JPH0832170B2 - 電圧共振型スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、共振型DC−DCコンバータ等のスイッチング
電源装置に関する。

［従来の技術］ トランスとスイッチング素子とを直列に接続し、スイ
ッチング素子をオン・オフ制御することによってトラン
スの２次側に交流を発生させ、これを整流することによ
って直流出力を得るスイッチングレギュレータにおい
て、トランスのインダクタンスに共振するコンデンサを
トランスに接続又は結合し、共振作用によってスイッチ
ング素子の電圧が零になった時にスイッチング素子をオ
ン制御する方式は電圧共振型コンバータとして公知であ
る。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、電圧共振型コンバータのオフ期間はトラン
スのインダクタンスと共振用コンデンサの容量とに基づ
いて必然的に決定され、ほぼ一定であるので、出力電圧
を制御するためにはオン時間幅を変えることが必要であ
った。しかし、オン時間幅のみを大幅に変えると、所望
の共振状態を安定的に得ることが困難になる。また、ス
イッチング素子のオン・オフ周期が変化する。また、共
振型コンバータの場合には従来の矩形波のコンバータよ
りもスイッチング素子に加わる電圧の最大振幅値が大き
くなる。

そこで、本発明の目的は、オフ期間を容易に変えるこ
とができる電圧共振型スイッチング電源装置を提供する
ことにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するための本発明は、直流電源と、前
記直流電源の一端と他端との間に接続されたトランス
と、第１及び第２の主端子と制御端子とを有し、前記第
１の主端子が前記トランスを介して前記直流電源の一端
に接続され、前記第２の主端子が前記直流電源の他端に
接続されているスイッチング素子と、前記トランスに結
合された出力回路と、電圧共振するように前記トランス
のインダクタンスに対して直列に接続され且つ前記スイ
ッチング素子に対して交流的に並列に接続された可変容
量ダイオードと、前記可変容量ダイオードに逆バアス電
圧を与えるように前記可変容量ダイオードに対して直列
に接続された可変バイアス電圧源と、前記出力回路の出
力電圧を一定にするために前記可変バイアス電圧源の電
圧を前記出力電圧に対して反比例的に変化させるバイア
ス制御回路と、前記スイッチング素子のオフ期間に前記
共振に基づいて前記スイッチング素子の前記第１及び第
２の主端子間に印加された電圧が零又はこの近傍値にな
る時点を検出する零点検出回路と、前記零点検出回路に
よって検出された前記零又はこの近傍値の時点を示す信
号に応答してこの時点から一定時間前記スイッチング素
子をオンに制御するスイッチング素子制御回路とを備え
た電圧共振型スイッチング電源装置に係わるものであ
る。

なお、請求項２に示すように請求項１の発明の可変容
量ダイオードと可変バイアス電圧源の代わりに制御電極
を有する可変容量コンデンサを設けることができる。

また請求項３に示すように、一定周期でクロック信号
を発生するクロック信号発生回路を設け、零点検出回路
の出力でスイッチング素子をオンした後にクロック信号
でオフにして一定周期でスイッチング素子をオン・オフ
することができる。

また、請求項４に示すように、請求項３の発明の可変
容量ダイオードと可変バイアス電圧源の代わりに制御電
極を有する可変容量コンデンサを設けることができる。

［発明の作用及び効果］ 請求項１の発明によれば、次の作用効果を得ることが
できる。

（イ）スイッチング素子の第１及び第２の主端子間の電
圧の零又はこの近傍値を検出する零点検出回路を設け、
零点検出時点でスイッチング素子をオンに制御するよう
に構成したので、電圧共振に基づくゼロボルトスイッチ
ングをスイッチング素子のターンオン時とターンオフ時
の両方において良好に達成することができ、スイッチン
グ素子のスイッチング損失の低減効果を確実に得ること
ができる。

（ロ）可変容量ダイオードが可変バイアス電圧源を介し
てトランスに並列に接続されているので、可変バイアス
電圧源で付与するバイアス電圧から共振電圧を差し引い
た値が可変容量ダイオードの逆バイアス電圧となる。従
って、スイッチング素子のオフ期間の始まりの領域即ち
共振電圧の立上りの領域とオフ期間の終りの領域即ち共
振電圧の立下りの領域においては共振電圧が低いので、
可変容量ダイオードの逆バイアス電圧が高くなり、この
容量が小さくなる。一方スイッチング素子のオフ期間の
中央領域即ち共振電圧の高い領域では、可変容量ダイオ
ードの逆バイアス電圧が低くなり、この容量が大きくな
る。このように共振電圧が高くなる中央領域即ちピーク
領域で容量が大きくなると、共振周波数が低下したと同
等の動作になり、共振電圧のピークが抑圧され、スイッ
チング素子に印加される最大電圧値が低くなり、スイッ
チング素子の低耐圧化が可能になる。

また、請求項２の発明によれば、請求項１と同様に上
記（イ）の効果を得ることができる他に、次の効果を得
ることができる。

（ハ）可変容量コンデンサの制御電極の制御によって定
電圧制御を行なうことができるので、共振によるスイッ
チング損失の低減効果を確保しつつ定電圧制御を容易に
達成することができる。

また、請求項３の発明によれば請求項１の発明と同様
に上記（イ）（ロ）の効果を得ることができる他に、次
の効果を得ることができる。

（ニ）スイッチング素子のオン・オフ周期が一定となる
ので、ノイズ対策が容易になる。

また、請求項４の発明によれば、請求項１、２、及び
３と同様に上記（イ）（ハ）（ニ）の効果を得ることが
できる。

［第１の実施例］ 次に、第１図〜第４図を参照して本発明の第１の実施
例に係わる電圧共振型スイッチング電源装置を説明す
る。

このスイッチング電源装置の直流電源１は交流電源端
子２に接続された全波整流器３と平滑用コンデンサ４と
から成る。直流電源１の一端と他端（グランド端子）と
の間には高周波トランス５の１次巻線６を介して絶縁ゲ
ート型電界効果トランジスタから成るスイッチング素子
７が接続されている。スイッチング素子７の制御電極
（ゲート電極）は制御回路８に接続されている。トラン
ス５の２次巻線９は、ダイオード10、11とリアクトル12
とコンデンサ13とから成る出力整流平滑回路14を介して
直流出力端子15、16に接続されている。一対の出力端子
15、16間には負荷17が接続されている。スイッチング素
子７に対して逆向きの電流を流すためにこれに並列にダ
イオード18が接続されている。この例では、スイッチン
グ素子７がサブストレートをソースに接続したＮチャン
ネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタであるので、ダ
イオードを内蔵している。従って、ダイオード18を外部
接続することが不要であるが、理解を容易にするために
独立に示されている。

トランス５の１次巻線６のインダクタンスと共振回路
を形成するために、１次巻線６に並列に共振用コンデン
サ19が接続されている。更に、LC共振回路におけるＣの
値を変えるために、１次巻線６に並列に可変容量ダイオ
ードから成る可変容量コンデンサ20が接続され、ここに
逆バイアス電圧を与えるための可変バイアス電圧源21が
接続されている。この可変バイアス電圧源21は可変容量
コンデンサ20に直列に接続されているので、可変バイア
ス電圧源21の電圧から１次巻線６の電圧を差し引いた電
圧値が可変容量コンデンサ20の実際の逆バイアス電圧値
となる。可変バイアス電圧源21はバイアス制御回路22に
よって制御され、種々のバイアス値を可変容量コンデン
サ20に与える。バイアス制御回路22は出力端子15に接続
されており、出力電圧を一定にするようにバイアス電圧
を制御する。この例では、出力電圧が高くなった時にバ
イアス電圧が低くなるように可変バイアス電圧源21をバ
イアス制御回路22が制御する。

第２図は第１図のスイッチ制御回路８を原理的に示
す。スイッチ制御回路８は、スイッチング素子７のオフ
期間に共振に基づいてスイッチング素子７の両端子間に
印加される電圧が零になる時点を検出するための零点検
出回路23と、この零点検出回路23から得られる零点検出
信号に応答して一定時間幅のパルスを発生するタイマ24
と、スイッチング素子７のゲートに接続された駆動回路
25とから成る。

次に、第１図及び第２図の回路の動作を第３図及び第
４図を参照して説明する。スイッチング素子７のオン期
間においては、電源１と１次巻線６とスイッチング素子
７とから成る閉回路に電流が流れ、２次巻線９に電圧が
発生し、この電圧が整流平滑されて負荷17に与えられ
る。

第４図のt1時点でスイッチング素子７をオフにすれ
ば、１次巻線６のインダクタンスに蓄積されたエネルギ
に基づくフライバック電圧が発生する。この時、１次巻
線６のインダクタンスＬとコンデンサ19の容量C1と可変
容量コンデンサ20の容量C2に基づくLC電圧共振回路が形
成されているので、この電圧共振回路における電圧変化
に対応してスイッチング素子７の両端子間電圧が変化す
る。即ち、共振用コンデンサ19が平滑用コンデンサ４を
介してスイッチング素子７に並列に接続された状態にあ
るので、共振用コンデンサ19の電圧変化に対応してスイ
ッチング素子７の電圧も変化する。スイッチング素子７
の両端電圧（ドレイン・ソース間電圧）を示す第４図
（Ａ）において、実線は可変バイアス電圧源21の電圧が
大きいために可変容量コンデンサ20の容量C2が小さい時
の電圧を示し、点線は可変バイアス電圧源21の電圧が小
さいために可変容量コンデンサ20の容量C2が大きい時に
電圧を示す。オフ期間においては、共振動作によって正
弦波又はこれに近い波形の電圧がスイッチング素子７に
加わる。第２図の零点検出回路23がスイッチング素子７
の電圧が零又はこの近傍になったことを第４図のt2時点
で検出すると、第４図（Ｂ）に示すトリガパルスが発生
し、タイマ24がトリガされ、一定時間幅T1のパルスを第
４図（Ｃ）に示すように発生する。そして、これが駆動
回路25を介してスイッチング素子７にオン制御信号とし
て印加される。t3でオン期間が終了すると再びオフ期間
になり、共振に基づく電圧がスイッチング素子７に加わ
る。

今、出力電圧が所定値よりも高くなったとすれば、可
変バイアス電圧源21の電圧が低くなるように制御され
る。この結果、オフ期間に可変容量コンデンサ20に加わ
る逆バイアス電圧値が低下し、可変容量コンデンサ20の
容量C2が大きくなる。なお、可変容量コンデンサ20のバ
イアス電圧と容量との関係は第３図に示す通りである。
可変容量コンデンサ20の容量C2が大きくなれば、共振周
波数が低下し、スイッチング素子７のオフ期間が長くな
る。この実施例ではオン期間T1が一定であるので、結
局、デューティ比が小さくなり、出力電圧が低下する。

共振電圧は正弦波又はこれに近似した波形であるの
で、可変容量コンデンサ20の逆バイアス電圧値は、１つ
のオフ期間の中で変化する。即ち、オフ期間の立上り領
域と立下り領域においては可変バイアス電圧源21の値か
ら共振電圧を差し引いた値から成る逆バイアス電圧が大
きいので容量C2が小さく、中央領域においては逆バイア
ス電圧が小さいので容量C2が大きくなる。従って、可変
容量コンデンサ20を設けることによって共振電圧の最大
値近傍が他の部分よりも圧縮された波形となり、スイッ
チング素子７に加わる電圧の最大値が従来に比べて低下
する。

この実施例の電圧共振型スイッチング電源装置は、オ
ン期間が一定に保たれているので、共振条件を満足させ
ながら電圧制御を広範囲に行うことができるという特長
を有する。

［第２の実施例］ 次に、第５図を参照して本発明の第２の実施例の電圧
共振型スイッチング電源装置を説明する。但し、第５図
において、第１図と共通する部分には同一の符号を付し
てその説明を省略する。この実施例では、可変容量コン
デンサ20がトランス５の３次巻線30を介して設けられて
いる。第５図によってもLC共振回路が第１図と同様に形
成され、可変容量コンデンサ20の容量を変えることによ
って共振周波数が変化し、スイッチング素子７のオフ期
間が変化する。

［第３の実施例］ 第６図及び第７図は第３の実施例のスイッチ制御回路
8aを示す。第３の実施例のスイッチング電源装置の主回
路の構成は第１図と同一であるので、図示が省略されて
いる。スイッチング素子７に接続された零点検出回路23
は第２図と同一構成であり、第７図（Ｃ）に示すトリガ
パルスを発生する。フリップフロップ31は第７図（Ｃ）
のトリガパルスでセットされ、クロックパルス発生回路
32から発生する第７図（Ａ）の一定周期のクロックパル
スでリセットされ、t2〜t3期間のパルスを発生する。第
７図（Ｄ）のパルスは駆動回路25を介してスイッチング
素子７に加わり、これがオンになる。第７図（Ｂ）のt1
〜t2期間の共振動作は第４図と同一であり、スイッチン
グ素子７に正弦波はこれに近似の電圧が加わる。この実
施例はスイッチング素子７のオン・オフ周期が一定であ
るという特長を有する。

［変形例］ 本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例え
ば次の変形が可能なものである。

（１）第１図で破線で示すように共振用コンデンサ19を
スイッチング素子７に並列に接続することができる。ま
た、２次巻線９に共振用コンデンサ19を接続することが
できる。要するに、１次巻線６のインダクタンスと共振
回路を形成することが可能であれば、共振用コンデンサ
19をどこに接続してもよい。

（２）１次巻線６等の漂遊容量を共振用コンデンサ19の
代りとし、共振用コンデンサ19を省くことができる。ま
た、可変容量コンデンサ20のみで必要な共振用の容量を
得ることができる時も、コンデンサ19を省くことができ
る。

（３）可変容量コンデンサ20を、第８図に示すように、
一対の電極41、42の間に制御電極43を設けた形式の可変
容量積層セラミックコンデンサとすることができる。こ
の場合、制御電極43の直流電圧値を変えると、一対の電
極41、42間の容量が変化する。

（４）ダイオード18を除いてスイッチング素子７に方向
性を与えるように直列にダイオードを接続することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例の電圧共振型スイッチン
グ電源装置を示す回路図、 第２図は第１図のスイッチ制御回路を示すブロック図、 第３図は可変容量コンデンサのバイアスと容量の関係を
示す図、 第４図は第２図の各部の状態を示す波形図、 第５図は第２の実施例の電圧共振型スイッチング電源装
置を示す回路図、 第６図は第３の実施例のスイッチ制御回路を示すブロッ
ク図、 第７図は第６図の各部の状態を示す波形図、 第８図は別の可変容量コンデンサを示す原理図である。 １…電源、５…トランス、６…１次巻線、７…スイッチ
ング素子、８…制御回路、19…共振用コンデンサ、20…
可変容量コンデンサ、21…可変バイアス電圧源。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】直流電源と、 前記直流電源の一端と他端との間に接続されたトランス
   と、 第１及び第２の主端子と制御端子とを有し、前記第１の
   主端子が前記トランスを介して前記直流電源の一端に接
   続され、前記第２の主端子が前記直流電源の他端に接続
   されているスイッチング素子と、 前記トランスに結合された出力回路と、 電圧共振するように前記トランスのインダクタンスに対
   して直列に接続され且つ前記スイッチング素子に対して
   交流的に並列に接続された可変容量ダイオードと、 前記可変容量ダイオードに逆バアス電圧を与えるように
   前記可変容量ダイオードに対して直列に接続された可変
   バイアス電圧源と、 前記出力回路の出力電圧を一定にするために前記可変バ
   イアス電圧源の電圧を前記出力電圧に対して反比例的に
   変化させるバイアス制御回路と、 前記スイッチング素子のオフ期間に前記共振に基づいて
   前記スイッチング素子の前記第１及び第２の主端子間に
   印加された電圧が零又はこの近傍値になる時点を検出す
   る零点検出回路と、 前記零点検出回路によって検出された前記零又はこの近
   傍値の時点を示す信号に応答してこの時点から一定時間
   前記スイッチング素子をオンに制御するスイッチング素
   子制御回路と、 を備えた電圧共振型スイッチング電源装置。
2. 【請求項２】直流電源と、 前記直流電源の一端と他端との間に接続されたトランス
   と、 第１及び第２の主端子と制御端子とを有し、前記第１の
   主端子が前記トランスを介して前記直流電源の一端に接
   続され、前記第２の主端子が前記直流電源の他端に接続
   されているスイッチング素子と、 前記トランスに結合された出力回路と、 一対の電極と制御電極とを有し、前記制御電極の電圧を
   変えることによって前記一対の電極間の容量が変化する
   ように形成されたものであって、電圧共振するように前
   記トランスのインダクタンスに対して直列に接続され且
   つ前記スイッチング素子に対して交流的に並列に接続さ
   れた可変容量コンデンサと、 前記出力回路の出力電圧を一定にするように前記可変容
   量コンデンサの前記制御電極の電圧を制御する電圧制御
   回路と、 前記スイッチング素子のオフ期間に前記共振に基づいて
   前記スイッチング素子の前記第１及び第２の主端子間に
   印加された電圧が零又はこの近傍値になる時点を検出す
   る零点検出回路と、 前記零点検出回路によって検出された前記零又はこの近
   傍値の時点を示す信号に応答してこの時点から一定時間
   前記スイッチング素子をオンに制御するスイッチング素
   子制御回路と、 を備えた電圧共振型スイッチング電源装置。
3. 【請求項３】直流電源と、 前記直流電源の一端と他端との間に接続されたトランス
   と、 第１及び第２の主端子と制御端子とを有し、前記第１の
   主端子が前記トランスを介して前記直流電源の一端に接
   続され、前記第２の主端子が前記直流電源の他端に接続
   されているスイッチング素子と、 前記トランスに結合された出力回路と、 電圧共振するように前記トランスのインダクタンスに対
   して直列に接続され且つ前記スイッチング素子に対して
   交流的に並列に接続された可変容量ダイオードと、 前記可変容量ダイオードに逆バアス電圧を与えるように
   前記可変容量ダイオードに対して直列に接続された可変
   バイアス電圧源と、 前記出力回路の出力電圧を一定にするために前記可変バ
   イアス電圧源の電圧を前記出力電圧に対して反比例的に
   変化させるバイアス制御回路と、 前記スイッチング素子のオフ期間に前記共振に基づいて
   前記スイッチング素子の前記第１及び第２の主端子間に
   印加された電圧が零又はこの近傍値になる時点を検出す
   る零点検出回路と、 前記スイッチング素子のオフ期間に前記共振によって前
   記スイッチング素子の前記第１及び第２の主端子間に印
   加される電圧波形の正の半波の時間幅よりも長い一定の
   周期でクロック信号を発生するクロック信号発生回路
   と、 前記零点検出回路によって検出された前記零又はこの近
   傍値の時点を示す信号に応答して前記スイッチング素子
   をオン制御し、前記クロック信号に応答して前記スイッ
   チング素子をオフ制御するスイッチング素子制御回路と を備えた電圧共振型スイッチング電源装置。
4. 【請求項４】直流電源と、 前記直流電源の一端と他端との間に接続されたトランス
   と、 第１及び第２の主端子と制御端子とを有し、前記第１の
   主端子が前記トランスを介して前記直流電源の一端に接
   続され、前記第２の主端子が前記直流電源の他端に接続
   されているスイッチング素子と、 前記トランスに結合された出力回路と、 一対の電極と制御電極とを有し、前記制御電極の電圧を
   変えることによって前記一対の電極間の容量が変化する
   ように形成されたものであって、電圧共振するように前
   記トランスのインダクタンスに対して直列に接続され且
   つ前記スイッチング素子に対して交流的に並列に接続さ
   れた可変容量コンデンサと、 前記出力回路の出力電圧を一定にするように前記可変容
   量コンデンサの前記制御電極の電圧を制御する電圧制御
   回路と、 前記スイッチング素子のオフ期間に前記共振に基づいて
   前記スイッチング素子の前記第１及び第２の主端子間に
   印加された電圧が零又はこの近傍値になる時点を検出す
   る零点検出回路と、 前記スイッチング素子のオフ期間に前記共振によって前
   記スイッチング素子の前記第１及び第２の主端子間に印
   加される電圧波形の正の半波の時間幅よりも長い一定の
   周期でクロック信号を発生するクロック信号発生回路
   と、 前記零点検出回によって検出された前記零又はこの近傍
   値の時点を示す信号に応答して前記スイッチング素子を
   オン制御し、前記クロック信号に応答して前記スイッチ
   ング素子をオフ制御するスイッチング素子制御回路と を備えた電圧共振型スイッチング電源装置。