JP2005033938A - 電源装置およびコンバータトランス - Google Patents

Abstract

【課題】複数のコンバータブロックの一次巻き線側若しくは二次巻き線側に流れる電流のバランスを容易に調整する。
【解決手段】一次巻き線および二次巻き線は、ボビン３３に巻き付けられて、固定される。コア３１および３２は、左右に移動可能である。このコア３１および３２を移動させることによって、ギャップの位置が一次巻き線側若しくは二次巻き線側に移動する。ギャップの位置が移動することによって、一次巻き線−二次巻き線間の結合容量が変化し、このコンバータトランス８ａおよび８ｂのリーケージ・インダクタンスが変化する。そして、最適なリーケージ・インダクタンスとなる位置が決まると、コア３１および３２を固定する。
【選択図】図１

Description

この発明は、共振型スイッチングコンバータが並列接続された電源装置およびコンバータトランスに関する。

従来の電流共振を用いた同一のコンバータブロックを、例えば２つ並列に複数接続した電源装置において、入力電圧、出力電圧、および出力電流が一定の場合、各々のコンバータブロックで使用しているコンバータトランス、共振用チョークコイル、共振用コンデンサ、および平滑用チョークコイルの特性のバラツキなどにより共振条件がずれることがある。

なお、負荷に対して並列接続された複数の共振型スイッチングコンバータと、各共振型スイッチングコンバータのスイッチング周波数を制御する周波数制御回路と、負荷に印加された電圧をフィードバックするフィードバック回路と、各共振型スイッチングコンバータに流れる共振電流の波高値を検出して比較する共振電流バランス回路とを有し、各周波数制御回路は、負荷にかかる電圧値が所定の電圧となるようにスイッチング周波数を制御すると共に、各共振電流の波高値が同一となるようにスイッチング周波数を制御するようにしているものもある（例えば、特許文献１参照。）。

特開２００１−００８４５２号公報

各々のコンバータブロックの共振条件がずれることによって、各々のコンバータブロックの一次巻き線側に流れる電流若しくは二次巻き線側に流れる電流が均一にならない可能性がある。各々のコンバータブロックの一次巻き線側若しくは二次巻き線側に流れる電流の差が著しい場合、例えば電流が多く流れるコンバータブロックのスイッチング素子、共振用チョークコイル、コンバータトランス、および平滑用チョークコイルなどの発熱量が特に上がり破損に至る場合がある。

そこで、各々のコンバータブロックの一次巻き線側若しくは二次巻き線側に流れる電流のバランスを調整する場合には、例えば予め各々のコンバータブロックの各部品の特性のバラツキを考慮して各々のコンバータブロックの一次巻き線側に流れる電流若しくは二次巻き線側に流れる電流の差が、例えば３％以内になるように設計を行う必要がある。しかしながら、このように設計を行うためには、特性のバラツキの少ない、精度の高い部品を使用しなければならないために高価になる問題があった。

また、その電流の差が、例えば３％以上になった際に、３％以内になるように電流を調整するためには、部品を交換し共振条件を調節するなどの作業が必要となり、工数がかかるという問題もあった。

従って、この発明の目的は、各々のコンバータブロックの一次巻き線側若しくは二次巻き線側に流れる電流のバランスを容易に調整することができる電源装置およびコンバータトランスを提供することにある。

上述した課題を達成するために請求項１の発明は、コアおよびボビンから構成されるトランスと、トランスの一次巻き線側に設けられる駆動回路と接続される第１および第２の電界効果トランジスタと、第１の電界効果トランジスタのソースと、第２の電界効果トランジスタのドレインとが接続され、第２の電界効果トランジスタのソースおよびドレインの間に設けられる共振回路と、トランスの二次巻き線側に設けられる平滑回路とから共振型コンバータブロックが構成され、少なくとも２つの共振型コンバータブロックを並列に設け、少なくとも２つの共振型コンバータブロックのそれぞれのトランスのコアを移動させて、少なくとも２つの共振型コンバータブロックで、共振回路または平滑回路に流れる電流のバランスを調整し、リーケージ・インダクタンスを変化させ共振条件を可変できるようにしたことを特徴とする電源装置である。

請求項４の発明は、コアおよびボビンから構成され、コアを移動させて、一次巻き線側または二次巻き線側に流れる電流のバランスを調整し、リーケージ・インダクタンスを変化させ共振条件を可変できるようにしたことを特徴とするコンバータトランスである。

このように、共振型のコンバータブロックを並列に設けても、トランスを構成するコアおよびボビンの一方のコアを左右方向に移動させることができるので、リーケージ・インダクタンスを変化させ、共振条件を可変することができる。

この発明に依れば、コンバータトランス、共振用チョークコイル、共振用コンデンサ、平滑用チョークコイルなどの特性のバラツキをコンバータトランスの特性を調整可能な範囲内で吸収することが出来、また、並列で運転しているコンバータブロックそれぞれの（温度）負荷を均一にすることが出来るために各コンバータブロック間での信頼性の差も吸収することが出来、設計の簡略化や電源装置全体での信頼性の向上を達成することが出来る。

さらに、この発明に依れば、各々のコンバータブロックの共振条件を揃え一次巻き線側に流れる電流若しくは二次巻き線側に流れる電流を均一にしても、例えば電源装置内を流れる部品冷却用の風の流れ方などによっては部品温度に差が生じる場合があり、その際は意図的に電流のバランスをずらし、温度のバランスを均一にすることが出来る。

以下、この発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は、この発明が適用された実施形態の全体的構成を示す。Ｎ型のＦＥＴ（Field Effect Transistor）２ａのドレインは、電圧源１の正極側と接続され、そのソースはＮ型のＦＥＴ３ａのドレインと接続され、そのゲートは駆動回路４と接続される。ＦＥＴ３ａのソースは、電圧源１の負極側と接続され、そのゲートは駆動回路４と接続される。

直列に接続された共振用チョークコイル５ａおよび共振用コンデンサ６ａによって、共振回路が構成され、この共振回路は、ＦＥＴ３ａのドレイン・ソース間に設けられる。さらに、ＦＥＴ３ａのドレインおよびソースは、コンバータトランス８ａの一次巻き線と接続される。

整流用のダイオード９ａのアノードは、コンバータトランス８ａの二次巻き線の一方と接続され、そのカソードは、整流用のダイオード１０ａのカソードと接続される。ダイオード１０ａのアノードは、コンバータトランス８ａの二次巻き線の他方と接続される。このコンバータトランス８ａの二次巻き線には、センタータップが設けられており、このセンタータップと出力端子１５との間に、抵抗１２ａが設けられている。平滑用チョークコイル１１ａは、ダイオード９ａのカソードと出力端子１４との間に設けられる。コンデンサ１３は、出力端子１４および１５の間に設けられる。

Ｎ型のＦＥＴ２ｂのドレインは、電圧源１の正極側と接続され、そのソースはＮ型のＦＥＴ３ｂのドレインと接続され、そのゲートは駆動回路４と接続される。ＦＥＴ３ｂのソースは、電圧源１の負極側と接続され、そのゲートは駆動回路４と接続される。

直列に接続された共振用チョークコイル５ｂおよび共振用コンデンサ６ｂによって、共振回路が構成され、この共振回路は、ＦＥＴ３ｂのドレイン・ソース間に設けられる。さらに、ＦＥＴ３ｂのドレインおよびソースは、コンバータトランス８ｂの一次巻き線と接続される。

整流用のダイオード９ｂのアノードは、コンバータトランス８ｂの二次巻き線の一方と接続され、そのカソードは、整流用のダイオード１０ｂのカソードと接続される。ダイオード１０ｂのアノードは、コンバータトランス８ｂの二次巻き線の他方と接続される。このコンバータトランス８ｂの二次巻き線には、センタータップが設けられており、このセンタータップと出力端子１５との間に、抵抗１２ｂが設けられている。平滑用チョークコイル１１ｂは、ダイオード９ｂのカソードと出力端子１４との間に設けられる。

平滑用チョークコイル１１ａおよびコンデンサ１３によって、コンバータトランス８ａの二次巻き線から出力される電圧を整流する平滑回路が構成される。同様に、平滑用チョークコイル１１ｂおよびコンデンサ１３によって、コンバータトランス８ｂの二次巻き線から出力される電圧を整流する平滑回路が構成される。

この出力端子１４および１５と端子１６および１７とが接続されることによって、抵抗１８のような負荷が出力端子に接続され、電流が流れる。このとき、フィードバック回路１９により出力電圧を測定し、その変動を駆動回路４にフィードバックすることにより、入力電圧Ｖｉおよび出力電流Ｉｏが対応可能な範囲で変化しても、ＦＥＴ２ａ、２ｂ、３ａ、および３ｂの駆動周波数を変化させ出力電圧Ｖｏが一定に保たれるように制御される。このフィードバック回路１９は、電圧源１の負極側、出力端子１４、および１５と接続される。

このように、ＦＥＴ２ａ、３ａ、共振用チョークコイル５ａ、共振用コンデンサ６ａ、抵抗７ａ、１２ａ、コンバータトランス８ａ、ダイオード９ａ、１０ａ、および平滑用チョークコイル１１ａから構成される共振型コンバータブロックａと、ＦＥＴ２ｂ、３ｂ、共振用チョークコイル５ｂ、共振用コンデンサ６ｂ、抵抗７ｂ、１２ｂ、コンバータトランス８ｂ、ダイオード９ｂ、１０ｂ、および平滑用チョークコイル１１ｂから構成される共振型コンバータブロックｂとが並列に設けられている。

駆動回路４によって、一例としてＦＥＴ２ａおよび２ｂがオンとなるとき、ＦＥＴ３ａおよび３ｂがオフとされ、ＦＥＴ２ａおよび２ｂがオフとなるとき、ＦＥＴ３ａおよび３ｂがオンとされる。このように、駆動回路４によって、ＦＥＴ２ａおよび２ｂ、並びにＦＥＴ３ａおよび３ｂのオン／オフが制御される。

ＦＥＴ２ａがオンとされ、ＦＥＴ３ａがオフとされると、電圧源１から電流が、コンバータトランス８ａの一次巻き線と並列に共振用チョークコイル５ａを経由して、そして共振用コンデンサ６ａおよび抵抗７ａに流れる。このとき、コンバータトランス８ａの一次巻き線にエネルギーが蓄積される。

ＦＥＴ２ａがオフとされ、ＦＥＴ３ａがオンとされると、エネルギーが蓄積されたコンバータトランス８ａの一次巻き線から、電流が、ＦＥＴ３ａおよび抵抗７ａおよび共振用コンデンサ６ａに流れる。

ＦＥＴ３ａがオンとされ、ＦＥＴ３ｂがオフとされると、電圧源１から電流が、コンバータトランス８ｂの一次巻き線と並列に共振用チョークコイル５ｂを経由して、そして共振用コンデンサ６ｂおよび抵抗７ｂに流れる。このとき、コンバータトランス８ｂの一次巻き線にエネルギーが蓄積される。

ＦＥＴ２ｂがオフとされ、ＦＥＴ３ｂがオンとされると、エネルギーが蓄積されたコンバータトランス８ｂの一次巻線から、電流が、ＦＥＴ３ｂおよび抵抗７ｂおよび共振用コンデンサ６ｂに流れる。

この図１のように、例えば２つ並列に接続された共振型コンバータブロックａおよびｂから構成される電源装置において、入力電圧Ｖｉ、出力電圧Ｖｏ、および出力電流Ｉｏが一定の場合、コンバータトランス８ａおよび８ｂ、共振用チョークコイル５ａおよび５ｂ、共振用コンデンサ６ａおよび６ｂ、平滑用チョークコイル１１ａおよび１１ｂなどの特性のバラツキによって共振条件が変化し、一次巻き線側に流れる電流２１ａおよび２１ｂ若しくは二次巻き線側に流れる電流２３ａおよび２３ｂに流れる電流が均一化しない可能性がある。

電流が均一化しない場合、電流が多く流れている共振型コンバータブロックを構成している素子の方が他の共振型コンバータブロックを構成している同一箇所の素子よりも温度が上昇する。また、その電流の差が著しく違う場合は、電流が多く流れている共振型コンバータブロックを構成する素子が破損する可能性がある。

そこで、この実施例１では、温度のバランスを均一にするために、電流のバランスを均一にする。そのために、コンバータトランス８ａおよび／または８ｂのコアのギャップ位置や量を変化させる。コンバータトランス８ａおよび／または８ｂのコアのギャップ位置や量を変化させることによって、コンバータトランス８ａおよび／または８ｂの一次巻き線−二次巻き線間の結合量を微調整して、リーケージ・インダクタンスを変化させる。

コンバータトランス８ａおよび／または８ｂのリーケージ・インダクタンスを変化させることによって、共振用チョークコイル５ａまたは５ｂ、共振用コンデンサ６ａまたは６ｂ、平滑用チョークコイル１１ａまたは１１ｂの特性のバラツキを吸収する。従って、各共振型コンバータブロックの全体で共振条件を均一化することができ、電流２１ａおよび２１ｂ、若しくは電流２３ａおよび２３ｂに流れる電流のバランスの均一化を図ることができる。

この調整の際、実際に電源装置を動作させて、電流２１ａおよび２１ｂに流れる電流を、例えばラインに直列に挿入した抵抗７ａおよび７ｂに流れる電流に比例して発生する電圧降下を測定し、電圧２２ａおよび２２ｂが等しくなるように、コンバータトランス８ａおよび／または８ｂのコアのギャップの位置や量を調整し、最適な位置で固定する。

同様に、調整の際に、実際に電源装置を動作させて、電流２３ａおよび２３ｂに流れる電流を、例えばラインに直列に挿入した抵抗１２ａおよび１２ｂに流れる電流に比例して発生する電圧降下を測定し、電圧２４ａおよび２４ｂが等しくなるように、コンバータトランス８ａおよび／または８ｂのコアのギャップの位置や量を調整し、最適な位置で固定するようにしても良い。

なお、共振用チョークコイル５ａおよび５ｂの機能をコンバータトランス８ａおよび８ｂが担うようにしても良い。

図１のように、例えば２つ並列に接続された共振型コンバータブロックａおよびｂから構成される電源装置において、入力電圧Ｖｉ、出力電圧Ｖｏ、および出力電流Ｉｏが一定の場合、それぞれの共振型コンバータブロックａおよびｂの一次巻き線側に流れる電流２１ａおよび２１ｂ若しくは二次巻き線側に流れる電流２３ａおよび２３ｂが等しい場合であっても、素子冷却装置の効果差などによってそれぞれの共振型コンバータブロックａおよびｂの同一位置の素子同士に温度差が生じる可能性がある。

そこで、この実施例２では、温度のバランスを均一にするために、電流のバランスを意図的にずらす。そのために、コンバータトランス８ａおよび／または８ｂのコアのギャップの位置や量を変化させるこによって、コンバータトランス８ａおよび／または８ｂの一次巻き線−二次巻き線間の結合量を微調整して、リーケージ・インダクタンスを変化させる。

コンバータトランス８ａおよび／または８ｂのリーケージ・インダクタンスを変化させることによって、各共振型コンバータブロックａおよびｂの全体の共振条件をずらす。従って、電流２１ａおよび２１ｂ若しくは電流２３ａおよび２３ｂに流れる電流のバランスの不均一化を図ることができる。

この調整の際、実際に電源装置を動作させて、電流２１ａおよび２１ｂに流れる電流を、例えばラインに直列に挿入した抵抗７ａおよび７ｂに流れる電流に比例して発生する電圧降下を測定し、温度のバランスが等しくなるように、コンバータトランス８ａおよび８ｂのコアのギャップの位置や量を調整し、最適な位置で固定する。

同様に、調整の際に、実際に電源装置を動作させて、電流２３ａおよび２３ｂに流れる電流を、例えばラインに直列に挿入した抵抗１２ａおよび１２ｂに流れる電流に比例して発生する電圧降下を測定し、温度のバランスが等しくなるように、コンバータトランス８ａおよび／または８ｂのコアのギャップの位置や量を調整し、最適な位置で固定するようにしても良い。

次に、この実施例１および２で使用するコンバータトランス８ａおよび８ｂのギャップ位置の調整およびキャップの量の調整の方法の例を示す。まず、図２を参照して、コンバータトランス８ａおよび８ｂのギャップの位置の調整およびギャップの量の調整の第１の例について説明する。図２に示すように、コンバータトランス８ａおよび８ｂは、図２中実線で示す一次巻き線側のコア３１および二次巻き線側のコア３２と、図２中破線で示すボビン３３とから構成される。

一次巻き線および二次巻き線は、ボビン３３に巻き付けられて、固定される。コア３１および３２は、左右に移動可能である。このコア３１および３２を移動させることによって、ギャップの位置が一次巻き線側若しくは二次巻き線側に移動する。ギャップの位置が移動することによって、一次巻き線−二次巻き線間の結合容量が変化し、このコンバータトランス８ａおよび８ｂのリーケージ・インダクタンスが変化する。そして、最適なリーケージ・インダクタンスとなる位置が決まると、コア３１および３２を固定する。

図３を参照して、コンバータトランス８ａおよび８ｂのギャップの位置の調整およびギャップの量の調整の第２の例について説明する。図３に示すように、コンバータトランス８ａおよび８ｂは、図３中実線で示す一次巻き線側のコア４１および二次巻き線側のコア４２と、図３中破線で示すボビン４３とから構成される。なお、ボビン４３には、点線で示すようにスリット４４が設けられている。

一次巻き線および二次巻き線は、ボビン４３に巻き付けられ、固定される。コア４１および４２は、４ピースで構成され、その中の１ピースは、移動可能な可動コアである。ボビン４３に設けられているスリット４４は、ギャップ構成部に対して設けられ、ギャップ量調整用のスペーサを上部から挿入することが可能である。そして、最適なリーケージ・インダクタンスになるようなギャップ量の幅を持ったスペーサを選択し、可動コアをスペーサ方向に密着させ、コア４１および４２を固定する。

この一実施形態では、説明を容易とするために、２つの共振型コンバータブロックを並列に設けたものを用いているが、３つ以上の共振型コンバータブロックを並列に設けても同様の作用効果を得ることができる。

この発明は、上述したこの発明の実施形態等に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

この発明が適用される実施形態について説明するための回路図である。 この発明が適用される実施形態で用いられるコンバータトランスの第１の例について説明するための概略図である。 この発明が適用される実施形態で用いられるコンバータトランスの第の例について説明するための概略図である。

符号の説明

１ 電圧源
２ａ、２ｂ、３ａ、３ｂ ＦＥＴ
４ 駆動回路
５ａ、５ｂ 共振用チョークコイル
６ａ、６ｂ 共振用コンデンサ
７ａ、７ｂ、１２ａ、１２ｂ 抵抗
８ａ、８ｂ コンバータトランス
９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂ ダイオード
１１ａ、１１ｂ 平滑用チョークコイル
１３ コンデンサ
１４、１５ 出力端子
１６、１７ 端子
１８ 抵抗

Claims (6)

1. コアおよびボビンから構成されるトランスと、
   上記トランスの一次巻き線側に設けられる駆動回路と接続される第１および第２の電界効果トランジスタと、上記第１の電界効果トランジスタのソースと、第２の電界効果トランジスタのドレインとが接続され、上記第２の電界効果トランジスタのソースおよびドレインの間に設けられる共振回路と、
   上記トランスの二次巻き線側に設けられる平滑回路とから共振型コンバータブロックが構成され、
   少なくとも２つの上記共振型コンバータブロックを並列に設け、
   上記少なくとも２つの共振型コンバータブロックのそれぞれのトランスの上記コアを移動させて、上記少なくとも２つの共振型コンバータブロックで、上記共振回路または上記平滑回路に流れる電流のバランスを調整し、リーケージ・インダクタンスを変化させ共振条件を可変できるようにしたことを特徴とする電源装置。
2. 上記ボビンには、ギャップ量調整用のスペーサが挿入可能なスリットを有するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 上記コアは、複数のパーツから構成され、上記複数のパーツの中の少なくとも１つは、移動可能とするようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
4. コアおよびボビンから構成され、
   上記コアを移動させて、一次巻き線側または二次巻き線側に流れる電流のバランスを調整し、リーケージ・インダクタンスを変化させ共振条件を可変できるようにしたことを特徴とするコンバータトランス。
5. 上記ボビンには、ギャップ量調整用のスペーサが挿入可能なスリットを有するようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電源装置。
6. 上記コアは、複数のパーツから構成され、上記複数のパーツの中の少なくとも１つは、移動可能とするようにしたことを特徴とする請求項４に記載の電源装置。

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