JP5259341B2 - 電源装置および電源装置の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、電源装置および電源装置の制御方法に関する。

従来、電源装置として、２つの電源回路を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この電源装置では、各電源回路は、オアリング用のスイッチング素子を介して負荷回路に接続される。

図３は、従来例に係る電源装置５００の概略構成を示す回路図である。電源装置５００は、負荷回路６００を駆動するために設けられ、２つの単位電源装置１００を備えることで冗長構成を実現している。単位電源装置１００は、電圧を出力する電源回路Ｕ１００と、ＭＯＳＦＥＴからなるオアリング用スイッチング素子１９０と、を備える。

オアリング用スイッチング素子１９０のソースには、電源回路Ｕ１００が接続され、オアリング用スイッチング素子１９０のドレインには、負荷回路６００が接続される。オアリング用スイッチング素子１９０のゲートには、制御回路（図示省略）が接続される。

オアリング用スイッチング素子１９０は、制御回路から供給される制御信号に基づいて、電源回路Ｕ１００を負荷回路６００に断続する。電源装置５００は、２つの電源回路Ｕ１００のうち一方が正常に動作しない場合には、制御回路により２つのオアリング用スイッチング素子１９０をそれぞれ制御して、一方の電源回路Ｕ１００を負荷回路６００から切断し、他方の電源回路Ｕ１００を負荷回路６００に接続することにより、負荷回路６００を駆動する。

ここで、２つのオアリング用スイッチング素子１９０のドレインと、負荷回路６００と、の接点を点Ａとし、２つの電源回路Ｕ１００と、負荷回路６００と、の接点を点Ｂとする。

図４は、従来例に係る電源回路Ｕ１００の回路図である。電源回路Ｕ１００は、トランス１０１と、トランス１０１の１次側に設けられた交流電源回路１２０と、トランス１０１の２次側に設けられた整流平滑回路１４０、オアリング用電源回路１６０、およびオアリング制御回路１８０と、交流電源回路１２０を制御するスイッチングレギュレータコントロール１０５と、を備える。

交流電源回路１２０は、トランス１０１の１次巻線１０１ａに矩形波電圧を印可する。この交流電源回路１２０は、交流電圧を出力する交流電源１２１と、ＭＯＳＦＥＴからなる２つのスイッチング素子１２２、１２３と、を備える。スイッチング素子１２２、１２３のゲートには、スイッチングレギュレータコントロール１０５が接続される。

スイッチングレギュレータコントロール１０５は、後述のインダクタ１４３の他端側の電圧に基づいてスイッチング素子１２２、１２３のゲートに制御信号を供給して、スイッチング素子１２２、１２３のスイッチング動作を制御することにより、交流電源１２１をトランス１０１の１次巻線１０１ａに断続する。

トランス１０１は、上述の１次巻線１０１ａに加えて、第１の２次巻線１０１ｂおよび第２の２次巻線１０１ｃを備える。第１の２次巻線１０１ｂおよび第２の２次巻線１０１ｃのそれぞれには、１次巻線１０１ａに印可された電圧に基づいて、１次巻線１０１ａとの巻数比に応じた電圧が生じる。

ここで、上述のように、１次巻線１０１ａに印加される電圧は、矩形波電圧である。このため、第１の２次巻線１０１ｂおよび第２の２次巻線１０１ｃのそれぞれに生じる電圧も、矩形波電圧となる。

整流平滑回路１４０は、第１の２次巻線１０１ｂに生じた電圧を整流および平滑化する。この整流平滑回路１４０は、ダイオード１４１、１４２、１４７と、インダクタ１４３、１４８と、コンデンサ１４４、１４９と、チョッパレギュレータコントロール１４５と、ＭＯＳＦＥＴからなるスイッチング素子１４６と、を備える。

ダイオード１４１のアノードには、第１の２次巻線１０１ｂの一端側が接続され、ダイオード１４１のカソードには、ダイオード１４２のカソードと、インダクタ１４３の一端側と、が接続される。ダイオード１４２のアノードには、第１の２次巻線１０１ｂの他端側が接続される。

インダクタ１４３の他端側には、コンデンサ１４４の一端側の電極と、スイッチングレギュレータコントロール１０５と、スイッチング素子１４６のドレインと、が接続される。コンデンサ１４４の他端側の電極には、第１の２次巻線１０１ｂの他端側が接続される。

スイッチング素子１４６のゲートには、第１の２次巻線１０１ｂの他端側に接続されたチョッパレギュレータコントロール１４５が接続され、スイッチング素子１４６のソースには、インダクタ１４８の一端側と、ダイオード１４７のカソードと、が接続される。ダイオード１４７のアノードには、第１の２次巻線１０１ｂの他端側が接続される。

インダクタ１４８の他端側には、コンデンサ１４９の一端側の電極が接続される。コンデンサ１４９の他端側の電極には、第１の２次巻線１０１ｂの他端側が接続される。

オアリング制御回路１８０は、オアリングコントロール１８１と、抵抗１８２、１８３と、を備える。抵抗１８２の一端側には、インダクタ１４８の他端側と、オアリング用スイッチング素子１９０のソースと、が接続され、抵抗１８２の他端側には、オアリングコントロール１８１と、オアリング用スイッチング素子１９０のゲートと、が接続される。抵抗１８３の一端側には、オアリング用スイッチング素子１９０のドレインが接続され、抵抗１８３の他端側には、オアリングコントロール１８１が接続される。

オアリングコントロール１８１は、インダクタ１４８の他端側と、第１の２次巻線１０１ｂの他端側と、後述のシリーズレギュレータ１６３と、オアリング用スイッチング素子１９０のゲートと、にも接続される。このオアリングコントロール１８１は、オアリング用スイッチング素子１９０のゲートに制御信号を供給して、オアリング用スイッチング素子１９０のスイッチング動作を制御する。

ここで、オアリング用スイッチング素子１９０をオン状態にするためには、オアリング用スイッチング素子１９０のゲートの電圧を、オアリング用スイッチング素子１９０のソースの電圧よりも高くしなくてはならない。このため、オアリング用スイッチング素子１９０のゲートに制御信号を供給するオアリングコントロール１８１には、オアリング用スイッチング素子１９０のソースよりも高い電圧を出力するオアリング用電源回路１６０が接続される。

オアリング用電源回路１６０は、ダイオード１６１と、コンデンサ１６２、１６４と、シリーズレギュレータ１６３と、を備える。ダイオード１６１のアノードには、第２の２次巻線１０１ｃの一端側が接続され、ダイオード１６１のカソードには、コンデンサ１６２の一端側の電極と、シリーズレギュレータ１６３と、が接続される。コンデンサ１６２の他端側の電極には、第２の２次巻線１０１ｃの他端側が接続される。

シリーズレギュレータ１６３は、コンデンサ１６４の一端側の電極と、オアリングコントロール１８１と、にも接続される。コンデンサ１６４の他端側の電極には、第２の２次巻線１０１ｃの他端側が接続される。

このオアリング用電源回路１６０では、コンデンサ１６２の一端側の電極には、第２の２次巻線１０１ｃに生じた電圧がダイオード１６１を介して供給されるため、このコンデンサ１６２には、電荷が充電される。充電された電荷に応じた電圧は、シリーズレギュレータ１６３により、オアリング用スイッチング素子１９０のゲートの電圧の絶対最大定格値以下にまで降下され、コンデンサ１６４により、平滑化された後、オアリングコントロール１８１に供給される。

ここで、コンデンサ１６２に電荷が充電されると、一端側の電極の電圧は、他端側の電極の電圧よりも高くなる。このため、コンデンサ１６２の一端側の電極からシリーズレギュレータ１６３およびコンデンサ１６４を介してオアリングコントロール１８１に供給される電圧は、コンデンサ１６２の他端側の電極に接続されるオアリング用スイッチング素子１９０のソースの電圧よりも高くなる。すなわち、オアリング用電源回路１６０は、第２の２次巻線１０１ｃに生じた電圧に基づいて、オアリング用スイッチング素子１９０のソースよりも高い電圧をオアリングコントロール１８１に供給できる。
特開２０００−３２２１３２号公報

ところで、上述の電源回路Ｕ１００では、上述のように、トランス１０１に、第１の２次巻線１０１ｂおよび第２の２次巻線１０１ｃの２つの２次巻線を設ける必要がある。このため、トランス１０１は、２次巻線が１つのトランスと比べて、構造が複雑になり、高価となる。そこで、簡易な構造のトランスを用いることで、コストを低減できる電源装置が求められていた。

上述の課題を鑑み、本発明は、簡易な構造のトランスを用いた電源装置および電源装置の制御方法を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題を解決するために、以下の事項を提案している。
（１）本発明は、電源回路と、前記電源回路の出力電圧の出力を制御するスイッチング素子と、を有する単位電源装置が複数並列に接続された電源装置であって、前記電源回路は、トランスと、矩形波電圧を前記トランスの１次巻線に供給する電圧供給回路と、前記トランスの２次巻線に生じる電圧を整流して前記電源回路の出力電圧とする整流回路と、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング素子制御回路と、前記トランスの２次巻線に生じる電圧を昇圧して、前記スイッチング素子制御回路の駆動電圧とする制御回路用電源回路と、を備えることを特徴とする電源装置を提案している。

この発明によれば、制御回路用電源回路により、トランスの２次巻線に生じる電圧を昇圧して、スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング素子制御回路に駆動電圧として供給する。このため、２次巻線が１つであるトランスを用いて、スイッチング素子のスイッチング動作を制御できる。したがって、２次巻線が２つであるトランスと比べて、簡易な構造のトランスを電源装置に用いることができる。

（２）本発明は、（１）の電源装置について、前記制御回路用電源回路は、前記トランスの２次巻線に生じた電圧を安定化する電圧安定化部を備えることを特徴とする電源装置を提案している。

この発明によれば、制御回路用電源回路に電圧安定化部を設けたので、制御回路用電源回路からスイッチング素子制御回路に供給する駆動電圧を安定させることができる。

（３）本発明は、（２）の電源装置について、前記電圧安定化部は、ツェナーダイオードであることを特徴とする電源装置を提案している。

この発明によれば、電圧安定化部としてツェナーダイオードを用いて、制御回路用電源回路からスイッチング素子制御回路に供給する駆動電圧を安定させることができる。

（４）本発明は、電源回路と、前記電源回路の出力電圧の出力を制御するスイッチング素子と、を有する単位電源装置が複数並列に接続された電源装置の制御方法であって、矩形波電圧をトランスの１次巻線に供給する第１のステップと、前記トランスの２次巻線に生じる電圧を整流して前記電源回路の出力電圧とする第２のステップと、スイッチング素子制御回路により前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する第３のステップと、前記トランスの２次巻線に生じる電圧を昇圧して、前記スイッチング素子制御回路の駆動電圧とする第４のステップと、を備えることを特徴とする電源装置の制御方法を提案している。

この発明によれば、トランスの２次巻線に生じる電圧を昇圧して、スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング素子制御回路に駆動電圧として供給する。このため、２次巻線が１つであるトランスを用いて、スイッチング素子のスイッチング動作を制御できる。したがって、２次巻線が２つであるトランスと比べて、簡易な構造のトランスを電源装置に用いることができる。

本発明によれば、トランスの２次巻線に生じる電圧を昇圧して、スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング素子制御回路に駆動電圧として供給する。このため、２次巻線が１つであるトランスを用いて、スイッチング素子のスイッチング動作を制御できる。したがって、２次巻線が２つであるトランスと比べて、簡易な構造のトランスを電源装置に用いることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、本実施形態における構成要素は適宜、既存の構成要素等との置き換えが可能であり、また、他の既存の構成要素との組合せを含む様々なバリエーションが可能である。したがって、本実施形態の記載をもって、特許請求の範囲に記載された発明の内容を限定するものではない。

図１は、本発明の一実施形態に係る電源回路Ｕ１の回路図である。電源回路Ｕ１は、図３に示した従来例に係る電源回路Ｕ１００と比べて、トランスおよびオアリング用電源回路の構成が異なる。なお、電源回路Ｕ１において、電源回路Ｕ１００と同一構成要件については同一符号を付し、その説明を省略する。

トランス１０１Ａは、１次巻線１０１ａおよび２次巻線１０１ｄを備える。すなわち、トランス１０１Ａは、２次巻線を１つのみ備える点で、従来例に係る電源回路Ｕ１００が備えるトランス１０１とは異なる。

オアリング用電源回路６０は、ダイオード６１、６３と、コンデンサ６２、６４と、抵抗６５と、ツェナーダイオード６６と、を備える。ダイオード６１のアノードには、インダクタ１４３の他端側が接続され、ダイオード６１のカソードには、コンデンサ６２の一端側の電極と、ダイオード６３のアノードと、が接続される。コンデンサ６２の他端側の電極には、スイッチング素子１４６のソースが接続される。

ダイオード６３のカソードには、コンデンサ６４の一端側の電極と、抵抗６５の一端側と、が接続される。コンデンサ６４の他端側の電極には、インダクタ１４８の他端側が接続される。

抵抗６５の他端側には、ツェナーダイオード６６のカソードと、オアリングコントロール１８１と、が接続される。ツェナーダイオード６６のアノードには、インダクタ１４８の他端側と、オアリングコントロール１８１と、抵抗１８２の一端側と、オアリング用スイッチング素子１９０のソースと、が接続される。

ここで、ツェナーダイオード６６のアノードと、インダクタ１４８の他端側と、オアリングコントロール１８１と、抵抗１８２の一端側と、オアリング用スイッチング素子１９０のソースと、の接点を点Ｐとする。また、ダイオード６３のカソードとコンデンサ６４の一端側の電極と、抵抗６５の一端側と、の接点を点Ｑとする。また、抵抗６５の他端側と、ツェナーダイオード６６のカソードと、オアリングコントロール１８１と、の接点を点Ｒとする。

以上のオアリング用電源回路６０の動作について、図２を用いて説明する。図２では、縦軸を電圧とし、横軸を時刻とし、２次巻線１０１ｂに電圧が生じてからの時間の経過に対する点Ｐ、Ｑ、Ｒの電圧の変化を示す。

まず、点Ｐの電圧について説明する。点Ｐの電圧は、時間が経過するに従って上昇し、略１．３Ｖｘで安定する。ここで、図１を参照すると、点Ｐは、オアリング用スイッチング素子１９０のソースに接続される。このため、点Ｐの電圧は、オアリング用スイッチング素子１９０のソースの電圧に等しく、オアリング用スイッチング素子１９０のソースの電圧は、略１．３Ｖｘで安定することとなる。

次に、点Ｑの電圧について説明する。点Ｑの電圧は、時間が経過するに従って上昇し、略５．７Ｖｘで安定する。ここで、図１を参照すると、コンデンサ６２の一端側の電極には、インダクタ１４３の他端側の電圧がダイオード６１を介して供給されるため、このコンデンサ６２には、電荷が充電される。充電された電荷に応じた電圧は、ダイオード６３を介してコンデンサ６４に供給され、このコンデンサ６４により平滑化された後、点Ｑの電圧となる。

ここで、コンデンサ６２に電荷が充電されると、一端側の電極の電圧は、他端側の電極の電圧よりも高くなる。このため、コンデンサ６２の一端側の電極からダイオード６３およびコンデンサ６４を介して点Ｑに供給される電圧は、コンデンサ６２の他端側の電極とインダクタ１４８を介して接続される点Ｐの電圧よりも、図２に示すように高くなっている。

次に、点Ｒの電圧について説明する。点Ｒの電圧は、時間が経過するに従って上昇し、略４．４Ｖｘで安定する。ここで、図１を参照すると、点Ｑの電圧は、抵抗６５を介してツェナーダイオード６６に供給され、このツェナーダイオード６６により、点Ｐの電圧を基準として所定の電圧で定電圧化されて、点Ｒの電圧となる。

以上によれば、点Ｒの電圧は、点Ｑの電圧よりも低くなる。具体的には、図２によれば、点Ｑ、Ｒの電圧が安定化した時点では、点Ｒの電圧は、点Ｑの電圧よりも略１．３Ｖｘだけ低くなる。しかしながら、上述の時点では、点Ｒの電圧は、点Ｐの電圧よりも略３．１Ｖｘだけ高い。そして、点Ｐは、上述のようにオアリング用スイッチング素子１９０のソースに接続される。

このため、オアリング用電源回路６０は、２次巻線１０１ｄに生じた電圧に基づいて、オアリング用スイッチング素子１９０のソースよりも略３．１Ｖｘだけ高い電圧をオアリングコントロール１８１に供給できる。したがって、２次側の巻線が２次巻線１０１ｄの１つのみであるトランス１０１Ａを用いて、オアリング用スイッチング素子１９０のスイッチング動作を制御できる。よって、２次側の巻線が２つであるトランスと比べて、簡易な構造のトランス１０１Ａを電源回路Ｕ１に用いることができる。

なお、上述の実施形態では、トランス１０１Ａの１次側に、交流電源回路１２０を設けたが、これに限らず、フルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路、またはプッシュプル回路を設けてもよい。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲内で様々な変形や応用が可能である。

本発明の一実施形態に係る電源回路の回路図である。 本発明の一実施形態に係る電源回路が備えるオアリング用電源回路６０の動作を説明するための図である。 従来例に係る電源装置の概略構成を示す回路図である。 従来例に係る電源回路の回路図である。

符号の説明

６０、１６０；オアリング用電源回路
６６；ツェナーダイオード
１００；単位電源装置
１０１；トランス
１９０；オアリング用スイッチング素子
１２０；交流電源回路
１４０；整流平滑回路
１６０；シリーズレギュレータ
１８０；オアリング制御回路
１８１；オアリングコントロール
５００；電源装置
Ｕ１、Ｕ１００；電源回路

Claims (4)

1. 電源回路と、前記電源回路の出力電圧の出力を制御するスイッチング素子と、を有する単位電源装置が複数並列に接続された電源装置であって、
   前記電源回路は、
   トランスと、
   矩形波電圧を前記トランスの１次巻線に供給する電圧供給回路と、
   前記トランスの２次巻線に生じる電圧を整流して前記電源回路の出力電圧とする整流回路と、
   前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御するスイッチング素子制御回路と、
   前記トランスの２次巻線に生じる電圧を昇圧して、前記スイッチング素子制御回路の駆動電圧とする制御回路用電源回路と、
   を備えることを特徴とする電源装置。
2. 前記制御回路用電源回路は、前記トランスの２次巻線に生じた電圧を安定化する電圧安定化部を備えることを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
3. 前記電圧安定化部は、ツェナーダイオードであることを特徴とする請求項２に記載の電源装置。
4. 電源回路と、前記電源回路の出力電圧の出力を制御するスイッチング素子と、を有する単位電源装置が複数並列に接続された電源装置の制御方法であって、
   矩形波電圧をトランスの１次巻線に供給する第１のステップと、
   前記トランスの２次巻線に生じる電圧を整流して前記電源回路の出力電圧とする第２のステップと、
   スイッチング素子制御回路により前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御する第３のステップと、
   前記トランスの２次巻線に生じる電圧を昇圧して、前記スイッチング素子制御回路の駆動電圧とする第４のステップと、を備えることを特徴とする電源装置の制御方法。

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