JP2007295644A

JP2007295644A - スイッチング電源

Info

Publication number: JP2007295644A
Application number: JP2006117252A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Ouchi; 正弘大内
Original assignee: Toyo Networks and System Integration Co Ltd
Current assignee: Toyo Networks and System Integration Co Ltd
Priority date: 2006-04-20
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2007-11-08

Abstract

【課題】スイッチング素子がターンオフする際に生じるノイズ周波数を決定する要因であるトランスの漏れインダクタンスの値を調整して、ＰＬＣ信号帯域に存在するノイズを帯域外にシフトすることにより、使用目的に合致したノイズ対策を施したスイッチング電源を提供する。
【解決手段】このトランス１０は、１次巻き線２及び２次巻き線１をトランス１０のコア３に交互に巻回した所謂、サンドイッチ巻きにしたものである。即ち、漏れインダクタンスは、トランス１０に巻回す１次巻き線２及び２次巻き線１の結合度を変えることにより変化する。そこで本実施形態では、１次巻き線２及び２次巻き線１をトランス１０のコア３に交互に巻回して結合度を高めて漏れインダクタンスを減少させるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源に関し、さらに詳しくは、スイッチ素子がターンオフする時のノイズに含まれる周波数を電力線通信システムに使用される高周波信号の帯域外にシフトさせる技術に関するものである。

家庭内に引き込まれている所謂、商用電力線は、２本の電線の差電圧（日本では１００Ｖ）を利用して電力を供給しており、ケーブルの形態からみると一種の平衡ケーブルと見なすことができる。近年この商用電力線を介して信号を送受信する電力線通信システムの研究が盛んに行われている。図３は電力線通信システムの概略構成を示すブロック図である。この電力線通信システム１００は、商用電力線５０から供給される商用電力（通常１００Ｖ）をヒューズ等の保安機器５３を介してノイズフィルタ５４に供給し、ノイズフィルタ５４によりスイッチングノイズが外部に漏洩するのを防ぎ、スイッチング電源５５により所定のＤＣ電圧に変換してＰＬＣ（Power Line Communication）信号送受信器５２に供給する。ＰＬＣ信号送受信器５２では、送信信号を高周波に変調してカップリング部５１を介して商用電力線５０に送信する。また、ＰＬＣ信号送受信器５２は、外部機器とのインターフェースを備えていることも多い。

このとき図４に示すように、スイッチング電源５５のスイッチング周波数は一般的に５０〜２００ＫＨｚ（０．０５〜０．２ＭＨｚ）が使用されるが、この高調波はノイズフィルタ５４により減衰されるため、ＰＬＣの伝送特性にはほとんど影響を与えない。例えば、図５のようにスイッチング周波数が１００ＫＨｚの場合、奇数高調波は略２ＭＨｚ以下で問題のないレベルまで減衰してしまう。しかし、この電力線通信システム１００に使用されるＰＬＣ信号は２〜３０ＭＨｚの帯域５７が使用されるが、スイッチング電源５５のスイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズはＰＬＣ信号帯域内の場合が多く（２〜６ＭＨｚ）、伝送特性に悪影響を与える虞がある（図４、６参照）。

また、図７に示すように、トランスＴは１００％完全に結合するものではなく、特に、コアにギャップを設けた場合は漏れ磁束が増加する。即ち、トランスをＴ型等価回路として表現したとき、両腕のＬにて漏れインダクタンスが生じる。ここに１次及び２次の電流が流れ込み、エネルギーが蓄積される。しかし、１次側から２次側への電力の移行は行われないため、トランジスタがＯＦＦした瞬間に大きな起電力が発生し、それが、コレクタ電圧に重畳してノイズとなる。従って、トランスＴの１次側と２次側の結合度合いを制御することにより、漏れインダクタンスＬｌを制御することができる。即ち、ターンオフ時に発生するノイズは、電源トランスの漏れインダクタンスに起因するものであり、この漏れインダクタンス値と、トランス内の線間容量等により、ノイズの周波数も決まってしまうといえる。

従来技術として特許文献１には、１次巻線とスイッチ素子の直列回路の両端に、ダイオードとリセット巻線の直列回路を、ダイオード側の端が１次巻線側の端に、またリセット巻線側の端がスイッチ素子側の端に各々結ばれるように接続し、かつ、１次巻線とスイッチ素子の接続点とダイオードとリセット巻線の接続点の間にコンデンサを接続して、電力損失を生じないスナバ回路について開示されている。
特許第３７２８５７５号

しかし、特許文献１に開示されている従来技術は、スイッチング素子がターンオフする際に生じるサージ電圧とノイズを電力損失を伴わないで減衰する技術であり、漏れインダクタンスによるノイズ周波数がどの帯域に存在するかは言及していないため、使用目的によっては減衰の効果が上がらないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑み、スイッチング素子がターンオフする際に生じるノイズ周波数を決定する要因であるトランスの漏れインダクタンスの値を調整して、ＰＬＣ信号帯域に存在するノイズを帯域外にシフトすることにより、使用目的に合致したノイズ対策を施したスイッチング電源を提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、１次巻き線及び２次巻き線を有するトランスと、前記１次巻き線に直列に接続されたスイッチ素子と、該スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、を備えたスイッチング電源であって、前記スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズの周波数帯域を所定の周波数帯域を有する高周波信号の帯域外にシフトするように、前記トランスの漏れインダクタンスを設定することを特徴とする。
スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズの周波数は、漏れインダクタンスの値により決定する周波数成分が発生する。そのときノイズの周波数が使用する周波数帯域内に存在する場合は、ノイズそのものを強引に除去する方法もあるが、ノイズを発生する主たる原因である漏れインダクタンスの値を調整することにより、ノイズの周波数をシフトして実質的に影響を受けないようにすることもできる。

請求項２は、電力線に高周波信号を重畳して信号の送受信を行う電力線通信システムに使用されるスイッチング電源であって、１次巻き線及び２次巻き線を有するトランスと、前記１次巻き線に直列に接続されたスイッチ素子と、該スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、を備え、前記スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズの周波数帯域を前記電力線通信システムに使用される高周波信号の帯域外にシフトするように、前記トランスの漏れインダクタンスを設定することを特徴とする。
スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズの周波数は、２〜６ＭＨｚの範囲に多く存在する。また、電力線通信システムに使用されるＰＬＣ信号の周波数帯域は２〜３０ＭＨｚであるため、ノイズにより信号に悪影響を与える虞がある。そこで本発明では、トランスの漏れインダクタンスの値を調整することにより、ノイズの周波数を２〜３０ＭＨｚの帯域外にシフトして、実質的に影響を受けないようにするものである。

請求項３は、前記トランスは、前記１次巻き線及び２次巻き線を該トランスのコアに交互に巻回したことを特徴とする。
漏れインダクタンスは、コアに巻回す１次側と２次側巻き線の結合度を変えることにより変化する。そこで本発明では、１次巻き線及び２次巻き線をトランスのコアに交互に巻回して結合度を高めて漏れインダクタンスを減少させるものである。
請求項４は、前記トランスは、前記１次巻き線及び２次巻き線を一対にして該トランスのコアに巻回したことを特徴とする。
最も１次側と２次側巻き線の結合度を高める方法は、１次巻き線及び２次巻き線を一対にして、それをコアに巻回すことである。
請求項５は、前記トランスは、前記１次巻き線及び２次巻き線の一層を該トランスのコアに等間隔に且つ均等に巻回したことを特徴とする。
１次巻き線及び２次巻き線間を等間隔に且つ均等に巻回すと、結合度が均一化され、且つ結合度も高まる。それにより漏れインダクタンスの値も変化する。

請求項６は、前記トランスは、前記１次巻き線又は２次巻き線の何れか一方の層を該トランスのコアに不均等に巻回したことを特徴とする。
請求項５とは逆に故意に１次巻き線及び２次巻き線間を不均等に巻回すと、結合度が弱まり、それにより漏れインダクタンスの値も変化する。
請求項７は、前記トランスは、前記１次巻き線及び２次巻き線を所定の距離離間するように該トランスのコアに巻回したことを特徴とする。
１次巻き線及び２次巻き線を離すことにより、結合度を弱めて漏れインダクタンスを増加させる方法もある。即ち、巻き線間にテープやスペーサ等を挿入して１次巻き線及び２次巻き線を離して漏れインダクタンスを増加させるものである。

請求項８は、ノイズを防止するスナバ回路において、前記トランスの１次巻き線及び２次巻き線に夫々容量素子及び抵抗素子を直列に接続し、該容量素子及び抵抗素子の値を調整することにより、前記スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズの周波数帯域を所定の周波数帯域を有する高周波信号の帯域外にシフトすることを特徴とする。
ターンオフで発生するノイズ波形の周波数を変える方法として、まずは、トランスの巻線によりリーケージインダクタを調整し、ノイズを帯域外へ追い出す一方で、追い出し切れなかったときや製造ロット毎のバラツキにより帯域内にノイズがあるとき、１次側及び２次側のＣＲ値を更に調整するものである。

本発明によれば、スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズを所定の周波数帯域を有する高周波信号の帯域外にシフトするように、トランスの漏れインダクタンスの値を設定するので、簡単な方法で使用周波数帯域内のノイズの影響を防止することができる。
また、１次巻き線及び２次巻き線の両端に挿入する容量素子及び抵抗素子の値を調整して発生するノイズの周波数を変更するので、製造ロット毎のバラツキにより帯域内に存在するノイズを帯域外にシフトすることができる。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の各実施形態に係るトランスの構成を示す断面図である。尚、図１はトランスの部分断面図であり、コアの片側のみを図示している。また、１次巻き線を白丸、２次巻き線を黒丸で表している。

図１（ａ）は本発明の第１の実施形態に係るトランスの構成を示す断面図である。このトランス１０は、１次巻き線２及び２次巻き線１をトランス１０のコア３に交互に巻回した所謂、サンドイッチ巻きにしたものである。即ち、漏れインダクタンスは、トランス１０に巻回す１次巻き線２及び２次巻き線１の結合度を変えることにより変化する。そこで本実施形態では、１次巻き線２及び２次巻き線１をトランス１０のコア３に交互に巻回して結合度を高めて漏れインダクタンスを減少させるものである。これにより、１次側と２次側の結合度を強めて漏れインダクタンスを変更することができ、ノイズ周波数を調整することができる。
図１（ｂ）は本発明の第２の実施形態に係るトランスの構成を示す断面図である。このトランス２０は、１次巻き線５及び２次巻き線４を一対にしてトランス２０のコア３に巻回した所謂、バイファラ巻きにしたものである。即ち、最も１次側と２次側巻き線の結合度を高める方法は、１次巻き線５及び２次巻き線４を一対にして、それをコア３に巻回すことである。これにより、１次側と２次側の結合度を更に強めて漏れインダクタンスを減少させることで、漏れインダクタンスを変更することができ、ノイズ周波数を調整することができる。

図１（ｃ）は本発明の第３の実施形態に係るトランスの構成を示す断面図である。このトランス３０は、１次巻き線６及び２次巻き線７の一層をトランス３０のコア３に等間隔に且つ均等に巻回した所謂、均等巻きにしたものである。即ち、１次巻き線６及び２次巻き線７間を等間隔に且つ均等に巻回すと、結合度が均一化され、且つ結合度も高まる。それにより漏れインダクタンスの値も減少する。これにより、１次側と２次側の結合度を均一にして漏れインダクタンスを変更することができ、ノイズ周波数を調整することができる。
図１（ｄ）は本発明の第４の実施形態に係るトランスの構成を示す断面図である。このトランス４０は、２次巻き線９の層を１次巻き線８に対してコア３に不均等に巻回した所謂、不均等巻きにしたものである。即ち、図１（ｃ）とは逆に故意に２次巻き線９間を不均等に巻回すと、結合度が弱まり、それにより漏れインダクタンスの値は増加する。尚、１次巻き線８の層を２次巻き線９に対してコア３に不均等に巻回しても良い。これにより、１次側と２次側の結合度を不均一にして少し弱め、漏れインダクタンスを変更することができ、ノイズ周波数を調整することができる。

図１（ｅ）は本発明の第５の実施形態に係るトランスの構成を示す断面図である。このトランス５０は、１次巻き線１０及び２次巻き線１２を所定の距離離間するように間にスペーサ１１を挟んでトランス５０のコア３に巻回したものである。このように、１次巻き線及び２次巻き線を離すことにより、結合度を弱めて漏れインダクタンスを増加させて周波数を調整する方法もある。これにより、１次側と２次側の結合度を弱め漏れインダクタンス増加させてノイズ周波数を調整することができる。
また、図５に示すスイッチング周波数特性を適用した電力線通信システムに本発明のスイッチング電源を使用した場合、スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズを電力線通信システム１００に使用される高周波信号の帯域外にシフトするように、トランスの漏れインダクタンスの値を設定するので、ＰＬＣ信号の周波数帯域内でのノイズの影響を防止することができる。

図２は本発明のトランスを使用したスイッチング電源の一実施例を示す回路図である。このスイッチング電源は、フィルタ回路と、Ｄ１、Ｃ１により構成される整流回路と、スイッチング素子Ｕ１、本発明のトランスＴ１により構成される電圧変換回路と、スイッチング素子Ｕ１を制御するスイッチングコントロール回路Ｕ２と、２次側に発生したチョッパ波形を整流するＤ２、Ｃ４により構成される整流回路と、を備えて構成されている。そして、Ａ部のＣ２、Ｒ１の直列回路により１次側スナバ回路を構成し、Ｂ部のＣ３、Ｒ２の直列回路により２次側スナバ回路を構成している。このスナバ回路のＣＲを調整することにより、ノイズの周波数を変化させることができる。尚、本スイッチング電源の動作については公知であるので説明を省略する。

以上の通り本発明によれば、スイッチ素子Ｕ１がターンオフ時に発生するノイズを所定の周波数帯域を有する高周波信号の帯域外にシフトするように、トランスＴの漏れインダクタンスの値を設定するので、簡単な方法で使用周波数帯域内のノイズの影響を防止することができる。
また、スイッチ素子Ｕ１がターンオフ時に発生するノイズを電力線通信システム１００に使用される高周波信号の帯域外にシフトするように、トランスＴの漏れインダクタンスの値を設定するので、ＰＬＣ信号の周波数帯域内でのノイズの影響を防止することができる。

また、トランス１０は、１次巻き線２及び２次巻き線１をトランス１０のコア３に交互に巻回すので、１次側と２次側の結合度を強めて漏れインダクタンスを変更することができ、ノイズ周波数を調整することができる。
また、トランス２０は、１次巻き線５及び２次巻き線４を一対にしてトランス２０のコア３に巻回すので、１次側と２次側の結合度を更に強めて漏れインダクタンスを変更することができ、ノイズ周波数を調整することができる。
また、トランス３０は、１次巻き線６及び２次巻き線７の一層をトランスのコア３に等間隔に且つ均等に巻回すので、１次側と２次側の結合度を均一にして漏れインダクタンスを変更することができ、ノイズ周波数を調整することができる。

また、トランス４０は、１次巻き線８又は２次巻き線７の何れか一方の層をトランス４０のコア３に不均等に巻回すので、１次側と２次側の結合度を不均一にして少し弱め、漏れインダクタンスを変更することができ、ノイズ周波数を調整することができる。
また、トランス５０は、１次巻き線１０及び２次巻き線１２を所定の距離離間するようにトランス５０のコア３に巻回すので、１次側と２次側の結合度を弱め漏れインダクタンスを増加することができ、ノイズ周波数を調整することができる。
また、１次巻き線及び２次巻き線の両端に挿入する容量素子Ｃ及び抵抗素子Ｒの値を調整して発生するノイズの周波数を変更するので、製造ロット毎のバラツキにより帯域内に存在するノイズを帯域外にシフトすることができる。

本発明の各実施形態に係るトランスの構成を示す断面図である。本発明のトランスを使用したスイッチング電源の一実施例を示す回路図である。電力線通信システムの概略構成を示すブロック図である。周波数帯域の分布を示す図である。スイッチング周波数の奇数高調波のレベルを示す図である。ターンオフ時に２次側に発生するノイズの図である。ノイズがトランスＴの漏れインダクタＬｌに起因する理由を説明する図である。

符号の説明

１２次巻き線、２１次巻き線、３コア、１０トランス

Claims

１次巻き線及び２次巻き線を有するトランスと、前記１次巻き線に直列に接続されたスイッチ素子と、該スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、を備えたスイッチング電源であって、
前記スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズの周波数帯域を所定の周波数帯域を有する高周波信号の帯域外にシフトするように、前記トランスの漏れインダクタンスを設定することを特徴とするスイッチング電源。
電力線に高周波信号を重畳して信号の送受信を行う電力線通信システムに使用されるスイッチング電源であって、
１次巻き線及び２次巻き線を有するトランスと、前記１次巻き線に直列に接続されたスイッチ素子と、該スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、を備え、
前記スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズの周波数帯域を前記電力線通信システムに使用される高周波信号の帯域外にシフトするように、前記トランスの漏れインダクタンスを設定することを特徴とするスイッチング電源。
前記トランスは、前記１次巻き線及び２次巻き線を該トランスのコアに交互に巻回したことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源。
前記トランスは、前記１次巻き線及び２次巻き線を一対にして該トランスのコアに巻回したことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源。
前記トランスは、前記１次巻き線及び２次巻き線の一層を該トランスのコアに等間隔に且つ均等に巻回したことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源。
前記トランスは、前記１次巻き線又は２次巻き線の何れか一方の層を該トランスのコアに不均等に巻回したことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源。
前記トランスは、前記１次巻き線及び２次巻き線を所定の距離離間するように該トランスのコアに巻回したことを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源。
ノイズを防止するスナバ回路において、前記トランスの１次巻き線及び２次巻き線に夫々容量素子及び抵抗素子を直列に接続し、該容量素子及び抵抗素子の値を調整することにより、前記スイッチ素子がターンオフ時に発生するノイズの周波数帯域を所定の周波数帯域を有する高周波信号の帯域外にシフトすることを特徴とする請求項１又は２に記載のスイッチング電源。