JPH11299232A - 電流共振型スイッチング電源 - Google Patents

電流共振型スイッチング電源

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JPH11299232A
JPH11299232A JP10106124A JP10612498A JPH11299232A JP H11299232 A JPH11299232 A JP H11299232A JP 10106124 A JP10106124 A JP 10106124A JP 10612498 A JP10612498 A JP 10612498A JP H11299232 A JPH11299232 A JP H11299232A
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switching
switching power
voltage
supply unit
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JP10106124A
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Nobuo Sato
伸雄 佐藤
Yuji Sekikawa
裕治 関川
Noritoshi Imamura
典俊 今村
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Sony Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】電流共振型スイッチング電源の効率を改善す
る。 【解決手段】 スイッチング電源はＭＯＳトランジスタ
Ｑ１、Ｑ２が交互にオンとなることによって、トランス
の１次巻線Ｌ１に共振電流が流れ、２次側に交番電力が
転送される。そして、２次巻線Ｌ２に発生した交番信号
は、その極性が正の期間にそれぞれＭＯＳトランジスタ
Ｑ３、及びＭＯＳトランジスタＱ４が導通するようにゲ
ート電圧が印加され、コンデンサＣ０に整流電流ｉｄ
３，ｉｄ４が流れ込み全波整流が行われる。同期制御を
行うための制御信号を、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を
制御する信号源からトランスＴａ、Ｔｂを介して供給す
るように構成しているので、スイッチングタイミング
と、同期整流素子の開閉タイミングを簡易な回路によっ
て正確に合わせることができる。

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回
路に係わり、特に電流共振型スイッチング電源において
２次側に得られる出力電圧を同期整流方式とする際に有
用なスイッチング電源に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】近年、地球環境の省エネルギー化にとも
なって各種のスイッチング電源の一層の高効率化と低ノ
イズ化が求められている。特に、コンピュータ、通信機
器等の電源回路としては低電圧出力においても高い効率
を維持し、かつノイズの少ないｄｃーｄｃコンバータが
要求されている。
【０００３】ところで、一般的には低電圧出力にする
と、同一の消費電力を有する場合は出力電流が大電流化
することになり、ｄｃーｄｃコンバータの場合は２次側
の整流ダイオードによる抵抗損失が大きな電力損失を示
すようになる。そこで、比較的ノイズが少なくかつ高効
率とされている電流共振型スイッチング電源と、２次側
の出力を低オン抵抗となるような整流素子、例えばＭＯ
Ｓトランジスタを使用して同期整流方式で整流して直流
出力電圧を得ることが考えられている。
【０００４】図４はこのような組み合わせからなるスイ
ッチング電源回路の一例を示したものであって、Ｑ１、
Ｑ２は直列接続されているＭＯＳＴＦＴからなるスイッ
チング素子、Ｔは１次側のスイッチング電力を２次側に
転送する絶縁トランスである。ＩＣは前記スイッチング
素子Ｑ１、Ｑ１を所定のスイッチング周期で交互に開閉
するための信号源を示し、通常は図示されていない電圧
検出手段によって出力電圧Ｖ０と基準電圧を比較しなが
ら、スイッチング素子のスイッチング周波数を可変でき
るように構成し、出力電圧Ｖ０を定電圧化することがで
きるように制御するものである。
【０００５】スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の出力は絶縁
トランスＴの１次巻線Ｌ１と共振コンデンサＣ１に供給
されている。そして、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２が交
互に開閉すると、トランスＴのリーケージインダクタン
スと共振する共振コンデンサＣ１を充放電する電流によ
ってトランスの１次巻線Ｌ１がドライブされ、図５のよ
うに１次巻線Ｌ１に印加されている電圧Ｖ１が２次巻線
Ｌ２にＶ２として誘起され、通常のｄｃーｄｃコンバー
タの場合は１組の整流用のダイオードによって全波整流
が行われる。
【０００６】しかしながら、出力電圧が低い場合は整流
ダイオードによる損失がかなり大きいものになるため、
図４に示されているように整流ダイオードに変えてＮチ
ャンネルのＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４を使用して同
期方式で全波整流を行い平滑コンデンサＣ０から直流電
圧Ｖ０を出力する回路を構成することが行われている。
【０００７】この図４の回路の場合は、平滑コンデンサ
Ｃ０にＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４を介して低抵抗で
全波整流電圧が充電されるように構成される。なお、Ｄ
はＭＯＳトランジスタＱ３、ＭＯＳトランジスタＱ４の
構造から形成されている寄生ダイオードを示しいる。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】スイッチング素子をハ
ーフブリッジ接続した電流共振型のスイッチング電源
は、ターンオン時は零電流スイッチングとなるように設
定されており、ターンオフ時には電流共振となるため、
本質的に低ノイズであり、またスイッチング周波数を変
えることによって２次側の出力電圧Ｖ０を広く可変でき
るという特徴があるが、広いレギュレーション範囲を確
保するためには全期間で、２次側に電力を伝達する整流
電流連続モードと２次側に電力を供給しない期間を有す
る２次側整流不連続モードを持つこともある。
【０００９】ところで、従来は絶縁トランスＴの出力電
圧や電流を検出してＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４を制
御する論理回路を組み込み、例えば、図４の出力回路の
ａ点およびｂ点の電圧を検出して適当な開閉制御信号を
形成し、ＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４を導通するよう
にコントロール回路を設けている。しかしながらこのよ
うな回路を付けると部品点数が増加すると共に、図５に
示すように出力点の電圧Ｖ２を検出しながら整流素子の
開閉を行うと、絶縁トランスの出力電圧Ｖ２の発生時点
より、実際にこの電圧を検出する時点Ｃ点は遅れること
になり、このＣ点から整流素子が導通状態になって電流
Ｉｄが流れるため整流電流ｉｄの遅れ制御となり、効率
が悪い整流動作となるという問題が生じる。また、前記
したように制御電圧の検出遅れが生じると、整流素子Ｑ
３、Ｑ４の両者がオフとなるようなタイミングが生じる
ため、整流電流の導通角が狭くなり、力率を低下するこ
とによって電力の転送効率を低くするという問題が生じ
る。
【００１０】
【課題を解決するための手段】本発明の電流共振型スイ
ッチング電源はこのような問題点を軽減するためになさ
れたものであって、直流電圧に対してハーフブリッジ接
続されたスイッチング素子を交互に断続する駆動回路
と、前記スイッチング素子の接続点から共振コンデンサ
を介して絶縁トランスの１次側に交番電圧を印加し、上
記絶縁トランスの２次巻線から所定の交番電圧が得られ
るようにした電流共振型スイッチング電源において、前
記２次巻線の出力側に交互にオンとなるようなタイミン
グで制御される一対の整流素子を設け、前記一対の整流
素子の開閉制御信号が前記スイッチング素子を開閉する
信号源から供給されるように構成するようにしたもので
ある。
【００１１】整流素子の開閉制御がスイッチング素子の
開閉制御と連動して行われるため、たとえば一方のスイ
ッチング素子がオンとなるタイミングでは、必ず一方の
整流素子がオンとなり、スイッチング出力電圧と整流素
子のオンタイミングを完全に一致させることができる。
また、このような制御電圧はスイッチング素子を駆動し
ている信号源から簡単に出力されるので、部品点数を増
加することなく回路を小型化することが可能になる。
【００１２】
【発明の実施の形態】図１は本発明の実施例を示す電流
共振型スイッチング電源回路であって、前記した図４に
示すように、Ｅは供給電源、Ｑ１、Ｑ２はハーフブリッ
ジ接続のスイッチング回路を形成するスイッチング素子
であり、ＭＯＳＦＥＴトランジスタによって構成されて
いる。そして、その出力は絶縁トランスＴの１次巻線Ｌ
１、共振コンデンサＣ１を介して供給電源Ｅの接地端子
に接続されている。
【００１３】また、絶縁トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘
起される誘起電圧が同期整流型のＭＯＳトランジスタＱ
３、Ｑ４、を介して平滑コンデンサＣ０を充電するよう
に全波整流回路を構成している。このスイッチング電源
の場合はＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４をドライブする
開閉制御信号はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を駆動する
信号源から駆動トランスＴａ、Ｔｂを介して整流素子を
構成するＭＯＳトランジスタＱ３、Ｑ４のゲートに供給
するように構成している。そして、２次巻線の出力電圧
の極性に対応して、例えば、２次巻線の出力電圧が正と
なった方の整流素子がオンとなるように構成している。
【００１４】以下、このスイッチング電源の動作を簡単
に説明すると、供給電源Ｅが印加されると、例えばＭＯ
ＳトランジスタＱ１がオン、ＭＯＳトランジスタＱ２が
オフとなるように駆動される。そして、このときに供給
電源ＥからＭＯＳトランジスタＱ１、トランスの１次巻
線Ｌ１を介して、共振コンデンサＣ１が充電される。次
に、１次側の共振周期に対応してＭＯＳトランジスタＱ
１がオフ、ＭＯＳトランジスタＱ２がオンとなるように
駆動することにより、トランスＴの１次巻線Ｌ１に共振
コンデンサＣ１の共振電流が流れ、２次側に交番電力が
転送される。
【００１５】２次巻線Ｌ２に発生する交番電圧は、前記
スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のオン／オフタイミングと
一致して、例えばその極性が正となる期間にそれぞれＭ
ＯＳトランジスタＱ３、及びＭＯＳトランジスタＱ４が
導通するようにゲート電圧が印加され、コンデンサＣ０
には整流電流ｉｄ３，ｉｄ４が流れ込み全波整流が行わ
れる。
【００１６】このように本発明の実施例では、絶縁トラ
ンスＴの出力はスイッチング素子Ｑ１、及びＱ２の開閉
タイミングと一致してその極性が変化するので、図５に
示すように、出力電圧と整流素子を流れる電流の間に位
相遅れ（ｔ）を生じることが無くなり、整流電流の導通
角を広くすることによって効率的な直流電圧の供給を行
うことができる。また、導通角が狭くならないため力率
の低下が小さいものとなり、スイッチング電源の効率を
高くするとともに、ノイズの発生を抑圧する効果も生じ
る。
【００１７】なお、ＩＣはスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２
をドライブするための制御用ＩＣ回路であり、このＩＣ
回路は通常は出力電圧Ｖ０を一定の電圧に維持するよう
にスイッチング周波数を制御すると共に、スイッチング
電源の異常な温度上昇等を検知してスイッチング動作を
停止させる保護機能を持つことができるようにしてい
る。また抵抗ｒ１、ｒ２はゲート容量に対して適当な時
定数でオンタイミングを設定する作用を有する。
【００１８】本発明では整流素子の開閉制御がスイッチ
ング素子のオン／オフ制御と同期して行われるので、整
流電流の流れはじめと出力電圧の立ち上がり点を完全に
一致させることができるようになり、整流出力効率を改
善することができる。また、スイッチング素子Ｑ１、Ｑ
２のスイッチング周期が変化したときもその変化に位相
遅れなく追従して同期整流が行われるため、電圧のレギ
ュレーションも改善され、スイッチングを行う信号源の
駆動パルスを利用しているので、少ない部品点数で同期
整流型のスイッチング電源を構築することができる。
【００１９】なお、整流素子としてはＭＯＳトランジス
タに限ることなく他の抵抗を実現できる能動素子であれ
ばこれを使用することができる。また、整流電流を図２
の実施例に示すようにインダクタＬｃを介して平滑コン
デンサに充電するチョークインプット方式にすることに
よって、アナログタイプのスイッチング素子を整流素子
としたときに生じやすいスイッチング時の逆方向に流れ
る電流を解消することができる。すなわち、不連続整流
モードとなり、平滑コンデンサの電圧が出力電圧Ｖ２よ
り高くなったときに生じる逆方向電流がインダクタの逆
起電力によって阻止され、スイッチング時の発熱を低下
させることができる。
【００２０】図３は本発明の他の実施例を示したもの
で、整流素子の開閉制御信号が信号源（ＩＣ）からの駆
動パルスをホトダイオード、および光検出トランジスタ
等から構成されている光電変換素子Ｐａ、Ｐｂ及び、図
示されていないが、適当な電圧増幅器を介して整流素子
のゲート電極に供給されるようにしたものである。この
場合は、整流素子を駆動する制御信号がトランスを介す
ることなく、１次側と２次側を絶縁した状態で供給する
ことができる。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように本発明の電流共振型
スイッチング電源は、特にハーフブリッジ型の電流共振
型スイッチング電源に同期整流型の整流素子を適応する
際に、同期整流素子にスイッチング電源の駆動信号を供
給するようにしているから、特別な回路を使用すること
なく効率的な整流動作を行わせることができる。特に、
スイッチングに遅れない整流制御電圧を供給することが
できるため、整流電圧の流通角が大きくなり、スイッチ
ング電源の力率を改善するという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電流共振型スイッチング電源で電源回
路の実施例を示す回路図である。
【図２】図１においてチョークインプット方式にした場
合の実施例を示す回路図である。
【図３】本発明の他の実施例を示す回路図である。
【図４】電流共振型スイッチング電源に同期整流方式を
採用したときの説明回路図である。
【図５】同期整流時に発生する制御電圧の説明波形図で
ある。
【符号の説明】
Ｑ１、Ｑ２ スイッチング素子、Ｔ 絶縁トランス、Ｃ
１ 共振コンデンサ、Ｃ０ 平滑コンデンサ、Ｌ１ １
次巻線、Ｌ２ ２次巻線、Ｑ３．Ｑ４ 同期整流用のＭ
ＯＳトランジスタ

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直流電圧に対してハーフブリッジ接続さ
    れたスイッチング素子を交互に断続する駆動回路と、前
    記スイッチング素子の接続点から共振コンデンサを介し
    て絶縁トランスの１次側に交番電圧を印加し、上記絶縁
    トランスの２次巻線から所定の交番電圧が得られるよう
    にした電流共振型スイッチング電源において、 前記２次巻線の出力側に交互にオンとなるようなタイミ
    ングで制御される一対の整流素子を設け、 前記一対の整流素子の開閉制御信号が前記スイッチング
    素子を開閉する信号源から供給されるように構成したこ
    とを特徴とする電流共振型スイッチング電源。
  2. 【請求項２】 上記スイッチング素子、および整流素子
    はトランジスタによって構成されていることを特徴とす
    る請求項１に記載の電流共振型スイッチング電源。
  3. 【請求項３】 前記開閉制御信号は上記信号源からトラ
    ンス結合によって供給されていることを特徴とする請求
    項１に記載の電流共振型スイッチング電源。
  4. 【請求項４】 前記整流素子を導通する整流電流はチョ
    ークコイルを介して平滑コンデンサに充電されるように
    したことを特徴とする請求項１又は２に記載の電流共振
    型スイッチング電源。
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