JP4218090B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器に電源として備えられるスイッチング電源回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源回路として、例えばフライバックコンバータやフォワードコンバータなどの形式のスイッチングコンバータを採用したものが広く知られている。これらのスイッチングコンバータはスイッチング動作波形が矩形波状であることから、スイッチングノイズの抑制には限界がある。また、その動作特性上、電力変換効率の向上にも限界があることが分かっている。
そこで、先に本出願人により、各種共振形コンバータによるスイッチング電源回路が各種提案されている。共振形コンバータは容易に高電力変換効率が得られると共に、スイッチング動作波形が正弦波状となることで低ノイズが実現される。また、比較的少数の部品点数により構成することができるというメリットも有している。
【０００３】
図１０は先に本出願人により提案された発明に基づいて構成することのできるスイッチング電源回路の一構成例を示す回路図である。この電源回路には自励式の電流共振形コンバータが採用されている。また、この電源回路は、商用交流電源（交流入力電圧）が例えば日本や米国などのＡＣ１００Ｖ系で、負荷電力１５０Ｗ以上の条件に対応する構成を採っている。
【０００４】
この図に示すスイッチング電源回路においては、交流電源ＡＣを整流平滑化するための整流平滑回路として、整流ダイオードＤｉ1，Ｄｉ2、及び平滑コンデンサＣｉ1，Ｃｉ2を図のように接続して成る、いわゆる倍電圧整流回路が備えられる。この倍電圧整流回路においては、例えば交流入力電圧ＶACのピーク値の１倍に対応する直流入力電圧をＥｉとすると、その約２倍の直流入力電圧２Ｅｉを生成する。例えば交流入力電圧ＶAC＝１４４Ｖであるとすると、直流入力電圧２Ｅｉは約４００Ｖとなる。
このように、整流平滑回路として倍電圧整流回路を採用するのは、上述したように、交流入力電圧がＡＣ１００Ｖ系とされ、かつ、最大負荷電力が１５０Ｗ以上という比較的重負荷の条件に対応するためとされる。つまり、直流入力電圧を通常の２倍とすることで、後段のスイッチングコンバータへの流入電流量を抑制し、当該スイッチング電源回路を形成する構成部品の信頼性が確保されるようにするものである。
なお、この図に示す倍電圧整流回路に対しては、その整流電流経路に対して突入電流制限抵抗Ｒｉが挿入されており、例えば電源投入時に平滑コンデンサに流入する突入電流を抑制するようにしている。
【０００５】
この電源回路のスイッチングコンバータは、図のように２つのスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 をハーフブリッジ結合したうえで、平滑コンデンサＣｉの正極側の接続点とアース間に対して挿入するようにして接続されている。
このスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 の各コレクタ−ベース間には、それぞれ起動抵抗ＲS1、ＲS2が挿入される。また、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 の各ベース−エミッタ間にはそれぞれクランプダイオードＤD1，ＤD2が挿入される。
また、スイッチング素子Ｑ1のベースとスイッチング素子Ｑ2のコレクタ間に対しては、共振用コンデンサＣB1，ベース電流制限用抵抗ＲB1，駆動巻線ＮB1から成る直列接続回路が挿入される。共振用コンデンサＣB1は自身のキャパシタンスと、次に説明する駆動巻線ＮB1のインダクタンスＬB1と共に自励発振用の直列共振回路を形成し、これによりスイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数を決定する。
同様に、スイッチング素子Ｑ2のベースと一次側アース間に対しては、共振用コンデンサＣB2，ベース電流制限用抵抗ＲB2，駆動巻線ＮB2から成る直列接続回路が挿入されており、共振用コンデンサＣB2と駆動巻線ＮB2のインダクタンスＬB2と共に自励発振用の直列共振回路を形成して、スイッチング素子Ｑ2のスイッチング周波数を決定している。
【０００６】
コンバータドライブトランスＣＤＴ(Converter Drive Transformer）はスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 を固定による所定のスイッチング周波数により駆動するために設けられるもので、この図の場合には駆動巻線ＮB1、ＮB2及び共振電流検出巻線ＮD が巻回されて構成される。
コンバータドライブトランスＣＤＴの駆動巻線ＮB1の一端は、抵抗ＲB1−共振用コンデンサＣB1の直列接続を介してスイッチング素子Ｑ1 のベースに接続され、他端はスイッチング素子Ｑ2 のコレクタに接続される。駆動巻線ＮB2の一端はアースに接地されると共に、他端は抵抗ＲB2−共振用コンデンサＣB2の直列接続を介してスイッチング素子Ｑ2 のベースと接続されている。駆動巻線ＮB1と駆動巻線ＮB2は互いに逆極性の電圧が発生するように巻装されている。
また、共振電流検出巻線ＮDの一端はスイッチング素子Ｑ1のエミッタとスイッチング素子Ｑ2のコレクタとの接続点（スイッチング出力点）に対して接続され、他端は、後述する直交型制御トランスＰＲＴの被制御巻線ＮRの直列接続を介して一次巻線Ｎ1の一端に対して接続される。
【０００７】
絶縁コンバータトランスＰＩＴ (Power Isolation Transformer)は、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 のスイッチング出力を二次側に伝送する。
この場合、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1 の一端は、被制御巻線ＮR−共振電流検出巻線ＮD を介してスイッチング素子Ｑ1 のエミッタとスイッチング素子Ｑ2 のコレクタの接点に接続されることで、スイッチング出力が得られるようにされる。また、一次巻線Ｎ1 の他端は、直列共振コンデンサＣ1 を介して一次側アースに接地されている。
この場合、上記直列共振コンデンサＣ1 及び一次巻線Ｎ1及び被制御巻線ＮRはは直列に接続されているが、この直列共振コンデンサＣ1 のキャパシタンス、及び一次巻線Ｎ1 （直列共振巻線）を含む絶縁コンバータトランスＰＩＴの漏洩インダクタンス（リーケージインダクタンス）Ｌ1の成分と被制御巻線ＮRのインダクタンスＬRとの成分の合成インダクタンスにより、スイッチングコンバータの動作を電流共振形とするための直列共振回路を形成している。
【０００８】
また、この図における絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次側では、二次巻線Ｎ2に対してセンタータップを設けた上で、整流ダイオードＤO1，ＤO2，ＤO3，ＤO4及び平滑コンデンサＣO1，ＣO2を図のように接続することで、［整流ダイオードＤO1，ＤO2，平滑コンデンサＣO1］の組と、［整流ダイオードＤO3，ＤO4，平滑コンデンサＣO2］の組とによる、２組の全波整流回路が設けられる。［整流ダイオードＤO1，ＤO2，平滑コンデンサＣO1］から成る全波整流回路は直流出力電圧ＥO1を生成し、［整流ダイオードＤO3，ＤO4，平滑コンデンサＣO2］から成る全波整流回路は直流出力電圧ＥO2を生成する。つまり、この図に示す回路では、二次側において直流出力電圧を得るのにあたり全波整流回路が設けられる。
なお、この場合には、直流出力電圧ＥO1及び直流出力電圧ＥO2は制御回路１に対しても分岐して入力される。制御回路１においては、直流出力電圧ＥO1を検出電圧として利用し、直流出力電圧ＥO2を制御回路１の動作電源として利用する。
また、二次巻線Ｎ2に対しては、例えば小容量のセラミックコンデンサＣｃが並列に接続される。このセラミックコンデンサＣｃは、二次側の整流ダイオードのオン／オフ動作によって生じるノイズを吸収するために設けられるもので、例えば２２０ｐＦ〜４７０ｐＦ程度とされ、電圧共振作用は生じない。つまり、二次巻線Ｎ2と並列共振回路を形成し得るほどのキャパシタンスは有していない。
【０００９】
制御回路１は、例えば二次側の直流電圧出力ＥO1のレベルに応じてそのレベルが可変される直流電流を、制御電流として直交型制御トランスＰＲＴの制御巻線ＮC に供給することにより後述するようにして定電圧制御を行う。
この図に示す直交型制御トランスＰＲＴは、例えば４本の磁脚を有する立体型コアに対して、被制御巻線ＮRが巻装され、更にこの被制御巻線ＮRに対してその巻回方向が直交するようにして制御巻線ＮCとが巻装された、直交型の可飽和リアクトルとして構成される。
【００１０】
上記構成による電源回路のスイッチング動作としては、先ず商用交流電源が投入されると、例えば起動抵抗ＲS1、ＲS2を介してスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 のベースに起動電流が供給されることになるが、例えばスイッチング素子Ｑ1 が先にオンとなったとすれば、スイッチング素子Ｑ2 はオフとなるように制御される。そしてスイッチング素子Ｑ1 の出力として、共振電流検出巻線ＮD →一次巻線Ｎ1→直列共振コンデンサＣ1 に共振電流が流れるが、この共振電流が０となる近傍でスイッチング素子Ｑ2 がオン、スイッチング素子Ｑ1 がオフとなるように制御される。そして、スイッチング素子Ｑ2 を介して先とは逆方向の共振電流が流れる。以降、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 が交互にオンとなる自励式のスイッチング動作が開始される。
このように、平滑コンデンサＣｉの端子電圧を動作電源としてスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 が交互に開閉を繰り返すことによって、絶縁コンバータトランスの一次側巻線Ｎ1 に共振電流波形に近いドライブ電流を供給し、二次側の巻線Ｎ2 に交番出力を得る。
【００１１】
この場合の制御回路１は、例えば負荷電力や交流入力電圧の変動に応じて直流出力電圧ＥO1 が変動するのに応じて、制御巻線ＮC に流れる電流レベルを可変制御する。これにより直交型制御トランスＰＲＴにおいては、被制御巻線ＮRのインダクタンスＬRが可変される。
被制御巻線ＮRのインダクタンスＬRは、前述したように、一次側の直列共振回路を形成していることから、インダクタンスＬRが変化することによって、直列共振回路の共振周波数を変化させることになる。これにより、固定のスイッチング周波数に対する直列共振周波数の差が可変されて共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスＰＲＴにおける二次側への伝送出力が可変制御されることになる。このようにして、二次出力電圧ＥO の定電圧制御が行われる。なお、以降、本明細書では上述のごとき構成による定電圧制御方式について「直列共振周波数制御方式」ということにして、後述する「スイッチング周波数制御方式」と区別する。
【００１２】
図１１は、先に本出願人により提案された発明に基づいて構成することのできるスイッチング電源回路の他の構成例を示す回路図である。この電源回路も自励式の電流共振形コンバータが採用されていると共に、交流入力電圧ＡＣ１００Ｖ系で負荷電力１５０Ｗ以上の条件に対応する構成を採っている。なお、この図において図１０と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１３】
この図に示す電源回路においては、図１０に示したコンバータドライブトランスＣＤＴが直交型制御トランスとしても機能するドライブトランスＰＲＴ (Power Regulating Transformer）が設けられる。即ち、ドライブトランスＰＲＴはスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 を駆動すると共に、後述するようにして定電圧制御を行う。
この図のドライブトランスＰＲＴ場合には、駆動巻線ＮB1、ＮB2及び共振電流検出巻線ＮD が巻回され、更にこれらの各巻線に対して制御巻線ＮC が直交する方向に巻回された直交型の可飽和リアクトルとして構成される。また、この場合にも、駆動巻線ＮB1と駆動巻線ＮB2は互いに逆極性の電圧が発生するように巻装されていることで、図１０にて説明した場合と同様に、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2は交互にオン／オフとなるタイミングでスイッチング動作を行う。
【００１４】
また、この図に示す電源回路では、被制御巻線ＮRは省略されることになるため、一次巻線Ｎ1は、共振電流検出巻線ＮDを介してスイッチング素子Ｑ1のエミッタとスイッチング素子Ｑ2のコレクタとの接続点（スイッチング出力点）に対して接続される形態を採る。従って、この場合には、一次巻線Ｎ1−直列共振コンデンサＣ1の直列接続によって一次側直列共振回路を形成することになる。
【００１５】
ドライブトランスＰＲＴによる定電圧制御は次のようにして行われる。
例えば、交流入力電圧や負荷電力の変動によって二次側出力電圧ＥO1 が変動したとすると、制御回路１では、二次側出力電圧ＥO1 の変動に応じて制御巻線ＮC に流れる制御電流のレベルを可変制御する。
この制御電流によりドライブトランスＰＲＴに発生する磁束の影響で、ドライブトランスＰＲＴにおいては飽和傾向の状態が変化し、駆動巻線ＮB1，ＮB2のインダクタンスを変化させるように作用するが、これにより自励発振回路の条件が変化してスイッチング周波数が変化するように制御される。
この図に示す電源回路では、直列共振コンデンサＣ1 及び一次巻線Ｎ1 の直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数領域でスイッチング周波数を設定しているが、例えばスイッチング周波数が高くなると、直列共振回路の共振周波数に対してスイッチング周波数が離れていくようにされる。これにより、スイッチング出力に対する一次側直列共振回路の共振インピーダンスは高くなる。
このようにして共振インピーダンスが高くなることで、一次側直列共振回路の一次巻線Ｎ1 に供給されるドライブ電流が抑制される結果、二次側出力電圧が抑制されることになって、定電圧制御が図られることになる。
なお、以降はこのような方法による定電圧制御方式を「スイッチング周波数制御方式」と呼び、後述する「直列共振周波数制御方式」と区別する。
【００１６】
また、図１１に示す電源回路においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の各コレクタ−エミッタ間に対して、それぞれ小容量のセラミックコンデンサＣｃ1，Ｃｃ2が並列に接続される。このセラミックコンデンサＣｃ1，Ｃｃ2もまた、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のスイッチングノイズを吸収するために設けられるものであるが、ここでは、上記定電圧制御動作によって比較的広範囲に変化するスイッチング周波数に対応して、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のターンオフ時にゼロ電圧スイッチング動作を得るための作用も有する。
【００１７】
また、図１１に示す電源回路で、絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次側において、二次巻線Ｎ2，Ｎ2Aがそれぞれ独立して巻装された形態を採っている。そして、二次巻線Ｎ2に対しては、ブリッジ整流回路ＤBRが設けられてブリッジ整流方式によって直流出力電圧ＥO1を得るようにしている。このようなブリッジ整流回路ＤBRに対しては、図のように、その正極入力端子と負極入力端子間に小容量のセラミックコンデンサＣｃ3を挿入することで、ブリッジ整流回路ＤBRを形成する整流ダイオードのスイッチングノイズを吸収することができる。この場合も、セラミックコンデンサＣｃ3の容量としては、２２０ｐＦ〜４７０ｐＦ程度とされ、二次側における電圧共振作用は生じない。
また、二次巻線Ｎ2Aに対しては、整流ダイオードＤO3，ＤO4による全波整流回路が備えられて、直流出力電圧ＥO2を得るようにしている。
【００１８】
図１２は、先に本出願人により提案された発明に基づいて構成することのできるスイッチング電源回路の他の構成例を示す回路図である。この電源回路も自励式の電流共振形コンバータが採用されていると共に、交流入力電圧ＡＣ１００Ｖ系で負荷電力１５０Ｗ以上の条件に対応する構成を採っている。なお、この図において図１０、図１１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１９】
この図に示す電源回路では、直流入力電圧を得るために、ブリッジ整流回路Ｄｉと１本の平滑コンデンサＣｉとからなる整流平滑回路が備えられる。つまり、交流入力電圧ＶACのピークレベルの等倍に対応する整流平滑電圧Ｅｉを生成して後段のスイッチングコンバータに供給する構成を採る。
【００２０】
この図においては、４本のスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14をフルブリッジ結合した他励式の電流共振形コンバータが備えられる。この場合のフルブリッジ結合は、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12の組によるハーフブリッジ結合と、スイッチング素子Ｑ13，Ｑ14によるハーフブリッジ結合とを組み合わせることによって形成される。また、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14としてはＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる。
スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12の組によるハーフブリッジ結合は、スイッチング素子Ｑ11のドレインを整流平滑電圧Ｅｉのラインと接続し、スイッチング素子Ｑ11のソースとスイッチング素子Ｑ12のドレインを接続し、スイッチング素子Ｑ12のソースを一次側アースに接続することで形成される。
同様に、スイッチング素子Ｑ13，Ｑ14の組によるハーフブリッジ結合は、スイッチング素子Ｑ13のドレインを整流平滑電圧Ｅｉのラインと接続し、スイッチング素子Ｑ13のソースとスイッチング素子Ｑ14のドレインを接続し、スイッチング素子Ｑ14のソースを一次側アースに接続することで形成される。
また、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14の各ドレイン−ソース間に対しては、それぞれ、図に示す方向により並列にダンパーダイオードＤD1，ＤD2，ＤD3，ＤD4が備えられ、スイッチングオフ時の帰還電流の経路を形成する。
【００２１】
この場合には、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1 の一端は、スイッチング素子Ｑ11、Ｑ12のソース−ドレインの接続点（スイッチング出力点）に対して接続され、一次巻線Ｎ1の他端は、直列共振コンデンサＣ1を介してスイッチング素子Ｑ13，Ｑ14のソース−ドレインの接続点（スイッチング出力点）に対して接続される。
これにより、一次巻線Ｎ1 及び直列共振コンデンサＣ1を備えて形成される直列共振回路に対して、後述するようにして行われるスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給されるようになっている。
【００２２】
起動回路４は、電源投入直後に整流平滑ラインに得られる電圧或いは電流を検出して、発振回路２を起動させるために設けられており、この起動回路４には、動作電源として絶縁コンバータトランスＰＩＴに設けられた三次巻線Ｎ3 と整流ダイオードＤ3 、及び平滑コンデンサＣ3 により供給される低圧直流電圧が供給される。
【００２３】
発振回路２は、所要のスイッチング周波数に対応する周波数信号を発振させてドライブ回路３に対して出力する。ドライブ回路３は、発振回路２から入力した周波数信号を利用して、スイッチング駆動信号を生成する。
ドライブ回路３はスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14にスイッチング駆動信号を出力するが、この際、ドライブ回路３では、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ14が同じオン／オフタイミングとなり、スイッチング素子Ｑ12，Ｑ13が同じオン／オフタイミングとなるようにされ、かつ、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12が交互にオン／オフ動作を行い、スイッチング素子Ｑ13，Ｑ14が交互にオン／オフ動作を行うように、各駆動信号を生成するものである。
そして、ドライブ回路３がスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14を駆動する状態では、上記のオン／オフタイミングでスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14が動作することになるが、これがフルブリッジ式のスイッチング動作となる。
【００２４】
この場合制御回路１は、例えば二次側直流出力電圧Ｅ01 の変動に対応したレベルの制御信号を発振回路２に出力する。発振回路２では制御回路１から供給された制御信号に基づいて、周波数信号（スイッチング駆動信号）の周波数を変化させて、スイッチング周波数を可変するようにしている。
このような電源回路では、スイッチング周波数は例えば直列共振周波数よりも高い領域として設定されている。そして、例えば二次側直流出力電圧Ｅ0 が高くなると発振ドライブ回路２はスイッチング周波数を高くするように制御動作を行うことになるが、これにより直列共振回路の共振インピーダンスが大きくなる。この結果、直列共振回路の一次巻線Ｎ1 に流れるスイッチング出力電流が制限されることで、二次側に伝送される電圧を低下させる。このようにして、定電圧制御が行われる。つまり、図１１の電源回路と同様に、スイッチング周波数制御方式による定電圧制御となる。
【００２５】
ここで、図１０〜図１２に示した電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造を図１３により断面的に示す。
絶縁コンバータトランスＰＩＴは、例えばフェライト材によるＥ型コアＣＲ１、ＣＲ２を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ型コアが形成される。この際、中央磁脚には図のようにギャップは形成されない。そして、この中央磁脚に対して、ボビンＢを利用して一次巻線Ｎ1 、二次巻線Ｎ2（Ｎ2A） をそれぞれ分割した状態で巻装して構成される。これにより、一次巻線Ｎ1 と二次巻線Ｎ2 とでは疎結合（例えば結合係数ｋ≒０．９）の状態が得られることになる。
【００２６】
また、絶縁コンバータトランスＰＩＴにおいては、一次巻線Ｎ1 、二次巻線Ｎ2 の極性（巻方向）と整流ダイオードＤO （［ＤO1，ＤO2］，［ＤO3，ＤO4］）の接続との関係によって、一次巻線Ｎ1 のインダクタンスＬ1と二次巻線Ｎ2 のインダクタンスＬ2 との相互インダクタンスＭについて、＋Ｍ（加極性モード）となる場合と−Ｍ（減極性モード）となる場合とがある。
例えば、図１４（ａ）に示す接続形態を採る場合の動作では相互インダクタンスは＋Ｍとなり、図１４（ｂ）に示す接続形態を採る場合の動作では相互インダクタンスは−Ｍとなる。
この相互インダクタンス＋Ｍ／−Ｍの動作モードは、図１０〜図１２に示した二次側の構成に対応させれば、二次巻線Ｎ2（Ｎ2A）に得られる交番電圧が負の期間に整流ダイオードにより整流する動作と、正の期間に整流ダイオードにより整流する動作とに相当するものである。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記図１０，図１１に示す構成による電流共振形コンバータでは、交流入力電圧ＶACがＡＣ１００Ｖ系で最大負荷電力が１５０Ｗ以上の条件に対応するため、倍電圧整流方式により２Ｅｉのレベルの直流入力電圧を得るようにしている。このため、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2については、スイッチングオフ時に印加する高レベルの共振電圧に対応するために、４００Ｖの耐圧品を選定している。
これによって、スイッチング素子は相応に大型化してしまう。また、スイッチング素子について高耐圧品を選定した場合においては、飽和電圧ＶCE(SAT)、蓄積時間ｔSTG、下降時間ｔｆが大きく、電流増幅率ｈFEが小さくなるなど、特性が劣化するため、スイッチング周波数を高く設定することが困難となる。スイッチング周波数が低ければスイッチング損失とドライブ電力が増加するため、それだけ電源回路としての電力損失が大きくなる。
更には、上述したように高レベルの直流入力電圧を得て信頼性を確保するために倍電圧整流回路が必要となることで、比較的大型の平滑コンデンサが２本必要となって基板面積も大きくなる。
【００２８】
これに対して、図１２に示した電源回路では、４本のスイッチング素子をフルブリッジ結合して他励式により駆動することで負荷電力への対応が図られるので、例えばブリッジ整流回路による等倍電圧整流回路によって直流入力電圧を得ることが可能となり、従って、各スイッチング素子の耐圧も２００Ｖに抑えることが可能になる。
但し実際には、他励式の駆動回路系を構成するために、発振回路２やドライブ回路３などの回路をＩＣによる外付け部品として設ける必要がある他、制御回路１に対して二次側の直流出力電圧を帰還するために、実際にはフォトカプラを介在させて、一次側と二次側を直流的に絶縁する必要がある。つまり、図１２に示す回路では、これらの部品を追加して電源回路を構成するため、実際の回路基板のサイズが大きくなってしまう。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記した課題を考慮して、例えばＡＣ１００Ｖ系に対応するスイッチング電源回路として、比較的重負荷の条件に対応可能とされた上で、電力変換効率の向上、及び小型軽量化が促進されるようにすることを目的とするものである。
【００３０】
このため、商用交流電源を入力して、この商用交流電源レベルの等倍に対応するレベルの整流平滑電圧を生成して直流入力電圧として出力する整流平滑手段と、疎結合とされる所要の結合係数が得られるようにギャップが形成され、一次側出力を二次側に伝送するために設けられる絶縁コンバータトランスと、スイッチング素子を備えて、直流入力電圧を断続して絶縁コンバータトランスの一次巻線に出力するように構成されたスイッチング手段と、少なくとも、絶縁コンバータトランスの一次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と、一次巻線に対して直列に接続される直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されてスイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路と、絶縁コンバータトランスの二次巻線に対して二次側直列共振コンデンサを直列に接続することで絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と、二次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって直列共振回路を形成する二次側直列共振回路と、整流電流経路に対して二次側直列共振コンデンサを挿入して形成され、絶縁コンバータトランスの二次巻線に得られる交番電圧を入力して倍電圧全波整流動作を行って、入力電圧レベルのほぼ２倍に対応する二次側直流出力電圧を得るように構成された直流出力電圧生成手段と、二次側直流出力電圧のレベルに応じてスイッチング手段のスイッチング周波数又は少なくとも一次側直列共振回路の共振周波数を可変制御することによって定電圧制御を行うようにされた定電圧制御手段とを備えてスイッチング電源回路を構成することとした。
【００３１】
上記構成によれば、一次側に対してはスイッチング動作を電流共振形とする直列共振回路が備えられたうえで、絶縁コンバータトランスを疎結合とし、二次側においては二次側直列共振回路と倍電圧全波整流回路によって二次側直流出力電圧を生成して負荷に電力を供給するようにされる。つまり、所要の負荷条件に対しては、一次側の直列共振作用と二次側における直列共振動作とにより得られる電磁エネルギーを利用して、倍電圧全波整流回路により直流出力電圧を生成することで対応するようにされ、これに伴い、一次側は倍電圧整流回路ではなく、交流入力電圧レベルの１倍に対応する整流平滑電圧を生成する全波整流回路を備えて構成されることになる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。この図に示す電源回路においては先に説明した図１０、図１１の場合と同様に、一次側に対しては、２石のスイッチング素子（バイポーラトランジスタ）による自励式の電流共振形スイッチングコンバータが備えられる。なお、この図において、図１０〜図１２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００３３】
この図に示す本実施の形態としての電源回路においては、交流入力電圧ＶACを入力して交流入力電圧を得るための整流平滑回路として、ブリッジ整流回路Ｄｉ及び平滑コンデンサＣｉからなる全波整流回路が備えられ、交流入力電圧ＶACの１倍のレベルに対応する整流平滑電圧Ｅｉを生成するようにされる。つまり、本実施の形態においては、従来のように倍電圧整流回路は備えられないものである。
なお、本明細書においては交流入力電圧ＶACのレベルの１倍に対応する整流平滑電圧Ｅｉを生成する全波整流回路を「等倍電圧整流回路」ともいうことにする。
【００３４】
また、この図に示す電流共振形コンバータの自励発振駆動回路では、ベース電流制限用の抵抗ＲB1，ＲB2の挿入位置として、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のベースと共振用コンデンサＣB1，ＣB2間にそれぞれ挿入されている点が、図１０，図１１に示す回路と異なるが、このような接続形態であっても、図１０，図１１にて説明したのと同様にスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のための自励発振駆動回路を形成する。
また、この図においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のコレクタ−エミッタ間に対して、スイッチングノイズ除去用としての小容量のセラミックコンデンサＣｃ1，Ｃｃ2がそれぞれ並列に接続されている。
【００３５】
本実施の形態の電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスＰＩＴは、図２に示すように、例えばフェライト材によるＥ型コアＣＲ１、ＣＲ２を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ型コアが備えられ、このＥＥ型コアの中央磁脚に対して、一次側と二次側とで巻装部が分割された分割ボビンＢを利用して一次巻線Ｎ1と、二次巻線Ｎ2dをそれぞれ分割した状態で巻装している。そして、本実施の形態では、中央磁脚に対しては図のようにギャップＧを形成するようにしている。このギャップＧは、Ｅ型コアＣＲ１、ＣＲ２の中央磁脚を、２本の外磁脚よりも短く形成することで形成することが出来る。
これによって、例えば従来例として図１３に示した絶縁コンバータトランスＰＩＴよりも小さな結合係数による疎結合となるようにして、その分、飽和状態が得られにくいようにしている。この場合の結合係数ｋとしては、例えばｋ≒０．８５とされる。
【００３６】
本実施の形態の電源回路の二次側においては、後述するようにして従来とは巻数の異なる二次巻線Ｎ2dが設けられる。この二次巻線Ｎ2dの一端は二次側アースに接続され、他端は直列共振コンデンサＣｓ1の直列接続を介して整流ダイオードＤO1のアノードと整流ダイオードＤO2のカソードの接続点に対して接続される。整流ダイオードＤO1のカソードは平滑コンデンサＣO1の正極と接続され、整流ダイオードＤO2のアノードは二次側アースに対して接続される。平滑コンデンサＣO1の負極側は二次側アースに対して接続される。
また、二次巻線Ｎ2dにはタップが設けられ、このタップ端子は直列共振コンデンサＣｓ2の直列接続を介して整流ダイオードＤO3のアノードと整流ダイオードＤO4のカソードの接続点に対して接続される。整流ダイオードＤO3のカソードは平滑コンデンサＣO2の正極と接続され、整流ダイオードＤO4のアノードは二次側アースに対して接続される。平滑コンデンサＣO2の負極側は二次側アースに対して接続される。
このような接続形態では結果的に、［直列共振コンデンサＣｓ1，整流ダイオードＤO1，ＤO2、平滑コンデンサＣO1］の組と、［直列共振コンデンサＣｓ2，整流ダイオードＤO3，ＤO4、平滑コンデンサＣO2］の組とから成る２組の倍電圧全波整流回路が設けられることになる。ここで、直列共振コンデンサＣｓ1は、自身のキャパシタンスと二次巻線Ｎ2dの漏洩インダクタンス成分とによって、整流ダイオードＤO1，ＤO2のオン／オフ動作に対応する直列共振回路を形成し、直列共振コンデンサＣｓ2は、自身のキャパシタンスと二次巻線Ｎ2dの漏洩インダクタンス成分とによって、整流ダイオードＤO3，ＤO4のオン／オフ動作に対応する直列共振回路を形成する。
即ち、本実施の形態の電源回路は、一次側にはスイッチング動作を電流共振形とするための直列共振回路が備えられ、二次側には、倍電圧全波整流動作を得るための直列共振回路が備えられる。なお、本明細書では、このように一次側及び二次側に対して共振回路が備えられて動作する構成のスイッチングコンバータについては、「複合共振形スイッチングコンバータ」ともいうことにする。
【００３７】
ここで、上記［直列共振コンデンサＣｓ1，整流ダイオードＤO1，ＤO2、平滑コンデンサＣO1］の組による倍電圧全波整流動作としては次のようになる。
一次側のスイッチング動作により一次巻線Ｎ1にスイッチング出力が得られると、このスイッチング出力は二次巻線Ｎ2dに励起される。
そして、整流ダイオードＤO1がオフとなり、整流ダイオードＤO2がオンとなる期間においては、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2dとの極性が−Ｍとなる減極性モードで動作して、二次巻線Ｎ2dの漏洩インダクタンスと直列共振コンデンサＣｓ1による直列共振作用によって、整流ダイオードＤO2により整流した整流電流ＩC2を直列共振コンデンサＣｓ1に対して充電する動作が得られる。
そして、整流ダイオードＤO2がオフとなり、整流ダイオードＤO1がオンとなって整流動作を行う期間においては、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2dとの極性が＋Ｍとなる加極性モードとなり、二次巻線Ｎ2dに誘起された電圧に直列共振コンデンサＣｓ1の電位が加わるという直列共振が生じる状態で平滑コンデンサＣO1に対して充電が行われる動作となる。
上記のようにして、加極性モード（＋Ｍ；フォワード動作）と減極性モード（−Ｍ；フライバック動作）との両者のモードを利用して整流動作が行われることで、平滑コンデンサＣO1においては、二次巻線Ｎ2dの誘起電圧のほぼ２倍に対応する直流出力電圧ＥO1が得られる。また、［直列共振コンデンサＣｓ2，整流ダイオードＤO3，ＤO4、平滑コンデンサＣO2］の組とから成る倍電圧全波整流回路によっても同様の動作によって、二次巻線Ｎ2dの誘起電圧のほぼ２倍に対応する直流出力電圧ＥO2が得られることになる。
【００３８】
上記した倍電圧全波整流動作を得るための構成は、先に図２にて説明したように、絶縁コンバータトランスＰＩＴに対してギャップＧを形成して所要の結合係数による疎結合としたことによって、絶縁コンバータトランスＰＩＴが更に飽和状態となりにくい状態を得たことで実現されるものである。例えば、従来のように絶縁コンバータトランスＰＩＴに対してギャップＧが設けられない場合には、フライバック動作時において絶縁コンバータトランスＰＩＴが飽和状態となって動作が異常となる可能性が高く、本実施の形態のような倍電圧整流動作が適正に行われるのを望むのは難しい。
【００３９】
また、本実施の形態としての定電圧制御は、図１０の場合と同様の構成を採っている、つまり被制御巻線ＮRを一次巻線Ｎ1に対して直列に接続していることで、直列共振周波数制御方式が採られる。
【００４０】
上記構成によると、本実施の形態では、相互インダクタンスが＋Ｍと−Ｍの動作モードとなる状態を利用して、倍電圧全波整流を行うことで二次側直流出力電圧を得るようにしている。つまり、一次側の電流共振作用と二次側の電流共振作用とによる電磁エネルギーが同時に負荷側に供給されるようにしているため、それだけ負荷側に供給される電力も増加して、最大負荷電力の増加が図られることになる。
【００４１】
また、上記のようにして最大負荷電力の増加を図ることで、本実施の形態では、直流入力電圧を生成する整流平滑回路としては倍電圧整流方式を採って負荷電力をカバーする必要はない。このため、図１にて説明したように、例えばブリッジ整流回路による通常の等倍電圧整流回路の構成を採ることができる。
これにより、例えば交流入力電圧ＶAC＝１４４Ｖ時における整流平滑電圧Ｅｉは２００Ｖ程度となる。スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の両端に得られる共振電圧は、整流平滑電圧Ｅｉに対して一次側の直列共振回路が作用することで、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のオフ時に発生するが、本実施の形態では、上記のように整流平滑電圧Ｅｉが倍電圧整流時の約１／２とされていることで、共振電圧Ｖｃｒは、先に図１０，図１１に示した従来例としての電源回路にて発生する共振電圧の約１／２程度に抑えられることになる。つまり、共振電圧Ｖｃｒはピークで２００程度にまで抑えられることになる。
従って、本実施の形態においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2については、２００Ｖの耐圧品を選定すればよいことになる。
【００４２】
また、二次側においては、二次巻線Ｎ2dの励起電圧が正負の両期間において整流動作を行う倍電圧全波整流回路を設けたことで、本実施の形態では、二次側整流ダイオードのオフ期間に発生する二次側整流ダイオードの両端電圧は、二次側直流出力電圧ＥOと同等のレベルにまで抑制される。これにより、二次側の倍電圧整流回路を形成する整流ダイオードとしては、二次側直流出力電圧ＥOのレベルに対応する耐圧品を選定すればよいことになる。
【００４３】
また、倍電圧全波整流回路によって二次側直流出力電圧を得るようにしていることで、例えば等倍電圧整流回路によって得られる二次側直流出力電圧と同等のレベルを得ようとすれば、本実施の形態の二次巻線Ｎ2dとしては、従来の１／２の巻数で済むことになる。この巻数の削減は、絶縁コンバータトランスＰＩＴの小型軽量化、及び低コスト化につながる。
【００４４】
更に本実施の形態では、スイッチング素子Ｑ1、及び二次側の整流ダイオードについて、従来備えられるべきものよりも低耐圧品を用いることができるため、素子としてはそれだけ安価となる。このため、特にコストアップを考慮することなく、例えばスイッチング素子Ｑ1及びブリッジ整流回路ＤOについて特性の向上されたもの（スイッチング素子Ｑ1であれば、飽和電圧ＶCE(SAT)、蓄積時間ｔSTG、下降時間ｔｆ、電流増幅率ｈFE等の特性の良好なもの、また、整流ダイオードであれば順方向電圧降下ＶF、逆回復時間ｔｒｒ等の特性の良好なもの）を選定することができる。
このような特性の向上によって、本実施の形態では、従来よりもスイッチング周波数を高く設定できることになり、それだけ電力損失の低減、及び各種部品の小型・軽量化が促進されることにもなる。つまり、従来よりも電力変換効率など諸特性の向上を図ることが可能になると共に、各種部品素子及び直交型制御トランスＰＲＴ、絶縁コンバータトランスＰＩＴ等の小型軽量化及び低コスト化を促進することが可能になる。
【００４５】
更に、電源回路の小型・軽量化及び低コスト化の観点からすれば、従来のように直流入力電圧の生成のために倍電圧整流回路を備える構成では、それぞれ２組の整流ダイオードと平滑コンデンサが必要とされたのであるが、本実施の形態では、例えば通常のブリッジ整流回路による全波整流回路とされるため、１組のブロック型の平滑コンデンサとブリッジ整流ダイオードを採用することができるので、それだけ、コストの削減及び部品の小型化が図られるものである。
【００４６】
実際の実験結果として、例えば図１０に示した従来としての電源回路の構成では、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時において、スイッチング周波数ｆｓ＝１００ＫＨｚ、対応可能な最大負荷電力が２００Ｗであったのに対して、図１に示す本実施の形態の電源回路では、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時において、スイッチング周波数ｆｓ＝１５０ＫＨｚ、対応可能な最大負荷電力が１６０Ｗと、スイッチング周波数が１，５倍に向上された上で、ほぼ同等の最大負荷電力に対応している。
【００４７】
図３は、本発明の第２の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。なお、この図において、図１及び図１０〜図１２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す電源回路は、先に図１１に示した電源回路の構成（即ちスイッチング周波数制御方式を採る、自励式でハーフブリッジ結合による電流共振形コンバータ）を基礎として、二次側に対して、図１により説明した、直列共振コンデンサＣｓ1が挿入された倍電圧全波整流回路を備える構成を採っている。
このような構成とされても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４８】
図４は、本発明の第３の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。なお、この図において、図１、図３及び図１０〜図１２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００４９】
この図に示す電源回路では、絶縁コンバータトランスがＰＲＴ (Power Regulating Transformer）とされる。つまり、一次巻線Ｎ1、二次巻線Ｎ2dを巻装した上で、これら一次巻線Ｎ1、二次巻線Ｎ2dに対して直交する巻回方向に制御巻線ＮCを巻装して構成される。なお、この構成においても、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2dでは例えばｋ＝０．８５程度の結合係数が得られて疎結合の状態が得られるようにしている。
【００５０】
この図に示す構成では、制御回路１によって、二次側直流出力電圧ＥO1の変動に応じて可変されたレベルの制御電流（直流電流）が制御巻線ＮCに流れるようにされる。絶縁コンバータトランスＰＲＴにおいては、制御巻線ＮCに流れる制御電流レベルに応じて、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2dの漏洩インダクタンス（Ｌ11，Ｌ2）を同時に可変制御することになるが、これによって、一次側の直列共振周波数と二次側の直列共振周波数が同時に制御される。このため、上記各実施の形態の電源回路よりも更に対応可能な負荷電力の増加を図ることが可能になり、例えば２００Ｗの最大負荷電力に対応することが可能になる。
【００５１】
図５は、本発明の第４の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。なお、この図において、図１、図３、図４、及び図１０〜図１２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す電源回路においては、４石のスイッチング素子をフルブリッジ結合した自励式の電流共振形コンバータが備えられる。
【００５２】
この図に示すフルブリッジ結合方式による電流共振形コンバータは、４石のバイポーラトランジスタによるスイッチング素子Ｑ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 を備えて成る。
そして、この図に示すように、スイッチング素子Ｑ1 及びＱ2 は、平滑コンデンサＣｉの正極とアース間に対して、それぞれのコレクタ−エミッタを介して直列に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ3 及びＱ4 側もまた、上記と同様にして接続される。
【００５３】
スイッチング素子Ｑ1の駆動回路系としては、コレクタ−ベース間に対して起動抵抗ＲS1が挿入され、ベース−エミッタ間にはクランプダイオードＤD1が挿入される。そして、スイッチング素子Ｑ1のベースに対して、ベース電流制限用の抵抗ＲB1を介して自励発振用の駆動回路（共振コンデンサＣB1−駆動巻線ＮB1）が接続される。
同様に、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4 に対しても、それぞれ同様の接続形態によって［起動抵抗（ＲS2，ＲS3，ＲS4)，クランプダイオード（ＤD2，ＤD3，ＤD4），ベース電流制限用抵抗（ＲB2，ＲB3，ＲB4）,共振コンデンサ（ＣB2，ＣB3，ＣB4），駆動巻線（ＮB2，ＮB3，ＮB4）]の各素子による駆動回路系が形成される。
【００５４】
また、この場合にもスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4 の各コレクタ−エミッタ間に対しては、それぞれ小容量のセラミックコンデンサＣC1、ＣC2、ＣC3、ＣC4が接続されて、スイッチング動作により発生するノイズを吸収するようにされている。
【００５５】
ドライブトランスＰＲＴは、フルブリッジ結合方式に対応して駆動巻線ＮB1〜ＮB4及び、駆動巻線ＮB1を巻き上げて形成される共振電流検出巻線ＮD が巻装され、これら各巻線とその巻回方向が直交するようにして制御巻線ＮC が巻装されることで可飽和リアクトルとして構成される。
【００５６】
この図に示す直列共振回路としては、一次巻線Ｎ1 の一端が直列共振コンデンサＣ1−共振電流検出巻線ＮD を介して、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 のエミッタ−コレクタの接続点（スイッチング出力点）と接続され、他端はスイッチング素子Ｑ3 、Ｑ4 のエミッタ−コレクタの接続点（スイッチング出力点）と接続される。これにより、スイッチング素子Ｑ1 〜Ｑ4 のスイッチング出力は、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1 及び直列共振コンデンサＣ1 からなる直列共振回路に供給されることになる。
【００５７】
上記構成の電流共振形のスイッチング動作としては、例えばスイッチング素子［Ｑ1 、Ｑ4 ］の組とスイッチング素子［Ｑ2 、Ｑ3 ］の組が交互にオン／オフ動作を行うようにされる。
例えば、先ず商用交流電源が投入されると、起動抵抗ＲS1〜ＲS4を介してスイッチング素子Ｑ1 〜Ｑ4 のベースにベース電流が供給されることになるが、仮にスイッチング素子［Ｑ1，Ｑ4 ］が先にオンとなったとすれば、スイッチング素子［Ｑ2 ，Ｑ3 ］はオフとなるように制御される。そして、スイッチング素子［Ｑ1 ，Ｑ4 ］の出力として、スイッチング素子Ｑ1 のコレクタ−エミッタ→共振電流検出巻線ＮD →直列共振コンデンサＣ1 →一次巻線Ｎ1 →スイッチング素子Ｑ4 のコレクタ−エミッタ→一次側アースの経路で電流が流れるが、この際、一次側直列共振回路を流れる共振電流が０となる近傍でスイッチング素子［Ｑ2，Ｑ3 ］がオン、スイッチング素子［Ｑ1 ，Ｑ4 ］がオフとなるように制御される。そして、スイッチング素子Ｑ2 を介して先とは逆方向に直列共振回路に対して共振電流が流れる。以降、スイッチング素子［Ｑ1，Ｑ4 ］及び［Ｑ2，Ｑ3 ］が交互にオンとなる自励式のスイッチング動作が開始される。
【００５８】
この図に示す制御回路１は、例えば二次側直流出力電圧ＥO1の変動レベルに応じて可変したレベルの制御電流を制御巻線ＮCに流すように動作するのであるが、これによって、ドライブトランスＰＲＴにおける駆動巻線ＮB1〜ＮB4のインダクタンスを可変制御する結果、スイッチング素子Ｑ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4のスイッチング周波数を制御する。つまり、本実施の形態においてはスイッチング周波数制御方式による定電圧制御の構成が採られる。
に構成される。
【００５９】
本実施の形態の場合には４本のスイッチング素子を備えて電源回路が構成されることになるが、例えば図１２に示したＭＯＳ−ＦＥＴをスイッチング素子とする他励式のフルブリッジ結合方式による電源回路と比較した場合には、対応可能な最大負荷電力が増加するものである。また、回路規模も、これまでの実施の形態において述べてきたようにして、より縮小されるものである。
【００６０】
これまでの実施の形態の説明においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）として、バイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）採用した場合を例に挙げていたが、本発明の実施の形態としては、以降示すようなスイッチング回路或いはスイッチング素子をスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）に代えて採用することも可能である。
図６は、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）に代えて、２本のバイポーラトランジスタＱ11，Ｑ12をダーリントン接続した回路を使用する例を示している。
この場合の接続形態としては、トランジスタＱ11のコレクタとトランジスタＱ12のコレクタを接続し、トランジスタＱ11のエミッタをトランジスタＱ12のエミッタと接続し、トランジスタＱ12のエミッタをアースに接地している。また、ダンパーダイオードＤD1のアノードをトランジスタＱ11のエミッタと接続し、ダンパーダイオードＤD1のカソードを抵抗Ｒ11を介してトランジスタＱ11のベースに接続している。ダンパーダイオードＤD2のアノードは、トランジスタＱ12のエミッタに接続され、カソードはトランジスタＱ12のコレクタに接続されている。抵抗Ｒ12は、トランジスタＱ12のベース−エミッタ間に対して並列に接続されている。このようにして形成したダーリントン接続回路においては、トランジスタＱ11のベースが先の各実施の形態に示したスイッチング素子のベースと等価となり、トランジスタＱ11，Ｑ12のコレクタ接点がスイッチング素子のコレクタと等価となる。また、トランジスタＱ12のエミッタがスイッチング素子のエミッタと等価となる。
【００６１】
また、第１〜第３の実施の形態に対応する図１、図３、図４の電源回路のようにして、ハーフブリッジ結合方式による構成を採る場合にも、図７に示すようにして、バイポーラトランジスタのスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2に代えて、ＭＯＳ−ＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ；金属酸化膜半導体）を使用することができる。ＭＯＳ−ＦＥＴを用いる場合、ドレイン−ソース間に対して、スイッチングオフ時の帰還電流の経路を形成するためのツェナーダイオードＺＤが図に示す方向により並列に接続される。つまり、アノードがＭＯＳ−ＦＥＴのソースと接続され、カソードがツェナーダイオードＺＤのドレインと接続される。この場合、先の各実施の形態に示したスイッチング素子Ｑ1のベース、コレクタ、エミッタは、それぞれ、ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート、ドレイン、ソースに置き換わることになる。また、ＭＯＳ−ＦＥＴを用いる場合には、図７に示したような他励式の構成を採るなどして、電流駆動ではなく、電圧駆動する必要がある。
【００６２】
図８は、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）に代えて、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を使用した例が示されている。ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間に対しては、スイッチングオフ時の帰還電流の経路を形成するためのダイオードＤが並列に接続される。ここでは、ダイオードＤのアノード、カソードはそれぞれＩＧＢＴのコレクタ，エミッタに対して接続されている。
この回路では、先の各実施の形態に示したスイッチング素子Ｑ1（Ｑ2）のベース、コレクタ、エミッタは、それぞれ、ＩＧＢＴのゲート、コレクタ、エミッタに置き換わる。
【００６３】
図９は、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）に代えて、ＳＩＴ（静電誘導サイリスタ）を使用した例が示されている。このＳＩＴのコレクタ−エミッタ間に対しても、スイッチングオフ時の帰還電流の経路を形成するためのダイオードＤが並列に接続され、ダイオードＤのアノード、カソードがそれぞれＳＩＴのカソード，アノードに対して接続される。
上記図６〜図９に示す何れの構成を採った場合にも、本実施の形態では更なる高効率化を図ることが可能になる。なお、図６〜図９に示す構成を採る場合、ここでは図示しないが、実際にスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）として選定される素子に適合するようにして、その駆動回路の構成を変更して構わないものである。
また、実施の形態として上記各図に示した構成の細部は、実際の使用条件等に応じて変更されて構わない。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、スイッチング電源回路として、一次側に電流共振形スイッチングコンバータ（即ち、一次側直列共振回路）を備えたうえで、絶縁コンバータトランスを疎結合とすることで、一次巻線と二次巻線の相互インダクタンスが互いに逆極性となる動作モード（＋Ｍ／−Ｍ）が得られるようにしている。更に、二次側においては、二次巻線に二次側直列共振回路を直列に接続して直列共振回路を形成して、この直列共振回路を利用した倍電圧全波整流回路を備えることで、二次巻線に得られる交番電圧（励起電圧）の二倍に対応する二次側直流出力電圧を得るようにされる。
【００６５】
上記のようにして倍電圧全波整流回路によって負荷に電力供給をする結果、本発明では、対応可能な最大負荷電力を従来よりも向上させることが可能になる。
そしてこれに伴い、一次側は倍電圧整流回路ではなく、通常の全波整流回路により交流入力電圧レベルに対応するレベルの整流平滑電圧を入力するように構成しても、充分に上記した条件に対応することができることになる。
【００６６】
以上の構成から次のようなことが言える。
例えば従来においては、上記の条件に対応する場合には、倍電圧整流回路により交流入力電圧レベルの２倍に対応する整流平滑電圧を得る必要があり、このため、スイッチング素子や一次側の並列共振コンデンサには、整流平滑電圧レベルに応じて発生するスイッチング電圧に応じた耐圧品を選定する必要があった。
【００６７】
これに対して本発明では、整流平滑電圧レベルに依存するスイッチング電圧が従来の１／２となることから、スイッチング素子や一次側の共振コンデンサについて、従来の１／２程度の耐圧品を用いることができる。
また、二次側においては、前述したように、倍電圧全波整流回路が設けられるが、ここで倍電圧全波整流回路は、交番電圧が正／負の両期間で整流動作を行う全波整流動作である結果、整流ダイオードに印加される電圧は整流平滑電圧レベルとほぼ同等に抑制されるため、二次側の整流ダイオードについても従来より耐圧の低いものを選定することができる。
これによって、先ずスイッチング素子、一次側の並列共振コンデンサ、及び二次側整流ダイオード等にかかるコストを削減することができる。また、スイッチング素子及び二次側整流ダイオードの特性の向上したものを選定して、スイッチング周波数を高く設定することも容易に可能となり、これによって、電力変換効率の向上が図られることになる。また、スイッチング素子周辺の回路部品の小型・軽量化を図ることも可能になるものである。
また、前述のように、商用交流電源から整流平滑電圧を得る回路が通常の等倍電圧整流回路とされたことで、例えば通常の１組のブロック型の平滑コンデンサとブリッジ整流ダイオードを採用することができるので、この点でも、コストの削減及び回路規模の縮小が図られる。
【００６８】
更に本発明として、二次側に設けられる整流回路については倍電圧全波整流回路が採用されることで、例えば等倍電圧整流回路が備えられる場合と同等レベルの直流出力電圧を得ようとすれば、二次巻線の巻数を従来の１／２程度にまで少なくすることが可能になる。
【００６９】
更には、スイッチング手段としてフルブリッジ結合方式による構成を採れば、比較的簡略な回路構成によっても、対応可能な負荷電力を更に増加させることが可能になる。
また、定電圧制御の構成として、一次側直列共振回路の共振周波数に加えて、二次側直列共振回路の共振周波数を同時に制御するように構成することによっても、負荷電力の増加が図られるものである。
【００７０】
また、スイッチング素子としては、バイポーラトランジスタを備えて形成されるダーリントン回路、又はＭＯＳ型電界効果トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、又は静電誘導サイリスタにより構成することが可能であり、この場合には、例えば１石のバイポーラトランジスタを１つのスイッチング素子として使用する場合よりも、更に電力変換効率を向上させることが可能となる。
【００７１】
このように本発明では、電圧共振形コンバータを備えた電源回路の低コスト化、小型軽量化、及び電力変換効率等の諸特性の向上が促進されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図２】本実施の形態の電源回路の絶縁コンバータトランスの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図６】本発明の実施の形態の変形例としての構成を示す回路図である。
【図７】本発明の実施の形態の変形例としての構成を示す回路図である。
【図８】本発明の実施の形態の変形例としての構成を示す回路図である。
【図９】本発明の実施の形態の変形例としての構成を示す回路図である。
【図１０】従来例としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図１１】従来例としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図１２】従来例としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図１３】従来例としての絶縁コンバータトランスの構成を示す断面図である。
【図１４】相互インダクタンスが＋Ｍ／−Ｍの場合の各動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 制御回路、２ 発振回路、３ ドライブ回路、４ 起動回路、Ｃｉ 平滑コンデンサ、Ｃｒ 並列共振コンデンサ、Ｃｓ1，Ｃｓ2 二次側直列共振コンデンサ、Ｄｉ，ＤBR ブリッジ整流回路、ＤO1，ＤO2，ＤO3，ＤO4 整流ダイオード、ＮC 制御巻線、ＮR 被制御巻線、Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4 スイッチング素子
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種電子機器に電源として備えられるスイッチング電源回路に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源回路として、例えばフライバックコンバータやフォワードコンバータなどの形式のスイッチングコンバータを採用したものが広く知られている。これらのスイッチングコンバータはスイッチング動作波形が矩形波状であることから、スイッチングノイズの抑制には限界がある。また、その動作特性上、電力変換効率の向上にも限界があることが分かっている。
そこで、先に本出願人により、各種共振形コンバータによるスイッチング電源回路が各種提案されている。共振形コンバータは容易に高電力変換効率が得られると共に、スイッチング動作波形が正弦波状となることで低ノイズが実現される。また、比較的少数の部品点数により構成することができるというメリットも有している。
【０００３】
図１０は先に本出願人により提案された発明に基づいて構成することのできるスイッチング電源回路の一構成例を示す回路図である。この電源回路には自励式の電流共振形コンバータが採用されている。また、この電源回路は、商用交流電源（交流入力電圧）が例えば日本や米国などのＡＣ１００Ｖ系で、負荷電力１５０Ｗ以上の条件に対応する構成を採っている。
【０００４】
この図に示すスイッチング電源回路においては、交流電源ＡＣを整流平滑化するための整流平滑回路として、整流ダイオードＤｉ1，Ｄｉ2、及び平滑コンデンサＣｉ1，Ｃｉ2を図のように接続して成る、いわゆる倍電圧整流回路が備えられる。この倍電圧整流回路においては、例えば交流入力電圧ＶACのピーク値の１倍に対応する直流入力電圧をＥｉとすると、その約２倍の直流入力電圧２Ｅｉを生成する。例えば交流入力電圧ＶAC＝１４４Ｖであるとすると、直流入力電圧２Ｅｉは約４００Ｖとなる。
このように、整流平滑回路として倍電圧整流回路を採用するのは、上述したように、交流入力電圧がＡＣ１００Ｖ系とされ、かつ、最大負荷電力が１５０Ｗ以上という比較的重負荷の条件に対応するためとされる。つまり、直流入力電圧を通常の２倍とすることで、後段のスイッチングコンバータへの流入電流量を抑制し、当該スイッチング電源回路を形成する構成部品の信頼性が確保されるようにするものである。
なお、この図に示す倍電圧整流回路に対しては、その整流電流経路に対して突入電流制限抵抗Ｒｉが挿入されており、例えば電源投入時に平滑コンデンサに流入する突入電流を抑制するようにしている。
【０００５】
この電源回路のスイッチングコンバータは、図のように２つのスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 をハーフブリッジ結合したうえで、平滑コンデンサＣｉの正極側の接続点とアース間に対して挿入するようにして接続されている。
このスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 の各コレクタ−ベース間には、それぞれ起動抵抗ＲS1、ＲS2が挿入される。また、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 の各ベース−エミッタ間にはそれぞれクランプダイオードＤD1，ＤD2が挿入される。
また、スイッチング素子Ｑ1のベースとスイッチング素子Ｑ2のコレクタ間に対しては、共振用コンデンサＣB1，ベース電流制限用抵抗ＲB1，駆動巻線ＮB1から成る直列接続回路が挿入される。共振用コンデンサＣB1は自身のキャパシタンスと、次に説明する駆動巻線ＮB1のインダクタンスＬB1と共に自励発振用の直列共振回路を形成し、これによりスイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数を決定する。
同様に、スイッチング素子Ｑ2のベースと一次側アース間に対しては、共振用コンデンサＣB2，ベース電流制限用抵抗ＲB2，駆動巻線ＮB2から成る直列接続回路が挿入されており、共振用コンデンサＣB2と駆動巻線ＮB2のインダクタンスＬB2と共に自励発振用の直列共振回路を形成して、スイッチング素子Ｑ2のスイッチング周波数を決定している。
【０００６】
コンバータドライブトランスＣＤＴ(Converter Drive Transformer）はスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 を固定による所定のスイッチング周波数により駆動するために設けられるもので、この図の場合には駆動巻線ＮB1、ＮB2及び共振電流検出巻線ＮD が巻回されて構成される。
コンバータドライブトランスＣＤＴの駆動巻線ＮB1の一端は、抵抗ＲB1−共振用コンデンサＣB1の直列接続を介してスイッチング素子Ｑ1 のベースに接続され、他端はスイッチング素子Ｑ2 のコレクタに接続される。駆動巻線ＮB2の一端はアースに接地されると共に、他端は抵抗ＲB2−共振用コンデンサＣB2の直列接続を介してスイッチング素子Ｑ2 のベースと接続されている。駆動巻線ＮB1と駆動巻線ＮB2は互いに逆極性の電圧が発生するように巻装されている。
また、共振電流検出巻線ＮDの一端はスイッチング素子Ｑ1のエミッタとスイッチング素子Ｑ2のコレクタとの接続点（スイッチング出力点）に対して接続され、他端は、後述する直交型制御トランスＰＲＴの被制御巻線ＮRの直列接続を介して一次巻線Ｎ1の一端に対して接続される。
【０００７】
絶縁コンバータトランスＰＩＴ (Power Isolation Transformer)は、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 のスイッチング出力を二次側に伝送する。
この場合、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1 の一端は、被制御巻線ＮR−共振電流検出巻線ＮD を介してスイッチング素子Ｑ1 のエミッタとスイッチング素子Ｑ2 のコレクタの接点に接続されることで、スイッチング出力が得られるようにされる。また、一次巻線Ｎ1 の他端は、直列共振コンデンサＣ1 を介して一次側アースに接地されている。
この場合、上記直列共振コンデンサＣ1 及び一次巻線Ｎ1及び被制御巻線ＮRはは直列に接続されているが、この直列共振コンデンサＣ1 のキャパシタンス、及び一次巻線Ｎ1 （直列共振巻線）を含む絶縁コンバータトランスＰＩＴの漏洩インダクタンス（リーケージインダクタンス）Ｌ1の成分と被制御巻線ＮRのインダクタンスＬRとの成分の合成インダクタンスにより、スイッチングコンバータの動作を電流共振形とするための直列共振回路を形成している。
【０００８】
また、この図における絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次側では、二次巻線Ｎ2に対してセンタータップを設けた上で、整流ダイオードＤO1，ＤO2，ＤO3，ＤO4及び平滑コンデンサＣO1，ＣO2を図のように接続することで、［整流ダイオードＤO1，ＤO2，平滑コンデンサＣO1］の組と、［整流ダイオードＤO3，ＤO4，平滑コンデンサＣO2］の組とによる、２組の全波整流回路が設けられる。［整流ダイオードＤO1，ＤO2，平滑コンデンサＣO1］から成る全波整流回路は直流出力電圧ＥO1を生成し、［整流ダイオードＤO3，ＤO4，平滑コンデンサＣO2］から成る全波整流回路は直流出力電圧ＥO2を生成する。つまり、この図に示す回路では、二次側において直流出力電圧を得るのにあたり全波整流回路が設けられる。
なお、この場合には、直流出力電圧ＥO1及び直流出力電圧ＥO2は制御回路１に対しても分岐して入力される。制御回路１においては、直流出力電圧ＥO1を検出電圧として利用し、直流出力電圧ＥO2を制御回路１の動作電源として利用する。
また、二次巻線Ｎ2に対しては、例えば小容量のセラミックコンデンサＣｃが並列に接続される。このセラミックコンデンサＣｃは、二次側の整流ダイオードのオン／オフ動作によって生じるノイズを吸収するために設けられるもので、例えば２２０ｐＦ〜４７０ｐＦ程度とされ、電圧共振作用は生じない。つまり、二次巻線Ｎ2と並列共振回路を形成し得るほどのキャパシタンスは有していない。
【０００９】
制御回路１は、例えば二次側の直流電圧出力ＥO1のレベルに応じてそのレベルが可変される直流電流を、制御電流として直交型制御トランスＰＲＴの制御巻線ＮC に供給することにより後述するようにして定電圧制御を行う。
この図に示す直交型制御トランスＰＲＴは、例えば４本の磁脚を有する立体型コアに対して、被制御巻線ＮRが巻装され、更にこの被制御巻線ＮRに対してその巻回方向が直交するようにして制御巻線ＮCとが巻装された、直交型の可飽和リアクトルとして構成される。
【００１０】
上記構成による電源回路のスイッチング動作としては、先ず商用交流電源が投入されると、例えば起動抵抗ＲS1、ＲS2を介してスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 のベースに起動電流が供給されることになるが、例えばスイッチング素子Ｑ1 が先にオンとなったとすれば、スイッチング素子Ｑ2 はオフとなるように制御される。そしてスイッチング素子Ｑ1 の出力として、共振電流検出巻線ＮD →一次巻線Ｎ1→直列共振コンデンサＣ1 に共振電流が流れるが、この共振電流が０となる近傍でスイッチング素子Ｑ2 がオン、スイッチング素子Ｑ1 がオフとなるように制御される。そして、スイッチング素子Ｑ2 を介して先とは逆方向の共振電流が流れる。以降、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 が交互にオンとなる自励式のスイッチング動作が開始される。
このように、平滑コンデンサＣｉの端子電圧を動作電源としてスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 が交互に開閉を繰り返すことによって、絶縁コンバータトランスの一次側巻線Ｎ1 に共振電流波形に近いドライブ電流を供給し、二次側の巻線Ｎ2 に交番出力を得る。
【００１１】
この場合の制御回路１は、例えば負荷電力や交流入力電圧の変動に応じて直流出力電圧ＥO1 が変動するのに応じて、制御巻線ＮC に流れる電流レベルを可変制御する。これにより直交型制御トランスＰＲＴにおいては、被制御巻線ＮRのインダクタンスＬRが可変される。
被制御巻線ＮRのインダクタンスＬRは、前述したように、一次側の直列共振回路を形成していることから、インダクタンスＬRが変化することによって、直列共振回路の共振周波数を変化させることになる。これにより、固定のスイッチング周波数に対する直列共振周波数の差が可変されて共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスＰＲＴにおける二次側への伝送出力が可変制御されることになる。このようにして、二次出力電圧ＥO の定電圧制御が行われる。なお、以降、本明細書では上述のごとき構成による定電圧制御方式について「直列共振周波数制御方式」ということにして、後述する「スイッチング周波数制御方式」と区別する。
【００１２】
図１１は、先に本出願人により提案された発明に基づいて構成することのできるスイッチング電源回路の他の構成例を示す回路図である。この電源回路も自励式の電流共振形コンバータが採用されていると共に、交流入力電圧ＡＣ１００Ｖ系で負荷電力１５０Ｗ以上の条件に対応する構成を採っている。なお、この図において図１０と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１３】
この図に示す電源回路においては、図１０に示したコンバータドライブトランスＣＤＴが直交型制御トランスとしても機能するドライブトランスＰＲＴ (Power Regulating Transformer）が設けられる。即ち、ドライブトランスＰＲＴはスイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 を駆動すると共に、後述するようにして定電圧制御を行う。
この図のドライブトランスＰＲＴ場合には、駆動巻線ＮB1、ＮB2及び共振電流検出巻線ＮD が巻回され、更にこれらの各巻線に対して制御巻線ＮC が直交する方向に巻回された直交型の可飽和リアクトルとして構成される。また、この場合にも、駆動巻線ＮB1と駆動巻線ＮB2は互いに逆極性の電圧が発生するように巻装されていることで、図１０にて説明した場合と同様に、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2は交互にオン／オフとなるタイミングでスイッチング動作を行う。
【００１４】
また、この図に示す電源回路では、被制御巻線ＮRは省略されることになるため、一次巻線Ｎ1は、共振電流検出巻線ＮDを介してスイッチング素子Ｑ1のエミッタとスイッチング素子Ｑ2のコレクタとの接続点（スイッチング出力点）に対して接続される形態を採る。従って、この場合には、一次巻線Ｎ1−直列共振コンデンサＣ1の直列接続によって一次側直列共振回路を形成することになる。
【００１５】
ドライブトランスＰＲＴによる定電圧制御は次のようにして行われる。
例えば、交流入力電圧や負荷電力の変動によって二次側出力電圧ＥO1 が変動したとすると、制御回路１では、二次側出力電圧ＥO1 の変動に応じて制御巻線ＮC に流れる制御電流のレベルを可変制御する。
この制御電流によりドライブトランスＰＲＴに発生する磁束の影響で、ドライブトランスＰＲＴにおいては飽和傾向の状態が変化し、駆動巻線ＮB1，ＮB2のインダクタンスを変化させるように作用するが、これにより自励発振回路の条件が変化してスイッチング周波数が変化するように制御される。
この図に示す電源回路では、直列共振コンデンサＣ1 及び一次巻線Ｎ1 の直列共振回路の共振周波数よりも高い周波数領域でスイッチング周波数を設定しているが、例えばスイッチング周波数が高くなると、直列共振回路の共振周波数に対してスイッチング周波数が離れていくようにされる。これにより、スイッチング出力に対する一次側直列共振回路の共振インピーダンスは高くなる。
このようにして共振インピーダンスが高くなることで、一次側直列共振回路の一次巻線Ｎ1 に供給されるドライブ電流が抑制される結果、二次側出力電圧が抑制されることになって、定電圧制御が図られることになる。
なお、以降はこのような方法による定電圧制御方式を「スイッチング周波数制御方式」と呼び、後述する「直列共振周波数制御方式」と区別する。
【００１６】
また、図１１に示す電源回路においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の各コレクタ−エミッタ間に対して、それぞれ小容量のセラミックコンデンサＣｃ1，Ｃｃ2が並列に接続される。このセラミックコンデンサＣｃ1，Ｃｃ2もまた、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のスイッチングノイズを吸収するために設けられるものであるが、ここでは、上記定電圧制御動作によって比較的広範囲に変化するスイッチング周波数に対応して、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のターンオフ時にゼロ電圧スイッチング動作を得るための作用も有する。
【００１７】
また、図１１に示す電源回路で、絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次側において、二次巻線Ｎ2，Ｎ2Aがそれぞれ独立して巻装された形態を採っている。そして、二次巻線Ｎ2に対しては、ブリッジ整流回路ＤBRが設けられてブリッジ整流方式によって直流出力電圧ＥO1を得るようにしている。このようなブリッジ整流回路ＤBRに対しては、図のように、その正極入力端子と負極入力端子間に小容量のセラミックコンデンサＣｃ3を挿入することで、ブリッジ整流回路ＤBRを形成する整流ダイオードのスイッチングノイズを吸収することができる。この場合も、セラミックコンデンサＣｃ3の容量としては、２２０ｐＦ〜４７０ｐＦ程度とされ、二次側における電圧共振作用は生じない。
また、二次巻線Ｎ2Aに対しては、整流ダイオードＤO3，ＤO4による全波整流回路が備えられて、直流出力電圧ＥO2を得るようにしている。
【００１８】
図１２は、先に本出願人により提案された発明に基づいて構成することのできるスイッチング電源回路の他の構成例を示す回路図である。この電源回路も自励式の電流共振形コンバータが採用されていると共に、交流入力電圧ＡＣ１００Ｖ系で負荷電力１５０Ｗ以上の条件に対応する構成を採っている。なお、この図において図１０、図１１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００１９】
この図に示す電源回路では、直流入力電圧を得るために、ブリッジ整流回路Ｄｉと１本の平滑コンデンサＣｉとからなる整流平滑回路が備えられる。つまり、交流入力電圧ＶACのピークレベルの等倍に対応する整流平滑電圧Ｅｉを生成して後段のスイッチングコンバータに供給する構成を採る。
【００２０】
この図においては、４本のスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14をフルブリッジ結合した他励式の電流共振形コンバータが備えられる。この場合のフルブリッジ結合は、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12の組によるハーフブリッジ結合と、スイッチング素子Ｑ13，Ｑ14によるハーフブリッジ結合とを組み合わせることによって形成される。また、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14としてはＭＯＳ−ＦＥＴが用いられる。
スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12の組によるハーフブリッジ結合は、スイッチング素子Ｑ11のドレインを整流平滑電圧Ｅｉのラインと接続し、スイッチング素子Ｑ11のソースとスイッチング素子Ｑ12のドレインを接続し、スイッチング素子Ｑ12のソースを一次側アースに接続することで形成される。
同様に、スイッチング素子Ｑ13，Ｑ14の組によるハーフブリッジ結合は、スイッチング素子Ｑ13のドレインを整流平滑電圧Ｅｉのラインと接続し、スイッチング素子Ｑ13のソースとスイッチング素子Ｑ14のドレインを接続し、スイッチング素子Ｑ14のソースを一次側アースに接続することで形成される。
また、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14の各ドレイン−ソース間に対しては、それぞれ、図に示す方向により並列にダンパーダイオードＤD1，ＤD2，ＤD3，ＤD4が備えられ、スイッチングオフ時の帰還電流の経路を形成する。
【００２１】
この場合には、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1 の一端は、スイッチング素子Ｑ11、Ｑ12のソース−ドレインの接続点（スイッチング出力点）に対して接続され、一次巻線Ｎ1の他端は、直列共振コンデンサＣ1を介してスイッチング素子Ｑ13，Ｑ14のソース−ドレインの接続点（スイッチング出力点）に対して接続される。
これにより、一次巻線Ｎ1 及び直列共振コンデンサＣ1を備えて形成される直列共振回路に対して、後述するようにして行われるスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給されるようになっている。
【００２２】
起動回路４は、電源投入直後に整流平滑ラインに得られる電圧或いは電流を検出して、発振回路２を起動させるために設けられており、この起動回路４には、動作電源として絶縁コンバータトランスＰＩＴに設けられた三次巻線Ｎ3 と整流ダイオードＤ3 、及び平滑コンデンサＣ3 により供給される低圧直流電圧が供給される。
【００２３】
発振回路２は、所要のスイッチング周波数に対応する周波数信号を発振させてドライブ回路３に対して出力する。ドライブ回路３は、発振回路２から入力した周波数信号を利用して、スイッチング駆動信号を生成する。
ドライブ回路３はスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14にスイッチング駆動信号を出力するが、この際、ドライブ回路３では、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ14が同じオン／オフタイミングとなり、スイッチング素子Ｑ12，Ｑ13が同じオン／オフタイミングとなるようにされ、かつ、スイッチング素子Ｑ11，Ｑ12が交互にオン／オフ動作を行い、スイッチング素子Ｑ13，Ｑ14が交互にオン／オフ動作を行うように、各駆動信号を生成するものである。
そして、ドライブ回路３がスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14を駆動する状態では、上記のオン／オフタイミングでスイッチング素子Ｑ11，Ｑ12，Ｑ13，Ｑ14が動作することになるが、これがフルブリッジ式のスイッチング動作となる。
【００２４】
この場合制御回路１は、例えば二次側直流出力電圧Ｅ01 の変動に対応したレベルの制御信号を発振回路２に出力する。発振回路２では制御回路１から供給された制御信号に基づいて、周波数信号（スイッチング駆動信号）の周波数を変化させて、スイッチング周波数を可変するようにしている。
このような電源回路では、スイッチング周波数は例えば直列共振周波数よりも高い領域として設定されている。そして、例えば二次側直流出力電圧Ｅ0 が高くなると発振ドライブ回路２はスイッチング周波数を高くするように制御動作を行うことになるが、これにより直列共振回路の共振インピーダンスが大きくなる。この結果、直列共振回路の一次巻線Ｎ1 に流れるスイッチング出力電流が制限されることで、二次側に伝送される電圧を低下させる。このようにして、定電圧制御が行われる。つまり、図１１の電源回路と同様に、スイッチング周波数制御方式による定電圧制御となる。
【００２５】
ここで、図１０〜図１２に示した電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造を図１３により断面的に示す。
絶縁コンバータトランスＰＩＴは、例えばフェライト材によるＥ型コアＣＲ１、ＣＲ２を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ型コアが形成される。この際、中央磁脚には図のようにギャップは形成されない。そして、この中央磁脚に対して、ボビンＢを利用して一次巻線Ｎ1 、二次巻線Ｎ2（Ｎ2A） をそれぞれ分割した状態で巻装して構成される。これにより、一次巻線Ｎ1 と二次巻線Ｎ2 とでは疎結合（例えば結合係数ｋ≒０．９）の状態が得られることになる。
【００２６】
また、絶縁コンバータトランスＰＩＴにおいては、一次巻線Ｎ1 、二次巻線Ｎ2 の極性（巻方向）と整流ダイオードＤO （［ＤO1，ＤO2］，［ＤO3，ＤO4］）の接続との関係によって、一次巻線Ｎ1 のインダクタンスＬ1と二次巻線Ｎ2 のインダクタンスＬ2 との相互インダクタンスＭについて、＋Ｍ（加極性モード）となる場合と−Ｍ（減極性モード）となる場合とがある。
例えば、図１４（ａ）に示す接続形態を採る場合の動作では相互インダクタンスは＋Ｍとなり、図１４（ｂ）に示す接続形態を採る場合の動作では相互インダクタンスは−Ｍとなる。
この相互インダクタンス＋Ｍ／−Ｍの動作モードは、図１０〜図１２に示した二次側の構成に対応させれば、二次巻線Ｎ2（Ｎ2A）に得られる交番電圧が負の期間に整流ダイオードにより整流する動作と、正の期間に整流ダイオードにより整流する動作とに相当するものである。
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記図１０，図１１に示す構成による電流共振形コンバータでは、交流入力電圧ＶACがＡＣ１００Ｖ系で最大負荷電力が１５０Ｗ以上の条件に対応するため、倍電圧整流方式により２Ｅｉのレベルの直流入力電圧を得るようにしている。このため、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2については、スイッチングオフ時に印加する高レベルの共振電圧に対応するために、４００Ｖの耐圧品を選定している。
これによって、スイッチング素子は相応に大型化してしまう。また、スイッチング素子について高耐圧品を選定した場合においては、飽和電圧ＶCE(SAT)、蓄積時間ｔSTG、下降時間ｔｆが大きく、電流増幅率ｈFEが小さくなるなど、特性が劣化するため、スイッチング周波数を高く設定することが困難となる。スイッチング周波数が低ければスイッチング損失とドライブ電力が増加するため、それだけ電源回路としての電力損失が大きくなる。
更には、上述したように高レベルの直流入力電圧を得て信頼性を確保するために倍電圧整流回路が必要となることで、比較的大型の平滑コンデンサが２本必要となって基板面積も大きくなる。
【００２８】
これに対して、図１２に示した電源回路では、４本のスイッチング素子をフルブリッジ結合して他励式により駆動することで負荷電力への対応が図られるので、例えばブリッジ整流回路による等倍電圧整流回路によって直流入力電圧を得ることが可能となり、従って、各スイッチング素子の耐圧も２００Ｖに抑えることが可能になる。
但し実際には、他励式の駆動回路系を構成するために、発振回路２やドライブ回路３などの回路をＩＣによる外付け部品として設ける必要がある他、制御回路１に対して二次側の直流出力電圧を帰還するために、実際にはフォトカプラを介在させて、一次側と二次側を直流的に絶縁する必要がある。つまり、図１２に示す回路では、これらの部品を追加して電源回路を構成するため、実際の回路基板のサイズが大きくなってしまう。
【００２９】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記した課題を考慮して、例えばＡＣ１００Ｖ系に対応するスイッチング電源回路として、比較的重負荷の条件に対応可能とされた上で、電力変換効率の向上、及び小型軽量化が促進されるようにすることを目的とするものである。
【００３０】
このため、商用交流電源を入力して、この商用交流電源レベルの等倍に対応するレベルの整流平滑電圧を生成して直流入力電圧として出力する整流平滑手段と、疎結合とされる所要の結合係数が得られるようにギャップが形成され、一次側出力を二次側に伝送するために設けられる絶縁コンバータトランスと、スイッチング素子を備えて、直流入力電圧を断続して絶縁コンバータトランスの一次巻線に出力するように構成されたスイッチング手段と、少なくとも、絶縁コンバータトランスの一次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と、一次巻線に対して直列に接続される直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されてスイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路と、絶縁コンバータトランスの二次巻線に対して二次側直列共振コンデンサを直列に接続することで絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と、二次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって直列共振回路を形成する二次側直列共振回路と、整流電流経路に対して二次側直列共振コンデンサを挿入して形成され、絶縁コンバータトランスの二次巻線に得られる交番電圧を入力して倍電圧全波整流動作を行って、入力電圧レベルのほぼ２倍に対応する二次側直流出力電圧を得るように構成された直流出力電圧生成手段と、二次側直流出力電圧のレベルに応じてスイッチング手段のスイッチング周波数又は少なくとも一次側直列共振回路の共振周波数を可変制御することによって定電圧制御を行うようにされた定電圧制御手段とを備えてスイッチング電源回路を構成することとした。
【００３１】
上記構成によれば、一次側に対してはスイッチング動作を電流共振形とする直列共振回路が備えられたうえで、絶縁コンバータトランスを疎結合とし、二次側においては二次側直列共振回路と倍電圧全波整流回路によって二次側直流出力電圧を生成して負荷に電力を供給するようにされる。つまり、所要の負荷条件に対しては、一次側の直列共振作用と二次側における直列共振動作とにより得られる電磁エネルギーを利用して、倍電圧全波整流回路により直流出力電圧を生成することで対応するようにされ、これに伴い、一次側は倍電圧整流回路ではなく、交流入力電圧レベルの１倍に対応する整流平滑電圧を生成する全波整流回路を備えて構成されることになる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の第１の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。この図に示す電源回路においては先に説明した図１０、図１１の場合と同様に、一次側に対しては、２石のスイッチング素子（バイポーラトランジスタ）による自励式の電流共振形スイッチングコンバータが備えられる。なお、この図において、図１０〜図１２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００３３】
この図に示す本実施の形態としての電源回路においては、交流入力電圧ＶACを入力して交流入力電圧を得るための整流平滑回路として、ブリッジ整流回路Ｄｉ及び平滑コンデンサＣｉからなる全波整流回路が備えられ、交流入力電圧ＶACの１倍のレベルに対応する整流平滑電圧Ｅｉを生成するようにされる。つまり、本実施の形態においては、従来のように倍電圧整流回路は備えられないものである。
なお、本明細書においては交流入力電圧ＶACのレベルの１倍に対応する整流平滑電圧Ｅｉを生成する全波整流回路を「等倍電圧整流回路」ともいうことにする。
【００３４】
また、この図に示す電流共振形コンバータの自励発振駆動回路では、ベース電流制限用の抵抗ＲB1，ＲB2の挿入位置として、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のベースと共振用コンデンサＣB1，ＣB2間にそれぞれ挿入されている点が、図１０，図１１に示す回路と異なるが、このような接続形態であっても、図１０，図１１にて説明したのと同様にスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のための自励発振駆動回路を形成する。
また、この図においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のコレクタ−エミッタ間に対して、スイッチングノイズ除去用としての小容量のセラミックコンデンサＣｃ1，Ｃｃ2がそれぞれ並列に接続されている。
【００３５】
本実施の形態の電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスＰＩＴは、図２に示すように、例えばフェライト材によるＥ型コアＣＲ１、ＣＲ２を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ型コアが備えられ、このＥＥ型コアの中央磁脚に対して、一次側と二次側とで巻装部が分割された分割ボビンＢを利用して一次巻線Ｎ1と、二次巻線Ｎ2dをそれぞれ分割した状態で巻装している。そして、本実施の形態では、中央磁脚に対しては図のようにギャップＧを形成するようにしている。このギャップＧは、Ｅ型コアＣＲ１、ＣＲ２の中央磁脚を、２本の外磁脚よりも短く形成することで形成することが出来る。
これによって、例えば従来例として図１３に示した絶縁コンバータトランスＰＩＴよりも小さな結合係数による疎結合となるようにして、その分、飽和状態が得られにくいようにしている。この場合の結合係数ｋとしては、例えばｋ≒０．８５とされる。
【００３６】
本実施の形態の電源回路の二次側においては、後述するようにして従来とは巻数の異なる二次巻線Ｎ2dが設けられる。この二次巻線Ｎ2dの一端は二次側アースに接続され、他端は直列共振コンデンサＣｓ1の直列接続を介して整流ダイオードＤO1のアノードと整流ダイオードＤO2のカソードの接続点に対して接続される。整流ダイオードＤO1のカソードは平滑コンデンサＣO1の正極と接続され、整流ダイオードＤO2のアノードは二次側アースに対して接続される。平滑コンデンサＣO1の負極側は二次側アースに対して接続される。
また、二次巻線Ｎ2dにはタップが設けられ、このタップ端子は直列共振コンデンサＣｓ2の直列接続を介して整流ダイオードＤO3のアノードと整流ダイオードＤO4のカソードの接続点に対して接続される。整流ダイオードＤO3のカソードは平滑コンデンサＣO2の正極と接続され、整流ダイオードＤO4のアノードは二次側アースに対して接続される。平滑コンデンサＣO2の負極側は二次側アースに対して接続される。
このような接続形態では結果的に、［直列共振コンデンサＣｓ1，整流ダイオードＤO1，ＤO2、平滑コンデンサＣO1］の組と、［直列共振コンデンサＣｓ2，整流ダイオードＤO3，ＤO4、平滑コンデンサＣO2］の組とから成る２組の倍電圧全波整流回路が設けられることになる。ここで、直列共振コンデンサＣｓ1は、自身のキャパシタンスと二次巻線Ｎ2dの漏洩インダクタンス成分とによって、整流ダイオードＤO1，ＤO2のオン／オフ動作に対応する直列共振回路を形成し、直列共振コンデンサＣｓ2は、自身のキャパシタンスと二次巻線Ｎ2dの漏洩インダクタンス成分とによって、整流ダイオードＤO3，ＤO4のオン／オフ動作に対応する直列共振回路を形成する。
即ち、本実施の形態の電源回路は、一次側にはスイッチング動作を電流共振形とするための直列共振回路が備えられ、二次側には、倍電圧全波整流動作を得るための直列共振回路が備えられる。なお、本明細書では、このように一次側及び二次側に対して共振回路が備えられて動作する構成のスイッチングコンバータについては、「複合共振形スイッチングコンバータ」ともいうことにする。
【００３７】
ここで、上記［直列共振コンデンサＣｓ1，整流ダイオードＤO1，ＤO2、平滑コンデンサＣO1］の組による倍電圧全波整流動作としては次のようになる。
一次側のスイッチング動作により一次巻線Ｎ1にスイッチング出力が得られると、このスイッチング出力は二次巻線Ｎ2dに励起される。
そして、整流ダイオードＤO1がオフとなり、整流ダイオードＤO2がオンとなる期間においては、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2dとの極性が−Ｍとなる減極性モードで動作して、二次巻線Ｎ2dの漏洩インダクタンスと直列共振コンデンサＣｓ1による直列共振作用によって、整流ダイオードＤO2により整流した整流電流ＩC2を直列共振コンデンサＣｓ1に対して充電する動作が得られる。
そして、整流ダイオードＤO2がオフとなり、整流ダイオードＤO1がオンとなって整流動作を行う期間においては、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2dとの極性が＋Ｍとなる加極性モードとなり、二次巻線Ｎ2dに誘起された電圧に直列共振コンデンサＣｓ1の電位が加わるという直列共振が生じる状態で平滑コンデンサＣO1に対して充電が行われる動作となる。
上記のようにして、加極性モード（＋Ｍ；フォワード動作）と減極性モード（−Ｍ；フライバック動作）との両者のモードを利用して整流動作が行われることで、平滑コンデンサＣO1においては、二次巻線Ｎ2dの誘起電圧のほぼ２倍に対応する直流出力電圧ＥO1が得られる。また、［直列共振コンデンサＣｓ2，整流ダイオードＤO3，ＤO4、平滑コンデンサＣO2］の組とから成る倍電圧全波整流回路によっても同様の動作によって、二次巻線Ｎ2dの誘起電圧のほぼ２倍に対応する直流出力電圧ＥO2が得られることになる。
【００３８】
上記した倍電圧全波整流動作を得るための構成は、先に図２にて説明したように、絶縁コンバータトランスＰＩＴに対してギャップＧを形成して所要の結合係数による疎結合としたことによって、絶縁コンバータトランスＰＩＴが更に飽和状態となりにくい状態を得たことで実現されるものである。例えば、従来のように絶縁コンバータトランスＰＩＴに対してギャップＧが設けられない場合には、フライバック動作時において絶縁コンバータトランスＰＩＴが飽和状態となって動作が異常となる可能性が高く、本実施の形態のような倍電圧整流動作が適正に行われるのを望むのは難しい。
【００３９】
また、本実施の形態としての定電圧制御は、図１０の場合と同様の構成を採っている、つまり被制御巻線ＮRを一次巻線Ｎ1に対して直列に接続していることで、直列共振周波数制御方式が採られる。
【００４０】
上記構成によると、本実施の形態では、相互インダクタンスが＋Ｍと−Ｍの動作モードとなる状態を利用して、倍電圧全波整流を行うことで二次側直流出力電圧を得るようにしている。つまり、一次側の電流共振作用と二次側の電流共振作用とによる電磁エネルギーが同時に負荷側に供給されるようにしているため、それだけ負荷側に供給される電力も増加して、最大負荷電力の増加が図られることになる。
【００４１】
また、上記のようにして最大負荷電力の増加を図ることで、本実施の形態では、直流入力電圧を生成する整流平滑回路としては倍電圧整流方式を採って負荷電力をカバーする必要はない。このため、図１にて説明したように、例えばブリッジ整流回路による通常の等倍電圧整流回路の構成を採ることができる。
これにより、例えば交流入力電圧ＶAC＝１４４Ｖ時における整流平滑電圧Ｅｉは２００Ｖ程度となる。スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の両端に得られる共振電圧は、整流平滑電圧Ｅｉに対して一次側の直列共振回路が作用することで、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のオフ時に発生するが、本実施の形態では、上記のように整流平滑電圧Ｅｉが倍電圧整流時の約１／２とされていることで、共振電圧Ｖｃｒは、先に図１０，図１１に示した従来例としての電源回路にて発生する共振電圧の約１／２程度に抑えられることになる。つまり、共振電圧Ｖｃｒはピークで２００程度にまで抑えられることになる。
従って、本実施の形態においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2については、２００Ｖの耐圧品を選定すればよいことになる。
【００４２】
また、二次側においては、二次巻線Ｎ2dの励起電圧が正負の両期間において整流動作を行う倍電圧全波整流回路を設けたことで、本実施の形態では、二次側整流ダイオードのオフ期間に発生する二次側整流ダイオードの両端電圧は、二次側直流出力電圧ＥOと同等のレベルにまで抑制される。これにより、二次側の倍電圧整流回路を形成する整流ダイオードとしては、二次側直流出力電圧ＥOのレベルに対応する耐圧品を選定すればよいことになる。
【００４３】
また、倍電圧全波整流回路によって二次側直流出力電圧を得るようにしていることで、例えば等倍電圧整流回路によって得られる二次側直流出力電圧と同等のレベルを得ようとすれば、本実施の形態の二次巻線Ｎ2dとしては、従来の１／２の巻数で済むことになる。この巻数の削減は、絶縁コンバータトランスＰＩＴの小型軽量化、及び低コスト化につながる。
【００４４】
更に本実施の形態では、スイッチング素子Ｑ1、及び二次側の整流ダイオードについて、従来備えられるべきものよりも低耐圧品を用いることができるため、素子としてはそれだけ安価となる。このため、特にコストアップを考慮することなく、例えばスイッチング素子Ｑ1及びブリッジ整流回路ＤOについて特性の向上されたもの（スイッチング素子Ｑ1であれば、飽和電圧ＶCE(SAT)、蓄積時間ｔSTG、下降時間ｔｆ、電流増幅率ｈFE等の特性の良好なもの、また、整流ダイオードであれば順方向電圧降下ＶF、逆回復時間ｔｒｒ等の特性の良好なもの）を選定することができる。
このような特性の向上によって、本実施の形態では、従来よりもスイッチング周波数を高く設定できることになり、それだけ電力損失の低減、及び各種部品の小型・軽量化が促進されることにもなる。つまり、従来よりも電力変換効率など諸特性の向上を図ることが可能になると共に、各種部品素子及び直交型制御トランスＰＲＴ、絶縁コンバータトランスＰＩＴ等の小型軽量化及び低コスト化を促進することが可能になる。
【００４５】
更に、電源回路の小型・軽量化及び低コスト化の観点からすれば、従来のように直流入力電圧の生成のために倍電圧整流回路を備える構成では、それぞれ２組の整流ダイオードと平滑コンデンサが必要とされたのであるが、本実施の形態では、例えば通常のブリッジ整流回路による全波整流回路とされるため、１組のブロック型の平滑コンデンサとブリッジ整流ダイオードを採用することができるので、それだけ、コストの削減及び部品の小型化が図られるものである。
【００４６】
実際の実験結果として、例えば図１０に示した従来としての電源回路の構成では、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時において、スイッチング周波数ｆｓ＝１００ＫＨｚ、対応可能な最大負荷電力が２００Ｗであったのに対して、図１に示す本実施の形態の電源回路では、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時において、スイッチング周波数ｆｓ＝１５０ＫＨｚ、対応可能な最大負荷電力が１６０Ｗと、スイッチング周波数が１，５倍に向上された上で、ほぼ同等の最大負荷電力に対応している。
【００４７】
図３は、本発明の第２の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。なお、この図において、図１及び図１０〜図１２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す電源回路は、先に図１１に示した電源回路の構成（即ちスイッチング周波数制御方式を採る、自励式でハーフブリッジ結合による電流共振形コンバータ）を基礎として、二次側に対して、図１により説明した、直列共振コンデンサＣｓ1が挿入された倍電圧全波整流回路を備える構成を採っている。
このような構成とされても、第１の実施の形態と同様の効果が得られる。
【００４８】
図４は、本発明の第３の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。なお、この図において、図１、図３及び図１０〜図１２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００４９】
この図に示す電源回路では、絶縁コンバータトランスがＰＲＴ (Power Regulating Transformer）とされる。つまり、一次巻線Ｎ1、二次巻線Ｎ2dを巻装した上で、これら一次巻線Ｎ1、二次巻線Ｎ2dに対して直交する巻回方向に制御巻線ＮCを巻装して構成される。なお、この構成においても、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2dでは例えばｋ＝０．８５程度の結合係数が得られて疎結合の状態が得られるようにしている。
【００５０】
この図に示す構成では、制御回路１によって、二次側直流出力電圧ＥO1の変動に応じて可変されたレベルの制御電流（直流電流）が制御巻線ＮCに流れるようにされる。絶縁コンバータトランスＰＲＴにおいては、制御巻線ＮCに流れる制御電流レベルに応じて、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2dの漏洩インダクタンス（Ｌ11，Ｌ2）を同時に可変制御することになるが、これによって、一次側の直列共振周波数と二次側の直列共振周波数が同時に制御される。このため、上記各実施の形態の電源回路よりも更に対応可能な負荷電力の増加を図ることが可能になり、例えば２００Ｗの最大負荷電力に対応することが可能になる。
【００５１】
図５は、本発明の第４の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。なお、この図において、図１、図３、図４、及び図１０〜図１２と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す電源回路においては、４石のスイッチング素子をフルブリッジ結合した自励式の電流共振形コンバータが備えられる。
【００５２】
この図に示すフルブリッジ結合方式による電流共振形コンバータは、４石のバイポーラトランジスタによるスイッチング素子Ｑ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4 を備えて成る。
そして、この図に示すように、スイッチング素子Ｑ1 及びＱ2 は、平滑コンデンサＣｉの正極とアース間に対して、それぞれのコレクタ−エミッタを介して直列に接続されている。また、スイッチング素子Ｑ3 及びＱ4 側もまた、上記と同様にして接続される。
【００５３】
スイッチング素子Ｑ1の駆動回路系としては、コレクタ−ベース間に対して起動抵抗ＲS1が挿入され、ベース−エミッタ間にはクランプダイオードＤD1が挿入される。そして、スイッチング素子Ｑ1のベースに対して、ベース電流制限用の抵抗ＲB1を介して自励発振用の駆動回路（共振コンデンサＣB1−駆動巻線ＮB1）が接続される。
同様に、スイッチング素子Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4 に対しても、それぞれ同様の接続形態によって［起動抵抗（ＲS2，ＲS3，ＲS4)，クランプダイオード（ＤD2，ＤD3，ＤD4），ベース電流制限用抵抗（ＲB2，ＲB3，ＲB4）,共振コンデンサ（ＣB2，ＣB3，ＣB4），駆動巻線（ＮB2，ＮB3，ＮB4）]の各素子による駆動回路系が形成される。
【００５４】
また、この場合にもスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4 の各コレクタ−エミッタ間に対しては、それぞれ小容量のセラミックコンデンサＣC1、ＣC2、ＣC3、ＣC4が接続されて、スイッチング動作により発生するノイズを吸収するようにされている。
【００５５】
ドライブトランスＰＲＴは、フルブリッジ結合方式に対応して駆動巻線ＮB1〜ＮB4及び、駆動巻線ＮB1を巻き上げて形成される共振電流検出巻線ＮD が巻装され、これら各巻線とその巻回方向が直交するようにして制御巻線ＮC が巻装されることで可飽和リアクトルとして構成される。
【００５６】
この図に示す直列共振回路としては、一次巻線Ｎ1 の一端が直列共振コンデンサＣ1−共振電流検出巻線ＮD を介して、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 のエミッタ−コレクタの接続点（スイッチング出力点）と接続され、他端はスイッチング素子Ｑ3 、Ｑ4 のエミッタ−コレクタの接続点（スイッチング出力点）と接続される。これにより、スイッチング素子Ｑ1 〜Ｑ4 のスイッチング出力は、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1 及び直列共振コンデンサＣ1 からなる直列共振回路に供給されることになる。
【００５７】
上記構成の電流共振形のスイッチング動作としては、例えばスイッチング素子［Ｑ1 、Ｑ4 ］の組とスイッチング素子［Ｑ2 、Ｑ3 ］の組が交互にオン／オフ動作を行うようにされる。
例えば、先ず商用交流電源が投入されると、起動抵抗ＲS1〜ＲS4を介してスイッチング素子Ｑ1 〜Ｑ4 のベースにベース電流が供給されることになるが、仮にスイッチング素子［Ｑ1，Ｑ4 ］が先にオンとなったとすれば、スイッチング素子［Ｑ2 ，Ｑ3 ］はオフとなるように制御される。そして、スイッチング素子［Ｑ1 ，Ｑ4 ］の出力として、スイッチング素子Ｑ1 のコレクタ−エミッタ→共振電流検出巻線ＮD →直列共振コンデンサＣ1 →一次巻線Ｎ1 →スイッチング素子Ｑ4 のコレクタ−エミッタ→一次側アースの経路で電流が流れるが、この際、一次側直列共振回路を流れる共振電流が０となる近傍でスイッチング素子［Ｑ2，Ｑ3 ］がオン、スイッチング素子［Ｑ1 ，Ｑ4 ］がオフとなるように制御される。そして、スイッチング素子Ｑ2 を介して先とは逆方向に直列共振回路に対して共振電流が流れる。以降、スイッチング素子［Ｑ1，Ｑ4 ］及び［Ｑ2，Ｑ3 ］が交互にオンとなる自励式のスイッチング動作が開始される。
【００５８】
この図に示す制御回路１は、例えば二次側直流出力電圧ＥO1の変動レベルに応じて可変したレベルの制御電流を制御巻線ＮCに流すように動作するのであるが、これによって、ドライブトランスＰＲＴにおける駆動巻線ＮB1〜ＮB4のインダクタンスを可変制御する結果、スイッチング素子Ｑ1 ，Ｑ2 ，Ｑ3 ，Ｑ4のスイッチング周波数を制御する。つまり、本実施の形態においてはスイッチング周波数制御方式による定電圧制御の構成が採られる。
に構成される。
【００５９】
本実施の形態の場合には４本のスイッチング素子を備えて電源回路が構成されることになるが、例えば図１２に示したＭＯＳ−ＦＥＴをスイッチング素子とする他励式のフルブリッジ結合方式による電源回路と比較した場合には、対応可能な最大負荷電力が増加するものである。また、回路規模も、これまでの実施の形態において述べてきたようにして、より縮小されるものである。
【００６０】
これまでの実施の形態の説明においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）として、バイポーラトランジスタ（ＢＪＴ）採用した場合を例に挙げていたが、本発明の実施の形態としては、以降示すようなスイッチング回路或いはスイッチング素子をスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）に代えて採用することも可能である。
図６は、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）に代えて、２本のバイポーラトランジスタＱ11，Ｑ12をダーリントン接続した回路を使用する例を示している。
この場合の接続形態としては、トランジスタＱ11のコレクタとトランジスタＱ12のコレクタを接続し、トランジスタＱ11のエミッタをトランジスタＱ12のエミッタと接続し、トランジスタＱ12のエミッタをアースに接地している。また、ダンパーダイオードＤD1のアノードをトランジスタＱ11のエミッタと接続し、ダンパーダイオードＤD1のカソードを抵抗Ｒ11を介してトランジスタＱ11のベースに接続している。ダンパーダイオードＤD2のアノードは、トランジスタＱ12のエミッタに接続され、カソードはトランジスタＱ12のコレクタに接続されている。抵抗Ｒ12は、トランジスタＱ12のベース−エミッタ間に対して並列に接続されている。このようにして形成したダーリントン接続回路においては、トランジスタＱ11のベースが先の各実施の形態に示したスイッチング素子のベースと等価となり、トランジスタＱ11，Ｑ12のコレクタ接点がスイッチング素子のコレクタと等価となる。また、トランジスタＱ12のエミッタがスイッチング素子のエミッタと等価となる。
【００６１】
また、第１〜第３の実施の形態に対応する図１、図３、図４の電源回路のようにして、ハーフブリッジ結合方式による構成を採る場合にも、図７に示すようにして、バイポーラトランジスタのスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2に代えて、ＭＯＳ−ＦＥＴ（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ；金属酸化膜半導体）を使用することができる。ＭＯＳ−ＦＥＴを用いる場合、ドレイン−ソース間に対して、スイッチングオフ時の帰還電流の経路を形成するためのツェナーダイオードＺＤが図に示す方向により並列に接続される。つまり、アノードがＭＯＳ−ＦＥＴのソースと接続され、カソードがツェナーダイオードＺＤのドレインと接続される。この場合、先の各実施の形態に示したスイッチング素子Ｑ1のベース、コレクタ、エミッタは、それぞれ、ＭＯＳ−ＦＥＴのゲート、ドレイン、ソースに置き換わることになる。また、ＭＯＳ−ＦＥＴを用いる場合には、図７に示したような他励式の構成を採るなどして、電流駆動ではなく、電圧駆動する必要がある。
【００６２】
図８は、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）に代えて、ＩＧＢＴ（絶縁ゲートバイポーラトランジスタ）を使用した例が示されている。ＩＧＢＴのコレクタ−エミッタ間に対しては、スイッチングオフ時の帰還電流の経路を形成するためのダイオードＤが並列に接続される。ここでは、ダイオードＤのアノード、カソードはそれぞれＩＧＢＴのコレクタ，エミッタに対して接続されている。
この回路では、先の各実施の形態に示したスイッチング素子Ｑ1（Ｑ2）のベース、コレクタ、エミッタは、それぞれ、ＩＧＢＴのゲート、コレクタ、エミッタに置き換わる。
【００６３】
図９は、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）に代えて、ＳＩＴ（静電誘導サイリスタ）を使用した例が示されている。このＳＩＴのコレクタ−エミッタ間に対しても、スイッチングオフ時の帰還電流の経路を形成するためのダイオードＤが並列に接続され、ダイオードＤのアノード、カソードがそれぞれＳＩＴのカソード，アノードに対して接続される。
上記図６〜図９に示す何れの構成を採った場合にも、本実施の形態では更なる高効率化を図ることが可能になる。なお、図６〜図９に示す構成を採る場合、ここでは図示しないが、実際にスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2（及びＱ3，Ｑ4）として選定される素子に適合するようにして、その駆動回路の構成を変更して構わないものである。
また、実施の形態として上記各図に示した構成の細部は、実際の使用条件等に応じて変更されて構わない。
【００６４】
【発明の効果】
以上説明したように本発明は、スイッチング電源回路として、一次側に電流共振形スイッチングコンバータ（即ち、一次側直列共振回路）を備えたうえで、絶縁コンバータトランスを疎結合とすることで、一次巻線と二次巻線の相互インダクタンスが互いに逆極性となる動作モード（＋Ｍ／−Ｍ）が得られるようにしている。更に、二次側においては、二次巻線に二次側直列共振回路を直列に接続して直列共振回路を形成して、この直列共振回路を利用した倍電圧全波整流回路を備えることで、二次巻線に得られる交番電圧（励起電圧）の二倍に対応する二次側直流出力電圧を得るようにされる。
【００６５】
上記のようにして倍電圧全波整流回路によって負荷に電力供給をする結果、本発明では、対応可能な最大負荷電力を従来よりも向上させることが可能になる。
そしてこれに伴い、一次側は倍電圧整流回路ではなく、通常の全波整流回路により交流入力電圧レベルに対応するレベルの整流平滑電圧を入力するように構成しても、充分に上記した条件に対応することができることになる。
【００６６】
以上の構成から次のようなことが言える。
例えば従来においては、上記の条件に対応する場合には、倍電圧整流回路により交流入力電圧レベルの２倍に対応する整流平滑電圧を得る必要があり、このため、スイッチング素子や一次側の並列共振コンデンサには、整流平滑電圧レベルに応じて発生するスイッチング電圧に応じた耐圧品を選定する必要があった。
【００６７】
これに対して本発明では、整流平滑電圧レベルに依存するスイッチング電圧が従来の１／２となることから、スイッチング素子や一次側の共振コンデンサについて、従来の１／２程度の耐圧品を用いることができる。
また、二次側においては、前述したように、倍電圧全波整流回路が設けられるが、ここで倍電圧全波整流回路は、交番電圧が正／負の両期間で整流動作を行う全波整流動作である結果、整流ダイオードに印加される電圧は整流平滑電圧レベルとほぼ同等に抑制されるため、二次側の整流ダイオードについても従来より耐圧の低いものを選定することができる。
これによって、先ずスイッチング素子、一次側の並列共振コンデンサ、及び二次側整流ダイオード等にかかるコストを削減することができる。また、スイッチング素子及び二次側整流ダイオードの特性の向上したものを選定して、スイッチング周波数を高く設定することも容易に可能となり、これによって、電力変換効率の向上が図られることになる。また、スイッチング素子周辺の回路部品の小型・軽量化を図ることも可能になるものである。
また、前述のように、商用交流電源から整流平滑電圧を得る回路が通常の等倍電圧整流回路とされたことで、例えば通常の１組のブロック型の平滑コンデンサとブリッジ整流ダイオードを採用することができるので、この点でも、コストの削減及び回路規模の縮小が図られる。
【００６８】
更に本発明として、二次側に設けられる整流回路については倍電圧全波整流回路が採用されることで、例えば等倍電圧整流回路が備えられる場合と同等レベルの直流出力電圧を得ようとすれば、二次巻線の巻数を従来の１／２程度にまで少なくすることが可能になる。
【００６９】
更には、スイッチング手段としてフルブリッジ結合方式による構成を採れば、比較的簡略な回路構成によっても、対応可能な負荷電力を更に増加させることが可能になる。
また、定電圧制御の構成として、一次側直列共振回路の共振周波数に加えて、二次側直列共振回路の共振周波数を同時に制御するように構成することによっても、負荷電力の増加が図られるものである。
【００７０】
また、スイッチング素子としては、バイポーラトランジスタを備えて形成されるダーリントン回路、又はＭＯＳ型電界効果トランジスタ、絶縁ゲートバイポーラトランジスタ、又は静電誘導サイリスタにより構成することが可能であり、この場合には、例えば１石のバイポーラトランジスタを１つのスイッチング素子として使用する場合よりも、更に電力変換効率を向上させることが可能となる。
【００７１】
このように本発明では、電圧共振形コンバータを備えた電源回路の低コスト化、小型軽量化、及び電力変換効率等の諸特性の向上が促進されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図２】本実施の形態の電源回路の絶縁コンバータトランスの構成を示す断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態の電源回路の構成例を示す回路図である。
【図６】本発明の実施の形態の変形例としての構成を示す回路図である。
【図７】本発明の実施の形態の変形例としての構成を示す回路図である。
【図８】本発明の実施の形態の変形例としての構成を示す回路図である。
【図９】本発明の実施の形態の変形例としての構成を示す回路図である。
【図１０】従来例としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図１１】従来例としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図１２】従来例としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図１３】従来例としての絶縁コンバータトランスの構成を示す断面図である。
【図１４】相互インダクタンスが＋Ｍ／−Ｍの場合の各動作を示す説明図である。
【符号の説明】
１ 制御回路、２ 発振回路、３ ドライブ回路、４ 起動回路、Ｃｉ 平滑コンデンサ、Ｃｒ 並列共振コンデンサ、Ｃｓ1，Ｃｓ2 二次側直列共振コンデンサ、Ｄｉ，ＤBR ブリッジ整流回路、ＤO1，ＤO2，ＤO3，ＤO4 整流ダイオード、ＮC 制御巻線、ＮR 被制御巻線、Ｑ1，Ｑ2，Ｑ3，Ｑ4 スイッチング素子
Claims (9)
- 商用交流電源を入力して、この商用交流電源レベルの等倍に対応するレベルの整流平滑電圧を生成して直流入力電圧として出力する整流平滑手段と、
疎結合とされる所要の結合係数が得られるようにギャップが形成され、一次側出力を二次側に伝送するために設けられる絶縁コンバータトランスと、
スイッチング素子を備えて、上記直流入力電圧を断続して上記絶縁コンバータトランスの一次巻線に出力するように構成されたスイッチング手段と、
少なくとも、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と、上記一次巻線に対して直列に接続される直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて、上記スイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路と、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に対して二次側直列共振コンデンサを直列に接続することで、上記絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と、上記二次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって直列共振回路を形成する二次側直列共振回路と、
整流電流経路に対して上記二次側直列共振コンデンサを挿入して形成され、上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に得られる交番電圧を入力して倍電圧全波整流動作を行って、入力電圧レベルのほぼ２倍に対応する二次側直流出力電圧を得るように構成された直流出力電圧生成手段と、
被制御巻線と制御巻線とを有してなり、上記被制御巻線が上記一次巻線と上記整流平滑手段との間に接続される直交型制御トランスと、
上記制御巻線に上記二次側直流出力電圧のレベルに応じた大きさの電流を流すことによって、上記スイッチング手段のスイッチング周波数と上記一次側直列共振回路の共振周波数と上記二次側直列共振回路の共振周波数とを同時に可変制御することによって定電圧制御を行う制御回路と、
を備えるスイッチング電源回路。 - 上記被制御巻線と同一巻線とされて形成される上記一次巻線と、上記制御巻線と、上記二次巻線と、が巻回されて、直交型制御トランスの機能と絶縁コンバータトランスの機能とを有するように上記絶縁コンバータトランスが形成される請求項１に記載のスイッチング電源回路。
- 上記スイッチング手段は、２本のスイッチング素子をハーフブリッジ結合して形成される請求項１に記載のスイッチング電源回路。
- 上記スイッチング手段は、４本のスイッチング素子をフルブリッジ結合して形成される請求項１に記載のスイッチング電源回路。
- 上記スイッチング手段は、スイッチング素子としてバイポーラトランジスタを備えて形成される請求項１に記載のスイッチング電源回路。
- 上記スイッチング手段は、バイポーラトランジスタを備えて形成されるダーリントン回路を１つのスイッチング素子として用いるように構成される請求項１に記載のスイッチング電源回路。
- 上記スイッチング手段は、スイッチング素子としてＭＯＳ型電界効果トランジスタを備えて形成される請求項１に記載のスイッチング電源回路。
- 上記スイッチング手段は、スイッチング素子として絶縁ゲートバイポーラトランジスタを備えて形成される請求項１に記載のスイッチング電源回路。
- 上記スイッチング手段は、スイッチング素子として静電誘導サイリスタを備えて形成される請求項１に記載のスイッチング電源回路。
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