JP2015035932A

JP2015035932A - スイッチング電源装置

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Publication number: JP2015035932A
Application number: JP2013166874A
Authority: JP
Inventors: 英士永田; Eiji Nagata
Original assignee: Cosel Co Ltd
Current assignee: Cosel Co Ltd
Priority date: 2013-08-09
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2015-02-19
Anticipated expiration: 2033-08-09
Also published as: JP5927158B2

Abstract

【課題】スイッチング素子の電圧が一定以下に制限され、オン時比率50%以上の範囲でも正常に動作できるシンプルな２石フォワード型のスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】トランス４２の入力巻線４４は、上段巻線４４(1)、中段巻線４４(2)及び下段巻線４４(3)を直列に配して構成され、上段巻線４４(1)側の一端が上段側スイッチング素子１８ａに接続され、下段巻線４４(3)側の一端が下段側スイッチング素子１８ｂに接続される。第一及び第二ダイオード２６ａ，２６ｂが設けられ、第一ダイオード２６ａは、アノード端子が中段巻線４４(2)と下段巻線４４(3)との接続点に接続され、カソード端子がプラス側ライン２２(+)に接続される。第二ダイオード２６ｂは、アノード端子がマイナス側ライン２２(-)に接続され、カソード端子が上段巻線４４(1)と中段巻線４４(2)との接続点に接続される。【選択図】図１

Description

本発明は、トランスの入力巻線が２つの主スイッチング素子の間に接続されている２石フォワード型のスイッチング電源装置に関する。

従来から、２石フォワード型のスイッチング電源装置１０が広く使用されている。スイッチング電源装置１０は、図３に示すように、入力巻線１２及び出力巻線１４を有するトランス１６と、入力巻線１２の両側に配された２つのスイッチング素子１８ａ，１８ｂとを備えている。上段側スイッチング素子１８ａは、入力電源２０の一端が接続されるプラス側ライン２２(+)と入力巻線１２の一端との間に接続され、下段側スイッチング素子１８ｂは、入力電源２０の他端が接続されるマイナス側ライン２２(-)と入力巻線１２の他端との間に接続されている。入力電源２０は、プラス側及びマイナス側ライン２２(+)，２２(-)の間に入力電圧Viを供給する。２つのスイッチング素子１８ａ，１８ｂは、制御回路２４が出力する駆動パルスVg18によって駆動され、同位相でオンオフする。

入力巻線１２及び下段側スイッチング素子１８ｂの接続点とプラス側ライン２２(+)との間には、カソード端子がプラス側ライン２２(+)に接続された第一ダイオード２６ａが設けられている。また、入力巻線１２及び上段側スイッチング素子１８ａの接続点とマイナス側ライン２２(-)との間には、アノード端子がマイナス側ライン２２(-)に接続された第二ダイオード２６ｂが設けられている。

出力巻線１４には、出力巻線１４に発生する電圧を整流平滑して直流の出力電圧Voを生成する整流平滑回路２８が接続されている。整流平滑回路２８は、整流側ダイオード３０、転流側ダイオード３２、平滑インダクタ３４、及び平滑コンデンサ３６で構成され、平滑コンデンサ３６の両端に負荷３８が接続される。整流側ダイオード３０は、２つのスイッチング素子１８ａ，１８ｂがオンの時に導通し、転流側ダイオード３２は、２つのスイッチング素子１８ａ，１８ｂがオフの時に導通する。

制御回路２４が出力する駆動パルスVg18は、図４に示すように、周期が一定の方形波状のパルス電圧であり、スイッチング素子１８ａ，１８ｂは、駆動パルスVg18がハイレベルときにオンし、ローレベルのときにオフする。制御回路２４は、出力電圧Voが目標値に保持されるように、１周期におけるハイレベルの時間比率（以下、オン時比率Donと称す。）を可変調節する。

スイッチング電源装置１０の場合、オン時比率Donの可変範囲を0〜50%にしないと正常に動作できない。スイッチング素子１８ａ，１８ｂがオンするtonの期間、入力巻線１２の電圧V12は正の電圧Viに保持される。また、スイッチング素子１８ａ，１８ｂがオフするtoffの期間、tonの期間中にトランス１６に蓄積された励磁エネルギーを放出するため、入力巻線１２に負電圧が発生し、taの期間、第一及び第二ダイオード２６ａ，２６ｂが導通することにより、電圧V12の負の波高値が電圧Viにクランプされる。スイッチング電源装置１０が正常に動作するためには、電圧V12が正になる期間の電圧及び時間の積VT(+)と、負になる期間の電圧及び時間の積VT(-)とが、互いに等しくなることが条件となる。

VT(+)とVT(-)は、それぞれ式（１），（２）のように表わされる。ここで、Ｔはオン時間tonとオフ時間toffを合計したスイッチングの１周期である。また、時間taは、オフ時間toff以下である。

例えば、オン時比率Don＝50%のときの動作を考えると、図４の動作波形に示すように、時間ton＝toff＝T/2であり、時間taがオフ時間toff＝T/2と等しくなることで、VT(+)＝VT(-)の条件を満たすことができる。このことから、オン時比率Donが50%を超えると、必ずVT(+)がVT(-)より大きくなってしまうことが分かる。

VT(+)とVT(-)が同じでなくなると、トランス１６が偏磁して磁気飽和が起こり、回路が故障する可能性がある。したがって、スイッチング電源装置１０を設計するときは、トランス１６の磁気飽和を回避するため、通常、オン時比率Donは0〜50%以下の範囲で可変可能とし、その範囲で出力電圧Voを目標値に保持できるように入力巻線１２及び出力巻線１４の巻数比を設定する。

スイッチング電源装置１０は、スイッチング素子１８ａ，１８ｂの両端電圧が、それぞれ入力電圧Vi以下に制限されるので、安全性が高く、低耐圧の素子（導通抵抗が小さい素子）を使用できるという利点がある。

その一方で、オン時比率Donを50%以下の範囲に設定しなければならないので、入力電圧Viの範囲が広い場合に対応しにくいという欠点がある。特に入力電圧Viが高いとき、入力側に流れるスイッチング電流の実効値が大きくなり、入力巻線１２等の抵抗成分に発生する損失が大きくなる。また、入力巻線１２及び出力巻線１４の巻数比の関係で、整流側及び転流側ダイオード３０，３２は、高耐圧の素子（導通時の電圧降下が大きい素子）を使用しなければならず、損失が大きくなるという欠点がある。さらに、転流側ダイオード３２の導通時間toffが整流側ダイオード３０の導通時間tonよりも常に長くなるので、転流側ダイオード３２の側に損失と発熱が集中しやすいという問題もある。

近年、上述した２石フォワード型のスイッチング電源装置１０を改良し、オン時比率Donが50%以上の範囲でも正常動作できるようにする技術が複数提案されている。例えば、特許文献１に開示されているように、上記スイッチング電源装置１０の第一及び第二ダイオード２６ａ，２６ｂを開放除去した電源回路がある。この電源回路によれば、スイッチング素子２２ａ，２２ｂがオフの期間、入力巻線１２の電圧V12の負の波高値が制限されないので、オン時比率Donが50%以上に可変されたとき、VT(+)が大きくなるのに合わせてVT(-)積も大きくなれるので、トランス１２の磁気飽和を回避できる。

また、特許文献２に開示されているように、３つのスイッチング素子と２つの入力巻線を交互に配して直列に接続し、２つの入力巻線のそれぞれに、上記の第一及び第二ダイオード２６ａ，２６ｂに相当するダイオードを接続したスイッチング電源回路がある。このスイッチング電源回路によれば、３つのスイッチング素子の両端電圧が、それぞれ入力電圧Vi以下に制限されるので、安全性が高い。また、スイッチング素子２２ａ，２２ｂがオフの期間、入力巻線の負電圧の波高値の制限が２倍に緩和されるので、オン時比率Donが50%以上に可変されたとき、VT(+)が大きくなるのに合わせてVT(-)も大きくなることができ、トランス１２の磁気飽和を回避できる。

特開２００３−１３４８１９号公報特昭６２−１６３５６８号公報

しかし、特許文献１の電源回路の場合、２つのスイッチング素子の両端電圧が制限されないので、スイッチング素子が故障しないように高耐圧の素子（導通抵抗が大きい素子）を使用しなければならず、損失が増加するという問題がある。

また、特許文献２のスイッチング電源回路の場合、回路構成が非常に複雑であり、スイッチング電源装置１０のシンプルな構成に対して、絶縁された入力巻線を１つ、スイッチング素子とその駆動回路を１組、第一及び第二ダイオード２６ａ，２６ｂに相当するダイオードを１組、を追加なければならない。また、２つの入力巻線の巻数が同じでなければならないという制約があり、トランスの磁気飽和を回避できるオン時比率Donの上限値が約66.7%に固定され、自由に変更することができない。

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、スイッチング素子の電圧が一定以下に制限され、オン時比率50%以上の範囲でも正常に動作できるシンプルな２石フォワード型のスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

本発明は、入力巻線及び出力巻線を有するトランスと、入力電源の一端が接続されるプラス側ラインと前記入力巻線の一端との間に接続された上段側スイッチング素子と、前記入力電源の他端が接続されるマイナス側ラインと前記入力巻線の他端との間に接続され、前記上段側スイッチング素子と同位相でオンオフする下段側スイッチング素子と、前記出力巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路とを備え、
前記入力巻線は、上段巻線、中段巻線及び下段巻線を直列に配して構成され、前記上段巻線側の一端が前記上段側スイッチング素子に、前記下段巻線側の一端が前記下段側スイッチング素子にそれぞれ接続され、
前記プラス側ラインと前記マイナス側ライン間に、第一及び第二ダイオードが設けられ、前記第一ダイオードは、アノード端子が前記中段巻線と前記下段巻線との接続点に、カソード端子が前記プラス側ラインにそれぞれ接続され、前記第二ダイオードは、アノード端子が前記マイナス側ラインに、カソード端子が前記上段巻線と前記中段巻線との接続点にそれぞれ接続されている２石フォワード型のスイッチング電源装置である。

また本発明は、入力巻線及び出力巻線を有するトランスと、入力電源の一端が接続されるプラス側ラインと前記入力巻線の一端との間に接続された上段側スイッチング素子と、前記入力電源の他端が接続されるマイナス側ラインと前記入力巻線の他端との間に接続され、前記上段側スイッチング素子と同位相でオンオフする下段側スイッチング素子と、前記出力巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路とを備え、
前記入力巻線は、上段巻線と下段巻線とを直列に配して構成され、前記上段巻線側の一端が前記上段側スイッチング素子に、前記下段巻線側の一端が前記下段側スイッチング素子にそれぞれ接続され、
前記プラス側ラインと前記マイナス側ライン間に、第一及び第二ダイオードが設けられ、前記第一ダイオードは、アノード端子が前記上段巻線と前記下段巻線との接続点に、カソード端子が前記プラス側ラインにそれぞれ接続され、前記第二ダイオードは、アノード端子が前記マイナス側ラインに、カソード端子が前記上段巻線と前記上段側スイッチング素子との接続点にそれぞれ接続されている２石フォワード型のスイッチング電源装置である。

また本発明は、入力巻線及び出力巻線を有するトランスと、入力電源の一端が接続されるプラス側ラインと前記入力巻線の一端との間に接続された上段側スイッチング素子と、前記入力電源の他端が接続されるマイナス側ラインと前記入力巻線の他端との間に接続され、前記上段側スイッチング素子と同位相でオンオフする下段側スイッチング素子と、前記出力巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路とを備え、
前記入力巻線は、上段巻線と下段巻線とを直列に配して構成され、前記上段巻線側の一端が前記上段側スイッチング素子に、前記下段巻線側の一端が前記下段側スイッチング素子にそれぞれ接続され、
前記プラス側ラインと前記マイナス側ライン間に、第一及び第二ダイオードが設けられ、前記第一ダイオードは、アノード端子が前記下段巻線と前記下段側スイッチング素子との接続点に、カソード端子が前記プラス側ラインにそれぞれ接続され、前記第二ダイオードは、アノード端子が前記マイナス側ラインに、カソード端子が前記上段巻線と前記下段巻線との接続点にそれぞれ接続されている２石フォワード型のスイッチング電源装置である。

前記トランスの入力巻線は、多層基板の導体層に形成されたコイルパターンで構成され、前記第一及び第二ダイオードは、前記多層基板上に実装され、前記コイルパターンの所定の電位を引き出す配線パターンを介して前記入力巻線に接続されている。

本発明のスイッチング電源装置によれば、スイッチング素子の電圧が一定以下に制限される安全性を確保しつつ、オン時比率50%以上の範囲でもトランスの磁気飽和を回避することができる。また、トランスの磁気飽和を回避できるオン時比率Donの上限値は、入力巻線を構成する個々の巻線（上段巻線、中段巻線、下段巻線）の巻線の巻数比を変えることによって、自由に調節することができる。

また、入力巻線は、３つの巻線を直列に配した構成なので、トランスを製作する際、１つの巻線から中間タップを引き出すような形で形成することができ、端子の数もさほど増えない。特に、多層基板の導体層で形成したコイルパターンで入力巻線を形成すれば、容易に中間タップを引き出すことができる。また、特許文献２のスイッチング電源回路のように、スイッチング素子や第一及び第二ダイオードの数を増やす必要がない。したがって、電源装置の構造を非常なシンプルにすることができる。

本発明のスイッチング電源装置の一の実施形態を示す回路図である。この実施形態のスイッチング電源装置の各部の動作波形である。従来のスイッチング電源装置を示す回路図である。従来のスイッチング電源装置の各部の動作波形である。

以下、本発明の２石フォワード型のスイッチング電源装置の一実施形態について、図１、図２に基づいて説明する。ここで、従来のスイッチング電源装置１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

本実施形態のスイッチング電源装置４０は、新規なトランス４２を有している点に特徴があり、その他の構成は、従来のスイッチング電源装置１０とほぼ同様である。

トランス４２は、入力巻線４４と出力巻線１４とを備えている。入力巻線４４は、上段巻線４４(1)、中段巻線４４(2)及び下段巻線４４(3)を直列に配して構成され、上段巻線４４(1)側の一端が上段側スイッチング素子１８ａに接続され、下段巻線４４(3)側の一端が下段側スイッチング素子１８ｂに接続されている。第一ダイオード２６ａは、中段巻線４４(2)及び下段巻線４４(3)の接続点とプラス側ライン２２(+)との間に設けられ、カソード端子がプラス側ライン２２(+)に接続されている。第二ダイオード２６ｂは、上段巻線４４(1)及び中段巻線４４(2)の接続点とマイナス側ライン２２(-)との間に設けられ、アノード端子側がマイナス側ライン２２(-)に接続されている。

次に、スイッチング電源装置４０の動作について説明する。ここで、上段巻線４４(1)の両端電圧をV44(1)、中段巻線４４(2)の両端電圧をV44(2)、下段巻線４４(3)の両端電圧をV44(3)とし、入力巻線４４の両端電圧をV44（＝V44(1)＋V44(2)＋V44(3)）とする。

スイッチング素子２２ａ，２２ｂがオンするtonの期間、入力巻線４４の電圧V44は、正の電圧Viに保持される。したがって、各巻線の電圧V44(1)，V44(2)，V44(3)は、各々の巻数N44(1)，N44(2)，N44(3)の比に応じて電圧Viを分圧した値になる。

スイッチング素子１８ａ，１８ｂがオフするtoffの期間は、tonの期間に蓄積された励磁エネルギーを放出するため中段巻線４４(2)に負電圧が発生し、taの期間、第一及び第二ダイオード２６ａ，２６ｂが導通することにより、電圧V44(2)の負の波高値が電圧Viにクランプされる。この動作により、taの期間の電圧V44(1)，V44(2)，V44(3)，V44は、それぞれ式（３）〜（６）で表わされる値となる。

式（６）から分かるように、taの期間の入力巻線４４の電圧V44は、入力電圧Viよりも高くなることができる。

ここで、入力巻線44の電圧V44が正になる期間の電圧及び時間の積VT(+)と、電圧V44が負になる期間の電圧及び時間の積VT(-)について考える。VT(+)は、上記の式（１）で表わされるが、VT(-)は、上記の式（２）とは異なり、次の式（７）のように表わされる。

例えば、オン時比率Don＝50%のときの動作を考えると、図２の動作波形に示すように、時間ton＝toff＝T/2であり、時間taがオフ時間toff＝T/2よりも短い状態で、VT(+)＝VT(-)の条件を満たすことができる。このことから、オン時比率Donが50%を超えてVT(+)がさらに大きくなったとき、時間taがもっと長くなることによってVT(-)が大きくなれるので、VT(+)＝VT(-)の条件を満たすことが可能である。したがって、オン時比率Donが50%以上に可変されたとき、トランス４２の磁気飽和を回避できる。

ただし、時間taはオフ時間toffよりも長くなれないので、オン時比率Donが一定の値（上限値Don1）を超えると、VT(+)＝VT(-)を満たせなくなる点に留意する。この上限値Don1は、巻数N44(1)，N44(2)，N44(3)の比を調節することによって、自由に変更することができる。

以上説明したように、スイッチング電源装置４０によれば、オン時比率Donが50%以上の範囲でもトランス４２の磁気飽和を回避することができる。また、トランス４２の磁気飽和を回避できるオン時比率Donの上限値Don1は、入力巻線１８を構成する３つの巻線４４(1)，４４(2)，４４(3)の巻数比を変更することで調節することができるという利点もある。

上段側及び下段側スイッチング素子１８ａ，１８ｂの両端電圧は、それぞれ式（８），（９）で表わされる電圧V18a(max)，V18b(max)に制限され、一定の安全性が確保される。

入力巻線４４は、従来のトランス１６の入力巻線１２と比較すると、回路図上は巻線数が２つ増えている。しかし、３つの巻線４４(1)，４４(2)，４４(3)を直列にした構成なので、トランス４２を製作するときは、１つのコイルを中間タップを設けながら連続巻きする等の方法で形成できるので、巻線作業者の負担の増加は小さく、端子数も２つ増えるだけである。

また、電源回路を実装する多層基板内に入力巻線４４を形成することも可能であり、この場合、入力巻線４４を導体層に形成されたコイルパターンで形成し、コイルパターンの所定の電位を配線パターンで引き出し、多層基板上の第一及び第二ダイオード２６ａ，２６ｂにハンダ接続することができるので、トランス４２を製作する際の作業性や端子数は全く問題にならない。また、トランス４２以外の部分は従来のスイッチング電源装置１０の構成と同じであり、部品点数の増加もない。

なお、上段巻線４４(1)の巻数N44(1)、中段巻線４４(2)の巻数N44(2)、下段巻線４４(3)の巻数N44(3)は、自由に変更することができる。例えば、巻数N44(1)＝ゼロターンとし、巻数N44(2)とN44(3)を１ターン以上にしてもよい。この場合、入力巻線４４は、上段巻線（上記の中段巻線４４(2)）及び下段巻線（上記の下段巻線４４(3)）の２つで構成されることになる。また、巻数N44(3)＝ゼロターンとし、巻数N44(1)とN44(2)を１ターン以上にしてもよい。この場合、入力巻線４４は、上段巻線（上記の上段巻線４４(1)）及び下段巻線（上記の中段巻線４４(2)）の２つで構成されることになる。何れの場合も上記の式（３）〜（９）は成立するので、設計する際の考え方は同じである。ただ、巻数N44(1)とN44(3)が異なると、式（８），（９）から求まる上限値V18a(max)，V18b(max)が違う値になるので、使用するスイッチング素子１８ａ，１８ｂの耐電圧に注意が必要である。

１０，４０スイッチング電源装置
１２，４４入力巻線
１４出力巻線
１６，４２トランス
１８ａ上段側スイッチング素子
１８ｂ下段側スイッチング素子
２２(+) プラス側ライン
２２(-) マイナス側ライン
２４制御回路
２６ａ第一ダイオード
２６ｂ第二ダイオード
２８整流平滑回路
４４(1) 上段巻線
４４(2) 中段巻線
４４(3) 下段巻線

Claims

入力巻線及び出力巻線を有するトランスと、入力電源の一端が接続されるプラス側ラインと前記入力巻線の一端との間に接続された上段側スイッチング素子と、前記入力電源の他端が接続されるマイナス側ラインと前記入力巻線の他端との間に接続され、前記上段側スイッチング素子と同位相でオンオフする下段側スイッチング素子と、前記出力巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路とを備え、
前記入力巻線は、上段巻線、中段巻線及び下段巻線を直列に配して構成され、前記上段巻線側の一端が前記上段側スイッチング素子に、前記下段巻線側の一端が前記下段側スイッチング素子にそれぞれ接続され、
前記プラス側ラインと前記マイナス側ライン間に、第一及び第二ダイオードが設けられ、前記第一ダイオードは、アノード端子が前記中段巻線と前記下段巻線との接続点に、カソード端子が前記プラス側ラインにそれぞれ接続され、前記第二ダイオードは、アノード端子が前記マイナス側ラインに、カソード端子が前記上段巻線と前記中段巻線との接続点にそれぞれ接続されていることを特徴とする２石フォワード型のスイッチング電源装置。
入力巻線及び出力巻線を有するトランスと、入力電源の一端が接続されるプラス側ラインと前記入力巻線の一端との間に接続された上段側スイッチング素子と、前記入力電源の他端が接続されるマイナス側ラインと前記入力巻線の他端との間に接続され、前記上段側スイッチング素子と同位相でオンオフする下段側スイッチング素子と、前記出力巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路とを備え、
前記入力巻線は、上段巻線と下段巻線とを直列に配して構成され、前記上段巻線側の一端が前記上段側スイッチング素子に、前記下段巻線側の一端が前記下段側スイッチング素子にそれぞれ接続され、
前記プラス側ラインと前記マイナス側ライン間に第一及び第二ダイオードが設けられ、前記第一ダイオードは、アノード端子が前記上段巻線と前記下段巻線との接続点に、カソード端子が前記プラス側ラインにそれぞれ接続され、前記第二ダイオードは、アノード端子が前記マイナス側ラインに、カソード端子が前記上段巻線と前記上段側スイッチング素子との接続点にそれぞれ接続されていることを特徴とする２石フォワード型のスイッチング電源装置。
入力巻線及び出力巻線を有するトランスと、入力電源の一端が接続されるプラス側ラインと前記入力巻線の一端との間に接続された上段側スイッチング素子と、前記入力電源の他端が接続されるマイナス側ラインと前記入力巻線の他端との間に接続され、前記上段側スイッチング素子と同位相でオンオフする下段側スイッチング素子と、前記出力巻線に発生する電圧を整流平滑して出力電圧を生成する整流平滑回路とを備え、
前記入力巻線は、上段巻線と下段巻線とを直列に配して構成され、前記上段巻線側の一端が前記上段側スイッチング素子に、前記下段巻線側の一端が前記下段側スイッチング素子にそれぞれ接続され、
前記プラス側ラインと前記マイナス側ライン間に、第一及び第二ダイオードが設けられ、前記第一ダイオードは、アノード端子が前記下段巻線と前記下段側スイッチング素子との接続点に、カソード端子が前記プラス側ラインにそれぞれ接続され、前記第二ダイオードは、アノード端子が前記マイナス側ラインに、カソード端子が前記上段巻線と前記下段巻線との接続点にそれぞれ接続されていることを特徴とする２石フォワード型のスイッチング電源装置。
前記トランスの入力巻線は、多層基板の導体層に形成されたコイルパターンで構成され、
前記第一及び第二ダイオードは、前記多層基板上に実装され、前記コイルパターンの所定の電位を引き出す配線パターンを介して前記入力巻線に接続されている請求項１乃至３のいずれか記載の２石フォワード型のスイッチング電源装置。