JP3447471B2 - スイッチング電源、及びそのスイッチング電源を用いたサージ電圧吸収方法 - Google Patents

スイッチング電源、及びそのスイッチング電源を用いたサージ電圧吸収方法

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明はスイッチング電源に
かかり、特に、フライバック式コンバーターに用いられ
るスナバ回路と、そのスナバ回路を有するスイッチング
電源に関する。
【０００２】
【従来の技術】商用交流電源から所定の直流電圧を作る
電子装置は安定化電源と呼ばれており、ドロッパ電源と
スイッチング電源とに大別できる。それらのうち、スイ
ッチング電源が安価で高効率であることから、一般に広
く用いられている。
【０００３】従来技術のスイッチング電源を図６の符号
１０２に示す。このスイッチング電源１０２はフライバ
ック方式のスイッチング電源であり、ダイオードブリッ
ジ１２０と、平滑コンデンサ１２１と、トランス１３０
と、半導体スイッチング素子であるＮＰＮトランジスタ
１０６とを有している。
【０００４】ＮＰＮトランジスタ１０６のコレクタ端子
はトランス１３０内の一次巻線１３１と接続されてお
り、ダイオードブリッジ１２０によって商用交流周波数
の電圧が全波整流され、平滑コンデンサ１２１によって
平滑された電圧が、その一次巻線１３１の他端とＮＰＮ
トランジスタのエミッタ端子との間に印加されている。
【０００５】トランス１３０内には一次巻線１３１と磁
気結合した二次巻線１３５と補助巻線１３３とが設けら
れており、該補助巻線１３３はＮＰＮトランジスタ１０
６のベース端子とエミッタ端子との間に接続され、ＮＰ
Ｎトランジスタ１０６にベース電流が流れ、一次巻線１
３１に電流が流れ始めると、補助巻線１３３に誘起され
た電圧によって、更にベース電流が増加するように構成
されている。
【０００６】他方、二次巻線１３２の極性は一次巻線１
３１と逆向きにされ、その一端にはダイオード１３５が
設けられており、ＮＰＮトランジスタ１０６が導通状態
から遮断状態に転じると、二次巻線１３２に電流が流れ
るように構成されている。
【０００７】図７に、このスイッチング電源１０２のタ
イミングチャートを示す。符号１５１は一次巻線１３１
に流れる電流であり、符号１５２は二次巻線１３２に流
れる電流である。また、符号１５３はＮＰＮトランジス
タ１０６のコレクタ電圧であり、ＮＰＮトランジスタ１
０６が遮断状態になると、一次巻線１３１に蓄積されて
いたエネルギーによって二次巻線１３２に電流が流され
ていることが分かる。
【０００８】このような一次巻線１３１から二次巻線１
３２へのエネルギーの移行は、一次巻線１３１と二次巻
線１３２との磁気結合によって行われるが、実際にはそ
の磁気結合は１００％ではなく、とりわけＲＣＣ方式の
場合、トランス１３０内のコアに大きなギャップを設け
るため、漏れ磁束が生じてしまう。
【０００９】一次巻線１３１と二次巻線１３２との磁気
結合が１００％でない場合のトランス１３０のＴ型等価
回路を図８(ａ)に示す。符号Ｌ0を励磁インダクタンス
(一次巻線１３１と二次巻線１３２との磁気結合に寄与
しているインダクタンス成分)に対し、それぞれ一次巻
線１３１と二次巻線１３２とのリーケージインダクタン
スＬ1、Ｌ2(漏れ磁束の分)が付加される。
【００１０】この図８(ａ)の等価回路に於いては、一次
側のリーケージインダクタンスＬ1と励磁インダクタン
スＬ0とは直列になっているため、ＮＰＮトランジスタ
１０６が導通し、一次巻線１３１に電流ｉ1が流れる場
合、その電流ｉ1はリーケージインダクタンスＬ1を通っ
て励磁インダクタンスＬ0に流れることになる。
【００１１】従って、ＮＰＮトランジスタ１０６が遮断
状態になると、励磁インダクタンスＬ0に蓄積されたエ
ネルギーは二次巻線１３２に伝達され、二次側電流ｉ2
が流されるが、リーケージインダクタンスＬ1に蓄積さ
れていたエネルギーは二次側には伝達されないことにな
る。この場合、リーケージインダクタンスＬ1に流れて
いた電流ｉ1を維持するためにその両端に逆起電力が発
生すると、ＮＰＮトランジスタ１０６のコレクタ端子に
サージ電圧が重畳されてしまう。
【００１２】このスイッチング電源１０２ではＮＰＮト
ランジスタ１０６のコレクタ端子にスナバ回路１０５が
設けられており、図８(ｂ)に示すように、ダイオード１
２３を介して電流ｉ3を流すことによってリーケージイ
ンダクタンスＬ1に蓄積されていたエネルギーをサージ
電圧吸収用コンデンサ１２４に移行させ、発生したサー
ジ電圧を吸収していた。
【００１３】そのエネルギーの移行が終了すると、サー
ジ電圧吸収用コンデンサ１２４の放電によって、同図
(ｃ)に示すように抵抗１２５に電流ｉ4が流され、リー
ケージインダクタンスＬ1に蓄積されていたエネルギー
は熱となって放出されていた。このとき、ダイオード１
２３には、符号１５４で示すようなパルス状の電流が流
れる。
【００１４】以上説明したように、このスナバ回路１０
５では、リーケージインダクタンスＬ1からサージ電圧
吸収用コンデンサ１２４に移行されたエネルギーは全て
抵抗１２５で消費され、無効な電力となってしまい、ス
イッチング電源１０２の放熱特性や電源効率を低下させ
ていた。
【００１５】また、ダイオード１２３が順バイアスされ
てから導通して電流が流れるまでにはわずかながら所定
時間を要し、その間、トランジスタ１０６にサージ電圧
が印加されてしまうため、サージ電圧に耐え得る高耐圧
トランジスタを使用する必要があった。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記従来技術
の不都合を解決するために創作されたもので、その目的
は、発熱が少なく、高効率のスイッチング電源と、その
スイッチング電源を用いたサージ吸収方法を提供するこ
とを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１記載の発明は、一次巻線と、該一次巻線と
磁気結合した二次巻線と、前記一次巻線と直列接続され
た半導体スイッチング素子と、スナバ回路と、一次側平
滑回路とを有し、前記一次側平滑回路により、前記一次
巻線と半導体スイッチング素子とが直列接続された回路
に平滑された電圧を印加し、前記半導体スイッチング素
子をスイッチング動作させて前記一次巻線に断続的に電
流を流し、前記トランス内の二次巻線に電圧を誘起し、
前記半導体スイッチング素子が遮断状態にあるときに二
次側に電力を供給するように構成されたフライバック型
のスイッチング電源であって、前記スナバ回路は、サー
ジ電圧吸収用コンデンサと、ＭＯＳＦＥＴ素子と、補助
巻線とを有し、前記サージ電圧吸収用コンデンサと前記
ＭＯＳＦＥＴ素子とが直列接続された回路が前記一次巻
線と並列接続され、前記補助巻線の一端は前記半導体ス
イッチング素子と前記一次巻線とが接続されたところに
接続され、他端は前記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端子に
接続され、前記補助巻線と前記一次巻線との間の磁気結
合により、前記補助巻線の両端には、前記半導体スイッ
チング素子が導通状態から遮断状態に転じたときに、前
記ＭＯＳＦＥＴ素子が導通して第三象限動作をする電圧
が誘起されるように構成され、前記スナバ回路には、前
記ＭＯＳＦＥＴ素子を所定期間導通状態に置いた後、遮
断状態にする遮断回路が設けられ、前記半導体スイッチ
ング素子には、該半導体スイッチング素子を、前記ＭＯ
ＳＦＥＴ素子が遮断状態になった後、導通状態にさせる
遅延回路が接続され、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端
子とソース端子との間にはツェナーダイオードが接続さ
れ、該ツェナーダイオードによって、前記ゲート端子と
前記ソース端子の間にツェナー電圧以上の電圧が印加さ
れないように構成されたスイッチング電源である。請求
項２記載の発明は、請求項１記載のスイッチング電源を
用いたサージ電圧吸収方法であって、前記ＭＯＳＦＥＴ
素子の第三象限動作により、一次側リーケージインダク
タンスに蓄積されたエネルギーを前記二次巻線に移行さ
せて前記一次巻線に生じるサージ電圧を吸収するサージ
電圧吸収方法である。請求項３記載の発明は、前記二次
巻線に移行された前記エネルギーが二次側で消費しきれ
なかった場合、前記半導体スイッチング素子が導通状態
のときに、前記一次側平滑回路内の平滑コンデンサを充
電させる請求項２記載のサージ電圧吸収方法である。
【００１８】上述したような本発明装置では、ＭＯＳＦ
ＥＴ素子を用いているが、一般的なＭＯＳＦＥＴ素子を
図４に示す。符号８２は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ
素子であり、ｎ-型シリコン基板８０の表面に、アイラ
ンド状にｐ+型のボディ層８３が拡散されており、該ボ
ディ層８３周囲にｐ-型のチャネル層８４が拡散されて
おり、更に、ボディ層８３中にｎ+型のソース層８５が
拡散されている。また、裏面にはｎ+のオーミック層８
６が拡散されており、ボディ層８３とオーミック層８６
との間には、ｎ-型のドレイン領域９８が形成されてい
る。このＭＯＳＦＥＴ素子８２では、チャネル層８４表
面に、ゲート酸化膜８８とゲート電極８７とが個の順で
形成されており、ソース層８５に対して正の電圧をゲー
ト電極８７に印加するとチャネル層８４表面が反転する
ように構成されている。
【００１９】ボディ層８３とソース層８４表面には、そ
れらを短絡するようにソース電極９０が形成されてお
り、普通の使用方法では、該ソース電極９０に対し、裏
面に形成されたドレイン電極８９に正電圧を印加して、
ドレイン電極８９からソース電極９０に向けて電流を流
すように構成されている。
【００２０】そのＭＯＳＦＥＴ素子９２の電気的特性に
ついて、ゲート電極８７に一定の正電圧を印加する場合
を例にとって図５に示す。縦軸はドレイン電流ＩD、横
軸はドレイン・ソース間の電圧Ｖdsである。ソース電極
９０に対し、ドレイン電極８９に正電圧を印加する通常
の使用状態は、同図の第１象限の実線の波形のようにな
る。
【００２１】同図第３象限の実線の波形は、そのゲート
電圧を維持したままドレイン電極８９に対し、ソース電
極９０に正電圧を印加した場合であり、第３象限動作と
呼ばれている。この第３象限動作では、ドレイン・ソー
ス間の電圧差が０．７Ｖよりも低いうちは第１象限の動
作と同様の抵抗特性を示し、０．７Ｖ電圧を超えるとｐ
+ボディ層８３とドレイン領域９８との間に形成された
寄生ダイオード８１が導通し、ダイオード特性を示す
(以上は室温の場合)。第３象限の点線はゲート電圧が印
加されていない場合である。
【００２２】このように、ゲート端子に電圧を印加する
場合(ｎチャネルＭＯＳＦＥＴ素子ではソース端子に対
して正電圧、ｐチャネルＭＯＳＦＥＴ素子ではソース端
子に対して負電圧)には、ＭＯＳＦＥＴ素子を双方向に
導通させることができる。
【００２３】上述した本発明の構成によれば、スイッチ
ング電源がトランスと、該トランス内の一次巻線と直列
接続された半導体スイッチング素子とを有し、前記半導
体スイッチング素子の導通状態と遮断状態との繰り返し
によって前記一次巻線に断続的に電流を流し、トランス
内の二次巻線に電圧を誘起させ、前記半導体スイッチン
グ素子が遮断状態にあるときに前記二次巻線に電流が流
れるように構成されており、いわゆるフライバック型の
スイッチング電源である。
【００２４】そのスイッチング電源には、サージ電圧吸
収用コンデンサとＭＯＳＦＥＴ素子とが直列接続された
回路が一次巻線と並列に接続され、半導体スイッチング
素子と一次巻線とを接続したところに補助巻線の一端が
接続され、その補助巻線の他端がＭＯＳＦＥＴ素子のゲ
ート端子に接続されているので、補助巻線と前記一次巻
線との磁気結合の極性を、半導体スイッチング素子が遮
断状態にあるときにＭＯＳＦＥＴ素子が導通できる電圧
が誘起されるようにすれば、遮断状態に転じた初期には
ＭＯＳＦＥＴ素子に第３象限動作をさせリーケージイン
ダクタンスに蓄積されたエネルギーによってサージ電圧
吸収用コンデンサを充電することが可能となる。
【００２５】その第３象限動作は立上り速度が速いの
で、サージ電圧が発生せず、また、ＭＯＳＦＥＴ素子の
ソース端子とドレイン端子の間の電圧降下は小さく、
０．７Ｖ以下にすることができるので、ダイオードを使
用した場合に比べて発熱や無効電力も低下させることが
できる。
【００２６】サージ電圧吸収用コンデンサの充電が終了
すると、キャパシタンス成分とインダクタンス成分との
共振により、今度はサージ電圧吸収用コンデンサの放電
が開始され、一次巻線に電流が流される。このとき一次
巻線に流れる電流の向きは半導体スイッチング素子が導
通状態にあるときとは逆向きであり、その電流によって
二次巻線に電圧が誘起されて二次側に電流が流される
と、サージ電圧吸収用コンデンサに充電されていたエネ
ルギーは二次側に伝達される。このように、リーケージ
インダクタンスに蓄積されたエネルギーは有効に二次側
に伝達されるので、そのエネルギーを抵抗で消費させる
必要がなく、無効電力が発生しない。また、サージ電圧
吸収用コンデンサの充電の際にＭＯＳＦＥＴ素子で生じ
る電圧降下が小さいことも加わり、スイッチング電源全
体として効率が高まる。
【００２７】このようなスナバ回路に、半導体スイッチ
ング素子が遮断状態に移行した際、ＭＯＳＦＥＴ素子を
所定期間導通状態に置いた後、遮断状態に移行させる遮
断回路を設けておくと、、半導体スイッチング素子とＭ
ＯＳＦＥＴ素子とが共に導通状態にならないので貫通電
流が流れず、また、サージ電圧吸収用コンデンサと一次
巻線との間で電流が振動しながら流れ続けることもな
い。
【００２８】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面を用い
て説明する。図１の符号２は、本発明の一例のスイッチ
ング電源であり、商用電源を全波整流するダイオードブ
リッジ２０と、全波整流された電圧を平滑する平滑コン
デンサ２１と、一次側と二次側とを絶縁するトランス３
０と、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ素子で構成された半
導体スイッチング素子９とを有している。
【００２９】トランス３０内には一次巻線３１が設けら
れており、該一次巻線３１の一端は平滑コンデンサ２１
の高電位側の端子に接続されており、他端は半導体スイ
ッチング素子９のドレイン端子に接続されている。該半
導体スイッチング素子９のソース端子は平滑コンデンサ
２１の低電位側の端子に接続されており、半導体スイッ
チング素子９が導通すると一次巻線３１の両端に、平滑
コンデンサ２１の電圧が印加されるように構成されてい
る。
【００３０】トランス３０内には一次巻線３１とは逆極
性で磁気結合した二次巻線３２が設けられており、該二
次巻線３２の一端にはダイオード３５が接続され、この
ダイオード３５の整流作用によって、半導体スイッチン
グ素子９が導通状態にある間には二次巻線３２には電流
が流れず、そのとき一次巻線３１に蓄積されたエネルギ
ーによって、半導体スイッチング素子９が遮断状態にな
ったときに二次巻線３２に電流が流されるように構成さ
れている。この二次巻線３２の両端には、前記ダイオー
ド３５を介して平滑コンデンサ３６が接続されており、
二次巻線３２に誘起された電圧を平滑するように構成さ
れている。
【００３１】このスイッチング電源２には、ｎチャネル
型のＭＯＳＦＥＴ素子３と、サージ電圧吸収用コンデン
サ７と、補助巻線４と、ツェナーダイオード２３と、抵
抗２７と、遮断回路８とを有するスナバ回路５が設けら
れており、サージ電圧吸収用コンデンサ７の一端は、平
滑コンデンサ２１の高電位側の端子に接続され、他端は
ＭＯＳＦＥＴ素子３のドレイン端子に接続されている。
ＭＯＳＦＥＴ素子３のソース端子は半導体スイッチング
素子９のドレイン端子に接続されており、ゲート端子は
抵抗２７を介して補助巻線４の一端に接続されている。
この補助巻線４の他端は一次巻線３１と半導体スイッチ
ング素子９のドレイン端子とが接続されたところに接続
され、半導体スイッチング素子９が遮断状態に移行した
ときにＭＯＳＦＥＴ素子３のゲート端子に正電圧が印加
されるように一次巻線３１と磁気結合されている。
【００３２】ＭＯＳＦＥＴ素子３のゲート端子とソース
端子との間にはツェナーダイオード２３が接続されてお
り、該ツェナーダイオード２３によって、ゲート端子と
ソース端子の間にツェナー電圧以上の電圧が印加されな
いように構成されている。
【００３３】また、ＭＯＳＦＥＴ素子３のゲート端子と
ソース端子との間には、ＮＰＮトランジスタ２２と、コ
ンデンサ２４と、ダイオード２５と、抵抗２６とを有す
る遮断回路８が設けられており、そのＮＰＮトランジス
タ２２のコレクタ端子はＭＯＳＦＥＴ素子３のゲート端
子に接続され、エミッタ端子はソース端子に接続され、
抵抗２６の一端はベース端子に接続され、他端は抵抗２
７と補助巻線４とが接続されたところに接続されてい
る。また、ベース端子とエミッタ端子との間にはコンデ
ンサ２４が接続されており、ダイオード２５のアノード
端子がエミッタ端子に、カソード端子がベース端子に接
続され、ダイオード２５がコンデンサ２４と並列接続さ
れている。
【００３４】このスイッチング電源２の動作を図３のタ
イミングチャートを参照しながら説明する。同図符号Ｉ
Dは半導体スイッチング素子９のドレイン電流を、ＶDS
はドレイン電圧を示す。いま、半導体スイッチング素子
９にドレイン電流ＩDが流れているときに半導体スイッ
チング素子９が導通状態から遮断状態に切り替わると、
二次巻線３２には二次側のダイオード３５を順バイアス
する極性の電圧が誘起され、一次巻線３１に蓄積された
エネルギーによって二次巻線３２に電流が流れ、平滑コ
ンデンサ３６が充電される。
【００３５】このとき、補助巻線４にはＭＯＳＦＥＴ素
子３のゲート端子に正電圧を印加する極性の電圧が誘起
され、ＭＯＳＦＥＴ素子３は導通状態になる。
【００３６】他方、一次巻線３１内のリーケージインダ
クタンスに蓄積されたエネルギーは二次巻線３２には伝
達されず、同じ方向に引き続き電流を流そうとし、半導
体スイッチング素子９のドレイン端子に正電圧を印加す
るが、半導体スイッチング素子９が遮断状態にあり、Ｍ
ＯＳＦＥＴ素子３が導通状態にあるため、そのＭＯＳＦ
ＥＴ素子３が第３象限動作をし、リーケージインダクタ
ンスに蓄積されたエネルギーにより、サージ電圧吸収用
コンデンサ７へ電流が流れる。このときＭＯＳＦＥＴ素
子３に流れる電流を、ソース端子からドレイン端子に流
れる方向(第３象限動作の方向)を正にとって、図３の符
号ＩSで示す。
【００３７】半導体スイッチング素子９が遮断状態にあ
る期間を符号Ｔで表すと、その期間Ｔの開始から期間ｔ
1の経過後(Ｔ＞ｔ1)、リーケージインダクタンスに蓄積
されていたエネルギーがサージ電圧吸収用コンデンサ７
に伝達されると、該サージ電圧吸収用コンデンサ７への
充電は終了する。この期間ｔ1の長さは、リーケージイ
ンダクタンスの大きさ、サージ電圧吸収用コンデンサ７
の容量値や半導体スイッチング素子９が遮断状態に転じ
たときのドレイン電流ＩDの大きさで決まる。
【００３８】期間Ｔの間は二次巻線３２に電流が流れ続
けており、期間ｔ1経過後も補助巻線４によってＭＯＳ
ＦＥＴ素子３は導通状態に置かれているが、このときは
サージ電圧吸収用コンデンサ７の充電は終了しておりリ
ーケージインダクタンスの起電力は無くなっているた
め、ＭＯＳＦＥＴ素子３のドレイン端子にはそのソース
端子よりも高い電圧が印加されるので、ＭＯＳＦＥＴ素
子３は第１象限動作を開始し、サージ電圧吸収用サージ
電圧吸収用コンデンサ７を放電させる。
【００３９】その放電によりＭＯＳＦＥＴ素子３を介し
て一次巻線３１に電流が流れるが、そのとき一次巻線３
１に流れる電流は、半導体スイッチング素子９が導通状
態にあったときとは逆向きであり、二次巻線３２に、二
次側ダイオード３５を順バイアスする方向の電圧を誘起
させる。従って、サージ吸収用コンデンサ７の放電によ
り二次巻線３２に電流が流れ、サージ電圧吸収用コンデ
ンサ７に蓄積されていたエネルギーは二次側に伝達され
る。
【００４０】ＭＯＳＦＥＴ素子３のゲート端子に正電圧
が印加されている間は、抵抗２６を介してコンデンサ２
４が充電されており、期間ｔ1の経過の後、更にサージ
電圧吸収用コンデンサ７の放電が行われている期間ｔ2
が経過し、そのコンデンサ２４の電圧がＮＰＮトランジ
スタ２２のベース・エミッタ間を順バイアスさせる電圧
まで上昇すると、ＮＰＮトランジスタ２２が導通状態に
なり、抵抗２７によって飽和動作をし、ＭＯＳＦＥＴ素
子３のゲート端子をソース端子の電圧と略等しくし、Ｍ
ＯＳＦＥＴ素子３を遮断状態にする。
【００４１】遮断状態の期間Ｔの経過後、半導体スイッ
チング素子９は導通状態になると、二次巻線３２の両端
には二次側ダイオード３５を逆バイアスする電圧が誘起
され、一次側から二次側へのエネルギーの伝達は停止す
る。このとき、二次側の平滑コンデンサ３６の放電が開
始する。
【００４２】以上説明したように、リーケージインダク
タンスからスナバ回路５内のサージ電圧吸収用コンデン
サ７に伝達されたエネルギーは、更に二次巻線３２側に
伝達され、無効な電力とならないので、スイッチング電
源の効率を高めることができる。また、ＭＯＳＦＥＴ素
子３の第３象限動作の立上りは、ダイオードが順バイア
スされてから導通して電流が流れる期間よりも早いこと
から、サージ電圧が発生しなくなり、半導体スイッチン
グ素子９に低耐圧のものを用いることが可能となる。
【００４３】図３の符号ＩSで示した電流は、定格負荷
や重負荷のときにスナバ回路５に流れる電流であった
が、軽負荷の場合、リーケージインダクタンスに蓄積さ
れたエネルギーを二次側で消費しきれない。その場合、
スナバ回路５には、同図符号Ｉ'Sで示す電流波形よう
な、リーケージインダクタンスに蓄積されたエネルギー
により、半導体スイッチング素子９が導通状態のときに
平滑コンデンサ２１を充電する電流が流れる。
【００４４】なお、図１(ａ)の遮断回路８に替え、可飽
和リアクトル８'をＭＯＳＦＥＴ素子３のソース端子と
ゲート端子との間に接続し、ＭＯＳＦＥＴ素子３が導通
状態になり、可飽和リアクトル８'の電流が所定以上に
達すると、ゲート端子とソース端子とが短絡状態になる
ように構成した場合にも、期間ｔ1と期間ｔ2の経過後に
ＭＯＳＦＥＴ素子３遮断状態にすることができる。
【００４５】以上は、ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ素子
を用いたスナバ回路について説明したが、ｐチャネル型
のＭＯＳＦＥＴ素子を用いてもよい。要するに、一次巻
線に断続的に電流を流す半導体スイッチング素子が遮断
状態にあるときに、二次巻線に電流が流れ、二次側に電
力が供給されるように構成されたフライバック型のスイ
ッチング電源について、少なくとも半導体スイッチング
素子が導通状態にある間はスナバ回路内のサージ電圧吸
収用コンデンサを一次巻線から切り離しておき、半導体
スイッチング素子が遮断状態に移行する際に一次巻線の
両端に接続し、リーケージインダクタンスの存在により
一次巻線に生じる電圧でサージ電圧吸収用コンデンサを
充電し、次いで放電させて一次巻線に電流を流し、リー
ケージインダクタンスに蓄積されたエネルギーを二次側
に伝達するようにしたサージ電圧吸収方法であれば、本
発明に含まれる。
【００４６】上述の実施の形態は、ｎチャネル型のＭＯ
ＳＦＥＴ素子を半導体スイッチング素子に使用したスイ
ッチング電源について説明したが、ｐチャネル型のＭＯ
ＳＦＥＴ素子を使用したスイッチング電源や、バイポー
ラトランジスタを使用したスイッチング電源も本発明に
含まれる。
【００４７】また、他励方式のスイッチング電源、自励
方式のスイッチング電源(例えばＲＣＣ電源等)のどちら
についても含まれる。但し、ＲＣＣ電源はトランス中の
コアにギャップを設けることからリーケージインダクタ
ンスが大きいため、本発明装置及び本発明方法は特に効
率向上のために有効である。
【００４８】次に、本発明の他の実施の形態を説明す
る。図２の符号２'は、本発明のスイッチング電源の他
の例であり、上述したスイッチング電源２と同じ部品は
共通の符号を付して説明を省略する。
【００４９】このスイッチング電源２'に設けられたス
ナバ回路５'は、上述した遮断回路８や遮断回路８'を有
していないがＭＯＳＦＥＴ素子３のゲート端子とソース
端子との間には抵抗５４が接続され、ＭＯＳＦＥＴ素子
３のゲート端子に蓄積された電荷を放電できるように構
成されている。他方、半導体スイッチング素子９のゲー
ト端子とソース端子の間には、遅延回路であるコンデン
サ６が接続されている。
【００５０】また、このスイッチング電源２'のトラン
ス３０内には、一次巻線３１と同じ極性で磁気結合した
駆動巻線４０が設けられており、該駆動巻線４０の一端
は、制御回路４１を介して半導体スイッチング素子９の
ゲート端子に接続され、他端はソース端子に接続されて
いる。
【００５１】半導体スイッチング素子９のゲート端子に
は、起動抵抗５５の一端が接続されており、ダイオード
ブリッジ２０が商用電源に接続され、平滑コンデンサ２
１によって平滑された電圧が起動抵抗５５の他端に印加
されると、コンデンサ６が充電され、半導体スイッチン
グ素子９が導通を開始し始めるように構成されている。
【００５２】半導体スイッチング素子９が導通状態にな
り、一次巻線３１に電流が流れ始めると、駆動巻線４０
には半導体スイッチング素子９を導通状態にする極性の
電圧が誘起され、抵抗４５とコンデンサ４４とを介して
コンデンサ６を更に充電し、該半導体スイッチング素子
９を更に深く導通状態に置くように構成されている。
【００５３】前記制御回路４１内には、半導体スイッチ
ング素子９のゲート端子とソース端子との間に接続され
たＮＰＮトランジスタ４２が設けられており、駆動巻線
４０に誘起された電圧によってＮＰＮトランジスタ４２
のベース端子に接続されたツェナーダイオード４６が導
通し、コンデンサ４３がＶBEまで充電されると抵抗４７
を介してＮＰＮトランジスタ４２のベース端子に電流が
供給され、該ＮＰＮトランジスタ４２の飽和動作によっ
て半導体スイッチング素子９を遮断状態にするように構
成されている。
【００５４】この制御回路４１内には、フォトカプラ内
のフォトトランジスタ５０が接続されており、半導体ス
イッチング素子９が遮断状態にある間に二次側の電圧が
上昇し、一定値以上になった場合にフォトトランジスタ
５０と光結合したフォトダイオードが発光し、フォトト
ランジスタ５０が導通し、ツェナーダイオード４６と抵
抗４７の間をダイオード４８と抵抗４９を介して短絡
し、ＮＰＮトランジスタ４２を導通できる状態に置き、
一次巻線３０に蓄積されたエネルギーが二次巻線３２側
に伝達された後も、半導体スイッチング素子９のゲート
端子に電圧が印加されないように構成されている。
【００５５】以上のように構成されたスイッチング電源
２'では、半導体スイッチング素子９が導通状態から遮
断状態に移行する際に、一次巻線３１のリーケージイン
ダクタンスに蓄積されたエネルギーは、ＭＯＳＦＥＴ素
子３の第３象限動作によってコンデンサ７に移され、次
いで、ＭＯＳＦＥＴ素子３の通常動作(第１象限動作)に
よって、そのコンデンサ７が放電し、一次巻線３１に電
流が流されることで、二次巻線３２にエネルギーが移行
される。
【００５６】このような定常動作における半導体スイッ
チング素子９が導通状態になるときは、駆動巻線４０に
誘起された電圧によって先ずコンデンサ６が充電され、
該コンデンサ６の電圧が閾値電圧以上になるまでは半導
体スイッチング素子９は導通状態にならず、その間は半
導体スイッチング素子９は遮断状態に維持される。コン
デンサ６の電圧が閾値電圧以上の電圧まで充電されるた
めには、一次巻線３１の半導体スイッチング素子９のド
レイン端子に接続されたところに正電圧が誘起されてか
ら一定期間を要する。
【００５７】その正電圧が誘起されるとＭＯＳＦＥＴ素
子３は遮断状態になるので、ＭＯＳＦＥＴ素子３と半導
体スイッチング素子９とが一緒に導通状態になることが
なく、貫通電流が流れることはない。
【００５８】
【発明の効果】定格負荷や重負荷の場合はリーケージイ
ンダクタンスに蓄積されたエネルギーを有効に二次側に
移行させ、 軽負荷の場合はリーケージインダクタンス
に蓄積されたエネルギーで一次側の平滑コンデンサを充
電するので、効率の高いスイッチング電源を得ることが
できる。サージ電圧が発生せず、ノイズが少ない。ま
た、サージ電圧が発生しないことから、半導体スイッチ
ング素子に耐圧の低いものを用いることができるので、
スイッチング電源のコストが低くなる。また、貫通電流
が流れないので、ＭＯＳＦＥＴ素子や半導体スイッチン
グ素子が劣化せず、低ノイズで効率も高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明のスイッチング電源のスナバ回路
の一例の回路図 (ｂ)：可飽和リアクトルを用いたスナバ回路の部分回路
図
【図２】 本発明のスイッチング電源の他の例の回路図
【図３】 本発明のスイッチング電源の動作を説明する
ための波形図
【図４】 ＭＯＳＦＥＴ素子の構造の一例を示す断面図
【図５】 ＭＯＳＦＥＴ素子の動作を説明するためのグ
ラフ
【図６】 従来技術のスナバ回路とそのスナバ回路を用
いたスイッチング電源を説明するための回路図
【図７】 その動作を説明するための波形図
【図８】(ａ)：トランスのＴ型等価回路図 (ｂ)：サージ電圧によって従来技術のスナバ回路のサー
ジ電圧吸収用コンデンサを充電する様子を説明するため
の部分回路図 (ｃ)：そのサージ電圧吸収用コンデンサを放電経路を説
明するための図
【符号の説明】
２、２'……フライバック型のスイッチング電源 ３
……ＭＯＳＦＥＴ素子４……補助巻線 ５……スナバ
回路 ６……遅延回路 ７……コンデンサ ８、
８'……遮断回路 ９……半導体スイッチング素子
３０……トランス ３１……一次巻線 ３２……
二次巻線
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平５−83934（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−101663（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−316730（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−170734（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−145866（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−189536（ＪＰ，Ａ) 実開 平６−70491（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H02M 3/00 - 3/44

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】一次巻線と、該一次巻線と磁気結合した二
    次巻線と、前記一次巻線と直列接続された半導体スイッ
    チング素子と、スナバ回路と、一次側平滑回路とを有
    し、 前記一次側平滑回路により、前記一次巻線と半導体スイ
    ッチング素子とが直列接続された回路に平滑された電圧
    を印加し、 前記半導体スイッチング素子をスイッチング動作させて
    前記一次巻線に断続的に電流を流し、前記トランス内の
    二次巻線に電圧を誘起し、 前記半導体スイッチング素子が遮断状態にあるときに二
    次側に電力を供給するように構成されたフライバック型
    のスイッチング電源であって、 前記スナバ回路は、サージ電圧吸収用コンデンサと、Ｍ
    ＯＳＦＥＴ素子と、補助巻線とを有し、 前記サージ電圧吸収用コンデンサと前記ＭＯＳＦＥＴ素
    子とが直列接続された回路が前記一次巻線と並列接続さ
    れ、 前記補助巻線の一端は前記半導体スイッチング素子と前
    記一次巻線とが接続されたところに接続され、他端は前
    記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端子に接続され、 前記補助巻線と前記一次巻線との間の磁気結合により、
    前記補助巻線の両端には、前記半導体スイッチング素子
    が導通状態から遮断状態に転じたときに、前記ＭＯＳＦ
    ＥＴ素子が導通して第三象限動作をする電圧が誘起され
    るように構成され、 前記スナバ回路には、前記ＭＯＳＦＥＴ素子を所定期間
    導通状態に置いた後、遮断状態にする遮断回路が設けら
    れ、 前記半導体スイッチング素子には、該半導体スイッチン
    グ素子を、前記ＭＯＳＦＥＴ素子が遮断状態になった
    後、導通状態にさせる遅延回路が接続され、前記ＭＯＳＦＥＴ素子のゲート端子とソース端子との間
    にはツェナーダイオードが接続され、該ツェナーダイオ
    ードによって、前記ゲート端子と前記ソース端 子の間に
    ツェナー電圧以上の電圧が印加されないように構成され
    たスイッチング電源。
  2. 【請求項２】請求項１記載のスイッチング電源を用いた
    サージ電圧吸収方法であって、 前記ＭＯＳＦＥＴ素子の第三象限動作により、一次側リ
    ーケージインダクタンスに蓄積されたエネルギーを前記
    二次巻線に移行させて前記一次巻線に生じるサージ電圧
    を吸収するサージ電圧吸収方法。
  3. 【請求項３】前記二次巻線に移行された前記エネルギー
    が二次側で消費しきれなかった場合、前記半導体スイッ
    チング素子が導通状態のときに、前記一次側平滑回路内
    の平滑コンデンサを充電させる請求項２記載のサージ電
    圧吸収方法。
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