JP3468415B2 - 昇圧型スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入力電圧より高い
出力電圧を得る昇圧型スイッチング電源装置に関する。

【０００２】

【従来技術】この種の昇圧型スイッチング電源装置とし
ては、たとえば特許第2,512,670号の掲載公報第１図に
記載された回路がある。この回路は、電源部の一方の端
子に接続された磁気コイルのような磁気素子を含む。ス
イッチ手段がこの磁気素子と電源部の他方の端子との間
に接続され、平滑用コンデンサが磁気素子と電源部の上
記した他方の端子との間に接続される。そして、電源部
から磁気素子を通り平滑用コンデンサに至るコンデンサ
充電電流を通す方向を順方向とするように磁気素子と平
滑用コンデンサとの間にダイオードとが接続される。出
力は、平滑用コンデンサの両端から取り出される。

【０００３】この装置においては、通常は、スイッチ手
段を開閉する周期すなわち駆動周波数を一定とし、一周
期内でスイッチ手段が閉状態にある時比率を制御するこ
とによって出力電圧を安定化する。この装置の動作は上
述の特許の明細書中に詳細に説明されている。

【０００４】この装置の動作における大きな問題点とし
て、リカバリ電流の発生が挙げられている。スイッチ手
段の開状態では、ダイオードには入力電流に等しい電流
が流れており、スイッチ手段が閉じられると、ダイオー
ドに流れる電流が急激に減少するため、ダイオードの特
性上、僅かの時間、逆方向に電流が流れ、リカバリ電流
となる。このリカバリ電流は、スイッチ手段が閉じられ
る直前にダイオードに流れていた電流の大きさと、スイ
ッチ手段が閉じられることによりダイオードを流れる電
流が減少する減少速度に比例して大きくなる。上記特許
の掲載公報第１図に示された回路では、ダイオードを流
れる電流の減少速度を制限する要因となるものは、回路
に含まれる寄生インピーダンスとスイッチ手段が開から
閉に移る間の抵抗分しかないので、非常に大きなリカバ
リ電流が生じることになる。このリカバリ電流は、スイ
ッチングロスを生じ、効率低下の原因となる。さらに、
このスイッチングロスはスイッチ手段の開閉ごとに発生
するため、駆動周波数に比例して大きくなり、装置の小
型化のために駆動周波数を高める試みの妨げになってい
る。さらに、リカバリ電流は非常に急峻なパルス波形で
あるため、リカバリ電流が回路に流れると、大きなノイ
ズを発生し、ノイズ対策が困難になる。

【０００５】また、別の問題点として、スイッチ手段の
開閉が非常に短時間で行なわれるため、単位時間あたり
の電圧及び電流の変化が非常に大きくなり、スイッチン
グ時に大きな誘導電圧と誘導電流を発生する。このこと
も、ノイズ対策を困難にする原因となる。

【０００６】昇圧型スイッチング電源装置における上述
の問題を解決するための一つの手法が特開平４−３７２
５７２号公報及び米国特許第5,418,704号明細書に記載
されている。この公知の手法は、共振用磁気素子と共振
用コンデンサを含む共振回路をスイッチング回路に設
け、共振回路の共振をスイッチ手段とは別に設けた第２
のスイッチ手段により制御するものである。この手法
は、スイッチングロスを低減するのに効果はあるが、第
２のスイッチ手段を制御するために複雑な制御回路が必
要になり、回路構成が複雑になる。

【０００７】さらに別の手法で上述の問題を解決する回
路が、前掲の特許第2,512,670号の掲載公報及び特開平
３−１１７３６２号公報に開示されている。この回路に
おいては、共振用磁気素子と共振用コンデンサを設けて
スイッチ手段とともに共振回路を形成するようにしてい
る。この回路は、一つのスイッチ手段でリカバリ電流を
抑制できるものであるが、前者はきわめて複雑な駆動周
波数の制御を行なうものであり、後者は出力電圧をモニ
ターして駆動周波数の制御を行なうもので、いずれも駆
動周波数の可変制御を必要とする。しかし、入出力条件
により駆動周波数が変化することは、フィルターの設計
やノイズ対策を困難にする原因となる。また、昇圧型ス
イッチング電源装置を力率改善装置に用いるときは、入
力電圧源は交流を全波整流したものになるので、人力電
圧範囲が非常に大きくなるが、このことは、周波数の変
動範囲が広くなることを意味し、設計及びノイズ対策が
一層困難になることを示すものである。

【０００８】次に、昇圧型スイッチング電源装置におい
て、高調波歪みを改善するためには、入力電流波形を入
力電圧波形に近似するように制御する必要がある。この
制御方法の一つに平均電流制御方式がある。平均電流制
御方式を採用する場合、制御のための電流信号として、
入力電流またはそれに対応する電流の平均値を検出しな
ければならない。従来、電流の検出には、抵抗が用いら
れており、損失が大きくなるという問題点がある。損失
を低減させるためには、電流検出にカレントトランス等
の磁気素子を用いることが好ましい。

【０００９】しかし、共振回路をスイッチング回路に設
け、リカバリ電流の低減を図る構成（特開平４−３７２
５７２号公報、米国特許第5,418,704号明細書、特許第
2,512,670号掲載公報、特開平３−１１７３６２号公報
等）において、共振動作に伴って発生する共振電流の影
響を受けることなく、入力電流またはそれに対応した電
流を検出することは容易ではない。即ち、この種の昇圧
型スイッチング電源装置では、入力電流には、スイッチ
手段を流れる電流と、負荷に流れる電流とが含まれるこ
とになるので、負荷に流れる電流の他に、スイッチ手段
に流れる電流を検出する必要がある。ところが、スイッ
チ手段には共振電流が流れる。この共振電流は閉じられ
た共振回路内においてのみ流れ、負荷電流とは無関係で
ある。このため、スイッチ手段に流れる電流を、カレン
トトランス等で検出すると、負荷電流とは無関係な共振
電流が含まれてしまい、入力電流平均値に誤差を生じて
しまう。これは、入力電流波形を入力電圧波形に近似す
るように制御する平均電流制御方式を採用して、高調波
歪みを改善しようとする場合に、大きな障害となる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、従来
の昇圧型スイッチング電源装置における上述の問題点を
解決し、簡単な構成でソフトスイッチングを達成し、リ
カバリ電流を低減できる昇圧型スイッチング電源装置を
提供することである。

【００１１】本発明のもう一つの課題は、リカバリ電流
の低減のためにとられた回路構成において、その回路動
作に伴って発生する共振電流の影響を受けることなく、
負荷に対応した電流を検出し得る昇圧型スイッチング電
源装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明に係る昇圧型スイッチング電源は、第１の磁
気素子と、スイッチ手段と、第１のダイオードと、平滑
用コンデンサとを含み、一対の入力端に供給される入力
電圧を、昇圧された直流電圧に変換して、少なくとも一
対の出力端に供給する。前記第１の磁気素子は、一端が
入力端の一方に接続されており、前記スイッチ手段は、
一対の電力伝送ラインの間に配置され、前記第１の磁気
素子を通して供給される入力電圧をスイッチングする。
前記第１のダイオードは、前記第１の磁気素子を通り前
記一対の出力端の一方に至る電力伝送ラインに挿入され
ており、前記平滑用コンデンサは、前記一対の出力端の
間に接続されている。この回路構成は、昇圧型スイッチ
ング電源装置において、通常採用されるものである。本
発明においては、この形式のスイッチング電源装置に改
良を加える。

【００１３】本発明の一態様においては、上記形式のス
イッチング電源装置において、スイッチ手段と第１の磁
気素子の間に第２の磁気素子を配置し、スイッチ手段と
並列に第１の磁気素子に接続される第２のコンデンサを
設けて、第２のコンデンサが前記スイッチ手段の開状態
で第１の磁気素子からの電流により充電されるように
し、スイッチ手段の閉動作の初期に第１の磁気素子から
スイッチ手段への電流が第２の磁気素子を通るようにし
てスイッチ手段を流れる電流の立ち上がりを抑えること
によりリカバリ電流を抑制し、第２の磁気素子を流れる
電流が所定値まで増加したときに、第２のコンデンサの
放電電流を流す第１の共振回路が、第１の磁気素子と第
１のダイオードとの間において、第２の磁気素子と、ス
イッチ手段と、第２のコンデンサとを通って形成される
ように構成する。

【００１４】上述した回路構成において、入力電流波形
を入力電圧波形に近似するように制御する平均電流制御
方式を採用して、高調波歪みを改善しようとする場合、
既に述べたように、負荷に流れる電流の他、スイッチ手
段に流れる電流を検出しなめればならない。ところが、
スイッチ手段には、第１の共振回路による共振電流が流
れる。この共振電流は閉じられた第１の共振回路内にお
いてのみ流れ、負荷電流または入力電流とは無関係であ
る。このため、スイッチ手段に流れる電流を、カレント
トランス等で検出すると、負荷電流または入力電流とは
無関係な共振電流が含まれてしまい、入力電流平均値に
誤差を生じてしまう。

【００１５】この問題を解決する手段として、本発明に
おいては、前記スイッチ手段に流れる電流と、前記第２
のコンデンサに流れる電流との同相成分の差信号を検出
する第１の電流検出手段を有する。この第１の電流検出
手段によれば、前記スイッチ手段に流れる共振電流と、
前記第２のコンデンサに流れる共振電流とは、互いに打
ち消し合うことになるので、共振電流の影響を受けるこ
とがない。このため、平均電流制御方式によって、入力
電流波形を入力電圧波形に近似するように制御し、高調
波歪みを改善することが可能になる。

【００１６】本発明の他の態様においては、スイッチ手
段の閉動作時に第１のダイオードからスイッチ手段に流
れるリカバリ電流の通路に第２の磁気素子を配置し、ス
イッチ手段と並列に第１の磁気素子に接続される第２の
コンデンサを設けて、第２のコンデンサがスイッチ手段
の開状態で第１の磁気素子からの電流により充電される
ようにし、スイッチ手段の閉動作時に、第２のコンデン
サからの放電電流を流す第１の共振回路が、第１の磁気
素子と第１のダイオードとの間において、第２の磁気素
子とスイッチ手段と第２のコンデンサとを通って形成さ
れるようにする。

【００１７】上記構成の本発明の昇圧型スイッチング電
源装置においては、スイッチ手段が開状態から閉状態に
なると、スイッチ手段の電位がゼロになるので、第２の
磁気素子には出力電圧にほぼ等しい電圧が印加され、第
２の磁気素子とスイッチ手段を流れる電流は直線的に増
加する。このとき発生するリカバリ電流の大きさはダイ
オード電流の減少速度に依存するが、本発明において
は、第２の磁気素子がリカバリ電流の流れる回路に挿入
されるので、第２の磁気素子のインピーダンスにより電
流の減少速度が制限され、リカバリ電流が制限される。
この場合、スイッチ手段の電圧が減少する速度に比べて
スイッチ手段に流れる電流の増加が緩やかになるので、
スイッチングロスはほとんど生じない。また、スイッチ
手段が開になったとき、第２のコンデンサを充電しなが
らスイッチ手段への印加電圧が上昇するようになるの
で、スイッチ手段への印加電圧の上昇速度を小さくする
ことができ、スイッチ手段における損失を減少させるこ
とが可能になる。

【００１８】本発明のさらに別の態様においては、第１
の磁気素子と第２のコンデンサとの間に、第２のコンデ
ンサと直列に第３のコンデンサを配置して第１の共振回
路における共振電流により充電されるようにし、第２の
磁気素子を第２のコンデンサと第３のコンデンサの間に
接続するバイパス回路を設けて、該バイパス回路に第２
の磁気素子から第２及び第３のコンデンサに向かう方向
を順方向とする第２のダイオードを配置し、第２のコン
デンサの放電により第２のコンデンサの充電電圧が所定
値まで低下したとき、第２のダイオードが導通して、第
３のコンデンサの放電電流を流す第２の共振回路が、第
１の磁気素子と第１のダイオードとの間において、第２
の磁気素子と第２のダイオードと第３のコンデンサとを
通って形成されるようにすることができる。この場合に
おいて、第３のコンデンサは第２のコンデンサより大き
い容量とすることが好ましい。この構成により、スイッ
チ手段閉時に第１のダイオードに印加される電圧を抑制
することができる。

【００１９】また、本発明においては、第２のコンデン
サと第３のコンデンサとの間に、第２のダイオードから
の電流を通す方向を順方向とする第３のダイオードを設
けることが好ましい。この場合、第３のダイオードから
の電流を第３のコンデンサと第１のダイオードとをバイ
パスして平滑用コンデンサに向けて通す第４のダイオー
ドを設けることがさらに好ましい。また、この場合、第
１の磁気素子を２つの部分に分割して、分割した一方の
磁気素子部分を前記電源部に接続し、他方の磁気素子部
分をスイッチ手段の開状態において第２、第３、第４の
ダイオードが逆バイアスになる極性で、第２の共振回路
内に接続することが好ましい。第４のダイオードは、ス
イッチ手段の開時にリセット電流を出力側に放出する回
路を形成する。第１の磁気素子を２つの部分に分割し、
分割した磁気素子部分を第２の共振回路内に接続する上
述の構成により、第２の磁気素子のリセット時間を短縮
することができる。さらに、分割した他方の磁気素子部
分をスイッチ手段の開状態において第２、第３、第４の
ダイオードが逆バイアスになる極性で、第２の共振回路
内に接続することにより、スイッチ手段が開となり、第
２の磁気素子がリセットされた後は、電源部に接続され
る磁気素子部分を通る電流はすべて第１のダイオードに
通されるようになる。

【００２０】本発明の別の好ましい態様においては、第
１の磁気素子を２つの部分に分割して、分割した一方の
磁気素子部分を電源部に接続し、他方の磁気素子部分を
第２の共振回路に含まれるように接続する。

【００２１】上述した何れの態様においても、共振回路
によって共振電流が発生する。共振電流を含まない電流
を検出する手段として、何れの態様においても、前記ス
イッチ手段に流れる電流と、前記第２のコンデンサに流
れる電流との同相成分の差信号を検出する第１の電流検
出手段を有する。この第１の電流検出手段によれば、前
記スイッチ手段に流れる共振電流と、前記第２のコンデ
ンサに流れる共振電流とは、互いに打ち消し合うことに
なるので、共振電流の影響を受けることなく、負荷に対
応した電流を検出することができる。

【００２２】

【発明の実施の形態】図１は本発明に係る昇圧型スイッ
チング電源装置の電気回路図である。図示の昇圧型スイ
ッチング電源装置は、交流電源３１、入力フィルタ３３
及び全波整流回路３５を介して、入力端Ｔ１、Ｔ２に入
力電圧が供給される。入力端Ｔ１、Ｔ２と、出力端Ｔ
３、Ｔ４との間には電力伝送ラインが形成される。

【００２３】一対の入力端Ｔ１、Ｔ２のうち、入力端Ｔ
１には、第１の磁気素子であるコイル２が接続される。
第１のコイル２はコイル部分２１とコイル部分２２に分
割されており、第１のコイル部分２１の一端が入力端Ｔ
１に接続される。第１のコイル部分２１の他端は、第１
のダイオード３を介して出力平滑用コンデンサ４の一方
の極に接続される。コンデンサ４は、負荷５に接続さ
れ、負荷５に出力を供給する。ここで、コイル２がコイ
ル部分２１とコイル部分２２に分割されているというこ
とは、コイル部分２１とコイル部分２２が同一の磁芯に
巻かれた巻線から構成されることを意味する。第１のコ
イル２のコイル部分２２は、一端がコイル部分２１に、
他端が第２の磁気素子である第２のコイル６を介してス
イッチ手段７の一端に接続される。スイッチ手段７の他
端は入力端Ｔ２に導かれる。

【００２４】スイッチ手段７と並列に第２のコンデンサ
８が設けられており、この第２のコンデンサ８は、一方
の極が、第２のダイオード９を介して第２のコイル６
に、また第３のダイオード１０及び第３のコンデンサ１
１を介して第１のコイル２のコイル部分２１と第１のダ
イオード３との接続部Ａに接続されている。第２のコン
デンサ８の他方の極は、スイッチ手段７とともに、入力
端Ｔ２に導かれる。

【００２５】さらに、第４のダイオード１２が設けら
れ、第３のダイオード１０と第３のコンデンサ１１との
間の接続部Ｂを第３のコンデンサ１１と第１のダイオー
ド３をバイパスして出力平滑用コンデンサ４に接続す
る。第２のダイオード９は、第２のコイル６から第２の
コンデンサ８への電流を流す方向を順方向とし、第３の
ダイオード１０は、第２のコンデンサ８から第３のコン
デンサ１１に向かう方向を順方向とする。第４のダイオ
ード１２は、出力平滑用コンデンサ４に向かう方向を順
方向とする。第１のコイル２の分割されたコイル部分２
１、２２は、互いに逆極性となるように巻線方向が定め
られる。コイル部分２１は、コイル部分２２より十分に
大きいインダクタンスを持つ。また、コイル部分２１
は、その両端に発生する電圧がダイオード９、１０、１
２に逆バイアスを与えるように接続される。さらに、第
３のコンデンサ１１は、その容量が第２のコンデンサ８
の容量より大きい。

【００２６】図１に示された昇圧型スイッチング電源装
置は、更に、第１の電流検出手段１３を含んでいる。第
１の電流検出手段１３は、スイッチ手段７に流れる電流
Ｉｓｗと、第２のコンデンサ８に流れる電流Ｉｃとの同
相成分の差信号を検出する。実施例において、第１の電
流検出手段１３は１つのカレントトランスでなる。

【００２７】第１の電流検出手段１３を構成するカレン
トトランスは、第１の巻線１３１と、第２の巻線１３２
と、第３の巻線１３３とを含む。第１、第２及び第３の
巻線１３１〜１３３は、磁芯を共通にし、互いに誘導結
合されている。第１の巻線１３１はスイッチ手段７に直
列に接続されており、第２の巻線１３２は第２のコンデ
ンサ８に直列に接続されている。第１の巻線１３１及び
第２の巻線１３２はスイッチ手段７に流れる電流Ｉｓｗ
による磁束と、第２のコンデンサ８に流れる電流Ｉｃに
よる磁束が逆方向となる関係にある。従って、第３の巻
線１３３からは、第１の巻線１３１の誘起電圧と、第２
の巻線１３２の誘起電圧との差電圧が得られる。

【００２８】図２、３は第１の電流検出手段として用い
られるカレントトランスの具体例を示す図である。図２
において、外脚部の一方に、第１の巻線１３１を巻き、
外脚部の他方に第２の巻線１３２を巻き、中脚部に出力
巻線となる第３の巻線１３３を巻いてある。図３の実施
例では、中脚部に第１〜第３の巻線１３１〜１３３を巻
いてある。第１、第２の巻線１３１、１３２の巻き方
向、及び、電流方向は、中脚部を流れる磁束φ１、φ２
の方向が互いに逆になるように定める。

【００２９】図１では第２の電流検出手段１９を含んで
いる。第２の電流検出手段１９はスイッチング手段７及
び第２のコンデンサ８に流れる電流Ｉｓｗ、Ｉｃを含ま
ない回路ループにおいて、負荷電流Ｉｏを検出する。

【００３０】図１に示された昇圧型スイッチング電源装
置では、更に、電流検出回路１５と、制御回路１７とを
含んでいる。電流検出回路１５は第１の電流検出手段１
３及び第２の電流検出手段１９から供給される電流検出
信号より、入力電流平均値信号を生成する。制御回路１
７は電流検出回路１５から供給される入力電流平均値信
号に基づきスイッチ手段７を制御する。制御回路１７に
は、入力電圧等の入力情報が与えられている。

【００３１】次に、図４を参照して、図１に示された昇
圧型スイッチング電源装置の基本動作を説明する。開状
態にあるスイッチ手段７が時刻ｔ０で閉になる（図４
（ａ）参照）と、第２のコイル６に出力電圧にほぼ等し
い電圧が印加され、第２のコイル６を通りスイッチ手段
７に流れる電流Ｉｓｗは直線的に増加する（図４（ｄ）
参照）。この場合、スイッチ手段７の印加電圧Ｖｓｗは
スイッチ手段７の開成と同時に急激に減少するが、電流
Ｉｓｗの増加は比較的緩やかである。したがって、スイ
ッチングロスはほとんど生じない。スイッチング素子７
の電流が増加する分だけ第１のダイオード３を流れる電
流Ｉｃｒ１が減少する（図４（ｇ）参照）が、スイッチ
ング素子７の電流の増加が緩やかであるので、第１のダ
イオード３を流れる電流Ｉｃｒ１の減少速度も小さくな
る。その結果、リカバリ電流の発生が抑制される。この
リカバリ電流は動作に影響しないほど小さいので、図４
には示していない。

【００３２】第２のコイル６を流れる電流ＩＬ２は、ス
イッチ手段７が閉成された後のある時間はスイッチ手段
７の電流Ｉｓｗと同様に増加する（図４（ｅ）参照）。

【００３３】スイッチ手段７の閉成からある時間が経過
し、時刻ｔ１になると、第２のコイル６に流れる電流Ｉ
Ｌ２が第１のコイル２のコイル部分２１からの入力電流
Ｉｉｎに等しくなる。ここで第２のコンデンサ８が放電
を開始し、第２のコンデンサ８から第３のダイオード１
０、第３のコンデンサ１１、コイル部分２２、第２のコ
イル６及びスイッチ手段７を通る共振回路が形成され、
共振動作が始まる。この状態では、第２のコイル６とス
イッチ手段７にはコイル部分２１からの入力電流Ｉｉｎ
に共振電流が重畳された電流が流れることになる。

【００３４】この共振が始まる時点では、第２のコンデ
ンサ８は出力電圧Ｖ０に充電されており、第３のダイオ
ード１０と第３のコンデンサ１１の間の接続部Ｂの電位
ＶＢは出力電圧Ｖ０に等しい（図４（ｃ）参照）。ま
た、この時点では、第３のコンデンサ１１の両端電圧は
ゼロである。共振により第３のコンデンサ１１が充電さ
れ、接続部Ａの電位ＶＡが徐々に低下し（図４（ｂ）参
照）、それに伴って第１のダイオード３に印加される電
圧Ｖｃｒ１が徐々に増加する（図４（ｆ）参照）。この
ように、第１のダイオード３に印加される電圧Ｖｃｒ１
の増加が緩やかであるので、第１のダイオード３の印加
電圧Ｖｃｒ１は低く抑えられて、時刻ｔ１からわずかの
時間リカバリ電流が流れても、その値は小さく、損失は
僅かである。

【００３５】共振により接続部Ａ、Ｂの電位が徐々に低
下し、接続部Ａの電位ＶＡは最大−Ｖ０まで下がる可能
性がある。接続部の電位ＶＡが−Ｖ０まで下がると、第
１のダイオード３には２Ｖ０の電圧が印加されることに
なり、ダイオードは大きな耐圧が要求されることにな
る。しかし、本実施例においては、第２のコンデンサ８
の容量が第３のコンデンサ１１の容量より小さいので、
接続部Ａの電位ＶＡが−Ｖ０まで下がるのを阻止するこ
とができる。もっと詳細に述べると、この構成により、
接続部Ａの電位が−Ｖ０まで下がる前に、接続部Ｂの電
位ＶＢがゼロになり、この時点で第２のダイオード９が
導通し、第２のダイオード９から第３のダイオード１
０、第３のコンデンサ１１、コイル部分２２及び第２の
コイル６を経て第２のダイオード９に戻る第２の共振回
路が形成される。この状態は、時刻ｔ２において生じ
る。第２の共振回路における共振の結果、第３のコンデ
ンサ１１はさらに充電され、接続部Ａの電位ＶＡはさら
に低下するが、−Ｖ０まで下がることはない。したがっ
て、第１のダイオード３に印加される電圧Ｖｃｒ１を低
減させることができる。

【００３６】時刻ｔ２において第２の共振回路を通る共
振が始まると、第２のコイル６を流れる電流ＩＬ２は、
コイル部分２１からの入力電流Ｉｉｎに共振電流を重畳
した値であるが、スイッチ手段７に流れる電流Ｉｓｗは
入力電流Ｉｉｎと等しくなる。第２の共振回路を流れる
共振電流は時刻ｔ３においてゼロになる。ここで、共振
電流は極性を反転し、逆方向に流れようとするが、第２
のダイオード９及び第３のダイオード１０により共振電
流の流れが阻止される。ここで、一連の共振動作が終了
し、従来の昇圧型スイッチング電源装置と同様な動作を
行なう。

【００３７】次いで、時刻ｔ４においてスイッチ手段７
が開となる。この時点では、第２のコンデンサ８は、接
続部Ｂにおける電位ＶＢがゼロであるため、コイル部分
２２からの入力電流Ｉｉｎは、第２のコンデンサ８に充
電電流として流れる。このため、スイッチ手段７の端子
電圧Ｖｓｗは徐々に上昇するようになり、スイッチ手段
７を開にするときに発生するスイッチング損失を極めて
小さくすることができる。

【００３８】第２のコンデンサ８が充電されるにつれ
て、接続部Ａ、Ｂの電位ＶＡ、ＶＢが上昇し、時刻ｔ５
において電位ＶＢが出力電圧Ｖ０に等しくなる。このと
き、第２のコイル６には第３のコンデンサ１１とコイル
部分２２に発生している電圧の和が印加されて、第２の
コイル６に蓄積されていた磁気エネルギがリセットされ
る。このためのリセット電流は、ダイオード９、１０、
１２を経て出力側に放出され、リセット電流は徐々に減
少する。コイル部分２１からの入力電流Ｉｉｎは、リセ
ット電流の減少分に相当する分だけ第１のダイオード３
に向けられることになる。このとき、第３のコンデンサ
１１は充電状態にあり、接続部Ａの電位ＶＡは出力電圧
Ｖ０より低いので、電流は第１のダイオード３を通ら
ず、第３のコンデンサ１１から第４のダイオード１２を
経て出力側に供給される。図４（ｈ）に、第４のダイオ
ード１２を流れる電流をＩｃｒ４で示す。この過程で、
第３のコンデンサ１１は徐々に放電する。

【００３９】時刻ｔ６で第２のコイル６の磁気エネルギ
がなくなり、リセット電流がゼロになる。この時点で、
コイル部分２１からの入力電流Ｉｉｎはすべて接続部Ａ
に向けられるようになる。時刻ｔ７において、第３のコ
ンデンサ１１の放電が終了し、接続部Ａの電位ＶＡが十
分に高くなるため、第１のダイオード３が導通し、コイ
ル部分２１からの入力電流Ｉｉｎはすべて第１のダイオ
ード３を流れるようになる。その後は、従来の昇圧型ス
イッチング電源装置と同様な動作をする。

【００４０】条件によっては、第３のコンデンサ１１が
放電を終了した後に第２のコイル６のリセットが終了す
ることもあり得るが、装置の動作に影響はない。第１の
コイル２のコイル部分２２は、その両端に発生する電圧
により第２のコイル６のリセット時間を早め、リセット
を確実に行なわせるようにする作用を持つ。また、コイ
ル部分２２は、リセット終了後は、ダイオード９、１
０、１２が逆バイアスになるような電圧を発生し、これ
らダイオードに電流が流れないようにする。したがっ
て、スイッチ手段７が閉成されたとき、リカバリ電流が
流れるのを防止することができる。

【００４１】上述した昇圧型スイッチング電源装置にお
いて、入力電流Ｉｉｎには、スイッチ手段７を流れる電
流Ｉｓｗと、負荷５に流れる電流Ｉｏとが含まれること
になるので、入力電流波形を入力電圧波形に近似するよ
うに制御する平均電流制御方式を採用して、高調波歪み
を改善しようとする場合，負荷５に流れる電流Ｉｏの他
に、スイッチ手段７に流れる電流Ｉｓｗを検出する必要
がある。ところが、スイッチ手段７には共振電流が流れ
る。この共振電流は、第２のコンデンサ８から第３のダ
イオード１０、第３のコンデンサ１１、コイル部分２
２、第２のコイル６及びスイッチ手段７を通る共振回路
内を流れ、負荷５に流れる電流Ｉｏとは無関係である。
このため、スイッチ手段７に流れる電流Ｉｓｗを、カレ
ントトランス等で検出すると、共振電流が含まれてしま
い、入力電流平均値に誤差を生じてしまう。

【００４２】本発明においては、スイッチ手段７に流れ
る電流Ｉｓｗと、第２のコンデンサ８に流れる電流Ｉｃ
との同相成分の差信号を検出する第１の電流検出手段を
有する。次に、第１の電流検出手段１３による電流検出
動作を図５を参照して説明する。

【００４３】図５（ｂ）、（ｃ）に示すように、第２の
コンデンサ８から第３のダイオード１０、第３のコンデ
ンサ１１、コイル部分２２、第２のコイル６及びスイッ
チ手段７を通る共振回路において、ｔ０１時に、第２の
コンデンサ８に、図５（ｃ）の参照符号Ｐ２で示すよう
な共振電流が流れ、スイッチ手段７に図５（ｄ）の参照
符号Ｐ１で示すような共振電流が流れる。第１の電流検
出手段１３は、スイッチ手段７に流れる共振電流Ｐ１
と、第２のコンデンサ８に流れる共振電流Ｐ２とが、互
いに打ち消し合うように作用する。この結果、第１の電
流検出手段１３からは、スイッチ手段７に流れる電流Ｉ
ｓｗのうち、共振電流Ｐ１を除去した電流検出信号が出
力されることになる。このため、平均電流制御方式によ
って、高調波歪みを改善する場合、入力電流波形を入力
電圧波形に近似するように制御することが可能になる。

【００４４】実施例において、第１の電流検出手段１３
は１つのカレントトランスでなる。カレントトランスに
備えられた第１、第２及び第３の巻線１３１〜１３３
は、磁芯を共通にし、互いに誘導結合されている。第１
の巻線１３１はスイッチ手段７に直列に接続されてお
り、第２の巻線１３２は第２のコンデンサ８に直列に接
続されている。第１の巻線１３１及び第２の巻線１３２
はスイッチ手段７に流れる電流Ｉｓｗによる磁束と、第
２のコンデンサ８に流れる電流Ｉｃによる磁束が逆方向
となる関係にある。従って、スイッチ手段７に流れる電
流Ｉｓｗのうち、共振電流Ｐ１に対応して、第１の巻線
１３１に誘起する電圧と、第２のコンデンサ８に流れる
共振電流Ｐ２に対応して第２の巻線１３２に誘起する電
圧とが、互いに打ち消しあう。この結果、第３の巻線１
３３からは、共振電流Ｐ１、Ｐ２に対応する電圧成分が
キャンセルされた電流検出信号が出力されることにな
る。

【００４５】図１に示された昇圧型スイッチング電源装
置では、更に、第２の電流検出手段１９と、電流検出回
路１５と、制御回路１７とを含んでいる。第２の電流検
出手段１９はスイッチング手段７及び第２のコンデンサ
８に流れる電流Ｉｓｗ、Ｉｃを含まない回路ループにお
いて、負荷電流Ｉｏ（図５（ｅ）参照）を検出する。電
流検出回路１５は第１の電流検出手段１３及び第２の電
流検出手段１９から供給される電流検出信号とを加算す
る。図５（ｂ）はその加算信号（ＣＴ１＋ＣＴ２）を表
す。加算信号（ＣＴ１＋ＣＴ２）は、図５（ａ）に示さ
れた入力電流Ｉｉｎと相似である。電流検出回路１５
は、更に、加算信号（ＣＴ１＋ＣＴ２）から入力電流平
均値信号を生成する。

【００４６】制御回路１７は電流検出回路１５から供給
される入力電流平均値信号に基づきスイッチ手段７を制
御する。制御回路１７には、入力電圧等の入力情報が与
えられている。これにより、平均電流制御方式によっ
て、入力電流波形を入力電圧波形に近似するように制御
し、高調波歪みを改善することが可能になる。

【００４７】図１の回路においては、共振動作の開始と
終了はスイッチ手段７の開閉周波数とは無関係に行なわ
れる。したがって、共振動作は駆動周波数に影響され
ず、駆動周波数を固定にしても共振動作は影響を受けな
い。したがって、装置を固定周波数で動作するパルス幅
変調方式の制御回路として、出力電圧を安定化すること
ができる。スイッチ手段７としてはどのような形式のス
イッチ手段でもよいが、MOSFETを採用することが好まし
い。

【００４８】図６は本発明に係る昇圧型スイッチング電
源装置の別の実施例を示す電気回路図である。図におい
て、図１に現れた構成部分と同一の構成部分について
は、同一の参照符号を付してある。図６の実施例でも、
図１との対比において、第２のコイル６の位置に変更は
なく、第１のコイル２のコイル部分２２の位置が変更さ
れている。すなわち、図６の構成では、コイル部分２２
はコイル部分２１と第１のダイオード３の間に接続され
る。この実施例においても、作用と効果は図１の実施例
におけると同様である。

【００４９】図７は本発明に係る昇圧型スイッチング電
源装置のさらに別の実施例を示す電気回路図である。図
において、図６に現れた構成部分と同一の構成部分につ
いては、同一の参照符号を付してある。図７の実施例で
は、図６の実施例において、第２のコイル６とコイル部
分２２の位置が互いに入れ替えられたものに相当する。

【００５０】図８は本発明に係る昇圧型スイッチング電
源装置のさらに別の実施例を示す電気回路図である。先
に示された図面に現れている構成部分と、同一の構成部
分については、同一の参照符号を付してある。図８の実
施例では、コイル部分２２と第２のコイル６とが直列に
接続され、コイル部分２１と第１のダイオード３の間に
接続されている。

【００５１】図６〜図９のいずれの例においても、第１
の共振回路と第２の共振回路が形成され、その共振回路
にコイル部分２２と第２のコイル６とが配置されること
は、図１の実施例と同じである。また、スイッチ手段７
に流れる電流Ｉｓｗと、第２のコンデンサ８に流れる電
流Ｉｃとの同相成分の差信号を検出する第１の電流検出
手段１３が備えられていること、第１の電流検出手段１
３は１つのカレントトランスでなること、カレントトラ
ンスの第１の巻線１３１はスイッチ手段７に直列に接続
され、第２の巻線１３２は第２のコンデンサ８に直列に
接続されていて、第１の巻線１３１及び第２の巻線１３
２はスイッチ手段７に流れる電流Ｉｓｗによる磁束と、
第２のコンデンサ８に流れる電流Ｉｃによる磁束が逆方
向となる関係にあることも、図１の実施例と同じであ
る。

【００５２】図９は本発明に係る昇圧型スイッチング電
源装置の更に別の実施例を示す電気回路図である。先に
示された図面に現れている構成部分と、同一の構成部分
につては、同一の参照符号を付してある。この実施例で
は、第１の電流検出手段は、第１のカレントトランス１
６及び第２のカレントトランス１８を含む。第１のカレ
ントトランス１６の一次巻線１６１は、スイッチ手段７
に直列に接続されており、第２のカレントトランス１８
の一次巻線１８１は、第２のコンデンサ８に直列に接続
されている。第１のカレントトランス１６の二次巻線１
６２及び第２のカレントトランス１８の二次巻線１８２
は、互いの誘起電圧の差が取り出されるように結線され
ている。図示はされていないけれども、電流検出回路１
５の内部におい、て第１のカレントトランス１６の二次
巻線１６２及び第２のカレントトランス１８の二次巻線
１８２を、互いの誘起電圧の差が取り出されるように結
線されていてもよい。

【００５３】図９に示す実施例では、２つのカレントト
ランス１６、１８を用いるので、先に示した実施例より
も部品点数が増大するが、リカバリ電流の低減のために
とられた回路構成において、その回路動作に伴って発生
する共振電流の影響を受けることなく、負荷５に対応し
た電流を検出し得る点では、差はない。

【００５４】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、次
のような効果を得ることができる。 （ａ）簡単な構成でソフトスイッチングを達成し、リカ
バリ電流を低減できる昇圧型スイッチング電源装置を提
供することができる。 （ｂ）リカバリ電流の低減のためにとられた回路構成に
おいて、その回路動作に伴って発生する共振電流の影響
を受けることなく、負荷に対応した電流を検出し得る昇
圧型スイッチング電源装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る昇圧型スイッチング電源装置の１
例を示す電気回路図である。

【図２】本発明に係る昇圧型スイッチング電源装置にお
いて、第１の電流検出手段として用いられているカレン
トトランスの具体例を示す図である。

【図３】本発明に係る昇圧型スイッチング電源装置にお
いて、第１の電流検出手段として用いられるカレントト
ランスの別の具体例を示す図である。

【図４】図１の昇圧型スイッチング電源装置の基本的な
回路動作を説明する波形図である。

【図５】図１の昇圧型スイッチング電源装置に含まれる
第１の電流検出手段による電流検出動作を説明する波形
図である。

【図６】本発明の他の実施例を示す昇圧型スイッチング
電源装置の電気回路図である。

【図７】本発明のさらに他の実施例を示す昇圧型スイッ
チング電源装置の電気回路図である。

【図８】本発明のさらに他の実施例を示す昇圧型スイッ
チング電源装置の電気回路図である。

【図９】本発明のさらに他の実施例を示す昇圧型スイッ
チング電源装置の電気回路図である。

【符号の説明】

１ 直流電源 ２ 第１のコイル ２１、２２ コイル部分、 ３ 第１のダイオード ４ 出力平滑用コンデンサ ５ 負荷 ６ 第２のコイル ７ スイッチ手段、 ８ 第２のコンデンサ ９ 第２のダイオード １０ 第３のダイオード １１ 第３のコンデンサ １２ 第４のダイオード

Claims (9)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１の磁気素子と、スイッチ手段と、第
   １のダイオードと、平滑用コンデンサと、第２の磁気素
   子と、第２のコンデンサと、第１の電流検出手段とを含
   み、一対の入力端に供給される入力電圧を、昇圧された
   直流電圧に変換して、少なくとも一対の出力端に供給す
   るスイッチング電源装置であって、 前記第１の磁気素子は、一端が入力端の一方に接続され
   ており、 前記スイッチ手段は、一対の電力伝送ラインの間に配置
   され、前記第１の磁気素子を通して供給される入力電圧
   をスイッチングし、 前記第１のダイオードは、前記第１の磁気素子を通り前
   記一対の出力端の一方に至る電力伝送ラインに挿入され
   ており、 前記平滑用コンデンサは、前記一対の出力端の間に接続
   されており、 前記第２の磁気素子は、前記スイッチ手段と前記第１の
   磁気素子との間に配置され、前記スイッチ手段の閉動作
   の初期に前記第１の磁気素子から前記スイッチ手段への
   電流を通し、前記スイッチ手段を流れる電流の立ち上が
   りを抑え、 前記第２のコンデンサは、前記スイッチ手段と並列の回
   路を構成し、前記スイッチ手段の開状態で前記第１の磁
   気素子からの電流により充電され、 前記第２の磁気素子、前記スイッチ手段及び前記第２の
   コンデンサは、前記第２の磁気素子を流れる電流が所定
   値まで増加したときに、前記第１の磁気素子と前記第１
   のダイオードとの間において、前記第２のコンデンサの
   放電電流を流す第１の共振回路を構成し、 前記第１の電流検出手段は、前記スイッチ手段に流れる
   電流と、前記第２のコンデンサに流れる電流との同相成
   分の差信号を検出し、 更に、第２の電流検出手段を含み、前記第２の電流検出
   手段は、前記スイッチング手段及び前記第２のコンデン
   サに流れる電流を含まない回路ループにおいて、負荷電
   流を検出し、 更に、電流検出回路と、制御回路とを含み、 前記電流検出回路は、前記第１の電流検出手段及び前記
   第２の電流検出手段から供給される電流検出信号より、
   入力電流平均値信号を生成し、 前記制御回路は、前記電流検出回路から供給される入力
   電流平均値信号に基づき、前記スイッチ手段を制御する
   スイッチング電源装置。
2. 【請求項２】 第１の磁気素子と、スイッチ手段と、第
   １のダイオードと、平滑用コンデンサと、第２の磁気素
   子と、第２のコンデンサと、第１の電流検出手段とを含
   み、一対の入力端に供給される入力電圧を、昇圧された
   直流電圧に変換して、一対の出力端に供給するスイッチ
   ング電源装置であって、 前記第１の磁気素子は、一端が入力端の一方に接続され
   ており、 前記スイッチ手段は、電力伝送ライン間に接続され、前
   記第１の磁気素子を通して供給される直流入力電圧をス
   イッチングし、 前記第１のダイオードは、前記第１の磁気素子を通り前
   記一対の出力端の一方に至る電力伝送ラインに挿入され
   ており、 前記平滑用コンデンサは、前記一対の出力端の間に接続
   されており、 前記第２の磁気素子は、前記スイッチ手段の閉動作時に
   前記第１のダイオードから前記スイッチ手段に流れるリ
   カバリ電流の通路に配置され、 前記第２のコンデンサは、前記スイッチ手段と並列の回
   路を構成し、前記スイッチ手段の開状態で前記第１の磁
   気素子からの電流により充電され、 前記第２の磁気素子、前記スイッチ手段及び前記第２の
   コンデンサは、前記スイッチ手段の閉動作時に、前記第
   １の磁気素子と前記第１のダイオードとの間において、
   前記第２のコンデンサの放電電流を流す第１の共振回路
   を構成し、 前記第１の電流検出手段は、前記スイッチ手段に流れる
   電流と、前記第２のコンデンサに流れる電流との同相成
   分の差信号を検出し、 更に、第２の電流検出手段を含み、前記第２の電流検出
   手段は、前記スイッチング手段及 び前記第２のコンデン
   サに流れる電流を含まない回路ループにおいて、負荷電
   流を検出し、更に、電流検出回路と、制御回路とを含み、 前記電流検出回路は、前記第１の電流検出手段及び前記
   第２の電流検出手段から供給される電流検出信号より、
   入力電流平均値信号を生成し、 前記制御回路は、前記電流検出回路から供給される入力
   電流平均値信号に基づき、前記スイッチ手段を制御する
   スイッチング電源装置。
3. 【請求項３】 請求項１または２の何れかに記載された
   スイッチング電源装置であって、更に、第３のコンデン
   サと、第２のダイオードとを含み、 前記第３のコンデンサは、前記第１の磁気素子と前記第
   ２のコンデンサとの間において、第２のコンデンサと直
   列に配置され、前記第１の共振回路における共振電流に
   より充電され、 前記第２のダイオードは、前記第２の磁気素子を、前記
   第２のコンデンサと前記第３のコンデンサの間に接続す
   る位置に配置され、前記第２の磁気素子から前記第２及
   び第３のコンデンサに向かう方向を順方向とするバイパ
   ス回路を構成し、 前記第２の磁気素子、前記第２のダイオード及び前記第
   ３のコンデンサは、前記第２のコンデンサの放電により
   第２のコンデンサの充電電圧が所定値まで底下したと
   き、前記第２のダイオードが導通して、前記第３のコン
   デンサの放電電流を流す第２の共振回路を構成するスイ
   ッチング電源装置。
4. 【請求項４】 請求項３に記載されたスイッチング電源
   装置であって、 更に第３のダイオードを含み、前記第３のダイオード
   は、前記第２のコンデンサと前記第３のコンデンサとの
   間に接続され、前記第２のダイオードからの電流を通す
   方向を順方向とするスイッチング電源装置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載されたスイッチング電源
   装置であって、 更に第４のダイオードを含み、前記第４のダイオード
   は、前記第３のダイオードからの電流を前記第３のコン
   デンサと前記第１のダイオードとをバイパスして前記平
   滑用コンデンサに向けて通すスイッチング電源装置。
6. 【請求項６】 請求項３乃至５の何れかに記載されたス
   イッチング電源装置であって、 前記第１の磁気素子は、２つの部分に分割され、分割さ
   れた一方の磁気素子部分が前記電源部に接続され、他方
   の磁気素子部分が前記第２の共振回路に含まれるように
   接続されているスイッチング電源装置。
7. 【請求項７】 請求項４または５の何れかに記載された
   昇圧型スイッチング電源装置であって、 前記第３のコンデンサは前記第２コンデンサより大きい
   容量であるスイッチング電源装置。
8. 【請求項８】 請求項１乃至７の何れかに記載された昇
   圧型スイッチング電源装置であって、 前記第１の電流検出手段は、カレントトランスでなり、
   前記カレントトランスは、第１の巻線と、第２の巻線
   と、第３の巻線とを含み、前記第１、第２及び第３の巻
   線は互いに誘導結合しており、 前記第１の巻線は、前記スイッチ手段に直列に接続され
   ており、 前記第２の巻線は、前記第２のコンデンサに直列に接続
   されており、 前記第１の巻線及び前記第２の巻線は、前記スイッチ手
   段に流れる電流による磁束と、前記第２のコンデンサに
   流れる電流による磁束が逆方向となる関係にあり、 前記第３の巻線は、出力巻線を構成するスイッチング電
   源装置。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８の何れかに記載された昇
   圧型スイッチング電源装置であって、 前記第１の電流検出手段は、第１のカレントトランス及
   び第２のカレントトランスを含み、第１のカレントトラ
   ンス及び第２のカレントトランスのそれぞれは、一次巻
   線と、二次巻線とを含み、 前記第１のカレントトランスの一次巻線は、前記スイッ
   チ手段に直列に接続されており、 前記第２のカレントトランスの一次巻線は、前記第２の
   コンデンサに直列に接続されており、 前記第１のカレントトランスの二次巻線及び前記第２の
   カレントトランスの二次巻線は、互いの誘起電圧の差が
   取り出されるように結線されているスイッチング電源装
   置。