JP5045469B2

JP5045469B2 - 電源装置

Info

Publication number: JP5045469B2
Application number: JP2008025230A
Authority: JP
Inventors: 純一郎石川
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-02-05
Filing date: 2008-02-05
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2028-02-05
Also published as: JP2009189123A

Description

本発明は、電源装置に関するものである。

従来の電源装置は、多相出力のフライバック電源では特定の相から電圧を負帰還し、他の相は巻線の出力電圧が巻線比に比例することを利用し、各出力において所望の出力電圧を得ている。比較的簡単な構成で多相の安定化された出力が得られ、出力当たりのコストを低減できる利点がある。

しかしながら、上記電源装置は、各出力に必要とされる出力電圧や出力電流の組み合わせに応じて、変圧器を設計する必要があり、製造業者では製品の種類数に応じて多種の変圧器を在庫として確保しなければならないという課題がある。

かかる課題を解決するのに下記特許文献１では、スイッチング素子により変圧器の１次巻線電流をオン・オフし、該変圧器の２次巻線から安定化された電力を得るようにした電源装置において、変圧器の１次巻線と並列に１次巻線が接続された別の変圧器を設け、各変圧器の２次巻線から、それぞれ独立した電力を得るように出力構成を複数の変圧器を組み合わせることで実現し、在庫として準備する変圧器の種類を減らすことができる。

特開平８−２５１９１８号公報

しかしながら、変圧器内の１個の２次巻線に現われる電圧に応じて、スイッチング素子のオン・オフ・デューティが制御されるため、上記１個の二次巻線の負荷が大きく、他の二次巻線の負荷が小さいと、負荷が小さい方の二次巻線には電流が流れないので、一次巻線内を還流することにより変圧器の容量が大きくなるという課題があった。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、変圧器の二次巻線の負荷が不均衡でも、変圧器の一次巻線内の還流を防止することにより変圧器の容量が増加しない電源装置を提供することを目的とする。

第１の発明に係る電源装置は、直流電源からの電力を一時的に蓄積する磁気回路と，前記磁気回路に電力を蓄積するために用いる複数の入力巻線と，前記蓄積された電力を負荷に供給する複数の出力巻線と，前記直流電源に放出する複数の電力放出巻線とを備えた変圧器と、前記入力巻線のそれぞれの印加電圧をオン・オフする半導体から成るスイッチ手段と、前記出力巻線と直列で、前記入力巻線を介して前記磁気回路に電力を蓄積する場合には導通が阻止され、電力蓄積工程が終了し、前記磁気回路に逆起電力が発生した際に導通する極性で接続された第１整流手段と、前記第１整流手段と前記出力巻線の直列回路の端子間に接続され、前記出力巻線から供給される電力を平滑化するコンデンサと、前記電力放出巻線に直列接続され、該コンデンサの端子間電圧が所定の値に達した場合に、前記磁気回路に蓄積された電力が前記出力巻線から放出される前に前記直流電源に放出すると共に、前記入力巻線を介して前記磁気回路に電力を蓄積する際には導通が阻止され、電力の前記蓄積工程が終了し、前記磁気回路に逆起電力が発生すると共に、前記コンデンサの端子間電圧が所定の電圧値になった場合に導通する極性で接続された第２整流手段と、を備えたことを特徴とするものである。

第２の発明に係る電源装置におけるスイッチ手段は、入力巻線の一端にそれぞれ接続された複数の第３整流手段と、該第３整流手段及び前記入力巻線を介して前記直流源の出力をオン・オフする第１半導体スイッチ手段と、を備えることが好ましい。

第３の発明に係る電源装置におけるスイッチ手段は、入力巻線の一端にそれぞれ接続されると共に、ゲートにより制御できる制御スイッチ手段を有する、ことが好ましい。

本発明によれば、変圧器の二次巻線の負荷が不均衡でも、変圧器の一次巻線内の還流を防止することにより変圧器の容量が増加しない電源装置を得ることができる。

実施の形態１．
本発明の一実施の形態を図１によって説明する。図１は本発明の一実施の形態を示す電源装置の回路図である。
図１おいて、電源装置は、直流電源３に半導体スイッチ５を介してそれぞれ接続されると共に、第１負荷９１から第３負荷９３に電力を供給する第１から第３電源部を有している。なお、半導体スイッチ５は、バイポーラトランジスタ、ＭＯＳＦＥＴなど主端子間の導通状態を遮断又は導通状態間を高速に遷移制御できるものであればよい。

第１電源部は、第１負荷９１に接続される第１変圧器１１を有しており、第１変圧器１１は、一次巻線と二次巻線と第１磁気回路１１ｍとから成り、一次巻線は、第１入力巻線１１ａと、第１入力巻線１１ａの一端に一端が接続された第１電力放出巻線１１ｂとを有しており、二次巻線としての第１出力巻線１１ｃを有している。

第１電源部の二次側は、第１整流手段としての第１負荷ダイオード４１を介して第１負荷９１および第１コンデンサ５１とが第１出力巻線１１ｃに接続されており、第１負荷ダイオード４１は半導体スイッチ５がオンしている時に第１コンデンサ５１に電流が流れるのを防止するものである。
第１電源部の一次側は、直流電源３の陽極が第１変圧器の第１入力巻線１１ａの一端に接続され、第１入力巻線１１ａの他端が、半導体スイッチ５をオフした際に第１入力巻線１１ａ間に流れる電流を防止する第１還流防止ダイオード２１を介して半導体スイッチ５の一端に接続されており、第１電力放出巻線１１ｂの他端が、半導体スイッチ５がオンしている時に、グランドに電流が流れることを防止する第２整流手段としての第１接地ダイオード３１を介して接地されている。

第２電源部は、第２負荷９２に接続される第２変圧器１２を有しており、第２変圧器１２は、一次巻線と二次巻線と第２磁気回路１２ｍとから成り、一次巻線は、第２入力巻線１２ａと、第２入力巻線１２ａの一端に一端が接続された第２電力放出巻線１２ｂとを有しており、二次巻線としての第２出力巻線１２ｃを有している。

第２電源部の二次側は、第１整流手段としての第２負荷ダイオード４２を介して第２負荷９２および第２平滑コンデンサ５２とが第２出力巻線１２ｃに接続されており、第２負荷ダイオード４２は半導体スイッチ５がオンしている時に第２コンデンサ５２に電流が流れるのを防止するものである。
第２電源部の一次側は、直流電源３の陽極が第２変圧器の第２入力巻線１２ａの一端に接続され、第２入力巻線１２ａの他端が、半導体スイッチ５をオフした際に第２入力巻線１２ａ間に流れる電流を防止する第２還流防止ダイオード２２を介して半導体スイッチ５の一端に接続されており、第２電力放出巻線１２ｂの他端が、半導体スイッチ５がオンしているときに、グランドに電流が流れることを防止する第２整流手段としての第２接地ダイオード３２を介して接地されている。

第３電源部は、第３負荷９２に接続される第３変圧器１３を有しており、第３変圧器１３は、一次巻線と二次巻線と第３磁気回路１３ｍとから成り、一次巻線は、第３入力巻線１３ａと、第３入力巻線１３ａの一端に一端が接続された第３電力放出巻線１３ｂとを有しており、二次巻線としての第３出力巻線１３ｃを有している。

第３電源部の二次側は、第１整流手段としての第３負荷ダイオード４３を介して第３負荷９３および第３平滑コンデンサ５３とが第３出力巻線１３ｃに接続されており、第３負荷ダイオード４３は半導体スイッチ５がオンしている時に、第３コンデンサ５３に電流が流れるのを防止するものである。
第３電源部の一次側は、直流電源３の陽極が第３変圧器の第３入力巻線１３ａの一端に接続され、第３入力巻線１３ａの他端が、半導体スイッチ５をオフした際に第３入力巻線１３ａ間に流れる電流を防止する第３還流防止ダイオード２３を介して半導体スイッチ５の一端に接続されており、第３電力放出巻線１３ｂの他端が、半導体スイッチ５がオンしている時に、グランドに電流が流れることを防止する第２整流手段としての第３接地ダイオード３３を介して接地されている。

なお、半導体スイッチ５にＮチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いる場合、ドレイン端子を第１から第３還流防止ダイオード２１〜２３のカソードが互いに接続されているノードに接続し、ソース端子を直流電源の負極側に接続し、ゲート-ソース間に制御信号源(図示せず)の電圧を印加し、第１から第３入力巻線１１ａ〜１３ａへの電圧印加制御をするように形成されている。

また、電力放出巻線１１ｂ〜１３ｂの巻数をＮ3、出力巻線１１ｃ〜１３ｃの巻数Ｎ2、負荷ダイオード４１〜４３，接地ダイオード３１〜３３の順電圧降下をそれぞれＶＦ2、ＶＦ3とすると、下式が成立するように選択する。
（Ｖ2＋ＶＦ2）／（Ｅ＋ＶＦ3）＝Ｎ２／Ｎ３
ここに、Ｅ：直流電源３の端子間電圧
Ｖ2：設計出力電圧(コンデンサ５１〜５３の端子電圧)

上記のように構成された電源装置の動作を図１を参照して説明する。
まず、半導体スイッチ５が導通している期間は、巻線の極性の関係で第１から第３負荷ダイオード４１〜４３、第１から第３接地ダイオード３１〜３３には、逆バイアス電圧が印加される。このため、第１から第３出力巻線１１ｃ〜１３ｃ、第１から第３電力放出巻線１１ｂ〜１３ｂには電流が流れず、第１から第３磁気回路１１ｍ〜１３ｍには、それぞれ第１から第３入力巻線１１a〜１３ａのみが接続されているのと同じ状態となる。
つまり、この期間中、第１から第３変圧器１１〜１３のそれぞれの第１から第３入力巻線１１a〜１３ａがインダクタンスと同等の働きをし、直流電源３から第１から第３入力巻線１１a〜１３ａから第１から第３還流防止ダイオード２１〜２３、半導体スイッチ５の経路で電流が流れ、電流の大きさが導通期間に応じて増加し、これに伴い第１から第３磁気回路１１ｍ〜１３ｍ内に電力が蓄えられる。

次に、半導体スイッチ５が遮断された瞬間に、第１から第３変圧器１１〜１３内に逆起電力が発生し、電流の流れ維持をしようとするが、半導体スイッチ５が遮断されていることに加え、第１から第３入力巻線１１a〜１３ａと直列に第１から第３還流防止ダイオード２１〜２３が接続されているため、第１から第３入力巻線１１a〜１３ａ間の電流の還流も防止され、上記電流の経路が遮断される。

上記逆起電力が生じると、第１から第３コンデンサ５１〜５３の端子電圧が所定の電圧より低い状態のものがあった場合、第１から第３出力巻線１１ｃ〜１３ｃに接続された第１から第３負荷ダイオード４１〜４３が導通し、第１から第３磁気回路１１ｍ〜１３ｍに蓄積された電力を第１から第３コンデンサ５１〜５３に放電する。

一方、第１から第３コンデンサ５１〜５３の端子電圧が所定電圧に達した場合には、第１から第３出力巻線１１ｃ〜１３ｃの端子電圧が第１から第３負荷ダイオード４１〜４３を導通させる電圧に達する前に、第１から第３電力放出巻線１１ｂ〜１３ｂに接続された第１から第３接地ダイオード３１〜３３が導通し、第１から第３磁気回路１１ｍ〜１３ｍに蓄積された電力を直流電源３に放電する。

なお、本実施の形態では第１から第３変圧器１１〜１３の第１から第３出力巻線１１ａ〜１１ｃの数を一つとしているが、各々２つ以上に増やしても良い。また、本実施の形態では、電源装置の出力を互いに独立させているが出力電圧が等しい場合には互いの出力を接続しても良い。

上記電源装置は、直流電源３の電力を一時的に蓄積する第１から第３磁気回路１１m〜１３mと、第１から第３磁気回路１１m〜１３mに電力を蓄積するために用いる第１から第３入力巻線１１a〜１３aと、蓄積された電力を第１から第３負荷９１〜９３に供給する第１から第３出力巻線１１ｃ〜１３ｃと、直流電源３に放出する第１から第３電力放出巻線１１ｂ〜１３ｂと、を備えた第１から第３変圧器１１〜１３と、第１から第３入力巻線１１a〜１３aのそれぞれの印加電圧をオン・オフする半導体から成る半導体スイッチ５と、半導体スイッチ５の一端に半導体スイッチ５をオフした際に第１から第３入力巻線１１ａ〜１３ａ間に流れる電流を防止する第１から第３還流防止ダイオード２１〜２３と、第１から第３出力巻線１１ｃ〜１３ｃと直列で、第１から第３入力巻線１１ａ〜１３ａを介して第１から第３磁気回路１１m〜１３mに電力を蓄積する場合には導通が阻止され、電力蓄積工程が終了し、第１から第３磁気回路１１m〜１３mに逆起電力が発生した際に導通する極性で接続された第１から第３負荷ダイオード４１〜４３と、第１から第３負荷ダイオード４１〜４３と第１から第３出力巻線１１ｃ〜１３ｃの直列回路の端子に接続され、第１から第３出力巻線１１ｃ〜１３ｃから供給される電力を平滑化する第１から第３コンデンサ５１〜５３と、第１から第３電力放出巻線１１ｂ〜１３ｂに直列接続され、該第１から第３コンデンサ５１〜５３の端子電圧が所定の値に達した場合に、第１から第３磁気回路１１m〜１３mに蓄積された電力が第１から第３出力巻線１１ｃ〜１３ｃから放出される前に直流電源３に放出すると共に、第１から第３入力巻線１１a〜１３aを介して第１から第３磁気回路１１m〜１３mに電力を蓄積する際には導通が阻止され、電力の蓄積工程が終了し、第１から第３磁気回路１１m〜１３mに逆起電力が発生すると共に、第１から第３コンデンサの端子間電圧が所定の電圧値になった場合に導通する極性で接続された第１から第３接地ダイオード３１〜３３と、を備えたものである。

かかる電源装置によれば、逆起電力が生じると、第１から第３コンデンサ５１〜５３の端子電圧が所定の電圧より低いと、第１から第３負荷ダイオード４１〜４３が導通し、第１から第３磁気回路１１ｍ〜１３ｍに蓄積された電力を第１から第３コンデンサ５１〜５３に放電する。一方、第１から第３コンデンサ５１〜５３の端子電圧が所定電圧に達した場合には、第１から第３出力巻線１１ｃ〜１３ｃの端子電圧が第１から第３負荷ダイオード４１〜４３を導通させる電圧に達する前に、第１から第３接地ダイオード３１〜３３が導通し、第１から第３磁気回路１１ｍ〜１３ｍに蓄積された電力を直流電源３に放電する。
このため、第１から第３負荷９１〜９３が不均衡でも、第１から第３変圧器１１〜１３の一次巻線内の還流を防止することにより第１から第３変圧器１１〜１３の容量が増加しない。

また、半導体スイッチ５が遮断している期間以外についても各部品が独立しているため、各出力巻線１１ｃ〜１３ｃの負荷状態にかかわらず各部品を流れる電流は互いに独立性を保つことができる。つまり、変圧器１１〜１３の組合せ、変圧器１１〜１３の数にかかわらず半導体スイッチ５を除き、各部の電流条件は変化しない。そのため、半導体スイッチ５を除く部分回路を容易にモジュール化することができ、多種の変圧器１１〜１３を在庫として抱えなくとも多種の電圧の組合せを実現することができる。
また、変圧器１１〜１３を分割することにより、個々の変圧器１１〜１３の大きさを小さくすることで、回路全体の小型化につなげることができる。容量の小さいものであれば、半導体集積回路のような樹脂封じの小型パッケージに収め、標準化することで小型化、種類削減と同時に設計負荷の軽減も可能となる。

実施形態２.
本発明の他の実施形態による電源装置を図２によって説明する。図２は、他の実施の形態を示す電源装置の回路図である。図２中、図１と同一符号は、同一部分を示し説明を省略する。
図２において、電源装置は、第１から第３変圧器１１〜１３の第１から第３入力巻線１１ａ〜１３ａの一端を介して制御スイッチ手段としての第１から第３制御半導体スイッチ１１１〜１１３がグランドに接続されており、第１から第３制御半導体スイッチ１１１〜１１３の各ゲートには、矩形波発信を発生する制御信号源１２０が接続されている。
第１から第３制御半導体スイッチ１１１〜１１３としてNチャンネルＭＯＳＦＥＴを用いていおり、上記実施形態１の半導体スイッチ５と同様な半導体素子を用いることができる。
このような構成の電源装置でも、実施形態１と同様の動作となる。

上記実施形態の電源装置は、第１から第３入力巻線１１ａ〜１３ａの一端にそれぞれ接続されると共に、ゲートにより制御できる第１から第３制御半導体スイッチ１１１〜１１３を設けることが好ましい。
これにより、直流電源３、入力巻線１１ａ〜１３ａ、第１から第３制御半導体スイッチ１１１〜１１３により形成される電流の経路を互いに独立させることで、第１から第３制御半導体スイッチ１１１〜１１３を遮断した場合でも、第１から第３変圧器１１〜１３の第１から第３入力巻線１１ａ〜１３ａの間に還流電流が流れるのを防止できる。
また、第１から第３制御半導体スイッチ１１１〜１１３の通電電流も変圧器１１〜１３の組合せと無関係になる。このため、種類削減、設計負荷の軽減を一層可能となる。

本発明は、電源装置に適用できる。

本発明の一実施の形態を示す電源装置の回路図である。本発明の他の実施の形態を示す電源装置の回路図である。

符号の説明

３直流電源、５半導体スイッチ、１１第１変圧器、１２第２変圧器、１３第３変圧器、１１ａ第１入力巻線、１２ａ第２入力巻線、１３ａ第３入力巻線、１１ｂ第１電力放出巻線、１２ｂ第２電力放出巻線、１３ｂ第３電力放出巻線、１１ｃ第１出力巻線、１２ｃ第２出力巻線、１３ｃ第３出力巻線、２１第１還流防止ダイオード、２２第２還流防止ダイオード、２３第３還流防止ダイオード、３１第１接地ダイオード、３２第２接地ダイオード、３３第３接地ダイオード、４１第１負荷ダイオード、４２第２負荷ダイオード、４３第３負荷ダイオード、１１１第１制御半導体スイッチ、１１２第２制御半導体スイッチ、１１３第３制御半導体スイッチ、１２０制御信号電源。

Claims

直流電源からの電力を一時的に蓄積する磁気回路と，
前記磁気回路に電力を蓄積するために用いる複数の入力巻線と，
前記蓄積された電力を負荷に供給する複数の出力巻線と，
前記直流電源に放出する複数の電力放出巻線と，を備えた変圧器と、
前記入力巻線のそれぞれの印加電圧をオン・オフする半導体から成るスイッチ手段と、
前記出力巻線と直列で、前記入力巻線を介して前記磁気回路に電力を蓄積する場合には導通が阻止され、電力蓄積工程が終了し、前記磁気回路に逆起電力が発生した際に導通する極性で接続された第１整流手段と、
前記第１整流手段と前記出力巻線の直列回路の端子間に接続され、前記出力巻線から供給される電力を平滑化するコンデンサと、
前記電力放出巻線に直列接続され、該コンデンサの端子間電圧が所定の値に達した場合に、前記磁気回路に蓄積された電力が前記出力巻線から放出される前に前記直流電源に放出すると共に、前記入力巻線を介して前記磁気回路に電力を蓄積する際には導通が阻止され、電力の前記蓄積工程が終了し、前記磁気回路に逆起電力が発生すると共に、前記コンデンサの端子間電圧が所定の電圧値になった場合に導通する極性で接続された第２整流手段と、
を備えたことを特徴とする電源装置。
前記スイッチ手段は、前記入力巻線の一端にそれぞれ接続された複数の第３整流手段と、該第３整流手段及び前記入力巻線を介して前記直流源の出力をオン・オフする第１半導体スイッチ手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記スイッチ手段は、前記入力巻線の一端にそれぞれ接続されると共に、ゲートにより制御できる制御スイッチ手段を有する、
ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。