(57)【要約】【課題】設計自由度の高い、自励発振動作が安定して行われる共振型スイッチング電源を提供する。【解決手段】共振型スイッチング電源において、トランスＴの１次巻線Ｎ１に共振コンデンサＣｏを並列に接続し、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２の制御端子はそれぞれ印加電圧を分圧する第１のコンデンサＣ１または第２のコンデンサＣ２を介して反対側のスイッチング素子の主電流路の１次巻線の巻線端側に接続し、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の各制御端子と２つのスイッチング素子の主電流路の共通接続点にそれぞれ印加電圧を分圧する第３のコンデンサＣ３または第４のコンデンサＣ４を接続する。【選択図】  図１
2008061369.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスの１次巻線に共振コンデンサを並列に接続し、１次巻線の巻線端にそれぞれ第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を接続し、２つのスイッチング素子の主電流路の共通接続点と１次巻線の所定の巻線位置との間に直流電流が供給され、自励発振動作により得られた交流出力を負荷に供給する共振型スイッチング電源において、
第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の制御端子はそれぞれ印加電圧を分圧する第１のコンデンサまたは第２のコンデンサを介して反対側のスイッチング素子の主電流路の１次巻線の巻線端側に接続し、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の各制御端子と２つのスイッチング素子の主電流路の共通接続点にそれぞれ印加電圧を分圧する第３のコンデンサまたは第４のコンデンサを接続したことを特徴とする共振型スイッチング電源。
【請求項２】
前記第１のコンデンサまたは第２のコンデンサと並列に抵抗とダイオードの並列回路を接続したことを特徴とする請求項１記載の共振型スイッチング電源。
【請求項３】
前記スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴを用いたことを特徴とする請求項１記載の共振型スイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ロイヤーの発振回路を応用した共振型スイッチング電源において、スイッチング素子の耐圧、保護問題を解決し、同時に回路の発振動作の安定性を向上させるための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
蛍光表示管や放電管などの負荷に駆動電圧を供給する電源回路には様々な回路方式が存在する。ここで、特に駆動電圧に交流が要求される場合には、ロイヤーの発振回路を応用した自励、共振方式の電源回路を使用することが多い。このような自励共振型電源としては、従来、図２のような回路構成を有する電源回路が存在した。図２に示す電源回路の回路構成および動作は、概ね以下のようであった。
【０００３】
図２において、入力端子１はチョークコイルＬ１を介してトランスＴの１次巻線Ｎ１の中間タップに接続されている。１次巻線Ｎ１の端子間には共振用容量として共振コンデンサＣｏが接続され、さらに１次巻線Ｎ１の両端はそれぞれ、電界効果型トランジスタ（ＭＯＳＦＥＴ）よりなる第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２の主電流路を介してアースに接続されている。そして、トランスＴの２次巻線Ｎ２の両端および中間タップはそれぞれ、出力端子２ａ、２ｂ、２ｃに接続されている。第１と第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲートは、それぞれたすきがけの形で、自らの主電流路が接続された１次巻線Ｎ１の巻線端とは反対側の巻線端に、抵抗Ｒ１あるいは抵抗Ｒ２を介して接続されている。なお、それぞれのゲートとアースとの間に接続されているＺ１及びＺ２は、第１のスイッチング素子Ｑ１および第２のスイッチング素子Ｑ２を保護するための定電圧ダイオードである。
【０００４】
上記のような構成とした回路において、入力端子１に外部より入力電圧Ｖｉｎを供給すると、マルチバイブレータのごとく、第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２のどちらか一方が導通する。例えば、第１のスイッチング素子Ｑ１が先に導通したと仮定する。第１のスイッチング素子Ｑ１が導通したことにより１次巻線Ｎ１に電流が流れ、１次巻線Ｎ１には電圧が誘導される。この時に誘導された電圧は帰還電圧として第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲートに印加される。すると第１のスイッチング素子Ｑ１には順方向バイアスが、第２のスイッチング素子Ｑ２には逆バイアスがそれぞれ与えられ、第１のスイッチング素子Ｑ１はオン状態、第２のスイッチング素子Ｑ２はオフ状態となる。また、この時に誘導された電圧は、共振コンデンサＣｏと１次巻線Ｎ１が形成する共振回路に共振現象を生じさせる。
【０００５】
共振現象が生じることにより、１次巻線Ｎ１の端子間に現れる電圧（共振電圧）は正弦波状に変化する。この１次巻線Ｎ１の端子間に現れた共振電圧の変化に応じて、第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は交互にオン状態あるいはオフ状態となり、以後、継続して自励発振動作を行うことになる。
以上に述べたような回路構成を有し、かつ、自励発振動作を行う電源回路では、第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に直接、１次巻線Ｎ１に現れた共振電圧を供給し、駆動用の帰還電圧としている。このため回路素子数が少なくて済み、小型で高効率の電源回路が得られる。
【０００６】
しかし、実際に図２に示す構成の電源回路を製作する場合に、以下のような問題点が存在する。
ＭＯＳＦＥＴのゲー・トソース間耐電圧ＶＧＳを超える共振電圧を得ることができず、入力電圧ＶｉｎはＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間耐電圧ＶＧＳに制限される。すなわち、ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間耐電圧ＶＧＳは一般的には２０Ｖ以下であり、実用的には１０Ｖ以下と小さい。また、ＭＯＳＦＥＴのゲート・ソース間耐電圧ＶＧＳ制限のため、回路負荷（回路の作動Ｑ）を高くとれず歪率を下げることができない。
また、第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は共振電圧によって直接駆動されているが、各スイッチング素子のゲートに印加される駆動電圧は、負荷状態が変化した時、特に負荷側短絡等の異常時には、共振電圧の変化に伴って大きく変化することがある。そこで図２の回路では、第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を保護するために定電圧ダイオードＺ１、Ｚ２を用いているが、この保護対策のために電源回路のコストが上昇してしまう。
【０００７】
このような問題に対して本願発明者は、特許文献１において、共振コンデンサを複数個のコンデンサ素子（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）の直列回路で構成し、各スイッチング素子の制御端子に所定のコンデンサ同士の接続点を接続した回路（図３−（ａ））を提案している。また、特許文献２において、共振コンデンサを複数個のコンデンサ素子（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４）の直列回路で構成し、共振容量部の所定位置をアースに接続し、各スイッチング素子に供給する帰還電圧を共振容量の一部のコンデンサを介して制御端子に接続した回路（図３−（ｂ））を提案している。
このように特許文献１と特許文献２は、いずれも共振コンデンサを複数個直列にすることによって、共振作用と分圧作用を兼ね備え、共振コンデンサで分圧された電圧をＭＯＳＦＥＴのゲートソース間に印可しようとするものである。
【０００８】
【特許文献１】特開平１１−１６４５６３号公報
【特許文献２】特開平１１−２５２９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、コイルとコンデンサが並列に接続され、かつ、共振した状態においては、その両端、つまり、コイルと複数のコンデンサの接続点の一端ともう一方のコイルとコンデンサの接続点間の電圧、電流は位相差ゼロであり、個別にコイルあるいはコンデンサをみればコイル、コンデンサの接続点間比でコンデンサ側の位相は９０度進み、コイル側は９０度遅れ位相である。
ところで、発振作用は一般に、入力信号と同相の出力信号をフィードバックすることによって生ずるが、前記した複数のコンデンサを直列にした共振コンデンサから分圧された電圧は、この条件に合致せず、安定な発振を継続させることは難しく、不安定さから免れられない。
そこで本発明は、上記問題点を解決するもので、設計自由度の高い、自励発振動作が安定して行われる共振型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】
上記課題を解決するために、本発明の共振型スイッチング電源は、トランスの１次巻線に共振コンデンサを並列に接続し、１次巻線の巻線端にそれぞれ第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子を接続し、２つのスイッチング素子の主電流路の共通接続点と１次巻線の所定の巻線位置との間に直流電流が供給され、自励発振動作により得られた交流出力を負荷に供給する共振型スイッチング電源において、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の制御端子はそれぞれ印加電圧を分圧する第１のコンデンサまたは第２のコンデンサを介して反対側のスイッチング素子の主電流路の１次巻線の巻線端側に接続し、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子の各制御端子と２つのスイッチング素子の主電流路の共通接続点にそれぞれ印加電圧を分圧する第３のコンデンサまたは第４のコンデンサを接続したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の共振型スイッチング電源は、発振のためのフィードバック信号を共振コンデンサの両端から得ることによって安定した自励発振動作を維持させると共に、複数のコンデンサによる分圧作用によってスイッチング素子の破壊を阻止することができる。また、複数のコンデンサによる分圧作用によって、スイッチング素子のゲー・トソース間電圧印加電圧を同端子間耐電圧ＶＧＳ（Ｍａｘ）以下の任意の電圧を印可できるため、従来の欠点であったゲー・トソース間電圧印加電圧が同端子間耐電圧ＶＧＳ（Ｍａｘ）によって制限されることがなくなり、入力電圧が高くても設計可能となる。また、同理由により、回路負荷（回路の作動Ｑ）の設定可能範囲が広くなり、設計自由度が広くなると共に歪率を下げることができる。
【実施例】
【００１２】
図１に本発明の共振型スイッチング電源の一実施例を示す。
【００１３】
本発明は図２の自励共振型電源回路における各スイッチング素子の制御端子にそれぞれ印加電圧を分圧するコンデンサを接続し、２次側巻線に中間タップを設け、全波整流回路を付加したもので、図２の従来例と対応する部分には同一符号を付し、重複する説明は省略する。
【００１４】
図１において、入力端子１はチョークコイルＬ１を介してトランスＴの１次巻線Ｎ１の中間タップに接続されている。１次巻線Ｎ１の端子間には共振用容量として共振用コンデンサＣｏが接続され、さらに１次巻線Ｎ１の両端はそれぞれ、電界効果型スイッチング素子よりなる第１のスイッチング素子Ｑ１と第２のスイッチング素子Ｑ２の主電流路を介して抵抗Ｒ３からアースに接続されている。
ここで、チョークコイルＬ１は回路の突入電流の防止用であり、抵抗Ｒ３は回路の突入電流を防止するとともに、第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の作動点（自己バイアス法）を設定するためのものであり、仕様によっては省略してもよい。
【００１５】
第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲートは、それぞれたすきがけの形で、自らの主電流路が接続された１次巻線Ｎ１の巻線端とは反対側の巻線端に、抵抗Ｒ１、第１のコンデンサＣ１、ダイオードＤ３の並列回路、あるいは、抵抗Ｒ２、第２のコンデンサＣ２、ダイオードＤ４の並列回路を介して接続されている。また、第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の各ゲートソース間に第３、第４のコンデンサＣ３、Ｃ４が接続されている。
ここで、抵抗Ｒ１、Ｒ２は第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の起動用であり、第１、第３のコンデンサＣ１、Ｃ３あるいは第２、第４のコンデンサＣ２、Ｃ４はスイッチング素子保護用分圧コンデンサである。ダイオードＤ１、Ｄ２はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のスイッチングオンオフ移行時のスピードアップ用であり、これを用いることにより、電力変換効率が１〜３％程度改善することが確認されている。仕様によっては省略してもよい。
【００１６】
そして、トランスＴの２次巻線Ｎ２の両端には全波整流用のダイオードＤ１、Ｄ２と平滑用コンデンサＣ５が接続され出力端子２に接続されている。そして、２次巻線Ｎ２の中間タップはアースに接続されている。
【００１７】
上記のような構成とした回路において、入力端子１に外部より入力電圧Ｖｉｎを供給すると、マルチバイブレータのごとく、第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のどちらか一方が導通する。例えば、第１のスイッチング素子Ｑ１が先に導通したと仮定する。スイッチング素子Ｑ１が導通したことにより１次巻線Ｎ１に電流が流れ、１次巻線Ｎ１には電圧が誘導される。この時に誘導された電圧は帰還電圧として第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲートに印加される。すると第１のスイッチング素子Ｑ１には順方向バイアスが、第２のスイッチング素子Ｑ２には逆バイアスがそれぞれ与えられ、第１のスイッチング素子Ｑ１はオン状態、第２のスイッチング素子Ｑ２はオフ状態となる。また、この時に誘導された電圧は、共振用コンデンサＣｏと１次巻線Ｎ１が形成する共振回路に共振現象を生じさせる。
【００１８】
共振現象が生じることにより、１次巻線Ｎ１の端子間に現れる電圧（共振電圧）は正弦波状に変化する。この１次巻線Ｎ１の端子間に現れた共振電圧の変化に応じて、第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２は交互にオン状態あるいはオフ状態となり、以後、継続して自励発振動作を行うことになる。そして、２次巻線Ｎ２に現れた交流電圧を整流平滑して出力端子２に直流電圧Ｖｏを出力するものである。
【００１９】
本発明は、共振コンデンサＣｏによって安定した自励発振動作を維持させると共に、第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のゲート・ソース間に加わる電圧を第１、第３のコンデンサＣ１、Ｃ３あるいは第２、第４のコンデンサＣ２、Ｃ４のインピーダンス（リアクタンス）に応じて分圧し、ゲート・ソース間電圧が第１、第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の端子間耐電圧ＶＧＳ（Ｍａｘ）以下の任意の電圧を印可することができるため、ゲート・ソース間電圧がＶＧＳ（Ｍａｘ）によって制限されることがなくなり、入力電圧Ｖｉｎが高くても設計が可能となる。そして、その理由によって、回路負荷（回路の作動Ｑ）の設定可能範囲が広くなり、歪率を下げることができ、高調波を低減するとともに設計自由度を増すことができる。
【００２０】
上記の実施例では、入出力を非絶縁としたが、絶縁型としてもよい。第３、第４のコンデンサＣ３、Ｃ４の一端は各々スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２のソースに接続されているが、各々アースに接続してもよい。また、第３、第４のコンデンサＣ３、Ｃ４はスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２に寄生するゲート入力容量で代用してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明による共振型スイッチング電源の実施例の回路図
【図２】従来のロイヤー回路
【図３】従来のロイヤー回路を改善した主要回路図（ａ，ｂ）
【符号の説明】
【００２２】
１  入力端子
２  出力端子
Ｑ１、Ｑ２  スイッチング素子
Ｃｏ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５  コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４  ダイオード
Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３  抵抗
Ｌ１  チョークコイル
Ｔ  トランス
【図１】
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【図２】
2008061369.tif 000004
【図３】
2008061369.tif 000005