JP5234784B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、トランスの一次巻線に接続したスイッチングトランジスタのオン、オフ制御により、トランスの二次巻線に誘起した電圧を整流用ダイオードにより整流し、出力用コンデンサを充電して負荷に供給するスイッチング電源装置に関する。

スイッチング電源装置は、トランスの一次巻線に接続した電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）等のスイッチング素子をオン、オフ制御し、トランスの二次巻線の誘起電圧をダイオードにより整流して出力用コンデンサに充電し、その出力用コンデンサの充電電圧を負荷に供給する基本構成を備えている。例えば、図８の（Ａ）に要部のみを示すスイッチング電源装置は、トランスＴ１の一次巻線に接続したスイッチングトランジスタＱ１により、その一次巻線に流れる電流をオン、オフ制御し、トランスＴ１の二次巻線の誘起電圧をダイオードＤ１により整流して出力用コンデンサＣ１に充電し、その出力用コンデンサＣ１の端子電圧を、そのまま又はチョークコイル等を介して負荷（図示を省略）に供給し、その負荷に供給する端子電圧を制御回路ＣＯＮＴにより監視し、所定の電圧となるように、スイッチングトランジスタＱ１のオン、オフ制御を行う構成を有するものである。

図８の（Ｂ）は、トランスの二次巻線の誘起電圧の極性反転による整流用ダイオードＤ１のターンオフ時の動作特性の概要を示すもので、Ｉｆは整流用ダイオードＤ１に流れる電流、Ｖｒは整流用ダイオードＤ１の両端の電圧、Ｖｐはターンオフ時のサージ電圧を示す。整流用ダイオードＤ１に、順方向電圧が印加された場合は、順方向電流が流れると共に、その整流用ダイオードＤ１内部の寄生容量に充電される。そして、逆方向電圧が印加された時に、寄生容量の充電電荷の放電により逆方向電流が流れる。その時、トランスＴ１の漏れインダクタンスや回路配線のインダクタンス成分により、整流用ダイオードＤ１の両端の電圧Ｖｒは、順方向電圧印加状態から逆方向電圧印加状態に移行する過程で大きく振動し、逆方向電圧印加時の正常印加電圧に対して、Ｖｐのピーク電圧として示すサージ電圧が発生する。

前述のようなサージ電圧を低減する為に、スナバ回路（ｓｎｕｂｂｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ）が各種提案されている。例えば、ダイオードと並列に、抵抗とコンデンサとの直列回路を接続したＲＣスナバ回路や、更にインダクタンス成分としてのコイルを接続したＲＣＬスナバ回路等の構成が知られている（例えば、特許文献１〜３参照）。又各種のスイッチング電源装置に於ける前述のダイオードのターンオフ時のサージ電圧抑制と同様に、スイッチングトランジスタのターンオフ時のサージ電圧抑制の為に、抵抗とコンデンサとからなるＲＣスナバ回路、リアクトルとコンデンサとなるＬＣスナバ回路、ＤＣ／ＤＣコンバータを含むアクティブ・スナバ回路等が知られている。

特開平６−５４５３１号公報 特開２００４−１２０９２９号公報 特開２００５−２７８３９９号公報

従来のスイッチング電源装置の整流用ダイオードに対するスナバ回路は、ＲＣスナバ回路、ＬＣスナバ回路、ＲＣＬスナバ回路等の各種の構成を有するものであるが、基本的には、整流用ダイオードに逆方向電圧が印加されて、ターンオフする時に発生するサージ電圧を、スナバ回路により消費させて、抑制するものである。従って、比較的大きな電流を整流するダイオードについては、ターンオフ時に発生するサージ電圧のエネルギも大きくなり、このエネルギを消費させる為のスナバ回路も大型化する必要があると共に、単にサージ・エネルギを消費させるだけであるから、電力効率の向上には全く寄与していない問題があった。

本発明は、従来例の問題点を解決することを目的とし、サージ電圧によるエネルギの有効利用を図るものである。

本発明のスイッチング電源装置は、トランスの一次巻線に供給する直流電圧をスイッチング制御するスイッチングトランジスタを前記一次巻線に接続し、このトランスの二次巻線の誘起電圧を整流用ダイオードにより整流して出力用コンデンサに充電し、この出力用コンデンサの端子電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置であって、前記トランスの前記二次巻線の誘起電圧を整流する前記整流用ダイオードを複数個直列に接続し、該複数の整流用ダイオードにそれぞれ並列に、同一鉄心に巻回したそれぞれ同一巻数の巻線とコンデンサとの直列回路を接続した補助トランスを備えている。

又整流用ダイオードを複数直列に接続し、各整流用ダイオードに対してそれぞれ並列に補助トランスの一次巻線とコンデンサとの直列回路を接続し、この補助トランスの二次巻線の誘起電圧を整流して出力用コンデンサを充電するダイオードによる整流手段を備えることができる。

又トランスの一次巻線にスイッチングトランジスタを接続し、このトランスの二次巻線の誘起電圧を出力用コンデンサに整流用ダイオードにより整流して充電し、出力用コンデンサの端子電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置であって、整流用ダイオードと並列に、補助トランスの一次巻線とコンデンサとの直列回路を接続し、補助トランスの二次巻線の誘起電圧を整流して、トランスの一次側に帰還する整流手段を備えている。

又トランスの一次巻線にスイッチングトランジスタを接続し、このトランスの二次巻線の誘起電圧を整流用ダイオードにより整流して出力用コンデンサに充電し、この出力用コンデンサの端子電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置であって、整流用ダイオードを複数直列に接続し、各整流用ダイオードに対してそれぞれ並列に補助トランスの一次巻線とコンデンサとの直列回路を接続した補助トランスを備えている。

整流用ダイオードと並列に、直列接続のコンデンサと補助トランスの一次巻線と接続したことにより、整流用ダイオードのターンオフ時のサージ電圧は、この補助トランスの二次巻線の誘起電圧となり、この誘起電圧を、出力用コンデンサ側又はトランスの一次側へ帰還させることにより、サージ電圧の抑圧と、電力の有効利用とを図ることができる。又複数の整流用ダイオードを耐圧等の為に複数直列に接続した場合、補助トランスにより各整流用ダイオードの印加電圧を均等化することができる。

本発明の実施例１の説明図である。 本発明の実施例１のシミュレーションの説明図である。 従来例のシミュレーションの説明図である。 本発明の実施例２の説明図である。 本発明の実施例３の説明図である。 本発明の実施例４の説明図である。 本発明の実施例５の説明図である。 従来例の説明図である。

本発明のスイッチング電源装置は、図１を参照して説明すると、トランスＴ１の一次巻線にスイッチングトランジスタＱ１を接続し、このトランスＴ１の二次巻線の誘起電圧を整流用ダイオードＤ１により整流して出力用コンデンサＣ１に充電し、この出力用コンデンサＣ１の端子電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置であって、整流用ダイオードＤ１と並列に、補助トランスＴ２の一次巻線とコンデンサＣ２との直列回路を接続し、補助トランスＴ２の二次巻線の誘起電圧を整流して、出力用コンデンサＣ１に充電するダイオードＤ２による整流手段を備えている。

図１は、本発明の実施例１の説明図であり、Ｔ１はトランス、Ｔ２は補助トランス、Ｑ１はスイッチングトランジスタ、Ｄ１，Ｄ２はダイオード、Ｃ１，Ｃ２はコンデンサを示す。なお、トランスＴ１の一次巻線とスイッチングトランジスタＱ１とに対して直流電圧を印加する構成と、出力電圧を検出してスイッチングトランジスタＱ１のオン、オフを制御する制御回路と、整流平滑回路としてのリアクトルと、出力電圧を供給する負荷とについては図示を省略している。補助トランスＴ２は、その一次巻線とコンデンサＣ２との直列回路を、整流用ダイオードＤ１に並列に接続し、その補助トランスＴ２の二次巻線と整流手段としてのダイオードＤ２との直列回路を出力用コンデンサＣ１に並列に接続する。この補助トランスＴ２とコンデンサＣ２とダイオードＤ２とにより、整流用ダイオードＤ１に対するスナバ回路を構成している。

トランスＴ１の一次巻線に接続したスイッチングトランジスタＱ１を、図示を省略した制御回路により制御して、トランスＴ１の一次巻線に流れる電流をオン、オフ制御し、このトランスＴ１の二次巻線に誘起した電圧を、整流用ダイオードＤ１により整流して出力用コンデンサＣ１を充電し、その出力用コンデンサＣ１の端子電圧を負荷に供給する。その時に、トランスＴ１の二次巻線の誘起電圧が反転し、整流用ダイオードＤ１に逆方向電流が流れることによるサージ電圧が発生する。このサージ電圧を、コンデンサＣ２を介して補助トランスＴ２の一次巻線に印加し、その補助トランスＴ２の二次巻線に誘起した電圧を、ダイオードＤ２を介して負荷へ供給する。それにより、整流用ダイオードＤ１の逆方向電流回復時に生じるサージ電圧を、補助トランスＴ２とダイオードＤ２とを介して負荷側へ供給することにより抑圧する。従って、このスナバ回路により、サージ電圧抑圧と電力回生とを行うことが可能となり、電力回生を行った分、電力効率向上を図ることができる。

図２の（Ａ），（Ｂ）は、前述の図１に示す本発明の実施例１のシミュレーションの説明図、図３の（Ａ），（Ｂ）は、図８の（Ａ）に示す従来例のシミュレーションの説明図であり、図２の（Ａ）のＴ２，Ｄ１，Ｄ２，Ｃ２は、図１の補助トランスＴ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、コンデンサＣ２を示し、Ｌ０は配線のインダクタンス、Ｒは負荷を示す。又図２の（Ｂ）は、ダイオードＤ１の両端の電圧とダイオードＤ１に流れる電流とのシミュレーション結果を示し、ダイオードＤ１のターンオフ時のサージ電圧は、補助トランスＴ２とダイオードＤ２とにより負荷Ｒ側へ供給する構成によって僅かなものとなる。これに対して、図３の（Ａ）に示す従来例の場合、浮遊容量Ｃ０を考慮したとしても、図３の（Ｂ）に示すシミュレーション結果のように、ダイオードＤ１のターンオフ時には、図８の（Ｂ）に示す場合と同様にサージ電圧が発生する。又図２の（Ｂ）と、図３の（Ｂ）とを比較すると明らかなように、負荷Ｒに供給する電圧は、図２の（Ｂ）の方が高くなる。即ち、サージ電圧によるエネルギ分を負荷Ｒ側へ供給することができ、電力効率の向上にも寄与することが可能である。

図４は、本発明の実施例２の説明図であり、図１と同一符号は同一部分を示し、ＲＣ１は全波整流回路を示す。この実施例は、補助トランスＴ２とコンデンサＣ２と全波整流回路ＲＣ１によりスナバ回路を構成した場合を示し、補助トランスＴ２の二次巻線に全波整流回路ＲＣ１を接続し、トランスＴ１の二次巻線の誘起電圧を整流するダイオードＤ１の逆方向電流回復時のサージ電圧を、補助トランスＴ２の一次巻線にコンデンサＣ２を介して印加し、補助トランスＴ２の二次巻線の誘起電圧を全波整流回路ＲＣ１により整流して負荷に供給する。この場合も、整流用ダイオードＤ１に生じるサージ電圧を、補助トランスＴ２と全波整流回路ＲＣ１とを介して負荷側へ供給し、整流用ダイオードＤ１の逆方向電流回復時のサージ電圧を抑圧すると共に、補助トランスＴ２の二次巻線に誘起する両方の極性の電圧を、全波整流回路によって整流することにより、有効に負荷側へ供給することができる。

図５は、本発明の実施例３の説明図であり、図１及び図４と同一符号は同一部分を示し、Ｄ３はダイオード、Ｃ３はコンデンサを示し、トランスＴ１の二次巻線に整流用のダイオードＤ１，Ｄ３を直列に接続した場合に、第１の整流用ダイオードＤ１と並列に補助トランスＴ２の第１の一次巻線とコンデンサＣ２との直列回路を接続し、第２の整流用ダイオードＤ３と並列に補助トランスＴ２の第２の一次巻線とコンデンサＣ３との直列回路を接続し、補助トランスＴ２の二次巻線に整流手段としてのダイオードＤ２を接続した構成とする。トランスＴ１の二次巻線の誘起電圧が高く、１個の整流用ダイオードでは耐圧が問題となる場合、２個又はそれ以上の整流用ダイオードを直列に接続することになる。その場合に、各整流用ダイオードに並列に、補助トランスＴ２の一次巻線とコンデンサとの直列回路を接続する。そして、複数の一次巻線を設けた補助トランスＴ２の二次巻線にダイオードＤ２を接続し、その二次巻線の誘起電圧をダイオードＤ２により整流して負荷に供給する。それにより、直列接続の各整流用ダイオードＤ１，Ｄ３のターンオフ時のサージ電圧を抑制すると共に、そのサージ電圧のエネルギをまとめて、負荷側へ供給するから、電力効率の向上に寄与することができる。又比較的廉価な低耐圧のダイオードを複数直列接続して、トランスＴ１の二次巻線の誘起電圧を整流する場合にも適用可能であり、この場合、小型化と共に廉価な構成とすることができる。又ダイオードＤ２は、図４に示す全波整流回路ＲＣ１とすることも可能である。

図６は、本発明の実施例４の説明図であり、図１と同一符号は同一部分を示し、Ｃ４はコンデンサである。この実施例４は、整流用ダイオードＤ１のターンオフ時のサージ電圧を、補助トランスＴ２を介して、トランスＴ１の一次側に供給する。従って、整流用ダイオードＤ１のターンオフ時に発生するサージ電圧を抑制すると共に、そのサージ電圧のエネルギをトランスＴ１の一次側にフィードバックして、電力効率向上を図ることができる。この場合も、トランスＴ１の二次巻線の誘起電圧が高い場合、図５に示す実施例３のように、複数の整流用ダイオードを直列接続し、それぞれの整流用ダイオードに並列に、補助トランスＴ２の一次巻線とコンデンサとの直列回路を接続し、全一次巻線を巻回したコアに二次巻線を設け、この二次巻線の誘起電圧を、ダイオードを介して、トランスＴ１の一次側にフィードバックする構成とすることも可能である。

図７は、本発明の実施例５の説明図であり、図５と同一符号は同一部分を示す。この実施例は、補助トランスＴ２の二次巻線を省略した構成とし、直列接続の整流用ダイオードＤ１，Ｄ３に、それぞれ並列に、補助トランスＴ２の一次巻線とコンデンサＣ２，Ｃ３の直列回路を接続する。この場合、それぞれの一次巻線の巻回数を等しくすることにより、直列接続の整流用ダイオードＤ１，Ｄ３に印加される電圧を均等化することができる。この場合、トランスＴ１の二次巻線の誘起電圧と、整流用ダイオードの耐圧との関係で、更に多数の整流用ダイオードを直列接続した構成とすることも可能であり、比較的廉価な低耐圧特性の整流用ダイオードを利用することができ、スイッチング電源装置のコストダウンを図ることも可能となる。

Ｔ１ トランス
Ｔ２ 補助トランス
Ｑ１ スイッチングトランジスタ
Ｄ１，Ｄ３ 整流用ダイオード
Ｄ２ ダイオード
Ｃ１ 出力用コンデンサ
Ｃ２，Ｃ３ コンデンサ
ＲＣ１ 全波整流回路

Claims (1)

1. トランスの一次巻線に供給する直流電圧をスイッチング制御するスイッチングトランジスタを前記一次巻線に接続し、該トランスの二次巻線の誘起電圧を整流用ダイオードにより整流して出力用コンデンサに充電し、該出力用コンデンサの端子電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置に於いて、
   前記トランスの前記二次巻線の誘起電圧を整流する前記整流用ダイオードを複数個直列に接続し、該複数の整流用ダイオードにそれぞれ並列に、同一鉄心に巻回したそれぞれ同一巻数の巻線とコンデンサとの直列回路を接続した補助トランスを備えた
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。

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