(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インダクタンスとコンデンサから決定される共振周波数で共振する共振手段と、
上記共振手段の共振動作に対応して入力電圧に応じた電流をスイッチングしてスイッチング電流を生成するスイッチング手段と、
１次巻線への上記スイッチング手段からのスイッチング電流に応じた電圧を２次巻線に出力する変圧手段と、
上記変圧手段からの出力電圧を整流して負荷に供給する整流手段とを有する共振型電源装置において、
上記共振手段のインダクタンス値およびコンデンサ容量を切り替え可能に構成し、軽負荷時に上記共振手段のインダクタンス値を増加、コンデンサ容量を減少させることを特徴とする共振型電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、共振型電源装置に関し、特に軽負荷時の高効率化を達成した共振型電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２は従来の実施形態を示す回路図である。また、図３及び図４は動作を説明するための各部の波形である。以下これらの図に従い動作を説明する。
２０１はＡＣ入力から入力フィルタを介してダイオードと平滑コンデンサにより直流に整流された直流電圧である。スイッチング電源部はハーフブリッジ構成になっており、トランス２０２の１次巻線２０２ａは２０３、２０４の２つのスイッチング素子により駆動される。また、２０５、２０６はスイッチング素子２０３、２０４のソース−ドレイン間に生成された寄生ダイオードを示している。２０７はトランス２０２において１次−２次間の結合に寄与しないリーケージインダクタンスを示しており、２０８は１次巻線２０２ａあるいはリーケージインダクタンス２０７と共振動作を行う共振コンデンサを示している。スイッチング素子２０４の両端に取り付けられたコンデンサ２０９は電圧共振用のコンデンサを示している。トランス２０２の２次巻線２０２ｂはセンター部をグラウンドに接続され、巻き方向に対して極性の異なる両端部には整流用ダイオード２１０、２１１のアノード側が接続され、カソード側は共通に接続された後、整流用コンデンサ２１２に接続され、出力電圧２１３が出力される。
通常時の動作について説明する。
【０００３】
まず、寄生ダイオード２０５に電流が流れている間にスイッチング素子２０３がターンオンする。スイッチング素子２０３がターンオンするとリーケージインダクタンス２０７と共振コンデンサ２０８とが共振動作を行い、共振電流Ｉｒが流れる。このときは２次側にエネルギーが供給されるため、トランスの１次巻線２０２ａは共振動作に寄与しない。２次側に供給される電力はこの共振電流Ｉｒとトランス２０２の励磁電流Ｉｌｐとの差の電流がトランス２０２の巻き線に比例して２次巻線２０２ｂより整流用ダイオード２１０を介して、整流コンデンサ２１２に流れ、出力される。共振動作が進行し、共振電流Ｉｒとトランス２０２の励磁電流Ｉｌｐとが等しくなると２次側への電力の伝達は終了し、リーケージインダクタンス２０７、１次巻線２０２ａと共振コンデンサ２０８との共振動作が行われる。このときリーケージインダクタンス２０７と１次巻線２０２ａとに蓄えられたエネルギーを共振コンデンサ２０８に移す動作をしている。その後スイッチング素子２０３がターンオフすると、リーケージインダクタンス２０７、１次巻線２０２ａとに蓄えられたエネルギーで電圧共振用コンデンサ２０９を放電する。コンデンサの電圧により寄生ダイオード２０６がオンすると、スイッチング素子２０４がターンオンする。スイッチング素子２０４がターンオンすると再びリーケージインダクタンス２０７と共振コンデンサ２０８との共振動作が行われ、ダイオード２１１を介して２次側に電力が伝達される。このときの共振電流の流れる方向はさきほどと逆になる。共振動作が進行し、共振電流Ｉｒとトランス２０２の励磁電流ＩＬｐとが等しくなるとリーケージインダクタンス２０７、１次巻線２０２ａと共振コンデンサ２０８との共振動作が行われる。このときリーケージインダクタンス２０７と１次巻線２０２ａとに蓄えられたエネルギーを共振コンデンサ２０８に移す動作をしている。その後スイッチング素子２０４がターンオフすると、リーケージインダクタンス２０７、１次巻線ス２０２ａとに蓄えられたエネルギーで電圧共振用コンデンサ２０９を充電する。コンデンサの電圧により寄生ダイオード２０５がオンすると再びスイッチング素子２０３がターンオンする。以上のようにスイッチング素子２０３、２０４を交互に駆動しながら２次側に電力を供給する。
【０００４】
以上の動作を説明したのが図３である。これは通常動作時の各部の波形を示しており、上から共振電流Ｉｒ、トランス２０２の励磁電流ＩＬｐ、スイッチング素子２０３、２０４のソース−ドレイン間の電圧Ｖｄｓ１、Ｖｄｓ２、スイッチング損失をそれぞれ示している。電流共振型電源は共振動作を利用するため、ゼロ電流スイッチング、ゼロ電圧スイッチングが理想に近い形で実現されているが、スイッチング素子２０３、２０４のオン抵抗による損失、２次側整流ダイオード２１０、２１１のＶｆによる損失、ターンオフ時の損失等は避けることができず、スイッチング損失が生じている。図４は軽負荷時の電流共振型電源の各部の波形を示したものである。軽負荷時には２次側の出力電力が小さくなることから、スイッチング周波数を低くしなければならず、ターンオフの回数が増加することからスイッチング損失が増加し、相対的に入力電力に対して出力電力の割合が小さくなることから、効率が悪化してしまう。この様子を示したのが図６である。この図に示したように出力電力が大きいときは効率は高いが、軽負荷になればなるほど効率が悪化してしまう。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来型の電流共振型電源では、さきほどの従来例でも説明したように軽負荷時には２次側の出力電力が小さくなることから、スイッチング周波数を低くしなければならず、ターンオフの回数が増加することからスイッチング損失が増加し、相対的に入力電力に対して出力電力の割合が小さくなることから、効率が悪化してしまうという問題があった。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記従来例における問題点に鑑みてなされたのものであり、インダクタンスとコンデンサから決定される共振周波数で共振する共振手段と、上記共振手段の共振動作に対応して入力電圧に応じた電流をスイッチングしてスイッチング電流を生成するスイッチング手段と、１次巻線への上記スイッチング手段からのスイッチング電流に応じた電圧を２次巻線に出力する変圧手段と、上記変圧手段からの出力電圧を整流して負荷に供給する整流手段とを有する共振型電源装置において、上記共振手段のインダクタンス値およびコンデンサ容量を切り替え可能に構成し、軽負荷時に上記共振手段のインダクタンス値を増加、コンデンサ容量を減少させることで従来の問題点を解決しようというものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】
図１は本発明における実施形態を説明するためのものであり、従来例と同様の機能である箇所については同一の記号を付してある。従来例を説明するための図２との回路構成上の違いはトランス２０２のリーケージインダクタンス２０７と直列にインダクタンス１０１を接続し、インダクタンス１０１の両端に動作切り替え用のスイッチング素子１０２を配置し、共振コンデンサ２０８と直列にコンデンサ１０３を接続し、コンデンサ１０３の両端に動作切り替え用のスイッチング素子１０４を配置したことにある。
【０００８】
以下、この回路の動作について説明する。通常、共振回路の共振周波数は以下の式に基づいて算出され、
ｆｒ＝１／（２×π×√（Ｌ×Ｃ））…（１）
インダクタンス値（Ｌ）とコンデンサ容量（Ｃ）とで１つに決められる。
【０００９】
スイッチング素子２０３、２０４は通常インダクタンス領域で共振回路を動作させているので負荷が軽くなれば共振回路の発振周波数を上昇させ、インピーダンスを上げることでトランスの励磁電流の増加を防ぐとともに、共振電流と励磁電流との差と１次−２次間の巻き線比で決まる出力電圧との積である出力電力を小さくしている。しかしながらこの方法では負荷に見合った発振状態とするため、励磁電流を減らす必要があるため、発振周波数を上昇しなければならず、スイッチング損失が増加してしまう。本実施形態ではこの問題を解決するために軽負荷時にリーケージインダクタンス２０７と直列にインダクタンス１０１（Ｌｓ）を配置し、共振コンデンサ２０８と直列にコンデンサ１０３（Ｃｓ）を配置したことに特徴がある。
【００１０】
この方法によりインダクタンス値、コンデンサ容量は
Ｌ→Ｌ＋Ｌｓ  Ｃ→（Ｃ×Ｃｓ）／（Ｃ＋Ｃｓ）
となり、インダクタンス値は上昇し、コンデンサ容量は減少する。
【００１１】
式（１）で算出される共振周波数を通常時と同じあるいはそれ以下になるようにインダクタンス１０１（Ｌｓ）とコンデンサ１０３（Ｃｓ）とを設定しておくことにより、発振周波数を増加させることなく、共振動作をさせることが可能となる。以下に示したのは共振電流Ｉｒとトランス励磁電流ＩＬｐの算出式である。
Ｉｒ∝√（Ｃ／Ｌ）…（２）
ＩＬｐ＝Ｖｉｎ×ｔ／Ｌ…（３）
式（２）、（３）よりインダクタンス値が上昇し、コンデンサ容量が減少することから、共振電流Ｉｒ、トランスの励磁電流ＩＬｐともに減少することがわかる。
【００１２】
このような方法により発振周波数を上昇させることなく、軽負荷時の動作を実現することが可能になることから高周波化によるスイッチング損失の増加を防ぐことができる。
【００１３】
なお、スイッチング素子１０２、１０４は通常動作時はオンしており、軽負荷時にはオフするように制御している。その他共振時の動作は従来例と同様であるため省略する。
【００１４】
図５は本実施形態を説明するための各部の波形を示したものであり、上から共振電流Ｉｒ、トランスの励磁電流Ｉｌｐ、スイッチング素子２０３、２０４のソース−ドレイン間電圧Ｖｄｓ１、Ｖｄｓ２、スイッチング損失を示している。従来例では通常動作時に対し、軽負荷時は発振周波数が上昇し、スイッチング損失が上昇するのに対し、本発明では軽負荷時にスイッチング素子２１５、２１７をオフすることにより共振回路を切り替えて、共振電流、トランスの励磁電流を下げて、発振周波数を同等かそれ以下になるようにすることでスイッチング素子２０３、２０４の高周波化を抑え、スイッチング損失の増加を防ぐことができる。
【００１５】
図６は本実施形態を実現したときの出力電力と効率の関係を示したものである。従来の回路構成では出力電力が減少すると効率が低下していくのに対して、本発明で提案する回路構成では軽負荷時にスイッチング素子１０２、１０４をオフにし、共振回路を切り替えることで出力電力が小さいときに効率の上昇が図られているのがわかる。このときはスイッチング素子２０３、２０４のオン抵抗による損失が通常動作時に比べ小さくなるので、通常時の効率より効率は上昇する。ただし、通常動作時にはスイッチング素子１０２、１０４のオン抵抗による損失が生じてしまうために共振回路の切り替え手段のないときと比べ、通常動作時の効率が若干低下する。
【００１６】
【発明の効果】
従来の回路構成では出力電力が減少すると効率が低下していくのに対して、本発明によると、共振手段のインダクタンス値およびコンデンサ容量を切り替え可能に構成し、軽負荷時にインダクタンス値を増加、コンデンサ容量を減少させるよう共振手段を切り替えることで共振電流、トランスの励磁電流を低くし、スイッチング周波数の増加をしなくてすむため、スイッチング損失の増加を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明する共振型電源装置の回路構成図。
【図２】従来の実施形態を説明する共振型電源装置の回路構成図。
【図３】従来の実施形態を説明する共振型電源装置の通常動作時の各部波形図。
【図４】従来の実施形態を説明する共振型電源装置の軽負荷時の各部波形図。
【図５】本発明の実施形態を説明する共振型電源装置の軽負荷時の各部波形図。
【図６】本発明の効果を説明する共振型電源装置の出力電力と効率との関係図。
【符号の説明】
１０１  インダクタンス
１０３  コンデンサ
１０２、１０４  共振条件切り替え用スイッチング素子（通常時オン、軽負荷時オフ）
２０１  ＡＣ入力より整流平滑されたＤＣ電圧
２０２  トランス
２０２ａ  １次巻き線
２０２ｂ  ２次巻き線
２０３、２０４  ハーフブリッジを構成するメインスイッチング素子
２０５、２０６  メインスイッチング素子に生成される寄生ダイオード
２０７  トランス２０２で１次−２次の結合に寄与しないリーケージインダクタンス
２０８  電流共振用コンデンサ
２０９  電圧共振用コンデンサ
２１０、２１１  整流用ダイオード
２１２  平滑コンデンサ
２１３  整流用ダイオード、平滑コンデンサにより整流平滑された出力電圧
【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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