JP5214779B2

JP5214779B2 - 電源装置

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Publication number: JP5214779B2
Application number: JP2011171207A
Authority: JP
Inventors: 尊衛嶋田; 輝三彰谷口; 浩幸庄司
Original assignee: Hitachi Computer Peripherals Co Ltd
Current assignee: Hitachi Information and Telecommunication Engineering Ltd
Priority date: 2011-08-04
Filing date: 2011-08-04
Publication date: 2013-06-19
Anticipated expiration: 2027-12-11
Also published as: JP2011229396A

Description

本発明は、電源装置に関する。

近年、電子機器の小型化、高効率化、低コスト化に伴い、電源装置にも小型化、高効率化、低コスト化が求められている。下記の特許文献１には、２つのインダクタで磁気ループの一部を共用し、低コスト化を図ったインダクタが開示されている。この特許文献１には、１つのコア部材を用いて、磁気的に独立した２つのインダクタを提供する技術が開示されている。

また、下記の特許文献２には、複数の閉磁路に複数の巻線を巻回して構成した、共振用リアクトルと平滑用リアクトルが開示されている。この特許文献２に開示された共振用リアクトルは、平滑用リアクトルと磁気的に結合しており、平滑用リアクトルに流れる電流を減少させるものである。

また、下記の特許文献３には、１つの閉磁路に２つの巻線を施したチョークコイルが開示されている。この特許文献３に開示されたチョークコイルは、所定のインダクタンスを容易に得ることができて小型で安価なチョークコイルや、閉磁路を形成する磁性部材に狭磁路部を設けてインダクタンスに非線形性を持たせたチョークコイルを提供するものである。

また、下記の非特許文献１には、タップ付インダクタ形フィルタを用いた絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータが開示されている。この非特許文献１に開示されたＤＣ−ＤＣコンバータは、平滑インダクタがエネルギーを放出する期間に、トランスに流れる循環電流を低減し、高効率なＤＣ−ＤＣコンバータを提供するものである。

特開平８−２９８２１９号公報特開２００５−１７６５４０号公報特開２００１−３１９８１７号公報

電子情報通信学会技術研究報告．ＥＥ，電子通信エネルギー技術Ｖｏｌ．１０２，Ｎｏ．４７５（２００２１０１８）ｐｐ．７３−７８

特許文献１に開示された従来のインダクタでは、２つのインダクタは磁気的に独立しており、電源回路の設計自由度を制限する場合があった。

また、特許文献２に開示された従来のリアクトルでは、２つのリアクトルの磁気結合極性は、リアクトルに流れる電流の向きや大きさによらず同極性であり、やはり電源回路の設計自由度を制限する場合があった。

また、特許文献３に開示された従来のチョークコイルでも、２つの巻線の磁気結合極性は、巻線に流れる電流の向きや大きさによらず同極性であり、やはり電源回路の設計自由度を制限する場合があった。

また、非特許文献１に開示された従来のＤＣ−ＤＣコンバータでは、循環電流を低減するためにフリーフィーリングダイオードが必要であり、コストを増加させる要因がある欠点があった。

本発明の目的の１つは、２つのリアクトルに流れる電流の向きや大きさによって、この２つのリアクトルの磁気結合極性が変化する複合リアクトルを用いて、小型、高効率、低コストの電源装置を提供することである。

本発明に係る電源装置はその一面において、複合リアクトルと、第１及び第２のスイッチング素子を直列接続した第１のスイッチングレッグと、第３及び第４のスイッチング素子を直列接続した第２のスイッチングレッグと、前記第１及び第２のスイッチングレッグと直流電源とに並列接続された第１の平滑コンデンサと、前記第１及び第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第３及び第４のスイッチング素子の直列接続点との間に接続された、共振リアクトルとトランス１次巻線との直列接続体と、前記トランス１次巻線とトランス２次巻線とを磁気結合するトランスと、前記トランス２次巻線に生じた電圧を整流する整流回路と、前記整流回路により整流された電圧を平滑する平滑リアクトルおよび第２の平滑コンデンサと、を含み、前記第２の平滑コンデンサに並列接続された負荷に電力を供給する電源装置において、前記複合リアクトルは、少なくとも第１及び第２の閉磁路を形成し、前記各閉磁路を通る磁束の増加に伴って磁気抵抗が増加するように構成された磁性部材と、それぞれ前記第１及び第２の閉磁路の少なくとも一部を巻回する１又は複数の巻線を含み、当該各巻線を接続してなる第１のリアクトルと、それぞれ前記第１及び第２の閉磁路の少なくとも一部を巻回する１又は複数の巻線を含み、当該各巻線を接続してなる第２のリアクトルと、を含み、前記第１及び第２のリアクトルにともに電流が流れる場合に、前記第１のリアクトルに流れる電流が生成した磁束と、前記第２のリアクトルに流れる電流が生成した磁束とが、前記第１又は第２の閉磁路のうち一方の前記閉磁路については磁束を強め合い、他方の前記閉磁路については磁束を弱め合うように構成され、前記平滑リアクトルと前記共振リアクトルとに、前記第１と第２のリアクトルとを用いて、前記平滑リアクトルと前記共振リアクトルとを磁気的に結合させ、前記平滑リアクトルと前記共振リアクトルとの磁気結合極性が、前記共振リアクトルに流れる電流の向きとともに逆転するようにしたことを特徴とする。

本発明の望ましい実施態様によれば、第１及び第２のリアクトルに流れる電流の向きや大きさに応じて第１及び第２のリアクトルを構成する各巻線の磁気結合の強さが変化することによって、各リアクトルの極性が変化する複合リアクトルを電源装置の平滑リアクトルと共振リアクトルとに適用することで、絶縁型ＤＣ−ＤＣコンバータの平滑リアクトルがエネルギーを放出する期間に、共振リアクトルおよびトランス巻線に流れる循環電流を低減し、小型、高効率、低コストの電源装置を提供することができる。

本発明によるその他の目的と特徴は、以下に述べる実施例の中で明らかにする。

本発明の実施例１に係る複合リアクトルの構成図である。本発明の実施例２に係る複合リアクトルの構成図である。本発明の実施例３に係る複合リアクトルの構成図である。本発明の実施例４に係る複合リアクトルの構成図である。本発明の実施例５に係る電源装置の回路構成図である。本発明の実施例６に係る電源装置の回路構成図である。本発明の実施例７に係る電源装置の回路構成図である。本発明の実施例８に係る電源装置の回路構成図である。本発明の実施例９に係る電源装置の回路構成図である。本発明の実施例５に係る電源装置の動作を説明する電圧・電流波形図である。

本発明の実施の形態（以下、実施形態）について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図面では、同一または相当部分には同一符号を付している。また、本実施形態においては、整流素子の一例としてダイオードを用いることとするがそれに限られるものではない。

図１は、本発明の実施例１による複合リアクトルの構成図である。図１において、実施例１による複合リアクトルは、第１、第２の閉磁路を形成する磁性部材１，２を備える。磁性部材１には巻線１０１，１０３が巻回され、磁性部材２には巻線１０２，１０４が巻回されている。巻線１０３の一端と巻線１０４の一端とを接続し、巻線１０３の他端を端子１２３とし、巻線１０４の他端を端子１２４とし、端子１２３，１２４間をリアクトル２１とする。巻線１０１と巻線１０２とは、リアクトル２１に流れる電流を変化させた場合に生じる巻線１０１の誘起電圧と巻線１０２の誘起電圧とが弱め合う向きに接続される。そして、巻線１０１の他端を端子１２１とし、巻線１０２の他端を端子１２２とし、端子１２１，１２２間をリアクトル１１とする。

図１には、端子１２１から端子１２２へ電流が流れたときに巻線１０１，１０２が生成する磁束の向き１１１，１１２と、端子１２３から端子１２４へ電流が流れたときに巻線１０３，１０４が生成する磁束の向き１１３，１１４とを示している。

ここで実施例１による複合リアクトルの作用を説明する。ただし、以下の説明においては、巻線１０１と巻線１０２の巻数は同一とし、巻線１０３と巻線１０４の巻数は同一とする。また、磁性部材１と磁性部材２の形状および磁性材料は同一とする。磁性部材１，２を形成する磁性材料には、磁束密度の増加に伴い徐々に透磁率が減少していく特性を有する材料を用いることにより、各磁性部材を通る磁束が増加するに伴って徐々に磁気抵抗が増加していくようにしている。

まず、リアクトル１１，２１の一方にのみ電流が流れている場合について説明する。

リアクトル１１に電流が流れていない場合において、リアクトル２１に電流が流れると、巻線１０３，１０４が第１、第２の閉磁路に等しい起磁力を生じ、磁性部材１，２には等しい磁束が誘起される。巻線１０１，１０２に生じる誘起電圧は等しく両者の誘起電圧は相殺されるため、リアクトル１１の両端には電圧を生じない。したがって、この条件の下ではリアクトル１１とリアクトル２１は、磁気的に独立した特性を示す。

同様に、リアクトル２１に電流が流れていない場合には、リアクトル１１に電流が流れてもリアクトル２１の両端には電圧を生じないことが容易に理解できる。したがって、リアクトル１１，２１の一方にのみ電流が流れる場合には、リアクトル１１とリアクトル２１は、磁気的に独立した特性を示す。

次に、リアクトル１１，２１の両方に電流が流れている場合を説明する。

まず、リアクトル１１には端子１２１から端子１２２へ、リアクトル２１には端子１２３から端子１２４へ電流が流れている場合を説明する。巻線１０１〜１０４が生成する磁束の向き１１１〜１１４からも明らかなように、磁性部材１では磁束が弱め合い、磁性部材２では磁束が強め合うから、磁性部材２の方が磁性部材１よりも磁束密度が大きくなる。上述したように、磁性材料１，２は、磁束密度が大きいほど透磁率が小さい特性を有するため、第２の閉磁路の方が第１の閉磁路よりも磁気抵抗が大きくなる。したがって、巻線１０２と巻線１０４の磁気結合よりも、巻線１０１と巻線１０３の磁気結合の方が強くなり、リアクトル１１とリアクトル２１の磁気結合極性は、巻線１０１と巻線１０３の磁気結合極性に基づいて決定される。この場合には、リアクトル１１とリアクトル２１は、端子１２１と端子１２４が同極性になるように磁気結合する。

したがって、上記の条件下ではリアクトル１１とリアクトル２１とは以下の相互関係を有する。まず、端子１２１に正、端子１２２に負の電圧を印加すると、端子１２４に正、端子１２３に負の電圧が生じる、すなわちリアクトル１１がエネルギーを蓄積すると、リアクトル２１が自身の電流を増加させる向きに電圧を生じる。逆に、端子１２１に負、端子１２２に正の電圧を印加すると、端子１２４に負、端子１２３に正の電圧が生じる、すなわちリアクトル１１がエネルギーを放出するとリアクトル２１が自身の電流を減少させる向きに電圧を生じる。また、端子１２３に正、端子１２４に負の電圧を印加すると、端子１２２に正、端子１２１に負の電圧が生じる、すなわちリアクトル２１がエネルギーを蓄積するとリアクトル１１が自身の電流を増加させる向きに電圧を生じる。また逆に、端子１２３に負、端子１２４に正の電圧を印加すると、端子１２２に負、端子１２１に正の電圧が生じる、すなわちリアクトル２１がエネルギーを放出するとリアクトル１１が自身の電流を減少させる向きに電圧を生じる。

次に、リアクトル１１には端子１２１から端子１２２へ電流が流れている状態のまま、リアクトル２１には逆に端子１２４から端子１２３へ電流が流れている場合を説明する。この場合には、磁性部材２で磁束が弱め合い、巻線１０２と巻線１０４の磁気結合が強くなるから、リアクトル１１とリアクトル２１の磁気結合極性は、巻線１０２と巻線１０４の磁気結合極性で決定される。この場合には、リアクトル１１とリアクトル２１は、端子１２１と端子１２３が同極性になるように磁気結合する。したがって、リアクトル１１がエネルギーを蓄積すると、リアクトル２１が自身の電流を増加させる向きに電圧を生じる。逆に、リアクトル１１がエネルギーを放出すると、リアクトル２１が自身の電流を減少させる向きに電圧を生じる。また、リアクトル２１がエネルギーを蓄積すると、リアクトル１１が自身の電流を増加させる向きに電圧を生じる。また逆に、リアクトル２１がエネルギーを放出すると、リアクトル１１が自身の電流を減少させる向きに電圧を生じる。

同様に、リアクトル１１に端子１２２から端子１２１へ、リアクトル２１に端子１２３から端子１２４へ電流が流れている場合は、リアクトル１１とリアクトル２１の磁気結合極性は、巻線１０２と巻線１０４の磁気結合極性で決まり、端子１２１と端子１２３が同極性になるように磁気結合する。この場合にも、リアクトル１１がエネルギーを蓄積すると、リアクトル２１が自身の電流を増加させる向きに電圧を生じ、リアクトル１１がエネルギーを放出すると、リアクトル２１が自身の電流を減少させる向きに電圧を生じる。また、リアクトル２１がエネルギーを蓄積すると、リアクトル１１が自身の電流を増加させる向きに電圧を生じ、リアクトル２１がエネルギーを放出すると、リアクトル１１が自身の電流を減少させる向きに電圧を生じる。

さらに同様に、リアクトル１１に端子１２２から端子１２１へ、リアクトル２１に端子１２４から端子１２３へ電流が流れている場合は、リアクトル１１とリアクトル２１の磁気結合極性は、巻線１０１と巻線１０３の磁気結合極性で決まり、端子１２１と端子１２４が同極性になるように磁気結合する。この場合にも、リアクトル１１がエネルギーを蓄積すると、リアクトル２１が自身の電流を増加させる向きに電圧を生じ、リアクトル１１がエネルギーを放出すると、リアクトル２１が自身の電流を減少させる向きに電圧を生じる。また、リアクトル２１がエネルギーを蓄積すると、リアクトル１１が自身の電流を増加させる向きに電圧を生じ、リアクトル２１がエネルギーを放出すると、リアクトル１１が自身の電流を減少させる向きに電圧を生じる。

以上のことから、リアクトル１１，２１の両方に電流が流れている場合は、リアクトル１１とリアクトル２１は磁気的に結合した特性を示し、一方の電流の向きを反転すると磁気結合極性が変化し、両方の電流の向きを反転すると磁気結合極性は変化しない。また、リアクトル１１，２１に流れる電流の向きによらず、一方がエネルギーを蓄積するとき他方の電流が増加する向きに磁気結合し、一方がエネルギーを放出するとき他方の電流が減少する向きに磁気結合している。

以上説明した実施例１による複合リアクトルの作用は、巻線１０１と巻線１０２の巻数が同一、巻線１０３と巻線１０４の巻数が同一であって、磁性部材１と磁性部材２の形状および磁性材料が同一の場合である。これらの条件が変化すると、リアクトル１１，２１の一方に電流が流れていない場合にもリアクトル１１とリアクトル２１が磁気的に結合した特性を示すことや、リアクトル１１，２１の両方に電流が流れている場合にリアクトル１１，２１の磁気結合極性が変化する電流しきい値がゼロではなくなることなどは、容易に理解できる。

また、図１において、磁性部材２は、第１の閉磁路が形成する平面からほぼ垂直に、磁性部材１を平行移動させた位置に配置されている。磁性部材１，２をこのような相対位置関係で配置することで、本発明の実施形態に係る複合リアクトルを小型化することができる。また、上記の実施形態に係る複合リアクトルを電源装置に適用する場合には、磁性部材１と磁性部材２の間に、トランスなど他の回路部品を配置することで、電源装置のさらなる小型化が期待できる。

また、図１において、第１、第２の閉磁路が形成する平面の形状は四角形だが、いわゆるトロイダルコアなどの円形形状をした磁性部材を用いても同様の効果を得られることは当然である。また、第１、第２の閉磁路が分岐点を有した、いわゆるＥＥコアやＥＩコアなどの磁性部材を用いても同様の効果を得られることは当然である。さらに、フェライトなどのように、透磁率が比較的高い磁性材料を用いた場合や、磁束密度の増減に対して透磁率の変化が少なく、所定の閾値よりも磁束密度が増加すると急激に透磁率が減少するような磁性材料を用いた場合には、第１、第２の閉磁路を通る磁束の増加に伴って徐々に磁気抵抗が増加するようにギャップを設けてもよい。

次に、本発明の実施例２に係る複合リアクトルについて図２を参照しつつ説明する。図２は、本発明の実施例２による複合リアクトルの構成図である。図２において、実施例２による複合リアクトルは、第１、第２の閉磁路を形成する磁性部材１，２を備える。磁性部材１には巻線２０１が巻回され、磁性部材２には巻線２０２が巻回され、磁性部材１，２を束ねるように巻線２０３が巻回されている。巻線２０１に流れた電流が生成した磁束と、巻線２０２に流れた電流が生成した磁束とが、巻線２０３と逆向きに鎖交するように、巻線２０１の一端と巻線２０２の一端とを接続し、巻線２０１の他端を端子２２１とし、巻線２０２の他端を端子２２２とし、端子２２１，２２２間をリアクトル１２とする。また、巻線２０３の両端を端子２２３，２２４とし、端子２２３，２２４間をリアクトル２２とする。

図２には、端子２２１から端子２２２へ電流が流れたときに巻線２０１，２０２が生成する磁束の向き２１１，２１２と、端子２２３から端子２２４へ電流が流れたときに巻線２０３が磁性部材１，２に生成する磁束の向き２１３，２１４とを示している。

この実施例２による複合リアクトルが備えたリアクトル１２，２２の作用は、図１の実施例１による複合リアクトルが備えたリアクトル１１，２１の作用と同様であることが理解できる。実施例２による複合リアクトルは、実施例１による複合リアクトルと比べ、リアクトル２２の構成を簡素化できる効果がある。

図３は、本発明の実施例３による複合リアクトルの構成図である。図３において、実施例３による複合リアクトルは、閉磁路３３１，３３２，３３３を形成する磁性部材３を備える。閉磁路３３１，３３３の共通部分に巻線３０１が巻回され、閉磁路３３２，３３３の共通部分に巻線３０２が巻回され、閉磁路３３１，３３２の共通部分に巻線３０３が巻回されている。巻線３０３の両端を端子３２３，３２４とし、端子３２３，３２４間をリアクトル２３とする。リアクトル２３に流れた電流が生成した巻線３０１の誘起電圧と巻線３０２の誘起電圧とが弱め合う向きに、巻線３０１の一端と巻線３０２の一端とを接続し、巻線３０１の他端を端子３２１とし、巻線３０２の他端を端子３２２とし、端子３２１，３２２間をリアクトル１３とする。

閉磁路３３１，３３３の共通部分と閉磁路３３２，３３３の共通部分には、それぞれギャップ３４１，３４２が設けられている。このギャップは、磁性部材の通常の部位に比べて断面積の小さな部位となっており、磁性部材を通る磁束の増加に伴って徐々に磁気抵抗が増加するように、磁路に対して垂直方向に対して徐々に断面積が変化する形状としている。もちろん、磁性部材３として、磁束密度の増加に伴い徐々に透磁率が減少していく性質の磁性材料を用いることとしてもよく、その場合にはギャップを設けなくても構わない。また、ギャップは、図３に示されている態様に限られず、磁性部材に１又は複数個設けることとしてもよい。

この実施例３による複合リアクトルの閉磁路３３１，３３２が、実施例１による複合リアクトルの第１、第２の閉磁路に相当し、どちらも磁束の増加に伴って徐々に磁気抵抗が増加することを考慮すれば、実施例３による複合リアクトルが備えたリアクトル１３，２３の作用は、図１の実施例１による複合リアクトルが備えたリアクトル１１，２１の作用と同様であることが理解できる。なお、実施例３による複合リアクトルは、実施例１による複合リアクトルと比べ、磁性部材の数を減らす効果がある。

次に図４を参照しつつ、本発明の実施例４に係る複合リアクトルについて説明する。図４は、本発明の実施例４による複合リアクトルの構成図である。図４において、実施例４による複合リアクトルは、第１、第２の閉磁路を形成する磁性部材１，２を備える。磁性部材１には巻線４０１，４０３が巻回され、磁性部材２には巻線４０２，４０４が巻回されている。巻線４０３の両端を端子４２３，４２４とし、端子４２３，４２４間をリアクトル３４とする。巻線４０４の両端を端子４２５，４２６とし、端子４２５，４２６間をリアクトル４４とする。端子４２３から端子４２４に流れた電流が生成した巻線４０１の誘起電圧と、端子４２５から端子４２６に流れた電流が生成した巻線４０２の誘起電圧とが弱め合う向きに、巻線４０１の一端と巻線４０２の一端とを接続し、巻線４０１の他端を端子４２１とし、巻線４０２の他端を端子４２２とし、端子４２１，４２２間をリアクトル１４とする。

図４には、端子４２１から端子４２２へ電流が流れたときに巻線４０１，４０２が生成する磁束の向き４１１，４１２と、端子４２３から端子４２４へ電流が流れたときに巻線４０３が生成する磁束の向き４１３と、端子４２５から端子４２６へ電流が流れたときに巻線４０４が生成する磁束の向き４１４とを示している。

実施例４による複合リアクトルの作用を説明する。ただし、この説明では、巻線４０１と巻線４０２の巻数は同一とし、巻線４０３と巻線４０４の巻数は同一とする。また、磁性部材１と磁性部材２の形状および磁性材料は同一とする。磁性部材１，２を通る磁束の増加に伴って徐々に磁気抵抗が増加していくように、この磁性部材１，２を構成する磁性材料には、磁束密度の増加に伴い徐々に透磁率が減少していく特性を有する材料を用いる。

この実施例４による複合リアクトルの構成は、図１の実施例１による複合リアクトルの構成において、リアクトル２１を分離して、２つのリアクトル３４，４４としたことが理解できる。したがって、リアクトル３４に端子４２３から端子４２４へ電流が流れ、リアクトル４４に端子４２５から端子４２６へ電流が流れ、両者の電流と電流変化がほぼ等しく、ともにエネルギーを放出するとき、リアクトル１４の電流が減少する向きに磁気結合していることは容易に理解できる。

リアクトル３４，４４が、ともにエネルギーを放出するときでも、リアクトル３４とリアクトル４４に流れる電流の大きさが異なれば、リアクトル１４に流れる電流の向きによって、リアクトル１４の電流が減少する効果の大小が変わる場合もある。例えば、リアクトル３４，４４の電流の向きは上記の通りで、リアクトル３４の電流よりもリアクトル４４の電流の方が大きく、巻線４０４が生成する起磁力よりも巻線４０１，４０２が生成する起磁力の方が小さい場合は、リアクトル１４には端子４２１から端子４２２へ電流が流れた方が、逆向きに電流が流れるよりも、磁性部材１、２の磁束密度の差が大きくなるため、第１、第２の閉磁路の磁気抵抗の差が顕著となり、よりリアクトル１４の電流が減少する効果が得られる。

次に図５を参照しつつ、本発明の実施形態に係る複合リアクトルを適用した電源装置について説明する。図５は、本発明の実施例５による電源装置の回路構成図である。図５において、ダイオードが逆並列接続されたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２を直列接続した第１のスイッチングレッグと、ダイオードが逆並列接続されたスイッチング素子Ｑ３，Ｑ４を直列接続した第２のスイッチングレッグと、平滑コンデンサＣ１とが直流電源Ｖに並列に接続されている。ここで、スイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴを用いた場合は、逆並列ダイオードを省略し、ＭＯＳＦＥＴのボディダイオードを利用することができる。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の直列接続点と、スイッチング素子Ｑ３，Ｑ４の直列接続点との間に、巻線Ｎ１と共振リアクトルＬｒとが直列接続されている。

トランスＴｒ１は、巻線Ｎ１，Ｎ２１，Ｎ２２を磁気結合している。巻線Ｎ２１の一端と巻線Ｎ２２の一端とが接続され、巻線Ｎ２１の他端はダイオードＤ１の一端に接続され、巻線Ｎ２２の他端はダイオードＤ２の一端に接続され、ダイオードＤ１の他端とダイオードＤ２の他端とが接続されている。ダイオードＤ１，Ｄ２の接続点に平滑リアクトルＬの一端が接続され、平滑リアクトルＬの他端に平滑コンデンサＣ２の一端が接続され、平滑コンデンサＣ２の他端に巻線Ｎ２１，Ｎ２２の接続点が接続されている。

この実施例５による電源装置は、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオン／オフし、平滑コンデンサＣ２に並列接続された負荷Ｒに、直流電源Ｖのエネルギーを供給する。

ここで、共振リアクトルＬｒと平滑リアクトルＬとして、図１の本発明の実施例１に係る複合リアクトルを用いている。ここでは、共振リアクトルＬｒにリアクトル１１を適用し、平滑リアクトルＬにリアクトル２１を適用している。

まず、詳細な動作説明に先立って、図５の回路図において電圧、電流を表す記号を定義する。スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオン／オフさせるための制御信号をゲート信号ＶｇＱ１〜ＶｇＱ４とし、論理"Ｈ"でオン状態、論理"Ｌ"でオフ状態とする。また、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４と、それぞれ逆並列に接続されたダイオードとに流れる合成電流は、それぞれＩＱ１〜ＩＱ４とし、スイッチング素子の順方向を正とする。ダイオードＤ１，Ｄ２の電流ＩＤ１，ＩＤ２は、ダイオードの順方向を正とする。

巻線Ｎ１の両端の電圧ＶＮ１は、第２のスイッチングレッグから第１のスイッチングレッグへ向く向きを正とする。また、共振リアクトルＬｒの電流ＩＬｒは、第１のスイッチングレッグから第２のスイッチングレッグへ流れる向きを正とする。平滑リアクトルＬの電流ＩＬは、ダイオードＤ１，Ｄ２の接続点から平滑コンデンサＣ２へ流れる向きを正とする。

図１０は、実施例５の動作を説明する電圧・電流波形図である。以下、図１０を参照しながら実施例５に係る電源装置の動作を詳細に説明する。ただし、図１０において、（ａ）〜（ｇ）は、モードａ〜ｇを表す。

（モードａ）
まず、モードａでは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４がオン状態、スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３がオフ状態であり、直流電源Ｖの電圧が、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ４、共振リアクトルＬｒを介してトランスＴｒ１の巻線Ｎ１に印加されている。ダイオードＤ２は阻止状態であり、巻線Ｎ２１に生じた電圧が、ダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ２を介して平滑リアクトルＬに印加され電流ＩＬが徐々に増加し、負荷Ｒにエネルギーが供給される。

（モードｂ）
スイッチング素子Ｑ４をオフすると、Ｑ４を流れていた電流ＩＬｒは、スイッチング素子Ｑ３の逆並列ダイオードを導通する。このとき、スイッチング素子Ｑ３をオンする。電流ＩＬｒは、共振リアクトルＬｒ、巻線Ｎ１、スイッチング素子Ｑ３の逆並列ダイオード、スイッチング素子Ｑ１を通る経路で還流する。このように、モードｂにおいて共振リアクトルＬｒと巻線Ｎ１とを流れる電流を、以後、循環電流とする。

巻線Ｎ１には直流電源Ｖの電圧が印加されていない。したがって、平滑リアクトルＬに蓄積されているエネルギーは負荷Ｒに供給され、電流ＩＬは徐々に減少していく。

この実施例５では、共振リアクトルＬｒと平滑リアクトルＬとして、図１の実施例１による複合リアクトルを用いている。ここでは、共振リアクトルＬｒとしてリアクトル１１を用い、平滑リアクトルＬとしてリアクトル２１を用いている。前述の通り、実施例１の複合リアクトルは、リアクトル２１がエネルギーを放出するとき、リアクトル１１の電流が減少する向きに磁気結合している。

したがって、リアクトルＬｒの電流ＩＬｒは徐々に減少し、循環電流は減少していく。循環電流が減少すると、循環電流が流れる経路で損失するエネルギーを低減できる。

また、循環電流の低減に伴い、巻線Ｎ２１とダイオードＤ１を通る経路に流れていた電流は、巻線Ｎ２２とダイオードＤ２を通る経路にも分流する。循環電流を低減するほど、この２つの経路に均等に電流が分流するようになるため、導通損失を低減できる。

さらに、循環電流を低減すると、後述の、モードｂからモードｃへの切り替わりにおいて、スイッチング素子Ｑ１の遮断電流が低減し、スイッチング損失も低減できる。

このように、循環電流を低減すると導通損失とスイッチング損失を低減でき、電源装置の効率を向上する効果がある。

（モードｃ）
スイッチング素子Ｑ１をオフすると、Ｑ１を流れていた循環電流は、平滑コンデンサＣ１を介してスイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオードを導通する。このとき、スイッチング素子Ｑ２をオンする。スイッチング素子Ｑ２の逆並列ダイオード、共振リアクトルＬｒ、巻線Ｎ１、スイッチング素子Ｑ３の逆並列ダイオードを流れ、平滑コンデンサＣ１へ電流が流れる。共振リアクトルＬｒには、直流電源Ｖの電圧が印加され、電流ＩＬｒは減少していく。

スイッチング素子Ｑ２，Ｑ３はオン状態であるから、電流ＩＬｒがゼロに達した後は、逆向きに電流ＩＬｒが増加していく。これに伴い、巻線Ｎ２１とダイオードＤ１を通る電流ＩＤ１は減少し、巻線Ｎ２２とダイオードＤ２を通る電流ＩＤ２が増加していく。

（モードｄ）
電流ＩＤ１がゼロに達すると、モードｄに移行する。このモードｄは、モードａの対称動作である。以降、モードｅ，ｆの後、モードａへ戻る。モードｄ〜ｆは、モードａ〜ｃの対称動作であり、容易に理解できるため、詳細な説明は省略する。

このように、実施例５による電源装置では、実施例１による複合リアクトルを用いて循環電流を低減し、導通損失とスイッチング損失を低減して、電源装置の効率を向上している。また、損失が低減するので放熱構造を簡素化でき、電源装置の小型化や低コスト化にも効果がある。

この実施例５による電源装置では、実施例１による複合リアクトルを用い、共振リアクトルＬｒとしてリアクトル１１を用いて、平滑リアクトルＬとしてリアクトル２１を用いているが、逆に共振リアクトルＬｒとしてリアクトル２１を用い、平滑リアクトルＬとしてリアクトル１１を用いてもよい。また、実施例２や実施例３による複合リアクトルを用いてもよい。もちろん、２つのリアクトルに流れる電流の向きに寄らず、一方がエネルギーを放出するとき他方の電流が減少する向きに磁気結合された他の複合リアクトルを用いてもよい。

また、図５に示した実施例５による電源装置の回路構成では、２つのダイオードＤ１，Ｄ２を用いた整流回路としているが、４つのダイオードを用いてダイオードブリッジ整流回路を構成しても、同様の原理で循環電流を低減すれば、導通損失とスイッチング損失を低減できることは容易に理解できる。

次に図６を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る複合リアクトルを適用した実施例６の電源装置について説明する。図６は、本発明の実施例６による電源装置の回路構成図である。図６において、図５の実施例５による電源装置の回路構成と異なる点を説明する。まず、実施例６の電源装置は、実施例５の共振リアクトルＬｒを、２つの共振リアクトルＬｒ１，Ｌｒ２の直列接続としている点で相違している。

トランスＴｒ２は、巻線Ｎ１，Ｎ２を磁気結合している。巻線Ｎ２の一端にダイオードＤ１の一端と平滑リアクトルＬ２の一端が接続され、巻線Ｎ２の他端にダイオードＤ２の一端と平滑リアクトルＬ１の一端が接続され、平滑リアクトルＬ１の他端と平滑リアクトルＬ２の他端とが接続され、ダイオードＤ１の他端とダイオードＤ２の他端とが接続されている。平滑リアクトルＬ１，Ｌ２の接続点と、ダイオードＤ１，Ｄ２の接続点との間に平滑コンデンサＣ２が接続されている。

この実施例６による電源装置も、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオン／オフし、平滑コンデンサＣ２に並列接続された負荷Ｒに、直流電源Ｖのエネルギーを供給する。

ここで、共振リアクトルＬｒ１と平滑リアクトルＬ１として、また共振リアクトルＬｒ２と平滑リアクトルＬ２として、それぞれ図１の本発明の実施例１による複合リアクトルを用いている。つまり、実施例６による電源装置は、２つの複合リアクトルを用いており、それぞれを第１のリアクトル、第２のリアクトルとする。ここでは、第１の複合リアクトルのリアクトル１１，２１をそれぞれ共振リアクトルＬｒ１、平滑リアクトルＬ１とし、第２の複合リアクトルのリアクトル１１，２１をそれぞれ共振リアクトルＬｒ２、平滑リアクトルＬ２としている。また、第１及び第２の複合リアクトルにおいて各リアクトルをそれぞれ入れ替えてもよいことは、実施例５と同様である。

実施例６による電源装置では、実施例５による電源装置に一般的なカレントダブラ整流回路を適用しており、動作は容易に理解できる。また、循環電流が流れる期間には、平滑リアクトルＬ１，Ｌ２がともにエネルギーを放出すること、このとき共振リアクトルＬｒ１，Ｌｒ２がともに電流が減少する向きに磁気結合していることに注意すれば、実施例５による電源装置と同様に、循環電流を低減できることは、容易に理解できる。

この実施例６による電源装置では、カレントダブラ整流回路を適用しており、出力電流が比較的大きい場合にも高効率を得やすい効果がある。

次に図７を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る複合リアクトルを適用した実施例７の電源装置について説明する。図７は、本発明の実施例７による電源装置の回路構成図である。図７において、図６の実施例６による電源装置の回路構成と異なる点を説明する。まず、実施例７の電源装置は、実施例６の共振リアクトルＬｒ１，Ｌｒ２の直列接続を、１つの共振リアクトルＬｒ３としている点で相違している。

この実施例７による電源装置も、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオン／オフし、平滑コンデンサＣ２に並列接続された負荷Ｒに、直流電源Ｖのエネルギーを供給する。

ここで、共振リアクトルＬｒ３と平滑リアクトルＬ３，Ｌ４として、図４の本発明の実施例４による複合リアクトルを用いている。ここでは、共振リアクトルＬｒ３としてリアクトル１４を用い、平滑リアクトルＬ３としてリアクトル４４を用い、平滑リアクトルＬ４としてリアクトル３４を用いている。リアクトル３４，４４の極性は、端子４２４と端子４２６とを図７に示される態様で接続された場合のものとなっている。また、リアクトル１４の極性は、端子４２１が第１のスイッチングレッグに接続された場合のものとなっている。このように接続すれば、電流ＩＬｒが正の向きに循環電流が流れる期間に、平滑リアクトルＬ４よりも平滑リアクトルＬ３の方が電流が大きく、ともにエネルギーを放出することから、実施例４で説明した原理により、循環電流を低減できる。

実施例６による電源装置では、カレントダブラ整流回路を構成するために、２つの複合リアクトルを用いていたが、この実施例７による電源装置では、実施例４による複合リアクトルを適用し、１つの複合リアクトルでカレントダブラ整流回路を構成でき、小型化、低コスト化に効果がある。

次に図８を参照しつつ、本発明の一実施形態に係る複合リアクトルを適用した実施例８の電源装置について説明する。図８は、本発明の実施例８による電源装置の回路構成図である。図８において、図７の実施例７による電源装置の回路構成と異なる点を説明する。実施例７では、共振リアクトルＬｒ３として、図４の実施例４の複合リアクトルのリアクトル１４を用いているが、実施例８では、リアクトル１４を構成する巻線４０１と巻線４０２とを分離し、巻線４０１を共振リアクトルＬｒ３１とし、巻線４０２を共振リアクトルＬｒ３２とし、巻線４０１，４０２間にトランスＴｒ２の巻線Ｎ１を接続している。つまり、実施例７では、第１のスイッチングレッグから第２のスイッチングレッグに向かい、巻線４０１、巻線４０２、巻線Ｎ１の順に直列接続されているが、実施例８では接続順序が異なり、巻線４０１、巻線Ｎ１、巻線４０２の順に直列接続されている。

図４の実施例４の巻線と、図８の実施例８の回路図との対応関係をまとめる。まず、巻線４０１，４０２間は、接続が切り離されて、巻線Ｎ１が接続されている。巻線４０１を共振リアクトルＬｒ３１とし、端子４２１を第１のスイッチングレッグと接続するとともに、巻線４０２を共振リアクトルＬｒ３２とし、端子４２２を第２のスイッチングレッグと接続している。また、巻線４０４を平滑リアクトルＬ３とし、端子４２６を平滑コンデンサＣ２と接続するとともに、巻線４０３を平滑リアクトルＬ４とし、端子４２４を平滑コンデンサＣ２と接続している。

実施例４の複合リアクトルは、磁気結合極性が変化しない２つの複合リアクトル（巻線４０１，４０３と、巻線４０２，４０４）で構成されていると考えてもよい。図８には、磁気結合極性を示している。

以上のように、実施例７、８を比較すると、第１、第２のスイッチングレッグ間に接続されている直列接続体を構成する要素の直列接続順序が異なるだけであり、回路動作が同様であることは、容易に理解できる。

この実施例８による電源装置では、実施例７による電源装置と比べ、第１、第２のスイッチングレッグ間に接続されている直列接続体を構成する要素の直列接続順序を自由に選ぶことができ、部品配置を最適化できるため、小型化、低コスト化に効果がある。

図９は、本発明の実施例９による電源装置の回路構成図である。図９において、図５の実施例５による電源装置の回路構成と異なる点について説明する。

トランスＴｒ２は、巻線Ｎ１，Ｎ２０を磁気結合している。巻線Ｎ２０の一端にダイオードＤ１１，Ｄ１２の一端が接続され、巻線Ｎ２０の他端にダイオードＤ１３，Ｄ１４の一端が接続され、ダイオードＤ１１，Ｄ１３の他端に平滑リアクトルＬの一端が接続され、ダイオードＤ１２，Ｄ１４の他端に平滑コンデンサＣ２の一端が接続され、平滑リアクトルＬの他端と平滑コンデンサＣ２の他端とが接続されている。

この実施例９による電源装置も、スイッチング素子Ｑ１〜Ｑ４をオン／オフし、平滑コンデンサＣ２に並列接続された負荷Ｒに、直流電源Ｖのエネルギーを供給する。

ここで、共振リアクトルＬｒと平滑リアクトルＬとして、それぞれ図１の本発明の実施例１による複合リアクトルを用いている。ここでは、第１の複合リアクトルのリアクトル１１，２１をそれぞれ共振リアクトルＬｒ、平滑リアクトルＬとしている。また、他のリアクトルとしてもよいことは、実施例５と同様である。

実施例９による電源装置では、実施例５による電源装置に一般的なブリッジ整流回路を適用しており、動作は容易に理解できる。また、循環電流が流れる期間には、平滑リアクトルＬがエネルギーを放出すること、このとき共振リアクトルＬｒは電流が減少する向きに磁気結合していることに注意すれば、実施例５による電源装置と同様に、循環電流を低減できることは、容易に理解できる。

この実施例９による電源装置では、ブリッジ整流回路を適用して整流素子の耐圧を低減でき、出力電圧が比較的高い場合にも低コスト、高効率を得やすい効果がある。

なお、本発明に関して、上記リアクトルとして表現した素子をインダクタと置き換えても構わない。

１〜３磁性部材、１１〜１４，２１〜２３，３４，４４リアクトル、１０１〜１０４，２０１〜２０３，３０１〜３０３，４０１〜４０４，Ｎ１，Ｎ２，Ｎ２１，Ｎ２２巻線、１１１〜１１４，２１１〜２１４，４１１〜４１４磁束の向き、１２１〜１２４，２２１〜２２４，３２１〜３２４，４２１〜４２６端子、３３１〜３３３閉磁路、３４１，３４２ギャップ、Ｖ直流電源、Ｒ負荷、Ｃ１，Ｃ２平滑コンデンサ、Ｌ，Ｌ１〜Ｌ４平滑リアクトル、Ｌｒ，Ｌｒ１〜Ｌｒ３，Ｌｒ３１，Ｌｒ３２共振リアクトル、Ｔｒ１，Ｔｒ２トランス、Ｑ１〜Ｑ４スイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２ダイオード。

Claims

複合リアクトルと、
第１及び第２のスイッチング素子を直列接続した第１のスイッチングレッグと、
第３及び第４のスイッチング素子を直列接続した第２のスイッチングレッグと、
前記第１及び第２のスイッチングレッグと直流電源とに並列接続された第１の平滑コンデンサと、
前記第１及び第２のスイッチング素子の直列接続点と前記第３及び第４のスイッチング素子の直列接続点との間に接続された、共振リアクトルとトランス１次巻線との直列接続体と、
前記トランス１次巻線とトランス２次巻線とを磁気結合するトランスと、
前記トランス２次巻線に生じた電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路により整流された電圧を平滑する平滑リアクトルおよび第２の平滑コンデンサと、を含み、前記第２の平滑コンデンサに並列接続された負荷に電力を供給する電源装置において、
前記複合リアクトルは、
少なくとも第１及び第２の閉磁路を形成し、前記各閉磁路を通る磁束の増加に伴って磁気抵抗が増加するように構成された磁性部材と、
それぞれ前記第１及び第２の閉磁路の少なくとも一部を巻回する１又は複数の巻線を含み、当該各巻線を接続してなる第１のリアクトルと、
それぞれ前記第１及び第２の閉磁路の少なくとも一部を巻回する１又は複数の巻線を含み、当該各巻線を接続してなる第２のリアクトルと、を含み、
前記第１及び第２のリアクトルにともに電流が流れる場合に、前記第１のリアクトルに流れる電流が生成した磁束と、前記第２のリアクトルに流れる電流が生成した磁束とが、前記第１又は第２の閉磁路のうち一方の前記閉磁路については磁束を強め合い、他方の前記閉磁路については磁束を弱め合うように構成され、
前記平滑リアクトルと前記共振リアクトルとに、前記第１と第２のリアクトルとを用いて、前記平滑リアクトルと前記共振リアクトルとを磁気的に結合させ、前記平滑リアクトルと前記共振リアクトルとの磁気結合極性が、前記共振リアクトルに流れる電流の向きとともに逆転するようにした
ことを特徴とする電源装置。
前記第１乃至第４のスイッチング素子のそれぞれに、逆並列接続されたダイオードを備えた、
ことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
前記整流回路は、前記第１及び第２のダイオードを直列接続した第１のダイオードレッグと、前記第３及び第４のダイオードを直列接続した第２のダイオードレッグとを含み、
前記第１及び第２のダイオードの直列接続点と前記第３及び第４のダイオードの直列接続点との間に前記トランス２次巻線を接続し、前記第１及び第２のダイオードレッグの一端と前記平滑リアクトルの一端とを接続し、前記平滑リアクトルの他端に前記第２の平滑コンデンサの一端を接続し、前記第２の平滑コンデンサの他端に前記第１及び第２のダイオードレッグの他端を接続した、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
前記整流回路は、第１及び第２のダイオードを含み、
前記トランス２次巻線は、第１のトランス２次巻線の一端と第２のトランス２次巻線の一端との接続体を含み、
前記第１のトランス２次巻線の他端に前記第１のダイオードの一端を接続し、前記第２のトランス２次巻線の他端に前記第２のダイオードの一端を接続し、前記第１のダイオードの他端と前記第２のダイオードの他端とを接続し、前記第１及び第２のダイオードの接続点と前記第１及び第２のトランス２次巻線の接続点との間に、前記平滑リアクトルと前記第２の平滑コンデンサとの直列接続体を接続した、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
前記整流回路は、第１及び第２のダイオードを含み、
前記平滑リアクトルは、第１の平滑リアクトルの一端と第２の平滑リアクトルの一端との接続体を含み、
前記トランス２次巻線の一端に前記第１のダイオードの一端と前記第１の平滑リアクトルの他端とを接続し、前記トランス２次巻線の他端に前記第２のダイオードの一端と前記第２の平滑リアクトルの他端とを接続し、前記第１のダイオードの他端と前記第２のダイオードの他端とを接続し、前記第１及び第２のダイオードの接続点と前記第１及び第２の平滑リアクトルの接続点との間に、前記第２の平滑コンデンサを接続した、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電源装置。
前記磁性部材は、前記第１及び第２の閉磁路をそれぞれ形成する第１及び第２の磁性部材を含み、
前記第１のリアクトルは、前記第１の閉磁路を巻回する第１の巻線と、前記第２の閉磁路を巻回する第２の巻線とを接続して構成され、
前記第２のリアクトルは、前記第１の閉磁路を巻回する第３の巻線と、前記第２の閉磁路を巻回する第４の巻線とを含み、
前記第１のリアクトルは、前記第２のリアクトルに流れた電流が生成した、前記第１の巻線の誘起電圧と前記第２の巻線の誘起電圧とが弱め合う向きに、前記第１の巻線と前記第２の巻線とを接続して構成され、
前記共振リアクトルに前記第１のリアクトルを用いるとともに、前記第１及び第２の平滑リアクトルに前記第３及び第４の巻線を用いた、
ことを特徴とする請求項５に記載の電源装置。