(57)【要約】【課題】  スイッチングレギュレータのスイッチングロスを低減する。【解決手段】  直流電源５６からの電流を流して磁気エネルギを蓄えるチョークコイルＬと、所定時比率で導通して、このチョークコイルＬに電流を流すスイッチ素子５１と、スイッチ素子５１の切断時に、チョークコイルＬに蓄えられた磁気エネルギに基づく電流をコンデンサ５４に流すダイオード５２と、制御回路５５を備えるスイッチング電源装置１０で、このチョークコイルＬは、流れる電流が大きくなるほどインダクタンスの値が大きくなるようにした。【選択図】    図４
2006320061.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源からの電流を流して磁気エネルギを蓄える、前記直流電源からの電流が大きくなるほどインダクタンスの値が大きくなるチョークコイルと、
所定時比率で導通して、前記チョークコイルに前記直流電源からの電流を流す第１のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子の切断時に、前記チョークコイルに蓄えられた前記磁気エネルギに基づく電流をコンデンサに流す第２のスイッチ素子と、
前記第１のスイッチ素子を制御する制御回路と、
を備えるスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記制御回路は、
前記コンデンサの両端の電圧が所定電圧となるように前記所定時比率を制御す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装置。
【請求項３】
前記直流電源の１側端と前記第１のスイッチ素子の１側端とが接続され、
前記第１のスイッチ素子の他側端と前記第２のスイッチの１側端および前記チョークコイルの１側端とが接続され、
前記チョークコイルの他側端と前記コンデンサの１側端とが接続され、
前記コンデンサの他側端と前記第２のスイッチ素子の他側端と前記直流電源の他側端とが接続されたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記第２のスイッチ素子がダイオードであ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装置。
【請求項５】
所定の飽和磁束密度を有する磁性材部および前記磁性材部に磁気飽和を生じさせるに十分な磁束の供給が可能なる磁束発生部を具備して形成される磁気回路と、
前記磁気回路を通過する磁束と鎖交するように巻回される巻線と、
を備えるチョークコイル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源およびこれに用いるに好適なるチョークコイルに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、スイッチング電源が広範囲に産業用途、民生用途に用いられている。スイッチング電源の１態様として、スイッチ素子とチョークコイルとコンデンサとから成るチョッパー型ＤＣ−ＤＣコンバータが、その構成の簡易さから広範囲に用いられ、特に、出力の電圧の安定化制御を行うことにより、定電圧電源として多用されている。
【０００３】
このような、チョッパー型ＤＣ−ＤＣコンバータとしては、ステップダウン形（降圧形）、ステップアップ形（昇圧形）、インバート形（昇降圧形）に類型化され、ステップダウン形は入力電圧よりも低い電圧を得る場合に、ステップアップ形は入力電圧よりも高い電圧を得る場合に、インバート形は入力電圧と逆極性の電圧を得る場合に利用されている（非特許文献１参照）。
【０００４】
図７に従来のステップダウン形のチョッパー型ＤＣ−ＤＣコンバータを用いたスイッチングレギュレータ５０の１例を示す。ステップダウン形のチョッパー型ＤＣ−ＤＣコンバータはスイッチ素子５１、ダイオード５２、チョークコイル５３、コンデンサ５４および制御回路５５を備える。
【０００５】
直流電源５６から入力される直流電力は、スイッチ素子５１がＯＮのときにチョークコイル５３に電流を流し、磁気エネルギをチョークコイル５３に蓄える。そして、スイッチ素子５１がＯＦＦのとき、ダイオード５２がＯＮとなって、このチョークコイル５３に蓄えられた磁気エネルギに応じた電流をコンデンサ５４に流し込む。スイッチ素子５１がＯＮおよびＯＦＦとなる周期を１周期として、この動作を周期的に繰り返すことによって直流電源５６からの電力をコンデンサ５４に送り込む。
【０００６】
コンデンサ５４には負荷５７が接続されており、負荷５７には電力が供給される。ここで、スイッチ素子５１のＯＮとなる時間と、１周期との比率（時比率）が大きいほどチョークコイル５３により大きな磁気エネルギを蓄えることができ、負荷５７により大きな電力を供給できる。また、一方、負荷５７で消費される電力の量が変化する場合に、時比率を制御すれば、負荷５７の両端の電圧を一定の値とすることができる。
【０００７】
上述したように、スイッチ素子５１のＯＮとＯＦＦに応じて、チョークコイル５３には電流が流れ、チョークコイル５３は、直線性（電流の値によらずインダクタンスの値は一定）を有するので、チョークコイル５３に流れる電流は、図８に示すように、スイッチ素子５１のＯＮと同時に直線的に増加し、スイッチ素子５１のＯＦＦと同時に直線的に減少するものとなる。
【０００８】
すなわち、電流のピーク値Ｉｐ（最も大きな電流値）は（数１）で表され、電流のボトム値Ｉｂ（最も小さな電流値）は（数２）で表され、その間の電流の値は直線で補間されるものとなる。ここで、Ｉｏｕｔは平均の電流値、Ｖｉｎは直流電源５６の電圧値、Ｖｏｕｔは負荷５７の電圧値、Ｔｏｎは、スイッチ素子５１がＯＮとなっている時間である。
【０００９】
［数１］
Ｉｐ＝Ｉｏｕｔ＋１／２×（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）／Ｌ×Ｔｏｎ
［数２］
Ｉｂ＝Ｉｏｕｔ−１／２×（Ｖｉｎ−Ｖｏｕｔ）／Ｌ×Ｔｏｎ
【非特許文献１】発行所  社団法人  電気学会  書名「電気工学ハンドブック（第６版）」  発売元  株式会社オーム社  ２００１年２月２０日発行  Ｐ．８５１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上述のチョッパー型ＤＣ−ＤＣコンバータは、原理的には損失がないものであるが、実際には、スイッチ素子のＯＮからＯＦＦ（切断）、ＯＦＦからＯＮへの動作切り替え時におけるスイッチング損失が、チョッパー型ＤＣ−ＤＣコンバータ損失の１要因となっている。特に近年は、装置の小型化の観点より、スイッチ素子のＯＮ−ＯＦＦの周波数を高くする方向に向かい、それに伴いスイッチ素子で生じるスイッチング損失の大きさは無視できない大きさとなっている。
【００１１】
本発明は、チョッパー型ＤＣ−ＤＣコンバータにおいて、従来、大きな損失となっていたスイッチング損失を軽減し、損失の少ないスイッチング電源を提供すると共に、このようなスイッチング電源に用いるのに好適であるスイッチング損失の軽減を図るチョークコイルを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明のスイッチング電源装置は、直流電源からの電流を流して磁気エネルギを蓄える、直流電源からの電流が大きくなるほどインダクタンスの値が大きくなるチョークコイルと、所定時比率で導通して、チョークコイルに直流電源からの電流を流す第１のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子の切断時に、チョークコイルに蓄えられた磁気エネルギに基づく電流をコンデンサに流す第２のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子を制御する制御回路と、を備え、所定時比率に応じてコンデンサの電圧が制御される。そして、チョークコイルは、流れる電流が大きくなるほどインダクタンスの値が大きくなり、第１のスイッチ素子が導通するときの電流が低減する。
【００１３】
本発明のチョークコイルは、所定の飽和磁束密度を有する磁性材部および磁性材部に磁気飽和を生じさせるに十分な磁束の供給が可能なる磁束発生部を具備して形成される磁気回路と、磁気回路を通過する磁束と鎖交するように巻回される巻線と、を備え、巻線に流れる電流の増加によって、磁気飽和が解除されインダクタンスの値が増加する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のスイッチング電源装置によれば、チョークコイルに磁気エネルギを蓄えるためのスイッチ素子がＯＮとなるときの、スイッチング損失の低減ができるので、効率の良いスイッチング電源装置の提供が可能となる。
【００１５】
本発明のチョークコイルによれば、小型のチョークコイルで大きなインダクタンスの値を得ることができるので、装置の小型化が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図１ないし図６を参照しながら具体的に説明する。
【００１７】
まず、図１に沿って本実施形態のチョークコイルＬの原理を説明する。チョークコイルは、所定の飽和磁束密度を有する磁性材部および磁性材部に磁気飽和を生じさせるに十分な磁束の供給が可能なる磁束発生部を具備して形成される磁気回路と、磁気回路を通過する磁束と鎖交するように巻回される巻線と、を備えるものであれば、その構造によらず、本実施形態において用いることができる。このようなチョークコイルは、巻線に流れる電流の増加によって、磁気飽和が解除されると共にインダクタンスの値が増加するものである。
【００１８】
チョークコイルＬは巻線Ｎと所定の磁束密度を限度として、通過する磁束の大きさに限度を有する磁性材部の１例であるコアＣと、このコアＣに磁気飽和を生じさせるに十分な磁束を供給する磁束発生部の１例である永久磁石Ｐｍとからなる。そして、コアＣと永久磁石Ｐｍとは磁気回路を形成する。永久磁石Ｐｍは、上面（図１の紙面の上方の面）がＳ極、下面（図１の紙面の下方の面）がＮ極に着磁され、永久磁石Ｐｍからは磁束が生じており、この磁束を模式的に示すと、磁束Φｃおよび磁束Φａとから成る。
【００１９】
Ｎ極から出た磁束は磁気抵抗の小さいコアＣを通過しようとするが、コアＣの断面積で定まる、コアＣ固有の最大通過可能な磁束の大きさは、磁束Φｃおよび磁束Φａのすべてを通過させるに十分ではなく磁気飽和を生じて、磁束Φｃのみが、コアＣを通過し、磁束Φａは空気中を通過して永久磁石ＰｍのＳ極性に至る。
【００２０】
このように、永久磁石Ｐｍの影響を受けたチョークコイルＬのインダクタンスの値は、磁気飽和が生じている場合には、小さいものとなり、磁気飽和が生じていない領域では大きなものとなる。図２に、チョークコイルに流れる電流に対するチョークコイルのインダクタンス値の関係を示す、従来のチョークコイルＬｏの特性を破線で示し、チョークコイルＬの特性を実線で示す。
【００２１】
従来のチョークコイルＬｏのインダクタンスの値は、チョークコイルに流れる電流の大きさによらず、一定であるが、本実施形態のチョークコイルＬのおいては、電流を流すことによって、磁気飽和が徐々に解除されるので、インダクタンスは電流の増加とともに増加をする。このとき、チョークコイルＬｏに流れる電流の方向は、永久磁石ＰｍによってコアＣ中に生じている磁束Φｃを打ち消す方向の磁束が発生するように流されている。
【００２２】
例えば、従来のチョークコイルＬｏとチョークコイルＬとで、同じコアＣを用いる場合には、チョークコイルＬは、永久磁石Ｐｍによってあらかじめ磁束Φｃ分のバイアスがかけられているので、チョークコイルＬにおいては、原理的には、従来の２倍の磁束量となる範囲までの電流をながすことができることとなる。逆の見方をすれば、従来と比べて巻線Ｎの巻数を２倍とできる。したがって、チョークコイルＬのインダクタンスの値は、従来のチョークコイルＬｏのインダクタ値の４倍とできる。
【００２３】
このような機能を有する、いくつかのチョークコイルＬの例を図３に示す。図３（ａ）は開磁路型のチョークコイルであり、図３（ｂ）は閉磁路型のチョークコイルの１例である。図３（ａ）は、上述の永久磁石ＰｍをコアＣに接着剤等で固着した構成を採用し、永久磁石Ｐｍの着磁方向は、紙面上方がＳ極、紙面下方がＮ極に着磁されている。図３（ｂ）は、コアＣと永久磁石Ｐｍとで閉磁路を形成し、永久磁石Ｐｍの着磁方向は、紙面上方がＳ極、紙面下方がＮ極に着磁されている。この閉磁路を巻回するように巻線が施されている。
【００２４】
この他、図示はしないが、コアＣと永久磁石Ｐｍとを一体のものとして形成する構成を採用することもできる。具体的構造としては、保持力の比較的に大きい磁性材料による永久磁石Ｐｍに相当する部分を構成する磁性材料と、所望の透磁率を有するコアＣに相当する部分を構成する磁性材料とを混合し、その後に、永久磁石Ｐｍに相当する部分を構成する磁性材料に着磁をして、このコアＣに相当する部分が磁気飽和を生じるような磁気回路を形成するものであっても良い。
【００２５】
図４に、このようなチョークコイルＬを用いたスイッチングレギュレータ１０を示す。このスイッチングレギュレータ１０は、第１のスイッチ素子の一実施形態としてスイッチ素子５１、第２のスイッチ素子の一実施形態としてダイオード５２、チョークコイルとして、図３（ａ）に示すチョークコイルＬ、コンデンサ５４および制御回路５５を備える。チョークコイルＬ以外は、上述の図７に示す、従来例におけると同じ構成及び同じ作用を奏するものであり、同一の符号を付して説明を省略する。
【００２６】
図５にスイッチングレギュレータ１０の各部の動作波形を模式的に示す。図５（Ａ）はスイッチ素子５１の制御信号、図５（Ｂ）はスイッチ素子５１の両端の電圧、図５（Ｃ）はダイオード５２のカソード電圧、図５（Ｄ）はスイッチ素子５１に流れる電流、図５（Ｅ）は、ダイオード５２に流れる電流、図５（Ｆ）の実線はチョークコイルＬに流れる電流、破線は従来のチョークコイルＬｏを用いたときの電流（比較例）を各々示すものである。
【００２７】
図５（Ｆ）において、負荷５７に流れる電流Ｉｏｕｔの大きさは、従来におけると、本実施形態におけると同じ大きさであるとして、チョークコイルＬに流れる電流（実線）、チョークコイルＬｏを用いたときの電流（破線）を各々示した。なお、このときの直流電源５６の電圧は１５Ｖであり、負荷５７の電圧は５Ｖである。
【００２８】
図６は、スイッチ素子５１が動作中のスイッチ素子５１の両端に加わる電圧Ｖｓおよびスイッチ素子５１を流れる電流Ｉｓを示すものである。時間Ｔｓはスイッチ素子５１がＯＦＦからＯＮになるまでの経過時間であり、この期間の、刻々の時間における電圧Ｖｓと電流Ｉｓとの積の積分値（積分期間はＴｓ）が、スイッチ素子５１がＯＮになるときのスイッチング損失となる。
【００２９】
図６から明らかなように、時間Ｔｓにおける電流Ｉｓの値が、従来に比べてより小さいので、スイッチング損失を低減できる。したがって、より、スイッチング周波数を高くすることができるので、装置の小型化が可能となる。すなわち、負荷に供給する電流Ｉｏｕｔを従来と等しくする場合には、電流Ｉｓの平均値を従来と等しくすれば良いので、電流Ｉｓのピーク付近での電流Ｉｓの増加分だけ、スイッチ素子５１がＯＮなる過程の時間である時間Ｔｓの間では、従来よりも電流Ｉｓの値は小さくできるものである。
【００３０】
なお、従来のインダクタンスＬｏを用いる場合には、インダクタンスの値を小さくして、スイッチ素子５１のＯｎ時の電流値（電流のボトム値Ｉｂ）を低減する他はなく、このようにする場合には、スイッチ素子５１がＯＮとなる時点でのスイッチング損失は低減するものの、スイッチ素子５１がＯＦＦ時の電流値（電流のピーク値Ｉｐ）は、逆に増加して、全体としてのスイッチング損失の低減は、困難であった。
【００３１】
また、図６に示すように、電流波形が従来に比べて丸まっているので、高周波ノイズの発生も少なく、不要輻射に対する対策も従来に比べて、より容易となる。
【００３２】
また、本実施形態のチョークコイルＬは、スイッチング電源に用いるのみならず、一方向の磁束のみを利用する他の実施形態においても利用可能であり、このような、チョークコイルＬを用いれば、装置の小型化が達成できる。
【００３３】
本発明のスイッチング電源装置は、直流電源からの電流を流して磁気エネルギを蓄える、直流電源からの電流が大きくなるほどインダクタンスの値が大きくなるチョークコイルと、所定時比率で導通して、チョークコイルに直流電源からの電流を流す第１のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子の切断時に、チョークコイルに蓄えられた磁気エネルギに基づく電流をコンデンサに流す第２のスイッチ素子と、第１のスイッチ素子を制御する制御回路と、を備えものであるが、実施形態に示したものは、その１形態であるステップダウン形のスイッチング電源装置に過ぎず、例えば、ステップアップ形のスイッチング電源装置、インバート型のスイッチング電源装置等の種々の変形が可能である。
【００３４】
また、本発明のチョークコイルは、所定の飽和磁束密度を有する磁性材部および磁性材部に磁気飽和を生じさせるに十分な磁束の供給が可能なる磁束発生部を具備して形成される磁気回路と、磁気回路を通過する磁束と鎖交するように巻回される巻線と、を備えるものであるが、実施形態に示したものは、その１形態に過ぎず、例えば、磁束発生部は永久磁石によって構成するのみならず、巻線に直流電流を流すことによって構成するものであっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施形態のチョークコイルの原理を示すものである。
【図２】実施形態のチョークコイルの特性を示すものである。
【図３】実施形態のチョークコイルを示すものである。
【図４】実施形態のスイッチング電源装置のブロック図を示すものである。
【図５】実施形態のスイッチング電源装置の各部波形を示すものである。
【図６】実施形態のスイッチング電源装置のスイッチ素子の電圧および電流を示すものである。
【図７】従来のスイッチング電源装置のブロック図を示すものである。
【図８】従来のスイッチング電源装置のチョークコイルに流れる電流を示すものである。
【符号の説明】
【００３６】
１０、５０  スイッチングレギュレータ、  ５１  スイッチ素子、  ５２  ダイオード、
５３  チョークコイル、  ５４  コンデンサ、  ５５  制御回路、  ５６  直流電源
５７  負荷、  Ｌ、Ｌｏ  チョークコイル、  Ｃ  コア、  Ｎ  巻線、  Ｐｍ  永久磁石
【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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