JP2010124638A - 電源装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】放熱フィンを伝わって発散されるスイッチングノイズを低減でき、しかも安価で且つ小型な電源装置。
【解決手段】電源部ＡＣ，ＤＢ，Ｃｉと、各々が巻線を有する１対のリアクトルＬ１ａ，Ｌ１ｂと、電源部のエネルギーを１対のリアクトルに蓄積し、１対のリアクトルに蓄積されたエネルギーをスイッチング素子Ｑ１をオン／オフさせることにより制御する第１制御部１０とを有し、１対のリアクトルの各々に有する巻線は、互いに対向して配置され且つ巻線の磁束の極性が互いに逆極性である。
【選択図】図１

Description

本発明は、スイッチング電源装置に好適な巻線部品のレイアウト又は配線によるスイッチングノイズを低減することができる電源装置に関する。
従来の薄型の電源装置は、例えば、特許文献１の図２に示すように、放熱器を取り付け可能とした金属基板と、金属基板に搭載された回路部品を内包するケースと、金属基板に放熱器を取り付けるとともにケースに組み合わされた金属基板を他の基板上に取り付けるスタッドとで構成され、巻線は、絶縁された金属基板の銅箔パターンに接続され、取り付けられている。
また、従来のこの種の電源装置は、図７に示すように、交流電源ＡＣの正弦波電圧をブリッジ整流器ＤＢにより整流した脈流電圧を昇圧するとともに力率を改善する昇圧型力率改善回路からなる。この昇圧型力率改善回路は、リアクトルＬ１とダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１と出力平滑コンデンサＣｏとからなる。入力コンデンサＣｉは、ノーマルモードのスイッチングノイズを吸収するためのコンデンサである。
次に、図７に示す電源装置の動作を説明する。まず、交流電源ＡＣの正弦波電圧をブリッジ整流器ＤＢで整流し、入力コンデンサＣｉを介して力率改善回路に全波整流波形を供給する。第１制御部１０は、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する。
まず、スイッチング素子Ｑ１がオンし、ＡＣ→ＤＢ→Ｃｉ→Ｌ１→Ｑ１→Ｃｉ→ＤＢ→ＡＣの経路で電流が流れ、リアクトルＬ１にエネルギーが蓄えられる。スイッチング素子Ｑ１がオフすると、リアクトルＬ１に蓄えられたエネルギーが交流電源ＡＣから供給される電圧に合成されて、ダイオードＤ１を介して出力平滑コンデンサＣｏが充電される。
出力平滑コンデンサＣｏには、供給された正弦波電圧のピーク値より高い電圧が昇圧されて出力される。即ち、第１制御部１０により、入力電流と出力電圧を制御することができる。これにより、出力平滑コンデンサＣｏの電圧は、一定値に保持されるとともに、入力電流が入力電圧に追従した正弦波電流波形が得られる。
特開２００１−５３４５９
ところで、リアクトルＬ１を小型化するために、巻線線経を小さくしたり、巻線のターン数を少なくするため、スイッチング周波数を高周波化した場合には、巻線の表皮効果による銅損やコアの鉄損が増加して、リアクトルＬ１の発熱が大きくなる。
そこで、図７に示すように、リアクトルＬ１を金属の放熱フィン１１(放熱器)を用いて放熱させることがある。これにより、リアクトルＬ１の発熱を抑えて、小さなリアクトルＬ１により大きなパワーを取り出すことができる。
しかしながら、リアクトルＬ１から外部へ磁束が漏れるため、リアクトルＬ１を放熱フィン１１に取り付けた場合には、顕著に放熱フィン１１に漏れた磁束が伝わる。放熱フィン１１は、一般的に安全を図るために、フレームグランド等に接続されていることが多い。このため、フレームグランドの電位に漏れ磁束によるノイズが伝わってしまう。
従って、発生したノイズを抑制するためのコモンモードコイルやＹコンデンサ(接地コンデンサ)などのノイズ対策部品などが増加する。このため、電源装置全体の価格がアップし、ノイズ対策部品の増加に伴い、電源装置の外形が大きくなる欠点があった。
本発明は、放熱フィンを伝わって発散されるスイッチングノイズを低減でき、しかも安価で且つ小型な電源装置を提供することにある。
前記課題を解決するために、請求項１の発明は、電源部と、各々が巻線を有する１対のリアクトルと、前記電源部のエネルギーを前記１対のリアクトルに蓄積し、前記１対のリアクトルに蓄積されたエネルギーをスイッチング素子をオン／オフさせることにより制御する制御部とを有し、前記１対のリアクトルの各々に有する巻線は、互いに対向して配置され且つ前記巻線の磁束の極性が互いに逆極性であることを特徴とする。
請求項２の発明は、電源部と、各々が複数の巻線を有する１対のトランスと、前記電源部のエネルギーを前記１対のトランスに蓄積し、前記１対のトランスに蓄積されたエネルギーをスイッチング素子をオン／オフさせることにより制御する制御部とを有し、前記１対のトランスに有する複数の巻線は、互いに対向して配置され且つ前記複数の巻線の磁束の極性が互いに逆極性であることを特徴とする。
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の電源装置において、前記巻線に熱的に結合する金属体が配置されることを特徴とする。
請求項４の発明は、請求項１又は請求項２記載の電源装置において、前記巻線は、磁心を有し、前記巻線と前記磁心とに熱的に結合する金属体が配置されることを特徴とする。
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電源装置において、前記１対のリアクトル又は前記トランスの各巻線は、互いに直列に接続又は並列に接続されることを特徴とする。
本発明によれば、１対のリアクトルの各々に有する巻線は、互いに対向して配置され且つ巻線の磁束の極性が互いに逆極性であるので、一方の巻線と他方の巻線とは磁束を打ち消し合う方向であるから、放熱フィン等の金属体に漏れる磁束も少なくなり、スイッチングノイズを低減できる。また、スイッチング電源のノイズ対策部品を増やすことがなくなるので、安価となり、簡素なラインフィルタで構成できるので、電源装置を小型化できる。
また、本発明によれば、１対のトランスに有する複数の巻線は、互いに対向して配置され且つ複数の巻線の磁束の極性が互いに逆極性であるので、同様な効果が得られる。
以下、本発明の実施の形態の電源装置のいくつかを図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は本発明の実施例１の電源装置を示す回路図である。図１は電源装置を力率改善回路に適応した例である。
なお、図１に示す電源装置において、図７に示す従来の電源装置と同一部分は、同一符号を付し、同一部分の説明は省略するものとし、ここでは、異なる部分についてのみ説明する。
図１に示す電源装置は、一対のリアクトルからなる第１リアクトルＬ１ａ（本発明の巻線に対応）と第２リアクトルＬ１ｂ（本発明の巻線に対応）とが接続点ａ，ｂにおいて並列に接続されている。
接続点ａは、入力コンデンサＣｉとブリッジ整流器ＤＢとに接続され、接続点ｂは、ＭＯＳＦＥＴ等からなるスイッチング素子Ｑ１のドレインとダイオードＤ１のアノードとに接続されている。
第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとは、互いに対向して配置され且つ金属からなる放熱フィン（本発明の金属体に対応）１１に熱的に結合して配置されている。第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとは、互いに磁束の極性が互いに逆極性である。即ち、第１リアクトルＬ１ａの図中記号「×」は、磁束の方向を示しており、放熱フィン１１の表面から裏面へ磁束が貫くことを示している。第２リアクトルＬ１ｂの図中記
Figure 2010124638
示している。
なお、図１に示す電源装置の動作は、図７に示す従来の電源装置の動作と基本的に同じであるが、リアクトルＬ１を第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとに分割したため、その電流経路のみが異なる。
リアクトルＬ１を第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとに分割した場合、第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとの配置として、図２（ａ）と図２（ｂ）との２つが考えられる。図２はリアクトルの磁束の極性を物理的に示した回路図である。
図２（ａ）は磁束を打ち消し合う方向、図２（ｂ）は磁束を強め合う方向である。このため、図１に示す構成では、第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとが、磁束を打ち消し合う方向であるため、放熱フィン１１に漏れる磁束も少なくなり、ノイズが低減される。
図１では、第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとを放熱するために放熱フィン１１に熱結合させている。このため、第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとを放熱フィン１１を用いて放熱させた場合もノイズの発生を低減できる。
図１では、第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂの各々は、理解を深めるために１ターン構造の磁心（鉄心）無しで示しているが、実際には、複数のターン数であり、磁心としてフェライトコアなどが用いられる。また、磁心としての構造は、ＥＩ型、ＥＥ型、ドラム型、ポット型などのいずれの形状でも良い。
図３は本発明の実施例２の電源装置を示す回路図である。図３に示す実施例２は、電源装置を力率改善回路に適用した例である。
図３に示す実施例２では、第１リアクトルＬ１ａとダイオードＤ１ａとの直列回路と、第２リアクトルＬ１ｂとダイオードＤ１ｂとの直列回路とを接続点ａ，ｂにおいて並列に接続している。
第１リアクトルＬ１ａとダイオードＤ１ａのアノードとの接続点には、スイッチング素子Ｑ１ａのドレインが接続されている。第２リアクトルＬ１ｂとダイオードＤ１ｂのアノードとの接続点には、スイッチング素子Ｑ１ｂのドレインが接続されている。第１制御部１０ａは、スイッチング素子Ｑ１ａとスイッチング素子Ｑ１ｂとを同時にオン／オフ制御する。
このように実施例２の電源装置も、図１に示す実施例１の電源装置の動作と同様な動作が行われ、同様な効果が得られる。また、スイッチング素子Ｑ１ａとスイッチング素子Ｑ１ｂとを用いることで、１つのスイッチング素子に流れる電流は１／２となり、リーケージインダクタンスによるエネルギーは１／４となるという利点がある。
図４は本発明の実施例３の電源装置を示す回路図である。図４に示す実施例３は、電源装置を力率改善回路に適用した例である。
図４に示す実施例３は、第１制御部１０−１、第２制御部１０−２を設け、第１制御部１０−１がスイッチング素子Ｑ１ａをオン／オフ制御し、第２制御部１０−２がスイッチング素子Ｑ１ｂをオン／オフ制御したものである。
この場合、第１制御部１０−１と第２制御部１０−２とは、スイッチング周波数を同期させている。
このように実施例３の電源装置も、図１に示す実施例１の電源装置の動作と同様な動作が行われ、同様な効果が得られる。
図５は本発明の実施例４の電源装置を示す回路図である。図５に示す実施例４は、電源装置を力率改善回路に適用した例である。
図５に示す実施例４では、接続点ａと接続点ｂの間に、第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとが直列に接続され、第１リアクトルＬ１ａと第２リアクトルＬ１ｂとが対向して配置されている。
このように実施例４の電源装置も、図１に示す実施例１の電源装置の動作と同様な動作が行われ、同様な効果が得られる。
図６は本発明の実施例５の電源装置を示す回路図である。図６に示す実施例５は、電源装置をフライバック型のＤＣ−ＤＣコンバータに適用した例である。
図６において、直流電源Ｖｉｎの両端には、トランスＴ１の１次巻線Ｐ１とスイッチング素子Ｑ１との直列回路が接続されている。トランスＴ１の１次巻線Ｐ１にはトランスＴ２の１次巻線Ｐ２が並列に接続されている。スイッチング素子Ｑ１の駆動端子は、制御部１０ｂに接続されている。
トランスＴ１の２次巻線Ｓ１及びトランスＴ２の２次巻線Ｓ１は、それぞれダイオードＤ５１，Ｄ５２を介して出力平滑コンデンサＣｏに接続されている。
トランスＴ１に有する巻線Ｐ１，Ｓ１とトランスＴ２に有する巻線Ｐ２，Ｓ２とは、互いに対向して配置されており、トランスＴ１とトランスＴ２との磁束の極性が互いに逆極性である。
次に、このように構成された実施例５の電源装置の動作を説明する。
制御部１０ｂは、スイッチング素子Ｑ１をオン／オフ制御する。初めにスイッチング素子Ｑ１がオンし、Ｖｉｎ→Ｐ１及びＰ２→Ｑ１→Ｖｉｎの経路で電流が流れて、トランスＴ１およびトランスＴ２にエネルギが蓄えられる。
次に、スイッチング素子Ｑ１がオフすると、トランスＴ１及びトランスＴ２に蓄えられたエネルギが、トランスＴ１の２次巻線Ｓ１及びトランスＴ２の２次巻線Ｓ２から、ダイオードＤ５１，Ｄ５２を介して出力平滑コンデンサＣｏを充電する。
制御部１０ｂは、スイッチング素子Ｑ１のオン／オフの時比率を調整することにより、出力平滑コンデンサＣｏの出力電圧を一定電圧に制御する。
実施例５の電源装置においても、トランスＴ１及びトランスＴ２の磁束の方向は、磁束を打ち消すように配置されているので、トランスＴ１及びトランスＴ２を放熱フィン１１に熱結合しても、放熱フィン１１への磁束の漏れを低減することができる。従って、実施例５の電源装置においても、図１に示す実施例１の電源装置の動作と同様な動作が行われ、同様な効果が得られる。
なお、本発明の電源装置は、上述した実施例１乃至実施例５に限定されるものではない。実施例１乃至実施例５では、力率改善回路とフライバック回路への適用例を示したが、本発明は、チョッパ回路、フォワードコンバータ、共振コンバータなどのいずれにも適用可能である。
また、リアクトル又はトランスの形状は、ドラム、ＥＩ、ＥＥ、トロイダル、その他いずれの形状でも同様の動作及び効果を得られる。また、本発明は、リアクトル又はトランスを含めた回路規模での直・並列接続も可能である。
本発明の実施例１の電源装置を示す回路図である。 リアクトルの磁束の極性を物理的に示した回路図である。 本発明の実施例２の電源装置を示す回路図である。 本発明の実施例３の電源装置を示す回路図である。 本発明の実施例４の電源装置を示す回路図である。 本発明の実施例５の電源装置を示す回路図である。 従来のこの種の電源装置を示す回路図である。
符号の説明
ＡＣ 交流電源
ＤＢ ブリッジ整流器
Ｌ１ リアクトル
Ｄ１，Ｄ１ａ，Ｄ１ｂ，Ｄ５１，Ｄ５２ ダイオード
Ｑ１，Ｑ１ａ，Ｑ１ｂ スイッチング素子
Ｃｉ 入力コンデンサ
Ｃｏ 出力平滑コンデンサ
１０，１０ａ，１０−１,１０ｂ 第１制御部
１０−２ 第２制御部
１１ 放熱フィン
Ｌ１ａ 第１リアクトル
Ｌ１ｂ 第２リアクトル
Ｔ１，Ｔ２ トランス
Ｐ１，Ｐ２ １次巻線
Ｓ１，Ｓ２ ２次巻線
Ｖｉｎ 直流電源

Claims (5)

  1. 電源部と、
    各々が巻線を有する１対のリアクトルと、
    前記電源部のエネルギーを前記１対のリアクトルに蓄積し、前記１対のリアクトルに蓄積されたエネルギーをスイッチング素子をオン／オフさせることにより制御する制御部とを有し、
    前記１対のリアクトルの各々に有する巻線は、互いに対向して配置され且つ前記巻線の磁束の極性が互いに逆極性であることを特徴とする電源装置。
  2. 電源部と、
    各々が複数の巻線を有する１対のトランスと、
    前記電源部のエネルギーを前記１対のトランスに蓄積し、前記１対のトランスに蓄積されたエネルギーをスイッチング素子をオン／オフさせることにより制御する制御部とを有し、
    前記１対のトランスに有する複数の巻線は、互いに対向して配置され且つ前記複数の巻線の磁束の極性が互いに逆極性であることを特徴とする電源装置。
  3. 前記巻線に熱的に結合する金属体が配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電源装置。
  4. 前記巻線は、磁心を有し、前記巻線と前記磁心とに熱的に結合する金属体が配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電源装置。
  5. 前記１対のリアクトル又は前記トランスの各巻線は、互いに直列に接続又は並列に接続されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の電源装置。
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