(57)【要約】【課題】スイッチ・モード電源設計における項目中、デューティー比、最大出力、入力電圧を十分な余裕のもとに決定しながら、負荷変動率が悪化せずトランスのＬ鳴きや間欠発振による超低域リップルを生じないスイッチ・モード電源を提供する。【解決手段】絶縁トランス内に共振回路用補助巻線を設け、この補助巻線と外付けキャパシターによる並列共振回路を構成する事、またはマグアンプ用可飽和コア材と並列共振用キャパシターを組み合わせる事、およびこれらの組み合わせによってスイッチ・モード電源の低電力伝送時における無効電力量を増大させ間欠発振周波数を商用電源周波数程度に上昇させる。電流帰還型スイッチ・モード電源への応用では相対的に高電力伝送時のスロープ補償値を低下させる事が可能になり実使用状態での電力変換効率の低下を防止する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スイッチ・モード電源が軽負荷または無負荷状態において、電力伝送における無効電力量を増大し、間欠発振動作を抑圧する目的で用いる並列共振特性を伴う絶縁トランス補助巻線と並列共振回路。
【請求項２】
スイッチ・モード電源が軽負荷または無負荷状態において、電力伝送における無効電力量を増大し、間接的なスイッチング・デューティー比制御を行う事を目的として用いる並列共振特性を伴う絶縁トランス補助巻線と並列共振回路。
【請求項３】
磁気増幅器が軽負荷または無負荷状態において、マグアンプ・コアの温度上昇を緩和する事を目的として無効電力量制御を行う並列共振特性を伴う絶縁トランス補助巻線と並列共振回路および、マグアンプ・コアと並列共振回路を構成する共振用キャパシター。
【請求項４】
磁気増幅器が軽負荷または無負荷状態において、マグアンプ・コアの磁束量不足に伴う制御不良を抑圧する事を目的として無効電力量制御を行う並列共振特性を伴う絶縁トランス補助巻線と並列共振回路、およびマグアンプ・コアと並列共振回路を構成する共振用キャパシター。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は電力制御技術に関するものであり、特定的にはスイッチ・モード電源の間欠発振によって生じる超低域リップル抑圧に関する絶縁トランスの見かけ伝送比率制御技術、マグアンプを用いた無効電力量制御技術およびそれらの方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】一般的なスイッチ・モード電源は伝送電力が電源の伝送波高値と伝送時間の積に比例すると言う基本原理を利用したもので、スイッチ素子であるＦＥＴやトランジスターの導通時間を負帰還によって増減し出力電圧を安定化している。【０００３】スイッチ・モード電源の定電圧化技術は各種方式が考案されているが、広く用いられるものはＰＷＭ制御電圧帰還、ＰＷＭ制御電流帰還、これら２種類の電源にマグアンプを組み合わせたもの等である。通常これらの方式では軽負荷状態において微小パルス幅制御を行う必要が生じるがデバイスの性能や輻射の問題から微小パルス幅が規制される為、間欠発振制御（非連続モード）により微小パルス幅制御と等価な定電圧動作を行う。【０００４】スイッチ・モード電源は伝送周波数を商用電源周波数よりも十分に高く設定する事でストレージ・キャパシターや絶縁トランスの小型化が可能であるが、間欠発振制御では商用電源周波数の数十分の１といった周期で出力されるバースト・パルスにより出力電圧を安定化する為、リアクションによるＬ鳴き（ティッキング・ノイズ）の発生や低周波リップル成分の増加等、出力を定電圧化する事による新たな弊害が発生する。【０００５】Ｌ鳴きを生じない出力電圧の安定化方法としてマグアンプ（磁気増幅器）が存在し、低電圧／大電流が要求される用途を中心に用いられている。しかしマグアンプは部分帰還制御である為に安定化制御範囲決定に熟練が要求され、不適切な設計では軽負荷〜無負荷状態において問題となる温度上昇や磁束量不足に伴う制御不良が発生する場合がある。【０００６】類似の先行技術として次の様な発明が開示されている、特許文献１は複合共振スイッチング電源の２次側巻線を変形並列共振回路として設計する事で見かけ上の絶縁トランス巻線比を可変し出力を安定化するものである。【０００７】特許文献２は複数の並列共振スイッチング出力に位相制御を行いながら絶縁トランスによる電力加算を行う事で無効電力を増大させ見かけ上の絶縁トランス巻線比を制御するものである。
【特許文献１】特開２０００−３２４８３１
【特許文献２】特開２００１−２８６１４２
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】低雑音スイッチ・モード電源として共振型が周知されている、これは絶縁トランス１次側巻線や２次側巻線によって直列共振回路、並列共振回路、これらの組み合わせを構成し２次側電圧を定電圧化するものであるが、非共振時の発振停止が懸念される為、電子バラスト等への利用を除きＰＷＭ制御の兼用が一般的である。【０００９】音響用ディジタル電力増幅器で用いられるスイッチ・モード電源はパルス増幅回路へ給電を行う必要性から過渡応答力の高い電源が要求され、同時に大きな負荷変動に対する高い電圧安定度が要求される場合が多く、この事から間欠発振動作の抑制や更に強い負帰還制御の導入が求められている。【００１０】磁気増幅器は雑音特性が良好な定電圧電源を簡潔な回路により実現可能な優れた制御法であるが電子回路の調整に熟練が必要であり、近年ではＩＣ化された非絶縁スイッチ・モード電源により代用する傾向にある。【００１１】電流帰還型スイッチ・モード電源は簡潔な構成で高速応答と力率改善が期待できるもののサブハーモニック発振抑制において最小デューティー比が規制される為、負荷変動の大きな用途では間欠発振モードの兼用が不可欠となる。【００１２】本発明はスイッチ・モード電源や磁気増幅器が内包するこれら問題点を従来回路の構成を大きく変更する事無く最小限の部品追加により抑止する物である。
【課題を解決するための手段】
【００１３】スイッチ・モード電源への応用では、絶縁トランスに補助巻線を設け外付けキャパシターとの間に並列共振回路を形成し２次側主巻線と直列接続する。共振周波数を無負荷時のスイッチング周波数に設計する事で絶縁トランスの見かけ伝送比を減少し間欠発振モードへの移行を回避する。【００１４】磁気増幅器への応用では、マグアンプ・コアを用いた並列共振回路を構成する事で、非飽和領域使用時での温度上昇超過や磁束量不足に伴う制御不良を回避する。図１は応用例の実際である、マグアンプはインダクタンスの変化が急峻で非飽和領域使用時と飽和領域使用時でのインダクタンス変化比率が数百倍と大きい為（並列容量は２．２ｐＦで動作を確認）、絶縁トランス内に第二の共振回路を設け実用的な無効電力量制御範囲を確保する。
【発明の効果】
【００１５】スイッチ・モード電源への応用ではフライバックＰＦＣコンバーターを用いて無負荷状態での間欠発振によるＬ鳴き抑止（絶縁トランスコア材にタムラ製ＮＡＣＡ−０８−０５０１を使用）を確認した、更にこの対策は絶縁トランスの反射電圧を低下させる為、スナバー回路の負担を軽減可能であり実使用状態での高効率化が可能になった。【００１６】磁気増幅器への応用ではマグアンプのインダクタンスを縮小可能であり、結果的にマグアンプ巻線量を減少可能な事を確認した、従って同一のコア材を用いる場合は定格負荷電流を増加しながら残留インダクタンスによる発熱の抑止が可能であり実使用状態での高効率化が可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】本発明が回路設計上の新たな負担にならない為にスイッチング電源適用時には無負荷状態で、マグアンプ適用時には定格負荷状態で、それぞれ電力制御素子のスイッチ周波数が１００ｋＨｚ以上である回路構成を選択する事が望ましい、これは共振回路を構成するキャパシターやインダクター（絶縁トランス補助巻線）を小型化する事で基板上での占有スペース縮小し従来回路への導入を円滑に行う為である。
【実施例】
【００１８】図２は図１の制御回路を用いたフライバックＰＦＣ・コンバーター回路のブロック図であり鎖線部分（回路７、８、９、１０）が図１に相当する。詳細は、商用電源等の交流電源から脈流を生成する一次側整流、脈流生成回路（４）、脈流電源からＰＷＭパルスを生成するＰＦＣ／ＰＷＭ制御回路（５）、ＰＷＭパルスによって電力制御を行うＦＥＴスイッチ（６）、補助巻線を用いた並列共振回路による無効電力量制御機能を有する絶縁トランス（７）、マグアンプ・コアにキャパシターを並列接続する事で無効電力量制御機能を有する二次側共振回路とマグアンプによる部分制御回路（８）、二次側整流回路（９）、マグアンプ飽和時の過渡的な間欠発振制御、ＰＷＭ制御の為の絶縁負帰還回路（１０）で構成する。【００１９】図３はフライバックＰＦＣ・コンバーターの絶縁トランス補助巻線に本発明を応用した回路例であるが、図２の構成は一次側整流、脈流生成回路（４）、脈流電源からＰＷＭパルスを生成するＰＦＣ／ＰＷＭ制御回路（５）、ＰＷＭパルスによって電力制御を行うＦＥＴスイッチ（６）、補助巻線を用いた並列共振回路による無効電力量制御機能を有する絶縁トランス（７）を同一構成として動作確認を行ったものである。【００２０】フライバックＰＦＣ・コンバーターは簡潔な回路構成により９０％以上の変換効率と９５％以上の力率を実現可能な優れた方式であり、一次側ラインフィルターを力率改善チョークとする事で９９％以上の力率を容易に実現可能である、しかし基本動作が電流帰還型スイッチ・モード電源と同一でありデューティー比制御上の制約から間欠発振により擬似的な定電圧状態を作り出さなければならない、従って音響機器の様に二次側出力の純度を重視する用途では負荷側の回路構成、もしくは電源出力に何らかの対策が必要になる。【００２１】通常マグアンプは導通時と非導通時において数百倍以上のインダクタンス比を持つ事から一部のマグアンプ・コアを除きデータシートへのＡＬ値記載は行われず、磁束量を用いたマグアンプ設計法が一般化している。従って本発明を用いたマグアンプの設計は実機により並列共振容量を決定する事が確実である、このインダクタンス値は指示が的確であれば設計値からプラス／マイナス１０％程度の範囲に製造可能でありばらつきによる共振周波数の変動は十分に許容可能である。なお図１、図３において絶縁トランス補助巻き線を用いた共振回路（２）が他の二次側巻線と逆相接続である理由は絶縁トランスのリアクションを有効利用する事で補助巻線の巻数を必要最小とし絶縁トランスの設計／製造を簡易化する為である。
【産業上の利用可能性】
【００２２】ローヤー・コンバーターの低雑音特性を取り入れた変型ローヤー・コンバーターが中出力用途のスイッチ・モード電源として実用化されている、しかし二次側からの高負帰還が困難であり現実には非安定状態での応用が多い。変型ローヤー・コンバーターの低雑音特性は医療機器や音響機器における高効率電源として最適であるが二次側電圧が非安定状態ではパワーオペアンプの応用において不都合であり、また効率化を阻害する（正負２０％の印加電圧差は正負４０％弱の電力損失になる）為、本発明の兼用が最適である。【００２３】マグアンプでは制御磁束量やマグアンプ・コア外形制限から制御電圧の推奨上限を２４Ｖ（正負電源で４８Ｖ）程度としたものが多く、この様なコア材を用いて２４Ｖ以上のマグアンプを設計する場合には不都合を生じる事がある。また音響用パワーオペアンプの印加電圧は３０Ｖ以上が要求される応用が多い。この様な用途では本発明を用いる事で汎用マグアンプ・コア（例：東芝マテリアルＭＴ１８Ｓ１３０）で４０Ｖ／５Ａ程度の電力制御が可能になる、従って低雑音電源の小型化やコスト削減に貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】絶縁トランスと可飽和コアへの本発明適用例である。
【図２】図１を用いたフライバックＰＦＣ・コンバーター例のブロック図表記である。
【図３】絶縁トランスへの本発明適用例である。
【符号の説明】
【００２５】  １          マグアンプ・コアを用いた並列共振回路
２          絶縁トランス補助巻線を用いた並列共振回路
３          マグアンプ制御および整流、絶縁負帰還回路
４          一次側整流、脈流生成回路のブロック図表記
５          ＰＷＭ制御回路のブロック図表記
６          ＦＥＴスイッチのブロック図表記
７          絶縁トランス補助巻線を用いた並列共振回路のブロック図表記
８          マグアンプ制御および並列共振回路のブロック図表記
９          整流回路のブロック図表記
１０          絶縁負帰還回路のブロック図表記
１１          図１のブロック図表記
【図１】
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【図２】
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【図３】
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