WO2002025798A1

WO2002025798A1 - Dispositif d'alimentation electrique de commutation eleveur

Info

Publication number: WO2002025798A1
Application number: PCT/JP2001/008135
Authority: WO
Inventors: Kazuyuki Itoh; Katsuaki Tanaka
Original assignee: Tdk Corporation
Priority date: 2000-09-20
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2002-03-28
Also published as: CN100481690C; CN1393050A; US20040036451A1; US7049793B2; JP2002101645A; JP3425418B2

Description

明細書昇圧型スィツチング電源装置技術分野

本発明は、昇圧型スイッチング電源装置に関し、さらに詳細には、入力電圧よりも高い出力電圧を得ることのできる昇圧型スィツチング電源装置に関する。従来の技術

入力電圧よりも高い出力電圧を得ることのできる昇圧型スィッチング電源装置としては、例えば特許第 2， 5 1 2， 6 7 0号公報の第 1 図に記載された回路が知られている。この回路は、入力電源、磁気コィル及びスィッチ手段からなる第 1の閉回路と、入力電源、ダイォード及び平滑用コンデンサからなる第 2の閉回路からなる。スィッチ手段がオンしている状態では入力電源、磁気コイル及びスィッチ手段からなる第 1の閉回路に電流が流れて磁気コイルを励磁する。スィツチ手段がオフしている状態では入力電源、ダイォード及び平滑用コンデンサからなる第 2の閉回路に電流が流れて、磁気コイルに蓄積された励磁エネルギーが放出され、平滑用コンデンサを充電する。これにより出力端である平滑用コンデンサの両端には、入力電源の電圧よりも高い出力電圧が現れる。

上述した昇圧型スイッチング電源装置においては、通常は、スイツチング周波数を一定とし、ースィツチング周期内でスィツチ手段がォン状態にある時比率（デューティ）を制御することによって出力電圧を安定化させる。この装置の動作は、上記特許公報中に詳細に説明されているため、説明は省略する。

上述の昇圧型スィツチング電源装置における問題点として、大きなリカバリ電流の発生が挙げられる。スィツチ手段がオフ状態となっている期間においては、ダイオードには入力電流に等しい電流が流れている。しかし、この状態でスィッチ手段がオンすると、ダイオードに流れる電流が急激に減少するため、ダイオードの特性上、僅かの時間、逆方向にリカバリ電流が流れる。このリカバリ電流は、スィッチ手段がオンする直前にダイォードに流れていた電流の大きさと、スイツチ手段がオンすることによるダイォードに流れる電流の減少速度に比例して大きくなる。上述の昇圧型スイッチング電源装置では、ダイォ一ドを流れる電流の減少速度を制限する要因となるものは、回路に含まれる寄生インピーダンスとスィツチ手段がオフからオンに移る間の抵抗分しかない。このため、ダイオードを流れる電流の減少速度は非常に早く、その結果、非常に大きなリカバリ電流が生じることになる。このリカバリ電流は、スイッチングロスを生じさせるため、昇圧型スイッチング電源装置の効率を低下させる原因となる。さらに、このスィツチングロスはスィツチ手段のスィツチングごとに発生するため、駆動周波数に比例して大きくなる。このため、昇圧型スイッチング電源装置の小型化のために駆動周波数を高めと、スイッチングロスが増大してしまう。さらに、リカバリ電流は非常に急峻なパルス波形であるため、大きなリ力バリ電流が回路に流れると大きなノイズが発生する。このため、高度なノイズ対策が必要となる。

上記特許第 2， 5 1 2 , 6 7 0号公報に記載された昇圧型スィッチング電源装置の上記問題を解決するための手法としては、様々な手法が提案されている。その一つが、 W O 9 8 / 3 5 4 3 2号公報に記載された昇圧型スィツチング電源装置である。

W O 9 8 / 3 5 4 3 2号公報に記載された昇圧型スィツチング電源装置は、入力電源、磁気コイル（第 1の磁気コイル）及びスィッチ手段からなる第 1の閉回路に第 2の磁気コイルを揷入するというものである。第 2の磁気コイルを介在させることによって、スィッチ手段がオフからオンに変化した際にスイツチ手段に流れる電流の増加速度を制限している。これによつて、スィッチ手段がオフからオンに変化した際にダイォードを流れる電流の減少速度が遅くなり、リカバリ電流を効果的に抑制することができる。しかしながら、 W 0 9 8 / 3 5 4 3 2号公報に記載された昇圧型スィツチング電源装置では、主となる第 1の磁気コイルを励磁するための第 1の閉回路内に第 2の磁気コイルを揷入しているため、第 1の磁気コイルを励磁するための電流が常に第 2の磁気コイルを流れることになる。このため、昇圧型スイッチング電源装置の効率を低下させてしまうという新たな問題が生じてしまう。しかも、第 2の磁気コイルには大電流が流れるため、その形状を大きくする必要があり、装置全体の小型化を阻害してしまう。

上記特許第 2 ， 5 1 2 , 6 7 0号公報に記載された昇圧型スィッチング電源装置の上記問題を解決するための別の手法として、米国特許第 5 ， 4 1 8 , 7 0 4号公報に記載された昇圧型スイッチング電源装置がある。

, 米国特許第 5 , 4 1 8 ， 7 0 4号公報に記載された昇圧型スィッチング電源装置は、第 2の磁気コイル及び第 2 スィツチ手段の直列体を、スィッチ手段（第 1のスィッチ手段）と並列に接続することによつて、平滑用コンデンサ、第 2の磁気コイル及び第 2のスィッチ手段からなる第 3の閉回路を構成する。第 1のスィツチ手段がオフからォンに変化する直前に第 2のスィツチ手段がオフからオンに変化させている。このように、同公報に記載された昇圧型スイッチング電源装置においては、主となる第 1のスィッチ手段がオフからオンに変化する直前に、捕助スィツチである第 2のスィツチ手段をオフからオンに変化させているため、第 1のスィツチ手段には実質的にリカバリ電流が流入せず、このため、第 1のスィッチ手段にて生じるスイッチング口スが低減する。さらに、第 3の閉回路には第 2の磁気コイルが含まれているので、第 2のスィッチ手段がオフからオンに遷移する際に生じるスィツチングロスも低減する。

しかしながら、米国特許第 5 , 4 1 8 ， 7 0 4号公報に記載された昇圧型スィツチング電源装置では、第 2のスィツチ手段がオンからォフに遷移する場合、電流を流しながらターンオフするハードスィツチング動作となる。このため、第 2のスィッチ手段にターンオフ損失が生じてしまう。

以上のように、従来より、リカバリ電流によるスイッチングロスを低減するために種々の手法が試みられているものの、これら手法による昇圧型スィツチング電源装置には上述した問題点があった。このため、よりスイッチングロスの少ない昇圧型スイッチング電源装置が望まれていた。

したがって、本発明の目的は、よりスイッチングロスの少ない昇圧型スィツチング電源装置を提供することである。発明の開示

本発明のかかる目的は、電源の一端と平滑用の第 1のコンデンサの一端との間に直列に接続された第 1の磁気素子及び第 1のダイォードと、前記第 1の磁気素子と前記第 1のダイォードとの節点である第 1 の節点と前記電源の他端との間に接続された第 1のスィツチ素子と、前記第 1の節点と前記電源の前記他端との間に直列に接続された第 2 の磁気素子及び第 2のスィツチ素子と、前記第 2の磁気素子と前記第 2のスィツチ素子との節点である第 2の節点と前記第 1の節点との間に直列に接続された第 2のダイォード及び第 2のコンデンサとを備える昇圧型スィツチング電源装置によって達成される。

本発明によれば、第 2のスィッチ手段がオンする際には、第 2の磁気素子によって第 2のスィツチ手段を流れる電流の増加が抑制される一方、第 2のスィッチ手段がオフする際には、第 2のコンデンサの充電によって第 2のスィツチ手段の両端の電圧の増加が抑制されるため、第 2のスイツチ手段がオンオフすることによるスイッチングロスを大幅に低減することができる。さらに、第 2のスィッチ手段がオンした後に第 1のスィツチ手段をオンさせることにより、第 1のスィツチ手段がオンする際のスイッチングロスが大幅に低減され、また、第 1 のスィツチ手段がオフする際には、第 2のコンデンサの放電によって第 1のスィッチ手段の両端の電圧の增加が抑制される。このため、第 1のスィツチ手段がオンオフすることによるスィツチングロスも大幅に低減することができる。

本発明の好ましい実施態様においては、前記第 2のダイォードと前記第 2のコンデンサとの節点である第 3の節点と前記第 1のコンデンサの前記一端との間に接続された第 3のダイォードをさらに備える。本発明の好ましい実施態様によれば、第 3の節点と第 1のコンデンサの一端との間に接続された第 3のダイオードを備えているため、第 2のスィツチ手段がオフし、第 2のコンデンサの充電が完了した後は、第 3のダイオードを経由して出力に電流が流れ、また、第 1のスィツチ手段がオフし、第 2のコンデンサの放電する際には、第 3のダイオードを経由して出力に電流が流れるため、エネルギーを効果的に出力に回生することができる。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 1の節点と前記第 2の磁気素子との間に挿入された第 3の磁気素子をさらに備え、前記第 1の磁気素子と前記第 3の磁気素子とは、同一の磁心に巻かれた卷線によって構成される互いに逆極性の磁気素子である。

本発明のさらに好ましい実施態様によれば、第 2のダイォードのリ力バリ電流によって逆方向に励磁された第 2の磁気素子を速やかにリセットすることができ、また、そのエネルギーを第 1の磁気素子を介して入力に回生することが可能となる。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 1の磁気素子は、前記第 3の磁気素子よりも大きいインダクタを有する。

本発明のさらに好ましい実施態様によれば、第 3の磁気素子を小型化することが可能となる。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 2の節点と前記第 2のダイオードとの間に挿入された第 4のダイオードと、前記第 2のダイォードと前記第 4のダイォードとの節点である第 4の節点と前記電源の前記他端との間に接続された第 3のコンデンサとをさらに備える。

本発明のさらに好ましい実施態様によれば、第 2のスィツチ素子がオフする際、第 2のスィッチ素子の両端間に印加される電圧の上昇は一層制限されるため、第 2のスィツチ素子がオフする際のスィッチングロスをさらに低減することができる。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 1及び第 2のスィツチ手段の導通状態を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記第 1のスィッチ手段をオンさせるに先立って前記第 2のスィツチ手段をオンさせるとともに、前記第 1の節点の電圧が前記電源の前記他端の電圧よりも低下したことに応答して前記第 1 のスイツチ手段をオンさせる。

本発明のさらに好ましい実施態様によれば、制御回路による制御により、第 1の節点の電圧が電源の他端の電圧よりも低下したことに応答して第 1のスィツチをオンさせているので、第 1のスィッチがオンする際のスィツチングロスを低減することができる。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 1のスィツチ素子に並列接続された第 4のダイォードをさらに備え、前記制御回路は、前記第 4のダイオードに流れる電流を監視することによって、前記第 1の節点の電圧が前記電源の前記他端の電圧よりも低下したことを検出する。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 4のダイォードに並列接続された第 3のコンデンサをさらに備える。

本発明のさらに好ましい実施態様によれば、第 2のスィッチ素子を流れる電流の増加速度が一層緩やかとなるため、第 2のスィツチ素子のスイッチングロスを一層低減することができる。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 1のスィツチ素子に並列接続された第 4のダイォードと、前記第 4のダイォードの両端間の電圧を検出する電圧検出素子とをさらに備え、前記制御回路は、前記電圧検出素子の検出電圧に基づいて、前記第 1の節点の電圧が前記電源の前記他端の電圧よりも低下したことを検出する。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 1及び第 2のスィツチ素子が、バイポーラトランジスタ、 M O S F E T、 I G B T 及ぴ B S I Tからなる群より選ばれたスィツチからなる。本発明の前記目的はまた、電源の一端と平滑用の第 1のコの一端との間に直列に接続された第 1の磁気素子及び第 1のダイォードと、前記第 1の磁気素子と前記第 1のダイォードとの節点である第 1の節点と前記電源の他端との間に接続された第 1のスィッチ素子と、前記第 1の節点と前記電源の前記他端との間に直列に接続された第 2の磁気素子及び第 2のスィツチ素子と、前記第 1及び第 2のスィッチ素子の導通状態を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第 2のスィツチ素子がオンしている期間において前記第 1のスィッチ素子をオンさせることを特徴とする昇圧型スィツチング電源装置によって達成される。

本発明の好ましい実施態様においては、前記第 2の磁気素子と前記第 2のスィッチ素子との節点である第 2の節点と前記第 1の節点との間に直列に接続された第 2のダイォード及び第 2のコンデンサをさらに備える。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 1の節点と前記第 2の磁気素子との間に挿入された第 3の磁気素子をさらに備え、前記第 1の磁気素子と前記第 3の磁気素子とは、同一の磁心に卷かれた卷線によって構成される互いに逆極性の磁気素子である。

本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記第 2のダイォードと前記第 2のコンデンサとの節点である第 3の節点と前記第 1のコンデンサの前記一端との間に接続された第 3のダイォードをさらに備える。図面の簡単な説明

図 1は、本発明の好ましい実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置 1の回路図である。

図 2は、昇圧型スイッチング電源装置 1の動作を示すタイミングチヤートである。

図 3は、本発明の好ましい他の実施態様にかかる昇圧型スィッチング電源装置 1 7の回路図である。図 4は、図 1に示した昇圧型スイッチング電源装置 1 7の変形例である昇圧型スィツチング電源装置 2 0の回路図である。

図 5は、本発明の好ましいさらに他の実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置 2 1の回路図である。

図 6は、本発明の好ましいさらに他の実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置 2 3の回路図である。

図 7は、図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1に用いた直流電源 2の代わりに、交流電源を用いた昇圧型スィツチング電源装置 2 5の回路図である。発明の実施の形態

以下、添付図面に基づき、本発明の好ましい実施態様について詳細に説明する。

図 1に示されるように、本実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置 1は、コイル部分 3 a及び 3 bに分割されコイル部分 3 aが直流電源 2の正側端子に接続された第 1の磁気素子 3と、コイル部分 3 aと 3 b との節点にァノードが接続された第 1のダイォード 4と、第 1のダイォード 4のカソードと直流電源 2の負側端子（基準電源ライン）との間に接続された出力平滑用の第 1のコンデンサ 5と、一端がコイル部分 3 bに接続された第 2の磁気素子 7と、第 1のダイオード 4のアノードと直流電源 2の負側端子との間に接続された第 1のスィツチ素子 8と、第 2の磁気素子 7の他端と直流電源 2の負側端子との間に接続された第 2のスィツチ素子 9と、ァノードが第 2の磁気素子 7の他端に接続された第 2のダイオード 1 0と、第 1のダイオード 4 のアノードと第 2のダイオード 1 0の力ソードとの間に接続された第 2のコンデンサ 1 1 と、ァノードが第 2のダイォード 1 0の力ソードに接続されカソードが第 1のダイォード 4のカソードに接続された第 3のダイォード 1 2と、第 1のスィツチ素子 8に対して逆方向に並列接続された第 4のダイォード 1 3と、第 2のスィツチ素子 9に対して逆方向に並列接続された第 5のダイオード 1 4と、第 4のダイォード 1 3に流れる電流 I D 4を検出する電流検出素子 1 5と、第 1のスィツチ素子 8及び第 2のスィツチ素子 9のオンオフを制御する制御回路 1 6とを備える。出力平滑用コンデンサ 5の両端間には、負荷抵抗 6 が接続される。本実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置 1においては、図 1に示されるように、第 1のスィッチ素子 8及び第 2のスィツチ素子 9としてパイポーラトランジスタを用いている。

ここで、第 1 の磁気素子 3がコイル部分 3 aとコイル部分 3 bに分割されているということは、コイル部分 3 a とコイル部分 3 bが同一の磁心に卷かれた卷線によって構成されることを意味する。また、第 1の磁気素子 3は、コイル部分 3 a とコイル部分 3 bとが互いに逆極性となるように卷線方向が定められる。さらに、コイル部分 3 aには、コイル部分 3 bより十分に大きいィンダクタンスが与えられている次に、以上のような回路構成を有する昇圧型スィツチング電源装置 1の昇圧動作について、図 2に示されるタイミングチヤ一トを参照しながら詳細に説明する。図 2において、 V B E 1 とは第 1のスィッチ素子 8のベース一エミッタ間電圧を表し、 V B E 2とは第 2のスィッチ素子 9のベースーェミッタ間電圧を表す。また、 V Aとは第 1 のスィツチ素子 8の両端に印加されている電圧、すなわちライン Aの電圧を表す。さらに、 I s w 1 とは第 1のスィッチ素子 8に流れる電流を表し、 I s w 2とは第 2のスィッチ素子 9に流れる電流を表す。さらに、 I D 4とは第 4のダイオード 1 3に流れる電流を表す。さらに、 V s w 2とは、第 2のスィツチ素子 9のコレクターエミッタ間電圧を表す。さらに、 I L 2とは第 2の磁気素子 7を流れる電流を表す。さらに、 I c 2とは第 2のコンデンサ 1 1に流れる電流を表す。さらに、 V C R 1 とは第 1のダイオード 4の両端の電圧を表し、 I C R 1とは第 1のダイオード 4に流れる電流を表す。さらに、 I C R 3とは第 3のダイォード 1 2に流れる電流を表す。まず、第 1のスィツチ素子 8及び第 2のスィツチ素子 9がいずれもオフしている状態においては（時刻 t 0以前）、第 1のスィツチ素子 8 の両端に印加されている電圧、すなわち節点 Aの電圧 V Aは出力電圧 V oに等しく、また、第 1のダイオード 4には入力電流 I i nに等しい電流 I C R 1が流れている。

次に、制御回路 1 6による制御のもと、第 2のスィッチ素子 9にォン信号が供給されると（時刻 t 0 )、これに応答して、第 2のスィッチ素子 9の両端の電圧 V s w 2は急速に低下し、第 1の磁気素子 3のコィル部分 3 b及び第 2の磁気素子 7には出力電圧 V oに等しい電圧が印加される。これにより、第 1の磁気素子 3のコイル部分 3 b及び第 2の磁気素子 7を介して、第 2のスィッチ素子 9を流れる電流 I s w 2は直 f泉的に増加する。第 2のスィツチ素子 9の両端の電圧 V s w 2 は、上述の通り時刻 t 0において急激に減少するが、コイル部分 3 b 及び第 2の磁気素子 7の介在により電流 I s w 2の増加は比較的緩やかとなるため、第 2のスィッチ素子 9がオフからオンに変化する際のスイッチングロスはほとんど生じない。

一方、第 2のスィッチ素子 9を流れる電流 I s w 2が増加するにつれて、第 1のダイオード 4を流れる電流 I C R 1は減少し、これがゼ口になるとリカバリ電流が発生する。しかしながら、上述のとおり、第 2のスィッチ素子 9を流れる電流 I s w 2の増加は緩やかであるので、第 1のダイォード 4を流れる電流 I C R 1の減少速度も小さい。その結果、第 1のダイォード 4にて生じるリカバリ電流は効果的に抑制される。

第 1のダイオード 4を流れる電流 I C R 1がゼロとなると（時刻 t 1 )、入力電流 I i nは全て第 2の磁気素子 7を流れ、節点 Aの電圧 V Aは実質的にゼロとなり、第 1のダイォード 4の両端の電圧 V C R 1 は実質的に出力電圧 V oと等しくなる。この時点では、第 2のダイォード 1 0と第 2のコンデンサ 1 1との節点 Bの電圧 V Bは実質的に出力電圧 V oに等しく、且つ、第 2のコンデンサ 1 1の両端の電圧は実質的にゼロである。さらに、第 1のダイオード 4にて生じるリカバリ電流が減少するにつれて節点 Aの電圧は僅かにマイナスとなり（マイナスの電圧が僅かなため図 2においては示されていない）、これに応答して第 4のダイオード 1 3がオンする。すなわち、直流電源 2の負側端子から節点 Aに向けて電流 I D 4が流れる。

第 4のダイオード 1 3を流れる電流 I D 4の発生は、電流検出素子 1 5によって検出され、これに応答して制御回路 1 6は、第 1のスィツチ素子 8にオン信号を供給する（時刻 t 2 )。これにより第 1のスィツチ素子 8はオフからオンに変化するが、このとき第 1のスィツチ素子 8の両端に印加されている電圧 V Aは実質的にゼロ（僅かにマイナス）であり、第 2の磁気素子 7を流れる電流は、第 2の磁気素子 7、コイル部分 3 b、第 2のスィツチ素子 9、第 4のダイォード 1 3により構成されるループを循環するので、第 1のスィツチ素子 8がオフからオンに変化する際のスィツチングロスはほとんど生じない。このとき、第 2の磁気素子 7を流れる電流 I L 2は、コイル部分 3 aからの入力電流 I i nであり、第 2のスィツチ素子 9に流れる電流 I s w 2 は入力電流 I i nと等しい。

次に、制御回路 1 6による制御のもと、第 2のスィツチ素子 9にォフ信号が供給され（時刻 t 3 )、これにより第 2のスィツチ素子 9はォンからオフに変化する。これに応答して、入力電流 I 1 11は第1 のスイッチ素子 8を流れるようになり、第 2の磁気素子 7に蓄積されている励磁エネルギーは、第 2のダイォード 1 0を通り、第 2のコンデンサ 1 1を充電する。このため、第 2のスィッチ素子 9の両端間の電圧 V s w 2の上昇は緩やかとなり、第 2のスィツチ素子 9がオンからォフに変化する際のスィツチング損失は極めて小さくなる。第 2のスィツチ素子 9の両端間の電圧 V s w 2が上昇し、第 2のコンデンサ 1 1 に充電された電圧が出力電圧 V oよりも大きくなると、第 3のダイォード 1 2がオンし、第 2の磁気素子 7に蓄積されている励磁エネルギ一は出力に回生される。 _

第 2の磁気素子 7に蓄積されている励磁エネルギーの減少につれて、第 2のダイオード 1 0及び第 3のダイオード 1 2に流れる電流が減少する。第 2のダイオード 1 0及び第 3のダイオード 1 2に流れる電流がゼ口になると（時刻 t 4 )、第 2のダイォード 1 0及び第 3のダイオード 1 2にはリカバリ電流が発生し、第 2の磁気素子 7は逆方向に励磁されることになる。

第 2のダイォード 1 0及び第 3のダイォード 1 2にて生じるリカバリ電流が減少するにつれて、第 2のスィツチ素子 9の両端間の電圧は逆転してマイナスとなり（マイナスの電圧が僅かなため図 2においては示されていない）、これに応答して第 5のダイォード 1 4がオンする (時刻 t 5 )。これにより、第 1のスィツチ素子 8に流れている電流 I s w 1は、第 1のスィッチ素子 8、第 5のダイオード 1 4、第 2の磁気素子 7、コイル部分 3 bにより構成されるループを循環する。かかる循環電流は、第 1の磁気素子 3のコイル部分 3 bに励磁エネルギーを生じさせ、これがコイル部分 3 bと磁気結合しているコィル部分 3 aを介して入力に回生される。すなわち、かかる循環電流は、コイル部分 3 bによる励磁エネルギーが入力に回生されるために速やかにゼ口となり、第 2の磁気素子 7はきわめて短時間でリセットされることになる。その後、入力電流 I i nがコイル部分 3 aを介して第 1のスィツチ素子 8を流れることによりコイル部分 3 aに励磁エネルギーを蓄積する。

また、第 2の磁気素子 7のリセットが終了した後は、コイル部分 3 a と磁気結合しているコイル部分 3 bは、第 2のダイォード 1 0及び第 3のダイォード 1 2が逆バイアスになるような電圧を発生するため、第 2のダイオード 1 0及ぴ第 3のダイォード 1 2には電流が流れなレ、。このため、次に第 2のスィッチ素子 9がオンしたときに、第 2のダイォード 1 0及び第 3のダイォード 1 2にリカバリ電流が発生することはない。

そして、制御回路 1 6による制御のもと、所定のタイミングにて第 1のスィツチ素子 8にオフ信号が供給され（時刻 t 6 )、これにより第 1のスィツチ素子 8はオンからオフに変化する。これに応答して第 1 のスィッチ素子 8を流れていた電流 I s w 1は遮断されて節点 Aの電圧が上昇するが、第 1のスィツチ素子 8がオンからオフに変化する時点においては、第 2のコンデンサ 1 1は実質的に出力電圧 V oに等しい電圧まで充電されているため、第 1のスイッチ素子 8を流れていた電流 I s w 1は、第 2のコンデンサ 1 1及び第 3のダイォード 1 2を介して出力に供給される（ I C R 3 )。これによつて第 2のコンデンサ

1 1に充電されていた電圧は徐々に放電されるため、節点 Aの電圧の上昇は緩やかとなり、第 1のスィツチ素子 8がオンからオフに変化する際のスィツチングロスは極めて小さレ、。

そして、第 2のコンデンサ 1 1の放電が完了し、節点 Aの電圧が出力電圧 V oよりも高くなると（時刻 t 7 )、第 1のダイォード 4が導通し、コイル部分 3 aからの入力電流 I i nは、すべて第 1のダイォード 4を流れるようになる。

本実施例による昇圧型スィツチング電源装置 1は、このような動作を繰り返すことにより、直流電源 2より供給される電圧を昇圧して第

1のコンデンサ 5を充電し、これを負荷抵抗 6に供給する。これによつて、負荷抵抗 6は直流電源 2の電圧よりも高い電圧を利用することが可能となる。

また、制御回路 1 6は、第 1のコンデンサ 5の両端間の電圧、すなわち出力電圧 V oを常時監視しており、これがあらかじめ設定された所定の電位と一致するように、第 1のスィツチ素子 8のデューティを設定する。すなわち、本実施例による昇圧型スイッチング電源装置 1 においては、第 1のスィッチ素子 8をオンオフする周期、すなわち駆動周波数を一定とし、そのデューティを制御することによって出力電圧 V oを安定化する手法が採用されており、出力電圧 V oがあらかじめ設定された所定の電位よりも低下すれば、第 1のスィツチ素子 8のデューティを高くし、出力電圧 V oがあらかじめ設定された所定の電位よりも上昇すれば、第 1のスィツチ素子 8のデューティを低くする以上説明したように、昇圧型スイッチング電源装置 1によれば、メインスイッチである第 1のスィツチ素子 8がオフからオンに変化するタイミング（時刻 t 2 ) においては、コイル部分 3 b、第 2の磁気素子 7、第 2のスィツチ素子 9、第 4のダイオード 1 3からなるループに循環電流が流れているため、第 1のスィツチ素子 8がオフからオンに変化する際のスィツチングロスを効果的に低減することが可能となる。一方、メインスィッチである第 1のスィツチ素子 8がオンからォフに変化するタイミング（時刻 t 6 ) においては、第 2のコンデンサ 1 1が出力電圧 V oに等しい電圧まで充電されていることから、第 1 のスィツチ素子 8に流れていた電流は、第 2のコンデンサ 1 1及び第 3のダイォード 1 2を介して出力に回生され、これに伴って第 2のコンデンサ 1 1が徐々に放電されることから、第 1のスィッチ素子 8がオンからオフに変化する際のスィツチングロスを効果的に低減することが可能となる。したがって、本実施態様による昇圧型スイッチング電源装置 1によれば、メインスィツチである第 1のスィツチ素子 8にて生じるスィツチングロスは極めて小さく、効率のよい昇圧型スィッチング電源装置を提供することが可能となる。

また、捕助スィツチである第 2のスィツチ素子 9がオフからオンに変化するタイミング（時刻 t O ) においては、入力電流 I 1 11は第 1 の磁気素子 3 コイル部分 3 b及び第 2の磁気素子 7を介して第 2のスィツチ素子 9に流れ込むため、電流量の増大速度は緩やかであり、このため第 2のスィツチ素子 9がオフからオンに変化する際のスィツチングロスを効果的に低減することが可能となる。また、これによつて第 1のダイォード 4を流れる電流 I C R 1の減少速度も緩やかとなるため、第 1のダイォード 4にて発生するリ力バリ電流を効果的に低減することができる。一方、補助スィッチである第 2のスィッチ素子 9 がオンからオフに変化するタイミング (時亥 'J t 3 ) においては、第 2 のスィツチ素子 9を流れていた電流は第 2のダイォード 1 0を介して第 2のコンデンサ 1 1を充電するため、第 2のスィッチ素子 9の両端間の電圧の上昇は緩やかとなり、これによつて第 2のスィツチ素子 9 がオンからオフに変化する際のスィツチングロスを効果的に低減することが可能となる。したがって、本実施態様による昇圧型スィッチング電源装置 1によれば、補助スィツチである第 2のスィツチ素子 9にて生じるスイッチングロスも極めて小さく、効率のよい昇圧型スィッチング電源装置を提供することが可能となる。

さらに、第 2のダイォード 1 0及び第 3のダイォード 1 2に流れる電流が減少しリカバリ電流が発生すると、第 2の磁気素子 7は逆方向に励磁されるが、リ力バリ電流はコイル部分 3 bと磁気結合しているコイル部分 3 aを介して入力に回生されるため、第 2の磁気素子 Ίを速やかにリセットすることができる。また、第 2の磁気素子 7のリセットが終了した後は、コイル部分 3 a と磁気結合しているコイル部分 3 bは、第 2のダイオード 1 0及ぴ第 3のダイオード 1 2が逆バイァスになるような電圧を発生するため、次に第 2のスィツチ素子 9がォンしたときに、第 2のダイォード 1 0及び第 3のダイオード 1 2にリカバリ電流が発生することはない。

以上より、本実施態様によれば、スイッチングロスが大幅に低減され、非常に効率のよい昇圧型スイッチング電源装置を提供することができる。

次に、本発明の好ましい他の実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置について説明する。

図 3は、本発明の好ましい他の実施態様にかかる昇圧型スィッチング電源装置 1 7の回路図である。

図 3に示されるように、本実施態様にかかる昇圧型スイッチング電源装置 1 7は、図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1 と類似の構成を有しており、第 2のダイオード 1 0のアノードと第 2のスイツチ素子 9との間に第 6のダイォード 1 8が揷入されているとともに、第 6のダイォード 1 8のカソードと直流電源 2の負側端子との間に第 3のコンデンサ 1 9が揷入されている点が、図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1 と異なる。

本実施態様にかかる昇圧型スイッチング電源装置 1 7の動作は、基本的に図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1の動作と同様であるが、第 6のダイオード 1 8及ぴ第 3のコンデンサ 1 9が付加されたことにより、第 2のスィツチ素子 9がオフからオンに変化する際のスイツチンダロスが一層低減される。すなわち、第 2のスィッチ素子 9 がオフからオンに変化すると、第 2のスィツチ素子 9の両端間の電圧 V s w 2は急速に上昇しようとするが、付加された第 6のダイォード 1 8及び第 3のコンデンサ 1 9が時定数回路として働くため、その上昇速度が抑えられ、その結果、第 2のスィッチ素子 9のスイッチング口スが低減されることになる。

このように、本実施態様にかかる昇圧型スイッチング電源装置 1 7 によれば、図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1による効果に加え、第 2のスィッチ素子 9がオフからオンに変化する際のスィッチングロスを一層低減することが可能となる。

図 4は、図 3に示した昇圧型スィツチング電源装置 1 7の変形例である昇圧型スィツチング電源装置 2 0の回路図である。

図 4に示されるように、昇圧型スイッチング電源装置 2 0は、コィル部分 3 bの揷入位置が図 3に示した昇圧型スィツチング電源装置 1 7と異なる他は同様の構成を有しており、その動作は、基本的に図 3 に示した昇圧型スィツチング電源装置 1 7の動作と同様である。

次に、本発明の好ましいさらに他の実施態様にかかる昇圧型スィッチング電源装置について説明する。

図 5に示されるように、本実施態様にかかる昇圧型スイッチング電源装置 2 1は、図 1に示した昇圧型スイッチング電源装置 1 と類似の構成を有しており、電流検出素子 1 5が削除された代わりに、第 4のダイォード 1 3の両端間の電圧を検出する電圧検出素子 2 2が設けられている点が、図 1に示した昇圧型スイッチング電源装置 1 と異なる本実施態様にかかる昇圧型スイッチング電源装置 2 1の動作は、基本的に図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1の動作と同様であるが、本実施態様にかかる昇圧型スイッチング電源装置 2 1においては、第 1のスィツチ素子 8をオフからオンに変化させるタイミングとして、電圧検出素子 2 2による検出電圧を用いている。すなわち、本実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置 2 1においては、第 4 のダイオード 1 3の両端間の電圧が逆転し、マイナスとなったことを電圧検出素子 2 2が検出したことに応答して、制御回路 1 6は、第 1 のスィツチ素子 8をオフからオンに変化させている。これにより、図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1 と同様、第 1 のスィツチ素子 8がオフからオンに変化する際のスィツチングロスを極めて小さくすることが可能となる。

次に、本発明の好ましいさらに他の実施態様にかかる昇圧型スイツチング電源装置について説明する。

図' 6は、本発明の好ましいさらに他の実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置 2 3の回路図である。

図 6に示されるように、本実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置 2 3は、図 1に示した昇圧型スイッチング電源装置 1 と類似の構成を有しており、第 4のダイォード 1 3の両端間に第 4のコンデンサ 2 4が並列に挿入されている点が、図 1に示した昇圧型スィッチング電源装置 1 と異なる。

本実施態様にかかる昇圧型スイッチング電源装置 2 3の動作は、基本的に図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1の動作と同様であるが、本実施態様にかかる昇圧型スイッチング電源装置 2 3においては、第 2のスィッチ素子 9がオフからオンに変化した場合、第 2の磁気素子 7と第 4のコンデンサ 2 4からなる共振回路が形成されるため、第 2のスィッチ素子 9を流れる電流 I s w 2の増加速度が一層緩やかとなる。その結果、第 2のスィッチ素子 9のスイッチングロスが一層低減されることになる。

このように、本実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置 2 3 によれば、図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1による効果に加え、第 2のスィツチ素子 9がオフからオンに変化する際のスィツチングロスを一層低減することが可能となる。図 7は、図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1に用いた直流電源 2の代わりに、交流電源を用いた昇圧型スィツチング電源装置 2 5の回路図である。

図 7に示されるように、昇圧型スィツチング電源装置 2 5のうち、昇圧回路部 2 6は、図 1に示した昇圧型スイッチング電源装置 1における当該部分と同じ回路構成であり、直流電源 2の代わりに交流電源 2 7を用いている点が異なる。交流電源 2 7より供給される交流電圧は、全波整流回路 2 8によって整流され、その出力が昇圧回路部 2 6 に供給される。昇圧回路部 2 6による昇圧動作は、図 1に示した昇圧型スィツチング電源装置 1における昇圧動作と同様である。

本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記各実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置おいては、第 1のスィッチ素子 8及び第 2のスィッチ素子 9としてバイポーラトランジスタを用いたが、スィツチの種類としてはこれに限定されず、他の種類のスィツチ、例えば M O S F E T、 I G B T、 B S I Tであってもよい。

また、上記各実施態様にかかる昇圧型スィツチング電源装置おいては、出力電圧 V oを安定化するために、制御回路 1 6によって第 1のコンデンサ 5の電圧を監視し、これに応じて第 1のスィツチ素子 8のデューティを変更しているが、第 1 のスィツチ素子 8のデューティは一定とし、その周波数を変更することによって出力電圧 V oを安定化してもよい。

以上説明したように、本発明によれば、スイッチングロスの少ない昇圧型スイッチング電源装置を提供することができる。

Claims

請求の範囲

1 . 電源の一端と平滑用の第 1のコンデンサの一端との間に直列に接続された第 1の磁気素子及び第 1のダイォードと、前記第 1 の磁気素子と前記第 1のダイォードとの節点である第 1の節点と前記電源の他端との間に接続された第 1のスィツチ素子と、前記第 1の節点と前記電源の前記他端との間に直列に接続された第 2の磁気素子及び第 2のスィツチ素子と、前記第 2の磁気素子と前記第 2のスィツチ素子との節点である第 2の節点と前記第 1の節点との間に直列に接続された第 2のダイォード及び第 2のコンデンサとを備える昇圧型スィツチング

2 . 前記第 1の節点と前記第 2の磁気素子との間に挿入された第 3の磁気素子をさらに備え、前記第 1の磁気素子と前記第 3の磁気素子とは、同一の磁心に巻かれた卷線によって構成される互いに逆極性の磁気素子であることを特徴とする請求項 1に記載の昇圧型スィツチング

3 . 前記第 1の磁気素子は、前記第 3の磁気素子よりも大きいインダクタを有することを特徴とする請求項 2に記載の昇圧型スィツチング

4 . 前記第 2のダイオードと前記第 2のコンデンサとの節点である第 3の節点と前記第 1のコンデンサの前記一端との間に接続された第 3 のダイオードをさらに備えることを特徴とする請求項 1に記載の昇圧型スィツチング電源装置。

5 . 前記第 1の節点と前記第 2の磁気素子との間に挿入された第 3の磁気素子をさらに備え、前記第 1の磁気素子と前記第 3の磁気素子とは、同一の磁心に巻かれた卷線によって構成される互いに逆極性の磁気素子であることを特徴とする請求項 4に記載の昇圧型スイッチング

6 . 前記第 1の磁気素子は、前記第 3の磁気素子よりも大きいインダクタを有することを特徴とする請求項 5に記載の昇圧型スィツチング

7 . 前記第 2の節点と前記第 2のダイォードとの間に揷入された第 4 のダイォードと、前記第 2のダイオードと前記第 4のダイオードとの節点である第 4の節点と前記電源の前記他端との間に接続された第 3 のコンデンサとをさらに備えることを特徴とする請求項 4に記載の昇圧型スィツチング電源装置。

8 . 前記第 1の節点と前記第 2の磁気素子との間に挿入された第 3の磁気素子をさらに備え、前記第 1の磁気素子と前記第 3の磁気素子とは、同一の磁心に巻かれた卷線によって構成される互いに逆極性の磁気素子であることを特徴とする請求項 7に記載の昇圧型スィツチング

9 . 前記第 1の磁気素子は、前記第 3の磁気素子よりも大きいインダクタを有することを特徴とする請求項 8に記載の昇圧型スィツチング

1 0 . 前記第 1及び第 2のスィツチ素子の導通状態を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記第 1のスィッチ素子をオンさせるに先立って前記第 2のスィツチ素子をオンさせるとともに、前記第 1の節点の電圧が前記電源の前記他端の電圧よりも低下したことに応答して前記第 1のスィツチ素子をオンさせることを特徴とする請求項 1に記載の昇圧型スィツチング電源装置。

1 1 . 前記第 1及び第 2のスィツチ素子の導通状態を制御する制御回路をさらに備え、前記制御回路は、前記第 1のスィッチ素子をオンさせるに先立って前記第 2のスィツチ素子をオンさせるとともに、前記第 1の節点の電圧が前記電源の前記他端の電圧よりも低下したことに応答して前記第 1のスィツチ素子をオンさせることを特徴とする請求項 4に記載の昇圧型スィツチング電源装置。

1 2 . 前記第 1のスィツチ素子に並列接続された第 4のダイォードをさらに備え、前記制御回路は、前記第 4のダイオードに流れる電流を監視することによって、前記第 1の節点の電圧が前記電源の前記他端の電圧よりも低下したことを検出することを特徴とする請求項 1 1に記載の昇圧型スィツチング電源装置。

1 3 . 前記第 4のダイォードに並列接続された第 3のコンデンサをさらに備えることを特徴とする請求項 1 2に記載の昇圧型スィツチング

1 4 . 前記第 1のスィツチ素子に並列接続された第 4のダイォードと、前記第 4のダイォードの両端間の電圧を検出する電圧検出素子とをさらに備え、前記制御回路は、前記電圧検出素子の検出電圧に基づいて、前記第 1の節点の電圧が前記電源の前記他端の電圧よりも低下したことを検出することを特徴とする請求項 1 1に記載の昇圧型スイツチング電源装置。

1 5 . 前記第 1及び第 2のスィッチ素子が、バイポーラトランジスタ、 M O S F E T、 I 0 8丁及び8 S I Tからなる群より選ばれたスィツチであることを特徴とする請求項 1に記載の昇圧型スィツチング電源装置。

1 6 . 電源の一端と平滑用の第 1のコンデンサの一端との間に直列接続された第 1 の磁気素子及び第 1 のダイォードと、前記第 1の磁気素子と前記第 1のダイォードとの節点である第 1の節点と前記電源の他端との間に接続された第 1のスィツチ素子と、前記第 1の節点と前記電源の前記他端との間に直列に接続された第 2の磁気素子及び第 2 のスィッチ素子と、前記第 1及び第 2のスィッチ素子の導通状態を制御する制御回路とを備え、前記制御回路は、前記第 2のスィッチ素子がオンしている期間において前記第 1のスィツチ素子をオンさせることを特徴とする昇圧型スィッチング電源装置。

1 7 . 前記第 2の磁気素子と前記第 2のスィッチ素子との節点である第 2の節点と前記第 1の節点との間に直列に接続された第 2のダイォ一ド及び第 2のコンデンサをさらに備えることを特徴とする請求項 1 6に記載の昇圧型スィツチング電源装置。

1 8 . 前記第 1の節点と前記第 2の磁気素子との間に挿入された第 3 の磁気素子をさらに備え、前記第 1の磁気素子と前記第 3の磁気素子とは、同一の磁心に巻かれた卷線によって構成される互いに逆極性の磁気素子であることを特徴とする請求項 1 7に記載の昇圧型スィツチング電源装置。

1 9 . 前記第 2のダイォードと前記第 2のコンデンサとの節点である第 3の節点と前記第 1のコンデンサの前記一端との間に接続された第 3のダイォードをさらに備えることを特徴とする請求項 1 7に記載の昇圧型スィツチング電源装置。

2 0 . 交流電圧を受ける整流回路と、前記整流回路の第 1の出力端と平滑用の第 1のコンデンサの一端との間に直列に接続された第 1の磁気素子及び第 1のダイォードと、前記第 1の磁気素子と前記第 1のダィォードとの節点である第 1の節点と前記整流回路の第 2の出力端との間に接続された第 1のスィッチ素子と、前記第 1の節点と前記整流回路の第 2の出力端との間に直列に接続された第 2の磁気素子及び第 2のスィツチ素子と、前記第 2の磁気素子と前記第 2のスィツチ素子との節点である第 2の節点と前記第 1の節点との間に直列に接続された第 2のダイオード及び第 2のコンデンサとを備える昇圧型スィッチング電源装置。