(57)【要約】【課題】回路を簡素化できしかも低損失と低ノイズを両立でき、信頼性・安定性の高いスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】共振形スイッチング電源装置において、共振によりＱ１がオンしてからＱ１の電流が再び零になるまでと同じ周期及び位相のパルスを発生する発振器Ｙ１と、共振周波数より小さい周波数でトランスＴ１の二次側出力電圧のレベルに応じてパルス幅を変化させるＰＷＭ発振器Ｙ２とを備え、スイッチ素子Ｑ１の駆動信号として、一定周期のＰＷＭパルスに含まれる共振のパルス数によってＴ１の二次側出力電圧を制御するパルス密度変調方式の制御回路を備える。【選択図】　　図１
2004080925.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスＴ１及びトランスＴ１の一次巻線に直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１に加えトランス一次巻線と直列に接続された共振用インダクタＬ１と、トランス一次巻線と並列に接続された共振用キャパシタＣ１とを備えた、共振形スイッチング電源装置において、
前記共振によりＱ１がオンしてからＱ１の電流が再び零になるまでと同じ周期及び位相のパルスを発生する発振器Ｙ１と、前記共振周波数より小さい周波数でトランスＴ１の二次側出力電圧のレベルに応じてパルス幅を変化させるＰＷＭ発振器Ｙ２とを備え、前記スイッチ素子Ｑ１の駆動信号として、一定周期のＰＷＭパルスに含まれる前記共振のパルス数によってＴ１の二次側出力電圧を制御するパルス密度変調方式の制御回路を備えたことを特徴とした共振形スイッチング電源装置。
【請求項２】
トランスＴ１及びトランスＴ１の一次巻線に直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１に加えトランス一次巻線と直列に接続された共振用インダクタＬ１と、トランス一次巻線と並列に接続された共振用キャパシタＣ１とを備えた、共振形スイッチング電源装置において、
前記スイッチング素子Ｑ１に流れる電流が零になると同時にＱ１の駆動信号をＯＦＦにする回路と、トランスＴ１の二次側出力電圧のレベルに応じて周波数を変化させる発振器Ｙ３とを備え、スイッチ素子Ｑ１の駆動信号として、Ｙ３の出力１周期に前記共振の１パルスが含まれることにより、スイッチ素子Ｑ１のオフ期間によってＴ１の二次側出力電圧を制御する、周波数変調方式の制御回路を備えたことを特徴とした共振形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】
本発明は、モータの可変速駆動や系統連系を行うインバータなどのＰＷＭ電力変換装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スイッチング電源の回路構成として、インダクタやキャパシタによりトランスの一次側電流を共振させ、電流が零の状態で主スイッチをスイッチングすることにより、主スイッチのスイッチングによるノイズ及び損失を低減する方式がある。
（１）ＰＤＭを用いた従来技術として特公平０７−０５７１００がある（以下従来例１という）。即ち、高周波高圧電源の高周波インバータと高圧トランスとの間、つまり共振回路を流れる共振電流を検出する電流検出手段と、該電流検出手段の検出電流を入力しそれと位相が対応した信号を出力するＰＬＬ（Ｐｈａｓｅ　Ｌｏｃｋｅｄ　Ｌｏｏｐ）回路と、該ＰＬＬ回路の出力信号を入力して設定長さのゼロ電圧出力期間を形成する回路と、そのゼロ電圧出力期間では共振回路が短絡状態になるように高周波インバータのスイッチング半導体素子にゲート信号を出力するゲート信号発生回路とを備えたものである。ゼロ電圧出力期間を形成する回路は、パルス密度変調（Ｐｕｌｓｅ　Ｄｅｎｓｉｔｙ　Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ）、つまりＨＩＧＨとＬＯＷの比率を変えるパルス密度変調回路（以下、ＰＤＭ回路と記す）で構成することができる。また、高周波インバータのスイッチング半導体素子としては、高速スイッチング素子である絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（ＩＧＢＴ）が好ましい。
（２）ＰＷＭを用いた従来技術として特許３０４９４２７がある（以下従来例２という）。即ち、高周波スイッチング回路として、４個の半導体スイッチング素子をＨブリッジ接続するとともに、各半導体スイッチング素子にダイオードをそれぞれ並列接続したＨブリッジスイッチング回路（インバータ）を用い、その４個の半導体スイッチング素子を一定の順序でスイッチングさせて、正負対称のパルス信号波形を出力させ、これを共振回路で共振させて高周波のサイン波形として取り出す一方、共振回路の電圧信号及び電流信号をフィードバックさせて、他励式ＰＷＭ制御により半導体スイッチング素子が零ボルトスイッチングするように制御することで、高周波出力の安定化及びスイッチングノイズの抑制を実現したものである。
すなわち、本発明の正負パルス式高周波スイッチング電源は、第１、第２、第３、第４の４個の半導体スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４を、ＳＷ１とＳＷ４を上アーム、ＳＷ２をＳＷ１に対する下アーム、ＳＷ３をＳＷ４に対する下アームとしてＨブリッジ接続するとともに、各半導体スイッチング素子にダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４をそれぞれ並列接続し、直流電圧を印加されるＨブリッジスイッチング回路と、このＨブリッジスイッチング回路から出力される正負のパルス波にて共振する共振回路と、この共振回路の電圧を検出する電圧検出手段と、その検出電圧を実効値変換する実効値変換手段と、共振回路の電流を検出する電流検出手段と、その検出電流を実効値変換する実効値変換手段と、共振周波数より高いスイッチング周波数で前記４個の半導体スイッチング素子ＳＷ１、ＳＷ２、ＳＷ３、ＳＷ４をスイッチングさせるように、これら４個の半導体スイッチング素子及びダイオードＤ２、Ｄ３を次の表１に示す▲１▼、▲２▼、▲３▼、▲４▼、▲５▼の５つのＯＮ／ＯＦＦの組み合わせ態様で順次繰り返しスイッチング動作させるＰＷＭ制御回路と、前記実効値変換手段の電圧実効値及び電流実効値を設定値と比較し、それぞれの差を選択して前記ＰＷＭ制御回路へフィードバックさせる実効値選択回路とを備える。
また、ＰＷＭを用いた他の従来技術として実開平０５−０１８２９２がある（以下従来例３という）。即ち、直流電源に接続される一次側に、トランスの一次巻線とキャパシタとで形成された共振回路と、出力制御用の第１のスイッチとを有し、二次側に、トランスの二次巻線から出力を取り出す出力回路を有する共振形のスイッチング電源において、上記二次巻線と出力回路との接続および遮断を行う第２のスイッチと、上記第１および第２のスイッチを同期してオン、オフさせる制御手段とを備える。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところが従来例１、２、３においては、どの方法を用いても共振電流、電圧を検出する検出回路やＰＬＬにおける同期回路が必要である。また、共振を発生させ、かつ出力電圧を安定化させるため、複数のスイッチが必要である。
このため、低損失と低ノイズを実現できるが、回路の小型化・低コスト化といた回路の簡素化並びに信頼性の向上化が困難であった。本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、その目的とするところは、共振電流、電圧を検出する検出回路やＰＬＬにおける同期回路を不要とし、回路を簡素化できしかも低損失と低ノイズを両立でき、信頼性・安定性の高いスイッチング電源装置を提供することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するために、請求項１記載の発明は、トランスＴ１及びトランスＴ１の一次巻線に直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１に加えトランス一次巻線と直列に接続された共振用インダクタＬ１と、トランス一次巻線と並列に接続された共振用キャパシタＣ１とを備えた共振形スイッチング電源装置において、
前記共振によりＱ１がオンしてからＱ１の電流が再び零になるまでと同じ周期及び位相のパルスを発生する発振器Ｙ１と、前記共振周波数より小さい周波数でトランスＴ１の二次側出力電圧のレベルに応じてパルス幅を変化させるＰＷＭ発振器Ｙ２とを備え、前記スイッチ素子Ｑ１の駆動信号として、一定周期のＰＷＭパルスに含まれる前記共振のパルス数によってＴ１の二次側出力電圧を制御する、パルス密度変調方式の制御回路を備えたことを特徴とする共振形スイッチング電源装置とする。
また、請求項２記載の発明は、トランスＴ１及びトランスＴ１の一次巻線に直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１に加え、トランス一次巻線と直列に接続された共振用インダクタＬ１と、トランス一次巻線と並列に接続された共振用キャパシタＣ１とを備えた共振形スイッチング電源装置において、
前記スイッチング素子Ｑ１に流れる電流が零になると同時にＱ１の駆動信号をＯＦＦにする回路と、トランスＴ１の二次側出力電圧のレベルに応じて周波数を変化させる発振器Ｙ３とを備えスイッチ素子Ｑ１の駆動信号として、Ｙ３の出力１周期に前記共振の１パルスが含まれることによりスイッチ素子Ｑ１のオフ期間によってＴ１の二次側出力電圧を制御する、周波数変調方式の制御回路を備えたことを特徴とする共振形スイッチング電源装置とする。
【０００５】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の実施例を図に基づいて説明する。図１は、本発明の実施例１における回路構成図である。
図３は、図１の回路におけるシミュレーション波形である。波形は上から順に、スイッチ素子Ｑ１のメイン電流Ｑ１の駆動信号、Ｕ１出力ＰＷＭ信号、発振器Ｙ１出力パルスとなっている。
スイッチ素子Ｑ１がオフの間にキャパシタＣ１にフライバック電圧がチャージされ、Ｑ１がオンになるとＣ１にたまった電荷がダイオードＤ２を通ってＱ１へ流れ出す。その後インダクタＬ１、トランスＴ１の一次側インダクタンス及びＣ１による共振により、Ｔ１の一次側を流れる電流が全てＣ１へ流れ込むようになり、その時Ｑ１の電流は零となる。この間にＱ１をターンオフすることにより、零電流スイッチングが可能となる。
【０００６】
Ｔ１の二次側出力電圧と基準電圧を比較器Ｕ４に入力し、その出力と発振器Ｙ２の出力とをＰＷＭ比較器Ｕ３に入力し、ＰＷＭパルス信号を発生させる。このＰＷＭパルスと前記の共振でＱ１がオンしてからＱ１の電流が再び零になるまでと同じ周期のパルスを発生する発振器Ｙ１の出力とをＤクリップフロップＵ５の出力と発振器Ｙ１の出力をＵ６に入力し、そのＡＮＤ信号によってスイッチ素子Ｑ１を駆動する。発振器Ｙ２の周波数がＹ１の周波数より小さいため、Ｕ６の出力は、図３で示すような一定周期の区間に複数のパルスが含まれる波形となる。このパルス数はＵ３のＰＷＭパルスのパルス幅によって変化し、Ｔ１の出力電圧を制御する。これにより、スイッチ素子Ｑ１は常にＱ１を流れる電流が零のときにスイッチングすることになる。
【０００７】
次に図２は、本発明の実施例２における回路構成図である。
図４は、図２の回路におけるシミュレーション波形である。波形は上から順に、スイッチ素子Ｑ１のメイン電流、Ｑ１の駆動信号、発振器Ｙ３出力パルスとなっている。
共振に関する動作は、図１と同様である。Ｔ１の二次側出力電圧と基準電圧を比較器Ｕ４に入力し、その出力を電圧制御発振器Ｙ３に入力する。Ｔ１の出力電圧によって周波数が変化するＹ３の出力が抵抗Ｒ３を通ってスイッチ素子Ｑ１を駆動する。Ｑ１を流れる電流を検出する抵抗Ｒ２、比較器Ｕ３及びトランジスタＱ２により、Ｑ１の電流が零になるとＱ１の駆動信号は０Ｖに落ち、同時にトランジスタＱ３がオンしＹ３の出力が０Ｖに落ちるまでＱ１の駆動信号を０Ｖに引っ張り続ける。このため、Ｙ３の出力周波数が変化してもスイッチ素子Ｑ１のオン期間は前記の共振でＱ１がオンしてからＱ１の電流が再び零になるまでと同じで一定であり、Ｙ３の周波数の変化によりＱ１のオフ期間を変化させ、Ｔ１の出力電圧を制御する。これにより、スイッチ素子Ｑ１は常にＱ１を流れる電流が零のときにスイッチングすることになる。
【０００８】
【発明の効果】
以上説明したように、トランスＴ１及びトランスＴ１の一次巻線に直列に接続されたスイッチング素子Ｑ１に加えトランス一次巻線と直列に接続された共振用インダクタＬ１と、トランス一次巻線と並列に接続された共振用キャパシタＣ１とを備えた、共振形スイッチング電源装置において、前記共振によりＱ１がオンしてからＱ１の電流が再び零になるまでと同じ周期及び位相のパルスを発生する発振器Ｙ１と、前記共振周波数より小さい周波数でトランスＴ１の二次側出力電圧のレベルに応じてパルス幅を変化させるＰＷＭ発振器Ｙ２とを備え、前記スイッチ素子Ｑ１の駆動信号として、一定周期のＰＷＭパルスに含まれる前記共振のパルス数によってＴ１の二次側出力電圧を制御するパルス密度変調方式の制御回路を備えたので、常に零電流スイッチングを行いながら出力電圧を制御することができ、共振電流、電圧を検出する検出回路やＰＬＬにおける同期回路を不要とし、回路を簡素化できしかも低損失と低ノイズを両立でき、信頼性・安定性の高いスイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１に係る共振形スイッチング電源装置の構成を示す回路図である。
【図２】本発明の実施例２に係る共振形スイッチング電源装置の構成を示す回路図である。
【図３】本発明の実施例１に係る共振形スイッチング電源装置の回路動作を示すシミュレーション波形である。
【図４】本発明の実施例２に係る共振形スイッチング電源装置の回路動作を示すシミュレーション波形である。
【符号の説明】
Ｔ１　トランス
Ｌ１　共振用インダク夕
Ｃ１　共振用キャパシ夕
ＶＤＣ１　トランス一次側入力電圧源
Ｃ２　二次側平滑キャパシ夕
Ｄ１、Ｄ２　逆電流防止ダイオード
Ｄ３　二次側整流ダイオード
Ｑ１　スイッチ素子
Ｒ１　スイッチ素子駆動用電流制限抵抗
Ｕ１　ＰＷＭ比較器
Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４　比較器
Ｕ５　Ｄフリップフロップ
ＶＤＣ２　二次側出力の基準電圧源
Ｙ１、Ｙ２　発振器
Ｕ６　ａｎｄ演算器
Ｒ２　電流検出抵抗
Ｒ３、Ｒ４　電流制限抵抗
Ｑ２、Ｑ３　トランジスタ
Ｙ３　電圧制御発振器
【図１】
2004080925.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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