JPH07213048A

JPH07213048A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JPH07213048A
Application number: JP6015843A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Otake; 徹志大竹
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 1994-01-14
Filing date: 1994-01-14
Publication date: 1995-08-11
Anticipated expiration: 2013-06-18
Also published as: JP2767783B2

Abstract

(57)【要約】【目的】間欠動作を防止し、また、入力電圧の適用範
囲を広くとれるスイッチング電源装置を得る。【構成】整流素子としてのトランジスタＱ２のベース
をベース電流制限抵抗Ｒ３を介して駆動用トランジスタ
Ｑ３のコレクタを接続し、駆動用トランジスタＱ３のエ
ミッタをアースに接続する。駆動用トランジスタＱ３の
コレクタ、ベース間に抵抗Ｒ６とコンデンサＣ６による
帰還回路４を設ける。駆動用トランジスタＱ３のベース
を抵抗Ｒ４とコンデンサＣ４を介してスイッチングトラ
ンジスタＱ１のコレクタで接続する。【効果】帰還回路４により、入力電圧が出力電圧より
高い場合における駆動用トランジスタＱ３の非飽和領域
での動作を確実にする。これにより間欠動作が防止さ
れ、また入力電圧の適用範囲が広くとれる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、整流素子の導通時の損
失を少なくして電力変換効率を改善したスイッチング電
源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】交番する電流、電圧を直流変換するため
の整流素子としては、ダイオードが専ら用いられている
が、ダイオードで整流を行うのに際しては、ダイオード
に存在する順方向電圧Ｖ_Fと電流の積に相当する損失が
ダイオードに発生することを念頭に入れておかなければ
ならない。これに対して整流素子の損失をなるべく小さ
くするという目的からすれば、オン状態にあるトランジ
スタのコレクタ、エミッタ間の飽和電圧は、ダイオード
の順方向電圧Ｖ_Fよりも小さいため、発生する損失が少
なくて済むことが知られている。そこで、スイッチング
電源装置の電力変換効率を向上させる一手段として、整
流素子にダイオードの代わりにトランジスタを使用する
ことが考えられる。このトランジスタ整流素子を使用す
ることにより高い電力変化効率を実現した従来のスイッ
チング電源装置の回路の一例を図３に示した。

【０００３】図３に示す回路において、チョークコイル
Ｌ１、スイッチングトランジスタＱ１、トランジスタ整
流素子としてのＰＮＰ型のトランジスタＱ２及び平滑コ
ンデンサＣ２により、チョップアップ型のＤＣ−ＤＣコ
ンバータを形成している。スイッチングトランジスタＱ
１のベースには、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２によって分圧され
た出力電圧の検出値に応じて、オン、オフ期間のデュー
ティが変化する制御信号を出力する制御回路３が設けら
れる。トランジスタ整流素子としてのトランジスタＱ２
のベースには、ベース電流制限抵抗Ｒ３とコンデンサＣ
３の並列回路を介して、駆動用トランジスタＱ３のコレ
クタが接続される。駆動用トランジスタＱ３のベース
は、抵抗Ｒ４とコンデンサＣ４の直列回路を介してスイ
ッチングトランジスタＱ１のコレクタに接続し、スイッ
チングトランジスタＱ１のオン、オフ信号を得る。ダイ
オードＤ１は、トランジスタＱ２のターンオフ時におけ
るベース領域の蓄積電荷を放電させるための電流路を形
成し、ダイオードＤ２は、コンデンサＣ４の放電路を形
成する。

【０００４】以上の構成の回路において、先ず、必要と
する出力電圧Ｖ_Oに対して入力電圧Ｖ_INが低い場合の回
路の動作は、以下のとおりである。制御回路３からの信
号によってスイッチングトランジスタＱ１がターンオフ
すると、チョークコイルＬ１にフライバック電圧が発生
する。このフライバック電圧は入力電圧Ｖ_INに重畳さ
れ、重畳されたことによる高い電圧がスイッチングトラ
ンジスタＱ１のコレクタ、トランジスタＱ２のエミッタ
及び抵抗Ｒ４とコンデンサＣ４の直列回路を介して駆動
用トランジスタＱ３のベースに加わることになる。これ
により駆動用トランジスタＱ３は、ベース、エミッタ間
が正バイアスを受けることになり、ターンオンする。

【０００５】駆動用トランジスタＱ３がオン状態となる
ことにより、トランジスタＱ２もまたエミッタ、ベース
間が正バイアスされてオン状態となり、入力電圧Ｖ_INと
フライバック電圧が合わさった高い電圧が負荷ＲＬに供
給されるとになる。やがてスイッチングトランジスタＱ
１がターンオンすると、スイッチングトランジスタＱ１
のコレクタ、トランジスタＱ２のエミッタの電圧が低下
し、同時に駆動用トランジスタＱ３のベースの電圧も低
下する。これにより駆動用トランジスタＱ３はターンオ
フすることになり、トランジスタＱ２は駆動用トランジ
スタＱ３のターンオフによって、エミッタ、ベース間の
正バイアス状態が解除されてオフ状態となる。このよう
に、必要とする出力電圧Ｖ_Oに対して入力電圧Ｖ_INが低
い場合には昇圧コンバータとして機能する。

【０００６】次に必要とする出力電圧Ｖ_Oに対して入力
電圧Ｖ_INが高い場合の動作は、以下のとおりである。出
力電圧Ｖ_Oが高くなれば、制御回路３は出力電圧安定化
機能によりスイッチングトランジスタＱ１のオン期間を
短くする。そのため、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oより
高い場合には、スイッチングトランジスタＱ１はオン期
間が非常に短いスイッチング動作を継続することにな
る。ここで、コンデンサＣ４の存在によって、駆動用ト
ランジスタＱ３のベースには直流成分の電圧が加わるの
が防止されており、スイッチングトランジスタＱ１のオ
ン、オフ動作による脈動成分の電圧のみが駆動用トラン
ジスタＱ３のベースに印加されることになる。そのた
め、駆動用トランジスタＱ３はスイッチングトランジス
タＱ１のスイッチング動作に応じてトランジスタＱ２の
ベース電流を制御することになる。これによりトランジ
スタＱ２はシリーズレギュレータに似た動作を行う。従
って、必要とする出力電圧Ｖ_Oに対して入力電圧Ｖ_INが
高い場合には降圧コンバータとして機能し、全体として
は昇降圧型のスイッチング電源となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図３に示す従来のスイ
ッチング電源装置は、整流素子としてダイオードの代わ
りにトランジスタを使用することで、電力変換効率を向
上させるのと同時に、昇降圧型のスイッチングレギュレ
ータとしている。ここで、このトランジスタ整流素子を
使用して昇降圧型のスイッチングレギュレータを得るに
は、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oより高くなった場合
に、駆動用トランジスタＱ３及びトランジスタＱ２の動
作を非飽和領域で行わせ、トランジスタＱ２の動作をシ
リーズレギュレータ的にすることが必要である。

【０００８】しかし、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oより
も高い場合に駆動用トランジスタＱ３の動作が飽和領域
で行われるならば、トランジスタＱ２は通常の整流素子
として飽和領域でのオン、オフ動作を行うことになる。
すると出力電圧Ｖ_Oより高い入力電圧Ｖ_INに、さらにチ
ョークコイルＬ１に発生したフライバック電圧が重畳し
た高い電圧がトランジスタＱ２を介して平滑コンデンサ
Ｃ２を充電し、また負荷ＲＬに供給される。そのため出
力電圧Ｖ_Oは高くなっていき、やがては制御回路３の電
圧制御範囲を越えてしまうことになる。すると、その出
力電圧Ｖ_Oを抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２で検出している制御回
路３はスイッチングトランジスタＱ１へのオン、オフ制
御信号の出力を停止してしまう。そして負荷ＲＬでエネ
ルギーが消費されて出力電圧Ｖ_Oが正常の値に戻り、過
電圧保護機能が解除されるまで制御回路３からスイッチ
ングトランジスタＱ１への制御信号の出力は行われな
い。

【０００９】やがて出力電圧Ｖ_Oが正常の値に戻り、制
御回路３が制御信号を出力するとスイッチングトランジ
スタＱ１がオン、オフ動作を再開する。しかし、このス
イッチングトランジスタＱ１の動作によって駆動用トラ
ンジスタＱ３は動作を行うが、飽和領域での動作である
ため、トランジスタＱ２は通常の整流素子としての飽和
領域でのオン、オフ動作となる。そして再び出力電圧Ｖ
_Oは高くなり、制御回路３は繰り返し制御信号を停止す
ることになる。以上に説明したように、入力電圧Ｖ_INが
出力電圧Ｖ_Oよりも高い場合に駆動用トランジスタＱ３
の動作が非飽和領域で行われなければ、制御回路３は動
作する期間と停止している期間を交互に繰り返し、この
スイッチング電源装置は間欠動作状態となってしまい、
出力電圧Ｖ_Oのリップルが大きくなるといった好ましく
ない現象が発生することになる。

【００１０】図３に示す従来の回路では、トランジスタ
素子の諸特性や回路を構成する他の素子の定数によって
は、駆動用トランジスタＱ３及びトランジスタＱ２が非
飽和領域での動作とはならず、入力電圧Ｖ_INが出力電圧
Ｖ_Oを越えた時点で間欠動作状態になってしまう恐れが
あった。また、制御回路３の出力する制御信号でスイッ
チングトランジスタＱ１をオン状態とするオンパルスの
期間は、ある一定期間より狭くなることは無いため、入
力電圧Ｖ_INが高くなると駆動用トランジスタＱ３のベー
スに入力される電流は大きくなっていく。そのため、入
力電圧Ｖ_INがある程度まで高くなるとやはり間欠動作状
態となってしまい、特に図３に示す従来の回路では正常
な動作を維持できる入力電圧Ｖ_INの範囲を広く取れない
といった問題点があった。そこで本発明は、入力電圧Ｖ
_INが出力電圧Ｖ_Oよりも高い場合において、駆動用トラ
ンジスタＱ３の動作を確実に非飽和領域で行わせ、もっ
て間欠動作を防止したスイッチング電源装置を提供する
ことを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、スイッチング
素子がターンオフした時にインダクタンス要素にフライ
バック電圧を発生させ、そのフライバック電圧によるエ
ネルギーを整流平滑することにより所望の直流電力を得
るスイッチング電源装置において、整流素子にＰＮＰ型
のバイポーラトランジスタによるトランジスタ整流素子
を使用し、トランジスタ整流素子のベースにベース電流
制限抵抗を介してトランジスタ整流素子を動作させるた
めのＮＰＮ型のバイポーラトランジスタによる駆動用ト
ランジスタを接続し、駆動用トランジスタのコレクタ、
ベース間に帰還回路を設け、さらに駆動用トランジスタ
のベースに対して該トランジスタ整流素子と前記インダ
クタンス要素の接続点より容量素子を介してオン、オフ
制御信号を供給することを特徴とするスイッチング電源
装置である。

【００１２】

【実施例】間欠動作状態の発生を抑えた本発明によるス
イッチング電源装置の回路を図１に示す。図１のスイッ
チング電源装置の回路構成は以下のとおりである。な
お、図１において図３と同一の構成要素には同一の符号
を付与してある。図１において、１、２はいずれも高電
位側の入力端子と出力端子を示しており、低電位側の
入、出力端子はアースと共通とした。入力端子１をチョ
ークコイルＬ１を介してＮＰＮ型のスイッチングトラン
ジスタＱ１のコレクタに接続し、スイッチングトランジ
スタＱ１のエミッタをアースと接続する。スイッチング
トランジスタＱ１のコレクタとトランジスタ整流素子と
してのＰＮＰ型のトランジスタＱ２のエミッタを接続
し、トランジスタＱ２のコレクタを出力端子２と接続す
る。入力端子１とアース間にコンデンサＣ１を接続し、
また出力端子２とアース間に、平滑コンデンサＣ２を接
続し、さらにまた出力電圧分圧用の抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２
の直列回路を接続する。

【００１３】抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点を制御回路３
の電圧検出端子（ＦＢ）に接続し、制御回路３のパルス
出力端子（ＰＯ）をスイッチングトランジスタＱ１のベ
ースと接続する。トランジスタＱ２のベースをベース電
流制限抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３の並列回路を介してＮ
ＰＮ型の駆動用トランジスタＱ３のコレクタに接続し、
駆動用トランジスタＱ３のエミッタをアースに接続す
る。トランジスタＱ２のベースをさらにダイオードＤ１
のカソードに接続し、ダイオードＤ１のアノードをアー
スに接続する。駆動用トランジスタＱ３のベースを、コ
ンデンサＣ４と抵抗Ｒ４の直列回路を介してスイッチン
グトランジスタＱ１のコレクタに接続する。駆動用トラ
ンジスタＱ３のベース、エミッタ間にベースとカソード
を接続するようにダイオードＤ２を接続し、また、駆動
用トランジスタＱ３のコレクタ、ベース間に抵抗Ｒ６と
コンデンサＣ６の直列回路を接続する。この抵抗Ｒ６と
コンデンサＣ６が駆動用トランジスタＱ３の帰還回路４
を形成する。

【００１４】以上のような構成の回路で、必要とする出
力電圧Ｖ_Oに対して入力電圧Ｖ_INが低い場合の動作は、
図３に示す従来の回路と同じであり、ここではその説明
を省略する。必要とする出力電圧Ｖ_Oに対して入力電圧
Ｖ_INが高い場合の回路の動作は、基本的な動作は図３に
示す従来の回路と同じだが、以下の点で異なる。すなわ
ち、駆動用トランジスタＱ３のコレクタ、ベース間に存
在する帰還回路４は負帰還であり、駆動用トランジスタ
Ｑ３の利得を低下させ、動作が非飽和領域で行われ易く
する。この帰還回路４は、構成要素のコンデンサＣ６の
作用によってスイッチングトランジスタＱ１のオン期間
が短い場合において有効に作用し、駆動用トランジスタ
Ｑ３を非飽和領域で動作させるが、スイッチングトラン
ジスタＱ１のオン期間が長い場合には駆動用トランジス
タＱ３の飽和領域での動作に大きな影響を与えない。そ
のため、出力電圧Ｖ_Oより入力電圧Ｖ_INが高く、スイッ
チングトランジスタＱ１のオン期間が短い場合のみ、駆
動用トランジスタＱ３は、この帰還回路４によって非飽
和領域で動作を行うことになる。

【００１５】駆動用トランジスタＱ３が非飽和領域で動
作を行えば、トランジスタＱ２のベース電流は駆動用ト
ランジスタＱ３のコレクタ、エミッタ間の抵抗によって
制限されることになり、トランジスタＱ２は整流素子と
してのオン、オフ動作を行うことができずに、シリーズ
レギュレータ的な動作となる。従って、駆動用トランジ
スタＱ３のコレクタ、ベース間に帰還回路４を設けた図
１に示す回路は、図３に示す従来の回路に比べて、入力
電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oよりも高い場合において駆動用
トランジスタＱ３の非飽和領域での動作を確実にするこ
とができ、間欠動作状態となることを防止することがで
きる。また図１に示す回路は、入力電圧Ｖ_INの上昇に伴
って駆動用トランジスタＱ３のベースに流れる電流も大
きくなり、図３に示す従来の回路と同様にいずれは間欠
動作状態となってしまうものの、帰還回路４によって駆
動用トランジスタＱ３の利得が低下しているため、図３
に示す従来の回路より間欠動作状態になりにくく、広い
範囲の入力電圧Ｖ_INに対して安定した動作を行わせるこ
とができる。

【００１６】図２には、図１におけるダイオードＤ１の
代わりにトランジスタＱ２のベースとアース間にコンデ
ンサＣ５と抵抗Ｒ５の直列回路を接続し、トランジスタ
Ｑ２に高速動作を行わせるようにしたスイッチング電源
装置に対して、本発明を適用した実施例である。ダイオ
ードＤ１の代わりにコンデンサＣ５と抵抗Ｒ５の直列回
路をトランジスタＱ２とアース間に接続したこと以外
は、図１と図２の回路構成は同じであり、基本的には動
作も同じである。なお、図１及び図２に示す本発明の実
施例において、帰還回路を抵抗とコンデンサの直列回路
として説明を行ったが、トランジスタの諸特性や他の回
路構成要素の定数によっては、コンデンサのみで帰還回
路を構成することもあり得る。

【００１７】

【発明の効果】以上に述べたように本発明によるスイッ
チング電源装置は、整流素子にＰＮＰ型のトランジスタ
を使用し、そのトランジスタ整流素子は、スイッチング
トランジスタのコレクタから制御信号を受け取ること
と、コレクタ、ベース間に帰還回路を有したＮＰＮ型の
駆動用トランジスタによって、オン、オフ制御されるこ
とを特徴としている。この帰還回路の存在により駆動用
トランジスタの利得は低下することになり、入力電圧が
出力電圧より高い場合において、駆動用トランジスタと
整流素子としてのトランジスタの動作を確実に非飽和領
域で行わせることができる。従って間欠動作状態になる
ことが防止され、また、広い範囲の入力電圧に対して安
定した動作を行うスイッチング電源を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるスイッチング電源装置の実施例
の回路図。

【図２】本発明によるスイッチング電源装置の別の実
施例の回路図。

【図３】従来のスイッチング電源装置の回路図。

【符号の説明】

１入力端子２出力端子３制御回路４帰還回路Ｑ１スイッチングトランジスタＱ２整流素子としてのトランジスタＱ３駆動用トランジスタＲ３ベース電流制限抵抗

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】スイッチング素子がターンオフした時に
インダクタンス要素にフライバック電圧を発生させ、該
フライバック電圧によるエネルギーを整流平滑すること
により所望の直流電力を得るスイッチング電源装置にお
いて、整流素子にＰＮＰ型のバイポーラトランジスタに
よるトランジスタ整流素子を使用し、該トランジスタ整
流素子のベースにベース電流制限抵抗を介して該トラン
ジスタ整流素子を動作させるためのＮＰＮ型のバイポー
ラトランジスタによる駆動用トランジスタを接続し、該
駆動用トランジスタのコレクタ、ベース間に帰還回路を
設け、さらに該駆動用トランジスタのベースに対して該
トランジスタ整流素子と前記インダクタンス要素の接続
点より容量素子を介してオン、オフ制御信号を供給する
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】前記帰還回路は、コンデンサあるいは抵
抗とコンデンサの直列回路より成ることを特徴とする請
求項１に記載したスイッチング電源装置。