JP5594322B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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Description

本発明は、コンバータを二段構成としたスイッチング電源装置に関するものである。
特許文献1には、電流入力波形コンバータを前段に備え、直列共振型コンバータを後段に備えた構成のDC−DCコンバータが開示されている。前段の電流入力波形コンバータは、例えば昇圧コンバータであって、出力電圧を検出して、後段の直列共振型コンバータへの入力電圧が一定になるよう制御する。後段の直列共振型コンバータは、入力電圧がそのまま負荷電圧となるように、固定周波数で動作する。
特開昭64−43062号公報
特許文献1に記載のDC−DCコンバータは、負荷の軽重に関わらず、直列共振型コンバータのスイッチング周波数を固定共振周波数とし、スイッチ素子のオンデューティ比を制御している。具体的には、軽負荷の場合にパルス幅を狭くし、重負荷の場合にパルス幅を広くする。しかしながら、スイッチング周波数が固定でパルス幅を狭くした場合、すなわち、オンデューティ比を小さくした場合、スイッチ素子のオフ期間が長く、スイッチング損失が大きくなるといった問題がある。また、重負荷時にパルス幅を広くして、スイッチ素子のオンデューティ比を大きくした場合、各素子に流れる電流の振幅が大きくなり、導通損失(RI)が増加するといった問題がある。このように、特許文献1に記載のDC−DCコンバータは、負荷の軽重によって、効率低下又は損失増加の問題がある。
そこで、本発明の目的は、負荷の軽重に関わらず高効率で損失を低減して電力変換を行えるスイッチング電源装置を提供することにある。
本発明に係るスイッチング電源装置は、入力された入力電源電圧を昇圧して直流電圧を出力する非絶縁型コンバータと、前記非絶縁型コンバータから出力される直流電圧を入力して負荷へ直流電圧を出力する絶縁型ブリッジコンバータとを備え、前記絶縁型ブリッジコンバータは、1次巻線及び2次巻線を備えるトランスと、前記1次巻線に接続されていて、第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子とを有し、前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子の切り替えにより入力された直流電圧から交流電圧を発生させ、前記1次巻線に印加する交流電圧発生回路と、前記2次巻線に接続されていて、前記1次巻線との磁界結合により前記2次巻線に誘起された電圧を整流し、負荷へ出力する整流回路と、を有し、前記非絶縁型コンバータは、インダクタ及びキャパシタと、前記インダクタへの通電を切り替える第3のスイッチ素子と、を有し、固定オンデューティ比で、かつ、前記負荷の軽重に応じたスイッチング周波数で、前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子を、デッドタイムを挟んで交互にオン/オフ制御するスイッチング周波数制御回路と、前記第3のスイッチ素子をオン/オフ制御し、かつ、前記第3のスイッチ素子のオンデューティ比を制御して前記絶縁型ブリッジコンバータの出力電圧を調整するPWM制御回路とを有することを特徴とする。
この構成では、第1のスイッチ素子及び第2のスイッチ素子を、例えば、ほぼ50%のオンデューティ比でオン/オフ制御することができるため、第1のスイッチ素子及び第2のスイッチ素子のスイッチング損失を低減させることで、電力変換を効率よく行える。また、オンデューティ比が固定で、第1のスイッチ素子及び第2のスイッチ素子のスイッチング周波数を、負荷の軽重に応じて制御することで、スイッチング周波数によって変化する損失を低減できる。例えば、重負荷時にスイッチング周波数を高く設定することでパルス幅が狭くなり、電流リップルを低減して、導通損失を低減できる。また、軽負荷時にスイッチング周波数を低く設定することで、鉄損を低減できる。
前記スイッチング周波数制御回路は、前記負荷が軽負荷時における前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子のスイッチング周波数を、前記負荷が重負荷時におけるスイッチング周波数より低くする構成が好ましい。
この構成では、重負荷時にスイッチング周波数を高く設定することでパルス幅が狭くなり、電流リップルを低減して、導通損失を低減できる。また、軽負荷時にスイッチング周波数を低く設定することで、鉄損を低減できる。
前記スイッチング周波数制御回路は、前記負荷への出力電流を検出し、前記出力電流に応じて、前記スイッチング周波数を制御する構成でもよい。
この構成では、負荷の軽重によってスイッチング周波数を制御することで、負荷の軽重に関わらず、高効率な電力変換を行うことができる。
前記スイッチング周波数制御回路は、前記トランスの1次側に設けられた素子に流れる1次側電流を検出し、前記1次側電流に応じて、前記スイッチング周波数を制御する構成でもよい。
この構成では、トランスの2次側で電流を検出した場合、2次側から1次側への検出信号の伝達のため絶縁構成(フォトカプラ等)を必要とするが、1次側で電流検出することで絶縁構成を必要としなくなる。
前記スイッチング周波数制御回路は、前記トランスの1次側又は2次側に設けられた素子の温度を検出し、前記温度に応じて、前記スイッチング周波数を制御する構成でもよい。
この構成では、温度変化に伴うスイッチング制御により効率よく電力変換を行える。
本発明によれば、第1のスイッチ素子及び第2のスイッチ素子を、例えば、ほぼ50%のオンデューティ比でオン/オフ制御することができるため、第1のスイッチ素子及び第2のスイッチ素子のスイッチング損失を低減させることができ、電力変換を効率よく行える。また、オンデューティ比が固定で、第1のスイッチ素子及び第2のスイッチ素子のスイッチング周波数を、負荷の軽重に応じて制御することで、スイッチング周波数によって変化する損失を低減できる。例えば、重負荷時にスイッチング周波数を高く設定することでパルス幅が狭くなり、電流リップルを低減して、導通損失を低減できる。また、軽負荷時にスイッチング周波数を低く設定することで、鉄損を低減できる。
実施形態1に係るスイッチング電源装置の回路図。 実施形態2に係るスイッチング電源装置の回路図。 実施形態3に係るスイッチング電源装置の回路図。
(実施形態1)
図1は実施形態1に係るスイッチング電源装置の回路図である。スイッチング電源装置101は、非絶縁型コンバータを前段に備え、絶縁型ブリッジコンバータを後段に備えた構成である。本実施形態では、非絶縁型コンバータは昇圧コンバータ回路10であり、絶縁型ブリッジコンバータはハーフブリッジコンバータ回路20である。スイッチング電源装置101は、入力端子Pi(+),Pi(−)から入力された直流入力電圧Viを出力電圧Voに変換し、出力端子Po(+),Po(−)に接続された負荷(不図示)に供給する。入力端子Pi(+),Pi(−)には平滑コンデンサCi及び昇圧コンバータ回路10が接続されている。
昇圧コンバータ回路10は、インダクタL1、n型MOSFET(以下、FETという。)11、ダイオードD1及び平滑コンデンサC1で構成されている。インダクタL1は、第1端が昇圧コンバータ回路10の入力部に接続され、第2端がダイオードD1を介して昇圧コンバータ回路10の出力部に接続されている。ダイオードD1はアノード端子がインダクタL1に接続され、カソード端子が昇圧コンバータ回路10の出力部に接続されている。ダイオードD1のカソード端子には平滑コンデンサC1が接続されている。FET(本発明の第3のスイッチ素子)11は、ドレイン端子がインダクタL1とダイオードD1との接続点に接続され、ソース端子がグランドラインに接続されている。また、FET11は、ゲート端子が前段スイッチング制御回路(以下、前段SW制御回路という。)30に接続され、前段SW制御回路30によりオン/オフ制御される。この前段SW制御回路30が、本発明のPWM制御回路に相当する。
昇圧コンバータ回路10は、前段SW制御回路30によりFET11がオン/オフされることで、入力電圧Viを出力電圧Vaへ昇圧する。具体的には、FET11がオンのときインダクタL1にエネルギーが蓄積される。そして、FET11がオフのとき、入力電圧ViにインダクタL1の起電圧が加算されて、出力電圧Vaが出力される。
前段SW制御回路30には、後述のトランスTの2次側で検出された出力電圧Voに応じたフィードバック電圧Vfb1が入力される。なお、図1では簡易的に帰還の経路のみを一本の線で表している。例えば、フォトカプラやパルストランスなどの絶縁手段を用いてフィードバックすることができる。具体的には出力端子Po(+)−Po(−)間に帰還回路が接続されていて、帰還回路は、出力端子Po(+)−Po(−)の電圧の分圧値と基準電圧との比較によって帰還信号を発生し、絶縁状態で前段SW制御回路30へフィードバック電圧Vfb1を入力する。
前段SW制御回路30は、発振器31、コンパレータ32及びドライバ(Drv)33を備え、フォードバック電圧Vfb1に基づいて決定したオンデューティ比で、FET11をオン/オフ制御する。発振器31は、コンパレータ32の非反転入力端子(+)に接続されていて、基準三角波電圧(ランプ波電圧)をコンパレータ32へ出力する。コンパレータ32の反転入力端(−)には、フィードバック電圧Vfb1が入力される。コンパレータ32は、入力された三角波電圧とフィードバック電圧Vfb1とを比較し、比較結果に応じたデューティのPWM信号を生成する。ドライバ33は、コンパレータ32からのPWM信号に基づいて、FET11のオン/オフ制御を行う。
このように、本実施形態に係るスイッチング電源装置101では、前段SW制御回路30において、FET11のオンデューティ比が、フィードバック電圧Vfb1により制御される。換言すれば、スイッチング電源装置101の出力電圧Voは、前段SW制御回路30がFET11のオンデューティ比を制御することで、制御される。
昇圧コンバータ回路10の後段には、トランスTを備えたハーフブリッジコンバータ回路20が接続されている。ハーフブリッジコンバータ回路20は、トランスTの1次側に、FET(本発明の第1のスイッチ素子)21、FET(本発明の第2のスイッチ素子)22及びキャパシタC21を備えている。FET21,22及びキャパシタC21で本発明に係る交流電圧発生回路を形成している。
FET21のドレイン端子は昇圧コンバータ回路10の出力部に接続され、ソース端子はトランスTの1次巻線npの第1端に接続されている。1次巻線npの第2端はキャパシタ21に接続され、FET21、1次巻線np及びキャパシタC21で直列回路が形成されている。
FET22のドレイン端子は1次巻線npの第1端に接続され、ソース端子はキャパシタC21を介して1次巻線npの第2端に接続されている。これらFET22、キャパシタC21及び1次巻線npで閉ループの回路が形成されている。
FET21,22それぞれは、ゲート端子が後段スイッチング制御回路(以下、後段SW制御回路という。)40に接続されて、後段SW制御回路40によりオン/オフ制御される。詳しくは、FET21,22は、デッドタイムを挟んでほぼ50%のデューティ比で交互にオンされる。この後段SW制御回路40が、本発明のスイッチング周波数制御回路に相当する。
ハーフブリッジコンバータ回路20は、トランスTの2次側に、ダイオードD21,D22、チョークコイルL2及び平滑コンデンサCoを備えている。ダイオードD21,D22、チョークコイルL2及び平滑コンデンサCoにより、本発明の整流回路が構成されている。トランスTの2次巻線nsは、第1端がダイオードD21のアノード端子に接続され、第2端がダイオードD22のアノード端子に接続されている。ダイオードD21,D22それぞれは、カソード端子がチョークコイルL2及び平滑コンデンサCoを介して出力端子Po(+)に接続されている。また、トランスTの2次巻線nsは中間タップを有し、中間タップが出力端子Po(−)に接続されている。以下、説明の便宜上、第1端と中間タップとの間の2次巻線nsを第1の2次巻線ns1と言い、第2端と中間タップとの間の2次巻線nsを第2の2次巻線ns2と言う。
ハーフブリッジコンバータ回路20では、後段SW制御回路40により、FET21,22がデッドタイムを挟んで50%のオンデューティ比で交互にオンされる。FET21がオン、FET22がオフのとき、FET21、トランスTの1次巻線np及びキャパシタC21の経路に電流Iが流れる。この電流が1次巻線npに流れると、キャパシタC21は充電されると共に、磁界結合によりトランスTの2次巻線nsに電圧が誘起される。そして、トランスTの2次側には、第1の2次巻線ns1、ダイオードD21及びインダクタL2の経路で電流Iが流れる。
デッドタイムを挟んでFET21がオフとなり、FET22がオンとなると、充電されたキャパシタC21が放電し、1次巻線np及びFET22の経路で電流Iが流れる。この電流が1次巻線npに流れると、磁界結合によりトランスTの2次巻線nsには、FET21がオンの場合の逆電圧が誘起される。そして、トランスTの2次側には、第2の2次巻線ns2、ダイオードD22及びインダクタL2の経路で電流Iが流れる。
後段SW制御回路40には、負荷へ流れる電流が検出され、その検出結果に応じたフィードバック電圧Vfb2が入力される。フィードバック電圧Vfb2は、例えば、出力端子Po(−)の接続ラインに設けられた電流検出トランス及び抵抗などを介して検出される。電流検出トランスにより負荷へ流れる電流が電圧変換され、変換された電圧が抵抗を介してフィードバックされ、後段SW制御回路40へ入力される。なお、フィードバック電圧Vfb1と同様、フィードバック電圧Vfb2は、例えば、フォトカプラやパルストランスなどの絶縁手段を用いてフィードバックすることができる。
後段SW制御回路40は、発振器(OSC)41とドライバ(Drv)42とで構成されている。発振器41は、オンデューティ比がほぼ50%であって、入力されたフィードバック電圧Vfb2に応じた周波数のパルス波を生成し、ドライバ42に出力する。具体的には、発振器41は、負荷が軽負荷で、入力されたフィードバック電圧Vfb2が大きい場合、負荷が重負荷の場合よりも低い周波数のパルス波を生成する。ドライバ42は、パルス波に基づいてデッドタイムを挟んでFET21,22を交互にオン/オフする。したがって、FET21,22は、負荷が軽負荷のときには、低いスイッチング周波数、かつ、デッドタイムを挟んだほぼ50%のオンデューティ比で交互にオンする。また、FET21,22は、負荷が重負荷のときには、高いスイッチング周波数、かつ、デッドタイムを挟んだほぼ50%のオンデューティ比で交互にオンする。
オンデューティ比がほぼ50%であるため、FET21,22を高効率に動作させることができ、高効率な電力変換を実現できる。また、重負荷時にFET21,22のスイッチング周波数を高くすることで、各素子に流れる電流の振幅を低減でき、各素子での導通損失を低減できる。また、軽負荷時にFET21,22のスイッチング周波数を低くすることで、鉄損を低減できる。
以上のように、本実施形態に係るスイッチング電源装置101は、ハーフブリッジコンバータ回路20のFET21,22のオンデューティ比をほぼ50%に固定して、出力電圧Voの制御を、昇圧コンバータ回路10のFET11のオンデューティ比Daの調整により行っている。これにより、スイッチング電源装置101は高効率な電力変換を行える。
以下に、出力電圧VoがFET11のオンデューティ比Daの調整により制御できることについて説明する。
昇圧コンバータ回路10において、FET11のオンデューティ比をDaとすると、入力電圧Viと出力電圧Vaとの関係は以下の(1)式を満たす。
Va/Vi=Da/(1−Da)・・・(1)
昇圧コンバータ回路10の出力電圧Vaは、昇圧コンバータ回路10の後段に接続されるハーフブリッジコンバータ回路20の入力電圧である。前記(1)式を電圧Vaについて表すと、
Va=Vi・Da/(1−Da)・・・(2)
となる。
ハーフブリッジコンバータ回路20において、トランスTの巻線比n、FET21,22のオンデューティ比Dbとすると、
Vo/Va=Db/(2n)・・・(3)
となる。
ここで、1次巻線npの巻線をn1、2次巻線npの巻線n2とした場合、n=n1/n2である。なお、2次巻線npの巻線n2は、第1の2次巻線ns1と第2の2次巻線ns2とを含んでいるため、(3)式では1/2倍されている。したがって、2次巻線nsが中間タップを有しない場合は、(3)式の右辺に1/2倍されない。(3)式に(2)式を代入すると、以下の(4)式を満たす出力電圧Voは、
Vo={Vi・Da/(1−Da)}・{Db/(2n)}・・・(4)
となる。
FET21,22のオンデューティ比Dbはほぼ50%と固定である。すなわち、前記(4)式においてオンデューティ比Dbが固定であるため、出力電圧Voは、FET11のオンデューティ比Daによって制御できる。
(実施形態2)
図2は、実施形態2に係るスイッチング電源装置102の回路図である。実施形態1では、負荷に流れる電流をトランスTの2次側で検出して、後段SW制御回路40へフィードバック電圧Vfb2を入力しているのに対し、実施形態2では、トランスTの1次側に流れる電流を検出している点で相違する。トランスTの1次側で電流を検出する場所は適宜変更可能である。例えば、FET21又はFET22に流れる電流を検出してもよいし、1次巻線npに流れる電流を検出してもよい。また、FET11に流れる電流を検出してもよいし、インダクタL1に流れる電流を検出してもよい。
本実施形態では、トランスTの1次側で電流を検出するため、フォトカプラやパルストランスなどの絶縁手段を必要としない。
(実施形態3)
図3は、実施形態3に係るスイッチング電源装置103の回路図である。スイッチング電源装置103は、実施形態1,2のハーフブリッジコンバータ回路20に替えて、フルブリッジコンバータ回路50を備えている。
フルブリッジコンバータ回路50はFET51,52,53,54を備えている。FET51,52,53,54はブリッジ配置されて、FET51,52の接続点、及びFET53,54の接続点には1次巻線npが接続されている。詳しくは、FET51、1次巻線np及びFET54で直列回路が形成され、フルブリッジコンバータ回路50の入力部に接続されている。また、FET53、1次巻線np及びFET52で直列回路が形成され、フルブリッジコンバータ回路50の入力部に接続されている。
フルブリッジコンバータ回路50において、後段SW制御回路40は、FET51,54を同時にオン/オフし、FET52,53を同時にオン/オフする。また、後段SW制御回路40は、ほぼ50%の固定オンデューティ比、かつ、フィードバック電圧Vfb2に応じて制御したスイッチング周波数で、FET51,54と、FET52,53とを交互にオンする。
なお、出力電圧Voは、実施形態1と同様、昇圧コンバータ回路10のFET11のオンデューティ比を調整することで制御される。
前記構成のように、フルブリッジ型のDC−DCコンバータとしても、実施形態1と同様に、高効率な電力変換を行える。
以上、本発明のスイッチング電源装置について説明したが、この具体的構成などは、適宜設計変更可能であり、上述の実施形態に記載された作用及び効果は、本発明から生じる最も好適な作用及び効果を列挙したに過ぎず、本発明による作用及び効果は、上述の実施形態に記載されたものに限定されるものではない。
例えば、各実施形態では、スイッチング電源装置は、トランスTの1次側又は2次側に設けられた素子、例えば、インダクタL1、FET21,22、又はダイオードD21,22等の素子の温度をサーミスタ等により検出し、後段SW制御回路40に入力するフィードバック電流Vfb2を検出する構成であってもよい。
10−昇圧コンバータ回路
20−ハーフブリッジコンバータ回路
30−前段SW制御回路(PWM制御回路)
40−後段SW制御回路(スイッチング周波数制御回路)
50−フルブリッジコンバータ回路
11−FET(第3のスイッチ素子)
21−FET(第1のスイッチ素子)
22−FET(第2のスイッチ素子)
Ci,C1,Co−平滑コンデンサ
C21−キャパシタ
D21,D22−ダイオード
T−トランス
np−1次巻線
ns−2次巻線

Claims (5)

  1. 入力された入力電源電圧を昇圧して直流電圧を出力する非絶縁型コンバータと、前記非絶縁型コンバータから出力される直流電圧を入力して負荷へ直流電圧を出力する絶縁型ブリッジコンバータとを備え、
    前記絶縁型ブリッジコンバータは、
    1次巻線及び2次巻線を備えるトランスと、
    前記1次巻線に接続されていて、第1のスイッチ素子と第2のスイッチ素子とを有し、前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子の切り替えにより入力された直流電圧から交流電圧を発生させ、前記1次巻線に印加する交流電圧発生回路と、
    前記2次巻線に接続されていて、前記1次巻線との磁界結合により前記2次巻線に誘起された電圧を整流し、負荷へ出力する整流回路と、
    を有し、
    前記非絶縁型コンバータは、
    インダクタ及びキャパシタと、
    前記インダクタへの通電を切り替える第3のスイッチ素子と、
    を有し、
    固定オンデューティ比で、かつ、前記負荷の軽重に応じたスイッチング周波数で、前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子を、デッドタイムを挟んで交互にオン/オフ制御するスイッチング周波数制御回路と、
    前記第3のスイッチ素子をオン/オフ制御し、かつ、前記第3のスイッチ素子のオンデューティ比を制御して前記絶縁型ブリッジコンバータの出力電圧を調整するPWM制御回路と、
    を備えるスイッチング電源装置。
  2. 前記スイッチング周波数制御回路は、前記負荷が軽負荷時における前記第1のスイッチ素子及び前記第2のスイッチ素子のスイッチング周波数を、前記負荷が重負荷時におけるスイッチング周波数より低くする構成である、請求項1に記載のスイッチング電源装置。
  3. 前記スイッチング周波数制御回路は、前記負荷への出力電流を検出し、前記出力電流に応じて、前記スイッチング周波数を制御する、請求項1又は2に記載のスイッチング電源装置。
  4. 前記スイッチング周波数制御回路は、前記トランスの1次側に設けられた素子に流れる1次側電流を検出し、前記1次側電流に応じて、前記スイッチング周波数を制御する、請求項1又は2に記載のスイッチング電源装置。
  5. 前記スイッチング周波数制御回路は、前記トランスの1次側又は2次側に設けられた素子の温度を検出し、前記温度に応じて、前記スイッチング周波数を制御する、請求項1又は2に記載のスイッチング電源装置。
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