JP2021192565A - Power source device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明の実施形態は、電源装置に関する。 Embodiments of the present invention relate to a power supply device.
負荷に電力を供給する電源装置として、フライバック方式の電源装置が知られている。フライバック方式の電源装置は、保護回路としてスナバ回路を備えている。スナバ回路は、トランスの1次巻線側に発生するサージ電圧を抑制する機能を有する。 A flyback type power supply device is known as a power supply device that supplies electric power to a load. The flyback type power supply unit is equipped with a snubber circuit as a protection circuit. The snubber circuit has a function of suppressing a surge voltage generated on the primary winding side of the transformer.
電源装置と、この電源装置に接続された負荷とを備えたシステムにおいて、負荷の状態が切り替わる場合がある。このようなシステムは、例えば、負荷の消費電力が相対的に大きい定常負荷モードと、負荷の消費電力が相対的に小さい軽負荷モードとを備える。電源装置は、負荷の状態に関わらず、一定のスナバ回路で動作しているのが一般的である。 In a system with a power supply and a load connected to this power supply, the load state may switch. Such a system includes, for example, a steady load mode in which the power consumption of the load is relatively large, and a light load mode in which the power consumption of the load is relatively small. The power supply unit generally operates in a constant snubber circuit regardless of the load condition.
スナバ回路の回路定数は固定値となるため、定常負荷モードから軽負荷モードに切り替わった場合、スナバ回路のクランプ能力が最適でなくなり、必要以上に電力を損失してしまう。これにより、軽負荷モードにおける電源装置の効率が低下してしまう。 Since the circuit constant of the snubber circuit is a fixed value, when the steady load mode is switched to the light load mode, the clamping capacity of the snubber circuit becomes unoptimal and power is lost more than necessary. This reduces the efficiency of the power supply in the light load mode.
本発明が解決しようとする課題は、電力変換効率を向上させることが可能な電源装置を提供することである。 An object to be solved by the present invention is to provide a power supply device capable of improving the power conversion efficiency.
実施形態に係る電源装置は、1次巻線と、2次巻線とを含み、前記1次巻線の一端は、直流電源の正極に接続され、前記2次巻線は、負荷に接続される、トランスと、前記1次巻線の他端と前記直流電源の負極との間に接続された第1スイッチング素子と、前記第1スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、前記1次巻線に並列に接続された第1スナバ回路と、前記1次巻線の一端に接続された第2スナバ回路と、前記第2スナバ回路と前記1次巻線の他端との間に接続された第2スイッチング素子とを具備する。前記制御回路は、前記負荷の状態に応じて、前記第2スイッチング素子のオン及びオフを切り替える。 The power supply device according to the embodiment includes a primary winding and a secondary winding, one end of the primary winding is connected to a positive electrode of a DC power supply, and the secondary winding is connected to a load. The transformer, the first switching element connected between the other end of the primary winding and the negative electrode of the DC power supply, the control circuit for controlling the switching operation of the first switching element, and the primary. A first snubber circuit connected in parallel to the winding, a second snubber circuit connected to one end of the primary winding, and a connection between the second snubber circuit and the other end of the primary winding. The second switching element is provided. The control circuit switches on and off of the second switching element according to the state of the load.
以下、実施形態について図面を参照して説明する。以下に示す幾つかの実施形態は、本発明の技術思想を具体化するための装置および方法を例示したものであって、構成部品の形状、構造、配置等によって、本発明の技術思想が特定されるものではない。なお、以下の説明において、同一の機能及び構成を有する要素については同一符号を付し、重複する説明は省略する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings. Some embodiments shown below exemplify devices and methods for embodying the technical idea of the present invention, and the technical idea of the present invention is specified by the shape, structure, arrangement, etc. of the components. It is not something that will be done. In the following description, elements having the same function and configuration are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted.
[1] 電源装置10の構成
実施形態に係る電源装置10は、フライバック方式の電源装置である。
[1] Configuration of
図1は、実施形態に係る電源装置10の回路図である。電源装置10を備えたシステム1は、直流電源2、負荷3、スイッチング素子4、及び負荷5を備える。電源装置10は、入力側の端子T1、T2、出力側の端子T3、T4、トランス11、スイッチング素子12、制御回路13、2個のスナバ回路14−1、14−1、スイッチング素子15、ダイオード16、コンデンサ17、電流検出回路18、フィードバック回路19、電圧検出回路20、及びフィードバック回路21を備える。
FIG. 1 is a circuit diagram of a
入力側の端子T1、T2には、直流電源2が接続される。すなわち、端子T1は、直流電源2の正極に接続される。端子T2は、直流電源2の負極に接続される。直流電源2は、直流電圧を発生する。
A
トランス11は、1次巻線W1と2次巻線W2とを含む絶縁トランスである。2次巻線W2の巻き方向は、1次巻線W1の巻き方向と反対である。1次巻線W1の一端は、端子T1に接続され、1次巻線W1の他端は、接続ノードN1を介して、スイッチング素子12に接続される。トランス11は、1次電圧(1次巻線W1の電圧)を、1次巻線W1と2次巻線W2との巻数比に比例した2次電圧(2次巻線W2の電圧)に変換する。
The
スイッチング素子12は、例えば、MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)で構成され、また、Nチャネル型MOSFETで構成される。スイッチング素子12の電流経路の一端(ドレイン)は、接続ノードN1を介して、トランス11の1次巻線W1に接続される。スイッチング素子12の電流経路の他端(ソース)は、端子T2を介して、直流電源2の負極に接続される。スイッチング素子12の制御端子(ゲート)には、制御回路13から制御信号PWMが供給される。スイッチング素子12は、制御回路13の制御に基づいてスイッチング動作を行い、直流電源2から供給される直流電圧をスイッチングする。そして、スイッチング素子12は、トランス11の1次巻線W1にスイッチング電圧を供給する。
The switching
スナバ回路14−1は、端子T1と接続ノードN1との間に接続される。スナバ回路14−1は、スイッチング素子12のターンオフ時に、1次巻線W1に発生する過渡的な高電圧(サージ電圧)を吸収するための保護回路である。
The snubber circuit 14-1 is connected between the terminal T1 and the connection node N1. The snubber circuit 14-1 is a protection circuit for absorbing a transient high voltage (surge voltage) generated in the primary winding W1 when the
図2は、スナバ回路14−1の構成の一例を示す回路図である。スナバ回路14−1は、抵抗R、コンデンサC、及びダイオードDを備える。すなわち、スナバ回路14−1は、RCDスナバ回路で構成される。 FIG. 2 is a circuit diagram showing an example of the configuration of the snubber circuit 14-1. The snubber circuit 14-1 includes a resistor R, a capacitor C, and a diode D. That is, the snubber circuit 14-1 is composed of an RCD snubber circuit.
抵抗Rの一端は、端子T1に接続され、抵抗Rの他端は、ダイオードDのカソードに接続される。コンデンサCの一端は、端子T1に接続され、コンデンサCの他端は、ダイオードDのカソードに接続される。ダイオードDのアノードは、接続ノードN1に接続される。スナバ回路の回路定数は、抵抗の抵抗値と、コンデンサの容量値とで決定される。 One end of the resistor R is connected to the terminal T1 and the other end of the resistor R is connected to the cathode of the diode D. One end of the capacitor C is connected to the terminal T1 and the other end of the capacitor C is connected to the cathode of the diode D. The anode of the diode D is connected to the connection node N1. The circuit constant of the snubber circuit is determined by the resistance value of the resistor and the capacitance value of the capacitor.
スナバ回路14−1は、スイッチング素子12のターンオフ時におけるサージ電圧をコンデンサCによって吸収し、抵抗Rで消費することによってサージ電圧をクランプする。
The snubber circuit 14-1 clamps the surge voltage by absorbing the surge voltage at the time of turn-off of the
スナバ回路14−1は、RCDスナバ回路に限定されず、抵抗及びコンデンサが直列接続されたRCスナバ回路、ツェナーダイオード及びダイオードが直列接続されたZDスナバ回路などを用いてもよい。 The snubber circuit 14-1 is not limited to the RCD snubber circuit, and an RC snubber circuit in which resistors and capacitors are connected in series, a ZD snubber circuit in which a Zener diode and a diode are connected in series, and the like may be used.
図1に戻り、スナバ回路14−2の一端は、端子T1に接続され、スナバ回路14−2の他端は、スイッチング素子15を介して接続ノードN1に接続される。スナバ回路14−2の機能及び回路構成は、スナバ回路14−1と同じである。
Returning to FIG. 1, one end of the snubber circuit 14-2 is connected to the terminal T1, and the other end of the snubber circuit 14-2 is connected to the connection node N1 via the
スイッチング素子15は、例えば、Nチャネル型MOSFETで構成される。スイッチング素子15の電流経路の一端(ドレイン)は、スナバ回路14−2に接続され、スイッチング素子15の電流経路の他端(ソース)は、接続ノードN1に接続される。スイッチング素子15の制御端子(ゲート)には、制御回路13から切り替え信号SWが供給される。スイッチング素子15は、制御回路13の制御に基づいて、オン/オフされる。スイッチング素子15は、スナバ回路14−2の接続(活性化及び非活性化)を切り替えることが可能である。
The switching
ダイオード16のアノードは、トランス11の2次巻線W2の一端に接続される。ダイオード16は、整流素子であり、トランス11の2次巻線W2に発生した2次電圧を整流する機能を有する。
The anode of the
コンデンサ17の一端は、ダイオード16のカソードに接続され、コンデンサ17の他端は、トランス11の2次巻線W2の他端に接続される。コンデンサ17は、ダイオード16によって整流された電圧及び電流を平滑化する機能を有する。
One end of the
電流検出回路18の一端は、ダイオード16のカソードに接続され、電流検出回路18の他端は、端子T3に接続される。電流検出回路18は、負荷に流れる電流値を検出する。
One end of the
フィードバック回路19は、電流検出回路18に接続される。フィードバック回路19は、電流検出回路18により検出された電流値に関するフィードバック信号を制御回路13に送る。フィードバック回路19は、例えば、フォトカプラで構成される。
The
負荷3は、端子T3、T4に接続される。負荷5は、負荷3に並列接続される。すなわち、本実施形態では、2個の負荷3、5が用意され、負荷の状態に応じた2種類の動作モードを実行することが可能である。
The
スイッチング素子4は、例えば、Nチャネル型MOSFETで構成される。スイッチング素子4の電流経路の一端(ドレイン)は、端子T3に接続され、スイッチング素子4の電流経路の他端(ソース)は、負荷5の一端に接続される。スイッチング素子4の制御端子(ゲート)には、外部から負荷切替信号SW_loadが供給される。スイッチング素子4は、負荷切替信号SW_loadに応じて、負荷5の接続(活性化及び非活性化)を切り替えることが可能である。
The switching element 4 is composed of, for example, an N-channel MOSFET. One end (drain) of the current path of the switching element 4 is connected to the terminal T3, and the other end (source) of the current path of the switching element 4 is connected to one end of the
電圧検出回路20は、端子T3、T4に接続される。電圧検出回路20は、負荷3及び負荷5に印加される電圧値を検出する。
The
フィードバック回路21は、電圧検出回路20に接続される。フィードバック回路21は、電圧検出回路20により検出された電圧値に関するフィードバック信号を制御回路13に送る。フィードバック回路21は、例えば、フォトカプラで構成される。
The
制御回路13は、制御信号(パルス幅変調信号)PWMを生成する。制御信号PWMは、連続パルスからなる。制御回路13は、制御信号PWMを用いてスイッチング素子12のスイッチング動作を制御する。具体的には、制御回路13は、電圧検出回路20により検出された電圧値に基づいて、制御信号PWMのデューティー比を制御する。デューティー比とは、連続パルスの1周期に対するパルス幅の割合である。そして、制御回路13は、負荷3及び負荷5に印加される電圧が目標電圧になるように、スイッチング素子12のスイッチング動作を制御する。
The
また、制御回路13は、切替信号SWを生成し、切替信号SWを用いてスイッチング素子15のオン及びオフを制御する。具体的には、制御回路13は、電流検出回路18により検出された電流値に基づいて、2個の負荷3及び負荷5が活性化された第1モード(定常負荷モード)M1であるか、負荷3のみが活性化された第2モード軽負荷モード)M2であるかを判定する。そして、制御回路13は、動作モードに応じて、スイッチング素子15のオン及びオフ、すなわち、スナバ回路14−2の活性化及び非活性化を制御する。
Further, the
[2] 動作
次に、上記のように構成された電源装置10の動作について説明する。
[2] Operation Next, the operation of the
直流電源2から出力される直流電圧は、トランス11の1次巻線W1及びスイッチング素子12からなる直列接続回路に入力される。この状態で、制御回路13は、スイッチング素子12のゲートに、制御信号PWMを供給する。これにより、トランス11は、エネルギーの蓄積及び放出を繰り返す。すなわち、スイッチング素子12がオン状態(導通状態)となると、トランス11の1次巻線W1に直流電圧が印加される。そして、スイッチング素子12がオン状態を継続する間、トランス11の1次巻線W1に流れる1次側電流が増加し、トランス11にエネルギーが蓄積される。このとき、2次巻線W2には、1次巻線W1とは逆方向の電圧が発生する。2次巻線W2に発生した電圧をダイオード16が遮断することで、2次巻線W2には誘導電流が流れない。
The DC voltage output from the
続いて、スイッチング素子12をオフ状態(遮断状態)とすると、トランス11の2次巻線W2側に起電力が発生し、トランス11から2次回路側にエネルギーが供給される。このとき、2次巻線W2側及びダイオード16を経由する電流がコンデンサ17に流れる。そして、スイッチング素子12がオン及びオフを繰り返すことにより、負荷3及び負荷5に直流電圧が供給される。
Subsequently, when the switching
電圧検出回路20は、負荷3及び負荷5に印加される電圧値を検出する。制御回路13は、電圧検出回路20により検出された電圧値が目標電圧になるように、制御信号PWMのデューティー比を制御する。
The
次に、動作モードの切り替え動作について説明する。本実施形態に係る電源装置10は、第1モード(定常負荷モード)M1及び第2モード(軽負荷モード)M2を実行可能である。
Next, the operation mode switching operation will be described. The
第1モードM1は、負荷切替信号SW_loadが活性化された状態であり、スイッチング素子4がオンしている。すなわち、端子T3、T4には、負荷3及び負荷5が接続される。第1モードM1では、負荷の消費電力が相対的に大きい。
In the first mode M1, the load switching signal SW_load is activated, and the switching element 4 is turned on. That is, the
第2モードM2は、負荷切替信号SW_loadが非活性化された状態であり、スイッチング素子4がオフしている。すなわち、端子T3、T4には、負荷3のみが接続される。第2モードM2は、負荷の消費電力が相対的に小さく、また、第1モードM1に比べて、負荷の消費電力が小さい。
In the second mode M2, the load switching signal SW_load is deactivated, and the switching element 4 is turned off. That is, only the
図3は、動作モードの切り替え動作を説明するフローチャートである。 FIG. 3 is a flowchart illustrating an operation mode switching operation.
電流検出回路18は、端子T3を介して負荷3及び負荷5に流れる電流値を検出している。電流検出回路18により検出された電流値は、フィードバック回路19を介して制御回路13に供給される。
The
制御回路13は、電流検出回路18及びフィードバック回路19から供給される電流値の情報を監視している(ステップS100)。
The
続いて、制御回路13は、電流検出回路18により検出された電流値が閾値以上であるか否かを判定する(ステップS101)。ステップS101で用いる閾値は、負荷3及び負荷5が端子T3、T4に接続された場合に流れる第1電流と、負荷3のみが端子T3、T4に接続された場合に流れる第2電流とを切り分けることが可能な電流値であり、第1電流と第2電流との間に設定される。
Subsequently, the
電流値が閾値以上である場合(ステップS101=Yes)、制御回路13は、第1モードM1を実行する(ステップS102)。すなわち、制御回路13は、切替信号SWを活性化し、スイッチング素子15をオンさせる。これにより、トランス11の1次巻線W1には、スナバ回路14−1及びスナバ回路14−2がそれぞれ並列接続される。
When the current value is equal to or greater than the threshold value (step S101 = Yes), the
電流値が閾値未満である場合(ステップS101=No)、制御回路13は、第2モードM2を実行する(ステップS103)。すなわち、制御回路13は、切替信号SWを非活性化し、スイッチング素子15をオフさせる。これにより、トランス11の1次巻線W1には、スナバ回路14−1のみが並列接続される。
When the current value is less than the threshold value (step S101 = No), the
スナバ回路14−1、14−2はそれぞれ、スイッチング素子12がオフしたときに、トランス11の1次側回路に戻ってくるエネルギーを、熱に変換する。これにより、1次側回路に発生するサージ電圧を低減することができる。
The snubber circuits 14-1 and 14-2 convert the energy returned to the primary circuit of the
また、負荷状態に応じて、スナバ回路の回路定数を調整することができる。すなわち、負荷が大きい第1モードM1の場合は、スナバ回路14−1及びスナバ回路14−2がそれぞれ1次巻線W1に並列接続される。一方、負荷が小さい第2モードM2の場合は、スナバ回路14−1のみが1次巻線W1に並列接続される。スナバ回路14−1及びスナバ回路14−2を合わせた回路定数は、定常負荷である第1モードM1に最適に設定される。スナバ回路14−1の回路定数は、軽負荷である第2モードM2に最適に設定される。 Further, the circuit constant of the snubber circuit can be adjusted according to the load state. That is, in the case of the first mode M1 having a large load, the snubber circuit 14-1 and the snubber circuit 14-2 are respectively connected in parallel to the primary winding W1. On the other hand, in the case of the second mode M2 where the load is small, only the snubber circuit 14-1 is connected in parallel to the primary winding W1. The circuit constant including the snubber circuit 14-1 and the snubber circuit 14-2 is optimally set for the first mode M1 which is a steady load. The circuit constants of the snubber circuit 14-1 are optimally set for the second mode M2, which is a light load.
[3] 実施形態の効果
以上詳述したように実施形態によれば、2個の負荷3、5が活性化された第1モード(定常負荷モード)M1と、1個の負荷3のみが活性化された第2モード(軽負荷モード)M2とで、スナバ回路の回路定数を変えることができる。具体的には、電源装置10は、2個のスナバ回路14−1、14−2を備え、第1モードM1では、スナバ回路14−1、14−2を活性化させ、第2モードM2では、スナバ回路14−1のみを活性化させる。
[3] Effect of Embodiment As described in detail above, according to the embodiment, only the first mode (steady load mode) M1 in which two
これにより、動作モードに応じてスナバ回路の回路定数を最適に設定できる。また、動作モードに応じてスナバ回路の損失を調整できるため、電源装置10の電力変換効率を向上させることができる。
As a result, the circuit constant of the snubber circuit can be optimally set according to the operation mode. Further, since the loss of the snubber circuit can be adjusted according to the operation mode, the power conversion efficiency of the
また、電源装置10は、負荷に流れる電流を検出する電流検出回路18を備える。そして、制御回路13は、電流検出回路18により検出された電流値を用いて、負荷の状態、すなわち、2つの動作モード(第1モードM1及び第2モードM2)のうちいずれが選択されているかを判定することができる。
Further, the
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。 Although some embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented as examples and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other embodiments, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are also included in the scope of the invention described in the claims and the equivalent scope thereof.
1…システム、2…直流電源、3…負荷、4…スイッチング素子、5…負荷、10…電源装置、11…トランス、12…スイッチング素子、13…制御回路、14−1…スナバ回路、14−2…スナバ回路、15…スイッチング素子、16…ダイオード、17…コンデンサ、18…電流検出回路、19…フィードバック回路、20…電圧検出回路、21…フィードバック回路。 1 ... system, 2 ... DC power supply, 3 ... load, 4 ... switching element, 5 ... load, 10 ... power supply device, 11 ... transformer, 12 ... switching element, 13 ... control circuit, 14-1 ... snubber circuit, 14- 2 ... Snubber circuit, 15 ... Switching element, 16 ... Diode, 17 ... Condenser, 18 ... Current detection circuit, 19 ... Feedback circuit, 20 ... Voltage detection circuit, 21 ... Feedback circuit.
Claims (8)
前記1次巻線の他端と前記直流電源の負極との間に接続された第1スイッチング素子と、
前記第1スイッチング素子のスイッチング動作を制御する制御回路と、
前記1次巻線に並列に接続された第1スナバ回路と、
前記1次巻線の一端に接続された第2スナバ回路と、
前記第2スナバ回路と前記1次巻線の他端との間に接続された第2スイッチング素子と、
を具備し、
前記制御回路は、前記負荷の状態に応じて、前記第2スイッチング素子のオン及びオフを切り替える
電源装置。 A transformer comprising a primary winding and a secondary winding, one end of the primary winding being connected to the positive electrode of a DC power source and the secondary winding being connected to a load.
A first switching element connected between the other end of the primary winding and the negative electrode of the DC power supply,
A control circuit that controls the switching operation of the first switching element,
A first snubber circuit connected in parallel to the primary winding,
A second snubber circuit connected to one end of the primary winding,
A second switching element connected between the second snubber circuit and the other end of the primary winding,
Equipped with
The control circuit is a power supply device that switches on and off of the second switching element according to the state of the load.
前記制御回路は、前記第1検出回路により検出された電流値に基づいて、前記第2スイッチング素子を制御する
請求項1に記載の電源装置。 A first detection circuit for detecting the current flowing from the secondary winding to the load is further provided.
The power supply device according to claim 1, wherein the control circuit controls the second switching element based on a current value detected by the first detection circuit.
請求項2に記載の電源装置。 The control circuit turns on the second switching element when the current value detected by the first detection circuit is equal to or more than the threshold value, and when the current value is less than the threshold value, the second switching element is turned on. The power supply device according to claim 2.
請求項2又は3に記載の電源装置。 The power supply device according to claim 2 or 3, further comprising a feedback circuit that feeds back the current value detected by the first detection circuit to the control circuit.
前記制御回路は、前記第2検出回路により検出された電圧値に基づいて、前記第1スイッチング素子のスイッチング動作を制御する
請求項1乃至4の何れか1項に記載の電源装置。 A second detection circuit for detecting the voltage applied to the load is further provided.
The power supply device according to any one of claims 1 to 4, wherein the control circuit controls a switching operation of the first switching element based on a voltage value detected by the second detection circuit.
請求項1乃至5の何れか1項に記載の電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 5, further comprising a diode having an anode connected to one end of the secondary winding and a cathode connected to the load.
請求項1乃至6の何れか1項に記載の電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 6, further comprising a capacitor connected in parallel to the secondary winding.
請求項1乃至7の何れか1項に記載の電源装置。 The power supply device according to any one of claims 1 to 7, wherein each of the first and second snubber circuits includes a resistor and a capacitor.
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