JP2000514998A - スイッチトモード電源、電気シェーバ及び直流電圧変換方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 スイッチングトランジスタ(6)を経て第１の直流電圧端子対(8,10)に接続された一次巻線(4)と、ダイオード(6)を経て負荷(24)を給電する二次巻線(22)を有する変成器(2)を具えるスイッチトモード電源である。このスイッチトモード電源は、更に、第２のスイッチングトランジスタ(34)を具え、該スイッチングトランジスタが二次巻線(22)、負荷(24)、ダイオード(26)及び第２の直流電圧端子対(38、40)とともに、負荷(24)を比較的低い直流電圧(12V d.c.)から給電するフォワードコンバータを構成している。

Description

【発明の詳細な説明】 スイッチトモード電源、電気シェーバ及び直流電圧変換方法 本発明は、一次回路内に第１の可制御スイッチング素子を経て第１の直流電圧 端子対に接続された一次巻線を有するとともに、二次回路内に単方向素子及び給 電すべき負荷を経て挿入された二次巻線を有する変成器を具えるスイッチトモー ド電源に関するものである。 頭書に記載したタイプのスイッチトモード電源は米国特許第４，６５２，９８ ４号から既知であり、電池の充電用及び電気装置の給電用に使用することができ る。このような電源回路は蓄電池を有する電気シェーバに特に好適であって、こ れにより蓄電池の充電電流を供給するとともにシェーバのモータ駆動電流を供給 することができる。前記特許明細書は変成器を有するフライバック形自励発振ス イッチトモード電源を開示している。変成器により蓄電池及び／又はシェーバモ ータの比較的低い電圧と比較的高い整流幹線電圧とを適合させることができる。 従って、第１の可制御スイッチング素子、一般にスイッチングトランジスタ、の デューティサイクルを有効な限界範囲内に維持することができる。この既知のス イッチトモード電源は、通常の幹線電圧の代わりに、例えば１２Ｖ ＤＣ又は２ ４Ｖ ＤＣの低い直流入力電圧で動作させることができるが、変換比のために、 蓄電池用の最大可能充電電流がこの場合に適合する変成比の場合に達成し得る充 電電流より小さくなる。 国際出願ＷＯ９５／０１０００号では、それぞれ別個のスイッチング素子を具 える２つの一次巻線を有する変成器を用いるスイッチトモード電源によりこの問 題を除去している。供給される入力電圧、即ち整流幹線電圧又は１２Ｖ直流電圧 に応じて関連する一次巻線及びスイッチング素子が動作状態になる。その結果、 異なる入力電圧に対する最適な適合が得られる。しかし、この解決方法の欠点は 、２つの別個の二次巻線を有する変成器を必要とし、変成器の設計が複雑になる 点にある。 本発明の目的は上述の欠点を軽減したスイッチトモード電源を提供することに ある。本発明は、この目的のために、頭書に記載したタイプのスイッチトモード 電源において、更に、二次巻線及び給電すべき負荷と直列に第２の直流電圧端子 対に接続された第２の可制御スイッチング素子を具えることを特徴とする。 この構成では、二次巻線と第２のスイッチング素子がフォワード又はバックコ ンバータを構成し、このコンバータは供給電圧と所望の電圧との差が大きすぎな ければ大きな電流を供給するのに極めて好適である。この場合、適切な電気制御 回路により第１のスイッチング素子をディセーブルするとともに第２のスイッチ ング素子をイネーブルすることにより１２Ｖ直流入力電圧又は他の任意の比較的 低い直流電圧に対し大きな充電電流を得ることができる。 二次回路と一次回路を互いに接続するとともに入力電圧端子に接続する方法に 関する種々の有利な変形を従属請求項に記載した。一次回路は整流交流幹線電圧 で付勢することができる。二次回路の直流電圧端子は交流幹線電圧用の整流器の 上流又は下流に接続することができる。後者の場合には、整流器及び任意のフィ ルタ素子は、第２のスイッチング素子が動作し、スイッチトモード電源がフォワ ードコンバータとして動作するときに流れる大きな電流を処理し得る必要がある 。 必要に応じ、１２Ｖ直流電圧を１つ又は２つの個別の端子に供給することもで きる。１２Ｖを個別の端子にプラグインすることにより簡単な１２Ｖ検出を実現 することができ、このプラグインにより第１のスイッチング素子に対するドライ ブをターンオフさせるとともに第２のスイッチング素子に対するドライブをター ンオンさせることができる。 所定の構成例では、二次回路の第２の直流電圧端子対の１つの端子と直列の機 械的又は電気的スイッチにより一次回路から二次回路へ流れる、又はその逆に流 れる電流を阻止する。このスイッチも上述した個別の端子への１２Ｖのプラグイ ンにより駆動することができる。 本発明は既存のフォワードコンバータの拡張とみなすこともでき、この場合に は、誘導素子、可制御スイッチング素子及び給電すべき負荷の第１の直列回路と 、前記誘導素子、給電すべき前記負荷及び単方向素子の第２の直列回路とを具え るスイッチトモード電源において、前記誘導素子を変成器の一つの巻線とし、該 変成器の他の巻線を直流電圧を受信する他の可制御スイッチング素子と直列に配 置 したことを特徴とする。この構成では他の巻線と他の可制御スイッチング素子が 前述した一次巻線及び第１の可制御スイッチング素子に対応する。 本発明のこれらの特徴及び他の特徴は添付図面を参照すると明らかになる。図 面において、 図１は従来のスイッチトモード電源を示し、 図２は本発明によるスイッチトモード電源を示し、 図３はスイッチトモード電源の既知の構成を示し、 図４は図３に示すスイッチトモード電源の構成の変形例を示し、 図５は蓄電池及び本発明スイッチトモード電源を有する電気シェーバを示す。 図１は従来のスイッチトモード電源を示す。この電源は、第１の可制御スイッ チング素子、本例では電界効果トランジスタ６、を経て第１の直流電圧端子対８ 及び１０に接続されて一次巻線４を有する変成器２を具える。直流電圧を直流電 圧端子８及び１０に直接供給することができるが、整流交流電圧、例えば交流幹 線電圧を供給することもできる。この目的のために、交流幹線電圧を供給し得る ２つの入力端子１２及び１４、ブリッジ整流器１６及び平滑フィルタ１８が設け られている。従って、一次巻線４は制御回路２０の制御の下でスイッチングトラ ンジスタ６により周期的に開閉される一次回路内に含まれる。変成器２は更に二 次巻線２２を具え、この二次巻線に負荷、本例では蓄電池２４、が単方向素子、 本例ではダイオード２６、及びオプションの直列抵抗２８を経て接続される。蓄 電池２４及びこのスイッチトモード電源は電気シェーバ内に組み込み、そのモー タ３０をスイッチ３２を経て電池２４に接続することができる。 この電源回路はフライバックコンバータとして動作する。スイッチングトラン ジスタ６が導通すると、ダイオード２６がカットオフし、この場合には磁気エネ ルギーが変成器に蓄積される。スイッチングトランジスタ６がカットオフすると 、ダイオード２６が導通し、蓄積磁気エネルギーがダイオード２６を経て負荷、 本例では蓄電池２４に、供給される。スイッチングトランジスタ６は、例えば前 記米国特許第４，６５２，９８４号に記載されているように制御することができ るが、多くの他の方法が種々の技術文献から既知であり、この目的用に特別に設 計された種々の集積回路が市販されている。スイッチングトランジスタ６をター ン オン及びターンオフするデューティサイクル及び／又は周波数を制御することに より負荷両端間の出力電圧又は負荷を流れる出力電流が制御される。このように して、直流電圧端子８及び１０に供給される直流電圧の変化に対処することもで きる。変成器により、デューティサイクル及び／又はスイッチング周波数を許容 し得ないほど小さくする必要なしに、高い整流幹線電圧と一般にこれより相当低 い負荷両端間の電圧との間の適合を達成することができる。 しかし、多くの携帯蓄電池駆動装置に対しては交流幹線からのみならず自動車 及び船舶内の電池電圧のような比較的低い電圧を有する直流主電源からも充電を 行うことができるようにするのが望ましい。しばしば使用される直流電圧は、例 えば１２Ｖ ＤＣであるが、２４Ｖ ＤＣのような他の電圧が使用されることも ある。本明細書の記載及び図面は１２Ｖ ＤＣに基づくものであるが、他の任意 の直流電圧も可能であること明かである。１２Ｖ ＤＣを直流電圧端子８及び１ ０に、又は必要に応じ、端子１２及び１４に供給し、このスイッチトモード電源 をこの低入力電圧でも動作を維持するように構成することができる。しかし、負 荷に供給し得る最大電流が変成器２の巻数比の結果として制限される。この場合 には蓄電池２の充電に必要とされる時間が高い幹線電圧の場合より相当長くなる 。 図２はこの欠点を軽減した本発明によるスイッチトモード電源を示す。図２に 示す回路図は図１に示すものに類似するが、同様にスイッチングトランジスタか らなる第２の可制御スイッチング素子３４が付加され、このスイッチング素子が 二次巻線２２、ダイオード２６、制御回路３６及び第２の直流電圧端子３８およ び４０とともにフォワードコンバータとして配置されている。図３はフォワード コンバータの既知の基本回路図を示す。図４は図２に示すスイッチトモード電源 に使用する、図３のフォワードコンバータの変形例を示す。１２Ｖ直流電圧源を 直流電圧端子３８及び４０に接続する。一方の直流電圧端子、本例では直流電圧 端子３８、を二次巻線２２とダイオード２６との接続点にスイッチ４２を経て接 続する。他方の直流電圧端子４０をダイオード２６と給電すべき負荷、本例では 蓄電池２４、との接続点にスイッチングトランジスタ３４を経て接続する。ダイ オード２６と蓄電池２４との間の抵抗２８はオプションであり、省略することも できる。 第２の直流電圧端子対３８及び４０は別個の端子として配置することができる が、第１の直流電圧端子対８及び１０又は入力電圧端子１２及び１４に直接接続 することもできる。１２Ｖが供給されるときスイッチ４２が閉じる。このスイッ チ４２（機械的スイッチ又は電気的スイッチとすることができる）は、第２の直 流電圧端子対３８及び４０が第１の直流電圧端子対８及び１０又は入力電圧端子 １２及び１４に接続され且つ一次回路及び二次回路が図２に示すように共通の接 地を有する場合に、二次回路から一次回路への不所望な電流を禁止する。直流電 圧端子３８のみを別個の端子として配置し、他方の直流電圧端子４０を入力電圧 端子１４に接続することもできる。直流電圧端子３８及び４０の少なくとも一つ を別個の端子として配置することは、１２Ｖ ＤＣの検出を簡単な機械的手段に より実現し得る利点をもたらす。１２Ｖ ＤＣのプラグインによりスイッチ４２ 及び制御回路３６を駆動し、制御回路２０を滅勢することができる。 制御回路２０及び３６は別個のユニットにすることができるが、スイッチング トランジスタ６又はスイッチングトランジスタ３４の制御に１つの制御回路を使 用することもできる。１２Ｖ直流動作から交流幹線動作への切換えは手動的に行 う、供給電圧を測定して自動的に行う、又は別個の端子へのプラグインにより電 子機械的に行うことができる。 本発明は上述した図示の実施例に限定されない。本発明は、ここに示すフライ バック構成に加えて、技術文献から既知の変成器を使用する他の構成のスイッチ トモード電源にも適用し得る。これらの構成においても第２の可制御スイッチン グ素子と変成器の二次巻線とを用いて図３及び図４に示す回路を構成することが できる。 本発明は図３及び図４に示すタイプの既存のフォワードコンバータに対する拡 張とみなすこともできる。この場合には、スイッチトモード電源は、誘導素子２ ２と可制御スイッチング素子３４と給電すべき負荷２４の第１の直列回路と、誘 導素子２２と給電すべき負荷２４と単方向素子（一般にダイオード）２６の第２ の直列回路とを具え、誘導素子２２は変成器２の一つの巻線であり、この変成器 の他の巻線４が他の可制御スイッチング素子６と直列に接続され、端子８及び１ ０の直流電圧を受信する。 本発明スイッチトモード電源は、幹線電圧及び／又は例えば１２Ｖ ＤＣの電 池電圧から充電される蓄電池、例えばＮｉＣｄ又はＮｉＭＨ電池を用いる電気装 置に好適である。図５はスイッチトモード電源４６、蓄電池２４及びモータ３０ を収納するハウジング４４を有する電気シェーバを示す。モータ３０はスイッチ ３２により駆動され、シェービングヘッド４８を駆動する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １． 一次回路内に第１の可制御スイッチング素子(6)を経て第１の直流電圧端 子対(8、10)に接続された一次巻線(4)を有するとともに、二次回路内に単方向素 子(6)及び給電すべき負荷(24)を経て挿入された二次巻線(22)を有する変成器(2) を具えるスイッチトモード電源において、該スイッチトモード電源は、更に、二 次巻線(22)及び給電すべき負荷(24)と直列に第２の直流電圧端子対(38、40)に接 続された第２の可制御スイッチング素子(34)を具えることを特徴とするスイッチ トモード電源。 ２． 第２の直流電圧端子対(38,40)が第１の直流電圧端子対(8,10)に接続され ていることを特徴とする請求項１記載のスイッチトモード電源。 ３． 第１の直流電圧端子対(8,10)がブリッジ整流器(16)を経て入力電圧端子(1 2,14)に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載のスイッチトモー ド電源。 ４． 第２の直流電圧端子対(38,40)の少なくとも１つの端子が入力電圧端子対( 12,14)の１つの端子に接続されていることを特徴とする請求項１又は２記載のス イッチトモード電源。 ５． 前記入力電圧端子対(12,14)がブリッジ整流器(16)を経て第１の直流電圧 端子対(8,10)に接続されていることを特徴とする請求項４記載のスイッチトモー ド電源。 ６． 第２の直流電圧端子対(38,40)の一方の端子(38)がスイッチ(42)を経て二 次巻線(22)と単方向素子(26)との接続点に接続され、且つ第２の可制御スイッチ ング素子(34)が単方向素子(26)と給電すべき負荷(24)との接続点と第２の直流電 圧端子対の他方の端子(40)との間に接続されていることを特徴とする請求項１、 ２、３、４又は５記載のスイッチトモード電源。 ７． 誘導素子(22)、可制御スイッチング素子(34)及び給電すべき負荷(24)の第 １の直列回路と、前記誘導素子(22)、給電すべき前記負荷(24)及び単方向素子(2 6)の第２の直列回路とを具えるスイッチトモード電源において、前記誘導素子(2 2)が変成器(2)の一つの巻線であり、該変成器の他の巻線(4)が他の可制御 スイッチング素子(6)と直列に配置され直流電圧を受信することを特徴とするス イッチングトモード電源。 ８． 蓄電池(24)と、電気モータ(30)と、該モータ(30)を前記蓄電池(24)に接続 するスイッチ(32)と、少なくとも前記蓄電池(24)及び／又はモータ(30)を付勢す る請求項１−７の何れかに記載されたスイッチトモード電源とを具えることを特 徴とする電気シェーバ。 ９． 第１のスイッチング素子により周期的に遮断した直流電圧を、二次巻線が 単方向素子を経て給電すべき負荷に接続された変成器の一次巻線に供給して直流 電圧を変換する方法において、二次巻線を自己インダクタンスとしても使用し、 このインダクタンスを第２のスイッチング素子及び給電すべき負荷と直列に他の 直流電圧を受信するよう配置し、前記単方向素子をフリーホイールダイオードと して作用させることを特徴とする直流電圧変換方法。 10． 誘導素子、可制御スイッチング素子及び給電すべき負荷の第１の直列回路 と、前記誘導素子、給電すべき前記負荷及び単方向素子の第２の直列回路とを用 いて直流電圧を変換する方法方において、前記誘導素子として変成器の一つの巻 線を使用し、該変成器の他の巻線を他の可制御スイッチング素子と直列に配置し 、他の直流電圧を受信させることを特徴とする直流電圧変換方法。