JPH1023749A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】降圧用スイッチング素子の駆動用昇圧電源を有
する降圧または昇降圧チョッパ方式のスイッチング電源
装置を安定に動作させる。 【解決手段】チャージポンプ昇圧電源の波形は方形波で
あるため、ダイオードとキャパシタで整流し安定な昇圧
電圧を得る。また昇圧電源作成用の基準電圧源を制御部
の電源として使用し、昇圧電圧はトランジスタおよびに
負担させ制御部は高電圧部を含まない構成とする。さら
にチャージポンプ昇圧電源と入力電圧昇圧形の補助コン
バータとを併用することにより、チャージポンプ昇圧電
源による昇圧電圧が降圧用スイッチング素子のゲート電
圧より低い場合、あるいは降圧動作時で降圧用スイッチ
ング素子が連続してオンしスイッチングを行わずチャー
ジポンプ昇圧電源が動作しない場合、補助コンバータに
切り換えてスイッチング動作に必要なゲート電圧を得
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はいわゆる降圧形や昇
降圧形のスイッチング電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上述の降圧形や昇降圧形のスイッチング
電源装置では、その入力側の電源電圧がスイッチングト
ランジスタに常に掛かった状態で動作することが多く、
このため起動時はもちろん起動後にもスイッチングトラ
ンジスタが絶縁ゲート形の場合はゲートを、バイポーラ
形の場合はベースをそれぞれ駆動するために、入力電圧
より若干でも高い電圧が必要になる。この電圧を装置内
で作るため、従来から昇圧形のコンバータを組み込むな
どして、入力電圧をそれより高い電圧に変換してスイッ
チングトランジスタの制御部に給電するのが通例であ
る。

【０００３】かかる従来の降圧または昇降圧チョッパ方
式のスイッチング電源装置における昇圧電源は、図９に
示されるように入力電圧昇圧形の補助コンバータ等のよ
うな単独の別電源を用いる方式か、図７または図８に示
されるように入力電圧または基準電圧（５Ｖ、１０Ｖ
等）と降圧用フライホイールダイオードのカソード間に
キャパシタを接続して、降圧用スイッチング素子のスイ
ッチングを利用し昇圧電源を得る方式である。

【０００４】図９のスイッチング電源装置は直流の電源
１から入力電圧Ｖi を受けてそれより低い一定値の出力
電圧Ｖo を負荷９に出力する降圧形であり、入力電圧Ｖ
i を受ける図示の例では電界効果形であるスイッチング
トランジスタ３によりリアクトル５に流す電流を所定の
周期でオンオフし、かつスイッチングトランジスタ３の
オフ状態ではフリーホイーリング電流をダイオード４を
介してリアクトル５に流しながら、リアクトル５の図で
は右側の電流流出側の電圧をキャパシタ６により安定化
して一定の出力電圧Ｖo として取り出すように構成され
ている。

【０００５】図の中央部にブロックで示すスイッチング
電源装置の制御部２５は、通例のように出力電圧Ｖo の
実際値を抵抗７、８により分圧して入力し、それを常に
一定に保つようにスイッチングトランジスタ３をオンオ
フ制御するが、スイッチングトランジスタ３には入力電
圧Ｖi が掛かっているのでそのゲートを駆動するには入
力電圧Ｖi より高い電圧が必要になる。

【０００６】昇圧形の補助コンバータ２６は入力電圧Ｖ
i をこの必要な電圧に変換するためのもので、入力電圧
Ｖi を受けるリアクトル１７に流れる電流をトランジス
タ２２によりオンオフさせながら、リアクトル１７の図
の右端の脈動電圧をダイオード１０を介して取り出し、
キャパシタ１３により平滑化かつ安定化して制御部２５
に給電する。なお、起動時はキャパシタ２、１３が先ず
入力電圧Ｖi により充電され、次に制御部２５がその充
電電圧を受けてトランジスタ２２のオンオフ制御を開始
し、これにより補助コンバータ２６が運転状態に入って
制御部２５に対する給電電圧を確立する。

【０００７】図７のスイッチング電源装置は、入力電圧
Ｖi を制御部２５に与える方向にのみ導通するダイオー
ド１０と、チャージポンプ用のキャパシタ１５が設けら
れている。この回路はスイッチングトランジスタ３がス
イッチングを開始すると、そのオフ状態ではフリーホイ
ーリング電流をリアクトル５に流すようにダイオード４
が導通してリアクトル５の電流流入側の電位が下がるの
で、キャパシタ１５が制御部２５の給電点に付与されて
いる操作電圧により充電され、次にスイッチングトラン
ジスタ３がオンするとリアクトル５の電流流入側の電位
がほぼ入力電圧Ｖi まで上昇しかつダイオード４が非導
通状態になるので、いわゆるチャージポンプ作用によっ
てキャパシタ１５の充電電圧が入力電圧Ｖi だけさらに
持ち上げられ、これが入力電圧Ｖi より高い給電電圧と
して制御部２５の給電点に与えられる。

【０００８】図８のスイッチング電源装置は、５Ｖ、１
０Ｖ等の基準電圧源１６が更に設けられている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】従来の降圧または昇降
圧チョッパ方式のスイッチング電源装置における昇圧電
源として、図９に示されるように補助コンバータ２６を
組み込む従来のスイッチング電源装置では、制御部２５
に入力電圧Ｖi より高い電圧を給電してスイッチングト
ランジスタ３を確実にオンオフ制御できるが、その運転
中を通じ必ず補助コンバータ２６を動作させておく必要
があるので、その消費電力分だけスイッチング電源装置
全体の電力の利用効率が低下する問題がある。

【００１０】この効率低下の割合は電源装置の出力容量
が小さいほど著しくなり、補助コンバータ２６の消費電
力を減少させると体格が大きくなるので電源装置全体も
大形化してしまう。そこで、図７または図８に示される
ように入力電圧または基準電圧（５Ｖ、１０Ｖ等）と降
圧用フライホイールダイオードのカソード間にキャパシ
タを接続する方式とすると、降圧用スイッチング素子の
スイッチングを利用して昇圧するため、部品点数が少な
く損失も小さくすることが出来るが、次のような課題が
ある。

【００１１】（１）昇圧電源の波形が方形波であり安定
した直流電圧ではないため、制御系が不安定動作となる
場合がある。 （２）降圧用スイッチング素子を駆動するための昇圧電
源を使用しているので、制御部には入力電圧よりもさら
に高い電圧が印加されることになり、制御部内の制御回
路に対する高電圧部からのノイズ等の影響を低減するた
めに高電圧部を分離するなどの配慮が必要となる。ま
た、制御部の絶対最大定格電圧により入力電圧の上限値
が制約されてしまう。

【００１２】（３）降圧用スイッチング素子がスイッチ
ングしない場合（降圧時でオン／オフのデューティ比が
１００％の場合、あるいは昇圧動作時）や、入力電圧が
低く基準電圧が充分とれない場合は、回路が動作しなく
なる。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この課題を解決するため
に、 （１）従来のチャージポンプ回路の出力部にダイオード
とキャパシタを挿入して整流することにより、昇圧電圧
を安定化し制御系の動作の安定化をはかることができ
る。

【００１４】（２）従来のチャージポンプ回路に使用し
ている基準電圧（５Ｖ、１０Ｖ等）をそのまま制御部の
電源として使用し、チャージポンプ回路の出力部と降圧
用スイッチング素子のゲート間にトランジスタとダイオ
ードを追加接続して、このトランジスタを制御部の出力
段トランジスタで制御する。これにより高電圧は挿入し
たトランジスタに負担させ、制御部は低電圧源で駆動さ
れる回路のみとなるため、制御部を安定に動作させるこ
とが容易となり、また入力電圧の上限値は制御部の絶対
最大定格電圧に左右されなくなる。

【００１５】（３）昇圧電源として、出力電圧と降圧用
フライホイールダイオードのカソード間にキャパシタを
接続したチャージポンプ昇圧電源と、入力電圧昇圧形の
補助コンバータとを併用することにより、電源の使用環
境に応じて、チャージポンプ昇圧電源による昇圧電圧が
降圧用スイッチング素子のゲート電圧より低い場合、あ
るいは降圧動作時でオン／オフのデューティ比が１００
％となり降圧用スイッチング素子がスイッチングを行わ
ずチャージポンプ昇圧電源が動作しない場合に、入力電
圧昇圧形の補助コンバータが動作して降圧用スイッチン
グ素子のスイッチング動作に必要なゲート電圧を得るこ
とができ、安定して動作するスイッチング電源とするこ
とができる。

【００１６】

【発明の実施の形態】図１、図２および図３は本発明の
請求項１に関する実施例の回路図である。図１におい
て、スイッチングトランジスタ３のオン／オフのデュー
ティ比を連続オン状態を避けるため１００％未満に設定
しておく。起動時はダイオード１０および１１を通して
入力電源１から制御部２５に電圧が印加されて回路が動
作してスイッチングトランジスタ３がオンし、スイッチ
ングトランジスタ３のソース電圧が上昇することにより
ダイオード１０のカソード側に昇圧電圧を得る。

【００１７】スイッチングトランジスタ３がオフすると
ダイオード４がオンしスイッチングトランジスタ３のソ
ースが電圧０Ｖ側に接続されることにより、ダイオード
１０がオンしキャパシタ１５を充電する。このときダイ
オード１０のカソード側はほぼ入力電圧と同じになる。
従ってスイッチングトランジスタ３のスイッチング動作
によりダイオード１０のカソード電圧は、スイッチング
トランジスタ３がオンした時は入力電圧のほぼ２倍の電
圧に、スイッチングトランジスタ３がオフした時はほぼ
入力電圧になる方形波となる。

【００１８】この電圧をダイオード１１を通して整流す
ることにより、キャパシタ１３は常に入力電圧のほぼ２
倍の電圧に安定する。図１の方式は、入力電圧がスイッ
チングトランジスタ３のゲート耐圧より高い場合、ある
いは必要以上に昇圧電圧を高くしたくない場合には使用
することができない。その場合には図２の方式を用い
る。

【００１９】図２において、制御部２５への昇圧電源と
して入力電源１の代わりに基準電圧源１６を用いること
により常に一定の昇圧電圧を得ることができる。ここで
基準電圧源１６としては、例えばゲート電圧として５Ｖ
が欲しい時には、５Ｖにダイオードの電圧降下を考慮し
た７〜８Ｖのシリーズレギュレータを使用する。さら
に、出力電圧と必要なゲート電圧とが等しい場合には、
図３を用いる。

【００２０】図３において、基準電圧源１６を用いたチ
ャージポンプ昇圧電源と出力電圧を用いたチャージポン
プ昇圧電源をダイオード１０および１２を介して並列に
接続し、基準電圧源１６は出力電圧よりも低い電圧に設
定しておく。十分な出力電圧が得られるときにはダイオ
ード１０により基準電圧源１６からの電流を遮断し、昇
圧電源部の電力損失を低減することができる。

【００２１】図４は本発明の請求項２に関する実施例の
回路図である。図４において、昇圧方式は図３と同じで
あるが、昇圧電圧は制御部２５には印加せずにトランジ
スタ２０および２１に印加する。制御部２５のトランジ
スタ１８がオンするとトランジスタ２０および２１とダ
イオード１１がオンしてスイッチングトランジスタ３が
オンする。トランジスタ１８がオフするとトランジスタ
２０および２１とダイオード１１はオフしトランジスタ
１９がオンしてスイッチングトランジスタ３はオフす
る。制御部２５の電源を入力電源１からではなく基準電
圧源１６の出力（ダイオード１０のアノード）からとる
ことにより制御部２５は高電圧部を含まず、低耐圧の制
御回路の使用が可能となる。

【００２２】図５および図６は本発明の請求項３に関す
る実施例の回路図である。図５は、図３の実施例におい
て基準電圧源１６を用いたチャージポンプ昇圧電源のか
わりに入力電圧昇圧形の補助コンバータを用いている。
ダイオード１０はダイオード１１のカソード側に接続さ
れている。出力電圧を用いたチャージポンプ昇圧電源か
ら得られる電圧が、ゲート電圧より低い場合あるいはス
イッチングトランジスタ３が１００％オン状態の場合に
は、補助コンバータが動作する。

【００２３】ここで、補助コンバータで得られる電圧を
チャージポンプ昇圧電源から得られる電圧よりやや低め
に設定（例えば補助コンバータは（入力電圧＋５Ｖ）に
設定し、チャージポンプ昇圧電源は（入力電圧＋６Ｖ）
に設定）しておくと、チャージポンプ昇圧電源が正常に
動作している時は、補助コンバータは設定電圧より高い
電圧のために自動的にスイッチングを停止しダイオード
１０により遮断される。チャージポンプ昇圧電源が正常
に動作しなくなり設定電圧より低くなると、補助コンバ
ータは自動的にスイッチングを開始し昇圧電圧が得られ
る。

【００２４】なお上記の図１〜図５を用いて組み合わせ
ることも可能である。図５は降圧チョッパ方式の回路の
みを示したが昇降圧チョッパ方式の回路にも応用が可能
でありその実施例を図６に示す。

【００２５】

【発明の効果】チャージポンプ回路の出力部にダイオー
ドとキャパシタを挿入して整流することにより安定した
昇圧電源が得られるので、回路動作が安定し、またこの
電圧は制御部用の電源としても使用できるため従来必要
であった昇圧電源専用端子が不要となり、汎用回路が使
用し易くなる。

【００２６】チャージポンプ回路の昇圧電源をスイッチ
ング素子と制御部との間に与えることにより制御部は高
電圧部を含まず、低耐圧の制御回路が使用できる。チャ
ージポンプ昇圧電源と補助コンバータとを併用すること
により入力電圧が低い時や、降圧用スイッチング素子が
スイッチングしない時、さらに昇圧動作時でも充分昇圧
電圧を得ることができる。また、入力電圧が高く降圧用
スイッチング素子がスイッチングしているときは、入力
電圧昇圧形の補助コンバータを完全に停止し降圧用のス
イッチングを利用することにより、低損失なゲート駆動
用電源を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す回路図

【図２】本発明の第２の実施例を示す回路図

【図３】本発明の第３の実施例を示す回路図

【図４】本発明の第４の実施例を示す回路図

【図５】本発明の第５の実施例を示す回路図

【図６】本発明の第６の実施例を示す回路図

【図７】従来回路例１を示す図

【図８】従来回路例２を示す図

【図９】従来回路例３を示す図

【符号の説明】

１…入力電源、 ２，６，１３，１４，１５…キャパシタ、 ３，２３…スイッチングトランジスタ、 ４，１０，１１，１２，２４…ダイオード、 ５，１７…リアクトル、 ７，８…抵抗、 ９…負荷、 １６…基準電圧源、 １８，１９，２０，２１，２２…トランジスタ、 ２５…制御部、 ２６…昇圧形補助コンバータ。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スイッチング用のトランジスタによりリア
   クトルに流す電流をオンオフしかつトランジスタのオフ
   時に第一のダイオードを介してフリーホイーリング電流
   をリアクトルに流しながらリアクトルの電流流出側から
   出力電圧を取り出すスイッチング電源装置であって、リ
   アクトルの電流流入側と制御部の給電点の間に接続され
   た第一のキャパシタと、該第一のキャパシタと制御部と
   の間に接続された第二のダイオードと、該第二のダイオ
   ードのカソード側へ接続されて前記第一のキャパシタか
   らの電圧を安定させる第二のキャパシタを設けたことを
   特徴とするスイッチング電源装置
2. 【請求項２】降圧用スイッチング素子を駆動するため
   の、基準電圧源と降圧用フライホイールダイオードのカ
   ソード間に第一のキャパシタを接続して成る昇圧電源を
   有する降圧チョッパ方式または昇降圧チョッパ方式のス
   イッチング電源装置において、前記昇圧電源の電圧を前
   記スイッチング素子と制御部との間に供給したことを特
   徴とするスイッチング電源装置
3. 【請求項３】降圧用スイッチング素子の駆動用昇圧電源
   を有する降圧チョッパ方式または昇降圧チョッパ方式の
   スイッチング電源装置において、出力電圧と降圧用フラ
   イホイールダイオードのカソード間に第一のキャパシタ
   を接続して成る昇圧電源と、入力電圧昇圧形の補助コン
   バータとを並列に接続して前記昇圧電源としたことを特
   徴とするスイッチング電源装置