JP2007236156A

JP2007236156A - スイッチング電源装置

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Publication number: JP2007236156A
Application number: JP2006057464A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Unno; 洋海野; Yoshihiko Kikuchi; 芳彦菊地; Haruo Watanabe; 晴夫渡辺
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-03-03
Filing date: 2006-03-03
Publication date: 2007-09-13
Anticipated expiration: 2026-03-03
Also published as: JP4785562B2

Abstract

【課題】ゼロボルトスイッチングを実現し、従来の回路に比べてリップルを減少させることができるスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】一次巻線Ｎｐ、二つの二次巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２並びに三次巻線Ｎｒを備えた出力トランスＴを設け、直流電源Ｖ_INと、入力チョークＬ_INと、前記三次巻線と、第一のスイッチ素子Ｑ１との直列回路と、前記スイッチ素子の端子間に接続される前記一次巻線と第一のコンデンサＣ１との直列回路と、前記一次巻線の端子間に接続される第二のスイッチ素子Ｑ２と第二のコンデンサＣ２との直列回路と、前記第一の二次巻線と前記第二の二次巻線とでセンタータップ構成とし、前記第一の二次巻線の一端と負の出力端子と接続する第一の整流素子Ｄ１と、前記第二の二次巻線の他端と負の出力端子と接続する第二の整流素子Ｄ２と、前記第一の二次巻線と第二の二次巻線との接続点と前記２つの整流素子とそれぞれ直列に接続する平滑コンデンサＣｏとを有することを特徴とするスイッチング電源装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、高効率化、小型化、並びに低コスト化を実現するスイッチング電源装置に関するものである。

従来のスイッチング電源装置として、図８に示すように、一次側を、直流電源Ｖ_INの両端に入力チョークＬ_INと第一のスイッチ素子Ｑ１とを直列に接続し、このスイッチ素子Ｑ１の端子間にトランスＴの一次巻線Ｎｐと第一のコンデンサＣ１とを直列に接続し、トランスＴの一次巻線Ｎｐ端子間に第二のスイッチ素子Ｑ２と第二のコンデンサＣ２とを直列に接続して構成し、二次側を、二次巻線Ｎｓにセンタータップを設け、この二次巻線Ｎｓの両端に出力チョーク、平滑コンデンサからなる整流回路を接続して構成してある、いわゆるブーストハーフブリッジ（以下「ＢＨＢ」という。）方式スイッチング電源装置といわれるスイッチング電源装置が公知である（特許文献１参照）。

また、別の従来のスイッチング電源装置として、図９に示すように、一次側を、直流電源Ｖ_INの両端にトランスＴの一次巻線Ｎｐと第一のスイッチ素子Ｑ１とを直列に接続し、第一のスイッチ素子Ｑ１の両端に第二のスイッチ素子Ｑ２とコンデンサＣ１とを直列に接続して構成し、二次側を、第一の整流素子Ｄ１と三次巻線Ｎｒと出力チョークＬｏとを直列に接続し、第一の整流素子Ｄ１と並列に二次巻線Ｎｓと第二の整流素子Ｄ２の直列回路を接続して構成してあるものが公知である（特許文献２参照）。
特開平１１−２６２２６３号公報特開２００４−３２０９１６公報

しかし、前者のスイッチング電源は、定格負荷付近で漏れインダクタンス電流を利用することにより、ゼロボルトスイッチング（以下「ＺＶＳ」という。）が可能であるが、軽負荷域ではこの電流が減少し、ＺＶＳが困難である。一方、軽負荷域でもＺＶＳできる程度の漏れインダクタンス値にするとデッドタイムが長くなり、効率低下を招くという問題が生じる。

また、後者のスイッチング電源装置は一次側を、直流電流の両端にトランスの一次巻線と第一のスイッチ素子とを直列に接続し、第一のスイッチ素子の両端に第二のスイッチ素子とコンデンサとを直列に接続して構成したことにより入力リップルが比較的大きいという問題点がある。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ゼロボルトスイッチング範囲拡大を実現し、従来の回路に比べて入力リップルを減少させることができるスイッチング電源装置を提供する。

上記課題を解決するため、本発明に係るスイッチング電源装置は、一次巻線、二つの二次巻線並びに三次巻線を備えた出力トランスを設け、直流電源と、入力チョークと、前記三次巻線と、第一のスイッチ素子との直列回路と、前記スイッチ素子の端子間に接続される前記トランスの一次巻線と第一のコンデンサとの直列回路と、前記一次巻線の端子間に接続される第二のスイッチ素子と第二のコンデンサとの直列回路と、前記第一の二次巻線と前記第二の二次巻線とでセンタータップ構成とし、前記第一の二次巻線の一端と負の出力端子と接続する第一の整流素子と、前記第二の二次巻線の他端と負の出力端子と接続する第二の整流素子と、前記第一の二次巻線と第二の二次巻線との接続点と前記２つの整流素子とそれぞれ直列に接続する平滑コンデンサとを有することを特徴とする。

本発明に係るスイッチング電源装置の出力トランスは、内側に二個の磁脚と外側に少なくとも一個の磁脚を設けたコアを備え、このコアの内側二本の磁脚にそれぞれギャップを付け、前記内側二本の磁脚の周辺に一次巻線と三次巻線を巻回し、一方の該内側の磁脚周辺に第一の二次巻線を巻回し、他方の該内側の磁脚周辺に第二の二次巻線を巻回して構成してあることを特徴とする。
又は、前記出力トランスは、内側に二個の磁脚と外側に少なくとも一個の磁脚を設けたコアを備え、このコアの内側二本の磁脚にそれぞれギャップを付け、前記内側二本の磁脚それぞれに一次巻線と三次巻線を巻回し、一方の該内側の磁脚周辺に第一の二次巻線を巻回し、他方の該内側の磁脚周辺に第二の二次巻線を巻回して構成してあることを特徴とする。

また、前記整流素子がＭＯＳＦＥＴその他スイッチング素子であることを特徴とする。

一次巻線、二つの二次巻線並びに三次巻線を備えた出力トランスを設け、直流電源と、入力チョークと、前記三次巻線と、第一のスイッチ素子との直列回路と、前記スイッチ素子の端子間に接続される前記トランスの一次巻線と第一のコンデンサとの直列回路と、前記一次巻線の端子間に接続される第二のスイッチ素子と第二のコンデンサとの直列回路と、前記第一の二次巻線と前記第二の二次巻線とでセンタータップ構成とし、前記第一の二次巻線の一端と負の出力端子と接続する第一の整流素子と、前記第二の二次巻線の他端と負の出力端子と接続する第二の整流素子と、前記第一の二次巻線と第二の二次巻線との接続点と前記２つの整流素子とそれぞれ直列に接続する平滑コンデンサとを有することにより、従来のスイッチング電源装置に比べてリップルを減少させることを可能とした。また、ＢＨＢ方式のスイッチング電源装置では、高入力電圧域，中負荷域でＺＶＳできる程度の電流を流せる漏れインダクタンス値にすると、デッドタイムが長くなり、効率が低下するという問題があったが、この発明により、漏れインダクタンス値が大きくなくとも高入力電圧域，中負荷域においても、第一のスイッチ素子の寄生容量放電電流が増加して、効率の低下を抑えてＺＶＳをすることができる。

図１は本発明を実施するための最良の形態を示すものである。本実施例に係るスイッチング電源装置は、ＢＨＢ方式のスイッチング電源装置を採用し、一次側に一次巻線Ｎｐと三次巻線Ｎｒを設け、二次側にセンタータップを設けて二次巻線Ｎｓを二つに分割している出力トランスＴを有する。なお、出力トランスＴの詳細については後述する。また、直流電源Ｖ_INの両端に入力チョークＬ_INと三次巻線Ｎｒと第一のスイッチ素子Ｑ１とを直列に接続している。第一のスイッチ素子Ｑ１の両端に一次巻線Ｎｐと第一のコンデンサＣ１とを直列に接続してある。一次巻線Ｎｐの両端に第二のスイッチ素子Ｑ２と第二のコンデンサＣ２との直列回路を接続してある。

二次側においては、センタータップにより分割した二次巻線Ｎｓ１，Ｎｓ２の端部にそれぞれ整流素子Ｄ１，Ｄ２のカソードを接続し、これら整流素子Ｄ１，Ｄ２のアノードを出力部の負側に接続してある。また、センタータップは出力部の正側に接続してある。この出力側に平滑コンデンサＣｏを設けてある。

続いて、出力トランスＴの実施例について説明する。先ず、図４に示す出力トランスＴ１１は、内側に二個の磁脚１２，１３と外側に二個の磁脚１１，１４を設けたコア１を備えてある。このコア１の内側二本の磁脚１２，１３にそれぞれギャップを付け、内側二本の磁脚１２，１３の周辺に一次巻線Ｎｐと三次巻線Ｎｒを巻回し、一方の該内側の磁脚１２周辺に第一の二次巻線Ｎｓ１を巻回し、他方の該内側の磁脚１３周辺に第二の二次巻線Ｎｓ２を巻回して構成してある。

続いて、別の出力トランスＴの実施例について図５の図に従って説明する。図５に示す出力トランスＴ１２は、内側の磁脚２２，２３は前記実施例同様に二個設けてあり、外側の磁脚２１を一個のみ設け、計三個の磁脚２１，２２，２３を設けたコア２を備えてある。巻線Ｎｐ，Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｒの巻き方については図４図示実施例と同様である。

続いて、別の出力トランスＴの実施例について図６の図に従って説明する。図６に示す出力トランスＴ１３は、内側に二個の磁脚３２，３３と外側に二個の磁脚３１，３４を設けたコア３を備えてある。このコア３の内側二本の磁脚３２，３３にそれぞれギャップを付け、内側二本の磁脚３２，３３それぞれに一次巻線Ｎｐと三次巻線Ｎｒを巻回してある。また、一方の内側の磁脚３２周辺に第一の二次巻線Ｎｓ１を巻回し、他方の内側の磁脚３３周辺に第二の二次巻線Ｎｓ２を巻回して構成してある。

続いて、別の出力トランスＴの実施例について図７の図に従って説明する。図７に示す出力トランスＴ１４は、内側の磁脚４２，４３は前記実施例同様に二個設けてあり、外側の磁脚４１を一個のみ設け、計三個の磁脚４１，４２，４３を設けたコア４を備えてある。巻線Ｎｐ，Ｎｓ１，Ｎｓ２，Ｎｒの巻き方については図６図示実施例と同様である。なお、本発明スイッチング電源装置にかかる出力トランスＴの実施例を４つ示したが、作用については何れもほぼ同様である。

以上のように構成してあるスイッチング電源装置は、以下のように動作する。回路動作を、等価回路図である図２とその各部の電圧と電流の波形である図３を用いて説明する。先ず、図３に示す時間Ｔ０の際に、第一のスイッチ素子Ｑ１がオンするが、入力電圧は漏れインダクタンスＬｒに印加されており、一次側電流は漏れインダクタンスＬｒ値による傾斜を持って増加する。一次巻線Ｎｐ１，Ｎｐ２の合計は短絡状態であり、二次側への電力供給は行われていない。二次側の第一の整流ダイオードＤ１、第二の整流ダイオードＤ２が両方とも導通している転流期間である。

続いて、図３に示すように、時間Ｔ１で一次側電流ＩＬｒは二次側出力電流の一次換算値に達し、トランス各巻線に電圧が発生する。二次側の第一の整流ダイオードＤ１、第二の整流ダイオードＤ２を流れていた電流は、全て第二の整流ダイオードＤ２に移行し、一次巻線Ｎｐより二次側への電力供給が始まる。

時間Ｔ２になると、第一のスイッチ素子Ｑ１はオフするが、漏れインダクタンスＬｒに蓄積されたエネルギにより第一のスイッチ素子Ｑ１の寄生容量ＣＱ１を充電，第二のスイッチ素子Ｑ２の寄生容量ＣＱ２を放電する電流が流れ、二次側への電力供給は持続している。

時間Ｔ３になると、第二のスイッチ素子Ｑ２の寄生容量ＣＱ２はゼロボルトまで放電し、第二のスイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードＤＱ２が導通する。一次巻線Ｎｐ１，Ｎｐ２の合計電圧値はゼロボルトになり、二次側の第一の整流ダイオードＤ１、第二の整流ダイオードＤ２が両方とも導通している転流期間になる。入力電流は入力チョークＬ_INのインダクタンス値に応じた傾斜で下降する入力チョークＬ_INからのエネルギ放出に転じる。

時間Ｔ４で第二のスイッチ素子Ｑ２はオンする。この時、第二のスイッチ素子Ｑ２の寄生ダイオードＤＱ２が導通状態であるのでＺＶＳとなる。二次側はまだ転流期間である。

時間Ｔ５になると、一次側電流は二次側出力電流の一次換算値に達し、二次側の第一の整流ダイオードＤ１、第二の整流ダイオードＤ２を流れていた電流は、全て二次側の第一の整流ダイオードＤ１に移行し、トランス一次側のクランプ、および第二のコンデンサＣ２に蓄積されたエネルギの放出による二次側への電力供給が始まる。第一の三次巻線Ｎｒ１および第二の三次巻線Ｎｒ２の影響により、第一の励磁インダクタ電流ＩＬｐ１および第二の励磁インダクタ電流ＩＬｐ２の直流重畳が増加し、一次側電流ＩＬｒが増加し、第二のスイッチ素子Ｑ２電流が増加する。

時間Ｔ６で第二のスイッチ素子Ｑ２はオフするが、漏れインダクタンスＬｒに蓄積されたエネルギにより第二のスイッチ素子Ｑ２の寄生容量ＣＱ２を充電，第一のスイッチ素子Ｑ１の寄生容量ＣＱ１を放電する電流が流れ、二次側への電力供給は持続している。またこの際、本実施例では第一の三次巻線Ｎｒ１および第二の三次巻線Ｎｒ２の影響により、第一の励磁インダクタンスＬｐ１電流および第二の励磁インダクタンスＬｐ２電流は全周期に渡り直流重畳分が増加している。この増大した電流により第二のスイッチ素子Ｑ２の内部コンデンサＣＱ２の充電、第一のスイッチ素子Ｑ１の内部コンデンサＣＱ１の放電を行うため従来の方式よりもＺＶＳ範囲を拡大させる事が可能になる。

時間Ｔ７になると、第一のスイッチ素子Ｑ１の寄生容量ＣＱ１はゼロボルトまで放電し、第一のスイッチ素子Ｑ１の寄生ダイオードＤＱ１が導通する。一次巻線Ｎｐ１，Ｎｐ２の合計電圧値はゼロボルトになり二次側の第一の整流ダイオードＤ１及び第二の整流ダイオードＤ２が両方とも導通している転流期間になる。次サイクルで第一のスイッチ素子Ｑ１がオンする時は、第一のスイッチ素子Ｑ１の寄生ダイオードＤＱ１が導通状態であるのでＺＶＳとなる。入力電流は入力チョークＬ_INのインダクタンス値に応じた傾斜で増加する入力チョークＬ_INへのエネルギ蓄積に転じる。このように入力電流は入力チョークＬ_INの充放電電流となるため、入力リプルが減少する。

本実施形態に係るスイッチング電源装置は、以上のような作用により従来のスイッチング電源装置に比べて入力リプルを減少させることを可能とした。また、ＢＨＢ方式のスイッチング電源装置では、高入力電圧域，中負荷域でＺＶＳできる程度の電流を流せる漏れインダクタンス値にすると、デッドタイムが長くなり、効率が低下するという問題があったが、この発明により、高入力電圧域，中負荷域においても、効率の低下を抑えてＺＶＳをすることができる。

なお、本実施例において、二次側の整流素子としてダイオードＤ１，Ｄ２を用いたが、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチング素子を用いた同期整流方式を採用することも可能である。

本発明によれば、従来のＢＨＢ方式のスイッチング電源装置に比べて、高入力電圧域，中負荷域においても、効率の低下を抑えてＺＶＳをすることができ、産業上利用可能である。また、フォワードアクティブ方式においても同様の効果を得られるうえ、出力チョークをトランスと一体化できるので回路の小型化が望める。

本発明に係るスイッチング電源装置の第一の実施形態の回路構成図である。本発明に係るスイッチング電源装置の等価回路図である。本発明に係るスイッチング電源装置の動作波形図である。本発明スイッチング電源装置に係るトランスの一実施例を示す構成図である。図４とは別のトランスの実施例を示す構成図である。前記実施例とは別のトランスの実施例を示す構成図である。同じく前記実施例とは別のトランスの実施例を示す構成図である。従来の実施形態の回路構成図である。従来のスイッチング電源装置の回路構成図である。

符号の説明

Ｔトランス
Ｑスイッチ素子
Ｌチョーク
Ｃコンデンサ
Ｄダイオード
Ｎｐ一次巻線
Ｎｓ二次巻線
Ｎｒ三次巻線

Claims

一次巻線、二つの二次巻線並びに三次巻線を備えた出力トランスを設け、直流電源と、入力チョークと、前記三次巻線と、第一のスイッチ素子との直列回路と、前記スイッチ素子の端子間に接続される前記トランスの一次巻線と第一のコンデンサとの直列回路と、前記一次巻線の端子間に接続される第二のスイッチ素子と第二のコンデンサとの直列回路と、前記第一の二次巻線と前記第二の二次巻線とでセンタータップ構成とし、前記第一の二次巻線の一端と負の出力端子と接続する第一の整流素子と、前記第二の二次巻線の他端と負の出力端子と接続する第二の整流素子と、前記第一の二次巻線と第二の二次巻線との接続点と前記２つの整流素子とそれぞれ直列に接続する平滑コンデンサとを有することを特徴とするスイッチング電源装置。
前記出力トランスは、内側に二個の磁脚と外側に少なくとも一個の磁脚を設けたコアを備え、このコアの内側二本の磁脚にそれぞれギャップを付け、前記内側二本の磁脚の周辺に一次巻線と三次巻線を巻回し、一方の該内側の磁脚周辺に第一の二次巻線を巻回し、他方の該内側の磁脚周辺に第二の二次巻線を巻回して構成してあることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
前記出力トランスは、内側に二個の磁脚と外側に少なくとも一個の磁脚を設けたコアを備え、このコアの内側二本の磁脚にそれぞれギャップを付け、前記内側二本の磁脚それぞれに一次巻線と三次巻線を巻回し、一方の該内側の磁脚周辺に第一の二次巻線を巻回し、他方の該内側の磁脚周辺に第二の二次巻線を巻回して構成してあることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
前記整流素子がＭＯＳＦＥＴその他スイッチング素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチング電源装置。