JP2012060855A - スイッチング電源装置の１次側回路 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング電源装置において、大型のコンデンサを用いることなく、広範囲の入力電圧に対応できるようにする。
【解決手段】交流電圧源からの入力電圧を整流する整流回路と、整流電圧を平滑化する第１コンデンサと、第１コンデンサと並列に接続され、スイッチが直列に接続された第１コンデンサより低耐圧大容量の第２コンデンサと、第１コンデンサの両端の電位差が所定の基準値より小さい場合にスイッチをオンにするスイッチ制御回路とを備えた１次側回路を用いてスイッチング電源装置を構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に係り、特に、広範囲の交流入力電圧レンジに対応したスイッチング電源装置の１次側回路に関する。

近年、入力電力から希望の出力電力を得る電力変換装置として、スイッチング電源装置が広く用いられている。スイッチング電源装置は、電圧降下をジュール熱として放出するシリーズレギュレータとは異なり、電力の損失を少なくできるため、高精度・高効率を得ることができる。

図５は、従来のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。本図に示すように、交流電圧源２００から交流電圧を入力し、直流電圧Ｖｏに変換して出力するスイッチング電源装置３００は、ダイオードブリッジ３１０、１次側電解コンデンサ３２０、スイッチング素子３３０、高周波トランス３４０、ダイオード３５０、２次側電解コンデンサ３５２、制御回路３６０を備えている。

高周波トランス３４０を挟んで電圧源側（交流）を「１次側」、電力が伝達される側（直流）を「２次側」と称し、制御回路３６０は、２次側の出力電圧Ｖｏが所望の電圧値になるように１次側のスイッチング素子３３０のオンオフのタイミングを制御する。

スイッチング電源装置３００において、交流電圧源２００からの交流電圧はダイオードブリッジ３１０で整流され、さらに１次側電解コンデンサ３２０で平滑化される。そして、スイッチング素子３００がスイッチングを繰り返すことによって、高周波の交流に変換され、高周波トランス３４０を介して２次側に電力（交流）が伝達される。この交流は、ダイオード３５０で整流され、さらに２次側電解コンデンサ３５２によって平滑化されて直流電圧Ｖｏとして出力される。

出力される直流電圧Ｖｏが所定の電圧値に保たれるよう、制御回路３６０によりフィードバック制御され、スイッチング素子３３０のスイッチングタイミングの調整が行なわれる。

一般に、スイッチング電源装置３００は、例えば、８５Ｖ〜２６４Ｖといった交流電圧源２００による入力電圧の対応範囲が定められており、その範囲に適合した耐圧と容量を有した１次側電解コンデンサ３２０が用いられる。

特開２００２−１０６４３号公報

フィールド機器等に組み込まれるスイッチング電源装置では、想定されるあらゆる電圧入力レンジに適合させるため、例えば、交流２０〜２６４Ｖといった広範囲の入力電圧への対応が要求される場合がある。このような広範囲の入力電圧に適合するためには、１次側の電解コンデンサに対して、入力電圧が低電圧の場合にも所望の出力電圧値を確保できるように高い容量が要求される一方、高電圧入力時に対する高耐電圧性能も要求される。

このように、１次側の電解コンデンサは、広範囲の入力電圧に対応するために高容量と高耐電圧性能とが要求されるが、これを実現するためには、大型の電解コンデンサが必要となり、スイッチング電源装置の大型化、高コスト化を招くことになる。

また、フィールド機器等は、工業制御での耐圧防爆型として構成されることが多く、この場合、スイッチング電源装置を含む電気回路一式を耐圧金属ケースに収容する必要がある。しかしながら、広範囲の入力電圧に対応するために大型の電解コンデンサを用いると、耐圧金属ケースに収容することが困難になるという問題が生じる。

そこで、本発明は、スイッチング電源装置において、大型のコンデンサを用いることなく、広範囲の入力電圧に対応できるようにすることを目的とする。

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の１次側回路は、交流電圧源からの入力電圧を整流する整流回路と、整流電圧を平滑化する第１コンデンサと、前記第１コンデンサと並列に接続され、スイッチが直列に接続された、前記第１コンデンサより低耐圧大容量の第２コンデンサと、前記第１コンデンサの両端の電位差が所定の基準値より小さい場合に前記スイッチをオンにするスイッチ制御回路とを備えたことを特徴とする。

具体的には、前記スイッチを制御電圧によってオンオフを行なうトランジスタで構成し、前記スイッチ制御回路は、前記第１コンデンサの両端の電位差を抵抗分圧して得られる電圧で制御される電圧を前記トランジスタの制御電圧として用いることができる。

あるいは、前記スイッチを制御電圧によってオンオフを行なうスイッチ素子で構成し、前記スイッチ制御回路は、前記第１コンデンサの両端の電位差を抵抗分圧して得られる電圧を前記スイッチ素子の制御電圧として用いるようにしてもよい。このとき、前記スイッチ素子をｂ接点リレーで構成することができる。

本発明の１次側回路を用いることにより、スイッチング電源装置において、大型のコンデンサを用いることなく、広範囲の入力電圧に対応できるようになる。

本発明の１次側回路を適用したスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。 スイッチング電源装置の１次側回路の具体的な構成例を示す回路図である。 スイッチング電源装置の１次側回路の具体的な構成の別例を示す回路図である。 スイッチング電源装置の１次側回路の別構成を示す回路図である。 従来のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。

本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は、本発明の１次側回路を適用したスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。

本図に示すように、交流電圧源２００から交流電圧を入力し、直流電圧Ｖｏに変換して出力するスイッチング電源装置１００は、整流回路として機能するダイオードブリッジ１１０、１次側第１電解コンデンサ１２０、１次側第２電解コンデンサ１２１、スイッチ１３０、スイッチ制御回路１４０、スイッチング素子１５０、高周波トランス１６０、ダイオード１７０、２次側電解コンデンサ１７２、制御回路１８０を備えている。

本実施形態において、１次側の電解コンデンサは、１次側第１電解コンデンサ１２０、１次側第２電解コンデンサ１２１を含んで構成されている。１次側第１電解コンデンサ１２０は、耐高電圧であるが小容量であり、１次側第２電解コンデンサ１２１は、１次側第１電解コンデンサ１２０より耐電圧は低いが大容量であるものとする。

具体的には、１次側第１電解コンデンサ１２０は、想定される交流電圧源２００の最大電圧に耐えられる程度の高耐電圧性能を備え、１次側第２電解コンデンサ１２１は、想定される交流電圧源２００の最小電圧でも所望の出力電圧値を確保できる程度の容量を有するようにする。

１次側第２電解コンデンサ１２１は、スイッチ１３０が直列接続され、１次側第１電解コンデンサ１２０と並列に接続される。すなわち、低耐圧大容量の１次側第２電解コンデンサ１２１は、接続のオンオフがスイッチ１３０により切替えられるようになっている。スイッチ１３０は、１次側第１電解コンデンサ１２０の両端の電位差に基づいて、スイッチ制御回路１４０によってオンオフが制御される。

スイッチ制御回路１４０は、１次側第１電解コンデンサ１２０の両端の電位差が所定の基準値よりも小さい場合に、スイッチ１３０をオンにし、１次側第１電解コンデンサ１２０の両端の電位差が所定の基準値以上の場合に、スイッチ１３０をオフにする。

したがって、１次側の電解コンデンサは、１次側第１電解コンデンサ１２０の両端の電位差が所定の基準値以上の場合は、高耐圧小容量の１次側第１電解コンデンサ１２０で動作し、１次側第１電解コンデンサ１２０の両端の電位差が所定の基準値より小さい場合は、高耐圧小容量の１次側第１電解コンデンサ１２０と低耐圧大容量の１次側第２電解コンデンサ１２１との並列合成容量で動作することになる。所定の基準値は、例えば、５０Ｖとすることができる。

スイッチング電源装置１００の動作について説明する。まず、交流電圧源２００が、２４Ｖ等の低電圧である場合について説明する。

スイッチ制御回路１４０は、１次側第１電解コンデンサ１２０の両端の電位差が所定の基準値より小さいとして、スイッチ１３０をオンにする。この結果、ダイオードブリッジ１１０の整流出力は、１次側第１電解コンデンサ１２０と１次側第２電解コンデンサ１２１とによって平滑化される。１次側第２電解コンデンサ１２１は、低耐圧であるが、交流電圧源２００からの入力電圧が低いため、耐圧破壊等の問題は生じない。

平滑化された電圧は、スイッチング素子１５０がスイッチングすることにより、高周波の交流に変換される。交流電圧源２００からの入力電圧が低いため、スイッチング素子１５０のオンの比率が高まり、大きな電流が流れることになるが、１次側第２電解コンデンサ１２１が大容量であるため、電流が大きな場合においても平滑性能を維持することができる。

高周波の交流は、高周波トランス１６０を介して２次側に伝達され、ダイオード１７０で整流され、さらに２次側電解コンデンサ１７２によって平滑化さて直流電圧Ｖｏとして出力される。

次に、交流電圧源２００が、２００Ｖ等の高電圧である場合のスイッチング電源装置１００の動作についてについて説明する。

スイッチ制御回路１４０は、１次側第１電解コンデンサ１２０の両端の電位差が所定の基準値以上であるとして、スイッチ１３０をオフにする。この結果、ダイオードブリッジ１１０の整流出力は、高耐圧小容量の１次側第１電解コンデンサ１２０のみによって平滑化される。１次側第２電解コンデンサ１２１は、低耐圧であるが、スイッチ１３０がオフになっているため、高電圧は印加されず、耐圧破壊に至ることはない。

平滑化された電圧は、スイッチング素子１５０がスイッチングすることにより、高周波の交流に変換される。交流電圧源２００からの入力電圧が高いため、スイッチング素子１５０のオンの比率が低くなり、電流が比較的小さくなるので、小容量の１次側第２電解コンデンサ１２０であっても平滑性能を維持することができる。

高周波の交流は、高周波トランス１６０を介して２次側に伝達され、ダイオード１７０で整流され、さらに２次側電解コンデンサ１７２によって平滑化さて直流電圧Ｖｏとして出力される。

このように本実施形態では、１次側電解コンデンサを、高耐圧小容量の１次側第１電解コンデンサ１２０と、スイッチにより接続がオンオフされる低耐圧大容量の１次側第２電解コンデンサ１２１とにより構成し、入力電圧に応じて１次側第２電解コンデンサ１２１のスイッチをオンオフすることにより、広範囲の入力電圧に対応するようにしている。

高耐圧小容量の１次側第１電解コンデンサ１２０、低耐圧大容量の１次側第２電解コンデンサ１２１とも、高耐圧大容量の電解コンデンサの１／１０程度の体積で構成することができるため、スイッチング電源装置１００の大型化を避けることができる。なお、１次側電解コンデンサは、高耐圧小容量の電解コンデンサ、低耐圧大容量の電解コンデンサを含んだ、３つ以上の電解コンデンサによって構成するようにしてもよい。

ところで、交流電圧源２００では、種々の原因により瞬停（瞬時電圧低下）が発生する場合がある。スイッチング電源装置では、ある程度の瞬停時間に対しては、出力電圧Ｖｏに影響を与えないことが望ましい。

しかしながら、図５に示した従来のスイッチング電源装置の構成では、１次側電解コンデンサ３２０の容量に制限があったため、特に、低電圧入力に、瞬停時間を十分確保することできないという問題があった。

これに対し、本実施形態の本実施形態のスイッチング電源装置１００は、低電圧時に大容量の１次側第２電解コンデンサ１２１を用いるため、例えば、交流１サイクル分程度の十分な瞬停時間を低電圧入力時であっても確保することができるという利点も有している。

スイッチング電源装置１００の１次側回路の具体的な構成例について図２を参照して説明する。本図に示すように、スイッチング電源装置１００ａの１次側回路は、スイッチ１３０をＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１３０ａによって構成し、スイッチ制御回路１４０ａをＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１４１、第１バイアス抵抗１４２、第２バイアス抵抗１４３、第３バイアス抵抗１４４によって構成している。

第１バイアス抵抗１４２とＭＯＳＦＥＴ１４１とは、１次側第１電解コンデンサ１２０と並列になるように直列接続し、接続箇所の電圧がＭＯＳＦＥＴ１３０ａのゲートに印加されるようになっている。

第２バイアス抵抗１４３と第３バイアス抵抗１４４とは、１次側第１電解コンデンサ１２０と並列になるように直列接続し、接続箇所の電圧がＭＯＳＦＥＴ１４１のゲートに印加されるようになっている。

本例では、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１３０ａ、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ１４１のゲート・ソース閾値電圧を３Ｖとし、第１バイアス抵抗１４２を１００ｋΩ程度とし、第２バイアス抵抗１４３を９０ｋΩ程度とし、第３バイアス抵抗１４４を１０ｋΩ程度とする。

図２に示すスイッチング電源装置１００ａの動作について説明する。まず、交流電圧源２００が、２４Ｖ等の低電圧である場合について説明する。

スイッチ制御回路１４０ａにおいて、第２バイアス抵抗１４３と第３バイアス抵抗１４４とで分圧されるＭＯＳＦＥＴ１４１のゲート電圧は、閾値の３Ｖ以下となり、ＭＯＳＦＥＴ１４１はオフ状態となる。このとき、ＭＯＳＦＥＴ１３０ａのゲート電圧には、第１バイアス抵抗１４２を介して、ダイオードブリッジ１１０の整流出力が印加され、ＭＯＳＦＥＴ１３０ａはオン状態となる。

この結果、ダイオードブリッジ１１０の整流出力は、１次側第１電解コンデンサ１２０と１次側第２電解コンデンサ１２１とによって平滑化される。平滑化された電圧は、スイッチング素子１５０がスイッチングすることにより、高周波の交流に変換される。

高周波の交流は、高周波トランス１６０を介して２次側に伝達され、ダイオード１７０で整流され、さらに２次側電解コンデンサ１７２によって平滑化さて直流電圧Ｖｏとして出力される。

次に、交流電圧源２００が、２００Ｖ等の高電圧である場合のスイッチング電源装置１００ａの動作について説明する。

スイッチ制御回路１４０ａにおいて、第２バイアス抵抗１４３と第３バイアス抵抗１４４とで分圧されるＭＯＳＦＥＴ１４１のゲート電圧は、閾値の３Ｖ以上となり、ＭＯＳＦＥＴ１４１はオン状態となる。このとき、ＭＯＳＦＥＴ１３０ａのゲート電圧は、ほぼゼロ電位となり、ＭＯＳＦＥＴ１３０ａはオフ状態となる。

この結果、ダイオードブリッジ１１０の整流出力は、高耐圧小容量の１次側第１電解コンデンサ１２０のみによって平滑化される。平滑化された電圧は、スイッチング素子１５０がスイッチングすることにより、高周波の交流に変換される。

高周波の交流は、高周波トランス１６０を介して２次側に伝達され、ダイオード１７０で整流され、さらに２次側電解コンデンサ１７２によって平滑化さて直流電圧Ｖｏとして出力される。

スイッチング電源装置１００の１次側回路の具体的な構成の別例について図３を参照して説明する。本図に示すように、スイッチング電源装置１００ｂの１次側回路は、スイッチ１３０を、コイルに通電した時に開くｂ接点リレー１３０ｂによって構成し、スイッチ制御回路１４０ａを第１バイアス抵抗１４５、第２バイアス抵抗１４６、定電流ダイオード１４７によって構成している。

第１バイアス抵抗１４５と第２バイアス抵抗１４６とは、１次側第１電解コンデンサ１２０と並列になるように直列接続し、接続箇所が定電流ダイオード１４７を介してｂ接点リレー１３０ｂのコイルに接続されている。

本例では、ｂ接点リレー１３０ｂの動作電圧を５Ｖ、動作電流を１０ｍＡとし、第１バイアス抵抗１４５を５０ｋΩ程度とし、第２バイアス抵抗１４６を１０ｋΩ程度とする。定電流ダイオード１４７は、ｂ接点リレー１３０ｂの保護用に設けられたものであり、ピンチオフ電流を１０ｍＡとする。

図３に示すスイッチング電源装置１００ｂの動作について説明する。まず、交流電圧源２００が、２４Ｖ等の低電圧である場合について説明する。

スイッチ制御回路１４０ａにおいて、第１バイアス抵抗１４５と第２バイアス抵抗１４６とで分圧され、定電流ダイオード１４７を介してｂ接点リレー１３０ｂに加わる制御電圧は、動作電圧の５Ｖ以下となり、ｂ接点リレー１３０ｂはオン状態となる。

この結果、ダイオードブリッジ１１０の整流出力は、１次側第１電解コンデンサ１２０と１次側第２電解コンデンサ１２１とによって平滑化される。平滑化された電圧は、スイッチング素子１５０がスイッチングすることにより、高周波の交流に変換される。

高周波の交流は、高周波トランス１６０を介して２次側に伝達され、ダイオード１７０で整流され、さらに２次側電解コンデンサ１７２によって平滑化さて直流電圧Ｖｏとして出力される。

次に、交流電圧源２００が、２００Ｖ等の高電圧である場合のスイッチング電源装置１００ａの動作について説明する。

スイッチ制御回路１４０ａにおいて、第１バイアス抵抗１４５と第２バイアス抵抗１４６とで分圧され、定電流ダイオード１４７を介してｂ接点リレー１３０ｂに加わる制御電圧は、動作電圧の５Ｖ以上となるとともに、制御電流は動作電流の１０ｍＡとなり、ｂ接点リレー１３０ｂはオフ状態となる。

この結果、ダイオードブリッジ１１０の整流出力は、高耐圧小容量の１次側第１電解コンデンサ１２０のみによって平滑化される。平滑化された電圧は、スイッチング素子１５０がスイッチングすることにより、高周波の交流に変換される。

高周波の交流は、高周波トランス１６０を介して２次側に伝達され、ダイオード１７０で整流され、さらに２次側電解コンデンサ１７２によって平滑化さて直流電圧Ｖｏとして出力される。

なお、スイッチング電源装置１００は、図２、図３に示した構成例に限られず、種々の回路構成で実現することができる。

上述のスイッチング電源装置１００の１次側回路は、１次側第１電解コンデンサ１２０と、スイッチ１３０が直列に接続された１次側第２電解コンデンサ１２１とを並列に接続するようにしていたが、図４に示すように、１次側第１電解コンデンサ１２２と、スイッチ１３２が並列に接続された１次側第２電解コンデンサ１３３とを直列に接続した１次側回路を用いてスイッチング電源装置１０１を構成してもよい。スイッチ制御回路１４０の動作は上記と同様とする。

この構成においては、交流電圧源２００が低電圧である場合、スイッチ制御回路１４０によりスイッチ１３２がオン状態となり、ダイオードブリッジ１１０の整流出力は、１次側第１電解コンデンサ１２２によって平滑化される。

また、交流電圧源２００が高電圧である場合、スイッチ制御回路１４０によりスイッチ１３２がオフ状態となり、ダイオードブリッジ１１０の整流出力は、１次側第１電解コンデンサ１２２と１次側第２電解コンデンサ１２２の直列合成容量によって平滑化される。

本例では、１次側第１電解コンデンサ１２２と１次側第２電解コンデンサ１２２を、いずれも低耐圧大容量の電解コンデンサで構成するようにする。ただし、上述の例における低耐圧大容量の１次側第２電解コンデンサ１２２よりも耐圧が大きい方が望ましい。また、想定される最小電圧が入力された場合、直列合成容量によっても、所望の出力電圧値を確保できる程度の容量を有するようにする。

これにより、交流電圧源２００が低電圧である場合は、低耐圧大容量の１次側第１電解コンデンサ１２２により平滑化が行なわれる。また、交流電圧源２００が高電圧である場合は、１次側第１電解コンデンサ１２２と１次側第２電解コンデンサ１２２とで高電圧が分圧されるため、低耐圧であっても耐圧破壊を起こすことなく平滑化を行なうことができる。

１００…スイッチング電源装置、１００ａ…スイッチング電源装置、１００ｂ…スイッチング電源装置、１１０…ダイオードブリッジ、１２０…次側電解コンデンサ、１２０…１次側第１電解コンデンサ、１２１…１次側第２電解コンデンサ、１３０…スイッチ、１３０ｂ…ｂ接点リレー、１４０…スイッチ制御回路、１４０ａ…スイッチ制御回路、１４２…第１バイアス抵抗、１４３…第２バイアス抵抗、１４４…第３バイアス抵抗、１４５…第１バイアス抵抗、１４６…第２バイアス抵抗、１４７…定電流ダイオード、１５０…スイッチング素子、１６０…高周波トランス、１７０…ダイオード、１７２…２次側電解コンデンサ、１８０…制御回路、２００…交流電圧源、３００…スイッチング素子、３００…スイッチング電源装置、３１０…ダイオードブリッジ、３２０…１次側電解コンデンサ、３３０…スイッチング素子、３４０…高周波トランス、３５０…ダイオード、３５２…２次側電解コンデンサ、３６０…制御回路、１３０ａ…ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ、１４１…ＮチャネルＭＯＳＦＥＴ

Claims (4)

1. 交流電圧源からの入力電圧を整流する整流回路と、
   整流電圧を平滑化する第１コンデンサと、
   前記第１コンデンサと並列に接続され、スイッチが直列に接続された、前記第１コンデンサより低耐圧大容量の第２コンデンサと、
   前記第１コンデンサの両端の電位差が所定の基準値より小さい場合に前記スイッチをオンにするスイッチ制御回路と、
   を備えたことを特徴とするスイッチング電源装置の１次側回路。
2. 前記スイッチを制御電圧によってオンオフを行なうトランジスタで構成し、
   前記スイッチ制御回路は、前記第１コンデンサの両端の電位差を抵抗分圧して得られる電圧で制御される電圧を前記トランジスタの制御電圧として用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装置の１次側回路。
3. 前記スイッチを制御電圧によってオンオフを行なうスイッチ素子で構成し、
   前記スイッチ制御回路は、前記第１コンデンサの両端の電位差を抵抗分圧して得られる電圧を前記スイッチ素子の制御電圧として用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装置の１次側回路。
4. 前記スイッチ素子をｂ接点リレーで構成したことを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源装置の１次側回路。