JP3415280B2 - 電源装置 - Google Patents

電源装置

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JP3415280B2
JP3415280B2 JP19157394A JP19157394A JP3415280B2 JP 3415280 B2 JP3415280 B2 JP 3415280B2 JP 19157394 A JP19157394 A JP 19157394A JP 19157394 A JP19157394 A JP 19157394A JP 3415280 B2 JP3415280 B2 JP 3415280B2
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泰史 川路
大輔 吉田
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、電源装置に関し、特
に、電源を開閉することにより電源電圧を制御し平滑回
路を用いて安定した出力電圧を得るようにしたスイッチ
ング電源の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】図9は電源回路の基本構成である。
【0003】図9においてコイルLはエネルギーを蓄え
ると同時に出力の変動を抑える働きをしている。すなわ
ち、コイルLはエネルギーの一時滞留場所として働き、
スイッチSwがONのときはコイルLを通じてエネルギ
ーが電流として出力されると共に、コンデンサCに電荷
としてエネルギーが蓄積され、スイッチSwがOFFの
ときは蓄積されたエネルギーがコイルLおよびコンデン
サCより電流として出力される。
【0004】この動作が完全に実現されるためには、コ
イルLの動作点は電流の変化時点で十分なインダクタン
スを有しなくてはならない。すなわちコイルL内を通過
する電流に見合ったコイルL内の磁束の変化が必要にな
る。
【0005】負荷Zに供給される電流iは、 i=IL +C・dVOUT /dt (1) この式(1)は平滑回路の基本原理を示し、負荷Zに一
定電流iが供給されているとき、この電流iはコイルL
から供給される電流IL とコンデンサCの充放電電流C
・dVOUT /dtとの合成電流である。
【0006】 IL =IL0+(1/L)・∫[VB −VOUT ]dt (2) 式(2)はスイッチSwがONのとき電流IL の変化を
示す。電流IL はその初期値IL0に対して電源電圧VB
と出力電圧VOUT の差によって増加することを示してい
る。
【0007】 IL =IL0−(1/L)・∫[VOUT ]dt (3) 式(3)はスイッチSwがOFFのとき電流IL の変化
を示す。電流IL はその初期値IL0に対して、入力電圧
が0VでコイルLが端子電圧VOUT のコンデンサCを充
電しつつその電流を減じていくことを示している。
【0008】式(2)及び(3)から分かるように電流
L の変化分はコイルLのインダクタンスLに逆比例す
るので、コイルLのインダクタンスLが大きいほどIL
の時間的な変化が小さくなる。さらに式(1)を含めて
考えると、IL の時間的な変化が小さくなるとコンデン
サCの端子電圧の変化を抑えることができることにな
る。従って、コイルLのインダクタンスは使用される電
流IL の変化幅内で許されるかぎり大きなものであるこ
とが要求される。
【0009】図10はコイルLでの磁気特性の挙動を示
したものである。コイル電流IL がその変化分ΔIL
けの繰り返し変化動作を行ったとき、コイルLの総磁束
ΦLはΔΦL (ΔΦL =L・ΔIL )だけ変化すること
を示している。ILMAXはコイルLの動作電流が増加して
コイルの飽和限界点に達したときのコイル電流IL を示
している。もしコイル電流IL がこのILMAXよりも更に
増加したときは電流の変化分ΔIL に見合うだけの磁束
の変化分ΔΦL が得られなくなり、この領域ではコイル
インダクタンスLが極めて小さくなる(磁気飽和)。従
ってILMAX以上に電流を流すとコイルインダクタンスL
が小さくなり、式(2)及び(3)から明らかなように
コイル電流IL に変動をきたし、これが、コンデンサ端
子電圧すなわち出力電圧VOUT の変動となる。このため
従来の電源回路では磁気飽和によって出力電流が制限さ
れる。
【0010】ここでコイルの飽和限界点電流ILMAXに対
するコイルLの総磁束をΦLMAXとすると、ΦLMAXはコイ
ルLの磁路構成によって決定される。従来の方法で同一
のインダクタンスでより大きな電流を取り扱うためには
磁路容積を増大させ、例えば磁芯を大きくして図11で
のILMAX1 からILMAX2 へのように飽和磁束を増大させ
る方法をとっていた。しかしこの様な方法ではコイルL
のコアを大型にしコイルLを高価なものにすることにな
る。
【0011】
【発明が解決しようとする課題】上述の如く従来の電源
装置では同一のインダクタンスでより大きな電流を取り
扱うためには磁路容積を増大させ、例えば磁芯を大きく
して飽和磁束を増大させる方法をとっていた。しかしこ
の様な方法はコイルを大型にしコイルを高価なものにす
る。
【0012】そこで本発明ではこの問題を解決して、比
較的小型なコイルを用いて、磁気飽和を引き起こすこと
なく効率良く電流を流すことができるようにし、電源装
置を小型軽量にすることを目的とする。
【0013】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成さるた
め、この発明のは、第1の電源と、磁芯を有するコイル
及びコンデンサの直列回路からなる平滑回路と、前記第
1の電源および前記平滑回路を含む閉回路を任意に決定
されたタイミングで開閉する手段を具備し、前記前記第
1の電源の電圧よりも低い電圧を前記コンデンサ両端か
ら出力する電源装置において、前記コイルの磁芯を前記
第1の電源より供給される電流によって誘起される磁束
の方向と逆方向に、永久磁石により磁気的にバイアスす
るとともに、前記永久磁石の前記磁芯に対する相対距離
を変えることで前記バイアス量を可変する磁気バイアス
手段を設けたことを特徴とする。
【0014】
【作用】この発明ではコイルの磁界にバイアスをかける
ことにより動作点をシフトする。これにより、見かけ上
の磁気飽和点をずらし、大きな通電電流に対しても磁芯
を飽和させること無くインダクタンスを確保できるよう
になり、必要な出力電流に比して小形のコイルを採用で
きることから、電源装置を小型軽量にすることができ
る。
【0015】
【実施例】以下、図面を参照してこの発明にかかる電源
装置について詳細に説明する。
【0016】図1は、この発明の電源装置に用いられる
コイルの第1の実施例を示したものである。
【0017】この第1の実施例では、コイルLに永久磁
石Mgにより電流を通じることによって発生する磁束方
向とは逆方向に磁気バイアスを掛けたものである。
【0018】この磁気バイアスの効果に付いて説明す
る。
【0019】図2は、直流磁気バイアスを加えたことに
よって発生する見掛けの磁気特性の変化量HOFFSETを示
したものである。この直流磁気バイアスはコイルLの磁
芯に、電流を通じることによって発生する磁束方向とは
逆方向にバイアスを掛けることによって発生させる。
【0020】このように、直流磁気バイアスを加えるよ
うにすると動作点をグラフ上で右のほうにシフトするこ
とになり、加えない場合の飽和限界点電流ILMAX1 より
もさらに大きな電流値ILMAX2 までコイルに電流を流し
ても当初の飽和限界点磁束ΦLMAXに達しない。このこと
は飽和限界点磁束ΦLMAXを増大させないで、すなわちイ
ンダクタとしての磁芯の容積をふやすことなく、このオ
フセット量で最大電流値ILMAXが決定できる。
【0021】このことはまた同一の出力電流iを得るた
めに必要とするコイルLの大きさが小さくて済むことに
なる。図3はこの事情を説明したものでコイル電流IL
としてIA の電流が必要な場合、電流IA による磁芯内
の磁束ΦA まで飽和しない磁芯特性が必要である。従来
の方法でこの特性を得ようとした場合には、磁芯として
ΦA から−ΦA までの広範囲に亙り磁束変化に対して飽
和しないもの、すなわち大型の磁芯が必要になる。
【0022】一方、本発明による磁気バイアスされた磁
芯を用いた場合には、磁気バイアスによりその動作点を
必要とする出力電流の変化範囲ΔIL に合わせて設定で
き、磁芯に要求される磁束の変化範囲はΦA からΦB
でですむ。これにより、磁芯として従来のものよりはる
かに小型のものを使用することができる。
【0023】動作点をシフトする方法として、本発明で
は、図1の第1の実施例のようにコイルLの磁芯に永久
磁石Mgを利用してバイアスを掛ける方法と、磁芯にバ
イアス用巻線を設け、このバイアス用巻線に電流を供給
することでバイアスを掛ける方法とを取っている。
【0024】図4は、この発明の電源装置用コイルの第
2の実施例を示したもので、コイルLの磁気バイアスの
発生源として副巻線Lsによる電磁石を用いたものであ
る。図では副巻線Lsは別コアに巻かれているが、コイ
ルLと同一コアに巻かれたものでも差し支えない。
【0025】図5は第3の実施例を示したもので図1に
示す第1の実施例の変形である。この例では、磁気バイ
アスを与えるために永久磁石Mgを用い、永久磁石Mg
とコイルL間の距離を設定できるようにした。これによ
りオフセット量、すなわち磁気バイアス量が任意に設定
でき、任意に出力電流範囲が設定できる。
【0026】図6は、第4の実施例で図4に示す第2の
実施例の変形である。図4の例ではバイアス磁界発生手
段として電磁石を用いている。この場合、目的コイルを
流れる電流の変化により、主/副巻線間に電磁誘導を生
じ、これに起因して副巻線に発生する誘導起電力により
この副巻線に流れる電流に変化が生じ、そのため発生す
る磁界が不安定になることがある。図6の例では磁気バ
イアスの発生源である副巻線Lsに定電流源を配して定
電流isを供給するようにする。この定電流isを任意
に設定することにより、主巻線を流れる電流の変化に影
響されない安定したオフセットを与えることができ、磁
気バイアス量が任意に設定でき、任意に出力電流範囲を
設定することができる。
【0027】図7は、図5の第3の実施例の変形であ
る。この例では電流検出回路2と永久磁石駆動回路3を
別に設け、出力電流iを検出してそれに応じてステージ
4を動かして永久磁石MgのコイルLに対する位置を変
え、永久磁石Mgによる磁気バイアス量を制御する。こ
れにより広範囲に出力電流iに対するコイルの動作点を
マッチングさせることができる。
【0028】図8は、図6に示す第4の実施例の変形
で、電流検出回路2と電流制御回路5を別に設け、出力
電流iを検出してそれに応じて副巻線Lsに流れる電流
を制御する。これにより広範囲に出力電流iに対するコ
イルの動作点をマッチングさせることができる。
【0029】
【発明の効果】以上説明したように本発明では、電源
と、この電源に接続される磁芯を有するコイル及びコン
デンサの直列回路からなる平滑回路と、電源および平滑
回路を含む閉回路を開閉するスイッチ手段とで構成さ
れ、スイッチ手段を任意に決定されたタイミングで開閉
することにより、電源電圧よりも低い安定電圧をコンデ
ンサ両端から出力する電源装置において、コイルの磁芯
を電源より供給される電流により誘起される磁束方向と
逆方向に磁気的にバイアスするようにする。
【0030】これにより、動作点がシフトし、見かけ上
の磁気飽和点をずらし、大きな通電電流においても磁芯
を飽和させること無くインダクタンスを確保できるよう
になり、必要とする電流に比べて小型のコイルを採用出
来ることから、電源装置を小型軽量にすることができ
る。
【0031】磁気バイアスは永久磁石または副巻線によ
って実現でき、永久磁石の場合はコアとの相対距離を、
副巻線の場合は副巻線を流れる電流を制御することによ
ってバイアス量を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の電源装置に用いられるコイルの第1の
実施例の構成図。
【図2】直流磁気バイアスを行った場合のコイルの磁気
特性の説明図。
【図3】直流磁気バイアスを行った場合のコイルの小形
化の説明図。
【図4】本発明の電源装置に用いられるコイルの第2の
実施例の構成図。
【図5】本発明の電源装置に用いられるコイルの第3の
実施例の構成図。
【図6】本発明の電源装置に用いられるコイルの第4の
実施例の構成図。
【図7】本発明の電源装置の第5の実施例のブロック
図。
【図8】本発明の電源装置の第5の実施例のブロック
図。
【図9】電源装置の従来例の基本構成を示すブロック
図。
【図10】コイルの磁気特性を示す図。
【図11】コイルの飽和磁束を増大させた磁気特性を示
す図。
【符号の説明】
1 スイッチ制御回路 2 電流検出回路 3 永久磁石駆動回路 4 ステージ 5 電流制御回路 C コンデンサ D ダイオード IL コイル電流 i 負荷電流 Mg 永久磁石 Sw スイッチ Tr トランジスタ Vb 電源電圧 Vs 副巻線駆動電圧 Z 負荷 Φ 磁束
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 加藤 光一 神奈川県平塚市四ノ宮2597 株式会社 小松製作所 エレクトロニクス事業本部 内 (72)発明者 前田 謙一郎 神奈川県平塚市四ノ宮2597 株式会社 小松製作所 エレクトロニクス事業本部 内 (56)参考文献 特開 平4−259(JP,A) 特開 昭53−93321(JP,A) 実開 昭50−84718(JP,U) 実開 昭57−58986(JP,U) 実開 昭57−12706(JP,U) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 3/00 - 3/44

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 第1の電源と、磁芯を有するコイル及び
    コンデンサの直列回路からなる平滑回路と、前記第1の
    電源および前記平滑回路を含む閉回路を任意に決定され
    たタイミングで開閉する手段を具備し、前記前記第1の
    電源の電圧よりも低い電圧を前記コンデンサ両端から出
    力する電源装置において、 前記コイルの磁芯を前記第1の電源より供給される電流
    によって誘起される磁束の方向と逆方向に、永久磁石に
    より磁気的にバイアスするとともに、前記永久磁石の前
    記磁芯に対する相対距離を変えることで前記バイアス量
    を可変する磁気バイアス手段を設けたことを特徴とする
    電源装置。
  2. 【請求項2】 出力電流を検出する電流検出手段をさら
    に設け、 前記バイアス手段は、前記電流検出手段の検出出力に基
    づいて前記相対距離を変えることを特徴とする請求項1
    記載の電源装置。
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