JPH06311738A - 昇圧チョッパ型スイッチング電源 - Google Patents

昇圧チョッパ型スイッチング電源

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JPH06311738A
JPH06311738A JP8879293A JP8879293A JPH06311738A JP H06311738 A JPH06311738 A JP H06311738A JP 8879293 A JP8879293 A JP 8879293A JP 8879293 A JP8879293 A JP 8879293A JP H06311738 A JPH06311738 A JP H06311738A
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Taketoshi Yoshikawa
武利 吉川
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 昇圧チョッパ型スイッチング電源のスイッチ
ング損失を低減する。 【構成】 本発明による昇圧チョッパ型スイッチング電
源は、直流電源1の一端と負荷2との間に第1のリアク
トル4と第1の整流素子5とを直列に接続し、負荷2と
並列にコンデンサ6を接続し、第1のリアクトル4及び
第1の整流素子5の接続点と直流電源1の他端との間に
主スイッチング素子3を接続し、主スイッチング素子3
と並列に第2のリアクトル16と第2の整流素子18と
補助スイッチング素子15との直列回路を接続し、負荷
2の端子電圧に応じて主スイッチング素子3の制御端子
に主制御パルス信号を付与すると共に、前記主制御パル
ス信号を付与する前に補助スイッチング素子15の制御
端子に補助制御パルス信号を付与するように構成してい
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は昇圧チョッパ型スイッチ
ング電源、特にスイッチング損失を低減できる昇圧チョ
ッパ型スイッチング電源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年、電子機器の小型化の要求が厳しく
要求され、それに使用される電力供給装置であるスイッ
チング電源の小型化も強く要求されている。スイッチン
グ電源を小型化するには一般にスイッチング周波数の高
周波化で対応しているが、高周波化すると主スイッチン
グ素子のスイッチング損失が増加して主スイッチング素
子の発熱量が大きくなるので、放熱用フィン等の大きさ
が大きくなり小型化を図る上での障害となっていた。こ
のため、スイッチング電源の小型化は、高周波化のみな
らず高効率化も重要な要素となっている。例えば、直流
電源の一端と負荷との間に第1のリアクトルと第1の整
流素子とを直列に接続し、負荷と並列に第1のコンデン
サを接続し、第1のリアクトル及び第1の整流素子の接
続点と直流電源の他端との間に主スイッチング素子を接
続し、主スイッチング素子をオン・オフ制御することに
より直流電源の電圧よりも高い定電圧の直流出力を負荷
に供給する昇圧チョッパ型スイッチング電源は比較的小
型のスイッチング電源として従来より広く使用されてい
る。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、上記の昇圧
チョッパ型スイッチング電源では、主スイッチング素子
のオン転換期及びオフ転換期において電流波形と電圧波
形の重なり合いが生じ、これに基づくスイッチング損失
が生じる欠点があった。また、このスイッチング損失は
ジュール熱となり、主スイッチング素子の発熱量が増加
するから、放熱用フィン等の寸法が大きくなり、装置全
体の小型化が困難となる欠点があった。
【0004】そこで、本発明はスイッチング損失を低減
できる昇圧チョッパ型スイッチング電源を提供すること
を目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】本発明による昇圧チョッ
パ型スイッチング電源は、直流電源の一端と負荷との間
に第1のリアクトルと第1の整流素子とを直列に接続
し、前記負荷と並列にコンデンサを接続し、前記第1の
リアクトル及び前記第1の整流素子の接続点と前記直流
電源の他端との間に主スイッチング素子を接続し、前記
主スイッチング素子をオン・オフ制御することにより前
記直流電源の電圧よりも高い定電圧の直流出力を前記負
荷に供給する昇圧チョッパ型スイッチング電源におい
て、前記主スイッチング素子と並列に第2のリアクトル
と第2の整流素子と補助スイッチング素子との直列回路
を接続し、前記負荷の端子電圧に応じて前記主スイッチ
ング素子の制御端子に主制御パルス信号を付与すると共
に、前記主制御パルス信号を付与する前に前記補助スイ
ッチング素子の制御端子に補助制御パルス信号を付与す
るように構成している。本発明の実施例では、前記第2
のリアクトル及び第2の整流素子の接続点と前記第1の
整流素子及び前記負荷の接続点との間に第3の整流素子
を挿入している。また、本発明の他の実施例では、前記
直流電源の他端と前記第2の整流素子とのラインに、前
記第1のリアクトルの2次巻線を挿入している。
【0006】
【作用】主スイッチング素子の制御端子に主制御パルス
信号を付与する前に補助スイッチング素子の制御端子に
補助制御パルス信号を付与して補助スイッチング素子を
ターンオンさせると、補助スイッチング素子と第2の整
流素子と第2のリアクトルとの直列回路に流れる電流が
0から緩やかに上昇し、その電流が第1のリアクトルに
流れる電流に等しくなると主スイッチング素子に加わる
電圧が緩やかに降下する。そして、その電圧が0Vとな
ったときに主スイッチング素子の制御端子に主制御パル
ス信号を付与して主スイッチング素子をターンオンさせ
ることにより、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することができる。なお、第1のリ
アクトルの2次巻線を挿入すると、補助スイッチング素
子の電流でのターンオフが行われ、更にスイッチング損
失を低減することが可能である。
【0007】
【実施例】以下、本発明による昇圧チョッパ型スイッチ
ング電源の実施例を図1と図2及び図6と図7に基づい
て説明する。本実施例の昇圧チョッパ型スイッチング電
源は、図1に示すように、直流電源1の一端と負荷2と
の間に、第1のリアクトル4及び第1の整流素子として
のダイオード5が直列に接続されている。リアクトル4
及びダイオード5の接続点と直流電源1の他端との間に
は、主スイッチング素子としてのNチャネルMOSFE
T3が接続されている。MOSFET3は、等価的にス
イッチング素子本体部12と、スイッチング素子本体部
12のソース−ドレイン端子間に逆並列に接続された内
蔵ダイオード13と、内蔵ダイオード13に並列に接続
された内蔵コンデンサ14から構成される。内蔵ダイオ
ード13及び内蔵コンデンサ14は、各々MOSFET
3のソース−ドレイン端子間の寄生ダイオード及び寄生
容量である。負荷2と並列にコンデンサ6が接続されて
いる。MOSFET3のソース−ドレイン端子間には、
第2のリアクトル16と第2の整流素子としてのダイオ
ード18と補助スイッチング素子としてのNチャネルM
OSFET15との直列回路が接続されている。ダイオ
ード18は、逆流防止用のダイオードである。MOSF
ET15は、等価的にスイッチング素子本体部19と内
蔵ダイオード20とから構成され、MOSFET3と同
様にソース−ドレイン端子間に寄生容量を持つが、MO
SFET3に較べて短期間の使用であり、寄生容量の小
さいMOSFETを使用するのでここでは省略する。リ
アクトル16は、MOSFET15を構成するスイッチ
ング素子本体部19のオン転換期での電流の増加を緩や
かにするためのものである。リアクトル16及びダイオ
ード18の接続点とダイオード5及び負荷2の接続点と
の間には、第3の整流素子としてのダイオード17が接
続されている。ダイオード17は、MOSFET15を
構成するスイッチング素子本体部19のオフ転換期にお
いて、リアクトル16のエネルギを負荷2に放出するた
めのものである。また、負荷2の両端とMOSFET3
のゲート端子及びMOSFET15のゲート端子との間
には、負荷2の端子電圧を検出して第1のNチャネルM
OSFET3のゲート端子に主制御パルス信号を付与す
ると共に、主制御パルス信号を付与する前にMOSFE
T15のゲート端子に補助制御パルス信号を付与する制
御回路9が接続されている。
【0008】制御回路9の詳細は図6に示すように、電
源の出力端子7、8に接続された電圧検出回路21と、
誤差増幅器22、基準電圧源23、PWM(パルス幅変
調)制御回路24等を含むPWMパルス形成回路25
と、遅延回路26と、ANDゲート27と、単安定マル
チバイブレータ29と、第1及び第2の駆動回路28、
30とから構成されている。電圧検出回路21は分圧回
路からなり、この分圧点即ち検出ラインが誤差増幅器2
2の反転入力端子に接続されている。誤差増幅器22
は、非反転入力端子に基準電圧源23が接続され、基準
電圧源23の基準電圧と電圧検出回路21の検出電圧の
差に対応する信号を出力する。誤差増幅器22の出力端
子に接続されたPWM制御回路24は、三角波発生器と
電圧コンパレータとを含み、電圧コンパレータにて一定
周期の方形波を発生する。なお、PWM制御回路24と
して本実施例ではPWM制御IC(集積回路)が使用さ
れ、例えば市販のMB3759、μPC494等を使用
できる。ANDゲート27の一方の入力端子はPWM制
御回路24に直接に接続され、ANDゲート27の他方
の入力端子は遅延回路26を介してPWM制御回路24
に接続されている。単安定マルチバイブレータ29は、
PWM制御回路24に直接接続されている。ANDゲー
ト27と単安定マルチバイブレータ29は、各々第1及
び第2の駆動回路28、30を介して第1及び第2のF
ET制御ライン10、11に接続されている。第1及び
第2のFET制御ライン10、11は各々MOSFET
3のゲート端子及びMOSFET15のゲート端子に接
続されている。
【0009】図6のA点、B点、C点の電圧波形を図7
(A)、(B)、(C)に示す。PWM制御回路24から図7
(A)に示す方形波パルス(PWMパルス)が周期Tにて
繰り返し発生する(図6のA点)。電源の出力電圧が基
準値よりも高くなると、パルス幅が狭くなる。これは一
般的なPWM制御のスイッチング電源の動作と同一であ
る。ANDゲート27には図7(A)のパルス及びこのパ
ルスに対する遅延時間T2の遅延パルスが入力するの
で、ANDゲート27の出力端子から図7(B)に示す主
制御パルス信号が出力される(図6のB点)。一方、単
安定マルチバイブレータ29にも図7(A)のパルスが入
力し、単安定マルチバイブレータ29からは図7(C)に
示す補助制御パルス信号が出力される(図6のC点)。
この補助制御パルス信号は、一定時間T1をもつ周期T
のパルス信号である。主制御パルス信号及び補助制御パ
ルス信号は、各々第1及び第2の駆動回路28、30を
介してMOSFET3、15の各ゲート端子に印加され
る。したがって、上記の構成の制御回路9により負荷2
の端子電圧を検出してMOSFET3のゲート端子に主
制御パルス信号を付与する前に、MOSFET15のゲ
ート端子に補助制御パルス信号を付与することができ
る。
【0010】上記の構成において、図2(B)に示すよう
に、t0において制御回路9からMOSFET15のゲ
ート端子に補助制御パルス信号が付与され、スイッチン
グ素子本体部19の補助制御パルス信号電圧VG2が低レ
ベルから高レベルとなると、スイッチング素子本体部1
9がターンオンする。このとき、スイッチング素子本体
部19を流れる電流IQ2は、図2(E)に示すように出力
電圧VOUTとリアクトル16のインダクタンスL2に関係
した傾き(VOUT/L2)で0から徐々に増加して行き、
リアクトル4を流れる電流IL1を徐々に分担する。一
方、ダイオード5に流れる電流ID5は、図2(H)に示す
ように0まで徐々に減少して行く。即ち、リアクトル4
を流れる電流IL1は、リアクトル16、ダイオード18
及びスイッチング素子本体部19の経路で徐々に流れて
行く。したがって、図2(E)に示すスイッチング素子本
体部19を流れる電流IQ2及び図2(G)に示す電流IQ
(IQ=IQ1+IQ2)はリアクトル4を流れる電流IL1
に等しくなって行く。また、スイッチング素子本体部1
9に加わる電圧VQ2は、図2(D)に示すように速やかに
0Vまで降下するから、スイッチング素子本体部19の
オン転換期のスイッチングは、電圧波形と電流波形の重
なりが少ないゼロ電流スイッチング(ZCS)となる。
【0011】図2(E)に示すように、t1においてMO
SFET15のスイッチング素子本体部19に流れる電
流IQ2がt0時のリアクトル4に流れる電流IL1に達す
ると、略一定となる。このとき、MOSFET3内の内
蔵コンデンサ14の電荷が放電され始め、図2(C)に示
すようにスイッチング素子本体部12に加わる電圧VQ1
が0Vまで徐々に降下して行く。
【0012】図2(A)に示すように、t2において制御
回路9からMOSFET3のゲート端子に主制御パルス
信号が付与され、スイッチング素子本体部12の主制御
パルス信号電圧VG1が低レベルから高レベルとなると、
スイッチング素子本体部12がターンオンする。このと
き、スイッチング素子本体部12に加わる電圧VQ1は図
2(C)に示すように0Vであるから、スイッチング素子
本体部12は0Vでターンオンする。このため、スイッ
チング素子本体部12のオン転換期ではスイッチング損
失のほとんど無いゼロ電圧スイッチングが実現できる。
この時点では、スイッチング素子本体部19がオン状態
であるから、リアクトル4を流れる電流IL1はほとんど
スイッチング素子本体部19を流れ、図2(F)に示すよ
うにスイッチング素子本体部12には電流IQ1がほとん
ど流れない。
【0013】図2(B)に示すように、t3においてMO
SFET15のスイッチング素子本体部19の補助制御
パルス信号電圧VG2が高レベルから低レベルとなると、
スイッチング素子本体部19がターンオフする。このと
き、図2(E)に示すようにスイッチング素子本体部19
に電流IQ2が流れなくなると同時に図2(F)に示すよう
にMOSFET3のスイッチング素子本体部12に電流
Q1が流れ始める。それと共に、リアクトル16が蓄積
されたエネルギを放出し始めるから、リアクトル16に
流れていた電流は、図2(I)に示すようにダイオード1
7を介して負荷2に流れる(ID17)。ダイオード17
を介して流れる電流ID17は、図2(I)に示すように略
出力電圧VOUTとリアクトル16のインダクタンスL2
関係した傾き(−VOUT/L2)で減少して行き、t4
おいて0となる。このとき、リアクトル16に流れる電
流が消滅する。
【0014】図2(A)に示すように、t5においてのM
OSFET3のスイッチング素子本体部12の主制御パ
ルス信号電圧VG1が高レベルから低レベルとなると、ス
イッチング素子本体部12がターンオフする。このと
き、リアクトル4に蓄積されたエネルギがダイオード5
を介して、負荷2及びコンデンサ6に供給される。
【0015】以上のように、本実施例ではMOSFET
3のスイッチング素子本体部12を0Vにてターンオン
させるので、スイッチング素子本体部12のオン転換期
(ターンオン時)におけるスイッチング損失を低減する
ことができる。なお、t2及びt3は同時でも構わない。
また、t0〜t4の期間は、t0〜t5の期間に較べてほと
んど無視できる程短い。
【0016】次に、本発明による昇圧チョッパ型スイッ
チング電源の他の実施例を図3及び図4に基づいて説明
する。但し、図3において図1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。なお、図3の制御回
路9の詳細は、図1の実施例に示す図6及び図7と全く
同様であるので、説明は省略する。図3の実施例の回路
は、ダイオード18のカソード端子側に、リアクトル4
の1次巻線41と電磁的に逆極性で結合する2次巻線4
2を挿入したものである。このため、MOSFET3内
のスイッチング素子本体部12がオフ状態のときは、ダ
イオード18のカソード端子に負極性の電圧が印加さ
れ、MOSFET3内のスイッチング素子本体部12が
オン状態のときは、ダイオード18のカソード端子に正
極性の電圧が印加される。
【0017】上記の構成において、図4(B)に示すよう
に、t0においてMOSFET15内のスイッチング素
子本体部19の補助制御パルス信号電圧VG2が低レベル
から高レベルになると、スイッチング素子本体部19が
ターンオンする。このとき、スイッチング素子本体部1
9を流れる電流IQ2は、図4(E)に示すように、出力電
圧VOUT及び図4(H)に示すリアクトル4の2次巻線4
2に誘起された電圧VN 2=−V1の差の電圧(VOUT+V
1)とリアクトル10のインダクタンスL2に関係した傾
き〔(VOUT+V1)/L2〕で0Vから徐々に増加する。
それと共に、MOSFET15内のスイッチング素子本
体部19に加わる電圧VQ2は、図4(D)に示すように0
Vまで降下する。
【0018】図4(E)に示すように、t1においてMO
SFET15内のスイッチング素子本体部19に流れる
電流IQ2がリアクトル4の1次巻線41に流れる電流I
L41に等しくなると、MOSFET3内の内蔵コンデン
サ14の電荷が放電され始め、図4(C)に示すようにM
OSFET3内のスイッチング素子本体部12に加わる
電圧VQ1が0Vまで徐々に降下して行く。
【0019】図4(A)に示すように、t2においてMO
SFET3内のスイッチング素子本体部12の主制御パ
ルス信号電圧VG1が低レベルから高レベルになると、ス
イッチング素子本体部12がターンオンする。このと
き、図4(C)に示すようにMOSFET3内のスイッチ
ング素子本体部12に加わる電圧VQ1は0Vであるか
ら、オン転換期ではスイッチング損失の全く無いスイッ
チングが実現できる。それと同時に、リアクトル4の1
次巻線41の電流IL41がMOSFET3内のスイッチ
ング素子本体部12に流れ始め、図4(F)に示すように
直線的に増加して行く(IQ1)。一方、リアクトル4の
2次巻線42には、図4(H)に示すようにMOSFET
3内のスイッチング素子本体部12がオフ状態のときと
逆極性の電圧VN2=+V2が加わり、リアクトル16に
流れる電流、即ちMOSFET15内のスイッチング素
子本体部19に流れる電流IQ2は、図4(E)に示すよう
に−V2/L2の傾きで減少して行く。
【0020】図4(E)に示すように、t3においてMO
SFET15内のスイッチング素子本体部19に流れる
電流IQ2は0となる。このとき、図4(B)に示すように
MOSFET15内のスイッチング素子本体部19の補
助制御パルス信号電圧VG2が高レベルから低レベルにな
り、スイッチング素子本体部19がターンオフする。こ
のため、MOSFET15内のスイッチング素子本体部
19のオフ転換期においてもスイッチング損失の少ない
ゼロ電流スイッチングが実現できる。
【0021】図4(A)に示すように、t4においてMO
SFET3内のスイッチング素子本体部12の主制御パ
ルス信号電圧VG1が高レベルから低レベルになり、スイ
ッチング素子本体部12がターンオフすると、リアクト
ル4に蓄積されたエネルギがダイオード5を介して、負
荷2及びコンデンサ6に供給される。
【0022】上述の通り、図3に示す実施例でも、スイ
ッチング損失に関して図1に示す実施例と同一の効果が
得られる。更に、図3に示す実施例では、MOSFET
15内のスイッチング素子本体部19のオフ転換期のス
イッチング損失も少ないので、図1に示す実施例に比較
して効果が大きい。
【0023】本発明の実施態様は前記の実施例に限定さ
れず、種々の変更が可能である。例えば、下記の(a)〜
(e)は変更例の一部である。 (a) MOSFET3、15内の内蔵ダイオード1
3、20を内蔵のダイオードとせずに独立のダイオード
とすることができる。 (b) MOSFET3内の内蔵コンデンサ14をMO
SFETの寄生容量を使用しないで、独立のコンデンサ
を接続することができる。 (c) 主スイッチング素子及び補助スイッチング素子
として、MOSFETを使用せずに、バイポーラトラン
ジスタ、サイリスタ等を用いても構わない。なお、バイ
ポーラトランジスタ、サイリスタ等の逆極性のダイオー
ドを内蔵しない素子は、逆流防止用のダイオード18を
挿入しなくても構わない。 (d) 第1に示す実施例の回路は図5に示す回路に変
形しても構わない。 (e) 図3の実施例でのリアクトル16は、リアクト
ル4の漏れインダクタンスを使用しても構わない。
【0024】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、主スイ
ッチング素子のゼロ電圧スイッチングを容易に達成でき
るので、主スイッチング素子の電圧波形と電流波形との
重なりを少なくして主スイッチング素子のオン転換期で
の電力損失、即ち主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することができる。このため、
主スイッチング素子の発熱量を減少させて放熱用フィン
等の寸法を小さくすることができ、高周波で小型の昇圧
チョッパ型スイッチング電源を実現できる
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の実施例を示す昇圧チョッパ型スイッ
チング電源の電気回路図
【図2】 図1の回路の各部の電圧及び電流を示す波形
【図3】 本発明の他の実施例を示す昇圧チョッパ型ス
イッチング電源の電気回路図
【図4】 図3の回路の各部の電圧及び電流を示す波形
【図5】 図1の回路の変形例を示す電気回路図
【図6】 図1、図3及び図5の制御回路の詳細を示す
ブロック図
【図7】 図6の回路の各部の電圧を示す波形図
【符号の説明】
1...直流電源、2...負荷、3、15...Nチ
ャネルMOSFET、4、16...リアクトル、5、
17、18...ダイオード、6...コンデンサ、
9...制御回路、41...1次巻線、42...2
次巻線

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 直流電源の一端と負荷との間に第1のリ
    アクトルと第1の整流素子とを直列に接続し、前記負荷
    と並列にコンデンサを接続し、前記第1のリアクトル及
    び前記第1の整流素子の接続点と前記直流電源の他端と
    の間に主スイッチング素子を接続し、前記主スイッチン
    グ素子をオン・オフ制御することにより前記直流電源の
    電圧よりも高い定電圧の直流出力を前記負荷に供給する
    昇圧チョッパ型スイッチング電源において、 前記主スイッチング素子と並列に第2のリアクトルと第
    2の整流素子と補助スイッチング素子との直列回路を接
    続し、前記負荷の端子電圧に応じて前記主スイッチング
    素子の制御端子に主制御パルス信号を付与すると共に、
    前記主制御パルス信号を付与する前に前記補助スイッチ
    ング素子の制御端子に補助制御パルス信号を付与するよ
    うに構成したことを特徴とする昇圧チョッパ型スイッチ
    ング電源。
  2. 【請求項2】 前記第2のリアクトル及び第2の整流素
    子の接続点と前記第1の整流素子及び前記負荷の接続点
    との間に第3の整流素子を挿入した「請求項1」に記載
    の昇圧チョッパ型スイッチング電源。
  3. 【請求項3】 前記直流電源の他端と前記第2の整流素
    子とのラインに、前記第1のリアクトルの2次巻線を挿
    入した「請求項1」に記載の昇圧チョッパ型スイッチン
    グ電源。
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