JP4682482B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
この発明は、単相交流電圧をスイッチング手段に入力して高周波の交流電圧を作り出し、これを変圧器により絶縁し、更に整流して負荷に直流電力を供給するスイッチング電源回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
図5は、”High-Frequency isolation UPS with Novel SMR ” (IECON'93, pp.1258-1263, 1993)に記載された従来技術を示している。
図5において、ダイオードD1,D2を直列接続した第1の直列回路と、MOSFET Q1,Q2を直列接続した第2の直列回路と、MOSFET Q3,Q4を直列接続した第3の直列回路が互いに並列に接続されている。また、これらの直列回路に並列にスナバ回路SNが接続されている。
【0003】
ダイオードD1,D2の相互接続点にはリアクトルL1を介して一方の交流入力端子Uが接続され、MOSFET Q1,Q2の相互接続点にはセンタータップ付変圧器T1の一次巻線の一端が接続され、MOSFET Q3,Q4の相互接続点には変圧器T1の一次巻線の他端が接続される。また、変圧器T1の一次巻線のセンタータップには、他方の交流入力端子Vが接続される。
【0004】
変圧器T1の二次巻線には、ダイオードD3,D4を介してコンデンサC5の一端が接続され、変圧器T1の二次巻線のセンタータップにはコンデンサC5の他端が接続されている。
なお、P,NはコンデンサC5の両端に接続された直流出力端子である。
【0005】
この回路において、交流入力電圧が正の期間には、MOSFET Q1,Q3を同時にオンさせると変圧器T1は短絡状態(一次巻線P1,P2が短絡)となり、リアクトルL1の電流が増加する。この状態でMOSFET Q3をオフさせるとリアクトル電流はMOSFET Q1から変圧器T1の一次巻線P1を流れ、二次巻線S1とダイオードD3を介してコンデンサC5に電力を供給する。
【0006】
次に、MOSFET Q3をオンさせると、変圧器T1は再び短絡状態となり、リアクトルL1の電流が増加する。その後、MOSFET Q1をオフさせるとリアクトル電流はMOSFET Q3を流れて変圧器T1の一次巻線P2を逆励磁し、二次巻線S2とダイオードD4を介してコンデンサC5に電力を供給する。
【0007】
この動作を高周波で繰り返すことにより、交流入力電力は変圧器T1により絶縁変換され、ダイオードD3,D4及びコンデンサC5を介して直流電力として出力される。
交流入力電圧が負の場合には、MOSFET Q2,Q4をオン、オフさせることにより、同様に動作する。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来技術では、4個のMOSFET Q1〜Q4とリアクトルL1及びスナバ回路SNが必要であり、MOSFET Q1〜Q4を駆動する駆動回路も4個必要であるため装置が大形化し、高価格になるといった問題がある。
また、単相交流入力電圧は必ずゼロになる時点があるため、負荷に供給するエネルギーが断続して負荷のリプル電圧が大きくなり、これに対処するために負荷側のコンデンサC5の容量を大きくしなければならない。従って、装置が一層大形化し、高価格になるという問題があった。
【0009】
そこで本発明は、回路の部品点数を減少させると共に大容量の負荷側コンデンサを不要にして装置の小型軽量化、低価格化を可能にしたスイッチング電源回路を提供しようとするものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、請求項1に記載した発明は、単相交流電圧をスイッチング手段に入力して高周波交流電圧を作り出し、この交流電圧を変圧器及び整流回路により絶縁、整流して負荷に直流電力を供給するスイッチング電源回路を対象とするものであり、例えば図1に示すように、2個のダイオードD1,D2を直列接続した第1の直列回路と、2個のスイッチング素子(MOSFET)Q1,Q2を直列接続した第2の直列回路と、第1,第2のコンデンサC1,C2を直列接続した第3の直列回路と、スナバコンデンサCSとを互いに並列に接続すると共に、前記スイッチング素子Q1,Q2の一方または両方にゼロ電圧スイッチングを行わせるためのコンデンサC3,C4の一方または両方を並列に接続し、第1の直列回路の相互接続点に一方の交流入力端子Uを接続し、第2の直列回路の相互接続点にセンタータップ付き変圧器T1の一次巻線Pの一端を接続し、第3の直列回路の相互接続点に前記一次巻線Pの他端を接続し、前記センタータップに他方の交流入力端子Vをそれぞれ接続し、前記変圧器T1の二次巻線Sに整流回路を接続したものである。
【0011】
本発明では、例えばスイッチング素子Q1のオンにより一次巻線Pの漏れインダクタンスLK1へのエネルギーの蓄積、スナバコンデンサCSの蓄積エネルギーの放出を行い、スイッチング素子Q1のオフによりスナバコンデンサCSへのエネルギーの蓄積を行う。また、他方のスイッチング素子Q2のオンによりスナバコンデンサCSの蓄積エネルギーを放出する。
スイッチング素子Q2のオンによるエネルギーの放出動作は、交流入力電圧がゼロの場合にも可能であるため、出力電力を断続させずにリプル電圧を低減することができ、負荷側のコンデンサC5の容量を大きくする必要もなくなる。
【0012】
また、請求項2記載の発明は、請求項1記載の発明における、ゼロ電圧スイッチングを可能にするためのコンデンサC3,C4を省略したものである。
この発明によれば、請求項1の発明に比べて回路構成を一層簡略化することができる。
【0013】
更に、請求項3に記載した発明は、請求項1または請求項2に記載した発明において、一方のスイッチング素子のオン、オフのデューティ比を調節して交流入力電流を制御し、他方のスイッチング素子動作周波数を調節して出力電力を制御するものである。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
まず、図1は本発明の第1実施形態であり、請求項1,3に記載した発明の実施形態に相当するものである。なお、図5と同一の構成要素には同一の参照符号を付してある。
【0015】
図1において、ダイオードD1,D2を直列接続した第1の直列回路と、MOSFET Q1,Q2を直列接続した第2の直列回路と、第1,第2のコンデンサC1,C2を直列接続した第3の直列回路と、スナバコンデンサCSが互いに並列に接続されている。
また、MOSFET Q1,Q2には、第3,第4のコンデンサC3,C4がそれぞれ並列に接続されている。ここで、コンデンサC3,C4は何れか一方を省略することも可能である。
【0016】
ダイオードD1,D2の相互接続点には一方の交流入力端子Uが接続され、MOSFET Q1,Q2の相互接続点にはセンタータップ付変圧器T1の一次巻線Pの一端が接続され、コンデンサC1,C2の相互接続点には変圧器T1の一次巻線Pの他端が接続される。
また、前記一次巻線Pのセンタータップには、他方の交流入力端子Vが接続されている。
【0017】
更に、変圧器T1の二次巻線Sの両端にはダイオードD3,D4を介してコンデンサC5の一端が接続され、二次巻線SのセンタータップにはコンデンサC5の他端が接続されている。
なお、P1,P2はセンタータップにより分割された変圧器T1の一次巻線、同じくS1,S2はセンタータップにより分割された変圧器T1の二次巻線、LK1,LK2は変圧器T1の一次側の漏れインダクタンス、P,NはコンデンサC5の両端に接続された直流出力端子である。
【0018】
次に、この回路の動作を、図3及び図4を参照しつつ説明する。なお、図3はMOSFET Q1,Q2のオン、オフ時の電流経路を示す図、図4は各部の電圧、電流波形を示す図である。
【0019】
まず、交流入力電圧が正の期間にMOSFET Q1をオンすると、図3(a)に実線で示すように交流入力端子U→ダイオードD1→MOSFET Q1→変圧器T1の一次巻線P1→交流入力端子Vの経路で電流i1が流れ、変圧器T1の一次巻線の漏れインダクタンスLK1にエネルギーを蓄積する。
また、破線で示すようにコンデンサCS→MOSFET Q1→変圧器T1の一次巻線P1,P2→コンデンサC2の経路で電流i2が流れ、それまでに蓄積されていたコンデンサCSのエネルギーを、変圧器T1を介して二次側に放出する。
【0020】
次に、MOSFET Q1をオフすると、図3(b)に実線で示すように、交流入力端子U→ダイオードD1→コンデンサCS→コンデンサC4→変圧器T1の一次巻線P1→交流入力端子Vの経路で電流i3が流れ、コンデンサCSにエネルギーが蓄積され、更にコンデンサC4を放電する。
また、コンデンサCS→コンデンサC3→変圧器T1の一次巻線P1,P2→コンデンサC2の経路で電流i4が流れ、コンデンサC3が充電される。
この間、MOSFET Q1をオフする際にはコンデンサC3の両端電圧はゼロであり、ゼロ電圧スイッチングによるスイッチング損失の低減が可能になる。
【0021】
次にMOSFET Q2をオンすると、図3(c)に示すようにコンデンサCS→コンデンサC1→変圧器T1の一次巻線P2,P1→MOSFET Q2→コンデンサCSの経路で電流i5が流れ、コンデンサCSのエネルギーは変圧器T1の一次巻線Pを介して二次側に放出される。
【0022】
そして、MOSFET Q2をオフすると、図3(d)に示すようにコンデンサCS→コンデンサC1→変圧器T1の一次巻線P2,P1→コンデンサC4の経路で電流i6が流れてコンデンサC4を充電し、また、コンデンサC3→コンデンサC1→変圧器T1の一次巻線P2,P1→コンデンサC3の経路で電流i7が流れてコンデンサC3を放電する。
この間、MOSFET Q2をオフする際にはコンデンサC4の両端電圧はゼロであり、ゼロ電圧スイッチングによるスイッチング損失の低減が可能になる。
【0023】
上記のように、この実施形態では、MOSFET Q1,Q2に並列接続されたコンデンサC3,C4の充放電により、MOSFET Q1,Q2のゼロ電圧スイッチングが行われる。
また、図3(d)の後は図3(a)以後の動作が繰り返し実行される。このようにMOSFET Q1,Q2を高周波でオン、オフさせることにより、変圧器T1の一次巻線Pの励磁、逆励磁が繰り返され、二次巻線S及びダイオードD3,D4を介して直流出力端子P,Nから図4の下段に示すような波形の電流が出力される。
【0024】
本実施形態によれば、交流入力電流とコンデンサCSの充電電流の大きさをMOSFET Q1のオン期間によって調整することができ、負荷への供給電力は、MOSFET Q1,Q2のオン期間によって調整することができる。
従って、交流入力電流の制御はMOSFET Q1のオン、オフのデューティ比を調節すれば可能であり、負荷への供給電力ないし出力電圧はMOSFET Q1のオン期間が決まればMOSFET Q2のオン、オフ期間、つまり動作周波数を変化させて調節することができる。
【0025】
なお、交流入力電圧が負の期間は、MOSFET Q1,Q2を反対にするだけで同じ動作となる。すなわち、図3(a)でMOSFET Q2をオン(このとき、漏れインダクタンスLK2にエネルギーが蓄積される)、(b)で同オフ、(c)でMOSFET Q1をオン、(d)で同オフとすればよい。
【0026】
更に、図4に示すように交流入力電圧が低い期間TLには、コンデンサCSに蓄えられたエネルギーを負荷に放出し、また、入力電圧が高い期間THには、負荷に電力を供給しながらコンデンサCSを充電できるため、出力電力が断続せずリプル電圧を低減することができる。
【0027】
次に、図2は本発明の第2実施形態を示しており、請求項2,3に記載した発明の実施形態に相当する。図1の実施形態との相違点は、図1におけるコンデンサC3,C4を省略した点である。
この実施形態では、コンデンサC3,C4の充放電電流がなくなり、MOSFET Q1,Q2はゼロ電圧スイッチングしなくなるが、MOSFET Q1,Q2のスイッチングに伴うコンデンサCSのエネルギーの放出等の動作は、図1の実施形態とまったく同様である。
本実施形態によれば、図1よりも回路部品数を減少させ、回路構成を更に簡略化することができる。
【0028】
なお、各実施形態では変圧器T1の二次側の整流回路としてセンタータップ式の全波整流回路を用いた場合を説明したが、半波整流回路やダイオードを4個用いた全波整流回路、またはフライバック方式の整流回路を用いても良い。
【0029】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、従来4個必要であったスイッチング素子が2個で足り、その分、駆動回路も簡略化できると共に、入力側リアクトルに代えて変圧器の漏れインダクタンスを利用することにより部品点数の減少、装置の小形軽量化、低価格化を達成することができる。
【0030】
また、負荷に対して電力を継続的に供給できるため、従来のような断続による電圧リプルを低減でき、負荷側のコンデンサ容量を小さくすることができる。これにより、一層の小形軽量化、低価格化が可能になる。
更に、ゼロ電圧スイッチングを可能にしてスイッチング損失の低減、電力変換効率の向上及び冷却装置の小形化が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施形態を示す回路図である。
【図2】本発明の第2実施形態を示す回路図である。
【図3】図1の実施形態におけるMOSFETのオン、オフ時の電流経路を示す図である。
【図4】図1の実施形態の動作波形を示す図である。
【図5】従来技術を示す回路図である。
【符号の説明】
Q1,Q2:MOSFET
D1〜D4:ダイオード
C1〜C5:コンデンサ
CS:スナバコンデンサ
T1:変圧器
P,P1,P2:一次巻線
S,S1,S2:二次巻線
LK1,LK2:漏れインダクタンス
U,V:交流入力端子
P,N:直流出力端子
Claims (3)
- 単相交流電圧をスイッチング手段に入力して高周波交流電圧を作り出し、この交流電圧を変圧器及び整流回路により絶縁、整流して負荷に直流電力を供給するスイッチング電源回路において、
2個のダイオードを直列接続した第1の直列回路と、2個のスイッチング素子を直列接続した第2の直列回路と、第1,第2のコンデンサを直列接続した第3の直列回路と、スナバコンデンサとを互いに並列に接続すると共に、
前記スイッチング素子の一方または両方にゼロ電圧スイッチングを行わせるためのコンデンサを並列に接続し、
第1の直列回路の相互接続点に一方の交流入力端子を接続し、第2の直列回路の相互接続点にセンタータップ付き変圧器の一次巻線の一端を接続し、第3の直列回路の相互接続点に前記一次巻線の他端を接続し、前記一次巻線のセンタータップに他方の交流入力端子をそれぞれ接続し、
前記変圧器の二次巻線に整流回路を接続したことを特徴とするスイッチング電源回路。 - 単相交流電圧をスイッチング手段に入力して高周波交流電圧を作り出し、この交流電圧を変圧器及び整流回路により絶縁、整流して負荷に直流電力を供給するスイッチング電源回路において、
2個のダイオードを直列接続した第1の直列回路と、2個のスイッチング素子を直列接続した第2の直列回路と、第1,第2のコンデンサを直列接続した第3の直列回路と、スナバコンデンサとを互いに並列に接続すると共に、
第1の直列回路の相互接続点に一方の交流入力端子を接続し、第2の直列回路の相互接続点にセンタータップ付き変圧器の一次巻線の一端を接続し、第3の直列回路の相互接続点に前記一次巻線の他端を接続し、前記一次巻線のセンタータップに他方の交流入力端子をそれぞれ接続し、
前記変圧器の二次巻線に整流回路を接続したことを特徴とするスイッチング電源回路。 - 請求項1または2記載のスイッチング電源回路において、
一方のスイッチング素子のオン、オフのデューティ比を調節して交流入力電流を制御し、他方のスイッチング素子の動作周波数を調節して出力電力を制御することを特徴とするスイッチング電源回路。
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