JPH0232643B2 - Suitsuchingudengensochi - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は電圧共振形スイツチ回路を用いた簡易
な駆動方式によるスイツチング電源装置に関す
る。

電子計算機の端末機器や一般通信機用の電源と
して小形・軽量・高効率なスイツチング方式の電
源装置が広く用いられる。特に200W以下の小容
量のものにあつては、シングルエンドによる主ス
イツチ回路を備えたものが、価格の点等その他の
理由により多く用いられる。この種のシングルエ
ンドのスイツチング回路については、 IEEE Power Electric Confernce−1977“Ａ
New Optimum Topology Switching DC to
DC Converter” pp.160 等に紹介されるように、その基本形として (i) Buck Power Stage type (ii) Boost Power Stage type (iii) Buck−Boost Power Stage type (iv) Boost Buck Power Stage type がある。これらの回路方式は、いずれも入力直流
電源の電圧を直接スイツチングして、その端子電
圧に矩形波を生成するものであるから、いずれの
方式にあつてもスイツチング素子におけるスイツ
チ損失が大きく、その損失による熱を放散する為
の大きな放熱板等を要する。また上記文献に紹介
されるものは、主スイツチ回路を駆動する発振回
路を少略した自励型の回路を形成しているから、
自己の帰還作用によるスイツチング速度の高速化
が望み得ず、この結果損失が増々大きくなるので
更に大きな放熱板を必要とする不具合がある。

また上述した回路の中で、 Buck−Boost Power Stage形に改良を加えた
電圧共振形のスイツチ回路では、スイツチング素
子のスイツチ特性を所謂“Ｌ”字型にし、これに
よつてスイツチ効率を高めるように構成される
が、この為には必ず外部駆動回路が必要となる。
ところが、この外部駆動回路の為に補助電源を設
けることは装置の複雑化を招くと云う不具合があ
るので、これを単純な発振器で実現したいと云う
要求があるが、主スイツチ回路の反作用を受けて
上記発振器が正常に、且つ安定に発振動作しない
という問題がある。

本発明はこのような事情を考慮してなされたも
ので、この目的とするところは、入力直流電圧に
よつて直接駆動される単純なブロツキング発振回
路を用いてスイツチング素子を反作用を受けるこ
となく駆動することができ、簡単な構成でありな
がら安定な動作が得られるスイツチング電源装置
を提供することを目的とする。

本発明は、ブロツキング発振回路における発振
用変成器のスイツチング素子へのパルス信号を出
力する巻線と、他の巻線との間に静電シールド部
材を設けることによつて、スイツチング素子の反
作用としてのスイツチング回路の電圧変化による
誘導が、発振用変成器の出力巻線から他の巻線に
廻り込んで、ブロツキング発振回路の動作に悪影
響を及ぼさないようにしたものである。

以下、図面を参照して本発明の一実施例につき
説明する。

第１図は実施例装置の基本的な概略構成図であ
り、交流電源はブリツジ整流器１を介して全波整
流され、平滑コンデンサ２を通して平滑化されて
入力直流電圧Vccが生成されている。この直流電
圧Vccを受けてブロツキング発振回路３が作動す
るように接続構成されている。また前記入力直流
電圧Vccは、ブロツキング発振回路３によつてス
イツチング制御される電力用スイツチングトラン
ジスタ４を介して電力伝送用の変成器５の一次巻
線５ａに導かれている。この一次巻線５ａには共
振用のコンデンサ６が並列接続されており、また
前記トランジスタ４のコレクタ・エミツタ間には
ダンパー用のダイオード７が並列接続されてい
る。しかしてスイツチングトランジスタ４のスイ
ツチング作用によつて入力直流電圧は矩形波とし
て変成器５の一次巻線５ａに印加され、これに電
磁結合された二次巻線５ｂより電圧変換されて取
出される。この二次巻線５ｂにはチヨークコイル
８および整流用ダイオード９が直列に接続されて
おり、電圧変換された矩形波が整流されている。
そして平滑用コンデンサ１０にて平滑化されて、
所定の負荷１１に供給されるようになつている。

ところでブロツキング発振回路３は、例えば第
２図に示すように構成される。ここに示されるブ
ロツキング発振回路３は、その出力インピーダン
スが低いから、スイツチング素子４としてバイポ
ーラトランジスタが採用されるとき、極めて都合
が良い。

入力直流電圧Vcc−Ｇ間には、抵抗１２とドラ
イブ用の変成器１３の一次巻線１３ａとを直列に
介してドライブ用のnpn形スイツチングトランジ
スタ１４が接続されている。また上記入力直流電
圧Vcc−Ｇ間には、上記トランジスタ１４のオフ
動作期間を定める時定数回路として、抵抗１５を
直列に介してコンデンサ１６が接続されている。
このコンデンサ１６の端子電圧は、前記変成器１
３の二次巻線１３ｂを介して前記トランジスタ１
４のベースに接続されている。尚、変成器１３の
一次巻線１３ａと二次巻線１３ｂの極性は図示す
る如く逆極性とし、励磁電流が逆向きに生成され
てトランジスタ１４に帰還作用が生じるように定
められている。また前記コンデンサ１６の両端に
は、コンデンサ１６の放電特性を規定してパルス
幅調整を行う為の抵抗１７がダイオード１８を直
列に介して並列接続されている。更に、前記変成
器１３の三次巻線１３ｃにはダイオード１９を直
列に介して、パルス休止期間を設定する抵抗２０
およびコンデンサ２１が接続されている。

そして、この発振回路３のパルス出力は、変成
器１３の四次巻線１３ｄより取出され、前記スイ
ツチング素子としてのトランジスタ４のベースお
よびエミツタにそれぞれ印加されるようになつて
いる。このベース・エミツタ間には抵抗２２が挿
入され、またベースと四次巻線１３ｄとの間に
は、逆電流を阻止するダイオード２３と高抵抗２
３の並列回路が挿入されている。また変成器１３
においては、スイツチングトランジスタ４の反作
用としての電圧変化の誘導が、四次巻線１３ｄよ
り他の巻線１３ａ〜１３ｃに廻り込むことを防止
するために、巻線１３ｄと他の巻線１３ａ〜１３
ｃとの間に静電シールド板２５が挿入されてい
る。この静電シールド板２５は前記入力直流電圧
のＧレベルに保たれるもので、これによつて四次
巻線１３ｄと他の巻線との静電容量結合が阻止さ
れ、主スイツチング回路の電圧変化の誘導による
悪影響がブロツキング発振回路３に及ばないよう
になつている。

しかして、このように構成された装置にあつて
は、例えば次のように動作条件が定められる。即
ち、第１図に示されるブロツキング発振回路３を
除く、シングルエンド形のスイツチング回路は、
準Ｅ級的に電圧共振形のスイツチング動作を行う
ものとする。つまり、トランジスタ４の導通時
に、変成器５の一次巻線（インダクタンス）５ａ
に蓄えられていた磁気エネルギが、トランジスタ
４のオフ期間に共振用のコンデンサ６に充電され
る。そして、トランジスタ４のコレクタ・エミツ
タ間電圧は正弦波的に変化し、略半周期を経過し
たとき、ダンパーダイオード７の作用によつて同
トランジスタ４の電位が零に設定される。このト
ランジスタ４の零電位期間に再びトランジスタ４
が導通駆動される。即ち、所定の入出力電圧で所
定の電力を得る為に、トランジスタ４の駆動条
件、つまり動作周期と導通期間が、変成器５の一
次インダクタンス、洩れインダクタンスを含むチ
ヨークコイル８、共振用コンデンサ６の値によつ
て定められている。ちなみに、変成器５に帰還用
の巻線を設け、これをトランジスタ４に帰還して
自励発振させたときには、上記条件を満足させる
ことはできない。そして、本装置では、上記発振
条件を満たすトランジスタ４の駆動をブロツキン
グ発振回路３にて行わしめている。

さて、スイツチングトランジスタ４の導通期間
はブロツキング発振回路３における一次巻線１３
ａのインダクタンスと、トランジスタ１４の電流
増幅率β、更にパルス幅制御用の抵抗１７の値に
よつて略決定される。またトランジスタ４のオフ
期間は、抵抗１５とコンデンサ１６によつて決定
される時定数、および断期間制御用の抵抗２０の
値によつて略決定される。しかして、このような
構成のブロツキング発振回路３によれば、抵抗１
７の設定値は、発振回路３の基本的な動作条件を
変えることなしに、パルス幅期間のみを変え得
る。この場合、断期間を定める動作過程に悪影響
を及ぼすことがない。また抵抗２０の設定値は、
パルス幅の設定条件に影響を及ぼすことなしに独
立して断期間の設定を行うことができる。つま
り、本発振回路３では、パルス幅と休止期間の独
立した設定が可能であり、従つて前述したトラン
ジスタ４の駆動条件を簡易に満たすことができ
る。

次に、このように構成された装置において、ト
ランジスタ４の出力電圧波形がブロツキング発振
回路３の発振状態に及ぼす影響について第３図お
よび第４図を参照して説明する。尚、第３図はブ
ロツキング発振回路３の各部の動作波形、第４図
はトランジスタ４を含む主スイツチング回路の各
部の動作波形を示している。

主スイツチング回路が定常状態で動作している
とき、トランジスタ４がオフしている期間T_0o〜
T₁には、その出力電圧波形は第４図ｂに示すよ
うに正弦波的に変化し、この電圧がブロツキング
発振回路３の変成器１３の四次巻線１３ｄと二次
巻線１３ｂ間の層間容量を経由して、コンデンサ
１６に誘起する。これによつて第３図ｃの点線Ａ
で示すようにその極性および誘起の影響が生じ
る。ここで問題となるのはｔ＝T₁において電圧
のはね上りが生じ、トランジスタ１４のベース・
エミツタ間の導通に必要な電圧V_BEを越えること
である。この現象が生じると、発振回路３の正帰
還作用によつてｔ＝T₁になる以前、つまりｔ＝
T₂でトランジスタ１４が導通することになり、
この結果発振周期が短くなる。このトランジスタ
１４のｔ＝T₂における導通は重大な悪影響を招
来するもので、スイツチングトランジスタ４に電
圧が加わつている期間に次の動作周期が開始され
ることを意味する。この結果トランジスタ４に過
大なスパイク電流が流れることになり、スイツチ
損失が急激に増大する。しかして本装置にあつて
は、静電シールド板２５によつて変成器１３の層
間静電容量が小さく抑えられ、その結合が防止さ
れているので上述したコンデンサ１６への誘導が
少ない。従つて第３図ｃ中実線で示すように導通
電圧V_BEを越えると云う現象が生じることがな
く、この結果安定した発振動作が行われることに
なる。しかも前述したように、このような安定な
基本動作とは別に、パルス幅および休止期間の独
立した任意設定が可能なので、且つ入力直流電圧
をそのまま利用して発振動作するので、補助電源
等を用いることなく安定に主スイツチング回路を
駆動することが可能となる。また出力制御は、ブ
ロツキング発振回路３の抵抗１７，２０を可変イ
ンピーダンス素子に置き代え、これを制御するこ
とによつて簡易に行い得る。従つて、所望とする
動作条件設定を簡易に行い得、実用性が高い。

ところで、このようにしてブロツキング発振回
路３によりトランジスタ４を駆動するようにした
ことにより、出力に対する負荷変動が生じても、
負荷に応じて発振周期が自動的に変化し、電圧共
振形スイツチング波形の姿態がくずれないと云う
特徴を有している。即ち、電圧共振形スイツチン
グ回路は、負荷が定格負荷から徐々に軽くなる
と、スイツチングトランジスタ４の導通幅が一定
化されているとき、その周期が徐々に長くなる。
例えば第４図ａにトランジスタ４の電流波形icを
示すように、定格負荷時に実線で示す如き電流が
流れているとき、負荷が軽くなると図中点線で示
すように電流が減少する。そして時刻ｔ＝T_0oを
過ぎた後、第４図ｂに示すようにトランジスタ４
の端子電圧が正弦波的に変化することになる。従
つて軽負荷時の正弦波的な弧が存在する時間が長
くなり、τ₂＞τ₁となる。これは、定格負荷時に比
して、軽負荷時には負荷１１に伝送される電流が
減少する為、変成器５の一次インダクタンスとコ
ンデンサ６によつて主に決定される共振の弧の中
心が入力電圧E_ioとなるので、τ₂がτ₁に比して長く
なる為である。そして増々負荷が軽くなると、τ₂
は増々長くなり、やがて（T_0o＋τ₂）が越えるこ
とが予想される。このような場合、トランジスタ
４の動作周波数をそのままにしておくと、時刻ｔ
＝T₁でトランジスタ４に大きなスパイク電流が
流れて同トランジスタ４を破壊に至らしめる。と
ころが本装置にあつてはブロツキング発振回路３
において、四次巻線１３ｄの負荷変動による繰返
し周期が変わるので、軽負荷時には、休止期間が
長くなり、これによつてトランジスタ４を駆動す
る信号の繰返し周期が長くなるので、上述した不
具合が未然に回避される。即ち、トランジスタ４
には第４図ａに示すように、定格負荷時に比べて
少ない電流が流れることになり、同時にコンデン
サ６への蓄積電荷が少なくなる。そして、この蓄
積電荷はブロツキング発振回路３の四次巻線１３
ｄを経由して流れることになるので、巻線１３ｄ
の負荷が軽くなつたのと等価になり、この結果く
り返し周期が長くなる。

かくして本装置によれば負荷変動に対しても安
定にスイツチングトランジスタ４の駆動が制御さ
れるので、常に安定な出力を得ることができる。
しかもブロツキング発振回路３が入力直流電圧を
そのまま利用して動作するので回路構成の簡略化
を図り得、各種の電源装置として多大な効果を奏
する。

第５図ａおよびｂはそれぞれ本装置に適用可能
な別のブロツキング発振回路３を示す概略構成図
であり、同図ａは第２図で示したブロツキング発
振回路（エミツタ接地形）をベース接地形に変形
したものであり、また同図ｂはコレクタ接地形に
変形したものである。これらの構成であつても基
本的に同様の機能をなす。なお、ベース接地形に
おいては、トランジスタ１４のエミツタはダイオ
ードと変成器１３の二次巻線１３ｂとの直列回路
を介して接地されるとともに、トランジスタ１４
のベースは抵抗１５とコンデンサ１６との接続点
に直接接続される。

またコレクタ接地形においてはトランジスタ１
４のコレクタは抵抗１２に接続され、またエミツ
タは変成器１３の一次巻線１３ａと二次巻線１３
ｂの直列回路を介して接地され、さらにベースは
抵抗１５とコンデンサ１６との接続点に接続され
る。またコンデンサ１６と抵抗１７との接続点は
上記変成器１３の一次巻線１３ａと二次巻線１３
ｂとの接続点に接続される。

第６図は本装置に適用可能な別のブロツキング
発振回路３を示す概略構成図である。この発振回
路は、二次巻線１３ｂに励起される電圧を利用し
てトランジスタ１４の動作を制御するもので、図
中２６は、トランジスタ１４のベースと二次巻線
１３ｂとの間に抵抗２７を介して接続された双方
向ツエナーダイオード、２８は上記ベースと二次
巻線１３ｂとの間に接続されたコンデンサ、２９
はトランジスタ１４のベース・エミツタ間に接続
されたトランジスタで、３０は抵抗、３１はコン
デンサである。このように構成されたブロツキン
グ発振回路であつても、先の第２図に示す発振回
路と同様に機能するので、先の実施例と同様な効
果が期待できる。

第７図はブロツキング発振回路３のパルス休止
期間設定用の抵抗２０に代えて、可変抵抗素子で
あるトランジスタ３２を設けたものである。そし
て、このトランジスタ３２のコレクタ・エミツタ
間抵抗を前記負荷１１に供給する出力電圧を誤差
検出器３３にて検出し、基準電圧との誤差信号に
基づいて可変制御して、出力電圧の帰還制御を行
うようにしたものである。このように装置を構成
することによつて電圧レギユレーシヨンを例えば
２％以下と高安定化することができる等の効果が
奏せられる。

尚、本発明は上記した実施例に限定されるもの
ではない。例えば抵抗１４を可変インピーダンス
素子にて構成して、パルス幅を出力電圧に応じて
可変制御し、これによつて電圧レギユレーシヨン
の安定化を図つてもよい。また主スイツチング回
路の回路方式、例えばトランジスタ４と変成器５
の配列を逆にして構成するように変形することも
可能であり、変成器５に代えてチヨークコイルを
用いて回路を構成することも可能である。要する
に本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形
して実施することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例を示す装置の概略構
成図、第２図は同実施例のブロツキング発振回路
の一例を示す構成図、第３図ａ〜ｃおよび第４図
ａ〜ｃはそれぞれ本装置の動作と作用効果を説明
する為の信号波形図、第５図ａ，ｂおよび第６図
はブロツキング発振回路の他の例を示す構成図、
第７図は本発明の他の実施例を示す概略構成図で
ある。 ３……ブロツキング発振回路、４……スイツチ
ングトランジスタ、５……変成器、６……コンデ
ンサ、７……ダイオード、１３……変成器、１４
……トランジスタ、１６……コンデンサ、１７…
…抵抗、２２……抵抗。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 入力直流電圧を該入力直流電圧を電源として
   動作するブロツキング発振回路からのパルス信号
   によりスイツチングされるスイツチング素子を介
   して、電力伝送用変成器の一次側巻線またはチヨ
   ークコイルに印加し、上記電力変成器の二次巻線
   または上記チヨークコイルに発生する電圧を整流
   平滑化して出力するスイツチング電源装置におい
   て、前記ブロツキング発振回路は、発振用変成器
   における前記スイツチング素子へのパルス信号を
   出力する巻線と、他の巻線との間に静電シールド
   部材を有することを特徴とするスイツチング電源
   装置。 ２ ブロツキング発振回路は、出力パルス信号の
   パルス幅およびパルス休止期間を独立に設定可能
   である特許請求の範囲第１項記載のスイツチング
   電源装置。 ３ ブロツキング発振回路は、整流平滑出力と基
   準電圧との誤差出力によりパルス休止期間の可変
   制御が行われるものである特許請求の範囲第１項
   記載のスイツチング電源装置。