JP4438885B2 - 絶縁型スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
(1) 直流入力電圧Viが入力される直流電源入力部と、
一つの磁性部品で構成され、磁気的に結合された第1の1次巻線npと、第1の2次巻線nsと、第2の2次巻線noと、を備えたトランスTと、
前記第1の1次巻線npに直列に接続された第1のインダクタLrと、
前記第2の2次巻線noに直列に接続された第2のインダクタLroと、
前記第1の2次巻線ns及び前記第2の2次巻線noに生じる各々の電流を加算したものを整流する第1の整流素子Dsと、前記第2の2次巻線noに生じる電流を整流する第2の整流素子Dfとからなる整流回路と、
第1のスイッチング素子Q1と、第1のキャパシタC1と、第1のダイオードD1の並列回路からなる第1のスイッチ回路S1と、
第2のスイッチング素子Q2と、第2のキャパシタC2と、第2のダイオードD2の並列回路からなる第2のスイッチ回路S2と、
第3のキャパシタCrと、
前記直流電源入力部の両端に接続され、前記第1の1次巻線npと、前記第1のスイッチ回路S1とが直列に接続された第1の直列回路と、
前記第1のスイッチ回路S1の両端、または前記第1の1次巻線npの両端に接続され、前記第2のスイッチ回路S2と前記第3のコンデンサCrとが直列に接続された第2の直列回路と、を備え、
前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2は、共にオフである期間を挟んで互いに相補的にオン/オフを繰り返すように動作するように構成された絶縁型スイッチング電源装置であって、
前記トランスTは、前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2の相補的なオン/オフ動作に同期して、前記第1の2次巻線nsまたは前記第2の2次巻線noによって相補的に1次側から2次側にエネルギー伝送が行われるように巻回され、
前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noは、互いに巻線の磁気極性が逆極性であって、
前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2がオンしているいずれか一方の期間において、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noのそれぞれに発生する互いに逆極性の電圧を加算し、前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2がオンしている両方の期間において1次側から2次側にエネルギー伝送を行い、前記第1のインダクタLrと前記第2のインダクタLroはエネルギーの伝送経路が切り換わる際の電流変動を抑制するように機能し、
前記第2のインダクタLroを介して2次側に出力電圧Voが出力されるようにしたことを特徴とする。
(2)
直流入力電圧Viが入力される直流電源入力部と、
一つの磁性部品で構成され、磁気的に結合された第1の1次巻線npと第1の2次巻線nsと、第2の1次巻線niと第2の2次巻線noと、を備えたトランスTと、
前記第1の1次巻線npに直列に接続された第1のインダクタンスLrと、
前記第2の1次巻線niに直列に接続された第3のインダクタLriと、
前記第2の2次巻線noに直列に接続された第2のインダクタLroと、
前記第1の2次巻線ns及び前記第2の2次巻線noに生じる各々の電流を加算したものを整流する第1の整流素子Dsと、前記第2の2次巻線noに生じる電流を整流する第2の整流素子Dfとからなる整流回路と、 第1のスイッチング素子Q1と、第1のキャパシタC1と、第1のダイオードD1の並列回路からなる第1のスイッチ回路S1と、
第2のスイッチング素子Q2と、第2のキャパシタC2と、第2のダイオードD2の並列回路からなる第2のスイッチ回路S2と、
第3のキャパシタCrと、
前記直流電源入力部の両端に接続され、前記第1の1次巻線npまたは前記第2の1次巻線niと、前記第1のスイッチ回路S1とが直列に接続された第1の直列回路と、
前記第1のスイッチ回路S1の両端、または前記第1の1次巻線npまたは前記第2の1次巻線niの両端に接続され、前記第2のスイッチ回路S2と前記第3のコンデンサCrとが直列に接続された第2の直列回路と、
前記第1の直列回路に対して並列に接続される第4のキャパシタCeと、を備え、
前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2は、共にオフである期間を挟んで互いに相補的にオン/オフを繰り返すように動作するように構成された絶縁型スイッチング電源装置であって、
前記トランスTは、前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2の相補的なオン/オフ動作に同期して、前記第1の2次巻線nsまたは前記第2の2次巻線noによって相補的に1次側から2次側にエネルギー伝送が行われるように巻回され、
前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noは、互いに巻線の磁気極性が逆極性であって、
前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2がオンしているいずれか一方の期間において、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noのそれぞれに発生する互いに逆極性の電圧を加算し、前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2がオンしている両方の期間において1次側から2次側にエネルギー伝送を行い、前記第1のインダクタLrと前記第3のインダクタLriと前記第2のインダクタLroはエネルギーの伝送経路が切り換わる際の電流変動を抑制するように機能し、
前記第2のインダクタLroを介して2次側に出力電圧Voが出力されるようにしたことを特徴とする。
(3)
前記トランスTを、前記第1の1次巻線np及び前記第1の2次巻線nsとからなる第1のトランスT1と、前記第2の1次巻線ni及び前記第2の2次巻線noとからなる第2のトランスT2とで構成したことを特徴とする。
(4)
前記第1のインダクタLrとして、前記トランスTの1次側漏れ磁束を利用することを特徴とする。
(5)
前記第2のインダクタLroとして、前記トランスTの2次側漏れ磁束を利用したことを特徴とする。
(6)
前記第3のインダクタLriとして、前記トランスTの1次側漏れ磁束を利用したことを特徴とする。
(7)
前記トランスTにおいて、前記第2の2次巻線noに流れる電流により共通磁心に発生する直流磁束を打ち消す方向に、前記第1の1次巻線np、または前記第2の1次巻線niを巻回して、前記第1の2次巻線nsは、前記第2の2次巻線noと磁気極性を逆極性とし、かつ巻数を前記第2の2次巻線noの巻数より大きくしたことを特徴とする。
(8)
前記第1のスイッチ回路S1が導通状態、または前記第2のスイッチ回路S2が導通状態のときに流れる電流の向きに対して、前記第1の1次巻線npと前記第2の1次巻線niは磁気極性を同極性とし、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noは磁気極性を逆極性としたことを特徴とする。
(9)
前記第1のトランスT1の方が前記第2のトランスT2よりも磁気結合度を小さくしたことを特徴とする。
(10)
前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2は電界効果トランジスタであることを特徴とする。
(11)
前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2はスイッチ回路両端の電圧が0Vまたは0V付近まで低下してからスイッチング素子がターンオンする動作となるゼロ電圧スイッチング動作にて駆動されることを特徴とする。
(12)
前記整流回路は、前記第1の2次巻線nsによって1次側から2次側にエネルギー伝送が行われる期間において、前記第1の2次巻線nsに流れる電流を整流する第3のダイオードDsと、前記第2の2次巻線noによって1次側から2次側にエネルギー伝送が行われる期間において、前記第2の2次巻線noに流れる電流を整流する第4のダイオードDfとから構成されることを特徴とする。
(13)
前記第3のダイオードDsまたは前記第4のダイオードDfを、電界効果トランジスタに置き換えた同期整流回路で構成したことを特徴とする。
(14)
前記第1の2次巻線nsの巻数と、前記第2の2次巻線noの巻数との巻数比を、
ns:no=2:1
としたことを特徴とする。
(15)
前記トランスTにおいて、少なくとも前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsとの磁気結合度が相対的に大きく、かつ前記第2の2次巻線noと他の巻線との磁気結合度が相対的に小さいことを特徴とする。
(16)
前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsは積層巻きで構成され、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線no、または前記第1の1次巻線npと第2の2次巻線noのうち、少なくとも一方が分割巻きで構成されたことを特徴とする。
(17)
前記トランスTは複数の脚部コアを有し、前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsが同一の脚部コアに巻回され、少なくとも前記第2の2次巻線noは他の脚部コアに巻回されるように構成したことを特徴とする。
(18)
前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsは積層巻きで構成され、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線no、または前記第1の1次巻線npと第2の2次巻線noのうち、少なくとも一方が分割巻きで構成されたことを特徴とする。
(19)
前記第1のスイッチ回路S1及び前記第2のスイッチ回路S2は、PWM制御によって出力電圧Voを安定化するように制御することを特徴とする。
(20)
前記第3のキャパシタCrは、前記第1の1次巻線niと前記第1のスイッチ回路S1との間に接続されたことを特徴とする。
(21)
前記第1のスイッチ回路S1、または前記第2のスイッチ回路S2のいずれか一方は、その時比率(=オン時間/スイッチング周期)をDaとした場合、
0≦Da≦0.5
の範囲でのみ駆動し、他方は、
0.5≦Da≦1
の範囲でのみ駆動することを特徴とする。
(22)
前記電源入力部の入力電圧Viに対する前記出力電圧Voの比率で表される電圧変換率をM(=Vo/Vi)とし、前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsの巻数比をn(=np/ns)とした場合に、
M=D(1−D)/n
で表されることを特徴とする。
(a)スイッチング素子がオン期間及びオフ期間のどちらであっても、1次側から2次側にエネルギー伝送ができ、電力変換効率に優れる。
(b)漏洩磁束型トランスで構成した1つの複合型トランスを用いることで、回路動作上必要な全てのインダクタンス素子を、トランスの漏れ磁束で代替させることができ、回路規模全体の大幅な小型化が可能となる。
(c)1次側から2次側へのエネルギー伝送において、インダクタンス素子にエネルギーを蓄積させることがなく、トランスの小型化が可能となる。
(d)重負荷時においてもトランスの最大磁束密度を十分に低減できるため、従来と比較して磁気飽和などに対して余裕をもってトランスを設計することができるため、トランスの小型軽量化が可能となる。
(e)一方の1次巻線niと2次巻線noとの磁気結合から他方の1次巻線npと2次巻線nsとの磁気結合にエネルギー伝送経路が切り換わる際の電流変動を抑制するためのフィルタインダクタを1次側及び2次側に有しているため、出力のリップルノイズを大幅に低減でき、平滑用キャパシタを小型化できる。
(f)出力側のフィルタインダクタLroをトランスの漏れ磁束で代替させるため、部品点数を削減でき、回路規模を大幅に小型化できる。
(g)第1のスイッチング素子Q1の動作電圧が入力電圧と同じ電圧まで下げられるので、スイッチング素子に低耐圧の半導体部品を用いることができ、低オン抵抗であるため、スイッチング損失の低減も見込め、低コスト、高効率化が実現できる。
(h)第1のスイッチング素子Q1及び第2のスイッチング素子Q2をゼロ電圧スイッチング(ZVS)駆動させることで、スイッチング損失をさらに低減することができ、高効率化を図ることができる。
(i)ゼロ電圧スイッチング(ZVS)駆動に必要な、1次側のインダクタンス素子をトランスの漏れ磁束で代替することで、部品点数を削減でき、回路規模を大幅に小型化できる。
(j)スイッチング素子Q2が電圧クランプ回路として機能するため、スイッチング素子Q1に対してスイッチングサージ電圧が印加されることを防ぐことができるので、スイッチング素子に低耐圧の半導体部品を用いることができ、低オン抵抗の素子を用いることで導通損失を低減でき、高効率化が実現できる。
といった効果を奏し、回路規模を簡素にでき、かつ高効率な絶縁型スイッチング電源装置を構成することができる。
図2は第1の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。
初めに第2のスイッチング素子Q2がターンオフした後、第1のスイッチング素子Q1のドレイン−ソース間電圧Vds1がゼロ電圧近傍になると、第1のダイオードD1がターンオンする。このタイミングで、第1のスイッチング素子Q1をターンオンさせ、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)動作を行う。
第1のスイッチング素子Q1がターンオンされることにより、第1の1次巻線np及び第2の1次巻線niには電流が流れ、第1のスイッチング素子Q1に流れる電流id1及び第1の1次巻線npに流れる電流ipは1次関数的に増大する。この時、第1の1次巻線npと主に磁気的に結合している第1の2次巻線nsはフライバックコンバータとして動作し、第2の1次巻線niと主に磁気的に結合している第2の2次巻線noは、フォワードコンバータとして動作するため、複合型トランスTの2次側においては、第2の2次巻線noにのみ電流が流れるため、第3のダイオードDsはターンオフし、第4のダイオードDfがターンオンしている。よって複合型トランスTの2次側に流れる電流は、第4のダイオードDf→第1の2次巻線no→第3のインダクタLro→負荷Roという順番で流れる。
第1のスイッチング素子Q1がターンオフすると、第1のインダクタLri及び第2のインダクタLrに蓄積されたエネルギーによって、第1のキャパシタC1が充電され、それに伴い第1のスイッチング素子Q1のドレイン−ソース間電圧Vds1は上昇する。また、同時に第2のキャパシタC2は放電され、それに伴い第2のスイッチング素子Q2のドレイン−ソース間電圧Vds2は降下する。
第2のスイッチング素子Q2のドレイン−ソース間電圧Vds2がゼロ電圧近傍になると、第2のダイオードD2がターンオンする。このタイミングで、第2のスイッチング素子Q2をターンオンさせ、ゼロ電圧スイッチング(ZVS)動作を行う。
第2のスイッチング素子Q2がターンオンされることにより、第1の1次巻線np及び第2の1次巻線niは[状態2]の時とは逆方向に励磁され、第2の1次巻線niには電流が流れず、第1の1次巻線npは[状態2]の時とは逆方向に1次関数的に増大する。また、第2のスイッチング素子Q2に流れる電流id2も1次関数的に増大する。この時、第1の1次巻線npと主に磁気的に結合している第1の2次巻線nsはフライバックコンバータとして動作し、第2の1次巻線niと主に磁気的に結合している第2の2次巻線noは、フォワードコンバータとして動作するため、複合型トランスTの2次側においては、第1の2次巻線nsにのみ電流が流れるため、第3のダイオードDsがターンオンし、第4のダイオードDfはターンオフしている。よって複合型トランスTの2次側に流れる電流は、第1の2次巻線ns→第3のダイオードDs→第2の2次巻線no→第3のインダクタLro→負荷Roという順番で流れる。
第2のスイッチング素子Q2がターンオフすると、第2のインダクタLrに蓄積されたエネルギーによって、第2のキャパシタC2が充電され、それに伴い第2のスイッチング素子Q2のドレイン−ソース間電圧Vds2は上昇する。また、同時に第1のキャパシタC1は放電され、それに伴い第1のスイッチング素子Q1のドレイン−ソース間電圧Vds1は降下する。この後、[状態1]の動作に戻る。
第1のスイッチング素子Q1がオン、かつ第2のスイッチング素子Q2がオフの時、出力電圧Voは、
Vo=Vo2
となり、第1のスイッチング素子Q1がオフ、かつ第2のスイッチング素子Q2がオンの時、出力電圧Voは、
Vo=Vo1−Vo2=2Vo2−Vo2=Vo2
となって、出力電圧Voのリップル成分をなくすことができる。
第1のスイッチング素子Q1がオン、かつ第2のスイッチング素子Q2がオフの時に複合型トランスTのコアに生じる磁束の大きさと、第1のスイッチング素子Q1がオフ、かつ第2のスイッチング素子Q2がオンの時に複合型トランスTのコアに生じる磁束の大きさが等しくなり、トランスのコアが最も磁気飽和しにくくなるため、複合型トランスの設計に余裕度を持たせることができる。
(Vi−VCr)×Ton=−(Vi−VCe−VCr)×Toff
という式が成り立つ。これを解くと、
VCr=D×Viとなる。
また、同時に
Vo={(no/ni)×(Vi−VCr)×D+((no−ns)/np)×(−VCr)×(1−D)}×Vi
という式が成り立つ。ni=npであるから、これを解くと、
M=Da×(1−Da)/n
となる。よって、電圧変換率Mは、Da=0.5をピークとした放物線状の特性曲線を描くため、第1のスイッチング素子Q1と第2のスイッチング素子Q2は、Da=0.5を境界点にして対称動作が可能となる。すなわち、一方のスイッチング素子は
0≦Da≦0.5
の範囲で動作し、他方のスイッチング素子は
0.5≦Da≦1
の範囲で動作する。こうすることで、スイッチング素子の導通損を分散させることができ、放熱構造の小型化、ひいてはスイッチング電源装置の小型化が実現できる。
《第2の実施形態》
図3は第2の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。図2に示した回路と異なるのは、第3のダイオードDsの接続位置である。すなわち図3では、第3のダイオードは、第4のダイオードDfとアノード同士が接続されている。その他の構成は図2に示したものと同様である。
《第3の実施形態》
図4は第3の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。図2に示した回路と異なるのは、第1の1次巻線npと第1の2次巻線nsがフォワード方式として動作し、第2の1次巻線niと第2の2次巻線noがフライバック方式として動作する点である。すなわち図4では、第1のスイッチング素子Q1がオン、第2のスイッチング素子Q2がオフの間は、第1の2次巻線nsに電圧が誘起されて第3のダイオードDsがオンし、第3のインダクタLroを介して出力電流を流して負荷Roに直流出力電圧が供給される。
また、第1のスイッチング素子Q1がオフ、第2のスイッチング素子Q2がオンの間は、第2の2次巻線noに電圧が誘起されて第4のダイオードDfがオンし、第3のインダクタLroを介して出力電流を流して負荷Roに直流出力電圧が供給される。その他の構成は図2に示したものと同様である。
《第4の実施形態》
図5は第4の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図であり、第1の実施形態から、第2の1次巻線ni及び第2の2次巻線noを省いて構成した例である。第1の実施形態において、第1のスイッチ回路S1がオンしている期間における伝送エネルギーと、第2のスイッチ回路S2がオンしている期間における伝送エネルギーを等しくするためには、第1の1次巻線npと第2の1次巻線niの巻数は等しくする必要がある。すなわち、第1のスイッチ回路S1がオンしている期間には第2の1次巻線niに電流が流れ、第2のスイッチ回路S2がオンしている期間には第1の1次巻線npに電流が流れるのであるから、第2の1次巻線niを省略し、第1の1次巻線npのみでトランスTを駆動させることが可能となる。その他の点については、第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
《第5の実施形態》
図6は第5の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図であり、第1の実施形態における第1の1次巻線npと第1の2次巻線nsとで第1のトランスT1を構成し、第2の1次巻線niと第2の2次巻線noとで第2のトランスT2を構成した例である。その他の点については、第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
《第6の実施形態》
図7は第6の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。図6に示した回路と異なるのは、2次側の第3のダイオードDsを第6のキャパシタCsに置き換えた点である。図6において、第1のスイッチング素子Q1がオン、第2のスイッチング素子Q2がオフの際には、第3のダイオードDsはオフであり、第1のスイッチング素子Q1がオフ、第2のスイッチング素子Q2がオンの際には、第3のダイオードDsはオンとなる。
ns:no=1:1
とすることが好ましい。この場合、第1の2次巻線nsに誘起される電圧をVo1、第2の2次巻線noに誘起される電圧をVo2、負荷Roに出力される電圧をVoとすると、第1のスイッチング素子Q1がオン、かつ第2のスイッチング素子Q2がオフの時、出力電圧Voは、
Vo=Vo2
となり、第1のスイッチング素子Q1がオフ、かつ第2のスイッチング素子Q2がオンの時、第6のキャパシタCs及び第4のダイオードDfからなる倍圧整流回路が構成されているため、出力電圧Voは、
Vo=2Vo1−Vo2=2Vo2−Vo2=Vo2
となり、出力電圧Voのリップル電圧をなくし、かつ複合型トランスTのコアが最も磁気飽和しにくい構成にすることができる。
《第7の実施形態》
図8は第7の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。図6に示した回路と異なるのは、第3のキャパシタCrの接続位置である。すなわち図8では、第3のキャパシタCrは、第1の1次巻線npと第2の1次巻線niとの間に接続されている。その他の構成は図6に示したものと同様である。
《第8の実施形態》
図9は第8の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。図7に示した回路と異なるのは、第1のキャパシタCrの接続位置である。すなわち図9では、第3のキャパシタCrは、第2のインダクタLrと第4のキャパシタCeとの接続点と、第2のスイッチ素子S2との間に接続されている。その他の構成は図7に示したものと同様である。
ns:no=1:1
とすることが好ましい。理由は第6の実施形態で示したのと同様である。
《第9の実施形態》
図10は第9の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。
《第10の実施形態》
図11は第10の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。
《第11の実施形態》
図12は第11の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。
《第12の実施形態》
図13は第12の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。図13に示す絶縁型スイッチング電源装置は、図8に示した第7の実施形態における、第3のキャパシタCrを第7のキャパシタCr1と第8のキャパシタCr2に分けた構成となっている。すなわち、直流電圧Viが供給される電源入力部の+側端子及び−側端子に対して、第1のインダクタLriと複合型トランスTの第2の1次巻線niと第1のスイッチ回路S1とからなる直列回路が接続され、複合型トランスTの第2の1次巻線niと第1のスイッチ回路S1との接続点と、電源入力部の−側端子との間に、複合型トランスTの第1の1次巻線npと第2のインダクタLrと第7のキャパシタCr1と第4のキャパシタCeとからなる直列回路と、第7のキャパシタCr1と第4のキャパシタCeとの接続点と、第2の1次巻線niと第1のスイッチ素子S1との接続点との間に、第2のスイッチ素子S2が接続され、第2のインダクタンスLrと第7のキャパシタCr1との接続点と、電源入力部の−側端子との間に、第8のキャパシタCr2が接続されている。その他の点については、第1の実施形態と同様であるので、説明を省略する。
《第13の実施形態》
図14は第13の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。
《第14の実施形態》
図15は第14の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。
《第15の実施形態》
図16は第15の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。
《第16の実施形態》
図17は第16の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置の回路図である。
T1−第1のトランス
T2−第2のトランス
np−第1の1次巻線
ni−第2の1次巻線
ns−第1の2次巻線
no−第2の2次巻線
ns1−第3の2次巻線
ns2−第4の2次巻線
no1−第5の2次巻線
no2−第6の2次巻線
Lri−第1のインダクタ
Lr−第2のインダクタ
Lro−第3のインダクタ
Lro1−第4のインダクタ
Lro2−第5のインダクタ
C1−第1のキャパシタ
C2−第2のキャパシタ
Cr−第3のキャパシタ
Ce−第4のキャパシタ
Co−第5のキャパシタ
Cs−第6のキャパシタ
Cr1−第7のキャパシタ
Cr2−第8のキャパシタ
C3−第9のキャパシタ
C4−第10のキャパシタ
D1−第1のダイオード
D2−第2のダイオード
Ds−第3のダイオード
Df−第4のダイオード
D3−第5のダイオード
D4−第6のダイオード
D5−第7のダイオード
D6−第8のダイオード
Q1−第1のスイッチング素子
Q2−第2のスイッチング素子
Q3−第3のスイッチング素子
Q4−第4のスイッチング素子
S1−第1のスイッチ回路
S2−第2のスイッチ回路
S3−第3のスイッチ回路
S4−第4のスイッチ回路
Ro−負荷
Vo−出力電圧
Vi−電源入力部の入力電圧
Da−スイッチング素子の時比率
M−電圧変換率
Ton−スイッチング素子のオン時間
Toff−スイッチング素子のオフ時間
Vcr−第3のキャパシタの両端電圧
VCe−第4のキャパシタの両端電圧
Claims (22)
- 直流入力電圧Viが入力される直流電源入力部と、
一つの磁性部品で構成され、磁気的に結合された第1の1次巻線npと、第1の2次巻線nsと、第2の2次巻線noと、を備えたトランスTと、
前記第1の1次巻線npに直列に接続された第1のインダクタLrと、
前記第2の2次巻線noに直列に接続された第2のインダクタLroと、
前記第1の2次巻線ns及び前記第2の2次巻線noに生じる各々の電圧を加算したものを整流する第1の整流素子Dsと、前記第2の2次巻線noに生じる電圧を整流する第2の整流素子Dfとからなる整流回路と、
第1のスイッチング素子Q1と、第1のキャパシタC1と、第1のダイオードD1の並列回路からなる第1のスイッチ回路S1と、
第2のスイッチング素子Q2と、第2のキャパシタC2と、第2のダイオードD2の並列回路からなる第2のスイッチ回路S2と、
第3のキャパシタCrと、
前記直流電源入力部の両端に接続され、前記第1の1次巻線npと、前記第1のスイッチ回路S1とが直列に接続された第1の直列回路と、
前記第1のスイッチ回路S1の両端、または前記第1の1次巻線npの両端に接続され、前記第2のスイッチ回路S2と前記第3のコンデンサCrとが直列に接続された第2の直列回路と、を備え、
前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2は、共にオフである期間を挟んで互いに相補的にオン/オフを繰り返すように動作するように構成された絶縁型スイッチング電源装置であって、
前記トランスTは、前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2の相補的なオン/オフ動作に同期して、前記第1の2次巻線nsまたは前記第2の2次巻線noによって相補的に1次側から2次側にエネルギー伝送が行われるように巻回され、
前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noは、互いに巻線の磁気極性が逆極性であって、
前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2がオンしているいずれか一方の期間において、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noのそれぞれに発生する互いに逆極性の電圧を加算し、前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2がオンしている両方の期間において1次側から2次側にエネルギー伝送を行い、前記第1のインダクタLrと前記第2のインダクタLroはエネルギーの伝送経路が切り換わる際の電流変動を抑制するように機能し、
前記第2のインダクタLroを介して2次側に出力電圧Voが出力されるようにしたことを特徴とする絶縁型スイッチング電源装置。 - 直流入力電圧Viが入力される直流電源入力部と、
一つの磁性部品で構成され、磁気的に結合された第1の1次巻線npと第1の2次巻線nsと、第2の1次巻線niと第2の2次巻線noと、を備えたトランスTと、
前記第1の1次巻線npに直列に接続された第1のインダクタンスLrと、
前記第2の1次巻線niに直列に接続された第3のインダクタLriと、
前記第2の2次巻線noに直列に接続された第2のインダクタLroと、
前記第1の2次巻線ns及び前記第2の2次巻線noに生じる各々の電圧を加算したものを整流する第1の整流素子Dsと、前記第2の2次巻線noに生じる電圧を整流する第2の整流素子Dfとからなる整流回路と、
第1のスイッチング素子Q1と、第1のキャパシタC1と、第1のダイオードD1の並列回路からなる第1のスイッチ回路S1と、
第2のスイッチング素子Q2と、第2のキャパシタC2と、第2のダイオードD2の並列回路からなる第2のスイッチ回路S2と、
第3のキャパシタCrと、
前記直流電源入力部の両端に接続され、前記第1の1次巻線npまたは前記第2の1次巻線niと、前記第1のスイッチ回路S1とが直列に接続された第1の直列回路と、
前記第1のスイッチ回路S1の両端、または前記第1の1次巻線npまたは前記第2の1次巻線niの両端に接続され、前記第2のスイッチ回路S2と前記第3のコンデンサCrとが直列に接続された第2の直列回路と、
前記第1の直列回路に対して並列に接続される第4のキャパシタCeと、を備え、
前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2は、共にオフである期間を挟んで互いに相補的にオン/オフを繰り返すように動作するように構成された絶縁型スイッチング電源装置であって、
前記トランスTは、前記第1のスイッチ回路S1と前記第2のスイッチ回路S2の相補的なオン/オフ動作に同期して、前記第1の2次巻線nsまたは前記第2の2次巻線noによって相補的に1次側から2次側にエネルギー伝送が行われるように巻回され、
前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noは、互いに巻線の磁気極性が逆極性であって、
前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2がオンしているいずれか一方の期間において、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noのそれぞれに発生する互いに逆極性の電圧を加算し、前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2がオンしている両方の期間において1次側から2次側にエネルギー伝送を行い、前記第1のインダクタLrと前記第3のインダクタLriと前記第2のインダクタLroはエネルギーの伝送経路が切り換わる際の電流変動を抑制するように機能し、
前記第2のインダクタLroを介して2次側に出力電圧Voが出力されるようにしたことを特徴とする絶縁型スイッチング電源装置。 - 前記トランスTを、前記第1の1次巻線np及び前記第1の2次巻線nsとからなる第1のトランスT1と、前記第2の1次巻線ni及び前記第2の2次巻線noとからなる第2のトランスT2とで構成したことを特徴とする請求項2に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1のインダクタLrとして、前記トランスTの1次側漏れ磁束を利用することを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第2のインダクタLroとして、前記トランスTの2次側漏れ磁束を利用することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第3のインダクタLriとして、前記トランスTの1次側漏れ磁束を利用することを特徴とする請求項2〜5のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記トランスTにおいて、前記第2の2次巻線noに流れる電流により共通磁心に発生する直流磁束を打ち消す方向に、前記第1の1次巻線np、または前記第2の1次巻線niを巻回して、前記第1の2次巻線nsは、前記第2の2次巻線noと磁気極性を逆極性とし、かつ巻数を前記第2の2次巻線noの巻数より大きくしたことを特徴とする請求項2〜6のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1のスイッチ回路S1が導通状態、または前記第2のスイッチ回路S2が導通状態のときに流れる電流の向きに対して、前記第1の1次巻線npと前記第2の1次巻線niは磁気極性を同極性とし、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線noは磁気極性を逆極性としたことを特徴とする請求項7に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1のトランスT1の方が前記第2のトランスT2よりも磁気結合度を小さくしたことを特徴とする請求項8に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2は電界効果トランジスタであることを特徴とする請求項1〜9のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1のスイッチ回路S1または前記第2のスイッチ回路S2はスイッチ回路両端の電圧が0Vまたは0V付近まで低下してからスイッチング素子がターンオンする動作となるゼロ電圧スイッチング動作にて駆動されることを特徴とする請求項10に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記整流回路は、前記第1の2次巻線nsによって1次側から2次側にエネルギー伝送が行われる期間において、前記第1の2次巻線nsに流れる電流を整流する第3のダイオードDsと、前記第2の2次巻線noによって1次側から2次側にエネルギー伝送が行われる期間において、前記第2の2次巻線noに流れる電流を整流する第4のダイオードDfとから構成されることを特徴とする請求項1〜11のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第3のダイオードDsまたは前記第4のダイオードDfを、電界効果トランジスタに置き換えた同期整流回路で構成したことを特徴とする請求項12に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1の2次巻線nsの巻数と、前記第2の2次巻線noの巻数との巻数比を、
ns:no=2:1
としたことを特徴とする請求項1〜13のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。 - 前記トランスTにおいて、少なくとも前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsとの磁気結合度が相対的に大きく、かつ前記第2の2次巻線noと他の巻線との磁気結合度が相対的に小さいことを特徴とする請求項1〜14のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsは積層巻きで構成され、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線no、または前記第1の1次巻線npと第2の2次巻線noのうち、少なくとも一方が分割巻きで構成されたことを特徴とする請求項1〜15のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記トランスTは複数の脚部コアを有し、前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsが同一の脚部コアに巻回され、少なくとも前記第2の2次巻線noは他の脚部コアに巻回されるように構成したことを特徴とする請求項1〜16のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsは積層巻きで構成され、前記第1の2次巻線nsと前記第2の2次巻線no、または前記第1の1次巻線npと第2の2次巻線noのうち、少なくとも一方が分割巻きで構成されたことを特徴とする請求項17のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1のスイッチ回路S1及び前記第2のスイッチ回路S2は、PWM制御によって出力電圧Voを安定化するように制御することを特徴とする請求項1〜18のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第3のキャパシタCrは、前記第1の1次巻線niと前記第1のスイッチ回路S1との間に接続されたことを特徴とする請求項1〜19のいずれかに記載の絶縁型スイッチング電源装置。
- 前記第1のスイッチ回路S1、または前記第2のスイッチ回路S2のいずれか一方は、その時比率(=オン時間/スイッチング周期)をDaとした場合、
0≦Da≦0.5
の範囲でのみ駆動し、他方は、
0.5≦Da≦1
の範囲でのみ駆動することを特徴とする請求項20に記載の絶縁型スイッチング電源装置。 - 前記電源入力部の入力電圧Viに対する前記出力電圧Voの比率で表される電圧変換率をM(=Vo/Vi)とし、前記第1の1次巻線npと前記第1の2次巻線nsの巻数比をn(=np/ns)とした場合に、
M=D(1−D)/n
で表されることを特徴とする請求項21に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
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