JP6930890B2 - 絶縁型スイッチング電源 - Google Patents
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Description
(a)互いに極性が逆向きの一次コイルと二次コイルを具備しかつ該一次コイルに入力電圧が印加される第1のトランスと、
(b)前記第1のトランスの一次コイルを含む電流路を導通又は遮断するように制御信号によりオンオフ制御されるスイッチング素子と、
(c)互いに極性が逆向きの一次コイルと二次コイルを具備し、該一次コイルの一端及び他端が前記第1のトランスの二次コイルの一端及び他端とそれぞれ接続されると共に、該一次コイルの他端が正極出力端と接続されかつ該二次コイルの一端が負極出力端と接続された第2のトランスと、
(d)前記第2のトランスの二次コイルの他端から一次コイルの一端へ流れる電流を導通させかつその逆向きの電流を遮断するように接続された第1の整流要素と、
(e)前記正極出力端と前記負極出力端の間に接続された第1のコンデンサと、を有することを特徴とする。
上記態様において、前記第2のトランスの一次コイルの一端と前記負極出力端の間に接続された第2のコンデンサと、前記第2のトランスの一次コイルの他端と前記正極出力端の間に挿入された第2の整流要素であって、該一次コイルの他端から該正極出力端へ流れる電流を導通させかつその逆向きの電流を遮断するように接続された該第2の整流要素と、をさらに有することができる。
本発明のスイッチング電源の別の態様は、以下の構成を有する。
(a)互いに極性が逆向きの一次コイルと二次コイルを具備し、該一次コイルに入力電圧が印加される第1のトランスと、
(b)前記第1のトランスの一次コイルを含む電流路を導通又は遮断するように制御信号によりオンオフ制御されるスイッチング素子と、
(c)互いに極性が同じ向きでかつ疎結合の一次コイルと二次コイルを具備し、該一次コイルの一端及び他端が前記第1のトランスの二次コイルの一端及び他端とそれぞれ接続されると共に、該二次コイルの他端が負極出力端と接続された第2のトランスと、
(d)前記第2のトランスの二次コイルの一端から一次コイルの一端へ流れる電流を導通させかつその逆向きの電流を遮断するように接続された第1の整流要素と、
(e)前記第2のトランスの一次コイルの他端から正極出力端へ流れる電流を導通させかつその逆向きの電流を遮断するように接続された第2の整流要素と、
(f)前記正極出力端と前記負極出力端の間に接続された第1のコンデンサと、
(g)前記第2のトランスの一次コイルの一端と前記負極出力端の間に接続された第2のコンデンサと、を有することを特徴とする。
上記態様において、第2のトランスに替えて、互いに極性が同じ向きでかつ密結合の一次コイルと二次コイルを具備し、該一次コイルの一端及び他端が前記第1のトランスの二次コイルの一端及び他端とそれぞれ接続されると共に、該二次コイルの他端が負極出力端と接続されたトランスと、該トランスの一次コイルと直列に接続されたチョークコイルと、を有することができる。
(1−1)第1の実施形態の回路構成
図1は、本発明の絶縁型スイッチング電源の第1の実施形態の回路構成例を概略的に示した図であり、(a)はオン期間の、(b)はオフ期間の電流の流れを併せて示している。
図1及び図2を参照して第1の実施形態の動作を説明する。図1(a)及び(b)は、それぞれオン期間及びオフ期間における電流の流れを実線又は点線にて概略的に示している(矢印は電流の向きを示す)。図2(a)及び(b)は、それぞれオン期間及びオフ期間におけるトランスT1の二次側の各構成要素の電位関係の一例を模式的に示す図である。
[オン期間:一次側]
トランスT1の一次側では、オン期間に制御信号Vgがオンになると、FETQがオンとなり電流路が導通する。図1(a)に示すように、トランスT1の一次コイル1Npには、入力電圧による入力電流i1が以下の経路で流れる。
・入力電流i1:入力端1→トランスT1の一次コイル1Np→FETQ→入力端2
図1(a)に示すように、トランスT1の一次コイル1Npに入力電流i1が流れることにより、二次コイル1Nsに起電力が生じ、以下の経路で電流i2が流れる。
・電流i2:トランスT1の二次コイル1Ns→トランスT2の一次コイル2Np
図1(b)では、オフ期間の主要な電流の流れを実線にて、副次的な電流の流れを点線にて概略的に示している。
トランスT1の一次側では、制御信号Vgがオフになると、FETQもオフとなりスイッチが開く。トランスT1の一次コイル1Npの電流路は遮断され、電流が零となる。これによりトランスT1の一次コイル1Np及び二次コイル1Nsにそれぞれ逆起電力が生じる。
図2(b)の電位関係図に示すように、オフ期間になると、トランスT1の二次コイル1Ns、トランスT2の一次コイル2Np及び二次コイル2Nsの各々の両端の電位関係が反転する。トランスT2の二次コイル2Nsの他端の電位が一次コイル2Npの一端の電位を超えると、ダイオードD1が順バイアスとなり導通し、図1(b)に示すように電流i4が以下の経路で流れる。
・電流i4:トランスT2の二次コイル2Ns→ダイオードD1→トランスT2の一次コイル2Np→負荷(又は平滑コンデンサC1)
(2−1)第2の実施形態の回路構成
第2の実施形態は、第1の実施形態の変形形態である。図3は、本発明の絶縁型スイッチング電源の第2の実施形態の回路構成例を概略的に示した図であり、(a)はオン期間の、(b)はオフ期間の電流の流れを併せて示している。
先ず、第2の実施形態では、トランスT2の一次コイル2Npの一端と負極出力端nとの間に第2のコンデンサC2が接続されている。なお、トランスT2の一次コイル2Npの一端は、第1の実施形態と同じくトランスT1の二次コイル1Nsの一端にも接続されている。
図3及び図4を参照して第2の実施形態の動作を説明する。図3(a)及び(b)は、それぞれオン期間及びオフ期間における電流の流れを実線又は点線にて概略的に示している(矢印は電流の向きを示す)。図4(a)及び(b)は、それぞれオン期間及びオフ期間におけるトランスT1の二次側の各構成要素の電位関係の一例を模式的に示す図である。
[オン期間:一次側]
トランスT1の一次側では、オン期間に制御信号Vgがオンになると、FETQがオンとなり電流路が導通する。トランスT1の一次コイル1Npには、図3(a)に示すように入力電圧による入力電流i1が以下の経路で流れる。
・入力電流i1:入力端1→トランスT1の一次コイル1Np→FETQ→入力端2
図3(a)に示すように、トランスT1の一次コイル1Npに入力電流i1が流れることにより、二次コイル1Nsに起電力が生じ、以下の経路で電流i2が流れる。
・電流i2:トランスT1の二次コイル1Ns→トランスT2の一次コイル2Np
図3(b)では、オフ期間の主要な電流の流れを実線にて、副次的な電流の流れを点線にて概略的に示している(矢印は、電流の向きを示す)。
トランスT1の一次側では、制御信号Vgがオフになると、FETQもオフとなりスイッチが開く。トランスT1の一次コイル1Npの電流路は遮断され、電流が零となる。これによりトランスT1の一次コイル1Np及び二次コイル1Nsにそれぞれ逆起電力が生じる。
図4(b)に示すように、オフ期間になると、トランスT1の二次コイル1Ns、トランスT2の一次コイル2Np及び二次コイル2Nsの各々の両端の電位関係が反転する。トランスT2の二次コイル2Nsの他端の電位がコンデンサC2の電位を超えると、第1のダイオードD1は順バイアスとなり導通し、以下の経路で電流i6が流れてコンデンサC2を充電する。
・電流i6:トランスT2の二次コイル2Ns→ダイオードD1→コンデンサC2(充電電流)
・電流i4:トランスT2の二次コイル2Ns→ダイオードD1→トランスT2の一次コイル2Np→ダイオードD2→負荷(又は平滑コンデンサC1)
・電流i5:トランスT2の二次コイル2Ns→ダイオードD1→トランスT1の二次次コイル1Ns→ダイオードD2→負荷(又は平滑コンデンサC1)
・電流i7:コンデンサC2(放電電流)→トランスT2の一次コイル2Np→ダイオードD2→負荷(又は平滑コンデンサC1)
・電流i8:コンデンサC2(放電電流)→トランスT1の二次次コイル1Ns→ダイオードD2→負荷(又は平滑コンデンサC1)
(3−1)第3の実施形態の回路構成
図5は、本発明の絶縁型スイッチング電源の第3の実施形態の回路構成例を概略的に示した図であり、(a)はオン期間の、(b)はオフ期間の電流の流れを併せて示している。
図5及び図6を参照して第3の実施形態の動作を説明する。図5(a)及び(b)は、それぞれオン期間及びオフ期間における電流の流れを実線又は点線にて概略的に示している(矢印は電流の向きを示す)。図6(a)及び(b)は、それぞれオン期間及びオフ期間におけるトランスT1の二次側の各構成要素の電位関係の一例を模式的に示す図である。
[オン期間:一次側]
トランスT1の一次側では、オン期間に制御信号Vgがオンになると、FETQがオンとなり電流路が導通する。トランスT1の一次コイル1Npには、図5(a)に示すように入力電圧による入力電流i1が以下の経路で流れる。
・入力電流i1:入力端1→トランスT1の一次コイル1Np→FETQ→入力端2
図5(a)に示すように、トランスT1の一次コイル1Npに入力電流i1が流れることにより、二次コイル1Nsに起電力が生じ、以下の経路で電流i2が流れる。
・電流i2:トランスT1の二次コイル1Ns→トランスT2Aの一次コイル2Np
・電流i6:トランスT2Aの二次コイル2Ns→第1のダイオードD1→第2のコンデンサC2
図5(b)では、オフ期間の主要な電流の流れを実線にて、副次的な電流の流れを点線にて概略的に示している。
トランスT1の一次側では、制御信号Vgがオフになると、FETQもオフとなりスイッチが開く。トランスT1の一次コイル1Npの電流路は遮断され、電流が零となる。これによりトランスT1の一次コイル1Np及び二次コイル1Nsにそれぞれ逆起電力が生じる。
図6(b)の電位関係図に示すように、オフ期間になると、トランスT1の二次コイル1Ns、トランスT2Aの一次コイル2Np及び二次コイル2Nsの各々の両端の電位関係が反転する。これにより第1のダイオードD1は逆バイアスとなり遮断される。
電流i7:第2のコンデンサC2→トランスT2Aの一次コイル2Np→第2のダイオードD2→負荷(又は平滑コンデンサC1)
図7は、本発明の第4の実施形態の回路構成例を示す図である。第4の実施形態は、第3の実施形態の変形形態である。
本発明のスイッチング電源の一態様は、フライバック方式の第1のトランスに加え、第1のトランスの二次側に接続したフライバック方式の第2のトランスを有する構成(第1及び第2の実施形態)により、オン期間には、第2のトランスに磁気エネルギーを蓄積させることにより、第1のトランスに蓄積される磁気エネルギーを一般的なフライバック方式の電源に比べて小さくすることができる。この結果、第1のトランスにオフ時に発生する逆起電力を小さくすることができ、その結果、スイッチング素子に要求される耐圧性を軽減することができ、スナバ回路等の処理容量を低減できる。トランスT1の磁気飽和の可能性も小さくなることから、トランスT1のサイズも小さくすることができる。
2 入力端(入力側基準端)
p 正極出力端
n 負極出力端(出力側基準電位)
T1、T2、T2A、T2B トランス
1Np、2Np 一次コイル
1Ns 2Ns 二次コイル
Q スイッチング素子(FET)
D1、D2 整流要素(ダイオード)
C1 第1のコンデンサ(平滑コンデンサ)
C2 第2のコンデンサ
Claims (4)
- (a)互いに極性が逆向きの一次コイル(1Np)と二次コイル(1Ns)を具備しかつ該一次コイル(1Np)に入力電圧が印加される第1のトランス(T1)と、
(b)前記第1のトランス(T1)の一次コイル(1Np)を含む電流路を導通又は遮断するように制御信号によりオンオフ制御されるスイッチング素子(Q)と、
(c)互いに極性が逆向きの一次コイル(2Np)と二次コイル(2Ns)を具備し、該一次コイル(2Np)の一端及び他端が前記第1のトランス(T1)の二次コイル(1Ns)の一端及び他端とそれぞれ接続されると共に、該一次コイル(2Np)の他端が正極出力端(p)と接続されかつ該二次コイル(2Ns)の一端が負極出力端(n)と接続された第2のトランス(T2)と、
(d)前記第2のトランス(T2)の二次コイル(2Ns)の他端から一次コイル(2Np)の一端へ流れる電流を導通させかつその逆向きの電流を遮断するように接続された第1の整流要素(D1)と、
(e)前記正極出力端(p)と前記負極出力端(n)の間に接続された第1のコンデンサ(C1)と、を有することを特徴とする
絶縁型スイッチング電源。 - 前記第2のトランス(T2)の一次コイル(2Np)の一端と前記負極出力端(n)の間に接続された第2のコンデンサ(C2)と、
前記第2のトランス(T2)の一次コイル(2Np)の他端と前記正極出力端(p)の間に挿入された第2の整流要素(D2)であって、該一次コイル(2Np)の他端から該正極出力端(p)へ流れる電流を導通させかつその逆向きの電流を遮断するように接続された該第2の整流要素(D2)と、をさらに有することを特徴とする
請求項1に記載の絶縁型スイッチング電源。 - (a)互いに極性が逆向きの一次コイル(1Np)と二次コイル(1Ns)を具備し、該一次コイル(1Np)に入力電圧が印加される第1のトランス(T1)と、
(b)前記第1のトランス(T1)の一次コイル(1Np)を含む電流路を導通又は遮断するように制御信号によりオンオフ制御されるスイッチング素子(Q)と、
(c)互いに極性が同じ向きでかつ疎結合の一次コイル(2Np)と二次コイル(2Ns)を具備し、該一次コイル(2Np)の一端及び他端が前記第1のトランス(T1)の二次コイル(1Ns)の一端及び他端とそれぞれ接続されると共に、該二次コイル(2Ns)の他端が負極出力端(n)と接続された第2のトランス(T2A)と、
(d)前記第2のトランス(T2A)の二次コイル(2Ns)の一端から一次コイル(2Np)の一端へ流れる電流を導通させかつその逆向きの電流を遮断するように接続された第1の整流要素(D1)と、
(e)前記第2のトランス(T2A)の一次コイル(2NP)の他端から正極出力端(p)へ流れる電流を導通させかつその逆向きの電流を遮断するように接続された第2の整流要素(D2)と、
(f)前記正極出力端(p)と前記負極出力端(n)の間に接続された第1のコンデンサ(C1)と、
(g)前記第2のトランス(T2A)の一次コイル(2NP)の一端と前記負極出力端(n)の間に接続された第2のコンデンサ(C2)と、を有することを特徴とする
絶縁型スイッチング電源。 - 第2のトランス(T2A)に替えて、
互いに極性が同じ向きでかつ密結合の一次コイル(2Np)と二次コイル(2Ns)を具備し、該一次コイル(2Np)の一端及び他端が前記第1のトランス(T1)の二次コイル(1Ns)の一端及び他端とそれぞれ接続されると共に、該二次コイル(2Ns)の他端が負極出力端(n)と接続されたトランス(T2B)と、該トランス(T2B)の一次コイル(2Np)と直列に接続されたチョークコイル(L)と、を有することを特徴とする
請求項3に記載の絶縁型スイッチング電源。
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