JP2007312522A - スイッチング電源回路 - Google Patents
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Abstract
【課題】ワイドレンジ対応を実現するにあたり問題となっていた2次側の整流ダイオードの損失と2次側直列共振コンデンサの大型化・コスト高の問題を解決する。
【解決手段】2次巻線N2の一端と他端との間に、それぞれチョークコイルLo1−平滑コンデンサCo−整流ダイオードDo1と、チョークコイルLo2−平滑コンデンサCo−整流ダイオードDo2とが直列に挿入されるようにして、倍電流整流回路を形成する。これによって2次側の整流電流レベルを約1/2に低減でき、2次側の整流ダイオードの損失も低減できる。また絶縁コンバータトランスPITの結合係数を所定以下に設定することでワイドレンジ対応を実現し、これにより2次側直列共振コンデンサを省略できるようにする。
【選択図】図1
【解決手段】2次巻線N2の一端と他端との間に、それぞれチョークコイルLo1−平滑コンデンサCo−整流ダイオードDo1と、チョークコイルLo2−平滑コンデンサCo−整流ダイオードDo2とが直列に挿入されるようにして、倍電流整流回路を形成する。これによって2次側の整流電流レベルを約1/2に低減でき、2次側の整流ダイオードの損失も低減できる。また絶縁コンバータトランスPITの結合係数を所定以下に設定することでワイドレンジ対応を実現し、これにより2次側直列共振コンデンサを省略できるようにする。
【選択図】図1
Description
本発明は、各種電子機器の電源として備えられるスイッチング電源回路に関する。
先に本出願人は、1次側に共振形コンバータを備えた電源回路を各種提案している。図13は、先に本出願人により出願された発明に基づいて構成される共振形コンバータを備えるスイッチング電源回路の一例を示す回路図である。この図13に示される電源回路のスイッチングコンバータとしては、ハーフブリッジ結合方式による他励式の電流共振形コンバータに対して、スイッチング中のターンオフ時にのみ電圧共振動作を行う部分電圧共振回路をくみ合わせた構成を採る。
まず、図13に示すスイッチング電源回路においては、商用交流電源ACに対して2組のフィルタコンデンサCLおよび1組のコモンモードチョークコイルCMCから成るコモンモードノイズフィルタが接続されている。そして、商用交流電源ACから直流入力電圧を生成する整流平滑回路としては、このコモンモードノイズフィルタの後段に対して、ブリッジ整流回路Diおよび平滑コンデンサCiとから成る全波整流回路が備えられる。ブリッジ整流回路Diの整流出力は、平滑コンデンサCiに対して充電され、これによって平滑コンデンサCiの両端には、交流入力電圧VACの等倍のレベルに対応する整流平滑電圧(直流入力電圧)Eiがえられることになる。
整流平滑電圧(直流入力電圧)Eiを入力してスイッチングする電流共振形コンバータとしては、図示するようにして、MOS−FETによる2本のスイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2をハーフブリッヂ結合により接続したスイッチング回路系を備える。スイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2の各ドレインとソース間に対しては、図示する方向により、それぞれボディダイオードによるダンパーダイオードDD1、ダンパーダイオードDD2が並列に接続される。
また、スイッチング素子Q2のドレイン−ソース間に対しては、1次側部分電圧共振コンデンサCpが並列に接続される。この1次側部分電圧共振コンデンサCpのキャパシタンスと1次巻線N1に生じる漏洩インダクタンスL1によって、並列共振回路(部分電圧共振回路)が形成される。この部分電圧共振回路によりスイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2のターンオフ時にのみ電圧共振する、部分電圧共振動作が得られるようになっている。リーケージインダクタンスL1は1次巻線N1によって発生し、2次巻線N2と鎖交しない磁束(漏れ磁束)によって生じるインダクタンスである。そして2次巻線N2についても同様に、2次巻線N2によって発生し、1次巻線N1と鎖交しない磁束(漏れ磁束)によって生じるインダクタンスであるリーケージインダクタンスL2が発生する。
この電源回路においては、スイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2をスイッチング駆動するために、例えば汎用のICによる発振・ドライブ回路2が設けられる。この発振・ドライブ回路2は、発振回路、駆動回路を有して、所要の周波数によるドライブ信号(ゲート信号)をスイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2の各ゲートに対して印加する。これにより、スイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2は、所要のスイッチング周波数により交互にオン/オフするようにしてスイッチング動作を行う。
コンバータトランスPIT(Power Isolation Transform)は、スイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2のスイッチング出力を2次側に伝送する。この場合のコンバータトランスPITの1次巻線N1の一端は、スイッチング素子Q1のソースとスイッチング素子Q2のドレインの接続点(スイッチング出力点)に接続されることで、スイッチング出力が得られるようにされる。
この、コンバータトランスPITの構造を説明するために、図17を参照する。
コンバータトランスPITは、フェライト材によるE型コアCR1とE型コアCR2とを組み合わせたEE型コアを備える。そして、ボビンBを用いて1次側と2次側とで巻装部位を分割したうえで、1次巻線N1と2次巻線N2とを、EE型コアの内磁脚に対して巻装している。また、コンバータトランスPITのEE型コアの内磁脚に対しては、0.8mm程度のギャップGを形成するようにしている。これによって、1次巻線N1と2次巻線N2とで、0.8から0.85程度の結合係数を得るようにしている。
コンバータトランスPITは、フェライト材によるE型コアCR1とE型コアCR2とを組み合わせたEE型コアを備える。そして、ボビンBを用いて1次側と2次側とで巻装部位を分割したうえで、1次巻線N1と2次巻線N2とを、EE型コアの内磁脚に対して巻装している。また、コンバータトランスPITのEE型コアの内磁脚に対しては、0.8mm程度のギャップGを形成するようにしている。これによって、1次巻線N1と2次巻線N2とで、0.8から0.85程度の結合係数を得るようにしている。
また、1次巻線N1の他端は、図示するように1次側直列共振コンデンサC1を介して1次側アースに接続されている。
この場合、1次側直列共振コンデンサC1および1次巻線N1は直列に接続されているが、この1次側直列共振コンデンサC1のキャパシタンス、およびコンバータトランスPITの1次巻線N1に生じるリーケージインダクタンスL1により、スイッチングコンバータの動作を電流共振形とするための1次側直列共振回路を形成している。
この場合、1次側直列共振コンデンサC1および1次巻線N1は直列に接続されているが、この1次側直列共振コンデンサC1のキャパシタンス、およびコンバータトランスPITの1次巻線N1に生じるリーケージインダクタンスL1により、スイッチングコンバータの動作を電流共振形とするための1次側直列共振回路を形成している。
ここまでの説明によると、この図に示す1次側スイッチングコンバータとしては、1次側直列共振回路(L1とC1)による電流共振形としての動作と、部分電圧共振回路(CpとL1)とによる部分電圧共振動作とが得られることになる。つまり、この図に示す電源回路は、1次側スイッチングコンバータを共振形とするための共振回路に対して、他の共振回路が組み合わされた形式を採っていることになる。以下、このようなスイッチングコンバータについて「複合共振形コンバータ」ということにする。
コンバータトランスPITの2次巻線N2AとN2Bに対しては、図13に示すように2次側アースに接続されるセンタータップを施した上で、整流ダイオードDo1と整流ダイオードDo2、および平滑コンデンサCoによって形成される両波整流回路が備えられる。
これにより、平滑コンデンサCoの両端電圧として、2次巻線N2AとN2Bに誘起される交番電圧の等倍レベルに対応する直流電圧である2次側直流出力電圧Eoが得られる。この2次側直流出力電圧Eoは、メイン直流電圧として、図示しないメインの負荷に供給されるとともに、制御回路1に対して定電圧制御のための検出電圧としても分岐して入力される。
これにより、平滑コンデンサCoの両端電圧として、2次巻線N2AとN2Bに誘起される交番電圧の等倍レベルに対応する直流電圧である2次側直流出力電圧Eoが得られる。この2次側直流出力電圧Eoは、メイン直流電圧として、図示しないメインの負荷に供給されるとともに、制御回路1に対して定電圧制御のための検出電圧としても分岐して入力される。
制御回路1は、2次側直流出力電圧Eoのレベルに対応してレベルが可変される電圧又は電流としての制御信号を発振・ドライブ回路2に出力する。発振・ドライブ回路2では制御回路1から入力される制御信号に基づいて、発振・ドライブ回路2内の発振回路により生成する発振信号周波数を可変するようにして、スイッチング素子Q1、Q2の各ゲートに印加するスイッチング駆動信号の周波数を変化させる。これにより、スイッチング周波数が可変される。このように、2次側直流出力電圧Eoのレベルに応じてスイッチング素子Q1、Q2のスイッチング周波数が可変制御されることで、1次側直列共振回路の共振インピーダンスが変化して1次側直列共振回路を形成する1次巻線N1から2次側に伝送されるエネルギーも可変され、2次側直流出力電圧Eoのレベルも可変制御される。これにより、2次側直流出力電圧Eoの定電圧制御が図られることになる。
なお、以降においては、このようにスイッチング周波数を可変制御することによって安定化を図る定電圧制御方式を「スイッチング周波数制御方式」ということにする。
なお、以降においては、このようにスイッチング周波数を可変制御することによって安定化を図る定電圧制御方式を「スイッチング周波数制御方式」ということにする。
図14の波形図は、図13に示した電源回路における要部の動作中の波形を示している。このとき、交流入力電圧VAC=100Vで一定として、負荷電力Poは200W(ワット)とするものである。波形は上から、電圧V1(図13を参照)、電流IQ2(図13を参照)、電流I1(図13を参照)、電流I2(図13を参照)、の各々を示す。
矩形波状の電圧V1は、スイッチング素子Q2の両端電圧であり、スイッチング素子Q2のオン/オフのタイミングに応じて変化するものである。電圧V1が0レベルとなる期間では、スイッチング素子Q2およびダンパーダイオードDD2から成るスイッチング回路系には、図示する波形によるスイッチングの電流IQ2が流れる。また、電圧V1が整流平滑電圧(直流入力電圧)Eiのレベルでクランプされる期間は、スイッチング素子Q2がオフとなる期間であり、電流IQ2は図示するようにして0レベルとなる。
また、図示していないが、他方のスイッチング素子Q1の両端電圧、およびスイッチング回路(Q1、DD1)に流れる電流としては、電圧V1、および電流IQ2を180°位相をずらした波形として得られる。つまり、前述したように、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2とは、交互にオン/オフするタイミングでスイッチング動作を行う。
また、1次側直列共振回路(C1−L1)を流れる1次側直列共振電流としては、これらのスイッチング回路(Q1、DD1)およびスイッチング回路(Q2、DD2)に流れる電流が合成されることで、電流I1として図示するものとなる。
また、この1次側の動作が得られることで、コンバータトランスPITの2次巻線N2には、交番電圧が誘起される。そして、この交番電圧が正極性となる一方の半周期の期間においては、2次側の整流ダイオードDo1が導通する。また、交番電圧が負極性となる他方の半周期の期間においては、2次側の整流ダイオードDo2が導通する。
これにより、2次側の両波整流回路において、2次巻線N2のセンタータップと2次側アースとの間に流れる整流電流I2としては、図示したような波形となる。
これにより、2次側の両波整流回路において、2次巻線N2のセンタータップと2次側アースとの間に流れる整流電流I2としては、図示したような波形となる。
図15は、交流入力電圧VAC=100Vの入力電圧条件の下での負荷変動に対する交流ACに対する直流DCの電力変換効率ηAC→DC(以下、電力変換効率ηAC→DCと省略する)、およびスイッチング周波数の特性を示している。図15の一点鎖線に示す曲線は、図13に示した電源回路について、それらの各々を示している。
図示するようにして図13の電源回路のスイッチング周波数fsとしては、定電圧制御駆動が行われることに応じて、重負荷の傾向となるのに従って低くなっているが、負荷変動に対してリニアとなる変化特性ではなく、例えば負荷電力Poが50W程度から0Wまでの範囲では、スイッチング周波数fsが急峻に上昇していく傾向となっている。具体的には、スイッチング周波数fsの値は76kHzから173kHzの範囲となっており、変化幅Δfsの値は97kHzである。
図示するようにして図13の電源回路のスイッチング周波数fsとしては、定電圧制御駆動が行われることに応じて、重負荷の傾向となるのに従って低くなっているが、負荷変動に対してリニアとなる変化特性ではなく、例えば負荷電力Poが50W程度から0Wまでの範囲では、スイッチング周波数fsが急峻に上昇していく傾向となっている。具体的には、スイッチング周波数fsの値は76kHzから173kHzの範囲となっており、変化幅Δfsの値は97kHzである。
また、同様に、図15の一点鎖線で示す電力変換効率ηAC→DCとしては、負荷電力Poの上昇に伴って高くなっていく傾向となっている。
図15に示す特性によれば、スイッチング周波数fsの値が大きく変化するところから、例えば、交流入力電圧VACの範囲として85Vから264Vの範囲で動作させる、いわゆる、ワイドレンジ対応とすることは、困難であることが分かる。
図16は、このような観点から、ワイドレンジ対応とする別のスイッチング電源回路である。以下において、図13に示すスイッチング電源回路と同一の部分には同一の符号を付して説明を省略する。図16に示すスイッチング電源回路と図13に示すスイッチング電源回路との相違点は、図16に示すスイッチング電源回路では、2次側に2次側直列共振コンデンサC2を有する点である。このように、2次側にも共振回路を有するコンバータを「多重共振形コンバータ」と言うこととする。また、図16に示すスイッチング電源回路の1次側は、「複合共振形コンバータ」でもあるので、このようなコンバータを、「多重複合共振形コンバータ」ということとする。
図16に示すスイッチング電源回路においては、各部を以下のように設定している。
コンバータトランスPITのEE型コアの内磁脚に対するギャップに関しては、図13に示すスイッチング電源回路における0.8mm程度のギャップよりもさらにギャップを拡大して、2mm程度としている。この結果、0.75以下の結合係数を得るようにしている。
コンバータトランスPITのEE型コアの内磁脚に対するギャップに関しては、図13に示すスイッチング電源回路における0.8mm程度のギャップよりもさらにギャップを拡大して、2mm程度としている。この結果、0.75以下の結合係数を得るようにしている。
また、1次巻線N1に生じるリーケージインダクタンスL1と1次側直列共振コンデンサC1とで定まる1次側直列共振回路の共振周波数を共振周波数fo1、2次巻線N2に生じるリーケージインダクタンスL2と2次側直列共振コンデンサC2とで定まる2次側直列共振回路の共振周波数を共振周波数fo2とする場合において、共振周波数fo1<fo2となる関係に設定している。
ここで、図18の波形図は、図16に示した電源回路における要部の動作中の波形を示している。このとき、交流入力電圧はVAC=100Vで一定とし、負荷電力Poは200W(ワット)とするものである。波形は、上から、電圧V1(図16を参照)、電流IQ2(図16を参照)、電流I1(図16を参照)、電流I2(図16を参照)の各々を示す。
図14に示す電流IQ2、電流I1の値に較べて図18に示す電流IQ2、電流I1の値は、より抑圧されたものとなっているところが注目すべき点である。
図14に示す電流IQ2、電流I1の値に較べて図18に示す電流IQ2、電流I1の値は、より抑圧されたものとなっているところが注目すべき点である。
また、先の図15の実線および破線に示す曲線により、図16に示した電源回路の特性を示している。図15において、実線は交流入力電圧VAC=100Vにおける特性を示し、破線は交流入力電圧VAC=230Vにおける特性を示すものである。すなわち、各々の交流入力電圧の条件の下での負荷変動に対する電力変換効率ηAC→DC、およびスイッチング周波数fsの特性を示している。
この図15において、図16に示した回路のスイッチング周波数fsとしては、定電圧制御動作が行われることに応じて変化するが、負荷電力Poが200W程度から0Wまでの範囲では、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は9kHzと小さいものである。
この図15において、図16に示した回路のスイッチング周波数fsとしては、定電圧制御動作が行われることに応じて変化するが、負荷電力Poが200W程度から0Wまでの範囲では、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は9kHzと小さいものである。
このようにして図16の回路では、Δfsの値が図13の回路より縮小されることになるが、これによって図16に示す電源回路では、AC100V系とAC200V系とに対応する、いわゆるワイドレンジ対応が実現する。
以下、このことについて説明する。
以下、このことについて説明する。
図19の回路図は、図16に示す電源回路について、1次側直列共振回路と2次側直列共振回路との関係によりみた場合の等価回路を示している。なお、この等価回路図において、図16と同一部分には、同一符号を付している。
この図においては、1:nの巻線比となる所定巻数の1次巻線N1と2次巻線N2を巻装した絶縁コンバータトランスPITが示されている。また、この図において、絶縁コンバータトランスPITにおける1次側と2次側との結合度を結合係数kにより示している。
この絶縁コンバータトランスPITの1次側において、L1l、L1eは、それぞれ、1次巻線N1のリーケージインダクタンス、1次巻線N1の励磁インダクタンスを示す。また、絶縁コンバータトランスPITの2次側のL2l、L2eは、それぞれ2次巻線N2のリーケージインダクタンス、2次巻線N2の励磁インダクタンスを示す。
この図においては、1:nの巻線比となる所定巻数の1次巻線N1と2次巻線N2を巻装した絶縁コンバータトランスPITが示されている。また、この図において、絶縁コンバータトランスPITにおける1次側と2次側との結合度を結合係数kにより示している。
この絶縁コンバータトランスPITの1次側において、L1l、L1eは、それぞれ、1次巻線N1のリーケージインダクタンス、1次巻線N1の励磁インダクタンスを示す。また、絶縁コンバータトランスPITの2次側のL2l、L2eは、それぞれ2次巻線N2のリーケージインダクタンス、2次巻線N2の励磁インダクタンスを示す。
この図19に示す等価回路図において、絶縁コンバータトランスPITの1次側では、スイッチング周波数fsによる交流(周波数信号)が入力されている。つまり、1次側スイッチングコンバータ(スイッチング素子Q1、Q2)のスイッチング出力が入力となっている。
そして、絶縁コンバータトランスPITの1次側では、このスイッチング周波数fsによる交流の入力を、1次側直列共振コンデンサC1−リーケージインダクタンスL1lを1次巻線N1に対して直列に接続するとともに、励磁インダクタンスL1eを1次巻線N1に対して並列に接続したものとしてみることができる。
また、絶縁コンバータトランスPITの2次側直列共振回路としても同様に、2次側直列共振コンデンサC2−リーケージインダクタンスL2lを2次巻線N2に対して直列に接続するとともに、励磁インダクタンスL2eを2次巻線N2に対して並列に接続したものとしてみることができ、このように形成される2次側直列共振回路の出力を負荷RLに出力することとしている。ここでの負荷RLは、2次側全波整流回路以降の回路および負荷となる。
そして、絶縁コンバータトランスPITの1次側では、このスイッチング周波数fsによる交流の入力を、1次側直列共振コンデンサC1−リーケージインダクタンスL1lを1次巻線N1に対して直列に接続するとともに、励磁インダクタンスL1eを1次巻線N1に対して並列に接続したものとしてみることができる。
また、絶縁コンバータトランスPITの2次側直列共振回路としても同様に、2次側直列共振コンデンサC2−リーケージインダクタンスL2lを2次巻線N2に対して直列に接続するとともに、励磁インダクタンスL2eを2次巻線N2に対して並列に接続したものとしてみることができ、このように形成される2次側直列共振回路の出力を負荷RLに出力することとしている。ここでの負荷RLは、2次側全波整流回路以降の回路および負荷となる。
そして、このような接続態様となる図19の等価回路においては、絶縁コンバータトランスPITの結合係数をk、1次巻線N1の自己インダクタンスをL1とすると、1次巻線N1のリーケージインダクタンスL1lについて
L1l=(1−k2)L1・・・(式1)
により表すことができる。
また、1次巻線N1の励磁インダクタンスL1eについては、
L1e=k2×L1・・・(式2)
により表すことができる。
同様にして、2次巻線N2のリーケージインダクタンスL2l、励磁インダクタンスL2eについては、1次巻線N2の自己インダクタンスをL2とすると、それぞれ、
L2l=(1−k2)L2・・・(式3)
L2e=k2×L2・・・(式4)
により表される。
L1l=(1−k2)L1・・・(式1)
により表すことができる。
また、1次巻線N1の励磁インダクタンスL1eについては、
L1e=k2×L1・・・(式2)
により表すことができる。
同様にして、2次巻線N2のリーケージインダクタンスL2l、励磁インダクタンスL2eについては、1次巻線N2の自己インダクタンスをL2とすると、それぞれ、
L2l=(1−k2)L2・・・(式3)
L2e=k2×L2・・・(式4)
により表される。
ここで、図19に示す等価回路においては、絶縁コンバータトランスPITの電磁誘導を介して、1次側に1次側直列共振回路を備え、2次側に2次側直列共振回路を備えていることが示されている。従って、この図に示す回路は、電磁結合による結合形共振回路を形成しているものとしてみることができる。このために、図16に示す電源回路における2次側直流出力電圧Eoについての定電圧制御特性は、絶縁コンバータトランスPITの結合度(結合係数k)に応じて異なるものとなる。この点について図20を参照して説明する。
図20は、図19の等価回路につての、入力(スイッチング周波数信号)に対する出力特性を示している。つまり、2次側直流出力電圧Eoについての制御特性をスイッチング周波数fsとの関係により示している。この図では、スイッチング周波数を横軸にとり、2次側直流出力電圧Eoのレベルを縦軸にとっている。
なお、この図では、1次側直列共振回路の共振周波数fo1と2次側直列共振回路の共振周波数fo2とを重複して示しているが、これは共振周波数fo1と共振周波数fo2の設定値に関わらず同様の特性が得られることを示しているものである。
なお、この図では、1次側直列共振回路の共振周波数fo1と2次側直列共振回路の共振周波数fo2とを重複して示しているが、これは共振周波数fo1と共振周波数fo2の設定値に関わらず同様の特性が得られることを示しているものである。
ここで、絶縁コンバータトランスPITの結合度について、結合係数k=1となる密結合とされる状態を設定したとする。すると、この場合の1次巻線N1のリーケージインダクタンスL1l、および2次巻線N2のリーケージインダクタンスL2lは、それぞれ、(式1)(式3)に対してk=1を代入することで、
L1l=L2l=0・・・(式5)
として表されることになる。つまり、絶縁コンバータトラストPITが密結合であることで、1次巻線N1および2次巻線N2のリーケージインダクタンスは存在していない状態であることが示される。
L1l=L2l=0・・・(式5)
として表されることになる。つまり、絶縁コンバータトラストPITが密結合であることで、1次巻線N1および2次巻線N2のリーケージインダクタンスは存在していない状態であることが示される。
このようにして、絶縁コンバータトランスPITの1次側と2次側とが密結合とされる状態での定電圧制御特性としては、図20の特性曲線1として示すように、1次側直列共振回路の共振周波数fo1と2次側直列共振回路の共振周波数fo2とは異なる周波数f1、f2において2次側直流出力電圧Eoがピークとなる、いわゆる双峰特性となる。
ここで、周波数f1は、
で表され、
周波数f2は、
で表される。
また、(数1)(数2)における項の1つである中間共振周波数foは、1次側直列共振回路の共振周波数fo1と、1次側のインピーダンスと2次側のインピーダンスと、1次側と2次側とで共通となるインピーダンス(相互結合インダクタンスM)により決定される周波数である。
なお、相互結合インダクタンスMについては、
により表される。
ここで、周波数f1は、
周波数f2は、
また、(数1)(数2)における項の1つである中間共振周波数foは、1次側直列共振回路の共振周波数fo1と、1次側のインピーダンスと2次側のインピーダンスと、1次側と2次側とで共通となるインピーダンス(相互結合インダクタンスM)により決定される周波数である。
なお、相互結合インダクタンスMについては、
また、結合係数kについて、k=1の状態から徐々に小さくしていったとする、つまり、密結合の状態から徐々に疎結合の度合いを高くしていったとすると、図20に示される特性曲線1は、双峰の傾向が徐々に希薄となって、中間共振周波数fo近傍で平坦化していくような変化を示す。そして、ある結合係数kにまで低下した段階で、いわゆる臨界結合の状態となる。この臨界結合の状態では、特性曲線2として示すようにして、双峰特性としての傾向ではなくなっており、中間共振周波数foを中心として曲線形状が平坦となる特性となる。
そして、さらに臨界結合の状態から結合係数kを小さくしていって、疎結合の状態を強めていったとすると、図20の特性曲線3として示すように、中間周波数foにおいてのみピークとなる単峰特性が得られる。また、この特性曲線3と、特性曲線1,2とを比較してみると、特性曲線3は、ピークレベルそのものは特性曲線1,2より低下するものの、その曲線形状は、より急峻な傾斜を有していることが分かる。
図16の回路の絶縁コンバータトランスPITは、結合係数k≦0.65程度とされる疎結合の状態が設定されている。この結合係数kの設定では、特性曲線3として示される単峰特性による動作となる。
図16の回路の絶縁コンバータトランスPITは、結合係数k≦0.65程度とされる疎結合の状態が設定されている。この結合係数kの設定では、特性曲線3として示される単峰特性による動作となる。
ここで比較のために、図22には、図13に示した複合共振コンバータの定電圧制御特性を、スイッチング周波数fsと2次側直流出力電圧Eoのレベルとの関係により示す。図22ではAC100V系における最大負荷電力Pomax時と最小負荷電力Pomin時、それぞれの特性を表し、また、直流出力電圧Eoを所定レベル(tg)に定電圧化するために必要となるスイッチング周波数の可変制御範囲Δfsを表したものである。
この図22に示す複合共振コンバータの定電圧制御特性と先の図20に示す単峰特性とを比較してみると、図20に対して図22に示した特性は、曲線的には相当に緩やかな傾斜となる。
図13に示した電源回路では、図22に示す特性が曲線的に穏やかであることから、2次側直流出力電圧Eoについて定電圧制御を行うためのスイッチング周波数の必要制御範囲は、例えば単レンジ対応の条件下であっても、fs=80kHz〜200kHz以上でΔfs=120kHz以上となる。このために、スイッチング周波数制御による定電圧制御のみによって、ワイドレンジ対応とすることが非常に困難となるのである。
図21においては、図16についての、交流入力電圧VAC=100V時(AC100V系)における最大負荷電力Pomax時、最小負荷電力Pomin時の各特性曲線A,Bと交流入力電圧VAC=230V時(AC200V系)における最大負荷電力Pomax時、最小負荷電力Pomin時の各特性曲線C,Dとの、4つの特性曲線が示されている。
この図21からわかるように、先ず、AC100V系の入力に対応する交流入力電圧VAC=100V時において、2次側直流出力電圧Eoを所要の定格レベルtgで定電圧化するために必要となるスイッチング周波数の可変制御範囲(必要制御範囲)は、Δfs1で示されることになる。つまり、特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsまでの周波数範囲となる。
また、AC200V系の入力に対応する交流入力電圧VAC=230V時において、2次側直流出力電圧Eoを所要の定格レベルtgで定電圧化するために必要となるスイッチング周波数の可変制御範囲(必要制御範囲)は、Δfs2で示される。つまり、特性曲線Cにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsから、特性曲線Dにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsまでの周波数範囲となる。
また、AC200V系の入力に対応する交流入力電圧VAC=230V時において、2次側直流出力電圧Eoを所要の定格レベルtgで定電圧化するために必要となるスイッチング周波数の可変制御範囲(必要制御範囲)は、Δfs2で示される。つまり、特性曲線Cにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsから、特性曲線Dにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsまでの周波数範囲となる。
この2次側直流出力電圧Eoの制御特性である単峰特性は、先に図22に示した制御特性と比較して、曲線的に相当に急峻である。
このために、交流入力電圧VAC=100V時、VAC=230V時の各必要制御範囲となるΔfs1、Δfs2は、図22に示されるΔfsと比較して相当に縮小されたものとなっている。例えば実際に測定したΔfs1、Δfs2としては、図22に示されるΔfsの実際に対して1/10以下程度にまで縮小されるという結果が得られている。
そのうえで、Δfs1における最低スイッチング周波数(特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fs)から、Δfs2における最高スイッチング周波数(特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fs)までの周波数可変範囲(ΔfsA)としても、相応に狭いものとなっている。
このために、交流入力電圧VAC=100V時、VAC=230V時の各必要制御範囲となるΔfs1、Δfs2は、図22に示されるΔfsと比較して相当に縮小されたものとなっている。例えば実際に測定したΔfs1、Δfs2としては、図22に示されるΔfsの実際に対して1/10以下程度にまで縮小されるという結果が得られている。
そのうえで、Δfs1における最低スイッチング周波数(特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fs)から、Δfs2における最高スイッチング周波数(特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fs)までの周波数可変範囲(ΔfsA)としても、相応に狭いものとなっている。
このように図16の電源回路では、2次側に直列共振コンデンサC2を設置し、コンバータトランスPITの1次側と2次側の結合係数を図13の結合係数より小さく設定することで、ワイドレンジ対応とするにあたってのスイッチング周波数の可変範囲を、図13の回路の場合よりも格段に狭くすることができ、これによってワイドレンジ対応が可能となった。
しかしながら、図16に示すスイッチング電源回路は次の点で問題を有している。
つまり、図16の電源回路では2次側を流れる整流電流I2が、図18に示されているようにそのピークレベルが高く、その分ブリッジ整流回路Doを形成するダイオードDo1、Do2、Do3、Do4の電力損失としても大きくなる。また、このように損失が大きいことで、各ダイオードDo1、Do2、Do3、Do4には放熱板が必要となっている。
つまり、図16の電源回路では2次側を流れる整流電流I2が、図18に示されているようにそのピークレベルが高く、その分ブリッジ整流回路Doを形成するダイオードDo1、Do2、Do3、Do4の電力損失としても大きくなる。また、このように損失が大きいことで、各ダイオードDo1、Do2、Do3、Do4には放熱板が必要となっている。
また、スイッチング電源回路をワイドレンジ対応とする場合、図16に示したように、2次側に直列共振コンデンサC2を設置しなけなければならない。この直列共振コンデンサC2としてはフィルムコンデンサを設けているが、ワイドレンジ対応とするにあたり、そのキャパシタンスとしては、直流出力電圧Eoが48V時は1μF、24V時は2.2μF、12V時は4.7μFとなるように設定する必要がある。しかし、このような設定値になるとフィルムコンデンサの形状は大型化し、また価格的にも高価になってしまうという難点がある。
そこで本発明は上記した課題を考慮して、スイッチング電源回路として次のように構成する。
先ず、直流入力電圧を入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段を備える。
また、上記スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段を備える。
そして、上記スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される1次巻線と、この1次巻線により交番電圧が誘起される2次巻線とが巻装されて形成される絶縁コンバータトランスを備える。
さらに、上記絶縁コンバータトランスの1次巻線の漏洩インダクタンス成分と、上記1次巻線に直列接続された1次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて第1の共振周波数が設定され、上記スイッチング手段の動作を電流共振形とする1次側直列共振回路を備える。
また、上記2次巻線の一端と他端との間に対して、それぞれ第1のインダクタ素子と2次側平滑コンデンサと第1の整流ダイオードとによる直列接続回路と、第2のインダクタ素子と上記2次側平滑コンデンサと第2の整流ダイオードとによる直列接続回路とが直列に挿入されるようにして形成されると共に、上記2次巻線に生じる交番電圧の各半周期の動作として、一方の半周期には、上記第1の整流ダイオードが導通することで流される整流電流と他方の半周期にて上記第2のインダクタ素子に蓄積された電力に基づき得られる電流とを充電し、他方の半周期には、上記第2の整流ダイオードが導通することで流される整流電流と一方の半周期にて上記第1のインダクタ素子に蓄積された電力に基づき得られる電流とを充電する倍電流整流動作を行って、上記2次側平滑コンデンサに2次側直流出力電圧を得る2次側直流出力電圧生成手段を備える。
そして、上記2次側直流出力電圧のレベルに応じて上記スイッチング駆動手段を制御して、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変することで、上記2次側直流出力電圧について定電圧制御を行う定電圧制御手段を備える。
その上で、上記絶縁コンバータトランスは、1次側と2次側との結合係数が疎結合とされる所定以下の値に設定されているものである。
先ず、直流入力電圧を入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段を備える。
また、上記スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段を備える。
そして、上記スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される1次巻線と、この1次巻線により交番電圧が誘起される2次巻線とが巻装されて形成される絶縁コンバータトランスを備える。
さらに、上記絶縁コンバータトランスの1次巻線の漏洩インダクタンス成分と、上記1次巻線に直列接続された1次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて第1の共振周波数が設定され、上記スイッチング手段の動作を電流共振形とする1次側直列共振回路を備える。
また、上記2次巻線の一端と他端との間に対して、それぞれ第1のインダクタ素子と2次側平滑コンデンサと第1の整流ダイオードとによる直列接続回路と、第2のインダクタ素子と上記2次側平滑コンデンサと第2の整流ダイオードとによる直列接続回路とが直列に挿入されるようにして形成されると共に、上記2次巻線に生じる交番電圧の各半周期の動作として、一方の半周期には、上記第1の整流ダイオードが導通することで流される整流電流と他方の半周期にて上記第2のインダクタ素子に蓄積された電力に基づき得られる電流とを充電し、他方の半周期には、上記第2の整流ダイオードが導通することで流される整流電流と一方の半周期にて上記第1のインダクタ素子に蓄積された電力に基づき得られる電流とを充電する倍電流整流動作を行って、上記2次側平滑コンデンサに2次側直流出力電圧を得る2次側直流出力電圧生成手段を備える。
そして、上記2次側直流出力電圧のレベルに応じて上記スイッチング駆動手段を制御して、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変することで、上記2次側直流出力電圧について定電圧制御を行う定電圧制御手段を備える。
その上で、上記絶縁コンバータトランスは、1次側と2次側との結合係数が疎結合とされる所定以下の値に設定されているものである。
上記構成によるスイッチング電源回路では、1次側は従来と同様にスイッチング動作を電流共振形とする1次側直列共振回路が形成されたスイッチングコンバータの構成が採られる。2次側には上記のようにして倍電流整流動作により2次側直流出力電圧を生成する2次側直流出力電圧手段が設けられる。これにより、同じレベルによる2次側直流出力電圧を得るにあたっては、倍電流整流動作を行わない場合と比較して、2次側に流すべき整流電流のレベルは約1/2に低減することができる。
また、本発明では、絶縁コンバータトランスの1次側と2次側との結合係数を疎結合とされる所定以下の値に設定しているが、このことによってワイドレンジ対応を実現することができる。これによれば、同じワイドレンジ対応とするにあたって、従来のように2次側にも直列共振回路を設ける必要はなくなる。すなわち、これによりワイドレンジ対応とするにあたり、2次側の直列共振コンデンサを省略することができる。
また、上記構成によれば、インダクタ素子が2次巻線と直列に接続されていることになるが、このインダクタ素子が2次巻線の漏洩インダクタンスの役割を果たすことになる。これによれば、2次巻線に直列にインダクタ素子が接続されない場合と比較して、絶縁コンバータトランスの所定以下の結合係数を得るにあたって設定すべきギャップ長は、その分短くすることができる。
また、本発明では、絶縁コンバータトランスの1次側と2次側との結合係数を疎結合とされる所定以下の値に設定しているが、このことによってワイドレンジ対応を実現することができる。これによれば、同じワイドレンジ対応とするにあたって、従来のように2次側にも直列共振回路を設ける必要はなくなる。すなわち、これによりワイドレンジ対応とするにあたり、2次側の直列共振コンデンサを省略することができる。
また、上記構成によれば、インダクタ素子が2次巻線と直列に接続されていることになるが、このインダクタ素子が2次巻線の漏洩インダクタンスの役割を果たすことになる。これによれば、2次巻線に直列にインダクタ素子が接続されない場合と比較して、絶縁コンバータトランスの所定以下の結合係数を得るにあたって設定すべきギャップ長は、その分短くすることができる。
このようにして本発明は、2次側の整流回路として倍電流整流動作を行うことによって、2次側を流れる整流電流のピークレベルを抑える事ができる。それによって2次側の整流ダイオードの導通損を少なくすることができ、ダイオードに放熱板を付ける必要は無くなる。
さらに、2次側の直列共振コンデンサが無くてもワイドレンジ対応とすることができるので、従来のコンデンサの大型化やその為にコストが上がる問題は生じなくなる。
また、本発明では、上記のようにして2次巻線に直列にインダクタ素子が接続されることで、所定以下の結合係数を得るにあたって設定すべきギャップ長を短くできる。つまりこれにより、ワイドレンジ対応とするために所定以下の結合係数を得るにあたっては、設定すべきギャップ長をその分短くすることができ、ギャップ形成に伴い生じるとされる渦電流損失が低減でき、より高効率とすることができる。
図1は、本願発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態という)のうちの、第1の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示す回路図である。この図に示す電源回路は、1次側の基本構成として、ハーフブリッヂ結合方式による他励式の電流共振形コンバータに対して部分電圧共振回路が組み合わされた構成を採る。
まず、図1に示すスイッチング電源回路においては、商用交流電源ACに対して2組のフィルタコンデンサCLおよび1組のコモンモードチョークコイルCMCから成るコモンモードノイズフィルタが接続されている。そして、商用交流電源ACから直流入力電圧を生成する整流平滑回路としては、このコモンモードノイズフィルタの後段に対して、ブリッジ整流回路Diおよび平滑コンデンサCiとから成る全波整流回路が備えられる。ブリッジ整流回路Diの整流出力は、平滑コンデンサCiに対して充電され、これによって平滑コンデンサCiの両端には、交流入力電圧VACの等倍のレベルに対応する整流平滑電圧(直流入力電圧)Eiがえられることになる。
整流平滑電圧(直流入力電圧)Eiを入力してスイッチングする電流共振形コンバータとしては、図示するようにして、MOS−FETによる2本のスイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2をハーフブリッヂ結合により接続したスイッチング回路系を備える。スイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2の各ドレインとソース間に対しては、図示する方向により、それぞれボディダイオードによるダンパーダイオードDD1、ダンパーダイオードDD2が並列に接続される。
また、スイッチング素子Q2のドレイン−ソース間に対しては、1次側部分電圧共振コンデンサCpが並列に接続される。この1次側部分電圧共振コンデンサCpのキャパシタンスと1次巻線N1に生じる漏洩インダクタンスL1によって、並列共振回路(部分電圧共振回路)が形成される。この部分電圧共振回路によりスイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2のターンオフ時にのみ電圧共振する、部分電圧共振動作が得られるようになっている。リーケージインダクタンスL1は1次巻線N1によって発生し、2次巻線N2と鎖交しない磁束(漏れ磁束)によって生じるインダクタンスである。そして2次巻線N2についても同様に、2次巻線N2によって発生し、1次巻線N1と鎖交しない磁束(漏れ磁束)によって生じるインダクタンスであるリーケージインダクタンスL2が発生する。
この電源回路においては、スイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2をスイッチング駆動するために、例えば汎用のICによる発振・ドライブ回路2が設けられる。この発振・ドライブ回路2は、発振回路、駆動回路を有して、所要の周波数によるドライブ信号(ゲート信号)をスイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2の各ゲートに対して印加する。これにより、スイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2は、所要のスイッチング周波数により交互にオン/オフするようにしてスイッチング動作を行う。
コンバータトランスPIT(Power Isolation Transform)は、スイッチング素子Q1、スイッチング素子Q2のスイッチング出力を2次側に伝送する。この場合のコンバータトランスPITの1次巻線N1の一端は、スイッチング素子Q1のソースとスイッチング素子Q2のドレインの接続点(スイッチング出力点)に接続されることで、スイッチング出力が得られるようにされる。
この、コンバータトランスPITの構造を説明するために、図17を参照する。
コンバータトランスPITは、フェライト材によるE型コアCR1とE型コアCR2とを組み合わせたEE型コアを備える。そして、ボビンBを用いて1次側と2次側とで巻装部位を分割したうえで、1次巻線N1と2次巻線N2とを、EE型コアの内磁脚に対して巻装している。また、コンバータトランスPITのEE型コアの内磁脚に対しては、0.5mm程度のギャップGを形成するようにしている。これによって、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしては、k=0.80〜0.85程度の結合係数を得るようにしている。
コンバータトランスPITは、フェライト材によるE型コアCR1とE型コアCR2とを組み合わせたEE型コアを備える。そして、ボビンBを用いて1次側と2次側とで巻装部位を分割したうえで、1次巻線N1と2次巻線N2とを、EE型コアの内磁脚に対して巻装している。また、コンバータトランスPITのEE型コアの内磁脚に対しては、0.5mm程度のギャップGを形成するようにしている。これによって、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしては、k=0.80〜0.85程度の結合係数を得るようにしている。
また、図1に示すように、1次巻線N1の一端は、1次側直列共振コンデンサC1を介して1次側アースに接続されている。
この場合、1次側直列共振コンデンサC1および1次巻線N1は直列に接続されているが、この1次側直列共振コンデンサC1のキャパシタンス、およびコンバータトランスPITの1次巻線N1に生じるリーケージインダクタンスL1により、スイッチングコンバータの動作を電流共振形とするための1次側直列共振回路を形成している。
この場合、1次側直列共振コンデンサC1および1次巻線N1は直列に接続されているが、この1次側直列共振コンデンサC1のキャパシタンス、およびコンバータトランスPITの1次巻線N1に生じるリーケージインダクタンスL1により、スイッチングコンバータの動作を電流共振形とするための1次側直列共振回路を形成している。
ここまでの説明によると、この図1に示す1次側スイッチングコンバータとしては、1次側直列共振回路(L1とC1)による電流共振形としての動作と、部分電圧共振回路(CpとL1)とによる部分電圧共振動作とが得られることになる。つまり、この図に示す電源回路は、1次側スイッチングコンバータを共振形とするための共振回路に対して、他の共振回路が組み合わされた形式を採っていることになる。以下、このようなスイッチングコンバータについて「複合共振形コンバータ」ということにする。
上記コンバータトランスPITの2次巻線N2には、1次巻線N1に伝達されたスイッチング出力に応じた交番電圧が励起されることになる。
2次側の回路構成としては、2次巻線N2の一方の端部(巻始め端部)はチョークコイルLo1の一端と接続されており、チョークコイルLo1の他端は平滑コンデンサCoの正極端子と接続されている。2次巻線N2のもう一方の端部(巻終わり端部)はチョークコイルLo2の一端と接続されており、チョークコイルLo2の他端は、上記チョークコイルLo1の他端と平滑コンデンサCoの正極端子との接続点に接続されている。
また、上記した2次巻線N2の一方の端部(巻始め端部)と上記チョークコイルLo1の一端との接続点には、整流ダイオードDo1のカソードが接続されており、この整流ダイオードDo1のアノードは、上記した平滑コンデンサCoの負極端子と接続されている。さらに、上記2次巻線N2のもう一方の端部(巻終わり端部)と上記チョークコイルLo2の一端との接続点に対しては、整流ダイオードDo2のカソードが接続されており、この整流ダイオードDo2のアノードは、上記平滑コンデンサCoの負極端子と上記整流ダイオードDo1のアノードとの接続点に接続されている。そして、整流ダイオードDo1のアノードと整流ダイオードDo2のアノードと平滑コンデンサCoの負極端子との接続点は2次側アースと接地されている。
また、上記した2次巻線N2の一方の端部(巻始め端部)と上記チョークコイルLo1の一端との接続点には、整流ダイオードDo1のカソードが接続されており、この整流ダイオードDo1のアノードは、上記した平滑コンデンサCoの負極端子と接続されている。さらに、上記2次巻線N2のもう一方の端部(巻終わり端部)と上記チョークコイルLo2の一端との接続点に対しては、整流ダイオードDo2のカソードが接続されており、この整流ダイオードDo2のアノードは、上記平滑コンデンサCoの負極端子と上記整流ダイオードDo1のアノードとの接続点に接続されている。そして、整流ダイオードDo1のアノードと整流ダイオードDo2のアノードと平滑コンデンサCoの負極端子との接続点は2次側アースと接地されている。
上記のような接続形態を採る2次側回路において、2次巻線N2の一方の端部(巻始め端部)ともう一方の端部(巻終わり端部)との間に対しては、チョークコイルLo1と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo2の直列接続回路が直列に挿入されていることになる。また、同様にして、チョークコイルLo2と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo1の直列接続回路が、2次巻線N2の一方の端部(巻始め端部)ともう一方の端部(巻終わり端部)との間に対して直列に挿入されている。
このような構成を持つ2次側回路において、2次巻線N2に生じる交番電圧が正極性の半周期には、整流ダイオードDo2が導通し、整流電流が[2次巻線N2→チョークコイルLo1→平滑コンデンサCo→整流ダイオードDo2→2次巻線N2]の経路で流れる。
一方、2次巻線N2に生じる交番電圧が負極性の半周期には、整流ダイオードDo1が導通し、整流電流は[2次巻線N2→チョークコイルLo2→平滑コンデンサCo→整流ダイオードDo1→2次巻線N2]の経路で流れる。
一方、2次巻線N2に生じる交番電圧が負極性の半周期には、整流ダイオードDo1が導通し、整流電流は[2次巻線N2→チョークコイルLo2→平滑コンデンサCo→整流ダイオードDo1→2次巻線N2]の経路で流れる。
ここで、注意すべきは、上記説明による整流電流経路によれば、正極性の半周期には整流電流がチョークコイルLo1を介して流れ、また負極性の半周期には整流電流がチョークコイルLo2を介して流れていることである。すなわち、このようにして各半周期で整流電流が流されることで、各チョークコイルLoに対しては、それぞれ対応する半周期に電流が蓄積されることになる。
そして、このようにして各半周期においてチョークコイルLoに電流が蓄積されることで、2次側回路において正極性の半周期には、その前の負極性の半周期にチョークコイルLo2に蓄積された電流に基づき、[チョークコイルLo2→平滑コンデンサCo→整流ダイオードDo2]の経路によっても整流電流が流れることになる。
同様にして、負極性の半周期においては、前の正極性の半周期にチョークコイルLo1に蓄積された電流に基づき、[チョークコイルLo1→平滑コンデンサCo→整流ダイオードDo1]の経路によっても整流電流が流れる。
同様にして、負極性の半周期においては、前の正極性の半周期にチョークコイルLo1に蓄積された電流に基づき、[チョークコイルLo1→平滑コンデンサCo→整流ダイオードDo1]の経路によっても整流電流が流れる。
このように2次側の整流回路では、各半周期の期間で平滑コンデンサCoに二重に電流が充電される。
ゆえに、図1の2次側回路は倍電流整流回路を構成しているといえる。
ゆえに、図1の2次側回路は倍電流整流回路を構成しているといえる。
上記倍電流整流回路を用いれば、2次側直流出力電圧Eoとして所定の電圧レベルを得ようとしたときに、2次側の整流回路に流れる電流を、倍電流整流回路を持たない回路と比較するとおよそ1/2にすることができる。
このようにして整流電流のレベルを抑制できることで、整流ダイオードDo1、Do2の損失も低減され、整流ダイオードの放熱板を無くす事が可能となる。
このようにして整流電流のレベルを抑制できることで、整流ダイオードDo1、Do2の損失も低減され、整流ダイオードの放熱板を無くす事が可能となる。
上記倍電流整流動作によって、上記平滑コンデンサCoには2次側直流出力電圧Eoが得られる。この2次側直流出力電圧Eoは、図示しない負荷に供給されると共に、後述する制御回路1のための検出電圧としても分岐して入力される。
また2次側回路には、2次巻線N2に対して並列にコンデンサC3と抵抗R3の直列接続回路によるスナバ回路も設けている。この場合のスナバ回路としては、コンデンサC3側を2次巻線N2の一方の端部(巻始め端部)に接続し、抵抗R3の側を2次巻線N2の他方の端部(巻終わり端部)に接続している。
上記スナバ回路を取り付けることによって、2次巻線N2の漏洩インダクタンスにより電圧V2に発生するリンギング成分を抑制することができる。
上記スナバ回路を取り付けることによって、2次巻線N2の漏洩インダクタンスにより電圧V2に発生するリンギング成分を抑制することができる。
ちなみに、上記スナバ回路への電流の流れについて説明すると、正極性の半周期では、整流ダイオードDo2がオフした後に[2次巻線N2→コンデンサC3→抵抗R3→2次巻線N2]の経路により流れ、一方、負極性の半周期では、整流ダイオードDo1がオフした後に[2次巻線N2→抵抗R3→コンデンサC3→2次巻線N2] の経路で流れる。
制御回路1は、2次側直流出力電圧Eoをスイッチング周波数制御方式により安定化するために設けられている。
この場合の制御回路1は、検出入力である2次側直流出力電圧Eoのレベル変化に応じた検出出力を発振・ドライブ回路2に供給する。発振・ドライブ回路2では、入力された制御回路1の検出出力に応じてスイッチング周波数が可変されるようにしてスイッチング素子Q1,Q2を駆動する。このためには、内部の発振回路により生成する発振信号の周波数を可変することになる。
スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周波数が可変されることで、1次側直列共振回路の共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスPITの1次巻線N1から2次巻線N2側に伝送される電力量が変化するが、これにより2次側直流出力電圧Eoのレベルを安定化させるように動作する。
この場合の制御回路1は、検出入力である2次側直流出力電圧Eoのレベル変化に応じた検出出力を発振・ドライブ回路2に供給する。発振・ドライブ回路2では、入力された制御回路1の検出出力に応じてスイッチング周波数が可変されるようにしてスイッチング素子Q1,Q2を駆動する。このためには、内部の発振回路により生成する発振信号の周波数を可変することになる。
スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周波数が可変されることで、1次側直列共振回路の共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスPITの1次巻線N1から2次巻線N2側に伝送される電力量が変化するが、これにより2次側直流出力電圧Eoのレベルを安定化させるように動作する。
次に、図2には、図1に示した電源回路の各要部の動作波形を示す。なお、図2に示す実験結果を得るにあたり、図1に示した電源回路は、負荷電力Po=150W〜0W、VAC=85V〜264Vの仕様に対し、各要部を次のように選定した。
先ず、絶縁コンバータトランスPITについて、コア材としてはEER=35、ギャップGの長さを0.5mmとし、1次巻線N1及び2次巻線N2の巻数としては、それぞれN1=35T、N2=30Tを巻装し、1次巻線N1の漏洩インダクタンスL1と2次巻線N2の漏洩インダクタンスL2をL1=400μH、L2=300μHとした。これによる絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしては、k=0.85を得ている。
また、1次側直列共振コンデンサC1と1次側部分電圧共振コンデンサCpは、それぞれC1=0.039μF、Cp=680PFとして選定した。
2次側のチョークコイルLo1,Lo2とスナバ回路を形成するコンデンサC3と抵抗R3は、Lo1=Lo2=150μH、C3=330PF、R3=330Ωと選定した。
先ず、絶縁コンバータトランスPITについて、コア材としてはEER=35、ギャップGの長さを0.5mmとし、1次巻線N1及び2次巻線N2の巻数としては、それぞれN1=35T、N2=30Tを巻装し、1次巻線N1の漏洩インダクタンスL1と2次巻線N2の漏洩インダクタンスL2をL1=400μH、L2=300μHとした。これによる絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしては、k=0.85を得ている。
また、1次側直列共振コンデンサC1と1次側部分電圧共振コンデンサCpは、それぞれC1=0.039μF、Cp=680PFとして選定した。
2次側のチョークコイルLo1,Lo2とスナバ回路を形成するコンデンサC3と抵抗R3は、Lo1=Lo2=150μH、C3=330PF、R3=330Ωと選定した。
図2において、図2(a)では、負荷電力Po=150W(最大負荷電力)時の動作波形を示し、図2(b)では負荷電力Po=0W(無負荷電力)時の動作波形を示している。なお、これらの図では、交流入力電圧VAC=100V時の実験結果を示している。
これら図2(a)(b)において、電圧V1は、スイッチング素子Q2の両端電圧であり、スイッチング素子Q2のオン/オフタイミングを示すものとなる。つまり、電圧V1が0レベルとなる期間には、図示するスイッチング素子Q2の電流IQ2が流れ、この期間はスイッチング素子Q2がオンする。また、電圧V1が図示するように整流平滑電圧Eiのレベルでクランプされる期間には、電流IQ2が0レベルとなり、この期間はスイッチング素子Q2がオフすることが分かる。また、図示はしないが一方のスイッチング素子Q1の両端電圧としては、電圧V1の位相を180度シフトした波形として得られる。同様に、スイッチング素子Q1の電流としても、電流IQ2の位相を180度シフトした波形が得られる。つまり、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2は交互にオン/オフするようにされている。
なお、電流I1は1次側直列共振回路を流れる共振電流であり、略、スイッチング素子Q1の電流とスイッチング素子Q2の電流IQ2との波形が合成された、図のような波形となるものである。
なお、電流I1は1次側直列共振回路を流れる共振電流であり、略、スイッチング素子Q1の電流とスイッチング素子Q2の電流IQ2との波形が合成された、図のような波形となるものである。
そして、電流I1が流れるのに応じて、絶縁コンバータトランスPITの2次巻線N2には、図示する電圧V2が励起される。この電圧V2が正極性となる一方の半周期においては、2次側の整流ダイオードDo2が導通して整流電流が流れ、電圧V2が負極性となる他方の半周期においては、整流ダイオードDo1が導通して整流電流が流れる。
図1に図示した電流I2、電流I3、電流I4、電流I5は、上述した交番電圧V2の正負の半周期に応じて流れ、その波形図は図2(a)(b)に示したとおりである。
また、Po=0W時の電流I5の値は零になっている。
図1に図示した電流I2、電流I3、電流I4、電流I5は、上述した交番電圧V2の正負の半周期に応じて流れ、その波形図は図2(a)(b)に示したとおりである。
また、Po=0W時の電流I5の値は零になっている。
この図2(a)(b)に示した電流I4は、図1に示したチョークコイルLo1を流れる電流であるが、その波形によれば、この電流I4は、スイッチング周期の各半周期において休止期間無く連続的に流れるものとなっている。
このようにしてスイッチング周期の各半周期において休止期間無く電流が流れる動作モードを、ここでは連続動作モードと呼ぶ。
このようにしてスイッチング周期の各半周期において休止期間無く電流が流れる動作モードを、ここでは連続動作モードと呼ぶ。
ここで、図1に示した電源回路は、各要部の定数を先に述べたものに設定することにより、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしては、先の図13の回路の場合と同様のk=0.85を設定している。
しかしながら、図1に示す電源回路では、2次巻線N2に対して直列に、それぞれチョークコイルLo1、チョークコイルLo2が接続されたものとなっている。このように2次巻線N2と直列に接続されたチョークコイルLo1、Lo2は、等価的には2次巻線N2の漏洩インダクタンスを形成しているものとみることができる。すなわち、このことで図1に示した電源回路では、実質的に2次巻線の漏洩インダクタンスがこれらチョークコイルLo1、Lo2の分増やされている事になる。このことで、2次巻線と直列にチョークコイルLo1、Lo2が設けられていない場合と比較すれば、その分、1次側と2次側との総合的な結合係数としては、低下するようにされていることになる。
しかしながら、図1に示す電源回路では、2次巻線N2に対して直列に、それぞれチョークコイルLo1、チョークコイルLo2が接続されたものとなっている。このように2次巻線N2と直列に接続されたチョークコイルLo1、Lo2は、等価的には2次巻線N2の漏洩インダクタンスを形成しているものとみることができる。すなわち、このことで図1に示した電源回路では、実質的に2次巻線の漏洩インダクタンスがこれらチョークコイルLo1、Lo2の分増やされている事になる。このことで、2次巻線と直列にチョークコイルLo1、Lo2が設けられていない場合と比較すれば、その分、1次側と2次側との総合的な結合係数としては、低下するようにされていることになる。
このような各チョークコイルLoによる2次巻線N2のリーケージインダクタンスの増加分も含めた、図1の回路における1次側と2次側との総合的な結合係数の値としては、先に述べた各チョークコイルLoのインダクタンス値の設定により、0.7〜0.8程度の疎結合とされる値を設定するようにされている。
このことで、図1の回路では、AC100V系とAC200V系の双方の入力に対応して動作するワイドレンジ対応を実現することができる。
このことで、図1の回路では、AC100V系とAC200V系の双方の入力に対応して動作するワイドレンジ対応を実現することができる。
ここで、先に本出願人は、1次側のみに直列共振回路を設けたスイッチング電源回路について実験を行った結果、絶縁コンバータトランスPITの結合係数(総合的な結合係数)を疎結合とされる所定以下の値に設定することで、ワイドレンジ対応を実現できることを確認した。すなわち、2次側に直列共振回路を設けずとも、結合係数を所定以下とすることで、ワイドレンジ対応を実現できるものである。
また、上記のようにして実質的に2次巻線の漏洩インダクタンスが増えるものとなり、総合的な結合係数が低下するということは、或る所定の結合係数を得るにあって設定すべき絶縁コンバータトランスPITのギャップGの長さ(単にギャップ長とも呼ぶ)としては、その分短くすることができる。
これは、先の図16の回路ではギャップ長を2.0mmに拡大して結合係数として0.75程度を得ていたのと比較して、図1の場合はギャップ長を0.5mmとして上述のように結合係数(総合的な)が0.7〜0.8となることからも明らかである。
これは、先の図16の回路ではギャップ長を2.0mmに拡大して結合係数として0.75程度を得ていたのと比較して、図1の場合はギャップ長を0.5mmとして上述のように結合係数(総合的な)が0.7〜0.8となることからも明らかである。
図1の回路では、このようにしてギャップ長を狭くすることができることで、ギャップ形成に伴い生じるとされている渦電流損失を低減することができ、それによってより高効率とすることができる。
また、さらに図1の電源回路においては、先の図2の波形図にて電流I4として説明したように、上記チョークコイルLo1,Lo2に流れる整流電流が各半周期において休止期間無く流れるようにしている。すなわち、各チョークコイルLoに対しては、連続動作モードにより整流電流を流すようにしている。
このようにして各チョークコイルLoに連続動作モードで整流電流を流すようにしたことで、各チョークコイルLoに流れる電流量を多くすることができ、その分チョークコイルLo1、Lo2のインダクタンスを上げることができる。すなわち、これによってさらに2次巻線N2の漏洩インダクタンスを増やすことができる。
このように2次巻線N2の漏洩インダクタンスをさらに増やすことができれば、ワイドレンジ対応とするための所定以下の結合係数を得るにあたって設定すべきギャップ長は、さらに狭くすることができ、これによって上述した渦電流損失もさらに低減できる。つまり、これによってさらなる効率の向上を図ることができるものである。
なお、連続動作モードの設定は、2次巻線N2の巻数を調節することで行うことができる。
このようにして各チョークコイルLoに連続動作モードで整流電流を流すようにしたことで、各チョークコイルLoに流れる電流量を多くすることができ、その分チョークコイルLo1、Lo2のインダクタンスを上げることができる。すなわち、これによってさらに2次巻線N2の漏洩インダクタンスを増やすことができる。
このように2次巻線N2の漏洩インダクタンスをさらに増やすことができれば、ワイドレンジ対応とするための所定以下の結合係数を得るにあたって設定すべきギャップ長は、さらに狭くすることができ、これによって上述した渦電流損失もさらに低減できる。つまり、これによってさらなる効率の向上を図ることができるものである。
なお、連続動作モードの設定は、2次巻線N2の巻数を調節することで行うことができる。
また、従来は2次側に直列共振コンデンサC2を接続して直列共振回路を形成することでワイドレンジ対応としていたが、図1の回路では2次側に直列共振回路を設置しなくてもワイドレンジ対応とすることができる。
ゆえに、同じワイドレンジ対応にするにあたり、図1の回路では2次側の直列共振コンデンサC2自体省略できるので、コンデンサの大型化やそれに伴うコストの問題を解決することができる。
なお、図1の回路では2次側にコンデンサC3を設けているが、このコンデンサC3としては、その用途的に容量は比較的小さいものとすることができる。例えば、図1の電源回路においてコンデンサC3のキャパシタンスとしては、先の図2で述べたように330PF程度を選定すればよく、比較的小型で且つ安価なセラミックコンデンサを用いることができる。すなわち、このことから図1の回路によれば、コンデンサの大型化とそれに伴うコスト高は抑制できる。
ゆえに、同じワイドレンジ対応にするにあたり、図1の回路では2次側の直列共振コンデンサC2自体省略できるので、コンデンサの大型化やそれに伴うコストの問題を解決することができる。
なお、図1の回路では2次側にコンデンサC3を設けているが、このコンデンサC3としては、その用途的に容量は比較的小さいものとすることができる。例えば、図1の電源回路においてコンデンサC3のキャパシタンスとしては、先の図2で述べたように330PF程度を選定すればよく、比較的小型で且つ安価なセラミックコンデンサを用いることができる。すなわち、このことから図1の回路によれば、コンデンサの大型化とそれに伴うコスト高は抑制できる。
次に、図3には、図1に示した電源回路の特性図を示す。なお、この図3に示す特性図としても、図1に示した電源回路の各要部を上述した定数に設定した場合に得られた実験結果を示している。
先ず、図3(a)は、交流入力電圧VAC=100VとVAC=230Vの入力電圧条件の下での負荷変動に対する電力変換効率ηAC→DC、およびスイッチング周波数fsの特性を示している。
図示した実線は交流入力電圧VAC=100V時の特性になるが、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは90.0%であり、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは62.5kHz〜72.5kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は10kHzとなっている。
また、交流入力電圧VAC=230Vは点線で表されており、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは91.5%で、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは104.2kHz〜120.5kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は16.3kHzとなっている。
図示した実線は交流入力電圧VAC=100V時の特性になるが、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは90.0%であり、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは62.5kHz〜72.5kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は10kHzとなっている。
また、交流入力電圧VAC=230Vは点線で表されており、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは91.5%で、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは104.2kHz〜120.5kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は16.3kHzとなっている。
すなわち、スイッチング周波数fsに関しては、図13に背景技術として示すスイッチング電源回路におけるものよりもその可変範囲は狭く、そして、電力変換効率ηAC→DCの値に関しては、図13に背景技術として示すスイッチング電源回路におけるよりも負荷電力Poの0Wから150Wまでの全範囲でより良好なものとなっている。
図3(b)は、交流入力電圧VAC=85V〜264Vの範囲におけるスイッチング周波数fsおよび電力変換効率ηAC→DCの値を示している。このように広範囲な交流入力電圧VACに対して、スイッチング周波数fsの範囲はおよそ60kHz〜117kHz程度で十分に狭く、この実験の結果から図1の回路をワイドレンジ対応とできるのは明らかである。
また、電力変換効率ηAC→DCの値もおよそ89%〜92%と比較的高い数値となっている。
また、電力変換効率ηAC→DCの値もおよそ89%〜92%と比較的高い数値となっている。
ここで、次の図4(a)(b)には、図1に示した電源回路の2次側の構成の変形例を示す。なお、図4において、1次側の構成は図1に示したものと同様となるので図示による説明は省略する。
先ず、図4(a)の変形例は、絶縁コンバータトランスPITの2次側巻線として、図示するように2次巻線N2Aと2次巻線N2Bとの複数を設けてそれらを並列に接続した上で、それぞれの出力を、整流ダイオードDo1・整流ダイオードDo2・チョークコイルLo1・チョークコイルLo2・平滑コンデンサCoによる共通の倍電流整流平滑回路により整流平滑して2次側直流出力電圧Eoを生成するようにしたものである。
図示するようにして、上記2次巻線N2Aに対しては、先の図1の2次巻線N2に対する場合と同様に、その一方の端部(巻始め端部)にはチョークコイルLo1の一端が接続され、このチョークコイルLo1の他端が平滑コンデンサCoの正極端子に接続される。また、2次巻線N2Aのもう一方の端部(巻終わり端部)にはチョークコイルLo2の一端が接続され、このチョークコイルLo2の他端が上記チョークコイルLo1の他端と上記平滑コンデンサCoの正極端子との接続点に対して接続されている。
また、この場合としても、上記2次巻線N2Aの巻始め端部と上記チョークコイルLo1の一端との接続点には、整流ダイオードDo1のカソードが接続され、また上記2次巻線N2Aの巻終わり端部と上記チョークコイルLo2の一端との接続点に対しては整流ダイオードDo2のカソードが接続された上で、これら整流ダイオードDo1とDo2のアノード同士が接続されている。そして、これらアノード同士の接続点が2次側アースに接地されている。
なお、先の図1の回路では、これら整流ダイオードDo1と整流ダイオードDo2のアノード同士の接続点を平滑コンデンサCoの負極端子に接続することで、当該負極端子を2次側アースに接地するようにしていたが、この場合は、図示するようにして平滑コンデンサCoの負極端子は別途に2次側アースに接地するようにされている。
また、この場合としても、上記2次巻線N2Aの巻始め端部と上記チョークコイルLo1の一端との接続点には、整流ダイオードDo1のカソードが接続され、また上記2次巻線N2Aの巻終わり端部と上記チョークコイルLo2の一端との接続点に対しては整流ダイオードDo2のカソードが接続された上で、これら整流ダイオードDo1とDo2のアノード同士が接続されている。そして、これらアノード同士の接続点が2次側アースに接地されている。
なお、先の図1の回路では、これら整流ダイオードDo1と整流ダイオードDo2のアノード同士の接続点を平滑コンデンサCoの負極端子に接続することで、当該負極端子を2次側アースに接地するようにしていたが、この場合は、図示するようにして平滑コンデンサCoの負極端子は別途に2次側アースに接地するようにされている。
その上で、この図4(a)に示す回路では、上記2次巻線N2Bの一方の端部(巻始め端部)が、上記2次巻線N2Aの巻始め端部と上記チョークコイルLo1の一端と上記整流ダイオードDo1のカソードとの接続点に対して接続され、また、上記2次巻線N2Bのもう一方の端部(巻終わり端部)が、上記2次巻線N2Aの巻終わり端部と上記チョークコイルLo2の一端と上記整流ダイオードDo2のカソードとの接続点に対して接続されている。つまり、このようにして2次巻線N2Aと2次巻線N2Bとが並列に接続されている。
さらに、この場合、上記2次巻線N2Aに対しては、図示するようにしてコンデンサC3Aと抵抗R3Aの直列接続回路によるスナバ回路が並列に接続されており、同様に2次巻線N2Bに対しては、コンデンサC3Bと抵抗R3Bの直列接続回路によるスナバ回路が並列に接続されている。
この場合もそれぞれのスナバ回路としては、コンデンサC3側を2次巻線N2の巻始め端部に接続し、抵抗R3の側を2次巻線N2の巻終わり端部に接続している。
この場合もそれぞれのスナバ回路としては、コンデンサC3側を2次巻線N2の巻始め端部に接続し、抵抗R3の側を2次巻線N2の巻終わり端部に接続している。
このような図4(a)の回路構成によれば、倍電流整流回路を形成するにあたって必要となるチョークコイルLo1と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo2による共通の直列接続回路と、チョークコイルLo2と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo1による共通の直列接続回路とが、それぞれの2次巻線N2の一方の端部から他方の端部の間に対して直列に挿入されていることになる。
換言すれば、上記2次巻線N2Aと上記2次巻線N2Bにそれぞれ生じる交番電圧の正負各半周期に流れる整流電流の経路において、チョークコイルLo1、チョークコイルLo2、整流ダイオードDo1、整流ダイオードDo2、平滑コンデンサCoを共有するようにしているものである。
換言すれば、上記2次巻線N2Aと上記2次巻線N2Bにそれぞれ生じる交番電圧の正負各半周期に流れる整流電流の経路において、チョークコイルLo1、チョークコイルLo2、整流ダイオードDo1、整流ダイオードDo2、平滑コンデンサCoを共有するようにしているものである。
この図4(a)に示す2次側の構成が採られる場合においても、先の図1に示した電源回路の場合と同様の効果を得ることができる。
また、次の図4(b)の変形例は、先の図4(a)の変形例ではチョークコイルLo1、チョークコイルLo2、整流ダイオードDo1、整流ダイオードDo2、平滑コンデンサCoを共有するようにしていたものを、整流ダイオードDoを除いたチョークコイルLo1、チョークコイルLo2、平滑コンデンサCoのみを共有するようにし構成したものである。
図示するようにしてこの図4(b)の変形例では、並列接続された2次巻線N2Aと2次巻線N2Bの2つの2次巻線と、2次巻線N2Aに並列接続されたコンデンサC3A−抵抗R3Aによるスナバ回路と、2次巻線N2Bに対して並列接続されたコンデンサC3A−抵抗R3Aによるスナバ回路とが設置されているのは図4(a)と同じである。
但し、この場合、2次巻線N2Bに対しては、それぞれのアノード同士を直列接続するようにされた整流ダイオードDo1Aと整流ダイオードDo2Bとの直列接続回路を並列に接続するようにしている。図示するようにして、整流ダイオードDo1Bのカソードが2次巻線N2Bの巻始め端部に接続され、整流ダイオードDo2Bのカソードが2次巻線N2Bの巻終わり端部に接続されている。そして、これら整流ダイオードDo1Bと整流ダイオードDo2Bのアノード同士の接続点が2次側アースに接地されている。
なお、この場合において、もう一方の2次巻線NA側に設けられる整流ダイオードDo1と整流ダイオードDo2とについては、区別して整流ダイオードDo1Aと整流ダイオードDo2Aとする。
但し、この場合、2次巻線N2Bに対しては、それぞれのアノード同士を直列接続するようにされた整流ダイオードDo1Aと整流ダイオードDo2Bとの直列接続回路を並列に接続するようにしている。図示するようにして、整流ダイオードDo1Bのカソードが2次巻線N2Bの巻始め端部に接続され、整流ダイオードDo2Bのカソードが2次巻線N2Bの巻終わり端部に接続されている。そして、これら整流ダイオードDo1Bと整流ダイオードDo2Bのアノード同士の接続点が2次側アースに接地されている。
なお、この場合において、もう一方の2次巻線NA側に設けられる整流ダイオードDo1と整流ダイオードDo2とについては、区別して整流ダイオードDo1Aと整流ダイオードDo2Aとする。
その上で、図示するようにして2次巻線N2Bの巻始め端部と整流ダイオードDo1のカソードとの接続点を、2次巻線N2Aの巻始め端部とチョークコイルLo1の一端と整流ダイオードDo1Aのカソードとの接続点に対して接続し、また、2次巻線N2Bの巻終わり端部と整流ダイオードDo2のカソードの接続点を、2次巻線N2Aの巻終わり端部とチョークコイルLo2の一端と整流ダイオードDo2Aのカソードとの接続点に対して接続している。これにより、この場合も2次巻線N2Aと2次巻線N2Bとが並列に接続される。
この図4(b)に示す構成によれば、2次巻線N2Aに対しては、その一方の端部と他方の端部との間に、チョークコイルLo1と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo1Aの直列接続回路と、チョークコイルLo2と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo2Aの直列接続回路とがそれぞれ直列に挿入されたもとなる。
また、2次巻線N2Bに対しては、その一方の端部と他方の端部との間にチョークコイルLo1と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo1Bの直列接続回路と、チョークコイルLo2と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo2Bの直列接続回路とがそれぞれ直列に挿入されたもとなる。
これにより、この場合も2次巻線N2Aと2次巻線N2Bのそれぞれの出力に基づいて倍電流整流動作を行って平滑コンデンサCoに整流電流を充電することができる。
また、2次巻線N2Bに対しては、その一方の端部と他方の端部との間にチョークコイルLo1と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo1Bの直列接続回路と、チョークコイルLo2と平滑コンデンサCoと整流ダイオードDo2Bの直列接続回路とがそれぞれ直列に挿入されたもとなる。
これにより、この場合も2次巻線N2Aと2次巻線N2Bのそれぞれの出力に基づいて倍電流整流動作を行って平滑コンデンサCoに整流電流を充電することができる。
この図4(b)に示す構成とした場合にも、先の図1の構成とした場合と同様の効果を得ることができる。
続いて、図5には、第2の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成を示す。
なお、図5において、既に先の図1にて説明した部分と同様の部分については同一符号を付して説明を省略する。
第2の実施の形態のスイッチング電源回路は、先の図1の回路の2次側の構成について、コンデンサC3と抵抗R3とによるスナバ回路を省略した上で、2次巻線N2に対して直列に2次側直列共振コンデンサC2を挿入したものである。具体的にこの場合、2次側直列共振コンデンサC2は、2次巻線N2の巻終わり端部と、整流ダイオードDo2のカソードとチョークコイルLo2の接続点との間に挿入されるようにして接続される。
なお、図5において、既に先の図1にて説明した部分と同様の部分については同一符号を付して説明を省略する。
第2の実施の形態のスイッチング電源回路は、先の図1の回路の2次側の構成について、コンデンサC3と抵抗R3とによるスナバ回路を省略した上で、2次巻線N2に対して直列に2次側直列共振コンデンサC2を挿入したものである。具体的にこの場合、2次側直列共振コンデンサC2は、2次巻線N2の巻終わり端部と、整流ダイオードDo2のカソードとチョークコイルLo2の接続点との間に挿入されるようにして接続される。
ここで、この図2に示す電源回路としても、後に示す各部の選定条件により、絶縁コンバータトランスPITの1次側と2次側との総合的な結合係数として0.7〜0.8を設定するものとしている。つまり、この図5に示す第2の実施の形態の電源回路としても、絶縁コンバータトランスPITの結合係数を所定以下に設定することで、ワイドレンジ対応を実現することができる。
そして、この場合は、2次巻線N2に対して直列に2次側直列共振コンデンサC2を接続しているが、このことにより図5の電源回路の2次側では、2次巻線N2のリーケージインダクタンス(L2)と2次側直列共振コンデンサC2のキャパシタンスとにより、2次側直列共振回路が形成される。
このように2次側に対しても直列共振回路が形成されることで、その共振動作によって得られるエネルギーによっても2次側直流出力電圧Eo生成のための電力がまかなわれるので、その分電力変換効率の向上を図ることができる。
また、2次側直列共振回路を設けた場合は、1次側の直列共振回路を流れる電流I1のピークレベルが抑制されるとの実験結果も得られており、これによって損失が低減することも、効率向上に寄与するものとなっている。
このように2次側に対しても直列共振回路が形成されることで、その共振動作によって得られるエネルギーによっても2次側直流出力電圧Eo生成のための電力がまかなわれるので、その分電力変換効率の向上を図ることができる。
また、2次側直列共振回路を設けた場合は、1次側の直列共振回路を流れる電流I1のピークレベルが抑制されるとの実験結果も得られており、これによって損失が低減することも、効率向上に寄与するものとなっている。
なお、このようにして図5に示す電源回路では、従来の回路(図16の回路)と同様に2次側直列共振コンデンサC2を設けているが、その容量としては、後述もするようにC2=0.1μF程度であり、従来の回路が備えるものよりも相当に小さいものとすることができる。
これは、図5の回路では、ワイドレンジ対応とするにあたってもともと2次側に直列共振回路は不要であり、従来のようにワイドレンジ対応とするために2次側直列共振コンデンサC2の容量を大きく設定する必要がないためである。
このように2次側直列共振コンデンサC2の容量は比較的小さく設定することができることで、図5の回路としても、従来生じていたコンデンサの大型化やコスト高の問題を解決することができる。
これは、図5の回路では、ワイドレンジ対応とするにあたってもともと2次側に直列共振回路は不要であり、従来のようにワイドレンジ対応とするために2次側直列共振コンデンサC2の容量を大きく設定する必要がないためである。
このように2次側直列共振コンデンサC2の容量は比較的小さく設定することができることで、図5の回路としても、従来生じていたコンデンサの大型化やコスト高の問題を解決することができる。
なお、確認のために述べておくと、この図5に示す電源回路としても、2次側においては図1の場合と同様の倍電流整流動作が得られるので、その分整流ダイオードDo1とDo2とに流れる整流電流レベルを抑制することができる。
また、この場合も2次巻線N2に対しては直列にチョークコイルLo1とチョークコイルLo2とが接続されるため、2次巻線N2のリーケージインダクタンスをその分増やすことができ、ワイドレンジ対応とするための所定以下の結合係数を設定するにあって形成すべきギャップ長を短くすることができる。すなわち、このことで図5の電源回路としても、これらチョークコイルLo1、Lo2を設けないとした場合の構成と比較して、電力変換効率の向上を図ることができる。
また、この場合も2次巻線N2に対しては直列にチョークコイルLo1とチョークコイルLo2とが接続されるため、2次巻線N2のリーケージインダクタンスをその分増やすことができ、ワイドレンジ対応とするための所定以下の結合係数を設定するにあって形成すべきギャップ長を短くすることができる。すなわち、このことで図5の電源回路としても、これらチョークコイルLo1、Lo2を設けないとした場合の構成と比較して、電力変換効率の向上を図ることができる。
図6は、図5に示した電源回路の各要部の動作波形を示している。なお、図6に示す実験結果を得るにあたり、図5に示した電源回路は、負荷電力Po=150W〜0W、VAC=85V〜264Vの仕様に対し、各要部を次のように選定した。
先ず、この場合も絶縁コンバータトランスPITについては、コア材はEER=35、ギャップ長を0.5mmとし、1次巻線N1及び2次巻線N2の巻数としては、それぞれN1=35T、N2=30Tを巻装している。また、1次巻線N1の漏洩インダクタンスL1と2次巻線N2の漏洩インダクタンスL2は、この場合もL1=400μH、L2=300μHとした。この場合の絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしても、k=0.85である。
また、1次側直列共振コンデンサC1と1次側部分電圧共振コンデンサCpは、この場合もそれぞれC1=0.039μF、Cp=680PFである。さらに、2次側のチョークコイルLo1,Lo2も、Lo1=Lo2=150μHと図1の回路の場合と同様に選定した。
またこの場合、2次側の直列共振コンデンサC2としては、C2=0.1μFと選定した。
先ず、この場合も絶縁コンバータトランスPITについては、コア材はEER=35、ギャップ長を0.5mmとし、1次巻線N1及び2次巻線N2の巻数としては、それぞれN1=35T、N2=30Tを巻装している。また、1次巻線N1の漏洩インダクタンスL1と2次巻線N2の漏洩インダクタンスL2は、この場合もL1=400μH、L2=300μHとした。この場合の絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしても、k=0.85である。
また、1次側直列共振コンデンサC1と1次側部分電圧共振コンデンサCpは、この場合もそれぞれC1=0.039μF、Cp=680PFである。さらに、2次側のチョークコイルLo1,Lo2も、Lo1=Lo2=150μHと図1の回路の場合と同様に選定した。
またこの場合、2次側の直列共振コンデンサC2としては、C2=0.1μFと選定した。
なお、図5に示す電源回路では、上記による各部の選定条件により、1次巻線N1に生じるリーケージインダクタンスL1と1次側直列共振コンデンサC1とで定まる1次側直列共振回路の共振周波数を共振周波数fo1、2次巻線N2に生じるリーケージインダクタンスL2と2次側直列共振コンデンサC2とで定まる2次側直列共振回路の共振周波数を共振周波数fo2とする場合において、共振周波数fo1≒2fo2となる関係に設定している。
図6において、図6(a)では負荷電力Po=150W(最大負荷電力)時の動作波形を示し、図6(b)では負荷電力Po=0W(無負荷電力)時の動作波形を示している。この図6の波形図としても、交流入力電圧VAC=100V時の実験結果を示している。
これら図6(a)(b)において、この場合もスイッチング素子Q2の両端電圧である電圧V1、スイッチング素子Q2を流れる電流IQ2、1次側直列共振回路を流れる共振電流I1(電流I1)により示される1次側のスイッチング動作としては、先の図2において同じく電圧V1、電流IQ2、電流I1を参照して説明したものと同様となる。
但し、図5に示す電源回路では、電流I1のピークレベルが先の図2の場合よりも低下していることがわかる。これは、先に述べたようにして図5の回路では2次側直列共振回路が形成されていることによるものである。
但し、図5に示す電源回路では、電流I1のピークレベルが先の図2の場合よりも低下していることがわかる。これは、先に述べたようにして図5の回路では2次側直列共振回路が形成されていることによるものである。
また、2次側において、この場合も2次巻線N2に図示する電圧V2が励起されることで、この電圧V2が正極性となる一方の半周期においては、2次側の整流ダイオードDo2が導通して整流電流が流れ、電圧V2が負極性となる他方の半周期においては、整流ダイオードDo1が導通して整流電流が流れる。
この図6では、整流ダイオードDo1を流れる整流電流(電流I5)と共に、整流ダイオードDo2に流れる整流電流(電流I6)も示している。なお、この場合もこれら電流I5、電流I6としては、Po=0W時には零レベルとなる。
この図6では、整流ダイオードDo1を流れる整流電流(電流I5)と共に、整流ダイオードDo2に流れる整流電流(電流I6)も示している。なお、この場合もこれら電流I5、電流I6としては、Po=0W時には零レベルとなる。
そして、この図6において特筆すべきは、この場合も電流I4として示すチョークコイルLo1を流れる電流がスイッチング周期の各半周期において休止期間無く連続的に流れるものとなっていることである。すなわち、この電流I4の波形より、図5の回路の場合としても各チョークコイルLoには連続動作モードにより電流が流れていることがわかる。
このようにして各チョークコイルLoに連続動作モードにより電流が流されることで、この場合も各チョークコイルLoのインダクタンス(つまり2次巻線N2のリーケージインダクタンス)をその分増加させることができ、これによって絶縁コンバータトランスPITの渦電流損失を低減でき、より高効率とすることができる。
このようにして各チョークコイルLoに連続動作モードにより電流が流されることで、この場合も各チョークコイルLoのインダクタンス(つまり2次巻線N2のリーケージインダクタンス)をその分増加させることができ、これによって絶縁コンバータトランスPITの渦電流損失を低減でき、より高効率とすることができる。
図7は、図5に示した電源回路の特性図である。なお、この図7に示す特性図としても、図5に示した電源回路の各要部を上述した定数に設定した場合に得られた実験結果を示している。
図7(a)は、交流入力電圧VAC=100VとVAC=230Vの入力電圧条件の下での負荷変動に対する電力変換効率ηAC→DC、およびスイッチング周波数fsの特性を示している。
この場合も実線により交流入力電圧VAC=100V時の特性を示しているが、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは91.1%であり、また、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは71.5kHz〜82.5kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は11kHzとなっている。
また、交流入力電圧VAC=230Vは点線で表されており、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは92.3%で、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは120.4kHz〜129.8kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は9.4kHzとなっている。
この場合も実線により交流入力電圧VAC=100V時の特性を示しているが、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは91.1%であり、また、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは71.5kHz〜82.5kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は11kHzとなっている。
また、交流入力電圧VAC=230Vは点線で表されており、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは92.3%で、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは120.4kHz〜129.8kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は9.4kHzとなっている。
また、図7(b)は、交流入力電圧VAC=85V〜264Vの範囲におけるスイッチング周波数fsおよび電力変換効率ηAC→DCの値を示している。このように広範囲な交流入力電圧VACに対して、スイッチング周波数fsの範囲はおよそ69kHz〜128kHz程度で十分に狭く、この実験の結果からも図5の電源回路をワイドレンジ対応とできるのは明らかである。
また、電力変換効率ηAC→DCの値もおよそ90.5%〜92%と比較的高い数値となっている。
また、電力変換効率ηAC→DCの値もおよそ90.5%〜92%と比較的高い数値となっている。
この図7に示した結果より、図5の電源回路では0W〜150Wの負荷変動と交流入力電圧VAC=85V〜264Vの変動に対して、電力変換効率ηAC→DCが先の図1の回路の場合(図3参照)よりも向上していることがわかる。このように図5の電源回路で電力変換効率が向上するのは、これまでの説明からも理解されるように、図1の回路構成に対して2次側直列共振コンデンサC2を接続するようにしたことによる。
また、図8には、図5に示した電源回路の2次側の変形例を示す。
先ず、図8(a)の変形例は、先の図4(a)の変形例と同様に、並列接続した2次巻線N2Aと2次巻線N2Bのそれぞれの出力を、整流ダイオードDo1・整流ダイオードDo2・チョークコイルLo1・チョークコイルLo2・平滑コンデンサCoによる共通の倍電流整流平滑回路により整流平滑して2次側直流出力電圧Eoを生成するようにしたものである。
なお、この場合の回路構成としては、2次巻線N2Aに対して2次側直列共振コンデンサC2を直列に接続し、また2次巻線N2Bに対して2次側直列共振コンデンサC2Bを直列に接続する以外は、図4(a)の構成と同様となる。具体的に、この場合の2次側直列共振コンデンサC2Aは、2次巻線N2Aの巻始め端部と、整流ダイオードDo1のカソードとチョークコイルLo1の接続点との間に挿入されるようにして接続される。同様に2次側直列共振コンデンサC2Bとしては、2次巻線N2Bの巻始め端部と、上記整流ダイオードDo1のカソードとチョークコイルLo1の接続点との間に挿入されるようにして接続される。
先ず、図8(a)の変形例は、先の図4(a)の変形例と同様に、並列接続した2次巻線N2Aと2次巻線N2Bのそれぞれの出力を、整流ダイオードDo1・整流ダイオードDo2・チョークコイルLo1・チョークコイルLo2・平滑コンデンサCoによる共通の倍電流整流平滑回路により整流平滑して2次側直流出力電圧Eoを生成するようにしたものである。
なお、この場合の回路構成としては、2次巻線N2Aに対して2次側直列共振コンデンサC2を直列に接続し、また2次巻線N2Bに対して2次側直列共振コンデンサC2Bを直列に接続する以外は、図4(a)の構成と同様となる。具体的に、この場合の2次側直列共振コンデンサC2Aは、2次巻線N2Aの巻始め端部と、整流ダイオードDo1のカソードとチョークコイルLo1の接続点との間に挿入されるようにして接続される。同様に2次側直列共振コンデンサC2Bとしては、2次巻線N2Bの巻始め端部と、上記整流ダイオードDo1のカソードとチョークコイルLo1の接続点との間に挿入されるようにして接続される。
また、図8(b)に示す2次側の変形例としては、先の図4(b)に示した変形例と同様に、チョークコイルLo1、チョークコイルLo2、平滑コンデンサCoのみを共有するようにし、2次巻線N2A、2次巻線N2Bのそれぞれ対応させて整流ダイオードDo1A・Do2Aの組、整流ダイオードDo1B・Do2Bの組を設けるようにしたものである。
この場合の回路構成としては、先の図4(b)の変形例の構成に対し、2次巻線N2Aに2次側直列共振コンデンサC2を直列に接続し、また2次巻線N2Bに対して2次側直列共振コンデンサC2Bを直列に接続したものとなる。より詳細には、2次側直列共振コンデンサC2Aは、2次巻線N2Aの巻始め端部と整流ダイオードDo1AのカソードとチョークコイルLo1の接続点との間に挿入されるようにして接続される。また2次側直列共振コンデンサC2Bとしては、2次巻線N2Bの巻始め端部と整流ダイオードDo1BのカソードとチョークコイルLo1の接続点との間に挿入されるようにして接続されている。
この場合の回路構成としては、先の図4(b)の変形例の構成に対し、2次巻線N2Aに2次側直列共振コンデンサC2を直列に接続し、また2次巻線N2Bに対して2次側直列共振コンデンサC2Bを直列に接続したものとなる。より詳細には、2次側直列共振コンデンサC2Aは、2次巻線N2Aの巻始め端部と整流ダイオードDo1AのカソードとチョークコイルLo1の接続点との間に挿入されるようにして接続される。また2次側直列共振コンデンサC2Bとしては、2次巻線N2Bの巻始め端部と整流ダイオードDo1BのカソードとチョークコイルLo1の接続点との間に挿入されるようにして接続されている。
続いて、図9は、第3の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成を示している。
なお、図9においては、既に図1、図5にて説明した部分については同一符号を付して説明を省略する。
第3の実施の形態の電源回路は、第2の実施の形態の電源回路に対し、第1の実施の形態の電源回路が備えていたコンデンサC3と抵抗R3の直列接続によるスナバ回路を追加するようにしたものである。
この場合のスナバ回路としては、図示するようにしてコンデンサC3側が二次巻線N2の巻始め端部に接続され、また抵抗R3側が2次側直列共振コンデンサC2と接続されて、2次巻線N2に対して並列に接続されている。
なお、図9においては、既に図1、図5にて説明した部分については同一符号を付して説明を省略する。
第3の実施の形態の電源回路は、第2の実施の形態の電源回路に対し、第1の実施の形態の電源回路が備えていたコンデンサC3と抵抗R3の直列接続によるスナバ回路を追加するようにしたものである。
この場合のスナバ回路としては、図示するようにしてコンデンサC3側が二次巻線N2の巻始め端部に接続され、また抵抗R3側が2次側直列共振コンデンサC2と接続されて、2次巻線N2に対して並列に接続されている。
図10は、図9に示す電源回路の各要部の動作波形を示している。なお、図10に示す実験結果を得るにあたっては、負荷電力Po=150W〜0W、VAC=85V〜264Vの仕様に対し、図9の電源回路の各要部を次のように選定した。
先ず、この場合も絶縁コンバータトランスPITについては、コア材はEER=35、ギャップ長を0.5mmとし、1次巻線N1及び2次巻線N2の巻数としては、それぞれN1=35T、N2=30Tを巻装している。また、1次巻線N1の漏洩インダクタンスL1と2次巻線N2の漏洩インダクタンスL2は、この場合もL1=400μH、L2=300μHとした。絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kはこの場合もk=0.85である。
また、1次側直列共振コンデンサC1と1次側部分電圧共振コンデンサCpは、この場合もそれぞれC1=0.039μF、Cp=680PFである。さらに、2次側のチョークコイルLo1,Lo2も、Lo1=Lo2=150μHと図1の回路の場合と同様に選定した。
また、2次側の直列共振コンデンサC2は、先の図5の回路の場合と同様にC2=0.1μFと選定した。さらにスナバ回路を形成するコンデンサC3と抵抗R3は、図1の回路の場合と同様のC3=330PF、R3=330Ωに選定した。
先ず、この場合も絶縁コンバータトランスPITについては、コア材はEER=35、ギャップ長を0.5mmとし、1次巻線N1及び2次巻線N2の巻数としては、それぞれN1=35T、N2=30Tを巻装している。また、1次巻線N1の漏洩インダクタンスL1と2次巻線N2の漏洩インダクタンスL2は、この場合もL1=400μH、L2=300μHとした。絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kはこの場合もk=0.85である。
また、1次側直列共振コンデンサC1と1次側部分電圧共振コンデンサCpは、この場合もそれぞれC1=0.039μF、Cp=680PFである。さらに、2次側のチョークコイルLo1,Lo2も、Lo1=Lo2=150μHと図1の回路の場合と同様に選定した。
また、2次側の直列共振コンデンサC2は、先の図5の回路の場合と同様にC2=0.1μFと選定した。さらにスナバ回路を形成するコンデンサC3と抵抗R3は、図1の回路の場合と同様のC3=330PF、R3=330Ωに選定した。
なお、図9に示す電源回路としても、上記による各部の選定条件により、1次側と2次側の総合的な結合係数としては0.7〜0.8程度を設定している。
また、上記各部の選定条件により、この場合も1次側直列共振回路の共振周波数fo1と2次側直列共振回路の共振周波数fo2とについては、fo1≒2fo2となる関係に設定している。
また、上記各部の選定条件により、この場合も1次側直列共振回路の共振周波数fo1と2次側直列共振回路の共振周波数fo2とについては、fo1≒2fo2となる関係に設定している。
この図10としても、(a)図では負荷電力Po=150W(最大負荷電力)時の動作波形を示し、(b)図では負荷電力Po=0W(無負荷電力)時の動作波形を示しており、また各図とも交流入力電圧VAC=100V時の実験結果を示している。
この場合もスイッチング素子Q2の両端電圧である電圧V1、スイッチング素子Q2を流れる電流IQ2、1次側直列共振回路を流れる共振電流I1(電流I1)により示される1次側のスイッチング動作としては、先の図2において同じく電圧V1、電流IQ2、電流I1を参照して説明したものと同様となる。
但しこの場合も、電流I1のピークレベルが先の図2の場合よりも低下するものとなる。これは、図9の回路としても、図5の回路の場合と同様に2次側に直列共振回路が形成されているからである。
但しこの場合も、電流I1のピークレベルが先の図2の場合よりも低下するものとなる。これは、図9の回路としても、図5の回路の場合と同様に2次側に直列共振回路が形成されているからである。
また、2次側において、この場合も2次巻線N2に図示する電圧V2が励起されることで、この電圧V2が正極性となる一方の半周期においては、2次側の整流ダイオードDo2が導通して整流電流が流れ、電圧V2が負極性となる他方の半周期においては、整流ダイオードDo1が導通して整流電流が流れる。
この図10においても、先の図6と同様に整流ダイオードDo1を流れる整流電流(電流I5)と共に、整流ダイオードDo2に流れる整流電流(電流I6)も示している。なお、この場合もこれら電流I5、電流I6としては、Po=0W時には零レベルとなる。
この図10においても、先の図6と同様に整流ダイオードDo1を流れる整流電流(電流I5)と共に、整流ダイオードDo2に流れる整流電流(電流I6)も示している。なお、この場合もこれら電流I5、電流I6としては、Po=0W時には零レベルとなる。
この図10と先の図6の波形図とを比較すると、図6では高周波の波形成分により示されていた電圧V2のリンギング成分が、図10の場合では除去されていることがわかる。つまり、このことからも、図5の構成に対してスナバ回路を追加した図10の回路では、電圧V2に生じるリンギング成分が有効に除去されていることがわかる。
なお、図6の波形図においては電圧V2のリンギング成分の影響で、スイッチング素子のターンオン/オフ時に対応して電流IQ2、電流I1、電流I5、電流I6にそれぞれ高周波成分が重畳されていたが、図10においては、これらも有効に除去されていることが示されている。
なお、図6の波形図においては電圧V2のリンギング成分の影響で、スイッチング素子のターンオン/オフ時に対応して電流IQ2、電流I1、電流I5、電流I6にそれぞれ高周波成分が重畳されていたが、図10においては、これらも有効に除去されていることが示されている。
また、この場合も電流I4として示されるチョークコイルLo1を流れる電流がスイッチング周期の各半周期において休止期間無く連続的に流れるものとなっていることが示され、これにより図9の回路としても各チョークコイルLoには連続動作モードにより電流が流れていることがわかる。
このようにして各チョークコイルLoに連続動作モードにより電流が流されることで、この場合も各チョークコイルLoのインダクタンス(つまり2次巻線N2のリーケージインダクタンス)をその分増加させることができ、これによって絶縁コンバータトランスPITの渦電流損失を低減できて、より高効率とすることができる。
このようにして各チョークコイルLoに連続動作モードにより電流が流されることで、この場合も各チョークコイルLoのインダクタンス(つまり2次巻線N2のリーケージインダクタンス)をその分増加させることができ、これによって絶縁コンバータトランスPITの渦電流損失を低減できて、より高効率とすることができる。
図11は、図9に示した電源回路の特性図である。この図11に示す特性図としても、図9に示した電源回路の各要部を上述した定数に設定した場合に得られた実験結果を示している。
図11(a)は、交流入力電圧VAC=100VとVAC=230Vの入力電圧条件の下での負荷変動に対する電力変換効率ηAC→DC、およびスイッチング周波数fsの特性を示している。
この場合も実線により交流入力電圧VAC=100V時の特性を示しており、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは90.8%であり、また、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは70.3kHz〜81.5kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は11.2kHzとなっている。
また、交流入力電圧VAC=230Vは点線で示しており、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは92.1%で、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは120.0kHz〜128.4kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は8.4kHzとなっている。
この場合も実線により交流入力電圧VAC=100V時の特性を示しており、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは90.8%であり、また、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは70.3kHz〜81.5kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は11.2kHzとなっている。
また、交流入力電圧VAC=230Vは点線で示しており、負荷電力Poが最大負荷時の150Wの時の電力変換効率ηAC→DCは92.1%で、負荷電力Poの150〜0Wの変動に対するスイッチング周波数fsは120.0kHz〜128.4kHzで、スイッチング周波数fsの変化幅Δfsの値は8.4kHzとなっている。
また、図11(b)は、交流入力電圧VAC=85V〜264Vの範囲におけるスイッチング周波数fsおよび電力変換効率ηAC→DCの値を示している。このように広範囲な交流入力電圧VACに対して、スイッチング周波数fsの範囲はおよそ73kHz〜125kHz程度で十分に狭く、この実験の結果からも図9の電源回路をワイドレンジ対応とできるのは明らかである。
また、電力変換効率ηAC→DCの値もおよそ90.5%〜92%と比較的高い数値となっている。
また、電力変換効率ηAC→DCの値もおよそ90.5%〜92%と比較的高い数値となっている。
この図11の結果によると、図9に示した電源回路としても、0W〜150Wの負荷変動と交流入力電圧VAC=85V〜264Vの変動に対する電力変換効率ηAC→DCは、先の図1の回路の場合(図3参照)よりも向上していることがわかる。これは、図9の回路としても、先の図5の回路の場合と同様に2次側に直列共振回路を形成するようにしているからである。
図12は、図11に示した回路の2次側の変形例の構成について示している。
この場合も図12(a)(b)にそれぞれ示す変形例としては、先ず図12(a)が、先の図8(a)の変形例と同様に、並列接続した2次巻線N2Aと2次巻線N2Bのそれぞれの出力を、整流ダイオードDo1・整流ダイオードDo2・チョークコイルLo1・チョークコイルLo2・平滑コンデンサCoによる共通の倍電流整流平滑回路により整流平滑して2次側直流出力電圧Eoを生成するようにしたものとなる。
また図12(b)が、先の図8(b)に示した変形例と同様に、チョークコイルLo1、チョークコイルLo2、平滑コンデンサCoのみを共有するようにし、2次巻線N2A、2次巻線N2Bのそれぞれ対応させて整流ダイオードDo1A・Do2Aの組、整流ダイオードDo1B・Do2Bの組を設けるようにしたものとされる。
この場合も図12(a)(b)にそれぞれ示す変形例としては、先ず図12(a)が、先の図8(a)の変形例と同様に、並列接続した2次巻線N2Aと2次巻線N2Bのそれぞれの出力を、整流ダイオードDo1・整流ダイオードDo2・チョークコイルLo1・チョークコイルLo2・平滑コンデンサCoによる共通の倍電流整流平滑回路により整流平滑して2次側直流出力電圧Eoを生成するようにしたものとなる。
また図12(b)が、先の図8(b)に示した変形例と同様に、チョークコイルLo1、チョークコイルLo2、平滑コンデンサCoのみを共有するようにし、2次巻線N2A、2次巻線N2Bのそれぞれ対応させて整流ダイオードDo1A・Do2Aの組、整流ダイオードDo1B・Do2Bの組を設けるようにしたものとされる。
具体的に、図12(a)の変形例としては、図8(a)に示した変形例の構成に対し、1組のコンデンサC3−抵抗R3による共通のスナバ回路を2次巻線N2Aと2次巻線N2Bの双方に並列となるように接続したものとなっている。
なお、図示による説明は省略するが、先の図4(a)に示した変形例の構成としても、この図12(a)の変形例と同様に、コンデンサC3−抵抗R3による共通のスナバ回路を2次巻線N2Aと2次巻線N2Bの双方に並列となるように接続することもできる。
或いは逆に、この図12(a)の変形例としても、先の図4(a)の場合と同様に2次巻線N2Aと2次巻線N2Bの個々に並列に別々のスナバ回路を接続するようにすることもできる。
なお、図示による説明は省略するが、先の図4(a)に示した変形例の構成としても、この図12(a)の変形例と同様に、コンデンサC3−抵抗R3による共通のスナバ回路を2次巻線N2Aと2次巻線N2Bの双方に並列となるように接続することもできる。
或いは逆に、この図12(a)の変形例としても、先の図4(a)の場合と同様に2次巻線N2Aと2次巻線N2Bの個々に並列に別々のスナバ回路を接続するようにすることもできる。
また、図12(b)の変形例としては、図8(b)に示した変形例の構成に対し、2次巻線N2AにはコンデンサC3A−抵抗R3Aによるスナバ回路を並列接続し、また2次巻線N2BにはコンデンサC3B−抵抗R3Bによるスナバ回路を並列接続したものとなっている。
これら図12(a)(b)に示す変形例の構成とした場合にも、図9に示した電源回路の場合と同様の効果を得ることができる。
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明としてはこれまでに説明した各実施の形態に限定されるべきものではない。
例えば、絶縁コンバータトランスPITについては、コア形式などをはじめとして、その構造については適宜変更されて構わない。
また、実施の形態で例示したスイッチングコンバータは、他励式による電流共振形コンバータをその基礎としているが、例えば自励式による電流共振形コンバータを備えて構成することも可能である。また、スイッチングコンバータにおいて選定されるスイッチング素子としても、例えばバイポーラトランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などをはじめとしてMOS−FET以外の素子が採用されて構わない。
また、先に説明した各部品素子の定数なども、実際の条件等に応じて適宜変更されて構わないものである。
また、重負荷対応の構成として、商用交流電源AC(交流入力電圧VAC)を入力して整流平滑電圧Eiを生成するための整流電流回路系を、交流入力電圧VACの2倍に対応するレベルの整流平滑電圧Eiを生成する倍電圧整流回路により構成することもできる。ただし、このようにして整流平滑電圧Eiを生成する整流平滑回路系を倍電圧整流回路とする構成は、AC100V系のみの単レンジ対応としての構成となる。
例えば、絶縁コンバータトランスPITについては、コア形式などをはじめとして、その構造については適宜変更されて構わない。
また、実施の形態で例示したスイッチングコンバータは、他励式による電流共振形コンバータをその基礎としているが、例えば自励式による電流共振形コンバータを備えて構成することも可能である。また、スイッチングコンバータにおいて選定されるスイッチング素子としても、例えばバイポーラトランジスタやIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)などをはじめとしてMOS−FET以外の素子が採用されて構わない。
また、先に説明した各部品素子の定数なども、実際の条件等に応じて適宜変更されて構わないものである。
また、重負荷対応の構成として、商用交流電源AC(交流入力電圧VAC)を入力して整流平滑電圧Eiを生成するための整流電流回路系を、交流入力電圧VACの2倍に対応するレベルの整流平滑電圧Eiを生成する倍電圧整流回路により構成することもできる。ただし、このようにして整流平滑電圧Eiを生成する整流平滑回路系を倍電圧整流回路とする構成は、AC100V系のみの単レンジ対応としての構成となる。
1 制御回路、2 発振・ドライブ回路、AC 商用交流電源、Ci 平滑コンデンサ、Q1、Q2 スイッチング素子、C1 1次側直列共振コンデンサ、Cp 1次側部分電圧共振コンデンサ、PIT 絶縁コンバータトランス、N1 1次巻線、N2、N2A、N2B 2次巻線、L1、L2 リーケージインダクタンス、C2 2次側直列共振コンデンサ、Do1、Do2、Do1A、Do2A、Do1B、Do2B 整流ダイオード、Co 平滑コンデンサ、C3、C3A、C3B コンデンサ、R3、R3A、R3B 抵抗
Claims (4)
- 直流入力電圧を入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段と、
上記スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段と、
上記スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される1次巻線と、この1次巻線により交番電圧が誘起される2次巻線とが巻装されて形成される絶縁コンバータトランスと、
上記絶縁コンバータトランスの1次巻線の漏洩インダクタンス成分と、上記1次巻線に直列接続された1次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて第1の共振周波数が設定され、上記スイッチング手段の動作を電流共振形とする1次側直列共振回路と、
上記2次巻線の一端と他端との間に対して、それぞれ第1のインダクタ素子と2次側平滑コンデンサと第1の整流ダイオードとによる直列接続回路と、第2のインダクタ素子と上記2次側平滑コンデンサと第2の整流ダイオードとによる直列接続回路とが直列に挿入されるようにして形成されると共に、上記2次巻線に生じる交番電圧の各半周期の動作として、一方の半周期には、上記第1の整流ダイオードが導通することで流される整流電流と他方の半周期にて上記第2のインダクタ素子に蓄積された電流成分とを充電し、他方の半周期には、上記第2の整流ダイオードが導通することで流される整流電流と一方の半周期にて上記第1のインダクタ素子に蓄積された電流成分とを充電する倍電流整流動作を行って、上記2次側平滑コンデンサに2次側直流出力電圧を得る2次側直流出力電圧生成手段と、
上記2次側直流出力電圧のレベルに応じて上記スイッチング駆動手段を制御して、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変することで、上記2次側直流出力電圧について定電圧制御を行う定電圧制御手段と、
を備えると共に、
上記絶縁コンバータトランスは、1次側と2次側との結合係数が疎結合とされる所定以下の値に設定されている、
ことを特徴とするスイッチング電源回路。 - 上記スイッチング素子のスイッチング周期の各半周期において上記第1及び第2のインダクタ素子に休止期間無く整流電流が流れるようにして、上記絶縁コンバータトランスの2次巻線の巻数が選定されている、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。 - 上記2次巻線に対して並列にコンデンサと抵抗との直列接続回路によるスナバ回路が接続されている、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。 - 上記2次巻線に対して直列に2次側直列共振コンデンサが接続されている、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2006139611A JP2007312522A (ja) | 2006-05-18 | 2006-05-18 | スイッチング電源回路 |
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JP2006139611A Pending JP2007312522A (ja) | 2006-05-18 | 2006-05-18 | スイッチング電源回路 |
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JP (1) | JP2007312522A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010220385A (ja) * | 2009-03-17 | 2010-09-30 | Fdk Corp | スイッチング素子の損失低減回路 |
JP2015012622A (ja) * | 2013-06-26 | 2015-01-19 | シャープ株式会社 | 電源装置 |
-
2006
- 2006-05-18 JP JP2006139611A patent/JP2007312522A/ja active Pending
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