(57)【要約】【課題】全対応負荷領域でＺＶＳとなる、シングルエンドの共振形コンバータの実用化を図る。【解決手段】一次側スイッチングコンバータをＥ級共振形として構成し、このＥ級共振形コンバータの一次側直列共振回路のチョークコイルを絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1とするスイッチング電源回路を構成する。この構成において、直流入力電圧の入力ラインに挿入するチョークコイル巻線Ｎ10を、平滑コンデンサＣｉの正極と、一次巻線Ｎ1と一次側直列共振コンデンサＣ11の接続点との間に挿入する。これにより、チョークコイル巻線Ｎ10に発生する共振パルス電圧を一次巻線Ｎ1に重畳させ、さらに、一次側直列共振電流をチョークコイル巻線Ｎ10に分流させるようにして動作させる。【選択図】図１
2006345633.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも整流素子と平滑コンデンサを備えて形成され、商用交流電源を入力して整流平滑化することで、上記平滑コンデンサの両端電圧として整流平滑電圧を生成する整流平滑回路と、
上記整流平滑電圧を直流入力電圧として入力してスイッチングを行うスイッチング素子と、
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、
上記整流平滑電圧が上記スイッチング素子に入力される経路に対して挿入される第１のインダクタと、
上記スイッチング素子のスイッチングに応じて共振動作を行い、少なくとも第２のインダクタのインダクタンスと、該第２のインダクタのインダクタンスと直列となる関係により接続される一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第１の一次側直列共振回路と、
上記スイッチング素子のスイッチングに応じて共振動作を行い、少なくとも上記第１のインダクタのインダクタンスと、該第１のインダクタのインダクタンスと直列となる関係により接続される一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第２の一次側直列共振回路と、
上記スイッチング素子のスイッチングに応じて共振動作を行い、少なくとも上記第１のインダクタのインダクタンスと、該第１のインダクタと直列に接続される関係となるようにされた上記第２のインダクタのインダクタンスと、上記第１のインダクタ及び第２のインダクタの直列接続回路に対して並列となる関係により接続される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る第１の一次側並列共振回路と、
少なくとも、上記第２のインダクタを一次巻線として巻装するとともに、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を巻装して形成され、疎結合とみなされる所要の一次側と二次側との結合係数が得られるようにされたコンバータトランスと、
上記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、
を備えることを特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項２】
少なくとも上記第２のインダクタのインダクタンスと、該第２のインダクタと並列となる関係が得られるようにして接続した上記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る第２の一次側並列共振回路をさらに備える、
ことを特徴とする請求項１に記載の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による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状況にあり、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２１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することで、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のドレイン−ソース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字形状コアを組み合わせたＥＥ字形コアを備える。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字形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字形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、二次巻線Ｎ2の一端に対して二次側直列共振コンデンサＣ2を直列に接続していることで、二次巻線Ｎ2のリーケージインダクタンスＬ2と二次側直列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスとによって二次側直列共振回路（電流共振回路）が形成される。
そのうえで、この二次側直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，Ｄo2、及び平滑コンデンサＣoを接続することで、倍電圧半波整流回路を形成している。この倍電圧半波整流回路は、二次巻線Ｎ2に誘起される交番電圧Ｖ2の２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のレベルに応じて周波数などを可変したドライブ信号を出力することで、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。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２２及び図２３は、上記図２１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、図２１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＝39T、Ｎ2＝23Tとし、二次巻線Ｎ2の１ターン(T)あたりの誘起電圧レベルについては、3V/Tを設定した。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のキャパシタンスについてはＣｒ＝3900pF、二次側直列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスについてはＣ2＝0.1μF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＝230kHz、二次側直列共振回路の共振周波数fo2＝82kHzが設定される。この場合、共振周波数fo1，fo2の相対的関係としては、fo1≒2.8×fo2と表すことができる。
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】
図２２は、図２１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２２（ａ）には、最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時における電圧Ｖ1、スイッチング電流ＩQ1、一次巻線電流Ｉ1、二次巻線電流Ｉ2、二次側整流電流ＩD1、ＩD2が示されている。図２２（ｂ）には、中間の負荷電力Ｐｏ＝１２０Ｗ時における電圧Ｖ1、スイッチング電流ＩQ1、一次巻線電流Ｉ1、二次巻線電流Ｉ2が示されている。図２２（ｃ）には最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗ時における電圧Ｖ1、スイッチング電流ＩQ1が示される。
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ＴONにおいて図示する波形により流れ、期間ＴOFFにおいて０レベルとなる波形として得られる。
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たものとなる。
【００１５】
また、図２２（ａ）のみにおいて示しているが、二次側整流回路の動作として、整流ダイオードＤo1，Ｄo2に流れる整流電流ＩD1，ＩD2は、それぞれ図示するようにして正弦波状に流れるものとなる。この場合、整流電流ＩD1の波形のほうが、整流電流ＩD2よりも、二次側直列共振回路の共振動作が支配的に現れたものとなっている。
二次巻線Ｎ2に流れる二次巻線電流Ｉ2は、整流電流ＩD1，ＩD2が合成された波形として得られる。
【００１６】
図２３は、図２１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＝５０Ｗ〜２００Ｗまでの広範囲で９０％以上となる高効率が得られていることが分かる。このような特性は、シングルエンド方式による電圧共振形コンバータに、二次側直列共振回路を組み合わせた場合に得られるものであることを、先に本出願の発明者は実験で確認している。
【００１７】
また、図２３の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２１に示す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、負荷変動に対してほぼ一定となっている。これに対して、オン期間ＴON、オフ期間ＴOFFが図示するようにして相互に逆傾向となるようにしてリニアに変化を示している。このことは、二次側直流出力電圧Ｅｏの変動に対してスイッチング周波数（スイッチング周期）はほぼ一定とされたうえで、オン期間とオフ期間との時比率を変化させるようにしてスイッチング動作を制御しているということを示す。このような制御は、１周期内のオン／オフ期間を可変する、ＰＷＭ(Pulse Width Modulation)制御であるとみることができる。このＰＷＭ制御によって、図２１に示す電源回路では、二次側直流出力電圧Ｅｏについての安定化が図られる。
【００１８】
図２４は、図２１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。
図２１に示す電源回路では、一次側並列共振回路と二次側直列共振回路を備えることから、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特性と、二次側直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特性との２つの共振インピーダンス特性を複合的に有することになる。また、図２１に示す電源回路では、fo1≒2.8×fo2の関係を有しているとされるので、図２４にも示しているように、一次側並列共振周波数fo1に対して二次側直列共振周波数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、二次側直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。そして、この図２４に示す特性の下で、二次側直流出力電圧Ｅoの定格レベルであるｔｇにより定電圧制御を図ろうとすると、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で示される区間として表すことができる。
【００１９】
図２４に示される必要制御範囲Δｆｓは、二次側直列共振回路の共振周波数fo2に応じた最大負荷電力Pomax時の特性曲線Ｃから、一次側並列共振回路の共振周波数fo1に応じた最小負荷電力Pomin時の特性曲線Ａまでに至るもので、その間に、二次側直列共振回路の共振周波数fo2に応じた最小負荷Pomin時の特性曲線Ｄと、一次側並列共振回路の共振周波数fo1に応じた最大負荷電力Pomax時の特性曲線Ｂをまたぐ。
このために、図２１に示す電源回路の定電圧制御動作としては、スイッチング周波数ｆｓはほぼ固定とされたうえで、１スイッチング周期における期間ＴON／ＴOFFの時比率を変化させるＰＷＭ制御の状態により、スイッチング駆動制御を行うものとなる。なお、このことは、図２２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時、負荷電力Ｐｏ＝１００Ｗ時、最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗ時に示される１スイッチング周期（ＴOFF＋ＴOｚN）の期間長についてはほぼ一定とされたうえで、期間ＴOFF，ＴONの幅が変化していることによっても示されている。
このような動作は、電源回路における負荷変動に応じた共振インピーダンス特性として、一次側並列共振回路の共振周波数fo1の共振インピーダンス（容量性インピーダンス）が支配的となる状態と、二次側直列共振回路の共振周波数fo2（誘導性インピーダンス）が支配的となる状態との間での遷移が、狭いスイッチング周波数の可変範囲（Δｆｓ）のもとで行われることにより得られるものであるとされる。
【００２０】
【特許文献１】特開２０００−１３４９２５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
上記図２１に示す電源回路では次のような問題を有している。
先に説明した図２２の波形図において、図２２（ａ）に示される最大負荷電力Pomax時のスイッチング電流ＩQ1は、ターンオンタイミングであるオフ期間ＴOFFの終了時点に至るまでは０レベルで、オン期間ＴONに至ると、先ず負極性の電流がボディダイオードＤDに流れ、この後に反転してスイッチング素子Ｑ1のドレイン−ソースを流れるようにして動作する。この動作は、ＺＶＳ(Zero Voltage Switching)が適正に行われている状態を示している。
これに対して、図２２（ｂ）に示される、中間負荷に対応するＰｏ＝１２０Ｗ時のスイッチング電流ＩQ1は、ターンオンタイミングのオフ期間ＴOFFの終了時点に至る以前のタイミングで、スイッチング電流ＩQ1がノイズ的に流れる動作が得られている。この動作は、ＺＶＳが適正に行われていない異常動作である。
【００２２】
つまり、図２１に示されるようにして、二次側直列共振回路を備える電圧共振形コンバータでは、中間負荷時においてＺＶＳが適正に実行されない異常動作となることが分かっている。図２１の電源回路の実際としては、例えば図２３に示す区間Ａとしての負荷変動範囲の領域で、このような異常動作となることが確認されている。
二次側直列共振回路を備える電圧共振形コンバータは、先にも説明したように、傾向としては負荷変動に対して高効率が良好に維持できる特性を本来有しているが、図２２（ｂ）のスイッチング電流ＩQ1として示すように、スイッチング素子Ｑ1のターンオン時において相応のピーク電流が流れることになるので、これによるスイッチング損失の増加を招き、電力変換効率の低下要因を抱えることになる。
また、いずれにせよ、上記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。このために、実用化することは、現実的には困難であるとの認識が現状においては強い。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
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、少なくとも整流素子と平滑コンデンサを備えて形成され、商用交流電源を入力して整流平滑化することで、平滑コンデンサの両端電圧として整流平滑電圧を生成する整流平滑回路と、整流平滑電圧を直流入力電圧として入力してスイッチングを行うスイッチング素子と、この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を備える。
また、整流平滑電圧がスイッチング素子に入力される経路に対して挿入される第１のインダクタを備える。
また、スイッチング素子のスイッチングに応じて共振動作を行い、少なくとも第２のインダクタのインダクタンスと、この第２のインダクタのインダクタンスと直列となる関係により接続される一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第１の一次側直列共振回路を備える。また、スイッチング素子のスイッチングに応じて共振動作を行い、少なくとも第１のインダクタのインダクタンスと、この第１のインダクタのインダクタンスと直列となる関係により接続される一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第２の一次側直列共振回路を備える。
また、スイッチング素子のスイッチングに応じて共振動作を行い、少なくとも第１のインダクタのインダクタンスと、この第１のインダクタと直列に接続される関係となるようにされた第２のインダクタのインダクタンスと、第１のインダクタ及び第２のインダクタの直列接続回路に対して並列となる関係により接続される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る第１の一次側並列共振回路を備える。
また、少なくとも、第２のインダクタを一次巻線として巻装するとともに、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を巻装して形成され、疎結合とみなされる所要の一次側と二次側との結合係数が得られるようにされたコンバータトランスを備える。また、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を備えることとした。
【００２４】
なお、本願発明において「結合係数」とは、電磁的な結合の度合いを示すものであり、数値として１が最も結合の度合いが高いことを示し、数値として０が最も結合の度合いが低い（結合していない）ことを示す。
【００２５】
上記構成による電源回路は、一次側においてＥ級スイッチングコンバータとしての回路形態を形成する。Ｅ級スイッチングコンバータは、基本構成としては、一次側において第１のインダクタ、第２のインダクタ、一次側並列共振コンデンサ、及び一次側直列共振コンデンサを備えることで、並列共振回路（一次側並列共振回路）と直列共振回路（一次側直列共振回路）を備える複合共振形といわれるソフトスイッチングコンバータの一形式である。そして、Ｅ級スイッチングコンバータにおける直列共振回路（一次側直列共振回路）を形成するインダクタ（第２のインダクタ）をコンバータトランスの一次巻線とすることで、DC-DC電力変換が可能な電源回路を構成している。
このようにして、Ｅ級スイッチングコンバータを適用した電源回路を基礎的な構成とすることで、中間負荷とされる負荷条件範囲の下でＺＶＳ（Zero Voltage Switching：ゼロ電圧スイッチング）動作が得られなくなる異常動作が生じるという、電圧共振形コンバータにまつわるとされる問題の要因を排除して、適正なＺＶＳ動作を得ている。
【００２６】
また、本発明では、一次側のＥ級スイッチングコンバータは、商用交流電源を整流平滑化する整流平滑回路を形成する平滑コンデンサの両端電圧である整流平滑電圧を入力してスイッチングを行うようにされている。このとき、平滑コンデンサからＥ級スイッチングコンバータに流入する電流は、一次側並列共振回路を形成する第1のインダクタを介してスイッチング素子側に流れるようにされることで、直流となる。
【００２７】
そのうえで本発明では、一次側において、上記した構成要素により、第１の一次側直列共振回路、第２の一次側直列共振回路、及び第１の一次側並列共振回路とを少なくとも備えることとしている。このような構成では、先ず、第１の一次側並列共振回路の共振動作によって第1のインダクタに共振パルス電圧が発生すると、この共振パルス電圧が一次巻線に生じる電圧に重畳するために、一次巻線電圧レベルが増加する。また、第１、第２の一次側並列共振回路の共振動作により、コンバータトランスの一次巻線（第２のインダクタ）に流れるべき共振電流が、第１のインダクタにも分流するようにして流れるようにされ、一次巻線に流れる電流量を低減させる。
このようにして、一次巻線電圧のレベルが増加し、また、一次巻線の電流量が低減することで、一次側スイッチングコンバータに流れる電流は、その分の低減が生じる。このようにして電流量が低減されることで、電源回路における電力損失が低減される。
【発明の効果】
【００２８】
このようにして本発明は、一次側に並列共振回路を備えるスイッチング電源回路として、中間負荷とされる負荷条件範囲の下でＺＶＳ（Zero Voltage Switching：ゼロ電圧スイッチング）動作が得られなくなる異常動作が解消される。このことにより、二次側直列共振回路を備える電圧共振形コンバータの実用化が容易に実現されることになる。
また、商用交流電源から整流平滑電圧（直流入力電圧）を生成する整流平滑回路の平滑コンデンサからスイッチングコンバータに流入する電流が直流となることで、上記平滑コンデンサとしての部品素子のキャパシタンスについて小さい値を選定し、また、汎用品を選定することが可能になり、例えば平滑コンデンサの低コスト化や小型化などの効果が得られる。
さらに、上記のようにして、電源回路内に流れる電流量の低減に応じて電力損失の低減が図られることで、総合的な電力変換効率特性は大幅に向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態という）について説明するのに先立ち、本実施の形態の背景技術となる、Ｅ級共振形によりスイッチング動作するスイッチングコンバータ（以下、Ｅ級スイッチングコンバータともいう）の基本構成について、図１８及び図１９を参照して説明しておく。
図１８は、Ｅ級スイッチングコンバータとしての基本構成を示している。この図に示すＥ級スイッチングコンバータは、Ｅ級共振形で動作するDC-ACインバータとしての構成を採る。
この図に示すＥ級スイッチングコンバータは、1石のスイッチング素子Ｑ1を備える。この場合のスイッチング素子Ｑ1はＭＯＳ−ＦＥＴであることとしている。このＭＯＳ−ＦＥＴとしてのスイッチング素子Ｑ1には、ボディダイオードＤDが、ドレイン−ソース間に対して並列接続されるようにして形成される。この場合のボディダイオードＤDの順方向は、ソースからドレインへの方向に沿ったものとなる。
また、同じくスイッチング素子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。
【００３０】
スイッチング素子Ｑ1のドレインは、チョークコイルＬ10の直列接続を介して、直流入力電圧Ｅｉｎの正極と接続される。スイッチング素子Ｑ1のソースは、直流入力電圧Ｅｉｎの負極と接続される。
【００３１】
また、スイッチング素子Ｑ1のドレインに対しては、チョークコイルＬ11の一端が接続され、他端には直列共振コンデンサＣ11が直列に接続される。直列共振コンデンサＣ11と直流入力電圧Ｅｉｎの負極との間には、負荷となるインピーダンスＺが挿入される。ここでのインピーダンスＺの具体例には圧電トランス、高周波対応の蛍光灯などを挙げることができる。
【００３２】
このような構成のＥ級スイッチングコンバータは、チョークコイルＬ10のインダクタンスと一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスとにより形成される並列共振回路と、チョークコイルＬ11のインダクタンスと直列共振コンデンサＣ11のキャパシタンスとにより形成される直列共振回路とを備える複合共振形コンバータの一形態であるとみることができる。また、スイッチング素子を1つのみ備えて形成される点では、シングルエンド方式の電圧共振形コンバータと同じであるといえる。
【００３３】
図１９は、上記図１８に示した構成のＥ級スイッチングコンバータについての要部の動作を示している。
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パルスとなる波形である。このスイッチングパルス波形は、上記並列共振回路の共振動作（電圧共振動作）により得られる。
【００３４】
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では０レベルで、期間ＴONにおいては、先ず開始時点から一定期間において、ボディダイオードＤDを流れることで負極性となり、この後に反転して正極性となって、スイッチング素子Ｑ1のドレインからソースに流れる。
また、Ｅ級スイッチングコンバータの出力として、上記直列共振回路に流れるとされる電流Ｉ2は、スイッチング素子Ｑ1（及びボディダイオードＤD）に流れるスイッチング電流ＩQ1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り、正弦波成分を含む波形となる。
【００３５】
また、上記スイッチング電流ＩQ1とスイッチング電圧Ｖ1との関係によっては、スイッチング素子Ｑ1のターンオフタイミングにおいてＺＶＳ動作が得られており、ターンオンタイミングにおいてＺＶＳ及びＺＣＳ動作が得られていることも示される。
【００３６】
また、直流入力電圧Ｅｉｎの正極端子からチョークコイルＬ10を流れるようにしてＥ級スイッチングコンバータに流入する電流Ｉ1は、チョークコイルＬ10，Ｌ11のインダクタンスについて、Ｌ10＞Ｌ11の関係を設定していることで、図示するようにして所定の平均レベルをとる脈流波形となる。このような脈流波形は、近似的な直流としてみることができる。
【００３７】
本願の発明者は、上記基本構成に基づくＥ級スイッチングコンバータを適用して電源回路を構成し、この電源回路について実験を行った。この電源回路の構成例を図２０の回路図に示す。
【００３８】
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。
【００３９】
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。つまり、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商用交流電源を整流平滑化する。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。
【００４０】
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、上記図１８の基本構成に基づいたＥ級スイッチング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Ｅ級スイッチング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。
【００４１】
スイッチング素子Ｑ1のドレインは、チョークコイルＬ10の直列接続を介して平滑コンデンサＣｉ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、チョークコイルＬ10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。このチョークコイルＬ10としてのインダクタ（第１のインダクタ）は、図１８に示したＥ級スイッチングコンバータにおけるチョークコイルＬ10に相当する機能部位となる。
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。
【００４２】
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。
【００４３】
また、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、１つには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）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。
【００４４】
また、スイッチング素子Ｑ1のドレイン−ソース間に対しては、後述する絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1と一次側直列共振コンデンサＣ11とから成る直列接続回路が並列に接続される。この場合には、一次巻線Ｎ1の巻き終わり端部をスイッチング素子Ｑ1のドレインと接続し、巻始め端部を一次側直列共振コンデンサＣ11と接続している。一次側直列共振コンデンサＣ11の一次巻線Ｎ1と接続されない側の極端子は、一次側アース電位にてスイッチング素子Ｑ1のソースと接続される。
【００４５】
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た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、ドライブ信号波形に応じて連続的にオン／オフ動作を行う。つまり、スイッチング動作を行う。
【００４６】
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もので、このために、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2が巻装される。
【００４７】
この場合の絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造としては、一例として、フェライト材によるＥ字形状コアを組み合わせたＥＥ字形コアを備える。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字形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字形コアの中央磁脚に対しては1.6mm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＝０．７５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。
【００４８】
絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1は、後述するようにして、一次側に形成されるＥ級スイッチングコンバータにおける一次側直列共振回路を形成するための素子であり、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング出力に応じた交番出力が得られる。
【００４９】
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、二次側直列共振コンデンサＣ2を直列となる接続関係によりに接続している。これにより、二次巻線Ｎ2のリーケージインダクタンスＬ2と二次側直列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスとによって二次側直列共振回路を形成する。この二次側直列共振回路は、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が、これにより、二次巻線Ｎ2に流れる二次巻線電流は正弦波状となる。つまり、二次側において電流共振動作が得られる。
【００５０】
この場合の二次側整流回路は、上記のようにして二次側直列共振コンデンサＣ2が直列接続された二次巻線Ｎ2に対して、２本の整流ダイオードＤo1，Ｄo2と、１本の平滑コンデンサＣｏを接続することで、倍電圧半波整流回路として形成される。この倍電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、二次側直列共振コンデンサＣ2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のアノードは、二次側アース電位にて平滑コンデンサＣｏの負極端子と接続する。
【００５１】
このようにして形成される倍電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に誘起される交番電圧である二次巻線Ｎ2の両端電圧（二次巻線電圧）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、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Ｃ2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Ｃ2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、二次巻線電圧Ｖ2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Ｄo2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、二次巻線電圧Ｖ1の電位と、上記二次側直列共振コンデンサＣ2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のみ充電が行われる。つまり、倍電圧半波としての整流動作が得られている。また、このような整流動作では、二次巻線Ｎ2と二次側直列共振コンデンサＣ2の直列接続により形成される二次側直列共振回路の共振出力について整流動作を行っているものとしてみることができる。
このようにして生成される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。
【００５２】
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し、また、これに伴って、１スイッチング周期におけるオン期間ＴONとオフ期間ＴOFFの時比率（導通角）を可変するようにして、スイッチング素子Ｑ1を駆動する。この動作が二次側直流出力電圧に対する定電圧制御動作となる。
【００５３】
上記のようにしてスイッチング素子Ｑ1のスイッチング周波数及び導通角が可変制御されることにより、電源回路における一次側、二次側の共振インピーダンス、電力伝送有効期間が変化し、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。
【００５４】
上記のようにして形成される図２０の電源回路の一次側において形成されるスイッチングコンバータ（Ｑ1、Ｃｒ、Ｌ10、Ｎ1、Ｃ11）と、先に図１８に示したＥ級コンバータとしての回路構成とを比較してみると、図２０におけるスイッチングコンバータは、図１８の回路から負荷となるインピーダンスＺを省略し、チョークコイルＬ11の巻線を絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1（リーケージインダクタンスＬ1）と置き換えたものとしてみることができる。また、図２０における一次側スイッチングコンバータでは、チョークコイルＬ10のインダクタンスと一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスとによって一次側並列共振回路を形成し、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と一次側直列共振コンデンサＣ11のキャパシタンスとにより一次側直列共振回路を形成する。
このことから、図２０の一次側スイッチングコンバータは、Ｅ級共振形のスイッチング動作を行うＥ級スイッチングコンバータとして形成されている、ということがいえる。そして、この一次側スイッチングコンバータのスイッチング動作により得られるスイッチング出力（交番出力）を、絶縁コンバータトランスＰＩＴにおける磁気結合を介するようにして、チョークコイルＬ11に相当する一次巻線Ｎ1から二次巻線Ｎ2に伝達し、二次側にて整流を行って直流出力電圧Ｅｏを得るようにされている。つまり、図２０に示す電源回路は一次側にＥ級スイッチングコンバータを備えるDC-DCコンバータとして構成される。
また、このようにして形成される一次側のＥ級スイッチングコンバータは、チョークコイルＬ10、及び一次側並列共振コンデンサＣｒとともに電圧共振形コンバータを形成するスイッチング素子Ｑ1（及びボディダイオードＤD）に対して、一次側直列共振回路を形成する一次巻線Ｎ1及び一次側直列共振コンデンサＣ11の直列接続回路を並列接続した複合共振形コンバータ、ソフトスイッチング電源の構成であるともみることができる。
【００５５】
ところで、一般的に、一次側に電圧共振形コンバータを備える電源回路は、負荷電力の制御範囲が狭く、また、軽負荷時におけるＺＶＳが維持できないために、そのままでは実用化は不可能であると考えられている。そこで、先に従来例として図２１に示したように、一次側電圧共振形コンバータに対して二次側直列共振回路を設け、二次側整流回路として倍電圧半波整流回路を形成した電源回路を構成して本願発明者が実験を行ったところ、それまでの電圧共振形コンバータを備える電源回路よりも、実現化に近づく特性が得られることが確認された。
しかしながら、図２１の電源回路では、図２２により説明したように、中間負荷時において、スイッチング素子Ｑ1のオフ期間（ＴOFF）が終了しないうちにスイッチング素子Ｑ1に正極方向（この場合はドレイン→ソース方向）に電流が流れてＺＶＳの動作が得られないという異常動作を生じる。このために、図２１の電源回路の構成であっても、依然として実用化は困難な状況であった。
【００５６】
図２０により説明した電源回路は、上記しているように、一次側に電圧共振形コンバータの回路形態を備える複合共振形のスイッチングコンバータである、という点では、図２１に示した従来の電源回路と共通の構成を採っているといえる。
しかしながら、この図２０の電源回路について実験を行ったところ、中間負荷時においてＺＶＳが得られなくなる異常動作が解消され、所定の対応負荷電力の全範囲において正常なスイッチング動作が得られることが確認された。
【００５７】
図２１に示される電源回路の中間負荷時の異常動作は、電圧共振形コンバータに二次側直列共振回路を備えた形式の複合共振形コンバータを構成した場合に生じやすいことが確認されている。これは、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（整流回路）とが同時に動作することによる相互作用が主たる原因となっている。つまり、上記した中間負荷時の異常動作は、一次側電圧共振形コンバータと二次側直列共振回路とを組み合わせた回路構成であることがそもそもの要因であると捉えることができる。このことに基づき、先ず、図２０に示す電源回路としては、一次側スイッチングコンバータとして、電圧共振形コンバータに代えて、Ｅ級スイッチングコンバータを適用した構成のものを備えることとしたものである。
このような構成が要因となって、図２０の電源回路では、二次側に対して直列共振回路を設ける、あるいは設けない場合とに関わらず、中間負荷時においてＺＶＳが得られなくなる異常動作が解消されることとなった。
【００５８】
このようにして、図２０の電源回路では、従来例としての図２１の電源回路において問題となっていた中間負荷時における異常動作が解消されている。
しかしながら、図２０の電源回路では、図２１の電源回路では備えられていないチョークコイルＬ10を、直流入力電圧がスイッチングコンバータに流入するラインに対して挿入している。このチョークコイルＬ10は、例えば１mH程度とされて、チョークコイルＬ11に相当する絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1と比較して、相当に大きなインダクタンスを有する。このために、チョークコイルＬ10における鉄損、銅損などによる電力損失も相応に大きく、これにより、電源回路全体としての電力変換効率の低下も相応に顕著なものとなってくる。例えば、図２１の電源回路との比較では、図２０の電源回路のAC→DC電力変換効率（ηAC→DC）の値は１％程度低下することが実験により確認された。
また、図２０の電源回路では、上記のようにして、チョークコイルＬ10について相当に大きいとされるインダクタンスを設定する必要上から、例えばチョークコイルＬ10を構成するためのコアなどについて比較的大型の部品を選定することになる。このことがコストダウンや、回路の小型化などを促進することの妨げの要因になる。
【００５９】
そこで、本実施の形態としては、図２０に示した電源回路からさらに推し進め、電源回路としてＥ級スイッチングコンバータを適用することで、中間負荷時における異常動作を解消したうえで、さらに、上記している電力変換効率の低下を補償して電力変換効率を向上させ、また、チョークコイルＬ10に相当する部品についての小型化が図られるようにするための構成を提案する。
このような本実施の形態としての電源回路として、第１の実施の形態の電源回路の構成例を図１に示す。なお、この図において、図２０と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
【００６０】
先ず、図１に示す電源回路においては、チョークコイル巻線Ｎ10の巻き終わり端部を平滑コンデンサＣｉの正極端子と接続し、チョークコイル巻線Ｎ10の巻き始め端部を一次巻線Ｎ1の巻き始め端部と接続する。また、この場合の一次側直列共振コンデンサＣ11は、一方の極の端部が一次巻線Ｎ1の巻き始め端部とチョークコイル巻線Ｎ10との接続点に対して接続され、他方の極の端部が一次側アース電位にて一次側並列共振コンデンサＣｒの一方の極とスイッチング素子Ｑ1のドレインとの接続点に対して接続されることで、一次側直列共振コンデンサＣ11と一次巻線Ｎ1との直列接続の関係が得られるようにされている。
なお、この場合にも、一次側並列共振コンデンサＣｒは、スイッチング素子Ｑ1のソース−ドレインに対して並列の関係となるようにして接続されている。
【００６１】
本実施の形態において、上記のようにして挿入されるチョークコイル巻線Ｎ10は、図１８若しくは図２０におけるチョークコイルＬ10としての巻線に相当する。本実施の形態では、このチョークコイル巻線Ｎ10は、所定形状サイズのコアに巻装され、これによりチョークコイルＰＣＣとしての部品素子を構成するようにされる。あるいは、チョークコイル巻線Ｎ10は、後述するようにして、絶縁コンバータトランスの構造内に含められるようにして巻装することもできる。この場合、絶縁コンバータトランスＰＩＴは、複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴとして構成される。
【００６２】
上記したような回路形態では、一次側並列共振回路（第１の一次側並列共振回路）は、チョークコイル巻線Ｎ10と一次巻線Ｎ1とによる直列接続回路と、この直列接続回路に対して並列接続される一次側並列共振コンデンサＣｒとに基づいて、チョークコイル巻線Ｎ10（チョークコイルＰＣＣ）のインダクタンスＬ10と、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1とにより得られる合成インダクタンスと、一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスとにより形成されるものとしてみることができる。
また、一次側直列共振回路としては、一次側直列共振コンデンサＣ11と一次巻線Ｎ1との直列接続に基づいて、一次側直列共振コンデンサＣ11のキャパシタンスと、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1とにより形成される第１の一次側直列共振回路を備える。また、チョークコイル巻線Ｎ10と一次側直列共振コンデンサＣ11との直列接続に基づいて、チョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスＬ10と一次側直列共振コンデンサＣ11のキャパシタンスとによって形成される第２の一次側直列共振回路を備える。
【００６３】
スイッチング素子Ｑ1がスイッチング動作を行うのに応じて、上記一次側並列共振回路の電圧共振動作により、スイッチング素子Ｑ1がオフとなる期間において一次側並列共振コンデンサＣｒに対して充放電電流を流す。この充放電電流により、一次側並列共振コンデンサＣｒの両端電圧として、略半波の正弦波状の共振パルス電圧が発生する。図１の回路では、一次側並列共振回路において一次巻線Ｎ1が挿入されていることから、一次巻線Ｎ1においては、スイッチング電流に応じて生じる交番電圧に対して、この共振パルス電圧が重畳される動作が生じる。
また、第１の一次側直列共振回路は、スイッチング素子Ｑ1のオン時において、一次側直列共振コンデンサＣ11−一次巻線Ｎ1−スイッチング素子Ｑ1の経路で共振電流が流れるようにして共振動作を行う。
また、第２の一次側直列共振回路は、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング動作に応じて、一次側直列共振コンデンサＣ11−チョークコイル巻線Ｎ10−平滑コンデンサＣｉの経路を共振電流が流れるようにして共振動作を行う。
このようにして第１の一次側直列共振回路及び第２の一次側直列共振回路が複合的に動作することによって、例えば一次巻線Ｎ1に流れるべき直列共振電流が、チョークコイル巻線Ｎ10に対しても分流して流れることになる。
また、第１の一次側直列共振回路に対応する、一次側直列共振コンデンサＣ11−一次巻線Ｎ1−スイッチング素子Ｑ1の電流経路と、第２の一次側直列共振回路に対応する、一次側直列共振コンデンサＣ11−チョークコイル巻線Ｎ10−平滑コンデンサＣｉの電流経路とを、スイッチング周期の交流的にみた場合には、両者の電流経路は、一次側直列共振コンデンサＣ11を共通として、並列的な関係にあるものとしてみることができる。
なお、図１に示す二次側の回路形態は、図２０と同様に、二次側直列共振回路を含む倍電圧半波整流回路となっているが、図１においては、二次巻線Ｎ2の巻き始め端部側を二次側直列共振コンデンサＣ2と接続し、巻き終わり端部を二次側アースにて平滑コンデンサＣｏの負極端子と接続している。
【００６４】
上記構成による図１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として、先ず、チョークコイル巻線Ｎ10を含まない、チョークコイルＰＣＣとは別個の部品となる絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造例を図１１に示す。
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字形状コア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（ＥＥ字形コア）を備える。
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字形コア（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字形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。
【００６５】
そのうえで、ＥＥ字形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1.6mm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≒0.75程度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２１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。
また、このようにして、チョークコイル巻線Ｎ10を含まない絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造とした場合、チョークコイル巻線Ｎ10を備えるチョークコイルＰＣＣは、絶縁コンバータトランスＰＩＴとは別の独立した部品として構成される。この場合のチョークコイルＰＣＣは、例えばＥＲ型のコアなどに対して、所要のインダクタンス値が得られるようにしてチョークコイル巻線Ｎ10を巻装した構造を採る。
【００６６】
また、上記構成による図１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として、その構造内にチョークコイル巻線Ｎ10（チョークコイルＰＣＣ）を含めた、複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴとして構成する場合の構造例を図１２に示す。
先ず、図１２に示される複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴは、例えばフェライト材によるＥ字形状コアＣＲ１、ＣＲ２を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ字形コアを備える。
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Ｂｂ1が備えられる。このボビンＢｂ1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Ｂｂ1を、上記Ｅ字形状コアＣＲ１，ＣＲ２から成るＥＥ字形コアの中央磁脚が貫通するようにして取り付けることで、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字形コア部分の中央磁脚に巻装される状態となる。
また、上記ＥＥ字形コア（ＣＲ1，ＣＲ2）に対しては、さらにＥ字形状コアＣＲ3が図示するようにして組み合わされる。この場合には、ＥＥ字形コア（ＣＲ1，ＣＲ2）におけるＥ字形状コアＣＲ1側の側面に対して、Ｅ字形状コアＣＲ3の脚部端面が対向するようにして組み合わされる。
このＥ字形状コアＣＲ3に対しては、１つの巻装領域を持つボビンＢｂ2が取り付けられ、その巻装領域に対してチョークコイル巻線Ｎ10を巻装する。これにより、チョークコイル巻線Ｎ10は、Ｅ字形状コアＣＲ3の中央磁脚に対して巻装される状態となる。
【００６７】
そして、ＥＥ字形コア（ＣＲ1，ＣＲ2）の中央磁脚に対しては、図のようにして、所定長のギャップＧ１を形成する。これによって、複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴ自体における一次側と二次側との結合係数ｋとしては、例えばｋ≒0.75程度による0.8以下とされる値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２１に示した電源回路の複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴよりも、さらに疎結合の状態としている。なお、ギャップＧ１は、Ｅ字形状コア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。
また、例えばＥＥ字形状コアＣＲ3の中央磁脚を外磁脚よりも短く形成することで、ＥＥ字形状コアＣＲ3の中央磁脚の端部と、ＥＥ字形状コアＣＲ1との側面部との間にギャップＧ2を形成するようにされる。この場合のギャップＧ2のギャップ長は、上記ギャップＧ1のギャップ長に対して約１／２を設定することとしている。
【００６８】
このようにして、図１２に示す絶縁コンバータトランスは複合トランスとしての構造を採る。つまり、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2が直流的に絶縁される状態で巻装される基本構成を採ったうえで、一次側に備えられるチョークコイル巻線Ｎ10も巻装される構造である。そして、このような図１２に示す構造では、先ず、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2に電流が流れることによっては、Ｅ字形状コアＣＲ1、ＣＲ2から成るＥＥ字形コアにて主たる磁路（磁気回路）を形成するが、チョークコイル巻線Ｎ10に電流が流れることによっては、Ｅ字形状コアＣＲ3側のみにて主たる磁路を形成する。このようにして磁路が形成されることで、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2が形成する磁路の磁束と、チョークコイル巻線Ｎ10が形成する磁路の磁束が鎖交する度合いは非常に小さくなる。この結果、チョークコイル巻線Ｎ10としては、例えば巻線数やギャップＧ2のギャップ長などに応じた所定のインダクタンスを有するとともに、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2に対する磁気結合の度合い（結合係数）は、０とみなしてよい程度の一定以下にまで小さいものとなる。つまり、チョークコイル巻線Ｎ10側と一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2側とではトランス結合は存在しないものとしてみてよい状態を生じている。これにより、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2とを結合するコンバータトランス機能と、チョークコイル巻線Ｎ10によるチョークコイルとしての機能は、それぞれ相互に影響されることなく独立しているものとされる状態で動作する。従って、一次巻線Ｎ1、二次巻線Ｎ2及びチョークコイル巻線Ｎ10が１つのトランス構造内に含まれているのに関わらず、一次側において適正なＥ級スイッチングコンバータの動作が得られることになる。
【００６９】
なお、本願発明としては、先にも説明したように、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2を巻装した構造の絶縁コンバータトランスＰＩＴと、チョークコイル巻線Ｎ10を巻装したチョークコイルＰＣＣとを、それぞれ別個の部品として構成してもよい。この場合には、例えば絶縁コンバータトランスＰＩＴについては、所定形状サイズのＥＥ字形コアに対して一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2を巻装する構造とし、チョークコイルＰＣＣについても、所定形状サイズのＥＥ字形コアに対して巻線を施す構造とすることで構成できる。ただし、このような構成では、絶縁コンバータトランスＰＩＴとチョークコイルＰＣＣとで独立した２つの部品が必要になる。これに対して、本実施の形態の絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造であれば、これらの部品は１つにまとめられることとなる。これにより、例えば回路基板における部品配置などがこれまでよりも効率的なものとなって、例えば回路基板サイズの小型化などを図り易くなる。
このようにして、本願発明の下では、絶縁コンバータトランスがチョークコイルＰＣＣの巻線を含む複合トランスとしての構造をとってもよいし、チョークコイルＰＣＣとは独立して一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2が巻装される構造としてもよい。このようなことを考慮して、以降の説明において、特に両者を明確に区別する必要のない場合には、絶縁コンバータトランスＰＩＴとして記述する場合がある。
【００７０】
複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴの他の構造例について、図１３、図１４に示す。
図１３に示される複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴは、例えばフェライト材によるＥ字形状コアＣＲ11、ＣＲ12を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ字形コアを備える。なお、このＥＥ字形コアにおける２本の外磁脚及び１本の中央磁脚の断面サイズは同じであるようにされている。
そのうえで、ボビンＢb11において形成される2つに分割された巻装部に対して、それぞれ、一次巻線Ｎ1、二次巻線Ｎ2を巻装し、このボビンＢb11をＥＥ字形コアの一方の外磁脚に対して取り付けるようにする。これにより、一次巻線Ｎ1、二次巻線Ｎ2は、それぞれ異なる巻装領域により、同じ外磁脚に巻装される状態となる。このようにして一次巻線Ｎ1、二次巻線Ｎ2を巻装したうえで、ＥＥ字形コアの中央磁脚に対しては所定長のギャップＧ11を形成する。これにより、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2については、所定の結合係数ｋによる疎結合とされる結合度が得られる。
また、ボビンＢb12の巻装部に対してはチョークコイル巻線Ｎ10を巻装して、このボビンＢb12をＥＥ字形コアの一方の外磁脚に対して取り付ける。これにより、チョークコイル巻線Ｎ10は、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2が巻装される外磁脚に対して、中央磁脚を対称にして反対側となる外磁脚に巻装される状態となる。
このような構造では、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2による主たる磁路は、これら一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2が巻回される外磁脚と中央磁脚とをつなぐようにして形成され、チョークコイル巻線Ｎ10による主たる磁路は、チョークコイル巻線Ｎ10が巻回される外磁脚と中央磁脚とをつなぐようにして形成されることから、この場合にも両磁路の磁束が鎖交する度合いは非常に小さくなる。これにより、チョークコイル巻線Ｎ10と、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2との結合度（結合係数）はほぼ０とみなしてよく、トランス結合は存在しないとする状態を、図１２の場合と同様に得ることができる。
【００７１】
また、図１４に示される複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴは、例えば先ず、フェライト材によるＵ字形状コアＣＲ21、ＣＲ22を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＵＵ字形コアを形成し、さらにこのＵＵ字形コアに対して、Ｕ字形状コアＣＲ23が組み合わされる。
ＵＵ字形コア側におけるＵ字形状コアＣＲ21、ＣＲ22の各2本の磁脚が互いに対向する部位には、図示するようにして、所定ギャップ長のギャップＧ21、Ｇ22が形成される。また、ＵＵ字形コア（ＣＲ21、ＣＲ22）におけるＵ字形状コアＣＲ22の側面部に対して、Ｕ字形状コアＣＲ23の2本の磁脚端部が対向する各部位においては、所定のギャップ長のギャップＧ23，Ｇ24を形成するようにしている。
そのうえで、ボビンＢb21において形成される2つに分割された巻装部に対して、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2をそれぞれ巻装し、このボビンＢb21をＵＵ字形コア(ＣＲ21、ＣＲ22)の一方の磁脚に対して取り付ける。これにより、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2は、ＵＵ字形コア(ＣＲ21、ＣＲ22)の一方の磁脚において、それぞれ異なる巻装領域において巻装される状態となり、上記ギャップＧ21、Ｇ22のギャップ長の設定により、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2については、所定の結合係数ｋによる疎結合とされる結合度が得られる。
また、ボビンＢb22に対してチョークコイル巻線Ｎ10を巻装し、Ｕ字形状コアＣＲ23の一方の磁脚に対して取り付けることで、チョークコイル巻線Ｎ10がＵ字形状コアＣＲ23の一方の磁脚に巻装される状態とする。このとき、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2による主たる磁路はＵＵ字形コア（ＣＲ21、ＣＲ22）にて形成され、チョークコイル巻線Ｎ10による主たる磁路はＵ字形状コアＣＲ23側にて形成され、両磁路の磁束の鎖交はほとんど無いとされる状態が得られる。これにより、図１２、図１３と同様に、チョークコイル巻線Ｎ10と、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2との磁気的結合度（結合係数）はほぼ０とみなされ、トランス結合も存在しないとみなしてよい状態を得ることができる。
【００７２】
また、本実施の形態における、複合トランスとしての絶縁コンバータトランスの構造は、上記のようにしてＥ字形状コア、若しくはＵ字形状コアを用いた構造の他に、例えば、図１５〜図１７に示すような構造とすることもできる。
図１５に示される複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴとしては、４本の磁脚を有する２つのダブルコの字型コアＣＲ51、ＣＲ52を備える。そして、これらダブルコの字型コアＣＲ51、ＣＲ52の互いの磁脚の端部を接合するようにして、立体型コアを形成する。なお、この場合において、ダブルコの字型コアＣＲ51、ＣＲ52は、互いに同一サイズ形状のものを用いることができる。
このようにして立体型コアを形成した場合には、上記４本の磁脚ごとに対応して、ダブルコの字型コアＣＲ51、ＣＲ52の接合部は４つ在ることとなるが、この場合、これら４つの接合部について、それぞれ所定長のギャップＧ50をそれぞれ形成する。なお、これら複数のギャップＧ50に設定されるギャップ長は同じであってもよいし、必要に応じて異なる長さが設定されてもよい。この点については、後述する図１６、図１７の複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴの構造においても同様である。
【００７３】
そして、このようにして形成される立体型コアにおいて、先ず、例えばダブルコの字型コアＣＲ51側の隣り合う２本の磁脚に巻き付けるようにして、チョークコイル巻線Ｎ10を所定ターン数（巻数）巻装する。
一方、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2は、図示するようにして、ダブルコの字型コアＣＲ52側において、上記チョークコイル巻線Ｎ10の巻方向に対して、ちょうど直交するようにさせて、隣り合う2本の磁脚に巻き付けるようにして、所定ターン数を巻装するようにされる。
【００７４】
上記のような構造では、チョークコイル巻線Ｎ10の巻回方向は、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2の巻回方向に対して直交することになる。つまり、複合トランスである絶縁コンバータトランスＰＩＴとしては、いわゆる直交型トランスとしての構造が得られる。
【００７５】
このようにして、一次巻線Ｎ1、二次巻線Ｎ2、チョークコイル巻線Ｎ10が巻装されることで、先ず、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2については、コアサイズやギャップ長等に応じて設定される所定の結合係数により磁気結合された状態を生じる。また、チョークコイル巻線Ｎ10は、例えばコアサイズと巻数などの定数から、所定のインダクタンスを有するようにされる。そのうえで、チョークコイル巻線Ｎ10の巻回方向が一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2の巻回方向に対して直交するようにされることで、チョークコイル巻線Ｎ10を巻回した2本の磁脚において、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2側により形成される磁路は逆方向となって打ち消し合うことになる。これにより、チョークコイル巻線Ｎ10と、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2との磁気結合度としては、０とみなしてよい程度の一定以下とすることができる。
【００７６】
図１６に示す複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴは、立体型コアについて、一方のコアは４本の磁脚を有するダブルコの字型コアＣＲ51のままとするが、他方のコアは、ダブルコの字型コアＣＲ52に代えて、任意の断面がコ字状となるシングルコの字型コアＣＲ60と組み合わせて形成することもできる。なお、このコア構造においても、ダブルコの字型コアＣＲ51の4本の磁脚の端面と、シングルコの字型コアＣＲ60とが対向する部位には、それぞれ、ギャップＧ60を形成するようにされる。
このコア構造において、チョークコイル巻線Ｎ10と、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2を、例えば図１６と同様のダブルコの字型コアＣＲ51の位置関係、及び巻方向の関係により巻装する。このようにしても、チョークコイル巻線Ｎ10と、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2の組とが、互いの巻き方向が直交する直交型トランスとしての構成が得られ、図１５と同様にして、チョークコイル巻線Ｎ10は、所定のインダクタンスを有すると共に、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2に対する磁気結合度については０とみなしてよい状態を得ることができる。
【００７７】
また、図１７に示す複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴは、２つの半目字型コアＣＲ71，ＣＲ72を用意し、これらのコアの互いの磁脚が対向するようにして組み合わせることで１つの平面型の目字型コアを形成する。また、目字型コアにおいては、外側２本と内側２本の計４本の磁脚が対向することになるが、この場合には、これらの４本の磁脚が対向する各面について、それぞれ、所定長のギャップＧ70を形成する。
そして、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2は、一方の半目字型コアＣＲ71における２本の内側磁脚に跨るようにして所定ターン数を巻装する。
チョークコイル巻線Ｎ10は、他方の半目字型コアＣＲ72における１本の外側磁脚と、この外側磁脚と隣り合う１本の内側磁脚とに跨るようにして、所定ターン数を巻装する。
【００７８】
このような複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴの構造では、チョークコイル巻線Ｎ10が巻回される磁脚位置と、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2が巻回される磁脚位置とが互いに異なるようにされているが、この関係としては、図１５及び図１６に示したように巻回方向を直交させたのと等価となる。従って、この図１７に示す構造によっても、絶縁コンバータトランスＰＩＴにおいては、チョークコイル巻線Ｎ10は、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2に対する結合度は０とみなされ、かつ、所要のインダクタンスを有する状態となる。
【００７９】
そして、図１に示した回路形態の電源回路について、後述する実験結果を得るのにあたり、要部については、下記のように選定した。
先ず、絶縁コンバータトランスとチョークコイルＰＣＣについては、それぞれ別個の部品により構成することとした。絶縁コンバータトランスＰＩＴについては、図１１に示したＥＥ字形状の構造を採用することとして、ＥＥ字形コア（ＣＲ1，ＣＲ2）についてEER-35を選定して、ギャップＧ1については1.6mm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＝60T、Ｎ2＝31Tを選定した。
また、チョークコイルＰＣＣについてはER−28を選定して、中央磁脚部分には1.2mmのギャップを形成し、インダクタンスL10＝360μHとなるようにしてチョークコイル巻線Ｎ10を巻装した。チョークコイル巻線Ｎ10は、50Tを巻装した。
上記した絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造により、絶縁コンバータトランスＰＩＴ自体における一次側と二次側との結合係数ｋについては、例えばｋ＝0.75程度の、0.8より小さいとされる値が設定される。
なお、上記EER、ERのコアは、よく知られているように、製品としてのコアの型式、規格の１つであり、この型式には、EEのあることも知られている。本願においてＥ字形状、ＥＥ字形などという場合には、断面がＥ字、あるいはＥＥ字形状であることに応じて、EER、ER、EEの何れのタイプの場合についてもＥ字形状、あるいはＥＥ字形のコアであるとして扱うものとする。
また、一次側並列共振コンデンサＣｒ、一次側直列共振コンデンサＣ11、及び二次側直列共振コンデンサＣ2の各キャパシタンスについては、
Ｃｒ＝3900pＦ
Ｃ11＝0.039μＦ
Ｃ2＝0.068μＦ
を選定した。
対応負荷電力は、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ、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１７５Ｖとしている。
【００８０】
図１の電源回路の実験結果として、図２（ａ）の波形図を挙げる。この図２（ａ）では、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの条件での、スイッチング電圧Ｖ1、スイッチング電流ＩQ1、コンデンサ電流Ｉcr、入力電流Ｉ1、一次巻線電圧Ｖ2、一次巻線電流Ｉ2、二次側交番電圧Ｖ3を示している。また、図２には、図２（ａ）との比較として、図２０に示した回路構成の電源回路において同一とされる部位の波形を、図２（ｂ）に示している。
【００８１】
図２（ａ）に示す波形図により、図１の電源回路の基本的な動作について説明する。
入力電流Ｉ1は、平滑コンデンサＣｉから一次側スイッチングコンバータに流入しようとする電流である。本実施の形態の場合、入力電流Ｉ1がスイッチング素子Ｑ1側に流入する経路である、平滑コンデンサＣｉの正極端子とスイッチング素子Ｑ1のドレイン側との間のラインには、チョークコイル巻線Ｎ10と絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1の直列接続が挿入されているものとしてみることができる。つまり、入力電流Ｉ1は、チョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスＬ10と、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1の合成インダクタンスを介するようにして流れることになる。このために、入力電流Ｉ1は脈流となる。このような波形の入力電流Ｉ1は、直流としてみることができる。つまり、平滑コンデンサＣｉからスイッチングコンバータに流入する電流は直流となる。
【００８２】
スイッチング素子Ｑ1は、平滑コンデンサＣｉの両端電圧（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る。
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の電圧共振パルスは、一次側並列共振回路の共振動作により、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、続いて反転してドレインからソースに流れることで正極性による波形となる。
【００８３】
一次巻線電流Ｉ2は、スイッチング素子Ｑ1のスイッチング動作に応じて一次巻線Ｎ1に流れる電流であり、この場合には、スイッチング電流ＩQ1とコンデンサ電流Ｉcrとをほぼ合成するようにして得られる波形となる。スイッチング素子Ｑ1がオン/オフ動作を行うことにより、期間ＴOFFのスイッチング電圧Ｖ1である共振パルス電圧が第1の一次側直列共振回路を形成する一次巻線Ｎ1、一次側直列共振コンデンサＣ11の直列接続回路に印加される。これにより一次側直列共振回路が共振動作を行い、一次巻線電流Ｉ2は、正弦波成分によるスイッチング周期に応じた交番波形となる。また、一次巻線電圧Ｖ2は、一次巻線Ｎ1の両端電圧である。この一次巻線電圧Ｖ2も、図示するようにして、正弦波によるスイッチング周期に応じた交番波形となる。
【００８４】
期間ＴONが終了して期間ＴOFFに至ってスイッチング素子Ｑ1がターンオフするタイミングでは、一次巻線電流Ｉ2は、コンデンサ電流Ｉcrとして、一次側並列共振コンデンサＣｒに対して正極性により流れることで、一次側並列共振コンデンサＣｒを充電する動作が開始され、これに応じて、スイッチング電圧Ｖ1は０レベルから正弦波状により上昇を開始して、電圧共振パルスが立ち上がる。コンデンサ電流Ｉcrが負極性に反転すると、一次側並列共振コンデンサＣｒは充電から放電が行われる状態に移行することになり、電圧共振パルスはピークレベルから正弦波状により下降していく。
そして、スイッチング電圧Ｖ1としての電圧共振パルス波形が０レベルにまで降下したとされると、スイッチング素子Ｑ1（及びボディダイオードＤD）がオンとなる期間ＴONが開始される。この期間ＴONに至ると、先ず、ボディダイオードＤDが導通して負極性の一次巻線電流Ｉ2を流すことになる。このときスイッチング電圧Ｖ1は０レベルであり、一定期間においてボディダイオードＤDに一次巻線電流Ｉ2が流れると、スイッチング素子Ｑ1のドレイン−ソース間がオンとなって、正極性の一次巻線電流Ｉ2を流す。このようにして期間ＴONにおいて、スイッチング素子Ｑ1（及びボディダイオードＤD）に一次巻線電流Ｉ2が流れることで、スイッチング電流ＩQ1の波形が得られる。このような動作は、スイッチング素子Ｑ1のターンオン、ターンオフ時において、一次側並列共振回路によるＺＶＳ動作、及び一次側直列共振回路によるＺＣＳ動作が得られていることを示す。
【００８５】
また、二次側交番電圧Ｖ3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と二次側直列共振コンデンサＣ2の直列接続回路の両端電圧であり、二次側整流回路が入力する二次側交番電圧Ｖ3は、二次側交番電圧Ｖ3の半周期の期間ごとに、整流ダイオードＤo1，Ｄo2に対して順方向電圧を印加し、これに応じて整流ダイオードＤo1，Ｄo2が交互に導通する。これにより、二次側交番電圧Ｖ3は、整流ダイオードＤo1の導通期間に応じては二次側直流出力電圧Ｅoに応じた絶対値レベルによりクランプされ、整流ダイオードＤo2の導通期間に応じては０レベル（アース電位）となる交番波形が観測される。
【００８６】
また、定電圧制御特性として、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの入力条件で、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの負荷変動に対するスイッチング周波数ｆｓの可変範囲Δｆｓは、Δｆｓ＝16.2kHzとなる実験結果が得られた。
また、AC→DC電力変換効率（ηAC→DC）は、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ時ではηAC→DC＝91.9％、負荷電力Ｐｏ＝７５Ｗ時においてはηAC→DC＝94.0％となる実験結果が得られた。
【００８７】
上記図２（ａ）に示される波形図と、先に図１９に示した波形図とを比較すると、両者において共通とされる部位がほぼ同様の動作波形であることから分かるように、図１に示す電源回路としても、その基本的な動作はＥ級共振形である。
従って、本実施の形態の電源回路としても、図２０の電源回路と同様に、一次側スイッチングコンバータはＥ級イッチングコンバータを適用していることで、中間負荷時においてＺＶＳが得られなくなることの異常動作は解消され、対応負荷電力（Ｐｏ＝３００Ｗ〜０Ｗ）の全領域にわたってＺＶＳ動作が得られる。Ｅ級スイッチングコンバータの基本構成は、1石のスイッチング素子と並列共振回路とを含んでいるので、本実施の形態の電源回路は、シングルエンド方式の電圧共振形コンバータの回路構成を備えるスイッチングコンバータとして、実用化が容易に実現可能となっている、ということがいえる。
【００８８】
なお、上記しているように、一次側スイッチングコンバータにＥ級スイッチングコンバータを適用した図１の回路、あるいは図２０の回路では、二次側直列共振回路の有無にかかわらず、中間負荷時における異常動作は解消される。但し、図１あるいは図２０に示す電源回路のようにして、二次側整流回路として倍圧半波整流回路を備える場合、二次巻線Ｎ2には、誘起電圧が正／負の各期間において電流が流れる。このような整流動作となる整流回路の場合には、二次側直列共振コンデンサを接続して二次側直列共振回路を形成することで、この二次側直列共振回路の共振動作による電力増加などの作用が得られ、電力変換効率の向上につなげることができる。
【００８９】
また、先に従来例として図２１に示した電源回路では、平滑コンデンサＣｉからスイッチングコンバータに流入する電流は、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1を経由してスイッチング素子Ｑ1、一次側並列共振コンデンサＣｒに流入する。この場合、平滑コンデンサＣｉからスイッチングコンバータに流入する電流は一次巻線電流Ｉ1となるものであり、スイッチング周期による比較的高い周波数となる。つまり、平滑コンデンサＣｉに対しては商用交流電源周期に対して高周波で充放電電流が流れる。
平滑コンデンサＣｉとしての部品素子には高耐圧が要求されることなどに応じてアルミ電解コンデンサがしばしば採用される。アルミ電解コンデンサは、他の種類のコンデンサなどと比較して、高周波で動作させると静電容量が低下すると共に損失角の正接が増加しやすい性質を有している。このために、平滑コンデンサＣｉに使用するアルミ電解コンデンサには、ＥＳＲ（等価直列抵抗）が低く、また、許容リップル電流が多い特殊品を選定する必要がある。また、平滑コンデンサＣｉとしての素子のキャパシタンスについても相応に大きな値を選定する必要が出てくる。例えば図２１の電源回路の構成で、本実施の形態と同等の最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗに対応させる場合には、１０００μF程度を選定することになる。このようなアルミ電解コンデンサは、汎用のアルミ電解コンデンサよりも高価であり、また、キャパシタンスの増加に応じた部品価格の上昇も含めてコスト的に不利となる。
【００９０】
これに対して図１に示した本実施の形態の電源回路は、平滑コンデンサＣｉからスイッチングコンバータに流入する電流は、チョークコイル巻線Ｎ10−一次巻線Ｎ1の直列接続を介してスイッチング素子Ｑ1側に流れるようになっている。このために、平滑コンデンサＣｏからスイッチングコンバータに流入する電流は、図２（ａ）の入力電流Ｉ1としても示されるように直流となる。このようにして、平滑コンデンサＣｉからスイッチングコンバータに流入する電流が直流となることで、本実施の形態では、上記した静電容量の低下や損失角の正接の増加の問題は生じることが無い。また、これに伴って、直流入力電圧Ｅiにおける商用交流電源周期のリップルも低減される。このリップルは、例えば図２１の電源回路の構成では7.5Vp-pであるのに対して、図１の電源回路では、5Vp-pとなる。このようなことから、本実施の形態としては、平滑コンデンサＣｉとして汎用のアルミ電解コンデンサを選定することができる。また、平滑コンデンサＣｉとしての素子のキャパシタンスについても、図２１の回路の場合よりも低い値を選定できる。図1の回路の実際としては、６８０μＦを選定できる。このようにして、本実施の形態では、平滑コンデンサＣｉについてのコストダウンを図ることが可能になる。
【００９１】
また、本実施の形態では、対応負荷電力のほぼ全領域にわたって、良好とみてよい電力変換効率特性となる、という実験結果も得られている。
本実施の形態において高電力変換効率が得られているのは、次のような構成に基づいている。
先ず、電圧共振形コンバータに対して二次側直列共振回路を備える電源回路の構成は、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。特に、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、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電流共振形コンバータと比較すれば、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であるということがいえる。また、電圧共振形コンバータとしてシングルエンド方式を採用してスイッチング素子を必要最小限の１石とすることで、例えばハーフブリッジ結合方式、フルブリッジ結合方式、プッシュプル方式などの複数のスイッチング素子を備える構成と比較してスイッチング損失を減少させていることも、電力変換効率の向上要因となっている。
本実施の形態のＥ級スイッチングコンバータも、一次側並列共振回路と1石のスイッチング素子が組み合わされた構成を含むことで、シングルエンド方式の電圧共振形コンバータの構成を含んでいるということがいえ、上記したような電圧共振形コンバータとしての良好な電力変換効率特性を引き継いでいる。
【００９２】
そのうえで、本実施の形態としては、上記もしているように中間負荷時における異常動作を解消して、適正なＺＶＳ動作が得られるようにしている。この異常動作の現象としては、図２２（ｂ）に示したように、ターンオン（期間ＴON開始）より以前のタイミングでスイッチング素子Ｑ1がオンとなって、正極性のスイッチング電流ＩQ1がソース−ドレイン間を流れる動作となるのであるが、このようなスイッチング電流ＩQ1の動作によっては、スイッチング損失を増加させる。本実施の形態では、異常動作に対応するスイッチング電流ＩQ1の動作が生じないことで、これによるスイッチング損失の増加も無くなり、このことが、電力変換効率の向上要因の１つとなっているものである。
【００９３】
また、図２（ａ）と図２２（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２（ａ）のスイッチング電流ＩQ1の波形は、期間ＴONの終了時以前のタイミングでピークが得られる波形となっている。この図２に示されるスイッチング電流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は低減され、電力変換効率が向上することになる。
このようなスイッチング電流ＩQ1の波形は、一次側スイッチングコンバータについてＥ級スイッチング動作としたことで得られるものである。
【００９４】
そのうえで、本実施の形態の電源回路の電力変換効率特性の向上には、次のことが大きく寄与している。
ここで、本実施の形態との比較として、図２０に示した電源回路の動作を示す図２（ｂ）を参照する。この図に示す波形は、図２０に示す電源回路について、図１の電源回路により図２（ａ）に示す実験結果を得た場合と同様の負荷電力条件、交流入力電圧条件、二次側直流出力電圧Ｅoの定格レベルを設定し、図１の電源回路とほぼ同様の動作条件が得られるようにして、要部の部品の定数を選定、設定しているものである。
【００９５】
図２０の電源回路の一次側スイッチングコンバータの回路形態では、期間ＴOFFにおいて、一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスと、チョークコイルＬ10とにより形成される一次側並列共振回路が共振動作（電圧共振動作）を行うことで、図示するようにして、コンデンサ電流Ｉcrを一次側並列共振コンデンサＣｒに流すようにされる。これにより、スイッチング電圧Ｖ1としては、期間ＴOFFにおける共振パルス電圧を生じることになる。
ここで、図２０の電源回路の回路形態では、本実施の形態のようにして一次側並列共振回路において、一次巻線Ｎ1のインダクタンスＬ1は含まれない。
【００９６】
これに対して、図1に示す本実施の形態の電源回路では、一次側並列共振回路において、一次巻線Ｎ1がチョークコイル巻線Ｎ10に対して直列に接続されるようにして挿入される。このために、チョークコイル巻線Ｎ10に発生する共振パルス電圧は、一次巻線Ｎ1に重畳することとなって、一次巻線電圧Ｖ2のレベルを増加させる。実際の測定結果として、図２０の電源回路では、図２（ｂ）に示すようにして700Vpであるのに対して、図１の電源回路では、図２（ａ）に示すようにして、820Vpとなっている。なお、このピークレベルの値は正極性のときのものであるが、負極性のときにも、同様にして、図1の電源回路のほうがレベルは増加している。
【００９７】
また、図２０の電源回路の一次側の接続態様によっては、本実施の形態における第１の一次側直列共振回路（Ｎ10（Ｌ10），Ｃ11）は形成されるが、第２の一次側直列共振回路は形成されない。この場合、一次側に流れるとされる直列共振電流は、そのまま一次巻線電流Ｉ2として流れることになる。
これに対して、本実施の形態では、一次側直列共振回路として第1の一次側直列共振回路と第２の一次側直列共振回路との2組を備えることで、前述したように、一次側に流れるべき直列共振電流は、一次巻線Ｎ1とチョークコイル巻線Ｎ10とに分流して流れるようにされる。この動作は、先ず、入力電流Ｉ1の波形により示されている。例えば、図２（ｂ）に示される、図２０の電源回路の入力電流Ｉ1は、１Ａのレベル変動幅による脈流であり、また、脈流の波形としては、リニアに近い増減の変化を示している。これに対して、図２（ａ）に示される図１の電源回路の入力電流Ｉ1は、1.5Ａのレベル変動幅であり、図２（ｂ）より拡大している。また、図２（ａ）の入力電流Ｉ1は、その脈流波形が正弦波状となっている。つまり、直列共振電流がチョークコイル巻線Ｎ10に流入していることにより、入力電流Ｉ1の振幅幅が拡大し、また、その波形が、直列共振電流成分を含むことにより正弦波状となって現れている。なお、入力電流Ｉ1の平均値については、図２（ａ）と図2（ｂ）とでほぼ同等であるか、あるいは図２（ａ）のほうが小さくなっているものとみてよい。
【００９８】
本実施の形態では、上記のようにして一次巻線電圧Ｖ2のレベル（振幅）が拡大し、また、一次側直列共振電流が分流して流れることで、一次巻線電流Ｉ2が大幅に低減される。この点について、図１の電源回路に対応する図２（ａ）と、図２０の電源回路に対応する図２（ｂ）とを実際に比較してみると、図２（ｂ）が4.2Apであるのに対して図２（ａ）では3.5Apであり、0.7A低減されている。
また、これに伴って、スイッチング電流ＩQ1の電流量も低減する。このスイッチング電流ＩQ1については、図２（ａ）（ｂ）とで、共に最大ピークレベルは5.2Ａpで同等ではあるが、ターンオフ時のピークレベルについては、図２（ｂ）では4.8Apであるのに対して、図２（ａ）では4.0Apとなっており、0.8Ａ低減している。また、期間ＴOFFにおいて一次側並列共振コンデンサＣｒに流れるコンデンサ電流Ｉcrも、図１の電源回路のほうが少ない電流量となる。このようなことから、本実施の形態の電源回路では、例えば図２０の電源回路と比較して、一定の負荷条件の下での一次側に流れる電流量は全体として低減しているということがいえる。
【００９９】
図１の電源回路においても、チョークコイルＬ10に相当するチョークコイル巻線Ｎ10を備えることで、このチョークコイル巻線Ｎ10による電力損失は存在することになる。しかしながら、上記のようにして、一次側のスイッチングコンバータに流れるスイッチング周期に応じた電流量が低減することで、スイッチング素子Ｑ1におけるスイッチング損失、絶縁コンバータトランスＰＩＴにおける鉄損、銅損、一次側並列共振コンデンサにおける損失などが低減される。これらの電力損失の低下分の総計は、チョークコイル巻線Ｎ10による電力損失を大きく上回るもので、これにより、総合的には、図２０の電源回路に対して大幅な電力変換効率の向上が図られることになる。さらに、従来例として図２１に示した電源回路との比較においても、図１の電源回路のほうが、良好な電力変換効率特性が得られていることが実験で確認された。
先に説明したように、図１に示す実施の形態の電源回路のAC→DC電力変換効率（ηAC→DC）特性は、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ時ではηAC→DC＝91.9％、負荷電力Ｐｏ＝７５Ｗ時においてはηAC→DC＝94.0％であった。これに対して、図２１に示した電源回路では、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ時ではηAC→DC＝91.7％、負荷電力Ｐｏ＝７５Ｗ時においてはηAC→DC＝93.8％である。このような特性から、対応負荷電力（Ｐｏmax＝３００Ｗ〜Ｐｏmin＝０Ｗ）の範囲としてみた場合には、図１の電源回路のほうが相当に良好な電力変換効率特性を有していることが分かる。
なお、図２１の電源回路の定電圧制御特性としては、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの入力条件で、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの負荷変動に対してΔｆｓ＝20.8kHzであり、図１の電源回路との比較（Δｆｓ＝16.2kHz）では、図１の電源回路のほうが、制御範囲は縮小されている。
【０１００】
また、上記のようにして、一次側に流れるとされる電流量（主としては一次巻線電流Ｉ2）が低減することにより、例えばチョークコイル巻線Ｎ10を巻装するチョークコイルＰＣＣにおいて生じる磁束も低減する。また、本実施の形態の接続態様においては、入力電流Ｉ1がスイッチングコンバータ側に流入する経路においてチョークコイル巻線Ｎ10と一次巻線Ｎ1との直列接続回路も形成されることで、入力電流Ｉ1を直流化するためのインダクタンスは、チョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスＬ10と、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1との合成により得ることができる。このために、本実施の形態のチョークコイル巻線Ｎ10自体に必要とされるインダクタンスは、例えば図２０に示されるチョークコイル巻線Ｎ10よりも小さく設定できる。
チョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスL10の具体値としては、例えば図２０の回路では、L10＝1mHであるのに対して、図1の回路では、Ｌ10＝0.36mH（360μH）を設定できる。このインダクタンスＬ10の値は、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1に設定される値とほぼ同等とみてよい。
【０１０１】
そして、上記のようにしてチョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスL10について、これまでよりも小さい値を設定できることで、例えばチョークコイルＰＣＣを絶縁コンバータトランスＰＩＴとは独立した別個の部品として備える場合には、このチョークコイルＰＣＣの小型軽量化を図ることができる。具体的に、図２０の回路の場合には、L10＝1mHとしてのインダクタンスを得るために、EER-28のフェライトコアに対してチョークコイル巻線Ｎ10を80T(ターン)巻装して、チョークコイルＰＣＣを構成した。これに対して、図１の回路では、ER-28のフェライトコアに対してチョークコイル巻線Ｎ10を50T巻装して構成したものを採用することができる。
【０１０２】
また、チョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスＬ10が小さくなることによっては、チョークコイル巻線Ｎ10をその構造内含めた複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴを構成するときにも有利となる。複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴの構造例は、図１２〜図１７に示した。
例えば、チョークコイル巻線Ｎ10が図２０と同等の相応に大きなインダクタンスL10を有する場合において複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴを構成しようとした場合、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2のインダクタンス（Ｌ1、Ｌ2）とチョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスＬ10とのバランスによっては、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2を備える本来の絶縁コンバータトランスに必要とされるインダクタンスに応じたコアサイズ（断面積）では、チョークコイル巻線Ｎ10に必要なインダクタンスＬ10を得ることが困難となる場合があり、インダクタンスＬ10の大きさに対応させて、大きなサイズのコアを選定する必要が出てくる。あるいは、複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴの設計が難しいものとなる可能性がある。
これに対して、本実施の形態において必要とされる程度にチョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスＬ10が小さければ、上記した問題は解消されて、例えば必要最小限に小型なコアサイズで、複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴを容易に設計して製造することが可能になる。
このようにして、本実施の形態では、チョークコイル巻線Ｎ10を巻装するチョークコイルＰＣＣ、あるいは複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴについて、小型化、軽量化を促進することが容易に可能となり、また、これ伴うコストダウンも期待できることになる。
また、本実施の形態では、入力電流Ｉ1の波形は、正弦波状となっているが、これによる高周波ノイズの低減効果も得られる。
【０１０３】
図３は、第２の実施の形態の電源回路の構成例を示している。なお、この図において図２０、図１と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この図１に示す電源回路についても、チョークコイルＰＣＣとしては、チョークコイル巻線Ｎ10が巻装されている。
また、絶縁コンバータトランスＰＩＴとしても、第１の実施の形態において説明したのと同様の構造を採ることができる。つまり、チョークコイルＰＣＣとは独立したトランス部品として構成されてもよいし、図１２〜図１７に示したように、チョークコイルＰＣＣの構造を含めて一体化した複合トランス（複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴ）として構成してもよい。また、第２の実施の形態の場合にも、絶縁コンバータトランスＰＩＴ自体の一次側と二次側との結合係数ｋについては、例えば0.8以下となるｋ＝0.75程度を設定している。
【０１０４】
そのうえで、図３に示す電源回路では、一次側スイッチングコンバータについて、次のように構成している。
つまり、一次側並列共振コンデンサＣｒの一方の極を、スイッチング素子Ｑ1のドレインと一次巻線Ｎ1の巻き終わり端部との接続点に対して接続し、他方の極を、一次巻線Ｎ1の巻始め端部と一次側直列共振コンデンサＣ11の一方の極の接続点に対して接続する。一次側直列共振コンデンサＣ11の他方の極は、一次側アース電位にてスイッチング素子Ｑ1のソースと接続される。
この接続態様では、一次側並列共振コンデンサＣｒは、一次巻線Ｎ1に対して並列となる関係により接続され、また、一次側直列共振コンデンサＣ11は、上記一次側並列共振コンデンサＣｒと一次巻線Ｎ1との並列接続回路に対して直列となるようにして接続される。
【０１０５】
このような回路構成では、一次側並列共振回路として、先ず、チョークコイル巻線Ｎ10（チョークコイルＰＣＣ）のインダクタンスＬ10と、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1との直列接続により得られる合成インダクタンスと、一次側並列共振コンデンサＣｒと一次側直列共振コンデンサＣ11の直列接続回路により得られるキャパシタンスとにより第１の一次側並列共振回路が形成され、さらに、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1と一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスとにより形成される第２の並列共振回路も形成される。
また、一次側直列共振回路は、チョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスＬ10と一次側直列共振コンデンサＣ11のキャパシタンスとによって形成される第１の一次側直列共振回路と、一次側直列共振コンデンサＣ11のキャパシタンスと、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1とにより形成される第２の一次側直列共振回路とを備えることになる。
【０１０６】
この図３に示す第２の実施の形態の電源回路については、実験を行うのにあたって要部について下記のように選定した。
先ず、この場合にも、絶縁コンバータトランスとチョークコイルＰＣＣについては、それぞれ別個の部品により構成することとした。絶縁コンバータトランスＰＩＴについては、図１１に示したＥＥ字形状の構造を採用することとして、ＥＥ字形コア（ＣＲ1，ＣＲ2）についてEER-35を選定して、ギャップＧ1については1.6mm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＝55T、Ｎ2＝31Tを選定した。
また、チョークコイルＰＣＣについてはER−28を選定して、中央磁脚部分には1.2mmのギャップを形成し、インダクタンスL10＝360μHとなるようにしてチョークコイル巻線Ｎ10を巻装した。チョークコイル巻線Ｎ10は、50Tを巻装した。
上記した絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造により、絶縁コンバータトランスＰＩＴ自体における一次側と二次側との結合係数ｋについては、例えばこの場合にも、ｋ＝0.75程度の、0.8より小さいとされる値が設定される。
また、一次側並列共振コンデンサＣｒ、一次側直列共振コンデンサＣ11、及び二次側直列共振コンデンサＣ2の各キャパシタンスについては、
Ｃｒ＝3900pＦ
Ｃ11＝0.033μＦ
Ｃ2＝0.068μＦ
を選定した。
対応負荷電力は、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ、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１７５Ｖである。
【０１０７】
図３の電源回路の実験結果として、図４の波形図を挙げる。この図４では、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの条件での、スイッチング電圧Ｖ1、スイッチング電流ＩQ1、コンデンサ電流Ｉcr、入力電流Ｉ1、一次巻線電圧Ｖ2、一次巻線電流Ｉ2、二次側交番電圧Ｖ3を示している。
【０１０８】
この図４に示される動作の基本としては、先に図２の波形図に示した第１の実施の形態の電源回路の動作と同様となることから、ここでの説明は省略する。また、図４に示す第２の電源回路の動作波形が、第１の実施の形態と基本的に同様であるということは、第２の実施の形態においても、一次側並列共振回路の共振動作に応じて生じる共振パルス電圧が一次巻線Ｎ1にも重畳されて一次巻線電圧Ｖ2のレベルを増加させており、さらに、第2の一次側直列共振回路の共振動作に応じて、チョークコイル巻線Ｎ10側に対しても一次側の直列共振伝習が分流している、ということである。これにより、第２の実施の形態にあっても、一次側スイッチングコンバータに流れる電流量が低減することによる電力損失の低減効果が得られることになる。また、チョークコイル巻線Ｎ10のインダクタンスＬ10について、例えば360μH程度に小さい値を設定できることによる、チョークコイルＰＣＣ、複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴについての小型軽量化、設計容易化なども図られる。
【０１０９】
そのうえで、先にも説明したように、第２の実施の形態の電源回路は、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1と、一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスとから成る第２の一次側並列共振回路を備える。この第２の一次側並列共振回路は、スイッチング素子Ｑ1がオンの期間においてその共振動作が有効となる。そして、この第２の一次側並列共振回路が共振動作を行うことで、期間ＴONにおいても、一次側並列共振コンデンサＣｒには、図４に示すようにして正極性による正弦波成分の波形により、コンデンサ電流Ｉcrが流れる。このことは、期間ＴONにおいては、入力電流Ｉ1を元とする電流が、一次巻線Ｎ1、及びスイッチング素子Ｑ1だけでなく、一次側並列共振コンデンサＣｒにも分流して流れることを意味している。また、これに応じて、期間ＴONにおける一次巻線電圧Ｖ2は、極性から負極性に反転する波形となる。
このようにして、第２の実施の形態の電源回路としても、一次側スイッチングコンバータに流れる電流が一次側並列共振コンデンサＣｒにも分流するのに応じて、一次側に流れる総合的な電流量はさらに減少する結果が得られる。
図４に示される測定結果としては、期間ＴONにおけるコンデンサ電流Ｉcrのピークレベルが１Apで、これに対応するスイッチング電流ＩQ1のピークレベルは5.0Ａpであり、図２０の回路との比較（図２（ｂ））では0.2Ａ低減している。また、一次巻線電流Ｉ2については、正極性と負極性とでそれぞれ3.8Apとなっており、図２０の電源回路との比較では4.2Ａ低減している。この場合、一次側に流れる電流量の低減は、スイッチング電流ＩQ1のピークレベルの低下として顕著に現れているものとみることができる。
【０１１０】
このようにして、第２の実施の形態の電源回路では、先ず、第1の実施の形態と同様にして、一次巻線Ｎ1に対して共振パルス電圧を重畳する動作により、一次巻線電圧Ｖ2の振幅を拡大し、これに伴う一次側スイッチングコンバータに流れる電流の低減を図ることで、電力損失の低減を図っている。
そのうえで、さらに、スイッチング素子Ｑ1がオンのときにも、一次側スイッチングコンバータにおいて流れる電流の一部を一次側並列共振コンデンサＣｒに対して分流させるようにして流す動作が得られるようにしている。これにより、一次側スイッチングコンバータに流れる電流（スイッチング電流ＩQ1）がさらに低減されるようにして、さらなる電力損失の低減を図るようにしている。
これにより、第２の実施の形態としては、第1の実施の形態の電源回路に対して、さらに良好な電力変換効率特性が得られていることが実験で確認された。具体的には、AC→DC電力変換効率（ηAC→DC）特性は、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ時ではηAC→DC＝92.4％、負荷電力Ｐｏ＝７５Ｗ時においてはηAC→DC＝94.5％であった。また、この第２の実施の形態の電源回路の定電圧制御特性としては、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖの入力条件で、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ〜最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗの負荷変動に対してΔｆｓ＝12.9kHzとなった。
【０１１１】
また、確認のために述べておくと、図３に示す第２の実施の形態の電源回路としても、上記図４に示される波形図と、先に図１９に示した波形図との比較から分かるように、第２の実施の形態の電源回路の基本的な動作はＥ級共振形である。このことから、中間負荷時においてＺＶＳが得られなくなることの異常動作は解消され、対応負荷電力（Ｐｏ＝３００Ｗ〜０Ｗ）の全領域にわたってＺＶＳ動作が得られる。また、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次側と二次側との結合度（結合係数ｋ）について例えば一定以下としていることで、一次側と二次側との相互影響を希薄化する作用を生じる。このことも上記した以上動作を解消して、より安定したスイッチング動作が得られるようにするための一要因として挙げることができる。
また、第２の実施の形態の電源回路がＥ級動作であることで、平滑コンデンサＣｉからスイッチングコンバータに流入する入力電流Ｉ1は直流となるものであり、これによる平滑コンデンサＣｉについての汎用品の選定、及びより小さなキャパシタンスの選定が可能になる。
【０１１２】
続いて、本発明の第1及び第２の実施の形態の変形例として、二次側整流回路のバリエーションを、図５〜図８に示す。
なお、これら図５〜図８については、二次巻線Ｎ2及び二次側整流回路の構成のみが抜き出されて示されているが、図示されていない他の部分は、絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造も含めて、先に説明した実施の形態としての構成が採られればよい。つまり、チョークコイルＰＣＣと絶縁コンバータトランスＰＩＴとがそれぞれ独立した部品とされてもよいし、チョークコイルＰＣＣに巻装されるべきチョークコイル巻線Ｎ10を絶縁コンバータトランスの構造に含めた、複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴとされてもよい。
【０１１３】
先ず、図５に示す電源回路では、二次巻線Ｎ2と二次側直列共振コンデンサＣ2の直列接続回路（二次側直列共振回路）に接続される二次側整流回路として、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と、１本の平滑コンデンサＣｏから成るブリッジ全波整流回路を備える。
この場合、二次巻線Ｎ2の巻き終わり端部は、二次側直列共振コンデンサＣ2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のカソードの接続点に接続する。また、二次巻線Ｎ2の巻始め端部を、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に接続する。整流ダイオードＤo1のカソードと整流ダイオードＤo3のカソードを平滑コンデンサ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電位にて、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と接続される。
【０１１４】
上記のようにして形成される全波整流回路によっては、二次巻線Ｎ2に誘起（励起）される交番電圧の一方の半周期において、ブリッジ整流回路の整流ダイオード［Ｄo1，Ｄo4］の組が導通して、平滑コンデンサＣoに対して整流電流を充電する動作が得られる。また、二次巻線Ｎ2に誘起される交番電圧の他方の半周期においては、整流ダイオード［Ｄo2，Ｄo3］の組が導通して平滑コンデンサＣoに対して整流電流を充電する動作が得られる。
これによって平滑コンデンサＣoの両端電圧として、二次巻線Ｎ2に誘起される交番電圧のレベルの等倍に対応したレベルの二次側直流出力電圧Ｅoが生成される。
【０１１５】
図６に示す電源回路は、二次側整流回路として倍電圧全波整流回路を備える。
この場合の倍電圧全波整流回路としては、先ず、二次巻線Ｎ2について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。二次巻線Ｎ2のセンタータップは、二次側アースに接続される。
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二次側直列共振コンデンサＣ2Aを直列に接続し、二次巻線Ｎ2における二次巻線部Ｎ2B側の端部に対しては二次側直列共振コンデンサＣ2Bを直列に接続する。これにより、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Ｃ2A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Ｃ2B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。
【０１１６】
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Ｃ2A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Ｃ2B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は二次側アースに接続する。
【０１１７】
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Ｃ2A、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の倍電圧半波整流回路と、二次巻線部Ｎ2B，二次側直列共振コンデンサＣ2B、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の倍電圧半波整流回路とが形成されることになる。
第１の倍電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Ｃ2A→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の交番電圧の電位により二次側直列共振コンデンサＣ2A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Ｃ2A→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Ｃ2A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の倍電圧半波整流回路は、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Ｃ2B→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の交番電圧の電位により、二次側直列共振コンデンサＣ2B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Ｃ2B→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Ｃ2B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。
【０１１８】
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では、二次巻線部Ｎ2Bの誘起電圧と二次側直列共振コンデンサＣ2B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では、二次巻線部Ｎ2Aの誘起電圧と二次側直列共振コンデンサＣ2A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。
【０１１９】
図７に示す回路は、二次側整流回路として両波整流回路を備える。この場合の両波整流回路は、次のようにして形成されている。
先ず、二次巻線Ｎ2については、センタータップを施すことで、センタータップを境界にして二次巻線部Ｎ2A，Ｎ2Bに分割する。センタータップは二次側アースに接続する。
そのうえで、両波整流回路を形成する部品素子として、この場合には、２本の整流ダイオードＤo1，Ｄo2、及び１本の平滑コンデンサＣｏを備える。整流ダイオードＤo1のアノードを二次巻線Ｎ2における二次巻線部Ｎ2A側の端部と接続し、整流ダイオードＤo2のアノードを二次巻線Ｎ2における二次巻線部Ｎ2B側の端部と接続する。整流ダイオードＤo1，Ｄo2のカソードを共に平滑コンデンサＣｏの正極端子に接続し、平滑コンデンサＣｏの負極端子は二次側アースにて、二次巻線Ｎ2のセンタータップと接続する。
【０１２０】
このようにして形成される二次側両波整流回路では、二次巻線Ｎ2に誘起される二次巻線電圧の一方の極性の半周期に対応しては、二次巻線部ＮA→整流ダイオードＤo1→平滑コンデンサＣｏの経路で整流電流が流れて平滑コンデンサＣｏに充電を行う。また、二次巻線電圧Ｖ3の他方の極性の半周期に対応しては、二次巻線部ＮB→整流ダイオードＤo2→平滑コンデンサＣｏの経路で整流電流が流れて平滑コンデンサＣｏに充電を行う。このようにして、二次巻線電圧の正負の各半周期の期間に対応して平滑コンデンサＣｏに対して整流電流を充電する両波整流動作が行われる。これにより、平滑コンデンサＣｏの両端電圧としては、二次巻線部Ｎ2A，Ｎ2Bの誘起電圧レベルの等倍に対応するレベルの二次側直流出力電圧Ｅｏが得られる。
この図７に示す例では、二次側整流回路を両波整流回路としたことに応じて、二次側直列共振コンデンサを備えない構成を示している。なお、確認のために、これまでの説明から導かれるように、この図７及び次の図８に示すようにして、二次側直列共振回路を備えない電源回路の構成とした場合においても、本実施の形態としては、中間負荷時においてＺＶＳが得られなくなる異常動作が解消され、対応負荷電力の全領域範囲にわたって正常なスイッチング動作となる。
【０１２１】
図８に示す回路は、二次側整流回路として、二次側直列共振コンデンサＣ2が省略されたうえで、ブリッジ全波整流回路を備える。ブリッジ全波整流回路の回路構成自体は、図５と同様であることから、ここでの説明は省略する。
【０１２２】
続いて、図９、図１０により、第２の実施の形態の電源回路における一次側と二次側との電力伝達部位についての変形例を示す。なお、これらの図においては、商用交流電源ＡＣのノイズフィルタ（ＣＭＣ、ＣL、ＣL）、商用交流電源ＡＣを整流平滑化する整流平滑回路（Ｄｉ、Ｅｉ）、スイッチング素子Ｑ1、及び制御回路１，発振・ドライブ回路２の図示は省略されているが、これらは、図３に示した回路形態に準じて、図９、図１０に示す所定の回路部位と接続されるものとなる。
【０１２３】
図９に示す回路では、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2が巻装される絶縁コンバータトランスＰＩＴと、絶縁コンバータトランスＰＩＴ−１が備えられる。絶縁コンバータトランスＰＩＴには一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2が直流的に絶縁された状態で巻装され、絶縁コンバータトランスＰＩＴ−１には、所定の巻数により、一次側にチョークコイル巻線Ｎ10を巻装し、二次側に二次側重畳用巻線Ｎ13を巻装する。また、チョークコイル巻線Ｎ10と二次側重畳用巻線Ｎ13とは直流的に絶縁された状態で巻装される。
【０１２４】
チョークコイル巻線Ｎ10の巻き終わり端部は、ここでは図示していない平滑コンデンサＣｉの正極端子と接続され、チョークコイル巻線Ｎ10の巻始め端部は、一次巻線Ｎ1の巻き始め端部、一次側並列共振コンデンサＣｒの一方の極端部、及び一次側直列共振コンデンサＣ11の一方の極端部との接続点に対して接続される。
【０１２５】
二次側重畳用巻線Ｎ13の巻始め端部は二次巻線Ｎ2の巻始め端部と接続され、二次側重畳用巻線Ｎ13の巻終わり端部は二次側直列共振コンデンサＣ2の一方の極と接続される。つまり、この場合の電源回路の二次側は、二次側重畳用巻線Ｎ13と二次巻線Ｎ2の直列接続に対して、さらに直列に二次側直列共振コンデンサＣ2が接続される。そして、この二次側重畳用巻線Ｎ13と二次巻線Ｎ2による合成インダクタンスと、二次側直列共振コンデンサＣ2のキャパシタンスとにより二次側直列共振回路が形成される。そのうえで、この二次側直列共振回路の二次側直列共振コンデンサＣ2を含むようにして倍電圧半波整流回路が設けられる。
【０１２６】
このような構成では、チョークコイル巻線Ｎ10に発生する共振パルス電圧が、絶縁コンバータトランスＰＩＴ−１における磁気結合を介するようにして二次側重畳用巻線Ｎ13にも誘起され、この誘起電圧が、二次側重畳用巻線Ｎ13と直列に接続された二次巻線Ｎ2に重畳する。これにより、二次巻線Ｎ2に生じる交番電圧のレベルが増加して、二次側の整流動作に応じて流れる電流も低減させる作用を生じる。これにより、二次側における整流ダイオードその他の部品におけるスイッチング損失、導通損などが低減されて、このことが電力変換効率の向上に寄与することになる。
【０１２７】
次に、図１０に示す回路構成では、上記図９に示す構成に対して、さらに一次側重畳用巻線Ｎ3が設けられている。この一次側重畳用巻線Ｎ3は、チョークコイル巻線Ｎ10の巻き始め端部側に対して追加的に巻装されるようにして設けられている。この場合、チョークコイル巻線Ｎ10の、一次側重畳用巻線Ｎ3と接続される側の端部は、一次側並列共振コンデンサＣｒの一方の極端部と、一次側直列共振コンデンサＣ11の一方の極端部との接続点に対して接続される。一次側重畳用巻線Ｎ3のチョークコイル巻線Ｎ10と接続されない側の端部は、一次巻線Ｎ1の巻き始め端部と接続される。この場合のチョークコイル巻線Ｎ10と一次側重畳用巻線Ｎ3との結合度は例えば結合係数ｋ＝0.99程度で示され、磁気的に密結合の状態が得られる。
【０１２８】
この回路構成では、絶縁コンバータトランスＰＩＴ−１において、チョークコイル巻線Ｎ10に発生した共振パルス電圧が、一次側重畳用巻線Ｎ3に誘起され、さらに一次側重畳用巻線Ｎ3に誘起された共振パルス電圧が一次巻線電圧Ｖ2に重畳する。この結果、一次巻線電圧Ｖ2には、先ず、図１により説明したのと同様にして、一次巻線電圧のレベルの増加による一次側での電力損失の低減効果が生じる。また、これとともに、上記図９により説明した、二次側重畳用巻線Ｎ13を備えることによる二次巻線電圧レベルの増加による二次側での電力損失の低減効果を生じる。このようにして、図１０に示す回路としても、電力変換効率の向上が図られる。
また、図１０に示す回路構成を採る場合においては、チョークコイル巻線Ｎ10、一次側重畳用巻線Ｎ3、及び一次巻線Ｎ1の直列接続回路と、一次側並列共振コンデンサＣｒと一次側直列共振コンデンサＣ11の直列接続回路との並列接続に基づき、第1の一次側並列共振回路が形成されるものとしてみることができる。このことから、一次側重畳用巻線Ｎ3は、チョークコイル巻線Ｎ10を延長したものとして、本発明における第１のインダクタとして扱うことができる。
また、第２の一次側並列共振回路は、一次巻線Ｎ1と一次側重畳用巻線Ｎ3による直列接続回路と、一次側並列共振コンデンサＣｒとの並列接続に基づいて形成される。
また、第１の直列共振回路は、一次巻線Ｎ1、三次巻線Ｎ3、及び一次側直列共振コンデンサＣ11の直列接続に基づいて形成され、第２の直列共振回路は、チョークコイル巻線Ｎ10及び一次側直列共振コンデンサＣ11の直列接続に基づいて形成される。
【０１２９】
なお、図示による説明は省略するが、本実施の形態としては、少なくとも二次側において、部分電圧共振回路が形成されるようにして、部分電圧共振コンデンサを備えてもよい。二次側部分電圧共振回路は、少なくとも二次巻線Ｎ2のリーケージインダクタンスＬ2と部分電圧共振コンデンサのキャパシタンスによって形成され、二次側整流ダイオードがターンオン／ターンオフするタイミングで部分電圧共振動作を行う。この部分電圧共振動作により、二次側整流ダイオードに流れようとする電流が、二次側部分電圧共振コンデンサに流れ、整流ダイオードにおける導通損、スイッチング損失が低減される。
【０１３０】
また、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、一次側のスイッチングコンバータの細部の回路形態や、二次側整流回路の構成などは他にも考えられるものである。
また、メインスイッチング素子（及び補助スイッチング素子）については、例えばＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)、バイポーラトランジスタなど、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】
【０１３１】
【図１】本発明の第1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】第1の実施の形態としての電源回路における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３】第２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４】第２の実施の形態としての電源回路における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５】実施の形態の電源回路に対応する二次側の変形例としての構成例を示す回路図である。
【図６】実施の形態の電源回路に対応する二次側の変形例としての他の構成例を示す回路図である。
【図７】実施の形態の電源回路に対応する二次側の変形例としての他の構成例を示す回路図である。
【図８】実施の形態の電源回路に対応する二次側の変形例としての他の構成例を示す回路図である。
【図９】第２の実施の形態の電源回路に対応する変形例としての構成例を示す回路図である。
【図１０】第２の実施の形態の電源回路に対応する変形例としての他の構成例を示す回路図である。
【図１１】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１２】実施の形態の電源回路に備えられる複合絶縁コンバータトランスの構造例を示す図である。
【図１３】実施の形態の電源回路に備えられる複合絶縁コンバータトランスの他の構造例を示す図である。
【図１４】実施の形態の電源回路に備えられる複合絶縁コンバータトランスの他の構造例を示す図である。
【図１５】実施の形態の電源回路に備えられる複合絶縁コンバータトランスの他の構造例を示す図である。
【図１６】実施の形態の電源回路に備えられる複合絶縁コンバータトランスの他の構造例を示す図である。
【図１７】実施の形態の電源回路に備えられる複合絶縁コンバータトランスの他の構造例を示す図である。
【図１８】Ｅ級スイッチングコンバータの基本構成例を示す回路図である。
【図１９】図１８に示すＥ級スイッチングコンバータの動作を示す波形図である。
【図２０】図１８に示すＥ級スイッチングコンバータを適用したスイッチング電源回路の構成例を示す回路図である。
【図２１】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２２】図２１に示した電源回路の要部の動作を示す波形図である。
【図２３】図２１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の変動特性を示す図である。
【図２４】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】
【０１３２】
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・ＰＩＴ−１  絶縁コンバータトランス、Ｃ−ＰＩＴ  複合絶縁コンバータトランス、N10  チョークコイル巻線、Ｃｒ  一次側並列共振コンデンサ、Ｎ1  一次巻線、Ｎ2（Ｎ2A，Ｎ2B）  二次巻線、Ｎ3  一次側重畳用三次巻線、Ｎ13  二次側重畳用巻線、Ｃ11  一次側直列共振コンデンサ、Ｄo1，Ｄo2，Ｄo3，Ｄo4  （二次側）整流ダイオード、Ｃｏ  （二次側）平滑コンデンサ、Ｃ2  二次側直列共振コンデンサ
【図１】
2006345633.tif 000003
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
2006345633.tif 000021
【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年8月15日(2006.8.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１９】
図２４に示される必要制御範囲Δｆｓは、二次側直列共振回路の共振周波数fo2に応じた最大負荷電力Pomax時の特性曲線Ｃから、一次側並列共振回路の共振周波数fo1に応じた最小負荷電力Pomin時の特性曲線Ｂまでに至るもので、その間に、二次側直列共振回路の共振周波数fo2に応じた最小負荷Pomin時の特性曲線Ｄと、一次側並列共振回路の共振周波数fo1に応じた最大負荷電力Pomax時の特性曲線Ａをまたぐ。
このために、図２１に示す電源回路の定電圧制御動作としては、スイッチング周波数ｆｓはほぼ固定とされたうえで、１スイッチング周期における期間ＴON／ＴOFFの時比率を変化させるＰＷＭ制御の状態により、スイッチング駆動制御を行うものとなる。なお、このことは、図２２（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す最大負荷電力Ｐｏmax＝２００Ｗ時、負荷電力Ｐｏ＝１００Ｗ時、最小負荷電力Ｐｏmin＝０Ｗ時に示される１スイッチング周期（ＴOFF＋ＴOｚN）の期間長についてはほぼ一定とされたうえで、期間ＴOFF，ＴONの幅が変化していることによっても示されている。
このような動作は、電源回路における負荷変動に応じた共振インピーダンス特性として、一次側並列共振回路の共振周波数fo1の共振インピーダンス（容量性インピーダンス）が支配的となる状態と、二次側直列共振回路の共振周波数fo2（誘導性インピーダンス）が支配的となる状態との間での遷移が、狭いスイッチング周波数の可変範囲（Δｆｓ）のもとで行われることにより得られるものであるとされる。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５１】
このようにして形成される倍電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に誘起される交番電圧である二次巻線Ｎ2の両端電圧（二次巻線電圧）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、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Ｃ2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Ｃ2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、二次巻線電圧Ｖ3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、二次巻線電圧Ｖ3の電位と、上記二次側直列共振コンデンサＣ2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のみ充電が行われる。つまり、倍電圧半波としての整流動作が得られている。また、このような整流動作では、二次巻線Ｎ2と二次側直列共振コンデンサＣ2の直列接続により形成される二次側直列共振回路の共振出力について整流動作を行っているものとしてみることができる。
このようにして生成される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。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７６
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７６】
図１６に示す複合絶縁コンバータトランスＣ−ＰＩＴは、立体型コアについて、一方のコアは４本の磁脚を有するダブルコの字型コアＣＲ51のままとするが、他方のコアは、ダブルコの字型コアＣＲ52に代えて、任意の断面がコ字状となるシングルコの字型コアＣＲ60と組み合わせて形成することもできる。なお、このコア構造においても、ダブルコの字型コアＣＲ51の4本の磁脚の端面と、シングルコの字型コアＣＲ60とが対向する部位には、それぞれ、ギャップＧ60を形成するようにされる。
このコア構造において、チョークコイル巻線Ｎ10と、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2を、例えば図１５と同様のダブルコの字型コアＣＲ51の位置関係、及び巻方向の関係により巻装する。このようにしても、チョークコイル巻線Ｎ10と、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2の組とが、互いの巻き方向が直交する直交型トランスとしての構成が得られ、図１５と同様にして、チョークコイル巻線Ｎ10は、所定のインダクタンスを有すると共に、一次巻線Ｎ1及び二次巻線Ｎ2に対する磁気結合度については０とみなしてよい状態を得ることができる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００７９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００７９】
そして、図１に示した回路形態の電源回路について、後述する実験結果を得るのにあたり、要部については、下記のように選定した。
先ず、絶縁コンバータトランスとチョークコイルＰＣＣについては、それぞれ別個の部品により構成することとした。絶縁コンバータトランスＰＩＴについては、図１１に示したＥＥ字形状の構造を採用することとして、ＥＥ字形コア（ＣＲ1，ＣＲ2）についてEER-35を選定して、ギャップＧについては1.6mm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＝60T、Ｎ2＝31Tを選定した。
また、チョークコイルＰＣＣについてはER−28を選定して、中央磁脚部分には1.2mmのギャップを形成し、インダクタンスL10＝360μHとなるようにしてチョークコイル巻線Ｎ10を巻装した。チョークコイル巻線Ｎ10は、50Tを巻装した。
上記した絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造により、絶縁コンバータトランスＰＩＴ自体における一次側と二次側との結合係数ｋについては、例えばｋ＝0.75程度の、0.8より小さいとされる値が設定される。
なお、上記EER、ERのコアは、よく知られているように、製品としてのコアの型式、規格の１つであり、この型式には、EEのあることも知られている。本願においてＥ字形状、ＥＥ字形などという場合には、断面がＥ字、あるいはＥＥ字形状であることに応じて、EER、ER、EEの何れのタイプの場合についてもＥ字形状、あるいはＥＥ字形のコアであるとして扱うものとする。
また、一次側並列共振コンデンサＣｒ、一次側直列共振コンデンサＣ11、及び二次側直列共振コンデンサＣ2の各キャパシタンスについては、
Ｃｒ＝3900pＦ
Ｃ11＝0.039μＦ
Ｃ2＝0.068μＦ
を選定した。
対応負荷電力は、最大負荷電力Ｐｏmax＝３００Ｗ、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１７５Ｖとしている。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０９】
そのうえで、先にも説明したように、第２の実施の形態の電源回路は、一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1と、一次側並列共振コンデンサＣｒのキャパシタンスとから成る第２の一次側並列共振回路を備える。この第２の一次側並列共振回路は、スイッチング素子Ｑ1がオンの期間においてその共振動作が有効となる。そして、この第２の一次側並列共振回路が共振動作を行うことで、期間ＴONにおいても、一次側並列共振コンデンサＣｒには、図４に示すようにして正極性による正弦波成分の波形により、コンデンサ電流Ｉcrが流れる。このことは、期間ＴONにおいては、入力電流Ｉ1を元とする電流が、一次巻線Ｎ1、及びスイッチング素子Ｑ1だけでなく、一次側並列共振コンデンサＣｒにも分流して流れることを意味している。また、これに応じて、期間ＴONにおける一次巻線電圧Ｖ2は、正極性から負極性に反転する波形となる。
このようにして、第２の実施の形態の電源回路としても、一次側スイッチングコンバータに流れる電流が一次側並列共振コンデンサＣｒにも分流するのに応じて、一次側に流れる総合的な電流量はさらに減少する結果が得られる。
図４に示される測定結果としては、期間ＴONにおけるコンデンサ電流Ｉcrのピークレベルが１Apで、これに対応するスイッチング電流ＩQ1のピークレベルは5.0Ａpであり、図２０の回路との比較（図２（ｂ））では0.2Ａ低減している。また、一次巻線電流Ｉ2については、正極性と負極性とでそれぞれ3.8Apとなっており、図２０の電源回路との比較では4.2Ａ低減している。この場合、一次側に流れる電流量の低減は、スイッチング電流ＩQ1のピークレベルの低下として顕著に現れているものとみることができる。
【手続補正６】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２０】
このようにして形成される二次側両波整流回路では、二次巻線Ｎ2に誘起される二次巻線電圧の一方の極性の半周期に対応しては、二次巻線部Ｎ2A→整流ダイオードＤo1→平滑コンデンサＣｏの経路で整流電流が流れて平滑コンデンサＣｏに充電を行う。また、二次巻線電圧Ｖ3の他方の極性の半周期に対応しては、二次巻線部Ｎ2B→整流ダイオードＤo2→平滑コンデンサＣｏの経路で整流電流が流れて平滑コンデンサＣｏに充電を行う。このようにして、二次巻線電圧の正負の各半周期の期間に対応して平滑コンデンサＣｏに対して整流電流を充電する両波整流動作が行われる。これにより、平滑コンデンサＣｏの両端電圧としては、二次巻線部Ｎ2A，Ｎ2Bの誘起電圧レベルの等倍に対応するレベルの二次側直流出力電圧Ｅｏが得られる。
この図７に示す例では、二次側整流回路を両波整流回路としたことに応じて、二次側直列共振コンデンサを備えない構成を示している。なお、確認のために、これまでの説明から導かれるように、この図７及び次の図８に示すようにして、二次側直列共振回路を備えない電源回路の構成とした場合においても、本実施の形態としては、中間負荷時においてＺＶＳが得られなくなる異常動作が解消され、対応負荷電力の全領域範囲にわたって正常なスイッチング動作となる。
【手続補正７】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１２８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１２８】
この回路構成では、絶縁コンバータトランスＰＩＴ−１において、チョークコイル巻線Ｎ10に発生した共振パルス電圧が、一次側重畳用巻線Ｎ3に誘起され、さらに一次側重畳用巻線Ｎ3に誘起された共振パルス電圧が一次巻線電圧Ｖ2に重畳する。この結果、一次巻線電圧Ｖ2には、先ず、図１により説明したのと同様にして、一次巻線電圧のレベルの増加による一次側での電力損失の低減効果が生じる。また、これとともに、上記図９により説明した、二次側重畳用巻線Ｎ13を備えることによる二次巻線電圧レベルの増加による二次側での電力損失の低減効果を生じる。このようにして、図１０に示す回路としても、電力変換効率の向上が図られる。
また、図１０に示す回路構成を採る場合においては、チョークコイル巻線Ｎ10、一次側重畳用巻線Ｎ3、及び一次巻線Ｎ1の直列接続回路と、一次側並列共振コンデンサＣｒと一次側直列共振コンデンサＣ11の直列接続回路との並列接続に基づき、第1の一次側並列共振回路が形成されるものとしてみることができる。このことから、一次側重畳用巻線Ｎ3は、チョークコイル巻線Ｎ10を延長したものとして、本発明における第１のインダクタとして扱うことができる。
また、第２の一次側並列共振回路は、一次巻線Ｎ1と一次側重畳用巻線Ｎ3による直列接続回路と、一次側並列共振コンデンサＣｒとの並列接続に基づいて形成される。
また、第１の直列共振回路は、一次巻線Ｎ1、一次側重畳用巻線Ｎ3、及び一次側直列共振コンデンサＣ11の直列接続に基づいて形成され、第２の直列共振回路は、チョークコイル巻線Ｎ10及び一次側直列共振コンデンサＣ11の直列接続に基づいて形成される。