JPWO2017187853A1 - Dc−dcコンバータ - Google Patents

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Abstract

DC電圧を受ける電圧入力部と、負荷が接続される電圧出力部と、少なくとも1次巻線(N1)と2次巻線(N2)を有するトランス(T1)と、電圧入力部とトランス(T1)の1次巻線(N1)との間に設けられた主スイッチ素子(Q1)と、電圧出力部とトランス(T1)の2次巻線(N2)との間に設けられた整流回路(20)と、トランス(T1)に蓄積された励磁エネルギーがリセットされるときに生じるリセット電圧の大きさを検出し、リセット電圧の大きさが例えば所定のしきい値を超える場合に、主スイッチ素子(Q1)に印加される電圧を抑制するリセット電圧抑制回路と、を備える。

Description

本発明は、トランスとスイッチング素子とを備えるDC−DCコンバータに関し、特にトランスにリセット電圧が発生するDC−DCコンバータに関する。
トランスの1次巻線に流れる電流が正負非対称である、すなわちトランスの励磁とリセットが非対称の関係で駆動される、DC−DCコンバータにおいては、トランスの1次巻線に接続されたスイッチング素子(主スイッチ素子)のオン時に、1次巻線に流れる電流でトランスが励磁され、上記主スイッチ素子のターンオフ時に、逆起電力による電圧(リセット電圧やフライバック電圧と呼ばれる電圧)が1次巻線に発生する。例えば、フォワード型DC−DCコンバータ、フライバック型DC−DCコンバータのいずれにおいても、トランスのリセット時に上記リセット電圧が生じる。
特許文献1には、トランスの2次巻線に同期整流用スイッチ素子が設けられたDC−DCコンバータにおいて、トランスの1次巻線に接続された主スイッチ素子の両端に、クランプ用スイッチ素子とキャパシタとの直列回路が接続され、主スイッチ素子のターンオフ時にクランプ用スイッチ素子をオンにすることによって、同期整流用スイッチ素子のオン時間が、リセット電圧の変動の影響を受けないように構成されたDC−DCコンバータが示されている。
特開平6−327243号公報
特許文献1に示されるような、アクティブクランプ回路および同期整流回路を備えたフォワード型DC−DCコンバータは、電力変換効率が高い利点がある。このようなフォワード型DC−DCコンバータにおいては、PWM制御によって出力電圧を安定化する場合、入力電源電圧の変動幅や負荷電流の変動幅が大きい程、主スイッチ素子のオンデューティが広範囲に亘って変化する。
主スイッチ素子に印加されるリセット電圧は、Vin(入力電圧)×Ton(オン期間)/Toff(オフ期間)で求められる。したがって、主スイッチ素子のオンデューティが長くなるに伴い、つまり主スイッチ素子のオフ期間が短くなるに伴い、リセット電圧は急激に高くなる。すなわち、上述のように主スイッチ素子のオンデューティが大きく変化するような状況においては、オンデューティが大きくなると、リセット電圧は非常に高くなる。
ここで、DC−DCコンバータへの入力電圧とリセット電圧との関係の例を図16に示す。図16において、横軸はDC−DCコンバータへの入力電圧、縦軸はリセット電圧である。電圧の数値はあくまでも一例であり、ここでは、DC−DCコンバータへの入力電圧と、トランスの1次巻線または2次巻線に発生するリセット電圧との関係の典型例として示す。このように、入力電圧が低下する程(オンデューティが大きくなる程)、リセット電圧は急激に高くなる。
上記リセット電圧は主スイッチ素子のターンオフ時にその主スイッチ素子に印加される。また、同期整流回路を備える場合には、トランスの2次巻線に生じるリセット電圧が同期整流用スイッチ素子に印加される。したがって、DC−DCコンバータの入力電源電圧の変動幅や負荷電流の変動幅が広いDC−DCコンバータにおいては、主スイッチ素子や同期整流用スイッチ素子に高耐圧のFETが必要になる。しかし、高耐圧のFETである程、そのオン抵抗(Ron)が高いので、それにより、FETでの損失が大きく、DC−DCコンバータの電力変換効率が低くならざるを得ない。
本発明の目的は、トランスに生じるリセット電圧が上昇することによる問題を解消して、電力変換効率を高めることのできるDC−DCコンバータを提供することにある。
(1)本発明のDC−DCコンバータは、
DC電圧を受ける電圧入力部と、
負荷が接続される電圧出力部と、
少なくとも1次巻線と2次巻線を有するトランスと、
前記電圧入力部と前記トランスの1次巻線との間に設けられた主スイッチ素子と、
前記電圧出力部と前記トランスの2次巻線との間に設けられた整流回路と、
前記トランスに蓄積された励磁エネルギーがリセットされるときに生じるリセット電圧の大きさを検出し、前記リセット電圧の大きさに応じて、前記主スイッチ素子に印加される電圧を抑制するリセット電圧抑制回路と、を備える。
上記構成により、トランスの1次巻線に生じるリセット電圧の上限が制限され、それに伴い、低耐圧のスイッチング素子を用いることができる。
(2)上記(1)において、前記リセット電圧抑制回路は、前記リセット電圧の大きさが所定のしきい値を超える場合に、前記主スイッチ素子に印加される電圧を抑制することが好ましい。これにより、リセット電圧が所定のしきい値を超えない通常動作時には、出力電圧の安定性が維持できる。
(3)上記(1)または(2)において、前記整流回路は、前記電圧出力部と前記トランスの2次巻線との間に設けられた整流スイッチ素子を含み、前記整流スイッチ素子を前記トランスの2次巻線電圧の変化に同期してスイッチングする同期整流回路であることが好ましい。これにより、整流回路での損失が低減される。また、上記リセット電圧の上限が制限されることにより、トランスの2次巻線に発生するリセット電圧に対する同期整流用スイッチ素子の耐圧についても緩和される。
(4)上記(3)において、前記リセット電圧検出回路は、前記整流スイッチ素子に印加される電圧によって検出する構成であってもよい。これにより、リセット電圧検出回路を、トランスの2次側に設けることができ、トランスの2次側に構成される制御回路に対して制御信号を容易に与えることができる。
(5)上記(1)から(3)のいずれかにおいて、前記リセット電圧抑制回路は、前記リセット電圧の大きさを、前記主スイッチ素子に印加される電圧によって検出する構成であってもよい。これにより、リセット電圧検出回路を、トランスの2次側に設けることができ、トランスの2次側に構成される制御回路に対して制御信号を容易に与えることができる。
(6)上記(1)から(3)のいずれかにおいて、前記トランスは補助巻線を有し、前記リセット電圧検出回路は、前記トランスの補助巻線の電圧によって検出する構成であってもよい。これにより、リセット電圧検出回路を、主スイッチ素子およびトランスを含むコンバータ回路とは実質的に分離でき、回路構成を簡素化できる。
(7)上記(1)から(6)のいずれかにおいて、前記リセット電圧抑制回路は、例えば前記主スイッチ素子のオンデューティを低下させる回路である。この構成により、主スイッチ素子のオンデューティを制御する回路に対して制御信号を与えるだけで、容易に制御できる。すなわち回路を簡素化できる。
(8)上記(7)において、前記リセット電圧抑制回路は、例えば前記主スイッチ素子をオフ状態に保つ回路である。この構成により、主スイッチ素子のオンデューティを制御する回路に対して制御信号を与えるだけで、容易に制御できる。すなわち回路をより簡素化できる。
(9)上記(1)から(8)のいずれかにおいて、例えば前記主スイッチ素子はFETであり、当該主スイッチ素子のドレイン・ソース間に並列接続され、前記リセット電圧の前記主スイッチ素子への印加電圧を制限するアクティブクランプ回路を備える。この構成により、リセット電圧が上限に達する条件が緩和され、トランスの1次巻線に生じるリセット電圧がアクティブクランプ回路で抑制されるので、主スイッチ素子のオンデューティの最大値を大きくできる。それにより、入力電源電圧の下限または負荷電流の上限がより拡大できる。
本発明によれば、トランスの1次巻線に生じるリセット電圧の上限が制限され、それに伴い、低耐圧のスイッチング素子を用いることができる。また、主スイッチ素子にオン抵抗の低いFETを用いることができるので、電力変換効率の高いDC−DCコンバータが構成できる。
図1は第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ101Aの回路図である。 図2は制御回路(スイッチング制御用IC)10の内部の構成を示すブロック図である。 図3は、図1に示したリセット電圧検出回路31の有無による、主スイッチ素子Q1に印加されるリセット電圧の違いを示す図である。 図4は第1の実施形態の別のDC−DCコンバータ101Bの回路図である。 図5は第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ102Aの回路図である。 図6は第2の実施形態の別のDC−DCコンバータ102Bの回路図である。 図7は第3の実施形態に係るDC−DCコンバータ103の回路図である。 図8は第4の実施形態に係るDC−DCコンバータ104Aの回路図である。 図9は第4の実施形態の別のDC−DCコンバータ104Bの回路図である。 図10は第5の実施形態に係るDC−DCコンバータ105Aの回路図である。 図11は第5の実施形態の別のDC−DCコンバータ105Bの回路図である。 図12は第5の実施形態の別のDC−DCコンバータ105Cの回路図である。 図13は第6の実施形態に係るDC−DCコンバータ106Aの回路図である。 図14は第6の実施形態の別のDC−DCコンバータ106Bの回路図である。 図15は第6の実施形態の別のDC−DCコンバータ106Cの回路図である。 従来のDC−DCコンバータへの入力電圧とリセット電圧との関係の例を示す図である。
以降、図を参照して幾つかの具体的な例を挙げて、本発明を実施するための複数の形態を示す。各図中には同一箇所に同一符号を付している。要点の説明または理解の容易性を考慮して、便宜上実施形態を分けて示すが、異なる実施形態で示した構成の部分的な置換または組み合わせは可能である。第2の実施形態以降では第1の実施形態と共通の事柄についての記述を省略し、異なる点についてのみ説明する。特に、同様の構成による同様の作用効果については実施形態毎には逐次言及しない。
《第1の実施形態》
図1は第1の実施形態に係るDC−DCコンバータ101Aの回路図である。このDC−DCコンバータ101Aは、DC電圧を受ける電圧入力部Vin(+),Vin(-)と、負荷が接続される電圧出力部Vo(+),Vo(-)を備え、電圧入力部Vin(+),Vin(-)に入力されたDC電圧を所定の安定化したDC電圧に変換して電圧出力部Vo(+),Vo(-)から負荷へ出力する。DC−DCコンバータ101Aは1次巻線N1と2次巻線N2を有するトランスT1を備える。電圧入力部Vin(+),Vin(-)とトランスT1の1次巻線N1との間には主スイッチ素子Q1が接続されている。電圧出力部Vo(+),Vo(-)とトランスT1の2次巻線N2との間には整流回路20が設けられている。
主スイッチ素子Q1はFETであり、そのドレイン・ソース間に、クランプ用スイッチ素子Q4とクランプ用キャパシタC1との直列回路が並列接続されている。すなわち、クランプ用スイッチ素子Q4とクランプ用キャパシタC1との直列回路はアクティブクランプ回路を構成する。
電圧入力部Vin(+),Vin(-)には制御回路10が接続されている。この制御回路10はスイッチング制御用ICであり、主スイッチ素子Q1およびクランプ用スイッチ素子Q4へゲート信号を与える。
トランスT1の2次巻線N2には直列に整流スイッチ素子Q2とインダクタLoとが接続されている。2次巻線N2とインダクタLoとの接続点とVo(-)端子との間には転流スイッチ素子Q3が接続されている。整流スイッチ素子Q2と転流スイッチ素子Q3とで整流回路20が構成されている。電圧出力部Vo(+),Vo(-)の両端間には出力キャパシタCoが接続されている。
トランスT1は補助巻線N3,N4を有し、補助巻線N3の起電圧が整流スイッチ素子Q2のゲート・ソース間に印加され、補助巻線N4の起電圧が転流スイッチ素子Q3のゲート・ソース間に印加されるように、回路が構成されている。トランスの2次巻線N2の電圧は補助巻線N3で間接的に検出され、整流スイッチ素子Q2は補助巻線N3の電圧変化に同期してスイッチングする。
トランスT1の2次側には出力電圧検出回路40が設けられている。この出力電圧検出回路40は、電圧出力部Vo(+),Vo(-)の両端電圧を検出し、それに応じたフィードバック用の電圧を制御回路10のCOMP端子へ与える。
ここで、主スイッチ素子Q1のオン時間をTon、オフ時間をToff、オンデューティ比をD、入力電圧をVin、1次巻線N1の巻回数をn1、2次巻線N2の巻回数をn2で表すと、各スイッチ素子のドレイン・ソース間に印加される電圧Vdsは次の関係にある。
トランスT1の1次巻線N1に生じるリセット電圧は、
−Vin・Ton/Toff
=−{Vin/(1−D)−Vin}
主スイッチ素子Q1のVdsは、
Vin+{Vin/(1−D)−Vin}
=Vin/(1−D)
整流スイッチ素子Q2のVdsは、
{Vin/(1−D)−Vin}・n2/n1
転流スイッチ素子Q3のVdsは、
Vin・n2/n1
である。
したがって、主スイッチ素子Q1のオンデューティが大きくなる程(Dが1に近づく程)、主スイッチ素子Q1のVds、および整流スイッチ素子Q2のVdsは急激に増大する。
主スイッチ素子Q1のドレインとグランドとの間(すなわち、主スイッチ素子Q1のドレイン・ソース間)には、リセット電圧検出回路31が設けられている。このリセット電圧検出回路31は、トランスT1に蓄積された励磁エネルギーがリセットされるときに生じるリセット電圧の大きさを検出し、それが所定のしきい値を超えるとき制御回路10へ制御信号を与える。
上記主スイッチ素子Q1、トランスT1、整流回路20、インダクタLoおよび出力キャパシタCoによってフォワード型のDC−DCコンバータ回路が構成されている。さらに、クランプ用スイッチ素子Q4およびクランプ用キャパシタC1によるアクティブクランプ回路を備えることにより、このDC−DCコンバータ101Aは、アクティブクランプフォワードコンバータとして動作する。
上記リセット電圧検出回路31の構成と動作は次のとおりである。リセット電圧検出回路31は、抵抗R1,R2,R3,R4、キャパシタC3,C4、ツェナーダイオードD4、トランジスタQ5,Q6を有する。抵抗R1,R2は、主スイッチ素子Q1のドレイン・ソース間電圧を分圧する分圧回路を構成し、キャパシタC3は上記分圧電圧を平滑する。ツェナーダイオードD4はキャパシタC3の電圧がツェナーダイオードD4のツェナー電圧を超えると導通する。抵抗R4とキャパシタC4は時定数回路を構成する。トランジスタQ5,Q6は、この2つのトランジスタでサイリスタ構造のラッチ回路を構成する。
主スイッチ素子Q1のドレイン・ソース間電圧が所定値を超えることにより、ツェナーダイオードD4が導通し、抵抗R4とキャパシタC4とによる時定数回路の時定数に応じた時間の経過後、トランジスタQ5がオンする。トランジスタQ5がオンすると、トランジスタQ6もオンし、制御回路10のUVLO端子がローレベルにプルダウンされる。トランジスタQ6のオンにより、トランジスタQ5およびトランジスタQ6はオン状態を保持する。後述するとおり、制御回路10のUVLO端子がローレベルになると、主スイッチ素子Q1はオフ状態に保たれる。この動作により、トランスT1の1次巻線N1に生じるリセット電圧がそれ以上に上昇することはなく、主スイッチ素子Q1はそのリセット電圧から保護される。同様に、トランスT1の2次巻線N2に生じるリセット電圧がそれ以上に上昇することはなく、整流スイッチ素子Q2はそのリセット電圧から保護される。
なお、抵抗R4とキャパシタC4とによる時定数回路や、抵抗R1,R2による分圧回路は必須ではない。また、電流制限用の抵抗R3も必須ではない。
本実施形態によれば、主スイッチ素子Q1へ印加されるリセット電圧が、クランプ用スイッチ素子Q4およびクランプ用キャパシタC1によるアクティブクランプ回路で制限される。この構成により、リセット電圧が上限に達する条件が緩和され、主スイッチ素子Q1のオンデューティの最大値を大きくできる。それにより、入力電源電圧の下限または負荷電流の上限がより拡大できる。
また、アクティブクランプフォワードコンバータでは、リセット電圧が矩形波状となる。そのため、リセット電圧が正弦波状となる共振リセットフォワードに比べ、リセット電圧が検知しやすい、という効果がある。
図2は制御回路(スイッチング制御用IC)10の内部の構成を示すブロック図である。このスイッチング制御用ICは例えばNational Semiconductor社製・Texas Instruments 社製LM5025Aまたはその相当品である。制御回路10は、電圧入力端子Vin、主スイッチ素子Q1のゲートへゲート信号を出力するOUT_A端子、クランプ用スイッチ素子Q4のゲートへゲート信号を出力するOUT_B端子、PWM変調される電圧信号を受けるCOMP端子、Vinライン・アンダーボルテージ・シャットダウン端子UVLO等を備える。
COMP端子とOUT_A端子,OUT_B端子との間には、コンパレータCP2,CP3、ORゲートOR1、ロジック回路15、フリップフロップ16、デッドタイムコントローラ12およびドライバー13A,13Bが構成されている。
COMP端子は抵抗でプルアップされていて、このCOMP端子に接続される、例えばフォトカプラ等の外部回路がCOMP端子から電流を引き込む。コンパレータCP2はソフトスタート端子SSの入力電圧とCOMP端子の電圧とを比較し、コンパレータCP3はコンパレータCP2の出力電圧とRAMP端子のランプ電圧波形とを比較する。
RAMP端子の外部には、電圧入力端子Vinへの電圧が印加されるRC回路が接続されることでランプ電圧波形が生成される。RAMP端子の電圧は、ロジック回路15の出力でFET14がオンされることでリセットされる。
上記ランプ電圧波形とCOMP端子の電圧とがコンパレータCP3で比較されることによってPWM変調信号がORゲートOR1、ロジック回路15およびフリップフロップ16を介してデッドタイムコントローラ12に供給される。このPWM制御を行う制御回路10と出力電圧検出回路40とによって、電圧出力部Vo(+),Vo(-)の両端電圧が所定値となるようにフィードバック制御される。
UVLO端子とOUT_A端子,OUT_B端子との間には、シャットダウンコンパレータCP1、デッドタイムコントローラ12およびドライバー13A,13Bが構成されている。デッドタイムコントローラ12には発振器11が接続されている。
デッドタイムコントローラ12は、発振器11から出力されるクロック信号およびフリップフロップ16のQ出力信号に応じた、周波数およびオンデューティの駆動信号をドライバー13A,13Bへ出力する。また、デッドタイムコントローラ12はシャットダウンコンパレータCP1の出力をイネーブル信号として受ける。
UVLO端子電圧がシャットダウンコンパレータCP1のしきい値Vr2より下回るとローレベルを出力する。これにより、デッドタイムコントローラ12は動作を停止し、OUT_A端子はローレベル、OUT_B端子はハイレベルに保持される。
SS端子は、ソフトスタート制御端子であり、この端子に外付けされるキャパシタと内部の定電流回路とで構成される定電流充電回路によって、ソフトスタート制御用ランプ電圧波形が生成される。このランプ電圧波形が上記コンパレータCP2に入力される。このことによって、DC−DCコンバータの起動直後は、主スイッチ素子Q1のオンデューティが次第に増大するように、PWM制御される。
上記制御回路10内のシャットダウンコンパレータCP1とリセット電圧検出回路31とで、リセット電圧抑制回路が構成される。
既に述べたとおり、図1に示した主スイッチ素子Q1のドレイン・ソース間電圧が所定値を超えることにより、制御回路10のUVLO端子がローレベルになると、主スイッチ素子Q1はオフ状態に保たれる。この動作により、トランスT1の1次巻線N1に生じるリセット電圧がそれ以上に上昇することはなく、主スイッチ素子Q1はそのリセット電圧から保護される。同様に、整流スイッチ素子Q2はトランスT1の2次巻線N2に生じるリセット電圧から保護される。
図3は、図1に示したリセット電圧検出回路31の有無による、主スイッチ素子Q1に印加されるリセット電圧の違いを示す図である。図3の横軸は時間、縦軸は主スイッチ素子Q1に印加されるリセット電圧である。図3において、波形Aはリセット電圧検出回路31を備える本実施形態のDC−DCコンバータ101Aの特性、波形Bはリセット電圧検出回路31を備えない、比較例のDC−DCコンバータの特性である。比較例では、主スイッチ素子Q1に、250Vを超えるリセット電圧が印加されるのに対し、本実施形態のDC−DCコンバータ101Aでは250Vを超えず、200Vを一度超えるだけである。したがって、制御回路10にリセット電圧検出回路31を付加してリセット電圧抑制回路を構成することにより、主スイッチ素子Q1に、耐圧250V未満のFETを用いることができる。耐圧250V未満のFETはオン抵抗(Ron)が低いので、FETでの損失が小さく、DC−DCコンバータ101Aの電力変換効率を高めることができる。
なお、整流スイッチ素子Q2には、上記リセット電圧を1次巻線N1と2次巻線N2との巻回数比倍の電圧が印加されるので、リセット電圧の抑制によって、整流スイッチ素子Q2に印加される電圧も抑制される。
図4は本実施形態の別のDC−DCコンバータ101Bの回路図である。図1に示したDC−DCコンバータ101Aでは、整流スイッチ素子Q2と転流スイッチ素子Q3とで同期整流をする整流回路20を設けたが、DC−DCコンバータ101Bでは、トランスT1の2次側にダイオード整流回路を構成している。すなわち、トランスT1の2次巻線N2に直列に整流ダイオードD2とインダクタLoとが接続されていて、トランスT1の2次巻線N2とインダクタLoとの接続点とVo(-)端子との間に転流ダイオードD3が接続されている。その他の構成はDC−DCコンバータ101Aと同じである。
このようにトランスの2次側にダイオード整流回路が構成されている場合にも、主スイッチ素子Q1に印加されるリセット電圧は制限される。
《第2の実施形態》
第2の実施形態では、リセット電圧検出回路の構成が第1の実施形態とは異なるDC−DCコンバータの例を示す。
図5は第2の実施形態に係るDC−DCコンバータ102Aの回路図である。このDC−DCコンバータ102Aが備えるトランスT1は補助巻線N5を有する。この補助巻線N5にリセット電圧検出回路32Aが接続されている。このリセット電圧検出回路32Aは、トランスT1に蓄積された励磁エネルギーがリセットされるときに生じるリセット電圧の大きさを、補助巻線N5の電圧によって検出し、それが所定のしきい値を超えるとき制御回路10へ制御信号を供給する。その他の構成は第1の実施形態で示したDC−DCコンバータ101Aと同じである。
上記リセット電圧検出回路32Aの構成と動作は次のとおりである。リセット電圧検出回路32Aは、抵抗R1,R2,R3,R4、キャパシタC3,C4、ツェナーダイオードD4、ダイオードD5、トランジスタQ5,Q6を有する。ダイオードD5は補助巻線N5の電圧を整流し、キャパシタC3はその電圧を平滑する。抵抗R1,R2は、キャパシタC3の電圧を分圧する分圧回路を構成する。ツェナーダイオードD4は分圧電圧がツェナーダイオードD4のツェナー電圧を超えると導通する。抵抗R4とキャパシタC4は時定数回路を構成する。トランジスタQ5,Q6は、この2つのトランジスタでサイリスタ構造のラッチ回路を構成する。
トランスT1の補助巻線N5の電圧は1次巻線N1の電圧に比例しているので、1次巻線に生じるリセット電圧が所定値を超えることにより、ツェナーダイオードD4が導通し、トランジスタQ5がオンすると、トランジスタQ6もオンし、制御回路10のUVLO端子がローレベルにプルダウンされる。これにより、第1の実施形態のDC−DCコンバータ101Aと同様に、主スイッチ素子Q1はオフ状態に保たれる。この動作により、トランスT1の1次巻線N1に生じるリセット電圧がそれ以上に上昇することはなく、主スイッチ素子Q1はそのリセット電圧から保護される。同様に、トランスT1の2次巻線N2に生じるリセット電圧がそれ以上に上昇することはなく、整流スイッチ素子Q2はそのリセット電圧から保護される。
図6は第2の実施形態の別のDC−DCコンバータ102Bの回路図である。図5に示したDC−DCコンバータ102Aとは、リセット電圧検出回路32Bの構成が異なる。
リセット電圧検出回路32Bにおいては、図5に示したダイオードD5およびキャパシタC3が無い。このように、補助巻線N5の電圧を整流平滑しなくても、補助巻線N5に生じる電圧が所定値を超えれば、ツェナーダイオードD4が導通するので、上述と同様の作用により、トランスT1の1次巻線N1および2次巻線N2に生じるリセット電圧が制限される。
《第3の実施形態》
第3の実施形態では、トランスの2次側にリセット電圧検出回路を備えるDC−DCコンバータの例を示す。
図7は第3の実施形態に係るDC−DCコンバータ103の回路図である。このDC−DCコンバータ103は、整流スイッチ素子Q2のドレインとグランドとの間(すなわち、整流スイッチ素子Q2のドレイン・ソース間)にリセット電圧検出回路33が設けられている。このリセット電圧検出回路33は、トランスT1の2次巻線N2に生じるリセット電圧の大きさを検出し、それが所定のしきい値を超えたとき、出力電圧検出回路40の制御端子CNTへ制御信号を与える。具体的には、リセット電圧検出回路33が、トランスT1の2次巻線N2に生じるリセット電圧の大きさが所定のしきい値を超えることを検出したとき、出力電圧検出回路40の制御端子CNTをプルダウンする。
出力電圧検出回路40は、電圧出力部Vo(+),Vo(-)の両端電圧を検出し、それに応じたフィードバック用の電圧を制御回路10のCOMP端子へ与える。また、制御端子CNTの電圧と基準電圧とを比較し、主スイッチ素子Q1のオンデューティを変化させる。具体的には、制御端子CNTが低下することにより、主スイッチ素子Q1のオンデューティが短くなるように上記フィードバック用の電圧を変化させる。このことにより、トランスT1の1次巻線N1および2次巻線N2に生じるリセット電圧が制限される。
本実施形態では、出力電圧検出回路40と、制御回路10内のコンパレータCP2,CP3を含むPWM変調回路と、リセット電圧検出回路33とで、リセット電圧抑制回路が構成される。
《第4の実施形態》
第4の実施形態では、トランスの2次側で、且つ補助巻線の電圧によってリセット電圧を検出するDC−DCコンバータの例を示す。
図8は第4の実施形態に係るDC−DCコンバータ104Aの回路図である。このDC−DCコンバータ104Aが備えるトランスT1は補助巻線N5を有する。この補助巻線N5にリセット電圧検出回路34Aが接続されている。このリセット電圧検出回路34Aは、トランスT1に蓄積された励磁エネルギーがリセットされるときに生じるリセット電圧の大きさを、補助巻線N5の電圧によって検出し、それが所定のしきい値を超えるとき、出力電圧検出回路40へ制御信号を供給する。その他の構成は第3の実施形態で示したDC−DCコンバータ103と同じである。
上記リセット電圧検出回路34Aの構成と動作は次のとおりである。リセット電圧検出回路34Aは、抵抗R1,R2,R3,R4、キャパシタC3,C4、ツェナーダイオードD4、ダイオードD5、トランジスタQ5,Q6を有する。ダイオードD5は補助巻線N5の電圧を整流し、キャパシタC3はその電圧を平滑する。抵抗R1,R2は、キャパシタC3の電圧を分圧する分圧回路を構成する。ツェナーダイオードD4は分圧電圧がツェナーダイオードD4のツェナー電圧を超えると導通する。抵抗R4とキャパシタC4は時定数回路を構成する。トランジスタQ5,Q6は、この2つのトランジスタでサイリスタ構造のラッチ回路を構成する。
トランスT1の補助巻線N5の電圧は1次巻線N1の電圧に比例しているので、1次巻線に生じるリセット電圧が所定値を超えることにより、ツェナーダイオードD4が導通し、トランジスタQ5がオンすると、トランジスタQ6もオンする。このことにより出力電圧検出回路40へ制御信号が与えられる。
出力電圧検出回路40は、リセット電圧検出回路33が、トランスT1の補助巻線N5に生じる電圧の大きさが所定のしきい値を超えることを検出したとき、主スイッチ素子Q1のオンデューティが短くなるように上記フィードバック用の電圧を変化させる。このことにより、トランスT1の1次巻線N1および2次巻線N2に生じるリセット電圧が制限される。
図9は第4の実施形態の別のDC−DCコンバータ104Bの回路図である。図8に示したDC−DCコンバータ104Aとは、リセット電圧検出回路34Bの構成が異なる。
リセット電圧検出回路34Bにおいては、図8に示したダイオードD5およびキャパシタC3が無い。このように、補助巻線N5の電圧を整流平滑しなくても、補助巻線N5に生じる電圧が所定値を超えれば、ツェナーダイオードD4が導通するので、上述と同様の作用により、トランスT1の1次巻線N1および2次巻線N2に生じるリセット電圧が制限される。
《第5の実施形態》
第5の実施形態では、主スイッチ素子のオンデューティを低下させるリセット電圧抑制回路を備えたDC−DCコンバータの例を示す。
図10は第5の実施形態に係るDC−DCコンバータ105Aの回路図である。このDC−DCコンバータ105Aにおいて、トランスT1の補助巻線N5にリセット電圧検出回路35Aが接続されている。このリセット電圧検出回路35Aは、トランスT1に蓄積された励磁エネルギーがリセットされるときに生じるリセット電圧の大きさを、補助巻線N5の電圧によって検出し、その電圧に応じた制御電圧を制御回路10のSS端子へ供給する。その他の構成は第1の実施形態で示したDC−DCコンバータ101Aと同じである。
リセット電圧検出回路35Aは、抵抗R1,R2,R3,R4、キャパシタC3,C4、ツェナーダイオードD4、ダイオードD5、トランジスタQ5を有する。ダイオードD5は補助巻線N5の電圧を整流し、キャパシタC3はその電圧を平滑する。抵抗R1,R2は、キャパシタC3の電圧を分圧する分圧回路を構成する。ツェナーダイオードD4は分圧電圧がツェナーダイオードD4のツェナー電圧を超えると導通する。抵抗R4とキャパシタC4は時定数回路を構成する。ツェナーダイオードD4が導通すると、トランジスタQ5はオンする。
制御回路10のSS端子は、第1の実施形態で既に述べたとおり、ソフトスタート制御端子であり、この端子に外付けされるキャパシタと内部の定電流回路とで構成される定電流充電回路によって、ソフトスタート制御用ランプ電圧波形が内部で生成される。
リセット電圧検出回路35Aは、補助巻線N5の電圧が所定値を超えると、トランジスタQ5がオンすることにより、SS端子から電流を引き抜く。これにより、ソフトスタート制御が擬似的に作用し、主スイッチ素子Q1のオンデューティが低下する。この動作により、トランスT1に生じるリセット電圧が制限され、主スイッチ素子Q1はトランスT1の1次巻線に生じるリセット電圧から保護される。同様に、整流スイッチ素子Q2はトランスT1の2次巻線N2に生じるリセット電圧から保護される。
図11は第5の実施形態の別のDC−DCコンバータ105Bの回路図である。図10に示したDC−DCコンバータ105Aとは、リセット電圧検出回路35Bの構成が異なる。
リセット電圧検出回路35Bは、抵抗R1,R2,R3、キャパシタC3,C4、ダイオードD5、シャントレギュレータSRを有する。ダイオードD5は補助巻線N5の電圧を整流し、キャパシタC3はその電圧を平滑する。抵抗R1,R2は、キャパシタC3の電圧を分圧する分圧回路を構成する。シャントレギュレータSRは分圧電圧を基準電圧として、制御回路10のSS端子から電流を引き抜く。したがって、補助巻線N5の電圧が所定値を超えると、ソフトスタート制御が擬似的に作用し、主スイッチ素子Q1のオンデューティが低下する。
図12は第5の実施形態の別のDC−DCコンバータ105Cの回路図である。図10に示したDC−DCコンバータ105Aとは、リセット電圧検出回路35Cの構成が異なる。
リセット電圧検出回路35Cは、抵抗R1,R2,R3、キャパシタC3,C4、ダイオードD5、エラーアンプAMPを有する。ダイオードD5は補助巻線N5の電圧を整流し、キャパシタC3はその電圧を平滑する。抵抗R1,R2は、キャパシタC3の電圧を分圧する分圧回路を構成する。エラーアンプAMPは基準電圧に対する分圧電圧の差電圧を増幅して、トランジスタQ5を駆動する。したがって、補助巻線N5の電圧が増大する程、擬似的なソフトスタート制御が強く掛かり、主スイッチ素子Q1のオンデューティが低下する。
《第6の実施形態》
第6の実施形態では、トランスの2次側で、且つ補助巻線の電圧によってリセット電圧を検出するDC−DCコンバータの例を示す。
図13は第6の実施形態に係るDC−DCコンバータ106Aの回路図である。このDC−DCコンバータ106AのトランスT1の補助巻線N5にリセット電圧検出回路36Aが接続されている。このリセット電圧検出回路36Aは、トランスT1に蓄積された励磁エネルギーがリセットされるときに生じるリセット電圧の大きさを、補助巻線N5の電圧によって検出し、それが所定のしきい値を超えるとき、出力電圧検出回路40へ制御信号を供給する。リセット電圧検出回路36Aの構成は図10に示したリセット電圧検出回路35Aと同じである。その他の構成は第3の実施形態で示したDC−DCコンバータ103と同じである。
リセット電圧検出回路36Aは、トランスT1の補助巻線N5の電圧が所定値を超えたとき、出力電圧検出回路40の制御端子CNTをプルダウンする。
出力電圧検出回路40は、制御端子CNTが低下することにより、主スイッチ素子Q1のオンデューティが短くなるように、制御回路10へのフィードバック用の電圧を変化させる。このことにより、トランスT1の1次巻線N1および2次巻線N2に生じるリセット電圧が制限される。
図14は第6の実施形態の別のDC−DCコンバータ106Bの回路図である。図13に示したDC−DCコンバータ106Aとは、リセット電圧検出回路36Bの構成が異なる。
リセット電圧検出回路36Bは、抵抗R1,R2,R3、キャパシタC3,C4、ダイオードD5、シャントレギュレータSRを有する。ダイオードD5は補助巻線N5の電圧を整流し、キャパシタC3はその電圧を平滑する。抵抗R1,R2は、キャパシタC3の電圧を分圧する分圧回路を構成する。シャントレギュレータSRは分圧電圧を基準電圧として、制御回路10のSS端子から電流を引き抜く。したがって、補助巻線N5の電圧が所定値を超えると、出力電圧検出回路40の制御端子CNTをプルダウンする。これにより、主スイッチ素子Q1のオンデューティが低下する。
図15は第6の実施形態の別のDC−DCコンバータ106Cの回路図である。図13に示したDC−DCコンバータ106Aとは、リセット電圧検出回路36Cの構成が異なる。
リセット電圧検出回路36Cは、抵抗R1,R2,R3、キャパシタC3,C4、ダイオードD5、エラーアンプAMPを有する。ダイオードD5は補助巻線N5の電圧を整流し、キャパシタC3はその電圧を平滑する。抵抗R1,R2は、キャパシタC3の電圧を分圧する分圧回路を構成する。エラーアンプAMPは基準電圧に対する分圧電圧の差電圧を増幅して、トランジスタQ5を駆動する。したがって、補助巻線N5の電圧が増大する程、出力電圧検出回路40の制御端子CNTの電位を低下させる。これにより、主スイッチ素子Q1のオンデューティが低下する。
《他の実施形態》
以上に示した各実施形態では、フォワード型のDC−DCコンバータについて示したが、トランスの励磁とリセットとが非対称な電圧で行われるDC−DCコンバータについて同様に適用される。例えばフライバック型のDC−DCコンバータにも同様に適用できる。
また、以上に示した各実施形態では、スイッチング制御用ICの入力電圧を監視する端子(UVLO端子)、PWM変調器への入力端子(COMP端子)、ソフトスタート制御用の端子(SS端子)の電圧を引き抜くことでオンデューティが短縮化されるように構成した例を示したが、本発明はこれらに限らない。例えば、スイッチング制御用ICの発振の継続/停止に関わる端子の電圧を制御することで、リセット電圧を制限するように構成してもよい。例えば、スイッチング制御用ICの内部電源電圧端子(Vcc端子)や主スイッチ素子Q1に対してゲート信号を出力する端子(OUT_A端子)等の電圧を例えば引き抜き(低下させ)、出力を停止するように構成してもよい。
また、以上に示した各実施形態では、スイッチング制御用ICに対して制御信号を供給することで、オンデューティが短縮化されるようにしたが、スイッチング制御用ICと主スイッチ素子との間にスイッチング素子駆動用ICが接続される場合には、その駆動用ICの有効化端子(ENABLE端子)、電源端子(Vcc端子)、ゲート信号出力端子(OUT端子)の電圧を例えば引き抜く(低下させる)こと等によって、出力を停止するように構成してもよい。
また、2次側の出力電圧検出回路40の電源端子の電圧を低下させること等によって、出力を停止するように構成してもよい。
最後に、上述の実施形態の説明は、すべての点で例示であって、制限的なものではない。当業者にとって変形および変更が適宜可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変更が含まれる。
AMP…エラーアンプ
C1…クランプ用キャパシタ
C3,C4…キャパシタ
CNT…制御端子
Co…出力キャパシタ
CP1…シャットダウンコンパレータ
CP2,CP3…コンパレータ
D2…整流ダイオード
D3…転流ダイオード
D4…ツェナーダイオード
D5…ダイオード
Lo…インダクタ
N1…1次巻線
N2…2次巻線
N3,N4,N5…補助巻線
OR1…ORゲート
Q1…主スイッチ素子(主スイッチ素子)
Q2…整流スイッチ素子
Q3…転流スイッチ素子
Q4…クランプ用スイッチ素子
Q5,Q6…トランジスタ
R1,R2,R3,R4…抵抗
SR…シャントレギュレータ
SS…ソフトスタート端子
T1…トランス
UVLO…シャットダウン端子
Vin…電圧入力端子
Vin(+),Vin(-)…電圧入力部
Vo(+),Vo(-)…電圧出力部
N1…1次巻線
N2…2次巻線
10…制御回路
11…発振器
12…デッドタイムコントローラ
13A,13B…ドライバー
14…FET
15…ロジック回路
16…フリップフロップ
20…同期整流回路
31…リセット電圧検出回路
32A,32B…リセット電圧検出回路
33…リセット電圧検出回路
34A,34B…リセット電圧検出回路
35A,35B,35C…リセット電圧検出回路
36A,36B,36C…リセット電圧検出回路
40…出力電圧検出回路
101A,101B…DC−DCコンバータ
102A,102B…DC−DCコンバータ
103…DC−DCコンバータ
104…DC−DCコンバータ
104A,104B…DC−DCコンバータ
105A,105B,105C…DC−DCコンバータ
106A,106B,106C…DC−DCコンバータ
(4)上記(3)において、前記リセット電圧抑制回路は、前記リセット電圧の大きさを、前記整流スイッチ素子に印加される電圧によって検出する構成であってもよい。これにより、リセット電圧の大きさを検出する回路を、トランスの2次側に設けることができ、トランスの2次側に構成される制御回路に対して制御信号を容易に与えることができる。
(5)上記(1)から(3)のいずれかにおいて、前記リセット電圧抑制回路は、前記リセット電圧の大きさを、前記主スイッチ素子に印加される電圧によって検出する構成であってもよい
(6)上記(1)から(3)のいずれかにおいて、前記トランスは補助巻線を有し、前記リセット電圧抑制回路は、前記リセット電圧の大きさを、前記トランスの補助巻線の電圧によって検出する構成であってもよい。これにより、リセット電圧抑制回路を、主スイッチ素子およびトランスを含むコンバータ回路とは実質的に分離でき、回路構成を簡素化できる。
また、アクティブクランプフォワードコンバータでは、リセット電圧が矩形波状となる。そのため、リセット電圧が正弦波状となる共振リセットフォワードコンバータに比べ、リセット電圧が検知しやすい、という効果がある。
出力電圧検出回路40は、電圧出力部Vo(+),Vo(-)の両端電圧を検出し、それに応じたフィードバック用の電圧を制御回路10のCOMP端子へ与える。また、制御端子CNTの電圧と基準電圧とを比較し、主スイッチ素子Q1のオンデューティを変化させる。具体的には、制御端子CNTの電圧が低下することにより、主スイッチ素子Q1のオンデューティが短くなるように上記フィードバック用の電圧を変化させる。このことにより、トランスT1の1次巻線N1および2次巻線N2に生じるリセット電圧が制限される。
出力電圧検出回路40は、リセット電圧検出回路34Aが、トランスT1の補助巻線N5に生じる電圧の大きさが所定のしきい値を超えることを検出したとき、主スイッチ素子Q1のオンデューティが短くなるように上記フィードバック用の電圧を変化させる。このことにより、トランスT1の1次巻線N1および2次巻線N2に生じるリセット電圧が制限される。

Claims (9)

  1. DC電圧を受ける電圧入力部と、
    負荷が接続される電圧出力部と、
    少なくとも1次巻線と2次巻線を有するトランスと、
    前記電圧入力部と前記トランスの1次巻線との間に設けられた主スイッチ素子と、
    前記電圧出力部と前記トランスの2次巻線との間に設けられた整流回路と、
    前記トランスに蓄積された励磁エネルギーがリセットされるときに生じるリセット電圧の大きさを検出し、前記リセット電圧の大きさに応じて、前記主スイッチ素子に印加される電圧を抑制するリセット電圧抑制回路と、を備えたDC−DCコンバータ。
  2. 前記リセット電圧抑制回路は、前記リセット電圧の大きさが所定のしきい値を超える場合に、前記主スイッチ素子に印加される電圧を抑制する、請求項1に記載のDC−DCコンバータ。
  3. 前記整流回路は、前記電圧出力部と前記トランスの2次巻線との間に設けられた整流スイッチ素子を含み、前記整流スイッチ素子を前記トランスの2次巻線電圧の変化に同期してスイッチングする同期整流回路である、請求項1または2に記載のDC−DCコンバータ。
  4. 前記リセット電圧抑制回路は、前記リセット電圧の大きさを、前記整流スイッチ素子に印加される電圧によって検出する、請求項3に記載のDC−DCコンバータ。
  5. 前記リセット電圧抑制回路は、前記リセット電圧の大きさを、前記主スイッチ素子に印加される電圧によって検出する、請求項1から3のいずれかに記載のDC−DCコンバータ。
  6. 前記トランスは補助巻線を有し、
    前記リセット電圧抑制回路は、前記リセット電圧の大きさを、前記トランスの補助巻線の電圧によって検出する、請求項1から3のいずれかに記載のDC−DCコンバータ。
  7. 前記リセット電圧抑制回路は、前記主スイッチ素子のオンデューティを低下させる回路である、請求項1から6のいずれかに記載のDC−DCコンバータ。
  8. 前記リセット電圧抑制回路は、前記主スイッチ素子をオフ状態に保つ回路である、請求項7に記載のDC−DCコンバータ。
  9. 前記主スイッチ素子はFETであり、当該主スイッチ素子のドレイン・ソース間に並列接続され、前記リセット電圧の前記主スイッチ素子への印加電圧を制限するアクティブクランプ回路を備える、請求項1から8のいずれかに記載のDC−DCコンバータ。
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