JP2970041B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は自励式スイッチング電源
装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】直流電源にトランスとスイッチングトラ
ンジスタとの直列回路を接続し、トランスに結合された
駆動巻線の電圧でスイッチングトランジスタを正帰還駆
動する形式のスイッチングレギュレータは広く使用され
ている。

【０００３】また、駆動巻線（帰還巻線）の電圧による
スイッチングトランジスタのターンオン動作に遅延を与
える方法が知られている。即ち、スイッチングトランジ
スタに並列にコンデンサが接続されている場合、又はス
イッチングトランジスタが浮遊容量を有する場合におい
て、スイッチングトランジスタの電圧がゼロになる前に
スイッチングトランジスタのオンが開始すると、スイッ
チングトランジスタの電圧と電流との積に基づく電力損
失が生じるので、これを低減するためにスイッチングト
ランジスタのオン開始時点を強制的に遅らせる方法が知
られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところで、従来のスイ
ッチングトランジスタのオン時間幅はベース電流をバイ
パスさせることによって行っているので、これによる電
力損失が生じた。また、バイパス用トランジスタは可変
抵抗素子として機能するため、主トランジスタのターン
オン及びターンオフを迅速に行うことが困難であった。
またターンオンの遅れの効果を確実且つ容易に得ること
が困難であった。

【０００５】そこで、本発明の目的は、スイッチング素
子のターンオンの遅延効果を確実且つ容易に行うことが
できるスイッチング電源装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明は、直流電源の一端に接続されたトランスの主
巻線と、第１及び第２の主端子と制御端子とを有し、前
記第１の主端子が前記主巻線を介して前記直流電源の一
端に接続され、前記第２の主端子が前記直流電源の他端
に接続されているスイッチング素子と、前記トランスに
接続された整流平滑回路と、前記主巻線に電磁結合さ
れ、且つ前記スイッチング素子を正帰還駆動するように
前記スイッチング素子の前記制御端子と前記第２の主端
子との間に接続された駆動巻線と、前記スイッチング素
子の前記制御端子に接続された起動回路とを備えたスイ
ッチング電源装置において、前記スイッチング素子の前
記制御端子と前記第２の主端子との間に接続され、且つ
前記スイッチング素子のオン期間における前記駆動巻線
の電圧によって順バイアスされる極性を有している制御
用トランジスタと、前記駆動巻線の一端に接続された抵
抗と第１のコンデンサと直列回路と、前記駆動巻線の他
端に接続された第２のコンデンサと、前記直列回路と前
記第２のコンデンサとの間に接続された可変インピーダ
ンス素子と、前記第２のコンデンサと前記駆動巻線の一
端との間に接続され、且つ前記スイッチング素子のオフ
期間に前記駆動巻線に誘起する電圧で順バイアスされる
方向性を有しているダイオードと、前記整流平滑回路の
出力電圧を調整するために前記可変インピーダンス素子
を制御する電圧制御回路とを備えており、且つ前記制御
用トランジスタのベースが前記直列回路と前記可変イン
ピーダンス素子との接続点に直接に又はトランジスタを
介して接続されていることを特徴とするスイッチング電
源装置に係わるものである。

【０００７】なお、入力電圧の変動の影響を軽減するた
めに、駆動巻線とスイッチング素子との間にトリガ用コ
ンデンサを接続し、且つこのコンデンサに並列に駆動信
号持続回路を設けることができる。

【０００８】

【作用】第２のコンデンサはスイッチング素子のオフ期
間に駆動巻線に発生する電圧で充電される。この第２の
コンデンサの充電電圧はスイッチング素子のオフ期間に
おいて制御用トランジスタをオンさせる。スイッチング
素子のオフからオンの転換期間において駆動巻線の逆方
向電圧が低下し、しかる後、正方向電圧が発生しても、
制御用トランジスタがオンのためにスイッチング素子は
直ちにオンに転換しない。

【０００９】

【実施例】次に、図１〜図５を参照して本発明の実施例
に係わるＲＣＣ方式（オン・オフ型）のスイッチング電
源装置を説明する。交流電源に接続された整流器と平滑
回路から成る直流電源１の一方の端子２と他方の端子３
との間にはトランス４の１次巻線（主巻線）５を介して
変換用スイッチング素子としての主トランジスタ６が接
続されている。即ち、主トランジスタ６のコレクタ（第
１の主端子）が１次巻線５を介して一方の電源端子２に
接続され、このエミッタ（第２の主端子）が他方の電源
端子３に接続されている。

【００１０】トランス４の出力巻線である２次巻線７に
はダイオード８とコンデンサ９とから成る整流平滑回路
１０が接続されている。この整流平滑回路１０には負荷
１１が接続されている。

【００１１】トランス４の３次巻線即ち駆動巻線１２の
一端は抵抗１３とコンデンサ１４とを介して主トランジ
スタ６のベース（制御端子）に接続され、他端は主トラ
ンジスタ６のエミッタに接続されている。なお、抵抗１
３とコンデンサ１４に対して並列にオン駆動信号持続回
路１５が接続されている。

【００１２】ｐｎｐ型の制御用トランジスタ１６は主ト
ランジスタ６のベース・エミッタ間に接続されている。
即ち、制御用トランジスタ１６のエミッタが主トランジ
スタ６のベースに接続され、コレクタが主トランジスタ
６のエミッタに接続されている。

【００１３】駆動巻線１２の一端に抵抗１７と第１のコ
ンデンサ１８との直列回路が接続されている。駆動巻線
１２の他端には第２のコンデンサ１９が接続されてい
る。第１のコンデンサ１８と第２のコンデンサ１９の間
には電圧制御用可変インピーダンス素子としてホトトラ
ンジスタ２０が接続されている。ホトトランジスタ２０
と第１のコンデンサ１８の接続点２１は、ｐｎｐ型トラ
ンジスタ２２のベース・エミッタ間を介して制御用トラ
ンジスタ１６のベースに接続されている。トランジスタ
２２のコレクタは抵抗２３を介して第２のコンデンサ１
９とホトトランジスタ２０との接続点２４に接続されて
いる。ホトトランジスタ２０に並列にバイアス設定用抵
抗２５が接続されている。第２のコンデンサ１９と駆動
巻線１２の上端との間にオフ期間に順バイアスされる向
きを有するダイオード２６が接続されている。抵抗１７
と駆動巻線１２の下端との間に正方向電圧のクランプ用
ダイオード２７が接続されている。

【００１４】ホトトランジスタ２０を制御するための制
御回路２８は、電圧検出抵抗２９、３０と、誤差増幅器
３１と、基準電圧源３２と、発光ダイオード３３とから
成る。検出抵抗２９、３０は整流平滑回路１０に接続さ
れているので、誤差増幅器３１は基準電圧と検出電圧と
の差に対応した電圧を出力し、ホトトランジスタ２０に
光結合された発光ダイオード３３は誤差増幅器３１の出
力に応じて発光する。

【００１５】１次巻線５の下端とグランドとの間即ち主
トランジスタ６に並列に接続されたコンデンサ３４は、
部分共振用である。このコンデンサ３４の代りに主トラ
ンジスタ１６等の浮遊容量を使用することもできる。電
源端子２と主トランジスタ６のベースとの間に接続され
た抵抗３５は主トランジスタ６に起動電流を与えるため
の起動回路として機能する。

【００１６】図２は図１のオン駆動持続回路１５を詳し
く示す。この駆動持続回路１５は、コンデンサ３６とダ
イオード３７、３８と、トランジスタ３９と、抵抗４
０、４１、４２とから成る。コンデンサ３６はダイオー
ド３７、３８を介して駆動巻線１２に接続され、ダイオ
ード３７、３８は主トランジスタ６のオフ期間に順バイ
アスされる方向性を有しているので、入力電圧変動に無
関係のオフ期間の定電圧でコンデンサ３６が充電され
る。コンデンサ３６と主トランジスタ６のベースとの間
に接続されたトランジスタ３９は、主トランジスタ６の
オン期間に抵抗４２を通して流れる電流でオンになり、
コンデンサ３６を電源としてベース電流を供給する。主
トランジスタ６のターンオン時にはコンデンサ１４を介
して図３の（Ａ）に示すようにｔ1 で微分電流（トリガ
ー電流）が流れ、主トランジスタ６がオンになる。これ
と同時にトランジスタ３９がオンになり、コンデンサ３
６からベース電流が図３の（Ｂ）に示すように継続して
供給される。ｔ2 で主トランジスタ６がターンオフする
と、コンデンサ１４は逆方向に充電される。

【００１７】

【動作】次に、図４及び図５を参照して図１の回路の動
作を説明する。図５は主トランジスタ６のオフ期間の状
態を説明するために図１の一部を抽出して示す回路図で
ある。図４は図１及び図５の電流Ｉ1 、Ｉ2 、Ｉ3 及び
電圧Ｖ1 、Ｖ2 、Ｖ3 を示す波形図である。

【００１８】直流電源１から電力供給を開始すると、起
動抵抗３５を通って主トランジスタ６にベース電流が流
れ、これがオンになる。この結果、１次巻線５に電源電
圧が印加され、駆動巻線１２に正帰還電圧が得られ、主
トランジスタ６は駆動巻線１２の電圧で駆動される。１
次巻線５はインダクタンスを有するので、主トランジス
タ６のコレクタ電流Ｉc は時間と共に増大する。その
後、制御用トランジスタ１６がオン制御されると、主ト
ランジスタ６はオフに転換する。整流平滑回路１０のダ
イオード８は主トランジスタ６のオン期間にオフ、オフ
期間にオンになる極性を有し、オン期間にトランス４に
蓄積されたエネルギーをオフ期間にコンデンサ９及び負
荷１１側に放出する。蓄積エネルギーの放出が終了する
と、駆動巻線１２に主トランジスタ６をオンにする向き
の振動電圧が発生し、主トランジスタ６はオンに転換す
る。

【００１９】次に、主トランジスタ６のオン・オフ制御
動作を更に詳しく説明する。主トランジスタ６のオフ期
間（ｔ1 〜ｔ4 ）中の大部分においては、一定値に制御
された出力平滑コンデンサ９の電圧に対応した電圧が駆
動巻線１２に下向きに得られる。これにより、駆動巻線
１２、第２のコンデンサ１９、ダイオード２６から成る
閉回路で第２のコンデンサ１９が充電される。また、駆
動巻線１２、制御用トランジスタ１６のコレクタ・ベー
ス間、トランジスタ２２のエミッタ・ベース間、第１の
コンデンサ１８、抵抗１７から成る閉回路で第１のコン
デンサ１８が充電される。同時に、第２のコンデンサ１
９及び駆動巻線１２を電源として、制御用トランジスタ
１６のコレクタ・ベース間、トランジスタ２２のエミッ
タ・ベース間、抵抗２５及びホトトランジスタ２０から
成る回路に電流が流れ、制御用トランジスタ１６及びト
ランジスタ２２のオンが維持される。なお、主トランジ
スタ６のオフ期間にベース駆動用コンデンサ１４は図５
に示すように主トランジスタ６のベース側が正に充電さ
れる。

【００２０】図４のトランス４のエネルギーの放出が終
了すると、駆動巻線１２の電圧Ｖ2は負から正に反転す
る。この電圧Ｖ2 は図４に示すように傾きを有して変化
する。駆動巻線１２の電圧Ｖ2 がｔ2 時点で例えばマイ
ナス８Ｖであったとし、マイナス側振幅が徐々に小さく
なり始めても、逆方向トランジスタとして動作している
トランジスタ１６のコレクタ・ベース間電圧とトランジ
スタ２２のエミッタ・ベース間の電圧との和に対応する
電圧Ｖ3が２つのトランジスタ１６、２２の立上り電圧
の和（例えば１．０Ｖ）以上にならない限り、２つのト
ランジスタ１６、２２のオンは維持される。駆動巻線１
２の電圧Ｖ2 がマイナス８Ｖからマイナス１Ｖ程度まで
上昇すると、トランジスタ１６のコレクタ・ベース間、
トランジスタ２２のエミッタ・ベース間、ホトトランジ
スタ２０、ダイオード２６から成る回路で２つのトラン
ジスタ１６、２２のオンを維持することが不可能にな
り、図４のｔ3 時点でこれ等がオフに転換する。

【００２１】ところで、ｔ2 時点で駆動巻線１２の逆方
向電圧の振幅の低下が生じると、コンデンサ１４の放電
が始まり、この放電電流がトランジスタ１６のエミッタ
電流Ｉ3 として流れる。ｔ3 時点でトランジスタ１６は
オフ状態になるが、ストレージに基づく電流がトランジ
スタ１６に流れ続ける。従って、ｔ3 時点で主トランジ
スタ６のコレクタ電流Ｉc が直ちに流れない。即ち、主
トランジスタ６のターンオンの遅延作用が生じる。駆動
巻線１２の電圧Ｖ2 の向きが正方向になっても、この初
期には制御用トランジスタ１６がストレージでオンして
いるので、主トランジスタ６のコレクタ電流Ｉc は立上
らない。その後、制御用トランジスタ１６が完全にオフ
になると、主トランジスタ６がオンになり、ｔ4 時点か
らコレクタ電流Ｉc が立上る。主トランジスタ６がオン
になると、図１に示す部分共振用コンデンサ３４の放電
電流が主トランジスタ６を通して流れる。しかし、この
電流は主トランジスタ６のコレクタ・エミッタ間電圧が
低下した後に流れるので、電力損失が小さい。

【００２２】主トランジスタ６のオン期間には制御側の
２つのトランジスタ１６、２２はオフであるので、接続
点２１の電位即ち電圧Ｖ3 は２つのトランジスタ１６、
２２と無関係に変化する。ホトトランジスタ２０及び抵
抗１７の電圧をＶa 、Ｖb を無視すれば、オン期間の電
圧Ｖ3 を次式で示すことができる。 Ｖ3 ＝Ｖ2 ＋Ｖc1 即ち、接続点２１の電圧Ｖ3 は第１のコンデンサ１８の
電圧に依存して変化する。第１のコンデンサ１８が逆充
電され、この電圧Ｖc1が徐々に低下すると、電圧Ｖ3 も
図４に示すように徐々に低下する。この電圧Ｖ3が図４
のｔ5 時点において２つのトランジスタ１６、２２のス
レッシュホールド電圧（しきい値）Ｖthよりも低くなる
と、２つのトランジスタ１６、２２が再びオンになり、
制御用トランジスタ１６に電流Ｉ3 が流れる。一方、主
トランジスタ６のベース電流Ｉ2は急激に減少し、飽和
を維持できなくなり、ｔ6 でオフに転換する。

【００２３】今迄の説明ではホトトランジスタ２０の抵
抗値を一定として説明した。この実施例ではホトトラン
ジスタ２０が電圧制御に使用されているので、出力電圧
の変化に応じて抵抗値が変化する。出力電圧が基準値よ
りも高くなったと仮定すれば、ホトトランジスタ２０の
抵抗値が小さくなり、第１のコンデンサ１８の逆充電の
時定数が小さくなり、図４に示すようにオン期間におけ
るＶ3 の低下が急になり、主トランジスタ６のオン時間
幅が短くなる。

【００２４】本実施例は次の効果を有する。 （イ） 制御用トランジスタ１６が可変抵抗素子ではな
く、スイッチング素子として働くので、オン期間におけ
るベース電流のバイパス動作が連続的に発生せず、ここ
での電力損失が小さくなる。 （ロ） オフ期間に制御用トランジスタ１６がオン状態
にあるので、主トランジスタ６のターンオン時に制御用
トランジスタ１６を通って電流が流れ、主トランジスタ
６のターンオン時点の遅延効果が生じ、主トランジスタ
６のターンオン時の損失を小さくすることができる。 （ハ） 電圧Ｖ3 に基づいてトランジスタ１６、２２が
スイッチ動作して主トランジスタ６が制御されるので、
主トランジスタ６のスイッチング速度を早くすることが
できる。

【００２５】

【変形例】本発明は上述の実施例に限定されるものでな
く、例えば次の変形が可能なものである。

【００２６】トランジスタ２２を省いた構成にすること
ができる。

【００２７】ホトトランジスタ２０を電圧又は電流制御
インピーダンス素子（トランジスタ等）に置き換えるこ
とができる。

【００２８】主トランジスタ６のベース電流供給回路を
種々変形することができる。例えば、持続駆動回路１５
としてコンデンサ１４に並列にダイオードを接続するこ
とができる。

【００２９】出力電圧を３次巻線１２又は独立した検出
巻線で検出してもよい。

【００３０】

【発明の効果】上述から明らかなように本発明によれ
ば、ターンオンの遅延効果を容易かつ良好に得ることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わるスイッチング電源装置
を示す回路図である。

【図２】図１の一部を詳しく示す回路図である。

【図３】図２の回路の動作を説明するための波形図であ
る。

【図４】図１のＩ1 、Ｉ2 、Ｉ3 、Ｉc 、Ｖ1 、Ｖ2 、
Ｖ3 を示す波形図である。

【図５】主トランジスタのオフ期間の図１の各部の電圧
関係を等価的に示す回路図である。

【符号の説明】

１ 直流電源 ６ 主トランジスタ １２ 駆動巻線 １６ 制御用トランジスタ １８ 第１のコンデンサ １９ 第２のコンデンサ ２０ ホトトランジスタ

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流電源の一端に接続されたトランスの
   主巻線と、第１及び第２の主端子と制御端子とを有し、
   前記第１の主端子が前記主巻線を介して前記直流電源の
   一端に接続され、前記第２の主端子が前記直流電源の他
   端に接続されているスイッチング素子と、前記トランス
   に接続された整流平滑回路と、前記主巻線に電磁結合さ
   れ、且つ前記スイッチング素子を正帰還駆動するように
   前記スイッチング素子の前記制御端子と前記第２の主端
   子との間に接続された駆動巻線と、前記スイッチング素
   子の前記制御端子に接続された起動回路とを備えたスイ
   ッチング電源装置において、前記スイッチング素子の前
   記制御端子と前記第２の主端子との間に接続され、且つ
   前記スイッチング素子のオン期間における前記駆動巻線
   の電圧によって順バイアスされる極性を有している制御
   用トランジスタと、前記駆動巻線の一端に接続された抵
   抗と第１のコンデンサとの直列回路と、前記駆動巻線の
   他端に接続された第２のコンデンサと、前記直列回路と
   前記第２のコンデンサとの間に接続された可変インピー
   ダンス素子と、前記第２のコンデンサと前記駆動巻線の
   一端との間に接続され、且つ前記スイッチング素子のオ
   フ期間に前記駆動巻線に誘起する電圧で順バイアスされ
   る方向性を有しているダイオードと、前記整流平滑回路
   の出力電圧を調整するために前記可変インピーダンス素
   子を制御する電圧制御回路とを備えており、且つ前記制
   御用トランジスタのベースが前記直列回路と前記可変イ
   ンピーダンス素子との接続点に直接に又はトランジスタ
   を介して接続されていることを特徴とするスイッチング
   電源装置。
2. 【請求項２】 更に、前記駆動巻線の一端と前記スイッ
   チング素子の制御端子との間に接続されたコンデンサ
   と、前記コンデンサに並列に接続された駆動信号持続回
   路とを備えてい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。