JP4735469B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、入力直流電圧をスイッチングして得られる入力交流電圧をトランスで変圧し、変圧した出力交流電圧を整流し平滑することにより出力直流電圧を出力するスイッチング電源装置に関する。
従来より、スイッチング電源装置として種々のタイプのものが提案され、実用に供されている。その1つとして、特許文献1および特許文献2に記載されているように、トランスの入力巻線に接続されたスイッチング回路のスイッチング動作により、高圧バッテリからの入力直流電圧をスイッチングし、スイッチングにより得られた入力交流電圧をトランスの入力巻線に入力し、トランスにより変換された出力交流電圧をトランスの出力巻線から取り出す方式がある。スイッチング回路のスイッチング動作に伴い、出力巻線に現れる電圧は、整流回路によって整流された後、平滑回路によって出力直流電圧に変換されて出力されるようになっている。
特開2002−369528号公報 特開2001−314080号公報
ところで、この種のスイッチング電源装置では、整流回路は、例えば、トランスの2次側の巻線と平滑回路の配線との間に配置された2つの整流素子からなり、トランスの出力交流電圧の各半波期間を個別に整流するようになっている。つまり、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とは別個の配線でそれぞれ形成されており、配線に係る部品点数が多い。そのため、構造が複雑になるという問題があった。
また、この種のスイッチング電源装置では、トランスの2次側に接続された整流回路や平滑回路を漫然と配置すると、トランスの2次側の配線が長くなって外部からのノイズに影響され易くなったり、スイッチング電源装置を電子機器内にコンパクトに配置することが困難となるという問題もあった。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その第1の目的は、配線に係る部品点数を削減することにより構造を簡素化することができるスイッチング電源装置を提供することにある。第2の目的は、外部からのノイズに影響されにくいスイッチング電源装置を提供することにある。第3の目的は、電子機器内にコンパクトに配置することの可能なスイッチング電源装置を提供することにある。
本発明の第1のスイッチング電源装置は、スイッチング回路、トランス、整流回路および平滑回路を備えたものである。スイッチング回路は、直流入力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路である。トランスは、スイッチング回路に接続された1次側巻線と、2次側第1巻線、2次側第2巻線、2次側第3巻線および2次側第4巻線とを有している。整流回路は、第1整流素子および第2整流素子を有している。第1整流素子は、2次側第1巻線および2次側第2巻線の間に挿入されてこれらと共に直列回路を構成しており、第2整流素子は、2次側第3巻線および2次側第4巻線の間に挿入されてこれらと共に直列回路を構成している。平滑回路は、第1入力端、第2入力端、第1出力端および第2出力端を有している。第1入力端は、2次側第2巻線と2次側第3巻線とを接続する巻線接続点に接続されている。第2入力端は、2次側第4巻線の両端部のうち第2整流素子が接続された側と反対側の第1端部および2次側第1巻線の両端部のうち第1整流素子が接続された側と反対側の第2端部に共通に接続されている。第1出力端および第2出力端は、第1入力端および第2入力端にそれぞれ対応して設けられている。
本発明の第1のスイッチング電源装置では、直流電圧がスイッチング回路に入力される
と、スイッチング回路で交流電圧に変換されると共にトランスで変圧されて整流回路に出
力される。ここで、整流回路は、第1整流素子を2次側第2巻線と巻線接続点との間に接
続すると共に、第2整流素子を2次側第3巻線と巻線接続点との間に接続してなる回路と
等価であることから、トランスで変圧された交流電圧がこの等価回路と同様の作用で
整流され、その後、平滑回路で平滑化されて第1出力端および第2出力端から出力される
ここで、上記した等価回路では、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とが整流素子を介して接続されている。つまり、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とは別個の配線でそれぞれ形成されている。一方、本発明の第1のスイッチング電源装置における整流回路では、上記した等価回路の整流機能を維持しつつ、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とが整流素子で分断されないように接続されている。これより、トランスの2次側の巻線と平滑回路の配線とを共通の配線で形成することが可能となる。
例えば、2次側第2巻線の両端部のうち第1整流素子が接続された側の端部から巻線接続点および第1入力端を経由して第1出力端までの第1経路と、2次側第3巻線の両端部のうち第2整流素子が接続された側の端部から巻線接続点および第1入力端を経由して第1出力端までの第2経路とを、板状の第1配線部材で形成すると共に、2次側第1巻線の両端部のうち第1整流素子が接続された側の端部から第2端部および第2入力端を経由して第2出力端までの第3経路と、2次側第4巻線の両端部のうち第2整流素子が接続された側の端部から第1端部および第2入力端を経由して第2出力端までの第4経路とを、板状の第2配線部材で形成することができる。
本発明の第2のスイッチング電源装置は、スイッチング回路、トランス、整流回路および平滑回路を備えたものである。スイッチング回路は、直流入力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路である。トランスは、スイッチング回路に接続された1次側巻線と、2次側第1巻線および2次側第2巻線とを有している。整流回路は、第1整流素子および第2整流素子を有している。第1整流素子は、2次側第1巻線および2次側第2巻線の間に挿入されており、第2整流素子は、一端を2次側第2巻線の両端部のうち第1整流素子が接続された側と反対側の第1端部に接続する共に、他端を2次側第1巻線の両端部のうち第1整流素子が接続された側と反対側の第2端部に接続してなる。平滑回路は、第1入力端、第2入力端、第1出力端および第2出力端を有している。第1入力端は、2次側第1巻線と第1整流素子とを接続する巻線接続点に接続されている。第2入力端は、第1端部および第2整流素子の一端に共通に接続されている。第1出力端および第2出力端は、第1入力端および第2入力端にそれぞれ対応して設けられている。
本発明の第2のスイッチング電源装置では、直流電圧がスイッチング回路に入力されると、スイッチング回路で交流電圧に変換されると共にトランスで変圧されて整流回路に出力される。ここで、整流回路は、第2整流素子を2次側第1巻線と巻線接続点との間に接続してなる回路と等価であるあることから、トランスで変圧された交流電圧がこの等価回路と同様の作用で整流され、その後、平滑回路で平滑化されて第1出力端および第2出力端から出力される。
ここで、上記した等価回路では、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とが整流素子を介して接続されている。つまり、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とは別個の配線でそれぞれ形成されている。一方、本発明の第2のスイッチング電源装置における整流回路では、上記した等価回路の整流機能を維持しつつ、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とが整流素子で分断されないように接続されている。これより、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とを共通の配線で形成することが可能となる。
例えば、第2端部から巻線接続点および第1入力端を経由して第1出力端までの経路を板状の第1配線部材で形成すると共に、2次側第2巻線を板状の第2配線部材で形成することができる。
本発明の第3のスイッチング電源装置は、スイッチング回路、トランス、整流回路および平滑回路を備えたものである。スイッチング回路は、直流入力電圧を交流電圧に変換するインバータ回路である。トランスは、スイッチング回路に接続された1次側巻線と、2次側第1巻線および2次側第2巻線とを有している。整流回路は、第1整流素子および第2整流素子を有している。第1整流素子は、2次側第2巻線の両端部のうち2次側第1巻線が接続された側と反対側の第1端部およびグラウンドの間に挿入されており、第2整流素子は、2次側第1巻線の両端部のうち2次側第2巻線が接続された側と反対側の第2端部およびグラウンドの間に挿入されている。平滑回路は、第1入力端、第2入力端、第1出力端および第2出力端を有している。第1入力端は、2次側第1巻線と2次側第2巻線とを接続する巻線接続点に接続されている。第2入力端は、第1整流素子、第2整流素子およびグラウンドに共通に接続されている。第1出力端および第2出力端は、第1入力端および第2入力端にそれぞれ対応して設けられている。
本発明の第3のスイッチング電源装置では、直流電圧がスイッチング回路に入力されると、スイッチング回路で交流電圧に変換されると共にトランスで変圧されて整流回路に出力される。ここで、整流回路は、第1整流素子を2次側第2巻線と巻線接続点との間に接続すると共に、第2整流素子を2次側第1巻線と巻線接続点との間に接続してなる回路と等価であるあることから、トランスで変圧された交流電圧がこの等価回路と同様の作用で整流され、その後、平滑回路で平滑化されて第1出力端および第2出力端から出力される。
ここで、上記した等価回路では、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とが整流素子を介して接続されている。つまり、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とは別個の配線でそれぞれ形成されている。一方、本発明の第3のスイッチング電源装置における整流回路では、上記した等価回路の整流機能を維持しつつ、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とが整流素子で分断されないように接続されている。これより、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とを共通の配線で形成することが可能となる。
例えば、第2端部から巻線接続点および第1入力端を経由して第1出力端までの経路を板状の第1配線部材で形成すると共に、2次側第2巻線を板状の第2配線部材で形成することができる。また、例えば、第1端部から巻線接続点および第1入力端を経由して第1出力端までの経路を板状の第1配線部材で形成すると共に、2次側第1巻線を板状の第2配線部材で形成することもできる。
本発明の第1、第2および第3のスイッチング電源装置によれば、トランスの2次側の巻線と、平滑回路の配線とを共通の配線で形成するようにしたので、部品点数を削減することが可能となり、構造を簡素化することができる。
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
[第1の実施の形態]
図1は本発明の第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路構成を、図2は図1のスイッチング電源装置の構造をそれぞれ表すものである。このスイッチング電源装置は、高圧バッテリ(図示せず)から供給される高圧の直流入力電圧Vinを、より低い直流出力電圧Voutに変換して、負荷(図示せず)に供給するDC−DCコンバータとして機能するものであり、後述するように2次側がセンタタップ型の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、一次側高圧ラインL1Hと1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられたインバータ回路1(スイッチング回路)および平滑コンデンサ2と、1次側巻線42および2次側巻線43,44を含んで構成された3巻線型のトランス4と、インバータ回路1とトランス4との間に設けられた共振用インダクタ3とを備える。1次側高圧ラインL1Hに入力端子T1が、1次側低圧ラインL1Lに入力端子T2がそれぞれ設けられており、これら入力端子T1,T2が高圧バッテリの出力端子と接続されるようになっている。
このスイッチング電源装置はまた、トランス4の2次側に設けられた整流回路5と平滑
回路6とを備える。平滑回路6の高圧側のラインである出力ラインLに出力端子T3(
第1出力端)が、平滑回路6の低圧側のラインである接地ラインLGに出力端子T4(第
2出力端)がそれぞれ設けられており、これら出力端子T3,T4が負荷の入力端子と
接続されるようになっている。
インバータ回路1は、高圧バッテリから出力される直流入力電圧Vinをほぼ矩形波状の単相交流電圧に変換する単相インバータ回路である。このインバータ回路1は、制御回路(図示せず)から供給されるスイッチング信号によってそれぞれ駆動される4つのスイッチング素子11,12,13,14をフルブリッジ接続してなるフルブリッジ型のスイッチング回路である。スイッチング素子としては、例えば、MOS−FET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor )やIGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor )などの素子が用いられる。
スイッチング素子11は、トランス4の1次側巻線42の一端と1次側高圧ラインL1Hとの間に設けられ、スイッチング素子12は1次側巻線42の一端と1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられている。スイッチング素子13は1次側巻線42の他端に接続された共振用インダクタ3の一端と1次側高圧ラインL1Hとの間に設けられ、スイッチング素子14は共振用インダクタ3の一端と1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられている。
これより、インバータ回路1は、スイッチング素子11,14のオン動作により、1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子11、1次側巻線42、共振用インダクタ3およびスイッチング素子14を通って1次側低圧ラインL1Lに至る第1の電流経路に電流が流れる一方、スイッチング素子12,13のオン動作により、1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子13、共振用インダクタ3、1次側巻線42およびスイッチング素子12を通って1次側低圧ラインL1Lに至る第2の電流経路に電流が流れるようになっている。
共振用インダクタ3は、スイッチング素子11,12,13,14の寄生容量の少なくとも1つと共に共振回路を構成するようになっており、その共振特性を利用して、スイッチング素子のオン・オフによって生じる電力損失を低減するようになっている。なお、共振用インダクタ3は、コイル部品を実際に配置して構成されていてもよいが、これに代えて(これと共に)、トランス4のリーケージインダクタンス(図示せず)や配線などを含めた直列インダクタンスを利用して構成されていてもよい。
トランス4は、1次側巻線42(1次側巻線)と、互いに直列に接続された2次側巻線43および2次側巻線44とが互いに同じ向きの極性を有するように磁芯41に巻回されることにより磁気結合された磁気素子である。このトランス4は、降圧型のトランスであり、2次側巻線43および2次側巻線44のそれぞれの巻き数が、1次側巻線42のそれよりも少なくなっている。なお、降圧の度合いは、1次側巻線42と2次側巻線43または2次側巻線44との巻数比によって定まる。
磁芯41は、8の字状の磁路を有し、例えば、それぞれE型形状の磁芯41Aおよび磁芯41Bからなり、磁芯41Aを導電パターンが形成され支持基体S上に載置すると共にその磁芯41A上に磁芯41Bを重ね合わせて構成されたものである。
1次側巻線42は、トランス4の1次側に設けられ、インバータ回路1の動作に応じて自身に流れる電流の方向が変化するようにインバータ回路1に接続されている。具体的には、1次側巻線42の一端が共振用インダクタ3を介してスイッチング素子13とスイッチング素子14との接続点に接続され、1次側巻線42の他端がスイッチング素子11とスイッチング素子12との接続点に接続されている。
2次側巻線43は、後述のダイオード51の両端に直列に接続された2次側第1巻線43Aおよび2次側第2巻線43Bからなる。この2次側巻線43は、2次側第1巻線43Aで磁芯41を0.5巻き、2次側第2巻線43Bで磁芯41を0.5巻きすることにより、全体として磁芯41を1巻きしたものである。
2次側巻線44は、後述のダイオード52の両端に直列に接続された2次側第3巻線44Aおよび2次側第4巻線44Bからなる。この2次側巻線44は、2次側第3巻線44Aで磁芯41を0.5巻き、2次側第4巻線44Bで磁芯41を0.5巻きすることにより、全体として磁芯41を1巻きしたものである。
2次側第2巻線43Bの両端部のうちダイオード51が接続された側と反対側の端部と
、2次側第3巻線44Aの両端部のうちダイオード52が接続された側と反対側の端部と
がセンタタップC(巻線接続点)で互いに接続され、このセンタタップCが出力ラインL
を介して入力端In1(第1入力端)に接続されている。また、2次側第4巻線44B
の両端部のうちダイオード52が接続された側と反対側の端部A(第1端部)と、2次側
第1巻線43Aの両端部のうちダイオード51が接続された側と反対側の端部B(第2端
部)とが接続点Dで互いに接続され、この接続点Dが接地ラインLGを介して入力端In
2(第2入力端)に接続されている。つまり、トランス4の2次側はセンタタップ型の接
続となっている。
支持基体Sは、例えば、アルミダイカストからなり、グラウンドと電気的に接続されていてもよいし、グラウンドから電気的に浮いていてもよい。
整流回路5は、一対のダイオード51(第1整流素子)およびダイオード52(第2整流素子)からなる単相全波整流型のものである。ダイオード51のアノードは2次側第1巻線43Aの一端に、ダイオード51のカソードは2次側第2巻線43Bの一端にそれぞれ接続されている。ダイオード52のアノードは2次側第4巻線44Bの一端に、ダイオード52のカソードは2次側第3巻線43Aの一端にそれぞれ接続されている。
この整流回路5は、図3に示したように、ダイオード51を2次側巻線43とセンタタ
ップCとの間に挿入し、ダイオード52を2次側巻線44とセンタタップCとの間に挿入
してなるカソードコモン接続タイプの整流回路105と等価である。したがって、整流回
路5からなる回路は、図3に示した整流回路105と同様、トランス4の交流出力電圧V
O1,VO2の各半波期間をそれぞれダイオード51,52によって個別に整流してセン
タタップCおよび接続点Dから整流電圧を出力するようになっている。
平滑回路6は、磁心61と、チョークコイル62と、平滑コンデンサ63とを含んで構成されており、第1入力端In1および第2入力端In2に入力された整流電圧を平滑化して直流出力電圧Voutを生成し、これを出力端子T3,T4から負荷Lに供給するようになっている。
磁芯61は、中足にギャップの設けられた8の字状の磁路を有し、例えば、それぞれE
型形状の磁芯61Aと磁芯61Bとからなり、磁芯61Aを支持基体S上に載置すると共にその磁芯61A上に磁芯61Bを重ね合わせて構成されたものである。
のチョークコイル62は、第1入力端In1と出力端子T3との間に設けられた配線で磁芯61を0.5巻きしたものであり、チョークコイル62Bは、第2入力端In2と出力端子T4との間に設けられた配線で磁芯61を0.5巻きしたものである。この結果、チョークコイル62Bは全体として磁芯61を1巻きしている
この平滑回路6は、図3に示したように、チョークコイル62を出力端子T3に直列に
接続してなる平滑回路106と等価であり、平滑回路106と同様、整流回路5から出力
された整流電圧を平滑して直流出力電圧Voutを出力端子T3,T4に出力するようになっている。
次に、以上のような構成のスイッチング電源装置の作用を説明する。なお、以下では、一般的なスイッチング動作でインバータ回路1を駆動する場合について説明するが、例えば、ゼロボルトスイッチング(Zero Volto Switching)動作でインバータ回路1を駆動することも可能である。
インバータ回路1のスイッチング素子11,14がオンすると、スイッチング素子11からスイッチング素子14の方向に電流が流れ、トランス4の2次側巻線43,44に現れる電圧がダイオード52に対して逆方向となり、ダイオード51に対して順方向となる。このため、2次側巻線43およびダイオード51を通って出力ラインLOに電流が流れる。
次に、スイッチング素子11,14がオンからオフになると、トランス4の2次側巻線44に現れる電圧は、ダイオード52に対して順方向となる。このため、2次側巻線44およびダイオード52を通って出力ラインLOに電流が流れる。
次に、スイッチング素子12,13がオンすると、スイッチング素子13からスイッチング素子12の方向に電流が流れ、トランス4の2次側巻線43,44に現れる電圧がダイオード52に対して順方向になる一方、ダイオード51に対して逆方向となる。このため、2次側巻線44およびダイオード52を通って出力ラインLOに電流が流れる。
最後に、スイッチング素子12,13がオンからオフになると、トランス4の2次側巻線43に現れる電圧はダイオード51に対して順方向となる。このため、2次側巻線43およびダイオード51を通って出力ラインLOに電流が流れる。
このようにして、スイッチング電源装置は、高圧バッテリから供給された直流入力電圧Vinを直流出力電圧Voutに変圧(降圧)し、その変圧した直流出力電圧Voutを低圧バッテリに給電する。
次に、本実施の形態のスイッチング電源装置の効果を比較例と対比して説明する。
比較例では、図4に示したように、トランス4の2次側巻線(2次側巻線43,44)と、平滑回路106の配線とは、整流回路105のダイオード51,52によって分断されている。つまり、トランス4の2次側巻線と、平滑回路106の配線とは別個の配線でそれぞれ形成されており、配線に係る部品点数が多く、構造が複雑になっている。また、このように分断された配線を電気的に接続するためには、ダイオード51,52、2次側巻線43,44、チョークコイル62、出力端子T3,T4からそれぞれ延在する配線、および平滑コンデンサ63を、ねじ締めや、半田または溶接などにより電気的に接続することが必要である。
一方、本実施の形態では、図2に示したように、2次側第2巻線43Bの両端部のうちダイオード51が接続された側の端部からセンタタップCを経由して出力端子T3までの第1経路7Aと、2次側第3巻線44Aの両端部のうちダイオード52が接続された側の端部からセンタタップCを経由して出力端子T3までの第2経路7Bとが、平板状の1枚の板金からなる配線部材7(第1配線部材)で形成されている。また、2次側第1巻線43Aの両端部のうちダイオード51が接続された側の端部から端部Bを経由して出力端子T4までの第3経路8Aと、2次側第4巻線44Bの両端部のうちダイオード52が接続された側の端部から端部Aを経由して出力端子T4までの第4経路8Bとが、平板状の1枚の板金からなる配線部材8(第2配線部材)で形成されている。つまり、トランス4の2次側巻線(2次側巻線43,44)と、平滑回路6の配線とが、平板状の2枚の板金(配線部材7,8)で構成されている。このとき、整流回路5のダイオード51,52は、これら配線部材7,8の端部の近傍に設けられている。
このように、本実施の形態では、トランス4の2次側巻線(2次側巻線43,44)と、平滑回路6の配線とが、平板状の2枚の板金(配線部材7,8)で構成されていることから、比較例の構成と比べて、配線に係る部品点数を4点から2点に削減することができ、構造を簡素化することができる。
これより、本実施の形態では、ダイオード51,52、配線部材7,8および平滑コンデンサ63をねじ締めや、半田または溶接などにより電気的に接続するだけでよいので、これらに要する工数を削減することができる。また、配線の接続箇所が少なくなったことにより、配線の接続点での接触抵抗による発熱および電力損失を低減することができる。さらに、ねじの緩みや、半田クラックなどが発生する虞が低減するので、信頼性を向上させることができる。
また、本実施の形態では、整流回路5、トランス4および平滑回路6をこの順に一列に配置し、トランス4および平滑回路6を互いに隣接して配置している。さらに、整流回路5を支持基体Sに中間基体Tを介してベアチップ実装している。これにより、比較例の構成と比べて、トランス4の2次側に接続された配線を短くすることができるので、配線抵抗およびインダクタンス成分を低減できると共に外部からのノイズの影響を受けにくくすることができ、その結果、リンギング、サージおよび損失を低減することができる。
なお、中間基体Tは、セラミック、プラスチックまたはフィルムなどの絶縁性材料により形成されている。また、例えば、支持基体Sの表面に中間基体Tの代わりに絶縁層を設け、これを介してベアチップ実装してもよい。このように、整流回路5を支持基体Sに中間基体Tを介してベアチップ実装することにより、整流回路5で発生した熱を支持基体Sに効率よく伝えることができ、放熱性を高めることができる。特に、中間基体Tを絶縁性フィルムで構成したり、支持基体Sの表面に中間基体Tの代わりに絶縁層を設けた場合には、支持基体Sへの熱伝導性が良く、放熱性をより高めることができる。
なお、本実施の形態では、整流回路5、トランス4および平滑回路6をこの順に一列に配置しているが、例えば、トランス4および整流回路5の配列方向がトランス4および平滑回路6の配列方向と直交するように、トランス4、整流回路5および平滑回路6をそれぞれ配置してもよい。このようにした場合でも、トランス4および平滑回路6を互いに隣接して配置することができるので、トランス4の2次側に接続された配線を短くすることがでる。これにより、配線抵抗およびインダクタンス成分を低減できると共に外部からのノイズの影響を受けにくくすることができ、その結果、リンギング、サージおよび損失を低減することができる。
また、本実施の形態では、整流回路5、トランス4および平滑回路6をこの順に一列に配置するようにしたので、スイッチング電源装置全体の形状を細長くすることができる。これにより、電子機器内の空きスペースが限られている場合であっても、スイッチング電源装置を電子機器内にコンパクトに配置することができる。
[第1の実施の形態の変形例]
上記実施の形態では、平滑回路6のチョークコイル62は、出力端子T3側の配線(配線部材7)で磁芯61を0.5巻き、出力端子T4側の配線(配線部材8)で磁芯61を0.5巻きすることにより、全体として磁芯61を1巻きするように構成されていたが、図5および図6に示したように、出力端子T3側の配線(配線部材7)だけで磁芯61を1巻きすることにより、全体として磁芯61を1巻きするように構成されていてもよい。
また、チョークコイル62のインダクタの大きさが1巻では足りない場合は、図7および図8に示したように、チョークコイル62の代わりに、出力端子T3側の配線(配線部材7)で磁芯61を1巻きしてなる第1のチョークコイル162Aと、出力端子T4側の配線(配線部材8)で磁芯61を1巻きしてなる第2のチョークコイル162Bとにより構成された2巻きのチョークコイル162を設けてもよい。このように、チョークコイル162の巻き数を2巻きにした場合であっても、配線部材7,8を、平板状の1枚の板金でそれぞれ構成することが可能である。これより、上記実施の形態と同様、従来の構成と比べて、配線に係る部品点数を4点から2点に削減することができ、構造を簡素化することができる。
また、上記実施の形態では、トランス4の2次側の等価回路がアノードコモン接続となるように構成していたが、図9および図10や、図11および図12に示したように、トランス4の2次側の等価回路がカソードコモン接続となるように構成してもよい。
[第2の実施の形態]
図13は本発明の第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路構成を、図14は図13のスイッチング電源装置の構造をそれぞれ表すものである。このスイッチング電源装置は、上記第1の実施の形態と比較して、トランス4の2次側巻線の構成と、整流回路5の構成において相違する。そこで、以下、上記第1の実施の形態との相違点について主に説明し、上記第1の実施の形態と共通する構成、作用、効果についての記載を適宜省略する。
トランス4は、1次側巻線42(1次側巻線)と、互いに直列に接続された2次側巻線43(2次側第1巻線)および2次側巻線44(2次側第2巻線)とが互いに同じ向きの極性を有するように磁芯41に巻回されることにより磁気結合された磁気素子である。
2次側巻線43は、磁芯41を1巻きして構成されたものである。2次側巻線43の一
端は、後述のダイオード52のカソードとセンタタップC(巻線接続点)で接続され、こ
のセンタタップCが出力ラインLを介して出力端子T3(第1出力端)に接続されてい
る。2次側巻線43の端部B(第2端部)は、後述のダイオード51のカソードと接続さ
れている。2次側巻線44は、磁芯41を1巻きして構成されたものである。2次側巻線
44の一端は、ダイオード52のアノードと接続され、2次側巻線44の端部A(第1端
部)は、ダイオード51のアノードと接続されると共に、接地ラインLGを介して出力端
子T4(第2出力端)に接続されている。つまり、トランス4の2次側はセンタタップ型
の接続となっている。
整流回路5は、一対のダイオード51(第2整流素子)およびダイオード52(第1整
流素子)からなる単相全波整流型のものである。この整流回路5は、図3に示したように
、ダイオード51を2次側巻線43とセンタタップCとの間に挿入してなるカソードコモ
ン接続タイプの整流回路105と等価である。したがって、整流回路5からなる回路は、
図3に示した整流回路105と同様、トランス4の交流出力電圧VO1,VO2の各半波
期間をそれぞれダイオード51,52によって個別に整流してセンタタップCおよび接続
点Dから整流電圧を出力するようになっている。
次に、本実施の形態のスイッチング電源装置の効果を比較例と対比して説明する。
比較例では、図4に示したように、トランス4の2次側巻線(2次側巻線43,44)
と、平滑回路106の配線とは、整流回路105のダイオード51,52によって分断さ
れてい。つまり、トランス4の2次側巻線と、平滑回路106の配線とは別個の配線で
それぞれ形成されており、配線に係る部品点数が多く、構造が複雑になってい。また、
このように分断された配線を電気的に接続するためには、ダイオード51,52、2次側
巻線43,44、チョークコイル62、出力端子T3,T4からそれぞれ延在する配線お
よび平滑コンデンサ63を、ねじ締めや、半田または溶接などにより電気的に接続するこ
とが必要であ
一方、本実施の形態では、図14に示したように、2次側巻線43の端部Bからセン
タタップCを経由して出力端子T3までの経路が、平板状の1枚の板金からなる配線部材
17(第1配線部)で形成されている。また、2次側巻線44の両端部のうちダイオード52が接続された側の端部から端部Aを経由して出力端子T4までの経路が、平板状の1枚の板金からなる配線部材18(第2配線部)で形成されている。つまり、トランス4の2次側巻線(2次側巻線43,44)と、平滑回路6の配線とが、平板状の2枚の板金(配線部材17,18)で構成されている。このとき、整流回路5のダイオード51,52は、これら配線部材17,18の端部の近傍に設けられている。
このように、本実施の形態では、トランス4の2次側巻線(2次側巻線43,44)と、平滑回路6の配線とが、平板状の2枚の板金(配線部材17,18)で構成されていることから、従来の構成と比べて、配線に係る部品点数を4点から2点に削減することができ、構造を簡素化することができる。
これより、本実施の形態では、ダイオード51,52、配線部材17,18および平滑コンデンサ63をねじ締めや、半田または溶接などにより電気的に接続するだけでよいので、これらに要する工数を削減することができる。また、配線の接続箇所が少なくなったことにより、配線の接続点での接触抵抗による発熱および電力損失を低減することができる。さらに、ねじの緩みや、半田クラックなどが発生する虞が低減するので、信頼性を向上させることができる。
[第2の実施の形態の変形例]
上記実施の形態では、平滑回路6のチョークコイル62は、出力端子T3側の配線(配線部材17)で磁芯61を0.5巻き、出力端子T4側の配線(配線部材18)で磁芯61を0.5巻きすることにより、全体として磁芯61を1巻きするように構成されていたが、図15および図16に示したように、出力端子T3側の配線(配線部材17)だけで磁芯61を1巻きすることにより、全体として磁芯61を1巻きするように構成されていてもよい。
また、チョークコイル62のインダクタの大きさが1巻では足りない場合は、図17および図18に示したように、チョークコイル62の代わりに、出力端子T3側の配線(配線部材17)で磁芯61を1巻きしてなる第1のチョークコイル162Aと、出力端子T4側の配線(配線部材18)で磁芯61を1巻きしてなる第2のチョークコイル162Bとにより構成された2巻きのチョークコイル162を設けてもよい。このように、チョークコイル62の巻き数を2巻きにした場合であっても、配線部材17,18を、平板状の1枚の板金でそれぞれ構成することが可能である。これより、上記実施の形態と同様、従来の構成と比べて、配線に係る部品点数を4点から2点に削減することができ、構造を簡素化することができる。
また、上記実施の形態では、トランス4の2次側の等価回路がアノードコモン接続となるように構成していたが、図19および図20や、図21および図22に示したように、トランス4の2次側の等価回路がカソードコモン接続となるように構成してもよい。
[第3の実施の形態]
図23は本発明の第3の実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路構成を、図24は図23のスイッチング電源装置の構造をそれぞれ表すものである。このスイッチング電源装置は、上記第1の実施の形態と比較して、トランス4の2次側巻線の構成と、整流回路5の構成において相違する。そこで、以下、上記第1の実施の形態との相違点について主に説明し、上記第1の実施の形態と共通する構成、作用、効果についての記載を適宜省略する。なお、支持基体Sがグラウンドと電気的に接続されているものとする。
トランス4は、1次側巻線42(1次側巻線)と、互いに直列に接続された2次側巻線43(2次側第1巻線)および2次側巻線44(2次側第2巻線)とが互いに同じ向きの極性を有するように磁芯41に巻回されることにより磁気結合された磁気素子である。
2次側巻線43は、磁芯41を1巻きして構成されたものである。2次側巻線43の一
端は、2次側巻線44の一端とセンタタップC(巻線接続点)で接続され、このセンタタ
ップCが出力ラインLを介して出力端子T3(第1出力端)に接続されている。2次側
巻線43の端部B(第2端部)は、後述のダイオード51のカソードと接続されている。
2次側巻線44は、磁芯41を1巻きして構成されたものである。2次側巻線44の一端
は、2次側巻線43の一端とセンタタップCで接続され、2次側巻線44の端部A(第1
端部)は、ダイオード52のカソードと接続されている。つまり、トランス4の2次側は
センタタップ型の接続となっている。
整流回路5は、一対のダイオード51(第2整流素子)およびダイオード52(第1整流素子)からなる単相全波整流型のものである。ダイオード51のアノードは、ダイオード52のアノードと接続点Dで接続されると共に、接地ラインLGを介して出力端子T4(第2出力端)に接続されている。この接地ラインLGは、支持基体Sと電気的に接続されている。
この整流回路5は、図25に示したように、ダイオード51を2次側巻線43とセンタタップCとの間に挿入し、ダイオード52を2次側巻線44とセンタタップCとの間に挿入してなるアノードコモン接続タイプの整流回路105と等価である。したがって、整流回路5からなる回路は、図25に示した整流回路105と同様、トランス4の交流出力電圧VO1,VO2の各半波期間をそれぞれダイオード51,52によって個別に整流してセンタタップCおよび接続点Dから整流電圧を出力するようになっている。
平滑回路6は、磁心61と、チョークコイル62と、平滑コンデンサ63とを含んで構成されており、第1入力端In1および第2入力端In2に入力された整流電圧を平滑化して直流出力電圧Voutを生成し、これを出力端子T3,T4から負荷Lに供給するようになっている。チョークコイル62は、第1入力端In1と出力端子T3との間に設けられた配線で磁芯61を1巻きすることにより、全体として磁芯61を1巻きしたものである。
次に、本実施の形態のスイッチング電源装置の効果を比較例と対比して説明する。
比較例では、図26に示したように、トランス4の2次側巻線(2次側巻線43,44)と、平滑回路106の配線とは、整流回路105のダイオード51,52によって分断されていた。つまり、トランス4の2次側巻線と、平滑回路106の配線とは別個の配線でそれぞれ形成されており、配線に係る部品点数が多く、構造が複雑になっていた。また、このように分断された配線を電気的に接続するためには、ダイオード51,52、2次側巻線43,44、チョークコイル62、出力端子T3から延在する配線、平滑コンデンサ63および支持基体Sを、ねじ締めや、半田または溶接などにより電気的に接続することが必要であった。
一方、本実施の形態では、図24に示したように、2次側巻線43の端部Bからセンタ
タップCを経由して出力端子T3までの経路が、平板状の1枚の板金からなる配線部材2
7(第1配線部)で形成されている。また、2次側巻線44が、平板状の1枚の板金からなる配線部材28(第2配線部)で形成されている。また、接地ラインLGには、グラウンドと電気的に接続された支持基体が配線として利用されており、支持基体Sとは別個の配線が設けられていない。そのため、出力端子T4は、支持基体Sと電気的に接続された柱状ポストにより構成されている。これより、トランス4の2次側巻線(2次側巻線43,44)と、平滑回路6の配線とが、平板状の2枚の板金(配線部材27,28)で構成されている。このとき、整流回路5のダイオード51,52は、これら配線部材27,28の端部の近傍に設けられている。
このように、本実施の形態では、トランス4の2次側巻線(2次側巻線43,44)と、平滑回路6の配線とが、平板状の2枚の板金(配線部材27,28)で構成されていることから、従来の構成と比べて、配線に係る部品点数を3点から2点に削減することができ、構造を簡素化することができる。
これより、本実施の形態では、ダイオード51,52、配線部材27,28、平滑コンデンサ63および支持基体Sをねじ締めや、半田または溶接などにより電気的に接続するだけでよいので、これらに要する工数を削減することができる。また、配線の接続箇所が少なくなったことにより、配線の接続点での接触抵抗による発熱および電力損失を低減することができる。さらに、ねじの緩みや、半田クラックなどが発生する虞が低減するので、信頼性を向上させることができる。
[第3の実施の形態の変形例]
上記実施の形態では、2次側巻線43の端部BからセンタタップCを経由して出力端子T3までの経路を平板状の1枚の板金からなる配線部材27(第1配線部)で形成し、さらに、2次側巻線44を平板状の1枚の板金からなる配線部材28(第2配線部)で形成していたが、例えば、図27に示したように、2次側巻線44の端部AからセンタタップCを経由して出力端子T3までの経路を平板状の1枚の板金からなる配線部材37(第1配線部)で形成し、さらに、2次側巻線43を平板状の1枚の板金からなる配線部材38(第2配線部)で形成してもよい。
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらに限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、上記実施の形態では、トランス4の2次側に設けられた整流回路5だけが支持
基体Sの表面に中間基体を介してベアチップ実装されていたが、例えば、図28に示し
たように、インバータ回路1および整流回路5を中間基体M上に実装することにより一体
化したモジュールを支持基体Sにベアチップ実装するようにしてもよい。これにより、ス
イッチング電源装置を簡易に製造することができる。
なお、中間基体Mは、セラミック、プラスチックまたはフィルムなどの絶縁性材料により形成されている。また、例えば、支持基体Sの表面に中間基体Mの代わりに絶縁層を設け、これを介してベアチップ実装してもよい。このように、整流回路5を支持基体Sに中間基体Mを介してベアチップ実装することにより、整流回路5で発生した熱を支持基体Sに効率よく伝えることができ、放熱性を高めることができる。特に、中間基体Mを絶縁性フィルムで構成したり、支持基体Sの表面に中間基体Mの代わりに絶縁層を設けた場合には、支持基体Sへの熱伝導性が良く、放熱性をより高めることができる。
また、上記実施の形態では、インバータ回路1はフルブリッジ型であったが、図29(A)〜(B)に例示したような、プッシュプル型1−1およびハーフブリッジ型1−2などであってもよい。
本発明の第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図1のスイッチング電源装置の構造図である。 比較例のスイッチング電源装置の回路図である。 図3のスイッチング電源装置の構造図である。 一変形例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図5のスイッチング電源装置の構造図である。 他の変形例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図7のスイッチング電源装置の構造図である。 その他の変形例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図9のスイッチング電源装置の構造図である。 その他の変形例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図11のスイッチング電源装置の構造図である。 本発明の第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図13のスイッチング電源装置の構造図である。 一変形例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図15のスイッチング電源装置の構造図である。 他の変形例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図17のスイッチング電源装置の構造図である。 その他の変形例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図19のスイッチング電源装置の構造図である。 その他の変形例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図21のスイッチング電源装置の構造図である。 本発明の第3の実施の形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。 図23のスイッチング電源装置の構造図である。 比較例のスイッチング電源装置の回路図である。 図25のスイッチング電源装置の構造図である。 その他の変形例に係るスイッチング電源装置の構造図である。 その他の変形例に係るスイッチング電源装置の構造図である。 インバータ回路の種々の変形例を表す回路図である。
符号の説明
1…インバータ回路、2、63…平滑コンデンサ、3…共振用インダクタ、4…トラン
ス、5,105…整流回路、6,106…平滑回路、7,8,17,18,27,28,
37,38…配線部材、7A…第1経路、7B…第2経路、8A…第3経路、8B…第4
経路、11,12,13,14…スイッチング素子、41…第1磁心、41A,41B,
61A,61B…磁芯、42…1次側巻線、43,44…2次側巻線、43A…2次側第
1巻線,43B…2次側第2巻線,44A…2次側第3巻線、44B…2次側第4巻線、
51,52…ダイオード、61…第2磁心、62,162…チョークコイル、62A,1
62A…第1チョークコイル、62B,162B…第2チョークコイル、A,B…端部、
C…センタタップ、L1H…1次側高圧ライン、L1L…1次側低圧ライン、LO…出力
ライン、LG…接地ライン、…中間基体、S…支持基体、T1,T2…入力端子、T3
,T4…出力端子、Vin…入力直流電圧、Vout…出力直流電圧。

Claims (12)

  1. 直流入力電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と、
    前記スイッチング回路に接続された1次側巻線と、2次側第1巻線、2次側第2巻線、2次側第3巻線および2次側第4巻線とを有するトランスと、
    前記2次側第1巻線および前記2次側第2巻線の間に挿入されてこれらと共に直列回路を構成する第1整流素子と、前記2次側第3巻線および前記2次側第4巻線の間に挿入されてこれらと共に直列回路を構成する第2整流素子とを有する整流回路と、
    前記2次側第2巻線と前記2次側第3巻線とを接続する巻線接続点に接続された第1入力端と、前記2次側第4巻線の両端部のうち前記第2整流素子が接続された側と反対側の第1端部および前記2次側第1巻線の両端部のうち前記第1整流素子が接続された側と反対側の第2端部に共通に接続された第2入力端と、前記第1入力端および前記第2入力端にそれぞれ対応して設けられた第1出力端および第2出力端とを有する平滑回路と
    を備え
    前記2次側第2巻線の両端部のうち前記第1整流素子が接続された側の端部から前記巻線接続点および第1入力端を経由して前記第1出力端までの第1経路と、前記2次側第3巻線の両端部のうち前記第2整流素子が接続された側の端部から前記巻線接続点および第1入力端を経由して前記第1出力端までの第2経路とが板状の第1配線部材で形成され、
    前記2次側第1巻線の両端部のうち前記第1整流素子が接続された側の端部から前記第2端部および第2入力端を経由して前記第2出力端までの第3経路と、前記2次側第4巻線の両端部のうち前記第2整流素子が接続された側の端部から前記第1端部および第2入力端を経由して前記第2出力端までの第4経路とが板状の第2配線部材で形成されている
    ことを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記平滑回路は、前記第1入力端と前記第1出力端との間に挿入接続された第1インダクタと、前記第2入力端と前記第2出力端との間に挿入接続された第2インダクタと、前記第1出力端と前記第2出力端との間に挿入接続されたコンデンサとを有し、
    前記第1配線部材は前記第1インダクタを含み、前記第2配線部材は前記第2インダクタを含む
    ことを特徴とする請求項記載のスイッチング電源装置。
  3. 前記第1インダクタおよび前記第2インダクタは、それぞれ1巻きされてなる
    ことを特徴とする請求項記載のスイッチング電源装置。
  4. 前記トランスは前記平滑回路と互いに隣接して配置されている
    ことを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
  5. 前記整流回路、前記トランスおよび前記平滑回路はこの順に一列に配置されている
    ことを特徴とする請求項1記載のスイッチング電源装置。
  6. 直流入力電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と、
    前記スイッチング回路に接続された1次側巻線と、2次側第1巻線および2次側第2巻線とを有するトランスと、
    前記2次側第1巻線および前記2次側第2巻線の間に挿入された第1整流素子と、一端が前記2次側第2巻線の両端部のうち前記第1整流素子が接続された側と反対側の第1端部に接続されると共に他端が前記2次側第1巻線の両端部のうち前記第1整流素子が接続された側と反対側の第2端部に接続された第2整流素子とを有する整流回路と、
    前記2次側第1巻線と前記第1整流素子とを接続する巻線接続点に接続された第1入力端と、前記第1端部および前記第2整流素子の前記一端に共通に接続された第2入力端と、前記第1入力端および前記第2入力端にそれぞれ対応して設けられた第1出力端および第2出力端とを有する平滑回路と
    を備え
    前記第2端部から前記巻線接続点および第1入力端を経由して前記第1出力端までの経路が板状の第1配線部材で形成され、
    前記2次側第2巻線の両端部のうち前記第1整流素子が接続された側の端部から前記第1端部および第2入力端を経由して前記第2出力端までの経路が板状の第2配線部材で形成されている
    ことを特徴とするスイッチング電源装置。
  7. 前記平滑回路は、前記第1入力端と前記第1出力端との間に挿入接続された第1インダクタと、前記第2入力端と前記第2出力端との間に挿入接続された第2インダクタと、前記第1出力端と前記第2出力端との間に挿入接続されたコンデンサとを有し、
    前記第1配線部材は前記第1インダクタを含み、前記第2配線部材は前記第2インダクタを含む
    ことを特徴とする請求項記載のスイッチング電源装置。
  8. 前記第1インダクタおよび前記第2インダクタは、それぞれ1巻きされてなる
    ことを特徴とする請求項記載のスイッチング電源装置。
  9. 直流入力電圧を交流電圧に変換するスイッチング回路と、
    前記スイッチング回路に接続された1次側巻線と、2次側第1巻線および2次側第2巻線とを有するトランスと、
    前記2次側第2巻線の両端部のうち前記2次側第1巻線が接続された側と反対側の第1端部およびグラウンドの間に挿入された第1整流素子と、前記2次側第1巻線の両端部のうち前記2次側第2巻線が接続された側と反対側の第2端部およびグラウンドの間に挿入された第2整流素子とを有する整流回路と、
    前記2次側第1巻線と前記2次側第2巻線とを接続する巻線接続点に接続された第1入力端と、前記第1整流素子、前記第2整流素子および前記グラウンドに共通に接続された第2入力端と、前記第1入力端および前記第2入力端にそれぞれ対応して設けられた第1出力端および第2出力端とを有する平滑回路と
    を備え
    前記第2端部から前記巻線接続点および第1入力端を経由して前記第1出力端までの経路が板状の第1配線部材で形成され、
    前記2次側第2巻線が板状の第2配線部材で形成されている
    ことを特徴とするスイッチング電源装置。
  10. 前記平滑回路は、前記第1入力端と前記第1出力端との間に挿入接続されたインダクタと、前記第1出力端と前記第2出力端との間に挿入接続されたコンデンサとを有し、
    前記第1配線部材は前記インダクタを含む
    ことを特徴とする請求項記載のスイッチング電源装置。
  11. 前記第1端部から前記巻線接続点および第1入力端を経由して前記第1出力端までの経路が板状の第1配線部材で形成され、
    前記2次側第1巻線が板状の第2配線部材で形成されている
    ことを特徴とする請求項載のスイッチング電源装置。
  12. 前記平滑回路は、前記第1入力端と前記第1出力端との間に挿入接続されたインダクタと、前記第1出力端と前記第2出力端との間に挿入接続されたコンデンサとを有し、
    前記第1配線部材は前記インダクタを含む
    ことを特徴とする請求項11記載のスイッチング電源装置。
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