JP2002247851A

JP2002247851A - 電圧変換装置

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Publication number: JP2002247851A
Application number: JP2001081685A
Authority: JP
Inventors: Masashi Mukogawa; 政志向川
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2001-02-14
Filing date: 2001-02-14
Publication date: 2002-08-30

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】電力変換効率が高く、ノイズ発生が少なく、比
較的低価格で、より小形のスイッチング方式の電圧変換
装置を実現すること。【解決手段】電圧変換装置を構成する電圧変成器に、一
次巻き線に接続して設けられた追加巻き線を持ち、前記
一次巻き線と追加巻き線の接続点と電力配線間に平滑コ
ンデンサーを接続するとともに、追加巻き線の他端と入
力整流器との間に、設定電圧でスイッチするスイッチン
グ素子を接続した。出力回路に設けられた電圧検出回路
または一次回路に設置された制御回路の制御信号端子
に、出力電圧が設定値より低下した場合、制御回路が低
出力動作に移行する様に動作する過電流保護回路を設け
た。ＲＣＣタイプのスイッチング回路の制御素子と、タ
イミング回路の信号伝達を一方向性とするとともに、出
力回路のリップル電圧が設定値より高い間はスイッチン
グ回路がＯＮ動作に入らない様にするフイードバック回
路を設けた。

Description

【発明の詳細な説明】［産業上の利用分野］この発明
は、各種電子機器の電力供給装置として、広く用いられ
ている、スイッチング方式の電圧変換装置に関する。

【０００１】［従来の技術］従来のスイッチング装置で
は、その交流入力整流回路は主として、整流器と平滑コ
ンデンサーで構成され、整流器で整流された電力は直接
平滑コンデンサーに充電されていた。また、従来の過電
流保護回路では、電流検出抵抗器またはカレントトラン
ス等の電流検出素子を必要とした。更に、従来のＲＣＣ
タイプの電圧変換装置では、制御素子とタイミング回路
の信号伝達は、双方向性であり、フーイドバック回路の
信号は、出力回路の電圧成分が主体であった。最後に、
従来の電圧変換装置の樹脂製筐体の表面は平坦であつ
た。

【０００２】［解決すべき課題］従来の整流器から直接
平滑コンデンサーに整流電力を充電しその電力で動作す
る電圧変換装置では、動作電圧が交流入力電圧に従って
変わり、スイッチング回路は、その電圧変化に追従出来
る物でなければならなかった。この事は、スッチング回
路を最適条件で動作させ事を不可能にし、装置の電力変
換効率を低下させ、装置大型化の原因となっていた。ま
た、過電流保護回路に用いられる、電流検出素子は、電
力損失を伴い、電力変換効率の低下または、価格上昇の
原因となっていた。従来のＲＣＣタイプの電圧変換装置
では、制御素子とタイミング回路の信号伝達は双方向性
であり、フイードバック回路の信号は主として出力電力
の電圧情報であった。従来の電圧変換装置に用いられる
樹脂製外部筐体の表面は平坦であり、容易に手指で筐体
本体に接触することが可能であった。

【０００３】［問題を解決するための手段］この発明で
は、電圧変成器の一次巻き線に、順方向または逆方向向
きに巻かれた追加巻き線を接続し、その接続点と電力配
線間に平滑コンデンサーを接続した。そして、特定の設
定電圧でスイッチするスイッチング素子を整流器の出力
端子と、追加巻き線の入力端間に接続した。また、この
発明の過電流保護回路では、電流検出回路または、制御
回路の制御端子に特定の設定電圧でスイッチするスイッ
チング回路を接続した。さらに、この発明によるＲＣＣ
タイプの電圧変換装置では、制御回路の制御素子とタイ
ミング回路の信号伝達を一方向性とし、フイードバック
回路の信号を出力電力のリップル成分を主体とした。最
後に、この発明による、樹脂製外部筐体では、筐体表面
のほぼ全面に小突起を設け、手指が筐体本体に直接触れ
ない様にした。

【０００４】［作用］交流入力電力の電圧が、入力整流
器に接続されたスイッチング素子の設定電圧より低い場
合は、前記スイッチング素子はＯＮ状態を維持し、電流
は追加巻き線に発生する電圧が順方向の時だけ追加巻き
線を通って平滑コンデンサーを充電する。従って、その
充電電圧は入力電圧と追加巻き線に発生した電圧の和と
なる。入力電圧が、設定電圧値を越えるとスイッチング
素子がＯＦＦにスイッチし、コンデンサーへの充電は停
まる。従って、装置は、再度入力電圧が低下するまで、
平滑コンデンサーに充電された電力のみで動作する事に
なる。回路は、入力電力のサイクル毎にこの動作を繰り
返す。従って、平滑コンデンサーの充電電圧はほぼ一定
の値を維持し、装置はほぼ一定電圧下で動作する事が可
能となる。この場合、入力回路のスイッチング素子と追
加巻き線はチョッパー回路として機能し、単純に入力回
路をＯＮ，ＯＦＦした場合の様に、大きなスパイクノイ
ズを発生する事がなく、また入力電力の力率を低下さ
せ、高調波の増大を招く事も防止される。また、専用の
チョッパー回路を設けた場合の様に、専用のインダクタ
ーを必要とせず、スイッチング素子を高速でスイッチす
る必要も無い。次に、この発明による過電流防止回路で
は、出力電圧または、出力電圧に比例する電圧が設定電
圧以下に降下した場合に動作し、主スイッチング回路の
動作を低電力動作に移行させ、電流増大を防止する。従
って、電流検出素子を必要とせず、電力損失の増大また
は価格上昇を防止する。更に、この回路は、一次側、二
次側のいずれにも使用する事が可能である。この発明に
よる、ＲＣＣタイプの電圧変換装置では、制御回路の制
御素子とタイミング回路の信号伝達は一方向性で、タイ
ミング回路からの信号はスイッチング素子のＯＮ期間に
関する信号のみである。一方フードバック回路からの信
号は、出力回路のリップル成分を主体とし、出力電力の
リップルが設定電圧より高い期間は制御素子に信号を送
り、制御素子を動作させ、スイッチング素子をＯＦＦ状
態に留める。従って、フイードバック回路により、スイ
ッチング回路のＯＦＦ期間が制御され、装置は周波数変
調動作を行う事になる。最後に、この発明による、電圧
変換装置の樹脂製外部筐体には、手指が直接筐体本体に
触れない様に筐体表面に小突起が設けられている。電圧
変換装置にとっては、装置内部の最高温度と、筐体表面
の最高温度が極めて重要である。前者は、装置の耐久性
を直接左右し、後者は取り扱い者の手指等を低温熱傷か
ら防ぐ条件となる。しかし、両者は、相反する傾向を持
ち、装置を小型化する時、設計者を悩ませる大きな問題
である。この発明では、内部温度の上昇を防ぐ為、筐体
の熱抵抗を低くし、温度が上昇した筐体の表面に取り扱
い者の手指等が、直接触れ無い様に、その表面に小突起
を設けた。小突起は、体積に比較して、表面積が大きい
ので熱放散性が高く、筐体表面より温度が低く、取り扱
い者の手指等を低温熱傷がら守る機能を果たす。

【０００５】［実施例］次に、この発明の一実施例を、
図面を参照して説明する。［図１］は、この発明による
シングル動作のスイッチング回路を持つ電圧変換装置の
回路図である。図において、符号１及び１’は入力端子
を示し、ここから交流入力電力が供給される。符号２
は、整流ブリッジを示し、交流入力電力を、脈流の直流
電力に変換する。符号３、４、５及び８で示される抵抗
器、コンデンサー、及び整流器は、ＭＯＳＦＥＴ６のゲ
ート駆動電力供給回路を構成する。また、符号７で示さ
れる定電圧整流器は、ＭＯＳＦＥＴ６のゲート電圧が、
その耐電圧以上に上昇する事を防止する機能を持つ。符
号９で示されるＰＮＰトランジスタは、そのベース回路
にノイズ等による誤動作防止用抵抗器１０と符号１１及
び１２で示される電圧設定用抵抗器及び定電圧整流器が
接続されている。この回路により、ＭＯＳＦＥＴ６は、
入力電圧が、定電圧整流器１２で設定される電圧未満の
場合は、ＯＮ状態を維持し、設定電圧を越えるとＯＦＦ
状態へ移行する。符号１６は電圧変成器を示している。
電圧変成器１６には、一次巻き線１７、二次巻き線１９
及び追加巻き線１８が設けられている。符号１３は制御
回路を示す。制御回路１３は、ＭＯＳＦＥＴ１５を駆動
し、図示されていない、出力電圧検出回路及び過電流検
出回路等から信号を受けて、出力電圧を制御し、各種保
護動作を行う。符号２０及び２１の整流器及びコンデン
サーは、出力整流回路を構成し、電圧変成器１６の二次
巻き線１９に発生した高周波の電力を、直流電力に変換
し、符号２２及び２２’で示される出力端子へ供給す
る。

【０００６】［図１］に示される回路図では、回路はフ
ライバック動作をし、追加巻き線１８は、二次巻き線１
７とは逆方向に巻かれている。今、ＭＯＳＦＥＴ１５が
ＯＮしたとすると、追加巻き線１８には入力電力と同じ
方向の電力が発生する、ＭＯＳＦＥＴ６がＯＮ状態で、
入力電圧と追加巻き線に発生した電圧の和が平滑コンデ
ンサー１４の充電電圧よりも高い場合は、入力回路に電
流が流れて、平滑コンデンサー１４は充電される。次
に、ＭＯＳＦＥＴ１５がＯＦＦにスイッチすると、追加
巻き線１８に発生する電力の方向は逆転する。そして、
追加巻き線１８に発生した電圧と平滑コンデンサー１４
の充電電圧の和が、入力電圧よりも高いので電流の流れ
は阻止されチョッパー動作が完成する。入力電圧が定電
圧整流器１２によって定まる電圧を越えると、ＰＮＰト
ランジスタ９のベース電極に電流が流れ、トランジスタ
９はＯＮ状態へ移行し、その結果ＭＤＳＦＥＴ６はＯＦ
Ｆへスイッチし、入力回路は完全にスイッチング回路か
ら分離し、回路は平滑コンデンサー１４に充電された電
力のみで動作する。この動作は、整流電力の脈流のサイ
クル毎に繰り返され、スイッチング回路は、入力電圧に
無関係に、ほぼ一定電圧で動作する事になる。

【０００７】［図２］は、スイッチング回路がプッシュ
プル回路の場合の実施例である。この場合は、電圧変成
器１６には、それぞれ巻き線方向が順逆一組の一次巻き
線、追加巻き線及び二次巻き線が設けられ、入力スイッ
チ回路と追加巻き線間には短絡防止用の整流器２３及び
２３’が挿入される。整流器２３及び２３’を追加しな
いで、入力整流ブリッジ及び入力スイッチ回路を２組設
けても同様に機能させる事が可能である。プッシュプル
回路の動作は、基本的にはシングル回路と同様であり、
２組の回路が交互に動作する点のみが異なっている。主
スイッチ回路がブリッジタイプの場合も、プッシュプル
回路とほぼ同じ回路構成で動作させる事が可能である。
［図３］は、この発明による、過電流防止回路を出力回
路に設けた場合の一実施例を示す部分回路図である。図
において、符号１６，１７、１９，２０，２１、２２及
び２２’等は［図１］の回路と同様な機能をはたしてい
る。符号４０，４１，４２，４４，４３及び３９のホト
カプラーの発光部、抵抗器、コンデンサー及びＴＬ４３
１タイプのシリーズレギュレータは通常の電圧検出回路
を構成している。この電圧検出回路の制御端子とグラン
ド配線間には、ＮＰＮトランジスタ３７が接続されてい
る。更に、そのベース電極とグランド配線間には、ＮＰ
Ｎトランジスタ３５が接続されている。そして、ＮＰＮ
トランジスタ３５のベース電極と正電圧配線間には、直
列に接続された抵抗器３０とコンデンサー３１及び抵抗
器３２と定電圧整流器３３が接続されている。定電圧整
流器３３は定格出力電圧よりもやや低い適当な値のツェ
ナー電圧の物が配置される。従って、出力電圧が正常な
間は、抵抗器３２及び定電圧整流器３３を経て電流がＮ
ＰＮトランジスタ３５のベース電極に供給されるので、
トランジスタ３５及び３７はそれぞれＯＮ及びＯＦＦ状
態を保つ。今、出力電流が、定格値を越えて増大したと
すると、出力電圧は自然垂下を始める。そして、出力電
圧が定電圧整流器３３の設定電圧値より低くなると、ト
ランジスタ３５のベース電流が流れなくなり、トランジ
スタ３５はＯＦＦにスイッチし、その結果、トランジス
タ３７はＯＮにスイッチし、抵抗器４１及びホトカプラ
ーの発光部４０に電流が流れ信号が図示されていない制
御回路に送られ、主スイッチング回路は、低出力動作と
なり、装置の過電流による破壊が防止される。抵抗器３
０及びコンデンサー３１で構成される回路は、出力電圧
が上昇中はＮＰＮトランジスタ３５にベース電流を供給
する機能を果たす。従って、入力スイッチ投入直後の出
力電圧が定格電圧より低い期間に生ずる回路の誤動作を
防止する機能を果たしている。

【０００８】［図４］は、この発明による、過電流保護
回路をスイッチング回路の一次側に用いた場合の実施例
を示す、部分回路図である。図において、符号５５は、
制御回路１３のＦ／ｂ端子、ＯＮ．ＦＦ端子またはＯＶ
Ｐ端子等の制御信号端子である。これらの端子は電流が
流れると、スイッチング回路が動作を停止するか、低出
力動作に移行させる機能を持つている。保護回路の構成
自体及び動作は、前述の出力回路に設置する場合と同様
である。但し、一次回路側に設置する場合は、電圧源と
して、電圧変成器に設けられた符号５４で示される補助
巻き線からの電力を使用する必要がある。補助巻き線５
４に発生する電力の電圧は、スイッチング回路がフォワ
ード方式の場合は、順方向電圧が出力電圧に比例し、フ
ライバック方式の場合はフライバック電圧が出力電圧に
比例する。従って、これらの電圧を使用すれば、前述の
出力回路に設置した場合と同様な機能を果たすことが可
能となる。補助巻き線５４に発生した電力は、符号５２
で示される整流器で整流され、符号５３で示されるコン
デンサーに充電され、制御回路１３へ動作電力として供
給される。符号５５は制御回路１３の制御信号端子を示
している。符号３０，３２，３４、３６、３１及び３３
で示される抵抗器、コンデンサー及び定電圧整流器は、
前述の出力回路に設置された回路と同一の機能を果たし
ている。ただし、符号５０及び５１で示されるトランジ
スタは、制御信号端子５５がシンクタイプであるのでＰ
ＮＰタイプとなっている。制御信号端子５５がソースタ
イプの場合は、前述の場合と同じＮＰＮタイプで回路を
構成する事が可能である。

【０００９】［図５］は、この発明による、ＲＣＣタイ
プの電圧変換装置の一実施例を示す回路図である。図に
おいて、符号６０及び６１は、この回路の入力端子を示
しおり、ここから直流入力電力が供給される。入力電力
が、交流電力の場合は、この前に整流回路を設置すれば
良い。符号１６は電圧変成器であり、符号１７及び１９
はその一次巻き線及び二次巻き線を示す事は前述の通り
である。また、符号２０，２１、２２及び２２’は出力
回路を構成する整流器、平滑コンデンサー及び出力端子
であるが、この実施例では、さらに符号７２及び７３で
示すチョークコイル及び第二の平滑コンデンサーが追加
される。その結果、平滑コンデンサー２１の両端にはよ
り大きいリップル電圧が発生する事になる。符号４０，
４１，４２，４４，４３及び４９で示されるホトカプラ
ーの発光部、抵抗器、コンデンサー及びＴＬ４３１タイ
プのシリーズレギュレータは、前述した場合と同様に電
圧検出回路を構成し、出力電力のリップルを主成分とす
る、出力電力の情報を制御回路へ伝える。符号６１，６
３，６６，６９，７１，７５、６２，６８，７０，７
４，６４，６５，及び６７の抵抗器、コンデンサー、ト
ランジスタ、ホトカプラーの受光部及び整流器は制御回
路を構成する。抵抗器６１は、電力投入直後、スイッチ
ング素子１５のゲート電極に電力を供給する起動抵抗器
として動作する。抵抗器７１とコンデンサー７０はタイ
ミング回路を構成する。回路が起動すると、順方向に接
続された補助巻き線５４に電圧が発生し抵抗器７１を通
し、コンデンサー７０に充電電流が流れる。コンデンサ
ー７０の充電電圧が、符号６４で示される制御用トラン
ジスタのベース順方向電圧及び整流器６７の順方向電圧
の和より高くなると、トランジスタ６４のベース電極に
電流が流れ、トランジスタ６４はＯＮに、ＭＯＳＦＥＴ
１５はＯＦＦにスイッチし、スイッチング回路のＯＮ期
間が終了する。スイッチング回路がＯＦＦにスイッチす
ると二次巻き線１９にフライバック電力が発生し、コン
デンサー２１の両端にリップル電圧が現れ、電圧検出回
路から信号が制御回路に伝えられ、ＭＯＳＦＥＴ１５は
ＯＦＦ状態を維持する。リップル電圧が電圧検出回路の
設定電圧以下に低下すると、電圧検出回路からの信号が
停止し、スイッチング回路は、次のサイクルに入る事に
なる。従って、入力電圧の上昇、負荷電力の低下等によ
りリップルの電圧低下の時間が長くなると、スイッチン
グ回路のＯＦＦ期間も長くなり、周波数変調動作が実現
する。この実施例では、タイミング回路はＲＣ構成であ
り、回路はボルテジモード動作となる例に付いて説明し
たが、［図６］に示す様にＭＯＳＦＥＴのソース電極に
電流検出抵抗を接続すれば、カレントモード動作を実現
する事も可能である。また、［図７］に示す様に、制御
素子とフイードバック素子を分離して動作させる事も可
能である。

【００１０】［図８］は、この発明による電圧変換装置
の樹脂製外部筐体を示す、外観図である。図において、
符号８０は、交流入力端子を示し、符号８２は、出力ケ
ーブルであり、符号８３は、接続コネクターを示し符
号８１は樹脂製外部筐体を示している。樹脂製外部筐体
には、符号７４、７４’及び７４”で示される、小突起
が、その表面のはぼ全面を覆って設けられている。小突
起は、取り扱い者の手指等が直接筐体表面と接触出来な
い様な適当な高ささと密度を持って配置されている。樹
脂製筐体の厚さを０．８ミリとし、小突起の長さを０．
７ミリとし、小突起間の間隔を３ミリとして、１．５ミ
リの厚さを持つ平坦な通常の樹脂製筐体と、その温度上
昇を比較すると、内部最高温度で約１度氏、外部表面最
高温度で約５度氏の温度低下を観測する事が出来た。

【００１１】［効果］以上、詳述した様にこの発明によ
れば、簡単な回路構成で、交流入力電力を、ほぼ一定電
圧の直流電力に変換する事が出来、スイッチング回路を
常に最適な条件でお動作させる事が可能となり、電力変
換効率の向上、ノイズ発生の低減が可能となったばかり
で無く、装置の小型化と価格の低減を可能とした。ま
た、この発明によれば、電流検出素子を用いる事なく、
極めて鋭敏な、過電流防止動作が可能となった。更に、
この発明によるＲＣＣタイプの電圧変換装置では、従来
困難であった、自励方式のスイッチング回路で周波数変
調動作を可能としたばかりで無く、カレントモード動作
及びボルテージモード動作の両方が可能となり電力変換
効率の向上、無負荷電力の低減を可能とした。最後に、
この発明の樹脂製外部筐体を用いることにより、電圧変
換装置の内部温度、及び外部温度の低減を可能が可能と
なり、装置の小型化を可能とした。

【００１１】

【図面の簡単な説明】

［図１］は、この発明による入力電力定電圧化技術を用
いた、シングル動作の電圧変換装置の一実施例を示す回
路図である。［図２］は、前記技術を用いたプッシュプ
ル動作の電圧変換装置の一実施例を示す回路図である。
［図３］は、この発明による、過電流防止回路を出力回
路に用いた場合の一実施例を示す部分回路図である。
［図４］は、この発明による、過電流防止回路を、一次
側回路に用いた場合の一実施例を示す部分回路図であ
る。［図５］は、この発明によるＲＣＣタイプの電圧変
換装置のボルテージモード動作回路の一実施例を示す回
路図である。［図６］は、前述の回路を、カレントモー
ド動作とする為の、変更部分を示す、部分回路図であ
る。［図７］は、前述のＲＣＣタイプの電圧変換装置の
制御回路に複数の制御素子を用いた場合の一実施例を示
す部分回路図である。［図８］は、この発明による樹脂
製外部筐体の一実施例を示す外観図である。

【符号の説明】

１，１’、６０，６０’ 入
力端子２整
流ブリッジ３、３１，４３，５３、６２，６８，７０，７７，７８
コンデンサー４，１０，１１，３０，３２，３４，３６，３８，４
１，４２，４４、６１，６３，６６，６９，７１，７
４、７５抵抗器５，８，２０，２０’、２３，２３’、５２、６７、７
６整流器６，１５、１５’ Ｍ
ＯＳＦＲＥＴ７，１２，３３定
電圧整流器９，５０，５１Ｐ
ＮＰトランジスタ１３制
御回路１４，２１、２１’ 平
滑コンデンサー１６電
圧変成器１７、１７’ 一
次巻き線１８、１８’ 追
加巻き線１９、１９’ 二
次巻き線２２，２２’ 出
力端子３５，３７，６４，６４’ Ｎ
ＰＮトランジスタ３９シ
リーズレギュレター４０ホ
トカプラーの発光部５４補
助巻き線５５制
御回路の制御信号端子６５ホ
トカプラーの受光部７２チ
ョークコイル８０入
力コンセント８１樹
脂製外部筐体８２出
力ケーブル８３出
力プラグ８４，８４’ ８４” 小
突起

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流入力整流回路、スイッチング素子、電
圧変成器、制御回路及び出力整流回路等からなるスイッ
チング方式の電圧変換装置において、電圧変成器の一次
巻き線に順方向または逆方向の追加巻き線を設け、その
接続点と整流回路のグランド配線間に平滑コンデンサー
を接続するとともに、追加巻き線の一方の端と整流回路
の間に設定電圧でスイッチする、スイッチング素子を接
続してなる事を特徴とする電圧変換装置。
【請求項２】電圧検出回路、または、制御回路の制御端
子に接続され、出力電圧が設定電圧以下に低下した場
合、制御回路を低電力動作に移行させる、過電流保護回
路を持つ事を特徴とするスイッチング方式の電圧変換装
置。
【請求項３】スイッチング素子、電圧変成器、制御回
路、電圧検出回路及び出力整流回路等から成る、ＲＣＣ
タイプの電圧変成器において、制御回路が、制御素子、
タイミング回路及びフイードバック回路から構成され、
前記制御素子とタイミング回路の信号伝達が一方向性で
あり、フイードバック回路から制御素子えの信号が出力
回路のリップル成分を主体とする事を特徴とする、スイ
ッチング方式の電圧変換装置。
【請求項４】表面に、手指が直接筐体本体に触れない様
に、筐体表面のほぼ全面を覆って設けられた小突起を持
つ樹脂製の外部筐体を持つ事を特徴とするスイッチング
方式の電圧変換装置。