(57)【要約】【課題】電力回生方式による力率改善を行う電源回路に対して過電流保護機能を設ける場合において、電力変換効率の低下を抑止し、また、電源回路基板の大型、重量化、コストアップの問題を回避する。【解決手段】電力回生方式の力率改善回路１０内に備えられる高周波インダクタＬ10に対して密結合となるようにして電流検出巻線ＮADを巻装する。また、電流検出巻線ＮADの一端はアース接地しておくことで、その両端電圧がアース（基準電位）に対する電位差として得られるようにしておく。発振・ドライブ回路２は、この電流検出巻線ＮADの両端電圧Ｖ3に基づいて負荷電流レベルを検出して過電流保護動作を行うようにされる。この構成であれば、二次側において負荷電流レベルを検出する構成を採る必要はなくなる。【選択図】図１
2005287140.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用交流電源を入力して整流平滑電圧を生成する整流平滑手段と、
上記整流平滑電圧を直流入力電圧として入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段と、
上記スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段と、
少なくとも、上記スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される一次巻線と、該一次巻線に得られたスイッチング出力により交番電圧が励起される二次巻線とを巻装して形成される絶縁コンバータトランスと、
少なくとも、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線の漏洩インダクタンス成分と、上記一次巻線に直列接続された一次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成され、上記スイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路と、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に励起される交番電圧を入力して整流動作を行って、二次側直流出力電圧を生成するように構成された二次側直流出力電圧生成手段と、
上記スイッチング手段のスイッチング動作により一次側直列共振回路に得られる一次側直列共振電流を電力回生するようにして、上記整流平滑手段を形成する平滑コンデンサに帰還するようにされており、この帰還された電力に応じて、上記整流平滑手段による整流動作によって得られる整流電流を断続するようにしてスイッチングする力率改善用スイッチング素子と、上記整流平滑手段の整流電流経路において上記力率改善用スイッチング素子と直列に接続される高周波インダクタとを備えて構成される力率改善手段と、
上記高周波インダクタとしての巻線に対して磁気結合されると共に、その両端電圧として基準電位に対する電圧レベルが得られるようにして設けられる電流検出巻線と、
上記電流検出巻線の両端電圧に基づいて所定の過電流保護動作を実行する過電流保護手段と、
を備えていることを特徴とするスイッチング電源回路。
【請求項２】
上記整流平滑手段は、
上記商用交流電源の一方の半周期に対応して商用交流電源を整流する第１の整流素子と、この第１の整流素子の整流出力を平滑化して直流電圧を生成する第１の平滑コンデンサと、上記商用交流電源の他方の半周期に対応して商用交流電源を整流する第２の整流素子と、この第２の整流素子の整流出力を平滑化して直流電圧を生成する第２の平滑コンデンサとを備え、
上記第１の平滑コンデンサと上記第２の平滑コンデンサの直列接続の両端電圧を上記整流平滑電圧として生成するように構成され、
上記力率改善用スイッチング素子は、高速型のダイオード素子による上記第１の整流素子及び第２の整流素子とされ、
上記高周波インダクタは、上記商用交流電源の一方の半周期に対応して形成される上記整流平滑手段の整流電流経路と、上記商用交流電源の他方の半周期に対応して形成される上記整流平滑手段の整流電流経路とにおいて、共通となるラインに対して挿入される、
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。
【請求項３】
上記力率改善手段は、
上記高周波インダクタのインダクタンス成分として、
ブリッジ整流回路とされる上記整流回路部の負極出力端子側の上記整流電流経路に対して直列に挿入されると共に、上記力率改善用スイッチング素子と直列接続回路を形成するようにして備えられる第１インダクタ部と、この第１インダクタ部とは直列に接続される接続関係を有すると共に、上記一次側直列共振回路を形成するためのインダクタンス成分に含まれるようにして挿入される第２インダクタ部とを備える、
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。
【請求項４】
上記第１インダクタ部及び上記第２インダクタ部は、それぞれ、１つの高周波インダクタの巻線についてタップを設けたことで、このタップにより上記高周波インダクタの巻線を分割するようにして形成される第１巻線部と第２巻線部である、
ことを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源回路。
【請求項５】
上記第１インダクタ部は、１つのインダクタ素子として備えられると共に、
上記第２インダクタ部は、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線についてタップを設けたことで、このタップにより上記一次巻線を分割するようにして形成される巻線部の１つである、
ことを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源回路。
【請求項６】
上記二次側直流出力電圧のレベルに応じて上記スイッチング駆動手段を制御して、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変することで、二次側直流出力電圧に対する定電圧制御を行うように構成された定電圧制御手段を備えると共に、
上記絶縁コンバータトランスの磁束密度を、上記二次側直流出力電圧の変動にかかわらず、二次側整流電流が連続モードとなるようにして、所定以下となるように設定した、
ことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。
【請求項７】
上記二次側直流出力電圧生成手段を形成する整流回路として、巻線電圧検出方式による同期整流回路を備える、
ことを特徴とする請求項６に記載のスイッチング電源回路。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、力率改善回路を備えたスイッチング電源回路に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
先に本出願人は、一次側に共振形コンバータを備えた電源回路を各種提案している。また、共振形コンバータに対して力率改善を図るための力率改善回路を備えて構成した電源回路も各種提案している。
図１０は、先に本出願人により出願された発明に基づいて構成される、力率改善機能を有するスイッチング電源回路の一例を示す回路図である。
【０００３】
図１０に示す電源回路は、他励式による電流共振形のスイッチングコンバータに対して力率改善回路２０を備えた構成を採る。この電源回路におけるスイッチングコンバータは、ハーフブリッジ結合方式による電流共振形コンバータと、半導体スイッチ（スイッチング素子）のターンオフ時にのみ電圧共振する部分電圧共振回路を組み合わせたスイッチングコンバータとされている。
【０００４】
この図１０に示す電源回路においては、先ず、商用交流電源ＡＣに対し、２組のフィルタコンデンサＣL、ＣL及び１組のコモンモードチョークコイルＣＭＣから成るコモンモードノイズフィルタが接続されている。
そして、商用交流電源ＡＣから直流入力電圧を生成する整流平滑回路としては、上記コモンモードノイズフィルタの後段に対して、ブリッジ整流回路Ｄｉ及び平滑コンデンサＣｉとから成る全波整流回路が備えられる。
この場合、ブリッジ整流回路Ｄｉの全波整流動作により得られた整流出力は、力率改善回路２０を介して平滑コンデンサＣｉに充電される。これにより、平滑コンデンサＣｉの両端には、交流入力電圧ＶACの等倍のレベルに対応する整流平滑電圧Ｅｉ（直流入力電圧）が得られることになる。
力率改善回路２０については後述する。
【０００５】
上記直流入力電圧を入力してスイッチングする電流共振形コンバータとしては、図示するようにして、ＭＯＳ−ＦＥＴによる２本のスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2をハーフブリッジ結合により接続している。スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の各ドレイン−ソース間に対しては、図示する方向により、それぞれボディダイオードによるダンパーダイオードＤD1，ＤD2が並列に接続される。
【０００６】
また、スイッチング素子Ｑ2のドレイン−ソース間に対しては、部分共振コンデンサＣｐが並列に接続される。この部分共振コンデンサＣｐのキャパシタンスと一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ１によっては並列共振回路（部分電圧共振回路）を形成する。そして、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のターンオフ時にのみ電圧共振する、部分電圧共振動作が得られるようになっている。
【０００７】
この電源回路においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2をスイッチング駆動するために、例えば汎用のＩＣによる発振・ドライブ回路２が設けられる。この発振・ドライブ回路２は、発振回路、駆動回路を有している。そして、発振回路及び駆動回路によって、所要の周波数によるドライブ信号（ゲート電圧）をスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の各ゲートに対して印加する。これにより、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2は、所要のスイッチング周波数により交互にオン／オフするようにしてスイッチング動作を行う。
【０００８】
絶縁コンバータトランスＰＩＴ (Power Isolation Transformer)は、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2 のスイッチング出力を二次側に伝送する。
この絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1 の一端は、スイッチング素子Ｑ1 のソースとスイッチング素子Ｑ2 のドレインの接続点（スイッチング出力点）に接続されることで、スイッチング出力が得られるようにされる。
また、一次巻線Ｎ1 の他端は、直列共振コンデンサＣ1 を介するようにして、力率改善回路２０内の高速リカバリ型ダイオードＤ1のカソードと高周波インダクタＬ10の接続点に対して接続されている。
【０００９】
この場合、直列共振コンデンサＣ1 及び一次巻線Ｎ1 は直列に接続されているが、この直列共振コンデンサＣ1 のキャパシタンス、及び一次巻線Ｎ1 （直列共振巻線）を含む絶縁コンバータトランスＰＩＴの漏洩インダクタンス（リーケージインダクタンス）成分Ｌ１により、スイッチングコンバータの動作を電流共振形とするための一次側直列共振回路を形成している。
【００１０】
上記説明によると、この図に示す一次側スイッチングコンバータとしては、一次側直列共振回路（Ｌ1−Ｃ1）による電流共振形としての動作と、前述した部分電圧共振回路（Ｃｐ//Ｌ1）とによる部分電圧共振動作とが得られることになる。
つまり、この図に示す電源回路は、一次側スイッチングコンバータを共振形とするための共振回路に対して、他の共振回路とが組み合わされた形式を採っていることになる。本明細書では、このようなスイッチングコンバータについて、複合共振形コンバータということにする。
【００１１】
ここでの図示による説明は省略するが、絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造としては、例えばフェライト材によるＥ型コアを組み合わせたＥＥ型コアを備える。そして、一次側と二次側とで巻装部位を分割したうえで、一次巻線Ｎ1と、二次巻線Ｎ2（Ｎ2A，Ｎ2B）を、ＥＥ型コアの中央磁脚に対して巻装している。
【００１２】
絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次巻線Ｎ2としては、センタータップが施されたことで２つに分割された、同じ所定巻数による二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bが巻装されている。これらの二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bには、一次巻線Ｎ1に伝達されたスイッチング出力に応じた交番電圧が励起される。
【００１３】
そして、これら二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bに対しては、図示するように整流用素子としてＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴＱ3，Ｑ4，Ｑ5，Ｑ6、ゲート抵抗Ｒg1，Ｒg2、及び二次側平滑コンデンサＣｏを備えて形成される、巻線電圧検出方式による同期整流回路が接続される。なお、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3，Ｑ4、Ｑ5、Ｑ6のドレイン−ソースに対しては、それぞれ、ボディダイオードＤD3，ＤD4、DD5、DD6が並列に接続される。
このようにして形成される同期整流回路では、二次巻線Ｎ2に励起される交番電圧が反転するタイミングに応じて、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3//Ｑ5の組と、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4//Ｑ6の組が交互にオン／オフするようにして両波整流動作（スイッチング動作）を行う。
【００１４】
同期整流回路が上記のようにして整流動作を行うことで、平滑コンデンサＣｏの両端電圧として、二次側直流出力電圧Ｅoが得られることになる。この二次側直流出力電圧Ｅoは、負荷に供給されると共に、分岐して制御回路１に対しても入力される。
【００１５】
この場合の制御回路１は、例えば二次側直流出力電圧Ｅoの変動に対応したレベルの制御信号を発振・ドライブ回路２に出力する。発振・ドライブ回路２では制御回路１から供給された制御信号に基づいて、発振・ドライブ回路２からスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の各ゲートに供給するスイッチング駆動信号の周波数を変化させて、スイッチング周波数を可変するようにしている。このように、二次側直流出力電圧Ｅoのレベルに応じてスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のスイッチング周波数が可変制御されることで、一次側直列共振回路を形成する一次巻線Ｎ1から二次側に伝送されるエネルギーも可変され、二次側直流出力電圧Ｅoのレベルが可変制御される。これにより、二次側直流出力電圧の定電圧制御が図られることになる。
なお、以降は、上記のようにしてスイッチング周波数を可変制御することによって直流安定化を図る定電圧制御方式を「スイッチング周波数制御方式」ということにする。
【００１６】
なお、図１０に示す同期整流回路について、上記のようにして整流素子としてのＭＯＳ−ＦＥＴを並列に接続しているのは、図１０の電源回路として実際に対応すべき負荷条件が、例えば二次側直流出力電圧Ｅo＝５Ｖに対して、負荷電流が３０Ａ〜０Ａで変動する、いわゆる低電圧／大電流といわれる負荷条件であることに依る。このような負荷条件は、実質的には相当に変動幅が広範囲となるものであり、従って、負荷が重くなる傾向では、二次側整流回路にも相当に大きな電流が流れる。そこで、整流素子であるＭＯＳ−ＦＥＴについて、複数本を並列接続しているものである。
【００１７】
また、この二次側の同期整流回路において、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3//Ｑ5の組に整流電流が流れる整流電流経路と、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4//Ｑ6の組に整流電流が流れる整流電流経路とで共通の経路となる、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3//Ｑ5のソースと、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4//Ｑ6のソースとの接続点と二次側アースとの間のラインには、電流検出抵抗Ｒ1A//Ｒ1Bの並列接続回路が直列に挿入される。
なお、この電流検出抵抗Ｒ1A，Ｒ1Bを含む過電流保護のための構成については後述する。
【００１８】
続いて、力率改善回路２０の構成について説明する。
この力率改善回路２０は磁気結合形による電力回生方式としての構成を採る。
力率改善回路２０においては、ブリッジ整流回路Ｄｉの正極出力端子と平滑コンデンサＣｉの正極端子間に対して、高速リカバリ型ダイオードＤ1−高周波インダクタＬ10が直列接続されて挿入される。
フィルタコンデンサＣN は高速リカバリ型ダイオードＤ1 のアノード側と平滑コンデンサＣｉの正極端子間に対して挿入されることで、ノーマルモードノイズ（スイッチング周期の交番成分）を吸収するフィルタとして機能する。
【００１９】
そして力率改善回路２０に対しては、高速リカバリ型ダイオードＤ1 のカソードと高周波インダクタＬ10の接続点に対して、上述した一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1））が接続されて、この直列共振回路に得られるスイッチング出力が帰還されるようにしている。
【００２０】
このような構成による力率改善回路２０においては、スイッチング素子Ｑ1,Ｑ2のスイッチング出力に応じて、一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1））に流れる一次側直列共振電流を電力として回生して、高周波インダクタＬ10を介するようにして平滑コンデンサＣｉに帰還していることになる。これによって、交流入力電圧ＶACの正負の絶対値が１／２以上のときに高速リカバリ型ダイオードＤ１をスイッチングさせるように動作することになって、整流出力電圧レベルが平滑コンデンサＣｉの両端電圧よりも低いとされる期間にも平滑コンデンサＣｉへの充電電流が流れるようにされる。
この結果、交流入力電流IACの平均的な波形が交流入力電圧の波形に近付くようにして交流入力電流の導通角が拡大される結果、力率改善が図られることになる。
【００２１】
また、前述もしたように、図１０に示す電源回路は、例えば二次側直流出力電圧Ｅo＝５Ｖに対して、負荷電流が３０Ａ〜０Ａとなる低電圧／大電流の負荷条件であり、最大負荷電力Ｐｏmax＝１５０Ｗで、交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖの条件では、二次側整流回路に流れる二次側整流電流Ｉoのレベルは約４２Ａｐとなる。
このような電源回路では、負荷短絡時に対応した回路保護のために過電流保護（OCP:Over Current Protekution）機能を負荷することが行われる。
【００２２】
例えば共振形コンバータなどでは、過電流保護のための過電流検出は、一次側共振回路に流れる一次側直列共振電流のレベルを検出することがしばしば行われる。しかしながら、図１０に示す電源回路のようにして、力率改善のために、一次側直列共振電流を電力回生して整流電流経路に帰還する構成を採る場合には、一次側直列共振電流のレベルにより過電流状態を検出する構成を採ることが困難になる。
つまり、発振・ドライブ回路２の過電流検出端子に対して検出出力を入力させることを前提として過電流検出のために過電流検出抵抗を挿入しようとすれば、その挿入位置は、アース（基準電位）に対するものであるべきこととなる。
電力回生方式による力率改善のための構成を備えない場合、一次側直列共振回路は、スイッチング出力点と一次側アース間に挿入されるのが一般的であるので、過電流検出抵抗は、一次側直列共振回路と一次側アース間に対して直列に挿入すればよい。
これに対して、電力回生方式による力率改善のための構成を備える場合には、図１０にも示すようにして、一次側アースに対して接地されるべき一次側直列共振回路の端部は、力率改善回路２０を介して平滑コンデンサＣｉの正極端子に接続されることで、平滑コンデンサＣｉを介在して一次側アースに接地されるものとなる。つまり、この場合は、一次側直列共振回路の端部が直接的に一次側アースに接続される回路形態と成らないために、過電流検出抵抗を挿入することができなくなる。
【００２３】
そこで、図１０に示す電源回路について過電流保護機能を付加するのにあたっては、二次側整流電流（負荷電流に相当する）のレベルを検出することにより過電流状態を検出するようにしている。
つまり、前述したように、二次側両波整流回路において、両波の期間で共通となる整流電流経路のライン（ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3//Ｑ5のソースと、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4//Ｑ6のソースとの接続点と二次側アースとの間のライン）に対して、電流検出抵抗Ｒ1A//Ｒ1Bの並列接続回路を形成する。
この場合、電流検出抵抗Ｒ1A//Ｒ1Bの並列接続回路の両端電圧Ｖ3は、二次側整流電流レベルに応じたものとなるが、この電圧Ｖ3が、二次側に在るとされる検出回路３に対して入力される。
【００２４】
この場合の検出回路３は、電圧Ｖ3を入力して増幅動作を行ってフォトカプラＰＣのフォトダイオードに検出電流を流すために設けられる。
実際において、電圧Ｖ3としてのレベルは、負荷電力Ｐｏ＝１５０Ｗ時において、０．２Ｖ程度しかない。例えば二次側整流電流（負荷電流）のレベルが３５Ａ（Ｐｏ＝１７５Ｗ時）以上となったときに過電流保護回路系が保護動作が得られるように構成することとしても、上記した電圧Ｖ3のレベルのままでは、必要充分な電力でフォトカプラＰＣを駆動することができないために、保護動作を確実に得るのは困難となる。
そこで、検出回路３により電圧Ｖ3を増幅して、フォトカプラＰＣのフォトダイオードに対して、二次側整流電流（負荷電流）レベルに対応する十分な電流を流すようにしているものである。
【００２５】
フォトカプラＰＣのフォトトランジスタ側では、上記のようにして、フォトカプラＰＣのフォトダイオードに流れる検出電流に応じたレベルのコレクタ電流を出力することになる。つまり、二次側整流電流（負荷電流）レベルに応じた検出電流を出力する。この検出電流に基づいて得られる検出出力は、電源回路の一次側に在るとされる発振・ドライブ回路２の過電流保護用端子（OCP端子）に入力される。フォトカプラＰＣは、二次側整流電流に基づいて得られる検出出力を二次側から一次側に伝送するのにあたって、一次側と二次側とを直流的に絶縁するために設けられる。
【００２６】
発振・ドライブ回路２では、過電流保護用端子に入力される検出出力として、例えばその電圧レベルを監視しており、この電圧レベルが、例えば上記したように二次側整流電流（負荷電流）のレベルが３５Ａ以上の過電流の状態に対応する所定以上になったとされると、発振回路の発振動作を停止させるように動作する。これにより、スイッチング素子Ｑ1,Ｑ2のスイッチング動作が停止されることになって過電流に対する回路の保護が図られることになる。
【００２７】
図１１は、図１０に示す電源回路の過電流保護動作として、負荷電力変動に応じた二次側直流出力電圧Ｅo、力率ＰＦ、及びスイッチング周波数ｆｓの特性を示している。
この図に示すようにして、例えば最小負荷電力Ｐｏ＝０Ｗから、過電流とされる負荷電力Ｐｏ＝１７５Ｗよりも軽いとされる負荷の範囲では、二次側直流出力電圧Ｅｏ、力率ＰＦ、及びスイッチング周波数ｆｓは、それぞれ通常動作に対応する特性を示している。つまり、二次側直流出力電圧Ｅｏは定電圧制御が行われていることで、例えば５．０Ｖでほぼ一定となるように維持されている。力率ＰＦは、電力回生方式による力率改善回路２０の動作として、重負荷の傾向となるのに従って、図示する曲線によりＰＦ＝０．８以上まで高くなっていく傾向を有する。また、スイッチング周波数ｆｓは、安定化のためのスイッチング周波数制御が行われるのに応じて、重負荷の傾向となるのに従って図示する傾きにより低下していく特性となる。
【００２８】
そして、図１０の電源回路における過電流の状態に対応する負荷電力Ｐｏ＝１７５Ｗ以上の状態になったとされると、前述のようにしてスイッチング動作が停止されることになる。これにより、図１１に示すようにして、スイッチング周波数ｆｓは、０にまで垂下する。また、スイッチング動作の停止に応じて力率改善回路２０への電力回生も停止されるので、力率ＰＦとしても垂下する特性となる。また、スイッチング動作の停止に応じて、二次側直流出力電圧Ｅｏはいわゆるフの字特性により低下する。
【００２９】
図１２の回路図は、先に本出願人により出願された発明に基づいて構成される、力率改善機能を有するスイッチング電源回路の他の例を示している。なお、この図において、図１０と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
【００３０】
図１２に示す電源回路は、他励式による電流共振形のスイッチングコンバータに対して、磁気結合形の電力回生方式による力率改善回路２１を備えた構成を採る。また、この電源回路におけるスイッチングコンバータは、ハーフブリッジ結合方式による電流共振形コンバータと、半導体スイッチ（スイッチング素子）のターンオフ時にのみ電圧共振する部分電圧共振回路を組み合わせた複合共振形コンバータである。これらの点では、図１０に示す電源回路と同様であるが、図１２に示す電源回路は、商用交流電源ＡＣから整流平滑電圧Ｅｉを生成する整流電流回路系について倍電圧整流回路としている。
【００３１】
図１２に示す力率改善回路２１は、整流ダイオードＤ11，Ｄ12、平滑コンデンサＣｉ1，Ｃｉ2、高周波インダクタＬ10、及びフィルタコンデンサＣNから成る。整流ダイオードＤ11，Ｄ12、平滑コンデンサＣｉ1，Ｃｉ2は、上記倍電圧整流回路を形成する回路部品であり、従って、力率改善回路２１としては倍電圧整流回路と組み合わされた構成を有するものとなる。
【００３２】
この場合、コモンモードノイズフィルタとしては、各１組のコモンモードチョークコイルＣＭＣ、及びフィルタコンデンサＣLから成るものとされて図示するようにして商用交流電源ＡＣに対して接続される。
力率改善回路２１においては、上記コモンモードノイズフィルタの後段となる商用交流電源ＡＣの一方のラインに対して高周波インダクタＬ10の一端が接続される。高周波インダクタＬ10の他端は、整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードとの接続点に対して接続される。
整流ダイオードＤ11のカソードは、平滑コンデンサＣｉ1の正極端子に接続され、整流ダイオードＤ12のアノードは、一次側アースに接続される。
２組の平滑コンデンサＣｉ1，Ｃｉ2は直列接続される。そのうえで、平滑コンデンサＣｉ1の正極端子は、上記もしているように整流ダイオードＤ11のカソードと接続され、また、スイッチング素子Ｑ1のドレイン側とも接続される。平滑コンデンサＣｉ2の負極端子は一次側アースと接続される。平滑コンデンサＣｉ1の負極端子と平滑コンデンサＣｉ2の正極端子との接続点は、コモンモードノイズフィルタの後段となる商用交流電源ＡＣの他のラインに対して接続される。ここで、整流ダイオードＤ11，Ｄ12には高速リカバリ型ダイオードを選定している。
フィルタコンデンサＣNは、高周波インダクタＬ10と商用交流電源ＡＣとのラインとの接続点と、平滑コンデンサＣｉ1−平滑コンデンサＣｉ2の接続点との間に挿入される。
そして、一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1)）の端部は、整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードとの接続点に対して接続される。
【００３３】
上記した接続形態により構成される力率改善回路２１内において形成される倍電圧整流回路は、商用交流電源ＡＣ（交流入力電圧ＶAC）が一方の半周期となる期間においては、整流ダイオードＤ11が商用交流電源ＡＣを整流し、平滑コンデンサＣｉ1がその整流出力を平滑化することで、平滑コンデンサＣｉ1の両端電圧として、商用交流電源ＡＣの等倍に対応する整流平滑電圧を生成する。同様に、商用交流電源ＡＣ（交流入力電圧ＶAC）が他方の半周期となる期間においては、整流ダイオードＤ12が商用交流電源ＡＣを整流し、平滑コンデンサＣｉ2がその整流出力を平滑化することで、平滑コンデンサＣｉ2の両端電圧として、商用交流電源ＡＣの等倍に対応する整流平滑電圧を生成する。これにより平滑コンデンサＣｉ1−Ｃｉ2の直列接続回路の両端電圧としては、商用交流電源ＡＣのレベルの２倍に対応するレベルの整流平滑電圧Ｅｉが得られ、この整流平滑電圧Ｅｉが直流入力電圧として後段のスイッチングコンバータに供給される。
【００３４】
また、力率改善回路２１においては、整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードとの接続点に対して一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1））の端部が接続されている。このために、力率改善回路２１としても、一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1））に流れる一次側直列共振電流を電力として回生して、高周波インダクタＬ10を介するようにして平滑コンデンサＣｉに帰還する動作が得られるものとなる。
これにより、力率改善回路２１においては、交流入力電圧ＶACが正／負となる各半周期期間において、高速リカバリ型の整流ダイオードＤ11，Ｄ12が、交流入力電圧ＶACの絶対値が１／２以上のときにスイッチング動作を行って、整流電流を断続するようにして流す動作が得られる。この結果、図１０の力率改善回路２０と同様にして、整流出力電圧レベルが平滑コンデンサＣｉの両端電圧よりも低いとされる期間にも平滑コンデンサＣｉへの充電電流が流れるようにされ、交流入力電流ＩACの導通角が拡大されて力率改善が図られることになる。
【００３５】
また、図１２における過電流保護のための構成は、図１０に示した電源回路と同様であることからここでの説明は省略する。因みに、電流検出抵抗Ｒ1A、Ｒ1Bを二次側に設ける構成としているのも、図１０の電源回路の場合と同様の理由による。
図１３は、図１２の電源回路の過電流保護動作を、負荷電力変動に対する二次側直流出力電圧Ｅo、力率ＰＦ、及びスイッチング周波数ｆｓの特性として示している。この図から分かるように、例えば負荷電力Ｐｏ＝１７５Ｗとされて過電流の状態となったときに応じた過電流保護動作としては、図１０の電源回路と同様であることが分かる。
【００３６】
【特許文献１】特開２００３−１８９６１４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００３７】
上記図１０及び図１２に示す電源回路では、電力回生方式により力率改善を図る構成を採っていることから、過電流保護のために負荷電流レベルを検出するのに二次側整流電流を利用することとしているが、このために下記のような問題を有している。
先ず、二次側の整流電流経路に挿入される過電流検出抵抗による電力損失が比較的大きくなってしまうということが挙げられる。
具体例として、上記しているように、図１０及び図１２に示す電源回路として、二次側直流出力電圧Ｅｏ＝５Ｖで負荷電流が最大で３０Ａとされる負荷条件を設定した場合には、電流検出抵抗Ｒ1AとＲ1Bについて、それぞれ0.01Ω／５Ｗのセメント抵抗を選定することで、電流検出抵抗Ｒ1A//Ｒ1Bの並列接続回路の抵抗値としては５ｍΩを設定するようにされる。このような設定とした場合において、最大負荷電力時には例えば３０Ａの負荷電流に対応する二次側整流電流が電流検出抵抗Ｒ1A//Ｒ1Bの並列接続回路に流れることになる。このために、上記５ｍΩという相当に低い抵抗値を設定したとしても、このときの電流検出抵抗Ｒ1A//Ｒ1Bの並列接続回路による電力損失は４．５Ｗであり、また、これに伴う電流検出抵抗Ｒ1A，Ｒ1Bの発熱温度も相当に高いものとなる。これにより、電源回路としての総合的なAC→DC電力変換効率は、電流検出抵抗Ｒ1A//Ｒ1Bを挿入しない場合（過電流保護機能を設けない場合）と比較して２．８Ｗ低下し、また、交流入力電力は５．３Ｗ増加する。
【００３８】
また、電力損失との兼ね合いから、上記のように電流検出抵抗Ｒ1A//Ｒ1Bの並列接続回路としての抵抗値は５ｍΩ程度の低抵抗値にとどめることになるが、このために、最大負荷電力時にあっても、二次側整流電流のピーク値が４２Ａｐであるとして、ほぼ０．２Ｖ程度の非常に低いレベルの検出電圧（Ｖ3）しか得られない。このために、検出電圧を増幅する検出回路３が必要であることになる。
【００３９】
また、この過電流保護回路系としては、二次側で得られた検出出力を一次側の発振・ドライブ回路２に伝達する構成となるので、フォトカプラＰＣなどのようにして一次側と二次側とについて直流的に絶縁するための部品素子なども必要になってしまう。
【００４０】
このようにして、電力回生方式による力率改善を行う電源回路に対して過電流保護機能を設ける場合には、電力変換効率が低下し、また、増幅回路や直流絶縁のための部品が必要になるなどして電源回路基板の大型、重量化や、コストアップを招くという問題を有している。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
そこで本発明は上記した課題を考慮して、スイッチング電源回路として次のように構成する。
つまり、商用交流電源を入力して整流平滑電圧を生成する整流平滑手段と、整流平滑電圧を直流入力電圧として入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段と、スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段とを備える。
また、少なくとも、上記スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される一次巻線と、この一次巻線に得られたスイッチング出力により交番電圧が励起される二次巻線とを巻装して形成される絶縁コンバータトランスを備える。
また、少なくとも、絶縁コンバータトランスの一次巻線の漏洩インダクタンス成分と、一次巻線に直列接続された一次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成され、スイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路を備える。
また、絶縁コンバータトランスの二次巻線に励起される交番電圧を入力して整流動作を行って、二次側直流出力電圧を生成するように構成された二次側直流出力電圧生成手段を備える。
また、スイッチング手段のスイッチング動作により一次側直列共振回路に得られる一次側直列共振電流を電力回生するようにして、整流平滑手段を形成する平滑コンデンサに帰還するようにされており、この帰還された電力に応じて、整流平滑手段による整流動作によって得られる整流電流を断続するようにしてスイッチングする力率改善用スイッチング素子と、整流平滑手段の整流電流経路において力率改善用スイッチング素子と直列に接続される高周波インダクタとを備えて構成される力率改善手段を備える。
また、上記高周波インダクタとしての巻線に対して磁気結合されると共に、その両端電圧として基準電位に対する電圧レベルが得られるようにして設けられる電流検出巻線と、この電流検出巻線の両端電圧に基づいて所定の過電流保護動作を実行する過電流保護手段とを備える。
【００４２】
上記構成による本発明のスイッチング電源回路は、一次側スイッチングコンバータとして、電流共振形コンバータを備えていることになる。また、力率改善は、一次側直列共振回路に得られる一次側直列共振電流を電力として回生して整流電流経路に対して帰還する電力回生方式により行う構成を採る。
そのうえで、過電流保護のために負荷電流を検出する素子として電流検出巻線を備えることとしている。この電流検出巻線は、高周波インダクタに対して磁気結合するようにして設けられるもので、高周波インダクタに流れる電流に応じたレベルの電圧が、電流検出巻線側にて励起（誘起）される。また、電流検出巻線は、その両端電圧が基準電位に対する電位差として得られるようにして備えられる。これにより、電流検出巻線の両端電圧に基づき、一次側直列共振電流のレベルを適正に検出できることになる。
因みに、電力回生方式では、力率改善手段に対して一次側直列共振電流を電力として回生帰還していることから、力率改善手段内の高周波インダクタにも一次側直列共振電流に応じたレベルの電流が流れる。一次側直列共振電流のレベルは負荷電流レベルに応じて変化する。このことから、高周波インダクタにより誘起される電流検出巻線の両端電圧レベルとしては、負荷電流レベルに対応して変動するものとなる。
【発明の効果】
【００４３】
このようにして本発明によっては、電流共振形スイッチングコンバータを基として電力回生方式により力率改善を図るスイッチング電源回路として、一次側において一次側直列共振電流を検出することによって負荷電流が過電流となる状態を適正に検出して過電流保護動作を実行可能とされる。換言すれば、従来のようにして、二次側の整流電流経路に対して過電流検出抵抗を挿入する必要はなくなる。
これにより、二次側整流電流経路に対して過電流検出抵抗を挿入する場合と比較して、過電流検出抵抗に依る電力損失分を低減することが可能となり、電源回路全体としても電力変換効率の向上が図られることになる。
また、二次側整流電流経路に対して過電流検出抵抗を挿入した場合のようにして、二次側から一次側に対して検出出力を伝送するのにあたって直流分を絶縁するための部品（フォトカプラなど）や、フォトカプラを駆動するための二次側の増幅回路も不要となるので、例えばその分の電源回路基板の小型軽量化、及び低コスト化を図ることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４４】
図１は、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施の形態ともいう）として、第１の実施の形態のスイッチング電源回路の構成例を示した回路図である。この図に示す電源回路は、一次側の基本構成として、他励式によるハーフブリッジ結合方式による電流共振形コンバータに対して部分電圧共振回路が組み合わされた構成を採る。
【００４５】
この図１に示す電源回路においては、先ず、商用交流電源ＡＣに対し、フィルタコンデンサＣL、ＣL、及びコモンモードチョークコイルＣＭＣによるコモンモードノイズフィルタが形成されている。
そして、上記ノイズフィルタの後段となる商用交流電源ＡＣに対しては、ブリッジ整流回路Ｄｉ（整流回路部）及び１本の平滑コンデンサＣｉから成る全波整流平滑回路が接続される。この全波整流回路は、ブリッジ整流回路Ｄｉの正極入力端子に対して商用交流電源ＡＣの正極ラインを接続し、ブリッジ整流回路Ｄｉの負極入力端子に対して商用交流電源ＡＣの負極ラインを接続している。また、ブリッジ整流回路の正極出力端子と平滑コンデンサＣｉの正極端子とを接続している。そして、本実施の形態の場合には、ブリッジ整流回路の負極出力端子は、力率改善回路１０を介するようにして平滑コンデンサＣｉの負極端子に対して接続される。
この場合、平滑コンデンサＣｉの負極端子は、一次側アースと接続されていることでアース電位（基準電位）となっている。つまり、この場合の力率改善回路１０は、ブリッジ整流回路Ｄｉの負極出力ラインと基準電位との間に挿入される形態となる。
なお、力率改善回路１０の構成及びその動作については後述する。
【００４６】
この全波整流平滑回路が商用交流電源ＡＣを入力して全波整流動作を行うことによって、平滑コンデンサＣｉの両端にはブリッジ整流回路Ｄｉの整流出力を平滑化した整流平滑電圧Ｅｉ（直流入力電圧）が得られる。この場合の整流平滑電圧Ｅｉは、交流入力電圧ＶACの等倍に対応したレベルとなる。また、この場合においては、ブリッジ整流回路Ｄｉを形成する４本の整流ダイオードには、低速リカバリ型を選定している。
【００４７】
上記直流入力電圧を入力してスイッチング（断続）する電流共振形コンバータとしては、図示するようにして、ＭＯＳ−ＦＥＴによる２本のスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2をハーフブリッジ結合により接続したスイッチング回路を備える。スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の各ドレイン−ソース間に対しては、ダンパーダイオードＤD1，ＤD2が並列に接続される。ダンパーダイオードＤD1のアノード、カソードは、それぞれスイッチング素子Ｑ1のソース、ドレインと接続される。同様にして、ダンパーダイオードＤD2のアノード、カソードは、それぞれスイッチング素子Ｑ2のソース、ドレインと接続される。ダンパーダイオードＤD1，ＤD2は、それぞれスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2が備えるボディダイオードとされる。
【００４８】
また、スイッチング素子Ｑ2のドレイン−ソース間に対しては、部分共振コンデンサＣｐが並列に接続される。この部分共振コンデンサＣｐのキャパシタンスと一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ１によっては並列共振回路（部分電圧共振回路）を形成する。そして、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のターンオフ時にのみ電圧共振する、部分電圧共振動作が得られるようになっている。
【００４９】
この電源回路においては、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2をスイッチング駆動するために、発振・ドライブ回路２が設けられる。この発振・ドライブ回路２は、発振回路、駆動回路を有しており、例えば汎用のＩＣを用いることができる。そして、この発振・ドライブ回路２内の発振回路及び駆動回路によって、所要の周波数によるドライブ信号（ゲート電圧）をスイッチング素子Ｑ1，Ｑ2の各ゲートに対して印加する。これにより、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2は、所要のスイッチング周波数により交互にオン／オフするようにしてスイッチング動作を行う。
【００５０】
絶縁コンバータトランスＰＩＴは、スイッチング素子Ｑ1 、Ｑ2のスイッチング出力を二次側に伝送するために設けられる。
この絶縁トランスＰＩＴの一次巻線Ｎ１の一方の端部は、一次側直列共振コンデンサＣ1の直列接続を介して、力率改善回路１０における高周波インダクタＬ10と、スイッチングダイオードＤ1のアノードとの接続点に対して接続される。また、一次巻線Ｎ１の他方の端部は、スイッチング素子Ｑ1のソースとスイッチング素子Ｑ2のドレインとの接続点（スイッチング出力点）に接続されることで、スイッチング出力が伝達されるようになっている。なお、スイッチングダイオードＤ1は、高速型として高速リカバリ型を選定する。
【００５１】
ここで、絶縁コンバータトランスＰＩＴは、後述する構造により、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1に所要のリーケージインダクタンスＬ１を生じさせる。そして、一次側直列共振コンデンサＣ1のキャパシタンスと、上記リーケージインダクタンスＬ1によっては一次側直列共振回路を形成する。上記した接続態様によればスイッチング素子Ｑ1,Ｑ2のスイッチング出力は、この一次側直列共振回路に伝達されることとなる。この一次側直列共振回路が、伝達されたスイッチング出力により共振動作を行うことで、一次側スイッチングコンバータの動作を電流共振形とする。
【００５２】
上記説明によると、この図に示す一次側スイッチングコンバータとしては、一次側直列共振回路（Ｌ1−Ｃ1）による電流共振形としての動作と、前述した部分電圧共振回路（Ｃｐ//Ｌ1）とによる部分電圧共振動作とが得られることになる。
つまり、この図に示す電源回路は、一次側スイッチングコンバータを共振形とするための共振回路に対して、他の共振回路とが組み合わされた、複合共振形コンバータとしての構成を採っている。
【００５３】
絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次巻線には一次巻線Ｎ1に伝達されたスイッチング出力に応じた交番電圧が励起される。そして、この場合の二次巻線Ｎ2としては、センタータップが施されたことで２つに分割された二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bが設けられる。この場合、二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bは同じ所定のターン数を有する。
【００５４】
そして、これら二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bに対しては、図示するように整流用素子としてＮチャネルのＭＯＳ−ＦＥＴＱ3，Ｑ4，Ｑ5，Ｑ6を備える、両波整流による同期整流回路が備えられる。
これらＭＯＳ−ＦＥＴＱ3〜Ｑ6は、例えば低耐圧のトレンチ構造のものを選定することで、低オン抵抗を得るようにされる。
【００５５】
絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次巻線Ｎ2のセンタータップ出力は、図示するようにインダクタＬdの直列接続を介して、平滑コンデンサＣｏの正極端子の接続点と接続される。
【００５６】
そして、上記二次巻線Ｎ2の一方の端部（二次巻線Ｎ2B側の端部）は、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3のドレインとＭＯＳ−ＦＥＴＱ5のドレインとの接続点に対して接続される。そして、これらＭＯＳ−ＦＥＴＱ3、Ｑ5の各ソースの接続点が、二次側アースに接続される。
同様に、二次巻線Ｎ2の他方の端部（二次巻線Ｎ2A側の端部）は、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4のドレインとＭＯＳ−ＦＥＴＱ6のドレインとの接続点に対して接続され、これらＭＯＳ−ＦＥＴＱ4、Ｑ6の各ソースの接続点が二次側アースに接続されている。
なお、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3，Ｑ4，Ｑ5，Ｑ6のドレイン−ソースに対しては、それぞれ、ボディダイオードＤD3，ＤD4，DD5，DD6が並列に接続される。
【００５７】
このような接続形態によれば、二次巻線Ｎ2Bを含む整流電流経路においては、整流素子であるＭＯＳ−ＦＥＴＱ3//ＭＯＳ−ＦＥＴＱ5の並列接続回路が直列に挿入されることになる。また、二次巻線Ｎ2Aを含む整流電流経路においては、同じく整流素子であるＭＯＳ−ＦＥＴＱ4//ＭＯＳ−ＦＥＴＱ6の並列接続回路が直列に挿入された構成となっている。
【００５８】
また、この図に示される同期整流回路において、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3とＭＯＳ−ＦＥＴＱ5を駆動する駆動回路は、二次巻線Ｎ2Aのセンタータップしていない側の端部とＭＯＳ−ＦＥＴＱ3、Ｑ5のゲートとの間に共通に挿入されるようにして、ゲート抵抗Ｒg1を接続して形成される。
同様に、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4、Ｑ6を駆動する駆動回路は、二次巻線Ｎ2Bのセンタータップしていない端部とＭＯＳ−ＦＥＴＱ4、Ｑ6のゲートとの間に共通となるようにして挿入された、ゲート抵抗Ｒg2を備えて形成される。
つまりこの場合、上記ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3，Ｑ5は、上記二次巻線Ｎ2Aに励起される交番電圧が上記ゲート抵抗Ｒg1により検出されることで、同じタイミングでオン（導通）／オフ（非導通）するようにされ、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4，Ｑ6も、二次巻線Ｎ2Bに励起される交番電圧が上記ゲート抵抗Ｒg2により検出されることで、同じタイミングでオン（導通）／オフ（非導通）するようにされているものである。
また、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3，Ｑ5の組が、二次巻線Ｎ2Aのセンタータップされていない端部の電圧に応じてオン／オフし、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4，Ｑ6の組が二次巻線Ｎ2Bのセンタータップされていない端部の電圧に応じてオン／オフするということは、互いのＭＯＳ−ＦＥＴの組が、逆極性となる交番電圧に応じてオン／オフするということになる。つまり、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3，Ｑ5の組と、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4，Ｑ6の組とでは、二次巻線Ｎ2に励起される交番電圧が反転するタイミングに応じて、交互にオン／オフするようにして整流動作（スイッチング動作）を行う。
【００５９】
ここで、ＭＯＳ−ＦＥＴは、ゲートにオン電圧を印加すると、ドレイン−ソース間は単なる抵抗体と等価となるので、電流は双方向に流れる。これを二次側の整流素子として機能させようとすれば、二次側平滑コンデンサ（平滑コンデンサＣｏ1〜Ｃｏ4）の正極端子に充電する方向のみに電流を流さなければならない。これとは逆方向に電流が流れると、二次側平滑コンデンサから絶縁コンバータトランスＰＩＴ側に放電電流が流れて、負荷側に有効に電力を伝達することができなくなる。また、逆電流によるＭＯＳ−ＦＥＴの発熱、ノイズなどが生じて、一次側におけるスイッチング損失も招く。
上記した駆動回路は、二次巻線の電圧を検出することに基づいて、二次側平滑コンデンサの正極端子に充電する方向（つまり、この場合ではソース→ドレイン方向）の電流のみが流れるように、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3〜Ｑ6をスイッチング駆動するための回路である。つまり、この場合における同期整流回路の回路構成としては、巻線電圧検出方式により、整流電流に同期させてＭＯＳ−ＦＥＴをオン／オフ駆動する構成を採っているものである。
【００６０】
なお、この場合、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3，Ｑ5の組の駆動回路系を形成するとされるゲート抵抗Ｒg1と、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ4，Ｑ6の組の駆動回路系を形成するとされるゲート抵抗Ｒg2に対しては、それぞれ並列にショットキーダイオードＤg1、ショットキーダイオードＤg2を図示する方向により接続するようにしている。このようにしてショットキーダイオードＤg1，Ｄg2を挿入することによっては、それぞれＭＯＳ−ＦＥＴＱ3，Ｑ5，Ｑ4，Ｑ6のゲート入力容量の蓄積電荷を、これらのターンオフ時に対応して、ショットキーダイオードＤg1、ショットキーダイオードＤg2を経由して放電するための経路が形成される。そして、これによってこれらＭＯＳ−ＦＥＴを確実にターンオフさせて、良好なスイッチング特性を得るようにしているものである。
【００６１】
また、上述もしたように、この図１に示す電源回路では、二次巻線Ｎ2のセンタータップと二次側平滑コンデンサとの間に、インダクタＬdを直列に挿入している。すなわちこの場合、インダクタＬdを、二次側の整流電流経路において二次側交番電圧が正／負の各期間で共通に整流電流が流れるラインに対して挿入しているものである。
このようにしてインダクタＬdを挿入することによっては、二次側直流出力電圧Ｅｏに発生するとされていたノイズの抑制を図ることができる。
二次側の整流回路として、ＭＯＳ−ＦＥＴによる同期整流回路を備えた場合、これらＭＯＳ−ＦＥＴによるスイッチングノイズ等の影響により二次側直流出力電圧Ｅｏには高周波ノイズが重畳し易くなる。そこで、このように整流電流経路に対してインダクタＬdを挿入することで、高周波のノイズ成分について、そのインピーダンス成分によって平滑化することで抑制するようにしている。
また、このように整流電流経路に挿入されたインダクタＬdによっては二次側整流電流に生じるとされる逆方向電流の発生を抑制するようにもされる。
【００６２】
これまでに説明した回路構成による同期整流回路によっては、二次側平滑コンデンサに対して両波整流により整流して得られる整流電流を充電する動作が得られる。
すなわち、二次側に励起される交番電圧の一方の半周期には、二次巻線Ｎ2Bから流れる電流が、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3//Ｑ5の並列接続回路をソース→ドレイン方向に導通し、平滑コンデンサＣｏに対して充電される。また、交番電圧の他方の半周期には、二次巻線Ｎ2Aに流れる電流がＭＯＳ−ＦＥＴＱ3//Ｑ5の並列接続回路をソース→ドレイン方向に導通し、平滑コンデンサＣｏに対して充電される。これによって、上記交番電圧が正／負の期間で平滑コンデンサＣｏに充電する両波整流動作が得られるものである。
そして、このような平滑コンデンサの両端電圧として、図のような二次側直流出力電圧Ｅｏが得られる。この二次側直流出力電圧Ｅｏは、図示しない負荷側に供給されるとともに、次に説明する制御回路１のための検出電圧としても分岐して入力される。
【００６３】
なお、本実施の形態において、同期整流回路について、上記のようにして、整流素子としてのＭＯＳ−ＦＥＴを並列に接続しているのは、次のような理由による。
ここでの例として、本実施の形態の電源回路が実際に対応すべき負荷条件としては、二次側直流出力電圧Ｅo＝５Ｖに対して、負荷電流が３０Ａ〜０Ａで変動するものとしている。これは、いわゆる低電圧／大電流といわれる、実質的には相当に変動幅が広範囲となる負荷条件であり、従って、負荷が重くなる傾向では、二次側整流回路にも相当に大きな電流が流れる。そこで、整流素子であるＭＯＳ−ＦＥＴについて、複数本を並列接続した構成とすることで、大電流が流れるときの素子への負担を軽減して、高い信頼性を確保することとしているものである。
【００６４】
制御回路１は、二次側直流出力電圧Ｅｏのレベル変化に応じた検出出力を発振・ドライブ回路２に供給する。発振・ドライブ回路２では、入力された制御回路１の検出出力に応じてスイッチング周波数が可変されるようにして、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2を駆動する。スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のスイッチング周波数が可変されることで、一次側直列共振回路の共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1から二次巻線Ｎ2（Ｎ2A，Ｎ2B）側に伝送される電力量も変化するが、これにより二次側直流出力電圧Ｅｏのレベルを安定化させるように動作する。
例えば重負荷の傾向となって二次側直流出力電圧Ｅｏが低下するのに応じては、上記スイッチング周波数を低くするように制御するが、これは共振インピーダンスを小さくすることとなり、このために二次側直流出力電圧Ｅｏを上昇させる。これに対して、軽負荷の傾向となって二次側直流出力電圧Ｅｏが上昇するのに応じては、上記スイッチング周波数を高くするように制御することで、共振インピーダンスを大きくし、二次側直流出力電圧Ｅｏを低下させる。
【００６５】
続いて、力率改善回路１０の構成について説明する。
前述もしたように、この力率改善回路１０は、商用交流電源ＡＣから直流入力電圧（Ｅｉ）を得るための整流平滑回路における整流電流経路に対して挿入されるようにして設けられるもので、電力回生方式として磁気結合形による力率改善回路の構成を採る。
【００６６】
力率改善回路１０においては、先ず、ブリッジ整流回路Ｄｉの負極出力端子に対して、高速リカバリ型であるスイッチングダイオード（力率改善用スイッチング素子）Ｄ1のカソードが接続される。スイッチングダイオードＤ1のアノードは、高周波インダクタＬ10の巻始め端部と接続され、高周波インダクタＬ10の巻終わり端部は一次側アースに接続される。
これにより、力率改善回路１０においては、スイッチングダイオードＤ1−高周波インダクタＬ10による直列接続回路が形成され、この直列接続回路がブリッジ整流回路Ｄｉの負極出力端子と一次側アース間に挿入されるものとなる。
【００６７】
ただし、本実施の形態においては、過電流保護機能に対応して負荷電流検出を行なうためのものとして、力率改善回路内に、電流検出巻線ＮADを設けることとしている。この電流検出巻線ＮADは、高周波インダクタＬ10に対して磁気結合されるようにようにして巻装される。また、電流検出巻線ＮADと高周波インダクタＬ10は密結合するようにして巻装する。つまり、高周波インダクタｌ10としてのコイル部品は、一次側に対して本来の高周波インダクタＬ10としての巻線を巻装し、二次側に対しては、この一次側の巻線と密結合となるようにして電流検出巻線ＮADを巻装した構造を有する。なお、この場合における電流検出巻線ＮADの巻数（ターン数）としては１Ｔ（ターン）でよいものとされる。また、一次側の高周波インダクタＬ10の巻線と、電流検出巻線ＮADの巻方向（極性）は相互に同じとなるようにしている。
【００６８】
この場合、電流検出巻線ＮADの巻始め端部側を発振・ドライブ回路２の過電流保護用端子（OCP端子）に接続し、巻終わり端部を一次側アース（基準電位）に接続している。これにより、発振・ドライブ回路２の過電流保護用端子（OCP端子）に対しては、電流検出巻線ＮADの両端電圧（検出電圧）Ｖ3が入力されることになる。電流検出巻線ＮADの端部が一次側アースに接地されていることで、この検出電圧Ｖ3は、基準電位（アース電位）に対する電位差として得られる。発振・ドライブ回路２は、このようにして入力される検出電圧Ｖ3のレベル値に基づいて、後述するようにして過電流検出を行う。
【００６９】
フィルタコンデンサＣNは、スイッチングダイオードＤ1のスイッチング動作により生じるスイッチング周期の交番成分を吸収することでノーマルモードノイズを抑制するために設けられるもので、図示するようにして、スイッチングダイオードＤ1−高周波インダクタＬ10の直列接続回路に対して並列に接続される。
そして、一次側直列共振回路（Ｌ1−Ｃ1）の端部を、スイッチングダイオードＤ1のアノードと高周波インダクタＬ10との接続点に対して接続するようにされる。
【００７０】
このような力率改善回路１０の回路構成では、一次側直列共振回路に得られるスイッチング出力（一次側直列共振電流Ｉ1）を電力として回生して、高周波インダクタＬ10の磁気結合を介するようにして平滑コンデンサＣｉに帰還する動作が得られているということがいえる。
【００７１】
図３の波形図は、力率改善回路１０による力率改善動作を、商用交流電源周期により示している。なお、この図に示す特性は、交流入力電圧ＶAC＝２３０Ｖで、負荷電力Ｐｏ＝１５０Ｗの最大負荷電力の条件のもとで得られたものである。
【００７２】
ここで、図示するようにして５０Ｈｚで３２５Ｖｐの交流入力電圧ＶACが入力されていることを前提として、上記のようにして力率改善回路１０側に対して、一次側直列共振回路から電力回生が行われているものとする。
これに応じて、高周波インダクタＬ10の両端電圧Ｖ2は、スイッチング周期による交番電圧として、図示するようにして、＋１００Ｖと−２００Ｖの範囲でエンベロープが変化する波形が得られることになる。高速リカバリ型のスイッチングダイオードＤ1には、この電圧Ｖ2が印加されることになる。そして、電圧Ｖ2が負極性方向で略凹字状のエンベロープとなって負極性の絶対値レベルが一定以上となっている期間において、この電圧Ｖ2によりスイッチングダイオードＤ1をオン／オフさせる動作が得られる。これにより、例えば交流入力電圧ＶACの正／負の絶対値が、そのピーク値の約１／２以上のときにもスイッチングダイオードＤ1がスイッチング動作を行い、電流検出巻線ＮAD−高周波インダクタＬ10を介して平滑コンデンサＣｉからブリッジ整流回路Ｄｉの負極出力端子に流入しようとする整流電流を断続するようにされる。
このときにスイッチングダイオードＤ1に流れる整流電流Ｉ11は、図示するようにして、正極性による略正弦波の半波のエンベロープを有する、スイッチング周期による交番電流となる。この場合において、交流入力電圧ＶACがピークとなる時点に対応する整流電流Ｉ11のレベルは、４Ａとなる。
【００７３】
また、高周波インダクタＬ10に流れる電流Ｉ12は、例えば±２．２Ａの振幅範囲において、図示するようにしてエンベロープが変化する交番波形となる。本実施の形態の場合、一次側直列共振電流Ｉ1は、整流電流Ｉ11の交番周期成分と、この電流Ｉ12の成分とで分岐して流れることになる。
また、フィルタコンデンサＣNの両端電圧Ｖ1は、電圧Ｖ2の正極性のエンベロープを有する波形となる。
【００７４】
上記のようにしてスイッチングダイオードＤ1が整流電流を断続するようにしてスイッチングすることで得られる整流電流Ｉ11の導通期間は、ブリッジ整流回路Ｄｉから出力される整流出力電圧レベルが平滑コンデンサＣｉの両端電圧よりも低いとされる期間にも流れるものとなっており、同じ図３に示す交流入力電流ＩACの導通期間も、この整流出力電流Ｉ1の導通期間にほぼ一致したものとなる。つまり、交流入力電流ＩACの導通角は、力率改善回路を備えない場合よりも拡大されているものであり、交流入力電流ＩACの波形としては、交流入力電圧ＶACの波形に近付くものとなっている。つまり、力率改善が図られていることになる。なお、交流入力電流ＩACのピークレベルは、この場合２Ａとなっている。
【００７５】
また、電流検出巻線ＮADは、高周波インダクタL10の巻線と密結合の状態で磁気結合していることで、電流検出巻線ＮADには、高周波インダクタL10の両端電圧である電圧Ｖ2に応じた交番電圧が誘起されるが、この交番電圧（電流検出巻線ＮADの両端電圧）が、検出電圧Ｖ3となる。この検出電圧Ｖ3は、図示するようにして、電圧Ｖ2と相似したもので、±４Ｖの範囲で振幅する波形となる。
ここで、高周波インダクタＬ10に流れる電流Ｉ12は、上記もしているように、一次側直列共振電流Ｉ1の成分が分岐して流れるものであり、従って、一次側直列共振電流Ｉ1に対応したレベルを有する。そして、この電流Ｉ12が流れるのに応じて高周波インダクタＬ10の両端に発生する得られる電圧Ｖ2も、電流Ｉ12に応じたレベルを有することになる。このことから、電圧Ｖ2によって誘起される検出電圧Ｖ3としても一次側直列共振電流Ｉ1に対応するレベルが得られるものとなることが分かる。
そして、最大負荷電力時における一次側直列共振電流Ｉ1のレベルに応じて、検出電圧Ｖ3としては、上記のようにして±４Ｖの振幅が得られている。この振幅レベルは、特に増幅を行わなくとも、発振・ドライブ回路２が適正に過電流検出を行うのには充分なレベルとされる。
なお、先にも述べたように、電流検出巻線ＮADの巻数は１Ｔである。また、高周波インダクタＬ10のインダクタとしては９２μＨを設定している。
【００７６】
ここで、本実施の形態における過電流保護動作についても説明しておく。
上記のようにして、発振・ドライブ回路２は、OCP端子に入力される検出電圧Ｖ3（電流検出巻線ＮADの両端電圧）のレベルについて、負荷電流が過電流とされる状態に対応する所定以上となるか否かについての判定を行うようにされる。例えば本実施の形態としても、最大負荷電力Ｐｏ＝１５０Ｗをオーバーして、負荷電力Ｐｏが１７５Ｗ以上になった状態を過電流の状態とみなすこととしている。
また、確認のために述べておくと、上記説明から理解されるように、電流検出巻線ＮADの両端電圧（検出電圧Ｖ3）として得られるのは、一次側直列共振電流Ｉ1に対応するレベルであり、一次側直列共振電流Ｉ1のレベルは、負荷電流レベルに対応するものとなる。従って、検出電圧Ｖ3は、二次側直流出力電圧Ｅｏの負荷に流れる負荷電流のレベル（電流量）を示していることになる。また、電流検出巻線ＮADの一端は一次側アース（基準電位）に対して接続されており、従って、その両端電圧（検出電圧Ｖ3）としても、この基準電位に対する電位差を有している。発振・ドライブ回路２もアース電位を基準電位として動作しているから、検出電圧Ｖ3により、適正にレベル検出が行えることが理解される。
【００７７】
そして、発振・ドライブ回路２は、過電流保護動作として、検出電圧Ｖ3が所定レベル以上になったことを判定すると、内部の発振回路の発振動作を停止させる。これにより、スイッチング素子Ｑ1,Ｑ2を駆動するためのドライブ信号としても周期的なものではなくなるために、スイッチング素子Ｑ1,Ｑ2についてのスイッチング動作が停止されることになる。これにより、過電流に対する保護が図られることとなる。なお、このようなスイッチング動作の停止に応じた動作としては、先に図１１に示した特性と同様となる。つまり、二次側直流出力電圧Ｅoはフの字特性となり、力率ＰＦ、及びスイッチング周波数ｆｓは、垂下する特性となる。
【００７８】
また、先に図３によっても説明したように、電流検出巻線ＮADにて得られる検出レベルは、最大負荷電力時においても４Ｖという高いレベルである。つまり、本実施の形態としては、増幅を必要としない程度に充分な検出電圧Ｖ3のレベルが得られている。これにより、増幅回路（検出回路３）を追加する必要はないこととなる。
また、一次側にて電流検出を行うようにしたことによっては、検出出力を二次側から一次側の発振・ドライブ回路に伝達する必要はない。このために、フォトカプラなどに代表される、直流的絶縁を行って検出出力の伝送を行なうための部品素子も必要ないこととなる。
【００７９】
また、先の図１０のようにして二次側にて過電流検出を行う場合、負荷電流に応じて流れる二次側整流電流のレベルが比較的大きいことから、電流検出抵抗Ｒ1A//Ｒ1Bによる電力損失としては比較的大きなものとなっていた。特に、図１０に示した電源回路は、二次側直流出力電圧Ｅo＝５Ｖ、負荷電流０〜３０Ａとされる定電圧／大電流の負荷条件なので、この問題が特に顕著であり、例えば、最大負荷電力Ｐｏ＝１５０Ｗ時においては、４．５Ｗの電力損失が生じていたものである。
これに対して、本実施の形態では、図３にも示したように、電流検出素子としては、１Ｔの電流検出巻線ＮADであり、この両端電圧である検出電圧Ｖ3は、高周波インダクタＬ10により誘起される電圧である。従って、電流検出巻線ＮADにおける電力損失は０であるということがいえる。
【００８０】
このようにして、本実施の形態においては、電力回生方式による力率改善の構成を採りながらも、高周波インダクタＬ10に対して電流検出巻線ＮADを密結合させて巻装して、この電流検出巻線ＮADに誘起される両端電圧を検出電圧Ｖ3として利用することで、一次側直列共振電流レベル（つまり負荷電流レベル）について、一次側のアース電位を基準に検出することが可能とされる。
このような本実施の形態の構成は、高周波インダクタL10を一次側とし、電流検出巻線ＮADを二次巻線とする構成は、カレントトランスとして機能しているものであると捉えることができる。つまり、本実施の形態では、電力回生方式の力率改善回路として必須的に備えられる高周波インダクタを、カレントトランスの一次側巻線としても機能させることとしているということがいえる。
この結果、上記しているように、増幅回路及びフォトカプラなどの直流分絶縁用部品が省略されることになって、例えば電源回路基板の小型軽量化及び低コスト化を図ることができる。また、電流検出部品である電流検出巻線ＮADにおける電力損失は０とされることで、電源回路全体としてみた場合のAC→DC電力変換効率の向上も図られることとなる。
【００８１】
ところで、先に図１０に示した電源回路におけるようなスイッチングコンバータの構成では、一次側のスイッチング素子のスイッチング周波数の可変制御により、二次側直流出力電圧の安定化を図るようにされている。このような構成を採る場合において、例えば軽負荷の傾向となっている状態では、スイッチング周波数を高くするように制御して安定化を図ることになる。この状態では、二次側の整流回路において、二次側整流電流が二次側平滑コンデンサに流れる期間が連続し、休止する期間が存在しない、いわゆる連続モードの動作となる。
これに対して、重負荷の傾向となって二次側直流出力電圧が低下するのに応じて一次側のスイッチング周波数を低くするように制御していくと、二次側平滑コンデンサに対して二次側整流電流が連続して流れなくなって電流不連続期間が生じる、いわゆる不連続モードに移行する。つまり、二次側の両波整流動作として、負荷変動に応じて不連続モードとなる状態が存在する。
なお、二次側直流出力電圧は、商用交流電源ＡＣ（交流入力電圧ＶAC）に応じても変動し、これに応じた定電圧制御動作も行われるから、交流入力電圧ＶACのレベルに応じても不連続モードとなる状態が存在することになる。
【００８２】
図１０に示した電源回路のようにして、電力回生方式により力率改善を行う構成では、一次側直列共振電流に商用交流電源周期のリップルが重畳することにより、二次側直流出力電圧に重畳される商用交流電源周期のリップル電圧が、力率改善回路を備えない構成とした場合よりも大幅に増加する。
これは、上記のようにして、例えば負荷変動、交流入力電圧ＶACの変動により、二次側整流動作が不連続モードとなることが主たる原因となっている。このことは、換言すれば、負荷変動、交流入力電圧ＶACの変動にかかわらず、二次側整流動作として連続モードが維持されるようにすれば、その原因が無くなるのであるから、上記した二次側直流出力電圧に重畳する商用交流電源周期のリップル電圧の増加を有効に抑制できるということを意味する。
【００８３】
そのために本実施の形態としては、図１に示す電源回路において次のような構成を採ることとしている。
図２は、図１の電源回路が備える絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造例を示す断面図である。
この図に示すように、絶縁コンバータトランスＰＩＴは、フェライト材によるＥ型コアＣＲ１、ＣＲ２を互いの磁脚が対向するように組み合わせたＥＥ型コア（ＥＥ字形コア）を備える。
そして、一次側と二次側の巻装部について相互に独立するようにして分割した形状により、例えば樹脂などによって形成される、ボビンＢが備えられる。このボビンＢの一方の巻装部に対して一次巻線Ｎ1を巻装する。また、他方の巻装部に対して二次巻線Ｎ２（Ｎ2A，Ｎ2B）を巻装する。このようにして一次側巻線及び二次側巻線が巻装されたボビンＢを上記ＥＥ型コア（ＣＲ１，ＣＲ２）に取り付けることで、一次側巻線及び二次側巻線とがそれぞれ異なる巻装領域により、ＥＥ型コアの中央磁脚に巻装される状態となる。このようにして絶縁コンバータトランスＰＩＴ全体としての構造が得られる。
【００８４】
そのうえで、ＥＥ型コアの中央磁脚に対しては、図のようにして、例えばギャップ長1.4mm程度のギャップＧを形成する。これによって、結合係数ｋとしては、例えばｋ＝０．８以下による疎結合の状態を得るようにしている。つまり、従来例として図１０及び図１１に示した電源回路の絶縁コンバータトランスＰＩＴよりも、さらに疎結合の状態としているものである。なお、実際の結合係数ｋとしては、ｋ＝０．７５を設定した。また、ギャップＧは、Ｅ型コアＣＲ１，ＣＲ２の中央磁脚を、２本の外磁脚よりも短くすることで形成することが出来る。
【００８５】
さらに、二次側巻線の１Ｔ（ターン）あたりの誘起電圧レベルとしても、図１０及び図１１に示した電源回路よりも低くなるように、一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bの巻線数（ターン数）を設定する。例えば、一次巻線Ｎ1＝６０Ｔ、二次巻線Ｎ2A＝Ｎ2B＝２Ｔとすることで、二次側巻線の１Ｔ（ターン）あたりの誘起電圧レベルを、２．５Ｖ／Ｔ以下としている。
【００８６】
このような絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造、及び一次巻線Ｎ1、二次巻線（Ｎ2A，Ｎ2B）の巻線数設定とすることで、この場合の絶縁コンバータトランスＰＩＴのコアにおける磁束密度は低下して、図１０に示した電源回路よりも、絶縁コンバータトランスＰＩＴにおけるリーケージインダクタンスは増加する。
【００８７】
上記のような構成による絶縁コンバータトランスＰＩＴを備えた、図１に示す回路の動作について、図４の波形図により説明する。
図４の波形図は、スイッチング素子Ｑ2の両端電圧ＶQ2、スイッチング素子Ｑ2に流れるスイッチング電流ＩQ2、一次側直列共振電流Ｉ1、及び整流電流Ｉoをスイッチング周期により示している。ここで、整流電流Ｉoは、二次側において、二次巻線Ｎ2のセンタータップからインダクタＬｄを経由して、平滑コンデンサＣｏに流れる電流である。この整流電流Ｉoが示されるラインは、二次側整流電流経路において、二次巻線Ｎ2に励起される交番電圧が正極／負極の両期間において、整流電流が流れるラインとなる。
【００８８】
ここで、図１に示す電源回路が対応すべき負荷条件としては、これまでにも述べているように、二次側直流出力電圧Ｅo＝５Ｖで、負荷に流れる電流は３０Ａ〜０Ａの範囲で変動するものとする。つまり、負荷条件としては、最大負荷電力（Ｐｏ＝１５０Ｗ）〜最小負荷電力（Ｐｏ＝０Ｗ）の範囲で対応するものとされる。また、交流入力電圧ＶACについては、いわゆる２００Ｖ系といわれる、１８０Ｖ〜２８８Ｖの範囲を保証するものとしている。
前述もしたように、図１に示す電源回路ではスイッチング周波数制御方式により安定化を図るが、重負荷の条件となって二次側直流出力電圧Ｅoが低下するのに応じて、スイッチング周波数を低くするように制御する。図４の波形図としては、負荷状態として、ほぼ最大負荷電力の状態であるＰｏ＝１５０Ｗ時の動作を示している。つまり、スイッチング周波数としては、制御範囲においてほぼ最低となっているものである。
【００８９】
図４に示す電圧ＶQ2は、スイッチング素子Ｑ2のオン／オフタイミングを示すものとなる。スイッチング素子Ｑ2は、電圧ＶQ2が０レベルのときにオンで、所定レベルで矩形波状に立ち上がっているときにオフとなる。
このようなスイッチング素子Ｑ2のオン／オフに応じて、スイッチング素子Ｑ2には、図示する波形によるスイッチング電流ＩQ2が流れる。
ここで、一方のスイッチング素子Ｑ1のオン／オフタイミングとしては、電圧ＶQ2について１８０°移相させた波形に対応したものとなる。従って、スイッチング素子Ｑ1に流れるスイッチング電流ＩQ1としても、スイッチング電流ＩQ2について１８０°移相された波形を有するものとなる。
一次側直列共振電流Ｉ1は、上記スイッチング電流ＩQ1，ＩQ2が合成されて得られるもので、図示する波形として得られる。
【００９０】
また、二次側の整流電流Ｉoの波形は、上記した一次側のスイッチング周期のタイミングに応じて、正極性側の半波の正弦波が続く波形となっている。このような波形は、例えば二次巻線Ｎ2に励起される交番電圧の半周期で、ＭＯＳ−ＦＥＴＱ3//Ｑ5の並列接続回路により整流された整流電流が正極性で流れ、次の半周期でＭＯＳ−ＦＥＴＱ4//Ｑ6の並列接続回路により整流された整流電流が正極性で流れる、という動作が繰り返されることで得られる。
そして、この場合において、上記のようにして流れる整流電流Ｉoとしては、隣り合う半波の正弦波の間に、０レベルが継続する電流不連続期間を生じていないことが分かる。つまり、整流電流Ｉoは連続的に流れている状態となっている。
このようにして、図４によっては、例えば重負荷、もしくは交流入力電圧ＶACの低下に応じて二次側直流出力電圧Ｅoが低下したことで、スイッチング周波数が低くなるようにして制御されているときにも、二次側整流電流としては連続モードが得られていることが示される。
【００９１】
上述のようにして、重負荷（及び低交流入力電圧）の条件でも連続モードが得られているのは、これまでの説明から理解されるように、ギャップ長の設定により絶縁コンバータトランスＰＩＴの結合係数を所要値にまで低下させてより疎結合の状態とし、また、例えば二次巻線の１ターンあたりの誘起電圧レベルも所要以下となるようにして一次巻線Ｎ1と二次巻線Ｎ2A，Ｎ2Bの巻数（ターン数）設定を行い、これにより、絶縁コンバータトランスＰＩＴのコアに生じる磁束密度を所要以下にまで低下させたことにより得られるものである。
【００９２】
そして、このようにして、重負荷、低交流入力電圧の状態においても連続モードが得られているということは、負荷変動、交流入力電圧変動等による二次側直流出力電圧Ｅoの変動にかかわらず、常に連続モードで二次側の整流動作が行われるということになる。これにより、本実施の形態のようにして、電力回生方式による力率改善回路を備える構成を採る場合において、一次側直列共振電流に重畳される商用交流電源周期のリップルの増加は、大幅に抑制されることになる。この結果、二次側直流出力電圧に重畳される商用交流電源周期のリップル電圧のレベルも低下することとなって、二次側の平滑コンデンサのキャパシタンスを従来と同等にまで増加させる必要もなくなる。つまり、電力回生方式による力率改善回路を備えるスイッチング電源回路の実用化を容易に実現できることになる。例えば図１０に示す電源回路では、力率改善回路を備えない場合と比較して、上記リップル電圧は、５倍〜６倍の増加となっていたが、本実施の形態では、２倍程度に抑えられる。
【００９３】
また、このようにしてスイッチング電源回路において、電力回生方式による力率改善回路を採用することが実現化されることで、力率改善のための手段として、商用交流電源ラインにパワーチョークコイルを挿入する必要が無くなるが、これは、先ず、電力変換効率の低下の問題が解消されることにつながる。また、パワーチョークコイルは、電源回路部品のなかでも相当に大型であり、かつ、漏洩磁束の影響も無視できなかったことから、電源回路基板の大型化、重量増加の問題、基板上の配置設計の問題等も解消される。
【００９４】
具体例として、例えば図１０に示したスイッチングコンバータの構成を基として、力率改善回路２０に代えて、パワーチョークコイルを挿入する構成とした場合、パワーチョークコイルの重量は１５３ｇ程度であり、占有体積は３２．４立方センチメートル、プリント基板への実装面積は１０．８平方センチメートルとなる。
これに対して本実施の形態では、力率改善回路１０を構成する部品の具体例として、高周波インダクタＬ10には、例えばＥＥＲ−１９の小型フェライトコアを用いることができる。また、フィルタコンデンサＣNは、共に２００Ｖの耐圧品でよい。そして、上記高周波インダクタＬ10と、スイッチングダイオードＤ1とを合計した重量は２０ｇ程度であり、実装面積は８平方センチメートルとなる。このようにして、図１に示す電源回路の場合、力率改善回路１０を形成する各部品は、何れも小型、軽量であり、力率改善回路１０全体でも、上記したパワーチョークコイルの重量、占有体積、実装面積を大きく下回る。
【００９５】
また、高周波インダクタＬ10に用いられる上記ＥＥＲ−１９のフェライトコアは、閉磁路であり、従ってパワーチョークコイルＰＣＨのように漏洩磁束の影響を考慮して基板上の配置設計をする必要もなく、また、磁気シールドなどを施す必要もない。これによっても電源回路基板の小型軽量化が促進できる。
【００９６】
また、本実施の形態では、二次側の整流回路として低オン抵抗のＭＯＳ−ＦＥＴを整流素子として用いた同期整流回路を備えているが、これは、上記したようにして、負荷変動、交流入力電圧ＶACのレベル変動にかかわらず二次側の両波整流動作を連続モードとしたことと密接に関連している。この点について説明する。
【００９７】
スイッチング周波数制御方式を採る電源回路では、例えば重負荷の傾向となったり、あるいは、交流入力電圧ＶACが低下傾向にあるときに、二次側の両波整流回路に流れる二次側整流電流が連続して流れない不連続モードとなる。
このような不連続モードの状態は、二次側整流電流が、一次側直列共振電流の流れる期間よりも短い期間で流れるような状態であるといえる。そして、このように整流電流が短期間で流れることで、このときの整流電流のピークレベルは比較的高いものとなり、これに伴って二次側の各整流ダイオードの導通損が比較的大きなものとなってしまう。
スイッチング周波数制御方式を採ったうえで、二次側整流回路として例えばショットキーダイオードなどの高速型の整流ダイオード素子を備える通常の両波整流回路とした構成では、このような不連続モードとされることによる整流ダイオードの導通損により、二次側においても相応の電力損失が生じていたものである。
【００９８】
そこで、このような整流ダイオードの導通損による二次側の電力損失を低減するための技術の１つとして、二次側両波整流回路について、低オン抵抗のＭＯＳ−ＦＥＴを整流素子とする同期整流回路とすることが知られている。例えば、ショットキーダイオードなどと比較すれば、トレンチ構造によるＭＯＳ−ＦＥＴなどのほうが、オン抵抗ははるかに小さい。従って、二次側整流回路を同期整流回路とすることで、整流素子における導通損を低減し、二次側の電力損失を低減することが可能となる。
【００９９】
このような同期整流回路としては、例えば絶縁コンバータトランスＰＩＴの二次巻線Ｎ２（二次巻線Ｎ2A、Ｎ2B）に得られる交番電圧を検出する抵抗素子等を設け、その検出電圧により整流素子としてのＭＯＳ−ＦＥＴをオン／オフ駆動するようにされる。これは、巻線電圧検出方式ともいわれる。
図１０に示した電源回路では、この巻線電圧検出方式による同期整流回路を採用している。巻線電圧検出方式は、図１０からも分かるように、駆動回路としては、基本的には抵抗素子を備えればよいために、回路構成が簡略になるという利点がある。
【０１００】
しかしながら、不連続モードの状態では、平滑コンデンサに対する充電電流が０レベルとなった以降も、その不連続期間で一次巻線Ｎ１に同極性による一次側直列共振電流が流れていることから、二次巻線Ｎ2の誘起電圧としてもその極性が反転することはなく、この期間ではＭＯＳ−ＦＥＴは完全にオフにならずにオン状態を維持する。
そして、このように平滑コンデンサに対する充電電流が０レベルとなった以降もＭＯＳ−ＦＥＴがオン状態とされることにより、この期間では整流電流として逆方向の電流が流れて、この逆方向電流による無効電力が生じてしまう。
このことから、例えば図１０に示したように、巻線電圧検出方式を採る同期整流回路の場合、整流素子における導通損は低減されるものの、このような逆方向電流による無効電力の発生によって、全体として電力変換効率の有効な向上を図ることは難しい。
【０１０１】
そこで、上記したような逆方向の整流電流による無効電力の発生の問題を解消する技術としては、整流電流検出方式による同期整流回路が知られている。この整流電流検出方式は、二次側の平滑コンデンサＣｏに充電される整流電流が０レベルになる前にＭＯＳ−ＦＥＴをオフさせる技術である。
【０１０２】
このための回路構成としては、例えば二次巻線Ｎ2に流れる電流（整流電流）をカレントトランスなどにより検出するようにされる。カレントトランスにより検出された電流は、電圧（検出電圧）として出力されるが、この検出電圧を、コンパレータにより所定の基準電圧と比較するようにされる。
ここで、平滑コンデンサＣｏへ充電するようにして整流電流が流れ始めると、この整流電流がカレントトランスにより検出されて、この整流電流レベルに応じた検出電圧がコンパレータに入力される。コンパレータでは、基準電圧と検出電圧とを比較して、例えば検出電圧が基準電圧を越えるとＨレベルを出力する。このＨレベルの出力がバッファからオン電圧として、整流素子であるＭＯＳ−ＦＥＴのゲートに対して印加され、ＭＯＳ−ＦＥＴをオンさせる。これにより、整流電流がＭＯＳ−ＦＥＴのソース→ドレイン方向により流れることになる。
そして時間経過に応じて整流電流のレベルが低下し、これに応じて、カレントトランスの出力である検出電圧が基準電圧よりも低くなると、コンパレータは出力を反転させる。この反転出力がバッファを介して出力されることで、整流素子であるＭＯＳ−ＦＥＴのゲート容量を放電させて、そのＭＯＳ−ＦＥＴをオフとする。
【０１０３】
このような動作とされることで、整流素子であるＭＯＳ−ＦＥＴは、整流電流が０レベルとなる前のタイミングでオフされることになる。これにより、巻線電圧検出方式による同期整流回路のようにして、整流電流が不連続となる期間において、ＭＯＳ−ＦＥＴに逆方向電流が流れることが無くなって無効電力が生じなくなり、その分の電力変換効率は高くなる。
【０１０４】
しかし、上記した整流電流検出方式の同期整流回路では、上記説明からも分かるように、１つのＭＯＳ−ＦＥＴに対応して、少なくとも１組のカレントトランスと、このカレントトランスの出力によりＭＯＳ−ＦＥＴを駆動するための比較的複雑な駆動回路系が必要となる。これにより、回路構成が複雑になり、これが製造能率の低下、コストアップ、回路基板サイズの拡大などにつながるという不都合が生じる。
特に、例えば図１０に示した電源回路のように、電流共振形のスイッチングコンバータの構成を基本としている場合、同期整流回路としても両波整流回路とする必要がある。従って、上記したカレントトランス及び駆動回路系は、半波の期間ごとに対応して２組必要とされることになり、上記した問題がさらに大きくなる。
【０１０５】
このようにして、二次側整流動作として不連続モードとなる状態があることを前提として、同期整流回路を採用することを考えると、巻線電圧検出方式と整流電流検出方式とでは、そのメリットがトレードオフの関係にならざるを得ない。つまり、巻線電圧検出方式のほうが、電力変換効率の面で不利ではあるが、回路構成は簡略となる。これに対して、整流電流検出方式のほうは、無効電力が生じないので電力変換効率の面では有利であるが、回路構成が複雑になる。換言すれば、二次側整流動作として不連続モードとなる条件が存在する以上、例えば電力変換効率のことを考慮して同期整流回路を採用しようとしても、整流電流検出方式を採らざるを得ないために、回路構成が複雑化するという問題を抱えることになってしまう。
【０１０６】
しかしながら、本実施の形態としては、先に説明した絶縁コンバータトランスＰＩＴの構成とすることで、負荷変動及び交流入力電圧の変動等にかかわらず、二次側の両波整流動作を連続モードとしている。
前述したように、図１に示す電源回路に備えられる同期整流回路は巻線電圧検出方式を採っているが、上記のようにして常に連続モードが得られていることで、電流不連続期間の無効電力が生じることはない。つまり、本実施の形態としては、巻線電圧検出方式の同期整流回路を備えることで、簡単な回路構成として回路規模の拡大を抑制し、さらにコストアップを避けるようにしていながら、なおかつ、電流不連続期間の無効電力に起因する電力変換効率の低下の問題を有効に解消しているものである。
【０１０７】
以上、本実施の形態において、二次側整流動作を連続モードとしていることに関連したことをまとめると、先ずは、電力回生方式による力率改善回路を備えた場合におけるリップル増加の問題について、二次側両波整流動作を不連続モードとすることで解決しており、また、チョークインプット方式と比較した場合には高い電力変換効率を得ているということがいえる。
そしてさらに、二次側両波整流動作を不連続モードとしたことで、二次側整流回路において電流不連続期間の無効電力が生じなくなることに着眼し、二次側には巻線電圧検出方式による同期整流回路を備えることしている。これにより、小数の部品追加で、二次側整流回路における電力損失の低減を有効に図り、電源回路全体としての電力変換効率をさらに促進させているものである。
【０１０８】
なお、本実施の形態においては、二次側の整流電流経路にインダクタＬdを挿入しているが、そのインダクタンス値を適正に設定することで、インダクタＬdのインピーダンス成分により整流電流に生じるとされる逆方向電流の成分を抑制する動作が得られる。つまり、インダクタＬdの挿入により、電流不連続期間の逆方向電流の抑制は、さらに強化される。
【０１０９】
図５及び図６は、本発明の第１の実施の形態としての力率改善回路の変形例を示している。
なお、これらの図において図示されていない他の電源回路部分は、図１と同様であるものとされる。
先ず、図５に示す力率改善回路１０Ａとしては、整流平滑電圧Ｅｉを生成する整流回路系において、ブリッジ整流回路Ｄｉの正極出力端子と平滑コンデンサＣｉの正極端子との間となる整流電流経路に挿入されているということがいえる。これは、第１の実施の形態として整流電流経路において力率改善回路が挿入される位置は、ブリッジ整流回路Ｄｉの負極出力端子側であっても、正極出力端子側であっても、何れでも良いということがいえる。
【０１１０】
そして、この場合の力率改善回路１０Ａにおいては、高周波インダクタＬ10における所定の巻線位置に対してタップが設けられることで、高周波巻線部Ｌ10A（第１インダクタ部：第１巻線部），Ｌ10B（第２インダクタ部：第２巻線部）の２つの巻線部に分割される。つまり、ここでは、高周波インダクタＬ10全体としてのインダクタンス成分を、高周波巻線部Ｌ10A，Ｌ10Bの各インダクタンスにより形成されるものとしている。とそして、高周波巻線部Ｌ10Aの巻始め側となる端部をスイッチングダイオードＤ1のアノードに接続し、高周波巻線部Ｌ10Aの巻終わり側となる端部を一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1））と接続するようにしている。
また、この場合においても、電流検出巻線ＮADは、高周波インダクタＬ10（Ｌ10A−Ｌ10B）に対して密結合となるようにして１Ｔの巻数で巻装される。
【０１１１】
上記力率改善回路１０Ａの接続形態では、商用交流電源ＡＣから直流入力電圧Ｅｉを生成する整流回路系において、商用交流電源ＡＣが正極性／負極性となる半周期ごとに形成される整流電流経路において、高周波巻線部Ｌ10AがスイッチングダイオードＤ1と直列に接続される回路形態が得られることになる。
また、一次側直列共振回路を形成するとされる一次側直列共振コンデンサＣ1と一次巻線Ｎ1の直列接続回路は、さらに高周波巻線部Ｌ10Bの直列接続を介して、高周波巻線部Ｌ10Aに対して接続されることになる。つまり、商用交流電源ＡＣから直流入力電圧Ｅｉを生成するための全波整流回路の整流電流経路に対して挿入されるものとなる。このことを、一次側直列共振回路経由でスイッチング出力の帰還を受ける力率改善回路１０Ａからみた場合、一次側直列共振回路としては、一次側直列共振コンデンサＣ1のキャパシタンスと一次巻線Ｎ1のリーケージインダクタンスＬ1に加え、高周波巻線部Ｌ10Bのインダクタンスも含んで形成されるものとして扱うことができる。
なお、この場合のフィルタコンデンサＣNは、スイッチングダイオードＤ1−高周波巻線部Ｌ10Aが直列接続された整流電流経路部分に対して並列に接続される。また、ここでは図示していないが、スイッチング素子Ｑ1，Ｑ2のハーフブリッジ接続は、図１と同様にして平滑コンデンサＣｉに対して並列に接続される。
【０１１２】
このような接続態様に依れば、高周波インダクタＬ10においては、高周波巻線部Ｌ10B側にて、一次側直列共振回路のスイッチング出力が入力される動作と、高周波巻線部Ｌ10A側にて、電力回生されたスイッチング出力に商用交流電源が重畳される動作とが複合的に得られることになる。高周波巻線部Ｌ10A，Ｌ10Bは、本来は同じインダクタにタップを形成することで分割されたものであるから、高周波巻線部Ｌ10A，Ｌ10Bは直列接続の関係にあって、相互に密結合である。従って、上記した高周波巻線部Ｌ10A，Ｌ10Bの動作は、これら高周波巻線部Ｌ10A，Ｌ10Bが密結合となっている状態下で行われるものとなる。
【０１１３】
このような動作が得られる結果として、高周波インダクタＬ10を含む力率改善回路１０Ａにて流れるとされる整流電流は、より完全な正弦波形状に近づくことが実験で確認された。そして、このようにして整流電流が正弦波状となるのに応じて、交流入力電流ＩACとしても、同様にしてほぼ完全な正弦波状に近づくこととなる。これによっては、交流入力電流ＩACの波形において発生しているとされる、９次、１１次、１３次などの、高次、かつ、奇数次の歪みレベルが低減されることになる。
例えば上記したような高奇数次の歪みは、電源高調波歪み規制が規定する規制値に対するマージンを小さくしてしまうという不都合を生じる可能性があるが、図５に示す力率改善回路１０Ａとしての構成を採れば、交流入力電流ＩACの波形がより完全な正弦波状となるために、上記しているような電源高調波歪み規制が規定する規制値に対するマージンを充分に得ることが可能となる。そして、このような効果を得るのにあたっては、力率改善のための構成として特に部品素子を追加することなく、高周波インダクタＬ10についてタップを設けたうえで、図５に示されるように、その両端部及びタップの接続を行なうのみでよい。
【０１１４】
また、このような構成においても、先ず、電流検出巻線ＮADには、高周波インダクタＬ10に得られる交番電圧Ｖ2により励起された交番電圧（検出電圧Ｖ3)が得られるようにされる。電流検出巻線ＮADは、この場合にも一次側アースと発振・駆動回路２のOCP端子との間に挿入されるようにして設けられるから検出電圧Ｖ3は一次側アース基準の電位である。また、図５に示す接続態様においては、一次側直列共振電流Ｉ1は、平滑コンデンサＣｉから高周波巻線部Ｌ10Bを介して一次側直列共振回路に流入する交番成分と見ることができる。従って、高周波インダクタＬ10の巻線全体としてみた場合にも一次側直列共振電流Ｉ1に応じたレベルの電流が流れるものと見ることができる。
従って、検出電圧Ｖ3としては、図１の場合と同様にして、一次側直列共振電流Ｉ1のレベル、つまり負荷電流レベルに応じた電位を示すことになるから、この場合にも、図１にて説明したのと同様の過電流保護動作が得られることになる。
なお、図５においては、高周波インダクタＬ10と電流検出巻線ＮADの巻方向（極性）が逆極性となっているものとして示されているが、このように逆極性とされても構わない。電圧Ｖ3としては、図３に示したようにしてアース電位を０レベルとして正／負に振幅する波形となるからである。
【０１１５】
続いて、図６に示す変形例について説明する。
この図６には、力率改善回路１０Ｂが示されている。この力率改善回路１０Ｂも、図５の場合と同様にして、ブリッジ整流回路Ｄｉの正極出力端子と平滑コンデンサＣｉの正極端子との間に挿入される形態を採る。
【０１１６】
この図６に示す回路においては、先ず、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1についてタップを形成することで、一次巻線部Ｎ1A，Ｎ1Bの２つの巻線部に分割している。そして、力率改善回路１０Ｂにおいては、スイッチングダイオードＤ1のアノードに対して一次巻線Ｎ1のタップ（一次巻線部Ｎ1A，Ｎ1Bの接続点）を接続し、一次巻線Ｎ1において一次巻線部Ｎ1B側となる端部と平滑コンデンサＣｉの正極端子との間に、図示するようにして、１つの独立したインダクタ素子としての部品である高周波インダクタＬ10を直列に挿入するようにされる。
つまり、この場合の力率改善回路１０Ｂとしては、商用交流電源ＡＣから整流平滑電圧を得るための整流回路系の整流電流経路において、スイッチングダイオードＤ1−一次巻線部Ｎ1B−高周波インダクタＬ10の直列接続回路を挿入していることになる。
なお、この場合には、高周波インダクタＬ10と一次巻線部Ｎ1Bとについて、後述するようにして密結合の状態を形成することを目的として直列に接続していることに応じて、一次側直列共振回路コンデンサＣ1は、一次巻線Ｎ1とスイッチング出力点との間に挿入する形態としている。
【０１１７】
上記のようにして形成される力率改善回路１０Ｂの力率改善動作について説明する。
先に図５に示した力率改善回路１０Ａの場合、高周波インダクタＬ10にタップを施して形成される高周波巻線部Ｌ10A（第１インダクタ部），Ｌ10B（第２インダクタ部）のうち、高周波巻線部Ｌ10Bは、整流電流経路内には挿入されてはいないものの、一次巻線Ｎ1と直列共振コンデンサＣ1を介して直列接続される関係にある。従って、一次側直列共振回路を形成するインダクタンス成分として機能するものとされていた。そして、高周波巻線部Ｌ10Bは、密結合の関係にあるとされる高周波巻線部Ｌ10Aに対して、一次側直列共振回路のスイッチング出力を伝達するようにしており、これにより、力率改善回路１０Ａ内で、スイッチング出力に商用交流電源を重畳させる電力回生動作を得ていたものである。
【０１１８】
図６に示す力率改善回路１０Ｂにおいても、一次巻線部Ｎ1Bは、一次側直列共振回路を形成するインダクタンス成分を有するものであり、高周波インダクタＬ10と直列接続されていることで、高周波インダクタＬ10に対してほぼ密結合とすることができる。なお、このことは、一次巻線部Ｎ1Bのインダクタンスが、力率改善のための高周波インダクタを成すインダクタンス成分の一部であるとみてよいことを意味する。そして、このような関係が得られているもとで、一次巻線部Ｎ1Bから高周波インダクタL10に対してスイッチング出力を伝達することで、上記図１の力率改善回路１０と同様の電力回生動作を得るようにしている。
このような動作からすれば、図５に示した力率改善回路１０Ａにおける高周波巻線部Ｌ10Aと、高周波巻線部Ｌ10Bとの関係は、この図６に示される力率改善回路１０Ｂにおける高周波インダクタＬ10（第１インダクタ部）と一次巻線部Ｎ1B（第２インダクタ部）の関係と等価であるということがいえる。
【０１１９】
図５において説明したように、力率改善回路１０Ａにおける高周波巻線部Ｌ10A、高周波巻線部Ｌ10Bの動作によっては整流電流はより完全な正弦波形に近づくものであり、これに応じて交流入力電流ＩACも完全な正弦波形に近づく。従って、図６に示す力率改善回路１０Ｂの力率改善結果としても、整流電流Ｉ11及び交流入力電流ＩACは、正弦波状となる。
つまり、図６に示す変形例としても、奇数高調波の歪みがレベルが抑制されることとなって、例えば電源高調波歪み規制が規定する規制値に対するマージンを充分に得ることが可能となる。また、この図６に示す変形例においても、このような効果を得るのにあたっては、絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1に対してタップを設けたうえで、図６に示した回路が形成されるように接続を行うのみでよく、特に部品素子を追加する必要はない。
【０１２０】
また、このような構成においても、電流検出巻線ＮADは、一次側アースと発振・駆動回路２のOCP端子との間に挿入されており、高周波インダクタＬ10に得られる交番電圧Ｖ2により励起された、一次側アース基準の交番電圧（検出電圧Ｖ3)をOPC端子に印加する。
図６に示す接続態様では、一次側直列共振電流Ｉ1は、平滑コンデンサＣｉから高周波インダクタＬ10を介して一次側直列共振回路に流入する交番成分となるから、高周波インダクタＬ10には、一次側直列共振電流Ｉ1に応じたレベルの電流が流れる。つまり、この場合にも、検出電圧Ｖ3としては、図１の場合と同様にして一次側直列共振電流Ｉ1（負荷電流レベル）に応じた電位を示すものであり、従って、図１にて説明したのと同様の過電流保護動作が得られる。
【０１２１】
なお、上記図５、図６に示した力率改善回路１０Ａ、１０Ｂのように、第１インダクタと第２インダクタを設けるようにした回路構成は、これら力率改善回路１０Ａ、１０Ｂをブリッジ整流回路Ｄｉの負極出力端子側に接続することとした場合にも適用できるものである。
【０１２２】
図７は、本発明の第２の実施の形態としての電源回路の構成例を示している。なお、この図において、図１，図５及び図６と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す電源回路において、商用交流電源ＡＣから整流平滑電圧Ｅｉを生成する整流回路としては、倍電圧整流回路を備える。そして、この図に示される力率改善回路１１としては、倍電圧整流回路に対して、磁気結合形の電力回生方式による力率改善のための構成が組み合わされて形成されるものとなる。
【０１２３】
この図に示す力率改善回路１１においては、倍電圧整流回路を形成するものとして、整流ダイオードＤ11，Ｄ12（第１の整流素子，第２の整流素子）、及び平滑コンデンサＣｉ1，Ｃｉ2（第１の平滑コンデンサ，第２の平滑コンデンサ）を備える。また、力率改善のためには、高周波インダクタL10と、フィルタコンデンサＣNを備えると共に、力率改善用のスイッチング素子としては、上記整流ダイオードＤ11，Ｄ12を備えることになる。つまり、整流ダイオードＤ11，Ｄ12は、倍電圧整流回路において整流出力を得るための整流ダイオードとしての機能と、整流電流をスイッチングする力率改善用スイッチング素子としての機能を兼ねる。整流ダイオードＤ11，Ｄ12は、整流電流をスイッチング素子Ｑ1,Ｑ2のスイッチング周期でスイッチングするので、高速型のダイオード素子として、高速リカバリ型を選定するようにされる。
【０１２４】
この場合、商用交流電源ＡＣに対して設けられるコモンモードノイズフィルタとしては、各１組のコモンモードチョークコイルＣＭＣ、及びフィルタコンデンサＣLから成るものとされて図示するようにして商用交流電源ＡＣのラインに対して接続される。
【０１２５】
また、この力率改善回路１１の高周波インダクタＬ10は、図５と同様にして、所定の巻線位置に対してタップが設けられることで、高周波巻線部Ｌ10A（第１インダクタ部：第１巻線部），Ｌ10B（第２インダクタ部：第２巻線部）の２つの巻線部に分割することとしている。この場合には、高周波インダクタＬ10全体としては高周波巻線部Ｌ10A側の端部が巻始めとなる。
高周波巻線部Ｌ10Aの巻始め端部は、上記コモンモードノイズフィルタの後段となる商用交流電源ＡＣの一方のラインに対して接続される。高周波インダクタＬ10のタップ（L10Aの巻終わり端部とＬ10Bの巻始め端部との接続点となる）は、整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードの接続点に対して接続される。
整流ダイオードＤ11のカソードは平滑コンデンサＣｉ1の正極端子に接続され、整流ダイオードＤ12のアノードは、一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1(L1))の端部と接続される。
【０１２６】
２組の平滑コンデンサＣｉ1，Ｃｉ2は直列接続される。そのうえで、平滑コンデンサＣｉ1の正極端子は、上記もしているように整流ダイオードＤ11のカソードと接続され、また、スイッチング素子Ｑ1のドレイン側とも接続される。平滑コンデンサＣｉ2の負極端子は一次側アースと接続される。平滑コンデンサＣｉ1の負極端子と平滑コンデンサＣｉ2の正極端子との接続点は、コモンモードノイズフィルタの後段となる商用交流電源ＡＣの他のラインに対して接続される。
フィルタコンデンサＣNは、高周波巻線部Ｌ10A側の端部と商用交流電源ＡＣとのラインとの接続点と、平滑コンデンサＣｉ1−平滑コンデンサＣｉ2の接続点との間に挿入される。
そして、一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1)）の端部は、整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードとの接続点に対して接続される。
【０１２７】
また、この場合にも、高周波インダクタＬ10に対しては１Ｔの電流検出巻線ＮADを密結合で巻装し、一次側アースと、発振・ドライブ回路２のOCP端子との間に挿入している。
【０１２８】
上記した接続形態により構成される力率改善回路１１内において形成される倍電圧整流回路は、商用交流電源ＡＣ（交流入力電圧ＶAC）が一方の半周期となる期間においては、商用交流電源ＡＣ→（ＣＭＣの巻線）→高周波巻線部Ｌ10A→整流ダイオードＤ11→平滑コンデンサＣｉ1→（ＣＭＣの巻線）→商用交流電源ＡＣの経路で整流電流が流れる。つまり、整流ダイオードＤ11が商用交流電源ＡＣを整流し、平滑コンデンサＣｉ1がその整流出力を平滑化することで、平滑コンデンサＣｉ1の両端電圧として、商用交流電源ＡＣの等倍に対応する整流平滑電圧を生成する。
同様に、商用交流電源ＡＣ（交流入力電圧ＶAC）が他方の半周期となる期間においては、商用交流電源ＡＣ→（ＣＭＣの巻線）→平滑コンデンサＣｉ2→整流ダイオードＤ12→高周波巻線部Ｌ10A→（ＣＭＣの巻線）→商用交流電源ＡＣの経路で整流電流が流れる。つまり、整流ダイオードＤ12が商用交流電源ＡＣを整流し、平滑コンデンサＣｉ2がその整流出力を平滑化することで、平滑コンデンサＣｉ2の両端電圧として、商用交流電源ＡＣの等倍に対応する整流平滑電圧を生成する。
これにより平滑コンデンサＣｉ1−Ｃｉ2の直列接続回路の両端電圧としては、商用交流電源ＡＣのレベルの２倍に対応するレベルの整流平滑電圧Ｅｉが得られる。この整流平滑電圧Ｅｉが直流入力電圧として後段のスイッチングコンバータに供給される。
また、上記説明に依れば、高周波インダクタＬ10Aとしては、商用交流電源ＡＣ（交流入力電圧ＶAC）の半周期ごとに形成される整流電流経路において、共通となるラインに挿入されているものとなる。
【０１２９】
そして、力率改善回路１１においては、整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードとの接続点に対して、高周波巻線部Ｌ10Bを介して一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1））の端部が接続されている。これにより、力率改善回路２１としても、一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1））に流れる一次側直列共振電流を電力として回生して、高周波インダクタＬ10（Ｌ10A）の磁気結合を介して、さらに整流ダイオードＤ11または整流ダイオードＤ12の整流電流経路を経て、平滑コンデンサＣｉに帰還する動作が得られるものとなる。
つまり、この力率改善回路１１としても磁気結合形の電力回生方式による力率改善回路としての動作が得られているものである。さらに、この場合には、高周波インダクタＬ10についてタップを施して高周波巻線部Ｌ10A，Ｌ10Bに分割し、これら高周波巻線部Ｌ10A，Ｌ10Bを図示するようにして接続していることで、先に図５に示した力率改善回路１０Ａと同様にして、交流入力電流ＩACの波形は、より完全な正弦波に近いものとなるようにされる。
【０１３０】
図８の波形図は、力率改善回路１０による力率改善動作を、商用交流電源周期により示している。なお、この図に示す特性は、交流入力電圧ＶAC＝１００Ｖで、負荷電力Ｐｏ＝１５０Ｗの最大負荷電力の条件のもとで得られたものである。
【０１３１】
ここで、図示するようにして５０Ｈｚで１４０Ｖｐの交流入力電圧ＶACが入力されていることを前提として、上記のようにして力率改善回路１０側に対して、一次側直列共振回路から電力回生が行われているものとする。
【０１３２】
これに応じて、整流ダイオードＤ11，Ｄ12のアノード、カソードの接続点と一次側アースとの間の電圧Ｖ1は、ピークが２７０Ｖとされて図示する波形による交番電圧として得られる。また、高周波巻線部Ｌ10Aと一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1））との接続点と、一次側アース間の電圧Ｖ2は、図示するようにして、交流入力電流ＩACの非導通期間において、交番成分が重畳した波形が得られることとなる。
【０１３３】
また、一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1(L1)）に流れる一次側直列共振電流Ｉ1は、図示するようにして、±２．５Ｖでほぼ一定となるエンベロープで流れる交番波形となる。この一次側直列共振電流Ｉ1は、高周波巻線部Ｌ10Bを介して整流電流Ｉ11として流れようとする成分と、電流Ｉ12の電流成分のうちで、高周波巻線部Ｌ10Bからさらに高周波巻線部Ｌ10Aを介してフィルタコンデンサＣNに流入しようとする電流成分とから成るものとみることができる。なお、整流電流Ｉ11と電流Ｉ12は、図示するようにして±５Ａのピークレベルを有する。
【０１３４】
このようにして、整流電流経路においては、スイッチング出力が帰還されていることでスイッチング周期に応じた交番波形成分が生じる。そして、このような交番波形の電圧成分により、高速リカバリ型の整流ダイオードＤ11，Ｄ12をオン／オフさせる動作が得られることになる。この結果、商用交流電源ＡＣの半周期ごとにおいて、整流ダイオードＤ11，Ｄ12は、それぞれ整流電流Ｉ11をスイッチングするように動作することになる。
のレベルは、５Ａとなる。
【０１３５】
この場合にも、上記のようにしてスイッチングダイオードＤ1が整流電流を断続するようにしてスイッチングすることで得られる整流電流Ｉ11の導通期間は、ブリッジ整流回路Ｄｉから出力される整流出力電圧レベルが平滑コンデンサＣｉの両端電圧よりも低いとされる期間にも流れるものとなっている。同図に示す交流入力電流ＩACの導通期間は、この整流電流Ｉ11の導通期間にほぼ一致したものとなるので、交流入力電流ＩACの導通角は、力率改善回路を備えない場合よりも拡大されることとなって、交流入力電流ＩACの波形としては、交流入力電圧ＶACの波形に近付くものとなっている。このようにして、力率改善回路１１としても力率改善が図られていることが示されている。なお、交流入力電流ＩACのピークレベルは、この場合４Ａとなっている。
【０１３６】
また、この場合にも、電流検出巻線ＮADは、高周波インダクタL10の巻線と密結合の状態で磁気結合していることで、電流検出巻線ＮADの両端には、高周波インダクタL10の両端電圧である電圧Ｖ2に応じた検出電圧Ｖ3が得られる。この場合の検出電圧Ｖ3も±４Ｖの範囲で振幅する波形となる。
【０１３７】
上記もしているように、高周波インダクタＬ10に流れる電流Ｉ12には、一次側直列共振電流Ｉ1の電流成分を含むので、そのレベルは一次側直列共振電流Ｉ1に対応するものであるといえる。この電流Ｉ12が流れるのに応じて高周波インダクタＬ10の両端には電圧Ｖ2が発生し、さらに電圧Ｖ2によって検出電圧Ｖ3が誘起される、従って、検出電圧Ｖ3としては、一次側直列共振電流Ｉ1に対応するレベルが得られるものとなることが分かる。
そして、この場合にも、最大負荷電力時における一次側直列共振電流Ｉ1のレベルに応じた検出電圧Ｖ3としては、第１の実施の形態に対応する図３と同様にして、±４Ｖの振幅が得られている。この振幅レベルが、発振・ドライブ回路２において適正に過電流検出を行うのには充分なレベルであることは図３において述べたとおりである。このことから、本実施の形態においても、発振・ドライブ回路２は、検出電圧Ｖ3のレベルに基づいて適正に過電流保護動作を実行できることになる。
【０１３８】
そして、この図７に示す電源回路としても、図１に示す第１の実施の形態の電源回路と同様にして、過電流保護のための電流検出は一次側で行っていることになる。また、この場合にも、電流検出部品である電流検出巻線ＮADにおける電力損失は０である。つまり、第２の実施の形態としても、電源回路基板の小型軽量化及び低コスト化を図ることができ、また、電源回路全体としてみた場合のAC→DC電力変換効率の向上が図られる。
【０１３９】
さらに、この第２の実施の形態としても、図２により説明した絶縁コンバータトランスＰＩＴの構造を採用することで、二次側直流出力電圧Ｅoの変動にかかわらず二次側整流動作として連続モードが得られるようにしており、そのうえでさらに、二次側整流回路として巻線電圧検出方式による同期整流回路としている。これにより、第１の実施の形態と同様に、できるだけ簡略な構成で電力変換効率に有利な二次側整流回路の構成を得ているものである。
【０１４０】
ところで、先の第１の実施の形態としては、図１により、高周波インダクタＬ10を分割しない基本的な構成の力率改善回路１０を示し、図５，図６の変形例により、高周波インダクタＬ10を高周波巻線部Ｌ10A，Ｌ10Bに分割した構成と、高周波インダクタＬ10を分割する代わりに絶縁コンバータトランスＰＩＴの一次巻線Ｎ1を分割した構成とを示した。
上記図７に示した第２の実施の形態は、図５の高周波インダクタＬ10を高周波巻線部Ｌ10A，Ｌ10Bに分割した力率改善回路の構成を、倍電圧整流回路の構成を採る場合に適用したものと考えることができる。
第２の実施の形態としては、図７に示した力率改善回路１０の構成だけではなく、図１に示した高周波インダクタＬ10を分割しない力率改善回路の構成と、図６に示したように一次巻線Ｎ1を分割して得られた巻線部を整流電流経路に含めるような力率改善回路の構成も適用することが可能である。
【０１４１】
図９には、第２の実施の形態の電源回路（力率改善回路）の変形例として、高周波インダクタＬ10を分割しない基本的な力率改善回路の構成を適用した構成を示している。なお、この図において、図１、図５、図６及び図７と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
高周波インダクタＬ10を分割しない場合には、力率改善回路１１Ａとして図示するようにして、高周波インダクタＬ10の一端を整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードの接続点に対して接続する。他端は、商用交流電源ＡＣの一方のライン（平滑コンデンサＣｉ1−Ｃｉ2の接続点が接続されない側のライン）に接続するようにされる。一次側直列共振回路（Ｃ1−Ｎ1（Ｌ1））も、高周波巻線部Ｌ10Bを介することなく、直接、整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードの接続点に対して接続する。
【０１４２】
また、ここでの図示は省略しているが、図６の変形例に準じて一次巻線Ｎ1を分割した構成を適用する場合には、次のようにすればよい。
先ず、一次巻線Ｎ1の所定の巻線位置にタップを施して一次巻線部Ｎ1A，Ｎ1Bに分割する。タップを、整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードの接続点に対して接続する。そして、タップとは反対側の一次巻線部Ｎ1Bの端部を高周波インダクタＬ10と接続する。これにより、倍電圧整流回路の整流電流経路において、交流入力電圧ＶACの一方の半周期では、整流ダイオードＤ11−一次巻線部Ｎ1B−高周波インダクタＬ10の直列接続回路が挿入され、交流入力電圧ＶACの他方の半周期では、整流ダイオードＤ12−一次巻線部Ｎ1B−高周波インダクタＬ10の直列接続回路が挿入されるようにする。つまり、一次巻線部Ｎ1B−高周波インダクタＬ10直列接続回路は、商用交流電源ＡＣ（交流入力電圧ＶAC）の半周期ごとに形成される整流電流経路において共通となるラインに挿入されるものとなる。
また、この場合、一次側直列共振回路としては、整流ダイオードＤ11のアノードと整流ダイオードＤ12のカソードの接続点に対して一次巻線部Ｎ1Aの端部が接続されることになるので、一次側直列共振コンデンサＣ1は、タップとは反対側の一次巻線部Ｎ1Aの端部と、スイッチング出力点との間に挿入するようにされる。
【０１４３】
なお、本発明はこれまで説明した実施の形態に限定されるべきものではない。
例えば、電流検出巻線ＮADの巻数は、必要に応じて１Ｔ以上が設定されてもよい。
また、電流検出巻線ＮADの両端電圧である検出電圧Ｖ3に基づいた過電流保護動作としては、例えばスイッチング動作は継続させた上で負荷電流量を制限するなど、実施の形態として説明したもの以外の動作を実行するように構成してもよい。
また、上記第１及び第２の実施の形態において備えられる力率改善回路１０、１１は、それぞれ電力回生方式における磁気結合形とされているが、磁気結合形の他にはコンデンサのキャパシタンスを介して電力回生する構成の静電結合形なども存在する。本発明は、このような静電結合形による電力回生方式の力率改善回路を備える場合にも適用可能である。さらには、これ以外にも、これまでに本出願人が提案してきた各種の電力回生（帰還）方式による回路形態を基とした構成を採用することも可能である。
また、絶縁コンバータトランスＰＩＴについてであるが、例えばコア形式などをはじめとして、その構造については、所要以下の磁束密度となるようにされていれば、適宜変更されて構わない。
また、例えば、上記各実施の形態としてのスイッチングコンバータは、他励式による電流共振形コンバータをその基礎としているが、自励式による電流共振形コンバータを備えて構成することも可能とされる。この場合には、スイッチング素子として例えばバイポーラトランジスタを選定することができる。さらには、４石のスイッチング素子をフルブリッジ結合した電流共振形コンバータにも適用できる。また、例えばスイッチングコンバータの一次側のスイッチング素子（Ｑ1,Ｑ2）としては、ＩＧＢＴ(Insulated Gate Bipolar Transistor)など、他励式に使用可能な素子であれば、ＭＯＳ−ＦＥＴ以外の素子が採用されて構わない。また、先に説明した各部品素子の定数なども、実際の条件等に応じて変更されて構わない。
また、二次側両波整流回路である、巻線電圧検出方式の同期整流回路の細部の構成についても適宜変更されてよい。
さらには、力率改善回路としても実施の形態として示したものに限定されるものではなく、これまでに本出願人が提案してきた各種の電力回生（帰還）方式による回路形態を基とした構成を採用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】本発明の第１の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示す回路図である。
【図２】本実施の形態の電源回路に備えられる絶縁コンバータトランスの構造例を示す図である。
【図３】第１の実施の形態の電源回路の力率改善動作、及び過電流検出動作に対応する要部の動作を示す波形図である。
【図４】第１の実施の形態の電源回路における、重負荷時の二次側両波整流回路の整流動作を示す波形図である。
【図５】第１の実施の形態の変形例を示す回路図である。
【図６】第１の実施の形態の変形例を示す回路図である。
【図７】第２の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示す回路図である。
【図８】第２の実施の形態の電源回路の力率改善動作、及び過電流検出動作に対応する要部の動作を示す波形図である。
【図９】第２の実施の形態の変形例を示す回路図である。
【図１０】従来例としてのスイッチング電源回路の構成例を示す回路図である。
【図１１】図１０に示す電源回路における過電流保護動作について、負荷変動に応じた二次側直流出力電圧、力率、及びスイッチング周波数特性を示す図である。
【図１２】従来例としてのスイッチング電源回路の他の構成例を示す回路図である。
【図１３】図１２に示す電源回路における過電流保護動作について、負荷変動に応じた二次側直流出力電圧、力率、及びスイッチング周波数特性を示す図である。
【符号の説明】
【０１４５】
１  制御回路、２  発振・ドライブ回路、１０，１０Ａ，１０Ｂ，１１，１１Ａ  力率改善回路、Ｄｉ  ブリッジ整流回路、Ｄ11，Ｄ12  整流ダイオード（高速リカバリ型）、Ｃｉ，Ｃｉ1，Ｃｉ2  平滑コンデンサ、Ｑ1，Ｑ2  スイッチング素子、ＰＩＴ  絶縁コンバータトランス、Ｃ1  一次側直列共振コンデンサ、Ｃｐ  部分共振コンデンサ、Ｎ1  一次巻線、Ｎ2（Ｎ2A，Ｎ2B）  二次巻線、ＣN  フィルタコンデンサ、Ｌ10  高周波インダクタ、Ｄ1  スイッチングダイオード、Ｑ3〜Ｑ6  ＭＯＳ−ＦＥＴ、Ｒｇ1、Ｒｇ2  ゲート抵抗、Ｄg1，Ｄg2  ショットキーダイオード、Ｌd  インダクタ、Ｃｏ  （二次側）平滑コンデンサ、Ｌ10A，Ｌ10B  高周波巻線部、Ｎ1A，Ｎ1B  一次巻線部、ＮAD  電流検出巻線
【図１】
2005287140.tif 000003
【図２】
2005287140.tif 000004
【図３】
2005287140.tif 000005
【図４】
2005287140.tif 000006
【図５】
2005287140.tif 000007
【図６】
2005287140.tif 000008
【図７】
2005287140.tif 000009
【図８】
2005287140.tif 000010
【図９】
2005287140.tif 000011
【図１０】
2005287140.tif 000012
【図１１】
2005287140.tif 000013
【図１２】
2005287140.tif 000014
【図１３】
2005287140.tif 000015