JP5424327B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

Description

本発明は、外部から入力される交流電圧を負荷に供給すべき所定の直流電圧に変換して出力するスイッチング電源装置に関する。

近年、マイクロプロセッサ等の半導体集積回路を駆動するスイッチング電源装置には、低出力電圧化、大出力電流化、高効率化といったことが求められている。これらの要求を満足するよう検討された従来のスイッチング電源装置としては、例えば、非特許文献１に記載のものがある（図５参照）。

また、力率改善、高調波対策のために、図５に示すスイッチング電源装置１’にさらにＰＦＣ回路を付加したものも従来から知られている。

図６に示すように、従来のスイッチング電源装置１”は、商用交流電圧を整流および平滑する整流平滑部２と、その出力側に備えられた力率改善部３（ＰＦＣ回路）と、その出力を所定の直流電圧Ｖ₂に変換する降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ部４’と、直流電圧Ｖ₂をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部５と、一次巻線Ｔ₁および二次巻線Ｔ₂を有し、一次巻線Ｔ₁にスイッチング電圧が供給されるトランスＴと、二次巻線Ｔ₂の誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧Ｖ_Oを出力する二次側出力部６とを備えている。

また、スイッチング電源装置１”は、さらに二次側出力電圧Ｖ_OをＤＣ／ＤＣコンバータ部４’のスイッチング制御部４ａにフィードバックするフィードバック部７’を備えている。これにより、スイッチング電源装置１”は、二次側出力電圧Ｖ_Oを負荷の要求電圧に維持している。

図７に示すように、力率改善部３から出力される電圧Ｖ₁は商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けて変動する。このため、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４’は、上記変動の下限よりもさらに低い電圧にまで電圧Ｖ₁を降圧させることにより、スイッチング部５やトランスＴに供給する直流電圧Ｖ₂を安定化させている。

二宮保，安部征哉，電子技術４月号"低電圧大電流コンバータの回路技術"，日刊工業新聞社，平成１４年４月１日発行，１０頁（特に、図１０）

しかしながら、この従来のスイッチング電源装置１”では、スイッチング部５やトランスＴに向かう電流Ｉ_DCの全てがＤＣ／ＤＣコンバータ部４’のスイッチング素子Ｑ₃およびチョークコイルＬを流れることになり、スイッチング素子Ｑ₃の導通損失やチョークコイルＬのインピーダンスによる損失が避けられなかった。

そこで、本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部における損失を低減し、従来よりも効率を大幅に改善することができるスイッチング電源装置を提供することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、外部から入力される交流電圧を整流および平滑する整流平滑部と、前記整流平滑部の出力側に備えられ、力率を改善するための力率改善部と、前記力率改善部の出力を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、前記所定の直流電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部と、一次巻線および二次巻線を有し、前記一次巻線に前記スイッチング電圧が供給されるトランスと、前記二次巻線に誘起される誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧を出力する二次側出力部とを備えたスイッチング電源装置であって、
前記力率改善部は、前記二次側出力電圧の直流成分に基づいてフィードバック制御され、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、前記二次側出力電圧の交流成分に基づいてフィードバック制御されることを特徴とする。

この構成によれば、負荷の要求電圧と二次側出力電圧との間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部と、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部とが協働することにより、二次側出力電圧を負荷の要求電圧に維持することができる。また、この構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ部で直流成分の安定化を行う必要がないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部を構成する各素子（昇圧／降圧動作に欠かせないチョークコイル等）には、リプル電流のみが流れることになる。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ部における損失を大幅に低減することができる。

ここで、上記スイッチング電源装置における前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、例えば、高電位ラインにドレインが接続された第１のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第２のスイッチング素子と、前記第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、前記チョークコイルの他端と前記低電位ラインの間に接続された第１のコンデンサと、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の出力側において前記高電位ラインおよび前記低電位ラインの間に接続された第２のコンデンサと、前記二次側出力電圧の交流成分の多寡に基づいて、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部とで構成することができる。

また、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部が、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部にフィードバックされる交流成分が正の場合は、前記第１のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第２のコンデンサの蓄積電荷で前記第１のコンデンサを充電する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部にフィードバックされる交流成分が負の場合は、前記第２のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第１のコンデンサの蓄積電荷で前記第２のコンデンサを充電する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作するように構成することで、比較的容易に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。

本発明によれば、従来よりも効率を大幅に改善することができるスイッチング電源装置を提供することができる。

本発明に係るスイッチング電源装置の回路図である。 ＤＣ／ＤＣコンバータ部の等価回路図であって、（Ａ）は降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合の等価回路図、（Ｂ）は昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合の等価回路図である。 本発明に係るスイッチング電源装置の電圧波形である。 スイッチング電源装置の損失について説明するための図であって、（Ａ）は本発明に係るスイッチング電源装置の部分ブロック図、（Ｂ）は従来のスイッチング電源装置の部分ブロック図である。 従来のスイッチング電源装置の回路図である。 ＰＦＣ回路を備えた従来のスイッチング電源装置の回路図である。 図６に示す従来のスイッチング電源装置の電圧波形である。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るスイッチング電源装置の好ましい実施形態について説明する。

図１に、本発明に係るスイッチング電源装置を示す。スイッチング電源装置１は、交流電圧（例えば、商用交流電圧）を整流および平滑する整流平滑部２と、その出力側に備えられたＰＦＣ回路からなる力率改善部３と、その出力を所定の直流電圧Ｖ₂に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部４と、直流電圧Ｖ₂をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部５と、を備えている。これらは、全てスイッチング電源装置１の一次側に備えられている。

また、スイッチング電源装置１は、一次巻線Ｔ₁にスイッチング電圧が供給されるとともに、二次巻線Ｔ₂に交流電圧が誘起されるトランスＴと、二次巻線Ｔ₂の誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧Ｖ_Oを負荷に向けて出力する二次側出力部６と、を備えている。図１に示す一実施形態において、スイッチング部５、トランスＴおよび二次側出力部６は、共振型ハーフブリッジ回路を構成しているが、トランスの磁束を両方向に利用するハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路およびプッシュプル回路を構成するよう、適宜変更することができる。

スイッチング電源装置１は、二次側出力電圧Ｖ_OをＰＦＣ回路３およびＤＣ／ＤＣコンバータ部４のスイッチング制御部３ａ、４ａにフィードバックするフィードバック部７をさらに備えている。これにより、スイッチング電源装置１は、二次側出力電圧Ｖ_Oを負荷の要求電圧に維持している。

フィードバック部７は、二次側出力電圧Ｖ_Oを直流成分と交流成分とに分離する機能を有し、スイッチング制御部３ａには二次側出力電圧Ｖ_Oの直流成分のみがフィードバックされる。また、スイッチング制御部４ａには二次側出力電圧Ｖ_Oの交流成分のみがフィードバックされる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、スイッチング制御部４ａの制御下で、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしても降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしても動作する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、例えば、以下のような構成とすることで、比較的容易に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。

すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、高電位ライン８Ｈにドレインが接続された第１のスイッチング素子Ｑ₁と、第１のスイッチング素子Ｑ₁のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ライン８Ｌに接続された第２のスイッチング素子Ｑ₂と、第１および第２のスイッチング素子Ｑ₁、Ｑ₂の接続点に一端が接続されたチョークコイルＬと、チョークコイルＬの他端と低電位ライン８Ｌの間に接続された第１のコンデンサＣ₁と、高電位ライン８Ｈおよび低電位ライン８Ｌの間に接続された第２のコンデンサＣ₂と、第１および第２のスイッチング素子Ｑ₁、Ｑ₂を制御するスイッチング制御部４ａとを備えている。

スイッチング制御部４ａは、フィードバックされてきた二次側出力電圧Ｖ_Oの交流成分の極性（正／負）および絶対値の多寡に基づいて、第１および第２のスイッチング素子Ｑ₁、Ｑ₂を制御する。図１に示す一実施形態において、第１および第２のスイッチング素子Ｑ₁、Ｑ₂はいずれもＦＥＴであるが、これに代えてバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴを使用することもできる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部４にフィードバックされてきた交流成分が“正”の場合、すなわち二次側出力電圧Ｖ_Oが負荷の要求電圧よりも高い場合、スイッチング制御部４ａは、直流電圧Ｖ₂を低下させるべくＤＣ／ＤＣコンバータ部４を降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる。この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を、第２のコンデンサＣ₂と第１のスイッチング素子Ｑ₁との接続点（高電位ライン８Ｈ）を入力、チョークコイルＬと第１のコンデンサＣ₁との接続点を出力とする等価回路として取り扱うことができる（図２（Ａ）参照）。

同図に示すように、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部４ａの制御下で第１のスイッチング素子Ｑ₁がＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、第２のコンデンサＣ₂に蓄積されていた電荷を第１のコンデンサＣ₁に移動させる。これにより、第２のコンデンサＣ₂は放電し、両端電圧（＝直流電圧Ｖ₂）が低下する。一方、第１のコンデンサＣ₁は充電され、両端電圧が上昇する。なお、第２のスイッチング素子Ｑ₂はＯＦＦのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。

ＤＣ／ＤＣコンバータ部４にフィードバックされてきた交流成分が“負”の場合、すなわち二次側出力電圧Ｖ_Oが負荷の要求電圧よりも低い場合、スイッチング制御部４ａは、直流電圧Ｖ₁を上昇させるべくＤＣ／ＤＣコンバータ部４を昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる。この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を、チョークコイルＬと第１のコンデンサＣ₁との接続点を入力、第２のコンデンサＣ₂と第１のスイッチング素子Ｑ₁との接続点（高電位ライン８Ｈ）を出力とする等価回路として取り扱うことができる（図２（Ｂ）参照）。

同図に示すように、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部４ａの制御下で第２のスイッチング素子Ｑ₂がＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、第１のコンデンサＣ₁に蓄積されていた電荷を第２のコンデンサＣ₂に移動させる。これにより、第１のコンデンサＣ₁は放電し、両端電圧が低下する。一方、第２のコンデンサＣ₂は充電され、両端電圧（＝直流電圧Ｖ₂）が上昇する。なお、第１のスイッチング素子Ｑ₁はＯＦＦのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。

一方、前記の通り、力率改善部３のスイッチング制御部３ａは、二次側出力電圧Ｖ_Oの直流成分に基づいてフィードバック制御される。このため、図３に示すように、力率改善部３から出力される電圧Ｖ₁は、商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けて変動するものの、その直流成分はスイッチング部５やトランスＴに供給する直流電圧Ｖ₂に一致している。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、電圧Ｖ₁を降圧または昇圧することにより、商用リプル電圧や瞬時停電による変動のみを取り除けばよい。

言い換えると、本発明に係るスイッチング電源装置１は、負荷の要求電圧と二次側出力電圧Ｖ_Oとの間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部３と、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部４とが協働することにより、二次側出力電圧Ｖ_Oを負荷の要求電圧に維持する。なお、当然ながら、力率改善部３は力率改善のための波形整形も行う。

次に、図４を参照しながら、本発明に係るスイッチング電源装置１による損失低減効果について説明する。なお、同図において、ｒ₁は力率改善部３の入力インピーダンス、ｒ₂はＤＣ／ＤＣコンバータ部４、４’の入力インピーダンス、Ｉ_DCは電流の直流値、Ｉ_rmsは電流の実効値、Ｉ_rはリプル電流を意味する。Ｉ_DC、Ｉ_rms、Ｉ_rはそれぞれ次式で表すことができる。

ここで、Ｉ_mは交流電流のピーク値である。

また、図４および以下の説明では、簡略化するために、
（ａ）ＤＣ／ＤＣコンバータ部４、４’の力率を１とする、
（ｂ）スイッチング損失はないものとする（インピーダンスのみを考慮する）、
（ｃ）ＤＣ／ＤＣコンバータ部４、４’の入力インピーダンスは等しいものとする、
こととしている。

まず、図４（Ｂ）を参照して、従来のスイッチング電源装置１”（図６参照）について説明する。スイッチング電源装置１”では、スイッチング部５やトランスＴに向かう直流電流Ｉ_DCの全てがＤＣ／ＤＣコンバータ部４’のスイッチング素子Ｑ₃およびチョークコイルＬを流れるので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４’では、ｒ₂・Ｉ_DC ²（＝Ｐ’）の損失が発生する。

一方、本発明に係るスイッチング電源装置１では、直流電流Ｉ_DCが流れる経路に対して、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４の第１のスイッチング素子Ｑ₁、第２のスイッチング素子Ｑ₂およびチョークコイルＬが並列に接続されている。したがって、これらの素子には、直流電流Ｉ_DCが流れることはなく、交流成分を安定化する際に第１のコンデンサＣ₁と第２のコンデンサＣ₂との間を流れるリプル電流Ｉ_rのみが流れる。その結果、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４では、図４（Ａ）に示すように、ｒ₂・Ｉ_r ²（＝Ｐ）の損失が発生する。

本発明に係るスイッチング電源装置１におけるＤＣ／ＤＣコンバータ部４の損失Ｐと、従来のスイッチング電源装置１”におけるＤＣ／ＤＣコンバータ部４’の損失Ｐ’とを比較すると、次式のようになる。

つまり、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４の損失Ｐは、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４’の損失Ｐ’の約１／４である。

以上のように、本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ部における損失を従来よりも大幅に低減することができる。したがって、本発明によれば、従来よりも効率を大幅に改善したスイッチング電源装置を提供することができる。

なお、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記した具体的な構成に限定されるものではなく、当業者であれば、種々の変形例を想到し得ることは自明である。

１ スイッチング電源装置
２ 整流平滑部
３ 力率改善部（ＰＦＣ回路）
４ ＤＣ／ＤＣコンバータ部
５ スイッチング部
６ 二次側出力部
７ フィードバック部
Ｃ₁ 第１のコンデンサ
Ｃ₂ 第２のコンデンサ
Ｑ₁ 第１のスイッチング素子
Ｑ₂ 第２のスイッチング素子
Ｌ チョークコイル
Ｔ トランス

Claims (3)

1. 外部から入力される交流電圧を整流および平滑する整流平滑部と、前記整流平滑部の出力側に備えられ、力率を改善するための力率改善部と、前記力率改善部の出力を所定の直流電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と、前記所定の直流電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部と、一次巻線および二次巻線を有し、前記一次巻線に前記スイッチング電圧が供給されるトランスと、前記二次巻線に誘起される誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧を出力する二次側出力部とを備えたスイッチング電源装置であって、
   前記力率改善部は、前記二次側出力電圧の直流成分に基づいてフィードバック制御され、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、前記二次側出力電圧の交流成分に基づいてフィードバック制御される、
   ことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
   高電位ラインにドレインが接続された第１のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第２のスイッチング素子と、
   前記第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、
   前記チョークコイルの他端と前記低電位ラインの間に接続された第１のコンデンサと、
   前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子の出力側において前記高電位ラインおよび前記低電位ラインの間に接続された第２のコンデンサと、
   前記二次側出力電圧の交流成分に基づいて、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、
   を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部にフィードバックされる交流成分が正の場合は、前記第１のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第２のコンデンサの蓄積電荷で前記第１のコンデンサを充電する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部にフィードバックされる交流成分が負の場合は、前記第２のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第１のコンデンサの蓄積電荷で前記第２のコンデンサを充電する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する、
   ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。

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