JP5729762B2 - スイッチング電源装置 - Google Patents

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本発明は、スイッチング電源装置に関し、特に、補助巻線の誘起電圧に基づいて一定の補助電圧を生成する補助電源部を備えたスイッチング電源装置に関する。
世界各国の各種商用交流電圧においても使用できるよう構成したワールドワイドなスイッチング電源装置として、例えば、図2に示すスイッチング電源装置10が知られている。同図に示すように、このスイッチング電源装置10は、100[V]/200[V]系の商用交流電源から供給された商用交流電圧VACIN(85〜132[V]/187〜264[V])を整流するダイオードブリッジ回路D1を備え、このダイオードブリッジ回路D1の出力電圧は、アクティブフィルタ2に供給されている。
アクティブフィルタ2は、チョーク等のリアクトルを介してダイオードブリッジ回路D1の出力端子間に接続されたスイッチング手段を有し、このスイッチング手段のスイッチング動作は制御部に含まれているアクティブフィルタ制御回路4からの制御信号によって制御される。アクティブフィルタ2によれば、ダイオードブリッジ回路D1の出力電圧を整形して正弦波状とすることにより、力率を改善することができる。
アクティブフィルタ2の出力端子間には、平滑用コンデンサC1と、トランスTの一次巻線T1および電力用FETQ1(スイッチング手段)のドレイン・ソース導電路からなる直列回路とが接続されている。電力用FETQ1のゲートには制御部に含まれているDC−DCコンバータ制御回路3からの制御信号が入力される。これにより、電力用FETQ1の導通期間が制御され、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の二次巻線T2の一端にはダイオードD2のアノードが接続されている。また、ダイオードD2のカソードは平滑用コンデンサC2の一端に接続され、平滑用コンデンサC2の他端は二次巻線T2の他端に接続されている。平滑用コンデンサC2の両端からは、不図示の負荷に供給するための直流の二次側出力電圧VDCOUTが出力される。
トランスTは、一次巻線T1、二次巻線T2の他に補助巻線T3を有している。補助巻線T3は、トランスTのコアに一次巻線T1と同一の極性で巻回されており、一次巻線T1に直列に接続されている。なお、以下の説明では、補助巻線T3の2つの端部のうち、一次巻線T1と相互に接続されている側の端部を「相互接続端」と呼び、その反対側の端部を「非相互接続端」(図2において、●が付されている側の端部)と呼ぶこととする。
補助巻線T3の誘起電圧に基づいて制御部の電源電圧となる補助電圧V2を生成する補助電源部には、例えば、非特許文献1に記載の定電圧回路6とダイオードD3とが備えられている。ダイオードD3のアノードは補助巻線T3の非相互接続端に接続され、ダイオードD3のカソードは定電圧回路6を構成するトランジスタQ2のコレクタに接続されている。
トランジスタQ2のベースはツェナーダイオードZDのカソードに接続され、ツェナーダイオードZDのアノードは補助巻線T3の相互接続端に接続されている。トランジスタQ2のコレクタとベースとの間には抵抗R5が接続され、トランジスタQ2のエミッタには平滑用コンデンサC3の一端が接続されている。また、平滑用コンデンサC3の他端は補助巻線T3の相互接続端に接続されている。そして、平滑用コンデンサC3の両端からは、制御部の電源電圧となる補助電圧V2が出力される。
上記の通り、スイッチング電源装置10に入力される商用交流電圧VACINは85〜264[V]の広い範囲で変動するが、このスイッチング電源装置10によれば、補助巻線T3の誘起電圧がある程度上昇するとツェナーダイオードZDが導通状態となり、補助電圧V2が制限される。これにより、過電圧が供給されることによるDC−DCコンバータ制御回路3およびアクティブフィルタ制御回路4の破損等が防がれている。
図3は、上記スイッチング電源装置10を改良・発展させたスイッチング電源装置11である(例えば、特許文献1参照)。
同図に示すように、このスイッチング電源装置11において、トランスTは、一次巻線T1、二次巻線T2の他に2つの補助巻線T3、T4を有している。補助巻線T3、T4は、トランスTのコアに一次巻線T1と同一の極性で巻回されており、直列に接続されている。また、補助巻線T3の一端は電力用FETQ1のソースに接続されている。なお、以下の説明では、補助巻線T3の2つの端部のうち、電力用FETQ1のソースに接続されている側の端部を「相互接続端」と呼び、その反対側の端部を「非相互接続端」(図3において、●が付されている側の端部)と呼ぶこととする。同様に、補助巻線T4の2つの端部のうち、補助巻線T3に接続されている側の端部を「相互接続端」と呼び、その反対側の端部を「非相互接続端」(●が付されている側の端部)と呼ぶこととする。
補助電源部には、主に定電圧回路6とダイオードD3とが備えられている。ダイオードD3のアノードは補助巻線T4の非相互接続端に接続され、ダイオードD3のカソードは定電圧回路6を構成するトランジスタQ2のコレクタに接続されている。
トランジスタQ2のベースはツェナーダイオードZDのカソードに接続され、ツェナーダイオードZDのアノードは補助巻線T3の相互接続端に接続されている。トランジスタQ2のコレクタとベースとの間には抵抗R5が接続され、トランジスタQ2のエミッタには順方向に接続されたダイオードD5を介して平滑用コンデンサC3の一端が接続されている。補助巻線T3の非相互接続端にも、順方向に接続されたダイオードD4を介して平滑用コンデンサC3の一端が接続されている。また、平滑用コンデンサC3の他端は補助巻線T3の相互接続端に接続されている。そして、平滑用コンデンサC3の両端からは、制御部の電源電圧となる補助電圧V2が出力される。
このスイッチング電源装置11では、商用交流電圧VACINの入力が開始されると、補助巻線T3の誘起電圧をダイオードDで直流化した電圧V1と、補助巻線T3および補助巻線T4の誘起電圧の和電圧をダイオードD3で直流化した電圧V3(=定電圧回路6の入力電圧)の上昇率の違いにより、ダイオードD5が導通状態となり、定電圧回路6の出力電圧V4によって平滑用コンデンサC3が充電される。その後、ツェナーダイオードZDが導通状態となると、定電圧回路6の出力電圧V4はそれ以上上昇することなく一定電圧VZDに維持され、電圧V1が電圧V4を超えると、ダイオードD4は導通状態となり、平滑用コンデンサC3はダイオードD4を通じて充電されるようになる。このとき、ダイオードD5は非導通状態となり、定電圧回路6の動作は停止する。
つまり、このスイッチング電源装置11において、DC−DCコンバータ制御回路3およびアクティブフィルタ制御回路4は、起動当初は定電圧回路6の出力電圧V4により必要な電力が供給されるが、アクティブフィルタ2の出力電圧V0が十分上昇した後(定常時)は、補助巻線T3の誘起電圧から生成された電圧V1により必要な電力が供給される。したがって、このスイッチング電源装置11によれば、定電圧回路6における定常時の電力損失を削減にすることができる。
特開2001−16851号公報
実用電子回路ハンドブック1「トランジスタと組み合わせた定電圧回路」、CQ出版社、1972年9月、p.375、図4
しかしながら、図3に示す従来のスイッチング電源装置11では、上昇率の異なる2つの電圧V1、V3を生成するため、トランスTに、一次巻線T1、二次巻線T2の他に2つの補助巻線T3、T4を設ける必要がある。このため、従来のスイッチング電源装置11では、トランスTが大型化・複雑化してしまうという問題があった。
一方、図2に示す従来のスイッチング電源装置10では、必要とされる補助巻線が1つのため、トランスTの小形化を図ることができる反面、定常時においても定電圧回路6が動作し続けるため、電力損失が大きくなってしまうという問題があった。
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、トランスの大型化・複雑化を招くことなく、定電圧回路における電力損失を低減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にある。
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、一次側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手段と、スイッチング電圧が供給される一次巻線と、二次巻線と、一次巻線の電圧上昇に伴って誘起電圧が上昇するように一次巻線と同一極性に巻回された補助巻線とを有するトランスと、二次巻線の誘起電圧を整流および平滑して直流の二次側出力電圧を生成する出力電圧生成手段と、スイッチング手段を制御するスイッチング制御回路を含む制御部と、補助巻線の誘起電圧に基づいて直流の補助電圧を生成し、該補助電圧を電源電圧として制御部に供給する補助電源部とを備えたスイッチング電源装置であって、
補助電源部は、補助巻線の一端に接続され、補助巻線の誘起電圧を直流化して直流化電圧を生成する直流化手段と、直流化手段と制御部との間に設けられ、直流化電圧を定電圧化して補助電圧を生成する定電圧化手段とを有し、
定電圧化手段は、一端が直流化手段の出力端に接続され、定電圧化する前の直流化電圧を降下させる第1電圧降下手段と、制御部と補助巻線の他端との間に設けられ、制御部の消費電流に応じた電圧降下を生じさせることで、第1電圧降下手段の他端の電位を上昇させて、第1電圧降下手段における電圧降下を減少させる第2電圧降下手段と、制御部に並列接続されたシャントレギュレータと、直列接続された第1抵抗および第2抵抗からなり、一端がシャントレギュレータのカソード端子に接続され、かつ他端が補助巻線の他端に接続されるとともに、第1抵抗と第2抵抗との接続点にシャントレギュレータのリファレンス端子が接続された分圧回路とを有し、第1電圧降下手段は、他端が分圧回路の一端に接続され、第2電圧降下手段は、シャントレギュレータのアノード端子と分圧回路の他端との間に設けられていることを特徴とする。
この構成によれば、スイッチング制御回路を含む制御部に電流が流れると、第2電圧降下手段に電圧降下が生じ、該電圧降下に応じて第1電圧降下手段の他端の電位が上昇する。これにより、第1電圧降下手段における電圧降下が減少するため、第1電圧降下手段の電力損失を低減することができ、結果として、定電圧化手段(定電圧回路)の電力損失を低減することができる。しかも、この構成によれば、上記動作を単一の補助巻線で実現することができるので、トランスの小形化を図ることができる。
なお、上記第1および第2電圧降下手段は、例えば、抵抗である。
また、本発明に係るスイッチング電源装置において、上記一次側直流電圧は、外部から入力された交流電圧が整流された後にアクティブフィルタを介して整形されたものであり、上記制御部は、アクティブフィルタを制御するアクティブフィルタ制御回路を含んでいることを特徴とする。
この構成によれば、制御部にアクティブフィルタ制御回路が含まれた結果、制御部の消費電流が増加するので、第2電圧降下手段に生じる電圧降下が大きくなり、第1電圧降下手段の他端における電位の上昇も大きくなる。これにより、制御部の消費電流の増加に伴う第1電圧降下手段の電力損失の増加を抑制することができる。
本発明によれば、トランスの大型化・複雑化を招くことなく、定電圧回路における電力損失を低減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。 単一の補助巻線が設けられた従来のスイッチング電源装置の回路図である。 2つの補助巻線が設けられた従来のスイッチング電源装置の回路図である。
以下、添付図面を参照しつつ、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。なお、図1に示されている各構成要素のうち、図2と同一の符号を付した構成要素については従来技術で説明したものと同様なので、ここでは説明を一部省略する。
[スイッチング電源装置の構成]
図1に示すように、本発明に係るスイッチング電源装置1において、トランスTは、一次巻線T1、二次巻線T2の他に単一の補助巻線T3を有している。補助巻線T3は、トランスTのコアに一次巻線T1と同一の極性で巻回されており、一次巻線T1に直列に接続されている。なお、以下の説明では、補助巻線T3の2つの端部のうち、一次巻線T1と相互に接続されている側の端部を「相互接続端」と呼び、その反対側の端部を「非相互接続端」(図1において、●が付されている側の端部)と呼ぶこととする。
補助巻線T3の誘起電圧に基づいて、本発明の「スイッチング制御回路」に相当するDC−DCコンバータ制御回路3およびアクティブフィルタ制御回路4の電源電圧となる補助電圧V2を生成する補助電源部は、本発明の「直流化手段」に相当するダイオードD3と、本発明の「定電圧化手段」に相当する定電圧回路5と、平滑用コンデンサC3とを有している。
ダイオードD3のアノードは補助巻線T3の非相互接続端に接続され、ダイオードD3のカソードは定電圧回路5に接続されている。
定電圧回路5は、本発明の「第1電圧降下手段」に相当する抵抗R1と、本発明の「第2電圧降下手段」に相当する抵抗R2と、シャントレギュレータICと、直列接続された第1抵抗R3および第2抵抗R4からなる分圧回路とを有している。
シャントレギュレータICは、DC−DCコンバータ制御回路3およびアクティブフィルタ制御回路4を含む制御部に並列に接続されている。分圧回路の一端(点a;抵抗R1と第1抵抗R3との接続点)はシャントレギュレータICのカソード端子に接続され、分圧回路の他端(点c;抵抗R2と第2抵抗R4との接続点)は補助巻線T3の相互接続端に接続されている。第1抵抗R3と第2抵抗R4との接続点(点b)には、シャントレギュレータICのリファレンス端子が接続されている。
抵抗R1は、一端がダイオードD3のカソードに接続され、他端が分圧回路の一端(点a)に接続されている。また、抵抗R2は、一端が分圧回路の他端(点c)に接続され、他端がシャントレギュレータICのアノード端子(点d)に接続されている。
平滑用コンデンサC3は、一端がシャントレギュレータICのカソード端子に接続され、他端がシャントレギュレータICのアノード端子に接続されている。平滑用コンデンサC3は、補助巻線T3からダイオードD3を介して供給される直流化電圧V1を定電圧回路5により定電圧化した出力電圧によって充電される。そして、この充電により、平滑用コンデンサC3の両端には、制御部の電源電圧となる補助電圧V2が発生する。
[スイッチング電源装置の起動時の動作]
次に、本発明に係るスイッチング電源装置1の起動時の動作について具体的に説明する。なお、以下の説明では、DC−DCコンバータ制御回路3の消費電流をI1、アクティブフィルタ制御回路4の消費電流をI2、抵抗R2に生じる電圧降下をVR2とする。また、DC−DCコンバータ制御回路3の起動電圧は、アクティブフィルタ制御回路4の起動電圧よりも低く設定されているものとする。
このスイッチング電源装置1では、商用交流電圧VACINの入力が開始され、本発明の「一次側直流電圧」に相当するアクティブフィルタ2の出力電圧V0が上昇すると、それに伴って補助巻線T3の誘起電圧をダイオードD3で直流化した直流化電圧V1(=定電圧回路5の入力電圧)が上昇し、定電圧回路5から制御部に補助電圧V2が供給される。
制御部に補助電圧V2が供給され、DC−DCコンバータ制御回路3が起動すると、抵抗R2にDC−DCコンバータ制御回路3の消費電流I1に応じた電圧降下VR2(=I12、以下「Va」と称する)が生じ、分圧回路の他端(点c)の電位は、シャントレギュレータICのアノード端子(点d)の電位よりもVaだけ低下する。このため、シャントレギュレータICのリファレンス端子(点b)の電位は、シャントレギュレータICのアノード端子(点d)に対して、見かけ上Vaだけ低下する。
シャントレギュレータICのリファレンス端子(点b)の電位がVa低下すると、シャントレギュレータICは、シャントレギュレータICのリファレンス端子(点b)の電位をVa上昇させるために、分圧回路の一端(点a)の電位を上昇させるよう動作する。より具体的には、シャントレギュレータICは、分圧回路の一端(点a)の電位を、分圧回路の第1抵抗R3と第2抵抗R4の分圧比に応じて(1+R3/R4)Va上昇させるよう動作する。
分圧回路の一端(点a)の電位が(1+R3/R4)Va上昇すると、直流化電圧V1は一定であるため、抵抗R1における電圧降下が(1+R3/R4)Va減少する。これにより、抵抗R1の電力損失が(1+R3/R4)Va・I1低減される。
さらに補助電圧V2が上昇して、アクティブフィルタ制御回路4が起動すると、抵抗R2に消費電流I1およびアクティブフィルタ制御回路4の消費電流I2に応じた電圧降下VR2(=(I1+I2)R2、以下「Vb」と称する)が生じ、分圧回路の他端(点c)の電位は、シャントレギュレータICのアノード端子(点d)の電位よりもVbだけ低下する。このため、シャントレギュレータICのリファレンス端子(点b)の電位は、シャントレギュレータICのアノード端子(点d)に対して、見かけ上Vbだけ低下する。
シャントレギュレータICのリファレンス端子(点b)の電位がVb低下すると、シャントレギュレータICは、分圧回路の一端(点a)の電位を、分圧回路の第1抵抗R3と第2抵抗R4の分圧比に応じて(1+R3/R4)Vb上昇させるよう動作する。これにより、抵抗R1における電圧降下が(1+R3/R4)Vb減少するので、抵抗R1の電力損失が(1+R3/R4)Vb・(I1+I2)低減される。
結局、本発明に係るスイッチング電源装置1では、抵抗R2を設けたことにより、抵抗R1における電圧降下を(1+R3/R4)Vb減少させ、抵抗R1の電力損失を(1+R3/R4)Vb・(I1+I2)低減させることができる。
また、上記から分かるように、本発明に係るスイッチング電源装置1では、抵抗R1における電圧降下は、制御部の消費電流I1、I2が増加するほど減少する。すなわち、本発明に係るスイッチング電源装置1では、制御部に含まれるDC−DCコンバータ制御回路3やアクティブフィルタ制御回路4等の制御回路の数が増え、制御部全体の消費電流が増えるほど、抵抗R1における電圧降下が減少するので、抵抗R1における損失低減効果が大きくなり、その結果、定電圧回路5における損失低減効果も大きくなる。
しかも、本発明に係るスイッチング電源装置1では、上記動作を単一の補助巻線T3で実現することができるので、トランスTの小形化を図ることができる。したがって、本発明に係るスイッチング電源装置1によれば、トランスTの大型化・複雑化を招くことなく、定電圧回路5における電力損失を低減することができる。
以上、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したが、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではない。
例えば、図1に示すスイッチング電源装置1では、補助電圧V2をDC−DCコンバータ制御回路3およびアクティブフィルタ制御回路4に供給しているが、これは単なる一例であって、いずれか一方にのみ供給してもよいし、さらに他の制御回路に供給してもよい。
また、上記実施形態では、外部から入力された交流電圧を整流した後にアクティブフィルタを介して整形することにより、一次側直流電圧を一次巻線T1に供給しているが、アクティブフィルタ2を介することなく、外部から直接一次側直流電圧を一次巻線T1に供給してもよい。
1 スイッチング電源装置
2 アクティブフィルタ
3 DC−DCコンバータ制御回路
4 アクティブフィルタ制御回路
5 定電圧回路(定電圧化手段)
T トランス
1 一次巻線
2 二次巻線
3 補助巻線
3 ダイオード(直流化手段)
1 抵抗(第1電圧降下手段)
2 抵抗(第2電圧降下手段)
3 第1抵抗
4 第2抵抗
IC シャントレギュレータ

Claims (3)

  1. 一次側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手段と、
    前記スイッチング電圧が供給される一次巻線と、二次巻線と、前記一次巻線の電圧上昇に伴って誘起電圧が上昇するように前記一次巻線と同一極性に巻回された補助巻線とを有するトランスと、
    前記二次巻線の誘起電圧を整流および平滑して直流の二次側出力電圧を生成する出力電圧生成手段と、
    前記スイッチング手段を制御するスイッチング制御回路を含む制御部と、
    前記補助巻線の誘起電圧に基づいて直流の補助電圧を生成し、該補助電圧を電源電圧として前記制御部に供給する補助電源部とを備えたスイッチング電源装置であって、
    前記補助電源部は、
    前記補助巻線の一端に接続され、前記補助巻線の誘起電圧を直流化して直流化電圧を生成する直流化手段と、
    前記直流化手段と前記制御部との間に設けられ、前記直流化電圧を定電圧化して前記補助電圧を生成する定電圧化手段とを有し、
    前記定電圧化手段は、
    一端が前記直流化手段の出力端に接続され、定電圧化する前の前記直流化電圧を降下させる第1電圧降下手段と、
    前記制御部と前記補助巻線の他端との間に設けられ、前記制御部の消費電流に応じた電圧降下を生じさせることで、前記第1電圧降下手段の他端の電位を上昇させて、前記第1電圧降下手段における電圧降下を減少させる第2電圧降下手段と、
    前記制御部に並列接続されたシャントレギュレータと、
    直列接続された第1抵抗および第2抵抗からなり、一端が前記シャントレギュレータのカソード端子に接続され、かつ他端が前記補助巻線の他端に接続されるとともに、前記第1抵抗と前記第2抵抗との接続点に前記シャントレギュレータのリファレンス端子が接続された分圧回路とを有し、
    前記第1電圧降下手段は、他端が前記分圧回路の一端に接続されており、
    前記第2電圧降下手段は、前記シャントレギュレータのアノード端子と前記分圧回路の他端との間に設けられている
    ことを特徴とするスイッチング電源装置。
  2. 前記第1および第2電圧降下手段は、抵抗である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. 前記一次側直流電圧は、外部から入力された交流電圧が整流された後にアクティブフィルタを介して整形されたものであり、
    前記制御部は、前記アクティブフィルタを制御するアクティブフィルタ制御回路を含んでいることを特徴とする請求項1または2に記載のスイッチング電源装置。
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