(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同期整流回路を使用し、転流スイッチ素子のゲート・ソース間又はベース・コレクタ間に第一補助スイッチ素子のドレイン・ソース又はコレクタ・エミッタをそれぞれ接続して、この第一補助スイッチ素子のゲート又はベースにトランスを接続して接地して構成してある同期整流型フォワードコンバータにおいて、前記転流スイッチ素子のゲート・ソース間又はベース・コレクタ間に第二補助スイッチ素子のドレイン・ソース又はコレクタ・エミッタをそれぞれ接続して、この第二補助スイッチ素子のゲート又はソースを整流スイッチ素子のゲート又はソースに接続し、前記転流スイッチ素子の電圧がしきい値電圧になる前に、前記第二補助スイッチ素子がオンするように構成し、前記第二補助スイッチ素子のゲート又はベースと前記整流スイッチ素子のゲート又はベースとの間に抵抗を設けてあることを特徴とする同期整流型フォワードコンバータ。
【請求項２】
請求項１に記載の同期整流型フォワードコンバータにおいて、前記トランスはパルストランスであることを特徴とする同期整流型フォワードコンバータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は整流回路に双方向性半導体素子を使用した、同期整流型フォワードコンバータに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の同期整流型フォワードコンバータの一例を示す回路図を図３に示す。また、そのドライブ波形を図４に示す。図３に示す同期整流型フォワードコンバータは、同期整流回路を備え、この同期整流回路は一次−二次間が絶縁されたトランスＴ１を備え、一次側に主スイッチ素子Ｑ１を設け、二次側に整流用スイッチング素子Ｑ２と転流用スイッチング素子Ｑ３とを設けてある。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は双方向性のスイッチング素子であり、この従来例ではＭＯＳＦＥＴを用いている。
【０００３】
転流スイッチ素子Ｑ３のゲート・ソース間に同じくＭＯＳＦＥＴからなる第一補助スイッチ素子Ｑ４のドレイン・ソースをそれぞれ接続し、この第一補助スイッチ素子Ｑ４のゲートに補助トランスＴ２を接続してある。転流スイッチ素子Ｑ３のゲート・ソース間に２つのダイオードＤ１，Ｄ２を直列に設け、転流スイッチ素子Ｑ３のゲート側にダイオードＤ１，Ｄ２のカソードが向くように接続してある。転流スイッチ素子Ｑ３のゲートと接続するダイオードＤ１と並列にトランスＴ１の三次巻線ｎ３とコンデンサＣ１との直列回路を接続し、転流スイッチ素子Ｑ３のソースに接続するダイオードＤ２と並列にツェナーダイオードＤＺ１を接続してある。また、転流スイッチ素子Ｑ３のソースと整流スイッチ素子Ｑ２のドレインとを接続し、この間に抵抗Ｒ１を設け、この抵抗Ｒ１の一端にダイオードＤ３のアノードを接続し、このダイオードＤ３のカソードを整流スイッチ素子Ｑ２のドレインに接続してある。
【０００４】
以上のように構成してある同期整流型フォワードコンバータにおいて、以下のように作用する。当該同期整流型コンバータに並列接続された外部コンバータの異常等によって、当該同期整流型コンバータの出力電圧より大きい電圧が印可された場合、又は、単体若しくは並列平行運転時等の停止時に当該同期整流コンバータは、主スイッチ素子ゲート波形が停止しているにもかかわらず、二次側整流スイッチ素子Ｑ２および転流スイッチ素子Ｑ３が交互にオン−オフを繰り返す自励発振モードに入る。
【０００５】
図４のタイムチャートを用いてこの動作時の説明をする。この自励発振動作に入った場合、主スイッチ素子Ｑ１のゲート−ソース電圧VGSのオン−オフがなくなるため、定常時にこの信号を受けて動作する第一補助スイッチ素子Ｑ４は動作しない。定常動作時は第一補助スイッチ素子Ｑ４が動作するため、転流スイッチ素子Ｑ３の寄生容量CissおよびコンデンサＣ１の電荷は引き抜け、転流スイッチ素子Ｑ３はオフできるが、自励発振モードでは前記第一補助スイッチ素子Ｑ４が動作しないため前記転流スイッチ素子Ｑ３のゲート−ソース電圧VGSがしきい値電圧より小さな電圧となるまでオフできない。この対策のために、前記転流スイッチ素子Ｑ３の寄生容量とコンデンサＣ１の電荷を放電するために抵抗Ｒ１が接続してある。このため期間t2からt4までは図４図示実線Ａ−Ｃに示すような波形となる。
【０００６】
上記転流スイッチ素子Ｑ３がオンしている時間に、出力チョークＬOは外部電源Ｖextより励磁を受けて、転流スイッチ素子Ｑ３がオフすると出力チョークＬOの極性が反転するため整流スイッチ素子Ｑ２がオンして、第二巻線ｎ２を介して一次側にエネルギーが回生される。基本的な自励発振動作はこのt1からt5までの動作の繰り返しである。
【０００７】
ここで、整流スイッチ素子Ｑ２のゲート電圧VGSの期間t3からt4までにかけての波形であるが、これは、この期間に転流スイッチ素子Ｑ３のゲート−ソース間の電圧が下がってくることにより、転流スイッチ素子Ｑ３のドレイン−ソース間のオン抵抗が上昇していき、この抵抗Ｒ１に電流が流れるため転流スイッチ素子Ｑ３のドレイン−ソース間の電圧が上昇していくことになり、その電圧の容量分割（コンデンサＣ２および整流スイッチ素子Ｑ２の寄生容量）である整流スイッチ素子Ｑ２のゲート電圧VGSは図４に示すような波形となる。
【０００８】
外部電源Ｖextより当該コンバータに入ってくる外部流入電流Iextは、転流スイッチ素子Ｑ３のオン時間Tonに比例し出力チョークＬOのＬ値に反比例する。すなわち、転流スイッチ素子Ｑ３は上記に示した通り徐々にオン抵抗は大きくなっていき、そこに右肩上がりに大きくなっていく電流が流れるため、大きな損失が発生し破損する、または転流スイッチ素子Ｑ３のオン時間Tonが大きくなることにより外部流入電流が大きくなり転流スイッチ素子Ｑ３および整流スイッチ素子Ｑ２さらには主スイッチ素子Ｑ１が破損するといった恐れがでてくる。
【０００９】
このため、抵抗Ｒ１の値を調整し、転流スイッチ素子Ｑ３のオン時間Tonを小さくするように設定し、外部電源Ｖextより入り込む電流Iextを制限している。ここの抵抗Ｒ１の設定方法であるが、大きくしすぎると、放電時定数も大きくなり前記転流スイッチ素子Ｑ３の寄生容量と直列に接続されたコンデンサＣ１の電荷が放電しにくくなり、前記転流スイッチ素子Ｑ３のオン時間が長くなるため外部電源Ｖextより多大な電流が流れ、転流スイッチ素子Ｑ３が破損する恐れがあり、逆に抵抗Ｒ１を小さくすると放電時定数は小さくなるため転流スイッチ素子Ｑ３のオン時間Tonは短くできるが、定常動作時に転流スイッチ素子Ｑ３のゲート−ソース間電圧VGSがオフのしきい値を割り込んでしまうため、転流スイッチ素子Ｑ３はオフして転流スイッチ素子Ｑ３の寄生ダイオードに電流が流れて効率が低下するといった問題が生じる。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであり、自励発振時の転流スイッチ素子のオン時間に制限をかけることにより発振周波数にリミットをかけ、過大電流の流入により二次側および一次側のスイッチ素子が破損することを防止することを可能とした同期整流型フォワードコンバータを提供するものである。
【００１１】
【課題を解決しようとする手段】
上記目的を達成するためになされた発明は、転流スイッチ素子のゲート駆動電圧のしきい値電圧より十分低いしきい値を持つ第二補助スイッチ素子を用いることにより、自励発振の周波数は高く設定することができ、外部電源より入り込む電流を小さく抑えることを可能にする。
【００１２】
また、本発明は、転流スイッチ素子のゲート・ソース間に第二補助スイッチ素子のドレイン・ソース又はコレクタ・エミッタをそれぞれ接続して、この第二補助スイッチ素子のゲート又はベースを整流スイッチ素子のゲートに接続することにより、並列時その他コンバータの出力電圧の異常上昇、及び、コンバータ動作停止時に起きる自励発振の周波数に制限をかけることができ、過大電流及び安全動作領域を越える動作による主スイッチ素子、転流スイッチ素子並びに整流スイッチ素子の破損を防ぐことを可能にする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を用いて本発明に係るスイッチング電源の実施例を説明する。図１は本発明の実施例の回路図を示し、図２は図１図示実施例のドライブ波形を示してある。図１に示す実施例に係る同期整流型フォワードコンバータは、同期整流回路を備え、この同期整流回路は一次−二次間が絶縁されたトランスＴ１を備え、一次側に主スイッチ素子Ｑ１を設け、二次側に整流用スイッチング素子Ｑ２と転流用スイッチング素子Ｑ３とを設けてある。スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３は双方向性のスイッチング素子であり、この実施例ではＭＯＳＦＥＴを用いている。
【００１４】
転流スイッチ素子Ｑ３のゲート・ソース間に同じくＭＯＳＦＥＴからなる第一補助スイッチ素子Ｑ４のドレイン・ソースをそれぞれ接続して、この第一補助スイッチ素子Ｑ４のゲートに補助トランスＴ２を接続してある。転流スイッチ素子Ｑ３のゲート・ソース間に２つのダイオードＤ１，Ｄ２を直列に設け、転流スイッチ素子Ｑ３のゲート側にダイオードＤ１，Ｄ２のカソードが向くように接続してある。転流スイッチ素子Ｑ３のゲートと接続するダイオードＤ１と並列にトランスＴ１の三次巻線ｎ３とコンデンサＣ１との直列回路を接続し、転流スイッチ素子Ｑ３のソースに接続するダイオードＤ２と並列にツェナーダイオードＤＺ１を接続してある。また、転流スイッチ素子Ｑ３のソースとＭＯＳＦＥＴからなる整流スイッチ素子Ｑ２のドレインとを接続し、この間に抵抗Ｒ１を設け、この抵抗Ｒ１の一端にダイオードＤ３のアノードを接続し、このダイオードＤ３のカソードを整流スイッチ素子Ｑ２のドレインに接続してある。
【００１５】
転流スイッチ素子Ｑ３のゲート・ソース間にＭＯＳＦＥＴからなる第二補助スイッチ素子Ｑ５のドレイン・ソースをそれぞれ接続してある。この第二補助スイッチ素子Ｑ５のゲートに抵抗Ｒ２の一端を接続し、この抵抗Ｒ２の他端に整流スイッチ素子Ｑ２のゲートを接続してある。また、第二補助スイッチ素子Ｑ５は転流スイッチ素子Ｑ３の電圧がしきい値電圧になる前にオンするようにしてある。
【００１６】
以上のように構成してある同期整流型フォワードコンバータにおいて、以下のように作用する。コンバータが自励発振に入った場合、期間t2からt3で抵抗Ｒ１が放電することにより、転流スイッチ素子Ｑ３のドライブ電圧VGSは図２図示実線Ｄ−Ｅに示す波形のように徐々に下がるため、転流スイッチ素子Ｑ３のドレイン・ソース間のオン抵抗が徐々に大きくなることにより、転流スイッチ素子Ｑ３の両端の電圧は上昇していき、その関数である整流スイッチ素子Ｑ２のゲート・ソース間電圧が図２図示実線Ｆ−Ｇに示すように上昇していく。第二補助スイッチ素子Ｑ５は整流ドライブ電圧の上昇を検出してオン動作するよう接続されているので、第二補助スイッチ素子Ｑ４がしきい値電圧になる時間t3においてオンして、転流スイッチ素子Ｑ３の寄生容量およびコンデンサＣ１の電荷が引き抜け転流スイッチ素子Ｑ３はオフできる。
【００１７】
外部電源Ｖextより当該コンバータに流れ込む電流Iextは、転流スイッチ素子Ｑ３のオン時間Tonに比例し出力チョークＬ0のＬ値に反比例するため、転流スイッチ素子Ｑ３のオンを第二補助スイッチ素子Ｑ５で強制的にオフすることができるため、入り込む電流は本来、図２図示破線Ｈ−Ｉ’であったのが、図２図示実線Ｈ−Ｉに示すような小さい電流に抑えることができるため、転流スイッチ素子Ｑ３を防止することが可能となる。
【００１８】
また、転流スイッチ素子Ｑ３のオン期間に出力チョークＬ0に蓄えられたエネルギーは、巻線ｎ２および整流スイッチ素子Ｑ２を介して一次側に回生される。この回生されるエネルギーは、外部流入電流Iextの２乗に比例する関数となるため、転流オン期間に流れる電流を図２図示破線Ｈ−Ｉ’より実線Ｈ−Ｉへと小さくすることができることで、転流スイッチ素子Ｑ３および主スイッチ素子Ｑ１の破損が防止できる。
【００１９】
なお、本実施例において、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５はＭＯＳＦＥＴであるが、本発明に係るスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４，Ｑ５は、トランジスタを代表するいずれの双方向性半導体素子を用いることが可能である。但し、ＭＯＳＦＥＴを用いた場合と同様な作用をするために、ＭＯＳＦＥＴ以外のトランジスタを用いた場合は、コンデンサＣ１の代わりに抵抗を用いるとよい。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、転流スイッチ素子のゲート駆動電圧のしきい値電圧より十分低いしきい値を持つ第二補助スイッチ素子を用いることにより、自励発振の周波数は高く設定することができ、外部電源より入り込む電流を小さく抑えることができる効果がある。
【００２１】
また、本発明は、転流スイッチ素子のゲート・ソース間に第二補助スイッチ素子のドレイン・ソース又はコレクタ・エミッタをそれぞれ接続して、この第二補助スイッチ素子のゲート又はベースを整流スイッチ素子のゲートに接続することにより、並列時その他コンバータの出力電圧の異常上昇、及び、コンバータ動作停止時に起きる自励発振の周波数に制限をかけることができ、過大電流及び安全動作領域を越える動作による主スイッチ素子、転流スイッチ素子並びに整流スイッチ素子の破損を防ぐことができる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る一実施例を示すブロック図である。
【図２】  図１図示実施例の動作波形図である。
【図３】  従来例を示すブロック図である。
【図４】  図３図示従来例の動作波形図である。
【符号の説明】
Ｑ１  主スイッチ素子
Ｑ２  整流スイッチ素子
Ｑ３  転流スイッチ素子
Ｑ４  第一補助スイッチ素子
Ｑ５  第二補助スイッチ素子
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３  ダイオード
ＤＺ１  ツェナーダイオード
Ｃ１，Ｃ２  コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２  抵抗
Ｔ１，Ｔ２  トランス
ｎ１，ｎ２，ｎ３  巻線
ＬO   出力チョーク
Ｖext   外部電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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