JPS6264266A - スイツチング電源装置 - Google Patents

スイツチング電源装置

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JPS6264266A
JPS6264266A JP60203942A JP20394285A JPS6264266A JP S6264266 A JPS6264266 A JP S6264266A JP 60203942 A JP60203942 A JP 60203942A JP 20394285 A JP20394285 A JP 20394285A JP S6264266 A JPS6264266 A JP S6264266A
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control
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switching
saturable reactor
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Masayuki Yasumura
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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】 以下の順序で本発明を説明する。
A、産業上の利用分野 B1発明の概要 C8従来の技術 り8発明が解決しようとする問題点 E1問題点を解決するための手段 F0作用 G、実施例 G−1,第1の実施例の構成 G−2,動作説明 G−3,第2の実施例 G−4,第3の実施例 H1発明の効果 A、産業上の利用分野 本発明は、未定した出力電圧を得るためのスイッチング
電源装置に関し、特に、大電力供給用に好適なスイッチ
ング電源Viaに関する。
B1発明の概要 本発明は、直流入力電源を発振駆動回路のスイソチング
素子によりオン、オフ制御して電源トランスの1次側に
供給し、2次側より定電圧出力を得るようなスイッチン
グ電源装置において、発振駆動回路のスイッチング素子
の制御端子側に可飽和リアクタトランスを設け、1lf
i)ランスの2次側からの出力電圧に応じて可飽和リア
クタトランスのインダクタンスを制御し、発振駆動回路
の発振周波数を制御して、電源トランスの2次側出力電
圧を安定化することにより、 変換効率を高め、トランスの小型軽量化および漏れ磁束
の低減を図り、制御範囲を拡大し°、コストダウンを実
現するものである。
C2従来の技術 直流入力電源をスイッチング制御し、電源トランス等を
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
装置には、種々のものが知られている。このようなスイ
ッチング電源装置の一例として、本件出願人は先に、特
願昭59−215854号や特願昭59−211841
号等において、可飽和リアクタトランスを用い、電源ト
ランスの2次側からの出力電圧に応じて1次側面列共振
インピーダンスを制御し、励磁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9ング電源装
置を提案している。
第12図は、このようなスイッチング電源装置の一例を
示しており、電源装置に対する直流入力電源としては、
例えば商用交流入力’Q[lOlをダイオードブリフジ
形の全波整流器102および平滑コンデンサ103にて
整流し平滑することにより得ている。この直流入力電源
は、コンバータ駆動トランス111の1次巻線NAを介
し、コンデンサ112、電力制御用の可飽和リアクタト
ランス113の被制御巻線NIIおよび電源絶縁トラン
ス114の1次巻線NIよりなる直列共振回路に供給さ
れている。この直流入力電源の電流は、コンバータ駆動
トランス111の2次巻蝕N□とコンデンサC□との直
列共振回路がベースに接続されたスイッチングトランジ
スタQ+ および2次巻線NsgとコンデンサCstと
の直列共振回路がベースに接続されたスイッチングトラ
ンジスタQ2を用いた2石構成の自動式発振駆動回路1
15によってオン、オフスイッチング制御されるように
なっている。
可飽和リアククトランス113は、被制御巻線Nやおよ
び制御巻線N、を存し、第13図に示すように、4本の
磁脚113a〜113dを有する磁気コア113eの隣
り合う2本の磁脚、例えば113a、113bに跨がる
ように上記被制御巻線NRを巻回し、この巻線N8の巻
回方向に対して直交する方向に、例えば磁脚113b、
113Cに跨がるように上記制御巻線Ncを巻回してい
る。この制御S線NCに供給される制御電流に応じて可
飽和リアクタトランス113の磁束が制御され、被制御
巻′41AN 11のインダクタンスが制御される。
電源絶縁トランス114の2次巻線N2には、並列共振
コンデンサC3および整流平滑回路116が接続されて
おり、この整流平滑回路116からの直流出力電圧は、
制御回路117により制御電流に変換されて可飽和リア
クタトランス1134 の制御巻線N、に送られている
したがって、この直流出力電圧の変動に応じて可飽和リ
アクタトランス113のインダクタンスが変化し、電源
絶縁トランス114の1次側面列共振インピーダンスが
変化して励磁電流が変化することによって、直流出力電
圧を一定に制御することができる。
D1発明が解決しようとする問題点 ところで、このようなスイッチング電a装置においては
、可飽和リアクタトランス113の放熱のために、第1
3図に示すように、磁気コア113eに放熱板113f
をいわゆるU字ビス113g等で取り付けるとともにT
IBブロックのシールドケースに締め付は固定して放熱
を行う必要があり、また、可飽和リアクタトランス11
3からの漏れ磁束が大きいという欠点を有している。ま
たAC−DC変換効率は、他のスイッチング電源装置に
較べれば良好であるが、83〜85%程度が限度であり
、例えば、負荷電力が100W程度以上のような大電力
の’181置として用いる場合には、さらに変換効率の
改善が望まれる。
本発明は、このような従来の実情に鑑みて成されたもの
であり、可飽和リアクタトランスの小型軽量化、発熱の
低下および漏れ磁束の低減が図れて電源ブロックのシー
ルドケースや放熱構造を簡略化でき、可飽和リアクタト
ランスの損失を低減して電力変換効率を90%程度にま
で改善できるのみならず、負荷変動や入力変動の制御範
囲をさらに拡大できるようなスイッチング電源装置の提
供を目的とする。
E1問題点を解決するための手段 上述の問題点を解決するために、本発明に係るスイッチ
ング電源装置は、直流入力電源に接続された電源トラン
スの1次巻線を含むLC共振回路と、このLC共振回路
を流れる電流をオン、オフ駆動するスイッチング素子を
有しこのスイッチング素子の制御端子側に設けられた可
飽和リアクタトランスにより発振周波数が制御される発
振駆動回路と、上記電源トランスの2次側出力電圧に応
じて上記可飽和リアクタトランスのインダクタンスを制
御することにより上記発振駆動回路の発振周波数を可変
制御する制御回路とを具備して成ることを特徴としてい
る。
F0作用 可飽和リアクタトランスにより、電源トランスの1次側
の発振周波数を負荷変動や入力変動に応じて制御するこ
とができ、可飽和リアクタトランスを小型軽量化でき、
同時に、小振幅動作のため、可飽和リアクタトランスの
損失による発熱や漏れ磁束等の悪影響を有効に防止でき
る。
G、実施例 G−1,第1の実施例の構成 第1図は本発明の第1の実施例となるスイッチング電f
A装置を示す回路図である。
この第1図において、電a装置に幻する直流人力電源と
しては、例えば商用交流入力電a1をダイオードブリフ
ジ形の全波整流器2および平滑コンデンサ3にて整流し
平滑することにより得ている。交流入力電源1と全波整
流器2との間には、電源スィッチ4および突入電流(イ
ンラッシュ電流)制限用の抵抗5が直列に挿入接続され
ている。
この直流入力電源は、可飽和リアクタトランス21の1
次巻線NAを介し、コンデンサ22と電源トランス23
の1次巻線N、とよりなる直列共振回路に供給されてい
る。可飽和リアクタトランス21は、1次巻線NA、2
つの2次巻線N、。
NBtおよび制御巻線N、を有し、第2図に示すように
、4本の磁脚21a〜21dを有する磁気コア2 ]、
 eの隣り合う2木の磁脚、例えば21a。
21bに跨がるように上記1次巻線NAおよび2つの2
次巻線N m l+ N B !を巻回し、これらの巻
線Na 、Ns+、Nszの巻回方向に対して直交する
方向に、例えば磁脚21b、21cに跨がるように上記
制御巻線Ncを巻回している。
可飽和リアククトランス21の2次巻線N□。
N、2に関連して、上記直流入力電源の電流をオン、・
 オフスイッチング制御するための発振駆動回路24が
設けられている。この発振駆動回路24は、スイッチン
グトランジスタQ、およびこのトランジスタQ、のエミ
ッタ・ベース間に接続されたダイオードD、の組と、も
う−組のトランジスタQ2とダイオードD0の組とが直
列に接続され、トランジスタQ、は上記直流入力電源と
可飽和リアクタトランス21の1次巻線NAとの間に挿
入接続され、トランジスタQ2は可飽和リアククトラン
ス21の1次巻線N、と接地との間に挿入接続されてい
る。トランジスタQ1のエミッタ・へ−ス間には、ダイ
オードDg+と並列に、旬飽和リアクタトランス21の
2次巻線N1とコンデンサC1との直列共振回路が接続
され、トランジスタQ2のエミッタ・ベース間には、ダ
イオードDezと並列に、可飽和リアクタトランス21
の2次巻線NoとコンデンサC1との直列共振回路が接
続されている。さらに、上記直流入力電源と各スイッチ
ングトランジスタQ5.Qzの各ベースとの間には、そ
れぞれ起動用の抵抗R□、Rszが挿入接続されている
。次に、電源トランス23の2次巻線N2には、並列共
振コンデンサC8および整流平滑回路25が接続されて
おり、この整流平滑回路25からの直流出力電圧は、制
御回路26により制御電流に変換されて可飽和リアクタ
トランス21の制御巻線N、に送られている。
G−2,動作説明 次に、このような構成を有するいわゆる磁束制御形スイ
ッチング電a装置の概略的な動作を説明する。
電源スィッチ4をオン操作した電源投入時には、上記直
流入力電源の電圧E1が与えられ、発振駆動回路24の
起動抵抗R31+  R5tを介してスイッチングトラ
ンジスタQl 、  Qzの各ベースに起動電流が流れ
、これらのトランジスタQ+ 、 Qxがキックされて
スイッチング動作が開始される。定常時には、可飽和り
7クタトランス21の2次巻線N1のインダクタンスと
コンデンサC□との直列共振回路により2次巻線N8.
を流れる正弦波交流電流によってスイッチングトランジ
スタQ1が駆動され、その電流が0になると、可飽和リ
アクタトランス21の2次巻線N11zのインダクタン
スとコンデンサCI+2との直列共振回路により2次巻
iN。を流れる正弦波交流電流によってスイッチングト
ランジスタQ、が駆動されてオン状態となり、これを繰
り返してスイッチング動作が継続する。
可飽和リアクタトランス21の制御巻線N、には、電源
トランス23の出力電圧を検出して得られる制御回路2
6からの直流制御電流が供給されており、負荷変動や上
記直流入力電源電圧Eiの変動に対して電源トランス2
3からの直流出力電圧が常に一定となるように、制御回
路26によって可飽和リアクタトランス21の制御巻線
N、を流れる制御電流が制御され、2次巻線N m +
 + N s tのインダクタンスが制御されて、発振
駆動回路24の発振周波数が制御される。
ここで、トランジスタQ1のコレクタ電圧は第3図Aの
ように変化し、トランジスタQ2のコレクタ電圧は第3
図Bのように変化する。また、第3図C,Dは2次巻線
N m + + N m zをそれぞれ流れる正弦波交
流電流を示し、第3図E、Fはスイッチングトランジス
タQl、Q!の各コレクタ電流をそれぞれ示し、第3図
Gは電源トランス23の1次巻線N、を流れる電流を示
している。すなわち、電源トランス23の1次巻線N、
を流れる電流は、コンデンサ22の容量値C0と電源ト
ランス23の1次巻線N、のインダクタンスL1とによ
って直列共振して、第3図Gに示すように正弦波状の波
形となり、可飽和リアクタトランス21の1次巻線NA
を流れる上記直列共振電流で誘起した電圧によって、2
次巻線N□、N、、のインダクタンス■、□、L++z
とコンデンサC、+  Ca !とが直列共振して、第
3図C,Dに示すような正弦波状の’Il’lAが各ス
イッチングトランジスタQ、、Q、の各ベース電流とし
て供給される。したがって、本実施例に示すスイッチン
グ電源装置のスイッチング動怖周波数「は、L□”Lw
z、C□=C0として、 と表される。ここで、可飽和リアクタトランス21の2
次巻線N□、N、をそれぞれ流れる電流10,1.と各
インダクタンスL++++  Lwzとの関係は、第2
図に示したような直交形可飽和リアクタトランス21の
磁芯ギャップを片足のみに設けるとき、制御巻線Ncに
供給される直流制御電流■Hcによって第4図のように
変化する。したがって、第5図に示すように電源トラン
ス23の2次側の負荷電流!、の変化や交流入力電源入
を整流平滑して得られる上記直流入力電源の電圧Eiの
変動に対して上記直流制御電流INcが制御されるよう
に、制御回路26を設計すれば、発振駆動回路24の発
振周波数fは、第6図に示すように、負荷電流■、の変
化や入力電源電圧Eiの変動に対して制御されることに
なる。
とごろで第7図は、発振駆動回路24のスイソチングト
ランジスタQ+ 、QlをスイッチT1゜T2で置き換
えた等価回路構成を示しており、電源絶縁トランス23
の1次側スイッチング回路部は、上記発振周波数rの正
弦波交流電流を1次巻線N1に流すた゛めの変換回路と
考えて良いことから、これを高周波交流電源に置き換え
ることにより、第8図に示すような等価回路が得られる
。これらの第7図および第8図において、L+、Lzお
よびMは、電源絶縁トランス23の1次側、2次側の巻
線N、、N、の各インダクタンスおよび相互インダクタ
ンスをそれぞれ示し、R4は電源絶縁トランス23の2
次側の負荷抵抗を示している。ここで、第8図の等価回
路における高周波交流電源から得られる交流出力電圧E
scの実効値E。は、 となる。また最大実効値ROMAXは、並列共振周波B
r。とスイッチング周波数1が等しいときに得られ、こ
れらの並列共振周波数f。および最大実効値E。。8は
、 ま ただし、K、  K’:定数、k−M/J口W−となる
。すなわち、負荷抵抗RI、直流入力電圧Eiの変化に
対して、第6図に示すような周波数制御によって出力電
圧を一定とする動作に一致していることがわかる。これ
は、第9図に示す最大負荷電力を供給するために、スイ
ッチング周波数rを並列共振周波数に定め、軽負荷時や
入力端子が大の時に、Δfの周波数変化によって直流出
力電圧を一定に制御することになる。
ここで、電源トランス23の2次側に接続された整流平
滑回路25として、例えば、140■の直流出力を得る
第1の整流平滑回路25aと、15vの直流出力を得る
第2の整流平滑回路25bとが用いられ、第1の整流平
滑回路25aの出力負荷電力が140Wで、第2の整流
平滑回路25bの出力負荷電力力月5Wの計155Wの
電力を供給するためのスイッチング電tA装置を、上記
交流入力電源1の電圧が90V−j44Vの範囲で変動
するような条件の下に設計する場合について説明する。
前記従来の第12図に示すスイッチング電a装置におい
て上記条件を満足させようとする場合、先ず、スイッチ
ング周波数fについては、50kHzより高い周波数に
すると可飽和リアクタトランス113の磁心1員失が増
大するため、効率低下防止の面から40kHz〜50k
Hz程度に設定されることを考慮し、例えばf=50k
tlzに定めている。
このとき、コンバータ駆動トランス111のLf! 気
コアには、U−16,FE−2材のフェライト磁心を用
いており、可飽和リアクタトランス113については、
磁気コア113eとして8 の直交磁心を用い、巻線と
しては直径0.1mmの細い芯線を43本束ねたものを
被制御巻線N3側に35巻きし、かつ第13図に示すよ
うにU字ビス113gにより放熱板113rを磁気コア
113eに取り付け、これをisブロックのソールドケ
ースに共線めしては心損失による発熱を逃がす構成が必
要とされる。このような従来のスイッチング電源装置を
上記条件の下に構成するとき、交流−直流変換効率は、
AClooVで83%となることが実験により確かめら
れている。
これに対して、本発明の上記実施例のスイッチング′T
L源装置によれば、可飽和リアクタトランス21を発振
駆動回路24の発振周波数制御用に用いており、小振幅
動作のため、高周波での磁心損失が少なく、上記条件の
下でもスイッチング周波数fを100 kHz〜150
 kHz程度あるいはこれ以上に設定可能であり、この
とき、可飽和リアクタトランス21としては、F E 
−3材で6 の直交コアを用い、線材には直径Q、14
mの細い芯線を17本束ねたものを各巻線Na 、  
N+++およびl’l++zにそれぞれ7巻きすればよ
く、可飽和リアクタトランス21を小型軽量化すること
ができるとともに、放熱についても自然空冷の状態で十
分な信頼性を確保できる。このときの交流−直流変換効
率は、AClooVで90%にまで向上することが実験
により確かめられている。
G−3,第2の実施例 次に、第1O図は本発明の第2の実施例を示し、電源ト
ランス23の2次側に2つの2次巻線NZA+N2Il
を設けるとともに、2次巻線N2Aには第10倍圧全波
整流平滑回路25aaを接続し、2次巻線N2.には第
2の倍圧全波整流平滑回路25bbを接続し7ている。
他の構成は、上述した第1図の実施例と同様であるため
、図中対応する部分には同じ参照番号を付して説明を省
略する。
この第10図に示す第2の実施例によれば、各2次巻線
N2A、 Nzsの巻数が第1図の実611・例の場合
と比較して1/2となるため、電源トランス23の小型
化が図れるのみならず、各倍圧全波整流平滑回路25a
a、  25bbからは、140V、70V。
15V、7.5Vと4種類もの多、くの出力電圧を得る
ことができるという利点がある。
G−4,第3の実施例 また、上記発振駆動回路24としては、スイッチングト
ランジスタQ、、Qtより成る2石構成プッシュプル方
式の回路を用いているが、負荷への供給電力が少なくて
済む場合には、第11図に示す第3の実施例のように、
1個のスイッチングトランジスタQのみを用いて成る発
振駆動回路24Sを使用してもよい。
この第11図において、可飽和リアクタトランス21S
は、1次巻線N7.2次巻線N8および制?8巻線NC
を有しており、2次巻線N8と発振駆動回路243のコ
ンデンサC3との直列共振回路がスイッチングトランジ
スタQのベースに接続され、スイッチングトランジスタ
Qのエミッタ・ベース間にはダイオードD、が接続され
ている。
また、スイッチングトランジスタQのベースと直流入力
電源との間には、起動用の抵抗R8が接続されている。
さらに、電源トランス23の2次側には、半波整流平滑
回路25Sが設けられている。
他の構成は上述の第1図の実施例と同様であるため、図
中対応する部分には同じ参照番号を付して説明を省略す
る。
この第11図に示す第3の実施例によれば、小電力供給
用として、構成が簡単で済み、より安価に提供できると
いう利点がある。
H,発明の効果 本発明のスイッチング電源Wlによれば、可飽和リアク
タトランスを1次側TL流スイッチング用の発振駆動回
路の発振周波数を制御するために用いているため、高周
波・小振幅動作が可能となり、可飽和リアクタトランス
の小型軽量化、磁心損失の低減および制御範囲の拡大が
図れ、安価で高性能の電源装置を提供できる。また、可
飽和リアクタトランスが小電流でドライブされることよ
り、可飽和リアクタトランスからの漏れ磁束が低減され
、電源ブロックのシールドケースが簡略化され、例えば
、従来の厚さ21のアルミ製ケースから、厚さ1耀璽の
鉄板製ケースに簡略化できる。さらに、可飽和リアクタ
トランスをシールドケースに取り付ける必要がないため
、トランスのいわゆる鳴きが解消する。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例を示す回路図、第2図は可飽
和リアクタトランスの一例を示す概略斜視図、第3図は
動作説明のためのタイムチャート、第4図は可飽和リア
クタトランスの電流−電圧特性を示すグラフ、第5図お
よび第6図は負荷電流変化、入力電圧変動に対する制御
動作特性を示すグラフ、第7図、および第8図はスイッ
チング電源回路の等価回路図、第9図は発振周波数に対
する出力電圧の変化を示すグラフ、第10図は本発明の
他の実施例を示す回路図、第11図は本発明のさらに他
の実施例を示す回路図、第12図は従来のスイッチング
電源装置の一例を示す回路図、第13図は従来の可飽和
リアクタトランスの一例を示す概略斜視図である。 1・・・交流入力電源 2・・・全波整流器 1 3・・・平滑コンデンサ 21・・・可飽和リアクタトランス 22・・・共振コンデンサ 23・・・電源トランス 24・・・発振駆動回路 25・・・整流平滑回路 26・・・制御回路

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 直流入力電源に接続された電源トランスの1次巻線を含
    むLC共振回路と、 このLC共振回路を流れる電流をオン、オフ駆動するス
    イッチング素子を有し、このスイッチング素子の制御端
    子側に設けられた可飽和リアクタトランスにより発振周
    波数が制御される発振駆動回路と、 上記電源トランスの2次側出力電圧を検出して上記可飽
    和リアクタトランスのインダクタンスを制御し、上記発
    振駆動回路の発振周波数を可変制御する制御回路とを具
    備して成るスイッチング電源装置。
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