(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電圧をオン／オフする一次側のスイッチング素子と、
一対のダイオード素子からなる整流ダイオード２個と、平滑用チョークコイルと、コンデンサとを有する二次側の整流平滑回路と、
前記一次側と前記二次側とを電気的に絶縁するトランスと
を備え、前記整流平滑回路を介して負荷に電力を供給するスイッチング電源装置であって、
前記の各整流ダイオードの一方のダイオード素子のアノードを前記トランスの出力端子側巻線へ接続し、他方のダイオード素子のアノードを前記トランスのＧＮＤ側巻線に接続し、予め一方及び他方のダイオード素子のカソードが共通接続された前記各整流ダイオードのカソード同士を前記平滑用チョークコイルに接続した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、スイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
整流ダイオード等の半導体素子は、それぞれ、定格（逆阻止電圧、順電流等）の条件内で使用することが求められているほか、素子に対する熱的負荷と素子寿命の相関関係を示唆する所謂アレニウスの原則の下、熱的負荷がより少ない態様で用いられることが求められている。
その様な背景もあって、例えば大電力を扱うスイッチング電源の２次側整流ダイオード等では、大出力電流に対応するために、複数のダイオード素子を並列に接続して一要素を構成している例が数多く見られる。又このとき、複数素子を含み、これらの一端側又は他端側が共通接続された素子パッケージが一般的に用いられている（カソードコモンやアノードコモンの素子パッケージ）。
【０００３】
図５は、フォワード方式スイッチング電源の２次側回路において、大出力電流に対応するために、１パッケージ２素子入りの整流ダイオードが２個使用されている従来例を示すものである（非特許文献１参照）。なお、各パッケージは、図５に示すとおり、カソードコモンの構造を持つものである。
図５に示すとおり、このフォワード方式のスイッチング電源回路は、整流ブリッジと平滑コンデンサ等からなる不図示の入力側平滑整流回路において整流して得られる直流電圧を、１次側のスイッチング素子Ｑ１でオン／オフしたのち、整流ダイオードＤ１、Ｄ２と平滑用チョークコイルＬ１とコンデンサＣ１とを有する２次側の整流・平滑回路を介して、１次側（入力側）とは電気的に絶縁された不図示の負荷に電力を安定供給する構成となっている。
【０００４】
図５からも明らかな通り、従来は、１パッケージ２素子入りの整流ダイオード２個を、各パッケージ内の素子を単に並列接続した状態で、１個をトランスの出力端子側巻線と平滑用チョークコイルの間、そして他の１個をトランスのＧＮＤ側巻線と平滑用チョークコイルの間にそれぞれ接続していた。
【０００５】
しかしながら、この構成では２個の整流ダイオードＤ１、Ｄ２に印加される電圧及び流れる電流の波形が異なるため（後に説明する図２参照）、トランスの出力端子側巻線に接続された整流ダイオードに対して、トランスのＧＮＤ側巻線に接続された整流ダイオードの方が大きく発熱するという現象が発生していた。
回路中の特定の素子に発熱が集中すると、その素子の寿命が極端に短くなり、他の回路素子との寿命バランスが取れないだけでなく、その素子の寿命が装置全体の信頼性に大きく影響し、装置全体の故障率が高くなる等の問題があった。
【非特許文献１】井上徳成著、「部分電圧共振形スイッチング電源の設計」、電子技術、日刊工業新聞社発行、１９９０年３月号、ＰＰ．３７（図８）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、回路中における発熱が局部的に集中する、上記課題を解決し、回路中の各素子パッケージにおける発熱量を平均化して装置全体の信頼性を改善し得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】
【０００７】
上記課題を解決すべく種々検討を重ねた結果、本発明者は、上記図５に示す２素子１パッケージからなる各整流ダイオードの一方の素子のアノードをトランスの出力端子側巻線へ接続し、他方の素子のアノードをトランスのＧＮＤ側巻線へ接続し、予め一方及び他方の素子のカソードが共通接続された上記各整流ダイオードのカソード同士を平滑用チョークコイルに接続し、それによって１パッケージの整流ダイオードに印加される電圧及び流れる電流の波形が双方のパッケージで同じになる様構成することで、
ｉ）  １パッケージあたりに発生する損失値を双方のパッケージで同じ値とし、
ｉｉ）  各整流ダイオードにおける発熱を平均化して局部的な発熱が生じることを解消し、
結果的にスイッチング電源の信頼性を十分改善出来ることを見い出し、本発明を完成した。
【００１０】
上記課題を解決可能な本発明のスイッチング電源装置は、直流電圧をオン／オフする一次側のスイッチング素子と、一対のダイオード素子からなる整流ダイオード２個と、平滑用チョークコイルと、コンデンサとを有する二次側の整流平滑回路と、前記一次側と前記二次側とを電気的に絶縁するトランスとを備え、前記整流平滑回路を介して負荷に電力を供給するスイッチング電源装置であって、
前記の各整流ダイオードの一方のダイオード素子のアノードを前記トランスの出力端子側巻線へ接続し、他方のダイオード素子のアノードを前記トランスのＧＮＤ側巻線に接続し、予め一方及び他方のダイオード素子のカソードが共通接続された前記各整流ダイオードのカソード同士を前記平滑用チョークコイルに接続したことを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、回路中の特定の素子に発熱が集中することはなく、回路中の各素子パッケージにおける発熱量は十分平均化される。それゆえ、その電源回路が組み込まれた装置全体の信頼性を改善して、装置の長寿命化を図ることが出来る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
［第１実施形態］
以下、図１及び図２に基づき、本発明のスイッチング電源装置の一実施形態につき説明する。
図１は本発明の一実施形態を示す回路図、図２は図１に示すスイッチング電源回路の動作波形を示す図であって、各整流ダイオードに印加される電圧波形と流れる電流波形を示す図である。図２の上段はアノードをトランスの出力端子側巻線へ接続したダイオードに印加される電圧波形と流れる電流波形を示す図、下段はアノードをトランスＧＮＤ側巻線へ接続したダイオードに印加される電圧波形と流れる電流波形を示す図である。
【００１３】
図１に示す本実施形態のスイッチング電源回路は、フォワード方式のものである。フォワード方式のスイッチング電源自体の基本構成及び動作は、従来のものと同様である。すなわち、本実施形態のスイッチング電源回路は、整流ブリッジと平滑コンデンサ等からなる不図示の入力側平滑整流回路において整流して得られる直流電圧を、１次側のスイッチング素子でオン／オフしたのち、整流ダイオードと平滑用チョークコイルとコンデンサとを有する２次側の整流・平滑回路を介して、１次側（入力側）とは電気的に絶縁された不図示の負荷に電力を安定供給する構成となっている。
なお、この形式の回路では、図２に示される波形からも明らかな通り、アノードをトランスＧＮＤ側巻線へ接続した整流ダイオードの方が、アノードをトランスの出力端子側巻線へ接続した整流ダイオードよりも電流と電圧の重なりが大きく、損失すなわち素子の発熱量が多くなっている。
【００１４】
アノードをトランスのＧＮＤ側巻線へ接続した整流ダイオードの方が損失が大きいと言う点については一般的に、１次側のスイッチング素子Ｑ１のオン／オフに応じて夫々２次側回路上の別ルートを流れる電流（或いは電圧）の立上り／立下り特性等が影響しているものと考えられる。
本実施形態の場合、トランス波形の影響により、各整流ダイオードには図２に示されるような波形が現れる。
アノードをトランスのＧＮＤ側巻線へ接続した整流ダイオードでは、その波形を見ても明らかな通り、ｉ）発生する電圧値が高く、ｉｉ）電圧波形の概形が、アノードをトランスの出力端子側巻線へ接続した整流ダイオードにおける波形とは異なり矩形波状になることから、過渡時における電圧と電流との重なりが大きく、そのため損失が増加している。
なお、このトランス波形は、トランスの漏れインダクタンス、一次／二次のトランス巻数比、トランスの入出力電圧値或いは入出力電圧比、およびトランスリセット回路のリセットタイミング等、複数の要素によって左右されるものである。
【００１５】
本実施形態では、整流ダイオードＤ１及びＤ２を１パッケージ２素子入りの整流ダイオードから夫々構成しているが、各ダイオード素子の接続に関しては、以下に説明する新規な構成を採っている。
すなわち本実施形態では、前記の各整流ダイオードＤ１及びＤ２の第１の素子のアノードをトランスの出力端子側巻線へ接続し、第２の素子のアノードをトランスのＧＮＤ側巻線に接続し、第１及び第２の素子のカソード同士を平滑用チョークコイルＬ１に接続し、それによって１パッケージの整流ダイオードに印加される電圧及び流れる電流の波形が、双方のパッケージで同じになる様構成している。
なお、各パッケージは、図１に示す従来例同様、カソードコモンの構造を持つものである。
【００１６】
このように、本実施形態では、整流ダイオード１パッケージあたりに発生する損失を双方で同じ値にすることによって、双方の整流ダイオードにおける発熱量を平均化している。
その結果、本実施形態に係るスイッチング電源回路では、回路中における発熱が局部的に集中する問題が解消され、この電源回路が組み込まれた装置全体の信頼性が著しく改善される。
【００１７】
［第２実施形態］
又以下では、本発明の第２実施形態につき説明する。図３Ａ，Ｂは、本発明の第２実施形態の構成を示すものである。
なお、各パッケージは、第１実施形態同様、カソードコモンの構造を持つものである。
【００１８】
図３Ａは、ダイオード３素子を含み、これらのカソード側が共通接続された整流ダイオードＤ１〜Ｄ３を３個備えた電源回路の一部を抜き出して示す図である。
図３Ａの出力側を見ると、夫々の素子パッケージＤ１〜Ｄ３の前記共通接続されたカソード側は、更に共通接続されている。
一方、この例では、夫々の素子パッケージにおける複数素子の一部の素子のアノード側が、相異なる別の素子パッケージにおける複数素子の一部の素子のアノード側と共通接続されている。図３Ａでは、整流ダイオードＤ１の素子ｅ１３が整流ダイオードＤ２の素子ｅ２１及びｅ２２と共通接続されて入力Ｂ側に接続されている。同様に、整流ダイオードＤ２の素子ｅ２３が整流ダイオードＤ３の素子ｅ３１及びｅ３２と共通接続されて入力Ｃ側に、整流ダイオードＤ３の素子ｅ３３が整流ダイオードＤ１の素子ｅ１１及びｅ１２と共通接続されて入力Ａ側に、夫々接続されている。
【００１９】
次に、図３Ｂは、ダイオード３素子を含み、これらのカソード側が共通接続された整流ダイオードＤ１〜Ｄ３を３個備えた別の電源回路の一部を抜き出して示す図である。
図３Ｂの出力側を見ると、図３Ａ同様、夫々の素子パッケージＤ１〜Ｄ３の前記共通接続されたカソード側は、更に共通接続されている。
一方、図３Ｂに示す例では、図３Ａと異なり、夫々の素子パッケージにおける複数素子の夫々のアノード側は、相異なる別の素子パッケージにおける複数素子の一部の素子のアノード側と共通接続されている。図３Ｂでは、整流ダイオードＤ１の素子ｅ１１が整流ダイオードＤ２の素子ｅ２２及び整流ダイオードＤ３の素子ｅ３３と共通接続されて入力Ａ側に接続されている。同様に、整流ダイオードＤ１の素子ｅ１２が整流ダイオードＤ２の素子ｅ２１及び整流ダイオードＤ３の素子ｅ３２と共通接続されて入力Ｂ側に、整流ダイオードＤ１の素子ｅ１３が整流ダイオードＤ２の素子ｅ２３及び整流ダイオードＤ３の素子ｅ３１と共通接続されて入力Ｃ側に、夫々接続されている。
【００２０】
このように、本実施形態の構成でも、各整流ダイオード１パッケージあたりの発熱量の平均化を図ることが十分可能である。第１実施形態の欄で説明した通り、かかる構成により、回路中における発熱が局部的に集中する問題が解消され、装置全体の信頼性向上に寄与する。
【実施例】
【００２１】
上記構成からなる第１実施形態に係るスイッチング電源回路（図１参照）と、従来例に係るスイッチング電源回路（図５参照）を用いて、両者における各整流ダイオード１パッケージあたりの発熱の程度を比較した結果、第１実施形態に係るスイッチング電源回路では従来例に比べ良好な結果が得られた。その比較結果の一例を下表に示す。なお、比較は、両者とも１パッケージ２素子入り整流ダイオード（カソードコモンのもの）を２個使用したフォワード形のスイッチング電源回路を用い、同一条件（入力電圧：ＡＣ１００Ｖ、出力電圧：＋２４Ｖ、出力電流：６Ａ、室温：２５℃）の下で行ったものである。
【００２２】
【表１】
0004674856.tif 000002
【００２３】
表１より明らかなように、第１実施形態に係るスイッチング電源回路では、従来例と比べて回路中における発熱の集中がなくなり、各素子パッケージでの温度が均一化され、この電源回路が組み込まれた装置全体の信頼性が顕著に改善されている。
【００２４】
［変形例］
以上、本発明につき各種実施形態等を用いて具体的に説明したが、本発明は上記各種実施形態等に記載の構成に限定されず、種々の設計変更が可能である。
例えば、本発明の構成が適用され得る具体的な回路の一例としてフォワード形コンバータを挙げたが、センタタップ構成とされた絶縁側コンバータの２次側回路など、種々の回路に適用することが可能である（原田耕介他著「スイッチングコンバータの基礎」、Ｐ．３３参照）。
また、本発明の構成は、スイッチング電源回路に限らず他の形式の電源回路に適用することも可能である。
さらに、本発明の構成は、ＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等の電源回路に限られず、制御用の信号処理回路等にも同様に適用することも可能である。
【００２５】
上記各実施形態では、１パッケージ２素子入りの整流ダイオードとしてカソードコモンの構造を持つものを挙げたが、アノードコモンのものを利用して別の回路を構成しても構わない。
例えば、１パッケージ２素子入りのアノードコモンの整流ダイオードパッケージを２個（Ｄ１，Ｄ２）使用すると考えた場合、各整流ダイオードＤ１、Ｄ２の第１の素子のカソードを第１の出力端へ接続し、第２の素子のカソードを第２の出力端に接続し、第１及び第２の素子のアノード同士を入力側に接続し、それによって、１パッケージの整流ダイオードに印加される電圧及び流れる電流の波形が双方のパッケージで同じになる様構成すれば良い（図４参照）。
【００２６】
本実施形態では、素子パッケージの一例としてダイオードを挙げたが、素子パッケージの種類はこれに限定されることはない。例えば、１パッケージに複数素子が包含されるＲ，Ｌ，Ｃ等の受動素子であっても良い。
１パッケージに包含される素子の数も、２個には限定されない。また、１パッケージに互いに種類の異なる素子が搭載されていても良い。
【００２７】
以上説明したとおり、本発明は、回路中の特定の素子に発熱が集中することを回避して装置全体の信頼性向上に寄与する、新規かつ有用なるものである。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態を示す回路図である。
【図２】図１に示すスイッチング電源回路の動作波形を示す図である。
【図３】本発明の別の実施形態を示す図である。
【図４】本発明の別の実施形態を示す図である。
【図５】従来例を示す回路図である。
【符号の説明】
【００２９】
Ｃ１  平滑用コンデンサ
Ｄ１〜Ｄ３  整流ダイオード
Ｌ１  平滑用チョークコイル
Ｑ１  スイッチング素子
Ｔ１  トランス
【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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