(57)【要約】【課題】同期整流型のスイッチング電源において、逆電流または回生電流が発生する前にそれを確実に回避する。【解決手段】トランス１は、一次側の電力を二次側に伝達する。励磁用スイッチ回路２は、トランス１の一次側巻線を励磁する。整流用スイッチ回路３は、トランス１の出力を整流する。モニタ回路２０は、入力電圧Ｖｉｎをモニタする。制御回路１０は、通常動作時は、出力電圧Ｖｏｕｔ  に基づいて生成した制御信号を励磁用スイッチ回路２および整流用スイッチ回路３に供給する。入力電圧Ｖｉｎが所定値以下に低下すると、整流用スイッチ回路３に供給されるべき制御信号が遮断され、整流用スイッチ回路３が停止する。【選択図】  図１
2004336908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力側の電力を変換し出力側に伝達するスイッチング電源について、
上記入力側の電力を所定の電力に変換する第１のスイッチ回路と、
上記変換された所定の電力を出力する第２のスイッチ回路と、
上記第１のスイッチ回路および第２のスイッチ回路を制御するスイッチ制御回路と、
入力電圧をモニタするモニタ回路と、
上記モニタ回路により検出された入力電圧が予め決められた所定値よりも低下したときに、上記第２のスイッチ回路を停止する停止回路、
を有するスイッチング電源。
【請求項２】
入力側の電力を変換し出力側に伝達するスイッチング電源について、
上記入力側の電力を所定の電力に変換する第１のスイッチ回路と、
上記変換された所定の電力を出力する第２のスイッチ回路と、
上記第１のスイッチ回路および第２のスイッチ回路を制御するスイッチ制御回路と、
入力電圧をモニタするモニタ回路と、
出力電圧に対する入力電圧の比率が予め決められた所定値よりも小さくなったときに、上記第２のスイッチ回路を停止する停止回路、
を有するスイッチング電源。
【請求項３】
請求項１または２に記載のスイッチング電源であって、
上記停止回路は、上記スイッチ制御回路により生成されて上記第２のスイッチ回路に供給されるべき制御信号を遮断するゲート回路を有する
ことを特徴とするスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、同期整流型のスイッチング電源に係わり、特に、バッテリを充電するために使用される同期整流型スイッチング電源に係わる。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、様々な用途にスイッチング電源が使用されている。そして、変換効率の向上等を目的として、同期整流型のスイッチング電源が広く製造販売されている。
【０００３】
図４は、一般的な同期整流型スイッチング電源の要部回路図である。なお、ここでは、一次側（すなわち、入力側）に直流電源１０１が接続されており、二次側（すなわち、出力側）にバッテリ１０２が接続されている。
トランス１は、一次側の回路と二次側の回路とを電気的に絶縁しながら、その一次側に供給される電力を二次側に伝達する。第１のスイッチ回路としての励磁用スイッチ回路２は、１または複数のスイッチング素子２ａ〜２ｄを含み、トランス１の一次側の巻線を励磁する。なお、各スイッチング素子２ａ〜２ｄは、それぞれ、不図示の制御回路により制御される。
【０００４】
第２のスイッチ回路としての整流用スイッチ回路３は、スイッチング素子３ａ、３ｂを含み、励磁用スイッチ回路２と同期して動作するように上述の制御回路により制御される。なお、スイッチング素子３ａは、トランス１の一方の出力端とバッテリ１０２の負極との間に設けられており、スイッチング素子３ｂは、トランス１の他方の出力端とバッテリ１０２の負極との間に設けられている。また、トランス１のセンタータップとバッテリ１０２の正極との間にインダクタＬが設けられている。
【０００５】
上記スイッチング電源において、励磁用スイッチ回路２を適切に駆動することによりトランス１の一次側巻線が周期的に励磁される。また、励磁用スイッチ回路２と同期させながら整流用スイッチ回路３のスイッチング素子３ａ、３ｂを交互にオン状態に制御することにより、トランス１の二次側に生成される電流が整流される。そして、スイッチング素子３ａ、３ｂを介して流れる電流によりインダクタＬにエネルギーが蓄えられ、そのエネルギーによりバッテリ１０２が充電されるようになっている。
【０００６】
ところが、当該スイッチング電源または直流電源１０１の状態によっては、せっかく充電したバッテリ１０２から電流が流れ出してしまう事態が起こり得る。例えば、図５（ａ）に示す例では、整流用スイッチ回路３のスイッチング素子３ａ、３ｂが同時にオン状態になっている。この場合、二次側の回路は電気的にショートした状態（ショートモード）となり、図中の矢印が指し示す経路で大電流が流れてしまう。また、図５（ｂ）に示す例では、スイッチング素子３ａ、３ｂの一方がオン状態となったときに、図中の矢印で示すように、二次側の電流に起因して一次側に電流が発生している（回生モード）。
【０００７】
そして、このような電流が生成されると、バッテリ１０２の電圧が低下してしまう。さらに、定格以上の大電流が流れると、スイッチング素子（特に、整流用スイッチ回路３のスイッチング素子３ａ、３ｂ）が破損してしまうことも考えられる。
【０００８】
このため、従来より、上述のような逆電流または回生電流を回避するための構成が考えられている。
例えば、特許文献１、２には、二次側の回路を流れる電流をモニタし、逆電流が検出されたときに整流用スイッチ回路をオフ状態に制御する技術、が記載されている。
【０００９】
また、特許文献３には、逆電流が検知されたときに、ＰＷＭのデューティを大きくするなどして入出力変換比を増加させることによりその逆電流を抑制する回路、が記載されている。
さらに、特許文献４には、一次側または二次側の電流を検出し、その検出電流が所定値を越えたときに逆流防止動作を実行する回路、が記載されている。
【００１０】
【特許文献１】
特開２００２−８４７５６号公報（図１、２、要約、段落００２０〜００２３等）
【００１１】
【特許文献２】
特開２００２−２３３１４７号公報（図１、要約、第３ページ）
【００１２】
【特許文献３】
特開２００１−１６９５４５号公報（図１、要約、段落００４３〜００４８等）
【００１３】
【特許文献４】
特開平６−３４３２６２号公報（図１、要約、段落０００７〜０００９等）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１〜４に記載の技術は、いずれも、電流をモニタしておき、逆電流が検出された後にその逆電流を停止するための動作が開始される。すなわち、これらの構成では、逆電流が一時的に流れてしまうことが許容されている。このため、制御遅延が発生すると、例えば、出力コイル（図４におけるインダクタＬ）を介して逆電流が流れ、そこにエネルギーが蓄積されるので、その直後に整流用スイッチ回路がターンオフされると、その整流用スイッチ回路のスイッチング素子に大きなサージ電圧が印加されることとなり、それらの素子を保護しきれないことがある。
【００１５】
また、電流をモニタするためのカレントトランスを利用する構成では、そのために損失が発生するとともに、回路規模が大きくなってしまう。さらに、一次側の電流をモニタする構成では、トランスの一次側巻線を介して流れる励磁電流の影響により、検出誤差が大きくなってしまう。
【００１６】
本発明は、同期整流型のスイッチング電源において、入力電圧低下による逆電流または回生電流が発生する前にそれを確実に回避する構成を提供することである。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
本発明のスイッチング電源は、入力側の電力を変換し出力側に伝達するスイッチング電源であって、上記入力側の電力を所定の電力に変換する第１のスイッチ回路と、上記変換された所定の電力を出力する第２のスイッチ回路と、上記第１のスイッチ回路および第２のスイッチ回路を制御するスイッチ制御回路と、入力電圧をモニタするモニタ回路と、上記モニタ回路により検出された入力電圧が予め決められた所定値よりも低下したときに、上記第２のスイッチ回路を停止する停止回路、を有する。
【００１８】
スイッチング電源における逆電流は、入力電圧が低下した状態で第２のスイッチ回路がオン状態に制御されたときに発生するものと考えられる。そこで、本発明では、モニタ回路を用いてこのスイッチング電源の入力電圧をモニタする。そして、その入力電圧が予め決められた所定値よりも低下したときに第２のスイッチ回路を停止するようにしている。これにより、逆電流の発生を事前に回避することができる。また、電流をモニタする必要がないので、損失も小さくなる。
【００１９】
上記スイッチング電源において、停止回路は、出力電圧に対する入力電圧の比率が予め決められた所定値よりも小さくなったときに、上記第２のスイッチ回路を停止するようにしてもよい。逆電流の発生は、入力電圧と出力電圧との相対的な関係に依存するので、この構成を導入することにより逆電流を確実に回避できる。ただし、出力電圧が概ね一定であるときは、上述のように、入力電圧が予め決められた所定値よりも低下したときに第２のスイッチ回路を停止する構成でも十分に逆電流を回避できる。
【００２０】
また、上記停止回路は、上記スイッチ制御回路により生成されて上記第２のスイッチ回路に供給されるべき制御信号を遮断するゲート回路を有する構成であってもよい。この場合、入力電圧の低下に伴ってゲートが閉状態に制御される。この構成においては、第２のスイッチ回路を停止させるための機能が簡単な回路で実現される。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の実施形態のスイッチング電源の構成図である。なお、図１および図４において共通して使用している符号は、同じものを指し示している。すなわち、実施形態のスイッチング電源は、一次側の電力を二次側に伝達するトランス１、トランス１の一次側巻線を励磁する第１のスイッチ回路としての励磁用スイッチ回路２、トランス１の二次側出力を整流する第２のスイッチ回路としての整流用スイッチ回路３、エネルギーを一時的に蓄積するためのインダクタＬ等を備える。そして、その一次側（入力側）に直流電源１０１が接続されるとともに、その二次側（出力側）にバッテリ１０２が接続されており、バッテリ１０２を充電する充電器として動作するものとする。
【００２２】
制御回路１０は、出力電圧Ｖｏｕｔ  に基づいて、励磁用スイッチ回路２および整流用スイッチ回路３を制御する。具体的には、出力電圧Ｖｏｕｔ  が予め決められた所望の値を維持するように、各スイッチング素子２ａ〜２ｄおよび各スイッチング素子３ａ〜３ｂのＯＮ／ＯＦＦタイミングおよびデューティを決定し、それらのスイッチング素子に供給すべき制御信号を生成する。なお、これらの制御信号を生成する方法は、本発明の特徴的技術に直接係わるものではなく、公知の技術により実現可能なので、説明を省略する。
【００２３】
そして、スイッチング素子２ａ〜２ｄ、３ａ〜３ｂは、制御回路１０により生成された制御信号に従って制御される。なお、ここでは、図面を見やすくするために、制御回路１０と各スイッチング素子２ａ〜２ｄとを接続する配線、およびそれらの素子を駆動するためのドライバが省略されている。他方、スイッチング素子３ａ、３ｂは、ドライバ３１ａ、３１ｂにより駆動される。
【００２４】
ところで、図５に示すような逆電流または回生電流は、基本的に、このコンバータの出力電圧Ｖｏｕｔ  がバッテリ１０２の電圧よりも低下した状態で整流用スイッチ回路３をオン状態に制御したときに発生する。そして、出力電圧Ｖｏｕｔ  が低下する原因のひとつは、このスイッチング電源の入力電圧（すなわち、直流電源１０１の出力電圧）Ｖｉｎが低下することである。そこで、実施形態のスイッチング電源は、入力電圧Ｖｉｎをモニタするためのモニタ回路２０を備え、その入力電圧Ｖｉｎが所定値以下に低下したときに整流用スイッチ回路３の動作を停止する機能を有している。
【００２５】
モニタ回路２０は、入力電圧Ｖｉｎを所定の比率で分圧するための抵抗ネットワーク（Ｒ１、Ｒ２）、およびその抵抗ネットワークにより得られた電圧Ｖｘ  と閾値電圧Ｖｔｈとを比較するコンパレータ２１を備える。そして、コンパレータ２１は、電圧Ｖｘ  が閾値電圧Ｖｔｈよりも高い場合は「Ｈ」を出力し、電圧Ｖｘ  が閾値電圧Ｖｔｈよりも低くなると「Ｌ」を出力する。
【００２６】
閾値電圧Ｖｔｈは、例えば以下のようにして決定される。ここで、下記の関係式において、「ａ（＝Ｎ１／Ｎ２）」はトランス１の巻線比である。尚、「Ｎ１」は一次側巻線の巻き数であり、「Ｎ２」は二次側巻線の巻き数である。
Ｖｔｈ＝ａ×（Ｖｏｕｔ  ＋Ｍ）×Ｒ２／（Ｒ１＋Ｒ２）
ここで、出力電圧Ｖｏｕｔ  は、概ね一定の値に保持されている。また、「Ｍ」は出力電圧の変動を考慮したマージンであるが、出力電圧Ｖｏｕｔ  と比較して小さな値であり、必須のものではない。一方、電圧Ｖｘ  は、入力電圧Ｖｉｎを所定の比率で分圧することにより得られるので、入力電圧Ｖｉｎに比例している。したがって、抵抗ネットワークによる分圧比およびトランス１の巻線比を考慮して閾値電圧Ｖｔｈが適切に設定されれば、モニタ回路２０を用いて電圧Ｖｘ  と閾値電圧Ｖｔｈとを比較することにより、入力電圧Ｖｉｎが、このスイッチング電源において図５に示した逆電流または回生電流を発生させるような閾値電圧（予め決められた所定値）にまで低下したことを検出できる。
【００２７】
フォトカプラ３２は、このスイッチング電源の一次側と二次側とを電気的に絶縁しながら、モニタ回路２０によるモニタ結果を制御回路１０に伝える。すなわち、入力電圧Ｖｉｎが低下して電圧Ｖｘ  が閾値電圧Ｖｔｈよりも低くなると、その旨がフォトカプラ３２を介して制御回路１０に伝えられる。
【００２８】
制御回路１０は、電圧Ｖｘ  が閾値電圧Ｖｔｈよりも高い期間は、入力電圧Ｖｉｎが十分に高く、図５に示した逆電流または回生電流が発生しないものと判断し、出力電圧Ｖｏｕｔ  に基づいて生成される制御信号をそのまま励磁用スイッチ回路２および整流用スイッチ回路３に与える。しかし、電圧Ｖｘ  が閾値電圧Ｖｔｈよりも低くなると、入力電圧Ｖｉｎが低くなり、図５に示した逆電流または回生電流が発生する可能性があると判断し、整流用スイッチ回路３に供給されるべき制御信号を遮断する。これにより、整流用スイッチ回路３を構成するスイッチング素子３ａ、３ｂは、オフ状態に保持するようになるので、図５に示した逆電流または回生電流は回避される。
【００２９】
なお、整流用スイッチ回路３は、制御回路１０から供給されるべき制御信号が遮断された場合であっても、励磁用スイッチ回路２の動作が継続している間は、スイッチング素子３ａ、３ｂに並列に設けられているダイオードにより整流動作を行うことができる。ただし、ダイオードのみによる整流動作時には、スイッチング素子３ａ、３ｂが適切に制御されている場合と比較して、損失が大きくなってしまう。
【００３０】
図２は、整流用スイッチ回路を停止する機能を実現する回路の実施例である。ここで、励磁用スイッチ回路２および整流用スイッチ回路３に供給すべき制御信号は、制御回路１０の中に設けられるスイッチ制御回路１１により生成されるものとする。そして、ドライバ３３は、スイッチ制御回路１１により生成される制御信号に従ってスイッチング素子２ａ〜２ｄを駆動する。一方、ドライバ３１ａ、３１ｂは、スイッチ制御回路１１により生成される制御信号に従ってスイッチング素子３ａ、３ｂを駆動する。
【００３１】
停止回路１２は、上述したフォトカプラ３２、フォトカプラ３２の出力信号を反転させるインバータ回路１３、およびＡＮＤゲート回路１４ａ、１４ｂを備える。そして、ＡＮＤゲート回路１４ａ、１４ｂは、それぞれ、インバータ回路１３の出力が「Ｈ」であれば、スイッチ制御回路１１により生成された制御信号をそのままドライバ３１ａ、３１ｂに導くが、インバータ回路１３の出力が「Ｌ」になると、その制御信号を遮断する。これにより、整流用スイッチ回路３に供給すべき制御信号の遮断が実現される。
【００３２】
このように、実施形態のスイッチング電源においては、入力電圧Ｖｉｎが所定値以下に低下すると、フォトカプラ３２がオフし、インバータ回路１３の出力が「Ｌ」となり、整流用スイッチ回路３の動作が停止されるので、バッテリ１０２に蓄積されている電荷が放出されることによる逆電流または回生電流の発生が回避される。従って、バッテリ１０２が放電することはなく、また、過電流によるスイッチング素子の破壊等のおそれもなくなる。
【００３３】
また、実施形態のスイッチング電源は、入力電圧Ｖｉｎに基づいて整流用スイッチ回路３を停止する構成なので、実際に逆電流または回生電流が発生する前にそれを防ぐためのアクションを起こすことが可能である。このため、逆電流が検出された後にそれを防ぐ動作を開始する従来の構成と比べて、損失を少なくできるとともに、信頼性が高くなる。
【００３４】
さらに、従来技術において逆電流を正確に検出するためには二次側で電流をモニタする必要があるが、二次側回路は電流が大きいので、損失が大きくなるとともに、そのための部品（カレントトランス等）の大型化が不可避であった。これに対して実施形態のスイッチング電源では、電流を検出する必要がないので、損失を抑えることができ、装置の小型化も図れる。
【００３５】
さらに、一次側で電流をモニタしようとすると、励磁電流の影響を除去することが困難であるが、実施形態のスイッチング電源は、入力電圧Ｖｉｎを利用する構成であり、励磁電流の影響を受けにくいので、不要な逆電流防止動作が誤って実行されることもない。
【００３６】
なお、上述の実施形態では、保持すべき出力電圧Ｖｏｕｔ  に対応する固定値を閾値電圧Ｖｔｈとして使用しているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、図３に示すように、出力電圧Ｖｏｕｔ  またはそれに比例する電圧がモニタ回路２０に供給され、電圧Ｖｘ  と比較されるようにしてもよい。すなわち、この場合、トランス１の巻線比や入力電圧Ｖｉｎの分圧比等を適切に考慮しながら、出力電圧Ｖｏｕｔ  に対する入力電圧Ｖｉｎの比率が予め決められた所定値よりも小さくなったか否かを判断することにより、整流用スイッチ回路３を停止するか否かが決定される。ただし、この形態では、出力電圧Ｖｏｕｔ  またはそれに比例する電圧は、このスイッチング電源の一次側と二次側とを電気的に絶縁する伝達回路４１を介してモニタ回路２０に供給されることが望ましい。
【００３７】
また、他の用途のために入力電圧をモニタする回路を有しているスイッチング電源においては、その回路を利用して本発明を実現するようにすれば、本発明のみのために追加すべき部品は少なくなる。
さらに、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではなく、各請求項に記載した範囲において、種々の構成を採用可能である。すなわち、例えば、以下のような構成変更も可能である。
【００３８】
（１）上述の実施形態では、励磁用スイッチ回路２は、フルブリッジ回路で構成しているが、ハーフブリッジ回路で構成してもよい。
（２）上記スイッチング電源は、フォワード型コンバータやフライバック型コンバータなどを採用して構成してもよい。
【００３９】
（３）上記スイッチング電源は、二次側にバッテリ１０２が接続される充電器としての構成であるが、バッテリ１０２以外の負荷、例えば、コンバータやモータ等が接続される構成としてもよい。
（４）上記スイッチング電源は、トランス１を備えない非絶縁型コンバータとして構成してもよい。
【００４０】
（５）上記スイッチング電源は、昇圧型のコンバータ、降圧型のコンバータ、極性反転型のコンバータのいずれにも適用可能である。
【００４１】
【発明の効果】
本発明によれば、同期整流型のスイッチング電源において、入力電圧低下による逆電流または回生電流を確実に回避できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態のスイッチング電源の構成図である。
【図２】整流用スイッチ回路を停止する機能を実現する回路の実施例である。
【図３】他の実施形態のスイッチング電源の構成図である。
【図４】一般的な同期整流型スイッチング電源の要部回路図である。
【図５】従来技術の問題点を説明する図である。
【符号の説明】
１    トランス
２    励磁用スイッチ回路
２ａ〜２ｄ  スイッチング素子
３    整流用スイッチ回路
３ａ、３ｂ  スイッチング素子
１０  制御回路
１１  スイッチ制御回路
１２  停止回路
１４ａ、１４ｂ  ＡＮＤゲート回路
２０  モニタ回路
２１  コンパレータ
【図１】
2004336908.tif 000003
【図２】
2004336908.tif 000004
【図３】
2004336908.tif 000005
【図４】
2004336908.tif 000006
【図５】
2004336908.tif 000007