオンになり、電源端子１５の電圧＋Ｖで第１の
コンデンサＣ1 が充電される。この第１のコンデンサＣ
1 は、基準電圧Ｖr からトランジスタＱ1 のベース・エ
ミッタ間電圧ＶBEとダイオードＤ1 の電圧Ｖf との和
（ＶBE−Ｖf ）を差し引いた値（約５Ｖ）まで短い立上
り時間（０．５μｓ）で充電される。一方、比較器２４
の正入力端子には、基準電圧源２７の電圧Ｖr （６．３
Ｖ）が印加される。比較器２４の図３の（Ａ）で実線で
示す正入力端子の電圧Ｖ1 は約６．３Ｖであり、破線で
示す負入力端子の電圧Ｖ2 は約５Ｖであるので、比較器
２４の出力は高レベル（Ｈ）になる。なお、両入力電圧
Ｖ1 、Ｖ2 の差は約１．３Ｖであるので、ノイズによる
誤動作を十分に防ぐことができる。

【００１８】一方、第２のコンデンサＣ2 の充電時定数
は第１のコンデンサＣ1 の充電時定数よりも十分に大き
く設定されているので、この電圧Ｖc2は図３の（Ｂ）に
示すようにオン期間Ｔonに傾斜を有してゆっくり上昇す
る。なお、オン期間Ｔonには比較器２４の出力が高レベ
ル、ＮＯＴ回路２８の出力が低レベル、第３のトランジ
スタＱ3 がオフであるので、第２のコンデンサＣ2 の放
電回路は形成されない。第２のコンデンサＣ2 の電圧Ｖ
c2が０．７〜０．８Ｖ程度になると、第２のトランジス
タＱ2 がオンになり、比較器２４の正入力端子の電圧Ｖ
1 が低下し、負入力端子の電圧Ｖ2 よりも低くなり、比
較器２４の出力は低レベル（Ｌ）に転換する。これによ
り、第２のダイオードＤ2 がオンになり、オフ期間Ｔof
f には比較器２４の正入力端子の電圧Ｖ1 が ｛（Ｖr −Ｖf ）（Ｒ2 ）／（Ｒ2 ＋Ｒ3 ）｝＋Ｖf になり、約３Ｖに固定される。なお、Ｖf はダイオード
Ｄ1 、Ｄ2 のそれぞれの順方向電圧を示す。また、ＮＯ
Ｔ回路２８の出力が高レベル、第３のトランジスタＱ3
がオンになるので、第２のコンデンサＣ2 の電荷が急激
に放出され、この電圧Ｖc2は急激に低下する。

【００１９】オフ期間Ｔoff には、正入力端子の電圧Ｖ
1 が負入力端子の電圧Ｖ2 よりも低いので、第１のトラ
ンジスタＱ1 及び第１のダイオードＤ1 が逆バイアス状
態となり、第１のコンデンサＣ1 の充電が停止され、第
１のコンデンサＣ1 の電荷はＣ1 Ｒ1 の放電時定数（１
μｓ）で放出され、この電圧即ち負入力端子の電圧Ｖ2
は傾斜を有して低下する。オフ期間における正入力端子
の電圧Ｖ1 は固定され、第１のコンデンサＣ1 の放電時
定数は一定であるので、負入力端子の電圧Ｖ2が正入力
端子の電圧Ｖ1 を横切るまでの時間幅即ちオフ期間Ｔof
f の幅は一定である。

【００２０】比較器２４の負入力端子の電圧Ｖ2 が正入
力端子の電圧Ｖ1 よりも低くなると、比較器２４の出力
は再び高レベルになり、同じ動作が繰返される。比較器
２４の出力Ｖout はスイッチング素子７に与えられるの
で、スイッチング素子７は図３の（Ｃ）に示す出力Ｖou
t に対応してオン・オフする。

【００２１】ターンオン遅延制御用トランジスタ１９が
設けられていない場合には、図３の（Ｃ）のＰＷＭパル
スに対応してスイッチング素子７がオン・オフする。こ
の時、共振用コンデンサ４２が充電されており、スイッ
チング素子７のドレイン・ソース間電圧がゼロでない状
態でターンオンしてドレイン電流が流れ、スイッチング
損失が生じる。また、共振用コンデンサ４２の電荷がス
イッチング素子７を通って流れ、損失になる。図１のタ
ーンオン遅延制御用トランジスタ１９及びこの制御回路
は上述のターンオン時のスイッチング損失を低減させ
る。

【００２２】次に、図４を参照してスイッチング素子７
のターンオンの遅延動作を説明する。 スイッチング素
子７が制御回路１４から与えられる図３の（Ｃ）に示す
パルスによってオン制御され、オン状態にある期間ｔ0
〜ｔ1 には図４（Ｂ）に示すようにスイッチング素子７
のドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSはほぼゼロである。この
時、１次巻線６にエネルギーが蓄積される。

【００２３】図３（Ｃ）の制御パルスが低レベルに立下
ると、スイッチング素子７はｔ1 でターンオフし、この
ドレイン・ソース間電圧Ｖ_DSが上昇する。この時、コン
デンサ４２が時定数を有して充電されるためにドレイン
・ソース間電圧Ｖ_DSが傾斜を有して立上り、ターンオフ
時のスイッチング損失が少なくなる。スイッチング素子
７のオフ期間には、１次巻線６に蓄積されたエネルギー
が２次巻線８を介して平滑用コンデンサ１０及び負荷１
３に放出される。平滑用コンデンサ１０の電圧は定電圧
制御されているので、オフ期間には２次巻線８に一定電
圧が加わり、３次巻線２０の電圧Ｖ20は図４（Ａ）に示
すようにほぼ一定である。オフ期間には図１のダイオー
ド２１、３５がオンになり、３次巻線２０の電圧Ｖ20で
コンデンサ２２及び４０が充電される。また、オフ期間
に３次巻線２０に上向きの電圧が発生すると、これがダ
イオード３５、抵抗３６、３７を介してトランジスタ１
９のベースに印加され、トランジスタ１９がオンにな
る。その後、１次巻線６の蓄積エネルギーの放出がｔ2
で終了すると、コンデンサ４２と１次巻線６のインダク
タンスとの共振動作によってコンデンサ４２のエネルギ
ーが１次巻線６に移動し、コンデンサ４２の電圧及びス
イッチング素子７のドレイン・ソース間電圧ＶDSが徐々
に低下する。

【００２４】ところで、制御回路１４からスイッチング
素子７に加える制御信号のオン期間Ｔonはオフ期間Ｔof
f よりも長く設定されている。従って、１次巻線６の蓄
積エネルギーの放出期間ｔ1 〜ｔ2 は、図３（Ｃ）の制
御信号のオフ期間Ｔoff よりも長い。このため、１次巻
線６の蓄積エネルギーの放出終了時点ｔ2 よりも前にス
イッチング素子７のオン制御パルスが制御回路１４から
発生している。しかし、ターンオン遅延制御用トランジ
スタ１９が設けられているので、これがオンしている限
りスイッチング素子７はターンオンしない。ターンオン
遅延制御用コンデンサ４０の電圧Ｖ40は３次巻線２０の
オフ期間の電圧及び充電時定数と放電時定数によって図
４（Ｄ）に示すように変化する。ｔ2 時点で１次巻線６
の蓄積エネルギーの放出が終了すると、ターンオン遅延
制御用コンデンサ４０の電圧Ｖ40はこれと抵抗３７との
時定数によって徐々に低下し、ｔ3 時点でトランジスタ
１９のしきい値よりも低くなり、ｔ3 時点でトランジス
タ１９がオフに転換し、逆にスイッチング素子７がオン
する。

【００２５】今、スイッチング素子７のオン制御パルス
が図４のｔ2 よりも前のｔ2aから発生していたとすれ
ば、ｔ2a〜ｔ3 の遅延を有してスイッチング素子７がタ
ーンオンすることになる。また、蓄積エネルギー放出時
点ｔ2 に対してはｔ2 〜ｔ3 の遅延が生じる。ｔ2 〜ｔ
3 期間を得るためのコンデンサ４０の放電時定数は、１
次巻線６の蓄積エネルギーの放出終了時点ｔ2 から共振
用コンデンサ４２のエネルギーが共振で１次巻線６に移
ってこの電圧及びスイッチング素子７の電圧ＶDSがほぼ
ゼロになるまでの長さに対応するように設定されてい
る。スイッチング素子７のドレイン電流Ｉ_D は図４
（Ｃ）に示すようにｔ3 時点から立上るので、電圧がゼ
ロ、電流がゼロの状態でのターンオンが達成され、スイ
ッチング損失が低減される。

【００２６】

【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） スイッチングレギュレータのトランス５の１次
側回路及び電圧制御回路を種々変形することができる。
例えば、図１のスイッチング素子７を図５に示すように
バイポーラトランジスタ７ａにすることができる。ま
た、図１のスイッチング素子７の制御回路１４を図５に
示すように自励式の制御回路に変えることができる。図
５では、３次巻線２０が抵抗６１とコンデンサ６２の並
列回路を介してトランジスタ７ａのベースに接続されて
いる。また、電圧制御のためにトランジスタ７ａのベー
スとエミッタとの間にトランジスタ６３が接続されてい
る。なお、図５において図１と共通する部分には同一の
符号が付されている。 （２） 共振用コンデンサ４２を図５で点線で示すよう
に１次巻線６に並列に接続することができる。また、４
次巻線を設け、ここに並列に共振用コンデンサ４２を接
続することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わるスイッチングレギュレ
ータを示す回路図である。

【図２】図１の制御回路を詳しく示す回路図である。

【図３】制御回路の各部の状態を示す波形図である。

【図４】図１の各部の状態を示す波形図である。

【図５】変形例の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】

６ １次巻線 ７ スイッチング素子 １９ ターンオン遅延制御用トランジスタ ２０ ３次巻線 ４０ ターンオン遅延制御用トランジスタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源の一端と他端との間に接続され
   たトランスの１次巻線と変換用スイッチング素子との直
   列回路と、 前記トランスの２次巻線と、 前記２次巻線に接続され且つ前記変換用スイッチング素
   子のオフ期間に導通する方向性を有している整流ダイオ
   ードと、 前記整流ダイオードの出力段に接続された平滑用コンデ
   ンサと、 前記トランスの３次巻線と、 前記変換用スイッチング素子の制御端子に接続されたス
   イッチング制御回路と、 前記トランスの１次巻線のイ
   ンダクタンスとの共振動作が生じるように前記１次巻線
   に関係付けられた共振用コンデンサと、 前記変換用スイッチング素子の制御端子と１つの主端子
   との間に接続され、オン状態になって前記変換用スイッ
   チング素子のターンオンを遅延させるターンオン遅延制
   御用スイッチング素子と、 前記変換用スイッチング素子のオフ期間に前記３次巻線
   に得られる電圧によって導通する方向性を有するダイオ
   ードを介して前記３次巻線に並列に接続されたターンオ
   ン遅延制御用コンデンサと、 前記ターンオン遅延制御用コンデンサとターンオン遅延
   制御用スイッチング素子の制御端子との間に接続された
   抵抗とを備え、前記１次巻線の蓄積エネルギーの放出終
   了後における前記１次巻線のインダクタンスと前記共振
   用コンデンサとの共振に基づいて前記変換用スイッチン
   グ素子の電圧が実質的にゼロになった時に前記変換用ス
   イッチング素子がターンオンするように前記ターンオン
   制御用コンデンサの放電時定数が設定されていることを
   特徴とするスイッチングレギュレータ。