JP3587720B2 - インバータ装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はインバータ装置を提供する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、制御装置などの制御電源に使用されるスイッチング電源装置（装置として組み立てられたもの、または制御装置の制御回路内に電源供給回路として組み込まれたものを含む）は、省スペース化を図る為にその制御方式としてフライバック方式を採用している。このフライバック方式を採用しているスイッチング電源装置は従来、高効率のスイッチングを目的とし、たとえばサンドイッチ巻と呼ばれるような方法で漏れインダクタンスを抑える為に一次巻線と二次巻線の結合を密に設計している。なぜならば、スイッチングトランスでの漏れインダクタンスは損失につながるからである。高効率を得ることのできるこのフライバック方式のスイッチング電源装置に採用されているスイッチングトランスでは、一次側のエネルギーが二次側に変換される時に電圧波形にサージ電圧が現れる。特にインバータ装置の制御部及びインバータ装置に接続される外部機器はこのサージ電圧により誤動作を起こしやすい。そのため、このサージ電圧を除去する為にフィルタとしてリアクトルやコンデンサを搭載してサージ電圧を抑制している。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
インバータ装置では多巻線のスイッチングトランス等を用いてスイッチング電源装置を構成し、ＩＧＢＴのような主スイッチング素子の為の駆動電圧、冷却用ファン用の電源、制御用の電源、保護用の電源、インターフェースの電源などを供給している。そのうちの、主スイッチング素子の為の駆動電圧や冷却用ファン用の電源はサージ電圧やリプル電圧がある程度許容された大まかな電圧が供給できれば良いが、マイクロコンピュータなどの電源に用いる制御電源、保護用の電源、インターフェースではノイズによる誤動作を防ぐ為サージ電圧やリプル電圧の無い電源の供給が求められている。上記の従来技術では一次側から二次側の電力変換時の電流波形の影響は配慮されていなかった。
【０００４】
今、理想トランス（一次側と二次側の巻線が密結合で漏れ磁束が無いとして考えた理想的なトランス）を考えた場合、スイッチングトランスの一次側から二次側への電力変換時の電流の推移は図９の通りである。また等価回路図を図１０に示す。時間ｔ１でスイッチＳ２を開いた状態でまずスイッチＳ１を閉じると、一次側電源ＶｐがインダクタンスＭに印加されるので、このインダクタンスＭには０から次第に増加する一次電流が流れエネルギーが蓄えられる。一次電流がｉｐに達したところで（ｔ＝０で）スイッチＳ１を開きスイッチＳ２を閉じる。今、スイッチングトランスを理想トランスとして考えているのでスイッチＳ２を閉じた瞬間、一次側のエネルギーが二次側のエネルギーとして移り二次側に電流ｉｓｐｅａｋを流す。この二次側に流れる励磁電流のピーク値ｉｓｐｅａｋは
【０００５】
【数１】

【０００６】
である。ここでＶｓはインダクタンスＭによって発生する電圧、Ｒは配線の抵抗分でありその配線距離が短いためほとんど０に近い。また、図１０に示したＶｃは平滑コンデンサＣ１，Ｃ２の電圧であるが、Ｖｓに比較して無視できる大きさである。従って（１）式は、
【０００７】
【数２】

【０００８】
と近似でき、励磁電流ｉｓｐｅａｋは非常に大きな値となる（なお、理想トランスでない現実のトランスは、漏れインダクタンス、配線抵抗、配線インダクタンスなどによってある程度抑えられた値になる）。従来は、前記したようにスイッチングトランスの効率をよくする為に、一次巻線と二次巻線の結合を良くし漏れインダクタンスを極力小さくしているので、二次側の励磁電流のピーク値ｉｓｐｅａｋは上記理想トランスに近づき非常に大きな値となる。この励磁電流の急激な変化はサージ電圧を発生させ二次側の出力電圧として出てくる。従来、このサージ電圧を抑圧する為の大きなコンデンサやリアクトルを設ける必要があった。
【０００９】
本発明の目的はスイッチングトランスの漏れインダクタンスによる特性の違いを利用して制御装置内の種々の用途に応じた電源を作成し供給すると共に、スイッチング電源装置の回路構成の簡単化、小形化、低価格化を達成することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、多出力巻線スイッチングトランス二次巻線の配置による漏れインダクタンスの調整、即ち一次、二次間に絶縁紙を挿入するなどして漏れインダクタンスを調整することで達成される。
【００１１】
本発明のスイッチング電源装置によれば、漏れインダクタンスが小さい巻線は主スイッチング素子の為の駆動電圧や冷却用ファン用電源などにサージ電圧やリプル電圧がある程度許容された大まかな電圧の電源として供給され、漏れインダクタンスが大きい巻線はマイクロコンピュータなどの制御電源、保護回路用電源、インターフェース用電源などにサージ電圧のより少ない電源として供給される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施例に基づくスイッチング電源装置である。このスイッチング電源装置はインバータ装置の制御用のマイクロコンピュータのような安定な動作が要求される部分に供給する電源７と、インバータの主素子の駆動電圧の様にリプル電圧などがある程度許容される大まかな電源８の二つの電源を供給するものがある。１はスイッチングトランス、２は二次側の整流部、３はスイッチング素子Ｔｒや電源Ｅを含む一次側の電源である。整流部２のブロック内に記載されたものは二次巻線からのパルス状の電圧、電流出力が平滑されて滑らかな直流電圧出力になることを示した概念図である。
【００１３】
図２はスイッチングトランス１の更に詳細な図を示している。４が一次巻線であり、５、６が二次巻線である。トランスの内側から４〜６の順で巻かれている。本実施例では最も外側に巻いた巻線６と内側の巻線５の間には漏れインダクタンスを大きくするように厚く絶縁紙を巻く。このような構成によれば５の巻線よりも６の巻線の漏れインダクタンスが大きくなり、スイッチング時のリプル電流が小さくなる。サージ電圧の大きさはリプル電流の傾きに比例する。大きなリプル電流が発生した巻線の電流の傾きは大きくなるので大きなサージ電圧が発生する。このサージ電圧の大きい巻線５の電源はノイズに比較的強い主スイッチング素子の為の駆動電圧や冷却用ファン用電源として大まかな電圧として供給される。これに対しリプル電流を小さくした巻線６の電源ではサージ電圧が小さくなり、制御部、インターフェース部などのサージ電圧に弱い部分により安定な電源として供給される。なお、サージ電圧の大きい巻線は、サージ電圧が大きいけれど漏れインピーダンスが小さいので高効率で電源を供給することができる。このように用途により二次巻線の漏れインピーダンスの大きさを使い分けることにより、すべての二次巻線の漏れインピーダンスを大きくしたものに比較し効率を高く維持できるとともに、フィルタ回路の構成を簡単化することができ、安価な電源回路とすることができる。
【００１４】
次に図３以降を用いて本発明の具体的な利用法を説明する。図３は本発明の一実施例であるスイッチング電源装置を示す。Ｅ、Ｔｒなどから構成された部分（図１で示した電源部３）と、巻線４，５，６などで構成された部分（図１で示したスイッチングトランス１）と、整流ダイオードＤ１，Ｄ２、コンデンサＣ１，Ｃ２などから構成された部分（図１で示した整流部２）とからなり、ここではフライバック型のスイッチング電源装置を構成している。二次側は２つの出力回路７，８を備えた場合を示している。また、出力回路７、８共に同じ部品を使用している。Ｄ１，Ｄ２は整流ダイオード、Ｃ１，Ｃ２は平滑用のコンデンサである。スイッチングトランスの巻線構造の概略構成を図４に示す。４は一次巻線であり、コア１３の最内に巻かれる。５と６は一次巻き線４の外側に巻いた二次巻線である。巻線５は巻線４のすぐ外側に巻き、その間に巻線６の漏れインダクタンスを巻線５より大きくするように絶縁紙１１を厚く巻く。巻線６はその外側に巻かれる。
【００１５】
図５に電流の様子を示す。横軸は時間（ｔ３〜ｔ７はそれぞれの時間を示す）、縦軸は電流の大きさ（ｉｐ１，ｉｐ２，ｉｐ３はそれぞれのピーク値を示す）を示している。１４は一次側の巻線４に流れる電流を示し、１５と１６は二次側の巻線５，６に流れる電流である。ただし、１５は一次側巻線のすぐ外側に巻かれた巻線５の電流であり、１６は絶縁紙の外側に巻いた巻線６の電流である。１７は一次側の電圧がオンしている期間であり、この期間は一次側の電流１４は増加し続ける。１８の期間は一次側の電圧がオフし、１４の電流が０になるまでの時間である。この期間で電流１４は急激に減少し、二次側の巻線に電流１５、１６が流れ始める。電流１５は、巻線５の漏れインダクタンスが小さいため大きな傾きを持って上昇する。電流１６は巻線６の漏れインダクタンスが大きいので電流１５に比べ緩やかに上昇する。電流１４が０になった時点で電流１５、１６の上昇も止まる。電流１４が０になった後の期間１９は、電流１５、１６が減少していく。このように、急激な上昇をした漏れインダクタンスの小さな巻線６の電流１５は大きなリプル電流を作ることになる。サージ電圧は電流の変化率（ｄｉ／ｄｔ）に応じて発生するので、結果として、図４の巻線５を利用した電源は大きなサージ電圧が発生することになり、巻線６を利用した電源では小さなサージ電圧が発生することになる。なお、図９に示した理想トランスの電流推移図と、図５に示した一次と二次に漏れ磁束があるトランスの電流推移図を比較すると、図５の場合は期間１８が存在することが分かるが、漏れインダクタンスが小さくなればなるほど期間１８が短くなり電流の変化が急峻になり図９に近づく。そしてこの電流の変化割合が急峻になるほどサージ電圧が大きくなる。
【００１６】
図６、図７、図８に実験による電圧、電流の写真波形を示す。各図で横軸は時間で、スケールは５μｓ／ｄｉｖである。縦軸の電圧、電流のスケールは図中に記載のとおりである。図６が一次側巻線４の電圧（上）、電流（下）を示している。これに対して図７、図８が二次側の電圧（上）、電流（下）波形である。図７は一次側近くに巻いた巻線５、図８は絶縁紙を挟んで巻いた巻線６の電圧（上）、電流（下）波形である。これらから明らかなように、漏れインダクタンスの小さい巻線５のほうが電流のピーク値は大きく、立ち上がりが急峻であることを示している。これに対し、漏れインダクタンスの大きい巻線６のほうは電流のピーク値が小さく、立ち上がりがなだらかであることを示している。このように巻線６に発生するリプル電流は巻線５に比べ小さくなっている。
【００１７】
本実施例によれば、１つのスイッチングトランスの漏れインダクタンスの大きい二次巻線と漏れインダクタンスの小さい二次巻線を、マイコンのような安定な動作が要求される電源と、大まかな電源でよい電源などの電源が供給される先の回路用途により使い分けることにより、サージ電圧抑制用のリアクトルやコンデンサなどの部品点数を低減した簡単な回路で電源を供給することができる。さらには、インバータを他の機器に接続した際にも上記実施例によるスイッチング電源装置により外部に対し安定な電源を供給でき、外部機器のサージによる誤動作を防ぐことが可能である。
【００１８】
【発明の効果】
本発明によれば、ノイズに比較的強い主スイッチング素子の為の駆動電圧や冷却用ファン用電源として大まかな電圧ではあるがエネルギーの変換効率が高効率である電圧として電源を供給できる一方、制御部、インターフェース部などのサージ電圧に弱い部分の電源としてはサージ電圧のより小さい安定な電源が供給できる効果がある。
【００１９】
また、サージ電圧抑制用のフィルタが簡単化できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されるスイッチング電源装置の構成を示した図。
【図２】本発明が適用されるスイッチングトランスの回路図。
【図３】本発明が適用されるフライバック型スイッチング電源装置の回路図。
【図４】本発明によるスイッチングトランスの巻線構成図。
【図５】本発明の実施例による、スイッチング動作時の電流波形を示す図。
【図６】本発明の実施例による、一次側の電圧、電流の実験波形図。
【図７】本発明の実施例による、漏れインダクタンスが小さい巻線の二次側電圧、電流の実験波形図。
【図８】本発明の実施例による、漏れインダクタンスが大きい巻線の二次側電圧、電流の実験波形図。
【図９】理想トランス（漏れインダクタンスが無い理想的なトランス）の電流波形図。
【図１０】理想トランスの等価回路
【符号の説明】
１…スイッチングトランス、２…整流部、３…一次側電源回路、４…一次巻線、５…二次巻線、６…二次巻線、７…二次出力回路、８…二次出力回路、１１…絶縁紙、１３…コア、１４…一次巻線４の電流、１５…二次巻線５の電流、１６…二次巻線６の電流。

Claims (2)

1. 順変換部と、
   主スイッチング素子を有する逆変換部と、
   制御部と、
   第１と第２の二次巻線を有するスイッチングトランスを備えたスイッチング電源装置とを設けたインバータ装置であって、
   前記スイッチング電源装置が、前記主スイッチング素子を有する逆変換部と、前記制御部とに電源を供給するインバータ装置において、
   前記スイッチングトランスの一次巻線の外側に巻かれた前記第２の二次巻線よりも外側に巻かれた前記第１の二次巻線を前記制御部に電源を供給する巻線とし、
   前記第１の二次巻線よりも内側に巻かれた前記第２の二次巻線を前記主スイッチング素子に電源を供給する巻線とすることを特徴とするインバータ装置。
2. 請求項１記載のインバータ装置において、
   前記第１の二次巻線の内側に絶縁紙を二回以上巻いたスイッチングトランスを有することを特徴とするインバータ装置。

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