JP2007014136A

JP2007014136A - スイッチング電源装置

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Publication number: JP2007014136A
Application number: JP2005192350A
Authority: JP
Inventors: Katsuaki Tanaka; 克明田中
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2005-06-30
Filing date: 2005-06-30
Publication date: 2007-01-18
Anticipated expiration: 2025-06-30
Also published as: JP4271673B2

Abstract

【課題】直流入力電圧を常に検出することの可能なスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】電圧検出部２０はトランス２１と、ダイオード２２，２３と、スイッチング素子２４と、ドライブ回路２５と一対の検出信号線Ｗ１，Ｗ２とを有する。トランス２１は巻線２１Ａおよび巻線２１Ｂ，２１Ｃからなり、巻線２１Ａおよび巻線２１Ｂの極性と、巻線２１Ｃの極性とが互いに逆向きとなるように磁気結合されている。巻線２１Ａの一端はダイオード２２のアノードに、巻線２１Ａの他端は入力端子Ｔ２に、ダイオード２２のカソードは入力端子Ｔ１に、巻線２１Ｂの一端はダイオード２３のアノードに、巻線２１Ｂの他端は検出信号線Ｗ２の一端に、ダイオード２３のカソードは検出信号線Ｗ１の一端に、巻線２１Ｃの一端は出力端子Ｔ３に、巻線２１Ｃの他端はスイッチング素子２４の一端に、スイッチング素子２４の他端は出力端子Ｔ４にそれぞれ接続されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、直流入力電圧をスイッチングして得られるスイッチング出力を電圧変換トランスの出力巻線に取り出すように構成されたスイッチング電源装置に係り、特に直流入力電圧を検出する電圧検出回路を有するスイッチング電源装置に関する。

一般に、ハイブリッドカー（Hybrid Electric Vehicle ）には、ワイパー、ヘッドライト、ルームライト、オーディオ機器、空調機および各種計器類等の車両搭載機器を駆動するための電源として、例えば１２ボルト程度の低圧の直流電圧を出力する低圧バッテリ（以下、低圧バッテリという。）が搭載されると共に、モータを駆動するための電源として、例えば４００Ｖ程度の高圧の直流電圧を出力する高圧バッテリが搭載されている。通常、このような低圧バッテリに対する充電は、エンジンの回転を利用して駆動される交流発電機からの交流出力電圧を整流して高圧の直流電圧を得ると共に、この直流入力電圧をスイッチング電源装置を用いてより低圧の直流電圧に変換してから低圧バッテリに供給することで行われる。なお、高圧バッテリに対する充電は、上記したエンジン側からの直流入力電圧を高圧バッテリに供給することで行われる。このスイッチング電源装置は、例えば特許文献１に記載されているように、直流入力電圧をインバータ回路によって交流電圧に一旦変換したのち、その交流電圧を電圧変換トランスで変圧すると共に整流回路等によって再び直流電圧に変換することで電圧変換を行うものである。

ところで、エンジン側から供給される直流入力電圧がスイッチング電源装置の内部回路の耐圧を超えると内部回路を破壊する虞がある。そのため、内部回路が破壊されないように、その直流入力電圧を常に監視しておくことが重要となる。このことは、上記ハイブリッドカーに搭載されたスイッチング電源装置に限られるものではなく、一般的なスイッチング電源装置にも当てはまるものである。

例えば、特許文献２では、直流入力電圧を検出するための電圧検出回路が設けられている。この電圧検出回路は、電圧変換トランスの出力巻線に発生する電圧を検出した後、演算により直流入力電圧を推定するようになっている。

特開２００３−２５９６３７号公報特開２００３−３３０１５号公報

しかし、特許文献２の技術では、ひとたび、スイッチング電源装置のスイッチング動作が停止し、出力巻線に電圧が発生しなくなると、直流入力電圧を検出することができなくなる。このように、特許文献２の技術では、直流入力電圧を常に検出することが極めて困難であるという問題がある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、直流入力電圧を常に検出することの可能なスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明のスイッチング電源装置は、電源本体部に電圧検出部が接続されたものである。電圧検出部は、３つのトランスコイル（第１トランスコイル、第２トランスコイル、第３トランスコイル）を含んで構成された電圧検出用トランスと、スイッチング素子と、検出信号線とを有している。ここで、第１トランスコイルは１次側に設けられ、第１電源と接続されるようになっている。第２トランスコイルは２次側に設けられ、検出信号線と接続されるようになっている。第３トランスコイルは第１トランスコイルと磁気的に結合するように設けられ、スイッチング素子のオンオフに応じて第２電源から直流電圧が断続的に印加されるようになっている。このように、電圧検出部は、第１電源の出力端に直接接続されるようになっている。

本発明のスイッチング電源装置では、電圧検出部において、スイッチング素子がスイッチング動作すると、第２電源からの直流電圧がパルス状の電圧に変換され、第３トランスコイルにパルス状の電流が流れる。すると、第１トランスコイルに電力が伝送されてパルス状の電流が生じ、この第１トランスコイルの電流により、第２トランスコイルにパルス状の電圧が誘起される。ここで、第１トランスコイルを流れるパルス状の電流は、第１電源からの直流入力電圧の情報を含んでいるので、第２トランスコイルに誘起される電圧も第１電源からの直流入力電圧の情報を含むこととなる。このように、第１電源からの直流入力電圧の情報を含んだ電圧が、電圧検出部によって第１電源の出力端から直接検出される。

上記第１トランスコイル、第２トランスコイルおよび第３トランスコイルは、第１トランスコイルおよび第２トランスコイルの極性と、第３トランスコイルの極性とが互いに逆向きとなるように磁気結合されると共に、スイッチング素子がオフのときにのみ第１トランスコイルに電流を流す第１電流制御素子と、スイッチング素子がオフのときにのみ第２トランスコイルに電流を流す第２電流制御素子を電圧検出部にそれぞれ設けることが好ましい。

この場合、スイッチング素子をオンすると、第３トランスコイルには電流が流れる一方、第１トランスコイルおよび第２トランスコイルには電流が流れないので、電圧検出用トランスにエネルギーが蓄積される。その後、スイッチング素子をオフすると、蓄積されたエネルギーが第１トランスコイルに開放され、第１トランスコイルに電流が流れる。このように、第１トランスコイルと第３トランスコイルでは、電流の流れる位相が逆となるので、第２電源からの直流電圧の大きさに依存しない電圧が第２トランスコイルに誘起される。

また、整流回路の直流出力電圧が第１電源の直流入力電圧より低くなるように電源本体部が設定されているとき、すなわち電源本体部が降圧型のときは、第３トランスコイルを２次側に設けることが好ましい。また、整流回路の直流出力電圧が第１電源の直流入力電圧より高くなるように電源本体部が設定されているとき、すなわち電源本体部が昇圧型のときは、第３トランスコイルを１次側に設けることが好ましい。つまり、第３トランスコイルを低圧側に設けることが好ましい。このようにすると、電圧検出部を高耐圧部品で構成する必要がなくなる。

本発明のスイッチング電源装置によれば、第２電源から第３トランスコイルに直流電圧を印加すると共に、第１電源からの直流入力電圧の情報を含んだ電圧を、第１電源の出力端から直接検出するようにしたので、電源本体部のスイッチング動作が停止した後であっても、直流入力電圧を検出することができる。したがって、直流入力電圧を常に検出することができる。

また、第１トランスコイルおよび第２トランスコイルの極性と、第３トランスコイルの極性とが互いに逆向きとなるように、これら第１トランスコイル、第２トランスコイルおよび第３トランスコイルを磁気結合すると共に、第１電流制御素子および第２電流制御素子を電圧検出部にそれぞれ設けた場合は、第２電源からの直流電圧（または整流回路からの直流出力電圧）の大きさに依存しない電圧を第２トランスコイルに誘起させることができる。これにより、第２電源からの直流電圧の変動や、電圧変換トランスの２次側で発生するサージ電圧による直流出力電圧の変動などの影響を受けないので、直流入力電圧をより一層精度良く検出することができる。

また、電源本体部が降圧型のときは第３トランスコイルを２次側に設け、昇圧型のときは第３トランスコイルを１次側に設けた場合は、電圧検出部の耐圧を低くすることができる。これにより、電圧検出部を安価に製造することができる。

以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表すものである。このスイッチング電源装置は、高圧バッテリＨＢ（第１電源）から供給される高圧の直流入力電圧Ｖｉｎを、より低い直流出力電圧Ｖｏｕｔに変換して、低圧バッテリＬＢ（第２電源）に供給するＤＣ−ＤＣコンバータとして機能するものであり、後述するように２次側がセンタタップ型カソードコモン接続の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、電源本体部１０と、電源本体部１０に並列に接続された電圧検出部２０と、電圧検出部２０に接続された保持部２６と、保持部２６に接続された比較部２７と、電源本体部１０に接続された制御回路１７とを備えたものである。

まず、電源本体部１０の構成について説明する。電源本体部１０は、１次側巻線１１Ａおよび２次側巻線１１Ｂ，１１Ｃを含んで構成された３巻線型のトランス１１を有している。トランス１１の１次側には平滑コンデンサ１２、インバータ回路１３および共振用インダクタ１４が、２次側には整流回路１５および平滑回路１６がそれぞれ設けられている。平滑コンデンサ１２およびインバータ回路１３は一次側高圧ラインＬ１Ｈと１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に、共振用インダクタ１４はインバータ回路１３と１次側巻線１１Ａとの間にそれぞれ設けられている。

また、１次側高圧ラインＬ１Ｈに入力端子Ｔ１が、１次側低圧ラインＬ１Ｌに入力端子Ｔ２がそれぞれ設けられており、これら入力端子Ｔ１，Ｔ２が高圧バッテリＨＢの出力端子と接続されるようになっている。また、平滑回路１６の高圧側のラインである出力ラインＬ０に出力端子Ｔ３が、平滑回路１６の低圧側のラインである接地ラインＬＧに出力端子Ｔ４がそれぞれ設けられており、これら出力端子Ｔ３，Ｔ４が低圧バッテリＬＢの入出力端子と接続されるようになっている。

インバータ回路１３は、高圧バッテリＨＢから出力される直流入力電圧Ｖｉｎをほぼ矩形波状の単相交流電圧に変換する単相インバータ回路である。このインバータ回路１３は、制御回路１７から供給されるスイッチング信号によってそれぞれ駆動される４つのスイッチング素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄをフルブリッジ接続してなるフルブリッジ型のスイッチング回路である。スイッチング素子としては、例えば、ＭＯＳ−ＦＥＴ（Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor ）やＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolor Transistor ）などの素子が用いられる。

スイッチング素子１３Ａは、トランス１１の１次側巻線１１Ａの一端と１次側高圧ラインＬ１Ｈとの間に設けられ、スイッチング素子１３Ｂは１次側巻線１１Ａの他端と１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられている。スイッチング素子１３Ｃは１次側巻線１１Ａの他端と１次側高圧ラインＬ１Ｈとの間に設けられ、スイッチング素子１３Ｄは１次側巻線１１Ａの一端と１次側低圧ラインＬ１Ｌとの間に設けられている。上記した共振用インダクタ１４は、スイッチング素子１３Ａ，１３Ｄの接続点と１次側巻線１３Ａの一端との間に接続されている。

これより、インバータ回路１３は、スイッチング素子１３Ａ，１３Ｂのオン動作により、１次側高圧ラインＬ１Ｈから順にスイッチング素子１３Ａ、１次側巻線１１Ａおよびスイッチング素子１３Ｂを通って１次側低圧ラインＬ１Ｌに至る第１の電流経路に電流が流れる一方、スイッチング素子１３Ｃ，１３Ｄのオン動作により、１次側高圧ラインＬ１Ｈから順にスイッチング素子１３Ｃ、１次側巻線１１Ａ、共振用インダクタ１４およびスイッチング素子１３Ｄを通って１次側低圧ラインＬ１Ｌに至る第２の電流経路に電流が流れるようになっている。

トランス１１は、１次側巻線１１Ａおよび２次側巻線１１Ｂ，１１Ｃの極性が互いに同じ向きとなるように磁気結合された磁気素子である。トランス１１の一対の２次側巻線１１Ｂ，１１ＣはセンタタップＣで互いに接続され、このセンタタップＣが接地ラインＬＧを介して出力端子Ｔ４に接続されている。つまり、このスイッチング電源装置はセンタタップ型のものである。これより、このトランス１１は、インバータ回路１３によって変換された交流電圧を変圧（降圧）し、一対の２次側巻線１１Ｂ，１１Ｃの各端部Ａ，Ｂから、互いに１８０度位相が異なる交流電圧ＶＯ１，ＶＯ２を出力するようになっている。なお、この場合の変圧の度合いは、１次側巻線１１Ａと２次側巻線１１Ｂ，１１Ｃとの巻数比によって定まる。

なお、共振用インダクタ１４は、コイル部品を実際に配置してもよいが、これに代えて、またはこれと共に、トランス１１のリーケージインダクタンス（図示せず）や配線などを含めた直列インダクタンスを利用して構成してもよい。

整流回路１５は、一対のダイオード１５Ａ，１５Ｂからなる単相全波整流型のものである。ダイオード１５Ａのアノードは２次側巻線１１Ｂの一端Ａに、ダイオード１５Ｂのアノードは２次側巻線１１Ｃの一端Ｂにそれぞれ接続されている。ダイオード１５Ａ，１５Ｂの各カソード同士は、接続点Ｄにおいて互いに接続されると共に、出力ラインＬＯに接続されている。つまり、この整流回路１５はカソードコモン接続の構造を有しており、トランス１１の交流出力電圧ＶＯ１，ＶＯ２の各半波期間をそれぞれダイオード１５Ａ，１５Ｂによって個別に整流して直流電圧を得るようになっている。

平滑回路１６は、チョークコイル１６Ａと平滑コンデンサ１６Ｂとを含んで構成されている。チョークコイル１６Ａは、出力ラインＬＯに挿入配置されており、その一端は接続点Ｄに、その他端は出力端子Ｔ３にそれぞれ接続されている。平滑コンデンサ１６Ｂは、チョークコイル１６Ａの他端と接地ラインＬＧとの間に接続されている。平滑回路１６は、このような構成により、整流回路１５で整流された直流電圧を平滑化して直流出力電圧Ｖｏｕｔを生成し、これを出力端子Ｔ３，Ｔ４から低圧バッテリＬＢに給電するようになっている。

次に、電圧検出部２０およびその他の部分の構成について説明する。電圧検出部２０は、トランス２１（電圧検出用トランス）と、ダイオード２２（第１整流素子）、ダイオード２３（第２整流素子）、スイッチング素子２４、ドライブ回路２５および一対の検出信号線Ｗ１，Ｗ２を有している。

トランス２１は、１次側巻線２１Ａ（第１トランスコイル）、２次側巻線２１Ｂ（第２トランスコイル）および２次側巻線２１Ｃ（第３トランスコイル）を含み、１次側巻線２１Ａおよび２次側巻線２１Ｂの極性と、２次側巻線２１Ｃの極性とが互いに逆向きとなるように磁気結合されてなる３巻線型のフライバックトランスである。

１次側巻線２１Ａおよび２次側巻線２１Ｂは互いに等しい極性を有しており、２次側巻線２１Ｃは１次側巻線２１Ａおよび２次側巻線２１Ｂの極性と逆の極性を有している。

また、１次側巻線２１Ａはダイオード２２を介して高圧バッテリＨＢの出力端子に、２次側巻線２１Ｂはダイオード２３を介して保持部２６に、２次側巻線２１Ｃはスイッチング素子２４を介して低圧バッテリＬＢの入出力端子にそれぞれ接続されている。

より具体的には、１次側巻線２１Ａの一端はダイオード２２のアノードに、１次側巻線２１Ａの他端は入力端子Ｔ２にそれぞれ接続されている。ダイオード２２のカソードは入力端子Ｔ１に接続されている。２次側巻線２１Ｂの一端はダイオード２３のアノードに、２次側巻線２１Ｂの他端は検出信号線Ｗ２の一端にそれぞれ接続されている。ダイオード２３のカソードは検出信号線Ｗ１の一端に接続されている。検出信号線Ｗ１および検出信号線Ｗ２のそれぞれの他端は保持部２６に接続されている。なお、検出信号線Ｗ２は出力端子Ｔ４にも接続されている。２次側巻線２１Ｃの一端は出力端子Ｔ３に、２次側巻線２１Ｃの他端はスイッチング素子２４の一端にそれぞれ接続されている。スイッチング素子２４の他端は出力端子Ｔ４に接続されている。上記スイッチング素子２４は、スイッチング素子２４をオン・オフさせるためのスイッチング信号を供給するドライブ回路２５にも接続されている。なお、ドライブ回路２５には出力端子Ｔ３，Ｔ４から電力が供給されるようになっている。

これより、トランス２１は、いわゆる逆位相断続モードで使用されるようになっている。この逆位相断続モードとは、入出力の位相が互いに逆になる態様を指しており、具体的には、スイッチング素子２４がオンして出力端子Ｔ３，Ｔ４から２次側巻線２１Ｃに電流が供給されても、１次側巻線２１Ａおよび２次側巻線２１Ｂのそれぞれの経路に電流は流れず、スイッチング素子２４がオフして電流の供給が停止すると、これらの経路に電流が流れるという、電流の位相変化の態様を指している。このトランス２１は、スイッチング素子２４をオン・オフさせて１次側巻線２１Ａの経路に電流を流すと、高圧バッテリＨＢからの直流入力電圧の情報を含んだ電圧が２次側巻線２１Ｂに誘起されるようになっているが、その詳細は動作の説明の際に述べることとする。

上記したスイッチング素子２４には、例えば、上記したスイッチング素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄよりも耐圧の低い素子が、ダイオード２２，２３には、例えば、電流容量の小さなダイオードがそれぞれ用いられている。

保持部２６は、例えば、検出信号線Ｗ１およびＷ２の間にコンデンサＣと抵抗Ｒが並列に接続された回路である。この保持部２６は、２次側巻線２１Ｂの他端とダイオード２３のカソードとの間、すなわち検出信号線Ｗ１と検出信号線Ｗ２との間に誘起された電圧Ｖ３のうちピーク電圧Ｖｐを所定の時間保持すると共に、その保持している電圧Ｖｐを比較部２７に供給するようになっている。

比較部２７は、例えば、コンパレータを含んで構成されており、保持部２６から入力された電圧Ｖｐの絶対値と基準電圧Ｖｒｅｆの絶対値との大小関係を判定し、保持部２６から入力された電圧Ｖｐの絶対値の方が大きい場合に、制御回路１７から出力されるスイッチング信号を停止させるための制御信号Ｓを出力するようになっている。

次に、以上のような構成のスイッチング電源装置の動作について説明する。以下、電源本体部１０の動作、本実施の形態における特徴部分である電圧検出部２０の動作原理、電圧検出部２０の周辺回路の動作について、順次説明する。

まず、電源本体部１０の動作について説明する。

インバータ回路１のスイッチング素子１３Ａ，１３Ｂがオンすると、スイッチング素子１３Ａからスイッチング素子１３Ｂの方向に電流が流れ、トランス１１の２次側巻線１１Ｂ，１１Ｃに現れる電圧ＶＯ１，ＶＯ２がダイオード１５Ｂに対して逆方向となり、ダイオード１５Ａに対して順方向となる。このため、２次側巻線１１Ｂからダイオード１５Ａを通って出力ラインＬＯに電流が流れる。

次に、スイッチング素子１３Ｂがオフし、スイッチング素子１３Ｃがオンすると、トランス１１の２次側巻線１１Ｃに現れる電圧［−ＶＯ２］は、ダイオード１５Ｂに対して順方向となる。このため、２次側巻線１１Ｃからダイオード５２を通って出力ラインＬＯに電流が流れる。

スイッチング素子１３Ｃ，１３Ｄがオンすると、スイッチング素子１３Ｃからスイッチング素子１３Ｄの方向に電流が流れ、トランス１１の２次側巻線１１Ｂ，１１Ｃに現れる電圧［−ＶＯ１］、［−ＶＯ２］がダイオード５２に対して順方向になる一方、ダイオード１５Ａに対して逆方向となる。このため、２次側巻線１１Ｃからダイオード１５Ｂを通って出力ラインＬＯに電流が流れる。

次に、スイッチング素子１３Ｃがオフし、スイッチング素子１３Ｂがオンすると、トランス１１の２次側巻線１１Ｂに現れる電圧［−ＶＯ１］はダイオード１５Ａに対して順方向となる。このため、２次側巻線１１Ｂからダイオード１５Ａを通って出力ラインＬＯに電流が流れる。

このようにして、電源本体部１０は、高圧バッテリＨＢから供給された直流入力電圧Ｖｉｎを直流出力電圧Ｖｏｕｔに変圧（降圧）し、その変圧した直流出力電圧Ｖｏｕｔを低圧バッテリＬＢに給電する。

次に、図２ないし図６を参照して、電圧検出回路２０の動作原理およびその周辺回路の動作について説明する。

図２（Ａ）〜（Ｅ）は直流入力電圧Ｖｉｎが内部回路が破壊されない範囲内（以下、「安全な範囲内」とする）のうち下方にあるときの各波形図の一例を、図３（Ａ）〜（Ｅ）は直流入力電圧Ｖｉｎが安全な範囲内のうち上方にあるときの各波形図の一例を、図４（Ａ）〜（Ｅ）は直流入力電圧Ｖｉｎが安全な範囲の上限である基準電圧Ｖref の絶対値よりも大きくなったときの各波形図の一例をそれぞれ表すものである。図５はスイッチング素子２４がオンしたときの動作について、図６はスイッチング素子２４がオフしたときの動作についてそれぞれ説明するためのものである。

なお、図２（Ａ），図３（Ａ），図４（Ａ）はドライブ回路２５から出力されるスイッチング信号Ｑ１を、図２（Ｂ），図３（Ｂ），図４（Ｂ）は２次側巻線２１Ｃに流れる電流Ｉ１を、図２（Ｃ），図３（Ｃ），図４（Ｃ）は１次側巻線２１Ａに流れる電流Ｉ２を、図２（Ｄ），図３（Ｄ），図４（Ｄ）は２次側巻線２１Ｂに誘起される電圧Ｖ３を、図１（Ｅ），図３（Ｅ），図４（Ｅ）はスイッチング素子２４の電圧Ｖｄｓを、図２（Ｆ），図３（Ｆ），図４（Ｆ）は電圧検出部２０の出力電圧（検出端子Ｔ５，Ｔ６間の電圧Ｖｐ）をそれぞれ表している。

図２（Ａ），図３（Ａ），図４（Ａ），図５に示したように、ドライブ回路２５からパルス状のスイッチング信号Ｑ１が出力されて、スイッチング素子２４がオンすると、出力端子Ｔ３，Ｔ４から供給された電流Ｉ１が、図２（Ｂ），図３（Ｂ），図４（Ｂ）に示したように、傾きＶ１／Ｌ１で増加しながら２次側巻線２１Ｃに流れる。ここで、Ｖ１は２次側巻線２１Ｃの電圧（＝Ｖｏｕｔ）、Ｌ１は２次側巻線２１Ｃのインダクタンスである。このとき、ダイオード２２，２３には逆バイアス電圧Ｖｄが誘起されるので、２次側巻線２１Ｂ，Ｃの経路には電流は流れない。これにより、スイッチング素子２４がオンの間、トランス２１にエネルギーが蓄積される。なお、スイッチング素子２４は、電源本体部１０のスイッチング素子１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄと同期してオン・オフしているとは限らない。

その後、図６に示したように、スイッチング素子をオフすると、蓄積されたエネルギーが１次側巻線２１Ａに開放され、電流Ｉ２が、図２（Ｃ），図３（Ｃ），図４（Ｃ）に示したように、傾き［−（Ｖｉｎ＋Ｖｆ）／Ｌ２］で減少しながら１次側巻線２１Ａに流れる。ここで、Ｖｆはダイオードの順方向電圧、Ｌ２は１次側巻線２１Ａのインダクタンスである。なお、電流Ｉ２は、１次側巻線２１Ａの経路を流れている間、直流入力電圧Ｖｉｎの情報を含んでいるが、直流出力電圧Ｖｏｕｔの情報を含んでいない。

１次側巻線２１Ａに電流Ｉ２が流れると、図２（Ｄ），図３（Ｄ），図４（Ｄ）に示したように、ダイオード２３のカソードと２次側巻線２１Ｂの他端との間に電圧Ｖ３が誘起される。ここで、電圧Ｖ３は、ダイオード２３の順方向を正にとると、電流Ｉ２が流れている間は、ｎ２／ｎ１ｘ（Ｖｉｎ＋Ｖｆ）−Ｖｆ（＝ピーク電圧Ｖｐ）であり、電流Ｉ２が停止するとゼロになる。ここで、ｎ１は１次側巻線２１Ａの巻き数、ｎ２は２次側巻線２１Ｂの巻き数である。なお、電圧Ｖ３は、上記電流Ｉ２と同様、直流入力電圧Ｖｉｎの情報を含んでいるが、直流出力電圧Ｖｏｕｔの情報を含んでいない。このとき、２次側巻線２１Ｃには電流は流れていないが、スイッチング素子２４には、図２（Ｅ），図３（Ｅ），図４（Ｅ）に示したように、電圧Ｖ３に直流出力電圧Ｖｏｕｔを加えた値の電圧Ｖｄｓ（＝ｎ３／ｎ２ｘＶ３＋Ｖｏｕｔ）が生じている。このように、Ｖｄｓは直流出力電圧Ｖｏｕｔの情報を含んでいる。なお、ｎ３は２次側巻線２１Ｃの巻き数である。

ピーク電圧Ｖｐが２次側巻線２１Ｂに誘起されると、図２（Ｆ），図３（Ｆ），図４（Ｆ）に示したように、保持部２６はその電圧を所定の時間保持すると共に、比較部２７に出力する。

比較部２７は、保持部２６からピーク電圧Ｖｐが入力されると、そのピーク電圧Ｖｐと基準電圧Ｖｒｅｆとの大小関係を判定する。ここで、基準電圧Ｖｒｅｆは、安全な範囲内の上限の値Ｖｍａｘに順方向電圧Ｖｆを加えた値をｎ１／ｎ２で除した値から順方向電圧Ｖｆを減じた値（ｎ２／ｎ１ｘ（Ｖｍａｘ＋Ｖｆ）−Ｖｆ）とする。

図２（Ｆ）や図３（Ｆ）に示したような大きさのピーク電圧Ｖｐが入力されると、比較部２７は、直流入力電圧Ｖｉｎは安全な範囲内にあると判定して、例えば、何も出力しない。一方、図４（Ｆ）に示したような大きさのピーク電圧Ｖｐが入力されると、比較部２７は、直流入力電圧Ｖｉｎは安全な範囲を超えていると判定して、例えば、制御回路１７から出力されるスイッチング信号を停止させるための制御信号を出力する。制御回路１７は、例えば、この信号を受信すると、スイッチング信号の出力を停止する。このようにして、内部回路は過大な直流入力電圧Ｖｉｎから保護される。

スイッチング信号の出力を停止したのち、図２（Ｆ）や図３（Ｆ）に示したような大きさのピーク電圧Ｖｐが入力されると、比較部２７は、直流入力電圧Ｖｉｎは安全な範囲内に戻ったと判定して、例えば、制御信号の出力を停止し、その結果、制御回路１７からスイッチング信号が出力される。

次に、電圧検出回路２０の測定精度等について説明する。図７は、直流入力電圧Ｖｉｎと、２次側巻線２１Ｂに発生するピーク電圧Ｖｐとの関係の一例をグラフで表すものである。このグラフの傾きがｎ２／ｎ１に、切片がｎ２／ｎ１ｘＶｆ−Ｖｆにそれぞれ対応している。この図では、直流出力電圧Ｖｏｕｔの値が互いに異なる３種類の電圧Ｖｘ１，Ｖｘ２，Ｖｘ３のときのグラフがそれぞれ示されている。

この図から、直流出力電圧Ｖｏｕｔの値が変動したとしても、２次側巻線２１Ｂに発生するピーク電圧Ｖｐの値は変動していないことが確認できる。これは、１次側巻線２１Ａおよび２次側巻線２１Ｂの極性と、２次側巻線２１Ｃの極性とが互いに逆向きとなるように、これら１次側巻線２１Ａ、２次側巻線２１Ｂおよび２次側巻線２１Ｃを磁気結合すると共に、ダイオード２２，２３の順方向の向きがスイッチング素子２４がオンからオフに変化した後に１次側巻線２１Ａおよび２次側巻線２１Ｂに流れる電流の方向と等しい方向となるように、ダイオード２２，２３を配置して、１次側巻線２１Ａおよび２次側巻線２１Ｂの経路と、２次側巻線２１Ｃの経路とに流れる電流の位相が互いに逆になるようにし、その結果、直流出力電圧Ｖｏｕｔの情報がピーク電圧Ｖｐに含まれないようにしたためである。従って、上記特許文献２のように、わざわざレギュレータを設けて、直流出力電圧Ｖｏｕｔを安定化させる必要はない。

また、これらのグラフはいずれもほぼ完全な線形となっているので、ピーク電圧Ｖｐを単純にコンパレータに入力するだけで直流入力電圧Ｖｉｎを精度良く検出することが可能である。従って、上記特許文献２のように、わざわざ演算回路を用いてピーク電圧Ｖｐを補正する必要はない。なお、直流入力電圧Ｖｉｎをより精度良く検出するには、検出された直流入力電圧Ｖｉｎの値が外部環境の温度変化に応じて変動しないことが好ましく、例えば、ピーク電圧Ｖｐが順方向電圧Ｖｆのゆらぎを無視できる程度に大きくなるように、ｎ１およびｎ２の値を設定することが好ましい。

なお、電圧検出回路２０は、高圧バッテリＨＢの出力端の接続された入力端子Ｔ１，Ｔ２から信号を直接検出しているので、電源本体部１０の動作が停止したとしても、ピーク電圧Ｖｐの検出が可能である。

このように、本実施の形態のスイッチング電源装置によれば、電圧検出部２０の１次側巻線２１Ａを高圧バッテリＨＢの出力端の接続された入力端子Ｔ１，Ｔ２に接続することにより、直流入力電圧Ｖｉｎの情報を含む電圧を高圧バッテリＨＢの出力端から直接検出するようにしたので、直流出力電圧Ｖｏｕｔが変動した場合であっても、直流入力電圧Ｖｉｎの値を精度良く検出することができる。また、電源本体部１０のスイッチング動作が停止したとしても、電圧検出部２０が直流入力電圧Ｖｉｎの情報を含む電圧を検出することができるようにしたので、直流入力電圧Ｖｉｎの値を常に検出することができる。

また、電圧検出回路２０はほぼ完全な線形の入出力特性を有しているので、わざわざ演算回路を用いる必要はなく、これにより、直流入力電圧Ｖｉｎの検出速度を向上させることができる。また、直流出力電圧Ｖｏｕｔが変動したとしても、検出された直流入力電圧Ｖｉｎの値への影響は無いので、レギュレータを設ける必要はない。

また、スイッチング素子２４の接続された巻線（２次側巻線２１Ｃ）を低圧側である２次側に設けることにより、耐圧の低いスイッチング素子２４を使用することができるので、電圧検出部２０を安価に製造することができる。

以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、この実施の形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。

例えば、上記実施の形態では、出力端子Ｔ３，Ｔ４に接続された低圧バッテリＬＢに２次側巻線２１Ｃを接続していたが、その低圧バッテリＬＢとは別個の低圧バッテリＬＢを設け、これを２次側巻線２１Ｃに接続してもよい。

また、上記実施の形態では、２次側巻線２１Ｂに誘起された電圧が保持部２６を介して比較部２７に入力されるように構成することにより、２次側巻線２１Ｂから比較部２７へ入力される電圧が常にピーク電圧Ｖｐと等しい値になっていたが、保持部２６を介さずに２次側巻線２１Ｂに誘起された電圧が比較部２７に直接入力されるように構成してもよい。ただし、この場合は、比較部２７へ入力される電圧がピーク電圧Ｖｐと等しい値になるのは、１次側巻線２１Ａに電流Ｉ２が流れている間だけなので、例えば、その間に比較部２７から制御回路１７に入力される信号だけを有効な信号として判定することの可能なサンプリング機構を制御回路１７に設けることが必要となる。

また、上記実施の形態では、スイッチング電源装置の回路構成を具体的に挙げて説明したが、回路構成はこれに限定されるものではない。例えば、インバータ回路を、８つのスイッチング素子を用いたフルブリッジ型、２つのスイッチング素子を用いたフォワード型、または２つもしくは４つのスイッチング素子を用いたハーフブリッジ型により構成してもよい。また例えば、図８に示したように、インバータ回路およびトランスを、昇圧型のフライバックコンバータ１８により構成してもよい。

なお、電源本体部を降圧型とした場合は、スイッチング素子２４およびスイッチング素子２４の接続された巻線２１Ｄを低圧側である２次側に設けることが好ましい。一方、電源本体部を昇圧型とした場合は、スイッチング素子２４およびスイッチング素子２４の接続された巻線を低圧側である１次側に設けることが好ましい。このように、スイッチング素子２４およびスイッチング素子２４の接続された巻線を低圧側に設けることにより、耐圧の低いスイッチング素子を使用することができ、本実施の形態と同様、電圧検出部を安価に製造することができる。

本発明の一実施の形態に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。図１の電圧検出部の動作原理を説明するための波形図である。図１の電圧検出部の動作原理を説明するための他の波形図である。図１の電圧検出部の動作原理を説明するための他の波形図である。図１の電圧検出部の動作原理を説明するための回路図である。図１の電圧検出部の動作原理を説明するための他の回路図である。図１の電圧検出部の測定精度を説明するための特性図である。変形例に係るスイッチング電源装置の構成を表す回路図である。

符号の説明

１０…電源本体部、１１，２１…トランス、１１Ａ，２１Ａ，２１Ｄ…１次側巻線、１１Ｂ，２１Ｂ，２１Ｃ…２次側巻線、１２…平滑コンデンサ、１３…インバータ回路、１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ，２４…スイッチング素子、１４…共振用インダクタ、１５…整流回路、１５Ａ，１５Ｂ，２２，２３…ダイオード、１６…平滑回路、６，１６Ａ…チョークコイル、１６Ｂ…平滑コンデンサ、１７…制御回路、１８…フライバックコンバータ、２０…電圧検出部、２５…ドライブ回路、２６…保持部、２７…比較部、Ｃ…コンデンサ、ＨＢ…高圧バッテリ、Ｉ１…スイッチング素子に接続された２次側巻線に流れる電流、Ｉ２…電圧検出部の１次側巻線に流れる電流、Ｌ１…スイッチング素子に接続された２次側巻線のインダクタンス、Ｌ２…電圧検出部の１次側巻線のインダクタンス、Ｌ１Ｈ…１次側高圧ライン、Ｌ１Ｌ…１次側低圧ライン、ＬＢ…低圧バッテリ、ＬＯ…出力ライン、ＬＧ…接地ライン、ｎ１…電圧検出部の１次側巻線の巻き数、ｎ２…ダイオードに接続された２次側巻線の巻き数、ｎ３…スイッチング素子に接続された２次側巻線の巻き数、Ｑ１…ドライブ回路のスイッチング信号、Ｒ…抵抗、Ｓ…制御信号、Ｔ１，Ｔ２…入力端子、Ｔ３，Ｔ４…出力端子、Ｖ１…スイッチング素子に接続された２次側巻線の電圧、Ｖ３…電圧検出部の出力電圧、Ｖｄ…逆バイアス電圧、Ｖｄｓ…電圧検出部のスイッチング素子の電圧、Ｖｆ…ダイオードの順方向電圧、Ｖｒｅｆ…基準電圧、Ｖｐ…ピーク電圧（保持部の出力電圧）、Ｖｉｎ…直流入力電圧、Ｖｏｕｔ…直流出力電圧、Ｗ１…検出信号線。

Claims

第１電源から入力される直流入力電圧をスイッチングして交流電圧に変換すると共に、この交流電圧を変圧し整流して得られる直流出力電圧を第２電源に出力する電源本体部と、
電圧検出用トランスと、スイッチング素子と、検出信号線とを有する電圧検出部と
を備え、
前記電圧検出用トランスが、
前記第１電源と接続される１次側の第１トランスコイルと、
前記検出信号線と接続される２次側の第２トランスコイルと、
前記第１トランスコイルと磁気的に結合するように設けられ、前記スイッチング素子のオンオフに応じて前記第２電源から直流電圧が断続的に印加される第３トランスコイルと
を含むことを特徴とするスイッチング電源装置。
前記第１トランスコイル、第２トランスコイルおよび第３トランスコイルは、前記第１トランスコイルおよび第２トランスコイルの極性と、前記第３トランスコイルの極性とが互いに逆向きとなるように磁気結合され、
前記電圧検出部は、スイッチング素子がオフのときにのみ前記第１トランスコイルに電流を流すように配置された第１整流素子と、スイッチング素子がオフのときにのみ前記第２トランスコイルに電流を流すように配置された第２整流素子とを有する
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
前記スイッチング素子がオンからオフに変化した後の前記検出信号線の出力電圧を保持する保持部と、
前記保持部で保持された電圧の絶対値が基準電圧の絶対値より大きい場合に、前記スイッチング回路のスイッチング動作を停止させるための制御信号を出力する比較部と
を備える
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
前記電源本体部は、前記直流出力電圧が前記直流入力電圧より低くなるように構成され、
前記第３トランスコイルは、前記電圧検出用トランスにおける２次側に設けられている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。
前記電源本体部は、前記直流出力電圧が前記直流入力電圧より高くなるように構成され、
前記第３トランスコイルは、前記電圧検出用トランスにおける１次側に設けられている
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載のスイッチング電源装置。