(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に直列接続した偶数個のスイッチ素子を有する第一の直列回路を一つ有するスイッチング電源装置において、
前記第一の直列回路と並列に、直列接続した偶数個のスイッチ素子を有する第二の直列回路を接続し、
さらに、前記第一の直列回路と並列に複数個のコンデンサを直列接続してなる第三の直列回路を接続してあり、
前記第一の直列回路の中点と前記第三の直列回路の中点との間に前記トランスの一次巻線を接続してあるとともに、
前記第一の直列回路の中点と前記第二の直列回路の中点との間に共振チョークを接続してあることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
一次・二次間をトランスで絶縁し、前記トランスの一次巻線にスイッチ素子を直列接続したスイッチング電源装置において、
前記一次巻線と前記スイッチ素子とを有する第一の直列回路を備え、この第一の直列回路と並列に整流素子とスイッチ素子とを有する第二の直列回路を接続し、
前記第一の直列回路を構成する一次巻線とスイッチ素子との接続点と、前記第二の直列回路を構成する整流素子とスイッチ素子との接続点との間に共振チョークを接続してあることを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記第一の直列回路を二つ有し、これら前記第一の直列回路を構成するトランスの一次巻線同士を接続し、これら前記第一の直列回路と並列に前記第二の直列回路を接続してあることを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一次・二次間をトランスで絶縁して、一次側にスイッチ素子を備えたスイッチング電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のフルブリッジコンバータを図８に示す。このフルブリッジコンバータは、一次・二次間をトランスＴで絶縁し、一次側に二つのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２，Ｑ３，Ｑ４を直列接続して直列回路（以下「のアーム」という。）１１，１２を二つ備え、これらアーム１１，１２を並列接続して、ブリッジ回路を構成し、各々の直列回路１１，１２の中点をトランスＴの一次巻線に接続してある。一次巻線の一端とアーム１２の中点との間に共振チョークＬ２を接続し、位相シフト制御を行うように構成してある（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】米国特許第４，８６４，４７９号公報
【０００３】
このフルブリッジコンバータは、トランスＴを正負両側に励磁できるため、例えばフォワードコンバータのような片側で１つのスイッチ素子で発振するコンバータよりもトランスを小型にできるメリットがある。また出力チョークＬ１と平滑コンデンサＣ２を備えたフィルタ（以下、「ＬＣフィルタ」という。）に加わる電圧波形の周波数がフォワードコンバータの二倍になるため、ＬＣフィルタを小型にできるメリットもある。更にフルブリッジコンバータは位相シフト制御すると補助スイッチを追加することなしにゼロボルトスイッチング（以下「ＺＶＳ」という。）を実現できるメリットがある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、位相シフト制御するフルブリッジ型のスイッチング電源装置は、図９に示すように、循環電流が一次側回路に流れるため、図１０に示すＰＷＭ制御と比べて導通損失が大きい問題がある。このため損失が大きく、部品を小型化できない。これは停電保持時間を要求されるために、通常時のデューティを狭く設計している電源でより顕著になる。また、この循環電流のエネルギーを利用してＺＶＳを実現するため、負荷が軽くなるとＺＶＳできない問題がある。
【０００５】
本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、部品を小型化するとともにＺＶＳを実現するスイッチング電源装置を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスで絶縁し、一次側に直列接続した偶数個のスイッチ素子を有する第一の直列回路を一又は複数備え、該直列回路の中点を前記トランスの一次巻線に接続してあるスイッチング電源装置において、前記第一の直列回路と並列に、直列接続した偶数個のスイッチ素子を有する第二の直列回路を接続し、前記第一の直列回路の中点と前記第二の直列回路の中点との間に共振チョークを接続してあることを特徴とする。
また、前記第一の直列回路を二つ有し、これら前記第一の直列回路と並列に前記第二の直列回路を接続してあることを特徴とする。
又は、前記第一の直列回路を一つ有し、前記第一の直列回路と並列に複数個のコンデンサを直列接続してなる第三の直列回路を接続してあることを特徴とする。
【０００７】
また、本発明に係るスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスで絶縁し、前記トランスの一次巻線にスイッチ素子を直列接続したスイッチング電源装置において、前記一次巻線と前記スイッチ素子とを有する第一の直列回路を備え、この第一の直列回路と並列に整流素子とスイッチ素子とを有する第二の直列回路を接続し、前記第一の直列回路を構成する一次巻線とスイッチ素子との接続点と、前記第二の直列回路を構成する整流素子とスイッチ素子との接続点との間に共振チョークを接続してあることを特徴とする。
また、前記第一の直列回路を二つ有し、これら前記第一の直列回路を構成するトランスの一次巻線同士を接続し、これら前記第一の直列回路と並列に前記第二の直列回路を接続してあることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、第一の直列回路と並列に第二の直列回路を各々接続し、前記第一の直列回路の中点と前記第二の直列回路の中点の間に各々共振チョークを接続してあることにより、共振チョークの電流が大幅に減るため、損失の低減と共振チョークの小型化が可能になる。
【０００９】
また、前記構成より、位相シフト制御にしなくてもＺＶＳを実現できるため、循環電流を流さずに済むようになり、スイッチ並びにトランスの一次巻線の損失を低減できる。さらに、循環電流のエネルギーでＺＶＳさせないので、ＺＶＳ条件が負荷に左右されなくなり、全負荷でも無負荷でも安定してＺＶＳを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。
【００１０】
加えて、第二の直列回路には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二の直列回路のスイッチは小さなものでよい。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
発明を実施するための最良の形態の回路図を図１に示す。図１図示のスイッチング電源装置は、フルブリッジ型のスイッチング電源装置の実施例である。このスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスＴで絶縁し、一次側に二つのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２およびＱ３，Ｑ４を直列接続した第一の直列回路（以下「第一のアーム」という。）１１，１２を二つ備え、これらアーム１１，１２を並列接続して、ブリッジ回路を構成し、各々の直列回路１１，１２の中点をトランスＴの一次巻線に接続してある。
【００１２】
二次側は二つの整流素子Ｄ１，Ｄ２を備えた整流回路と、出力チョークＬ１と平滑コンデンサＣ２とを備えた平滑回路を備え、トランスＴの二次巻線は整流回路に接続し、整流回路は平滑回路に接続して、出力電圧を供給する。なお、本発明においては、二次側の構成については限定しない。
【００１３】
続いて、本実施例は以下の構成に特徴を有する。二つのスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２およびＱ１３，Ｑ１４を直列接続した第二の直列回路（以下「第二のアーム」という。）２１，２２を二つ備え、これら第二のアーム２１，２２を並列接続してある。また、これら第二のアーム２１，２２は二つの第一のアーム１１，１２と並列接続してある。一方の第一のアーム１１の中点と一方の第二のアーム２１の中点との間に共振チョークＬ１１を接続してあるとともに、他方の第一のアーム１２の中点と他方の第二のアーム２２の中点との間に別の共振チョークＬ１２を接続してある。
【００１４】
以上のように構成してあるスイッチング電源装置は以下のように作用する。第一のアーム１１，１２に設けたハイサイドスイッチＱ１，Ｑ３がターンオンする直前に、第二のアーム２１，２２に設けたハイサイドスイッチＱ１１，Ｑ１３をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークＬ１１，Ｌ１２に移動し、第二のアーム２１，２２に設けたハイサイドスイッチＱ１１，Ｑ１３がターンオフされたタイミングで第一のアーム１１，１２に設けたハイサイドスイッチＱ１，Ｑ３と、第二のアーム２１，２２に設けたローサイドスイッチＱ１２，Ｑ１４のボディダイオードを通して、入力コンデンサＣ１に回生される。これによりハイサイドスイッチＱ１，Ｑ３のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
【００１５】
また、第一のアーム１１，１２に設けたローサイドスイッチＱ２，Ｑ４がターンオンする直前に、第二のアーム２１，２２に設けたローサイドスイッチＱ１２，Ｑ１４をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークＬ１１，Ｌ１２に移動し、第二のアーム２１，２２に設けたローサイドスイッチＱ１２，Ｑ１４がターンオフされたタイミングで、第一のアーム１１，１２に設けたローサイドスイッチＱ２，Ｑ４と、第二のアーム２１，２２に設けたハイサイドスイッチＱ１１，Ｑ１３のボディダイオードを通して、入力コンデンサＣ１に回生される。これによりローサイドスイッチＱ２，Ｑ４のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
【００１６】
以上の作用より、図２に示すように、共振チョークの電流が、図３に示す位相シフト制御の場合と比べて、大幅に減るため、損失の低減と共振チョークの小型化が可能になる。また、以上の構成より、位相シフト制御にしなくてもＺＶＳを実現できるため、循環電流を流さずに済むようになり、スイッチ並びにトランスの一次巻線の損失を低減できる。さらに、循環電流のエネルギーでＺＶＳさせないので、ＺＶＳ条件が負荷に左右されなくなり、全負荷でも無負荷でも安定してＺＶＳを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。なお、第二のアーム２１，２２には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二のアーム２１，２２のスイッチは小さなものでよい。
【００１７】
続いて、ハーフブリッジ型のスイッチング電源装置の実施例を図４に示す。このスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスＴで絶縁し、一次側に二つのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２を直列接続した第一のアーム１１と、二つのコンデンサＣ１１，Ｃ１２を直列接続した直列回路３１とを備え、第一のアーム１１と直列回路３１とを並列接続して、ハーフブリッジ回路を構成し、各々の直列回路１１，３１の中点をトランスＴの一次巻線に接続してある。
【００１８】
本実施例は以下の構成に特徴を有する。二つのスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２を直列接続した第二のアーム２１を備えてある。また、第二のアーム２１は第一のアーム１１と並列接続してあり、第一のアーム１１の中点と第二のアーム２１の中点との間に共振チョークＬ１１を接続してある。
【００１９】
以上のように構成してあるスイッチング電源装置は以下のように作用する。第一のアーム１１に設けたハイサイドスイッチＱ１がターンオンする直前に、第二のアーム２１に設けたハイサイドスイッチＱ１１をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークＬ１１に移動し、第二のアーム２１に設けたハイサイドスイッチＱ１１がターンオフされたタイミングで第一のアーム１１に設けたハイサイドスイッチＱ１と、第二のアーム２１に設けたローサイドスイッチＱ１２のボディダイオードを通して、入力コンデンサＣ１に回生される。これによりハイサイドスイッチＱ１のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
【００２０】
また、第一のアーム１１に設けたローサイドスイッチＱ２がターンオンする直前に、第二のアーム２１に設けたローサイドスイッチＱ１２をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークＬ１１に移動し、第二のアーム２１に設けたローサイドスイッチＱ１２がターンオフされたタイミングで、第一のアーム１１に設けたローサイドスイッチＱ２と、第二のアーム２１に設けたハイサイドスイッチＱ１１のボディダイオードを通して、入力コンデンサＣ１に回生される。これによりローサイドスイッチＱ２のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
【００２１】
以上の作用より、前記実施例と同様に、共振チョークＬ１１をトランスＴの一次巻線に直列に挿入したときと比べて共振チョークＬ１１の電流が大幅に減るため、損失の低減と共振チョークＬ１１の小型化が可能になる。また、共振チョークＬ１１に蓄えたエネルギーでＺＶＳさせるわけではないので、ＺＶＳ条件が負荷に左右されなくなり、全負荷でも無負荷でも安定してＺＶＳを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。なお、第二のアーム２１には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二のアーム２１のスイッチは小さなものでよい。
【００２２】
本発明はブリッジ型のスイッチング電源のみならず、その原型であるプッシュプル型のスイッチング電源装置でも適用可能である。プッシュプル型のスイッチング電源装置の実施例を図５に示す。このスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスＴで絶縁し、入力電源に並列に、第一の一次巻線とスイッチ素子Ｑ１の直列回路、および第二の一次巻線とスイッチ素子Ｑ２の直列回路を接続してある。
【００２３】
本実施例は以下の構成に特徴を有する。トランスＴの一次巻線とそれぞれのスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２とで二つの第一の直列回路１３，１４を構成し、これら第一の直列回路１３，１４とそれぞれ並列に整流素子Ｄ１１，Ｄ１２とスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２とを直列接続した第二の直列回路２３，２４を接続してある。また、第一の直列回路１３，１４を構成するトランスＴの一次巻線とスイッチ素子Ｑ１，Ｑ２との接続点と、第二の直列回路２３，２４を構成する整流素子Ｄ１１，Ｄ１２とスイッチ素子Ｑ１１，Ｑ１２との接続点との間に、それぞれ共振チョークＬ１１，Ｌ１２を接続してある。
【００２４】
以上のように構成してあるスイッチング電源装置は以下のように作用する。第一の直列回路１３に設けたスイッチ素子Ｑ１がターンオンする直前に、第二の直列回路２３に設けたスイッチ素子Ｑ１１をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークＬ１１に移動し、第二の直列回路２３に設けたスイッチ素子Ｑ１１がターンオフされたタイミングで第一の直列回路１３に設けたスイッチ素子Ｑ１と、第二の直列回路２３に設けた整流素子Ｄ１１を通して、入力コンデンサＣ１に回生される。これによりスイッチ素子Ｑ１のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
【００２５】
また、第一の直列回路１４に設けたスイッチ素子Ｑ２がターンオンする直前に、第二の直列回路２４に設けたスイッチ素子Ｑ１２をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークＬ１２に移動し、第二の直列回路２４に設けたスイッチ素子Ｑ１２がターンオフされたタイミングで第一の直列回路１４に設けたスイッチ素子Ｑ２と、第二の直列回路２４に設けた整流素子Ｄ１２を通して、入力コンデンサＣ１に回生される。これによりスイッチ素子Ｑ２のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
【００２６】
以上の作用より、全負荷でも無負荷でも安定してＺＶＳを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。なお、第二の直列回路２３，２４および共振チョークＬ１１，１２には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二の直列回路２３，２４のスイッチおよび共振チョークＬ１１，１２は小さなものでよい。
【００２７】
本発明はプッシュプル型のスイッチング電源で示すように、偶数個のスイッチ素子で構成するアームの代わりに整流素子とスイッチ素子とで直列回路を構成することが可能であるため、フォワード型のスイッチング電源装置やフライバック型のスイッチング電源装置でも適用可能である。フォワード型のスイッチング電源装置を図６にフライバック型のスイッチング電源装置を図７に示す。これらのスイッチング電源装置は、一次・二次間をトランスＴで絶縁し、トランスＴの一次巻線の一端に一方の入力端を接続し、他端にスイッチ素子Ｑ１を直列に接続してある。スイッチ素子Ｑ１の他端に他方の入力端を接続してある。
【００２８】
本実施例は以下の構成に特徴を有する。トランスＴの一次巻線とスイッチ素子Ｑ１とで第一の直列回路１３を構成し、これら第一の直列回路１３とそれぞれ並列に整流素子Ｄ１１とスイッチ素子Ｑ１１とを直列接続した第二の直列回路２３を接続してある。また、第一の直列回路１３を構成するトランスＴの一次巻線とスイッチ素子Ｑ１との接続点と、第二の直列回路２３を構成する整流素子Ｄ１１とスイッチ素子Ｑ１１との接続点との間に、それぞれ共振チョークＬ１１を接続してある。
【００２９】
以上のように構成してあるスイッチング電源装置は以下のように作用する。第一の直列回路１３に設けたスイッチ素子Ｑ１がターンオンする直前に、第二の直列回路２３に設けたスイッチ素子Ｑ１１をターンオンさせて、寄生容量を放電する。放電されたエネルギーは共振チョークＬ１１に移動し、第二の直列回路２３に設けたスイッチ素子Ｑ１１がターンオフされたタイミングで第一の直列回路１３に設けたスイッチ素子Ｑ１と、第二の直列回路２３に設けた整流素子Ｄ１１を通して、入力コンデンサＣ１に回生される。これによりスイッチ素子Ｑ１のゼロ電圧スイッチングが可能となり、スイッチング損失を抑えることができる。
【００３０】
以上の作用より、前記実施例と同様に、全負荷でも無負荷でも安定してＺＶＳを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。なお、第二の直列回路２３および共振チョークＬ１１には主回路の寄生容量を放電する為の電流しか流れないため、第二の直列回路２３のスイッチおよび共振チョークＬ１１は小さなものでよい。
【産業上の利用可能性】
【００３１】
本発明によれば、第一の直列回路と並列に第二の直列回路を各々接続し、前記第一の直列回路の中点と前記第二の直列回路の中点の間に各々共振チョークを接続してあることにより、共振チョークの電流が大幅に減るため、損失の低減と共振チョークの小型化が可能になる。
【００３２】
また、前記構成より、位相シフト制御にしなくてもＺＶＳを実現できるため、循環電流を流さずに済むようになり、スイッチ並びにトランスの一次巻線の損失を低減できる。さらに、循環電流のエネルギーでＺＶＳさせないので、ＺＶＳ条件が負荷に左右されなくなり、全負荷でも無負荷でも安定してＺＶＳを実現できるようになり、無負荷でも低ノイズになる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係る電力変換装置における発明を実施するための最良の形態の回路図である。
【図２】図１図示実施例における共振チョークに流れる電流の波形図である。
【図３】従来の位相シフト制御方式のスイッチング電源装置における共振チョークに流れる電流の波形図である。
【図４】前記実施例とは別の実施例の回路図である。
【図５】同じく前記実施例とは別の実施例の回路図である。
【図６】同じく前記実施例とは別の実施例の回路図である。
【図７】同じく前記実施例とは別の実施例の回路図である。
【図８】従来のフルブリッジ型のスイッチング電源装置の回路図である。
【図９】従来の位相シフト制御方式のスイッチング電源装置におけるトランスの一次巻線に流れる電流の波形図である。
【図１０】従来のＰＷＭ制御方式のスイッチング電源装置におけるトランスの一次巻線に流れる電流の波形図である。
【符号の説明】
【００３４】
１１，１２  第一のアーム
２１，２２  第二のアーム
１３，１４  第一のアーム
２３，２４  第二のアーム
３１  直列回路
Ｑ１〜Ｑ４，Ｑ１１〜Ｑ１４  スイッチ素子
Ｌ１  出力チョーク
Ｌ２，Ｌ１１，Ｌ１２  共振チョーク
Ｃ２  出力コンデンサ 
Ｔ  トランス 
Ｄ１，Ｄ２，Ｄ１１，Ｄ１２  整流回路
【図１】
0005153299.tif 000002
【図２】
0005153299.tif 000003
【図３】
0005153299.tif 000004
【図４】
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【図５】
0005153299.tif 000006
【図６】
0005153299.tif 000007
【図７】
0005153299.tif 000008
【図８】
0005153299.tif 000009
【図９】
0005153299.tif 000010
【図１０】
0005153299.tif 000011