JP2000295847A - スイッチング電源装置およびインバータ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】スイッチング電源装置のスイッチングトランス
は効率をよくする為に一次巻線と二次巻線の結合を良く
し、漏れインダクタンスを極力小さくしている為二次側
の励磁電流のピーク値は大きくなる傾向にある。この励
磁電流の急激な変化はサージ電圧として、二次側の出力
電圧に影響が出てくる。このサージ電圧を抑圧する為に
コンデンサやリアクトルを設ける必要があった。本発明
の目的はスイッチングトランスの漏れインダクタンスに
よる特性の違いを利用して安定な電源装置を提供するこ
とにある。さらにはスイッチング電源装置のフィルタ構
成を簡単化することである。 【解決手段】上記目的は、多出力巻線スイッチングトラ
ンス二次巻線の配置による漏れインダクタンスの調整、
即ち一次、二次間に絶縁紙を挿入するなどして漏れイン
ダクタンスを調整することでスイッチング電源装置の安
定な供給が達成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明はサージ電圧を抑制す
ることができるスイッチング電源装置に係り、特にイン
バータ装置の制御部及びインバータ装置に接続される外
部機器とのインターフェース部に適用して好適なスイッ
チング電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、制御装置などの制御電源に使用さ
れるスイッチング電源装置（装置として組み立てられた
もの、または制御装置の制御回路内に電源供給回路とし
て組み込まれたものを含む）は、省スペース化を図る為
にその制御方式としてフライバック方式を採用してい
る。このフライバック方式を採用しているスイッチング
電源装置は従来、高効率のスイッチングを目的とし、た
とえばサンドイッチ巻と呼ばれるような方法で漏れイン
ダクタンスを抑える為に一次巻線と二次巻線の結合を密
に設計している。なぜならば、スイッチングトランスで
の漏れインダクタンスは損失につながるからである。高
効率を得ることのできるこのフライバック方式のスイッ
チング電源装置に採用されているスイッチングトランス
では、一次側のエネルギーが二次側に変換される時に電
圧波形にサージ電圧が現れる。特にインバータ装置の制
御部及びインバータ装置に接続される外部機器はこのサ
ージ電圧により誤動作を起こしやすい。そのため、この
サージ電圧を除去する為にフィルタとしてリアクトルや
コンデンサを搭載してサージ電圧を抑制している。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】インバータ装置では多
巻線のスイッチングトランス等を用いてスイッチング電
源装置を構成し、IGBTのような主スイッチング素子の為
の駆動電圧、冷却用ファン用の電源、制御用の電源、保
護用の電源、インターフェースの電源などを供給してい
る。そのうちの、主スイッチング素子の為の駆動電圧や
冷却用ファン用の電源はサージ電圧やリプル電圧がある
程度許容された大まかな電圧が供給できれば良いが、マ
イクロコンピュータなどの電源に用いる制御電源、保護
用の電源、インターフェースではノイズによる誤動作を
防ぐ為サージ電圧やリプル電圧の無い電源の供給が求め
られている。上記の従来技術では一次側から二次側の電
力変換時の電流波形の影響は配慮されていなかった。

【０００４】今、理想トランス（一次側と二次側の巻線
が密結合で漏れ磁束が無いとして考えた理想的なトラン
ス）を考えた場合、スイッチングトランスの一次側から
二次側への電力変換時の電流の推移は図９の通りであ
る。また等価回路図を図１０に示す。時間t1でスイッチ
S2を開いた状態でまずスイッチS1を閉じると、一次側電
源ＶｐがインダクタンスＭに印加されるので、このイン
ダクタンスＭには０から次第に増加する一次電流が流れ
エネルギーが蓄えられる。一次電流がipに達したところ
で（t=0で）スイッチS1を開きスイッチS2を閉じる。
今、スイッチングトランスを理想トランスとして考えて
いるのでスイッチS2を閉じた瞬間、一次側のエネルギー
が二次側のエネルギーとして移り二次側に電流ispeakを
流す。この二次側に流れる励磁電流のピーク値ispeakは

【０００５】

【数１】

【０００６】である。ここでＶｓはインダクタンスＭに
よって発生する電圧、Ｒは配線の抵抗分でありその配線
距離が短いためほとんど０に近い。また、図１０に示し
たＶｃは平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧であるが、Ｖ
ｓに比較して無視できる大きさである。従って(1)式
は、

【０００７】

【数２】

【０００８】と近似でき、励磁電流ispeakは非常に大き
な値となる（なお、理想トランスでない現実のトランス
は、漏れインダクタンス、配線抵抗、配線インダクタン
スなどによってある程度抑えられた値になる）。従来
は、前記したようにスイッチングトランスの効率をよく
する為に、一次巻線と二次巻線の結合を良くし漏れイン
ダクタンスを極力小さくしているので、二次側の励磁電
流のピーク値ispeakは上記理想トランスに近づき非常に
大きな値となる。この励磁電流の急激な変化はサージ電
圧を発生させ二次側の出力電圧として出てくる。従来、
このサージ電圧を抑圧する為の大きなコンデンサやリア
クトルを設ける必要があった。

【０００９】本発明の目的はスイッチングトランスの漏
れインダクタンスによる特性の違いを利用して制御装置
内の種々の用途に応じた電源を作成し供給すると共に、
スイッチング電源装置の回路構成の簡単化、小形化、低
価格化を達成することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、多出力巻線
スイッチングトランス二次巻線の配置による漏れインダ
クタンスの調整、即ち一次、二次間に絶縁紙を挿入する
などして漏れインダクタンスを調整することで達成され
る。

【００１１】本発明のスイッチング電源装置によれば、
漏れインダクタンスが小さい巻線は主スイッチング素子
の為の駆動電圧や冷却用ファン用電源などにサージ電圧
やリプル電圧がある程度許容された大まかな電圧の電源
として供給され、漏れインダクタンスが大きい巻線はマ
イクロコンピュータなどの制御電源、保護回路用電源、
インターフェース用電源などにサージ電圧のより少ない
電源として供給される。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１は本発明の一実施例に基づく
スイッチング電源装置である。このスイッチング電源装
置はインバータ装置の制御用のマイクロコンピュータの
ような安定な動作が要求される部分に供給する電源７
と、インバータの主素子の駆動電圧の様にリプル電圧な
どがある程度許容される大まかな電源８の二つの電源を
供給するものがある。１はスイッチングトランス、２は
二次側の整流部、３はスイッチング素子Ｔｒや電源Ｅを
含む一次側の電源である。整流部２のブロック内に記載
されたものは二次巻線からのパルス状の電圧、電流出力
が平滑されて滑らかな直流電圧出力になることを示した
概念図である。

【００１３】図２はスイッチングトランス１の更に詳細
な図を示している。４が一次巻線であり、５、６が二次
巻線である。トランスの内側から４〜６の順で巻かれて
いる。本実施例では最も外側に巻いた巻線６と内側の巻
線５の間には漏れインダクタンスを大きくするように厚
く絶縁紙を巻く。このような構成によれば５の巻線より
も６の巻線の漏れインダクタンスが大きくなり、スイッ
チング時のリプル電流が小さくなる。サージ電圧の大き
さはリプル電流の傾きに比例する。大きなリプル電流が
発生した巻線の電流の傾きは大きくなるので大きなサー
ジ電圧が発生する。このサージ電圧の大きい巻線５の電
源はノイズに比較的強い主スイッチング素子の為の駆動
電圧や冷却用ファン用電源として大まかな電圧として供
給される。これに対しリプル電流を小さくした巻線６の
電源ではサージ電圧が小さくなり、制御部、インターフ
ェース部などのサージ電圧に弱い部分により安定な電源
として供給される。なお、サージ電圧の大きい巻線は、
サージ電圧が大きいけれど漏れインピーダンスが小さい
ので高効率で電源を供給することができる。このように
用途により二次巻線の漏れインピーダンスの大きさを使
い分けることにより、すべての二次巻線の漏れインピー
ダンスを大きくしたものに比較し効率を高く維持できる
とともに、フィルタ回路の構成を簡単化することがで
き、安価な電源回路とすることができる。

【００１４】次に図３以降を用いて本発明の具体的な利
用法を説明する。図３は本発明の一実施例であるスイッ
チング電源装置を示す。Ｅ、Ｔｒなどから構成された部
分（図１で示した電源部３）と、巻線４，５，６などで
構成された部分（図１で示したスイッチングトランス
１）と、整流ダイオードＤ１，Ｄ２、コンデンサＣ１，
Ｃ２などから構成された部分（図１で示した整流部２）
とからなり、ここではフライバック型のスイッチング電
源装置を構成している。二次側は２つの出力回路７，８
を備えた場合を示している。また、出力回路７、８共に
同じ部品を使用している。Ｄ１，Ｄ２は整流ダイオー
ド、Ｃ１，Ｃ２は平滑用のコンデンサである。スイッチ
ングトランスの巻線構造の概略構成を図４に示す。４は
一次巻線であり、コア１３の最内に巻かれる。５と６は
一次巻き線４の外側に巻いた二次巻線である。巻線５は
巻線４のすぐ外側に巻き、その間に巻線６の漏れインダ
クタンスを巻線５より大きくするように絶縁紙１１を厚
く巻く。巻線６はその外側に巻かれる。

【００１５】図５に電流の様子を示す。横軸は時間（ｔ
３〜ｔ７はそれぞれの時間を示す）、縦軸は電流の大き
さ（ip1,ip2,ip3はそれぞれのピーク値を示す）を示し
ている。１４は一次側の巻線４に流れる電流を示し、１
５と１６は二次側の巻線５，６に流れる電流である。た
だし、１５は一次側巻線のすぐ外側に巻かれた巻線５の
電流であり、１６は絶縁紙の外側に巻いた巻線６の電流
である。１７は一次側の電圧がオンしている期間であ
り、この期間は一次側の電流１４は増加し続ける。１８
の期間は一次側の電圧がオフし、１４の電流が０になる
までの時間である。この期間で電流１４は急激に減少
し、二次側の巻線に電流１５、１６が流れ始める。電流
１５は、巻線５の漏れインダクタンスが小さいため大き
な傾きを持って上昇する。電流１６は巻線６の漏れイン
ダクタンスが大きいので電流１５に比べ緩やかに上昇す
る。電流１４が０になった時点で電流１５、１６の上昇
も止まる。電流１４が０になった後の期間１９は、電流
１５、１６が減少していく。このように、急激な上昇を
した漏れインダクタンスの小さな巻線６の電流１５は大
きなリプル電流を作ることになる。サージ電圧は電流の
変化率（di/dt）に応じて発生するので、結果として、
図４の巻線５を利用した電源は大きなサージ電圧が発生
することになり、巻線６を利用した電源では小さなサー
ジ電圧が発生することになる。なお、図９に示した理想
トランスの電流推移図と、図５に示した一次と二次に漏
れ磁束があるトランスの電流推移図を比較すると、図５
の場合は期間１８が存在することが分かるが、漏れイン
ダクタンスが小さくなればなるほど期間１８が短くなり
電流の変化が急峻になり図９に近づく。そしてこの電流
の変化割合が急峻になるほどサージ電圧が大きくなる。

【００１６】図６、図７、図８に実験による電圧、電流
の写真波形を示す。各図で横軸は時間で、スケールは5
μs/divである。縦軸の電圧、電流のスケールは図中に
記載のとおりである。図６が一次側巻線４の電圧(上)、
電流(下)を示している。これに対して図７、図８が二次
側の電圧(上)、電流(下)波形である。図７は一次側近く
に巻いた巻線５、図８は絶縁紙を挟んで巻いた巻線６の
電圧(上)、電流(下)波形である。これらから明らかなよ
うに、漏れインダクタンスの小さい巻線５のほうが電流
のピーク値は大きく、立ち上がりが急峻であることを示
している。これに対し、漏れインダクタンスの大きい巻
線６のほうは電流のピーク値が小さく、立ち上がりがな
だらかであることを示している。このように巻線６に発
生するリプル電流は巻線５に比べ小さくなっている。

【００１７】本実施例によれば、１つのスイッチングト
ランスの漏れインダクタンスの大きい二次巻線と漏れイ
ンダクタンスの小さい二次巻線を、マイコンのような安
定な動作が要求される電源と、大まかな電源でよい電源
などの電源が供給される先の回路用途により使い分ける
ことにより、サージ電圧抑制用のリアクトルやコンデン
サなどの部品点数を低減した簡単な回路で電源を供給す
ることができる。さらには、インバータを他の機器に接
続した際にも上記実施例によるスイッチング電源装置に
より外部に対し安定な電源を供給でき、外部機器のサー
ジによる誤動作を防ぐことが可能である。

【００１８】

【発明の効果】本発明によれば、ノイズに比較的強い主
スイッチング素子の為の駆動電圧や冷却用ファン用電源
として大まかな電圧ではあるがエネルギーの変換効率が
高効率である電圧として電源を供給できる一方、制御
部、インターフェース部などのサージ電圧に弱い部分の
電源としてはサージ電圧のより小さい安定な電源が供給
できる効果がある。

【００１９】また、サージ電圧抑制用のフィルタが簡単
化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用されるスイッチング電源装置の構
成を示した図。

【図２】本発明が適用されるスイッチングトランスの回
路図。

【図３】本発明が適用されるフライバック型スイッチン
グ電源装置の回路図。

【図４】本発明によるスイッチングトランスの巻線構成
図。

【図５】本発明の実施例による、スイッチング動作時の
電流波形を示す図。

【図６】本発明の実施例による、一次側の電圧、電流の
実験波形図。

【図７】本発明の実施例による、漏れインダクタンスが
小さい巻線の二次側電圧、電流の実験波形図。

【図８】本発明の実施例による、漏れインダクタンスが
大きい巻線の二次側電圧、電流の実験波形図。

【図９】理想トランス（漏れインダクタンスが無い理想
的なトランス）の電流波形図。

【図１０】理想トランスの等価回路

【符号の説明】

１…スイッチングトランス、２…整流部、３…一次側電
源回路、４…一次巻線、５…二次巻線、６…二次巻線、
７…二次出力回路、８…二次出力回路、１１…絶縁紙、
１３…コア、１４…一次巻線４の電流、１５…二次巻線
５の電流、１６…二次巻線６の電流。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】スイッチング素子とスイッチングトランス
   により直流電圧を変換して出力するスイッチング電源装
   置において、スイッチングトランスの一次巻線と二次巻
   線の結合を悪くすることで前記スイッチング素子のオン
   及びオフによるサージ電圧を抑制することを特徴とした
   スイッチング電源装置。
2. 【請求項２】少なくとも順変換部及び逆変換部を備え交
   流電動機に任意に周波数を可変することのできるインバ
   ータ装置において、前記インバータ装置はスイッチング
   素子とスイッチングトランスにより直流電圧を変換して
   出力するスイッチング電源装置を備え、前記スイッチン
   グトランスは複数の二次巻線を有し、前記複数の二次巻
   線のうち一次巻線から最も離れた二次巻線を前記インバ
   ータ装置の制御電源部に供給する電源の巻線とし、前記
   複数の二次巻線のうち内側に巻かれた二次巻線を主スイ
   ッチング素子の為の駆動電源の巻線としたことを特徴と
   するスイッチング電源装置を備えたインバータ装置。
3. 【請求項３】請求項２の発明において、前記スイッチン
   グトランスの一次巻線から最も離した前記二次巻線の内
   側に絶縁紙を二回以上巻くことを特徴としたスイッチン
   グ電源装置を備えたインバータ装置。