JP5109333B2 - 電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、直流電圧を出力する電源装置に関し、特に、電源装置の電流バランスをとる技術に関する。
図4は、従来の電源装置の構成を示す図である。この電源装置は、交流電源ACからの交流電圧を整流するブリッジ回路DB1と、ブリッジ回路DB1の出力を平滑するコンデンサC1とを備え、コンデンサC1の両端には、トランスTの1次巻線Pとスイッチング素子Q1とから成る直列回路が接続されている。スイッチング素子Q1は、例えばMOSFETから構成されている。
トランスTの2次巻線Sには、出力ダイオードD5とコンデンサC51とからなる整流平滑回路が接続されている。出力ダイオードD5は、ダイオードD51とダイオードD52とが並列に接続されて構成されている。この整流平滑回路は、トランスTの2次巻線Sに誘起された交流電圧を整流した後に平滑し、出力端子+Voutおよび−Vout間に出力する。
出力端子+Voutおよび−Vout間には、出力電圧Voを分圧する分圧抵抗として、抵抗R53および抵抗R54が接続されている。また、出力端子+Voutおよび−Vout間には、フォトカプラPC1の発光ダイオード、抵抗R52およびシャントレギュレータZ51が直列に接続された誤差検出回路が設けられている。シャントレギュレータZ51のリファレンス端子Rは、抵抗R53と抵抗R54との接続点に接続されている。また、抵抗R53および抵抗R54の接続点と、抵抗R52とシャントレギュレータZ51との接続点との間にはコンデンサC52が接続されている。
また、トランスTの補助巻線Cには、ダイオードD4とコンデンサC2とからなる整流平滑回路が接続されている。この整流平滑回路は、トランスTの補助巻線Cに誘起された交流電圧を整流した後に平滑し、この平滑により得られた直流電圧を、制御回路CONTの電源として、制御回路CONTに供給する。
制御回路CONTは、誤差検出回路のフォトカプラPC1の発光ダイオードからフォトカプラPC1のフォトトランジスタを介して、フィードバック信号として送られてくる誤差電圧(出力電圧Voと所定の基準電圧との差電圧)に基づき、スイッチング素子Q1を、オン/オフ制御するための制御信号を生成する。この際、制御信号のデューティ比は、出力電圧Voが所定電圧になるように制御される。
次に、上記のように構成される従来の電源装置の動作を説明する。交流電源ACからの交流電圧をブリッジ回路DB1で整流し、コンデンサC1で平滑することにより得られた直流電圧は、起動抵抗R1を介してコンデンサC2に印加され、これによりコンデンサC2が充電される。このコンデンサC2の電圧が、充電によって制御回路CONTの起動電圧に到達すると、制御回路CONTが動作を開始する。すなわち、制御回路CONTは、G端子からスイッチング素子Q1のゲート端子に、オン/オフする駆動電圧を供給する。これにより、スイッチング素子Q1がスイッチング動作を開始する。
まず、スイッチング素子Q1がオンすると、コンデンサC1→トランスTの1次巻線P→スイッチング素子Q1→コンデンサC1といった経路で電流が流れ、トランスTにエネルギーが蓄えられる。次いで、スイッチング素子Q1がオフすると、トランスTに蓄えられたエネルギーがトランスTの2次巻線Sから、出力ダイオードD5(具体的にはダイオードD51とダイオードD52)およびコンデンサC51を経由することにより整流および平滑され、出カ端子+Voutおよび−Voutから直流電圧が出力電圧Voとして出力される。
出カ端子+Voutおよび−Vout間に出力された出力電圧Voは、抵抗R53と抵抗R54とで分圧されてシャントレギュレータZ51のリファレンス端子Rに入力される。シャントレギュレータZ51は、このリファレンス端子Rに入力された電圧と、シャントレギュレータZ51の内部の基準電圧とを比較して、リファレンス端子Rに入力された電圧(出力電圧Voに比例した電圧)が基準電圧より高くなった場合に、シャントレギュレータZ51のカソード端子KをLレベルにする。これにより、出力端子+Vout→フォトカプラPC1の発光ダイオード→抵抗R52→シャントレギュレータZ51→出力端子−Voutといった経路で電流が流れ、フォトカプラPC1を介して1次側にフィードバック信号が伝達される。
1次側に伝達されたフィードバック信号は、フォトカプラPC1のフォトトランジスタから制御回路CONTのフィードバック端子FBに入力される、このフィードバック信号により制御回路CONTは、スイッチング素子Q1のゲート端子に供給する駆動電圧のデューティを制御し、スイッチング素子Q1がスイッチングする毎にトランスTに蓄えられるエネルギー量を調整して、出力電圧Voを一定に制御する。
ところで、図4に示す電源装置の出カ電力が大きい場合、電源装置を構成する各部品の容量を大きくする必要があり、出力ダイオードD5の容量も大きくする必要がある。しかしながら、容量が大きい部品は生産数量が少なくコストが高い。そこで、生産数量の多い小さな容量の部品を並列に接続して使用することがしばしば行われている。図4に示す電源装置では、出カダイオードとして、ダイオードD51とダイオードD52とを並列に接続することにより大電カ化に対応している。
従来の電源装置では、出カダイオードとして、一般的なシリコン(Si)ダイオードが用いられている。図1(b)は、シリコンダイオードの順方向電流If対順方向電圧Vfの温度を含めた関係を示す。シリコンダイオードは、順方向電流が増えると順方向電圧が大きくなるという特性を有するが、順方向電圧が大きくなると損失が大きくなって順方向電圧が小さくなるという傾向がある。したがって、シリコンダイオードを並列に接続して出力ダイオードを構成した場合、発熱が大きい方のダイオードの順方向電圧が低下し、その結果、発熱が大きい方のダイオードに電流が益々集中し、さらに発熱が大きくなるという問題がある。このような、電流と発熱が一方のダイオードに集中しやすいという問題を回避するために、従来の電源装置では、特性が揃ったダイオードを用いることの他に、1つの放熱器に2個のダイオードを取り付けて熱結合させることによって熱バランスをとり、これにより、電流をバランスさせている。ダイオードD51およびダイオードD52を囲った破線部分が放熱器による熱結合を示している。
図5は、従来の他の電源装置の構成を示す図である。この電源装置は、2台のDC−DCコンバータの出力の電流バランスをとって並列運転させるようにしたものである。この電源装置は、第1DC−DCコンバータDD1、第2DC−DCコンバータDD2、ダイオードD1、ダイオードD2、抵抗RS1および抵抗RS2から構成されている。
第1DC−DCコンバータDD1は、入力端子+INおよび−IN間に供給された直流電圧を他の直流電圧に変換して出力する。同様に、第2DC−DCコンバータDD2は、入力端子+INおよび−IN間に供給された直流電圧を他の直流電圧に変換して出力する。これら第1DC−DCコンバータDD1と第2DC−DCコンバータDD2とは、ダイオードORによって並列に接続されている。
すなわち、第1DC−DCコンバータDD1の一方の出力端子は、逆流防止用のダイオードD1を介して出力端子+Voutに接続され、他方の出力端子は、電流検出用の抵抗RS1を介して出力端子−Voutに接続されている。同様に、第2DC−DCコンバータDD1の一方の出力端子は、逆流防止用のダイオードD2を介して出力端子+Voutに接続され、他方の出力端子は、電流検出用の抵抗RS2を介して出力端子−Voutに接続されている。
また、出力端子−Voutは、第1DC−DCコンバータDD1および第2DC−DCコンバータDD2に接続され、第1DC−DCコンバータDD1と第2DC−DCコンバータDD2との間は、各々の電流バランス端子を介して接続されている。第1DC−DCコンバータDD1の電流バランス端子は、電流検出用の抵抗RS1で検出された電圧を増幅器にて増幅し、インピーダンスを介して出力する端子である。同様に、第2DC−DCコンバータDD2の電流バランス端子は、電流検出用の抵抗RS2で検出された電圧を増幅器にて増幅し、インピーダンスを介して出力する端子である。
第1DC−DCコンバータDD1および第2DC−DCコンバータDD2の各々は、例えば図4に示すような構成を有し、フィードバック制御がなされているため、出力電圧Voが所定値以上になると停止する。完全な停止からの復帰には少なくない時間を要するため、第1DC−DCコンバータDD1および第2DC−DCコンバータDD2が別々に負荷を駆動する場合は、ダイナミックな負荷応答はできない。このような問題を解消するため、一般的に、2台のDC−DCコンバータを、ダイオードを介して並列接続、つまりダイオードORで接続することが行われている。これにより、各DC−DCコンバータは、動作し続けることができる。ただし、出力電圧Voが低い方のDC−DCコンバータは、無負荷状態になる。
このようなダイオードORに用いられる従来のシリコンダイオードは、電流が流れると発熱して順方向電圧Vfが低下し、益々出力電流が増加する。したがって、電流のアンバランスが発生しやすいという問題がある。この問題を改善するために、この電源装置は、次のように動作する。すなわち、第1DC−DCコンバータDD1および第2DC−DCコンバータDD2の電流バランス端子は、電流検出用の抵抗RS1および抵抗RS2でそれぞれ検出された電圧を増幅器にて増幅し、インピーダンスを介して出力する端子であるので、電流値が異なると、各々のインピーダンスの両端に電圧が発生する。第1DC−DCコンバータDD1および第2DC−DCコンバータDD2は、この電圧が発生しないように、各々の出カ電圧Voを調節する。これにより、第1DC−DCコンバータDD1が出力する電流と、第2DC−DCコンバータDD2が出力する電流とがバランスする。
なお、電流バランスをとる技術として、例えば特許文献1は、一方の電源盤の出力電圧が異常に上昇しても出力電流のバランスがとれ安定に動作することができる出力電流バランス型DC−DCコンバータを開示している。このDC−DCコンバータは、オアダイオードのアノードとカソード間に出力電圧補正回路を設け、出力電圧補正回路の第1の増幅器の反転端子にオアダイオードのカソード側電圧検出抵抗を接続し、出力電圧補正回路の第1の増幅器の非反転端子にオアダイオードのアノード側電圧検出抵抗を接続し、第1の増幅器の出力側を、補正抵抗を経由して制御回路の2つの出力電圧検出抵抗の結合点に接続し、結合点を制御回路の第2の増幅器の入力端子に接続し、出力電圧補正回路の出力電圧を基準電圧と比較して出力側を電源調整用フィードバック回路に送出するように構成されている。
特開平6−339263号公報
上述した従来の電源装置では、2つのダイオードを熱結合させることにより電流バランスをとっているので、熱抵抗が大きかったり、ダイオードの特性が異なったりすると、直ちに電流がアンバランスになるという問題がある。
また、上述した従来の他の電源装置では、電流検出用の抵抗をDC−DCコンバータの出力側に備える必要があるため、その抵抗による損失が発生するという問題がある。また、DC−DCコンバータの内部に電流バランスをとるための回路が必要となり、部品点数が増加してコストアップにつながるという問題がある。
本発明の課題は、損失を低減させつつ、少ない部品点数で電流バランスをとることができる電源装置を提供することにある。
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、直流電源の出力端子間に接続されたトランスの1次巻線とスイッチング素子とから成る直列回路と、スイッチング素子のオン/オフを制御する制御回路と、トランスの2次巻線の端子間に接続され、制御回路の制御によってスイッチング素子がオン/オフすることにより2次巻線に誘起された交流を整流する出力ダイオードとを備え、出力ダイオードは、並列に接続されたワイドギャップ半導体から成る複数のダイオードを備え、複数のダイオードは、それぞれ電流の変化に応じてそれぞれのダイオードに温度変化が生じる配置とし、複数のダイオードのうち温度の高いダイオードの電流が減少することを特徴とする。
また、請求項記載の発明は、請求項1記載の発明において、ワイドギャップ半導体を、ガリウムナイトライド(GaN)またはシリコンカーバイト(SiC)から構成したことを特徴とする。
また、請求項記載の発明は、直流を出力する第1電源装置と、直流を出力する第2電源装置と、第1電源装置の出力にアノードが接続されたワイドギャップ半導体から成る第1ダイオードと、第2電源装置の出力にアノードが接続され、且つカソードが第1ダイオードのカソードに接続されたワイドギャップ半導体から成る第2ダイオードとを備え、第1および第2ダイオードは、それぞれ電流の変化に応じてそれぞれのダイオードに温度変化が生じる配置とし、第1および第2ダイオードのうち温度の高いダイオードの電流が減少することを特徴とする。
また、請求項記載の発明は、請求項3記載の発明において、ワイドギャップ半導体を、ガリウムナイトライド(GaN)またはシリコンカーバイト(SiC)から構成したことを特徴とする。
請求項1記載の発明によれば、トランスの2次巻線に誘起された交流を整流する出力ダイオードを、並列に接続されたワイドギャップ半導体から成る複数のダイオードによって構成し、複数のダイオードは、それぞれ電流の変化に応じてそれぞれのダイオードに温度変化が生じる配置とし、複数のダイオードのうち温度の高いダイオードの電流が減少するので、ワイドギャップ半導体からなるダイオードの順方向電圧降下の特性を利用して複数のダイオードに流れる電流をバランスさせることができる。したがって、特別な回路は不要であるので、損失は発生せず、しかも少ない部品点数で電流バランスをとることができる。その結果、高効率であると同時に安価で信頼性の高い電源装置を提供できる。
また、請求項記載の発明によれば、第1電源装置の出力にアノードが接続されたワイドギャップ半導体から成る第1ダイオードと、第2電源装置の出力にアノードが接続され、且つカソードが第1ダイオードのカソードに接続されたワイドギャップ半導体から成る第2ダイオードとを備え、第1および第2ダイオードは、それぞれ電流の変化に応じてそれぞれのダイオードに温度変化が生じる配置とし、第1および第2ダイオードのうち温度の高いダイオードの電流が減少するので、ワイドギャップ半導体からなるダイオードの順方向電圧降下の特性を利用して第1ダイオードおよび第2ダイオードに流れる電流をバランスさせることができる。したがって、特別な回路は不要であるので、損失は発生せず、しかも少ない部品点数で電流バランスをとることができる。その結果、高効率であると同時に安価で信頼性の高い電源装置を提供できる。
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
本発明の実施例1に係る電源装置は、ワイドギャップ半導体によるダイオードの順方向電圧降下を利用して出力ダイオードの電流バランスをとるものである。ワイドギャップ半導体の代表例としては、III−V族半導体、特に窒化物半導体であるガリウムナイトライド(GaN)やシリコンカーバイト(SiC)などが挙げられる。
まず、一般に使用されているシリコン(Si)半導体により作製されたダイオード(以下、「Siダイオード」という)と、ワイドギャップ半導体の1つであるSiCにより作製されたダイオード(以下、「SiCダイオード」という)のVf−If特性の違いを、図1を参照しながら説明する。
一般のSiダイオードは、図1(b)に示すように、順方向電流Ifの増加に連れて順方向電圧Vfも大きくなるので、同一温度という条件の下では、電流がバランスできることになるが、実際には順方向電圧Vfによる損失が発生して素子の温度が上昇する。Siダイオードは、温度上昇に連れて順方向電圧Vfが低下するという性質を有し、たとえ順方向電流Ifが増加したとしても、順方向電圧Vfは増加せず、電流をバランスさせることはできない。
これに対し、SiCダイオードは、図1(a)に示すように、順方向電流Ifの増加に連れて順方向電圧Vfが大きくなるとともに、温度が上昇するに連れて順方向電圧Vfが大きくなる特性を有する。すなわち、デバイス(例えばダイオード)または回路(例えばDC−DCコンバータ)を並列に接続した場合、電流が大きくなるに連れて順方向電圧Vfが大きくなり、並列に接続されたデバイスまたは回路の各々の電流をバランスさせることが可能になる。
図2は、上述した原理を用いた、本発明の実施例1に係る電源装置の構成を示す図である。この電源装置は、出力ダイオードD5a、具体的にはダイオードD53およびD54が、図4に示した従来のダイオードD51およびD52と異なるのみである。したがって、以下では、図4に示した従来の電源装置と異なる部分を中心に説明する。
実施例1に係る電源装置では、出カダイオードD5aとして、ダイオードD53とダイオードD54を並列に接続し、これにより大電カ化に対応している。ダイオードD53とダイオードD54として、ワイドギャップ半導体であるSiCやGaNから成るダイオードが用いられている。また、ダイオードD53とダイオードD54は、別々の放熱器に接続されている。
図4に示す従来の電源装置における出力ダイオードのように、2つのダイオードを熱結合する必要がないからである。ダイオードD53およびダイオードD54を囲った破線部分が別々の放熱器を示している。
SiCやGaNから成るダイオードは、順方向電流が増加するに連れて順方向電圧Vfが大きくなり、同時に、温度が上昇すると順方向電圧Vfが大きくなる特性を有する。すなわち、デバイス(ダイオードD53およびダイオードD54)を並列に接続した場合、電流が大きくなるに連れて順方向電圧Vfが大きくなり、並列に接続されたデバイスの各々の電流をバランスさせることが可能になる。
図2に示す電源装置では、より高感度に電流をバランスさせるために、別々の放熱器にダイオードを接続したが、図4に示す従来の電源装置のように、同一の放熱器に2つのダイオードを接続しても、ダイオードの本来の特性から上述した効果と同様の効果が得られる。すなわち、ワイドギャップ半導体であるSiCやGaNから成るダイオードの場合、ダイオードを単純に並列に接続しただけで、ダイオード間の電流バランスを容易にとることができる。
また、2つのダイオードを熱結合させる必要も無く容易に並列運転が実現できるという利点がある。また、これらダイオードD53およびダイオードD54の順方向電圧Vfのバラツキは、温度上昇によって容易に吸収されるため、理想的な電流バランスをとることが可能になる。さらに、出力電圧Voを一定にした状態で電流バランスをとるため、必然的に電カバランスもとれる。
なお、上述した実施例1に係る電源装置では、ワイドギャップ半導体からなるダイオードD53およびダイオードD54として、ガリウムナイトライド(GaN)またはシリコンカーバイト(SiC)から成るダイオードを用いたが、これらは、ショットキーバリアダイオード構造でも良い。
本発明の実施例2に係る電源装置は、ワイドギャップ半導体によるダイオードの順方向電圧降下を利用して2台のDC−DCコンバータの出力電流の電流バランスをとるものである。
図3は、本発明の実施例2に係る電源装置の構成を示す図である。この電源装置は、図5に示した従来の電源装置から電流検出用の抵抗RS1および抵抗RS2が除去されるとともに、第1DC−DCコンバータDD1と第2DC−DCコンバータDD2とに設けられた電流バランス端子が除去されて構成されている。なお、図示は省略しているが、第1DC−DCコンバータDD1および第2DC−DCコンバータDD2の各々の内部に設けられている電流バランスをとるための回路も除去されている。
また、この電源装置では、図5に示した従来の電源装置の逆流防止用のダイオードD6およびダイオードD7として、ワイドギャップ半導体としてのSiCやGaNから成るダイオードが用いられている。なお、第1DC−DCコンバータDD1は、本発明の第1電源装置に対応し、第2DC−DCコンバータDD2は、本発明の第2電源装置に対応する。
上記のように構成される実施例2に係る電源装置によれば、DC−DCコンバータによる並列回路の逆流防止用のダイオードとしてワイドギャップ半導体を用いたので、次のような利点がある。すなわち、負荷電流が増加するに連れて順方向電圧Vfも大きくなるため、電流検出用の回路および電流バランスをとるための回路を用いなくても2つのDC−DCコンバータの出力電流をバランスさせることが可能になる。
また、ダイオードD6およびダイオードD7の順方向電圧Vfのバラツキは、温度上昇によって容易に吸収されるため、理想的な電流バランスをとることが可能になる。さらに、出力電圧Voを一定にした状態で電流バランスをとるため、必然的に電カバランスもとれる。
なお、上述した実施例2に係る電源装置では、ワイドギャップ半導体からなるダイオードD6およびダイオードD7として、ガリウムナイトライド(GaN)またはシリコンカーバイト(SiC)から成るダイオードを用いたが、これらは、ショットキーバリアダイオード構造でも良い。
本発明は、出力電力が大きいスイッチング電源装置、複数の電源装置を並列運転させる電源システムに利用可能である。
SiCダイオードとSiダイオードのVf−If特性を比較して示す図である。 本発明の実施例1に係る電源装置の構成を示す図である。 本発明の実施例2に係る電源装置の構成を示す図である。 従来の電源装置の構成を示す図である。 従来の他の電源装置の構成を示す図である。
符号の説明
AC 交流電源
DB1 ブリッジ回路
Q1 スイッチング素子、
トランスT トランス
P トランスの1次巻線
S トランスの2次巻線
C トランスの補助巻線
R1、R52〜R54 抵抗
C1、C2、C51、C52 コンデンサ
D1、D2、D4、D6、D7、D51、D52、D53、D54 ダイオード
D5 出力ダイオード
CONT 制御回路
PC1 フォトカプラ
Z51 シャントレギュレータ
+Vout、−Vout 出力端子
DD1 第1DC−DCコンバータ
DD2 第2DC−DCコンバータ

Claims (4)

  1. 直流電源の出力端子間に接続されたトランスの1次巻線とスイッチング素子とから成る直列回路と、
    前記スイッチング素子のオン/オフを制御する制御回路と、
    前記トランスの2次巻線の端子間に接続され、前記制御回路の制御によって前記スイッチング素子がオン/オフすることにより前記2次巻線に誘起された交流を整流する出力ダイオードとを備え、
    前記出力ダイオードは、並列に接続されたワイドギャップ半導体から成る複数のダイオードを備え
    前記複数のダイオードは、それぞれ電流の変化に応じてそれぞれのダイオードに温度変化が生じる配置とし、前記複数のダイオードのうち温度の高いダイオードの電流が減少することを特徴とする電源装置。
  2. 前記ワイドギャップ半導体は、ガリウムナイトライド(GaN)またはシリコンカーバイト(SiC)から成ることを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  3. 直流を出力する第1電源装置と、
    直流を出力する第2電源装置と、
    前記第1電源装置の出力にアノードが接続されたワイドギャップ半導体から成る第1ダイオードと、
    前記第2電源装置の出力にアノードが接続され、且つカソードが前記第1ダイオードのカソードに接続されたワイドギャップ半導体から成る第2ダイオードと、
    を備え、
    前記第1および第2ダイオードは、それぞれ電流の変化に応じてそれぞれのダイオードに温度変化が生じる配置とし、前記第1および第2ダイオードのうち温度の高いダイオードの電流が減少することを特徴とする電源装置。
  4. 前記ワイドギャップ半導体は、ガリウムナイトライド(GaN)またはシリコンカーバイト(SiC)から成ることを特徴とする請求項3記載の電源装置。
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