(57)【要約】【課題】不連続モードでの動作において、スイッチング素子の寄生容量とリアクトルとの共振の発生を抑制することができるスイッチング電源を提供する。【解決手段】直流電源１から入力される電圧を変圧して負荷７に出力するスイッチング電源１００であって、直流電源１に並列接続される入力コンデンサ２と、負荷７に並列接続される出力コンデンサ６と、入力コンデンサ２と出力コンデンサ６との間に並列接続されスイッチング素子３、還流ダイオード４、及びリアクトル５を有するチョッパ回路と、入力コンデンサ２の負側端子からリアクトル５及びスイッチング素子３を介して入力コンデンサ２の正側端子へ向かう第一の電流経路上に設けられ第一の電流経路を入力コンデンサ２の負側端子から入力コンデンサ２の正側端子へ向かう方向に流れる電流を遮断する逆流防止素子である逆流防止ダイオード９とを備えたスイッチング電源とする。【選択図】      図１
2014230287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源から入力される電圧を変圧して負荷に出力するスイッチング電源であって、
前記直流電源に並列接続される入力コンデンサと、
前記負荷に並列接続される出力コンデンサと、
前記入力コンデンサと前記出力コンデンサとの間に並列接続され、スイッチング素子、還流ダイオード、及びリアクトルを有するチョッパ回路と、
前記入力コンデンサの負側端子から前記リアクトル及び前記スイッチング素子を介して前記入力コンデンサの正側端子へ向かう第一の電流経路上に設けられ、前記第一の電流経路を前記入力コンデンサの負側端子から前記入力コンデンサの正側端子へ向かう方向に流れる電流を遮断する逆流防止素子と、
を備えたことを特徴とするスイッチング電源。
【請求項２】
前記逆流防止素子は、前記第一の電流経路上であって、前記出力コンデンサの負側端子から前記リアクトル及び前記還流ダイオードを介して前記出力コンデンサの正側端子へと向かう第二の電流経路上以外の経路上に設けられる、
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源。
【請求項３】
前記還流ダイオードのカソードは、前記入力コンデンサの正側端子及び前記出力コンデンサの正側端子に接続され、
前記還流ダイオードのアノードは、前記入力コンデンサの負側端子及び前記出力コンデンサの負側端子に接続され、
前記スイッチング素子は、前記還流ダイオードのカソードと前記入力コンデンサの正側端子との間、又は、前記還流ダイオードのアノードと前記入力コンデンサの負側端子との間に接続され、
前記リアクトルは、前記還流ダイオードのカソードと前記出力コンデンサの正側端子との間、又は、前記還流ダイオードのアノードと前記出力コンデンサの負側端子との間に接続される、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源。
【請求項４】
前記スイッチング素子は、前記入力コンデンサ及び前記出力コンデンサの間において、前記入力コンデンサ及び前記出力コンデンサに並列接続され、
前記リアクトルは、前記スイッチング素子の正側端子と前記入力コンデンサの正側端子との間、又は、前記スイッチング素子の負側端子と前記入力コンデンサの負側端子との間に接続され、
前記還流ダイオードは、前記スイッチング素子の正側端子と前記出力コンデンサの正側端子との間、又は、前記スイッチング素子の負側端子と前記出力コンデンサの負側端子との間において、前記入力コンデンサの正側端子から前記出力コンデンサを介して前記入力コンデンサの負側端子の向かう方向に電流を通流する向きに接続された、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源。
【請求項５】
前記第一の電流経路上を流れる電流を検出する逆流検出手段と、
前記逆流防止素子に並列に接続され、オン状態となることで前記逆流防止素子を迂回する電流経路を形成し、オフ状態となることで前記迂回する電流経路を遮断するバイパス素子と、
前記逆流検出手段が前記第一の電流経路を前記入力コンデンサの負側端子から前記入力コンデンサの正側端子へ向かう方向に流れる電流を検出した場合には、前記バイパス素子をオフ状態とし、前記逆流検出手段が前記第一の電流経路を前記入力コンデンサの負側端子から前記入力コンデンサの正側端子へ向かう方向に流れる電流を検出しない場合には、前記バイパス素子をオン状態とするように制御する制御部とを備える、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスイッチング電源。
【請求項６】
前記スイッチング素子の寄生容量と前記リアクトルとの共振を検出する共振検出手段と、
前記逆流防止素子に並列に接続され、オン状態となることで前記逆流防止素子を迂回する電流経路を形成し、オフ状態となることで前記迂回する電流経路を遮断するバイパス素子と、
前記共振検出手段が前記共振を検出した場合には前記バイパス素子をオフ状態とし、前記共振検出手段が前記共振を検出しない場合には前記バイパス素子をオン状態とするように制御する制御部とを備える、
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のスイッチング電源。
【請求項７】
前記逆流防止素子と前記還流ダイオードとは２個以上のダイオードが内蔵された１パッケージケース型のダイオードにより構成する、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のスイッチング電源。
【請求項８】
前記直流電源から入力される電圧は２００Ｖ以上であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直流電源から入力される直流電圧を変圧して出力するスイッチング電源に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体装置等のスイッチングによって直流電圧を任意の電圧に変換して出力するスイッチング電源が知られている。このような、いわゆるＤＣ−ＤＣ変換を行うスイッチング電源としては、スイッチング素子、リアクトル、及びダイオードから構成されたチョッパ回路を備え、スイッチング素子のオン、オフ状態を切り替えることで電圧変換を行うチョッパ型のスイッチング電源が広く知られている（例えば、特許文献１）。
【０００３】
図８に、従来のチョッパ型のスイッチング電源として、入力された直流電圧を降圧して出力する降圧チョッパ型のスイッチング電源２００の回路図を示す。図８に示すように、スイッチング電源２００は、直流電源１と負荷７との間に接続され、直流電源１から入力される直流電圧を降圧して負荷７に供給する。また、スイッチング電源２００は、直流電源１に並列接続される入力コンデンサ２、負荷７に並列接続される出力コンデンサ６、及びスイッチング素子３、還流ダイオード４、リアクトル５、並びにスイッチング制御部８から構成された降圧型のチョッパ回路を備えている。
【０００４】
還流ダイオード４は、カソードが入力コンデンサ２の正側端子及び出力コンデンサ６の正側端子に接続され、アノードが入力コンデンサ２の負側端子及び出力コンデンサ６の負側端子に接続されている。スイッチング素子３は、ＭＯＳＦＥＴ（Ｍｅｔａｌ  Ｏｘｉｄｅ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｅｆｆｅｃｔ  Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）であり、還流ダイオード４のカソードと入力コンデンサ２の正側端子との間に接続され、リアクトル５は、還流ダイオード４のカソードと出力コンデンサ６の正側端子との間に接続されている。そして、スイッチング素子３のオン期間Ｔｏｎとオフ期間Ｔｏｆｆを調整することで、直流電源１からの入力電圧を任意の電圧に降圧して負荷７に出力することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−９５２４５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このようなチョッパ型のスイッチング電源においては、リアクトルに流れる電流が途切れなく連続的に流れる「連続モード」と、リアクトルに流れる電流が０となり、断続的に動作する「不連続モード」といった動作モードが存在する。一方、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子は、一般的に寄生容量を有している。そのため、チョッパ型のスイッチング電源内には入力コンデンサ、スイッチング素子の寄生容量、及びリアクトルとからなる直列共振回路が形成されることとなり、不連続モードで動作する場合には、リアクトル電流が０となるタイミングで、スイッチング素子の寄生容量、例えばＭＯＳＦＥＴのドレイン、ソース間に寄生する寄生容量とリアクトルのインダクタンス成分による共振（自由振動）が発生することがあった。このような共振の発生は、スイッチング素子の端子間の電位が変動することによるスイッチング素子の誤動作若しくは直流電源への逆流電流、又は閉回路内での共振による放射ノイズの発生等の問題を招く恐れがある。
【０００７】
図９に、図８に示した従来のスイッチング電源２００が不連続モードで動作する場合の動作波形を示す。図９における各波形は、上から、スイッチング素子３のゲート信号（オン／オフ信号）Ｖｇｓ、スイッチング素子３のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ、リアクトル５に流れるリアクトル電流ＩＬ、及び直流電源１から入力される入力電流Ｉｉｎをそれぞれ示しており、ＴＯＮはゲート信号のオン期間、ＴＯＦＦはゲート信号のオフ期間、Ｔｓは共振発生期間を示している。
【０００８】
図９において、スイッチング素子３のオフ期間ＴＯＦＦにおいて、リアクトルに流れる電流がゼロとなったＴｓの期間でドレイン−ソース間に共振電圧が発生し、大きく振動していることがわかる。そして、ドレイン−ソース間において共振電圧が発生することにより、スイッチング素子の誤動作や放射ノイズの発生等の問題を招く恐れがある。また、入力電圧と出力電圧との比、リアクトルのインダクタンス成分、又はスイッチング素子の寄生容量等の値によっては、共振の発生によりスイッチング素子３であるＭＯＳＦＥＴのソース電位がドレイン電位（入力電圧）よりも高くなり、スイッチング素子３がオフ期間Ｔｏｆｆであるにも関わらず、ＭＯＳＦＥＴであるスイッチング素子３の寄生ダイオードを介して入力側に電流が逆流する場合がある。このように入力電流側への逆流が発生すると、入力側に接続される直流電圧源の性能劣化を招く恐れがあり、更にはスイッチング素子の電力損失を増加させるといった問題が生じることとなる。
【０００９】
本発明は、上述のような問題を解決するためになされたもので、不連続モードでの動作において、スイッチング素子の寄生容量とリアクトルとの共振の発生を抑制することができるスイッチング電源を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明にかかるスイッチング電源は、直流電源から入力される電圧を変圧して負荷に出力するスイッチング電源であって、直流電源に並列接続される入力コンデンサと、負荷に並列接続される出力コンデンサと、入力コンデンサと出力コンデンサとの間に並列接続されスイッチング素子、還流ダイオード、及びリアクトルを有するチョッパ回路と、入力コンデンサの負側端子からリアクトル及びスイッチング素子を介して入力コンデンサの正側端子へ向かう第一の電流経路上に設けられ第一の電流経路を入力コンデンサの負側端子から入力コンデンサの正側端子へ向かう方向に流れる電流を遮断する逆流防止素子とを備えたものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明にかかるスイッチング電源によれば、入力コンデンサの負側端子からリアクトル及びスイッチング素子を介して入力コンデンサの正側端子へ向かう第一の電流経路上に第一の電流経路を入力コンデンサの負側端子から正側端子へ向かう方向に流れる電流を遮断する逆流防止素子が設けられているため、共振の原因となるスイッチング素子の寄生容量とリアクトルとの間で電力の受け渡しが抑制されることとなり、不連続モードでの動作時にリアクトルのインダクタンス成分とスイッチング素子の寄生容量成分とに起因して発生する共振を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１にかかるスイッチング電源の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施の形態１にかかるスイッチング電源の動作波形を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態１にかかるダイオードのパッケージ形状を示す図である。
【図４】本発明の実施の形態１にかかるスイッチング電源の変形例の構成を示す回路図である。
【図５】本発明の実施の形態２にかかるスイッチング電源の構成を示す回路図である。
【図６】本発明の実施の形態３にかかるスイッチング電源の構成を示す回路図である。
【図７】本発明の実施の形態４にかかるスイッチング電源の構成を示す回路図である。
【図８】従来の降圧型のスイッチング電源の回路構成を示す回路図である。
【図９】従来の降圧型のスイッチング電源の動作波形を示す波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
実施の形態１．
まず、本発明の実施の形態１にかかるスイッチング電源の構成を説明する。図１は、本発明の実施の形態１にかかるスイッチング電源１００の構成を示す回路図である。図１において、図８と同一の符号を付けたものは、同一又は対応する構成を示すものとする。なお、以下において、「正側」とは各構成要素の直流電源における正極側に対応した方向を意味するものとし、「負側」とは各構成要素の直流電源における負極側に対応した方向を意味するものとし、「逆流電流」とは、スイッチ素子３のソースからドレインの方向に向かって流れ、直流電源１の正極側に逆流する電流のことをいうこととする。また他の実施の形態においても同様とする。
【００１４】
図１において、スイッチング電源１００は、直流電源１と負荷７との間に接続され、直流電源１から入力される入力電圧を任意の電圧に降圧して負荷７に供給する。すなわち、本実施の形態において、スイッチング電源１００は降圧型のスイッチング電源である。また、スイッチング電源１００は、入力コンデンサ２と、スイッチング素子３と、リアクトル５と、還流ダイオード４と、出力コンデンサ６と、スイッチング制御部８と、逆流防止ダイオード９とから構成される。なお、本実施の形態では、スイッチング電源１００は負荷７に直接接続されているが、これに限定されるものではない。例えば、負荷７が交流負荷の場合には、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ（図示せず）を介して、スイッチング電源１００が負荷７に接続されることとしてもよい。
【００１５】
入力コンデンサ２は直流電源１に並列に接続され、直流電源１から入力される直流電圧が印加される。出力コンデンサ６は、負荷７に並列接続され、出力コンデンサ６に印加された電圧が負荷７への出力電圧となる。入力コンデンサ２と出力コンデンサ６との間には、スイッチング素子３、還流ダイオード４、リアクトル５、及びスイッチング制御部８から構成される、いわゆる降圧型のチョッパ回路が接続されている。
【００１６】
降圧型のチョッパ回路は。入力コンデンサ２に印加された直流電源１からの入力電圧を降圧して出力する。そして、チョッパ回路から出力された電圧は出力コンデンサ６に印加され、負荷７への出力電圧となる。また、降圧型のチョッパ回路内には逆流防止ダイオード９が設けられている。以下において、スイッチング電源１００のチョッパ回路及び逆流防止ダイオード９の構成について、より具体的に説明する。
【００１７】
還流ダイオード４は、入力コンデンサ２と出力コンデンサ６との間において、入力コンデンサ２と出力コンデンサ６に並列接続されており、カソードが入力コンデンサ２及び出力コンデンサ６の正側端子に接続され、アノードが入力コンデンサ２及び出力コンデンサ６の負側端子に接続される。スイッチング素子３は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであり、入力コンデンサ２の正側端子と還流ダイオード４のカソードとの間に接続される。より詳細には、スイッチング素子３のドレインが入力コンデンサ２に接続され、ソースが還流ダイオード４に接続される。また、スイッチング制御部８は、スイッチング電源１００が入力電圧を任意の電圧に降圧するように、スイッチング素子３のオン、オフ状態を制御できるよう、スイッチング素子３のゲートにゲート電圧を印加する。
【００１８】
リアクトル５及び逆流防止ダイオード９は、還流ダイオード４のカソードと出力コンデンサ６の正側端子との間に接続される。より詳細には、逆流防止ダイオード９のアノードが還流ダイオード４のカソードに接続され、逆流防止ダイオード９のカソードがリアクトル５の一端に接続され、リアクトル５の他端が出力コンデンサ６の正側端子に接続される。
【００１９】
次に、スイッチング電源１００の動作について説明する。図２は、本発明の実施の形態１にかかるスイッチング電源１００の動作波形を示す図である。図２における各波形は、上から、スイッチング素子３のゲート信号Ｖｇｓ（オン／オフ信号）、スイッチング素子３のドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ、リアクトル５に流れるリアクトル電流ＩＬ、直流電源１から入力される入力電流Ｉｉｎをそれぞれ示している。
【００２０】
まず、一般的な降圧型のチョッパ回路による降圧変換動作について説明する。スイッチング制御部８よりオン信号が出力されると、スイッチング素子３はオン状態となり導通する。スイッチング素子３が導通状態となっている間、すなわち図２におけるＴｏｎの期間では、直流電源１の正極から出力された電流が、スイッチング素子３、逆流防止ダイオード９、リアクトル５、出力コンデンサ６と負荷７、及び直流電源の負極からなる経路で流れる。これにより、出力コンデンサ６が充電されるとともに、リアクトル５に励磁エネルギーが蓄積される。そのため、図２に示すように、リアクトル５に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に増加する。
【００２１】
次に、スイッチング制御部８よりオフ信号が出力されると、スイッチング素子３がオフ状態となり非導通となる。スイッチング素子３が非導通状態となっている間、すなわち図２におけるＴＯＦＦの期間では、リアクトル５に蓄積されている励磁エネルギーに基づき、リアクトル５、出力コンデンサ６と負荷７、還流ダイオード４、逆流防止ダイオード９、リアクトル５の経路で電流が流れる。ＴＯＦＦの期間では、図２に示すようにリアクトル５に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に減少する。なお、このような経路で電流が流れる状態を一般的に還流と呼ばれる。
【００２２】
そして、ＴＯＦＦの期間中において、リアクトル５による励磁エネルギーの放出が終わると、リアクトル５に電流が流れない期間（リアクトル電流が０となる期間）が発生する。この間、リアクトル５による励磁エネルギーの放出が終わっているため、出力コンデンサ６から負荷７に対してエネルギー供給が行われる。
【００２３】
このように、スイッチング素子３がオンとオフを繰り返す１周期のうちに、リアクトル電流が流れなくなる期間を持つ動作モードを不連続モードと呼ぶ。スイッチング制御部８には通常、所定のスイッチング周期が予め設定されており、スイッチング制御部８は、オン時間及びオフ時間の和で定められたスイッチング周期に達したならば、スイッチング素子３が再びオン状態となるように駆動し、以後、このようなオン、オフ動作を繰り返す。
【００２４】
ここで、ＭＯＳＦＥＴであるスイッチング素子３は一般的に寄生容量及び寄生ダイオードを有しており、図１に示すように、スイッチング素子３には寄生容量及び寄生ダイオードが並列接続されている。そのため、入力コンデンサ２、スイッチング素子３、リアクトル５、及び出力コンデンサ６からなる閉回路内において、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５とにより、直列共振回路が形成されることなる。そして、スイッチング電源１００が不連続モードで動作する場合には、リアクトル５に流れる電流が減少傾向からゼロとなる瞬間の変動によって、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５とによって共振が発生し、共振波形が還流ダイオード４のアノード、カソード間に重畳される恐れがある。
【００２５】
特に、スイッチング電源１００に入力される電圧が高圧の場合、例えば直流電源１からの入力電圧が２００Ｖ以上となる場合には、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５によって生じる共振電圧も大きくなる。かかる場合、共振電圧の発生によるスイッチング素子３の誤動作、閉回路内での共振による放射ノイズ、又は後述する逆流電流が生じる恐れが高くなる。
【００２６】
また、不連続モード時の共振が発生すると、共振電圧の影響でスイッチング素子３のソース電位が上昇し、スイッチング素子３のソース電位がドレイン電位（＝直流電源１の電圧値）よりも高くなることがある。スイッチング素子３のソース電位がドレイン電位を上回った場合、スイッチング３の寄生ダイオードを介して電流が入力側に逆流することとなり、直流電源１の性能劣化や回路損失の増大等の問題を招く恐れがある。入力側への逆流は、直流電源１の電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの差が小さい場合にソース電位がドレイン電位を上回りやすくなるため、特にＶｏ≧Ｖｉｎ／２となる場合に起こりやすい。
【００２７】
上述のように、チョッパ型のスイッチング電源が不連続モードで動作する場合には、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５とによる共振が発生する恐れがあるが、本実施の形態にかかるスイッチング電源１００では、逆流防止ダイオード９を設けることにより上記共振の発生を抑制している。より詳細には、逆流防止ダイオード９を設けることによって、入力コンデンサ２の負側端子から、出力コンデンサ６、リアクトル５、スイッチング素子３、そして入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流経路が遮断されることとなる。その結果、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５との間における電力の授受が抑制されることとなり、図２に示すように、ドレイン−ソース間電圧Ｖｄｓ、リアクトル電流Ｉｌ、及び入力電流Ｉｉｎのそれぞれの波形に重畳される共振が抑制されていることがわかる。
【００２８】
また、逆流防止ダイオード９は入力コンデンサ２の負側端子から、出力コンデンサ６、リアクトル５、スイッチング素子３、そして入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流経路のみを遮断するため、逆流防止ダイオード９を設けることによりスイッチング電源１００が本来担う降圧動作に支障をきたすことはない。つまり、逆流防止ダイオード９を設けた場合でも、入力側（直流電源１）から出力側（負荷７）への電流経路は依然として確保されるため、スイッチング電源１００は通常の降圧動作を実現することができる。
【００２９】
なお、逆流防止ダイオード９に用いることにより、部品点数の増加といった問題が考えられるが、図３に示すような、１パッケージ内に２素子（ダイオード）が封入されているタイプのダイオードパッケージ、例えば、図３に示すようなＴＯ−２２０パッケージ内に２つのダイオードが封入されているダイオードパッケージ１３を選定すれば、還流ダイオード４と逆流防止素子ダイオード９が１つの部品で構成可能となる。そのため、部品点数を削減することができる。図３において、ダイオードパッケージ１３は、第一のダイオード及び第二のダイオードを内蔵するダイオードパッケージであり、第１のダイオードのアノード端子１４、第１のダイオードのカソードと第２のダイオードのアノード端子１５、第２のダイオードのカソード端子１６の三つの端子を有している。
【００３０】
また、本実施の形態では、逆流防止ダイオード９を、還流ダイオード４のカソードとリアクトル５との間であり、かつ、スイッチング素子３のソースとリアクトル５との間となる位置に設けることとしたが、本発明はこれに限定されるものではない。逆流防止ダイオード９は、入力コンデンサ２の負側端子から、出力コンデンサ６、リアクトル５、スイッチング素子３、入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流を遮断する目的で設けるため、入力コンデンサ２の負側端子から、出力コンデンサ６、リアクトル５、スイッチング素子３、入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流経路上のいずれかの位置に設けられればよい。つまり、逆流防止ダイオード９は、入力コンデンサ２の負側端子からリアクトル５及びスイッチング素子３を介して入力コンデンサ２の正側端子に向かう電流経路上に、入力コンデンサ２の負側端子から入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流を遮断する向きに設けられればよい。
【００３１】
一方、逆流防止ダイオード９を、入力コンデンサ２の負側端子から、出力コンデンサ６、リアクトル５、スイッチング素子３、入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流経路上であり、かつ、還流ダイオード４のアノードから、出力コンデンサ６、リアクトル５、還流ダイオード４のカソードへ向かう電流経路以外の経路上に設けることとすると、逆流防止ダイオード９において発生する損失を低減することができる。
【００３２】
例えば、図４に示すように、逆流防止ダイオード９をスイッチング素子３のソースと還流ダイオード４のカソードとの間であり、かつ、スイッチング素子３のソースとリアクトル５との間の位置に設けたスイッチング電源１０１とすることができる。かかる場合、スイッチング素子３がオフ状態となり出力電流が還流状態となる期間では、リアクトル５、還流ダイオード４、出力コンデンサ６と負荷７に電流が流れることとなり、逆流防止ダイオード９に電流が通流しなくなるため、逆流防止ダイオード９で発生する導通損失を抑制することができる。また、このような場合であっても、逆流防止ダイオード９は入力コンデンサ２の負側端子から、出力コンデンサ６、リアクトル５、スイッチング素子３、そして入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流を遮断するため、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５との共振を低減する効果が同様に得られる。
【００３３】
なお、本実施の形態においては、スイッチング素子３としてＮチャネル型のＭＯＳＦＥＴを用いることとしたが、例えばＩＧＢＴ等のスイッチング素子であっても寄生容量が存在するため、当該寄生容量とリアクトル５との共振が発生する恐れがある。そして、ＩＧＢＴを用いた場合には、寄生ダイオードは存在しないものの、共振によるドレイン−ソース電圧の変動により寄生容量を介して入力側へ電流が逆流する恐れがある。さらに、他の寄生容量を有するスイッチング素子を用いた場合であっても同様である。そのため、スイッチング素子３にＩＧＢＴ等の寄生容量を有するＭＯＳＦＥＴ以外のスイッチング素子を用いた場合であっても、逆流防止ダイオード９を設けることにより、本実施の形態と同様に共振抑制の効果が得られる。
【００３４】
実施の形態２．
上述の実施の形態１においては、スイッチング素子３及びリアクトル５を直流電源１の正極側であるハイサイド側に設けており、いわゆるハイサイドスイッチングを行うこととしている。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、ローサイドスイッチングを行うこととしてもよい。そこで、実施の形態２として、ローサイドスイッチングを行う場合について説明する。
【００３５】
図５は、本発明の実施の形態２にかかるスイッチング電源１０２を示す回路図である。図５において、図１又は図４と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示している。実施の形態２は、実施の形態１に対して、スイッチング素子３及びリアクトル５の構成が相違しているため、他の構成については説明を省略する。
【００３６】
図５において、スイッチング素子３は入力コンデンサ２の負側端子と還流ダイオード４のアノードとの間に設けられている。また、スイッチング素子３は実施の形態１と同様に、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであり、スイッチング素子３のソースが入力コンデンサ２の負側端子に接続され、スイッチング素子３のドレインが還流ダイオード４のアノードに接続されている。
【００３７】
一方、リアクトル５は還流ダイオード４のアノードと出力コンデンサ６の負側端子との間に設けられている。そして、逆流防止ダイオード９は、還流ダイオード４のカソードと出力コンデンサ６の正側端子との間に設けられている。
【００３８】
上述のように、本実施の形態では、スイッチング素子３及びリアクトル５をローサイド側に設けるようにしているため、スイッチング素子３のソース電位は常に直流電源１の負極端子と同電位となる。そのため、ソース電位が低電位となるため、スイッチング制御部８にゲート駆動用の高価な絶縁電源を用いる必要がなくなるため、スイッチング電源１０２の低コスト化を実現することができる。
【００３９】
また、本実施の形態においても、逆流防止ダイオード９が、入力コンデンサ２の負側端子からスイッチング素子３及びリアクトル５を介して入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流経路上に入力コンデンサ２の負側端子から正側端子へ向かう電流を遮断する向きに設けられているため、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５とによって生じる共振を抑制することができる。
【００４０】
実施の形態３．
上述の実施の形態１又は２においては、逆流防止ダイオード９を単に設けることとしたが、逆流防止ダイオード９と並列にバイパス素子を設けることとしてもよい。そこで、実施の形態３として、逆流防止ダイオードと並列にバイパス素子としてリレーを設ける場合について説明する。
【００４１】
図６は、本発明の実施の形態３にかかるスイッチング電源１０３を示す回路図である。図６において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示している。実施の形態３は、実施の形態１に対して、リレー１０、逆流検出手段１１、リレー制御部１２を備えた構成で相違しているため、他の構成についてはその説明を省略する。
【００４２】
まず、実施の形態３にかかるスイッチング電源１０３の構成について説明する。図６において、リレー１０は逆流防止ダイオード９に並列接続される。逆流検出手段１１は、入力側への逆流電流を検出するものであり、スイッチング素子３と逆流防止ダイオード９との間に接続されている。また、逆流検出手段１１は、例えば、スイッチング素子３とリアクトル５との間の電流を検出する電流センサで構成し、直流電源１の正極側への逆流電流を検出する。リレー制御部１２は、逆流検出手段１１の検出結果に基づいて、リレー１０を制御する。また、逆流検出手段１１の接続位置は上記位置に限定されるものではなく、直流電源１の正極側への電流を検出することができる位置であれば他の位置であっても構わない。なお、逆流検出手段１１は、電圧センサを用いて逆流電流を検出するものであっても構わない。例えば、電圧センサを用いてスイッチング素子３のソース−ドレイン間の電圧を検出することで逆流電流を検出することができる。
【００４３】
続いて、実施の形態３にかかるスイッチング電源１０３の動作を説明する。逆流検出手段１１によって逆流電流が検出されていない期間では、リレー制御部１２によってリレー１０がオン状態となり、逆流防止ダイオード９を迂回する経路が形成される。一方、逆流検出手段１１によって逆流電流が検出された場合には、リレー制御部１２によってリレー１０がオフ状態となり、逆流防止ダイオード９を迂回する経路が遮断される。
【００４４】
本実施の形態では、上述のような動作を行うことにより、逆流電流が発生しない期間ではリレー１０をオン状態とすることで逆流防止ダイオード９を迂回して電流を出力するため、逆流防止ダイオード９での損失を低減することができる。また、逆流電流が発生した場合には、リレー１０をオフ状態とすることで逆流防止ダイオード９の迂回経路を遮断するため、他の実施の形態と同様にスイッチ素子３の寄生容量とリアクトル５によって発生する共振を低減し逆流電流の発生を抑制することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態では、逆流防止ダイオード９と並列にリレー１０を用いることとしたが、リレー１０の代わりにバイパス素子としてＭＯＳＦＥＴやＩＧＢＴ等のスイッチング素子を用いることとしても構わない。かかる場合においても、逆流検出手段１１が逆流電流を検出した場合には、並列接続したスイッチング素子をオフとし、逆流電流を検出しない場合にはスイッチング素子をオンとすれば良い。
【００４６】
また、リレー１０の代わりにＭＯＳＦＥＴを用いる場合には、逆流防止ダイオード９を省略することとしても構わない。かかる場合、ＭＯＳＦＥＴが有する寄生ダイオード（ボディダイオード）が入力コンデンサ２の負側端子からリアクトル５及びスイッチング素子３を介して入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流を遮断する向きにＭＯＳＦＥＴを設けることとすれば良い。つまり、図６のリレー１０及び逆流防止ダイオード９の代わりにＭＯＳＦＥＴを用いる場合には、ＭＯＳＦＥＴのソースが還流ダイオード４のカソード及びスイッチング素子３のソースに接続され、ドレインがリアクトル５に接続されるようにすることで、ＭＯＳＦＥＴを逆流防止素子として利用することができる。これにより、リレー１０及び逆流防止ダイオード９を用いた場合と比較して部品点数の削減を図ることができる。
【００４７】
なお、本実施の形態では逆流検出手段１１が逆流電流の発生を検出することで逆流防止ダイオード９を迂回する経路の形成を制御することとしたが、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５との共振を検出することで逆流防止ダイオード９を迂回する経路の形成を制御することとしてもよい。かかる場合、逆流検出手段１１の代わりに電流センサや電圧センサ等で構成される共振検出手段を設け、共振検出手段が共振を検出した場合には逆流防止ダイオード９を迂回する経路を遮断し、共振検出手段が共振を検出しない場合には逆流防止ダイオード９を迂回する経路を形成するようにすればよい。これにより、逆流防止ダイオード９によってスイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５の共振の発生を抑制するとともに、逆流防止ダイオード９で発生する損失を低減することが出来る。
【００４８】
実施の形態４．
上述の実施の形態１ないし３においては、直流電源の電圧を降圧して負荷に供給する降圧チョッパ型のスイッチング電源について説明した。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではなく、昇圧チョッパ型のスイッチング電源に適用することとしてもよい。そこで、実施の形態４として、本発明を昇圧チョッパ型のスイッチング電源に適用する場合について説明する。
【００４９】
図７は、本発明の実施の形態４にかかるスイッチング電源１０４を示す回路図である。図７において、図１と同じ符号を付けたものは、同一または対応する構成を示している。
【００５０】
まず、スイッチング電源１０４の構成について説明する。図７において、スイッチング電源１０４は、直流電源１と負荷７との間に接続され、直流電源１から入力される直流電圧を昇圧して負荷７に供給する。また、スイッチング電源１０４は、直流電源１に並列接続される入力コンデンサ２と負荷７に並列接続される出力コンデンサ６とを備え、さらに入力コンデンサ２と出力コンデンサ６との間にリアクトル５、スイッチング素子３、還流ダイオード４、及びスイッチング制御部８から構成された昇圧型のチョッパ回路を備える。昇圧型のチョッパ回路は入力コンデンサ２に印加された電圧を昇圧して出力コンデンサ６に供給することで、負荷７に昇圧された電圧を出力する。また、昇圧型のチョッパ回路内には、逆流防止ダイオード９が設けられている。昇圧型のチョッパ回路及び逆流防止ダイオード９の具体的な構成については、以下で説明する。
【００５１】
スイッチング素子３は、Ｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであり、入力コンデンサ２と出力コンデンサ６との間に並列接続され、ドレインが入力コンデンサ２及び出力コンデンサ６の正側端子に接続され、ソースが入力コンデンサ２及び出力コンデンサ６の負側端子に接続される。リアクトル５は、スイッチング素子３のドレインと入力コンデンサ２の正側端子との間に接続される。還流ダイオード４は、スイッチング素子３のドレインと出力コンデンサ６の正側端子との間には還流ダイオード４が接続され、アノードがスイッチング素子３のドレインに接続され、カソードが出力コンデンサ６に接続される。このように接続することで、スイッチング素子３、還流ダイオード４、及びリアクトル５は昇圧型のチョッパ回路を構成する。
【００５２】
さらに、スイッチング素子３のドレインとリアクトル５との間であり、かつ、リアクトル５と還流ダイオード４のアノードとの間の位置には、逆流防止素子である逆流防止ダイオード９が設けられており、逆流防止ダイオード９のカソードがスイッチング素子３のドレインに接続されている。また、スイッチング素子３にスイッチング制御部８が接続されており、スイッチング制御部８からの信号に基づいてスイッチング素子３のオン、オフ状態が切り替わる。
【００５３】
次に、スイッチング電源１０４の動作について説明する。まず、一般的な昇圧型のチョッパ回路による昇圧変換動作について説明する。スイッチング制御部８よりオン信号が出力されると、スイッチング素子３はオン状態となり導通する。スイッチング素子３が導通状態となっている間、直流電源１の正極から出力された電流が、リアクトル５、逆流防止ダイオード９、スイッチング素子３、及び直流電源１の負極からなる経路で流れ、リアクトル５に励磁エネルギーが蓄積される。そのため、スイッチング素子３がオン状態の間、リアクトル５に流れる電流は、時間の経過とともに直線的に増加する。
【００５４】
一方、スイッチング制御部８よりオフ信号が出力されると、スイッチング素子３がオフ状態となり非導通となる。スイッチング素子３が非導通状態となっている間、直流電源１及びリアクトル５に蓄積されている励磁エネルギーに基づき、直流電源１の正極から出力された電流が、リアクトル５、逆流防止ダイオード９、還流ダイオード４、出力コンデンサ６と負荷７、及び直流電源１の負極からなる経路で電流が流れる。そのため、スイッチング素子３がオフ状態の間、リアクトル５に流れる電流は時間の経過とともに直線的に減少する。
【００５５】
このようにスイッチング素子３がオン、オフ状態を切り替えることで、オン状態の間にリアクトル５に励磁エネルギーが蓄積され、直流電源１の直流電圧にリアクトル５に蓄積された励磁エネルギーに基づく電圧を加算した電圧が出力されることとなり、直流電源１の電圧よりも高く昇圧された電圧が出力コンデンサ６及び負荷７に供給されることとなる。なお、スイッチング素子３のオン期間とオフ期間の比率（デューティ）を調整することで出力する電圧を調整することができる。
【００５６】
ここで、昇圧型のスイッチング電源１０４においても、負荷７の状態やスイッチング素子３のデューティによっては、降圧型のスイッチング電源と同様に、スイッチング素子３がオフ状態の間にリアクトル５に流れる電流がゼロとなる不連続モードで動作することがある。そして、昇圧チョッパ型のスイッチング電源１０４においてもリアクトル５とスイッチング素子３の寄生容量によって直列共振回路が形成されているため、かかる場合には、リアクトル５に流れる電流が減少傾向からゼロとなる瞬間の電流の変動によって、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５とによって共振が発生し、直流電源１への逆流電流が発生する等の恐れが生じることとなる。
【００５７】
しかしながら、本実施の形態では、逆流防止ダイオード９を設けることにより上記共振の発生を抑制している。より詳細には、逆流防止ダイオード９が設けられたことによって、入力コンデンサ２の負側端子から、スイッチング素子３、リアクトル５、そして入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流経路上を入力コンデンサ２の負側端子から正側端子へ向かう方向に流れる電流が遮断されることとなる。その結果、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５との間における電力の授受が抑制されることとなり、共振を抑制することができる。また、逆流防止ダイオード９によって入力側から出力側への電流経路が遮断されることがないので、逆流防止ダイオード９を設けることでスイッチング電源１０４の昇圧動作に問題が生じることもない。
【００５８】
なお、本実施の形態では、逆流防止ダイオード９を、スイッチング素子３のドレインとリアクトル５との間であり、かつ、リアクトル５と還流ダイオード４のアノードとの間の位置に設けることとしたが、これに限定されるものではなく、入力コンデンサ２の負側端子から、スイッチング素子３、リアクトル５、入力コンデンサ２の正側端子へ向かう電流経路上のいずれかの位置に、入力コンデンサの負側端子から正側端子へ向かう電流を遮断する向きに設けることとすれば、他の位置に設けることとしても構わない。
【００５９】
一方、逆流防止ダイオード９を、スイッチング素子３のドレインとリアクトル５との間であり、かつ、スイッチング素子３のドレインと還流ダイオード４のアノードとの間の位置に設けることとすれば、スイッチング素子３がオフとなる期間において逆流防止ダイオード９に電流が通流しなくなるため、逆流防止ダイオード９で発生する損失を低減することが出来る。すなわち、逆流防止ダイオード９を、入力コンデンサ２の負側端子から、スイッチング素子３及びリアクトル５を介して入力コンデンサの正側端子へ向かう電流経路上であって、かつ、出力コンデンサの負側端子からリアクトル及び還流ダイオードを介して出力コンデンサの正側端子へと向かう電流経路上以外の経路上に設けることとすることで、スイッチング素子３の寄生容量とリアクトル５の共振を低減するとともに、逆流防止ダイオード９で発生する損失の低減を図ることができる。なお、このような場合においても逆流防止ダイオード９は、アノードがリアクトル５に接続され、カソードがスイッチング素子３のドレインに接続される向きに設けることとする。すなわち、入力コンデンサ２の負側端子から正側端子へ向かう電流を遮断する向きに設けることとする。
【００６０】
なお、本実施の形態では、リアクトル５及び還流ダイオード４を入力コンデンサ２の正側端子と出力コンデンサ６の正側端子との間に設けることとしたが、入力コンデンサ２の不極端子と出力コンデンサ６の不極端子との間に設けることとしても良い。
【００６１】
なお、本発明は、発明の範囲内において、各実施の形態を自由に組み合わせることや、各実施の形態を適宜、変形、省略することが可能である。
【符号の説明】
【００６２】
１  直流電源、２  入力コンデンサ、３  スイッチング素子、４  還流ダイオード、５  リアクトル、６  出力コンデンサ、７  負荷、８  スイッチング制御部、９  逆流防止素子、１０  リレー、１１  逆流検出手段、１２  リレー制御部、１３  ダイオードパッケージ、１４  第１のダイオードのアノード端子、１５  第１のダイオードのカソードと第２のダイオードのアノード端子、１６  第２のダイオードのカソード端子。
【図１】
2014230287.tif 000003
【図２】
2014230287.tif 000004
【図３】
2014230287.tif 000005
【図４】
2014230287.tif 000006
【図５】
2014230287.tif 000007
【図６】
2014230287.tif 000008
【図７】
2014230287.tif 000009
【図８】
2014230287.tif 000010
【図９】
2014230287.tif 000011