JP2008079427A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型で低損失のスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】このＡＣ／ＤＣ変換回路では、交流電圧ＶＡを整流および平滑化して直流電圧ＶＤ１を生成し、トランジスタ９，１０とトランジスタ１４，１５とを交互にオンして、コンデンサ８の端子間電圧ＶＤ１をダイオード素子１１およびインダクタ１２を用いてコンデンサ１３に伝達し、コンデンサ１３の端子間電圧ＶＤ２をダイオード素子１６およびインダクタ１７を用いてコンデンサ１８に伝達する。したがって、電源側と負荷側を絶縁することができ、トランスが不要となる。
【選択図】図１

Description

この発明はスイッチング電源装置に関し、特に、ＡＣ／ＤＣ変換回路のようなスイッチング電源装置に関する。

図２は、従来のＡＣ／ＤＣ変換回路の構成を示す回路図である。図２において、このＡＣ／ＤＣ変換回路は、商用交流電圧ＶＡを受ける入力端子３１，３２と、ブリッジ接続された４つのダイオード素子３３〜３６を含み、商用交流電圧ＶＡを全波整流して脈流電圧に変換する全波整流回路３７と、脈流電圧を平滑化して直流電圧ＶＤ１を生成するコンデンサ３８とを含む。

コンデンサ３８の端子間には、トランス３９の１次巻線３９ａとスイッチング素子であるトランジスタ４０が直列接続される。トランス３９の２次巻線３９ｂの一方端子と他方端子の間には、ダイオード素子４１、インダクタ４３およびコンデンサ４４が直列接続される。２次巻線３９ｂの他方端子とダイオード素子４１のカソードとの間には、ダイオード素子４２が接続される。

トランジスタ４０を所定のスイッチング周波数でオン／オフさせると、トランス３９の２次巻線３９ｂに交流電圧が発生する。ダイオード素子４１のアノードが正電圧にされているときは、ダイオード素子４１およびインダクタ４３を介してコンデンサ４４に充電電流が供給され、ダイオード素子４１のアノードが負電圧にされているときは、ダイオード素子４２およびインダクタ４３を介してコンデンサ４４に充電電流が供給される。このようにしてコンデンサ４４は直流電圧ＶＤ１よりも低い所定の直流電圧ＶＤ２に充電され、直流電圧ＶＤ２は出力端子４５，４６を介して負荷回路４７に与えられる（たとえば、非特許文献１参照）。
実用電源回路設計ハンドブック、１４８頁、ＣＱ出版社

このようなＡＣ／ＤＣ変換回路では、スイッチング素子としてシリコン製のトランジスタ４０が用いられてきたが、商用交流電圧に耐えるトランジスタのスイッチング速度は５０ｎＳ〜１００ｎＳ以上である。したがって、高周波でのスイッチングを行なうとトランジスタでの損失が大きくなるので、現状では３００ｋＨｚ程度以下の低周波でのスイッチングが一般的である。このため、インダクタ４３およびコンデンサ４４が大きくなり、回路が大型化するという問題がある。

しかし、最近、シリコントランジスタに代わるスイッチング素子としてＳｉＣトランジスタ、ＧａＮトランジスタなどが注目されており、これらの新トランジスタによれば数ｎＳ程度の高速スイッチングが可能である。したがって、これらの新トランジスタを使用することにより、３００ｋＨｚ以上の高速スイッチングが可能であり、インダクタ４３およびコンデンサ４４の小型化が可能となる。また、これらの新トランジスタはシリコントランジスタと比較して小さなオン抵抗値を有しており、スイッチング素子での電力損失も低減化できる。

他方、ＳｉＣトランジスタやＧａＮトランジスタを用いて図２の回路を構成し、スイッチング周波数を上げると、トランス３９における損失が増大する。

それゆえに、この発明の主たる目的は、小型で低損失のスイッチング電源装置を提供することである。

この発明に係るスイッチング電源装置は、１対の第１のスイッチング素子と第１の電圧発生回路と１対の第２のスイッチング素子と第２の電圧発生回路とを備える。１対の第１のスイッチング素子は、それらの第１の電極間に第１の直流電圧を受ける。第１の電圧発生回路は、１対の第１のスイッチング素子の第２の電極間に接続されて第１の直流電圧よりも低い第２の直流電圧を発生する。１対の第２のスイッチング素子は、それらの第１の電極間に第２の直流電圧を受けて１対の第１のスイッチング素子と交互にオンされる。第２の電圧発生回路は、１対の第２のスイッチング素子の第２の電極間に接続され、第２の直流電圧よりも低い第３の直流電圧を発生して負荷回路に与える。

好ましくは、第１の電圧発生回路は、第１のダイオード素子と第１のインダクタと第１のコンデンサとを含む。第１のダイオード素子のカソードは１対の第１のスイッチング素子のうちの一方の第１のスイッチング素子の第２の電極に接続され、そのアノードは他方の第１のスイッチング素子の第２の電極に接続される。第１のインダクタは、第１のダイオード素子のカソードと１対の第２のスイッチング素子のうちの一方の第２のスイッチング素子の第１の電極との間に接続される。第１のコンデンサは、１対の第２のスイッチング素子の第１の電極間に接続されて第２の直流電圧に充電される。１対の第２のスイッチング素子のうちの他方の第２のスイッチング素子の第１の電極は第１のダイオード素子のアノードに接続される。第２の電圧発生回路は、第２のダイオード素子と第２のインダクタと第２のコンデンサとを含む。第２のダイオード素子のカソードは１対の第２のスイッチング素子のうちの一方の第２のスイッチング素子の第２の電極に接続され、そのアノードは他方の第２のスイッチング素子の第２の電極に接続される。第２のインダクタの一方端子は第２のダイオード素子のカソードに接続される。第２のコンデンサは、第２のインダクタの他方端子と第２のダイオード素子のアノードとの間に接続されて第３の直流電圧に充電される。

また好ましくは、さらに、交流電圧を整流する整流回路と、整流回路の出力電圧を平滑化して第１の直流電圧を生成する第３のコンデンサとを備える。

また好ましくは、さらに、第３の直流電圧が所定の電圧になるように第１および第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御する制御回路を備える。

また好ましくは、第１および第２のスイッチング素子のスイッチング周波数は３００ＫＨｚ以上である。

また好ましくは、第１および第２のスイッチング素子の各々は、ＳｉＣまたはＧａＮで形成されたトランジスタである。

この発明に係るスイッチング電源装置は、１対の第１のスイッチング素子と第１の電圧発生回路と１対の第２のスイッチング素子と第２の電圧発生回路とが設けられ、１対の第１のスイッチング素子はそれらの第１の電極間に第１の直流電圧を受け、第１の電圧発生回路は１対の第１のスイッチング素子の第２の電極間に接続されて第１の直流電圧よりも低い第２の直流電圧を発生し、１対の第２のスイッチング素子はそれらの第１の電極間に第２の直流電圧を受けて１対の第１のスイッチング素子と交互にオンされ、第２の電圧発生回路は、１対の第２のスイッチング素子の第２の電極間に接続され、第２の直流電圧よりも低い第３の直流電圧を発生して負荷回路に与える。したがって、第１および第２のスイッチング素子を交互にオンするので、電源側と負荷側を絶縁できる。また、スイッチング周波数などを調整することにより、第１の直流電圧と第２の直流電圧との比を調整できる。したがって、トランスをなくすことができ、スイッチング電源装置の低損失化および小型化を実現することができる。

図１は、この発明の一実施の形態によるＡＣ／ＤＣ変換回路の構成を示す回路ブロック図である。図１において、このＡＣ／ＤＣ変換回路は、商用交流電圧ＶＡを受ける入力端子１，２と、ブリッジ接続された４つのダイオード素子３〜６を含み、商用交流電圧ＶＡを全波整流して脈流電圧に変換する全波整流回路７と、脈流電圧を平滑化して直流電圧ＶＤ１を生成するコンデンサ８とを含む。

コンデンサ８の一方端子および他方端子には、それぞれ１対のトランジスタ９，１０の第１の電極（ドレインまたはソース）が接続される。トランジスタ９，１０のゲートはスイッチング信号Ｓ１を受ける。トランジスタ９，１０は、ＳｉＣまたはＧａＮで形成されており、３００ＫＨｚ以上の周波数でスイッチングを行なっても電力損失は小さくて済む。

トランジスタ９の第２の電極（ソースまたはドレイン）にはダイオード素子１１のカソードが接続され、トランジスタ１０の第２の電極（ソースまたはドレイン）にはダイオード素子１１のアノードが接続される。トランジスタ９，１０の第２の電極間には、インダクタ１２およびコンデンサ１３が直列接続される。

また、コンデンサ１３の一方端子および他方端子には、それぞれ１対のトランジスタ１４，１５の第１の電極（ドレインまたはソース）が接続される。トランジスタ１４，１５のゲートはスイッチング信号Ｓ２を受ける。トランジスタ１４，１５は、ＳｉＣまたはＧａＮで形成されており、３００ＫＨｚ以上の周波数でスイッチングを行なっても電力損失は小さくて済む。

トランジスタ１４の第２の電極（ソースまたはドレイン）にはダイオード素子１６のカソードが接続され、トランジスタ１５の第２の電極（ソースまたはドレイン）にはダイオード素子１６のアノードが接続される。トランジスタ１４，１５の第２の電極間には、インダクタ１７およびコンデンサ１８が直列接続される。コンデンサ１８の端子間電圧ＶＤ３は、出力端子１９，２０を介して負荷回路２２に供給されるとともに、制御回路２１に与えられる。

制御回路２１は、３００ＫＨｚ以上のスイッチング周波数でスイッチング信号Ｓ１，Ｓ２を交互に活性化レベルにしてトランジスタ９，１０とトランジスタ１４，１５を交互にオンさせるとともに、直流電圧ＶＤ３が所定の電圧になるように、トランジスタ９，１０，１４，１５のスイッチング周波数を制御する。スイッチングは３００ＫＨｚ以上の周波数で行なわれるので、インダクタ１２，１７およびコンデンサ１３，１８は小さくて済む。

次に、このＡＣ／ＤＣ変換回路の動作について説明する。商用交流電圧ＶＡは、全波整流回路７で全波整流され、コンデンサ８で平滑化されて直流電圧ＶＤ１に変換される。トランジスタ９，１０がオンされるとともにトランジスタ１４，１５がオフされると、コンデンサ８からトランジスタ９、インダクタ１２、コンデンサ１３、およびトランジスタ１０の経路で電流が流れ、コンデンサ１３が充電される。このときインダクタ１２に流れる電流は徐々に増加し、インダクタ１２に電磁エネルギが蓄えられる。

次いで、トランジスタ９，１０がオフされるとともにトランジスタ１４，１５がオンされると、インダクタ１２、コンデンサ１３およびダイオード素子１１の経路で電流が流れ、コンデンサ１３が充電される。このときインダクタ１２に流れる電流は徐々に減少し、インダクタ１２に蓄えられた電磁エネルギが放出される。また、コンデンサ１３からトランジスタ１４、インダクタ１７、コンデンサ１８、およびトランジスタ１５の経路で電流が流れ、コンデンサ１８が充電される。このときインダクタ１７に流れる電流は徐々に増加し、インダクタ１７に電磁エネルギが蓄えられる。

制御回路２１は、コンデンサ１８の端子間電圧ＶＤ３が目標電圧よりも低い場合はトランジスタ９，１０，１４，１５のスイッチング周波数を上昇させ、コンデンサ１８の端子間電圧ＶＤ３が目標電圧よりも高い場合はトランジスタ９，１０，１４，１５のスイッチング周波数を低下させる。このようにして、コンデンサ１８の端子間電圧ＶＤ３は所望の電圧に維持される。ただし、ＶＤ３＜ＶＤ２＜ＶＤ１となる。

この実施の形態では、トランジスタ９，１０とトランジスタ１４，１５とを交互にオンするので、電源側と負荷側を絶縁することができる。また、コンデンサ８，１３，１８の容量値、スイッチング周波数、インダクタ１２，１７のインダクタンスなどを調整することにより、ＶＤ１とＶＤ３の比を調整できる。したがって、図２のトランス３９を無くすことができる。

また、スイッチング素子としてＳｉＣトランジスタまたはＧａＮトランジスタを使用するので、３００ＫＨｚ以上の高い周波数において低損失でスイッチングを行なうことができ、インダクタ１２，１７およびコンデンサ１３，１８の小型化を図ることができる。したがって、回路の低損失化および小型化を実現することができる。

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

この発明の一実施の形態によるＡＣ／ＤＣ変換回路の構成を示す回路ブロック図である。 従来のＡＣ／ＤＣ変換回路の構成を示す回路図である。

符号の説明

１，２，３１，３２ 入力端子、３〜６，１１，１６，３３〜３６，４１，４２ ダイオード素子、７，３７ 全波整流回路、８，１３，１８，３８，４４ コンデンサ、９，１０，１４，１５ トランジスタ、１２，１７，４３ インダクタ、１９，２０，４５，４６ 出力端子、２１ 制御回路、２２，４７ 負荷回路、３９ トランス、３９ａ １次巻線、３９ｂ ２次巻線。

Claims (6)

1. １対の第１のスイッチング素子と第１の電圧発生回路と１対の第２のスイッチング素子と第２の電圧発生回路とを備え、
   前記１対の第１のスイッチング素子はそれらの第１の電極間に第１の直流電圧を受け、
   前記第１の電圧発生回路は前記１対の第１のスイッチング素子の第２の電極間に接続されて前記第１の直流電圧よりも低い第２の直流電圧を発生し、
   前記１対の第２のスイッチング素子はそれらの第１の電極間に前記第２の直流電圧を受けて前記１対の第１のスイッチング素子と交互にオンされ、
   前記第２の電圧発生回路は、前記１対の第２のスイッチング素子の第２の電極間に接続され、前記第２の直流電圧よりも低い第３の直流電圧を発生して負荷回路に与える、スイッチング電源装置。
2. 前記第１の電圧発生回路は第１のダイオード素子と第１のインダクタと第１のコンデンサとを含み、
   前記第１のダイオード素子のカソードは前記１対の第１のスイッチング素子のうちの一方の第１のスイッチング素子の第２の電極に接続され、そのアノードは他方の第１のスイッチング素子の第２の電極に接続され、
   前記第１のインダクタは前記第１のダイオード素子のカソードと前記１対の第２のスイッチング素子のうちの一方の第２のスイッチング素子の第１の電極との間に接続され、
   前記第１のコンデンサは前記１対の第２のスイッチング素子の第１の電極間に接続されて前記第２の直流電圧に充電され、
   前記１対の第２のスイッチング素子のうちの他方の第２のスイッチング素子の第１の電極は前記第１のダイオード素子のアノードに接続され、
   前記第２の電圧発生回路は第２のダイオード素子と第２のインダクタと第２のコンデンサとを含み、
   前記第２のダイオード素子のカソードは前記１対の第２のスイッチング素子のうちの一方の第２のスイッチング素子の第２の電極に接続され、そのアノードは他方の第２のスイッチング素子の第２の電極に接続され、
   前記第２のインダクタの一方端子は前記第２のダイオード素子のカソードに接続され、
   前記第２のコンデンサは前記第２のインダクタの他方端子と前記第２のダイオード素子のアノードとの間に接続されて前記第３の直流電圧に充電される、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. さらに、交流電圧を整流する整流回路と、
   前記整流回路の出力電圧を平滑化して前記第１の直流電圧を生成する第３のコンデンサとを備える、請求項１または請求項２に記載のスイッチング電源装置。
4. さらに、前記第３の直流電圧が所定の電圧になるように前記第１および第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御する制御回路を備える、請求項１から請求項３までのいずれかに記載のスイッチング電源装置。
5. 前記第１および第２のスイッチング素子のスイッチング周波数は３００ＫＨｚ以上である、請求項１から請求項４までのいずれかに記載のスイッチング電源装置。
6. 前記第１および第２のスイッチング素子の各々は、ＳｉＣまたはＧａＮで形成されたトランジスタである、請求項１から請求項５までのいずれかに記載のスイッチング電源装置。

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