JP2013187929A - Dc power supply device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体スイッチング素子を用いた直流電源装置において、フレームを介して大地に流れる漏洩電流を低減するための技術に関するものである。 The present invention relates to a technique for reducing leakage current flowing to the ground via a frame in a DC power supply device using a semiconductor switching element.
図5は、半導体スイッチング素子を用いた直流電源装置の従来技術を示す回路図であり、一般に絶縁型DC/DCコンバータあるいはフライバックコンバータと呼ばれるものの一種である。 FIG. 5 is a circuit diagram showing a prior art of a DC power supply device using a semiconductor switching element, which is a kind of what is generally called an isolated DC / DC converter or flyback converter.
図5において、1は直流電源、2は半導体スイッチング素子、3はダイオード、4はツェナーダイオード、5は一次巻線5a及び二次巻線5bを有する変圧器、6はダイオード、7はコンデンサ、8は負荷、9はスイッチング素子2の制御回路である。300は後述する漏洩電流を抑制するためのコモンモードチョークコイルであり、直流電源1の両端と、ツェナーダイオード4,ダイオード3及びスイッチング素子2の直列回路との間に接続されている。
In FIG. 5, 1 is a DC power source, 2 is a semiconductor switching element, 3 is a diode, 4 is a Zener diode, 5 is a transformer having a
101,103は装置のフレームF等の基準電位点(接地電位点)Gに対する回路の寄生キャパシタンス、102は、一次巻線5a及び二次巻線5bが近接して対向配置されることにより形成される両巻線5a,5b間の寄生キャパシタンスであり、これらの寄生キャパシタンス101〜103は、意図せずに存在するものである。
なお、100は接地インピーダンスであり、この接地インピーダンス100は、意図的に接続される場合と意図せずに存在する場合とがある。
101 and 103 are parasitic capacitances of the circuit with respect to a reference potential point (ground potential point) G such as the frame F of the apparatus, and 102 is formed by the primary winding 5a and the
In addition, 100 is a ground impedance, and this
次に、この従来技術の動作を説明する。
制御回路9の動作によりスイッチング素子2をオンさせると、直流電源1→チョークコイル300→一次巻線5a→スイッチング素子2→チョークコイル300→直流電源1の経路で電流が流れ、変圧器5の励磁インダクタンスにエネルギーが蓄積される。スイッチング素子2がオフすると、変圧器5の蓄積エネルギーにより二次巻線5b→ダイオード6→コンデンサ7→二次巻線5bの経路で電流が流れ、変圧器5の二次側にエネルギーが伝達される。スイッチング素子2がオンしている期間が長いほど変圧器5に蓄積されるエネルギーも大きくなるので、変圧器5の二次側に伝達されるエネルギーも大きくなる。
従って、この従来技術では、制御回路9によってスイッチング素子2のオン期間を制御することにより、回路の出力電圧を所望の値に保っている。
Next, the operation of this prior art will be described.
When the
Therefore, in this prior art, the output voltage of the circuit is kept at a desired value by controlling the ON period of the
ここで、スイッチング素子2をオフした際、一次巻線5aを流れる電流は変圧器5の一次/二次間の漏れインダクタンスの存在により瞬時にはゼロにならない。この漏れインダクタンスのエネルギーをダイオード3とツェナーダイオード4との直列回路によって吸収することにより、スイッチング素子2に過大な電圧が印加されるのを防止している。
Here, when the switching
図5に示した回路はプリント基板上に作成されることがしばしばあり、各素子間の配線は、ある程度の面積を有する銅箔の配線パターンにより行われる。この配線パターンがフレームFと対向することにより、前述した寄生キャパシタンス101,103のようにコンデンサが等価的に形成される。
The circuit shown in FIG. 5 is often formed on a printed board, and wiring between elements is performed by a copper foil wiring pattern having a certain area. When this wiring pattern is opposed to the frame F, capacitors are equivalently formed like the
さて、スイッチング素子2のスイッチングに伴い、その両端、すなわち図5におけるA点−N点間にはステップ状の電圧が発生する。
ここで、スイッチング素子2には並列に、寄生キャパシタンス101と接地インピーダンス100との直列回路、または寄生キャパシタンス102,103と接地インピーダンス100との直列回路が接続されている。いま、接地インピーダンス100のインピーダンス値が寄生キャパシタンス101,102,103のインピーダンス値に対して十分小さいと仮定すると、上述した各直列回路のインピーダンスは専ら寄生キャパシタンス101,102,103により定まることになる。
As the
Here, a series circuit of a
このため、スイッチング素子2のオンオフによってその両端にステップ状の電圧が発生すると、寄生キャパシタンス101,102,103には、上述した電圧のステップの急峻さ、すなわち電圧変化率(dv/dt)に比例した数式1の電流(以下では、この電流を漏洩電流と呼ぶ)が流れる。なお、数式1において、iは電流の瞬時値、Cは寄生キャパシタンスの容量値である。
[数1]
i=C×(dv/dt)
For this reason, when a step-like voltage is generated at both ends due to the
[Equation 1]
i = C × (dv / dt)
上記の漏洩電流がフレームFを介して接地インピーダンス100に流れると、そのインピーダンス値に応じた電圧が発生する。この電圧が、フレーム電位に対する電位変動、いわゆる雑音端子電圧である。この雑音端子電圧が外部の機器に伝わると誤動作等の問題を引き起こすため、規定値以内に抑制する必要がある。
接地インピーダンス100を無制限に小さくすることができれば、理論上は雑音端子電圧を限りなくゼロに近づけることができるが、他の機器からの漏洩電流の増加を招く等の理由により大きくできないか、あるいは、接地インピーダンス100を意図的に設けることが認められない場合もある。
そこで、図5の回路では、コモンモードチョークコイル300を設けることにより、一巡回路のインピーダンス値を大きくして漏洩電流を抑制している。
When the leakage current flows to the
If the
Therefore, in the circuit of FIG. 5, the common
なお、特許文献1には、図5と同様にコモンモードチョークコイルを有すると共に、図5における制御回路9として変圧器5に設けた三次巻線(帰還巻線)の誘起電圧を用いるリンギングチョークコンバータ方式のスイッチング電源装置が記載されている。
前述したように、コモンモードチョークコイル300により漏洩電流を抑制するには、対象とする周波数において、寄生キャパシタンス101等のインピーダンスに対し、チョークコイル300のインピーダンスが同等以上である必要がある。すなわち、チョークコイル300のインピーダンスが小さいと、一巡回路の全インピーダンスはチョークコイル300がない場合と大差がなくなり、漏洩電流の抑制効果がない。
一方、寄生キャパシタンス等は元々意図的に設けたものでなく、そのインピーダンスは通常、大きい値であるため、相対的に、チョークコイル300としては相当大きなインピーダンス(インダクタンス)を有するものであることが要求される。
その結果として、チョークコイル300、ひいては直流電源装置の全体が大型化し、コスト高になるという問題があった。
As described above, in order to suppress the leakage current by the common
On the other hand, the parasitic capacitance or the like is not originally provided intentionally, and the impedance is usually a large value. Therefore, the
As a result, there is a problem that the
そこで、本発明の解決課題は、コモンモードチョークコイル等のノイズ抑制部品を用いずに漏洩電流の抑制効果を得ることができ、しかも小型化、低コスト化が可能な直流電源装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, a problem to be solved by the present invention is to provide a DC power supply device that can obtain a leakage current suppressing effect without using a noise suppressing component such as a common mode choke coil, and that can be reduced in size and cost. It is in.
上記課題を解決するため、請求項1に係る発明は、直流電源の両端に、変圧器の一次巻線と半導体スイッチング素子とを直列に接続し、前記変圧器の二次巻線に整流回路を介して負荷が接続される直流電源装置において、
前記変圧器は三次巻線を備え、前記三次巻線の一端を、前記直流電源の一端またはこの一端を基準として電位変動を生じない安定電位点に接続し、前記三次巻線の他端の電位を、前記半導体スイッチング素子と前記一次巻線との接続点の電位に対して逆極性にて変動させると共に、前記三次巻線の他端と回路の基準電位点との間にキャパシタンスを保有させたものである。
In order to solve the above-mentioned problem, the invention according to
The transformer includes a tertiary winding, and one end of the tertiary winding is connected to one end of the DC power source or a stable potential point that does not cause a potential fluctuation with reference to the one end, and the potential of the other end of the tertiary winding And having a capacitance between the other end of the tertiary winding and the reference potential point of the circuit, with a polarity opposite to the potential at the connection point between the semiconductor switching element and the primary winding. Is.
請求項2に係る発明は、請求項1に記載した直流電源装置において、前記三次巻線の他端を開放したものである。
The invention according to
請求項3に係る発明は、請求項1に記載した直流電源装置において、前記三次巻線の出力を整流して得た直流電圧を、前記半導体スイッチング素子を駆動する制御回路に電源電圧として供給するものである。 According to a third aspect of the present invention, in the DC power supply device according to the first aspect, a DC voltage obtained by rectifying the output of the tertiary winding is supplied as a power supply voltage to a control circuit that drives the semiconductor switching element. Is.
請求項4に係る発明は、請求項1〜3の何れか1項に記載した直流電源装置において、前記三次巻線の他端は、回路部品が実装されるプリント基板上の面積の広い配線パターンに接続されるものである。
The invention according to
請求項5に係る発明は、請求項4に記載した直流電源装置において、前記半導体スイッチング素子と前記一次巻線との接続点が接続される配線パターンと、前記三次巻線の他端が接続される配線パターンとを、非接触状態で対向する位置に配置したものである。
The invention according to claim 5 is the DC power supply device according to
請求項6に係る発明は、請求項4または5に記載した直流電源装置において、前記三次巻線の他端が接続される配線パターンを複数に分割し、分割された複数の配線パターンのうちの少なくとも一つについて、回路からの切り離しを可能にする接続切り離し手段を設けたものである。
The invention according to claim 6 is the DC power supply device according to
請求項7に係る発明は、請求項1〜6の何れか1項に記載した直流電源装置において、前記二次巻線を、前記一次巻線と前記三次巻線との間に配置したものである。
The invention according to
本発明によれば、変圧器の三次巻線と回路の基準電位点との間に保有されるキャパシタンス(寄生キャパシタンスや部品として接続されるコンデンサ)に漏洩電流を流し、この漏洩電流により、変圧器の一次巻線や二次巻線と基準電位点との間に流れる漏洩電流を打ち消すことにより、コモンモードチョークコイル等のノイズ対策部品を設けずに漏洩電流を抑制して雑音端子電圧を低減することができる。
これにより、装置全体の小型化、低価格化が可能になる。
According to the present invention, a leakage current is caused to flow through a capacitance (parasitic capacitance or a capacitor connected as a component) held between the tertiary winding of the transformer and the reference potential point of the circuit. By canceling the leakage current that flows between the primary and secondary windings and the reference potential point, the leakage current is suppressed and noise terminal voltage is reduced without providing noise countermeasure components such as common mode choke coils. be able to.
This makes it possible to reduce the size and cost of the entire apparatus.
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図1は、本発明の第1実施形態を示す回路図であり、図5と同一の回路部品には同一の番号を付して説明を省略し、以下では図5と異なる部分を中心に説明する。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a first embodiment of the present invention. The same circuit parts as those in FIG. 5 are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted. To do.
この第1実施形態では、図5に示したコモンモードチョークコイル300が設けられておらず、直流電源1の両端は、ツェナーダイオード4,ダイオード3及びスイッチング素子2の直列回路の両端に直接接続されている。また、変圧器51には、一次巻線5a及び二次巻線5bに加えて三次巻線5cが設けられ、三次巻線5cの一端は回路の安定電位点である直流電源1の正極(P点)または負極(N点)に接続されると共に、他端は開放されている。
In the first embodiment, the common
ここで、三次巻線5cの両端のうち回路の安定電位点に接続される側は、一次巻線5aの電位変動側であるA点と同極性側の一端とし、図示例では、この一端がN点に接続され、他端のB点が開放されている。これにより、三次巻線5cの他端であるB点は、A点と逆極性の電位変動を生じる。
なお、B点の配線パターンにはある程度の面積を持たせてあり、意図的にフレームF(基準電位点G)との間に寄生キャパシタンス104が形成されている。可能な場合には、B点とフレームFとの間にコンデンサを接続してもよい。また、B点と二次巻線5bの一端との間には、寄生キャパシタンス105が形成されている。
図1におけるその他の構成は、図5と同様である。
Here, the side connected to the stable potential point of the circuit among both ends of the tertiary winding 5c is one end of the same polarity side as the point A which is the potential fluctuation side of the primary winding 5a. Connected to point N, the other point B is open. As a result, the point B, which is the other end of the tertiary winding 5c, generates a potential fluctuation having a polarity opposite to that of the point A.
The wiring pattern at point B has a certain area, and a
Other configurations in FIG. 1 are the same as those in FIG.
この実施形態において、スイッチング素子2の両端に発生するステップ状の電圧により、寄生キャパシタンス101,102,103を介して流れる漏洩電流Ie1,Ie3は、図1に示すように寄生キャパシタンス104を介して流れる逆向きの漏洩電流Ie4により打ち消される。
見方を変えると、漏洩電流は、寄生キャパシタンス101〜104を有する回路内で循環するため、接地インピーダンス100には流れなくなる。
In this embodiment, the leakage currents Ie 1 and Ie 3 flowing through the
In other words, the leakage current circulates in the circuit having the
これにより、図5の従来技術のようにコモンモードチョークコイル300を設けなくても、雑音端子電圧が抑制されることになる。また、三次巻線5cと二次巻線5bとの間に形成される寄生キャパシタンス105に流れる漏洩電流Ie5は、寄生キャパシタンス102に流れる漏洩電流Ie2とは逆極性になるので。Ie2及びIe5の大きさが等しければ、Ie3をゼロにすることができる。
As a result, the noise terminal voltage is suppressed without providing the common
次に、図2は本発明の第2実施形態を示す回路図である。
第1実施形態では、一端が開放される三次巻線5cを備えた変圧器51を用いているが、特許文献1に記載されているように、変圧器51として三次巻線5cを元々備えており、その誘起電圧からスイッチング素子2の駆動電源を生成する場合がある。図2の第2実施形態は、このような場合のものである。
Next, FIG. 2 is a circuit diagram showing a second embodiment of the present invention.
In 1st Embodiment, although the
すなわち、図2において、変圧器51の三次巻線5cは、スイッチング素子2を制御、駆動するための電力供給に用いられる。
図2において、三次巻線5cには整流用のダイオード12を介して制御回路9が直列に接続され、制御回路9にはコンデンサ10が並列に接続されている。また、制御回路9とコンデンサ10との接続点とP点との間には、抵抗11が接続されている。なお、三次巻線5cの極性は図1に対して逆になっている。
その他の構成は、図1と同様である。
That is, in FIG. 2, the tertiary winding 5 c of the
In FIG. 2, a control circuit 9 is connected in series to a tertiary winding 5 c via a rectifying diode 12, and a
Other configurations are the same as those in FIG.
この実施形態の動作を説明すると、回路の起動時には、直流電源1から抵抗11を介して制御回路9に電源電圧を供給し、制御回路9を動作させる。しかし、直流電源1と制御回路9の定格電圧との差が大きい場合には、この差電圧に応じた電力が抵抗11により消費されるため、損失が大きくなる。
そこで、抵抗11には僅かな電流を流すような高抵抗を使用し、ある程度時間をかけてコンデンサ10を充電する。そして、コンデンサ10の電圧が規定値に達すると制御回路9が起動してスイッチング素子2を駆動するようにし、その間の制御回路9の消費電力はコンデンサ10により供給する。
The operation of this embodiment will be described. When the circuit is activated, a power supply voltage is supplied from the
Therefore, a high resistance that allows a slight current to flow is used as the
コンデンサ10の電圧が制御回路9の動作電圧の下限値より低下する前に、三次巻線5c及びダイオード12を介してコンデンサ10を再充電し、以降は、専ら三次巻線5c及びダイオード12の直列回路により制御回路9に電力を供給する。
これは特許文献1を始めとして多くのスイッチング電源で用いられる方法であるが、図2に示すようにダイオード12を負極性側に配置することで三次巻線5cの極性とは逆極性の電位変動が生成され、スイッチング素子2のオフ時には、各巻線5a,5b,5cにそれぞれ図示の矢印の向きで電圧が発生する。このとき、三次巻線5cとコンデンサ10との接続点(三次巻線5cの一端)はN点に対して安定電位点となるので、三次巻線5cの他端であるB点にはA点と逆向きの電位変動を生じる。
Before the voltage of the
This is a method used in many switching power supplies including
図1または図2の回路において、Ie4=Ie1+Ie3の関係になれば、接地インピーダンス100に流れる漏洩電流がゼロになるので、最も望ましい。ここで、Ie4は、寄生キャパシタンス104と三次巻線5cの電圧変化率(dv/dt)に依存する。寄生キャパシタンス104に実際の部品としてのコンデンサを使用可能な場合、その容量値の調整は比較的容易であるが、構造やその他の制約によってそれが不可能な場合には、配線パターンの面積、つまりコンデンサの電極面積等により調整することになる。また、数式1に示した電圧変化率(dv/dt)を調整する場合、電圧の変化時間は一次巻線5a、二次巻線5bと同様になるので、巻線のターン数を変えて電圧を調整することになる。
このような配線パターンの面積の調整や電圧の調整は試行錯誤を伴うので、多くの時間や費用を要するものである。
In the circuit of FIG. 1 or FIG. 2, the relationship of Ie 4 = Ie 1 + Ie 3 is most preferable because the leakage current flowing through the
Since the adjustment of the area of the wiring pattern and the adjustment of the voltage involve trial and error, much time and cost are required.
そこで、漏洩電流Ie4の調整、特に寄生キャパシタンス104の容量値の調整を容易にするために、図3に示すような構造が考えられる。
図3は、回路を構成する部品が搭載されるプリント基板を裏側から透視したものであり、200は図1,図2のA点に対応する配線パターン、201はN点に対応する配線パターン、202〜204はB点に対応する配線パターンである。また、205,206は、回路からの切り離しを可能とする接続切り離し手段としての、抵抗値の小さい抵抗器、例えばゼロオーム抵抗器である。更に、スイッチング素子2におけるG,D,Sは、それぞれゲート,ドレイン,ソース電極を表わしている。
Therefore, in order to easily adjust the leakage current Ie 4 , particularly the capacitance value of the
FIG. 3 is a perspective view of a printed circuit board on which components constituting the circuit are mounted, from which 200 is a wiring pattern corresponding to point A in FIGS. 1 and 2, 201 is a wiring pattern corresponding to point N, 202 to 204 are wiring patterns corresponding to the B point.
図3に示すように、A点に対応する配線パターン200とB点に対応する配線パターン202〜204とが非接触状態で対向する位置に配置することで、図1及び図2における漏洩電流Ie1,Ie4が最短経路で循環するようにしている。
ここで、抵抗器205,206を除去すれば、配線パターン203,204はB点から切り離されてコンデンサの電極面積が減少し、B点のフレームFに対する寄生キャパシタンス104は減少する。よって、このような方法により、プリント基板製作後に寄生キャパシタンス104を調整することができる。
As shown in FIG. 3, the leakage current Ie in FIGS. 1 and 2 is arranged by disposing the
Here, if the
なお、接続切り離し手段として、抵抗器205,206の代わりに細かいパターンを形成し、パターンカットによりコンデンサの電極面積を調整して寄生キャパシタンス104の容量値を調整することも可能である。また、B点の配線パターンの分割数や配線パターンの形状は、図3に示した例に何ら限定されないことは言うまでもない。
As a connection disconnection means, it is also possible to adjust the capacitance value of the
次に、図4は、図1及び図2における変圧器51を横から見た断面図であり、変圧器51の内部で漏洩電流の打ち消し合いを効果的に行うための構造を示している。図4において、5a,5b,5cは図1及び図2に示した各巻線であり、矢印は電圧の向きを示している。なお、5dは変圧器51の鉄心である。
Next, FIG. 4 is a sectional view of the
図4では、一次巻線5a及び三次巻線5cによって二次巻線5bを挟む構造になっており、寄生キャパシタンス102を介して一次巻線5aから二次巻線5bに流入した漏洩電流は、そのまま寄生キャパシタンス105を介して三次巻線5cに流出し、直流電源1に戻るため、寄生キャパシタンス103を介して循環する漏洩電流Ie3が抑制され、雑音端子電圧の一因をなくすことができる。
In FIG. 4, the secondary winding 5b is sandwiched between the primary winding 5a and the tertiary winding 5c, and the leakage current flowing from the primary winding 5a into the secondary winding 5b via the
本発明は、装置全体の小型化が求められる各種の直流電源装置、DC/DCコンバータ等に利用することができる。 The present invention can be used for various DC power supplies, DC / DC converters, and the like that require a reduction in the size of the entire apparatus.
1:直流電源
2:半導体スイッチング素子
3,6,12:ダイオード
4:ツェナーダイオード
51:変圧器
5a:一次巻線
5b:二次巻線
5c:三次巻線
5d:鉄心
7,10:コンデンサ
8:負荷
9:制御回路
11:抵抗
100:接地インピーダンス
101〜105:寄生キャパシタンス
200〜204:配線パターン
205,206:抵抗器
F:フレーム
1: DC power source 2:
Claims (7)
前記変圧器は三次巻線を備え、前記三次巻線の一端を、前記直流電源の一端またはこの一端を基準として電位変動を生じない安定電位点に接続し、前記三次巻線の他端の電位を、前記半導体スイッチング素子と前記一次巻線との接続点の電位に対して逆極性にて変動させると共に、前記三次巻線の他端と回路の基準電位点との間にキャパシタンスを保有させたことを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device, the transformer primary winding and the semiconductor switching element are connected in series to both ends of the DC power supply, and a load is connected to the secondary winding of the transformer via a rectifier circuit.
The transformer includes a tertiary winding, and one end of the tertiary winding is connected to one end of the DC power source or a stable potential point that does not cause a potential fluctuation with reference to the one end, and the potential of the other end of the tertiary winding And having a capacitance between the other end of the tertiary winding and the reference potential point of the circuit, with a polarity opposite to the potential at the connection point between the semiconductor switching element and the primary winding. A direct current power supply device.
前記三次巻線の他端を開放したことを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to claim 1,
A DC power supply device characterized in that the other end of the tertiary winding is opened.
前記三次巻線の出力を整流して得た直流電圧を、前記半導体スイッチング素子を駆動する制御回路に電源電圧として供給することを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to claim 1,
A DC power supply device, wherein a DC voltage obtained by rectifying the output of the tertiary winding is supplied as a power supply voltage to a control circuit that drives the semiconductor switching element.
前記三次巻線の他端は、回路部品が実装されるプリント基板上の面積の広い配線パターンに接続されることを特徴とする直流電源装置。 In the direct-current power supply device according to any one of claims 1 to 3,
The other end of the tertiary winding is connected to a wiring pattern having a large area on a printed circuit board on which circuit components are mounted.
前記半導体スイッチング素子と前記一次巻線との接続点が接続される配線パターンと、前記三次巻線の他端が接続される配線パターンとを、非接触状態で対向する位置に配置することを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to claim 4,
A wiring pattern to which a connection point between the semiconductor switching element and the primary winding is connected and a wiring pattern to which the other end of the tertiary winding is connected are arranged at positions facing each other in a non-contact state. DC power supply.
前記三次巻線の他端が接続される配線パターンを複数に分割し、分割された複数の配線パターンのうちの少なくとも一つについて、回路からの切り離しを可能にする接続切り離し手段を設けたことを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to claim 4 or 5,
The wiring pattern to which the other end of the tertiary winding is connected is divided into a plurality of parts, and at least one of the divided wiring patterns is provided with a connection disconnecting means that enables disconnection from the circuit. DC power supply device characterized.
前記二次巻線を、前記一次巻線と前記三次巻線との間に配置したことを特徴とする直流電源装置。 In the DC power supply device according to any one of claims 1 to 6,
The DC power supply device, wherein the secondary winding is disposed between the primary winding and the tertiary winding.
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