JPH11313484A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 スイッチング素子のターンオン／オフ時にお
けるスイッチング損失を低減できるスイッチング電源装
置を提供する。 【解決手段】 直流電源２に接続されたトランス３の１
次側に流れる電流をスイッチングする主トランジスタ５
を備えてなるスイッチング電源において、上記主トラン
ジスタ５の駆動回路に遅延回路Ｔを設け、この遅延回路
Ｔにより上記主トランジスタ５のターンオンのタイミン
グを遅延させることを特徴とする。これにより、主トラ
ンジスタ５のターンオン時に、コレクタ−エミッタ電圧
Ｖ_CEが印加された状態でコレクタ電流Ｉ_C が流れるのを
防止する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、スイッチング電
源装置に関し、より詳細には、スイッチング電源のスイ
ッチングロスを低減させる技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】給湯器のリモコンなどにおいて給湯温度
の表示等に用いられる蛍光表示管の電源回路として、従
来より、たとえば図３(a) に示すような公知のＲＣＣ方
式（Ringing Choke Converter)のスイッチング電源が用
いられている。

【０００３】この図３(a) に示すスイッチング電源回路
は、直流電源（図示例ではＤＣ１３．５Ｖ）２の両端子
間にトランス３の１次巻線４を介してスイッチング用の
トランジスタ５（以下、主トランジスタ）が接続される
ことにより構成されている。具体的には、直流電源２の
一方の端子に接続される上記１次巻線４と上記主トラン
ジスタ５のコレクタとが接続される一方、主トランジス
タ５のエミッタが上記直流電源２の他方の端子に接続さ
れている。

【０００４】そして、この主トランジスタ５のコレクタ
とエミッタ間には、主トランジスタ５のターン・オフ時
のスイッチング損失を低減するためのコンデンサ６が設
けられている。

【０００５】また、主トランジスタ５のベースには、主
トランジタ５の駆動回路としてトランジスタ７が接続さ
れ、このトランジスタ７がオン状態の時にトランジスタ
７のエミッタから供給される電流により主トランジスタ
５が駆動されるように構成されている。

【０００６】一方、このトランジスタ７のベースは、抵
抗８を介して上記直流電源２と接続されており、この抵
抗８を介して直流電源２からトランジスタ７の駆動電流
が供給される。また、トランジスタ７のコレクタには、
抵抗９が接続される一方、エミッタ側にも抵抗１０が接
続され、さらにトランジスタ７のベースとエミッタの間
にはダイオード１１が接続されている。

【０００７】一方、トランス３の２次巻線１２，１３
は、図示例ではそれぞれ交流（ＡＣ４０Ｖ）と、直流
（ＤＣ２０Ｖ）の出力を得るように構成されており、各
２次巻線１２，１３の出力端子が負荷を構成する蛍光表
示管１に接続されている。

【０００８】なお、蛍光表示管１の直流電源となる２次
巻線１３の側には、整流用のダイオード１４が直列に配
されるとともに、平滑用のコンデンサ１８が並列に接続
されている。そして、整流用ダイオード１４の両端に
は、コンデンサ１５および抵抗１６と、出力安定化用の
ツェナーダイオード１７が並列に接続され、これらが上
記トランジスタ７のベースに接続されている。

【０００９】次に、この図３(a) に示すスイッチング電
源回路の動作を説明する。まず、電源が投入されると、
抵抗８を介してトランジスタ７のベースに電流が流れト
ランジスタ７がオンとなり、これにともなって主トラン
ジスタ５もオンとなって主トランジスタ５にコレクタ電
流Ｉ_C が流れ、トランス３の１次巻線４に電流が流れ
る。

【００１０】この時、トランス３の２次側は逆極性であ
るため、ダイオード１４は通電せずトランス３にエネル
ギーが蓄積される。なお、その際、トランジスタ７がオ
ンとなると抵抗９およびトランジスタ７を介して主トラ
ンジスタ５のベースに電流が流れるので、主トランジス
タ５はさらに深くオンし、コレクタ電流Ｉ_C は一次関数
的に増加する。

【００１１】一方、トラジスタ５のコレクタ電流Ｉ_C が
増加するにつれて主トランジスタ５のベース電流Ｉ_B が
不足状態となり、一定期間経過後に主トランジスタ５は
オフに移行する（ターンオフ）。主トランジスタ５がオ
フに移行すると、トランス３の各巻線４，１２，１３に
は逆起電力が発生し、その結果、ダイオード１４が通電
状態となり、トランス３に蓄積されたエネルギーはコン
デンサ１８に移る。

【００１２】またこれと同時に、抵抗１６およびコンデ
ンサ１５に電流が流れ、このトランス２次側からの電流
によって直流電源２から抵抗８を介してトランジスタ７
のベースに流れる電流が打ち消される。そのため、トラ
ンジスタ７はオフ状態となり、主トランジスタ５のオフ
状態が継続される。

【００１３】そして、トランス３のエネルギーがすべて
コンデンサ１８に移った時点で、上記トランス２次側か
らトランジスタ７に流れる電流がなくなるため、トラン
ジスタ７が再びオン状態となり、その結果、主トランジ
スタ５もオン状態となる（ターンオン）。

【００１４】このように、従来のスイッチング電源回路
では、主トランジスタ５がオン／オフ動作を繰り返し、
トランス３の２次側、特に図示例では巻線１３側に誘起
される交流出力を整流・平滑して直流出力を得ている。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図３に
示す従来のスイッチング電源回路では、トランジスタ５
のスイッチング動作時に図３(b) または図４(d) に示す
ようなスイッチングロスがあり、これにともなって主ト
ランジスタ５の発熱やスイッチングノイズが発生するな
どの問題がありその改善が望まれていた。

【００１６】図４は、主トランジスタ５のターンオン／
オフ時における該主トランジスタ５各部の電圧・電流波
形を示している。具体的には、図４(a) はコレクタ−エ
ミッタ間の電圧（Ｖ_CE）を、図４(b) はコレクタ電流
（Ｉ_C ）を、図４(c) はベース−エミッタ間の電圧（Ｖ
_BE）を、図４(d) は電力損失（Ｐ）をそれぞれ示してい
おり、スイッチングロスは図中の符号ｄ₁ およびｄ₂ で
示している。

【００１７】この図４からも明らかなように、従来のス
イッチング電源におけるスイッチングロスは、主トラン
ジスタ５のターンオン／オフ時における短時間の過渡状
態下においてコレクタ電流Ｉ_C が流れながらコレクタ−
エミッタ電圧Ｖ_CEが印加されることにより生じていた。
なお、図中に符号ａで示す部分は、ターンオン時にスイ
ッチング損失低減用のコンデンサ６の放電電流を示して
おり、また、符号ｔ₁で示す部分は主トランジスタ５の
ベース電流が０になってからターンオフするまでの時
間、つまり蓄積時間を示している。

【００１８】本発明はかかる従来の問題点に鑑みてなさ
れたものであって、その目的とするところは、スイッチ
ング素子のターンオン／オフ時におけるスイッチング損
失を低減できるスイッチング電源装置を提供することに
ある。

【００１９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明の請求項１に係るスイッチング電源装置は、
少なくとも直流電源に接続されたトランスの１次側に流
れる電流をスイッチングするスイッチング素子を備えて
なるスイッチング電源において、上記スイッチング素子
の駆動回路に遅延回路を設け、この遅延回路により上記
スイッチング素子のターンオンのタイミングを遅延させ
ることを特徴とする。

【００２０】すなわち、この請求項１の発明は、たとえ
ば図１（図１は後述する遅延回路Ｔを除き図３のスイッ
チング電源と同様の構成を備える）に示すように、スイ
ッチング素子（主トランジスタ５）の駆動回路（主トラ
ンジスタ５のベースドライブ回路）に抵抗１９およびコ
ンデンサ２０で構成される遅延回路（時定数回路）を設
けたものであり、これによって、主トランジスタ５がタ
ーンオンするタイミングを遅延させている。換言すれ
ば、このスイッチング電源がターンオンするタイミング
は、上述したように、従来の構成では２次巻線１３から
帰還される電流が無くなる時点とされているが、本発明
ではこの遅延回路を設けたことにより、図２の符号ｔ₂
に示すように、主トランジスタ５のコレクタ電流Ｉ_C の
立ち上がり時間を従来より時間ｔ₂ だけ遅らせている。

【００２１】そして、本発明の請求項２に記載されたス
イッチング電源装置は、上記請求項１に記載されたスイ
ッチング電源装置において、上記スイッチング素子がタ
ーンオフする際に該スイッチング素子に印加される電圧
を充電する容量性素子を備え、この容量性素子により前
記スイッチング素子に印加される電圧の上昇を遅延させ
ることを特徴とする。

【００２２】すなわち、主トランジスタ５に印加される
電圧を充電する容量性素子として従来より上記コンデン
サ６が存在しているが、この請求項２に記載された発明
は、このコンデンサ６に対して積極的に主トランジスタ
５に印加されるコレクタ−エミッタ間の電圧上昇を遅ら
せる機能を付与するものである。そのため、この請求項
２の発明では、従来のコンデンサ６よりも静電容量の大
きいコンデンサが用いられ、そうすることによって図２
(a) の符号Ｂに示すように、ターンオフ時におけるコレ
クタ−エミッタ電圧Ｖ_CEの上昇の傾きを緩やかにするも
のである。

【００２３】また、本発明の請求項３に記載されたスイ
ッチング電源装置は、上記請求項２に記載されたスイッ
チング電源装置において、上記スイッチング素子のター
ンオンのタイミングの遅延により、この遅延時間中に、
上記容量性素子と上記トランスの１次側との直列共振に
よって上記スイッチング素子に印加される電圧を降圧さ
せることを特徴とする。

【００２４】すなわち、この請求項３に記載された発明
は、ターンオン時のコレクタ電流Ｉ_c の立ち上がりを遅
延させたことにともっなって、この遅延時間中にコレク
タ−エミッタ電圧Ｖ_CEを直列共振により、図２(a) の符
号Ｃに示すように０Ｖに近似するように降圧させるもの
である。

【００２５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係るスイッチング
電源装置の一実施形態を図１および図２に基づいて説明
する。なお、図１に示すスイッチング電源装置は、上記
図３(a) に示すスイッチング電源と同様、給湯器のリモ
コンなどにおける蛍光表示管１の電源回路を示してお
り、上述した図３(a) のものと構成が共通する部分につ
いては説明を省略する。

【００２６】図１(a) に示すスイッチング電源装置は、
主トランジスタ５の駆動回路に遅延回路Ｔを設けたもの
である。この遅延回路Ｔは、具体的には抵抗１９とコン
デンサ２０とで構成される時定数回路であり、この回路
の時定数によって後述するようにトランジスタ７のオン
動作ならびに主トランジスタ５のターンオンを遅延させ
ている。

【００２７】また、これにともなって本発明では、主ト
ランジスタ５のコレクタ−エミッタ間に接続されるコン
デンサ（容量性素子）６として、従来のものより静電容
量の大きいコンデンサが使用されている。

【００２８】そこで次に、この図１に示すスイッチング
電源装置の動作について説明する。

【００２９】(1) まず、電源が投入されると、抵抗８お
よび抵抗１９を通じてトランジスタ７のベースに電流が
流れトランジスタ７がオンとなる。これにともなって主
トランジスタ５のベースにも電流が流れ、主トランジス
タ５がオンとなる。これにより、主トランジスタ５にコ
レクタ電流Ｉ_C が流れ、トランス３の１次巻線４に電流
が流れる。

【００３０】この時、２次側巻線１２，１３は、上記１
次巻線４とは逆極性であるため、２次巻線１３に接続さ
れているダイオード１４には電流は流れず、１次巻線４
に供給されたエネルギはトランス３に蓄積される。ま
た、同時に本実施形態では、２次巻線１３側に設けられ
たコンデンサ１５、抵抗１６および抵抗１９の経路でト
ランジスタ７のベースに電流が流れ、トランジスタ７の
ベース電流に加算される。なお、２次巻線１２の側は交
流出力とされているため、２次巻線１２に誘起された逆
極性の電圧はそのまま蛍光表示管１に出力される。

【００３１】(2) 主トランジスタ５がオン状態となる
と、この主トランジスタ５に流れるコレクタ電流Ｉ_C は
図２(b) に示すように１次関数的に上昇を開始する。そ
のため、コレクタ電流Ｉ_C が増加するにつれ主トランジ
スタ５のベース電流が不足状態となり、ある期間を経過
すると主トランジスタ５はオフ状態に移行する（ターン
オフ）。

【００３２】この時、本実施形態では、コンデンサ６と
して従来のものより大容量のコンデンサが用いられるの
で、主トランジスタ５のターンオフにともなうコレクタ
−エミッタ電圧Ｖ_CEの上昇は、図２(a) の符号Ｂで示す
ように、従来の場合よりゆるやかに上昇する。

【００３３】(3) そして、主トランジスタ５がオフ状態
となると、トランス３の巻線１２，１３には逆起電力が
発生し、２次側巻線１３のダイオード１４が通電状態と
なる。これにより、トランス３に蓄積されたエネルギは
放出され、トランス３に蓄積されたエネルギはコンデン
サ１８に移行される。

【００３４】また、これと同時に抵抗１６およびコンデ
ンサ１５に電流が流れ、これが抵抗８および抵抗１９を
経てトランジスタ７のベースに流れる電流を打ち消すた
め、トランジスタ７がオフ状態となり、主トランジスタ
５のオフ状態が持続される。

【００３５】(4) 一方、トランス３のエネルギ放出が全
て終わると、上記抵抗１６およびコンデンサ１５を経由
する電流がなくなる。これにより、トランジスタ７に再
びベース電流が流れ、トランジスタ７および主トランジ
スタ５が再びオン状態となる（ターンオン）。

【００３６】このターンオンの際、本発明では、主トラ
ンジスタ５を駆動するトランジスタ７のベース側に抵抗
１９とコンデンサ２０とで構成される時定数回路が設け
られているので、上記抵抗１６，コンデンサ１５を経由
する電流が停止してから、主トランジスタ５がオンする
までに時間ｔ₂ （遅延時間）だけの遅れがでる。

【００３７】その一方、このターンオンの遅れにより、
トランス３の１次巻線４と上記スイッチング損失低減用
のコンデンサ６とが直列共振するため、主トランジスタ
５のコレクタ−エミッタ間の電圧Ｖ_CEは、図２(a) の符
号Ｃに示すように０Ｖ近くまで降下することとなる。

【００３８】以上のように、本発明では主トランジスタ
５のターンオンを遅延させるとともに、主トランジスタ
５のコレクタ−エミッタ電圧Ｖ_CEの立ち上がりおよび立
ち下がりを変化させたことにより、ターンオン／オフ時
のスイッチングロスが以下のように低減される。

【００３９】ターンオフ時：本発明では、主トランジス
タ５のコレクタ−エミッタ間に接続されるコンデンサ６
が、上述したように従来のものより静電容量の大きいも
のが用いられているため、ターンオフ時に現れる主トラ
ンジスタのコレクタ−エミッタ電圧Ｖ_CEは、図２(a) の
符号Ｂで示すように、従来のもの（図４(a) の符号b 参
照）よりゆるやかに上昇することとなる。

【００４０】そのため、ターンオフ時におけるコレクタ
電流Ｉ_C とコレクタ−エミッタ電圧Ｖ_CEの重なり（Ｉ_C
が流れた状態でＶ_CEが印加される状態）は小さくなり、
その結果、ターンオフ時の電力損失は、図２(d) の符号
Ｄ₁ に示すように、従来の場合（図４(d) の符号ｄ₁ 参
照）に比べて少なくなる。

【００４１】ターンオン時：一方、ターンオン時につい
ては、上述したように、遅延回路Ｔによって主トランジ
スタ５のコレクタ電流Ｉ_C の立ち上がりが遅延されると
ともに、その間に生じるトランス３の１次側巻線４とコ
ンデンサ６との直列共振により、主トランジスタ５のコ
レクタ−エミッタ電圧Ｖ_CEは、図２(a) 符号Ｃに示すよ
うに０Ｖ付近まで減少される。

【００４２】そのため、ターンオン時におけるコレクタ
電流Ｉ_C とコレクタ−エミッタ電圧Ｖ_CEの重なり（Ｉ_C
が流れた状態でＶ_CEが印加される状態）は、図２(d) の
符号Ｄ₂ に示すように殆どないまでに減少され、従来の
もの（図４(d) の符号ｄ₂ 参照）に比べスイッチングロ
スを少なくすることができる。

【００４３】なお、上述した実施形態はあくまでも、本
発明の好適な実施形態を示すものであって、本発明はこ
れに限定されることなく、その範囲内で種々設計変更可
能である。

【００４４】たとえば、上記実施形態では、スイッチン
グ電源装置を蛍光表示管１の電源として使用したが、本
発明のスイッチング電源装置は、たとえばリモコンの制
御用電源として用いるなど、上記実施形態とは異なる負
荷の電源として使用することが可能である。また、上記
実施形態では、トランス３の出力側には、交流出力回路
が設けられているが、これについてももちろん省略する
ことができるし、整流平滑回路を設けて直流電源とする
ことも可能である。

【００４５】さらに、上記実施形態では、スイッチング
素子としてトランジスタを用いたが、もちろん他のスイ
ッチング素子を用いることができ、また、上記実施形態
ではトランス３の２次側から電流を帰還させる回路が設
けられているが、このような回路を持たない他の形態の
スイッチング電源にも応用可能である。

【００４６】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明のスイッチ
ング電源装置によれば、スイッチング素子の駆動回路に
遅延回路を設け、この遅延回路によりスイッチング素子
のターンオンのタイミングを遅延させているので、スイ
ッチング素子のターンオン時のスイッチングロスを軽減
することができる。

【００４７】また、スイッチング素子に印加される電圧
を充電する容量性素子を備え、この容量性素子によりス
イッチング素子に印加される電圧の上昇を遅延させてい
るので、スイッチング素子のターンオフ時においてもス
イッチングロスを軽減することができる。

【００４８】しかも、スイッチング素子のターンオンの
遅延により、この遅延時間中に、上記容量性素子とトラ
ンスのコイルとの直列共振によって前記スイッチング素
子に印加される電圧を０Ｖに近似させているので、上記
遅延回路と相まって、ターンオン時のスイッチングロス
の殆どをなくすことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスイッチング電源装置の概略構成
およびその動作を説明するものであって、図１(a) はそ
の回路図を、また図１(b）はターンオン／オフ時のスイ
ッチングロスを示している。

【図２】本発明に係るスイッチング電源装置の主トラン
ジスタ各部の電圧・電流波形を示す説明図である。

【図３】従来のスイッチング電源装置の概略構成および
その動作を説明するものであって、図３(a) はその回路
図を、また図３(b）はターンオン／オフ時のスイッチン
グロスを示している。

【図４】従来のスイッチング電源装置の主トランジスタ
各部の電圧・電流波形を示す説明図である。

【符号の説明】

１ 蛍光表示管 ２ 直流電源 ３ トランス ４，１２，１３ トランスの巻線 ５ 主トランジスタ（スイッチング素
子） ６ コンデンサ（容量性素子） １９ 抵抗（遅延回路） ２０ コンデンサ（遅延回路） Ｔ 遅延回路

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも直流電源に接続されたトラン
   スの１次側に流れる電流をスイッチングするスイッチン
   グ素子を備えてなるスイッチング電源において、 前記スイッチング素子の駆動回路に遅延回路を設け、こ
   の遅延回路により前記スイッチング素子のターンオンの
   タイミングを遅延させることを特徴とするスイッチング
   電源装置。
2. 【請求項２】 前記スイッチング素子がターンオフする
   際に該スイッチング素子に印加される電圧を充電する容
   量性素子を備え、 この容量性素子により前記スイッチング素子に印加され
   る電圧の上昇を遅延させることを特徴とする請求項１に
   記載のスイッチング電源装置。
3. 【請求項３】 前記スイッチング素子のターンオンのタ
   イミングの遅延により、この遅延時間中に、前記容量性
   素子と前記トランスの１次側との直列共振によって前記
   スイッチング素子に印加される電圧を降圧させることを
   特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。