JPH08266052A - 電圧変換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】小型で、電力変換効率が高く、入力電圧範囲が
ひろく、しかも、ノイズ発生の少ない、スイッチング方
式の電圧変換装置を、比較的低価格で提供する。 【構成】フォワード方式と、フライバック方式の電圧変
成器を直列に接続し、動作させ、また、第一のスイッチ
ング素子のＯＦＦ期間中は、第二及び第三のスイッチン
グ素子により、電圧変成器部の電源側端子をグランド電
位に保持する事により、入力電圧の変動により、共振動
作が影響されず、また、フォワード方式とフライバック
方式の電圧変成器を、そのコァーの部を共有して、一体
構造とし、さらに、同期整流用ＭＯＳＦＥＴを、それ自
体に流れる電流の極性の変化を検出する事により駆動す
る。そして、第一のスイッチング素子のアノード端子
に、特定電圧以上で動作する、クランプ回路を接続する
事により、電圧の上昇を制限させた。

Description

【発明の詳細な説明】

［産業上の利用分野］この発明は、電子機器等の電力供
給装置として、広く用いられている、スイッチング方式
の電圧変換装置に関する。

【０００１】［従来の技術］従来の技術では、フォワー
ド方式とフライバック方式の電圧変成器を単純に直列に
接続していた。また、従来のＭＯＳＦＥＴによる、同期
整流技術では、二次電圧によってＭＯＳＦＥＴを駆動し
ていた。さらに、スイッチング素子のアノードの電圧
は、発生するままに放置されていた。従来の技術では、
全動作領域で、すべてのスイッチング素子を動作させて
いた。

【０００２】［解決すべき課題］従来の、単純にフライ
バック方式とフォワード方式の電圧変成器を直列に接続
する技術では、入力電圧の変動が、直接スイッチング素
子のアノード電圧に影響するので、全動作領域で、完全
な電圧共振動作を行なわせる事ができなかった。また、
共振方式の電圧変換装置では、スイッチングの電圧波形
と電流波形にタイミングのずれがあるので、同期整流用
ＭＯＳＦＥＴを二次電圧波形で駆動すると、二次回路が
一時的に短絡状態となり、電力変換効率を低下させるば
かりで無く、同期整流用ＭＯＳＦＥＴを破壊する場合が
あった。さらに、電圧共振技術を採用すると、スイッチ
ング素子のアノード電圧が、他の方式の場合よりも高く
なる点が、この技術の実用化を制約する大きな原因とな
っていた。大きい電力を扱う電圧変換装置においては、
複数のスイッチング素子を並列に接続して使用される場
合が多い。この様な場合には、スイッチング素子の駆動
電力が電力損失の大きな割合を占める事になる。特に、
電力が小さい領域では、電力損失の大半が、スイッチン
グ素子の駆動電力となる。

【０００３】［課題を解決する為の手段］この発明で
は、前述した、従来の技術の課題を解決する為に、電圧
変成器部に直列に接続された、フォワード方式とフライ
バック方式の電圧変成器を使用し、更に必要に応じ、そ
れらを一体構造とし、その両端に第一のスイッチング素
子と、第二のスイッチング素子を接続し、同期して、ス
イッチング動作を行なわしめ、且っ、前記二つノスイッ
チング素子がＯＦＦ状態にある、適当な期間、第三のス
イッチング素子により、電圧変成器部の電源側端子をグ
ランド電位に接続する様にした。また、共振動作におけ
る、同期整流では、整流用ＭＯＳＦＥＴ自身に流れる電
流の極性の変化を検出して駆動のタイミングとした。さ
らに、スイッチング素子と、電源配線、またはグランド
配線間に直列に接続された、第四のスイッチング素子
と、比較的に容量の大きいコンデンサーを接続し、特定
の電圧値を超えた場合のみ、前記コンデンサーへ充放電
を行なう様にした。また、この発明では、複数のスイッ
チング素子を使用する場合、低電力領域でスイッチング
素子の一部の動作を停止する事とした。

【０００４】［作用］従来の技術では、入力電圧が上昇
すると、共振電圧が入力電圧に押し上げられ、完全な共
振動作を行なう事が出来なくなるので、この発明では、
電源配線と電圧変成器部間に接続された、第二のスイッ
チング素子により、第一のスイッチング素子のＯＦＦに
同期して、電圧変成器部を電源配線から分離させ、同時
に、第三のスイッチング素子により、電圧変成器部の電
源側端子をグランド配線に接続させている。従って、回
路は、入力電圧に関係無く、共振動作を行なう事が出来
る。この場合、第一のスイッチング素子に掛かる電圧が
低くなるので、耐圧の低いスイッチング素子の使用が可
能になる。また、電圧変成器は、コァーの一部を共有し
て、一体構造とする事により、装置の小型化に貢献す
る。さらに、同期整流では、整流器に流れる電流の極性
の変化を検出して、整流器を駆動するので、電圧波形
と、電流波形のタイミングのズレによる回路の短絡状態
を発生する恐れは無い。また、第一のスイッチング素子
のアノードに接続された、比較的に容量の大きいコンデ
ンサーに、特定の電圧より高い電圧時のみ、充放電を行
なわせる事により、それ以上の電圧の上昇を抑制してい
る。さらに、この発明では、複数のスイッチング素子が
使用される場合、低電力領域で、スイッチング素子の一
部の動作を停止しているので、低電力領域での電力損失
の増大を防ぐ事が出来る。

【０００５】［実施例］次に、この発明による、スイッ
チング方式の電圧変換装置の実施例について、図面を参
照して説明する。［図１］ は、この発明による、電圧
変換装置の一実施例のブロック回路図である。図におい
て、１，１’は、入力端子であり、ここから直流電力が
供給される。入力電力が交流電力である場合は、この前
に、一次整流回路が接続される事になる。２は制御回路
であり、第一のスイッチング素子３及び第二のスイッチ
ング素子４を設定周波数で同時に駆動する。制御回路２
には、二次回路に設けられた、電圧検出回路１９からの
信号により、スイッチング素子のＯＮ期間の幅を制御す
る事により、出力電圧を制御する。制御回路２は、ま
た、補助巻線２４から動作電力の供給を受けると共に、
その共振波長に同期して、スイッチング素子のＯＦＦ期
間の幅を制御している。フォワード方式の電圧変成器５
には、一次巻線６、二次巻線７、及び補助巻線２４、２
７が設けられている。一次巻線６と二次巻線７は、順方
向に巻かれているので、スイッチング素子のＯＮ期間中
に相互電磁誘導により、二次巻き線に電力が発生する。
同様に、フライバック方式の電圧変成器８には、一次巻
線９及び二次巻線１０が設けられている。この場合、一
次巻き線９と二次巻き線１０は、互いに逆方向に巻かれ
ているので、スイッチング素子のＯＮ期間中にコァーに
エネルギーが磁束として蓄積され、ＯＦＦ期間中に電力
として、二次回路に放出される。

【０００６】ＭＯＳＦＥＴ１２は、フォワード方式の二
次整流用素子として動作する。このＭＯＳＦＥＴは、整
流器１１、トランジスタ１４からなる電流検出回路と、
ＮＰＮトランジスタ１６及びＰＮＰトランジスタ１７か
らなる、増幅回路によって駆動されている。ＮＰＮトラ
ンジスタ１４は抵抗器１３によってバイアスされている
が、ＭＯＳＦＥＴ１２に電流が流れていると、ＭＯＳＦ
ＥＴ内部の電圧降下により、電流は、整流器１１を流
れ、トランジスタ１４はＯＦＦし、トランジスタ１６，
１７で構成される増幅回路の出力はハイ状態を維持し、
ＭＯＳＦＥＴ１２はＯＮ状態を続ける事になる。次に、
スイッチング素子３，４がＯＦＦし、ＭＯＳＦＥＴ１２
を流れる電流が途絶えると、抵抗器１２を流れる電流
は、トランジスタ１４のベースに流れ、トランジスタ１
４はＯＮ状態に入り、その結果、トランジスタ１６，１
７で構成される増幅回路の出力はローに転じ、ＭＯＳＦ
ＥＴ１２はＯＦＦ状態となる。従って、ＭＯＳＦＥＴ１
２は、電流の流れに正確に追従し、回路に短絡状態を発
生する事は無い。この実施例では、電流検出にトランジ
スタを用いたが、オペアンプ、コンパレーター等のＩＣ
を使用しても、同様に機能させる事が出来る。フライバ
ック方式に付いても、フォワード方式と全く同様な同期
整流回路２１が用いられる。コンデンサー１８は、平滑
コンデンサーで、整流された、電力を平滑化する。２
０，２０’は出力端子である。

【０００７】第三のスイッチング素子２６は、第二のス
イッチナグ素子３と電圧変成器部の接続点とグランド配
線間に接続されている。そして、その制御端子は、電圧
変成器５に設けられた、補助巻線２７に接続されてい
る。この場合、巻線の接続方向は、逆方向となっている
ので、第三のスイッチング素子は、第一及び第二のスイ
ッチング素子３及び４がＯＦＦ状態にある期間にＯＮ状
態となる。しかも、補助巻線２７に発生する逆方向の電
圧は、共振電圧と相似の正弦波状をしているので、第三
のスイッチング素子２７は第一及び第二のスイッチング
素子３および４がＯＦＦ状態に入ってから、やゃ遅れて
ＯＮ状態に入り、スイッチング素子３および４がＯＮ状
態に入るのに先立ってＯＦＦする。この遅れ期間及び進
み期間中にフライバック動作により、電圧が自動的に変
化するので、第二及び第三のスイッチング素子は零電圧
スイッチング動作をしている。また、第三のスイッチン
グ素子を流れる電流が少ないので、ここで大きな電力損
失を発生する事は無い。回路が共振動作をしている期間
中、電圧変成器の電源側端子が、第三のスイッチング素
子により、グランド電位に維持されているので、回路
は、入力電圧の変動の影響を受ける事なく、完全な共振
動作を行なう事が出来る。

【０００８】この発明では、第二スイッチング素子４の
アノード回路には、第四スイッチング素子４１とコンデ
ンサー４２等で構成される、クランプ回路が接続されて
いる。回路が、共振動作に入り、第二のスイッチング素
子４のアノードの電圧がコンデンサー４２の充電電圧よ
り高くなると、電流が抵抗器４３及びスイッチング素子
４１の寄生整流器を通して充電電流がコンデンサー４２
へ流れ込む。寄生整流器を持たないスイッチング素子の
場合には、別個に整流器を並列に接続すれば良い。そし
て、抵抗器４３に発生した電圧を整流器４０を通し、ス
イッチング素子４１の制御端子に充電する。その結果、
スイッチング素子４１はＯＮ状態となる。共振動作の後
半に入り、第二のスイッチング素子４のアノード電圧が
降下し始めても、スイッチング素子４１がＯＮ状態にあ
るので、今度は、電流がコンデンサー４２から流れ出る
様になる。そして、抵抗器４３に電圧降下が逆方向に発
生し、一部の電流が、抵抗器４６を通してコンデンサー
４４を充電する。コンデンサー４４の両端の電圧が、ト
ランジスタ４５の制御端子の順方向電圧より高くなる
と、トランジスタ４５がＯＮし、その結果、第四のスイ
ッチング素子４１がＯＦＦ状態となり、コンデンサー４
２からの放電は停止する。この場合、放電の期間は、抵
抗器４６及びコンデンサー４４の値を適当に選ぶ事によ
り、任意に設定する事が出来る。そして、コンデンサー
４２の容量は、比較的大きく設定されているので、その
充放電による、電圧の上昇、降下は比較的小さく、第二
のスイッチング素子のアノード電圧に対するクランプ回
路として機能する事になる。また、コンデンサー４４
は、コンデンサー４２が充電中は、抵抗器４３に発生す
る電圧降下により、逆方向に充電するので、共振電圧が
高くなり、共振電力が大きくなると、放電時間が長くな
り、自動的に電圧クランプ量を制御する。

【０００９】［図２］は、二つの電圧変成器を一体構造
とした実施例である。［図２］ （ａ） はＥＩコァー
を用いた例を示し、（ｂ）はＵＩコァーを用いた例を示
している。図において、３４及び３５は巻線を示してい
る。３１及び３２はＥ型コァーを、３６および３７はＵ
型コァーを示す。これらの電圧変成器は、Ｉ型コァー３
３を共通コァーとして一体に形成される。この様に、電
圧変成器を一体構造とする事により、装置全体を小型化
するのに有効である。

【００１０】［図３］ は、この発明による、スイッチ
ング素子の切替え技術の一実施例を示すブロック回路図
である。図において、スイッチング素子４及び４’は、
合わせて第二のスイッチング素子群を構成し、スイッチ
ング素子１２及び１２’も同様に、同期整流用ＭＯＳＦ
ＥＴ群を構成している。これらのスイッチング素子の
内、４’と１２’の制御端子には、切替え回路５１及び
５２が接続されている。これらの切替え回路は、電流検
出回路５０に接続されており、装置の一次電流が、或る
値以下になると、スイッチング素子４’及び１２’を切
り離してしまう。その結果、低電力時における、電力消
費を低減す。［効果］以上、詳述した様に、この発明に
よれば、小型で、電力変換効率の高く、しかも、ノイズ
発生の少ないスイッチング方式の電圧変換装置を、比較
的低価格提供する事が出来る。

【図面の簡単な説明】

［図１］ は、この発明による、電圧変換装置のブロッ
ク回路図である。［図２］ （ａ），（ｂ）は、一体構
造の電圧変成器を示している。［図３］ は、スイッチ
ング素子切替え回路のブロック回路図である。

【符号の説明】

１，１’ 入力端子 ２ 制御回路 ３，３’，４，４’１２，１２’，４１ スイッチング
素子 ５，８ 電圧変成器 ６，９ 一次巻線 ７，１０ 二次巻線 １１，４０ 整流器 １３，１５，４３，４６ 抵抗器 １４，１６，１７，４５ トランジスタ １８，２５，４２，４４ コンデンサー １９ 電圧検出回路 ２０，２０’ 出力端子 ２４，２７ 補助巻線 ３１，３２ Ｅ型コァー ３３ Ｉ型コァー ３４，３５ 巻線 ３６，３７ Ｕ型コァー ５０ 電流検出回路 ５１，５２ 切替え回路

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 制御回路、第一のスイッチング素子、
   電圧変成器、二次整流回路等から構成される、スイッチ
   ング方式の電圧変換装置において、電圧変成器部が、直
   列に接続された、少なくとも、一組のフォワード方式と
   フライバック方式の電圧変成器によって形成されてお
   り、且っ、電源配線と電圧変成器部間に第二のスイッチ
   ング素子を持ち、さらに、前記第二のスイッチング素子
   のカソード端子とグランド配線間に第三のスイッチング
   素子が接続され、第一のスイッチング素子がＯＦＦ状態
   にある適当な期間、電圧変成器部の電源側端子をグラン
   ド配線に接続する事を特徴とする、電圧変換装置。
2. 【請求項２】 フォワード方式とフライバック方式の
   電圧変成器が、その一部のコァーを共有して、構造的に
   一っの電圧変成器として形成されている事を特徴とす
   る、［請求項１］に係る、電圧変換装置。
3. 【請求項３】 二次整流回路の整流器として、ＭＯＳ
   ＦＥＴを用い、同期整流を行なう場合、ＭＯＳＦＥＴ自
   身に流れる電流の極性の変化を検知して、ＭＯＳＦＥＴ
   を駆動する事を特徴とする、電圧変換装置。
4. 【請求項４】 第一のスイッチング素子のアノード端子
   と、グラント配線間、または、電源配線間に、直列に接
   続された、比較的に容量の大きいコンデンサー及び第四
   のスイッチング素子を持ち、前記第一のスイッチング素
   子のアノードの電位が、前記コンデンサーの特定の充電
   電圧よりも高い場合のみ、前記第四のスイッチング素子
   を通して、前記コンデンサーへの充放電が行なわれ、そ
   の結果、前記第一のスイッチング素子のアノード電圧値
   を比較的低い値に制限する事を特徴とする、スイッチン
   グ方式の電圧変換装置。
5. 【請求項５】 複数のスイッチング素子を並列に接続
   して動作させる装置において、出力電力が小さい場合、
   一部のスイッチング素子の動作を停止する事を特徴とす
   る、スイッチング方式の電圧変換装置。