JPH0619324Y2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 産業上の利用分野 本考案は、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＡＣコンバー
タ等のスイッチング電源装置に関し、更に詳細には、低
損失のスイッチング電源装置に関する。

従来の技術 スイッチング素子をオン・オフして出力トランスへの直
流入力を断続し、更にトランナスの出力を整流して制御
された直流出力を得るＤＣ−ＤＣコンバータは広く使用
されている。第３図は従来のＤＣ−ＤＣコンバータの１
例を示す。このＤＣ−ＤＣコンバータでは、直流電源１
０に接続された第１及び第２の電源端子１１、１２の間
に、トランス１３の１次巻線１４とスイッチングトラン
ジスタ１５との直列回路が接続されている。トランス１
３の２次巻線１６は、ダイオード１７、１８とリアクト
ル１９とコンデンサ２０とから成る出力整流平滑回路２
１を介して出力端子２２、２３に接続されている。直流
断続用スイッチング素子としてのスイッチングトランジ
スタ１５のベースにはこれをオン・オフ制御するための
制御回路２４が接続されている。サージ電圧吸収及びス
イッチング損失低減の目的でスイッチングトランジスタ
１５に並列にコンデンサ２５が接続されている。

制御回路２４の出力によりスイッチングトランジスタ１
５のオン時には、直流電源１０の電圧が１次巻線１４に
印加される。これによって２次巻線１６に誘起された電
圧は出力整流平滑回路２１を介して出力端子２２、２３
間に接続された負荷（図示せず）に供給される。コンデ
ンサ２５はトランジスタ１５がオンからオフに転換する
時に発生するサージ電圧を吸収してスイッチングトラン
ジスタ１５のコレクタ・エミッタ間電圧の上昇を抑える
働きがある。また、コンデンサ２５はトランジスタ１５
のコレクタ・エミッタ間の電圧を緩慢に立上らせてスイ
ッチング損失を低減させる働きがある。

第４図はコンデンサ２５の働きを説明するためのトラン
ジスタ１５のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥを示す。
トランジスタ１５をオンからオフに転換するために要す
る時間及び逆にオフからオンに転換するために要する時
間を零にすることは実際上不可能である。ターンオフ時
間においては、トランジスタ１５のコレクタ電流が小さ
くなり、逆にコレクタ・エミッタ間電圧は高くなる。こ
の時、コレクタ電流が流れている間にコレクタ・エミッ
タ間電圧が急に高くなると、必然的に電力損失（スイッ
チングクロス）が大きくなる。第３図の回路ではサージ
電圧がコンデンサ２５で吸収されるために、コレクタ・
エミッタ間電圧はゆっくり立上がり、スイッチング損失
が小さくなる。コンデンサ２５の容量を適当に設定すれ
ば、次にトランジスタ１５がオンになるまでに、コンデ
ンサ２５の電圧が直流電源１０の電圧Ｖ_Ｓにほぼ等しく
なる。

考案が解決しようとする課題 ところで、第３図の回路では、トランジスタ１５がオン
に転換する時に、コンデンサ２５のエネルギがトランジ
スタ１５を通してエネルギ損失として放出される。

そこで、本考案の目的は、サージ吸収及びスイッチング
損失低減用のコンデンサのエネルギを有効に使用してス
イッチング電源装置の効率を高めることにある。

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考案は、トランスの１次巻
線とスイッチング素子を直列に接続し、該スイッチング
素子と並列にコンデンサを接続したスイッチング電源装
置において、前記スイッチング素子と直列に第１のダイ
オードを接続し、また前記コンデンサと直列に第２のダ
イオードを接続し、前記スイッチング素子と前記第１の
ダイオードとの結合点と、前記コンデンサと前記第２の
ダイオードとの結合点との間に、前記トランスの１次巻
線に電磁結合されたエネルギ放出巻線と第３のダイオー
ドとの直列回路を接続したものである。

また、請求項２に示すように、エネルギ放出用巻線に直
列にリアクトルを接続することが望ましい。

作用 スイッチング素子がオンからオフに転換する時に、電源
電圧とトランス１次巻線の電圧（サージ電圧）との加算
値がスイッチング素子の両端間に印加される。しかし、
スイッチング素子には並列にコンデンサが接続されてい
るので、コンデンサの充電に応じてスイッチング素子の
両端間電圧が徐々に増大する。これにより、スイッチン
グ素子がサージ電圧から保護されると共に、ターンオフ
時のスイッチング損失が低減される。スイッチング素子
がオフからオンに転換すると、コンデンサのエネルギが
エネルギ放出用巻線を介して出力側（負荷側）に放出さ
れる。この結果、コンデンサのエネルギが有効に使用さ
れ、スイッチング電源装置の効率が高くなる。エネルギ
放出用巻線によるエネルギ放出量は、１次巻線とエネル
ギ放出用巻線との巻数比に依存する。エネルギ放出用巻
線の巻数を少なめにすれば、エネルギ放出作用が大きく
なり、コンデンサのエネルギの放出が迅速に進む。逆に
エネルギ放出用巻線の巻数を多めにすれば、コンデンサ
のエネルギは緩やかに放出される。

請求項２に従って、リアクトルを設けると、リアクトル
はコンデンサと共振回路を構成し、コンデンサのエネル
ギの放出速度を適当に設定することができる。

実施例 次に、ＤＣ−ＤＣコンバータを示す本考案の第１の実施
例を第１図について説明する。但し、第１図では第３図
に示す箇所と同一の部分には同一の符号を付し、その説
明を省略する。

第１図のＤＣ−ＤＣコンバータでは、第１の逆流阻止用
ダイオード２６のアノードが、スイッチングトランジス
タ１５のエミッタに接続され、そのカソードが、第２の
電源端子１２に接続されている。また、コンデンサ２５
に直列に第２の逆流阻止用ダイオード２７のアノードが
接続され、ダイオード２７のカソードが第２の電源端子
１２に接続される。また、スイッチングトランジスタ１
５のエミッタと第１の逆流阻止用ダイオード２６との結
合点と、コンデンサ２５と第２の逆流阻止用ダイオード
２７との結合点との間には、リアクトル２８、エネルギ
放出用の３次巻線２９及び第３の逆流阻止用ダイオード
３０の直列回路が接続されている。３次巻線２９は１次
及び２次巻線１４、１６に電磁結合され、この極性は、
１次巻線１４の上端が正の時に３次巻線２９の下端が正
になるように決定されている。第３の逆流阻止用ダイオ
ード３０は、スイッチングトランジスタ１５のオン時に
コンデンサ２５の電圧によって順バイアスされる方向性
を有する。なお、コンデンサ２５とスイッチングトラン
ジスタ１５、第３の逆流阻止用ダイオード３０、３次巻
線２９、リアクトル２８の閉鎖回路は共振回路を構成す
る。

動作 第１図に示すＤＣ−ＤＣコンバータは、第３図と同様に
変換用スイッチング素子としてのスイツチングトランジ
スタ１５のオン・オフ動作によって直流電圧の制御及び
レベル変換が行われる。スイッチングトランジスタ１５
がオンからオフに転換する時に１次巻線１４に発生する
サージ電圧（フライバック電圧）は、コンデンサ２５に
よって吸収される。このため、スイッチングトランジス
タ１５のコレクタ・エミッタ間電圧Ｖ_ＣＥの急激な上昇
が抑制され、第４図に示すように緩慢に変化する。この
結果、スイッチングトランジスタ１５が過電圧から保護
され、且つスイッチング損失が小さくなる。コンデンサ
２５の電圧はフライバック電圧のために電源電圧よりも
高く充電されるが、その後放電し、オフ期間の終りに電
源電圧にほぼ等しくなる。なお、スイッチングトランジ
スタ１５のオフ時にはコンデンサ２５の上側の端子が正
になるように充電される。

次に、トランジスタ１５がオフからオンに転換すると、
コンデンサ２５、トランジスタ１５、ダイオード３０、
３次巻線２９及びリアクトル２８から成る閉回路でコン
デンサ２５のエネルギの放出が開始する。閉回路中にリ
アクトル２８及び３次巻線２９のインダクタンスが有る
ので、コンデンサ２５の放電電流は急激には流れない。
リアクトル２８を通じて共振電流が３次巻線２９に流れ
ると、トランス１３を介してコンデンサ２５のエネルギ
が負荷側に放出され、有効に利用される。トランス１３
を介して放出されるエネルギの量は、１次巻線１４と３
次巻線２９との巻数比に依存する。３次巻線２９の巻数
が多い時にはエネルギが緩やかに放出され、巻数が少な
い時には早く放出される。

なお、トランジスタ１５のオフ期間には、ダイオード２
６が逆方向にバイアスされるために、３次巻線２９には
電流が流れない。

本実施例は次の利点を有する。

（１）トランジスタ１５のオン時に、コンデンサ２５の
エネルギは３次巻線２９を介して負荷側に放出される。
従って、電力損失が減少して変換効率が向上する。

（２）トランジスタ１５のオン転換時に、コンデンサ２
５のエネルギはリアクトル２８及び３次巻線２９のイン
ダクタンス分によって制限されてゆっくり放出されるの
で、トランジスタ１５のコレクタ・エミッタ間電圧が高
い期間に大きなコレクタ電流が流れない。従って、トラ
ンジスタ１５のオン転換時のスイッチング損失が小さく
なる。

変形例 本考案は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば
次の変形が可能である。

例えば、第２図に示すように、トランジスタ１５のコレ
クタと他方の電源端子１２との間に逆流阻止用のダイオ
ード３１を接続することにより、コンデンサ２５に蓄え
られたエネルギを電源にフィードバックさせることがで
きる。

また、３次巻線２９のインダクタンス値を大きくしてリ
アクトル２８を省くことができる。また、出力整流平滑
回路２１を省いてＤＣ−ＡＣコンバータ（インバータ）
とすることができる。もちろん、オン・オン型スイッチ
ングレギュレータに限ることなく、オン・オフ型スイッ
チングレギュレータにも本考案を適用することができ
る。また、自励式と他励式とのいずれのスイッチングレ
ギュレータにも本考案を適用することができる。また、
出力を取り出すためにトランス１３を単巻トランスに構
成することができる。また、トランジスタ１５の代り
に、電界効果トランジスタ等の他のスイッチング素子を
使用することができる。

考案の効果 本考案によれば、サージ電圧の吸収及びスイッチング損
失低減用コンデンサのエネルギを浪費せず、損失の少な
いスイッチング電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本考案による第１の実施例を示すＤＣ−ＤＣコ
ンバータの回路図、第２図は本考案による第２の実施例
を示すＤＣ−ＤＣコンバータの回路図、第３図は従来の
ＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図、第４図はスイッチ
ングトランジスタのコレクタ・エミッタ間電圧を示す波
形図である。 １０……直流電源、１１……第１の電源端子、１２……
第２の電源端子、１３……トランス、１４……１次巻
線、１５……トランジスタ、１６……２次巻線、２１…
…出力整流平滑回路、２４……制御回路、２５……コン
デンサ、２６……第１の逆流阻止用ダイオード、２７…
…第２の逆流阻止用ダイオード、２８……リアクトル、
２９……３次巻線、３０……第３の逆流阻止用ダイオー
ド、

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】トランスの１次巻線とスイッチング素子を
   直列に接続し、該スイッチング素子と並列にコンデンサ
   を接続したスイッチング電源装置において、前記スイッ
   チング素子と直列に第１のダイオードを接続し、また前
   記コンデンサと直列に第２のダイオードを接続し、前記
   スイッチング素子と前記第１のダイオードとの結合点
   と、前記コンデンサと前記第２のダイオードとの結合点
   との間に、前記トランスの１次巻線に電磁結合されたエ
   ネルギ放出巻線と第３のダイオードとの直列回路を接続
   したことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 【請求項２】前記エネルギ放出巻線にリアクトルを直列
   に接続した請求項(1)に記載のスイッチング電源装置。