(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源が供給される一対の電源線上に配置されるスイッチと、前記電源線上に配置されるリアクトルと、前記スイッチと前記リアクトルとの間の前記電源線間に接続される転流ダイオードとを備え、前記スイッチのオンオフ制御により前記リアクトルの後段側にて生じる電力を出力電力として負荷に供給する電源装置であって、
前記リアクトルは、前記電源線上に配置される一次側リアクトルと、該一次側リアクトルと分離された二次側リアクトルとを備えた結合リアクトルにて構成され、
前記二次側リアクトルと、前記スイッチのオン動作に伴って前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて放電する補助コンデンサとを有し、放電状態の前記補助コンデンサにて前記スイッチのオフ時の端子間電圧を小とする補助回路を備え、
前記補助回路は、前記補助コンデンサを前記スイッチと並列に接続し、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて前記補助コンデンサを放電するとともに該補助コンデンサの放電を前記二次側リアクトルを介して行い、次の前記スイッチのオフ時の印加電圧を前記補助コンデンサの充電電圧に替えて前記スイッチの端子間電圧を低減させることを特徴とする電源装置。
【請求項２】
請求項１に記載の電源装置において、
前記補助回路は、前記スイッチのオフ期間に前記補助コンデンサを充電させるための第１ダイオードと、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて放電させるための第２ダイオードとを備えたことを特徴とする電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング制御方式を用いる降圧型の電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
この種の電源装置においては、例えば特許文献１の第１図や特許文献２の第３図（ａ）に示されているように、直流電源が供給される一対の電源線の一方に配置されるスイッチと、同じく電源線の一方に配置されるリアクトルと、スイッチとリアクトルとの間の電源線間に接続される転流ダイオードと、リアクトル後段の電源線間に接続される平滑コンデンサとを備えて構成され、平滑コンデンサ後段の電源線にて負荷と接続される。そして、スイッチのオンオフ動作に基づいて、降圧された出力電力が負荷側に供給されるようになっている。
【０００３】
このようなオンオフ制御がなされるスイッチでは、電源線上の電圧・電流を直接的（強制的）に遮断するハードスイッチングを行うとスイッチング損失が大きく種々の不具合が生じるため、上記した各電源装置のように、スイッチをゼロ電圧又はゼロ電流にてスイッチングを行うソフトスイッチングを行うための補助回路が備えられて、スイッチング損失の低減が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平７−１２３７０７号公報
【特許文献２】特開平９−２６６６６５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記した電源装置としての基本構成に加え、特許文献１の第３図（ａ）にて示されている補助回路は、補助スイッチ、補助トランス、共振用インダクタ、共振用コンデンサ、２個のダイオードを用いて構成されている。また、特許文献２の第１図にて示されている補助回路は、タップ付きインダクタに置換されるとともにダイオードが追加され、またパワースイッチの寄生容量を用いる構成となっている。
【０００６】
つまり、前者の補助回路は、回路素子数も多く、特に回路を大型化させる補助トランスや共振用インダクタといったコイル素子が多く用いられ、電源装置の小型化の弊害となる。また、後者の補助回路は、タップ付きインダクタの一部を補助回路に用いていることから、補助回路として機能する部分のインダクタにおいても電源装置の基本構成部分と同様に大きな電流が流れることになる。そのため、大電流を扱う例えば溶接用電源装置としては損失が大きく、溶接用電源装置等には不向きであった。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、小型化が可能で大電流化への適用性も高い構成で、スイッチング損失を低減することができる電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、直流電源が供給される一対の電源線上に配置されるスイッチと、前記電源線上に配置されるリアクトルと、前記スイッチと前記リアクトルとの間の前記電源線間に接続される転流ダイオードとを備え、前記スイッチのオンオフ制御により前記リアクトルの後段側にて生じる電力を出力電力として負荷に供給する電源装置であって、前記リアクトルは、前記電源線上に配置される一次側リアクトルと、該一次側リアクトルと分離された二次側リアクトルとを備えた結合リアクトルにて構成され、前記二次側リアクトルと、前記スイッチのオン動作に伴って前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて放電する補助コンデンサとを有し、放電状態の前記補助コンデンサにて前記スイッチのオフ時の端子間電圧を小とする補助回路を備え、前記補助回路は、前記補助コンデンサを前記スイッチと並列に接続し、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて前記補助コンデンサを放電するとともに該補助コンデンサの放電を前記二次側リアクトルを介して行い、次の前記スイッチのオフ時の印加電圧を前記補助コンデンサの充電電圧に替えて前記スイッチの端子間電圧を低減させることをその要旨とする。
【０００９】
この発明では、電源装置の基本構成に用いるリアクトルを結合リアクトルの一次側リアクトルとし、補助回路はその結合リアクトルの二次側リアクトルと補助コンデンサとを備えてなる。そして、補助回路は、スイッチのオン動作に伴って二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて補助コンデンサを放電し、放電状態の補助コンデンサにてスイッチのオフ時の端子間電圧が小となるように動作し、スイッチング損失の低減が図られる。つまり、スイッチング損失の低減を図る補助回路において、特に回路の大型化を招くコイル素子が二次側リアクトルだけで構成可能なため小型化に寄与でき、またこのリアクトルは一次側と分離されているため、二次側リアクトル、即ち補助回路を流れる電流を小さく設定でき、大電流を扱う溶接用電源装置等への適用性も高い。
【００１５】
この発明では、補助回路は、補助コンデンサをスイッチと並列に接続して構成され、スイッチのオン期間に二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて補助コンデンサの放電がなされ、次のスイッチのオフ時の印加電圧が補助コンデンサの充電電圧に替わることでスイッチの端子間電圧が低減される。つまり、二次側リアクトルと補助コンデンサとを用いるこのような接続態様にて、スイッチング損失低減を行う補助回路を簡素な構成で実現可能である。
【００１６】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の電源装置において、前記補助回路は、前記スイッチのオフ期間に前記補助コンデンサを充電させるための第１ダイオードと、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて放電させるための第２ダイオードとを備えたことをその要旨とする。
【００１７】
この発明では、補助回路は、スイッチのオフ期間に補助コンデンサを充電させる第１ダイオードと、スイッチのオン期間に二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて放電させる第２ダイオードとが備えられて構成される。つまり、二次側リアクトルと補助コンデンサとに更に２個のダイオードを用いて補助回路を簡素に構成できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、小型化が可能で大電流化への適用性も高い構成で、スイッチング損失を低減することができる電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１実施形態における電源装置の回路図である。
【図２】結合リアクトルの構成図である。
【図３】スイッチ両端子間の電圧・電流変化（オフ時）を示す波形図である。
【図４】スイッチ両端子間の電圧・電流変化（オン時）を示す波形図である。
【図５】第２実施形態における電源装置の回路図である。
【図６】電源装置の変更例を示す回路図である。
【図７】電源装置の変更例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
（第１実施形態）
以下、本発明を具体化した第１実施形態を図面に従って説明する。
図１に示すように、本実施形態の電源装置１０は、降圧型スイッチングレギュレータであり、その基本構成として、直流電源Ｅが供給される一対の電源線１１ａ，１１ｂの内のグランド側の電源線１１ｂ上に配置されるスイッチＳ１と、高電位側の電源線１１ａ上に配置される結合リアクトルＬ１の一次側リアクトルＬ１Ｐと、スイッチＳ１とリアクトルＬ１Ｐとの間の電源線１１ａ，１１ｂ間に接続される転流ダイオードＤ２と、リアクトルＬ１Ｐ後段の電源線１１ａ，１１ｂ間に接続される平滑コンデンサＣ１とを備えてなる。
【００２１】
スイッチＳ１は、本実施形態ではＩＧＢＴよりなり、エミッタ側が直流電源Ｅのマイナス端子（グランド端子）に接続され、コレクタ・エミッタ間に逆導通ダイオードＤ１が接続されている。スイッチＳ１は、ゲートに入力される制御パルス信号に基づいてスイッチング制御が行われる。スイッチＳ１のオン期間では、直流電源Ｅに基づく出力電力が生じ、スイッチＳ１のオフ期間では、先のオン期間に結合リアクトルＬ１の一次側リアクトルＬ１Ｐに蓄積された電磁エネルギーに基づく出力電力が生じる。このようなスイッチＳ１のオンオフ制御により電源装置１０は降圧動作を行い、降圧された出力電力が平滑コンデンサＣ１を経て負荷Ｒに供給されるようになっている。
【００２２】
また、電源装置１０には、スイッチＳ１のスイッチング損失低減を図るための補助回路（ロスレススナバ回路）１２が備えられており、該補助回路１２は、結合リアクトルＬ１の二次側リアクトルＬ１Ｓ、２個の補助ダイオードＤ３，Ｄ４、及び補助コンデンサＣ２を備えてなる。
【００２３】
二次側リアクトルＬ１Ｓの一端は、前記転流ダイオードＤ２と平滑コンデンサＣ１との間のグランド側の電源線１１ｂに接続され、他端は、補助ダイオードＤ４のアノードに接続されている。前記スイッチＳ１と転流ダイオードＤ２との間において、補助ダイオードＤ３のカソードが高電位側の電源線１１ａに接続され、アノードが補助コンデンサＣ２を介してグランド側の電源線１１ｂに接続され、先の補助ダイオードＤ４のカソードが補助ダイオードＤ３と補助コンデンサＣ２との間に接続されている。
【００２４】
因みに、本実施形態の結合リアクトルＬ１は、図２に示すように、一次側リアクトルＬ１Ｐと二次側リアクトルＬ１Ｓとが分離（絶縁）されるものであり、同一の棒状鉄心Ｌｘの軸方向に並設されて構成され、結合係数が１より十分に小さく設定されている。これにより、二次側リアクトルＬ１Ｓに流れる補助コンデンサＣ２の充電電流が制限されている。また、一次側リアクトルＬ１Ｐと二次側リアクトルＬ１Ｓとの巻数比が１より大とされて二次側リアクトルＬ１Ｓの方が多く巻回され、二次側リアクトルＬ１Ｓにて生じる電圧に基づいて補助コンデンサＣ２が充電されるその充電電圧が直流電源Ｅの電源電圧と同等以上に十分に充電されるように設定されている。
【００２５】
このような構成の電源装置１０では、スイッチＳ１、一次側リアクトルＬ１Ｐ、転流ダイオードＤ２、及び平滑コンデンサＣ１によるスイッチングレギュレータとしての基本構成部分において、制御パルス信号の入力に基づくスイッチＳ１のオンオフ動作により降圧された出力電力が生成され、制御パルス信号のオンパルス幅の調整にてその出力電力の電圧値の調整が行われる。
【００２６】
また、スイッチＳ１のオンオフ動作に伴う補助回路１２の動作については、該スイッチＳ１がオンされた時には、一次側リアクトルＬ１Ｐに入力側（図１中、ドット「・」で示す側）が正となる逆起電圧が発生し、これに伴って二次側リアクトルＬ１Ｓにも入力側が正となる電圧が発生する。すると、補助ダイオードＤ４を介して補助コンデンサＣ２に充電電流が流れ、最終的に補助コンデンサＣ２の充電電圧は直流電源Ｅの電源電圧にクランプされる。
【００２７】
そのため、スイッチＳ１のオフ時には、該スイッチＳ１の両端子間の電位差はゼロ、又はその電位差が極めて小さいため、図３に示すように略ゼロ電圧スイッチング（ソフトスイッチング）が実現され、このオフ時のスイッチＳ１におけるスイッチング損失は十分に低減される。そして、充電状態にあった補助コンデンサＣ２のその充電電荷は、このオフ期間における一次側リアクトルＬ１Ｐの電磁エネルギーの放出に伴い、補助ダイオードＤ３を介して放出される。
【００２８】
また、スイッチＳ１の前記オン時において、補助コンデンサＣ２の充電電流によりスイッチＳ１に波高値の高い電流が流れることが懸念されるが、本実施形態では結合リアクトルＬ１の結合係数が１より十分に小さく漏れインダクタンスを大きくしていることから、図４に示すように、スイッチＳ１のオン直後に自身に流れる電流の波高値が低く抑えられている。尚、制御パルス信号のオンエッジを緩やかとし、同図４にて破線で示すようにスイッチＳ１のオン時の立ち上がりを緩やかとすることで、オン時におけるスイッチング損失を低減することも可能である。
【００２９】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、電源装置１０の基本構成に用いるリアクトルを結合リアクトルＬ１の一次側リアクトルＬ１Ｐとし、補助回路１２はその結合リアクトルＬ１の二次側リアクトルＬ１Ｓと補助コンデンサＣ２とを備えてなる。補助回路１２は、補助コンデンサＣ２をスイッチＳ１と転流ダイオードＤ２との間の電源線１１ａ，１１ｂ間に接続して構成され、スイッチＳ１のオン期間に二次側リアクトルＬ１Ｓで発生する電圧に基づいて補助コンデンサＣ２の充電がなされ、次のスイッチＳ１のオフに備えて予めスイッチＳ１の端子間電圧が低減されて、スイッチング損失の低減が図られている。つまり、スイッチング損失の低減を図る補助回路１２において、特に回路の大型化を招くコイル素子が二次側リアクトルＬ１Ｓだけで構成可能なため小型化に寄与でき、またこのリアクトルＬ１Ｓは一次側と分離されているため、二次側リアクトルＬ１Ｓ、即ち補助回路１２を流れる電流を小さく設定でき、大電流を扱う溶接用電源装置等への適用性も高い電源装置として提供することができる。
【００３０】
（２）本実施形態の補助回路１２は、二次側リアクトルＬ１Ｓと補助コンデンサＣ２と２個のダイオードＤ３，Ｄ４とを用いた上記の接続態様により、簡素な構成で実現することができる。
【００３１】
（第２実施形態）
以下、本発明を具体化した第２実施形態を図面に従って説明する。
図５に示すように、本実施形態の電源装置１０ａでは、スイッチＳ１、結合リアクトルＬ１の一次側リアクトルＬ１Ｐ、転流ダイオードＤ２、及び平滑コンデンサＣ１によるスイッチングレギュレータとしての基本構成部分は同じであり、補助回路１２ａの構成が変更されている。
【００３２】
即ち、補助回路１２ａは、結合リアクトルＬ１の二次側リアクトルＬ１Ｓ、２個の補助ダイオードＤ３，Ｄ４、及び補助コンデンサＣ２を備え、スイッチＳ１のコレクタに補助ダイオードＤ４のアノードが接続され、カソードが補助コンデンサＣ２を介してスイッチＳ１のエミッタに接続されている。補助ダイオードＤ４と補助コンデンサＣ２との間には二次側リアクトルＬ１Ｓの一端が接続され、他端は補助ダイオードＤ３を介して高電位側の電源線１１ａに接続されている。
【００３３】
因みに、本実施形態の結合リアクトルＬ１も、図２に示すように、一次側リアクトルＬ１Ｐと二次側リアクトルＬ１Ｓとが分離（絶縁）されるものであり、同一の棒状鉄心Ｌｘの軸方向に並設されて構成され、結合係数が１より十分に小さく設定されている。これにより、二次側リアクトルＬ１Ｓに流れる補助コンデンサＣ２の充電電流が制限されている。また、一次側リアクトルＬ１Ｐと二次側リアクトルＬ１Ｓとの巻数比が１より大とされて二次側リアクトルＬ１Ｓの方が多く巻回され、二次側リアクトルＬ１Ｓにて生じる電圧に基づいて補助コンデンサＣ２が放電されるその充電電圧がおよそゼロまで放電されるように設定されている。
【００３４】
従って、スイッチＳ１のオンオフ動作（降圧動作）に伴う補助回路１２ａの動作については、該スイッチＳ１がオンされた時には、一次側リアクトルＬ１Ｐに入力側が正となる逆起電圧が発生し、これに伴って二次側リアクトルＬ１Ｓにも入力側が正となる電圧が発生する。すると、先のオフ期間に充電された補助コンデンサＣ２のその充電電荷は二次側リアクトルＬ１Ｓ及び補助ダイオードＤ３を介して放出され、次のオフまでに電荷略ゼロとなるまで十分に放電される。
【００３５】
そのため、スイッチＳ１のオフ時には、該スイッチＳ１への印加電圧が補助コンデンサＣ２の充電電圧となって該コンデンサＣ２の充電を行うため、スイッチＳ１の両端子間の電位差はゼロ、又はその電位差が極めて小さく、本実施形態においても略ゼロ電圧スイッチング（ソフトスイッチング）が実現される。これにより、オフ時におけるスイッチング損失は十分に低減される。
【００３６】
因みに、図６に示す電源装置１０ｂは、補助回路１２ａに同様の構成が備えられる一方、レギュレータとしての基本構成部分に用いる平滑コンデンサＣ１に替えて、結合リアクトルＬ１（一次側リアクトルＬ１Ｐ）の後段に出力リアクトルＬ２を配置するものである。即ち、上記した図５に示す電源装置１０ａは平滑コンデンサＣ１が備えられることから定電圧出力が要求される装置の電源装置として適しており、この図６に示す電源装置１０ｂは出力リアクトルＬ２が備えられることから定電流出力が要求される装置の電源装置として適している。図７に示す電源装置１０ｃは、平滑コンデンサＣ１と出力リアクトルＬ２との両者を用いて構成したものであり、定電圧・定電流が共に要求される装置の電源装置として適している。
【００３７】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
（１）本実施形態では、電源装置１０ａ（１０ｂ，１０ｃ）の基本構成に用いるリアクトルを結合リアクトルＬ１の一次側リアクトルＬ１Ｐとし、補助回路１２ａはその結合リアクトルＬ１の二次側リアクトルＬ１Ｓと補助コンデンサＣ２とを備えてなる。補助回路１２ａは、補助コンデンサＣ２をスイッチＳ１と並列に接続して構成され、スイッチＳ１のオン期間に二次側リアクトルＬ１Ｓで発生する電圧に基づいて補助コンデンサＣ２の放電がなされ、次のスイッチＳ１のオフ時の印加電圧が補助コンデンサＣ２の充電電圧に替わることでスイッチＳ１の端子間電圧が低減されて、スイッチング損失の低減が図られている。つまり、スイッチング損失の低減を図る補助回路１２ａにおいて、特に回路の大型化を招くコイル素子が二次側リアクトルＬ１Ｓだけで構成可能なため小型化に寄与でき、またこのリアクトルＬ１Ｓは一次側と分離されているため、二次側リアクトルＬ１Ｓ、即ち補助回路１２ａを流れる電流を小さく設定でき、大電流を扱う溶接用電源装置等への適用性も高い電源装置として提供することができる。
【００３８】
（２）本実施形態の補助回路１２ａは、二次側リアクトルＬ１Ｓと補助コンデンサＣ２と２個のダイオードＤ３，Ｄ４とを用いた上記の接続態様により、簡素な構成で実現することができる。
【００３９】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態の補助回路１２，１２ａは、二次側リアクトルＬ１Ｓ、補助コンデンサＣ２、２個のダイオードＤ３，Ｄ４で構成したが、構成する素子や接続はこれに限らず、若干の変更も含む。また、結合リアクトルＬ１の構成についても、これに限らない。
【００４０】
・上記実施形態では、スイッチＳ１にＩＧＢＴを用いたが、ＩＧＢＴ以外のスイッチング素子を用いて構成してもよい。
・上記実施形態の直流電源Ｅは、直流電源そのもの、又は（商用）交流電源を整流・平滑化した回路も含む。
【符号の説明】
【００４１】
１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ…電源装置、１１ａ，１１ｂ…電源線、１２，１２ａ…補助回路、Ｃ２…補助コンデンサ、Ｄ２…転流ダイオード、Ｄ３…補助ダイオード（第２ダイオード）、Ｄ４…補助ダイオード（第１ダイオード）、Ｅ…直流電源、Ｌ１…結合リアクトル、Ｌ１Ｐ…一次側リアクトル、Ｌ１Ｓ…二次側リアクトル、Ｒ…負荷、Ｓ１…スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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