JP6794038B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源装置に関する。

フライバック方式のスイッチング電源装置は、通常、必要な負荷容量に応じて、絶縁トランス（たとえばパルストランス）のギャップ長を調整することにより、励磁インダクタンス（励磁Ｌ）を設定する。

また、直流電源から複数台の負荷に電源供給し、かつ、各負荷間を絶縁する必要がある場合におけるスイッチング電源装置の一構成例として、負荷毎に絶縁トランスを設けて絶縁する構成が考えられている。

特開２０１５―１９５３７号公報

負荷毎に絶縁トランスを設ける構成とした場合、スイッチング素子（たとえばＭＯＳＦＥＴ）がオンの期間、直流電源に接続された絶縁トランス（以下、直流電源側絶縁トランスという）に励磁電流が流れるとともに、各負荷に接続された絶縁トランス（以下、負荷側絶縁トランスという）にも励磁電流が流れて、励磁エネルギーとして蓄えられる。そして、スイッチング素子がオフの期間、これらの蓄えられた励磁エネルギーが、それぞれ負荷側に放出される。

このように、負荷毎に絶縁トランスが設けられるスイッチング電源装置においては、スイッチング素子がオンの期間、負荷側絶縁トランスに励磁電流が流れるので、絶縁トランス（負荷毎に設けられる負荷側絶縁トランス）の銅損や、配線（蓄積する励磁エネルギーの量が異なる負荷側絶縁トランス間［蓄積励磁エネルギー小→蓄積励磁エネルギー大：前者の蓄積完了後］）の導通損が発生し、損失が大きいという問題があった。

本発明が解決しようとする課題は、絶縁トランスの銅損や配線の導通損を低減することができるスイッチング電源装置を提供することである。

本発明の観点に従ったフライバック方式のスイッチング電源装置は、１次巻線が直流電源と接続される第１絶縁トランスと、各々の１次巻線が前記第１絶縁トランスの２次巻線と並列に接続される複数の第２絶縁トランスと、前記直流電源と前記第１絶縁トランスの１次巻線との間に介在させて設けられるスイッチング素子とを具備する。前記複数の第２絶縁トランスは、前記スイッチング素子のオン期間中における励磁電流の流入が抑止されるように励磁インダクタンスが設定される。

本発明によれば、スイッチング素子がオンの期間、負荷側絶縁トランス（第２絶縁トランス）には殆ど励磁電流が流れなくなるため、絶縁トランスの銅損や配線の導通損を低減することができる。

本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置の一構成例を示す図。 同実施形態のスイッチング電源装置における信号の定義を示す図。 負荷毎に絶縁トランスを設ける場合における一般的なスイッチング電源装置の一構成例を示す図。 図３のスイッチング電源装置の動作波形を示す図。 同実施形態のスイッチング電源装置の動作波形を示す図。 同実施形態のスイッチング電源装置での励磁エネルギーを蓄積する様態を図３のスイッチング電源装置での励磁エネルギーを蓄積する様態と比較して示す図。 同実施形態のスイッチング電源装置の構成の一変形例を示す図。

以下、実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係るスイッチング電源装置１の一構成例を示す図である。ここでは、直流電源２から３台の負荷３Ａ，３Ｂ，３Ｃに電源供給し、かつ、各負荷（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）間を絶縁する必要がある場合を想定する。各負荷（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）が必要とする電圧は、負荷間で異なっていてもよい。

図１に示されるように、スイッチング電源装置１は、１次側（１次巻線）が直流電源２に接続される直流電源側絶縁トランス１１と、負荷３Ａ，３Ｂ，３Ｃ毎に設けられ、各々の１次側が直流電源側絶縁トランス１１の２次側（２次巻線）と並列に接続される負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃとを有している。なお、ここでは、直流電源側絶縁トランス１１において１次側と２次側との間で極性を反転させる例（黒点が上下反転）を示すが、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃにおいて１次側と２次側との間で極性を反転させるようにしてもよい。

また、スイッチング電源装置１は、直流電源２と直流電源側絶縁トランス１１の１次側との間に設けられるスイッチング素子１３を有している。さらに、スイッチング電源装置１は、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの２次側と負荷３Ａ，３Ｂ，３Ｃとの間にそれぞれ設けられる整流ダイオード１４および平滑コンデンサ１５を有している。

本実施形態のスイッチング電源装置１は、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのギャップを無くす、あるいは、極めて小さく設定することで、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの励磁Ｌを直流電源側絶縁トランス１１の励磁Ｌよりも十分高くすることにより、絶縁トランスの銅損や配線の導通損を低減するものであり、以下、この点について詳述する。なお、図１に示される直流電源側絶縁トランス１１上の１次側と２次側との中間部の上下２つの黒い四角は、ギャップを表している。つまり、図１には、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃのギャップ長が略０であることが表されている（負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ上の１次側と２次側との中間部の上下に黒い四角が存在しない）。ギャップ長が略０とは、励磁Ｌが最も高く設定されていることを意味する。ここでは、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの励磁Ｌを最も高く設定する例を示すが、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの励磁Ｌは、少なくとも、直流電源側絶縁トランス１１の励磁Ｌよりも高く設定される。

図２に、本実施形態のスイッチング電源装置１における信号の定義を示す。図２に示されるように、ここでは、直流電源側絶縁トランス１１の１次側の電圧をＶＰ１とし、同１次側の電流をＩＰ１とする。また、同２次側の電圧をＶＰ２とし、同２次側の電流をＩＰ２とする。

また、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの１次側の電圧を、それぞれＶＬ１１，ＶＬ２１，ＶＬ３１とし、同１次側の電流を、それぞれＩＬ１１，ＩＬ２１，ＩＬ３１とする。また、同２次側の電圧を、それぞれＶＬ１２，ＶＬ２２，ＶＬ３２とし、同２次側の電流を、それぞれＩＬ１２，ＩＬ２２，ＩＬ３２とする。

ここで、本実施形態のスイッチング電源装置１についての理解を助けるために、図３および図４を参照して、まず、負荷毎に絶縁トランスを設ける場合における一般的なスイッチング電源装置（スイッチング電源装置９）の構成および動作について説明する。

図３は、本実施形態のスイッチング電源装置１と同様に、直流電源２から３台の負荷３Ａ，３Ｂ，３Ｃに電源供給し、かつ、各負荷（３Ａ，３Ｂ，３Ｃ）間を絶縁する必要がある場合における一般的なスイッチング電源装置９の一構成例を示す図である。なお、図３において、図１に示される構成要素と同一の構成要素には、同一の符号を付している。スイッチング電源装置１とスイッチング電源装置９とでは、厳密に言えば、直流電源側絶縁トランス１１のギャップ長が異なるが、直流電源側絶縁トランス１１については、同一の符号を便宜的に付している。また、スイッチング電源装置９の説明において、前述したスイッチング電源装置１における信号の定義を援用する。

図３に示されるように、一般的なスイッチング電源装置９では、負荷３Ａ，３Ｂ，３Ｃ毎に設けられる負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃにおいて、必要な負荷容量に応じて、ギャップ長が調整され、励磁Ｌ１，励磁Ｌ２，励磁Ｌ３が設定される。

図４は、図３に示されるような構成を持つ一般的なスイッチング電源装置９の動作波形を示す図である。図３を併せて参照して、スイッチング電源装置９の動作を説明する。

スイッチング素子１３がオンすると、直流電源側絶縁トランス１１の１次側に励起電流である１次電流ＩＰ１が流れる。この時、負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの１次側にも励起電流である１次電流ＩＬ１１，ＩＬ２１，ＩＬ３１が流れる。即ち、直流電源側絶縁トランス１１の２次側に２次電流ＩＰ２が流れる。また、スイッチング素子１３のオン期間における、図４に示される１次電流ＩＬ１１，ＩＬ２１，ＩＬ３１の動作波形の傾きは、１次電圧ＶＬ１１／励磁Ｌ１，１次電圧ＶＬ２１／励磁Ｌ２，１次電圧ＶＬ３１／励磁Ｌ３となる。

このスイッチング素子１３のオン期間における励起電流の流入により、直流電源側絶縁トランス１１と負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃとの双方に励磁エネルギーが蓄えられる。整流ダイオード１４により、スイッチング素子１３がオンの期間、負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの２次側には２次電流ＩＬ１２，ＩＬ２２，ＩＬ３２は流れない。ここで、一般的なスイッチング電源装置９においては、スイッチング素子１３がオンの期間、直流電源側絶縁トランス１１の２次電流ＩＰ２（ａ１）、即ち、負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの１次電流ＩＬ１１，ＩＬ２１，ＩＬ３１（ａ２）が流れる点に留意する。

続いて、スイッチング素子１３がオフすると、直流電源側絶縁トランス１１と負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃとの双方に蓄えられていた励磁エネルギーが、（逆起電力により）負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃの２次側に２次電流ＩＬ１２，ＩＬ２２，ＩＬ３２が流れることで放出される。

このスイッチング素子１３のオン（励磁エネルギーの蓄積）／オフ（励磁エネルギーの放出）が高速に繰り返され、平滑コンデンサ１５により、負荷３Ａ，３Ｂ，３Ｃには、略一定の電圧が供給される。

このように、一般的なスイッチング電源装置９においては、スイッチング素子１３がオンの期間、負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃに励磁電流が流入する（ａ１，ａ２）。そのために、絶縁トランス（負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ）の銅損や、配線（負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃ間［蓄積励磁エネルギー小→蓄積励磁エネルギー大：前者の蓄積完了後］）の導通損が発生する。

この点を踏まえた上で、次に、本実施形態のスイッチング電源装置１の動作について説明する。

図５は、本実施形態のスイッチング電源装置１の動作波形を示す図である。図１を併せて参照して、本実施形態のスイッチング電源装置１の動作を説明する。

スイッチング素子１３がオンすると、直流電源側絶縁トランス１１の１次側に励起電流である１次電流ＩＰ１が流れる。これにより、直流電源側絶縁トランス１１に励磁エネルギーが蓄えられる。一方、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃに着目すると、前述したように、励磁Ｌが最も高く設定されているため、その１次側には励起電流である１次電流ＩＬ１１，ＩＬ２１，ＩＬ３１は殆ど流れず、従って、直流電源側絶縁トランス１１の２次側には２次電流ＩＰ２が殆ど流れない（ｂ１，ｂ２）。換言すれば、１次電圧ＶＬ１１／励磁Ｌ，１次電圧ＶＬ２１／励磁Ｌ，１次電圧ＶＬ３１／励磁Ｌの分母である励磁Ｌを十分大きくすることで、図５に示されるように、１次電流ＩＬ１１，ＩＬ２１，ＩＬ３１の動作波形の傾きが無くなるようにしている。

つまり、本実施形態のスイッチング電源装置１では、図６（Ａ）に示されるように、スイッチング素子１３のオン期間における励磁エネルギーの蓄積は、直流電源側絶縁トランス１１のみで行われる（ｃ１）。一般的なスイッチング電源装置９では、図６（Ｂ）に示されるように、スイッチング素子１３のオン期間における励磁エネルギーの蓄積は、直流電源側絶縁トランス１１と負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃとの双方で行われている（ｃ２）。

続いて、スイッチング素子１３がオフすると、直流電源側絶縁トランス１１に蓄えられていた励磁エネルギーが、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの２次側に２次電流ＩＬ１２，ＩＬ２２，ＩＬ３２が流れることで放出される。なお、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃでの励磁エネルギーの蓄積が行われないことから、直流電源側絶縁トランス１１の２次電流ＩＰ２は増加する（図５：ｂ３）。

一般的なスイッチング電源装置９と同様に、このスイッチング素子１３のオン（励磁エネルギーの蓄積）／オフ（励磁エネルギーの放出）が高速に繰り返され、平滑コンデンサ１５により、負荷３Ａ，３Ｂ，３Ｃには、略一定の電圧が供給される。

このように、本実施形態のスイッチング電源装置１は、スイッチング素子１３のオン期間における負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃへの励起電流の流入を、負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃの励磁Ｌの設定、より詳細には、ギャップ長を略０にすることにより抑止し、絶縁トランス（負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ）の銅損や、配線（負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ間［蓄積励磁エネルギー小→蓄積励磁エネルギー大：前者の蓄積完了後］）の導通損を低減する。

なお、直流電源側絶縁トランス１１の励磁Ｌは、たとえば、一般的なスイッチング電源装置９の負荷側絶縁トランス９１Ａ，９１Ｂ，９１Ｃにおいて設定される、図３に示される励磁Ｌ１，励磁Ｌ２，励磁Ｌ３を合成した値とすればよい。

ところで、以上の説明では、直流電源側絶縁トランス１１が１つの例を示した。たとえばスイッチング素子１３の耐圧性能を考慮して、複数の直流電源側絶縁トランス１１を設けて、その１次側を直列に接続し、２次側を並列に接続するといった構成を取ることも考えられ得る。この場合も、図７に示されるように、前述した、スイッチング素子１３のオン期間における負荷側絶縁トランス１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃへの励起電流の流入を抑止するための手法は当然に適用可能である（スイッチング電源装置１Ａ）。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

１…スイッチング電源装置、２…直流電源、３Ａ，３Ｂ，３Ｃ…負荷、１１…直流電源側絶縁トランス、１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ…負荷側絶縁トランス、１３…スイッチング素子、１４…整流ダイオード、１５…平滑コンデンサ。

Claims (6)

1. フライバック方式のスイッチング電源装置であって、
   １次巻線が直流電源と接続される第１絶縁トランスと、
   各々の１次巻線が前記第１絶縁トランスの２次巻線と並列に接続される複数の第２絶縁トランスと、
   前記直流電源と前記第１絶縁トランスの１次巻線との間に介在させて設けられるスイッチング素子と、
   を具備し、
   前記複数の第２絶縁トランスは、前記スイッチング素子のオン期間中における励磁電流の流入が抑止されるように励磁インダクタンスが設定される、
   スイッチング電源装置。
2. 前記複数の第２絶縁トランスは、励磁インダクタンスが前記第１絶縁トランスの励磁インダクタンスよりも十分高く設定されるようにギャップ長が調整される請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記複数の第２絶縁トランスのギャップ長が略０である請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記第１絶縁トランスまたは前記複数の第２絶縁トランスの一方において、１次巻線側と２次巻線側との間で極性を反転させる請求項１乃至３のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
5. 前記複数の第２絶縁トランスと一対に接続される複数の負荷は、必要とする電圧が互いに異なる請求項１乃至４のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
6. １次巻線および２次巻線を含む第１絶縁トランスと、
   前記１次巻線を駆動するように設けられたスイッチング素子と、
   をそれぞれ含む複数の回路を、前記１次巻線側で前記１次巻線と前記スイッチング素子との直列回路を直列接続し、前記２次巻線側で並列接続したスイッチング回路と、
   各々の１次巻線が前記２次巻線に並列に接続された複数の第２絶縁トランスと、
   を備え、
   前記スイッチング回路の前記直列回路を直列接続した回路に直流電源が入力可能とされ、
   前記複数の第２絶縁トランスは、前記スイッチング素子のオン期間中における励磁電流の流入が抑止されるように励磁インダクタンスが設定される、
   スイッチング電源装置。

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