(57)【要約】【課題】サージ電圧抑制回路で吸収したサージ電圧を熱エネルギーとして消費することなく回生させる。【解決手段】直流電源１１とリーケージインダクタンスを含むコンバータトランス１２の１次巻線１２ａと第１のスイッチングトランジスタ１４を直列に接続すると共に、１次巻線１２ａと並列にダイオード１８ａとコンデンサ１８ｂでなるサージ電圧抑制回路１８を接続し、さらにコンデンサ１８ｂに並列に回生回路１９の第２のスイッチングトランジスタ１９ａを接続する。第１のスイッチングトランジスタ１４がオフに移行した直後に発生するリーケージスパイク電圧を含むサージ電圧をコンデンサ１８ａで吸収し、第１のスイッチングトランジスタ１４がオンに移行した際に、第２のスイッチングトランジスタ１９ａをオンさせてコンデンサ１８ｂの電荷を直流電源１１側に回生させる。【選択図】      図１
2004357435.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、
前記直流電源に直列に接続された１次巻線及びこの１次巻線に電磁結合され整流回路を介して負荷に接続された２次巻線を有するコンバータトランスと、
制御手段によってオンオフ状態が制御され前記直流電源から前記コンバータトランスの１次巻線に流れる電流をスイッチングする第１のスイッチングトランジスタと、
前記コンバータトランスの１次巻線に並列に接続されるコンデンサを含み、前記スイッチングトランジスタのオン期間からオフ期間への切換え時に前記コンバータトランスに誘起するサージ電圧を前記コンデンサで蓄積するサージ電圧抑制手段と、
前記コンデンサに並列に接続され、前記第１のスイッチングトランジスタのオン状態への移行によってオンとなり前記コンデンサに蓄積されたサージ電圧に基づく電荷を前記直流電源に回生させる第２のスイッチングトランジスタを含む回生手段と、
を具備したことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記第１のスイッチングトランジスタが前記コンバータトランスの１次巻線の前記直流電源とは反対側の端に接続された第１の端子と、基準電位側に接続された第２の端子と、前記第１の端子と第２の端子間を導通させ、かつ非導通とさせるべく制御信号を受ける制御端子とを含み、前記サージ電圧抑制手段が前記コンバータトランスの１次巻線の前記直流電源側端と前記第１のスイッチングトランジスタの第１の端子間に接続された前記コンデンサとダイオードの直列回路配置でな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】
前記回生手段の第２のスイッチングトランジスタが、
前記第１のスイッチングトランジスタの第１の端子の電圧によってオンオフ制御されるものであることを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記回生手段の第２のスイッチングトランジスタが、前記サージ電圧抑制手段のコンデンサの一方の電極に接続された第１の端子と、該コンデンサの他方の電極に接続された第２の端子と、抵抗素子とダイオードを直列に介して前記第１のトランジスタの第１の端子に接続された制御端子を有するものであることを特徴とする請求項２または３に記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記回生手段の第２のスイッチングトランジスタが、前記サージ電圧抑制手段のコンデンサの一方の電極に接続された第１の端子と、該コンデンサの他方の電極に接続された第２の端子と、抵抗素子と定電圧ダイオードを直列に介して前記第１のトランジスタの第１の端子に接続された制御端子を有するものであることを特徴とする請求項２または３に記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のスイッチングトランジスタのいずれか一方または両方がバイポーラトランジスタで構成され、前記第１の端子、第２の端子および制御端子が、それぞれコレクタ、エミッタ及びベースであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載のスイッチング電源装置。
【請求項７】
前記第１及び第２のスイッチングトランジスタのいずれか一方または両方が電界効果型トランジスタで構成され、第１の端子、第２の端子および制御端子が、それぞれドレイン、ソース及びゲートであることを特徴とする請求項１乃至５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】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、直流電圧を、コンバータトランスで交流電圧に変換してから再び直流電圧に変換して電源電圧を得るスイッチング電源装置に関し、特にトランスのリーケージインダクタンスに起因して発生するスイッチング動作時のサージ電圧を的確に抑制しかつ回生させることで効率を向上させるようにしたスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、高周波インバータによるリンギングチョークコンバータ（ＲＣＣ）方式の電源回路においては、直流電圧供給源とコンバータトランスとスイッチング素子としてのトランジスタを直列に接続して、トランジスタをオンオフさせることで、コンバータトランスの２次側に交流電圧を生成せしめ、これを整流して直流電源としての電圧を得るように構成されている。
【０００３】
トランジスタのスイッチング周波数、あるいはオンオフのデューティを変更することで出力側の直流電圧を所定値に設定することが可能であり、２次側電圧を直接的に監視するかあるいは、コンバータトランスに帰還用の巻線を設けて２次側電圧を間接的に監視して、スイッチングトランジスタの動作を制御することで出力直流電圧値を安定化させている。
【０００４】
このようなスイッチング電源装置においては、コンバータトランスの１次側と２次側の磁気的結合状態が、電源装置としての性能を左右する要因の一つとなっており、磁気的結合が悪いと、２次側の電圧安定化性能が悪化するという弊害が生ずる。
さらに、磁気的結合状態が悪いと、磁気結合しきれない浮遊インダクタンス（リーケージインダクタンス）の影響を受け、スイッチングトランジスタがターンオフする際に、そのリーケージインダクタンスによってサージ電圧か発生することになる。このサージ電圧の値がスイッチングトランジスタの定格値を越えると、トランジスタを破壊してしまいもはや装置として機能しなくなる。
【０００５】
従来、そのサージ電圧を抑制してスイッチングトランジスタの破壊を防止するために、スナバ回路を設けることが行なわれる。従来のスナバ回路を備えたスイッチング電源装置の回路構成図を図６に示す。図６において、直流電源６１に対してコンバータトランス６２の１次巻線６２ａとスイッチングトランジスタ６３が直列に接続され、コンバータトランス６２の２次巻線６２ｂには、整流回路６４を介して負荷６５が接続されている。
【０００６】
スイッチングトランジスタ６３は、制御回路６６によって駆動されてスイッチング動作し、コンバータトランス６２の１次巻線６２ａに流れる電流をスイッチングして、オン期間に１次巻線６２ａに蓄積した磁気エネルギをオフ期間に２次巻線６２ｂを介して出力する。それによって２次巻線６２ｂに周期的に生成される電圧は、整流回路６４で直流化され、負荷６５に供給される。
【０００７】
制御回路６６は、例えば、コンバータトランス６２の３次巻線６２ｃから供給される周期的電圧を直流化する手段と、その直流化された電圧と所定基準電圧を比較する手段と、比較した結果得られる差に基づいて周波数が調整される発振手段を備え、発振手段によってスイッチングトランジスタを駆動するように構成されている。
【０００８】
さて、図６において、コンバータトランス６２には、１次巻線６２ａと直列接続されているように示されたリーケージインダクタンス６２ｌが存在し、このリーケージインダクタンス６２ｌに起因してサージ電圧が発生する。
図７は、リーケージインダクタンス６２ｌによって、生成されるサージ電圧を説明するための波形図であり、スイッチングトランジス６３のコレクタ電圧を示している。スイッチングトランジスタ６３がオン（期間ｔ）からオフ（期間Ｔ）に移行する過程において、急峻なピークを有するリーケージスパイク電圧７１が生成されることが示されている。リーケージスパイク電圧７１のピークが、スイッチングトランジスタ６３の定格電圧（コレクタ−エミッタ間）を超えるとスイッチングトランジスタ６３が破壊されることになる。
【０００９】
そこで、図６に示す回路においては、スナバ回路６７をスイッチングトランジスタ６３のコレクタと直流電源６１間に接続している。スナバ回路６７は、ダイオード６７ａとコンデンサ６７ｂの直列回路配置と、コンデンサ６７ｂに並列に接続された抵抗素子６７ｃでなる。
【００１０】
図７に点線で示す電圧Ｖ１は、直流電源６１の電圧であり、それよりダイオード６７ａの順方向電圧以上高い領域においてはダイオード６７ａが導通し、コンデンサ６７ｂにリーケージスパイク電圧を含むサージ電圧が蓄積される。これによって、スイッチングトランジスタ６３の破壊を防ぐことが可能となる。スイッチングトランジスタ６３がオンとなる期間ｔでは、ダイオード６７ａがオフとなり、コンデンサ６７ｂに蓄積された電圧は抵抗素子６７ｃを介して放電され、抵抗素子６７ｃの熱エネルギーとして消費される。
【００１１】
従来、以上のようなスナバ回路６７によって、コンバータトランス６２のリーケージインダクタンス６２ｌに起因するサージ電圧を抑制していたが、コンデンサ６７ｂに蓄積された電圧は熱エネルギーとして消費されるだけであり、電力効率が悪く、昨今強く要望されるようになった省エネルギーを図るという点が考慮されておらず、充分なものではなかった。
【００１２】
また、スナバ回路を用いて、サージ電圧を抑制する試みは、従前から広く行なわれているが、効率化という点で満足できるものはなかった。例えば、特許文献１には、スナバ回路の損失を低減しようとする提案がなされているが、コンデンサの充放電経路に抵抗素子が介在するため、依然として熱エネルギーとして消費される分が存在するものである。
【００１３】
【特許文献１】
特開平９−３０８２４４号公報（第４頁、図５）
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
以上のように、従来、コンバータトランスのリーケージインダクタンスに起因するサージ電圧をコンデンサに蓄積させて抑制するようにしたスナバ回路が適用されるが、吸収した電圧を熱エネルギーとして消費しているため、効率が悪く、省エネルギーという観点で改良の余地があった。
【００１５】
本発明は、以上の点に対処してなされたものであり、サージ電圧を熱エネルギーとして消費することなく、回生させることで効率を高めることを可能にしたスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明のスイッチング電源装置は、直流電源と、前記直流電源に直列に接続された１次巻線及びこの１次巻線に電磁結合され整流回路を介して負荷に接続された２次巻線を有するコンバータトランスと、制御手段によってオンオフ状態が制御され前記直流電源から前記コンバータトランスの１次巻線に流れる電流をスイッチングする第１のスイッチングトランジスタと、前記コンバータトランスの１次巻線に並列に接続されるコンデンサを含み、前記スイッチングトランジスタのオン期間からオフ期間への切換え時に前記コンバータトランスに誘起するサージ電圧を前記コンデンサに蓄積するサージ電圧抑制手段と、前記コンデンサに並列に接続され、前記第１のスイッチングトランジスタのオン状態への移行によってオンとなり前記コンデンサに蓄積されたサージ電圧に基づく電荷を前記直流電源に回生させる第２のスイッチングトランジスタを含む回生手段と、を具備したことを特徴とする。
【００１７】
本発明によれば、サージ電圧抑制手段のコンデンサにサージ電圧を蓄積し、第１のスイッチングトランジスタがオフに移行した際に、第２のスイッチングトランジスタをオンさせて、コンデンサに蓄積された電荷を直流電源に回生させるようにしたので、高効率のスイッチング電源装置を提供することができるものである。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して、本発明に係るスイッチング電源装置を詳細に説明する。図１は、本発明のスイッチング電源装置の一実施の形態を示す回路構成図である。図１において、スイッチング電源装置１０は、直流電源１１を有し、その陽極端がコンバータトランス１２の１次巻線１２ａの一端に接続され、陰極端が基準電位点であるアース点に接続されている。また、直流電源１１の陽極端と陰極端間には、コンデンサ１３が接続されている。直流電源１１は、電池で構成してもよく、あるいは商用交流電源を整流して直流電源として構成したものであってもよい。
【００１９】
コンバータトランス１２は、リーケージインダクタンスを有するものであり、図１においては、リーケージインダクタンス１２ｌが１次巻線１２ａと直列に接続された巻線として示されているが、実際には巻線は存在しない。コンバータトランス１２の１次巻線１２ａの直流電源１１とは反対側の端は（リーケージインダクタンス１２ｌを介して）第１のスイッチングトランジスタを構成する第１のＦＥＴ（ｎチャンネル電界効果トランジスタ）１４のドレインに接続され、第１のＦＥＴ１４のソースは基準電位点に接続されている。
【００２０】
さらにコンバータトランス１２の２次巻線１２ｂの両端は、整流回路１５を介して負荷１６に接続される。整流回路１５は、アノードがコンバータトランス１２の２次巻線１２ｂの一端に接続されカソードが負荷に接続されたダイオード１５ａと、一方の電極がこのダイオード１５ａのカソードに接続され、他方の電極が２次巻線１２ｂの他方端に接続されたコンデンサ１５ｂで構成されるものとして模式的に示されているが、それに限定されるものではない。
【００２１】
さらに、コンバータトランス１２には、３次巻線１２ｃが設けられており、この３次巻線１２ｃの一端は制御回路１７に接続され、他端は基準電位点に接続されている。
制御回路１７は、図６に示す回路と同様に、例えば、コンバータトランス１２の３次巻線１２ｃから供給される周期的電圧を直流化する手段と、その直流化された電圧と所定基準電圧値を比較する手段と、比較した結果得られる差に基づいて周波数が調整される発振手段を備え、発振手段によってスイッチングトランジスタを駆動するように構成されている。
【００２２】
さらに、直流電源１１の陽極端と第１のＦＥＴ１４のドレイン端子との間にサージ電圧抑制回路１８が接続されている。サージ電圧抑制回路１８は、アノードが第１のＦＥＴのドレインに接続されたダイオード１８ａと、このダイオード１８ａのカソードと直流電源１１の陽極端間に直列に接続されたコンデンサ１８ｂで構成される。
【００２３】
サージ電圧抑制回路１８のコンデンサ１８ｂに回生回路１９が接続されている。回生回路１９は、ドレイン端子とソース端子がコンデンサ１８ｂの両方の電極に接続された第２のスイッチングトランジスタとしての第２のＦＥＴ（ｐチャンネル電界効果トランジスタ）１９ａと、第２のＦＥＴ１９ａのゲート端子と第１のＦＥＴのドレイン端子との間に接続された抵抗素子１９ｂと定電圧ダイオード１９ｃの直列回路配置でなる。定電圧ダイオード１９ｃは、カソードが抵抗素子１９ｂに接続され、アノードが第１のＦＥＴ１４のドレイン端子に接続されている。
【００２４】
以上のように構成されたスイッチング電源装置１０において、第１のＦＥＴ１４は、制御回路１７から供給されるドライブ電圧によって、所定周波数でオンオフを繰返す。第１のＦＥＴ１４がオンの期間においては、直流電源１１からコンバータトランス１２の１次巻線１２ａを介して第１のＦＥＴ１４に電流が流れる。
【００２５】
第１のＦＥＴ１４がオン状態にあると、そのドレイン電圧は、図２の期間ｔに示すように、最も低い電圧となる。第１のＦＥＴ１４がオン状態からオフ状態に移行すると、図２に期間Ｔで示すように、ドレイン電圧は急激に上昇し、移行直後において、サージピーク電圧Ｓｐが生ずる。サージピーク電圧Ｓｐは、リンギング状態を呈して所定期間後に終息する減衰振動波形として生成される。
【００２６】
図２において、点線で示す電圧値Ｖ１が直流電源１１の電圧値であり、電圧Ｖ１に対してアノード−カソード間電圧だけ高い電圧で、サージ電圧抑制回路１８のダイオード１８ａが導通する。その結果、コンデンサ１８ｂにサージピーク電圧Ｓｐを含む電荷が蓄積される。この期間ｔにおいては回生回路１９の定電圧ダイオード１９ｃも順方向バイアスによりオンになるが第２のＦＥＴ１９ａはゲート端子電圧がソース端子電圧と略等しくなるためオフ状態となっている。
【００２７】
期間Ｔに移行すると、第１のＦＥＴ１４がオンとなり、そのドレイン電圧が低下するため、サージ電圧抑制回路１８のダイオード１８ａは非導通状態となり、回生回路１９の第２のＦＥＴ１９ａのソース端子電圧は、サージ電圧抑制回路１８のコンデンサ１８ｂの蓄積電荷に対応する電圧を維持する。また、回生回路１９の定電圧ダイオード１９ｃに逆方向の電圧が加わってそのカソードがツェナー電圧に対応した電圧になるため、第２のＦＥＴ１９ａがオンになり、コンデンサ１８ｂの蓄積電荷が第２のＦＥＴ１９ａのソース−ドレイン間伝送路を介して、直流電源１１に並列に接続されたコンデンサ１３に流れ、電力の回生が実現する。なお、コンデンサ１８ｂの電荷は、全てがコンデンサ１３に回生されるものではなく、一部は、第２のＦＥＴ１９ａから、コンバータトランス１９の１次巻線１２ａと第１のＦＥＴ１４を介して流れる。
【００２８】
以上のように、図１に示すスイッチング電源装置１０においては、第１のＦＥＴ１４がオフに移行した際に生ずるサージ電圧をサージ電圧抑制回路１８のコンデンサ１８ｂで吸収することで、第１のＦＥＴ１４が破壊されるのを防ぎ、さらにサージ電圧抑制回路１８のコンデンサ１８ｂに蓄積された電荷を、第１のＦＥＴ１４がオンに移行した際に、回生回路１９の第２のＦＥＴ１９ａを介して直流電源１１に並列に接続されたコンデンサ１３に回生するように動作する。このため、サージ電圧が熱エネルギーとして消費されることがなく、しかも回生されるために高効率のスイッチング電源装置を提供することができるものである。
【００２９】
図１に示すスイッチング電源装置１０においては、第１のＦＥＴ１４の制御をコンバータトランス１２の３次巻線１２ｃから得られる電圧に基づいて行なうものであるが、負荷側の電圧を監視して、第１のＦＥＴ１４の動作を制御するように構成してもよく、図３にその構成例を示す。
【００３０】
図３において、図１と同一部分に同一符号を付して詳細な説明は省略する。図３のスイッチング電源装置３０においては、負荷１６に供給される電圧を、そのまま制御回路３１に導入している。制御回路３１は、例えば、負荷１６に供給される電圧を所定の基準電圧と比較する比較手段と、比較結果に基づいて発振周波数が調整され発振出力で第１のＦＥＴ１４を駆動する発振手段を含む。
【００３１】
図３の装置３０も、図１の装置と同様に、第１のＦＥＴ１４がオンからオフに移行した直後にコンバータトランス１２のリーケージインダクタンス１２ｌによって生ずるリーケージスパイク電圧を含むサージ電圧を、第１のＦＥＴ１４がオフの期間にサージ電圧抑制回路１８のコンデンサ１８ｂに蓄積し、第１のＦＥＴ１４がオンに移行した際に、回生回路１９の第２のＦＥＴ１９ａをオンさせてコンデンサ１８ｂの蓄積電荷を直流電源１１に並列に接続されたコンデンサ１３に回生させるように動作するものである。
【００３２】
さらに、図１及び図３のスイッチング電源装置１０，３０では、第１のスイッチングトランジスタ及び第２のスイッチングトランジスタをそれぞれＦＥＴで構成したが、ＦＥＴに代えてバイポーラトランジスタを適用してもよく、バイポーラトランジスタを用いた例を図４及び図５に示す。
【００３３】
図４に示すスイッチング電源装置４０は、図１に示す装置１０に対して、ｎｐｎバイポーラ構成の第１のスイッチングトランジスタ４１とｐｎｐバイポーラ構成の第２のスイッチングトランジスタ４２が適用された点と、回生回路１９が第２のトランジスタ４２と、この第２のトランジスタ４２のベース端子と、第１のトランジスタ４１のコレクタ端子間に接続された抵抗素子４３とダイオード４４の直列回路配置で構成されている点が異なる。
【００３４】
図４に示す装置４０においても、第１のトランジスタ４１がオンからオフに移行した直後に、コンバータトランス１２のリーケージインダクタンス１２ｌによって生ずるリーケージスパイク電圧を含むサージ電圧を、第１のトランジスタ４１がオフの期間にサージ電圧抑制回路１８のコンデンサ１８ｂに蓄積し、第１のトランジスタ４１がオンに移行した際に、回生回路１９の第２のトランジスタ４２をオンさせてコンデンサ１８ｂの蓄積電荷を直流電源１１に並列に接続されたコンデンサ１３に回生させるように動作するものである。
【００３５】
すなわち、第１のトランジスタ４１がオフの期間（図２のＴ期間）には、第１のトランジスタ４１のコレクタ電圧が直流電源１１の電圧Ｖ１より高くなるため、ダイオード１８ａが導通状態になって、コンデンサ１８ｂにリーケージスパイク電圧を含むサージ電圧が蓄積される。
【００３６】
第１のトランジスタ４１がオンになると、そのコレクタ端子電圧が低下するためダイオード１８ａが非導通状態になり、第１のトランジスタ４１のエミッタ端子電圧は、コンデンサ１８ｂの蓄積電荷に対応した電圧に維持される。また、回生回路１９のダイオード４４はカソード電圧が低下するため導通状態になり、その結果第２のトランジスタ４２がオンとなり、コンデンサ１８ｂの蓄積電荷が、直流電源１１に並列に接続されたコンデンサ１３に流れ、回生されることになる。
【００３７】
また、図５に示す装置５０は、負荷１６に供給される電圧を直接的に監視して、第１のトランジスタ４１のスイッチング動作を制御するようにしたものである。制御回路５１は、図３の制御回路３１と実質的に同一の構成を有する。
なお、本発明は以上説明した実施の形態に限定されるものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で種々変形した構成を取ることが可能である。例えば図１及び図３の回路の第１及び第２のＦＥＴ１４，１９ａのいずれか一方または両方を、他の回路構成を変えずに、バイポーラトランジスタに変えることも可能であり、同様に、図４及び図５の回路において適用されているバイポーラ構成の第１及び第２のトランジスタ４１，４２のいずれか一方または両方を、他の回路構成を変えずにＦＥＴに変えることも可能である。
【００３８】
【発明の効果】
以上のように、本発明のスイッチング電源装置は、直流電源とコンバータトランスの１次巻線と第１のスイッチングトランジスタを直列に接続すると共に、コンバータトランスの１次巻線に並列にダイオードとコンデンサで構成されるサージ電圧抑制回路を接続し、さらにサージ電圧抑制回路のコンデンサに並列に第２のスイッチングトランジスタを接続するように構成した。
それによって、第１のスイッチングトランジスタがオフに移行することによって、コンバータトランスのリーケージインダクタンスに起因して発生するリーケージスパイク電圧を含むサージ電圧を、サージ電圧抑制回路のコンデンサに蓄積させ、第１のスイッチングトランジスタがオンに移行することで、第２のスイッチングトランジスタをオンさせて、サージ電圧抑制回路のコンデンサに蓄積された電荷を直流電源側に回生させるものであり、エネルギーが無駄に消費されることなく高効率のスイッチング電源装置を提供することができるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るスイッチング電源装置の一実施の形態を示す回路構成図。
【図２】図１に示すの装置の動作を説明するための波形図。
【図３】本発明に係るスイッチング電源装置の他の実施の形態を示す回路構成図。
【図４】本発明に係るスイッチング電源装置のさらに他の実施の形態を示す回路構成図。
【図５】本発明に係るスイッチング電源装置のさらに他の実施の形態を示す回路構成図。
【図６】従来のスイッチング電源装置の回路構成図。
【図７】図６に示す装置の動作を説明するための波形図。
【符号の説明】
１０，３０，４０，５０…スイッチング電源装置
１１…直流電源
１２…コンバータトランス
１３…コンデンサ
１４，４１…第１のスイッチングトランジスタ
１５…整流回路
１６…負荷
１７，３１，５１…制御回路
１８…サージ電圧抑制回路
１９…回生回路
１９ａ，４２…第２スイッチングトランジスタ
【図１】
2004357435.tif 000003
【図２】
2004357435.tif 000004
【図３】
2004357435.tif 000005
【図４】
2004357435.tif 000006
【図５】
2004357435.tif 000007
【図６】
2004357435.tif 000008
【図７】
2004357435.tif 000009