JPH10225119A

JPH10225119A - スイッチング電源

Info

Publication number: JPH10225119A
Application number: JP1802497A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiko Shimizu; 克彦清水; Shoji Hatta; 昌治八田
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 1997-01-31
Filing date: 1997-01-31
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】簡単な回路によって定電流電圧垂下型の過電
流制御を行うことの可能な共振型スイッチング電源を提
供する。【解決手段】共振型スイッチング電源の過電流制御に
係る。過電流保護回路５は、共振インダクタ２２に生じ
る電圧ＶＬを検出する。検出された電圧信号に基づい
て、スイッチング素子１１、１２に対し、その動作周波
数を増加させ、出力電圧を低下させる保護動作を与え
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、共振型のスイッチ
ング電源に関する。

【０００２】

【従来の技術】共振型スイッチング電源は、高効率、低
雑音が達成できる可能性があるスイッチング電源として
注目されている。スイッチング電源は、ハードスイッチ
ング方式と、ソフトスイッチング方式の２つの方式に大
別される。本発明に係る共振型スイッチング電源はソフ
トスイッチング方式の範疇に入る。共振型スイッチング
電源は、直流電源をスイッチング回路によってスイッチ
ングし、スイッチング出力を共振回路で共振させ、共振
出力を出力整流平滑回路を用いて、直流に変換して出力
する。共振回路方式としては、直列共振、並列共振、直
並列共振または複共振等、種々の回路方式が知られてい
る。共振型スイッチング電源に係る先行技術文献例とし
ては特開平７−２９８６１４号公報、特開平７−２７４
４９９号公報等がある。

【０００３】共振型スイッチング電源において、出力の
安定化は、スイッチング周波数を制御することによって
行なう。例えば、共振回路の共振周波数ｆｏよりも高い
周波数領域で動作する共振型スイッチング電源の場合、
出力電圧が基準値よりも高い方向に移行しようとする場
合は、スイッチング周波数が高くなる方向に、また、出
力電圧が低下する方向に移行しようとする場合はスイッ
チング周波数が低くなる方向に制御する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】共振型スイッチング電
源には、種々の改善すべき技術的課題が、未解決のまま
残されている。そのうちの一つが、過電流制御に関する
問題である。過電流制御の好ましい制御動作は、一定の
過電流値で出力電圧を略零に低下させる定電流電圧垂下
特性が得られるように、スイッチング素子のスイッチン
グ動作を制御することである。しかし、共振型スイッチ
ング電源において、定電流電圧垂下特性を得ることは容
易ではない。この過電流制御の困難性は、共振型スイッ
チング電源の本質的動作特性に由来する。

【０００５】過電流制御手段として、従来は、例えば上
述した先行技術文献にも見られるように、スイッチング
素子に流れる電流または共振回路に流れる電流を検出
し、その検出信号を過電流制御を行なうための信号とし
て用いていた。

【０００６】しかし、スイッチング素子に流れる電流ま
たは共振回路に流れる電流は、疑似正弦波の一部であ
り、疑似正弦波の導通角（電気角）が小さくなるほど、
電流尖頭値が小さくなる。このため、過電流検出に対応
して、動作周波数を増加させて、出力電圧を低下させる
ように動作させた場合、電流尖頭値が低下してしまう。
このため、スイッチング素子に流れる電流または共振回
路に流れる電流を検出して、過電流制御を行なう従来の
共振型スイッチング電源においては、定電流電圧垂下特
性の過電流制御を行なうことが困難である。一般的に
は、定電力垂下特性になってしまうため、出力電流が大
きくなりすぎ、回路の保護が行えなくなってしまう。

【０００７】上述した従来の過電流検出方式において、
定電流電圧垂下特性を得ようとすれば、過電流検出と同
時に、動作を停止してしまうか、または、電流尖頭値の
変化に追従して過電流検出レベルを変える回路構成を採
らなければならず、回路が複雑になる。簡単な回路で、
良好な定電流電圧垂下特性を得ることは、きわめて困難
である。

【０００８】本発明の課題は、簡単な回路によって定電
流電圧垂下型の過電流制御を行うことの可能な共振型ス
イッチング電源を提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上述した課題を解決する
ため、本発明に係るスイッチング電源は、２つのスイッ
チング素子と、共振回路と、トランスと、出力整流平滑
回路と、過電流保護回路とを有する。

【００１０】前記２つのスイッチング素子は、直列に接
続され、直列回路の両端が直流電源に導かれ、交互に駆
動される。前記トランスは、少なくとも、一次巻線と、
二次巻線とを含んでおり、前記共振回路は、共振コンデ
ンサと、共振インダクタとを有する。

【００１１】前記共振コンデンサ、前記共振インダクタ
及び前記トランスの前記一次巻線は直列に接続され、直
列回路の両端が前記２つのスイッチング素子の接続点
と、前記２つのスイッチング素子によって構成される前
記直列回路の一端との間に接続されている。前記出力整
流平滑回路は、出力チョークコイルを含み、前記トラン
スの前記二次巻線に接続されている。

【００１２】前記過電流保護回路は、前記共振インダク
タに生じる電圧を検出し、前記検出された電圧信号に基
づいて、前記スイッチング素子に対し、その動作周波数
を増加させ、出力電圧を低下させる保護動作を与える。

【００１３】本発明に係るスイッチング電源において、
直列に接続された２つのスイッチング素子を交互に動作
させることにより、入力された直流電源をスイッチング
し、そのスイッチング出力を共振回路及びトランスの一
次巻線に供給する。

【００１４】２つのスイッチング素子の接続点と、２つ
のスイッチング素子によって構成される直列回路の一端
との間には、共振回路を構成する共振コンデンサ及び共
振インダクタと、トランスの一次巻線を直列に接続した
直列回路の両端が接続されているから、２つのスイッチ
ング素子の交互動作により、共振回路及びトランスの一
次巻線に、共振回路の共振周波数に対応した疑似正弦波
電流が流れる。このとき、一次巻線と結合する二次巻線
に誘起電圧が発生する。この誘起電圧はトランスの二次
巻線に接続された出力整流平滑回路により直流に変換さ
れ、出力される。

【００１５】出力整流平滑回路は、出力チョークコイル
を含んでおり、上述の共振型スイッチング電源の基本動
作において、スイッチング回路がオン、オフする場合、
出力チョークコイルに転流期間が発生する。

【００１６】転流期間においては、トランスの一次巻線
には電圧は発生しない。転流期間においては、スイッチ
ング回路、共振回路及びトランスの一次巻線を含む回路
ループに印加される入力電圧は、共振回路を構成する共
振コンデンサと、共振インダクタとによって分担され
る。

【００１７】本発明においては、転流期間に共振インダ
クタに現れる端子電圧に着目し、この端子電圧を過電流
検出信号として用いる。過電流保護回路は、前記端子電
圧に基づいて、２つのスイッチング素子に対し、その動
作周波数を増加させ、出力電圧を低下させる保護動作を
与える。

【００１８】共振インダクタに現れる端子電圧は、共振
電流の増加に伴い増加する。換言すれば、出力電圧が定
電圧である領域では、出力電流の増加と共に、共振イン
ダクタに現れる端子電圧が高くなる。

【００１９】転流期間の時間的長さは、スイッチング回
路、共振回路及びトランスの一次巻線を含む回路ループ
の定数値によって定まるもので、ほぼ一定と見ることが
できるから、スイッチング周波数を高くした場合、スイ
ッチングの一周期において、転流期間が占める時間的割
合が大きくなる。従って、過電流制御領域に入り、動作
周波数が高くなった場合、スイッチングの一周期におい
て、転流期間が占める時間的割合が増大するから、共振
電流の減少にも拘らず、共振インダクタに発生する端子
電圧は低下しない。

【００２０】上述したように、転流期間ではトランスに
印加される電圧が零ボルトになり共振インダクタと共振
コンデンサによって入力電圧が分担される。従って、転
流期間では共振インダクタの端子電圧が大きくなる。こ
のことは、過電流領域に入り動作周波数を増加し、出力
電圧が低下した場合でも、共振インダクタの電圧時間積
は減少せず、従って、定電流電圧垂下による保護動作が
得られることを意味する。

【００２１】更に、共振インダクタを、過電流検出素子
として兼用するので、専用の過電流検出素子が不要であ
り、回路構成が簡単になる。

【００２２】本発明の他の目的、構成及び利点について
は、実施例である添付図面を参照して、更に詳しく説明
する。

【００２３】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係るスイッチング
電源の電気回路図である。図示するように、本発明に係
るスイッチング電源は、スイッチング回路１と、共振回
路２と、トランス３と、出力整流平滑回路４と、過電流
保護回路５と、制御回路６とを有する。

【００２４】スイッチング回路１は、入力された直流電
源Ｖinをスイッチングする。スイッチング回路１は、第
１のスイッチング素子１１及び第２のスイッチング素子
１２を有する。第１のスイッチング素子１１及び第２の
スイッチング素子１２は、ＦＥＴ等でなり、その主回路
が互いに直列に接続され、その両端が直流電源装置７に
接続されている。直流電源装置７は、通常は、交流電源
を直流に変換する整流平滑回路として構成される。直流
電源装置７はスイッチング電源装置の一部として備えら
れていてもよいし、外部要素であってもよい。

【００２５】トランス３は、少なくとも、一次巻線３１
と、二次巻線３２とを含んでいる。実施例は、出力整流
平滑回路４を両波整流回路方式とした場合に適した二次
巻線構造を示し、二次巻線３２は、第１の巻線３２１
と、第２の巻線３２２の二つの巻線を備え、第１の巻線
３２１及び第２の巻線３２２は、それぞれの一端が互い
に接続されている。

【００２６】共振回路２は、共振コンデンサ２１と、共
振インダクタ２２とを有する。共振コンデンサ２１及び
共振インダクタ２２は、スイッチング回路１とトランス
３の一次巻線３１とを含む回路ループ内に接続されてい
る。実施例では、共振コンデンサ２１は、トランス３の
一次巻線３１の一端と、第１のスイッチング素子１１及
び第２のスイッチング素子１２の接続点との間に接続さ
れ、共振インダクタ２２は、トランス３の一次巻線３１
の他端と第２のスイッチング素子１２の主電極との間に
接続されている。従って、共振回路２は共振コンデンサ
２１及び共振インダクタ２２による直列共振回路を構成
している。

【００２７】出力整流平滑回路４は、トランス３の二次
巻線３２に接続され、二次巻線３２に生じる誘起電圧を
直流に変換して出力する。出力整流平滑回路４は、チョ
ークインプット回路でなる平滑回路４１を有する。平滑
回路４１は、出力チョークコイル４１１と、出力平滑コ
ンデンサ４１２とを有する。整流回路４２は第１のダイ
オード４２１と、第２のダイオード４２２とを有する。
第１のダイオード４２１のアノードは第１の巻線３２１
の他端に接続され、第２のダイオード４２２のアノード
は第２の巻線の他端に接続されている。第１のダイオー
ド４２１及び第２のダイオード４２２のカソードは互い
に接続され、平滑回路４１を構成する出力チョークコイ
ル４１１の一端に接続されている。

【００２８】過電流保護回路５は、共振インダクタ２２
に生じる端子電圧を検出し、過電流検出信号Ｓ１として
出力する。

【００２９】制御回路６は、出力整流平滑回路４から出
力される出力電圧Ｖｏが一定となるようにスイッチング
回路１を制御する。制御回路６は、共振回路２の共振周
波数ｆｏよりも高い周波数領域で、スイッチング回路１
を動作させる。

【００３０】制御回路６は、更に、過電流保護回路５か
ら供給される過電流検出信号Ｓ１に基づいて、スイッチ
ング回路１に対し、その動作周波数を増加させ、出力電
圧Ｖｏを低下させる保護動作を与える。

【００３１】実施例では、過電流保護回路５と、制御回
路６とを異なるブロックとして表現したが、過電流保護
回路５を制御回路６の一部と看做してもよい。

【００３２】本発明に係るスイッチング電源は、スイッ
チング回路１により入力された直流電源をスイッチング
し、そのスイッチング出力を共振回路２及びトランス３
の一次巻線３１に供給する。共振回路２を構成する共振
コンデンサ２１及び共振インダクタ２２はスイッチング
回路１とトランス３の一次巻線３１とを含む回路ループ
内に接続されている。従って、スイッチング回路１のス
イッチング動作により、共振回路２及びトランス３の一
次巻線３１に、共振回路２の共振周波数に対応した疑似
正弦波電流が流れる。この時、二次巻線３２に誘起電圧
が発生する。この誘起電圧はトランス３の二次巻線３２
に接続された出力整流平滑回路４により直流に変換さ
れ、出力される。

【００３３】制御回路６は出力整流平滑回路４から出力
される出力電圧Ｖｏが一定となるように出力電圧が高い
場合は動作周波数を増加し、出力電圧が低い場合には動
作周波数を低下するように、スイッチング回路１を制御
する。これにより、定電圧出力が得られる。

【００３４】次に過電流保護動作について説明する。図
２は図１に示したスイッチング電源の各部の波形図、図
３は図２に示された電圧、電流の位置を示す図である。
図２及び図３はスイッチング回路２を構成するスイッチ
ング素子１１及び１２のうち、スイッチング素子１２の
オン、オフ動作に伴う各部波形を示している。スイッチ
ング素子１１のオン、オフ動作に伴う各部波形について
も、図２に示す波形図から、容易に類推できるので、図
示は省略する。

【００３５】図２（ａ）はスイッチング素子１２のドレ
ーン・ソース間電圧波形、図２（ｂ）はスイッチング素
子１２のドレーン、ソースに流れる電流の波形、図２
（ｃ）は共振インダクタ２２に現れる端子電圧ＶＬの波
形、図２（ｄ）はトランス３の一次巻線３１に現れる電
圧ＶＴの波形、図２（ｅ）は共振コンデンサ２１に現れ
る端子電圧ＶＣの波形、図２（ｆ）はトランス３の二次
巻線３２に含まれる第２の巻線３２２及び第２のダイオ
ード４２２を流れる電流ＩＦの波形をそれぞれ示してい
る。

【００３６】図２の波形図を参照して動作を説明する。
スイッチング素子１２がオンからオフに移行（図２
（ａ）参照）した場合、出力整流ダイオード４２２を流
れる電流が減少し始める。出力整流平滑回路４の出力チ
ョークコイル４１１はそれまで流れていた電流を維持す
るように動作するから、出力ダイオード４２２の低下し
た電流とほぼ同じ値の電流が出力ダイオード４２１に流
れる。これにより、転流期間Ｔｄが発生する。

【００３７】転流期間Ｔｄの時間的長さは、スイッチン
グ回路１、共振回路２及びトランス３の一次巻線３１を
含む回路ループの定数値および出力電流によって定まる
もので、同一出力電流では、ほぼ一定と見ることができ
る。従って、スイッチング周波数を高くした場合、スイ
ッチングの一周期Ｔにおいて、転流期間Ｔｄが占める時
間的割合が大きくなる。

【００３８】転流期間Ｔｄにおいては、トランス３の一
次巻線３１には電圧ＶＴは発生しない（図２（ｄ）参
照）。従って、転流期間Ｔｄにおいて、スイッチング回
路１、共振回路２及びトランス３の一次巻線３１を含む
回路ループに印加される入力電圧は、共振回路２を構成
する共振コンデンサ２１と、共振インダクタ２２とによ
って、端子電圧ＶＣ及び端子電圧ＶＬとして分担される
（図２（ｃ）、（ｅ）参照）。

【００３９】本発明においては、転流期間Ｔｄに共振イ
ンダクタ２２に現れる端子電圧ＶＬに着目し、端子電圧
ＶＬを過電流検出信号Ｓ１として用いる。

【００４０】一般に、共振型スイッチング電源では、共
振コンデンサ２１及び共振インダクタ２２に現れる端子
電圧の振幅値は、出力電力の増大と共に大きくなる。従
って、出力電圧Ｖｏが定電圧である領域では、図４に示
すように、出力電流Ｉｏの増大とともに、共振インダク
タ２２（及び共振コンデンサ２１）に現れる端子電圧Ｖ
Ｌが高くなる。また、この端子電圧ＶＬの平均値（電圧
時間積）Ｓ１も同様である。

【００４１】制御回路６はこの平均値Ｓ１が設定値を超
えた場合、過電流とみなし、その動作周波数を増加さ
せ、出力電圧Ｖｏを低下させる保護動作を与える。出力
電圧Ｖｏが低下すると出力電力Ｖｏが低下し、共振イン
ダクタ２２の電圧も低下しようとするが、出力電圧Ｖｏ
を低下させるために、動作周波数が高くなっているの
で、転流期間Ｔｄの時間比率が高くなっており、共振イ
ンダクタ２２の端子電圧ＶＬの平均値（電圧時間積）Ｓ
１は減少しない。従って、過電流領域でも安定した過電
流信号を得ることができるので、定電流電圧垂下特性
（図５参照）を容易に達成することができる。

【００４２】上記説明から明らかなように、定電流電圧
垂下特性を得るには、共振インダクタ２２の端子電圧Ｖ
Ｌの平均値を過電流検出信号Ｓ１として用いるのが合理
的である。図１に示す過電流保護回路５は、全波整流回
路５１と、インダクタ５２及びコンデンサ５３より構成
されるロ−パスフィルタとにより、共振インダクタ２２
に生じた端子電圧ＶＬの平均値を得るようになってい
る。

【００４３】図６は本発明に係るスイッチング電源の他
の実施例を示す図である。図において、図１と同一の構
成部分には同一の参照符号を付与し、説明は省略する。
この実施例では、共振インダクタ２２に巻線５４を付加
し、巻線５４に生じた電圧を過電流検出のために用い
る。

【００４４】図７は本発明に係るスイッチング電源の他
の実施例を示す図である。図において、図１と同一の構
成部分には同一の参照符号を付与し、説明は省略する。
この実施例では、抵抗５５及びコンデンサ５３より構成
される積分回路により、平均化された過電流検出信号Ｓ
１を得るようになっている。

【００４５】以上、好ましい実施例を参照して、本発明
の内容を説明したが、当業者であれば、本発明の基本的
技術思想、開示された技術内容等から、種々の変更、修
正を行なうことができることは自明である。

【００４６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、簡
単な回路によって定電流電圧垂下型の過電流制御を行う
ことの可能な共振型スイッチング電源を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスイッチング電源の電気回路図で
ある。

【図２】図１に示したスイッチング電源の各部の波形図
である。

【図３】図２に示された電圧、電流の位置を示す図であ
る。

【図４】出力電流Ｉｏと共振インダクタ２２に現れる端
子電圧ＶＬとの関係を示すグラフである。

【図５】本発明に係るスイッチング電源の定電流垂下特
性例を示す図である。

【図６】本発明に係るスイッチング電源の別の実施例を
示す電気回路図である。

【図７】本発明に係るスイッチング電源の更に別の実施
例を示す電気回路図である。

【符号の説明】

１スイッチング回路２共振回路２１共振コンデンサ２２共振インダクタ３トランス３１一次巻線３２二次巻線４出力整流平滑回路５過電流保護回路６制御回路

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】２つのスイッチング素子と、共振回路
と、トランスと、出力整流平滑回路と、過電流保護回路
とを有するスイッチング電源であって、前記２つのスイッチング素子は、直列に接続され、直列
回路の両端が直流電源に導かれ、交互に駆動されるもの
であり、前記トランスは、少なくとも、一次巻線と、二次巻線と
を含んでおり、前記共振回路は、共振コンデンサと、共振インダクタと
を有しており、前記共振コンデンサ、前記共振インダクタ及び前記トラ
ンスの前記一次巻線は直列に接続され、直列回路の両端
が前記２つのスイッチング素子の接続点と、前記２つの
スイッチング素子によって構成される前記直列回路の一
端との間に接続されており、前記出力整流平滑回路は、出力チョークコイルを含み、
前記トランスの前記二次巻線に接続され、前記過電流保護回路は、前記共振インダクタに生じる電
圧を検出し、検出された電圧信号に基づいて、前記スイ
ッチング素子に対し、その動作周波数を増加させ、出力
電圧を低下させる保護動作を与えるスイッチング電源。
【請求項２】請求項１に記載されたスイッチング電源
であって、前記過電流保護回路は、前記共振インダクタに生じる前
記電圧を平均化する回路を含むスイッチング電源。
【請求項３】請求項１に記載されたスイッチング電源
であって、前記共振インダクタに誘導結合する巻線を有しており、前記過電流保護回路は、前記巻線に誘導される電圧を検
出するスイッチング電源。