JP2016171705A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズの放射元となる配線を短くしてノイズの放射を抑制する。【解決手段】電源装置は、複数のスイッチング素子のオン／オフ状態の組み合わせが絶縁型トランス７の１次側の巻き線へ電流を通電しない組み合わせの際に動作してリアクタ１に蓄積された電気エネルギーをスナバ用スイッチング素子の作動で解放もしくは消費させるスナバ回路を備え、複数のスイッチング素子及びスナバ用スイッチング素子を単一のパッケージ内の同一基台上に近接して設けると共にスナバ用スイッチング素子と複数のスイッチング素子とをパッケージ内もしくは前記パッケージに隣接してつなげる配線部とを備えるものである。【選択図】図１

Description

本発明は電流形の昇圧回路を有する電源装置に関するものである。

絶縁型トランスの１次側の巻き線に交互に極性を変えて電流を流す電流形昇圧回路を有
する電源装置では、絶縁型トランスの２次側の巻き線に生じる交流電力を整流し平滑した
後直流電力として出力していた。この直流電力は１次側の巻き線に流す電流を制御するこ
とによってその電圧を制御することができ、リアクタに蓄える電磁エネルギーで昇圧され
るものである。

複数のスイッチング素子のオン／オフ状態の組み合わせを用いて絶縁型トランスの１次
側の巻き線に通電される電流を制御する場合、複数のスイッチング素子が全てオフ状態に
成る場合がある。この時、リアクタに電磁エネルギーが蓄積されているとこの電磁エネル
ギーの行き場（電流が流れる経路）がなくなりスイッチング素子の端子間電圧を上昇させ
る。この端子間電圧がスイッチング素子の耐圧を超えるとこのスイッチング素子は破損に
至る。スイッチング素子の破損を防止するためにリアクタの電磁エネルギーを解放または
消費させるためにリアクタの両端子にスナバ回路を設けるものがあった。（特許文献１参
照）

特許第５１３８００２号公報

特許文献１にはインダクタ（リアクタに相当）に並列に接続され、インダクタに流れる
電流を吸収可能なスナバ回路が記載されている。このスナバ回路はトランス（絶縁型トラ
ンスに相当）に流れる電流の遮断時にインダクタから流れる電流を吸収させるものであっ
た。インダクタに蓄積された電磁エネルギーを吸収（コンデンサで吸収後に抵抗で消費）
することによってスイッチング素子に耐圧以上の電圧が印加されこのスイッチング素子が
破損に至ることを防止していた。

リアクタに蓄積された電磁エネルギーをスナバ回路に導く場合、絶縁型トランスの１次
側の巻き線に電流を通電する際の複数のスイッチング素子のオン／オフ状態とスナバ用ス
イッチング素子のオン／オフ状態とは同期させる必要がある。１次側の巻き線に電流を通
電しているときに時にスナバ用スイッチング素子をオン状態にするとこの１次側の巻き線
に電流が流れなくなり電源装置の出力電圧が低下する。またリアクタに電磁エネルギーを
蓄積しているときにスナバ用スイッチング素子をオン状態にするとこの電磁エネルギーが
スナバ回路に吸収され電源装置の出力電圧が低下する。

このため、１次側巻き線への電流の通電が遮断されてからスナバ用スイッチング素子を
オン状態にするが、この間に時間遅れが生じる。この時間遅れの間にリアクタに蓄積され
ていた電磁エネルギーは複数のスイッチング素子のオン／オフ状態の変化に伴うスパイク
電圧と共同して高圧のスパイク状の電圧となってリアクタと複数のスイッチング素子とを
繋ぐ配線に生じる。このスパイク状の電圧の立ち上がりが高周波のノイズとなって周囲に
放射される。また、電源装置の出力電圧に生じるリップル成分を抑制するために複数のス
イッチング素子のオン／オフ状態の切り換わり周期を早くするとスイッチング回数の増加
に伴いノイズ量が増加し周囲への影響も大きくなる。

本発明の電源装置はノイズの放射元となる配線を短くしてノイズの放射を抑制するもの
である。

本発明の電源装置は、リアクタを介して得られる直流電流を複数のスイッチング素子の
オン／オフ状態を組み合わせて絶縁型トランスの１次側巻き線へ交互に極性を変えて通電
し、当該絶縁型トランスの２次側巻き線に誘起する交流電力を整流し平滑した直流電力を
出力する電源装置において、複数のスイッチング素子のオン／オフ状態の組み合わせが１
次側の巻き線へ電流を通電しない組み合わせの際に動作してリアクタに蓄積された電気エ
ネルギーをスナバ用スイッチング素子の作動で解放もしくは消費させるスナバ回路を備え
、複数のスイッチング素子及びスナバ用スイッチング素子を単一のパッケージ内の同一基
台上に近接して設けると共に、スナバ用スイッチング素子と複数のスイッチング素子とを
パッケージ内もしくは前記パッケージに隣接してつなげる配線部とを備えるものである。

本発明の電源装置は、複数のスイッチング素子及びスナバ用スイッチング素子を単一の
パッケージ内の同一基台上に設けることにより、ノイズにつながる高電圧がスナバ回路へ
吸収されるまでの配線部を短くしてノイズの放射量または時間を抑制するものである。

本発明の実施例を示す回路の説明図である。 スイッチング素子のオン／オフ状態を示す説明図である。 本発明の他の実施例を示す回路の説明図である。 ＩＰＭの外観を示す説明図である。 ＩＰＭの外観を示す説明図である。

本発明は、リアクタを介して得られる直流電流を複数のスイッチング素子のオン／オフ
状態を組み合わせて絶縁型トランスの１次側巻き線へ交互に極性を変えて通電し、当該絶
縁型トランスの２次側巻き線に誘起する交流電力を整流し平滑した直流電力を出力する電
源回路に用いることができるものである。

図１は本発明の実施例を示す回路の説明図である。図１において、Ｐ及びＮは直流電力
が入力される端子であり、例えば太陽電池など出力電圧が自然環境によって変化する直流
電力を出力する直流電源が接続される。

１はリアクタ、２は６個の電力用のスイッチング素子（２ａ乃至２ｆ）を単一のパッケ
ージ内に収納しているＩＰＭ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅであ
り電力を制御するパワーＭＯＳＦＥＴや絶縁ゲートバイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）
などのパワースイッチング素子を収納すると共に、これらスイッチング素子の駆動回路や
自己保護機能を組み込んだ電力用の半導体素子）である。図４にＩＰＭ２の外観例を示す
。このＩＰＭの左右には孔がありこの孔を用いてＩＰＭ２はヒートシンクに螺子止めされ
る。

このＩＰＭ２は同一の絶縁性を有する基台にスイッチング素子２ａ乃至２ｆが隣接して
配置され、これらのスイッチング素子のドライブ回路やドライブ電源回路なども同時にパ
ッケージ内に収納されている。ＩＰＭ２には、少なくともスイッチング素子２ａ乃至２ｆ
夫々のエミッタ端子、コレクタ端子、及びオン／オフ状態を制御する信号Ｌ、信号Ｓ、信
号Ｄを入力する端子が設けられている。（エミッタ端子、コレクタ端子はスイッチング素
子にトランジスタを用いた際の名称であり、ドレン端子、ソース端子などスイッチング素
子の種類に応じて読み替えるものである。）

信号Ｌは比較器３から出力されるアナログレベルの電圧信号（デジタル／アナログ変換
された電圧レベルの信号）であり、スイッチング素子２ｂのオン／オフ状態の制御に用い
られる。信号Ｓはスイッチング素子２ａのオン／オフ状態を制御するものである。信号Ｄ
はスイッチング素子２ｃ乃至スイッチング素子２ｆのオン／オフ状態を制御するものであ
る。信号Ｌ、信号Ｓ、信号Ｄは制御部４から出力される。

リアクタ１の出力端（２次側）１ｂには配線５（または配線導体や電装基板上の配線パ
ターンなどを含む）がつながる。この配線５には、ダイオード６を介してスイッチング素
子２ａのコレクタ端子、スイッチング素子２ｃのコレクタ端子、スイッチング素子２ｅの
コレクタ端子がつながっている。これらの端子は実質的にＩＰＭ２の端子であり夫々が隣
接している。従って、ダイオード６のアノード端子とスイッチング素子の２ｃのコレクタ
端子及びスイッチング素子２ｅのコレクタ端子とは近接しこれらの端子をつなぐ配線５の
距離は短く構成されている。また、これらの端子は導体バー（配線導体）を用いて直接接
続することも可能である。ダイオード６のカソード端子はスイッチング素子２ａのコレク
タ端子に直接接続されている。この配線５は、スイッチング素子２ａをＩＰＭ２に内蔵し
ていない場合の配線の長さと比べ短くできるものである。

ダイオード６、スイッチング素子２ａの直列回路は配線５をリアクタ１の入力端（１次
側）１ａにつなげるスナバ回路を構成している。すなわち、スイッチング素子の２ｃのコ
レクタ端子、スイッチング素子２ｅのコレクタ端子をリアクタ１の入力端１ａにつなげる
ものである。

スイッチング素子２ｃ乃至スイッチング素子２ｆは制御部４からの信号Ｄでオン／オフ
状態が制御され、スイッチング素子２ｃ、スイッチング素子２ｆがオン状態でスイッチン
グ素子２ｄ乃至スイッチング素子２ｅがオフ状態の場合と、スイッチング素子２ｃ、スイ
ッチング素子２ｆがオフ状態でスイッチング素子２ｄ乃至スイッチング素子２ｅがオン状
態の場合とが交互に繰り返されることにより絶縁型トランス７の１次側巻き線７ａへ交互
に極性を変えて電流が通電される。

絶縁型トランス７の２次側巻き線７ｂに誘起する交流電力は４つのダイオードをブリッ
ジ状に結線した全波整流回路８で整流されたのちコンデンサ９で平滑され直流電力となる
。この直流電力の電圧は１次側巻き線７ａに通電する電流と絶縁型トランス７の巻き線比
に基づき、リップルはスイッチング素子２ｃ乃至スイッチング素子２ｆのスイッチング周
波数に基づく。リップルはこの周波数を高くすれば小さくなるが絶縁型トランス７の損失
が増加する。この直流電力は電源装置の出力に相当し、この直流電力は６個のスイッチン
グ素子を３相インバータ回路に結線したインバータ部１０で３相の疑似正弦波に変換され
た後、コンデンサ及びリアクタで構成されるフィルタ１１を介して高周波成分が除去また
は減衰された後三相交流電力ＵＶＷで出力される。この三相交流電力は交流負荷または系
統に重畳することが可能である。インバータ部１０のスイッチング素子のオン／オフ状態
を制御する信号Ｉは制御部から出力され、この信号Ｉは例えばＰＷＭ（Ｐｕｌｓｅ Ｗｉ
ｄｔｈ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）方式に基づくものである。尚、インバータ部１０の回路
結線をＮＰＣ（中性点クランプ）方式や階調方式などの回路結線とすることも可能であり
信号Ｉは夫々の回路結線に合わせて制御部４で生成すれば良い。

図２はスイッチング素子２ａ及びスイッチング素子２ｃ乃至スイッチング素子２ｆのオ
ン／オフ状態の変化を示す説明図である。Ｔ１の期間では、スイッチング素子２ｃ、スイ
ッチング素子２ｆがオン状態でスイッチング素子２ｄ、スイッチング素子２ｅがオフ状態
の場合と、スイッチング素子２ｃ、スイッチング素子２ｆがオフ状態でスイッチング素子
２ｄ、スイッチング素子２ｅがオン状態の場合とが交互に繰り返され１周期分の交流電力
が生成され絶縁型トランス７の１次側巻き線７ａに供給される。

Ｔ２の期間ではスイッチング素子２ｃ乃至スイッチング素子２ｆがオフ状態となりスイ
ッチング素子２ａがオン状態となる。従って、リアクタ１の２次側１ｂから出力される電
磁エネルギーはダイオード６、スイッチング素子２ａを介してリアクタ１の１次側１ａに
吸収される。期間Ｔ２はこの電磁エネルギーがリアクタ１の抵抗分で消費される時間を考
量して設定される。尚、期間Ｔ２の前後には夫々のスイッチング素子の動作遅れを考慮し
てスイッチング素子２ａを早めにオン状態に変え、また遅れてオフ状態にしている。スイ
ッチング素子の耐圧、応答速度が充分であれば省略することも可能である。また、絶縁型
トランス７の一次側巻き線７ａを流れていた電流があれば同時に吸収される。

この際、スイッチング素子２ｅのオフ動作とリアクタ１の電磁エネルギーとの共同によ
って生じるスパイク状の高電圧のサージノイズ（またはスイッチングノイズ）も同時にダ
イオード６、スイッチング素子２ａを介してリアクタ１の１次側１ａに吸収される。この
際、スイッチング素子２ｅとダイオード６とが近接しこれらをつなぐ配線５の長さが短く
サージノイズを放射するアンテナとして作用する部分が短くサージノイズの周囲への放射
量が抑制される。尚、スイッチング素子２ｃ乃至スイッチング素子２ｆで生成される交流
電力の位相が１８０度ずれている場合、サージノイズはスイッチング素子２ｃから生じる
が同様な効果が得られる。

比較器３は配線５からダイオード１２を介して充電されるコンデンサ１３の端子電圧が
所定値以上になった際にスイッチング素子２ｂをオン状態にする。スイッチング素子２ｂ
がオン状態に成ることによって、配線５が抵抗１４、スイッチング素子２ｂの直列回路を
介してリアクタ１の１次側１ａにつながる。従って、コンデンサ１３の端子電圧は一定電
圧以下に制御される。この一定電圧（所定値に相当）は制御部４のＤ／Ａ（任意に変更可
能な電圧）出力端子からの電圧信号Ｌに相当する。尚、比較器３の動作には所定のディフ
ァレンシャルを設定することも可能である。また、比較器３を用いた動作回路に換えて、
コンデンサ１３の端子電圧を制御部４へ取り込み、この制御部４からオンデューティを制
御したスイッチング信号をスイッチング素子２ｂへ出力するように構成することも可能で
ある。

図３は他の実施例を示す要部回路の説明図であり、ＩＰＭ（図５参照）の出力端子が主
に＋端子、−端子、第１相端子Ｕ、第２相端子Ｖ、第３相端子Ｗの５端子を備える場合の
ものである。図１に示すスイッチング素子２ａ乃至スイッチング素子２ｆに相当するもの
は同一符号を付し、また図１に示す構成に相当するものにも同一符号を付し、また第１図
に示した絶縁型トランス７以後の電力の流れを示す回路は同一の回路構成を用いることが
できるので省略している。このＩＰＭ３１の左右には孔がありこの孔を用いてＩＰＭ３１
はヒートシンクに螺子止めされる。

先の実施例との相違は、スイッチング素子２ａ、スイッチング素子２ｃ、スイッチング
素子２ｅのコレクタ端子はＩＰＭ３１内の配線（導体）で接続されて＋端子から外部に接
続される構成である。この＋端子はリアクタ１の２次側１ｂに配線３２で接続されている
。またスイッチング素子２ｂ、スイッチング素子２ｄ、スイッチング素子２ｆのエミッタ
端子はＩＰＭ３１内の配線（導体）で接続されて−端子から外部に接続される。この−端
子は端子Ｎへ接続されている。

また、スイッチング素子２ａのエミッタ端子は第３相端子Ｗ、ダイオード３３、抵抗３
４を順に介してリアクタ１の１次側１ａへ接続される。先の実施例と同様にスイッチング
素子２ｃまたはスイッチング素子２ｅのオン／オフ動作とリアクタ１の電磁エネルギーと
の共同によって生じるスパイク状の高電圧のサージノイズ（またはスイッチングノイズ）
をリアクタ１の１次側１ａに吸収させるスナバ回路を構成している。この際、スイッチン
グ素子２ａとスイッチング素子２ｃまたはスイッチング素子２ｅの夫々のコレクタ端子が
ＩＰＭ３１内の配線で接続されているためノイズの放射につながる配線が図１に示すＩＰ
Ｍ２を用いた場合より短くなり、ノイズの放射量または放射時間を抑制することができる
ものである。

スイッチング素子２ｂはオフ状態を維持し、本発明の動作には作用しない。また、スイ
ッチング素子２ｇはスイッチング素子２ｂに代わるものであり、ＩＰＭ３１とは別体に設
けられ、かつ配線接続されている。その動作は図１に記載の回路と同様であるため省略す
る。

本発明は絶縁型トランスを用い太陽電池等の出力電圧が変動する直流出力の電圧を昇降
圧する際のスイッチング素子の動作によるノイズの発生を抑制する電源装置に用いられる
ものである。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、以上の説明は本発明の理解を容易にす
るためのものであり、本発明を限定するものではない。本発明はその趣旨を逸脱すること
なく、変更、改良され得ると共に本発明にはその等価物が含まれることは勿論である。

１ リアクタ
２ ＩＰＭ
４ 制御部
５ 配線
６ ダイオード
７ 絶縁型トランス
８ 全波整流回路
９ コンデンサ
１０ インバータ部
１１ フィルタ
３１ ＩＰＭ
３２ 配線
３３ ダイオード
３４ 抵抗

Claims (3)

1. リアクタを介して得られる直流電流を複数のスイッチング素子のオン／オフ状態を組み
   合わせて絶縁型トランスの１次側巻き線へ交互に極性を変えて通電し、当該絶縁型トラン
   スの２次側巻き線に誘起する交流電力を整流し平滑した直流電力を出力する電源装置にお
   いて、
   前記複数のスイッチング素子のオン／オフ状態の組み合わせが前記１次側の巻き線へ電
   流を通電しない組み合わせの際に動作して前記リアクタに蓄積された電気エネルギーをス
   ナバ用スイッチング素子の作動で解放もしくは消費させるスナバ回路を備え、前記複数の
   スイッチング素子及び前記スナバ用スイッチング素子を単一のパッケージ内の同一基台上
   に近接して設けると共に、スナバ用スイッチング素子と前記複数のスイッチング素子とを
   前記パッケージ内もしくは前記パッケージに隣接してつなげる配線部とを備えることを特
   徴とする電源装置。
2. 前記複数のスイッチング素子は直流電力を交流電力に変換する単相ブリッジ状に結線さ
   れ当該交流電力を絶縁型トランスの１次側巻き線へ出力することを特徴とする請求項１に
   記載の電源装置。
3. 前記複数のスイッチング素子及び前記スナバ用スイッチング素子は単一のパッケージ内
   の同一基台上に合計で少なくとも５個の素子が設けられていると共に、前記スナバ用スイ
   ッチング素子は前記複数のスイッチング素子が全て非導通状態の時に導通状態になること
   を特徴とする請求項１もしくは請求項２に記載の電源装置。

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