JPH09149632A

JPH09149632A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JPH09149632A
Application number: JP32249195A
Authority: JP
Inventors: Tetsushi Otake; 徹志大竹
Original assignee: Toko Inc
Current assignee: Toko Inc
Priority date: 1995-11-17
Filing date: 1995-11-17
Publication date: 1997-06-06

Abstract

(57)【要約】【課題】回路が降圧動作状態となる範囲においても高
い効率が得られ、また、間欠動作を抑制して入力電圧の
適用範囲を広くした、昇降圧型コンバータとして機能す
るスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】チョークコイルＬ１とスイッチングトラ
ンジスタＱ１の接続点とアースとの間にコンデンサＣ３
とコイルＬ２の直列回路を接続する。このコンデンサＣ
３とコイルＬ２の接続点と出力端子２との間に、整流素
子としてのＰＮＰ型のトランジスタＱ２を接続し、トラ
ンジスタＱ２のベースとアースとの間には駆動用トラン
ジスタＱ３を、トランジスタＱ２のベースとチョークコ
イルＬ１の入力端子１側の一端との間に補助バイアス回
路４を接続する。駆動用トランジスタＱ３のベースはコ
ンデンサＣ３とコイルＬ２の接続点に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、整流素子としてト
ランジスタを使用した、昇降圧型コンバータとして動作
するスイッチング電源装置において、降圧動作時の電力
変換効率を向上させるための技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】スイッチング電源装置の電力変換効率を
向上する手段として、その回路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
ある。トランジスタを整流素子として使用する場合、そ
のトランジスタには回路中のスイッチング素子の動作に
同期してオン、オフ動作を行わせる（同期整流方式）必
要が有り、その同期動作のための回路が数多く提案され
ている。このようなトランジスタを整流素子として使用
した同期整流方式のスイッチング電源装置の一例とし
て、本発明者は特願平５−３０７５２０号において、図
３に示すような回路構成を有するスイッチング電源装置
を提案した。

【０００３】図３に示す回路の構成と動作は以下の様に
なっていた。入力端子１はチョークコイルＬ１を介して
スイッチングトランジスタＱ１のコレクタに接続され、
スイッチングトランジスタＱ１のエミッタはアースに、
ベースは制御回路３のパルス出力端子ＰＯにそれぞれ接
続される。整流素子としてＰＮＰ型のトランジスタＱ２
が使用され、そのトランジスタＱ２のエミッタはチョー
クコイルＬ１のスイッチングトランジスタＱ１側の一端
（Ｑ１のコレクタ）へ接続され、コレクタは出力端子２
へ接続される。出力端子２とアースとの間には、平滑コ
ンデンサＣ２及び電圧検出のための抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２
の直列回路が接続される。抵抗Ｒ１とＲ２の接続点は制
御回路３の電圧検出端子ＦＢに接続され、これにより出
力電圧値に応じた信号が制御回路にフィードバックされ
る。

【０００４】そして、整流素子としてのトランジスタＱ
２を駆動するために、トランジスタＱ２のベースに抵抗
Ｒ４を介してＮＰＮ型の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のエミッタ
はアースに接続され、ベースはコンデンサＣ５と抵抗Ｒ
３の直列回路を介してチョークコイルＬ１とトランジス
タＱ２の接続点に接続される。駆動用トランジスタＱ３
のベースには、さらにアノードがアースに接続されたダ
イオードＤ１のカソードが接続される。なお回路中で、
Ｃ１とＣ６はそれぞれノイズフィルタ用のコンデンサと
スピードアップ用のコンデンサであり、Ｄ２はトランジ
スタＱ２のターンオフ時におけるベース領域蓄積電荷の
放電経路を形成するダイオードである。

【０００５】このような回路構成とした場合、チョーク
コイルＬ１、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のエミッタのそれぞれを接続した
接続点の電圧は、スイッチングトランジスタＱ１のオ
ン、オフ動作によって、アース電位（電圧）値あるい
は、入力電圧Ｖ_INとチョークコイルＬ１に発生したフラ
イバック電圧を合わせた電圧値の２値のステップ状電圧
となる。ここで、駆動用トランジスタＱ３のベースに
は、コンデンサＣ５によって前記ステップ状電圧の交流
成分のみが入力される。動作を簡潔に述べると、入力電
圧Ｖ_INが得ようとする出力電圧Ｖ_Oより低い場合、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
動作と相補的にオン、オフ動作を行い、トランジスタＱ
２は、駆動用トランジスタＱ３の制御動作によってオ
ン、オフ駆動され、整流動作を行う。

【０００６】反対に、入力電圧Ｖ_INが得ようとする出力
電圧Ｖ_Oより高い場合、駆動用トランジスタＱ３はスイ
ッチングトランジスタＱ１のオン、オフ動作に合わせ
て、非導通（オフ）状態と非飽和領域での導通状態を繰
り返す。この駆動用トランジスタＱ３のコレクタに流れ
る電流は導通状態に応じて小さくなり、その大きさはス
イッチングトランジスタＱ１のオンデューティによって
ほぼ決定される。そしてトランジスタＱ２はベース電流
が駆動用トランジスタＱ３によって制御され、その動作
が非飽和領域で行われるようになる。その結果トランジ
スタＱ２は、あたかもシリーズレギュレータに似た動作
状態となり、そのコレクタ、エミッタ間でエネルギー通
過量を制御するように作用する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図３に示す回路構成の
スイッチング電源装置は昇降圧型コンバータとして機能
するものであり、特にトランジスタＱ２は、昇圧動作時
においては整流作用を担って効率向上に寄与し、降圧動
作時においてはシリーズレギュレータに類似した動作で
出力電圧の制御を行う。このような動作過程における回
路の効率は、図４の線（イ）に示すように推移する。

【０００８】入力電圧Ｖ_INと出力電圧Ｖ_Oが等しい時点
を境にして昇圧動作から降圧動作へ移行すると、トラン
ジスタＱ２のコレクタ、エミッタ間には出力電圧Ｖ_Oを
一定に制御するための電圧降下が生じる。するとトラン
ジスタＱ２に発生する損失が増大し、回路全体の効率を
低下させる。この効率の低下は入力電圧Ｖ_INが出力電圧
Ｖ_Oに対して大きくなるほど著しく、効率の推移はほぼ
直線的に低下する傾向を示す。当然のことながら、電源
回路の効率はその使用範囲において均等に高い値である
ことが望ましいが、図３の回路ではその降圧動作の原理
上、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oより大きい場合には高
い効率を得ることができなかった。

【０００９】従って本発明では、入力電圧Ｖ_INが出力電
圧Ｖ_Oより大きく、回路が降圧動作状態となる範囲にお
いても高い効率が得られるような、昇降圧型コンバータ
として機能するスイッチング電源装置を提供することを
目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、入力端子とア
ース等の基準電位点との間に接続されたチョークコイル
とスイッチング素子の直列回路、チョークコイルとスイ
ッチング素子の接続点と基準電位点との間に接続され
た、直流阻止用コンデンサと転流用素子の直列回路、直
流阻止用コンデンサと転流用素子の接続点と出力端子と
の間に接続され、整流作用を担う、ＰＮＰ型バイポーラ
トランジスタによるトランジスタ整流素子、トランジス
タ整流素子のベースと基準電位点との間に接続され、直
流阻止用コンデンサと転流用素子の接続点よりオン、オ
フ制御信号の供給を受けてトランジスタ整流素子の動作
を制御する、ＮＰＮ型バイポーラトランジスタによる駆
動用トランジスタ、出力端子と基準電位点との間に接続
された平滑コンデンサ、を具備することを特徴とする

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明によるスイッチング電源装
置の第１の実施の形態としては、チョークコイルＬ１と
スイッチングトランジスタＱ１の接続点とアースとの間
に、直流阻止用のコンデンサＣ３と転流用素子としての
コイルＬ２を直列に接続する。このコンデンサＣ３とコ
イルＬ２の接続点をトランジスタ整流素子としてのトラ
ンジスタＱ２のエミッタに接続し、トランジスタＱ２の
コレクタを出力端子２へ接続する。トランジスタＱ２の
ベースは抵抗Ｒ４を介して駆動用トランジスタＱ３のコ
レクタに接続し、さらに抵抗Ｒ５とコンデンサＣ４の直
列回路による補助バイアス回路を介してチョークコイル
Ｌ１の入力側の一端に接続する。駆動用トランジスタＱ
３のエミッタはアースに接続し、ベースは抵抗Ｒ３を介
してコンデンサＣ３とコイルＬ２の接続点に接続する。
本発明の第２の実施の形態としては、第１の実施の形態
におけるチョークコイルＬ１とコイルＬ２を、それぞれ
トランスＴの１次巻線と２次巻線に置き換える。

【００１２】

【実施例】降圧動作においても高い効率が得られるよう
にした、本発明によるスイッチング電源装置の第１の実
施例を図１に示した。図１に示す回路の構成及び動作は
以下のようになっている。なお、図１において、図３中
に示されたのと同じ機能を果たす構成要素には同一の符
号を付与してある。入力端子１とアースとの間に、チョ
ークコイルＬ１とスイッチングトランジスタＱ１を直列
に接続し、スイッチングトランジスタＱ１のベースを制
御回路３のパルス出力端子ＰＯに接続する。

【００１３】チョークコイルＬ１とスイッチングトラン
ジスタＱ１の接続点に直流阻止用のコンデンサＣ３の一
端を接続し、コンデンサＣ３の他端をコイルＬ２を介し
てアースへ接続する。コンデンサＣ３の前記他端にＰＮ
Ｐ型トランジスタによる整流素子としてのトランジスタ
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へ接続する。トランジスタＱ２のベース
を、コンデンサＣ４と抵抗Ｒ５の直列回路による補助バ
イアス回路４を介してチョークコイルＬ１の入力端子１
側の一端に接続し、さらにまた抵抗Ｒ４を介して駆動用
トランジスタＱ３のコレクタに接続する。駆動用トラン
ジスタＱ３のエミッタはアースに接続し、ベースは抵抗
Ｒ３を介してコンデンサＣ３の前記他端へ接続する。出
力端子２とアースの間に抵抗Ｒ１と抵抗Ｒ２の直列回路
及び平滑コンデンサＣ２を並列に接続し、抵抗Ｒ１と抵
抗Ｒ２の接続点を制御回路３の出力電圧検出端子ＦＢへ
接続する。なお、Ｃ１はフィルタコンデンサである。

【００１４】以上のような構成とした回路において、先
ず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にフライバック電圧が発生し、チョ
ークコイルＬ１とコンデンサＣ３の接続点（ａ）の電位
は入力電圧Ｖ_INとフライバック電圧を合わせた値まで上
昇する。すると、接続点（ａ）の電位上昇により、コン
デンサＣ３を介してコンデンサＣ３とコイルＬ２の接続
点（ｂ）の電位の上昇が誘導される。ここでトランジス
タＱ２は、チョークコイルＬ１に発生したフライバック
電圧により、補助バイアス回路４及びコンデンサＣ３を
介してベース、エミッタ間に順方向バイアスを受け、さ
らに接続点（ｂ）の電位上昇による駆動用トランジスタ
Ｑ３のオン状態への移行により、ベースからアースへの
電流路が開通する。その結果、トランジスタＱ２はオン
状態となり、入力端子１から供給されるエネルギー及び
チョークコイルＬ１のフライバック電圧によるエネルギ
ーがコンデンサＣ３及びトランジスタＱ２を通過し、平
滑コンデンサＣ１の充電及び外部負荷への電力供給が行
われる。

【００１５】次に、スイッチングトランジスタＱ１がオ
ン状態となると、接続点（ａ）の電位はアース電位まで
低下し、また、入力端子１からチョークコイルＬ１、ス
イッチングトランジスタＱ１の経路で電流が流れ、チョ
ークコイルＬ１にエネルギーが蓄積される。接続点
（ａ）の電位の低下により、コンデンサＣ３は、それま
での入力側から出力側へのエネルギー通過によって蓄積
された電荷の放電状態となる。これによって接続点
（ｂ）の電位はアース電位よりも低くなり、またコイル
Ｌ２には、アースから接続点（ａ）の方向にコンデンサ
Ｃ３の放電電流が流れ、エネルギーの蓄積が行われる。
（このコイルＬ２の蓄積エネルギーは、スイッチングト
ランジスタＱ１がオフ状態の時において接続点（ｂ）の
電位上昇に寄与し、また、トランジスタＱ２を介して外
部負荷に供給される。）

【００１６】この時、トランジスタＱ２は、ベースには
補助バイアス回路４を介して入力電圧Ｖ_INが、エミッタ
には接続点（ｂ）の電圧がそれぞれ印加されて逆バイア
スを受け、また、接続点（ｂ）の電位低下による駆動用
トランジスタＱ３のオフ状態への移行により、ベースか
らアースへの電流路が遮断される。その結果、トランジ
スタＱ２はオフ状態となり、出力側から入力側へのエネ
ルギーの逆流が防止される。なお、図１に示す回路で
は、接続点（ｂ）に現れる電圧は実質的に交流成分のみ
であるため、図３の回路における、駆動用トランジスタ
Ｑ３が直流バイアスを受けないようにするためのコンデ
ンサＣ５が不要であり、コンデンサＣ５の放電路を形成
するダイオードＤ１も不要となっている。

【００１７】ここで図１と図３の、それぞれの回路のト
ランジスタＱ２の動作を比較すると、先ず図３に示す回
路のトランジスタＱ２は、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_O
より低い範囲では、オン、オフを繰り返して同期整流動
作を行い、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oより高い範囲で
は、非飽和領域での導通状態、非導通（オフ）状態を繰
り返してシリーズレギュレータ的な動作を行っていた。
これに対して図１に示す回路のトランジスタＱ２は、入
力電圧Ｖ_INと出力電圧Ｖ_Oの相互の状態に関係無くオ
ン、オフを繰り返して同期整流動作を行う。これは、図
１に示す回路では、トランジスタＱ２のエミッタに現れ
る整流すべき電圧が、コンデンサＣ３の作用により接続
点（ａ）に現れる２値のステップ状電圧の交流成分だけ
であり、その大きさ（実効）はスイッチングトランジス
タＱ１のオンデューティに応じて変化する。そのため、
トランジスタＱ２に非飽和領域で動作させるほどにスイ
ッチングトランジスタＱ１のオンデューティが小さくな
らないことに起因している。

【００１８】このような動作により図１の回路の効率
は、図４の線（ロ）に示すように推移する。先にも述べ
たように、トランジスタＱ２は入力電圧Ｖ_INと出力電圧
Ｖ_Oの相互の状態に関係無く同期整流動作を継続するた
め、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oより高い範囲において
もトランジスタＱ２における損失が増大しない。そのた
め回路の効率は、入力電圧Ｖ_INの大きさの変化に対して
ほぼ横這いの傾向を示す。図３の回路と図１の回路の効
率の推移を比較すると、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oよ
り低い領域と、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oより高くと
もその差がわずかである領域においては、図１に示す回
路の方が、若干、効率が低くなる。これはコンデンサＣ
３とコイルＬ２によるステップ状電圧の交流変換に伴
い、コンデンサＣ３、コイルＬ２、そしてスイッチング
トランジスタＱ１に発生する損失が増加するためであ
る。しかし、入力電圧Ｖ_INが出力電圧Ｖ_Oより高い領域
においては、図１に示す回路の方が効率ははるかに高く
なる。

【００１９】ちなみに、実際に作成した図３に示す従来
の回路の効率は、Ｖ_IN＜Ｖ_Oの範囲では９０％前後であ
り、Ｖ_IN＝Ｖ_Oの付近でのピーク値は約９３％、Ｖ_IN＞
Ｖ_Oの範囲ではほぼ直線的に低下し、Ｖ_IN＝２Ｖ_Oとな
ると約５０％まで低下する。これに対して、ほぼ同じ回
路条件で作成した図１に示す実施例の回路の効率は、お
よそ８５％前後で横這いとなった。そして図３に示す回
路では、入力電圧Ｖ_INを増加させると、所定の電圧値以
上で回路の動作が間欠することがあった。この間欠動作
状態となると、出力電圧に現れるリップルが増大する不
都合があり、入力電圧の上限値を制限し、適用範囲を狭
める結果となっていた。しかし図１に示す回路では間欠
動作状態とはならず、図３の回路が間欠動作状態となる
電圧値よりもはるかに高い電圧値まで出力電圧に異常が
現れない。従って図１に示す回路は、従来に比べて入力
電圧の適用範囲が広く、しかも適用範囲全域に渡ってほ
ぼ一定の高い効率を維持することができる。

【００２０】図２には本発明によるスイッチング電源装
置の第２の実施例を示した。図２に示す回路は、図１に
示す回路におけるチョークコイルＬ１とコイルＬ２を、
それぞれトランスＴの１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２に置
き換えたのものであり、その他の回路構成は同一となっ
ている。トランスＴの１次巻線Ｎ１と２次巻線Ｎ２の巻
数比が図１におけるチョークコイルＬ１とコイルＬ２の
インダクタンス比と同じであれば、図２の回路の動作
は、主なるフライバックエネルギーの供給源が２次巻線
Ｎ２となる事の他は実質的に図１の回路と同じになり、
動作の説明は省略する。

【００２１】なお、図１に示す回路において、コイルＬ
２をダイオード素子に置き換えても同様の動作を行わせ
ることができる。ただしダイオード素子の場合には、コ
イルＬ２の時に比べて効率は低下する。また、図１及び
図２に示す回路において、駆動用トランジスタＱ３の動
作タイミングを調整するために、抵抗Ｒ３に対して並列
あるいは直列に容量素子を接続し、さらにまた、駆動用
トランジスタＱ３のベースとアースとの間に抵抗あるい
はダイオード素子を接続することが有る。言うまでもな
く、本発明の本質を損なわない程度の変形が可能であ
り、実施例に限定されるものではない。

【００２２】

【発明の効果】以上に述べたように本発明のスイッチン
グ電源装置は、入力端子とアースとの間に接続したチョ
ークコイルとスイッチング素子の直列回路の、そのチョ
ークコイルとスイッチング素子の接続点とアースとの間
にコンデンサとコイルの直列回路を設け、コンデンサと
コイルの接続点に得られる交流電圧をトランジスタ整流
素子により整流するようにしたものである。これによ
り、電源回路が降圧動作を行う高い入力電圧の範囲にお
いても効率が低下せず、高効率を維持することができ
る。また、従来の回路に比較して入力電圧が高くとも間
欠動作状態とならず、入力電圧の適用範囲を広くするこ
とができる。従って本発明によれば、適用範囲が広く、
しかも、その適用範囲の全域に渡って高い効率が得られ
るスイッチング電源装置を提供することができる。

【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第１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第２の
実施例の回路図。

【図３】特願平５−３０７５２０号にかかるスイッチ
ング電源装置の回路図。

【図４】図１及び図３に示された回路の、入力電圧に
対する効率の推移を示す図。

【符号の説明】

１入力端子２出力端子３制御回路４補助バイアス回路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Ｌ１チョークコイルＣ３直流阻止用のコンデンサＬ２転流用素子としてのコイル

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力端子とアース等の基準電位点との間
に接続されたチョークコイルとスイッチング素子の直列
回路、該チョークコイルと該スイッチング素子の接続点と基準
電位点との間に接続された、直流阻止用コンデンサと転
流用素子の直列回路、該直流阻止用コンデンサと該転流用素子の接続点と出力
端子との間に接続され、整流作用を担う、ＰＮＰ型バイ
ポーラトランジスタによるトランジスタ整流素子、該トランジスタ整流素子のベースと基準電位点との間に
接続され、該直流阻止用コンデンサと該転流用素子の接
続点よりオン、オフ制御信号の供給を受けて該トランジ
スタ整流素子の動作を制御する、ＮＰＮ型バイポーラト
ランジスタによる駆動用トランジスタ、該出力端子と基準電位点との間に接続された平滑コンデ
ンサ、を具備することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】前記転流用素子がインダクタンス素子で
あ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。
【請求項３】前記トランジスタ整流素子のベースと前
記チョークコイルの入力端子側の一端との間に接続した
補助バイアス回路を有することを特徴とする、請求項１
あるいは請求項２に記載したスイッチング電源装置。
【請求項４】入力端子とアース等の基準電位点との間
に接続されたトランスの１次巻線とスイッチング素子の
直列回路、該１次巻線と該スイッチング素子の接続点と基準電位点
との間に接続された、直流阻止用コンデンサと前記トラ
ンスの２次巻線の直列回路、該直流阻止用コンデンサと該２次巻線の接続点と出力端
子との間に接続され、整流作用を担う、ＰＮＰ型バイポ
ーラトランジスタによるトランジスタ整流素子、該トランジスタ整流素子のベースと基準電位点との間に
接続され、該直流阻止用コンデンサと該２次巻線の接続
点よりオン、オフ制御信号の供給を受けて該トランジス
タ整流素子の動作を制御する、ＮＰＮ型バイポーラトラ
ンジスタによる駆動用トランジスタ、該出力端子と基準電位点との間に接続された平滑コンデ
ンサ、を具備することを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項５】前記トランジスタ整流素子のベースと前
記１次巻線の入力端子側の一端との間に接続した補助バ
イアス回路を有することを特徴とする、請求項４に記載
したスイッチング電源装置。
【請求項６】前記補助バイアス回路が、抵抗とコンデ
ンサの直列回路よりなることを特徴とする、請求項３あ
るいは請求項５に記載したスイッチング電源装置。