JP2005287230A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 電力変換用スイッチング素子のＯＮ動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失の低減が可能な電源回路を提供する点にある。
【解決手段】 スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３を備えた電力変換回路６，８の複数を、共通のトランス１の一次側に備え、各電力変換回路６，８に、一方の電力変換回路から他方の電力変換回路へ誘起電圧による電流の逆流を阻止するための逆流阻止ダイオード９，１０を設け、電力変換回路により負荷２に電力を供給するための二次側直流変換回路３をトランス１の二次側に備えさせ、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ３のスイッチングノイズなどを低減する共振回路１３を設け、各電力変換回路の電源側へ帰還する共振電流をチャージして逆流阻止ダイオード９，１０の逆電圧の発生を抑制するコンデンサ１５，１６を設けた。
【選択図】 図１

Description

本発明は、直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する電力変換用スイッチング素子を備えた電力変換回路の複数を、共通のトランスの一次側に備え、これら複数の電力変換回路からの電力を負荷に供給するための二次側直流変換回路を前記トランスの二次側に備えさせてなる電源回路に関する。

上記電源回路において、例えば一次側に備えた２つの電力変換回路のうちの一方の電力変換回路を駆動しているときに、その電力変換回路に発生するエネルギーによって他方の電力変換回路へ過電流が流れてしまうことを阻止するための逆流阻止ダイオードを各電力変換回路に備えさせたものが既に提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開平９−２６１９５８号公報（図１、図２、図４〜図６）

上記特許文献１の電源回路では、一方の電力変換回路のエネルギーによって他方の電力変換回路へ電流が流れてしまうことを逆流阻止ダイオードにて阻止することができるものの、直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する電力変換用スイッチング素子のＯＮ動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減するための対策がなされておらず、改善の余地があった。

本発明が前述の状況に鑑み、解決しようとするところは、電力変換用スイッチング素子のＯＮ動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減することができる電源回路を提供する点にある。

本発明は、前述の課題解決のために、直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する電力変換用スイッチング素子を備えた電力変換回路の複数を、共通のトランスの一次側に備え、前記各電力変換回路に、一方の電力変換回路から他方の電力変換回路へ誘起電圧による電流の逆流を阻止するための逆流阻止ダイオードを設け、前記電力変換回路により発生する電力を負荷に供給するための二次側直流変換回路を前記トランスの二次側に備えさせてなる電源回路において、前記スイッチング素子のＯＮ動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減するための共振回路を設け、前記共振回路により各電力変換回路の電源側へ帰還する共振電流を電荷の形でチャージして前記逆流阻止ダイオードの逆電圧の発生を抑制するためのチャージ用のコンデンサを設けて、電源回路を構成した。
従って、スイッチング素子のＯＮ動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を共振回路にて低減することができる。そして、共振回路により発生する共振電流が、各電力変換回路の電源側へ帰還し、逆流阻止ダイオードに逆電圧が加わることになるが、これをチャージ用のコンデンサにて電荷の形で蓄積することで回避することができるから、逆流阻止ダイオードが損傷してしまうことを回避することができることは勿論のこと、逆耐圧の小さな（低い）逆流阻止ダイオードを用いることができる。

前記複数の電力変換回路が、商用交流電源からの商用交流電圧を直流電圧に変換する整流回路を備えた第１電力変換回路と、商用交流電源の停電時において二次電池からの直流電圧により前記二次側直流変換回路を通じて負荷に電力を供給する第２電力変換回路とから構成されてもよい。

前記チャージ用のコンデンサを、前記逆流阻止ダイオードに対して並列に接続してもよいし、前記トランスの一次側巻線及び該一次側巻線に直列接続されている該スイッチング素子に対して並列接続してもよい。

前記電力変換用スイッチング素子の２個を前記トランスの一次側巻線を介して直列に接続した状態で設け、前記トランスの中点から延出した中線の端と直流電圧の正負出力端との間のそれぞれにコンデンサを接続して、前記チャージ用のコンデンサを兼用構成し、前記逆流阻止ダイオードを前記コンデンサの直流電圧の正負出力端の接続点よりも入力側に位置させてもよい。

前記共振回路が、前記トランスに電気的に絶縁された状態で接続するための共振用コイルと、前記共振用コイルに蓄積されたエネルギーを電荷の形で蓄積するための前記共振用コンデンサと、前記スイッチング素子がＯＮする前に前記共振用コンデンサに蓄積された電荷を共振電流として流すためにスイッチングさせるための共振用スイッチング素子とを備えた閉回路から構成してもよい。

前記複数の電力変換回路に対して共用する単一の前記共振回路を備えたものから構成してもよい。

スイッチング素子のＯＮ動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を共振回路にて低減することができるものでありながら、その共振回路を設けることにより、逆流阻止ダイオードに逆電圧が加わったとしても、逆流阻止ダイオードが損傷することをチャージ用のコンデンサにて確実に回避することができる信頼性の高い電源回路を提供することができる。又、前記逆流阻止ダイオードを例えばショットキーダイオードなどの逆耐圧の小さなダイオードから構成することができる。また、複数の電力変換回路に対して共用する単一の共振回路を備えたものから構成することによって、共振回路の共用化による部品点数の削減化を図ることができ、製造面及びコスト面において有利になる。

第１電力変換回路を、商用交流電源からの商用交流電圧を直流電圧に変換する整流回路を備えたものから構成し、第２電力変換回路を、商用交流電源の停電時において二次電池からの直流電圧により二次側直流変換回路を通じて負荷に電力を供給するものから構成することによって、停電時においても第２電力変換回路にて負荷に電力を供給することが可能になり、さらに信頼性の高い電源回路とすることができる。

電力変換用スイッチング素子の２個を前記トランスの一次側巻線を介して直列に接続した状態で設け、前記トランスの中点から延出した中線の端と直流電圧の正負出力端との間のそれぞれにコンデンサを接続することによって、スイッチングロスを低減することができ、しかも、先にＯＦＦした電力変換用スイッチング素子に耐圧を越える電圧が加えられることを防ぐことができると共に一次側巻線の電位を安定させることができ、更にはチャージ用のコンデンサを兼用構成することができる利点がある。

共振回路を、トランスに電気的に絶縁された状態で接続するための共振用コイルと、共振用コイルに蓄積されたエネルギーを電荷の形で蓄積するための共振用コンデンサと、スイッチング素子がＯＮする前に共振用コンデンサに蓄積された電荷を共振電流として流すためにスイッチングさせるための共振用スイッチング素子とを備えた閉回路から構成することによって、共振回路を電力変換回路に組み込む場合に比べて、トランスの一次側でも二次側でも自由に配置することができ、設計の自由度を高めることができる。

図１に、フォワード型の電源回路を示している。この電源回路は、共通の高周波トランス（低周波トランスでもよい）１の二次側巻線Ｎ２に電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、負荷２へ直流電力を供給するための二次側直流変換回路３と、前記共通の高周波トランス１の一次側の第１巻線Ｎ１に電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、商用交流電源４からの交流電圧を整流して直流電圧に変換するための整流回路５を介して出力される直流電圧により前記共通の高周波トランス１を介して二次側直流変換回路３へ電力供給するための第１の電力変換回路６と、前記共通の高周波トランス１の一次側の第２巻線Ｎ３に電気的に絶縁された状態で接続され、かつ、二次電池７の出力により前記共通の高周波トランス１を介して二次側直流変換回路３へ電力供給するための第２の電力変換回路８とを備えている。前記二次電池７としては、燃料電池や太陽電池あるいは原子力電池等を用いてもよく、二次電池７に代えて発電機等であってもよい。又、２つの電力変換回路６，８のうちの一方を商用交流電源からの交流電圧により動作する電力変換回路とし、他方を二次電池からの直流電圧により動作する電力変換回路としたが、２つとも商用交流電源からの電力により動作する電力変換回路としてもよいし、又直流電圧により動作する電力変換回路としてもよい。又、電力変換回路を３つ以上設けて実施することもできる。この場合、電源部を商用交流電源にて構成したものと、二次電池等の直流電源にて構成したものをそれぞれ少なくとも１個ずつ備えさせて電源回路を構成しておけば、例えば商用交流電源の停電時でも直流電源を利用して二次側直流変換回路３へ電力供給が行える利点がある。又、電源回路としては、図１のようなフォワード型の他、フライバック型、フルブリッジ型、ハーフブリッジ型等であってもよく、どのような形式の電源回路に構成してもよい。

図１に示すように、前記第１の電力変換回路６は、高周波トランス１の一次側の第１巻線Ｎ１に接続され、ＯＮ−ＯＦＦを繰り返し行うことにより二次側へ設定された電圧を供給するための電力変換用スイッチング素子としてのＦＥＴＱ１と、前記作動中の第２の電力変換回路８からの誘起電圧による電流の逆流を阻止するための逆流阻止ダイオード９を備えている。
又、前記第２の電力変換回路８は、高周波トランス１の一次側の第２巻線Ｎ３に接続され、ＯＮ−ＯＦＦを繰り返し行うことにより二次側へ設定された電圧を供給するための電力変換用スイッチング素子としてのＦＥＴＱ３と、前記作動中の第１の電力変換回路６からの誘起電圧による電流の逆流を阻止するための逆流阻止ダイオード１０を備えている。
前記ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ３には、図示していない制御装置からの制御信号が入力されるゲート回路１１，１２が接続されており、ゲート回路１１，１２からのゲート信号によりＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ３がＯＮ−ＯＦＦされるようになっている。

前記ＦＥＴＱ１及びＦＥＴＱ３のＯＮ動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減するための単一の共振回路１３を、前記トランス１の二次側に電気的に絶縁された状態で接続している。ここでは、共振回路１３をトランス１の二次側へ配置したが、一次側に配置してもよい。このように複数の電力変換回路６，８に対して共用する単一の共振回路１３を設けることによって、全ての電力変換回路６，８に対して共振回路１３を設けるものに比べて部品点数の削減化を図ることができる利点がある。
前記共振回路１３を、トランス１の二次側に電気的に絶縁された状態で接続するための共振用コイルＮ４と、この共振用コイルＮ４に蓄積されたエネルギーを電荷の形で蓄積（充電）するための共振用コンデンサ１４と、前記共振用コイルＮ４の電流をＦＥＴＱ１又はＱ３がＯＮする前に共振電流として流すためにスイッチングさせるための共振用スイッチング素子としてのＦＥＴＱ２とを備えた閉回路から構成することによって、共振回路１３の位置を自由に変更する（図では二次側に配置しているが、一次側であってもよい）ことができる利点があるが、前記各電力変換回路６又は８に共振回路１３を組み込んで実施することもできる。尚、図示していないが、前記ＦＥＴＱ２には、図示していない制御装置からの制御信号が入力されるゲート回路（図示せず）が接続されている。又、前記共振回路１３は、図に示される形式に限らず、どのような形式に構成してもよい。

前記各電力変換回路６，８には、前記共振回路１３の共振用コイルＮ４の電流が共振用スイッチング素子Ｑ２にて遮断される際にトランス１を介して一次側の電力変換回路６，８へ共振電流が流れ、逆流阻止ダイオード９，１０に逆電圧が加わることを電荷の形でチャージするためのチャージ用のコンデンサ１５，１６を備えてあり、これらコンデンサ１５，１６は、逆流阻止ダイオード９，１０に対して並列に接続されている。

前記第１の電力変換回路６を作動させて、該電力変換回路６からの電力供給により二次側に配置した負荷２を駆動する場合を説明する。尚、図２（ａ）は、チャージ用のコンデンサ１５，１６を設けていない場合を示し、図２（ｂ）は、チャージ用のコンデンサ１５，１６を設けた場合の各種の波形を示している。
まず図２（ａ），（ｂ）に、ＦＥＴＱ１を所定の周期でＯＮ−ＯＦＦさせるパルス波形を示している。そして、ＦＥＴＱ１がＯＦＦになると同時に、図１のａ点の電位が図２（ａ），（ｂ）に示すように、立ち上がるため、共振回路１３にコンデンサ１４を充電するための充電電流Ｉが流れ始める（ｄ１の期間）。前記コンデンサ１４の充電が完了する前にＦＥＴＱ２をＯＮするためのゲート信号（図２（ｂ）参照）をＦＥＴＱ２のゲート回路（図示せず）へ出力する。そして、前記充電が完了すると、コンデンサ１４から電荷の放電が開始され、図２（ｂ）に示すように前記方向とは逆方向に電流Ｉが流れる。そして、ＦＥＴＱ１がＯＮする直前にＦＥＴＱ２をＯＦＦし、共振用コイルＮ４を流れていた逆方向の電流Ｉをトランス１を介して図１に示す一次側巻線Ｎ１の電流Ｉ１に変換する。この逆方向の電流Ｉ１を逆流阻止ダイオー９に並列接続されたチャージ用のコンデンサ１５によりチャージすることにより、図１におけるａ点の電位及びｂ−ａ間の電位が図２（ａ）のＶ１で示すように急激に変化することがなく、図２（ｂ）のＶ２で示すように変化が緩やかな電圧変化（０に近い電圧）にすることができ、逆流阻止ダイオード９，１０が損傷することを回避することができることは勿論のこと、逆流阻止ダイオード９，１０をショットキーダイオードなどの逆耐圧の小さな（低い）素子を用いることが可能になる。前記一次側巻線Ｎ１の共振電流Ｉ１によりスイッチング素子Ｑ１の点の電位が十分に低下してから該スイッチング素子Ｑ１をＯＮするため、スイッチング素子Ｑ１のＯＮ時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減することができる。

図１では、逆流阻止ダイオード９，１０及びそれらに対するチャージ用のコンデンサ１５，１６を高周波トランス１の一次側巻線Ｎ１，Ｎ３のマイナス側に接続した電源回路図を示したが、図３に示すように、逆流阻止ダイオード９，１０を一次側巻線Ｎ１，Ｎ３のプラス側あるいはスイッチング素子Ｑ１のマイナス側に接続し、チャージ用のコンデンサ１５，１６を、図３で示すように一次側巻線Ｎ１，Ｎ３のプラス側とこの一次側巻線Ｎ１，Ｎ３のマイナス側に直列に接続されている前記スイッチング素子Ｑ１のマイナス側とに渡る状態で接続した電源回路図であってもよい。

又、スイッチング素子の抵抗成分によるロスを減らすためにＯＮ抵抗の低い（小さい）ＦＥＴを用いたカスケードフォワード型の回路を、図４に示している。このＯＮ抵抗の低いＦＥＴは、耐圧が低いものであるため、２個のＦＥＴＱ１１，Ｑ１２又はＱ３１，Ｑ３２を直列にしてスイッチング素子のオフ時電圧を分圧して低減できるようにしている。これら２個のＦＥＴＱ１１，Ｑ１２又はＱ３１，Ｑ３２は、同じタイミングにてＯＮ−ＯＦＦ駆動することになるが、素子自体のバラツキなどにより該タイミングにずれが発生する。このため、先にＯＦＦしたＦＥＴＱ１１又はＱ１２（Ｑ３１又はＱ３２）に耐圧を越える電圧が加えられることを防ぐと共に両ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２（又はＱ３１，Ｑ３２）がＯＦＦの時の一次側の第１巻線Ｎ１又は第２巻線Ｎ３の電位を安定させるために、コンデンサ１７，１８又は１９，２０を設けている。これらコンデンサ１７，１８又は１９，２０を設けることによって、耐圧の低いＦＥＴＱ１１，Ｑ１２又はＱ３１，Ｑ３２を用いることができるようになっている。しかも、これらコンデンサ１７，１８又は１９，２０は、前記チャージ用のコンデンサの役割も果たしている。前記コンデンサ１７，１８又は１９，２０は、一次側の第１巻線Ｎ１又は第２巻線Ｎ３の中間部（中点）に接続された共通線（中線）２１又は２２と電源（整流回路５からの直流電圧）のプラス側（正の出力端）との間及び該共通線（中線）２１又は２２とマイナス側（負の出力端）との間に接続されたものである。換言すれば、一次側の第１巻線Ｎ１又は第２巻線Ｎ３の中間部（中点）に接続された共通線（中線）２１又は２２と前記プラス側に備えたＦＥＴＱ１１のドレインとの間及び該共通線（中線）２１又は２２とマイナス側に備えたＦＥＴＱ１２のソースとの間に、前記コンデンサ１７，１８又は１９，２０を接続している。図４に示す９，１０は、前記した逆流阻止ダイオードであり、前記コンデンサ１７，１８又は１９，２０の直流電圧の正負出力端の接続点よりも入力側（整流回路５側）に位置させている。又、図４に示す１１Ａ，１１Ｂ、１２Ａ，１２Ｂは、ＦＥＴＱ１１，Ｑ１２、Ｑ３１，Ｑ３２に対するゲート回路である。図５に、図４で示した回路における各種の波形を示しており、この場合も図２と同様にコンデンサ１７，１８又１９，２０を設けることによって、ＦＥＴＱ１１のソース電圧及びＦＥＴＱ１２のドレイン電圧の変化を緩やかな状態に維持することができるようになっている。

図６及び図７にフライバック型の電源回路図を示し、図８及び図９にハーフブリッジ型の電源回路図を示し、図１０及び図１１にフルブリッジ型の電源回路図を示している。尚、図６〜図１１で付した符号は、図１、図３及び図４で示した電源回路図に付したものを用い、同一の符号を付している。

一部を省略したフォワード型の第１の電源回路図である。 （ａ）はチャージ用のコンデンサを省略した電源回路中の各種の波形を示し、（ｂ）はチャージ用のコンデンサを備えさせた電源回路中の各種の波形を示している。 一部を省略したフォワード型の第２の電源回路図である。 一部を省略したカスケードフォワード型の第３の電源回路図である。 図４で示した電源回路中の各種の波形を示している。 一部を省略したフライバック型の第４の電源回路図である。 一部を省略したフライバック型の第５の電源回路図である。 一部を省略したハーフブリッジ型の第６の電源回路図である。 一部を省略したハーフブリッジ型の第７の電源回路図である。 一部を省略したフルブリッジ型の第８の電源回路図である。 一部を省略したフルブリッジ型の第９の電源回路図である。

符号の説明

１ 高周波トランス
２ 負荷
３ 二次側直流変換回路
４ 商用交流電源
５ 整流回路
６，８ 電力変換回路
７ 二次電池
９，１０ 逆流阻止ダイオード
１１，１２ ゲート回路
１３ 共振回路
１４ 共振用コンデンサ
１５，１６ コンデンサ
Ｎ１，Ｎ３ 一次側巻線
Ｎ２ 二次側巻線
Ｌ 設定距離
Ｎ４ 共振用コイル

Claims (7)

1. 直流電圧を入力としてＯＮ−ＯＦＦ動作する電力変換用スイッチング素子を備えた電力変換回路の複数を、共通のトランスの一次側に備え、前記各電力変換回路に、一方の電力変換回路から他方の電力変換回路へ誘起電圧による電流の逆流を阻止するための逆流阻止ダイオードを設け、前記電力変換回路により発生する電力を負荷に供給するための二次側直流変換回路を前記トランスの二次側に備えさせてなる電源回路において、前記スイッチング素子のＯＮ動作時に発生するスイッチングノイズ及びスイッチング損失を低減するための共振回路を設け、前記共振回路により各電力変換回路の電源側へ帰還する共振電流を電荷の形でチャージして前記逆流阻止ダイオードの逆電圧の発生を抑制するためのチャージ用のコンデンサを設けたことを特徴とする電源回路。
2. 前記複数の電力変換回路が、商用交流電源からの商用交流電圧を直流電圧に変換する整流回路を備えた第１電力変換回路と、商用交流電源の停電時において二次電池からの直流電圧により前記二次側直流変換回路を通じて負荷に電力を供給する第２電力変換回路からなる請求項１記載の電源回路。
3. 前記チャージ用のコンデンサを、前記逆流阻止ダイオードに対して並列に接続してなる請求項１又は２記載の電源回路。
4. 前記チャージ用のコンデンサを、前記トランスの一次側巻線及び該一次側巻線に直列接続されている該スイッチング素子に対して並列接続してなる請求項１又は２記載の電源回路。
5. 前記電力変換用スイッチング素子の２個を前記トランスの一次側巻線を介して直列に接続した状態で設け、前記トランスの中点から延出した中線の端と直流電圧の正負出力端との間のそれぞれにコンデンサを接続して、前記チャージ用のコンデンサを兼用構成し、前記逆流阻止ダイオードを前記コンデンサの直流電圧の正負出力端の接続点よりも入力側に位置させてなる請求項１又は２記載の電源回路。
6. 前記共振回路が、前記トランスに電気的に絶縁された状態で接続するための共振用コイルと、前記共振用コイルに蓄積されたエネルギーを電荷の形で蓄積するための前記共振用コンデンサと、前記スイッチング素子がＯＮする前に前記共振用コンデンサに蓄積された電荷を共振電流として流すためにスイッチングさせるための共振用スイッチング素子とを備えた閉回路から構成してなる請求項１〜５のいずれかに記載の電源回路。
7. 前記複数の電力変換回路に対して共用する単一の前記共振回路を備えたものでなる請求項１〜６のいずれかに記載の電源回路。
   

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