JP2903920B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、パソコン等の電子機器
に使用されるスイッチング電源装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】交流入力を直流に変換して駆動出力を負
荷に供給する一般的な電源装置が図４に示されている。
この種の電源装置は、交流電源１に全波整流器３を接続
し、この全波整流器３の一対の出力ライン11，12を負荷
回路13に接続し、出力ライン11，12間に平滑コンデンサ
14を接続したものからなる。なお、負荷回路13は、スイ
ッチングレギュレータが一般的である。

【０００３】この回路で、交流電源１から正弦波交流電
圧を供給すると、全波整流器３から図５の（ａ）に示す
全波整流電圧が得られる。この全波整流電圧は平滑コン
デンサ14により平滑されて、同図の（ｃ）に示す平滑コ
ンデンサ14の充電電圧（平滑コンデンサ14の端子電圧）
が負荷回路13に加えられる。また、同図の（ｂ）に示す
平滑コンデンサ14の充電電流は、同図の（ｃ）に示す充
電電圧よりも同図の（ａ）に示す全波整流器３の出力電
圧が高くなるｔ₁ 〜ｔ₂ 期間、ｔ₃ 〜ｔ₄ 期間において
流れる。平滑コンデンサ14の充電電圧が全波整流器３の
出力電圧よりも高くなるｔ₂ 〜ｔ₃ 期間では平滑コンデ
ンサ14が放電する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】従来の図４に示す回路
では、全波整流器３の出力段に直接平滑コンデンサ14が
接続されているため、装置のスイッチがオンされて最初
に回路動作が行われるときに、平滑コンデンサ14は最初
の状態では電荷が充電されていないため、インピーダン
スが低い平滑コンデンサ14に大きな突入電流が流れるこ
ととなり、全波整流器３のダイオード等の素子に定格の
大きなものを使用しなければならないという問題があ
る。

【０００５】また、従来例では、平滑コンデンサ14の充
電電流が図５の（ｂ）に示すようにパルス形状となっ
て、同図の（ａ）に示す全波整流器３の出力電圧波形と
大きく異なるため、力率が非常に悪いものとなってい
た。

【０００６】さらに、従来の回路では、全波整流器３の
出力段に平滑コンデンサ14が直接接続される回路構成の
ため、平滑コンデンサ14にはｔ₁ 〜ｔ₂ 、ｔ₃ 〜ｔ₄ の
各期間に、大きなピーク値の充電電流が流れることとな
る。このように平滑コンデンサ14に大きな電流が流れる
と、内部損失によって発熱し、寿命の低下を招くことと
なる。この内部損失は電流の実効値に対応した大きさの
ものとなり、図５の（ｂ）に示す充電電流のピークが大
きくなればなるほど実効値および内部損失も大きくな
る。この内部損失による発熱をできるだけ避けるために
は平滑コンデンサ14として、許容リップル電流耐歪の大
きな大容量で外形寸法の大きなコンデンサを使用しなけ
ればならず、これが装置の小型化を阻害する大きな要因
となっていた。

【０００７】さらに、従来の回路では、全波整流器３に
より整流された電圧は直接出力ライン11，12に加えら
れ、負荷13に印加されるので入力電流の高調波成分がそ
のまま負荷13に加えられ、この高調波成分による悪影響
が生ずるという問題もあった。

【０００８】本発明は上記従来の課題を解決するために
なされたものであり、その目的は、装置の初期駆動時に
おける突入電流の発生の問題を解消し、さらに、力率が
良く、装置の小型化が可能で高調波成分による悪影響の
ないスイッチング電源装置を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は上記目的を達成
するために、次のように構成されている。すなわち、本
発明のスイッチング電源装置は、交流電源からの入力電
流を波形整形する波形整形回路と、該波形整形回路の出
力を整流する整流回路と、該整流回路のホット側出力端
に一次コイルの一端が接続された第１のトランスと、該
第１のトランスの一次コイルの他端と前記整流回路のコ
ールド側出力端側との間に接続されたスイッチ素子と、
該スイッチ素子および前記第１のトランスの一次コイル
の他端にカソード端が接続されたダイオードと該ダイオ
ードのアノード端に一次コイルの一端が接続された第２
のトランスと該第２のトランスの一次コイルの他端と前
記整流回路のコールド側出力端側との間に接続されたエ
ネルギ蓄積コンデンサとからなり、前記スイッチ素子の
オン時には前記エネルギ蓄積コンデンサに蓄積されたエ
ネルギを前記第２のトランスの一次コイルに還流する電
流還流回路と、前記整流回路のコールド側出力端側に一
端が接続された前記第１のトランスの二次コイルの他端
と前記第２のトランスの一次コイルの他端との間には前
記スイッチ素子のオフ時に前記第１のトランスの二次コ
イルに蓄積されたエネルギを前記エネルギ蓄積コンデン
サに伝達するエネルギ伝達素子とが設けられ、前記第２
のトランスの二次コイル側から駆動出力を取り出す構成
としたことを特徴としている。

【００１０】

【作用】上記構成の本発明において、スイッチ素子のオ
ン時には、交流電源から加えられる交流電圧は波形整形
回路によってその電流波形が交流電圧波形と相似形とな
るよう波形整形される。この波形整形出力は、整流回路
によって整流され、その整流出力は第１のトランスの一
次コイルに印加され、同コイルに電磁エネルギが蓄えら
れる。

【００１１】スイッチ素子がオフすると第１のトランス
の極性が逆転し、第１のトランスの一次コイルに蓄積さ
れた電磁エネルギが同トランスの二次コイル側に誘起さ
れ、この二次コイルの電磁エネルギはエネルギ伝達素子
を通り、エネルギ蓄積コンデンサに蓄積される。

【００１２】一方、スイッチ素子が再びオンすると、ス
イッチ素子とエネルギ蓄積コンデンサと第２のトランス
の一次コイルとを含む電流還流回路にエネルギ蓄積コン
デンサを電源として電流が還流する。この電流還流によ
り、第２のトランスの一次コイルに電磁エネルギが蓄積
される。次のスイッチ素子のオフ（又はオン）時に第２
のトランスの一次コイルの電磁エネルギが二次コイル側
に誘起されて、負荷に直流電圧が供給される。

【００１３】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
する。図１には、本発明に係るスイッチング電源装置の
一実施例が示されている。同図において、交流電源１に
は波形整形回路として機能するノイズフィルタ２を介し
て整流回路としての全波整流器３が接続されている。こ
の全波整流器３は高速タイプのダイオード（逆電流が流
れるときにダイオードをシャープにオフする特性を備え
たダイオード）を用いて構成されている。この全波整流
器３の両出力端子間には第１のトランス４が接続されて
いる。第１のトランス４の一次コイル４ａの出力側と出
力ラインＡの間にはスイッチ素子としてのトランジスタ
７が介設されている。同トランジスタ７は交流電源１の
周波数よりも十分高い数十乃至数百ＫＨｚのスピード断
続でオン・オフしている。

【００１４】また、ダイオード１０と第２のトランス８
の一次コイル８ａとエネルギ蓄積コンデンサ５とを直列
に接続したものが前記トランジスタ７と並列に設けられ
ており、この直列接続体とトランジスタ７とを有して電
流還流回路６が構成される。

【００１５】また、前記出力ラインＡには、第１のトラ
ンス４の二次コイル４ｂの一端側（入力端）が接続され
ており、二次コイル４ｂの他端側（出力端）にはエネル
ギ伝達素子として機能するダイオード９のアノード側が
接続されている。同ダイオード９のカソード側は前記電
流還流回路６における第２のトランス８の一次コイル８
ａとエネルギ蓄積コンデンサ５との接続部に接続されて
いる。

【００１６】前記第２のトランス８の二次コイル８ｂに
はダイオード15とコンデンサ16により構成される出力回
路17が接続されており、トランジスタ７がオフしたとき
に二次コイル８ｂ側から出力回路17を介して負荷13へ直
流電圧が供給される構成になっている。負荷13へ印加さ
れる電圧は、制御回路18により検出されており、制御回
路18はこの検出電圧に応じてトランジスタ７をスイッチ
駆動する駆動信号のデューティ若しくは動作周波数を制
御し、出力回路17の出力電圧を一定に保つもので、この
種の制御回路18の構成は周知なので、その説明は省略す
る。

【００１７】本実施例は上記のように構成されており、
次に回路動作を説明する。まず、トランジスタ７をオン
すると、交流電源１から図２に示すような正弦波形の交
流電圧ｖがノイズフィルタ２および全波整流器３を介し
て第１のトランス４の一次巻線４ａに印加される。この
時、一次コイル４ａを流れる電流は一次コイル４ａのイ
ンダクタンスをＬとすると、ｖ／Ｌの傾きを持った上昇
電流となる。この電流波形を図２のｉ₂ として示す。こ
のスイッチング電流ｉ₂ は一次コイル４ａに電磁エネル
ギーを蓄積する。

【００１８】トランジスタ７が時間ｔ後にオフするとス
イッチング電流ｉ₂ は急峻に０となり、図２に示したよ
うな三角波となる。時間ｔのｉ₂ のピーク値ｉ_2pは、ｉ
_2p＝ｖｔ／Ｌとなる。すなわちｉ₂ のピーク値は交流電
源電圧ｖに比例する。またトランジスタ７がオフした
時、コイル４ａに蓄積された電磁エネルギーＥは、Ｅ＝
Ｌ・（ｉ_2p）² ／２で表せる。このエネルギーは二次コ
イル４ｂに誘起され、ダイオード９を介してエネルギー
蓄積コンデンサ５に蓄えられる。

【００１９】次に、再び前記トランジスタ７がオンする
と、前記したように第１のトランスの一次コイル４ａに
電磁エネルギが蓄積される動作に加えて、オフ状態で電
磁エネルギを蓄積したエネルギ蓄積コンデンサ５を電源
として電流還流回路６を電流が還流し、エネルギ蓄積コ
ンデンサ５の電磁エネルギが第２のトランス８の一次コ
イル８ａに蓄積される。

【００２０】次に、前記トランジスタ７がオフすると、
前記したように、第１のトランスの一次コイル４ａに蓄
積された電磁エネルギが同トランスの二次コイル４ｂ側
に誘起され、さらにこの電磁エネルギがエネルギ蓄積コ
ンデンサ５に蓄積されるという回路動作に加えて次のよ
うな回路動作が行われる。すなわち、前記第２のトラン
ス８の極性が逆転し、トランジスタ７がオン状態のとき
にエネルギ蓄積コンデンサ５から同トランス８の一次コ
イル８ａに蓄積された電磁エネルギは二次コイル８ｂ側
に誘起され、出力回路17を介して負荷13に直流電圧とし
て加えられる。トランジスタ７のスイッチング動作によ
り、スイッチング電流ｉ₂ のピーク値は交流電源電圧ｖ
に比例する。すなわちｉ₂ のピーク値の大小は交流電圧
ｖの変動に対応している。したがってノイズフィルタ２
の波形整形効果によりフィルタリングすれば交流電源電
流ｉ₁ は交流電圧ｖと相似とすることができる。

【００２１】本実施例によれば、装置スイッチオンの初
期動作時には、交流電源１から波形整形回路２、全波整
流器３および第１のトランス４の一次コイル４ａを通っ
て流れる電流は逆方向のダイオード10により遮断され、
エネルギ蓄積コンデンサ５に突入電流となって流れるこ
とはない。したがって、全波整流器３のダイオード等の
回路素子の定格を従来例に比べてより小さくすることが
でき、これに伴い、回路素子の小型化が可能となる。

【００２２】また、本実施例では従来例の大容量で大型
の平滑コンデンサ14が全波整流器３の出力段に直接設け
られる構成とは異なっており、この従来の平滑コンデン
サ14が削除される一方、ノイズフィルタ２を設けたの
で、図２に示すように交流電源電流ｉ₁ の波形は交流電
源電圧波形ｖに相似し、装置の力率が非常に良くなって
いる。

【００２３】さらに、ノイズフィルタ２を設けたことに
より入力電流におけるノイズ等の高調波成分が取り除か
れるので、従来のように高調波成分による悪影響を受け
ることはない。

【００２４】さらに、本実施例では電流還流回路６を設
けたことにより、交流電源１の電圧が低下しても電流還
流回路６のエネルギ蓄積コンデンサ５に蓄えられた電磁
エネルギが電源として第２のトランス８の一次コイル８
ａに供給されて装置動作が継続する。したがって、たと
え落雷等の事故により交流電源１の電力供給が瞬時的に
ストップしても回路動作が支障なく継続するので、入力
瞬停対策も十分に兼ね備えたものとなり、使用上の信頼
性も高い。

【００２５】さらに、本実施例のエネルギ蓄積コンデン
サ５は従来例の平滑コンデンサ14よりも小さい容量のも
ので済み、突入電流を防止して回路素子の定格を小さく
できることと相俟って、装置の小型化と装置コストの低
減化を達成することができる。

【００２６】なお、本発明は上記実施例に限定されるこ
とはなく、様々な実施の態様を採り得る。例えば、上記
実施例では、トランジスタ７がオフしたときに出力回路
17から負荷13に直流電圧が加えられるように構成した
が、図３に示すような回路構成にすれば、トランジスタ
７がオンしたときに出力回路17から負荷13へ直流電圧が
加えられるようになる。

【００２７】また、上記実施例では、交流電源１の交流
電圧を整流する整流器３を全波整流器にて構成したが、
半波整流器によっても同様な回路動作を行わせることが
できる。

【００２８】さらに、ダイオード９，10はトランジスタ
を用いて構成することもできる。

【００２９】さらに、全波整流器３のダイオードを高速
タイプのダイオード（逆電流が流れるときにダイオード
をシャープにオフする特性を備えたダイオード）で構成
したが、必ずしも高速タイプのダイオードでなくともよ
い。

【００３０】さらに、波形整形回路２としてノイズフィ
ルタを用いたが、通常のフィルタを用いてもよい。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、交流電源電流が交流電
源電圧と相似形にさせることができるので装置の力率を
大幅に改善できる。

【００３２】また、波形整形回路を設けたことにより、
入力電流からノイズ等の高調波成分が取り除かれ、従来
のように高調波成分による悪影響を受けることはない。

【００３３】さらに、装置スイッチオン時の初期動作時
に、入力突入電流の発生をなくすことができるので、そ
の分、回路素子の定格を小さくすることができ、回路素
子の小型化が可能となる。

【００３４】さらに、交流電源電圧が低下しても、エネ
ルギ蓄積コンデンサで蓄えた電磁エネルギを第２のトラ
ンスに加えて回路動作を継続することができるので、例
えば落雷等の事故により交流電源が瞬時的に停止して
も、支障なく回路動作が継続するので、入力瞬停対策も
万全なものとなる。

【００３５】さらに、本発明は従来例と異なり、整流回
路の出力段に直接大容量の平滑コンデンサを設けること
を要せず、本発明の装置を構成するエネルギ蓄積コンデ
ンサは従来例の平滑コンデンサよりも小容量のもので済
むので、装置のより一層の小型化と装置コストの低減化
が可能となる。さらに、本発明の回路構成において、仮
に、整流回路が波形整形回路の入力側に接続されていた
とすると、第２のトランスの一次コイルに蓄積されたエ
ネルギは、スイッチ素子のオフ時に、第２のトランスの
一次コイル→第２のトランスの一次コイルと第１のトラ
ンスの一次コイルの間に接続されたダイオード→第１の
トランスの一次コイル→波形整形回路→エネルギ蓄積コ
ンデンサ→第２のトランスの一次コイルの経路に電流と
して流れることになる。このため、この経路に流れる電
流を阻止するため、第２のトランスの一次コイルと第１
のトランスの一次コイルの間に接続されたダイオードと
極性方向を逆にして接続したダイオードを設けなければ
ならない。しかしながら、本発明によれば、整流回路は
前記波形整形回路の出力を整流する回路とした（すなわ
ち、整流回路を波形整形回路の出力側に接続した）の
で、整流回路のホット側出力端からコールド側出力端側
には電流が流れないために、第２のトランスの一次コイ
ル→ダイオード→第１のトランスの一次コイル→整流回
路→エネルギ蓄積コンデンサ→第２のトランスの一次コ
イルのループには電流が流れることはなく、この電流の
流れを阻止するダイオードを設ける必要がなく、その分
だけ装置構成を簡略化することができ、装置の小型化と
装置コストの低減化をより一層確実に図ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るスイッチング電源装置の一実施例
を示す回路図である。

【図２】同実施例の装置の交流電源電圧と交流電源電流
と全波整流回路からの出力電流との関係を示すタイムチ
ャートである。

【図３】本発明に係るスイッチング電源装置の他の実施
例を示す回路図である。

【図４】従来の電源装置の回路説明図である。

【図５】図４に示す回路の交流電源電圧と平滑コンデン
サの放電電流および充電電圧の各波形を示す説明図であ
る。

【符号の説明】

１ 交流電源 ２ 波形整形回路（ノイズフィルタ） ３ 整流回路（全波整流器） ４ 第１のトランス ５ エネルギ蓄積コンデンサ ６ 電流還流回路 ７ スイッチ素子（トランジスタ） ８ 第２のトランス ９ エネルギ伝達素子（ダイオード）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H02M 7/00 - 7/40 H02M 3/00 - 3/44

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源からの入力電流を波形整形する
   波形整形回路と、該波形整形回路の出力を整流する整流
   回路と、該整流回路のホット側出力端に一次コイルの一
   端が接続された第１のトランスと、該第１のトランスの
   一次コイルの他端と前記整流回路のコールド側出力端側
   との間に接続されたスイッチ素子と、該スイッチ素子お
   よび前記第１のトランスの一次コイルの他端にカソード
   端が接続されたダイオードと該ダイオードのアノード端
   に一次コイルの一端が接続された第２のトランスと該第
   ２のトランスの一次コイルの他端と前記整流回路のコー
   ルド側出力端側との間に接続されたエネルギ蓄積コンデ
   ンサとからなり、前記スイッチ素子のオン時には前記エ
   ネルギ蓄積コンデンサに蓄積されたエネルギを前記第２
   のトランスの一次コイルに還流する電流還流回路と、前
   記整流回路のコールド側出力端側に一端が接続された前
   記第１のトランスの二次コイルの他端と前記第２のトラ
   ンスの一次コイルの他端との間には前記スイッチ素子の
   オフ時に前記第１のトランスの二次コイルに蓄積された
   エネルギを前記エネルギ蓄積コンデンサに伝達するエネ
   ルギ伝達素子とが設けられ、前記第２のトランスの二次
   コイル側から駆動出力を取り出す構成としたスイッチン
   グ電源装置。