JP4582318B2

JP4582318B2 - 共振型電源装置

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Publication number: JP4582318B2
Application number: JP2005047674A
Authority: JP
Inventors: 雅彦坂口
Original assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Current assignee: Mitsumi Electric Co Ltd
Priority date: 2005-02-23
Filing date: 2005-02-23
Publication date: 2010-11-17
Anticipated expiration: 2025-02-23
Also published as: JP2006238569A

Description

本発明は、共振型電源装置に関し、特に、フルブリッジ動作とハーフブリッジ動作との両方の動作を切り替えて行えるフルブリッジ共振型電源装置に関する。

この技術分野において周知のように、共振型電源装置は、フルブリッジ共振型電源装置とハーフブリッジ共振型電源装置とに分類される。一般的に共振型電源装置を実現する場合、入力電源電圧が低い場合には、フルブリッジ共振型電源装置を採用することが多い。一方、入力電源電圧が高い場合には、部品点数を減らすためにも、ハーフブリッジ共振型電源装置を採用することが多い。具体的には、交流電圧が１００Ｖ系の場合にはフルブリッジ共振型電源装置が採用され、交流電圧が２４０Ｖ系の場合にはハーフブリッジ共振型電源装置が採用される。フルブリッジ共振型電源装置は、例えば、特許文献１に開示され、ハーフブリッジ共振型電源装置は、例えば、特許文献２に開示されている。

図１にフルブリッジ共振型電源装置を示し、図２にハーフブリッジ共振型電源装置を示す。

先ず図１を参照して、フルブリッジ共振型電源装置について説明する。交流電源（図示せず）からの交流電圧を全波整流器（図示せず）で全波整流し、それを平滑コンデンサ（図示せず）で平滑して入力電源電圧Ｖinが得られる。すなわち、全波整流器と平滑コンデンサとによって直流電源が構成される。

入力電源電圧Ｖinは第１及び第２の入力端子１１、１２間に供給される。第１の入力端子１１は電源入力端子と呼ばれ、第２の入力端子１２は接地端子と呼ばれる。第１及び第２の入力端子１１，１２間には、第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２から成る第１の直列回路と、第３及び第４のスイッチＱ３、Ｑ４から成る第２の直列回路が接続されている。第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４の各々は、Ｎチャネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる。第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４には、逆方向並列に第１乃至第４のクランプ用ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４が接続されている。尚、第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４は、纏めてスイッチング手段と呼ばれる。

第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２の第１の接続点２１と第３及び第４のスイッチＱ３、Ｑ４の第２の接続点２２との間に、トランスＴの１次巻線Ｎ１と共振用コンデンサＣｒとのＬＣ直列共振回路が接続されている。尚、ＬＣ直列共振回路は単に共振回路とも呼ばれる。トランスＴは２次巻線Ｎ２を持つ。この２次巻線Ｎ２は、出力整流ダイオード（図示せず）を介して出力平滑コンデンサ（図示せず）に接続されている。すなわち、出力整流ダイオードと出力平滑コンデンサとによって出力整流平滑回路が構成される。尚、出力整流平滑回路は単に出力回路とも呼ばれる。

第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４のゲートにはコントローラ（図示せず）が接続される。コントローラは、第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４のオン／オフを制御する。

このような構成のフルブリッジ共振型電源回路では、コントローラは、斜めに対向するスイッチ（例えば、第１及び第４のスイッチＱ１、Ｑ４或いは第２及び第３のスイッチＱ２、Ｑ３）を同時にオンするように制御して、共振回路に電流を流すようにする。従って、共振回路の両端２１、２２は、交互に電源入力端子１１と接地端子１２に接続されることになる。その結果、共振回路は入力電源電圧Ｖinの２倍の電圧２Ｖinで駆動される。

次に図２を参照して、ハーフブリッジ共振型電源装置について説明する。ハーフブリッジ共振型電源装置は、図１における第３及び第４のスイッチＱ３、Ｑ４が削除されている点を除いて、図１に示したフルブリッジ共振型電源装置と同様の構成を有する。すなわち、電源入力端子１１と第２の接続点２２との間がオープンにされると共に、第２の接続点２２と接地端子１２との間がショートされている。

このような構成のハーフブリッジ共振型電源装置では、コントローラは、第１及び第２のトランジスタＱ１、Ｑ２を交互にオン／オフ、オフ／オンするように制御して、共振回路を駆動する。そのため、共振回路の片端２１は、交互に電源入力端子１１と接地端子１２に接続されることになる。その結果、共振回路は入力電源電圧Ｖinで駆動される。

このような構成の共振型電源装置は入力電圧範囲を広く取ることが難しい。その理由は次の通りである。共振回路を流れる共振電流は、入力電源電圧Ｖinと共振回路のインピーダンス（共振用コンデンサＣｒ、トランスＴの１次巻線Ｎ１）により決まる。したがって、この共振電流に合わせて、共振用コンデンサＣｒの耐圧やトランスＴの飽和電流の設計を行うからである。

共振型電源装置の一種として、１００Ｖ系、２４０Ｖ系双方に対応するワールドワイド対応電源装置がある。すなわち、ワールドワイド対応電源装置では、入力電源電圧Ｖinが１００Ｖ程度から２４０Ｖと２倍以上広い。従って、共振電流も２倍の範囲があることになる。しかしながら、従来の共振型電源装置では、２４０ＶでトランスＴが飽和しないように設計を行うと、１００Ｖ系では十分な性能を引き出せなかったり、動作不良になったりする。すなわち、従来の共振型電源装置をそのままワールドワイド対応電源装置とするには難がある。

このため、従来の共振型電源装置では、入力電源電圧Ｖinが一定になるような特別な回路を前段に付加したり、共振用コンデンサＣｒの容量値やトランスＴの１次巻線Ｎ１のインダクタンス値を切り替えることによって対処している。

特開平９−１６３７３５号公報（図４）特開平８−６６０２５号公報

上述したように、従来の共振型電源装置では、入力電源電圧が広い範囲で変動する場合には、十分な性能を発揮できなかったり、動作不良になってしまうという問題がある。そのため、特別な回路を前段に付加したり、共振回路を構成する部品を交換する必要がある。

したがって、本発明の課題は、入力電源電圧が広い範囲で変動しても十分な性能を発揮でき、動作不良になることがない、共振型電源装置を提供することにある。

本発明の他の課題は、特別な回路を前段に付加したり、部品を交換することなしに、入力電源電圧が変動しても自動的に対応可能な、共振型電源装置を提供することにある。

本発明によれば、入力電源電圧（Ｖin）が印加される電源入力端子（１１）と接地端子（１２）を持つ共振型電源装置であって、共振回路（Ｃｒ、Ｎ１）と、前記電源入力端子と前記共振回路の一端（２１）との間に接続された第１のスイッチ（Ｑ１）と、前記共振回路の一端と前記接地端子との間に接続された第２のスイッチ（Ｑ２）と、前記電源入力端子と前記共振回路の他端（２２）との間に接続された第３のスイッチ（Ｑ３）と、前記共振回路の他端と前記接地端子との間に接続された第４のスイッチ（Ｑ４）とから成るスイッチング手段と、前記入力電源電圧を検出して検出信号（Ｅ）を出力する入力電圧検出回路（４０）と、前記検出信号に応じて、前記スイッチング手段のオン／オフを制御することにより、前記共振型電源装置をフルブリッジ動作させるか又はハーフブリッジ動作させるかを切り替える制御手段（３５，４５）とを備え、
前記入力電圧検出回路（４０）は、前記入力電源電圧を分圧して分圧電圧を発生する分圧手段（Ｒ１，Ｒ２）と、基準電圧を発生する基準電圧発生手段（４１）と、前記分圧電圧と前記基準電圧とを比較して、前記検出信号を出力するコンパレータ（４２）とから構成され、
前記制御手段は、前記第１乃至前記第４のスイッチ用の第１乃至第４の制御信号（Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ）をそれぞれ発生して、前記共振型電源装置を前記フルブリッジ動作させるように制御するコントローラ（３５）と、前記検出信号（Ｅ）に基いて、前記第３及び前記第４の制御信号を変更して、変更した第３及び第４の制御信号（Ｃ′，Ｄ′）を前記第３及び前記第４のスイッチへ供給することにより、前記共振型電源装置を前記フルブリッジ動作させるか前記ハーフブリッジ動作させるかを切り替えるモード切替回路（４５）と、から構成され、
前記第１乃至前記第４のスイッチ（Ｑ１〜Ｑ４）の各々は、前記第１乃至第４の制御信号が論理ハイレベルのときにオンするスイッチから構成され、前記入力電圧検出回路（４０）は、前記入力電源電圧（Ｖin）が前記所定の電圧よりも低いときに前記検出信号として論理ローレベルの信号を出力し、前記入力電源電圧（Ｖin）が前記所定の電圧よりも高いときに前記検出信号として論理ハイレベルの信号を出力するように構成され、
前記モード切替回路（４５）は、前記検出信号（Ｅ）が論理ローレベルのときは、前記第３及び第４の制御信号（Ｃ、Ｄ）をそのまま前記変更した第３及び第４の制御信号（Ｃ′、Ｄ′）として出力し、前記検出信号（Ｅ）が論理ハイレベルのときは、前記変更した第３及び第４の制御信号（Ｃ′、Ｄ′）としてそれぞれ論理ローレベル及び論理ハイレベルの信号を出力し、
前記モード切替回路（４５）は、前記検出信号を反転して、反転した信号を出力するインバータゲート（Ｇ１）と、前記第３の制御信号と前記反転した信号との論理積をとって、論理積結果信号を前記変更した第３の制御信号として出力するアンドゲート（Ｇ２）と、前記第４の制御信号と前記検出信号との論理和をとって、論理和結果信号を前記変更した第４の制御信号として出力するオアゲート（Ｇ３）とから構成されることを特徴とする共振型電源装置が得られる。

尚、上記括弧内の符号は、本発明の理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、これらに限定されないのは勿論である。

本発明では、入力電源電圧が所定の電圧より低い場合は、フルブリッジ共振型電源装置をフルブリッジ動作させ、入力電源電圧が所定の電圧より高い場合は、フルブリッジ共振型電源装置をハーフブリッジ動作させるので、入力電源電圧が広い範囲で変動しても十分な性能を発揮でき、動作不良になることがない。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について詳細に説明する。

図３を参照して、本発明の共振型電源装置について説明する。図示の共振型電源装置は、回路構成自体は、フルブリッジ共振型電源装置であるが、後述するように、入力電源電圧Ｖinに応じて、フルブリッジ動作とハーフブリッジ動作とを自動的に切り替えて動作することが可能である。また、共振型電源装置は、交流電源(図示せず)の交流電圧として、１００Ｖと２４０Ｖのいずれでも動作できるように構成されている。

交流電源からの交流電圧は全波整流器３０で全波整流される。図示の全波整流器３０は４個の整流ブリッジダイオードＤ６、Ｄ７，Ｄ８，Ｄ９で構成されている。この全波整流器３０で全波整流された電圧は平滑コンデンサＣiで平滑され、入力電源電圧Ｖinが得られる。すなわち、全波整流器３０と平滑コンデンサＣｉとによって直流電源が構成される。

入力電源電圧Ｖinは第１及び第２の入力端子１１、１２間に供給される。第１の入力端子１１は電源入力端子と呼ばれ、第２の入力端子１２は接地端子と呼ばれる。第１及び第２の入力端子１１，１２間には、第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２から成る第１の直列回路と、第３及び第４のスイッチＱ３、Ｑ４から成る第２の直列回路とが接続されている。第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４の各々は、Ｎチャネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）からなる。第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４には、それぞれ、逆方向並列に第１乃至第４のクランプ用ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４が接続されている。尚、第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４は、纏めてスイッチング手段と呼ばれる。

第１及び第２のスイッチＱ１、Ｑ２の第１の接続点２１と第３及び第４のスイッチＱ３、Ｑ４の第２の接続点２２との間に、トランスＴの１次巻線Ｎ１と共振用コンデンサＣｒとのＬＣ直列共振回路が接続されている。尚、ＬＣ直列共振回路は単に共振回路とも呼ばれる。トランスＴは２次巻線Ｎ２ａ，Ｎ２ｂを持つ。これら２次巻線Ｎ２ａ、Ｎ２ｂの一端は、それぞれ第１及び第２の出力整流ダイオードＤ１１、Ｄ１２を介して出力平滑コンデンサＣｏに接続されている。すなわち、第１及び第３の出力整流ダイオードＤ１１、Ｄ１２と出力平滑コンデンサＣｏとによって出力整流平滑回路が構成される。尚、出力整流平滑回路は単に出力回路とも呼ばれる。

第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４のゲートにはコントローラ３５が接続される。コントローラ３５は、入力電源電圧Ｖinに応じて、後述するように、第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４のオン／オフを制御する。コントローラ３５は、後述するように、第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４をそれぞれ制御するための第１乃至第４の制御信号Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤを発生する。

尚、前述したように、第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４は、Ｎチャネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタから構成されているので、それらの制御電極（ゲート）に供給される第１乃至第４の制御信号Ａ、Ｂ、Ｃ、およびＤが論理ハイレベルのときにオン状態となる。

図示の共振型電源装置は、入力電圧検出回路４０と、モード切替回路４５とを更に備えている。

入力電圧検出回路４０は、入力電源電圧Ｖinを検出する回路である。入力電源電圧Ｖinが所定の電圧より低いとき、入力電圧検出回路４０は論理ローレベルの検出信号Ｅを出力する。入力電源電圧Ｖinが所定の電圧より高いとき、入力電圧検出回路４０は論理ハイレベルの検出信号Ｅを出力する。

詳述すると、入力電圧検出回路４０は、第１及び第２の入力端子１１、１２間に直列に接続されて、分圧電圧Ｖdivを発生する２個の分圧抵抗器Ｒ１、Ｒ２と、基準電圧Ｖrefを発生する基準電圧発生源４１と、分圧電圧Ｖdivと基準電圧Ｖrefとを比較するコンパレータ４２とから構成されている。コンパレータ４２の非反転入力端子には分圧電圧Ｖdivが供給され、反転入力端子には基準電圧Ｖrefが供給されている。コンパレータ４２は、分圧電圧Ｖdivが基準電圧Ｖrefより低い場合、交流電源が１００Ｖの交流電圧を発生していると判断して、論理ローレベルの検出信号Ｅを出力する。一方、分圧電圧Ｖdivが基準電圧Ｖrefより高いとき、コンパレータ４２は、交流電源が２４０Ｖの交流電圧を発生していると判断して、論理ハイレベルの検出信号Ｅを出力する。この検出信号Ｅはモード切替回路４５に供給される。

モード切替回路４５は、この検出信号Ｅに応じて、コントローラ３５と協働して、当該共振型電源装置をフルブリッジ動作させるかハーフブリッジ動作させるかを切り替える回路である。換言すれば、モード切替回路４５は、コントローラ３５から出力される第３及び第４の制御信号Ｃ、Ｄを検出信号Ｅに応じて変更して、変更した第３及び第４の制御信号Ｃ′、Ｄ′を出力する。変更した第３及び第４の制御信号Ｃ′、Ｄ′は、それぞれ、第３及び第４のスイッチＱ３、Ｑ４の制御電極（ゲート）へ供給される。

詳述すると、モード切替回路４５は、インバータゲートＧ１と、アンドゲートＧ２と、オアゲートＧ３とから構成されている。インバータゲートＧ１は、検出信号Ｅを反転して、反転した信号を出力する。アンドゲートＧ２は、コントローラ３５から出力される第３の制御信号Ｃと反転した信号との論理積をとって、論理積結果信号を変更した第３の制御信号Ｃ′として出力する。オアゲートＧ３は、コントローラ３５から出力される第４の制御信号Ｄと検出信号Ｅとの論理和をとって、論理和結果信号を変更した第４の制御信号Ｄ′として出力する。

とにかく、コントローラ３５とモード切替回路４５との組合わせは、検出信号Ｅに応じて、スイッチング手段のオン／オフを制御することにより、共振型電源装置をフルブリッジ動作させるか又はハーフブリッジ動作させるかを切り替える制御手段として働く。

次に、図３に加えて図４をも参照して、本実施の形態に係る共振型電源装置の動作について説明する。図４は、第１及び第２の制御信号Ａ、Ｂと、論理積結果信号（変更した第３の制御信号）Ｃ′と、論理和結果信号（変更した第４の制御信号）Ｄ′と、検出信号Ｅの波形を示すタイムチャートである。

最初に、交流電源から１００Ｖの交流電圧が本共振型電源装置に印加されたときの動作について説明する。この場合、入力電源電圧Ｖinの分圧電圧Ｖdivが基準電圧Ｖrefよりも低いので、入力電圧検出回路４０は、論理ローレベルの検出信号Ｅを出力する。この場合、モード切替回路４５は、コントローラ３５から出力される第３及び第４の制御信号Ｃ、Ｄをそのまま論理積結果信号（変更した第３の制御信号）Ｃ′及び論理和結果信号（変更した第４の制御信号）Ｄ′として出力する。換言すれば、共振型電源装置は、付加されたモード切替回路４５がないのと同様に動作する。その結果、コントローラ３５から出力される第１乃至第４の制御信号Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄがそのまま第１乃至第４のスイッチＱ１〜Ｑ４のゲートに導かれる。

従って、共振型電源装置は、通常の（本来の）フルブリッジ動作を行うことになる。すなわち、コントローラ３５は、斜めに対向するスイッチ（例えば、第１及び第４のスイッチＱ１、Ｑ４或いは第２及び第３のスイッチＱ２、Ｑ３）を同時にオンするように制御して、共振回路に電流を流すようにする。従って、共振回路の両端２１、２２は、交互に電源入力端子１１と接地端子１２に接続されることになる。その結果、共振回路は入力電源電圧Ｖinの２倍の電圧２Ｖinで駆動される。

次に、交流電源から２４０Ｖの交流電圧が本共振型電源装置に印加されたときの動作について説明する。この場合、入力電源電圧Ｖinの分圧電圧Ｖdivが基準電圧Ｖrefよりも高くなるので、入力電圧検出回路４０は、論理ハイレベルの検出信号Ｅを出力する。この場合、モード切替回路４５は、コントローラ３５から出力される第３及び第４の制御信号Ｃ、Ｄの代わりに、それぞれ、論理ローレベルの論理積結果信号（変更した第３の制御信号）Ｃ′及び論理ハイレベルの論理和結果信号（変更した第４の制御信号）Ｄ′を出力する。この結果、第３のスイッチＱ３はオフ状態を維持し、第４のスイッチＱ４はオン状態を維持する。従って、電源入力端子１１と第２の接続点２２との間がオープンにされると共に、第２の接続点２２と接地端子１２との間がショートされる。

その結果、共振型電源装置は、ハーフブリッジ動作を行うことになる。すなわち、コントローラ３５は、第１及び第２のトランジスタＱ１、Ｑ２を交互にオン／オフ、オフ／オンするように制御して、共振回路を駆動する。そのため、共振回路の片端２１は、交互に電源入力端子１１と接地端子１２に接続されることになる。その結果、共振回路は入力電源電圧Ｖinで駆動される。

このように本実施の形態に係る共振型電源装置では、入力電源電圧Ｖinに応じて、フルブリッジ共振型電源装置をフルブリッジ動作させるかハーフブリッジ動作させるかを自動的に切り替えることができる。このため、たとえ入力電源電圧Ｖinが広い範囲で変動しても、十分な性能を発揮でき、動作不良になることがない。また、従来の共振型電源装置のように、前段に特別な回路を付加したり、部品を交換する必要もない。

以上、本発明について好ましい実施の形態によって説明してきたが、本発明は上述した実施の形態に限定しないのは勿論である。例えば、共振回路は上記実施の形態のＬＣ直列共振回路に限定されず、種々の構成の共振回路を採用して良い。スイッチング手段を構成するスイッチも、上記実施の形態のＮチャネル絶縁ゲート型電界効果トランジスタに限定されず、種々の構成のスイッチを採用して良いのは勿論である。また、本発明は、交流電源系のみでなく、入力電源電圧の変動範囲が広い又は出力電圧の負荷変動が大きいような用途のＤＣ／ＤＣコンバータにも適用可能なのは勿論である。

従来のフルブリッジ共振型電源装置の主要部の構成を示すブロック図である。従来のハーフブリッジ共振型電源装置の主要部の構成を示すブロック図である。本発明の一実施の形態に係る共振型電源装置の構成を示すブロック図である。図３に示した共振型電源装置の動作を説明するためのタイムチャートである。

符号の説明

Ｃｉ平滑コンデンサ
Ｑ１〜Ｑ４スイッチ
Ｔトランス
Ｎ１１次巻線
Ｎ２ａ、Ｎ２ｂ２次巻線
Ｃｒ共振用コンデンサ
３０全波整流器
３５コントローラ
４０入力電圧検出回路
４５モード切替回路

Claims

入力電源電圧が印加される電源入力端子と接地端子を持つ共振型電源装置であって、
共振回路と、
前記電源入力端子と前記共振回路の一端との間に接続された第１のスイッチと、前記共振回路の一端と前記接地端子との間に接続された第２のスイッチと、前記電源入力端子と前記共振回路の他端との間に接続された第３のスイッチと、前記共振回路の他端と前記接地端子との間に接続された第４のスイッチとから成るスイッチング手段と、
前記入力電源電圧を検出して検出信号を出力する入力電圧検出回路と、
前記検出信号に応じて、前記スイッチング手段のオン／オフを制御することにより、前記共振型電源装置をフルブリッジ動作させるか又はハーフブリッジ動作させるかを切り替える制御手段と
を備え、
前記入力電圧検出回路は、前記入力電源電圧を分圧して分圧電圧を発生する分圧手段と、基準電圧を発生する基準電圧発生手段と、前記分圧電圧と前記基準電圧とを比較して、前記検出信号を出力するコンパレータとを有し、
前記制御手段は、
前記第１乃至前記第４のスイッチ用の第１乃至第４の制御信号をそれぞれ発生して、前記共振型電源装置を前記フルブリッジ動作させるように制御するコントローラと、
前記検出信号に基いて、前記第３及び前記第４の制御信号を変更して、変更した第３及び第４の制御信号を前記第３及び前記第４のスイッチへ供給することにより、前記共振型電源装置を前記フルブリッジ動作させるか前記ハーフブリッジ動作させるかを切り替えるモード切替回路と、
から構成され、
前記第１乃至前記第４のスイッチの各々は、前記第１乃至第４の制御信号が論理ハイレベルのときにオンするスイッチであり、前記入力電圧検出回路は、前記入力電源電圧が前記所定の電圧よりも低いときに前記検出信号として論理ローレベルの信号を出力し、前記入力電源電圧が前記所定の電圧よりも高いときに前記検出信号として論理ハイレベルの信号を出力するように構成されており、
前記モード切替回路は、前記検出信号が論理ローレベルのときは、前記第３及び第４の制御信号をそのまま前記変更した第３及び第４の制御信号として出力し、前記検出信号が論理ハイレベルのときは、前記変更した第３及び第４の制御信号としてそれぞれ論理ローレベル及び論理ハイレベルの信号を出力し、
前記モード切替回路は、
前記検出信号を反転して、反転した信号を出力するインバータゲートと、
前記第３の制御信号と前記反転した信号との論理積をとって、論理積結果信号を前記変更した第３の制御信号として出力するアンドゲートと、
前記第４の制御信号と前記検出信号との論理和をとって、論理和結果信号を前記変更した第４の制御信号として出力するオアゲートと
から構成されることを特徴とする共振型電源装置。