JP2807760B2 - スイッチング電源 - Google Patents
スイッチング電源Info
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- Dc-Dc Converters (AREA)
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Description
ン・オフ制御によってパルス幅変調波形を作り、平滑用
チョークコイルによって前記パルス幅変調波形の高周波
成分を除去(以下、“平滑”という)して任意の交流/
直流出力を得るスイッチング電源に関する。
ように、対をなして接続された複数個のスイッチ素子を
交互に切り替えて出力を制御する場合、スイッチ素子の
切り替えに伴なって発生する電流/電圧サージを防止し
たスイッチング電源に関する。
たは直流への変換を必要とするインバータ装置、バッテ
リ充電装置、交流無停電電源装置、電動機の制御駆動装
置、直流定電圧電源装置等に有効に利用できる。
処理装置等の電源装置として広く用いられている。この
方式の電源装置の中で、電力容量が比較的大きい装置、
または直流入力電源から正弦波交流出力を得る交流電源
装置等では、プッシュプル形、ブリッジ形等のように、
対をなして接続された複数個のスイッチ素子を交互に切
り替えて出力を制御する電源装置が多く用いられる。
概略構成図であり、第4図はその動作原理を示す波形図
である。
ッチ素子1とフィルタ手段(チョークコイル3とコンデ
ンサ4からなる)とが直列に接続される。コンデンサ4
には負荷6が並列接続される。
列回路に対して並列に、かつ電源5に対して逆極性にな
るように接続される。
時比率を制御すると、パルス幅変調された矩形波電圧が
ノード(接続点)7に発生する。
第4図(a)に示すように正弦波状に制御すると、同図
(a)のようにパルス幅変調された矩形波電圧が、第3
図の回路のノード7に発生する。
4とで構成されるフィルタ(LPF)により高周波成分を
取り除けば、出力端子10には第4図(b)に示すような
正弦波脉流出力が得られ、これが負荷6に印加される。
化させることにより、任意の交流/直流出力電圧が得ら
れる。
なスイッチ素子であり、それらのスイッチをオン・オフ
制御する信号もまた理想的な矩形波であれば問題は生じ
ない。しかし、実際の装置では、各スイッチ素子が持つ
固有の特性のため、スイッチ切り替えの際には様々な問
題が生ずる。次にそれらの問題点について述べる。
素子1→チョークコイル3の回路を通して負荷6に電流
が流れる。スイッチ素子1がオフになったとき、チョー
クコイル3を流れる負荷電流は直ちには消滅しないの
で、チョークコイル3→負荷6→ダイオードD1の回路を
通して負荷電流が流れつづける。
時、電源5による逆バイアスによってダイオードD1が瞬
時にオフになれば、電源5からの電流の経路がチョーク
コイル3の側へ切り替わるので問題は生じない。
め、ダイオードD1は逆バイアスが加えられても即座には
オフにはならず、ある短時間電流が逆方向に流れる。こ
の時間は蓄積時間と呼ばれる。
ているので、電源5→スイッチ素子1→ダイオードD1→
電源5の回路を通して短絡(サージ)電流が流れる。こ
の短絡電流によりスイッチ素子1などに電力損失が生じ
る。この短絡(サージ)電流による電力損失、スイッチ
素子の発熱、ノイズ等はスイッチング周波数の増加に比
例して増加するため、スイッチ周波数の高周波化を困難
にする原因となるばかりでなく、サージ電流のピーク値
が大きいとスイッチ素子が破壊される危険性が生じる。
ため、およびこのサージ電流による電流/電圧ノイズの
発生を防止するために、第5図(a)に示すように、ス
イッチ素子1およびダイオードD1と直列にリアクトル又
は可飽和リアクトル81等を接続していた。
和リアクトル81等に蓄えられたエネルギによって、電流
遮断時に電圧サージが発生する危険性があった。
に、抵抗素子とダイオードよりなるスナバ回路80をリア
クトル81等と並列に接続してサージの発生を防止するこ
とも提案されている。
ないのみならず、またリアクトル81等に蓄えられた電荷
は最終的にはスバナ回路80の抵抗で消費されるため、ス
イッチング周波数の高周波化による電力損失の増加およ
び発熱の増加等の問題は解決できなかった。
であり、その目的は、スイッチ素子のオン・オフ制御時
に発生しがちなサージ電流/電圧を、入力電源に直列接
続されたスイッチ素子をさらに直列接続されたリアクト
ルによって防止すると共に、前記サージ防止用リアクト
ルに蓄えられるエネルギを、スイッチ素子がオフになっ
ている間に入力電源側へ回生する手段を備えることによ
り、スイッチ素子の切替えに伴なう電力消費を低減でき
るような、スイッチ電源を提供することにある。
サージ防止用のリアクトルをさらに直列接続すると共
に、前記スイッチ素子がオンの期間に前記サージ防止用
リアクトルに蓄えられるエネルギを、前記スイッチ素子
がオフの期間に入力電源側へ回生するためのバイパス用
ダイオードを、前記サージ防止用リアクトルの両端と入
力電源の両端子との間にそれぞれ接続した点に特徴があ
る。
にサージ防止用のリアクトルをさらに直列接続したの
で、スイッチ素子がオフ状態からオン状態に切り替わる
ときに生ずる短絡(サージ)電流を低減することができ
る。
られるエネルギは、スイッチ素子がオフになる時に前記
の回生用ダイオードによって入力電源側へ帰還させるこ
とができる。
流/電圧サージを防止できると共に、スイッチング周波
数の高周波化に伴なうスイッチング電力損失やノイズの
増加等を防止することができる。
て、第3図と同一の符号は同一または同等部分を表わ
す。
ダイオードD1との間には、電流/電圧サージ防止用のリ
アクトル11が直列に挿入される。リアクトル11の両端と
電源5の両端子との間にはそれぞれダイオードD2,D3が
接続される。
ード7と電源5の正端子との間にはダイオードD2が、ま
たリアクトル11およびスイッチ素子1の接続ノードと電
源5の負端子との間にはダイオードD3が、それぞれ電源
5に対して逆極性に接続される。
ダイオードD1のそれに比べて高くなるように選定する必
要がある。また、通常直列リアクトル11の値は数10μH
程度、フィルタ用のチョークコイルの値は数100μH程
度に選ばれる。なお、ダイオードD1はスイッチ素子で置
換されてもよい。
電源5→スイッチ素子1→リアクトル11→チョークコイ
ル3→負荷6→電源5の回路に電流が流れる。
エネルギが蓄えられている場合には、リアクトル11→チ
ョークコイル3→負荷6→ダイオードD3→リアクトル11
の経路で負荷6に電流が流れ続ける。
くなった後も、チョークコイル3を流れる電流は急に変
化しないのでチョークコイル3には電流が流れ続ける。
イオードD1のそれに比べて高くなるように選ばれている
とすれば、ダイオードD1およびチョークコイル3を通し
て負荷6に電流が流れ続ける。スイッチ素子1がオフに
なったとき、リアクトル11にエネルギが蓄えられていな
い場合も同様である。
は、前述の蓄積時間のために瞬時にはオフにはならな
い。このために、電源5→スイッチ素子1→リアクトル
11→ダイオードD1→電源5からなる短絡回路が形成され
る。しかし、この場合はリアクトル11が直列に接続され
ているために急峻なサージ電流の発生は抑えられる。
られる。前記蓄積時間後にダイオードD1がオフになる
と、スイッチ素子1がオンの期間中は、ダイオードD2→
スイッチ素子1からなるバイパス回路がリアクトル11に
対して形成されるので、リアクトル11に蓄えられたエネ
ルギによる電圧サージが抑制される。
アクトル11に蓄えられたエネルギは、リアクトル11→ダ
イオードD2→電源5→ダイオードD3→リアクトル11の経
路によって電源5へ帰還回生される。
・オフ制御に伴う電圧サージおよび電流サージが抑制さ
れるばかりでなく、電圧および電流サージの抑制に伴う
電力消費を必要としないので、スイッチング電力損失や
ノイズ等を低減することができる。
時にスイッチング周波数を高めトランス、フィルタ等を
小形化して電源装置の小形化をはかることができる。
ッチング電源に本発明を適用した他の実施例の回路図で
ある。この図において、第1図と同一の符号は同一また
は同等部分を表わす。
1および第1のリアクトル11に加えて、第2のスイッチ
素子2および第2のリアクトル12がさらに直列に接続さ
れる。チョークコイル3およびコンデンサ4の直列回路
は、1対のリアクトル11および12の接続ノード7と入力
電源5の負端子間に接続される。
それぞれダイオードD2,D21が逆極性に接続される。第1
のスイッチ素子1および第1のリアクトル11の接続ノー
ドと入力電源5の負端子間、および第2のスイッチ素子
2および第2のリアクトル12の接続ノードと入力電源5
の正端子間には、それぞれダイオードD3,D23が逆極性に
接続される。
オンのとき、他方がオフになるように、逆位相でオン・
オフ制御される。第1のスイッチ素子1がオンで、第2
のスイッチ素子2がオフの間は、入力電源5から第1の
スイッチ素子1→第1のリアクトル11→チョークコイル
3→負荷6→電源5の回路に負荷電流が流れる。
ッチ素子2がオンになると、チョークコイル3に蓄積さ
れたエネルギによってチョークコイル3→負荷6→第2
スイッチ素子2→第2リアクトル12→チョークコイル3
の回路に負荷電流が流れる。
がオフの間に第1のリアクトル11に蓄積されたエネルギ
は、同スイッチ素子1がオフになったとき、ダイオード
D2およびD3を介して電源5に帰還回生される。
チ素子1がオフの間に第2のリアクトル12に蓄積された
エネルギは、同スイッチ2がオフになったとき、ダイオ
ードD23およびD21を介してで源5に帰還回生される。
の場合と同様に、電圧/電流サージおよびスイッチング
電力損失ならびにノイズ発生の抑制などの効果を奏する
ことができる。
電源に適用した、さらに他の実施例の回路図である。こ
の図において、第2図と同一の符号は同一または同等部
分を表わす。
これによって充電され、電源5の電圧を2分する。第1
および第2のスイッチ素子1,2は交互にオン・オフ制御
される。
2がオフの期間中は、電源5/コンデンサC1→第1のスイ
ッチ素子1→リアクトル11→チョークコイル3→負荷6
の回路に電流が流れる。
1がオフの期間中は、コンデンサC2→負荷6→チョーク
コイル3→リアクトル12→第2のスイッチ素子2の回路
に電流が流れる。
流サージはリアクトル11によって防止され、このスイッ
チ素子1がオフになるときに発生する電圧サージは、リ
アクトル11に蓄積されるエネルギをダイオードD2,D3に
よって電源5へ帰還回生することによって防止される。
生する電流サージはリアクトル12によって防止され、こ
のスイッチ素子2がオフになるときに発生する電圧サー
ジは、リアクトル12に蓄積されるエネルギをダイオード
D23,D21によって電源5へ帰還回生することによって防
止される。
源を適用した、さらに他の実施例を示す回路図である。
この図において、第6図と同一の符号は同一または同等
部分を表わす。
第2のスイッチ素子2と第3のスイッチ素子S3はそれぞ
れ対をなし、一方の対がオンのとき他方の対がオフにな
るように、交互にオン・オフ制御される。
および第3のスイッチ素子2とS3がオフの期間中は、電
源5→スイッチ素子1→リアクトル11→チョークコイル
3a→負荷6→チョークコイル3b→リアクトル84→スイッ
チ素子S4→電源5の回路に電流が流れる。
で、第1および第4のスイッチ素子1とS4がオフの期間
中は、電源5→スイッチ素子S3→リアクトル83→チョー
クコイル3b→負荷6→チョークコイル3a→リアクトル12
→スイッチ素子2→電源5の回路に電流が流れる。
に発生する電流サージはリアクトル11,84によって防止
され、これらのスイッチ素子1,S4がオフになるときに発
生する電圧サージは、リアクトル11に蓄積されるエネル
ギをダイオードD2,D3によって、またリアクトル84に蓄
積されるエネルギをダイオードD13,D24によってそれぞ
れ電源5へ帰還回生することによって防止される。
ときに発生する電流サージはリアクトル12,83によって
防止され、これらのスイッチ素子3,S3がオフになるとき
に発生する電圧サージは、リアクトル12に蓄積されるエ
ネルギをダイオードD23,D21によって、一方リアクトル8
3に蓄積されるエネルギをダイオードD23,D14によってそ
れぞれ電源5へ帰還回生することによって防止される。
/またはリアクトル12,83のいずれか一方は省略しても
よい。
源を適用した、さらに他の実施例の回路図である。この
図において、第2図と同一の符号は同一または同等部分
を表わす。
Tの1次巻線の中点に接続される。前記出力トランスT
の1次巻線の1端子は第1のスイッチ素子1および第1
リアクトル81の1次巻線により、入力電源5の負端子に
接続され、トランスTの1次巻線の他端子は第2のスイ
ッチ素子2および第2リアクトル82の1次巻線により、
入力電源5の負端子に接続される。
ぞれダイオードD11,D12と共に入力電源5の両端子間に
接続される。ダイオードD11,D12は電源5に対して逆極
性に接続される。出力トランスTの2次巻線には負荷6
が接続される。なおこの実施例では、各スイッチ素子1,
2を対応する各リアクトル81,82の電源端子側に挿入して
も良い。
子2とは、一方がオンのときは他方がオフになるよう
に、交互にオン・オフ制御される。
2がオフの間は、入力電源5から出力トランスTの1次
巻線の左半部→第1のスイッチ素子1→第1のリアクト
ル81(1次側)→電源5の回路に負荷電流が流れる。
ッチ素子2がオンになると、入力電源5から出力トラン
スTの1次巻線の右左半部→第2のスイッチ素子2→第
2のリアクトル82(1次側)→電源5の回路に負荷電流
が流れる。
れ、負荷6に給電される。
流サージはリアクトル81(1次側)によって防止され、
このスイッチ素子1がオフになるときに発生する電圧サ
ージは、リアクトル81に蓄積されるエネルギをダイオー
ドD11によって電源5へ帰還回生することによって防止
される。
生する電流サージはリアクトル82(1次側)、によって
防止され、このスイッチ素子2がオフになるときに発生
する電圧サージは、リアクトル82に蓄積されるエネルギ
をダイオードD12によっ電源5へ帰還回生することによ
って防止される。
例の場合と同様に、電圧/電流サージおよびスイッチン
グ電力損失ならびにノイズ発生の抑制などの効果を奏す
ることができる。
バイポーラトランジスタ、サイリスタ、FET(電界効果
トランジスタ)、サイリスタ、GTO(ゲートターンオフ
サイリスタ)などが利用可能である。
イッチ素子と入力電源の回路にリアクトルを挿入すると
いう簡単な手段で前記スイッチ素子のオン・オフ制御時
に生じがちな電流サージを抑制するとともに、また、前
記スイッチ素子のオン時に蓄積されるエネルギを、前記
スイッチ素子のオフ時に入力電源に帰還回生するための
ダイオードを、前記リアクトルの両端と入力電源の正負
端子との間に接続したことにより、前記スイッチ素子の
オフ時に発生しがちな電圧サージをも防止することがで
きる。
に起因する電力消費が低減されるので、電力利用効率を
改善することができ、スイッチ素子のスイッチング周波
数の高周波化が可能となり、平滑用のチョークコイルや
コンデンサ、出力トランス等の小形化、軽量化が実現さ
れるとともに、出力電圧制御の応答性を高速化して出力
電圧の微細な制御を可能とすることができる。
化や高信頼性化が可能となり、回路素子の電流が少なく
なるので放熱板などを小形化することができるばかりで
なく、ノイズの発生も低減できるのでノイズフィルタを
省略または簡略化できる。
源の実施例を示す回路図、第3図は従来のスイッチング
電源の1例を示す回路図、第4図はその動作を説明する
ための波形図、第5図は従来のサージ電流/電圧防止手
段の1例を示す回路図、第6図ないし第8図はそれぞれ
本発明の他の実施例を示す回路図である。 1,2,S3,S4……スイッチ素子、3,3a,3b……チョークコイ
ル、4……コンデンサ、5……入力電源、6……負荷、
11,12,81〜84……リアクトル、D1〜D3,D13,D14,D21,D2
1,D23,D24……ダイオード
Claims (10)
- 【請求項1】入力直流電源と、1対の出力端子と、入力
直流電源の一方端子および一方の出力端子の間に直列接
続された第1のスイッチ素子、リアクトルおよび出力に
含まれるスイッチング周波数成分を濾波するフィルタ手
段と、前記リアクトルおよびフィルタ手段の接続ノード
と前記入力直流電源の他方端子との間に接続された第2
のスイッチ素子と、前記リアクトルに蓄積されるエネル
ギを、前記スイッチ素子がオフにされる時に前記入力直
流電源に帰還回生する手段とを具備し、前記第1および
第2のスイッチ素子は、その一方がオンの期間に他方が
オフとなるように予定の時比率でオン・オフ制御される
ことを特徴とするスイッチング電源。 - 【請求項2】前記第2のスイッチ素子は入力直流電源に
対して逆極性となるように接続されたダイオードである
ことを特徴とする前記特許請求の範囲第1項記載のスイ
ッチング電源。 - 【請求項3】前記入力直流電源の他方端子および他方の
出力端子が電気的に接続されたことを特徴とする前記特
許請求の範囲第1項または第2項記載のスイッチング電
源。 - 【請求項4】前記リアクトルに蓄積されるエネルギを、
前記スイッチ素子がオフにされる時に前記入力直流電源
に帰還回生する手段は、前記リアクトルの両端子および
前記入力直流電源の両端子との間に、それぞれ前記入力
直流電源に対して逆極性となるように接続された1対の
ダイオードよりなることを特徴とする前記特許請求の範
囲第1項ないし第3項のいずれかに記載のスイッチング
電源。 - 【請求項5】入力直流電源と、1対の出力端子と、入力
直流電源の一方端子および一方の出力端子の間に直列接
続された第1のスイッチ素子、第1のリアクトルおよび
出力に含まれるスイッチング周波数成分を濾波するフィ
ルタ手段と、前記第1のリアクトルおよびフィルタ手段
の接続ノードと前記入力直流電源の他方端子との間に直
列接続された第2のスイッチ素子および第2のリアクト
ルと、前記第1および第2のリアクトルの少なくとも1
つに蓄積されるエネルギを、これらと対応して直列接続
された前記スイッチ素子がオフにされる時に前記入力直
流電源に帰還回生する手段とを具備し、前記第1および
第2のスイッチ素子は、その一方がオンの期間に他方が
オフとなるように、予定の時比率でオン・オフ制御され
ることを特徴とするスイッチング電源。 - 【請求項6】入力直流電源の他方端子および他方の出力
端子を接続する手段をさらに具備したことを特徴とする
前記特許請求の範囲第5項に記載のスイッチング電源。 - 【請求項7】前記入力直流電源は中性点を有し、前記入
力直流電源の中性点が他方の出力端子に接続されたこと
を特徴とする前記特許請求の範囲第5項に記載のスイッ
チング電源。 - 【請求項8】入力直流電源と、1対の出力端子と、入力
直流電源の一方端子および一方の出力端子の間に直列接
続された第1のスイッチ素子、第1のリアクトルおよび
出力に含まれるスイッチング周波数成分を濾波するフィ
ルタ手段と、前記第1のリアクトルおよびフィルタ手段
の接続ノードと前記入力直流電源の他方端子との間に直
列接続された第2のスイッチ素子および第2のリアクト
ルと、前記入力直流電源の一方端子および他方の出力端
子の間に直列接続された第3のスイッチ素子および第3
のリアクトルと、前記他方の出力端子と入力直流電源の
他方端子との間に直列接続された第4のスイッチ素子お
よび第4のリアクトルと、前記第1ないし4のリアクト
ルの少なくとも1つに蓄積されるエネルギを、これと対
応して直列接続された前記スイッチ素子がオフにされる
時に前記入力直流電源に帰還回生する手段とを具備し、
前記第1および第3のスイッチ素子対および前記第2お
よび第4のスイッチ素子対は、一方のスイッチ素子対が
オンのとき他方のスイッチ素子対がオフになるように、
予定の時比率でオン・オフ制御されることを特徴とする
スイッチング電源。 - 【請求項9】前記第1ないし第4のリアクトルの少なく
とも1つに蓄積されるエネルギを、これと対応して直列
接続された前記スイッチ素子がオフにされる時に前記入
力直流電源に帰還回生する手段は、当該リアクトルの両
端子と前記入力直流電源の両端子との間に、前記入力直
流電源に対して逆極性に接続されたダイオード対よりな
ることを特徴とする前記特許請求の範囲第8項記載のス
イッチング電源。 - 【請求項10】1次側巻線および2次側巻線を有する出
力トランスと、前記1次側巻線の中性点にその一方の端
子が接続された入力直流電源と、前記入力直流電源の他
方の端子と前記1次側巻線の一方の端子との間に直列接
続された第1のリアクトルおよび第1のスイッチ素子
と、前記入力直流電源の他方の端子と前記1次側巻線の
他方の端子との間に直列接続された第2のリアクトルお
よび第2のスイッチ素子と、前記出力トランスの出力に
含まれるスイッチング周波数成分を濾波するフィルタ手
段と、前記第1および第2のリアクトルの少なくとも1
つに蓄積されるエネルギを、これと対応して直列接続さ
れた前記スイッチ素子がオフにされる時に前記入力直流
電源に帰還回生する手段とを具備し、前記第1および第
2のスイッチ素子は、一方のスイッチ素子がオンのとき
他方のスイッチ素子がオフになるように、予定の時比率
でオン・オフ制御されることを特徴とするスイッチング
電源。
Priority Applications (3)
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