JP5490443B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関し、特にコモンモードノイズを低減し得るスイッチング電源装置に関するものである。

この種のスイッチング電源装置として、下記の特許文献１に開示されているスイッチング電源装置（ＤＣ−ＤＣコンバータ。構成の概要は図５参照）が知られている。このスイッチング電源装置５１では、図５に示すように、絶縁形のトランス５２の一次巻線５２ａと二次巻線５２ｂとの間に存在している浮遊容量Ｃｓが、トランス５２の一次巻線５２ａを駆動するスイッチング素子（例えばトランジスタ）５３のスイッチング作用により、繰り返し充放電される。これにより、一次巻線５２ａと二次巻線５２ｂとの間にスイッチング周波数を基本波とするノイズ電圧が発生し、このノイズ電圧が、トランス５２の一次巻線側（スイッチング電源装置の一次側）と二次巻線側（スイッチング電源装置の二次側）との間のコモンモードノイズ源となる。このコモンモードノイズは、トランス５２の二次側に接続された整流回路５４および平滑回路５５を介して生成される直流電圧Ｖｏｕｔの供給を受けて作動する外部回路（図示せず）に対して悪影響を与える。このため、通常は、このスイッチング電源装置５１のように、トランス５２の一次側と二次側との間（図５では、一次巻線５２ａの一端と二次側の基準電位（二次側グランド）との間）に数１０ｎＦ〜数１００ｎＦのコンデンサ５６を接続して、コモンモードノイズを抑制している。また、図示はしないが、この特許文献１には、コンデンサ５６に対してコイルを直列に接続し、この直列回路をトランス５２の一次側と二次側との間に接続する構成についても開示されている。

特開平８−２６６０５４号公報（第２頁、第２図）

ところが、上記のスイッチング電源装置には、以下の解決すべき課題がある。すなわち、このスイッチング電源装置では、コモンモードノイズの抑制量を増加させるために一次側と二次側との間に接続されたコンデンサ５６の静電容量値を大きくする必要性が生じる場合があるが、この場合には一次側と二次側との間の交流的なインピーダンスが低下するため、一次側と二次側との絶縁状態が悪化するという課題が存在している。また、コンデンサ５６にコイルを直列に接続する上記構成においても、コモンモードノイズを低減させるべく直列共振させたときには、一次側と二次側との間のインピーダンスが理論的にはゼロとなり、やはり絶縁状態が悪化することになる。なお、この課題に対して、特許第３２９４２５１号公報に開示されたスイッチング電源装置のように、トランスの二次側整流出力と二次側の基準電位（二次側グランド）との間に２つの抵抗を直列接続した状態で配置し、各抵抗の接続点とトランスの一次側の基準電位（一次側グランド）との間にコンデンサを配置する構成を採用することも考えられるが、この構成では、生成された直流電圧が二次側に配設された上記２つの抵抗によって消費される結果、トランスやスイッチング素子での損失が増大する結果、電源装置の電源変換効率が低下するという課題が新たに発生する。

本発明は、かかる課題を解決すべくなされたものであり、一次側と二次側との間の絶縁状態を維持すると共に電源変換効率の低下を回避しつつ、コモンモードノイズを抑制し得るスイッチング電源装置を提供することを主目的とする。

上記目的を達成すべく請求項１記載のスイッチング電源装置は、一端に入力直流電圧が印加される一次巻線と二次巻線とを有するトランス、前記一次巻線の他端に接続されたスイッチング素子、および前記二次巻線の両端に接続されて当該二次巻線から出力される交流電圧を整流して直流電圧を生成する整流平滑回路を有するスイッチング電源装置であって、前記一次巻線の前記他端と当該一次巻線側の一次側基準電位に規定された部位との間に直列に接続された複数の抵抗と、当該複数の抵抗のうちの２つ同士の接続点に一端が接続され、前記二次巻線側の二次側基準電位に規定された部位に他端が接続されたコンデンサとを備えている。

また、請求項２記載のスイッチング電源装置は、請求項１記載のスイッチング電源装置において、前記接続点と前記一次側基準電位との間に接続されたサージ吸収素子を備えている。

請求項１記載のスイッチング電源装置では、トランスの一次巻線の他端と一次側基準電位に規定された部位との間に直列に接続された複数の抵抗で構成される抵抗群を接続し、かつこの複数の抵抗のうちの２つ同士（２つの抵抗）の接続点と二次側基準電位に規定された部位との間にコンデンサを接続したことにより、トランスの一次側と二次側との間の絶縁状態をこの２つの抵抗で所定の抵抗値以上に維持しつつ、複数の抵抗で分圧された交流電圧成分をコンデンサを介して二次側基準電位に供給することで、トランスの二次巻線側に発生するコモンモードノイズの電圧レベルを低減することができる。また、抵抗群の各抵抗の抵抗値を調整することにより、コンデンサを介して二次側基準電位に供給する交流電圧成分の電圧レベルを微調できるため、コモンモードノイズの電圧レベル（振幅）を極めて低いレベルに抑制することができる。また、コモンモードノイズの電圧レベルを低減させるための抵抗群がトランスの一次巻線に接続される構成のため、従来例とは異なり、生成した直流電圧が抵抗群によって消費されない。したがって、その分のトランスやスイッチング素子での損失を回避することができる結果、抵抗群の接続に起因するスイッチング電源装置における電源変換効率の低下を回避することができる。

また、請求項２記載のスイッチング電源装置では、接続点と一次側基準電位との間にサージ吸収素子が接続されているため、トランスの一次側と二次側との間に過渡的な大きなコモンモードノイズが発生した場合であっても、このコモンモードノイズはサージ吸収素子で吸収される。このため、このスイッチング電源装置によれば、複数の抵抗のうちの接続点と一次側基準電位との間に接続されている抵抗、つまりサージ吸収素子と並列に接続されている抵抗に加わる電気的なストレスを低減することができ、これによって、このストレスに起因した抵抗の劣化を確実に防止することができる。

スイッチング電源装置１の構成図である。 スイッチング電源装置１Ａの構成図である。 一次側基準電位Ｇ１と二次側基準電位Ｇ２とをコンデンサ７のみで接続する構成を採用したスイッチング電源装置において発生するコモンモードノイズの電圧レベル図である。 スイッチング電源装置１において発生するコモンモードノイズの電圧レベル図である。 従来のスイッチング電源装置５１の構成図である。

以下、スイッチング電源装置の実施の形態について、添付図面を参照して説明する。

最初に、スイッチング電源装置１の構成について、図面を参照して説明する。

スイッチング電源装置１は、一例として、図１に示すように、トランス２、第１スイッチング素子３、第２スイッチング素子４、整流平滑回路５、互いに直列に接続された複数の抵抗で構成される抵抗群６、およびコンデンサ７を備え、回路方式がプッシュプル方式のスイッチング電源として構成されて、入力直流電圧Ｖｉｎに基づいて、この入力直流電圧Ｖｉｎと電気的に絶縁された正電圧＋Ｖｏｕｔおよび負電圧−Ｖｏｕｔ（それぞれ直流電圧）を生成する。

トランス２は、図１に示すように、巻線１１および巻線１２の各一端同士が接続されて、この各一端がセンタータップ（中点）Ａとして構成された一次巻線１３と、巻線１４および巻線１５の各一端同士が接続されて、この各一端がセンタータップ（中点）Ｂとして構成された二次巻線１６とを備えている。また、トランス２では、各巻線１１，１２，１４，１５は、図１において黒丸で示す極性でコアに巻回されている。また、一次巻線１３と二次巻線１６とは互いに電気的に絶縁されているが、相互間には浮遊容量Ｃｓ（例えば、数１０ｐＦ〜数１００ｐＦ）が存在している。また、一次巻線１３のセンタータップＡ（各巻線１１，１２の一端）には、一次側基準電位Ｇ１（一次側グランド）との間に所定電圧の入力直流電圧Ｖｉｎが印加される。

第１スイッチング素子３および第２スイッチング素子４は、一例としてトランジスタ（バイポーラ型トランジスタまたは電界効果型トランジスタ）で構成されている。この場合、第１スイッチング素子３は、図１に示すように、一次巻線１３を構成する巻線１１の他端Ａ１と一次側基準電位Ｇ１との間に接続されている。また、第２スイッチング素子４は、一次巻線１３を構成する巻線１２の他端Ａ２と一次側基準電位Ｇ１との間に接続されている。また、各スイッチング素子３，４は、位相が互いに１８０°ずれた駆動信号Ｓ１，Ｓ２（ディーティ比が共に約０．５のパルス信号）でそれぞれ駆動されて、一方がオン状態のときに他方がオフ状態となるスイッチング動作（交互に同じ時間だけオン状態となるスイッチング動作）を繰り返し実行する。

整流平滑回路５は、一例として図１に示すように、整流素子（本例ではダイオード）２１，２２およびコンデンサ２３，２４を備えて構成されている。この場合、ダイオード２１は、そのアノード端子が二次巻線１６を構成する巻線１４の他端Ｂ１に接続され、ダイオード２２は、そのカソード端子が二次巻線１６を構成する巻線１５の他端Ｂ２に接続されている。また、コンデンサ２３は、一端がダイオード２１のカソード端子に接続され、他端が二次側基準電位Ｇ２（二次側グランド）に接続されている。また、コンデンサ２４は、一端がダイオード２２のアノード端子に接続され、他端が二次側基準電位Ｇ２に接続されている。

抵抗群６は、図１に示すように、直列接続された複数の抵抗（本例では一例として直列接続された２つの抵抗３１，３２）で構成されて、一次巻線１３を構成する巻線１１の他端Ａ１と一次側基準電位Ｇ１との間に接続されている。各抵抗３１，３２の抵抗値は、コンデンサ７の静電容量に対応させて変更する必要があるが、通常は、巻線１１の他端Ａ１に発生する交流電圧成分に対してトランス２の二次側に発生するコモンモードノイズのレベルが小さい。このため、例えば、抵抗３２の抵抗値は、数百オーム〜数キロオーム程度の高い値とし、抵抗３１の抵抗値は、抵抗３２の抵抗値の数十倍から数百倍の大きさ（本例では１００倍）に規定される。コンデンサ７は、一端が抵抗３１，３２の接続点Ｃ（複数の抵抗のうちの２つ同士の接続点）に接続され、他端が二次側基準電位Ｇ２に接続されている。また、抵抗群６の合計抵抗値とコンデンサ７の静電容量値は、一次側基準電位Ｇ１を基準とした二次側基準電位Ｇ２の電圧レベルの揺れを抑制し、かつトランス２の一次側と二次側との間の絶縁状態（絶縁抵抗値）を所定の抵抗値以上に維持し得るように適宜設定される。本例では一例として、上記した浮遊容量Ｃｓの静電容量に対応させて、コンデンサ７の静電容量値を数１０ｐＦ〜数１００ｐＦの範囲内で規定し、規定したコンデンサ７の静電容量値に対応させて抵抗群６の合計抵抗値を規定する。

次に、スイッチング電源装置１の動作について説明する。

入力直流電圧Ｖｉｎがトランス２に印加されている状態において、各スイッチング素子３，４に駆動信号Ｓ１，Ｓ２が供給されると、各スイッチング素子３，４は交互にオン状態となる上記のスイッチング動作を繰り返す。これにより、トランス２の二次巻線１６には電圧が誘起され、この誘起された電圧を整流平滑回路５が整流・平滑することにより、二次側基準電位Ｇ２を基準として正の電圧となる正電圧＋Ｖｏｕｔと、二次側基準電位Ｇ２を基準として負の電圧となる負電圧−Ｖｏｕｔが生成される。

この場合、各スイッチング素子３，４が所定のスイッチング周波数でスイッチング動作を繰り返すことにより、トランス２の一次巻線１３と二次巻線１６との間に存在している浮遊容量Ｃｓがスイッチング動作の周期で繰り返し充放電される。このため、トランス２の一次巻線１３と二次巻線１６との間には、上記のスイッチング周波数を基本波とするノイズ電圧が発生する。一方、各スイッチング素子３，４のスイッチング動作により、一次巻線１３の各端部Ａ１，Ａ２にも、上記のノイズ電圧と同様にして、上記のスイッチング周波数を基本波とする交流電圧成分が一次側基準電位Ｇ１を基準として発生する。抵抗群６を構成する抵抗３１，３２は、この交流電圧成分を分圧して、コンデンサ７を介して二次側基準電位Ｇ２に供給する。一次巻線１３の各端部Ａ１，Ａ２に発生する交流電圧成分は、上記のノイズ電圧と同じ周波数の基本波で構成され、かつ位相もほぼ同じであるため、この交流電圧成分が分圧されてコンデンサ７から二次側基準電位Ｇ２に供給されることにより、一次側基準電位Ｇ１を基準とした二次側基準電位Ｇ２の電圧レベルの揺れが抑制される。また、トランス２の一次側と二次側との間をコンデンサ７や、コンデンサおよびインダクタで構成される直列共振回路で直接接続する従来の構成とは異なり、抵抗群６を構成する抵抗３１，３２を介して接続する構成のため、トランス２の一次側と二次側との間の絶縁状態が抵抗３１，３２によって所定の抵抗値以上に確実に維持される。

さらに、各抵抗３１，３２の抵抗値を調整することにより、コンデンサ７を介して二次側基準電位Ｇ２に供給する交流電圧成分の電圧レベルを微調整可能となっている。このため、コモンモードノイズの電圧レベル（振幅）を極めて低レベルな状態にまで抑制可能となっている。具体的には、トランス２の一次側と二次側との間をコンデンサ７のみで接続した構成では、トランス２の二次巻線１６側に発生するコモンモードノイズ（一次側基準電位Ｇ１を基準としたときの二次側基準電位Ｇ２）の電圧レベルが図３に示すように高い状態（約５０ｍＶｐ−ｐ）になるが、抵抗群６とコンデンサ７とを使用するスイッチング電源装置１では、各抵抗３１，３２の抵抗値を調整することにより、図４に示すようにコモンモードノイズの電圧レベルをほぼゼロの状態にまで低減することが可能となる。なお、図３，４のデータを取得した試験回路の各構成要素の諸元は以下の通りである。
トランス２の巻線：一次側 各１０ターン、二次側 各５ターン
入力直流電圧Ｖｉｎ：１２Ｖ
正電圧＋Ｖｏｕｔ：６Ｖ
負電圧−Ｖｏｕｔ：−６Ｖ
スイッチング周波数：１２０ｋＨｚ
コンデンサ７の容量：１００ｐＦ
測定機器：波形記録計（８８７０メモリハイコーダ 日置電機株式会社製）
測定箇所：一次側基準電位Ｇ１を基準とした二次側基準電位Ｇ２の電位

このように、このスイッチング電源装置１によれば、トランス２における一次巻線１３の一方の端部（巻線１１の他端Ａ１）と一次側基準電位Ｇ１に規定された部位との間に直列に接続された抵抗３１，３２で構成される抵抗群６を接続し、かつ各抵抗３１，３２の接続点と二次側基準電位Ｇ２に規定された部位との間にコンデンサ７を接続したことにより、トランス２の一次側と二次側との間の絶縁状態を抵抗３１，３２で所定の抵抗値以上に維持しつつ、抵抗３１，３２で分圧された交流電圧成分をコンデンサ７を介して二次側基準電位Ｇ２に供給することで、トランス２の二次巻線１６側に発生するコモンモードノイズの電圧レベルを低減することができる。また、各抵抗３１，３２の抵抗値を調整することにより、コンデンサ７を介して二次側基準電位Ｇ２に供給する交流電圧成分の電圧レベルを微調できるため、コモンモードノイズの電圧レベル（振幅）を極めて低いレベルに抑制することができる。また、コモンモードノイズの電圧レベルを低減させるための抵抗群６がトランス２の一次巻線１３に接続される構成のため、生成した正電圧＋Ｖｏｕｔおよび負電圧−Ｖｏｕｔが抵抗群６で消費されない。したがって、その分のトランス２やスイッチング素子３，４での損失を回避することができる結果、抵抗群６の接続に起因するスイッチング電源装置１における電源変換効率の低下を回避することができる。

なお、上記のスイッチング電源装置１では、一次巻線１３を構成する巻線１１の他端Ａ１と一次側基準電位Ｇ１との間に抵抗群６を接続する構成を採用しているが、一次巻線１３を構成する巻線１２の他端Ａ２と一次側基準電位Ｇ１との間に抵抗群６を接続する構成を採用することもできる。また、抵抗群６を２つの抵抗３１，３２で構成したが、３つ以上の抵抗の直列回路で構成することもできる。また、抵抗群６に可変抵抗器を設け、微調整可能な構成を採用することもできる。

また、プッシュプル方式のスイッチング電源装置１に適用した例について上記したが、図２に示すように、シングルエンド方式のスイッチング電源装置１Ａに適用することもできる。以下、このスイッチング電源装置１Ａについて説明する。なお、スイッチング電源装置１と同一の構成については同一の符号を付して重複する説明を省略する。

スイッチング電源装置１Ａは、一例として、図２に示すように、トランス２Ａ、１つのスイッチング素子（本例では第２スイッチング素子４）、整流平滑回路５Ａ、抵抗群６およびコンデンサ７を備え、入力直流電圧Ｖｉｎに基づいて、この入力直流電圧Ｖｉｎと電気的に絶縁された正電圧および負電圧のうちのいずれか一方（本例では一例として正電圧＋Ｖｏｕｔ）を生成する。

具体的には、トランス２Ａは、図２に示すように、１つの巻線１２で構成された一次巻線１３Ａと、１つの巻線１４で構成された二次巻線１６Ａとを備えている。また、トランス２では、各巻線１２，１４は、黒丸で示す極性でコアに巻回されている。また、一次巻線１３Ａと二次巻線１６Ａとは互いに電気的に絶縁されているが、相互間には浮遊容量Ｃｓ（例えば、数１０ｐＦ〜数１００ｐＦ）が存在している。また、巻線１２の一端Ａには、一次側基準電位Ｇ１（一次側グランド）に対して所定電圧の入力直流電圧Ｖｉｎが印加される。

第２スイッチング素子４は、一次巻線１３を構成する巻線１２の他端Ａ２と一次側基準電位Ｇ１との間に接続されている。また、スイッチング素子４は、駆動信号Ｓ２（ディーティ比が約０．５のパルス信号）で駆動されて、スイッチング動作を繰り返し実行する。整流平滑回路５Ａは、一例として整流素子（本例ではダイオード）２１およびコンデンサ２３を備えて構成されている。この場合、ダイオード２１は、そのアノード端子が巻線１４の他端Ｂ１に接続されている。コンデンサ２３は、一端がダイオード２１のカソード端子に接続され、他端が二次側基準電位Ｇ２に接続されている。抵抗群６は、巻線１２の他端Ａ２と一次側基準電位Ｇ１との間に接続されている。

このスイッチング電源装置１Ａでも、スイッチング電源装置１と同様にして、スイッチング素子４が所定のスイッチング周波数でスイッチング動作を繰り返すことにより、トランス２の一次巻線１３Ａと二次巻線１６Ａとの間の浮遊容量Ｃｓがスイッチング動作の周期で繰り返し充放電されるため、一次巻線１３Ａと二次巻線１６Ａとの間には、スイッチング周波数を基本波とするノイズ電圧が発生する。

この場合、このスイッチング電源装置１Ａにおいても、抵抗群６を構成する抵抗３１，３２が一次巻線１３の端部Ａ２に発生する交流電圧成分（ノイズ電圧と同様にして、上記のスイッチング周波数を基本波とする交流電圧成分）を分圧してコンデンサ７を介して二次側基準電位Ｇ２に供給することにより、一次側基準電位Ｇ１を基準としたときの二次側基準電位Ｇ２の電圧レベルを抑制することができる。また、抵抗群６を使用する構成のため、トランス２の一次側と二次側との間の絶縁状態が抵抗３１，３２によって所定の抵抗値以上に確実に維持することができる。さらには、各抵抗３１，３２の抵抗値を調整することにより、コンデンサ７を介して二次側基準電位Ｇ２に供給する交流電圧成分の電圧レベルを微調できるため、コモンモードノイズの電圧レベル（振幅）を極めて低いレベルに抑制することができる。また、生成した正電圧＋Ｖｏｕｔが抵抗群６で消費されない。したがって、その分のトランス２やスイッチング素子４での損失を回避することができる結果、抵抗群６の接続に起因するスイッチング電源装置１Ａにおける電源変換効率の低下を回避することができる。

また、本願発明者が、上記のスイッチング電源装置１，１Ａについて更に検討を加えた結果、まれにではあるが、コモンモードに過渡的な高電圧が印加される（つまり、一次側基準電位Ｇ１と二次側基準電位Ｇ２との間に過渡的に高い電圧のコモンモードノイズが発生する）ことがあり、この場合には抵抗３２に大きな電流が流れるため、抵抗３２に電気的なストレスが加わるという現象が発生することを見出した。このような電気的なストレスが抵抗３２に加わることは好ましくないことから、本願発明者は、このストレスを低減させるために、図１，２において破線で示すように、スイッチング電源装置１，１Ａの各抵抗３２に対して並列にサージ吸収素子８を接続する構成を採用した。つまり、サージ吸収素子８を、抵抗３１，３２の接続点Ｃ（複数の抵抗のうちの２つ同士の接続点）と、一次側基準電位Ｇ１との間に接続する構成を採用した。サージ吸収素子８としては、サージ吸収ツェナーダイオード、バリスタ素子、ガラスチューブアレスタ、マイクロ式ギャップ吸収素子およびサージ吸収用コンデンサ（静電容量は数十ｐＦ程度）などを使用することができる。なお、サージ吸収素子８としてサージ吸収用コンデンサを使用した場合であっても、その静電容量は上記のように数十ｐＦ程度であるため、同相信号除去比（ＣＭＲＲ）の低下が回避されている。

この構成を採用することにより、トランス２の二次巻線１６，１６Ａ側に発生する非過渡的なコモンモードノイズについては、並列接続された抵抗３２およびサージ吸収素子８のうちの抵抗３２が主として機能することにより、抵抗３１，３２で分圧された交流電圧成分がコンデンサ７を介して二次側基準電位Ｇ２に供給されることで、トランス２の二次巻線１６側に発生するコモンモードノイズの電圧レベルを低減させる。また、トランス２の二次巻線１６，１６Ａ側に発生する過渡的な高い電圧のコモンモードノイズについては、並列接続された抵抗３２およびサージ吸収素子８のうちのサージ吸収素子８が主として機能することにより、この過渡的なコモンモードノイズの抵抗３２への流入を低減することで、抵抗３２に加わる電気的なストレスを低減することができ、これによって、このストレスに起因した抵抗３２の劣化を確実に防止することができる。

１，１Ａ スイッチング電源装置
２ トランス
３ 第１スイッチング素子
４ 第２スイッチング素子
５，５Ａ 整流平滑回路
６ 抵抗群
７ コンデンサ
８ サージ吸収素子
１３，１３Ａ 一次巻線
１６，１６Ａ 二次巻線
３１，３２ 抵抗
Ｃ 接続点
Ｇ１ 一次側基準電位
Ｇ２ 二次側基準電位
Ｖｉｎ 入力直流電圧
＋Ｖｏｕｔ 正電圧
−Ｖｏｕｔ 負電圧

Claims (2)

1. 一端に入力直流電圧が印加される一次巻線と二次巻線とを有するトランス、前記一次巻線の他端に接続されたスイッチング素子、および前記二次巻線の両端に接続されて当該二次巻線から出力される交流電圧を整流して直流電圧を生成する整流平滑回路を有するスイッチング電源装置であって、
   前記一次巻線の前記他端と当該一次巻線側の一次側基準電位に規定された部位との間に直列に接続された複数の抵抗と、
   当該複数の抵抗のうちの２つ同士の接続点に一端が接続され、前記二次巻線側の二次側基準電位に規定された部位に他端が接続されたコンデンサとを備えているスイッチング電源装置。
2. 前記接続点と前記一次側基準電位との間に接続されたサージ吸収素子を備えている請求項１記載のスイッチング電源装置。

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