(57)【要約】      （修正有）【課題】スイッチモード電源の同期整流器スイッチを制御するための制御回路を提供する。【解決手段】スイッチモード電源は、一次側スイッチＳ１とトランスとを備 え、このトランスは、一次巻線と、二次巻線ＷＳと、二次側補助巻線ＷＨとを備える。電圧タップ点Ｐが二次巻線ＷＳと二次側補助巻線ＷＨとの間に設けられ、制御回路１００は、二次側補助巻線ＷＨへの接続部及び電圧タップ点Ｐへの接続部に接続される。制御回路１００は、スイッチの制御端末に接続されるように構成され、出力電圧は、二次巻線ＷＳに並列にタップされるように構成される。制御回路は、出力端末と電圧タップ点との間の接続を短絡させるように二次側スイッチを制御し、また、所定の時定数を有する正負の制御パルスを提供するようにＲＣ要素Ｒ１、Ｃ１を制御する。ＲＣ要素を用いているため、制御回路を非常にリーズナブルな価格で提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチモード電源の出力電圧を制御するための制御回路であって、
前記スイッチモード電源は、一次側スイッチ並びに一次巻線と二次巻線と二次側補助巻線とを有するトランスを備え、
二次巻線と補助巻線との間に電圧タップ点が提供され、
該制御回路は、補助巻線への、及び前記電圧タップ点への、接続部に接続するように構成され、
該制御回路は、スイッチモード電源の出力端末に接続するように構成され、出力電圧は、二次巻線と並列にタップされるように構成され、
前記制御回路は、前記出力端末と前記電圧タップ点との間で整流ダイオードを短絡させるための二次側スイッチと、所定の時定数を有する正負の制御パルスを提供するためのＲＣ要素とを備え、前記ＲＣ要素は、補助巻線と並列に接続する、
制御回路。
【請求項２】
二次側スイッチの動作電圧を与えるための抵抗器を更に備え、前記抵抗器は、電圧タップ点及び前記二次側スイッチの制御入力に接続する、請求項１に記載の制御回路。
【請求項３】
該抵抗器が、該ＲＣ要素のキャパシタンスの所定の放電に適する抵抗値を有する請求項２に記載の制御回路。
【請求項４】
該二次側スイッチが、統合型の整流ダイオードを有する電界効果トランジスタである請求項１に記載の制御回路。
【請求項５】
該時定数が、電流が該整流ダイオードを流れる時間に対応するように、該ＲＣ要素が実行される請求項１に記載の制御回路。
【請求項６】
制御出力電圧を発生するためのスイッチモード電源であって、前記スイッチモード電源は、
入力電圧をサンプリングするための一次側スイッチと、
一次巻線と、二次巻線と、補助電圧を発生するように構成される二次補助巻線とを有するトランスと、
電力損失を最小にするための制御回路と、を備え、
前記制御回路は、前記出力端末と前記電圧タップ点との間で整流ダイオードを短絡させるための二次側スイッチと、所定の時定数を有する正負の制御パルスを提供するためのＲＣ要素とを備え、前記ＲＣ要素は、補助巻線と並列に接続する、
スイッチモード電源。
【請求項７】
二次側スイッチの動作電圧を与える抵抗器を更に備え、前記抵抗器は、電圧タップ点及び前記二次側スイッチの制御入力に接続する請求項６に記載のスイッチモード電源。
【請求項８】
該抵抗器が、ＲＣ要素のキャパシタンスの所定の放電に適する抵抗値を有する請求項７に記載のスイッチモード電源。
【請求項９】
該二次側スイッチが、統合型の整流ダイオードを有する電界効果トランジスタである請求項６に記載のスイッチモード電源。
【請求項１０】
該時定数が整流ダイオードに電流が流れる期間に対応するように、該ＲＣ要素が実行される請求項６に記載のスイッチモード電源。
【請求項１１】
スイッチモード電源の出力電圧を制御するための方法であって、前記スイッチモード電源は、一次側スイッチと、一次巻線と、二次巻線と、補助電圧を生産するために構成される第二次補助巻線と、出力電圧を制御するための制御回路とを備え、前記二次巻線と前記補助巻線との間に電圧タップ点を有し、前記方法は、
一次側スイッチにより入力電圧を一次側サンプリングするステップと、
スイッチモード電源の出力電圧を発生させるステップと、
ＲＣ要素により、所定の時定数に対応する正負の制御パルスを発生させるステップと、
並列ダイオードを有する二次側スイッチに、前記正負の制御パルスを出力するステップと、
スイッチモード電源の電力損失を最小にするため、二次側スイッチにより、正負の制御パルスに依存して、並列ダイオードを一時的に短絡させるステップと
を有する方法。
【請求項１２】
該所定の時定数が、電流が並列ダイオードを流れる時間に対応する請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチモード電源に関し、特に、スイッチモード電源装置の二次ダイオードを一時的に短絡させることで電力損失を低減するスイッチ制御用の制御回路に関する。本発明は特に、一次制御スイッチモード電源の制御回路に関し、この制御回路は、一次側スイッチと、トランスとを備え、このトランスは、一次巻線と、二次巻線と、二次側補助巻線とを備える。二次巻線と補助巻線の間には、電圧タップ点が与えられ、またこの制御回路は、補助巻線の接続部及び前記電圧タップ点に接続するように構成されている。制御回路は、スイッチモード電源の出力端末に接続するように構成され、この出力電圧は、二次巻線と並列にタップされるように構成される。本発明は更に、出力電圧を発生させるスイッチモード電源に関し、このスイッチモード電源は、制御回路を使用可能にする。
【背景技術】
【０００２】
スイッチモード電源とは、整流とフィルターを経た後の主電圧をカット（チョップ）する、クロック型の電源ユニットである。このスイッチモード電源は現在、多様な用途に対する電源トランスを有する従来のパワーパックに好適であり、その理由は、様々なパフォーマンスのカテゴリーで、効率が高くまた必要な空間が狭くてよいからである。
【０００３】
電子スイッチを用いることで生じることは、本質的にはスイッチング損失だけであり、変圧される電圧は、主電圧ではなく、高周波数のＡＣ電圧である。通常の主周波数は５０Ｈｚや６０Ｈｚであるが、その代わりに、例えば２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚの範囲の高周波数のＡＣ電圧が可能である。
【０００４】
必要なトランスの巻線数は周波数に反比例して減少するので、このため抵抗損失は著しく減少し、要求されるトランスは非常に小型になる。周波数一定で、パルス占有比を変えることにより、あるいは固定又は可変パルス占有比で、周波数を変えることのいずれかにより、制御が行われる。
【０００５】
電子スイッチを閉じるクロックのクロック比により、出力電圧は決定される。電圧を電子スイッチによってカット（チョップ）することにより、あらゆる電圧に変圧することができ、また整流もできる。スイッチモード電源のＤＣ出力電圧を望ましいように制御するためにスイッチのパルス占有比を一次側で変える場合、係るスイッチモード電源は、一次クロックのスイッチモード電源と呼ばれる。一次クロックのスイッチモード電源が一般に好適であるのは、効率が高いからである。
【０００６】
更に効率を最適化するため、特に一次クロックのスイッチモード電源においては、高周波トランスの飽和を防止するため、高周波トランスの一次側のスイッチにより発生する周波数を、パワーパックの二次側に印可される負荷により制御する場合があることが知られている。この種の制御のために必要なフィードバックは、例えば、補助巻線でタップされる電圧を基準値として用いることで実現される。
【０００７】
補助巻線を使用することによって基準値を発生させることは、例えば、ドイツ特許出願番号ＤＥ  １００  １８  ２２９  Ａ１に示されている。ＤＥ  １００  １８  ２２９  Ａ１に説明され、一次制御のスイッチモード電源の出力電流や出力電圧を制御するために用いられる方法は、入力電圧と無関係に電流及び電圧を制御するためにこの基準値を用いる操作を含み、ここで基準値は、回路内に形成され、電圧制御装置に影響を与えるために用いられている。
【０００８】
この種類のスイッチモード電源は、複数のダイオードとキャパシタとその他の電子部品とを備える二次回路を動作させることが多い。ここでダイオードは、スイッチモード電源によって発生したＡＣ電圧をＤＣ電圧に変換するために用いられる。これらのダイオードは、電流を通している間に無視できない電圧降下を引き起こすので、望ましくない電力損失が引き起こされる。この電力損失を減らすため、必要に応じて、スイッチ、例えば電界効果トランジスタを切り替えて、ダイオードと並列となるようにする。これにより、電圧降下が低減し電力損失が低減する効果がもたらされる。
【０００９】
このような回路は、同期整流器と呼ばれる。この同期整流器は、スイッチを制御するための回路技術に対してかなりの投資を必要とする場合があり、よりコンパクトな構造の設計で、よりリーズナブルな価格で生産することができるスイッチモード電源を提供することができるよう、回路技術に対するこのような投資を減らすことが望まれる。
【００１０】
さらに、ＷＯ９９／５７７７では、連続式のフライバックコンバーターが知られており、ここでは、トランスの二次側における電圧降下を低減するために、ＦＥＴトランジスタが提供される。ＦＥＴトランジスタを使用することにより、コンバーターの二次側で負担する電力損失が、従来のコンバーターよりも小さくなるので、このコンバーターは低電圧用途に対してより適切になる。また、コンバーターは、二次側で電力損失を更に低減するため、直流阻止キャパシタを有する。二次側は、ＰＮＰトランジスタを更に有しており、このＰＮＰトランジスタではエミッタがＦＥＴトランジスタのゲートに接続し、コレクタがＦＥＴトランジスタのソースに接続し、ベースが補助巻線の第１の端子に接続する。
【００１１】
しかしながら、この回路では、前記ＰＮＰトランジスタを提供することによってさえも回路があまりに複雑で費用がかかるという問題と、また信頼性につき改良の余地があるという問題とがあった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
従って、本発明の目的は、回路技術に対する投資を最低に実現することができるような方法で、同期整流器におけるスイッチを制御するための、制御回路及びそれぞれの方法を設計することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明は、同期整流器の二次側スイッチを制御するために単一のＲＣ素子を用いることができ、これにより二次側の回路技術への投資も同時に著しく減少することができる、という知見に基づきなされたものである。本発明に従い、同期整流器を制御するための制御回路が提供され、ここで、スイッチモード電源は、一次側スイッチと、トランスとを備え、このトランスは、一次巻線と、二次巻線と、二次側補助巻線とを備える。電圧タップ点が、二次巻線と補助巻線との間に提供される。制御回路は、補助巻線の接続部及び前記電圧タップ点への接続部に接続するように構成され、前記制御回路は、スイッチモード電源の出力端末に接続可能であり、また出力電圧は、二次巻線と並列にタップされるよう構成されている。制御回路は、出力端末と電圧タップ点との間で整流ダイオードを短絡させるための、二次側スイッチを備える。制御回路は、所定の時定数を有する正負の制御パルスを提供するＲＣ素子を更に備え、前記ＲＣ素子は、補助巻線と並列に接続している。ここで得られる利点は、整流ダイオード前後での電圧降下が、スイッチモード電源の出力電圧に発現されないということである。整流ダイオードを電流が通じている間、前記整流ダイオードの前後での電圧降下は、前記ダイオードを一時的に短絡することによって減少し、それにより電力損失が減少することになる。更に、スイッチを制御するために用いる標準的な電子部品の数を本質的に減らすことが出来る点に利点がある。
【００１４】
更なる具体例に従い、二次側スイッチは電界効果トランジスタであり、制御回路は、電界効果トランジスタの動作電圧を与える抵抗器を有している。この抵抗器は、電圧タップ点に、及び電界効果トランジスタの制御入力部に、接続している。電界効果トランジスタの使用がスイッチモード電源の出力電圧の正確な制御をもたらす限りにおいて、この具体例は有利である。加えて、電界効果トランジスタは市販されていて安価な部品である点が利点であり、これにより、制御回路がリーズナブルな価格で生産されるようになる。この電界効果トランジスタは、ほぼゼロ電力で制御できるため、エネルギ節約に対する要求は満たされる。
【００１５】
添付の図面は、発明の原理を説明する目的で、明細書に統合されその一部を形成する。これら図面は発明を、発明が作られ用いられることを例示及び説明する各種実施例だけに制限するものとして解釈されるものではない。更なる特徴及び利点は以下から明白になり、本発明のより詳細な形態は、添付の図面に例示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の例示的な具体例を、図面を参照して説明し、ここでは同様の構成要素や構造を、同様の符号で指示することとする。
【００１７】
添付の図面、特に図１を参照し、一次制御スイッチモード電源の出力電圧Ｕｏｕｔを制御するための制御回路を、その用途環境において示すこととする。制御回路１００は、二次側スイッチＳ２と、ＲＣ要素Ｒ１、Ｃ１とを備えている。図１の中に示されるトランスの補助巻線ＷＨにおいては、電圧パルスが、一次側サンプリングプロセスによって誘導され、この直列ＲＣ要素Ｒ１、Ｃ１は、所定の時定数を有することによって更に電圧パルスを修正する。ＲＣ要素Ｒ１、Ｃ１は、二次側スイッチＳ２の制御入力に接続しており、所定の時定数を有する制御信号を提供する。
【００１８】
二次側スイッチＳ２は、二次巻線ＷＳと二次補助巻線ＷＨの間に与えられる電圧タップ点Ｐに接続し、平滑コンデンサＣ２でタップされるように適応される出力電圧Ｕｏｕｔを外部に向けて伝えるダイオードＤ１を一時的に短絡させる。
【００１９】
二次側スイッチＳ２は、ＲＣ要素Ｒ１、Ｃ１を介して、所定の時定数を有する制御電圧の正負のパルスを受ける。正負の制御パルスを、この所定の時定数によって調整することにより、スイッチＳ２が、前記制御パルスのそれぞれのゼロ通過の直前に出力端末と電圧タップ点Ｐとの間の接続を離すようにする。
【００２０】
ダイオードＤ１を一時に短絡させることにより、電流を流す間の電力損失が著しく低減したという効果を奏する。
【００２１】
抵抗値及びキャパシタンス値を適切に選択することにより、ＲＣ要素Ｒ１、Ｃ１の時定数がダイオードＤ１の電流の周期と整合するとき、二次側スイッチＳ２は、二次巻線ＷＳで電圧の正負が逆転する直前にブロックされることで、逆電流がスイッチを流れることが防止される。これが防止されなければ、この逆電流により高い電力損失が引き起されるだろう。
【００２２】
図２は、本発明に従った制御回路の別の具体例を示す。ここで、この制御回路は、二次側スイッチＳ２の動作電圧を与える抵抗器Ｒ２を含む。抵抗器Ｒ２は、電圧タップ点Ｐに、並びに二次側スイッチＳ２の制御入力部に、接続している。
【００２３】
図３は、スイッチＳ２の代わりに電界効果トランジスタＴ１が用いられる本発明の有利な更なる開発を示す。二次側の電界効果トランジスタＴ１は、先に説明した方法でＲＣ要素Ｒ１、Ｃ１を介してそこに制御電圧を供給する。ここで、この制御電圧は、アナログ形態で二次側の電界効果トランジスタＴ１を制御することで、前記電界効果トランジスタＴ１が、ダイオードＤ１の電流周期の最も大きな確率の部分の間にオンになり、二次巻線ＷＳでの電圧の正負逆転の充分前にブロックされるようになる。
【００２４】
加えて、二次側スイッチとして電界効果トランジスタＴ１を用いることにより、有利な方法で市販の安い部品を用いる可能性を提供し、そしてそれにより、制御回路がリーズナブルな価格で生産できるようになる。
【００２５】
必要な部品の数が非常に少ないため、制御回路のための製造コストを有利な方法で低減することができる。
【００２６】
リーズナブルな価格の制御回路は、特にフライバックコンバーターに適切であり、とりわけ、例えば、ドイツ特許出願ＤＥ  １００  １８  ２２９  Ａ１に示されるタイプのスイッチモード電源に適切である事実が、参照されるべきである。制御回路は、しかしながら、他の一次制御スイッチモード電源にも用いられてもよい。
【００２７】
本発明の上記の具体例を用いることにより、出力電圧Ｕｏｕｔを発生させるための改良されたスイッチモード電源を提供することが可能である。一次側スイッチＳ１によって、入力電圧Ｕｉｎの一次側サンプリングが行われ、そして適切なサンプリング周波数を選択することにより、所望の出力電圧Ｕｏｕｔを発生させることができる。ＲＣ要素は正負の制御パルスを発生し、前記制御パルスは、所定の時定数に対応する。この所定の時定数は、例えば一次側スイッチＳ１のサンプリング周波数に対応してもよく、正負の制御パルスは、整流器要素（ダイオードと同期整流器）の電力損失を最小にするような方法で、二次側スイッチＳ２をして、電圧タップ点Ｐとスイッチモード電源の出力端末との間を接続させるようにする。
【００２８】
これにより、また先に説明した本発明の他の具体例全てにより、同期整流器スイッチのための制御回路を、非常にリーズナブルな価格で実現することができる。とりわけ、ＰＮＰトランジスタ等の余計な部品を必要としない。
【００２９】
更に、本発明に従った方法では、スイッチオフが、電流が止まる直前に時間従属的に実行されるので、スイッチオフが改善されるという利点を有する。このように、スイッチオフによる電力損失を、大幅に低減する事が可能である。
【００３０】
上記に従って構成された物理的な具体例に関して本発明を説明してきたが、上記の教示に照らしかつ特許請求の範囲の範囲内で、本発明の本質及び意図された範囲から離れることなく、本発明の様々な変更、変形及び改善をなすことができる事は、いわゆる当業者には明らかである。
【００３１】
更に、ここで説明される本発明を必要なく不明瞭にしないために、当業者によく知られていると思われる領域については、ここで説明をしなかった。従って、本発明は、特定の例示された具体例によって限定されるべきではなく、ただ添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるべきであることが、理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明に従った制御回路を含む一次制御スイッチモード電源の回路図
【図２】更なる具体例に従った制御回路を含む一次制御スイッチモード電源の回路図
【図３】第３の具体例に従った制御回路を含む一次制御スイッチモード電源の回路図
【図１】
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【図２】
2005137191.tif 000004
【図３】
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【外国語明細書】
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