JP7194654B2

JP7194654B2 - スイッチング電源装置

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Description

本発明の実施形態は、スイッチング電源装置に関する。

負荷側のデバイスの条件に応じて、当該負荷側のデバイスに印加する出力電圧を調整可能な電流共振型のスイッチング電源装置が開発されている。

特開平１１－３１８０７８号公報特開２０１４－２３３１３７号公報特開２００６－１８７１５９号公報特開２０１０－５７３２６号公報

ところで、上記のスイッチング電源装置では、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧または負荷電流の範囲が大きい場合、当該スイッチング電源装置が有するスイッチング素子の動作周波数が変化する範囲も広くなる。

そして、動作周波数が高い周波数になると、スイッチング電源装置のトランスのヒステリシス損や渦電流損等の鉄損の悪化や、スイッチング素子を制御するドライバの損失等による効率悪化の原因となる可能性がある。また、スイッチング素子の動作周波数が、スイッチング素子を制御するＩＣ（Integrated Circuit）の周波数上限に到達すると、当該ＩＣが間欠動作となって、スイッチング電源装置の応答性が低下する可能性がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧または負荷電流の範囲が大きくなった場合でも、スイッチング電源装置のトランスの鉄損を抑制し、かつ高効率および高応答性を実現することが可能なスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

実施形態のスイッチング電源装置は、交流電圧を所定の出力電圧である直流信号に変換するスイッチング電源装置であって、整流回路と、第一のスイッチング電源回路と、第二のスイッチング電源回路と、を備える。整流回路は、交流電圧を整流する。第一のスイッチング電源回路は、整流回路により整流された第一の入力電圧を、第一の出力電圧を監視する回路により第一の参照電圧と比較することで第一の出力電圧を制御する昇圧型のスイッチング電源回路である。第二のスイッチング電源回路は、第一の出力電圧を第二の入力電圧として受け取り、第二の出力電圧を監視する回路により第二の参照電圧と比較することで、第二の出力電圧を制御する降圧型のスイッチング電源回路である。また、第二のスイッチング電源回路は、動作周波数を制御して、第二の出力電圧と第二の参照電圧とを所定の関係に制御し、かつ動作周波数を監視する監視手段を有する。第一のスイッチング電源回路は、監視手段を用いて第二の入力電圧を制御して、動作周波数を所定の動作周波数範囲内に制御する制御部を有する。所定の動作周波数範囲の下限は、第二の入力電圧と前力電圧との比が最大となる動作周波数を基準として、設定された周波数の分、高い。

図１は、本実施形態にかかるスイッチング電源装置を適用した電源システムの構成の一例を示す図である。図２は、本実施形態にかかるスイッチング電源装置が有するＬＬＣ共振コンバータのゲインと動作周波数との関係の一例を示す図である。図３は、本実施形態にかかるスイッチング電源装置におけるスイッチング素子の動作周波数の制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。図４は、本実施形態にかかるスイッチング電源装置におけるスイッチング素子の動作周波数の制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。

以下、添付の図面を用いて、本実施形態にかかるスイッチング電源装置を適用した電源システムについて説明する。

図１は、本実施形態にかかるスイッチング電源装置を適用した電源システムの構成の一例を示す図である。

まず、図１を用いて、本実施形態にかかる電源システムの構成の一例について説明する。

本実施形態にかかる電源システムは、図１に示すように、商用電源ＡＣと、整流回路１０１と、平滑化用コンデンサ１０２と、ＰＦＣコンバータ１０３と、ＬＬＣ共振コンバータ１０４と、を有する。本実施形態にかかる電源システムに適用したスイッチング電源装置は、商用電源ＡＣ（交流電圧の一例）を所定の出力電圧である直流信号に変換するスイッチング電源装置の一例である。ここで、所定の出力電圧は、目的に応じた出力電圧であり、例えば、その設定は予めなされる。具体的には、所定の出力電圧は、負荷側のデバイスの条件により要求される電圧である。

整流回路１０１は、商用電源ＡＣである交流電圧を整流する整流回路の一例である。本実施形態では、整流回路１０１は、商用電源ＡＣによって印加される交流電圧を全波整流するブリッジ回路である。

平滑化用コンデンサ１０２は、後段（ＰＦＣコンバータ１０３）のスイッチングノイズを除去するためのコンデンサである。

ＰＦＣ（Power Factor Correction）コンバータ１０３は、整流回路１０１により整流された入力電圧ＶａｃをＬＬＣ共振コンバータ１０４の入力電圧Ｖｉｎに変換するコンバータである。言い換えると、ＰＦＣコンバータ１０３は、整流回路１０１により整流された入力電圧Ｖａｃを、当該ＰＦＣコンバータ１０３から出力する出力電圧を監視する回路により、予め設定される参照電圧と比較することで、当該出力電圧を制御する昇圧型のスイッチング電源回路の一例である。

ＬＬＣ共振コンバータ１０４は、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の入力電圧Ｖｉｎを、出力電圧Ｖｏｕｔに変換するコンバータの一例である。ここで、ＬＬＣ共振コンバータ１０４は、出力電圧Ｖｏｕｔを検出する。この出力電圧Ｖｏｕｔは、負荷側のデバイスの条件により要求される電圧の範囲内である。そして、ＬＬＣ共振コンバータ１０４は、当該出力電圧Ｖｏｕｔの検出結果に基づいて、スイッチング素子（本実施形態では、後述するスイッチング素子１０４ａ，１０４ｂ）の動作周波数（スイッチング周波数）を制御して、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の入力電圧Ｖｉｎを、出力電圧Ｖｏｕｔに変換する。言い換えると、ＬＬＣ共振コンバータ１０４は、ＰＦＣコンバータ１０３からの出力電圧を入力電圧Ｖｉｎとして受け取り、当該ＬＬＣ共振コンバータ１０４から出力する出力電圧Ｖｏｕｔを監視する回路により、予め設定される参照電圧と比較することで、当該出力電圧Ｖｏｕｔ（所定の出力電圧）を制御する降圧型のスイッチング電源回路の一例である。

次に、図１を用いて、ＰＦＣコンバータ１０３の具体的な構成の一例について説明する。

ＰＦＣコンバータ１０３は、図１に示すように、昇圧用コイル１０３ａ、スイッチング素子１０３ｂ、制御ＩＣ１０３ｃ、ダイオード１０３ｄ、抵抗１０３ｅ，１０３ｆ、およびコンデンサ１０３ｇを有する。

昇圧用コイル１０３ａは、整流回路１０１により全波整流された入力電圧ａｃを、直流電圧、すなわち、ＬＬＣ共振コンバータ１０４への入力電圧Ｖｉｎに昇圧するためのコイルである。

スイッチング素子１０３ｂは、電界効果トランジスタ等であり、ＬＬＣ共振コンバータ１０４への入力電圧Ｖｉｎに昇圧するためのスイッチング素子である。

ダイオード１０３ｄは、昇圧用コイル１０３ａの放電時に電流を流すダイオードである。

抵抗１０３ｅ，１０３ｆは、ＬＬＣ共振コンバータ１０４に対して並列接続され、ＰＦＣコンバータ１０３によって変換される入力電圧Ｖｉｎの調整用の抵抗である。抵抗１０３ｅ，１０３ｆは、直列接続される。

制御ＩＣ１０３ｃは、ＰＦＣコンバータ１０３による入力電圧ａｃから入力電圧Ｖｉｎへの変換を制御するＩＣである。

具体的には、制御ＩＣ１０３ｃは、制御信号ＧＤを出力してスイッチング素子１０３ｂを制御して、ピーク電流が生じずかつ入力電流が正弦波状になるように、そのスイッチングを制御する。

また、制御ＩＣ１０３ｃは、入力電圧ａｃから入力電圧Ｖｉｎへの変換を制御する。すなわち、制御ＩＣ１０３ｃは、入力電圧Ｖｉｎを制御する制御部の一例である。本実施形態では、制御ＩＣ１０３ｃは、抵抗１０３ｅ，１０３ｆを用いて検出されるＦＢ端子の電圧と、予め設定される参照電圧とを比較して、入力電圧Ｖｉｎに昇圧する。また、本実施形態では、制御ＩＣ１０３ｃは、図１に示すように、周波数上限検知回路１０３ｈおよび周波数下限検知回路１０３ｉを有し、当該周波数上限検知回路１０３ｈおよび周波数下限検知回路１０３ｉを用いて、入力電圧Ｖｉｎを制御する。

コンデンサ１０３ｇは、制御ＩＣ１０３ｃによって昇圧された入力電圧Ｖｉｎを平滑化するコンデンサである。

次に、図１を用いて、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の具体的な構成の一例について説明する。

ＬＬＣ共振コンバータ１０４は、図１に示すように、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂ、トランス１０４ｃ、コンデンサ１０４ｄ、電圧検出部１０４ｅ、制御ＩＣ１０４ｆ、トランス補助巻線１０４ｇ、ダイオード１０４ｈ，１０４ｉ，１０４ｊ、およびコンデンサ１０４ｋを有する。

スイッチング素子１０４ａは、電界効果トランジスタ等であり、入力電圧Ｖｉｎが印加されるスイッチング素子である。

スイッチング素子１０４ｂは、電界効果トランジスタ等であり、スイッチング素子１０４ａと直列接続されるスイッチング素子である。

トランス１０４ｃは、スイッチング素子１０４ｂに対して並列接続されるトランスである。

コンデンサ１０４ｄは、スイッチング素子１０４ｂに対して並列接続されるコンデンサである。

電圧検出部１０４ｅは、ＬＬＣ共振コンバータ１０４（トランス１０４ｃ）から出力される出力電圧Ｖｏｕｔを検出する。このとき、電流検出用の抵抗は用いない。具体的には、電圧検出部１０４ｅは、ダイオード１０４ｉとダイオード１０４ｊのカソード側と、グラウンドと、の間の電圧（抵抗により分割された電圧）を検出する。そして、電圧検出部１０４ｅは、出力電圧Ｖｏｕｔの検出結果を、制御ＩＣ１０４ｆに通知する回路である。

トランス補助巻線１０４ｇは、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂがスイッチングすることにより、電圧が生成され、後述する制御ＩＣ１０４ｆに電源を供給する。

ダイオード１０４ｈは、トランス補助巻線１０４ｇから出力される電圧を整流するダイオードである。

ダイオード１０４ｉ，１０４ｊは、トランス１０４ｃから出力される電圧を整流するダイオードである。

コンデンサ１０４ｋは、トランス１０４ｃから出力される出力電圧Ｖｏｕｔを平滑化するコンデンサである。

制御ＩＣ１０４ｆは、電圧検出部１０４ｅから通知される出力電圧Ｖｏｕｔに基づいて、スイッチング素子１０４ａおよびスイッチング素子１０４ｂの動作周波数（スイッチング周波数）を制御して、入力電圧Ｖｉｎを、負荷側のデバイスの条件により要求される出力電圧Ｖｏｕｔに変換する。言い換えると、制御ＩＣ１０４ｆは、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を制御して、出力電圧Ｖｏｕｔと予め設定される参照電圧とを所定の関係に制御し、かつ当該動作周波数を監視する監視手段の一例として機能する。ここで、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数は、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂをオンオフさせる周波数である。

本実施形態では、制御ＩＣ１０４ｆは、スイッチング素子１０４ａに対して制御信号ＨＧＤを出力し、かつスイッチング素子１０４ｂに対して制御信号ＬＧＤを出力する。そして、制御ＩＣ１０４ｆは、制御信号ＨＧＤ，ＬＧＤのそれぞれの周波数を変更することによって、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を制御する。これにより、制御ＩＣ１０４ｆは、入力電圧Ｖｉｎを、負荷側のデバイスの条件により要求される出力電圧Ｖｏｕｔに変換する。

具体的には、制御ＩＣ１０４ｆは、負荷側のデバイスの条件により要求される出力電圧Ｖｏｕｔが高い場合または負荷側のデバイスに流す負荷電流が大きい場合、制御信号ＨＧＤ，ＬＧＤの周波数を低くする（スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を低くする）。一方、制御ＩＣ１０４ｆは、負荷側のデバイスの条件により要求される出力電圧Ｖｏｕｔが低い場合または負荷側のデバイスに流す負荷電流が小さい場合、制御信号ＨＧＤ，ＬＧＤの周波数を高くする（スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を高くする）。

すなわち、制御ＩＣ１０４ｆは、出力電圧Ｖｏｕｔが高くなるに従って（または負荷電流が大きくなるに従って）、制御信号ＨＧＤ，ＬＧＤの周波数を低くする。言い換えると、制御ＩＣ１０４ｆは、出力電圧Ｖｏｕｔが低くなるに従って（または負荷電流が小さくなるに従って）、制御信号ＨＧＤ，ＬＧＤの周波数を高くする。

また、本実施形態では、制御ＩＣ１０４ｆは、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の起動時においては、図示しない電源ラインを介して商用電源ＡＣ等から供給される電源によって、動作する。その後、制御ＩＣ１０４ｆは、トランス１０４ｃから出力電圧Ｖｏｕｔが出力されて、トランス補助巻線１０４ｇによる発電が開始されると、トランス補助巻線１０４ｇにより発電される電源によって動作する。

本実施形態では、制御ＩＣ１０４ｆは、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の起動後については、トランス補助巻線１０４ｇによって発電される電源によって動作するが、これに限定するものではなく、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の起動後についても、図示しない電源ラインを介して商用電源ＡＣ等から供給される電源によって動作しても良い。

また、制御ＩＣ１０４ｆは、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を示す周波数信号Ｆｓｗを、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃに通知する。これにより、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃが、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数に応じて、入力電圧Ｖｉｎを制御可能となる。本実施形態では、制御ＩＣ１０４ｆは、アナログの周波数信号Ｆｓｗを制御ＩＣ１０３ｃに通知するものとするが、デジタル信号に変換した周波数信号Ｆｓｗを、バスを介して、制御ＩＣ１０３ｃに通知することも可能である。

図２は、本実施形態にかかるスイッチング電源装置が有するＬＬＣ共振コンバータのゲインと動作周波数との関係の一例を示す図である。図２において、縦軸は、ＬＬＣ共振コンバータ１０４のゲインＧを表し、横軸は、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を表す。

次に、図２を用いて、ＬＬＣ共振コンバータ１０４のゲインＧと、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数と、の関係の一例について説明する。

ＬＬＣ共振コンバータ１０４のゲインＧは、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔの比である。具体的には、ＬＬＣ共振コンバータ１０４のゲインＧは、下記の式（１）により表される。
Ｇ＝２＊ｎ＊（Ｖｏｕｔ／Ｖｉｎ）・・・（１）
ここで、ｎは、トランス１０４ｃが有する一次巻線の巻き数と二次巻線の巻き数の比である。

図２に示すように、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔが小さくなると（または、負荷側のデバイスへ流す負荷電流が小さくなると）、ゲインＧは、下がる。そのため、制御ＩＣ１０４ｆは、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を高くする。一方、図２に示すように、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔが大きくなると（または、負荷側のデバイスへ流す負荷電流が大きくなると）、ゲインＧは、上がる。そのため、制御ＩＣ１０４ｆは、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を低くする。

従来のスイッチング電源装置では、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃが、入力電圧Ｖｉｎが、一定の電圧となるように制御されている。そのため、従来のスイッチング電源装置では、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔを調整するためには、ＬＬＣ共振コンバータ１０４のスイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を変数として、出力電圧Ｖｏｕｔを調整している。

ところで、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流の範囲が大きい場合、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が調整する範囲も広くなる。そのため、従来のスイッチング電源装置では、負荷側のデバイスの条件によっては、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が、制御ＩＣ１０４ｆの仕様によって設定される動作周波数の範囲（以下、使用可能領域と言う）Ｒ０外に調整される可能性がある。

そして、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が使用可能領域Ｒ０の上限Ｔ１より高い動作周波数に調整されると、トランス１０４ｃの鉄損の悪化や、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂを制御するドライバの損失等による効率悪化の要因となる。また、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が、使用可能領域Ｒ０の上限Ｔ１に到達すると、制御ＩＣ１０４ｆが間欠動作となり、電源システムの応答性が低下する可能性がある。さらに、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が使用可能領域Ｒ０の下限Ｔ２より低い動作周波数に調整されると、制御ＩＣ１０４ｆによるフィードバック制御に不具合が生じ、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの共振外れが発生する可能性がある。

また、電源システム（トランス１０４ｃ）と負荷側のデバイスとを接続する電源ラインに、電流検出用の抵抗を設け、当該抵抗を用いて、出力電流を検出し、その検出結果に基づいて、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を制御する技術が開発されている。しかしながら、この技術によれば、入力電圧Ｖｉｎから出力電圧Ｖｏｕｔへの変換効率が悪化するため、大電流回路への適用が困難である。

そこで、本実施形態では、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃは、ＬＬＣ共振コンバータ１０４のスイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数（制御ＩＣ１０４ｆから通知される周波数信号Ｆｓｗが示す動作周波数）を、所定の動作周波数範囲Ｒ１（図２参照）内に収める。具体的には、制御ＩＣ１０３ｃは、入力電圧Ｖｉｎを制御して、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を、所定の動作周波数範囲Ｒ１内に収める。言い換えると、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃは、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の制御ＩＣ１０４ｆ（監視手段の一例）を用いて入力電圧Ｖｉｎを制御して、ＬＬＣ共振コンバータ１０４のスイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を、所定の動作周波数範囲内に制御する制御部の一例として機能する。

これにより、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流の範囲が大きい場合に、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が使用可能領域Ｒ０外に調整されることを抑制することができる。その結果、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流の範囲が大きい場合でも、トランス１０４ｃの鉄損を抑制し、かつ高効率および高応答性を実現することが可能となる。

また、本実施形態では、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の制御ＩＣ１０４ｆは、電流検出用の抵抗を用いずに、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を元に入力電圧Ｖｉｎを制御する。これにより、入力電圧Ｖｉｎから出力電圧Ｖｏｕｔへの変換効率の悪化を抑制できるので、大電流回路への適用が可能となる。

ここで、所定の動作周波数範囲Ｒ１は、予め設定された動作周波数の範囲であり、その上限Ｔ３が使用可能領域Ｒ０の上限Ｔ１より低く、かつその下限Ｔ４が使用可能領域Ｒ０の下限Ｔ２よりも高い。これにより、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流の範囲が大きい場合に、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が使用可能領域Ｒ０外に調整されることをより抑制することができる。その結果、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流の範囲が大きい場合でも、トランス１０４ｃの鉄損をより抑制し、かつ高効率および高応答性をより高めることが可能となる。

また、所定の動作周波数範囲Ｒ１の下限Ｔ４は、入力電圧Ｖｉｎと出力電圧Ｖｏｕｔとの比（すなわち、ゲインＧ）が最大となる動作周波数（使用可能領域Ｒ０の下限Ｔ２）を基準として、設定された周波数（例えば、予め設定される周波数）の分、高い。これにより、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流の範囲が大きい場合に、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が使用可能領域Ｒ０の下限Ｔ２以下に調整されることをより効果的に抑制することができる。その結果、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が使用可能領域Ｒ０の下限Ｔ２より低い動作周波数に調整されることによる、制御ＩＣ１０４ｆによるフィードバック制御の不具合の発生、およびスイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの共振外れの発生を抑制することができる。

本実施形態では、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃが、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１内に収まるように、入力電圧Ｖｉｎを制御しているが、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の制御ＩＣ１０４ｆ（制御部の一例）が、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が所定の動作周波数範囲Ｒ１内になるように、直接、制御ＩＣ１０３ｃのＦＢ端子の電圧を抵抗等を介して可変させて、入力電圧Ｖｉｎを制御することも可能である。

また、本実施形態では、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃは、入力電圧Ｖｉｎを制御することによって、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を所定の動作周波数範囲Ｒ１内に収めているが、これに限定するものではない。例えば、制御ＩＣ１０３ｃは、トランス１０４ｃを可変コイルにより構成して、可変コイルのインダクタンスを制御することにより、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を、所定の動作周波数範囲Ｒ１内に収めることも可能である。または、制御ＩＣ１０３ｃは、コンデンサ１０４ｄの静電容量を制御することによって、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を所定の動作周波数範囲Ｒ１内に収めることも可能である。

また、本実施形態では、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃは、上述したように、周波数上限検知回路１０３ｈおよび周波数下限検知回路１０３ｉ（図１参照）を有する。周波数上限検知回路１０３ｈは、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の上限Ｔ３を超えたことを検知する。また、周波数下限検知回路１０３ｉは、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の下限Ｔ４を下回ったことを検知する。

そして、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の上限Ｔ３を超えたこと、または、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の下限Ｔ４を下回ったことが検知された場合に、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃは、入力電圧Ｖｉｎを制御し、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を、所定の動作周波数範囲Ｒ１内に収める。

または、本実施形態では、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の上限Ｔ３を超えたか否か、または、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の下限Ｔ４を下回ったか否かに関わらず、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃは、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を、所定の動作周波数範囲Ｒ１内の１つの動作周波数（参照周波数）に調整することも可能である。言い換えると、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃは、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の制御ＩＣ１０４ｆ（監視手段の一例）を用いて入力電圧Ｖｉｎを制御して、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を、所定の動作周波数範囲内の１つの参照周波数に制御する。

また、本実施形態では、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃの応答性は、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の応答性よりも遅いものとする。具体的には、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃの処理時間が、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の処理時間よりも長いものとする。ここで、制御ＩＣ１０３ｃの処理時間とは、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数の所定の動作周波数範囲Ｒ１内への制御に要する時間である。また、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の処理時間とは、当該ＬＬＣ共振コンバータ１０４（制御ＩＣ１０４ｆ）によるスイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数の制御に要する時間である。

これにより、ＬＬＣ共振コンバータ１０４によるスイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数の制御が安定する前に、制御ＩＣ１０３ｃによる動作周波数の制御が行われることを防止できる。その結果、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数をより速く所定の動作周波数範囲Ｒ１内に収束させることができる。

また、本実施形態では、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃが、ＬＬＣ共振コンバータ１０４のスイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を所定の動作周波数範囲Ｒ１内に収める例について説明したが、スイッチング素子の動作周波数を制御して入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換するコンバータの当該スイッチング素子の動作周波数を制御するものであれば、これに限定するものではない。例えば、ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃは、降圧型コンバータのスイッチング素子の動作周波数を所定の動作周波数範囲Ｒ１内に収めることも可能である。

図３は、本実施形態にかかるスイッチング電源装置におけるスイッチング素子の動作周波数の制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。

次に、図３を用いて、負荷側のデバイスの条件により要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流が大きくなった場合における、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数の制御処理の流れの一例について説明する。

ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃの周波数下限検知回路１０３ｉは、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の制御ＩＣ１０４ｆから通知される周波数信号Ｆｓｗが示す動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の下限Ｔ４より低いか否かを判断する（ステップＳ３０１）。

周波数下限検知回路１０３ｉによって、周波数信号Ｆｓｗが示す動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の下限Ｒ４以上であることが検知された場合（ステップＳ３０１：Ｎｏ）、制御ＩＣ１０３ｃは、入力電圧Ｖｉｎを変更せずに、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数の制御処理を終了させる。

一方、周波数下限検知回路１０３ｉによって、周波数信号Ｆｓｗが示す動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の下限Ｔ４より低いことが検知された場合（ステップＳ３０１：Ｙｅｓ）、制御ＩＣ１０３ｃは、ＦＢ端子の予め設定された参照電圧を高くして、抵抗１０３ｅ，１０３ｆの間に印加する電圧ＦＢを高くすることにより、入力電圧Ｖｉｎを昇圧して、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を、所定の動作周波数範囲Ｒ１の下限Ｔ４以上に調整する（ステップＳ３０２）。

図４は、本実施形態にかかるスイッチング電源装置におけるスイッチング素子の動作周波数の制御処理の流れの一例を示すフローチャートである。

次に、図４を用いて、負荷側のデバイスの条件により要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流が小さくなった場合における、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数の制御処理の流れの一例について説明する。

ＰＦＣコンバータ１０３の制御ＩＣ１０３ｃの周波数上限検知回路１０３ｈは、ＬＬＣ共振コンバータ１０４の制御ＩＣ１０４ｆから通知される周波数信号Ｆｓｗが示す動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の上限Ｔ３より高いか否かを判断する（ステップＳ４０１）。

周波数上限検知回路１０３ｈによって、周波数信号Ｆｓｗが示す動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の上限Ｔ３以下であることが検知された場合（ステップＳ４０１：Ｎｏ）、制御ＩＣ１０３ｃは、入力電圧Ｖｉｎを変更せずに、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数の制御処理を終了させる。

一方、周波数上限検知回路１０３ｈによって、周波数信号Ｆｓｗが示す動作周波数が、所定の動作周波数範囲Ｒ１の上限Ｔ３より高いことが検知された場合（ステップＳ４０１：Ｙｅｓ）、制御ＩＣ１０３ｃは、ＦＢ端子の予め設定される参照電圧を低くして、抵抗１０３ｅ，１０３ｆの間に印加する電圧ＦＢを低くすることにより、入力電圧Ｖｉｎを降圧して、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数を、所定の動作周波数範囲Ｒ１の上限Ｔ３以下に調整する（ステップＳ４０２）。

このように、本実施形態にかかる電源システムによれば、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流の範囲が大きい場合に、スイッチング素子１０４ａ，１０４ｂの動作周波数が使用可能領域Ｒ０外に調整されることを抑制することができる。その結果、負荷側のデバイスの条件によって要求される出力電圧Ｖｏｕｔまたは負荷電流の範囲が大きい場合でも、トランス１０４ｃの鉄損を抑制し、かつ高効率および高応答性を実現することが可能となる。

本発明の実施形態を説明したが、この実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。この新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。この実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１０１整流回路
１０２平滑化用コンデンサ
１０３ＰＦＣコンバータ
１０３ａ昇圧用コイル
１０３ｂ，１０４ａ，１０４ｂスイッチング素子
１０３ｃ，１０４ｆ制御ＩＣ
１０３ｄ，１０４ｈ，１０４ｉ，１０４ｊダイオード
１０３ｅ，１０３ｆ抵抗
１０３ｇ，１０４ｄ，１０４ｋコンデンサ
１０３ｈ周波数上限検知回路
１０３ｉ周波数下限検知回路
１０４ＬＬＣ共振コンバータ
１０４ｃトランス
１０４ｅ電圧検出部
１０４ｇトランス補助巻線
ＡＣ商用電源

Claims

交流電圧を出力電圧である直流信号に変換するスイッチング電源装置であって、
前記交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路により整流された第一の入力電圧を、第一の出力電圧を監視する回路により第一の参照電圧と比較することで前記第一の出力電圧を制御する昇圧型の第一のスイッチング電源回路と、
前記第一の出力電圧を第二の入力電圧として受け取り、第二の出力電圧を監視する回路により第二の参照電圧と比較することで、前記第二の出力電圧を制御する降圧型の第二のスイッチング電源回路と、を備え、
前記第二のスイッチング電源回路は、動作周波数を制御して、前記第二の出力電圧と前記第二の参照電圧とを所定の関係に制御し、かつ前記動作周波数を監視する監視手段を有し、
前記第一のスイッチング電源回路は、前記監視手段を用いて前記第二の入力電圧を制御して、前記動作周波数を所定の動作周波数範囲内に制御する制御部を有し、
前記所定の動作周波数範囲の下限は、前記第二の入力電圧と前記出力電圧との比が最大となる前記動作周波数を基準として、設定された周波数の分、高い、スイッチング電源装置。
前記制御部は、前記監視手段を用いて前記第二の入力電圧を制御して、前記動作周波数を、前記所定の動作周波数範囲内の１つの参照周波数に制御する請求項１に記載のスイッチング電源装置。
前記制御部は、前記動作周波数が低くなるに従って、前記第二の入力電圧を高くする請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
前記制御部によって前記動作周波数を前記所定の動作周波数範囲内への制御に要する処理時間は、前記第二のスイッチング電源回路による前記動作周波数の制御に要する処理時間より長い請求項１から３のいずれか一に記載のスイッチング電源装置。