JPH10191632A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ソフトスイッチングによる損失の低減と低ノ
ズル化を図り、かつ高周波化が可能なスイッチング電源
装置を得る。 【解決手段】 スイッチング素子に並列に接続された充
電ダイオード及び電荷蓄積コンデンサの直列回路と、充
電ダイオードと並列に接続された電荷回生用トランス
と、上記電荷回生用トランスの二次巻線に接続され環流
ダイオードと並列に接続された電荷回生用ダイオードを
具備し、スイッチ素子のターンオン時に出力側へ電荷蓄
積コンデンサのエネルギーが伝送される構成としてい
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、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。

【０００２】

【従来の技術】近年、スイッチング電源装置は電子機器
の小型化、高性能化、省エネルギー化に伴い、より小
型、高効率で低ノイズ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。

【０００３】図７は従来のスイッチング電源装置の回路
構成を示すものである。図７において、１は直流電源で
入力電圧を供給しており、２はトランスであり一次巻線
２ａの一方と、もう一方をスイッチング素子３を介して
直流電源１のリターン端子に接続しており、二次巻線２
ｂを整流素子である整流ダイオード４と環流素子である
環流ダイオード５とで構成される整流回路に接続してい
る。上記トランス２の三次巻線２ｃは一方を入力電源ラ
インに、もう一方をリセットダイオード１６を介して直
流電源１のリターン端子に接続している。整流回路の出
力端は平滑回路６、出力端子７を経由して負荷８に接続
される。

【０００４】次に動作について説明する。スイッチング
素子３は制御されたパルスドライブ信号を受けてＯＮ／
ＯＦＦを繰り返し、上記直流電源１の入力を断続的にト
ランス２の一次巻線２ａに印加する。このスイッチング
動作によって二次巻線２ｂの両端に誘起される交流電圧
を整流ダイオード４と環流ダイオード５とで整流した
後、平滑回路６にて直流電圧に変換し、出力端子７を経
由して負荷８へ出力電圧を供給する。またスイッチング
素子３のオフ期間に三次巻線２ｃ及びリセットダイオー
ド１６を介してトランス２のリセット電流が流れ、トラ
ンス２の磁束をリセットする。

【０００５】以上のように構成されたスイッチング電源
装置の動作波形について、図８及び図９を参照して説明
を行う。図８（ａ）〜（ｃ）はスイッチング素子３の各
部の動作波形を示しており、（ａ）はスイッチング素子
３のドライブ信号、（ｂ）はスイッチング素子３の両端
に印加されるスイッチング電圧Ｖｓｗ、（ｃ）はスイッ
チング素子３に流れる電流Ｉｓｗである。ドライブ信号
ＯＮ時にスイッチング素子３は導通しＶｓｗがほぼ０Ｖ
になると共に電流Ｉｓｗが流れ、ドライブ信号ＯＦＦ時
にスイッチング素子３の電流Ｉｓｗが流れなくなる。こ
の時電圧Ｖｓｗは入力電圧にトランス２のリセット電圧
が重畳されたレベルまで上昇し、トランス２のリセット
が終了するとＶｓｗは入力電圧と等しいレベルとなる。
図９はＶｓｗ及びＩｓｗの拡大波形とスイッチング損失
を示している。スイッチング損失は図８に示すようにタ
ーンオン時及びターンオフ時の電圧・電流の重なりによ
って発生するが、一般にターンオフ前後の電圧・電流の
ピーク値はターンオン時のそれに比べて大きいため、タ
ーンオフ時のスイッチング損失はターンオン時に比べて
かなり大きい。

【０００６】図１０は従来のスイッチング電源装置の他
の回路構成図を示すものである。図１０において１から
８は図７と同じものであり説明は省略する。９および１
０は直列に接続された充電ダイオードと電荷蓄積コンデ
ンサでありスイッチング素子３に並列に接続される。１
７は充電ダイオード９と並列に接続される抵抗である。

【０００７】以上のように構成されたスイッチング電源
装置は、基本的な動作は図８に示すスイッチング電源装
置と全く同じであるが、スイッチング素子３に並列に電
荷蓄積コンデンサ１０が接続されているため、スイッチ
ング素子３がターンオフするとそれまでトランス２ａを
流れていた電流は充電ダイオード９を経由して電荷蓄積
コンデンサ１０へ流れ込む。従ってターンオフの瞬間の
スイッチング素子３の両端の電圧は０Ｖより緩やかに上
昇するソフトスイッチングとなり、ターンオフ時のスパ
イク電圧が吸収されると共にターンオフ時のスイッチン
グ損失が低減される。しかしターンオフ時は電荷蓄積コ
ンデンサ１０が抵抗１７を介してスイッチング素子３で
短絡されるため、電荷蓄積コンデンサ１０に蓄積された
エネルギーはすべて抵抗１７で消費される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上記の従来の構成で
は、図７に示したスイッチング電源装置の場合、図９に
示すようにターンオフ時及びターンオフ時の電圧・電流
の重なりによってスイッチング損失が発生し、特にター
ンオフ時のスイッチング損失が大きい。また、このスイ
ッチング損失を低減させるために高速スイッチングすれ
ばするほど、スイッチング電圧と電流波形の立ち上がり
／立ち下がりが急峻になり、スイッチングノイズが増加
するため高周波化することが困難である。

【０００９】一方図１０に示したスイッチング電源装置
の場合、電荷蓄積コンデンサ１０の追加によってターン
オフ時は電圧の立ち上がりが緩やかとなるソフトスイッ
チングとなり、ターンオフ時のスイッチング損失及びス
イッチングノイズは低減されるものの、ターンオン時に
電荷蓄積コンデンサ１０に蓄積されたエネルギーはすべ
て抵抗１７で消費されるため全体としての損失はむしろ
増加してしまう。

【００１０】この発明は、上記のような課題を解消する
ためになされたもので、その目的は、ソフトスイッチン
グによる損失の低減と低ノイズ化を図り、高周波化が可
能なスイッチング電源装置を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係るスイッチ
ング電源装置は、スイッチング素子に並列に接続された
電荷蓄積コンデンサ及び充電ダイオードとの直列回路
と、一次巻線が上記充電ダイオードと並列に接続された
電荷回生用トランスと、上記電荷回生用トランスの二次
巻線に接続され上記環流素子と並列に接続された電荷回
生用ダイオードとを具備し、ターンオフ時は上記電荷蓄
積コンデンサが充電され、ターンオン時は上記電荷蓄積
コンデンサに充電された電荷を二次側へ回生する構成と
したものである。

【００１２】また、この発明は、上記電荷回生用トラン
スの一次巻線と上記電荷蓄積コンデンサとの間に共振を
抑制する要素を直列に接続したものである。

【００１３】この発明は、上記電荷回生用トランスの一
次巻線と並列に共振を抑制する要素を接続したものであ
る。

【００１４】この発明はスイッチング素子がターンオフ
した時に導通する整流素子と直列に可飽和リアクトルを
接続したものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】

実施の形態１．以下この発明の実施の形態１を図１で説
明する。図１において１〜１０は従来の装置と同一のも
のである。１１は電荷回生用トランスであり、１２は環
流素子である環流ダイオード５と並列に接続されている
電荷回生用ダイオードである。

【００１６】次に動作について説明する。スイッチング
素子３がターンオフするとそれまでトランス２ａを流れ
いた電流は充電ダイオード９を経由して電荷蓄積コンデ
ンサ１０へ流れ込む。従ってターンオフの瞬間のスイッ
チング素子３の両端の電圧はトランス２のリーケージイ
ンダクタンスＬｒと電荷蓄積コンデンサ１０との共振動
作により０Ｖより緩やかに上昇し、ターンオフ時のスパ
イク電圧が吸収されると共にターンオフ時のスイッチン
グ損失が低減される。ターンオフ時は電荷蓄積コンデン
サ１０に蓄積されたエネルギーが電荷回生トランスの一
次巻線１１ａを経由してスイッチング素子３に流れる。
一方電荷回生トランスの二次巻線１１ｂは電荷回生用ダ
イオード１２を経由して環流ダイオード５と並列に接続
されているが、環流ダイオード５はターンオフ期間中導
通している。このためターンオンの瞬間に電荷蓄積コン
デンサ１０に蓄積されたエネルギーが電荷回生トランス
の一次巻線１１ａを経由してスイッチング素子３に流れ
ることにより、電荷回生トランスの二次巻線１１ｂ、電
荷回生用ダイオード１２、平滑回路６、出力端子７を経
由して負荷８へ流れ込む。この動作によりターンオフを
ソフトスイッチング化するために追加した電荷蓄積コン
デンサ１０に蓄積されたエネルギーは、ターンオフ時に
出力電力の一部として負荷に供給されるため、損失を増
大させることなくターンオフ時のソフトスイッチング化
を図ることが可能となる。図５、図６は各部の動作波形
を示したものである。

【００１７】実施の形態２．図２は本発明の実施の形態
２である。図２において１〜１２は実施の形態１の装置
と同一のものである。１３はダイオードあるいは抵抗か
ら成る共振抑制直列要素であり、電荷回生用トランスの
一時巻線１１ａと直列に挿入される。

【００１８】次に動作について説明する。基本的な動作
は実施の形態１と同じであるため詳細な説明は省略す
る。ターンオフ時にトランス２と電荷蓄積コンデンサ１
０との共振動作を利用しているが、図５に示す通りＶｓ
ｗはピークに達した後徐々に低下し最終的に入力電圧で
クランプされる。しかし、この時電荷回生トランス１１
の一次巻線１１ａと電荷蓄積コンデンサ１０との間で共
振が継続した場合、共振によってＶｓｗの上昇によりタ
ーンオンノイズが増大したり、共振の影響で制御系に悪
影響を与える。しかし、電荷回生用トランスの一次巻線
１１ａと電荷蓄積コンデンサ１０との間に直列にダイオ
ードあるいは抵抗から成る共振抑制直列要素１３を接続
することにより、不必要な共振を抑制し、ノイズを抑制
すると共に安定な動作を確実に行うことができる。

【００１９】実施の形態３．図３は本発明の実施の形態
３である。図３において１〜１２は実施の形態２の装置
と同一のものである。１４は電荷蓄積コンデンサ１０の
容量より十分小さい容量のコンデンサ等から成る共振抑
制並列要素であり、電荷回生用トランスの一次巻線１１
ａと並列に挿入される。

【００２０】次に動作について説明する。基本的な動作
は実施の形態１と同じであるため詳細な説明は省略す
る。ターンオフ時にトランス２と電荷蓄積コンデンサ１
０との共振動作を利用しているが、図５に示す通りＶｓ
ｗはピークに達した後徐々に低下し最終的に入力電圧で
クランプされる。しかし、この時電荷回生トランス１１
の一次巻線１１ａと電荷蓄積コンデンサ１０との間で共
振が継続した場合、共振によってＶｄｓの上昇によりタ
ーンオンノイズが増大したり、共振の影響で制御系に悪
影響を与える。しかし、電荷回生用トランスの一次巻線
１１ａに並列に電荷蓄積コンデンサ１０の容量より十分
小さい容量のコンデンサ等から成る共振抑制並列要素１
４を接続することにより、不必要な共振を抑制し、ノイ
ズを抑制すると共に安定な動作を確実に行うことができ
る。

【００２１】実施の形態４．図４は本発明の実施の形態
４である。図４において１〜１１は実施の形態１の装置
と同一のものである。１５は可飽和リアクトルであり、
整流素子である整流ダイオード４と直列に接続される。

【００２２】次に動作について説明する。基本的な動作
は実施の形態１と同じであるため詳細な説明は省略する
が、ターンオフの間にリセットされていた可飽和リアク
トル１５がターンオンの瞬間飽和するまでの間高インピ
ーダンスを維持するため、トランス２からの出力が一時
的に阻止される。この間環流素子である環流ダイオード
５は導通を保持しており、環流ダイオード５のカソード
側でもある回生ダイオード１２のカソードの電位は低い
状態のままである。一方、ターンオフの瞬間に電荷蓄積
コンデンサ１０に蓄積されたエネルギーが電荷回生トラ
ンスの一次巻線１１ａを経由してスイッチング素子３に
流れることにより、電荷回生トランスの二次巻線１１
ｂ、電荷回生用ダイオード１２、平滑回路６、出力端子
７を経由して負荷８へ流れ込むが、回生ダイオード１２
のカソードの電位は低い状態に保持されているため、電
荷蓄積コンデンサ１０に蓄積されたエネルギーの回生が
確実に行える。

【００２３】

【発明の効果】第１の発明によれば、図９に示した従来
の回路と同様にターンオフ時をソフトスイッチング化す
ると同時に、電荷蓄積コンデンサ１０に蓄積されたエネ
ルギーをターンオフ時に出力電力の一部として負荷に供
給するため、損失を増大させることなくターンオフ時の
ソフトスイッチング化を図ることが可能となる。これに
よって、高効率で低ノイズのスイッチング電源装置を構
成できるという効果がある。

【００２４】また、第２、第３の発明によれば、第１の
発明の効果に加えて不必要な共振を抑制し、ノイズを抑
制すると共に、安定な動作を確実に行うことができると
いう効果がある。

【００２５】また、第４の発明によれば、ターンオンの
瞬間二次側のトランスからの電力伝送に一時的に阻止時
間を設けることにより、電荷蓄積コンデンサ１０に蓄積
されたエネルギーの出力側への回生が確実に行えるとい
う効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明による電源装置の実施の形態１を示
す図である。

【図２】 この発明による電源装置の実施の形態２を示
す図である。

【図３】 この発明による電源装置の実施の形態３を示
す図である。

【図４】 この発明による電源装置の実施の形態４を示
す図である。

【図５】 この発明による実施の形態１の動作波形を示
す図である。

【図６】 図５に示す動作波形の拡大図である。

【図７】 従来の直流電源装置を示す図である。

【図８】 従来の直流電源装置の動作波形を示す図であ
る。

【図９】 図８に示す動作波形の拡大図である。

【図１０】 従来の他の直流電源装置を示す図である。

【符号の説明】

１ 直流電源、２ トランス、３ スイッチング素子、
４ 整流ダイオード、５ 環流ダイオード、６ 平滑回
路、７ 出力端子、８ 負荷、９ 充電ダイオード、１
０ 電荷蓄積コンデンサ、１１ 電荷回生用トランス、
１２ 電荷回生用ダイオード、１３ 共振抑制直列要
素、１４ 共振抑制並列要素、１５ 可飽和リアクト
ル。

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 直流入力電源と、上記直流入力電源の電
   圧を断続するスイッチング素子と、少なくとも一次巻線
   と二次巻線を持ち上記スイッチング素子によって断続さ
   れた電圧を伝送するトランスと、上記二次巻線に接続さ
   れ上記スイッチング素子がターンオンした時に導通する
   整流素子と、上記二次巻線と整流素子に並列に接続され
   上記スイッチング素子がターンオフした時に導通する環
   流素子と、上記整流素子と環流素子から成る整流回路よ
   り出力される電圧を平滑する平滑回路と、上記平滑回路
   の出力端子に接続される負荷とを備えたスイッチング電
   源装置において、上記スイッチング素子に並列に接続さ
   れた電荷蓄積コンデンサ及び充電ダイオードとの直列回
   路と、一次巻線が上記充電ダイオードと並列に接続され
   た電荷回生用トランスと、上記電荷回生用トランスの二
   次巻線に接続され上記環流素子と並列に接続された電荷
   回生用ダイオードとを具備したことを特徴とするスイッ
   チング電源装置。
2. 【請求項２】 上記電荷回生用トランスの一次巻線と上
   記電荷蓄積コンデンサとの間に共振を抑制する要素を直
   列に接続したことを特徴とする請求項１記載のスイッチ
   ング電源装置。
3. 【請求項３】 上記電荷回生用トランスの一次巻線と並
   列に共振を抑制する要素を接続したことを特徴とする請
   求項１記載のスイッチング電源装置。
4. 【請求項４】 上記整流素子と直列に挿入された可飽和
   リアクトルを具備した上記請求項１、請求項２または請
   求項３に記載のスイッチング電源装置。