(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサと閉路を作る、トランスの１次巻線とスイッチ素子からなる直列回路と、前記スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、前記スイッチ素子に並列に接続されたスナバコンデンサを備えたスイッチング電源装置において、前記スナバコンデンサの前記平滑コンデンサと前記スイッチ素子の接続点に接続されている端子と前記平滑コンデンサと前記スイッチ素子の接続点の間に第１のダイオードとリアクトルからなる直列回路を直列に挿入し、前記直流電源の前記平滑コンデンサと前記スイッチ素子の接続点に接続されている端子と前記平滑コンデンサと前記スイッチ素子の接続点の間に第２のダイオードを直列に挿入し、前記第１のダイオードと前記リアクトルからなる直列回路と前記スナバコンデンサの接続点と前記直流電源と前記第２のダイオードの接続点の間に第３のダイオードを接続し、これによって前記スイッチ素子のスイッチング動作をソフトスイッチ化したことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
交流電源と、全波整流器と、平滑コンデンサと、前記平滑コンデンサと閉路を作る、トランスの１次巻線とスイッチ素子からなる直列回路と、前記スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、前記スイッチ素子に並列に接続されたスナバコンデンサを備えたスイッチング電源装置において、前記スナバコンデンサの前記平滑コンデンサと前記スイッチ素子の接続点に接続されている端子と前記スナバコンデンサと前記平滑コンデンサの接続点の間に第１のダイオードとリアクトルからなる直列回路を直列に挿入し、前記第１のダイオードと前記リアクトルからなる直列回路と前記スナバコンデンサの接続点と前記交流電源の一方の端子の間に第２のダイオードを接続し、前記第１のダイオードと前記リアクトルからなる直列回路と前記スナバコンデンサの接続点と前記交流電源の別の一方の端子の間に第３のダイオードを接続し、これによって前記スイッチ素子のスイッチング動作をソフトスイッチ化し、かつ交流入力電流の導通角を広げて力率を改善したことを特徴とするスイッチング電源装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はスイッチング電源装置に関し、特にスイッチ素子のスイッチング動作を、共振作用を利用してソフトスイッチ化する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図４は従来方式の１例を示す回路図であり、共振作用を利用したスイッチングとして既に知られている（コロナ社スイッチングコンバータの基礎）。図４において、スイッチ素子８のオン期間にトランスの１次巻線７ａに電流が流れ、そのうちの大部分は２次巻線７ｂを介して負荷１５に供給され、一部はトランス７に励磁エネルギとして蓄積される。スイッチ素子８がオン状態からターンオフすると、トランス７の励磁エネルギは１次巻線７ａとスナバコンデンサ１０とダイオード１８が作る閉路を流れ、スナバコンデンサ１０に電荷を蓄積する。このとき、スナバコンデンサ１０の両端の電圧は電荷を容量で割った値になるが、その値と直流電源５の電圧の和がスイッチ素子８に加わる電圧になるので、スイッチ素子８の耐圧を越えることがないようにスナバコンデンサ１０の容量が選ばれている。
【０００３】
一方、スイッチ素子８がオフ状態からターンオンすると、スナバコンデンサ１０の電荷は、スナバコンデンサ１０とスイッチ素子８とダイオード１９とリアクトル２０が作る閉路を流れる。スイッチ素子８のオン状態の間にスナバコンデンサ１０とリアクトル２０によって共振を生じるがダイオード１９によって半波で終了するため、電流はゼロから立ち上がりゼロで終わり、スナバコンデンサ１０には極性が反転した共振開始直前の電圧と同じ電圧が充電される。このときのスナバコンデンサ１０の電圧が直流電源５の電圧と一致していれば、スイッチ素子８がオン状態からターンオフして、トランス７の励磁エネルギが電流となって１次巻線７ａとスナバコンデンサ１０とダイオード１８が作る閉路を流れるとき、スイッチ素子８の電圧はゼロから立ち上がる。スイッチ素子８がターンオフする直前のスナバコンデンサ１０の電圧が直流電源５の電圧より低ければ、その差に相当する電圧より立ち上がる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
スイッチ素子８がターンオフするときに電圧がゼロから立ち上がるということはスイッチ素子８の両端の電圧がゼロの間にスイッチ素子８に流れる電流がピーク値からゼロまで下がるということになり、スイッチ素子８のターンオフにおけるスイッチングロスは理論的にゼロまで下げることができる。更に、１次巻線７ａの電流がピーク値からゼロに下がる間、電流は１次巻線７ａとスナバコンデンサ１０とダイオード１８が作る閉路を流れるのでターンオフの間の電流の変化率が緩くなってノイズの発生が抑えられる。
【０００５】
しかし、スイッチ素子８がターンオンする直前のスナバコンデンサ１０の電圧が直流電源５の電圧と同じ値に達するということは、スイッチ素子８のオフ期間にスイッチ素子８に加わる電圧が直流電源５の電圧の２倍に達するということでもあるから、スイッチ素子８の耐圧が直流電源５の電圧の２倍以上のものを使わなければならない。一方、耐圧が高い程スイッチ素子８のコストが高くなるのでスナバコンデンサ１０の電圧も直流電源５の電圧より低くなるようにスナバコンデンサ１０の容量が選ばれている。スイッチ素子８がターンオンする直前のスナバコンデンサ１０の電圧が直流電源５の電圧に達しなければスイッチ素子８がターンオンして反転した電圧も直流電源５の電圧に達しないのでスイッチ素子８の電圧が、ゼロから立ち上がることはない。
【０００６】
そこで請求項１記載の発明は、スナバコンデンサとリアクトルとダイオードを適当に組み合わせることにより、スイッチ素子がターンオフするときに必ずゼロボルトから立ち上がる回路を提供することを目的としている。また、請求項２記載の発明は、時間によって変化する交流電源の電圧に対しても、スイッチ素子がターンオフするときに必ずゼロボルトから立ち上がる回路を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために請求項１記載の発明は、直流電源と、平滑コンデンサと、平滑コンデンサと閉路を作る、トランスの１次巻線とスイッチ素子からなる直列回路と、スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、スイッチ素子に並列に接続されたスナバコンデンサを備えたスイッチング電源装置において、スナバコンデンサの平滑コンデンサとスイッチ素子の接続点に接続されている端子側に第１のダイオードとリアクトルからなる直列回路を直列に挿入し、直流電源の平滑コンデンサとスイッチ素子の接続点に接続されている端子側に第２のダイオードを直列に挿入し、第１のダイオードとリアクトルからなる直列回路とスナバコンデンサの接続点と直流電源と第２のダイオードの接続点の間に第３のダイオードを接続した。
【０００８】
請求項２記載の発明は、交流電源と、全波整流器と、平滑コンデンサと、平滑コンデンサと閉路を作る、トランスの１次巻線とスイッチ素子からなる直列回路と、スイッチ素子の制御電極に接続された発振制御回路と、スイッチ素子に並列に接続されたスナバコンデンサを備えたスイッチング電源装置において、スナバコンデンサの平滑コンデンサとスイッチ素子の接続点に接続されている端子側に第１のダイオードとリアクトルからなる直列回路を直列に挿入し、第１のダイオードとリアクトルからなる直列回路とスナバコンデンサの接続点と、交流電源の一方の端子との間に第２のダイオードを接続し、別の一方の端子との間に第３のダイオードを接続した。
【０００９】
請求項１記載の発明において、スイッチ素子がオン状態からターンオフすると、トランス７の励磁エネルギは、１次巻線とスナバコンデンサと第３のダイオードと直流電源が作る閉路を流れ、スナバコンデンサに電荷を蓄積する。この閉路は電流が一方通行の直列共振回路であるため、電流はスイッチ素子がターンオフする直前に１次巻線を流れていた電流を初期値として始まりゼロで終了する。電流がゼロになったときのスナバコンデンサ両端の電圧は平滑コンデンサの電圧より高くなっているので、スナバコンデンサの電荷は第１のダイオードとリアクトルからなる直列回路とスナバコンデンサと１次巻線と平滑コンデンサが作る閉路を流れて放電する。この閉路も電流が一方通行の直列共振回路であるため、そして前の共振電流がゼロで終わっているので、ゼロから立ち上がる。この閉路を電流が流れる期間は、もしスイッチ素子がターンオンしなければゼロになるまで続くが、スイッチ素子がターンオンすることにより、電流の経路は途中から第１のダイオードとリアクトルとスナバコンデンサとスイッチ素子が作る閉路に変わる。
【００１０】
スイッチ素子のオン状態の間に、スナバコンデンサの電荷が放電を続けてゼロに達すると、スナバコンデンサのエネルギはゼロになり、代わって、励磁エネルギがピークに達しているリアクトルが電流を流し続けようとするが、電流は、第１のダイオードとリアクトルからなる直列回路と第３のダイオードと直流電源と平滑コンデンサが作る閉路を流れる。第２のダイオードはこのときの閉路を確保している。スナバコンデンサの両端の電圧はゼロを保つ。
【００１１】
スイッチ素子がオン状態からターンオフするとき、スナバコンデンサ両端の電圧がゼロなので、スイッチ素子の加わる電圧はゼロから立ち上がる。すなわち、ターンオフにおいてソフトスイッチ化がなされる。
【００１２】
請求項２記載の発明において、スイッチ素子がオン状態からターンオフすると、１次巻線の励磁エネルギは１次巻線とスナバコンデンサと第２のダイオードまたは第３のダイオードのいずれか１つと交流電源と全波整流器が作る閉路を流れスナバコンデンサに電荷を蓄積する。請求項１記載の発明に関する上の記述と異なるのは直流電源の代わりに交流電源を用いているため、交流電圧の極性が変化すれば、閉路に第２のダイオードが入るか第３のダイオードが入るかの違いだけであり、請求項１記載の発明に関する上の説明をあてはめることができる。
【００１３】
励磁エネルギが流れる経路に交流電源が入っているので、コンデンサインプット型整流回路において導通角が狭くなって力率が低下するという問題を改善することができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明の実施の形態を実施例を示す図１を参照して説明する。図１において、平滑コンデンサ６の電圧は、スイッチ素子８のオン・オフ動作によって、断続してトランス７の１次巻線７ａに加わる。断続した電圧によってトランス７のコアに生じる磁束の変化を２次巻線７ｂが断続した電圧として取り出し、ダイオード１１とダイオード１２とリアクトル１３とコンデンサ１４によって整流平滑して直流電圧とし、これを負荷１５に供給している。この実施例はフォワードコンバータと呼ばれる配線形態である。
【００１５】
図１において、スイッチ素子８のオン期間にトランス７に蓄積される励磁エネルギはスイッチ素子８がターンオフするとスナバコンデンサ１０と第３のダイオード４と直流電源５を経由して流れ、スナバコンデンサ１０に電荷を蓄積する。スナバコンデンサ１０両端の電圧は図中のＡ点の電位がＢ点の電位より高くなり、その電位差が上昇して直流電源５の電圧を越し、更に、ピークに達すると、スナバコンデンサ１０の電荷は１次巻線７ａと平滑コンデンサ６と、第１のダイオード１とリアクトル２からなる直列回路を流れて下がり、やがて直流電源５の電圧まで下がって安定する。
【００１６】
スナバコンデンサ１０の電圧が上昇の途中か、降下の途中か、または直流電源５の電圧まで下がって安定した状態か、いずれの状態でスイッチ素子８がターンオンしても、スナバコンデンサ１０に残っている電荷はスイッチ素子８と、第１のダイオード１とリアクトル２からなる直列回路が作る閉路を流れて放電する。
【００１７】
スイッチ素子８がターンオンした後の放電は、はじめは共振電流であるが、スナバコンデンサ１０両端の電圧がゼロになると、すなわち、図中のＢ点の電位がゼロになると、リアクトル２の励磁エネルギがピークに達し、このエネルギが、第３のダイオード４と直流電源５と平滑コンデンサ６と第１のダイオード１を流れ、平滑コンデンサ６の電荷を増やす。スナバコンデンサ１０はスイッチ素子８がターンオフするまでゼロボルトを保っているので、ターンオフのときにはゼロから充電され、スイッチ素子８の電圧もゼロから立ち上がる。
【００１８】
図２は請求項１記載の発明の別の実施例を示している。トランス７の１次巻線７ａとスイッチ素子８の上下の位置関係が図１のそれと逆になっているが、動作原理は図１のそれと同じである。
【００１９】
図３は請求項２記載の発明の実施例を示している。図１に示した請求項１記載の発明の実施例では直流電源を用いているのに対して、図３では交流電源を用いているので、図１の第３のダイオード４に相当するダイオードは図３においては第２のダイオード３と第３のダイオード４である。また、図１の第２のダイオード３に相当するダイオードは図３においてはブリッジ整流器１７が兼ねている。
【００２０】
【発明の効果】
従来方式のスイッチング電源装置にわずかな部品を追加することによってソフトスイッチ化がなされ、電力損失とノイズが改善されるので応用範囲が広く、また、経済的効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明の実施例に係るスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図２】請求項１記載の発明の別の実施例に係るスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図３】請求項２記載の発明の実施例に係るスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図４】従来方式の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１  第１のダイオード
２  リアクトル
３  第２のダイオード
４  第３のダイオード
５  直流電源
６  平滑コンデンサ
７  トランス
８  スイッチ素子
９  発振制御回路
１０  スナバコンデンサ
１１、１２  ダイオード
１３  リアクトル
１４  コンデンサ
１５  負荷
１７  ブリッジ整流器
１８、１９  ダイオード
２０  リアクトル
７ａ  １次巻線
７ｂ  ２次巻線
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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