JP2013169057A - スイッチング電源回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】スイッチング損失を低減できるスイッチング電源回路を提供する。
【解決手段】互いに磁気的に結合され且つ互いの一端同士が接続された、主巻線L1−1と漏れインダクタンスLrを有する補助巻線L1−2とを有するリアクトルL1と、直流電源Vinにスイッチング素子Q1を介して並列に接続された、スイッチング素子Q2と共振コンデンサC2とが直列に接続された第1直列回路SC1と、第1直列回路SC1に補助巻線L1−2を介して並列に接続されたダイオードD1と、第1直列回路SC1に主巻線L1−1を介して並列に接続された平滑コンデンサC1と、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2とを交互にオン・オフさせて平滑コンデンサC1の出力電圧Voを所定値に制御する制御回路10と、を有する。
【選択図】図1

Description

本発明は、スイッチング損失を低減できるスイッチング電源回路に関する。
従来、降圧型のスイッチング電源回路が知られている。図6に従来の降圧型のスイッチング電源回路の一例を示す。図6において、直流電源Vinの両端には、スイッチング素子Q10とリアクトルL10と平滑コンデンサC10との直列回路が接続されている。また、スイッチング素子Q10とリアクトルL10との接続点と直流電源Vinの負極端とには、還流用ダイオードとしてダイオードD10が接続されている。
制御回路100は、平滑コンデンサC10から出力電圧Voを検出して、出力電圧Voが直流電源Vinの電圧(入力電圧)よりも低い所定値となるようにスイッチング素子Q10のオン・オフを制御する。
次に、図6に示す従来の降圧型のスイッチング電源回路の動作を説明する。まず、スイッチング素子Q10がオンすると、Vin→Q10→L10→C10→Vinの経路に電流が流れる。また、ダイオードD10には、直流電源Vinの電圧が逆方向電圧として印加される。次いで、スイッチング素子Q10がオフすると、L10→C10→D10→L10の経路に電流(還流電流)が流れる。この電流は、ダイオードD10に対して順方向に流れる。
なお、従来の技術の関連技術として、例えば特許文献1に記載された還流ダイオードの逆回復電流を防止した二相DC/DCコンバータが知られている。
特開平2000−308337号公報
しかしながら、この種の従来の降圧型のスイッチング電源回路では、ダイオードD10に順方向電流が流れている時に、再び、スイッチング素子Q10がオンすると、ダイオードD10には、直流電源Vinの電圧が逆方向電圧として印加されるので、大きな逆回復電流が流れる。この逆回復電流はスイッチング素子Q10にも流れる。このため、スイッチング素子Q10、ダイオードD10でスイッチング損失が発生し、ノイズも大きくなるという問題があった。
そこで、本発明は、スイッチング損失を低減できるスイッチング電源回路を提供することを目的とする。
本発明のスイッチング電源回路は、互いに磁気的に結合され且つ互いの一端同士が接続された、主巻線と漏れインダクタンスを有する補助巻線とを有するリアクトルと、直流電源に主スイッチを介して並列に接続された、補助スイッチと共振コンデンサとが直列に接続された第1直列回路と、前記第1直列回路に前記補助巻線を介して並列に接続された第1ダイオードと、前記第1直列回路又は前記第1ダイオードに前記主巻線を介して並列に接続された平滑コンデンサと、前記主スイッチと前記補助スイッチとを交互にオン・オフさせて前記平滑コンデンサの出力電圧を所定値に制御する制御回路と、を有することを特徴とする。
また、本発明のスイッチング電源回路は、互いに磁気的に結合され且つ互いの一端同士が接続された、主巻線と補助巻線とを有する第1リアクトルと、前記補助巻線に直列に接続された第2リアクトルと、直流電源に主スイッチを介して並列に接続された、補助スイッチと共振コンデンサとが直列に接続された第1直列回路と、前記第1直列回路に前記補助巻線及び前記第2リアクトルを介して並列に接続された第1ダイオードと、前記第1直列回路又は前記第1ダイオードに前記主巻線を介して並列に接続された平滑コンデンサと、前記主スイッチと前記補助スイッチとを交互にオン・オフさせて前記平滑コンデンサの出力電圧を所定値に制御する制御回路と、を有することを特徴とする。
本発明によれば、スイッチング損失を低減できるスイッチング電源回路を提供することができる。
本発明の実施例1に係るスイッチング電源回路を示す図である。 図1に示すスイッチング電源回路の各部の動作を示す波形図である。 本発明の実施例2に係るスイッチング電源回路を示す図である。 本発明の実施例3に係るスイッチング電源回路を示す図である。 本発明の実施例4に係るスイッチング電源回路を示す図である。 従来の降圧型のスイッチング電源回路の一例を示す図である。
以下、本発明の実施の形態に係るスイッチング電源回路を図面に基づいて説明する。
図1は、本発明の実施例1に係るスイッチング電源回路を示す図である。図1に示すスイッチング電源回路は、直流電源Vinの電圧(入力電圧)よりも低い所定値の出力電圧Voを出力する降圧型のスイッチング電源回路であり、リアクトルL1、スイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2、平滑コンデンサC1、共振コンデンサC2、ダイオードD1(第1ダイオード)、ダイオードD2(第2ダイオード)、制御回路10を有して構成されている。
リアクトルL1は、互いに磁気的に結合され且つ互いの一端同士が接続された、主巻線L1−1と漏れインダクタンスLrを有する補助巻線L1−2とを有する。漏れインダクタンスLrは、リアクトルL1の主巻線L1−1と補助巻線L1−2とを互いに疎結合に巻回することにより、補助巻線L1−2に等価的に直列接続されるように生成される。
直流電源Vinの両端には、スイッチング素子Q1(電界効果トランジスタ)を介してスイッチング素子Q2(電界効果トランジスタ)と共振コンデンサC2とが直列に接続された第1直列回路SC1が接続されている。
スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間には、ダイオードDa及びコンデンサCaが接続されている。ダイオードDaはスイッチング素子Q1の寄生ダイオードでも良く、コンデンサCaはスイッチング素子Q1の寄生コンデンサでも良い。また、スイッチング素子Q2のドレイン−ソース間には、ダイオードDb及びコンデンサCbが接続されている。ダイオードDbはスイッチング素子Q2の寄生ダイオードでも良く、コンデンサCbはスイッチング素子Q2の寄生コンデンサでも良い。スイッチング素子Q1及びダイオードDaは本発明の主スイッチに対応し、スイッチング素子Q2及びダイオードDbは本発明の補助スイッチに対応する。
第1直列回路SC1の両端には、補助巻線L1−2及び漏れインダクタンスLrを介してダイオードD1が接続されていると共に、主巻線L1−1を介して平滑コンデンサC1が接続されている。
また、直流電源Vinの両端には、ダイオードD1を介してダイオードD2が接続されている。ダイオードD1は還流用ダイオードであり、ダイオードD2は、ダイオードD1のカソード電位を、直流電源Vinの正極端の電位にクランプするためのクランプ用ダイオードである。
制御回路10は、平滑コンデンサC1から出力電圧Voを検出して、出力電圧Voが直流電源Vinの電圧(入力電圧)よりも低い所定値となるように、且つスイッチング素子Q1,Q2のオンがゼロ電圧スイッチング(スイッチング素子Q1,Q2のドレイン−ソース間電圧がほぼゼロである時にスイッチングすること)となるようにスイッチング素子Q1のゲート信号Q1g及びスイッチング素子Q2のゲート信号Q2gを生成する。スイッチング素子Q1,Q2は、制御回路10からのゲート信号Q1g,Q2gにより、共にオフとなる期間(デッドタイムtd)を有して交互にオン・オフされる。
次に、このように構成された実施例1に係るスイッチング電源回路の動作について、図2に示す波形図(タイミングチャート)を参照しながら説明する。
図2において、Q1gはスイッチング素子Q1のゲートに印加されるゲート信号、Q2gはスイッチング素子Q2のゲートに印加されるゲート信号、Q1vはスイッチング素子Q1のドレイン−ソース間電圧、Q1iはスイッチング素子Q1のドレイン−ソース間電流、Q2vはスイッチング素子Q2のドレイン−ソース間電圧、Q2iはスイッチング素子Q2のドレイン−ソース間電流、C2vは共振コンデンサC2の両端子間電圧、D1iはダイオードD1に流れる電流、L1−1iはリアクトルL1の主巻線L1−1に流れる電流を示している。なお、C2vの基準電位点は、共振コンデンサC2のスイッチング素子Q2に接続されない方の端子である。
まず、期間T3において、スイッチング素子Q1のオン期間にリアクトルL1に蓄えられたエネルギーが主巻線L1−1及び補助巻線L1−2に放出されて、L1−1→C1→Vin→Q1(Ca)→L1−1の第1経路と、L1−1→C1→Q2(Cb)→C2→L1−1の第2経路と、L1−1→C1→D1→Lr→L1−2→L1−1の第3経路とに電流が流れる。第1経路に流れる電流はコンデンサCaを充電させてQ1vを上昇させる。また、第2経路に流れる電流はコンデンサCbを放電させてQ2vを下降させる。なお、コンデンサCaの電圧変化率dCav/dtはコンデンサCa及びリアクトルL1の主巻線L1−1の時定数に基づき、コンデンサCbの電圧変化率dCbv/dtはコンデンサCb及びリアクトルL1の主巻線L1−1の時定数に基づく。また、第3経路に流れる電流は漏れインダクタンスLrにエネルギーを蓄積させる。なお、第3経路に流れる電流の立ち上がりは漏れインダクタンスLrがあるために緩やかとなる。
次に、期間T4において、第2経路に流れる電流がコンデンサCbを、ダイオードDbに順方向電流が流れる電圧まで放電(逆極性に充電)させると、第2経路に流れる電流はL1−1→C1→Q2(Db)→C2→L1−1の第4経路に電流経路を変える。即ち、電流がコンデンサCbからダイオードDbに転流される。この第4経路に電流が流れている時に、ゲート信号Q2gによりスイッチング素子Q2をオンさせると、スイッチング素子Q2のゼロ電圧スイッチングを実現することができる。また、第3経路には電流が流れ続ける。
次に、期間T5において、共振コンデンサC2は、L1−1→C1→Q2(Db)→C2→L1−1の第4経路に流れる電流により充電され、C2→Q2→D1→Lr→L1−2→C2の第5経路に流れる電流により放電される。期間T5の後半には、共振コンデンサC2は共振作用により充電から放電に変わる。また、第3経路には電流が流れ続ける。第5経路は本発明の第1電流経路に対応する。
次に、期間T6において、期間T3〜T5に漏れインダクタンスLrに蓄えられたエネルギーが放出されて、Lr→L1−2→L1−1→C1→D1→Lrの第3経路と、Lr→L1−2→C2→Q2(Cb)→D1→Lrの第6経路と、Lr→L1−2→Q1(Ca)→Vin→D1→Lrの第7経路とに電流が流れる。第6経路に流れる電流はコンデンサCbを充電させてQ2vを上昇させる。また、第7経路に流れる電流はコンデンサCaを放電させてQ1vを下降させる。
次に、期間T7において、第7経路に流れる電流がコンデンサCaを、ダイオードDaに順方向電流が流れる電圧まで放電(逆極性に充電)させると、第7経路に流れる電流はLr→L1−2→Q1(Da)→Vin→D1→Lrの第8経路に電流経路を変える。即ち、電流がコンデンサCaからダイオードDaに転流される。この第8経路に電流が流れている時に、ゲート信号Q1gによりスイッチング素子Q1をオンさせると、スイッチング素子Q1のゼロ電圧スイッチングを実現することができる。また、第3経路には電流が流れ続ける。第8経路は本発明の第2電流経路に対応する。
次に、期間T1において、Vin→Q1→L1−1→C1→Vinの第9経路と、第3経路とに電流が流れる。第3経路の電流は、ダイオードD1の順方向電流でもあり、漏れインダクタンスLrに蓄えられたエネルギーの放出が終了するまで流れる。また、スイッチング素子Q1には、主巻線L1−1に流れる電流L1−1iと漏れインダクタンスLrに流れる電流との差分が流れる。
次に、期間T2において、リアクトルL1の主巻線L1−1には、直流電源Vinの電圧から出力電圧Voを引いた電圧が印加されているので、主巻線L1−1に流れる電流L1−1iは、ほぼ直線的に増加する。また、ダイオードD1には、直流電源Vinの電圧が逆方向電圧として印加されるが、ダイオードD1の順方向電流が期間T1においてゼロになるので逆回復電流は発生しない。期間T2では、第9経路のみに電流が流れ、リアクトルL1はエネルギーを蓄え、平滑コンデンサC1は充電されてエネルギー(静電エネルギー)を蓄える。
このように、本発明の実施例1に係るスイッチング電源回路によれば、漏れインダクタンスLrがエネルギーを放出し終わる前に、即ち、ダイオードD1に順方向電流が流れている時に、ゲート信号Q1gによりスイッチング素子Q1がオンするが、ダイオードD1に逆方向電圧が印加されないので逆回復電流は発生しない。また、漏れインダクタンスLrがエネルギーを放出し終わると、即ち、ダイオードD1に流れる順方向電流がゼロになると、ダイオードD1に逆方向電圧が印加されるが、ダイオードD1に電流が流れていないので逆回復電流は発生しない。このため、ダイオードの逆回復特性に起因した逆回復電流によるスイッチング損失を低減できると共にノイズの発生を抑制することができる。
また、スイッチング素子Q1,Q2のオンはゼロ電圧スイッチングされ、スイッチング素子Q1,Q2のオフは、コンデンサCa,Cbの接続により、ドレイン−ソース間電圧Q1v,Q2vを緩やかに立ち上げる。このため、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング損失を低減できると共にノイズの発生を抑制することができる。
図3は、本発明の実施例2に係るスイッチング電源回路を示す図である。図3において、図1に示すスイッチング電源回路と同様の部分については図1と同じ符号を付けてその説明を省略する。リアクトルL1の補助巻線L1−2は、図1に示すスイッチング電源回路では共振コンデンサC2を放電する電流経路に設けられているのに対して、図3に示すスイッチング電源回路では共振コンデンサC2を充電及び放電する電流経路に設けられている点が異なる。
図3において、第1直列回路SC1の両端には、補助巻線L1−2及び漏れインダクタンスLrを介してダイオードD1が接続されている。また、ダイオードD1の両端には、主巻線L1−1を介して平滑コンデンサC1が接続されている。
また、直流電源Vinの両端には、ダイオードD1を介してダイオードD2が接続されている。ダイオードD1は還流用ダイオードであり、ダイオードD2は、ダイオードD1のカソード電位を、直流電源Vinの正極端の電位にクランプするためのクランプ用ダイオードである。
以下、この実施例2に係るスイッチング電源回路の動作について、実施例1に係るスイッチング電源回路の動作と異なる点を簡単に説明する。
ゲート信号Q1gによりスイッチング素子Q1がオフして、ゲート信号Q2gによりスイッチング素子Q2がオンすると、共振コンデンサC2は、L1−1→C1→Q2(Db)→C2→Lr→L1−2→L1−1の経路に流れる電流により充電され、C2→Q2→D1→L1−2→Lr→C2の経路に流れる電流により放電される。スイッチング素子Q2のオン期間の後半には、共振コンデンサC2は共振作用により充電から放電に変わる。
次に、ゲート信号Q2gによりスイッチング素子Q2がオフすると、漏れインダクタンスLrに蓄えられたエネルギーが放出されて、Lr→Q1(Ca)→Vin→D1→L1−2→Lrの経路に電流が流れ、コンデンサCaを放電させてQ1vを下降させる。また、Lr→C2→Q2(Cb)→D1→L1−2→Lrの経路に電流が流れ、コンデンサCbを充電させてQ2vを上昇させる。
次に、Q1vが下降して電流がコンデンサCaからダイオードDaに転流されると、ゲート信号Q1gによりスイッチング素子Q1がオンする。この時、漏れインダクタンスLrに蓄えられたエネルギーの放出が終了していないので、ダイオードD1に逆方向電圧が印加されない。そして、漏れインダクタンスLrに蓄えられたエネルギーの放出が終了すると、ダイオードD1に逆方向電圧が印加され、Vin→Q1→Lr→L1−2→L1−1→C1→Vinの経路に電流が流れ、リアクトルL1はエネルギーを蓄え、平滑コンデンサC1は充電されてエネルギー(静電エネルギー)を蓄える。
このように構成された本発明の実施例2に係るスイッチング電源回路であっても、本発明の実施例1に係るスイッチング電源回路と同様の効果が得られる。
図4は、本発明の実施例3に係るスイッチング電源回路を示す図である。図1に示すスイッチング電源回路は、スイッチング素子Q1及びダイオードD2をハイサイド側に、スイッチング素子Q2及びダイオードD1をローサイド側に設けて構成されているのに対して、図4に示すスイッチング電源回路は、スイッチング素子Q1及びダイオードD2をローサイド側に、スイッチング素子Q2及びダイオードD1をハイサイド側に設けて構成されている点が異なる。また、制御回路10aは、平滑コンデンサC1から出力電圧Voを検出するために、制御回路10の入力段に差動増幅器(図示せず)を設けた構成としている点が異なる。その他の構成は図1に示すスイッチング電源回路と同様であり、その動作も図1に示すスイッチング電源回路から容易に類推することができるので、ここでは動作についての説明は省略する。
このように構成された本発明の実施例3に係るスイッチング電源回路であっても、本発明の実施例1に係るスイッチング電源回路と同様の効果が得られる。
図5は、本発明の実施例4に係るスイッチング電源回路を示す図である。図3に示すスイッチング電源回路は、スイッチング素子Q1及びダイオードD2をハイサイド側に、スイッチング素子Q2及びダイオードD1をローサイド側に設けて構成されているのに対して、図5に示すスイッチング電源回路は、スイッチング素子Q1及びダイオードD2をローサイド側に、スイッチング素子Q2及びダイオードD1をハイサイド側に設けて構成されている点が異なる。また、制御回路10aは、平滑コンデンサC1から出力電圧Voを検出するために、制御回路10の入力段に差動増幅器(図示せず)を設けた構成としている点が異なる。その他の構成は図3に示すスイッチング電源回路と同様であり、その動作も図3に示すスイッチング電源回路から容易に類推することができるので、ここでは動作についての説明は省略する。
このように構成された本発明の実施例4に係るスイッチング電源回路であっても、本発明の実施例2に係るスイッチング電源回路と同様の効果が得られる。
なお、本発明は上述した実施例に限定されるものではない。本発明の実施例では、LrはリアクトルL1と一体に生成されるインダクタンス(補助巻線L1−2に等価的に直列接続される漏れインダクタンス)であって、リアクトルL1の主巻線L1−1と補助巻線L1−2とが互いに疎結合されていたが、主巻線L1−1と補助巻線L1−2とが互いに密結合されているリアクトル(第1リアクトル)を用いても良い。この場合には、Lrはリアクトルと一体に生成されるインダクタンスではなく独立したインダクタンス(第2リアクトル)を用いる必要がある。
本発明のスイッチング電源回路は、非絶縁型の降圧コンバータ、DC−DCコンバータ、AC−DCコンバータ等のスイッチング電源装置に適用可能である。
Vin 直流電源
Q1,Q2 スイッチング素子
D1,D2 ダイオード
C1 平滑コンデンサ
C2 共振コンデンサ
L1 リアクトル
10,10a 制御回路

Claims (5)

  1. 互いに磁気的に結合され且つ互いの一端同士が接続された、主巻線と漏れインダクタンスを有する補助巻線とを有するリアクトルと、
    直流電源に主スイッチを介して並列に接続された、補助スイッチと共振コンデンサとが直列に接続された第1直列回路と、
    前記第1直列回路に前記補助巻線を介して並列に接続された第1ダイオードと、
    前記第1直列回路又は前記第1ダイオードに前記主巻線を介して並列に接続された平滑コンデンサと、
    前記主スイッチと前記補助スイッチとを交互にオン・オフさせて前記平滑コンデンサの出力電圧を所定値に制御する制御回路と、
    を有することを特徴とするスイッチング電源回路。
  2. 前記直流電源に前記第1ダイオードを介して並列に接続された第2ダイオードを備え、前記第2ダイオードは前記第1ダイオードに印加される電圧をクランプすることを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源回路。
  3. 前記制御回路は、前記共振コンデンサ、前記補助スイッチ、前記第1ダイオード及び前記補助巻線を介する第1電流経路に電流が流れている時に前記補助スイッチをオフさせることにより、前記補助巻線、前記主スイッチ、前記直流電源及び前記第1ダイオードを介する第2電流経路に電流が流れ、前記第2電流経路に電流が流れている時に前記主スイッチをオンさせることを特徴とする請求項1又は請求項2記載のスイッチング電源回路。
  4. 前記制御回路は、前記主スイッチ及び前記補助スイッチのオンがゼロ電圧スイッチングとなるように制御することを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか1項記載のスイッチング電源回路。
  5. 互いに磁気的に結合され且つ互いの一端同士が接続された、主巻線と補助巻線とを有する第1リアクトルと、
    前記補助巻線に直列に接続された第2リアクトルと、
    直流電源に主スイッチを介して並列に接続された、補助スイッチと共振コンデンサとが直列に接続された第1直列回路と、
    前記第1直列回路に前記補助巻線及び前記第2リアクトルを介して並列に接続された第1ダイオードと、
    前記第1直列回路又は前記第1ダイオードに前記主巻線を介して並列に接続された平滑コンデンサと、
    前記主スイッチと前記補助スイッチとを交互にオン・オフさせて前記平滑コンデンサの出力電圧を所定値に制御する制御回路と、
    を有することを特徴とするスイッチング電源回路。
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