JP3141557B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、効率改善を図ったス
イッチング電源回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】フライバック型のスイッチング電源回路
の基本構成を図５に示す。トランスＴの一次巻線Ｎ1 の
一端が直流電圧源ＶINの正極に接続され、他端がメイン
スイッチ素子である第１のＮＰＮトランジスタＱ1 と抵
抗Ｒe を介して直流電圧源ＶINの負極接続されている。
トランスＴの補助巻線Ｎ3 は、第１のトランジスタＱ1
を所定周波数でオン，オフ制御するための駆動源であ
る。補助巻線Ｎ3 とトランジスタＱ1 のベースとの間に
は、起動用コンデンサＣ3 と電流制限用抵抗Ｒb が設け
られている。直流電圧源ＶINの正極とトランジスタＱ1
のベースとの間には、トランジスタＱ1 を起動するため
の起動用抵抗Ｒs が設けられている。第１のトランジス
タＱ1 のベースにコレクタが接続され、エミッタが直流
電圧源ＶINの負極に接続された第２のＮＰＮトランジス
タＱ2 は、抵抗Ｒe によりベースが駆動されて、トラン
ジスタＱ1 と相補的にオン，オフする補助用トランジス
タである。トランスＴの二次側には、整流平滑を行うダ
イオードＤ1 と出力用コンデンサＣ1 が設けられてい
る。

【０００３】このスイッチング電源回路では、第１のト
ランジスタＱ1 がオンの期間にトランスＴに磁気エネル
ギー蓄積が行われる。この間、トランスＴの二次巻線Ｎ
2 は、ダイオードＤ1 が非導通のためオープン状態であ
り、トランジスタＱ1 は補助巻線Ｎ3 に得られる電圧で
駆動される。第１のトランジスタＱ1 のコレクタ電流
は、トランスＴの一次巻線Ｎ1 のインダクタンスによ
り、図６に示すように徐々に増大する。そして、抵抗Ｒ
e の端子電圧が所定値に達すると第２のトランジスタＱ
2 がオンして、これにより第１のトランジスタＱ1 がタ
ーンオフする。第１のトランジスタＱ1 がオンの期間に
トランスＴの一次巻線Ｎ1 に蓄えられた磁気エネルギー
は、トランジスタＱ1 がオフすることにより二次側に放
出されて、出力電力となる。

【０００４】ところで図６に示すように、第１のトラン
ジスタＱ1 がオンすると、そのコレクタ電流Ｉc はトラ
ンスＴの一次巻線Ｎ1 のインダクタンスにより徐々に上
昇する鋸波となる。一方ベース駆動電圧は、トランスＴ
の補助巻線Ｎ3 に得られるもので、コレクタ電圧波形と
逆位相の矩形波となるから、ベース駆動電流Ｉb はこれ
を電流制限抵抗Ｒb で除した値になり、ほぼ定電流の矩
形波となる。このベース駆動電流Ｉb の値は、コレクタ
電流の飽和値Ｉcpが負荷の大きさによって変動するた
め、この飽和値Ｉcpが最大の時でも第１のトランジスタ
Ｑ1 が充分に飽和するように、設定しておくことが必要
である。つまりベース駆動電流Ｉb は、負荷に無関係に
ある値以上流すことになる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】この様に従来の構成で
は、第１のトランジスタＱ1 を駆動するベース電流が矩
形波であってかつ、その値が最大負荷の状態を想定して
設定されるために、負荷が軽い状態でも大きなベース駆
動電流が流れ、無駄な電力損失が出る。特にこの種のス
イッチング電源に用いられる高耐圧，高速のスイッチン
グ用バイポーラトランジスタは、電流増幅率ｈfeが１桁
程度の小さいものであるため、コレクタ電流に対して無
視できない大きさのベース電流が必要となり、ベース電
流による消費電力が問題になる。この発明は、この様な
事情を考慮してなされたので、無駄なベース駆動電流を
流さないようにして効率改善を図ったスイッチング電源
回路を提供することを目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】この発明は、直流電圧源
に所定周波数でオフ，オフ制御されるスイッチング手段
を介して一次巻線が接続されたトランスと、このトラン
スの二次側に設けられた整流平滑手段とを有するスイッ
チング電源回路において、前記スイッチング手段は、前
記一次巻線の一端と基準電位との間に抵抗を介して接続
されて、ベースが前記トランスの補助巻線に得られる電
圧で駆動される第１のバイポーラトランジスタと、この
第１のバイポーラトランジスタのベースと基準電位との
間に設けられ、ベースが前記抵抗の端子電圧ににより駆
動されて、第１のバイポーラトランジスタと相補的にオ
ン，オフする第２のバイポーラトランジスタと、前記第
１のバイポーラトランジスタのベースに挿入されて、ベ
ース駆動電流波形をコレクタ電流波形と相似形とするべ
く、前記第１のバイポーラトランジスタの電流増幅率と
前記一次巻線のインダクタンス値に応じてインダクタン
ス値が設定されたインダクタンス素子と、を備えたこと
を特徴とする。この発明はまた、直流電圧源に所定周波
数でオフ，オフ制御されるスイッチング手段を介して一
次巻線が接続されたトランスと、このトランスの二次側
に設けられた整流平滑手段とを有するスイッチング電源
回路において、前記スイッチング手段は、前記一次巻線
の一端と基準電位との間に抵抗を介して接続されて、ベ
ースが前記トランスの補助巻線に得られる電圧で駆動さ
れる第１のバイポーラトランジスタと、この第１のバイ
ポーラトランジスタのベースと基準電位との間に設けら
れ、ベースが前記抵抗の端子電圧ににより駆動されて、
第１のバイポーラトランジスタと相補的にオン，オフす
る第２のバイポーラトランジスタと、前記第１のバイポ
ーラトランジスタのベースに挿入されて、ベース駆動電
流波形をコレクタ電流波形と相似形とするインダクタン
ス素子と、前記トランスの二次側に設けられて出力電圧
が所定値以上になったときに出力光を出すフォト・ダイ
オード及び、前記第２のバイポーラトランジスタのベー
スと前記補助巻線の他端との間に接続されて前記フォト
ダイオードの出力光によりオン駆動されるフォト・トラ
ンジスタを有する帰還制御回路と、を備えたことを特徴
とする。

【０００７】

【作用】メインのスイッチング素子である第１のバイポ
ーラトランジスタがオンした時、鋸波状のコレクタ電流
が流れるが、この発明ではこの第１のバイポーラトラン
ジスタのベース駆動電流が、インダクタンス素子の作用
によりコレクタ電流と同様の鋸波状とされる。従って従
来のようにベース駆動電流波形が矩形波のままの場合と
比べて、無駄な消費電力がなくなり、スイッチング電源
回路の効率が改善される。

【０００８】

【実施例】以下、図面を参照しながらこの発明の実施例
を説明する。図１は、この発明の一実施例に係るフライ
バック型のスイッチング電源回路である。基本的な構成
は、図５に示す従来例と同様であり、図５と対応する部
分には図５と同一符号を付して詳細な説明は省略する。
メインスイッチング素子である第１のＮＰＮトランジス
タＱ1 のベース駆動回路部に着目すると、この実施例で
は、補助巻線Ｎ3 により駆動される第１のトランジスタ
Ｑ1 のベースにインダクタンス素子Ｌb が挿入されてい
る。

【０００９】この実施例のスイッチング電源回路の基本
動作は、先に図５で説明した従来例と変わらない。この
実施例では、第１のトランジスタＱ1 がオンの時、ベー
スに挿入されたインダクタンス素子Ｌb によってベース
駆動電流が鋸波状となり、コレクタ電流波形と相似形に
なる。これにより、無駄なベース電流がなくなり、消費
電力が低減される。

【００１０】インダクタンス素子Ｌb のインダクタンス
値（これも、便宜上Ｌb で表す）は、次のように設定す
ればよい。第１のトランジスタＱ１がオンのとき、その
コレクタ電流Ｉc は、トランスＴの一次巻線Ｎ1 のイン
ダクタンスをＬ1 として、近似的に、 Ｉc ＝ＶIN・ｔ／Ｌ1 …(1) と表される。この様なコレクタ電流を流すに必要なベー
ス駆動電流Ｉb は、トランジスタＱ1 のエミッタ接地電
流増幅率をｈfeとして、 Ｉb ＝ＶIN・ｔ／Ｌ1 ・ｈfe …(2) である。一方、補助巻線Ｎ3 に得られるベース駆動電圧
Ｖb はほぼ一定であり、トランジスタＱ1 のベース・エ
ミッタ間電圧を無視してベース駆動電流を制限するのが
インダクタンス素子Ｌb のみと仮定すると、得られるベ
ース駆動電流Ｉbは、インダクタンス素子Ｌb のインダ
クタンス値をＬb で表して、近似的に、 Ｉb ＝Ｖb ・ｔ／Ｌb …(3) となる。（２）式と（３）式から、 Ｌb ＝Ｖb ・Ｌ1 ・ｈfe／ＶIN …(4) となる。この様なインダクタンス素子を挿入することに
よって、ベース駆動電流は必要な分しか流れないことに
なる。

【００１１】なお実際には、トランジスタの電流増幅率
ｈfeやベース・エミッタ間電圧ＶBEにはばらつきがある
ので、これらを考慮した場合には図２に示すように、イ
ンダクタンス素子Ｌb に直列，並列に適宜抵抗Ｒb1，Ｒ
b2を接続して、必要な非線形性を与えればよい。そし
て、電流増幅率ｈfeが最小でも、トランジスタＱ1 が十
分に飽和できるように、インダクタンス素子Ｌb の値を
設定すればよい。

【００１２】図３はこの発明のスイッチング電源回路を
より具体化した実施例である。図１の基本構成に対して
付加されている部分を説明すると、第２のトランジスタ
Ｑ2のベース駆動を行うために、補助巻線Ｎ3 の中間端
子電圧とダイオードＤ2 ，コンデンサＣ2 を補助電源と
し、フォト・トランジスタＰ．Ｔr をスイッチング素子
とする駆動回路が形成されている。フォト・トランジス
タＰ．Ｔr に光結合するフォト・ダイオードＰＤｉは、
トランスＴの二次側の負荷抵抗ＲL にツェナー・ダイオ
ードＺＤと共に直列接続されている。出力電圧がある値
以上になると、ツェナー・ダイオードＺＤが導通し、こ
れによりフォト・ダイオードＰＤi が駆動される。フォ
ト・ダイオードＰＤi の出力光により、フォト・トラン
ジスタＰ．Ｔr がオンになると、第２のトランジスタＱ
2 がターンオンし、これによりメインのトランジスタＱ
1 がターンオフするという帰還制御がなされる。

【００１３】メインスイッチである第１のトランジスタ
Ｑ1 のコレクタ・エミッタ間には、コンデンサＣ6 と抵
抗Ｒx からなる微分回路が形成されている。また第１の
トランジスタＱ1 のベースには、前述のようにベース駆
動電流波形をコレクタ電流波形と相似形とするために、
インダクタンス素子Ｌb が挿入されている。また、トラ
ンスＴの一次巻線Ｎ1 の直流電源正側端子と中間端子間
に設けられたコンデンサＣ5 、第３のＮＰＮトランジス
タＱ3 、および抵抗ＲT は、スイッチング・スナバー回
路を構成している。

【００１４】この実施例のスイッチング電源回路の動作
を、図４の動作波形を参照しながら説明する。回路がオ
ンすると、入力直流電源から起動用抵抗Ｒs を介して第
１のトランジスタＱ1 のベースに電流が供給される。こ
のとき、トランジスタＱ1 のベースと補助巻線Ｎ3 の間
にはコンデンサＣ3 があるため、補助巻線Ｎ3 に電流が
流れることはない。第１のトランジスタＱ1 がオンする
と、トランスＴの巻線Ｎ1 に電流が流れ始め、これによ
り補助巻線Ｎ3 にも電流が流れ始めて、補助巻線Ｎ3 に
トランジスタＱ1 を順バイアスする起電力が生じる。こ
の正帰還ループによって一次巻線Ｎ1 の電流は徐々に増
大していく。

【００１５】この間、トランジスタＱ1 に供給されるベ
ース電流波形は、インダクタンス素子Ｌb の働きによっ
て、徐々に上昇するコレクタ電流波形と相似形となるよ
うに、インダクタンス素子Ｌb の大きさが設定されてい
る。これにより、トランジスタＱ1 がオンの時の無駄な
ベース電流がなくなる。またこの間、トランスＴの二次
側では、ダイオードＤ1 がカットオフであるため、二次
巻線Ｎ2 に電流は流れない。

【００１６】第１のトランジスタＱ1 のコレクタ電流Ｉ
C が所定値に達し、抵抗Ｒe の端子電圧が第２のトラン
ジスタＱ2 をオンさせ得る値になると、トランジスタＱ
2 がターンオンする。このとき、コンデンサＣ6 と抵抗
Ｒx からなる微分回路１がトランジスタＱ1 のコレクタ
電位変動をとらえてトランジスタＱ2 のベース駆動を加
速することで、トランジスタＱ2 のターンオンが加速さ
れる。そして、第２のトランジスタＱ2 がオンすること
により、第１のトランジスタＱ1 がターンオフする。第
２のトランジスタＱ2 は前述のように、出力によっても
帰還制御されている。即ち出力電圧が規定値より大きく
なろうとすると、フォト・トランジスタＰ．Ｔr がオン
して、トランジスタＱ2 をオンにする。従って、負荷が
軽くなる程、メインの第１のトランジスタＱ1 のターン
オフのタイミングが早くなるという制御がなされる。ト
ランジスタＱ1 のコレクタ電流ピークは、最大定格電流
を考慮してエミッタ抵抗Ｒe により設定される。

【００１７】第１のトランジスタＱ1 がオフになると、
トランスＴの一次巻線Ｎ1 のループは実質オープンにな
り、一次巻線Ｎ1 に蓄積された磁気エネルギーが二次側
に放出される。二次巻線Ｎ2 に発生する起電力はダイオ
ードＤ1 をオンさせる極性であり、二次巻線Ｎ2 のイン
ダクタンスとコンデンサＣ1 の積分回路によってコンデ
ンサＣ1 に蓄電がなされ、出力電圧が増大する。この第
１のトランジスタＱ1 のオフ時に、スイッチング・スナ
バー回路が働く。即ち一次巻線Ｎ1 の蓄積エネルギーの
一部により、第３のトランジスタＱ3 のベース・コレク
タ接合を介してコンデンサＣ5 に充電される。充電が終
了するとトランジスタＱ3 と抵抗ＲT の経路で充電エネ
ルギーが放出され、一次巻線Ｎ1の中間端子からトラン
スＴに回生される。回生電流が飽和値に達すると、第３
のトランジスタＱ3 は自動的にターンオフする。

【００１８】トランスＴの一次巻線Ｎ1 の蓄積エネルギ
ーが二次側に放出され尽くすと、二次側のダイオードＤ
1 がオフになり、二次巻線Ｎ2 がオープンとなる。これ
により二次巻線Ｎ2 に起電力が発生し、これが帰還巻線
Ｎ3 に伝達されて、再度メインの第１のトランジスタＱ
1 をオンさせる。以下、同様の動作でトランジスタＱ1
のオン，オフが繰り返される。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明によれば、
メインスイッチング素子であるバイポーラトランジスタ
のベースにインダクタンス素子を挿入することによっ
て、無駄なベース駆動電流による電力消費を削減して効
率向上を図ったスイッチング電源回路を提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の一実施例のスイッチング電源回路
を示す図である。

【図２】 変形例のスイッチング電源回路を示す図であ
る。

【図３】 具体的な実施例のスイッチング電源回路を示
す図である。

【図４】 同実施例の動作波形を示す図である。

【図５】 従来のスイッチング電源回路を示す図であ
る。

【図６】 図５のスイッチング電源の動作波形を示す図
である。

【符号の説明】

ＶIN…直流電圧源、Ｔ…トランス、Ｑ1 …第１のＮＰＮ
トランジスタ、Ｒe …抵抗、Ｑ2 …第２のＮＰＮトラン
ジスタ、Ｌb …インダクタンス素子。

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電圧源に所定周波数でオフ，オフ制
   御されるスイッチング手段を介して一次巻線が接続され
   たトランスと、このトランスの二次側に設けられた整流
   平滑手段とを有するスイッチング電源回路において、前
   記スイッチング手段は、 前記一次巻線の一端と基準電位との間に抵抗を介して接
   続されて、ベースが前記トランスの補助巻線に得られる
   電圧で駆動される第１のバイポーラトランジスタと、 この第１のバイポーラトランジスタのベースと基準電位
   との間に設けられ、ベースが前記抵抗の端子電圧にによ
   り駆動されて、第１のバイポーラトランジスタと相補的
   にオン，オフする第２のバイポーラトランジスタと、 前記第１のバイポーラトランジスタのベースに挿入され
   て、ベース駆動電流波形をコレクタ電流波形と相似形と
   するべく、前記第１のバイポーラトランジスタの電流増
   幅率と前記一次巻線のインダクタンス値に応じてインダ
   クタンス値が設定されたインダクタンス素子と、 を備えたことを特徴とするスイッチング電源回路。
2. 【請求項２】 直流電圧源に所定周波数でオフ，オフ制
   御されるスイッチング手段を介して一次巻線が接続され
   たトランスと、このトランスの二次側に設けられた整流
   平滑手段とを有するスイッチング電源回路において、前
   記スイッチング手段は、 前記一次巻線の一端と基準電位との間に抵抗を介して接
   続されて、ベースが前記トランスの補助巻線に得られる
   電圧で駆動される第１のバイポーラトランジスタと、 この第１のバイポーラトランジスタのベースと基準電位
   との間に設けられ、ベースが前記抵抗の端子電圧にによ
   り駆動されて、第１のバイポーラトランジスタと相補的
   にオン，オフする第２のバイポーラトランジスタと、 前記第１のバイポーラトランジスタのベースに挿入され
   て、ベース駆動電流波形をコレクタ電流波形と相似形と
   するインダクタンス素子と、 前記トランスの二次側に設けられて出力電圧が所定値以
   上になったときに出力光を出すフォト・ダイオード及
   び、前記第２のバイポーラトランジスタのベースと前記
   補助巻線の他端との間に接続されて前記フォトダイオー
   ドの出力光によりオン駆動されるフォト・トランジスタ
   を有する帰還制御回路と、 を備えたことを特徴とするスイッチング電源回路。