JP5008600B2

JP5008600B2 - スイッチング電源装置

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Publication number: JP5008600B2
Application number: JP2008105212A
Authority: JP
Inventors: 永至三宅; 明幸小松
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-04-15
Filing date: 2008-04-15
Publication date: 2012-08-22
Anticipated expiration: 2028-04-15
Also published as: WO2009128217A1; US8456879B2; US20110019448A1; JP2009261073A

Description

本発明は、直流入力電圧をスイッチングすることにより出力電圧を制御するスイッチング電源装置に関するものである。

従来から、一般家電製品等の電子機器には、その電源装置として、消費電力の低減化による電力効率の向上等の目的から、スイッチング素子（例えば、電子スイッチ）によるスイッチング動作を利用して出力電圧を制御（例えば、安定化など）するスイッチング電源装置が広く利用されている。

以上のような従来のスイッチング電源装置について、図面を用いて以下に説明する。
図４は従来のスイッチング電源装置の構成例を示す回路図である。図４に示すように、従来のスイッチング電源装置１は、直流電源２のプラス側が接続される入力端子３ａと、直流電源２のマイナス側が接続される入力端子３ｂと、入力端子３ａと入力端子３ｂとの間に直列接続された電子スイッチ４ａ及びダイオード５ａと、入力端子３ａと入力端子３ｂとの間に直列接続されたダイオード５ｂ及び電子スイッチ４ｂと、電子スイッチ４ａとダイオード５ａの接続点に一端が接続されたインダクタ６ａと、ダイオード５ｂと電子スイッチ４ｂの接続点に一端が接続されたインダクタ６ｂと、インダクタ６ａ及びインダクタ６ｂの他端が夫々接続されるとともに、負荷７の一端が接続される出力端子８ａと、入力端子３ａと入力端子３ｂとの間に直列接続されたダイオード５ｄ及び電子スイッチ４ｄと、入力端子３ａと入力端子３ｂとの間に直列接続された電子スイッチ４ｃ及びダイオード５ｃと、電子スイッチ４ｃとダイオード５ｃの接続点に一端が接続されたインダクタ６ｃと、ダイオード５ｄと電子スイッチ４ｄの接続点に一端が接続されたインダクタ６ｄと、インダクタ６ｃ及びインダクタ６ｄの他端が夫々接続されるとともに、負荷７の他端が接続される出力端子８ｂと、出力端子８ａ、８ｂ間に接続されたコンデンサ９と、電子スイッチ４ａ、４ｂ、４ｃ、４ｄのオン・オフ制御端子を制御する電子スイッチ制御回路１０とで構成されている。

なお、電子スイッチ制御回路１０の一方の出力は電子スイッチ４ａ、４ｄのオン・オフ制御端子に接続されており、電子スイッチ制御回路１０の他方の出力は電子スイッチ４ｃ、４ｂのオン・オフ制御端子に接続されている。

以上のように構成されたスイッチング電源装置１について、その動作を以下に説明する。例として、直流（直流電源２）から周波数５０Ｈｚの交流を生成する場合について説明する。

電子スイッチ制御回路１０からは、周波数２０ｋＨｚの矩形波が出力される。周波数５０Ｈｚの最初の（第１の）半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は、電子スイッチ４ａと電子スイッチ４ｄが２０ｋＨｚでスイッチング（オン・オフ）するとともに、電子スイッチ４ｃと電子スイッチ４ｂはオフとなる。従って、このとき流れる電流の方向は、矢印１１ａ方向に流れる。

次の（第２の）半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は、電子スイッチ４ｃと電子スイッチ４ｂが２０ｋＨｚでスイッチングするとともに、電子スイッチ４ａと電子スイッチ４ｄはオフとなる。従って、このとき流れる電流の方向は、矢印１１ｂ方向に流れる。

このようにして最初の半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は矢印１１ａ方向に電流が流れ、次の半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は矢印１１ｂ方向に電流が流れる。この動作が周波数５０Ｈｚの半サイクル（１０ｍｃｅｃ）毎に繰り返される。即ち、直流電源２から周波数５０Ｈｚの交流が出力端子８ａ、８ｂ間に生成される。

なお、インダクタ６ａ及び６ｄとコンデンサ９とで第１のローパスフィルタを形成し、インダクタ６ｃ及び６ｂとコンデンサ９とで第２のローパスフィルタを形成し、周波数２０ｋＨｚのスイッチングによる高調波成分を減衰させ滑らかに変化する５０Ｈｚの正弦波としている。

また、上記の第１、第２のローパスフィルタを形成するインダクタ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄは、電子スイッチ４ａ、４ｄ、４ｃ、４ｂのオン・オフ時に生ずるサージ電流の制限もしている。電子スイッチの切り替え時に両電子スイッチが同時にオン状態になったとしても、直流電源２と電子スイッチ４ａ、４ｂおよび４ｃ、４ｄとの直列回路にはそれぞれインダクタ６ａ、６ｂおよびインダクタ６ｃ、６ｄが直列に挿入されるので、直流電源２が短絡されることはなくなる。

なお、本発明に関連する先行技術情報が、例えば、特許文献１に開示されおり、この特許文献１に開示されているスイッチング電源装置１では、ｐ２左の下から１０行目〜右上８行目に記載されているように、同時オンによる電流／電圧サージの発生を防止し、短絡電流が流れスイッチング素子が破壊されるのを防止するために、電子スイッチ４ａ、４ｂ間および電子スイッチ４ｃ、４ｄ間にそれぞれコイルを入れている。
特開昭６３−２７７４２５号公報

しかしながら、上記のような従来のスイッチング電源装置１では、電子スイッチ４ａ、４ｄと電子スイッチ４ｃ、４ｂのすべてを高周波（例えば、２０ｋＨｚ）でスイッチングしているため、スイッチング時にスイッチに流れる電流とスイッチにかかる電圧の重なりが生じ、これが損失となり、さらに時間当たりのスイッチングの回数が多いことで、この状態が多くなり、結果的に稼動期間のスイッチング損失が非常に大きなものとなってしまう。

ここで、従来のスイッチング電源装置１において、スイッチング損失を低減するために、電子スイッチ４ｂ、４ｄについては周波数５０Ｈｚの半周期毎にオンとオフを切り替え、電子スイッチ４ａ、４ｃのみを高周波でスイッチングすることにより、負荷７に対して交流出力を得る場合を説明する。

先ず、周波数５０Ｈｚの最初の半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は、矢印１１ａ方向に電流が流れる。この半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は、電子スイッチ４ｄは常にオンで電子スイッチ４ａは周波数２０ｋＨｚでスイッチング（オン・オフ）する。

この期間で電子スイッチ４ａがオンのとき、直流電源２のプラス側、入力端子３ａ、電子スイッチ４ａ、インダクタ６ａ、出力端子８ａ、負荷７、出力端子８ｂ、インダクタ６ｄ、電子スイッチ４ｄ、入力端子３ｂ、直流電源２のマイナス側のルートに沿って流れる。

一方、電子スイッチ４ａがオフのとき、ダイオード５ａ、インダクタ６ａ、出力端子８ａ、負荷７、出力端子８ｂ、インダクタ６ｄ、電子スイッチ４ｄとで第１の閉ループを形成することになる。このとき、インダクタ６ａ、インダクタ６ｄに蓄えられたエネルギー（電流）は、この第１の閉ループによって放出される。

ここで、コンデンサ９には電荷が蓄えられており、この第１の閉ループが形成されたとき、出力端子８ｂは直流電源２のマイナス側入力端子３ｂに比べマイナスの電位になり、ダイオード５ｃを通りインダクタ６ｃに電流が流れる。そうすると、インダクタ６ｄと電子スイッチ４ｄとダイオード５ｃとインダクタ６ｃとで形成する閉ループに沿って、負荷７を通らない無駄な電流が流れることになる。

次の半サイクル（１０ｍｓｅｃ）間においても、同様に、上記のような無駄な電流が流れることになる。
以上説明したように、上記の無駄な電流のため、スイッチング電源装置１の変換効率が低下することになる。また、上記の無駄な電流は熱エネルギーとなって消費されるので、スイッチング電源装置１を発熱させてしまうという問題も生ずる。また、電流検出手段３２で負荷に流れる電流を検出し、その検出値を電子スイッチ制御回路１０にフィードバック（図示せず）して各電子スイッチのスイッチングを制御することで負荷電流を制御する場合、上記のような負荷に流れない余分なループ電流が電流検出手段３２を通り、負荷７に流れる電流を正しく検出できず、制御が不安定になる場合が生じる。

本発明は、上記従来の問題点を解決するもので、無駄な電流の生成をなくすことができ、電源からの発熱を抑えて、電源動作中の変換効率をより向上することができるとともに、負荷に流れる電流を検出してスイッチングを制御する場合にも、負荷に流れる電流だけを正しく検出して制御をより安定化することができるスイッチング電源装置を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に記載のスイッチング電源装置は、直流電源をスイッチング制御して得られた交流波形の出力を負荷に供給するスイッチング電源装置において、第１の電子スイッチと第１のインダクタと第２の電子スイッチがその順に接続され、前記第１の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第２の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第１の直列接続体と、第３の電子スイッチと第３のインダクタと第４の電子スイッチがその順に接続され、前記第３の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第４の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第２の直列接続体と、カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に接続された第１のダイオードと、アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第１の電子スイッチと前記第１のインダクタとの接続点に接続された第２のダイオードと、カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に接続された第３のダイオードと、アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第３の電子スイッチと前記第３のインダクタとの接続点に接続された第４のダイオードと、前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第２のインダクタと、前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第４のインダクタと、前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続されたコンデンサと、前記第２の電子スイッチをオフしかつ前記第４の電子スイッチをオンする期間に前記第１の電子スイッチのみをスイッチング制御するとともに、前記第２の電子スイッチをオンしかつ前記第４の電子スイッチをオフする期間に前記第３の電子スイッチのみをスイッチング制御する電子スイッチ制御回路とを備え、前記負荷が前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続され、前記電子スイッチ制御回路は、前記第１の電子スイッチおよび前記第３の電子スイッチに対して前記出力の周波数より十分に高い高周波の周波数でオン・オフするようスイッチング制御するとともに、前記第２の電子スイッチと前記第４の電子スイッチに対して前記出力の周波数で交互にオンとオフを切り換えるようにスイッチング制御するよう構成されたことを特徴とする。

また、本発明の請求項２に記載のスイッチング電源装置は、直流電源をスイッチング制御して得られた交流波形の出力を負荷に供給するスイッチング電源装置において、第１の電子スイッチと第１のインダクタと第２の電子スイッチがその順に接続され、前記第１の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第２の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第１の直列接続体と、第３の電子スイッチと第３のインダクタと第４の電子スイッチがその順に接続され、前記第３の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第４の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第２の直列接続体と、カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に接続された第１のダイオードと、アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第１の電子スイッチと前記第１のインダクタとの接続点に接続された第２のダイオードと、カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に接続された第３のダイオードと、アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第３の電子スイッチと前記第３のインダクタとの接続点に接続された第４のダイオードと、前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第２のインダクタと、前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第４のインダクタと、前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続されたコンデンサと、前記第１の電子スイッチをオフしかつ前記第３の電子スイッチをオンする期間に前記第２の電子スイッチのみをスイッチング制御するとともに、前記第１の電子スイッチをオンしかつ前記第３の電子スイッチをオフする期間に前記第４の電子スイッチのみをスイッチング制御する電子スイッチ制御回路とを備え、前記負荷が前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続され、前記電子スイッチ制御回路は、前記第２の電子スイッチおよび前記第４の電子スイッチに対して前記出力の周波数より十分に高い高周波の周波数でオン・オフするようスイッチング制御するとともに、前記第１の電子スイッチと前記第３の電子スイッチに対して前記出力の周波数で交互にオンとオフを切り換えるようにスイッチング制御するよう構成されたことを特徴とする。

また、本発明の請求項３に記載のスイッチング電源装置は、直流電源をスイッチング制御して得られた交流波形の出力を負荷に供給するスイッチング電源装置において、第１の電子スイッチと第１のインダクタと第２の電子スイッチがその順に接続され、前記第１の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第２の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第１の直列接続体と、第３の電子スイッチと第３のインダクタと第４の電子スイッチがその順に接続され、前記第３の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第４の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第２の直列接続体と、カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に接続された第１のダイオードと、アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第１の電子スイッチと前記第１のインダクタとの接続点に接続された第２のダイオードと、カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に接続された第３のダイオードと、アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第３の電子スイッチと前記第３のインダクタとの接続点に接続された第４のダイオードと、前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第２のインダクタと、前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第４のインダクタと、前記第２のインダクタの他端と前記直流電源のマイナス側との間に接続された第１のコンデンサと、前記第４のインダクタの他端と前記直流電源のマイナス側との間に接続された第２のコンデンサと、前記第２の電子スイッチをオフしかつ前記第４の電子スイッチをオンする期間に前記第１の電子スイッチのみをスイッチング制御するとともに、前記第２の電子スイッチをオンしかつ前記第４の電子スイッチをオフする期間に前記第３の電子スイッチのみをスイッチング制御する電子スイッチ制御回路とを備え、前記負荷が前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続され、前記電子スイッチ制御回路は、前記第１の電子スイッチおよび前記第３の電子スイッチに対して前記出力の周波数より十分に高い高周波の周波数でオン・オフするようスイッチング制御するとともに、前記第２の電子スイッチと前記第４の電子スイッチに対して前記出力の周波数で交互にオンとオフを切り換えるようにスイッチング制御するよう構成されたことを特徴とする。

また、本発明の請求項４に記載のスイッチング電源装置は、直流電源をスイッチング制御して得られた交流波形の出力を負荷に供給するスイッチング電源装置において、第１の電子スイッチと第１のインダクタと第２の電子スイッチがその順に接続され、前記第１の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第２の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第１の直列接続体と、第３の電子スイッチと第３のインダクタと第４の電子スイッチがその順に接続され、前記第３の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第４の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第２の直列接続体と、カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に接続された第１のダイオードと、アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第１の電子スイッチと前記第１のインダクタとの接続点に接続された第２のダイオードと、カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に接続された第３のダイオードと、アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第３の電子スイッチと前記第３のインダクタとの接続点に接続された第４のダイオードと、前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第２のインダクタと、前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第４のインダクタと、前記第２のインダクタの他端と前記直流電源のマイナス側との間に接続された第１のコンデンサと、前記第４のインダクタの他端と前記直流電源のマイナス側との間に接続された第２のコンデンサと、前記第１の電子スイッチをオフしかつ前記第３の電子スイッチをオンする期間に前記第２の電子スイッチのみをスイッチング制御するとともに、前記第１の電子スイッチをオンしかつ前記第３の電子スイッチをオフする期間に前記第４の電子スイッチのみをスイッチング制御する電子スイッチ制御回路とを備え、前記負荷が前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続され、前記電子スイッチ制御回路は、前記第２の電子スイッチおよび前記第４の電子スイッチに対して前記出力の周波数より十分に高い高周波の周波数でオン・オフするようスイッチング制御するとともに、前記第１の電子スイッチと前記第３の電子スイッチに対して前記出力の周波数で交互にオンとオフを切り換えるようにスイッチング制御するよう構成されたことを特徴とする。

また、本発明の請求項５に記載のスイッチング電源装置は、請求項１または請求項３に記載のスイッチング電源装置であって、前記直流電源として太陽電池が接続されるとともに、前記負荷として商用交流電源が接続され、前記電子スイッチ制御回路は、前記商用交流電源の周波数に基づいて、前記第２の電子スイッチと前記第４の電子スイッチとのオンとオフを切り換えるタイミングを生成するよう構成されたことを特徴とする。

また、本発明の請求項６に記載のスイッチング電源装置は、請求項２または請求項４に記載のスイッチング電源装置であって、前記直流電源として太陽電池が接続されるとともに、前記負荷として商用交流電源が接続され、前記電子スイッチ制御回路は、前記商用交流電源の周波数に基づいて、前記第１の電子スイッチと前記第３の電子スイッチとのオンとオフを切り換えるタイミングを生成するよう構成されたことを特徴とする。

以上のように本発明によれば、第１の閉ループに対して第１の半サイクル時の通路となる第４のインダクタが非含有となるとともに、第２の閉ループに対して第２の半サイクル時の通路となる第２のインダクタが非含有となるので、各閉ループに無駄な電流が流れない電源装置を実現することができる。

そのため、電源からの発熱を抑えて、電源動作中の変換効率をより向上することができるとともに、負荷に流れる電流を検出してスイッチングを制御する場合にも、負荷に流れる電流だけを正しく検出して制御をより安定化することができる。

以下、本発明の実施の形態を示すスイッチング電源装置について、図面を参照しながら具体的に説明する。
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１のスイッチング電源装置を説明する。

図１は本実施の形態１のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。図１に示すように、本実施の形態のスイッチング電源装置２１は、直流電源（直流電源の一例として用いた）２２のプラス側が接続される入力端子２３ａ（第１の入力端子）と、直流電源２２のマイナス側が接続される入力端子２３ｂ（第２の入力端子）と、入力端子２３ａと入力端子２３ｂとの間に、電子スイッチ２４ａ（第１の電子スイッチ）とインダクタ２５ａ（第１のインダクタ）と電子スイッチ２４ｂ（第２の電子スイッチ）とがこの順に接続された直列接続体２６ａと、入力端子２３ａにカソード側が接続されるとともにアノード側がインダクタ２５ａと電子スイッチ２４ｂの接続点に接続されたダイオード２７ａ（第１のダイオード）と、入力端子２３ｂにアノード側が接続されるとともにカソード側がインダクタ２５ａと電子スイッチ２４ａの接続点に接続されたダイオード２７ｂ（第２のダイオード）と、インダクタ２５ａと電子スイッチ２４ｂの接続点に一端が接続されたインダクタ２５ｂ（第２のインダクタ）と、インダクタ２５ｂの他端が接続されるとともに負荷２８の一端に接続される出力端子２９ａ（第１の出力端子）と、入力端子２３ａと入力端子２３ｂとの間に、電子スイッチ２４ｃ（第３の電子スイッチ）とインダクタ２５ｃ（第３のインダクタ）と電子スイッチ２４ｄ（第４の電子スイッチ）とがこの順に接続された直列接続体２６ｂと、入力端子２３ａにカソード側が接続されるとともにアノード側がインダクタ２５ｃと電子スイッチ２４ｄの接続点に接続されたダイオード２７ｃ（第３のダイオード）と、入力端子２３ｂにアノード側が接続されるとともにカソード側がインダクタ２５ｃと電子スイッチ２４ｃの接続点に接続されたダイオード２７ｄ（第４のダイオード）と、インダクタ２５ｃと電子スイッチ２４ｄの接続点に一端が接続されたインダクタ２５ｄ（第４のインダクタ）と、インダクタ２５ｄの他端が接続されるとともに負荷２８の他端が接続される出力端子２９ｂ（第２の出力端子）と、インダクタ２５ｂの他端とインダクタ２５ｄの他端との間に接続されたコンデンサ３０と、電子スイッチ２４ａ、２４ｄ及び電子スイッチ２４ｃ、２４ｂをそれらの制御端子を通じてオン・オフ制御することにより、Ｓ１で囲んだ電子スイッチ回路全体による直流電源２２に対するスイッチングを制御する電子スイッチ制御回路３１とで構成されている。

ここでは、具体例として、インダクタ２５ａ、２５ｃは、２００μＨのインダクタンスを有するインダクタを用い、インダクタ２５ｂ、２５ｄには、１００μＨのインダクタンスを有するインダクタを用いている。また、コンデンサ３０は、２μＦの静電容量を有するコンデンサを用いている。このインダクタ２５ａ、２５ｂとコンデンサ３０とでローパスフィルタ３２ａを構成し、インダクタ２５ｃ、２５ｄとコンデンサ３０とでローパスフィルタ３２ｂを構成している。

インダクタ２５ｃ（第３のインダクタ）と電子スイッチ２４ｄ（第４の電子スイッチ）とダイオード２７ｄ（第４のダイオード）で第１の閉ループ３５ａを形成している。また、インダクタ２５ａ（第１のインダクタ）と電子スイッチ２４ｂ（第２の電子スイッチ）とダイオード２７ｂ（第２のダイオード）で第２の閉ループ３５ｂを形成している。

また、本実施の形態において、例えば、入力端子２３ａ、２３ｂには、３５０Ｖの電圧を出力する直流電源２２を用い、出力端子２９ａ、２９ｂから電圧２００Ｖで周波数５０Ｈｚの交流電圧を得ている。

以上のように構成されたスイッチング電源装置２１について、その動作を以下に説明する。
電子スイッチ制御回路３１からは、電子スイッチ２４ｂ、２４ｄに対してそれらを周波数５０Ｈｚ（周期２０ｍｓｅｃ）でオン・オフするための矩形波が出力され、さらに、電子スイッチ２４ｂがオンのときに、電子スイッチ２４ｃに対してそれを周波数２０ＫＨｚでオン・オフするための矩形波が出力され、電子スイッチ２４ｂがオフのときには電子スイッチ２４ｃに対してそれをオフするための信号が出力され、また、電子スイッチ２４ｄがオンのときに、電子スイッチ２４ａに対してそれを周波数２０ｋＨｚでオン・オフするための矩形波が出力され、電子スイッチ２４ｄがオフのときには電子スイッチ２４ａに対してそれをオフするための信号が出力される。電子スイッチ制御回路３１は、出力端子２９ａ、２９ｂの出力波形が周波数５０Ｈｚの正弦波になるように、周波数２０ＫＨｚの矩形波の各パルス幅を制御（ＰＷＭ制御）している。

なお、この電子スイッチ制御回路３１の構成については、上述のようなタイミングで各制御信号を出力するように、回路を構成すればよく、それらの動作条件を満足する回路構成であればどのような構成で実施しても良いため、ここでの説明は省略する。

電子スイッチ制御回路３１からの周波数５０Ｈｚの信号出力により生成される最初の（第１の）半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は、電子スイッチ２４ａのオン・オフが周波数２０ＫＨｚで切り換わり、電子スイッチ２４ｄはオンのまま、電子スイッチ２４ｃと電子スイッチ２４ｂは共にオフのままとなる。

従って、このとき流れる電流の方向は、電子スイッチ２４ａがオンの場合、直流電源２２のプラス側、入力端子２３ａ、電子スイッチ２４ａ、インダクタ２５ａ、インダクタ２５ｂ、出力端子２９ａ、負荷２８、出力端子２９ｂ、インダクタ２５ｄ、電子スイッチ２４ｄ、入力端子２３ｂ、直流電源２２のマイナス側のルートに沿って流れる。

一方、電子スイッチ２４ａがオフの場合には、各インダクタに蓄積されたエネルギーにより、ダイオード２７ｂ、インダクタ２５ａ、インダクタ２５ｂ、出力端子２９ａ、負荷２８、出力端子２９ｂ、インダクタ２５ｄ、電子スイッチ２４ｄの閉ループを流れる。即ち、負荷２８に流れる電流は矢印３３ａ方向に流れる。

次の（第２の）半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は、同様に、負荷２８に流れる電流は矢印３３ｂ方向に流れる。
このようにして最初の半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は矢印３３ａ方向に電流が流れ、次の半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は矢印３３ｂ方向に電流が流れる。この動作が半サイクル（１０ｍｃｅｃ）毎に繰り返される。即ち、直流電源２２から周波数５０Ｈｚの交流が出力端子２９ａ、２９ｂ間に生成される。なお、電子スイッチ２４ａ、２４ｄ及び電子スイッチ２４ｃ、２４ｂのオン・オフ切り換えにより、正弦波に対応した矩形波は、インダクタ２５ａ、２５ｂとコンデンサ３０とで形成されたローパスフィルタと、インダクタ２５ｃ、２５ｄとコンデンサ３０とで形成されたローパスフィルタを通過することにより、滑らかに変化する周波数５０Ｈｚの正弦波となって、出力端子２９ａ、２９ｂから負荷２８に対して出力される。

ここで、直流電源２２と電子スイッチ２４ａ、２４ｂおよび電子スイッチ２４ｃ、２４ｄとの直列回路にはインダクタ２５ａおよびインダクタ２５ｃが直列に挿入されるので、直流電源２２が短絡されてサージ電流が流れるということはなくなる。

ここで、従来技術にみるようなスイッチング電源装置１において存在する負荷を通らない無駄な電流が発生しない理由を以下に説明する。
先ず、周波数５０Ｈｚの最初の（第１の）半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間は、負荷２８に対して矢印３３ａ方向に電流が流れる。この半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間に、電子スイッチ２４ａがオンであってもオフであっても、電子スイッチ２４ｄがオンのため、インダクタ２５ｃとダイオード２７ｄの直列接続体間の電位差は生じないことになる。即ち、上記のような無駄な電流が流れることはない。

同様に、次の（第２の）半サイクル（１０ｍｓｅｃ）の間においても、上記のような電位差は生じないことになる。即ち、上記のような無駄な電流が流れることはない。
以上説明したように、従来のように無駄な電流３４ａ、３４ｂが流れることはなく、スイッチング電源装置２１の効率が低下することはない。また、この無駄な電流３４ａ、３４ｂが流れることにより、熱エネルギーとなってスイッチング電源装置２１を発熱させることもない。

また、電流検出手段３２にて検出した電流で負荷に流れる電流を制御する場合でも、余分なループ電流が流れることなく、正しく制御できる。
なお、上記の実施の形態１の構成では、コンデンサ３０は、インダクタ２５ｂの他端とインダクタ２５ｄの他端との間に接続することにより、出力端子２９ａ、２９ｂを介して、負荷２８に並列に接続しているが、図２に示すように、インダクタ２５ｂの他端と電流検出手段３２を介して接地電位（直流電源２２のマイナス側）との間にコンデンサ３０１を接続するとともに、インダクタ２５ｄの他端と電流検出手段３２を介して接地電位（直流電源２２のマイナス側）との間にコンデンサ３０２を接続することにより、コンデンサ３０１のインダクタ２５ｂとの接続点は、出力端子２９ａを介して負荷２８の一端に接続し、コンデンサ３０２のインダクタ２５ｄとの接続点は、出力端子２９ｂを介して負荷２８の他端に接続するように構成した場合も、同様に実施することができ、同様の効果を得ることができる。
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２のスイッチング電源装置を説明する。

図３は本実施の形態２のスイッチング電源装置とその周辺の構成を示すブロック図であり、直流電源として太陽電池を用いた場合を示している。なお、実施の形態１と同じものについては同一番号を付して説明を簡略化している。

図３において、７５は例えば一般家庭の屋根に装着された太陽電池（直流電源の一例）であり、この太陽電池７５（実施の形態１における直流電源２２に該当）はスイッチング電源装置７６（実施の形態１におけるスイッチング電源装置２１に該当）の入力端子２３ａ、２３ｂに接続されている。また、スイッチング電源装置７６の出力端子２９ａ、２９ｂは商用交流電源７７（実施の形態１における負荷２８に該当）に接続されている。

商用交流電源７７は結合回路７８に接続されており、この結合回路７８の出力は周波数抽出回路７９に接続されている。また、この周波数抽出回路７９の出力は、スイッチング電源装置７６内の電子スイッチ制御回路３１ａ（実施の形態１における電子スイッチ制御回路３１に該当）に接続されて、電子スイッチ制御回路３１ａに対して、図１および図２において電子スイッチ制御回路３１内に構成された正弦波発生回路４１の出力の代わりに用いられている。また、スイッチング電源装置７６の出力端子２９ａ、２９ｂは結合回路７８を介して商用交流電源７７に接続されている。

以上のように構成されたスイッチング電源装置７６について、その動作を以下に説明する。
本実施の形態のスイッチング電源装置７６における電子スイッチ制御回路３１ａは、商用交流電源７７から直接周波数を抽出して正弦波発生回路４１の働きをさせている。従って、スイッチング電源装置７６から出力される周波数は、商用交流電源７７と同じ周波数となる。

さらに、商用交流電源の電圧と同じ位相になるように制御している。このようにして、太陽光のエネルギーを太陽電池７５により直流電源に変換し、この直流電源を商用交流電源７７に高力率で重畳させている。

以上のように、本実施の形態におけるスイッチング電源装置７６は、自然界に存在する太陽光エネルギーを用いて商用交流電源７７に変換することができるので、各家庭における省電力に貢献するばかりか自然に優しいエネルギー源となる。

例えば、太陽光発電により得られた電力を、商用交流電源と併用して、それらを切り換えて家庭内の電気製品に電力供給したり、また、太陽光発電により余った電力を、商用交流電源の供給元へ売電するようなシステムを構成する場合に利用される。

本発明のスイッチング電源装置は、電源からの発熱を抑えて、電源動作中の変換効率をより向上することができるとともに、負荷に流れる電流を検出してスイッチングを制御する場合にも、負荷に流れる電流だけを正しく検出して制御をより安定化することができ、無駄な電力消費が少ないので、一般家電製品等の電子機器の電源装置における消費電力の低減化技術に適用することができる。

本発明の実施の形態１のスイッチング電源装置の構成例を示す回路図同実施の形態１のスイッチング電源装置の他の構成例を示す回路図本発明の実施の形態２のスイッチング電源装置とその周辺要素を含む構成例を示すブロック図従来のスイッチング電源装置の構成例を示す回路図

符号の説明

２１、７６スイッチング電源装置
２２、７５直流電源
２３ａ入力端子（第１の入力端子）
２３ｂ入力端子（第２の入力端子）
２４ａ電子スイッチ（第１の電子スイッチ）
２４ｂ電子スイッチ（第２の電子スイッチ）
２４ｃ電子スイッチ（第３の電子スイッチ）
２４ｄ電子スイッチ（第４の電子スイッチ）
２５ａインダクタ（第１のインダクタ）
２５ｂインダクタ（第２のインダクタ）
２５ｃインダクタ（第３のインダクタ）
２５ｄインダクタ（第４のインダクタ）
２６ａ直列接続体（第１の直列接続体）
２６ｂ直列接続体（第２の直列接続体）
２７ａダイオード（第１のダイオード）
２７ｂダイオード（第２のダイオード）
２７ｃダイオード（第３のダイオード）
２７ｄダイオード（第４のダイオード）
２８負荷
２９ａ出力端子（第１の出力端子）
２９ｂ出力端子（第２の出力端子）
３０、３０１、３０２コンデンサ
３１、３１ａ電子スイッチ制御回路
３２電流検出手段
３５ａ第１の閉ループ
３５ｂ第２の閉ループ
４１正弦波発生回路
７７商用交流電源
７８結合回路
７９周波数抽出回路
Ｓ１電子スイッチ回路

Claims

直流電源をスイッチング制御して得られた交流波形の出力を負荷に供給するスイッチング電源装置において、
第１の電子スイッチと第１のインダクタと第２の電子スイッチがその順に接続され、前記第１の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第２の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第１の直列接続体と、
第３の電子スイッチと第３のインダクタと第４の電子スイッチがその順に接続され、前記第３の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第４の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第２の直列接続体と、
カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に接続された第１のダイオードと、
アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第１の電子スイッチと前記第１のインダクタとの接続点に接続された第２のダイオードと、
カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に接続された第３のダイオードと、
アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第３の電子スイッチと前記第３のインダクタとの接続点に接続された第４のダイオードと、
前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第２のインダクタと、
前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第４のインダクタと、
前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続されたコンデンサと、
前記第２の電子スイッチをオフしかつ前記第４の電子スイッチをオンする期間に前記第１の電子スイッチのみをスイッチング制御するとともに、
前記第２の電子スイッチをオンしかつ前記第４の電子スイッチをオフする期間に前記第３の電子スイッチのみをスイッチング制御する電子スイッチ制御回路とを備え、
前記負荷が前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続され、
前記電子スイッチ制御回路は、
前記第１の電子スイッチおよび前記第３の電子スイッチに対して前記出力の周波数より十分に高い高周波の周波数でオン・オフするようスイッチング制御するとともに、
前記第２の電子スイッチと前記第４の電子スイッチに対して前記出力の周波数で交互にオンとオフを切り換えるようにスイッチング制御するよう構成された
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
直流電源をスイッチング制御して得られた交流波形の出力を負荷に供給するスイッチング電源装置において、
第１の電子スイッチと第１のインダクタと第２の電子スイッチがその順に接続され、前記第１の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第２の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第１の直列接続体と、
第３の電子スイッチと第３のインダクタと第４の電子スイッチがその順に接続され、前記第３の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第４の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第２の直列接続体と、
カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に接続された第１のダイオードと、
アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第１の電子スイッチと前記第１のインダクタとの接続点に接続された第２のダイオードと、
カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に接続された第３のダイオードと、
アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第３の電子スイッチと前記第３のインダクタとの接続点に接続された第４のダイオードと、
前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第２のインダクタと、
前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第４のインダクタと、
前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続されたコンデンサと、
前記第１の電子スイッチをオフしかつ前記第３の電子スイッチをオンする期間に前記第２の電子スイッチのみをスイッチング制御するとともに、
前記第１の電子スイッチをオンしかつ前記第３の電子スイッチをオフする期間に前記第４の電子スイッチのみをスイッチング制御する電子スイッチ制御回路とを備え、
前記負荷が前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続され、
前記電子スイッチ制御回路は、
前記第２の電子スイッチおよび前記第４の電子スイッチに対して前記出力の周波数より十分に高い高周波の周波数でオン・オフするようスイッチング制御するとともに、
前記第１の電子スイッチと前記第３の電子スイッチに対して前記出力の周波数で交互にオンとオフを切り換えるようにスイッチング制御するよう構成された
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
直流電源をスイッチング制御して得られた交流波形の出力を負荷に供給するスイッチング電源装置において、
第１の電子スイッチと第１のインダクタと第２の電子スイッチがその順に接続され、前記第１の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第２の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第１の直列接続体と、
第３の電子スイッチと第３のインダクタと第４の電子スイッチがその順に接続され、前記第３の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第４の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第２の直列接続体と、
カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に接続された第１のダイオードと、
アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第１の電子スイッチと前記第１のインダクタとの接続点に接続された第２のダイオードと、
カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に接続された第３のダイオードと、
アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第３の電子スイッチと前記第３のインダクタとの接続点に接続された第４のダイオードと、
前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第２のインダクタと、
前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第４のインダクタと、
前記第２のインダクタの他端と前記直流電源のマイナス側との間に接続された第１のコンデンサと、
前記第４のインダクタの他端と前記直流電源のマイナス側との間に接続された第２のコンデンサと、
前記第２の電子スイッチをオフしかつ前記第４の電子スイッチをオンする期間に前記第１の電子スイッチのみをスイッチング制御するとともに、
前記第２の電子スイッチをオンしかつ前記第４の電子スイッチをオフする期間に前記第３の電子スイッチのみをスイッチング制御する電子スイッチ制御回路とを備え、
前記負荷が前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続され、
前記電子スイッチ制御回路は、
前記第１の電子スイッチおよび前記第３の電子スイッチに対して前記出力の周波数より十分に高い高周波の周波数でオン・オフするようスイッチング制御するとともに、
前記第２の電子スイッチと前記第４の電子スイッチに対して前記出力の周波数で交互にオンとオフを切り換えるようにスイッチング制御するよう構成された
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
直流電源をスイッチング制御して得られた交流波形の出力を負荷に供給するスイッチング電源装置において、
第１の電子スイッチと第１のインダクタと第２の電子スイッチがその順に接続され、前記第１の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第２の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第１の直列接続体と、
第３の電子スイッチと第３のインダクタと第４の電子スイッチがその順に接続され、前記第３の電子スイッチ側端に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、前記第４の電子スイッチ側端に前記直流電源のマイナス側が接続される第２の直列接続体と、
カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に接続された第１のダイオードと、
アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第１の電子スイッチと前記第１のインダクタとの接続点に接続された第２のダイオードと、
カソード側に前記直流電源のプラス側が接続されるとともに、アノード側が前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に接続された第３のダイオードと、
アノード側に前記直流電源のマイナス側が接続されるとともに、カソード側が前記第３の電子スイッチと前記第３のインダクタとの接続点に接続された第４のダイオードと、
前記第１のインダクタと前記第２の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第２のインダクタと、
前記第３のインダクタと前記第４の電子スイッチとの接続点に一端が接続された第４のインダクタと、
前記第２のインダクタの他端と前記直流電源のマイナス側との間に接続された第１のコンデンサと、
前記第４のインダクタの他端と前記直流電源のマイナス側との間に接続された第２のコンデンサと、
前記第１の電子スイッチをオフしかつ前記第３の電子スイッチをオンする期間に前記第２の電子スイッチのみをスイッチング制御するとともに、
前記第１の電子スイッチをオンしかつ前記第３の電子スイッチをオフする期間に前記第４の電子スイッチのみをスイッチング制御する電子スイッチ制御回路とを備え、
前記負荷が前記第２のインダクタの他端と前記第４のインダクタの他端との間に接続され、
前記電子スイッチ制御回路は、
前記第２の電子スイッチおよび前記第４の電子スイッチに対して前記出力の周波数より十分に高い高周波の周波数でオン・オフするようスイッチング制御するとともに、
前記第１の電子スイッチと前記第３の電子スイッチに対して前記出力の周波数で交互にオンとオフを切り換えるようにスイッチング制御するよう構成された
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
前記直流電源として太陽電池が接続されるとともに、前記負荷として商用交流電源が接続され、
前記電子スイッチ制御回路は、
前記商用交流電源の周波数に基づいて、前記第２の電子スイッチと前記第４の電子スイッチとのオンとオフを切り換えるタイミングを生成するよう構成された
ことを特徴とする請求項１または請求項３に記載のスイッチング電源装置。
前記直流電源として太陽電池が接続されるとともに、前記負荷として商用交流電源が接続され、
前記電子スイッチ制御回路は、
前記商用交流電源の周波数に基づいて、前記第１の電子スイッチと前記第３の電子スイッチとのオンとオフを切り換えるタイミングを生成するよう構成された
ことを特徴とする請求項２または請求項４に記載のスイッチング電源装置。