WO2016075720A1 - 電源装置 - Google Patents
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- H02M3/28—Conversion of dc power input into dc power output with intermediate conversion into ac by static converters using discharge tubes with control electrode or semiconductor devices with control electrode to produce the intermediate ac
Definitions
- the present invention relates to a multiphase output power supply device.
- a conventional power supply device in the case of a multiphase output flyback power supply, on / off control of DC power supply to the input windings of a plurality of transformers is performed with a single semiconductor switch in order to reduce the size of the power supply device. Things are known. However, since this on / off control is performed based on the load of the output winding of a specific transformer among a plurality of transformers, if the load of the output winding of another transformer is small, the input winding The transformer becomes larger because the wire is circulated.
- Patent Document 1 when the load of the output winding is small, a rectifying means is provided between the power discharge winding for discharging excess power stored in the transformer and the plurality of input windings. As a result, even when the load of the output winding of the transformer is unbalanced, a power supply device is formed in which the capacity of the transformer does not increase by preventing recirculation in the input winding.
- the present invention has been made to solve the above-described problems, and provides a power supply device that improves the efficiency at light load.
- the power supply device of the present invention includes a magnetic circuit for temporarily storing power from a DC power supply, an input winding having one end connected to the positive electrode of the DC power supply for storing power in the magnetic circuit, and the stored power.
- a plurality of transformers including an output winding for supplying a load and a power discharging winding for discharging to a DC power source; a first rectifier having an anode connected to the other end of the input winding;
- a control unit for turning on and off a semiconductor switch provided between the cathode side of the rectifying means and the negative electrode of the DC power source in a predetermined cycle, and in series with the output winding, power is supplied to the magnetic circuit via the input winding.
- a third rectifier that discharges the electric power stored in the magnetic circuit to the DC power supply when the value reaches the value, and the control unit has a voltage between the terminals equal to or higher than a reference voltage value smaller than a predetermined voltage value. In addition, the ON period is invalidated.
- the control unit invalidates the on-period of the semiconductor switch so that the magnetic circuit Therefore, unnecessary power storage process is not performed, and the efficiency at light load can be improved.
- FIG. 1 is a circuit diagram of a power supply device according to a first embodiment of the present invention.
- the power supply device is connected from a DC power supply 3 via a semiconductor switch 4, and a first power supply unit 10 that supplies power to the first load 1 and a second power supply that supplies power to the second load 2.
- Two power supply units 20 are provided.
- a bipolar transistor, a MOSFET, or the like is used as the semiconductor switch 4 and is turned on / off at a predetermined cycle according to a command from the control unit 100.
- the 1st power supply part 10 has the 1st transformer 11 connected to the 1st load 1, and the 1st transformer 11 is formed with the primary winding, the secondary winding, and the 1st magnetic circuit 11a.
- the primary winding has a first input winding 11b and a first power discharge winding 11c having one end connected to one end of the first input winding 11b, and the secondary winding is a first output winding. 11d.
- the positive electrode of the DC power supply 3 is connected to one end of the first input winding 11b and one end of the first power discharge winding 11c, and the other end of the first input winding 11b is a semiconductor.
- the switch 4 is connected to one end of the semiconductor switch 4 via a first reflux prevention diode 12 as a first rectifying means for preventing current flowing into the first input winding 11b when the switch 4 is turned off.
- the other end of the first power discharge winding 11c has a first ground diode 13 as a third rectifier that prevents current from flowing to the negative electrode side of the DC power supply 3 when the semiconductor switch 4 is on.
- the secondary side of the first power supply unit 10 is connected to the first load 1 and the first capacitor 15 from the first output winding 11d via the first load diode 14 as the second rectifying means.
- the first load diode 14 prevents current from flowing through the first capacitor 15 when the semiconductor switch 4 is on.
- the 2nd power supply part 20 has the 2nd transformer 21 connected to the 2nd load 2, and the 2nd transformer 21 is formed with the primary winding, the secondary winding, and the 2nd magnetic circuit 21a.
- the primary winding has a second input winding 21b and a second power discharge winding 21c having one end connected to one end of the second input winding 21b, and the secondary winding is a second output winding. 21d.
- the positive electrode of the DC power supply 3 is connected to one end of the second input winding 21b and one end of the second power discharge winding 21c, and the other end of the second input winding 21b is a semiconductor.
- the switch 4 is connected to one end of the semiconductor switch 4 via a second anti-reflective diode 22 serving as a first rectifying means for preventing a current flowing into the second input winding 21b when the switch 4 is turned off.
- the other end of the second power discharge winding 21c has a second ground diode 23 as a third rectifier for preventing current from flowing to the negative electrode side of the DC power supply 3 when the semiconductor switch 4 is on. To the negative electrode side of the DC power source 3.
- the secondary side of the second power supply unit 20 is connected from the second output winding 21d to the second load 2 and the second capacitor 25 via the second load diode 24 as the second rectifying means.
- the second load diode 24 prevents current from flowing through the second capacitor 25 when the semiconductor switch 4 is on.
- the drain terminal is connected to the cathode side of the first reflux prevention diode 12 and the second reflux prevention diode 22, the source terminal is connected to the negative side of the DC power supply 3, and the gate A command from the control unit 100 is input to the terminal.
- the semiconductor switch 4 is turned on, and when the command is an L signal, the semiconductor switch 4 is turned off.
- the number of turns of the first power discharge winding 11c is N1c
- the number of turns of the first output winding 11d is N1d
- the forward voltage drop of the first load diode 14 is VF14
- the forward voltage drop of the first ground diode 13 is VF13.
- the control unit 100 includes a rectangular wave transmitter 101 as a signal generation unit that outputs an H / L signal at a predetermined cycle, a first power supply monitoring unit 110 that monitors the output voltage of the first power supply unit 10, and a second power supply.
- the voltage corresponding to the current value is input from the second power supply monitoring unit 120 that monitors the output voltage of the unit 20 and the current sensor 5 as the current detection unit that detects the current flowing through the semiconductor switch 4.
- a current monitoring unit 130 that monitors the value, and a limiting circuit 140 that limits a signal output from the rectangular wave transmitter 101 based on output signals of the first power monitoring unit 110, the second power monitoring unit 120, and the current monitoring unit 130. And.
- the first power supply monitoring unit 110 includes a first voltage reference 111 having a reference voltage value set in advance as a voltage capable of stopping power supply from the first output winding 11d to the first capacitor 15, and a voltage between the terminals of the first capacitor 15.
- a first comparator 112 having hysteresis characteristics is provided as a voltage comparison means for comparing.
- the output of the first comparator 112 is input to the OR gate 141 of the limiting circuit 140 via the first signal isolation circuit 113.
- the L signal is output from the first signal insulation circuit 113, and when it is less than the first voltage reference 111, the H signal is output. Is done.
- the second power source monitoring unit 120 includes a second voltage reference 121 having a reference voltage value set in advance as a voltage capable of stopping power supply from the second output winding 21d to the second capacitor 25, and a voltage across the terminals of the second capacitor 25.
- the second comparator 122 having hysteresis characteristics is provided as a voltage comparison means for comparing.
- the output of the second comparator 122 is input to the OR gate 141 of the limiting circuit 140 via the second signal isolation circuit 123.
- the L signal is output from the second signal insulation circuit 123, and when the voltage between the terminals is less than the second voltage reference 121, the H signal is output. Is done.
- the current sensor 5 detects a current flowing through the semiconductor switch 4 and outputs a voltage corresponding to the detected current value.
- the current monitoring unit 130 has a hysteresis characteristic for comparing a voltage input from the current sensor 5 with a third voltage reference 131 set in advance corresponding to a predetermined current value that is an upper limit reference of the energization current of the semiconductor switch 4.
- a third comparator 132 having The output of the third comparator 132 is input to the RESET terminal of the RS flip-flop 142 of the limiting circuit 140.
- the H signal is output from the third comparator 132 when the voltage input from the current sensor 5 is equal to or higher than the third voltage reference 131, and the L signal is output when the voltage is lower than the third voltage reference 131.
- the input of the AND gate 143 of the limiting circuit 140 is connected to the H / L signal of a predetermined period from the rectangular wave oscillator 101, the output of the OR gate 141, and the Q output of the RS flip-flop 142, and the output of the AND gate 143.
- the output of the OR gate 141 and the Q output of the RS flip-flop 142 are H signals
- the H / L signal of a predetermined period from the rectangular wave oscillator 101 is output as it is from the AND gate 143 as an H / L signal. Then, it becomes a command signal to the gate terminal of the semiconductor switch 4 to turn the semiconductor switch 4 on and off.
- the L signal is output from the AND gate 143 during the period of the L signal. During this period, the semiconductor switch 4 is turned off.
- the output of the OR gate 141 becomes the L signal when the L signal is input to the OR gate 141 from both the first signal insulating circuit 113 and the second signal insulating circuit 123. This is a case where the voltage between the terminals of the first capacitor 15 is not less than the first voltage reference 111 and the voltage between the terminals of the second capacitor 25 is not less than the second voltage reference 121, and the first capacitor 15 and the second capacitor 25 have This indicates that it is determined that the power supply to the station can be stopped.
- the Q output of the RS flip-flop 142 becomes the L signal when the output of the third comparator 132 input to the RESET terminal of the RS flip-flop 142 changes from the L signal to the H signal. This indicates that the current sensor 5 has exceeded a preset third voltage reference 131 corresponding to a predetermined current value that is an upper limit reference of the energization current of the semiconductor switch 4.
- a reverse bias voltage is applied to the first load diode 14, the first ground diode 13, the second load diode 24, and the second ground diode 23 during the period when the semiconductor switch 4 is on, due to the polarity of the winding. Is done. Therefore, no current flows through the first output winding 11d, the first power discharge winding 11c, the second output winding 21d, and the second power discharge winding 21c, and the first input winding is connected to the first magnetic circuit 11a. Only the second input winding 21b is connected to the second magnetic circuit 21a.
- the first input winding 11b of the first transformer 11 and the second input winding 21b of the second transformer 21 function equivalent to the inductance.
- a current flows through the path of the first input winding 11 b, the first reflux prevention diode 12, the semiconductor switch 4, and the path of the second input winding 21 b, the second reflux prevention diode 22, and the semiconductor switch 4.
- the magnitude of the current increases according to the conduction period, and accordingly, electric power is stored in the first magnetic circuit 11a and the second magnetic circuit 21a.
- the first load diode 14 connected to the first output winding 11d becomes conductive and is accumulated in the first magnetic circuit 11a.
- the discharged power is discharged to the first capacitor 15.
- the second load diode 24 connected to the second output winding 21d becomes conductive, and the electric power stored in the second magnetic circuit 21a is reduced.
- the second capacitor 25 is discharged.
- the first ground diode 13 connected to the first power discharge winding 11c is turned on and accumulated in the first magnetic circuit 11a. Electric power is discharged to the DC power source 3.
- the second ground diode 23 connected to the second power discharge winding 21c becomes conductive and accumulates in the second magnetic circuit 21a. The generated power is discharged to the DC power source 3.
- FIG. 2 shows the relationship between the load current flowing through the first load 1 of the first power supply unit 10 and the power supply voltage that is the voltage across the first capacitor 15.
- the power supply voltage becomes a predetermined voltage.
- the power accumulated in the first magnetic circuit 11a is discharged from the first output winding 11d to the first capacitor 15 when the voltage across the terminals of the first capacitor 15 is less than a predetermined voltage value.
- the first power discharge winding 11c is discharged to the DC power source 3 and is kept in the predetermined voltage value.
- the first output winding 11d is discharged to the first capacitor 15.
- the power supply voltage at this time does not have a sufficient margin to the operation lower limit voltage that can guarantee the operation of the first load 1
- the first output winding 11d This is a state where it is not acceptable to reduce the frequency of discharge to the first capacitor 15. That is, the semiconductor switch 4 needs to be continuously turned on / off.
- the signal becomes the L signal and the output of the AND gate 143 is set to the L signal, thereby invalidating the ON period of the semiconductor switch 4.
- the ON period of the semiconductor switch 4 is invalidated and the first magnetic circuit
- the efficiency of the power supply device can be improved by not performing an unnecessary power storage step for the 11a and the second magnetic circuit 21a.
- the configuration of the first power supply unit 10, the second power supply unit 20, and the two power supply units has been described.
- the number of power supply units is not limited to two and may be three or more. Also good.
- the power supply apparatus of the first embodiment configured as described above has a magnetic circuit that temporarily stores power from the DC power supply 3 and one end connected to the positive electrode of the DC power supply 3 in order to store power in the magnetic circuit.
- a first transformer 11 and a second transformer 21 having an input winding, an output winding for supplying the stored power to a load, and a power discharging winding for discharging the accumulated power to the DC power source 3, and an input winding
- a control circuit 100 for turning on and off the semiconductor switch 4 provided between the cathode side of the reflux prevention diode and the negative electrode of the DC power supply 3 at a predetermined cycle; In series with the output winding, conduction is blocked during the ON period when power is stored in the magnetic circuit via the input winding, and the power storage process is completed, and conduction occurs when the back electromotive force is generated in the magnetic circuit.
- Polarity connected load diode and load die The capacitor connected between the terminals of the series circuit of the output and output windings and the capacitor for smoothing the power supplied from the output winding, and conduction is blocked during the ON period, and between the capacitor terminals during the OFF period A ground diode that is connected in series with the power discharge winding with a polarity that conducts when the voltage reaches a predetermined voltage value, and that discharges the electric power stored in the magnetic circuit to the DC power source 3 when the voltage reaches the predetermined voltage value;
- the control unit 100 disables the on-period of the semiconductor switch 4 when the inter-terminal voltage is equal to or higher than a reference voltage value smaller than a predetermined voltage value.
- the control unit 100 invalidates the on-period of the semiconductor switch 4 so that unnecessary power is stored in the magnetic circuit. The process is not performed, and the efficiency at light load can be improved.
- control unit 100 includes a rectangular wave transmitter 101 that generates an H / L signal at a predetermined period, a comparator that compares a voltage between terminals with a reference voltage value, and a voltage between terminals that is greater than or equal to the reference voltage value by the comparator.
- a limiting circuit 140 that limits the H / L signal is provided.
- the current sensor 5 that detects the current value flowing through the semiconductor switch 4 is provided, and the control unit 100 invalidates the ON period of the semiconductor switch 4 when the current value detected by the current sensor 5 is equal to or greater than a predetermined current value. It is what.
- the semiconductor switch 4 is turned off, so that the failure of the components of the power supply device including the semiconductor switch 4 can be prevented.
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Abstract
直流電源(3)からの電力を一時的に蓄積する磁気回路(11a、21a)と、前記磁気回路に電力を蓄積する入力巻線(11b、21b)と、蓄積された電力を負荷(1、2)に供給する出力巻線(11d、21d)及び前記直流電源に放出する電力放出巻線(11c、21c)とを備えた変圧器(10、20)と、電力を供給するため半導体スイッチ(4)を所定の周期でオン・オフする制御部(100)と、前記出力巻線から供給される電力を平滑化するコンデンサ(15、25)と、オンの期間には導通が阻止され、オフの期間で前記コンデンサの端子間電圧が所定電圧値に達した場合に導通する極性で前記電力放出巻線に直列接続され、所定電圧値に達した場合に前記磁気回路に蓄積された電力を前記直流電源に放出する接地ダイオード(13、23)とを備え、前記制御部は、端子間電圧が所定電圧値よりも小さい基準電圧値以上の場合に、前記半導体スイッチのオンの期間を無効とする。これにより、前記磁気回路に対する不要な電力蓄積工程が行われなくなり、軽負荷時の効率を向上させることができる。
Description
本発明は、多相出力の電源装置に関するものである。
従来の電源装置においては、多相出力のフライバック電源の場合、電源装置を小型化するために複数の変圧器の入力巻線への直流電源供給を単一の半導体スイッチでオン・オフ制御するものが知られている。しかしながら、このオン・オフ制御は、複数の変圧器の中で特定の変圧器の出力巻線の負荷を基準にして行われるため、他の変圧器の出力巻線の負荷が小さいと、入力巻線を還流するため変圧器が大きくなる。
これに対して例えば特許文献1では、出力巻線の負荷が小さい場合、変圧器に蓄積された余分な電力を放出するための電力放出巻線と、複数の入力巻線間に整流手段を設けることで、変圧器の出力巻線の負荷が不平衡の場合でも入力巻線内の還流を防止することにより変圧器の容量が増加しない電源装置を形成している。
しかしながら、特許文献1に示された電源装置では、軽負荷時においても定格負荷に相当する電流が入力巻線と、出力巻線または電力放出巻線に常時無効電流として流れるために、変圧器のヒステリシス損失や半導体スイッチ、整流素子、変圧器の巻線抵抗で損失が発生し、軽負荷時の効率が悪いという課題を見出した。
本発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、軽負荷時の効率を向上させる電源装置を提供するものである。
本発明の電源装置は、直流電源からの電力を一時的に蓄積する磁気回路と、磁気回路に電力を蓄積するため一端が直流電源の正極に接続される入力巻線と、蓄積された電力を負荷に供給する出力巻線及び直流電源に放出する電力放出巻線と、を備えた複数の変圧器と、入力巻線の他端に陽極側が接続された第1の整流手段と、第1の整流手段の陰極側と直流電源の負極との間に設けられた半導体スイッチを所定の周期でオン・オフする制御部と、出力巻線と直列で、入力巻線を介して磁気回路に電力を蓄積するオンの期間には導通が阻止され、電力蓄積工程が終了し磁気回路に逆起電力が発生した際に導通する極性で接続された第2の整流手段と、第2の整流手段と出力巻線の直列回路の端子間に接続され、出力巻線から供給される電力を平滑化するコンデンサと、オンの期間には導通が阻止され、オフの期間で、コンデンサの端子間電圧が所定電圧値に達した場合に導通する極性で電力放出巻線に直列接続され、所定電圧値に達した場合に、磁気回路に蓄積された電力を直流電源に放出する第3の整流手段と、を備え、制御部は、端子間電圧が所定電圧値よりも小さい基準電圧値以上の場合に、オンの期間を無効とするものである。
上記のように構成された電源装置は、コンデンサの端子間電圧が所定電圧値よりも小さい基準電圧値以上となった場合に、制御部が半導体スイッチのオンの期間を無効とすることで磁気回路に対する不要な電力蓄積工程が行われなくなり、軽負荷時の効率を向上させることができる。
実施の形態1.
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態1について詳細に説明する。図1は、本発明の実施の形態1の電源装置の回路図である。図1において、電源装置は、直流電源3から半導体スイッチ4を介してそれぞれ接続されると共に、第1負荷1に電力を供給する第1電源部10と、第2負荷2に電力を供給する第2電源部20を備えている。ここで半導体スイッチ4は、バイポーラトランジスタやMOSFETなどが使用され、制御部100の指令により所定の周期でオン・オフされる。
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態1について詳細に説明する。図1は、本発明の実施の形態1の電源装置の回路図である。図1において、電源装置は、直流電源3から半導体スイッチ4を介してそれぞれ接続されると共に、第1負荷1に電力を供給する第1電源部10と、第2負荷2に電力を供給する第2電源部20を備えている。ここで半導体スイッチ4は、バイポーラトランジスタやMOSFETなどが使用され、制御部100の指令により所定の周期でオン・オフされる。
第1電源部10は、第1負荷1に接続される第1変圧器11を有し、第1変圧器11は、一次巻線、二次巻線及び第1磁気回路11aで形成されている。一次巻線は、第1入力巻線11bと、第1入力巻線11bの一端に一端が接続された第1電力放出巻線11cとを有し、二次巻線は、第1出力巻線11dを有している。
第1電源部10の一次側は、直流電源3の正極が第1入力巻線11bの一端及び第1電力放出巻線11cの一端に接続され、第1入力巻線11bの他端が、半導体スイッチ4をオフした際に第1入力巻線11bに流れ込む電流を防止する第1の整流手段としての第1還流防止ダイオード12を介して半導体スイッチ4の一端に接続されている。また、第1電力放出巻線11cの他端は、半導体スイッチ4がオンしている時に直流電源3の負極側に電流が流れることを防止する第3の整流手段としての第1接地ダイオード13を介して直流電源3の負極側に接続されている。
第1電源部10の二次側は、第1出力巻線11dから第2の整流手段としての第1負荷ダイオード14を介して第1負荷1及び第1コンデンサ15に接続されている。ここで第1負荷ダイオード14は半導体スイッチ4がオンしている時に第1コンデンサ15に電流が流れるのを防止するものである。
第2電源部20は、第2負荷2に接続される第2変圧器21を有し、第2変圧器21は、一次巻線、二次巻線及び第2磁気回路21aで形成されている。一次巻線は、第2入力巻線21bと、第2入力巻線21bの一端に一端が接続された第2電力放出巻線21cとを有し、二次巻線は、第2出力巻線21dを有している。
第2電源部20の一次側は、直流電源3の正極が第2入力巻線21bの一端及び第2電力放出巻線21cの一端に接続され、第2入力巻線21bの他端が、半導体スイッチ4をオフした際に第2入力巻線21bに流れ込む電流を防止する第1の整流手段としての第2還流防止ダイオード22を介して半導体スイッチ4の一端に接続されている。また、第2電力放出巻線21cの他端は、半導体スイッチ4がオンしている時に直流電源3の負極側に電流が流れることを防止する第3の整流手段としての第2接地ダイオード23を介して直流電源3の負極側に接続されている。
第2電源部20の二次側は、第2出力巻線21dから第2の整流手段としての第2負荷ダイオード24を介して第2負荷2及び第2コンデンサ25に接続されている。ここで第2負荷ダイオード24は半導体スイッチ4がオンしている時に第2コンデンサ25に電流が流れるのを防止するものである。
なお、半導体スイッチ4としてNチャンネルMOSFETを用いる場合、ドレイン端子を第1還流防止ダイオード12及び第2還流防止ダイオード22の陰極側に接続し、ソース端子を直流電源3の負極側に接続し、ゲート端子には、制御部100からの指令が入力される。ここで、制御部100からの指令がH信号の場合に半導体スイッチ4はオンし、L信号の場合に半導体スイッチ4はオフされるようになっている。
ここで、第1電力放出巻線11cの巻数をN1c、第1出力巻線11dの巻数をN1d、第1負荷ダイオード14の順電圧降下をVF14、第1接地ダイオード13の順電圧降下をVF13とすると、下式が成立するように選択する。
(V1+VF14)/(E+VF13)=N1d/N1c
ここで、E:直流電源3の端子間電圧
V1:設計出力電圧(第1コンデンサ15の端子間電圧)
同様にして、第2電力放出巻線21cの巻数をN2c、第2出力巻線21dの巻数をN2d、第2負荷ダイオード24の順電圧降下をVF24、第2接地ダイオード23の順電圧降下をVF23とすると、下式が成立するように選択する。
(V2+VF24)/(E+VF23)=N2d/N2c
ここで、E:直流電源3の端子間電圧
V2:設計出力電圧(第2コンデンサ25の端子間電圧)
(V1+VF14)/(E+VF13)=N1d/N1c
ここで、E:直流電源3の端子間電圧
V1:設計出力電圧(第1コンデンサ15の端子間電圧)
同様にして、第2電力放出巻線21cの巻数をN2c、第2出力巻線21dの巻数をN2d、第2負荷ダイオード24の順電圧降下をVF24、第2接地ダイオード23の順電圧降下をVF23とすると、下式が成立するように選択する。
(V2+VF24)/(E+VF23)=N2d/N2c
ここで、E:直流電源3の端子間電圧
V2:設計出力電圧(第2コンデンサ25の端子間電圧)
次に制御部100の構成について説明する。制御部100には、所定の周期でH/L信号を出力する信号発生手段として矩形波発信器101と、第1電源部10の出力電圧を監視する第1電源監視部110と、第2電源部20の出力電圧を監視する第2電源監視部120と、半導体スイッチ4に流れる電流を検出する電流検出手段としての電流センサ5から電流値に応じた電圧を入力し、入力された電圧により電流値を監視する電流監視部130と、第1電源監視部110、第2電源監視部120及び電流監視部130の出力信号に基づいて矩形波発信器101から出力される信号を制限する制限回路140とを備えている。
第1電源監視部110には、第1出力巻線11dから第1コンデンサ15への給電を停止可能な電圧として予め設定した基準電圧値の第1電圧基準111と第1コンデンサ15の端子間電圧とを比較するための電圧比較手段としてヒステリシス特性を有した第1コンパレータ112を備えている。第1コンパレータ112の出力は第1信号絶縁回路113を介して制限回路140のORゲート141に入力される。ここで、第1コンデンサ15の端子間電圧が、第1電圧基準111以上の場合には第1信号絶縁回路113からL信号が出力され、第1電圧基準111未満の場合にはH信号が出力される。
第2電源監視部120には、第2出力巻線21dから第2コンデンサ25への給電を停止可能な電圧として予め設定した基準電圧値の第2電圧基準121と第2コンデンサ25の端子間電圧とを比較するための電圧比較手段としてヒステリシス特性を有した第2コンパレータ122を備えている。第2コンパレータ122の出力は第2信号絶縁回路123を介して制限回路140のORゲート141に入力される。ここで、第2コンデンサ25の端子間電圧が、第2電圧基準121以上の場合には第2信号絶縁回路123からL信号が出力され、第2電圧基準121未満の場合にはH信号が出力される。
電流センサ5は、半導体スイッチ4に流れる電流を検出するものであり、検出された電流値に対応した電圧を出力するものである。電流監視部130には、半導体スイッチ4の通電電流の上限基準である所定電流値と対応して予め設定した第3電圧基準131と電流センサ5から入力される電圧とを比較するためのヒステリシス特性を有した第3コンパレータ132を備えている。第3コンパレータ132の出力は制限回路140のRSフリップフロップ142のRESET端子に入力される。ここで、第3コンパレータ132からは、電流センサ5から入力される電圧が第3電圧基準131以上の場合にはH信号が出力され、第3電圧基準131未満の場合にはL信号が出力される。
制限回路140のANDゲート143の入力には矩形波発信器101からの所定周期のH/L信号と、ORゲート141の出力と、RSフリップフロップ142のQ出力が接続され、ANDゲート143の出力は、半導体スイッチ4のゲート端子に接続されている。ここで、ORゲート141の出力とRSフリップフロップ142のQ出力が共にH信号の間は、矩形波発信器101からの所定周期のH/L信号がそのままANDゲート143からH/L信号として出力され、半導体スイッチ4のゲート端子への指令信号となり半導体スイッチ4をオン・オフする。
これに対して、ORゲート141の出力とRSフリップフロップ142のQ出力の内少なくとも一方がL信号となった場合には、そのL信号の期間、ANDゲート143からはL信号が出力されることとなり、この期間半導体スイッチ4はオフ状態となる。
ORゲート141の出力がL信号となるのは、ORゲート141に対して第1信号絶縁回路113と第2信号絶縁回路123の両方からL信号が入力された場合である。これは、第1コンデンサ15の端子間電圧が第1電圧基準111以上、かつ第2コンデンサ25の端子間電圧が第2電圧基準121以上の場合であり、第1コンデンサ15及び第2コンデンサ25に対しての給電を停止可能と判断されたことを示す。
また、RSフリップフロップ142のQ出力がL信号となるのは、RSフリップフロップ142のRESET端子に入力された第3コンパレータ132の出力がL信号からH信号に変化した時であり、これは、電流センサ5で半導体スイッチ4の通電電流の上限基準である所定電流値と対応して予め設定した第3電圧基準131を超えたことを示す。
上記のように構成された電源装置の動作について図1を参照して説明する。まず、半導体スイッチ4がオンしている期間は、巻線の極性の関係で第1負荷ダイオード14、第1接地ダイオード13、第2負荷ダイオード24及び第2接地ダイオード23には逆バイアス電圧が印加される。このため第1出力巻線11d、第1電力放出巻線11c、第2出力巻線21d及び第2電力放出巻線21cには電流が流れず、第1磁気回路11aには第1入力巻線のみが接続され、第2磁気回路21aには第2入力巻線21bのみが接続されているのと同じ状態となる。
つまりこの期間中、第1変圧器11の第1入力巻線11b及び第2変圧器21の第2入力巻線21bは、インダクタンスと同等の働きをする。直流電源3からは、第1入力巻線11b、第1還流防止ダイオード12、半導体スイッチ4の経路、及び第2入力巻線21b、第2還流防止ダイオード22、半導体スイッチ4の経路で電流が流れ、電流の大きさは導通期間に応じて増加し、これに伴い第1磁気回路11a及び第2磁気回路21a内に電力が蓄えられる。
次に、半導体スイッチ4がオフされた瞬間に、第1変圧器11及び第2変圧器21内に逆起電力が発生し、電流の流れを維持しようとするが、半導体スイッチ4が遮断されていることに加え、第1還流防止ダイオード12及び第2還流防止ダイオード22が接続されているため、第1入力巻線11bと第2入力巻線21bの間の電流の還流も防止される。
逆起電力が生じると、第1コンデンサ15の端子間電圧が所定電圧値より低い場合、第1出力巻線11dに接続された第1負荷ダイオード14が導通し、第1磁気回路11aに蓄積された電力を第1コンデンサ15に放電する。同様にして、第2コンデンサ25の端子間電圧が所定電圧値より低い場合、第2出力巻線21dに接続された第2負荷ダイオード24が導通し、第2磁気回路21aに蓄積された電力を第2コンデンサ25に放電する。
一方、第1コンデンサ15の端子間電圧が所定電圧値に達した場合には、第1電力放出巻線11cに接続された第1接地ダイオード13が導通し、第1磁気回路11aに蓄積された電力を直流電源3に放電する。同様にして、第2コンデンサ25の端子間電圧が所定電圧値に達した場合には、第2電力放出巻線21cに接続された第2接地ダイオード23が導通し、第2磁気回路21aに蓄積された電力を直流電源3に放電する。
図2に、第1電源部10の第1負荷1に流れる負荷電流と、第1コンデンサ15の端子間電圧である電源電圧との関係を示す。ここで負荷電流I1のように電流値が小さいAの範囲では電源電圧は所定電圧となる。この範囲においては第1磁気回路11aに蓄積された電力は、第1コンデンサ15の端子間電圧が所定電圧値未満の場合には第1出力巻線11dから第1コンデンサ15に放電され、第1コンデンサ15の端子間電圧が所定電圧値に達した以降は第1電力放出巻線11cから直流電源3に放電されて所定電圧値を保持している状態である。
つぎに、負荷電流I2のように、負荷電流がAの範囲を超え電源電圧が基準電圧値以上であるBの範囲においては、第1磁気回路11aに蓄積された電力は全て第1出力巻線11dから第1コンデンサ15に放電されているが、電源電圧は比較的高く第1出力巻線11dから第1コンデンサ15への放電頻度を下げても許容できる状態である。つまり、半導体スイッチ4のオン・オフを一時的に停止し、オフ状態とすることが可能な状態である。
つぎに、負荷電流I3のように、電源電圧が基準電圧値以下であり、負荷電流がBの範囲を超え定格電流以下のCの範囲においては、第1磁気回路11aに蓄積された電力は全て第1出力巻線11dから第1コンデンサ15に放電されているが、この時の電源電圧は、第1負荷1の動作を保証できる動作下限電圧まであまり余裕がないため第1出力巻線11dから第1コンデンサ15への放電頻度を下げることが許容できない状態である。つまり、半導体スイッチ4のオン・オフを継続することが必要な状態である。
つぎに、負荷電流I4のように、負荷電流が定格電流を超え電源電圧も動作下限電圧以下となるDの範囲においては、直流電源3から第1入力巻線11b流れる電流も増え半導体スイッチ4に流れる電流も増大している状態である。この状態になると、第1負荷1の動作も保証できなくなり、また半導体スイッチ4の通電電流の上限基準である所定電流値も超えるため、制御部100からの指令により半導体スイッチ4がオフされる。
第2電源部20の第2負荷2に流れる負荷電流と、第2コンデンサ25の端子間電圧である電源電圧との関係も図2と同様であり説明は省略する。
本発明は、第1コンデンサ15の端子間電圧と第2コンデンサ25の端子間電圧が共に、基準電圧値以上の時、つまり図2におけるAまたはBの範囲にあるときには、ORゲート141の出力がL信号となり、ANDゲート143の出力をL信号とすることで半導体スイッチ4のオンの期間を無効とするものである。これにより、第1電源部10の第1負荷1に流れる電流と第2電源部20の第2負荷2に流れる電流が共に小さい時には、半導体スイッチ4のオンの期間を無効として、第1磁気回路11a及び第2磁気回路21aに対する不要な電力蓄積工程を行わないことで電源装置の効率を向上させることができる。
なお、本実施の形態では、第1電源部10、第2電源部20と電源部2個の構成で説明したが、電源部は2個に限定されることなく3個以上の構成であっても良い。
以上のように構成された実施の形態1の電源装置は、直流電源3からの電力を一時的に蓄積する磁気回路と、磁気回路に電力を蓄積するため一端が直流電源3の正極に接続される入力巻線と、蓄積された電力を、負荷に供給する出力巻線及び直流電源3に放出する電力放出巻線とを備えた第1変圧器11及び第2変圧器21と、入力巻線の他端に陽極側が接続された還流防止ダイオードと、還流防止ダイオードの陰極側と直流電源3の負極との間に設けられた半導体スイッチ4を所定の周期でオン・オフする制御部100と、出力巻線と直列で、入力巻線を介して磁気回路に電力を蓄積するオンの期間には導通が阻止され、電力蓄積工程が終了し、磁気回路に逆起電力が発生した際に導通する極性で接続された負荷ダイオードと、負荷ダイオードと出力巻線の直列回路の端子間に接続され、出力巻線から供給される電力を平滑化するコンデンサと、オンの期間には導通が阻止され、オフの期間で、コンデンサの端子間電圧が所定電圧値に達した場合に導通する極性で電力放出巻線に直列接続され、所定電圧値に達した場合に、磁気回路に蓄積された電力を直流電源3に放出する接地ダイオードとを備え、制御部100は、端子間電圧が所定電圧値よりも小さい基準電圧値以上の場合に、半導体スイッチ4のオンの期間を無効とするものである。
これにより、コンデンサの端子間電圧が、所定電圧値よりも小さい基準電圧値以上となった場合に、制御部100が半導体スイッチ4のオンの期間を無効とすることで磁気回路に対する不要な電力蓄積工程が行われなくなり、軽負荷時の効率を向上させることができる。
また、制御部100には、所定の周期でH/L信号を発生する矩形波発信器101と、端子間電圧を基準電圧値と比較するコンパレータと、コンパレータにより端子間電圧が基準電圧値以上と判断された場合に、H/L信号を制限する制限回路140とを備えている。
これにより、電源電圧調整用にPWM制御のような複雑な回路を設けることなく、矩形波発信器101出力を、コンパレータの出力で制御する制限回路140でH/L信号を制限することで、小規模の構成部品で半導体スイッチ4のオンの期間を無効とすることが可能となる。
また、半導体スイッチ4に流れる電流値を検出する電流センサ5を備え、制御部100は、電流センサ5で検出された電流値が所定電流値以上の場合に、半導体スイッチ4のオンの期間を無効とするものである。
これにより、電流センサ5で検出された電流値が所定電流値以上の場合に半導体スイッチ4をオフすることで、半導体スイッチ4を含む電源装置の構成部品の故障を防止することができる。
1 第1負荷、2 第2負荷、3 直流電源、4 半導体スイッチ、5 電流センサ、11 第1変圧器、11a 第1磁気回路、11b 第1入力巻線、11c 第1電力放出巻線、11d 第1出力巻線、12 第1還流防止ダイオード、13 第1接地ダイオード、14 第1負荷ダイオード、15 第1コンデンサ、21 第2変圧器、21a 第2磁気回路、21b 第2入力巻線、21c 第2電力放出巻線、21d 第2出力巻線、22 第2還流防止ダイオード、23 第2接地ダイオード、24 第2負荷ダイオード、25 第2コンデンサ、100 制御部、101 矩形波発信器、111 第1電圧基準、112 第1コンパレータ、121 第2電圧基準、122 第2コンパレータ、140 制限回路
Claims (3)
- 直流電源からの電力を一時的に蓄積する磁気回路と、
前記磁気回路に電力を蓄積するため一端が前記直流電源の正極に接続される入力巻線と、
前記蓄積された電力を、負荷に供給する出力巻線及び前記直流電源に放出する電力放出巻線と、を備えた複数の変圧器と、
前記入力巻線の他端に陽極側が接続された第1の整流手段と、
該第1の整流手段の陰極側と前記直流電源の負極との間に設けられた半導体スイッチを所定の周期でオン・オフする制御部と、
前記出力巻線と直列で、前記入力巻線を介して前記磁気回路に電力を蓄積する前記オンの期間には導通が阻止され、電力蓄積工程が終了し、前記磁気回路に逆起電力が発生した際に導通する極性で接続された第2の整流手段と、
前記第2の整流手段と前記出力巻線の直列回路の端子間に接続され、前記出力巻線から供給される電力を平滑化するコンデンサと、
前記オンの期間には導通が阻止され、前記オフの期間で、前記コンデンサの端子間電圧が所定電圧値に達した場合に導通する極性で前記電力放出巻線に直列接続され、前記所定電圧値に達した場合に、前記磁気回路に蓄積された電力を前記直流電源に放出する第3の整流手段と、を備え、
前記制御部は、前記端子間電圧が前記所定電圧値よりも小さい基準電圧値以上の場合に、前記オンの期間を無効とすることを特徴とする電源装置。 - 前記制御部には、所定の周期でH/L信号を発生する信号発生手段と、
前記端子間電圧を前記基準電圧値と比較する電圧比較手段と、
前記電圧比較手段により前記端子間電圧が前記基準電圧値以上と判断された場合に、前記H/L信号を制限する制限回路と、
を備えたことを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 前記半導体スイッチに流れる電流値を検出する電流検出手段を備え、
前記制御部は、前記電流検出手段で検出された電流値が所定電流値以上の場合に、前記オンの期間を無効とすることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電源装置。
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