JP5434370B2 - 共振型スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
例えば、特開昭51−144911号公報(特許文献1)では、トランスの1次巻線の内側と外側に、トランスの1次巻線を包み込むように静電シールド板を配置し、トランスの2次巻線も同様にトランスの2次巻線を包み込むように静電シールド板を配置し、トランスの1次巻線を包み込んだ静電シールド板は1次側電源の正側に接続し、トランスの2次巻線を包み込んだ静電シールド板は2次側電源のGNDに接続した技術を開示している。これにより、トランスの1次巻線の浮遊容量による雑音電流を静電シールド板を介して1次側電源に戻し、トランスの2次巻線の浮遊容量による雑音電流を静電シールド板を介して2次GNDに接地することによりコモンモードノイズを抑制している。
また、特開昭54−7531号公報(特許文献2)では、トランスの1次巻線と2次巻線間に静電シールド板を設け、その静電シールド板をトランスの1次巻線の1端に接続した技術を開示している。この場合、浮遊容量は1次巻線と静電シールド板間、静電シールド板と2次巻線間の2つのコンデンサに分割されて直列接続されることになる。したがって、等価的に容量が小さくなりノイズを低減させることができる。また、静電シールド板をハーフブリッジ構成の電源においてコンデンサの中点に接続することにより、浮遊容量−静電シールド板−1次巻線からなる平ループを構成することで1次巻線の浮遊容量による雑音電流をトランスの1次巻線に戻すことができる。
また、特開昭60−174064号公報(特許文献3)では、トランスの1次巻線と2次巻線の間に2層の静電シールド板を設置し、1次巻線に近い静電シールド板を入力電源の正負どちらかに接続し、2次側巻線に近い静電シールド板を2次側出力の正負どちらかに接続した技術を開示している。これによりコモンモードノイズを低減することができる。
また、特開昭58−22579号公報(特許文献4)では、トランスの入出力線にリング状のコアを挿入した技術を開示している。これにより、出力端子雑音、入力端子雑音、および輻射雑音を低減することができる。
以下、軽負荷時における上記スイッチング周波数上昇の問題について更に詳細に説明する。
この場合、定格負荷付近においてはトランスT1に流れる電流が浮遊容量Cpsに流れる電流が無視できる程度に大きく、また振動電圧も発生し難いので、浮遊容量Cpsは無視して考える。これに対し無負荷時は、トランスT1に流れる電流が、浮遊容量Cpsに流れる電流を無視できない程度に小さくなり、浮遊容量Cpsに起因する振動電圧が発生するので、後述するように浮遊容量Cpsを考慮して考える。
図2に、図1の共振型スイッチング電源装置100における各部の動作タイムシーケンスを示した。図2において、VQHはハイサイドのスイッチング素子QHのドレイン−ソース間電圧、IQHはスイッチング素子QHに流れる電流(マイナスの値の電流は、ダイオードDQHに流れる電流を示す)、VQLはローサイドのスイッチング素子QLのドレイン−ソース間電圧、IQLはスイッチング素子QLに流れる電流(マイナスの値の電流は、ダイオードDQLに流れる電流を示す)、VCriは電流共振コンデンサCriの電圧、VD1はダイオードD1の電圧、ID1はダイオードD1の電流、VD2はダイオードD2の電圧、ID2はダイオードD2の電流である。その他の各部の動作波形は図示を省略している。
先ず、時刻t0直前のスイッチング素子QHがオンしている状態では、トランスT1の1次側は、入力直流電源Vinの正極端子→スイッチング素子QH→インダクタンスLr→トランスの1次巻線N1→電流共振コンデンサCri→入力直流電源Vinの負極端子の経路で電流が流れており、トランスT1の2次側は、平滑コンデンサCoの一方の端子(正極端子)→負荷Ldの抵抗Ro→平滑コンデンサCoの他方の端子(負極端子)の経路で電流が流れている。時刻t0において、スイッチング素子QHがオンからオフになる。
スイッチング素子QHがオフすると電流IQHは0になり、トランスT1の1次側に流れていた電流は、スイッチング素子QHから電圧共振コンデンサCrvに転流され、電圧共振コンデンサCrv→インダクタンスLr→トランスの1次巻線N1→電流共振コンデンサCri→電圧共振コンデンサCrvの経路で電流が流れる。
時刻t1〜時刻t2の期間では、時刻t1において電圧共振コンデンサCrvの電圧が0Vまで減少すると、スイッチング素子QLに逆並列されたダイオードDQLが導通して、ダイオードDQL→インダクタンスLr→トランスの1次巻線N1→電流共振コンデンサCri→ダイオードDQLの経路で電流が流れる。この電流は、時刻t2において0となる。この時刻t1〜時刻t2の期間において、スイッチング素子QLのゲート信号をオンすることにより、スイッチング素子QLはゼロ電圧スイッチング(ZVS)及びゼロ電流スイッチング(ZCS)動作となる。
また、トランスT1の2次巻線N3の電圧が出力電圧Voに達し、トランスT1の2次側は、平滑コンデンサCoの一方の端子(正極端子)→負荷Ldの抵抗Ro→平滑コンデンサCoの他方の端子(負極端子)の経路の電流と、トランスT1の2次巻線N3→ダイオードD2→平滑コンデンサCo→トランスT1の2次巻線N3の経路の電流とが流れる。
時刻t2〜時刻t3の期間では、時刻t2において、スイッチング素子QLがオンしているので、電流共振コンデンサCri→トランスの1次巻線N1→インダクタンスLr→スイッチング素子QL→電流共振コンデンサCriの経路で電流が流れ、電流共振コンデンサCriの電圧VCriは減少していく。また、トランスT1の2次側には、トランスT1の2次巻線N3→ダイオードD2→平滑コンデンサCo→トランスT1の2次巻線N3の経路の電流と、平滑コンデンサCoの一方の端子(正極端子)→負荷Ldの抵抗Ro→平滑コンデンサCoの他方の端子(負極端子)の経路の電流とが流れる。2次巻線N3の電圧は出力電圧Voの電圧でクランプされ、1次巻線N1の電圧は、出力電圧Voの巻数比の電圧でクランプされるので、トランスT1の1次側はリアクトルLrと電流共振コンデンサCriとによる共振電流が流れる。
時刻t3〜時刻t4の期間では、時刻t3において、2次巻線N3の電圧は出力電圧Vo以下になり、トランスT1の2次側の電流はなくなり、トランスT1の2次側は、平滑コンデンサCoの一方の端子(正極端子)→負荷Ldの抵抗Ro→平滑コンデンサCoの他方の端子(負極端子)の経路で電流が流れる。また、トランスT1の1次側は電流共振コンデンサCri→トランスの1次巻線N1→インダクタンスLr→スイッチング素子QL→電流共振コンデンサCriの経路で電流が流れ、トランスT1の1次側には、リアクトルLrとトランスの1次巻線N1の励磁インダクタンスLpの和(Lr+Lp)と電流共振コンデンサCriとによる共振電流が流れる。
時刻t4〜時刻t5の期間では、時刻t4においてスイッチング素子QLがオフすると、トランスT1の1次側に流れていた電流は、スイッチング素子QLから電圧共振コンデンサCrvに転流され、トランスの1次巻線N1→インダクタンスLr→電圧共振コンデンサCrv→電流共振コンデンサCri→トランスの1次巻線N1の経路で電流が流れる。
時刻t5〜時刻t6の期間では、時刻t5において、電圧共振コンデンサCrvの電圧が入力直流電源Vinの電圧まで上昇すると、スイッチング素子QHに逆並列されたダイオードDQHが導通して、トランスの1次巻線N1→インダクタンスLr→ダイオードDQH→入力直流電源Vin→電流共振コンデンサCri→トランスの1次巻線N1の経路で電流が流れる。この電流は、時刻t6において0となる。この時刻t5〜時刻t6の期間において、スイッチング素子QHのゲート信号をオンすることにより、スイッチング素子QHはゼロ電圧スイッチング及びゼロ電流スイッチング動作となる。
また、トランスT1の2次巻線N2の電圧が出力電圧Voに達し、トランスT1の2次側は、平滑コンデンサCoの一方の端子(正極端子)→負荷Ldの抵抗Ro→平滑コンデンサCoの他方の端子(負極端子)の経路の電流と、トランスT1の2次巻線N2→ダイオードD1→平滑コンデンサCo→トランスT1の2次巻線N2の経路の電流とが流れる。
時刻t6〜時刻t7の期間では、時刻t6において、スイッチング素子QHがオンしているので、入力直流電源Vin→スイッチング素子QH→インダクタンスLr→トランスの1次巻線N1→電流共振コンデンサCri→入力直流電源Vinの経路で電流が流れ、電流共振コンデンサCriの電圧VCriは上昇していく。また、トランスT1の2次側にはトランスT1の2次巻線N2→ダイオードD1→平滑コンデンサCo→トランスT1の2次巻線N2の経路の電流と、平滑コンデンサCoの一方の端子(正極端子)→負荷Ldの抵抗Ro→平滑コンデンサCoの他方の端子(負極端子)の経路の電流とが流れる。2次巻線N2の電圧は出力電圧Voの電圧でクランプされ、1次巻線N1の電圧は出力電圧Voの巻数比の電圧でクランプされるので、トランスT1の1次側は、リアクトルLrと電流共振コンデンサCriによる共振電流が流れる。
時刻t7〜時刻t8の期間では、時刻t7において、2次巻線N2の電圧は出力電圧Vo以下になり、トランスT1の2次側の電流はなくなり、トランスT1の2次側は、平滑コンデンサCoの一方の端子(正極端子)→負荷Ldの抵抗Ro→平滑コンデンサCoの他方の端子(負極端子)の経路で電流が流れる。また、トランスT1の1次側は入力直流電源Vin→スイッチング素子QH→インダクタンスLr→トランスの1次巻線N1→電流共振コンデンサCri→入力直流電源Vinの経路で電流が流れ、トランスT1の1次側には、リアクトルLrとトランスの1次巻線N1の励磁インダクタンスLpの和(Lr+Lp)と電流共振コンデンサCriによる共振電流が流れる。
次に、無負荷時の動作を説明する。
無負荷時の動作を検討するために、トランスT1の1次巻線N1と2次巻線N2、N3間に存在する浮遊容量Cpsを、図3に示すように、トランスT1の1次巻線N1の入力側に移して考える(図3のCps')。更に、図3の回路を図4の等価回路に変換して考える。図4においてLr1、Lr2はトランスT1の1次、2次の漏れインダクタンス、LpはトランスT1の励磁インダクタンス、Cps'は浮遊容量であり、これらは全てトランスT1の1次側に換算し、また、トランスT1はトランスを理想トランスT1’に置き換えている。なお、トランスのインピーダンスを1次換算することはよく知られているので、ここでは詳しく述べない。また、トランスT1の1次巻線N1に直列にリアクトルLrが接続されている場合は、リアクトルLrと1次漏れインダクタンスを合計した値をLr1と考える。また、スイッチング素子QH、QLはダイオードDQH、DQLも含めスイッチで簡単化して示してある。図5に、図4の等価回路で示した共振型スイッチング電源装置100における、無負荷時の各部の動作タイムシーケンスを示した。図5の動作波形の種類は、図2と同じである。
Lr1+Lp≫Lr1+Lr2
Cri≫Cps'
の関係になっているので、トランス1次巻線の漏れインダクタンスLr1と励磁インダクタンスLp、及び電流共振コンデンサCriとによる共振の周期は、漏れインダクタンスLr1+Lr2と浮遊容量Cps'とによる共振の周期より長い。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、出力電圧が所定の目標値になるようにスイッチング周波数を制御するPFM制御回路を備えた共振型スイッチング電源装置において、トランスの1次巻線と電流共振コンデンサとリアクトルが直列接続された共振回路と、前記トランスの2次巻線に接続され前記出力電圧を得る整流回路と、前記トランスの前記1次巻線と前記2次巻線間に配置された静電シールド板を備え、前記リアクトルは前記トランスの前記1次巻線の一方の端子に接続され、前記電流共振コンデンサは前記トランスの前記1次巻線の他方の端子に接続され、前記トランスの前記1次巻線が接続された側とは反対側の前記リアクトルの端子に前記静電シールド板が接続されたことを特徴とする。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、前記トランスが、リーケージトランスであることを特徴とする。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、前記共振回路が、入力直流電源間にハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを直列接続したハーフブリッジ回路の、前記ローサイドスイッチング素子の両端に接続されたことを特徴とする。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、前記共振回路が、入力直流電源間にハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを直列接続したハーフブリッジ回路の、前記ハイサイドスイッチング素子の両端に接続されたことを特徴とする。
また、本発明の共振型スイッチング電源装置は、前記共振回路が、第1ハイサイドスイッチング素子と第1ローサイドスイッチング素子の直列体、および第2ハイサイドスイッチング素子と第2ローサイドスイッチング素子の直列体とを入力直流電源間に接続したフルブリッジ回路の、前記第1ハイサイドスイッチング素子と前記第1ローサイドスイッチング素子の接続点と、前記第2ハイサイドスイッチング素子と前記第2ローサイドスイッチング素子の接続点との間に接続されたことを特徴とする。
図9は、本発明の第1の実施形態である共振型スイッチング電源装置1の回路構成を示した図である。
図6に示した従来技術においては、静電シールド板S1を入力直流電源Vinの負極端子側(トランスT2の1次巻線N1と電流共振コンデンサCriとが接続された側とは反対側の、電流共振コンデンサCriの端子)に接続することでコモンモードノイズの低減を図っているが、本実施形態では静電シールド板S1を、スイッチング素子QHのソース端子、スイッチング素子QLのドレイン端子、リアクトルLrの一方の端子、電圧共振コンデンサの一方の端子が接続された接続点(トランスT2の1次巻線N1とリアクトルLrが接続された側とは反対側の、リアクトルLrの端子)に接続することで軽負荷時のスイッチング周波数上昇を抑制するようにしたものである。
図12は、本発明による第2の実施形態である共振型スイッチング電源装置2の回路構成を示した図である。
図12の共振型スイッチング電源装置2は、第1の実施形態である図9に示した共振型スイッチング電源装置1と比べると、電圧共振コンデンサCrv、電流共振コンデンサCri、トランスT2の1次巻線N1、リアクトルLrで構成される共振回路が、ローサイドのスイッチング素子QLではなく、ハイサイドのスイッチング素子QHのドレイン端子とソース端子間に接続された点が異なっている。その他は図9に示した共振型スイッチング電源装置1と構成が同じである。
図13は、本発明による第3の実施形態である共振型スイッチング電源装置3の回路構成を示した図である。
図13の共振型スイッチング電源装置3は、第1の実施形態である図9に示した共振型スイッチング電源装置1と比べると、フルブリッジ回路で構成された点が異なっている。すなわち、入力直流電源Vinの両端に、スイッチング素子QH1とスイッチング素子QL1からなる直列体とスイッチング素子QH2とスイッチング素子QL2からなる直列体が並列接続され、そして、スイッチング素子QH1のソース端子とスイッチング素子QL1のドレイン端子が接続された接続点と、スイッチング素子QH2のソース端子とスイッチング素子QL2のドレイン端子が接続された接続点との間に共振回路が接続されている。
静電シールド板S1は、電線によりスイッチング素子QH1のソース端子とスイッチング素子QL1のドレイン端子の接続点(トランスT2の1次巻線N1とリアクトルLrが接続された側とは反対側の、リアクトルLrの端子)に接続されている。
トランスT2の2次側の構成は図1の構成に同じであるので説明は省略する。
図14は、本発明による第4の実施形態である共振型スイッチング電源装置4の回路構成を示した図である。
図14の共振型スイッチング電源装置4は、第1の実施形態である図9に示した共振型スイッチング電源装置1と比べると、本実施形態においては静電シールド板S1をスイッチング素子QHのソース端子とスイッチング素子QLのドレイン端子との接続点(トランスT2の1次巻線N1とリアクトルLrが接続された側とは反対側の、リアクトルLrの端子)に抵抗Rxを介して接続している点が異なる。その他は図9に示した共振型スイッチング電源装置1と構成が同じである。
10、20・・・PFM制御回路
Ci、Co・・・平滑コンデンサ
Crv・・・電圧共振コンデンサ
Cri・・・電流共振コンデンサ
Cps、Cps'、Cps1、Cps1'、Cps2、Cps2'・・・浮遊容量
QH、QH1、QH2・・・スイッチング素子(ハイサイド)
QL、QL1、QL2・・・スイッチング素子(ローサイド)
DQH、DQL、DQH1、DQH2、DQL1、DQL2、D1、D2・・・ダイオード
Lr・・・リアクトル
Lr1・・・1次の漏れインダクタンス
Lr2・・・2次の漏れインダクタンス
Lp・・・励磁インダクタンス
T1、T2・・・トランス
N1・・・トランスT1(T1'、T2、T2')の1次巻線
N2、N3・・・トランスT1(T1'、T2、T2')の2次巻線
Ld・・・負荷
Vin・・・入力直流電源
Vo・・・出力電圧(or出力端子)
S1・・・静電シールド板
Ro・・・負荷Ldの抵抗
Rx・・・抵抗
Claims (6)
- 出力電圧が所定の目標値になるようにスイッチング周波数を制御するPFM制御回路を備えた共振型スイッチング電源装置において、
トランスの1次巻線と電流共振コンデンサとが直列接続された共振回路と、
前記トランスの2次巻線に接続され前記出力電圧を得る整流回路と、
前記トランスの前記1次巻線と前記2次巻線間に配置された静電シールド板を備え、
前記電流共振コンデンサが接続された側とは反対側の前記トランスの前記1次巻線の端子に前記静電シールド板を接続したことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。 - 出力電圧が所定の目標値になるようにスイッチング周波数を制御するPFM制御回路を備えた共振型スイッチング電源装置において、
トランスの1次巻線と電流共振コンデンサとリアクトルが直列接続された共振回路と、
前記トランスの2次巻線に接続され前記出力電圧を得る整流回路と、
前記トランスの前記1次巻線と前記2次巻線間に配置された静電シールド板を備え、
前記リアクトルは前記トランスの前記1次巻線の一方の端子に接続され、前記電流共振コンデンサは前記トランスの前記1次巻線の他方の端子に接続され、
前記トランスの前記1次巻線が接続された側とは反対側の前記リアクトルの端子に前記静電シールド板が接続されたことを特徴とする共振型スイッチング電源装置。 - 前記トランスは、リーケージトランスであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の共振型スイッチング電源装置。
- 前記共振回路は、ハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを直列接続したハーフブリッジ回路の、前記ローサイドスイッチング素子の両端に接続されたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の共振型スイッチング電源装置。
- 前記共振回路は、ハイサイドスイッチング素子とローサイドスイッチング素子とを直列接続したハーフブリッジ回路の、前記ハイサイドスイッチング素子の両端に接続されたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の共振型スイッチング電源装置。
- 前記共振回路は、第1ハイサイドスイッチング素子と第1ローサイドスイッチング素子の直列体、および第2ハイサイドスイッチング素子と第2ローサイドスイッチング素子の直列体とを入力直流電源間に接続したフルブリッジ回路の、前記第1ハイサイドスイッチング素子と前記第1ローサイドスイッチング素子の接続点と、前記第2ハイサイドスイッチング素子と前記第2ローサイドスイッチング素子の接続点との間に接続されたことを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載の共振型スイッチング電源装置。
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