JP2006353039A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
トランスの１次巻線の線間容量とトランスの巻線インダクタンスおよびスイッチング手段によって発生する共振現象によって、不連続モード期間にピーク電圧が発生するという課題があった。
【解決手段】
直流電圧をオンオフするスイッチング手段と、該スイッチング手段を接続する一次巻線と出力側の二次巻線とを有するトランスと、該トランスの前記二次巻線の出力を整流し平滑化する整流平滑化手段とを備え、前記トランスの前記一次巻線を直列に接続されたＮ層（Ｎは２以上の整数）の巻線で構成し、前記Ｎ層のうちｎ個の層（ｎは１≦ｎ＜Ｎを満たす整数）の巻数を前記ｎ個以外の層での巻数より少なくする。
【選択図】 図１

Description

本発明はスイッチング電源装置に関わり、特にスイッチング手段がオフの状態の不連続モードにおいて動作を安定化させる技術に関する。

従来、スイッチング電源装置の一つとしてフライバック型コンバータが知られている。図１０は一般的なフライバックコンバータの回路図で、２０１および２０２は入力電源を接続する入力端子、２０３および２０４は出力端子、２０５は出力平滑用コンデンサ、２０６は入力電源に並列に接続された入力コンデンサ、２０７はスイッチング素子、２０８はパルス幅制御部、２０９はパルス幅制御部２０８が出力する制御信号、２１０はダイオード、５０１はトランス、５０２は一次側巻線、５０３は二次側巻線、５０４は１次側のトランスの容量成分、５０５はスイッチング素子２０７に流れる電流ｉD、５０６はスイッチング素子２０７のドレインソース間の電圧ＶDSをそれぞれ示している。

図１０において、入力端子２０１および２０２の間に図面には明記していないが直流電源が接続されており、この直流電源の直流電圧は入力コンデンサ２０６に加えられている。 今、パルス幅制御部２０８が制御信号２０９を介してスイッチング素子２０７のゲートにオン信号を送ると、スイッチング素子２０７は導通状態となり、直流電源および入力コンデンサ２０６から供給される電流ｉD５０５はトランス５０１の一次側巻線５０２を通ってスイッチング素子２０７を流れて直流電源および入力コンデンサ２０６に戻る回路が形成される。この時、一次側巻線５０２に電流ｉD５０５が流れることによってトランス５０１に電磁エネルギーを蓄え、トランス５０１の一次側巻線５０２に電流ｉD５０５が流れ始めると、二次側巻線５０３に電圧が発生して電流が流れようとするが、ダイオード２１０で逆バイアスされるため電流は流れない。

次に、パルス幅制御部２０８が制御信号２０９を介してスイッチング素子２０７のゲートにオフ信号を送ると、スイッチング素子２０７のドレインソース間は遮断され電流ｉD５０５は流れなくなるが、トランス５０１は蓄えられた電磁エネルギーで同じ方向に電流を流し続けようとするためトランス５０１の二次側の電圧が逆転し、二次側のダイオード２１０の順方向に電流が流れ、出力平滑用コンデンサ２０５は充電され、出力端子２０３および２０４に電源が供給される。このように、パルス幅制御部２０８は制御信号２０９を介してスイッチング素子２０７をオンオフさせてトランス５０１の二次側にトランス５０１の巻数比に応じた電圧を供給することができる。尚、スイッチング電源装置の入力電圧Ｖin と出力電圧Ｖoとの関係は、Ｔonをスイッチング素子２０７のオン時間、Ｔsをスイッチング周期、Ｎ1をトランス５０１の一次側巻線５０２の巻線数、Ｎ2をトランス５０１の二次側巻線５０３の巻線数とした場合、式（１）で表すことができる。

Ｖo＝Ｖin × (Ｔon)／(Ｔs−Ｔon) × (Ｎ2／Ｎ1) … （１）
ところが、スイッチング素子２０７がオフした時に入力コンデンサ２０６、トランス５０１のインダクタンスや容量成分５０４およびスイッチング素子２０７の容量成分などによって形成される共振回路が共振してリンギングを生じ動作が不安定になる。
図１１はこのリンギングの様子を示した図で、３０１は図１０におけるスイッチング素子２０７のＶDS５０６の電圧波形、３０２はｉD５０５の電流波形、３０３はスイッチング周期Ｔs、３０４はスイッチング素子２０７のオン時間Ｔon、３０５はスイッチング素子２０７のオン開始点、３０６はオン開始点３０５での電流値ｉD0をそれぞれ示す。

図１１の場合、スイッチング素子２０７のＶDS５０６の電圧波形３０１のリンギング周波数が低いので次のオン開始点３０５までの期間に十分に収束し切れておらず、次のオン開始点３０５では残っているｉDO３０６の電流値が初期値となるため、ＰＷＭ制御によるオン時間の増加に対して出力が単調増加とならない場合があり、誤動作の原因となる。
つまり、負荷電流の増加に伴ってスイッチング素子のオン時間を増加させなければならないのに逆にオン時間を減少させたり、負荷電流の減少に伴ってスイッチング素子のオン時間を減少させなければならないのに逆にオン時間を増加させることになり、動作が不安定な状況に陥ってしまう。

このリンギングを収束させるために、抵抗とコンデンサなどによってある時定数を持ったスナバ回路を図１０のトランス５０１の一次側に並列に取り付ける技術が一般に良く知られている。
また、特許文献１記載の「リンギングチョークコンバータ」では、スイッチング素子がオフした時に共振を起こす問題点に対して、スイッチング素子がオフの時にスイッチング素子の制御信号が共振現象によってオンオフを繰り返さないように制御信号に直列に抵抗あるいはインダクタを挿入することによってゲート電圧が高くならないようにする技術が記載されている。
特許第３０１０６１１号公報

ところが、上記従来技術では、動作が不安定となる共振現象によるリンギングを抑えるために、抵抗、インダクタ、コンデンサなどの部品を追加する必要があり、コスト面で好ましくなかった。また、一般的に用いられるスナバ回路においては、スナバ回路での損失が発生し、コンバータの効率が下がってしまうという課題があった。

上記課題に対して、本発明によるスイッチング電源装置は、直流電圧をオンオフするスイッチング手段と、該スイッチング手段を接続する一次巻線と出力側の二次巻線とを有するトランスと、該トランスの前記二次巻線の出力を整流し平滑化する整流平滑化手段とを備え、前記トランスの前記一次巻線を直列に接続されたＮ層（Ｎは２以上の整数）の巻線で構成し、前記Ｎ層のうちｎ個の層（ｎは１≦ｎ＜Ｎを満たす整数）の巻数を前記ｎ個以外の層での巻数より少なくすることにより解決される。

また、前記ｎ個の層と前記ｎ個以外の層を交互に重ねて構成することにより解決される。
さらには、前記ｎ個の層の巻線が巻かれていない部分にスペース部材を設けることによって効果的に解決される。
或いは、直流電圧をオンオフするスイッチング手段と、該スイッチング手段を接続する一次巻線と出力側の二次巻線とを有するトランスと、該トランスの前記二次巻線の出力を整流し平滑化する整流平滑化手段とを備え、前記トランスの前記一次巻線を直列に接続した複数層の巻線で構成し、前記複数層の巻数の内１つの層の巻数を他の層の巻数より少なくすることにより解決される。

本発明によるスイッチング電源装置は、トランスの巻き方を工夫することによって、スイッチング素子がオフした時にコンデンサ、トランスのインダクタンスや容量成分およびスイッチング素子の容量成分などによって形成される共振回路の共振周波数が高くなり、リンギングを速く収束させることができるので、不連続モードにおいて安定した動作が可能となる。また、抵抗やインダクタ、コンデンサなどの部品の追加が不要で、コスト面での効果もある。さらに、スナバ回路のように大きな損失が発生しないので、コンバータの効率が下がることもない。

本発明のスイッチング電源装置の第１の実施例を図１、図２を用いて詳しく説明する。図１はスイッチング電源装置のトランスを説明するための図、図２は図１のトランスを用いたスイッチング電源装置の回路図である。
図１（ａ）はトランスの一次側巻線の様子を示した図で、１０１はボビン、１０２は一次側１層目の巻線、１０３は一次側２層目の巻線、１０４は層間の絶縁紙をそれぞれ示す。図１（ｂ）はトランスの回路図で、１０５はトランス、１０６、１０７は一次側端子、１０８、１０９は二次側端子、１１２は二次側巻線、１１３は一次側の１層目と２層目の接続点、１１４は一次側の１層目の巻線の線間容量、１１５は一次側の２層目の巻線の線間容量である。

図１（ａ）において、２層目の巻線１０３の巻数は１層目の巻線１０２の巻数に比べて少なく巻いてあり、今、一次側巻線の総巻数を６０ターンとした場合の実施例について説明する。一次側巻線の総巻数の６０ターンを５４ターンと６ターンに分割して、１層目の巻線１０２に５４ターンを巻き、２層目の巻線１０３に６ターンを巻くようにする。ここで、６０ターン巻いた時の線間容量をＣ60、５４ターン巻いた時の１層目の巻線の線間容量１１４をＣ54、６ターン巻いた時の２層目の巻線の線間容量１１５をＣ6とした場合、２層にした時の線間容量Ｃtotalは式（２）で概算できる。

Ｃtotal＝Ｃ6 × Ｃ54 ／ (Ｃ6 ＋ Ｃ54） … （２）
ここで、Ｃ6≪Ｃ54の関係があるので、近似させると式（３）のようになる。
Ｃtotal≒Ｃ6 … （３）
つまり、１層で巻いた場合の線間容量Ｃ60に対して、Ｃ60＞Ｃ6の関係が成立し、１層で６０ターン巻いた時の線間容量に比べて、１層目に５４ターン、２層目に６ターンと分けて巻いた時の線間容量の方が少なくできる。但し、実際には層間の容量などが複雑に絡んでくるので、必ずしも、計算通りには小さくならない場合がある。

ここで、一次側巻線の巻数を１層で６０ターンとした場合と、２層に分割して、１層目に５４ターンを巻き、２層目に６ターンを巻いた場合のインピーダンス特性の実測グラフを図７に示す。図７（ａ）および（ｂ）において、横軸は１００Ｈｚから４０ＭＨｚまでの周波数を対数で、縦軸は１Ωから１００ｋΩまでのインピーダンス値を対数でそれぞれ表示したものである。図７（ａ）は１層巻きで６０ターンの場合で共振点９０１の周波数は約２ＭＨｚ、図７（ｂ）は１層目に５４ターンを巻き２層目に６ターンを巻いた場合で共振点９０２の周波数は約７ＭＨｚとなっており、２層に分割して巻いた方が共振周波数が高くなっており、線間容量も小さい。

次に図２のスイッチング電源装置の動作について説明する。図２は本発明の２層巻きのトランス１０５を用いたスイッチング電源装置の回路図で、２１１はスイッチング素子２０７のドレイン電流ｉD、２１２はスイッチング素子２０７のドレインソース間の電圧ＶDSをそれぞれ示している。尚、先に説明した図１と従来の技術で説明した図１０と同符号のものは同じものなので説明を省略する。

また、図２の基本的な動作についても図１０を用いて従来の技術で述べたものと同じで、入力端子２０１および２０２に接続された直流電源の直流電圧は入力コンデンサ２０６に加えられ、パルス幅制御部２０８が制御信号２０９を介してスイッチング素子２０７のゲートにオンオフ信号を送ることによって、スイッチング素子２０７をオンオフさせ、オンの時にトランス１０５に蓄えられた電磁エネルギーをオフの時に二次側に放出することによって二次側に電源を供給することができる。従来の技術で述べた図１０と異なっているのは、トランス１０５の一次側が２層構造になっていることである。

次に、ＶDS２１２とｉD２１１の波形について図３を用いて詳しく説明する。図３は、図２のスイッチング電源装置のスイッチング素子２０７に流れる電流ｉD２１１とＶDS２１２の波形の様子を示した説明図で、４０１は図２におけるスイッチング素子２０７のＶDS２１２の電圧波形、４０２はｉD２１１の電流波形、４０３はスイッチング素子２０７のオン開始点をそれぞれ示す。尚、スイッチング周期Ｔs３０３とスイッチング素子２０７のオン時間Ｔon３０４は図１１の場合と同じである。

図３において、図２のスイッチング素子２０７のＶDS２１２の電圧波形４０１のリンギング周波数は図１１の電圧波形３０１よりも周波数が高く、オン開始点４０３では十分に小さく収束しており、ｉD２１１の電流値は大きなオフセットを持たずに次のオンタイミングとなるため、図１１のようにｉDO３０６の電流値がオフセットを持った形で初期値とならず、ＰＷＭ制御によるオン時間の増加に対して出力が単調増加となり安定した動作を行うことができる。

次に、本発明の第１の実施例の場合の効果を実測データを用いて説明する。図４はスイッチング素子２０７のドレインソース間の電圧ＶDSの波形をオシロスコープで観測したもので、横軸は一目盛り４００ｎｓの時間を示し、縦軸は一目盛り２０Ｖの電圧を示している。図４（ａ）は１層巻きで６０ターンの場合のＶDS５０６の波形、図４（ｂ）は１層目に５４ターンを巻き、２層目に６ターンを巻いた場合のＶDS２１２の波形である。図４（ａ）のリンギング部分の共振周波数６０１は約１．５ＭＨｚで、図４（ｂ）のリンギング部分の周波数６０２は約２ＭＨｚとなっており、２層巻きの方が共振周波数が高くなっていることが分かる。このため、リンギング波形の電圧値の振れ幅は速く小さく収束し、次のスイッチング素子２０７のオンのタイミングでの振れ幅は図４（ａ）の１層巻きの場合に比べて小さくなっている。

ここで、リンギング部分の収束が十分にされていない時に動作が不安定になる原因について図５および図６の実測波形を用いて説明する。図５の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は図１０の従来の技術によるスイッチング電源装置を用いた場合のＶDSの実測波形を示し、図６の（ａ）、（ｂ）および（ｃ）は図２の本発明によるスイッチング電源装置を用いた場合のＶDSの実測波形を示しており、図５のリンギング周波数よりも図６のリンギング周波数の方が高くなっている。尚、何れの場合も、スイッチング周期は約３５０ｋＨｚで同じとし、スイッチング素子２０７のオン時間が可変されている。スイッチング素子２０７のオン時間は負荷電流によって変わり、負荷電流の増加に伴ってスイッチング素子２０７のオン時間を増加させ、負荷電流の減少に伴ってスイッチング素子２０７のオン時間を減少させるよう動作している。

図５（ａ）のオン時間７０１は約２００ｎｓ、図５（ｂ）のオン時間７０２は約５００ｎｓである。また、図５（ａ）および（ｂ）において、次のオンタイミングでのＶDSの電圧はＶon4が約３０ｖ、Ｖon5が約６０ｖと倍半分の振れ幅がある。図５（ｃ）はオン時間をさらに大きくした場合の実測波形であるが、オンタイミングが安定せず、振動している様子が分かる。これに対して、リンギングの周波数が高い場合、図６（ａ）のオン時間８０１は約２００ｎｓ、図６（ｂ）のオン時間８０２は約５００ｎｓ、図６（ｃ）のオン時間８０３は約７００ｎｓであるが、オンタイミングでのＶDSの電圧Ｖon1、Ｖon2およびＶon3の何れも約５０ｖと電圧の振れ幅が安定しているのが分かる。

つまり、次のスイッチング素子のオンまでにリンギングを速く収束させることで、安定した動作が得られることが分かる。リンギングを速く収束させるためにはリンギングの共振周波数に対してスイッチング周期自体を十分に長くすれば良いが、一般にスイッチング電源のスイッチング周波数は高くして利用した方がトランスが小型化できるので好ましい方法ではなく、リンギングの共振周波数を上げることによって、収束を速める方法が考えられる。リンギングの共振回路を構成する要素は、コンデンサ、スイッチング素子の容量成分、トランスのインダクタンスや容量成分などで、共振周波数ｆは式（４）で与えられ、ｆを高くするにはトランスのインダクタンスＬを小さくするか、上記の各種容量成分の合成容量Ｃを小さくするかの何れかが考えられる。

ｆ＝１ ／ （２ × π ×(Ｌ×Ｃ)） … （４）
本発明のスイッチング電源装置ではトランスの容量成分に着目し、トランスの容量成分を小さくすることによって、リンギングの共振周波数を高くして、収束を速めることが可能となる。
第１の実施例では、図１（ａ）に示すようなトランスの巻き方を用いたが、その他の実施例について図８および図９を用いて詳しく説明する。

図８はトランス１０５の巻き方を変えたもので、図８（ａ）は２層目の巻線１０３を図１（ａ）のようにボビン１０１の端に寄せて巻くのではなく、中央部分に巻いた例を示している。この場合でも、１層目と２層目の巻き数が大きく異なるため、第１の実施例と同様の効果が得られる。
図８（ｂ）は３層巻きにしたもので、１２１は１層目の巻線、１２２は２層目の巻線、１２３は３層目の巻線をそれぞれ示しており、１層目の巻線１２１と２層目の巻線１２２に比べて３層目の巻線１２３は少なく巻いてあるので、本発明の第１の実施例と同様に３層目の容量成分が支配的となり、合成容量を下げることができる。

図８（ｃ）は２層目の巻線１２４と３層目の巻線１２３を１層目の巻線１２１に比べて少なく巻いてあるので、２層目の巻線容量と３層目の巻線容量の合成容量が支配的となり、本発明の第１の実施例と同様に全体の合成容量を下げることができる。
図９は実用上の工夫を行った実施例を示し、図９（ａ）は２層目の巻線１０３が巻かれていない部分にスペーステープ１２４を巻いて巻線１０３がずれないように工夫したものである。尚、スペーステープ１２４は樹脂部材など別のもので構成しても同様の効果がある。

図９（ｂ）は、一旦、図９（ａ）のように巻いた上にさらに１層目と同じように３層目を、２層目と同じように４層目を巻いたもので、層間の結合容量を少なくすることができる。
このように、トランスの１次側巻線を多層構造にして、少なくとも１層の巻線数を他層の巻線数より少なくすることによって、トランス自体の容量成分を少なくすることができ、リンギングの共振周波数が高くなってリンギングが速く収束するので、安定した動作のスイッチング電源装置を提供することが可能となる。

本発明のスイッチング電源装置のトランスを説明する説明図である。 本発明のスイッチング電源装置の回路図である。 本発明のスイッチング電源装置の動作を説明するための説明図である。 ＶDS２１６とＶDS５０６の実測波形図である。 従来のスイッチング電源装置の課題を説明するための実測波形図である。 本発明のスイッチング電源装置の効果を説明するための実測波形図である。 トランスのインピーダンスを示す実測特性図である。 本発明のトランスのその他の実施例を示す説明図である。 本発明のトランスのその他の実施例を示す説明図である。 従来のスイッチング電源装置の回路図である。 従来のスイッチング電源装置の課題を説明するための説明図である。

符号の説明

１０２…１層目の巻線
１０３…２層目の巻線
１０５…トランス
１１４…１層目の容量成分
１１５…２層目の容量成分
２０５…出力平滑用コンデンサ
２０６…入力コンデンサ
２０７…スイッチング素子
２０８…パルス幅制御部
２１０…ダイオード

Claims (4)

1. 直流電圧をオンオフするスイッチング手段と、
   該スイッチング手段を接続する一次巻線と出力側の二次巻線とを有するトランスと、
   該トランスの前記二次巻線の出力を整流し平滑化する整流平滑化手段とを備え、
   前記トランスの前記一次巻線を直列に接続したＮ層（Ｎは２以上の整数）の巻線で構成し、
   前記Ｎ層のうちｎ個の層（ｎは１≦ｎ＜Ｎを満たす整数）の巻数を前記ｎ個以外の層での巻数より少なくしたことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 請求項１記載のスイッチング電源装置において、
   前記ｎ個の層と前記ｎ個以外の層を交互に重ねて構成したことを特徴とするスイッチング電源装置。
3. 請求項１および２の何れかに記載のスイッチング電源装置において、
   前記ｎ個の層の巻線が巻かれていない部分にスペース部材を設けたことを特徴とするスイッチング電源装置。
4. 直流電圧をオンオフするスイッチング手段と、
   該スイッチング手段を接続する一次巻線と出力側の二次巻線とを有するトランスと、
   該トランスの前記二次巻線の出力を整流し平滑化する整流平滑化手段とを備え、
   前記トランスの前記一次巻線を直列に接続した複数層の巻線で構成し、
   前記複数層の巻数の内１つの層の巻数を他の層の巻数より少なくしたことを特徴とするスイッチング電源装置。

Images