(57)【要約】【課題】スイッチ素子のスイッチング電流の立ち上がり勾配をなだらかにして、スイッチ素子のターンオン損失とダイオードの逆電流特性損失の軽減を図る。スイッチ素子のターンオフでは、低損失スナバ回路によるゼロ電圧ターンオフを図り、昇圧チョッパ回路の効率の向上を図る。【解決手段】ゼロ電圧ターンオフとするため、スイッチ素子Ｑ１のオン時に、コンデンサＣ２のエネルギーを直列共振動作によりＣ３に移動させ、ターンオフ時に、余分な蓄積磁気エネルギーを、コンデンサＣ２に吸収させ、トランスＴ１とダイオードＤ５を介して、コンデンサＣ３を平滑コンデンサＣ１と負荷ＲＬへ放電させる。スイッチ素子Ｑのスイッチング電流の立ち上がり勾配をなだらかにするために、昇圧リアクトルＬ１の主巻線１Ａに巻上げ巻線１Ｂを設け、リアクトルＬ２をスイッチ素子Ｑ１のオフ期間に、磁気エネルギーを蓄積させ、ターンオンの際に放出させる。【選択図】図１
2010115099.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入力電源と昇圧リアクトルとスイッチ素子と第１のダイオードと平滑コンデンサと、前記スイッチ素子の制御端子に接続された発振制御回路を備えた、昇圧チョッパ回路において、前記昇圧リアクトルの主巻線に磁気結合された巻上げ巻線を設け、主巻線と巻上げ巻線の接続点から、第２のダイオードを介して前記平滑コンデンサの正極側に接続する。前記昇圧リアクトルの巻上げ巻線の別の端子と前記スイッチ素子の高圧側端子の接続点から第１のダイオードと第１のリアクトルからなる直列回路を、前記平滑コンデンサの正極側へ接続することにより、前記スイッチ素子のターンオン時のスイッチング電流の立ち上がり勾配をなだらかにして、スイッチ素子の損失の低減と、前記第１と第２のダイオードの逆電流特性損失を低減することを特徴とする昇圧チョッパ回路。
【請求項２】
入力電源と昇圧リアクトルとスイッチ素子と第１のダイオードと平滑コンデンサと、前記スイッチ素子の制御端子に接続された発振制御回路を備えた、昇圧チョッパ回路において、前記入力電源の正極側と前記昇圧リアクトルとの間に、第１のリアクトルを接続する。前記昇圧リアクトルの主巻線に磁気結合された巻上げ巻線を設け、主巻線と巻上げ巻線の接続点に前記スイッチ素子の高圧側端子を接続し、更に接続点から第２のダイオードを介して前記平滑コンデンサの正極側に接続する。前記昇圧リアクトルの巻上げ巻線の別の一端から第１のダイオードを介して前記平滑コンデンサの正極側に接続することにより、前記スイッチ素子のターンオン時のスイッチング電流の立ち上がり勾配をなだらかにして、スイッチ素子の損失の低減と、前記第１と第２のダイオードの逆電流特性損失を低減することを特徴とする昇圧チョッパ回路。
【請求項３】
入力電源と昇圧リアクトルとスイッチ素子と第１のダイオードと平滑コンデンサと、前記スイッチ素子の制御端子に接続された発振制御回路を備えた、昇圧チョッパ回路と請求項１と請求項２の昇圧チョッパ回路において、更に前記スイッチ素子の高圧側端子に第３のダイオードのアノード側を接続し、カソード側を第１のコンデンサの一端に接続し、第１のコンデンサの別の一端を、前記スイッチ素子の低圧側端子、もしくは前期平滑コンデンサの正極側に接続し、第３のダイオードと第１のコンデンサの接続点に、第４のダイオードのアノード側を接続し、カソード側を第２のコンデンサの一端に接続する。１次巻線と２次巻線を設けたトランスの１次巻線の一端を第２のコンデンサの別の一端に接続し、前記トランスの１次巻線の別の一端を、前記スイッチ素子の高圧惻端子と第１のダイオードのアノード側との間に接続する。前記第４のダイオードと前記第２のコンデンサの接続点から、前記トランスの２次巻線と第５のダイオードからなる直列回路を、第１のダイオードのカソード側に接続する。前記第２のコンデンサと前記トランスの１次巻線の接続点の極性と、第２のコンデンサと前記トランスの２次巻線の接続点の極性は、同極性となる向きに接続する。以上による低損失スナバ回路を備えたことを特徴とする昇圧チョッパ回路。
【請求項４】
請求項３の昇圧チョッパ回路において、前記トランスの１次巻線を、第２のリアクトルに置き換え、２次巻線を第３のリアクトルに置き換え、第２のリアクトルと第２のコンデンサの接続点から第６のダイオードを介して平滑コンデンサの正極側に接続した低損失スナバ回路を備えたことを特徴とする昇圧チョッパ回路。
【請求項５】
入力電源と昇圧リアクトルとスイッチ素子と第１のダイオードと平滑コンデンサと、前記スイッチ素子の制御端子に接続された発振制御回路を備えた、昇圧チョッパ回路と請求項２の昇圧チョッパ回路において、請求項４の低損失スナバ回路の第３のリアクトルを配線に置き換えた低損失スナバ回路を備えたことを特徴とする昇圧チョッパ回路。
【請求項６】
入力電源と昇圧リアクトルとスイッチ素子と第１のダイオードと平滑コンデンサと、前記スイッチ素子の制御端子に接続された発振制御回路を備えた、昇圧チョッパ回路と請求項１と請求項２の昇圧チョッパ回路において、前記スイッチ素子の高圧側端子に第３のダイオードのアノード側を接続し、カソード側と第１のコンデンサを接続し、第１のコンデンサの別の一端を平滑コンデンサの正極側に接続する。第１のコンデンサと第３のダイオードの接続点に、第４のダイオードのアノード側を接続し、カソード側に第２のリアクトルの一端を接続する。第２のリアクトルの別の一端を、第２のコンデンサの一端に接続し、第２のコンデンサの別の一端を、前記スイッチ素子の高圧側端子と第１のダイオードのアノード側との間に接続する。第２のコンデンサと第２のリアクトルの接続点から、第５のダイオードを介して前記第１のダイオードのカソード側に接続する。以上による低損失スナバ回路を備えたことを特徴とする昇圧チョッパ回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】本発明は、直流電源を昇圧するチョッパ回路、ならびに力率を改善するための昇圧型の力率改善回路に係り、特に効率の向上が図れる昇圧チョッパ回路に関する。
【背景技術】
【０００２】従来の昇圧チョッパ回路を、図１２に示す。図１２は、入力電源Ｖ１の正極側に、昇圧リアクトルＬ１の一端を接続し、別の一端をダイオードＤ１のアノード側と、スイッチ素子Ｑ１の高圧側端子を接続し、ダイオードＤ１のカソード側を平滑コンデンサＣ１の正極側に接続し、入力電源Ｖ１の負極側と平滑コンデンサＣ１の負極側を接続し、平滑コンデンサＣ１に負荷ＲＬを並列接続し、スイッチ素子Ｑ１の低圧側端子を平滑コンデンサＣ１の負極側に接続し、スイッチ素子Ｑ１の両端に、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２からなる直列回路を接続し、スイッチ素子Ｑ１の制御端子に発振制御回路１０を接続した構成である。【０００３】図１３は図１２の動作波形である。図１３の時刻ｔ１において、スイッチ素子Ｑ１を発振制御回路１０によりオンさせ、昇圧リアクトルＬ１に磁気エネルギーを蓄積させる。次にスイッチ素子Ｑ１を発振制御回路１０によりオフさせると、入力電源Ｖ１を重畳しながら、ダイオードＤ１を通り平滑コンデンサＣ１と負荷ＲＬに、昇圧リアクトルＬ１の磁気エネルギーが放出される。以上により、入力電源Ｖ１より高い所定の電圧を得る。【０００４】スイッチ素子Ｑ１がオフすると、余分な蓄積エネルギーの影響により、高いサージ電圧がスイッチ素子Ｑ１の両端に発生する。このときのスイッチ素子Ｑ１のＶＱ１の立ち上がり勾配は急勾配になる。これを抑制するため、一般に図１２の抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２の直列回路を、スイッチ素子Ｑ１に並列に接続する。これによりスイッチ素子Ｑ１がオフすると、余分な蓄積エネルギーが、Ｒ１を通してＣ２に充電されるため、スイッチ素子Ｑ１のＶＱ１の立ち上がり勾配は、なだらかになり、高いサージ電圧が抑制される。次にスイッチ素子Ｑ１がオンすると、Ｃ２のエネルギーは、Ｒ１で制限されながらスイッチ素子Ｑ１で放電され、ゼロ電圧ターンオフとなり、スイッチ素子Ｑ１のターンオフ時の損失は軽減される。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】  しかしながら、従来の回路では次の二つの問題が存在する。一つ目は、スイッチ素子Ｑ１がオンしたときのスイッチング電流ＩＱ１の立ち上がりが、急勾配のため、図１３のｔ１の区間に、大きなスイッチング損失とダイオードＤ１の逆電流損失が発生する。ダイオードＤ１の逆電流に関しては、図１３には記載していない。【０００６】二つ目は、図１３のｔ１とｔ２の区間に、抵抗Ｒ１とコンデンサＣ２からなるスナバ回路には、スイッチ素子のオフとオンの際に、コンデンサＣ２へ充放電電流ＩＲ１が流れる。この充放電電流ＩＲ１は抵抗Ｒ１にも流れる為、大きな損失が発生する。また、充放電電流ＩＲ１の内、スイッチ素子Ｑ１に流れる放電電流は、立ち上がりが急勾配になるため、図１３のｔ１の区間のスイッチ素子Ｑ１の損失は更に増加する。また時刻ｔ１のスイッチ素子Ｑ１の損失を小さくするため、抵抗Ｒ１の値を大きくすると、コンデンサＣ２を放電しきれずに、ゼロ電圧ターンオフにならなくなり、スイッチ素子Ｑ１のターンオフ時の損失が増加する。以上の二つの問題は、発振周波数が高くなると更に過大となる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】一つ目の課題である前記スイッチ素子のスイッチング電流の立ち上がり勾配をなだらかにするための第１の解決手段として、従来の昇圧チョッパ回路において、前記昇圧リアクトルの主巻線に磁気結合された巻上げ巻線を設け、主巻線と巻上げ巻線の接続点から、第２のダイオードを介して前記平滑コンデンサの正極側に接続し、前記昇圧リアクトルの巻上げ巻線の別の端子と前記スイッチ素子の高圧側端子の接続点から、前記第１のダイオードと第１のリアクトルからなる直列回路を、前記平滑コンデンサの正極側へ接続した。【０００８】前記一つ目の課題の第２の解決手段として、従来の昇圧チョッパ回路において、前記入力電源の正極側と前記昇圧リアクトルとの間に第１のリアクトルを接続し、前記昇圧リアクトルの主巻線に磁気結合された巻上げ巻線を設け、主巻線と巻上げ巻線の接続点に前記スイッチ素子の高圧側端子を接続し、更に接続点から第２のダイオードを介して前記平滑コンデンサの正極側へ接続し、前記昇圧リアクトルの巻上げ巻線の別の端子から前記第１のダイオードを介して前記平滑コンデンサの正極側へ接続した。【０００９】二つ目の課題であるゼロ電圧ターンオフをする為の第１の解決手段として、従来の昇圧チョッパ回路において、前記スイッチ素子の高圧側端子に第３のダイオードのアノード側を接続し、カソード側を第１のコンデンサの一端に接続し、第１のコンデンサの別の一端を、前記スイッチ素子の低圧側端子もしくは、前記平滑コンデンサの正極側に接続し、第３のダイオードと第１のコンデンサの接続点に第４のダイオードのアノード側を接続し、カソード側と第２のコンデンサを接続し、１次巻線と２次巻線を設けたトランスの１次巻線の一端を第２のコンデンサの別の一端に接続し、前記トランスの１次巻線の別の一端を前記スイッチ素子の高圧側端子に接続し、前記第４のダイオードと前記第２のコンデンサの接続点から前記トランスの２次巻線と第５のダイオードからなる直列回路を第１のダイオードのカソード側に接続し、前記第２のコンデンサと前記トランスの１次巻線の接続点の極性と、第２のコンデンサと前記トランスの２次巻線の接続点の極性は、同極性となる向きに接続した。【００１０】前記二つ目の課題の第２の解決手段として、前記の二つ目の課題の第１の解決手段から、前記トランスの１次巻線を、第２のリアクトルに置き換え、２次巻線を第３のリアクトルに置き換え、第２のリアクトルと前記第２のコンデンサの接続点から第６のダイオードを介して平滑コンデンサの正極側に接続した。【００１１】前記二つ目の課題の第３の解決手段として、前記の二つ目の課題の第２の解決手段から、第３のリアクトルを配線へ変更した。【００１２】前記二つ目の課題の第４の解決手段として、前記スイッチ素子の高圧側端子に第３のダイオードのアノード側を接続し、カソード側と第１のコンデンサの一端を接続し、第１のコンデンサの別の一端を平滑コンデンサの正極側に接続し、第１のコンデンサと第３のダイオードの接続点に第４のダイオードのアノード側を接続し、カソード側と第２のリアクトルを接続し、第２のリアクトルの別の一端を第２のコンデンサの一端に接続し、別の一端を前記スイッチ素子の高圧側端子に接続し、第２のコンデンサと第２のリアクトルの接続点から、第５のダイオードを介して前記平滑コンデンサの正極側へ接続した。【００１３】以上による一つ目の課題の解決手段と二つ目の課題の解決手段を、組み合わせた昇圧チョッパ回路とした。
【発明の効果】
【００１４】本発明によれば、以上による昇圧チョッパ回路構成にすることにより、スイッチ素子のターンオンの際には、スイッチ素子のスイッチング電流の立ち上がり勾配が、なだらかになり、スイッチ素子のターンオン損失とダイオードの逆電流特性損失が低減される。続いて、スイッチ素子のターンオフの際には、低損失スナバ回路により、リアクトルの余分な蓄積エネルギーを吸収し、スイッチ素子のターンオン損失を増加させること無く、平滑コンデンサと負荷へ放出させるゼロ電圧ターンオフとなり、損失が低減される。スイッチ素子のスイッチング電流とターンオフの電圧の立ち上がり勾配がなだらかに成るため、電磁ノイズの低減効果も期待できる。さらに、昇圧型の力率改善回路に適用しても良い。
【発明を実施するための最良の形態】「第１の実施形態」【００１５】本発明の第１の実施形態を図１に示す。図１は、請求項１と請求項３における構成例である。請求項１を示す構成は、入力電源Ｖ１の正極側に、磁気結合された主巻線１Ａと巻上げ巻線１Ｂを備えた昇圧リアクトルＬ１とダイオードＤ１とリアクトルＬ２からなる直列回路を接続し、他の端を平滑コンデンサＣ１の正極側へ接続した。図１の昇圧リアクトルＬ１の黒ボッチは、巻線の極性を示している。ここで、リアクトルＬ２は、昇圧リアクトルＬ１に対してインダクタンス値を、１／１０倍以下とした。【００１６】平滑コンデンサＣ１に並列に負荷ＲＬを接続し、平滑コンデンサＣ１の負極側と入力電源Ｖ１の負極側が接続される。昇圧リアクトルＬ１の巻上げ巻線１Ｂの一端と、平滑コンデンサＣ１の負極側との間にスイッチ素子Ｑ１を接続した。スイッチ素子Ｑ１の制御端子には、発振制御回路１０を接続する。【００１７】昇圧リアクトルＬ１の主巻線１Ａと巻上げ巻線１Ｂの接続点から、ダイオードＤ２を介して平滑コンデンサＣ１の正極側に接続する。【００１８】次に、請求項３の低損失スナバ回路の構成として、スイッチ素子Ｑ１の高圧側端子に、ダイオードＤ３のアノード側を接続し、カソード側をコンデンサＣ２の一端に接続し、別の一端をスイッチ素子Ｑ１の低圧側端子に接続した。コンデンサＣ２については、スイッチ素子Ｑ１の低圧側端子ではなく、平滑コンデンサＣ１の正極側に接続しても良い。【００１９】コンデンサＣ２とダイオードＤ３の接続点から、ダイオードＤ４を介して、コンデンサＣ３の一端を接続する。コンデンサＣ３の別の一端を、１次巻線１Ｐと２次巻線１Ｓを備え、且つ磁気結合されたトランスＴ１の１次巻線１Ｐに接続し、１次巻線１Ｐの別の一端をスイッチ素子Ｑ１の高圧側端子に接続する。【００２０】コンデンサＣ３とダイオードＤ４の接続点に、トランスＴ１の２次巻線１ＳとダイオードＤ５からなる直列回路の一端を接続し、他の一端をダイオードＤ１のカソード側に接続する。【００２１】図１のトランスＴ１の黒ボッチは、巻線の極性を示しており、トランスＴ１の１次巻線１Ｐと２次巻線１Ｓが同極性となる向きにコンデンサＣ３を挟んで接続されている。ダイオードＤ１とリアクトルＬ２の位置は、逆にしても良い。【００２２】次に、本発明の第１実施形態の動作波形を図２に示す。動作について、図２を参照しながら説明する。時刻ｔ１〜ｔ２において、時刻ｔ１にスイッチ素子Ｑ１がターンオフすると、昇圧リアクトルＬ１から蓄積された磁気エネルギーの放出が始まり、ダイオードＤ３を介して、コンデンサＣ２に充電され、スイッチ素子Ｑ１のＶＱ１の立ち上がり勾配はなだらかに成る。コンデンサＣ２の充電は、時刻ｔ２で終了する。また、コンデンサＣ３の両端電圧ＶＣ３は、スイッチ素子Ｑ１がオンのときに、ダイオードＤ４側が正側となる向きで、充電されている。時刻ｔ１にて、コンデンサＣ３の負側に昇圧リアクトルＬ１のフライバック電圧が印加され、コンデンサＣ３の正側は、トランスＴ１の１次巻線１Ｐと２次巻線１ＳとダイオードＤ５、及びリアクトルＬ２を介して出力電圧Ｖｏにクランプされることで、コンデンサＣ３のエネルギーは、平滑コンデンサＣ１と負荷ＲＬへ放電される。この時の放電電流波形は図２のＩＴ１ＰとＩＴ１Ｓとなる。図２については、トランスＴ１の１次巻線１Ｐと２次巻線１Ｓの巻数が等しいときの波形である。【００２３】時刻ｔ２になり、コンデンサＣ２の充電が終了すると、通常ならば、昇圧リアクトルＬ１の巻上げ巻線１Ｂのフライバック電圧は、主巻線１Ａより高いために、ダイオードＤ２には、放出電流ＩＤ２は流れない。しかしながら、ダイオードＤ１に直列にリアクトルＬ２を接続することにより、ダイオードＤ１の放出電流ＩＤ１は、リアクトルＬ２のインピーダンスにより、図２のように、なだらかな立ち上がり勾配となる。一部は、トランスＴ１の１次巻線１Ｐを通り、ＩＴ１Ｓとして流れ、時刻ｔ３でコンデンサＣ３の電圧ＶＣ３がゼロになると、ＩＴ１Ｓもゼロとなる。以上によりダイオードＤ２には、ダイオードＤ１から流れるはずの放出電流の内、流れない分が流れることになる。時刻ｔ２〜ｔ４の間のスイッチ素子Ｑ１の両端電圧ＶＱ１は、主巻線１Ａより放出電流ＩＤ２が流れており、且つ磁気結合されている為、巻上げ巻線１Ｂの電圧分が出力電圧Ｖｏに重畳された値になる。仮に、主巻線１Ａと巻上げ巻線１Ｂが磁気結合されていなければ、スイッチ素子Ｑ１のＶＱ１には、大きなサージ電圧が発生してしまう。【００２４】コンデンサＣ３の放電動作時のトランスＴ１は、図１の１次巻線１Ｐの黒ボッチの無い方向から電流が流れる。この時、２次巻線１Ｓには、黒ボッチが無いダイオードＤ５側が正極となり、ダイオードＤ５方向へ電流が流れるので、トランスのＯＮ−ＯＮ動作となり、磁気エネルギーの伝達のみで、蓄積能力が無い。このため、コンデンサＣ３は、急速に放電される。【００２５】一方、コンデンサＣ３の充電動作時では、トランスＴ１の１次巻線１Ｐには、黒ボッチ側からスイッチ素子Ｑ１に充電電流が流れる。このとき、２次巻線１Ｓは黒ボッチ側が正側となるが、ダイオードＤ５により、２次巻線には電流が流れない。これは、トランスのＯＮ−ＯＦＦ動作となり、磁気エネルギーの蓄積能力が有るので、充電電流は緩やかな立ち上がり波形となる。【００２６】時刻ｔ４になると、ダイオードＤ１の放出電流ＩＤ１が所定値になり、ダイオードＤ２の放出電流ＩＤ２はゼロとなる。このとき、ダイオードＤ１のみがオン状態となるので、昇圧リアクトルＬ１の巻上げ巻線１Ｂのスイッチ素子Ｑ１側の電位は、ほぼ出力電圧Ｖｏに低下し、スイッチ素子Ｑ１のＶＱ１も同様の波形となる。また、コンデンサＣ２の両端電圧ＶＣ２は、スイッチ素子Ｑ１のＶＱ１とほぼ同じ値で充電されていた為、トランスＴ１の１次巻線１Ｐより、若干の電流ＩＴ１Ｐが流れ始める。【００２７】時刻ｔ５になると、スイッチ素子Ｑ１がターンオンとなる。この時、時刻ｔ３〜ｔ５の間に蓄積されたリアクトルＬ２の磁気エネルギーが時刻ｔ５〜ｔ６の区間に、ダイオードＤ１→平滑コンデンサＣ１と負荷ＲＬ→入力電源→昇圧リアクトルＬ１→リアクトルＬ２の経路で放出される。これにより、スイッチ素子Ｑ１のスイッチング電流ＩＱ１は、リアクトルＬ２の放出電流分だけ流れなくなり、図２に示すように、Ｑ１の立ち上がり勾配が、なだらかに成る。
同時に、コンデンサＣ２のエネルギーは、コンデンサＣ３に移行しながら放電される。この放電電流を示すＩＴ１Ｐは、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３から成る合成容量とトランスＴ１の１次巻線１Ｐによる直列共振動作となり、時刻ｔ７で終了する。上記ＩＴ１Ｐは、共振波形となることにより、スイッチング電流ＩＱ１の立ち上がり勾配に影響を与えない。時刻ｔ７からｔ１については、従来の昇圧チョッパ回路と同様で、スイッチ素子Ｑ１はオン状態であり、昇圧リアクトルＬ１に磁気エネルギーを蓄積する。以上の動作を繰り返すことにより、スイッチ素子Ｑ１のターンオンには、スイッチング電流ＩＱ１の立ち上がり勾配がなだらかになり、ターンオフでは、ゼロ電圧ターンオフとなる。
「第２の実施形態」【００２８】本発明の第２の実施形態を図３に示す。図３の回路構成は、請求項２と請求項３による回路構成としている。【００２９】請求項２を示す回路構成として、入力電源Ｖ１の正極側にリアクトルＬ２の一端を接続し、他の一端を磁気結合された主巻線１Ａと巻上げ巻線１Ｂを備えた昇圧リアクトルＬ１の主巻線１Ａの一端に接続し、巻上げ巻線１Ｂの一端から、ダイオードＤ１を介して平滑コンデンサＣ１の正極側に接続する。図３の昇圧リアクトルＬ１の黒ボッチは、巻線の極性を示している。ここで、リアクトルＬ２は、昇圧リアクトルＬ１に対してインダクタンス値を、１／２倍以上とした。昇圧リアクトルＬ１とリアクトルＬ２の合成インダクタンス値は、図１２の従来の昇圧チョッパ回路の昇圧リアクトルＬ１のインダクタンス値と同程度となる。このため、リアクトルの損失が分散され、温度上昇について、低減が図れる。【００３０】昇圧リアクトルＬ１の主巻線１Ａと巻上げ巻線１Ｂの接続点から、ダイオードＤ２を介して平滑コンデンサＣ１の正極側へ接続する。平滑コンデンサＣ１に並列に負荷ＲＬを接続し、平滑コンデンサＣ１の負極側と、入力電源Ｖ１の負極側を接続する。【００３１】昇圧リアクトルＬ１の主巻線１Ａと巻上げ巻線１Ｂの接続点と平滑コンデンサＣ１の負極側との間に、スイッチ素子Ｑ１を接続する。スイッチ素子Ｑ１の制御端子には、発振制御回路１０を接続する。請求項３の低損失スナバ回路の構成は、第１の実施形態と同じである。【００３２】次に、本発明の第２の実施形態の動作波形を図４に示す。前記の第１の実施形態と異なる点について、図４を参照しながら説明する。図４の時刻ｔ１からｔ２においては、トランスＴ１の２次巻線１ＳのＩＴ１Ｓが異なる。これは、第１の実施形態では、トランスＴ１の２次巻線１Ｓと平滑コンデンサＣ１との間に、リアクトルＬ２が挿入されていた為である。時刻ｔ１〜ｔ２区間に、コンデンサＣ３は放電され、ＶＣ３がゼロになると同時に、コンデンサＣ２は充電され、スイッチ素子Ｑ１の両端電圧ＶＱ１の立ち上がり勾配は、なだらかに成る。【００３３】図４の時刻ｔ２になると、ダイオードＤ１とＤ２に放出電流ＩＤ１とＩＤ２が流れ始める。通常ならば、昇圧リアクトルＬ１の主巻線１Ａより巻上げ巻線１Ｂのフライバック電圧の方が高い為、ダイオードＤ２には放出電流ＩＤ２は流れない。しかしながら、リアクトルＬ２がある為、昇圧リアクトルＬ１の１Ｂからの放出電流の立ち上がり勾配はなだらかになり、ダイオードＤ１に流れない分が、放出電流ＩＤ２としてダイオードＤ２に流れる。ダイオードＤ１からの放出電流ＩＤ１が所定値になると、ダイオードＤ２からの放出電流はゼロになる。この時、スイッチ素子Ｑ１の両端電圧ＶＱ１は、第１の実施形態とは異なり、スイッチ素子Ｑ１の高圧側端子は、巻上げ巻線１Ｂの負極側に接続されており、正極側は出力電圧Ｖｏとほぼ同じ電位となるので、巻上げ巻線１Ｂの電圧分だけ下がり、ＶＱ１は出力電圧Ｖｏよりも低くなる。【００３４】図４の時刻ｔ４になると、スイッチ素子Ｑ１はターンオンとなり、同時にリアクトルＬ２の極性が反転する。時刻ｔ２からｔ４の間に巻上げ巻線１Ｂによって蓄積されたリアクトルＬ２の磁気エネルギー分の放出が始まる。この時刻ｔ４からｔ５の区間の放出電流は、スイッチ素子Ｑ１には流れないので、スイッチング電流ＩＱ１の立ち上がり勾配はなだらかに成る。請求項３による低損失スナバ回路の動作は、第１の実施形態と同じとなる。以上により、スイッチ素子Ｑ１のスイッチング電流ＩＱ１の立ち上がり勾配は、なだらかになる。またスイッチ素子Ｑ１の両端電圧ＶＱ１の立ち上がり勾配もなだらかになり、ゼロ電圧ターンオフとなる。
「第３の実施形態」【００３５】本発明の第３の実施形態を図５に、動作説明図を図６に示す。図５は、請求項２と請求項４の低損失スナバ回路の構成としている。【００３６】請求項４を示す構成は、第２の実施形態におけるトランスＴ１の１次巻線１ＰをリアクトルＬ３に変更し、２次巻線１ＳをリアクトルＬ４に変更し、リアクトルＬ３とコンデンサＣ３との接続点からダイオードＤ６を介して平滑コンデンサＣ１の正極側へ接続した構成としている。請求項２を示す構成は、第２の実施形態と同じである。図５は、入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖｏとの電位差が比較的大きく、スイッチ素子Ｑ１のオン比が大きいという条件における場合である。【００３７】第２の実施形態との大きな違いは、請求項３の低損失スナバ回路から請求項４の低損失スナバ回路となっていることであり、図６のようにコンデンサＣ３のＶＣ３が充電されるタイミングが、図２に示すＶＣ３と図４に示すＶＣ３よりも遅れている。また、図６の時刻ｔ５のコンデンサＣ２の放電終了時間も遅れている。【００３８】図６の時刻ｔ１からｔ２において、スイッチ素子Ｑ１がターンオフすると、昇圧リアクトルＬ１とリアクトルＬ２および、配線の寄生インダクタンスに蓄積された磁気エネルギーの放出が始まり、ダイオードＤ３を介してコンデンサＣ２に充電されるので、スイッチ素子Ｑ１のＶＱ１の立ち上がり勾配は、なだらかになる。【００３９】図６の時刻ｔ２〜ｔ３では、スイッチ素子Ｑ１のオン期間中に、ダイオードＤ４側が正となる向きに充電された状態にあるコンデンサＣ３を、昇圧リアクトルＬ１のフライバック電圧により、リアクトルＬ３とリアクトルＬ４とダイオードＤ５を通り、出力電圧Ｖｏでクランプされながら、平滑コンデンサＣ１と負荷ＲＬへ放電する。この放電電流は、図６のＩＬ３に示す。このＩＬ３は、時刻ｔ２からｔ３の区間では、リアクトルＬ３とリアクトルＬ４とコンデンサＣ３の直列共振動作となる。【００４０】図６の時刻ｔ５において、コンデンサＣ２の放電電流は、ＩＬ３であり、スイッチ素子Ｑ１へ流れる。しかし、リアクトルＬ３は、時刻ｔ２からｔ５の区間中に昇圧リアクトルＬ１から平滑コンデンサＣ１方向にＩＬ３が流れていた為、磁気エネルギーが蓄積されている。これにより、スイッチ素子Ｑ１へ流れるＩＬ３とリアクトルＬ３の蓄積エネルギーの放出電流とが打ち消し合う形になり、コンデンサＣ２の放電終了時間が、第１と第２の実施形態よりも遅れる。【００４１】スイッチ素子Ｑ１のスイッチング電流ＩＱ１の立ち上がり勾配をなだらかにする動作については、第２の実施形態と同様となる。【００４２】ここで、図５のダイオードＤ６の効果について説明する。比較波形を図７に示す。図５の動作波形を図７−ａに示す。ダイオードＤ６が無い場合を図７−ｂに示す。時刻ｔ２からｔ３区間のコンデンサＣ３は、直列共振動作により、放電される。この共振電流ＩＬ３は、時刻ｔ３にて最大となる。コンデンサＣ３の両端電圧は、位相が９０度異なり、ゼロボルトになる。ゼロボルトになると、ダイオードＤ６がオンとなり、共振動作ではなくなる。この時、ダイオードＤ６が無い場合は、共振動作が持続し、共振の振動動作による転弧が起こり、スイッチ素子Ｑ１がターンオンする時刻ｔ４に、再びコンデンサＣ３には、ダイオードＤ４側が正側となる向きにエネルギーが蓄積された状態と成り、コンデンサＣ２のエネルギーを全てコンデンサＣ３に移行できなくなる。この状態になると、ゼロ電圧ターンオフとはならなくなる。以上の共振の振動動作による転弧を防ぐため、ダイオードＤ６を挿入した。
「第４の実施形態」【００４３】第４の実施形態を図８に示す。図８は、請求項２と請求項５による構成であり、第３の実施形態におけるリアクトルＬ４を削除した構成としている。動作については、第３の実施形態と同じであるが、リアクトルＬ４が無い為、コンデンサＣ２の放電終了時間が第３の実施形態よりも遅れることになる。このため、入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖｏとの電位差が、前記第３の実施形態よりも大きい場合に適用する。【００４４】ここで、リアクトルＬ４の効果について、図７−ｃを参照して説明する。リアクトルＬ４が有る場合の動作波形図７−ａの時刻ｔ２からｔ３において、コンデンサＣ３の放電電流を示すＩＬ３は最大となる。ＩＬ３は同時にリアクトルＬ４にも流れるので、エネルギーが蓄積される。ダイオードＤ６がオンとなると、リアクトルＬ４は、蓄積エネルギーの放出を始める。このエネルギーの放出は、リアクトルＬ４→ダイオードＤ５→平滑コンデンサＣ１→コンデンサＣ２→ダイオードＤ４→リアクトルＬ４の経路となり、コンデンサＣ２のエネルギーの一部を放電する。【００４５】一方、リアクトルＬ４が無い場合には、ダイオードＤ５のＩＤ５は、時刻ｔ３でダイオードＤ６のオンと同時にゼロアンペアとなり、コンデンサＣ２を放電しない。以上により、リアクトルＬ４の効果は、コンデンサＣ２の放電終了時間を速くする。以上により、第４の実施形態は、第３の実施形態よりも入力電圧Ｖ１と出力電圧Ｖｏとの差が大きい場合に適している。
「第５の実施形態」【００４６】第５の実施形態を図９に、動作波形を図１０に示す。図９は、請求項１と請求項６の低損失スナバ回路による回路構成である。請求項１を示す回路構成は、第１の実施形態と同じである。ダイオードＤ１とリアクトルＬ２の接続位置は、入れ替えても良い。【００４７】請求項６を示す回路構成は、ダイオードＤ３のアノード側をスイッチ素子Ｑ１の高圧側端子に接続し、カソード側をコンデンサＣ２の一端に接続し、別の一端を平滑コンデンサＣ１の正極側に接続している。ダイオードＤ３とコンデンサＣ２の接続点にダイオードＤ４のアノード側を接続し、カソード側をリアクトルＬ３の一端に接続している。【００４８】リアクトルＬ３の別の一端に、コンデンサＣ３の一端を接続し、別の一端をスイッチ素子Ｑ１の高圧側端子に接続している。コンデンサＣ３とリアクトルＬ３の接続点から、ダイオードＤ５を介してダイオードＤ１のカソード側に接続した構成としている。【００４９】スイッチ素子Ｑ１のスイッチング電流ＩＱ１の立ち上がり勾配をなだらかにする動作原理は、第１の実施形態と同じとなる。図１０の時刻ｔ４において、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３は、出力電圧Ｖｏから充電され、スイッチ素子Ｑ１に、ＩＬ３が流れ始める。このときのＩＬ３は、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３からなる合成容量とリアクトルＬ３との直列共振波形となるため、スイッチ素子Ｑ１のスイッチング電流ＩＱ１の立ち上がり勾配に影響を与えない。時刻ｔ６で、コンデンサＣ２は、平滑コンデンサＣ１の正極側が正となる向きで充電されている。コンデンサＣ３は、リアクトルＬ３側が正となる向きに充電されている。【００５０】時刻ｔ１において、スイッチ素子Ｑ１がターンオフになると、コンデンサＣ３とコンデンサＣ２の負極側から昇圧リアクトルＬ１のフライバック電圧が印加される。
このため、コンデンサＣ２は、ダイオードＤ３を介して、平滑コンデンサＣ１と負荷ＲＬへ、出力電圧Ｖｏでクランプされ、急速に放電される。これは、スイッチ素子Ｑ１のオン期間に蓄積された余分な磁気エネルギーを吸収することになる。コンデンサＣ３は、ダイオードＤ５を介して、平滑コンデンサＣ１と負荷ＲＬへ、出力電圧Ｖｏでクランプされ、急速に放電される。この放電電流波形は、図１０に示すＩＤ５となる。また、リアクトルＬ３は、時刻ｔ４からｔ６区間に蓄積した磁気エネルギーを、ダイオードＤ５を介して、平滑コンデンサＣ１へ放出する。以上により、コンデンサＣ２とコンデンサＣ３の充放電が、スイッチ素子Ｑ１の１周期間に完了し、ゼロ電圧ターンオフとなる。
「第６の実施形態」【００５１】本発明の第６の実施形態を図１１に示す。図１１は、第１の実施形態の入力電源を別方式に変更し、力率改善回路として使用する場合である。動作原理は、第１の実施形態と同じとなる。
【産業上の利用可能性】
【００５２】昇圧型のチョッパ回路を備えたスイッチング電源装置に関する。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】本発明の請求項１と請求項３による第１の実施形態を示す回路
【図２】第１の実施形態の動作波形
【図３】本発明の請求項２と請求項３による第２の実施形態を示す回路
【図４】第２の実施形態の動作波形
【図５】本発明の請求項２と請求項４による第３の実施形態を示す回路
【図６】第３の実施形態の動作波形
【図７−ａ】第３の実施形態の動作波形
【図７−ｂ】第３の実施形態におけるダイオードＤ６を削除した場合の動作波形
【図７−ｃ】第３の実施形態におけるリアクトルＬ４を削除した場合の動作波形
【図８】本発明の請求項２と請求項５による第４の実施形態を示す回路
【図９】本発明の請求項１と請求項６による第５の実施形態を示す回路
【図１０】第５の実施形態の動作波形
【図１１】本発明の別の入力電源方式による第６の実施形態を示す回路
【図１２】従来の昇圧チョッパ回路図
【図１３】従来の昇圧チョッパ回路の動作説明図
【符号の説明】
【００５４】ＶＡＣ            ：交流電源
Ｖ１              ：入力電源
Ｖｏ              ：出力電圧
ＤＳ１            ：ブリッジダイオード
Ｌ１              ：昇圧リアクトル
１Ａ              ：Ｌ１の主巻線
１Ｂ              ：Ｌ１の巻上げ巻線
Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４  ：第１、第２、第３のリアクトル
Ｑ１              ：スイッチ素子
１０              ：発振制御回路
Ｃ１              ：平滑コンデンサ
Ｃ２、Ｃ３        ：第１、第２のコンデンサ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３  ：第１、第２、第３のダイオード
Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６  ：第４、第５、第６のダイオード
ＲＬ              ：負荷
Ｒ１              ：抵抗
Ｔ１              ：トランス
１Ｐ              ：Ｔ１の１次巻線
１Ｓ              ：Ｔ１の２次巻線
ＩＲ１            ：抵抗Ｒ１を流れる電流
ＩＤ１、ＩＤ２    ：第１のダイオードＤ１、第２のダイオードＤ２に流れる電流
ＩＤ４、ＩＤ５    ：第４のダイオードＤ４、第５のダイオードＤ５に流れる電流
ＩＤ６            ：第６のダイオードＤ６に流れる電流
ＶＱ１            ：スイッチ素子Ｑ１の両端電圧
ＩＱ１            ：スイッチ素子Ｑ１のスイッチング電流
ＶＣ２、ＶＣ３    ：第１のコンデンサＣ２、第２のコンデンサＣ３の両端電圧
ＩＴ１Ｐ          ：トランスＴ１の１次巻線を流れる電流
ＩＴ１Ｓ          ：トランスＴ１の２次巻線を流れる電流
ＩＬ１            ：昇圧リアクトルＬ１に流れる電流
ＩＬ２            ：第１のリアクトルＬ２に流れる電流
ＩＬ３            ：第２のリアクトルＬ３に流れる電流
ＩＬ４            ：第３のリアクトルＬ４に流れる電流
【図１】
2010115099.tif 000003
【図２】
2010115099.tif 000004
【図３】
2010115099.tif 000005
【図４】
2010115099.tif 000006
【図５】
2010115099.tif 000007
【図６】
2010115099.tif 000008
【図７】
2010115099.tif 000009
【図８】
2010115099.tif 000010
【図９】
2010115099.tif 000011
【図１０】
2010115099.tif 000012
【図１１】
2010115099.tif 000013
【図１２】
2010115099.tif 000014
【図１３】
2010115099.tif 000015