(57)【要約】【課題】電圧共振形コンバータのワイドレンジ対応を実現化し、高効率を得る。【解決手段】電圧共振形コンバータに二次側並列共振回路と二次側直列共振回路と組み合わせ、絶縁コンバータトランスＰＩＴの結合係数ｋ＝０．７程度以下の疎結合の状態とする。これにより、定電圧制御特性を、急峻な単峰特性として、安定化に必要なスイッチング周波数の制御範囲を縮小する。また、二次側直列共振回路が組み合わされたことで電力変換効率について良好な特性が得られる。その上で、一次側並列共振周波数fo1と二次側並列共振周波数fo2、二次側直列共振周波数fo3の設定によって、さらなる効率向上が図られる。【選択図】図１
2006230036.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流入力電圧を入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段と、
上記スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段と、
少なくとも、上記スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される一次巻線と、該一次巻線に得られたスイッチング出力により交番電圧が誘起される二次巻線とを巻装して形成される絶縁コンバータトランスと、
少なくとも、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と一次側並列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて、上記スイッチング手段の動作を電圧共振形とする一次側並列共振回路と、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に対して並列となる関係により二次側並列共振コンデンサを接続することで、上記二次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と、上記二次側並列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成される二次側並列共振回路と、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に対して直列となる関係により二次側直列共振コンデンサを接続することで、上記二次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と、上記二次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成される二次側直列共振回路と、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に誘起される交番電圧を入力して整流動作を行って、二次側直流出力電圧を生成するように構成された二次側直流出力電圧生成手段と、
上記二次側直流出力電圧のレベルに応じて上記スイッチング駆動手段を制御して、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変することで、上記二次側直流出力電圧について定電圧制御を行う定電圧制御手段とを備え、
上記絶縁コンバータトランスは、
少なくとも上記一次側並列共振回路と上記二次側並列共振回路とを有して形成される電磁結合形共振回路について、上記スイッチング周波数を有する周波数信号の入力に対する出力特性が単峰特性となるようにして、疎結合とみなされる所定の一次側と二次側との結合係数を設定し、
少なくとも、所定の負荷条件の下で一定以上の電力変換効率が得られるようにして、上記一次側並列共振回路の共振周波数と上記二次側並列共振回路の共振周波数と上記二次側直列共振回路の共振周波数とを設定する、
ことを特徴とするスイッチング電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧共振形コンバータを備えて成るスイッチング電源回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
共振形によるいわゆるソフトスイッチング電源としては、電流共振形と電圧共振形の形式が広く知られている。現状においては、実用化が容易なことを背景に、２石のスイッチング素子をハーフブリッジ結合方式の電流共振形コンバータが広く採用されている状況にある。
しかし、現在、例えば高耐圧スイッチング素子の特性が改善されてきていることなどを背景に、電圧共振形コンバータを実用化するにあたっての耐圧の問題はクリアされてきている状況にある。また、１石のスイッチング素子によるシングルエンド方式で構成した電圧共振形コンバータについては、１石の電流共振形フォワードコンバータと比較して、入力帰還ノイズや直流出力電圧ラインのノイズ成分などの点で有利であることも知られている。
【０００３】
図１０は、シングルエンド方式による電圧共振形コンバータを備えるスイッチング電源回路の一構成例を示している。
この図に示すスイッチング電源回路においては、商用交流電源ＡＣをブリッジ整流回路Ｄｉ及び平滑コンデンサＣｉから成る整流平滑回路により整流平滑化して、平滑コンデンサＣｉの両端電圧として、整流平滑電圧Ｅｉを生成している。
なお、商用交流電源ＡＣのラインに対しては、１組のコモンモードチョークコイルＣＭＣと、２本のアクロスコンデンサＣLから成り、コモンモードのノイズを除去するノイズフィルタが設けられている。
【０００４】
上記整流平滑電圧Ｅｉは、直流入力電圧として電圧共振形コンバータに対して入力される。この電圧共振形コンバータは、上記しているように、１石のスイッチング素子Ｑ1を備えたシングルエンド方式による構成を採る。また、この場合の電圧共振形コンバータとしては他励式となっており、ＭＯＳ−ＦＥＴのスイッチング素子Ｑ1を、発振・ドライブ回路２によりスイッチング駆動するようにされている。
【０００５】
スイッチング素子Ｑ1に対しては、ＭＯＳ−ＦＥＴのボディダイオードＤDが並列に接続される。また、スイッチング素子Ｑ1のソース−ドレイン間に対して一次側並列共振コンデンサＣｒが並列に接続される。
【０００６】
一次側並列共振コンデンサＣｒは、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1とによって一次側並列共振回路（電圧共振回路）を形成している。そして、この一次側並列共振回路によって、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング動作として電圧共振形の動作が得られるようにされている。
【０００７】
発振・ドライブ回路２は、スイッチング素子Ｑ1をスイッチング駆動するために、スイッチング素子Ｑ1のゲートに対して、ドライブ信号としてのゲート電圧を印加する。これにより、スイッチング素子Ｑ1は、ドライブ信号の周期に応じたスイッチング周波数によりスイッチング動作を行う。
【０００８】
絶縁コンバータトランスＰＩＴは、スイッチング素子Ｑ1 のスイッチング出力を二次側に伝送する。
絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造としては、例えば、フェライト材によるＥ型コアを組み合わせたＥＥ型コアを備える。そして、一次側と二次側とで巻装部位を分割したうえで、一次巻線Ｎ1と、二次巻線Ｎ2を、ＥＥ型コアの中央磁脚に対して巻装している。
そのうえで、絶縁コンバータトランスＰＩＴのＥＥ型コアの中央磁脚に対しては1.0mm程度のギャップを形成するようにしており、これによって、一次側と二次側との間で、ｋ＝０．８０〜０．８５程度の結合係数ｋを得るようにしている。この程度の結合係数ｋは疎結合としてみてよい結合度であり、その分、飽和状態が得られにくくなる。また、この結合係数ｋの値が、リーケージインダクタンス（Ｌ1）の設定要素となる。
【０００９】
絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1の一端は、スイッチング素子Ｑ1と平滑コンデンサＣｉの正極端子間に挿入されるようになっていることで、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング出力が伝達されるようになっている。絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次巻線Ｎ2には、一次巻線Ｎ1により誘起された交番電圧が発生する。
【００１０】
この場合には、二次巻線Ｎ2に対して二次側並列共振コンデンサＣ2を並列に接続している。これにより、二次巻線Ｎ2のリーケージインダクタンスＬ2と二次側並列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスとによって二次側並列共振回路（電圧共振回路）が形成される。
そのうえで、この二次側並列共振回路に対して、図示するようにして整流ダイオードＤo1、及び平滑コンデンサＣoを接続することで、半波整流回路を形成している。この半波整流回路は、二次巻線Ｎ2（二次側並列共振回路）に得られる交番電圧Ｖ2の等倍に対応するレベルの二次側直流出力電圧Ｅoを、平滑コンデンサＣoの両端電圧として生成する。二次側直流出力電圧Ｅoは負荷に供給されると共に、定電圧制御用の検出電圧として、制御回路１に入力される。
【００１１】
制御回路１は、検出電圧として入力される二次側直流出力電圧Ｅoのレベルを検出して得られる検出出力を発振・ドライブ制御回路２に入力する。
発振・ドライブ回路２は、入力される検出出力が示す二次側直流出力電圧Ｅoのレベルに応じて、二次側直流出力電圧Ｅoが所定のレベルで一定となるようにして、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング動作を制御する。つまり、制御すべきスイッチング動作を得るためのドライブ信号を生成して出力する。これにより、二次側直流出力電圧Ｅｏの安定化制御が行われる。
【００１２】
図１１及び図１２は、上記図１０に示した構成の電源回路についての実験結果を示している。なお、実験にあたっては、ＡＣ１００Ｖ系に対応するＶAC＝１００Ｖの条件として、図１０の電源回路の要部について下記のようにして設定している。
絶縁コンバータトランスＰＩＴは、コアにEER-35を選定し、中央磁脚のギャップについては、1mmのギャップ長を設定する。また、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2のターン数Ｔ（巻数）については、それぞれＮ1＝４３Ｔ、Ｎ2＝４３Ｔとした。絶縁コンバータトランスＰＩＴの結合係数ｋについてはｋ＝0.81を設定した。
また、一次側並列共振コンデンサＣｒ＝6800pF、二次側並列共振コンデンサＣ2＝0.01μFを選定した。これに応じて、一次側並列共振回路の共振周波数fo1＝175kHz、二次側並列共振回路の共振周波数fo2＝164kHzが設定される。
また、二次側直流出力電圧Ｅoの定格レベルは１３５Ｖであり、対応負荷電力は、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗである。
【００１３】
先ず、図１１は、図１０に示した電源回路における要部の動作をスイッチング素子Ｑ1のスイッチング周期により示す波形図であり、図１１（ａ）には、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時におけるスイッチング電圧Ｖ1、スイッチング電流ＩQ1、一次巻線電流Ｉ1、二次巻線電圧Ｖ2、二次巻線電流Ｉ2、二次側整流電流ＩD1が示されている。図１１（ｂ）には、最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗ時におけるスイッチング電圧Ｖ1、スイッチング電流ＩQ1、一次巻線電流Ｉ1、二次巻線電圧Ｖ2、二次巻線電流Ｉ2、二次側整流電流ＩD1が示されている。
スイッチング電圧Ｖ1は、スイッチング素子Ｑ1の両端に得られる電圧であり、スイッチング素子Ｑ1がオンとなる期間ＴONにおいて０レベルで、オフとなる期間ＴOFFにおいて正弦波状の共振パルスとなる波形である。この電圧Ｖ1の共振パルス波形が、一次側スイッチングコンバータの動作が電圧共振形であることを示している。
【００１４】
スイッチング電流ＩQ1は、スイッチング素子Ｑ1（及びボディダイオードＤD）に流れる電流であり、期間ＴOFFにおいては０レベルで、期間ＴONにおいては、ターンオン時においてボディダイオードＤDに対して順方向に流れることで負極性となり、この後に反転してスイッチング素子Ｑ1のドレイン−ソース間を流れてターンオフに至るまで増加していく波形として得られる。このために、スイッチング電流ＩQ1としては、ターンオフタイミングにピークレベルが得られることになる。
一次巻線Ｎ1に流れる一次巻線電流Ｉ1は、期間ＴONにおいて上記スイッチング電流ＩQ1として流れる電流成分と、期間ＴOFFにおいて一次側並列共振コンデンサＣｒに流れる電流とを合成して得られるもので、図示する波形となる。
【００１５】
また、二次側整流回路の動作として、整流ダイオードＤo1に流れる整流電流ＩD1は、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時では、整流ダイオードＤo1のターンオン時にピークレベルが得られた後に図示する波形により０レベルに低減していき、整流ダイオードＤo1のオフ期間において０レベルとなる波形により流れるものとなる。なお、最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗ時においては、オン期間であっても０レベルとなる。
二次巻線電圧Ｖ2は、この場合には、二次巻線Ｎ2//二次側並列共振コンデンサＣ2の並列回路に得られる電圧となるもので、二次側整流ダイオードＤo1が導通しているオン期間に対応しては、二次側直流出力電圧Ｅoのレベルによりクランプされ、二次側整流ダイオードＤo1のオフ期間では、負極性方向の正弦波形が得られる。また、二次巻線Ｎ2に流れる二次巻線電流Ｉ2は、整流電流ＩD1と、二次側並列共振回路（Ｎ2(Ｌ2)//Ｃ2）に流れる電流が合成したものとなり、例えば図示する波形により流れる。
【００１６】
図１２は、図１０に示した電源回路についての、負荷変動に対するスイッチング周波数ｆｓ、スイッチング素子Ｑ1のオン期間ＴON、オフ期間ＴOFF、及びAC→DC電力変換効率(ηAC→DC)を示している。
先ず、AC→DC電力変換効率(ηAC→DC)を見てみると、負荷電力Ｐｏ＝７５Ｗ〜２００Ｗまでの範囲で９０％以上となっている。電圧共振形コンバータとして、特にスイッチング素子Ｑ1が１石であるシングルエンド方式は、電力変換効率について良好な結果が得られることが知られている。
【００１７】
また、図１２に示されるスイッチング周波数ｆｓ、オン期間ＴON、オフ期間ＴOFFによっては、図１０の電源回路についての負荷変動に対する定電圧制御特性としてのスイッチング動作が示されることになる。この場合、スイッチング周波数ｆｓは、軽負荷の傾向となるのに従って、スイッチング周波数が高くなるようにして制御されている。また、オン期間ＴON、オフ期間ＴOFFに関しては、負荷変動に対してオフ期間ＴOFFはほぼ一定であるのに対して、オン期間ＴONが、軽負荷の傾向となるのに従って短縮される特性となっている。つまり、図１０に示す電源回路は、オフ期間ＴOFFは一定としたうえで、例えば軽負荷の傾向となるのに応じて、オン期間ＴONを短縮するようにしてスイッチング周波数を可変制御していることになる。
このようにして、スイッチング周波数が可変制御されることで、一次側並列共振回路及び二次側並列共振回路を備えることにより得られる誘導性インピーダンスが可変されることになる。この誘導性インピーダンスの可変によっては、一次側から二次側への伝送電力量、及び二次側並列共振回路から負荷への電力伝送量が変化することとなって、二次側直流出力電圧Ｅoのレベルが可変される。これにより、二次側直流出力電圧Ｅoの安定化が図られることになる。
【００１８】
図１３は、図１０に示す電源回路の定電圧制御特性を、スイッチング周波数fs(kHz)と二次側直流出力電圧Ｅoとの関係により、模式的に示している。
ここで、一次側並列共振回路の共振周波数をfo1、二次側並列共振回路の共振周波数のfo2とすると、図１０の回路では、先に説明したように一次側並列共振周波数fo1に対して二次側並列共振周波数fo2が低い関係となる。
そのうえで、或る一定の交流入力電圧ＶACの条件でのスイッチング周波数ｆｓに対する定電圧制御特性を想定すると、図示するようにして、一次側並列共振回路の共振周波数fo1に応じた共振インピーダンスの下での最大負荷電力Ｐｏmax時／最小負荷電力Ｐｏmin時の各定電圧制御特性としては、それぞれ特性曲線Ａ，Ｂとして示され、二次側並列共振回路の共振周波数fo2に応じた共振インピーダンスの下での最大負荷電力Ｐｏmax時／最小負荷電力Ｐｏmin時の各定電圧制御特性としては、それぞれ特性曲線Ｃ，Ｄで示されるものとなる。
さらに、図１０の回路のようにして一次側並列共振周波数と二次側並列共振回路とを備える場合、共振周波数fo1,fo2との間には中間共振周波数foが存在することになる。中間共振周波数foとスイッチング周波数fsとの関係による共振インピーダンス特性は、最大負荷電力Ｐｏmax時は特性曲線Ｅで示され、最小負荷電力Ｐｏmin時は、特性曲線Ｆとして示される。
二次側並列共振回路を備える電圧共振形コンバータでは、この中間共振周波数foのスイッチング周波数fsに対する共振インピーダンス特性によって、二次側直流出力電圧Ｅoのレベルが決定される。また、図１０に示す電圧共振形コンバータとしては、この中心共振周波数foよりも低い周波数領域でスイッチング周波数fsを可変制御する、いわゆるローアーサイド制御の方式を採る。
そして、この図１３において中間共振周波数ｆｏに対応する特性曲線Ｅ，Ｆとして示される特性の下で、ローアーサイド制御に対応したスイッチング周波数制御により、二次側直流出力電圧Ｅoの定格レベル（図１０の回路の場合１３５Ｖ）を目標値として定電圧化を図ろうとすると、そのために必要なスイッチング周波数ｆｓの可変範囲（必要制御範囲）は、Δｆｓで示される区間であることになる。換言すれば、このΔｆｓで示される区間に対応する周波数範囲で、負荷変動に応じてスイッチング周波数を所要値となるようにして可変することで、二次側直流出力電圧Ｅoは定格レベルｔｇとなるようにして制御される。
【００１９】
【特許文献１】特開２０００−１５２６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ところで、各種電子機器の多様化を背景に、電源回路としては、ＡＣ１００Ｖ系とＡＣ２００Ｖ系との何れの商用交流電源入力にも対応して動作する、いわゆるワイドレンジ対応とすることも求められている。
【００２１】
図１０に示す構成の電源回路は、先に説明したように、スイッチング周波数制御により二次側直流出力電圧Ｅoの安定化を図るように動作し、そのために必要とされるスイッチング周波数の可変範囲（必要制御範囲）は、図１３にて説明したΔfsによって示される。
図１０に示す電源回路は、２００Ｗ〜０Ｗまでの比較的広範囲な負荷変動に対応するものとされている。そして、図１０の電源回路について、この負荷条件に対応した実際の必要制御範囲は、ｆｓ＝117.6kHz〜208.3kHzで、Δｆｓ＝96.7kHzとなり、比較的に広範囲なものとなっている。
【００２２】
ここで、二次側直流出力電圧Ｅoのレベルは、当然のことながら交流入力電圧ＶACのレベルが変化することによっても変動する。すなわち、二次側直流出力電圧Ｅoのレベルは、交流入力電圧ＶACのレベル増減に応じて、同様に増減する。
このことから、ＡＣ１００系からＡＣ２００Ｖ系までのワイドレンジでの交流入力電圧の変動に対応しては、例えばＡＣ１００系のみ、あるいはＡＣ２００Ｖ系のみの単レンジでの変動に対応する場合より、二次側直流出力電圧Ｅo1のレベル変動も大きくなるということがいえる。そして、このようにして拡大した二次側直流出力電圧Ｅo1のレベル変動に対応して定電圧制御動作を行うためには、上記した117.6kHz〜208.3kHzの範囲を、これより高い周波数の方向に拡大した、より広範囲な必要制御範囲が必要となる。
【００２３】
しかしながら、現状におけるスイッチング素子を駆動するためのＩＣ（発振・ドライブ回路２）としては、対応可能な駆動周波数の上限は２００ｋHz程度が限界である。また、仮に上記のような高い周波数での駆動が可能となるＩＣが開発された場合にも、スイッチング素子が高周波駆動されることによっては電力変換効率が著しく低下し、電源回路として実用することは実質的に不可能となる。
このことから、例えば図１０に示す電源回路の構成によりワイドレンジ対応とすることは実現が非常に困難であることがわかる。
【００２４】
このような事情から、共振形コンバータを備えたスイッチング電源回路としては、ワイドレンジ対応の動作を実現するとした場合には、例えばＡＣ１００Ｖ系／２００Ｖ系の商用交流電源入力に応じて、一次側スイッチングコンバータの構成をハーフブリッジ／フルブリッジで切り換える構成を採ることが行われている。あるいは、商用交流電源ＡＣについての整流動作を行う整流回路の動作を、ＡＣ１００Ｖ系／２００Ｖ系の商用交流電源入力に応じて、全波整流／倍電圧整流で切り換える構成とすることも行われている。
【００２５】
しかしながら、ＡＣ１００Ｖ系とＡＣ２００Ｖ系とで回路構成の切り換えを行う場合には、以下のような問題点が生じる。
例えば、このような商用交流電源レベルに応じた切り換えには、入力電圧についての閾値（例えば１５０Ｖ）を設定し、これを上回った場合はＡＣ２００Ｖ系、下回った場合はＡＣ１００Ｖ系に対応した回路切換を行うようにされるが、単純にこのような切り換えのみを行っていたのでは、例えばＡＣ２００Ｖ系の入力時の瞬間停電等による一時的な交流入力電圧の低下に対しても、ＡＣ１００系に対応した切り換えが行われてしまうおそれがある。つまり、例えば整流動作の切り換え構成を例に挙げれば、ＡＣ２００Ｖ系の入力であるにも関わらず、ＡＣ１００Ｖ系であるとして倍電圧整流回路に切り換えられてしまい、これによってスイッチング素子などが耐圧オーバーとなって破壊される可能性がある。
【００２６】
そこで、実際には、上記のような誤動作が生じないようにするために、メインとなるスイッチングコンバータの直流入力電圧だけではなく、スタンバイ電源側のコンバータ回路の直流入力電圧も検出する構成を採るようにされる。
しかしながら、このようにしてスタンバイ電源側のコンバータ回路を検出するということは、基準電圧と入力電圧との比較を行うための例えばコンパレータＩＣ等を実装することになるが、これにより部品点数が増加して、回路製造コストの増加、及び回路基板サイズの大型化が助長されてしまうことになる。
【００２７】
また、このように誤動作防止を目的としてスタンバイ電源側のコンバータの直流入力電圧を検出するということは、メイン電源の他にスタンバイ電源を備える電子機器でなければ、実際に使用することができないということになる。つまり、電源を実装可能な電子機器の種類が、スタンバイ電源を備えたものに限定されるわけであり、それだけ利用範囲が狭くなっているという問題も生じる。
【００２８】
また、ハーフブリッジ／フルブリッジの切り換えを行う構成では、フルブリッジ構成を可能とするためにスイッチング素子を少なくとも４つ備える必要がある。つまり、切り換えが不要であればハーフブリッジによりスイッチング素子が２つで済むものを、この場合はさらに２つ追加しなくてはならない。
また、整流動作の切換を行う構成としても、倍電圧整流動作を得るために平滑コンデンサＣｉを２本備えるようにしなければならない。つまり全波整流のみとする構成と比較して、平滑コンデンサＣｉを１本追加しなければならなくなる。
これらの点でも、上記したような回路切換を伴うワイドレンジ対応の構成では、回路製造コストの増加、及び電源回路基板の大型化を招く。特に、整流動作切り換えの構成において、平滑コンデンサＣｉ等は電源回路を構成する部品のうちでも大型の部類に入ることから、このような基板サイズの大型化はさらに助長される。
【００２９】
また、先に説明したようにしてスイッチング周波数の制御範囲が広範となることによるもう１つの問題点としては、二次側直流出力電圧Ｅoについての安定化の高速応答特性が低下してしまうということが挙げられる。
特に近年の電子機器では、例えば各種駆動部のオン／オフ等に応じて負荷電力が最大負荷と無負荷とで瞬時的に変化する、いわゆるスイッチング負荷といわれる負荷条件となることがある。これに応じて電源回路側としても、このように高速且つ広範に変動する負荷電力に応じて、二次側直流出力電圧Ｅoの定電圧制御を行う必要がある。
しかしながら、上述のようにスイッチング周波数制御範囲が広範であると、最大値と最小値とで変化する負荷に対応して定電圧制御に必要なスイッチング周波数へと変化させるまでに、その分多くの時間を要してしまうことになる。つまり、定電圧制御の応答性が鈍くなる。
【００３０】
また、図１０に示す電源回路は、一次側電圧共振形コンバータを備える構成であり、このような構成の電源回路が電力変換効率について有利となる傾向の特性を有していることは、先に説明したとおりである。しかしながら、例えば近年のエネルギー事情、環境事情などを考慮して、電子機器については、より高い電力変換効率特性とすることが求められている。これに伴い、電子機器に搭載される電源回路そのものについても、さらなる電力変換効率の向上が要求されている状況にある。
特に、図１０に示した回路では、先の図１２の特性から理解されるように負荷が軽い条件での電力変換効率の向上が図られておらず、この領域での効率向上が全体の効率向上を図る上で重要となる。
【課題を解決するための手段】
【００３１】
そこで本発明は上記した課題を考慮して、スイッチング電源回路として次のように構成することとした。
つまり、直流入力電圧を入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段と、スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段を備える。
また、少なくとも、スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される一次巻線と、この一次巻線に得られたスイッチング出力により交番電圧が誘起される二次巻線とを巻装して形成される絶縁コンバータトランスを備える。
また、少なくとも、絶縁コンバータトランスの一次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と一次側並列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて、上記スイッチング手段の動作を電圧共振形とする一次側並列共振回路を備える。
また、絶縁コンバータトランスの二次巻線に対して並列となる関係により二次側並列共振コンデンサを接続することで、二次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と、二次側並列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成される二次側並列共振回路を備える。
また、上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に対して直列となる関係により二次側直列共振コンデンサを接続することで、上記二次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と、上記二次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成される二次側直列共振回路を備える。
また、絶縁コンバータトランスの二次巻線に誘起される交番電圧を入力して整流動作を行って、二次側直流出力電圧を生成するように構成された二次側直流出力電圧生成手段と、二次側直流出力電圧のレベルに応じてスイッチング駆動手段を制御して、スイッチング手段のスイッチング周波数を可変することで、二次側直流出力電圧について定電圧制御を行う定電圧制御手段とを備える。
そして、上記絶縁コンバータトランスは、少なくとも上記一次側並列共振回路と上記二次側並列共振回路とを有して形成される電磁結合形共振回路について、上記スイッチング周波数を有する周波数信号の入力に対する出力特性が単峰特性となるようにして、疎結合とみなされる所定の一次側と二次側との結合係数を設定し、また、少なくとも、所定の負荷条件の下で一定以上の電力変換効率が得られるようにして、上記一次側並列共振回路の共振周波数と上記二次側並列共振回路の共振周波数と上記二次側直列共振回路の共振周波数とを設定して構成することとした。
【００３２】
上記構成による電源回路は、一次側に一次側並列共振回路と、二次側に二次側並列共振回路と二次側直列共振回路とを備える電圧共振形コンバータとしての構成を採る。そして、このように一次側と二次側とにそれぞれ共振回路が組み合わされた構成が採られることにより、絶縁コンバータトランスの電磁結合による結合形共振回路を形成することになる。その上で、絶縁コンバータトランスについて所定の結合係数による疎結合とすることで、当該結合形共振回路に対する入力であるスイッチング周波数の周波数信号（スイッチング出力）に対する出力特性として、急峻な単峰特性を得ることが可能となる。この結果、二次側直流出力電圧の安定化に要するスイッチング周波数の可変範囲（必要制御範囲）を縮小することができる。
また、二次側直列共振回路を組み合わせているが、一次側並列共振回路に対する二次側直列共振回路の組み合わせは、軽負荷の条件でも高効率が得られる。しかし、この組み合わせは中間負荷時に安定なＺＶＳ（ゼロ電圧スイッチング）動作ができず、異常発振動作も生じ実用化レベルではなかった。これに対し本発明では、上記のように絶縁コンバータトランスの結合係数が所定の疎結合とされる値に設定されたことで、安定なＺＶＳ動作を実現してこれを実用化することができる。
その上で、本発明としては、一次側並列共振回路の共振周波数と二次側並列共振回路の共振周波数と二次側直列共振回路の共振周波数の設定により、所定の負荷条件の下で、一定以上の電力変換効率特性が得られるようにされる。
【発明の効果】
【００３３】
このようにして本発明は、一次側並列共振回路、二次側並列共振回路、二次側直列共振回路を組み合わせた電圧共振形コンバータについて、定電圧制御に必要なスイッチング周波数の可変制御範囲（必要制御範囲）が縮小される。これにより、電圧共振形スイッチングコンバータについて、スイッチング周波数制御のみによりワイドレンジ対応化することが容易に実現可能となる。
【００３４】
また、二次側直列共振回路を備える電圧共振形コンバータとされているが、これによって二次側並列共振回路のみを組み合わせた場合よりも電力変換効率の向上が図られる。また、このように二次側直列共振回路を設けた場合にも本発明では上記したように安定なＺＶＳ動作を得ることができるので、何ら支障なく実用化することができる。
【００３５】
さらに本発明によっては、一次側並列共振回路の共振周波数と二次側並列共振回路の共振周波数と二次側直列共振回路の共振周波数の設定により、所定の負荷電力の負荷条件にも対応させるようにして一定以上の電力変換効率が得られるようにしている。電圧共振形コンバータは、高い電力変換効率特性を本来有するが、本発明によっては、電圧共振形コンバータを備える電源回路について、より良好な電力変換効率特性を有するものを提供できることになる。
【００３６】
そして、上記のようなワイドレンジ化、及び高効率化を実現するための基本構成としては、二次側並列共振回路を備える電圧共振形コンバータに対し、絶縁コンバータトランスについて所要の結合係数が得られる構造とし、さらに二次側直列共振回路形成のための二次側直列共振コンデンサを追加すればよいものであり、従って、部品点数の増加などによるコストアップ、回路の大型化、重量増加などを伴うことなくこれを実現できるというメリットもある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明を実施するための最良の形態（実施の形態）について説明する。
図１の回路図は、本発明における実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示している。この図に示す電源回路は、シングルエンド方式による電圧共振形スイッチングコンバータとしての基本構成を採る。
この図に示すスイッチング電源回路においては、まず、商用交流電源ＡＣのラインに対して、図示するようにして、１組のコモンモードチョークコイルＣＭＣと、２本のアクロスコンデンサＣLが挿入される。これらコモンモードチョークコイルＣＭＣ、及びアクロスコンデンサＣL，ＣLにより、商用交流電源ＡＣのラインに重畳するコモンモードのノイズを除去するノイズフィルタが形成される。
【００３８】
商用交流電源ＡＣ（交流入力電圧ＶAC）は、ブリッジ整流回路Ｄｉにより整流され、その整流出力は平滑コンデンサＣｉに充電される。これにより平滑コンデンサＣｉの両端電圧として整流平滑電圧Ｅｉが得られる。この整流平滑電圧Ｅｉが、後段のスイッチングコンバータのための直流入力電圧となる。
【００３９】
この図において、上記整流平滑電圧Ｅｉを直流入力電圧として入力してスイッチング動作を行うスイッチングコンバータは、例えば１石のスイッチング素子Ｑ1を備えたシングルエンド方式の電圧共振形コンバータとして形成される。この場合のスイッチング素子Ｑ1には高耐圧のＭＯＳ−ＦＥＴが選定されている。また、この場合の電圧共振形コンバータの駆動方式は、発振・ドライブ回路２によりスイッチング素子をスイッチング駆動する他励式である。
【００４０】
スイッチング素子Ｑ1のゲートに対しては、発振・ドライブ回路２から出力されるスイッチング駆動信号（電圧）が印加されるようになっている。
また、スイッチング素子Ｑ1のドレインは、後述する絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1の巻始め端部と接続される。一次巻線Ｎ1の巻き終わり端部は、平滑コンデンサＥｉの正極端子と接続される。従って、この場合には、直流入力電圧（Ｅｉ）は、一次巻線Ｎ1の直列接続を介してスイッチング素子Ｑ1に供給されるようになっている。スイッチング素子Ｑ1のソースは一次側アースに接続される。
【００４１】
この場合のスイッチング素子Ｑ1には、ＭＯＳ−ＦＥＴが選定されていることから、図示するようにして、ソース−ドレイン間に対して並列に接続されるようにしてボディダイオードＤDを内蔵する。このボディダイオードＤDとしては、アノードがスイッチング素子Ｑ1のソースと接続され、カソードがスイッチング素子Ｑ1のドレインと接続される状態を形成する。このボディダイオードＤDは、スイッチング素子Ｑ1のオン／オフ動作（スイッチング動作）により生じる、逆方向のスイッチング電流を流す経路を形成する。
【００４２】
そして、スイッチング素子Ｑ1のドレイン−ソース間に対しては、一次側並列共振コンデンサＣｒが並列に接続される。
一次側並列共振コンデンサＣｒは、自身のキャパシタンスと絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1のリーケージ（漏洩）インダクタンスＬ1とによって、スイッチング素子Ｑ1に流れるスイッチング電流に対する一次側並列共振回路（電圧共振回路）を形成する。この一次側並列共振回路が共振動作を行うことによって、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング動作として電圧共振形の動作が得られる。これに応じて、スイッチング素子Ｑ1の両端電圧（ドレイン−ソース間電圧）であるスイッチング電圧Ｖ1としては、そのオフ期間において正弦波状の共振パルス波形が得られる。
【００４３】
発振・ドライブ回路２は、例えば他励式によりスイッチング素子Ｑ1を駆動するために、発振回路と、この発振回路により得られる発振信号に基づいて、ＭＯＳ−ＦＥＴをスイッチング駆動するためのゲート電圧であるドライブ信号を生成して、スイッチング素子Ｑ1のゲートに印加するようにされる。これにより、スイッチング素子Ｑ1は、ドライブ信号の周期に応じたスイッチング周波数に従って連続的にオン／オフ動作を行う。つまり、スイッチング動作を行う。
【００４４】
絶縁コンバータトランスＰＩＴは、一次側と二次側とを直流的に絶縁した状態で、一次側スイッチングコンバータのスイッチング出力を二次側に伝送する。
図２は、図１の電源回路が備える絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造例を示す断面図である。
この図に示すように、絶縁コンバータトランスＰＩＴは、フェライト材によるＥ型コアＣＲ１、ＣＲ２を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ型コアを備える。Ｅ型コアＣＲ１、ＣＲ２は、それぞれ図のように断面形状がＥ字型とされたコアである。
そして、一次側と二次側の巻装部について相互に独立するようにして分割した形状により、例えば樹脂などによって形成される、ボビンＢが備えられる。このボビンＢの一方の巻装部に対して一次巻線Ｎ1を巻装する。また、他方の巻装部に対して二次巻線Ｎ2を巻装する。このようにして一次側巻線及び二次側巻線が巻装されたボビンＢを上記ＥＥ型コア（ＣＲ１，ＣＲ２）に取り付けることで、一次側巻線及び二次側巻線とがそれぞれ異なる巻装領域により、ＥＥ型コアの中央磁脚に巻装される状態となる。このようにして絶縁コンバータトランスＰＩＴ全体としての構造が得られる。
【００４５】
そのうえで、ＥＥ型コアの中央磁脚に対しては、図のようにして、例えばギャップ長2mm程度以上のギャップＧを形成する。これによって、結合係数ｋとしては、例えばｋ≒０．７程度以下による疎結合の状態を得るようにしている。つまり、従来技術として図１０に示した電源回路の絶縁コンバータトランスＰＩＴよりも、さらに疎結合の状態としている。なお、ギャップＧは、Ｅ型コアＣＲ１，ＣＲ２の中央磁脚を、２本の外磁脚よりも短くすることで形成することができる。
【００４６】
絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1の一端は、前述もしたように、スイッチング素子Ｑ1のドレインと接続されている。これにより、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング出力が一次巻線Ｎ1に伝達され、一次巻線Ｎ1には交番電圧が生じる。
【００４７】
絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次側では、一次巻線Ｎ1により誘起された交番電圧が二次巻線Ｎ2に発生する。
この二次巻線Ｎ2に対しては、二次側並列共振コンデンサＣ2を並列に接続している。これにより、二次巻線Ｎ2のリーケージインダクタンスＬ2と二次側並列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスとによって二次側並列共振回路を形成する。この二次側並列共振回路は、後述する二次側整流回路の整流動作に応じて共振動作を行う。つまり、一次側とともに、二次側においても電圧共振動作が得られる。
【００４８】
また、さらに実施の形態では、二次巻線Ｎ２に対して直列に、二次側直列共振コンデンサＣ3を接続するものとしている。この二次側直列共振コンデンサＣ3の接続により、この場合の二次側においては上記並列共振動作と共に直列共振動作（電流共振動作）も得られることになる。
【００４９】
そして、この場合の二次側整流回路は、上記のようにして二次側並列共振コンデンサＣ2が並列接続され、また二次側直列共振コンデンサＣ3が直列接続された二次巻線Ｎ2に対して、整流ダイオードＤo1と整流ダイオードＤo2と、平滑コンデンサＣｏを図示するように接続して成る倍圧半波整流回路が備えられる。
この倍圧半波整流回路の接続態様としては、まず、二次巻線Ｎ2の巻き終わり端部側に対して、上記二次側直列共振コンデンサＣ3の直列接続を介して整流ダイオードＤo1のアノードと、整流ダイオードＤo2のカソードを接続する。また、整流ダイオードＤo1のカソードを平滑コンデンサＣｏの正極端子に接続する。二次巻線Ｎ2の巻始め端部と、整流ダイオードＤo2のアノードと、平滑コンデンサＣｏの負極端子は、二次側アースに対して接続する。
【００５０】
このようにして形成される倍圧半波整流回路の整流動作は次のようになる。
先ず、二次巻線Ｎ２に励起される交番電圧（Ｖ2）の一方の極性に対応する半周期においては、整流ダイオードＤo2に順方向電圧が印加されることになるので、この期間に対応しては整流ダイオードＤo2が導通し、整流電流を二次側直列共振コンデンサＣ3に対して充電する動作が得られる。これによって、二次側直列共振コンデンサＣ3には、二次巻線Ｎ2に誘起される交番電圧レベルの等倍に対応したレベルの両端電圧が生成される。次の、上記交番電圧の他方の極性に対応する半周期においては、整流ダイオードＤo1に順方向電圧が印加されて導通する。このとき、平滑コンデンサＣoに対しては、この交番電圧の電位と、上記二次側直列共振コンデンサＣ3の両端電圧とが重畳された電位により充電が行われる。
これによって平滑コンデンサＣoの両端電圧としては、二次巻線Ｎ2に励起される交番電圧レベルの２倍に対応したレベルによる二次側直流出力電圧Ｅoが得られることになる。この整流動作では、平滑コンデンサＣoに対しては、二次巻線Ｎ2に励起される交番電圧の一方の半周期に対応してのみ充電が行われる。つまり、倍圧半波としての整流動作が得られている。
この二次側直流出力電圧Ｅoは、負荷に供給される。また、分岐して制御回路１に対して検出電圧として出力される。
なお、このような倍圧半波整流回路において、上記整流ダイオードＤo1と整流ダイオードＤo2とは、スイッチング周波数に応じた比較的高周波でのオン／オフ動作を行うことから、高速型（高速リカバリ型）が選定される。
【００５１】
制御回路１は、入力された二次側直流出力電圧Ｅoのレベル変化に応じた検出出力を発振・ドライブ回路２に供給する。発振・ドライブ回路２では、入力された制御回路１の検出出力に応じてスイッチング周波数を可変するようにして、スイッチング素子Ｑ1を駆動する。
ここで、本実施の形態の場合、二次巻線Ｎ２に対しては二次側並列共振コンデンサＣ2に加え、二次側直列共振コンデンサＣ3が接続されて直列共振動作も得られるようになっている。このような場合でのスイッチング周波数の可変は、後の図４においても説明するように、主としてはスイッチング素子Ｑ1のオン期間ＴONを可変制御する動作となるが、負荷変動に応じてオフ期間ＴOFFが若干変動される制御となる。
【００５２】
このようなスイッチング周波数の可変制御動作が、二次側直流出力電圧Ｅｏに対する定電圧制御動作となる。
スイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数が可変制御されることによっては、電源回路における一次側、二次側の共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1から二次巻線Ｎ2側に伝送される電力量、また、二次側整流回路から負荷に供給すべき電力量が変化することになる。これにより、二次側直流出力電圧Ｅｏのレベル変動がキャンセルされるようにして二次側直流出力電圧Ｅｏのレベルを制御する動作が得られることになる。つまり、二次側直流出力電圧Ｅｏの安定化が図られる。
【００５３】
ここで、上記図１に示した回路形態の電源回路の実際として、要部については、下記のように設定を行って構成している。
先ず、絶縁コンバータトランスＰＩＴについては、コアについてEER-35を選定して、ギャップＧについては2.2mmのギャップ長を設定した。一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2の各巻数（ターン数）Ｔについては、Ｎ1＝63T、Ｎ2＝25Tを選定して、二次巻線Ｎ2の１ターンあたりの誘起電圧については2.5Ｖ／Tが得られるようにしている。これにより、絶縁コンバータトランスＰＩＴの結合係数ｋについてはｋ＝0.685が設定される。
また、一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスについてはＣｒ＝6800pＦを選定した。この一次側並列共振コンデンサＣｒについてのキャパシタンス設定と、上記絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造により得られる一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1とにより、一次側並列共振回路の共振周波数fo1＝96.2kHzが設定される。また、二次側並列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスについてはＣ2＝0.033μＦを選定しており、このキャパシタンス設定と、絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造により得られる二次巻線Ｎ2のリーケージインダクタンスＬ2とにより、二次側並列共振周波数fo2＝94.5kHzが設定される。すなわち、一次側の共振周波数fo1と二次側並列共振周波数fo2との関係としては、fo1≒fo2の関係が得られているといえる。
さらに、二次側直列共振コンデンサＣ3についてはＣ3＝0.1μＦを設定し、これによって二次側直列共振周波数fo3＝54.3ｋHzを設定した。
これらより、この場合の共振周波数fo1、二次側並列共振周波数fo2、二次側直列共振周波数fo3の三者の関係としては、図１にも示したようにfo1≒fo2＞fo3の関係が得られているものである。
また、対応負荷電力は、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ、最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗ（無負荷）とし、二次側直流出力電圧Ｅｏの定格レベルは１３５Ｖとしている。
【００５４】
図３の波形図は、上記構成による図１の電源回路における要部の動作を、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング周期により示しており、図３（ａ）には、最大負荷電力Pomax＝２００Ｗ時におけるスイッチング電圧Ｖ1、スイッチング電流ＩQ1、一次巻線電流Ｉ1、交番電圧Ｖ2、二次巻線電流Ｉ2、二次側整流電流ＩD1、二次側整流電流ＩD2が示される。図３（ｂ）には、最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗ時における、上記各波形が示されている。
【００５５】
スイッチング電圧Ｖ1は、スイッチング素子Ｑ1のドレイン−ソース間の電圧であり、スイッチング電流ＩQ1は、ドレイン側からスイッチング素子Ｑ1（及びボディダイオードＤD）に流れる電流となる。スイッチング電圧Ｖ1及びスイッチング電流ＩQ1によっては、スイッチング素子Ｑ1のオン／オフタイミングが示される。１スイッチング周期は、スイッチング素子Ｑ1がオンとなるべき期間ＴONと、オフとなるべき期間ＴOFFとに分けられ、スイッチング電圧Ｖ1は、期間ＴONにおいては０レベルで、期間ＴOFFにおいて共振パルスが得られる波形となる。このスイッチング電圧Ｖ1の共振パルスは、一次側スイッチングコンバータの動作が電圧共振形であることにより、正弦波状の共振波形として得られる。
スイッチング電流ＩQ1は、期間ＴOFFにおいては０レベルであり、この期間ＴOFFが終了して期間ＴONが開始されてターンオンタイミングに至ると、先ず、ボディダイオードＤDを流れることで負極性の波形となり、続いてドレインからソースに流れることで正極性に反転する波形となる。このようなスイッチング電流ＩQ1の波形は、適正にＺＶＳが行われていることを示している。
【００５６】
一次巻線電流Ｉ1は、一次巻線Ｎ1に流れる電流であり、スイッチング電流ＩQ1に流れる電流成分と一次側並列共振コンデンサＣｒに流れる電流とを合成したものとなる。一次巻線電流Ｉ1における期間ＴOFFの波形は、一次側並列共振コンデンサＣｒに流れる電流波形に対応している。
【００５７】
また、交番電圧Ｖ2、二次巻線電流Ｉ2、二次側整流電流ＩD1，ＩD2によっては、二次側整流回路の動作が示される。
二次巻線Ｎ2に誘起された交番電圧Ｖ2によっては、先の説明のようにして、この交番電圧Ｖ2の半周期の期間ごとに対応して、整流ダイオードＤo1，Ｄo2が交互に導通する。
二次側整流電流ＩD1，ＩD2は、図示するようにして、半波の正弦波形状により交互となるようにして平滑コンデンサＣｏに対して流れる。二次巻線Ｎ2に流れる二次巻線電流Ｉ2は、二次側整流電流ＩD1，ＩD2を合成して得られ、図示するようにして正弦波状となる。二次巻線電流Ｉ2の正弦波形状は、二次側に形成された直列共振回路の共振動作の影響により得られるものである。
なお、本実施の形態の場合において、交番電圧Ｖ2は、図３（ａ）に示す最大負荷電力Ｐｏmax時においては、二次巻線Ｎ2の誘起電圧レベルが二次側直流出力電圧Ｅo以上のレベルの電圧となって整流ダイオードＤo1、整流ダイオードＤo2を導通させている期間に対応して、二次側直流出力電圧Ｅoの１／２のレベルによりクランプされる波形が得られる。また、図３（ｂ）に示す最小負荷電力Ｐｏmin時では、正負のピークレベル（絶対値）が二次側直流出力電圧Ｅoの１／２のレベルとされた、正弦波状の波形となる。
また、最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗ時において、整流ダイオードＤo1、整流ダイオードＤo2の導通期間内にあっても、図示するように整流電流ＩD1、ＩD2はそれぞれ０レベルとなる。
【００５８】
上記した各部の動作をふまえて、図３（ａ）に示される最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時と、図３（ｂ）に示される最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗ時の波形を比較してみると、一次側スイッチングコンバータの動作としては、無負荷の傾向となっていくのに従って、１スイッチング周期（ＴOFF＋ＴON）の期間長は短くなっている、つまり、スイッチング周波数ｆｓが高くなっている。このことは、安定化動作として、先に説明した、負荷変動に応じてスイッチング周波数ｆｓが可変されるスイッチング周波数制御の動作が得られていることを示す。また、スイッチング周波数を可変するのにあたり、期間ＴOFFはほぼ一定で、期間ＴONを可変するようにしていることも分かる。
【００５９】
図４は、図１に示した電源回路についての実験結果として、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時における、負荷変動に対するAC→DC電力変換効率（ηAC→DC）、スイッチング周波数ｆｓ、及び期間ＴONと期間ＴOFFの時間長の変化特性を示している。また、図５は、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時における、交流入力電圧変動に対するAC→DC電力変換効率（ηAC→DC）、スイッチング周波数ｆｓ、及び期間ＴONの時間長の変化特性を示している。
これらの図によれば、先ず、スイッチング周波数ｆｓは、上記もしているように、軽負荷の傾向となるのに応じて高くなっていく傾向で変化している。また、交流入力電圧ＶACが上昇するのに応じて高くなっていく傾向で変化している。このことは、定電圧制御動作が、軽負荷傾向及び交流入力電圧の上昇傾向に応じて二次側直流出力電圧Ｅoが上昇するのに応じ、スイッチング周波数fsを高く制御する動作であることを示している。
また、図４において、負荷変動に対して期間ＴONの時間長は比較的大きく変動しているのに対し、期間ＴOFFは微少に変動するのみである。このことから、この場合のスイッチング周波数可変制御としては、先にも述べたように主として期間ＴONの時間長を変化させるようにして行われていることが理解できる。
【００６０】
上記スイッチング周波数fｓの具体値としては、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時では、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの範囲に対応して、ｆｓ＝83.3kHz〜137.0kHzで、Δfs＝53.7kHzとなり、このスイッチング周波数の変化に対応する期間ＴON／ＴOFFは、ＴON＝8.0μs〜2.5μs、ＴOFF＝4.0μs〜4.8μsとなる。
また、交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖ時では、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの範囲に対応して、ｆｓ＝140kHz〜183.5kHzで、Δfs＝43.5kHzとなり、このスイッチング周波数の変化に対応する期間ＴON／ＴOFFは、ＴON＝3.5μs〜2.0μs、ＴOFF＝3.7μs〜3.5μsとなる。
【００６１】
また、AC→DC電力変換効率（ηAC→DC）は、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗの条件ではηAC→DC＝９２．６％、交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖの条件ではηAC→DC＝９１．５％との測定結果が得られた。
そして、特筆すべきは、図４に示されているように、この場合のAC→DC電力変換効率は、最大負荷電力時（Ｐｏ＝２００Ｗ時）から２５％の負荷電力（Ｐｏ＝５０Ｗ付近）までの負荷変動に対してなだらかに上昇していき、その後の負荷電力の低下に応じて徐々に低下していく特性となっていることである。
これは、二次側に並列共振回路のみを形成した図１０の回路の場合（図１２参照）のように、重負荷の傾向となるに従って効率が向上する特性とは逆の特性となっており、これによって２５％負荷以下での効率が図１２の回路の場合よりも明らかに向上していることがわかる。
具体的に本実施の形態では、負荷電力Ｐｏ＝２００Ｗ〜２５Ｗまでの変動範囲に対してηAC→DC＝９０％以上の高効率が得られている。
【００６２】
なお、図示は省略したが、負荷電力Ｐｏ＝０Ｗ時での交流入力電力は、先の図１０の回路では６．６Ｗであったものが本例では２．４Ｗに低下するという結果も得られている。
【００６３】
ここで、これら図４、図５に示した図１の電源回路の特性について、先ずはスイッチング周波数ｆｓについての特性を図１０の電源回路と比較してみる。
図１０の電源回路では、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの入力で、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの変動に対して、ｆｓ＝117.6kHz〜208.3kHzで、Δｆｓ＝96.7kHzとされていた。
これに対して、図１の電源回路では、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの入力で、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの変動に対して、ｆｓ＝83.3kHz〜137.0kHzで、Δfs＝53.7kHzとなっており、図１０の電源回路の特性と比較して大幅に必要制御範囲が短縮されていることが分かる。さらに図１の電源回路では、交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖの入力で、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの変動に対して、ｆｓ＝140kHz〜183.5kHzで、Δfs＝43.5kHzとなっており、この条件においても、必要制御範囲は、図１０の電源回路の特性と比較して大幅な短縮が図られている。
【００６４】
このような図１の電源回路のスイッチング周波数ｆｓの特性は、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの対応負荷電力の条件で、ＡＣ１００Ｖ系〜ＡＣ２００Ｖ系の範囲（例えばＶAC＝８５Ｖ〜２６４Ｖ）の商用交流電源入力に対応して安定化が可能な、いわゆるワイドレンジ対応が実現化されていることを示している。
なお、このような図１の回路でのワイドレンジ対応化については後述する。
【００６５】
また、AC→DC電力変換効率については、図１０の回路では軽負荷の条件となるに従って電力変換効率が低下することで、ηAC→DC＝９０％以上の高効率の範囲が負荷電力Ｐｏ＝２００Ｗ〜７５Ｗの範囲とされていたが、上記もしているように本例ではＰｏ＝２００Ｗ〜２５Ｗまでの範囲に拡大される。
【００６６】
本実施の形態において、このように電力変換効率の向上が図られる主たる要因は、二次側に対して直列共振回路を形成したことによる。
つまり、本実施の形態のように電圧共振形コンバータとして、一次側並列共振回路に対して二次側直列共振回路を組み合わせた構成は、本来、電力変換効率に関しては有利であることが知られている。これは、二次側直列共振回路で得られる共振エネルギーにより、二次側直流出力電圧Ｅｏ生成にあたってのエネルギーをまかなうことができることによる。つまり、この点で二次巻線Ｎ２に伝達されるべきエネルギーを二次側直列共振回路を設けない場合よりも少なくでき、その分電力変換効率の向上が図られるものである。
そして、この構成は、最大負荷電力から軽負荷の傾向となるのにしたがって、電力変換効率が増加していくという特徴的な性質を有しており、これによって軽負荷傾向に応じて電力変換効率が低下する傾向となる並列共振回路どうしの組み合わせ（図１０）の構成と比較すれば、負荷変動に対する電力変換効率特性としては非常に良好な特性を得ることができる。
【００６７】
また、電力変換効率の向上は、各共振周波数の設定によっても図られている。
つまり、本実施の形態の電力変換効率特性（ηAC→DC）としては、上記もしているように負荷電力Ｐｏ＝２００Ｗ〜２５Ｗまでの負荷変動範囲に対し、ηAC→DC＝９０％以上が得られているが、このような負荷条件に対する電力変換効率特性は、最終的には、共振周波数fo1，fo2，fo3の調整により得られたものである。つまり、共振周波数fo1，fo2，fo3について各種設定を行って実験を行い、前述したfo1＝96.2kHz、fo2＝94.5kHz、fo3＝54.3ｋHzを設定してfo1≒fo2＞fo3とみなされる関係を設定したことで、最終的に得られた特性である。
【００６８】
なお、このよなうな共振周波数の設定による電力変換効率の向上は、先の図３に示したスイッチング電流ＩQ1の波形によっても示されている。
つまり、図３（ａ）と、先の図１１（ａ）のスイッチング電流ＩQ1を比較して分かるように、本実施の形態に対応する図３（ａ）のスイッチング電流ＩQ1の波形は、スイッチング素子Ｑ1のオン期間ＴONが終了してオフ期間ＴOFFに遷移するターンオフ以前のタイミングで、３．５Ａｐのピークレベルが得られる波形となっている。そして、ターンオフタイミングに至ると３Ａｐに低下したレベルとなっている。
このようなスイッチング電流ＩQ1の波形は、二次巻線電流Ｉ2の波形が影響している。つまり、並列共振回路と直列共振回路とが組み合わされた二次側の共振回路に流れる電流に応じた波形成分を持っている。二次巻線電流Ｉ2の波形は、共振周波数fo1に対する共振周波数fo2、共振周波数fo3の設定によって決まる。
このことから、図３（ａ）に示されるスイッチング電流ＩQ1の波形は、一次側並列共振回路と二次並列共振回路と二次側直列共振回路の各共振周波数fo1，fo2，fo3の然るべき設定により得られているものである、ということになる。
この図３（ａ）のスイッチング電流ＩQ1の波形は、ターンオフ時におけるスイッチング電流ＩQ1のレベルが抑制されているということを意味する。ターンオフ時のスイッチング電流ＩQ1のレベルが抑制されれば、その分、ターンオフ時のスイッチング損失、導通損は低減されることになる。
このようなスイッチング素子のスイッチング損失、導通損の低減が、本実施の形態の電源回路について高電力変換効率特性が得られていることの１つの要因となっている。
【００６９】
ここで、上述のようにして図１の回路では二次側に対して直列共振回路を形成したことでも、電力変換効率の向上が図られるが、単に二次側直列共振回路を設けた構成とした場合には、中間負荷時に異常動作が生じ、実用化は難しくなる。
図１の回路のように、一次側並列共振回路に対し二次側直列共振回路を組み合わせた場合、一次側のスイッチング電流ＩQ1にいわゆるかみつき電流と呼ばれる、スイッチング素子Ｑ１がターンオフするタイミングで正極性による電流が流れる。
このかみつき電流により、スイッチング損失が増加すると共に、安定なＺＶＳ（ゼロ電圧スイッチング）動作が得られなくなる。また、いずれにせよこのような異常動作が生じることで、例えば定電圧制御回路系の位相−ゲイン特性にずれが生じることとなって、異常発振状態でのスイッチング動作となる。そして、これらの異常動作が生じることから、その実用化が困難なものとされていた。
このような中間負荷時の異常動作は、電圧共振形コンバータを形成する一次側並列共振回路と、二次側直列共振回路とが同時に動作することによる相互作用が原因となっている。
【００７０】
そこで、これに対し本実施の形態では、先の図２により示した構造により、絶縁コンバータトランスＰＩＴのギャップＧの拡大を図り、これによって一次側と二次側との結合係数ｋを従来よりも低い所定以下に設定するものとしている。
このように結合係数ｋが所定以下に設定されることで、上記した一次側並列共振回路と二次側直列共振回路との間の相互作用は希薄となって、中間負荷時における異常動作も無くなっていくことになる。具体的には、上記したスイッチング電流ＩQ1のかみつき電流が観察されなくなり、通常のＺＶＳに対応するの波形が得られることになる。そして、これによって上記した異常発振動作も解消できる。
このようにして図１に示した本実施の形態の構成では、一次側並列共振回路に対して二次側直列共振回路を組み合わせた構成を、実用化可能なものとして実現することができる。
【００７１】
なお、本実施の形態の絶縁コンバータトランスＰＩＴが有する結合係数ｋにまで疎結合の状態とすることは、従来の電圧共振形コンバータでは、一次側から二次側への電力伝送ロスの増加による電力変換効率の低下を招くということを理由に、これまで行われてこなかったという背景がある。
しかしながら、本実施の形態では、図４の実験結果としても示したように、対応負荷電力のほぼ全領域にわたって、非常に良好な電力変換効率特性を得ることができる。
これは、二次側に対しても共振回路（二次側並列共振回路及び二次側直列共振回路）を形成していることによる。すなわち、二次側共振回路を備えることで、先にも述べたようにその共振動作により得られるエネルギーの増加分を含めて二次側直流出力電圧Ｅｏとしての電力を供給可能となるものであり、疎結合とされたことによる電力変換効率の低下が補償されるものである。
【００７２】
続いては、図１の構成によって実現されるワイドレンジ対応化について説明する。
先ず、図１に示す電源回路は、二次側の共振回路として、上記直列共振回路と共に、並列共振回路を備える電圧共振形コンバータとしての構成を採っている。つまり、図１に示す電源回路としても、先の図１０に示した従来の構成と同様に、一次側と二次側とのそれぞれに並列共振回路を備えていることに変わりはない。
ここで、ワイドレンジ対応化の観点では、このように一次側と二次側とに備えられるお互いの並列共振回路での相互作用が支配的なものとなる。これは、先の図４の期間ＴON／ＴOFFの特性にも示されたように、この場合の定電圧制御動作としては、一次側並列共振回路と二次側並列共振回路とを組み合わせた構成（図１０）のときの、期間ＴOFFを一定とする制御とほぼ同様の制御が行われることからも理解できる。
従って以下、図１の構成におけるワイドレンジ対応化については、一次側並列共振回路に対して二次側並列共振回路のみが組み合わされた場合での定電圧制御特性を基にその説明を行う。
【００７３】
上記のようにして一次側と二次側とに並列共振回路が組み合わされているということは、絶縁コンバータトランスＰＩＴの電磁誘導を介してこれらの並列共振回路が形成されていることになる。このような構成を、一次側並列共振回路と二次側並列共振回路との関係によりみれば、スイッチング周波数ｆｓに対応する周波数信号が入力される、電磁結合による結合形共振回路を形成しているものとして等価的にみることができる。
このようにして電磁結合形共振回路を含むとされる、図１の電源回路の二次側直流出力電圧Ｅoについての定電圧制御特性は、絶縁コンバータトランスＰＩＴの結合度（結合係数ｋ）に応じて異なるものとなる。この点について図６を参照して説明する。
【００７４】
図６は、上記した電磁結合形共振回路についての、入力（スイッチング周波数信号）に対する出力特性を示している。つまり、二次側直流出力電圧Ｅoについての制御特性をスイッチング周波数ｆｓとの関係により示している。この図では、スイッチング周波数を横軸にとり、二次側直流出力電圧Ｅoのレベルを縦軸にとっている。
図１にて説明したように、本実施の形態としては、一次側直列共振回路の共振周波数ｆｏ１は、二次側並列共振回路の共振周波数ｆｏ２の約１．５倍程度となるように設定されているので、共振周波数ｆｏ１と共振周波数ｆｏ２とでは、共振周波数ｆｏ１のほうが高い周波数となる。図６においてスイッチング周波数ｆｓを示す横軸に対しては、共振周波数ｆｏ１，ｆｏ２を対応させて示しているが、この図６においても、上記共振周波数ｆｏ１，ｆｏ２の関係に対応させて、共振周波数ｆｏ１のほうが共振周波数ｆｏ２よりも高くなるものとして示している。
【００７５】
ここで、絶縁コンバータトランスＰＩＴの結合度について、結合係数ｋ＝１となる密結合とされる状態を設定したとする。すると、この場合の一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1、及び二次巻線Ｎ2のリーケージインダクタンスＬ2は、それぞれ、０であることになる。
【００７６】
このようにして、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次側と二次側とが密結合とされる状態での定電圧制御特性としては、図６の特性曲線１として示すように、一次側直列共振回路の共振周波数ｆｏ１と二次側並列共振回路の共振周波数ｆｏ２とは異なる周波数ｆ１、ｆ２において二次側直流出力電圧Ｅoがピークとなる、いわゆる双峰特性となる。
ここで、周波数ｆ１は、
【数１】
2006230036.tif 000003
で表され、
周波数ｆ２は、
【数２】
2006230036.tif 000004
で表される。
また、上記（数１）（数２）における項の１つであるｆｏは、一次側直列共振回路の共振周波数ｆｏ１と、二次側並列共振回路の共振周波数ｆｏ２との中間に存在する中間共振周波数であり、１次側のインピーダンスと２次側のインピーダンスと、一次側と二次側とで共通となるインピーダンス（相互結合インダクタンスＭ）により決定される周波数である。
なお、相互結合インダクタンスＭについては、
【数３】
2006230036.tif 000005
により表される。
【００７７】
また、上記した結合係数ｋについて、ｋ＝１の状態から徐々に小さくしていったとする、つまり、密結合の状態から徐々に疎結合の度合いを高くしていったとすると、図６に示される特性曲線１は、双峰の傾向が徐々に希薄となって、中間共振周波数ｆｏ近傍で平坦化していくような変化を示す。そして、ある結合係数ｋにまで低下した段階で、いわゆる臨界結合の状態となる。この臨界結合の状態では、特性曲線２として示すようにして、双峰特性としての傾向ではなくなっており、中間共振周波数ｆｏを中心として曲線形状が平坦となる特性となる。
【００７８】
そして、さらに、上記臨界結合の状態から結合係数ｋを小さくしていって、疎結合の状態を強めていったとすると、図６の特性曲線３として示すように、中間周波数ｆｏにおいてのみピークとなる単峰特性が得られる。また、この特性曲線３と、特性曲線１，２とを比較してみると、特性曲線３は、ピークレベルそのものは特性曲線１，２より低下するものの、その二次関数的な曲線形状として、より急峻な傾斜を有していることが分かる。
本実施の形態の絶縁コンバータトランスＰＩＴは、結合係数ｋ≒０．７程度以下とされる疎結合の状態が設定されている。この結合係数ｋの設定では、上記特性曲線３として示される単峰特性による動作となる。
【００７９】
上記図６に示す単峰特性と、先に図１３に示した従来の電源回路（図１０）の定電圧制御特性とを実際に比較してみると、図１３に示した特性は図６の特性に対して、二次関数的には相当に緩やかな傾斜となる。
【００８０】
上記のようにして図１３に示す特性が曲線的に緩やかであることから、二次側直流出力電圧Ｅoについて定電圧制御を行うためのスイッチング周波数の必要制御範囲は、例えば交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの入力による単レンジ対応の条件下であっても、fs＝117.6kHz〜208.3kHzで、Δｆｓ＝96.7kHzとなる。このため、スイッチング周波数制御による定電圧制御のみによって、ワイドレンジ対応とすることが非常に困難であることは、先に説明したとおりである。
【００８１】
これに対し、本実施の形態の定電圧制御特性としては、上記図６の特性曲線３により示される単峰特性であることで、定電圧制御動作としては、例えば次の図７に示すものとなる。
図７においては、図１に示す本実施の形態の電源回路についての、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時（ＡＣ１００Ｖ系）における最大負荷電力Ｐｏmax時、最小負荷電力Ｐｏmin時の各特性曲線Ａ，Ｂと、交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖ時（ＡＣ２００Ｖ系）における最大負荷電力Ｐｏmax時、最小負荷電力Ｐｏmin時の各特性曲線Ｃ，Ｄとの、４つの特性曲線が示されている。
【００８２】
この図７から分かるように、先ず、ＡＣ１００Ｖ系の入力に対応する交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時において、二次側直流出力電圧Ｅoを所要の定格レベルｔｇで定電圧化するために必要となるスイッチング周波数の可変制御範囲（必要制御範囲）は、Δｆｓ１で示されることになる。つまり、特性曲線Ａにおいてレベルｔｇとなるスイッチング周波数ｆｓから、特性曲線Ｂにおいてレベルｔｇとなるスイッチング周波数ｆｓまでの周波数範囲となる。
また、ＡＣ２００Ｖ系の入力に対応する交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖ時において、二次側直流出力電圧Ｅoを所要の定格レベルｔｇで定電圧化するために必要となるスイッチング周波数の可変制御範囲（必要制御範囲）は、Δｆｓ２で示される。つまり、特性曲線Ｃにおいてレベルｔｇとなるスイッチング周波数ｆｓから、特性曲線Ｄにおいてレベルｔｇとなるスイッチング周波数ｆｓまでの周波数範囲となる。
【００８３】
前述したように、本実施の形態における二次側直流出力電圧Ｅoの制御特性である単峰特性は、先に図６に示した制御特性と比較して、二次関数曲線的に相当に急峻である。
このために、上記した交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ時、ＶAC＝２３０Ｖ時の各必要制御範囲となるΔｆｓ１、Δｆｓ２は、図６に示されるΔｆｓと比較して相当に縮小されたものとなる。
また、これにより、Δｆｓ１における最低スイッチング周波数（特性曲線Ａにおいてレベルｔｇとなるスイッチング周波数ｆｓ）から、Δｆｓ2における最高スイッチング周波数（特性曲線Ａにおいてレベルｔｇとなるスイッチング周波数ｆｓ）までの周波数可変範囲（ΔｆｓA）としても、相応に狭いものとなる。
確認のために、図１の電源回路において測定されたΔfs1、Δfs2、ΔfsAの実際は、それぞれ、
Δfs1＝53.7kHz（＝137.0kHz−83.3kHz）
Δfs2＝43.5kHz（＝183.5kHz−140kHz）
ΔfsA≒100 kHz（＝183.5kHz−83.3kHz）
となる。
【００８４】
そして、上記周波数可変範囲ΔｆｓAとしては、現状におけるスイッチング駆動用ＩＣ（発振・ドライブ回路２）が対応するスイッチング周波数の可変範囲内に充分に収まるものとなっている。つまり、図１に示す電源回路では、スイッチング周波数について、現実に、周波数可変範囲ΔｆｓAで可変制御することが可能とされている。
このようにして、図１に示す本実施の形態の電源回路は、ＡＣ１００Ｖ系とＡＣ２００Ｖ系の何れの商用交流電源入力にも対応して、適正にメイン直流電源である二次側直流出力電圧Ｅoを安定化可能とされている。つまり、スイッチング周波数制御のみによって、ワイドレンジ対応を可能としている。
【００８５】
ちなみに、電磁結合による結合形共振回路は、例えば中間周波トランス増幅器などのようにして、通信技術において、トランジスタによる増幅回路の増幅帯域幅を拡大するための手法として既に知られてはいる。しかしながら、このような分野では、密結合での双峰特性、或いは臨界結合での平担特性を用いているものであり、疎結合での単峰特性は用いられてはいない。本実施の形態では、このような電磁結合による結合形共振回路の技術において、通信技術の分野では採用されていなかった疎結合での単峰特性を、共振形スイッチングコンバータの分野において積極的に用いている、ということがいえる。これにより、上記のようにして、二次側直流出力電圧Ｅoを安定化するために必要なスイッチング周波数の可変範囲（必要制御範囲）を縮小し、スイッチング周波数制御での定電圧制御のみによるワイドレンジ対応を可能としているものである。
【００８６】
このようにして、ＡＣ１００Ｖ系とＡＣ２００Ｖ系の各商用交流電源入力の条件の下で、定電圧制御のためのスイッチング周波数fsの必要制御範囲（Δfs）が縮小されることによっては、定電圧制御の応答性、制御感度も大幅に改善されることになる。
電子機器においては、負荷電力Ｐｏについて、いわゆるスイッチング負荷といわれる、最大と無負荷とで比較的高速にスイッチングする（切り替わる）ようにして変動させるような動作を行うものがある。このようなスイッチング負荷としての動作を行う機器として、例えば、パーソナルコンピュータの周辺機器であるプリンタを挙げることができる。
このようなスイッチング負荷としての動作が行われる機器に対して、例えば図１０に示したような必要制御範囲Δｆｓが比較的広範な電源回路を搭載した場合には、前述もしたように、急峻な負荷電力の変化に追随して相応に多くの変化量によるスイッチング周波数ｆｓの可変制御を行うことになる。このために、高速な定電圧制御の応答性を得ることが困難とされていた。
これに対し本実施の形態では、特に単レンジごとの領域で必要制御範囲Δｆｓが大幅に縮小されていることから、負荷電力Ｐｏの最大と無負荷とでの急峻な変動に対して、高速に応答して二次側直流電圧Ｅoを安定化することが可能である。つまり、スイッチング負荷に対する定電圧制御の応答性能としては大幅に向上している。
【００８７】
以上のようにして、本実施の形態のスイッチング電源回路では、一次側並列共振回路に対し二次側並列共振回路と二次側直列共振回路とを組み合わせた電圧共振形コンバータとして、絶縁コンバータトランスＰＩＴの結合係数ｋについて所定以下に設定したことで、スイッチング周波数の可変制御のみによるワイドレンジ対応化を図ることができる。
そして、上記のようにして二次側直列共振回路が組み合わされた構成とされたことで、先の図４に示した軽負荷の条件となるに従って上昇する特性によって従来よりも電力変換効率の向上が図れる。そして、この際、結合係数ｋが上記のように所定以下に設定されていることで、二次側直列共振回路を組み合わせた場合での異常動作の防止が図られて、これを実用可能なものとして実現することができる。
さらには、一次側並列共振回路、二次側並列共振回路、二次側直列共振回路の各共振周波数fo1、fo2、fo3の設定によって、電力変換効率のさらなる向上が図られている。
【００８８】
そして、このようなワイドレンジ化、及び高効率化を実現するための基本構成としては、二次側並列共振回路を備える電圧共振形コンバータ（例えば従来の図１０の構成）に対し、絶縁コンバータトランスＰＩＴについて所要の結合係数ｋが得られる構造とし、さらに二次側直列共振回路形成のための二次側直列共振コンデンサＣ3を追加すればよいものであり、従って、部品点数の増加などによるコストアップ、回路の大型化、重量増加などを伴うことなくこれを実現できるというメリットもある。
【００８９】
続いては、本実施の形態の電源回路の変形例として、二次側整流回路のバリエーションを次の図８、図９に示す。
図８は、本発明の第１の変形例としての電源回路の構成を示している。
なお、この図８と以降の図９において、既に図１にて説明した部分と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。特に、一次側の構成については図１の場合と同様となるのでここでの説明は省略する。
【００９０】
この図８に示す電源回路は、二次側整流回路として倍圧全波整流回路を備える。
先ず、この場合としても、二次巻線Ｎ２に対しては並列に二次側並列共振コンデンサＣ2を接続している。
その上で、上記倍圧全波整流回路としては、先ず二次巻線Ｎ2について、図示するようにセンタータップを施すことで、このセンタータップを境界にして二次巻線部Ｎ2A，Ｎ2Bに２分割する。二次巻線部Ｎ2A，Ｎ2Bには、同じ所定巻数（ターン数）が設定される。
また、二次巻線Ｎ2における二次巻線部Ｎ2A側の端部に対しては、直列に二次側直列共振コンデンサＣ3Aを接続し、二次巻線Ｎ2における二次巻線部Ｎ2B側の端部に対しては、直列に二次側直列共振コンデンサＣ3Bを接続する。これにより、この場合の二次側においては、上記並列共振コンデンサＣ2の接続による二次側並列共振回路と共に、二次巻線部Ｎ2Aのリーケージインダクタンス成分と二次側直列共振コンデンサＣ3Aのキャパシタンスから成る第１の二次側直列共振回路と、二次巻線部Ｎ2Bのリーケージインダクタンス成分と二次側直列共振コンデンサＣ3Bのキャパシタンスから成る第２の二次側直列共振回路とが形成されることになる。
【００９１】
そして、二次巻線Ｎ2における二次巻線Ｎ2A側の端部を、上記二次側直列共振コンデンサＣ3Aの直列接続を介して整流ダイオードＤo1のアノードと整流ダイオードＤo2のカソードとの接続点に対して接続する。また、二次巻線Ｎ2における二次巻線Ｎ2B側の端部を、二次側直列共振コンデンサＣ3Bの直列接続を介して、整流ダイオードＤo3のアノードと整流ダイオードＤo4のカソードとの接続点に対して接続する。
整流ダイオードＤo1，Ｄo3の各カソードは、平滑コンデンサＣｏの正極端子に接続する。平滑コンデンサＣoの負極端子は二次側アースに接続される。
また、整流ダイオードＤo2，Ｄo4の各アノードの接続点と二次巻線Ｎ2のセンタータップについても、二次側アースに接続する。
【００９２】
上記接続形態では、二次巻線部Ｎ2A，二次側直列共振コンデンサＣ3A、整流ダイオードＤo1，Ｄo2、及び平滑コンデンサＣｏから成る、第１の二次側直列共振回路を備える第１の倍圧半波整流回路と、二次巻線部Ｎ2B，二次側直列共振コンデンサＣ3B、整流ダイオードＤo1，Ｄo2、及び平滑コンデンサＣｏから成る、第２の二次側直列共振回路を備える第２の倍圧半波整流回路とが形成されることになる。
第１の倍圧半波整流回路では、二次巻線Ｎ2に誘起される交番電圧の、一方の極性の半周期の期間において、［二次巻線部Ｎ2A→整流ダイオードＤo2→二次側直列共振コンデンサＣ3A→二次巻線部Ｎ2A］の整流電流経路により整流動作を行い、二次巻線部Ｎ2Aの交番電圧（Ｖ2）の電位により二次側直列共振コンデンサＣ3Aに対する充電を行う。他方の極性の半周期の期間において、［二次巻線部Ｎ2A→二次側直列共振コンデンサＣ3A→整流ダイオードＤo1→平滑コンデンサＣｏ→二次巻線部Ｎ2A］の整流電流経路により整流動作を行うことで、二次側直列共振コンデンサＣ3Aの両端電圧と二次巻線Ｎ2Aの交番電圧の重畳電位により、平滑コンデンサＣｏに対する充電を行う。
また、第２の倍圧半波整流回路は、二次巻線Ｎ2に誘起される交番電圧の、上記他方の極性の半周期の期間において、［二次巻線部Ｎ2B→整流ダイオードＤo4→二次側直列共振コンデンサＣ3B→二次巻線部Ｎ2B］の整流電流経路により整流動作を行って、二次巻線部Ｎ2Aの交番電圧（Ｖ2で同等）の電位により、二次側直列共振コンデンサＣ3Bを充電し、上記一方の極性の半周期の期間において、［二次巻線部Ｎ2B→二次側直列共振コンデンサＣ3B→整流ダイオードＤo3→平滑コンデンサＣｏ→二次巻線部Ｎ2B］の整流電流経路により整流動作を行って、二次側直列共振コンデンサＣ3Bの両端電圧と二次巻線Ｎ2Bの交番電圧の重畳電位により平滑コンデンサＣｏに対する充電を行う。
【００９３】
上記した整流動作によれば、平滑コンデンサＣｏに対しては、二次巻線Ｎ2の交番電圧の、一方の極性の半周期に対応しては、二次巻線部Ｎ2Bの誘起電圧と二次側直列共振コンデンサＣ3Bの両端電圧の重畳電位による整流電流の充電が行われ、他方の極性の半周期に対応しては、二次巻線部Ｎ2Aの誘起電圧と二次側直列共振コンデンサＣ3Aの両端電圧の重畳電位による整流電流の充電が行われることとなる。これにより、平滑コンデンサＣｏの両端電圧である二次側直流出力電圧Ｅｏとしては、二次巻線部Ｎ2A，Ｎ2Bの誘起電圧レベル（Ｖ2）の２倍に対応するレベルが得られることになる。つまり、倍電圧全波整流回路が得られている。
【００９４】
なお、ここでは説明の便宜上、二次側並列共振コンデンサＣ2がないものとして整流電流経路を説明したが、実際の整流動作としては、二次側並列共振コンデンサＣ2を設けたことによる並列共振回路としての動作の影響を受けて行われる。このように実際に行われる整流動作によっても、生成される二次側直流出力電圧Ｅｏとしては上記二次巻線Ｎ２に励起される交番電圧レベルの２倍に対応したレベルが得られる。また、この場合としても各半周期に対応してそれぞれ平滑コンデンサＣｏに対する充電が行われるので、整流動作としては、倍圧全波整流動作が得られることに変わりはない。
【００９５】
ここで、上記のようにして二次側整流回路について倍圧全波整流回路を備える図８の電源回路については、下記のようにして要部を選定した。
先ず、この場合も絶縁コンバータトランスＰＩＴについては、コアについてEER-35を選定してギャップＧについては2.2mmのギャップ長を設定した。また一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ２の巻数（ターン数）Ｔについても、Ｎ1＝63T、Ｎ2＝25Tとした。また、これによって絶縁コンバータトランスＰＩＴの結合係数ｋについてはｋ＝0.685が設定される。
また、一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスについてはＣｒ＝6800pＦを選定した。この一次側並列共振コンデンサＣｒについてのキャパシタンス設定と、上記絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造により得られる一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1とにより、一次側並列共振回路の共振周波数fo1は、この場合fo1＝96.2kHzが設定される。また、二次側並列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスについてはＣ2＝8200pＦを選定しており、このキャパシタンス設定と、絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造により得られる二次巻線Ｎ2のリーケージインダクタンスＬ2とにより、二次側並列共振周波数fo2としてはfo2＝94.8kHzが設定されている。さらに、二次側直列共振コンデンサＣ3のキャパシタンスについてはＣ3A＝Ｃ3B＝0.047μＦを選定し、これによって二次側直列共振周波数fo3としてはfo3＝56.0kHzが設定される。
つまり、この場合としても、fo1≒fo2＞fo3の関係が得られるようにして各共振周波数の設定を行っている。
【００９６】
上記のようにして構成される第１の変形例としての電源回路について実験を行ったところ、要部の動作波形としては、先の図３とほぼ同様の結果が得られる。ただし、この場合の二次側整流回路は全波整流動作となるので、交番電圧Ｖ2の一方の極性の半周期に対応しては整流ダイオードＤo1，Ｄo4の整流動作に応じて整流電流ＩD1が平滑コンデンサＣｏに流れ、他方の極性の半周期に対応しては整流ダイオードＤo2，Ｄo3の整流動作に応じて整流電流ＩD2が平滑コンデンサＣｏに流れる。また、交番電圧Ｖ2としては、正負のピークレベルがともに二次側直流出力電圧Ｅｏのレベルでクランプされた波形となる。
【００９７】
また、定電圧制御特性を示すスイッチング周波数fs、期間ＴON，ＴOFFの特性としては、ＡＣ１００Ｖ系に対応する交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの商用交流電源入力で、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗから最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの負荷変動に対して、fs＝84.0kHz〜138.0kHz、Δfs＝54.0kHz、ＴON＝8.0μs〜2.4μs、ＴOFF＝4.0μs〜4.7μsとなる結果が得られた。また、ＡＣ２００Ｖ系に対応する交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖの商用交流電源入力で、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗから最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの負荷変動の条件に対しては、fs＝141kHz〜185.2kHz、Δfs＝44.2kHz、ＴON＝3.5μs〜1.8μs、ＴOFF＝3.7μs〜3.4μsとなる結果が得られた。ΔfsAは、この場合も100kHz(≒185.2kHz−84.0kHz)程度となる。
このような特性によると、図８の電源回路としてもスイッチング周波数制御のみによるワイドレンジ対応化が実現されていることがわかる。
【００９８】
また、AC→DC電力変換効率（ηAC→DC）は、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ／最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時ではηAC→DC＝92.8％であり、また交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖ／最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時ではηAC→DC＝91.6％が測定された。
そして、この場合としても、二次側に対して直列共振回路が組み合わされ、一次側と二次側の各共振周波数について上記したfo1≒fo2＞fo3の関係が設定されたことで、負荷電力Ｐｏ＝２００Ｗ〜２５Ｗの範囲に対してηAC→DC＝９０％以上となる結果が得られている。
なお、負荷電力Ｐｏ＝０Ｗ時での交流入力電力はこの場合も２．４Ｗであり、従来の６．６Ｗから大幅に低減される結果が得られている。
【００９９】
図９は、第２の変形例としての電源回路の構成を示している。
この第２の変形例では、二次側の整流平滑回路として４本の整流ダイオードＤo1，Ｄo2，Ｄo3，Ｄo4から成るブリッジ整流回路を備えたブリッジ全波整流回路を備えるものである。
この場合も、先ずは二次巻線Ｎ２に対して並列に並列共振コンデンサＣ2を接続している。また、二次巻線Ｎ２に対して直列に二次側直列共振コンデンサＣ3を接続している。
【０１００】
そして、上記ブリッジ整流回路としては、整流ダイオードＤo1のアノードと整流ダイオードＤo2のカソードとの接続点が正極入力端子となり、整流ダイオードＤo1のカソードと整流ダイオードＤo3のカソードの接続点が正極出力端子となり、整流ダイオードＤo3のアノードと整流ダイオードＤo4のカソードの接続点が負極入力端子となり、整流ダイオードＤo2のアノードと整流ダイオードＤo4のアノードの接続点が負極出力端子となるようにして形成される。
上記ブリッジ整流回路の正極入力端子は、二次側直列共振コンデンサＣ3を介して二次巻線Ｎ2の巻き終わり端部と接続され、正極出力端子は平滑コンデンサＣｏの正極端子に接続される。負極入力端子は二次巻線Ｎ2の巻始め端部と接続され、負極出力端子は二次側アースと接続される。平滑コンデンサＣｏの負極端子も二次側アースに対して接続される。
【０１０１】
このようにして形成される二次側整流回路では、二次巻線Ｎ2の交番電圧Ｖ2の一方の極性の半周期に対応しては、整流ダイオードＤo1、整流ダイオードＤo4が導通して整流を行って、整流電流ＩD1により平滑コンデンサＣｏに対する充電を行う。また、もう一方の半周期に対応しては、整流ダイオードＤo2、整流ダイオードＤo3が導通して整流を行い、整流電流ＩD2により平滑コンデンサＣｏに対する充電を行う。これにより、平滑コンデンサＣｏの両端電圧として、二次巻線Ｎ2の誘起電圧（Ｖ2）の等倍に対応するレベルの二次側直流出力電圧Ｅｏを生成する。
【０１０２】
このような回路構成を採る図９の電源回路については、下記のようにして要部を選定した。
先ず、この場合も絶縁コンバータトランスＰＩＴについては、コアについてEER-35を選定してギャップＧについては2.2mmのギャップ長を設定した。また一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ２の巻数（ターン数）Ｔとしては、Ｎ1＝63T、Ｎ2＝50Tとした。また、これによって絶縁コンバータトランスＰＩＴの結合係数ｋについてはｋ＝0.685が設定される。
また、一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスについてはＣｒ＝6800pＦを選定し、これによって一次側並列共振回路の共振周波数fo1はfo1＝96.2kHzが設定される。また、二次側並列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスについてはＣ2＝8200pＦを選定しており、二次側並列共振周波数fo2はfo2＝94.8kHzである。さらに、二次側直列共振コンデンサＣ3のキャパシタンスについてはＣ3＝0.022μＦを選定し、これによって二次側直列共振周波数fo3はfo3＝57.9kHzである。
従ってこの場合としてもfo1≒fo2＞fo3の関係が得られるようにして各共振周波数の設定が行われている。
【０１０３】
また、このようにして構成される第２の変形例としての電源回路について実験を行った結果、この場合としても要部の動作波形は先の図３とほぼ同様のものが得られる。なお、この場合も二次側整流回路は全波整流動作となるので、交番電圧Ｖ2の一方の極性の半周期に対応しては整流ダイオードＤo1，Ｄo4の整流動作に応じて整流電流ＩD1が平滑コンデンサＣｏに流れ、他方の極性の半周期に対応しては整流ダイオードＤo2，Ｄo3の整流動作に応じて整流電流ＩD2が平滑コンデンサＣｏに流れる。また、この場合も交番電圧Ｖ2としては正負のピークレベルがともに二次側直流出力電圧Ｅｏのレベルでクランプされた波形となる。
【０１０４】
また、定電圧制御特性を示すスイッチング周波数fs、期間ＴON，ＴOFFの特性としては、ＡＣ１００Ｖ系に対応する交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの商用交流電源入力で、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗから最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの負荷変動に対して、fs＝83.0kHz〜135.0kHz、Δfs＝52.0kHz、ＴON＝8.1μs〜2.5μs、ＴOFF＝4.0μs〜4.7μsとなる結果が得られた。また、ＡＣ２００Ｖ系に対応する交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖの商用交流電源入力で、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗから最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの負荷変動の条件に対しては、fs＝139.5kHz〜182.0kHz、Δfs＝42.5kHz、ＴON＝3.5μs〜1.7μs、ＴOFF＝3.7μs〜3.4μsとなる結果が得られた。従ってΔfsAは、この場合も100kHz(≒182.0kHz−83.0kHz)程度となる。
このような特性によると、図９の電源回路としてもスイッチング周波数制御のみによるワイドレンジ対応化が実現されていることがわかる。
【０１０５】
また、AC→DC電力変換効率（ηAC→DC）は、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖ／最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時ではηAC→DC＝92.9％であり、また交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖ／最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時ではηAC→DC＝91.8％が測定された。
そして、この場合としても、二次側に対して直列共振回路が組み合わされ、一次側と二次側の各共振周波数について上記したfo1≒fo2＞fo3の関係が設定されたことで、負荷電力Ｐｏ＝２００Ｗ〜２５Ｗの範囲に対してηAC→DC＝９０％以上となる結果が得られている。また、この場合も負荷電力Ｐｏ＝０Ｗ時での交流入力電力は２．４Ｗであり、従来の６．６Ｗから大幅に低減される結果が得られている。
【０１０６】
なお、二次側の整流平滑回路のバリエーションとしては、図８、図９以外の構成とすることも可能である。
但し、本実施の形態では、二次側に対して直列共振回路を組み合わせたものであり、従って直列共振動作が得られるように、二次巻線Ｎ２全体で各半周期に二次巻線電流が流される必要がある。このことから、半周期にしか二次巻線電流が流されない半波整流回路、及び両波整流回路は除外となる。
【０１０７】
なお、本発明としては、上記各実施の形態として示した構成に限定されるものではない。例えば、一次側電圧共振形コンバータの細部の回路形態などは他にも考えられる。また、スイッチング素子については、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外の素子を選定することも考えられる。また、上記各実施の形態では、他励式のスイッチングコンバータを挙げているが、自励式として構成した場合にも本発明は適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０８】
【図１】本発明の実施の形態としての電源回路の構成例を示す回路図である。
【図２】実施の形態の電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスの構造例を示す図である。
【図３】実施の形態の電源回路の要部の動作をスイッチング周期により示す波形図である。
【図４】実施の形態の電源回路についての、負荷変動に対するAC→DC電力変換効率、スイッチング周波数、スイッチング素子のオン／オフ期間の変動特性を示す図である。
【図５】実施の形態の電源回路についての、交流入力電圧変動に対するAC→DC電力変換効率、スイッチング周波数、スイッチング素子のオン期間の変動特性を示す図である。
【図６】実施の形態の電源回路についての定電圧制御特性を示す図である。
【図７】実施の形態の電源回路の定電圧制御動作として、交流入力電圧条件及び負荷変動に応じたスイッチング周波数制御範囲（必要制御範囲）を示す図である。
【図８】第１の変形例としての電源回路の構成例を示す回路図である。
【図９】第２の変形例としての電源回路の構成例を示す回路図である。
【図１０】従来例としての電源回路の構成例を示す回路図である。
【図１１】図１０に示した電源回路の要部の動作を示す波形図である。
【図１２】図１０に示した電源回路についての、負荷変動に対するAC→DC電力変換効率、スイッチング周波数、スイッチング素子のオン期間、オフ期間の変動特性を示す図である。
【図１３】従来の電源回路についての定電圧制御特性を概念的に示す図である。
【符号の説明】
【０１０９】
１  制御回路、２  発振・ドライブ回路、Ｄｉ  ブリッジ整流回路、Ｃｉ  平滑コンデンサ、Ｑ1  スイッチング素子、ＰＩＴ  絶縁コンバータトランス、Ｃｒ  一次側並列共振コンデンサ、Ｎ1  一次巻線、Ｎ2  二次巻線、Ｃ2  二次側並列共振コンデンサ、Ｃ3,Ｃ3A,Ｃ3B  二次側直列共振コンデンサ、Ｄo1,Ｄo2,Ｄo3,Ｄo4  整流ダイオード、Ｃｏ  （二次側）平滑コンデンサ、Ｎ2A,Ｎ2B  二次巻線部
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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