JP6293014B2

JP6293014B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP6293014B2
Application number: JP2014154980A
Authority: JP
Inventors: 正行能島
Original assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Current assignee: Nichicon Capacitor Ltd
Priority date: 2014-07-30
Filing date: 2014-07-30
Publication date: 2018-03-14
Anticipated expiration: 2034-07-30
Also published as: JP2016032409A

Description

本発明は、過電流保護機能を有するスイッチング電源装置に関する。

過電流保護機能を有するスイッチング電源装置において、トランスの補助巻線の短絡等が生じた際に、スイッチング素子のスイッチング動作を制御することで、トランスや二次側回路の過熱を抑制するという技術が知られている。例えば特許文献１（図１、請求項１等）には、スイッチング素子Ｑ１に流れる電流を電流検出端子によって検出し、当該電流が閾値を超えた場合に過電流保護機能を実行する制御回路１５が示されている。

特開２０１２−２４９４９９号公報

しかしながら、特許文献１のようにスイッチング素子に流れる電流に基づいて過電流保護機能を実行する構成では、入力電圧が高いと、スイッチング素子に流れる電流量が減るため、補助巻線の短絡等が生じても、検出される電流が閾値を超えず、過電流保護機能が実行されない場合がある。

本発明の目的は、入力電圧によらず確実に過電流保護機能を実行することができるスイッチング電源装置を提供することである。

本発明の観点によると、一次巻線、二次巻線および補助巻線を有する、トランスと、前記一次巻線に接続された、スイッチング素子と、前記スイッチング素子に接続された検出端子を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する、制御部と、前記二次巻線に接続された、二次側回路と、を備え、前記スイッチング素子の前記スイッチング動作によって前記一次巻線に交流を供給し、前記二次巻線に誘起された電圧を前記二次側回路に伝達するように構成された、スイッチング電源装置において、前記補助巻線に並列接続された、コンデンサと、前記コンデンサの電圧が第１所定値未満になった場合に前記検出端子の電圧が第２所定値を超えるように構成された、モニタ回路と、前記補助巻線の一端に誘起された交流電圧を直流化して前記制御部に電源電圧を供給するように構成されると共に、前記検出端子と前記補助巻線の他端との間に配置されて前記検出端子に所定の分圧電圧を供給する第１抵抗と、をさらに備え、前記制御部は、前記コンデンサの電圧が前記第１所定値未満になったときに前記モニタ回路によって前記検出端子の電圧が前記第２所定値を超えた場合に、前記スイッチング素子の前記スイッチング動作を抑制し、前記モニタ回路は、前記コンデンサに並列接続された、ツェナーダイオードと、ベースが前記ツェナーダイオードのアノードに接続されると共に、コレクタが前記検出端子と前記スイッチング素子との接続ラインに接続された、トランジスタと、前記トランジスタの前記コレクタに接続されることで前記トランジスタと直列回路を構成し、当該直列回路が前記第１抵抗に並列接続された、第２抵抗と、前記ツェナーダイオードの前記アノードと前記トランジスタの前記ベースとの間に配置された、第３抵抗と、前記トランジスタの前記ベースと前記補助巻線の他端との間に配置され、前記第３抵抗を介して前記ツェナーダイオードの前記アノードに直列接続された、第４抵抗と、含み、前記コンデンサの電圧が前記第１所定値以上の場合、前記ツェナーダイオードが導通状態となって前記トランジスタの前記ベースに電流を供給し、前記トランジスタが前記接続ラインのバイパスを形成し、前記コンデンサの電圧が前記第１所定値未満の場合、前記ツェナーダイオードが非導通状態となって前記トランジスタの前記ベースに電流を供給せず、前記トランジスタが前記接続ラインのバイパスを形成しないことで、前記検出端子の電圧が前記第２所定値を超えるように構成されていることを特徴とする、スイッチング電源装置が提供される。

上記観点によれば、スイッチング素子に流れる電流に基づいて過電流保護機能を実行する構成ではなく、スイッチング素子に接続された検出端子の電圧の上昇に基づいて過電流保護機能を実行する構成を採用したことで、入力電圧が高い場合でも、スイッチング素子に流れる電流量が減ることによって過電流保護機能が実行されないという問題が生じず、過電流保護機能を確実に実行することができる。即ち、上記観点によれば、入力電圧によらず確実に過電流保護機能を実行することができる。

前記スイッチング素子は、ＦＥＴであり、前記ＦＥＴのドレインが前記一次巻線に接続され、前記ＦＥＴのソースが前記検出端子に接続され、前記ＦＥＴのゲートが前記制御部の出力電圧を受けるように構成されてよい。

本発明によると、入力電圧によらず確実に過電流保護機能を実行することができる。

本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置を示すブロック図である。本発明に係る実施例と比較例とにおいて入力電圧をＡＣ９０Ｖ，ＡＣ２６４Ｖとした場合の各部の電流／電圧の変化を示すグラフである。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置１は、交流電源２、ブリッジダイオード３、電解コンデンサ４、トランス５、スイッチング素子６、制御部７、二次側回路８、フィードバック回路９等を有する。

トランス５は、一次巻線５ａ、二次巻線５ｂおよび補助巻線５ｃを有する。一次巻線５ａに、スイッチング素子６が接続されている。二次巻線５ｂに、二次側回路８が接続されている。

スイッチング素子６は、ＦＥＴであり、ＦＥＴのドレインが一次巻線５ａに接続され、ＦＥＴのソースが制御部７の検出端子７ａに接続され、ＦＥＴのゲートが制御部７の出力端子７ｂに接続され、制御部７の出力電圧を受けるように構成されている。

制御部７は、スイッチング素子６のスイッチング動作を制御するものである。

ここで、スイッチング電源装置１の動作について、説明する。

交流電源２から入力された交流は、ブリッジダイオード３によって整流され、電解コンデンサ４によって平滑された後、スイッチング素子６のスイッチング動作によって再び交流に変換され、一次巻線５ａに供給される。一次巻線５ａに供給された交流は、トランス５よって変圧され、二次巻線５ｂに誘起されて、二次側回路８に伝達される。二次側回路８に伝達された交流は、図示は省略するが、二次側回路８において、ダイオードによって整流され、電解コンデンサによって平滑された後、負荷に出力される。また、二次側出力電圧は、フィードバック回路９を介して制御部７にフィードバックされ、出力電圧が一定に保たれるように、制御部７によってスイッチング動作が制御される。

スイッチング電源装置１は、さらに、コンデンサ１０、モニタ回路２０等を有する。

コンデンサ１０は、電解コンデンサであって、補助巻線５ｃの一端に接続されたダイオード１２を介して補助巻線５ｃに並列接続されている。補助巻線５ｃに誘起された交流電圧は、ダイオード１２によって整流され、コンデンサ１０によって平滑され、電源端子７ｃを介して制御部７に供給される。また、補助巻線５ｃには、ダイオード１３を介して電解コンデンサ１４が並列接続されており、補助巻線５ｃに誘起された交流電圧は、ダイオード１３によって整流され、電解コンデンサ１４によって平滑され、電源端子７ｃを介して制御部７に供給される。このように、制御部７は、補助巻線５ｃの一端に誘起された交流電圧を直流化した電源電圧によって駆動される。

モニタ回路２０は、ツェナーダイオード２１、抵抗２２〜２４およびトランジスタ２５を含む。

ツェナーダイオード２１は、抵抗２３，２４と共に、コンデンサ１０に並列接続されている。抵抗２３，２４は、ツェナーダイオード２１のアノードに直列接続されており、抵抗２３，２４の間にトランジスタ２５のベースが接続されている。換言すると、抵抗２３は、ツェナーダイオード２１のアノードとトランジスタ２５のベースとの間に配置されている。抵抗２４は、抵抗２３とトランジスタ２５のベースとの接続点と補助巻線５ｃの他端との間に配置され、抵抗２３を介してツェナーダイオード２１のアノードに直列接続されている。

抵抗２２の一端は、検出端子７ａと分圧用の抵抗１１に接続されている。抵抗２２の他端は、トランジスタ２５のコレクタに接続されている。抵抗２２とトランジスタ２５とで構成される直列回路は、抵抗１１に並列接続されている。

トランジスタ２５は、ベースが抵抗２３を介してツェナーダイオード２１のアノードに接続されると共に、コレクタが抵抗２２を介して検出端子７ａとスイッチング素子６のソースとの接続ラインに接続され、エミッタが補助巻線５ｃの他端（グランド）に接続されている。上記接続ラインには適宜の抵抗が介装されている。

ここで、ツェナーダイオード２１は、コンデンサ１０の電圧が第１所定値以上の場合、カソードからアノードに電流を流し（即ち、導通状態となって）、トランジスタ２５のベースに電流を供給する。これにより、トランジスタ２５がＯＮになり、上記接続ラインのバイパスが形成され、検出端子７ａが導通状態のトランジスタ２５を介して補助巻線５ｃの他端に接地される。これにより、検出端子７ａの電圧上昇が抑制される。

一方、コンデンサ１０の電圧が第１所定値未満の場合、ツェナーダイオード２１は、カソードからアノードに電流を流さず（即ち、非導通状態となって）、トランジスタ２５のベースに電流を供給しない。この場合、トランジスタ２５がＯＦＦになり、上記接続ラインのバイパスが形成されず、検出端子７ａの電圧が上昇する。

このように、モニタ回路２０は、コンデンサ１０の電圧が第１所定値未満になった場合に検出端子７ａの電圧が第２所定値を超えるように構成されている。

例えば、補助巻線５ｃの短絡が生じると、コンデンサ１０が放電をし続けるため、コンデンサ１０の電圧が下降し、コンデンサ１０の電圧が第１所定値未満になる。すると、モニタ回路２０において、ツェナーダイオード２１がトランジスタ２５に電流を供給しないことで、トランジスタ２５がＯＦＦになり、検出端子７ａの電圧が上昇し、検出端子７ａの電圧が第２所定値を超える。制御部１００は、検出端子７ａの電圧が第２所定値を超えた場合、スイッチング素子６のスイッチング動作を抑制（例えば、停止）する。これにより、トランス５や二次側回路８の過熱が抑制される。

以上に述べたように、本実施形態によれば、スイッチング素子６に流れる電流に基づいて過電流保護機能を実行する構成ではなく、スイッチング素子６に接続された検出端子７ａの電圧の上昇に基づいて過電流保護機能を実行する構成を採用したことで、入力電圧が高い場合でも、スイッチング素子６に流れる電流量が減ることによって過電流保護機能が実行されないという問題が生じず、過電流保護機能を確実に実行することができる。即ち、本実施形態によれば、入力電圧によらず確実に過電流保護機能を実行することができる。

本発明に係る実施例（上記実施形態に係るスイッチング電源装置１と同様の装置）と比較例（上記実施形態に係るスイッチング電源装置１からモニタ回路２０を除いた装置）とにおいて、入力電圧をＡＣ９０Ｖ，ＡＣ２６４Ｖとした場合の、各部の電流／電圧の変化を測定した。測定結果を、図２に示す。

図２において、「Ｉ_5a」は、一次巻線５ａに流れる電流を示す。「Ｖ_OUT」は、二次側出力電圧を示す。「Ｖｃ₀₀₅」は、電解コンデンサ１４の電圧を示す。「Ｖｃ₀₀₄」は、コンデンサ１０の電圧を示す。また、横軸は時間を示す。

図２から理解されるように、入力電圧がＡＣ９０Ｖの場合は、実施例および比較例において、各部の電流／電圧の波形に差異はなく、補助巻線５ｃが短絡すると、過電流保護機能が実行され、スイッチング動作が停止された。一方、入力電圧がＡＣ２６４Ｖの場合は、実施例および比較例において、各部の電流／電圧の波形に差異が生じ、実施例ではスイッチング動作が停止されたが、比較例では、スイッチング素子に流れる電流が閾値を超えず、過電流保護機能が実行されなかった（即ち、スイッチング動作が停止されず、間欠発振が維持された）。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

・スイッチング素子は、ＦＥＴに限定されず、ＩＧＢＴ等からなってもよい。
・制御部は、検出端子の電圧が第２所定値を超えた場合に、スイッチング動作を停止することに限定されず、スイッチング動作を抑制し、出力電圧を下げることにより電流を制限してもよい。

１スイッチング電源装置
２交流電源
３整流ダイオード
４平滑コンデンサ
５トランス
５ａ一次巻線
５ｂ二次巻線
５ｃ補助巻線
６スイッチング素子
７制御部
７ａ検出端子
７ｂ出力端子
７ｃ電源端子
８二次側回路
９フィードバック回路
１０コンデンサ
１１抵抗（第１抵抗）
２０モニタ回路
２１ツェナーダイオード
２２抵抗（第２抵抗）
２３抵抗（第３抵抗）
２４抵抗（第４抵抗）
２５トランジスタ

Claims

一次巻線、二次巻線および補助巻線を有する、トランスと、
前記一次巻線に接続された、スイッチング素子と、
前記スイッチング素子に接続された検出端子を有し、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する、制御部と、
前記二次巻線に接続された、二次側回路と、を備え、
前記スイッチング素子の前記スイッチング動作によって前記一次巻線に交流を供給し、前記二次巻線に誘起された電圧を前記二次側回路に伝達するように構成された、スイッチング電源装置において、
前記補助巻線に並列接続された、コンデンサと、
前記コンデンサの電圧が第１所定値未満になった場合に前記検出端子の電圧が第２所定値を超えるように構成された、モニタ回路と、
前記補助巻線の一端に誘起された交流電圧を直流化して前記制御部に電源電圧を供給するように構成されると共に、前記検出端子と前記補助巻線の他端との間に配置されて前記検出端子に所定の分圧電圧を供給する第１抵抗と、をさらに備え、
前記制御部は、前記コンデンサの電圧が前記第１所定値未満になったときに前記モニタ回路によって前記検出端子の電圧が前記第２所定値を超えた場合に、前記スイッチング素子の前記スイッチング動作を抑制し、
前記モニタ回路は、
前記コンデンサに並列接続された、ツェナーダイオードと、
ベースが前記ツェナーダイオードのアノードに接続されると共に、コレクタが前記検出端子と前記スイッチング素子との接続ラインに接続された、トランジスタと、
前記トランジスタの前記コレクタに接続されることで前記トランジスタと直列回路を構成し、当該直列回路が前記第１抵抗に並列接続された、第２抵抗と、
前記ツェナーダイオードの前記アノードと前記トランジスタの前記ベースとの間に配置された、第３抵抗と、
前記トランジスタの前記ベースと前記補助巻線の他端との間に配置され、前記第３抵抗を介して前記ツェナーダイオードの前記アノードに直列接続された、第４抵抗と、含み、
前記コンデンサの電圧が前記第１所定値以上の場合、前記ツェナーダイオードが導通状態となって前記トランジスタの前記ベースに電流を供給し、前記トランジスタが前記接続ラインのバイパスを形成し、
前記コンデンサの電圧が前記第１所定値未満の場合、前記ツェナーダイオードが非導通状態となって前記トランジスタの前記ベースに電流を供給せず、前記トランジスタが前記接続ラインのバイパスを形成しないことで、前記検出端子の電圧が前記第２所定値を超えるように構成されていることを特徴とする、スイッチング電源装置。
前記スイッチング素子は、ＦＥＴであり、前記ＦＥＴのドレインが前記一次巻線に接続され、前記ＦＥＴのソースが前記検出端子に接続され、前記ＦＥＴのゲートが前記制御部の出力電圧を受けるように構成されたことを特徴とする、請求項１に記載のスイッチング電源装置。