JP4419341B2

JP4419341B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP4419341B2
Application number: JP2001143263A
Authority: JP
Inventors: 純一山本; 雅和高木
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2001-05-14
Filing date: 2001-05-14
Publication date: 2010-02-24
Anticipated expiration: 2021-05-14
Also published as: JP2002345241A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチング電源装置に関し、さらに詳細には、ハーフブリッジ型のスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、スイッチング電源装置として、いわゆるＤＣ／ＤＣコンバータが知られている。代表的なＤＣ／ＤＣコンバータは、スイッチング回路を用いて直流入力を一旦交流に変換した後、トランスを用いてこれを変圧（昇圧または降圧）し、さらに、出力回路を用いてこれを直流に変換する装置であり、これによって入力電圧とは異なる電圧を持った直流出力を得ることができる。
【０００３】
図４は、従来のこの種のスイッチング電源装置を示す回路図である。
【０００４】
図４に示されるように、従来のスイッチング電源装置は、トランス１と、トランス１の１次側に設けられたハーフブリッジ回路２と、トランス１の２次側に設けられた整流回路３と、整流回路３の後段に設けられた平滑回路４と、絶縁回路５を介して出力電圧Ｖｏを監視しこれに基づいてハーフブリッジ回路２に含まれる第１及び第２のメインスイッチ６、７のオン／オフを制御する制御回路８とを備える。ハーフブリッジ回路２は、第１及び第２のメインスイッチ６、７の他、入力電源９の両端間に接続された第１の入力コンデンサ１０と、入力電源９の両端間に直列に接続された第２及び第３の入力コンデンサ１１、１２とを備え、第１及び第２のメインスイッチ６、７の節点と第２及び第３の入力コンデンサ１１、１２の節点との間に、トランス１の１次巻線Ｎ１が接続されている。また、整流回路３は、第１及び第２のダイオード１３、１４からなり、平滑回路４は、平滑用インダクタ１５及び平滑用コンデンサ１６からなる。これら整流回路３と平滑回路４は、出力回路を構成している。
【０００５】
また、この種のスイッチング電源装置においては、図４に示されるように、第２及び第３の入力コンデンサ１１、１２の節点とトランス１の１次巻線Ｎ１との間に、リーケージインダクタンス１７が存在している。かかるリーケージインダクタンス１７は、寄生インダクタンス成分である。
【０００６】
このような構成において、第１及び第２のメインスイッチ６、７は、制御回路８による制御のもと所定のデッドタイムをはさんで交互にオンし、これによって、入力電圧Ｖｉｎ及びトランス１の巻数比により決まる出力電圧Ｖｏが負荷１８に与えられる。
【０００７】
図５は、従来のスイッチング電源装置の動作を示すタイミング図である。尚、図５において、Ｖｄｓ１とは第１のメインスイッチ６の両端間（ソース−ドレイン間）の電圧を意味し、Ｉｄ１とは第１のメインスイッチ６に流れる電流を意味し、Ｖｄｓ２とは第２のメインスイッチ７の両端間（ソース−ドレイン間）の電圧を意味し、Ｉｄ２とは第２のメインスイッチ７に流れる電流を意味し、Ｖｇｓ１とは第１のメインスイッチ６のゲート電圧を意味し、Ｖｇｓ２とは第２のメインスイッチ７のゲート電圧を意味する。また、Ｔ１とはトランス１の２次側電圧を意味し、Ｄ１とは第１のダイオード１３に流れる電流を意味する。
【０００８】
図５に示されるように、従来のスイッチング電源装置においては、第１のメインスイッチ６がターンオフすると（時刻ｔ０）、第１のメインスイッチ６の両端間の電圧Ｖｄｓ１は、ほぼ０Ｖの状態から約１／２Ｖｉｎまで急速に上昇するとともに、第１のメインスイッチ６に流れる電流Ｉｄ１は急速に０Ａまで低下する。その後、所定のデッドタイムを挟んで第２のメインスイッチ７がターンオンすると（時刻ｔ１）、第２のメインスイッチ７の両端間の電圧Ｖｄｓ２は、ほぼ０Ｖに固定されるとともに、第２のメインスイッチ７に流れる電流Ｉｄ２はリーケージインダクタンス１７の存在により比較的緩やかに上昇する。
【０００９】
また、図５には示されていないが、第２のメインスイッチ７がターンオフする場合にも、第２のメインスイッチ７の両端間の電圧Ｖｄｓ２は、ほぼ０Ｖの状態から約１／２Ｖｉｎまで急速に上昇するとともに、第２のメインスイッチ７に流れる電流Ｉｄ２は急速に０Ａまで低下する。その後、所定のデッドタイムを挟んで第１のメインスイッチ６がターンオンすると、第１のメインスイッチ６の両端間の電圧Ｖｄｓ１は、ほぼ０Ｖに固定されるとともに、第１のメインスイッチ６に流れる電流Ｉｄ１はリーケージインダクタンス１７の存在により比較的緩やかに上昇する。
【００１０】
このように、従来のスイッチング電源装置においては、リーケージインダクタンス１７の存在により、第１のメインスイッチ６や第２のメインスイッチ７がターンオンする場合の電流Ｉｄ１や電流Ｉｄ２の上昇が比較的緩やかとなり、これにより、第１のメインスイッチ６や第２のメインスイッチ７のターンオン時におけるスイッチング損失が低減されている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図５に示されるように、従来のスイッチング電源装置においては、第１のメインスイッチ６のターンオフ時において、電圧Ｖｄｓ１の上昇と電流Ｉｄ１の低下がほぼ同時に発生するため、電圧Ｖｄｓ１と電流Ｉｄ１の重なり部分において大きなスイッチング損失が発生してしまう。かかる問題は、第２のメインスイッチ７のターンオフ時においても同様であり、電圧Ｖｄｓ２と電流Ｉｄ２の重なり部分において大きなスイッチング損失が発生する。
【００１２】
したがって、本発明の目的は、ターンオフ時におけるスイッチング損失が低減されたスイッチング電源装置を提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明のかかる目的は、トランスと、前記トランスの１次側に設けられたハーフブリッジ回路と、前記トランスの２次側に設けられた出力回路と、前記ハーフブリッジ回路の動作を制御する制御回路とを備えるスイッチング電源装置であって、前記ハーフブリッジ回路が、入力電源間に直列に接続された第１及び第２のメインスイッチと、共振回路と、前記第１及び第２のメインスイッチの節点と前記共振回路との間に設けられた補助スイッチとを備え、前記制御回路は、前記第１のメインスイッチのターンオフ時を含む一定期間において前記補助スイッチをターンオンさせるとともに、前記第２のメインスイッチのターンオフ時を含む一定期間において前記補助スイッチをターンオンさせることを特徴とするスイッチング電源装置によって達成される。
【００１４】
本発明によれば、補助スイッチを制御することによって共振回路に共振電流を流すことができるので、かかる共振電流を用いて、ターンオフ直前における第１及び第２のメインスイッチに流れる電流を低減することができる。これにより、第１及び第２のメインスイッチのターンオフ時におけるスイッチング損失を大幅に低減させることが可能となる。
【００１５】
本発明の好ましい実施態様においては、前記共振回路が、インダクタ及びコンデンサを含む直列回路からなる。
【００１７】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記制御回路は、前記補助スイッチをターンオンさせた後、前記第１のメインスイッチに流れる電流が低下したタイミングで前記第１のメインスイッチをターンオフさせるとともに、前記補助スイッチをターンオンさせた後、前記第２のメインスイッチに流れる電流が低下したタイミングで前記第２のメインスイッチをターンオフさせる。
【００１８】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記制御回路は、前記第１のメインスイッチをターンオフさせた後前記第２のメインスイッチをターンオンさせる前に前記補助スイッチをターンオフさせるとともに、前記第２のメインスイッチをターンオフした後前記第１のメインスイッチをターンオンする前に前記補助スイッチをターンオフさせる。
【００１９】
本発明のさらに好ましい実施態様においては、前記制御回路は、前記共振回路に流れる共振電流が実質的にゼロとなるタイミングにおいて前記補助スイッチをターンオフさせる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施態様について詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明の好ましい実施態様にかかるスイッチング電源装置２０を示す回路図である。
【００２２】
図１に示されるように、本実施態様にかかるスイッチング電源装置２０は、トランス２１と、トランス２１の１次側に設けられたハーフブリッジ回路２２と、トランス２１の２次側に設けられた整流回路２３と、整流回路２３の後段に設けられた平滑回路２４と、絶縁回路２５を介して出力電圧Ｖｏを監視しこれに基づいてハーフブリッジ回路２２に含まれる第１及び第２のメインスイッチ２６、２７並びに補助スイッチ２８のオン／オフを制御する制御回路２９とを備える。
【００２３】
ハーフブリッジ回路２２は、第１及び第２のメインスイッチ２６、２７、補助スイッチ２８の他、入力電源３０の両端間に接続された第１の入力コンデンサ３１と、入力電源３０の両端間に直列に接続された第２及び第３の入力コンデンサ３２、３３とを備え、第１及び第２のメインスイッチ２６、２７の節点と第２及び第３の入力コンデンサ３２、３３の節点との間に、トランス２１の１次巻線Ｎ１が接続されている。さらに、ハーフブリッジ回路２２は、一端が入力電源３０の低位側電極に接続されたインダクタ３４及びコンデンサ３５からなる共振回路を有しており、かかる共振回路の他端は、補助スイッチ２８を介して第１及び第２のメインスイッチ２６、２７の節点に接続されている。
【００２４】
また、整流回路２３は、第１及び第２のダイオード３６、３７からなり、平滑回路２４は、平滑用インダクタ３８及び平滑用コンデンサ３９からなる。これら整流回路２３と平滑回路２４は、出力回路を構成している。
【００２５】
また、本実施態様にかかるスイッチング電源装置２０においても、図１に示されるように、第２及び第３の入力コンデンサ３２、３３の節点とトランス２１の１次巻線Ｎ１との間に、寄生インダクタンス成分であるリーケージインダクタンス４０が存在している。
【００２６】
このような構成において、第１及び第２のメインスイッチ２６、２７は、制御回路２９による制御のもと所定のデッドタイムをはさんで交互にオンし、これによって、入力電圧Ｖｉｎ及びトランス１の巻数比により決まる出力電圧Ｖｏが負荷４１に与えられる。
【００２７】
次に、本実施態様にかかるスイッチング電源装置２０の動作について説明する。
【００２８】
図２は、本実施態様にかかるスイッチング電源装置２０において、オン状態となるメインスイッチが第１のメインスイッチ２６から第２のメインスイッチ２７に切り替わる際の動作を示すタイミング図である。尚、図２において（以下に説明する図３においても同様）、Ｖｄｓ１とは第１のメインスイッチ２６の両端間（ソース−ドレイン間）の電圧を意味し、Ｉｄ１とは第１のメインスイッチ２６に流れる電流を意味し、Ｖｄｓ２とは第２のメインスイッチ２７の両端間（ソース−ドレイン間）の電圧を意味し、Ｉｄ２とは第２のメインスイッチ２７に流れる電流を意味し、Ｖｇｓ１とは第１のメインスイッチ２６のゲート電圧を意味し、Ｖｇｓ２とは第２のメインスイッチ２７のゲート電圧を意味し、Ｖｇｓ３とは補助スイッチ２８のゲート電圧を意味する。また、Ｔ１とはトランス２１の２次側電圧を意味する。
【００２９】
図２に示されるように、本実施態様にかかるスイッチング電源装置２０においては、オン状態となるメインスイッチが第１のメインスイッチ２６から第２のメインスイッチ２７に切り替わる際、第１のメインスイッチ２６がターンオフする前に、まず、補助スイッチ２８がターンオンする（時刻ｔ１０）。これにより、インダクタ３４及びコンデンサ３５からなる共振回路には、第１のメインスイッチ２６及び補助スイッチ２８を介して共振電流が流れる。かかる共振電流により、第１のメインスイッチ２６に流れる電流Ｉｄ１は、一旦増大するもののその後減少に転じ、その電流量は０Ａに近づく。
【００３０】
そして、第１のメインスイッチ２６に流れる電流Ｉｄ１が十分に減少したタイミングにおいて第１のメインスイッチ２６がターンオフする（時刻ｔ１１）。これにより、第１のメインスイッチ２６の両端間の電圧Ｖｄｓ１は、ほぼ０Ｖの状態から約１／２Ｖｉｎまで急速に上昇するが、第１のメインスイッチ２６がターンオフするタイミングにおいては、第１のメインスイッチ２６に流れる電流Ｉｄ１は既に十分減少していることから、そのスイッチング損失は従来のスイッチング電源装置と比べて大幅に低減されている。
【００３１】
次に、インダクタ３４及びコンデンサ３５からなる共振回路に流れる共振電流がほぼ０Ａとなるタイミングにおいて補助スイッチ２８がターンオフする（時刻ｔ１２）。これにより、補助スイッチ２８のターンオフに伴うスイッチング損失はほとんど発生しない。
【００３２】
そして、時刻ｔ１１から所定のデッドタイムが経過した後、第２のメインスイッチ２７がターンオンする（時刻ｔ１３）。これにより、第２のメインスイッチ２７の両端間の電圧Ｖｄｓ２は、ほぼ０Ｖに固定されるとともに、第２のメインスイッチ２７に流れる電流Ｉｄ２はリーケージインダクタンス４０の存在により比較的緩やかに上昇する。
【００３３】
以上により、第１のメインスイッチ２６のターンオフ（時刻ｔ１１）に伴うスイッチング損失が大幅に低減されていることが分かる。
【００３４】
図３は、本実施態様にかかるスイッチング電源装置２０において、オン状態となるメインスイッチが第２のメインスイッチ２７から第１のメインスイッチ２６に切り替わる際の動作を示すタイミング図である。
【００３５】
図３に示されるように、本実施態様にかかるスイッチング電源装置２０においては、オン状態となるメインスイッチが第２のメインスイッチ２７から第１のメインスイッチ２６に切り替わる際、第２のメインスイッチ２７がターンオフする前に、まず、補助スイッチ２８がターンオンする（時刻ｔ２０）。これにより、インダクタ３４及びコンデンサ３５からなる共振回路には、第２のメインスイッチ２７及び補助スイッチ２８を介して共振電流が流れる。かかる共振電流により、第２のメインスイッチ２７に流れる電流Ｉｄ２は減少し、その電流量は０Ａに近づく。
【００３６】
そして、第２のメインスイッチ２７に流れる電流Ｉｄ２が十分に減少したタイミングにおいて第２のメインスイッチ２７がターンオフする（時刻ｔ２１）。これにより、第２のメインスイッチ２７の両端間の電圧Ｖｄｓ２は、ほぼ０Ｖの状態から約１／２Ｖｉｎまで急速に上昇するが、第２のメインスイッチ２７がターンオフするタイミングにおいては、第２のメインスイッチ２７に流れる電流Ｉｄ２は既に十分減少していることから、そのスイッチング損失は従来のスイッチング電源装置と比べて大幅に低減されている。
【００３７】
次に、インダクタ３４及びコンデンサ３５からなる共振回路に流れる共振電流がほぼ０Ａとなるタイミングにおいて補助スイッチ２８がターンオフする（時刻ｔ２２）。これにより、補助スイッチ２８のターンオフに伴うスイッチング損失はほとんど発生しない。
【００３８】
そして、時刻ｔ２１から所定のデッドタイムが経過した後、第１のメインスイッチ２６がターンオンする（時刻ｔ２３）。これにより、第１のメインスイッチ２６の両端間の電圧Ｖｄｓ１は、ほぼ０Ｖに固定されるとともに、第１メインスイッチ２６に流れる電流Ｉｄ１はリーケージインダクタンス４０の存在により比較的緩やかに上昇する。
【００３９】
以上により、第２のメインスイッチ２７のターンオフ（時刻ｔ２１）に伴うスイッチング損失が大幅に低減されていることが分かる。
【００４０】
このように、本実施態様によるスイッチング電源装置２０においては、補助スイッチ２８並びにインダクタ３４及びコンデンサ３５からなる共振回路の働きにより、第１及び第２のメインスイッチ２６、２７のターンオフに伴うスイッチング損失が大幅に低減されているので、効率の高い電力変換を行うことが可能となる。
【００４１】
尚、補助スイッチ２８をターンオンさせるタイミング（時刻ｔ１０、時刻ｔ２０）や、補助スイッチ２８をターンオフさせるタイミング（時刻ｔ１２、時刻ｔ２２）については、インダクタ３４及びコンデンサ３５からなる共振回路の定数等に依存するが、共振電流により、第１のメインスイッチ２６または第２のメインスイッチ２７がターンオフするタイミング（時刻ｔ１１、時刻ｔ２１）において第１のメインスイッチ２６に流れる電流Ｉｄ１または第２のメインスイッチ２７に流れる電流Ｉｄ２ができる限り小さくなるタイミングにおいて補助スイッチ２８をターンオンさせ、且つ、共振電流がほぼ０Ａとなるタイミングにおいて補助スイッチ２８をターンオフさせることが好ましい。
【００４２】
本発明は、以上の実施態様に限定されることなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
【００４３】
すなわち、本発明は、ハーフブリッジ型のスイッチング電源装置である限り、上記実施態様において示したスイッチング電源装置２０とは異なる回路構成を有するスイッチング電源装置に適用することも可能である。例えば、上記実施態様にかかるスイッチング電源装置２０においては、整流回路２３として第１及び第２のダイオード３６、３７からなる整流回路を用いているが、トランジスタを用いた同期整流型の整流回路を用いても構わない。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、ターンオフ時におけるスイッチング損失が低減され、これにより効率の高い電力変換を行うことが可能なスイッチング電源装置が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の好ましい実施態様にかかるスイッチング電源装置２０を示す回路図である。
【図２】スイッチング電源装置２０において、オン状態となるメインスイッチが第１のメインスイッチ２６から第２のメインスイッチ２７に切り替わる際の動作を示すタイミング図である。
【図３】スイッチング電源装置２０において、オン状態となるメインスイッチが第２のメインスイッチ２７から第１のメインスイッチ２６に切り替わる際の動作を示すタイミング図である。
【図４】従来のスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図５】従来のスイッチング電源装置の動作を示すタイミング図である。
【符号の説明】
１トランス
２ハーフブリッジ回路
３整流回路
４平滑回路
５絶縁回路
６第１のメインスイッチ
７第２のメインスイッチ
８制御回路
９入力電源
１０第１の入力コンデンサ
１１第２の入力コンデンサ
１２第３の入力コンデンサ
１３第１のダイオード
１４第２のダイオード
１５平滑用インダクタ
１６平滑用コンデンサ
１７リーケージインダクタンス
１８負荷
２０スイッチング電源装置
２１トランス
２２ハーフブリッジ回路
２３整流回路
２４平滑回路
２５絶縁回路
２６第１のメインスイッチ
２７第２のメインスイッチ
２８補助スイッチ
２９制御回路
３０入力電源
３１第１の入力コンデンサ
３２第２の入力コンデンサ
３３第３の入力コンデンサ
３４インダクタ
３５コンデンサ
３６第１のダイオード
３７第２のダイオード
３８平滑用インダクタ
３９平滑用コンデンサ
４０リーケージインダクタンス
４１負荷

Claims

トランスと、前記トランスの１次側に設けられたハーフブリッジ回路と、前記トランスの２次側に設けられた出力回路と、前記ハーフブリッジ回路の動作を制御する制御回路とを備えるスイッチング電源装置であって、前記ハーフブリッジ回路が、入力電源間に直列に接続された第１及び第２のメインスイッチと、共振回路と、前記第１及び第２のメインスイッチの節点と前記共振回路との間に設けられた補助スイッチとを備え、前記制御回路は、前記第１のメインスイッチのターンオフ時を含む一定期間において前記補助スイッチをターンオンさせるとともに、前記第２のメインスイッチのターンオフ時を含む一定期間において前記補助スイッチをターンオンさせることを特徴とするスイッチング電源装置。
前記共振回路が、インダクタ及びコンデンサを含む直列回路からなる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。
前記制御回路は、前記補助スイッチをターンオンさせた後、前記第１のメインスイッチに流れる電流が低下したタイミングで前記第１のメインスイッチをターンオフさせるとともに、前記補助スイッチをターンオンさせた後、前記第２のメインスイッチに流れる電流が低下したタイミングで前記第２のメインスイッチをターンオフさせることを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
前記制御回路は、前記第１のメインスイッチをターンオフさせた後前記第２のメインスイッチをターンオンさせる前に前記補助スイッチをターンオフさせるとともに、前記第２のメインスイッチをターンオフした後前記第１のメインスイッチをターンオンする前に前記補助スイッチをターンオフさせることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
前記制御回路は、前記共振回路に流れる共振電流が実質的にゼロとなるタイミングにおいて前記補助スイッチをターンオフさせることを特徴とする請求項４に記載のスイッチング電源装置。