JP2021132424A

JP2021132424A - 電源装置及び画像形成装置

Info

Publication number: JP2021132424A
Application number: JP2020025137A
Authority: JP
Inventors: 信行内山; Nobuyuki Uchiyama
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2020-02-18
Filing date: 2020-02-18
Publication date: 2021-09-09

Abstract

【課題】サージ電圧の発生を抑えつつ、スイッチング電源装置の効率を向上させること。【解決手段】一次巻線２０６ａ、二次巻線２０６ｃ、補助巻線２０６ｄを有するトランス２０６と、出力端子２０３ｃ、２０３ｄを有し、交流電圧を整流するダイオードブリッジ２０３と、一端が出力端子２０３ｃ及び一次巻線２０６ａの一端と接続され、他端が出力端子２０３ｄに接続された平滑コンデンサ２０７と、一端が一次巻線２０６ａの他端と接続され、他端が出力端子２０３ｄに接続されオン状態又はオフ状態に切り替えられるＦＥＴ２０８と、コンデンサ２１１とダイオード２１２とが直列に接続され一次巻線２０６ａと並列に接続された直列回路と、ダイオード２１３と補助巻線２０６ｄとが直列に接続されＦＥＴ２０８のソース端子とコンデンサ２１１とダイオード２１２とが接続された接続点との間に接続された直列回路と、を有するスナバ回路２１４を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、電源装置、及び電源装置を備える画像形成装置に関する。

スイッチング素子を使用したスイッチング電源装置では、スイッチング素子がターンオフ時に、トランスのリーケージインダクタンス、スイッチング素子自体の出力容量、及びターンオフ直前のピーク電流を要因とするサージ電圧が発生する。サージ電圧をスイッチング素子の定格電圧内に抑えるために、スイッチング電源装置では、抵抗（Ｒ）、コンデンサ（Ｃ）、ダイオード（Ｄ）により構成された、所謂ＲＣＤスナバ回路を設けることが一般的である（例えば特許文献１参照）。

特開平１０−２４８２４３号公報

上述した特許文献１で提案されているＲＣＤスナバ回路を使用してサージ電圧を抑える回路構成は、スイッチング素子がターンオフする毎にコンデンサに蓄積されたサージ電圧のエネルギーを抵抗により熱に変換してしまう構成となっている。そのため、スイッチング電源装置の効率を向上させることがむずかしいという課題を有している。

本発明は、このような状況のもとでなされたもので、サージ電圧の発生を抑えつつ、スイッチング電源装置の効率を向上させることを目的とする。

上述した課題を解決するために、本発明では、以下の構成を備える。

（１）一次巻線と、二次巻線と、補助巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を整流する整流回路と、一端が前記第一の出力端子及び前記一次巻線の一端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第二のコンデンサと、一端が前記一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、第一のコンデンサと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記一次巻線と並列に接続された前記第一の直列回路と、第二の整流素子と前記補助巻線とが直列に接続された第二の直列回路であって、前記スイッチング素子の他端と前記第一のコンデンサと前記第一の整流素子とが接続された接続点との間に接続された前記第二の直列回路と、を備えることを特徴とする電源装置。

（２）直列に接続された第一の一次巻線及び第二の一次巻線と、二次巻線と、補助巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を整流する整流回路と、インダクタと第三の整流素子とが直列に接続された第三の直列回路であって、前記第一の出力端子と前記第一の一次巻線の一端と前記第二の一次巻線の一端とが接続された第一の接続点との間に接続された前記第三の直列回路と、一端が前記第二の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、一端が前記第一の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第二のコンデンサと、第一のコンデンサと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記第一の一次巻線の他端と前記第二の一次巻線の他端との間に接続された前記第一の直列回路と、第二の整流素子と前記補助巻線とが直列に接続された第二の直列回路であって、前記スイッチング素子の前記他端と前記第一のコンデンサと前記第一の整流素子とが接続された第二の接続点との間に接続された前記第二の直列回路と、を備えることを特徴とする電源装置。

（３）シートに画像形成を行う画像形成手段と、前記画像形成手段に電力を供給する前記（１）又は前記（２）に記載の電源装置と、を備えることを特徴とする画像形成装置。

本発明によれば、サージ電圧の発生を抑えつつ、スイッチング電源装置の効率を向上させることができる。

実施例１〜３の画像形成装置の構成を示す断面図実施例１のスイッチング電源装置の回路構成を示す回路図実施例１の電流ルートを説明する図実施例２のスイッチング電源装置の回路構成を示す回路図実施例２の入力電流波形と入力電圧波形を説明する図実施例２の電流ルートを説明する図実施例３のスイッチング電源装置の回路構成を示す回路図

以下に、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。

［画像形成装置の構成］
図１は、画像形成装置の一例として、レーザビームプリンタの構成を示す断面図である。レーザビームプリンタ１００（以下、プリンタ１００という）は、静電潜像が形成される感光ドラム１０１、感光ドラム１０１を一様に帯電する帯電部１０２、感光ドラム１０１に形成された静電潜像を現像し、トナー像を形成する現像部１０３を備えている。また、プリンタ１００は、感光ドラム１０１にレーザ光を照射して、感光ドラム１０１の表面に静電潜像を形成する露光装置１１０を備えている。プリンタ１００では、感光ドラム１０１に形成されたトナー像は、転写部１０５によって、カセット１０４から給送された記録材としてのシート（不図示）に転写される。トナー像が転写されたシートは、定着器１０６に搬送され、トナー像は定着器１０６でシートに定着され、トナー像が定着されたシートはトレイ１０７に排出される。この感光ドラム１０１、帯電部１０２、現像部１０３、転写部１０５が画像形成部である。また、プリンタ１００は、低電圧電源装置１０８を備え、低電圧電源装置１０８はモータ等の駆動部や画像形成部による画像形成動作やシートの搬送動作を制御する制御部へ電力を供給する。

［スイッチング電源装置の構成］
図２は、図１のプリンタ１００が低電圧電源装置１０８として備えている、本実施例のスイッチング電源装置２００の回路構成を示す回路図である。図２において、ＡＣプラグ２０１をコンセントに接続すると、商用交流電源（不図示）から交流電圧がスイッチング電源装置２００に入力される。入力された交流電圧は、フィルタ回路２０２を介して、ダイオードブリッジ２０３に入力される。ダイオードブリッジ２０３は、入力側の端子２０３ａ、２０３ｂと、出力側の端子２０３ｃ（第一の出力端子）、２０３ｄ（第二の出力端子）を有する。ダイオードブリッジ２０３は、入力側の端子２０３ａ、２０３ｂから入力される交流電圧を全波整流し、出力側の端子２０３ｃ、２０３ｄに出力する。整流回路であるダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃは、平滑コンデンサ２０７の一端と接続されて、端子２０３ｄは、平滑コンデンサ２０７の他端と接続されている。全波整流された交流電圧は、平滑コンデンサ２０７で平滑され、略一定の直流電圧となる。

トランス２０６は、一次側のエネルギーを二次側に変換するための絶縁トランスであり、一次巻線２０６ａ、二次巻線２０６ｃ、補助巻線２０６ｄを有している。なお、図２は、フライバック回路の適用例を示しているため、一次巻線２０６ａに対し、二次巻線２０６ｃは巻き方向が逆方向となっている。また、補助巻線２０６ｄも、二次巻線２０６ｃと同様に、一次巻線２０６ａに対し、巻き方向が逆方向となっている。

平滑コンデンサ２０７の一端は、トランス２０６の一次巻線２０６ａの一端と接続され、一次巻線２０６ａの他端は、スイッチング素子である電界効果トランジスタ（以下、ＦＥＴという）２０８のドレイン端子と接続されている。また、ＦＥＴ２０８のソース端子は、平滑コンデンサ２０７の他端、及びダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｄと接続されている。なお、ＦＥＴ２０８のゲート端子は、ＦＥＴ２０８のスイッチング動作を制御する制御ＩＣ（不図示）に接続されている。

また、トランス２０６の二次巻線２０６ｃの一端は、ダイオード２０９のアノード端子に接続され、カソード端子は平滑コンデンサ２１０の一端に接続されている。平滑コンデンサ２１０は、一端はダイオード２０９のカソード端子に接続され、他端は、トランス２０６の二次巻線２０６ｃの他端に接続されている。平滑コンデンサ２１０の充電電圧は、スイッチング電源装置２００の出力電圧Ｖｏとして、スイッチング電源装置２００に接続された外部負荷に出力される。

図２において、制御ＩＣ（不図示）からＦＥＴ２０８のゲート端子にローレベル信号が入力され、ＦＥＴ２０８がターンオフするタイミングで、ＦＥＴ２０８のドレイン端子に大きなサージ電圧が発生する。サージ電圧を抑制する回路が、破線で囲まれたスナバ回路２１４である。スナバ回路２１４は、トランス２０６の補助巻線２０６ｄと２つの整流素子であるダイオード２１２、２１３、そしてクランプコンデンサ２１１で構成されている。

スナバ回路２１４において、クランプコンデンサ２１１の一端は、トランス２０６の一次巻線２０６ａの他端、及びＦＥＴ２０８のドレイン端子と接続され、クランプコンデンサ２１１の他端はダイオード２１２のアノード端子と接続されている。ダイオード２１２のカソード端子は、平滑コンデンサ２０７の一端、及びトランス２０６の一次巻線２０６ａの一端と接続されている。また、ダイオード２１３のアノード端子はＦＥＴ２０８のソース端子、平滑コンデンサ２０７の他端、及びダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｄと接続されている。一方、ダイオード２１３のカソード端子は、トランス２０６の補助巻線２０６ｄの一端と接続されている。トランス２０６の補助巻線２０６ｄの他端は、クランプコンデンサ２１１とダイオード２１２のアノード端子とが接続された接続点と接続されている。

スイッチング素子であるＦＥＴ２０８は、制御ＩＣ（不図示）からＦＥＴ２０８のゲート端子にハイレベル信号が入力されると、ＦＥＴ２０８のドレイン端子とソース端子間が導通し、ＦＥＴ２０８は導通状態（オン状態）となる。その結果、平滑コンデンサ２０７からの電流が一次巻線２０６ａに流れ、ＦＥＴ２０８の導通期間に応じたエネルギーがトランス２０６に蓄積される。ＦＥＴ２０８が導通状態の期間では、トランス２０６の二次巻線２０６ｃには、巻き始め側がプラスで、巻き終わり側がマイナスの電圧が発生する。ところが、トランス２０６の二次側のダイオード２０９のアノード端子の電圧がカソード端子の電圧よりも低くなるため、ダイオード２０９は非導通状態のままで、二次巻線２０６ｃからダイオード２０９を介した電流は流れない。

一方、制御ＩＣ（不図示）からＦＥＴ２０８のゲート端子にローレベル信号が入力されると、ＦＥＴ２０８のドレイン端子間とソース端子との間は開放状態となり、ＦＥＴ２０８は非導通状態（オフ状態）となる。すると、トランス２０６の二次巻線２０６ｃには、巻き始め側がマイナスで、巻き終わり側がプラスの電圧が発生する。トランス２０６の二次側のダイオード２０９のアノード端子の電圧がカソード端子の電圧よりも高くなるため、ダイオード２０９は導通状態となり、トランス２０６の二次巻線２０６ｃから二次側のダイオード２０９を通して電流が流れる。このように、二次巻線２０６ｃには、ＦＥＴ２０８のスイッチング動作に連動して、パルス状の電圧が発生する。トランス２０６の二次巻線２０６ｃに発生する電圧をダイオード２０９で整流し、平滑コンデンサ２１０によって平滑することで出力電圧Ｖｏが生成され、出力電圧ＶｏはＦＥＴ２０８のスイッチング動作により一定の電圧に制御される。

［スナバ回路の動作］
次に、スナバ回路２１４の動作を図３に示す状態説明図に基づいて説明する。図３は、スナバ回路２１４の動作を説明するために、図２のスナバ回路２１４の周辺回路を抜き出した回路図である。図３（ａ）は、ＦＥＴ２０８がターンオフした直後（オン状態からオフ状態に切り替わった直後）の回路動作を説明する図であり、図３（ｂ）は、ＦＥＴ２０８のターンオン直後（オフ状態からオン状態に切り替わった直後）の回路動作を説明する図である。なお、本発明のスナバ回路２１４は、回路動作的にはＦＥＴ２０８のターンオフ直後及びターンオン直後の回路動作に特徴がある。ＦＥＴ２０８がターンオフ直後及びターンオン直後以外の期間での回路動作は、上述したスナバ回路２１４を有しない一般的なスイッチング電源装置と同じ回路動作であるため、ここでの説明は省略する。

（ＦＥＴ２０８のターンオフ直後の回路動作）
まず、図３（ａ）を参照して、ＦＥＴ２０８のターンオフ直後の回路動作について説明する。ＦＥＴ２０８のゲート端子に制御ＩＣ（不図示）からローレベル信号が入力されると、ＦＥＴ２０８のドレイン端子とソース端子との間が開放状態になる。すると、それまで一次巻線２０６ａからＦＥＴ２０８のドレイン端子に流れていた電流は、クランプコンデンサ２１１に流れ始め、クランプコンデンサ２１１は一次巻線２０６ａからの入力電流により充電される。クランプコンデンサ２１１への充電電流の電流ルートは、図３（ａ）の太い矢印で示した電流ルートであり、一次巻線２０６ａからクランプコンデンサ２１１、そしてダイオード２１２へと流れる。そのときのＦＥＴ２０８のドレイン電圧は、クランプコンデンサ２１１の容量と一次巻線２０６ａのインダクタンスとの共振動作により弧を描く電圧波形となり、緩やかに電圧が上昇し、電圧の急激な上昇が制限される。ＦＥＴ２０８のドレイン電圧にサージ電圧の発生がないと、一次巻線２０６ａに生じる電圧にもサージ電圧は発生せず、同じトランス２０６に結合された二次巻線２０６ｃにもサージ電圧が発生しなくなる。

（ＦＥＴ２０８のターンオン直後の回路動作）
一方、ＦＥＴ２０８のゲート端子に制御ＩＣ（不図示）からハイレベル信号が入力されると、ＦＥＴ２０８のドレイン端子とソース端子との間が導通状態となる。この状態を表したのが図３（ｂ）である。図３（ｂ）に示す太い矢印が、クランプコンデンサ２１１からの放電電流の電流ルートである。一次巻線２０６ａと補助巻線２０６ｄとは、トランス２０６内で結合されている。そのため、一次巻線２０６ａと補助巻線２０６ｄの巻き数比により、クランプコンデンサ２１１から流れる放電電流は、ＦＥＴ２０８を流れる電流と、一次巻線２０６ａを逆流する電流とに分流される。一次巻線２０６ａを逆流する電流は平滑コンデンサ２０７への回生電流となり、ＦＥＴ２０８がターンオフした際のサージ電圧で発生したエネルギー（クランプコンデンサ２１１の充電電圧）の一部が平滑コンデンサ２０７に回生されて再利用されることになる。そして、放電電流が流れることにより、サージ電圧により充電された電圧が放電されたクランプコンデンサ２１１は、図３（ａ）に示す充電電流が流れる直前の状態となり、再度サージ電圧によるエネルギーを蓄積できる状態にリセットされる。

一方、クランプコンデンサ２１１からＦＥＴ２０８に流れる電流は、ダイオード２１３を介して補助巻線２０６ｄへと流れ、放電電流の電流エネルギーは、補助巻線２０６ｄに蓄積される。そして、補助巻線２０６ｄに蓄積されたエネルギーは、次のＦＥＴ２０８のターンオフ時に二次側電流として変換され、一次巻線２０６ａに蓄積されたエネルギーが変換された二次側電流に加算される。なお、ダイオード２１３は、クランプコンデンサ２１１の電荷が補助巻線２０６ｄを通して放電するのを遮断する機能を有している。また、ダイオード２１３と補助巻線２０６ｄは、クランプコンデンサ２１１からの放電電流が流れる方向に、ダイオード２１３、補助巻線２０６ｄの順に接続されているが、補助巻線２０６ｄ、ダイオード２１３の順に接続されていても同じ回路動作となる。そして、クランプコンデンサ２１１の放電電流は、クランプコンデンサ２１１と一次巻線２０６ａ及び補助巻線２０６ｄとの共振動作により緩やかに流れ始め、瞬間的な大電流は流れない、所謂ソフトスイッチングで動作する。一方、ＦＥＴ２０８がターンオンするタイミングは、二次側のダイオード２０９が非導通状態となり、逆方向の電圧が印加されるタイミングと一致し、一般的なフライバック方式の電源装置では、大きなサージ電圧が発生するタイミングである。しかしながら、本実施例のスナバ回路２１４は、上述したようにソフトスイッチングで動作するため、サージ電圧がほとんど発生しなくなる。

以上説明したように、ＦＥＴ２０８によるサージ電圧（サージエネルギー）を、ＦＥＴ２０８のターンオフ直後にクランプコンデンサ２１１に蓄積することで、サージ電圧を抑制することができる。また、ＦＥＴ２０８のターンオン時には、クランプコンデンサ２１１に充電された電圧を放電する放電電流の一部を平滑コンデンサ２０７に回生することにより、サージ電圧（サージエネルギー）を再利用することができる。更に、放電電流の一部を補助巻線２０６ｄにエネルギーとして蓄積し、二次側電流に変換することができる。なお、本実施例では、フライバック方式のスイッチング電源装置について説明してきたが、フォワード方式のスイッチング電源装置についても同様な効果を得られることは言うまでもない。

以上説明したように、本実施例によれば、サージ電圧の発生を抑えつつ、スイッチング電源装置の効率を向上させることができる。

実施例１では、フライバック方式のスイッチング電源装置に適用したスナバ回路の実施例について説明した。実施例２では、力率改善可能な絶縁形スイッチング電源装置に適用したスナバ回路の実施例について説明する。

［スイッチング電源装置の構成］
図４は、本発明のスナバ回路２１４を適用した、力率改善可能なスイッチング電源装置４００の回路構成を示す回路図である。実施例１のスイッチング電源装置２００では平滑コンデンサ２０７がダイオードブリッジ２０３の後段（下流側）に接続されていた。一方、実施例２のスイッチング電源装置４００は力率改善回路を有しているため、平滑コンデンサ２０７がトランス４０３の一次巻線の下流側に構成されている。なお、スイッチング電源装置４００において、実施例１のフライバック方式のスイッチング電源装置２００と同一構成の部品については同一符号を用いて説明することにより、ここでの説明を省略する。また、スイッチング電源装置４００において、実施例１のスイッチング電源装置２００と同じ回路動作については、説明を省略する。

本実施例のスイッチング電源装置４００では、実施例１のスイッチング電源装置２００に対して、入力インダクタ４０１とダイオード４０２が追加され、トランス２０６がトランス４０３に変更されている。実施例１のスイッチング電源装置２００のトランス２０６は、一次巻線２０６ａ、二次巻線２０６ｃ、補助巻線２０６ｄを有していた。一方、本実施例のスイッチング電源装置のトランス４０３は、直列に接続された２つの一次巻線４０３ａ、４０３ｂ、二次巻線４０３ｃ、補助巻線４０３ｄを有しており、トランス２０６に比べて、一次巻線を２つ有している点が異なる。

図４において、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃは、インダクタ４０１の一端に接続されている。インダクタ４０１の他端は、ダイオード４０２のアノード端子に接続され、ダイオード４０２のカソード端子は、トランス４０３の一次巻線４０３ａ及び一次巻線４０３ｂと接続されている。このように、インダクタ４０１及びダイオード４０２は直列に接続され、直列回路を構成している。

トランス４０３の一次巻線４０３ａと一次巻線４０３ｂは直列に接続されており、一次巻線４０３ａの一端は平滑コンデンサ２０７の一端と接続され、一次巻線４０３ａの他端は一次巻線４０３ｂの一端とダイオード４０２のカソード端子とに接続されている。一次巻線４０３ｂの他端は、ＦＥＴ２０８のドレイン端子に接続され、ＦＥＴ２０８のソース端子は、平滑コンデンサ２０７の他端と、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｄと、に接続されている。また、ＦＥＴ２０８のゲート端子は制御ＩＣ（不図示）に接続され、ＦＥＴ２０８は、制御ＩＣからゲート端子に入力される信号に応じて、オン状態、又はオフ状態に設定される。上述した接続構成により、平滑コンデンサ２０７は、トランス４０３の直列に接続された一次巻線４０３ａ及び一次巻線４０３ｂと並列に接続されている。

また、トランス４０３の二次巻線４０３ｃの一端は、ダイオード２０９のアノード端子に接続され、カソード端子は平滑コンデンサ２１０の一端に接続されている。平滑コンデンサ２１０は、一端はダイオード２０９のカソード端子に接続され、他端は、トランス４０３の二次巻線４０３ｃの他端に接続されている。平滑コンデンサ２１０の充電電圧は、スイッチング電源装置４００の出力電圧Ｖｏとして、スイッチング電源装置４００に接続された外部負荷に出力される。

また、本実施例のスナバ回路２１４は、実施例１と同様に、補助巻線２０６ｄと２つのダイオード２１２、２１３、そしてクランプコンデンサ２１１で構成されている。スナバ回路２１４において、クランプコンデンサ２１１の一端は、トランス４０３の一次巻線４０３ｂの他端、及びＦＥＴ２０８のドレイン端子と接続され、クランプコンデンサ２１１の他端はダイオード２１２のアノード端子と接続されている。ダイオード２１２のカソード端子は、平滑コンデンサ２０７の一端、及びトランス４０３の一次巻線４０３ａの一端と接続されている。また、ダイオード２１３のアノード端子はＦＥＴ２０８のソース端子、平滑コンデンサ２０７の他端、及びダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｄと接続されている。一方、ダイオード２１３のカソード端子は、トランス４０３の補助巻線４０３ｄの一端と接続されている。トランス４０３の補助巻線４０３ｄの他端は、クランプコンデンサ２１１とダイオード２１２のアノード端子とが接続された接続点と接続されている。

上述したように、制御ＩＣ（不図示）からＦＥＴ２０８のゲート端子に印加された電圧に応じて、ＦＥＴ２０８はオン状態、又はオフ状態となる。ＦＥＴ２０８がオン状態になると、トランス４０３の一次巻線４０３ａと一次巻線４０３ｂとが接続された接続点の電圧は、平滑コンデンサ２０７の充電電圧を一次巻線４０３ａ、４０３ｂのそれぞれの巻数比により分圧した電圧となる。分圧された電圧は、ダイオード４０２のカソード端子側の電圧でもある。このとき、分圧された電圧よりも、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃの出力電圧の方が高い場合には、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃから出力電流が、次のような電流ルートで流れる。すなわち、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃからの出力電流は、インダクタ４０１、ダイオード４０２、一次巻線４０３ｂ、ＦＥＴ２０８を経由して、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｄへと流れる。一方、分圧された電圧の方が、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃの出力電圧よりも高い場合には、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃからの出力電流は流れない。そして、ダイオードブリッジ２０３の出力電圧は、平滑コンデンサ２０７の充電電圧を一次巻線４０３ａ、４０３ｂの巻数比により分圧した電圧でクランプされる。

このように、ＦＥＴ２０８がオン状態の場合には、トランス４０３の一次巻線４０３ａと一次巻線４０３ｂとが接続された接続点の電圧は、平滑コンデンサ２０７の充電電圧を一次巻線４０３ａ、４０３ｂの巻数比により分圧した電圧である。そのため、一次巻線４０３ａの巻数を一次巻線４０３ｂの巻数よりも多くすることで分圧電圧は低くなり、ダイオードブリッジ２０３の出力電圧がより低い電圧でも、出力側の端子２０３ｃから出力電流が流れることになる。また、スイッチング電源装置４００に接続された外部負荷（不図示）が略一定であり、出力電圧Ｖｏが安定している場合には、平滑コンデンサ２０７の充電電圧は、ほぼ一定の電圧となるため、分圧電圧も略一定の電圧となる。ダイオードブリッジ２０３では、正弦波である交流電圧を全波整流するため、ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃの出力電圧は正弦波状に変化するため、端子２０３ｃの出力電流の波形も略正弦波状に変化することになる。そのため、スイッチング電源装置２００は、力率が高い電源特性を得ることができる。

［ダイオードブリッジの出力電圧とトランスの入力電流との関係］
図５は、トランス４０３の一次巻線４０３ａ、４０３ｂへの入力電流をＩｉｎ、ダイオードブリッジ２０３の端子２０３ｃの出力電圧をＶｉｎとした場合の、入力電流Ｉｉｎと出力電圧Ｖｉｎの関係を説明する図である。図５において、上側の波形図は、入力電流Ｉｉｎの電流波形を示し、下側の波形図は出力電圧Ｖｉｎの電圧波形を示しており、横軸は時間を示している。図５の出力電圧Ｖｉｎにおいて、分圧値は、平滑コンデンサ２０７の電圧を一次巻線４０３ａと一次巻線４０３ｂの巻線数で分圧した、一次巻線４０３ａと一次巻線４０３ｂとの接続点の電圧である。ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃの出力電圧Ｖｉｎが、図５に示す分圧値の電圧を超えた時点で入力電流Ｉｉｎが流れる。言い換えれば、スイッチング電源装置４００の回路は、出力電圧Ｖｉｎが分圧値に達するまで入力電流Ｉｉｎは流れない構成となっており、図５に示すように、出力電圧Ｖｉｎが分圧値よりも低い期間では、入力電流Ｉｉｎは流れていない。しかしながら、図５に示す入力電流Ｉｉｎの状態でも、スイッチング電源装置４００は９０％前後の力率を得ることは可能である。そのため、本実施例のスイッチング電源装置４００の力率は、一般的なコンデンサインプット構成のスイッチング電源装置の力率である５０〜６０％に対して、大きく改善されている。

図４の構成において、一次巻線４０３ａ、４０３ｂと二次巻線２０６ｃの巻き数比、入力電圧等の条件により、二次巻き線２０６ｃ間に発生する電圧が変化し、その結果、出力電圧Ｖｏが変化する。スイッチング電源装置４００の制御ＩＣ（不図示）は、二次側の出力電圧Ｖｏの電圧値を一次側に通知するフィードバック回路（不図示）からのフィードバック信号に基づいて、ＦＥＴ２０８のオン状態の時間であるオン幅やデューティを変化させる。このようにして、制御ＩＣ（不図示）は二次巻線２０６ｃに発生する電圧（電圧波形）を制御する。そして、二次巻線２０６ｃに発生した電圧を、ダイオード２０９と平滑コンデンサ２１０で整流・平滑することで、出力電圧Ｖｏを所定の電圧に安定させる。

［スナバ回路の動作］
次に、スナバ回路２１４の動作を図６に示す状態説明図に基づいて説明する。図６は、スナバ回路２１４の動作を説明するために、図４のスナバ回路２１４の周辺回路を抜き出した回路図である。図６（ａ）は、ＦＥＴ２０８のターンオフした直後（オン状態からオフ状態に切り替わった直後）の回路動作を説明する図であり、図６（ｂ）は、ＦＥＴ２０８のターンオン直後（オフ状態からオン状態に切り替わった直後）の回路動作を説明する図である。なお、本発明のスナバ回路２１４は、実施例１と同様に、回路動作的にはＦＥＴ２０８のターンオフ直後及びターンオン直後の回路動作に特徴がある。ＦＥＴ２０８がターンオフ直後及びターンオン直後以外の期間での回路動作は、スナバ回路２１４を有しない一般的なスイッチング電源装置と同じ回路動作であるため、ここでの説明は省略する。

（ＦＥＴ２０８のターンオフ直後の回路動作）
まず、図６（ａ）を参照して、ＦＥＴ２０８のターンオフ直後の回路動作について説明する。ＦＥＴ２０８のゲート端子に制御ＩＣ（不図示）からローレベル信号が入力されると、ＦＥＴ２０８のドレイン端子とソース端子との間が開放状態になる。すると、それまで一次巻線４０３ｂからＦＥＴ２０８のドレイン端子に流れていた電流は、クランプコンデンサ２１１に流れ始め、クランプコンデンサ２１１は一次巻線４０３ｂからの入力電流により充電される。クランプコンデンサ２１１への充電電流の電流ルートは、図６（ａ）の太い矢印で示した電流ルートであり、一次巻線４０３ｂからクランプコンデンサ２１１、そしてダイオード２１２へと流れる。ダイオードブリッジ２０３の出力側の端子２０３ｃの入力電圧と平滑コンデンサ２０７の電圧条件によっては、平滑コンデンサ２０７からの電流が一次巻線４０３ａ、４０３ｂを通しても流れる。その際のＦＥＴ２０８のドレイン電圧は、クランプコンデンサ２１１の容量と一次巻線４０３ａ、４０３ｂのインダクタンスの共振動作により弧を描く電圧波形となり、緩やかに電圧が上昇し、急激な電圧の上昇が制限される。その結果、ＦＥＴ２０８のドレイン電圧にサージ電圧の発生がないと、一次巻線４０３ａ、４０３ｂに生じる電圧にもサージ電圧は発生せず、同じトランス４０３に結合された二次巻線４０３ｃにもサージ電圧が発生しなくなる。

（ＦＥＴ２０８のターンオン直後の回路動作）
一方、ＦＥＴ２０８のゲート端子に制御ＩＣ（不図示）からハイレベル信号が入力されると、ＦＥＴ２０８のドレイン端子とソース端子との間が導通状態となる。この状態を表したのが図６（ｂ）である。図６（ｂ）に示す太い矢印が、クランプコンデンサ２１１からの放電電流の電流ルートである。一次巻線４０３ａ、４０３ｂは、補助巻線２０６ｄとトランス４０３内で結合されている。そのため、一次巻線４０３ａ、４０３ｂと補助巻線２０６ｄの巻き数比により、クランプコンデンサ２１１から流れる放電電流は、ＦＥＴ２０８を流れる電流と、一次巻線４０３ａ、４０３ｂを逆流する電流とに分流される。一次巻線４０３ａ、４０３ｂを逆流する電流は、平滑コンデンサ２０７への回生電流となり、ＦＥＴ２０８がターンオフした際のサージ電圧で発生したエネルギー（クランプコンデンサ２１１の充電電圧）の一部が平滑コンデンサ２０７に回生されて再利用される。そして、放電電流が流れることにより、サージ電圧により充電された電圧が放電されたクランプコンデンサ２１１は、図６（ａ）に示す充電電流が流れる直前の状態となり、再度サージ電圧（サージエネルギー）を蓄積できる状態にリセットされる。

一方、クランプコンデンサ２１１からＦＥＴ２０８に流れる電流は、ダイオード２１３を介して補助巻線４０３ｄへと流れ、放電電流の電流エネルギーは、補助巻線４０３ｄに蓄積される。そして、補助巻線４０３ｄに蓄積されたエネルギーは、次のＦＥＴ２０８のターンオフ時に二次側電流として変換され、一次巻線４０３ａ、４０３ｂに流れた電流により蓄積されたエネルギーが変換された二次側電流に加算される。なお、ダイオード２１３は、クランプコンデンサ２１１の電荷が補助巻線４０３ｄを通して放電するのを遮断する機能を有する。また、ダイオード２１３と補助巻線４０３ｄは、クランプコンデンサ２１１からの放電電流が流れる方向に、ダイオード２１３、補助巻線４０３ｄの順に接続されているが、補助巻線４０３ｄ、ダイオード２１３の順に接続されていても同じ回路動作となる。

以上説明したように、スナバ回路２１４を力率改善可能な絶縁形のスイッチング電源装置４００に適用することにより、サージ電圧を抑えるとともに、サージ電圧によるサージエネルギーの一部を平滑コンデンサに回生することができる。また、サージエネルギーの一部を補助巻線２０６ｄに蓄積し、二次側エネルギーとして変換することが可能になる。

なお、本発明の低損失スナバ回路を、実施例１ではフライバック方式のスイッチング電源装置に、実施例２では力率改善可能な絶縁形スイッチング電源装置に適用した実施例について説明した。本発明の低損失スナバ回路は、平滑コンデンサのエネルギーをスイッチング素子の動作によりトランスに伝達する回路構成であれば、どのようなスイッチング方式の電源装置でも適用可能である。また、実施例１、２で説明したスナバ回路２１４を備えるスイッチング電源装置２００、４００は、上述したように、一般的なスイッチング電源装置に比べて、電源効率を向上させることができる。プリンタ１００は、電力消費量の大きい定着器１０６を備えている一方で、電源コンセントから供給可能な電流値には上限がある。そのため、スイッチング電源装置の電源効率は大きい程有利となり、特に装置オプションが多く、電力消費量の大きい高価格帯の画像形成装置には、上述した構成を備えるスイッチング電源装置２００、４００は有効である。

実施例１、２では、ＦＥＴ２０８のターンオフ時に発生するサージ電圧を抑制し、サージ電圧によるエネルギーを平滑コンデンサ２０７へ回生するとともに、補助巻線に蓄積して二次側に供給することで、効率を改善する実施例について説明した。実施例３では、実施例１、２に対し、スナバ回路２１４で使用する補助巻線２０６ｄを、制御ＩＣに供給する電源電圧を生成する生成部である電源電圧生成回路で兼用するように構成した実施例について説明する。

［スイッチング電源装置の構成］
本実施例の説明を、図７の回路図に基づいて説明する。図７に示す回路図は、実施例１の図２に示すスイッチング電源装置２００に電源電圧生成回路７０３が追加されており、図２と同じ構成要素に対しては同一符号を付している。なお、図７では、ダイオード２１３と補助巻線２０６ｄは、図２とは逆の位置に配置している。

図７において、電源電圧生成回路７０３は、ダイオード７０１とコンデンサ７０２で構成されている。ダイオード７０１は、補助巻線２０６ｄに誘起された出力電圧を整流するためのダイオードであり、コンデンサ７０２はダイオード７０１で整流された電圧を平滑するためのコンデンサである。また、制御ＩＣ７０４は、スイッチング電源装置２００の制御を司る制御部手段である。制御ＩＣ７０４は、電源電圧生成回路７０３にて生成された直流電圧を駆動電圧として供給されることにより動作する。そして、制御ＩＣ７０４は、前述した二次側のフィードバック回路（不図示）からのフィードバック信号（不図示）等に基づいて、ＦＥＴ２０８のゲート端子に出力する制御信号のパルス幅やデューティを変化させ、出力電圧Ｖｏを一定の電圧に制御する。なお、抵抗７０５は、制御ＩＣ７０４からＦＥＴ２０８のゲート端子に流れる電流を制限するゲート抵抗である。

次に、電源電圧生成回路７０３の動作について説明する。なお、以下では、実施例１と同じ回路動作については説明を省略し、図７の特徴的な回路動作に絞って説明していく。まず、ＦＥＴ２０８のターンオフ時に、トランス２０６のリーケージインダクタンスや寄生容量の影響によりＦＥＴ２０８のドレイン電圧が上昇すると、上述したように、クランプコンデンサ２１１が充電され、電圧上昇速度が緩やかになる。このとき、補助巻線２０６ｄは、巻線の巻き始めが一次巻線２０６ａとは逆になっているため、補助巻線２０６ｄのダイオード２１３、７０１のアノード端子側に正の電圧が発生する。次に、ＦＥＴ２０８のターンオン時には、クランプコンデンサ２１１の電荷は放電され、補助巻線２０６ｄのダイオード２１３、７０１のアノード端子側には負の電圧が発生する。このように、クランプコンデンサ２１１は、ＦＥＴ２０８のオフ／オン状態にしたがって、充放電を繰り返し、サージ電圧を抑えるように機能する。一方、補助巻線２０６ｄは、ＦＥＴ２０８のオフ／オン状態にしたがって、正の電圧と負の電圧を交互に発生させる。そして、電源電圧生成回路７０３では、この交互に発生する電圧を整流平滑し、平滑された電源電圧を制御ＩＣ７０４に供給している。

以上説明したように、本実施例では、電源電圧生成回路７０３で使用する補助巻線２０６ｄをスナバ回路２１４でも兼用するように構成している。これにより、ＦＥＴ２０８のターンオフ時に発生するサージ電圧をクランプコンデンサ２１１で緩和するとともに、補助巻線２０６ｄを２つの回路で兼用によりコストダウンを実現することができる。

２０３ダイオードブリッジ
２０６トランス
２０７平滑コンデンサ
２０８ＦＥＴ
２１１コンデンサ
２１２ダイオード
２１３ダイオード
２１４スナバ回路

Claims

一次巻線と、二次巻線と、補助巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、
第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を整流する整流回路と、
一端が前記第一の出力端子及び前記一次巻線の一端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第二のコンデンサと、
一端が前記一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、
第一のコンデンサと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記一次巻線と並列に接続された前記第一の直列回路と、
第二の整流素子と前記補助巻線とが直列に接続された第二の直列回路であって、前記スイッチング素子の他端と前記第一のコンデンサと前記第一の整流素子とが接続された接続点との間に接続された前記第二の直列回路と、
を備えることを特徴とする電源装置。
前記第一の整流素子は、ダイオードであり、
前記第一のコンデンサは、一端が前記一次巻線の他端及び前記スイッチング素子の一端に接続され、他端が前記ダイオードのアノード端子に接続され、
前記ダイオードのカソード端子は、前記一次巻線の一端及び前記第二のコンデンサの一端と接続されていることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記第二の整流素子は、ダイオードであり、
前記ダイオードは、アノード端子が前記スイッチング素子の他端に接続され、カソード端子が前記補助巻線の一端と接続され、
前記補助巻線の他端は、前記接続点に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
前記第二の整流素子は、ダイオードであり、
前記補助巻線は、一端が前記スイッチング素子の他端に接続され、他端が前記ダイオードのアノード端子と接続され、
前記ダイオードのカソード端子は、前記接続点に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
前記スイッチング素子がターンオフした際には、前記一次巻線に流れる電流は、前記第一の直列回路に流れ、前記第一のコンデンサが充電されることによりサージ電圧が抑制されることを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の電源装置。
前記スイッチング素子がターンオンした際には、前記一次巻線及び前記補助巻線の巻数に応じて、前記第一のコンデンサからの電流が、前記一次巻線を介して前記第二のコンデンサ、及び前記第二の直列回路の補助巻線に流れることを特徴とする請求項５に記載の電源装置。
前記スイッチング素子を制御する制御部を駆動する駆動電圧を生成する生成部を有し、
前記生成部は、前記補助巻線に誘起される電圧から前記駆動電圧を生成することを特徴とする請求項６に記載の電源装置。
直列に接続された第一の一次巻線及び第二の一次巻線と、二次巻線と、補助巻線とを有し、一次側と二次側とが絶縁されたトランスと、
第一の出力端子及び第二の出力端子を有し、交流電圧を整流する整流回路と、
インダクタと第三の整流素子とが直列に接続された第三の直列回路であって、前記第一の出力端子と前記第一の一次巻線の一端と前記第二の一次巻線の一端とが接続された第一の接続点との間に接続された前記第三の直列回路と、
一端が前記第二の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続され、オン状態又はオフ状態に切り替えられるスイッチング素子と、
一端が前記第一の一次巻線の他端と接続され、他端が前記第二の出力端子に接続された第二のコンデンサと、
第一のコンデンサと第一の整流素子とが直列に接続された第一の直列回路であって、前記第一の一次巻線の他端と前記第二の一次巻線の他端との間に接続された前記第一の直列回路と、
第二の整流素子と前記補助巻線とが直列に接続された第二の直列回路であって、前記スイッチング素子の前記他端と前記第一のコンデンサと前記第一の整流素子とが接続された第二の接続点との間に接続された前記第二の直列回路と、
を備えることを特徴とする電源装置。
前記第三の直列回路は、前記第一の出力端子の出力電圧が前記第一の接続点の電圧よりも高い場合に、電流が流れることを特徴とする請求項８に記載の電源装置。
前記第一の接続点の電圧は、前記スイッチング素子がオン状態のときには、前記第二のコンデンサの充電電圧を前記第一の一次巻線の巻数と前記第二の一次巻線の巻数とにより分圧した電圧であることを特徴とする請求項９に記載の電源装置。
前記第三の整流素子は、ダイオードであり、
前記インダクタは、一端が前記第一の出力端子に接続され、他端が前記ダイオードのアノード端子に接続され、
前記ダイオードのカソード端子は、前記第一の接続点に接続されていることを特徴とする請求項１０に記載の電源装置。
前記第一の整流素子は、ダイオードであり、
前記第一のコンデンサは、一端が前記第二の一次巻線の他端及び前記スイッチング素子の一端に接続され、他端が前記ダイオードのアノード端子に接続され、
前記ダイオードのカソード端子は、前記第一の一次巻線の他端及び前記第二のコンデンサの一端と接続されていることを特徴とする請求項１１に記載の電源装置。
前記第二の整流素子は、ダイオードであり、
前記ダイオードは、アノード端子が前記スイッチング素子の他端に接続され、カソード端子が前記補助巻線の一端と接続され、
前記補助巻線の他端は、前記第二の接続点に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
前記第二の整流素子は、ダイオードであり、
前記補助巻線は、一端が前記スイッチング素子の他端に接続され、他端が前記ダイオードのアノード端子と接続され、
前記ダイオードのカソード端子は、前記第二の接続点に接続されていることを特徴とする請求項１２に記載の電源装置。
前記スイッチング素子がターンオフした際には、前記第二の一次巻線に流れる電流は、前記第一の直列回路に流れ、前記第一のコンデンサが充電されることによりサージ電圧が抑制されることを特徴とする請求項１３又は請求項１４に記載の電源装置。
前記スイッチング素子がターンオンした際には、前記第一の一次巻線、前記第二の一次巻線、及び前記補助巻線の巻数に応じて、前記第一のコンデンサからの電流が、前記第二の一次巻線及び前記第一の一次巻線を介して前記第二のコンデンサ、及び前記第二の直列回路の補助巻線に流れることを特徴とする請求項１５に記載の電源装置。
シートに画像形成を行う画像形成手段と、
前記画像形成手段に電力を供給する請求項１から請求項１６のいずれか１項に記載の電源装置と、
を備えることを特徴とする画像形成装置。