(57)【要約】【課題】小型で低損失のスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】このＡＣ／ＤＣ変換回路では、交流電圧ＶＡを整流および平滑化して直流電圧ＶＤ１を生成し、トランジスタ９，１０とトランジスタ１２，１３とを交互にオンして、コンデンサ８の端子間電圧ＶＤ１をコンデンサ１１に伝達し、コンデンサ１１の端子間電圧ＶＤ２をダイオード素子１４およびインダクタ１５を用いてコンデンサ１６に伝達する。したがって、電源側と負荷側を絶縁することができ、トランスが不要となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
１対の第１のスイッチング素子と第１のコンデンサと１対の第２のスイッチング素子と電圧発生回路とを備え、
前記１対の第１のスイッチング素子はそれらの第１の電極間に第１の直流電圧を受け、
前記第１のコンデンサは前記１対の第１のスイッチング素子の第２の電極間に接続され、
前記１対の第２のスイッチング素子はそれらの第１の電極間に前記第１のコンデンサの端子間電圧を受けて前記１対の第１のスイッチング素子と交互にオンされ、
前記電圧発生回路は、前記１対の第２のスイッチング素子の第２の電極間に接続され、前記第１の直流電圧よりも低い第２の直流電圧を発生して負荷回路に与える、スイッチング電源装置。
【請求項２】
前記電圧発生回路はダイオード素子とインダクタと第２のコンデンサとを含み、
前記ダイオード素子のカソードは前記１対の第２のスイッチング素子のうちの一方の第２のスイッチング素子の第２の電極に接続され、そのアノードは他方の第２のスイッチング素子の第２の電極に接続され、
前記インダクタの一方端子は前記ダイオード素子のカソードに接続され、
前記第２のコンデンサは前記インダクタの他方端子と前記ダイオード素子のアノードとの間に接続されて前記第２の直流電圧に充電される、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
さらに、交流電圧を整流する整流回路と、
前記整流回路の出力電圧を平滑化して前記第１の直流電圧を生成する第３のコンデンサとを備え、
前記第３のコンデンサの容量値は前記第１のコンデンサの容量値よりも大きい、請求項１または請求項２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
さらに、前記第２の直流電圧が所定の電圧になるように前記第１および第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御する制御回路を備える、請求項１から請求項３までのいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記第１および第２のスイッチング素子のスイッチング周波数は３００ＫＨｚ以上である、請求項１から請求項４までのいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記第１および第２のスイッチング素子の各々は、ＳｉＣまたはＧａＮで形成されたトランジスタである、請求項１から請求項５までのいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はスイッチング電源装置に関し、特に、ＡＣ／ＤＣ変換回路のようなスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図２は、従来のＡＣ／ＤＣ変換回路の構成を示す回路図である。図２において、このＡＣ／ＤＣ変換回路は、商用交流電圧ＶＡを受ける入力端子３１，３２と、ブリッジ接続された４つのダイオード素子３３〜３６を含み、商用交流電圧ＶＡを全波整流して脈流電圧に変換する全波整流回路３７と、脈流電圧を平滑化して直流電圧ＶＤ１を生成するコンデンサ３８とを含む。
【０００３】
コンデンサ３８の端子間には、トランス３９の１次巻線３９ａとスイッチング素子であるトランジスタ４０が直列接続される。トランス３９の２次巻線３９ｂの一方端子と他方端子の間には、ダイオード素子４１、インダクタ４３およびコンデンサ４４が直列接続される。２次巻線３９ｂの他方端子とダイオード素子４１のカソードとの間には、ダイオード素子４２が接続される。
【０００４】
トランジスタ４０を所定のスイッチング周波数でオン／オフさせると、トランス３９の２次巻線３９ｂに交流電圧が発生する。ダイオード素子４１のアノードが正電圧にされているときは、ダイオード素子４１およびインダクタ４３を介してコンデンサ４４に充電電流が供給され、ダイオード素子４１のアノードが負電圧にされているときは、ダイオード素子４２およびインダクタ４３を介してコンデンサ４４に充電電流が供給される。このようにしてコンデンサ４４は直流電圧ＶＤ１よりも低い所定の直流電圧ＶＤ２に充電され、直流電圧ＶＤ２は出力端子４５，４６を介して負荷回路４７に与えられる（たとえば、非特許文献１参照）。
【非特許文献１】実用電源回路設計ハンドブック、１４８頁、ＣＱ出版社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このようなＡＣ／ＤＣ変換回路では、スイッチング素子としてシリコン製のトランジスタ４０が用いられてきたが、商用交流電圧に耐えるトランジスタのスイッチング速度は５０ｎＳ〜１００ｎＳ以上である。したがって、高周波でのスイッチングを行なうとトランジスタでの損失が大きくなるので、現状では３００ｋＨｚ程度以下の低周波でのスイッチングが一般的である。このため、インダクタ４３およびコンデンサ４４が大きくなり、回路が大型化するという問題がある。
【０００６】
しかし、最近、シリコントランジスタに代わるスイッチング素子としてＳｉＣトランジスタ、ＧａＮトランジスタなどが注目されており、これらの新トランジスタによれば数ｎＳ程度の高速スイッチングが可能である。したがって、これらの新トランジスタを使用することにより、３００ｋＨｚ以上の高速スイッチングが可能であり、インダクタ４３およびコンデンサ４４の小型化が可能となる。また、これらの新トランジスタはシリコントランジスタと比較して小さなオン抵抗値を有しており、スイッチング素子での電力損失も低減化できる。
【０００７】
他方、ＳｉＣトランジスタやＧａＮトランジスタを用いて図２の回路を構成し、スイッチング周波数を上げると、トランス３９における損失が増大する。
【０００８】
それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で低損失のスイッチング電源装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この発明に係るスイッチング電源装置は、１対の第１のスイッチング素子と第１のコンデンサと１対の第２のスイッチング素子と電圧発生回路とを備える。１対の第１のスイッチング素子は、それらの第１の電極間に第１の直流電圧を受ける。第１のコンデンサは、１対の第１のスイッチング素子の第２の電極間に接続される。１対の第２のスイッチング素子は、それらの第１の電極間に第１のコンデンサの端子間電圧を受けて１対の第１のスイッチング素子と交互にオンされる。電圧発生回路は、１対の第２のスイッチング素子の第２の電極間に接続され、第１の直流電圧よりも低い第２の直流電圧を発生して負荷回路に与える。
【００１０】
好ましくは、電圧発生回路はダイオード素子とインダクタと第２のコンデンサとを含む。ダイオード素子のカソードは１対の第２のスイッチング素子のうちの一方の第２のスイッチング素子の第２の電極に接続され、そのアノードは他方の第２のスイッチング素子の第２の電極に接続される。インダクタの一方端子は、ダイオード素子のカソードに接続される。第２のコンデンサは、インダクタの他方端子とダイオード素子のアノードとの間に接続されて第２の直流電圧に充電される。
【００１１】
また好ましくは、さらに、交流電圧を整流する整流回路と、整流回路の出力電圧を平滑化して第１の直流電圧を生成する第３のコンデンサとを備え、第３のコンデンサの容量値は第１のコンデンサの容量値よりも大きい。
【００１２】
また好ましくは、さらに、第２の直流電圧が所定の電圧になるように第１および第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御する制御回路を備える。
【００１３】
また好ましくは、第１および第２のスイッチング素子のスイッチング周波数は３００ＫＨｚ以上である。
【００１４】
また好ましくは、第１および第２のスイッチング素子の各々は、ＳｉＣまたはＧａＮで形成されたトランジスタである。
【発明の効果】
【００１５】
この発明に係るスイッチング電源装置では、１対の第１のスイッチング素子と第１のコンデンサと１対の第２のスイッチング素子と電圧発生回路とが設けられ、１対の第１のスイッチング素子はそれらの第１の電極間に第１の直流電圧を受け、第１のコンデンサは１対の第１のスイッチング素子の第２の電極間に接続され、１対の第２のスイッチング素子はそれらの第１の電極間に第１のコンデンサの端子間電圧を受けて１対の第１のスイッチング素子と交互にオンされ、電圧発生回路は、１対の第２のスイッチング素子の第２の電極間に接続され、第１の直流電圧よりも低い第２の直流電圧を発生して負荷回路に与える。したがって、第１および第２のスイッチング素子を交互にオンするので、電源側と負荷側を絶縁できる。また、スイッチング周波数などを調整することにより、第１の直流電圧と第２の直流電圧との比を調整できる。したがって、トランスをなくすことができ、スイッチング電源装置の低損失化および小型化を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
図１は、この発明の一実施の形態によるＡＣ／ＤＣ変換回路の構成を示す回路ブロック図である。図１において、このＡＣ／ＤＣ変換回路は、商用交流電圧ＶＡを受ける入力端子１，２と、ブリッジ接続された４つのダイオード素子３〜６を含み、商用交流電圧ＶＡを全波整流して脈流電圧に変換する全波整流回路７と、脈流電圧を平滑化して直流電圧ＶＤ１を生成するコンデンサ８とを含む。
【００１７】
コンデンサ８の一方端子および他方端子には、それぞれ１対のトランジスタ９，１０の第１の電極（ドレインまたはソース）が接続され、トランジスタ９，１０の第２の電極（ソースまたはドレイン）間にはコンデンサ１１が接続され、トランジスタ９，１０の第２の電極にはトランジスタ１２，１３の第１の電極（ドレインまたはソース）が接続される。トランジスタ９，１０のゲートはスイッチング信号Ｓ１を受け、トランジスタ１２，１３のゲートはスイッチング信号Ｓ２を受ける。トランジスタ９，１０，１２，１３は、ＳｉＣまたはＧａＮで形成されており、３００ＫＨｚ以上の周波数でスイッチングを行なっても電力損失は小さくて済む。
【００１８】
トランジスタ１２の第２の電極（ソースまたはドレイン）にはダイオード素子１４のカソードが接続され、トランジスタ１３の第２の電極（ソースまたはドレイン）にはダイオード素子１４のアノードが接続される。トランジスタ１２，１３の第２の電極間には、インダクタ１５およびコンデンサ１６が直列接続される。コンデンサ１６の端子間電圧ＶＤ３は、出力端子１７，１８を介して負荷回路２０に供給されるとともに、制御回路１９に与えられる。
【００１９】
制御回路１９は、３００ＫＨｚ以上のスイッチング周波数でスイッチング信号Ｓ１，Ｓ２を交互に活性化レベルにしてトランジスタ９，１０とトランジスタ１２，１３を交互にオンさせるとともに、直流電圧ＶＤ３が所定の電圧になるように、トランジスタ９，１０，１２，１３のスイッチング周波数を制御する。スイッチングは３００ＫＨｚ以上の周波数で行なわれるので、インダクタ１５およびコンデンサ１６は小さくて済む。
【００２０】
次に、このＡＣ／ＤＣ変換回路の動作について説明する。商用交流電圧ＶＡは、全波整流回路７で全波整流され、コンデンサ８で平滑化されて直流電圧ＶＤ１に変換される。トランジスタ９，１０がオンされるとともにトランジスタ１２，１３がオフされると、コンデンサ８と１１がトランジスタ９，１０を介して結合され、コンデンサ１１が直流電圧ＶＤ２（ＶＤ２≦ＶＤ１）に充電される。このとき、コンデンサ１１の容量値Ｃ１１がコンデンサ８の容量値Ｃ８以上であると、コンデンサ８の端子間電圧ＶＤ１が大きく低下し、出力電圧ＶＤ３を一定に保つことが困難となるので、Ｃ８＞Ｃ１１である必要がある。
【００２１】
次に、トランジスタ９，１０がオフされるとともにトランジスタ１２，１３がオンされると、コンデンサ１１からトランジスタ１２、インダクタ１５、コンデンサ１６、およびトランジスタ１３の経路で電流が流れ、コンデンサ１６が充電される。このときインダクタ１５に流れる電流は徐々に増加し、インダクタ１５に電磁エネルギが蓄えられる。
【００２２】
次いで、トランジスタ１２，１３がオフされるとともにトランジスタ９，１０がオンされると、インダクタ１５、コンデンサ１６およびダイオード素子１４の経路で電流が流れ、コンデンサ１６が充電される。このときインダクタ１５に流れる電流は徐々に減少し、インダクタ１５に蓄えられた電磁エネルギが放出される。また、このとき、コンデンサ１１が再度充電される。
【００２３】
制御回路１９は、コンデンサ１６の端子間電圧ＶＤ３が目標電圧よりも低い場合はトランジスタ９，１０，１２，１３のスイッチング周波数を上昇させ、コンデンサ１６の端子間電圧ＶＤ３が目標電圧よりも高い場合はトランジスタ９，１０，１２，１３のスイッチング周波数を低下させる。このようにして、コンデンサ１６の端子間電圧ＶＤ３は所望の電圧に維持される。ただし、ＶＤ３＜ＶＤ２≦ＶＤ１となる。
【００２４】
この実施の形態では、トランジスタ９，１０とトランジスタ１２，１３とを交互にオンするので、電源側と負荷側を絶縁することができる。また、コンデンサ８，１１，１６の容量値、スイッチング周波数、インダクタ１５のインダクタンスなどを調整することにより、ＶＤ１とＶＤ３の比を調整できる。したがって、図２のトランス３９を無くすことができる。
【００２５】
また、スイッチング素子としてＳｉＣトランジスタまたはＧａＮトランジスタを使用するので、３００ＫＨｚ以上の高い周波数において低損失でスイッチングを行なうことができ、インダクタ１５およびコンデンサ１６の小型化を図ることができる。したがって、回路の低損失化および小型化を実現することができる。
【００２６】
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の一実施の形態によるＡＣ／ＤＣ変換回路の構成を示す回路ブロック図である。
【図２】従来のＡＣ／ＤＣ変換回路の構成を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２８】
１，２，３１，３２  入力端子、３〜６，１４，３３〜３６，４１，４２  ダイオード素子、７，３７  全波整流回路、８，１１，１６，３８，４４  コンデンサ、９，１０，１２，１３  トランジスタ、１５，４３  インダクタ、１７，１８，４５，４６  出力端子、１９  制御回路、２０，４７  負荷回路、３９  トランス、３９ａ  １次巻線、３９ｂ  ２次巻線。
【図１】
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【図２】
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