(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
トランスの一次巻線に直列接続されるスイッチング素子と、このスイッチング素子のオン・オフによって二次巻線に発生する交流電圧を整流して平滑する整流平滑回路とを備えた電源装置であって、
前記トランスに回生巻線を設け、
前記トランスの一次巻線と二次巻線と回生巻線とを互いに疎結合にし、
前記回生巻線をダイオードを介して一次巻線に並列接続し、
前記回生巻線は、前記スイッチング素子がオンされている期間中に、リーケージインダクタンスと二次巻線の分布容量とにより生じる共振エネルギーを回生することを特徴とする電源装置。
【請求項２】
前記トランスは、一次巻線を巻回した一次ボビンを有し、一次巻線と同一層にしてこの一次巻線の隣りに前記回生巻線を前記一次ボビンに巻回し、前記二次巻線を一次巻線及び回生巻線の外側層に巻回して、前記一次巻線と二次巻線と回生巻線とを互いに疎結合にしたことを特徴とする請求項１に記載の電源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、交流電圧を発生させるためのスイッチング素子と、コアの外周面に一次巻線と二次巻線と回生巻線とが巻回されたトランスとを備えた電源装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の電源装置では、トランスの一次側にスイッチング素子が設けられ、このスイッチング素子のＯＮ／ＯＦＦ制御によってトランスの二次側に交流電圧を発生させて出力するようになっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
また、図７（ａ）に示すように、スイッチング素子１がＯＦＦ制御された際に電力を回生する回生巻線４を備えた電源装置も考えられている。
【０００４】
この電源装置では、コア２を中心としてその直近の外側に一次巻線３と回生巻線４とが積層巻され、さらにその外側に二次巻線５が巻回された構成（図７（ｂ）参照）や、コア２の直近の外側に一次巻線３と回生巻線４とがバイファイラ巻され、その外側に二次巻線５が巻回された構成となっている。
【特許文献１】特開２００５−３４１７０９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、上述の従来の電源装置では、トランスのインダクタンス、二次巻線の分布容量、外付けのコンデンサ等によって生じる共振エネルギーが、スイッチング素子がＯＮ制御されている間に一次側に流れ、一次巻線を流れる電流に重畳されることで電源効率の低下や、スイッチング素子及びトランス等の温度上昇を引き起こしていた。
【０００６】
また、この共振エネルギーの影響により、図８に示すように、スイッチング素子をＯＮ制御した際に流れる電流に比較的大きな振動が発生している。なお、ＯＮ制御からＯＦＦ制御に切り替えた際には、このスイッチング素子に印加される電圧にノイズ電圧Ｖｎが生じている。
【０００７】
そこで、この共振エネルギーをスナバ回路等により除去することが考えられているが、このスナバ回路等によって電力消費が行われ、電源効率の向上を図ることが難しかった。
【０００８】
さらに、回生巻線４を備えた電源装置では、この回生巻線４によって共振エネルギーの回生を行っているが、大きな効果をあげることができず、電源効率の向上を十分に図ることができなかった。
【０００９】
そこで、この発明は、スイッチング素子をＯＮ制御させている間に生じる共振エネルギーを低減させることができると共に、電源効率を向上させ、温度低減を図ることが可能な電源装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、この発明は、トランスの一次巻線に直列接続されるスイッチング素子と、このスイッチング素子のオン・オフによって二次巻線に発生する交流電圧を整流して平滑する整流平滑回路とを備えた電源装置であって、
前記トランスに回生巻線を設け、
前記トランスの一次巻線と二次巻線と回生巻線とを互いに疎結合にし、
前記回生巻線をダイオードを介して一次巻線に並列接続し、
前記回生巻線は、前記スイッチング素子がオンされている期間中に、リーケージインダクタンスと二次巻線の分布容量とにより生じる共振エネルギーを回生することを特徴とする。
【００１１】
また、この発明では、前記トランスは、一次巻線を巻回した一次ボビンを有し、一次巻線と同一層にしてこの一次巻線の隣りに前記回生巻線を一次ボビンに巻回し、前記二次巻線を一次巻線及び回生巻線の外側層に巻回して、前記一次巻線と二次巻線と回生巻線とを互いに疎結合にしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明に係る電源装置によれば、スイッチング素子をＯＮ制御している間に発生する共振エネルギーを低減させることができると共に、電源効率を向上させ、温度低減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】
【００１３】
次に、図面に基づいて、この発明を実施するための最良の実施の形態の電源装置を説明する。
【００１４】
図１に示す電源装置１０は、直流電源１１に接続されたスイッチング素子１２と、一次巻線２１、二次巻線２２、回生巻線２３を有するトランス２０とを備えている。
【００１５】
スイッチング素子１２は、直流電源１１とトランス２０の一次巻線２１の一方の端子との間に接続されている。また、このスイッチング素子１２は、図示しない制御ＩＣによってＯＮ／ＯＦＦ制御が行われ、直流電源１１からの直流電圧を断続させて交流電圧に変換するようになっている。
【００１６】
トランス２０は、直流電源１１からの電力を昇圧して出力するものであり、図２に示すように、磁性体からなるほぼＵ字状のコア２４のコア挿入部２４ａが一次巻線２１及び回生巻線２３が巻回される一次ボビン２５に挿入され、その後この一次ボビン２５は二次巻線２２が巻回される二次ボビン２６に挿入されることにより形成されている。
【００１７】
なお、ここでは、一対のコア２４，２４により一次ボビン２５及び二次ボビン２６が挟まれるようになっている。
【００１８】
この一次ボビン２５は、硬質プラスチック等の絶縁部材により形成され、中空円筒形状の一次巻枠部２５ａと、この一次巻枠部２５ａの周面に多数形成された小鍔部２５ｂ，・・・と、これら小鍔部２５ｂ，・・・と同様に一次巻枠部２５ａの周面に形成された一対の大鍔部２５ｃ，２５ｃとを有している。
【００１９】
一次巻枠部２５ａの内径はコア２４のコア挿入部２４ａの外径とほぼ同じであり、このコア挿入部２４ａが一次巻枠部２５ａの内周面に密着するようになっている。また、この一次巻枠部２５ａの両端は開放している。
【００２０】
小鍔部２５ｂは、一次巻枠部２５ａの径方向に突出したフランジ形状を呈しており、一次巻枠部２５ａのほぼ全周を取り囲んでいる。
【００２１】
大鍔部２５ｃは、小鍔部２５ｂと同様に、一次巻枠部２５ａの径方向に突出したフランジ形状を呈しており、一次巻枠部２５ａのほぼ全周を取り囲んでいるが、小鍔部２５ｂよりも突出量が大きくなっている。
【００２２】
二次ボビン２６は、硬質プラスチック等の絶縁部材により形成され、中空円筒形状の二次巻枠部２６ａと、この二次巻枠部２６ａの両端部に多数形成された端子部２６ｂ，・・・とを有している。
【００２３】
二次巻枠部２６ａは、一次巻線２１及び回生巻線２３が巻回された一次ボビン２５が挿入可能な内径であり、一次ボビン２５が二次巻枠部２６ａの内周面に密着するようになっている。また、この二次巻枠部２６ａの両端は開放している。
【００２４】
端子部２６ｂは、二次巻枠部２６ａの軸線方向に対して直交する方向に突出しており、図示しない金属製の端子が取り付けられるようになっている。なお、この図示しない端子には、二次巻枠部２６ａに巻回された二次巻線２２の端部が接続される。
【００２５】
一次巻線２１は、一端が直流電源１１に接続され、他端がスイッチング素子１２に接続されている。そして、この一次巻線２１は、一次ボビン２５の一対の大鍔部２５ｃ，２５ｃに沿うと共に、複数の小鍔部２５ｂ，・・・の一部に沿って一次巻枠部２５ａに巻回されている。
【００２６】
また、回生巻線２３は、トランス２０に発生する共振エネルギーを回生するものであり、一端がダイオードＤ１のアノード側に接続され、他端が直流電源１１とスイッチング素子１２との間に接続されている。なお、ダイオードＤ１のカソード側は一次巻線２１と直流電源１１との間に接続されており、これにより、回生巻線２３と一次巻線２１とは並列接続されることとなる。
【００２７】
そして、この回生巻線２３は、複数の小鍔部１５ｂ，・・・のうち一次巻線２１が巻回されていないものに沿って巻回されている。
【００２８】
一方、二次巻線２２は、一次巻線２１及び回生巻線２３と相互インダクタンスで結合されるものであり、ここでは、一端がダイオードＤ２のアノード側に接続され、他端がアースＧに接続されている。
【００２９】
ここで、ダイオードＤ２は、二次巻線２２に誘起される交流電圧を整流するものであり、ここでは、カソード側には出力端子Ｐが接続されている。
【００３０】
また、ここでは、出力端子ＰとアースＧとの間には、ダイオードＤ２の整流電圧を平滑する平滑コンデンサＣ１が接続されている。そして、ダイオードＤ２とコンデンサＣ１とで整流平滑回路が構成される。
【００３１】
そして、この二次巻線２２は、二次ボビン２６の二次巻枠部２６ａに巻回されている。
【００３２】
なお、二次巻線２２とアースＧとの間に出力電流検出抵抗を接続したり、ダイオードＤ２のカソード側と出力端子Ｐとの間に出力電流制限抵抗を接続したりしてもよい。ここで、出力電流検出抵抗は、二次巻線２２と平滑コンデンサＣ１の接続点と間に配置され、出力電流制限抵抗は、平滑コンデンサＣ１の接続点と出力端子Ｐとの間に配置される。
【００３３】
次に、この発明の電源装置１０の作用について説明する。
【００３４】
この電源装置１０では、図３に示すように、一次巻線２１と回生巻線２３とは、コア２４の直近の外側の同一層に巻回されている。
【００３５】
このとき、一次巻線２１は一対の大鍔部２５ｃ，２５ｃ及び複数の小鍔部２５ｂ，・・・の一部に沿って巻回され、回生巻線２３は、複数の小鍔部２５ｂ，・・・のうち一次巻線２１が巻回されていないものに沿って巻回され、両者は疎結合となっている。なお、図３において小鍔部２５ｂ，・・・は省略してある。
【００３６】
また、二次巻線２２は、一次巻線２１及び回生巻線２３の外側に巻回されて積層されている。これにより、一次巻線２１は二次巻線２２の長手方向の一部と対向し、回生巻線２３も二次巻線２２の長手方向の一部と対向することとなる。
【００３７】
このように、一次巻線２１及び回生巻線２３は、いずれも二次巻線２２の長手方向全長と対向していない。
【００３８】
そのため、一次巻線２１と二次巻線２２との間、及び、回生巻線２３と二次巻線２２との間のいずれの相互インダクタンスの結合力が弱くなり、疎結合となっている。
【００３９】
そして、このような構成となっているため、図４に示すように、スイッチング素子１２がＯＮ制御されているときにトランス２０に生じる共振エネルギーを回生させることができ、この共振エネルギーのゆれが抑制されて電流の流れをより安定させることができる。
【００４０】
また、図５に示す表は、本願発明に係る電源装置１０（以下、本発明という）と従来構造の電源装置（以下、従来構造という）とにおいて、入力電圧と電源効率及びスイッチング素子１２の温度、トランス２０の温度との関係を比較するものである。
【００４１】
これによると、直流電源１１からの入力電圧が１３５Ｖの場合には、本発明では電源効率が９０．２％に対し、従来構造では８９．４％となっており、電源効率の向上を図ることができた。
【００４２】
また、入力電圧が１５０Ｖの場合には、本発明では電源効率９０．９％であり、従来構造では電源効率８９．０％であった。そのため、入力電圧が１５０Ｖの場合であっても電源効率の向上を図ることができた。
【００４３】
さらに、入力電圧が１６５Ｖの場合には、本発明では電源効率９０．２％であり、従来構造では電源効率８６．０％であった。そのため、入力電圧が１６５Ｖの場合であっても電源効率の向上を図ることができ、入力電圧の大きさに関わらず電源効率を向上させることが可能となったことが分かる。
【００４４】
なお、入力電圧が大きいほど電源効率の向上率も大きくなっており、入力電圧の大きさに比例して電源効率を向上させることが可能である。
【００４５】
一方、スイッチング素子１２の温度及びトランス２０の温度においても、入力電圧の大きさに関わらず本発明の方が従来構造よりも低温になり、温度低減を図ることが可能となっている（図５参照）。
【００４６】
特に、入力電圧が１６５Ｖの場合には、スイッチング素子１２における本発明と従来構造の温度差が３４．４℃であり、トランス２０における本発明と従来構造の温度差が２７．５℃となり、温度低減率が最も大きくなっている。すなわち、入力電圧が大きいほど温度の低減率も大きくすることができ、入力電圧の大きさに比例して温度低減率を向上させることが可能となっている。
【００４７】
このように、本発明に係る電源装置１０では、スイッチング素子１２がＯＮ制御されているときに生じる共振エネルギーを回生する回路方式としたため、この共振エネルギーを抑制することができると共に、電源効率を向上させ、且つ、スイッチング素子１２及びトランス２０の温度低減を図ることが可能となる。
【００４８】
以上、この発明にかかる実施の形態を図面により詳述してきたが、具体的な構成は上述の実施の形態に限らない。この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計の変更等はこの発明に含まれる。
【００４９】
例えば、上述の実施の形態では、トランス２０の二次側の回路が半波整流回路となっているが、これに限らない。
【００５０】
図６に示すように、このトランス２０の二次側の回路は、半波整流回路を複数接続したもの（図６（ａ）参照）であってもよいし、チョークインプット回路（平均化整流回路）を複数接続したもの（図６（ｂ）参照）であってもよいし、全波整流回路を複数接続したもの（図６（ｃ）参照）であってもよいし、コッククロフト−ウォルトン回路（ここでは、二倍電圧整流回路となっている）を複数接続したもの（図６（ｄ）参照）であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明に係る電源装置の構成を示した回路図である。
【図２】トランスの一次ボビン及び二次ボビンを示した分解斜視図である。
【図３】トランスの断面を示した模式図である。
【図４】本発明に係る電源装置において、スイッチング素子の電流と電圧との関係を示したグラフである。
【図５】本発明に係る電源装置と従来構造の電源装置とにおいて、入力電圧と電源効率及びスイッチング素子の温度、トランスの温度との関係を示した表である。
【図６】本発明に係る電源装置の二次側の回路の他の例を示した回路図であり（ａ）は半波整流回路を示し、（ｂ）はチョークインプット回路（平均化整流回路）を示し、（ｃ）は全波整流回路を示し、（ｄ）はコッククロフト−ウォルトン回路を示している。
【図７】（ａ）は従来の電源装置の構成を示した回路図であり、（ｂ）は従来の電源装置におけるトランスの断面を示した模式図である。
【図８】従来の電源装置において、スイッチング素子の電流と電圧との関係を示したグラフである。
【符号の説明】
【００５２】
１０      電源装置
１２      スイッチング素子
２０      トランス
２１      一次巻線
２２      二次巻線
２３      回生巻線
２４      コア
【図１】
0005184857.tif 000002
【図２】
0005184857.tif 000003
【図３】
0005184857.tif 000004
【図４】
0005184857.tif 000005
【図５】
0005184857.tif 000006
【図６】
0005184857.tif 000007
【図７】
0005184857.tif 000008
【図８】
0005184857.tif 000009