JPH0746831A

JPH0746831A - 直流電源回路

Info

Publication number: JPH0746831A
Application number: JP5186226A
Authority: JP
Inventors: Fumikazu Takahashi; 史一高橋
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 1993-07-28
Filing date: 1993-07-28
Publication date: 1995-02-14

Abstract

(57)【要約】【目的】ダイオードの逆回復電流を防いで、スイッチ
ングノイズやスイッチング損失を防止する。【構成】半導体スイッチＳ1 のオン又はオフの直前
に、スイッチＳ2 がオンされ、ダイオードＤ1 の電流又
は半導体スイッチＳ1 の電流・電圧のうち少なくとも１
つが最小になった時に、半導体スイッチＳ1 のオンまた
はオフが行われる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、スイッチングレギュレ
ータ等に使用される直流電源回路に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】直流電源として用いられるスイッチング
電源はスイッチングレギュレータを電力調整部分とする
電源方式である。スイッチングレギュレータは半導体ス
イッチ素子のオン・オフを制御することにより、電力の
流れを調整する。

【０００３】図１２にスイッチングレギュレータの基本
構成を示す。同図において、Ｖi は入力電圧、Ｖo は出
力電圧、１２１は入力電圧Ｖi を入力とし出力電圧Ｖo
を出力とするＤＣ−ＤＣコンバータで、ＤＣ−ＤＣコン
バータ１２１は基本的に第１スイッチ素子としての半導
体スイッチＳ，第１ダイオードとしての整流ダイオード
Ｄ，第１リアクトルとしてのリアクトルＬ，第１コンデ
ンサとしての平滑コンデンサＣ，絶縁トランスＴなどに
よって構成される。１２２は出力線圧Ｖo によりＤＣ−
ＤＣコンバータ１２１をコントロールするコントロー
ラ、１２５は出力電圧Ｖo と基準電圧とを比較する比較
器、１２４は比較器１２５の出力をＰＷＭ変換するＰＷ
Ｍ変換器、１２３はＰＷＭ変換１２４の出力によりＤＣ
−ＤＣコンバータ１２１を駆動する駆動回路である。

【０００４】次に、その動作について説明する。直流電
圧もしくは交流電圧を整流した入力電圧Ｖi が入力さ
れ、任意の直流の出力電圧Ｖo に変換させる。その出力
電圧Ｖo が帰還回路によって検出され、基準電圧と比較
されてその誤差電圧が増幅される。その誤差電圧によっ
てパルス幅変調回路（ＰＷＭ変換１２４）が駆動回路１
２３を通して半導体スイッチＳのオン・オフ時間比を変
調し、誤差電圧を抑えるように出力電圧Ｖo を調整す
る。ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１では直流電圧・電流が
半導体スイッチＳのオン・オフを繰り返すことによっ
て、いったん高周波方形波電圧・電流に変換される。出
力電圧Ｖo はこれを整流して平滑することによって得ら
れる。リアクトルＬ、絶縁トランスＴといった磁気部品
と平滑コンデンサＣは、半導体スイッチＳのオン・オフ
動作周波数を上げることによって小型軽量化される。

【０００５】また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２１のうち
で最も基本的な回路の１つとして図１３に示す昇圧形コ
ンバータがある。同図において、図１２に示した場合と
対応する部分には同一符号を付してあり、その説明は適
宜行なう。Ｌ１は入力電圧Ｖi に接続された第１リアク
トルとしてのリアクトル、Ｄ1 はリアクトルＬ１に接続
された第１ダイオードとしてのダイオード、Ｒはダイオ
ードＤ１に接続されて出力電圧Ｖo が印加される負荷、
Ｃ１は負荷Ｒに並列に接続された第１コンデンサとして
のコンデンサ、Ｓ1 はリアクトルＬ１及びダイオードＤ
１に接続された第１スイッチ素子としての半導体スイッ
チで、半導体スイッチＳ1 はコントローラ１２２により
制御される。Ｄ1aは半導体スイッチＳ1 に並列に接続さ
れた半導体である。

【０００６】半導体スイッチＳ1 がオンの時、入力電圧
Ｖi がリアクトルＬ1 に加えられ、リアクトルＬ１が励
磁される。この時の電流１４１の流れを図１４に示す。
オンの期間における磁束の増加分△φonは次式（１）で
表される。

【０００７】 △φon＝（Ｖi −Ｖo ）Ｔon・・・・・・・（１）（ここで、Ｔonは半導体スイッチＳ1 のオン期間を表
す。）また、半導体スイッチＳ1 がオフの時、リアクト
ルＬ１の電流が連続のため、ダイオードＤ1 がオンとな
る。電圧（Ｖo −Ｖi ）がリアクトルＬ1 に加えられ磁
束が減少する。この時の電流１５１の流れを図１５に示
す。オフ期間における磁束の減少分△φoff は次式
（２）で表される。

【０００８】 △φoff ＝（Ｖo −Ｖi ）Ｔoff ・・・・・・（２）（ここで、Ｔoff は半導体スイッチＳ1 オフ期間を表
す。）また、定常状態ではリアクトルＬ1 の磁束の増加
分と減少分が等しいとすると入力電圧Ｖi と出力電圧Ｖ
o の関係は次式（３），（４）で表される。

【０００９】Ｖo ＝１／Ｄ・Ｖi ・・・・・・・（３）Ｄ＝Ｔoff ／（Ｔs ）＝Ｔoff ／（Ｔon＋Ｔoff ）・・・・（４）（ここで、Ｔs はスイッチングの周期を表す。）この
時、時比率Ｄが１より小さいため、この回路は電圧を昇
圧させる変換器となる。

【００１０】なお、半導体スイッチＳ1 の動作を制御す
るコントロールＩＣとして、例えばマイクロリニア社の
ＭＬ４８２１がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】従来技術の問題点とし
て、図１３中のダイオードＤ1 のようにＤＣ−ＤＣコン
バータに用いられているダイオードは小数キャリア蓄積
効果のため、順方向電流が流れている状態から急激な逆
方向電圧がかかると、逆回復時間の間に逆電流が流れ
る。この逆回復電流は、半導体スイッチＳ1 がオンにな
った瞬間に流れる。

【００１２】ここで、図１３の昇圧コンバータの場合の
ダイオード逆回復電流の流れを図１６に示す。ダイオー
ド逆回復電流１６１は、サージ電流となってダイオード
Ｄ1内部および半導体スイッチＳ1 を通って流れ、熱と
なって消費される。従って、このダイオード逆回復電流
１６１は効率低下やノイズの原因となるばかりでなく、
ダイオードやスイッチが熱破壊する原因ともなる。ま
た、スイッチＳ1 はハードスイッチング動作をしている
ため、スイッチングノイズやスイッチング損失が発生す
る。このために効率の低下やスイッチング周波数に限界
があるという問題もある。例えばスイッチ素子としてＩ
ＧＢＴを用いた場合は２０ＫＨＺ程度が限界とされてい
る。これにより電源装置の小型化や、応答性などに限界
で出てくる。

【００１３】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであり、半導体スイッチＳ1 をオンにする際、ダイ
オードＤ1 と半導体スイッチＳ1 に短絡電流が流れるこ
となく、損失や破壊を防ぐことができ、また、半導体ス
イッチＳ1 をソフトスイッチングにできてスイッチング
損失を低減し、スイッチングレギュレータの効率を良く
し、より高周波でのスイッチングを可能とし、スイッチ
ングレギュレータの小型化を可能とし、ダイオードＤ1
と半導体スイッチＳ1 の破壊を防ぎ、信頼性を向上させ
ることを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１記載の直流電源回路は、それぞれ直列に接
続して第１スイッチ素子（半導体スイッチＳ1 ）に並列
に接続する第２ダイオード（ダイオードＤ2 ），第２リ
アクトル（リアクトルＬ2 ），第２コンデンサ（コンデ
ンサＣ2 ）と、上記第２ダイオード（ダイオードＤ2 ）
に並列に接続してその両端を短絡，開放する第２スイッ
チ素子（スイッチＳ2 ）とを備えたことを特徴とする。

【００１５】請求項２記載の直流電源回路は、それぞれ
直列に接続して第１ダイオード（ダイオードＤ1 ）に並
列に接続する第２ダイオード（ダイオードＤ2 ），第２
リアクトル（リアクトルＬ2 ），第２コンデンサ（コン
デンサＣ2 ）と、上記第２ダイオード（ダイオードＤ2
）に並列に接続してその両端を短絡，開放する第２ス
イッチ素子（スイッチＳ2 ）とを備えたことを特徴とす
る。

【００１６】請求項３記載の直流電源回路は、第１スイ
ッチ素子（半導体スイッチＳ1 ）のオン又はオフの直前
に、第２スイッチ素子（スイッチＳ2 ）をオンし、第１
ダイオード（ダイオードＤ1 ）の電流又は第１スイッチ
素子（半導体スイッチＳ1 ）の電流・電圧のうち少なく
とも１つが最小になった時に、第１スイッチ素子（半導
体スイッチＳ1 ）のオンまたはオフを行うことを特徴と
する。

【００１７】

【作用】上述の如く構成された本発明では、第２リアク
トル（Ｌ2 ），第２ダイオード（Ｄ2 ）と第２スイッチ
（Ｓ2 ）との並列接続、第２コンデンサ（Ｃ2 ）が直列
接続されて構成された共振回路を第１スイッチ（Ｓ1 ）
又は第１ダイオード（Ｄ1 ）に並列に接続し、第１スイ
ッチ（Ｓ1 ）のオン，オフ時に第２スイッチ（Ｓ2 ）を
オンとして共振回路を動作させる。また、第１ダイオー
ド（Ｄ1 ）の電流と第１スイッチ（Ｓ1 ）の電流，電圧
のうち少なくとも１つがゼロ又は最小となったときに第
１スイッチ（Ｓ1 ）のオン，オフを行なっている。

【００１８】従って、Ｄ2 ，Ｓ2 ，Ｌ2 ，Ｃ2 にて構成
される共振回路により第１スイッチ（Ｓ1 ）のオン，オ
フ時に第１ダイオード（Ｄ1 ），第１スイッチ（Ｓ1 ）
に短絡電流が流れなくなる。その結果、素子の損失、破
壊を防止することができ、各スイッチ（Ｓ1 ，Ｓ2 ）と
もにソフトスイッチングをすることができスイッチング
損失を低減することができるようになる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の好ましい実施例について、図
面を参照しながら説明する。

【００２０】図１は、本発明の方法による実施例１にお
ける直流電源回路を示す構成図である。同図において、
従来例に示した場合と対応する部分には同一符号を付し
てあり、その説明は適宜行なう。Ｓ2 はコントローラ１
２２により制御される第２スイッチ素子としてのスイッ
チ、Ｄ2 はスイッチＳ2 に並列に接続された第２ダイオ
ードとしてのダイオード、Ｌ2 ，Ｃ2 はそれぞれスイッ
チＳ2 に直列に接続された第２リアクトルとしてのリア
クタンス，第２コンデンサとしてのコンデンサ、１１は
リアクタンスＬ2 ，コンデンサＣ2 に直列に接続された
電流検知器、そして、電流検知器１１の出力はコントロ
ーラ１２２に入力されている。リアクタンスＬ2 ，コン
デンサＣ2 ，スイッチＳ2 はそれぞれ直列に接続されて
半導体スイッチＳ1 に並列に接続されている。

【００２１】次に、その動作について説明する。この回
路は、スイッチＳ2 ，ダイオードＤ2 ，リアクトルＬ2
，コンデンサＣ2 からなる共振回路を、半導体スイッ
チＳ1と並列に接続したものである。

【００２２】スイッチＳ1 ，Ｓ2 の電流・電圧、ダイオ
ードＤ1 の電流・電圧、スイッチＳ1 ，Ｓ2 のスイッチ
ングタイムチャートを図２に示す。同図において、
（ａ）は半導体スイッチＳ1 の両端電圧を示し、（ｂ）
は半導体スイッチＳ1 に流れる電流を示し、（ｃ）はス
イッチＳ2 の両端電圧を示し、（ｄ）はスイッチＳ2 に
流れる電流（共振回路の電流）を示し、（ｅ）はダイオ
ードＤ1 の両端電圧を示し、（ｆ）はダイオードＤ1 に
流れる電流を示し、（ｇ）は半導体スイッチＳ1 の状態
を示し、（ｈ）はスイッチＳ2 の状態を示す。また、ｔ
は横軸にとった時間、ｔ1 〜ｔ8 は各時点の時間であ
る。

【００２３】まず時間ｔ＝０においてスイッチＳ1 がＯ
ＦＦの時、電流はリアクトルＬ1 とダイオードＤ1 を通
ってコンデンサＣ1 に流れ込んでいる。この時の電流３
１の流れとコンデンサの充電状態（＋−）が図３に示さ
れている。

【００２４】次にスイッチＳ1 をＯＮにする直前の時間
ｔ＝ｔ1 でスイッチＳ2 をＯＮにすると、リアクトルＬ
1 の電流が共振回路に引き込まれ、ダイオードＤ1 の電
流が減少してゆく。この時の電流４１の流れが図４に示
されている。

【００２５】共振回路の電流が最大となる時間ｔ＝ｔ2
でダイオードＤ1 の電流はほぼ０（ゼロ）となる。この
時スイッチＳ1 をＯＮにすると、ダイオードＤ1 に逆電
圧がかかるが、順方向電流が流れていない状態なので小
数キャリアが存在せず、逆回復電流は流れない。また、
スイッチＳ1 はその両端電圧が０（ゼロ）になってから
電流が流れるため、スイッチングノイズや損失を生じな
い。この時の電流５１の流れが図５に示されている。

【００２６】ダイオードＤ2 に電流が流れている時間ｔ
＝ｔ3 〜ｔ4 の間でスイッチＳ2 をＯＦＦにすれば、共
振回路の動作は図６に示す電流６１の状態を経て時間ｔ
＝ｔ4 で終了し、図７に示す電流７１の状態になる。

【００２７】時刻ｔ＝ｔ4 〜ｔ5 の間はスイッチＳ1 の
みがＯＮでリアクトルＬ1 に磁気エネルギーを蓄えてい
る。次にスイッチＳ1 をオフにする直前の時間ｔ＝ｔ5
でスイッチＳ2 をＯＮにすると、リアクトルＬ1 の電流
が共振回路に引き込まれ、スイッチＳ1 の電流が減少し
てゆく。この時の電流８１の流れが図８に示されてい
る。

【００２８】共振回路の電流が最大となる時間ｔ＝ｔ6
でスイッチＳ1 の電流はほぼ０（ゼロ）となる。この時
スイッチＳ1 をＯＦＦにするとゼロ電流スイッチングが
実現されるため、スイッチングノイズや損失を生じな
い。この時の電流９１の流れが図９に示されている。

【００２９】ダイオードＤ2 に電流が流れている時間ｔ
＝ｔ7 〜ｔ8 の間でスイッチＳ2 をＯＦＦにすれば、共
振回路の動作は図１０に示す電流１０１の状態を経てｔ
＝ｔ8 で終了し、図３に示す電流の状態になる。、以上
の説明からも明らかなように、この実施例においては、
図２の（ｆ）に示すダイオードＤ1 に流れる電流が、ス
イッチＳ1 ，Ｓ2 の切換時に急激に変化せず滑らかに変
化しており、従って、逆方向の電流は流れず常に順方向
電流しか流れないように制御されている。また、図２の
（ａ）（ｂ）に示すスイッチＳ1 電流，電圧において
も、スイッチＳ1 ，Ｓ2 切換時に電流が急激に変化せ
ず、かつ電流，電圧のどちらか一方がゼロの状態になる
ように制御されている。。

【００３０】従って、ダイオードＤ1 ，スイッチＳ1 を
損傷することなく、これによってスイッチングレギュレ
ータの効率を向上させ、かつ、信頼性を向上させること
ができるようになる。

【００３１】図１１は本発明の他の実施例を示す構成図
である。同示のようにこの実施例ではリアクトルＬ2 ，
ダイオードＤ2 ，スイッチＳ2 及びコンデンサＣ2 から
成る回路が、前記図１に示した例ではダイオードＤ1 ａ
に対して並列に接続されていたのに対し、ダイオードＤ
1 に対して並列に接続された構成となっている。特に詳
細な動作は省略するが、このような図１１に示す如くの
構成においても、前記した実施例と同様にダイオードＤ
1 に流れる電流がスイッチング動作時に急激に変化する
ことはなく、従って逆方向に電流が流れないように制御
される。また、スイッチＳ1 ，Ｓ2 の切換時にその電
流，電圧のどちらか一方がゼロの状態になるように制御
される。従って、素子の損傷を防止することができ、か
つ、信頼性を向上させることができる。。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
第２リアクトル，第２ダイオードと第２スイッチとの並
列接続，第２コンデンサが直列に接続され、この直列回
路が第１スイッチ素子、又は第１ダイオードに並列に接
続されるように構成したので、第１ダイオード（Ｄ1 ）
に発生する逆回復電流を防止することができる。

【００３３】その結果、第１ダイオードや第１スイッチ
素子の熱破壊を防止することができ、スイッチングノイ
ズやスイッチング損失を防止することができるようにな
る。また、スイッチング周波数の限界を高めることがで
き、更に、電源装置の小型化や信頼性及び応答性の向上
が可能となるという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の直流電源回路の実施例１の構成を示し
た構成図である。

【図２】本発明の直流電源回路の動作を説明するタイミ
ングチャートである。

【図３】本発明の直流電源回路の時間ｔ＝０における電
流の流れを示す説明図である。

【図４】本発明の直流電源回路の時間ｔ＝ｔ1 〜ｔ2 に
おける電流の流れを示す説明図である。

【図５】本発明の直流電源回路の時間ｔ＝ｔ2 〜ｔ3 に
おける電流の流れを示す説明図である。

【図６】本発明の直流電源回路の時間ｔ＝ｔ3 〜ｔ4 に
おける電流の流れを示す説明図である。

【図７】本発明の直流電源回路の時間ｔ＝ｔ4 〜ｔ5 に
おける電流の流れを示す説明図である。

【図８】本発明の直流電源回路の時間ｔ＝ｔ5 〜ｔ6 に
おける電流の流れを示す説明図である。

【図９】本発明の直流電源回路の時間ｔ＝ｔ6 〜ｔ7 に
おける電流の流れを示す説明図である。

【図１０】本発明の直流電源回路の時間ｔ＝ｔ7 〜ｔ8
における電流の流れを示す説明図である。

【図１１】本発明の直流電源回路の他の実施例の構成を
示す構成図である。

【図１２】従来のスイッチングレギュレータの基本構成
を示す構成図である。

【図１３】従来の直流電源回路の一例を示す構成図であ
る。

【図１４】従来の直流電源回路のスイッチオン期間にお
ける電流の流れを示す説明図である。

【図１５】従来の直流電源回路のスイッチオフ期間にお
ける電流の流れを示す説明図である。

【図１６】従来の直流電源回路のダイオードＤ1 の逆回
復電流の流れを示す説明図である。

【符号の説明】

Ｖi 入力電圧Ｌ1 リアクトルＤ1 ダイオードＣ1 コンデンサＳ1 半導体スイッチＤ2 ダイオードＬ2 リアクトルＣ2 コンデンサＤ2 ダイオードＳ2 スイッチ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力電圧を加えて励磁される第１リアク
トルに流れる電流を断続する第１スイッチ素子と、上記
第１リアクトルに流れる電流を整流する第１ダイオード
及び第１コンデンサとを備えた直流電源回路において、それぞれ直列に接続して上記第１スイッチ素子に並列に
接続する第２ダイオード，第２リアクトル，第２コンデ
ンサと、上記第２ダイオードに並列に接続してその両端を短絡，
開放する第２スイッチ素子と、を備えたことを特徴とする直流電源回路。
【請求項２】入力電圧を加えて励磁される第１リアク
トルに流れる電流を断続する第１スイッチ素子と、上記
第１リアクトルに流れる電流を整流する第１ダイオード
とを備えた直流電源回路において、それぞれ直列に接続して上記第１ダイオードに並列に接
続する第２ダイオード，第２リアクトル，第２コンデン
サと、上記第２ダイオードに並列に接続してその両端を短絡，
開放する第２スイッチ素子と、を備えたことを特徴とする直流電源回路。
【請求項３】第１スイッチ素子のオン又はオフの直前
に、第２スイッチ素子をオンし、第１ダイオードの電流
又は第１スイッチ素子の電流・電圧のうち少なくとも１
つが最小になった時に、第１スイッチ素子のオンまたは
オフを行うことを特徴とする請求項１又は２記載の直流
電源回路。