WO2011048680A1 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】スイッチング電源装置の電力スイッチング素子におけるスナバエネルギーを効率よく回生する。 【解決手段】入力端子１、２から、オンオフ駆動される電力スイッチング素子Ｑ１と変圧器Ｔ１により数十ｋＨｚ～数百ｋＨｚの交流に一旦変換の後ダイオードＤ５とコンデンサＣ５に整流されて出力端子３、４より直流出力を得るスイッチング電源装置が構成される。電力スイッチング素子Ｑ１のオフ時には、スナバエネルギーを、一次巻線ｎ１にダイオードＤ１を介して接続されたコンデンサＣ１に吸収し、Ｑ１のオン時には、コンデンサＣ１とダイオードＤ１との接続点とコモンライン１２との間にダイオードＤ２、Ｄ３とインダクタＬ１との直列回路を接続して、コンデンサＣ１に吸収されたスナバエネルギーを、次のＱ１のオフ時にインダクタＬ１を介して、コモンライン１２と電源ライン１１との間に回生する。

Description

スイッチング電源装置

本発明は、スイッチング電源装置に関するものであり、そのスナバエネルギーを効率よく回生して、電力スイッチング素子への印加電圧を低減することにより高効率化を図り、併せてノイズの低減を得ることができるエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置に関するものである。

直流電源を受けて、目的の電圧の直流に変換する、スイッチング電源装置が広く使われている。このスイッチング電源装置においては、高速度、電力スイッチングをするスイッチング素子を用いるので、そのスイッチングに伴うスナバエネルギーの処理が問題になる。

スイッチング電源装置におけるスナバ回路としては、従来使用されている回路であって、図９に示すような回路が知られている。一次巻線ｎ１と、二次巻線ｎ２とを有する変圧器Ｔ１と、一次巻線ｎ１の一端に接続されたスイッチング素子Ｑ１と、二次巻線ｎ２に接続されたダイオードＤ５とコンデンサＣ５とからなる整流回路とからなるスイッチング電源装置１０において、一次巻線ｎ１の両端にスナバ用のコンデンサＣ１とダイオードＤ１との直列回路を設けて、スナバ用のコンデンサＣ１には抵抗器Ｒ１を並列接続して構成する。スイッチング素子Ｑ１のオフ時に発生する急峻なサージ電圧は、一旦コンデンサＣ１を充電することで抑制されて、その後にコンデンサＣ１の充電電荷は、抵抗器Ｒ１を介して放電される。抵抗器Ｒ１による放電は、動作としては安定しているが、当然のことながら、この抵抗器Ｒ１に流れる放電電流は、電力損失となり、スイッチング電源装置の変換効率を低下させることになり、好ましいことではない。

スイッチング電源装置におけるスナバ回路に関する先行する発明としては、例えば、特開２０００－９２８３４号公報（特許文献１）に開示されている発明がある。その発明は、直流入力を受けて、この直流入力を互いに直列接続された変圧器の一次巻線とスイッチング素子に接続し、そのスイッチング素子を数百ｋＨｚの周波数で繰り返しオンオフさせる。そして、その変圧器の二次巻線に接続された整流回路を経て所望の値の電圧出力を得る。スナバ回路としては、この変圧器の一次巻線に、互いに直列接続されたコンデンサとダイオードとを接続する。このコンデンサに充電されたエネルギーの処理については、変圧器に設けた補助巻線と補助ダイオードとの回路をスナバ回路のコンデンサとダイオードとの接続点に接続構成して、スイッチング素子のオフ時に吸収したスナバ回路のコンデンサに蓄えたエネルギーを、オン時に変圧器の励磁エネルギーに変換して、その結果、二次側にエネルギー回生するものである。

また、特開２００２－１０１６５６号公報（特許文献２）に開示されている発明は、本件出願人と同一の出願人による発明であって、第１の巻線と第２の巻線を備えた変圧器を備えて、その第１の巻線の一端を主スイッチ素子に、他端を直流入力電圧にそれぞれ接続し、その他端と同極の第２の巻線の一端をゼロボルトに、他端をコンデンサを介して第１の巻線の主スイッチ素子との接続点にそれぞれ接続し、主スイッチ素子がＯＦＦする際、主スイッチ素子の負荷である変圧器の巻線からリーケージインダクタンスに起因して発生するスナバエネルギーを、回路の０Ｖに接続した第１のコンデンサで吸収し、主スイッチ素子がＯＮのときその吸収したエネルギーを主スイッチ素子と変圧器の巻線の接続部に接続された第２のコンデンサに移行し、次に主スイッチ素子がＯＦＦのとき、第２のコンデンサに移行したエネルギーを入力電源側に回生するように、主スイッチ素子、コンデンサおよび変圧器の巻線を接続したスナバ回路である。

以上の先行する発明の構成は、いずれも、電力スイッチング素子の電流経路にも、スナバエネルギー処理用の電流経路にも、抵抗などのエネルギー損出となるような要素を含まない回路構成で、良好な高効率動作が期待できるものである。ただし、動作モード上の制限や、回路常数選定には、制限条件が存在する。

本発明は上記の問題点に鑑みて提案されるもので、変圧器を備えたスイッチング電源装置において、変圧器に補助巻線を備えることを必須とせず、スナバエネルギーを効率よく回生して、電力スイッチング素子への印加電圧を低減することにより高効率化を図り、併せてノイズの低減を得ることを目的とするものである。

本発明は、下記の第１の手段、すなわち、
直流入力電源を受ける一対の入力端子（１、２）と、該一対の入力端子にそれぞれ接続されたコモンライン（１２）と電源ライン（１１）と、二つの主電流電極と一つの制御電極とを有する電力スイッチング素子（Ｑ１）と、該制御電極に接続された駆動信号発生回路と、一次巻線（ｎ１）と二次巻線（ｎ２）とを備える変圧器（Ｔ１）と、該変圧器の二次巻線に接続された整流回路と、該整流回路に接続された一対の出力端子（３、４）とを備えてなり、前記コモンラインと電源ライン間に、互いに直列接続された前記電力スイッチング素子の二つの主電流電極と前記変圧器の一次巻線とが接続され、前記電力スイッチング素子の制御電極が前記駆動信号発生回路によりオンオフ駆動してなるスイッチング電源装置において、
前記電力スイッチング素子のオフ時には、前記変圧器のリーケージインダクタンスに起因して発生するスナバエネルギーを、前記一次巻線に第１のダイオード（Ｄ１）を介して接続された第１のコンデンサ（Ｃ１）に吸収し、
次に前記電力スイッチング素子のオン時には、前記第１のコンデンサと第１のダイオードとの接続点とコモンラインとの間に第２のダイオード（Ｄ２）とインダクタ（Ｌ１）との直列回路を接続して、前記第１のコンデンサに吸収されたスナバエネルギーを前記インダクタ（Ｌ１）に蓄積し、該蓄積エネルギーを次の前記電力スイッチング素子のオフ時に、前記コモンラインと電源ラインとの間に回生するエネルギー回生スナバを有する、スイッチング電源装置を提案するものである。

本発明は、第２の手段として、上記第１の手段に加えて、
前記変圧器（Ｔ１）が、互いに並列接続された二つの一次巻線（ｎ１１，ｎ１２）を有し、該二つの一次巻線の層の間に挟まれた二次巻線（ｎ２）を有することを提案するものである。

本発明は、第３の手段として、上記第１の手段に加えて、
前記変圧器（Ｔ１）が、互いに直列接続された二つの一次巻線（ｎ１０１，ｎ１０２）を有し、該二つの一次巻線の層の間に挟まれた二次巻線（ｎ２）を有することを提案するものである。

本発明は、第４の手段として、上記第１～３の手段に加えて、
前記インダクタ（Ｌ１）に直列接続された第３のダイオード（Ｄ３）を備えることを提案するものである。

本発明は、第５の手段、すなわち、
直流入力電源を受ける一対の入力端子（１、２）と、該一対の入力端子にそれぞれ接続されたコモンライン（１２）と電源ライン（１１）と、二つの主電流電極と一つの制御電極とを有する電力スイッチング素子（Ｑ１）と、該制御電極に接続された駆動信号発生回路と、一次巻線（ｎ１）と補助一次巻線（ｎ１０）の間の層に挟まれた二次巻線（ｎ２）とを備える変圧器（Ｔ１）と、該変圧器の二次巻線に接続された整流回路と、該整流回路に接続された一対の出力端子（３，４）とを備え、前記コモンラインと電源ライン間に、互いに直列接続された前記電力スイッチング素子の二つの主電流電極と前記変圧器の一次巻線とが接続され、前記電源ライン（１１）に一端が接続された第１のダイオード（Ｄ１）と前記変圧器の一次巻線（ｎ１）の一端に接続された第１のコンデンサ（Ｃ１）と、該第１のコンデンサ（Ｃ１）と第１のダイオード（Ｄ１）との接続点と前記コモンライン（１２）との間に互いに直列接続されたインダクタ（Ｌ１）と第２のダイオード（Ｄ２）とを備え、前記電力スイッチング素子（Ｑ１）の制御電極が前記駆動信号発生回路によりオンオフ駆動してなるとともに、
前記補助一次巻線（ｎ１０）の一端が前記電力スイッチング素子（Ｑ１）の主電流電極と前記一次巻線（ｎ１）との接続点に接続されるとともに前記補助一次巻線（ｎ１０）の他端とコモンライン（１２）との間に接続され、かつ、前記第１のダイオード（Ｄ１）と前記第１のコンデンサ（Ｃ１）との接続点から第４のダイオード（Ｄ４）を介して接続された第２のコンデンサ（Ｃ２）を備えてなるスイッチング電源装置を提案するものである。
この場合、電力スイッチング素子（Ｑ１）のオフ時には、変圧器（Ｔ１）のリーケージインダクタンスに起因して発生するスナバエネルギーを、一次巻線（ｎ１）に第１のダイオード（Ｄ１）を介して接続された第１のコンデンサ（Ｃ１）に吸収し、
次に電力スイッチング素子（Ｑ１）のオン時には、第１のコンデンサ（Ｃ１）と第１のダイオード（Ｄ１）との接続点とコモンライン（１２）との間に第２のダイオード（Ｄ２）とインダクタ（Ｌ１）との直列回路を接続して、前記第１のコンデンサに吸収されたスナバエネルギーを前記インダクタ（Ｌ１）に蓄積し、該蓄積エネルギーを次の前記電力スイッチング素子のオフ時に、コモンライン（１２）と電源ライン（１１）との間に回生するとともに、第１のコンデンサ（Ｃ１）から第４のダイオード（Ｄ４）を介して接続された第２のコンデンサ（Ｃ２）にも同時に回生することができる。

本発明は、第６の手段として、
直流入力電源を受ける一対の入力端子と、該一対の入力端子にそれぞれ接続されたコモンライン（１２）と電源ライン（１１）と、二つの主電流電極と一つの制御電極とを有する電力スイッチング素子（Ｑ１）と、該制御電極に接続された駆動信号発生回路と、一次巻線（ｎ１）と二次巻線（ｎ２）とを備える変圧器（Ｔ１）と、該変圧器（Ｔ１）の二次巻線（ｎ２）に接続された整流回路と、該整流回路に接続された一対の出力端子とを備え、前記コモンラインと電源ライン間に、互いに直列接続された前記電力スイッチング素子（Ｑ１）の二つの主電流電極と前記変圧器（Ｔ１）の一次巻線とが接続され、前記電源ラインに一端が接続された第１のダイオード（Ｄ１）と前記変圧器（Ｔ１）の一次巻線（ｎ１）の一端に接続された第１のコンデンサ（Ｃ１）と、該第１のコンデンサ（Ｃ１）と第１のダイオード（Ｄ１）との接続点と前記コモンライン（１２）との間に互いに直列接続されたインダクタ（Ｌ１）と第２のダイオード（Ｄ２）とを備え、前記電力スイッチング素子（Ｑ１）の制御電極が前記駆動信号発生回路によりオンオフ駆動してなるとともに、
前記補助一次巻線（ｎ１０）の一端が前記電力スイッチング素子（Ｑ１）の主電流電極と前記一次巻線（ｎ１）との接続点に接続されるとともに、前記第１のダイオード（Ｄ１）と前記第１のコンデンサ（Ｃ１）との接続点から第４のダイオード（Ｄ４）を介して前記補助一次巻線（ｎ１０）の他端に接続されてなることを特徴とする、スイッチング電源装置を提案するものである。
 

本発明は、上記第５、第６の手段に加えて、第７の手段として、
前記変圧器（Ｔ１）の二次巻線（ｎ２）が、一次巻線（ｎ１）と補助一次巻線（ｎ１０）の間の層に挟まれたことを提案するものである。

本発明は、上記第５～７の手段に加えて、第８の手段として、
前記インダクタ（Ｌ１）に直列接続された第３のダイオード（Ｄ３）を有することを提案するものである。

上記のように、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路は、コンデンサとインダクタとダイオードとから構成されており、抵抗のような本質的な電力消費となる部品は含まれていない。また、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路の接続関係は、電力スイッチング素子の主電流端子間には並列接続されたもののみであり、電力スイッチング素子の主電流端子間に直列接続された構成要素は存在しない。さらにまた、出力電流の経路にもスナバ回路の構成要素が直列接続されるものは存在しない。したがって、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路は、電力損失が少なく、極めて効率が高いという効果がある。
また、このエネルギー回生スナバ回路を用いたスイッチング電源装置においては、電力スイッチング素子のターンオフ時の損失を減少させることができて変換効率を高めることができ、電力スイッチング素子の放熱対策の構成がより簡素になり経済的となる。また、電力スイッチング素子への印加電圧が低減することによりノイズの発生が低減するので、必要なＥＭＩ対策用の構成部品の定数選定について経済的になる。

本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の第１の実施例の図である。 本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の各部の電流、電圧波形の図である。 本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の第２の実施例の図である。 本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の第３の実施例の図である。 図４に示すエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の各部の電流、電圧波形の図である。 本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の第４の実施例の図である。 本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の変圧器の巻線構成の一実施例である。 本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の変圧器の巻線構成の他の一実施例である。 従来のスナバ回路の一例の図である。

本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置を、図１に示す実施例に基づいて具体的に説明する。

図１に示すスイッチング電源装置１０において、１、２は直流入力電源を受ける入力端子で、入力端子２が０Ｖ側ラインであり、３、４は直流出力電圧を発生する出力端子であり、この出力端子３、４には負荷５が接続されている。Ｑ１は電力スイッチング素子であるＭＯＳＦＥＴであり、Ｔ１は変圧器であって、一次巻線ｎ１と二次巻線ｎ２とを有する。一次巻線ｎ１の一端は入力端子１に接続され、その他方の一端は電力スイッチング素子Ｑ１主電流電極の一方であるドレインに接続される。また、電力スイッチング素子Ｑ１の主電流電極の他方であるソースは入力端子２に接続される。電力スイッチング素子Ｑ１の制御用電極であるゲートは、図示しない制御駆動回路から信号を受けて、数十ｋＨｚ～数百ｋＨｚの周波数でオンオフ駆動されている。変圧器Ｔ１の一次巻線ｎ１には、スイッチングされたオンオフ波形の電圧が現れて、その二次巻線ｎ２には、一次巻線ｎ１と二次巻線ｎ２との巻数比に応じた電圧が現れて、この電圧を整流用のダイオードＤ５と平滑用のコンデンサＣ５とにより目的の電圧値の電圧を出力端子３、４の間に発生させて、負荷５に直流電力供給する。変圧器Ｔ１の一次巻線ｎ１には、互いに直列接続されたスナバ用のコンデンサＣ１とダイオードＤ１とが接続されており、電力スイッチング素子Ｑ１のオフ時のサージ電圧が、コンデンサＣ１を充電する。コンデンサＣ１とダイオードＤ１との接続点と、０Ｖ側ラインとの間には、互いに順次直列接続されたダイオードＤ２と回生回路用のインダクタＬ１とダイオードＤ３とが接続されている。
この回路の中で、破線で囲まれて符号７で示した、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、コンデンサＣ１、インダクタＬ１とにより、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路が構成される。

このように構成されたエネルギー回生スナバ回路７を備えたスイッチング電源装置１０の動作を説明する。ここで参照する各部の波形を図２に示す。図２の各縦軸については、（ａ）は電力スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間電圧波形を示し、（ｂ）は電力スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間電流波形を示し、（ｃ）はエネルギー回生スナバ回路７のコンデンサＣ１の電圧波形を示し、ダイオードＤ１との接続点を基準とした電圧波形であり、（ｄ）はエネルギー回生スナバ回路のコンデンサＣ１の電流波形を示し、（ｅ）はエネルギー回生スナバ回路７のダイオードＤ２の電流波形を示し、（ｆ）はエネルギー回生スナバ回路７のダイオードＤ１の電流波形をそれぞれ示す。なお、横軸は、時間軸であって、図２の（ａ）～（ｆ）まですべて共通で、それぞれ同じ時間軸として現象が対応するものであり、また、スイッチング電源装置の動作が定常運転状態にあるときの波形を示すものである。
まず、電力スイッチング素子Ｑ１がオンしている区間では、変圧器Ｔ１に電流エネルギーが蓄積されている。

次に、時間ｔ０で電力スイッチング素子Ｑ１がターンオフすると、変圧器Ｔ１に蓄積された磁気エネルギーが変圧器Ｔ１の二次巻線ｎ２から出力として供給されると同時に、一次巻線ｎ１のリーケージインダクタンスに起因するサージ電流として、ダイオードＤ１が導通してコンデンサＣ１にエネルギーを蓄積する。このとき、一次巻線ｎ１の両端の電圧は、定常時運転時には、このフライバックモードでは、出力端子３、４間の電圧を一次巻線ｎ１に換算した電圧にクランプされる。この電流ループは、一次巻線ｎ１→コンデンサＣ１→ダイオードＤ１→一次巻線ｎ１となる。このときコンデンサＣ１に流れるサージ電流の波形は、図２（ｄ）に示すように時間ｔ０から時間ｔ１までの短時間である。このスナバ回路の作用により、電力スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間電圧は、一次巻線ｎ１のクランプ電圧に等しいコンデンサＣ１の電圧に直流入力電源の電圧（Ｅ）を加算した電圧にクランプされるが、図２（ａ）に示すように時間ｔ０から時間ｔ１までの区間において、わずかな上昇に抑制される。
なお、いわゆるフォワードモード（後に図４に示す）では、一次巻線ｎ１の電圧は、通常、直流入力電源の電圧（Ｅ）にほぼ等しい電圧にクランプされる。このとき、電力スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間電圧は、該クランプ電圧に等しいコンデンサＣ１の電圧に直流入力電源の電圧（Ｅ）を加算した電圧にクランプされる。

次のスイッチング周期の始期ｔｃにおいて、電力スイッチング素子Ｑ１がオンすると、電力スイッチング素子Ｑ１は、変圧器Ｔ１の一次巻線ｎ１に電流を流して磁気エネルギーとして蓄積するとともに、コンデンサＣ１に充電された電荷が、コンデンサＣ１→電力スイッチング素子Ｑ１→ダイオードＤ３→インダクタＬ１→ダイオードＤ２→コンデンサＣ１の経路で電流が流れて、コンデンサＣ１の電荷の一部が、インダクタＬ１の磁気エネルギーとして移動蓄積されるが、コンデンサＣ１の電圧値はわずかに減少するに留まる。

そして、次の電力スイッチング素子Ｑ１のオフに伴って、インダクタＬ１の両端の電圧が極性反転すると、インダクタＬ１の電圧は、インダクタＬ１→ダイオードＤ２→ダイオードＤ１→電源ライン１１→コモンライン１２→ダイオードＤ３→インダクタＬ１のループで電流が流れて、インダクタＬ１の磁気エネルギーは、回生エネルギーとして、電源ライン１１とコモンライン１２に接続された入力直流電源に回生供給される。また、インダクタＬ１の電圧は、インダクタＬ１→ダイオードＤ２→コンデンサＣ１→一次巻線ｎ１→電源ライン１１→コモンライン１２→ダイオードＤ３→インダクタＬ１のループでも電流が流れることがある。
この回生エネルギーは、電源ライン１１とコモンライン１２に接続された電解コンデンサや他の負荷、回路などに給電することもできる。なお、このときのフォワードモードの電流もフライバックモードのときと同様である。

インダクタＬ１から回生エネルギー放出として電流が流れるとき、インダクタＬ１の両端の電圧は、定常運転時には、このフライバックモードでも、フォワードモードでも、直流入力電源の電圧（Ｅ）にクランプされる。

ここで、インダクタＬ１の両側に直列接続されたダイオードＤ２、Ｄ３はともにファーストリカバリーの特性のものが好ましい。なお、二つのダイオードＤ２、Ｄ３は、これらの二つのダイオードを設けることで、ファーストリカバリーの特性がより効果的となるものであるが、本発明の基本的な作用しては、いずれか一つのダイオードでも実施可能である。

次に、図３に示す本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の第２の実施例について説明する。

図３において、図３の符号が、図１に示す第１の実施例と同じ符号の構成要素は、それぞれ、同じ構成要素に対応する。変圧器Ｔ１については、一次巻線ｎ１と基本的に同じ巻数の補助一次巻線ｎ１０を備えて、この補助一次巻線ｎ１０と一次巻線ｎ１との間の層に二次巻線ｎ２を挟む、いわゆるサンドイッチ巻きの構造とする。このサンドイッチ巻きの巻線配置によって、変圧器Ｔ１の一次巻線と二次巻線との間の結合が向上して、リーケージインダクタンスも低下する。
そして、補助一次巻線ｎ１０の一端は、一次巻線ｎ１の一端であって電力スイッチング素子Ｑ１の主電流電極の一つであるドレインとの接続点に接続される。補助一次巻線ｎ１０の他の一端は、第２のコンデンサＣ２を介してコモンライン１２に接続される。また、補助一次巻線ｎ１０の他の一端と第２のコンデンサＣ２との接続点は、第４のダイオードＤ４を介して第１のダイオードＤ１と第１のコンデンサＣ１との接続点に接続される。
このようにして、第１～４のダイオードＤ１～４と第１のコンデンサＣ１と第２のコンデンサＣ２とインダクタＬ１とにより、エネルギー回生スナバ回路８が構成される。

この図３に示す本発明に係るスイッチング電源装置の第２の実施例において、その回路構成は、図１に示す第１の実施例に追加して、補助一次巻線ｎ１０と第２のコンデンサＣ２と第４のダイオードＤ４と、これらに係る回路が加わったものである。エネルギー回生スナバ回路８のうち、電力スイッチング素子Ｑ１と第１のコンデンサＣ１とインダクタＬ１と第１のコンデンサＣ１と第１のダイオードＤ１と第２のダイオードＤ２と第３のダイオードＤ３とに係る動作は、第１の実施例において説明した動作と同様であるので、補助一次巻線ｎ１０と第２のコンデンサＣ２と第４のダイオードＤ４とに係る回路の動作を中心に以下説明する。

図３において、電力スイッチング素子Ｑ１がオンすると、変圧器Ｔ１の一次巻線ｎ１と補助一次巻線ｎ１０とには、それぞれ、電源ライン１１とコモンライン１２に接続された直流入力電源の電圧（Ｅ）にほぼ等しい電圧が発生する。一次巻線ｎ１と補助一次巻線ｎ１０とに発生する電圧の極性は、各巻線の黒点の側がプラスとなる向きである。この補助一次巻線ｎ１０の黒点側は、第２のコンデンサＣ２を、直流入力電源の電圧（Ｅ）にほぼ等しい電圧に充電する。
次に電力スイッチング素子Ｑ１がオフすると、補助一次巻線ｎ１０に係る磁気エネルギーは、一次巻線ｎ１に係る磁気エネルギーとともに、二次巻線に移動するとともに、極性は反転する。このとき、補助一次巻線ｎ１０→第１のコンデンサＣ１→第４のダイオードＤ４→補助一次巻線ｎ１０のループで電流が流れる。また同時に、一次巻線ｎ１→第１のコンデンサＣ１→第１のダイオードＤ１→一次巻線ｎ１のループでも電流が流れる。この電流ループによって、補助一次巻線ｎ１０の電圧は第１のコンデンサＣ１の電圧にクランプされ、電力スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース電圧は、該クランプ電圧に直流入力電源の電圧（Ｅ）を加算した電圧にクランプされる。

また、電力スイッチング素子Ｑ１のオフに伴って、インダクタＬ１の両端の電圧が極性反転すると、インダクタＬ１の電圧は、一方では、インダクタＬ１→ダイオードＤ２→ダイオードＤ１→電源ライン１１→コモンライン１２→ダイオードＤ３→インダクタＬ１のループで電流が流れて、インダクタＬ１の磁気エネルギーは、回生エネルギーとして、電源ライン１１とコモンライン１２に接続された入力直流電源に回生供給される。
また、インダクタＬ１の電圧は、同時に、インダクタＬ１→ダイオードＤ２→ダイオードＤ４→補助一次巻線ｎ１０→コンデンサＣ２→コモンライン１２→ダイオードＤ３→インダクタＬ１のループで電流が流れて、インダクタＬ１の磁気エネルギーは、回生エネルギーとして、電源ライン１１とコモンライン１２に接続された入力直流電源に回生供給される。
また、さらに、インダクタＬ１の電圧は、インダクタＬ１→ダイオードＤ２→コンデンサＣ１→一次巻線ｎ１→電源ライン１１→コモンライン１２→ダイオードＤ３→インダクタＬ１のループで電流が流れることもある。あるいは、インダクタＬ１の電圧は、インダクタＬ１→ダイオードＤ２→コンデンサＣ１→補助一次巻線ｎ１０→コンデンサＣ２→コモンライン１２→ダイオードＤ３→インダクタＬ１のループで電流が流れることもある。
このとき、変圧器Ｔ１の補助一次巻線ｎ１０の両端の瞬時電圧と一次巻線ｎ１の両端の瞬時電圧とは図３の極性指示どおりで、それらの瞬時電圧は常に等しいので、互いに打ち消しあう関係にあるので、ダイオードＤ４のアノードから見た電位は、電源ライン１１の電位と等しい関係にある。なお、上記の変圧器Ｔ１の補助一次巻線ｎ１０→一次巻線ｎ１→電源ライン１１のループを流れる電流は、変圧器Ｔ１の巻線利用率を向上させる可能性がある。
すなわち、インダクタＬ１に蓄えられたエネルギーは、以上の二つのループに分流してエネルギー回生される。したがって、この二つの電流ループがあるので、エネルギー回生の回路のインピーダンスが半減するので、効率が向上するとともに応答速度がより速くなる。

このようにして、図３に示すスイッチング電源装置は、変圧器Ｔ１の一次巻線、二次巻線間の結合を高めつつ、良好なエネルギー回生スナバ回路の動作をするものであり、これら両方の作用により、一層変換効率を高めることができる。
なお、この第２の実施例の各部の電圧電流の波形は、図２に示す波形図における各電圧電流の波形とほぼ同様である。

図１および図３に示すスイッチング電源装置は、いわゆるフライバック型と呼ばれる動作モードで、電力スイッチング素子がオンしたときには磁気エネルギーを蓄えておき、電力スイッチング素子がオフしたときに出力エネルギーを取り出す動作モードである。
もう一つの動作モード、いわゆるフォワード型、すなわち、電力スイッチング素子がオンしている時に同時に出力エネルギーを取り出す動作モードにも、本発明を実施することができる。

図４は、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の第３の実施例を示す。この実施例は、いわゆるフォワードモードのスイッチング電源装置であり、変圧器Ｔ１の一次巻線ｎ１と二次巻線ｎ２との極性の相互関係が図１に示す実施例とは反対である。
図４において、図４の符号が、図１に示す第１の実施例と同じ符号の構成要素は、それぞれ、同じ構成要素に対応する。変圧器Ｔ１の二次巻線ｎ２は、整流用の第５のダイオードＤ５と、いわゆるフリーホイーリング用の第６のダイオードＤ６と、平滑用の第２のインダクタと、平滑用のコンデンサＣ５とからなる整流回路によって、出力端子３、４間に目的の直流電圧を発生させる。

図５は、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の第３の実施例における各部の電流、電圧波形を示す。図５に示す各部の波形は、おおむね、図２に示す波形図と同様であり、フォワード型のモード固有の動作の性質上、図５（ａ）に示す電力スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間電圧波形と、図５（ｂ）に示す電力スイッチング素子Ｑ１のドレイン・ソース間電流波形が、特有の波形である。

図６は、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置の第４の実施例を示す。図６において、図６の符号が、図３に示す第２の実施例と同じ符号の構成要素は、それぞれ、同じ構成要素に対応する。この第４の実施例は、第３の実施例と同様のフォワード型の動作モードである。

図８は、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置における変圧器の巻線構造の一実施例である。図８において、変圧器Ｔ１の一次巻線は、二つの互いに等しい巻数の一次巻線ｎ１１、ｎ１２を設けて、これら一次巻線ｎ１１、ｎ１２の間に二次巻線ｎ２を挟み込み巻線構造にする。一次巻線ｎ１１、ｎ１２は、互いに並列接続してスイッチング電源装置に接続する。この変圧器Ｔ１の構成によって、一次、二次巻線間の結合がより密接になり、リーケージインダクタがより低減することになる。

図９は、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路を備えたスイッチング電源装置における変圧器の巻線構造の他の一実施例である。図９において、変圧器Ｔ１の一次巻線は、二つの互いに等しいか又はほぼ等しい巻数の一次巻線ｎ１０１、ｎ１０２を設けて、これら一次巻線ｎ１０１、ｎ１０２の間に二次巻線ｎ２を挟み込み巻線構造にする。一次巻線ｎ１０１、ｎ１０２は、互いに直列接続してスイッチング電源装置に接続する。この変圧器Ｔ１の構成によって、一次、二次巻線間の結合がより密接になり、リーケージインダクタがより低減することになる。

以上説明した各実施例は、それぞれ、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路の一実施例であって、たとえば、本発明に係るエネルギー回生スナバ回路の構成要素の各ダイオードについては、その極性は、入力電圧の極性、出力電圧の極性に応じて適宜設定することができる。さらに、電力スイッチング素子は、実施例に示したＭＯＳＦＥＴが好適ではあるが、適用の用途と状況によっては、他の種類のスイッチング素子であるバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴなど広く選択することは当然にも可能である。

１、２　入力端子
３、４　出力端子
５　　負荷
７、８　エネルギー回生スナバ回路
１０　スイッチング電源装置
１１　電源ライン
１２　コモンライン
Ｑ１　電力スイッチング素子
Ｌ１、Ｌ２　インダクタ
Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｃ５　コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６　ダイオード
Ｔ１　　　変圧器
ｎ１　一次巻線
ｎ２　二次巻線
ｎ１０　補助一次巻線
ｎ１１、ｎ１２　一次巻線
ｎ１０１、ｎ１０２　一次巻線

特開２０００－９２８３４号公報 特開２００２－１０１６５６号公報

Claims (8)

1. 直流入力電源を受ける一対の入力端子と、該一対の入力端子にそれぞれ接続されたコモンラインと電源ラインと、二つの主電流電極と一つの制御電極とを有する電力スイッチング素子と、該制御電極に接続された駆動信号発生回路と、一次巻線と二次巻線とを備える変圧器と、該変圧器の二次巻線に接続された整流回路と、該整流回路に接続された一対の出力端子とを備えてなり、前記コモンラインと電源ライン間に、互いに直列接続された前記電力スイッチング素子の二つの主電流電極と前記変圧器の一次巻線とが接続され、前記電力スイッチング素子の制御電極が前記駆動信号発生回路によりオンオフ駆動してなるスイッチング電源装置において、
   前記電力スイッチング素子のオフ時には、前記変圧器のリーケージインダクタンスに起因して発生するスナバエネルギーを、前記一次巻線に第１のダイオードを介して接続された第１のコンデンサに吸収し、
   次に前記電力スイッチング素子のオン時には、前記第１のコンデンサと第１のダイオードとの接続点とコモンラインとの間に第２のダイオードとインダクタとの直列回路を接続して、前記第１のコンデンサに吸収されたスナバエネルギーを、前記電力スイッチング素子のオフ時に前記インダクタを介して、前記コモンラインと電源ラインとの間に回生するエネルギー回生スナバを有する、スイッチング電源装置。
2. 前記変圧器が、互いに並列接続された二つの一次巻線を有し、該二つの一次巻線の層の間に挟まれた二次巻線を有することを特徴とする、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記変圧器が、互いに直列接続された二つの一次巻線を有し、該二つの一次巻線の層の間に挟まれた二次巻線を有することを特徴とする、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記インダクタに直列接続された第３のダイオードを有する、請求項１～３のいずれか一つに記載のスイッチング電源装置。
5. 直流入力電源を受ける一対の入力端子と、該一対の入力端子にそれぞれ接続されたコモンラインと電源ラインと、二つの主電流電極と一つの制御電極とを有する電力スイッチング素子と、該制御電極に接続された駆動信号発生回路と、一次巻線と補助一次巻線と二次巻線とを備える変圧器と、該変圧器の二次巻線に接続された整流回路と、該整流回路に接続された一対の出力端子とを備え、前記コモンラインと電源ライン間に、互いに直列接続された前記電力スイッチング素子の二つの主電流電極と前記変圧器の一次巻線とが接続され、前記電源ラインに一端が接続された第１のダイオードと前記変圧器の一次巻線の一端に接続された第１のコンデンサと、該第１のコンデンサと第１のダイオードとの接続点と前記コモンラインとの間に互いに直列接続されたインダクタと第２のダイオードとを備え、前記電力スイッチング素子の制御電極が前記駆動信号発生回路によりオンオフ駆動してなるとともに、
   前記補助一次巻線の一端が前記電力スイッチング素子の主電流電極と前記一次巻線との接続点に接続されるとともに前記補助一次巻線の他端とコモンラインとの間に接続され、かつ、前記第１のダイオードと前記第１のコンデンサとの接続点から第４のダイオードを介して接続された第２のコンデンサを備えてなることを特徴とする、スイッチング電源装置。
6. 直流入力電源を受ける一対の入力端子と、該一対の入力端子にそれぞれ接続されたコモンラインと電源ラインと、二つの主電流電極と一つの制御電極とを有する電力スイッチング素子と、該制御電極に接続された駆動信号発生回路と、一次巻線と補助一次巻線と二次巻線とを備える変圧器と、該変圧器の二次巻線に接続された整流回路と、該整流回路に接続された一対の出力端子とを備え、前記コモンラインと電源ライン間に、互いに直列接続された前記電力スイッチング素子の二つの主電流電極と前記変圧器の一次巻線とが接続され、前記電源ラインに一端が接続された第１のダイオードと前記変圧器の一次巻線の一端に接続された第１のコンデンサと、該第１のコンデンサと第１のダイオードとの接続点と前記コモンラインとの間に互いに直列接続されたインダクタと第２のダイオードとを備えを備え、前記電力スイッチング素子の制御電極が前記駆動信号発生回路によりオンオフ駆動してなるとともに、
   前記補助一次巻線の一端が前記電力スイッチング素子の主電流電極と前記一次巻線との接続点に接続されるとともに、第１のダイオードと第１のコンデンサとの接続点から第４のダイオードを介して前記補助一次巻線の他端に接続されてなることを特徴とする、スイッチング電源装置。
7. 前記変圧器の二次巻線が、一次巻線と補助一次巻線の間の層に挟まれたことを特徴とする、請求項５又は請求項６に記載のスイッチング電源装置。
8. 前記インダクタに直列接続された第３のダイオードを有する、請求項５～７のいずれか一つに記載のスイッチング電源装置。

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