JPH03178570A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、ＤＣ−ＤＣコンバータ、ＤＣ−ＡＣコンバー
タ等のスイッチング電源装置に関し、更に詳細には、低
損失のスイッチング電源装置に関する。

［従来の技術］ 出カドランスに直列に接続されたスイッチング素子をオ
ン・オフすることによって直流を断続し、更にトランス
の出力を整流することによって制御された直流出力を得
るように構成されたスイッチングレギュレータ即ちＤＣ
−ＤＣコンバータは広く使用している。第４図は従来の
ＤＣ−ＤＣコンバータの１例を示す。このＤＣ−ＤＣコ
ンバータにおいては、直流電源１０に接続されている第
１及び第２の電源端子１１．１２の間に、トランス１３
の１次巻線１４とスイッチングトランジスタ１５との直
列回路が接続されている６トランス１３の２次巻線１６
は、ダイオード１７．１８とリアクトル１９とコンデン
サ２０とから成る出力整流平滑回路２１を介して出力端
子２２．２３に接続されている。直流断続用スイッチン
グ素子としてのスイッチングトランジスタ１５のベース
にはこれをオン・オフ制御するための制御回路２４が接
続されている。サージ電圧吸収及びスイッチング損失低
減の目的でスイッチングトランジスタ１５に並列にコン
デンサ２５が接続されている。

このＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、スイッチングトラ
ンジスタ１５が制御回路２４でオン制御されている期間
には、電源１０の電圧が１次巻線１４に印加される。こ
れによって２次巻線１６に誘起された電圧は出力整流平
滑回路２１を介して出力端子２２．２３間に接続された
負荷（図示せず）に供給される。コンデンサ２５はトラ
ンジスタ１５がオンからオフに転換する時に発生するサ
ージ電圧を吸収してスイッチングトランジスタ１５のコ
レクタ・エミッタ間電圧の上昇を抑える面きを有する他
に、トランジスタ１５のコレクタ・エミッタ間電圧の立
上りを緩慢にさせてスイッチング損失を低減させる働き
を有する。

第５図はこの働きを説明するためのトランジスタ１５の
コレクタ・エミッタ間電圧Ｖ。Ｅを示す。

トランジスタ１５をオンからオフに転換するために要す
る時間及び逆にオフからオンに転換するために要する時
間を零にすることは実際上不可能である。ターンオフ時
間においては、トランジスタ１５のコレクタ電流が小さ
くなり、逆にコレクタ・エミッタ間電圧は高くなる。こ
の時、コレクタ１に流が流れている間にコレクタ・エミ
ッタ間電圧が急に高くなると、必然的に電力損失（スイ
ッチングロス）が大きくなる。第４図の回路ではサージ
電圧がコンデンサ２５で吸収されるために、コレクタ・
エミッタ間電圧はゆっくり立上り、スイッチング損失が
小さくなる。コンデンサ２５の容量を適当に設定すれば
、次にトランジスタ１５がオンになるまでに、コンデン
サ２５の電圧が電源１０の電圧ＶＳにぼ等しくなる。

［発明が解決しようとする課題］ ところで、第４図の回路では、トランジスタ１５がオン
に転換する時に、コンデンサ２５のエネルギがトランジ
スタ１５を通して放出され、損失になる。

そこで、本発明の目的は１．サージ吸収及びスイッチン
グ損失低減用のコンデンサのエネルギを有効に使用して
スイッチング電源装置の効率を高めることにある。

［課題を解決するための手段］ 上記目的を達成するための本発明は、直流電圧を供給す
るための一対の電源端子と、一端が前記一対の電源端子
の一方に接続されたトランスの１次巻線と、一端が前記
１次巻線の他端に接続され、他端が前記一対の電源端子
の他方に接続されたスイッチング素子と、前記１次巻線
に結合された出力回路と、前記スイッチング素子をオン
・オフ制御するための制御回路と、前記スイッチング素
子に並列に接続されたコンデンサとを備えたスイッチン
グ電源装置において、前記コンデンサに直列に接続され
た第１の逆流阻止用ダイオードと、前記逆流阻止用ダイ
オードに対して並列に接続され且つ前記１次巻線に電磁
結合されたエネルギ放出用巻線と、前記スイッチング素
子のオン時に前記コンデンサの電圧によって順バイアス
される方向性を有して前記エネルギ放出用巻線に直列に
接続された第２の逆流阻止用ダイオードとを備えている
ことを特徴とするスイッチング電源装置に係わるもので
ある。なお、前記出力回路はトランスの２次巻線又は２
次巻線と整流平滑回路の組み合せ等から成る。

また、請求項２に示すように、エネルギ放出用巻線に直
列にリアクトルを接続することが望ましい。

［作　用］ 上記発明において、スイッチング素子がオンからオフに
転換する時に、電源電圧とトランス１次巻線の電圧（サ
ージ電圧）との加算値がスイッチング素子の両端間に印
加される。しかし、スイッチング素子には並列にコンデ
ンサが接続されているので、コンデンサの充電に応じて
スイッチング素子の両端間電圧が徐々に増大する。これ
により、スイッチング素子がサージ電圧から保護される
と共に、ターンオフ時のスイッチング損失が低減される
。スイッチング素子がオフからオンに転換すると、コン
デンサのエネルギがエネルギ放出用巻線を介して出力側
（負荷側〉に放出される。この結果、コンデンサのエネ
ルギが有効に使用され、スイッチング電源装置の効率が
高くなる。エネルギ放出用巻線によるエネルギ放出量は
、１次巻線とエネルギ放出用巻線との巻数比に依存する
。エネルギ放出用巻線の巻数を少なめにすれば、エネル
ギ放出作用が大きくなり、コンデンサのエネルギの放出
が迅速に進む、逆にエネルギ放出用巻線の巻数を多めに
すれば、コンデンサのエネルギは緩やかに放出される。

請求項２に従って、リアクトルを設けると、コンデンサ
のエネルギの放出速度を適当に設定することができる。

し第１の実施例］ 次に、第１図を参照して本発明の第１の実施例に係わる
ＤＣ−ＤＣコンバータを説明する。但し、第１図におい
て、符号１０〜２５で示すものは、第４図で同一符号で
示すものと実質的に同一であるので、その説明を省略す
る。

第１図のＤＣ−ＤＣコンバータでは、コンデンサ２５に
直列に第１の逆流阻止用ダイオード２６が接続され、こ
れに対して並列に、トランス１３の３次巻線２７と第２
の逆流阻止用ダイオード２８とエネルギ放出制御用トラ
ンジスタ３０とリアクトル２９との直列回路が接続され
ている。エネルギ放出用の３次巻ａ２７は１次及び２次
巻線１４．１６に電磁結合され、この極性は、１次巻線
１４の上端が正の時に３次巻線２７の下端が正になるよ
うに決定されている。

トランジスタ３０は３次巻線２７を選択的に接続するた
めのスイッチであり、ベースは抵抗３１を介してスイッ
チングトランジスタ１５のエミッタに接続され、エミッ
タはリアクトル２９を介してコンデンサ２５の下端に接
続され、コレクタはダイオード２８を介して３次巻線２
７の上端に接続されている。

［動　作］ このＤＣ−ＤＣコンバータの主回路は第４図と同一であ
り、変換用スイッチング素子としてのスイッチングトラ
ンジスタ１５のオン・オフ動作によって直流電圧の制御
及びレベル変換が行われる。

スイッチングトランジスタ１５がオンからオフに転換す
る時に、１次巻線１４にサージ電圧（フライバック電圧
〉が発生するが、これがコンデンサ２５によって吸収さ
れるために、スイッチングトランジスタ１５のコレクタ
・エミッタ間電圧ＶＣ［の急激な上昇が抑制され、第５
図に示すように緩慢になる。この結果、スイッチングト
ランジスタ１５が過電圧から保護され、且つスイッチン
グ損失が小さくなる。コンデンサ２５の電圧はフライバ
ック電圧のために電源電圧よりも高く充電されるが、そ
の後放電し、コンデンサ２５の容量を適当に設定すれば
オフ期間の終りに電源電圧にほぼ等しくなる。なお、こ
のオフ期間にはコンデンサ２５の上側の端子が正になる
ように充電される。

また、トランジスタ３０はオフ状態にある。

次に、トランジスタ１５がオフからオンに転換すると、
コンデンサ２５とトランジスタ１５と３次巻線２７とダ
イオード２８とトランジスタ３０とリアクトル２９とか
ら成る閉回路でコンデンサ２５のエネルギの放出が開始
する。閉回路中にリアクトル２７及び３次巻線２７のイ
ンダクタンスが有るので、コンデンサ２６の放電電流は
急激には流れない。３次巻線２７に電流が流れると、ト
ランス１３を介してコンデンサ２５のエネルギが負荷印
に放出され、有効に利用される。トランス１３を介して
放出されるエネルギの量は、１次巻線１４と３次巻線２
７との巻数比に依存する。３次巻線２７の巻数が多い時
にはエネルギが緩やかに放出され、巻数が少ない時には
早く放出される。

なお、スイッチとしてｔｌ＆能するエネルギ放出制御用
トランジスタ３１は、トランジスタ１５がオンの期間に
はエミッタ電位がベース電位よりも低くなるために、ベ
ース電流が流れてオンになるが、トランジスタ１５のオ
フ期間には、ダイオード２６が順バイアスされているた
めに、エミッタ・ベース間が実質的に短絡された状態に
なり、ベース電流が流れない、従って、トランジスタ１
５のオフ期間には、３次巻線２７にダイオード２８を順
バイアスさせる向きの電圧が発生してもエネルギ放出制
御用トランジスタ３０がオフに保たれ、３次巻線２７と
ダイオード２８とトランジスタ３゜とリアクトル２９と
ダイオード２６との閉回路に実質的に電流が流れない。

本実施例は次の利点を有する。

（１）　コンデンサ２５のエネルギがトランジスタ１５
のオン時に、ここで消費されずに、３次巻線２７を介し
て負荷四に放出される。従って、電力損失が少なくなり
、効率が高くなる。

（２）　トランジスタ１５のオン転換時に、コンデンサ
２５のエネルギはリアクトル２９及び３次巻線２７のイ
ンダクタンス分によって制限されてゆっくり放出される
ので、トランジスタ１５のコレクタ・エミッタ間電圧が
高い期間に大きなコレクタ電流が流れない、従って、ト
ランジスタ１５のオン転換時のスイッチング損失が小さ
くなる。

［第２の実施例コ 次に、第２図に示す第２の実施例のＤＣ−ＤＣコンバー
タを説明する。但し、第２図において第１及び第４図と
共通する部分には同一の符号を付してその説明を省略す
る。

この第２の実施例のＤＣ−ＤＣコンバータは、ダイオー
ド２６とトランジスタ１５のエミッタ即ち電源端子１２
との間に接続された補助電源用コンデンサ３２を有する
。この補助電源用コンデンサ３２の一端は制御回路２４
にライン３３で接続されている。また、このＤＣ−ＤＣ
コンバータは第１図に示したトランジスタ３０及び抵抗
３１を有さない。

トランジスタ１５がオンからオフに転換すると、コンデ
ンサ２５とダイオード２６とコンデンサ３２とから成る
回路に電流が流れる。これにより、第１の実施例と同様
にサージ電圧の吸収動作及びトランジスタ１５のコレク
タ・エミッタ間電圧ＶＣＥの立上りを緩慢にさせる動作
が生じる。このオフ期間には３次巻線２７にダイオード
２８及び２６を順バイアスする向きの電圧が発生するが
、補助電源用コンデンサ３２が設けられているので、過
大な電流は流れない、トランジスタ１５がオフからオン
に転換すると、コンデンサ２５とトランジスタ１５と３
次巻線２７とダイオード２８とリアクトル２９とから成
る閉回路に電流が流れ、コンデンサ２５のエネルギが３
次巻線２７を介して負荷四に放出される６第２の実施例
のＤＣ−ＤＣコンバータは、第１の実施例と同様な利点
を有する池に、制御回路２４の電源を容易に得ることが
できるという利点を有する。

［第３の実施例コ 第３図に示す第３の実施例では、エネルギ放出制御用ス
イッチとしてのトランジスタ３ｏが第１の逆流阻止用ダ
イオード２６と３次巻線２７の下端との間に接続されて
いる。そして、このトランジスタ３０のベースは制御回
路２４に接続されている。トランジスタ３０はトランジ
スタ１５と同時にオン駆動される。これにより、第１の
実施例と実質的に同一の動作でコンデンサ２５のエネル
ギが放出される。なお、トランジスタ３ｏのオン開始時
点をトランジスタ１５のオン開始時点よりも少し遅らせ
ることもできる。

Ｃ変形例〕 本発明は上述の実施例に限定されるものでなく、例えば
次の変形が可能なものである。

（１）　３次巻線２７のインダクタンス値を大きくして
リアクトル２９を省くことができる。

（２〉　出力整流平滑回路２１を省いてＤＣ−ＡＣコン
バータ（インバータ）とすることができる。

（３）　オン・オン型スイッチングレギュレータに限る
ことなく、オン・オフ型スイッチングレギュレータにも
本発明を適用することができる。

また、自励式と他励式とのいずれのスイッチングレギュ
レータにも本発明を適用することができる。

（４）　出力を取り出すためにトランス１３を単巻トラ
ンスに構成することができる。

（５）　トランジスタ１５の代りに、電界効果トランジ
スタ等の他のスイッチング素子を使用することができる
。

（６）　電源１０は一般に整流回路と平滑用コンデンサ
等で構成されるが、蓄電池等であってもよい。

［発明の効果］ 本発明によれば、サージ電圧の吸収及びスイッチング損
失低減用コンデンサのエネルギが無駄にならないので、
損失の少ないスイッチング電源装置を提供することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ
を示す回路図、 第２図は本発明の第２の実施例のＤＣ−ＤＣコンバータ
を示す回路図、 第３図は第３の実施例のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回
路図である。 第４図は従来のＤＣ−ＤＣコンバータを示す回路図、 第５図はスイッチングトランジスタのコレクタ・エミッ
タ間電圧を示す波形図である。 １０・・・直流電源、１１・・・第１の電源端子、１２
・・第２の電源端子、１３・・・トランス、１４・・・
１次巻線、１５・・・トランジスタ、１６・・・２次巻
線、２１・・・出力整流平滑回路、２４・・・制御回路
、２５・・・コンデンサ、２６・・・第１の逆流阻止用
ダイオード、２７・・・３次巻線、２８・・・第２の逆
流阻止用ダイオード、２９・・・リアクトル。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ［１］直流電圧を供給するための一対の電源端子と、 一端が前記一対の電源端子の一方に接続されたトランス
   の１次巻線と、 一端が前記１次巻線の他端に接続され、他端が前記一対
   の電源端子の他方に接続されたスイッチング素子と、 前記１次巻線に結合された出力回路と、 前記スイッチング素子をオン・オフ制御するための制御
   回路と、 前記スイッチング素子に並列に接続されたコンデンサと を備えたスイッチング電源装置において、 前記コンデンサに直列に接続された第１の逆流阻止用ダ
   イオードと、 前記逆流阻止用ダイオードに対して並列に接続され且つ
   前記１次巻線に電磁結合されたエネルギ放出用巻線と、 前記スイッチング素子のオン時に前記コンデンサの電圧
   によって順バイアスされる方向性を有して前記エネルギ
   放出用巻線に直列に接続された第２の逆流阻止用ダイオ
   ードと を備えていることを特徴とするスイッチング電源装置。 ［２］更に、前記エネルギ放出用巻線に対して直列に接
   続されたリアクトルを備えていることを特徴とする請求
   項１記載のスイッチング電源装置。