JP6424580B2 - スイッチング電源装置及び給湯装置 - Google Patents

Description

本発明は、フライバック方式のスイッチング電源装置及びこれを備えた給湯装置に関する。

従来、スイッチング電源装置の回路方式の一つとして、一次側（入力側）と二次側（出力側）とがスイッチングトランスで絶縁されたフライバック方式が知られている。また、このようなフライバック方式のスイッチング電源装置のスイッチング方式として、電源電圧を直接的に遮断・導通させるハードスイッチングを行う他励型のＰＷＭ（Pulse Width Modulation）方式や、共振現象を利用してスイッチング素子に印加される電圧が最も低くなった状態でスイッチング（ソフトスイッチング）を行なう擬似共振方式などが知られている。

特許文献１では、フライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置の一例が示されている。このスイッチング電源装置では、スイッチングトランスの一次巻線のインダクタンスと共振用キャパシタの共振現象を利用して、共振電圧がボトムを呈するタイミングでスイッチング素子がターンオンされる。

ところで、例えば特許文献２に示されるような近年の給湯システムには、給湯、風呂追い焚き、及び暖房のうち２つ以上の機能を一つのシステムに備えた多機能タイプ（高機能タイプ）のものがある。このような給湯システムには、送風機、循環ポンプ、風呂ポンプ、制御基板、多数の電磁弁、及び、多数のセンサなどの多種多様の電力負荷を備えており、これらの電力負荷へ電源装置を介して電力が供給されている。

国際公開ＷＯ２０１１／１２２３１４号公報 特開２０１４−１０５９７５号公報

近年では、環境への配慮から、電源装置に軽負荷時の高効率化や放射ノイズの低減が要求されている。擬似共振方式のスイッチング電源装置は、この要求に応えることができる。つまり、ソフトスイッチングを行う擬似共振方式では、電圧・電流の過渡交差が発生しないため、ハードスイッチング方式と比較してスイッチング素子のターンオフやターンオン時のノイズやスイッチング損失を抑えることができる。

前述のような多機能型給湯システムでは、電源装置と接続されている電力負荷が多いことから、電源装置に要求される電源容量が増加する傾向がある。一方で、省エネルギーのために電力負荷の待機電力は抑えられている。そのため、電源装置は待機電力から多機能動作時の大電力まで幅広く対応していることが望まれる。

擬似共振方式は、要求される出力電力が大きいスイッチング電源装置、特に、出力電流が大きいスイッチング電源装置には不適であることが知られている。また、擬似共振方式のスイッチング電源装置を大電力に対応させるためには、スイッチングトランスや放熱板の大型化が必要であり、更に、追加のフィルタ回路やノイズ低減回路が必要となるために、総じてスイッチング電源装置の大型化が避けられない。一方、ハードスイッチングを行うＰＷＭ方式のスイッチング電源装置では、ソフトスイッチングを行う場合と比較してノイズやスイッチング損失の増加が見込まれるものの、比較的大電力の出力電力要求に対応することができる。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、軽負荷時に高効率且つ低ノイズであり、待機電力から多機能動作時の大電力までの出力電力要求に対応可能なフライバック方式のスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明の一態様に係るスイッチング電源装置は、スイッチングトランスの一次側に設けられたスイッチング素子のオン期間中に前記スイッチングトランスでエネルギーを蓄積し、そのエネルギーを前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの二次側から直流電力として出力するとともに、動作モードとして擬似共振フライバックモード及び通常フライバックモードを有するスイッチング電源装置であって、
前記スイッチング素子のスイッチング周波数を計測する計測部を備え、
前記スイッチング電源装置への電源投入時に、前記通常フライバックモードで動作させ、
前記擬似共振フライバックモードで動作しているときに前記スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回ると、前記動作モードを前記通常フライバックモードに切り替えるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の別の一態様に係るスイッチング電源装置は、スイッチングトランスの一次側に設けられたスイッチング素子のオン期間中に前記スイッチングトランスでエネルギーを蓄積し、そのエネルギーを前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの二次側から直流電力として出力するとともに、動作モードとして擬似共振フライバックモード及び通常フライバックモードを有するスイッチング電源装置であって、
前記スイッチングトランスは、前記一次側に前記スイッチング素子と直列に接続された過電流検出用の抵抗を有し、
前記スイッチング素子のスイッチング周波数を計測する計測部と、
前記抵抗に掛かる電圧に基づいて前記一次側を流れる電流ピーク値を検出するピーク電流検出部とを備え、
前記擬似共振フライバックモードで動作しているときに、前記スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回り、且つ、前記ピーク値が所定の電流閾値を超えたときに、前記動作モードを前記通常フライバックモードに切り替えるように構成されていることを特徴としている。
また、本発明の更に別の一態様に係るスイッチング電源装置は、スイッチングトランスの一次側に設けられたスイッチング素子のオン期間中に前記スイッチングトランスでエネルギーを蓄積し、そのエネルギーを前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの二次側から直流電力として出力するとともに、動作モードとして擬似共振フライバックモード及び通常フライバックモードを有するスイッチング電源装置であって、
前記スイッチングトランスは、前記一次側に前記スイッチング素子と直列に接続された過電流検出用の抵抗を有し、
前記スイッチング素子のスイッチング周波数を計測する計測部と、
前記抵抗に掛かる電圧に基づいて前記一次側を流れる電流ピーク値を検出するピーク電流検出部とを備え、
前記擬似共振フライバックモードで動作しているときに前記スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回ると、前記動作モードを前記通常フライバックモードに切り替え、
前記通常フライバックモードで動作しているときに、前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの出力電流がゼロになったことが検出され、且つ、前記ピーク値が所定の電流閾値を下回るときに、前記動作モードを前記擬似共振フライバックモードに切り替えるように構成されていることを特徴とするものである。
なお、上記において「擬似共振フライバックモード」では擬似共振方式でスイッチング素子のソフトスイッチングが行われ、「通常フライバックモード」では共振を利用しないＰＷＭ方式でスイッチング素子のハードスイッチングが行われる。

また、本発明の一態様に係る給湯装置は、上記スイッチング電源装置を備えていることを特徴としている。

上記スイッチング電源装置及びこれを備えた給湯装置では、スイッチング周波数を用いてスイッチングトランスの二次側（即ち、出力側）の負荷の軽重を判断し、軽負荷である場合には擬似共振フライバックモードでスイッチング電源装置が動作し、重負荷である場合には通常フライバックモードでスイッチング電源装置が動作する。この結果、スイッチングトランスの二次側が軽負荷のときは、スイッチング損失とノイズを抑えた高効率なソフトスイッチングが行われる。また、スイッチングトランスの二次側が重負荷のときは、ハードスイッチングが行われる。これにより、スイッチング電源装置は、待機電力から多機能動作時の大電力までの幅広い出力電力要求に対応することが可能となる。

本発明によれば、軽負荷時に高効率且つ低ノイズであり、待機電力から多機能動作時の大電力までの出力電力要求に対応可能なフライバック方式のスイッチング電源装置及びこれを備えた給湯装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態に係る給湯装置の概略構成を示す図である。 図１に示す給湯装置のスイッチング電源装置の構成例を示すブロック図である。 本発明の第１実施形態に係るスイッチング電源装置のＤＣ−ＤＣコンバータ部の構成を示す回路図である。 図３に示すスイッチング電源装置のスイッチング制御装置の構成を示すブロック図である。 図３に示すスイッチング電源装置の動作モードの切り替えシーケンスを示す図である。 本発明の第２実施形態に係るスイッチング電源装置の動作モードの切り替えシーケンスを示す図である。 一次巻線を流れる電流の時間変化を示した図表である。

次に、スイッチング電源装置を備えた給湯装置に本発明を適用させて、本発明の実施の形態を説明する。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態に係る給湯装置は、給湯機能と風呂の追い焚き機能とを備えた多機能型の給湯装置である。まず、図１を用いて給湯装置１の概略構成から説明する。図１は本発明の第１実施形態に係る給湯装置１の概略構成を示す図である。

給湯装置１は、燃料ガスを燃焼する燃焼装置２と、燃焼装置２へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路２１と、燃焼装置２に空気を供給する送風機２２と、給湯流路３と、追い焚き流路４と、追い焚き流路４に設けられた風呂ポンプ４１と、コントローラ５とを備えている。送風機２２と風呂ポンプ４１は、駆動部としてＤＣモータを備えている。

燃焼装置２にはバーナ部２４が設けられており、このバーナ部２４に燃料ガス供給路２１から燃料ガスが供給される。燃料ガス供給路２１には、燃料ガスの供給量を調整するための元ガス電磁弁２５及びガス比例弁２６が設けられている。また、バーナ部２４には、風呂ガス電磁弁３０、複数の給湯能力切替ガス電磁弁２８、及び給湯ガス電磁弁２９が設けられている。

給湯流路３は、水道等から送給された水を給水入口３１から燃焼装置２へ送る往路部３２と、水を燃焼装置２で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する給湯側熱交換部３３と、湯を給湯側熱交換部３３から給湯出口３４へ送る復路部３５とを形成する配管から構成されている。復路部３５には、給湯の水量と温度を調整するために、水と湯の量の混合量を調整する水量調整弁３６及び注湯電磁弁３７が設けられている。

追い焚き流路４は、風呂水を戻り口４２から燃焼装置２へ送る戻り部４３と、風呂水を燃焼装置２で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する追い焚き側熱交換部４４と、加熱された風呂水を追い焚き側熱交換部４４から往き口４５へ送る往き部４６とを形成する配管から構成されている。風呂ポンプ４１は、追い焚き流路４のうち戻り部４３に設けられている。

コントローラ５は、制御装置５１及びスイッチング電源装置（以下、単に「電源装置６」と表すことがある）を含んでいる。制御装置５１は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等で構成されたマイクロコントローラや集積回路を備えている。制御装置５１には、送風機２２や風呂ポンプ４１をはじめとする各電装品等との間に、各電装品等を制御する信号経路（図示略）が設けられている。コントローラ５は、制御装置５１に記憶された制御プログラムに従って給湯装置１の各種制御を実行する。制御プログラムには、各電装品の運転に関する各種プログラムが含まれており、これらのプログラムに基づいて各電装品の制御が行われる。

コントローラ５には、図示されない外部電源から電力が供給され、電源装置６によって、この給湯装置１で用いられる電源（たとえば１５Ｖ電源）が生成される。電源装置６により生成される電力が、必要に応じて適宜電圧変換されて、制御装置５１や、燃焼装置２、送風機２２、風呂ポンプ４１、各種電磁弁、各種センサ等の各電装品へ供給される。

図２は図１に示すコントローラ５の電源装置６の構成例を示すブロック図である。図２に示すように、電源装置６には、整流・平滑部６１、ＤＣ−ＤＣコンバータ部６２などの機能部が設けられている。

整流・平滑部６１では、外部電源から受ける交流電力が整流されるとともに、整流された直流電力に含まれる変動成分が平滑化される。整流・平滑部６１は、例えば、整流ブリッジ回路や平滑コンデンサなどで構成されている。ＤＣ−ＤＣコンバータ部６２では、整流・平滑部６１で整流・平滑された直流電力が、別の電圧の直流電力に変換されて、出力部６３へ出力される。ＤＣ−ＤＣコンバータ部６２の作用により、出力部６３へ出力される直流電力は所定電圧（例えば、１５Ｖ）に維持される。なお、図２には示されないが、出力部６３から送風機２２の駆動用回路、制御装置５１などへ電力が供給され、整流・平滑部６１で整流・平滑後の電力が風呂ポンプ４１の駆動用回路へ供給される。

ここで、電源装置６のうち特にＤＣ−ＤＣコンバータ部６２について詳細に説明する。図３は、本発明の一実施形態に係る電源装置６のＤＣ−ＤＣコンバータ部６２の構成を示す回路図である。図３に示すように、電源装置６のＤＣ−ＤＣコンバータ部６２は、一次側（入力側）と二次側（出力側）とがスイッチングトランスＴで絶縁されたフライバック方式の回路構成を備えている。スイッチングトランスＴは一次巻線Ｐ1、二次巻線Ｓ、及び補助巻線Ｐ2を有している。一次巻線Ｐ1は、一端が入力端子Ｔinに接続され、他端がＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)からなるスイッチング素子Ｑのドレインに接続されている。なお、本実施形態においてはスイッチング素子ＱとしてＭＯＳＦＥＴが用いられているが、これに代えてバイポーラトランジスタなどが用いられてもよい。また、二次巻線Ｓは、一端がダイオードＤ1を介して出力端子Ｔoutに接続され、他端が接地端子に接続されている。補助巻線Ｐ2は、一端が後述のスイッチング制御装置７のＺＣＤ端子に図示されない抵抗を介して接続され、他端が接地端子に接続されている。

入力端子Ｔinと接地端子間には平滑用キャパシタＣ1が接続されている。また、出力端子Ｔoutと接地端子間には平滑用キャパシタＣ2が接続されている。さらに、スイッチング素子Ｑのドレインと接地端子間には共振用キャパシタＣ3が接続されている。出力端子Ｔoutの電圧が帰還回路１８を介してスイッチング制御装置７に入力されている。スイッチング素子Ｑのソースと接地端子間には、過電流を防止するための電流検出抵抗Ｒ1が接続されている。

スイッチング素子Ｑの動作は、スイッチング制御装置７によって制御されている。図４は、スイッチング制御装置７の構成を示すブロック図である。図４に示すように、スイッチング制御装置７には、リスタート信号生成部７０、ＺＣＤ信号生成部７１、制御信号生成部７２、ドライブ信号出力部７３などの機能部がＣＰＵ、ＲＯＭ、及びＲＡＭ等で構成されたマイクロコントローラや論理回路等の電子回路により構成されている。スイッチング制御装置７の電子回路は集積化されており、スイッチング制御装置７にはＺＣＤ端子（ゼロ電流検出入力端子）、ＦＢ端子（フィードバック入力端子）、ＩＳ端子（電流センス入力端子）、ＧＮＤ端子（グランド端子）、ＯＵＴ端子（出力端子）、ＶＣＣ端子（電源供給端子）などの複数の端子が設けられている。

ＺＣＤ信号生成部７１は、ＺＣＤ端子に印加される補助巻線Ｐ2の出力電圧のボトム（極小状態）を検出すると、制御信号生成部７２へＺＣＤ（Zero Current Detection）信号を出力する。また、リスタート信号生成部７０は、タイマによって所定のタイミングで、制御信号生成部７２へリスタート信号を出力する。

制御信号生成部７２は、ＺＣＤ信号又はリスタート信号が入力されると、例えば幅３００ｎｓのパルス信号である制御信号（ＰＷＭ信号）を生成して、ドライブ信号出力部７３へ出力する。ドライブ信号出力部７３は、制御信号に応じたドライブ信号をＯＵＴ端子からスイッチング素子Ｑのゲートへ出力して、スイッチング素子Ｑをターンオンさせる。

スイッチング素子Ｑがターンオンすると、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐ1にインダクタ電流が流れる。このインダクタ電流によりスイッチングトランスＴの二次巻線Ｓに電圧が誘起されるがダイオードＤ1によってこの電圧により二次巻線Ｓに電流が流れることが阻止される。これにより、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐ1がインダクタとして機能する。このインダクタであるスイッチングトランスＴの一次巻線Ｐ1がエネルギーの蓄積を開始する。このとき、スイッチング素子Ｑに直列接続された抵抗Ｒ1の両端の電圧、つまり、スイッチング素子Ｑを流れる電流に対応する電圧が、ＩＳ端子を介して制御信号生成部７２へ入力される。また、帰還回路１８によって、出力電圧（出力端子Ｔoutの電圧）と図示されない基準電圧との差に対応するフィードバック信号（誤差信号）が、ＦＢ端子を介して制御信号生成部７２へ入力される。フィードバック信号は、負荷の大きさを表し、負荷が軽いほど低値となる。制御信号生成部７２では、入力された抵抗Ｒ1の両端の電圧値がフィードバック信号に基づく電圧値を超えると制御信号がLowレベルとなって、その結果、スイッチング素子Ｑをターンオフさせる。

スイッチング素子Ｑがターンオフすると、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐ1に蓄積されたエネルギーが逆起電力として二次巻線Ｓに表れる。そして、スイッチングトランスＴの二次巻線Ｓに表れた逆起電力は、ダイオードＤ1を通って平滑用キャパシタＣ2で平滑されて直流電力として出力される。これにより、上述の逆起電力として表れたエネルギーがスイッチングトランスＴの二次側から放出される。このエネルギーの放出期間においては、スイッチング素子Ｑに定電圧が印加される。一次巻線Ｐ1に蓄積されたエネルギーの放出が終了すると、共振用キャパシタＣ3と一次巻線Ｐ1とからなる共振回路が共振動作を開始する。スイッチングトランスＴの補助巻線Ｐ2は、上記共振回路の共振振動電圧に相似した電圧を発生し、この電圧がＺＣＤ端子を介してＺＣＤ信号生成部７１に入力される。補助巻線Ｐ2に発生する電圧の０Ｖは、スイッチングトランスＴの出力電流のゼロ電流に相当する。

上記構成の電源装置６は、二次側の負荷の軽重に応じて、軽負荷時には擬似共振方式でソフトスイッチングが行われる擬似共振フライバックモードで動作し、重負荷時には共振を利用しないＰＷＭ方式でハードスイッチングが行われる通常フライバックモードで動作するように構成されている。そのために、スイッチング制御装置７は、リセット信号及びＺＣＤ信号を利用して二次側の負荷の軽重を判定し、二次側の負荷の軽重に応じて擬似共振フライバックモードと通常フライバックモードのいずれか一方の動作モードで電源装置６がスイッチング動作を行うようにスイッチング素子Ｑを制御している。

電源装置６が通常フライバックモードのとき、スイッチング素子Ｑのスイッチング周波数は一定であり、デューティ比（オン期間／スイッチング周期）を変化させること、即ち、パルス幅を変調させることにより出力電圧が一定に維持される。

一方、電源装置６が擬似共振フライバックモードのとき、スイッチング素子Ｑのスイッチング周波数は二次側の負荷状態（出力電力）に応じて変化する。重負荷時には、スイッチング素子Ｑのオン期間も、二次側にエネルギーを伝送するフライバック期間も長くなることから、スイッチング周波数は低くなる。一方、軽負荷時には、スイッチング素子Ｑのオン期間も、二次側にエネルギーを伝送するフライバック期間も短くなることから、スイッチング周波数は高くなる。よって、擬似共振フライバックモードでは、スイッチング周波数に基づいて二次側の負荷状態を知ることが可能である。

擬似共振フライバックモードにおけるスイッチング素子Ｑのスイッチング周波数は、例えば、スイッチング制御装置７のＺＣＤ信号生成部７１がＺＣＤ信号を出力するタイミング、制御信号生成部７２が制御信号を生成又は出力するタイミング、ドライブ信号出力部７３がドライブ信号を出力するタイミング、などのうち一つ以上に基づいて検出される。

ここで、電源装置６の動作モードの切り替えの流れについて説明する。図５は、電源装置６の動作モードの切り替えシーケンスを示す図である。スイッチング制御装置７は、スイッチング素子Ｑのスイッチング周波数、即ち、スイッチング素子Ｑの前回のターンオンから今回のターンオンまでの時間の逆数を常に計測している。

図５に示すように、電源投入時の電源装置６の動作モードは通常フライバックモードであって、スイッチング制御装置７は所定の固定周波数でスイッチング素子Ｑのスイッチングが行われるようなドライブ信号をスイッチング素子Ｑへ出力し、その結果、通常フライバックモードでスイッチング素子Ｑのスイッチング動作が行われる（ステップＳ１）。通常フライバックモードでは、スイッチング制御装置７において、制御信号生成部７２がタイマによって所定のタイミングで生成される信号（本実施形態ではリセット信号）に基づいて制御信号を生成し、この制御信号に基づくドライバ信号がドライブ信号出力部７３からスイッチング素子Ｑへ出力される。この結果、スイッチング素子Ｑが所定の固定周波数でターンオンされる。通常フライバックモードでは、ＺＣＤ信号生成部７１から制御信号生成部７２へ出力されるＺＣＤ信号はスイッチング素子Ｑのターンオンのタイミングをとるためには使用されない。

通常フライバックモードにおいて、スイッチング制御装置７は、スイッチングトランスＴの出力電力が電流連続モードであるか、電流不連続モードであるかを判断する（ステップＳ２）。二次側の負荷電流が大きいときはスイッチングトランスＴの出力電力は電流連続モードとなるが、二次側の負荷電流が減少すれば、電流連続モードから電流不連続モードに移行する。この現象を利用して、スイッチングトランスＴの出力電力の電流連続モードと電流不連続モードとに基づいて二次側の負荷の軽重を判定することができる。

本実施形態においては、前回のリセット信号が入力されてから今回のリセット信号が入力されるまでの間、即ち、スイッチングの１周期の間（又は、スイッチング素子Ｑのオフ期間）に、ＺＣＤ信号が入力されていれば電流不連続モードとし、ＺＣＤ信号が入力されていなければ電流連続モードとしている。

ステップＳ２において、電流連続モードであれば（ステップＳ２でＮＯ）、スイッチング制御装置７は、通常フライバックモードを維持して（ステップＳ５）、次のスイッチング動作へ移行する（ステップＳ１）。通常フライバックモードにおいて、スイッチング制御装置７の制御信号生成部７２は、次のスイッチング動作のためのデューティ比を算出し、リセット信号が入力されたタイミングで、算出されたデューティ比の制御信号を生成する。その結果、スイッチング素子Ｑがハードスイッチングでターンオンされる。ここで、制御信号生成部７２は、ＦＢ端子に印加される電圧が出力部６３の所定電圧を維持できる範囲になければ二次側の負荷が重いと判定してデューティ比を上げ、逆に、ＦＢ端子に印加される電圧が出力部６３の所定電圧を維持できる範囲にあれば二次側の負荷が軽いと判定してデューティ比を下げる。

一方、ステップＳ２において、電流不連続モードであれば（ステップＳ２でＹＥＳ）、スイッチング制御装置７は、動作モードを擬似共振フライバックモードに切り替えて（ステップＳ３）、次のスイッチング動作へ移行する（ステップＳ４）。擬似共振フライバックモードにおいて、制御信号生成部７２は、二次側の負荷に基づいてオン期間を算出し、ＺＣＤ信号が入力されたタイミングで算出されたオン期間の制御信号を生成する。その結果、スイッチング素子Ｑがソフトスイッチングでターンオンされる。

擬似共振フライバックモードにおいて、スイッチング制御装置７は、スイッチング周波数が所定の周波数閾値以下であるかどうかを判定する（ステップＳ６）。本実施形態においては、スイッチング制御装置７が、スイッチング周波数を計測する周波数計測部７２ａを有している。所定の周波数閾値は、例えば、ノイズ規制に基づいて決めることができる。例えば、150kHzからのノイズ規制がある場合に、ノイズが出やすい２倍の高調波を150kHz以下とするために通常フライバックモードでは75kHz以下でスイッチング動作させることが望ましい。そこで、上記の根拠で算出した75kHzに安全率を加味して、65kHzを所定の周波数閾値とすることができる。

ステップＳ６において、スイッチング周波数が所定の周波数閾値以下であれば（ステップＳ６でＹＥＳ）、スイッチング制御装置７は、動作モードを通常フライバックモードに切り替え（ステップＳ７）、通常フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する（ステップＳ１）。一方、ステップＳ６において、スイッチング周波数が所定の周波数閾値より大きければ（ステップＳ６でＮＯ）、スイッチング制御装置７は、擬似共振フライバックモードを維持して（ステップＳ８）、擬似共振フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する（ステップＳ４）。

以上に説明したように、本実施形態に係るスイッチング電源装置６は、スイッチングトランスＴの一次側に設けられたスイッチング素子Ｑのオン期間中にスイッチングトランスＴでエネルギーを蓄積し、そのエネルギーをスイッチング素子Ｑのオフ期間中にスイッチングトランスＴの二次側から直流電力として出力するように構成されたフライバック方式のスイッチング電源装置６である。このスイッチング電源装置６は、動作モードとして擬似共振フライバックモード及び通常フライバックモードを有している。そして、このスイッチング電源装置６は、スイッチング素子Ｑのスイッチング周波数を計測する周波数計測部７２ａを備え、擬似共振フライバックモードで動作しているときにスイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回ると、動作モードを通常フライバックモードに切り替えるように構成されている。

上記のスイッチング電源装置６では、スイッチング周波数を用いてスイッチングトランスＴの二次側（即ち、出力側）の負荷の軽重が判定され、軽負荷である場合には擬似共振フライバックモードが維持され、重負荷である場合には通常フライバックモードに切り替えられる。この結果、スイッチングトランスＴの二次側が軽負荷のときは、スイッチング損失とノイズを抑えた高効率なソフトスイッチングが行われる。また、スイッチングトランスＴの二次側が重負荷のときは、ハードスイッチングが行われる。

上記のスイッチング電源装置６では、スイッチングトランスＴの二次側が重負荷となれば、電源装置６の動作モードが擬似共振フライバックモードから通常フライバックモードへ切り換わる。よって、擬似共振フライバックモードのみで動作する従来のスイッチング電源装置と比較して幅広い出力電力要求に対応することが可能である。多機能型の給湯装置１は待機電力から多機能動作時の大電力まで電力負荷が変動するので、このような給湯装置１の電源装置として上記のスイッチング電源装置６が好適である。

なお、スイッチング周波数は、例えば、スイッチング制御装置７のＺＣＤ信号生成部７１がＺＣＤ信号を出力するタイミング、制御信号生成部７２が制御信号を生成又は出力するタイミング、ドライブ信号出力部７３がドライブ信号を出力するタイミング、などのうち一つ以上に基づいて検出することができる。したがって、上記のスイッチング電源装置６では、２つのスイッチング動作モードを備えるために、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置からセンサや抵抗などを追加する必要がない。よって、上記のスイッチング電源装置６は、従来のスイッチング電源装置と比較して、大型化を伴うことなく幅広い出力電力要求に対応することが可能である。

また、本実施形態に係るスイッチング電源装置６は、通常フライバックモードで動作しているときに、スイッチング素子Ｑのオフ期間中にスイッチングトランスＴの出力電流がゼロになったことが検出されると、動作モードを擬似共振フライバックモードに切り替えるように構成されている。スイッチング素子Ｑのオフ期間中にスイッチングトランスＴの出力電流がゼロになったことは、つまり、スイッチングトランスＴの出力電流が電流連続モードから電流不連続モードに切り替わったことを意味している。

スイッチングトランスＴの出力電流が電流連続モードから電流不連続モードに切り替わったことは、即ち、スイッチングトランスＴの二次側の負荷が軽くなったことを意味する。したがって、上記のスイッチング電源装置６では、スイッチング素子Ｑのオフ期間中にスイッチングトランスＴの出力電流がゼロになったことで、スイッチングトランスＴの二次側の負荷の軽重を判定している。そして、スイッチングトランスＴの二次側の負荷が軽くなると、電源装置６の動作モードが擬似共振フライバックモードへ切り替わるので、二次側が軽負荷のときにはスイッチング損失とノイズを抑えることができる。

なお、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置において、スイッチング制御装置７が補助巻線Ｐ2の出力電圧に基づいてスイッチングトランスＴの出力電流がゼロになったことを検出するように構成されたものがある。よって、上記のスイッチング電源装置６では、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置の既存の構成を用いて、スイッチングトランスＴの二次側の負荷の軽重を判定することができるので、追加のセンサや抵抗などを必要としない。

また、本実施形態に係るスイッチング制御装置７は、スイッチング電源装置６への電源投入時に、スイッチング素子Ｑを通常フライバックモードでスイッチング動作させるように構成されている。

これにより、スイッチング電源装置６へ電源を投入したときに、一時的に大電流が流れることがあるが、この大電流に対応した動作モードでスイッチング素子Ｑがスイッチングされる。また、スイッチングトランスＴに素早く電圧を立ち上げることができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るスイッチング電源装置６について説明する。前述の第１実施形態においては、スイッチングトランスＴの二次側の負荷の軽重に基づいて、電源装置６の動作モードを擬似共振フライバックモードと通常フライバックモードの中から選択的に切り替えている。スイッチングトランスＴの二次側の負荷の軽重は、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐ1に流れる電流のピーク値に基づいて判定することも可能である。そこで、本発明の第２実施形態に係る電源装置６では、スイッチングトランスＴの一次側のピーク電流に基づいて擬似共振フライバックモードと通常フライバックモードとを切り替える制御が行われる。

本実施形態に係る電源装置６及びこれを備えた給湯装置１の構成は、電源装置６のスイッチング制御装置７を除いて前述の第１実施形態とおおよそ同じであるので、本実施形態の説明においては前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

第２実施形態に係る電源装置６のスイッチング制御装置７には、スイッチング素子Ｑに直列接続された抵抗Ｒ1の両端の電圧、つまり、一次巻線Ｐ1を流れる電流に対応する電圧が、ＩＳ端子を介して入力されている。図７に示すように、一次巻線Ｐ1を流れる電流はスイッチング素子Ｑがターンオンしたタイミングで増加し始め、スイッチング素子Ｑがターンオフしたタイミングでゼロになる。そこで、スイッチング制御装置７には、スイッチング素子Ｑがターンオフされる直前のタイミングｔで、ＩＳ端子を介して入力されている電圧を読み込み、これを電流値としたものを一次側ピーク電流値として記憶する一次側ピーク電流値検出部が設けられている。なお、スイッチング制御装置７の制御信号生成部７２はオンデューティで制御信号を生成しているので、ターンオンのタイミングとオン期間に基づいて、スイッチング素子Ｑがターンオフされる直前のタイミングｔをとることができる。

図６は、本発明の第２実施形態に係るスイッチング電源装置６の動作モードの切り替えシーケンスを示す図である。図６に示すように、先ず、スイッチング電源装置６のスイッチング制御装置７は、通常フライバックモードでスイッチング素子Ｑにスイッチング動作を行わせる（ステップＳ２１）。そして、スイッチング制御装置７は、スイッチングトランスＴの出力電力が電流連続モードであるか電流不連続モードであるかを判定し、電流不連続モードでなければ（ステップＳ２２でＮＯ）、通常フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する（ステップＳ２１）。

一方、電流不連続モードであれば（ステップＳ２２でＹＥＳ）、一次側ピーク電流と所定の電流閾値とを比較し、一次側ピーク電流が所定の電流閾値に満たないときは（ステップＳ２３でＮＯ）、二次側が軽負荷であるので、擬似共振フライバックモードに切り替える（ステップＳ２４）。一次側ピーク電流が所定の電流閾値以上であるときは（ステップＳ２３でＹＥＳ）、通常フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する（ステップＳ２１）。

擬似共振フライバックモードに切り替わると、スイッチング制御装置７は、擬似共振フライバックモードでスイッチング素子Ｑにスイッチング動作を行わせる（ステップＳ２５）。そして、スイッチング制御装置７は、スイッチング周波数が所定の周波数閾値を上回れば（ステップＳ２６でＮＯ）、擬似共振フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する（ステップＳ２５）。

一方、スイッチング制御装置７は、スイッチング周波数が所定の周波数閾値以下であれば（ステップＳ２６でＹＥＳ）、一次側ピーク電流と所定の電流閾値とを比較する。一次側ピーク電流が所定の閾値以上であるときは（ステップＳ２７でＹＥＳ）、二次側が重負荷であるので、通常フライバックモードに切り替える（ステップＳ２８）。一次側ピーク電流が所定の閾値を下回るときは（ステップＳ２７でＮＯ）、擬似共振フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する（ステップＳ２５）。なお、上記ステップＳ２３とステップＳ２７のうち、いずれか一方が省略されてもよい。

以上に説明したように、本実施形態に係るスイッチング電源装置６では、前述の第１実施形態に係るスイッチング電源装置６の構成に加え、一次側を流れる電流のピーク値を検出するピーク電流検出部を備えている。そして、スイッチング電源装置６は、擬似共振フライバックモードで動作しているときに、スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回り、且つ、一次側の電流のピーク値が所定の電流閾値を超えたときに、動作モードを通常フライバックモードに切り替えるように構成されている。また、スイッチング電源装置６は、通常フライバックモードで動作しているときに、スイッチング素子Ｑのオフ期間中にスイッチングトランスＴの出力電流がゼロになったことが検出され、且つ、一次側の電流のピーク値が所定の電流閾値を下回るときに、動作モードを擬似共振フライバックモードに切り替えるように構成されている。

これによれば、スイッチング周波数又はスイッチングトランスＴの出力電圧の電流連続・不連続モードに加えて、一次巻線Ｐ1を流れる電流のピーク値に基づいてスイッチングトランスＴの二次側の負荷の軽重が判定される。そして、軽負荷のとき、即ち、一次巻線Ｐ1を流れる電流のピーク値が所定の電流閾値以下のときは、スイッチング素子Ｑでスイッチング損失及びノイズを抑えたソフトスイッチングが行われる。一方、重負荷のとき、即ち、一次巻線Ｐ1を流れる電流のピーク値が所定の電流閾値を超えるときは、一次巻線Ｐ1のピーク電流を抑えることの可能なハードスイッチングが行われる。よって、電源装置の大型化や対策部品を追加することなく、回路部品の損傷やリップルを低減することができる。

また、本実施形態に係るスイッチング電源装置６では、スイッチングトランスＴは、一次巻線Ｐ1にスイッチング素子Ｑと直列に接続された過電流検出用の抵抗Ｒ1を有し、スイッチング制御装置７はこの抵抗Ｒ1に掛かる電圧に基づいて一次巻線Ｐ1を流れる電流のピーク値を検出するように構成されている。

従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置において、過電流検出用の抵抗Ｒ1が備えられたものがある。よって、上記のスイッチング電源装置６では、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置の既存の構成を用いて、一次巻線Ｐ1を流れる電流のピーク値を検出することができるので、追加のセンサや抵抗などを必要としない。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は以下のように変更することができる。

例えば、上記スイッチング電源装置６は、多機能型の給湯装置１に備えられているが、他の機器に備えられていてもよい。

また、例えば、上記給湯装置１は、給湯機能と風呂追い焚き機能とを有する多機能型給湯器であるが、給湯装置１の機能はこれに限定されない。

また、例えば、スイッチング周波数は、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置に既存の構成を利用して計測されるが、スイッチング周波数を計測するために他のセンサや抵抗の付加が妨げられるわけではない。例えば、スイッチングトランスＴの一次巻線Ｐ1又は二次巻線Ｓに追加の補助巻線を設けて、この補助巻線からスイッチング制御装置７へ出力される電圧に基づいてスイッチング周波数の計測が行われてもよい。

１ ：給湯装置
２ ：燃焼装置
３ ：給湯流路
４ ：追い焚き流路
５ ：コントローラ
６ ：スイッチング電源装置
７ ：スイッチング制御装置
１８：帰還回路
２１：燃料ガス供給路
２２：送風機
２４：バーナ部
２５，２８，２９，３０，３７：電磁弁
２６：ガス比例弁
３６：水量調整弁
４１：風呂ポンプ
５１：制御装置
６１：整流・平滑部
６２：ＤＣ−ＤＣコンバータ部
６３：出力部
７０：リスタート信号生成部
７１：ＺＣＤ信号生成部
７２：制御信号生成部
７２ａ：周波数計測部
７３：ドライブ信号出力部
Ｃ1：平滑用キャパシタ
Ｃ2：平滑用キャパシタ
Ｃ3：共振用キャパシタ
Ｄ1：ダイオード
Ｐ1：一次巻線
Ｐ2：補助巻線
Ｑ ：スイッチング素子
Ｒ1：電流検出抵抗
Ｓ ：二次巻線
Ｔ ：スイッチングトランス
Ｔin ：入力端子
Ｔout ：出力端子

Claims (7)

1. スイッチングトランスの一次側に設けられたスイッチング素子のオン期間中に前記スイッチングトランスでエネルギーを蓄積し、そのエネルギーを前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの二次側から直流電力として出力するとともに、動作モードとして擬似共振フライバックモード及び通常フライバックモードを有するスイッチング電源装置であって、
   前記スイッチング素子のスイッチング周波数を計測する計測部を備え、
   前記スイッチング電源装置への電源投入時に、前記通常フライバックモードで動作させ、
   前記擬似共振フライバックモードで動作しているときに前記スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回ると、前記動作モードを前記通常フライバックモードに切り替えるように構成されている、
   スイッチング電源装置。
2. 前記一次側を流れる電流のピーク値を検出するピーク電流検出部を更に備え、
   前記擬似共振フライバックモードで動作しているときに、前記スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回り、且つ、前記ピーク値が所定の電流閾値を超えたときに、前記動作モードを前記通常フライバックモードに切り替えるように構成されている、
   請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記通常フライバックモードで動作しているときに、前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの出力電流がゼロになったことが検出されると、前記動作モードを前記擬似共振フライバックモードに切り替えるように構成されている、
   請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記一次側を流れる電流のピーク値を検出するピーク電流検出部を更に備え、
   前記通常フライバックモードで動作しているときに、前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの出力電流がゼロになったことが検出され、且つ、前記ピーク値が所定の電流閾値を下回るときに、前記動作モードを前記擬似共振フライバックモードに切り替えるように構成されている、
   請求項３に記載のスイッチング電源装置。
5. スイッチングトランスの一次側に設けられたスイッチング素子のオン期間中に前記スイッチングトランスでエネルギーを蓄積し、そのエネルギーを前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの二次側から直流電力として出力するとともに、動作モードとして擬似共振フライバックモード及び通常フライバックモードを有するスイッチング電源装置であって、
   前記スイッチングトランスは、前記一次側に前記スイッチング素子と直列に接続された過電流検出用の抵抗を有し、
   前記スイッチング素子のスイッチング周波数を計測する計測部と、
   前記抵抗に掛かる電圧に基づいて前記一次側を流れる電流ピーク値を検出するピーク電流検出部とを備え、
   前記擬似共振フライバックモードで動作しているときに、前記スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回り、且つ、前記ピーク値が所定の電流閾値を超えたときに、前記動作モードを前記通常フライバックモードに切り替えるように構成されている、
   スイッチング電源装置。
6. スイッチングトランスの一次側に設けられたスイッチング素子のオン期間中に前記スイッチングトランスでエネルギーを蓄積し、そのエネルギーを前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの二次側から直流電力として出力するとともに、動作モードとして擬似共振フライバックモード及び通常フライバックモードを有するスイッチング電源装置であって、 前記スイッチングトランスは、前記一次側に前記スイッチング素子と直列に接続された過電流検出用の抵抗を有し、
   前記スイッチング素子のスイッチング周波数を計測する計測部と、
   前記抵抗に掛かる電圧に基づいて前記一次側を流れる電流ピーク値を検出するピーク電流検出部とを備え、
   前記擬似共振フライバックモードで動作しているときに前記スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回ると、前記動作モードを前記通常フライバックモードに切り替え、
   前記通常フライバックモードで動作しているときに、前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの出力電流がゼロになったことが検出され、且つ、前記ピーク値が所定の電流閾値を下回るときに、前記動作モードを前記擬似共振フライバックモードに切り替えるように構成されている、
   スイッチング電源装置。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載のスイッチング電源装置を備えた、給湯装置。
   

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