特開 2024-176090 スイッチング電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024176090

(43)【公開日】2024-12-19

(54)【発明の名称】スイッチング電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20241212BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 H

【審査請求】有

【請求項の数】10

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023094326

(22)【出願日】2023-06-07

(11)【特許番号】

(45)【特許公報発行日】2023-10-17

(71)【出願人】

【識別番号】000103208

【氏名又は名称】コーセル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000855

【氏名又は名称】弁理士法人浅村特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】平田 哲郎

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA14

5H730BB23

5H730BB43

5H730BB57

5H730DD03

5H730DD41

5H730EE02

5H730EE07

5H730FG01

(57)【要約】

【課題】トランスに蓄積されたエネルギーを有効利用して、低消費電力化を実現することを可能にするスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】スイッチング電源装置１００は、トランス１０２の入力巻線１０２ａに接続され、直列に接続されたクランプキャパシタ１０６ａ及びクランプスイッチング素子１０６ｂを備えるクランプ回路１０６と、クランプスイッチング素子１０６ｂを駆動するドライブ回路１０７と、クランプキャパシタ１０６ａ及びクランプスイッチング素子１０６ｂに接続された電流供給回路１０８とを備え、クランプキャパシタ１０６ａに充電された電荷の少なくとも一部は、電流として電流供給回路１０８を通ってドライブ回路１０７に向かって流れ、ドライブ回路１０７は、クランプキャパシタ１０６ａに充電された電荷の少なくとも一部によってクランプスイッチング素子１０６ｂを駆動する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力巻線及び出力巻線を有するトランスと、
前記入力巻線に接続されたメインスイッチング素子であって、前記メインスイッチング素子がオンにされた場合に、第１の入力電源の入力電圧が前記入力巻線に印加される、メインスイッチング素子と、
前記出力巻線に接続された出力回路であって、前記トランスを介して伝達されたエネルギーから出力電流及び出力電圧を生成する出力回路と、
直列に接続されたクランプキャパシタ及びクランプスイッチング素子を備えるクランプ回路であって、前記入力巻線に接続されたクランプ回路と、
前記クランプスイッチング素子を駆動するドライブ回路と
を備えるスイッチング電源装置であって、
前記クランプキャパシタ及び前記クランプスイッチング素子に接続された電流供給回路であって、前記クランプキャパシタに充電された電荷の少なくとも一部が、電流として前記電流供給回路を通って前記ドライブ回路に向かって流れ、前記ドライブ回路が前記クランプキャパシタに充電された電荷の少なくとも一部によって前記クランプスイッチング素子を駆動することを可能にする電流供給回路を更に備える、スイッチング電源装置。

【請求項2】

前記クランプスイッチング素子は、前記入力巻線のインダクタンスによる電流を、前記クランプスイッチング素子を通って前記クランプキャパシタに向かって流れさせて、前記クランプキャパシタを充電させることを可能にする、請求項１に記載のスイッチング電源装置。

【請求項3】

前記スイッチング電源装置は、前記クランプキャパシタに充電された電荷の少なくとも一部を使用して、前記ドライブ回路に所定の電圧を印加させるように構成されている、請求項１に記載のスイッチング電源装置。

【請求項4】

前記クランプキャパシタに対して並列に抵抗が接続されていない、請求項１に記載のスイッチング電源装置。

【請求項5】

前記スイッチング電源装置は、前記メインスイッチング素子がオンにされ、前記クランプスイッチング素子がオフにされる第１の期間、前記第１の期間後に、前記メインスイッチング素子がオフにされる第２の期間、前記第２の期間後に、前記クランプスイッチング素子がオンにされる第３の期間、及び前記第３の期間後に、前記クランプスイッチング素子がオフにされる第４の期間を有し、前記第１の期間において、前記電流供給回路は、前記クランプキャパシタに充電された電荷の少なくとも一部を、電流として前記電流供給回路を通って前記ドライブ回路に向かって流れさせることを可能にする、請求項１～４の何れか一項に記載のスイッチング電源装置。

【請求項6】

前記クランプスイッチング素子は、並列に接続されたトランジスタ及びダイオードを備え、前記ドライブ回路は、前記トランジスタを駆動する、請求項５に記載のスイッチング電源装置。

【請求項7】

前記ダイオードは、前記第２の期間において、前記入力巻線のインダクタンスによる電流を、前記ダイオードを通って前記クランプキャパシタに向かって流れさせることを可能にする、請求項６に記載のスイッチング電源装置。

【請求項8】

前記トランジスタは、前記第３の期間において、前記入力巻線のインダクタンスによる電流を、前記トランジスタを通って前記クランプキャパシタに向かって流れさせることを可能にする、請求項６に記載のスイッチング電源装置。

【請求項9】

前記スイッチング電源装置は、前記第４の期間において、前記メインスイッチング素子に印加される電圧を減少させるように構成されている、請求項５に記載のスイッチング電源装置。

【請求項10】

前記スイッチング電源装置は、前記第１の期間において、前記ドライブ回路に第２の入力電源の入力電圧を印加させるように構成されている、請求項５に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、トランスに蓄積されたエネルギーを有効利用して、低消費電力化を実現することを可能にするスイッチング電源装置に関するものである。

【背景技術】

【0002】

スイッチング電源装置、特にフライバック電力変換器は、入力巻線及び出力巻線を有するトランスと、入力巻線に接続されたメインスイッチング素子と、出力巻線に接続された出力回路とを備える。メインスイッチング素子がオンにされた場合に、入力電源の入力電圧が入力巻線に印加され、トランスにエネルギーが蓄積される。そして、メインスイッチング素子がオフにされた場合に、トランスの逆起電力を利用して、トランスに蓄積されたエネルギーが、整流平滑回路である出力回路によって出力電圧及び出力電流として出力される。このようなフライバック電力変換器においては、メインスイッチング素子がオフにされた後に、入力巻線の漏れインダクタンスに起因するサージエネルギーを処理するために、入力巻線及びメインスイッチング素子に接続されたクランプ回路が採用されている。

【0003】

特許文献１には、互いに直列に接続された第１の並列回路及び第２の並列回路を含むハイブリッド型クランプ回路であって、第１の並列回路が、並列に接続されたクランプスイッチング素子及びクランプダイオードを有し、第２の並列回路が、並列に接続されたクランプキャパシタ及びクランプ抵抗を有し、クランプスイッチング素子が周期的にオンオフにされる場合にはアクティブクランプ回路を提供し、クランプスイッチング素子がオフにされる場合にはパッシブクランプ回路を提供するハイブリッド型クランプ回路を備えるフライバック電力変換器が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特許第６９６４５６５号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１によるフライバック電力変換器において、ハイブリッド型クランプ回路がパッシブクランプ回路を提供している場合には、入力巻線の漏れインダクタンスに起因するサージエネルギーは、クランプキャパシタに並列に接続されたクランプ抵抗によって熱として損失されるだけであって、サージエネルギーを有効利用することができないという問題点がある。また、このようなフライバック電力変換器においては、第１の並列回路のクランプスイッチング素子を駆動するドライブ回路、及びドライブ回路に電流を供給するブートストラップ回路を備えるのが一般的であるが、ハイブリッド型クランプ回路がパッシブクランプ回路を提供している場合にも、ブートストラップ回路が動作し続け、更には、ドライブ回路が常時電流を消費しているために、ブートストラップ回路及びドライブ回路によってエネルギーが損失され続けるという問題点がある。また、特許文献１によるフライバック電力変換器において、ハイブリッド型クランプ回路がアクティブクランプ回路を提供している場合には、クランプ抵抗は不要であるにも関わらず、クランプ抵抗によってエネルギーが損失され続けるという問題点がある。また、特許文献１によるフライバック電力変換器は、メインスイッチング素子に対してゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）によるソフトスイッチングを行うことによって、スイッチング損失が小さくなって、高周波でメインスイッチング素子を駆動することが可能であるが、このようなフライバック電力変換器において一般的である、クランプスイッチング素子を駆動するドライブ回路に電流を供給するブートストラップ回路を高周波で駆動すると、ブートストラップ回路のダイオードのスイッチング損失が大きくなるという問題点がある。

【0006】

従って、本発明の目的は、上記問題点を解決して、トランスに蓄積されたエネルギーを有効利用して、低消費電力化を実現することを可能にするスイッチング電源装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明の１つの観点によれば、スイッチング電源装置が、入力巻線及び出力巻線を有するトランスと、入力巻線に接続されたメインスイッチング素子であって、メインスイッチング素子がオンにされた場合に、第１の入力電源の入力電圧が入力巻線に印加される、メインスイッチング素子と、出力巻線に接続された出力回路であって、トランスを介して伝達されたエネルギーから出力電流及び出力電圧を生成する出力回路と、直列に接続されたクランプキャパシタ及びクランプスイッチング素子を備えるクランプ回路であって、入力巻線に接続されたクランプ回路と、クランプスイッチング素子を駆動するドライブ回路とを備え、スイッチング電源装置が、クランプキャパシタ及びクランプスイッチング素子に接続された電流供給回路であって、クランプキャパシタに充電された電荷の少なくとも一部が、電流として電流供給回路を通ってドライブ回路に向かって流れ、ドライブ回路がクランプキャパシタに充電された電荷の少なくとも一部によってクランプスイッチング素子を駆動することを可能にする電流供給回路を更に備える。

【0008】

本発明の一具体例によれば、スイッチング電源装置において、クランプスイッチング素子が、入力巻線のインダクタンスによる電流を、クランプスイッチング素子を通ってクランプキャパシタに向かって流れさせて、クランプキャパシタを充電させることを可能にする。

【0009】

本発明の一具体例によれば、スイッチング電源装置が、クランプキャパシタに充電された電荷の少なくとも一部を使用して、ドライブ回路に所定の電圧を印加させるように構成されている。

【0010】

本発明の一具体例によれば、スイッチング電源装置において、クランプキャパシタに対して並列に抵抗が接続されていない。

【0011】

本発明の一具体例によれば、スイッチング電源装置が、メインスイッチング素子がオンにされ、クランプスイッチング素子がオフにされる第１の期間、第１の期間後に、メインスイッチング素子がオフにされる第２の期間、第２の期間後に、クランプスイッチング素子がオンにされる第３の期間、及び第３の期間後に、クランプスイッチング素子がオフにされる第４の期間を有し、第１の期間において、電流供給回路が、クランプキャパシタに充電された電荷の少なくとも一部を、電流として電流供給回路を通ってドライブ回路に向かって流れさせることを可能にする。

【0012】

本発明の一具体例によれば、スイッチング電源装置において、クランプスイッチング素子が、並列に接続されたトランジスタ及びダイオードを備え、ドライブ回路が、トランジスタを駆動する。

【0013】

本発明の一具体例によれば、スイッチング電源装置において、ダイオードが、第２の期間において、入力巻線のインダクタンスによる電流を、ダイオードを通ってクランプキャパシタに向かって流れさせることを可能にする。

【0014】

本発明の一具体例によれば、スイッチング電源装置において、トランジスタが、第３の期間において、入力巻線のインダクタンスによる電流を、トランジスタを通ってクランプキャパシタに向かって流れさせることを可能にする。

【0015】

本発明の一具体例によれば、スイッチング電源装置が、第４の期間において、メインスイッチング素子に印加される電圧を減少させるように構成されている。

【0016】

本発明の一具体例によれば、スイッチング電源装置が、第１の期間において、ドライブ回路に第２の入力電源の入力電圧を印加させるように構成されている。

【発明の効果】

【0017】

本発明によれば、クランプキャパシタに充電された電荷の少なくとも一部を、クランプスイッチング素子を駆動するドライブ回路に流れる電流として有効利用して、低消費電力化を実現することができる。

【0018】

なお、本発明の他の目的、特徴及び利点は、添付図面に関する以下の本発明の実施例の記載から明らかになるであろう。

【図面の簡単な説明】

【0019】

【図1】本発明の一実施形態としてのスイッチング電源装置の概略図である。

【図2】本発明の一実施形態としての電流供給回路を備えるスイッチング電源装置の概略図である。

【図3】本発明の別の実施形態としての電流供給回路を備えるスイッチング電源装置の概略図である。

【図4】本発明の別の実施形態としての電流供給回路を備えるスイッチング電源装置の概略図である。

【図5】図１の実施形態のスイッチング電源装置のメインスイッチング素子及びクランプスイッチング素子を動作させるためのタイミングチャートである。

【図6】図１の実施形態のスイッチング電源装置のブートストラップ回路に流れる電流の向きを示す概略図である。

【図7】本発明の別の実施形態としてのスイッチング電源装置の概略図である。

【発明を実施するための形態】

【0020】

以下、本発明の実施例について図面を参照して説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

【0021】

図１～図７を参照して、本発明の幾つかの実施形態としてのスイッチング電源装置１００について説明する。スイッチング電源装置１００は、入力巻線１０２ａ及び出力巻線１０２ｂを有するトランス１０２と、入力巻線１０２ａに接続されたメインスイッチング素子１０３と、出力巻線１０２ｂに接続された出力回路１０４と、互いに直列に接続されたクランプキャパシタ１０６ａ及びクランプスイッチング素子１０６ｂを備えるクランプ回路１０６と、クランプスイッチング素子１０６ｂを駆動するドライブ回路１０７とを備える。メインスイッチング素子１０３がオンにされた場合に、第１の入力電源１０１の入力電圧Ｖ_１１が入力巻線１０２ａに印加され、トランス１０２にエネルギーが蓄積される。そして、メインスイッチング素子１０３がオフにされた場合に、トランス１０２の逆起電力を利用して、トランス１０２に蓄積されたエネルギーが放出されて、エネルギーがトランス１０２を介して入力側から出力側に伝達される。出力回路１０４は、整流平滑回路として機能し、整流素子１０４ａ及び平滑キャパシタ１０４ｂを備えてもよい。放出されたエネルギーは、出力回路１０４によって出力電圧Ｖ_０及び出力電流Ｉ_０として出力され、出力電圧Ｖ_０が、出力負荷１０５に印加される。図１～図４においては、整流素子１０４ａはダイオードであるが、ＮＭＯＳトランジスタ、等の他の整流素子であってもよい。図１～図４においては、メインスイッチング素子１０３は、ＮＭＯＳトランジスタであるが、ＮＭＯＳトランジスタに逆並列に接続されたダイオードを含んでもよく、ダイオードは、ＮＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードであってもよい。ＮＭＯＳトランジスタは、ワイドバンドギャップ半導体ベースのトランジスタであってもよく、例えば、ＳｉＣベースのトランジスタ、ＧａＮベースのトランジスタであってもよい。また、メインスイッチング素子１０３は、ＮＰＮトランジスタ、等の他のトランジスタであってもよく、そのトランジスタに逆並列に接続されたダイオードを含んでもよい。なお、スイッチング電源装置１００は、図１～図４に示すようなフライバック型コンバータであってもよく、また、スイッチング電源装置１００は、図７に示すような、還流素子１０４ｃ及びチョークコイル１０４ｄを更に備える出力回路１０４を備えるフォワード型コンバータ、等の他のコンバータであってもよい。

【0022】

スイッチング電源装置１００は、入力巻線１０２ａに接続されたクランプ回路１０６を備え、クランプ回路１０６は、互いに直列に接続されたクランプキャパシタ１０６ａ及びクランプスイッチング素子１０６ｂを備える。メインスイッチング素子１０３がオフにされた後に、入力巻線１０２ａの漏れインダクタンスに蓄積されたエネルギーを含む、トランスに蓄積されたエネルギーの少なくとも一部をクランプキャパシタ１０６ａに伝達することを可能にするために、クランプスイッチング素子１０６ｂはオンにされる。また、スイッチング電源装置１００は、クランプスイッチング素子１０６ｂを駆動するドライブ回路１０７を備える。入力巻線１０２ａとメインスイッチング素子１０３とが接続される接続点ｎ_１に、クランプスイッチング素子１０６ｂの一端が接続され、クランプ回路１０６は、入力巻線１０２ａに並列に接続されてもよく、また、メインスイッチング素子１０３に並列に接続されてもよい。

【0023】

スイッチング電源装置１００は、クランプキャパシタ１０６ａ及びクランプスイッチング素子１０６ｂに接続された電流供給回路１０８を更に備える。クランプキャパシタ１０６ａとクランプスイッチング素子１０６ｂとが接続される接続点ｎ_０に、電流供給回路１０８は接続されてもよい。また、電流供給回路１０８は、ドライブ回路１０７に接続点ｎ_２において接続されてもよい。電流供給回路１０８は、クランプキャパシタ１０６ａに充電された電荷の少なくとも一部を、電流として電流供給回路１０８を通ってドライブ回路１０７に向かって流れさせることを可能にし、ドライブ回路１０７がクランプキャパシタ１０６ａに充電された電荷の少なくとも一部によってクランプスイッチング素子１０６ｂを駆動することを可能にする。具体的には、クランプキャパシタ１０６ａが充電されて、接続点ｎ_０の電位が接続点ｎ_２の電位より高くなった場合に、図１に示す電流の向き１１２のように、電流供給回路１０８は、電流が接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れることを可能にし、クランプキャパシタ１０６ａからの電流は、電流供給回路１０８を通って流れた後、ドライブ回路１０７を通って流れ、クランプスイッチング素子１０６ｂを駆動するために使用される。なお、クランプキャパシタ１０６ａからの電流は、ドライブ回路１０７がクランプスイッチング素子１０６ｂを駆動していない場合であっても、電流供給回路１０８を通って流れた後、ドライブ回路１０７を通って流れてもよい。なお、電流が電流供給回路１０８からクランプ回路１０６に向かって流れるのを防止するために、電流供給回路１０８とクランプ回路１０６との間に、逆流防止用のダイオードが設けられてもよく、また、電流がドライブ回路１０７から電流供給回路１０８に向かって流れるのを防止するために、ドライブ回路１０７と電流供給回路１０８との間に、逆流防止用のダイオードが設けられてもよい。

【0024】

メインスイッチング素子１０３がオフにされた後に、トランス１０２に蓄積されたエネルギーの少なくとも一部をクランプキャパシタ１０６ａに伝達することを可能にするために、クランプスイッチング素子１０６ｂがオンにされ、入力巻線１０２ａのインダクタンスによる電流を、クランプスイッチング素子１０６ｂを通ってクランプキャパシタ１０６ａに向かって流れさせて、クランプキャパシタ１０６ａを充電させることを可能にする。具体的には、メインスイッチング素子１０３がオフにされた後に、第１の入力電源１０１の入力電圧Ｖ_１１に入力巻線１０２ａに印加された電圧が加えられた電位が接続点ｎ_１に生成される。接続点ｎ_１の電位が接続点ｎ_０の電位より高くなった場合に、クランプスイッチング素子１０６ｂは、電流が接続点ｎ_１から接続点ｎ_０に向かって流れることを可能にし、接続点ｎ_１の電位による電流は、クランプスイッチング素子１０６ｂを通って流れ、クランプキャパシタ１０６ａを充電するために使用される。このように、トランス１０２に蓄積されたエネルギーの少なくとも一部は、クランプキャパシタ１０６ａに伝達されて、クランプスイッチング素子１０６ｂを駆動するドライブ回路１０７に流れる電流として有効利用されることができ、更にスイッチング電源装置１００の低消費電力化を実現することができる。

【0025】

クランプキャパシタ１０６ａに対して並列に抵抗は接続されていない。クランプキャパシタ１０６ａに対して並列に抵抗は接続された場合、エネルギーを単に熱として損失するだけであって、トランス１０２に蓄積されたエネルギーの少なくとも一部を有効利用することが妨げられる。なお、クランプキャパシタ１０６ａに対して並列に抵抗が接続されたとしても、クランプキャパシタ１０６ａからの電流が、電流供給回路１０８を通ってドライブ回路１０７に向かって流れる場合もあるが、トランス１０２に蓄積されたエネルギーの少なくとも一部が有効利用されることができず、クランプキャパシタ１０６ａに対して並列に抵抗を接続しないことが望ましい。

【0026】

クランプキャパシタ１０６ａに充電された電荷の少なくとも一部を使用して、所定の電圧が、ドライブ回路１０７に印加されてもよい。図２に示すように、電流供給回路１０８は、電圧調整スイッチング素子１０８ａを備えてもよい。電圧調整スイッチング素子１０８ａは、例えば、ドライブ回路１０７に印加された電圧が所定の電圧以下になった場合にドライブ回路１０７によってオンにされて、電流が接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れることを可能にする。このように、クランプキャパシタ１０６ａからの電流を使用して、ドライブ回路１０７は、ドライブ回路１０７に所定の電圧が印加されるように調整されることができる。また、電流供給回路１０８は、ドライブ回路１０７に印加される電圧を抑制するために、インダクタ１０８ｂ及びダイオード１０８ｃを備えてもよい。

【0027】

また、図３に示すように、電流供給回路１０８は、ＮＰＮトランジスタ１０８ｄ、抵抗１０８ｅ、及びツェナーダイオード１０８ｆを備えてもよい。ＮＰＮトランジスタ１０８ｄは、接続点ｎ_０と接続点ｎ_２との間の電圧がＮＰＮトランジスタ１０８ｄのベース－エミッタ間の閾値電圧より大きくなった場合にオンにされて、電流が接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れることを可能にする。接続点ｎ_０と接続点ｎ_１との間の電圧がツェナーダイオード１０８ｆのツェナー電圧より大きくなった場合に、ツェナーダイオード１０８ｆがオンにされて、ツェナーダイオード１０８ｆのカソードとアノードとの間の電圧はツェナー電圧にクランプされ、ドライブ回路１０７に印加された電圧がツェナーダイオード１０８ｆのツェナー電圧からＮＰＮトランジスタ１０８ｄのベース－エミッタ間の閾値電圧を引いた電圧より小さくなった場合に、ＮＰＮトランジスタ１０８ｄがオンにされて、電流が接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れることを可能にする。このように、クランプキャパシタ１０６ａからの電流を使用して、ドライブ回路１０７は、ドライブ回路１０７にツェナーダイオード１０８ｆのツェナー電圧に基づく所定の電圧が印加されるように調整されることができる。

【0028】

また、図４に示すように、電流供給回路１０８は、電流供給抵抗１０８ｇ及びツェナーダイオード１０８ｈを備えてもよい。電流供給抵抗１０８ｇは、接続点ｎ_０の電圧が接続点ｎ_２の電圧より大きくなった場合に、電流が接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れることを可能にする。電流供給抵抗１０８ｇは、接続点ｎ_２の電圧が接続点ｎ_０の電圧より大きくなった場合にも、電流が接続点ｎ_２から接続点ｎ_０に向かって流れることを可能にするが、接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れる電流を正の向きとした場合に、スイッチング電源装置１００が動作している間に、接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れる電流の平均値が必ず正（すなわち、０Ａ以上）になるように、電流供給抵抗１０８ｇの抵抗値は設定されている。ドライブ回路１０７に印加された電圧がツェナーダイオード１０８ｈのツェナー電圧より大きくなった場合に、ツェナーダイオード１０８ｈがオンにされて、接続点ｎ_２と接続点ｎ_１との間の電圧がツェナー電圧にクランプされることを可能にする。このように、クランプキャパシタ１０６ａからの電流を使用して、ドライブ回路１０７は、ドライブ回路１０７にツェナーダイオード１０８ｈのツェナー電圧に基づく所定の電圧が印加されるように調整されることができる。電流供給抵抗１０８ｇは、接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって電流を流れさせることを可能にする定電流回路、例えば、定電流ダイオードに置き換えられてもよい。

【0029】

スイッチング電源装置１００は制御回路１１０を備え、制御回路１１０は、メインスイッチング素子１０３を制御し、また、ドライブ回路１０７を介してクランプスイッチング素子１０６ｂを制御する。図１～図４に示すように、メインスイッチング素子１０３及びクランプスイッチング素子１０６ｂがＮＭＯＳトランジスタである場合には、図５に示すように、メインスイッチング素子１０３及びクランプスイッチング素子１０６ｂのＮＭＯＳトランジスタのゲート－ソース間電圧Ｖ_ｇｓは制御されてもよい。制御回路１１０は、第１の期間において、メインスイッチング素子１０３がオンにされ、且つクランプスイッチング素子１０６ｂがオフにされ、第１の期間後の第２の期間において、メインスイッチング素子１０３がオフにされ、且つクランプスイッチング素子１０６ｂが引き続きオフにされ、第２の期間後の第３の期間において、メインスイッチング素子１０３が引き続きオフにされ、且つクランプスイッチング素子１０６ｂがオンにされ、第３の期間後の第４の期間において、メインスイッチング素子１０３が引き続きオフにされ、且つクランプスイッチング素子１０６ｂがオフにされるように、メインスイッチング素子１０３及びクランプスイッチング素子１０６ｂを制御し、第１～第４の期間は逐次繰り返される。

【0030】

制御回路１１０は、第１の期間において、メインスイッチング素子１０３がオンにされるようにメインスイッチング素子１０３を制御して、第１の入力電源１０１の入力電圧Ｖ_１１が入力巻線１０２ａに印加され、トランス１０２にエネルギーが蓄積される。スイッチング電源装置１００は、ドライブ回路１０７がクランプスイッチング素子１０６ｂを駆動するための電流を補充するために、ブートストラップ回路１１１を備えてもよい。ブートストラップ回路１１１は、ダイオード１１１ａ及びキャパシタ１１１ｂを備える。ダイオード１１１ａのアノードが第２の入力電源１０９に接続され、ダイオード１１１ａのカソードが接続点ｎ_２に接続され、メインスイッチング素子１０３がオンにされていることから、図６に示す電流の向き１１３のように、電流が接続点ｎ_２から接続点ｎ_１に向かって流れることを可能にし、第２の入力電源１０９の入力電圧Ｖ_１２をキャパシタ１１１ｂに印加することによって、キャパシタ１１１ｂが充電されて、キャパシタ１１１ｂは、ドライブ回路１０７の電源として使用されてもよく、キャパシタ１１１ｂからの電流が、ドライブ回路１０７を通って流れ、クランプスイッチング素子１０６ｂを駆動するために使用されてもよい。なお、クランプキャパシタ１０６ａからの電流によってキャパシタ１１１ｂが十分に充電されて、クランプスイッチング素子１０６ｂが駆動されることができる場合には、スイッチング電源装置１００は、ブートストラップ回路１１１を備えなくてもよく、ダイオード１１１ａは省かれてもよい。このように、クランプキャパシタ１０６ａからの電流によって、ダイオード１１１ａに流れる電流を減少させることができるので、ブートストラップ回路１１１を高周波で駆動する場合であっても、ダイオード１１１ａのスイッチング損失を減少させることができ、更にスイッチング電源装置１００の低消費電力化を実現することができる。なお、第２の入力電源１０９は、制御回路１１０の電源として使用されてもよい。

【0031】

制御回路１１０は、第２の期間において、メインスイッチング素子１０３がオフにされるようにメインスイッチング素子１０３を制御して、トランス１０２の逆起電力を利用して、トランス１０２に蓄積されたエネルギーが放出されて、エネルギーがトランス１０２を介して入力側から出力側に伝達される。クランプスイッチング素子１０６ｂは、並列に接続されたクランプトランジスタ及びクランプダイオードを備えてもよく、ドライブ回路１０７は、クランプトランジスタを駆動してもよい。図１～図４においては、クランプスイッチング素子１０６ｂは、ＮＭＯＳトランジスタであるが、ＮＭＯＳトランジスタが、クランプトランジスタであって、クランプダイオードは、ＮＭＯＳトランジスタに逆並列に接続されたダイオードであってもよく、ＮＭＯＳトランジスタの寄生ダイオードであってもよい。ＮＭＯＳトランジスタは、ワイドバンドギャップ半導体ベースのトランジスタであってもよく、例えば、ＳｉＣベースのトランジスタ、ＧａＮベースのトランジスタであってもよい。また、クランプスイッチング素子１０６ｂは、ＮＰＮトランジスタ、及びＮＰＮトランジスタに逆並列に接続されたクランプダイオードを備えてもよい。

【0032】

クランプダイオードは、第２の期間において、入力巻線１０２ａのインダクタンスによる電流を、クランプダイオードを通ってクランプキャパシタ１０６ａに向かって流れさせて、クランプキャパシタ１０６ａを充電させることを可能にする。具体的には、第２の期間において、第１の入力電源１０１の入力電圧Ｖ_１１に入力巻線１０２ａに印加された電圧が加えられた電位が接続点ｎ_１に生成される。接続点ｎ_１の電位が接続点ｎ_０の電位より高くなった場合に、クランプダイオードは、電流が接続点ｎ_１から接続点ｎ_０に向かって流れることのみを可能にし、接続点ｎ_１の電位による電流は、クランプダイオードを通って流れ、クランプキャパシタ１０６ａを充電するために使用される。クランプダイオードを流れる電流によって、接続点ｎ_１と接続点ｎ_０との間の電圧が減少する。第２の期間後の第３の期間において、接続点ｎ_１と接続点ｎ_０との間の電圧を減少させたままで、クランプトランジスタがオンにされることを可能にする。クランプスイッチング素子１０６ｂに対してゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）によるソフトスイッチングを行うことによって、クランプスイッチング素子１０６ｂのスイッチング損失を減少させることができ、更にスイッチング電源装置１００の低消費電力化を実現することができる。

【0033】

制御回路１１０は、第３の期間において、クランプスイッチング素子１０６ｂがオンにされるようにクランプスイッチング素子１０６ｂを制御する。クランプスイッチング素子１０６ｂがクランプトランジスタを備える場合には、制御回路１１０は、ドライブ回路１０７を介してクランプトランジスタがオンにされるようにクランプトランジスタを制御する。クランプトランジスタは、第３の期間において、第２の期間と同様に、入力巻線１０２ａのインダクタンスによる電流を、クランプトランジスタを通ってクランプキャパシタ１０６ａに向かって流れさせて、クランプキャパシタ１０６ａを充電させることを可能にする。そして、第３の期間において、入力巻線１０２ａのインダクタンスによる電流の向きは反転して、クランプトランジスタは、クランプキャパシタ１０６ａからの電流を、クランプトランジスタを通って入力巻線１０２ａに向かって流れさせることを可能にしてもよい。なお、クランプスイッチング素子１０６ｂがクランプダイオードを備える場合には、スイッチング電源装置１００の使用方法によっては、第３の期間において、クランプトランジスタはオンにされずにオフにされたままであってもよい。

【0034】

制御回路１１０は、第４の期間において、クランプスイッチング素子１０６ｂがオフにされるようにクランプスイッチング素子１０６ｂを制御する。第３の期間において、入力巻線１０２ａのインダクタンスによる電流の向きは反転して、第４の期間においても、電流は入力巻線１０２ａに向かって流れ続け、入力巻線１０２ａのインダクタンスによる電流は、メインスイッチング素子１０３に印加される電圧を減少させることを可能にする。具体的には、接続点ｎ_１に接続された寄生キャパシタに、接続点ｎ_１の電位による電荷が充電されているが、入力巻線１０２ａのインダクタンスによる電流によって、寄生キャパシタに充電された電荷が引き抜かれて、接続点ｎ_１の電位が減少する。第４の期間後の第１の期間において、メインスイッチング素子１０３に印加された電圧を減少させたままで、メインスイッチング素子１０３がオンにされることを可能にする。このように、メインスイッチング素子１０３に対してゼロ電圧スイッチング（ＺＶＳ）によるソフトスイッチングを行うことによって、メインスイッチング素子１０３のスイッチング損失を減少させることができ、更にスイッチング電源装置１００の低消費電力化を実現することができる。

【0035】

制御回路１１０は、第１の期間において、メインスイッチング素子１０３がオンにされるようにメインスイッチング素子１０３を制御して、スイッチング電源装置１００は、上記のように動作する。更に、電流供給回路１０８は、第１の期間において、クランプキャパシタ１０６ａに充電された電荷の少なくとも一部を、電流として電流供給回路１０８を通ってドライブ回路１０７に向かって流れさせて、ドライブ回路１０７を通って流れさせることを可能にする。具体的には、第２及び第３の期間においてクランプキャパシタ１０６ａが充電され、第４の期間においてクランプスイッチング素子１０６ｂがオフにされて、接続点ｎ_０と接続点ｎ_１とが電気的に切り離された後、第１の期間において、接続点ｎ_０の電位が接続点ｎ_２の電位より高くなった場合に、図１に示す電流の向き１１２のように、電流供給回路１０８は、電流が接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れることを可能にし、クランプキャパシタ１０６ａからの電流は、キャパシタ１１１ｂに充電されてもよく、ドライブ回路１０７を通って流れてもよい。キャパシタ１１１ｂに充電された電荷は、第３の期間において、クランプスイッチング素子１０６ｂを駆動するために使用される。接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れる電流を正の向きとした場合に、電流供給回路１０８は、第１～第４の期間の間に、接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れる電流の平均値が必ず正（すなわち、０Ａ以上）になるように構成されている。なお、第４の期間が長く設定され、第４の期間においても接続点ｎ_０の電位が接続点ｎ_２の電位より高い場合には、電流供給回路１０８は、電流が接続点ｎ_０から接続点ｎ_２に向かって流れることを可能にし、クランプキャパシタ１０６ａからの電流は、キャパシタ１１１ｂに充電されてもよく、ドライブ回路１０７を通って流れてもよい。

【0036】

上記のように、入力巻線１０２ａのインダクタンスによる電流が、クランプキャパシタ１０６ａに充電され、クランプキャパシタ１０６ａに充電された電荷の少なくとも一部が、電流としてドライブ回路１０７を通って流れ、クランプスイッチング素子１０６ｂを駆動するために使用されることによって、ブートストラップ回路のダイオード１１１ａに流れる電流を減少させることができるので、ダイオード１１１ａのスイッチング損失を減少させることができ、特に、出力負荷１０５を無負荷状態してスイッチング電源装置１００を動作させている場合の無負荷損失（待機電力）を減少させることができ、スイッチング電源装置１００の低消費電力化を実現することができる。

【0037】

上記記載は特定の実施例についてなされたが、本発明はそれに限らず、本発明の原理と添付の特許請求の範囲の範囲内で種々の変更及び修正をすることができることは当業者に明らかである。

【符号の説明】

【0038】

１００ スイッチング電源装置
１０１ 第１の入力電源
１０２ トランス
１０２ａ 入力巻線
１０２ｂ 出力巻線
１０３ メインスイッチング素子
１０４ 出力回路
１０４ａ 整流素子
１０４ｂ 平滑キャパシタ
１０４ｃ 還流素子
１０４ｄ チョークコイル
１０５ 出力負荷
１０６ クランプ回路
１０６ａ クランプキャパシタ
１０６ｂ クランプスイッチング素子
１０７ ドライブ回路
１０８ 電流供給回路
１０８ａ 電圧調整スイッチング素子
１０８ｂ インダクタ
１０８ｃ ダイオード
１０８ｄ ＮＰＮトランジスタ
１０８ｅ 抵抗
１０８ｆ ツェナーダイオード
１０８ｇ 電流供給抵抗
１０８ｈ ツェナーダイオード
１０９ 第２の入力電源
１１０ 制御回路
１１１ ブートストラップ回路
１１１ａ ダイオード
１１１ｂ キャパシタ
１１２ 電流の向き
１１３ 電流の向き

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】