JP3256423B2

JP3256423B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP3256423B2
Application number: JP27468995A
Authority: JP
Inventors: 晃松本
Original assignee: Nagano Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Nagano Japan Radio Co Ltd
Priority date: 1995-09-27
Filing date: 1995-09-27
Publication date: 2002-02-12
Anticipated expiration: 2015-09-27
Also published as: JPH0993947A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、直流電力を所定電
圧値の交流電力または直流電力に変換する電源装置に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種の電源装置として、図１６に示す
フライバック方式のスイッチングレギュレータが知られ
ている。スイッチングレギュレータ５１は、直流電源５
２、トランス５３、ＦＥＴ５４、ダイオード５５および
コンデンサ５６を備えている。このスイッチングレギュ
レータ５１では、所定のスイッチング周波数の制御信号
ＶContをＦＥＴ５４のゲートに入力すると、ＦＥＴ５４
がそのスイッチング周波数でオン／オフを繰り返す。こ
の場合、ＦＥＴ５４がオンすると、トランス５３の一次
コイル５３ａに矩形波状の電圧が印加され、一般的には
三角波状の電流が流れて一次コイル５３ａにエネルギー
が蓄積される。次いで、ＦＥＴ５４がオフになると一次
コイル５３ａに蓄積されたエネルギーが放出され、この
時に二次コイル５３ｂに誘起電圧が発生し、この誘起電
圧に基づいて二次コイル５３ｂに交流電流が流れる。こ
の電流がダイオード５５およびコンデンサ５６によって
整流・平滑されることによって直流電力が生成されてい
る。一方、近時のスイッチングレギュレータにおいては
装置の小型化が要望されている。このため、従来のスイ
ッチングレギュレータ５１では、制御信号ＶContのスイ
ッチング周波数を高くすることによって、トランス５３
の小型化を可能にし、この結果、装置全体の小型化を図
っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
スイッチングレギュレータ５１には以下の問題点があ
る。すなわち、スイッチング周波数を上げることによっ
て装置のより小型化を追求する場合、ＦＥＴ５４のター
ンオンおよびターンオフ時における遅延時間によって生
じるスイッチングロスも大きくなり、この結果、変換効
率が低下してしまうという問題点がある。また、トラン
ス５３に印加される電圧波形が矩形波状であるため、そ
の高調波成分の影響によるコアロスによってトランス５
３内での損失が大きくなり、装置の変換効率が低下して
しまうという問題点がある。さらに、その高調波成分が
不要輻射ノイズとして伝導・輻射するため、他の装置に
与える影響が大きいという問題点もある。

【０００４】一方、トランス５３に流れる電流波形また
はトランス５３に印加される電圧波形を正弦波にするこ
とによる、いわゆる零電流スイッチングまたは零電圧ス
イッチングを可能にしてスイッチングロスを低下させる
ように構成した共振型スイッチング電源装置も存在す
る。しかし、この共振型スイッチング電源装置でも、ス
イッチングロスをまったくなくすことは不可能であり、
変換効率をある程度以上に高くすることができないとい
う問題点は依然として存在する。

【０００５】本発明は、かかる問題点に鑑みてなされた
ものであり、装置の小型化を図ることができると共に変
換効率を向上させ、しかも、発生する高調波成分を低減
させることができる電源装置を提供することを目的とす
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請
求項１記載の電源装置は、直流電源に接続可能な容量性
素子と、少なくとも容量性素子と直流電源とを直列接続
した第１の閉ループ回路を形成するための第１のスイッ
チ手段と、少なくとも容量性素子と誘導性素子との直列
共振回路を含む第２の閉ループ回路を形成するための第
２のスイッチ手段と、第１および第２のスイッチ手段を
交互に作動させるスイッチ制御手段とを備え、第２のス
イッチ手段が作動したときに形成される第２の閉ループ
回路は、直列共振回路の共振に基づく正弦波の交流電力
を１周期分以上出力することを特徴とする。なお、直列
共振回路は、以下の回路周波数で共振する正弦波を出力
する。この場合、回路周波数とは、出力される交流電力
に負荷が接続されていないときは直列共振回路の共振周
波数をいい、負荷が接続されているときは直列共振回路
に負荷を含めた固有周波数をいう。したがって、本明細
書では、この両者を含む意味で回路周波数を用いてい
る。

【０００７】この電源装置では、スイッチ制御手段が第
１のスイッチ手段を作動させると、容量性素子と直流電
源とを直列接続した第１の閉ループ回路が形成される。
このときには、直流電源からの電流が閉ループ回路内に
流れ込み、容量性素子にエネルギーが蓄積される。次い
で、スイッチ制御手段は、第１のスイッチ手段の作動を
停止し、第２のスイッチ手段を作動させる。これによ
り、容量性素子と誘導性素子との直列共振回路を含む第
２の閉ループ回路が形成される。この場合、第２の閉ル
ープ回路では、直列共振回路による共振状態になってお
り、エネルギーが蓄積されている容量性素子の一の端子
から、誘導性素子を介して他方の端子に向かって電荷が
移動する。すべての電荷が移動すると、逆に一の端子に
向かって電荷が移動する。この閉ループ回路では、これ
らの動作が次々と繰り返される。一方、この状態におい
て、例えば、容量性素子および誘導性素子のいずれか一
方の両端に負荷を接続すれば、回路周波数と等しい周波
数の交流電力が負荷に出力される。この場合、回路周波
数のほうが、第１のスイッチ手段と第２のスイッチ手段
の両者がそれぞれ１回作動する繰り返し周波数よりも高
いため、第１のスイッチ手段が１回作動すれば、容量性
素子の充放電が少なくとも１回以上行われる。つまり、
第１のスイッチ手段が１回作動すれば、交流電力を１周
期分以上出力することができる。このように、従来のス
イッチング電源装置がスイッチング周波数の１周期分に
相当する交流電力を出力する場合に、常に１回のスイッ
チングロスを生じるのに対し、この電源装置では、１回
のスイッチングロスを生じる間に、回路周波数の１周期
以上に相当する交流電力を出力することができる。この
結果、スイッチングロスを従来のスイッチング電源装置
に比べて低下させることができ、これにより変換効率を
向上させることができる。加えて、第２の閉ループ回路
が直列共振回路を形成しているため、この閉ループ回路
内を流れる電流は正弦波の共振波形になっており、この
ため、誘導性素子のコアロスを低下させることができる
と共に、ノイズの発生を極めて低下させることができ
る。

【０００８】請求項２記載の電源装置は、直流電源に接
続可能な誘導性素子と、少なくとも誘導性素子と直流電
源とを直列接続した第１の閉ループ回路を形成するため
の第１のスイッチ手段と、少なくとも誘導性素子と容量
性素子との直列共振回路を含む第２の閉ループ回路を形
成するための第２のスイッチ手段と、第２のスイッチ手
段に並列接続され第１のスイッチ手段が作動したときに
直流電源の直流電流の容量性素子への流入を阻止すると
共に第１のスイッチ手段が作動停止したときに誘導性素
子に蓄積されているエネルギーを容量性素子に移動させ
る電流制御手段と、第１および第２のスイッチ手段を交
互に作動させるスイッチ制御手段とを備え、第２のスイ
ッチ手段が作動したときに形成される第２の閉ループ回
路は、直列共振回路の共振に基づく正弦波の交流電力を
１周期分以上出力することを特徴とする。

【０００９】この電源装置では、スイッチ制御手段が第
１のスイッチ手段を作動させると、誘導性素子と直流電
源とを直列接続した第１の閉ループ回路が形成される。
このときには、直流電源からの電流が閉ループ回路内に
流れ込み、誘導性素子にエネルギーが蓄積される。次い
で、スイッチ制御手段は、第１のスイッチ手段の作動を
停止し、これにより、誘導性素子に蓄積されているエネ
ルギーが電流制御手段によって容量性素子に移動させら
れる。次いで、スイッチ制御手段が、第２のスイッチ手
段を作動させ、これにより、誘導性素子と容量性素子と
の直列共振回路を含む第２の閉ループ回路が形成され
る。これ以降、請求項１記載の電源装置と同じようにし
て、正弦波の交流電力が１周期分以上第２の閉ループ回
路から出力されることにより、変換効率を向上させるこ
とができる。

【００１０】請求項３記載の電源装置は、少なくとも誘
導性素子と容量性素子とから形成され直流電源に接続可
能な直列共振回路と、直列共振回路と直流電源とを直列
接続した第１の閉ループ回路を形成するための第１のス
イッチ手段と、少なくとも直列共振回路を含む第２の閉
ループ回路を形成するための第２のスイッチ手段と、第
１および第２のスイッチ手段を交互に作動させるスイッ
チ制御手段とを備え、第２のスイッチ手段が作動したと
きに形成される第２の閉ループ回路は、直列共振回路の
共振に基づく正弦波の交流電力を１周期分以上出力する
ことを特徴とする。

【００１１】この電源装置では、請求項１記載の電源装
置と同様にして変換効率を向上させることができる。こ
の場合、この電源装置では、第１の閉ループ回路が形成
される際に、誘導性素子が、容量性素子に流れ込む電流
を所定値に制限することができる。

【００１２】請求項４記載の電源装置は、請求項１から
３のいずれかに記載の電源装置において、第１の閉ルー
プ回路は、直流電源への電流の逆流を阻止する逆流電流
阻止手段を備えていることを特徴とする。

【００１３】この電源装置では、第１のスイッチ手段が
作動しているときに、第１の閉ループ回路内での電流の
流れの向きが一方向のみに定められることになる。この
ため、第１の閉ループ回路内に容量性素子と誘導性素子
との直列共振回路が形成される場合には、容量性素子に
蓄積される電荷に基づく電圧が理論的には直流電源の電
源電圧の２倍になる。この結果、第２のスイッチ手段に
よって第２の閉ループ回路が形成されたときに共振する
電力が大きくなり、より大きな交流電力を出力すること
ができる。

【００１４】請求項５記載の電源装置は、請求項１から
４のいずれかに記載の電源装置において、誘導性素子は
トランスの一次コイルであって、第２の閉ループ回路
は、トランスの二次コイルから交流電力を出力すること
を特徴とする。

【００１５】この電源装置では、請求項１または２記載
の電源装置と同様にして変換効率を向上させることがで
きる。この場合、この電源装置では、第２の閉ループ回
路内に接続されているトランスの一次コイルに流れる電
流によって２次コイルに交流電圧または交流電力が誘起
されるため、第２の閉ループ回路と絶縁された回路に交
流電力を容易に出力することができる。

【００１６】請求項６記載の電源装置は、請求項１から
５のいずれかに記載の電源装置において、第１の閉ルー
プ回路は、直流電源から流れ込む電流を所定値に制限す
る電流制限手段を備えていることを特徴とする。

【００１７】この電源装置では、第１の閉ループ回路が
形成される際に、電流制限手段が、直流電源から容量性
素子および誘導性素子のいずれか一方の素子に流れ込む
電流値を所定値に制限する。このため、その素子に電荷
を蓄積するための時間と、第２の閉ループ回路の回路周
波数とを別個独立して設定することができるので、回路
設計を容易にすることができる。

【００１８】請求項７記載の電源装置は、請求項６記載
の電源装置において、電流制限手段は、チョークコイル
であることを特徴とする。

【００１９】この電源装置では、第１の閉ループ回路が
形成される際にいずれか一方の素子に流れる電流を制限
する手段がチョークコイルであるため、その流れる電流
に起因するロスを阻止する。

【００２０】請求項８記載の電源装置は、請求項１から
７のいずれかに記載の電源装置において、交流電力を整
流・平滑して直流電力に変換する整流・平滑手段を備え
ていることを特徴とする。

【００２１】この電源装置では、整流・平滑手段によっ
て交流電力が直流電力に変換されるので、効率の良い直
流−直流コンバーターが提供される。

【００２２】請求項９記載の電源装置は、請求項１から
８のいずれかに記載の電源装置において、交流電力の電
圧値および電流値の少なくとも一方を検出する検出手段
を備え、スイッチ制御手段は、検出手段の検出値に基づ
いて第１のスイッチ手段を作動させることを特徴とす
る。

【００２３】この電源装置では、第２の閉ループ回路内
の電荷が交流電力として負荷によって消費された場合に
は、第２の閉ループ回路から出力される交流電力の電圧
値または電流値が低下する。この場合、検出部が、それ
を検出し、スイッチ制御手段が、検出値に基づいて第１
のスイッチ手段を作動させる。これにより、第１の閉ル
ープ回路内に新たなエネルギーが蓄積され、第２のスイ
ッチ手段が作動することにより、新たなエネルギーに基
づく交流電力が出力される。このように、出力される交
流電力の電圧値または電流値に応じて、第１の閉ループ
回路内に直流電源の電荷に基づくエネルギーを自動的に
蓄積することができる。

【００２４】請求項１０記載の電源装置は、請求項８記
載の電源装置において、直流電力の電圧値および電流値
の少なくとも一方を検出する検出手段を備え、スイッチ
制御手段は、検出手段の検出値に基づいて第１のスイッ
チ手段を作動させることを特徴とする。

【００２５】この電源装置では、請求項９記載の電源装
置とほぼ同様にして、第１の閉ループ回路内に直流電源
の電荷に基づくエネルギーを自動的に蓄積することがで
きる。この場合、この電源装置では、ＤＣ／ＤＣコンバ
ータを構成するための整流・平滑手段を備えているた
め、その出力を検出すればよい。この結果、検出手段自
体の構成は、請求項９記載の電源装置と比較して簡易に
なる。

【００２６】請求項１１記載の電源装置は、請求項５に
それぞれ記載の第１のスイッチ手段によって形成される
第１の閉ループ回路と第２のスイッチ手段によって形成
される第２の閉ループ回路との組を複数備える閉ループ
回路群と、閉ループ回路群における第１および第２のス
イッチ手段を交互に作動させるスイッチ制御手段とを備
え、閉ループ回路群の各トランスの二次コイルは、環状
結線および星状結線のいずれかに接続されて交流電力を
出力するように構成され、スイッチ制御手段は、少なく
とも複数の組のそれぞれの第２のスイッチ手段の作動タ
イミングを互いにシフトすることを特徴とする。

【００２７】この電源装置では、例えば、３つの第２の
閉ループ回路からそれぞれ出力される交流電力を用いる
ことにより、直流電力から三相交流電力に変換すること
ができる。このため、三相交流を三相モータなどに直接
供給することができる。

【００２８】請求項１２記載の電源装置は、請求項１１
記載の電源装置において、結線された各二次コイルに接
続されて交流電力を整流するための整流手段をさらに備
えていることを特徴とする。

【００２９】この電源装置では、複数の第２の閉ループ
回路からそれぞれ出力された交流電力が整流手段によっ
て整流されて直流電力が生成される。この場合、各組に
おけるそれぞれの第２のスイッチ手段の作動タイミング
がスイッチ制御手段によって互いにシフトされている。
これにより、回路周波数成分がリプル電圧として互いに
シフトされた状態で直流電力に重畳されるため、例え
ば、平滑用コンデンサなどによってそのリプル電圧を容
易に除去することができる。

【００３０】請求項１３記載の電源装置は、請求項１１
または１２記載の電源装置において、スイッチ制御手段
は、組の数で２πを除算した値の位相差で第２のスイッ
チ手段の作動タイミングを互いにシフトすることを特徴
とする。

【００３１】この電源装置では、直流電力が対称多相式
交流電力に変換される。また、この場合、整流手段によ
って整流された直流電力に重畳されたリプル電圧の成分
は、組の数で２πを除算した値の位相差毎に平均して現
れる。このため、例えば、組の数を多くすれば、平滑用
コンデンサを省略してそのまま直流電力として負荷に供
給することができる。また、組の数を少なくしても、小
容量の平滑用コンデンサによって容易にリプル電圧を除
去することができるため、装置の小型化を図ることがで
きる。

【００３２】請求項１４記載の電源装置は、請求項１１
から１３のいずれかに記載の電源装置において、交流電
力の電圧値および電流値の少なくとも一方を検出する検
出手段を備え、スイッチ制御手段は、検出手段の検出値
に基づいて閉ループ回路群の各第１のスイッチ手段を作
動させることを特徴とする。

【００３３】この電源装置では、請求項９記載の電源装
置とほぼ同様にして、各第１の閉ループ回路内に直流電
源の電荷に基づくエネルギーをそれぞれ自動的に蓄積す
ることができる。

【００３４】請求項１５記載の電源装置は、請求項１か
ら１４のいずれかに記載の電源装置において、スイッチ
制御部は、第１のスイッチ手段の作動時間と第２のスイ
ッチ手段の作動時間とのデューティ比を変化させること
を特徴とする。

【００３５】この電源装置では、スイッチ制御部が、第
１およびスイッチ手段の作動周期を固定にしたままで、
第１のスイッチ手段の作動時間を変化させる。これによ
り、出力する交流電力量を自由に制御することができ
る。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係る電源装置の好適な実施の形態について説明す
る。

【００３７】最初に、図１を参照して、具体的な電源装
置の回路について説明する。同図は、電源装置１のブロ
ック図を示しており、電源装置１は、直流電源２、トラ
ンス３、電荷蓄積用コンデンサ（容量性素子）４、ＦＥ
Ｔ（第１のスイッチ手段、第２のスイッチ手段）５，
６、ダイオード（逆流電流阻止手段）７、ダイオードブ
リッジ（整流手段）８、平滑用コンデンサ（平滑手段）
９、制御部（スイッチ制御手段）１０および抵抗１１〜
１４を備えている。

【００３８】この電源装置１では、制御部１０から制御
信号ＶCont１が出力されると、ＦＥＴ６がオンし、直流
電源２、トランス３の一次コイル３ａ、電荷蓄積用コン
デンサ４、ダイオード７およびＦＥＴ６の直列回路で構
成される電荷蓄積用の閉ループ回路（第１の閉ループ回
路）が形成される。この閉ループ回路では、電荷蓄積用
コンデンサ４に直流電源２からの電流が入力されて、そ
こに電荷が蓄積される。なお、電荷蓄積用コンデンサ４
に入力される電流値は、トランス３の一次コイル（誘導
性素子）３ａのインダクタンス値によって所定値に制限
されている。一方、制御部１０から制御信号ＶCont１の
出力が停止されると、ＦＥＴ６がオフし、電荷蓄積用の
閉ループ回路が、電荷蓄積用コンデンサ４に電荷が蓄積
された状態で開ループ回路になる。

【００３９】その後、制御部１０から制御信号ＶCont２
が出力されると、ＦＥＴ５がオンし、トランス３の一次
コイル３ａ、電荷蓄積用コンデンサ４およびＦＥＴ５の
直列回路で構成される電荷放出用の閉ループ回路（第２
の閉ループ回路）が新たに形成される。この閉ループ回
路では、トランス３の一次コイルと電荷蓄積用コンデン
サ４とで直列共振回路が形成されており、電荷蓄積用コ
ンデンサ４の電荷が蓄積されている端子４ａから他の一
の端子４ｂに向かって電荷が移動する。一方、端子４ｂ
に電荷が移動すると、逆に端子４ａに向かって電荷が移
動する。これらの動作が次々と繰り返されることによ
り、トランス３の一次コイル３ａに電流が流れ、この電
流によって誘起された誘起電圧または誘起電流である交
流信号がトランス３の二次コイル３ｂに現れる。この交
流信号は、ダイオードブリッジ８によって整流されると
共に平滑用コンデンサ９によって平滑されることによっ
て直流電力に変換される。このように、制御部１０が制
御信号ＶCont１およびＶCont２を所定の周期で繰り返し
て出力することにより、直流−交流インバータ装置が実
現される。なお、電荷放出用の閉ループ回路の回路周波
数は、主にトランス３の一次コイル３ａのインダクタン
ス値と電荷蓄積用コンデンサ４の容量値とに基づいて定
められ、かつ、制御信号ＶCont１およびＶCont２が出力
される繰り返し周波数よりも高い周波数になるように決
められている。また、制御信号ＶCont１およびＶCont２
の繰り返し周波数は常に一定でなくてもよく、制御部１
０が、直流電力または交流電力の電圧または電流に基づ
く検出電圧（検出値）を検出し、検出電圧が所定の基準
電圧よりも上昇した時に、制御信号ＶCont２の出力を停
止することによってトランス３で伝達する交流電力を制
限するように構成してもよい。

【００４０】次に、図４を参照して、電源装置１のより
具体的な動作について説明する。制御信号ＶCont１が制
御部１０から出力されると、ＦＥＴ５がオンする（同図
（ａ）の符号１５参照）。この状態では、電荷蓄積用の
閉ループ回路が形成され、電荷蓄積用コンデンサ４の端
子４ｂに対する端子４ａの電圧（以下、「両端電圧」と
いう）は、同図（ｃ）に示すように、直流電源２の電源
電圧Ｖinを超えた電圧まで上昇する。この場合、電荷蓄
積用コンデンサ４の両端電圧がＶinよりも高くなるの
は、電荷蓄積用の閉ループ回路が、トランス３の一次コ
イル３ａと電荷蓄積用コンデンサ４との直列共振回路を
形成しているためであり、理論的には、電圧Ｖinの２倍
にまで上昇する。しかし、トランス３の二次コイル側に
おける負荷や電荷蓄積用の閉ループ回路の負荷Ｑによっ
て、実際には、両端電圧は、電圧Ｖinの２倍以下にな
る。

【００４１】なお、この電源装置１では、両端電圧が電
圧Ｖinよりも高くなっても、ダイオード７が電流の逆流
を阻止するため、端子４ａから直流電源２側には電流が
流れず、このため、電荷蓄積用コンデンサ４は、その高
い電圧が両端に印加された平衡状態を維持する。また、
この電荷蓄積動作においては、電荷蓄積用コンデンサ４
に電流が流れているときに、トランス３の二次コイル３
ｂの両端に、電荷蓄積用コンデンサ４とトランス３の一
次コイル３ａの時定数に主に基づく回路周波数の１／２
周期分に相当する波形（同図（ｄ）の符号１６参照）が
現れ、電流が流れていない平衡状態では、二次コイル３
ｂの両端には、電圧は現れない。具体的には、充電の開
始時には、急峻な立ち上がり電圧が二次コイル３ｂに現
れ、その電圧値は徐々に低下する。次いで、電荷蓄積用
コンデンサ４に電荷が蓄積されて両端電圧が電圧Ｖinに
なると、直流電源２の直流電圧とコンデンサ４の両端電
圧とが等しくなるので、二次コイル３ｂの両端の電圧は
０Ｖになる。しかし、この状態では、トランス３の一次
コイル３ａに未だ電流が流れてエネルギーが蓄積されて
いる状態になっているため、一次コイル３ａによる電流
を流そうとする作用によってそのエネルギーが消滅する
まで電流が流れる。これにより、二次コイル３ｂの両端
に負電圧が現れる。そして、電荷蓄積用コンデンサ４に
流れる電流がまったくなくなり、一次コイル３ａのエネ
ルギーが消滅し、充電電荷量が最大になった時に、二次
コイル３ｂの両端電圧は０Ｖになる。

【００４２】次に、制御信号ＶCont１の出力が停止さ
れ、制御部１０から制御信号ＶCont２が出力されると、
ＦＥＴ５がオンする（同図（ｂ）の符号１７参照）。こ
の状態では、電荷放出用の閉ループ回路が形成され、閉
ループ回路は、トランス３の一次コイル３ａのインダク
タンスと電荷蓄積用コンデンサ４のキャパシタンスに基
づく共振回路を形成している。このため、電荷蓄積用コ
ンデンサ４の端子４ａから端子４ｂに向かって回路周波
数の波形に応じた電流が流れ始める。具体的には、端子
４ａから端子４ｂに向かって電流が流れ、両端電圧が０
Ｖになった状態でも、トランス３の一次コイル３ａには
未だ電流が流れてエネルギーが蓄積されている状態にな
っているため、一次コイル３ａによる電流を流そうとす
る作用によってそのエネルギーが消滅するまで電流が流
れる。これにより、端子４ｂ側の電圧が端子４ａ側の電
圧よりも高くなる。端子４ｂに電流が流れ終わると、逆
に端子４ａに向かって電流が流れ始め、最終的には、す
べての電荷が端子４ａに向かって移動する。閉ループ回
路では、これらの共振動作が繰り返される。この際、ト
ランス３の二次コイルには、同図（ｃ）の符号１８で示
すような交流電流が流れ、この交流電流が交流電力とし
て二次コイル３ｂから出力される。この交流電力は、ダ
イオードブリッジ８により整流されると共に平滑用コン
デンサ９によって平滑されて直流電力になる。

【００４３】このように、ＦＥＴ５がオンしている期間
に、電荷放出用の閉ループ回路で共振している電力に基
づく交流電力が、少なくとも１周期分以上、トランス３
の二次コイルから出力される。これは、制御信号ＶCont
１の出力時間とＶCont２の出力時間との和で表される１
周期において、ＦＥＴ５が１回スイッチングする１周期
の間に、およそ共振周波数と等しい周波数である回路周
波数の交流電力が１周期以上出力されることを意味す
る。このため、従来のスイッチング電源装置がスイッチ
ング周波数の１周期分に相当する交流電力を出力する場
合に、常に１回のスイッチングを行って１回のスイッチ
ングロスを生じるのに対し、この電源装置１では、１回
のスイッチングロスを生じる間に、回路周波数の交流電
力を１周期以上出力することができる。この結果、ＦＥ
Ｔ５が作動する１周期内に、例えば回路周波数のＮ周期
以上を出力すれば、スイッチングロスは、１／Ｎ以下に
なることを意味し、スイッチングロスを従来のスイッチ
ング電源装置に比べて大幅に低下させることができ、こ
れにより変換効率を向上させることができる。

【００４４】また、電荷放出用の閉ループ回路が直列共
振回路を形成しているため、閉ループ回路内で流れる電
流は正弦波の共振波形になっており、このため、トラン
ス３におけるコアロスを低下させることができると共
に、ノイズの発生を極めて低下させることができる。さ
らに、電荷放出用の閉ループ内の回路周波数を高くする
ことにより、トランス３の一次コイル３ａのインダクタ
ンス値を小さくすることができ、この結果、トランスの
小型化を図ることができる。また、ＦＥＴ５，６は、オ
ンからオフ、およびオフからオンに変化する過渡期にお
いて、これらに印加される電圧または電流が値０または
値０に極めて近いレベルにある状態、いわゆるゼロボル
トまたはゼロアンペアスイッチングで作動する。このた
め、従来のパルス電圧・電流のスイッチングレギュレー
タのスイッチング動作と比べて、１回のスイッチングで
発生するスイッチングロスを小さくすることができる。
また、電荷放出用の閉ループ回路内にトランス３を使用
することによって、二次回路としてのダイオードブリッ
ジ８と一次回路としての直流電源２とを容易に絶縁する
ことができる。

【００４５】また、この電源装置１では、ＦＥＴ６が作
動しているときに、電荷放出用の閉ループ回路内での電
流の流れの向きがダイオード７によって一方向のみに定
められているので、電荷蓄積用コンデンサ４とトランス
３の一次コイル３ａとの直列共振回路によって、電荷蓄
積用コンデンサ４の両端電圧が理論的には直流電源２の
電源電圧Ｖinの２倍になる。この結果、ＦＥＴ５によっ
て電荷放出用の閉ループ回路が形成されたときに共振す
る電力が大きくなり、より大きな交流電力を出力するこ
とができる。

【００４６】なお、図５には、図１におけるダイオード
７を短絡した（ダイオード７を省略したことと等価であ
る）場合の図４に対応する各部の信号波形をそれぞれ示
している。この場合、電荷蓄積用コンデンサ４に蓄積さ
れる電荷量が最大になると、電荷蓄積用コンデンサ４の
端子４ａの両端電圧が電源電圧Ｖinよりも高くなるの
は、ダイオード７が接続されている場合と同じである。
しかし、この場合には、同図（ｃ）の符号１９で示すよ
うに、電荷蓄積用コンデンサ４の端子４ａから直流電源
２を介して端子４ｂに向かって電流が流れる。そして、
端子４ｂに電荷が蓄積されると、逆に、端子４ａに向か
って再び電流が流れ、これらの動作が繰り返し行われ
る。この場合の繰り返し周波数は、トランス３の一次コ
イル３ａのインダクタンスと電荷蓄積用コンデンサ４の
キャパシタンスの直列共振回路の共振周波数とほぼ等し
い。そして、トランス３の二次コイル３ｂには、この共
振周波数とほぼ等しい周波数の交流電力が現れる。この
ように、ダイオード７を短絡した場合には、電荷放出用
の閉ループ回路が形成されている時のみならず、電荷蓄
積用の閉ループ回路が形成されている時にも、交流電力
を出力することが可能になる。

【００４７】さらに、制御部１０は、ＦＥＴ５，６がそ
れぞれ作動する時間の１周期を変化させずに、それらの
作動時間のデューティ比を変化させることができる。こ
の場合には、出力する交流電力量を自由に制御すること
ができる。

【００４８】次に、電源装置１の変更実施形態につい
て、図６，７を参照して説明する。同図に示すように、
この電源装置３１は、基本的には、図１における電源装
置１の電荷蓄積用の閉ループ回路と電荷放出用の閉ルー
プ回路の組を３つ備えているもの（閉ループ回路群に相
当する）であって、制御信号ＶCont1 およびＶCont2 の
位相を１２０度ずつシフトすることによって、整流回路
の構成を簡易にしている。つまり、ダイオードブリッジ
３２から出力される直流電力のリプル電圧のピークツー
ピーク値を小さくし、これにより整流用コンデンサ３３
の容量値を小さくしたりなくしたりすることが可能にな
っている。なお、同図に示す構成要素のうち電源装置１
の構成要素と同一のものについては同一の符号を使用
し、その説明を省略する。

【００４９】電源装置３１は、各トランス３の二次コイ
ル３ｂが環状接続されて閉ループ回路を形成すると共に
各二次コイル３ｂの各接続点がダイオードブリッジ（整
流手段）３２の各ダイオードのアノードにそれぞれ接続
されている。この電源装置３１では、３つの電荷放出用
の閉ループ回路からそれぞれ出力された交流電力がダイ
オードブリッジ３２によって整流されて直流電力が生成
される。この場合、各組におけるそれぞれのＦＥＴ５，
６の作動タイミングが、図７に示すように、制御部１０
によって１２０゜ずつシフトされている。この結果、コ
ンデンサ３３を取り除いたときのダイオードブリッジ３
２の出力には、図８に示すような直流電圧が出力され
る。この直流電圧は、電荷放出用の閉ループ回路におけ
る直列共振回路の回路周波数成分が１２０゜ずつシフト
されたリプル電圧が重畳されている。リプル電圧をさら
に減少させる場合、リプル周波数が高くリプル電流も小
さいため、小容量の平滑用コンデンサを出力端子間に並
列接続することにより、リプル電圧を容易に除去するこ
とができる。このため、電源装置３１を小型化すること
ができると共に、小容量の平滑用コンデンサを使用すれ
ばよいので装置のコストダウンを図ることができる。

【００５０】さらに、３つのトランス３，３，３を一体
的に、つまり、３つの一次コイル３ａおよび二次コイル
３ｂを１つのコアに同時に巻き回して一体的に製造する
ことによって、トランスの製造コストをよりコストダウ
ンすることができる。なお、多少のリプル電圧が問題と
されない場合には、コンデンサ３３を省略することもで
き、この場合には、電源装置のさらなる小型化を図るこ
とができる。なお、この実施形態では、３つの組を有す
る例について説明したが、４つ以上の組で構成すること
もできる。かかる場合には、制御部１０は、制御信号Ｖ
Cont１およびＶCont２を、組の数で２πを除算した値の
位相差毎に出力すればよい。組の数を多く構成した場
合、平滑用コンデンサ３３を不要にすることができ、そ
のまま直流電力として負荷に供給することができる。さ
らに、ダイオードブリッジ３２を使用しないで、直流−
交流変換装置として用いることもできる。また、各二次
コイル３ｂは星状に結線してもよい。

【００５１】さらに、本発明に係る電源装置は、その構
成を適宜変更することができる。例えば、図２，３，お
よび９〜１５に他の実施形態を示す動作原理図を示す。
なお、この場合、図１におけるＦＥＴ５，６は等価回路
としてのスイッチ４１，４２でそれぞれ表し、制御部１
０はその記載を省略してある。また、トランス３も等価
回路としてのコイル４３で表しているが、本発明は、交
流電力出力伝達手段として、トランスを用いずに、コイ
ルを用いてその両端から交流電力を取り出すように構成
することができる。また、電荷蓄積用コンデンサ４の両
端からも交流電力を取り出すように構成することができ
る。ただし、交流電力のみを出力するためには、図９に
示すように、コンデンサ４７を介して取り出すことが好
ましい。さらに、図１においては、トランス３の一次コ
イル３ａによって電荷蓄積用コンデンサ４に電荷を蓄積
する際の電流制限を行っているが、これに限らず、電流
制限用コイルを別個独立して設けてもよく、この場合の
電流制限用コイルを符号４４で表している。この場合に
は、電荷蓄積用の素子に電荷を蓄積するための時間と、
電荷放出用の閉ループ回路の回路周波数とを別個独立し
て設定することができるので、回路設計を容易にするこ
とができいる。さらに、電流制限手段は、チョークコイ
ルに限定されず、抵抗などであってもよい。ただし、電
荷蓄積のために流れる電流に起因するロスを少なくする
ためには、チョークコイル（誘導性素子）であることが
好ましい。また、逆流素子用のダイオード７を設けるの
は任意であり、設ける場合にはその機能が発揮できる任
意の場所に接続することができる。これらの他の実施形
態においても、図１における実施形態に係る電源装置１
と同じように直流電力を交流電力に変換することができ
る。

【００５２】さらに、図１０に示すように、コイル４３
に直流電源２に基づくエネルギーを蓄積する場合には、
スイッチ４２をオフにした時に、コイル４３には電流が
継続して流れ続けようとするためにコイル４３の両端に
極めて大きな電圧が発生する。このため、スイッチ４２
をオフにした時にコイル４３に流れている電流、つまり
コイル４３に蓄積されているエネルギーをエネルギー蓄
積手段に移動させる必要がある。したがって、同図に示
すように、ダイオード（電流制御手段）４８をスイッチ
４１に並列接続することにより、スイッチ４２がオフに
なった時にコイル４３、コンデンサ４およびダイオード
４８の閉ループ回路が形成されるため、ダイオード４８
は、コイル４３に流れている電流の向きと同じ向きでエ
ネルギー蓄積手段としてのコンデンサ４に電流を流れ込
ませる。この結果、コイル４３に蓄積されているエネル
ギーがコンデンサ４に蓄積される。その後、スイッチ４
１がオンしたときに、電荷放出用の閉ループ回路が形成
されてコイル４３とコンデンサ４との直列共振回路が形
成される。また、ダイオード４８は、同時に、スイッチ
４２が作動した時に、直流電源２からの電流がコンデン
サ４に流れ込むのを防止している。さらに、図１１に示
すように、ダイオード４８とスイッチ４１を、制御信号
ＶCont２に基づいて作動するＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥ
Ｔ４９によって一体的に構成することができる。つま
り、ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４９自身が有している
内部ダイオードがダイオード４８として機能し、Ｎチャ
ンネルＭＯＳ−ＦＥＴ４９のスイッチング動作がスイッ
チ４１を構成する。この場合には、電荷放出用の閉ルー
プ回路を簡易に構成することができる。

【００５３】

【発明の効果】以上のように本発明に係る電源装置によ
れば、スイッチ制御手段によって第２のスイッチ手段が
作動されたときに、第２の閉ループ回路が、直列共振回
路の共振に基づく正弦波の交流電力を１周期分以上出力
するため、１回のスイッチングロスを生じる間に、回路
周波数の１周期以上に相当する交流電力を出力すること
ができる。この結果、スイッチングロスを従来のスイッ
チング電源装置に比べて低下させることができ、これに
より、変換効率を向上させることができる。また、第２
の閉ループ回路における共振周波数および固有周波数
が、第１、第２のスイッチ手段のスイッチング周波数よ
りも高い周波数であるため、第２の閉ループ回路内の誘
導性素子を小型化することができる。さらに、第２の閉
ループ回路において誘導性素子を流れる電流波形が直列
共振回路によって正弦波に維持されるので、高調波成分
が極めて少なく、この結果、誘導性素子のコアロスやノ
イズの発生を殆どなくすことができる。

【００５４】また、第１の閉ループ回路に、直流電源へ
の電流の逆流を阻止する逆流電流阻止手段を設けたこと
により、第１のスイッチ手段が作動しているときに、第
１の閉ループ回路内での電流の流れの向きが一方向のみ
に定められることになる。このため、第１の閉ループ回
路内に容量性素子と誘導性素子との直列共振回路が形成
される場合に、容量性素子に蓄積される電荷に基づく電
圧が理論的には直流電源の電源電圧の２倍になる。この
結果、第２のスイッチ手段によって第２の閉ループ回路
が形成されたときに共振する電力が大きくなり、より大
きな交流電力を出力することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係る電源装置のブロック図
である。

【図２】本発明の他の実施形態に係る電源装置の動作原
理図である。

【図３】本発明の他の実施形態に係る電源装置の動作原
理図である。

【図４】本発明の実施形態に係る電源装置の動作を説明
するための各部の信号波形図であり、（ａ）はＦＥＴ６
の動作タイミングを、（ｂ）はＦＥＴ５の動作タイミン
グを、（ｃ）は電荷蓄積用コンデンサ４の両端電圧波形
を、（ｄ）はトランス３の二次コイル３ｂの両端の電圧
をそれぞれ示している。

【図５】本発明の実施形態に係る電源装置においてダイ
オード７を短絡したときの動作を説明するための各部の
信号波形図であり、（ａ）はＦＥＴ６の動作タイミング
を、（ｂ）はＦＥＴ５の動作タイミングを、（ｃ）は電
荷蓄積用コンデンサ４の両端電圧波形を、（ｄ）はトラ
ンス３の二次コイル３ｂの両端の電圧をそれぞれ示して
いる。

【図６】本発明の変更実施形態に係る電源装置のブロッ
ク図である。

【図７】本発明の他の実施形態に係る電源装置における
制御信号の出力タイミング図である。

【図８】本発明の他の実施形態に係る電源装置の出力波
形図である。

【図９】本発明の他の実施形態に係る電源装置の動作原
理図である。

【図１０】本発明の他の実施形態に係る電源装置の動作
原理図である。

【図１１】図１０におけるダイオードおよびスイッチを
ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴで一体的に構成した電源装
置の動作原理図である。

【図１２】本発明の他の実施形態に係る電源装置の動作
原理図である。

【図１３】本発明の他の実施形態に係る電源装置の動作
原理図である。

【図１４】本発明の他の実施形態に係る電源装置の動作
原理図である。

【図１５】本発明の他の実施形態に係る電源装置の動作
原理図である。

【図１６】従来の電源装置の回路図である。

【符号の説明】

１電源装置２直流電源３トランス３ａ一次コイル３ｂ二次コイル４電荷蓄積用コンデンサ５ＦＥＴ６ＦＥＴ７ダイオード８ダイオードブリッジ９平滑用コンデンサ１０制御部３１電源装置３２ダイオードブリッジ４１スイッチ４２スイッチ４３コイル４４コイル４８ダイオード４９ＮチャンネルＭＯＳ−ＦＥＴ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/48 H02M 3/28 H02M 3/335 H02M 7/538

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】直流電源に接続可能な容量性素子と、少
なくとも当該容量性素子と前記直流電源とを直列接続し
た第１の閉ループ回路を形成するための第１のスイッチ
手段と、少なくとも前記容量性素子と誘導性素子との直
列共振回路を含む第２の閉ループ回路を形成するための
第２のスイッチ手段と、前記第１および第２のスイッチ
手段を交互に作動させるスイッチ制御手段とを備え、前記第２のスイッチ手段が作動したときに形成される前
記第２の閉ループ回路は、前記直列共振回路の共振に基
づく正弦波の交流電力を１周期分以上出力することを特
徴とする電源装置。
【請求項２】直流電源に接続可能な誘導性素子と、少
なくとも当該誘導性素子と前記直流電源とを直列接続し
た第１の閉ループ回路を形成するための第１のスイッチ
手段と、少なくとも前記誘導性素子と容量性素子との直
列共振回路を含む第２の閉ループ回路を形成するための
第２のスイッチ手段と、当該第２のスイッチ手段に並列
接続され前記第１のスイッチ手段が作動したときに前記
直流電源の直流電流の前記容量性素子への流入を阻止す
ると共に前記第１のスイッチ手段が作動停止したときに
前記誘導性素子に蓄積されているエネルギーを前記容量
性素子に移動させる電流制御手段と、前記第１および第
２のスイッチ手段を交互に作動させるスイッチ制御手段
とを備え、前記第２のスイッチ手段が作動したときに形成される前
記第２の閉ループ回路は、前記直列共振回路の共振に基
づく正弦波の交流電力を１周期分以上出力することを特
徴とする電源装置。
【請求項３】少なくとも誘導性素子と容量性素子とか
ら形成され直流電源に接続可能な直列共振回路と、当該
直列共振回路と前記直流電源とを直列接続した第１の閉
ループ回路を形成するための第１のスイッチ手段と、少
なくとも前記直列共振回路を含む第２の閉ループ回路を
形成するための第２のスイッチ手段と、前記第１および
第２のスイッチ手段を交互に作動させるスイッチ制御手
段とを備え、前記第２のスイッチ手段が作動したときに形成される前
記第２の閉ループ回路は、前記直列共振回路の共振に基
づく正弦波の交流電力を１周期分以上出力することを特
徴とする電源装置。
【請求項４】前記第１の閉ループ回路は、前記直流電
源への電流の逆流を阻止する逆流電流阻止手段を備えて
いることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載
の電源装置。
【請求項５】前記誘導性素子はトランスの一次コイル
であって、前記第２の閉ループ回路は、前記トランスの
二次コイルから前記交流電力を出力することを特徴とす
る請求項１から４のいずれかに記載の電源装置。
【請求項６】前記第１の閉ループ回路は、前記直流電
源から流れ込む電流を所定値に制限する電流制限手段を
備えていることを特徴とする請求項１から５のいずれか
に記載の電源装置。
【請求項７】前記電流制限手段は、チョークコイルで
あることを特徴とする請求項６記載の電源装置。
【請求項８】前記交流電力を整流・平滑して直流電力
に変換する整流・平滑手段を備えていることを特徴とす
る請求項１から７のいずれかに記載の電源装置。
【請求項９】前記交流電力の電圧値および電流値の少
なくとも一方を検出する検出手段を備え、前記スイッチ
制御手段は、前記検出手段の検出値に基づいて前記第１
のスイッチ手段を作動させることを特徴とする請求項１
から８のいずれかに記載の電源装置。
【請求項１０】前記直流電力の電圧値および電流値の
少なくとも一方を検出する検出手段を備え、前記スイッ
チ制御手段は、前記検出手段の検出値に基づいて前記第
１のスイッチ手段を作動させることを特徴とする請求項
８記載の電源装置。
【請求項１１】請求項５にそれぞれ記載の前記第１の
スイッチ手段によって形成される前記第１の閉ループ回
路と前記第２のスイッチ手段によって形成される前記第
２の閉ループ回路との組を複数備える閉ループ回路群
と、当該閉ループ回路群における前記第１および第２の
スイッチ手段を交互に作動させるスイッチ制御手段とを
備え、前記閉ループ回路群の前記各トランスの二次コイ
ルは、環状結線および星状結線のいずれかに接続されて
交流電力を出力するように構成され、前記スイッチ制御
手段は、少なくとも前記複数の組のそれぞれの前記第２
のスイッチ手段の作動タイミングを互いにシフトするこ
とを特徴とする電源装置。
【請求項１２】前記結線された各二次コイルに接続さ
れて前記交流電力を整流するための整流手段をさらに備
えていることを特徴とする請求項１１記載の電源装置。
【請求項１３】前記スイッチ制御手段は、前記組の数
で２πを除算した値の位相差で前記第２のスイッチ手段
の作動タイミングを互いにシフトすることを特徴とする
請求項１１または１２記載の電源装置。
【請求項１４】前記交流電力の電圧値および電流値の
少なくとも一方を検出する検出手段を備え、前記スイッ
チ制御手段は、前記検出手段の検出値に基づいて前記閉
ループ回路群の各第１のスイッチ手段を作動させること
を特徴とする請求項１１から１３のいずれかに記載の電
源装置。
【請求項１５】前記スイッチ制御部は、前記第１のス
イッチ手段の作動時間と前記第２のスイッチ手段の作動
時間とのデューティ比を変化させることを特徴とする請
求項１から１４のいずれかに記載の電源装置。