(57)【要約】【課題】高効率でかつ、輻射ノイズを抑制するスイッチング電源装置を提供すること。【解決手段】トランス２の一次巻線３の両端に、第１のダイオード１０と第１の抵抗１２と第１のコンデンサ１１の直列回路および、第２のダイオード１４および第２のコンデンサ１３とからなるスナバ回路８を備えることにより、ターンオフ時におけるスイッチング素子４両端のｄＶ／ｄｔを低く抑制するとともに、エネルギーを２次側へ回生するため、高効率にて輻射ノイズを低減することができる。【選択図】図１ 
2005117852.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、前記直流電源の一端と他端との間に接続されたトランスの一次巻線とスイッチング素子との直列回路と、前記トランスの二次巻線と、前記二次巻線に接続された整流平滑回路と、前記スイッチング素子をオン・オフする制御部とを備え、直流電圧を供給するスイッチング電源装置であって、前記トランスの一次巻線の両端に、前記スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージ電圧を吸収する向きに接続される第１のダイオードと第１のコンデンサと第１の抵抗とからなる直列回路と、前記第１のダイオードに並列に接続された第２のコンデンサと、前記第１の抵抗に並列に接続された第２のダイオードとからなるスナバ回路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】
スナバ回路は、第１のコンデンサの容量を第２のコンデンサの１０倍以上とし、かつ、スイッチング電源における最小デューティに相当するスイッチング素子の最小オン時間を、前記第２のコンデンサと第１の抵抗とからなる時定数の２．２倍よりも長く設定されることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
スナバ回路は、第１のコンデンサに並列に第２の抵抗を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
スナバ回路は、第１のコンデンサと第１の抵抗との直列回路に並列に、第２の抵抗を備えたことを特徴とする請求項１または２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
スイッチング素子と並列に第３のコンデンサが接続されたことを特徴とする請求項１〜４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】
本発明は、高効率かつ、電源より発生する輻射ノイズを抑制することが可能なスイッチング電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
直流電圧を入力とし、トランスを用いて、直流電圧を出力する従来のスイッチング電源装置では、トランスに直列に接続されたスイッチング素子をオン・オフして所望の出力電圧を得るが、スイッチング素子をターンオフする際に、トランスの一次巻線のリーケージインダクタンスによって発生するサージ電圧がスイッチング素子に印加されないようにするため、トランスの一次巻線の両端間やスイッチング素子の両端にスナバ回路が設けられる。
【０００３】
スナバ回路の代表的な構成に、図１０に示すようなＣＲＤスナバ回路がある。ＣＲＤスナバ回路は、スイッチング素子の耐圧以下に抑えるために用いられる放電抵抗１０３によって、コンデンサ１０２にて吸収したサージエネルギーを消費するため、効率をあまり高くできないこと、さらに、トランス２のリーケージインダクタンスと、トランス２やスイッチング素子４の寄生容量との共振によって、図１１に示すような高い周波数のリンギングが生じるために、比較的高い輻射ノイズが発生することがよく知られている。
【０００４】
また、上記の輻射ノイズを抑制するスナバ回路の方式として、スナバ回路のコンデンサ１０２に並列に放電抵抗１０３を接続する代わりに、スナバ回路のダイオード１０１に並列に抵抗１０４を設ける方法が記載されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
図１２は、特許文献１に記載された従来のスイッチング電源装置を示すものである。図１２に示すように、ダイオード１０１と、コンデンサ１０２と、抵抗１０３とからなるスナバ回路および、トランスとスイッチング素子とから構成されている。
【特許文献１】特開２０００−１９７３７０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記従来の構成では、ターンオフ時にコンデンサ１０２に貯えられたエネルギーを、ターンオン毎に、抵抗１０４を介して消費するため、さほど効率を高くできないという課題を有していた。
【０００７】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、簡単な構成にて、特に軽負荷時において高効率を達成しつつ、不要輻射を抑制することが可能なスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記従来の課題を解決するために、本発明のスイッチング電源装置は、トランスの一次巻線の両端に、スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージ電圧を吸収する向きに接続される第１のダイオードと第１のコンデンサと第１の抵抗とからなる直列回路と、前記第１のダイオードに並列に接続された第２のコンデンサと、前記第１の抵抗に並列に接続された第２のダイオードとからなるスナバ回路を備えたものである。
【０００９】
ターンオン時に第２のコンデンサを充電することによって、スナバ回路にて、ターンオフ時におけるサージエネルギーが吸収され始めるスイッチング素子電圧が低くなることと
、さらに第２のダイオードによって第１の抵抗の影響を受けることなく、サージエネルギーを吸収することから、スイッチング素子電圧のｄＶ／ｄｔも小さくなることから輻射ノイズを低減することができる。また同時に、ターンオン毎に、ターンオフ時に第１のコンデンサに貯えられたエネルギーを全て放出することもないことから低損失な電源とすることができる。
【００１０】
また、本発明のスイッチング電源装置は、最小の時比率においても、ターンオン時に第２のコンデンサを十分充電することのできるよう、最小時比率時のスイッチング素子のオン時間を第２のコンデンサと第１の抵抗の時定数の２．２倍より小さくしたものである。
【００１１】
これによって、第２のコンデンサは、ターンオン時間内に充電がほぼ完了するため、ターンオフ直後から、発生するサージ電圧をスナバ回路において吸収することが可能となり、電源から発生する輻射ノイズを低く抑制することができる。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のスイッチング電源装置は、簡単な構成にて、輻射ノイズを低く抑制しつつ、軽負荷時における効率を高くすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
第１の発明は、トランスの一次巻線の両端に、スイッチング素子のターンオフ時に発生するサージ電圧を吸収する向きに接続される第１のダイオードと第１のコンデンサと第１の抵抗とからなる直列回路と、前記第１のダイオードに並列に接続された第２のコンデンサと、第１の抵抗に並列に接続された第２のダイオードとからなるスナバ回路を備えることにより、ターンオフ時のｄＶ／ｄｔを低くするとともに、発生したサージ電圧の一部をトランスの２次側へ伝達することにより、高効率でかつ、輻射ノイズを抑制することができる。
【００１４】
第２の発明は、特に、第１の発明のスイッチング電源装置において、第１のコンデンサの容量を第２のコンデンサの１０倍以上とし、かつ、スイッチング電源における最小の時比率に相当する前記スイッチング素子の最小オン時間を、第２のコンデンサと第１の抵抗とからなる時定数の２．２倍よりも長く設定することにより、ターンオン時間内に第２のコンデンサの充電をほぼ完了し、ターンオフ直後から発生するサージ電圧を吸収することができるため、ターンオフ時におけるスイッチング素子の両端のｄＶ／ｄｔを低く抑制することができ、輻射ノイズをさらに抑制することができる。
【００１５】
第３の発明は、第１または第２の発明のスイッチング電源装置において、第１のコンデンサに並列に第２の抵抗を備えることにより、発生するサージ電圧の一部を第２の抵抗にて消費することから、スイッチング素子両端のサージ電圧のピーク値を抑制することができる。
【００１６】
第４の発明は、第１または第２の発明のスイッチング電源装置において、第１のコンデンサと前記第１の抵抗との直列回路に並列に、第２の抵抗を備えることにより、発生するサージ電圧の一部を第１の抵抗と第２の抵抗にて消費することから、スイッチング素子両端のサージ電圧のピーク値を抑制することができる。
【００１７】
第５の発明は、第１〜４のいずれか１つの発明のスイッチング電源装置において、スイッチング素子と並列に第３のコンデンサを設けることにより、スイッチング素子のｄＶ／ｄｔがさらに小さくなることから、輻射ノイズをさらに低減することが可能となる。
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の
形態によって本発明が限定されるものではない。
【００１９】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。
【００２０】
図１において、本実施の形態１のスイッチング電源装置は、商用電源を整流平滑して得られる直流電源１と、直流電源１の両端間に接続されたトランス２の一次巻線３と、パワートランジスタやＭＯＳＦＥＴなどで構成されるスイッチング素子４との直列回路と、トランス２の二次巻線５と、二次巻線５に接続された整流平滑回路６と、スイッチング素子４をオン・オフする制御部７と、一次巻線３の両端に接続されたスナバ回路８とから構成されるフライバック型の電源である。
【００２１】
制御部７は、２次側の整流平滑回路６の出力側に接続されて出力電圧を検出する電圧検出部９に基いて、オン・オフの時比率を変更しながら、スイッチング素子４を駆動することで、２次側の出力電圧をほぼ一定に保っている。
【００２２】
スナバ回路８は、スイッチング素子４のターンオフ時に発生するサージ電圧を吸収する向きに接続された第１のダイオード１０と第１のコンデンサ１１と第１の抵抗１２の直列回路と、第１のダイオード１０に並列に接続された第２のコンデンサ１３と、第１の抵抗１２に並列に接続された第２のダイオード１４とから構成されている。
【００２３】
また、第１のコンデンサ１１は、定常動作時においてコンデンサに印加される電圧をほぼ一定に保つことができ、かつ、第２のコンデンサ１３との直列合成容量が第２のコンデンサ１３単独の容量に比べてさほど小さくならないように必要十分な容量とする。
【００２４】
以上のように構成されたスイッチング電源装置について、以下その動作、作用を、本発明におけるスイッチング電源装置のターンオンからターンオフ時の挙動に沿って説明を行う。
【００２５】
図２に、一例として、トランス２の１次側から見たリーケージインダクタンスを１０μＨ、第１のコンデンサ１１を０．１μ、第２のコンデンサ１３を２２０ｐＦ、第１の抵抗１２を２ｋΩとした場合の各部の波形を示す。
【００２６】
スイッチング素子４のターンオン時には、直流電源１より、第１のコンデンサ１１を通り、第１の抵抗１２を介して第２のコンデンサ１３が充電される。図２では、比較的軽負荷の場合の波形であり、スイッチング素子４のオン時間が比較的短いため、スイッチング素子４がターンオフする直前では、まだ第２のコンデンサ１３への充電は完了していない。
【００２７】
ここで、スイッチング素子４がターンオフすると、第２のコンデンサ１３は、引き続き第１の抵抗１２を介して充電され、コンデンサ電圧が上昇する。またスイッチング素子４の両端電圧は、スイッチング素子４の寄生容量に、上記の充電電流とあわせて、一次巻線３を流れていた電流とがトランス２のリーケージインダクタンスとの共振電流として流れ込むことで、電圧が上昇し始める（図２のＡ点）。
【００２８】
その後さらに、第２のコンデンサ１３の電圧は上昇を続け、第２のコンデンサ１３の電圧と第１のコンデンサ１１の電圧との和が、スイッチング素子４の両端電圧と、直流電源１の電圧と、第１の抵抗１２における電圧降下との和に等しくなった時点で、第２のコンデンサ１３の電圧は、ピークを迎える（図２のＢ点）。以後第２のコンデンサ１３は、放
電に転じるため、第２のコンデンサ１３を流れる電流の向きが逆になる。
【００２９】
第２のコンデンサ１３が放電に入った状態では、スイッチング素子４の両端電圧は、第２のコンデンサ１３とスイッチング素子４の寄生容量との合成容量と、一次巻線３のリーケージインダクタンスとによって定まる共振現象となる。ターンオフ直後に比べて共振周波数が低下することから、スイッチング素子４の両端電圧の時間変化率ｄＶ／ｄｔは、ターンオフ直後に比べてより低減される。
【００３０】
このように、第２のコンデンサ１３は、最大の場合、直流電源１と第１のコンデンサ１１との電圧の和まで充電されるが、ターンオン直前において、比較的高い初期電圧を有することから、第２のコンデンサ１３の充放電によって第１の抵抗１２にて発生する損失は、従来回路に比べると極めて小さい。
【００３１】
さらに時間が経過し、第２のコンデンサ１３の電圧が、第１のダイオード１０の順方向電圧ＶＦに等しくなると、第１のダイオード１０がオンする（図２のＣ点）。
【００３２】
第１のダイオード１０がオンすると、第１のコンデンサ１１とスイッチング素子４の寄生容量との並列合成容量と、トランス２のリーケージインダクタンスとで決まる共振現象となる。第１のコンデンサ１１は、寄生容量に比べて非常に大きな容量に設定されているため、生じるリンギングの周波数が大幅に低下する。
【００３３】
なお、第１のコンデンサ１１の容量を十分大きな値に設定した場合には、第１のダイオード１０がオンした後は、スイッチング素子４の両端電圧は、完全にクランプされることになる（図示せず）。
【００３４】
以上のように、本実施の形態１のスイッチング電源装置は、ターンオフ直後には、トランス２のリーケージインダクタンスとスイッチング素子４の寄生容量との共振動作となり、次に、同じくリーケージインダクタンスと第２のコンデンサ１３と寄生容量との並列合成容量との共振動作、最後に、リーケージインダクタンスと第１のコンデンサ１１との共振動作と３段階にわたって徐々にスイッチング素子４の両端、ひいては、トランス２の１次巻線３の両端における急峻な電圧変動を抑制する。
【００３５】
また、ターンオフ直後の第１のコンデンサ１１の充電期間には、トランス２のリーケージインダクタンスによって発生したサージエネルギーの一部が、第１のコンデンサ１１を介して、直流電源１に回生される。
【００３６】
その後さらに時間が経過すると、第１のコンデンサ１１を流れる電流は逆向きへと転じ、トランス２のリーケージインダクタンスと、第１のコンデンサ１１と第２のコンデンサ１３の合成容量とによって決まる共振周波数のリンギングが生じる。この期間では、トランス２を介して２次側へ電力が回生されるため、効率がよい。
【００３７】
同時に、この電流経路には、第１の抵抗１２と第２のダイオード１４の並列回路が挿入されていることにより、第２のダイオード１４が逆バイアスされる向きに電流が流れる場合に、エネルギーが消費されるため、リンギングの振幅は、比較的早く減衰する。
【００３８】
したがって、図１２に示した従来のＣＲＤスナバ時における電圧波形のように、リンギングが長い期間に継続して発生することはなく、リンギングは極めて小さく抑制される。
【００３９】
以上により、本発明のスイッチング電源装置は、ターンオン時の損失を増大させずに、ターンオフ時のスイッチング素子４の両端における電圧上昇の傾きｄＶ／ｄｔと、その直
後に生じるリンギングを抑制することができ、結果として、スイッチング電源から輻射されるノイズを低レベルに抑制することができる。
【００４０】
なお、本発明のスイッチング電源装置の制御部７については、自励式であっても他励式であってもよい。また、トランス２に３次巻線を設けて、その出力を平滑して得られる出力電圧でもってスイッチング素子４の時比率を調整してもよいし、複数の二次巻線５をそれぞれ平滑して得られる出力電圧によって時比率を調整してもよい。
【００４１】
以上のように、本実施の形態においては、上記のスナバ回路８を設けることにより、低損失にてスイッチング素子４のｄＶ／ｄｔを抑制することから、高効率にて、輻射ノイズを抑制することができる。
【００４２】
（実施の形態２）
本発明の第２の実施の形態のスイッチング電源装置の構成は、図１の構成と同じであるため、説明を省略する。
【００４３】
本発明の第２の実施の形態のスイッチング電源装置においては、第１のコンデンサ１１の容量を第２のコンデンサ１３の容量よりも１桁以上大きく設定される。さらに、スイッチング電源の最小時比率に相当する最小オン時間を、第２のコンデンサ１３と第１の抵抗１２とからなる時定数の２．２倍よりも長く設定した他励式の電源であり、それよりも軽負荷となる場合には、発振を停止する間欠発振を行う。
【００４４】
図３に、本発明の第２の実施の形態のスイッチング電源装置における各部の電圧、電流波形を示す。基本的な作用は、実施の形態１と同じである。
【００４５】
一般的に、ＣＲ充電回路では、時定数の２．２倍以上の時間が経過すれば９０％以上充電が完了していることから、本実施の形態２においては、ターンオン期間内に、第２のコンデンサ１３の充電がほぼ完了している点が異なっている。
【００４６】
したがって、ターンオフの直前においては、第１のコンデンサ１１と第２のコンデンサ１３との電圧和が、入力側の直流電圧１とにほぼ等しくなっていることから、ターンオフの直後からスナバ回路８にてサージ電圧が吸収される。そのため、ターンオフ直後のｄＶ／ｄｔよりも低く抑制されるようになる。
【００４７】
以上のように、スナバ回路８において、第２のコンデンサ１３と第１の抵抗１２との時定数の２．２倍よりも最小のオン時間を大きく設定することによって、ターンオフ直後からｄＶ／ｄｔを抑制されることにより、電源から発生する輻射ノイズがさらに低減される。
【００４８】
（実施の形態３）
図４は、本発明の第３の実施の形態におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。
【００４９】
図４において、スナバ回路８には、第１のコンデンサ１１と並列に第２の抵抗１５が接続されている。
【００５０】
以上のように構成されたスイッチング電源装置について、その基本的な動作、作用については、実施の形態１と同じであるが、ターンオフ時直後から、第２の抵抗１５により、第１のコンデンサ１１に吸収されたサージエネルギーの一部が放電されるため、スイッチング素子４の電圧のピーク値が低くなる。
【００５１】
また、図５は、実施の形態３におけるスイッチング電源の、スイッチング素子４両端の電圧波形である。
【００５２】
図５に示すように、トランス２の一次巻線３のリーケージインダクタンスと第１のコンデンサ１１、第２のコンデンサ１３とからなる共振電圧の振幅についても、第２の抵抗１５によってエネルギーが常に放電されるため、より早く減衰する。
【００５３】
以上の作用により、スナバ回路８に第２の抵抗１５を追加することによって、電源から発生する輻射ノイズがより低減される。
【００５４】
（実施の形態４）
図６は、本発明の第４の実施の形態におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。
【００５５】
図６において、スナバ回路８には、第１のコンデンサ１１と第１の抵抗１２との直列回路に並列に第２の抵抗１５が接続されている。
【００５６】
以上のように構成されたスイッチング電源装置について、その基本的な動作、作用については、実施の形態３と同じであるが、第１のコンデンサ１１に吸収されたサージエネルギーの一部が、第１の抵抗１２と第２の抵抗１５との合成抵抗によって放電されるため、第２の抵抗１５にかかる電圧を小さくすることができ、結果、第２の抵抗１５の発熱をより抑制することができるため、より低ワットタイプの抵抗を使用することが可能となるという効果も有する。
【００５７】
また、図７は実施の形態２におけるスイッチング電源のスイッチング素子４両端の電圧波形である。
【００５８】
図７に示すように、トランス２の一次巻線３のリーケージインダクタンスと第１のコンデンサ１１、第２のコンデンサ１３とからなる共振電圧の振幅についても、第１の抵抗１２と第２の抵抗１５との直列抵抗によってエネルギーが常に放電されるため、より早く減衰する。
【００５９】
以上の作用により、スナバ回路８に第２の抵抗１５を追加することによって、電源から発生する輻射ノイズがより低減される。
【００６０】
（実施の形態５）
図８は、本発明の第５の実施の形態におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図である。
【００６１】
図８において、スイッチング素子４には、第３のコンデンサ１６が並列に接続されている。
【００６２】
また、図９は本実施の形態５におけるスイッチング素子両端電圧波形である。
【００６３】
図９に示すように、第３のコンデンサ１６によって、ターンオフ時のスイッチング素子４の両端電圧の電圧上昇が抑制されるため、そのｄＶ／ｄｔが低くなる。また、リーケージインダクタンスとの共振周波数が、第１のコンデンサ１１および第２のコンデンサ１３との合成容量によって決定されることからさらに低くなる。
【００６４】
以上の作用により、スイッチング素子４に並列に第３のコンデンサ１６を接続することによって、電源から発生する輻射ノイズがより低減される。
【産業上の利用可能性】
【００６５】
以上のように、本発明にかかるスイッチング電源装置は、簡易な構成により、低損失にて輻射ノイズを抑制することが可能となるので、テレビやＶＴＲ、エアコン等の電源回路などの用途にも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】本発明の実施の形態１におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図
【図２】本発明の実施の形態１におけるスイッチング電源装置の各部の波形図
【図３】本発明の実施の形態２におけるスイッチング電源装置の各部の波形図
【図４】本発明の実施の形態３におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図
【図５】本発明の実施の形態３におけるスイッチング素子両端の電圧波形図
【図６】本発明の実施の形態４におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図
【図７】本発明の実施の形態４におけるスイッチング素子両端の電圧波形図
【図８】本発明の実施の形態５におけるスイッチング電源装置の構成を示すブロック図
【図９】本発明の実施の形態５におけるスイッチング素子両端の電圧波形図
【図１０】従来のスイッチング電源装置の構成を示すブロック図
【図１１】従来のスイッチング電源装置におけるスイッチング素子両端の電圧波形図
【図１２】従来のスイッチング電源装置の構成を示すブロック図
【符号の説明】
【００６７】
１  直流電源
２  トランス
３  一次巻線
４  スイッチング素子
５  二次巻線
６  整流平滑回路
７  制御部
８  スナバ回路
９  電圧検出部
１０  第１のダイオード
１１  第１のコンデンサ
１２  第１の抵抗
１３  第２のコンデンサ
１４  第２のダイオード
１５  第２の抵抗
１６  第３のコンデンサ
【図１】
2005117852.tif 000003
【図２】
2005117852.tif 000004
【図３】
2005117852.tif 000005
【図４】
2005117852.tif 000006
【図５】
2005117852.tif 000007
【図６】
2005117852.tif 000008
【図７】
2005117852.tif 000009
【図８】
2005117852.tif 000010
【図９】
2005117852.tif 000011
【図１０】
2005117852.tif 000012
【図１１】
2005117852.tif 000013
【図１２】
2005117852.tif 000014