(57)【要約】【課題】軽負荷時に平滑チョークコイルに流れる電流が不連続になる領域を検出して、その期間は電界効果トランジスタによる同期整流動作を停止させることにより、ショート電流を防ぎ、無効電流による効率の悪化及び同期整流用電界効果トランジスタの安全性低下を防ぐ。【解決手段】コンバータトランスの２次巻線の中点を接地し、２次巻線の両端に同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５を接続する。一方、コンバータトランスには同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５を駆動するための駆動用巻線を設け、この駆動用巻線と電界効果トランジスタ２４、２５の間に同期整流制御用の電界効果トランジスタ３４、３５を接続する。そして、軽負荷時に平滑チョークコイルに流れる電流の不連続性を検出してこの検出した制御信号を上記同期整流制御用電界効果トランジスタ３４、３５のゲート電極に供給することにより、同期整流用電界効果トランジスタ２４，２５を非導通として、その間の同期整流動作を内蔵ダイオードによる同期整流動作に切り換える。【選択図】        図１ 
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換するスイッチング回路と、
該スイッチング回路の出力が供給されるコンバータトランスと、
該コンバータトランスの１次巻線と直列接続される共振用コンデンサと、
前記コンバータトランスの２次巻線の中点が接地され、前記２次巻線の一方の端子がソース電極に接続される第１の同期整流用電界効果トランジスタと、
ソース電極が前記コンバータトランスの前記２次巻線の他方の端子に接続され、ドレイン電極が前記第１の同期整流用電界効果トランジスタのドレイン電極に接続される第２の同期整流用電界効果トランジスタと、
前記コンバータトランスの前記２次巻線の一方の端子と前記第１の同期整流用電界効果トランジスタのゲート電極間に接続される前記第１の同期整流用電界効果トランジスタを駆動する第１の駆動用巻線と、
前記コンバータトランスの前記２次巻線の他方の端子と前記第２の同期整流用電界効果トランジスタのゲート電極間に接続され、前記第２の同期整流用電界効果トランジスタを駆動する第２の駆動用巻線と、
前記第１及び第２の同期整流用電界効果トランジスタの結合されたドレイン電極から全波整流出力が供給される平滑チョークコイルと、
一端が前記平滑チョークコイルの他端と出力端子に接続され、他端が接地端子に接続される平滑コンデンサと、
を備えた電流共振コンバータ装置において、
前記第１の駆動用巻線の一端と前記第１の同期整流用電界効果とトランジスタのゲート電極間に接続される第１の同期整流制御用電界効果トランジスタと、
前記第２の駆動用巻線の一端と前記第２の同期整流用電界効果とトランジスタのゲート電極間に接続される第２の同期整流制御用電界効果トランジスタと、
前記コンバータトランスの２次側に設けられ、負荷の状態を検出する負荷状態検出回路と、
前記負荷状態検出回路の出力に基づいて、前記第１の同期整流制御用電界効果トランジスタ及び前記第２の同期整流制御用電界効果トランジスタをオン／オフ制御することを
特徴とする電流共振コンバータ装置。
【請求項２】
前記負荷状態検出回路は、前記出力端子に接続される前記負荷が軽負荷のときに、前記第１及び第２の同期整流制御用電界効果トランジスタをオフとすることにより、前記第１及び第２の同期整流用電界効果トランジスタを共に非導通とすることを特徴とする電流共振コンバータ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電流共振型コンバータ装置に関し、特に、軽負荷時の効率の改善と同期整流用スイッチングトランジスタの安全性の向上を図った電流共振型コンバータ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電流共振型スイッチング電源としては、コンバータトランスの２次側に得られる出力電圧を同期整流する簡易同期整流型の電流共振型スイッチング電源回路が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００３】
図２は、特許文献１に記載されている従来の電流共振型コンバータ装置の代表例を示したものである。コンバータトランス５の１次側には、Ｅを供給電源とする、ハーフブリッジ接続のスイッチング回路を形成するＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａ、３ｂが直列接続されている。このＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａ、３ｂは、信号源１からの信号が絶縁トランス２を介してゲート電極に供給されて交互にオン／オフ制御される。そして、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａとＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ｂの接続点に発生する出力電圧Ｖ１がコンバータトランス５の１次巻線５ａと共振コンデンサ６からなる直列共振回路に供給されて、１次電流Ｉ１が流れる。
【０００４】
また、コンバータトランス５の２次巻線５ｂに誘起される誘起電圧Ｖ２は同期整流型ＭＯＳ型電界効果トランジスタ９、１０のソース電極に供給され、このＭＯＳ型電界効果トランジスタ９、１０の整流作用を経てそれぞれのＭＯＳ型電界効果トランジスタ９、１０に流れる電流Ｉ２、Ｉ３が平滑コンデンサ１４を充電するように全波整流回路が構成される。この図２に示すスイッチング電源の場合、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ９、１０をドライブする開閉制御信号は、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａ、３ｂを駆動する信号源１からの信号電圧を、駆動トランス７、８を介して、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ９、１０のゲートに供給することによって行われる。そして、コンバータトランス５の２次巻線５ｂの出力電圧Ｖ２の極性に対応して、例えば、２次巻線５ｂの出力電圧が正となった方のＭＯＳ型電界効果トランジスタがオンとなるように構成されている。なお、ダイオード１１ａ，１１ｂはＭＯＳ型電界効果トランジスタ９、１０の構造によって形成される内蔵ダイオードである。
【０００５】
以下、図２に示すスイッチング電源の動作を簡単に説明する。
まず、供給電源Ｅが印加されると、最初は、例えばＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａがオン、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ｂがオフとなるように駆動される。そして、このときに供給電源ＥからＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａ、コンバータトランス５の１次巻線５ａを介して共振コンデンサ６に電流Ｉ１が流れ、共振コンデンサ６が充電される。次に、１次側の共振周期に対応してＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａがオフ、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ｂがオンとなるように駆動することにより、コンバータトランス５の１次巻線５ａに共振コンデンサ６の共振電流が流れ、これによって２次側に交番電圧Ｖ２が発生する。
【０００６】
コンバータトランス５の２次巻線５ｂに発生する交番電圧Ｖ２は、前記ＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａ、３ｂのオン／オフのタイミングと一致して、例えばその極性が正となる期間にそれぞれＭＯＳ型電界効果トランジスタ９またはＭＯＳ型電界効果トランジスタ１０が交互に導通するように、駆動トランス７、８を介してゲート電極に信号源１からの信号電圧が印加される。この結果、平滑コンデンサ１４に整流電流Ｉ２、Ｉ３が流れ込み、全波整流が行われる。
【０００７】
なお、信号源１はＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａ、３ｂをドライブするための制御用ＩＣ回路であり、このＩＣ回路は通常は出力電圧Ｖ０を一定の電圧に維持するようにスイッチング周波数を制御すると共に、スイッチング電源の異常な温度上昇等を検知してスイッチング動作を停止させる保護機能を持っている。また抵抗器１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂはゲート容量に対して適当な時定数でオンタイミングを設定する作用を有する抵抗器である。
【０００８】
この従来の電流共振型コンバータ装置では、同期整流器として機能しているＭＯＳ型電界効果トランジスタ９、１０の開閉制御が、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａ、３ｂのオン／オフ制御と同期して行われるので、整流電流の流れはじめと出力電圧の立ち上がり点を完全に一致させることができるようになり、整流出力効率を改善することができるという効果がある。また、ＭＯＳ型電界効果トランジスタ３ａ、３ｂのスイッチング周期が変化したときもその変化に位相遅れなく追従して同期整流が行われるため、電圧のレギュレーションも改善されるという効果も奏するものである。
【０００９】
次に、図３に基づいて、従来の電流共振型コンバータ装置の他の例について説明する。この例では、直流電源２０がスイッチング回路２１に接続され、スイッチング回路２１の出力がコンバータトランス２２の１次巻線２２ａと共振用コンデンサ２３の直列共振回路に供給されている。これにより、コンバータトランス２２の１次巻線２２ａの両端に交番電圧が発生することは、図２場合と同様である。
【００１０】
また、この例では、コンバータトランス２２の２次巻線２２ｂは、その中点が接地端子３０に接続され、一方の端子が同期整流用電界効果トランジスタ２４のソース電極に、他方の端子が同期整流用電界効果トランジスタ２５のソース電極に接続されている。そして同期整流用電界効果トランジスタ２４と２５のドレイン電極は結合されて平滑用チョークコイル２７の一端に接続されている。平滑用チョークコイル２７の他端は平滑コンデンサ２８の一端に接続されると共に、出力端子２９に接続されている。
【００１１】
また、同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５のゲート電極には、コンバータトランス２２の３次巻線である第１の駆動巻線２２ｃと、同じく４次巻線である第２の駆動巻線２２ｄから互いに反対極性となる交番電圧が供給されており、この交番電圧により、同期整流用電界効果トランジスタ２４と２５は交互にオン／オフ制御される。そして、同期整流用電界効果トランジスタ２４と２５のドレイン電極が結合された端子から全波整流（同期整流）された直流電圧が、平滑用チョークコイル２７と平滑コンデンサ２８の直列回路に供給され、平滑された直流電圧が出力端子２９を介して不図示の負荷に供給される。なお、２６ａ、２６ｂはＭＯＳ型電界効果トランジスタ２４、２５が本来持っている内蔵ダイオードを図示したものである。
【特許文献１】特開平１１−２９９２３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、上記従来の電流共振型コンバータ装置においては、コンバータトランス２２の２次側に設けられた同期整流用の駆動巻線２２ｃ、２２ｄにより駆動される同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５が、極性反転時に同時にオンする領域が発生する。また、簡易同期整流回路に限らず完全に別駆動した同期整流回路においても、ドライバ等により遅れが生じた場合には、同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５を同時にオンにすることがある。更に、平滑チョークコイルを有する電流共振コンバータにおいては、平滑チョークコイルのインダクタンスが十分でないために、特に、図４に示すように、軽負荷時に平滑チョークコイルに流れる電流が不連続になり、同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５の同時オンする領域においてショート電流が発生する場合がある。このショート電流は出力に寄与しない電流であり効率の悪化及び同期整流電界効果トランジスタ２４、２５の安全性低下を招くことになる。
【００１３】
これを防ぐためには、平滑チョークコイルのインダクタンスを十分に大きくとることが必要となるが、これは平滑チョークコイルの大型化及びコストアップにつながるという問題があった。また、同期整流用電界効果トランジスタに加わる電圧の増加を招くという問題があった。
【００１４】
本発明は、上記問題点に鑑み、軽負荷時に、平滑チョークコイルに流れる電流が不連続になる領域（図４参照）を検出して、その期間は同期整流動作を停止させるとともに、その期間は同期整流用電界効果トランジスタ２４，２５の内蔵ダイオード２６ａ、２６ｂを利用して整流を行うことにより、ショート電流を防ぎ、無効電流による効率の悪化及び同期整流用電界効果トランジスタの安全性低下を防ぐようにした電流共振型コンバータ装置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】
【００１５】
上記課題を解決し、本発明の目的を達成するため、本発明の電流共振型コンバータ装置は、直流電圧をスイッチングして交流電圧に変換するスイッチング回路と、該スイッチング回路の出力が供給されるコンバータトランスと、該コンバータトランスの１次巻線と直列接続される共振用コンデンサと、コンバータトランスの２次巻線の中点が接地され、２次巻線の一方の端子がソース電極に接続される第１の同期整流用電界効果トランジスタと、ソース電極がコンバータトランスの２次巻線の他方の端子に接続され、ドレイン電極が第１の同期整流用電界効果トランジスタのドレイン電極に接続される第２の同期整流用電界効果トランジスタと、コンバータトランスの２次巻線の一方の端子と前記第１の同期整流用電界効果トランジスタのゲート電極間に接続され、前記第１の同期整流用電界効果トランジスタを駆動する第１の駆動用巻線と、コンバータトランスの２次巻線の他方の端子と前記第２の同期整流用電界効果トランジスタのゲート電極間に接続され、前記第２の同期整流用電界効果トランジスタを駆動する第２の駆動用巻線と、前記第１及び第２の同期整流用電界効果トランジスタの結合されたドレイン電極から全波整流出力が供給される平滑チョークコイルと、一端が前記平滑チョークコイルの他端と出力端子に接続され、他端が接地端子に接続される平滑コンデンサとを備えた電流共振コンバータ装置において、第１の駆動用巻線の一端と第１の同期整流用電界効果とトランジスタのゲート電極間に接続される第１の同期整流制御用電界効果トランジスタと、第２の駆動用巻線の一端と第２の同期整流用電界効果とトランジスタのゲート電極間に接続される第２の同期整流制御用電界効果トランジスタと、コンバータトランスの２次側において負荷の状態を検出する負荷状態検出回路と、負荷状態検出回路の出力に基づいて、第１の同期整流制御用電界効果トランジスタ及び第２の同期整流制御用電界効果トランジスタをオン／オフ制御することを特徴とする。
【００１６】
また、本発明の電流共振型コンバータ装置に用いられる負荷状態検出回路は、前記出力端子に接続される前記負荷が軽負荷の状態を検出するものであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の電流共振型コンバータ装置によれば、軽負荷時において平滑チョークコイルに流れる電流が不連続となる領域を検出して、同期整流電界効果トランジスタの整流動作をオフとするので、軽負荷時の効率改善を図ることができるとともに、同期整流用電界効果トランジスタの安全性の向上を図ることが可能である。また、平滑チョークコイルの小型化を図ることができるか、もしくは平滑チョークコイルを省くことができて構成を簡単にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、図１を参照して本発明の電流共振型コンバータ装置の実施の形態の例を説明する。
図１において、図３の従来例と同じ構成部分は同一符号を付して説明する。
直流電源２０は、スイッチング回路２１に接続され、スイッチング回路２１の出力がコンバータトランス２２の１次巻線２２ａと共振用コンデンサ２３の直列共振回路に供給されている。これにより、コンバータトランス２２の１次巻線２２ａの両端に交番電圧が発生することは、図３の従来例の場合と同様である。
【００１９】
また、図３の例と同様に、本発明の実施の形態においても、コンバータトランス２２の２次巻線２２ｂは、その中点が接地端子３０に接続され、一方の端子が同期整流用電界効果トランジスタ２４のソース電極に、他方の端子が同期整流用電界効果トランジスタ２５のソース電極に接続されている。そして、これら同期整流用電界効果トランジスタ２４と２５のドレイン電極は結合されて負荷状態検出回路３２（以下、「検出回路３２」という。）を介して平滑チョークコイル２７の一端に接続されている。平滑用チョークコイル２７の他端は平滑コンデンサ２８の一端に接続されると共に、出力端子２９に接続されている。この検出回路３２は、平滑チョークコイル２７に流れる電流を検出して負荷が軽負荷であるか重負荷であるかを検出するための検出回路であり、必ずしも図１の位置にある必要はないものである。つまり、軽負荷状態を検出できればよいので、その配置位置は任意に選定することができる。
【００２０】
また、同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５のゲート電極には、それらの駆動用電源としてコンバータトランス２２の３次巻線である第１の駆動巻線２２ｃと、４次巻線である第２の駆動巻線２２ｄの一方の端子が、同期整流制御用電界効果トランジスタ３４、３５を介して接続されている。
また、この駆動巻線２２ｃと２２ｄの他方の端子はそれぞれ同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５のソース電極に接続されている。
【００２１】
出力端子２９には出力電圧を検出するコントロール回路３１が接続され、このコントロール回路３１の出力側がコンバータトランス２２の１次側のスイッチング回路２１に接続されている。また、検出回路３２の出力端子はもう一つのコントロール回路３３に接続され、コントロール回路３３の出力が、同期整流制御用電界効果トランジスタ３４と３５のゲート電極に供給されるように構成されている。
【００２２】
以下、本例の動作を説明すると、まず、直流電源２０からの直流電圧は、スイッチング回路２１において、交番電圧に変換され、コンバータトランス２２の１次巻線２２ａと共振コンデンサ２３の直列回路に供給される。そして、コンバータトランス２２の１次巻線２２ａの両端に、１次巻線２２ａのインダクタンスＬと共振コンデンサ２３のキャパシタンスＣで定まる共振周波数の交番電圧が発生する。
【００２３】
その結果、コンバータトランス２２の２次巻線２２ｂの両端と接地端子（２次巻線の中点）との間に同一周波数で反対極性の誘起交番電圧が発生し、この電圧が同期整流用電界効果トランジスタ２４と２５のソース電極に供給される。そして、電界効果トランジスタ２４、２５の同期整流作用により、それぞれのソース電極に加えられる交番電圧の極性が正のとき電界効果トランジスタ２４、２５が導通状態となり、この電圧が電界効果トランジスタ２４と２５のドレイン電極で合成されて、検出回路３２を経てリップル成分除去用の平滑チョークコイル２７と平滑コンデンサ２８の直列回路に供給される。そして、平滑コンデンサ２８の両端に出力電圧が取り出され、出力端子２９から不図示の負荷に供給される。
【００２４】
出力端子２９に得られる出力電圧は、例えば演算増幅器と基準電源等から構成される電圧検出を行うコントロール回路３１に供給され、ここで発生した制御電圧がコンバータトランス２２の１次側に設けられたスイッチング回路２１に供給される。ここで、スイッチング回路２１としては、例えば図２に示すような複数のＭＯＳ型電界効果トランジスタを直列に接続したものが用いられ、コントロール回路３１からの制御電圧によりスイッチング周波数を変えることにより、出力端子２９に得られる出力電圧を一定に保つように制御される。
【００２５】
検出回路３２は、例えば、平滑チョークコイル２７を流れる電流を検出することで、負荷が重負荷であるか軽負荷であるかを検出するものであり、この検出結果はコントロール回路３３に供給される。
すなわち、検出回路３２は、平滑チョークコイル２７のインダクタンスが十分な大きさでない場合であって出力が軽負荷時である場合に、平滑チョークコイル２７に流れる電流が図４に示すように不連続となることを検出する検出回路である。
【００２６】
この検出回路３２としては、例えばカレントトランスや抵抗等により平滑チョークコイル２７に流れる電流を検出する周知の電流検出回路が利用される。そして、この検出回路３２の出力が、コントロール回路３３に供給される。この結果、コントロール回路３３は、平滑チョークコイル２７に流れる電流が０以下になる領域、すなわち、図４の軽負荷時の電流が０Ａ以下になる領域において、同期整流制御用電界効果トランジスタ３４、３５をオフ状態とし、この期間、同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５が整流動作を行わないように制御する。
【００２７】
そして、同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５が同期整流を行わない期間は、同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５の内蔵ダイオード２６ａ、２６ｂを利用して整流を行うようにする。これにより、ショート電流を防ぎ無効電流による効率の悪化及び同期整流用電界効果トランジスタ２４、２５の安全性低下を防ぐことが可能となる。
なお、平滑チョークコイル２７に流れる電流が不連続になる領域は、軽負荷時と限られるので、検出方法としてはある一定の負荷以下であることを検出できれば十分である。そのため平滑チョークコイル２７に流れる電流を検出する以外にも、共振電流による検出や発振周波数による検出、出力電流による検出等の方法を用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の電流共振型コンバータ装置の実施の形態を示す回路図である。
【図２】従来の電流共振型コンバータ装置の例を示す回路図である。
【図３】従来の電流共振型コンバータ装置の他の例を示す回路図である。
【図４】軽負荷時と重負荷時の出力負荷の変動に対するレスポンス特性を示す図である。
【符号の説明】
【００２９】
２０・・・直流電源、２１・・・スイッチング回路、２２・・・コンバータトランス、２３・・・共振用コンデンサ、２４、２５・・・同期整流用電界効果トランジスタ、２７・・・平滑チョークコイル、２８・・・平滑コンデンサ、３２・・・検出回路（負荷状態検出回路）、３１、３２・・・コントロール回路、３４、３５・・・同期整流制御用電界効果トランジスタ、２２ｃ、２２ｄ・・・同期整流用駆動巻線
【図１】
2005045965.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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