JPH04264A - 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〕 直流入力電圧を交流に変換するスイッチング周波数が固
定で、直列共振周波数を制御する方式の電流共振形スイ
ッチング電源装置に関し、特に、直流出力電圧または接
続される負荷の変動特性が多種に亘り、かつ総合の負荷
電力を大きくとる必要があるスイッチング電源装置に関
する。

〔発明の概要〕

本発明は、直流入力電圧を交流に変換するスイッチング
周波数が固定で、直列共振回路の共振周波数を制御する
共振形コンバータを有するスイッチング電源装置におい
て、前記直列共振回路を、共振条件が互いに同様となる
複数の直列共振回路に分割し、該分割されたそれぞれの
直列共振回路をそれぞれ別個の電源出力制御トランスと
、それぞれ別個のキャパシタとから成し、互いに並列接
続し、それぞれ別個に共振周波数を制御するように構成
したことを特徴とするスイッチング電源装置である。

これにより電源出力制御トランスが小形で発熱が少なく
製造しやすくなり、さらに電力変換効率が高く、負荷ま
たは交流大刀電圧変動の相互影響が小さく安定な定電圧
が得られるスイッチング電源装置が得られる。

〔従来の技術］ 直流入力電源をスイッチング制御し、電源比カドランス
等を介して所望の定電圧出力を得るようなスイッチング
電源装置は種々知られている。中でも、近年は共振回路
を設けて電流波形又は電圧波形を正弦波状にし、電流又
は電圧がゼロになる付近でス仁ンチングすることによっ
て、スイッチのターンオン、ターンオフ時に生じるスイ
ッチングロスを減らす方式をとる共振形スイッチング電
源装置が、高効率化による発熱減少、高周波化による小
型軽量化等の見地から注目されている。

かかる共振形スイッチング電源装置としては、例えば本
出願人が先に特開昭６１−９４５６６等に、可飽和リア
クタトランスを用い、電源比カドランスの二次側からの
出力電圧に応して一次側直列共振インビーダンスを制御
し、動Ｍ！電流を制御することによって出力電圧を安定
化するようなスイッチング電源装置を提案した。さらに
、本出願人は特開昭６２−６４２６６において、電源比
カドランスの共振インピーダンスを一定とし、二次側の
出力電圧に応じてスイッチング周波数を可飽和リアクタ
トランスを用いて制御する方式も提案している。

第３図、第４図はそれぞれ本出願人による最近のスイッ
チング電源装置で、スイッチング周波数が固定で直列共
振周波数を制御する方式の電流共振形コンバータを有す
るスイッチング電源装置の例である。まず、第３図のス
イッチング電源装置について説明を行う。

商用交流入力電源をダイオードブリッジで整流し、平滑
して得た直流入力電圧Ｅ１をスイッチングトランジスタ
Ｑ、　、Ｑ、とＱ、　、Ｑ、とを有して構成されるスイ
ッチング回路に供給し、交流（高周波）電圧を発生して
いる。そのスイッチング周期は、スイッチングトランジ
スタＱ、　、Ｑｚ、Ｑｌ、Ｑ４のベース電流を駆動する
ためのコンバータドライブトランス（ＣＤＴ）の二次巻
線のインダクタンスと、該インダクタンスに直列接続さ
れたキャパシタＣＢの容量とによって与えられる周期で
ある。

このスイッチング回路は、キャパシタＣ８と電源出力制
御トランス（ＰＲＴ）の−次巻線のインダクタンスとで
構成される直列共振回路に接続されている。そして、Ｐ
ＲＴの一次巻線のインダクタンスとキャパシタｃ１のキ
ャパシタンスとで与えられる直列共振周波数が前記スイ
ッチング周波数と合致したときに最大の負荷をとり出し
うる構成としている。ＰＲＴの二次巻線には整流回路を
接続し、所望の直流出方電圧Ｅ。が取り出しうるように
している。

次に、この回路の動作をさらに詳しく述べる。

まず、スイッチングトランジスタＱ、と。４がオン状態
のとき、直流入力電圧Ｅ１はスイッチングトランジスタ
Ｑ、のコレクタ→Ｑ、エミッタ→コンへ−タドライブト
ランス（ＣＤＴ）の−次巻線ＮＲ→キャパシタｃ１→電
源出方制御トランス（ＰＲＴ）の−次巻線Ｎ、→スイッ
チングトランジスタＱ４のコレクタ→Ｑ４エミッタ→基
準電位（アース）の順に流れる。

スイ・ンチングトランジスタＱ２とＱ、とがオン状態の
とき、直流入力電圧Ｅ＋　はスイッチングトランジスタ
Ｑ、のコレクタ→Ｑ、エミッタ→電源出力制御トランス
（ＰＲＴ）の−次巻線Ｎ、→キャパシタＣ，−＋ＣＤＴ
の一次巻線ＮＲ→スイッチングトランジスタＱ、のコレ
クタ→Ｑ２エミンタ→基準電位の順に流れる。

以上に述べた電流の流れによって、直列共振回路を構成
するキャパシタＣ８の充放電時のいずれも平滑コンデン
サＣＰから電流供給されるので、フルブリッジ形のスイ
ッチング回路となっている。

この回路は、直流入力電圧Ｅ、を得て直列共振回路の電
流共振によって正弦波状の出力電流を電源出力制御トラ
ンスに供給しているので、電流共振形コンバータとなっ
ている。

ところで、前記電源出力制御トランスは、電源比カドラ
ンスの一次巻線及び二次巻線の他に制御巻線を設け、該
制御巻線に直流の制御電流を流すことによって一次及び
二次巻線のインダクタンスを制御できる構造のトランス
である。このような制御が可能なトランスとしては可飽
和リアクタトランスが知られており、例えば断面が方形
の角の位置に配された４本の磁脚を有するフェライトコ
アに一次及び二次巻線と制御巻線とが互いに直交する向
きに巻き回してなる直交結合形フェライトトランスを用
いることを、本出願人が提案している。

そして、直流出力電圧Ｅ０の変動を検出して制御巻線に
直流の制御電流を流すことによって、コア内に直流の磁
化力を与えて交流磁束に対する等測的な透磁率を変化さ
せて直列共振周波数を制御し、前記スイッチング周波数
と直列共振周波数とのずれを制御して、定電圧出力を得
るようにしている。

次に、第４図に示す直列共振形スイッチング電源装置の
他の例について述べる。第４図の装置は、第３図の装置
に比べて、出力電圧が多種類に亘り、総合の出力電力が
大きくなっている。例えば、負荷電力として１５０Ｖｘ
０．８Ａ＝１２０ｗ、７５Ｖ　Ｘ　Ｏ，８Ａ＝６０Ｗ、
＋３０Ｖ　ｘ２Ａ＝１２０Ｗ　、＋１５Ｖ　ｘ２Ａ、６
ｏＷ、７ＶＸ２Ａ＝１４Ｗ、＋３３Ｖ　Ｘ２．３Ａ＝１
６１Ｗ　テ、総計５３５Ｈニオヨぶ多種出力電圧かつ大
電力のスイッチング電源装置である。

この種の電源装置は、大形カラーテレビ受像機などで必
要となるものである。

そのため、第４図においては第３図に比べて、電源出力
制御トランスの一次巻線の電流容量を増やすとともに二
次巻線の巻線数と出力端子数を増やしている。また、電
源出力制御トランスの構造上、巻線数や端子数に限界が
あるため、第４図では±３５Ｖ電源は７５Ｖ電源用の二
次巻線から取り出して別途電源出カドランス（ＰＯＴ）
を追加している。

このようにして多電圧出力で電力変換効率９０％程度の
高能率の大形のスイッチング電源装置を得ることができ
るが、いくつかの解決すべき問題をかかえている。

第１に、電源出力制御トランス（ＰＲＴ）の−次巻線Ｎ
、に流れる正弦波状の直列共振電流■。

は例えば前記の例では２０Ａｐ−ｐになるため、ＰＲＴ
の一次巻線Ｎｌは例えば６０μＩＩ／１３０束のリンツ
線を３本並列に巻装しなければ発熱が押さえられず、ま
た、二次巻線も巻線数が多く、ＰＲＴが大形化し、重量
増加となる問題がある。また、かかるＰＲＴは製造が困
難となる問題がある。

第２に、ＰＲＴの定電圧制御は、ある一つの出力電圧の
誤差を減らす方向の制御を行うことになるが、例えば７
５Ｖの定電圧制御をしても、他の電圧に接続された負荷
が独立に変動する場合には制御不十分となるだけでなく
、他の出力電圧の変動が相互に影響を及ぼすクロスレギ
ユレーションが悪化する問題がある。この問題は、特に
大形カラーテレビ用電源の場合には、偏向系高圧系の１
５０ｖと、ビデオ出力用７５Ｖと音声出力用±３５Ｖと
が独立して負荷変動するため、例えばビデオ出力用７５
Ｖを定電圧化しても、別途フィルタやローカルレギュレ
ータを追加する必要が生じる場合がある。

第３に、ＰＲＴの二次側主巻線を介してＰＯＴから１６
１Ｗの負荷（特に負荷変動が大きい音声出力用の負荷）
を供給せざるを得ないことになったため、電力変換効率
が低下し、電力損失（発熱）のため信顛性低下をもたら
す問題が生じている。

〔発明が解決しようとする課題〕

本発明においては、従来技術のかかえる諸問題を解決し
、電圧または電流変動特性の異なる多種の負荷に接続で
き、かつ総合の負荷電力を大きくとれ、高効率と小形化
とを兼ね備えた電流共振形スイッチング電源装置を得る
ことを課題とする。

〔発明を解決するための手段〕

本発明においては、電源出力制御トランスの一次巻線と
キャパシタとで構成される直列共振回路の共振周波数を
制御する共振形コンバータを有するスイッチング電源装
置において、前記直列共振回路を、共振条件が互いに同
様な複数の直列共振回路に分割し、該分割されたそれぞ
れの直列共振回路をそれぞれ別個の電源出力制御トラン
スと、それぞれ別個のキャパシタとから成し、互いに並
列接続し、それぞれ別個に共振周波数を制御するように
構成したことを特徴とするスイッチング電源装置とする
。

〔作用］ 本発明により、固定のスイッチング周波数に対して分割
された直列共振回路ごとに共振周波数を制御してそれぞ
れの共振電流を制御するようになるので、それぞれ小電
力の電源出力制御トランスで、それぞれ少数の出力電圧
を供給すれば良くなる。

このため、それぞれの電源出力制御トランスは発熱が減
少し、小形で良く、巻線数も減り、端子数も少なくなる
。また、キャパシタも小容量で小形で良くなる。そのた
め、全体として小形化され製造も容易となる。

また、それぞれの電源出力制御トランスごとにそれぞれ
の出力電圧を定電圧化するので、それぞれの出力電圧に
他の負荷または交流入力電圧変動が大幅に改善される。

さらに、別個に他の電源出カドランスを介することなく
全ての所望の出力電圧を得られるため、従来他の電源出
カドランスを介して出力した電圧についても定電圧化さ
れ、電力変換効率も向上する。

なお、本発明において、前記共振形コンバータの直列共
振回路のみを分割して並列接続したが、前記共振形コン
バータ全体を複数接続する場合（例えば第３図のスイッ
チング電源装置を複数備える場合）に比べれば、全体と
してはるかに小形軽量にまとまるのみならず、信顛性や
不要輻射のシールド面でも秀れていることは自明である
。

〔実施例〕

本発明の実施例について、第１図に示す本発明の実施例
の要部回路図に従って説明する。

第１図において、第４図と比較して共通する部分の回路
（商用交流電源の整流及び平滑回路、スイッチングトラ
ンジスタのドライブ回路）について省略してわかりやす
く示している。例えば、第１図のスイッチング回路のト
ランジスタＱ、　、Ｑ２の出力側に示したに点とＬ点と
の間にコンバータドライブトランス（ＣＤＴ）の−次巻
線Ｎ、ｌを挿入すれば、第４図のドライブ回路がそのま
ま使用できる。もちろん、他のドライブ回路を用いるこ
ともできる。そして、そのドライブ回路で規定される時
定数による固定のスイッチング周波数の交流を発生し、
そのスイッチング回路に並列接続された例えば３つの直
列共振回路が、それぞれ前記スイッチング周波数に等し
くなったとき、それぞれの電源出力制御トランスＰＲＴ
−１、ＰＲＴ−２、ＰＲＴ−３から、それぞれ最大出力
が得られる構成としている。

例えば、ＰＲＴ−１、ＰＲＴ−２、ＰＲＴ−３のそれぞ
れの制御巻線Ｎ（１，Ｎ（２、Ｎｃｆｆに、それぞれ最
大の直流制御電流を流したときにそれぞれの直列共振周
波数が最大となるように構成すれば、そしてその時に前
記スイッチング周波数と一致するようにすれば、それぞ
れの直流制御電流を減らしてい（ごとにそれぞれの直列
共振周波数が下がってそれぞれの直列共振電流Ｉ　ＩＩ
、ｒ＋ｚ、■、３がそれぞれ減少していくことになる。

この動作を、それぞれの負荷変動に応じて直流制御電流
によってそれぞれ制御すればそれぞれの出力電圧の定電
圧制御がされる。

第１図の実施例を第４図の従来例と比較して重要なこと
は、直列共振回路が、並列接続された同様な共振条件の
３つの直列共振回路に分割されていることであり、さら
にスイッチング周波数が固定で、３つの直列共振周波数
をそれぞれ独立に制御可能としていることである。

次に具体的な設計値を例に、第１図の実施例と第４図の
従来例との比較検討を行う。例えば、従来技術の説明の
項で第４図の説明において例示した総計９つの電圧で総
計５３５Ｈの電源出力を得る場合について比較検討を行
うこととする。

第１図の実施例においては、ＰＲＴ−１から１５０Ｖｘ
０．８Ａ＝１２０Ｗ　、７５Ｖ　ｘｏ、８Ａ＝６０Ｗ、
７Ｖ　Ｘ　２Ａ＝１４Ｗの小計１９４Ｗを、ＰＲＴ−２
から＋３０Ｖ　Ｘ２Ａ＝１２０Ｗ、＋１５Ｖ　Ｘ２Ａ＝
６０Ｗ（７）小計１８０１、ＰＲＴ−３から±３５ｖ×
２．３Ａ２１６１１Ｉ４ヲ出力スルヨウニ３分割シテい
る。

ソシテ、ＰＲＴ−１については７５Ｖと１５０Ｖ、　Ｐ
ＲＴ−２については＋　３０Ｖと＋１５Ｖ　、　ＰＲＴ
−３については±３５Ｖに対してそれぞれの負荷変動あ
るいは交流入力電圧の変動にかかわらず定電圧となるよ
うに制御している。また、それぞれ１ケ所の誤差電圧を
抽出して制御すれば、関連した電圧（例えば２倍の電圧
）が−緒に制御できるような直流出力電圧の取り出し方
をしている。これはＰＲＴの二次巻線の巻き数と端子数
を減らすのにも役立っている。

かかる実施例の直列共振電流■０．１．□、１１３とそ
の全体の直列共振電流■、の動作波形を従来例の直列共
振電流■。と比較すると、第２図のようになる。これに
よって、全体の直列共振電流が従来例の２ｏａｐ−ｐに
比べて実施例では１８Ａｐ−ｐとなり、２Ａｐ−ｐ少な
くても従来と同じ最大負荷電力総計５３５−を得ること
が可能となったことがわかる。

次にＰＲＴの巻線の比較を表１に示す。

従来例では、３本並列巻きや２本並列巻きを含み、二次
巻線も複雑であり、端子数も１４ケとなっていた。この
とき、直列共振回路のキャパシタＣｒ　＝０．０２２　
μＦ／８００Ｖｘ３ケであツタ。サラニ、別途材される
電源用カドランス（ＰＯＴ）があり、端子数は５であっ
た。

これに対して、本実施例では、それぞれ６０μｍ／１３
０束のリンツ線で１本巻きとなり、いずれもＰＲＴとし
て２０〇−以下をまかなえる小形の端子数１０ケの同一
構造のトランスでよく、製造容易となる。これらのトラ
ンスでは同様の共振条件を得るためのキャパシタはＣ＋
＋＝０．０１５　μＦ／８００ＶＳＣ＋ｚ＝０．０１８
　μＦ／８００Ｖ、　Ｃ，＝０．０１５　μＦ／８００
Ｖである。

本実施例の前記の設計例において、スイッチング周波数
１２０ＫＨ２の直流出力対直流入力の電力変換効率は９
２％であり、総計５３−に対する交流入力電力は６１２
．１−である。

従来例の直流出力対直流入力の電力変換効率はやはりス
イッチング周波数１２０ＫＨｚにおいて９０％であり、
交流入力電力は６２５．７−であった。従って、前記の
設計例において１３．６−の改善がされた。

次に、定電圧出力の電圧安定化能力の比較を行う。

本実施例において、前記の直列共振回路の３分割ととも
に、前述のような誤差電圧抽出個所の工夫をしているが
、さらに、それぞれ負荷変動の傾向が類似した出力電圧
を同じＰＲＴから取り出すようにもしている。これによ
り、全ての出力電圧が負荷変動に対する追従性良く定電
圧化され、互いに他の負荷に変動を及ぼすクロスレギユ
レーションが大幅に改善される。因みに、前述の設計例
において、従来例と比較すると、表２のようになる。

これにより、全ての電圧の変動が小さくなっているが、
特に±３０Ｖ及び±１５Ｖは、従来負荷変動がほぼ一定
の例えば信号処理回路などに接続されているにもかかわ
らず、電圧変動が大きく局部的にローカルレギュレータ
を配する必要があったものである。

また、±３５Ｖは例えば音声出力回路用であるが、外付
のＰＯＴを廃止したことにクロスレギユレーションが著
しく改善されている。

以上に述べたような本発明の実施例は、例えば大形テレ
ビジョン受像機用のスイッチング電源装置として有効で
あるが、その特性を活用すれば、例えば、陰極線管表示
装置において水平同期周波数の異なるマルチスキャン方
式の偏向部用電源と、他の回路用の固定部電源とをＰＲ
Ｔ−１とＰＲＴ２とで構成することができる。

〔発明の効果〕

本発明の実施により、スイッチング周波数が固定で直列
共振回路の共振周波数を制御する方式の共振形コンバー
タを有するスイッチング電源装置において、前記直列共
振回路を分割して並列接続したことにより、電源出力制
御トランスが小形で発熱が少なく製造しやすくなり、さ
らに電力変換効率が高く、クロスレギユレーションが小
さいスイッチング電源装置が得られる。

これにより、出力電圧や負荷変動特性が多種類にわたり
、総合の負荷電力が大きいスイッチング電源装置の性能
向上、コストダウンと、信頬性向上が可能となった。こ
のようなスイッチング電源装置は、例えば大形テレビジ
ョン受像機や水平同期周波数が異なるマルチスキャン方
式の画像表示装置の電源としての応用効果が大きい。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の要部回路図である。 第２図は直列共振電流波形図で、（ａ）は全体の共振電
流、（ｂ）は分割された共振電流である。 第３図は本出願人による最近の直列共振形スイッチング
電源装置の例である。第４回は本出願人による最近の直
列共振形スイッチング電源装置の他の例である。 Ｑ、、Ｑｚ　、Ｑゴ、Ｑ４ スイッチングトランジスタ ＰＲＴ−１−電源出力制御トランス ＰＲＴ−２−−一電源出力制御トランスＰＲＴ−３−・
電源出力制御トランス ＮｃＩ、ＮＣ２、Ｎ　Ｃ３−・制御巻線１　、−−−−
一−−−−・−全体の共振電流Ｉ　Ｉ＋、■１□、Ｉ　
Ｉ　３’−直列共振回路の共振電流全体Ｐ共猟電流 今訓鵠７：久Ｊ辰電流 （ｂ） １Ｆ！１１’ｌ　’ｉ”；　ｊ！＜ｔ　フ詑７１　形Ｆ
Ｚ２第２図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 電源出力制御トランスの一次巻線とキャパシタとで構成
   される直列共振回路の共振周波数を制御する共振形コン
   バータを有するスイッチング電源装置において、 前記直列共振回路を、共振条件が互いに同様な複数の直
   列共振回路に分割し、 該分割されたそれぞれの直列共振回路をそれぞれ別個の
   電源出力制御トランスと、それぞれ別個のキャパシタと
   から成し、互いに並列接続し、それぞれ別個に共振周波
   数を制御するように構成したことを特徴とするスイッチ
   ング電源装置。