JP5050874B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Description

この発明はスイッチング電源装置、特に商用交流電源から絶縁された直流出力を得る絶縁型DC−DCコンバータに関する。
商用交流電源から絶縁された直流出力を得る場合、一般的には交流電圧を整流平滑した直流中間電圧から、絶縁型のDC−DCコンバータで直流出力を得る。また、入力電流の高調波規格が適用される電源装置では、交流電源から昇圧チョッパ回路を介して直流中間電圧を得ている。
スイッチング電源装置は高効率,低ノイズ,小形,低コスト,高信頼性が要求され、これらを実現するため様々な回路方式が提案されている。
図5はこの種のスイッチング電源装置の例であり、例えば特許文献1,2に記載された絶縁型DC/DCコンバータとほぼ同様な回路構成のものである。
以下に図5の動作について、図6の波形図を参照して説明する。
図5のFB1は、出力電圧Voと出力電圧設定値との誤差を増幅するフィードバック回路である。Cont1は制御回路であり、設定された固定周波数fs(=1/T)でMOSFETのQ1,Q2をデッドタイムTd1,Td2を設けて交互にオン・オフする。同時に、フィードバック回路の出力信号VFBに応じて素子Q1,Q2のオンデューディDを制御することで、出力電圧Voを一定に制御する。
トランスT1,T2は、励磁インダクタンスLm1,Lm2とリーケージインダクタンスLr1,Lr2と1次巻数Np1,Np2、2次巻数Ns1,Ns2で表わした等価回路で示されている。
コンデンサCrはT1,T2の1次巻線に流れる電流の直流分をカットして、極端な偏磁を防止する役割を果たす。
インダクタンス素子Lzは素子Q1,Q2のスイッチング時にコンデンサCsと部分共振動作し、Q1とQ2を零電圧スイッチングさせる。なお、LzはT1,T2のリーケージインダクタンスLr1とLr2で代用することで省略可能である。以後の説明では、Lzを省略するものとする。また、CsはQ1,Q2の寄生容量で代用し省略しても良い。
T1の1次インダクタンス(Lm1+Lr1)と、T2の1次インダクタンス(Lm2+Lr2)とコンデンサCrとの直列回路の共振周波数は、スイッチング周波数fsに対し充分低い値とすることで、Q1,Q2に流れる電流IQ1,IQ2は直線的に上昇する。
スイッチング素子Q1がオンする期間(t0<t<t3)では、直流電源からT1を介して負荷側にエネルギーが供給され、T2はチョークコイルの役割を果たす。一方、素子Q2がオンする期間(t3<t<t0)では、コンデンサCrからT2を介して負荷側にエネルギーが供給され、T1がチョークコイルの役割を果たす。
整流ダイオードD1は時間t=t0でQ2がオンからオフに切り換わると導通し、Vo/(Lr1+Lr2)の傾きで電流が増加する。整流ダイオードD2に流れる電流ID2はQ2がオフすると、−Vo/(Lr1+Lr2)の傾きで電流が減少し、t=t2でID2が零になるとD2がオフする。また、t=t3でQ1がオンからオフに切り換わるとID1が−Vo/(Lr1+Lr2)の傾きで減少し、t=t5でID1が零になるとD1がオフする。D2に流れる電流はVo/(Lr1+Lr2)の傾きで電流が増加する。
図8は別のスイッチング電源装置の例であり、例えば特許文献3に記載された絶縁型DC/DCコンバータとほぼ同様な回路構成を示している。
以下に図8の動作について、図9の波形図を参照して説明する。
制御回路Cont1は、オンデューティD=0.5とし、デッドタイムTd1,Td2を設けて素子Q1,Q2を交互にオン・オフし、フィードバック回路の出力信号VFBに応じてQ1,Q2のスイッチング周波数fsを制御することで出力電圧Voを一定に制御する。
トランスT1は、励磁インダクタンスLmとリーケージインダクタンスLrと1次巻数Np1,2次巻数Ns1,Ns2からなる等価回路で示されている。
コンデンサCrは、T1,T2の1次巻線に流れる電流の直流分をカットして極端な偏磁を防止するとともに、T1の励磁インダクタンスLm,リーケージインダクタンスLr,インダクタンス素子Lzと共振させる役割を果たす。
インダクタンス素子Lzは、素子Q1,Q2のスイッチング時にコンデンサCsと部分共振動作し、素子Q1とQ2を零電圧スイッチングさせる。なお、LzはT1のリーケージインダクタンスLrで代用すれば省略可能である。以後の説明ではLzを省略するものとする。また、CsはQ1,Q2の寄生容量で代用し省略しても良い。
Q1がオンすると、リーケージインダクタンスLrと共振コンデンサCrが共振し、IQ1とID1は正弦波状となる。時刻t=t3でID1が零になるとD1がオフし、T1の1次インダクタンス(Lm+Lr)とCrが共振し、IQ1には周波数の低い正弦波の電流が流れる。
特開平8−228486号公報(図1) 特開2007−74830号公報(図7,図8) 特許第2734296号明細書(図1)
図5の回路は特許文献2によれば、出力電圧Voは、直流電源電圧をVin,オンデューディをD,トランスT1,T2の巻数比をn(=Np1/Ns1=Np2/Ns2)とすると、次の(1)式で表わされる。
Vo=D・(1−D)・Vin/n…(1)
(1)式から、オンデューティDを制御することで、出力電圧Voを制御することができることがわかる。
ここで電圧変換率をM=2n・Vo/Vinと定義すると、
M=2D・(1−D)…(2)
と表わされ、電圧変換率Mは図7に示したように、D=0.5で最大値となる。特許文献2では、一般的なフォワードコンバータでは出力電圧Voが次の(3)式で表わされることから、トランスの巻数比nを小さくすることができる。その結果、リーケージインダクタンスの低減による高周波特性の向上や、トランスの小形化が可能となる。
Vo=D・Vin/n…(3)
しかしながら、巻数比nが小さいということは、ダイオードD1,D2に印加される逆電圧が大きくなるため、より耐圧の高いダイオードが必要となる。ダイオードは耐圧が高くなるほど順電圧降下が大きくなるため、ダイオードの損失が増大し変換効率の低下を招くという問題がある。
図8の回路は、特許文献3によればダイオードD1,D2に電流が流れる期間を電力伝達期間とし、電流が流れない期間を電力非伝達期間とし、電力伝達期間と電力非伝達期間の比をスイッチング周波数で調整することで、出力電圧Voを一定に制御するとしている。
この場合、重負荷になってもダイオードD1,D2の電流を整流して合成した電流波形には必ず零になる期間があり、トランス2次巻線ならびにダイオードの電流実効値が増大し変換効率が低下する。また、平滑コンデンサCoの電流実効値も大きいため、大形のコンデンサが必要となり装置の小形化の妨げとなっている。
また、別の問題について以下に説明する。
図8の回路の電圧変換率Mは、図10のような特性となる。
図10においてFは規格化周波数であり、スイッチング周波数Fsに対するLrとCrとの共振周波数Frの比(F=Fs/Fr)をあらわしている。F=1のときM=1となる動作点を境界として、Mは負荷抵抗Roの値に対して依存性を示し、特に、Mが最大となる周波数が負荷によって変化する。F=1はスイッチング周波数Fsが共振周波数Frに一致する点であり、図9のt=t3〜t4の期間が無くなる。F<1では、t3<t<t4,t7<t<t0でトランスT1の1次インダクタンス(Lm+Lr)とCrとの共振電流が流れる期間となる。
ここで、Mが最大となる周波数よりもスイッチング周波数が低下すると、図11の波形図で示す動作となる。この状態を一般的に共振はずれと呼ぶ。
一方のMOSFETのオン期間に共振電流が正から負に反転すると、ボディダイオードに電流が流れる。このときMOSFETをオフしてもボディダイオードに電流が流れ続け、他方のMOSFETがオンすると一方のボディダイオードが逆回復し、大きな貫通電流が流れる。MOSFETのボディダイオードは逆回復損失が大きいため、この状態が継続すると最悪の場合MOSFETが発熱して破壊に至る。
共振はずれを防止するには、制御回路Cont1でスイッチング周波数比FがFmin以下にならないように制限すればよい。しかし、図10のようにMが最大になる点が負荷によって変化するため、直流電源電圧の急変や負荷急変,過負荷など全ての条件で共振はずれを防止するFminを設定することは非常に困難となる。
上記課題を解決するため、請求項1の発明では、第1のスイッチ素子と第1のダイオードと第1のコンデンサとの並列回路で構成される第1のスイッチ回路と、第2のスイッチ素子と第2のダイオードと第2のコンデンサとの並列回路で構成される第2のスイッチ回路との直列回路を直流電源と並列に接続し、第1,第2いずれかのスイッチ回路と並列に、インダクタンス素子と第1のトランスの1次巻線と第2のトランスの1次巻線とコンデンサとの直列回路を接続し、第1のトランスと第2のトランスのそれぞれ2次巻線に発生する電圧を整流平滑して直流出力を得るスイッチング電源装置において、
前記インダクタンス素子,第1のトランスおよび第2のトランスのインダクタンス値の和と前記コンデンサの静電容量値とで決まる直列共振周波数以上の周波数で、第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子を交互にオン・オフさせることを特徴とする。
請求項2の発明では、前記第1と第2のスイッチ素子はそれぞれオンデューティを0.5とし、スイッチング周波数を調整して前記直流出力電圧を一定に制御する制御回路を備えることを特徴とする。
請求項3の発明では、前記第1のトランスと第2のトランスは、それぞれの1次インダクタンス値がほぼ等しく、それぞれの1次巻線と2次巻線の巻数比を等しくすることを特徴とする。
請求項4の発明では、前記スイッチング周波数の最小値が、前記第1のトランスまたは第2のトランスのいずれか一方の1次インダクタンス値と前記インダクタンス素子のインダクタンス値の和と前記コンデンサの静電容量値とで決まる直列共振周波数よりも大きくなるように制御する制御回路を備えることを特徴とする。
請求項5の発明では、前記第1のトランスと第2のトランスは1次巻線と2次巻線の巻数比nを、前記直流電源の最大入力電圧をVin(max),前記直流出力電圧をVoとするとき、
n>Vin(max)/(4Vo)
に設定することを特徴とする。
請求項6の発明では、前記直流出力電圧を制御するためのフィードバック信号値に応じてスイッチング周波数を制御し、フィードバック信号値がスイッチング周波数の上限値に相当する値を下回ったらスイッチング周波数を固定し、前記第1,第2のスイッチ素子のオンデューティを可変させて出力電圧を制御する制御回路を備えることを特徴とする。
請求項1〜5のいずれか1つに記載のスイッチング電源装置。
請求項7の発明では、前記第1のトランスと第2のトランスは1次巻線と2次巻線の巻数比を、前記直流電源の最大入力電圧をVin(max),前記直流出力電圧をVoとするとき、
n<Vin(max)/(4Vo)
とし、前記直流出力電圧を制御するためのフィードバック信号値に応じてスイッチング周波数を制御し、フィードバック信号値がスイッチング周波数の上限値に相当する値を下回ったらスイッチング周波数を固定し、前記第1,第2のスイッチ素子のオンデューティを可変させて出力電圧を制御する制御回路を備えることを特徴とする。
請求項1〜4の発明によれば、トランスの巻数比を小さくすることなく出力電圧を一定に制御できるので、耐圧の低いダイオードが使用でき変換効率が向上する。
請求項5の発明によれば、共振はずれを防止するために設定する最小周波数の設定が容易になり、電源装置の信頼性が向上する。
請求項6の発明によれば、軽負荷時の周波数上昇を抑制するとともに、トランスの励磁電流を低く抑制でき、軽負荷から重負荷まで変換効率の向上が可能となる。
請求項7の発明によれば、重負荷時のトランスの磁束振幅を小さく抑制でき、コアロスが低減可能となる。
図1に請求項1に基づくこの発明の第1の実施形態をあらわすスイッチング電源装置の回路図を示す。
図5の回路との相違点はトランスT1,T2のインダクタンス成分とインダクタンス素子LzとコンデンサCrとの間で直列共振回路を形成するとともに、制御回路Cont1をオンデューティ0.5の周波数制御としている点である。つまり、回路上は図5と同様であるが、図5では直列共振回路は形成されていない。また、図1や図5の素子Q1,Q2には通常並列に、寄生容量や内部インダクタンスが存在するが図示を省略している。
以下に、図1の回路動作を図2の波形図を参照して説明する。
インダクタンス素子LzはQ1,Q2のスイッチング時にコンデンサCsと部分共振動作し、Q1とQ2を零電圧スイッチングさせる。なお、LzはT1,T2のリーケージインダクタンスLr1とLr2で代用することで省略可能である。以後の説明ではLzを省略するものとする。また、CsはQ1,Q2の寄生容量で代用し省略しても良い。
ここで、T1とT2のそれぞれの1次インダクタンス値はほぼ同じ値とし、それぞれの巻数比nを等しくし、Q1とQ2のオンデューティを0.5とする。こうすることで、図2のようにIQ1,IQ2波形ならびにID1,ID2波形は対称となり、Q1とQ2ならびにD1,D2それぞれの損失に伴う発熱が等しくなる。
Q1とQ2,D1とD2は、それぞれ共通のヒートシンクに熱的に結合されて冷却されるが、ヒートシンクの冷却能力は、Q1とQ2(D1,D2)の発熱量の大きい方の素子の発熱量に合わせて選定される。つまり、Q1とQ2(D1,D2)の発熱量がアンバランスであると、発熱量の大きい方の素子に合わせて大型のヒートシンクが選定される。
上記のとおり、この発明によれば、Q1とQ2ならにD1とD2それぞれの損失に伴う発熱が等しくなるので、過剰なヒートシンクは不要となり、その結果、Q1,Q2ならびにD1,D2を冷却するためのヒートシンクの大型化を防ぐことができる(請求項2,3の発明)。
ここで、T1とT2の1次インダクタンスが等しいとしてその値をLpとし、リーケージインダクタンスはLpに対して十分小さいとして無視すると、図1の回路の電圧変換率Mは図3の特性となる。
ここでFはLpとCsとの共振周波数Frに対するスイッチング周波数Fsの比(F=Fs/Fr)とする。
図3によると、電圧変換率Mが最大になるFは負荷に関係なく1/√2となる。これは、F>1では、T1とT2いずれか一方の1次インダクタンスLpとコンデンサCrの共振で動作し、F≦1ではT1とT2の1次インダクタンスの和とコンデンサCrの共振で動作することによる。
F<1/√2では、図8の回路と同様に共振はずれのモードになることから、F>1/√2で動作させる。ここで、電圧変換率Mが最大になるFは負荷に関係なく一定であることから、直流電源電圧の急変や負荷急変,過負荷など全ての条件で共振はずれを防止するFminを設定することが非常に容易となる。つまり、共振はずれの無い信頼性の高いスイッチング電源装置を構成することができる。
次に、1/√2<F<1では、ダイオードD1,D2で整流した電流波形ID1+ID2には零になる期間があって図9と同様な波形となり、D1,D2ならびにCoに流れる電流の実効値は大きいものとなる。
F>1では、ID1+ID2は零になる期間が無く、直流電流に僅かに交流電流が重畳した動作となり、図8の回路よりもD1,D2の電流実効値および平滑コンデンサCoの電流実効値は小さくできる。従って、請求項4の発明のように、制御回路Cont1の最低動作周波数をF>1とすることで、変換効率の向上,部品の小形化が可能になる。
また、F>1の領域ではFが大きくなるにつれてM=0.5に収束する。従って、スイッチング電源装置の全動作範囲においてM>0.5となるように動作点を設定すれば、スイッチング周波数の過大な増加を抑制することができる。具体的には、出力電圧はVo=Vin・M/(2n)であるからトランスの巻数比nを、
n>Vin(max)・Mmin/(2Vo)=Vin(max)/(4Vo)
とすれば良い(請求項5の発明)。
しかしながら、トランス巻数比nがVin(max)/(4Vo)に近い値の場合は、軽負荷時にスイッチング周波数が大幅に増加し、軽負荷時の効率が低下する。そこで、直流出力電圧を制御するためのフィードバック信号値がスイッチング周波数の上限値に相当する値を超えたらスイッチング周波数を固定し、前記第1,第2のスイッチ素子のオンデューティを可変させるように制御する(請求項6の発明)。
図4は請求項6の実施形態を説明する制御特性図である。以下、この発明の制御特性について説明する。
ここでは、周波数比FとオンデューティDが、フィードバック電圧VFBに応じて制御される。
VFB≧V3ではオンデューティDを0.5とし、スイッチング周波数をF(min)に制限し、共振はずれを防止する。
V3≧VFB≧V2ではオンデューティDを0.5とし、スイッチング周波数比Fを可変させる。
V2≧VFB≧V1ではスイッチング周波数をF(max)に制限し、オンデューティDを可変させる。
V1≧VFB≧0ではオンデューティDを0としてスイッチングを停止させる。
ここで、電圧変換率Mは0からMmaxの範囲で連続的に変化する特性となり、軽負荷から重負荷までスイッチング周波数を過大に増加させることなく出力電圧Voを一定に制御することが可能となる。
次に請求項7に基づくこの発明について説明する。
トランスの巻数比nを、
n<Vin(max)/(4Vo)
とした場合、トランスT1,T2の励磁電流ILm1,ILm2は重負荷時に零クロスせず、正または負の値で上昇と下降を繰り返す。このときトランスの磁束振幅は励磁電流が零クロスした場合に比べて小さくなり、コアロスの低減が可能となり変換効率が向上する。
ところが、出力電圧Voを一定に制御する条件は、
M<Vin(max)/(2Vin)
であり、入力電圧Vinが最大値となるときM<0.5となる。図3の電圧変換率特性によれば、電圧変換率Mの最小値は0.5であることから、入力電圧Vinが最大値となる動作条件では、スイッチング周波数を無限大にしても出力電圧Voが設定値を超えることを意味している。したがって、請求項6の発明と同様の制御方法とすることにより、電圧変換率Mを0.5以下とすることができ、全入力電圧範囲で出力電圧Voを一定に制御することが可能となる。
この発明の実施形態を示す回路図 図1の回路動作を説明する波形図 図1の回路の電圧変換率特性図 本発明の制御特性を説明する制御特性図 第1の従来技術を示す回路図 図5の回路動作を説明する波形図 図5の回路の電圧変換率特性図 第2の従来技術を示す回路図 図8の回路動作を説明する波形図 図8の回路の電圧変換率特性図 図8の回路の課題を説明する動作波形図
符号の説明
Vin…直流電源電圧、Q1,Q2…MOSFET、D1,D2…ダイオード、T1,T2…トランス、Cr,Cs…コンデンサ、Co…平滑コンデンサ、FB1…フィードバック回路、Cont1…制御回路、Ro…負荷

Claims (7)

  1. 第1のスイッチ素子と第1のダイオードと第1のコンデンサとの並列回路で構成される第1のスイッチ回路と、第2のスイッチ素子と第2のダイオードと第2のコンデンサとの並列回路で構成される第2のスイッチ回路との直列回路を直流電源と並列に接続し、第1,第2いずれかのスイッチ回路と並列に、インダクタンス素子と第1のトランスの1次巻線と第2のトランスの1次巻線とコンデンサとの直列回路を接続し、第1のトランスと第2のトランスのそれぞれ2次巻線に発生する電圧を整流平滑して直流出力を得るスイッチング電源装置において、
    前記インダクタンス素子,第1のトランスおよび第2のトランスのインダクタンス値の和と前記コンデンサの静電容量値とで決まる直列共振周波数以上の周波数で、第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子を交互にオン・オフさせることを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記第1と第2のスイッチ素子はそれぞれオンデューティを0.5とし、スイッチング周波数を調整して前記直流出力電圧を一定に制御する制御回路を備えることを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源装置。
  3. 前記第1のトランスと第2のトランスは、それぞれの1次インダクタンス値がほぼ等しく、それぞれの1次巻線と2次巻線の巻数比を等しくすることを特徴とする請求項1または2に記載のスイッチング電源装置。
  4. 前記スイッチング周波数の最小値が、前記第1のトランスまたは第2のトランスのいずれか一方の1次インダクタンス値と前記インダクタンス素子のインダクタンス値の和と前記コンデンサの静電容量値とで決まる直列共振周波数よりも大きくなるように制御する制御回路を備えることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載のスイッチング電源装置。
  5. 前記第1のトランスと第2のトランスは1次巻線と2次巻線の巻数比nを、前記直流電源の最大入力電圧をVin(max),前記直流出力電圧をVoとするとき、
    n>Vin(max)/(4Vo)
    に設定することを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のスイッチング電源装置。
  6. 前記直流出力電圧を制御するためのフィードバック信号値に応じてスイッチング周波数を制御し、フィードバック信号値がスイッチング周波数の上限値に相当する値を下回ったらスイッチング周波数を固定し、前記第1,第2のスイッチ素子のオンデューティを可変させて出力電圧を制御する制御回路を備えることを特徴とする請求項1〜5のいずれか1つに記載のスイッチング電源装置。
  7. 前記第1のトランスと第2のトランスは1次巻線と2次巻線の巻数比を、前記直流電源の最大入力電圧をVin(max),前記直流出力電圧をVoとするとき、
    n<Vin(max)/(4Vo)
    とし、前記直流出力電圧を制御するためのフィードバック信号値に応じてスイッチング周波数を制御し、フィードバック信号値がスイッチング周波数の上限値に相当する値を下回ったらスイッチング周波数を固定し、前記第1,第2のスイッチ素子のオンデューティを可変させて出力電圧を制御する制御回路を備えることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1つに記載のスイッチング電源装置。
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