JP2943269B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

スイッチング電源装置

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【発明の詳細な説明】 産業上の利用分野 本発明は産業用や民生用の各種電子機器に直流安定化
電圧を供給するスイッチング電源装置に関するものであ
る。
従来の技術 近年、スイッチング電源装置はその高効率なエネルギ
ー変換特性から、産業用や民生用の各種電子機器への直
流安定化電源として多用されているものの、より小型で
高効率なものが強く求められている。以下に従来のスイ
ッチング電源装置について説明する。
従来のスイッチング電源装置共通の技術的課題である
スイッチング損失の低減とスイッチング周波数の高周波
化を達成する手段として、本発明者はすでに第3図に示
すような回生方式フライバック型スイッチング電源装置
を開発した。第3図において、1は入力直流電源であ
り、交流電圧を整流平滑することで、もしくは電池等で
構成される。この入力電圧をEiとする。2はトランスで
あり、1次巻線21と2次巻線22を有する。1次巻線21と
2次巻線22の巻線比をn:1とする。3は第1のスイッチ
手段であり、スイッチ素子31とダイオード32で構成され
る。4は第2のスイッチ手段であり、スイッチ素子41と
ダイオード42で構成される。5,7はコンデンサ、8は整
流平滑回路であり、ダイオード81とコンデンサ82で構成
され、負荷9へ出力電圧Eoを供給する。10は制御駆動回
路であり、出力電圧Eoを検知しこれを安定化すべく所定
のオンオフ比の駆動パルスをスイッチ素子31および41へ
出力する。第4図は第3図のスイッチング電源装置の各
部動作波形図であり、V1は1次巻線21の両端電圧、I1
1次巻線21に流れる1次電流、I2は2次巻線22に流れる
2次電流、φはトランス2の磁束を示す。以下に第4図
を参照しながら第3図に示したスイッチング電源装置の
動作を説明する。
期間1において、第1のスイッチ手段3がオンの時第
2のスイッチ手段4はオフであり、1次巻線21には入力
電圧Eiが印加され、1次電流I1は直線的に増加しトラン
ス2に励磁エネルギーを蓄える。
期間2において、第1のスイッチ手段3がターンオフ
すると、コンデンサ7およびトランス2の励磁インダク
タンスが共振し、トランス2の各巻線電圧が反転する。
1次巻線電圧V1がコンデンサ5の両端電圧になると、第
2のスイッチ手段4はターンオンし、期間3へ移行す
る。
期間3において、トランス2に蓄えられた励磁エネル
ギーは1次巻線21から第2のスイッチ手段4を介してコ
ンデンサ5へ放出されるとともに、2次巻線22からは出
力電圧Eoとして整流平滑回路8を介して負荷9へ放出さ
れる。この時1次電流I1は第1のスイッチ手段3のター
ンオフ直前の電流値を初期値としてほぼ直線的に減少
し、2次電流I2はゼロから流れだし増加する。コンデン
サ5の静電容量が十分大きければ、その電圧は1次巻線
21のフライバック電圧をnEoにクランプし、サージ電圧
の発生はほとんどなくなる。1次電流I1はやがてゼロを
下回り、逆方向すなわちコンデンサ5から1次巻線21へ
放電する方向に流れる。定常動作においては、コンデン
サ5の両端電圧は安定であるから、その充放電電流の平
均値はゼロとなる。
期間4において、第2のスイッチ手段4がターンオフ
すると、コンデンサ7およびトランス2の漏れインダク
タンスが共振し、トランス2の各巻線電圧が反転する。
1次巻線電圧V1がEiになると、第1のスイッチ手段3は
ターンオンし、期間5へ移行する。この時2次電流I
2は、トランス2の漏れインダクタンスによる慣性のた
め、流れ続ける。この最終値をI21とする。
期間5において、第1のスイッチ手段3およびダイオ
ード81がオンであるから、1次電流I1は−I21/nを初期
値として急峻に増加し、2次電流I2は逆に減少する。2
次電流I2がゼロになるとダイオード81はオフし期間1へ
戻る。
以上の動作を通じて、スイッチ手段3のオン期間(期
間1及び期間5)をTon、オフ期間をToffとすると、お
よそ次式が成り立つ。
Ei×Ton=nEo×Toff すなわち、スイッチ手段3のオンオフ比を調整するこ
とで出力電圧Eoを安定化制御することができる。又、期
間3での消磁及び逆励磁によって期間4での電圧反転の
エネルギーが蓄えられ、ゼロクロスターンオンが可能と
なる。
発明が解決しようとする課題 しかしながら上記の従来の構成では、ゼロクロスター
ンオンさせるために期間3で十分な逆励磁エネルギーを
蓄えなければならず、トランス2の励磁インダクタンス
を小さく設定し、1次電流I1の振幅を大きくしなければ
ならなかった。このため、1次側での電力損失が生じる
上、ゼロクロスターンオンを利用したスイッチング時の
電圧変化を緩和させることによる高周波ノイズの低減効
果の代わりに低域でのノイズ増大という問題点を有して
いた。
本発明は上記課題を解決するもので、従来の電力回生
型スイッチング電源装置の持つ長所である強力な電圧ク
ランプ能力とゼロクロスターンオンと高周波ノイズの低
減効果を継承しながら、必要以上に励磁インダクタンス
を小さく設定せず1次電流の振幅を小さくし、より高効
率で低ノイズなスイッチング電源装置を提供することを
目的とする。
課題を解決するための手段 この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、直流入力電源と、少なくとも1次巻線と1つ以
上の2次巻線を有するトランスと、前記直流入力電源の
両端に接続されたインダクタンス素子と前記トランスの
1次巻線と第1のスイッチ手段の直列回路と、前記イン
ダクタンス素子と前記トランスの1次巻線の直列回路の
両端に、並列接続した第2のスイッチ手段とコンデンサ
の直列回路と、前記トランスの2次巻線に発生するフラ
イバック電圧を整流平滑し負荷へ直流出力電圧を供給す
る整流平滑回路と、前記第1及び第2のスイッチ手段を
交互に所定のオンオフ比で駆動する制御駆動回路と、前
記第1のスイッチ手段の両端、又は、直列接続された前
記インダクタンス素子と前記トランスの1次巻線の両
端、又は、前記第2のスイッチ手段の両端の少なくとも
1カ所以上にコンデンサを接続した構成とするものであ
る。
作 用 この構成によって、オフ期間中の逆励磁エネルギー
と、トランスの漏れインダクタンスによっていたゼロク
ロスターンオンが、インダクタンス素子に蓄えられたエ
ネルギーを利用することにより、共振電圧の振幅を増大
させ、その条件を容易にすることができる。
実施例 以下本発明の一実施例について、図面を参照しながら
説明する。
第1図は本発明の一実施例におけるスイッチング電源
装置の回路構成図である。第1図において、1は入力直
流電源であり、交流電圧を整流平滑することで、もしく
は電池等で構成される。この入力電圧をEiとする。2は
トランスであり、1次巻線21と2次巻線22を有する。1
次巻線21と2次巻線22の巻数比をn:1とする。又、1次
巻線21の励磁インダクタンスをL1とする。3は第1のス
イッチ手段であり、スイッチ素子31とダイオード32で構
成される。4は第2のスイッチ手段であり、スイッチ素
子41とダイオード42で構成される。5はコンデンサ、6
はインダクタンス素子であり、そのインダクタンスを
L′とする。7はコンデンサ、8は整流平滑回路であ
り、ダイオード81とコンデンサ82で構成され、負荷9へ
出力電圧Eoを供給する。10は制御駆動回路であり、出力
電圧Eoを検知しこれを安定化すべく所定のオンオフ比の
駆動パルスをスイッチ素子31および41へ出力する。第2
図は第1図のスイッチング電源装置の各部動作波形図で
あり、V1は1次巻線21の両端電圧、VLはインダクタンス
素子6の両端電圧、I1は1次巻線21に流れる1次電流、
I2は2次巻線22に流れる2次電流、φはトランス2の磁
束を示す。以下に第2図を参照しながら第1図に示した
スイッチング電源装置の動作を説明する。
期間1において、第1のスイッチ手段3がオンの時第
2のスイッチ手段4はオフであり、1次巻線21には入力
電圧EiL1/(L1+L′)が印加され、インダクタンス素
子6には入力電圧EiL′/(L1+L′)が印加され、1
次電流I1は直線的に増加しトランス2及びインダクタン
ス素子6に励磁エネルギーを蓄える。
期間2において、第1のスイッチ手段3がターンオフ
すると、コンデンサ7およびトランス2の励磁インダク
タンスが共振し、トランス2の各巻線電圧が反転する。
1次巻線電圧V1がコンデンサ5の両端電圧Ecになると、
第2のスイッチ手段4はターンオンし、期間3へ移行す
る。
期間3において、トランス2に蓄えられた励磁エネル
ギーは1次巻線21から第2のスイッチ手段4を介してコ
ンデンサ5へ放出されるとともに、2次巻線22からは出
力電圧Eoとして整流平滑回路8を介して負荷9へ放出さ
れる。この時1次電流I1は第1のスイッチ手段3のター
ンオフ直前の電流値を初期値として傾き(nEo−Ec)/
L′でほぼ直線的に減少し、2次電流I2はOAから流れだ
し増加する。コンデンサ5の静電容量が十分大きけれ
ば、スイッチ手段3の電圧をEi+Ecにクランプし、サー
ジ電圧の発生はほとんどなくなる。1次電流I1はやかで
ゼロを下回り、逆方向すなわちコンデンサ5から1次巻
線21へ放電する方向に流れる。定常動作においては、コ
ンデンサ5の両端電圧Ecは安定であるから、その充放電
電流の平均値はゼロとなる。
期間4において、第2のスイッチ手段4がターンオフ
すると、コンデンサ7およびインダクタンス素子6が共
振し、トランス2の各巻線電圧が反転する。1次巻線電
圧V1がEiになると、第1のスイッチ手段3はターンオン
し、期間5へ移行する。この時2次電流I2は、トランス
2の漏れインダクタンスによる慣性のため、流れ続け
る。この最終値をI21とする。
期間5において、第1のスイッチ手段3およびダイオ
ード81がオンであるから、1次電流I1は−I21/nを初期
値として急峻に増加し、2次電流I2は逆に減少する。2
次電流I2がゼロになるとダイオード81はオフし期間1へ
戻る。
以上の動作を通じて、スイッチ手段3のオン期間Ton
を期間1におけるTon1と期間5におけるTon2に分け、オ
フ期間をToffとすると、およそ次式が成り立つ。
Ei×(Ton1+Ton2)=Ec×Torr Ei×Ton1×L1=nEo×(Ton2+Toff)×(L1+L′) すなわち、スイッチ手段3のオンオフ比を調整するこ
とで出力電圧Eoを安定化制御することができるのであ
る。
さて、このスイッチング電源装置のゼロクロスターン
オン条件が従来のスイッチング電源装置のゼロクロスタ
ーンオン条件より良くなる理由を説明する。期間4にお
いて、スイッチ手段4がターンオフする時、2次電流I2
は流れているため、従来例では電圧反転はトランス2の
漏れインダクタンスとコンデンサ8との共振によってい
た。この共振電圧の振幅は漏れインダクタンスが大き
く、コンデンサ8の静電容量が小さいほど大きくなる。
しかし漏れインダクタンスを大きくすることは、多出力
時のレギュレーション特性やトランスのエネルギー変換
効率を劣化させることになるし、コンデンサ8の静電容
量を小さくすることは、ターンオンやターンオフ時の電
圧反転の傾きを大きくし、高周波ノイズの低減効果を劣
化させることになる。これに対し、本発明の実施例で
は、インダクタンス素子6を挿入することにより、期間
3に流れる1次電流I1でインダクタンス素子6を十分励
磁でき、蓄えられたエネルギーはスイッチ手段4のター
ンオフで、電圧反転に利用できる。しかもインダクタン
ス素子6は1次側に挿入されるので、多出力にしてもレ
ギュレーション特性は劣化しない。
発明の効果 以上のように本発明は、直流入力電源と、少なくとも
1次巻線と1つ以上の2次巻線を有するトランスと、前
記直流入力電源の両端に接続されたインダクタンス素子
と前記トランスの1次巻線と第1のスイッチ手段の直列
回路と、前記インダクタンス素子と前記トランスの1次
巻線の直列回路の両端に、並列接続した第2のスイッチ
手段とコンデンサの直列回路と、前記トランスの2次巻
線に発生するフライバック電圧を整流平滑し、負荷へ直
流出力電圧を供給する整流平滑回路と、前記第1及び第
2のスイッチ手段を交互に所定のオンオフ比で駆動する
制御駆動回路と、前記第1のスイッチ手段の両端、又
は、直列接続された前記インダクタンス素子と前記トラ
ンスの1次巻線の両端、又は、前記第2のスイッチ手段
の両端の少なくとも1カ所以上にコンデンサを接続した
構成を設けることにより、従来の電力回生型スイッチン
グ電源装置の持つ長所をすべて継承しながら、ゼロクロ
スターンオン条件を改善し、トランスの励磁インダクタ
ンスを大きく設定できるので、1次電流の振幅が小さく
なり、より高効率で低ノイズなスイッチング電源装置を
実現できるものである。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例におけるスイッチング電源装
置の回路構成図、第2図は第1図に示した実施例の各部
動作波形図、第3図は従来のスイッチング電源装置の回
路構成図、第4図は第3図に示した従来例の各部動作波
形図である。 1……入力直流電源、2……トランス、3……第1のス
イッチ手段、4……第2のスイッチ手段、5……コンデ
ンサ、6……インダクタンス素子、7……コンデンサ、
8……整流平滑回路、9……負荷、10……制御駆動回
路。

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】直流入力電源と、少なくとも1次巻線と1
    つ以上の2次巻線を有するトランスと、前記直流入力電
    源の両端に接続されたインダクタンス素子と前記トラン
    スの1次巻線と第1のスイッチ手段の直列回路と、前記
    インダクタンス素子と前記トランスの1次巻線の直列回
    路の両端に、並列接続した第2のスイッチ手段とコンデ
    ンサの直列回路と、前記トランスの2次巻線に発生する
    フライバック電圧を整流平滑し負荷へ直流出力電圧を供
    給する整流平滑回路と、前記第1及び第2のスイッチ手
    段を交互に所定のオンオフ比で駆動する制御駆動回路
    と、前記第1のスイッチ手段の両端、又は、直列接続さ
    れた前記インダクタンス素子と前記トランスの1次巻線
    の両端、又は、前記第2のスイッチ手段の両端の少なく
    とも1カ所以上にコンデンサを接続した構成からなるス
    イッチング電源装置。
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