(57)【要約】【課題】起動抵抗に常時電流が流れることによる電力の効率をより一層低減し、直流出力側に接続された負荷側に短絡などが起こることによりスイッチングトランジスタが発熱・発火することを防止することができるスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】直流入力電圧を、コンバータトランス（Ｔ１）の制御巻線（ｎ３）に生じる電圧に応じてオンオフが切り替わるスイッチング動作によって、コンバータトランス（Ｔ１）の一次巻線（ｎ１）へ供給し、二次巻線（ｎ２）側から直流出力電圧を得るスイッチング電源装置において、起動時に起動電流をスイッチングトランジスタ（Ｑ１）のベースに流して起動させる起動抵抗（Ｒ１）と、直流入力側と起動抵抗（Ｒ１）の接続をオンオフさせる接続制御回路（ＣＮ１、ＣＮ２））と、その接続制御動作のための制御パルスを発振出力する無安定マルチバイブレータ（ＡＭＶ）を設けたことを特徴とする。【選択図】図１
2015106998.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源からの交流入力電圧を整流平滑化して得られた直流入力電圧を、コンバータトランスの制御巻線に生じる電圧に応じてオンオフが切り替わるスイッチングトランジスタのスイッチング動作によって、前記コンバータトランスの一次巻線へ供給し、前記コンバータトランスのニ次巻線側から安定した直流の出力電圧を得るスイッチング電源装置において、
一端側が直流入力側に接続されるとともに、他端側が前記コンバータトランスのベースに接続され、起動時に前記直流入力側からの起動電流を前記スイッチングトランジスタのベースに流すことで前記スイッチングトランジスタを起動させる起動抵抗と、
前記直流入力側と前記起動抵抗の間に設けられ、前記直流入力側と前記起動抵抗の接続をオンオフさせる起動抵抗接続制御回路と、
一端側が前記直流入力側と接続され、他端側が前記起動抵抗接続制御回路に接続され、前記起動抵抗接続制御回路の接続制御動作のための制御パルスを発振出力する無安定マルチバイブレータを有することを特徴とするスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電源からの交流入力を直流出力に変換するスイッチング電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、パーソナルコンピュータやプリンタなどの電子機器における直流電源としてスイッチング電源装置が使用されている。
【０００３】
このようなスイッチング電源装置として、例えば図２に示すような自励式のリンギングチョークコンバータ（ＲＣＣ）方式のものが知られている。
【０００４】
このスイッチング電源装置は、商用電源ＡＣ入力端子、ブリッジダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ１、起動抵抗Ｒ１、コンバータトランスＴ１、スイッチングトランジスタＱ１、電流制限抵抗Ｒ２、整流ダイオードＤ２、平滑コンデンサＣ２を備えている。
【０００５】
商用電源ＡＣ入力端子、ブリッジダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ１は入力電圧源を構成している。コンバータトランスＴ１は、一端側がＡＣ入力端子に接続された一次巻線ｎ１、一端側が整流ダイオードＤ２を介して出力側に接続された二次巻線ｎ２、および一次巻線ｎ１の誘起電圧を正帰還させる制御巻線ｎ３を備えている。スイッチングトランジスタＱ１はコレクタがコンバータトランスＴ１の一次巻線ｎ１の他端側に接続されている。起動抵抗Ｒ１は入力電力源とスイッチングトランジスタＱ１のベースとの間に接続されている。制御巻線ｎ３の一端側は電流制限抵抗Ｒ２を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースに接続されている。平滑コンデンサＣ２は整流ダイオードＤ２の出力を平滑化する。
【０００６】
次に、上記の構成を有する従来のスイッチング電源装置の動作を説明する。
【０００７】
商用電源から交流入力が投入されることで、整流平滑化が行われ、入力電圧源から起動抵抗Ｒ１を介して起動電流がスイッチングトランジスタＱ１のベースに流れて、スイッチングトランジスタＱ１が導通方向に駆動され始める。スイッチングトランジスタＱ１が導通方向に駆動され始めると、コンバータトランスＴ１の一次巻線ｎ１が励磁されて、制御巻線ｎ３の両端間に正帰還電圧が発生する。制御巻線ｎ３の両端間に発生した正帰還電圧の極性は図中「・」で示した一端側がプラスとなり、制御巻線ｎ３の正帰還電圧は電流制限抵抗Ｒ２を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースに印加される。これにより、スイッチングトランジスタＱ１は、導通方向にますます駆動されることとなり、またこれに伴い一次巻線ｎ１の励磁電流も大きくなって、制御巻線ｎ３の両端間の正帰還電圧も増大し、その結果、スイッチングトランジスタＱ１は急速に完全な導通状態となる。
【０００８】
そして、スイッチングトランジスタＱ１が完全に導通すると、スイッチングトランジスタＱ１のコレクタ電流はコンバータトランスＴ１のインダクタンス分により直線的に増大し、スイッチングトランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間の電圧が上昇し、一次巻線ｎ１の電圧が低下するため、制御巻線ｎ３の両端間の正帰還電圧も低下する。このような動作を継続することにより、スイッチングトランジスタＱ１が非導通状態となる。
【０００９】
スイッチングトランジスタＱ１が非導通状態になると、コンバータトランスＴ１の各巻線の極性が反転して、二次巻線ｎ２から整流ダイオードＤ２を介して出力側に電流が流れ始めるが、その電流は徐々に減少して最終的にはゼロとなる。二次巻線ｎ２に電流が流れている間は、二次巻線ｎ２側の電流により、制御巻線ｎ３に二次巻線ｎ２と制御巻線ｎ３との巻数比に比例した誘起電圧が生じる。この誘起電圧はスイッチングトランジスタＱ１のベースにマイナスの電圧が印加される向きに生じるので、二次巻線ｎ２に電流が流れている間は、スイッチングトランジスタＱ１は非導通状態となる。
【００１０】
二次巻線ｎ２に流れる電流がゼロになるとコンバータトランスＴ１の各巻線に逆起電力が発生し、再び制御巻線ｎ３にスイッチングトランジスタＱ１を導通させる正帰還電圧が発生し、スイッチングトランジスタＱ１は再び導通状態となる。
【００１１】
以上の動作を繰り返し行うことにより、ニ次巻線ｎ２側の出力端子から所定の直流出力が供給される。
【００１２】
ところで、上記構成のスイッチング電源装置では、一旦動作が開始されると、起動抵抗Ｒ１から流れる起動電流は不要となるが、起動抵抗Ｒ１には常時電流が流れている。そのため、動作開始後に起動電流が起動抵抗を流れて電力を消費し、電源の効率を低減させるという問題があった。また、起動電流が常時流れているため、直流出力端子に接続された負荷側に短絡などが起こり、スイッチングトランジスタＱ１の非導通状態が長くなると、スイッチングトランジスタＱ１が非導通状態であるにもかかわらず、スイッチングトランジスタＱ１のベースにはベース電流が流れ込むことから、スイッチングトランジスタＱ１の大きな損失となり、またスイッチングトランジスタＱ１が発熱・発火するなどの可能性があった。
【００１３】
このような問題を解決するため、特許文献１においては、商用電源ＡＣ入力端子とスイッチングトランジスタのベースとの間に、起動抵抗と直列となるように、ツェナーダイオードと逆流阻止ダイオードからなる電流制限素子を設け、ＡＣ入力端子からの交流出力を部分的に出力制御し、電源の効率を向上させる提案がなされている。
【００１４】
しかしながら、この手法によれば、交流電源からの交流出力をツェナーダイオードのツェナー電圧を越えたときに、そのツェナーダイオードが導通し、その導通期間Ｔの間、起動抵抗Ｒ１を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースに起動電流が流れることになるが、その導通期間Ｔの周期は商用交流の周波数により固定されてしまう。例えば、交流の周波数を５０Ｈｚとすると、導通期間の周期は、１（ｓ）÷５０＝２０ｍｓとなってしまう。そこで、さらなる電源損失の低減が望まれていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開平２−１０６１６１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解決し、動作開始後に起動電流が起動抵抗を流れることによる電力の効率低減をより一層効果的に図ることができ、直流出力側に接続された負荷側に短絡などが起こることによりスイッチングトランジスタが発熱・発火することをより効果的に防止することができるスイッチング電源装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
本発明は、上記課題を解決するため、商用交流電源からの交流入力電圧を整流平滑化して得られた直流入力電圧を、コンバータトランスの制御巻線に生じる電圧に応じてオンオフが切り替わるスイッチングトランジスタのスイッチング動作によって、前記コンバータトランスの一次巻線へ供給し、前記コンバータトランスのニ次巻線側から安定した直流の出力電圧を得るスイッチング電源装置において、一端側が直流入力側に接続されるとともに、他端側が前記コンバータトランスのベースに接続され、起動時に前記直流入力側からの起動電流を前記スイッチングトランジスタのベースに流すことで前記スイッチングトランジスタを起動させる起動抵抗と、前記直流入力側と前記起動抵抗の間に設けられ、前記直流入力側と前記起動抵抗の接続をオンオフさせる起動抵抗接続制御回路と、一端側が前記直流入力側と接続され、他端側が前記起動抵抗接続制御回路に接続され、前記起動抵抗接続制御回路の接続制御動作のための制御パルスを発振出力する無安定マルチバイブレータを有することを特徴とするスイッチング電源装置を提供する。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、直流入力側と起動抵抗の間に起動抵抗接続制御回路を設け、無安定マルチバイブレータが発振出力する制御パルスで前記起動抵抗接続制御回路の接続動作を制御し、直流入力側と起動抵抗との接続をオンオフ制御するようにしたので、前記特許文献１の技術に比べ、動作開始後に起動電流が起動抵抗を流れることによる電力の効率低減をより一層効果的に図ることができ、直流出力側に接続された負荷側に短絡などが起こることによりスイッチングトランジスタが発熱・発火することを防止することが可能となる。
【００１９】
また、無安定マルチバイブレータの抵抗の値とコンデンサの容量を調整することにより、起動抵抗のオンオフのタイミングを適切に設定できるため、さらなる消費電力の低減が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施形態に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。
【図２】従来のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を一実施形態のスイッチング電源装置により詳細に説明する。
【００２２】
図１は、本発明の一実施形態に係る自励式のリンギングチョークコンバータ（ＲＣＣ）方式のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。図２において、図１と共通する要素には同じ符号を付してある。
【００２３】
このスイッチング電源装置は、商用電源ＡＣ入力端子、ブリッジダイオードＤ１、平滑コンデンサＣ１、起動抵抗Ｒ１、コンバータトランスＴ１、スイッチングトランジスタＱ１、電流制限抵抗Ｒ２、整流ダイオードＤ２、平滑コンデンサＣ２を備えている（以上の構成は図１と同様である）。このスイッチング電源装置は上記構成に加え、電流制限抵抗Ｒ１０、無安定マルチバイブレータＡＭＶ、接続制御回路ＣＮ１および接続制御回路ＣＮ２を備えている。無安定マルチバイブレータＡＭＶは、４つの抵抗Ｒ３〜Ｒ６、２つのコンデンサＣ３、Ｃ４および２つのトランジスタＱ２、Ｑ３から構成される。また、接続制御回路ＣＮ１は制御トランジスタＱ４と抵抗Ｒ７から構成され、接続制御回路ＣＮ２は抵抗Ｒ８、Ｒ９および制御トランジスタＱ５から構成される。接続制御回路ＣＮ１と接続制御回路ＣＮ２により起動抵抗接続制御回路が構成される。
【００２４】
商用電源ＡＣ入力端子、ブリッジダイオードＤ１および平滑コンデンサＣ１は入力電圧源を構成している。コンバータトランスＴ１は、一端側が入力電圧源に接続された一次巻線ｎ１、一端側が整流ダイオードＤ２を介して直流出力側に接続された二次巻線ｎ２、および一次巻線ｎ１の誘起電圧を正帰還させる制御巻線ｎ３を備えている。この制御巻線ｎ３に生じる電圧に応じてオンオフが切り替わるスイッチングトランジスタＱ１のスイッチング動作が行われるようになっている。スイッチングトランジスタＱ１はコレクタがコンバータトランスＴ１の一次巻線ｎ１の他端側に接続されている。入力電力源は起動抵抗Ｒ１との接続をオンオフする接続制御回路ＣＮ１を介して起動抵抗Ｒ１と接続され、スイッチングトランジスタＱ１の起動時に、起動抵抗Ｒ１の起動電流はスイッチングトランジスタＱ１のベースに流れるようになっている。制御巻線ｎ３の一端側は電流制限抵抗Ｒ２を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースに接続されている。平滑コンデンサＣ２は整流ダイオードＤ２の出力を平滑化する。また、入力電力源は、電流制限抵抗Ｒ１０を介して無安定マルチバイブレータＡＭＶの一端側に接続されている。コンバータトランスＴ１は、入力側と出力側が絶縁されるタイプのものである。一次巻線ｎ１の他端側はスイッチングダイオードＱ１のコレクタに接続されている。
【００２５】
無安定マルチバイブレータＡＭＶは、トランジスタＱ３と抵抗Ｒ３、Ｒ４とコンデンサＣ３からなりトランジスタＱ３のオフ時間を決める第１の時定数回路と、トランジスタＱ２と抵抗Ｒ５、Ｒ６とコンデンサＣ４からなりトランジスタＱ２のオフ時間を決める第２の時定数回路から構成されており、トランジスタＱ２のコレクタが無安定マルチバイブレータＡＭＶの出力端子となっている。
【００２６】
無安定マルチバイブレータＡＭＶは第１の時定数回路と第２の時定数回路で決まるオフ時間によって交互にオンオフしている。また無安定マルチバイブレータＡＭＶは第１の時定数回路と第２の時定数回路で決定される周波数およびデューティ比で発振し、トランジスタＱ２がオフのとき接続制御回路ＣＮ２の制御トランジスタＱ５はオンとなり、接続制御回路ＣＮ１の制御トランジスタＱ４もオンとなる。無安定マルチバイブレータＡＭＶのトランジスタＱ２がオンのとき接続制御回路ＣＮ２の制御トランジスタＱ５はオフとなり、接続制御回路ＣＮ１の制御トランジスタＱ４もオフとなる。
【００２７】
上記の構成の本実施形態のスイッチング電源装置では、商用電源から交流入力が投入されることで、整流平滑化が行われる。そして、平滑コンデンサＣ１に電圧が発生し抵抗Ｒ１０を通し無安定マルチバイブレータＡＭＶに電圧が印加され発振しだし、トランジスタＱ２がＯＦＦの時抵抗Ｒ１０、Ｒ３を通しトランジスタＱ５のベースに電流が流れトランジスタＱ５がＯＮとなる。トランジスタＱ５がＯＮになれば、抵抗Ｒ８を通りトランジスタＱ４にベース電流が流れトランジスタＱ４がＯＮし、入力電圧源から起動抵抗Ｒ１を介して起動電流がスイッチングトランジスタＱ１のベースに流れて、スイッチングトランジスタＱ１が導通方向に駆動され始める。スイッチングトランジスタＱ１が導通方向に駆動され始めると、コンバータトランスＴ１の一次巻線ｎ１が励磁されて、制御巻線ｎ３の両端間に正帰還電圧が発生する。制御巻線ｎ３の両端間に発生した正帰還電圧の極性は図中「・」で示した一端側がプラスとなり、制御巻線ｎ３の正帰還電圧は電流制限抵抗Ｒ２を介してスイッチングトランジスタＱ１のベースに印加される。これにより、スイッチングトランジスタＱ１は、導通方向にますます駆動されることとなり、またこれに伴い一次巻線ｎ１の励磁電流も大きくなって、制御巻線ｎ３の両端間の正帰還電圧も増大し、その結果、スイッチングトランジスタＱ１は急速に完全な導通状態となる。
【００２８】
そして、スイッチングトランジスタＱ１が完全に導通すると、スイッチングトランジスタＱ１のコレクタ電流はコンバータトランスＴ１のインダクタンス分により直線的に増大し、スイッチングトランジスタＱ１のコレクタ−エミッタ間の電圧が上昇し、一次巻線ｎ１の電圧が低下するため、制御巻線ｎ３の両端間の正帰還電圧も低下する。このような動作を継続することにより、スイッチングトランジスタＱ１が非導通状態となる。
【００２９】
スイッチングトランジスタＱ１が非導通状態になると、コンバータトランスＴ１の各巻線の極性が反転して、二次巻線ｎ２から整流ダイオードＤ２を介して出力側に電流が流れ始めるが、その電流は徐々に減少して最終的にはゼロとなる。二次巻線ｎ２に電流が流れている間は、二次巻線ｎ２側の電流により、制御巻線ｎ３に二次巻線ｎ２と制御巻線ｎ３との巻数比に比例した誘起電圧が生じる。この誘起電圧はスイッチングトランジスタＱ１のベースにマイナスの電圧が印加される向きに生じるので、二次巻線ｎ２に電流が流れている間は、スイッチングトランジスタＱ１は非導通状態となる。
【００３０】
二次巻線ｎ２に流れる電流がゼロになるとコンバータトランスＴ１の各巻線に逆起電力が発生し、再び制御巻線ｎ３にスイッチングトランジスタＱ１を導通させる正帰還電圧が発生し、スイッチングトランジスタＱ１は再び導通状態となる。
【００３１】
以上の動作を繰り返し行うことにより、ニ次巻線ｎ２側の出力端子から所定の直流出力が供給される。以上のスイッチング電源としての基本動作は、図２に示した従来例のものと同様である。
【００３２】
そして、図２に示した従来のスイッチング電源装置では、一旦動作が開始されると、起動抵抗Ｒ１から流れる起動電流は不要となるが、起動抵抗Ｒ１には常時電流が流れているため、前述のような問題があった。また、特許文献１に示すような手法を用いても、まだそれによる消費電力の低減は十分ではなく、さらに改善の余地があった。
【００３３】
そのため、本発明では、上記の無安定マルチバイブレータＡＭＶを利用して、従来の問題を解消し、消費電力の低減をより一層向上させるようにした。
【００３４】
本発明では、起動抵抗Ｒ１の起動不良を起こさないために、まず、無安定マルチバイブレータＡＭＶのトランジスタＱ２のオフ時間の設定を行う。トランジスタＱ２のオン時間が長ければ長いほど起動抵抗Ｒ１での消費電力が減るのであるが、何らかの理由でスイッチングトランジスタＱ１のスイッチング動作が停止してしまった場合には、起動時と同様にして起動抵抗Ｒ１が起動する。トランジスタＱ２のオフ時間の設定においては、このことを考慮する。例えば、トランジスタＱ２のオフ時間を１００ｍｓ、オン時間を５００ｍｓ程度に設定することができる。この場合、周期が６００ｍｓとなるので周波数は１．６７Ｈｚとなり、前記特許文献１の場合の周期２０ｍｓ、周波数５０Ｈｚに比べ、大幅に消費電力の低減を図ることが可能となる。また、トランジスタＱ２のオンオフの周波数は交流電源の周波数とは無関係に固定的ではなく適切な値に設定することができる。なお、スイッチングトランジスタＱ１による本スイッチング電源装置自体の発振周波数は２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ程度であり、無安定マルチバイブレータＡＭＶの発振周波数は上記で示した時間レベルであるので、かなり遅い周波数といえる。
【００３５】
以上の動作を繰り返し行うことにより、ニ次巻線ｎ２側の出力端子から所定の直流出力が安定して供給できることになる。そして、動作開始後は起動抵抗Ｒ１から起動電流が流れるのを無安定マルチバイブレータにより適宜のタイミングでストップさせるため、動作開始後に起動電流が起動抵抗を流れることによる電力の効率の低減を大幅になくし、直流出力側に接続された負荷側に短絡などが起こることによりスイッチングトランジスタが発熱・発火することを防止することが可能となる。また、無安定マルチバイブレータの発振周波数およびデューティ比が調整可能であることから、より効果的に電源の効率の向上を図ることが可能となる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態を自励式のリンギングチョークコンバータ方式のスイッチング電源装置に適用した場合について説明したが、本発明はこれに限定されるものでなく、他励のフライバックコンバータ方式やフォワードコンバータ方式のスイッチング電源装置にも適用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
Ｄ１    ダイオードブリッジ
Ｃ１    平滑コンデンサ
Ｔ１    コンバータトランス
Ｑ１    スイッチングトランジスタ
ｎ１    一次巻線
ｎ２    二次巻線
ｎ３    制御巻線
Ｄ２    整流ダイオード
Ｃ２    平滑コンデンサ
ＡＭＶ    無安定マルチバイブレータ
Ｑ２、Ｑ３    トランジスタ
Ｃ３、Ｃ４    コンデンサ
Ｒ３〜Ｒ６    抵抗
ＣＮ１    接続制御回路
ＣＮ２    接続制御回路
Ｑ４    制御トランジスタ
Ｑ５    制御トランジスタ
【図１】
2015106998.tif 000003
【図２】
2015106998.tif 000004