(57)【要約】【課題】共振型のスイッチング電源において、スイッチング周波数と共振周波数とを一致可能とすること。【解決手段】スイッチング電源１は、一次巻線６と、複数の負荷８１〜８ｎがそれぞれ接続された複数の二次巻線７１〜７ｎと、を有するトランス２と、複数の二次巻線７１〜７ｎにそれぞれ接続された複数のコンデンサＣ１〜Ｃｎと、複数の負荷８１〜８ｎの複数の二次巻線７１〜７ｎへの接続状態をそれぞれ検出する複数の検出回路９１〜９ｎと、一次巻線６に接続されたスイッチ素子３ａ、３ｂと、複数の検出回路９１〜９ｎが検出した複数の負荷８１〜８ｎの接続状態に応じて、スイッチ素子３ａ、３ｂのスイッチング周波数を制御する制御回路４と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
一次巻線と、複数の負荷がそれぞれ接続された複数の二次巻線と、を有するトランスと、
前記複数の二次巻線にそれぞれ接続された複数のコンデンサと、
前記複数の負荷の前記複数の二次巻線への接続状態をそれぞれ検出する複数の検出回路と、
前記一次巻線に接続されたスイッチ素子と、
前記複数の検出回路が検出した前記複数の負荷の接続状態に応じて、前記スイッチ素子のスイッチング周波数を制御する制御回路と、
を備えることを特徴とするスイッチング電源。
【請求項２】
前記複数の検出回路は、それぞれ、
ベースとエミッタとが、前記コンデンサと前記負荷との間に接続され、ベースとエミッタとの間に第１抵抗が接続され、コレクタが、第２抵抗の一端に接続された、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタと、前記第１抵抗と、他端が接地電位に接続された前記第２抵抗と、を有す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、共振型のスイッチング電源に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、共振型のスイッチング電源が開示されている。図６は、従来の共振型のスイッチング電源の回路構成を示す図である。スイッチング電源１０１は、トランス１０２、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂ、制御回路１０４、整流回路１０５、コンデンサＣ１０１を備える。トランス１０２は、一次巻線１０６と、二次巻線１０７と、を有する。一次巻線１０６には、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂが接続されている。スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂは、制御回路１０４によって制御され、制御回路１０４によって制御されるスイッチング周波数でスイッチングを行う。ここで、図７のＬ１０１は、一次巻線１０６のリーケージインダクタンス（漏れインダクタンス）を示している。二次巻線１０７には、整流回路１０５が接続されている。整流回路１０５は、トランス１０２の二次巻線１０７の出力を整流するためのものであり、例えば、ダイオードブリッジ回路として構成された４つのダイオードから構成される。整流回路１０５には、コンデンサＣ１０１が接続されている。整流回路１０５の出力は、電源電圧として、負荷１０８に供給される。
【０００３】
このようなスイッチング電源１０１において、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂは、例えば、商用交流電源が整流されることにより得られた直流電圧としての入力電圧を任意のスイッチング周波数でスイッチングして、任意の周波数（例えば、５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）を有する交流電圧に変換する。制御回路１０４は、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂのスイッチング周波数を制御する。トランス１０２は、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂにより一次巻線１０６に入力された電圧を所定の電位に変圧して、二次巻線１０７から出力する。整流回路１０５は、トランス１０２の二次巻線１０７の出力を整流し、負荷１０８に供給する。
【０００４】
共振型のスイッチング電源１０１においては、スイッチング時に、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂに流れる電流（スイッチング電流）がゼロ、すなわち、ゼロ電流スイッチング（ＺＣＳ）できるように、共振周波数とスイッチング周波数とを合わせている。共振周波数は、リーケージインダクタンスＬ１０１とコンデンサＣ１０１の静電容量によって決まる。図７は、従来のスイッチング電源１０１を二石式のハーフブリッジ型として動作させた場合において、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂにより発生される電圧と、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂおよびトランスの一次巻線１０６に流れる電流と、を例示したグラフである。横軸は、時間、縦軸は、電圧及び電流を示している。スイッチング周波数は、１６０ｋＨｚである。図示するように、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂが切り替わる瞬間での、電流がゼロになっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００４−０４０９８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、スイッチング電源において、複数の二次巻線が負荷をとる場合のように、負荷が重くなったとき、スイッチング損失を減らすために、スイッチ素子のスイッチング周波数を低く変更したほうがよい。図８は、図７に示す例に比べて、スイッチング周波数を低くした場合の、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂにより発生される電圧と、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂに流れる電流と、を例示したグラフである。スイッチング周波数は、図７に示す１６０ｋＨｚよりも低い、１６０ｋＨｚの約半分の周波数である８８ｋＨｚである。図示するように、スイッチ素子１０３ａ、１０３ｂが切り替わる瞬間に、電流がゼロとなっていない。これは、上記したように、共振周波数が、リーケージインダクタンスＬ１０１とコンデンサＣ１０１の静電容量によって決まる一定値であるため、共振周波数とスイッチング周波数とがずれてしまっているからである。
【０００７】
本発明の目的は、共振型のスイッチング電源において、スイッチング周波数と共振周波数とを一致可能とすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
第１の発明のスイッチング電源は、一次巻線と、複数の負荷がそれぞれ接続された複数の二次巻線と、を有するトランスと、前記複数の二次巻線にそれぞれ接続された複数のコンデンサと、前記複数の負荷の前記複数の二次巻線への接続状態をそれぞれ検出する複数の検出回路と、前記一次巻線に接続されたスイッチ素子と、前記複数の検出回路が検出した前記複数の負荷の接続状態に応じて、前記スイッチ素子のスイッチング周波数を制御する制御回路と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、一次巻線のリーケージインダクタンスとにより共振周波数を決定する複数のコンデンサが、複数の二次巻線にそれぞれ接続されている。従って、二次巻線に負荷が接続されている場合、その二次巻線に接続されているコンデンサ（等価的には並列接続されたコンデンサ）によって、共振周波数が変化する。また、制御回路は、複数の検出回路が検出した複数の負荷の接続状態に応じて、スイッチ素子のスイッチング周波数を制御する。従って、複数の負荷の接続状態に応じて、スイッチング周波数を変化させることにより、共振周波数とスイッチング周波数とを一致させることができる。
【００１０】
第２の発明のスイッチング電源は、第１の発明のスイッチング電源において、前記複数の検出回路は、それぞれ、ベースとエミッタとが、前記コンデンサと前記負荷との間に接続され、ベースとエミッタとの間に第１抵抗が接続され、コレクタが、第２抵抗の一端に接続された、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタと、前記第１抵抗と、他端が接地電位に接続された前記第２抵抗と、を有することを特徴とする。
【００１１】
本発明では、複数の検出回路は、それぞれ、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタと、第１抵抗と、第２抵抗と、を有する。バイポーラトランジスタは、ベースとエミッタとが、コンデンサと負荷との間に接続されている。また、バイポーラトランジスタは、ベースとエミッタとの間に第１抵抗が接続されている。また、バイポーラトランジスタは、コレクタが、第２抵抗の一端に接続されている。また、第２抵抗は、他端が接地電位に接続されている。従って、負荷に電流が流れると、バイポーラトランジスタは、ベースの電圧がエミッタの電圧に対してローレベルの電位となり、オンの状態となる。これにより、バイポーラトランジスタのコレクタの電圧がハイレベルの電位となるため、二次巻線に負荷が接続されていることを検出することができる。一方、負荷に電流が流れていないと、バイポーラトランジスタは、ベースの電圧がエミッタの電圧に対してローレベルの電位とならず、オフの状態である。これにより、バイポーラトランジスタのコレクタの電圧がローレベルの電位であるため、二次巻線に負荷が接続されていないことを検出することができる。
【００１２】
このように、本発明によれば、バイポーラトランジスタを用いた簡易な回路構成の検出回路により、負荷の二次巻線への接続状態を検出することができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、共振型のスイッチング電源において、スイッチング周波数と共振周波数とを一致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係るスイッチング電源の回路構成を示す図である。
【図２】検出回路の回路構成を示す図である。
【図３】検出回路の出力を例示したグラフである。
【図４】負荷の接続状態に応じて、共振周波数が変化することを例示した図である。
【図５】スイッチング電源において、スイッチング周波数を低くした場合の、スイッチ素子により発生される電圧と、スイッチ素子に流れる電流と、を例示したグラフである。
【図６】従来のスイッチング電源の回路構成を示す図である。
【図７】従来のスイッチング電源において、スイッチ素子により発生される電圧と、スイッチ素子に流れる電流と、を例示したグラフである。
【図８】従来のスイッチング電源において、スイッチング周波数を低くした場合の、スイッチ素子により発生される電圧と、スイッチ素子に流れる電流と、を例示したグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源の回路構成を示す図である。スイッチング電源１は、トランス２、スイッチ素子３ａ、３ｂ、制御回路４、整流回路５１〜５ｎ、コンデンサＣ１〜Ｃｎを備える。
【００１６】
トランス２は、一次巻線６と、複数（ｎ個）の二次巻線７１〜７ｎと、を有する。一次巻線６には、スイッチ素子３ａ、３ｂが接続されている。スイッチ素子３ａ、３ｂは、制御回路４によって制御され、制御回路４によって制御されるスイッチング周波数でスイッチングを行う。ここで、図１のＬ１は、一次巻線６のリーケージインダクタンス（漏れインダクタンス）を示している。スイッチ素子３ａ、３ｂとしては、例えば、ＭＯＳトランジスタ、バイポーラトランジスタ等を用いることができる。複数の二次巻線７１〜７ｎには、それぞれ、整流回路５１〜５ｎが接続されている。複数（ｎ個）の整流回路５１〜５ｎは、それぞれ、トランス２の二次巻線７１〜７ｎの出力を整流するためのものであり、例えば、ダイオードブリッジ回路として構成された４つのダイオードから構成される。整流回路５１〜５ｎ（二次巻線７１〜７ｎ）には、それぞれ、複数のコンデンサＣ１〜Ｃｎが接続されている。複数（ｎ個）の整流回路５１〜５ｎの出力は、電源電圧として、それぞれ、負荷８１〜８ｎに供給される。
【００１７】
このようなスイッチング電源１において、スイッチ素子３ａ、３ｂは、例えば、商用交流電源が整流されることにより得られた直流電圧としての入力電圧を任意のスイッチング周波数でスイッチングして、任意の周波数（例えば、５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）を有する交流電圧に変換する。制御回路４は、スイッチ素子３ａ、３ｂのスイッチング周波数を制御する。トランス２は、スイッチ素子３ａ、３ｂにより一次巻線６に入力された電圧を所定の電位に変圧して、二次巻線７１〜７ｎから出力する。整流回路５１〜５ｎは、それぞれ、トランス２の二次巻線７１〜７ｎの出力を整流し、負荷８１〜８ｎに供給する。
【００１８】
本実施形態では、複数の二次巻線７１〜７ｎへの負荷８１〜８ｎの接続状態に応じて、スイッチング周波数を変化させるため、スイッチング電源１は、複数（ｎ個）の検出回路９１〜９ｎをさらに備える。
【００１９】
複数の検出回路９１〜９ｎは、複数の負荷８１〜８ｎの複数の二次巻線７１〜７ｎへの接続状態をそれぞれ検出する。図２は、検出回路の回路構成を示す図である。図２では、負荷８１、８２の二次巻線７１、７２への接続状態を検出する検出回路９１、９２を示している。また、整流回路５１、５２から負荷８１、８２に供給される電源電圧を電圧源Ｖ１、Ｖ２、負荷８１、８２に流れる電流を電流源Ｉ１、Ｉ２として示している。
【００２０】
検出回路９１は、バイポーラトランジスタＱ１、抵抗Ｒ１、Ｒ２を有する。バイポーラトランジスタＱ１は、ｐｎｐ型、すなわち、ベースの電圧がエミッタの電圧に対してローレベルの電位で、オンの状態となるバイポーラトランジスタである。バイポーラトランジスタＱ１は、ベースとエミッタとが、コンデンサＣ１と負荷８１との間に接続されている。また、バイポーラトランジスタＱ１は、ベースとエミッタとの間に抵抗Ｒ１（第１抵抗）が接続されている。また、バイポーラトランジスタＱ１は、コレクタが、抵抗Ｒ２（第２抵抗）の一端に接続されている。抵抗Ｒ２は、他端が抵抗Ｒ５を介して、接地電位に接続されている。
【００２１】
検出回路９２は、検出回路９１と同様の構成であり、バイポーラトランジスタＱ２、抵抗Ｒ３、Ｒ４を有する。バイポーラトランジスタＱ２は、バイポーラトランジスタＱ１に相当する。抵抗Ｒ３（第１抵抗）は、抵抗Ｒ１に相当する。抵抗Ｒ４（第２抵抗）は、抵抗Ｒ２に相当する。
【００２２】
検出回路９１において、負荷８１に電流が流れると、バイポーラトランジスタＱ１は、ベースの電圧がエミッタの電圧に対してローレベルの電位となり、オンの状態となる。これにより、バイポーラトランジスタＱ１のコレクタの電圧がハイレベルの電位となるため、二次巻線７１に負荷８１が接続されていることを検出することができる。一方、負荷８１に電流が流れていないと、バイポーラトランジスタＱ１は、ベースの電圧がエミッタの電圧に対してローレベルの電位とならず、オフの状態である。これにより、バイポーラトランジスタＱ１のコレクタの電圧がローレベルの電位であるため、二次巻線７１に負荷８１が接続されていないことを検出することができる。検出回路９２も、同様に、二次巻線７２への負荷８２の接続状態を検出することができる。
【００２３】
図３は、検出回路９１、９２の出力を例示したグラフである。横軸は時間、縦軸は電圧を示している。０．１〜０．３ｍｓｅｃは、負荷８１が二次巻線７１に接続された状態である。０．３〜０．６ｍｓｅｃは、負荷８１、８２が二次巻線７１、７２に接続された状態である。０．６〜０．８ｍｓｅｃは、負荷８２が二次巻線７２に接続された状態である。図３に示すように、負荷８１、８２の接続状態により、検出回路９１、９２から出力される電圧の電位が異なっている。
【００２４】
以上、検出回路９１、９２について説明したが、他の検出回路９３〜９ｎも同様の構成である。
【００２５】
ここで、一次巻線６のリーケージインダクタンスＬ１とにより共振周波数を決定するコンデンサＣ１〜Ｃｎは、二次巻線７１〜７ｎにそれぞれ接続されている。従って、二次巻線７１〜７ｎに負荷８１〜８ｎが接続されている場合、その二次巻線７１〜７ｎに接続されているコンデンサＣ１〜Ｃｎ（等価的には並列接続されたコンデンサＣ１〜Ｃｎ）によって共振周波数が変化する。
【００２６】
図４は、負荷８１〜８ｎの接続状態に応じて、共振周波数が変化することを例示した図である。図４（ａ）は、負荷８１が二次巻線７１に接続されている場合の共振周波数の波形を例示した図である。図４では、破線により共振周波数の波形を示している。この場合、共振周波数は、１／（２π（Ｋ・Ｌ１・Ｃ１）１／２）となる。図４（ｂ）は、負荷８１、８２が二次巻線７１、７２に接続されている場合の共振周波数の波形を示している。この場合、共振周波数は、１／（２π（Ｋ・Ｌ１・（Ｃ１＋Ｃ２））１／２）となる。図４（ｃ）は、負荷８１〜８３が二次巻線７１〜７３に接続されている場合の共振周波数の波形を示している。この場合、共振周波数は、１／（２π（Ｋ・Ｌ１・（Ｃ１＋Ｃ２＋Ｃ３））１／２）となる。図４（ｄ）は、負荷８１〜８ｎが二次巻線７１〜７ｎに接続されている場合の共振周波数の波形を示している。この場合、共振周波数は、１／（２π（Ｋ・Ｌ１・（Ｃ１＋Ｃ２＋…＋Ｃｎ））１／２）となる。二次巻線７１〜７ｎに接続されている負荷８１〜８ｎが多いほど、共振周波数は、低くなる。なお、Ｋは、トランス２と回路とにより決まる固有の定数である。
【００２７】
制御回路４は、複数の検出回路９１〜９ｎが検出した複数の負荷８１〜８ｎの接続状態に応じて、スイッチ素子３ａ、３ｂのスイッチング周波数を制御する。図４では、実線でスイッチング周波数の波形を示している。制御回路４は、複数の検出回路９１〜９ｎが検出した複数の負荷８１〜８ｎの接続状態に応じて、スイッチング周波数が共振周波数と一致するように、スイッチ素子３ａ、３ｂのスイッチング周波数を制御する。従って、制御回路４は、負荷８１〜８ｎの接続数が多いほど、スイッチ素子３ａ、３ｂのスイッチング周波数を低くする。
【００２８】
図５は、スイッチング電源１において、スイッチング周波数を上記した式で求められる周波数とした場合の、スイッチ素子３ａ、３ｂにより発生される電圧と、トランス２の一次側巻線６に流れる電流と、を例示したグラフである。図示するように、スイッチング電源１では、共振周波数とスイッチング周波数とが一致されているため、スイッチ素子３ａ、３ｂが切り替わる瞬間に、電流がほぼゼロになっている（ゼロ電流スイッチング）。
【００２９】
以上説明したように、本実施形態では、一次巻線６のリーケージインダクタンスＬ１とにより共振周波数を決定する複数のコンデンサＣ１〜Ｃｎが、複数の二次巻線７１〜７ｎにそれぞれ接続されている。従って、二次巻線７１〜７ｎに負荷８１〜８ｎが接続されている場合、その二次巻線７１〜７ｎに接続されているコンデンサＣ１〜Ｃｎ（等価的には並列接続されたコンデンサＣ１〜Ｃｎ）によって、共振周波数が変化する。また、制御回路４は、複数の検出回路９１〜９ｎが検出した複数の負荷８１〜８ｎの接続状態に応じて、スイッチ素子３ａ、３ｂのスイッチング周波数を制御する。従って、複数の負荷８１〜８ｎの接続状態に応じて、スイッチング周波数を変化させることにより、共振周波数とスイッチング周波数とを一致させることができる。
【００３０】
また、本実施形態では、検出回路９１は、ｐｎｐ型のバイポーラトランジスタＱ１と、抵抗Ｒ１と、抵抗Ｒ２と、を有する。バイポーラトランジスタＱ１は、ベースとエミッタとが、コンデンサＣ１と負荷８１との間に接続されている。また、バイポーラトランジスタＱ１は、ベースとエミッタとの間に抵抗Ｒ１が接続されている。また、バイポーラトランジスタＱ１は、コレクタが、抵抗Ｒ２の一端に接続されている。また、抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ５を介して、他端が接地電位に接続されている。従って、負荷８１に電流が流れると、バイポーラトランジスタＱ１は、ベースの電圧がエミッタの電圧に対してローレベルの電位となり、オンの状態となる。これにより、バイポーラトランジスタＱ１のコレクタの電圧がハイレベルの電位となるため、二次巻線７１に負荷８１が接続されていることを検出することができる。一方、負荷８１に電流が流れていないと、バイポーラトランジスタＱ１は、ベースの電圧がエミッタの電圧に対してローレベルの電位とならず、オフの状態である。これにより、バイポーラトランジスタＱ１のコレクタの電圧がローレベルの電位であるため、二次巻線７１に負荷８１が接続されていないことを検出することができる。他の検出回路９２〜９ｎも同様である。
【００３１】
このように、本実施形態によれば、バイポーラトランジスタを用いた簡易な回路構成の検出回路９１〜９ｎにより、負荷８１〜８ｎの二次巻線７１〜７ｎへの接続状態を検出することができる。
【００３２】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明を適用可能な形態は、上述の実施形態には限られるものではなく、以下に例示するように、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更を加えることが可能である。
【００３３】
上述の実施形態においては、検出回路９１〜９ｎにｐｎｐ型のバイポーラトランジスタを用いているが、これに限らず、ｎｐｎ型のバイポーラトランジスタ、他のスイッチ素子を用いてもよい。
【００３４】
上述の実施形態においては、スイッチ素子を２つ用いた二石式のハーフブリッジ型としている。これに限らず、例えば、スイッチ素子を１つ用いた一石式のフォワード型等であってもよい。
【産業上の利用可能性】
【００３５】
本発明は、共振型のスイッチング電源に好適に採用され得る。
【符号の説明】
【００３６】
１  スイッチング電源
２  トランス
３ａ、３ｂ  スイッチ素子
４  制御回路
５１〜５ｎ  整流回路
６  一次巻線
７１〜７ｎ  二次巻線
８１〜８ｎ  負荷
９１〜９ｎ  検出回路
Ｃ１〜Ｃｎ  コンデンサ
Ｌ１  リーケージインダクタンス
Ｑ１、Ｑ２  バイポーラトランジスタ
Ｒ１、Ｒ３  抵抗（第１抵抗）
Ｒ２、Ｒ４  抵抗（第２抵抗）
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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