JPH0412665A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は産業用や民生用の電子機器に直流安定化電圧を
供給するスイッチング電源装置に関する。

従来の技術 近年、各種高性能な電子機器の開発にともない、その電
子機器に用いられる電源も高機能、高性能が要求されて
きている。その中で高能率動作として特徴のある電力の
回生動作を行わせる電源装置の改善についても各種提案
かなされている。

（たとえば、特願平１−２３５０３５号）従来、この種
のスイッチング電源装置は第２図に示すような構成であ
った。

第２図において、１は直流電源、２は抵抗、３はスイッ
チ手段としてのトランジスタ、４はコレクタ巻線、５は
ベース巻線、６は抵抗、７は抵抗、８はコンデンサ、９
はダイオード、１０はトランジスタ、１１はコンデンサ
、１２は２次巻線、１３は電界効果型トランジスタ、１
４は電界効果型トランジスタ１３の寄生ダイオード、１
５は平滑コンデンサ、１６．１６’　は出力端子、１７
は基準電源、１８は誤差増幅器、１９はパルス幅変換器
、２０は抵抗、２１は抵抗、２２はコンデンサ、２３は
ダイオード、２５はトランスという構成要素となってい
る。

つぎに第２図の各構成要素相互の関係と動作について説
明する。直流電源１が接続されると抵抗２を介して起動
電流がトランジスタ３に流れ、トランジスタ３はオンす
る。トランジスタ３のオンにともなってコレクタ巻線４
と電磁結合している巻線５に電圧が誘起され、抵抗６を
介してトランジスタ３に電流が流れるため、トランジス
タ３はオンを続ける。一方トランジスタ３がオンしてい
るとき、抵抗７を介してコンデンサ８は充電され、所定
の電圧に達するとダイオード９を介してトランジスタ１
０をオンさせ、トランジスタ３はオフする。トランジス
タ３がオンしている期間にトランス２５に貯えられたエ
ネルギーはコンデンサ１１にその一部が充電され、コレ
クタ電圧の上昇を抑えてノイズの低減を図るとともに２
次巻線１２から電界効果型トランジスタ１３の寄生ダイ
オード１４を通じて平滑コンデンサ１５に放出され、出
力端子１６．１６’を介して負荷に供給される。出力端
子１６．１６’間の電圧は基準電源１７と誤差増幅器１
８で比較・増幅されパルス幅変換器１９に加わる。パル
ス幅変換器１９は前記入力を所定のパルス幅に変換した
後抵抗２０を介して電界効果型トランジスタ１３に印加
し、電界効果型トランジスタ１３をオンからオフへ移行
させる。もし出力端子１６．１６’間の電圧が基準電源
１７より高ければ２次巻線１２からすへてのエネルギー
が平滑コンデンサ１５に放出された後も電界効果型トラ
ンジスタ１３をオンさせ続け、平滑コンデンサ１５から
電界効果型トランジスタ１３を通じて２次巻線１２に電
流を流し続ける。

電界効果型トランジスタ１３がオフしたとき、トランス
２５に貯えられていたエネルギーはコレクタ巻線４から
コンデンサ１１を介して直流電源１へ回生される。この
ときコンデンサ２２．抵抗２１で決まる時間トランジス
タ１０のベースには電流が流れるため、トランジスタ３
は所定の時間オンが遅れ、コンデンサ１１に貯えられた
エネルギーがトランジスタ３で短絡されることを防止す
る。

コレクタ巻線４から直流電源１ヘエネルギーの回生が続
きコンデンサ１１の両端電圧が低下して逆極性になると
ダイオード２３は導通しコンデンサ１１の両端電圧をク
ランプする。その後トランジスタ１０は再びオフになり
トランジスタ３をオンさせて再び直流電源１からコレク
タ巻線４を介して電流を流し、トランス２５にエネルギ
ーを貯える動作を繰り返す。

もし、出力端子１６．１６’間の電圧が低下すればパル
ス幅変換器１９の出力は電界効果型トランジスタ１３を
オフさせるように出力されるため寄生ダイオード１４を
介して２次巻線１２から平滑コンデンサ１５へのエネル
ギー放出が終了すれば平滑コンデンサ１５から２次巻線
１２を介して電流は流れないので前記エネルギー回生は
行われず、出力端子１６．１６’間の電圧は上昇する。

また、出力端子１６．１６’間の電圧が上昇すれば前記
動作とは逆の動作を行い出力端子１６．１６’間の電圧
を一定に保つ。

発明が解決しようとする課題 このような従来の技術では直流電源（１）が接続されて
トランジスタ３が初めてオンしたとき２次巻線１２を介
して電界効果型トランジスタ１３のドイフに電圧が印加
されるが平滑コンデンサ１５には何の電荷も貯えられて
おらずパルス幅変換器１９の動作も停止したままである
ので、電界効果型トランジスタ１３はオフしようとする
。しかしながら電界効果型トランジスタ１３は第３図に
示すようにそのゲート・ドレイン間は寄生容量２６かあ
るため、ドレインに印加された電圧は寄生容量２６を介
して抵抗２０を流れパルス幅変換器１９に印加される。

寄生容量２６の値を１５００ＰＦ、　ドレインに印加さ
れる電圧の上昇率を２００Ｖ／μＳとすると寄生容量２
６を流れる電流は０．４５　Ａにも達する。抵抗２０の
値は通常２０〜５０Ωに選定されるので、このため ＋１１　　もしパルス幅変換器１９の内部で抵抗２０が
等価的に出力端子１６′に接続されていても電界効果型
トランジスタ１３のゲートには　９〜２２．５Ｖの電圧
が印加され、電界効果型トランジスタ１３はオンしてし
まう。したがってトランジスタ３がオンしているときに
、電界効果型トランジスタ１３もオンするためコレクタ
巻線４のインダクタンスは消滅し、トランジスタ３には
過大な電流が流れ最悪の場合にはトランジスタ３が焼損
してしまうことになる。とくにプラズマ放電器に使用さ
れるスイッチング電源装置の場合出力端子１６．１６’
間電圧は定格時１５０〜２００ｖに選定されるため、電
界効果型トランジスタ１３のドレインに印加される電圧
の上昇率は２０００Ｖ／μＳに達することもまれではな
く、この場合には３Ａの電流が流れることになり、とて
も使用できるものではなかった。

（２）一方前記課題を防止するためトランジスタ３を大
型化すれば装置全体の高価格化となる。

（３）　　また電界効果型トランジスタ１３をバイポー
ラトランジスタとダイオードの並列接続素子に置きかえ
ればこのような課題はないが、バイポーラトランジスタ
はその動作スピードが遅く、またベース電流が必要であ
るのでスイッチング損失およびドライブ損失が増加し、
高周波動作ができないため、トランス、ヒートシンクの
大型化、駆動回路の複雑化、内部損失の増加をまねき、
装置としての大型化、高価格化、低効率化、信頼性の低
下となっていた。

本発明は上記課題に留意し、電源投入時にも安定した動
作が行われ、小型、低価格、高信頼性。

高効率のスイッチング電源を提供しようとするものであ
る。

課題を解決するだめの手段 本発明は上記目的を達成するために、第１．第２および
第３の巻線を有するトランスと、前記第１の巻線の一端
に接続した第１のスイッチング手段と第１のコンデンサ
の並列回路と、この並列回路の他端と第１の巻線の他端
間に接続された電源と、第２の巻線の両端に接続された
第２のコンデンサと電界効果型トランジスタの直列回路
と、第３の巻線の一端と前記電界効果型トランジスタの
ゲート間に電界効果型トランジスタに逆バイアスが加わ
る向きに接続された整流素子とを具備し、第１のスイッ
チング手段を周期的にオンオフさせ電源より第１の巻線
に電流を流す第１の制御手段と、第２のコンデンサの両
端電圧を検出し、電界効果型トランジスタをオンオフさ
せ、この両端電圧を一定に保つ第２の制御手段を有する
構成とし制御手段で第１のスイッチング手段をスイッチ
ングさせることによりトランスの第１の巻線に電流を流
すことにより貯えられたエネルギーは、第２の巻線を介
して電界効果型トランジスタのスイッチングにより第２
のコンデンサに放出する。

さらに第２のコンデンサが所定の電圧に達しているとき
には、電界効果型トランジスタがオンを続け、エネルギ
ーを第１の巻線を介して第１のコンデンサから電源に回
生ずる。このように第２の制御手段により電界効果型ト
ランジスタのオン期間を制御し、平滑コンデンサである
第２のコンデンサの電圧を一定に保つように制御される
。

ここで、第１のコンデンサに電荷が貯っていないときに
、第１のスイッチング手段がオンする場合、そのエネル
ギーが第２の巻線を介して電界効果型トランジスタにか
かる。この場合、第２の制御手段によりオフしているか
、電界効果型トランジスタのドレイン−ゲート間に寄生
容量かあるため、ドレインに発生した電圧がゲートに加
わり、電界効果型トランジスタがオンするように働く。

オンすると第２のコンデンサに電荷が貯ってないので、
第２の巻線が短絡されたことになり、第１のスイッチン
グ手段に大電流かながれる。これを防ぐために第３の巻
線に同しように発生した電圧を利用し、整流素子を介し
て電界効果型トランジスタをオフするように逆バイアス
かかかるような極性で接続されているので、電界効果型
トランジスタのゲートに逆バイアスかかかり、第１のス
イツチング手段がオンしているときに、電界効果型トラ
ンジスタがオンすることはない。

実施例 以下、本発明の一実施例について第１図を参照しながら
説明する。第１図において従来例の第３図と同じものは
同一の符号を付して説明は省略する。第２図に追加され
たのはトランス２次側に設けた第３の巻線である補助巻
線１２ａとダイオード２４である。

つぎに、上記構成要素の関連動作を説明する。

まず第１のスイッチング手段であるトランジスタ３が第
１の制御手段によりはしめてオンしたとき第２の巻線で
ある２次巻線１２には第２のスイ。

チング手段である電界効果型トランジスタ１３のドレイ
ン電圧を上昇させる極性の電圧が誘起される。また補助
巻線１２ａにも電圧が誘起されるかその極性は第１図の
中の黒点中か正になるよう巻回されているためダイオー
ド２４を介して電界効果型トランジスタ１３のゲート電
位を逆バイアスすることによって、従来例で説明した第
３図の寄生容量２６を介して流れる電流を吸収し、ゲー
ト・ソース間の電圧の上昇を抑制する。この結果電界効
果型トランジスタ１３はオンしてトランジスタ３に大電
流を流すようなことがなくオフを続ける。所定の時間経
過後２次巻線１２および補助巻線１２ａの電圧の極性が
反転すれば２次巻線１２から寄生ダイオード１４を介し
て平滑コンデンサ１５ヘエネルギー放電が行われる。前
記動作を（り返して出力電圧１６．１６’間の電圧が上
昇すれば誤差増幅器１８．基準電源１７．パルス幅変換
器１９で構成され、出力電圧を一定に保つ第２の制御手
段による動作を開始し電界効果型トランジスタ１３をオ
ン・オフさせる信号を抵抗２０を介して電界効果型トラ
ンジスタのゲートに与えるが、電界効果型トランジスタ
１３がオンしなければならないときにはダイオード２４
は補助巻線１２ａの出力電圧で逆バイアスされるためパ
ルス幅変換器１９による動作に支障を与えることはない
。

以上の説明はＮチャネル電界効果型トランジスタを用い
た場合で行ったか、Ｐチャネル電界効果型トランジスタ
を用いた場合は、ダイオード２４の極性も異なることは
明らかである。

発明の効果 以上の説明より明らかなように本発明によれば電界効果
型トランジスタのドレイン電圧が印加されている間、ゲ
ートに接続されたダイオードが導通し、電界効果型トラ
ンジスタは逆バイアスされるので確実にオフできる したがって、スイッチングトランジスタが初めてオンし
たときに生じる電界効果型トランジスタのオン動作を防
止できるため、スイッチングトランジスタに過大な電流
が流れることを防止でき、トランジスタに小型・安価な
部品が使用でき、スイッチングトランジスタの焼損も防
止できるため、信頼性が高いとともに、小型で、安価な
、高効率なスイッチング電源が実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例のスイッチング電源装置の構
成を示す回路図、第２図は従来の技術によるスイッチン
グ電源装置の構成を示す回路図、第３図は電界効果型ト
ランジスタの内部等価回路図である。 １・・・・・・直流電源、３・・・・・・トランジスタ
（第１のスイッチング手段）、４・・・・・・コレクタ
巻線（第１の巻線）１１・・・・・・コンデンサ（第１
のコンデンサ）、１２・・・・・・２次巻線（第２の巻
線）、１２ａ・・・・・・補助巻線（第３の巻線）、１
３・・・・・・電界効果型トランジスタ（第２のスイッ
チング）、１４・・・・・・寄生ダイオード、１５・・
・・・・平滑コンデンサ（第２のコンデンサ）、１７・
・・・・・基準電源、１８・・・・・・誤差増幅器、１
９・・・・・・パルス幅変換器、２４・・・・ダイオー
ド、２５・・・・・・トランス。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 第１、第２および第３の巻線を有するトランスと、前記
   第１の巻線の一端に接続した第１のスイッチング手段と
   第１のコンデンサの並列回路と、前記並列回路の他端と
   前記第１の巻線の他端間に接続された電源と、前記第２
   の巻線の両端に接続された第２のコンデンサと第２のス
   イッチング手段である電界効果型トランジスタの直列回
   路と、前記第３の巻線の一端と前記電界効果型トランジ
   スタのゲート間前記電界効果型トランジスタに逆バイア
   スが加えられる向きに接続された整流素子とを具備し、
   前記第１のスイッチング手段を制御し、前記第１の巻線
   に電流を流す第１の制御手段と、前記第２のスイッチン
   グ手段を制御し、前記第２のコンデンサの両端電圧を一
   定に保つ第２の制御手段を有するスイッチング電源装置
   。