JP5640464B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents
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Description
(スイッチング電源装置1の全体構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置1)の回路構成を表すものである。このスイッチング電源装置1は、入力端子T1,T2から入力される直流または交流の入力電圧Vinに対して電圧変換を行うことにより、直流の出力電圧Voutを生成し、図示しないバッテリに供給して負荷5を駆動するものである。すなわち、スイッチング電源装置1は、DC−DCコンバータまたはAC−DCコンバータとして機能するようになっている。
スイッチング回路2は、制御回路4から供給される駆動信号SG1,SG2に従って、入力端子T1,T2間に印加される直流または交流の入力電圧Vinに対してスイッチング動作を行うものである。このスイッチング回路2は、駆動信号SG1,SG2に従ったスイッチング動作を行う2つのスイッチング素子S1,S2と、これらのスイッチング素子S1,S2に対してそれぞれ並列接続されたコンデンサC1,C2およびダイオードD1,D2とを有している。スイッチング回路2はまた、2つのコンデンサC3,C4と、インダクタL1と、インダクタLrとを有している。
整流平滑回路3は、スイッチング回路2においてスイッチング動作がなされて上記トランスにより変圧された後の電圧に対して整流動作および平滑動作を行い、そのような整流・平滑動作後の直流電圧を出力電圧Voutとして出力端子T3,T4間に出力するものである。この整流平滑回路3は、インダクタL2と、2つの整流ダイオード31,32と、出力平滑コンデンサCoutとを有している。
制御回路4は、スイッチング回路2内のスイッチング素子S1,S2を駆動するためのものである。具体的には、スイッチング素子S1,S2に対してそれぞれ前述の駆動信号SG1,SG2を供給し、これらスイッチング素子S1,S2をオン・オフ制御するようになっている。
次に、本実施の形態のスイッチング電源装置1の作用および効果について説明する。
このスイッチング電源装置1では、スイッチング回路2において、入力端子T1,T2から供給される直流または交流の入力電圧Vinがスイッチングされることにより、交流電圧が生成される。この交流電圧は、スイッチング回路2内の1次側巻線Lp1,Lp2および整流平滑回路3内の2次側巻線Ls1,Ls2により構成されるトランスにより変圧され、これらの2次側巻線Ls1,Ls2から変圧された交流電圧が出力される。
次に、図2〜図16を参照して、スイッチング電源装置1の詳細動作について、比較例と比較しつつ詳細に説明する。
最初に、図2〜図12を参照して、図1に示したスイッチング電源装置1の動作の一例として、DC−DCコンバータとしての動作について説明する。
これらのことから、図14に示したように、交流電源20によって入力端子T1,T2間に交流の入力電圧Vinを入力した場合には、スイッチング電源装置1におけるAC−DCコンバータとしての動作は、以下のようになる。すなわち、これまで説明した、入力端子T1,T2間に正極性の直流の入力電圧Vinを入力した場合のDC−DCコンバータとしての動作と、入力端子T1,T2間に負極性の直流の入力電圧Vinを入力した場合のDC−DCコンバータとしての動作とを、交互に繰り返すことにより、入力端子T1,T2間に交流の入力電圧Vinを入力した際に、AC−DCコンバータとしての動作が実現される。このようにして、本実施の形態のスイッチング電源装置1では、単一の回路構成によって、DC−DCコンバータとしての動作と、AC−DCコンバータとしての動作との双方が実現される。
次に、図1〜図15に加えて図16,図17を参照して、本実施の形態のスイッチング電源装置1における作用と、比較例に係る従来のスイッチング電源装置100における作用とについて、比較しつつ詳細に説明する。
図16は、比較例に係るスイッチング電源装置100の回路構成を表すものである。このスイッチング電源装置100は、AC−DCコンバータとして機能するものであり、交流電源20から交流の入力電圧Vinが入力される入力端子T1,T2と、整流回路101と、昇圧動作を行うPFC(Power factor correction;力率改善)回路102と、インバータ回路103と、整流回路104と、平滑回路105と、直流の出力電圧Voutを負荷5に供給するための入力端子T3,T4とを備えている。なお、このスイッチング電源装置100における整流回路101、PFC回路102およびインバータ回路103が、本実施の形態のスイッチング電源装置1におけるスイッチング回路2に対応している。また、スイッチング回路100における整流回路104および平滑回路105が、スイッチング電源装置1における整流平滑回路3に対応している。
これに対して、本実施の形態のスイッチング電源装置1では、図1に示した構成のスイッチング回路2と、1次側巻線Lp1,Lp2および2次側巻線Ls1,Ls2を有するトランスと、整流平滑回路3とが設けられている。
図18は、変形例1に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置1A)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置1Aは、上記第1の実施の形態のスイッチング電源装置1において、インダクタL1,L2同士が磁気的に結合されていないようにしたものであり、他の構成は同様となっている。
図20は、変形例2に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置1B)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置1Bは、上記第1の実施の形態のスイッチング電源装置1において、インダクタL2における巻線の巻き方向を逆にしたものであり、他の構成は同様となっている。
図22は、変形例3に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置1C)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置1Cは、上記第1の実施の形態のスイッチング電源装置1において、接続点P9,P12間にインダクタL2を設けないようにしたものであり、他の構成は同様となっている。
図23は、変形例4に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置1D)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置1Dは、上記第1の実施の形態のスイッチング電源装置1において、トランスにおける2つの1次側巻線Lp1,Lp2および2つの2次側巻線Ls1,Ls2をそれぞれ、1つの1次側巻線Lpおよび1つの2次側巻線Lsに置き換えるようにしたものである。言い換えると、このスイッチング電源装置1Dは、スイッチング回路2の代わりにスイッチング回路2Dを備えると共に、整流平滑回路3の代わりに整流平滑回路3Dを備えている。
(スイッチング電源装置7の全体構成)
図24は、本発明の第2の実施の形態に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置7)の回路構成を表すものである。このスイッチング電源装置7は、入力端子T1,T2から入力される直流または交流の入力電圧Vinに対して電圧変換を行うことにより、直流の出力電圧Voutを生成し、図示しないバッテリに供給して負荷5を駆動するものである。すなわち、スイッチング電源装置7は、DC−DCコンバータまたはAC−DCコンバータとして機能するようになっている。
スイッチング回路8は、制御回路4から供給される駆動信号SG1,SG2に従って、入力端子T1,T2間に印加される直流または交流の入力電圧Vinに対してスイッチング動作を行うものである。このスイッチング回路8は、駆動信号SG1,SG2に従ったスイッチング動作を行う2つのスイッチング素子S1,S2と、これらのスイッチング素子S1,S2に対してそれぞれ並列接続されたコンデンサC1,C2およびダイオードD1,D2とを有している。スイッチング回路8はまた、2つのコンデンサC3,C4と、インダクタL1と、インダクタLrとを有している。
整流平滑回路9は、スイッチング回路8においてスイッチング動作がなされて上記トランスにより変圧された後の電圧に対して整流動作および平滑動作を行い、そのような整流・平滑動作後の直流電圧を出力電圧Voutとして出力端子T3,T4間に出力するものである。この整流平滑回路9は、2つのインダクタL21,L22と、2つの整流ダイオード31,32と、出力平滑コンデンサCoutとを有している。
制御回路4は、スイッチング回路8内のスイッチング素子S1,S2を駆動するためのものである。具体的には、スイッチング素子S1,S2に対してそれぞれ前述の駆動信号SG1,SG2を供給し、これらスイッチング素子S1,S2をオン・オフ制御するようになっている。
次に、本実施の形態のスイッチング電源装置7の作用および効果について説明する。
このスイッチング電源装置7では、スイッチング回路8において、入力端子T1,T2から供給される直流または交流の入力電圧Vinがスイッチングされることにより、交流電圧が生成される。この交流電圧は、スイッチング回路8内の1次側巻線Lpおよび整流平滑回路3内の2次側巻線Lsにより構成されるトランスにより変圧され、この2次側巻線Lsから変圧された交流電圧が出力される。
次に、図25〜図36を参照して、スイッチング電源装置7の詳細動作について、比較例と比較しつつ詳細に説明する。
最初に、図25〜図35を参照して、図24に示したスイッチング電源装置7の動作の一例として、DC−DCコンバータとしての動作について説明する。
これらのことから、図36に示したように、交流電源20によって入力端子T1,T2間に交流の入力電圧Vinを入力した場合には、スイッチング電源装置7におけるAC−DCコンバータとしての動作は、以下のようになる。すなわち、これまで説明した、入力端子T1,T2間に正極性の直流の入力電圧Vinを入力した場合のDC−DCコンバータとしての動作と、入力端子T1,T2間に負極性の直流の入力電圧Vinを入力した場合のDC−DCコンバータとしての動作とを、交互に繰り返すことにより、入力端子T1,T2間に交流の入力電圧Vinを入力した際に、AC−DCコンバータとしての動作が実現される。このようにして、本実施の形態のスイッチング電源装置7では、単一の回路構成によって、DC−DCコンバータとしての動作と、AC−DCコンバータとしての動作との双方が実現される。
次に、図24〜図36に加えて図16,図37を参照して、本実施の形態のスイッチング電源装置1における作用と、前述した比較例に係る従来のスイッチング電源装置100(図16)における作用とについて、比較しつつ説明する。
まず、図16に示した比較例に係るスイッチング電源装置100では、前述したように、AC−DCコンバータとして機能させるために、整流ブリッジ回路からなる整流回路101を要している。また、トランスの1次側において、3つの(3段構成の)回路(コンバータ)が設けられている。したがって、スイッチング電源装置100全体として、回路構成が複雑なものとなっていると共に、装置の効率も低くなってしまう。
これに対して、本実施の形態のスイッチング電源装置7では、図24に示した構成のスイッチング回路8と、1次側巻線Lpおよび2次側巻線Lsを有するトランスと、整流平滑回路9とが設けられている。
図38は、変形例5に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置7A)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置7Aは、第2の実施の形態のスイッチング電源装置7において、インダクタL1,L21,L22同士が磁気的に結合されていないようにしたものであり、他の構成は同様となっている。すなわち、インダクタL1,L21,L22間の結合係数kは、0から1の間で任意に設定することが可能である(0≦k≦1)。
図39は、変形例6に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置7B)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置7Bは、第2の実施の形態のスイッチング電源装置7において、2次側巻線Lsにおける巻き方向を逆にしたものであり、他の構成は同様となっている。
図41は、変形例7に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置7C)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置7Cは、上記変形例5,6の回路構成を組み合わせたものに対応している。すなわち、第2の実施の形態のスイッチング電源装置7において、インダクタL1,L21,L22同士が磁気的に結合されていないようにすると共に、2次側巻線Lsにおける巻線の巻き方向を逆にしたものであり、他の構成は同様となっている。
次に、本発明の第3の実施の形態について説明する。なお、上記第2の実施の形態における構成要素と同一のものには同一の符号を付し、適宜説明を省略する。
図42は、本実施の形態に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置7D)の回路構成を表すものである。本実施の形態のスイッチング電源装置7Dは、第2の実施の形態のスイッチング電源装置7において、整流平滑回路9の代わりに以下説明する整流平滑回路9Dを設けるようにしたものであり、他の構成は同様となっている。
次に、本実施の形態のスイッチング電源装置7Dの作用および効果について説明する。なお、このスイッチング電源装置7Dの基本動作については、整流動作が4つの整流ダイオード31〜34によってなされること以外については、第2の実施の形態のスイッチング電源装置7と同様であるため、説明を省略する。
最初に、図44〜図51を参照して、スイッチング電源装置7Dの動作の一例として、DC−DCコンバータとしての動作について詳細に説明する。
これらのことから、交流電源20によって入力端子T1,T2間に交流の入力電圧Vinを入力した場合には、スイッチング電源装置7DにおけるAC−DCコンバータとしての動作は、以下のようになる。すなわち、これまで説明した、入力端子T1,T2間に正極性の直流の入力電圧Vinを入力した場合のDC−DCコンバータとしての動作と、入力端子T1,T2間に負極性の直流の入力電圧Vinを入力した場合のDC−DCコンバータとしての動作とを、交互に繰り返すことにより、入力端子T1,T2間に交流の入力電圧Vinを入力した際に、AC−DCコンバータとしての動作が実現される。このようにして、本実施の形態のスイッチング電源装置7Dにおいても、第2の実施の形態のスイッチング電源装置1と同様に、単一の回路構成によって、DC−DCコンバータとしての動作と、AC−DCコンバータとしての動作との双方が実現される。
ここで、本実施の形態においても、第2の実施の形態と同様に、スイッチング回路2においてスイッチング素子S1,S2のデューティ比を制御することにより、入力電圧Vinに対する昇圧動作が可能となっているようにするのが好ましい。
図53は、変形例8に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置7E)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置7Eは、第3の実施の形態のスイッチング電源装置7Dにおいて、インダクタL1,L2同士が磁気的に結合されていないようにしたものであり、他の構成は同様となっている。すなわち、インダクタL1,L2間の結合係数kは、0から1の間で任意に設定することが可能である(0≦k≦1)。
図55は、変形例9に係るスイッチング電源装置(スイッチング電源装置7F)の回路構成を表すものである。本変形例のスイッチング電源装置7Fは、第3の実施の形態のスイッチング電源装置7Dにおいて、インダクタL2における巻線の巻き方向を逆にしたものであり、他の構成は同様となっている。
以上、いくつかの実施の形態および変形例を挙げて本発明を説明したが、本発明はこれらの実施の形態等に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。
Claims (10)
- 入力端子対から入力される入力電圧に対して電圧変換を行うことにより直流出力電圧を生成し、出力端子対から出力するスイッチング電源装置であって、
前記入力端子対側に配置された1次側巻線と、前記出力端子対側に配置された2次側巻線とを有するトランスと、
前記入力端子対側に配置され、第1および第2のスイッチング素子と、第1および第2の整流素子と、第1および第2の容量素子と、第1のインダクタとを含んで構成されたスイッチング回路と、
前記出力端子対側に配置され、第2のインダクタを有する整流平滑回路と
を備え、
前記スイッチング回路内において、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子とが互いに対角配置されると共に前記第1の容量素子と前記第2の容量素子とが互いに対角配置されることにより、第1のブリッジ回路が構成され、
前記第1の整流素子が前記第1のスイッチング素子に並列接続されると共に前記第2の整流素子が前記第2のスイッチング素子に並列接続され、かつ、これら第1の整流素子と第2の整流素子とが互いに逆方向を向くように配置され、
前記第1のインダクタが、前記入力端子対と前記第1のブリッジ回路との間の接続ライン上に配置され、
前記1次側巻線が前記第1のブリッジ回路にHブリッジ接続されると共に、前記2次側巻線が前記整流平滑回路内に配置され、
前記1次側巻線が、互いに直列接続された第1および第2の1次側巻線により構成され、
前記2次側巻線が、前記第1の1次側巻線に磁気結合された第1の2次側巻線と、前記第2の1次側巻線に磁気結合された第2の2次側巻線とにより構成されている
スイッチング電源装置。 - 前記第1のインダクタと前記第2のインダクタとが、互いに磁気結合されている
請求項1に記載のスイッチング電源装置。 - 前記整流平滑回路は、第3および第4の整流素子と、第3の容量素子とを有し、
前記整流平滑回路内において、前記第1の2次側巻線と前記第3の整流素子とからなる一方のアームと、前記第2の2次側巻線と前記第4の整流素子とからなる他方のアームとにより、第2のブリッジ回路が構成され、
前記第2のインダクタが、前記第2のブリッジ回路にHブリッジ接続され、
前記第3の容量素子が、前記第2のブリッジ回路と前記出力端子対とを結ぶ一対の接続ライン間に配置されている
請求項1または請求項2に記載のスイッチング電源装置。 - 前記スイッチング回路において、前記第1および第2のスイッチング素子のデューティ比を制御することにより、前記入力電圧に対する昇圧動作が可能となっている
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のスイッチング電源装置。 - 前記第1のスイッチング素子のオンデューティ比をD、前記トランスにおける前記1次側巻線と前記2次側巻線との巻き数比をnとしたとき、D×(1−D)>n×(1−2D)を満たすように、前記オンデューティ比Dが設定されている
請求項4に記載のスイッチング電源装置。 - 入力端子対から入力される入力電圧に対して電圧変換を行うことにより直流出力電圧を生成し、出力端子対から出力するスイッチング電源装置であって、
前記入力端子対側に配置された1次側巻線と、前記出力端子対側に配置された2次側巻線とを有するトランスと、
前記入力端子対側に配置され、第1および第2のスイッチング素子と、第1および第2の整流素子と、第1および第2の容量素子と、第1のインダクタとを含んで構成されたスイッチング回路と、
前記出力端子対側に配置され、インダクタからなる第1および第2の素子と、第3および第4の整流素子と、第3の容量素子とを有する整流平滑回路と
を備え、
前記スイッチング回路内において、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子とが互いに対角配置されると共に前記第1の容量素子と前記第2の容量素子とが互いに対角配置されることにより、第1のブリッジ回路が構成され、
前記第1の整流素子が前記第1のスイッチング素子に並列接続されると共に前記第2の整流素子が前記第2のスイッチング素子に並列接続され、かつ、これら第1の整流素子と第2の整流素子とが互いに逆方向を向くように配置され、
前記第1のインダクタが、前記入力端子対と前記第1のブリッジ回路との間の接続ライン上に配置され、
前記1次側巻線が前記第1のブリッジ回路にHブリッジ接続されると共に、前記2次側巻線が前記整流平滑回路内に配置され、
前記整流平滑回路内において、前記第1の素子と前記第3の整流素子とからなる一方のアームと、前記第2の素子と前記第4の整流素子とからなる他方のアームとにより、第3のブリッジ回路が構成され、
前記第3の容量素子が、前記第3のブリッジ回路と前記出力端子対とを結ぶ一対の接続ライン間に配置され、
前記2次側巻線が前記第3のブリッジ回路にHブリッジ接続されている
スイッチング電源装置。 - 前記第1のインダクタと、前記第1の素子としてのインダクタと、前記第2の素子としてのインダクタとがそれぞれ、互いに磁気結合されている
請求項6に記載のスイッチング電源装置。 - 前記スイッチング回路において、前記第1および第2のスイッチング素子のデューティ比を制御することにより、前記入力電圧に対する昇圧動作が可能となっている
請求項6または請求項7に記載のスイッチング電源装置。 - 前記第1のスイッチング素子のオンデューティ比をD、前記トランスにおける前記1次側巻線と前記2次側巻線との巻き数比をnとしたとき、D×(1−D)>n×(1−2D)を満たすように、前記オンデューティ比Dが設定されている
請求項8に記載のスイッチング電源装置。 - 入力端子対から入力される入力電圧に対して電圧変換を行うことにより直流出力電圧を生成し、出力端子対から出力するスイッチング電源装置であって、
前記入力端子対側に配置された1次側巻線と、前記出力端子対側に配置された2次側巻線とを有するトランスと、
前記入力端子対側に配置され、第1および第2のスイッチング素子と、第1および第2の整流素子と、第1および第2の容量素子と、第1のインダクタとを含んで構成されたスイッチング回路と、
前記出力端子対側に配置された整流平滑回路と
を備え、
前記スイッチング回路内において、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子とが互いに対角配置されると共に前記第1の容量素子と前記第2の容量素子とが互いに対角配置されることにより、第1のブリッジ回路が構成され、
前記第1の整流素子が前記第1のスイッチング素子に並列接続されると共に前記第2の整流素子が前記第2のスイッチング素子に並列接続され、かつ、これら第1の整流素子と第2の整流素子とが互いに逆方向を向くように配置され、
前記第1のインダクタが、前記入力端子対と前記第1のブリッジ回路との間の接続ライン上に配置され、
前記1次側巻線が前記第1のブリッジ回路にHブリッジ接続されると共に、前記2次側巻線が前記整流平滑回路内に配置され、
前記第1および第2のスイッチング素子のうち、一方がPWM(Pulse Width Modulation;パルス幅変調)によるスイッチング動作を行うと共に、他方が常時オフ状態となっている
スイッチング電源装置。
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