JP2020150587A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】サージ電圧のエネルギーを有効活用するとともに、使用条件によらずサージ電圧を低減できるスイッチング電源装置を得ること。【解決手段】スイッチング電源装置１００が、交流電力が供給される１次巻線Ｌ３および２次巻線Ｌ１，Ｌ２を有した絶縁トランス１と、２次巻線Ｌ１，Ｌ２の一端に接続されたスイッチング素子２，３と、２次巻線Ｌ１，Ｌ２の一端にアノードが接続されたダイオード５，６と、ダイオード５，６のカソードに一端が接続されるとともに、他端が、２次巻線Ｌ１，Ｌ２の他端および負荷２０の一端に接続されて、スイッチング素子２，３をオフした際に発生するサージ電圧を吸収する吸収コンデンサ７と、第１の端部が、接続点５５に接続されるとともに、第２の端部が、スイッチング素子２，３の出力側および負荷２０の他端に接続された降圧回路１０１と、を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、サージ電圧の電力を有効活用するスイッチング電源装置に関する。

スイッチング電源装置は、スイッチング素子のオンとオフとを繰り返すことによって電力変換を行う装置である。スイッチング電源装置では、オンおよびオフの動作に伴う、急峻な電圧または電流の変化、基板パターン経路のインダクタンス等が原因でサージ電圧が発生する。サージ電圧がスイッチング素子の耐圧を超えると、スイッチング素子は破壊され、場合によってはスイッチング素子以外の部品を損傷させる恐れがある。

サージ電圧によるスイッチング素子の破壊を防ぐ方法の一つとして、抵抗、コンデンサ等で構成されるスナバ回路を用いる方法がある。特許文献１に記載のスイッチング電源装置は、トランスに接続された２つの整流ダイオードに発生するサージ電圧を、２つの整流ダイオードのカソードにアノードが接続されたダイオードと、このダイオードに接続されたコンデンサとで構成されるスナバ回路で吸収し、吸収したサージ電圧のエネルギーを電力再利用回路で再利用している。

特開２００７−３１８９６４号公報

しかしながら、上記特許文献１の技術では、スナバ回路のコンデンサに蓄えられたエネルギーが、電力再利用回路の負荷条件（例えば、無負荷のとき）によっては放出できない場合がある。この場合、常にコンデンサが充電された状態となり、コンデンサがサージ電圧を吸収できなくなる。すなわち、使用条件によっては、サージ電圧を低減できない場合があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、サージ電圧のエネルギーを有効活用するとともに、使用条件によらずサージ電圧を低減できるスイッチング電源装置を得ることを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明のスイッチング電源装置は、交流電力が供給される１次巻線に電磁誘導結合された第１および第２の２次巻線を有した絶縁トランスと、第１の２次巻線の一端に接続された第１のスイッチング素子と、第２の２次巻線の一端に接続された第２のスイッチング素子と、を備える。また、本発明のスイッチング電源装置は、第１の２次巻線の一端にアノードが接続され、第１の２次巻線に誘起された電圧を整流する第１のダイオードと、第２の２次巻線の一端にアノードが接続され、第２の２次巻線に誘起された電圧を整流する第２のダイオードと、を備える。また、本発明のスイッチング電源装置は、第１のダイオードのカソードおよび第２のダイオードのカソードに接続された第１の接続点に一端が接続されるとともに、他端が、第１の２次巻線の他端、第２の２次巻線の他端、および負荷の一端に接続された第２の接続点に接続されて、第１のスイッチング素子をオフした際に発生するサージ電圧および第２のスイッチング素子をオフした際に発生するサージ電圧を吸収するコンデンサと、第１の端部が、第１の接続点に接続されるとともに、第２の端部が、第１のスイッチング素子の出力側、第２のスイッチング素子の出力側、および負荷の他端に接続された第３の接続点に接続された降圧回路と、を備える。

本発明によれば、サージ電圧のエネルギーを有効活用するとともに、使用条件によらずサージ電圧を低減できるという効果を奏する。

実施の形態にかかるスイッチング電源装置を示す図

以下に、本発明にかかるスイッチング電源装置の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。

実施の形態．
図１は、実施の形態にかかるスイッチング電源装置を示す図である。スイッチング電源装置１００は、絶縁トランス１と、スイッチング素子２，３と、出力コンデンサ４と、サージ電圧をクランプするためのダイオード５，６と、降圧回路１０１と、サージ電圧を吸収する吸収コンデンサ７と、逆流防止のためのダイオード１１と、制御回路１０２とを備えている。

絶縁トランス１は、交流電力が供給される１次巻線Ｌ３と、１次巻線Ｌ３に電磁誘導結合された２次巻線Ｌ１，Ｌ２と、を有している。絶縁トランス１では、１次巻線Ｌ３に交流電力が供給され、２次巻線Ｌ１，Ｌ２から直流電力が出力される。

第１のスイッチング素子であるスイッチング素子２は、第１の２次巻線である２次巻線Ｌ１の一端に接続され、第２のスイッチング素子であるスイッチング素子３は、第２の２次巻線である２次巻線Ｌ２の一端に接続されている。

２次巻線Ｌ１の一端は、接続点５１に接続され、他端は、接続点５６に接続されている。２次巻線Ｌ２の一端は、接続点５２に接続され、他端は、接続点５６に接続されている。接続点５１には、第１のダイオードであるダイオード５のアノードおよびスイッチング素子２のドレインが接続されている。接続点５２には、第２のダイオードであるダイオード６のアノードおよびスイッチング素子３のドレインが接続されている。スイッチング素子２の出力側（ソース）およびスイッチング素子３の出力側（ソース）は、接続点５３を介して接続点５８に接続されている。

スイッチング素子２のゲートおよびスイッチング素子３のゲートは、制御回路１０２に接続されている。ダイオード５のカソードおよびダイオード６のカソードは、接続点５４に接続されている。ダイオード５は、２次巻線Ｌ１に誘起された電圧を整流し、ダイオード６は、２次巻線Ｌ２に誘起された電圧を整流する。

接続点５６は、接続点５９，６０を介して負荷２０の一端に接続され、接続点５３は、接続点５８，６１を介して負荷２０の他端に接続されている。接続点５４は、接続点５５に接続されており、接続点５５と接続点５６との間に吸収コンデンサ７が接続されている。すなわち、吸収コンデンサ７は、接続点５５に一端が接続されるとともに、接続点５６に他端が接続されている。

降圧回路１０１は、ハイサイドスイッチング素子８と、整流素子９と、チョークコイル１０とを有している。降圧回路１０１では、ハイサイドスイッチング素子８と、チョークコイル１０とで降圧チョッパ回路を構成している。

降圧回路１０１は、第１の端部が接続点５５に接続され、第２の端部が接続点５８に接続されている。降圧回路１０１では、ハイサイドスイッチング素子８の一端が接続点５５を介して接続点５４に接続されており、他端が接続点５７に接続されている。ハイサイドスイッチング素子８のゲートは、制御回路１０２に接続されている。接続点５７と接続点５８との間には、整流素子９が接続されている。すなわち、整流素子９は、一端が接続点５７に接続され、他端が接続点５８に接続されている。

また、降圧回路１０１では、チョークコイル１０の一端が接続点５７に接続されており、チョークコイル１０の他端が第３のダイオードであるダイオード１１のアノードに接続されている。ダイオード１１のカソードは、接続点５９に接続されている。このように、降圧回路１０１は、スイッチング素子２，３の出力側（接続点５８）および接続点５４に接続されている。また、降圧回路１０１は、負荷２０の一端（接続点５９，６０）に接続されている。

ダイオード１１は、チョークコイル１０から接続点５９に流れる電流の逆流を防止する。整流素子９は、接続点５８から接続点５７に流れる電流を整流する。整流素子９の例は、ダイオードである。吸収コンデンサ７は、スイッチング素子２，３で発生したサージ電圧を吸収する。吸収コンデンサ７は、スイッチング素子２をオフした際に発生するサージ電圧、およびスイッチング素子３をオフした際に発生するサージ電圧を吸収する。なお、スイッチング電源装置１００は、ダイオード１１を備えていなくてもよい。

接続点６０は、接続点５９および負荷２０の一端に接続され、接続点６１は、接続点５８および負荷２０の他端に接続されている。すなわち、出力コンデンサ４は、一端が接続点６０に接続され、他端が接続点６１に接続されている。

制御回路１０２は、スイッチング素子２のゲートにゲート信号１０２ａを出力し、スイッチング素子３のゲートにゲート信号１０２ｂを出力する。また、制御回路１０２は、第３のスイッチング素子であるハイサイドスイッチング素子８のゲートにゲート信号１０２ｃを出力する。ゲート信号１０２ａは、スイッチング素子２を駆動する信号であり、ゲート信号１０２ｂは、スイッチング素子３を駆動する信号である。すなわち、ゲート信号１０２ａは、スイッチング素子２のオンおよびオフの制御に用いられる第１の制御信号であり、ゲート信号１０２ｂは、スイッチング素子３のオンおよびオフの制御に用いられる第２の制御信号である。ゲート信号１０２ｃはハイサイドスイッチング素子８を駆動する信号である。

上述した接続点５４または接続点５５が第１の接続点であり、接続点５６が第２の接続点であり、接続点５３または接続点５８が、第３の接続点であり、接続点５７が第４の接続点である。

ここで、スイッチング電源装置１００の動作について説明する。スイッチング電源装置１００では、スイッチング素子２がオンになるタイミングで、スイッチング素子３がオフになり、スイッチング素子３がオンになるタイミングで、スイッチング素子２がオフになる。これにより、スイッチング電源装置１００では、スイッチング素子２のオンと、スイッチング素子３のオンとが交互に繰り返される。

この場合において、スイッチング素子２がターンオフに転じると、スイッチング素子２のドレインとソースとの間にサージ電圧が発生する。発生したサージ電圧は、ダイオード５を介して吸収コンデンサ７を充電する。

同様に、スイッチング素子３がターンオフに転じると、スイッチング素子３のドレインとソースとの間にサージ電圧が発生する。発生したサージ電圧は、ダイオード６を介して吸収コンデンサ７を充電する。降圧回路１０１は、スイッチング素子２で発生したサージ電圧を降圧するとともに、スイッチング素子３で発生したサージ電圧を降圧する。

ここで、ハイサイドスイッチング素子８、整流素子９、およびチョークコイル１０は、降圧回路１０１を構成しており、その入出力電圧の関係はハイサイドスイッチング素子８のゲート信号１０２ｃのデューティと等しくなる。例えば、デューティを５０％とした場合、吸収コンデンサ７の入力電圧は、出力電圧の２倍となる。すなわち、吸収コンデンサ７の電圧は、（出力電圧）／（ハイサイドスイッチング素子８のデューティ）を超えることはない。

以上により、スイッチング素子２およびスイッチング素子３のサージ電圧は、前述した吸収コンデンサ７の電圧でクランプされ、また、サージ電圧のエネルギーは降圧回路１０１を介して出力電力に回生可能となる。すなわち、吸収コンデンサ７で吸収されたサージ電圧は、負荷２０に与えられるのでサージ電圧のエネルギーを有効活用できる。これにより、スイッチング電源装置１００の電力損失を低減することができる。

また、スイッチング電源装置１００は、負荷を用いた電力再利用回路が不要なので、電力再利用回路の負荷条件によってサージ電圧を吸収できなくなるような事態は発生しない。このため、スイッチング電源装置１００の構成要素に高耐圧の素子を用いる必要がない。したがって、スイッチング電源装置１００の構成要素である素子の抵抗成分を小さく抑えることができるので、電力損失を抑制することができる。

なお、制御回路１０２で生成する降圧回路１０１へのゲート信号１０２ｃには、スイッチング素子２のゲート信号１０２ａまたはスイッチング素子３のゲート信号１０２ｂを用いてもよい。すなわち、ハイサイドスイッチング素子８は、スイッチング素子２のオンおよびオフの制御に用いられる制御信号、またはスイッチング素子３のオンおよびオフの制御に用いられる制御信号を用いてオンおよびオフが制御されてもよい。

このように実施の形態によれば、スイッチング電源装置１００の仕様条件によらずサージ電圧を低減でき、またサージ電圧のエネルギーを有効活用でき、さらに電力損失を抑制することが可能となる。

以上の実施の形態に示した構成は、本発明の内容の一例を示すものであり、別の公知の技術と組み合わせることも可能であるし、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、構成の一部を省略、変更することも可能である。

１ 絶縁トランス、２，３ スイッチング素子、４ 出力コンデンサ、５，６ ダイオード、７ 吸収コンデンサ、８ ハイサイドスイッチング素子、９ 整流素子、１０ チョークコイル、１１ ダイオード、２０ 負荷、５１〜６１ 接続点、１００ スイッチング電源装置、１０１ 降圧回路、１０２ 制御回路、１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ ゲート信号、Ｌ１，Ｌ２ ２次巻線、Ｌ３ １次巻線。

Claims (4)

1. 交流電力が供給される１次巻線に電磁誘導結合された第１および第２の２次巻線を有した絶縁トランスと、
   前記第１の２次巻線の一端に接続された第１のスイッチング素子と、
   前記第２の２次巻線の一端に接続された第２のスイッチング素子と、
   前記第１の２次巻線の一端にアノードが接続され、前記第１の２次巻線に誘起された電圧を整流する第１のダイオードと、
   前記第２の２次巻線の一端にアノードが接続され、前記第２の２次巻線に誘起された電圧を整流する第２のダイオードと、
   前記第１のダイオードのカソードおよび前記第２のダイオードのカソードに接続された第１の接続点に一端が接続されるとともに、他端が、前記第１の２次巻線の他端、前記第２の２次巻線の他端、および負荷の一端に接続された第２の接続点に接続されて、前記第１のスイッチング素子をオフした際に発生するサージ電圧および前記第２のスイッチング素子をオフした際に発生するサージ電圧を吸収するコンデンサと、
   第１の端部が、前記第１の接続点に接続されるとともに、第２の端部が、前記第１のスイッチング素子の出力側、前記第２のスイッチング素子の出力側、および前記負荷の他端に接続された第３の接続点に接続された降圧回路と、
   を備えることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記降圧回路は、
   一端が、前記第１の接続点に接続された第３のスイッチング素子と、
   一端が、前記第３のスイッチング素子の他端に接続されたチョークコイルと、
   一端が、前記第３のスイッチング素子の他端および前記チョークコイルの接続点である第４の接続点に接続され、他端が、前記第３の接続点に接続された整流素子と、
   を有する、
   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. 前記チョークコイルの他端にアノードが接続され、カソードが前記第２の接続点および前記負荷の一端に接続された第３のダイオードをさらに備える、
   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。
4. 前記第３のスイッチング素子は、前記第１のスイッチング素子のオンおよびオフの制御に用いられる第１の制御信号、または前記第２のスイッチング素子のオンおよびオフの制御に用いられる第２の制御信号を用いてオンおよびオフが制御される、
   ことを特徴とする請求項２または３に記載のスイッチング電源装置。

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