JP2021013296A - 整流回路及びこれを用いたスイッチング電源 - Google Patents

Abstract

【課題】トランスの巻線利用率を高める。【解決手段】スイッチング電源１は、例えば、トランス１０と、トランス１０の一次巻線Ｌ１をスイッチング駆動する駆動回路２０と、トランス１０の二次巻線Ｌ２に接続される整流回路３０を有する。整流回路３０は、例えば、トランス１０の二次巻線Ｌ２に生じる正極性の誘起電圧を整流する第１整流部３１と、二次巻線Ｌ１に生じる負極性の誘起電圧を整流する第２整流部３２と、第１整流部３１と第２整流部３２との間に接続されたインダクタンス部３３を有する。なお、インダクタンス部３３は、トランス１０の一次巻線Ｌ１と結合された補助巻線Ｌ３を含むとよい。また、一次巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ３との結合度は、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２との結合度よりも小さくなるように設定するとよい。【選択図】図１

Description

本明細書中に開示されている発明は、整流回路及びこれを用いたスイッチング電源に関するものである。

図１５は、スイッチング電源の従来例を示す図である。本従来例のスイッチング電源１００において、ハーフブリッジ駆動回路１２０から出力されるパルス電圧がコイル１５０を介してトランス１１０の一次巻線Ｌ１に印加されると、トランス１１０の二次巻線Ｌ２ａにパルス状の誘起電圧が生じる。このとき、整流回路１３０では、ダイオードＤ１１により整流された電流がコンデンサＣ１１に蓄積される。

一方、ハーフブリッジ駆動回路１２０から上記と逆位相のパルス電圧が出力されると、二次巻線Ｌ２ｂに上記と逆位相の誘起電圧が生じる。このとき、整流回路１３０では、ダイオードＤ１２により整流された電流がコンデンサＣ１１に蓄積される。

上記一連の動作を繰り返すことにより、整流回路１３０では、二次巻線Ｌ２ａ及びＬ２ｂそれぞれに生じる誘起パルス電圧を全波整流（双方向整流）することができる。

なお、上記に関連する従来技術の一例としては、特許文献１及び特許文献２を挙げることができる。

特開２０１９−９９８９号公報 特許第５００７９６６号明細書

ところで、上記従来の整流回路１３０は、その全波整流動作を実現するために、互いに巻き方向の異なる二次巻線Ｌ２ａ及びＬ２ｂを備えたトランス１１０（＝センタータップ付きトランス）を必要とする。

しかしながら、二次巻線Ｌ２ａ及びＬ２ｂのうち、一方が整流動作を行っているときには、他方が整流動作に何ら寄与していない状態となるので、トランス１１０の巻線利用率が低く、トランス１１０の大型化（延いては、結合度の低下に伴う発熱の増大）を招くという課題があった。

本明細書中に開示されている発明は、本願の発明者らにより見出された上記の課題に鑑み、トランスの巻線利用率を高めることのできる整流回路及びこれを用いたスイッチング電源を提供することを目的とする。

例えば、本明細書中に開示されている整流回路は、トランスの二次巻線に生じる正極性の誘起電圧を整流する第１整流部と、前記二次巻線に生じる負極性の誘起電圧を整流する第２整流部と、前記第１整流部と前記第２整流部との間に接続されたインダクタンス部とを有する構成（第１の構成）とされている。

第１の構成から成る整流回路において、前記インダクタンス部は、前記トランスの一次巻線と結合された補助巻線を含む構成（第２の構成）にするとよい。

第２の構成から成る整流回路において、前記一次巻線と前記補助巻線との結合度は、前記一次巻線と前記二次巻線との結合度よりも小さい構成（第３の構成）にするとよい。

第２又は第３の構成から成る整流回路において、前記インダクタンス部は、前記補助巻線に流れる短絡電流を制限する接続コイルを更に含む構成（第４の構成）にするとよい。

第４の構成から成る整流回路において、前記接続コイルは、中点タップが出力電圧の出力端に接続されたバランスコイルである構成（第５の構成）にするとよい。

また、第１の構成から成る整流回路において、前記インダクタンス部は、前記トランスの一次巻線と結合されていない接続コイルを含む構成（第６の構成）にしてもよい。

第１〜第６いずれかの構成から成る整流回路において、前記第１整流部は、第１端が前記二次巻線の第１端に接続されて第２端が前記インダクタンス部の第１端に接続された第１整流素子と、第１端が前記インダクタンス部の第１端に接続されて第２端が前記二次巻線の第２端に接続された第１コンデンサと、を含み、前記第２整流部は、第１端が前記二次巻線の第２端に接続されて第２端が前記インダクタンス部の第２端に接続された第２整流素子と、第１端が前記インダクタンス部の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第１端に接続された第２コンデンサと、を含む構成（第７の構成）にするとよい。

第７の構成から成る整流回路は、前記二次巻線と前記第１整流部及び前記第２整流部との間に直列接続された第３コンデンサをさらに有する構成（第８の構成）にするとよい。

また、第４の構成から成る整流回路において、前記第１整流部は、第１端が前記二次巻線の第１端に接続された第１整流素子と、第１端が前記第１整流素子の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第２端に接続された第１コンデンサと、を含み、前記第２整流部は、第１端が前記二次巻線の第２端に接続された第２整流素子と、第１端が前記第２整流素子の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第１端に接続された第２コンデンサと、を含み、前記接続コイルの第１端は、前記第１整流素子の第２端及び前記第１コンデンサの第１端に接続されており、前記接続コイルの第２端は、前記補助巻線の第１端に接続されており、前記補助巻線の第２端は、前記第２整流素子の第２端及び前記第２コンデンサの第１端に接続されている構成（第９の構成）にしてもよい。

また、第５の構成から成る整流回路において、前記第１整流部は、第１端が前記二次巻線の第１端に接続された第１整流素子と、第１端が前記第１整流素子の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第２端に接続された第１コンデンサと、を含み、前記第２整流部は、第１端が前記二次巻線の第２端に接続された第２整流素子と、第１端が前記第２整流素子の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第１端に接続された第２コンデンサと、を含み、前記バランスコイルの第１端は、前記第１整流素子の第２端及び前記第１コンデンサの第１端に接続されており、前記バランスコイルの第２端は、前記補助巻線の第１端に接続されており、前記補助巻線の第２端は、前記第２整流素子の第２端及び前記第２コンデンサの第１端に接続されており、前記バランスコイルの前記中点タップは、出力平滑コンデンサの第１端と共に前記出力電圧の出力端に接続されており、前記二次巻線の第２端は、前記出力平滑コンデンサの第２端に接続されている構成（第１０の構成）にしてもよい。

また、例えば、本明細書中に開示されている整流回路は、トランスの二次巻線の両端間に逆向きで直列接続された一対の整流素子と、前記一対の整流素子に並列接続されたバランスコイルと、前記バランスコイルの中点タップに接続された整流コイルと、を有する構成（第１１の構成）とされている。

第１１の構成から成る整流回路は、前記二次巻線と前記バランスコイルで形成される閉回路を直流的に遮断するコンデンサをさらに有する構成（第１２の構成）にするとよい。

また、例えば、本明細書中に開示されているスイッチング電源は、トランスと、前記トランスの一次巻線をスイッチング駆動する駆動回路と、上記第１〜第１２いずれかの構成から成り前記トランスの二次巻線に接続される整流回路とを有する構成（第１３の構成）とされている。

本明細書中に開示されている発明によれば、トランスの巻線利用率を高めることのできる整流回路及びこれを用いたスイッチング電源を提供することが可能となる。

スイッチング電源の第１実施形態を示す図 スイッチング電源の第２実施形態を示す図 スイッチング電源の第３実施形態を示す図 スイッチング電源の第４実施形態を示す図 スイッチング電源の第５実施形態を示す図 スイッチング電源の第６実施形態を示す図 スイッチング電源の第７実施形態を示す図 スイッチング電源の第８実施形態を示す図 スイッチング電源の第９実施形態を示す図 スイッチング電源の第１０実施形態を示す図 スイッチング電源の第１１実施形態を示す図 スイッチング電源の第１２実施形態を示す図 スイッチング電源の第１３実施形態を示す図 スイッチング電源の第１４実施形態を示す図 スイッチング電源の従来例を示す図

＜第１実施形態＞
図１は、スイッチング電源の第１実施形態を示す図である。第１実施形態のスイッチング電源１は、一次回路系と二次回路系との間を電気的に絶縁しつつ、直流電源Ｅ１から供給される入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換して負荷Ｚに供給する絶縁型のＤＣ／ＤＣコンバータであり、トランス１０と、ハーフブリッジ駆動回路２０と、整流回路３０と、制御回路４０と、コイル５０と、コンデンサ６１及び６２と、を有する。

トランス１０は、一次回路系に設けられた一次巻線Ｌ１と、二次回路系に設けられて一次巻線Ｌ１に磁気結合された二次巻線Ｌ２と、を含む。

ハーフブリッジ駆動回路２０は、直流電源Ｅ１の正極端（＝入力電圧Ｖｉｎの印加端）と負極端（＝一次回路系のグラウンド）との間に直列接続された上側スイッチ及び下側スイッチ（いずれも不図示）を含み、制御回路４０からの指示に応じてトランス１０の一次巻線Ｌ１をスイッチング駆動する。

整流回路３０は、第１整流部３１及び第２整流部３２とインダクタンス部３３を含み、トランス１０の二次巻線Ｌ２に生じる誘起電圧を全波整流することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。

第１整流部３１は、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１を含み、トランス１０の二次巻線Ｌ２に生じる正極性の誘起電圧を整流する。ダイオードＤ１のアノードは、二次巻線Ｌ２の第１端（＝巻始端）に接続されている。ダイオードＤ１のカソードとコンデンサＣ１の第１端は、いずれも出力電圧Ｖｏｕｔの出力端（＝負荷Ｚの高電位端）とインダクタンス部３３の第１端（＝補助巻線Ｌ３の巻終端）に接続されている。コンデンサＣ１の第２端は、二次巻線Ｌ２の第２端(＝巻終端）と負荷Ｚの低電位端に接続されている。

第２整流部３２は、ダイオードＤ２とコンデンサＣ２を含み、トランス１０の二次巻線Ｌ２に生じる負極性の誘起電圧を整流する。ダイオードＤ２のアノードは、二次巻線Ｌ２の第２端（＝巻終端）と負荷Ｚの低電位端に接続されている。ダイオードＤ２のカソードとコンデンサＣ２の第１端は、いずれもインダクタンス部３３の第２端（＝補助巻線Ｌ３の巻始端）に接続されている。コンデンサＣ２の第２端は、二次巻線Ｌ２の第１端（＝巻始端）に接続されている。

なお、ダイオードＤ１及びＤ２は、それぞれ、制御回路４０によりハーフブリッジ駆動回路２０と同期してオン／オフされる同期整流回路（例えば、ＭＯＳＦＥＴなどのスイッチ素子）、若しくは、それぞれの両端間電圧又はそれぞれに流れる電流を検出してオン／オフされるスイッチ素子に置き換えてもよい。

インダクタンス部３３は、補助巻線Ｌ３を含む。補助巻線Ｌ３は、第１整流部３１（＝ダイオードＤ１及びコンデンサＣ１相互間の接続ノード）と、第２整流部３２（＝ダイオードＤ２及びコンデンサＣ２相互間の接続ノード）との間に接続されており、トランス１０の一次巻線Ｌ１と磁気結合されている。また、補助巻線Ｌ３は、自身の誘起電圧が二次巻線Ｌ２の誘起電圧と等しくなるように巻かれている。ただし、一次巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ３との結合度は、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２との結合度よりも小さい。

制御回路４０は、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔが所望の目標値と一致するようにハーフブリッジ駆動回路２０を制御する機能（＝出力帰還制御機能）を備えている。このような機能を具備することにより、負荷Ｚに対して一定の出力電圧Ｖｏｕｔを安定供給することが可能となる。

コイル５０は、ハーフブリッジ駆動回路２０の出力端（＝上側スイッチ及び下側スイッチ相互間の接続ノード）と一次巻線Ｌ１の第１端との間に接続されており、共振コイルとして機能する。

コンデンサ６１は、直流電源Ｅ１に並列接続されており、入力電圧Ｖｉｎのノイズ成分を除去する入力フィルタコンデンサとして機能する。

コンデンサ６２は、一次巻線Ｌ１の第２端と直流電源Ｅ１の負極端（＝一次回路系のグラウンド）との間に接続されており、共振コンデンサとして機能する。

なお、本図では明示されていないが、スイッチング電源１は、起動時にコンデンサＣ１及びＣ２を予備充電する起動回路を有するとよい。

次に、スイッチング電源１の動作について説明する。直流電源Ｅ１が投入されると、コンデンサ６１及びハーフブリッジ駆動回路２０に入力電圧Ｖｉｎが印加される。ハーフブリッジ駆動回路２０からコイル５０を介してトランス１０の一次巻線Ｌ１にパルス電圧が印加されると、二次巻線Ｌ２にもパルス状の誘起電圧が生成される。

例えば、二次巻線Ｌ２に正極性の誘起電圧が生じると、ダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１に電荷が蓄積される。一方、二次巻線Ｌ２の負極性の誘起電圧が生じると、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ１に電荷が蓄積される。

上記一連の動作を繰り返すことにより、整流回路３０では、二次巻線Ｌ２に生じるパルス状の誘起電圧を全波整流（双方向整流）することができる。

また、補助巻線Ｌ３には、二次巻線Ｌ２と同一（またはほぼ同一）の誘起電圧が発生する。従って、補助巻線Ｌ３を介して接続されたコンデンサＣ１及びＣ２は、いずれも同電位に充電される。すなわち、コンデンサＣ１及びＣ２のうち、一方の第１端にパルス状の誘起電圧が生じると、他方の第１端にも同波形の誘起電圧が生じる。従って、基本的には補助巻線Ｌ３に短絡パルス電流が流れることはない。

また、補助巻線Ｌ３は、二次巻線Ｌ２よりも一次巻線Ｌ１との結合度が小さく、二次巻線Ｌ２に流れる二次電流と比べて小さい電流（例えばＲＭＳ値１／２以下）しか流れないので、二次巻線Ｌ２よりも断面積を小さく（線径を細く）しておけばよい。これにより、トランス１０の不要な大型化を招かずに済む。

上記構成から成る整流回路３０であれば、センタータップ付きトランスを要することなく、二次巻線Ｌ２に流れる電流の方向とは何ら無関係に、正負双方の誘起電圧を全波整流することができる。同じ太さの二次巻線を２本巻く必要のあるセンタータップ付きトランスと異なり、整流回路３０に接続されるトランス１０であれば、二次巻線Ｌ２を１本巻けば足りるので、トランス１０の巻線利用率を高めることが可能となる。従って、トランス１０の大型化（延いては結合度の低下）を招くことなく、二次巻線Ｌ２の断面積を大きく（線径を太く）することができるので、トランス１０の発熱（＝√２ＲＩ^２、ただし、Ｒは二次巻線Ｌ２の抵抗値、Ｉは二次電流の電流値）を抑制することが可能となる。

また、補助巻線Ｌ３を介してサージ成分を逃がすこともできるので、ダイオードＤ１及びＤ２それぞれの耐圧を必要最小限に設計することも可能となる。

＜第２実施形態＞
図２は、スイッチング電源の第２実施形態を示す図である。第２実施形態のスイッチング電源１は、第１実施形態（図１）を基本としつつ、インダクタンス部３３の構成に変更が加えられている。

より具体的に述べると、インダクタンス部３３は、補助巻線Ｌ３に流れる短絡パルス電流を制限する接続コイルＬ４をさらに含む。

なお、本図では、第２整流部３２（＝ダイオードＤ２及びコンデンサＣ２相互間の接続ノード）と補助巻線Ｌ３の第２端との間に接続コイルＬ４を接続したが、接続コイルＬ４の接続位置については、何らこれに限定されるものではなく、第１整流部３１（＝ダイオードＤ１及びコンデンサＣ１相互間の接続ノード）と補助巻線Ｌ３の第１端との間に接続コイルＬ４を接続してもよい。

本実施形態によれば、二次巻線Ｌ２及び補助巻線Ｌ３それぞれに生じる誘起電圧が異なっていても、その電圧差に起因する短絡パルス電流を制限して、トランス１０の発熱を抑制することが可能となる。

＜第３実施形態＞
図３は、スイッチング電源の第３実施形態を示す図である。第３実施形態のスイッチング電源１は、第２実施形態（図２）を基本としつつ、インダクタンス部３３の構成に変更が加えられている。

より具体的に述べると、インダクタンス部３３は、先出の接続コイルＬ４として、その中点タップが出力電圧Ｖｏｕｔの出力端に接続されたバランスコイルＬ５を含む。また、ダイオードＤ１及びコンデンサＣ１相互間の接続ノードは、出力電圧Ｖｏｕｔの出力端から切り離されている。さらに、負荷Ｚには、コンデンサ６３が並列接続されている。

本実施形態によれば、出力帰還制御の安定性を高めることが可能となる。

＜第４実施形態＞
図４は、スイッチング電源の第４実施形態を示す図である。第４実施形態のスイッチング電源１は、第３実施形態（図３）を基本としつつ、整流回路３０の構成に変更が加えられている。

より具体的に述べると、整流回路３０は、二次巻線Ｌ２の第１端（＝巻始端）と、第１整流部３１及び第２整流部３２（＝ダイオードＤ１及びコンデンサＣ２相互間の接続ノード）との間に接続されたコンデンサ３４をさらに有する。

本実施形態によれば、二次巻線Ｌ２に生じる正負双方の誘起電圧がばらついていても、そのばらつきをキャンセルして、第１整流部３１及び第２整流部３２それぞれに流れる二次電流を一致させることが可能となる。

なお、本図では、第３実施形態（図３）を基本としたが、第１実施形態（図１）または第２実施形態（図２）を基本としてもよい。

＜第５実施形態＞
図５は、スイッチング電源の第５実施形態を示す図である。第５実施形態のスイッチング電源１は、第３実施形態（図３）を基本としつつ、整流回路３０の構成に変更が加えられている。

より具体的に述べると、整流回路３０は、二次巻線Ｌ２の第２端（＝巻終端）と、第１整流部３１及び第２整流部３２（＝ダイオードＤ２及びコンデンサＣ１相互間の接続ノード）との間に接続されたコンデンサ３５をさらに有する。

本実施形態によれば、先出の第４実施形態（図４）と同じく、二次巻線Ｌ２に生じる正負双方の誘起電圧がばらついていても、そのばらつきをキャンセルして、第１整流部３１及び第２整流部３２それぞれに流れる二次電流を一致させることが可能となる。

なお、本図では、第３実施形態（図３）を基本としたが、第１実施形態（図１）または第２実施形態（図２）を基本としてもよい。

＜第６実施形態＞
図６は、スイッチング電源の第６実施形態を示す図である。第６実施形態のスイッチング電源１は、第３実施形態（図３）を基本としつつ、直流電源Ｅ１に代えて交流電源Ｅ２が接続されている。

すなわち、スイッチング電源１は、一次回路系と二次回路系との間を電気的に絶縁しつつ、交流電源Ｅ２から供給される入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換して負荷Ｚに供給する絶縁型のＡＣ／ＤＣコンバータとされている。

このように、スイッチング電源１を交流電源Ｅ２でも動作するためには、ハーフブリッジ駆動回路２０を正負双方向の入力電圧Ｖｉｎに対応させればよい。

なお、本図では、第３実施形態（図３）を基本としたが、第１実施形態（図１）、第２実施形態（図２）、第４実施形態（図４）、並びに、第５実施形態（図５）のいずれを基本としてもよい。

＜第７実施形態＞
図７は、スイッチング電源の第７実施形態を示す図である。第７実施形態のスイッチング電源１は、第６実施形態（図６）を基本としつつ、主に一次回路系が変更されている。

より具体的に述べると、スイッチング電源１は、一次回路系の構成要素として、先出のハーフブリッジ駆動回路２０、コイル５０及びコンデンサ６２に代えて、コンデンサ６４と、双方向スイッチ７０と、ドライバ８１及び８２と、電流検出素子９０と、を有する。また、スイッチング電源１の二次回路系には、コンデンサ６５が追加されている。

なお、上記構成要素のうち、双方向スイッチ７０とドライバ８１及び８２は、トランス１０の一次巻線Ｌ１をスイッチング駆動する駆動回路に相当する。

コンデンサ６４は、双方向スイッチ７０に並列接続されており、共振コンデンサとして機能する。

双方向スイッチ７０は、交流電源Ｅ２と一次巻線Ｌ１との間において、直列に逆接続されたスイッチ素子７１及び７２を含む。

例えば、スイッチ素子７１及び７２がＳｉベースまたはＳｉＣベースのＮＭＯＳＦＥＴ［N-channel type metal oxide semiconductor field effect transistor］である場合、スイッチ素子７１及び７２それぞれのソースＳが共通となり、スイッチ素子７１のドレインＤが交流電源Ｅ２に接続されて、スイッチ素子７２のドレインＤが一次巻線Ｌ１に接続される。なお、スイッチ素子７１及び７２としては、それぞれ、ＧａＮデバイスやＩＧＢＴ［insulated gate bipolar transistor］などを用いても構わない。

また、スイッチ素子７１及び７２には、それぞれ、内在ダイオード７３及び７４と内在容量７５及び７６を付随している。本図の場合、内在ダイオード７３のカソードと内在容量７５の第１端は、スイッチ素子７１のドレインＤに接続されている。また、内在ダイオード７３のアノードと内在容量７５の第２端は、スイッチ素子７１のソースＳに接続されている。一方、内在ダイオード７４のカソードと内在容量７６の第１端は、スイッチ素子７２のドレインＤに接続されている。また、内在ダイオード７４のアノードと内在容量７６の第２端は、スイッチ素子７２のソースＳに接続されている。

ドライバ８１及び８２は、それぞれ、制御回路４０からの指示に応じて、スイッチ素子７１及び７２それぞれの駆動信号（ゲート信号）を生成する。

例えば、制御回路４０は、直流出力電圧Ｖｏｕｔが所望の目標値と一致するように双方向スイッチ７０をオン／オフさせる機能（＝出力帰還制御機能）を備えている。このような機能を具備することにより、負荷Ｚに対して一定の出力電圧Ｖｏｕｔを安定供給することが可能となる。なお、出力帰還制御方式については、既存のパルス幅変調方式や臨界方式などを適用すればよい。

また、制御回路４０は、スイッチング電源１の力率を１に近付けるように双方向スイッチ７０をオン／オフさせる機能（＝力率改善機能）を備えている。このような機能を具備することにより、別途の力率改善回路が不必要となるので、１コンバータ形式のスイッチング電源１を実現することが可能となる。

また、制御回路４０は、電流検出素子９０（例えばセンス抵抗）を用いて取得される電流センス信号（＝一次電流に応じた信号）を監視して一次電流が所定の上限値を超えないように双方向スイッチ７０をオン／オフさせる機能（＝定電流制御機能）を備えている。このような機能を具備することにより、一次回路系に過大な一次電流が流れないので、スイッチング電源１の安全性を高めることが可能となる。

また、電流検出素子９０を用いた電流帰還制御により、力率改善や過電流保護のほか、高調波電流の制御を行うことも可能となる。

また、制御回路４０は、双方向スイッチ７０の両端間電圧（延いてはコンデンサ６４の両端間電圧）を監視し、その電圧値が０Ｖとなるタイミングを見計らって双方向スイッチ２０をオンさせる機能（＝ＺＶＳ［zero-volt switching］機能）を備えている。このような機能を具備することにより、双方向スイッチ７０のスイッチング損失を低減することができるので、スイッチング電源１の変換効率を高めることが可能となる。

若しくは、制御回路４０は、スイッチ素子７１及び７２を個別にゼロ電圧スイッチング制御する機能（＝個別ＺＶＳ機能）を備えていてもよい。このような機能を具備することにより、双方向スイッチ７０のスイッチング損失をさらに低減することができるので、双方向スイッチ７０の発熱を抑えるとともに、より一層スイッチング電源１の変換効率を高めることが可能となる。

上記構成から成るスイッチング電源１の基本動作について説明する。制御回路４０により双方向スイッチ７０（＝スイッチ素子７１及び７２双方）がオンされると、トランス１０の一次巻線Ｌ１に一次電流が流れてエネルギーが蓄積される。そして、トランス１０に所定のエネルギーが蓄積されると、双方向スイッチ７０がオフされる。

例えば、一次巻線Ｌ１及び双方向スイッチ７０相互間の接続ノードに現れるスイッチ電圧Ｖｓｗが正電位である場合には、制御回路４０からドライバ８２を介してスイッチ素子７２がオフされる。このとき、トランス１０に蓄えられたエネルギーは、スイッチ素子７２の内在容量７６、ダイオードＤ１及びＤ２それぞれの内在容量（不図示）、並びに、コンデンサ６４及び６５の充電に供される。また、このとき、二次巻線Ｌ２から出力されるエネルギーは、ダイオードＤ１により整流されてコンデンサＣ１に蓄積され、さらには、バランスコイルＬ５の中点タップを介してコンデンサ６３に出力される。

一方、上記のスイッチ電圧Ｖｓｗが負電位である場合には、制御回路４０からドライバ８１を介してスイッチ素子７１がオフされる。このとき、トランス１０に蓄えられたエネルギーは、スイッチ素子７１の内在容量７５、ダイオードＤ１及びＤ２それぞれの内在容量（不図示）、並びに、コンデンサ６４及び６５の充電に供される。また、このとき、二次巻線Ｌ２から出力されるエネルギーは、ダイオードＤ２により整流されてコンデンサＣ２に蓄積され、さらには、バランスコイルＬ５の中点タップを介してコンデンサ６３に出力される。

なお、コンデンサＣ１及びＣ２は、インダクタンス部３３（＝補助巻線Ｌ３及びバランスコイルＬ５）を介して接続されているが、先にも述べたように、二次巻線Ｌ２及び補助巻線Ｌ３それぞれの誘起電圧が互いに等しくなるように設計されているので、インダクタンス部３３に短絡電流が流れることはない。

その後、トランス１０のエネルギーがコンデンサ６３に全て放電されると、双方向スイッチ７０が適切なタイミングで再びオンされて、上記一連の動作が繰り返される。

このように、これまでに説明してきた整流回路３０は、双方向スイッチ７０を用いて一次巻線Ｌ１を駆動するスイッチング電源１にも適用することが可能である。

＜第８実施形態＞
図８は、スイッチング電源の第８実施形態を示す図である。第８実施形態のスイッチング電源１は、第７実施形態（図７）を基本としつつ、一次巻線Ｌ１の巻数を切り替える切替スイッチＳＷが追加されている。

切替スイッチＳＷは、共通ノードが入力電圧Ｖｉｎの印加端に接続されており、第１選択ノードが一次巻線Ｌ１の第１端に接続されており、第２選択ノードが一次巻線Ｌ１の中点タップに接続されている。従って、切替スイッチＳＷは、一次巻線Ｌ１の第１端と中点タップのいずれに入力電圧Ｖｉｎを印加するかを切り替えることができる。

例えば、比較的高い入力電圧Ｖｉｎ（例えばＶｉｎ＝ＡＣ２２０Ｖ）が入力されるアプリケーションでは、切替スイッチＳＷの共通ノードと第１選択ノードを導通するとよい。このとき、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２との巻線比は、ｎ１：ｎ２（ただし、ｎ１は一次巻線Ｌ１の第１端から第２端までの巻数、ｎ２は二次巻線Ｌ２の第１端から第２端までの巻数）となる。

一方、比較的低い入力電圧Ｖｉｎ（例えばＶｉｎ＝ＡＣ１００Ｖ）が入力されるアプリケーションでは、切替スイッチＳＷの共通ノードと第２選択ノードを導通するとよい。このとき、一次巻線Ｌ１と二次巻線Ｌ２との巻線比は、ｎ１’：ｎ２（ただし、ｎ１’は一次巻線Ｌ１の中点タップから第２端までの巻数であり、ｎ１＞ｎ１’）となる。

このように、入力電圧Ｖｉｎに応じて一次巻線Ｌ１の巻数を切り替えることにより、入力電圧Ｖｉｎが変動しても、双方向スイッチ７０のオン時間（ないしはスイッチング周波数）が変化しにくくなる。

従って、様々な入力電圧Ｖｉｎへの対応（いわゆるマルチ電源対応）に際して、制御回路４０（＝コントローラＩＣ）の共通化やトランス１０及び周辺部品の小型化を図ることができるので、使い勝手の良いユニバーサル仕様のスイッチング電源１を安価に提供することが可能となる。

また、本実施形態のスイッチング電源１であれば、入力電圧Ｖｉｎが高いほど一次巻線Ｌ１の巻数を増やしてインダクタンスＬを上げることができる。従って、入力電圧Ｖｉｎが高いほど双方向スイッチ７０の両端間電圧に現れる共振波形のＱ値［quality factor］（＝√（Ｌ／Ｃ））が高まるので、ＺＶＳ動作が容易となる。

なお、切替スイッチＳＷとしては、手動スイッチを用いてもよいし、リレーなどの電動スイッチを用いてもよい。前者を採用する場合には、トランス１０自体に切替スイッチＳＷを包含したもの（＝タップ切替器付きトランス）を用いることが望ましい。一方、後者を採用する場合には、入力電圧Ｖｉｎを検出して切替スイッチＳＷを自動的に切り替える構成にすることが望ましい。

＜第９実施形態＞
図９は、スイッチング電源の第９実施形態を示す図である。第９実施形態のスイッチング電源１は、第１実施形態（図１）を基本としつつ、インダクタンス部３３の構成に変更が加えられている。

より具体的に述べると、インダクタンス部２２は、補助巻線Ｌ３に代えて、トランス１０の一次巻線Ｌ１と磁気結合されていない接続コイルＬ６を含む。接続コイルＬ６の第１端は、第１整流部３１（＝ダイオードＤ１及びコンデンサＣ１相互間の接続ノード）に接続されている。接続コイルＬ６の第２端は、第２整流部３２（＝ダイオードＤ２及びコンデンサＣ２相互間の接続ノード）に接続されている。

接続コイルＬ６を介して接続されたコンデンサＣ１及びＣ２は、いずれも同電位に充電される。従って、基本的には接続コイルＬ６に短絡パルス電流が流れることはない。このように、インダクタンス部３３と一次巻線Ｌ１との磁気結合は、必須ではない。

＜第１０実施形態＞
図１０は、スイッチング電源の第１０実施形態を示す図である。第１０実施形態のスイッチング電源１は、一次回路系と二次回路系との間を電気的に絶縁しつつ、直流電源Ｅ１から供給される入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換して負荷Ｚに供給する絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであり、トランス１０と、ハーフブリッジ駆動回路２１及び２２と、整流回路３０と、制御回路４０と、コンデンサ６１、６６及び６７と、を有する。

トランス１０は、一次回路系に設けられた一次巻線Ｌ１と、二次回路系に設けられて一次巻線Ｌ１に磁気結合された二次巻線Ｌ２と、を含む。なお、一次巻線Ｌ１の第１端は、コンデンサ６６を介してハーフブリッジ駆動回路２１の出力端に接続されている。一方、一次巻線Ｌ１の第２端は、ハーフブリッジ駆動回路２２の出力端に接続されている。

ハーフブリッジ駆動回路２１及び２２は、それぞれ、直流電源Ｅ１の正極端（＝入力電圧Ｖｉｎの印加端）と負極端（＝一次回路系のグラウンド）との間に直列接続された上側スイッチ及び下側スイッチ（いずれも不図示）を含み、制御回路４０からの指示に応じてトランス１０の一次巻線Ｌ１をスイッチング駆動する。なお、ハーフブリッジ駆動回路２１及び２２を合わせて、一つのフルブリッジ駆動回路として理解することもできる。

整流回路３０は、ダイオード３６及び３７と、バランスコイル３８と、整流コイル３９と、を含み、トランス１０の二次巻線Ｌ２に生じる誘起電圧を全波整流することにより、出力電圧Ｖｏｕｔを生成する。

ダイオード３６のカソードは、二次巻線Ｌ２の第１端（＝巻始端）に接続されている。ダイオード３７のカソードは、二次巻線Ｌ２の第２端（＝巻終端）に接続されている。ダイオード３６及び３７それぞれのアノードは、いずれも二次回路系のグラウンド（＝負荷Ｚの低電位端）に接続されている。このように接続されたダイオード３６及び３７は、二次巻線Ｌ２の両端間に逆向きで直列接続された一対の整流素子に相当する。

バランスコイル３８は、上記一対の整流素子に並列接続されている。より具体的に述べると、バランスコイル３８の第１端（＝巻始端）は、ダイオード３６のカソードに接続されている。バランスコイル３８の第２端（＝巻終端）は、ダイオード３７のカソードに接続されている。

整流コイル３９の第１端は、バランスコイル３８の中点タップに接続されている。整流コイル３９の第２端は、出力電圧Ｖｏｕｔの出力端に接続されている。

制御回路４０は、例えば、出力電圧Ｖｏｕｔが所望の目標値と一致するようにハーフブリッジ駆動回路２１及び２２を制御する機能（＝出力帰還制御機能）を備えている。このような機能を具備することにより、負荷Ｚに対して一定の出力電圧Ｖｏｕｔを安定供給することが可能となる。なお、出力帰還制御方式については、既存のパルス幅変調方式、周波数変調方式、位相変調方式などを適用すればよい。

コンデンサ６１は、直流電源Ｅ１に並列接続されており、入力電圧Ｖｉｎのノイズ成分を除去する入力フィルタコンデンサとして機能する。

コンデンサ６６は、ハーフブリッジ駆動回路２１の出力端と一次巻線Ｌ１の第１端との間に接続されており、共振コンデンサとして機能する。ハーフブリッジ駆動回路２１及び２２それぞれの動作周波数に対してコンデンサ６６の容量値が大きい場合には、単にコンデンサと呼ばれることもある。

コンデンサ６７は、負荷Ｚに並列接続されており、出力電圧Ｖｏｕｔを平滑する出力コンデンサとして機能する。

なお、本図では明示されていないが、スイッチング電源１は、起動時にコンデンサ６７を予備充電する起動回路を有するとよい。

次に、スイッチング電源１の動作について説明する。直流電源Ｅ１が投入されると、コンデンサ６１及びハーフブリッジ駆動回路２１及び２２に入力電圧Ｖｉｎが印加される。ハーフブリッジ駆動回路２１及び２２を用いてトランス１０の一次巻線Ｌ１にパルス電圧が印加されると、二次巻線Ｌ２にもパルス状の誘起電圧が生成される。

例えば、二次巻線Ｌ２に正極性の誘起電圧が生じると、ダイオード３７、バランスコイル３８、及び、整流コイル３９を介してコンデンサ６７に電荷が蓄積される。一方、二次巻線Ｌ２の負極性の誘起電圧が生じると、ダイオード３６、バランスコイル３８、及び、整流コイル３９を介してコンデンサ６７に電荷が蓄積される。

上記一連の動作を繰り返すことにより、整流回路３０では、二次巻線Ｌ２に生じるパルス状の誘起電圧を全波整流（双方向整流）することができる。

なお、本図では、一次回路系をフルブリッジ構成としたが、一次回路系をハーフブリッジ構成（第１実施形態など）としても構わない。また、トランスの漏れインダクタンスや共振コイルを追加することにより、共振電源回路として動作することも任意である。

＜第１１実施形態＞
図１１は、スイッチング電源の第１１実施形態を示す図である。第１１実施形態のスイッチング電源１は、第１０実施形態（図１０）を基本としつつ、直流電源Ｅ１に代えて交流電源Ｅ２が接続されている。

すなわち、スイッチング電源１は、一次回路系と二次回路系との間を電気的に絶縁しつつ、交流電源Ｅ２から供給される入力電圧Ｖｉｎを出力電圧Ｖｏｕｔに変換して負荷Ｚに供給する絶縁型のＡＣ／ＤＣコンバータとされている。

このように、スイッチング電源１を交流電源Ｅ２でも動作するためには、ハーフブリッジ駆動回路２１及び２２をそれぞれ正負双方向の入力電圧Ｖｉｎに対応させればよい。

また、ハーフブリッジ駆動回路２１及び２２と交流電源Ｅ２との間には、電流検出素子９１が設けられている。従って、制御回路４０は、電流検出素子９１を用いた電流帰還制御により、力率改善や過電流保護のほか、高調波電流の制御を行うことも可能となる。

＜第１２実施形態＞
図１２は、スイッチング電源の第１２実施形態を示す図である。第１２実施形態のスイッチング電源１は、第１０実施形態（図１０）を基本としつつ、コンデンサ６８が追加されている。コンデンサ６８は、二次巻線Ｌ２とバランスコイル３８で形成される閉回路上（例えば二次巻線Ｌ２の第２端とバランスコイル３８の第２端との間）に設けるとよい。このような構成であれば、コンデンサ３８を用いて上記の閉回路を直流的に遮断することができるので、上記の閉回路に直流電流が流れてしまうのを防止することが可能となる。

＜第１３実施形態＞
図１３は、スイッチング電源の第１３実施形態を示す図である。第１３実施形態のスイッチング電源１は、第８実施形態（図８）の一次回路系と、第２実施形態（図２）の二次回路系を組み合わせた上で、接続コイルＬ４の接続位置が変更されている。

より具体的に述べると、接続コイルＬ４は、第２整流部３２（＝ダイオードＤ２及びコンデンサＣ２相互間の接続ノード）と補助巻線Ｌ３の第２端との間ではなく、第１整流部３１（＝ダイオードＤ１及びコンデンサＣ１相互間の接続ノード）と補助巻線Ｌ３の第１端との間に接続されている。

本実施形態によれば、二次巻線Ｌ２及び補助巻線Ｌ３それぞれに生じる誘起電圧が異なっていても、その電圧差に起因する短絡パルス電流を制限して、トランス１０の発熱を抑制することが可能となる。この点については、先の第２実施形態（図２）と同様である。

なお、交流印加時の基本回路を考える上で、一次回路系の切替スイッチＳＷと二次回路系の接続コイルＬ４は、いずれも省略することができる。これを鑑みると、第７実施形態（図７）の一次回路系と、第１実施形態（図２）の二次回路系を組み合わせたものが最もシンプルであり、この組み合わせを交流印加時の基本回路として理解することができる。

＜第１４実施形態＞
図１４は、スイッチング電源の第１４実施形態を示す図である。第１４実施形態のスイッチング電源１は、第８実施形態（図８）を基本としつつ、バランスコイルＬ５の接続位置が変更されている。

より具体的に述べると、バランスコイルＬ５は、第２整流部３２（＝ダイオードＤ２及びコンデンサＣ２相互間の接続ノード）と補助巻線Ｌ３の第２端との間ではなく、第１整流部３１（＝ダイオードＤ１及びコンデンサＣ１相互間の接続ノード）と補助巻線Ｌ３の第１端との間に接続されている。以下、その技術的意義について説明する。

まず、仮にバランスコイルＬ５が第２整流部３２と補助巻線Ｌ３の第２端との間に接続されている場合（＝第８実施形態（図８）に相当）を考える。この場合、バランスコイルＬ５の第１端（＝第２整流部３２に接続される端子）は、電位が大きく揺れ動く。なぜなら、ダイオードＤ２とコンデンサＣ２相互間の接続ノードは、コンデンサ６３（＝出力平滑コンデンサ）に接続されていないので、電位が大きく揺れ動くからである。一方、バランスコイルＬ５の中点タップは、コンデンサ６３に接続されているので、電位の揺れが比較的小さい。従って、バランスコイルＬ５の第２端（＝補助巻線Ｌ３の第２端に接続される端子）は、バランスコイルＬ５の第１端と同じく、電位が大きく揺れ動くことになる。

このように、バランスコイルＬ５が第２整流部３２と補助巻線Ｌ３の第２端との間に接続されている場合には、バランスコイルＬ５の第１端及び第２端それぞれの電位が大きく揺れ動くので、バランスコイルＬ５が飽和しないように、インダクタンスの大きいコイルを使用しなければならなくなる。

次に、バランスコイルＬ５が第１整流部３１と補助巻線Ｌ３の第１端との間に接続されている場合（＝第１３実施形態（図１３）に相当）を考える。この場合、バランスコイルＬ５の第１端（＝第１整流部３２に接続される端子）は、電位の揺れが比較的小さい。なぜなら、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１相互間の接続ノードに現れる電位は、高周波的に見ると、コンデンサＣ１を通して二次巻線Ｌ２の第２端に現れる電位と等しいところ、二次巻線Ｌ２の第２端は、コンデンサ６３（＝出力平滑コンデンサ）に接続されているので、電位の揺れが比較的小さいからである。また、バランスコイルＬ５の中点タップも、コンデンサ６３に接続されているので、電位の揺れが比較的小さい。従って、バランスコイルＬ５の第２端（＝補助巻線Ｌ３の第１端に接続される端子）は、バランスコイルＬ５の第１端と同じく、電位の揺れが比較的小さいものとなる。

このように、バランスコイルＬ５が第１整流部３１と補助巻線Ｌ３の第１端との間に接続されている場合には、バランスコイルＬ５の第１端及び第２端それぞれの電位の揺れが比較的小さいので、バランスコイルＬ５の飽和を考慮する必要がなく、インダクタンスの小さいコイルを使用することが可能となる。

＜その他の変形例＞
なお、本明細書中に開示されている種々の技術的特徴は、上記実施形態のほか、その技術的創作の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能である。すなわち、上記実施形態は、全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り、本発明の技術的範囲は、上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内に属する全ての変更が含まれると理解されるべきである。

本明細書中に開示されている整流回路は、例えば、絶縁型のスイッチング電源に用いられる二次側整流手段として利用することが可能である。

１ スイッチング電源
１０ トランス
２０、２１、２２ ハーフブリッジ駆動回路
３０ 整流回路
３１ 第１整流部
３２ 第２整流部
３３ インダクタンス部
３４、３５ コンデンサ
３６、３７ ダイオード
３８ バランスコイル
３９ 整流コイル
４０ 制御回路
５０ コイル
６１、６２、６３、６４、６５、６６、６７、６８ コンデンサ
７０ 双方向スイッチ
７１、７２ スイッチ素子
７３、７４ 内在ダイオード
７５、７６ 内在容量
８１、８２ ドライバ
９０、９１ 電流検出素子
Ｃ１、Ｃ２ コンデンサ
Ｄ１、Ｄ２ ダイオード
Ｅ１ 直流電源
Ｅ２ 交流電源
Ｌ１ 一次巻線
Ｌ２ 二次巻線
Ｌ３ 補助巻線
Ｌ４ 接続コイル
Ｌ５ バランスコイル
Ｌ６ 接続コイル
ＳＷ 切替スイッチ
Ｚ 負荷

Claims (13)

1. トランスの二次巻線に生じる正極性の誘起電圧を整流する第１整流部と、
   前記二次巻線に生じる負極性の誘起電圧を整流する第２整流部と、
   前記第１整流部と前記第２整流部との間に接続されたインダクタンス部と、
   を有することを特徴とする整流回路。
2. 前記インダクタンス部は、前記トランスの一次巻線と結合された補助巻線を含むことを特徴とする請求項１に記載の整流回路。
3. 前記一次巻線と前記補助巻線との結合度は、前記一次巻線と前記二次巻線との結合度よりも小さいことを特徴とする請求項２に記載の整流回路。
4. 前記インダクタンス部は、前記補助巻線に流れる短絡電流を制限する接続コイルをさらに含むことを特徴とする請求項２または３に記載の整流回路。
5. 前記接続コイルは、中点タップが出力電圧の出力端に接続されたバランスコイルであることを特徴とする請求項４に記載の整流回路。
6. 前記インダクタンス部は、前記トランスの一次巻線と結合されていない接続コイルを含むことを特徴とする請求項１に記載の整流回路。
7. 前記第１整流部は、第１端が前記二次巻線の第１端に接続されて第２端が前記インダクタンス部の第１端に接続された第１整流素子と、第１端が前記インダクタンス部の第１端に接続されて第２端が前記二次巻線の第２端に接続された第１コンデンサと、を含み、前記第２整流部は、第１端が前記二次巻線の第２端に接続されて第２端が前記インダクタンス部の第２端に接続された第２整流素子と、第１端が前記インダクタンス部の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第１端に接続された第２コンデンサと、を含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の整流回路。
8. 前記二次巻線と前記第１整流部及び前記第２整流部との間に直列接続された第３コンデンサをさらに有することを特徴とする請求項７に記載の整流回路。
9. 前記第１整流部は、第１端が前記二次巻線の第１端に接続された第１整流素子と、第１端が前記第１整流素子の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第２端に接続された第１コンデンサと、を含み、
   前記第２整流部は、第１端が前記二次巻線の第２端に接続された第２整流素子と、第１端が前記第２整流素子の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第１端に接続された第２コンデンサと、を含み、
   前記接続コイルの第１端は、前記第１整流素子の第２端及び前記第１コンデンサの第１端に接続されており、前記接続コイルの第２端は、前記補助巻線の第１端に接続されており、前記補助巻線の第２端は、前記第２整流素子の第２端及び前記第２コンデンサの第１端に接続されていることを特徴とする請求項４に記載の整流回路。
10. 前記第１整流部は、第１端が前記二次巻線の第１端に接続された第１整流素子と、第１端が前記第１整流素子の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第２端に接続された第１コンデンサと、を含み、
    前記第２整流部は、第１端が前記二次巻線の第２端に接続された第２整流素子と、第１端が前記第２整流素子の第２端に接続されて第２端が前記二次巻線の第１端に接続された第２コンデンサと、を含み、
    前記バランスコイルの第１端は、前記第１整流素子の第２端及び前記第１コンデンサの第１端に接続されており、前記バランスコイルの第２端は、前記補助巻線の第１端に接続されており、前記補助巻線の第２端は、前記第２整流素子の第２端及び前記第２コンデンサの第１端に接続されており、前記バランスコイルの前記中点タップは、出力平滑コンデンサの第１端と共に前記出力電圧の出力端に接続されており、前記二次巻線の第２端は、前記出力平滑コンデンサの第２端に接続されていることを特徴とする請求項５に記載の整流回路。
11. トランスの二次巻線の両端間に逆向きで直列接続された一対の整流素子と、
    前記一対の整流素子に並列接続されたバランスコイルと、
    前記バランスコイルの中点タップに接続された整流コイルと、
    を有することを特徴とする整流回路。
12. 前記二次巻線と前記バランスコイルで形成される閉回路を直流的に遮断するコンデンサをさらに有することを特徴とする請求項１１に記載の整流回路。
13. トランスと、
    前記トランスの一次巻線をスイッチング駆動する駆動回路と、
    前記トランスの二次巻線に接続される請求項１〜１２のいずれかに記載の整流回路と、
    を有することを特徴とするスイッチング電源。

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