JP5692721B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部から入力される交流電圧を負荷に供給すべき所定の直流電圧に変換して出力するスイッチング電源装置に関する。

近年、マイクロプロセッサ等の半導体集積回路を駆動するスイッチング電源装置には、低出力電圧化、大出力電流化、高効率化といったことが求められている。これらの要求を満足するよう検討された従来のスイッチング電源装置としては、例えば、非特許文献１に記載のものがある（図４参照）。

また、力率改善、高調波対策のために、図４に示すスイッチング電源装置１’にさらにＰＦＣ回路を付加したものも従来から知られている。

図５に示すように、従来のスイッチング電源装置１”は、商用交流電圧を整流および平滑する一次側整流平滑部２と、その出力側に備えられた力率改善部３（ＰＦＣ回路）と、その出力電圧Ｖ_ａを所定の電圧Ｖ_ｂに変換する降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ部４’と、電圧Ｖ_ｂをスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部５と、一次巻線Ｔ_１および二次巻線Ｔ_２を有し、一次巻線Ｔ_１にスイッチング電圧が供給されるトランスＴと、二次巻線Ｔ_２の誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧Ｖ_Ｏを出力する二次側整流平滑部６とを備えている。

また、スイッチング電源装置１”は、一次側と二次側の絶縁を確保しながら二次側出力電圧Ｖ_ＯをＤＣ／ＤＣコンバータ部４’のスイッチング制御部４ａにフィードバックするフィードバック部７’を備えている。これにより、スイッチング電源装置１”は、二次側出力電圧Ｖ_Ｏを負荷の要求電圧に維持している。

図６に示すように、力率改善部３の出力電圧Ｖ_ａは商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けてＡＣ的に変動するので、何も対策を施さないとこの変動が二次側出力電圧Ｖ_Ｏにそのまま伝達されてしまい、負荷に悪影響を与える。そこで、このスイッチング電源装置１”では、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４’が上記変動の下限よりもさらに低い電圧（電圧Ｖ_ｂ）にまで電圧Ｖ_ａを降圧させることにより、二次側出力電圧Ｖ_Ｏの変動を抑制している。

二宮保，安部征哉，電子技術４月号"低電圧大電流コンバータの回路技術"，日刊工業新聞社，平成１４年４月１日発行，１０頁（特に、図１０）

しかしながら、この従来のスイッチング電源装置１”では、スイッチング部５やトランスＴに向かう電流Ｉ_ＤＣの全てがＤＣ／ＤＣコンバータ部４’のスイッチング素子Ｑ_３およびチョークコイルＬに流れるので、スイッチング素子Ｑ_３の導通損失やチョークコイルＬのインピーダンスによる損失が避けられなかった。

また、この従来のスイッチング電源装置１”は、一次側と二次側とを絶縁した状態で二次側から一次側へと二次側出力電圧Ｖ_Ｏをフィードバックして二次側出力電圧Ｖ_Ｏの変動を抑制（安定化）しているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４’による変動抑制効果がスイッチング部５およびトランスＴを通じて二次側出力電圧Ｖ_Ｏに反映されるまでに遅れが発生し、変動を抑制しきれない場合があった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、従来よりも効率が高く、二次側出力電圧の変動に対する応答性に優れたスイッチング電源装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、外部から入力される交流電圧を整流および平滑する一次側整流平滑部と、一次側整流平滑部の出力側に備えられた力率を改善するための力率改善部と、力率改善後の電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部と、一次巻線および二次巻線を有し、一次巻線にスイッチング電圧が供給されるトランスと、二次巻線に誘起される誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部と、二次側整流平滑部から出力された電圧を所望の二次側出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、二次側出力電圧を直流成分と交流成分とに分離する分離部とを備え、力率改善部は、分離部によって得られた直流成分に基づいてフィードバック制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、分離部によって得られた交流成分に基づいてフィードバック制御されることを特徴とする。

この構成によれば、負荷の要求電圧と二次側出力電圧との間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部と、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部とが協働することにより、二次側出力電圧を負荷の要求電圧に維持することができる。

また、この構成では、ＤＣ／ＤＣコンバータ部で直流成分の安定化を行う必要がないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部を構成する各素子（昇圧／降圧動作に欠かせないチョークコイル等）に流れる電流はリプル電流のみとなる。したがって、この構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ部における損失を低減し、効率を高めることができる。

さらに、この構成では、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部が二次側に備えられているので、絶縁することなく二次側出力電圧の交流成分をＤＣ／ＤＣコンバータ部に直接的にフィードバックすることができる。したがって、この構成によれば、二次側出力電圧の変動に対する応答性を高めることができる。

ここで、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、例えば、高電位ラインにドレインが接続された第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、チョークコイルの他端と低電位ラインの間に接続された第１のコンデンサと、高電位ラインおよび低電位ラインの間に接続された第２のコンデンサと、二次側出力電圧の交流成分に基づいて、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部とで構成することができる。

また、スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が正の場合は、第１のスイッチング素子が該スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、第２のコンデンサの蓄積電荷で第１のコンデンサを充電する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が負の場合は、第２のスイッチング素子が該スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、第１のコンデンサの蓄積電荷で第２のコンデンサを充電する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作するように上記ＤＣ／ＤＣコンバータ部を構成することで、比較的容易に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。

本発明によれば、従来よりも効率が高く、二次側出力電圧の変動に対する応答性に優れたスイッチング電源装置を提供することができる。

本発明に係るスイッチング電源装置の回路図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータ部の等価回路図であって、（Ａ）は降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合の等価回路図、（Ｂ）は昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合の等価回路図である。 本発明に係るスイッチング電源装置の電圧波形である。 従来のスイッチング電源装置の回路図である。 ＰＦＣ回路を備えた従来のスイッチング電源装置の回路図である。 図５に示す従来のスイッチング電源装置の電圧波形である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るスイッチング電源装置の好ましい実施形態について説明する。

図１に、本発明に係るスイッチング電源装置を示す。スイッチング電源装置１は、交流電圧（例えば、商用交流電圧）を整流および平滑する一次側整流平滑部２と、その出力側に備えられたＰＦＣ回路からなる力率改善部３と、力率改善後の電圧Ｖ_１をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部５とを備えている。これらは、全てスイッチング電源装置１の一次側（後述するトランスＴの一次側）に備えられている。

また、スイッチング電源装置１は、一次巻線Ｔ_１にスイッチング電圧が供給されるとともに、二次巻線Ｔ_２に交流電圧が誘起されるトランスＴと、二次巻線Ｔ_２の誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部６と、二次側整流平滑部６から出力された出力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部４とを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、変換後の電圧を二次側出力電圧Ｖ_Ｏとして出力する。二次側整流平滑部６およびＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、スイッチング電源装置１の二次側（トランスＴの二次側）に備えられている。

図１に示す一実施形態において、スイッチング部５、トランスＴおよび二次側整流平滑部６は共振型ハーフブリッジ回路を構成しているが、トランスの磁束を両方向に利用するハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路およびプッシュプル回路を構成するよう、適宜変更することができる。

スイッチング電源装置１は、二次側出力電圧Ｖ_Ｏを力率改善部３およびＤＣ／ＤＣコンバータ部４のスイッチング制御部３ａ、４ａにフィードバックするフィードバック部７をさらに備えている。これにより、スイッチング電源装置１は、二次側出力電圧Ｖ_Ｏを負荷の要求電圧に維持している。

フィードバック部７は、二次側出力電圧Ｖ_Ｏを直流成分と交流成分とに分離する分離部７ａを有し、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４のスイッチング制御部４ａには二次側出力電圧Ｖ_Ｏの交流成分のみがフィードバックされる。また、力率改善部３のスイッチング制御部３ａには、絶縁部７ｂによって絶縁された後の直流成分のみがフィードバックされる。

一次側と二次側の絶縁を確保しつつ、二次側出力電圧Ｖ_Ｏに基づいて一次側に備えられた力率改善部３をフィードバック制御するためには、絶縁部７ｂの存在が必要不可欠である。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は二次側に備えられているので、絶縁することなく、二次側出力電圧Ｖ_Ｏの交流成分を直接的にフィードバックすることができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、スイッチング制御部４ａの制御下で、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしても降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしても動作する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、例えば、以下のような構成とすることで、比較的容易に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。

すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、高電位ライン８Ｈにドレインが接続された第１のスイッチング素子Ｑ_１と、第１のスイッチング素子Ｑ_１のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ライン８Ｌに接続された第２のスイッチング素子Ｑ_２と、第１および第２のスイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２の接続点に一端が接続されたチョークコイルＬと、チョークコイルＬの他端と低電位ライン８Ｌの間に接続された第１のコンデンサＣ_１と、高電位ライン８Ｈおよび低電位ライン８Ｌの間に接続された第２のコンデンサＣ_２と、第１および第２のスイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２を制御するスイッチング制御部４ａとを備えている。このうち、第２のコンデンサＣ_２は、二次側整流平滑部６の平滑コンデンサを兼ねていることが部品点数削減の観点から好ましい。

スイッチング制御部４ａは、フィードバックされてきた二次側出力電圧Ｖ_Ｏの交流成分の極性（正／負）および絶対値の多寡に基づいて、第１および第２のスイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２を制御する。図１に示す一実施形態において、第１および第２のスイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２はいずれもＦＥＴであるが、これに代えてバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴを使用することもできる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部４にフィードバックされてきた交流成分が“正”の場合、すなわち二次側出力電圧Ｖ_Ｏが負荷の要求電圧よりも高い場合、スイッチング制御部４ａは、二次側整流平滑部６の出力電圧を低下させるべくＤＣ／ＤＣコンバータ部４を降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる。この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を、第２のコンデンサＣ_２と第１のスイッチング素子Ｑ_１との接続点（高電位ライン８Ｈ）を入力、チョークコイルＬと第１のコンデンサＣ_１との接続点を出力とする等価回路として取り扱うことができる（図２（Ａ）参照）。

同図に示すように、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部４ａの制御下で第１のスイッチング素子Ｑ_１がＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、第２のコンデンサＣ_２に蓄積されていた電荷を第１のコンデンサＣ_１に移動させる。これにより、第２のコンデンサＣ_２は放電し、両端電圧（＝二次側出力電圧Ｖ_Ｏ）が低下する。一方、第１のコンデンサＣ_１は充電され、両端電圧が上昇する。なお、第２のスイッチング素子Ｑ_２はＯＦＦのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部４にフィードバックされてきた交流成分が“負”の場合、すなわち二次側出力電圧Ｖ_Ｏが負荷の要求電圧よりも低い場合、スイッチング制御部４ａは、二次側整流平滑部６の出力電圧を上昇させるべくＤＣ／ＤＣコンバータ部４を昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる。この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を、チョークコイルＬと第１のコンデンサＣ_１との接続点を入力、第２のコンデンサＣ_２と第１のスイッチング素子Ｑ_１との接続点（高電位ライン８Ｈ）を出力とする等価回路として取り扱うことができる（図２（Ｂ）参照）。

同図に示すように、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部４ａの制御下で第２のスイッチング素子Ｑ_２がＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、第１のコンデンサＣ_１に蓄積されていた電荷を第２のコンデンサＣ_２に移動させる。これにより、第１のコンデンサＣ_１は放電し、両端電圧が低下する。一方、第２のコンデンサＣ_２は充電され、両端電圧（＝二次側出力電圧Ｖ_Ｏ）が上昇する。なお、第１のスイッチング素子Ｑ_１はＯＦＦのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。

一方、前記の通り、力率改善部３は二次側出力電圧Ｖ_Ｏの直流成分に基づいてフィードバック制御される。このため、図３に示すように、二次側整流平滑部６の出力電圧は、商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けて変動するものの、その直流成分は予め負荷の要求電圧に一致している。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、二次側整流平滑部６の出力電圧を降圧または昇圧することにより、商用リプル電圧や瞬時停電によるＡＣ的な変動のみを取り除けばよい。

言い換えると、本発明に係るスイッチング電源装置１は、負荷の要求電圧と二次側出力電圧Ｖ_Ｏとの間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部３と、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部４とが協働することにより、二次側出力電圧Ｖ_Ｏを負荷の要求電圧に維持する。なお、当然ながら、力率改善部３は力率改善のための波形整形も行う。

以上のように、本発明に係るスイッチング電源装置１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４で直流成分の安定化を行う必要がないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を構成する第１および第２のスイッチング素子Ｑ_１、Ｑ_２並びにチョークコイルＬに流れる電流は交流成分の電流（リプル電流）のみとなる。したがって、本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４における損失を低減し、効率を高めることができる。

また、本発明に係るスイッチング電源装置１では、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部４が二次側に備えられているので、絶縁することなく二次側出力電圧Ｖ_Ｏの交流成分をＤＣ／ＤＣコンバータ部４（スイッチング制御部４ａ）に直接的にフィードバックすることができる。したがって、本発明によれば、二次側出力電圧Ｖ_Ｏの変動に対する応答性を高めることができる。

なお、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記した具体的な構成に限定されるものではなく、当業者であれば、種々の変形例を想到し得ることは自明である。

１ スイッチング電源装置
２ 一次側整流平滑部
３ 力率改善部（ＰＦＣ回路）
４ ＤＣ／ＤＣコンバータ部
５ スイッチング部
６ 二次側整流平滑部
７ フィードバック部
７ａ 分離部
７ｂ 絶縁部
Ｃ_１ 第１のコンデンサ
Ｃ_２ 第２のコンデンサ
Ｑ_１ 第１のスイッチング素子
Ｑ_２ 第２のスイッチング素子
Ｌ チョークコイル
Ｔ トランス

Claims (3)

1. 外部から入力される交流電圧を整流および平滑する一次側整流平滑部と、
   前記一次側整流平滑部の出力側に備えられた力率を改善するための力率改善部と、
   力率改善後の電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部と、
   一次巻線および二次巻線を有し、前記一次巻線に前記スイッチング電圧が供給されるトランスと、
   前記二次巻線に誘起される誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部と、
   前記二次側整流平滑部から出力された電圧を所望の二次側出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、
   前記二次側出力電圧を直流成分と交流成分とに分離する分離部と
   を備え、
   前記力率改善部は、前記分離部によって得られた前記直流成分に基づいてフィードバック制御され、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、前記分離部によって得られた前記交流成分に基づいてフィードバック制御される、
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
   高電位ラインにドレインが接続された第１のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第２のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、
   前記チョークコイルの他端と前記低電位ラインの間に接続された第１のコンデンサと、
   前記高電位ラインおよび前記低電位ラインの間に接続された第２のコンデンサと、
   前記二次側出力電圧の交流成分に基づいて、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
   前記スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が正の場合は、前記第１のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第２のコンデンサの蓄積電荷で前記第１のコンデンサを充電する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、
   前記スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が負の場合は、前記第２のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第１のコンデンサの蓄積電荷で前記第２のコンデンサを充電する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。

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