JP2008245388A

JP2008245388A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2008245388A
Application number: JP2007080612A
Authority: JP
Inventors: Tsutomu Ando; 勉安藤
Original assignee: NEC Computertechno Ltd
Current assignee: NEC Computertechno Ltd
Priority date: 2007-03-27
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-10-09

Abstract

【課題】整流用ダイオードのリカバリ電流によるスイッチング素子の損失を低減する昇圧回路等のスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】入力電源にチョークコイル１２および１対のスイッチング素子１５−１６を直列接続する。スイッチング素子１５−１６の両端にダイオード１３および平滑用コンデンサ１４を直列接続し、平滑用コンデンサ１４の両端に負荷１９を接続する。更に、１対のスイッチング素子１５−１６の共通接続点とダイオード１３の入力側間に付加チョークコイル１８および付加コンデンサ１７を直列接続する。
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチング電源装置に関し、特に入力電源電圧を所望の電圧に変換して負荷に供給するスイッチング電源装置に関する。

電子機器や電子応用機器にあっては、複数の能動デバイスおよび受動素子を含む電子又は電気回路を含んで構成され、その回路を動作させるために電源が必要である。多くの電子機器や電子応用機器、特に携帯型の機器では、一次又は二次電池から必要な電源を得ている。しかし、斯かる電池の出力電圧は、負荷が必要とする電圧と異なる場合が多く、更に時間と共に変動する電池から安定した出力電圧を得るため、電池電圧を昇圧（又は降圧）して安定した出力電圧を得る必要がある。そのために、電圧変換効率の高いスイッチング電源装置が使用されるのが一般的である。

スイッチング電源装置に関する従来技術は多くの技術文献に開示されている。昇圧チョッパ型アクティブフィルタを使用し効率向上を図る電源回路の制御方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。また、交流電源を整流して得た直流電圧から希望する直流出力電圧を、高調波を抑えて得るインバータ機器の電源高調波抑制方法およびその回路が開示されている（例えば、特許文献２参照。）。更に、ソフトスイッチングと高力率化を達成するソフトスイッチング力率改善回路とその制御方式が開示されている（例えば、特許文献３参照。）。また、リカバリ電流を減少させてダイオードの損失を低減するチョッパ動作形直流電源装置が開示されている（例えば、特許文献４参照。）。
特開平５−１８４１３９号公報（第２頁、第１図）特開平７−２０３６８１号公報（第３頁、第１図）特開平１０−９４２４８号公報（第２頁、第１図）特開平１１−３４１７９６号公報（第２頁、第１図）

一般的な従来の昇圧回路について図４を参照して説明する。この昇圧回路４０は、チョークコイル４２、整流用ダイオード４３、平滑用コンデンサ（キャパシタ）４４およびスイッチング素子４６により構成され、電池等の入力電源４１の電圧を所望の出力電圧に変換して、負荷４９に供給する。

図４の昇圧回路４０において、入力電源４１はチョークコイル４２およびスイッチング素子４６に直列接続される。このスイッチング素子４６の両端にダイオード４３およびコンデンサ４４が直列接続される。そして、負荷４９は、コンデンサ４４の両端に接続される。

図４に示す昇圧回路４０の動作を説明する。スイッチング素子（例えば、トランジスタ）４６の制御端子（例えば、ゲート）の制御信号により、スイッチング素子４６をＯＮ又はＯＦＦ（導通／非導通）制御する。スイッチング素子４６がＯＮのとき、入力電源４１からチョークコイル４２を介して電流が流れ、電磁エネルギーをチョークコイル４２に蓄える。次に、スイッチング素子４６がＯＦＦになると、チョークコイル４２に蓄えられた電磁エネルギーは、ダイオード４３を介してコンデンサ４４を充電する。そして、このコンデンサ４４の両端の昇圧された充電電圧により負荷４９を駆動する。ここで、コンデンサ４４に充電された直流電圧である昇圧の大きさは、スイッチング素子４６をＯＮとしてチョークコイル４２に蓄えられる電磁エネルギー、直接的にはスイッチング素子４６のＯＮ期間に依存する。

上述の如き従来の回路、即ちチョークコイル４２、整流用ダイオード４３、平滑用コンデンサ４４およびスイッチング素子４６により構成される昇圧回路４０では、スイッチング素子４６がＯＦＦ状態からＯＮ状態に移行する瞬間に、ダイオード４３からスイッチング素子４６に向かってリカバリ電流が不可避的に流れる。このリカバリ電流により、スイッチング素子４６のスイッチング損失が増大し、変換効率が低下するという課題があった。

本発明は、従来技術の上述の如き課題に鑑みなされたものであり、斯かる課題、即ちスイッチング素子の損失による変換効率の低下を軽減可能にするスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

本発明によるスイッチング電源装置は、次の如き特徴的な構成を採用している。

（１）チョークコイル、スイッチング素子およびダイオードを含み、入力電源の電圧を所望の出力電圧に変換して付加に供給するスイッチング電源回路において、
前記チョークコイルと共に前記入力電源に直列接続される前記スイッチング素子として第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を使用し、前記第１および第２スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作タイミングをずらせて前記スイッチング素子の損失を抑えるスイッチング電源装置。
（２）チョークコイル、スイッチング素子およびダイオードを含み、入力電源の電圧を所望の出力電圧に変換して負荷に供給するスイッチング電源装置において、
前記スイッチング素子として前記チョークコイルに直列接続された１対スイッチング素子を使用し、該スイッチング素子の共通接続点と前記ダイオードの入力側間に直列接続された付加チョークコイルおよび付加コンデンサを設けるスイッチング電源装置。
（３）前記１対のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御信号を時間的にずらせる上記（２）のスイッチング電源装置。
（４）前記１対のスイッチング素子のＯＦＦ状態からＯＮ状態への移行タイミングをずらし、ＯＮ状態からＯＦＦ状態への移行は実質的に同時に行う上記（１）又は（２）のスイッチング電源装置。
（５）前記１対のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを交互に異なるタイミングで行う上記（１）又は（２）のスイッチング電源装置。
（６）前記スイッチング素子は、ＭＯＳトランジスタ又はバイポーラトランジスタである上記（１）乃至（５）のいずれかのスイッチング電源装置。

本発明のスイッチング電源装置によると、上述の如き特徴的な構成により、次の如き実用上の特有の効果を奏する。即ち、スイッチング素子がＯＮ状態からＯＦＦ状態へ移行するとき過渡的に生じるダイオードのリカバリ電流によるスイッチング素子の損失を抑えることができる。その理由は、１対のスイッチング素子の共通接続点とダイオードの入力側間に付加チョークコイルと付加コンデンサの直列回路を設けるからである。

スイッチング素子の損失を抑えることにより、スイッチング素子の放熱手段（ヒートシンク）を省略又は小型化でき、場合によっては小型且つ安価なスイッチング素子の使用が可能になり、また斯かるスイッチング電源装置を使用する電子機器内の温度上昇を抑え、安定性および信頼性を向上させることが可能になる。

以下、本発明によるスイッチング電源装置およびその損失低減方法の好適な実施の形態の構成および動作を、添付図面を参照して詳細に説明する。

先ず、図１を参照して説明する。図１は、本発明によるスイッチング電源装置の第１実施の形態の構成を示す回路である。

図１に示すスイッチング電源装置１０は、チョークコイル１２、１対のスイッチング素子１５−１６、整流用ダイオード（以下、単にダイオードという）１３、平滑用コンデンサ１４、付加コンデンサ１７および付加チョークコイル１８により構成されている。

入力電源１１は、チョークコイル１２および１対のスイッチング素子１５−１６の主電流路の直列回路に接続されている。直列接続された１対のスイッチング素子１５−１６の両端にダイオード１３および平滑用コンデンサ１４が直列接続され、この平滑用コンデンサ１４の両端に負荷１９が接続されている。また、付加コンデンサ１７および付加チョークコイル１８は、１対のスイッチング素子１５−１６の共通接続点であるノードＡとチョークコイル１２、ダイオード１８およびスイッチング素子１５の共通接続点であるノードＢ間に直列接続されている。

次に、図１に示すスイッチング電源装置１０の動作を説明する。スイッチング素子１５−１６の制御端子（例えば、ゲート）には、実質的に等しい制御信号が入力され、これらスイッチング素子１５−１６を実質的に同時にＯＮ／ＯＦＦ制御する。これら１対のスイッチング素子１５−１６がＯＮのとき、入力電源１１からチョークコイル１２に電流が流れ、実質的にＯＮ期間に比例する電磁エネルギーを蓄える。そして、スイッチング素子１５−１６がＯＦＦとなると、入力電源１１およびチョークコイル１２に蓄えられたエネルギーの和により、ダイオード１３を介して平滑用コンデンサ１４が充電される。従って、入力電源１１の電圧より大きい電圧により平滑用コンデンサ１４が充電され、その平滑された直流電圧が負荷１９に供給される。従って、このスイッチング電源装置１０は、入力電源（例えば、電池）の電圧を昇圧して負荷１９に供給することが可能である。

尚、付加コンデンサ１７および付加チョークコイル１８は、スイッチング素子１５−１６がＯＦＦとなったとき、過渡的にダイオード１３に流れる上述したリカバリ電流の波高値（又はピーク値）を抑えることにより、スイッチング素子１６の損失を抑える。スイッチング素子の損失が少なくなれば、スイッチング素子として低定格（安価な）デバイスが使用可能又はその放熱装置を小型又は省略可能になり、動作の安定化が実現できる。

次に、図２を参照して、本発明によるスイッチング電源装置の第２実施の形態について説明する。図２（Ａ）は、このスイッチング電源回路の回路図である。図２（Ｂ）は、図２（Ａ）中の１対のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを制御する制御信号の波形図である。このスイッチング電源装置２０は、電源装置の力率改善回路に適用した例である。

図２（Ａ）に示すスイッチング電源装置２０は、チョークコイル２２、１対のスイッチング素子２５−２６、ダイオード２３、平滑用コンデンサ２４、付加コンデンサ２７および付加チョークコイル２８により構成されている。入力電源２１が交流電源（例えば、商用電源）を全波整流回路で整流して得た電源である点を除き、図１の場合と同様構成であり且つ同様に接続されている。即ち、入力電源２１にチョークコイル２２および１対のスイッチング素子２５−２６が直列接続され、スイッチング素子２５−２６の両端にダイオード２３および平滑用コンデンサ２４が直列接続され、この平滑用コンデンサ２４の両端に負荷２９が接続されている。また、ノードＡ−Ｂ間に付加チョークコイル２８と付加コンデンサ２７が直列接続されている。

また、スイッチング素子２５−２６の制御端子には、実質的に同時にＯＮ／ＯＦＦする制御信号が入力される。しかし、本発明に特定の実施の形態によると、図２（Ｂ）に示す如く、僅かに位相がずれた制御信号Ｓ１およびＳ２がスイッチング素子２５−２６には入力される。スイッチング素子２５の制御信号Ｓ１は、時刻ｔ１にＯＮ（導通）状態になり、時刻ｔ２にＯＦＦ（非導通）状態になる。他方、スイッチング素子２６の制御信号Ｓ２は、時刻ｔ０にＯＮ状態になり、時刻ｔ２のＯＦＦ状態になる。即ち、これら両スイッチング素子２５−２６の制御信号は、スイッチング素子２５のＯＮ開始時刻がスイッチング素子２６のＯＮ開始時刻よりＴ（＝ｔ１−ｔ０）だけ遅れ、ＯＦＦ状態への移行時刻は略同時（時刻ｔ２）である。換言すると、スイッチング素子２６は、スイッチング素子２５より僅かな時間差Ｔだけ早くＯＮ状態に移行する。

次に、図２（Ｂ）のスイッチ素子２５−２６の動作波形図を参照して、図２（Ａ）に示すスイッチング電源装置２０の動作を説明する。図２（Ｂ）に示す如く、スイッチング素子２６は、スイッチ素子２５より先にＯＮ状態になる。これにより、スイッチング素子２６には、チョークコイル２２、付加コンデンサ２７、付加チョークコイル２８およびスイッチング素子２６を流れる電流と、ダイオード２３、付加コンデンサ２７、付加チョークコイル２８およびスイッチング素子２６を流れる電流の和が流れる。このとき、スイッチング素子２６に流れる電流は、付加チョークコイル２８を流れることにより電流の立ち上がり波形がなまり、結果的にスイッチング素子２６がＯＦＦ状態からＯＮ状態に移行するときに発生するスイッチング損失を抑えることができる。

その後、スイッチング素子２５をＯＮ状態にすることにより、電流はチョークコイル２２、スイッチング素子２５およびスイッチング素子２６を流れ、チョークコイル２２にエネルギーを蓄える。そこで、スイッチング素子２５およびスイッチング素子２６がＯＦＦ状態になると、チョークコイル２２に蓄えられたエネルギーは、ダイオード２３を通して平滑用コンデンサ２４に流れ、これを充電する。そこで、負荷２９に供給される出力電圧は、入力電圧より高い電圧に昇圧可能である。

次に、図３を参照して、本発明によるスイッチング電源装置の更に他の実施の形態について説明する。図３（Ａ）は、斯かる他の実施の形態のスイッチング電源装置３０の回路図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）に示すスイッチング電源装置３０の１対のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ動作させる制御信号の波形図である。

図３（Ａ）に示すスイッチング電源装置３０は、図２（Ａ）に示すスイッチング電源装置２０と同様構成である。即ち、交流電源を全波整流して得た直流入力電源３１、チョークコイル３２、ダイオード３３、平滑用コンデンサ３４、１対のスイッチング素子３５−３６、付加コンデンサ３７および付加チョークコイル３８により構成され、平滑用コンデンサ３４の両端に負荷３９が接続されている。これら各構成要素又は素子３１〜３９の接続関係は図２（Ａ）と同様であるので、説明を省略する。

このスイッチング電源装置３０において、スイッチング素子３５およびスイッチング素子３６の制御端子に入力される制御信号又はスイッチングのタイミングが、図２（Ｂ）の場合と異なる。スイッチング素子３５、３６のスイッチング制御信号を図３（Ｂ）にそれぞれ信号Ｓ３およびＳ４として示す。図３（Ｂ）において、スイッチング素子３５およびスイッチング素子３５の制御信号Ｓ３およびＳ４は、相互に略逆極性でＯＮ／ＯＦＦされる。この実施の形態のスイッチング電源装置３０では、スイッチング素子３５およびスイッチング素子３６を実質的に交互にＯＮ／ＯＦＦさせる。これにより、図２に示す実施の形態のスイッチング電源装置２０と同様にスイッチング素子３６の損失を低減することができる。

以上、本発明によるスイッチング電源装置の好適な実施の形態について詳述した。しかし、斯かる実施の形態は、本発明の単なる例示に過ぎず、何ら本発明を限定するものではないことに留意されたい。本発明の要旨や精神を逸脱することなく、特定用途に応じて種々の変形変更が可能であることが、当業者には容易に理解できよう。例えば、スイッチング素子は、図示したＭＯＳトランジスタに代えてバイポーラトランジスタ等を使用し得る。

本発明によるスイッチング電源回路の基本構成を示す回路図である。本発明によるスイッチング電源装置の第１実施の形態を示し、（Ａ）は回路図、（Ｂ）は（Ａ）中の１対のスイッチング素子の制御信号の波形図である。本発明によるスイッチング電源回路の第２実施の形態を示し、（Ａ）は回路図、（Ｂ）は（Ａ）中の１対のスイッチング素子の制御信号の波形図である。従来の昇圧回路の回路図を示す。

符号の説明

１０、２０、３０スイッチング電源装置
１２、２２、３２チョークコイル
１３、２３、３３ダイオード
１４、２４、３４平滑用コンデンサ
１５−１６、２５−２６、３５−３６スイッチング素子
１７、２７、３７付加コンデンサ
１８、２８、３８付加チョークコイル
１９、２９、３９負荷

Claims

チョークコイル、スイッチング素子およびダイオードを含み、入力電源の電圧を所望の出力電圧に変換して付加に供給するスイッチング電源回路において、
前記チョークコイルと共に前記入力電源に直列接続される前記スイッチング素子として第１スイッチング素子および第２スイッチング素子を使用し、前記第１および第２スイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ動作タイミングをずらせて前記スイッチング素子の損失を抑えることを特徴とするスイッチング電源装置。
チョークコイル、スイッチング素子およびダイオードを含み、入力電源の電圧を所望の出力電圧に変換して負荷に供給するスイッチング電源装置において、
前記スイッチング素子として前記チョークコイルに直列接続された１対スイッチング素子を使用し、該スイッチング素子の共通接続点と前記ダイオードの入力側間に直列接続された付加チョークコイルおよび付加コンデンサを設けることを特徴とするスイッチング電源装置。
前記１対のスイッチング素子をＯＮ／ＯＦＦ制御する制御信号を時間的にずら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。
前記１対のスイッチング素子のＯＦＦ状態からＯＮ状態への移行タイミングをずらし、ＯＮ状態からＯＦＦ状態への移行は実質的に同時に行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
前記１対のスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦを交互に異なるタイミングで行うことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
前記スイッチング素子は、ＭＯＳトランジスタ又はバイポーラトランジスタであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のスイッチング電源装置。