JP2017070013A - スイッチング電源装置及び充電装置 - Google Patents

Abstract

【課題】従来技術に係るスイッチング電源装置では、キャパシタによる絶縁と、電源電圧の昇圧及び降圧とを実現することができない。
【解決手段】入力される直流を交流に変換するスイッチング回路を含むＤＣ／ＡＣ変換器と、交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、ＤＣ／ＡＣ変換器とＡＣ／ＤＣ変換器との間に挿入される挿入回路と、スイッチング回路のスイッチング周波数を変化させることにより、ＡＣ／ＤＣ変換器からの出力電圧を制御する制御回路とを備えるスイッチング電源装置であって、挿入回路は、ＤＣ／ＡＣ変換器とＡＣ／ＤＣ変換器との間を電気的に絶縁する絶縁回路と、絶縁回路と縦続に接続される並列共振回路とを備える。
【選択図】図２

Description

本開示は、例えばＤＣ／ＤＣ変換器などのスイッチング電源装置、及び、前記スイッチング電源装置を備える充電装置に関する。

絶縁型のスイッチング電源装置には、スイッチング回路と負荷とを絶縁する回路（以下、絶縁回路という。）が設けられている。絶縁回路には、一般に、トランスが用いられる。また、小型化等のために、キャパシタを用いた絶縁回路を備える、絶縁型のスイッチング電源装置が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

特開平８−２３６７２号公報 特開２０１１−２３９４９２号公報

しかし、従来技術に係るスイッチング電源装置では、キャパシタによる絶縁と、電源電圧の昇圧及び降圧とをともに実現することができない。

本開示の一態様に係るスイッチング電源装置は、
入力される直流を交流に変換するスイッチング回路を含むＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記ＡＣ／ＤＣ変換器との間に挿入される挿入回路と、
前記スイッチング回路のスイッチング周波数を変化させることにより、前記ＡＣ／ＤＣ変換器からの出力電圧を制御する制御回路とを備えるスイッチング電源装置であって、
前記挿入回路は、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記ＡＣ／ＤＣ変換器との間を電気的に絶縁する絶縁回路と、
前記絶縁回路と縦続に接続される並列共振回路とを備える。

これらの概括的かつ特定の態様は、システム、方法、コンピュータプログラム並びにシステム、方法及びコンピュータプログラムの任意の組み合わせにより実現してもよい。

本開示によれば、キャパシタによる絶縁を実現しながら、さらに、電源電圧を昇圧又は降圧することができる。

実施形態１に係るスイッチング電源装置１の構成を示す回路図である。 図１のスイッチング電源装置１の詳細構成を示す回路図である。 図１のＤＣ／ＡＣ変換器２とＡＣ／ＤＣ変換器３間に挿入される挿入回路２０の出力電圧Ｖ３と入力電圧Ｖ２との電圧比Ｖ３／Ｖ２の周波数特性を示すグラフである。 図１のスイッチング電源装置１を昇圧動作する周波数で動作させたときの動作波形を示す波形図である。 図１のスイッチング電源装置１を降圧動作する周波数で動作させたときの動作波形を示す波形図である。 実施例１に係るスイッチング電源装置１Ａの構成を示す回路図である。 比較例に係るスイッチング電源装置１Ｂの構成を示す回路図である。 図７の比較例に係るスイッチング電源装置１Ｂの効率の周波数特性を示すグラフである。 図５の実施例１に係るスイッチング電源装置１Ａの効率の周波数特性を示すグラフである。 実施形態２に係る充電装置４０の構成を示すブロック図である。

以下、図面を参照して、本発明に係る実施形態について詳細に説明する。

本発明者は、例えばブリッジ型のスイッチング回路であるスイッチング回路において、スイッチング速度を上げると、スイッチング動作の際に、スイッチング回路、及び絶縁回路の２つのキャパシタに流れるサージ電流が大きくなることを見出した。このような課題は、前記特許文献１，２において言及されていない。サージ電流は、スイッチング回路、及び前記絶縁回路の２つのキャパシタを破壊する原因となる。また、サージ電流の高周波成分は、高周波ノイズが発生する原因となる。そこで、スイッチング動作の際に発生するサージ電流を抑制するために、以下の実施形態を創作するに至った。

実施形態１．
図１は実施形態１に係るスイッチング電源装置１の構成を示す回路図である。図１において、スイッチング電源装置１は例えばＤＣ／ＤＣ変換器であって、ＤＣ／ＡＣ変換器２と、挿入回路２０と、ＡＣ／ＤＣ変換器３とを備えて構成される。ここで、ＤＣ／ＡＣ変換器２はスイッチング制御回路１２を含み、１対の入力端子Ｔ１，Ｔ２と１対の出力端子Ｔ３，Ｔ４とを有する。また、ＡＣ／ＤＣ変換器３は１対の入力端子Ｔ１１，Ｔ１２と１対の出力端子Ｔ１３，Ｔ１４とを有する。挿入回路２０は、ＤＣ／ＡＣ変換器２の出力端子Ｔ３，Ｔ４と、ＡＣ／ＤＣ変換器３の入力端子Ｔ１１，Ｔ１２との間に挿入され、絶縁回路２１と、並列共振回路２２とを備えて構成される。実施形態１に係るスイッチング電源装置１は、従来技術に比較して、並列共振回路２２を備えたことを特徴とする。

絶縁回路２１は、出力端子Ｔ３，Ｔ４と入力端子Ｔ１１，Ｔ１２との間に直列にそれぞれ挿入された２つのキャパシタＣ１，Ｃ２と、挿入回路２０の出力端子Ｔ５，Ｔ６の間に接続されたリアクトルとして用いるインダクタＬ１とを備えて構成される。並列共振回路２２はいわゆるＬＣ型並列共振回路であって、出力端子Ｔ５と入力端子Ｔ１１との間に挿入され、キャパシタＣ３と、リアクトルとして用いるインダクタＬ２とを備えて構成される。なお、出力端子Ｔ６と入力端子Ｔ１２は接続される。

ここで、感電防止のために、スイッチング電源装置１の入力端子Ｔ１，Ｔ２と出力端子Ｔ１３，Ｔ１４とを、キャパシタＣ１，Ｃ２を含む絶縁回路２１によって電気的に絶縁している。このため、スイッチング電源装置１の入力端子Ｔ１，Ｔ２から出力端子Ｔ１３，Ｔ１４に、直流では電力を伝達できない。そこで、スイッチング電源装置１に入力した直流をＤＣ／ＡＣ変換器２により交流に変換した後、挿入回路２０を介してＡＣ／ＤＣ変換器３に伝送し、上記変換された交流をＡＣ／ＤＣ変換器３により直流に変換して出力する。

図１及びそれ以降の図面において、ＤＣ／ＡＣ変換器２の入力端子Ｔ１，Ｔ２間の電圧をＶ１とし、ＤＣ／ＡＣ変換器２の出力端子Ｔ３，Ｔ４間の電圧をＶ２とし、ＡＣ／ＤＣ変換器３の入力端子Ｔ１１，Ｔ１２間の電圧をＶ３とし、ＡＣ／ＤＣ変換器３の出力端子Ｔ１３，Ｔ１４間の電圧をＶ４とする。

図２は図１のスイッチング電源装置１の詳細構成を示す回路図である。

図２において、ＤＣ／ＡＣ変換器２は、ブリッジ型のスイッチング回路１１と、スイッチング回路１１のスイッチングを制御するスイッチング制御回路１２とを備えて構成される。ここで、スイッチング回路１１は、例えばＭＯＳ電界効果トランジスタである４個のスイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ４をブリッジ形式で接続して構成され、各スイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ４にはそれぞれ逆並列にフリーホイールダイオードＤ１１〜Ｄ１４が接続される。スイッチング制御回路１２は、それぞれ５０％のデューティ比を有する、各スイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ４のためのスイッチング制御信号ＳＳ１〜ＳＳ４を発生してスイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ４の各ゲートにそれぞれ印加することで、スイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ４のスイッチングを制御する。そして、ＤＣ／ＡＣ変換器２は、入力端子Ｔ１，Ｔ２から入力された直流電圧Ｖ１を、スイッチング回路１１によって、交流電圧Ｖ２に変換した後、出力端子Ｔ３，Ｔ４から出力する。

ＤＣ／ＡＣ変換器２の出力端子Ｔ３，Ｔ４から出力された交流電圧Ｖ２は挿入回路２０の絶縁回路２１及び並列共振回路２２を介してＡＣ／ＤＣ変換器３の入力端子Ｔ１１，Ｔ１２に入力される。ＡＣ／ＤＣ変換器３は４個のダイオードＤ１〜Ｄ４からなるブリッジ形式の全波整流型整流回路３１と、平滑用キャパシタＣ４とを備え、入力される交流電圧Ｖ３を直流電圧Ｖ４に変換して、出力端子Ｔ１３，Ｔ１４から出力する。ここで、ブリッジ型のスイッチング回路１１から出力される交流電圧Ｖ２の振幅は入力端子Ｔ１、Ｔ２間に入力される電圧に対して一定となり、ブリッジ型のスイッチング回路１１から出力される交流電圧Ｖ２の周波数は、スイッチング制御回路１２で制御される。ここで、スイッチング制御回路１２は、スイッチング制御信号ＳＳ１〜ＳＳ４のスイッチング周波数を制御することで、ＡＣ／ＤＣ変換器３からの直流電圧の制御する。

図３は図１のＤＣ／ＡＣ変換器２とＡＣ／ＤＣ変換器３間に挿入される挿入回路２０の出力電圧Ｖ３と入力電圧Ｖ２との電圧比Ｖ３／Ｖ２の周波数特性を示すグラフである。また、図４は図１のスイッチング電源装置１を昇圧動作する周波数で動作させたときの動作波形を示す波形図であり、図５は図１のスイッチング電源装置１を降圧動作する周波数で動作させたときの動作波形を示す波形図である。

図３において、実線１０１は負荷抵抗値が例えば１００Ωであって出力電流が比較的小さいときであり、１点鎖線１０３は負荷抵抗値が例えば１０Ωであって出力電流が比較的大きいときであり、点線１０２は負荷抵抗値が例えば６０Ωであって出力電流がこれらの中間値であるときである。すなわち、矢印１００で示すように出力電流が減少するように設定したことを示す。図３から明らかなように、周波数が約１２０〜１５０ｋＨｚ付近では電圧比が１を超えるので挿入回路２０は昇圧動作を行う一方、周波数が約３００〜３２０ｋＨｚ付近では電圧比が１未満となるので挿入回路２０は降圧動作を行う。

図４に示すように、例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器２から１００Ｖ、１２０ｋＨｚの交流電圧Ｖ２が入力されるときに、並列共振回路２２を含む挿入回路２０により昇圧動作が行われ、昇圧後の交流電圧Ｖ３がＡＣ／ＤＣ変換器３に入力される。また、図５に示すように、例えば、ＤＣ／ＡＣ変換器２から１００Ｖ、３００ｋＨｚの交流電圧Ｖ２が入力されるときには、並列共振回路２２を含む挿入回路２０により降圧動作が行われ、降圧後の交流電圧Ｖ３がＡＣ／ＤＣ変換器３に入力される。

次いで、スイッチング電源装置に関する効率を計算するために、以下の実施例１及び比較例を用いてシミュレーションを行った。

図６は実施例１に係るスイッチング電源装置１Ａの構成を示す回路図である。また、図７は比較例に係るスイッチング電源装置１Ｂの構成を示す回路図である。図６において、実施例１に係るスイッチング電源装置１Ａ及び比較例に係るスイッチング電源装置１Ｂは、図２のスイッチング電源装置１に比較して、スイッチング回路１１の各スイッチングトランジスタＳ１〜Ｓ４に対してそれぞれ並列に接続された、ＺＶＳ（Zero Voltage Switching）のソフトスイッチング方式のためのキャパシタＣ１１〜Ｃ１４をさらに備える。また、比較例に係るスイッチング電源装置１Ｂは、図２のスイッチング電源装置１に比較して、並列共振回路２２を有しない。ここで、挿入回路２０及びＡＣ／ＤＣ変換器３の各素子値は以下の通りである。

Ｃ１＝Ｃ２＝２６６ｎＦ、
Ｃ３＝１３３ｎＦ、
Ｃ４＝１μＦ、
Ｌ１＝１０μＨ、
Ｌ２＝２μＨ。

図８Ａは図７の比較例に係るスイッチング電源装置１Ｂの効率の周波数特性を示すグラフである。また、図８Ｂは図５の実施例１に係るスイッチング電源装置１Ａの効率の周波数特性を示すグラフである。

図８Ａから明らかなように、並列共振回路２２を有しない比較例では、周波数の変化に対して効率が約０．５〜０．９の範囲で変化している。これに対して、図８Ｂから明らかなように、並列共振回路２２を有する実施例１では、周波数の変化に対して効率が約０．８〜０．９８の範囲で変化しており、比較例に比較して大きな効率を得ることができる。

実施形態２．
図９は実施形態２に係る充電装置４０の構成を示すブロック図である。図９において、充電装置４０は、帯域通過フィルタ４２と、整流回路４３と、ＡＣ／ＤＣ変換器４４と、ＤＣ／ＤＣ変換器であるスイッチング電源装置１又は１Ａを備えて構成される。

商用電源４１の交流電圧が帯域通過フィルタ４２に入力される。帯域通過フィルタ４２は、入力される交流電圧のうち所定の周波数成分のみを帯域通過ろ波させて整流回路４３に出力する。整流回路４３は、例えば、４つの整流ダイオードがブリッジ接続された構成を有するダイオードブリッジ回路である。整流回路４３は、帯域通過フィルタ４２から出力された交流電圧を脈流電圧に整流してＡＣ／ＤＣ変換器４４に出力する。ＡＣ／ＤＣ変換器４４は力率改善回路４５を含み、力率改善回路４５は、整流回路４３から出力される交流電力の力率を改善する。ＡＣ／ＤＣ変換器４４は、電力の力率が改善された交流電圧を直流電圧に変換してスイッチング電源装置１又は１Ａに出力する。

スイッチング電源装置１又は１Ａは、ＡＣ／ＤＣ変換器４４から出力された直流電圧を所定の直流電圧に変換して、例えば車載用二次電池などの充電池４６を充電する。スイッチング電源装置１又は１Ａは、充電池４６への出力電圧及び出力電流を監視して、定電流充電（ＣＣ充電）又は定電圧充電（ＣＶ充電）を実行する。

なお、商用電源４１に代えて、直流電源を用いて充電池４６を充電する場合、帯域通過フィルタ４２、整流回路４３及びＡＣ／ＤＣ変換器４４は不要である。

以上の実施形態２に係る充電装置４０によれば、実施形態１に係るスイッチング電源装置１又は１Ａを備えるので、実施形態１は、第２実施形態と同様の作用効果を有する。

実施形態の要旨．
本発明の第１の態様に係るスイッチング電源装置は、
入力される直流を交流に変換するスイッチング回路を含むＤＣ／ＡＣ変換器と、
前記交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記ＡＣ／ＤＣ変換器との間に挿入される挿入回路と、
前記スイッチング回路のスイッチング周波数を変化させることにより、前記ＡＣ／ＤＣ変換器からの出力電圧を制御する制御回路とを備えるスイッチング電源装置であって、
前記挿入回路は、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記ＡＣ／ＤＣ変換器との間を電気的に絶縁する絶縁回路と、
前記絶縁回路と縦続に接続される並列共振回路とを備える。

本発明の第２の態様に係るスイッチング電源装置は、第２の態様に係るスイッチング電源装置において、
前記並列共振回路は、前記絶縁回路の２つの出力端子のうちの１つの出力端子と、前記ＡＣ／ＤＣ変換器の２つの入力端子のうちの１つの入力端子との間に接続される。

本発明の第３の態様に係るスイッチング電源装置は、第１又は第２の態様に係るスイッチング電源装置において、
前記並列共振回路は、互いに並列に接続される第１のキャパシタと第１のインダクタを備える。

本発明の第４の態様に係るスイッチング電源装置は、第１〜第３の態様のうちのいずれか１つの態様に係るスイッチング電源装置において、
前記絶縁回路は、
前記ＤＣ／ＡＣ変換器の１対の出力端子にそれぞれ接続された各一端を有する第２及び第３のキャパシタと、
前記第２のキャパシタの他端と前記第３のキャパシタの他端との間に接続された第２のインダクタとを備える。

本発明の第５の態様に係る充電装置は、
所定の負荷を充電する充電装置であって、
第１〜第４の態様のうちのいずれか１つの態様に係るスイッチング電源装置を備える。

１…スイッチング電源装置、
２…ＤＣ／ＡＣ変換器、
３…ＡＣ／ＤＣ変換器、
１１…スイッチング回路、
１２…スイッチング制御回路、
２０，２０Ａ…挿入回路、
２１…絶縁回路、
２２…並列共振回路、
３１…整流回路、
４０…充電装置、
４１…商用電源、
４２…帯域通過フィルタ、
４３…整流回路、
４４…ＡＣ／ＤＣ変換器、
４５…力率改善回路、
４６…充電池、
Ｃ１〜Ｃ１４…キャパシタ、
Ｄ１〜Ｄ１４…ダイオード、
Ｌ１〜Ｌ２…インダクタ、
Ｓ１〜Ｓ４…スイッチングトランジスタ、
ＳＳ１〜ＳＳ４…スイッチング制御信号、
Ｔ１〜Ｔ１４…端子。

Claims (5)

1. 入力される直流を交流に変換するスイッチング回路を含むＤＣ／ＡＣ変換器と、
   前記交流を直流に変換するＡＣ／ＤＣ変換器と、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記ＡＣ／ＤＣ変換器との間に挿入される挿入回路と、
   前記スイッチング回路のスイッチング周波数を変化させることにより、前記ＡＣ／ＤＣ変換器からの出力電圧を制御する制御回路とを備えるスイッチング電源装置であって、
   前記挿入回路は、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換器と前記ＡＣ／ＤＣ変換器との間を電気的に絶縁する絶縁回路と、
   前記絶縁回路と縦続に接続される並列共振回路とを備えるスイッチング電源装置。
2. 前記並列共振回路は、前記絶縁回路の２つの出力端子のうちの１つの出力端子と、前記ＡＣ／ＤＣ変換器の２つの入力端子のうちの１つの入力端子との間に接続される請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記並列共振回路は、互いに並列に接続される第１のキャパシタと第１のインダクタを備える請求項１又は２記載のスイッチング電源装置。
4. 前記絶縁回路は、
   前記ＤＣ／ＡＣ変換器の１対の出力端子にそれぞれ接続された各一端を有する第２及び第３のキャパシタと、
   前記第２のキャパシタの他端と前記第３のキャパシタの他端との間に接続された第２のインダクタとを備える請求項１〜３のうちのいずれか１つに記載のスイッチング電源装置。
5. 所定の負荷を充電する充電装置であって、
   請求項１〜４のうちのいずれか１つに記載のスイッチング電源装置を備える充電装置。

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