JP6828839B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、複数の二次巻線を備えた絶縁トランスを介して複数の電源系統にそれぞれ電力を供給するスイッチング電源装置に係り、特にサージ対策を効果的に施した簡易な構成のスイッチング電源装置に関する。

各種の電子機器においては、雷サージやインパルスが加わった場合でも十分に信頼性良く安定に動作することが要求される。しかし一般的には、必ずしも各種の電子機器毎に十分なサージ対策が施されているとは言い難い。また各種の電子機器に電源を供給するスイッチング電源装置においても、例えばＭＯＳ-ＦＥＴ等の半導体スイッチング素子のオン・オフ動作に伴う高周波のスイッチングノイズの発生を抑えたり、更には絶縁トランスを介して入力電源側から負荷（負荷機器）側に流れ込むコモンモード電流を防ぐ為の工夫を施すことが行われている。

図８は従来一般的なスイッチング電源装置１の一例を示す概略構成図である。このスイッチング電源装置１は、概略的には入力コンデンサＣinを介して絶縁トランス２の一次巻線Ｐに加えられる入力直流電圧をスイッチングするスイッチング電源本体３と、絶縁トランス２の二次巻線Ｓに生起された二次電圧を整流して直流出力電圧を得る電源出力回路４とを備える。ちなみにスイッチング電源本体３は、絶縁トランス２の一次巻線Ｐに直列に接続されたＭＯＳ-ＦＥＴからなる半導体スイッチング素子Ｑと、この半導体スイッチング素子Ｑをオン・オフ駆動する制御ＩＣとからなる。また電源出力回路４は、絶縁トランス２の二次巻線Ｓに接続された整流ダイオードＤと、この整流ダイオードＤの出力電圧を平滑化する出力コンデンサＣoutとにより構成された直流変換回路からなる。このような構成のスイッチング電源装置１は、フライバックコンバータと称される。

尚、図８に示すスイッチング電源装置１においては、絶縁トランス２は並列に設けられた複数の二次巻線Ｓａ〜Ｓｎと、これらの二次巻線Ｓａ〜Ｓｎにそれぞれ接続された複数の電源出力回路４ａ〜４ｎとを備える。これらの電源出力回路４ａ〜４ｎは、複数の電源系統Ａ〜Ｎにそれぞれ所定電圧の電力を供給する役割を担う。

このような構成のスイッチング電源装置１に対して、例えば特許文献１には絶縁トランス２の筐体構造を工夫することで外部に対する電磁的・静電的なシールド対策を施すことが開示される。また同時に特許文献１には一次巻線Ｐと二次巻線Ｓ（Ｓａ〜Ｓｎ）の巻構造を工夫することで一次巻線Ｐと二次巻線Ｓ（Ｓａ〜Ｓｎ）との間に流れるコモンモード電流（スイッチングノイズ電流）を抑制することが開示される。

ちなみに特許文献１に開示される技術においては、半導体スイッチング素子Ｑのスイッチング動作に伴うサージから電源系統Ａ〜Ｎを保護する等については配慮されている。しかし雷サージ等からスイッチング電源本体３や複数の電源系統Ａ〜Ｎにそれぞれ接続された電子機器等を保護することについては何等配慮されていない。この点、例えば特許文献２,３には、スイッチング電源装置１の前段、即ち、絶縁トランス２の一次側（入力電源側）にサージアブソーバ回路を設け、電力供給源側から侵入する雷サージを阻止することが開示されている。

特開２００１−６８３５９号公報 特開２００２−３７４６２０号公報 特開平５−１６１２５８号公報

しかしながら特許文献１,２,３にそれぞれ開示されるようなサージ対策を施したとしても、電力供給源側以外の部位、例えば絶縁トランス２における一次側と二次側とのシールド部分から侵入する雷サージからスイッチング電源本体３や複数の電源系統Ａ〜Ｎにそれぞれ接続された電子機器等を保護することは困難である。しかも複数の電源系統Ａ〜Ｎにそれぞれ接続された電子機器の中には、比較的サージに対して強いものもあるが、サージに弱いものも多々ある。従ってスイッチング電源装置１においては、例えば複数の電源系統Ａ〜Ｎにそれぞれ接続される電子機器の特性等を配慮して各電源系統Ａ〜Ｎをサージから保護することが必要である。

本発明はこのような事情を考慮してなされたもので、その目的は、複数の電源系統にそれぞれ電力を供給する複数の二次巻線を備えた絶縁トランスを介して入力電源側から加わるサージだけでなく、前記絶縁トランスに直接的に加わるサージに対しても効果的に対処することのできる簡易な構成のスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明に係るスイッチング電源装置は、基本的には絶縁トランスの一次巻線に交番電流を供給するスイッチング電源本体と、前記絶縁トランスにおける複数の二次巻線にそれぞれ生起される二次電圧を整流して複数の電源系統にそれぞれ出力する複数の電源出力回路とを具備して構成される。

特に本発明に係るスイッチング電源装置は、上述した目的を達成するべく前記絶縁トランスにおける一次巻線と複数の二次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統における前記二次巻線と前記電源出力回路との間にのみサージアブソーバ回路を介装したことを特徴としている。

好ましくは前記絶縁トランスにおける一次巻線と複数の二次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統、即ち、前記サージアブソーバ回路が介装される電源系統は、前記絶縁トランスの一次巻線と複数の二次巻線との間の結合容量が最も大きい電源系統である。または前記サージアブソーバ回路が介装される電源系統は、前記絶縁トランスにおける複数の二次巻線の中で最も巻数が大きい二次巻線に前記電源出力回路を介して接続された電源系統である。

或いは前記サージアブソーバ回路が介装される電源系統は、前記複数の電源系統の中で最も電源出力容量が大きい電源系統、または前記絶縁トランスにおいて前記複数の二次巻線の中で前記一次巻線に最も近接して設けられた二次巻線に前記電源出力回路を介して接続された電源系統である。

好ましくは前記絶縁トランスにおける一次巻線と複数の二次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統は、前記複数の電源系統の中で電源出力端がオープンにされた電源系統として設けられる。ちなみに前記電源出力端がオープンにされた電源系統は、前記絶縁トランスに追加された二次巻線と、この追加された二次巻線に接続されたダミーの電源出力回路とからなる。

更に前記サージアブソーバ回路が介装された電源系統における前記電源出力回路の出力端子と当該電源系統に接続される負荷との間にコモンモードノイズフィルタを介装することも好ましい。なお、前記サージアブソーバ回路が介装された電源系統以外の他の電源系統における前記電源出力回路の出力端子と当該他の電源系統に接続される負荷との間にコモンモードノイズフィルタを介装するようにしてもよい。

本発明に係るスイッチング電源装置においては、絶縁トランスにおける一次巻線と複数の二次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統における二次巻線と電源出力回路との間にサージアブソーバ回路が介装される。従って入力電源側から絶縁トランスの一次側に加わるサージだけでなく、絶縁トランスに直接的に加わるサージは複数の電源系統の中で一次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統に向けて流れる。

すると絶縁トランスに加わるサージは、一次巻線との結合インピーダンスが最も小さい電源系統の二次巻線と、その二次巻線に接続される電源出力回路との間に介装されサージアブソーバ回路に流れ込み、該サージアブソーバ回路にて吸収される。この結果、絶縁トランスにおける他の電源系統へのサージの流出を抑えることが可能となり、複数の電源系統にそれぞれ接続された負荷をサージから効果的に保護することが可能となる。特に一次巻線との結合インピーダンスが最も小さい電源系統の二次巻線側にサージアブソーバ回路を設けると言う簡易な構成で、スイッチング電源装置に設けられた複数の電源系統の全てをサージから効果的に保護することができる等の実用上多大なる効果が奏せられる。

本発明の第１の実施形態に係るスイッチング電源装置の要部概略構成図。 本発明の第２の実施形態に係るスイッチング電源装置の要部概略構成図。 本発明の第３の実施形態に係るスイッチング電源装置の要部概略構成図。 本発明の第４の実施形態に係るスイッチング電源装置を説明する為の絶縁トランスの構造を模式的に示す図。 本発明の第５の実施形態に係るスイッチング電源装置の要部概略構成図。 本発明の第６の実施形態に係るスイッチング電源装置の要部概略構成図。 本発明の第７の実施形態に係るスイッチング電源装置の要部概略構成図。 絶縁トランスを介する複数の電源系統を備えたスイッチング電源装置の概略構成図。

以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。尚、以下に示す実施形態においては図８に示した従来装置と同一部分には同一符号を付して説明する。

本発明に係るスイッチング電源装置１は、基本的には絶縁トランス２における一次巻線Ｐと複数の二次巻線Ｓａ〜Ｓｎとの間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統における二次巻線、例えば二次巻線Ｓｎと電源出力回路４ｎとの間にサージアブソーバ回路５を介装したことを特徴としている。

具体的には図１に本発明の第１の実施形態に係るスイッチング電源装置１の要部概略構成図を示すように、複数の二次巻線Ｓａ〜Ｓｎの中で一次巻線Ｐとの間の結合容量が最も大きい二次巻線Ｓｎと電源出力回路４ｎとの間にサージアブソーバ回路５を介装したことを特徴としている。

または図２に本発明の第２の実施形態に係るスイッチング電源装置１の要部概略構成図を示すように、複数の電源系統Ａ〜Ｎの中で電源容量が最も大きい電源系統、例えば電源系統Ｎに電力を出力する二次巻線Ｓｎと電源出力回路４ｎとの間にサージアブソーバ回路５を介装したことを特徴としている。具体的には電源系統Ａが５Ｖの直流電圧を最大１２０ｍＡ出力し、電源系統Ｂが１２Ｖの直流電圧を最大５０ｍＡ出力し、そして電源系統Ｎが２４Ｖの直流電圧を最大５００ｍＡ出力するような場合、これらの電源系統Ａ,Ｂ,Ｎの各電源容量６００ｍＷ，６００ｍＷ，１２０００ｍＷであることから、電源系統Ｎにおける二次巻線Ｓｎと電源出力回路４ｎとの間にサージアブソーバ回路５を介装する。

或いは図３に本発明の第３の実施形態に係るスイッチング電源装置１の要部概略構成図を示すように、複数の二次巻線Ｓａ〜Ｓｎの中で巻数が最も大きい二次巻線、例えば二次巻線Ｓｎと電源出力回路４ｎとの間にサージアブソーバ回路５を介装したことを特徴としている。具体的には電源系統Ａの二次巻線Ｓａの巻数が６００ターン、電源系統Ｂの二次巻線Ｓｂの巻数が８００ターン、そして電源系統Ｎの二次巻線Ｓｎの巻数が１２００ターンである場合、電源系統Ｎにおける二次巻線Ｓｎと電源出力回路４ｎとの間にサージアブソーバ回路５を介装する。

ちなみにサージアブソーバ回路５は、二次巻線Ｓｎにおける一対の出力端子間に介装された第１のアブソーバ素子５ａと、二次巻線Ｓｎにおける一方の出力端子と接地との間、および他方の出力端子と接地との間にそれぞれ介装された第２および第３のアブソーバ素子５ｂ,５ｃとからなる。これらのアブソーバ素子５ａ,５ｂ,５ｃは、例えばマイクロギャップ式のものや、圧電素子またはバリスタ（ＺnＯ）等の半導体特性を利用したものからなる。

ここで複数の電源系統Ａ〜Ｎの中で絶縁トランス２の一次巻線Ｐと二次巻線Ｓａ〜Ｓｎとの間の結合インピーダンスが最も小さくなる電源系統は、基本的には
(１) 一次巻線Ｐとの結合容量が最も大きい二次巻線
(２) 電源出力容量が最も大きい電源系統の二次巻線
(３) 所定の巻数の一次巻線Ｐに対して巻数が最も大きい二次巻線
のいずれかである。ちなみに二次巻線Ｓａ,Ｓｂ〜Ｓｎの各巻数は、電源系統Ａ,Ｂ〜Ｎの出力電圧に応じて決定され、また最大出力電流は各二次巻線Ｓａ,Ｓｂ〜Ｓｎの線材径等に応じて決定される。

従って複数の電源系統Ａ,Ｂ〜Ｎの中で絶縁トランス２の一次巻線Ｐとの間の結合インピーダンスが最も小さくなる電源系統が上述した条件のいずれに該当するかを検証し、その電源系統における二次巻線Ｓａ〜Ｓｎと電源出力回路４ａ〜４ｎとの間にサージアブソーバ回路５を選択的に介装すれば良い。

このように構成されたスイッチング電源装置１においては、絶縁トランス２に加わったサージは、専ら、結合インピーダンスが最も小さい電源系統に向けて流れ込む。そして一次巻線Ｐとの間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統にはサージアブソーバ回路５が設けられているので、サージはサージアブソーバ回路５に流れ込んで吸収される。この結果、一次巻線Ｐとの間の結合インピーダンスが大きい他の電源系統にサージが流れ込むことがなくなる。従ってスイッチング電源装置１が備える複数の電源系統Ａ,Ｂ〜Ｎに対して効果的にサージ対策を施すことが可能となる。特に結合インピーダンスが最も小さい電源系統にだけサージアブソーバ回路５を設けると言う簡易な構成で、サージ対策を効果的に施すことが可能となる。

ところで絶縁トランス２が、例えば図４に概略的な構成を模式的に示すように、フランジを有する筒状のコア２ａに絶縁シート２ｂを介して一次巻線Ｐおよび複数の二次巻線Ｓａ〜Ｓｎを順に積層して巻装して構成される場合、一次巻線Ｐと各二次巻線Ｓａ〜Ｓｎとの結合インピーダンス、特に結合容量ｃは巻線層間の距離ｄおよび対向面積ｓによって規定される。具体的には、一次巻線Ｐと複数の二次巻線Ｓａ〜Ｓｎとの間の対向面積（結合部面積）が全て等しい場合には、一次巻線Ｐとの距離が最も近い二次巻線程、一次巻線Ｐとの結合容量が大きくなる。

従って本発明の第４の実施形態に係るスイッチング電源装置１としては、上述した絶縁トランス２の構造に着目して、複数の二次巻線Ｓａ〜Ｓｎの中で一次巻線Ｐに最も近接して設けられた二次巻線、例えば二次巻線Ｓａと、この二次巻線Ｓａに接続される電源出力回路４ａとの間にサージアブソーバ回路５を設けるようにしても良い。

尚、一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとの結合容量ｃは、一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとの距離をｄ、対向面積をｓとした場合
ｃ＝εo・εr（ｓ／ｄ）
となる。但し、εoは真空の誘電率であり、εrは一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとの間の絶縁材の誘電率である。従って実際的には絶縁トランス２の構造によって定まる一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとの距離ｄおよび対向面積ｓを勘案してサージアブソーバ回路５を介装する電源系統を決定すれば良い。

ところで上述したように複数の電源系統の中の１つにサージアブソーバ回路５を選択的に介装すると言えども、そのサージアブソーバ回路５にてサージを完全に吸収することが困難なことがある。従って複数の電源系統の全てをサージから保護する場合には、例えば図５に示すようにサージアブソーバ回路５を設けた電源系統を予めオープンにしておくことも有効である。

しかしスイッチング電源装置１は、一般的には複数の電源系統の数とその電力容量とに応じて設計されることが多い。従ってこのような場合には、例えば予めオープンとする電源系統に対応する二次巻線を絶縁トランス２に設けておき、この電源系統にサージアブソーバ回路５を介装してスイッチング電源装置１を構築すれば良い。

またサージアブソーバ回路５を設けた電源系統をオープンにしない場合には、例えば図６に第６の実施形態を示すようにサージアブソーバ回路５を組み込んだ電源出力回路４ｎの出力段にコモンモードノイズフィルタ６を設け、負荷側にコモンモードノイズ流出しないようにすることも有用である。このようなコモンモードノイズフィルタ６を備えれば、該コモンモードノイズフィルタ６にて負荷側に流れ出るコモンモード電流を阻止することが可能となるので、サージアブソーバ回路５によるサージの吸収を、より確実なものとすることができる。尚、コモンモードノイズフィルタ６としては、リング状のコアに一対の電源線を互いに対向させて巻装した構造のコモンモードチョークコイルや、一対の電源線を貫通させて該電源線に装着される筒状のフェライトコアを用いれば十分である。

また図７に第７の実施形態を示すように、サージアブソーバ回路５を組み込んだ電源系統以外の、他の電源系統の全てにコモンモードノイズフィルタ６をそれぞれ介装することも有用である。このようにしてスイッチング電源装置１が備える複数の電源系統Ａ〜Ｎの全てにコモンモードノイズフィルタ６をそれぞれ介装すれば、複数の電源系統Ａ〜Ｎ間のインピーダンス・バランスが崩れることがなくなるので、絶縁トランス２に加わるサージを確実にサージアブソーバ回路５に導くことが可能となる。従って前述した各実施形態にも増して、複数の電源系統Å〜Ｎに対するサージ対策を確実に施すことが可能となる。

尚、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。例えば絶縁トランス２の構造や、複数の二次巻線Ｓａ〜Ｓｎの巻数、更には複数の電源系統Ａ〜Ｎの電力容量等に応じて上述した条件の下でサージアブソーバ回路５を組み込む電源系統を決定すれば十分である。またスイッチング電源本体３についても前述したフライバックコンバータを構成するものに特定されるものではない。その他、本発明はその要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施することができる。

１ スイッチング電源装置
２ 絶縁トランス
３ スイッチング電源本体
４ 電源出力回路
５ サージアブソーバ回路
６ コモンモードノイズフィルタ
Ｐ 一次巻線
Ｓａ〜Ｓｎ 二次巻線
Ａ〜Ｎ 電源系統

Claims (7)

1. 絶縁トランスの一次巻線に交番電流を供給するスイッチング電源本体と、
   前記絶縁トランスにおける複数の二次巻線にそれぞれ生起される２次電圧を整流して複数の電源系統にそれぞれ出力する複数の電源出力回路とを備え、
   前記絶縁トランスにおける一次巻線と複数の二次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統における前記二次巻線と前記電源出力回路との間にのみサージアブソーバ回路を介装したことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記絶縁トランスにおける一次巻線と複数の二次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統は、
   前記絶縁トランスの一次巻線と複数の二次巻線との間の結合容量が最も大きい電源系統である請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記絶縁トランスにおける一次巻線と複数の二次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統は、
   前記絶縁トランスにおける複数の二次巻線の中で最も巻数が大きい二次巻線に前記電源出力回路を介して接続された電源系統である請求項１に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記絶縁トランスにおける一次巻線と複数の二次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統は、
   前記複数の電源系統の中で最も電源出力容量が大きい電源系統である請求項１に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記絶縁トランスにおける一次巻線と複数の二次巻線との間の結合インピーダンスが最も小さい電源系統は、
   前記絶縁トランスにおいて前記複数の二次巻線の中で前記一次巻線に最も近接して設けられた二次巻線に前記電源出力回路を介して接続された電源系統である請求項１に記載のスイッチング電源装置。
6. 請求項１に記載のスイッチング電源装置において、
   更に前記サージアブソーバ回路が介装された電源系統における前記電源出力回路の出力端子と当該電源系統に接続される負荷との間にコモンモードノイズフィルタを介装したことを特徴とするスイッチング電源装置。
7. 請求項１に記載のスイッチング電源装置において、
   更に前記サージアブソーバ回路が介装された電源系統以外の他の電源系統における前記電源出力回路の出力端子と当該他の電源系統に接続される負荷との間にコモンモードノイズフィルタを介装したことを特徴とするスイッチング電源装置。

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