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JP3678286B2 - 同期整流回路 - Google Patents
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【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)の低オン抵抗を利用して、交流を直流に高効率に変換する同期整流回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
図8に同期整流回路の従来例を示す。同図において、Trはトランス、RC1,FWRCはダイオード、FW1〜FW4はMOSFET、L0 はリアクトル、C0 はコンデンサを示す。
ここで、Trの2次側に正の電圧が生じると、電流はTrの2次側→ダイオードRC1→リアクトルL0 →コンデンサC0 →Trの2次側の経路で流れる。また、Trの2次側に負の電圧が生じると、L0 に流れる電流はリアクトルL0 →コンデンサC0 →ダイオードFWRC→リアクトルL0 の経路で還流する。しかし、ダイオードよりもMOSFETのオン電圧の方が低いので、MOSFET(FW1〜FW4)をオンすることで、MOSFET(FW1〜FW4)→リアクトルL0 の経路で還流させる。このように、MOSFETをオンすることで高効率化を図っている。
【0003】
なお、ダイオードRC1は他のMOSFETに置き換えても良く、ダイオードとMOSFETを並列に設けるようにしても良い。ただし、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入することとする。また、ダイオードFWRCを省略し、FW1〜FW4のボディダイオードで代用するようにしても良い。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
図8の回路では、大きな負荷電流を流しているときのリアクトルL0 に流れる電流の還流経路は常にリアクトルL0 →コンデンサC0 →ダイオードFWRCまたはMOSFET(FW1〜FW4)→リアクトルL0 の方向である。しかし、負荷電流が小さい軽負荷時では、リアクトル電流は図9(c)に示すように、零付近でリプルを含んだ波形となる。ここで、リアクトル電流がL0 →FW1〜FW4→C0 →L0 の経路で流れているときにMOSFETをオフすると、リアクトルL0 に蓄えられているエネルギーによって、MOSFET(FW1〜FW4)のドレイン・ソース間やダイオードFWRCのアノード・カソード間の電圧が図9(d)に示すように上昇し、素子が破壊するおそれがある。
また、リアクトル電流がL0 →FW1〜FW4→C0 →L0 の方向で流れているときは、出力側のコンデンサC0 からエネルギーが放電されており、効率を低下させることになる。
したがって、この発明の課題は、エネルギーの損失を低減し高効率化を図ることにある。
【0005】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決すべく、請求項1の発明では、トランスの2次側に任意の数の第1の金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を並列接続し、この第1MOSFETのドレインとトランスの正側間に第1ダイオードまたは第2MOSFETの少なくとも一方を、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入し、第1MOSFETのドレイン・ソース間のドレイン側にカソードが接続されるように第2ダイオードを並列接続するか、または第2ダイオードの役割を第1MOSFETのボディダイオードで果たし、さらにトランス2次側に並列接続した第1MOSFETのドレイン・ソース間にリアクトルとコンデンサの直列回路を並列接続し、コンデンサ両端間を出力とすることで、トランス2次側に負の電圧が発生したときに第1MOSFETをオンさせてリアクトル電流を還流させる同期整流回路において、
前記リアクトルとコンデンサ間、またはコンデンサと第1MOSFETのソース間に第3ダイオードを挿入することにより、第1MOSFETをオンしたとき、リアクトルにコンデンサから第1MOSFETのドレイン・ソース間方向に電流を流さないようにしている。
【0006】
また、請求項2,3の発明では、トランスの2次側に任意の数の第1の金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を並列接続し、この第1MOSFETのドレインとトランスの正側間に第1ダイオードまたは第2MOSFETの少なくとも一方を、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入し、第1MOSFETのドレイン・ソース間のドレイン側にカソードが接続されるように第2ダイオードを並列接続するか、または第2ダイオードの役割を第1MOSFETのボディダイオードで果たし、さらにトランス2次側に並列接続した第1MOSFETのドレイン・ソース間にリアクトルとコンデンサの直列回路を並列接続し、コンデンサ両端間を出力とすることで、トランス2次側に負の電圧が発生したときに第1MOSFETをオンさせてリアクトル電流を還流させる同期整流回路において、
前記リアクトルに補助巻線を設けてリアクトルに流れる電流を検出し、これが零になるときに前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けるか(請求項2の発明)、または、
前記第1MOSFETの1つに流れる電流を検出し、これが零になるときに前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けたことを特徴とする(請求項3の発明)。
【0007】
さらに、請求項4,5,6の発明では、トランスの2次側に任意の数の第1の金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を並列接続し、この第1MOSFETのドレインとトランスの正側間に第1ダイオードまたは第2MOSFETの少なくとも一方を、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入し、第1MOSFETのドレイン・ソース間のドレイン側にカソードが接続されるように第2ダイオードを並列接続するか、または第2ダイオードの役割を第1MOSFETのボディダイオードで果たし、さらにトランス2次側に並列接続した第1MOSFETのドレイン・ソース間にリアクトルとコンデンサの直列回路を並列接続し、コンデンサ両端間を出力とすることで、トランス2次側に負の電圧が発生したときに第1MOSFETをオンさせてリアクトル電流を還流させる同期整流回路において、
前記第1MOSFETの1つのオン電圧を検出してこれから第1MOSFETの1つに流れる電流を推測し、これが零となるときに前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けるか(請求項4の発明)、または、
前記トランス1次側の電流を検出して負荷率を検出し、負荷率が所定値以下の軽負荷時に前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けるか(請求項5の発明)、もしくは
前記トランス1次側の電流と同期整流回路の出力電圧とを検出し、リアクトル電流が零となる時間を計算して前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けたことを特徴とする(請求項6の発明)。
【0008】
【発明の実施の形態】
図1はこの発明の第1の実施の形態を示す回路図である。
同図からも明らかなように、この例はダイオードFWRCのカソードとFW1〜FW4のドレインとの接続点と、コンデンサC0 のプラス(+)端子間にダイオードRC2を挿入した点が特徴である。これにより、リアクトルL0 の電流はコンデンサC0 →ダイオードFWRCまたはMOSFET(FW1〜FW4)→リアクトルL0 の方向しか流れなくなる。その結果、L0 に蓄えられたエネルギーによるFW1〜FW4やFWRC両端間の電圧上昇、C0 からのエネルギーの放出による軽負荷時の効率低下を抑制することができる。なお、ダイオードRC2はリアクトルL0 とコンデンサC0 間、若しくはコンデンサC0 と第1MOSFETのソース間に挿入するようにしても良いことは、言うまでもない。
【0009】
図2は図1の変形例を示す回路図である。
これは、図1のようにダイオードRC2を挿入する代わりに、電流検出器CTを設けてリアクトルL0に流れる電流を検出し、L0の電流がコンデンサC0→リアクトルL0→ダイオードFWRCまたはMOSFET(FW1〜FW4)→コンデンサC0の方向に流れる前の電流、換言すればL0の電流が零になったことを検出して、FW1〜FW4をオフさせるものである。その結果、L0の電流はリアクトルL0→コンデンサC0→ダイオードFWRCまたはMOSFET(FW1〜FW4)→リアクトルL0の方向にしか流れなくなり、L0に蓄えられたエネルギーによるFW1〜FW4やFWRC両端間の電圧上昇、C0からのエネルギー放出による軽負荷時の効率低下を抑制することができる。
【0010】
図3はこの発明の第の実施の形態を示す回路図である。
この例は、図1のようにダイオードRC2を挿入する代わりに、L0に補助巻線L0’を付加し、その巻数比(L0:L0’)からL0に流れる電流を検出するもので、安価な電流検出を可能とするものである。なお、電流零を検出したらFW1〜FW4をオフさせるのは、図1,図2の場合と同様である。
図4はこの発明の第の実施の形態を示す回路図である。
これは、リアクトルL0→コンデンサC0→ダイオードFWRCまたはMOSFET(FW1〜FW4)→リアクトルL0の方向に流れる電流のうち、FW1〜FW4のいずれかに流れる電流を電流検出器CTにより検出するものである。この場合、MOSFETの並列数分の1の電流を検出すれば良く、電流検出を低コストで実現することができる。なお、電流零を検出したらFW1〜FW4をオフさせるのは、図1〜図3の場合と同様である。
【0011】
図5はこの発明の第の実施の形態を示す回路図である。
これは、図1のようにダイオードRC2を挿入する代わりに、いずれか1つのMOSFETのドレイン・ソース間電圧の大きさからMOSFETに流れる電流(零)を検出するものである。電流検出器を用いないので、低コスト化を図ることができる。なお、電流零を検出したらFW1〜FW4をオフさせるのは、図1〜図4の場合と同様である。
図6はこの発明の第の実施の形態を示す回路図である。
これは、図1のようにダイオードRC2を挿入する代わりに、トランスTrの1次側の電流と負荷電流とが比例関係にあることに着目したもので、トランスTrの1次側に電流検出器CTを設けて1次電流の大きさを検出し負荷電流を検出する。そして、この負荷電流が小さい軽負荷時にFW1〜FW4をオフさせるのは、以上の各場合と同様である。この例では、同期整流器側に検出器を設けなくても済むことになる。
【0012】
図7はこの発明の第の実施の形態を示す回路図である。
ここでは、図6と同じくトランスTrの1次側に電流検出器を設けて1次電流の大きさを検出し、トランスTrの巻数比から2次側に流れるリアクトルL0の方向に流れる電流を検出する。すなわち、リアクトル電流のピーク値をI0とすると、リアクトル電流Iは、次の(1)式で表わされる。
I=(di/dt)t+I0 …(1)
ただし、di/dtは次の(2)式となる。なお、tは電流ピーク値からの時間、V0は出力電圧である。
di/dt=−V0/L0 …(2)
よって、I=0となる時間tは次の(3)式で表わされる。
t=L00/V0 …(3)
【0013】
つまり、(3)式よりリアクトル電流が零となるまでの時間は、L0 ,I0 ,V0 の値から計算できることが分かる。図7はリアクトル電流の初期値I0 から零になるまでの時間tを図示している。
そして、この時間tをもとにFW1〜FW4をオフさせるのは、以上の各場合と同様である。また、同期整流器側に検出器を設けなくても済むのは図6の場合と同様である。
【0014】
【発明の効果】
この発明によれば、軽負荷時における同期整流回路の出力リアクトルに流れる還流電流を逆方向に流さないので、高効率化を図ることができる。また、出力リアクトル電流が逆方向に流れたときに素子をオフするものではないので、素子の耐圧を越えることがなくなり、安全を図ることが可能になるという利点が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の第1の実施の形態を示す構成図である。
【図2】 図1の変形例を示す構成図である。
【図3】 この発明の第の実施の形態を示す構成図である。
【図4】 この発明の第の実施の形態を示す構成図である。
【図5】 この発明の第の実施の形態を示す構成図である。
【図6】 この発明の第の実施の形態を示す構成図である。
【図7】 この発明の第の実施の形態を説明するための説明図である。
【図8】 従来例を示す回路図である。
【図9】 図8の動作説明図である。
【符号の説明】
Tr…トランス、RC1,RC2,FWRC…ダイオード、FW1,FW2,FW3,FW4…MOSFET、L0,L0’…リアクトル、C0…コンデンサ、CT…電流検出器、P0…正側出力、N0…負側出力、I…電流、t…時間。

Claims (6)

  1. トランスの2次側に任意の数の第1の金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を並列接続し、この第1MOSFETのドレインとトランスの正側間に第1ダイオードまたは第2MOSFETの少なくとも一方を、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入し、第1MOSFETのドレイン・ソース間のドレイン側にカソードが接続されるように第2ダイオードを並列接続するか、または第2ダイオードの役割を第1MOSFETのボディダイオードで果たし、さらにトランス2次側に並列接続した第1MOSFETのドレイン・ソース間にリアクトルとコンデンサの直列回路を並列接続し、コンデンサ両端間を出力とすることで、トランス2次側に負の電圧が発生したときに第1MOSFETをオンさせてリアクトル電流を還流させる同期整流回路において、
    前記リアクトルとコンデンサ間、またはコンデンサと第1MOSFETのソース間に第3ダイオードを挿入することにより、第1MOSFETをオンしたとき、リアクトルにコンデンサから第1MOSFETのドレイン・ソース間方向に電流を流さないようにしたことを特徴とする同期整流回路。
  2. トランスの2次側に任意の数の第1の金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を並列接続し、この第1MOSFETのドレインとトランスの正側間に第1ダイオードまたは第2MOSFETの少なくとも一方を、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入し、第1MOSFETのドレイン・ソース間のドレイン側にカソードが接続されるように第2ダイオードを並列接続するか、または第2ダイオードの役割を第1MOSFETのボディダイオードで果たし、さらにトランス2次側に並列接続した第1MOSFETのドレイン・ソース間にリアクトルとコンデンサの直列回路を並列接続し、コンデンサ両端間を出力とすることで、トランス2次側に負の電圧が発生したときに第1MOSFETをオンさせてリアクトル電流を還流させる同期整流回路において、
    前記リアクトルに補助巻線を設けてリアクトルに流れる電流を検出し、これが零になるときに前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けたことを特徴とする同期整流回路。
  3. トランスの2次側に任意の数の第1の金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を並列接続し、この第1MOSFETのドレインとトランスの正側間に第1ダイオードまたは第2MOSFETの少なくとも一方を、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入し、第1MOSFETのドレイン・ソース間のドレイン側にカソードが接続されるように第2ダイオードを並列接続するか、または第2ダイオードの役割を第1MOSFETのボディダイオードで果たし、さらにトランス2次側に並列接続した第1MOSFETのドレイン・ソース間にリアクトルとコンデンサの直列回路を並列接続し、コンデンサ両端間を出力とすることで、トランス2次側に負の電圧が発生したときに第1MOSFETをオンさせてリアクトル電流を還流させる同期整流回路において、
    前記第1MOSFETの1つに流れる電流を検出し、これが零になるときに前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けたことを特徴とする同期整流回路。
  4. トランスの2次側に任意の数の第1の金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を並列接続し、この第1MOSFETのドレインとトランスの正側間に第1ダイオードまたは第2MOSFETの少なくとも一方を、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入し、第1MOSFETのドレイン・ソース間のドレイン側にカソードが接続されるように第2ダイオードを並列接続するか、または第2ダイオードの役割を第1MOS FETのボディダイオードで果たし、さらにトランス2次側に並列接続した第1MOSFETのドレイン・ソース間にリアクトルとコンデンサの直列回路を並列接続し、コンデンサ両端間を出力とすることで、トランス2次側に負の電圧が発生したときに第1MOSFETをオンさせてリアクトル電流を還流させる同期整流回路において、
    前記第1MOSFETの1つのオン電圧を検出してこれから第1MOSFETの1つに流れる電流を推測し、これが零となるときに前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けたことを特徴とする同期整流回路。
  5. トランスの2次側に任意の数の第1の金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を並列接続し、この第1MOSFETのドレインとトランスの正側間に第1ダイオードまたは第2MOSFETの少なくとも一方を、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入し、第1MOSFETのドレイン・ソース間のドレイン側にカソードが接続されるように第2ダイオードを並列接続するか、または第2ダイオードの役割を第1MOSFETのボディダイオードで果たし、さらにトランス2次側に並列接続した第1MOSFETのドレイン・ソース間にリアクトルとコンデンサの直列回路を並列接続し、コンデンサ両端間を出力とすることで、トランス2次側に負の電圧が発生したときに第1MOSFETをオンさせてリアクトル電流を還流させる同期整流回路において、
    前記トランス1次側の電流を検出して負荷率を検出し、負荷率が所定値以下の軽負荷時に前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けたことを特徴とする同期整流回路。
  6. トランスの2次側に任意の数の第1の金属酸化膜電界効果トランジスタ(MOSFET)を並列接続し、この第1MOSFETのドレインとトランスの正側間に第1ダイオードまたは第2MOSFETの少なくとも一方を、ダイオードの場合はそのアノードを前記トランスの正側に、また、MOSFETの場合はそのドレインどうしが接続されるようにそれぞれ挿入し、第1MOSFETのドレイン・ソース間のドレイン側にカソードが接続されるように第2ダイオードを並列接続するか、または第2ダイオードの役割を第1MOSFETのボディダイオードで果たし、さらにトランス2次側に並列接続した第1MOSFETのドレイン・ソース間にリアクトルとコンデンサの直列回路を並列接続し、コンデンサ両端間を出力とすることで、トランス2次側に負の電圧が発生したときに第1MOSFETをオンさせてリアクトル電流を還流させる同期整流回路において、
    前記トランス1次側の電流と同期整流回路の出力電圧とを検出し、リアクトル電流が零となる時間を計算して前記第1MOSFETをオフする制御手段を設けたことを特徴とする同期整流回路。
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