JPH11187656A - スイッチング電源、インダクタンス可変素子、トランスおよびチョークコイル - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】高入力電圧時、軽負荷時に高効率で出力電圧の
上昇を抑制しそれを高精度に制御可能とする。 【解決手段】入力巻線Ｌ１がスイッチング素子ＳＷに直
列に接続されたトランスＴ１を有し、スイッチング素子
ＳＷのオン時間制御で出力電圧Ｖｏを安定制御するもの
で、高入力電圧Ｖｉ時あるいは軽負荷時にスイッチング
素子ＳＷがオンにされた後から所定の時間が経過するま
では入力巻線Ｌ１内の電流Ｉｉの増大勾配を低下させる
構成。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、入力巻線がスイッ
チング素子に直列に接続されたトランスを有し、前記ス
イッチング素子のオン時間制御で出力電圧を安定制御す
るスイッチング電源、ならびに、これに用いられるイン
ダクタンス可変素子、トランスおよびチョークコイルに
関する。

【０００２】

【従来の技術】このようなスイッチング電源においては
直流の入力電圧をトランスの入力巻線に与え、この入力
巻線に直列接続されたスイッチング素子のオンオフデュ
ーティーにおいてオン時間を制御するか、あるいは周波
数の増減によってそのトランスの出力巻線側から一定の
安定した出力電圧が得られるようにしている。

【０００３】このようなスイッチング電源について、図
７を参照して説明すると、ＩＮは全波整流回路などに接
続された一対の入力端子、ＯＵＴは図示していない負荷
が接続される一対の出力端子、Ｖｉは入力電圧、Ｖｏは
出力電圧、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は平滑コンデンサ、Ｔ１は
トランス（入力巻線Ｌ１、出力巻線Ｌ２、帰還巻線Ｌ
３）、ＳＷはスイッチング素子、Ｄ１，Ｄ２は整流ダイ
オード、ＣＣは出力電圧Ｖｏを検出し、この検出によっ
てスイッチング素子ＳＷのオン時間を制御する制御回路
である。なお、トランスＴ１の巻線のインダクタンスＬ
は図８で示すような特性を有している。Ｉｉは入力巻線
Ｌ１側の電流、Ｉｏは出力巻線Ｌ２側の電流である。

【０００４】上記構成のスイッチング電源では、平滑コ
ンデンサＣ１で平滑化された直流の入力電圧Ｖｉが高い
ときは、出力電圧Ｖｏが、当然、高くなるので、出力電
圧Ｖｏを一定の安定した電圧とするためには、スイッチ
ング素子ＳＷのオン時間を短くして出力電圧Ｖｏを低く
する方向に制御し、また、入力電圧Ｖｉが低いときは、
スイッチング素子ＳＷのオン時間を長くしてして該出力
電圧Ｖｏを高くする方向に制御し、これによって、平均
的には出力電圧Ｖｏが一定に安定化されるように制御す
る。なお、トランスＴ１の出力巻線Ｌ２に接続されてい
る整流ダイオードＤ１と平滑コンデンサＣ２とについて
は周知であるので説明を省略する。

【０００５】ここで、出力電圧Ｖｏの変化は、トランス
Ｔ１の帰還巻線Ｌ３、整流ダイオードＤ３、平滑コンデ
ンサＣ３を介して与えられる電圧の変化に対応している
ので、制御回路ＣＣではこの電圧変化からスイッチング
素子ＳＷのオンオフデューティーにおけるオン時間の制
御をしている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したスイッチング
電源の構成では、高入力電圧のとき、あるいは、出力負
荷が軽負荷のときでは、スイッチング素子ＳＷのオン時
間を短く制御する動作特性を有しており、図９で示すよ
うに、スイッチング素子ＳＷがオフからオンになった時
点からはそのトランスＴ１のインダクタンスに応じたカ
ーブでもって電流Ｉｉが時間の経過につれて徐々に増大
してくる。この場合、高入力電圧時は、その時間の経過
に対する電流Ｉｉの増大勾配が大きいうえ、また軽負荷
時においては、オン時間も短いので、オン時間の僅かな
変化でも電流Ｉｉが大きく変化してしまうので、スイッ
チング素子ＳＷのオン時間を正確に制御できず、出力電
圧Ｖｏを高精度で一定に保持制御することが困難とな
る。また、オン時間が短くなる制御する必要がある場合
ではスイッチング素子ＳＷは実際上はオンされず長時間
の間オフされてしまうようなこととなって電力の効率が
低下するとともに、長時間オフされることで出力電圧Ｖ
ｏの低下が大きくなりすぎ、逆に出力電圧Ｖｏが上昇す
る方向に制御されてしまうことにもなり、安定した出力
電圧Ｖｏの制御が困難となる。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明のスイッチング電
源においては、入力巻線がスイッチング素子に直列に接
続されたトランスを有し、前記スイッチング素子のオン
時間制御で出力電圧を安定制御するものであって、少な
くとも前記スイッチング素子がオンにされた後から所定
の時間が経過するまでは該時間の経過に対する前記入力
巻線に流れる電流の増大勾配を低下させることを特徴と
するスイッチング電源としたことによって上述の課題を
解決している。なお、上述のオン時間制御には、スイッ
チング素子に対するそのオンオフのデューティー制御
と、周波数による制御のいずれも含むものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。

【０００９】図１は、本実施の形態に係るスイッチング
電源の回路図であり、図１で示されるこのスイッチング
電源は回路的には図６と同様であるのでその回路そのも
のについての詳しい説明は省略する。本実施の形態にお
いては、スイッチング素子ＳＷがオンにされた後から所
定の短い時間つまりオン時間が経過するまでは該時間の
経過に対する入力巻線Ｌ１に流れる電流の増大勾配が小
さくなっているよう、入力側からみたインダクタンスが
可変となるようにしている。こうすることによって、オ
ン時間を短く変化させて出力電圧Ｖｏを安定制御させる
場合において、スイッチング素子ＳＷがオンになった
後、時間が経過しても電流がそれほど大きく変化するこ
とがない、つまり、出力電圧Ｖｏが大きく変化すること
がないので、出力電圧Ｖｏが安定するようにオン時間を
容易かつ精度高く制御することができる。このことによ
って、電力効率も向上し、また出力電圧Ｖｏが上昇する
ことが避けられる。

【００１０】そのために、本実施の形態では入力側から
みたインダクタンスＬを図２で示すように電流Ｉｉの増
大に応じて小さくなる方向に可変可能にしている。

【００１１】そのための一例として本実施の形態では例
えばＥＥコア、ＥＩコアなどの各種のコアの組み合わせ
からなるトランスにおいてそのコアギャップを例えば図
３で示すように幅方向に変化させている。図３で示され
るトランスは、一対のＥ型コア１，２からなり、両コア
１，２それぞれの中央足３，４のうち、一方コア１の中
央脚３の端部６を部分的に斜めにカットすることによっ
て、両コア１，２の中央脚３，４間のコアギャップ５を
そのギャップ幅方向に部分的に変化させている。もちろ
ん、図４ａで示すように一方コア１の中央脚３の端部６
を全体的に斜めにカットすることによってそのコアギャ
ップ５をそのギャップ５幅方向全体で変化させても構わ
ないし、図４ｂで示すように両コア１，２それぞれの中
央脚３，４それぞれの端部６を全体的に斜めにカットす
ることによってそのコアギャップ５をそのギャップ幅方
向全体で変化させても構わない。なお、上述のように中
央脚３，４それぞれの端部６を連続的にカットする以外
に、図４ｃで示すように一方コア１の中央脚３の端部６
を階段的にカットするようにしても構わない。また、図
４ｄで示すようにＥＩコア１，２とし、Ｅコア１の中央
脚３の端部６を斜めにカットするようにしても構わな
い。その他、各種のコア脚端部の形状があるが、要する
に、特徴的には図２で示されるようなインダクタンス可
変特性を有していれば構わない。

【００１２】従来のトランスＴ１を備えたスイッチング
電源においては、スイッチング素子ＳＷがオンにされる
と電流Ｉｉが、図５の破線で示すようにそのインダクタ
ンスＬの大きさに従う速度で立ち上がって増大してくる
が、本実施の形態のトランスＴ１を備えたスイッチング
電源においては、そのインダクタンスＬは図２で示すよ
うに変化するので、図５の実線で示すようにその電流Ｉ
ｉの増大速度は低くなり、その結果として、高入力電圧
Ｖｉ時あるいは軽負荷時であっても、スイッチング素子
ＳＷのオン時間を正確に制御することができ、これによ
って、オン時間が短かすぎて、スイッチング素子ＳＷが
オンにならず、長時間オフにされることがなくなり、電
力効率が向上するうえ、出力電圧Ｖｏの上昇も回避可能
となる。

【００１３】なお、上述の実施の形態のスイッチング電
源においてはフライバックコンバータ方式であったが、
フォワード方式のスイッチング電源にも同様に適用でき
る。この場合、フライバックコンバータ方式では周知さ
れているようにトランスＴ１がチョークコイルとしても
機能しているが、フォワード方式では図６で示すように
トランスＴ１の出力巻線Ｌ２の両端間に整流ダイオード
Ｄ１、平滑コンデンサＣ２と共にチョークコイルＣＬが
直列に接続されるものである。

【００１４】なお、上述の実施の形態のスイッチング電
源においてはフライバックコンバータ方式およびフォワ
ード方式いずれもインダクタンス可変素子としてはトラ
ンスＴ１であったが、フォワード方式におけるチョーク
コイルＣＬをインダクタンス可変素子としても構わな
い。ただし、フライバックコンバータ方式においてはト
ランスＴ１がチョークコイルとも言い換え得るので、い
ずれにしても、チョークコイルをインダクタンス可変素
子としても構わない。

【００１５】なお、上述の実施の形態のスイッチング電
源においてはトランスＴ１のコアのギャップはコアギャ
ップであったが、エアギャップであっても構わない。

【００１６】なお、上述の実施の形態のスイッチング電
源においてはトランスＴ１のコアのギャップは、中央脚
であったが、これに限定されるものではなく、いずれの
脚に設けても構わない。

【００１７】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、少なくと
も前記スイッチング素子がオンにされた後から所定の時
間が経過するまでは該時間の経過に対するトランスの入
力巻線に流れる電流の増大勾配を低下させるようにした
ので、高入力電圧時とか軽負荷時であってもスイッチン
グ素子のオン時間を正確に制御しこれによって、出力電
圧を正確に安定させることが制御できる。またこれによ
って、効率が向上した、また出力電圧の上昇を招くこと
がないスイッチング電源を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施形態に係るフライバックコンバー
タ方式のスイッチング電源の回路図

【図２】本実施の形態の入力側からみたインダクタンス
の電流に対する変化を示す図

【図３】本実施の形態に係るトランスのコアの構造図

【図４】本実施の形態に係るトランスのコアの各変形例
を示す構造図

【図５】従来のトランスと本実施の形態のトランスそれ
ぞれを用いたスイッチング電源においてそのトランスの
入力巻線に流れる電流の時間に対する変化を示す図

【図６】本発明の他の実施の形態に係るフォワード方式
のスイッチング電源の要部回路図

【図７】従来のトランスを備えたスイッチング電源の回
路図

【図８】従来のトランスによるインダクタンスに対する
電流の変化を示す図

【図９】従来のトランスを用いたスイッチング電源にお
いてトランスの入力巻線に流れる電流の時間に対する変
化を示す図

【符号の説明】

Ｖｉ 入力電圧 Ｔ１ トランス Ｌ１ 入力巻線 ＳＷ スイッチング素子 Ｖｏ 出力電圧 Ｌ インダクタンス

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力巻線がスイッチング素子に直列に接続
   されたトランスを有し、前記スイッチング素子のオン時
   間制御で出力電圧を安定制御するものであって、少なく
   とも前記スイッチング素子がオンにされた後から所定の
   時間が経過するまでは該時間の経過に対する前記入力巻
   線内の電流の増大勾配を低下させることを特徴とするス
   イッチング電源。
2. 【請求項２】前記電流の増大勾配の低下を入力側からみ
   たインダクタンスを可変させて行うことを特徴とする請
   求項１に記載のスイッチング電源。
3. 【請求項３】前記インダクタンスの可変を前記トランス
   で行うことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング
   電源。
4. 【請求項４】前記インダクタンスの可変をチョークコイ
   ルで行うことを特徴とする請求項２に記載のスイッチン
   グ電源。
5. 【請求項５】入力巻線がスイッチング素子に直列に接続
   されたトランスを有し、かつ前記スイッチング素子のオ
   ン時間制御で出力電圧を安定制御するスイッチング電源
   に用いられるものであって、前記入力巻線における電流
   の増大に応じて前記電源の入力側からみたインダクタン
   スを可変させることを特徴とするインダクタンス可変素
   子。
6. 【請求項６】ギャップの大きさが幅方向に変化する構造
   を有することを特徴とするトランス。
7. 【請求項７】入力巻線がスイッチング素子に直列に接続
   されたトランスを有し、かつ前記スイッチング素子のオ
   ン時間制御で出力電圧を安定制御するスイッチング電源
   に用いられるものであって、前記入力巻線における電流
   の増大に応じて前記電源の入力側からみたインダクタン
   スを可変させることを特徴とするチョークコイル。