JP2008160948A - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】一次側のスイッチ素子の休止期間での電圧が安定し、アブノーマル動作時でも磁束のアンバランスは発生しにくいスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】フルブリッジ型のブリッジ回路の出力端子に、一次・二次間を絶縁する出力トランスT1の一次巻線N11を接続し、出力トランスを介して負荷へ電力を供給するスイッチング電源装置であって、該出力トランスは少なくとも二つのコア10,20を備え、二つのコアは四つの磁脚を並列に設け、該コアの中央の磁脚12,13,22,23は両端の磁脚11,14,21,24より短く、二つのコアを衝合させた際に磁脚を有するコアの中央の磁脚にギャップができるように構成し、中央二本の磁脚に跨って一次巻線を巻回し、両端の磁脚に二つの二次巻線N21,N22をそれぞれ巻回してあるとともに、該ブリッジ回路を構成するスイッチ素子Q1〜Q4を位相シフト制御するようにしてあることを特徴とする。
【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。
弊社では以前、図9に示すように、直流電源V1に四つのスイッチ素子Q1〜Q4を備えたブリッジ回路を接続し、このブリッジ回路の出力端子に、一次・二次間を絶縁する出力トランスT1の一次巻線N11を接続してある。出力トランスT1の二次巻線は二つのスイッチ素子Q5,Q6を備えた出力回路を介して負荷へ電力を供給するスイッチング電源装置を特許出願している(特許文献1参照)。
特開2003−189622号公報
図9に示すスイッチング電源装置に係る出力トランスT1は、二つのコア10,20を備えてある。これらコア10,20はそれぞれ四つの磁脚11〜14,21〜24を並列に設けてある。コア10,20の中央の磁脚12,13,22,23は両端の磁脚11,14,21,24より短く、二つのコア10,20を衝合させた際にコア10,20の中央の磁脚12,13,22,23にギャップができるように構成してある。二つのコア10,20のうち、一方のコア10の中央二本12,13の磁脚に跨って一次巻線N11を巻回してある。他方のコア20の中央一方の磁脚22に第一の二次巻線N21を巻回し、他方のコア20の中央他方の磁脚23に第二の二次巻線N22を巻回してある。第一の二次巻線N21には第一の整流スイッチ素子Q5を、第二の二次巻線N22には第二の整流スイッチ素子Q6をそれぞれ接続してある。
しかし、このスイッチング電源装置における制御方法では、図10に示すように、一次側のスイッチ素子Q1〜Q4の休止期間t1,t2がハイインピーダンスの状態で一次側のスイッチ素子Q1〜Q4のその期間での電圧が非常に不安定な状態になる。また、入出力の急変動及びその他アブノーマルな動作字にハイ又はローなどに電位が偏ると出力トランスに磁束のアンバランスが発生し、コアの片側半分に磁束が集中し、最悪スイッチ素子Q1〜Q4を破壊する恐れがある。特にトランスとチョークの一体型で二次側の巻線を別々の磁脚に巻いている場合、対称性を崩しやすいという問題もある。
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、一次側のスイッチ素子の休止期間での電圧が安定し、アブノーマル動作時でも磁束のアンバランスは発生しにくい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、本発明のスイッチング電源装置は、直流電源にフルブリッジ型のブリッジ回路を接続し、このブリッジ回路の出力端子に、一次・二次間を絶縁する出力トランスの一次巻線を接続し、この出力トランスを介して負荷へ電力を供給するスイッチング電源装置であって、前記出力トランスは少なくとも二つのコアを備えてあり、少なくとも一つのコアはそれぞれ三つ又は四つの磁脚を並列に設けてあり、前記コアの中央の磁脚は両端の磁脚より短く、二つのコアを衝合させた際に磁脚を有するコアの中央の磁脚にギャップができるように構成してあり、一本の磁脚若しくは二本の磁脚に跨って一次巻線と二つの二次巻線をそれぞれ巻回してあるとともに、前記ブリッジ回路を構成するスイッチ素子を位相シフト制御するように構成してあることを特徴とする。
前記ブリッジ回路の出力端子の一端と前記一次巻線との間、若しくは前記一次巻線中にコンデンサを接続してあることを特徴とする。
前記出力トランスは二つのコアを備えてあり、これらコアはそれぞれ四つの磁脚を並列に設けてあり、前記コアの中央二本の磁脚は両端の磁脚より短く、二つのコアの両端の磁脚同士を衝合させた際に中央二本の磁脚間にギャップができるように構成してあることを特徴とする
また、前記二つのコアのうち、一方のコアの中央二本の磁脚に跨って一次巻線を巻回し、他方のコアの中央一方の磁脚に第一の二次巻線を巻回し、他方のコアの中央他方の磁脚に第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする。
若しくは、前記二つのコアのうち、一方のコアの中央それぞれの磁脚に一次巻線を巻回し、これらを接続してあるとともに、他方のコアの中央一方の磁脚に第一の二次巻線を巻回し、他方のコアの中央他方の磁脚に第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする。
前記出力トランスは二つのコアを備えてあり、一方のコアは一本の磁脚のみで構成してあるのに対し、他方のコアは三つの磁脚を並列に設けてあり、他方のコアの中央の磁脚は両端の磁脚より短く、他方のコアの両端の磁脚を一方のコアに衝合させた際に他方のコアの中央の磁脚と一方のコアとの間にギャップができるように構成してあることを特徴とする。
また、前記他方のコアの中央の磁脚に一次巻線を巻回し、他方のコアの両端にそれぞれ第一の二次巻線と第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする。
前記出力トランスは三つのコアを備えてあり、第一のコアは一本の磁脚のみで構成してあるのに対し、第二並びに第三のコアは三つの磁脚を並列に設けてあり、第二並びに第三のコアの中央の磁脚は両端の磁脚より短く、第二並びに第三のコアの両端の磁脚を第一のコアに衝合させた際に第二並びに第三のコアの中央の磁脚と第一のコアとの間にギャップができるように構成してあることを特徴とする。
また、前記第二並びに第三のコアの中央の磁脚にそれぞれ一次巻線を巻回して接続し、第二並びに第三のコアの中央の磁脚にそれぞれ第一の二次巻線と第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする。
又は、前記第一のコアに二つの一次巻線を巻回して接続し、前記第一のコアにそれぞれ第一の二次巻線と第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする。
本発明によれば、位相シフト制御することにより、一次側のスイッチ素子の休止期間はローインピーダンスの状態となり、一次側のスイッチ素子の休止期間での電圧は非常に安定する。そのため、アブノーマル動作時でも磁束のアンバランスは発生しにくく、トランスとチョークの一体型で二次巻線を別々の磁脚に巻いても動作の対称性が保たれる。また、ブリッジ回路の出力端子の一端と一次巻線との間、若しくは一次巻線中にコンデンサを接続することにより偏励磁を防止することができる。
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、直流電源V1に4つのスイッチ素子Q1〜Q4を有するフルブリッジ型のブリッジ回路を接続し、このブリッジ回路の出力端子の一端に偏励磁防止用のコンデンサC1を接続し、このコンデンサC1と前記ブリッジ回路の出力端子の他端に、一次・二次間を絶縁する出力トランスT1の一次巻線N11を接続して、フルブリッジ型のスイッチング回路を構成してある。
本実施例に係るスイッチング電源装置を構成する出力トランスT1は、二つのコア10,20を備えてある。これらコア10,20はそれぞれ四つの磁脚11〜14,21〜24を並列に設けてある。中央二つの磁脚12,13,22,23が両端二つの磁脚11,14,21,24より短く構成してある。二つのコア10,20の両端の磁脚同士を衝合させた際に中央二本の磁脚12,22,13,23間にギャップができるように構成してある。一方のコア10の中央二本の磁脚12,13に跨って一次巻線N11を巻回し、他方のコア20の中央一方の磁脚22に第一の二次巻線N21を巻回し、他方のコア20の中央他方の磁脚23に第二の二次巻線N22を巻回してある。以上のような構成より、特に、二つのコア10,20の両端の磁脚同士を衝合させた際に中央二本の磁脚12,22,13,23間にギャップができるように構成したことにより、この実施例に係る出力トランスT1は図2図示の等価回路に示すように、トランスとチョークとが一体型のものとなる。
二つの二次巻線N21,N22はそれぞれスイッチ素子Q5,Q6に接続し、平滑コンデンサC2とともに負荷に接続して出力回路を構成し、電源から出力トランスT1を介して負荷へ電力を供給するように構成してある。
フルブリッジ型のスイッチング回路を構成するスイッチ素子Q1〜Q4の制御端子には制御回路(図示しない)を接続してあり、この制御回路を用いて位相シフト制御するように構成してある。具体的には以下のように制御する。
フルブリッジ型のスイッチング回路を構成する4つのスイッチ素子Q1〜Q4の一方のアームの高位側スイッチ素子Q1と他方のアームの高位側スイッチ素子Q3の位相が出力電圧に応じて制御され、これにより、一方のアームの高位側スイッチ素子Q1と他方のアームの低位側スイッチ素子Q4が同時にオン状態となる期間、並びに、一方のアームの低位側スイッチ素子Q2と他方のアームの高位側スイッチ素子Q3が同時にオン状態となる期間が出力電圧に応じて調整される。ここで、スイッチング回路から出力回路に伝送される電力は、一方のアームの高位側スイッチ素子Q1と他方のアームの低位側スイッチ素子Q4が同時にオン状態となる期間、並びに、一方のアームの低位側スイッチ素子Q2と他方のアームの高位側スイッチ素子Q3が同時にオン状態となる期間によって決まることから、上記位相を制御することにより、出力電圧を所望の値に安定させることが可能となる。
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。回路動作を図3に示し、これを用いて説明する。先ず、図3に示す時間t1になる前に、他方のアームの低位側スイッチ素子Q4がオンする。その後一方のアームの高位側スイッチ素子Q1がオンする。これにより、直流電源V1から流れる電流は、一方のアームの高位側スイッチ素子Q1、コンデンサC1、一次巻線N11、他方のアームの低位側スイッチ素子Q4を介して一次側流れるとともに、出力トランスT1の第一の二次巻線N21を介して、第一の整流スイッチ素子Q5経由で負荷へ電力が供給される。
続いて、時間t1になると、一方のアームの高位側スイッチ素子Q1がオフすると同時に一方のアームの低位側スイッチ素子Q2がオンする。これにより、他方のアームの低位側スイッチ素子Q4から一方のアームの低位側スイッチ素子Q2を介して、コンデンサC1並びに一次巻線N11に電流が流れる。これとともに、出力トランスT1の第一の二次巻線N21を介して、第一の整流スイッチ素子Q5経由で負荷へ電力が供給される。
続いて、図3に示す時間t1と時間t2との間では、一方のアームの低位側スイッチ素子Q2はオンの状態で、他方のアームの低位側Q4がオフすると同時に他方のアームの高位側スイッチ素子Q3がオンする。これにより、直流電源V1から流れる電流は、他方のアームの高位側スイッチ素子Q3、一次巻線N11、コンデンサC1、一方のアームの低位側スイッチ素子Q2を介して一次側流れるとともに、出力トランスT1の第一の二次巻線N22を介して、第一の整流スイッチ素子Q6経由で負荷へ電力が供給される。
続いて、時間t2になると、他方のアームの高位側スイッチ素子Q3がオフすると同時に他方のアームの低位側スイッチ素子Q4がオンする。これにより、一方のアームの低位側スイッチ素子Q2から、他方のアームの低位側スイッチ素子Q4を介して、一次巻線N11並びにコンデンサC1に電流が流れる。これとともに、出力トランスT1の第一の二次巻線N22を介して、第一の整流スイッチ素子Q6経由で負荷へ電力が供給される。
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一次側のスイッチ素子の休止期間はローインピーダンスの状態となり、一次側のスイッチ素子の休止期間での電圧は非常に安定する。そのため、アブノーマル動作時でも磁束のアンバランスは発生しにくく、トランスとチョークの一体型で二次巻線を別々の磁脚に巻いても動作の対称性が保たれる。また、ブリッジ回路の出力端子の一端と一次巻線との間、若しくは一次巻線中にコンデンサを接続することにより偏励磁を防止され、前記作用を維持することができる。
続いて、図4に示す第二の実施例について説明する。この実施例は、基本的な回路構成は前記実施例とほぼ同様である。但し、図1図示の第一の実施例は、偏励磁防止用のコンデンサC1を、フルブリッジ型のブリッジ回路と出力トランスT1の一次巻線N11との間に接続してあるのに対し、図4図示の第二の実施例は、偏励磁防止用のコンデンサC1を、一次巻線N11中に接続してある点で異なる。なお、この実施例の作用は前記実施例とほぼ同様であるため、割愛する。
図5には第三の実施例を示す。この実施例においても、コア10,20の構成は前記実施例とほぼ同様である。但し、一次巻線の巻き方が以下の通りに前記実施例と異なる。一次巻線は前記実施例と同様に一方のコアの中央に巻回する。これに対し、本実施例においては、一方のアームに設けた出力端子に中央一方の磁束12に巻回した第一の一次巻線N11の一端を接続してある。また、他方のアームに設けた出力端子に中央他方の磁束13に巻回した第二の一次巻線N12の一端を接続してある。二つの一次巻線N11,N12のそれぞれ他端を偏励磁防止用のコンデンサC1を介して接続してある。なお、作用は前記実施例とほぼ同様であるため、割愛する。
図6には第四の実施例を示す。この実施例に係る出力トランスT1は二つのコア30,40を備えてあり、一方のコア30は三つの磁脚31,32,33を並列に設けてあるのに対し、他方のコア40は一本の磁脚のみで構成してある。一方のコア30の中央の磁脚32は両端の磁脚より短く、一方のコア30の両端の磁脚を他方のコア40に衝合させた際に一方のコア30の中央の磁脚32と他方のコア40との間にギャップができるように構成してある。
続いて、この実施例に係る出力トランスT1に対する巻線の巻き方について説明する。この実施例では、コア30の中央の磁脚32に一次巻線N11を巻回している。この一次巻線N11の一端は偏励磁防止用のコンデンサC1を介して一方のアームの出力端子に接続し、一次巻線N11の他端は他方のアームの出力端子に接続してある。一方のコア30の一方端の磁脚31に第一の二次巻線N21を巻回し、コア30の他方端の磁脚33に第二の二次巻線N22を巻回してある。なお、作用は前記実施例とほぼ同様であるため、割愛する。
図7には第五の実施例を示す。この実施例に係る出力トランスT1は三つのコア30,40,50を備えてあり、第一並びに第三のコア30,50は三つの磁脚31〜33,51〜53を並列に設けてあるのに対し、第二のコア40は一本の磁脚のみで構成してある。第一並びに第三のコア30,50の中央の磁脚32,52は両端の磁脚より短く、第一並びに第三のコア30,50の両端の磁脚を第二のコア40に衝合させた際に第一並びに第三のコア30,50の中央の磁脚32,52と第二のコア40との間にギャップができるように構成してある。
続いて、この実施例に係る出力トランスT1に対する巻線の巻き方について説明する。この実施例では、第一の一次巻線N11を第一のコア30の中央の磁脚32に巻回し、第二の一次巻線N12を第三のコア50の中央の磁脚52に巻回している。一方のアームに設けた出力端子に第一のコア30の中央の磁脚32に巻回した第一の一次巻線N11の一端を接続してある。また、他方のアームに設けた出力端子に第三のコア50の中央の磁脚52に巻回した第二の一次巻線N12の一端を接続してある。二つの一次巻線N11,N12のそれぞれ他端を偏励磁防止用のコンデンサC1を介して接続してある。第三のコア50の中央の磁脚52に第一の二次巻線N21を巻回し、第一のコア30の中央の磁脚32に第二の二次巻線N22を巻回してある。なお、作用は前記実施例とほぼ同様であるため、割愛する。
図8には第六の実施例を示す。この実施例に係る出力トランスT1は三つのコア30,40,50を備えてあり、第一並びに第三のコア30,50は三つの磁脚31〜33,51〜53を並列に設けてあるのに対し、第二のコア40は一本の磁脚のみで構成してある。第一並びに第三のコア30,50の中央の磁脚32,52は両端の磁脚より短く、第一並びに第三のコア30,50の両端の磁脚を第二のコア40に衝合させた際に第一並びに第三のコア30,50の中央の磁脚32,52と第二のコア40との間にギャップができるように構成してある。
続いて、この実施例に係る出力トランスT1に対する巻線の巻き方について説明する。この実施例では、第一の一次巻線N11を第二のコア40に巻回し、第二の一次巻線N12を第二のコア40に巻回している。一方のアームに設けた出力端子に第二のコア40に巻回した第一の一次巻線N11の一端を接続してある。また、他方のアームに設けた出力端子に第二のコア40に巻回した第二の一次巻線N12の一端を接続してある。二つの一次巻線N11,N12のそれぞれ他端を偏励磁防止用のコンデンサC1を介して接続してある。第二のコア40に第一の二次巻線N21を巻回し、第二のコア40に第二の二次巻線N22を巻回してある。なお、作用は前記実施例とほぼ同様であるため、割愛する。
なお、前記第一乃至第六の実施例は本発明の一例に過ぎない。本発明は、少なくとも二つのコアを備えた出力トランスを設けてあり、少なくともの一つのコアはそれぞれ三つ又は四つの磁脚を並列に設けてあり、コアの中央の磁脚は両端の磁脚より短く、二つのコアを衝合させた際に磁脚を有するコアの中央の磁脚にギャップができるように構成してあること、また、一本の磁脚若しくは二本の磁脚に跨って一次巻線及び二つの二次巻線をそれぞれ巻回してあること、さらに、ブリッジ回路を構成するスイッチ素子を位相シフト制御するように構成してあれば、前記実施例に限定されない。
本発明によれば、位相シフト制御することにより、一次側のスイッチ素子の休止期間はローインピーダンスの状態となり、一次側のスイッチ素子の休止期間での電圧は非常に安定する。そのため、アブノーマル動作時でも磁束のアンバランスは発生しにくく、トランスとチョークの一体型で二次巻線を別々の磁脚に巻いても動作の対称性が保たれる。また、ブリッジ回路の出力端子の一端と一次巻線との間、若しくは一次巻線中にコンデンサを接続することにより偏励磁を防止することができ、産業上利用可能である。
本発明に係るスイッチング電源装置の最良の実施形態の回路構成図である。 図1図示実施例の等価回路図である。 図1図示実施例における動作波形図である。 図1図示実施例と異なる第二実施例の回路構成図である。 前記実施例と異なる第三実施例の回路構成図である。 前記実施例と異なる第四実施例の回路構成図である。 前記実施例と異なる第五実施例の回路構成図である。 前記実施例と異なる第六実施例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。 図9図示従来例における動作波形図である。
符号の説明
V1 直流電源
T1 出力トランス
Q1〜Q6 スイッチ素子
10,20,30,40,50 コア
11〜14,21〜24,31〜33,51〜53 磁脚
C1 偏励磁防止用のコンデンサ
C2 平滑コンデンサ
N11,N12 一次巻線
N21,N22 二次巻線

Claims (10)

  1. 直流電源にフルブリッジ型のブリッジ回路を接続し、このブリッジ回路の出力端子に、一次・二次間を絶縁する出力トランスの一次巻線を接続し、この出力トランスを介して負荷へ電力を供給するスイッチング電源装置であって、前記出力トランスは少なくとも二つのコアを備えてあり、少なくとも一つのコアはそれぞれ三つ又は四つの磁脚を並列に設けてあり、前記コアの中央の磁脚は両端の磁脚より短く、二つのコアを衝合させた際に磁脚を有するコアの中央の磁脚にギャップができるように構成してあり、一本の磁脚若しくは二本の磁脚に跨って一次巻線と二つの二次巻線をそれぞれ巻回してあるとともに、前記ブリッジ回路を構成するスイッチ素子を位相シフト制御するように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。
  2. 前記ブリッジ回路の出力端子の一端と前記一次巻線との間、若しくは前記一次巻線中にコンデンサを接続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。
  3. 前記出力トランスは二つのコアを備えてあり、これらコアはそれぞれ四つの磁脚を並列に設けてあり、前記コアの中央二本の磁脚は両端の磁脚より短く、二つのコアの両端の磁脚同士を衝合させた際に中央二本の磁脚間にギャップができるように構成してあることを特徴とする請求項1又は2記載のスイッチング電源装置。
  4. 前記二つのコアのうち、一方のコアの中央二本の磁脚に跨って一次巻線を巻回し、他方のコアの中央一方の磁脚に第一の二次巻線を巻回し、他方のコアの中央他方の磁脚に第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする請求項3記載のスイッチング電源装置。
  5. 前記二つのコアのうち、一方のコアの中央それぞれの磁脚に一次巻線を巻回し、これらを接続してあるとともに、他方のコアの中央一方の磁脚に第一の二次巻線を巻回し、他方のコアの中央他方の磁脚に第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする請求項3記載のスイッチング電源装置。
  6. 前記出力トランスは二つのコアを備えてあり、一方のコアは一本の磁脚のみで構成してあるのに対し、他方のコアは三つの磁脚を並列に設けてあり、他方のコアの中央の磁脚は両端の磁脚より短く、他方のコアの両端の磁脚を一方のコアに衝合させた際に他方のコアの中央の磁脚と一方のコアとの間にギャップができるように構成してあることを特徴とする請求項1又は2記載のスイッチング電源装置。
  7. 前記他方のコアの中央の磁脚に一次巻線を巻回し、他方のコアの両端にそれぞれ第一の二次巻線と第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする請求項6記載のスイッチング電源装置。
  8. 前記出力トランスは三つのコアを備えてあり、第一のコアは一本の磁脚のみで構成してあるのに対し、第二並びに第三のコアは三つの磁脚を並列に設けてあり、第二並びに第三のコアの中央の磁脚は両端の磁脚より短く、第二並びに第三のコアの両端の磁脚を第一のコアに衝合させた際に第二並びに第三のコアの中央の磁脚と第一のコアとの間にギャップができるように構成してあることを特徴とする請求項1又は2記載のスイッチング電源装置。
  9. 前記第二並びに第三のコアの中央の磁脚にそれぞれ一次巻線を巻回して接続し、前記第二並びに第三のコアの中央の磁脚にそれぞれ第一の二次巻線と第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする請求項8記載のスイッチング電源装置。
  10. 前記第一のコアに二つの一次巻線を巻回して接続し、前記第一のコアにそれぞれ第一の二次巻線と第二の二次巻線を巻回してあることを特徴とする請求項8記載のスイッチング電源装置。
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