JP6251593B2

JP6251593B2 - スイッチング電源装置

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Publication number: JP6251593B2
Application number: JP2014031458A
Authority: JP
Inventors: 隆一石橋
Original assignee: Rinnai Corp
Current assignee: Rinnai Corp
Priority date: 2014-02-21
Filing date: 2014-02-21
Publication date: 2017-12-20
Anticipated expiration: 2034-02-21
Also published as: JP2015156773A

Description

本発明は、多出力のスイッチング電源装置に関する。

従来より、商用電源等から供給される交流電力を整流して直流電力を生成し、この直流電力をスイッチングして複数の２次コイルを有するトランスに入力し、トランスの各２次コイルから出力される交流電力を整流することによって、電圧が異なる複数の直流電力を生成する多出力のスイッチング電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載されたスイッチング電源装置においては、二つの２次コイルを有するトランスを用いている。そして、一方の２次コイルの出力を整流する電源回路（定電圧電源）については、出力電圧が一定となるようにトランスの１次コイルに印可される電圧をスイッチングして、１次コイルの通電量を制御する構成となっている。

それに対して、他方の２次コイルから出力される交流電力を整流する電源回路（非定電圧電源）においては、出力電圧の制御は行われていない。そのため、定電圧電源側による１次コイルの通電量の制御に応じて非定電圧電源の出力電圧が過剰に上昇する場合がある。

そこで、特許文献１に記載されたスイッチング電源装置においては、非定電圧電源の出力端子間にツェナーダイオードと抵抗を直列に接続した構成を備えることによって、出力電圧をツェナーダイオードのツェナー電圧以下に抑え、これにより、非定電圧電源に接続された部品が過電圧により故障することを防止している。

特開２００３−３７９７７号公報

特許文献１に記載された電源装置のように、非定電圧電源の出力電圧の上昇をツェナーダイオード側に電流を流すことによって抑制する場合には、ある程度電流容量が大きいツェナーダイオードを用いる必要がある。そして、電流容量が大きいツェナーダイオードは外形サイズが大きくなるため、部品の搭載スペースが拡大するという不都合がある。

本発明はかかる背景に鑑みてなされたものであり、部品の搭載スペースの拡大を抑制して、定電圧電源側の出力電圧の制御に応じて非定電圧電源の出力電圧が過剰に上昇することを防止したスイッチング電源を提供することを目的とする。

本発明は上記目的を達成するためになされたものであり、本発明のスイッチング電源装置は、
第１直流電源と、
第１の２次コイル及び第２の２次コイルを有し、１次コイルに入力される交流電力を変圧して各２次コイルから出力するトランスと、
前記第１直流電源と前記トランスの１次コイルとを、スイッチング素子を介して接続した第１接続回路と、
前記トランスの第１の２次コイルから出力される電力により、第２直流電力を生成する第２直流電源と、
前記第２直流電源の出力電圧が所定電圧となるように、前記スイッチング素子を導通状態と遮断状態とに切替えて前記トランスの１次コイルの通電量を制御する定電圧制御部と、
前記トランスの第２の２次コイルから出力される電力により第３直流電力を生成し、前記トランスの１次コイルの通電量に応じて出力電圧が変化する第３直流電源と、
前記第３直流電源と電気負荷とを、スイッチ回路を介して接続した第２接続回路と、
前記第２直流電力により作動し、前記スイッチ回路を導通状態と遮断状態とに切替えて、前記第２直流電源から前記電気負荷への定電圧の電力供給の有無を制御する制御部と、
前記スイッチ回路が遮断状態とされて前記第３直流電源から前記電気負荷への非定電圧の電力供給が停止された状態で、前記第３直流電源の出力電圧が所定の上限電圧以上になったときに、前記スイッチ回路を導通状態として前記第３直流電源から前記電気負荷に電力を供給する過電圧防止部と
を備え、
前記電気負荷は、前記スイッチ回路を介して前記第３直流電源から前記非定電圧の電力が供給された状態で、前記第２直流電源からの電力信号である運転指示信号が入力されているときは第１の電力量を消費する運転状態となり、該状態で該運転指示信号が入力されていないときには該第１の電力量よりも少ない第２の電力量を消費する待機状態となり、
前記制御部は、前記過電圧防止部により前記電気負荷に電力が供給されたとき、前記待機状態に移行させることを特徴とする。

かかる本発明によれば、前記定電圧制御部による前記トランスの１次コイルの通電量の制御によって、前記第３直流電源の出力電圧が前記上限電圧以上になると、前記過電圧防止部により前記スイッチ回路が導通状態とされて、前記第３直流電源から前記電気負荷に電流が供給される。このように、前記第３直流電源から前記電気負荷への電流供給によって、前記第３直流電源の出力電圧が前記上限電圧を超えることを防止することできる。

ここで、前記スイッチ回路は、前記制御部が前記第３直流電源から前記電気負荷への電力供給の有無を制御するために備えられたものであり、前記過電圧防止部は、前記スイッチ回路を導通状態にするために必要な電力を供給可能であればよい。そのため、前記過電圧防止部は、上述した特許文献１に記載されたスイッチング電源装置のように、第３直流電源の出力電圧を抑制するための電流供給を確保するために、通電容量が大きな部品を備える必要がない。

また、前記制御部は、前記電気負荷を運転状態にするときは、前記スイッチ回路を導通状態として前記第３直流電源から前記非定電圧の電力を供給すると共に、前記運転指示信号を前記電気負荷に入力し、前記電気負荷を停止状態とするときには、前記スイッチ回路を遮断状態として前記第３直流電源から前記電気負荷への前記非定電圧の電力供給を停止することを特徴とする。

この構成によれば、前記電気負荷は、前記第３直流電源から電力が供給される状態となっても、前記運転指示信号が入力されなければ待機状態に維持される。そのため、前記過電圧防止部は、前記第３直流電源から前記電気負荷への電力供給が停止した状態で、前記第３直流電源の出力電圧が前記上限電圧以上になったときに、前記スイッチ回路を導通状態とすることによって、前記電気負荷を運転状態とせずに待機状態として前記第３直流電源の出力電圧が前記上限電圧を超えることを防止することができる。

また、前記過電圧防止部は、前記第３直流電源の出力端子間に接続されて、前記第３直流電源の出力電圧が前記上限電圧以上になったときに遮断状態から導通状態に切替わるツェナーダイオードを有し、該ツェナーダイオードに流れる電流によって、前記スイッチ回路を遮断状態から導通状態に切り替えることを特徴とする。

この構成によれば、前記スイッチ回路の作動に必要な電流出力が可能な、電流容量が小さいツェナーダイオードを用いて、前記過電圧防止部を容易に構成することができる。

第１実施形態のスイッチング電源装置の構成図。第２実施形態のスイッチング電源装置の構成図。

本発明の実施形態について、図１〜図２を参照して説明する。

［第１実施形態］
先ず、図１を参照して第１実施形態のスイッチング電源装置１ａについて説明する。スイッチング電源装置１ａは、商用電源２から供給される交流電力から、第２直流電圧Ｖd2及び第３直流電圧Ｖd3の直流電力を生成して出力する多出力のスイッチング電源装置である。

スイッチング電源装置１ａは、商用電源２から供給される交流電力から第１直流電圧Ｖd1の直流電力を生成する第１直流電源１０と、１次コイル２１が第１接続回路２８を介して第１直流電源１０の出力端子に接続されたトランス２０と、トランス２０の第１の２次コイル２２に接続されて、第１の２次コイル２２から出力される電力から第２直流電圧Ｖd2の直流電力を生成する第２直流電源３０と、トランス２０の第２の２次コイル２に接続されて、第２の２次コイル２３から出力される電力から第３直流電圧Ｖd3の直流電力を生成する第３直流電源４０とを備えている。

第１直流電源１０は、全波整流回路１１とコンデンサ１２を有し、商用電源２から供給される交流電力を全波整流回路１１で整流した後に、コンデンサ１２により平滑することによって第１直流電圧Ｖｄ1を出力する。

第１接続回路２８の途中にＦＥＴ２７（本発明のスイッチング素子に相当する）が設けられており、ＦＥＴ２７はスイッチング電源制御部２６によって、ＯＮ（導通状態）／ＯＦＦ（遮断状態）が切り替えられる（ＦＥＴ２７のスイッチング動作）。

ＦＥＴ２７のスイッチング動作により、第１直流電源１０からトランス２０の１次コイル２１に第１直流電圧Ｖｄ1が断続的に印可され、１次コイル２１への断続的な通電に応じた誘導起電力が第１の２次コイル２２及び第２の２次コイル２３に発生する。

第２直流電源３０（定電圧電源）は、トランス２０の第１の２次コイル２２の端子間に接続されたコンデンサ３２と、第１の２次コイル２２とコンデンサ３２との間に接続されたダイオード３１と、コンデンサ３２の端子間に直列に接続された抵抗３３，３４とを備えている。

第２直流電源３０は、第１の２次コイル２２から出力される電力をダイオード３１により整流した後、コンデンサ３２により平滑化して第２直流電圧Ｖｄ2の第２直流電力を出力する。定電圧制御部２５は、第２直流電圧Ｖｄ2を抵抗３３，３４により分圧した電圧が、所定電圧（例えばＤＣ１２Ｖ）に応じた目標電圧と一致するように、両電圧の差を減少させるための通電量を指示する通電量指示信号Ｉcntをスイッチング電源制御部２６に出力する。

スイッチング電源制御部２６は、通電量指示信号Ｉcntに応じてｄｕｔｙ比（所定制御周期におけるＦＥＴ２７のＯＮ期間とＯＦＦ期間の割合）を決定して、ＦＥＴ２７をスイッチング動作させる（ＰＷＭよる通電制御）。

第２直流電源３０は制御電源負荷５０（各種センサ、表示器等）に接続され、制御電源負荷５０の作動状況に応じて第２直流電源３０の出力電力が変化するが、定電圧制御部２５とスイッチング電源制御部２６の作動により、第２直流電源３０の出力電圧Ｖｄ2はほぼ一定に維持される。

また、第２直流電圧Ｖｄ2は降圧回路６０により第４直流電圧Ｖｄ4（例えば、ＤＣ５Ｖ）に変圧された後、平滑コンデンサ６２により平滑されてＣＰＵ６１に供給される。ＣＰＵ６１は、制御電源負荷５０及び後述するファン５等の作動を制御する。

第３直流電源４０（非定電圧電源）は、トランス２０の第２の２次コイル２３の端子間に接続されたコンデンサ４２と、第２の２次コイル２３とコンデンサ４２との間に接続されたダイオード４１とを備えている。第３直流電源４０は、第２の２次コイル２３から出力される電力をダイオード４１により整流した後、コンデンサ４２により平滑化して第３直流電圧Ｖｄ3の第３直流電力を出力する。

第３直流電源４０については、上述した第２直流電源３０のように、出力電圧Ｖｄ3を一定に維持するための制御が実行されないため、トランス２０の１次コイル２１の通電量に応じて出力電圧Ｖｄ3が変動する。

第３直流電源４０は、第２接続回路７８によりファン５（本発明の電気負荷に相当する）に接続されており、第２接続回路７８の途中にスイッチ回路７０が設けられている。ファン５は、電源端子にスイッチ回路７０を介してファン電源電圧ＦＶdが供給されているときに、ファン制御電圧ＦＶc（本発明の運転指示信号に相当する）の入力の有無に応じて、運転状態（回転状態）と待機状態（回転停止状態）とになる。待機状態においてはファン５が回転作動しないが、ファン５の駆動回路において運転状態の消費電力（本発明の第１の電力に相当する）よりも少ない待機電力（本発明の第２の電力に相当する）が消費される。

スイッチ回路７０は、制御端子Ｓctに所定レベル以上の電流が供給されているときにＯＮ（導通状態）となり、該電流が供給されていないときにはＯＦＦ（遮断状態）となる。スイッチ回路７０の制御入力端子は、第３直流電源４０の出力端子間に直列に接続されたフォトカプラ７３の受光トランジスタ７３ｂと抵抗７４との接続箇所に接続されている。また、フォトカプラ７３の受光トランジスタ７３ｂと並列に、ツェナーダイオード７１と抵抗７２が直列に接続されている。

フォトカプラ７３の発光ダイオード７３ａは、第２直流電源３０の出力端子とＣＰＵ６１の出力ポートＰo1との間に、抵抗７５及びトランジスタ７６と直列に接続されている。

ＣＰＵ６１は、ファン５を作動させるときに、出力ポートＰo1からファン電源ＯＮ信号ＳＶdを出力する。ファン電源ＯＮ信号ＳＶdによりトランジスタ７６がＯＮ（導通状態）となって、フォトカプラ７３の発光ダイオード７３ａに通電され、フォトカプラ７３の受光トランジスタ７３ｂがＯＮ（導通状態）となる。

フォトカプラ７３の受光トランジスタ７３ｂがＯＮすることにより、スイッチ回路７０の制御端子Ｓctに通電されてスイッチ回路７０がＯＮ（導通状態）となり、スイッチ回路７０を介して第３直流電源４０からファン５に電源供給される。

また、ＣＰＵ６１は、ファン５の作動を停止するときには、ファン電源ＯＮ信号Ｐonの出力を停止する。ファン電源ＯＮ信号ＳＶdの出力停止により、トランジスタ７６がＯＦＦ（遮断状態）してフォトカプラ７３の発光ダイオード７３ａへの通電が停止し、フォトカプラ７３の受光トランジスタ７３ｂがＯＦＦする。

受光トランジスタ７３ｂがＯＦＦすることで、スイッチ回路７０の制御端子Ｓctへの通電が停止してスイッチ回路７０がＯＦＦし、第３直流電源４０からファン５への電源供給が停止する。このように、スイッチ回路７０をＯＦＦすることにより、ファン５の停止中の待機電力の消費を回避することができる。

ここで、スイッチ回路７０がＯＮしているときは、スイッチ回路７０を介して、第３直流電源４０からファン５に電力供給されている。そのため、定電圧制御部２５とスイッチング電源制御部２６による１次コイル２１の通電制御に応じて、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3が上昇することが、第３直流電源４０からファン５への電流供給によって抑制される。

しかし、スイッチ回路７０がＯＦＦしているときには、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3の上昇を、第３直流電源４０からファン５への電流供給によって抑制することができない。ツェナーダイオード７１は、このように、スイッチ回路７０がＯＦＦ状態であるときに、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3が過剰に上昇することを防止するために備えられたものであり、本発明の過電圧防止部に相当する。

ツェナーダイオード７１は、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3が上限電圧（例えばＤＣ３０Ｖ）以上になったときに、遮断状態から導通状態に切替わり、これによりスイッチ回路７０の制御端子Ｓctに通電されてスイッチ回路７０がＯＦＦからＯＮに切替わる。スイッチ回路７０がＯＮになることにより、スイッチ回路７０を介して第３直流電源４０からファン５に電流供給され、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3が上限電圧を超えることが抑制される。これにより、スイッチ回路７０に許容電圧範囲を超える電圧が印加されて、スイッチ回路７０が故障することが防止される。

ツェナーダイオード７１は、スイッチ回路７０の制御端子Ｓctに有効な通電を行うことができればよいので、電流容量が小さいものを採用することができる。そのため、電流容量が大きいツェナーダイオードを用いることで、部品の搭載スペースが大きくなることを防止することができる。

ファン５は、電源端子にファン電源電圧ＦＶdが供給された状態で、ファン制御電圧ＦＶcが入力されているときに、ファン制御電圧ＦＶcのレベルに応じた回転速度で作動する。ＣＰＵ６１は、ファン５の回転速度を指示するファン速度指示信号Ｆctをファン制御回路８０に出力し、ファン制御回路８０は、ファン速度指示信号Ｆctに応じたレベルのファン制御電圧ＦＶcをファン５に出力する。ファン５は、回転作動中はファンアンサ信号ＦansをＣＰＵ６１に出力する。

［第２実施形態］
次に、図２を参照して第２実施形態のスイッチング電源装置１ｂについて説明する。なお、第１実施形態のスイッチング電源装置１ａと同一の構成については、同一の符号を付して説明を省略する。

第１実施形態のスイッチング電源装置１ａにおいては、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3の上昇を抑制するために、ツェナーダイオード７１（本発明の過電圧防止部に相当する）を備えている。それに対して、第２実施形態のスイッチング電源装置１ｂは、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3を抑制するために、コンパレータ９０を用いた構成（本発明の過電圧防止部に相当する）を備えている点が相違する。

第３直流電源４０の負出力端子は、第２直流電源３０の負出力端子と共通の電位部ＢＥに接続されており、ＣＰＵ６１の出力ポートＰo1は抵抗９６を介してスイッチ回路７０の制御端子Ｓctに接続されている。

コンパレータ９０は、第２直流電源３０から出力される電圧Ｖｄ2を電源として作動し、正入力端子にＶｄ2を抵抗９２，９３で分圧した基準電圧Ｖbが入力されている。また、コンパレータ９０の負入力端子には、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3を抵抗９４，９５で分圧した比較電圧Ｖcが入力されている。抵抗９２，９３，９４，９５は、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3が上限電圧以上になったときに、比較電圧Ｖcが基準電圧Ｖb以上となるように設定されている。

コンパレータ９０の出力端子は、反転素子９１を介してスイッチ回路７０の制御端子Ｓctに接続されている。第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3が上限電圧以上になると、コンパレータ９０の出力がハイインピーダンス状態からＢＥに導通した状態に切替わり、これに応じて、反転素子９１の出力がＢＥレベルからＶｄ2レベルに切替わってスイッチ回路７０の制御端子Ｓctに通電される。

このように、コンパレータ９０、反転素子９１、及び抵抗９２〜９５による構成（本発明の過電圧防止部に相当する）により、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3が上限電圧以上になったときに、スイッチ回路７０の制御端子Ｓctに通電されてスイッチ回路７０がＯＮする。そして、スイッチ回路７０を介して第３直流電源４０からファンに電流が供給されるため、第３直流電源４０の出力電圧Ｖｄ3が上限電圧を超えて上昇することが防止される。

なお、本実施形態では、定電圧制御が行われない第３直流電源４０から電力が供給される電気負荷としてファン５を示したが、電気負荷はこれに限られず、ハイブリッド給湯器（ヒートポンプによる貯湯加熱と給湯器による瞬間加熱とを組み合わせた給湯器）に備えられるヒートポンプで使用されるコンプレッサ、食器洗浄機で使用されるポンプ等であってもよい。

また、本実施形態では、本発明の電気負荷として、電源供給がされた状態でファン制御電圧ＦＶc（運転指示信号）の入力の有無により、運転状態と待機状態とに切替わるファン５を示したが、運転指示信号の入力部を持たずに、電源供給の有無によって運転状態と停止状態に切替わる電気負荷についても本発明の適用が可能である。

１ａ，１ｂ…スイッチング電源装置、２…商用電源、５…ファン、１０…第１直流電源、２０…トランス、２１…１次コイル、２２…２次コイル、２７…ＦＥＴ（スイッチング素子）、３０…第２直流電源、４０…第３直流電源、５０…制御電源負荷、６１…ＣＰＵ（制御部）、７０…スイッチ回路、７１…ツェナーダイオード（過電圧防止部）、８０…ファン制御回路、９０…コンパレータ（過電圧防止部を構成）。

Claims

第１直流電源と、
第１の２次コイル及び第２の２次コイルを有し、１次コイルに入力される交流電力を変圧して各２次コイルから出力するトランスと、
前記第１直流電源と前記トランスの１次コイルとを、スイッチング素子を介して接続した第１接続回路と、
前記トランスの第１の２次コイルから出力される電力により、第２直流電力を生成する第２直流電源と、
前記第２直流電源の出力電圧が所定電圧となるように、前記スイッチング素子を導通状態と遮断状態とに切替えて前記トランスの１次コイルの通電量を制御する定電圧制御部と、
前記トランスの第２の２次コイルから出力される電力により第３直流電力を生成し、前記トランスの１次コイルの通電量に応じて出力電圧が変化する第３直流電源と、
前記第３直流電源と電気負荷とを、スイッチ回路を介して接続した第２接続回路と、
前記第２直流電力により作動し、前記スイッチ回路を導通状態と遮断状態とに切替えて、前記第２直流電源から前記電気負荷への定電圧の電力供給の有無を制御する制御部と、
前記スイッチ回路が遮断状態とされて前記第３直流電源から前記電気負荷への非定電圧の電力供給が停止された状態で、前記第３直流電源の出力電圧が所定の上限電圧以上になったときに、前記スイッチ回路を導通状態として前記第３直流電源から前記電気負荷に電力を供給する過電圧防止部と
を備え、
前記電気負荷は、前記スイッチ回路を介して前記第３直流電源から前記非定電圧の電力が供給された状態で、前記第２直流電源からの電力信号である運転指示信号が入力されているときは第１の電力量を消費する運転状態となり、該状態で該運転指示信号が入力されていないときには該第１の電力量よりも少ない第２の電力量を消費する待機状態となり、
前記制御部は、前記過電圧防止部により前記電気負荷に電力が供給されたとき、前記待機状態に移行させることを特徴とするスイッチング電源装置。
請求項１に記載のスイッチング電源装置において、
前記制御部は、前記電気負荷を運転状態にするときは、前記スイッチ回路を導通状態として前記第３直流電源から前記非定電圧の電力を供給すると共に、前記運転指示信号を前記電気負荷に入力し、前記電気負荷を停止状態とするときには、前記スイッチ回路を遮断状態として前記第３直流電源から前記電気負荷への前記非定電圧の電力供給を停止することを特徴とするスイッチング電源装置。
請求項１又は請求項２に記載のスイッチング電源装置において、
前記過電圧防止部は、前記第３直流電源の出力端子間に接続されて、前記第３直流電源の出力電圧が前記上限電圧以上になったときに遮断状態から導通状態に切替わるツェナーダイオードを有し、該ツェナーダイオードに流れる電流によって、前記スイッチ回路を遮断状態から導通状態に切り替えることを特徴とするスイッチング電源装置。