(57)【要約】【課題】スイッチング周波数を一定にでき、フライバック方式が適用可能なスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】  直流電源（１）の正極とトランス（２）１次コイルの一端とを接続し、トランス１次コイルの他端と第１スイッチング素子（７）のコレクタとを接続し、第１スイッチング素子のエミッタと直流電源の負極とを接続し、トランス２次コイルの一端とインダクタ（４）の一端を接続し、他端とダイオード（８）のアノードを接続し、ダイオードのカソードと第１コンデンサ（９）の正極と負荷（１０）の一端を接続し、負荷の他端と第１コンデンサの負極とトランス２次コイルの他端と接続したスイッチング電源装置において、トランス２次コイルの一端と第２スイッチング素子（１２）のエミッタを接続し、第２スイッチング素子のコレクタとダイオード（8)のカソードを接続し、第１スイッチング素子のオン直前に第２スイッチング素子をあらかじめ設定した短時間ＯＮするゲート部（１３）を備えた。【選択図】図１
2007236046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源の正極とスナバの一端と絶縁トランス１次コイルの一端とを接続し、前記絶縁トランス１次コイルの他端と前記スナバの他端と第１スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと前記直流電源の負極とを接続し、絶縁トランス２次コイルの一端とインダクタの一端を接続し、該インダクタの他端とダイオードのアノードを接続し、前記ダイオードのカソードと第１コンデンサの正極と負荷の一端を接続し、前記負荷の他端と前記第１コンデンサの負極と前記絶縁トランス２次コイルの他端と接続し、前記第１スイッチング素子をオンオフして所望の電圧を前記負荷に与えるスイッチング電源装置において、
前記絶縁トランス２次コイルの一端と第２スイッチング素子のエミッタを接続し、前記第２スイッチング素子のコレクタと前記ダイオードのカソードを接続し、
前記第１スイッチング素子のオン直前に前記第２スイッチング素子をあらかじめ設定した短時間ＯＮするゲート部を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記第１スイッチング素子のコレクタと第２コンデンサの一端を接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと前記第２コンデンサの他端を接続し、１次回路を共振させることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
第３コンデンサの一端を前記インダクタと前記ダイオードの接続点とに接続し、前記第３コンデンサの他端を前記第１コンデンサの負極に接続し、２次回路を共振させることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記第１スイッチング素子のコレクタと第２コンデンサの一端とを接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと前記第２コンデンサの他端を接続し、１次回路を共振させ、
第３コンデンサの一端を前記インダクタと前記ダイオードの接続点とに接続し、前記第３コンデンサの他端を前記第１のコンデンサの負極に接続し、２次回路を共振させることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ソフトスイッチング方式を使用したスイッチング電源装置に関するものである。  
【背景技術】
【０００２】
従来、スイッチング素子のスイッチングにより絶縁コンバータトランスの一次側巻線に直流入力電圧を断続的に印加し、この絶縁コンバータトランスの二次巻線に誘起された交番電圧を整流平滑して所望の直流出力電圧を得るスイッチング電源装置においては、スイッチング素子がオフの帰還にこのスイッチング素子の両端間に加わる電圧を電圧共振回路によって正弦波状にし、スイッチング素子のターンオンおよびターンオフ時における損失やサージを低減する電圧共振形スイッチング電源装置が知られている。また近年は、絶縁コンバータトランスの一次側のみならず二次側にも電圧共振回路を設けて、最大負荷電力の増加を図ると共に、スイッチング素子の周波数と導通角を同時に制御して、出力電圧の安定化を図る複合電圧共振型スイッチング装置（特開２００２−１９９７１９、図３参照）も提案されている。
図３は、従来の複合電圧共振型スイッチング電源装置における回路図の一例を示したもので、ここでは、スイッチング素子（７）を備えた他励式の構成を有している。同図において（１）は直流電源装置、もしくは交流電圧を整流平滑した直流母線、（２）は一次側と二次側を絶縁する絶縁コンバータトランス、（７）は例えばＭＯＳ型ＦＥＴからなる第１スイッチング素子で、絶縁コンバータトランス（２）の一次側は、直流電源（１）の両端間に該トランスの一次巻線とスイッチング素子（７）の直列回路を接続したシングルエンデッド形のコンバータで構成される。またスイッチング素子（７）の両端、すなわちドレイン・ソース間には、一次側共振コンデンサ（６）が並列接続される。この共振コンデンサは（７）の寄生キャパシタンスあるいは外付けコンデンサである。また（７）にはボディダイオードが存在するため、スイッチング素子（７）にはコンデンサとダイオードが並列接続されていることになる。また（２）のトランスの一次側には、前記共振コンデンサ（６）と共に一次側電圧共振回路を構成する一次側共振インダクタンス（３）が一次巻線の一端に接続される。（３）は（２）のリーケージインダクタンス、あるいは外付けインダクタンスである。
次に従来回路例図３の動作を説明する。該第１スイッチング素子（７）がＯＮ時にトランス（２）の一次側巻線に入力電圧が印加されると共に、ＯＦＦ時に前記共振回路の作用により、共振コンデンサ（６）ひいてはスイッチング素子（７）の両端間電圧を正弦波状のパルス波形にし、電圧共振としての動作を得る。（７）がＯＦＦした瞬間は（６）の作用で（７）両端間電圧は等価零であるが、その後、（３）と（６）の共振周波数による周期で（６）の両端電圧が一旦上昇したあと、再び零に戻る。その時に該第１スイッチング素子（７）をＯＮすることにより、スイッチングロスの非常に少ない、いわゆるゼロボルトスイッチング（ＺＶＳ）動作が可能となる。
図３では（４）、（５）で二次側共振回路を構成し、スイッチング素子（７）のＯＮ時の二次側電圧を正弦波状にし、最大負荷電力の増大を図るいわゆる複合電圧共振型スイッチング電源装置を構成する。また、ダイオード（８）、コンデンサ（９）は二次側電圧の整流平滑用であり、スイッチング電源装置を構成する。（１０）はその負荷であり、説明は省略する。これら（４）、（５）、（８）、（９）、（１０）は複合電圧共振型スイッチング電源装置には不可欠のものであるが、本発明は一次側スイッチング素子（７）のソフトスイッチングに関するものであり、構成例として説明するのみに留め詳細の説明は省略する。また同様に、本来であれば、二次側から電圧情報をフィードバックし、一次側スイッチング素子（７）のＯＮ幅を制御する必要があるが、これらも電源装置としては自明であり、説明を省略する。
このように、従来の電圧共振型スイッチング電源装置のスイッチング素子のソフトスイッチングは一次側のＬ，Ｃによる電圧共振を利用している。
【特許文献１】特開２００２−１９９７１９、図３参照
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来の電圧共振型スイッチング電源装置は、一次側スイッチング素子のＯＦＦ時の一次側の共振用インダクタンスとコンデンサの共振作用を利用するため、同素子がＯＦＦしてから、次にＯＮさせるまでの時間が共振周波数によって制限されていた。このため、Ｌ，Ｃの定数バラツキや変動によって、ＯＮ時間のタイミングが合わなかったり、共振作用が不十分であったりして、ＺＶＳ作用が不足し、スイッチング素子のスイッチングロスが増大することがあった。また、出力電圧を制御するためには、ＯＮ時間を制御するが、ＯＦＦ時間が固定であるため、スイッチング周波数が変動するという問題があった。
本発明はこのような問題点に鑑みてなされたものであり、ＺＶＳ動作が可能で、任意のスイッチング周波数を適用可能なスイッチング電源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】
【０００４】
上記問題を解決するため、本発明は、次のように構成したのである。
請求項１に記載の発明は、直流電源の正極をスナバの一端と絶縁トランス１次コイルの一端とを接続し、前記絶縁トランス１次コイルの他端と前記スナバの他端と第１スイッチング素子のコレクタとを接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと前記直流電源の負極とを接続し、絶縁トランス２次コイルの一端とインダクタの一端を接続し、前記インダクタの他端とダイオードのアノードを接続し、前記ダイオードのカソードと第１コンデンサの正極と負荷の一端を接続し、前記負荷の他端と前記第１コンデンサの負極と前記絶縁トランス２次コイルの他端と接続し、前記第１スイッチング素子をオンオフして所望の電圧を前記負荷に与えるスイッチング電源装置において、前記絶縁トランス２次コイルの一端と第２スイッチング素子のエミッタを接続し、前記第２スイッチング素子のコレクタと前記ダイオードのカソードを接続し、前記第１スイッチング素子のオン直前に前記第２スイッチング素子をあらかじめ設定した短時間ＯＮするゲート部を備えたことを特徴とするものである。
請求項２に記載の発明は、請求項１記載のスイッチング電源装置において、前記第１スイッチング素子のコレクタと第２コンデンサの一端とを接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと前記第２コンデンサの他端を接続し、１次回路を共振させることを特徴とするものである。
請求項３に記載の発明は、請求項１記載のスイッチング電源装置において、第３コンデンサの一端を前記インダクタと前記ダイオードの接続点とに接続し、前記第３コンデンサの他端を前記第１コンデンサの他端に接続し、２次回路を共振させることを特徴とするものである。
請求項４に記載の発明は、請求項１記載のスイッチング電源装置において、前記第１スイッチング素子のコレクタと第２コンデンサの一端とを接続し、前記第１スイッチング素子のエミッタと前記第２コンデンサの他端を接続し、１次回路を共振させ、第３コンデンサの一端を前記インダクタと前記ダイオードの接続点とに接続し、前記第３コンデンサの他端を前記第１のコンデンサの負極に接続し、２次回路を共振させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００５】
請求項１に記載の発明によると、電圧共振回路を構成せずにスイッチング素子ＯＮ時に、安定したソフトスイッチング動作のスイッチング動作をすることができ、スイッチング周波数も一定にできる。
請求項２乃至４に記載の発明によると、スイッチング素子のＯＮとＯＦＦの両方で、電圧共振回路を構成せずにソフトスイッチング動作をすることができ、スナバ回路も従来回路を使用することにより、スイッチング素子の耐圧を低くできる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、本発明の実施の形態について図を参照して説明する。  
【実施例１】
【０００７】
図１は、本発明の実施例のスイッチング電源装置の構成図である。図１は、第１スイッチング素子のＯＦＦ側のソフトスイッチングを含まない例である。第１スイッチング素子のオフ側のソフトスイッチングを含む例は、オンタイミングが２次側へのエネルギー放出後は動作が同じであるので、省略する。
【０００８】
図１において、直流電源装置（１）、絶縁トランス（２）、一次側インダクタンス（３）、  二次側インダクタンス（４）、第３コンデンサ（１６）、一次側共振用の第２コンデンサ（６）、  第１スイッチング素子（７）、二次側整流ダイオード（８）、二次側平滑用の第１コンデンサ（９）、二次側負荷（１０）は、図３と同じであるが、第２コンデンサ（６）は従来の共振型スイッチング電源の用途とは異なる。二次側インダクタンス（４）、図３の二次側共振用コンデンサ（５）は本発明の作用には直接関係がない。図１において図３から追加したのはスナバ回路（１１）、第２スイッチング素子（１２）、第２スイッチング素子用ゲートコントローラ（１３）、の第１スイッチング素子（７）用のゲートコントローラで（１４）ある。第２スイッチング用ゲートコントローラ（１３）と第１スイッチング素子のゲートコントローラ（１４）はスイッチング素子の動作タイミング決定及び、ゲートドライブ用に必須であるものの、本発明の作用原理説明には必ずしも必要ではない。しかし、第１スイッチング素子（７）および第２スイッチング素子（１２）の動作タイミングを示すために追加した。
【０００９】
動作タイミングは、図２に示すように、ゲートコントローラ（１４）の出力、すなわち第１スイッチング素子（７）のＯＮ信号を出力する直前に、第２スイッチング用ゲートコントローラ（１３）の出力を短時間ＯＮすることが特長となっている。この信号により、第２スイッチング素子（１２）がＯＮし、トランス（２）の二次側に電圧が印加される。これにより、同素子の同図に示すｉＭ２が発生する。この電流により、トランス（２）の一次側には逆方向の電流ｉＬ１が発生し、第２コンデンサ（６）の電荷を放出する。ｉＬ１発生前はスイッチング素子（７）がＯＦＦ中であり、同第２コンデンサ（６）には直流電源（１）の電圧と等しい電圧が充電されており、この状態で第１スイッチング素子（がＯＮすると、コンデンサの電荷を強制的にスイッチング素子で消費することになり、大きなスイッチングロスが発生するが、ｉＬ１の作用により第２コンデンサ（６）の電荷を放出するので、スイッチング素子（７）の両端電圧が低下し、等価零とすることができる。また、スイッチング素子ＯＦＦ時は第２コンデンサ（６）の作用によりＺＶＳとなるため、スイッチング素子のＯＮとＯＦＦの両方でソフトスイッチング動作を実現できる。また、上述したように、このソフトスイッチング動作は共振現象を利用していないため、同スイッチング素子のＯＮとＯＦＦのタイミングは任意に設定でき、繰り返しスイッチングタイミングの一定化、すなわちスイッチング周波数を一定にすることができる。また、スイッチング素子（７）と並列接続した第２コンデンサ（６）とトランス（２）の一次側インダクタンス（３）の作用により、第２コンデンサ（６）のＯＦＦ時に共振電圧が発生するが、共振状態を継続させる必要がないため、通常のスナバ回路（１１）にて過電圧を吸収でき、スイッチング素子の耐圧を低減できる。また、第２コンデンサ（６）の電荷を放出するときは電源に回生されるため、省エネ化が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００１０】
本発明によるとＺＶＳ動作が可能で、スイッチング周波数を一定にでき、フライバック方式が適用可能なスイッチング電源装置を提供できるので、省エネルギーが要求されるあらゆる分野への適用が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の第１実施例を示すスイッチング電源装置の実施例
【図２】本発明のスイッチング電源装置の動作を示すタイミング図
【図３】従来の複合電圧共振型スイッチング電源装置の回路例
【符号の説明】
【００１２】
１  直流電源装置
２  絶縁トランス
３  一次側インダクタンス（またはリーケージインダクタンス）
４  二次側インダクタンス（またはリーケージインダクタンス）
５  二次側共振用コンデンサ
６  第２コンデンサ
７  第１スイッチング素子
８  二次側整流ダイオード
９  第１コンデンサ
１０  二次側負荷
１１  一次側スナバ回路
１２  第２スイッチング素子
１３  第２スイッチング素子用ゲートコントローラ
１４  第１スイッチング素子用ゲートコントローラ
１５  インダクタ
１６  第３コンデンサ
【図１】
2007236046.tif 000003
【図２】
2007236046.tif 000004
【図３】
2007236046.tif 000005