JP4748432B2

JP4748432B2 - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP4748432B2
Application number: JP2001110900A
Authority: JP
Inventors: 栄一高橋
Original assignee: Ｔｄｋラムダ株式会社
Priority date: 2001-04-10
Filing date: 2001-04-10
Publication date: 2011-08-17
Anticipated expiration: 2021-04-10
Also published as: JP2002315339A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、並列運転時における出力電流の均等化を図ることのできるスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
図４は、複数のＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…を並列接続してなる従来の並列運転を行なうスイッチング電源装置の回路例を示したものである。同図において、１はトランス、２は例えばＭＯＳ型ＦＥＴからなるスイッチング素子であり、このトランス１の一次巻線１Ａとスイッチング素子２との直列回路が、直流電源３の両端間に接続される。４はトランス１の二次巻線１Ｂに接続される整流平滑回路で、これは周知のように、整流ダイオード５と、転流ダイオード６と、チョークコイル７と、平滑コンデンサ８とにより構成される。そして、スイッチング素子２のスイッチングに伴ない、トランス１の一次巻線１Ａに直流電源３からの直流入力電圧Ｖｉが断続的に印加され、これによりトランス１の２次巻線１Ｂに発生する電圧を整流平滑回路４で整流平滑することで、負荷９を接続する出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏ間に所定の直流出力電圧Ｖｏを供給するように構成している。
【０００３】
一方、帰還ループを構成する電圧安定化回路13として、ここでは電圧検出回路としての分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２と、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点の電圧レベルを基準電源10の基準電圧Ｖrefと比較するコンパレータ11と、このコンパレータ11からの比較結果に基づき、前記スイッチング素子２のゲートに供給する駆動信号のパルス導通幅を制御する制御回路12とを備えている。ここでは、直列回路をなす分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端が、平滑コンデンサの一端の接続点と後述する抵抗Ｒ’の一端との間のプラス側出力電圧ラインに接続される一方で、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端が出力端子−Ｖｏに接続される。また，分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点が、コンパレータ11の一方の入力端子（反転入力端子）に接続されると共に、基準電源10の一端であるプラス側端子がコンパレータ11の他方の入力端子（非反転入力端子）に接続され、その基準電源10の他端であるマイナス側端子が、前記出力端子−Ｖｏに直接接続するマイナス側出力電圧ラインに接続される。そして、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点の電圧レベルが基準電圧Ｖrefを上回ると、制御回路12によりスイッチング素子２に供給する駆動信号のパルス導通幅を狭め、逆に分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点の電圧レベルが基準電圧Ｖrefを下回ると、制御回路12によりスイッチング素子２に供給する駆動信号のパルス導通幅を広げて、出力電圧Ｖｏの安定化を図っている。
【０００４】
Ｒ’は、平滑コンデンサ８の一端から出力端子＋Ｖｏに至る一方の出力電圧ラインに直列接続された電圧降下用の抵抗である。この抵抗Ｒ’は、特に複数のＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…による並列運転時において、負荷９の変動により出力電流Ｉｏが増減したときに、その電圧降下により出力電圧Ｖｏを可変して所望の負荷変動値を得るためのものである。このときの出力電圧Ｖｏと出力電流Ｉｏの特性は図５に示すように、出力電流Ｉｏが増加するに従って、抵抗Ｒ’の電圧降下ＶＲ’により出力電圧Ｖｏが低下する。すなわち、出力電流Ｉｏの多いＤＣ／ＤＣコンバータＡ１の出力電圧Ｖｏを、出力電流Ｉｏの少ないＤＣ／ＤＣコンバータＡ２よりも低下させることによって、各ＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…間の出力電流Ｉｏをバランスさせ、特定のＤＣ／ＤＣコンバータＡ１だけが常に負荷電流の多くを負担することを防いでいる。
【０００５】
このように、抵抗Ｒ’を電源ラインに直列接続した構成は、並列運転を行なうＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…の各出力電流Ｉｏを簡単に均等化させることができるものの、出力電流Ｉｏが流れている限り抵抗Ｒ’による損失が常に発生する問題を有していた。
【０００６】
そこで、所望の負荷変動値を得る機能を損なわずに、損失を極力減らすことの可能なスイッチング電源装置を提供することをその目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明における請求項１のスイッチング電源装置は、スイッチング素子をスイッチングすることにより、トランスの二次巻線に発生した電圧を整流平滑回路により整流平滑して負荷に直流出力電圧を供給すると共に、直列接続した第１の分圧抵抗の接続点の電圧レベルと、基準電源の基準電圧とをコンパレータで比較し、その比較結果に応じてスイッチング素子のスイッチングを制御する並列接続されたＤＣ／ＤＣコンバータからなるスイッチング電源装置において、前記整流平滑回路は出力電圧ラインに挿入接続されたチョークコイルを備え、このチョークコイルに存在する抵抗の両端間電圧を分圧するために、直列接続した二つの抵抗のみからなる第２の分圧抵抗を該チョークコイルの両端間に接続すると共に、前記第１の分圧抵抗の一端を前記第２の分圧抵抗の接続点に接続し、前記第１の分圧抵抗の他端を前記基準電源のマイナス側端子と同電位に接続したものである。
【０００８】
このようにすると、各ＤＣ／ＤＣコンバータは、基準電源のマイナス側端子と同電位の第１の分圧抵抗の他端を基準として、第１の分圧抵抗の接続点の電圧レベルが基準電源の基準電圧と等しくなるようにスイッチング素子のスイッチングを制御する。そのため、並列運転時において負荷ひいては出力電流が急変し、チョークコイルに存在する抵抗の両端間電圧が変動すると、この変動分が第２の分圧抵抗の接続点で分割される。このとき、第１の分圧抵抗の両端間電圧が一定値となるように制御されるため、この第１の分圧抵抗と並列に接続される負荷と一方の第２の分圧抵抗との直列回路の両端間電圧も一定となり、一方の第２の分圧抵抗の両端間に発生する変動分が、そのまま出力電圧の変動分となる。したがって、チョークコイルに存在する抵抗よりも十分に大きな抵抗値の第２の分圧抵抗を選定すれば、この第２の分圧抵抗による損失は極めて小さく、かつ出力電圧ラインには抵抗が介在しないため、ＤＣ／ＤＣコンバータの並列運転時において、所望の負荷変動値を得ることができるとともに、従来よりも損失を著しく減らすことが可能になる。
【０００９】
【発明の実施形態】
以下、本発明における好ましい実施例について、添付図面を参照して詳細に説明する。なお、従来例で示す図４と同一部分には同一符号を付し、その共通する箇所の詳細な説明は重複するため省略する。
【００１０】
図１および図２は、本発明の参考例を示すもので、回路図を示す図１において、本参考例における各ＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…は、従来例における抵抗Ｒ’の代わりに、基準電源10のマイナス側端子との接続点21と、直列回路をなす分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端との接続点22の間にあるマイナス側出力電圧ラインに、可変抵抗Ｒｏを接続している。したがって、この場合は直列回路をなす分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２が、出力電圧Ｖｏを供給する負荷９と並列に接続されることになる。その他の構成は、従来例における図４と共通しているが、必要に応じてチョークコイル７と平滑コンデンサ８との逆Ｌ形回路を多段に接続してもよい。
【００１１】
なお、23は分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点、24は分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端とプラス側出力電圧ラインとの接続点である。またここでは、接続点21を基準とした接続点22の電圧、すなわち可変抵抗Ｒｏの両端間電圧をＶＲｏとし、接続点22を基準とした接続点23の電圧、すなわち分圧抵抗Ｒ２の両端間電圧をＶ２とし、接続点23を基準とした接続点24の電圧、すなわち分圧抵抗Ｒ１の両端間電圧をＶ１として以下説明する。
【００１２】
次に、上記構成についてその作用を図２のグラフを参照しながら説明する。スイッチング素子２のスイッチングに伴ない、トランス１の一次巻線１Ａに直流電源３からの直流入力電圧Ｖｉが断続的に印加され、これによりトランス１の２次巻線１Ｂに発生する電圧を整流平滑回路４で整流平滑することで、負荷９を接続する出力端子＋Ｖｏ，−Ｖｏ間に所定の直流出力電圧Ｖｏを供給する点は、従来例と同じである。
【００１３】
一方、ここでの電圧安定化回路13は、基準電源10のマイナス側端子との接続点21と、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端との接続点22の間にあるマイナス側電圧ラインに可変抵抗Ｒｏが挿入接続されている関係で、接続点21を基準として分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点23の電圧レベルが基準電圧Ｖrefと等しくなるように、つまりＶref＝ＶＲｏ＋Ｖ２の関係が保たれるように、スイッチング素子２のゲートに供給する駆動信号のパルス導通幅を可変制御する。そのため、複数のＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…による並列運転時において、負荷９の変動により例えば出力電流Ｉｏが急に増加し、可変抵抗Ｒｏの両端間電圧ＶＲｏがΔＶ増加したとすると、分圧抵抗Ｒ２の両端間電圧Ｖ２は同様にΔＶ低下すると共に、この分圧抵抗Ｒ２と直列に接続される分圧抵抗Ｒ１の両端間電圧Ｖ１は、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値比（Ｒ１／Ｒ２）に比例してさらに低下する。したがって、図２に示すように、出力電流Ｉｏに対する出力電圧Ｖｏの見かけ上の変動ΔＶｏは、分圧抵抗Ｒ２の両端間に発生する可変抵抗Ｒｏの両端間電圧ＶＲｏの変動分ΔＶに加えて、この変動分ΔＶに分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値比（Ｒ１／Ｒ２）を掛け合わせたものとなり、従来よりも小さな抵抗値の可変抵抗Ｒｏで、所定の負荷変動値を得ることができる。
【００１４】
一例として、並列運転時に負荷変動で出力電流Ｉｏを０Ａから２Ａに急変させた場合を考える。従来の図４に示す回路構成では、出力電圧Ｖｏを５Ｖから４０ｍＶに低下させるのに、この４０ｍＶ分の電圧降下に見合う２０ｍΩの抵抗Ｒ’が必要である。これに対して、本参考例における回路構成では、基準電圧Ｖrefが１Ｖで、分圧抵抗Ｒ２に対する分圧抵抗Ｒ１の抵抗値比（Ｒ１／Ｒ２）が４であるとすると、可変抵抗Ｒｏを５ｍΩに選定すれば、出力電流Ｉｏが２Ａに急変したときの可変抵抗Ｒｏの両端間電圧ＶＲｏは１０ｍＶ（変動分ΔＶ＝１０ｍＶ）となる。したがって、この場合の出力電圧Ｖｏの変動分ΔＶｏは、分圧抵抗Ｒ２の両端間電圧Ｖ２における変動分の１０ｍＶと、分圧抵抗Ｒ１の両端間電圧Ｖ１における変動分の４０ｍＶとを加えた５０ｍＶとなり、従来の４分の１の抵抗値を有する可変抵抗Ｒｏでありながら、従来以上に同じ出力電流Ｉｏで出力電圧Ｖｏを低下させることが可能になる。したがって、通常時の可変抵抗Ｒｏによる損失を著しく低減させることができる。
【００１５】
以上のように本参考例によれば、スイッチング素子２をスイッチングすることにより、トランス１の二次巻線１Ｂに発生した電圧を整流平滑して負荷９に直流出力電圧Ｖｏを供給すると共に、２個の直列接続した分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点23の電圧レベルと、基準電源10の基準電圧Ｖrefとをコンパレータ11で比較し、その比較結果に応じてスイッチング素子２のスイッチングを制御する並列接続されたＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…からなるスイッチング電源装置において、直流出力電圧Ｖｏを供給する負荷９に前記分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２を並列接続すると共に、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端との接続点22と、基準電源10のマイナス側端子との接続点21との間にあるマイナス側出力電圧ラインに抵抗すなわち可変抵抗Ｒｏを挿入接続している。
【００１６】
このようにすると、各ＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…は、基準電源10のマイナス側端子とマイナス側出力電圧ラインとの接続点21を基準として、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点23の電圧レベルが基準電源10の基準電圧Ｖrefと等しくなるようにスイッチング素子２のスイッチングを制御する。そのため、並列運転時において負荷９ひいては出力電流Ｉｏが急変し、可変抵抗Ｒｏの両端間電圧ＶＲｏが変動すると、他方の分圧抵抗Ｒ２の両端間電圧Ｖ２はこれと同じ変動分ΔＶで変動すると共に、分圧抵抗Ｒ２と直列に接続される一方の分圧抵抗Ｒ１の両端間電圧Ｖ１は、前記変動分ΔＶに双方の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値比（Ｒ１／Ｒ２）を掛け合せた分が変動する。したがって、出力電流Ｉｏに対する出力電圧Ｖｏの見かけ上の変動ΔＶｏは、分圧抵抗Ｒ２の両端間に発生する可変抵抗Ｒｏの両端間電圧ＶＲｏの変動分ΔＶに加えて、この変動分ΔＶに分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の抵抗値比（Ｒ１／Ｒ２）を掛け合わせたものとなる。これにより、従来よりも小さな抵抗値の可変抵抗Ｒｏで、所定の負荷変動値を得ることができると共に、通常時の可変抵抗Ｒｏによる損失を著しく低減させることができる。
【００１７】
次に、本発明の第１実施例を図３に基づき説明する。なお、上記参考例と同一部分には同一符号を付し、その共通する箇所の説明は重複するため省略する。
【００１８】
この実施例では、プラス側出力電圧ラインに挿入接続したチョークコイル７に存在する抵抗Ｒｘを利用している。具体的には、インダクタンスＬと抵抗Ｒｘとの直列回路からなるチョークコイル７の両端間に、直列接続された第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４を接続し、前記第１の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端を、この第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点25に接続すると共に、基準電源10のマイナス側端子と第１の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端を、共にマイナス側出力電圧ラインに接続する。但し、参考例とは異なり、基準電源10のマイナス側端子との接続点21と、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端との接続点22との間は、抵抗などを介さず直接接続される。
【００１９】
上記構成において、ここでの電圧安定化回路13は、接続点21と同電位の接続点22を基準として、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点23の電圧レベルが基準電圧Ｖrefと等しくなるように、つまりＶref＝Ｖ２の関係が保たれるように、スイッチング素子２のゲートに供給する駆動信号のパルス導通幅を可変制御する。そのため、第１の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端が接続される第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点の電圧レベル（Ｖ１＋Ｖ２）も、所定の値に保たれる。一方、チョークコイル７は、出力電流Ｉｏに比例して抵抗Ｒｘの両端間に電圧Ｖｘが発生する。これと共に、第２の各分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の両端間には、抵抗Ｒｘの両端間電圧Ｖｘをそれぞれの抵抗値比に応じて分圧した電圧Ｖ３，Ｖ４が発生する。
【００２０】
複数のＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…による並列運転時において、負荷９の変動により例えば出力電流Ｉｏが急に増加し、チョークコイル７を構成する抵抗Ｒｘの両端間電圧ＶｘがΔＶｘ増加したとすると、分圧抵抗Ｒ４の両端間電圧Ｖ４は、直列接続した分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の合計抵抗値（Ｒ３＋Ｒ４）と、分圧抵抗Ｒ４単独の抵抗値との比に応じた分が増加する。すなわち、この分圧抵抗Ｒ４の両端間電圧Ｖ４の変動分ΔＶ４は、次の数１にてあらわせる。
【００２１】
【数１】

【００２２】
一方、電圧安定化回路13は、接続点22を基準として第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点の電圧レベル（Ｖ１＋Ｖ２）を一定に保つように制御を行なうため、この分圧抵抗Ｒ４の両端間電圧Ｖ４の変動分ΔＶ４が、そのまま出力電圧Ｖｏの変動分ΔＶｏとなる。したがって、第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の抵抗値がチョークコイル７に存在する抵抗Ｒｘの抵抗値よりも十分に高くなるように、第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４を選定すれば、第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４による損失は極めて小さく、かつ出力電圧ラインには抵抗が介在しないため、ＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…の並列運転時において、所望の負荷変動値を得ることができるとともに、従来の抵抗による損失を極力減らすことが可能になる。
【００２３】
一例として、チョークコイル７に存在する抵抗Ｒｘの抵抗値が４０ｍΩであったとすると、第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の抵抗値比を１：１に選定すれば、並列運転時に負荷変動で出力電流Ｉｏが２Ａに急変したときに、分圧抵抗Ｒ４の両端間電圧Ｖ４の変動分ΔＶ４は４０ｍＶとなり、先ほど従来例の回路構成で示した出力電圧Ｖｏの変動分に一致する。このように、実質的にチョークコイル７の両端間に第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４を接続するだけで、わざわざ出力電圧ラインに抵抗を介在させなくても、所望の負荷変動値を得ることができる。
【００２４】
以上のように本実施例においては、スイッチング素子２をスイッチングすることにより、トランス１の二次巻線１Ｂに発生した電圧を整流平滑回路４により整流平滑して負荷９に直流出力電圧Ｖｏを供給すると共に、直列接続した第１の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点23の電圧レベルと、基準電源10の基準電圧Ｖrefとをコンパレータ11で比較し、その比較結果に応じてスイッチング素子２のスイッチングを制御する並列接続されたＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…からなるスイッチング電源装置において、整流平滑回路４は少なくとも出力電圧ラインに挿入接続されたチョークコイル７を備え、このチョークコイル７に存在する抵抗Ｒｘの両端間電圧Ｖｘを分圧するために、直列接続した第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４をチョークコイル７の両端間に接続すると共に、第１の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の一端を第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点25に接続し、第１の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端22を基準電源10のマイナス側端子と同電位に接続している。
【００２５】
このようにすると、各ＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…は、基準電源10のマイナス側端子と同電位の第１の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の他端を基準として、分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の接続点23の電圧レベルＶ１が基準電源10の基準電圧Ｖrefと等しくなるようにスイッチング素子２のスイッチングを制御する。そのため、並列運転時において負荷９ひいては出力電流Ｉｏが急変し、チョークコイル７に存在する抵抗Ｒｘの両端間電圧Ｖｘが変動すると、この変動分ΔＶｘが第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の接続点25で分割される。このとき、第１の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２の両端間電圧（Ｖ１＋Ｖ２）が一定値となるように制御されるため、この第１の分圧抵抗Ｒ１，Ｒ２と並列に接続される負荷９と一方の第２の分圧抵抗Ｒ４との直列回路の両端間電圧（Ｖｏ＋Ｖ４）も一定となり、一方の第２の分圧抵抗Ｒ４の両端間に発生する変動分ΔＶ４が、そのまま出力電圧Ｖｏの変動分ΔＶｏとなる。したがって、抵抗Ｒｘよりも十分に大きな抵抗値の第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４を選定すれば、この第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４による損失は極めて小さく、かつ出力電圧ラインには抵抗が介在しないため、ＤＣ／ＤＣコンバータＡ１，Ａ２…の並列運転時において、所望の負荷変動値を得ることができるとともに、従来よりも損失を著しく減らすことが可能になる。
【００２６】
またこの場合は、第２の分圧抵抗Ｒ３，Ｒ４の抵抗値を適宜選定するだけで、出力電流Ｉｏに対する出力電圧Ｖｏの変動分ΔＶｏを、簡単に設定することができる。
【００２７】
なお、本発明は前記実施例に限定されるものではなく、種々の変形実施が可能である。例えば、実施例ではフォワード形のスイッチング電源装置について説明したが、他の形式のスイッチング電源装置にも適用できる。
【００２８】
【発明の効果】
本発明の請求項１のスイッチング電源装置によれば、所望の負荷変動値を得る機能を損なわずに、損失を著しく減らすことの可能なスイッチング電源装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の参考例におけるスイッチング電源装置の回路図である。
【図２】本発明の参考例における出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。
【図３】本発明の第１実施例におけるスイッチング電源装置の回路図である。
【図４】従来例におけるスイッチング電源装置の回路図である。
【図５】従来例における出力電流と出力電圧との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１トランス
２スイッチング素子
４整流平滑回路
７チョークコイル
９負荷
10 基準電源
11 コンパレータ
Ａ１，Ａ２ＤＣ／ＤＣコンバータ
Ｒ１，Ｒ２第１の分圧抵抗
Ｒ３，Ｒ４第２の分圧抵抗
Ｒｘチョークコイルに存在する抵抗

Claims

スイッチング素子をスイッチングすることにより、トランスの二次巻線に発生した電圧を整流平滑回路により整流平滑して負荷に直流出力電圧を供給すると共に、直列接続した第１の分圧抵抗の接続点の電圧レベルと、基準電源の基準電圧とをコンパレータで比較し、その比較結果に応じてスイッチング素子のスイッチングを制御する並列接続されたＤＣ／ＤＣコンバータからなるスイッチング電源装置において、
前記整流平滑回路は出力電圧ラインに挿入接続されたチョークコイルを備え、このチョークコイルに存在する抵抗の両端間電圧を分圧するために、直列接続した二つの抵抗のみからなる第２の分圧抵抗を該チョークコイルの両端間に接続すると共に、前記第１の分圧抵抗の一端を前記第２の分圧抵抗の接続点に接続し、前記第１の分圧抵抗の他端を前記基準電源のマイナス側端子と同電位に接続したことを特徴とするスイッチング電源装置。