JP4784153B2 - 電源装置 - Google Patents

Description

この発明は、コンデンサとインダクタとの直列共振動作を利用して直流出力を得る電源装置に関する。

図１５に、例えば特許文献１，２に開示されたものと同様の、コンデンサとインダクタとの直列共振動作を利用して直流出力を得る電源装置の従来例を示す。
この種の回路は、直列接続されたスイッチ素子のオフ時には、スイッチ素子の両端電圧が直流電源電圧にクランプされるため、サージ電圧は発生せずＥＭＣ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ：電磁的適合性）ノイズも小さい。また、スイッチ素子のオン時には、コンデンサとインダクタによる直列共振電流が、スイッチ素子の負極側から正極側に流れるタイミングでスイッチ素子をオンするため、ターンオン損失の発生が無く、高効率であることが知られている。

特許文献１，２に記載の電源装置では、直列接続された２つのスイッチ素子は、それぞれ交互にオンデューティ５０％でスイッチングし、そのスイッチング周波数を調整することにより、負荷に供給する直流出力電圧を一定に制御している。
直列共振動作を用いるこの種の電源装置では、起動時には絶縁トランスの電圧を整流平滑するコンデンサには電荷が蓄積されておらず、出力がショートされているのと同等であり、共振用コンデンサには過大な電流が流れる。その結果、半導体素子に過大な責務が印加されることや、共振用コンデンサには過電圧が印加される場合がある。

これらの課題に対して、特許文献１に記載の電源装置では、起動時にソフトスタート手段（コンデンサ３５）を用いて、スイッチ素子のオン時間を徐々に短い時間から長い時間に変化させて半導体素子の保護を行なっている。また、特許文献２に記載の電源装置では、共振用コンデンサの印加電圧に対応する信号を検出して、コンデンサに印加される電圧が過電圧にならないよう、スイッチング周波数を調整する。さらに、特許文献３のように、出力短絡時には出力電力を大幅に低減して短絡電流を低減する、オン時間制限回路（２）とピーク電流制限回路（６）と遅延回路（１）とからなる過電流保護回路を用いるもの
もある。

特開平０７−２９８６１４号公報（第４〜７頁、図１） 特開２００１−１７８１２６号公報（第４，５頁、図１） 特開２００３−２２４９７２号公報（第８〜１２頁、図１）

上記特許文献１に記載の電源装置では、ソフトスタート手段として用いるコンデンサは容量が比較的大きく、コストアップや部品点数の増加につながる。
また、上記特許文献２や特許文献３に記載の電源装置では、過電圧保護回路（６３）や過電流保護回路を必要とし、部品点数が増加してコストアップになるという問題がある。
したがって、この発明の課題は、簡単な構成で起動時の半導体の責務やコンデンサなどへの印加電圧を軽減し、電源装置のコストアップや部品点数の増加を抑制することにある。

このような課題を解決するため、請求項１の発明では、請求項２の発明では、直流電源と、この直流電源の正極と負極間に直列に接続された第１，第２のスイッチ素子の直列回路と、前記直流電源の正極と前記第１，第２のスイッチ素子の直列接続点との間に設けられ、共振用コンデンサと共振用インダクタとの直列回路を介して接続される1次巻線と、整流平滑回路を介して負荷に電力を供給する直流出力に接続される２次巻線と、第１，第２の補助巻線とを有する絶縁トランスと、前記第１のスイッチ素子の電流検出手段と、前記直流出力の出力電圧とその出力電圧設定値との誤差増幅手段と、前記第１の補助巻線の電圧を信号電圧として第１のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ前記誤差増幅手段から出力されるフィードバック信号と第１のスイッチ素子のオン時間にほぼ比例して増加するキャリア信号との大小比較により、前記負荷に供給される直流電圧が一定となるように第１のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ前記電流検出手段の出力が所定の過電流設定値を超えたときにスイッチ素子をオフさせる第１の制御回路と、前記第２の補助巻線の電圧を信号電圧としてその電圧値が所定値を超えている期間に第２のスイッチ素子をオンさせる第２の制御回路と、前記直流電源を投入してから所定時間までは第１のスイッチ素子のオン期間を短く制限し、前記所定時間経過後に前記制限を解除するオン期間制限手段と、を備え、前記オン期間制限手段は、前記直流電源を投入してから所定時間までは前記過電流設定値を低く設定し、前記所定時間経過後に前記過電流設定値を高く設定することを特徴とする。

この発明によれば、起動時の一定時間のみ第１スイッチ素子のパルス幅を短くするだけの簡単な回路により、半導体の責務やコンデンサなどへの印加電圧を軽減することができる。その結果、ソフトスタート回路や過電圧検出手段などの部品が削減され、電源装置のコストダウンが可能となる。

図１はこの発明の第１の実施の形態を示す回路図、図２は図１の制御回路１１を具体的に示す構成図である。
２，３は直流電源１の正極と負極間に直列に接続されたスイッチ素子であり、直流電源１の正極とスイッチ素子２，３の直列接続点との間に、共振用コンデンサ４と共振用インダクタとの直列回路を介して絶縁トランス５の１次巻線５ａが接続される。
ここでは、共振用インダクタは絶縁トランス５のリーケージインダクタを代用することにより、省略されている。

絶縁トランス５の２次巻線（５ｄ，５ｅ）からは、整流ダイオード６，７および平滑コンデンサ８からなる整流回路を介して負荷９に対して直流電力が供給される。図１において、２次巻線は２つの巻線（５ｄ，５ｅ）から構成され、その両端に整流ダイオード６，７が接続され、整流ダイオード６，７の接続点と巻線５ｄ，５ｅの接続点との間に平滑コンデンサ８が接続された全波整流となっている。整流回路は図１の形態に限るものではなく、他の整流回路、例えば、１つの２次巻線の両端に整流回路を接続する半波整流型の整流回路を採用してもよい。

絶縁トランス５にはさらに補助巻線５ｂ，５ｃを設けている。スイッチ素子２（第２スイッチ素子）は補助巻線５ｂ（第２補助巻線）の電圧を信号として、制御回路２５（第２制御回路）を介してオンオフされる。制御回路１１（第１制御回路）では、補助巻線５ｃ（第１補助巻線）の電圧をコンパレータ１４において基準電圧１７と比較し、補助巻線５ｃの電圧が負から正に変化するタイミングを検出してフリップフロップ回路２２をセットし、ゲートドライバ２３を介してスイッチ素子３（第１スイッチ素子）をオンさせる。

さらに出力電圧を一定にするための、誤差増幅回路１３から出力されるフィードバック信号と、コンデンサ１２を充放電回路２０により充放電することで得られるキャリア信号との大小をコンパレータ１５で比較し、キャリア信号がフィードバック信号を上回るタイミングでフリップフロップ回路２２をリセットし、スイッチ素子３をオフする。また、コンパレータ１５に入力される基準電圧１８により、キャリア信号がこの基準電圧１８を上回るタイミングでフリップフロップ回路２２をリセットし、スイッチ素子３をオフすることで、スイッチ素子３の最大オン時間を設定する。さらに、スイッチ素子３に流れる電流を電流検出手段１０で検出し、この検出信号と過電流設定値を決定する基準電圧１９とをコンパレータ１６で比較し、過電流の場合にフリップフロップ回路２２をリセットし、スイッチ素子３をオフする。

図３は図１の動作を説明する波形図である。
直流電源１が立ち上がると、制御回路１１の図示されない電源が立ち上がり、制御回路１１が動作可能となる。制御回路１１が動作可能状態になってから所定時間経過後に、スイッチ素子３のオン時間を短い時間から長い時間に切り替える信号を出力する。
図４に図３に基づく各部の動作波形図を示す。
起動時の一定時間はスイッチ素子３のオン時間を太実線で示すように短く制限することで、共振コンデンサに流れる電流は太実線で示すように小さくなり、その結果、半導体素子の責務や共振コンデンサの電圧が軽減される。また、直流出力電圧が上昇するのに伴い、共振コンデンサに流れる電流も低減するため、直流出力電圧が或る程度上昇したタイミングで、スイッチ素子３のオン時間の制限を解除することで、半導体素子の責務や共振コンデンサに印加される電圧も軽減する。

図５は図２の第１変形例、図６はその動作説明図である。
図２との相違は、タイマー回路２４ａにより起動時の一定時間のみ、充放電回路２０の充電電流を大きく設定する点にある。これは、充放電回路２０の充電電流が増加すると、図６に示すようにキャリア信号の電圧増加率が大きくなり、キャリア信号が基準電圧１８で設定されるスイッチ素子３の最大オン時間設定値を上回るまでの時間が短くなり、スイッチ素子３のオン時間が短くなるためである。なお、半導体素子の責務や共振コンデンサに印加される電圧も軽減する点は図４と同様で、説明は省略する。ここで、充放電回路２０の充電電流を大ききく設定してキャリア信号の電圧増加率を大きくする代わりに、タイマー回路２４ａからの信号によりコンデンサ１２の容量値を小さくするようにしても良い。

図７は図５に示す充放電回路の具体例を示す回路図である。
これは、充放電制御回路１０１ａにより、スイッチ素子３のオン期間にＭＯＳＦＥＴ１０３をオフしてＣＴ端子に接続された図１のコンデンサ１２を定電流ダイオード１０４，１０５の出力電流で充電し、スイッチ素子３のオフ期間にＭＯＳＦＥＴ１０３をオンさせ、コンデンサ１２を定電流ダイオード１０６の出力電流で放電するものである。なお、充電電流は放電電流よりも充分小さく設定しておく。
また、タイマー回路２４ａ１により起動時の一定時間はＭＯＳＦＥＴ１０２をオンさせ、定電流ダイオード１０４と１０５の出力電流で端子ＣＴ端子に接続された図１のコンデンサ１２を充電する。起動時から所定時間経過後はＭＯＳＦＥＴ１０２をオフさせ、定電流ダイオード１０５の出力電流のみでコンデンサ１２を充電する。

図８は図５に示す充放電回路の別の具体例を示す回路図で、図７の定電流ダイオードの代わりにカレントミラー回路を用いた点が特徴である。２００はバイアス回路で、ＭＯＳＦＥＴ２０１と２１０に流す基準電流を設定する回路である。
この回路では、充放電制御回路１０１ｂにより、スイッチ素子３のオン期間にＭＯＳＦＥＴ２１２をオンしＭＯＳＦＥＴ２１３をオフして、ＣＴ端子に接続された図１のコンデンサ１２を充電し、スイッチ素子３のオフ期間にＭＯＳＦＥＴ２１１をオフしＭＯＳＦＥＴ２１３をオンさせて、コンデンサ１２を放電するものである。

ＭＯＳＦＥＴ２１３に流れる電流は、ＭＯＳＦＥＴ２１０に流れる電流に対し、ＭＯＳＦＥＴ２１１と２１３の並列数の比率で増幅される。ＭＯＳＦＥＴ２０３に流れる電流は、ＭＯＳＦＥＴ２０１に流れる電流に対し、ＭＯＳＦＥＴ２０２と２０３の並列数の比率で増幅される。さらに、ＭＯＳＦＥＴ２０６に流れる電流は、ＭＯＳＦＥＴ２０３に流れる電流に対し、ＭＯＳＦＥＴ２０４と２０６の並列数の比率で増幅される。ＭＯＳＦＥＴ２０９，２０７，２０８の動作も同様である。
また、タイマー回路２４ａ２により起動時の一定時間はＭＯＳＦＥＴ２０５をオフさせ、ＭＯＳＦＥＴ２０６と２０８の電流でコンデンサ１２を充電する。起動時から所定時間経過後はＭＯＳＦＥＴ２０５をオンさせることでＭＯＳＦＥＴ２０６をオフし、ＭＯＳＦＥＴ２０８の電流のみでコンデンサ１２を充電する。

図９は図２の第２変形例、図１０はその動作説明図である。
図２との相違は、タイマー回路２４ｂにより起動時の一定時間のみ、基準電圧１８の設定値を低く設定する点にある。これは、基準電圧１８の設定値が低くなると、スイッチ素子３のオン時間も短くなるからである。なお、半導体素子の責務や共振コンデンサに印加される電圧も軽減する点は図４と同様で、詳細は省略する。

図１１に図９の基準電圧回路の具体例を示す。
これは、タイマー回路２４ｂにより起動時の一定時間はＭＯＳＦＥＴ３０１をオンして基準電圧設定値を低く設定し、所定定時間経過後にＭＯＳＦＥＴ３０１をオフして基準電圧設定値を高く設定するものである。

図１２は図２の第３変形例、図１３はその動作説明図である。
図２との相違は、タイマー回路２４ｃにより起動時の一定時間のみ、過電流設定値１９を低く設定する点にある。これは、過電流設定値１９が低くなるとスイッチ素子３に流れる電流が、過電流設定値１９で設定される電流を上回る時間が短くなり、スイッチ素子３のオン時間が短くなるからである。なお、半導体素子の責務や共振コンデンサに印加される電圧も軽減する点は図４と同様で、詳細は省略する。また、図５，９，１２を組み合わせることで、半導体素子の責務や共振コンデンサに印加される電圧をさらに軽減することが可能となる。各設定を切り換える一定時間に時間差を設けることで、半導体素子の責務や共振コンデンサに印加される電圧をさらに軽減することができる。

図１４に図１２の基準電圧回路の具体例を示す。
これは、タイマー回路２４ｃにより起動時の一定時間はＭＯＳＦＥＴ４０４をオンして基準電圧設定値を低く設定し、所定定時間経過後にＭＯＳＦＥＴ４０４をオフして基準電圧設定値を高く設定するものである。

この発明の実施の形態を示す回路図 図１に示す制御回路１１の詳細を示す回路図 図１の動作を説明する波形図 図３のように動作させた場合の共振コンデンサの電圧，電流波形図 図２の第１変形例を示す回路図 図５の動作説明図 図５に示す充放電回路の具体例を示す回路図 図５に示す充放電回路の別の具体例を示す回路図 図２の第２変形例を示す回路図 図９の動作説明図 図９に示す基準電圧回路の具体例を示す回路図 図２の第３変形例を示す回路図 図１２の動作説明図 図１２に示す基準電圧回路の具体例を示す回路図 従来例を示す回路図

１…直流電源、２，３…スイッチ素子、４…共振コンデンサ、５…絶縁トランス、５ａ…１次巻線、５ｂ，５ｃ…補助巻線、５ｄ，５ｅ…２次巻線、６，７…整流ダイオード、８…平滑コンデンサ、９…負荷、１０…電流検出手段、１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，１１ｅ，２５…制御回路、１２…コンデンサ、１３…誤差増幅回路、１４，１５，１６…コンパレータ、１７，１８，１９…基準電圧、２０，２０ａ，２０ｂ…充放電回路、２１…電流検出レベル変換手段、２２…フリップフロップ回路、２３…ゲートドライバ、２４ａ，２４ａ１，２４ａ２，２４ｂ，２４ｃ…タイマー回路、１０１ａ，１０１ｂ…充放電制御回路、１０２，１０３，２０２〜２１２，３０１〜３０３，４０４…ＭＯＳＦＥＴ、１０４〜１０６…定電流ダイオード、２００…バイアス回路。

Claims (1)

1. 直流電源と、
   この直流電源の正極と負極間に直列に接続された第１，第２のスイッチ素子の直列回路と、
   前記直流電源の正極と前記第１，第２のスイッチ素子の直列接続点との間に設けられ、共振用コンデンサと共振用インダクタとの直列回路を介して接続される1次巻線と、整流平滑回路を介して負荷に電力を供給する直流出力に接続される２次巻線と、第１，第２の補助巻線と、を有する絶縁トランスと、
   前記第１のスイッチ素子の電流検出手段と、前記直流出力の出力電圧とその出力電圧設定値との誤差増幅手段と、
   前記第１の補助巻線の電圧を信号電圧として第１のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ前記誤差増幅手段から出力されるフィードバック信号と第１のスイッチ素子のオン時間にほぼ比例して増加するキャリア信号との大小比較により、前記負荷に供給される直流電圧が一定となるように第１のスイッチ素子をオンオフさせ、かつ前記電流検出手段の出力が所定の過電流設定値を超えたときにスイッチ素子をオフさせる第１の制御回路と、
   前記第２の補助巻線の電圧を信号電圧としてその電圧値が所定値を超えている期間に第２のスイッチ素子をオンさせる第２の制御回路と、
   前記直流電源を投入してから所定時間までは第１のスイッチ素子のオン期間を短く制限し、前記所定時間経過後に前記制限を解除するオン期間制限手段と、を備え、
   前記オン期間制限手段は、前記直流電源を投入してから所定時間までは前記過電流設定値を低く設定し、前記所定時間経過後に前記過電流設定値を高く設定することを特徴とする電源装置。

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