JPH04197077A - 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】 産業上の利用分野 本発明は産業用や民生用の電子機器に直流安定化電圧を
供給するスイッチング電源装置に関するものである。

従来の技術 近年、スイッチング電源装置は電子機器の低価格化・小
型化・高性能化・省エネルギー化に伴い、より小型で出
力の安定性が高く高効率なものが強く求められている。

以下に従来のスイッチング電源装置について説明する。

第３図は従来のスイッチング電源装置の構成図を示すも
のでいわゆるマルチ共振電源である。第３図において１
は直流電源で商用の交流電圧を整流平滑することで、も
しくは電池などで構成されるものであり、入力端子２，
２゛に入力電圧を供給し、正端子を入力端子２に接続し
、負端子を入力端子２”に接続している。３はインダク
タンス素子、５はトランスで１次巻線５ａおよび２次巻
線５ｂを育し、９はスイッチ手段で前記インダクタンス
素子３、前記トランス５の１次巻線５　ａ　％前記スイ
ッチ手段９、前記直流電源１が直列回路をなすように接
続されている。１０はダイオードであり、アノードを入
力端子２′にカソードを前記スイッチ手段９と前記トラ
ンス５の１次巻線５ａの接続点に接続し、さらに前記ス
イッチ手段９に並列にコンデンサ１１が接続されている
。トランス５０２次巻線５ｂには並列にコンデンサ１３
か接続され、前記インダクタンス素子３および前記コン
デンサ１１と共振回路を構成する。前記トランス５の２
次巻線５ｂには、整流平滑手段１４か接続され、前記２
次巻線５ｂの両端に誘起される交流電圧を整流平滑し直
流電圧として、出力端子１６．１６’に接続されている
。出力端子１６゜１６゛には負荷１５が接続され電力を
消費する。

１７は制御回路であり、出力端子１６．１６’の電圧を
検出し、スイッチ手段９に印加されるオンオフ信号のパ
ルス幅を変化して出力電圧が一定となるように制御して
いる。

以上のように構成されたスイッチング電源装置について
、第４図を参照して詳しく動作説明を行う。

第４図（ａ）〜（ｄｉは、第３図の従来のスイッチング
電源装置の各部動作波形を示しており、＋ａ＋はインダ
クタンス素子３を流れる電流１３であり、（ｂ）はコン
デンサ１３に印加される電圧ＶＩ３であり、（Ｃ１はコ
ンデンサ１１に印加される電圧Ｖ１１であり、ｉｄｌは
制御回路１７よりスイッチ手段９に印加されるオンオフ
信号ＶＣ９を示している。第４図には、各波形状態の時
間変化を示すためｔ１〜ｔ、の信号を波形に示している
。ｔｌにおいてスイッチ手段９かオンとなると、インダ
クタンス素子３とトランス５により結合されたコンデン
サ１３の共振によりインダクタンス素子３にエネルギー
か蓄積される（図中ｔ１〜ｔ２区間）。次に制御回路１
７０オンオフ信号によりｔ２においてスイッチ手段９が
オフすると、インダクタンス素子３に蓄えられた励磁エ
ネルギーにより、インダクタンス素子３とコンデンサ１
１．コンデンサ１３とにより共振周波数ｆ１は で示すように共振をする（図中ｔ２〜ｔ３区間）。

ここでＬ３はインダクタンス素子３のインダクタンスの
値で、Ｃ１１はコンデンサ１１の容量値、Ｃ１３はコン
デンサ１３の容量値をトランスの１次側に換算した値で
ある。共振により、インダクタンス素子３の電流は反転
され、コンデンサ１１の電荷を放電し、再びスイッチ手
段９の両端の電圧をゼロとして、ダイオード１０をオン
とする（図中ｔ３）。

ダイオード１０がオンの時、スイッチ手段９をオンとす
る（図中１４）とゼロクロススイッチングとなり、ター
ンオンに伴うスパイク電流が流れず、高効率、低ノイズ
のスイッチング電源が実現される。

しかし、このゼロクロスに必要なエネルギーは、直流電
源１．インダクタンス素子３．トランス５の１次巻線５
ａ、　コンデンサ１１からなる共振ループに直流電源１
の電圧およびトランスリセット電圧がコンデンサ１１の
電荷の放電を妨げるように印加されるので、大きな共振
エネルギーが必要になり、共振によりコンデンサ１１即
ちスイッチ手段９に印加される共振電圧のピーク値が大
きくなる。

第３図において前記２次巻線５ｂの極性および整流平滑
回路１４がいわゆるフライバック構成およびフィードフ
ォワード構成等のいかなる構成においても同様な動作と
なる。

発明が解決しようとする課題 しかしながら前記従来の構成では、ゼロクロス条件を維
持するためにスイッチ手段９に印加される共振電圧が大
きくなり、入力電圧の最大値か制限される。また、高耐
圧のスイッチ手段が必要となるという問題点を有してい
た。

本発明は前記従来の問題点を解決するもので、スイッチ
手段に加わる電圧ストレスを低減した最大入力電圧の太
きい、高効率で低ノイスのスイッチング電源装置を供給
することを目的とする。

課題を解決するための手段 この目的を達成するために本発明のスイッチング電源装
置は、入力端子の正端子に第１のインダクタンス素子、
オンオフを繰り返す第１のスイッチ手段、第２のインダ
クタンス素子、トランスの１次巻線、第１のスイッチ手
段に同期してオンオフを繰り返す第２のスイッチ手段、
入力端子の負端子を直列に接続し、前記トランスの１次
巻線と前記第２のスイッチ手段の接続点がアノード、前
記第１のインダクタンス素子と第１のスイッチ手段の接
続点がカソードとなるように第１のダイオード素子を接
続し、前記第１のスイッチ手段と並列に第１のコンデン
サと、第２のダイオードをカソードが前記第１のインダ
クタンス素子と第１のスイッチ手段の接続点に、アノー
ドを前記第２のスイッチ手段と前記１次巻線の接続点に
接続し、第２のスイッチ手段と並列に第２のコンデンサ
と、第３のダイオードをカソードを前記第１のスイッチ
手段と第２のインダクタンス素子の接続点に、アノード
を前記入力端子の負端子に接続Ｌ＝、ＭＨｅ）ランスの
２次巻線に並列に第３のコンデンサを接続し、第３のコ
ンデンサの両端に整流平滑手段を介して出力端子を接続
した構成とするものである。

作用 この構成によって第１のスイッチ手段と第２のスイッチ
手段がオン状態の時に第３のコンデンサとの共振により
第１のインダクタンス素子および第２のインダクタンス
素子に共振エネルギーを蓄え、第１のスイッチ手段およ
び第２のスイッチ手段かオフとなると、共振エネルギー
により第１のインダクタンス素子、第２のインダクタン
ス素子、第１のコンデンサ、第２のコンデンサ、トラン
スにより結合された第３のコンデンサによる直列共振か
開始される。共振により第１のインダクタンス素子およ
び第２のインダクタンス素子に流れる電流が反転し、第
３のコンデンサの両端にトランスのフライバック電圧か
加わる過程において、第１のダイオードかオンとなり、
入力端子に接続される直流電源、第１のインダクタンス
素子、第１のダイオード、第２のコンデンサによる第１
の共振ループと、第１のコンデンサ、第２のインダクタ
ンス素子、トランスにより結合される第３のコンデンサ
、第１のダイオードによる第２の共振ループに分割され
る。第１の共振ループには直流電源の電圧が印加され、
第２の共振ループにはトランスのフライバック電圧が印
加される。

したかってスイッチ素子のゼロクロスを妨げる２つの要
素である直流電源電圧とトランスのフライバック電圧は
２つの共振ループに分割され、各々のループのゼロクロ
ススイッチングに必要な共振エネルギーは小さくなり、
第１のスイッチ手段および第２のスイッチ手段に印加さ
れる共振電圧は小さくなる。

実施例 以下、本発明の一実施例について図面を参照しながら説
明をする。

第１図は本発明の一実施例におけるスイッチング電源装
置の構成を示すものである。第１図において１は直流電
源で、２，２°は入力端子、３は第１のインダクタンス
素子、４は第２のインダクタンス素子、５はトランスで
１次巻線５ａ、２次巻線５ｂを有し、６は第１のスイッ
チ手段、９は第２のスイッチ手段であり、７は第２のダ
イオード、１０は第３のダイオード、１２は第１のダイ
オードであり、８は第１のコンデンサ、１１は第２のコ
ンデンサ、１３は第３のコンデンサであり、１４は整流
平滑手段、１５は負荷であり、１６．１６’は出力端子
である。１７は制御回路であり、前記出力端子１６．１
６’の電圧を一定にするように、前記第１．第２のスイ
ッチ手段６，９のオンオフ信号を制御する。

以上のように構成されたスイッチング電源装置について
、第２図を参照して詳しく説明を行う。

第２図は、動作状態における各部波形でｆａｌは第１の
インダクタンス素子３に流れる電流波形１３であり、（
ｂ）は第２のインダクタンス素子４に流れる電流波形１
４であり、（Ｃ）は第３のコンデンサ１３の両端電圧Ｖ
Ｉ３であり、（ｄ）は第１のコンデンサ８の両端に印加
される電圧ｖ８であり、（ｅ）は第２のコンデンサ１１
の両端に印加される電圧Ｖｌ＋である。

（ｆ＋は第１のダイオード１２を流れる電流１１２であ
り、（ｇ）は第１のスイッチ手段６のオンオフを制御す
る信号ｖｃ６を示しており、ｆｈｌは第２のスイッチ手
段９のオンオフを制御する信号ＶＧ９である。ｔ。

〜ｔ８は動作状態を区別するために示している。第１、
第２のスイッチ手段６と９か同時にオンしている期間（
１＋〜ｔ２）第１のインダクタンス素子３および第２の
インダクタンス素子４に第３のコンデンサ１３との共振
により、励磁エネルギーを蓄える。第１のスイッチ手段
６および第２のスイッチ手段９がオフとなると（オフと
するタイミングは後述する）第１のインダクタンス素子
３、第２のインダクタンス素子４、第１のコンデンサ８
、第２のコンデンサ１１、第３のコンデンサ１３により
決定される共振周波数ｆ２、 ・・・・・・（２） により共振し各部波形は正弦波状に変化する（図中ｔ３
〜ｔ４区間）。ここでＬ３．Ｌ４は第１のインダクタン
ス素子３、第２のインダクタンス素子４のインダクタン
ス値で、Ｃ６，Ｃ１１は第１のコンデンサ８、第２のコ
ンデンサ１１の容量値、Ｃ４，は第３のコンデンサ１３
の容量値を１次側に換算した値である。この共振周波数
ｆ２で決定される共振周期のほぼ１／４周期経過すると
、第３のコンデンサ１３の両端電圧は負となりトランス
５のリセットが開始される。この過程において第１のダ
イオード１２かオンとなり（図中ｔ４）、２つの共振ル
ープに分割される。１つの共振ループは直流電圧源１、
第１のインダクタンス素子３、第１のダイオード１２、
第２のコンデンサ１１の共振ループ＋ａ＋で直流電源１
を含む。もう１つは第１のダイオード１２、第１のコン
デンサ８、第２のインダクタンス素子４、第３のコンデ
ンサ１３による共振ループｆｂ＋でトランス５のリセッ
ト回路となる。

共振ループｆａｔにおいては、共振周波数ｆ３で共振し
、第１のダイオード１２を通して第２のコンデンサ１１
の電荷を放電する。この時共振ループ内にトランス５の
リセット電圧が含まれず、安定した蓄積電荷の放電が行
われる（図中ｔ４〜ｔｓ）。

共振ループｆｂｌにおいては、共振周波数ｆ４、により
共振し第１のコンデンサ８の蓄積電荷を第１のダイオー
ド１２を通して放電する（図中ｔ、〜ｔ５区間）。この
共振ループｆｂｌには、直流電源１には含まれない。こ
の共振区間（ｔ３〜１４）において第１のコンデンサ８
および第２のコンデンサ１１の蓄積エネルギーのほとん
とか放出されるため、第２のスイッチ手段９のゼロクロ
ススイッチングに必要な第１のインダクタンス素子３に
蓄えられる共振エネルギーはほぼ（１／　２）　ＣＩＩ
Ｖ　ｌ！、２で小さく第２のコンデンサ１１に印加され
るピーク電圧は入力電圧の約２倍となる。但し〜’１１
、は直流電源１の電圧である。第２のインダクタンス素
子４に蓄えられるエネルギーは、トランス５に誘起され
るフライバック電圧のピーク値を〜’ＦＢとするとほぼ
（１／　２　）　Ｃ６Ｖｐｅ２の共振エネルギーで良い
ため、第１のスイッチ手段６に印加される電圧ストレス
は小さい。

ｔ５において第１のダイオード１２がオフしても第１の
コンデンサ８および第２のコンデンサ１１の蓄積電荷は
放電され続け、第２のコンデンサ１１と第３のコンデン
サ１３に印加される電圧はゼロとし、第２のダイオード
７および第３のダイオード１０かともにオンとなる（図
中ダイオード７はｔ６でオン、ダイオード１ｏはｔ５で
オン）。但しオンする順番は共振周波数の設定や負荷条
件により異なるか基本的な動作は同しである。第２のダ
イオード７と第３のダイオード１０がオンの時、第１の
スイッチ手段６および第２のスイッチ手段９をオンとし
ゼロクロススイッチングとなる（図中１．）。第１のス
イッチ手段６および第２のスイッチ手段９かオンとなる
と第１のインダクタンス素子３と第２のインダクタンス
素子４、第３のコンデンサ１３との共振が開始される。

これを繰り返す。

第１のスイッチ手段６および第２のスイッチ手段９をオ
フとするタイミングはオフ時間か、式（２）１式（３）
１式（４）の共振周波数で振動する第２のコンデンサ１
１と、第３のコンデンサ１３に印加される共振電圧か再
び０〜ｒとなった後オンするように設定する。

整流平滑手段１４は第３のコンデンサ１３の両端電圧を
平滑整流して、負荷１５に直流電圧を供給する。第１図
において前記２次巻線５ｂの極性および整流平滑回路１
４かいわゆるフライバンク構成およびフィードフォワー
ド構成などいかなる構成においても同様な動作となる。

以上のように本実施例によれば、共振ループを分割する
ことによりスイッチ手段に印加される共振電圧のピーク
値を小さくすることができる。

発明の効果 以上のように本発明は、第１のダイオードによって分割
される直流電源を含む電圧共振ループと、トランスを含
む電圧共振ループを用いることによって２つのスイッチ
手段のゼロクロススイッチングを行い、各々の共振エネ
ルギーは各ループにある第１のインダクタンスと第２の
インダクタンスのトランスによって結合された第３のコ
ンデンサとによる共振によって得られるようにしたスイ
ッチング電源装置で、トランスの磁束のリセットを行う
共振と入力電圧源を含む共振とか互いに干渉せず安定し
て行われ、スイッチ手段のゼロクロススイッチングが実
現でき、低ノイズ７高効率のスイッチング電源装置を供
給できる。また同時に各々の共振エネルギーが分割され
ることにより、スイッチ手段に印加される共振電圧を小
さくでき、耐圧の小さなスイッチ素子を用いることがで
きるため、さらに高効率となる。また入力電圧を大きく
することができ、入力電圧の広い、高効率、低ノイズの
スイッチング電源装置を実現できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例におけるスイッチング電源装
置の回路図、第２図は本発明の第１図の回路構成の動作
波形図、第３図は従来のスイッチング電源装置の回路構
成図、第４図は従来の第３図の回路構成の動作波形図で
ある。 １・・・・・・直流電源、２，２゛・・・・・・入力端
子、３・・・・・・第１のインダクタンス素子、４・・
・・・・第２のインダクタンス素子、５・・・・・・ト
ランス、６・・・・・・第１のスイッチ手段、７・・・
・・・第２のダイオード、８・・・・・・第１のコンデ
ンサ、９・・・・・・第２のスイッチ手段、１０・・・
・・・第３のダイオード、１１・・・・・・第２のコン
デンサ、１２・・・・・・第１のダイオード、１３・・
・・・・第３のコンデンサ、１４・・・・・・整流平滑
手段、１５・・・・・・負荷、１６．１６′・・・・・
・出力端子、１７・・・・・・制御回路。 第１図 ！−−−直シ九を源　　　　　　　　　ｌθ−−一葛３
のり゛イオード２．２’−−−入力端子　　　　　　　
７ノーーー笛２のコンテ〜／す３−−ｍ１／のインタ１
クタノス　　　　１２−−−″蓼ｆのダイオード４−−
−＄２のインタ１クタノス　　　／３−［３のコノテノ
サ５−１−ラ／ス　　　　　　　　　　　１４−−一贅
、丸平ン骨手段６−−−％　／　のスイ−／＋＋Ｒ１５
−−−１ｔｒ７−−−　＃　２　）９−４オー１−７６
、／ｇＬ−ＲＩＪ）１８−−一葛ｌのコ／テ”／ザ　　
　　　１７一−−制御回路９−８２のスイ・ゾチ手段 第２図 第３図 ／ｌ 第４図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 直流電源に入力端子の正端子、第１のインダクタンス素
   子、オンオフを繰り返す第１のスイッチ手段、第２のイ
   ンダクタンス素子、トランスの１次巻線、第１のスイッ
   チ手段に同期してオンオフを繰り返す第２のスイッチ手
   段、前記入力端子の負端子を直列に接続し、第１のダイ
   オードを前記トランスの１次巻線と前記第２のスイッチ
   手段の接続点がアノード、前記第１のインダクタンス素
   子と第１のスイッチ手段の接続点がカソードとなるよう
   に接続し、前記第１のスイッチ手段と並列に第１のコン
   デンサ、前記第２のスイッチ手段と並列に第２のコンデ
   ンサを接続し、第２のダイオードをカソードが前記第１
   のインダクタンス素子と前記第１のスイッチ手段の接続
   点に、アノードが前記第１のスイッチ手段と第２のイン
   ダクタンス素子の接続点に接続し、第３のダイオードを
   アノードが前記入力端子の負端子、カソードが前記トラ
   ンスの１次巻線と第２のスイッチ手段の接続点となるよ
   うに接続し、前記トランスの２次巻線に並列に第３のコ
   ンデンサを接続し、前記第３のコンデンサの両端に整流
   平滑手段を介して出力端子を接続したスイッチング電源
   装置。