JP6460403B2 - 共振インバータおよび絶縁型共振電源装置 - Google Patents

共振インバータおよび絶縁型共振電源装置 Download PDF

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Description

本発明は、スイッチの動作電圧を容易に低減できる共振インバータおよび絶縁型共振電源装置に関するものである。
下記特許文献１には、絶縁型共振コンバータが開示されている。これは、共振インバータ出力を絶縁して負荷に供給する際に、共振整流器側に絶縁トランスを設けたものである。また、特許文献２には、プッシュプル型の非絶縁共振コンバータが開示されている。これは、１８０度の位相差を持った２つのスイッチが交互にオン、オフし、負荷に電力供給するものである。また、特許文献１、特許文献２には、スイッチのドレイン−ソースインピーダンスを駆動周波数と駆動周波数の３倍のときに最大にし、駆動周波数の約２倍のときに最低にすることによって、スイッチ電圧を低減することが開示されている。
開示されているプッシュプルインバータは、シングルエンドのインバータを２つ結合したものであり、単純にシングルエンドインバータの２倍の電力を扱うことが可能になる。また、一般的に高周波のインバータに於いて、ブリッジ回路等のハイサイドスイッチを高周波で駆動することは、短い時間のデッドタイムを保証しなければならず、ハイサイドスイッチとローサイドスイッチの貫通電流防止の観点で難しい。これに対して、開示されているプッシュプルインバータはローサイドスイッチのみを駆動する為、高周波駆動のインバータの電力範囲を拡大するのに有効な方法である。
米国特許第７８８９５１９号明細書 米国特許第７９２４５８０号明細書
しかしながら、従来の技術では、絶縁トランスが共振整流器側に接続されている為、絶縁トランスの１次側に印加される電圧が共振整流器のインダクタンスとトランスの自己インダクタンス、およびリーケージインダクタンスの分圧になり、共振整流器のインダクタンスを可変するとトランスの入力電圧が可変し、共振条件の設定のみでなく、出力電圧範囲が可変してしまう問題がある。また、共振整流器側に絶縁トランスを付加していたため、プッシュプルコイル２個と別にトランスを設ける必要があった。また、１８０度の位相差を持ったスイッチそれぞれに共振器を設け、別々に共振周波数を調整する為、調整箇所が多いという課題がある。また、特許文献１、２に開示された駆動周波数の１倍と３倍の点のインピーダンスを最大にした場合、必ずしもスイッチ電圧が最低にできないという課題がある。
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、出力電圧の調整が容易であるとともに、スイッチの動作電圧を低減してスイッチ寿命を向上させ、かつ、装置の小型化、コスト低減が可能な共振インバータおよび絶縁型共振電源装置を提供することを目的とする。
上記課題を解決する為に、本発明に係わる共振インバータは、入力電圧が印加される入力端子と、交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、１次側の第１巻線と第２巻線を有するトランスと、を備え、第１のスイッチと第１巻線を含むと共に、第１の容量素子及び第１のコイルを有する第１の共振回路を備える第１のインバータ回路と、第２のスイッチと第２巻線を含むと共に、第２の容量素子及び第２のコイルを有する第２の共振回路を備える第２のインバータ回路と、入力端子は、トランスの第１巻線と第２巻線との間に接続される。
これにより、入力端子は、トランスの第１巻線と第２巻線との間に接続されているので、トランスに印加される電圧は、共振整流器の共振器の影響をうけることなく、入力電圧と第１のコイルのインダクタンス、または第２のコイルのインダクタンス、トランスのリーケージインダクタンスと自己インダクタンスの比率で決定できる。従って、２次側の共振整流器に依存することなくトランスの巻数比を決定することができるため、容易に出力電圧の調整が可能である。
また、本発明に係わる共振インバータは、第１の容量素子は、第１のスイッチと並列に接続され、第２の容量素子は、第２のスイッチと並列に接続され、第１のコイルは、第１のスイッチと第１巻線との間に備えられ、第２のコイルは、第２のスイッチと第２巻線との間に備えられていても良い。これにより、２次側の共振整流器に依存することなくトランスの巻数比を決定することができるため、容易に出力電圧の調整が可能である。
また、本発明に係わる共振インバータは、第１のスイッチと第２のスイッチとの間に備えられ、第３の共振回路を形成する第３の容量素子及び第３のコイルを有していても良い。これにより、第３の容量素子及び第３のコイルを有する第３の共振回路を第１のインバータ回路と第２のインバータ回路で共有できるので、回路や装置の小型化及びコストダウンと、共振周波数の調整の簡易化を図ることができる。
また、本発明に係わる共振インバータは、第１のスイッチと並列に設けられた第４のコイル及び第４の容量素子の直列接続と、第２のスイッチと並列に設けられた第５のコイル及び第５の容量素子の直列接続により、第３の共振回路を形成していても良い。これにより、２次側の共振整流器に依存することなくトランスの巻数比を決定することができるため、容易に出力電圧の調整が可能である。
また、上記課題を解決する為に、本発明に係わる共振インバータは、入力電圧が印加される入力端子と、交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、トランスと、を備え、トランスは、１次側の第１巻線と第２巻線とを備え、第１のインバータ回路は、第１のスイッチと第１巻線を含むと共に、第１の容量素子及び前記トランスのリーケージインダクタンスにより構成される第１の共振回路を備え、第２のインバータ回路は、第２のスイッチと第２巻線を含むと共に、第２の容量素子及びトランスのリーケージインダクタンスにより構成される第２の共振回路を備え、入力端子は、トランスの第１巻線と第２巻線との間に接続される。
これにより、２次側の共振整流器に依存することなくトランスの巻数比を決定することができると共に、第１の共振回路、及び第２の共振回路をトランスのリーケージインダクタンスを利用して構成することにより、第１のコイル及び第２のコイルを無くすことが可能となり、回路や装置の小型化及びコストダウンを図ることができる。
また、本発明に係わる共振インバータは、第１の共振回路と、第２の共振回路と、第５の共振回路により共振する少なくとも３つの共振点を備え、３つの共振点のうち、第１の共振点である最も低い共振周波数をＦ１、第３の共振点である最も高い共振周波数をＦ３とし、Ｆ１とＦ３の間の共振周波数である第２の共振点を固定したときに、第１のスイッチまたは第２のスイッチを駆動する駆動周波数をＦｓとすると、 １Ｆｓ≦Ｆ３−Ｆ１＜２Ｆｓ を満たしていても良い。これにより、第１のスイッチまたは第２のスイッチの動作電圧を低減できるので、スイッチ寿命を向上させることができる。
また、本発明に係わる共振インバータは、第１の共振回路と、第２の共振回路と、第３または第４の共振回路により共振する少なくとも３つの共振点を備え、３つの共振点のうち、第１の共振点である最も低い共振周波数をＦ１、第３の共振点である最も高い共振周波数をＦ３とし、Ｆ１とＦ３の間の共振周波数である第２の共振点を固定したときに、第１のスイッチまたは第２のスイッチを駆動する駆動周波数をＦｓとすると、１Ｆｓ≦Ｆ３−Ｆ１＜２Ｆｓ を満たしていても良い。これにより、第１のスイッチまたは第２のスイッチの動作電圧を低減できるので、スイッチ寿命を向上させることができる。
本発明によれば、共振周波数の調整が容易であるとともに、スイッチの動作電圧を低減してスイッチ寿命を向上させ、かつ、装置の小型化、コスト低減が可能な共振インバータおよび絶縁型共振電源装置を提供することができる。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る絶縁型共振コンバータ回路である。 図２は、本発明の第２の実施形態に係る絶縁型共振コンバータ回路である。 図３は、本発明の第３の実施形態に係る絶縁型共振コンバータ回路である。 図４は、本発明の第４の実施形態に係る絶縁型共振コンバータ回路である。 図５は、本発明による共振インバータにおいて、各スイッチから見たドレインインピーダンス特性を示した説明図である。 図６は、本発明による共振インバータにおいて、各スイッチのインピーダンス最低点を２Ｆｓに固定した際に、インピーダンス最大点の周波数幅Ｆ３−Ｆ１とスイッチ電圧の関係を示した説明図である。 図７は、従来の共振型絶縁インバータの例を示した説明図である。 図８は、従来の共振型プッシュプルインバータの例を示した説明図である。
以下、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、本発明の対象は以下の実施形態に限定されるものではない。また以下に記載した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のものが含まれると共に、その構成要素は、適宜組み合わせることが可能である。
発明の実施の形態を図面を参照し、詳細に説明する。なお、図面の説明においては同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。
（実施形態１）
図１は、本発明の一実施形態に係る共振コンバータ１ａ（絶縁型共振電源装置）の構成を示す回路図である。図１に示す共振コンバータ１ａは、一対の入力端子である第１の入力端子２ａと、第２の入力端子２ｂ（以下、特に指定しないときは入力端子２ともいう）、一対の出力端子である第１の出力端子３ａと、第２の出力端子３ｂ（以下、特に指定しないときは出力端子３ともいう）、共振インバータ４ａ、共振整流器５ａを備え、入力端子２に入力される入力電圧（直流電圧）Ｖ１を出力電圧（直流電圧）Ｖ２に変換して出力端子３から出力する。共振コンバータ１ａは、入力端子２に入力電圧Ｖ１、入力電流ｉ１を入力して、出力端子３から出力電圧Ｖ２、負荷電流ｉ２を出力する。
共振インバータ４ａは、各インバータ回路に１つずつ、スイッチと入力コンデンサを備える。スイッチは、スイッチ１１（第１のスイッチ）、スイッチ１５（第２のスイッチ）であり、入力コンデンサは、入力コンデンサ６、入力コンデンサ１２である。また、第１のコイル７、第２のコイル１３、第１のコンデンサ８（第１の容量素子）、第２のコンデンサ１４（第２の容量素子）を備え、さらに第４のコイル９、第４のコンデンサ１０（第４の容量素子）、第５のコイル１６、第５のコンデンサ１７（第５の容量素子）を備えている。共振コンバータ１ａの一例として、共振降圧型コンバータの回路方式で構成されており、入力端子２から入力される入力電圧Ｖ１を交流電圧に変換する。
ここでいう各インバータ回路とは、入力コンデンサ６と、スイッチ１１と、第１のコンデンサ８と、第１のコイル７と、第４のコンデンサ１０と、第４のコイル９とを含む第１のインバータ回路と、入力コンデンサ１２と、スイッチ１５と、第２のコンデンサ１４と、第２のコイル１３と、第５のコンデンサ１７と、第５のコイル１６とを含む第２のインバータ回路をいう。第１のスイッチ１１と、第２のスイッチ１５は、同一周波数で１８０度の位相差をもって相互にオンオフする。
共振インバータ４ａから共振整流器５ａへの電力伝送は、トランス１８を介して行われる。トランス１８は、共振インバータ４ａに備えられる１次側巻線と、共振整流器５ａに備えられる２次側巻線を有する。１次側巻線は、第１巻線と第２巻線を備え、第１巻線と第２巻線との間には、第１の入力端子２ａと直接接続されているセンタータップを備えている。
第１巻線の一端は、第１のコイル７と接続し、第１巻線の他端であるセンタータップは、第１の入力端子２ａ、入力コンデンサ６の一端、入力コンデンサ１２の一端と接続する。第２巻線の一端は、第２のコイル１３と接続する。第１のコイル７の他端は、第１のスイッチ１１のドレイン及び第１のコンデンサ８の一端、第４のコイル９の一端と接続されている。第１のスイッチ１１のソースは、第１のコンデンサ８の他端、入力コンデンサ６の他端、第４のコンデンサ１０の一端及び入力端子２ｂと接続されている。第４のコイル９の他端は、第４のコンデンサの他端と接続されている。従って、第１のスイッチ１１のドレイン−ソース間と第１のコンデンサ８は、並列に接続されている。また、第４のコイル９と第４のコンデンサ１０の直列接続は、第１のスイッチ１１のドレイン−ソース間に並列接続されている。第１のスイッチ１１は、ボディーダイオードを有し、そのカソードが第１のスイッチ１１のドレインと接続され、アノードは第１のスイッチ１１のソースと接続されている。第１のスイッチ１１のゲートは、図示しない制御回路と接続されている。なお、第１のコンデンサ８は、第１のスイッチ１１の寄生容量で構成されていてもよい。
第１の共振回路は、第１のコンデンサ８、第１のコイル７を含み、第１のインバータ回路に組み込まれる。また、第４のコイル９と第４のコンデンサ１０を含む第３の共振回路も第１のインバータ回路に組み込まれる。
第２のコイル１３の他端は、第２のスイッチ１５のドレイン、第２のコンデンサ１４の一端、第５のコンデンサ１７の一端と接続されている。第２のスイッチ１５のソースは、第２のコンデンサ１４の他端、入力コンデンサ１２の他端、第５のコイル１６の一端及び入力端子２ｂと接続されている。第５のコイル１６の他端は、第５のコンデンサ１７の他端と接続される。従って、第２のスイッチ１５のドレイン−ソース間と第２のコンデンサ１４は、並列に接続されている。また、第５のコイル１６と第５のコンデンサ１７の直列接続は、第２のスイッチ１１のドレイン−ソース間に並列接続されている。第２のスイッチ１５は、ボディーダイオードを有し、そのカソードが第２のスイッチ１５のドレインと接続され、アノードは第２のスイッチ１５のソースと接続されている。第２のスイッチ１５のゲートは、図示しない制御回路と接続されている。なお、第２のコンデンサ１４は、第２のスイッチ１５の寄生容量で構成されていてもよい。
第２の共振回路は、第２のコンデンサ１４、第２のコイル１３を含み、第２のインバータ回路に組み込まれる。また、第５のコイル１６と第５のコンデンサ１７を含む第４の共振回路も第２のインバータ回路に組み込まれる。
この時、スイッチ１１、１５には、それぞれ入力端子２ｂから２ａの方向に逆方向導通ダイオードと２ｂ−２ａ間端子間容量が含まれるが、この端子間容量については、それぞれコンデンサ８、コンデンサ１４に含まれるものとして考慮する。
共振整流器５ａは、各インバータセクションに１つずつ整流ダイオード２６、３３、共振コイル２２、２９、共振コンデンサ２３、３０、共振コイル２４、３１、共振コンデンサ２５、３２を備えている。共振コンデンサ２５、３２には、整流ダイオード２６、３３の接合容量を含むものとする。各インバータセクションは、出力端子３ａ、３ｂに結合される出力平滑コンデンサ２７を備える。共振整流器５ａは、共振インバータ４ａで生成された交流電圧を入力し出力電圧Ｖ２に変換して出力端子３に出力する。共振整流器５ａに備えられるトランスの２次側巻線は、第３巻線と第４巻線を有する。第３巻線の一端はコンデンサ２１の一端と接続され、第４巻線の一端はコンデンサ２８の一端と接続される。第３巻線と第４巻線間のセンタータップは、共振コンデンサ２３、３０の一端、共振コイル２４、３１の一端、整流ダイオード２６、３３のカソード、共振コンデンサ２５、３２の一端、出力平滑コンデンサ２７の一端、第２の出力端子３ｂと接続する。共振インバータ４ａに接続される整流器も共振型とすることで、共振型電源装置全体を小型化することができる。
第１の実施形態では、トランス１８の１次側巻線の第１巻線と第２巻線間（センタータップ）に第１の入力端子２ａが接続されている。これにより、トランス１８は、コンデンサ２１、２８より前段に配置することができる。トランス１８に印加される電圧は、入力電圧Ｖ１と絶縁トランス１８の自己インダクタンス、リーケージインダクタンス、コイル７、１３のインダクタンスの比で決まり、共振整流器５ａのインダクタンスや容量に依存しない。この為、トランスの飽和条件や巻数比を容易に決定することができる。また、駆動周波数Ｆｓの２倍の周波数でスイッチ１１、１５のドレイン−ソース間インピーダンスが低くなるように設定し、駆動周波数の１倍と３倍の周波数で前記ドレイン−ソース間インピーダンスが高くなるように設定したことと、スイッチ１１、１５の動作電圧が低減されることは必ずしも同じではない。共振インバータ４ａにおいて、スイッチ１１、１５の動作電圧を低減する為には、２つのインピーダンス最大点（第１の共振点である最も低い共振周波数Ｆ１、第３の共振点である最も高い共振周波数Ｆ３）の差分が駆動周波数Ｆｓの１倍以上２倍よりも小さく設定すると良い。２つのインピーダンス最大点は、第１の共振回路と、第２の共振回路により設けられる。また、第２共振周波数Ｆ２は、第１の実施形態では第３共振回路と第４共振回路により設けられる。後述の計算式で１Ｆｓ≦Ｆ３−Ｆ１＜２Ｆｓとなるように、各インバータ回路において、第１のコイル７、第１のコンデンサ８、第４のコンデンサ１０、第４のコイル９、第２のコイル１３、第２のコンデンサ１４、第５のコンデンサ１７、第５のコイル１６を設定する。つまり、第１の共振回路、第２の共振回路、第３の共振回路、第４の共振回路を構成する各コイルとコンデンサの設定を行う。これについては、図５、図６を参照して後述する。
動作点は次のように求められる。共振インバータ４ａは、プッシュプルインバータの場合であっても、シングルエンドインバータと基本構成は同じである。これは、スイッチ１１とスイッチ１５が相補的にオン、オフする為で、スイッチ１１がオフの時、スイッチ１５がオンになるために、第２の共振周波数を決定する第４のコイル９と第４のコンデンサ１０、第５のコイル１６と第５のコンデンサ１７の動作がシングルエンドの場合と同じように考えられるからである。第１の実施形態で一つのセクションに着目すると、第１のコイル７のインダクタンスをＬＦとし、第１のコンデンサ８の容量をＣＦとし、ＬＦ、ＣＦで構成される並列インピーダンスをＺＦとする。また、第４のコイル９のインダクタンスをＬＭＲとし、第４のコンデンサ１０の容量をＣＭＲとし、ＬＭＲ、ＣＭＲで構成される直列インピーダンスをＺＭＲと定義すると、入力インピーダンスＺｉｎは次の式で表される。
Figure 0006460403
この時、並列インピーダンスＺＦは、（２）式で表される。
Figure 0006460403
直列インピーダンスＺＭＲは、（３）式で表される。
Figure 0006460403
であるから、Ｚｉｎは（４）式のように変形できる。
Figure 0006460403
これを整理し、Ｚｉｎを角周波数ωで表すと（５）式で表される。
Figure 0006460403
この時、ＬＦとＣＦによる共振周波数を（６）式のように定義する。
Figure 0006460403
ＬＭＲとＣＭＲによる共振周波数を（７）式のように定義する。
Figure 0006460403
ＬＦとＣＭＲによる共振周波数を（８）式のように定義する。
Figure 0006460403
（５）式は、（９）式のように変形できる。
Figure 0006460403
入力インピーダンスＺｉｎが最小となる条件は、分母が０のときであるから、（１０）式のように表せる。
Figure 0006460403
入力インピーダンスが最小となる条件を駆動周波数の０倍と２倍に設定するには、
駆動周波数をＦｓとし、角周波数をωｓ＝２πＦｓとすると、（１１）式となる。
Figure 0006460403
一方で、入力インピーダンスが最大となる条件は、分母が０になる条件であるから、
（１２）式のように表せる。
Figure 0006460403
この４次方程式を簡素化する為、α、βを次のように定義すると、（１３）および（１４）式のようになる。
Figure 0006460403
Figure 0006460403
（１２）式は（１５）式のように変形できる。
Figure 0006460403
ただし（１３）、（１４）式より、（１６）式、（１７）式のようになる。
Figure 0006460403
Figure 0006460403
（１５）式の４次方程式の解は、（１８）式のようになる。
Figure 0006460403
しかし、ωは正の値をとるから、入力インピーダンスＺｉｎが最大となる第１共振周波数と第３共振周波数は（１９）式、（２０）式のように求められる。
Figure 0006460403
Figure 0006460403
ここで、第１共振周波数を１倍、第３共振周波数を３倍に持つように入力インピーダンスＺｉｎを構成するには、（２１）式のように定義する。
Figure 0006460403
Figure 0006460403
（２２）式の両辺を２乗すると、（２３）式になる。
Figure 0006460403
Figure 0006460403
左式の右辺と右式の右辺は等しいから、βを消去してαを求めると（２５）式になる。
Figure 0006460403
（２５）式を（２３）の左式に代入して、βを求めると（２６）式になる。
Figure 0006460403
（２６）式と（１１）式を（１４）式に代入すると、（２７）式になる。
Figure 0006460403
（２７）式をωＦＦ２について解くと（２８）式になる。
Figure 0006460403
（２５）式と（１１）式を（１３）式に代入すると、（２９）式になる。
Figure 0006460403
となり、（２９）式に（２８）式を代入すると、（３０）式となる。
Figure 0006460403
（３０）式をωＦＭについて解くと、共振周波数は正だから、（３１）式になる。
Figure 0006460403
（３１）式を（２８）式に代入してωＦＦを求めると 共振周波数は正だから、（３２）式になる。
Figure 0006460403
（６）式に（３２）式を代入してＬＦを求めると（３３）式になる。
Figure 0006460403
（８）式に（３１）式を代入すると、（３４）式になる。
Figure 0006460403
（３４）式に（３３）式を代入することでＣＭＲを求めると（３５）式になる。
Figure 0006460403
（１１）式より、ωｓは（３６）式と表すことができる。
Figure 0006460403
（３６）式に（３５）式を代入してＬＭＲを求めると（３７）式になる。
Figure 0006460403
以上の手順により、駆動周波数Ｆｓとスイッチ１１のドレイン−ソース（コレクターエミッタ）間容量を含んだ第１のコンデンサ８（ＣＦ）を定義することで、第４のコンデンサ１０（ＣＭＲ）、第１のコイル７（ＬＦ），第４のコイル９（ＬＭＲ）を求めることができる。
上記手法によって、スイッチ１１のドレイン−ソース間容量を含んだ第１のコンデンサ８（ＣＦ）を最初に決定し、ドレイン−ソース（コレクタ−エミッタ）間のインピーダンスを計算した結果を表１に、この時のドレイン−ソースインピーダンス特性を図５に示す。スイッチ１５についても、プッシュプルインバータの為、第２のコイル１３を（ＬＦ）、第２のコンデンサ１４を（ＣＦ）、第５のコイル１６を（ＬＭＲ）、第５のコンデンサ１７を（ＣＭＲ）にするだけで同じである。
ただし、共振条件は、入力インピーダンスＺｉｎが最小となる第２共振周波数をＦ２とし、この第２の共振周波数Ｆ２の共振点を固定する。また、入力インピーダンスＺｉｎが最大となる第１の共振周波数をＦ１、第３の共振周波数をＦ３とする。共振インバータのみを考えた場合、入力インピーダンスＺｉｎとスイッチ１１、１５のドレイン−ソース間インピーダンスは等しくなる。
以下の表１は、共振コイル、共振容量の計算値と入力インピーダンス最大点Ｆ１、Ｆ３、最小点Ｆ２（ＣＦを２２０ｐＦに設定した例）を示す。
Figure 0006460403
図６は、上述のスイッチ１１、１５のドレイン−ソース間電圧と共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１の関係を示す。共振周波数幅は、スイッチ１１、１５のドレイン−ソース間インピーダンスが最大となる第３共振周波数Ｆ３と第１共振周波数Ｆ１の差分のことである。横軸は、駆動周波数Ｆｓを１とした場合の共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１であり、縦軸はスイッチ１１、１５のドレイン−ソース間電圧である。
図６より、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１を駆動周波数Ｆｓの２倍よりも小さい値（横軸が２未満）にした場合、スイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧が、必ず小さくなる方向に動いて、最小点を形成する。また、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１を駆動周波数Ｆｓの２倍よりも小さな値（横軸が２より小さい）にした場合で、かつ、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１を駆動周波数Ｆｓの１倍以上（横軸が１以上）にすると、スイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧が、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１を駆動周波数Ｆｓの２倍に設定した場合に比べて低くなる。具体的には、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１が２倍のときのスイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧は２．３４Ｖである。これに対し、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１が１．８倍のときのスイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧は２．０８Ｖ、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１が１．６倍のときのスイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧は２．１３Ｖ、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１が１．４倍のときのスイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧は２．２２Ｖ、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１が１．２倍のときのスイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧は２．２６Ｖ、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１が１倍のときのスイッチ１１、１５のドレイン−ソース電圧は２．３３Ｖである。したがって、スイッチのドレインーソース間の電圧を低減させるには、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１を駆動周波数Ｆｓの１倍以上にし、２倍よりも小さな値にすると共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１を駆動周波数Ｆｓの２倍に設定した場合に比べて低くできるので、スイッチの動作電圧を低減できる。式で表すと、１Ｆｓ≦Ｆ３−Ｆ１＜２Ｆｓとなる。調整を簡略化する為に、例えばスイッチのドレイン−ソース間電圧を入力電圧の２．３倍以下に抑えるには、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１が１．１Ｆｓから１．９Ｆｓのほぼ中間である１．５Ｆｓに設定すると、共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１がばらついても対応可能である。
このように、従来の共振インバータと比較して、トランスに印加される電圧が共振整流器の影響を受けずにトランスの飽和条件や巻数比を決定することができるため、容易に共振周波数の調整が可能な共振インバータを提供することができる。また、スイッチ１１、１５のドレイン−ソース間容量を含んだ第１及び第２の共振容量ＣＦを決めて、開示した方法で計算することによって、容易にスイッチ１１、１５のドレイン−ソース間インピーダンスを計算できるので、前記インピーダンスが最大となる第１の共振周波数Ｆ１と第３の共振周波数Ｆ３から共振周波数幅Ｆ３−Ｆ１を許容されるバラツキの範囲内に入るように選定することによって、Ｆ３−Ｆ１＝２Ｆｓに設定したときよりも低いスイッチのドレイン−ソース電圧となり、結果的にスイッチの寿命にできるだけ悪影響を及ぼさない信頼性のある共振インバータを実現できる。
（実施形態２）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る共振コンバータである。第１の実施形態と第２の実施形態との相違点は、共振インバータ４ａにおいて、第１の実施形態で示した第２共振周波数Ｆ２を決定する第３または第４の共振回路を、第５の共振回路によって構成した点である。具体的には、第１の実施形態では第４のコイル９と第４のコンデンサ１０による第３の共振回路と、第５のコイル１６と第５のコンデンサ１７による第４の共振回路で第２共振周波数Ｆ２を決定する共振回路を構成していたが、第２の実施形態では、これに変えて第３のコイル３９、第３のコンデンサ４０（第３の容量素子）で第５の共振回路を構成している。第３のコンデンサ４０の一端は、第１のコイル７の他端、トランス１８の第１巻線の一端と接続されている。第３のコンデンサ４０の他端は、第３のコイル３９の一端と接続される。第３のコイル３９の他端は、第２のコイル１３の他端、トランス１８の第２巻線の一端と接続されている。他の構成は、第１の実施形態と共通である。これにより、第２共振周波数Ｆ２を決定する共振回路を構成するコイル、コンデンサを減らすことができるので、回路や装置の小型化及びコストダウンができるとともに、第５の共振回路を構成している第３のコイル３９と第３のコンデンサ４０が第１のインバータ回路と第２のインバータ回路間で共有されている為、第２共振周波数Ｆ２を決定する共振周波数の調整は１ヶ所で良い。従って、共振周波数の調整の簡易化を図ることができる。
（実施形態３）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る共振コンバータ回路である。第２の実施形態と第３の実施形態との相違点は、第１のコイル７と第２のコイル１３をトランス１８のリーケージインダクタンスで置き換えたものである。他の構成は、第２の実施形態と共通である。第１のコンデンサ８の一端は、第１のスイッチ１１のドレイン、第３のコンデンサ４０の一端、トランス１８の第１巻線の一端と接続する。第１のコンデンサ８の他端は、第１のスイッチ１１のソース、入力端子２ｂ等に接続されている。また、第２のコンデンサ１４の一端は、第２のスイッチ１５のドレイン、第３のコイル３９の一端、トランス１８の第２巻線の一端と接続する。第２のコンデンサ１４の他端は、第２のスイッチ１５のソース、入力端子２ｂ等に接続されている。第２の実施形態に対して、さらに２個のコイルを削減することで実装面積を低減できるので、コスト削減可能な小型の共振インバータおよび絶縁型共振電源装置を実現できる。なお、第１のコイル７と第２のコイル１３をトランス１８のリーケージインダクタンスで置き換えた場合においても、第２共振周波数Ｆ２を決定する共振回路は、第３のコイル３９、第３のコンデンサ４０（第３の容量素子）による第５の共振回路に変えて、第４のコイル９と第４のコンデンサ１０による第３の共振回路、または第５のコイル１６と第５のコンデンサ１７による第４の共振回路で構成していても良い。
（実施形態４）
図４は、本発明の第４の実施形態に係る共振コンバータである。第３の実施形態と第４の実施形態との相違点は、共振整流器５ａを昇圧型に変形したものである。共振整流器５ａは、降圧型、昇圧型等の各種整流器に適応可能である。
以上、本発明の一実施形態の共振インバータおよび共振型電源装置について説明したが、上記実施の形態の説明に限定されず種々の変形実施が可能である。
例えば、第１のスイッチ１１と第２のスイッチ１５は、ＦＥＴ（Ｆｉｅｌｄ Ｅｆｆｅｃｔ Ｔｒａｎｓｉｓｔｏｒ）について説明したが、これに限らずバイポーラトランジスタ等の他のスイッチにも適用できる。
また例えば、共振インバータ４ａは降圧型のものについて説明したが、これに限らず昇圧型の共振インバータにも適用することができる。
１ａ 共振コンバータ
２ａ 入力端子（正極）
２ｂ 入力端子（負極）
３ａ 出力端子（正極）
３ｂ 出力端子（負極）
４ａ 共振インバータ
５ａ 共振整流器
６、１２ 入力コンデンサ
７ 第１のコイルＬＦ
８ 第１のコンデンサＣＦ（スイッチ１１のドレイン−ソース間容量を含む）
９ 第４のコイルＬＭＲ
１０ 第４のコンデンサＣＭＲ
１１ 第１のスイッチ
１３ 第２のコイルＬＦ
１４ 第２のコンデンサＣＦ（スイッチ１５のドレイン−ソース間容量を含む）
１５ 第２のスイッチ
１６ 第５のコイルＬＭＲ
１７ 第５のコンデンサＣＭＲ
１８ トランス
２１、２８ 共振コンデンサ
２２、２９ 共振コイル
２３、３０ 共振コンデンサ
２４、３１ 共振コイル
２５、３２ 共振コンデンサ（整流ダイオードのアノード−カソード間接合容量を含む）
２６、３３ 整流ダイオード
２７ 出力容量
３９ 第３のコイル
４０ 第３のコンデンサ

Claims (8)

  1. 入力電圧が印加される入力端子と、交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、１次側の第１巻線と第２巻線を有するトランスと、を備え、
    前記第１のスイッチと前記第１巻線を含むと共に、第１の容量素子及び第１のコイルを有する第１の共振回路を備える第１のインバータ回路と、
    前記第２のスイッチと前記第２巻線を含むと共に、第２の容量素子及び第２のコイルを有する第２の共振回路を備える第２のインバータ回路と、
    前記入力端子は、前記トランスの前記第１巻線と前記第２巻線との間に接続され、
    前記第１のスイッチと並列に設けられた第４のコイル及び第４の容量素子の直列接続を備える第３の共振回路と、前記第２のスイッチと並列に設けられた第５のコイル及び第５の容量素子の直列接続を備える第４の共振回路を有することを特徴とする共振コンバータ。
  2. 前記第１の容量素子は、前記第１のスイッチと並列に接続され、
    前記第２の容量素子は、前記第２のスイッチと並列に接続され、
    前記第１のコイルは、前記第１のスイッチと前記第１巻線との間に備えられ、
    前記第２のコイルは、前記第２のスイッチと前記第２巻線との間に備えられることを特徴とする請求項１記載の共振インバータ。
  3. 入力電圧が印加される入力端子と、交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、１次側の第１巻線と第２巻線を有するトランスと、を備え、
    前記第１のスイッチと前記第１巻線を含むと共に、第１の容量素子及び第１のコイルを有する第１の共振回路を備える第１のインバータ回路と、
    前記第２のスイッチと前記第２巻線を含むと共に、第２の容量素子及び第２のコイルを有する第２の共振回路を備える第２のインバータ回路と、
    前記入力端子は、前記トランスの前記第１巻線と前記第２巻線との間に接続され、
    前記第１の容量素子は、前記第１のスイッチと並列に接続され、
    前記第２の容量素子は、前記第２のスイッチと並列に接続され、
    前記第１のコイルは、前記第１のスイッチと前記第１巻線との間に備えられ、
    前記第２のコイルは、前記第２のスイッチと前記第２巻線との間に備えられ、
    前記第１のスイッチ及び前記第１のコイルの接続点と前記第２のスイッチ及び前記第２のコイルの接続点との間に直列に備えられ、第５の共振回路を形成する第３の容量素子及び第３のコイルを有し、
    前記第１の共振回路と、前記第２の共振回路と、前記第５の共振回路により共振する少なくとも３つの共振点を備え、
    前記３つの共振点のうち、第１の共振点である最も低い共振周波数をＦ１、第３の共振点である最も高い共振周波数をＦ３とし、前記Ｆ１と前記Ｆ３の間の共振周波数である第２の共振点を固定したときに、
    前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチを駆動する駆動周波数をＦｓとすると、
    １Ｆｓ≦Ｆ３−Ｆ１＜２Ｆｓを満たすことを特徴とする共振コンバータ。
  4. 入力電圧が印加される入力端子と、交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、１次側の第１巻線と第２巻線を有するトランスと、を備え、
    前記第１のスイッチと前記第１巻線を含むと共に、第１の容量素子及び前記トランスのリーケージインダクタンスにより構成される第１の共振回路を備える第１のインバータ回路と、
    前記第２のスイッチと前記第２巻線を含むと共に、第２の容量素子及び前記トランスのリーケージインダクタンスにより構成される第２の共振回路を備える第２のインバータ回路と、
    前記入力端子は、前記トランスの前記第１巻線と前記第２巻線との間に接続され、
    前記第１のスイッチと並列に設けられた第４のコイル及び第４の容量素子の直列接続を備える第３の共振回路と、前記第２のスイッチと並列に設けられた第５のコイル及び第５の容量素子の直列接続を備える第４の共振回路を有することを特徴とする共振インバータ。
  5. 前記第１の容量素子は、前記第１のスイッチと並列に接続されると共に、一端が前記第１巻線の一端と接続され、
    前記第２の容量素子は、前記第２のスイッチと並列に接続されると共に、一端が前記第２巻線の一端と接続されることを特徴とする請求項４に記載の共振インバータ。
  6. 入力電圧が印加される入力端子と、交互にオンオフする第１のスイッチ及び第２のスイッチと、１次側の第１巻線と第２巻線を有するトランスと、を備え、
    前記第１のスイッチと前記第１巻線を含むと共に、第１の容量素子及び前記トランスのリーケージインダクタンスにより構成される第１の共振回路を備える第１のインバータ回路と、
    前記第２のスイッチと前記第２巻線を含むと共に、第２の容量素子及び前記トランスのリーケージインダクタンスにより構成される第２の共振回路を備える第２のインバータ回路と、
    前記入力端子は、前記トランスの前記第１巻線と前記第２巻線との間に接続され、
    前記第１の容量素子は、前記第１のスイッチと並列に接続されると共に、一端が前記第１巻線の一端と接続され、
    前記第２の容量素子は、前記第２のスイッチと並列に接続されると共に、一端が前記第２巻線の一端と接続され、
    前記第１のスイッチ及び前記第１巻線との接続点と前記第２のスイッチ及び前記第２巻線との接続点との間に直列に備えられ、第５の共振回路を形成する第３の容量素子及び第３のコイルを有し、
    前記第１の共振回路と、前記第２の共振回路と、前記第５の共振回路により共振する少なくとも３つの共振点を備え、
    前記３つの共振点のうち、第１の共振点である最も低い共振周波数をＦ１、第３の共振点である最も高い共振周波数をＦ３とし、前記Ｆ１と前記Ｆ３の間の共振周波数である第２の共振点を固定したときに、
    前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチを駆動する駆動周波数をＦｓとすると、
    １Ｆｓ≦Ｆ３−Ｆ１＜２Ｆｓを満たすことを特徴とする共振コンバータ。
  7. 前記第１の共振回路と、前記第２の共振回路と、前記第３または第４の共振回路により共振する少なくとも３つの共振点を備え、
    前記３つの共振点のうち、第１の共振点である最も低い共振周波数をＦ１、第３の共振点である最も高い共振周波数をＦ３とし、前記Ｆ１と前記Ｆ３の間の共振周波数である第２の共振点を固定したときに、
    前記第１のスイッチまたは前記第２のスイッチを駆動する駆動周波数をＦｓとすると、
    １Ｆｓ≦Ｆ３−Ｆ１＜２Ｆｓを満たす
    ことを特徴とする請求項１〜２及び４〜５のいずれか一項に記載の共振インバータ。
  8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の共振インバータと、前記トランスの２次側に備えられた整流回路を含むことを特徴とする絶縁型共振電源装置。
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