JPH08289534A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 同期整流素子としてのＰＮＰ型トランジスタ
に発生する損失を一層低減させて高効率化したスイッチ
ング電源装置を得る。 【構成】 入力端子１に一端（ｂ点）を接続したチョー
クコイルＬ１の他端（ａ点）をスイッチングトランジス
タＱ１の主電流路を介してアースに接続する。チョーク
コイルＬ１の他端（ａ点）にはさらに同期整流素子とし
てのＰＮＰ型トランジスタによるトランジスタＱ２のエ
ミッタを接続する。トランジスタＱ２のコレクタは出力
端子２に接続し、ベースはベース電流制御用の抵抗Ｒ３
とコンデンサＣ３の並列回路を介してチョークコイルＬ
１の一端（ｂ点）に接続する。 【効果】 スイッチングトランジスタがオン状態となっ
た時、同期整流素子としてのトランジスタに逆バイアス
が与えられ、動作遅延時間の短縮と漏洩電流の発生の防
止が行われる。これにより高効率化が図られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、整流素子の損失を低減
することにより電力変換効率を改善した、スイッチング
電源装置の整流方式に関する。

【０００２】

【従来の技術】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降下電
圧よりも小さいため、それぞれの素子に電流を流した時
に発生する損失は、ダイオードよりもトランジスタの方
が少ないという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、その回路中に設けられる整流素子に、ダイオードに
代えてトランジスタを使用することが考えられている。
このようなトランジスタによる同期整流素子を使用した
スイッチング電源装置の一例として、本発明者は、特願
平４−１０５８０７号において図２に示すようなスイッ
チング電源装置を提案した。

【０００３】図２に示す回路の構成と動作の詳細な説明
は省略するが、同期整流素子としてのトランジスタＱ２
の動作は以下のようになっていた。すなわち、スイッチ
ングトランジスタＱ１がターンオフすると入力端子１、
チョークコイルＬ１、スイッチングトランジスタＱ１の
経路で流れていた電流が遮断される。これによりチョー
クコイルＬ１にはｂ点からａ点の方向にフライバック電
圧が発生し、ａ点の電圧は、入力電圧Ｖ_INにフライバッ
ク電圧が加わった電圧値まで上昇する。このａ点の電圧
は、トランジスタＱ２のエミッタ、ベース間を順方向バ
イアスしてトランジスタＱ２をオン状態に移行せしめ、
さらに、このオン状態のトランジスタＱ２を通してコン
デンサＣ２を充電することになる。これによりコンデン
サＣ２の両端に現れる充電電圧が出力電圧として出力端
子２を介して負荷ＲＬに供給される。

【０００４】逆に、スイッチングトランジスタＱ１がタ
ーンオンすると、ａ点の電圧はアース電位まで低下し、
これによりトランジスタＱ２はエミッタ、ベース間の順
方向バイアスが解除されてオフ状態へと移行する。この
ようにトランジスタＱ２は、スイッチングトランジスタ
Ｑ１がターンオフしてａ点の電圧が上昇することにより
オン状態となり、逆にスイッチングトランジスタＱ１が
ターンオンしてａ点の電圧が低下することによりオフ状
態となる。つまり、図２に示す回路においては、スイッ
チングトランジスタＱ１の出力となるａ点の電圧が、ト
ランジスタＱ２をオン、オフする信号となっていた。

【０００５】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、スイッチング電源装置の電
力変換効率を向上させることが可能となるが、トランジ
スタはダイオードと異なり、オン、オフ制御を行う必要
がある。ここで、同期整流素子のトランジスタにＰＮＰ
型トランジスタを使用すれば、トランジスタのベースに
特別な回路を設けずとも、ベースをアース間に電流路を
確保するだけで、スイッチングトランジスタの動作に応
じてオン、オフ動作を行わせることができる。そのた
め、図２に示すスイッチング電源装置は回路構成が簡単
であり、コストの上昇を抑えつつも高効率とすることが
できた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかし、周知のごとく
トランジスタ素子の動作には、そのベース領域における
電荷の蓄積あるいは消滅を原因とする遅延時間が存在す
る。同期整流素子のトランジスタがオン、オフ動作をし
ている時に発生する損失のほとんどは、この動作の遅延
時間内にトランジスタ素子のコレクタ、エミッタ間に現
れる電圧と、そこを流れる電流によって発生するもので
あり、当然、遅延時間が長い程、損失が大きくなる。図
２に示す回路の同期整流素子としてのトランジスタＱ２
は、損失をなるべく少なくするためにエミッタ、ベース
間に抵抗Ｒ４を接続している。この抵抗Ｒ４はベース領
域の電荷の放電路を形成し、トランジスタＱ２のターン
オフ動作時に、ベース領域に蓄積されていた電荷を早期
に消滅させてターンオフを素早く完了させる機能を果た
す。

【０００７】しかし、この抵抗Ｒ４を接続することによ
る、トランジスタＱ２のベース領域の電荷の消滅に要す
る時間の短縮には限界があり、図２に示すようなトラン
ジスタＱ２のベースとアースとの間に電流路を確保した
だけの回路では、特に高周波領域で整流手段（トランジ
スタＱ２）に発生する損失の低減が大して達せられない
でいた。さらに同期整流素子に使用されたＰＮＰ型のバ
イポーラトランジスタは、そのＰＮ接合の構造から、エ
ミッタからベースの方向とコレクタからベースの方向に
２つのダイオードを形成しているとも考えられる。ここ
で、図２に示すスイッチング電源装置では、スイッチン
グトランジスタＱ１がオン状態の時には、トランジスタ
Ｑ２のコレクタ電圧がベース及びエミッタ電圧よりも高
くなる。このため、ベースとアースの間に電流路を確保
しただけの簡単な回路構成では、トランジスタＱ２のコ
レクタからベースあるいはエミッタに向かって漏洩する
電流が発生する恐れがあった。

【０００８】以上の事から、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でスイッチング電源
装置の電力変換効率は向上したが、動作の遅延時間の短
縮の限界及び漏洩電流の発生によって同期整流素子のト
ランジスタに発生する損失が大きくなり、一層の高効率
化に支障をきたす結果となっていた。従って本発明は、
同期整流素子にＰＮＰ型トランジスタを使用したスイッ
チング電源装置において、同期整流素子に発生する損失
をさらに減少させて高い電力変換効率を実現したスイッ
チング電源装置を得る事を目的とする。

【０００９】

【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チョークコイルにフライバッ
ク電圧を発生させ、そのフライバック電圧が入力電圧に
重畳した電圧をトランジスタ素子による同期整流素子を
介して整流し、所定の電圧を得るスイッチング電源装置
において、同期整流素子にＰＮＰ型トランジスタを使用
し、同期整流素子を駆動する信号はチョークコイルの両
端に現れる電圧としたことを特徴とするスイッチング電
源装置である。

【００１０】

【作用】スイッチングトランジスタＱ１がターンオフし
た時、チョークコイルＬ１に発生したフライバック電圧
により、同期整流素子としてのトランジスタＱ２は順方
向バイアスを受けてオン状態となる。スイッチングトラ
ンジスタＱ２がターンオンしてチョークコイルＬ１に電
流が流れると、チョークコイルＬ１には自己誘導作用に
よる起電圧が発生する。この起電圧によって同期整流素
子としてのトランジスタＱ２は、逆バイアスを受けてベ
ース領域の蓄積電荷が急速に消滅し、素早くオフ状態と
なる。また、この逆バイアスによってトランジスタＱ２
のベース領域は、電流の通過を一層阻止するように働
き、コレクタの電圧が高いことによるコレクタからベー
スあるいはエミッタに向かって漏洩する電流の発生を抑
制する。従って、同期整流素子としてのトランジスタＱ
２の動作遅延時間内に発生する損失及び漏洩電流の発生
による損失が低減され、スイッチング電源装置の高効率
化が図られる。

【００１１】

【実施例】同期整流素子としてのトランジスタに発生す
る損失を、さらに低減することにより高い電力変換効率
を得た、本発明によるスイッチング電源装置の実施例の
回路を図１に示した。なお、図１中における図２と同じ
構成要素に対しては、同一の符号を付与してある。図１
において、本発明のスイッチング電源装置は以下のよう
な構成となっている。

【００１２】入力端子１にチョークコイルＬ１の一端
（ｂ点）を接続し、チョークコイルＬ１の他端（ａ点）
をＮＰＮ型トランジスタによるスイッチングトランジス
タＱ１のコレクタに接続する。スイッチングトランジス
タＱ１のエミッタをアースに接続し、ベースをＰＷＭ制
御回路３のパルス出力端子ＰＯに接続する。チョークコ
イルＬ１の他端（ａ点）を、さらにＰＮＰ型トランジス
タによる同期整流素子としてのトランジスタＱ２のエミ
ッタに接続する。トランジスタＱ２のコレクタを出力端
子２に接続し、トランジスタＱ２のベースをベース電流
制御用の抵抗Ｒ３とコンデンサＣ３の並列回路を介して
チョークコイルＬ１の一端（ｂ点）に接続する。入力端
子１とアース間にコンデンサＣ１を接続し、出力端子２
とアース間に平滑コンデンサＣ２を接続する。出力端子
２とアース間には、さらに抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回
路を接続し、抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の接続点をＰＷＭ制御
回路３の出力電圧検出端子ＦＢに接続する。なお、Ｅは
外部の直流電源、ＲＬは負荷を示している。

【００１３】このような回路構成としたスイッチング電
源装置における同期整流素子（トランジスタＱ２）の動
作は以下のようになる。先ず、得ようとする出力電圧Ｖ
_O より入力電圧Ｖ_INが低い場合、ＰＷＭ制御回路は、オ
ン期間が長くなるようにスイッチングトランジスタＱ１
を制御する。このスイッチングトランジスタＱ１がオン
状態にある時、チョークコイルＬ１には電流が流れてエ
ネルギーが蓄積され、また電流が流れることで生じる自
己誘導作用により、ａ点からｂ点の方向に起電圧が発生
する。この時にはｂ点の電圧がａ点よりも高くなり、同
期整流素子としてのトランジスタＱ２は逆バイアスを受
け、オフ状態を維持する。

【００１４】やがてスイッチングトランジスタＱ１がオ
フ状態となると、チョークコイルＬ１には、それまでに
蓄えられたエネルギーによってｂ点からａ点の方向にフ
ライバック電圧が発生する。これによりａ点の電圧がｂ
点の電圧よりも高くなり、トランジスタＱ２は順方向バ
イアスを受けてオン状態となる。そして、入力電圧Ｖ_IN
にフライバック電圧が重畳したａ点の電圧が、オン状態
のトランジスタＱ２を通して平滑コンデンサＣ２を充電
することになり、この平滑コンデンサＣ２の両端に現れ
る電圧が出力電圧として負荷ＲＬに供給される。そして
再びスイッチングトランジスタＱ１がオン状態となる
と、前記したごとく、チョークコイルＬ１にａ点からｂ
点の方向に起電圧が発生し、トランジスタＱ２は逆バイ
アスを受け、オフ状態となる。

【００１５】ここで、トランジスタＱ２がオン状態の時
に蓄えられたベース領域に存在する蓄積電荷は、この逆
バイアスによって急速に消滅することになり、トランジ
スタＱ２は速やかにオフ状態へと移行する。さらにこの
逆バイアスによって、トランジスタＱ２のベース領域は
一層電流が流れるのを阻止することになり、コレクタか
らベースあるいはエミッタへ漏洩する電流の発生を抑制
する。従って、同期整流素子としてのトランジスタＱ２
の動作遅延時間の短縮及び、漏洩電流の発生の抑制が行
われる結果、トランジスタＱ２における損失は低減さ
れ、スイッチング電源装置の電力変換効率は向上する。

【００１６】次に、得ようとする出力電圧Ｖ_O より入力
電圧Ｖ_INが高い場合、ＰＷＭ制御回路３は、オン期間が
非常に短くなるようにスイッチングトランジスタＱ１を
制御する。このスイッチングトランジスタＱ１がオン状
態にある時、チョークコイルＬ１には電流が流れてエネ
ルギーが蓄積される。そしてこの時、同期整流素子とし
てのトランジスタＱ２は逆バイアスを受けてオフ状態と
なる。スイッチングトランジスタＱ１がオフ状態となる
と、チョークコイルＬ１にはｂ点からａ点の方向にフラ
イバック電圧が発生するが、スイッチングトランジスタ
Ｑ１のオン期間が非常に短いことによりチョークコイル
Ｌ１に蓄えられるエネルギー量は少なく、発生するフラ
イバック電圧の電圧値は非常に小さくなる。このため、
トランジスタＱ２はフライバック電圧により順方向バイ
アスを受けるが、その小さなフライバック電圧によって
発生するベース電流ではオン状態になるまでには至ら
ず、非飽和領域での導通状態となる。

【００１７】するとトランジスタＱ２はシリーズレギュ
レータの電圧制御トランジスタに類似した機能を果たす
ようになる。すなわち、トランジスタＱ２は入力電圧Ｖ
_INにフライバック電圧が重畳したａ点の電圧を、スイッ
チングトランジスタＱ１のオン期間に応じてそのエミッ
タ、コレクタ間の抵抗で降圧し、出力電圧を一定に制御
するよう動作する。従って、図１に示す本発明のスイッ
チング電源では、得ようとする出力電圧Ｖ_O より入力電
圧Ｖ_INが低い時にはトランジスタＱ２に同期整流素子と
しての動作を行わせ、得ようとする出力電圧Ｖ_O より入
力電圧Ｖ_INが高い時にはトランジスタＱ２にシリーズレ
ギュレータの電圧制御素子に類似した動作を行わせてお
り、全体として昇降圧型コンバータとして機能してい
る。

【００１８】

【発明の効果】本発明は、スイッチング電源装置の整流
手段に、ＰＮＰ型トランジスタによる同期整流素子を使
用し、その同期整流素子を駆動する信号を、チョークコ
イルの両端に現れる電圧より得るものである。これによ
り、スイッチングトランジスタがオン状態となった時、
同期整流素子のトランジスタには逆バイアスが与えら
れ、動作遅延時間の短縮と漏洩電流の発生の抑制が行わ
れる。従って、同期整流素子のトランジスタに発生する
損失が一層低減され、電力変換効率の高いスイッチング
電源装置とすることができる。さらに付随的には、本
来、昇圧用に用いられる回路構成のスイッチング電源装
置に、昇降圧用として動作させることが可能となる。

【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】 特願平４−１０５８０７号において提案され
た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 ＰＷＭ制御回路 Ｑ１ スイッチングトランジスタ Ｑ２ 同期整流素子としてのトランジスタ Ｌ１ チョークコイル Ｃ２ 平滑コンデンサ Ｅ 外部電源 ＲＬ 負荷

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 スイッチング素子がターンオフした時に
   チョークコイルにフライバック電圧を発生させ、該フラ
   イバック電圧が入力電圧に重畳した電圧をトランジスタ
   素子による同期整流素子を介して整流し、所定の電圧を
   得るスイッチング電源装置において、前記同期整流素子
   にＰＮＰ型トランジスタを使用し、該同期整流素子を駆
   動する信号は前記チョークコイルの両端に現れる電圧と
   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】 入力端にその一端を接続したチョークコ
   イル、 該チョークコイルの他端に主電流路を接続し、その制御
   端子にＰＷＭ制御回路からの駆動信号を受け取るスイッ
   チング素子、 該チョークコイルの該スイッチング素子との接続側の端
   にエミッタを、出力端子にコレクタを接続し、該チョー
   クコイルの該入力端子との接続側の端からベースに駆動
   信号が入力される、ＰＮＰ型トランジスタによる同期整
   流素子、 出力端子とアース間に接続された平滑用のコンデンサを
   有することを特徴とするスイッチング電源装置。