JPH01248961A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の目的］ （産業上の利用分野） 本発明は入力電圧範囲の拡大を図ったスイッチング電源
装置に関する。

（従来の技術） 第３図にリンギングチョークコンバータ一方式のスイッ
チング電源装置の回路例を示した。ここで、トランス１
は一次巻線１ｐに次巻線１ｓ及び帰還用巻線１ｂを有し
ている。その一次巻線１ｐはスイッチング用のトランジ
スタ２のコレクタ・エミッタ間を介して直流電源３に接
続され、二次巻線１ｓは整流用のダイオード４を介して
コンデンサ５及び負荷６に接続されている。そして、帰
還用巻線１ｂはトランジスタ２のベース◆エミッタ間に
抵抗７及びコンデンサ８を介して接続されていて、誘起
電圧によりトランジスタ２に正帰還をかけるようになっ
ている。

動作原理を簡単に述べるに、今、トランジスタ２がオン
状態にあるとすると一次巻線１ｐに流れるコレクタ電流
は略直線的に増大してゆく。この場合に、二次巻線１ｓ
には矢印で示す方向に誘起電圧ｅ２が生じているが、ダ
イオード４が逆バイアスとなっているので、二次電流は
流れない。−方、帰還用巻線１ｂにはコレクタ電流の増
大率に応じた電圧ｅ３が誘起され、これに基づきトラン
ジスタ２のベース電流が供給されているが、コレクタ電
流の増大率ひいては誘起電圧ｅ３は略一定であるから、
トランジスタ２のコレクタ電流の増大により電流増幅率
ｈｆ’ｏの制約等から相対的にベース電流不足となると
トランジスタ２は能動領域に移行する。すると、コレク
タ電流の増大率が直ちに抑えられて誘起電圧ｅ３が低下
するため、ますますベース電流不足となってトランジス
タ２は急速にオフに転する。このようにしてトランジス
タ２がオフすると、二次巻線１ｓにこれまでとは逆向き
の誘起電圧ｅ″２が発生し、ダイオード４が順バイアス
となるため、ダイオード４がオンしてコンデンサ５を充
電しつつ負荷電流ＩＬが流れる。次いで、誘起電圧ｅ”
２が十分に小さくなってダイオード４がオフすると、帰
還用巻線１ｂに現われる誘起電圧ｅ３によりトランジス
タ２にベース電流が供給されて再びトランジスタ２がオ
ンする。以下、このようなトランジスタ２のオンオフが
繰返され、トランジスタ２のオン時に直流電源３から一
次巻線１ｐに蓄えられたエネルギーがトランジスタ２の
オフ時に二次巻線１ｓから放出されるという動作が反復
される。尚、定電圧ダイオード９はトランジスタ２のコ
レクタ電流の増大期間中にオンしてベース電流をバイパ
スさせることによりトランジスタ２をオフさせ、もって
一次巻線への蓄積エネルギーを制限して出力電圧Ｖ。

を定電圧化する機能を６する。

（発明が解決しようとする課題） しかしながら、上記構成では、直流電源３の電源電圧（
スイッチング電源装置への入力電圧ＶＩｎ）が低下する
と、一次巻線１ｐに蓄えられるエネルギーが減少して出
力電圧Ｖｏが低下し、スイッチングレギュレーターは正
常な動作を行なわなくなってしまう。因みに、実験によ
れば、この種の電源装置は入力電圧Ｖｉｎは設計値に対
し±２０％程度の変動許容幅しかないことが確められて
いる。このため、直流電源３として電圧変動が極めて大
きい太陽電池等が使用されるときには、安定的な電力供
給が困難になり、例えば電圧低下を補償するためには昇
圧トランス等を設ける必要があった。

そこで、本発明の目的は、入力電圧が大きく変動した場
合でも安定的な動作が可能であって電圧変動の補償用の
トランス等を不要にできるスイッチング電源装置を提供
するにある。

［発明の構成］ （課題を解決するための手段） 本発明のスイッチング電源装置は、トランスの一次巻線
にタップを設けると共に、直流電源の電圧を検出してこ
れが所定値以下のときにその直流電源が前記タップに接
続されるようにしたところに特徴を有するものである。

（作用） 一般に巻線に蓄えられるエネルギーＷは、その巻線の自
己インダクタンスをり、電流を１とすると次式にて表わ
される。

Ｗ−Ｌｌｌ／２　　　　　　　　　・・・・・・（１）
また、自己インダクタンスしに流れる電流値■は、電圧
をｖ１オン時間をＴｏｎとすると、電流変化は直線的で
あり、次式にて表わされる。

１−Ｔｏｎ−Ｖ／Ｌ　　　　　　　　・・・・・・（２
）従って、上２式から、蓄積エネルギーＷは次式の通り
となる。

Ｗ　−（Ｖ−Ｔｏｎ）　”　／２Ｌ　　　　−（３）と
ころで、一般に自己インダクタンスしは巻線の巻数Ｎの
２乗に比例する。従って、比例定数をに１とすれば、巻
線に蓄積されるエネルギーＷは次式により表わされる。

Ｗ＝　（Ｖ−Ｔｏｎ／に−Ｎ）”　　・１／２　−　（
４）即ち、電圧Ｖが低下したときには巻数Ｎを同様の割
合にて減少させれば、巻線への蓄積エネルギーひいては
巻線から放出されるエネルギーを同一に維持することが
できるのである。

本発明は斯かる点に着目してなされたもので、上記手段
のように直流電源を電圧が所定値以下のときには一次巻
線のタップに接続するようにしたから、電圧Ｖの低下に
もかかわらずそれに応じて一次巻線の巻数Ｎが減少する
ことになり、一次巻線への蓄積エネルギーを十分に確保
できるようになる。

（実施例） 以下本発明の一実施例につき第１図及び第２図を参照し
て説明する。

出カドランス１１は一次巻線１１ｐに次巻線１１ｓ及び
帰還用巻線１１ｂの３つの巻線を備える。一次巻線１１
ｐの一方の口出し線は例えば太陽電池等の直流電源１２
の正側端子に接続され、他方の口出し線はスイッチング
用のトランジスタ１３のコレクタ・エミッタ間を介して
直流電源１２の負側端子に接続されている。また、この
一次巻線１１ｐにはタップｌｉｔが設けられ、これが常
開形のリレースイッチ１４を介して直流電源１２の正側
端子に接続され得るようになっている。

従って、一次巻線１１ｐはリレースイッチ１４の開閉に
応じて実質的に巻数を異ならせることができる。また、
二次巻線１１ｓの両端には整流用のダイオード１５及び
コンデンサ１６が直列接続され、コンデンサ１６には負
荷１７が並列接続されて負荷１７に直流電力が供給され
るようになっている。

一方、帰還用巻線１１ｂの図示極性の口出し線は抵抗１
８及びコンデンサ１９を順に介してトランジスタ１３の
ベースに接続され、他方の口出し線は直流電源１２の負
側端子に接続されている。

そして、両口出し線間にはコンデンサ２０及びダイオー
ド２１の直列回路が設けられてトランジスタ１３がオフ
したときに帰還用巻線ｆｌｂに生ずる誘起電圧によりコ
ンデンサ２０が充電されるようになっている。また、上
記コンデンサ２０には並列に放電抵抗２２が設けられる
と共に、コンデンサ２０とトランジスタ１３のベースと
の間には図示極性の定電圧ダイオード２２が設けられて
いて、ベース電位が所定値を越えたときに定電圧ダイオ
ード２２がブレークオーバーしてトランジスタ１３のベ
ース電流がバイパスされるようになっている。

さて、前記直流電源１２の正負両分線間には抵抗２３．
２４を直列接続してなる電源電圧検出回路２５が設けら
れ、両抵抗２３．２４間から電源電圧に比例した検出電
圧Ｖｄを電圧比較回路２６に出力するようになっている
。その電圧比較回路２６は比較器２７を備え、抵抗２８
及び定電圧ダイオード２９にて定電圧化して可変抵抗器
３０にて調節可能とされた基準電圧Ｖ　ｒｅｆ’と前記
検出電圧Ｖｄとを比較し、検出電圧Ｖｄが基準電圧Ｖｒ
。

ｒを下回ったときに比較器２７の出力端子をローレベル
に落とす。そして、比較器２７の出力端子はインバータ
回路３１を介して前記リレースイッチ１４のための励磁
コイル３２に接続されており、検出電圧Ｖｄが基準電圧
Ｖ　ｒｅｆ’を下回ったときに（Ｖ　ｄ　＜　Ｖ’ｒｅ
ｆ’）、励磁コイル３２に通電してリレースイッチ１４
を閉成させるようになっている。

尚、図中３３はトランジスタ１３に起動用のベース電流
を供給するための抵抗である。

上記構成の動作を説明する。起動時には、まず抵抗３３
を介して直流電源１２からトランジスタ１３にベース電
流が供給され、これにより一次巻￥ｊＡ　１１　ｐにコ
レクタ電流が流れ始める。すると、帰還用巻線１１ｂｌ
：電圧が誘起され、これに基づきトランジスタ１３への
ベース電流が供給されるため、トランジスタ１３は正帰
還がかかって飽和状態となり、コレクタ電流は益々増大
する。このとき、二次巻線１１ｓにも誘起電圧が発生す
るが、ダイオード１５が逆バイアスになっているから、
二次電流は流れず、このため一次側はインダクタンス分
だけとなっでコレクタ電流は略直線的に増大する。従っ
て、帰還用巻線１１ｂの誘起電圧ひいてはトランジスタ
１３のベース電流は略一定であり、このためトランジス
タ１３の電流増幅率ｈｒｏが略一定の条件下では、コレ
クタ電流の増大によりトランジスタ１３は次第に能動領
域に移行する。そして、−旦トランジスタ１３が能動領
域に移行してコレクタ電流が抑えられると、これにとも
ない帰還用巻線１１ｂの誘起電圧ひいてはトランジスタ
１３のベース電流が減少するため、ますますコレクタ電
流が抑えられ、結局、トランジスタ１３は瞬時にオフ状
態に転する。すると、今度は二次巻線１１ｓにダイオー
ド１５にとって順方向となる電圧が誘起されるため、ダ
イオード１５がオンに転じてコンデンサ１６を充電しつ
つ負荷電流が流れる。この負荷電流は、一次巻線ｌｉｐ
に流れたコレクタ電流によってトランス１１に蓄えられ
たエネルギーが二次巻線１１ｓから放出されたものであ
り、これが次第に減少してダイオード１５がオフすると
、帰還用巻線１１ｂに誘起される電圧に基づきトランジ
スタ１３に再びベース電流が供給され、起動時と同様に
トランジスタ１　′３がオン状態となる。以下この様な
トランジスタ１３のオンオフが繰返され、直流電源１２
からト）ンス１１の一次側に与えられたエネルギーが二
次側から負荷１７に与えられるようになる。

このとき、帰還用巻線１１ｂに誘起される電圧と、二次
巻線１１ｓに誘起される電圧（出力電圧Ｖｏに対応する
）とは両巻線の巻数比に応じて一義的に定まるものであ
り、従ってコンデンサ２０の端子電圧Ｖｃは出力電圧Ｖ
ｏに比例する。そして、出力電圧Ｖｏの上昇に併せてコ
ンデンサ２０の端子電圧Ｖｃが上昇し、定電圧ダイオー
ド２２がブレークオーバーするような電圧になると、ト
ランジスタ１３のベース電流は定電圧ダイオード２２を
通してバイパスされるようになるため、トランジスタ１
３は早期にオフに転する。この結果、トランジスタ１３
のコレクタ電流が十分に上昇しないうちにこれが遮断さ
れるから、一次巻線１１ｐに蓄積されるエネルギーが少
なくなって出力電圧Ｖｏが低下するものであり、これに
て出力電圧Ｖｏが定電圧に維持される。

さて、例えば直流電源１２が太陽電池等の場合にはその
出力電圧（スイッチング電源装置への入力電圧Ｖｌｎ）
は相当に大きく変動する。その入力電圧Ｖｌｎが定格値
に近いとき、電圧比較回路２６の比較器２７の出力端子
はハイレベルにあって励磁コイル３２は断電されている
から、リレースイッチ１４は開放しており、一次巻線１
１ｐの全巻数は有効である。ところが、入力電圧Ｖ１ｎ
が低下して電圧検出回路２５の“検出電圧Ｖｄが低下す
ると、これが基準電圧Ｖ　ｒｏｔ’を下回ったところで
電圧比較回路２６により励磁コイル３２が通電される。

この結果、リレースイッチ１４が閉じてタップｌｉｔが
直流電源１２の正側母線に接続され、一次巻線ｌｉｐの
巻数が実質的に少なくなる。

既に述べたように、一次巻線１１ｐに蓄積されるエネル
ギーひいては二次巻線１１ｇから放出されるエネルギー
は、旧式（４）がら明らかなように、入力電圧Ｖ１ｎが
低下したとき、それに併せて一次巻線の巻数を減少させ
れば、一定に維持される筈である。そこで、これを本実
施例に即して更に詳細に述べると、次のようになる。

この種の回路における発振周波数ｆは次式により表わさ
れる。

ｆ−Ｖｉｎ”　　・η・Ｄｔ”　／２Ｐ−Ｌ　　−・−
・（５）ここで、ηは電力変換効率、Ｄｔはトランジス
タ１３のデユーティ−比、Ｐは出力電力、Ｌは一次巻線
の自己インダクタンスである。

また、一次巻線ｌｉｐの巻数をＮｐ帰還用巻線１１ｂの
巻数をＮｂ、定電圧ダイオード２２のツェナー電圧をＶ
Ｚとすると、トランジスタ１３のデユーティ−比Ｄｔは
次式により表わされる。

そこで、仮にタップｌｉｔが一次巻線１１ｐの半分の巻
数部分から導出されているとすれば、リレースイッチ１
４のオフ時の巻数をＮｐ１オンオフ巻数をＮｐ’として
、 Ｎｐ−２Ｎｐ’　　　　　　　　　　・・・・・・（７
）である。

また、自己インダクタンスは巻数の２乗に比例するから
、リレースイッチ１４のオフ時における一次巻線１１ｐ
の自己インダクタンスをＬｐ１オン時におけるそれをＬ
ｐｏとすれば、 Ｌｐ−４Ｌｐ’　　　　　　　　　　・・・・・・（８
）となる。

従って、上式（７）及び（８）の条件としておけば、リ
レースイッチ１４のオフ時における入力端子をＶｌｎと
したときオン時における入力電圧ＶＩｎ−がＶｌｎ−−
Ｖｌｎ／２となったときにリレースイッチ１４が閉じて
タップ切換が行われれば、前式（６）からトランジスタ
１３のデユーティ−比Ｄｔはほとんど変化しないことが
ゎがる。また、その場合、電力変換効率ηはほとんど変
化しないので、発振周波数ｆも旧式（５）からほとんど
変化しない。従って、トランジスタ１３のオン時間Ｔｏ
ｎもリレースイッチ１４の開閉状態にかかわらず、略一
定となる。

そこで、各々の場合に一次巻線１１ｐに与えられるエネ
ルギーＷ、Ｗ−を求めると、次の各式の通りとなり、互
いに等しいことが明らかである。

以上より、第２図に示すように、リレースイッチ１４が
オフのときには入力電圧Ｖ１ｎを中心に±ΔＶの範囲で
回路が正常に動作し、リレースイッチ１４がオンのとき
には入力電圧Ｖｌｎ″を中心として±ΔＶ′の範囲で回
路が正常に動作することになる。これにて、リレースイ
ッチ１４を切換えるための基準電圧Ｖ　ｒａｔを適当に
選定することにより、動作電圧範囲を大幅に拡大するこ
とができるものである。

尚、上記実施例では入力電圧Ｖｉｎの低下時にタップ切
換を行なうように構成したが、入力端子Ｖ１ｎが定格値
よりも上昇したときには、一次巻線の巻数を増大させる
ようにタップ切換を行なう構成としてもよいことは勿論
である。

［発明の効果］ 以上述べたように、本発明は一次巻線への蓄積エネルギ
ーが入力電圧と巻数との比に比例することに着目し、ト
ランスの一次巻線にタップを設け、直流電源の電圧が所
定値以下のときにはタップ切換、を行なうようにしたか
ら、広範囲の入力電圧に対応であるという優れた効果を
奏するものである。

【図面の簡単な説明】

第１図及び第２図は本発明の一実施例を示し、第１図は
全体の回路図、第２図は許容入力電圧の範囲を示すグラ
フ、第３図は従来例を示す第１図相当図である。 図面中、１１はトランス、１１ｐは一次巻線、１１ｓは
二次巻線、ｌｌｂは帰還用巻線、１２は直流電源、１３
はスイッチング用のトランジスタ、１４はリレースイッ
チ、２５は電圧検出回路、２６は電圧比較回路である。 代理人　弁理士　　則　近　憲　佑 同　　　　　　第　　子　　丸　　健 第　３　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １、一次巻線、二次巻線及び帰還用巻線を有するトラン
   スと、オン状態時に直流電源から前記一次巻線を通じて
   コレクタ電流が供給されると共に前記帰還用巻線を通じ
   てベース電流が正帰還されるスイッチング用のトランジ
   スタとを備え、そのトランジスタのオン時に前記一次巻
   線に蓄えられたエネルギーをそのトランジスタのオフ時
   に前記二次巻線から放出するように構成されたものにお
   いて、前記一次巻線にタップを設けると共に、前記直流
   電源の電圧を検出してこれが所定値以下のときに前記直
   流電源が前記タップに接続されるようにしたことを特徴
   とするスイッチング電源装置。