JP2017005888A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】交流が入力されて動作している間の電力損失を低減し、交流入力が遮断された際には、平滑コンデンサの残留電荷を確実に放電させる。【解決手段】交流入力を整流回路２で整流し、コンデンサＣ１で平滑してスイッチング回路３に供給し、トランスの一次巻線Ｌ１に流れる電流が第一のスイッチング素子Ｑ１によって断続され、二次巻線Ｌ２と補助巻線Ｌ３に出力が発生する。補助巻線Ｌ３の出力による電圧Ｖｃで制御ＩＣ５が動作し、スイッチングパルス信号Ｓｐで第一のスイッチング素子Ｑ１をオン・オフ制御する。交流入力が遮断されると、スイッチング回路３の動作が停止し、補助巻線Ｌ３から制御ＩＣ５に給電されなくなり、電圧Ｖｃが閾値を下回ると、放電回路８のツェナーダイオードＺＤが遮断状態になり、第四のスイッチング素子Ｑ４がオフに、第三、第二のスイッチング素子Ｑ３，Ｑ２がオンになり、コンデンサＣ１の電荷を放電抵抗Ｒ１によって放電させる。【選択図】 図１

Description

この発明は、スイッチング電源装置に関する。

電子機器は一般に、商用電源の交流から直流電源を得るために整流・平滑回路を備えた電源装置を搭載している。その電源装置は、電源スイッチをオフにして交流入力を遮断した後も、平滑コンデンサに電荷が残っている。そのため、メンテナンス等のために平滑コンデンサを含む電源基板を搭載機器から取り外す際に、作業者が感電してしまう恐れがあった。

また、このような電源装置には、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ装置等のスイッチング電源装置もあり、画像形成装置やプラズマ発生装置、その他各種電子機器に搭載されている。そのスイッチング電源装置も、商用電源から入力する交流を整流し、平滑コンデンサで平滑した直流をスイッチング回路に供給しているため、平滑コンデンサの残留電荷による感電の恐れがある。

そこで、例えば特許文献１には、商用電源と整流・平滑回路の間の回路での交流電圧を監視し、その交流電圧のオフを検知した場合にはスイッチ素子をオンにして、平滑コンデンサの充電電荷を放電抵抗によって放電させるようにした電源装置が開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示された電源装置では、商用電源と整流平滑回路の間の回路の交流電圧を常時監視して、その交流電圧のオフを検知しているため、電圧検知回路において無駄に電力を消費してしまう電力損出が発生するという問題があった。

この発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、スイッチング電源装置において、交流が入力されて動作している間の電力損失を低減しつつ、交流入力が遮断された際には、平滑コンデンサの残留電荷を確実に放電させて、感電の恐れをなくすことを目的とする。

この発明は上記の目的を達成するため、入力される交流を整流する整流回路と、その整流回路の出力を平滑する第一のコンデンサと、一次巻線と二次巻線と補助巻線を有し、その一次巻線に入力される上記第一のコンデンサの出力を変換して、上記二次巻線と補助巻線から出力するトランスと、そのトランスの一次巻線に流れる電流を断続させる第一のスイッチ素子と、上記トランスの補助巻線の出力によって給電されて動作し、上記第一のスイッチ素子をオン・オフ制御する制御回路とを備え、上記トランスの二次巻線からの出力を負荷に供給するスイッチング電源装置であって、
上記交流が遮断されたときに上記第一のコンデンサの電荷を放電させる放電回路を設け、その放電回路は、上記トランスの補助巻線の出力が所定の閾値を下回ったときに導通する第二のスイッチ素子と、その第二のスイッチ素子と直列に接続された放電抵抗とを有することを特徴とする。

この発明によるスイッチング電源装置は、交流が入力されて動作している間の電力損失を低減しつつ、交流入力が遮断された際には、平滑コンデンサの残留電荷を確実に放電させて、感電の恐れをなくすことができる。

この発明によるスイッチング電源装置の一実施形態を示す回路図である。

以下、この発明を実施するための形態を図面に基づいて具体的に説明する。
図１は、この発明によるスイッチング電源装置の一実施形態を示す回路図である。
このスイッチング電源装置は、商用電源１から入力される交流を整流する整流回路２と、その整流回路２の出力を平滑する第一のコンデンサＣ１と、スイッチング回路３と、制御回路である制御ＩＣ５とを備えている。

この実施形態では、整流回路２はダイオードブリッジによる全波整流回路であり、出力端子ａ−ｂ間に全波整流波形の脈流を出力し、それを第一のコンデンサＣ１で平滑して直流化し、スイッチング回路３へ供給する。
スイッチング回路３は、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２と補助巻線Ｌ３を有するトランス４と、そのトランス４の一次巻線Ｌ１に流れる電流を断続させる第一のスイッチ素子Ｑ１とを備えている。トランス４の一次巻線Ｌ１とスイッチ素子Ｑ１とが直列に接続され、その直列回路が第一のコンデンサＣ１に並列に接続されている。

トランス４は、励磁巻線である一次巻線Ｌ１に入力される第一のコンデンサＣ１の出力を変換して、出力巻線である二次巻線Ｌ２と補助巻線Ｌ３から出力する。その二次巻線Ｌ２からの出力（電圧と電流、それによる電力）を、整流・平滑回路６によって直流化して負荷１０に供給する。しかし、負荷１０が交流負荷の場合は、二次巻線Ｌ２から出力する交流を、整流・平滑回路６を介さずに負荷１０に直接供給できる。

制御ＩＣ５は、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力によって給電されて動作し、発振回路によって発生するスイッチングパルス信号Ｓｐによって、第一のスイッチ素子Ｑ１をオン・オフ制御する制御回路である。この実施形態では、第一のスイッチ素子Ｑ１はＦＥＴである。
また、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力電圧をダイオードＤ１で整流して、給電線７を通して制御ＩＣ５に給電している。その給電電圧ＶｃはコンデンサＣ３によって平滑される。

また、商用電源１から入力される交流を整流する一対のダイオードＤａ，Ｄｂと、その各カソード側にそれぞれ一端が接続され他端が共通接続された一対の抵抗Ｒａ，Ｒｂとによって、起動回路１１を構成している。その抵抗Ｒａ，Ｒｂの共通接続点ｃに発生する直流電圧Ｖｓが起動電圧として制御ＩＣ５に印加される。

一方、整流・平滑回路６の出力電圧を電圧検出回路９で検出して、その検出電圧Ｖｆを制御ＩＣ５にフィードバックさせる。制御ＩＣ５は、その検出電圧Ｖｆが一定になるように、出力するスイッチングパルス信号Ｓｐのデューティ（１周期内でのＯＮ期間の比率）を変化させて、第一のスイッチ素子Ｑ１のＯＮ期間をパルス幅変調（ＰＷＭ）制御する。
その電圧検出回路９を省略し、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力による制御ＩＣ５への給電電圧Ｖｃによって、出力電圧の変動を検出して、パルス幅変調制御を行うことも可能である。

さらに、このスイッチング電源装置は、商用電源１からの交流入力の遮断時に第一のコンデンサＣ１の電荷を放電させる放電回路８を設けている。
この放電回路８は、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力が所定の閾値を下回ったときに導通する第二のスイッチ素子Ｑ２と、その第二のスイッチ素子Ｑ２と直列に接続された放電抵抗Ｒ１とを有する。
この実施形態における放電回路８は、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力により充電される第二のコンデンサＣ２を有し、第二のスイッチ素子Ｑ２は第二のコンデンサＣ２の出力電圧によって駆動される。

さらに、この放電回路８は、第二のスイッチ素子Ｑ２を駆動する第二のコンデンサＣ２の出力電圧を制御する第三のスイッチ素子Ｑ３と、その第三のスイッチ素子Ｑ３を制御する第四のスイッチ素子Ｑ４とを有する。その第四のスイッチ素子Ｑ４の制御端子とトランス４の補助巻線Ｌ３の出力によって制御ＩＣ５に給電する給電線７との間に、ツェナーダイオードＺＤを、カソードを給電線７側にして接続している。
そして、第三、第四のスイッチ素子Ｑ３，Ｑ４は、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力による給電線７の給電電圧ＶｃがツェナーダイオードＺＤの降伏電圧を下回ったときに、第二のスイッチ素子Ｑ２を導通させるように第二のコンデンサＣ２の出力電圧を制御する。

第二のコンデンサＣ２は、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力電圧をダイオードＤ１を通して制御ＩＣ５へ供給する給電線７の電圧Ｖｃを、ダイオードＤ２を通して充電する。
第三のスイッチ素子Ｑ３はＮＰＮトランジスタであり、そのコレクタに第二のコンデンサＣ２の出力電圧を印加し、エミッタをＦＥＴによる第二のスイッチ素子Ｑ２のゲートに接続している。その第二のスイッチ素子Ｑ２のゲートと、接地されたソースとの間に抵抗Ｒ２が接続され、第三のスイッチ素子Ｑ３のコレクタとベースの間にも、抵抗Ｒ３が接続されている。

第四のスイッチ素子Ｑ４もＦＥＴであり、そのドレインが第三のスイッチ素子Ｑ３のベースに接続され、ソースは接地されている。その第三のスイッチ素子Ｑ３の制御端子であるゲートが、抵抗Ｒ４を介してツェナーダイオードＺＤのアノードに接続され、そのツェナーダイオードＺＤのカソードが制御ＩＣ５への給電線７に接続されている。第四のスイッチ素子Ｑ４のゲートと接地されたソースとの間にも、抵抗Ｒ５が接続されている。

次に、この図１に示すスイッチング電源装置の動作を説明する。
商用電源１による交流が入力されると、整流回路２がそれを全波整流し、その出力端子ａ−ｂ間に出力される全波整流波形の脈流を、第一のコンデンサＣ１が平滑した直流電圧をスイッチング回路３に供給する。その電圧は、トランス４の励磁巻線である一次巻線Ｌ１と第一のスイッチ素子Ｑ１のドレイン・ソース間との直列回路に印加される。

また、起動回路１１によって直流電圧Ｖｓが発生し、それが起動電圧として制御ＩＣ５に印加される。
それによって、制御ＩＣ５が起動してスイッチングパルス信号Ｓｐを発生し、それを第一のスイッチ素子Ｑ１のゲートに印加し、第一のスイッチ素子Ｑ１をオン・オフ制御する。第一のスイッチ素子Ｑ１をオン・オフによって、トランス４の一次巻線Ｌ１に流れる電流を断続させる。一次巻線Ｌ１に電流が流れた期間にトランス４に電磁エネルギーが蓄積され、その電流が遮断されたときに、出力巻線である二次巻線Ｌ２と補助巻線Ｌ３に出力（電圧、電流、電力）が発生する。

トランス４の補助巻線Ｌ３は制御ＩＣ５の電源の役目を持ち、制御ＩＣ５が起動してスイッチング回路３の動作が安定すると、補助巻線Ｌ３に発生した出力をダイオードＤ１で整流し、給電線７を通してコンデンサＣ３で平滑した電圧Ｖｃを制御ＩＣ５に供給する。それによって、制御ＩＣ５は内部で、起動回路１１からの起動電圧の給電路を遮断する。それ以後は、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力による電圧Ｖｃのみが制御ＩＣ５に供給され、制御ＩＣ５がスイッチング回路３の動作を継続させる。

そして、トランス４の二次巻線Ｌ２の出力（交流）を整流・平滑回路６によって直流にして、負荷１０に供給する。
また、その整流・平滑回路６の出力電圧を、電圧検出回路９によって検出し、その検出電圧Ｖｆを制御ＩＣ５にフィードバックする。それによって、制御ＩＣ５は、その検出電圧Ｖｆが一定になるように、出力するスイッチングパルス信号Ｓｐのデューティを変化させて、第一のスイッチ素子Ｑ１のＯＮ期間をパルス幅変調制御し、出力電圧を所定値（目標値）に維持する。

このように、商用電源１から交流が入力されて、このスイッチング電源装置が動作している間は、放電回路８の第二のスイッチ素子Ｑ２はオフになっており、第一のコンデンサＣ１の電荷が放電されることはない。

これを詳細に説明すると、商用電源１による交流が入力され、起動回路１１によって制御ＩＣ５に起動電圧Ｖｓを印加し、制御ＩＣ５が起動してスイッチング回路３が動作すると、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力によって電圧Ｖｃが制御ＩＣ５に給電される。そのいずれの場合も、給電線７の電圧Ｖｃは制御ＩＣ５で必要な所定電圧以上になっており、それがツェナーダイオードＺＤの降伏電圧（ツェナー電圧）以上であるため、ツェナーダイオードＺＤは導通状態になっている。
そのため、制御ＩＣ５に給電する給電線７の電圧Ｖｃが、抵抗Ｒ４と抵抗Ｒ５で分圧されて第四のスイッチ素子Ｑ４のゲートに印加され、第四のスイッチ素子Ｑ４のソース・ドレイン間は導通状態になっている。

それによって第三のスイッチ素子Ｑ３のベースが接地され、第三のスイッチ素子Ｑ３はオフになっており、給電線７の電圧Ｖｃが第二のコンデンサＣ２に充電されても、その出力電圧が第二のスイッチ素子Ｑ２のゲートには印加されない。そのため、第二のスイッチ素子Ｑ２はオフ（非導通状態）になっている。
したがって、スイッチング電源装置に商用電源１から交流が入力されて、スイッチング回路３がスイッチング動作している間は、第一のコンデンサＣ１の電荷が放電回路８によって放電されることはない。

商用電源１からの交流入力が停止されると、スイッチング回路３の動作の継続により第一のコンデンサＣ１の充電電圧が低下する。そのため、トランス４の一次巻線Ｌ１に印加される電圧が低下し、補助巻線Ｌ３に発生する電圧も次第に低下するため、制御ＩＣ５への給電線の電圧Ｖｃも次第に低下する。その電圧ＶｃがツェナーダイオードＺＤの降伏電圧（ツェナー電圧：閾値）を下回ると、ツェナーダイオードＺＤが遮断状態になり、第四のスイッチ素子Ｑ４をオフにする。このツェナーダイオードＺＤによって、第四のスイッチ素子Ｑ４がオフになるまでの時間を短くしている。

第四のスイッチ素子Ｑ４がオフになると、第三のスイッチ素子Ｑ３が第二のコンデンサＣ２に充電された電圧（正常動作時の電圧Ｖｃに略等しく、ダイオードＤ２は非導通になる）によってオンになり、その電圧を第二のスイッチ素子Ｑ２のゲートに印加する。それによって、第二のスイッチ素子Ｑ２がオン（導通状態）になり、放電抵抗Ｒ１が第一のコンデンサＣ１に並列に接続されて放電路を形成し、第一のコンデンサＣ１に充電されている残留電荷を放電抵抗Ｒ１を通して放電させる。これにより、このスイッチング電源装置は短時間で完全に停止状態になる。

このように、この実施形態のスイッチング電源装置は、交流入力を整流・平滑した後の、スイッチング回路３を駆動させる制御ＩＣ５に供給する電圧Ｖｃを検知し、その検知結果に基づいて平滑コンデンサＣ１の放電回路８を駆動させる。これにより、商用電源からの交流電圧を検知する場合に比べて電力損失を低減させつつ、交流入力の遮断時に平滑コンデンサの残留電荷を確実に放電させることができる。

したがって、このスイッチング電源装置を構成する電源基板を搭載機器から取り外す際に、作業者が感電する恐れはなくなる。
なお、上述した実施形態では、トランス４の補助巻線Ｌ３からの出力によって、スイッチング回路３の第一のスイッチング素子Ｑ１をオン・オフ制御する制御ＩＣ５へ給電する。その制御ＩＣ５へ供給する電圧Ｖｃを、放電回路８の制御に用いることによって、電力損失を低減させている。

商用電源からの交流電圧を検知する場合、その交流電圧の実効値が１００Ｖacのとき、波高値が約１４１Ｖの高い電圧を検出することになるため、検出によるロスも大きくなってしまう。これに対して、制御ＩＣへの給電電圧を検知する場合は３０Ｖ以下の低い電圧を検出するので、検出によるロスもその分少なくなる。

ツェナーダイオードＺＤは、交流入力が遮断された後、第四のスイッチ素子Ｑ４がオフになるまでの時間を短くするために設けている。ツェナーダイオードＺＤがない場合は、制御ＩＣ５への給電電圧Ｖｃ（コンデンサＣ３の充電電圧）がゼロになるまで、第四のスイッチ素子Ｑ４はオン状態に維持される。その間、第三のスイッチ素子Ｑ３はオフのままで、第二のスイッチ素子Ｑ２もオフのままであるから、第一のコンデンサＣ１の充電電荷は放電されない。

しかし、ツェナーダイオードＺＤを設けたことにより、制御ＩＣ５に給電する電圧ＶｃがツェナーダイオードＺＤの降伏電圧（閾値）を下回った時点で、ツェナーダイオードＺＤが遮断状態となり、第四のスイッチ素子Ｑ４がオフになる。それによって、第三のスイッチ素子Ｑ３がオンになり、第二のスイッチ素子Ｑ２もオン（導通状態）になるため、第一のコンデンサＣ１の充電電荷が放電抵抗Ｒ１を通して放電される。
つまり、ツェナーダイオードＺＤは、第四のスイッチ素子Ｑ４をオフにする（それによって第三、第二のスイッチ素子Ｑ３，Ｑ２をオンにする）閾値を設けるための素子である。

さらに、この実施形態では、制御ＩＣ５に給電する電圧Ｖｃで第二のコンデンサＣ２を充電することにより、消費電力を低減させることができる。
第一のコンデンサＣ１とスイッチング回路３との間の電圧によって第二のコンデンサＣ２を充電するようにすると、常に電力損失が発生してしまうが、この実施形態の構成を採用することによって電力損失を殆どなくし、消費電力を低減できる。
しかし、放電回路の構成は、図１によって説明した構成に限るものではなく、トランス４の補助巻線Ｌ３の出力が所定の閾値を下回ったときに導通する第二のスイッチ素子Ｑ２と、その第二のスイッチ素子Ｑ２と直列に接続された放電抵抗Ｒ１とを有していればよい。

以上、この発明の実施形態について説明してきたが、その実施形態の各部の具体的な構成や動作の内容等は、そこに記載したものに限るものではない。
また、この発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲の各請求項に記載された技術的特徴を有する以外は、何ら限定されないことは言うまでもない。
さらに、以上説明してきた実施形態の構成例、動作例及び変形例等は、適宜変更又は追加したり一部を削除してもよく、相互に矛盾しない限り任意に組み合わせて実施することも可能である。

１：商用電源 ２：整流回路（ダイオードブリッジ） ３：スイッチング回路
４：トランス ５：制御ＩＣ（制御回路） ６：整流・平滑回路 ７：給電線
８：放電回路 ９：電圧検出回路 １０：負荷 １１：起動回路
Ｃ１：第一のコンデンサ Ｃ２：第二のコンデンサ
Ｌ１：一次巻線 Ｌ２：二次巻線 Ｌ３：補助巻線
Ｑ１：第一のスイッチング素子 Ｑ２：第二のスイッチング素子
Ｑ３：第三のスイッチング素子 Ｑ４：第四のスイッチング素子
ＺＤ：ツェナーダイオード Ｒ１：放電抵抗

特開２０１４−２２０８８１号公報

Claims (3)

1. 入力される交流を整流する整流回路と、
   該整流回路の出力を平滑する第一のコンデンサと、
   一次巻線と二次巻線と補助巻線を有し、前記一次巻線に入力される前記第一のコンデンサの出力を変換して、前記二次巻線と補助巻線から出力するトランスと、
   該トランスの一次巻線に流れる電流を断続させる第一のスイッチ素子と、
   前記トランスの補助巻線の出力によって給電されて動作し、前記第一のスイッチ素子をオン・オフ制御する制御回路とを備え、
   前記トランスの二次巻線からの出力を負荷に供給するスイッチング電源装置であって、
   前記交流が遮断されたときに前記第一のコンデンサの電荷を放電させる放電回路を設け、
   該放電回路は、前記トランスの補助巻線の出力が所定の閾値を下回ったときに導通する第二のスイッチ素子と、該第二のスイッチ素子と直列に接続された放電抵抗とを有することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記放電回路は、
   前記トランスの補助巻線の出力により充電される第二のコンデンサをさらに有し、
   前記第二のスイッチ素子は、前記第二のコンデンサの出力電圧によって駆動され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。
3. 前記放電回路は、
   前記第二のスイッチ素子を駆動する前記第二のコンデンサの出力電圧を制御する第三のスイッチ素子と、
   該第三のスイッチ素子を制御する第四のスイッチ素子と、
   該第四のスイッチ素子の制御端子と前記トランスの前記補助巻線の出力によって前記制御回路に給電する給電線との間に接続したツェナーダイオードとをさらに有し、
   前記第三、第四のスイッチ素子は、前記トランスの前記補助巻線の出力による前記給電線の電圧が前記ツェナーダイオードの降伏電圧を下回ったときに、前記第二のスイッチ素子を導通させるように前記第二のコンデンサの出力電圧を制御することを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
   

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