JP4803262B2 - 絶縁型スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
Vout=(n2/n1)・D・Vin
の関係があるので、電力スイッチQ1のデューティーDの低減によって出力電圧が低下する。逆に、出力電圧の分圧電圧が基準値未満になるとフォトカプラPC1の受光トランジスタを経由するシャントレギュレータSRG1のカソード電流が減少してフォトカプラPC1の受光トランジスタに流れる電流が減少し、スイッチング制御回路1のCOMP端子の電位が増加して、電力スイッチQ1のデューティーDが増加する。Dの増加によって出力電圧が増大する。このようにして出力電圧が一定になるようPWM制御が行われる。
図1に示した絶縁型スイッチング電源装置と比較すると、電圧クランプ回路2の接続位置が異なり、ドライブトランスT4を用いている。またクランプスイッチはPチャネルではなく、NチャネルのMOSFETである。それ以外の構成は図1と同じであり、動作もほとんど同じである。スイッチング制御回路1の端子outA、端子outB端子から出力される駆動信号は、両方ともLレベルになるデッドタイム期間(図4の時刻t1〜t3,t4〜t0)を挟んで相補的なタイミングでHレベルになり、それに従って電力スイッチQ1とクランプスイッチQ2は、デッドタイム期間を挟んで相補的なタイミングで駆動される。図3の電圧クランプ回路2の動作は図1の電圧クランプ回路2の動作と同じである。スイッチング制御回路1のグランド端子GNDに対するクランプスイッチQ2のソース端子の電位は、電力スイッチQ1のスイッチング動作によって交流的に変動するため、ドライブトランスT4を介して、クランプスイッチ駆動端子outBの出力電圧が伝送され、ダイオードD11、コンデンサC10のレベルシフト回路を経由してクランプスイッチQ2のG−S間に駆動信号が印加される。
(1)1次コイル及び2次コイルを有し、1次側から2次側へ電力を伝送する主トランス(T1)と、
前記主トランスの1次コイルに直列接続され、直流(脈流を含む)入力電源から前記主トランスの1次コイルに流れる電流を断続する、少なくとも1つの電力スイッチ(Q1)と、
前記主トランスの2次コイルに生じる電圧を整流する整流回路(Q3,Q4)と、
前記整流回路によって整流された電圧を平滑する平滑回路(C3)と、
クランプスイッチ駆動信号によってオン/オフ制御されるクランプスイッチ(Q2)を備え、前記主トランスに印加される電圧が反転した際に前記主トランスの電磁エネルギーにより生じるサージ電圧を吸収し、前記主トランスに印加される電圧を所定の上限値にクランプする電圧クランプ回路(2)と、
前記電力スイッチの駆動用信号を出力する第1の出力端子(端子outA)、及びクランプスイッチ駆動用信号を出力する第2の出力端子(端子outB)を備えたスイッチング制御回路(1)と、
1次コイルが前記第2の出力端子(端子outB)に接続され、2次コイルが前記クランプスイッチを駆動するクランプスイッチ駆動回路に接続されて、パルス波のエッジ信号を伝達する第1のパルストランス(T2)と、を備え、
前記クランプスイッチ駆動回路は、前記第1のパルストランスから出力される前記クランプスイッチ駆動用信号のエッジをトリガーにして前記クランプスイッチ駆動信号を発生し、前記クランプスイッチをオフすることを特徴とする。
中脚と、該中脚を介して対向する少なくとも1対の外脚とを備えて閉磁路を構成するコアと、該コアの前記中脚に巻回した少なくとも2つのコイルを組とする第1組のコイルと、前記1対の外脚のうち少なくとも一方の外脚を、コイル配線可能な程度の隙間を空けて2つの外脚部に分離し、当該分離した2つの外脚部のそれぞれに巻回方向が互いに逆方向となるように巻回したコイルを少なくとも2つ含む第2組のコイルと、を備えた複合トランスで構成されたものとする。
1次コイルと2次コイルを有し、パルス波のエッジ信号を伝達する、第2のパルストランス及び第3のパルストランス(T3)と、を備え、
前記第2のパルストランスの1次コイルは、前記スイッチング制御回路の前記第2の出力端子(outA)に接続され、
前記第2のパルストランスの2次コイルは、前記同期整流回路の整流側同期整流素子(Q3)または転流側同期整流素子(Q4)の一方のスイッチを制御するように前記同期整流素子駆動回路(4)に接続され、
前記第3のパルストランス(T3)の1次コイルは、前記スイッチング制御回路の前記第1の出力端子(outB)に接続され、
前記第3のパルストランスの2次コイルは、前記同期整流回路の整流側スイッチまたは転流側スイッチの他方のスイッチを制御するように前記同期整流素子駆動回路(4)に接続されたものとする。
前記第1のパルストランスの1次コイルと前記第2のパルストランスの1次コイルとは同一の巻線で共用され、前記第1のパルストランスと前記第2のパルストランスとは、1つの閉磁路を備えるパルストランスで構成されたものとする。
図5は第1の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置101の回路図である。図6はその各部の波形図、図7は前記絶縁型スイッチング電源装置101に用いる複合トランスの構成を示す図である。
Vout=(n2/n1)・D・Vin
の関係があるので、電力スイッチQ1のデューティーDの低減によって出力電圧が低下する。逆に、出力電圧の分圧電圧が基準値未満になると、フォトカプラPC1の受光トランジスタを経由するシャントレギュレータSRG1のカソード電流が減少して、フォトカプラPC1の受光トランジスタに流れる電流が減少し、これによりスイッチング制御回路1のCOMP端子の電位が増加して、その結果、電力スイッチQ1のデューティーDが増加する。このデューティーDの増加によって出力電圧が上昇する。このようにして出力電圧が一定になるようPWM制御が行われる。
上記サイクルが繰り返される。
図8は第2の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置102の回路図である。図9はその各部の波形図である。
主トランスT1の1次側の構成は第1の実施形態で図5に示したものと同様である。主トランスT1の2次側には、整流ダイオードD5、出力平滑コンデンサC3、抵抗R2,R3,R4、フォトカプラPC1の発光ダイオード、シャントレギュレータSRG1を備えている。
Vout≒(n2/n1)・Vc1
の関係が成り立つので、クランプスイッチQ2の寄生ダイオードが導通すると同時に、整流ダイオードD5も導通して、2次側回路に電力が供給される。電力スイッチQ1のD−S間電圧が一定値でクランプされる期間において、主トランスT1の励磁電流は、クランプスイッチQ2と整流ダイオードD5に分流するが、励磁電流の合計値は図9(h)に破線で示すように直線的に減少する。時刻t3においてスイッチング制御回路1の端子outBの出力電圧がHレベルからLレベルに反転すると、コンデンサC4の蓄積電荷の放電電流がパルストランスT2の1次コイルn1経由で端子outBに流れるため、パルストランスT2にパルス電圧が発生し、クランプスイッチQ2がオフする。クランプスイッチQ2と整流ダイオードD5との両方がオフすると、LC共振回路の共振容量が再び電力スイッチQ1のD−S間の並列寄生容量になり、共振容量が小さくなることによってD−S間電圧が急峻に低下する。前記LC共振回路の共振によって電力スイッチQ1のD−S間電圧がゼロボルトに低下してから、次の周期のt0で再び電力スイッチQ1がオンされる。
上記サイクルが繰り返される。
第2の実施形態に示した主トランスT1及びパルストランスT2も、図7に示した複合トランスで構成できる。
図10は第3の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置103の回路図である。図11はその各部の波形図である。この第3の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置103は、非対称制御ハーフブリッジコンバータを構成している。この「非対称制御」とは、電力スイッチQ1とクランプスイッチQ2との両方がオフとなるデッドタイムを挟んで相補的なタイミングで駆動される制御方法であり、電力スイッチQ1のパルス幅が広がるとクランプスイッチQ2のパルス幅が狭まり、電力スイッチQ1のパルス幅が狭まるとクランプスイッチQ2のパルス幅が広がるようにPWM制御するものである。図11に示すように、動作波形は、第2の実施形態で示したアクティブ・クランプ・フライバックコンバータの場合と類似している。
Vout≒(n2/n1)・(Vc1−Vc5)
の関係が成り立つので、クランプスイッチQ2の寄生ダイオードが導通すると同時に、整流ダイオードD5も導通して2次側回路に電力が供給される。電力スイッチQ1のD−S間電圧が一定値でクランプされた期間において、主トランスT1の励磁電流は、クランプスイッチQ2と整流ダイオードD5に分流するが、主トランスT1の励磁電流の合計値は図11(h)に破線で示すように直線的に減少する。時刻t3においてスイッチ制御回路1の端子outBの出力電圧がHレベルからLレベルに反転すると、コンデンサC4の蓄積電荷の放電電流がパルストランスT2の1次コイルn1経由で端子outBに流れるため、パルストランスT2の2次コイルn2にパルス電圧が発生し、クランプスイッチQ2がオフする。クランプスイッチQ2と整流ダイオードD5との両方がオフすると、LC共振回路の共振容量が再び電力スイッチQ1のD−S間の並列寄生容量になり、共振容量が小さくなることによってD−S間電圧が急峻に低下する。前記LC共振回路の共振によって電力スイッチQ1のD−S間電圧がゼロボルトに低下してから、次の周期の時刻t0で再び電力スイッチQ1がオンされる。
上記サイクルが繰り返される。
第3の実施形態に示した主トランスT1及びパルストランスT2も、図7に示した複合トランスで構成できる。
図12は第4の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置104の回路図である。図13はその各部の波形図である。この第4の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置104は、対称制御ハーフブリッジコンバータを構成している。この「対称制御」とは、第1の電力スイッチQ1と、第2の電力スイッチQ7との両方がオフになるオフ期間を挟んでほぼ等しいパルス幅で駆動される制御方法であり、電力スイッチQ1のパルス幅が広がるとQ7のパルス幅も広がり、電力スイッチQ1のパルス幅が狭まるとQ7のパルス幅も狭まるようにPWM制御するものである。この第4の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置104の電圧クランプ回路は、主トランスT1のリーケージインダクタンスに起因して同期整流素子Q3,Q4の両端に発生するスパイク電圧を一定値以下にクランプすることでQ3,Q4を保護する効果があり、クランプコンデンサC1に一旦吸収したエネルギーを回生することで、低損失な回路動作を実現する。
クランプスイッチQ2はNチャネルMOSFETであり、並列に寄生ダイオードを備える。
主トランスT1の4次コイルn4、スイッチ素子Q5、コンデンサC9、抵抗R1がクランプスイッチ駆動回路を構成する。
まず、直流入力電源+Vinと−Vinとの間に加わる直流電圧は、入力平滑コンデンサC2で平滑された後、第1の電力スイッチQ1及び第2の電力スイッチQ7が交互にスイッチングすることにより交流に変換され、主トランスT1の1次コイルn1から2次コイルn2及び3次コイルn3に伝送され、同期整流素子Q3、Q4で整流された後、チョークコイルL1、出力平滑コンデンサC3で平滑されて直流に変換される。
Vout≒{n2/(2・n1)}・D・Vin
で表される。
1…スイッチング制御回路
2…電圧クランプ回路
3…ハイサイドドライバ
4…同期整流素子駆動回路
43E…E型コア
43I…平板コア
44,45…プリント基板
5…第1のエッジ信号発生回路
6…第2のエッジ信号発生回路
C1…クランプコンデンサ
C2…入力平滑コンデンサ
C3…出力平滑コンデンサ
COMP…フィードバック信号入力端子
GND…グランド端子
HSin…ハイサイド駆動用信号入力端子
HSout…ハイサイドスイッチ駆動端子
L1…チョークコイル
LSin…ローサイド駆動用信号入力端子
LSout…ローサイドスイッチ駆動端子
outA…電力スイッチ駆動端子
outB…クランプスイッチ駆動端子
PC1…フォトカプラ
Q1,Q7…電力スイッチ
Q2…クランプスイッチ
Q3…整流側同期整流素子
Q4…転流側同期整流素子
SIGin1…パルス信号入力端子
SR1,SR2…同期整流素子駆動端子
SRG1…シャントレギュレータ
T1…主トランス
T2…パルストランス
T23…第1・第2兼用パルストランス
T3…パルストランス
T4…ドライブトランス
Claims (9)
- 1次コイル及び2次コイルを有し、1次側から2次側へ電力を伝送する主トランスと、
前記主トランスの1次コイルに直列接続され、直流入力電源から前記主トランスの1次コイルに流れる電流を断続する、少なくとも1つの電力スイッチと、
前記主トランスの2次コイルに生じる電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路によって整流された電圧を平滑する平滑回路と、
クランプスイッチ駆動信号によってオン/オフ制御されるクランプスイッチを備え、前記主トランスに印加される電圧が反転した際に前記主トランスの電磁エネルギーにより生じるサージ電圧を吸収し、前記主トランスに印加される電圧を所定の上限値にクランプする電圧クランプ回路と、
前記電力スイッチの駆動用信号を出力する第1の出力端子、及びクランプスイッチ駆動用信号を出力する第2の出力端子を備えたスイッチング制御回路と、
1次コイルが前記第2の出力端子に接続され、2次コイルが前記クランプスイッチを駆動するクランプスイッチ駆動回路に接続されて、パルス波のエッジ信号を伝達する第1のパルストランスと、を備え、
前記クランプスイッチ駆動回路は、前記第1のパルストランスから出力される前記クランプスイッチ駆動用信号のエッジをトリガーにして前記クランプスイッチ駆動信号を発生し、前記クランプスイッチをオフする、絶縁型スイッチング電源装置。 - 前記電圧クランプ回路及び前記クランプスイッチ駆動回路は、前記主トランスの1次側に設けられている、請求項1に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記電圧クランプ回路及び前記クランプスイッチ駆動回路は、前記主トランスの2次側に設けられている、請求項1に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記電力スイッチと前記クランプスイッチが、前記直流入力電源に対して直列に接続され、前記電力スイッチの一端と前記電圧クランプ回路の接続点に前記主トランスの1次コイルとクランプコンデンサとの直列回路が接続され、前記主トランス、前記電力スイッチ、前記クランプコンデンサ及び前記クランプスイッチによってハーフブリッジ回路が構成されている、請求項1〜3のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記主トランス及び前記第1のパルストランスは、
中脚と、該中脚を介して対向する少なくとも1対の外脚とを備えて閉磁路を構成するコアと、該コアの前記中脚に巻回した少なくとも2つのコイルを組とする第1組のコイルと、前記1対の外脚のうち少なくとも一方の外脚を、コイル配線可能な程度の隙間を空けて2つの外脚部に分離し、当該分離した2つの外脚部のそれぞれに巻回方向が互いに逆方向となるように巻回したコイルを少なくとも2つ含む第2組のコイルと、を備えた複合トランスで構成された、請求項1〜4のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。 - 前記整流回路は、第1及び第2の半導体スイッチ素子を備える同期整流回路である、請求項1〜5のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記同期整流回路の第1及び第2の半導体スイッチ素子のオン/オフ動作を制御する同期整流素子駆動回路と、
1次コイルと2次コイルを有し、パルス波のエッジ信号を伝達する、第2のパルストランス及び第3のパルストランスと、を備え、
前記第2のパルストランスの1次コイルは、前記スイッチング制御回路の前記第2の出力端子に接続され、
前記第2のパルストランスの2次コイルは、前記同期整流回路の整流側同期整流素子または転流側同期整流素子の一方のスイッチを制御するように前記同期整流素子駆動回路に接続され、
前記第3のパルストランスの1次コイルは、前記スイッチング制御回路の前記第1の出力端子に接続され、
前記第3のパルストランスの2次コイルは、前記同期整流回路の整流側スイッチまたは転流側スイッチの他方のスイッチを制御するように前記同期整流素子駆動回路に接続された、請求項6に記載の絶縁型スイッチング電源装置。 - 前記電圧クランプ回路及び前記クランプスイッチ駆動回路は、前記主トランスの2次側に設けられ、
前記第1のパルストランスの1次コイルと前記第2のパルストランスの1次コイルとは同一の巻線で共用され、前記第1のパルストランスと前記第2のパルストランスとは、1つの閉磁路を備えるパルストランスで構成された、請求項7に記載の絶縁型スイッチング電源装置。 - 前記主トランス及び前記第1〜第3のパルストランスは、中脚と、該中脚を介して対向する少なくとも1対の外脚とを備えて閉磁路を構成するコアと、該コアの前記中脚に巻回した少なくとも2つのコイルを組とする第1組のコイルと、前記1対の外脚のうち少なくとも一方の外脚を、コイル配線可能な程度の隙間を空けて2つの外脚部に分離し、当該分離した2つの外脚部のそれぞれに巻回方向が互いに逆方向となるように巻回したコイルを少なくとも2つ含む第2組のコイルと、を備えた複合トランスで構成された、請求項8に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
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