JP4335871B2 - スイッチング電源装置及びサージ吸収回路 - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源装置及びサージ吸収回路に関し、特に、スイッチング電源装置が備えるトランスの２次側に設けられた整流器で発生するサージを抑制するための技術に関する。

図３に、従来のスイッチング電源装置の構成を示す。同図に示すスイッチング電源装置は、入力コンデンサＣｉｎ、スイッチＳ１〜Ｓ４、トランスＴ、ダイオードＤ２１，Ｄ２２、出力巻線Ｌ２３、出力コンデンサＣｏｕｔを備えて構成される。
このスイッチング電源装置によれば、入力端子ＴＩＮ１と入力端子ＴＩＮ２との間に印加された所定電圧（Ｖｉｎ）の直流入力電力が、スイッチＳ１〜Ｓ４からなるフルブリッジ回路のスイッチング動作により交流電力に一旦変換されてトランスＴの１次巻線Ｌ１に供給される。

トランスＴの１次巻線Ｌ１に供給された交流電力により、その２次巻線Ｌ２１，Ｌ２２には所望電圧の交流電力が誘起される。この誘起された交流電力は、主ダイオードＤ２１，Ｄ２２により再び直流電力に変換された後、出力巻線Ｌ２３及び出力端子ＴＯＵＴ１を介して所望電圧（Ｖｏｕｔ）の直流電力となって外部に出力される。

ところで、上述のスイッチング電源装置によれば、２次巻線Ｌ２１，Ｌ２２を流れる電流の向きが切り替わる際に、トランスＴの１次側と２次側との間の漏れ磁束等に起因して、主ダイオードＤ２１，Ｄ２２のカソード側に、図４に示すようなサージが発生する。

一般には、このサージは、主ダイオードＤ２１，Ｄ２２に対してＣＲスナバ回路を併設することにより、ある程度は改善できる。しかし、ＣＲスナバ回路は、抵抗素子で電力消費することによりサージを吸収することを基本原理としているため、本来的に電力損失を伴い、電源効率低下の原因となる。特に、２次側の主ダイオードの個数が増えると、それらに併設されるＣＲスナバ回路の数も増えるため、電力損失が一層増加する。

このようなＣＲスナバ回路の問題を解決する技術として、サージエネルギーを一旦コイルに蓄えて出力側に放出する無損失スナバ回路が提案されている（特許文献１参照）。
特開平０９−２２４３７４号公報

しかしながら、上述の従来技術に係る無損失スナバ回路によれば、部品点数が多く、サージを出力側に放出するまでの電流経路上に多数の素子が介在するため、各素子での電力損失が顕在化し、電源効率の改善には限界があるという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、少ない部品点数で構成することができ、電源効率を有効に改善することができるスイッチング電源装置及びサージ吸収回路を提供することを目的とする。

本発明に係るスイッチング電源装置は、直流入力電力をスイッチング動作により交流電力に変換するスイッチング回路（Ｓ１〜Ｓ４）と、前記交流電力が供給された１次巻線を有するトランス（Ｔ）と、前記トランスの２次巻線に誘起される交流電力を直流電力に整流する第１整流器（Ｄ２１，Ｄ２２）と、前記第１整流器のカソードに接続されたアノードを有する第２整流器（Ｄ３１，Ｄ３２）と、前記第２整流器のカソードと所定電位ノードとの間に接続され、所定負荷の補助電源として機能するコンデンサ（Ｃ）とを備え、前記トランスの２次巻線の一端が前記第１整流器のカソード及び前記第２整流器のアノードに接続されていることを特徴とする。
ここで、前記スイッチング回路は、例えば、フルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路、一石フォワード回路、ＲＣＣ回路の何れかであることを特徴とする。
また、前記第１整流器に代えてトランジスタ（スイッチ）を備え、該トランジスタにより前記トランスの２次巻線に誘起される交流電力を同期整流するように構成してもよい。

本発明の上記構成によれば、第１整流器のカソードに発生するサージは、第２整流器を介してコンデンサに供給され、このコンデンサを充電する。コンデンサは負荷に動作電力を供給する。従って、少ない部品点数で構成することができ、電源効率を有効に改善することが可能になる。また、第１整流器をトランジスタに代えた構成によれば、同期整流の際にトランジスタに発生するサージがコンデンサ（Ｃ）に吸収され、従って同様に電源効率を改善することができる。

本発明に係るサージ吸収回路は、スイッチング電源装置が備えるトランスの２次巻線に誘起された交流電力を整流するための主整流器に発生するサージを吸収するためのサージ吸収回路であって、前記主整流器のカソードに接続されたアノードを有する整流器（Ｄ３１，Ｄ３２）と、前記整流器のカソードと所定電位ノードとの間に接続され、所定負荷（Ｆ）の補助電源として機能するコンデンサ（Ｃ）とを備え、前記トランスの２次巻線の一端が前記主整流器のカソード及び前記整流器のアノードに接続されていることを特徴とする。
この構成によれば、スイッチング電源装置の主整流器のカソードに発生するサージが、本サージ吸収回路が備える整流器を介してコンデンサに供給され、このコンデンサを充電する。コンデンサは負荷に動作電力を供給する。

本発明によれば、簡単な構成で、電力損失を極めて小さく抑えながら、サージを有効に抑制することができる。従って、電源効率を有効に改善することが可能になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。
先ず、図１を参照して、本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置が備えるサージ吸収回路の原理を説明する。
図１において、２次巻線Ｌ２は、前述の図３に示すトランスＴの２次巻線Ｌ２１，Ｌ２２に相当する。ダイオードＤ２は、前述の図３に示す２次側に設けられた主ダイオードＤ２１，Ｄ２２に相当する。ダイオードＤ３およびコンデンサＣは、本発明に係るサージ吸収回路を構成する。所定負荷Ｆは、コンデンサＣを補助電源として動作する任意の装置であり、その内容は特に限定されない。

図１において、ダイオードＤ２のカソード側に、前述の図４に示すようなサージが発生すると、このサージはダイオードＤ３を介してコンデンサＣに供給され、このコンデンサＣを充電する。換言すると、サージの電力はコンデンサＣに蓄積される。このコンデンサＣに蓄積された電力は負荷Ｆの補助電源として供給される。従って、ダイオードＤ２で発生したサージは最終的に負荷Ｆの動作電力として有効利用され、電源効率が改善される。

図２に、上述の図１に示すサージ吸収回路が適用されたスイッチング電源装置の構成例を示す。同図において、前述の図３に示す要素と共通する要素には同一符号を付す。
図２に示すスイッチング電源装置は、図１に示す構成と比較して、ダイオードＤ３１，３２、電解コンデンサＣ、負荷Ｆを更に備えている。このうち、ダイオードＤ３１，Ｄ３２及び電解コンデンサＣは、このスイッチング電源装置のサージ吸収回路を構成する。

ここで、構成を更に詳細に説明すると、入力端子ＴＩＮ１と入力端子ＴＩＮ２との間には、入力コンデンサＣｉｎが接続されると共に、スイッチＳ１及びスイッチＳ２がこの順に直列接続され、且つ、スイッチＳ３及びスイッチＳ４がこの順に直列接続される。スイッチＳ１とスイッチＳ２との間の接続点には、トランスＴの１次巻線Ｌ１の一端が接続され、スイッチＳ３とスイッチＳ４との間の接続点には、上記１次巻線Ｌ１の他端が接続される。

トランスＴの２次巻線Ｌ２１の一端は、２次巻線Ｌ２２の一端と共に出力巻線Ｌ２３を介して出力端子ＴＯＵＴ１に接続される。２次巻線Ｌ２１の他端は、主ダイオードＤ２１のカソードに接続され、２次巻線Ｌ２２の他端は、主ダイオードＤ２２のカソードに接続される。これら主ダイオードＤ２１，Ｄ２２の各アノードは、出力端子ＴＯＵＴ２を介してグランド（所定電位ノード）に接地される。出力端子ＴＯＵＴ１と出力端子ＴＯＵＴ２との間には、出力コンデンサＣｏｕｔが接続される。

ダイオードＤ３１のアノードは上記ダイオードＤ２１のカソードに接続され、ダイオードＤ３２のアノードは上記ダイオードＤ２２のカソードに接続される。また、ダイオードＤ３１，Ｄ３２の各カソードは出力端子ＴＯＵＴ３に共通接続されると共に、これらダイオードＤ３１，Ｄ３２の各カソード（即ち出力端子ＴＯＵＴ３）とグランド（所定電位ノード）との間には電解コンデンサＣが接続される。

次に、本実施形態に係るスイッチング電源装置の動作を説明する。
スイッチＳ１〜Ｓ４からなるフルブリッジ回路が所定のスイッチング動作（周知のスイッチング動作）を実施することにより、入力端子ＴＩＮ１を介して供給された直流入力電力が交流電力に変換され、トランスＴの１次巻線Ｌ１に供給される。これにより１次巻線Ｌ１には交番電流が発生し、トランスＴの２次巻線Ｌ２１，Ｌ２２には、互いに逆位相の交流電力がそれぞれ誘起される。この２次側に誘起された交流電流は主ダイオードＤ２１，Ｄ２２によって整流された後、出力巻線Ｌ２３及び出力端子ＴＯＵＴ１を介して外部に出力される。

ここで、１次巻線Ｌ１を流れる交番電流の向きが切り替わり、２次巻線Ｌ２１，Ｌ２２を流れる各電流の向きが切り替わる際に、主ダイオードＤ２１，Ｄ２２のうち、順バイアス状態から逆バイアス状態に移行したダイオードのカソード側にサージが発生する。例えば、主ダイオードＤ２１のカソード側にサージが発生すると、このサージはダイオードＤ３１を介して電解コンデンサＣに供給され、この電解コンデンサＣを充電する。同様に、主ダイオードＤ２２のカソード側にサージが発生すると、このサージはダイオードＤ３２を介して電解コンデンサＣに供給され、この電解コンデンサＣを充電する。

これにより、主ダイオードＤ２１，Ｄ２２で発生した各サージの電力が電解コンデンサＣに蓄積される。電解コンデンサＣに蓄積された電力は、出力端子ＴＯＵＴ３を介して負荷Ｆに供給される。即ち、電解コンデンサＣは負荷Ｆの補助電源として機能する。
なお、負荷Ｆには主電源も供給されるが、電解コンデンサＣを補助電源とすることにより、主電源の不足分が電解コンデンサＣから適宜補充される。

本実施形態によれば、主ダイオードＤ２１，Ｄ２２のカソード側に発生した各サージは、即座にダイオードＤ３１，Ｄ３２を介して電解コンデンサＣの充電に費やされるので、実質的に主ダイオードＤ２１，Ｄ２２の各カソード側にサージが顕在化しない。また、主ダイオードＤ２１，Ｄ２２のカソード側に発生した各サージは、電解コンデンサＣに供給されるまでに１段のダイオードＤ３１，Ｄ３２を通過するのみである。従って、サージが通過する経路上に介在する素子数が少なく、この素子を通過する過程で発生する損失を最小限に抑えることができる。更に、電解コンデンサＣに蓄積されたサージの電力は、負荷Ｆの動作電力として有効利用される。従って、全体として電力損失を有効に抑制し、電源効率を有効に改善することが可能になる。

以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形可能である。
例えば、上述の実施形態では、トランスＴの１次側のスイッチング回路をフルブリッジ回路として構成したが、これに限定されず、ハーフブリッジ回路、一石フォワード回路、ＲＣＣ回路など、１次側のスイッチング回路の形式は問わない。
また、上述の実施形態では、２次側に主ダイオードＤ２１，Ｄ２２を設け、これら主ダイオードにより整流するものとしたが、これら主ダイオードに代えてトランジスタ等のスイッチ手段を設け、これにより、いわゆる同期整流を行うものとしてもよい。この場合、同期整流の際にトランジスタに発生するサージがダイオードＤ３１，Ｄ３２を介して電解コンデンサＣに吸収されるので、同様に電源効率を改善することが可能になる。
また、電解コンデンサＣに代えて、他の形式のコンデンサを採用してもよい。

本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置が備えるサージ吸収回路の原理を説明するための図である。 本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の構成例を示す回路図である。 従来技術に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。 従来技術に係るスイッチング電源装置の問題点を説明するための図である。

符号の説明

Ｃｉｎ 入力コンデンサ
Ｃｏｕｔ 出力コンデンサ
Ｃ コンデンサ
Ｄ２１，Ｄ２２ 主ダイオード
Ｄ３１，Ｄ３２ ダイオード
Ｆ 負荷
Ｌ１ １次巻線
Ｌ２１，Ｌ２２ ２次巻線
Ｌ２３ 出力巻線
Ｓ１〜Ｓ４ スイッチ
ＴＩＮ１，ＴＩＮ２ 入力端子
ＴＯＵＴ１，ＴＯＵＴ２ 出力端子

Claims (4)

1. 直流入力電力をスイッチング動作により交流電力に変換するスイッチング回路と、
   前記交流電力が供給された１次巻線を有するトランスと、
   前記トランスの２次巻線に誘起される交流電力を直流電力に整流する第１整流器と、
   前記第１整流器のカソードに接続されたアノードを有する第２整流器と、
   前記第２整流器のカソードとグランドとの間に接続され、所定負荷の補助電源として機能するコンデンサとを備え、
   前記トランスの２次巻線の一端が前記第１整流器のカソード及び前記第２整流器のアノードに接続されていることを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記スイッチング回路は、フルブリッジ回路、ハーフブリッジ回路、一石フォワード回路、ＲＣＣ回路の何れかであることを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
3. 前記第１整流器に代えてトランジスタを備え、該トランジスタにより前記トランスの２次巻線に誘起される交流電力を同期整流するように構成されたことを特徴とする請求項１または２の何れか１項記載のスイッチング電源装置。
4. スイッチング電源装置が備えるトランスの２次巻線に誘起された交流電力を整流するための主整流器に発生するサージを吸収するためのサージ吸収回路であって、
   前記主整流器のカソードに接続されたアノードを有する整流器と、
   前記整流器のカソードとグランドとの間に接続され、所定負荷の補助電源として機能するコンデンサとを備え、
   前記トランスの２次巻線の一端が前記主整流器のカソード及び前記整流器のアノードに接続されていることを特徴とするサージ吸収回路。

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