JP2005151796A - スイッチング電源回路 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】共振形コンバータの二次側に巻線電圧検出方式の同期整流回路を備える。そして、絶縁コンバータトランスPITの結合係数の設定、二次巻線の1ターン(T)あたりの誘起電圧レベルの設定により、絶縁コンバータトランスPITの磁束密度を一定以下に設定し、重負荷の条件でも二次側整流電流を連続モードとする。さらに、二次側の平滑コンデンサCoに整流電流を流す経路に直列に挿入したインダクタLeに生じる逆起電力により、整流電流に生じていた逆電流を抑圧し、無効電力のさらなる低減を図ると共に、このインダクタLeの直流重畳特性の設定により超軽負荷時(例えば12.5W以下)における異常発振を防止する。
【選択図】図14
Description
そこで、共振形コンバータによるスイッチング電源回路が各種提案され、実用化されている。共振形コンバータは容易に高電力変換効率が得られると共に、スイッチング動作波形が正弦波状となることで低ノイズが実現される。また、比較的少数の部品点数により構成することができるというメリットも有している。
また、一次巻線N1の他端は、一次側アースに接続される。
ここで、上記直列共振コンデンサC1のキャパシタンスと、一次巻線N1を含む絶縁コンバータトランスPITのリーケージインダクタンスL1によっては、一次側スイッチングコンバータの動作を電流共振形とするための一次側直列共振回路を形成する。
つまり、この図に示す電源回路は、一次側スイッチングコンバータを共振形とするための共振回路に対して、他の共振回路とが組み合わされた形式を採っていることになる。本明細書では、このようなスイッチングコンバータについて、複合共振形コンバータということにする。
先ず、二次側巻線の1T(ターン)あたりの誘起電圧レベルが、5V/Tとなるようして、二次巻線N2A,N2B及び一次巻線N1のターン数を設定することとして、具体的には、二次巻線N2A=N2B=1T、一次巻線N1=30Tとしている。
そして、絶縁コンバータトランスPITのEE型コアの中央磁脚に対しては1.0mm程度のギャップを形成するようにしている。これによって、一次巻線N1と二次巻線N2A,N2Bとで、0.85程度の結合係数を得るようにしている。
また、一次側直列共振コンデンサC1=0.068μF、部分電圧共振コンデンサCp=330pFを選定し、整流ダイオードDo1,Do2には、50A/40Vのショットキーダイオードを選定している。
また、スイッチング素子Q1は、上記スイッチング素子Q2に対して交互にオン/オフするようにしてスイッチングを行う。このため、スイッチング素子Q1//ダンパーダイオードDD1に流れるスイッチング電流IDS1は、スイッチング電流IDS2に対して180°位相がシフトした波形となっている。
これに対し、上記のようにして重負荷の傾向となって、二次側直流出力電圧Eoのレベルが低下する傾向となるのに応じては、一次側のスイッチング周波数を低くするように制御が行われる。これによると、二次側平滑コンデンサに対して二次側整流電流が連続して流れなくなって電流不連続期間が生じる、いわゆる不連続モードに移行するものとなる。
このために、整流ダイオードDo1を流れる整流電流I1と、整流ダイオードDo2を流れる整流電流I2は、それぞれ一次側直列共振電流Ioが正弦波状で流れる期間DON1、DON2においてのみ流れ、それ以外の期間においては共に流れない。つまり、二次側の整流電流は不連続で平滑コンデンサに流入することになる。
実際の測定結果として、直流入力電圧(整流平滑電圧Ei)=100VのときのDC→DC電力変換効率は82%程度にとどまる。
なお、図25においては、絶縁コンバータトランスPITの二次側の構成のみを示している。一次側の構成は、図23と同様であるものとする。また、定電圧制御方式としても、二次側直流出力電圧Eoのレベルに応じて、一次側スイッチングコンバータのスイッチング周波数を可変制御するスイッチング周波数制御方式を採る。
また、この図25に示す二次側の構成を採る電源回路としても、図23の場合と同様の低電圧大電流(VAC=100V、負荷電力Po=100W、Eo=5V、Io=25A)の条件に対応するものとされる。
同様に、MOS−FETQ4を駆動する駆動回路は、二次巻線N2AとMOS−FETQ3のドレインとの接続点とMOS−FETQ4のゲートの間に、ゲート抵抗Rg2を接続すると共に、MOS−FETQ4のゲートと二次側アースとの間に抵抗R12を接続して形成される。
上記した駆動回路は、二次巻線の電圧を検出することに基づいて、平滑コンデンサCoの正極端子に充電する方向にのみ電流が流れるように、MOS−FETQ3,Q4をスイッチング駆動するための回路である。
この図において、スイッチング素子Q2の両端電圧V1と、これに応じた二次巻線N2A−N2Bの両端に得られる二次巻線電圧V2は、図24と同様のタイミングとなっている。なお、図26に示す二次巻線電圧V2は、二次巻線N2Aとゲート抵抗Rg2との接続点側からみた場合の極性となっており、二次巻線N2Bとゲート抵抗Rg1との接続点側からみた場合には逆極性となる。
MOS−FETQ4の駆動回路は、この図に示す極性の二次巻線電圧V2が負極性の所定レベルでクランプされる期間に至ると、MOS−FETQ4のゲートに対して、ゲート抵抗Rg2と抵抗R12とにより設定されるレベルのオン電圧を印加するように動作することになる。
同様にして、MOS−FETQ3の駆動回路(ゲート抵抗Rg1,抵抗R11)は、この図とは反転した極性の二次巻線電圧(V2)が負極性の所定レベルでクランプされる期間に至ると、MOS−FETQ3のゲートに対してオン電圧を印加するように動作することになる。
この不連続モードでは、整流電流I1,I2として、平滑コンデンサCoへの充電電流が0レベルになったとしても、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1には同じ方向に電流が流れている。これは、先の図24の波形図であれば、期間DON1,DON2以外の期間において、一次側直列共振電流Ioとして、一次巻線N1の励磁インダクタンス成分がその直前タイミングと同じ極性で流れていることにより示されている。このために、実際としては、二次巻線N2A,N2Bに誘起される電圧の極性が反転しないために、その間、MOS−FETQ3、Q4は完全にオフにならずにオン状態を維持する。これにより、図示するようにして、期間DON1,DON2以外では、整流電流I1,I2として逆方向の電流が流れてしまう。この期間DON1,DON2以外における逆方向の整流電流I1,I2は、無効電力を生じさせるが、このときの整流電流I1,I2のレベルは8Ap程度と比較的高いために、その無効電力量も相応に大きなものとなる。
このように、同期整流回路として巻線電圧検出方式を採る場合、整流電流の導通損は低減されるものの、上記のようにして無効電力が発生するために、全体として電力変換効率の有効な向上は図ることが難しいというのが現状である。
図25に示す電源回路の実際としても、先に図23に示した電源回路の構成として説明したようにスイッチング周波数制御による定電圧制御を行うが、軽負荷の条件となって二次側直流出力電圧が上昇すると、スイッチング周波数を高くするようにして二次側直流出力電圧を低下させ、これにより安定化を図るように動作する。
そして、このような軽負荷の状態では、図27に示すスイッチング素子Q2の両端電圧V1に対して、二次側巻線電圧V2はほぼ同じタイミングで反転するようになり、これに応じて、二次側の整流電流I1、I2としては、期間DON1,DON2との間に休止期間が無く平滑コンデンサCoに連続して充電されるようにして流れる。つまり、連続モードとなる。このときには、上記図26の重負荷時の動作として示したような逆方向の整流電流I1、I2が流れる期間は存在しなくなって、これに応じた無効電力も生じていない。
このように、二次側整流回路系を巻線電圧検出方式による同期整流回路に置き換えた構成の電源回路も、重負荷時における電力変換効率の低下が依然として問題となる。
この整流電流検出方式による同期整流回路の構成例を、図28に示す。なお、この図においては、説明を簡単なものとするために、半波整流による構成を示している。
カレントトランスの二次巻線Nbに対しては、抵抗Raが並列に接続されるとともに、相互に順電圧方向が逆となるようにして、ダイオードDa、Dbが並列に接続されて並列接続回路を形成する。また、この並列接続回路に対して、コンパレータ20が接続される。コンパレータ20の反転入力には、基準電圧Vrefが入力される。なお、基準電圧Vrefとコンパレータ20の反転入力との接続点には、上記並列接続回路においてダイオードDaのアノードとダイオードDbのカソードが接続されている側の端部と接続される。また、コンパレータ20の非反転入力には、上記並列接続回路においてダイオードDaのカソードとダイオードDbのアノードが接続されている側の端部が接続される。
この場合、コンパレータ20の出力は、バッファ21により増幅されてMOS−FETQ4のゲートに印加されるようになっている。
二次巻線N2に誘起される電圧が、平滑コンデンサCoの両端電圧(Eo)よりも大きくなると、先ず、MOS−FETQ4のボディダイオードのアノード→カソードの方向により、平滑コンデンサCoへ充電するようにして整流電流Idが流れ始める。この整流電流Idは、カレントトランスの一次巻線Naに流れるので、カレントトランスの二次巻線Nbには、一次巻線Naに流れる整流電流Idに応じた電圧Vnbが誘起される。コンパレータ20では、基準電圧Vrefと電圧Vnbとを比較して、電圧Vnbが基準電圧Vrefを越えるとHレベルを出力する。このHレベルの出力がバッファ21からオン電圧としてMOS−FETQ4のゲートに対して印加され、MOS−FETQ4をオンさせる。これにより、整流電流IdがMOS−FETQ4のドレイン→ソース方向により流れることになる。図29では、正極性により流れる整流電流Idとして示されている。
例えば、図23に示した電源回路の二次側の構成を、上記図28に示した構成に基づく、両波整流の整流電流検出方式による同期整流回路とした場合のDC→DC電力変換効率としては、先の図24、図26などと同様の条件の下で測定したところ、90%程度にまで向上するという測定結果が得られた。
特に、図23に示した一次側のスイッチングコンバータの構成を基本として整流電流検出方式の同期整流回路を二次側に備えることとした場合、二次側には両波整流回路を備える必要がある。従って、上記したカレントトランス及び駆動回路系はMOS−FETQ3,Q4ごとに対応して2組必要とされることになり、上記した問題がさらに大きくなる。
このようにして巻線電圧検出方式と整流電流検出方式とでは、巻線電圧検出方式のほうが、無効電力により電力変換効率の面で不利ではあるが、回路構成が簡略であるのに対して、整流電流検出方式のほうは、無効電力が生じないので電力変換効率の面では有利であるが、回路構成が複雑になる、というトレードオフの関係にある。
従って、同期整流回路を備える電源回路としては、できるだけ簡略な回路構成でありながら、かつ、無効電力による損失増加が解消されるような構成を採ることが求められている、ということになる。
すなわち、先ず、商用交流電源を整流平滑して直流入力電圧を生成する整流平滑手段と、上記直流入力電圧を断続するようにしてスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成されるスイッチング手段と、上記スイッチング素子をスイッチング駆動する駆動手段とを備える。
また、上記スイッチング手段のスイッチング出力を一次側から二次側に伝送するものであり、一次側に一次巻線と、二次側に少なくとも二次巻線が巻装される絶縁コンバータトランスを備える。
また、少なくとも、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線の漏洩インダクタンス成分と、自己のキャパシタンスとによって上記スイッチング手段の動作を共振形とするための一次側共振回路を形成するようにして、一次側の所定の部位に接続される一次側共振コンデンサを備える。
また、上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に誘起される交番電圧を整流して二次側平滑コンデンサに整流電流を充電することで、上記二次側平滑コンデンサの両端電圧として二次側直流出力電圧を得るようにされた、巻線電圧検出方式による同期整流回路を備える。
また、上記二次側直流出力電圧のレベルに応じて、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変制御することで、上記二次側直流出力電圧についての定電圧制御を行うようにされた定電圧制御手段を備える。
その上で、先ず上記絶縁コンバータトランスの磁束密度は、上記定電圧制御手段の制御に伴い上記スイッチング周波数が所定以下に低下する場合にも、上記同期整流回路に流れる二次側整流電流が連続モードで維持されるようにして所定以下に設定される。
さらに、上記同期整流回路としては、上記二次側平滑コンデンサに整流電流を充電するための整流電流経路に対して挿入された筒形状によるビーズコアを備えたインダクタ素子であって、上記二次側直流出力電圧に接続される負荷が無負荷となるまでの範囲に対して、上記二次側整流電流が連続モードで維持されるようにその直流重畳特性が設定されたインダクタ素子を備えるようにした。
そして、絶縁コンバータトランスの磁束密度が所定以下となるようにしていることで、重負荷の条件とされてスイッチング周波数が所定以下に低下した場合にも、二次側整流電流が連続モードで維持されるようにしている。二次側整流電流が連続モードとなれば、巻線電圧検出方式による同期整流回路において問題となる、二次側整流電流の不連続期間において整流電流に逆方向電流が生じることに依る無効電力を低減することができる。
その上で、上記のようにして二次側の整流電流経路に対しては、インダクタ素子が挿入される。このインダクタ素子によっては、そこに整流電流が流れる際の逆起電力により整流電流に生じる逆方向電流が抑圧される。つまり、これによって整流電流に逆方向電流が生じることによる無効電力についての、さらなる低減を図ることができるものである。
また、このインダクタ素子としては、上記のようにして無負荷となるまでの範囲に対して連続モードが維持されるようにその直流重畳特性が設定されることで、負荷電流が0レベル近辺となる超軽負荷時においても連続モードを維持することができる。これによって超軽負荷時において生じるとされていた異常発振動作が防止される。
つまり、本発明によっては、同期整流回路を備える複合共振形コンバータとして、高い電力変換効率を得ることと、回路の簡易化による回路規模の縮小、及び低コスト化を図ることとの両立が図られるものであり、特に、低電圧大電流とされるような条件に電源回路を使用する場合に有利となるものである。
そして、このようなノイズフィルタの後段に対しては、図のように整流ダイオードDA,DBから成る整流回路部Diと、2本の平滑コンデンサCi1,Ci2とから成る倍電圧整流回路が備えられる。この倍電圧整流回路によっては、平滑コンデンサCi1−Ci2の両端電圧として、交流入力電圧VACの2倍に対応したレベル整流平滑電圧Ei(直流入力電圧)が生成される。
この絶縁トランスPITの一次巻線N1の一方の端部は、一次側並列共振コンデンサC1の直列接続を介して、スイッチング素子Q1のソースとスイッチング素子Q2のドレインとの接続点(スイッチング出力点)に接続されることで、スイッチング出力が伝達されるようになっている。
また、一次巻線N1の他方の端部は、一次側アースに接続される。
つまり、この図に示す電源回路は、一次側スイッチングコンバータを共振形とするための共振回路に対して、他の共振回路とが組み合わされた、複合共振形コンバータとしての構成を採っている。
図1の回路の場合、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線としては、図のようにセンタータップを境に二次巻線N2Aと二次巻線N2Bとが形成された1組が備えられる。
この場合、上記二次巻線の巻き始め端部側を含む巻線部を二次巻線N2A、巻き終わり端部側を含む巻線部を二次巻線N2Bとし、それぞれ同じ所定のターン数を巻装するものとしている。
そして、このような二次巻線N2A,N2Bに対しては、図示するように整流用素子としてNチャネルのMOS−FETQ3,Q4を備える両波整流の同期整流回路が備えられる。これらMOS−FETQ3,Q4は、例えば低耐圧のトレンチ構造のものを選定することで、低オン抵抗を得るようにされる。
そして、二次巻線の巻き終わり端部は、インダクタLd1→MOS−FETQ3のドレイン→ソースを介して、二次側アース(平滑コンデンサCo1の負極端子側)に接続される。
また、二次巻線の巻き始め端部は、インダクタLd2→MOS−FETQ4のドレイン→ソースを介して、二次側アース(平滑コンデンサCo1の負極端子側)に接続される。
なお、MOS−FETQ3,Q4のドレイン−ソースに対しては、それぞれ、ボディダイオードDD3,DD4が接続される。
また、この際、二次巻線N2Bを含む整流電流経路においては、二次巻線N2Bの巻き終わり端部とMOS−FETQ3のドレインとの間に、インダクタLd1が直列に挿入されるものとなる。同様に、二次巻線N2Aを含む整流電流経路においては、二次巻線N2Aの巻き始め端部とMOS−FETQ4のドレインとの間にインダクタLd2が直列に挿入される。
同様に、MOS−FETQ4を駆動する駆動回路は、二次巻線N2Bの巻き終わり端部とMOS−FETQ4のゲートとの間に、ゲート抵抗Rg2を接続して形成される。
つまりこの場合、上記MOS−FETQ3は、上記二次巻線N2Aに励起される交番電圧が上記ゲート抵抗Rg1により検出されて導通するようにされ、また、MOS−FETQ4は、二次巻線N2Bに励起される交番電圧が上記ゲート抵抗Rg2により検出されて導通するようにされているものである。
上記した駆動回路は、二次巻線の電圧を検出することに基づいて、二次側平滑コンデンサの正極端子に充電する方向(つまり、この場合ではソース→ドレイン方向)の電流のみが流れるように、MOS−FETQ3,Q4をスイッチング駆動するための回路である。つまり、この場合における同期整流回路の回路構成としては、巻線電圧検出方式により、整流電流に同期させてMOS−FETQ3,Q4をオン/オフ駆動する構成を採っているものである。
この場合において、これらインダクタLd1、Ld2としては、例えば0.6μH程度の比較的低いインダクタンスを設定するものとしている。
そして、このように低いインダクタンスを得るにあたって、図1の回路では、上記インダクタLd1、Ld2として、例えばアモルファス磁性体若しくはフェライト材等の磁性体が筒形状に形成されたビーズコアを用いるものとしている。そして、例えばこのような筒状のコアにリード線を挿通したものを、1つのインダクタ素子としてプリント基板上に実装するものである。
この場合、上記スナバ回路としては、上記コンデンサCS側を二次巻線(N2B)の巻き終わり端部側に対して接続している。また、上記抵抗RS側を二次巻線(N2A)の巻き始め端部側に接続するようにしている。
つまり、このような接続形態によれば、上記スナバ回路は、直列接続されたMOS−FETQ3−Q4に対しても並列に設けられたものとなる。
つまり、各MOS−FETのドレイン−ソース間には、各ドレイン−ソース間の静電容量(coss)によって、ターンオフ時にスパイク電圧が発生するものとされていた。そして、このようなスパイク電圧が各MOS−FETの耐圧レベルの低下の妨げとなっていた。
そこで、上記のようにしてMOS−FETQ3−Q4の直列接続回路に対して、並列にコンデンサCS−抵抗RSによるスナバ回路を設けるようにしたことで、このようなスパイク電圧のピーク波形を平滑して、各MOS−FETのドレイン−ソース間の耐圧レベルの低減を図るようにしたものである。
すなわち、二次側に励起される交番電圧の一方の半周期には、二次巻線N2Bを流れる電流が二次側平滑コンデンサに対して充電される。また、交番電圧の他方の半周期には、二次巻線N2Aに流れる電流が二次側平滑コンデンサに対して充電される。このことから、両波整流動作が得られているものである。
そして、このような平滑コンデンサの両端電圧として、図のような二次側直流出力電圧Eoが得られる。この二次側直流出力電圧Eoは、図示しない負荷側に供給されるとともに、次に説明する制御回路1のための検出電圧としても分岐して入力される。
例えば重負荷の傾向となって二次側直流出力電圧Eoが低下するのに応じては、上記スイッチング周波数を高くするように制御することで、二次側直流出力電圧Eoを上昇させる。これに対して、軽負荷の傾向となって二次側直流出力電圧Eoが上昇するのに応じては、上記スイッチング周波数を低くするように制御することで、二次側直流出力電圧Eoを低下させる。
このフィルタ回路としては、図示するように平滑コンデンサCo1の正極端子に対して、チョークコイルLnの一端を接続する。そして、このチョークコイルLnの他端に対して、平滑コンデンサCo2の正極端子を接続し、さらに平滑コンデンサCo2の負極端子を二次側アースに接地して成る。
このような接続形態によれば、平滑コンデンサCo1、平滑コンデンサCo2の並列接続回路が形成され、さらに、これら平滑コンデンサCo1、Co2の各正極端子間に対しては、チョークコイルLnが挿入されたものとなる。
つまり、この図1に示す回路においては、二次側直流出力電圧Eoのラインに対し、C、L、Cによる所謂π型フィルタを設けるようにしているものである。
先にも説明したように、図1の基本構成においては、MOS−FETQ3、Q4の各ゲートに対し、各々ショットキーダイオードDgを接続するものとしていた。これによっては、各MOS−FETのターンオフ時にそれぞれのゲート入力容量の蓄積電荷を強制的に引き抜くようにして、MOS−FETの良好なターンオフ特性を得ることが可能とされる。
しかしながら、このようにショットキーダイオードDgを設けることによっては、MOS−FETとして良好なターンオフ特性を得ることができる一方で、二次側整流電流経路においてはスイッチングノイズが発生し易いものとされていた。そして、この影響により二次側直流出力電圧Eoにも高周波のノイズが重畳し易くなっていた。
なお、この場合の上記フィルタ回路においては、上記平滑コンデンサCo1、平滑コンデンサCo2として、例えばアミジン系アルミ電解コンデンサで構成し、そのキャパシタンスCとして、例えばC=6800μF、耐圧は6.3V、ESR(等価直列抵抗値)は15mΩ以下となるものを選定している。
また、上記チョークコイルLnとしては、DCR(直流抵抗値)=1mΩ程度、インダクタンスL=0.7μH程度に設定している。
これによって、二次側直流出力電圧Eoに生じる高周波ノイズのピークレベルを100mV以下に抑制するものとしている。
先ず、絶縁コンバータトランスPITについては、図2に示す構造を採ることとしている。
この図に示すように、絶縁コンバータトランスPITは、フェライト材によるE型コアCR1、CR2を互いの磁脚が対向するように組み合わせたEE型コア(EE字形コア)を備える。
そして、一次側と二次側の巻装部について相互に独立するようにして分割した形状により、例えば樹脂などによって形成される、ボビンBが備えられる。このボビンBの一方の巻装部に対して一次巻線N1を巻装する。また、他方の巻装部に対して二次巻線(N2A,N2B)を巻装する。このようにして一次側巻線及び二次側巻線が巻装されたボビンBを上記EE型コア(CR1,CR2)に取り付けることで、一次側巻線及び二次側巻線とがそれぞれ異なる巻装領域により、EE型コアの中央磁脚に巻装される状態となる。このようにして絶縁コンバータトランスPIT全体としての構造が得られる。この場合のEE型コアとしては、例えばEER−40を選定している。
先ず、図3には、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線に用いられる線材の構造を示す。
この場合の二次巻線の線材としては、例えばポリウレタン被膜等の絶縁被覆処理の施された銅線等による素線10aが、図のように複数本束ねられて撚り合わされた、リッツ線10を使用する。周知のように二次巻線の線材としてリッツ線を選定することによっては、例えば高周波の整流電流が各二次巻線に流れる際に生じるとされる、いわゆる表皮効果を低減することができるメリットがある。
なお、ここでは、上記リッツ線10として、例えば線径X=0.1mφの素線10aを200束撚り合わせたものを用いる。
その上で、長さY1により統一された3本のリッツ線10を、図示するように平行に並べて整列させた状態で、その両端に対してそれぞれ予備半田11を行う。これによって、長さY1による3本のリッツ線10を整列させた、第1リッツ線帯12を形成する。
また、他方の長さY2により統一された3本のリッツ線10としても、同様に平行に整列させた状態でその両端に対してそれぞれ予備半田11を行う。これにより、長さY2のリッツ線10を3本整列させた第2リッツ線帯13を形成する。
このようにして形成した、上記長さY1による第1リッツ線帯12を、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線における巻き始め端部を含む二次巻線N2Aの線材として用いる。
また、この長さY1よりも長さを長くした、第2リッツ線帯13を、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線の巻き終わり側となる、二次巻線N2Bの線材として用いるものである。
なお、上記予備半田11としては、例えば半田ディップ層に対してリッツ線帯の各端部を所要時間にわたって浸漬させるようにして施せばよい。
そして、このように各端部に対してそれぞれリード線14を半田付けした第1リッツ線帯12、第2リッツ線帯13のうち、先ずは第1リッツ線帯12から、絶縁コンバータトランスPITにおけるボビンBの二次側巻装部に対して所定のターン数を巻装する。その上で、第2リッツ線帯13を、このように巻装した第1リッツ線帯12の外側に所定のターン数巻装する。
この場合、上記第1リッツ線帯12は、図示するようにボビンBの巻装部にて、3本のリッツ線10の整列が維持された状態で巻装されるものとなる。同様に上記第2リッツ線帯13としても、図のようにボビンBの巻装部にて3本のリッツ線10の整列が維持された状態で巻装される。
そしてこの場合は、図示しているように上記第1リッツ線帯12(二次巻線N2A)として、3ターンを施すものとしている。同様に、上記第2リッツ線帯13(二次巻線N2B)としても3ターンを施すようにされる。
これによって、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線としては、巻き始め側に第1リッツ線帯12としての二次巻線N2Aが巻装され、巻き終わり側に第2リッツ線帯13としての二次巻線N2Bが巻装された状態が得られる。
先ず、この場合としても、二次巻線に用いる線材としては、図6に示したようなリッツ線10を用いる。
そして、次の図7に示すようにして、このようなリッツ線10の3本を、それぞれ交互に編み込んで形成した平編線を用意する。このような平編線としては、図示するようにそれぞれ長さが異なるようにされた2本を用意する。ここでは、長さY1とした平編線を第1平編線15とし、この長さY1よりも長い長さY2とした平編線を第2平編線16とする。そして、このように形成した第1平編線15、第2平編線16の両端に対しては、この場合もそれぞれ予備半田11を施す。
そして、このように各端部に対してそれぞれリード線14を半田付けした、先ずは第1平編線15から、絶縁コンバータトランスPITにおけるボビンBの二次側巻装部に対して所定のターン数を巻装する。その上で、第2平編線16を、このように巻装した第1平編線15の外側に所定のターン数巻装する。
この際、外側に巻装される巻線部ほどその長さがより多く必要となることから、上記のような順で巻線が巻装される場合は、各巻線部の長さはそれぞれ異なるようにされる。
そして、このように巻線部の長さがそれぞれ異なるようにされる場合、各二次巻線において巻き始め端部側を含むN2A側の組の合成抵抗値と、巻き終わり端部側を含むN2B側の組の合成抵抗値は、巻線部の長さがそれぞれY1、Y2で等しくなるようにされた図1の回路の二次巻線N2A、N2Bよりも高くなるようにされる。
このことは、下記に示すような各巻線部間で直流抵抗値がそれぞれ異なる場合と、均一とされた場合とでの抵抗素子の並列接続回路の合成抵抗値の計算式の結果から明らかなことである。
なお、下記式では、各二次巻線において巻き始め端部側を含むN2A側の組の合成抵抗値Roの計算式のみを例示しており、RA1、RA2、RA3は、それぞれ巻線部N2A1、N2A2、N2A3の直流抵抗値を示している。
1/Ro=1/RA1+1/RA2+1/RA3
また、スイッチング素子Q1は、上記スイッチング素子Q2に対して交互にオン/オフするようにしてスイッチングを行う。このため、スイッチング素子Q1//ダンパーダイオードDD1に流れるスイッチング電流としても、図示はしていないがスイッチング電流IDS2に対して180°位相がシフトした波形となる。また、スイッチング素子Q1の両端電圧としても、スイッチング素子Q2の両端電圧V1に対して180°位相がシフトした波形となる。
また、二次巻線N2Aに得られる電圧V2Aとしても、上記電圧V2Bと同等のレベルで、その位相は180°シフトした波形が得られる。
この場合、電圧V2Bとしては、図示するように時点t1にて正極性のピークレベルとなり、以降はそのレベルを低下させていき時点t2にて0レベルとなるような波形とされている。MOS−FETQ4のゲート−ソース間に生じるゲート−ソース間電圧VGS4は、この電圧V2Bが、Q4のゲート−ソース間電位として定められた所定のレベルに対応したレベル以上を保つ期間(図中期間t1〜td1)において、オン電圧を発生させる。つまり、この期間t1〜td1が、MOS−FETQ4のオン期間DON2となる。
そして、この期間DON2が終了する時点td1から時点t2までは、MOS−FETQ4のデットタイムであり、このデットタイムである期間td1〜t2ではQ4のボディダイオードDD4を介して整流電流が流れる。このことは、図示するゲート−ソース間電圧VGS4における期間td1−t2の電位によっても示されている。
これによって、MOS−FETQ4を介して流される整流電流I4としては、図示するように時点t1〜t2の期間にわたって流れるようになる。つまり、この整流電流I4としては、これら時点t1、t2において、一次側直列共振電流Ioと0レベルになるタイミングが重なるようにされ、これによって一次側直列共振電流と連続するものとなる。
つまり、この場合、MOS−FETQ3のゲート−ソース間に生じるゲート−ソース間電圧VGS3(図示せず)は、二次巻線N2Aに生じる電圧V2がゲート−ソース間電位としての所定のレベルに対応したレベル以上を保つ期間(図中期間t2〜td2)において、オン電圧を発生させ、これによってこの期間t2〜td2がMOS−FETQ3のオン期間DON1となる。
そして、同様にこの期間DON1が終了する時点td2から時点t3までは、MOS−FETQ3のデットタイムであり、この期間td2〜t3ではQ3のボディダイオードDD3を介して整流電流が流れる。
これによって、MOS−FETQ3を介して流れる整流電流I3としても、図示するように一次側直列共振電流Ioのゼロクロスタイミングである時点t2と時点t3との間にわたって流れるようになり、一次側直列共振電流Ioと連続して流れるものとなる。
そして、前述したように、整流電流I3、整流電流I4としては一次側直列共振電流Ioと連続するものであるから、この平滑コンデンサCoに対する充電電流Isとしても一次側直列共振電流Ioと連続して流れることになる。
つまり、図1の回路では、重負荷とされる等してスイッチング周波数が低くなるようにして制御されているときにも、二次側整流電流としては連続モードが得られている。
換言すれば、例えばこのような重負荷の条件とされて二次側直流出力電圧Eoのレベルが所定以下に低下することに伴って、スイッチング周波数が所定以下の低くなるように制御される場合においても、二次側整流電流としては連続モードが維持されるものである。
つまり、従来において整流電流I1、I2には8Ap程度による逆方向電流が流れ、これが電力損失を生じさせていたが、図1の回路ではこのような整流電流に生じていた逆方向電流が発生しないものである。
この場合において、整流電流I3、I4にこのような逆方向電流が発生しないのは、図1に示したように各整流電流経路にインダクタLd1、Ld2を挿入するようにしたことによる。
このように各整流電流経路に対してインダクタを挿入することによっては、整流電流が流れた際に、このインダクタに逆起電力が発生するようになる。そして、このように逆起電力が発生することに伴ってMOS−FETQ3、Q4のターンオフ時に生じるとされていた逆方向電流が抑圧されるようになるものである。
先にも述べたように、図1に示した回路の場合ではこれらインダクタLd1、Ld2として0.6μH程度を設定し、これによって整流電流I3、I4における逆方向電流の発生を防止することが可能とされる。
しかしながら、二次側整流電流が不連続モードで流れる場合において、同期整流回路として巻線電圧検出方式を採る場合、平滑コンデンサCoへの充電電流が0レベルとなっても逆方向電流が流れ、これが無効電力を生じていた。
この無効電力を解消しようとすれば、整流電流検出方式の同期整流回路を採用することになる。しかしながら、整流電流検出方式では、カレントトランス及びコンパレータを備える駆動回路系などが必要であり、回路構成が複雑で大規模化する。
このことから図1の基本構成としては、同期整流回路として電圧検出方式による構成を採ることで、簡単な回路構成として回路規模の拡大を抑制し、さらにコストアップを避けるようにしていながら、なおかつ、電流不連続期間の無効電力による電力変換効率の低下の問題を解消していることになるものである。
これは、先に説明したようにしてMOS−FETQ3、Q4の各ゲートと二次巻線との間に、それぞれ抵抗Rg1、Rg2と並列にショットキーダイオードDg1、Dg2を挿入していることによる。
このようにショットキーダイオードDg1、Dg2を挿入することによっては、MOS−FETQ3、Q4のターンオフ時に、これらMOS−FETQ3、Q4のゲート入力容量(Ciss)の蓄積電荷を、これらショットキーダイオードDg1、Dg2を介して引き抜くようにして流すことができる。
つまりこの場合、ゲート入力容量の電荷は、それぞれショットキーダイオードDg(Dg1、Dg2)→二次巻線→平滑コンデンサCoの経路により放電されることになる。そして、このように入力容量の電荷が放電されることにより、MOS−FETQ3、Q4におけるターンオフ時の電圧降下時間を減少させることができる。
このようにして、MOS−FETのターンオフ時の電圧降下時間を減少させることができれば、これらMOS−FETQ3、Q4を確実にオフとさせて良好なスイッチング特性を得ることができる。
この図12においても、図示するスイッチング素子Q2の両端電圧V1は、スイッチング素子Q2のオン/オフタイミングを示している。つまり、所定レベルでクランプされる期間T1はスイッチング素子Q2がオフとなる期間を示し、0レベルとなる期間T2はオンとなる期間を示している。
ここで、図1に示す電源回路では、これまでの説明から理解されるように、二次側直流出力電圧Eoの安定化のためにスイッチング周波数制御による定電圧制御を行う。この定電圧制御は、軽負荷(或いは交流入力電圧VACの上昇)の条件となって二次側直流出力電圧が上昇すると、スイッチング周波数を高くするようにして二次側直流出力電圧を低下させ、これにより安定化を図るように動作する。
このような軽負荷の条件では、図示するようにスイッチング電流IDS2のゼロクロスタイミング(つまり一次側直列共振電流Ioのゼロクロスタイミング)と、二次巻線の電圧V2A(電圧V2Bも同様)のゼロクロスタイミングはほぼ一致しており、これに応じて、二次側の充電電流Is(整流電流I3、I4)としても一次側直列共振電流Ioとゼロクロスタイミングが一致している。また、この場合の充電電流Isは、図のように休止期間が無く流れるものとなる。
このことから、図1に示した電源回路では、軽負荷時(Po=25W時)においても連続モードとなることが理解できる。
なお、この結果は、図23に示す一次側の構成に対して、二次側に整流電流検出方式の同期整流回路を採用した場合(図28参照)と比較すると若干低い値となるが、先にも説明したように、図1に示す電源回路では、同期整流回路の構成としては巻線電圧検出方式を採っていることで、回路構成はより簡略なものとすることができる。
しかしながら、このようなビーズコアとしては、ギャップがゼロとされていることから、その直流重畳特性より、軽負荷の条件が進み負荷電流レベルが所定以下となるのに応じてインダクタンス値が急激に上昇する傾向となる。
例えば図1の回路において、インダクタLd1、Ld2のインダクタンスの直流重畳特性としては、負荷電力Po=12.5W以下の超軽負荷時となるのに応じ、0.3μH程度から急激に0.6μH程度に上昇する特性となっている。
このようなインダクタLdの直流重畳特性により、上記超軽負荷時には二次側の整流電流が不連続モードとなってしまうことが実験により明らかになった。そして、このように不連続モードとなることで、上記のような超軽負荷時には異常発振動作となり、二次直流出力電圧Eoに数kHz程度のリップル電圧が発生するものとされていた。
但し、上述もしたようにこれらショットキーダイオードDgを設けることによっては、二次側直流出力電圧Eoに高周波のスイッチングノイズが発生し易いものとされていた。このため、先にも説明したように図1の回路では、二次側直流出力電圧Eoのラインに対して平滑コンデンサCo1、Co2、及びチョークコイルLnによるπ型フィルタを挿入して、このような高周波ノイズの抑制を図るように構成していた。
なお、実験によれば、このようなπ型フィルタを削除した場合における図1の回路の電力変換効率は、ηAC→DC=88%程度となる結果が得られている。上記もしたように、π型フィルタを備える図1の回路の電力変換効率はηAC→DC=86.5%程度であったことから、この場合は約1.5%のロスが生じていることがわかる。
この図10に示されるように、上記チョークコイルLnとしては、平角線5aを所定ターン数巻回した、平角線コイル5を用いるものとしている。この平角線コイル5としては、断面形状が方形とされた上記平角線5aをその幅方向に巻回した、所謂エッジワイズ巻き(縦巻き)のものが採用される。
そして、このような平角線コイル5の両端部は、図示するようにこの平角線5を載置する側のプレート型コアCR6に設けられた、外部端子6に対してそれぞれ半田付け等により接続される。
さらに、このように平角線コイル5が載置されたプレート型コアCR6に対して、図示する形状によるポット型コアCR5が嵌合されることによって、チョークコイルLnが形成される。つまり、図示するように上記ポット型コアCR5側に形成された、図のような円形磁脚7を、上記平角線コイル5の内側に形成される円形の空洞領域に挿通させるようにして、プレート型コアCR6に対してポット型コアCR5を嵌合するものである。
なおこの場合、上記ポット型コアCR5の材質としては、金属系ダストを採用している。また、上記プレート型コアCR6としては、Ni−Zn系のフェライト材を採用するものとしている。
しかしながら、このようにセンタータップを施す場合、先の図3〜図9の説明からも明らかなように、巻き始め側となる二次巻線N2Aと、巻き終わり側となる二次巻線N2Bの長さは異なるようにされる。
これによっては、上記二次巻線N2Aよりも、二次巻線N2Bの方がそのDCRが大きくなるので、これに伴って二次巻線N2A、N2Bにそれぞれ流れる整流電流I3、I4のレベルには差が生じることとなる。
このことは、先の図11の波形図において、整流電流I4のピークレベルは38Apとなるのに対し、整流電流I3は33Apとなっていることからも明らかである。
そして、この結果として、図1の回路における平滑コンデンサCoへの充電電流(Is)は、図11に示す如くそのレベルがアンバランスとなってしまう。
このようなリッツ線帯、平編線としては、先の図3〜図9にて説明したようにして比較的多くの作業工程を要するものであるから、巻装する巻線数が多くなれば、その分絶縁コンバータトランスPITの製造工程に手間がかかるようになる。従って、このようにして二次巻線としてリッツ線、平編線を用いる場合は、巻装する巻線はできるだけ少なくできるのが好ましい。
なお、このような実施の形態の他の基本構成の一次側の構成としては、先の図1の回路と同等とされることからここでの図示は省略している。また図13において、既に図1にて説明した部分については同一の符号を付して説明を省略する。
この場合の二次巻線N2としても、先の図3〜図9にて説明したような複数のリッツ線10によるリッツ線帯又は平編線を巻装するものとしている。
さらに、この場合は、図1の回路ではゲート抵抗Rg1、Rg2に対してそれぞれ並列に接続していたショットキーダイオードDg1、Dg2が省略される。また、二次巻線N2と並列に接続されていたスナバ回路も省略される。
また、二次側直流出力電圧Eoのラインに対して設けられていたπ型フィルタ(平滑コンデンサCo2、チョークコイルLn)も省略するものとしている。
また、二次巻線N2の他方の端部は、MOS−FETQ4のドレインと接続された上で、MOS−FETQ4のドレインがチョークコイルLo2を介して平滑コンデンサCoの正極端子と接続される。
また、この場合、MOS−FETQ3の駆動回路を形成するゲート抵抗Rg1は、上記二次巻線N2の他方の端部と接続される。また、一方のMOS−FETQ4の駆動回路を形成するゲート抵抗Rg2は、上記二次巻線N2の一方の端部と接続される。
また、MOS−FETQ3がオフとなって、MOS−FETQ4がオンとなる他方の半周期では、[二次巻線N2→チョークコイルLo1→平滑コンデンサCo→MOS−FETQ4→二次巻線N2]の経路により整流電流が流れる。そしてこの場合も、整流電流は分岐して[MOS−FETQ4→インダクタLo2→平滑コンデンサCo]のループ経路によっても流れるものとなる。
このような倍電流整流回路の構成によって、図13にも示しているように、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2を1つのみとすることができるものである。
このようなチョークコイルLo1、チョークコイルLo2が設けられることにより、この場合も先の図1の場合に挿入されたインダクタLdと同様の作用により、整流電流の逆方向電流を抑制する効果が得られる。
なお、この図13に示す回路の場合、上記チョークコイルLo1、Lo2のインダクタンス値としては例えば3.3μH以上を設定するものとしている。そして、これによって、整流電流に生じるとされる逆方向電流の発生を防止することが可能とされている。
また、この場合は、このような二次側直流出力電圧Eoに生じる高周波成分の発生原因の1つとして考えられていた、ショットキーダイオードDg1、Dg2を削除するものとしたことからも、このような高周波成分のさらなる抑制が図られている。
これらのことから、図13に示す回路では、図1の回路にて設けられていたπ型フィルタを省略することができたものである。
従って、このことから図13に示した構成によっても、従来のように不連続モードとされたことで生じていた逆方向電流を低減して無効電力の低減を図ることができる。さらに、上記もしたように整流電流経路に対してチョークコイルLo1、Lo2を挿入したことにより、この場合も整流電流の逆方向電流を防止して、さらなる無効電力の低減を図ることが可能とされる。
これによって、図13の回路では、図1の回路の場合よりも絶縁コンバータトランスPITの製造工程を簡略化することができる。
また、このように二次巻線を1組とすることができることで、二次巻線に流れる整流電流のレベルに差が生じるといったことをなくすことが可能とされているものである。
この結果として図13の回路では、図1の回路ではMOS−FETのドレイン−ソース間の耐圧低下のために設けていたスナバ回路を不要とすることができたものである。
つまり、図2に示したようなEE型コアの中央磁脚に対して、所定長のギャップGを形成する。そして、このようなEE型コアの中央磁脚に対し、先の図3〜図9に示したようなリッツ線帯、或いは平編線を所定のターン数巻装たものである。
すなわち、上記説明によるチョークコイルLo1、Lo2の構造によれば、EE型コアの中央磁脚に対し形成するギャップ長の設定等によって、負荷電流レベルの変動に対する良好なインダクタンスの変化特性を得ることが可能とされる。すなわち、具体的には負荷電流30A〜0Aの変動に対し、上記したインダクタンス値=3.3μH程度でほぼ一定となる特性とすることで、先のインダクタLdの場合のように超軽負荷時にインダクタンス値が急激に増加する特性を改善している。
そして、このような急激なインダクタンス値の上昇が抑制されることで、超軽負荷時において生じるとされていた異常発振を防止することが可能とされている。
また、この場合のチョークコイルLo1、Lo2としては、上記もしたようにその巻線としてリッツ線帯或いは平編線を用いるものとしていることなどから、その製造工程が複雑化してしまうという問題もある。
そこで、本発明の第1の実施の形態としては、上記してきた図1、図13の回路の有する問題を鑑みて、スイッチング電源回路を次の図14に示すようにして構成することとした。
なお、この図14においては、既に図1にて説明した部分については同一の符号を付して説明を省略する。
本実施の形態のスイッチング電源回路では、図示するように二次側の同期整流回路を構成する整流素子としてMOS−FETQ3、Q4、Q5、Q6の4つのMOS−FETを備えるものとしている。
本例においては、このような4つのMOS−FETQ3、Q4、Q5、Q6を図示する接続形態により接続することによって、ブリッジ全波整流回路を構成する。そして、このように二次側の同期整流回路としてブリッジ全波整流回路を構成することによって、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線のセンタータップ出力が不要となるようにしているものである。
上記二次巻線N2としては、先の図1の回路の場合と同様に、複数のリッツ線10によるリッツ線帯、或るいは平編線が用いられる。
また、上記駆動巻線N3A、N3Bとしては、例えばウレタン被膜の銅線の単線を用いるものとしている。
なお、この場合の上記二次巻線N2のターン数は、例えば3Tとされる。また、上記駆動巻線N3A、N3Bのターン数は、例えばN3A=N3B=4Tとされる。
なお、この場合も上記MOS−FETQ3としては、ドレイン側が二次巻線N2の巻き終わり端部と接続される。同様にMOS−FETQ4としても、ドレイン側が二次巻線N2の巻き始め端部に接続される。
この場合、図示するように上記MOS−FETQ5のソース側を、二次巻線N2の巻き終わり端部側と接続するようにされている。また、上記MOS−FETQ6としても、そのソース側を二次巻線N2の巻き始め端部側と接続するものとしている。
そして、これらMOS−FETQ5−Q6の接続点(Q5のドレインとQ6のドレインの接続点)を、図示するインダクタLe→平滑コンデンサCoを介して二次側アースに接地している。
なお、これらMOS−FETQ5、Q6としても、MOS−FETQ3、Q4と同様、トレンチ構造による低オン抵抗のものが選定される。
図示するように、MOS−FETQ3のゲートに対しては、ゲート抵抗Rg1//ショットキーダイオードDg1の並列接続回路を介して、駆動巻線N3Aの巻き始め端部が接続される。また、MOS−FETQ4のゲートに対しては、ゲート抵抗Rg2//ショットキーダイオードDg2による並列接続回路を介して、駆動巻線N3Bの巻き終わり端部が接続される。
同様に、MOS−FETQ5のゲートは、ゲート抵抗Rg3//ショットキーダイオードDg3による並列接続回路を介して駆動巻線N3Bの巻き終わり端部に接続される。また、MOS−FETQ6のゲートには、それぞれゲート抵抗Rg4//ゲート抵抗Rg4を介して、駆動巻線N3Aの巻き始め端部が接続される。
先ず、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2に得られる交番電圧の一方の半周期では、整流電流は[二次巻線N2→MOS−FETQ5(ソース→ドレイン)→インダクタLe→平滑コンデンサCo→MOS−FETQ4(ソース→ドレイン)→二次巻線N2]の経路によって流れる。
また、二次巻線N2に励起される交番電圧の他方の半周期では、[二次巻線N2→MOS−FETQ6(ソース→ドレイン)→インダクタLe→平滑コンデンサCo→MOS−FETQ3(ソース→ドレイン)→二次巻線N2]の経路により整流電流が流れる。
また、他方の半周期には、MOS−FETQ4、Q5が導通して整流電流を平滑コンデンサCoに対して充電する動作が得られる。
このような動作から、図14の回路では、4つの整流素子のうち半周期にそれぞれ2つの整流素子が整流動作を行って平滑コンデンサに対して充電を行う、ブリッジ整流回路としての動作が得られていることが理解できる。そして、このことから整流動作としては、全波整流動作が得られているものである。
そして、図14の回路では、このように整流電流経路に挿入したインダクタLeに生じる逆起電力によって、整流電流の逆方向電流を防止するものとしている。
これを防止するため、本例では上記インダクタLeとして次の図15に示すように構成するものとしている。
図示するように本例のインダクタLeとしても、先の図1の回路が備えていたインダクタLdと同様、筒形状によるビーズコアを用いるものとしている。
但しこの場合のビーズコアとしては、図示するように例えばNi−Zn系のフェライト材を選定するものとしている。また、このようなビーズコアのサイズとしては、先のインダクタLdよりもサイズ(直径×長さ)が大型となるように設定している。
なお、この場合のインダクタLeとしては、上記ビーズコアの内部に形成される空洞領域を挿通するリード線として、図示するようにウレタン被膜銅線を用いるものとしている。そして、このようなウレタン被膜銅線としては、インダクタLdで用いられていたリード線よりもその断面積が大きなものを選定している。
なお、この図16は、インダクタLeを流れる電流レベル(平滑コンデンサCoへの充電電流Isのレベル:負荷電流レベル)の変動に対する、インダクタンスの変化特性を示すものである。
この図に示されるように、この場合のインダクタLeのインダクタンス値としては、無負荷状態(負荷電流=0A)から2A〜3A付近までの電流レベルの増加に対しては、1.1μH程度からなだらかに減少するものとなる。そして、2A〜3A付近から5A付近までの上昇に対しては、インダクタLeは飽和してそのインダクタンス値が0.2μH程度に低下するものとなる。
さらに、電流レベル=5A付近からの上昇に対しては、インダクタンス値は0.2μH程度でほぼ一定となる特性が得られる。
そして、これによれば、図1の回路の場合のように負荷電流=2A〜3A以下で二次側整流動作が不連続モードとなってしまうことが防止される。すなわち、先の低電圧大電流の条件においては、負荷電力Po=12.5W以下の超軽負荷時から無負荷時まで連続モードを維持できるようになるものである。
このようにして連続モードが維持されることで、超軽負荷時において生じていた異常発振動作を防止することができる。
そしてこれによれば、図14の回路では、最大負荷から無負荷まで安定した動作を得ることができる。
また、このようなビーズコアによるインダクタLeの直流重畳特性の設定は、コアサイズの設定により行うことができる。
すなわち、実施の形態において、上記のように負荷電流の0レベルまでの低下(つまり無負荷までの範囲)に対してインダクタLeのインダクタンスが不連続モードとなるまでに急激に上昇しない特性とするにあたっては、ビーズコアとして用いるコア材の材質に応じてコアサイズの設定が為されればよい。
なお、この図17では、交流入力電圧VAC=100V、負荷電力Po=100Wの条件下での測定結果を示している。
また、この図に示す実験結果を得るにあたっては、各部を以下のように選定するものとした。
・一次側直列共振コンデンサC1=0.015μF
・絶縁コンバータトランスPIT
一次巻線N1=80T、二次巻線N2=3T(リッツ線帯或いは平編線)、駆動巻線N3A=N3B=4T(ウレタン被膜銅線による単線)、ギャップG=1.5mm、結合係数k=0.80程度
・インダクタLe=1.1μH
・平滑コンデンサCo
キャパシタンスC=6800μF、耐圧6.3V、ESR=16mΩ
・MOS−FETQ3、Q4、Q5、Q6
耐圧30A/10V、オン抵抗RON=2.5mΩ
そして、これと共に、この場合は一次巻線N1=80T、二次巻線N2=3Tとすることで、先の図1の場合と同様に重負荷時における連続モードの拡大を図っているものである。
これら電圧V1、スイッチング電流IDS2としては、先の図11の場合と比較してわかるように、図1の回路の場合と同等の波形が得られている。
また、この図17においては一次側直列共振電流Ioの波形も示されている。この場合の一次側直列共振電流Ioとしても、図のように略正弦波状の波形とされた上で、時点t1、t2、t3においてゼロクロスする波形が得られる。つまり、このような一次側直列共振電流Ioとしても、先の図4の場合と同等の波形が得られているものである。
これらのことから、図14の回路の一次側においては、重負荷時には先の図1の回路の場合と同等の動作が得られていることがわかる。
また、MOS−FETQ3のゲート−ソース間に生じるゲート−ソース間電圧VGS3としても、図示するようにそのゼロクロスタイミングが一次側直列共振電流Ioと一致するものとなる。そして、MOS−FETQ5のゲート−ソース間電位VGS5としても一次側直列共振電流Ioと連続していることがわかる。つまり、二次側に備えられた各MOS−FETのゲート−ソース間電圧は、一次側直列共振電流Ioとゼロクロスタイミングが一致しているものである。
そして、このように整流電流IQ3〜IQ6が一次側直列共振電流Ioと連続して流れるようになることにより、平滑コンデンサCoへの充電電流Isとしても、同様に一次側直列共振電流Ioと連続して流れることになる。
このようなことから、図14に示した本例の回路においても、例えば重負荷とされる等してスイッチング周波数が低くなるようにして制御されているときにも、二次側整流動作として連続モードが得られていることがわかる。
なお、本例の場合、このようなインダクタLeのインダクタンスとしては、上述もしたように1.1μH程度の比較的低いインダクタンスを設定することで整流電流における逆方向電流の発生を防止することが可能とされている。
そして、このように無効電力の低減が図られることで電力変換効率の向上が図られる。
なお、実験によれば、図14に示した本例のスイッチング電源回路における電力変換効率ηDC→ACとしては、先の図1の回路の場合と同等(ηDC→AC=86.5%)となる結果が得られている。
そして、これによっては、先にも説明したように負荷電力Poが所定以下(例えば12.5W以下)となった際にも、そのインダクタンス値が急激にピークレベルにまで上昇してしまうことがなくなり、このような超軽負荷時における異常発振動作を防止して負荷電力Po=100W〜0Wまで安定した動作を保証することができるようになる。
このようにセンタータップが不要となれば、整流電流を流す二次巻線として1つの巻線のみを巻装することが可能となり、これによって、先の図1の回路のように二次巻線を流れる整流電流のレベルがアンバランスとなってしまうことを防止することができる。
このことは、先の図17の波形図において、平滑コンデンサCoへの充電電流Isのピークレベルが各半周期にて35Apで一定して得られていることによっても示されている。
つまり、このようなインダクタLeは、図14にも示したように平滑コンデンサCoの正極端子に対して直列に接続されるようにして挿入されることから、そのインピーダンス成分により、この平滑コンデンサCoの両端電圧としての二次側直流出力電圧Eoに生じるノイズを抑制することができるものである。
この場合、上記インダクタLeの電流レベル(充電電流Is)の変動に対する特性としては、先にも説明したように電流レベルが0レベル付近でそのインダクタンス値が上昇するものとされている。
これに対し、上記もしているように二次側直流出力電圧Eoに発生するノイズ成分としては、各MOS−FETのターンオフ時に生じるものとされている。すなわち、このようなノイズ成分は、各MOS−FETがターンオフするタイミングで充電電流Isが0レベル付近となる期間に生じているものである。従って本例のインダクタLeは、二次側直流出力電圧Eoのノイズが発生するタイミングでそのインダクタンス値が上昇するものとなる。
このように、インダクタLeによって二次側直流出力電圧Eoに生じる高周波ノイズを良好に抑制することができることで、図14の回路では、図1の回路では備えられていたπ型フィルタを省略することができたものである。
このようにして各MOS−FET駆動のための巻線を別途巻装するようにすれば、整流電流を流すための二次巻線N2において各MOS−FET駆動のための高い電圧レベルを得る必要がなくなり、これによって二次巻線N2に生じる電圧V2のレベルを低下させることができる。
そして、このように電圧V2のレベルを低下させることができれば、その分、各MOS−FETのドレイン−ソース間電圧を低下させることができ、これによって本例では、先の図1の回路では各MOS−FETのドレイン−ソース間の耐圧の低下のために設けられていたスナバ回路を省略することができたものである。
なお、この場合、各MOS−FETの耐圧レベル10Vに対し、これらMOS−FETの各ドレイン−ソース間に生じる電圧のピークレベルは、先の図17の電圧V2の波形図からもわかるように少なくとも10Vp以下とすることができる。
またこの場合、図13の回路のチョークコイルLoに対し、本例のインダクタLeは素子サイズが大幅に小型化されるので、基板実装面積が大幅に省略できるというメリットもある。
さらに、ビーズコアによるインダクタ素子であるため巻線の巻装は不要であり、チョークコイルLoよりも製造工程は容易なものとすることができる。
続いて、図18に第2の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成を示す。
なお、図18において、既に図1、図14にて説明した部分については同一の符号を付して説明を省略する。
第2の実施の形態のスイッチング電源回路は、図示するように二次側の同期整流回路としてMOS−FETQ3、Q4による全波整流回路を構成した上で、これらMOS−FETによる整流出力をそれぞれ半波の期間に充電するための2つの平滑コンデンサCo1、Co2を備えるようにして、倍電圧全波整流回路を形成するようにしたものである。
つまり第2の実施の形態では、このような倍電圧整流回路の構成とすることによって、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線のセンタータップ出力が不要となるようにしたものである。
そして、二次巻線N2としては、この場合も複数のリッツ線10によるリッツ線帯、或るいは平編線が用いられる。また、上記駆動巻線N3A、N3Bには、例えばウレタン被膜の銅線の単線が用いられる。
なお、この場合も上記二次巻線N2のターン数は1Tとされる。また、上記駆動巻線N3A、N3Bのターン数はN3A=N3B=4Tとされる。
さらに、この平滑コンデンサCo2の正極端子を、上記平滑コンデンサCo1の負極端子と接続している。つまりこの場合、平滑コンデンサCo2の正極端子は、図示するインダクタLeを介して二次巻線N2の巻き終わり端部に対して接続されているものである。
図示するように、MOS−FETQ3のゲートに対しては、ゲート抵抗Rg1//ショットキーダイオードDg1の並列接続回路を介して、駆動巻線N3Bの巻き終わり端部が接続される。また、MOS−FETQ4のゲートに対しては、ゲート抵抗Rg2//ショットキーダイオードDg2による並列接続回路を介して、駆動巻線N3Aの巻き始め端部が接続される。
先ず、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2に得られる交番電圧の、一方の半周期では、整流電流は[二次巻線N2→MOS−FETQ3(ソース→ドレイン)→平滑コンデンサCo1→インダクタLe→二次巻線N2]の経路によって流れる。
また、二次巻線N2に励起される交番電圧の他方の半周期では、[二次巻線N2→インダクタLe→平滑コンデンサCo2→MOS−FETQ4(ソース→ドレイン)→二次巻線N2]の経路により整流電流が流れる。
また、他方の半周期には、MOS−FETQ4が導通して整流電流を他方の平滑コンデンサCo2に対して充電する動作が得られる。
これによって、上記平滑コンデンサCo1−平滑コンデンサCo2の直列接続回路の両端電圧としては、二次巻線N2に得られる交番電圧のレベルの2倍に対応するレベルが得られる。つまり、この場合の二次側直流出力電圧Eoとしては、二次巻線電圧レベルの2倍に対応するレベルが得られるものである。このことから図18の回路では、倍電圧整流回路としての動作が得られていることがわかる。
また、この場合の整流動作としては、上記のように各半周期に二次巻線N2全体に得られる電流についてそれぞれの整流素子が交互に平滑コンデンサに対して充電を行うことから、全波整流動作であることがわかる。
そして、このインダクタLeとしても、先の図14の回路の場合と同様の特性が得られるものが選定され、これによって図18の回路としても超軽負荷時における異常発振が防止されている。
なお、この図19としても、交流入力電圧VAC=100V、負荷電力Po=100Wの条件下での測定結果を示している。
また、この図に示す実験結果を得るにあたっては、図18の回路の各部を以下のように選定するものとした。
・一次側直列共振コンデンサC1=0.015μF
・絶縁コンバータトランスPIT
一次巻線N1=80T、二次巻線N2=1T(リッツ線帯或いは平編線)、駆動巻線N3A=N3B=4T(ウレタン被膜銅線による単線)、ギャップG=1.5mm、結合係数k=0.80程度
・インダクタLe=1.1μH
・平滑コンデンサCo1、平滑コンデンサCo2
キャパシタンスC=6800μF、耐圧6.3V、ESR=16mΩ
・MOS−FETQ3、Q4
耐圧30A/10V、オン抵抗RON=2.5mΩ
そして、これと共に、この場合は一次巻線N1=80T、二次巻線N2=1Tとすることで、先の図14の場合と同様に重負荷時における連続モードの拡大を図っているものである。
なお、この場合において、二次巻線N2の巻数を先の図14の構成の回路よりも少なく設定しているのは、上述のようにして二次側を倍電圧整流回路としたことで、二次巻線電圧としてより低いレベルを得るようにしていることによる。
図18の回路としても一次側の構成は図14の場合と同等とされることから、これらの波形は図14の回路の場合と同様のものが得られる。
また、これに伴い、これら整流電流IQ3と整流電流IQ4の合成成分となる平滑コンデンサCoへの充電電流Isとしては、図示するように各半周で正負のピークレベルが56Apとなる波形により流れるものとなる。
また、第2の実施の形態としても、整流電流経路に挿入したインダクタLeによって、整流電流に生じるとされていた逆方向電流の発生を防止してさらなる無効電力の低減を図っている。
そして、このように無効電力の低減が図られることで電力変換効率の向上が図られる。
実験によれば、図18に示したスイッチング電源回路における電力変換効率ηDC→ACとしても、先の図1の回路の場合と同等となる結果が得られている。
つまり、第2の実施の形態のインダクタLeは、先の図18にも示したように平滑コンデンサCo1−平滑コンデンサCo2の接続点に対して直列に接続されるようにして挿入されることから、そのインピーダンス成分によって、これら平滑コンデンサの直列接続回路の両端に得られる二次側直流出力電圧Eoに生じるノイズを抑制することができる。
そして、この場合も、上記インダクタLeとしては先の図16に示した特性を有するものとされることで、第1の実施の形態の場合と同様にこのような高周波成分の抑制作用がより良好なものとなる。
このようにインダクタLeによって二次側直流出力電圧Eoに生じる高周波ノイズを良好に抑制することができることで、図18の回路としてもπ型フィルタを省略することが可能とされる。
このようにセンタータップが不要となることで、この場合も二次巻線を流れる整流電流のレベルがアンバランスとなってしまうことを防止することができ、平滑コンデンサCoへの充電電流Isは、先の図19の波形図において示したようにそのレベルが56Apで一定して得られていることになる。
このように電圧V2のレベルを低下させることができれば、その分、各MOS−FETのドレイン−ソース間電圧を低下させることができ、これによって第2の実施の形態としても各MOS−FETのドレイン−ソース間の耐圧の低下のために設けられていたスナバ回路を省略することが可能とされる。
なお、この図20では、既に図18にて説明した部分については同一の符号を付して説明を省略する。また、一次側の構成についても、図18の回路と同様となることからここでの図示は省略する。
この変形例としては、図示するように絶縁コンバータトランスPITの二次側に巻装されていた駆動巻線N3A、N3Bは省略するものとしている。
そして、MOS−FETQ3のゲートは、ゲート抵抗Rg1を介して二次巻線N2の一方の端部に対して接続する。また、MOS−FETQ4のゲートは、ゲート抵抗Rg2を介して二次巻線N2の他方の端部に対して接続している。
つまりこの場合、各MOS−FETは、各ゲート抵抗Rgにより二次巻線N2に生じる交番電圧が検出された結果に応じて駆動される。
同様に、平滑コンデンサCo2に対しては、並列にショットキーダイオードD2を接続するものとしている。そしてこの場合は、上記ショットキーダイオードD2のカソードを平滑コンデンサCo2の正極端子とMOS−FETQ4のソースとの接続点に、またアノードは平滑コンデンサCo2の負極端子側に接続するものとしている。
そして、MOS−FETQ3がオフし、MOS−FETQ4がオン駆動される他方の半周期には、整流電流は[二次巻線N2→インダクタLe→平滑コンデンサCo2→MOS−FETQ4→二次巻線N2]の経路により流れる。さらに、この他方の半周期においても、整流電流は分岐して[インダクタLe→ショットキーダイオードD1→平滑コンデンサCo3→MOS−FETQ4]の経路によっても流れる。
そして、図20の回路では、これら平滑コンデンサCo1−Co2の直列接続回路に対しては、並列に平滑コンデンサCo3が接続されているものであるから、この平滑コンデンサCo3においても、二次巻線電圧レベルの2倍に対応したレベルの電圧が生じることとなる。
このような変形例としての構成によっても、先の図18の回路の場合と同等の効果を得ることができる。
なお、確認のために述べておくと、この変形例においてもスナバ回路を省略できるのは、二次側を倍電圧整流回路としたことで、その分二次巻線電圧(各MOS−FETのドレイン−ソース間電圧)を低下させることができるからである。
また、図21には第3の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成を示す。
なお、この図21においても既に図1、図14にて説明した部分については同一の符号を付して説明を省略する。
また、確認のために述べておくと、この図21に示す電源回路も、絶縁コンバータトランスPITのギャップ長としては、例えば先の図14の回路の場合と同様のギャップG=1.5mmを設定し、その結合係数をk=0.80程度の疎結合の状態としている。そして、これと共に、この場合は一次巻線N1=80T、二次巻線N2=3Tとすることで、同様に二次側整流動作として連続モードの拡大を図っている。
ここで、上記二次巻線N2A,N2B、MOS−FETQ3,Q4、駆動回路(Rg1//Dg1,Rg2//Dg2)についての接続態様は、図1と同様となっている。また、二次巻線N2A,N2Bのセンタータップに対しては、インダクタLeの直列接続を介して平滑コンデンサCoの正極端子と接続される。平滑コンデンサCoの負極端子は、一次側アースに接続される。
なお、これら上記二次巻線N2A,N2B、MOS−FETQ3,Q4、駆動回路(Rg1//Dg1,Rg2//Dg2)、及び平滑コンデンサCoのみから成る回路部分としては、後述する二次側の整流動作の説明から分かるように、両波整流動作による同期整流回路となる。
整流ダイオードD11のアノードは二次巻線N2Aのセンタータップされていない側の端部と接続される。カソードは、平滑コンデンサCo1の正極端子と接続される。
また、整流ダイオードD12のアノードは二次巻線N2Bのセンタータップされていない側の端部と接続され、カソードは、平滑コンデンサCo1の正極端子と接続される。
このような接続形態により整流ダイオードD11,D12及び平滑コンデンサCo1が接続されることによっては、上記した両波整流の同期整流回路に対して倍電圧整流回路が組み合わされることとなる。
また、この場合もMOS−FETQ3,Q4のゲートに対しては、それぞれショットキーダイオードDg1,Dg2を接続しており、これによって先の図1にて説明したようにして良好なスイッチング特性(ターンオフ特性)を得るようにされている。
先ず、スイッチング周期の一方の半周期に対応する期間として、MOS−FETQ3がオンとなる期間においては、整流電流は[二次巻線N2B→インダクタLe→平滑コンデンサCo→(二次側アース)→MOS−FET素子Q3(ソース→ドレイン)→二次巻線N2B]の経路で流れる。
また、スイッチング周期の他方の半周期に対応する期間として、MOS−FETQ4がオンとなる期間においては、整流電流は[二次巻線N2A→インダクタLe→平滑コンデンサCo→(二次側アース)→MOS−FET素子Q4(ソース→ドレイン)→二次巻線N2A]の経路で流れる。
先ず、同期整流回路において二次巻線N2Bの励起電圧により平滑コンデンサCo1への充電がされる半周期の期間(MOS−FETQ3がオンとなる期間)に対応しては、倍電圧整流回路としては、[二次巻線N2A→整流ダイオードD12→平滑コンデンサCo1→(二次側アース)→平滑コンデンサCo(負極→正極)→インダクタLe→二次巻線N2A]の経路で整流電流を流すようにされる。
また、同期整流回路において二次巻線N2Aの励起電圧により平滑コンデンサCo1への充電がされる半周期の期間(MOS−FETQ4がオンとなる期間)に対応しては、[二次巻線N2B→整流ダイオードD11→平滑コンデンサCo1→(二次側アース)→平滑コンデンサCo(負極→正極)→インダクタLe→二次巻線N2B]の経路で整流電流を流すようにされる。
このことを踏まえて上記した倍電圧整流回路としての整流電流経路をみてみると、平滑コンデンサCo1に対する充電は、1スイッチング周期における一方の半周期では、二次巻線N2Aに励起された交番電圧レベルに対して、平滑コンデンサCoの両端電圧が重畳された状態で行われていることになる。また、同様にして他方の半周期では、二次巻線N2Bに励起された交番電圧レベルに対して、平滑コンデンサCoの両端電圧が重畳された状態で行われている。つまり、平滑コンデンサCo1に対しては、スイッチング周期の半周期ごとに二次巻線N2A又は二次巻線N2Bのほぼ2倍に対応する電位による充電が行われていることになる。
この結果、平滑コンデンサCo1の両端電圧としても、二次巻線N2A又は二次巻線N2Bほぼの2倍に対応する直流電圧が得られることになる。つまり、倍電圧整流動作が得られる。そして、平滑コンデンサCo1の両端電圧も、二次側直流出力電圧Eo1として、負荷に供給するようにされる。
なお、これまでの説明から理解されるように、図21に示す二次側の倍電圧整流回路は、両波整流の同期整流回路の構成に対して、図示する接続態様により接続される整流電流D11、D12及び平滑コンデンサCo1を設けると共に、その整流電流経路内に対して、上記同期整流回路の平滑コンデンサCoを含めるようにして形成されているものである。
第3の実施の形態の場合、上記のようにして共通の1組の二次巻線から複数(2つ)の負荷供給電力(Eo,Eo1)を取り出すようにした構成とすることによって、例えば図1に示したように、1組の二次巻線から1つの負荷供給電力(Eo)のみを取り出す構成とした場合よりも、二次巻線N2A,N2Bに生じるスパイクノイズは低減、抑制される。
これにより、図21に示す回路としては、図1の回路に備えられていたスナバ回路(Rs,Cs)を削除することが可能となっている。
つまり、同期整流回路に対して倍電圧整流回路を組み合わせるという第3の実施の形態の二次側の構成は、できるだけ少ない二次巻線の組数による回路構成で複数の負荷へ電力を供給することと、スパイクノイズの低減との2つの効果が同時に得られているものである。
そして、このように整流電流経路に挿入したインダクタLeにより、この場合も整流電流の逆方向電流が防止される。
なお、この図22としても、交流入力電圧VAC=100V、負荷電力Po=100Wの条件下での測定結果を示している。
先ず、この図22においても、スイッチング素子Q2の両端電圧V1、スイッチング素子Q2のスイッチング電流IDS2、一次側直列共振電流Ioが示されているが、この場合も一次側の構成としては図1に示した回路と同様とされるので、これらの波形は図1の回路の場合と同様のものが得られる。
また、ここでは図示していないが、二次巻線N2Aの両端電圧を基として生成されるゲート−ソース間電圧によるMOS−FETQ3の駆動タイミングとしては、動作波形の位相として180°シフトしたものとなり、これにより、期間t2〜t3における正弦波状の整流電流ID1を流すことになる。
なお、第3の実施の形態の場合もインダクタLeのインダクタンスは、上述したように1.1μH程度を設定することで整流電流における逆方向電流の発生を防止することが可能となる。
また、第3の実施の形態としても、整流電流経路に挿入したインダクタLeによって、整流電流に生じるとされていた逆方向電流の発生を防止してさらなる無効電力の低減を図っている。そして、このように無効電力の低減が図られることで電力変換効率の向上が図られる。
つまり、第3の実施の形態のインダクタLeは、図21に示されるように平滑コンデンサCoの正極端子と二次巻線N2のセンタータップの間に対して直列に挿入されることから、二次側直流出力電圧Eoに生じるノイズを抑制することができるものである。
そして、この場合も、上記インダクタLeとしては先の図16に示した特性を有するものとされることで、第1の実施の形態の場合と同様にこのような高周波成分の抑制作用がより良好なものとなる。このようにインダクタLeによって二次側直流出力電圧Eoに生じる高周波ノイズを良好に抑制することができることで、図21の回路としてもπ型フィルタを省略することが可能とされる。
第3の実施の形態の場合、スパイク電圧を抑制するために倍電圧整流回路を形成するための整流ダイオードと平滑コンデンサが追加されることにはなる。しかしながら、この場合、先ず同期整流回路によっては二次巻線に励起される交番電圧に対して等倍レベルの二次側直流電圧を生成して負荷に供給することができ、さらに、倍電圧整流回路によっては、二次巻線に励起される交番電圧に対してほぼ2倍のレベルの二次側直流電圧を生成して同じく負荷に供給することができる。また、同期整流回路と倍電圧整流回路とでは、共通の二次巻線を備える。
つまり、第3の実施の形態としては、同期整流回路を備える電源回路として異なる複数の負荷に電力供給を行う必要がある場合において、倍電圧整流回路を組み合わせることになるのであるから、この点で、倍電圧整流回路を形成するための整流ダイオードと平滑コンデンサが付加されることについて不利となることにはならない。むしろ、複数の負荷に電力供給を行う二次側整流回路の構成として、できるだけ少ない二次巻線の組数とすることが可能とされると共に、スナバ回路の必要性を無くしたものを提供できる、ということになる。
例えば、本発明に基づいた巻線電圧検出方式の同期整流回路の細部の構成については適宜変更されてよい。また、例えば一次側スイッチングコンバータのスイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)など、他励式に使用可能な素子であれば、MOS−FET以外の素子が採用されて構わない。また、先に説明した各部品素子の定数なども、実際の条件等に応じて変更されて構わない。
また、本発明としては、自励式による電流共振形コンバータを備えて構成することも可能とされる。この場合には、スイッチング素子として例えばバイポーラトランジスタを選定することができる。さらには、4石のスイッチング素子をフルブリッジ結合した電流共振形コンバータにも適用できる。
また、商用交流電源を入力して直流入力電圧を得る整流回路としても、例えば倍電圧整流回路以外の構成とすることが考えられる。
Claims (11)
- 商用交流電源を整流平滑して直流入力電圧を生成する整流平滑手段と、
上記直流入力電圧を断続するようにしてスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成されるスイッチング手段と、
上記スイッチング素子をスイッチング駆動する駆動手段と、
上記スイッチング手段のスイッチング出力を一次側から二次側に伝送するものであり、一次側に一次巻線と、二次側に少なくとも二次巻線が巻装される絶縁コンバータトランスと、
少なくとも、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線の漏洩インダクタンス成分と、自己のキャパシタンスとによって上記スイッチング手段の動作を共振形とするための一次側共振回路を形成するようにして、一次側の所定の部位に接続される一次側共振コンデンサと、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に誘起される交番電圧を整流して二次側平滑コンデンサに整流電流を充電することで、上記二次側平滑コンデンサの両端電圧として二次側直流出力電圧を得るようにされた、巻線電圧検出方式による同期整流回路と、
上記二次側直流出力電圧のレベルに応じて、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変制御することで、上記二次側直流出力電圧についての定電圧制御を行うようにされた定電圧制御手段と、を備えるものとされ、
上記絶縁コンバータトランスの磁束密度は、上記定電圧制御手段の制御に伴い上記スイッチング周波数が所定以下に低下する場合にも、上記同期整流回路に流れる二次側整流電流が連続モードで維持されるようにして所定以下に設定されると共に、
上記同期整流回路は、
上記二次側平滑コンデンサに整流電流を充電するための整流電流経路に対して挿入された筒形状によるビーズコアを備えたインダクタ素子であって、上記二次側直流出力電圧に接続される負荷が無負荷となるまでの範囲に対して、上記二次側整流電流が連続モードで維持されるようにその直流重畳特性が設定されたインダクタ素子を備える、
ことを特徴とするスイッチング電源回路。 - 上記インダクタ素子は、
少なくとも上記ビーズコアのサイズ設定により、上記二次側直流出力電圧に接続される負荷が無負荷となるまでの範囲に対して上記二次側整流電流が連続モードで維持される直流重畳特性が設定される、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。 - 上記絶縁コンバータトランスの磁束密度を所定以下とするために、絶縁コンバータトランスに形成するギャップ長を所定以上として一次側と二次側の結合係数を所定以下に設定している、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。 - 上記絶縁コンバータトランスの磁束密度を所定以下とするために、上記二次巻線における1ターンあたりの誘起電圧レベルが所要以下となるように、上記一次巻線と、少なくとも上記二次巻線のターン数を設定している、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。 - 上記スイッチング手段を形成するスイッチング素子のうち、少なくとも一方のスイッチング素子に対して並列に接続される部分共振コンデンサのキャパシタンスと、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線の漏洩インダクタンス成分によって形成され、上記スイッチング手段を形成するスイッチング素子のターンオフ期間に部分電圧共振動作を行う一次側部分電圧共振回路をさらに備える、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。 - 上記二次巻線として、複数のリッツ線を平行に整列させて帯状としたリッツ線帯を巻装したことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。
- 上記二次巻線として、複数のリッツ線を平編みした平編線を巻装したことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。
- 上記同期整流回路は、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に誘起される交番電圧を全波整流するブリッジ整流回路として、
上記二次巻線の一方の端部と二次側アースとの間に直列接続された第1の電界効果トランジスタと、
上記二次巻線の他方の端部と二次側アースとの間に直列接続された第2の電界効果トランジスタと、
さらに、上記二次巻線に対し、上記第1の電界効果トランジスタと並列となるように、上記二次巻線の一方の端部と二次側アースとの間に直列接続された第3の電界効果トランジスタと、
上記二次巻線に対し、上記第2の電界効果トランジスタと並列となるように、上記二次巻線の他方の端部と二次側アースとの間に直列接続された第4の電界効果トランジスタと、
上記二次巻線の一方の端部を巻き上げて形成される第1の駆動巻線と、
上記二次巻線の他方の端部を巻き上げて形成される第2の駆動巻線と、
上記第1の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して、上記第1の駆動巻線に生じる電圧を抵抗素子により検出し、上記第1の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第1の駆動回路と、
上記第2の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して、上記第2の駆動巻線に生じる電圧を抵抗素子により検出し、上記第2の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第2の駆動回路と、
上記第3の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して、上記第1の駆動巻線に生じる電圧を抵抗素子により検出し、上記第3の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第3の駆動回路と、
上記第4の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して、上記第2の駆動巻線に生じる電圧を抵抗素子により検出し、上記第4の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第4の駆動回路と、を備え、
さらに、上記インダクタ素子を、上記二次側平滑コンデンサの正極端子に対して直列に接続して成る、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。 - 上記同期整流回路は、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に誘起される交番電圧を全波整流し、この交番電圧レベルの所定倍に対応するレベルの上記二次側直流出力電圧を得るための倍電圧整流回路として、
上記二次巻線の一方の端部に直列接続された第1の電界効果トランジスタと、
上記二次巻線の一方の端部に対して、上記第1の電界効果トランジスタと並列となるようにして直列接続された第2の電界効果トランジスタと、
正極端子が上記第1の電界効果トランジスタと接続され、負極端子が上記二次巻線の他方の端部側と接続された第1の二次側平滑コンデンサと、負極端子が上記第2の電界効果トランジスタと接続され、正極端子が上記二次巻線の他方の端部側と接続された第2の二次側平滑コンデンサとによる直列接続回路と、
上記二次巻線の一方の端部を巻き上げて形成される第1の駆動巻線と、
上記二次巻線の他方の端部を巻き上げて形成される第2の駆動巻線と、
上記第1の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して、上記第1の駆動巻線に生じる電圧を抵抗素子により検出し、上記第1の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第1の駆動回路と、
上記第2の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して、上記第2の駆動巻線に生じる電圧を抵抗素子により検出し、上記第2の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第2の駆動回路と、を備え、
さらに、上記インダクタ素子を、上記第1の二次側平滑コンデンサと第2の二次側平滑コンデンサとの接続点と、上記二次巻線の他方の端部との間に対して挿入して成る、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。 - 上記同期整流回路は、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に誘起される交番電圧を全波整流し、この交番電圧レベルの所定倍に対応するレベルの上記二次側直流出力電圧を得るための倍電圧整流回路として、
上記第1の駆動巻線と上記第2の駆動巻線を省略すると共に、
上記第1の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して、上記二次巻線に生じる電圧を抵抗素子により検出し、上記第1の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第1の駆動回路と、
上記第2の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して、上記二次巻線に生じる電圧を抵抗素子により検出し、上記第2の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第2の駆動回路と、を備え、
さらに、上記第1の二次側平滑コンデンサと並列に第1のダイオード素子と、上記第2の二次側平滑コンデンサと並列に第2のダイオード素子をそれぞれ接続すると共に、上記第1の二次側平滑コンデンサと第2の二次側平滑コンデンサとによる直列接続回路と並列に、第3の二次側平滑コンデンサを接続するようにした、
ことを特徴とする請求項9に記載のスイッチング電源回路。 - 上記同期整流回路は、
上記二次側平滑コンデンサとして第1の二次側平滑コンデンサと第2の二次側平滑コンデンサを備えるものとされ、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線をセンタータップしたタップ出力を上記第1の二次側平滑コンデンサの正極端子に接続するとともに、
上記二次巻線のセンタータップしていない側の一方の端部と二次側アースとの間に直列接続される第1の電界効果トランジスタと、
上記二次巻線のセンタータップしていない側の他方の端部と二次側アースとの間に直列接続される第2の電界効果トランジスタと、
上記第1の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して上記二次巻線に得られる電圧を抵抗素子により検出して、上記第1の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第1の駆動回路と、
上記第2の電界効果トランジスタが整流電流を流すべき半波の期間に対応して上記二次巻線に得られる電圧を抵抗素子により検出して、上記第2の電界効果トランジスタをオンとするためのゲート電圧を出力するようにされた第2の駆動回路と、
上記インダクタ素子を、上記第1の二次側平滑コンデンサの正極端子と上記二次巻線のセンタータップとの間に対して挿入すると共に、
さらに、上記同期整流回路に対して倍電圧整流回路を組み合わせ、
上記倍電圧整流回路は、
第1の整流用ダイオード素子、第2の整流用ダイオード素子、及び上記第2の二次側平滑コンデンサを備え、
上記第1の整流用ダイオード素子を、上記二次巻線のセンタータップしていない側の一方の端部と、上記第2の二次側平滑コンデンサの正極端子との間に接続し、
上記第2の整流用ダイオード素子を、上記二次巻線のセンタータップしていない側の他方の端部と、上記第2の二次側平滑コンデンサの正極端子との間に接続し、
上記第2の二次側平滑コンデンサの負極端子を二次側アースに接続して形成されることで、上記第2の二次側平滑コンデンサの両端電圧として二次側直流出力電圧を得るようにされている、
ことを特徴とする請求項1に記載のスイッチング電源回路。
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