(57)【要約】【課題】スイッチング時に発生する高調波ノイズを抑制して出力電圧のリップルを軽減するとともに、安価な低耐圧のスイッチング素子を用いることが可能なスイッチング電源装置を提供する。【解決手段】リアクトルＬ１と整流用の第１ダイオードＤ１の直列回路と、直列回路の後段に設けられた平滑コンデンサＣｏと、リアクトルとグランド間に接続されリアクトルを通電状態と非通電状態に切り替えるスイッチング素子Ｑ１とを備え、スイッチング素子Ｑ１のオン時にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギーをスイッチング素子のオフ時に放出することにより平滑コンデンサＣｏへの充電電圧を昇圧するスイッチング電源装置１０であって、スイッチング素子Ｑ１のオン時にスイッチング素子に流入する電流を次第に上昇した後次第に下降する正弦波状の波形に整形する共振回路Ｌｒ，Ｃｒ，Ｄ２を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイサイド側入出力端子間に接続されたリアクトルと整流用の第１ダイオードの直列回路と、出力端子間に接続された平滑コンデンサと、前記リアクトルとローサイド側入力端子間に接続され前記リアクトルを通電状態と非通電状態に切り替えるスイッチング素子とを備え、前記スイッチング素子のオン時に前記リアクトルに蓄積された電磁エネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に放出することにより前記平滑コンデンサへの充電電圧を昇圧するスイッチング電源装置であって、
前記スイッチング素子のオン時に前記スイッチング素子に流入する電流を次第に上昇した後次第に下降する正弦波状の波形に整形する共振回路を備えているスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記共振回路は、
前記リアクトルと前記スイッチング素子との間に接続された共振用コイルと、
前記スイッチング素子と前記共振用コイルとの接続点と前記ハイサイド側出力端子との間に接続された整流用の第２ダイオードと、
前記スイッチング素子と前記共振用コイルの直列回路に並列接続された共振用コンデンサと、
を備えて構成されている請求項１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、スイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、非絶縁昇圧型のスイッチング電源装置が開示されている。
図５に示すように、当該スイッチング電源装置１００は、ハイサイド側入出力端子ＴＩＨ，ＴＯＨ間に接続されたリアクトルＬ１と整流用の第１ダイオードＤ１の直列回路と、出力端子ＴＯＨ，ＴＯＬ間に接続された平滑コンデンサＣｏと、リアクトルＬ１とローサイド側入力端子ＴＩＬ間に接続されリアクトルＬ１を通電状態と非通電状態に切り替えるスイッチング素子Ｑ１とを備え、スイッチング素子Ｑ１のオン時にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギーをスイッチング素子Ｑ１のオフ時に放出することにより平滑コンデンサＣｏへの充電電圧を昇圧するように構成されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−１８９１０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した従来の非絶縁昇圧型のスイッチング電源装置では、スイッチング素子Ｑ１を構成するＦＥＴのオン時に流れるドレイン電流の波形が矩形波状となり、スイッチング素子Ｑ１のオン／オフの切替え時にドレイン電流にスパイク状の高調波ノイズが重畳するとともに、スイッチング素子Ｑ１のオフ時にドレインソース間電圧にスパイク状の高調波ノイズが重畳するため、スイッチング素子Ｑ１に耐圧の高い高価な素子を用いる必要があり、また出力電圧に比較的大きなリップル電圧が発生するという問題があった。
【０００５】
このような問題は、例えば太陽光パネルによる発電電力を交流電力に変換するべく、太陽光パネルからの直流電圧を１５０Ｖ程度に昇圧するような場合等、昇圧電圧が高いほど顕著になる。
【０００６】
本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、スイッチング時に発生する高調波ノイズを抑制して出力電圧のリップルを軽減するとともに、安価な低耐圧のスイッチング素子を用いることが可能なスイッチング電源装置を提供する点にある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の目的を達成するため、本発明によるスイッチング電源装置の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、ハイサイド側入出力端子間に接続されたリアクトルと整流用の第１ダイオードの直列回路と、出力端子間に接続された平滑コンデンサと、前記リアクトルとローサイド側入力端子間に接続され前記リアクトルを通電状態と非通電状態に切り替えるスイッチング素子とを備え、前記スイッチング素子のオン時に前記リアクトルに蓄積された電磁エネルギーを前記スイッチング素子のオフ時に放出することにより前記平滑コンデンサへの充電電圧を昇圧するスイッチング電源装置であって、前記スイッチング素子のオン時に前記スイッチング素子に流入する電流を次第に上昇した後次第に下降する正弦波状の波形に整形する共振回路を備えている点にある。
【０００８】
上述の構成によれば、共振回路によってスイッチング素子のオン時及びオフ時に流れる電流が制限されて正弦波状の波形に整形されるので、スイッチングタイミングでの高調波成分が抑制され、リップルの小さな安定した出力電圧が得られるようになる。
【０００９】
同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記共振回路は、前記リアクトルと前記スイッチング素子との間に接続された共振用コイルと、前記スイッチング素子と前記共振用コイルとの接続点と前記ハイサイド側出力端子との間に接続された整流用の第２ダイオードと、前記スイッチング素子と前記共振用コイルの直列回路に並列接続された共振用コンデンサと、を備えて構成されている点にある。
【００１０】
スイッチング素子のオフ時に充電された電荷がスイッチング素子のオン時に共振用コイルに流れ込むことにより共振が生じ、その結果、スイッチング素子のドレイン電流が正弦波状になり、スイッチング時に発生するスパイク状の高調波ノイズが低減されるようになる。
【発明の効果】
【００１１】
以上説明した通り、本発明によれば、スイッチング時に発生する高調波ノイズを抑制して出力電圧のリップルを軽減するとともに、安価な低耐圧のスイッチング素子を用いることが可能なスイッチング電源装置を提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明によるスイッチング電源装置の回路図
【図２】本発明によるスイッチング電源装置に対するシミュレーション回路の説明図
【図３】本発明によるスイッチング電源装置に対するシミュレーション結果を示す各部の波形図
【図４】本発明によるスイッチング電源装置のスイッチング素子の要部の波形図
【図５】従来のスイッチング電源装置の回路図
【図６】従来のスイッチング電源装置に対するシミュレーション回路の説明図
【図７】従来のスイッチング電源装置に対するシミュレーション結果を示す各部の波形図
【図８】従来のスイッチング電源装置のスイッチング素子の要部の波形図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明によるスイッチング電源装置を説明する。
図１には絶縁昇圧型のスイッチング電源装置１０が示されている。
【００１４】
スイッチング電源装置１０は、ハイサイド側入力端子ＴＩＨとハイサイド側出力端子ＴＯＨ間に接続されたリアクトルＬ１と整流用の第１ダイオードＤ１の直列回路と、出力端子ＴＯＨ，ＴＯＬ間に接続された平滑コンデンサＣｏと、リアクトルＬ１とローサイド側入力端子ＴＩＬ間に接続されリアクトルＬ１を通電状態と非通電状態に切り替えるスイッチング素子Ｑ１とを備えている。
【００１５】
スイッチング素子Ｑ１のオン時にリアクトルＬ１に蓄積された電磁エネルギーがスイッチング素子Ｑ１のオフ時に放出されることにより、リアクトルＬ１に誘起された電圧が入力電圧Ｖｉｎに重畳されて平滑コンデンサＣｏに充電される。
【００１６】
当該スイッチング電源装置１０は、リアクトルＬ１とスイッチング素子Ｑ１との間に接続された共振用コイルＬｒと、スイッチング素子Ｑ１と共振用コイルＬｒとの接続点とハイサイド側出力端子ＴＯＨとの間に接続された整流用の第２ダイオードＤ２と、スイッチング素子Ｑ１と共振用コイルＬｒの直列回路に並列接続された共振用コンデンサＣｒとをさらに備えている。
【００１７】
以下に本発明によるスイッチング電源装置１０の特性を従来のスイッチング電源装置１００と比較して説明する。
【００１８】
既に図５で説明した従来のスイッチング電源装置１００の出力端子ＴＯＨ，ＴＯＨ間に負荷抵抗ＲＬを接続し、入力端子ＴＩＨ，ＴＩＬ間に電圧Ｖｉｎを印加した場合の動作を、回路シミュレーター（Ｍｙｗａｙプラス社製「ＰＳＩＭ」）を用いて解析した結果を説明する。
【００１９】
シミュレーション条件は、以下の通りである。入力電圧：２５０Ｖ、Ｌ１：６００μＨ、Ｌｒ：９５μＨ、Ｃｒ：０．０１８μＦ、Ｃｏ：６００μＦ。
【００２０】
図６には、当該シミュレーション対象となる回路が示され、図７にはシミュレーションの結果得られた各部の波形が示されている。図中、丸で囲まれた符号Ａは電流のシミュレーションポイント、丸で囲まれた符号Ｖは電圧のシミュレーションポイントであり、各シミュレーションポイントに付加された黒丸は極性＋を示している。
【００２１】
時刻Ｔ１でスイッチング素子Ｑ１のゲートソース間に電圧ＶＧＳが印加されると、スイッチング素子Ｑ１がオン状態になり、スイッチング素子Ｑ１に急激にドレイン電流ＩＤが流れてドレインソース間電圧ＶＤＳが０Ｖとなる。
【００２２】
スイッチング素子Ｑ１がＯＮ状態になると、その間にリアクトルＬ１にインダクタンス値と印加電圧に応じた傾きで直線状に増加する電流ＩＬが流れてエネルギーが蓄積される。この電流がスイッチング素子Ｑ１オン時のドレイン電流ＩＤに対応する。そして、この間は第１ダイオードＤ１に逆方向電圧が印加された状態となり、平滑コンデンサＣｏへの電流の流れは阻止されている。
【００２３】
時刻Ｔ２でスイッチング素子Ｑ１のゲートソース間の電圧が０Ｖになると、スイッチング素子Ｑ１がオフされて、第１ダイオードＤ１にはリアクトルＬ１に蓄積されたエネルギーに相当する逆起電力ＶＬ１と電源電圧Ｖｉｎの重畳した電圧が印加される。
【００２４】
その結果、第１ダイオードＤ１を流れる電流ＩＯが平滑コンデンサＣｏに蓄積されて、電源電圧ＶｉｎからリアクトルＬ１で生じる逆起電力に相当する電圧まで昇圧された電圧が負荷抵抗ＲＬに印加される。時刻Ｔ３及び時刻Ｔ４で上述した動作が繰り返され、一定の繰返し周期でスイッチング素子Ｑ１のオンデューティを調整することにより、或いは繰返し周期を調整することにより負荷抵抗ＲＬへの印加電圧が調整される。
【００２５】
図８には、スイッチング素子Ｑ１のオン時及びオフ時のドレインソース間電圧ＶＤＳと、ドレイン電流ＩＤの波形の詳細が示されている。スイッチング素子Ｑ１のＯＮ時にはドレイン電流ＩＤに非常に大きなスパイク電流が発生し（破線の円領域Ｒ１参照）、スイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ時にもドレイン電流ＩＤに非常に大きなスパイク電流が発生している（破線の円領域Ｒ２参照）。さらにスイッチング素子Ｑ１のＯＦＦ時に大きなスパイク電圧が発生している（破線の円領域Ｒ３参照）。
【００２６】
図１で説明した本発明によるスイッチング電源装置１０の出力端子ＴＯＨ，ＴＯＨ間に負荷抵抗ＲＬを接続し、入力端子ＴＩＨ，ＴＩＬ間に電圧Ｖｉｎを印加した場合の動作を、上述と同様の回路シミュレーターを用いて解析した結果を説明する。シミュレーション条件も上述と同じである。
【００２７】
図２には、シミュレーション対象回路が示され、図３には各部の波形が示されている。図２中、丸で囲まれた符号Ａは電流のシミュレーションポイント、丸で囲まれた符号Ｖは電圧のシミュレーションポイントであり、各シミュレーションポイントに付加された黒丸は極性＋を示している。
【００２８】
時刻Ｔ１でスイッチング素子Ｑ１のゲートソース間に電圧ＶＧＳが印加されると、スイッチング素子Ｑ１がオン状態になり、スイッチング素子Ｑ１にドレイン電流ＩＤが流れてドレインソース間電圧ＶＤＳが０Ｖとなる。
【００２９】
スイッチング素子Ｑ１がオン状態になると、リアクトルＬ１及び共振用コイルＬｒに入力電圧Ｖｉｎが印加され、リアクトルＬ１及び共振用コイルＬｒにエネルギーが蓄えられる。この時、共振用コンデンサＣｒの充電電荷が共振用コイルＬｒを経由してスイッチング素子Ｑ１に流れ、共振用コイルＬｒと共振用コンデンサＣｒとの間で共振が発生し、スイッチング素子Ｑ１に流れるドレイン電流ＩＤは当該共振動作により正弦波状の波形となる。
【００３０】
時刻Ｔ２でスイッチング素子Ｑ１がオフされると、リアクトルＬ１及び共振用コイルＬｒに逆起電力が発生し、入力電圧Ｖｉｎと逆起電力による電圧が重畳して平滑コンデンサＣｏに印加されて昇圧される。
【００３１】
共振用コイルＬｒと共振用コンデンサＣｒの共振動作により、共振用コンデンサＣｒの両端電圧ＶＣｒは正弦波状となり、その結果、第１ダイオードＤ１に印加される逆電圧も正弦波状となる。
【００３２】
図４には、スイッチング素子Ｑ１のオン時及びオフ時のドレインソース間電圧ＶＤＳと、ドレイン電流ＩＤの波形の詳細が示されている。上述した共振動作によってスイッチング素子Ｑ１のドレイン電流ＩＤが低い電流値の時に、スイッチング素子Ｑ１がオフからオンし、さらにオンからオフするので、図８と比較してもドレイン電流ＩＤのスパイク電流（破線の円領域Ｒ１，Ｒ２参照）、及びスイッチング素子Ｑ１のドレインソース間電圧ＶＤＳに生じるスパイク電圧（破線の円領域Ｒ３参照）が非常に低くなることが判る。
【００３３】
共振用コイルＬｒのインダクタンス値をＬｒ、リアクトルＬ１のインダクタンス値Ｌ１とすると、Ｌ１＞＞Ｌｒとなるように各インダクタンス値を設定することが好ましい。また、回路の共振周期の１／２となるようにスイッチング素子Ｑ１のオン時間を調整し、オフ時間を調整することにより出力電圧を調整する。このときの共振周波数は以下の数式〔数１〕で表される。
【数１】
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【００３４】
上述した実施形態に示した共振回路を構成する共振用コイルＬｒのインダクタンス、共振用コンデンサＣｒ容量は上述の数式を満たす限り特に限定されるものではなく、本発明本発明の作用効果を奏する範囲において適宜適切な値を選択できることは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３５】
１０：スイッチング電源装置
Ｃｏ：平滑コンデンサ
Ｃｏ：平滑コンデンサ
Ｃｒ：共振用コンデンサ
Ｌ１：リアクトル
Ｌｒ：共振用コイル
Ｑ１：スイッチング素子
ＴｉＨ：ハイサイド側入力端子
ＴｉＬ：ローサイド側入力端子
ＴＯＨ：ハイサイド側出力端子
ＴＯＬ：ローサイド側出力端子
【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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