(57)【要約】【課題】  フライバック型の電源装置は、回路構成が簡単で、高電圧・小電流に適していると言われているが、トランジスタがオフの期間に、トランスに蓄積したエネルギが放出されるため、トランジスタのコレクタ電圧に大きなスパイクやリンギングが発生する。【解決手段】  エアギャップを設けない中脚に一次巻線11pおよび二次巻線11rを巻回し、エアギャップを設けた外脚の一方または両方に二次巻線11fを巻回したトランス11にする。そして、一次巻線11pに接続されたトランジスタ3がオフ時に電力を通過させるように二次巻線11rにダイオード5を接続し、トランジスタ3がオン時に電力を通過させるように二次巻線11fにダイオード12を接続し、両二次巻線の結合点と、各ダイオードの出力側の間にそれぞれキャパシタ8と13を接続する。【選択図】    図3
2006288067.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エアギャップを設けた二本の外脚、および、エアギャップを設けない中脚を有する磁心、前記中脚に巻回した一次巻線および第一の二次巻線、並びに、前記外脚の一方または両方に巻回した第二の二次巻線を有するトランスと、
前記一次巻線に接続され、当該巻線に加わる電力をスイッチングするスイッチと、
前記第一の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第一の整流器と、
前記第二の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第二の整流器と、
前記第一の整流器と、前記第一および第二の二次巻線の結合点の間に接続された第一のキャパシタと、
前記第二の整流器と、前記結合点の間に接続された第二のキャパシタとを有することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
エアギャップを設けた二本の外脚、および、エアギャップを設けない中脚を有する磁心、前記中脚に、互いに接近させて巻回した一次巻線および第一の二次巻線、並びに、前記中脚に、前記一次巻線および前記第一の二次巻線と離間させて巻回した第二の二次巻線を有するトランスと、
前記一次巻線に接続され、当該巻線に加わる電力をスイッチングするスイッチと、
前記第一の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第一の整流器と、
前記第二の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第二の整流器と、
前記第一の整流器と、前記第一および第二の二次巻線の結合点の間に接続された第一のキャパシタと、
前記第二の整流器と、前記結合点の間に接続された第二のキャパシタとを有することを特徴とする電源装置。
【請求項３】
エアギャップを設けた二本の外脚、および、エアギャップを設けない中脚を有する磁心、前記中脚に巻回した一次巻線、第一および第二の二次巻線、並びに、前記一次巻線および前記第一の二次巻線と、前記第二の二次巻線の間に配置した磁性体片を有するトランスと、
前記一次巻線に接続され、当該巻線に加わる電力をスイッチングするスイッチと、
前記第一の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第一の整流器と、
前記第二の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第二の整流器と、
前記第一の整流器と、前記第一および第二の二次巻線の結合点の間に接続された第一のキャパシタと、
前記第二の整流器と、前記結合点の間に接続された第二のキャパシタとを有することを特徴とする電源装置。
【請求項４】
前記第一の二次巻線と前記第一の整流器は、前記スイッチがオフ時に前記電力を通過させる接続関係にあることを特徴とする請求項1から請求項3の何れかに記載された電源装置。
【請求項５】
前記第二の二次巻線と前記第二の整流器は、前記スイッチがオン時に前記電力を通過させる接続関係にあることを特徴とする請求項1から請求項4の何れかに記載された電源装置。
【請求項６】
前記第二の整流器は、前記スイッチがオフ時にも前記電力を通過させることを特徴とする請求項1から請求項5の何れかに記載された電源装置。
【請求項７】
前記第一の二次巻線と前記第一の整流器が出力する電圧と、前記第二の二次巻線と前記第二の整流器が出力する電圧の和を出力電圧とすることを特徴とする請求項1から請求項6の何れかに記載された電源装置。
【請求項８】
さらに、前記出力電圧に応じて前記スイッチのスイッチング動作を制御する制御手段を有することを特徴とする請求項7に記載された電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電源装置に関し、とくに、トランスを利用して直流電力を降圧または昇圧するスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図1はフライバック型のスイッチング電源の回路例を示す図である。
【０００３】
トランジスタ3がオンの期間、電圧源1 → トランス10の一次巻線10p → トランジスタ3のコレクタ電極 → トランジスタ3のエミッタ電極  → 電圧源1の回路にコレクタ電流Ic（図2参照）が流れる。この期間、トランス10の二次巻線10sに発生する電圧は、ダイオード5の導通方向と逆向きになるので、二次巻線10sに電流は流れない。従って、トランス10はインダクタとして動作し、下式に示すエネルギEを蓄える。
E = 1/2・Lp・Ii2      …(1)
ここで、Lpはトランス10の一次インダクタンス[H]
Iiは一次巻線10pに流れる平均電流値[A]
【０００４】
トランス10に蓄積したエネルギは、トランジスタ3がオフすると、二次巻線10s→ダイオード5→負荷9→二次巻線10sの回路で放出される。フライバック型の電源装置は、回路構成が簡単で、高電圧・小電流に適していると言われている（例えば、非特許文献2の12頁）。
【０００５】
しかし、トランス10に蓄積したエネルギは、トランジスタ3がオフの期間に、二次巻線10sから放出される。このため、トランジスタ3がオフの期間、一次巻線10pは開放状態になる。そのため、トランジスタ3がオフの期間、トランス10に蓄積したエネルギにより、図2に示すように、トランジスタ3のコレクタ電圧Vcに大きなスパイクやリンギングが発生する。
【０００６】
トランジスタ3は、このスパイクやリンギングのピーク電圧と、最大許容コレクタ-エミッタ間電圧Vce(max)を考慮して選定する必要がある。通常、このピーク電圧を抑えるため、一次巻線10pに並列にスナバを接続し、スパイクやリンギングを発生するエネルギを消費する。言い換えれば、一次巻線10pが完全な開放状態にならないようにしている。
【０００７】
【非特許文献１】ＴＤＫ株式会社  スイッチング電源用トランスカタログ「003-01/20041028/j6355_srw」（http://www.tdk.co.jp/tjfx01/j6355_srw.pdf）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、スイッチのオフ時に発生する電圧のピーク値を抑えることを目的とする。
【０００９】
また、上記電圧のピーク値を抑えるために消費する電力の低減を他の目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、前記の目的を達成する一手段として、以下の構成を備える。
【００１１】
本発明にかかる電源装置は、エアギャップを設けた二本の外脚、および、エアギャップを設けない中脚を有する磁心、前記中脚に巻回した一次巻線および第一の二次巻線、並びに、前記外脚の一方または両方に巻回した第二の二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に接続され、当該巻線に加わる電力をスイッチングするスイッチと、前記第一の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第一の整流器と、前記第二の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第二の整流器と、前記第一の整流器と、前記第一および第二の二次巻線の結合点の間に接続された第一のキャパシタと、前記第二の整流器と、前記結合点の間に接続された第二のキャパシタとを有することを特徴とする。
【００１２】
また、エアギャップを設けた二本の外脚、および、エアギャップを設けない中脚を有する磁心、前記中脚に、互いに接近させて巻回した一次巻線および第一の二次巻線、並びに、前記中脚に、前記一次巻線および前記第一の二次巻線と離間させて巻回した第二の二次巻線を有するトランスと、前記一次巻線に接続され、当該巻線に加わる電力をスイッチングするスイッチと、前記第一の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第一の整流器と、前記第二の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第二の整流器と、前記第一の整流器と、前記第一および第二の二次巻線の結合点の間に接続された第一のキャパシタと、前記第二の整流器と、前記結合点の間に接続された第二のキャパシタとを有することを特徴とする。
【００１３】
また、エアギャップを設けた二本の外脚、および、エアギャップを設けない中脚を有する磁心、前記中脚に巻回した一次巻線、第一および第二の二次巻線、並びに、前記一次巻線および前記第一の二次巻線と、前記第二の二次巻線の間に配置した磁性体片を有するトランスと、前記一次巻線に接続され、当該巻線に加わる電力をスイッチングするスイッチと、前記第一の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第一の整流器と、前記第二の二次巻線に接続され、当該巻線に誘導される電力が加わる第二の整流器と、前記第一の整流器と、前記第一および第二の二次巻線の結合点の間に接続された第一のキャパシタと、前記第二の整流器と、前記結合点の間に接続された第二のキャパシタとを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
請求項1から3の発明によれば、スイッチのオフ時に発生する電圧のピーク値を抑えることができる。
【００１５】
また、上記電圧のピーク値を抑えるために消費する電力を低減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施例を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
［回路構成］
図3は実施例のスイッチング電源装置の構成例を示す回路図である。なお、図1と同様の構成には同一符号を付して、その詳細説明を省略する。また、図4〜7は、図3に示すトランス11の構成を説明する図、図8は各部の動作波形を示す図である。なお、図8に示す電圧波形は、図3にアース記号で示す基準電圧を0Vとして測定したものである。
【００１８】
［トランス］
図4〜7に示すように、トランス11は、中脚を除く外脚にエアギャップを有する、例えばEER型の磁心11cを有し、磁心11cの中脚に一次巻線11pおよび二次巻線11rを巻回する。また、図4に示すように、磁心11cの二本の外脚それぞれに、二次巻線11fの巻回数の半分を巻回し、それら巻線に発生する電圧を加算するように、二つの巻線fを直列接続して二次巻線11fにする。
【００１９】
なお、トランス11の二次巻線11fの巻回方法は図4に限らず、図5に示すように、磁心11cの一方の外脚にだけ巻回してもよい。あるいは、図6に示すように、一次巻線11pおよび二次巻線11rから充分離間して、二次巻線11fを磁心11cの中脚に巻回してもよい。
【００２０】
つまり、実施例のトランス11は、二本の外脚に設けたエアギャップにより中脚 → 外脚 → 中脚の磁路の磁気抵抗が高く、かつ、二次巻線11fに電流が流れることで、磁束は外脚を通り難くい。従って、中脚 → 外脚 → 中脚の磁路を通らず、磁心11cの巻線窓を通過する（迂回する）磁束φが生じ、二次巻線11fと他の巻線11p、11rの磁気結合は疎になる。このようなトランス11であれば、二次巻線11fの巻回方法はどのような方法でもよい。
【００２１】
例えば、図7は、磁性体11dによって積極的に磁束φの通路を巻線窓に設けた例を示している。中脚に巻回された一次巻線11p、二次巻線11rの外側、かつ、二次巻線11fの内側に磁性体11dを配置する。言い換えれば、一次巻線11pおよび二次巻線11rと、二次巻線11fの間に磁性体片11dを配置する。なお、磁性体片11dと磁心11cが完全な磁路を形成すると、一次巻線11pおよび二次巻線11rと、二次巻線11fの間の磁気結合が極端に小さくなるので、磁性体片11dは磁心11cに接しない程度の大きさにする。このような構成によれば、磁性体片11dを通過する磁束φの量が増加し、二次巻線11fと他の巻線11p、11rの磁気結合は疎になる。
【００２２】
図8、および、後述する図9に示す波形を測定したトランス11のインダクタンスを測定すると下記のとおりであった。
一次インダクタンスLp = 2.5mH
二次巻線11fの二次インダクタンスLf = 0.43mH
二次巻線11rの二次インダクタンスLr = 1.8mH
二次巻線11fを短絡時、一次インダクタンスLps = 290μH
二次巻線11rを短絡時、一次インダクタンスLps = 5μH
なお、Np = 43、Nf = 50、Nr = 38、磁心PC40EER35-Z、λg = 0.2cm
【００２３】
［動作］
図3において、トランジスタ3がオンの期間（図8のVc=0の期間）、電圧源1 → 一次巻線11p → トランジスタ3のコレクタ電極 → トランジスタ3のエミッタ電極 → 電圧源1の回路に電流Icが流れ、トランス11の磁路に磁束が蓄積する。また、一次巻線11pにはほぼ電圧源1の電圧Viが加わり、二次巻線11fには変圧比に応じた電圧Vfが誘導される。従って、二次巻線11fに電流Ifが流れ、ダイオード12を介してキャパシタ13を充電するとともに、負荷9に供給される（フォワード動作）。
【００２４】
トランジスタ3がオフになり電流Icが遮断されると、二次巻線11rに電流Irが流れ、ダイオード5を介してキャパシタ8を充電するとともに、負荷9に供給される（フライバック動作）。その際、磁路に蓄積した磁束が消滅しようとするが、二次巻線11rに電流Irが流れるため磁束の減少を妨げる。なお、巻線によりショートされていなければ、磁束は瞬時に消滅する。また、磁束が消滅しないため、この磁束が二次巻線11fを貫通し、二次巻線11fに電圧Vfを誘起する。なお、電圧Vfの起電力の向きは、一次巻線11pに電流Icが流れる時と同じになる。従って、トランジスタ3がオフ後も、二次巻線11fには一次巻線11pに電流Icが流れる時と同じ向きの電圧Vfが生じる。
【００２５】
従って、トランジスタ3がオフ時のコレクタ電圧Vc(off)は次式で表される。
Vc(off) = Vi + N11p/N11r・Vr      …(2)
ここで、N11pは一次巻線11pの巻回数
N11rは二次巻線11rの巻回数
N11fは二次巻線11fの巻回数
【００２６】
説明を容易にするため、巻線比N11p/N11r=N11p/N11f=1とすれば、次式に示すように、コレクタ電圧Vc(off)は、電圧源1の電圧Viにフライバック動作によって生じる電圧Vrを加算し、フォワード動作によって生じる電圧k・Vfを減算した電圧になる。
Vc(off) = Vi + Vr - k・Vf      …(3)
【００２７】
このように、トランジスタ3に加わる電圧は、フォワード動作分低減される。従って、スパイクやリンギングを考慮しても、その低減分、最大許容コレクタ-エミッタ間電圧Vce(max)が低いトランジスタを選定することが可能になる。あるいは、一次巻線11pに並列に接続するスナバの能力を小さいものにして、スナバで消費するエネルギ分、エネルギ変換効率を高めることができる。あるいは、少なくともスナバで消費する電力を低減することができる。
【００２８】
また、電圧源1の電圧Viが上昇すると、それに比例してフォワード動作時の電圧Vfが高くなるが、制御回路17によって出力電圧Voは一定に制御されているので、電圧Vfが高くなった分、フライバック動作時の電圧Vrは小さくなる。つまり、電圧VfおよびVrは、コレクタ電圧Vc(off)を低減する方向に変化する。
【００２９】
VfとVrの電圧の和により出力電圧Voが形成されるので、ある所望の出力電圧Voを得る場合、第一の二次巻線11r、第二の二次巻線11fの各巻回数Nr、Nfは少なくて済む。
【００３０】
図9は二次巻線11fを開放状態、つまり通常のフライバック型の回路にした場合の各部の動作波形を示す図である。
【００３１】
図9において、二次巻線11fは開放状態にあるから電流If=0である。また、上記のフォワード動作分の低減がないため、コレクタ電圧Vc(off)は、図8に比べて上昇している。
【００３２】
［制御回路］
図3において、ツェナーダイオード14、レジスタ15およびフォトカプラ16のLEDが直列接続には下式の電流Idが流れる。
Id = (Vo - Vz - Vx)/R15      …(4)
ここで、Vzはツェナーダイオード14のツェナー電圧
Vxはフォトカプラ16のLEDの順方向降下電圧
R15はレジスタ15の抵抗値
【００３３】
従って、出力電圧Voが上昇すれば電流Idは増加し、出力電圧Voが低下すれば電流Idは減少する。そして、フォトカプラ16のLEDは電流Idに応じて発光し、その光はフォトカプラ16のフォトトランジスタに受光される。フォトトランジスタのコレクタ電流は、受光する光の強さに比例する。従って、出力電圧Voの上昇は、電流Idを増加し、フォトトランジスタのコレクタ電流を増加する。このコレクタ電流の増加により、PNPトランジスタ18のコレクタ電流も増加し、制御回路17の入力電圧Vinが増加する。つまり、出力電圧Voの変動は、制御回路17の入力電圧Vinの変動になる。
【００３４】
制御回路17は、詳細は後述するが、入力電圧Vinに応じたパルス幅のパルス信号をトランジスタ3のベースに供給する。つまり、制御回路17は、出力電圧Voが低下した場合はトランジスタ3のスイッチング周期を短くし、出力電圧Voが上昇した場合はトランジスタ3のスイッチング周期を長くする制御を行う。従って、出力電圧Voは、ほぼツェナー電圧Vzによって決まる電圧値に固定される。
【００３５】
図10は制御回路17の詳細な構成例を示す回路図である。
【００３６】
図10において、無安定マルチバイブレータ171は、入力電圧Vinが低い場合は高い周波数で、入力電圧Vinが高い場合は低い周波数で発振する。微分回路172は、無安定マルチバイブレータ171が出力するパルス信号の立ち上がりに対応する微分パルスを生成する。単安定マルチバイブレータ173は、微分回路172が出力する微分パルスをトリガとして、パルス幅が一定のパルス信号を出力する。
【００３７】
つまり、制御回路17は、入力電圧Vinに応じた周期の、パルス幅一定のパルス信号を出力する。制御回路17が出力するパルス信号は、トランジスタ3のベース電極に供給され、トランジスタ3を一定の時間幅でオンするが、トランジスタ3がオンする周期は変化するため、トランジスタ3のオンデューティが変化し、出力電圧Voを制御することができる。
【００３８】
［その他］
上述した磁束φの迂回路は、磁束を積極的に迂回させて一次巻線11pと二次巻線11fの磁気結合を疎にすることで、一次巻線11pに電流が流れる時に、二次巻線11fに大電流を流さないためである。
【００３９】
トランス11の中脚にはエアギャップを設けないが、これは、一次巻線11pと二次巻線11rの磁気結合を密にして、フライバック動作時のスパイク電圧の発生を抑制するためである。
【００４０】
また、トランス11の中脚寄りに巻回する巻線は、一次巻線11pと二次巻線11rのどちらでも構わない。
【００４１】
つまり、シングル動作のDC/DCコンバータにおいて、より高出力動作をさせるとトランス11の磁心11cが磁気飽和を起こす。この磁気飽和を抑えるために、エアギャップおよび二次巻線11fの巻回方法により、(i) 一次巻線11pに電流が流れている時の磁気飽和を防ぐ、(ii) 一次巻線11pの電流遮断時は、エアギャップ自体で磁束の減少、および、二次巻線11fに電流が流れることによる磁束の減少を促進する。
【００４２】
また、図3に示すトランジスタ3は、バイポーラ型のトランジスタに限らず、モノポーラ型のトランジスタ(FET)でもよく、ゲート信号によってスイッチ動作をするデバイスであればよい。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】フライバック型のスイッチング電源の回路例を示す図
【図２】トランジスタのコレクタ電圧Vcに発生するスパイクやリンギングを示す図、
【図３】実施例のスイッチング電源装置の構成例を示す回路図、
【図４】トランスの構成を説明する図、
【図５】トランスの構成を説明する図、
【図６】トランスの構成を説明する図、
【図７】トランスの構成を説明する図、
【図８】各部の動作波形を示す図、
【図９】フライバック型の回路にした場合の各部の動作波形を示す図、
【図１０】制御回路の詳細な構成例を示す回路図である。
【図１】
2006288067.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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