(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
変圧器と、スイッチング素子と、第１の駆動回路と、第２の駆動回路と、出力整流平滑回路と、出力安定化回路とを含むスイッチング電源装置であって、
前記変圧器は、入力巻線と、出力巻線と、駆動巻線とを含み、
前記スイッチング素子は、前記入力巻線の一端に接続され、前記入力巻線を通して供給される直流電圧をスイッチングして、前記出力巻線と、前記駆動巻線とに電圧を誘起し、
前記第１の駆動回路は、抵抗とコンデンサとの直列回路を含む第１の時定数回路と、前記第１の時定数回路に並列接続されたオフ駆動スイッチとを含み、前記駆動巻線の両端間に接続され、前記スイッチング素子のオン期間に、前記駆動巻線に誘起される電圧で、前記スイッチング素子の制御電極を導通方向にバイアスするとともに、前記第１の時定数回路のコンデンサを充電し、前記第１の時定数回路のコンデンサが所定値まで充電されたときに前記オフ駆動スイッチをオンし、前記スイッチング素子の入力側を短絡して、前記スイッチング素子を遮断し、
前記第２の駆動回路は、抵抗とコンデンサとの直列回路を含む第２の時定数回路と、前記スイッチング素子の制御電極に接続されたオン駆動スイッチとを含み、前記第２の時定数回路が、前記駆動巻線の両端間に接続され、前記スイッチング素子のオン期間に、前記駆動巻線に誘起される電圧で、前記第２の時定数回路のコンデンサを充電し、前記スイッチング素子のオフ期間に、前記第２の時定数回路のコンデンサが所定値まで放電されたときに前記オン駆動スイッチをオンし、前記スイッチング素子の制御電極を付勢して、前記スイッチング素子を導通し、
前記出力整流平滑回路は、前記出力巻線に誘起された電圧を整流、平滑して出力し、
前記出力安定化回路は、出力電圧検出回路と、時定数制御回路とを含み、
前記出力電圧検出回路は、前記出力整流平滑回路の出力を検出し、
前記時定数制御回路は、前記出力整流平滑回路の出力に応じて、前記第１の時定数回路の時定数を制御する
スイッチング電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載されたスイッチング電源装置であって、
前記駆動巻線は、第１の駆動巻線と、第２の駆動巻線とを含み、
前記第１の駆動回路は、前記第１の駆動巻線間に接続され、
前記第２の時定数回路は、前記第２の駆動巻線間に接続されている
スイッチング電源装置。
【請求項３】
請求項１または２の何れかに記載されたスイッチング電源装置であって、
前記出力電圧検出回路は、出力電圧によって制御される発光素子を含み、
前記時定数制御回路は、前記発光素子に光結合され、インピーダンスを制御される受光素子を含む
スイッチング電源装置。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れかに記載されたスイッチング電源装置であって、
前記出力整流平滑回路は、フォワード方向整流素子と、フライホイール方向整流素子と、チョークコイルと、コンデンサとを含み、前記フォワード方向整流素子と前記フライホイール方向整流素子との直列回路が、前記出力巻線間に接続され、前記チョークコイルとコンデンサとの直列回路が、前記フライホイール方向整流素子と並列に接続され、前記スイッチング素子のオン期間に、前記出力巻線に誘起されるフォワード方向の誘起電圧を、整流、平滑して出力するとともに前記チョークコイルにエネルギーを蓄え、前記チョークコイルに蓄えられたエネルギーを、前記スイッチング素子のオフ期間に整流、平滑して出力する
フォワード方式スイッチング電源装置。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れかに記載されたスイッチング電源装置であって、
前記変圧器は、前記スイッチング素子のオン期間にエネルギーを蓄え、
前記出力整流平滑回路は前記出力巻線間に接続され、整流素子とコンデンサとの直列回路を含み、前記スイッチング素子のオフ期間に、前記出力巻線に誘起されるフライバック電圧を、整流、平滑して出力する
直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置。
【請求項６】
請求項４に記載されたスイッチング電源装置であって、
前記フォワード方向整流素子と、フライホイール方向整流素子は、電界効果トランジスタで構成された同期整流素子でなり、
前記フォワード方向整流素子の制御電極が、前記出力巻線の前記フライホイール方向整流素子の接続端側に接続され、
前記フライホイール方向整流素子の制御電極が、前記出力巻線の前記フォワード方向整流素子の接続端側に接続されている
フォワード方式スイッチング電源装置。
【請求項７】
請求項５に記載されたスイッチング電源装置であって、
前記整流素子は、電界効果トランジスタで構成された同期整流素子でなり、
前記整流素子の制御電極が、前記出力巻線の前記コンデンサの接続端側に接続されている
直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置。
【請求項８】
請求項７に記載されたスイッチング電源装置であって、
前記整流素子は、電界効果トランジスタで構成された同期整流素子でなり、
前記変圧器は、更に、同期整流素子駆動巻線を含み、
前記整流素子が、前記同期整流素子駆動巻線により駆動される
直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置。
【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し、電力変換用変圧器の出力巻線とは別に設けられた駆動巻線に生じる電圧を利用して、スイッチング素子にオン、オフ信号を与え、ＩＣ等の発振器を備えない簡単な回路構成で自励式のスイッチング動作をさせ得る、フォワード方式スイッチング電源装置または直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源装置は、メインのスイッチング素子にスイッチング動作をさせる発振回路の構成方法によって、自励式と他励式とに分けることができる。他励方式をとるスイッチング電源では、メインのスイッチング素子を、ＩＣ等で構成される別に設けられた発振器によって駆動するため、多くの回路部品を必要とし、小形で低コストのものを実現することが困難である。また、自励式としてよく知られているリンギング．チョーク．コンバータ方式のスイッチング電源は、スイッチング素子の利用効率が低く、小電力用にしか使用できないという問題点を有している。
【０００３】
このような問題点の解決を目的とした従来技術としては、本発明者により提案された実公平６−１９３２８号公報に記載されたものが知られている。この従来技術では、電力変換用変圧器に、メインのスイッチング素子のオン期間にその制御電極を正方向にバイアスする第３の巻線を備えさせると共に、前記スイッチング素子の入力側を短絡して該スイッチング素子をオフさせる第１の駆動回路及び前記スイッチング素子をオンさせる第２の駆動回路を備えることにより、発振回路を備えることなく、自励式でスイッチング動作を継続するようにしてある。
【０００４】
しかしながら、上述した従来技術では、スイッチング素子のオフ期間を制御して直流出力電圧を安定化する方式のため、無負荷時また無負荷に近い軽負荷時に、直流出力電圧がはね上がるという本質的な問題を含んでいる。このため、これを防止する回路を付加する必要があり、回路構成が複雑になるという問題があった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の課題は、簡単な回路構成で直流出力電圧の安定化制御が可能な自励フォワード方式スイッチング電源装置を提供することである。
【０００６】
本発明のもう一つの課題は、簡単な回路構成で直流出力電圧の安定化制御が可能な自励直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置を提供することである。
【０００７】
本発明の更にもう一つの課題は、簡単な回路構成で、損失の少ない同期整流回路を備えたスイッチング電源装置を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上述した課題を解決するため、本発明に係るスイッチング電源装置は、変圧器と、スイッチング素子と、第１の駆動回路と、第２の駆動回路と、出力整流平滑回路と、出力安定化回路とを含む。
【０００９】
前記変圧器は、入力巻線と、出力巻線と、駆動巻線とを含む。
【００１０】
前記スイッチング素子は、前記入力巻線の一端に接続され、前記入力巻線を通して供給される直流電圧をスイッチングして、前記出力巻線と、前記駆動巻線とに電圧を誘起する。
【００１１】
前記第１の駆動回路は、抵抗とコンデンサとの直列回路を含む第１の時定数回路と、前記第１の時定数回路に並列接続されたオフ駆動スイッチとを含み、前記駆動巻線の両端間に接続され、前記スイッチング素子のオン期間に、前記駆動巻線に誘起される電圧で、前記スイッチング素子の制御電極を導通方向にバイアスするとともに、前記第１の時定数回路のコンデンサを充電し、前記第１の時定数回路のコンデンサが所定値まで充電されたときに前記オフ駆動スイッチをオンし、前記スイッチング素子の入力側を短絡して、前記スイッチング素子を遮断する。
【００１２】
前記第２の駆動回路は、抵抗とコンデンサとの直列回路を含む第２の時定数回路と、前記スイッチング素子の制御電極に接続されたオン駆動スイッチとを含み、前記第２の時定数回路が、前記駆動巻線の両端間に接続され、前記スイッチング素子のオン期間に、前記駆動巻線に誘起される電圧で、前記第２の時定数回路のコンデンサを充電し、前記スイッチング素子のオフ期間に、前記第２の時定数回路のコンデンサが所定値まで放電されたときに前記オン駆動スイッチをオンし、前記スイッチング素子の制御電極を付勢して、前記スイッチング素子を導通する。
【００１３】
前記出力整流平滑回路は、前記出力巻線に誘起された電圧を整流、平滑して出力する。
【００１４】
前記出力安定化回路は、出力電圧検出回路と、時定数制御回路とを含む。
【００１５】
前記出力電圧検出回路は、前記出力整流平滑回路の出力を検出する。
【００１６】
前記時定数制御回路は、前記出力整流平滑回路の出力に応じて、前記第１の時定数回路の時定数を制御する。
【００１７】
上述したスイッチング電源装置において、前記駆動巻線の両端間には、前記第１の駆動回路が接続されているから、前記スイッチング素子のオン期間に、前記駆動巻線に誘起された電圧は、前記スイッチング素子の制御電極を導通方向にバイアスするとともに、前記第１の時定数回路のコンデンサを充電し、前記第１の時定数回路のコンデンサが所定値まで充電されたときに前記オフ駆動スイッチをオンし、前記スイッチング素子の入力側を短絡して、前記スイッチング素子を遮断する。
【００１８】
前記駆動巻線の両端間には、また、前記第２の時定数回路が接続されているから、前記スイッチング素子のオン期間に、前記駆動巻線に誘起される電圧で、前記第２の時定数回路のコンデンサを充電し、前記スイッチング素子のオフ期間に、前記第２の時定数回路のコンデンサが所定値まで放電されたときに前記オン駆動スイッチをオンし、前記スイッチング素子の制御電極を付勢して、前記スイッチング素子を導通する。
【００１９】
前記スイッチング素子は、この繰り返しにより、自励的にオン／オフ駆動され、前記入力巻線を通して供給される直流電圧をスイッチングして、前記出力巻線と、前記駆動巻線とに継続的に高周波電圧を誘起する。
【００２０】
前記出力整流平滑回路は、前記出力巻線に誘起された電圧を整流、平滑して出力するから、前記出力整流平滑回路の出力端子に任意の直流出力電圧を発生する。
【００２１】
前記出力安定化回路は、出力電圧検出回路と、時定数制御回路とを含む。
【００２２】
前記出力電圧検出回路は、前記出力整流平滑回路の出力を検出する。
【００２３】
前記時定数制御回路は、前記出力整流平滑回路の出力に応じて、前記第１の時定数回路の時定数を制御する。
【００２４】
このため、前記直流出力電圧が設定値より高いときは、前記第１の時定数回路の時定数を小さく制御して、前記スイッチング素子のオン期間を短くし、前記直流出力電圧が設定値より低いときは、前記第１の時定数回路の時定数を大きく制御して、前記スイッチング素子のオン期間を長くすることにより、前記直流出力電圧を設定値に安定化することができる。
【００２５】
上述のスイッチング電源装置は、フォワード方式スイッチング電源装置でも、直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置でも適用が可能である。
【００２６】
したがって、上述の構成によれば、簡単な回路構成で直流出力電圧の安定化制御が可能な自励フォワード方式スイッチング電源装置または、自励直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置を提供することができる。
【００２７】
前記駆動巻線は、第１の駆動巻線と、第２の駆動巻線とを含む構成とすることができる。前記第１の駆動回路を、前記第１の駆動巻線間に接続し、前記第２の時定数回路を、前記第２の駆動巻線間に接続すれば、スイッチング素子のオン／オフがより適切に制御可能となり、また、設計の自由度が高まり、安定度の高いスイッチング電源装置とすることができる。
【００２８】
前記出力電圧検出回路と、前記時定数制御回路を、発光素子と受光素子とを含む光結合素子で構成することができる。このようにすれば、入力側と出力側との電気的な絶縁も確実に行え、簡単な回路で出力安定化回路が構成できる。
【００２９】
本発明は、更に、同期整流回路を備えたスイッチング電源装置についても開示する。自励式スイッチング電源装置では、変圧器の休止期間を無くすことができるため、変圧器の巻線に発生する電圧を同期整流素子の駆動電圧に用いても、損失の発生を抑制できる利点がある。
【００３０】
このため、簡単な回路構成で、損失の少ない同期整流回路を備えたスイッチング電源装置を提供することができる。
【００３１】
本発明の他の目的、構成および利点については、添付図面を参照して、更に詳しく説明する。図面は単なる例示に過ぎない。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例を示す電気回路図であって、フォワード方式スイッチング電源装置の例を示している。
【００３３】
図示されたスイッチング電源装置は、電力変換用の変圧器１と、スイッチング素子２と、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、出力整流平滑回路４と、出力安定化回路５とを含んでいる。Ｅは直流電圧源、Ｌは負荷である。直流電圧源Ｅは、本発明の内部要素であっても、外部要素であってもよく、バッテリや、その他の直流電圧源、あるいは交流電圧を整流回路を介して直流に変換した電圧の何れでも利用できる。直流電圧源Ｅは、直流入力端子Ｔｉに接続される。
【００３４】
電力変換用の変圧器１は、入力巻線１１と、出力巻線１２と、駆動巻線１３とを含んでいる。
【００３５】
スイッチング素子２は、変圧器１の入力巻線１１の一端に接続され、入力巻線１１を介して、直流入力端子Ｔｉに接続され、入力巻線１１を通して供給される直流電圧Ｖｉｎをスイッチングして、出力巻線１２と、駆動巻線１３とに電圧を誘起させる。スイッチング素子２は、供給された直流電圧Ｖｉｎを高周波でスイッチングできればよく、典型的には、バイポーラトランジスタや、電界効果トランジスタ等の半導体素子が用いられる。本実施例では電界効果トランジスタで構成される。
【００３６】
第１の駆動回路３１は、第１の時定数回路３１１と、オフ駆動スイッチ３１２とを含んでいる。第１の時定数回路３１１は、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との直列回路を含む。オフ駆動スイッチ３１２は第１の時定数回路３１１に並列接続されている。オフ駆動スイッチ３１２はＮＰＮトランジスタで構成され、その主電極がスイッチング素子２のゲート・ソース間に接続され、制御電極が抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との接続点に接続される。
【００３７】
第１の駆動回路３１は、変圧器１の駆動巻線１３の両端間に接続され、スイッチング素子２のオン期間に、駆動巻線１３に誘起される電圧で、スイッチング素子２の制御電極（ゲート）を正方向にバイアスする。また、第１の駆動回路３１は、第１の時定数回路３１１のコンデンサＣ１を充電し、第１の時定数回路３１１のコンデンサＣ１の電圧がオフ駆動スイッチ３１２のＶＢＥ（０．６Ｖ）まで充電されたときにオフ駆動スイッチ３１２をオンし、スイッチング素子２の入力側を短絡して、スイッチング素子２をオフ駆動する。
【００３８】
第２の駆動回路３２は、第２の時定数回路３２２と、オン駆動スイッチ３２３とを含んでいる。第２の時定数回路３２２は抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との直列回路を含む。オン駆動スイッチ３２３はＰＮＰトランジスタで構成され、その主電極が直流入力ラインａとスイッチング素子２の制御電極（ゲート）間に接続され、制御電極が抵抗Ｒ２とコンデンサＣ２との接続点に接続される。
【００３９】
第２の時定数回路３２２は、駆動巻線１３の両端間に接続され、スイッチング素子２のオン期間に、駆動巻線１３に誘起される電圧で、第２の時定数回路３２２のコンデンサＣ２を充電する。第２の時定数回路３２２は、また、スイッチング素子２のオフ期間に、第２の時定数回路３２２のコンデンサＣ２の電圧がオン駆動スイッチ３２３のＶＢＥ以下まで放電されたときにオン駆動スイッチ３２３をオンし、スイッチング素子２の制御電極（ゲート）を付勢して、スイッチング素子２をオン駆動する。
【００４０】
出力整流平滑回路４は、フォワード方向整流ダイオード４１及びフライホイール方向整流ダイオード４２を含む整流回路と、チョークコイル４３及び平滑コンデンサ４４を含む平滑回路とを有する。フォワード方向整流ダイオード４１とフライホイール方向整流ダイオード４２とは直列に接続される。直列に接続された整流ダイオード４１、４２は、スイッチング素子２のオン期間に、出力巻線１２に誘起される電圧で、フォワード方向整流ダイオード４１が導通するよう方向付けられ、出力巻線１２の端子間に接続される。チョークコイル４３及び平滑コンデンサ４４は、互いに直列に接続され、その直列回路が、フライホイール方向整流ダイオード４２と並列に接続され、平滑コンデンサ４４の両端が出力端子Ｔ０１、Ｔ０２に接続される。
【００４１】
出力安定化回路５は、出力電圧検出回路５１と、時定数制御回路５２とを含んでいる。出力電圧検出回路５１は、出力端子Ｔ０１、Ｔ０２の間に接続された抵抗分圧回路５１１、及び、同じく出力端子Ｔ０１、Ｔ０２の間に接続された抵抗５１２と、フォトダイオード５１３と、シャントレギュレータ５１４との直列回路を含んでいる。抵抗分圧回路５１１の分圧点はシャントレギュレータ５１４の制御電極に接続される。時定数制御回路５２は抵抗５２１とフォトトランジスタ５２２とを含んでいる。フォトトランジスタ５２２はフォトダイオード５１３と光結合し、一方の電極が抵抗５２１を介して直流入力ラインａに接続され、他方の電極が、第１の時定数回路３１１の抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１との接続点に接続される。
【００４２】
次に、図２を参照して本実施例のスイッチング電源装置の動作を説明する。図２は図１に図示した本実施例のスイッチング電源装置の各部の波形図である。
【００４３】
入力直流電圧Ｖｉｎが印加されると、起動抵抗Ｒ０を介してスイッチング素子２のゲート電極が付勢され、時刻ｔ１でスイッチング素子２がオンとなり、変圧器１の入力巻線１１を介して、図２（Ａ）に示すドレイン電流Ｉｄｓが流れ、図２（Ｂ）に示すドレイン電圧Ｖｄｓが発生する。ドレイン電流Ｉｄｓは、変圧器１の出力巻線１２に電圧を誘起させるとともに、駆動巻線１３に図２（Ｃ）に示す電圧Ｖｎｆｂを誘起させる。駆動巻線１３に誘起した電圧Ｖｎｆｂは、コンデンサおよびバイアス抵抗を介してスイッチング素子２のゲート電極に印加され、スイッチング素子２を完全にオンにするとともに、第１、第２の時定数回路３１１、３２２のコンデンサＣ１、Ｃ２を充電する。
【００４４】
第１、第２の時定数回路３１１、３２２のコンデンサＣ１、Ｃ２は、図２（Ｄ）、（Ｅ）に示すごとく、それぞれの時定数に従って、上昇を開始する。時刻ｔ２に至り、第１の時定数回路３１１のコンデンサＣ１の電圧がオフ駆動スイッチ３１２のＶＢＥ（０．６Ｖ）まで充電されると、オフ駆動スイッチ３１２がオンとなって、スイッチング素子２のゲート・ソース間を短絡し、スイッチング素子２がオフとなる。スイッチング素子２がオフとなると、駆動巻線１３の電圧Ｖｎｆｂが反転し、第１、第２の時定数回路３１１、３２２のコンデンサＣ１、Ｃ２は、図２（Ｄ）、（Ｅ）に示すごとく、それぞれの時定数に従って、放電を開始する。時刻ｔ３に至り、第２の時定数回路３２２のコンデンサＣ２の電圧がオン駆動スイッチ３２３のＶＢＥ以下まで放電されると、オン駆動スイッチ３２３がオンとなって、スイッチング素子２のゲートを付勢し、スイッチング素子２がオンとなる。以降これらの繰り返しで発振が継続する。
【００４５】
スイッチング素子２のオン期間に出力巻線１２に誘起する電圧は、フォワード方向整流ダイオード４１とチョークコイル４３と平滑コンデンサ４４とを介してフォワード電流を流し、チョークコイル４３にエネルギーを蓄えるとともに負荷Ｌに電力を供給する。チョークコイル４３に蓄えられたエネルギーは、スイッチング素子２のオフ期間にフライホイール方向整流ダイオード４２を介してフライホイール電流として放出され負荷Ｌに供給される。
【００４６】
次に、出力電圧の安定化作用について説明する。出力安定化回路５は、出力電圧検出回路５１と、時定数制御回路５２とを含んでいる。出力電圧検出回路５１は、出力端子Ｔ０１、Ｔ０２間に接続された抵抗分圧回路５１１、及び、同じく出力端子Ｔ０１、Ｔ０２の間に接続された抵抗５１２と、フォトダイオード５１３と、シャントレギュレータ５１４との直列回路を含んでいる。抵抗分圧回路５１１の分圧点はシャントレギュレータ５１４の制御電極に接続される。時定数制御回路５２は抵抗５２１とフォトトランジスタ５２２とを含んでいる。フォトトランジスタ５２２はフォトダイオード５１３と光結合し、一方の電極が抵抗５２１を介して直流入力ラインａに接続され、他方の電極が、第１の時定数回路３１１の抵抗Ｒ１とコンデンサＣ１の接続点に接続される。
【００４７】
このように構成された出力安定化回路５において、出力電圧が設定値より高いと、シャントレギュレータ５１４のインピーダンスが低下し、フォトダイオード５１３の発光量が増大する。このため、フォトトランジスタ５２２のインピーダンスが低下し、第１の時定数回路３１１の時定数が小さくなり、オフ駆動スイッチ３１２のオンタイミングが早くなる。この結果、スイッチング素子２のオン期間が短くなる方向に制御され、出力電圧が低くなるように制御される。
【００４８】
他方、出力電圧が設定値より低い場合は、シャントレギュレータ５１４のインピーダンスが高くなり、フォトダイオード５１３の発光量が小さくなる。このため、フォトトランジスタ５２２のインピーダンスが高くなり、第１の時定数回路３１１の時定数が大きくなって、オフ駆動スイッチ３１２のオンタイミングが遅くなる。この結果、スイッチング素子２のオン期間が長くなる方向に制御され、出力電圧が高くなるように制御され出力電圧が安定化する。本発明のスイッチング電源装置は、スイッチング素子２のオン期間を制御して出力電圧を安定化する方式のため、特別な回路を付加することなく、軽負荷時あるいは無負荷時の出力電圧の跳ね上がりを防ぐことも可能となる。
【００４９】
図３は、本発明に係るスイッチング電源装置の別の実施例を示す電気回路図であって、直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。図において、図１に現れた構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。図示されたスイッチング電源装置は、電力変換用の変圧器１と、スイッチング素子２と、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、出力整流平滑回路４と、出力安定化回路５とを含んでいる。
【００５０】
電力変換用の変圧器１は、図１に図示した実施例と同様に入力巻線１１と、出力巻線１２と、駆動巻線１３とを含んでいるが、スイッチング素子２のオン期間に励磁エネルギーを蓄え、オフ期間にエネルギーを放出するに適した構成となっている。
【００５１】
スイッチング素子２と、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、出力安定化回路５は、図１に図示した実施例と略同様の構成であり、説明を省略する。
【００５２】
出力整流平滑回路４は、整流ダイオード４５と平滑コンデンサ４３とを含み、出力巻線１２と出力端子Ｔ０１、Ｔ０２との間に接続される。整流ダイオード４５は、スイッチング素子２のオン期間に出力巻線１２に誘起する電圧を遮断してオフ期間に発生するフライバック電圧を整流するよう方向付けられて出力巻線１２に接続される。平滑コンデンサ４３はフライバック電圧を平滑して負荷に電力を供給する。
【００５３】
次に、図４を参照して本実施例のスイッチング電源装置の動作を説明する。図４は図３に図示した本実施例のスイッチング電源装置の各部の波形図である。
【００５４】
入力直流電圧Ｖｉｎが印加されると、起動抵抗Ｒ０を介してスイッチング素子２のゲート電極が付勢され、時刻ｔ１でスイッチング素子２がオンとなり、変圧器１の入力巻線１１を介して図４（Ａ）に示すドレイン電流Ｉｄｓが流れ、図４（Ｂ）に示すドレイン電圧Ｖｄｓが発生する。ドレイン電流Ｉｄｓは、変圧器１の出力巻線１２に電圧を誘起するとともに、駆動巻線１３に図４（Ｃ）に示す電圧Ｖｎｆｂを誘起する。駆動巻線１３に誘起した電圧Ｖｎｆｂは、コンデンサおよびバイアス抵抗を介してスイッチング素子２のゲート電極に印加され、スイッチング素子２を完全にオンにするとともに、第１、第２の時定数回路３１１、３２２のコンデンサＣ１、Ｃ２を充電する。第１、第２の時定数回路３１１、３２２のコンデンサＣ１、Ｃ２は、図２（Ｄ）、（Ｅ）に示すごとく、それぞれの時定数にしたがい上昇を開始する。この間、出力巻線１２に誘起した電圧は、図示した極性マークの通りであり、整流ダイオード４５により遮断され、負荷側に供給されず、励磁エネルギーとして変圧器１に蓄積される。
【００５５】
時刻ｔ２に至り、第１の時定数回路３１１のコンデンサＣ１の電圧がオフ駆動スイッチ３１２のＶＢＥ（０．６Ｖ）まで充電されると、オフ駆動スイッチ３１２がオンとなって、スイッチング素子２のゲート・ソース間を短絡し、スイッチング素子２がオフとなる。スイッチング素子２がオフとなると、出力巻線１２にフライバック電圧が発生し、整流ダイオード４５を介してフライバックエネルギーの放出が開始され、同時に、駆動巻線１３の電圧Ｖｎｆｂが反転し、第１、第２の時定数回路３１１、３２２のコンデンサＣ１、Ｃ２は、図４（Ｄ）、（Ｅ）に示すごとく、それぞれの時定数にしたがい放電を開始する。時刻ｔ３に至り、第２の時定数回路３２２のコンデンサＣ２の電圧がオン駆動スイッチ３２３のＶＢＥ以下まで放電されると、オン駆動スイッチ３２３がオンとなって、スイッチング素子２のゲートを付勢し、スイッチング素子２がオンとなる。以降これらの繰り返しで発振が継続する。
【００５６】
スイッチング素子２がオンとなるタイミングは、第２の時定数回路３２２の時定数を設定することにより、フライバックエネルギーの放出完了以前とすることができる。このように構成したスイッチング電源装置は、電力変換用変圧器１に常時電流が流せる直流重畳型となり、自励フライバックコンバータとして従来から多用されているリンギングチョークコンバータと比較し、変圧器１やスイッチング素子２の利用効率が高く、大電流化できる利点がある。
【００５７】
本実施例のスイッチング電源装置の出力安定化回路５は、図１に図示した実施例と同様スイッチング素子２のオン期間を制御して出力電圧を安定化する方式である。このため、特別な回路を付加することなく、軽負荷時あるいは無負荷時の出力電圧のはね上がりを防ぐことも可能となる。
【００５８】
次に、同期整流回路を備えた本発明に係るスイッチング電源装置について説明する。図５は、同期整流回路を備えた本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例を示す電気回路図であって、フォワード方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。図において、図１に現れた構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。
【００５９】
図示されたスイッチング電源装置は、電力変換用の変圧器１と、スイッチング素子２と、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、同期整流型の出力整流平滑回路４と、出力安定化回路５とを含んでいる。
【００６０】
電力変換用の変圧器１と、スイッチング素子２と、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、出力安定化回路５とは、図１に図示した実施例と略同様の構成であり、説明を省略する。
【００６１】
出力整流平滑回路４は、電界効果トランジスタで構成されたフォワード方向同期整流素子４６とフライホイール方向同期整流素子４７とを含む同期整流回路と、チョークコイル４３と平滑コンデンサ４４とを含む平滑回路とを含んで構成される。フォワード方向同期整流素子４６とフライホイール方向同期整流素子４７は、それぞれドレイン・ソース電極を介して直列に接続され、出力巻線１２間に接続される。
【００６２】
フォワード方向同期整流素子４６はスイッチング素子２のオン期間に出力巻線１２に誘起する電圧で導通するよう、そのゲート電極が抵抗を介して出力巻線１２の一端に接続される。
【００６３】
フライホイール方向同期整流素子４７は、スイッチング素子２のオフ期間に出力巻線１２に誘起する電圧で導通するよう、そのゲート電極が抵抗を介して出力巻線１２の他端に接続される。
【００６４】
チョークコイル４３と平滑コンデンサ４４とは直列に接続され、その直列回路が、フライホイール方向同期整流素子４７と並列に接続され、平滑コンデンサ４４の両端が出力端子Ｔ０１、Ｔ０２に接続される。
【００６５】
次に、図６を参照して本実施例のスイッチング電源装置の動作を説明する。図６は図５に図示した本実施例のスイッチング電源装置の各部の波形図である。本実施例のスイッチング電源装置において、電力変換用の変圧器１と、スイッチング素子２と、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、出力安定化回路５とは、図１に図示した実施例と略同様に動作する。
【００６６】
入力直流電圧Ｖｉｎが印可されると、起動抵抗Ｒ０を介してスイッチング素子２のゲート電極が付勢され、時刻ｔ１でスイッチング素子２がオンとなり、変圧器１の入力巻線１１を介して図６（Ａ）に示すドレイン電流Ｉｄｓが流れ、図６（Ｂ）に示すドレイン電圧Ｖｄｓが発生する。ドレイン電流Ｉｄｓは、変圧器１の出力巻線１２に電圧を誘起し、フォワード方向同期整流素子４６とフライホイール方向同期整流素子４７に、それぞれ図６（Ｃ）、（Ｄ）に示す正・負のゲート電圧を印加する。このため、時刻ｔ１から時刻ｔ２のスイッチング素子２のオン期間では、フライホイール方向同期整流素子４７がオフとなり、フォワード方向同期整流素子４６がオンとなって、チョークコイル４３及び平滑コンデンサ４４を介してフォワード電流が流れ、チョークコイル４３にエネルギーを蓄えるとともに負荷Ｌに電力を供給する。
【００６７】
時刻ｔ２に至って、第１の駆動回路３１によりスイッチング素子２がオフとなると、出力巻線１２の電圧が反転する。このため、フォワード方向同期整流素子４６とフライホイール方向同期整流素子４７のゲート電圧が、それぞれ図６（Ｃ）、（Ｄ）に示す如く反転し、フォワード方向同期整流素子４６とフライホイール方向同期整流素子４７のオン／オフが入れ替わる。
【００６８】
したがって、チョークコイル４３に蓄えられていたエネルギーは、時刻ｔ２以降のスイッチング素子２のオフ期間に、フライホイール方向同期整流素子４７を介して流れ、負荷に放出される。この間、変圧器１のリセットも同時に行われ、リセットが完了する時刻ｔ３でスイッチング素子２のオン期間が開始される。
【００６９】
このように、本実施例のスイッチング電源装置は、変圧器１のリセットの完了と同時にスイッチング素子２の次のオン期間が開始されるため、フライホイール電流が流れている間はフライホイール方向同期整流素子４７がオン状態に維持される。このため、内臓ダイオードを介して流れる電流を低減できるので、同期整流回路の損失を低く抑えることができる。
【００７０】
本実施例のスイッチング電源装置の出力安定化回路５は、図１に図示した実施例と同様スイッチング素子２のオン期間を制御して出力電圧を安定化する方式である。このため、特別な回路を付加することなく、軽負荷時あるいは無負荷時の出力電圧のはね上がりを防ぐことも可能となる。
【００７１】
図７は、同期整流回路を備えた本発明に係るスイッチング電源装置の別の実施例を示す電気回路図であって、直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。図において、図１〜図６に現れた構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。図示されたスイッチング電源装置は、電力変換用の変圧器１と、スイッチング素子２と、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、同期整流型の出力整流平滑回路４と、出力安定化回路５とを含んでいる。
【００７２】
電力変換用の変圧器１と、スイッチング素子２と、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、出力安定化回路５とは、図３に図示した実施例と略同様の構成であり、説明を省略する。
【００７３】
出力整流平滑回路４は、同期整流素子４８と平滑コンデンサ４３とを含み、出力巻線１２と出力端子Ｔ０１、Ｔ０２との間に接続される。同期整流素子４８は、スイッチング素子２のオン期間に出力巻線１２に誘起する電圧を遮断し、オフ期間に発生するフライバック電圧で導通するよう、そのゲート電極が出力巻線１２の一端に接続される。平滑コンデンサ４３は同期整流素子４８が導通したときフライバック電圧を平滑して負荷に電力を供給する。
【００７４】
次に、図８を参照して本実施例のスイッチング電源装置の動作を説明する。図８は図７に図示した本実施例のスイッチング電源装置の各部の波形図である。本実施例のスイッチング電源装置において、電力変換用の変圧器１と、スイッチング素子２と、第１の駆動回路３１と、第２の駆動回路３２と、出力安定化回路５とは、図３に図示した実施例と略同様に動作する。
【００７５】
入力直流電圧Ｖｉｎが印加されると、起動抵抗Ｒ０を介してスイッチング素子２のゲート電極が付勢され、時刻ｔ１でスイッチング素子２がオンとなり、変圧器１の入力巻線１１を介して図８（Ａ）に示すドレイン電流Ｉｄｓが流れる。ドレイン電流Ｉｄｓは、変圧器１の出力巻線１２に図８（Ｂ）に示す電圧を誘起し、同期整流素子４８に、図８（Ｃ）に示す負のゲート電圧を印加する。このため、時刻ｔ１から時刻ｔ２のスイッチング素子２のオン期間では、同期整流素子４８がオフとなり、負荷側にエネルギーが供給されず、励磁エネルギーが変圧器１に蓄積される。
【００７６】
時刻ｔ２に至って、第１の駆動回路３１によりスイッチング素子２がオフとなると、図８（Ｂ）に示す出力巻線１２の電圧が反転する。このため、同期整流素子４８のゲート電圧が、図８（Ｃ）に示す如く反転して正電圧となり、同期整流素子４８がオンとなる。
【００７７】
したがって、変圧器１に蓄えられていたエネルギーは、時刻ｔ２以降のスイッチング素子２のオフ期間に、平滑コンデンサ４４を充電するとともに負荷Ｌに放出される。
【００７８】
時刻ｔ３に至り、第２の時定数回路３２２のコンデンサＣ２の電圧がオン駆動スイッチ３２３のＶＢＥ以下まで放電されると、オン駆動スイッチ３２３がオンとなって、スイッチング素子２のゲートを付勢し、スイッチング素子２がオンとなる。以降これらの繰り返しで発振が継続する。
【００７９】
スイッチング素子２がオンとなるタイミングは、第２の時定数回路３２２の時定数を設定することにより、フライバックエネルギーの放出完了以前とすることができる。このように構成したスイッチング電源装置は、電力変換用変圧器１に常時電流が流せる直流重畳型となり、自励フライバックコンバータとして従来から多用されているリンギングチョークコンバータと比較し、変圧器１やスイッチング素子２の利用効率が高く、大電流化できる利点がある。また、フライバックエネルギーが放出されている間は、同期整流素子４８がオン状態に維持される。このため、内臓ダイオードを介して流れる電流を低減できるので、同期整流回路の損失を低く抑えることができる。
【００８０】
本実施例のスイッチング電源装置の出力安定化回路５は、図３に図示した実施例と同様スイッチング素子２のオン期間を制御して出力電圧を安定化する方式である。このため、特別な回路を付加することなく、軽負荷時あるいは無負荷時の出力電圧のはね上がりを防ぐことも可能となる。
【００８１】
図９は、同期整流回路を備えた本発明に係るスイッチング電源装置の更に別の実施例を示す電気回路図であって、直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。図において、図１〜図７に現れた構成部分と同一の構成部分については、同一の参照符号を付してある。図示されたスイッチング電源装置は、同期整流素子４８のオン／オフ駆動を電力変換用の変圧器１に付加された、出力巻線１２とは別の巻線１４で行う点で図７に図示された実施例と異なっているがその他の点は同様である。
【００８２】
このように、同期整流素子のオン／オフ駆動を電力変換用の変圧器に付加された、出力巻線とは別の巻線により行えば、同期整流素子の特性に応じた最適な駆動が可能となる。この点は、本実施例に限らず、図５に図示されたフォワード方式のスイッチング電源装置にも適用可能である。また、いずれの実施例も、第１の駆動回路と、第２の時定数回路とが、共通の駆動巻線に接続されているが、それぞれ別々に駆動巻線を設ければ、同様に、各駆動回路の特性に応じた最適な駆動が可能となる。
【００８３】
以上、好ましい実施例を参照して本発明の内容を詳細に説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、当業者であれば、その基本的技術思想および教示にもとずき、種々の変形例を想到できることは自明である。
【００８４】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば次のような効果を得ることができる。
（Ａ）簡単な回路構成で直流出力電圧の安定化制御が可能な自励フォワード方式スイッチング電源装置を提供することができる。
（Ｂ）簡単な回路構成で直流出力電圧の安定化制御が可能な自励直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置を提供することができる。
（Ｃ）簡単な回路構成で、損失の少ない同期整流回路を備えたスイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例を示す電気回路図であって、フォワード方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。
【図２】図１に図示した本実施例のスイッチング電源装置の各部の波形図である。
【図３】本発明に係るスイッチング電源装置の別の実施例を示す電気回路図であって、直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。
【図４】図３に図示した本実施例のスイッチング電源装置の各部の波形図である。
【図５】同期整流回路を備えた本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例を示す電気回路図であって、フォワード方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。
【図６】図５に図示した本実施例のスイッチング電源装置の各部の波形図である。
【図７】同期整流回路を備えた本発明に係るスイッチング電源装置の別の実施例を示す電気回路図であって、直流重畳型フライバック方式スイッチング電源装置に適用した例を示している。
【図８】図７に図示した本実施例のスイッチング電源装置の各部の波形図である。
【図９】同期整流回路を備えた本発明に係るスイッチング電源装置の更に別の実施例を示す電気回路図
【符号の説明】
１                          変圧器
１１                        入力巻線
１２                        出力巻線
１３                        駆動巻線
２                          スイッチング素子
３１                        第１の駆動回路
３１１                      第１の時定数回路
３１２                      オフ駆動スイッチ
３２                        第２の駆動回路
３２２                      第２の時定数回路
３２３                      オン駆動スイッチ
４                          出力整流平滑回路
５                          出力安定化回路
５１                        出力電圧検出回路
５２                        時定数制御回路
Ｃ１、Ｃ２                  コンデンサ
【図１】
0004484006.tif 000002
【図２】
0004484006.tif 000003
【図３】
0004484006.tif 000004
【図４】
0004484006.tif 000005
【図５】
0004484006.tif 000006
【図６】
0004484006.tif 000007
【図７】
0004484006.tif 000008
【図８】
0004484006.tif 000009
【図９】
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