(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
主スイッチング素子と、この主スイッチング素子のオン・オフに伴って、エネルギーを蓄積または放出するチョークコイルと、前記チョークコイルがエネルギーを放出する時にオンする整流スイッチング素子とを備えたスイッチング電源装置において、
前記チョークコイルに巻回される駆動巻線と、
前記整流スイッチング素子を流れる電流を検出するカレントトランスと、
前記駆動巻線に発生した電圧を前記整流スイッチング素子にオン信号として供給する整流スイッチング素子駆動回路と、
前記カレントトランスの２次巻線に発生した検出信号により前記整流スイッチング素子をオフさせる整流スイッチング素子停止回路とを備え、
前記整流スイッチング素子駆動回路は、前記駆動巻線と前記整流スイッチング素子とのインピーダンスを整合するインピーダンス変換回路を備え、
前記整流スイッチング素子停止回路は、前記整流スイッチング素子に供給する前記オン信号よりも、前記検出信号を緩やかに立ち上げるように構成したことを特徴とするスイッチング電源装置の同期整流回路。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスイッチング電源装置に関わり、特に整流素子として整流スイッチング素子を用いて主スイッチング素子との同期整流を行なうスイッチング電源装置の同期整流回路に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、この種のスイッチング電源装置においては、トランスの２次巻線に誘起した電圧を整流する整流回路に整流ダイオードを使用すると、この整流ダイオードの順方向電圧による損失が大きいため、例えば電界効果トランジスタ（ＭＯＳ型ＦＥＴ）のような整流スイッチング素子を代わりに用いた同期整流回路が知られている。
【０００３】
例えば、特開平４−１２７８６９号公報には、トランスにおいて主スイッチング素子のオン・オフで誘起され電圧変換された高周波を、ＭＯＳ型ＦＥＴからなる整流用およびフライホイール用の各整流スイッチング素子により同期整流し、チョークコイルや平滑コンデンサで構成される平滑回路で平滑することで、所定電圧の直流電力を負荷に供給するスイッチング電源装置が開示されており、各整流スイッチング素子は、駆動回路などを備えた制御部から主スイッチング素子に同期した駆動信号が与えられるようになっている。
【０００４】
ところが、近年は出力電圧がＤＣ２Ｖや３．３Ｖなどの低電圧化の要求が高まっているので、こうした低出力電圧の下で出力電圧からの電圧供給により制御部ひいては整流スイッチング素子を動作させようとしても、整流スイッチング素子を駆動することができない。
【０００５】
このような問題に対して本願出願人は、フォワード式のＤＣ／ＤＣコンバータを備えたスイッチング電源装置において、主スイッチング素子のオフ時に、トランスに巻回した駆動巻線に誘起した電圧によって、整流回路を構成するフライホイール用の整流スイッチング素子をオンさせるとともに、整流スイッチング素子を流れる電流をカレントトランスで検出し、その検出信号のレベルが所定レベルにまで低下すると、整流スイッチング素子への駆動電圧の供給を遮断する同期整流回路を提案している。この場合、整流スイッチング素子のオン，オフの各タイミングを明確に規定できるという利点がある他に、駆動巻線に誘起した電圧を、そのまま整流スイッチング素子の駆動信号として供給しているので、出力電圧に左右されることなく、駆動巻線のターン数を適宜変えるだけで、整流スイッチング素子をオンさせるに十分な電圧を供給することができ、電源装置の低出力電圧化に対応することができる。
【０００６】
しかし、上記構成では、インバータを構成するトランスに駆動巻線を付加しなければならないため、トランスのみならず電源装置全体の大幅な設計変更を余儀なくされるという問題がある。
【０００７】
そこで本発明は上記問題点に鑑み、僅かな設計変更により電源装置の低出力電圧化に対応でき、また整流スイッチング素子の効率を向上させることができる同期整流回路を提供することをその目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明におけるスイッチング電源装置の同期整流回路は、主スイッチング素子と、この主スイッチング素子のオン・オフに伴って、エネルギーを蓄積または放出するチョークコイルと、前記チョークコイルがエネルギーを放出する時にオンする整流スイッチング素子とを備えたスイッチング電源装置において、前記チョークコイルに巻回される駆動巻線と、前記整流スイッチング素子を流れる電流を検出するカレントトランスと、前記駆動巻線に発生した電圧を前記整流スイッチング素子にオン信号として供給する整流スイッチング素子駆動回路と、前記カレントトランスの２次巻線に発生した検出信号により前記整流スイッチング素子をオフさせる整流スイッチング素子停止回路とを備え、前記整流スイッチング素子駆動回路は、前記駆動巻線と前記整流スイッチング素子とのインピーダンスを整合するインピーダンス変換回路を備え、前記整流スイッチング素子停止回路は、前記整流スイッチング素子に供給する前記オン信号よりも、前記検出信号を緩やかに立ち上げるように構成される。
【０００９】
主スイッチング素子がオンからオフに切り換わると、それまでチョークコイルに蓄えられていたエネルギーによって、駆動巻線に電圧が誘起される。そして、この電圧が整流スイッチング素子駆動回路から整流スイッチング素子に供給され、整流スイッチング素子がオンする。一方、チョークコイルからのエネルギー放出に伴ない、整流スイッチング素子に流れる慣性電流がカレントトランスにより検出され、カレントトランスの２次巻線に発生した検出信号が所定レベルに低下すると、整流スイッチング素子はオフする。このように、整流スイッチング素子のオン・オフのタイミングを明確に規定することで、例えば軽負荷時において、負荷からの逆電流によりチョークコイルにエネルギーが蓄積され、これが電源側に戻るような無駄な電力損失を回避することができる。
【００１０】
また、既存のチョークコイルに駆動巻線を巻回するだけで、この駆動巻線に誘起した電圧を、そのまま整流スイッチング素子の駆動信号として利用できるとともに、駆動巻線のターン数を適宜変えるだけで、整流スイッチング素子をオンさせるに十分な電圧を供給することができ、僅かな設計変更により電源装置の低出力電圧化に対応できる。
【００１１】
さらに、インピーダンス変換回路が駆動巻線と整流スイッチング素子とのインピーダンスを整合する回路として作用するので、従来技術に比べ整流スイッチング素子がより高速に立ち上がり、整流スイッチング素子の効率が向上する。
【００１２】
【発明の実施形態】
以下、本発明におけるスイッチング電源装置の各実施例を添付図面を参照して説明する。図１は本発明の第１実施例を示す回路図であり、同図において、１は直流入力電圧を供給する直流電源、２は１次側と２次側とを絶縁する主トランスすなわちトランスであり、直流電源１の両端間にトランス２の１次巻線３と例えばＭＯＳ型ＦＥＴからなる主スイッチング素子４との直列回路が接続される。また、トランス２の２次巻線５には、同期整流回路を構成する整流素子として、例えばＭＯＳ型ＦＥＴからなる整流用の整流スイッチング素子６とフライホイール用の整流スイッチング素子７が各々設けられる。そして、この整流スイッチング素子６，７とチョークコイル８と平滑コンデンサ９とにより、トランス２の２次側の整流平滑回路を構成している。なお、10，11は整流スイッチング素子６，７にそれぞれ内蔵するボディダイオード、＋Ｖｏ，−Ｖｏは、平滑コンデンサ９の両端間に接続した出力端子である。
【００１３】
本実施例は、いわゆるフォワード式ＤＣ／ＤＣコンバータの回路構成を有し、主スイッチング素子４がオンして、直流電源１からの入力電圧がトランス２の１次巻線に印加されると、整流スイッチング素子６がオンするのに対して整流スイッチング素子７がオフし、トランス２の２次巻線５からチョークコイル８を経由して、平滑コンデンサ９や出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏ間に接続する負荷（図示せず）にエネルギーが供給される。一方、主スイッチング素子４がオフすると、整流スイッチング素子６がオフするのに対して整流スイッチング素子７がオンし、それまでチョークコイル８に蓄えられたエネルギーが、平滑コンデンサ９や負荷に送り出されるようになっている。
【００１４】
12は、整流スイッチング素子７またはボディダイオード11を流れる電流を検出する電流検出器としてのカレントトランスである。カレントトランス12は、その１次巻線13が整流スイッチング素子７と直列に接続され、２次巻線14の両端間に抵抗15が接続される。そして、抵抗15の一端はコンデンサ16と抵抗17とを並列接続して構成されるスピードアップ回路18の一端が接続され、抵抗15の他端はカレントトランス12の１次巻線13から整流スイッチング素子７に至るラインに接続される。これらのカレントトランス12，抵抗15およびスピードアップ回路18は、カレントトランス12の２次巻線14に発生した検出信号により整流スイッチング素子７をオフさせる整流スイッチング素子停止回路19を構成している。
【００１５】
前記チョークコイル８は、出力電圧ラインに挿入接続した主巻線20の他に、共通するコアに巻回する駆動巻線21を備えており、この駆動巻線21に発生した電圧を前記整流スイッチング素子７にオン信号として供給する整流スイッチング素子駆動回路22が、駆動巻線21から整流スイッチング素子７のゲートに至る間に設けられる。整流スイッチング素子駆動回路22は、駆動巻線21の一端（非ドット側端子）に抵抗23とダイオード24との直列回路を接続し、ダイオード24のカソードに、抵抗25，26とＮＰＮ型のトランジスタ27とからなるインピーダンス変換回路としてのエミッタ・ホロワを接続し、トランジスタ27のエミッタを整流スイッチング素子６のゲートに接続している。また、一端をトランジスタ27のベースに接続した抵抗26の他端は、別のＰＮＰ型のトランジスタ28のエミッタが接続され、このトランジスタ28のエミッタと整流スイッチング素子６のゲートとの間に、放電用のダイオード29が接続されるとともに、トランジスタ28のエミッタ・ベース間に抵抗30が接続される。そして、トランジスタ28のベースが前記スピードアップ回路18の他端に接続され、トランジスタ28のコレクタと、前記駆動巻線21の他端（ドット側端子）が、整流スイッチング素子６のソースに接続される。
【００１６】
そして上記構成では、主スイッチング素子４がオンになり、トランス２の１次巻線３に入力電圧が印加されると、トランス２の２次巻線５のドット側端子に発生した正極性の電圧により、整流スイッチング素子６がオンし、トランス２の２次巻線５からチョークコイル８の主巻線20を介して、平滑コンデンサ９および出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏに接続される負荷（図示せず）にエネルギーが送り出される。このとき、チョークコイル８の駆動巻線21のドット側端子にも正極性の電圧が誘起されが、整流スイッチング素子駆動回路22を構成するダイオード24がオフになるので、整流スイッチング素子６はオフ状態となる。
【００１７】
その後、主スイッチング素子４のゲート・ソース間電圧がゼロになって、主スイッチング素子４がオフすると、トランス２の１次巻線３への入力電圧の印加が遮断されるので、今度は２次巻線５の非ドット側端子に正極性の電圧が誘起され、整流スイッチング素子６はオフする。また、それまでチョークコイル８に蓄えられていたエネルギーによって、このチョークコイル８の主巻線20には非ドット側端子に正極性の誘導起電力が発生するので、チョークコイル８→平滑コンデンサ９（または負荷）→カレントトランス12の１次巻線13→ボディダイオード11→チョークコイル８の経路で電流が流れ、チョークコイル８から平滑コンデンサ９や負荷にエネルギーが放出する。チョークコイル８の駆動巻線21は非ドット側端子に正極性の電圧が誘起され、駆動巻線21に接続されたダイオード24がオンするので、駆動巻線21から抵抗23およびダイオード24を通じて後段のエミッタ・ホロワに電流が流れ、トランジスタ27のベース電位が上昇し、このトランジスタ27がターンオンする。これにより、駆動巻線21に誘起した電圧は、整流スイッチング素子７の駆動信号として、この整流スイッチング素子７のゲートに供給される。
【００１８】
トランジスタ27を含むエミッタ・ホロワは、駆動巻線21と整流スイッチング素子７とのインピーダンスを整合する機能を有するので、整流スイッチング素子７に供給するオン信号が急峻に立ち上がる。一方、抵抗15に発生する電圧は、カレントトランス12の２次巻線14のインピーダンスが高いのに対して、トランジスタ28のベースのインピーダンスが低い関係で、整流スイッチング素子７に供給する駆動電圧よりも緩やかに立ち上がる。よって、トランジスタ28のベース電位は徐々に上昇し、やがてトランジスタ28はターンオフする。
【００１９】
チョークコイル８の主巻線20を流れる電流は、主スイッチング素子４のターンオフ直後に最大値に達し、その後チョークコイル８のインダクタンスに依存して傾斜降下する。本実施例では、前記整流スイッチング素子駆動回路22に備えたエミッタ・ホロワによって、主スイッチング素子４のターンオフ直後になるべく近づくように、駆動巻線21に誘起した電圧を整流スイッチング素子７に駆動信号として素早く供給することで、整流スイッチング素子７のオン抵抗をできるだけ小さくして、効率を向上させることが可能になる。
【００２０】
その後、カレントトランス12の２次巻線14に発生する電流波形すなわち抵抗15の両端間に発生する電圧波形は傾斜降下し、トランジスタ28のベース電位が低下する。そして、抵抗15の両端間に発生する電圧があるレベルにまで低下すると、スイッチ手段としてのトランジスタ28がオンする。そして、抵抗25，26の接続点（トランジスタ27のベース）の電位が急に低下して、トランジスタ27がカットオフし、整流スイッチング素子７への駆動信号の供給が遮断される。このとき、整流スイッチング素子７のゲートに蓄積した電荷は、ダイオード29，トランジスタ28を介して速やかに放電される。このように、整流スイッチング素子７への駆動信号を遮断するタイミングは、カレントトランス12の２次巻線14に発生する検出信号が傾斜下降するのを利用して、この検出信号のレベルで決定される。こうして、整流スイッチング素子６，７を通じて平滑コンデンサ９や負荷に出力電流を流すことにより、同期整流による損失の低減が図られる。
【００２１】
このように本実施例では、主スイッチング素子４と、この主スイッチング素子４のオン・オフに伴って、エネルギーを蓄積または放出するチョークコイル８と、前記チョークコイル８がエネルギーを放出する時にオンするフライホイール用の整流スイッチング素子７とを備えたスイッチング電源装置において、チョークコイル８に巻回される駆動巻線21と、整流スイッチング素子７を流れる電流を検出するカレントトランス12と、駆動巻線21に発生した電圧を整流スイッチング素子７にオン信号として供給する整流スイッチング素子駆動回路22と、カレントトランス12の２次巻線14に発生した検出信号により整流スイッチング素子７をオフさせる整流スイッチング素子停止回路18とを備えて構成され、整流スイッチング素子駆動回路22は、チョークコイル８の駆動巻線21と整流スイッチング素子７とのインピーダンスを整合するインピーダンス変換回路としてのエミッタ・ホロワを備え、整流スイッチング素子停止回路18は、整流スイッチング素子７に供給するオン信号よりも、カレントトランス12の２次巻線14に発生した検出信号を緩やかに立ち上げるように構成している。
【００２２】
この場合、主スイッチング素子４がオンからオフに切り換わると、それまでチョークコイル８に蓄えられていたエネルギーによって、駆動巻線21に電圧が誘起される。そして、この電圧が整流スイッチング素子駆動回路22から整流スイッチング素子７に供給され、整流スイッチング素子７がオンする。一方、チョークコイル８からのエネルギー放出に伴ない、整流スイッチング素子７に流れる慣性電流がカレントトランス12により検出され、カレントトランス12の２次巻線14に発生した検出信号が所定レベルに低下すると、整流スイッチング素子７はオフする。このように、整流スイッチング素子７のオン・オフのタイミングを明確に規定することで、例えば軽負荷時において、負荷からの逆電流によりチョークコイル８にエネルギーが蓄積され、これが次に主スイッチング素子４がオンしたときに、整流ダイオード６がオンして電源側に戻るような無駄な電力損失を回避することができる。
【００２３】
また、既存のチョークコイル８に駆動巻線21を巻回するだけで、この駆動巻線21に誘起した電圧を、そのまま整流スイッチング素子７の駆動信号として利用できるとともに、駆動巻線21のターン数を適宜変えるだけで、整流スイッチング素子７をオンさせるに十分な電圧を供給することができ、僅かな設計変更により電源装置の低出力電圧化に対応できる。
【００２４】
また本実施例における整流スイッチング素子駆動回路22は、駆動巻線21と整流スイッチング素子７との間に、抵抗25，26とトランジスタ27とによるエミッタ・ホロワを接続して構成される。この場合、エミッタ・ホロワが駆動巻線21と整流スイッチング素子７とのインピーダンスを整合する回路として作用するので、従来技術に比べ整流スイッチング素子７がより高速に立ち上がり、整流スイッチング素子７の効率が向上する。
【００２５】
図２は本発明の第２実施例を示し、上記実施例と同一部分に同一符号を用いて説明すると、この実施例では整流スイッチング素子駆動回路22と整流スイッチング素子停止回路18との間に、両回路を分離するダイオード31を挿入接続して構成される。なお、その他の構成は第１実施例と共通している。
【００２６】
カレントトランス12の２次巻線14に電流が発生した直後は、抵抗15の両端間に発生した電圧はダイオード31により遮断されてスイッチング素子駆動回路22に影響を与えることがなく、トランジスタ27がオンする一方で、トランジスタ28がオフし、駆動巻線21に誘起された電圧が整流スイッチング素子７のゲートに駆動信号として供給される。その後、カレントトランス12の２次巻線13に発生する電流波形が傾斜下降すると、抵抗15の両端間の電圧が同じように傾斜降下してダイオード31がオンする。これにより、トランジスタ27がオフすると共に、トランジスタ28がオンし、整流スイッチング素子７のゲートにチャージされている電荷がダイオード19，トランジスタ28を通して放電し、整流スイッチング素子７はオフする。このように本実施例では、整流スイッチング素子７をオンさせるときに、整流スイッチング素子停止回路18から外部への信号の送り出しを遮断するダイオード31を設けるだけで、整流スイッチング素子７のオン，オフ動作の一層の安定化を簡単に図ることができる。
【００２７】
図３および図４は本発明の第３実施例を示し、上記実施例と同一部分に同一符号を用いて説明する。図３の回路図において、この実施例では整流スイッチング素子駆動回路40として、ＰＮＰ型のトランジスタ41のコレクタを、抵抗43を介してＮＰＮ型のトランジスタ42のベースに接続すると共に、このトランジスタ41のベースをコレクタに直接接続したいわゆるサイリスタ（ＳＣＲ）回路44を、前記第１および第２実施例のエミッタ・ホロワ回路に代えて接続した点が注目される。そして、トランジスタ41のベース・エミッタ間には抵抗45が接続され、この抵抗とトランジスタ41のエミッタとの接続点が、前記ダイオード24のカソードに接続され、トランジスタ41のコレクタとトランジスタ42のエミッタが、前記整流スイッチング素子７のゲートに接続され、トランジスタ42のエミッタ・ベース間に、前記放電用のダイオード29が接続される。さらに、トランジスタ42のベースがトランジスタ28のエミッタに接続され、このトランジスタ28のエミッタとダイオード24のカソードとの間に、抵抗46とコンデンサ47の並列回路が接続される。その他の構成は、図２に示す第２実施例と同じである。
【００２８】
第１実施例や第２実施例におけるエミッタ・ホロワを用いた回路では、図４の一点鎖線で示すように、抵抗15の両端間電圧が下がるのに伴なって、トランジスタ27のベース電位が低下し、整流スイッチング素子７のゲート・ソース間電圧も傾斜下降するが、本実施例のサイリスタ回路44は、駆動巻線21に電圧が誘起して、この電圧を整流スイッチング素子７のゲートに駆動電圧として一旦供給すると、整流スイッチング素子７のゲート電位はそのまま保持され、図４の実線のように略矩形波形になる。したがって、整流スイッチング素子７のオン抵抗が小さいままになり、一層効率の向上を図ることができる。なお、サイリスタ回路44の構成素子は、実施例中のものに限られない。
【００２９】
図５および図６は本発明の第４実施例を示し、上記実施例と同一部分に同一符号を用いて説明する。図５の回路図において、この実施例では前記整流スイッチング素子停止回路18における抵抗15に代わって、カレントトランス12の２次巻線14に発生した検出信号を微分するコンデンサ51と抵抗52からなる微分回路53を、カレントトランス12の２次巻線14間に接続して構成される。なお、その他の構成は前記第３実施例と同じである。
【００３０】
第１〜第３実施例では、抵抗15の両端間電圧が図６の破線で示すような波形になるが、本実施例では図６の実線で示す波形のように、カレントトランス12の２次巻線14に発生する電流の立上がりと立ち下がりで、抵抗52の両端間に正負のトリガ信号が発生する。したがって、負のトリガ信号が発生したときに、整流スイッチング素子７をオフさせるように構成すれば、整流スイッチング素子７のオン・オフ動作の一層の安定化を図ることができる。なお、微分回路53の構成素子は、第４実施例のものに限られない。
【００３１】
図７は本発明の第５実施例を示し、上記実施例と同一部分に同一符号を用いて説明する。この第５実施例は、いわゆる非絶縁の降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータからなるスイッチング電源装置に適用した場合を示している。具体的には、直流電源１と主スイッチング素子４との直列回路が、整流スイッチング素子７とカレントトランス12の１次巻線13との直列回路の両端間に直接接続される。それ以外の構成は、第１〜第４実施例と同じである。
【００３２】
そしてこの場合も、主スイッチング素子４がオンになると、直流電源１からチョークコイル８を介して平滑コンデンサ９および出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏに接続される負荷（図示せず）にエネルギーが送り出される。一方、主スイッチング素子４がオフすると、駆動巻線21に誘起された電圧が整流スイッチング素子７のゲートにオン信号として供給され、整流スイッチング素子７がオンし、チョークコイル８に蓄えられたエネルギーが平滑コンデンサ７および負荷に供給され、カレントトランス12の１次巻線13および整流スイッチング素子７を通じて電流が流れる。その後、カレントトランス12の２次巻線14の検出電流が次第に低下すると、整流スイッチング素子停止回路18によって整流スイッチング素子７はオフする。この場合も上記各実施例と同様に、駆動巻線21からの電圧を整流スイッチング素子７に駆動信号として供給することで、電源装置の低出力電圧化に対応できる。また、整流スイッチング素子７による同期整流により、従来のダイオード整流よりも損失の低減を図ることができる。
【００３３】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲において種々の変形実施が可能であり、例えば上述したフォワード式や降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ以外にも、主トランスとは別のチョークコイルを備えた種々のタイプのスイッチング電源装置に適用できる。また、ボディダイオード10，11の代わりに、外付けのダイオードを接続してもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明におけるスイッチング電源装置の同期整流回路によれば、僅かな設計変更により電源装置の低出力電圧化に対応できる同期整流回路を提供できる。整流スイッチング素子のオン・オフのタイミングを明確に規定することで、負荷からの逆電流が電源側に戻るような不具合を回避できる。さらに、従来技術に比べ整流スイッチング素子がより高速に立ち上がり、整流スイッチング素子の効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の第１実施例を示す回路図である。
【図２】  本発明の第２実施例を示す回路図である。
【図３】  本発明の第３実施例を示す回路図である。
【図４】  本発明の第３実施例を示す要部の波形図である。
【図５】  本発明の第４実施例を示す回路図である。
【図６】  本発明の第４実施例を示す要部の波形図である。
【図７】  本発明の第５実施例を示す回路図である。
【符号の説明】
７  整流スイッチング素子
８  チョークコイル
12  カレントトランス
18  整流スイッチング素子停止回路
21  駆動巻線
22  整流スイッチング素子駆動回路
25，26  抵抗（インピーダンス変換回路）
27  トランジスタ（インピーダンス変換回路）
【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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【図６】
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【図７】
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