JPH10225122A

JPH10225122A - スイッチング電源

Info

Publication number: JPH10225122A
Application number: JP9025661A
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: 1997-02-07
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 1998-08-21

Abstract

(57)【要約】【課題】動作周波数が共振周波数より高い周波数で運
転する共振型スイッチング電源において、動作周波数の
下限値を、予め設定する必要のないスイッチング電源を
提供する。【解決手段】共振用コンデンサ２１、共振用インダクタ
２２及びトランス３の一次巻線３１は直列に接続され、
直列回路の両端がスイッチング素子１１、１２の接続点
と、電源７の一端との間に接続されている。共振電流検
出回路５は共振回路２を流れる共振電流Ｉｒを検出す
る。制御部６は、スイッチング素子１１、１２を、共振
回路２の共振周波数ｆｏよりも高い周波数領域で動作さ
せると共に、共振電流検出回路５から供給される検出信
号Ｓ３に基づいて、共振電流Ｉｒがゼロになる前にスイ
ッチング素子１１、１２をオフにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、共振回路を用いた
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。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りスイッチングし、スイッ
チング出力を共振回路で共振させ、共振出力を、トラン
スの巻線を介して取り出し、直流に変換して出力する。

【０００３】スイッチング電源のスイッチング動作は、
制御部から供給される制御信号によって制御される。一
般には、共振回路の共振周波数より高い周波数領域に設
定された周波数領域で制御されるものと、共振周波数よ
り低い周波数領域に設定された周波数領域で制御される
ものとがある。本発明に係るスイッチング電源は、前者
の範疇に入る。

【０００４】動作周波数が共振周波数より高い周波数で
運転する共振型スイッチング電源においては、負荷が増
加し、出力電圧が低下した場合には動作周波数を低く
し、負荷が軽くなったり出力電圧が高くなった場合に
は、動作周波数を高くすることにより、出力電圧を安定
化する。

【０００５】しかし、動作周波数が共振周波数よりも低
くなった場合、出力電圧を上昇させるために周波数を低
下させると出力電圧がさらに低下し、制御不能となる問
題がある。そこで従来は、動作周波数の範囲が共振周波
数を下回らないように発振周波数の下限をあらかじめ決
めておき、その値は、固定であった。

【０００６】しかしながら、素子のばらつきや経時変化
等により、条件が変化するので、下限周波数固定では制
御範囲が狭くなるという欠点を生じる。この問題を解決
する手段として、例えば、特開平１−２６４５６４号公
報は、帰還用ダイオードに電流が流れたことを検出する
ことにより、動作周波数が共振周波数よりも低くなった
ことを検知する技術を開示している。しかしながら、帰
還用ダイオードに電流が流れたことを検出する上記先行
技術の場合、共振電流がゼロになったことを検出するの
と等価であり、ＺＶＳ（ゼロボルトスイッチング）動作
には適していない。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明の主な課題は、
動作周波数が共振周波数より高い周波数で運転する共振
型スイッチング電源において、動作周波数の下限値を、
あらかじめ設定する必要のないスイッチング電源を提供
することである。

【０００８】本発明のもう一つの課題は、動作周波数が
共振周波数より高い周波数で運転する共振型スイッチン
グ電源において、素子のばらつきや経時変化等による条
件に関わらず、安定した動作の可能なスイッチング電源
を提供することである。

【０００９】本発明のもう一つの課題は、動作周波数が
共振周波数より高い周波数で運転する共振型スイッチン
グ電源において、共振電流をゼロにすることなく、安定
した動作の可能なスイッチング電源を提供することであ
る。

【００１０】

【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、共振電流検出回路と、制御
部とを有する。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、二次巻線とを含む。前記共振回路は、共振用コンデ
ンサと、共振用インダクタとを有する。

【００１１】前記共振用コンデンサ、前記共振用インダ
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。

【００１２】前記出力整流平滑回路は、前記トランスの
前記二次巻線に接続されている。

【００１３】前記共振電流検出回路は、前記共振回路を
流れる共振電流を検出する。

【００１４】前記制御部は、前記スイッチング回路に制
御信号を与え、スイッチング回路を、前記共振回路の共
振周波数よりも高い周波数領域で動作させ、前記共振電
流検出回路から供給される検出信号に基づいて、前記共
振電流がゼロになる前に、前記スイッチング素子をオフ
にする。

【００１５】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。

【００１６】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用コンデンサ及び
共振用インダクタと、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。

【００１７】制御部は、定常時は、スイッチング素子に
制御信号を与え、スイッチング素子を、共振回路の共振
周波数よりも高い周波数領域で動作させる。このスイッ
チング制御方式は、負荷が増加し、出力電圧が低下した
場合には動作周波数を低くして出力電圧を安定化し、負
荷が軽くなったり出力電圧が高くなった場合には、動作
周波数を高くし、出力電圧を安定化する制御方式であ
る。

【００１８】動作周波数が共振周波数より高い周波数で
運転する共振型スイッチング電源では、既に述べたよう
に、動作周波数が共振周波数よりも低くなった場合、出
力電圧がさらに低下し、制御不能となる問題がある。こ
の問題を解決するための手段として、本発明において
は、共振電流検出回路から供給される検出信号に基づい
て、共振電流がゼロになる前に、スイッチング素子をオ
フにする。従って、動作周波数が共振周波数よりも低く
なることがない。

【００１９】しかも、共振電流検出回路から供給される
検出信号に基づいて、スイッチング素子を自動的に制御
するので、動作周波数の下限値を、あらかじめ設定する
必要がない。

【００２０】更に、共振回路を構成する素子の定数値が
変化しても、適正な動作周波数に自動的に制限できる。
このため、素子のばらつきや経時変化等による条件に関
わらず、安定した動作を確保することができる。

【００２１】この結果、素子の動作周波数が共振周波数
より低くなり、制御不能に陥ったり、ＺＶＳができなく
なったり、スイッチング損失やノイズの増大といった不
具合が発生しなくなる。

【００２２】

【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、共振電
流検出回路５と、制御部６とを有する。

【００２３】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。

【００２４】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。

【００２５】共振回路２は、共振用コンデンサ２１と、
共振用インダクタ２２とを有する。共振用コンデンサ２
１及び共振用インダクタ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、共振用コンデンサ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、共振用インダクタ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
振用コンデンサ２１及び共振用インダクタ２２による直
列共振回路を構成している。

【００２６】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。図示された出力整流平滑回路
４は、出力平滑コンデンサ４１を有するコンデンサイン
プット型であるが、出力チョークコイルを備えたチョー
クインプット型であってもよい。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３
２１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、出力平滑コンデンサ４１の一端に接続
されている。

【００２７】共振電流検出回路５は、共振回路２２を流
れる共振電流Ｉｒを検出する。具体的な回路構成とし
て、共振電流検出回路５は、カレントトランス５１を共
振回路２と直列に接続し、共振電流Ｉｒを検出し、抵抗
５２を接続した２次巻線側において電圧信号に変換す
る。得られた電圧信号を全波整流回路５３のよって全波
整流し、その整流電圧を検出信号Ｓ１として出力する。

【００２８】制御部６は、出力整流平滑回路４４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。制御部６は、また、２つのスイッチ
ング素子１１、１２に制御信号Ｓｏを与え、スイッチン
グ素子１１、１２を、共振回路２の共振周波数ｆｏより
も高い周波数領域で動作させる（図２参照）。この制御
動作は制御部６の主構成要素である制御回路６０によっ
て実行される。制御回路６は、例えば、電圧によって周
波数が制御される電圧制御発振器（ＶＣＯ）によって構
成される。

【００２９】制御部６は、また、共振電流検出回路５か
ら供給される検出信号Ｓ１に基づいて、共振電流Ｉｒが
ゼロになる前に、スイッチング素子１１、１２をオフに
する。

【００３０】上述した制御動作は制御部６の主構成要素
である制御回路６０によって実行される。制御回路６０
の具体例は、電圧によって周波数が制御される電圧制御
発振器（ＶＣＯ）である。

【００３１】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１１、１２を
交互に動作させることにより、入力された直流電源Ｖin
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。

【００３２】２つのスイッチング素子１１、１２の接続
点と、２つのスイッチング素子１１、１２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２を構成す
る共振用コンデンサ２１及び共振用インダクタ２２と、
トランス３の一次巻線３１と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
１１、１２の交互動作により、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ｆｏに対
応した疑似正弦波電流が流れる。このとき、一次巻線３
１と結合する二次巻線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】図２は上述したスイッチング電源の制御部
６の基本的な動作特性を示す図である。制御部６は、定
常時は、スイッチング素子１１、１２に制御信号Ｓc1、
Ｓc2を与え、スイッチング素子１１、１２を、共振回路
２の共振周波数ｆｏよりも高い周波数領域で動作させ
る。

【００３４】負荷が増加し、出力電圧Ｖｏが低下した場
合には、図３に示すように、動作周波数ｆを、周波数ｆ
１からそれより低い周波数ｆ２に変更し、出力電圧Ｖｏ
を上昇させる方向に制御し、出力電圧Ｖｏを安定化す
る。負荷が軽くなったり、あるいは出力電圧Ｖｏが高く
なった場合には、動作周波数ｆを、周波数ｆ２からそれ
より周波数の高い周波数ｆ１に変更し、出力電圧Ｖｏを
安定化する。

【００３５】上記制御方式のスイッチング電源では、既
に述べたように、動作周波数ｆが共振周波数ｆｏよりも
低くなった場合、出力電圧を上昇させるために周波数を
低下させると出力電圧Ｖｏがさらに低下し、制御不能と
なる。制御不能を引き起こす臨界点は、動作周波数ｆが
共振周波数ｆｏと一致し、共振電流Ｉｒ＝０となる点
（図３参照）である。

【００３６】そこで、本発明においては、共振電流検出
回路５から供給される検出信号Ｓ１に基づいて、共振電
流Ｉｒがゼロになる前に、スイッチング素子１１、１２
をオフにする。従って、動作周波数ｆが共振周波数ｆｏ
よりも低くなることがない。

【００３７】しかも、共振電流検出回路５から供給され
る検出信号Ｓ１に基づいて、スイッチング素子１１、１
２を自動的に制御するので、動作周波数ｆの下限値を、
予め設定する必要がない。

【００３８】更に、共振回路２を構成するコンデンサ２
１、インダクタ２２等の素子の定数値が変化しても、適
正な動作周波数ｆに自動的に制限できる。このため、素
子のばらつきや、経時変化等による条件に関わらず、安
定した動作の可能なスイッチング電源を得ることができ
る。

【００３９】具体的な回路構成として、共振電流検出回
路５は、カレントトランス５１を共振回路２と直列に接
続し、共振電流Ｉｒを検出し、電圧信号に変換する。得
られた電圧信号を全波整流し、動作状態を検出する検出
信号Ｓ１として出力する。

【００４０】制御部６は、比較回路６１を含む。比較回
路６１は、共振電流検出回路５から供給された検出信号
Ｓ１を、制御信号Ｓc1、Ｓc2に同期した波形信号Ｓ２と
比較し、検出信号Ｓ１の値が波形信号Ｓ２のピーク値よ
りも低下しようとしたときに、スイッチング素子１１、
１２をオフ動作させる信号Ｓ３を生成する。

【００４１】比較回路６１を用いた場合、制御部６は、
更に、波形信号生成回路６２を含む。波形信号生成回路
６２は、制御信号Ｓc1、Ｓc2に同期した電圧波形信号を
生成し、比較回路６１に供給する。波形信号生成回路６
２の好ましい具体例は鋸歯状波生成回路である。図示さ
れた波形信号生成回路６２は、制御回路６０から独立し
た状態で示されているが、制御回路６０は、通常、鋸歯
状波発振回路を有し、この発振回路を利用して制御信号
Ｓc1、Ｓc2を生成している。従って、制御回路６０に備
えられた鋸歯状波発振器を、波形信号生成回路６２とし
て用いることが、回路構成の簡素化、及び、同期化の上
から、合理的であり、好ましいことである。

【００４２】上記実施例において、比較回路６１は、検
出信号Ｓ１と、鋸歯状波信号Ｓ２とを比較し、検出信号
Ｓ１が鋸歯状波信号Ｓ２を下回った場合、スイッチング
素子１１、１２をオフにさせる信号Ｓ３を、制御回路６
０に供給する。制御回路６０は、信号Ｓ３が供給された
場合、制御信号Ｓc1、Ｓc2による制御動作に優先して、
スイッチング素子１１、１２をオフにさせる。

【００４３】鋸歯状波のスロープを適当に選べば、ＺＶ
Ｓに必要な共振電流Ｉｒが流れている状態で、スイッチ
ング素子１１、１２をオフさせることができる。これに
より、共振回路２の素子の値が変化しても適正な動作周
波数ｆに制限できるので、動作周波数ｆが共振周波数ｆ
ｏより低くなり、制御不能に陥ったり、ＺＶＳができな
くなったり、スイッチング損失やノイズの増大といった
不具合が発生しなくなる。

【００４４】図４に図１に示された具体的回路の定常時
の動作波形を示す。スイッチング素子１１、１２は、制
御回路６０から供給される制御信号Ｓc1、Ｓc2（図４
(Ａ)参照）によって、あるデッドタイムＴd1を持って、
交互にオン、オフするように駆動される（図４(Ｂ)、
(Ｃ)参照）。

【００４５】スイッチング素子１１、１２のスイッチン
グ動作によって、共振回路２には図４(Ｄ)のような共振
電流Ｉｒが流れる。この共振電流Ｉｒをカレントトラン
ス５１によって電圧信号として検出し、得られた電圧信
号を整流回路５３によって全波整流する。これにより、
図４(Ｅ)のような検出信号Ｓ１が得られる。検出信号Ｓ
１は比較回路６１に供給される。

【００４６】一方、波形信号生成回路６２において、制
御信号Ｓc1、Ｓc2に同期した鋸歯状波形信号Ｓ２（図４
(Ｆ)参照）を生成する。この鋸歯状波形信号Ｓ２は比較
回路６１に供給され、検出信号Ｓ１と比較される。動作
周波数ｆが共振周波数ｆｏよりも高い定常動作状態で
は、スイッチング素子１１（または１２）がオンとなる
タイミングでは、検出信号Ｓ１の電圧値Ｅｄ（図４(Ｅ)
参照）が鋸歯状波信号Ｓ２の値Ｅｒよりも高くなってお
り、それによって、上述した安定化制御が行なわれる。

【００４７】次に、負荷が増加し、出力電圧Ｖｏが低下
したため、それに対応して、動作周波数ｆが低くなり、
共振周波数ｆｏに近づいた場合について、図５を参照し
て説明する。この場合は、スイッチング素子１１（また
は１２）がオンとなるタイミングにおける検出信号Ｓ１
の電圧値Ｅｄは、動作周波数ｆが共振周波数ｆｏに近付
くほど、低くなる（図５(Ｅ)参照）。そして、動作周波
数ｆが共振周波数ｆｏに近づいたとき、検出信号Ｓ１の
電圧値Ｅｄが鋸歯状波信号Ｓ２の値Ｅｒを下回るように
なり、比較回路６１から信号Ｓ３が出力される。制御回
路６０は、比較回路６１から信号Ｓ３が供給されたと
き、スイッチング素子１１、１２をオフにする。検出信
号Ｓ１の電圧値Ｅｄが鋸歯状波信号Ｓ２の値Ｅｒを下回
るタイミングは、回路設計によって任意に設定できる。
重要なことは、共振電流Ｉｒがゼロになる前に、スイッ
チング素子１１、１２をオフにするような回路設計を行
なうことである。

【００４８】以上、実施例を参照して、本発明の内容を
具体的に説明したが、当業者であれば、発明の基本的技
術思想及び教示に基づいて、種々の変形を行なうことが
できることは自明である。

【００４９】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような効果を得ることができる。（ａ）動作周波数が共振周波数より高い周波数で運転す
る共振型スイッチング電源において、動作周波数の下限
値を、あらかじめ設定する必要の無い、スイッチング電
源を提供することができる。（ｂ）動作周波数が共振周波数より高い周波数で運転す
る共振型スイッチング電源において、素子のばらつきや
経時変化等による条件に関わらず、安定した動作の可能
なスイッチング電源を提供することができる。（ｃ）動作周波数が共振周波数より高い周波数で運転す
る共振型スイッチング電源において、共振電流をゼロに
することなく、安定した動作の可能なスイッチング電源
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】本発明に係るスイッチング電源の基本動作を説
明する図である。

【図３】本発明に係るスイッチング電源の制御動作を説
明する図である。

【図４】図１に示した実施例の定常動作を示すタイムチ
ャートである。

【図５】図１に示した実施例において、動作周波数ｆが
共振周波数ｆｏに近づいた場合の動作を示すタイムチャ
ートである。

【符号の説明】

１１スイッチング素子１２スイッチング素子２共振回路２１共振用コンデンサ２２共振用インダクタ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共振電流検出回路６制御部６０制御回路６１比較回路６２波形信号生成回路

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、共振電流検出回路と、制御部とを含むスイッチング
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、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、共振用コンデンサと、共振用インダク
タとを有しており、前記共振用コンデンサ、前記共振用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、前記トランスの前記二次巻線
に接続され、前記共振電流検出回路は、前記共振回路を流れる共振電
流を検出し、前記制御部は、前記スイッチング素子に制御信号を与え
てスイッチング素子を、前記共振回路の共振周波数より
も高い周波数領域で動作させ、前記共振電流検出回路か
ら供給される検出信号に基づいて、前記共振電流がゼロ
になる前に、前記スイッチング素子をオフにするスイッ
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、前記制御部は、比較回路を含んでおり、前記比較回路は、前記共振電流検出回路から供給された
前記検出信号を、前記制御信号に同期した波形信号と比
較し、前記検出信号の値が前記波形信号よりも低下した
ときに、前記スイッチング素子をオフ動作させる信号を
出力するスイッチング電源。
【請求項３】請求項２に記載されたスイッチング電源
であって、前記制御部は、更に、波形信号生成回路を含んでおり、前記波形信号生成回路は、前記制御信号に同期した波形
信号を生成し、前記比較回路に供給するスイッチング電
源。
【請求項４】請求項３に記載されたスイッチング電源
であって、前記波形信号生成回路は、鋸歯状波を生成するスイッチ
ング電源。