(57)【要約】  スイッチング電源装置のスナバ回路は、ダイオード（８）のカソードおよびアノード間に直列接続されたトランジスタ（９）およびコンデンサ（１０）と、トランス（１６）の二次巻線（１８）を備える。ダイオード（８）にサージ電圧が発生するタイミングで二次巻線（１８）に振動電圧が発生する。スナバ回路は、さらに、二次巻線（１８）の端子間電圧を微分する微分回路（１２，１４，１５）と、微分回路（１２，１４，１５）の出力電圧の複数のピークを結ぶ波形の制御電圧を生成してトランジスタ（９）のゲートに与え、トランジスタ（９）を導通させるピークチャージ回路（１１，１３）とを備える。
2013021819.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次巻線（３）および二次巻線（４）を含むトランス（２）と、前記一次巻線（３）に直流電源電圧を断続的に与える第１のスイッチング素子（５）と、前記二次巻線（４）に接続された整流回路（７，８）と、前記整流回路（７，８）の後段に接続された第１のコイル（１７）を含む平滑回路（１７，１９）とを備えたスイッチング電源装置において、前記整流回路（７，８）に発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路であって、
前記整流回路（７，８）の出力ノード間に直列接続された第２のスイッチング素子（９）および第１のコンデンサ（１０）と、
前記第１のコイル（１７）と電磁結合された第２のコイル（１８）とを備え、
前記整流回路（７，８）に前記サージ電圧が発生するタイミングで前記第２のコイル（１８）の端子間に振動電圧が発生し、
さらに、前記第２のコイル（１８）の端子間電圧を微分する微分回路（１２，１４，１５）と、
前記微分回路（１２，１４，１５）の出力電圧を平滑した制御電圧を生成して前記第２のスイッチング素子（９）の制御端子に与え、前記第２のスイッチング素子（９）を導通させる電圧発生回路（１１，１３）とを備える、スナバ回路。
【請求項２】
前記電圧発生回路（１１，１３）は、
前記微分回路（１２，１４，１５）のうちの前記第２のコイル（１８）と前記第２のスイッチング素子（９）の制御端子との間の電流経路に順方向に介挿された第１のダイオード（１３）と、
前記第２のスイッチング素子（９）の制御端子と前記整流回路（７，８）の正側出力ノードとの間に接続された第２のコンデンサ（１１）とを含む、請求項１に記載のスナバ回路。
【請求項３】
さらに、前記整流回路（７，８）の正側出力ノードと前記第１のダイオード（１３）のアノードとの間に順方向に接続された第２のダイオード（２０）を備える、請求項２に記載のスナバ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はスナバ回路に関し、特に、スイッチング電源装置の整流回路に発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、スイッチング電源装置は、一次巻線および二次巻線を含むトランスと、一次巻線に直流電源電圧を断続的に与える第１のスイッチング素子と、二次巻線に接続された整流回路と、整流回路の後段に接続された第１のコイルを含む平滑回路とを備える。このようなスイッチング電源装置では、二次巻線の電圧が上昇するときに整流回路でサージ電圧が発生するので、サージ電圧を抑制するスナバ回路が整流回路に接続されている。【０００３】
スナバ回路としては、整流回路の出力ノード間に直列接続された第２のスイッチング素子およびコンデンサと、第１のコイルと電磁結合された第２のコイルと、第２のコイルの出力電圧を微分して第２のスイッチング素子の制御端子に与える微分回路とを含むものがある。このスナバ回路では、整流回路にサージ電圧が発生するタイミングで第２のスイッチング素子がオンし、サージ電圧のエネルギーがコンデンサに蓄えられた後に放出される（たとえば、特開平１−２０２１６１号公報（特許文献１）参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１−２０２１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のスナバ回路では、第１および第２のコイルの構成によっては図５に示すように、第２のコイルの端子間電圧が正電圧に立ち上げられると（時刻ｔ０）、第２のコイルの端子間に振動電圧が発生し、その振動電圧と同様の波形の制御電圧Ｖｇｓが第２のスイッチング素子の制御端子に印加される。制御電圧Ｖｇｓは、時間経過に伴って振動しながら減衰する。【０００６】
第２のスイッチング素子のしきい値電圧をＶＴＨとすると、Ｖｇｓ＞ＶＴＨの期間で第２のスイッチング素子がオンし、Ｖｇｓ＜ＶＴＨの期間で第２のスイッチング素子がオフする。したがって、第２のスイッチング素子がオン／オフを繰り返し、第２のスイッチング素子を所定のタイミングでオンさせることができず、サージ電圧を十分に抑制することができない。【０００７】
それゆえに、この発明の主たる目的は、サージ電圧を十分に抑制することが可能なスナバ回路を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明に係るスナバ回路は、一次巻線および二次巻線を含むトランスと、一次巻線に直流電源電圧を断続的に与える第１のスイッチング素子と、二次巻線に接続された整流回路と、整流回路の後段に接続された第１のコイルを含む平滑回路とを備えたスイッチング電源装置において、整流回路に発生するサージ電圧を抑制するスナバ回路であって、整流回路の出力ノード間に直列接続された第２のスイッチング素子および第１のコンデンサと、第１のコイルと電磁結合された第２のコイルとを備えたものである。整流回路にサージ電圧が発生するタイミングで第２のコイルの端子間に振動電圧が発生する。スナバ回路は、さらに、第２のコイルの端子間電圧を微分する微分回路と、微分回路の出力電圧を平滑した制御電圧を生成して第２のスイッチング素子の制御端子に与え、第２のスイッチング素子を導通させる電圧発生回路とを備える。【０００９】
好ましくは、電圧発生回路は、微分回路のうちの第２のコイルと第２のスイッチング素子の制御端子との間の電流経路に順方向に介挿された第１のダイオードと、第２のスイッチング素子の制御端子と整流回路の正側出力ノードとの間に接続された第２のコンデンサとを含む。【００１０】
また好ましくは、さらに、整流回路の正側出力ノードと第１のダイオードのアノードとの間に順方向に接続された第２のダイオードを備える。
【発明の効果】
【００１１】
この発明に係るスナバ回路では、微分回路の出力電圧を平滑した制御電圧を生成して第２のスイッチング素子の制御端子に与え、第２のスイッチング素子を導通させる電圧発生回路が設けられる。したがって、第２のコイルの端子間に振動電圧が発生した場合でも、第２のスイッチング素子を所定のタイミングでオンさせることができ、サージ電圧を十分に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の一実施の形態によるスイッチング電源装置の構成を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示したスナバ回路の効果を示すタイムチャートである。
【図３】図１に示したスナバ回路の効果を示す他のタイムチャートである。
【図４】実施の形態の変更例を示す回路ブロック図である。
【図５】従来のスイッチング電源装置の問題点を説明するためのタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の一実施の形態によるスイッチング電源装置は、図１に示すように、正側入力端子ＴＩ１、負側入力端子ＴＩ２、正側出力端子ＴＯ１、負側出力端子ＴＯ２、トランス２，１６、スイッチング素子であるＮチャネルＭＯＳトランジスタ５，９、制御回路６、ダイオード７，８，９ａ，１３、コンデンサ１０，１１，１４，１９、および抵抗素子１２，１５を備える。
【００１４】
正側入力端子ＴＩ１および負側入力端子ＴＩ２は、それぞれ直流電源１の正極および負極に接続され、直流電源１からの直流電源電圧ＶＩを受ける。トランス２は、一次巻線３および二次巻線４を含む。巻線３，４は、それぞれ漏れインダクタンス３ａ，４ａを有する。
【００１５】
一次巻線３の第１端子（黒丸印が付された端子）は正側入力端子ＴＩ１に接続される。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ５（スイッチング素子）のドレインは一次巻線３の第２端子に接続され、そのソースは負側入力端子ＴＩ２に接続され、そのゲートは制御回路６の出力電圧を受ける。
【００１６】
制御回路６は、正側出力端子ＴＯ１の電圧ＶＯが所定の目標電圧になるようにＮチャネルＭＯＳトランジスタ５を所定の周期でオン／オフさせる。制御回路６は、出力電圧ＶＯが目標電圧よりも低い場合はトランジスタ５の１周期当たりのオン時間を長くし、出力電圧ＶＯが目標電圧よりも高い場合はトランジスタ５の１周期当たりのオン時間を短くする。
【００１７】
整流側ダイオードであるダイオード７のカソードはトランス２の二次巻線４の第２端子に接続され、そのアノードは負側出力端子ＴＯ２に接続される。転流側ダイオードであるダイオード８のカソードはトランス２の二次巻線４の第１端子（黒丸印が付された端子）に接続され、そのアノードは負側出力端子ＴＯ２に接続される。ダイオード７，８は、整流回路を構成する。
【００１８】
ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のソースはダイオード８のカソードに接続され、そのドレインはコンデンサ１０を介してダイオード８のアノードに接続される。ダイオード９ａは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のソース−ドレイン間に接続されている。すなわち、ダイオード９ａのアノードはＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のソースに接続され、そのカソードはＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のドレインに接続されている。ダイオード９ａは、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９の寄生ダイオード（ボディダイオード）でもよいし、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９と別の部品でもよい。コンデンサ１１および抵抗素子１２は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のゲートおよびソース間に並列接続される。
【００１９】
トランス１６は、一次巻線１７（第１のコイル）および二次巻線１８（第２のコイル）を含む。トランス１６の一次巻線１７の第１端子（黒丸印が付された端子）はトランス２の二次巻線４の第１端子に接続され、一次巻線１７の第２端子は正側出力端子ＴＯ１に接続される。ダイオード１３のカソードはＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のゲートに接続され、そのアノードはコンデンサ１４および抵抗素子１５を介して二次巻線１８の第１端子（黒丸印が付された端子）に接続され、二次巻線１８の第２端子は一次巻線１７の第１端子に接続される。コンデンサ１９は、出力端子ＴＯ１，ＴＯ２間に接続される。
【００２０】
トランス１６の一次巻線１７およびコンデンサ１９は平滑回路を構成する。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９、コンデンサ１０，１１，１４、抵抗素子１２，１５、ダイオード１３、およびトランス１６の二次巻線１８は、スナバ回路を構成する。抵抗素子１２，１５およびコンデンサ１４は、微分回路を構成する。コンデンサ１１およびダイオード１３は、ピークチャージ回路（電圧発生回路）を構成する。
【００２１】
次に、このスイッチング電源装置の動作について説明する。制御回路６によってＮチャネルＭＯＳトランジスタ５が所定の周期でオン／オフされると、トランス２の一次巻線３に直流電源電圧ＶＩが断続的に印加され、二次巻線４の端子間に交流電圧が発生する。二次巻線４の第１端子に正電圧が発生している期間は、二次巻線４の第１端子、トランス１６の一次巻線１７、コンデンサ１９、ダイオード７、および二次巻線４の第２端子の経路で電流が流れ、コンデンサ１９が充電されるとともに、トランス１６の一次巻線１７に電磁エネルギーが蓄積される。
【００２２】
二次巻線４の第１端子に負電圧が発生すると、ダイオード７がオフし、トランス１６の一次巻線１７、コンデンサ１９、およびダイオード８の経路で電流が流れ、コンデンサ１９が充電されるが、出力端子ＴＯ１，ＴＯ２に接続された負荷（図示せず）によって電力が消費されると、出力電圧ＶＯが下降する。制御回路６は、出力電圧ＶＯが目標電圧になるようにＮチャネルＭＯＳトランジスタ５をオン／オフ制御する。
【００２３】
ここで、ダイオード８のカソードおよびアノード間に発生するサージ電圧について説明する。上述のように、トランス２の二次巻線４の第１端子に負電圧が発生しているとき、トランス１６の一次巻線１７に蓄積された電磁エネルギーによってダイオード８に順バイアス方向の電流が流れる。次いで、トランス２の二次巻線４の第１端子に正電圧が発生すると、ダイオード８の逆回復特性により、ダイオード８に瞬間的に逆バイアス方向の電流が流れる。ダイオード８がオフして逆バイアス電流が遮断されると、ダイオード８のカソードおよびアノード間にサージ電圧が発生する。スナバ回路は、そのサージ電圧を抑制するものである。
【００２４】
すなわち、スナバ回路は、サージ電圧が発生するタイミングでＮチャネルＭＯＳトランジスタ９をオンさせて、サージ電圧のエネルギーをコンデンサ１０に吸収させる。また、コンデンサ１０に吸収されたサージ電圧のエネルギーを、サージ電圧の発生後に、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９を介して放出させる。ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のオン／オフ制御は、トランス１６の二次巻線１８の端子間電圧を微分回路（抵抗素子１２，１５およびコンデンサ１４）を介してＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のゲートおよびソース間に印加することにより行なう。
【００２５】
また、トランス１６の二次巻線１８とＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のゲートの間に微分回路を設けただけでは、トランス２の二次巻線４の端子間電圧が正電圧に立ち上げられるタイミングで、トランス１６の二次巻線１８の端子間に振動電圧が発生するという問題がある。振動電圧の発生は、トランス１６の巻線１７，１８の寄生容量や寄生インダクタンスに起因している。
【００２６】
図２は、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のゲートおよびソース間電圧Ｖｇｓを示すタイムチャートである。図２において、トランス２の二次巻線４の端子間電圧が正電圧に立ち上げられると（時刻ｔ０）、トランス１６の二次巻線１８の端子間に振動電圧が発生する。この振動電圧は、時間経過に伴って振動しながら減衰する。従来のスナバ回路では、図５で説明したように、その振動電圧と同様の波形の電圧がＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のゲートおよびソース間に印加される。そのため、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９がオン／オフを繰り返し、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９を所定のタイミングでオンさせることができず、ダイオード８に発生するサージ電圧を十分に抑制することができない。
【００２７】
これに対して本願発明では、ダイオード１３およびコンデンサ１１からなるピークチャージ回路を追加している。トランス１６の二次巻線１８の端子間に振動電圧が発生しても、ダイオード１３の順方向にしか電流が流れず、ダイオード１３を通過した電流はコンデンサ１１に充電される。したがって、Ｖｇｓの波形は、図２に示すように、振動電圧の正側の複数のピークを結ぶ波形になり、つまり微分回路の出力電圧である振動電圧を平滑した波形になる。よって、本願発明では、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９が所定のタイミングでオンし、ダイオード８に発生するサージ電圧を十分に抑制することができる。
【００２８】
また、図３（ａ）はスイッチング電源装置の出力電流が小さい場合のＶｇｓの波形を示すタイムチャートであり、図３（ｂ）はスイッチング電源装置の出力電流が大きい場合のＶｇｓの波形を示すタイムチャートである。図３（ａ）（ｂ）から分かるように、出力電流が大きくなるほど振動電圧の振幅が大きくなり、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９がオンする時間ｔＯＮが長くなる。したがって、出力電流が大きくなってサージ電圧のエネルギーが大きくなった場合でも、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のオン時間ｔＯＮが長くなるので、サージ電圧を十分に抑制することができる。
【００２９】
また、図４は、この実施の形態の変更例を示す回路ブロック図であって、図１と対比される図である。図４を参照して、このスイッチング電源装置は、図１のスイッチング電源装置にダイオード２０を追加したものである。ダイオード２０のアノードはＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のソースに接続され、そのカソードはダイオード１３のアノードに接続される。ダイオード２０により、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のゲート電圧がソース電圧以下になるのを防止することができる。これにより、ＮチャネルＭＯＳトランジスタ９のオン時間を長くすることができ、サージ電圧のエネルギーのコンデンサ１０への吸収および放出のタイミングを広い範囲で調整することが可能となる。
【００３０】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【００３１】
１  直流電源、２，１６  トランス、３，１７  一次巻線、３ａ，４ａ  漏れインダクタンス、４，１８  二次巻線、５，９  ＮチャネルＭＯＳトランジスタ、６  制御回路、７，８，１３，２０  ダイオード、１０，１１，１４，１９  コンデンサ、１２，１５  抵抗素子、ＴＩ１  正側入力端子、ＴＩ２  負側入力端子、ＴＯ１  正側出力端子、ＴＯ２  負側出力端子。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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