JP7166843B2 - 電源装置及び画像形成装置 - Google Patents
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Description
(2)1次巻線、第1の2次巻線及び第2の2次巻線を有するトランスと、前記1次巻線に直列に接続された第1のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のダイオードと、前記1次巻線に並列に接続された第2のスイッチング素子と、前記第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のダイオードと、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をオン又はオフするスイッチング動作を制御する第1の制御手段と、を備え、前記第2の2次巻線は、一端が前記第1の2次巻線の他端に接続される電源装置において、前記第1の制御手段は、前記電源装置が負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動し、前記電源装置が前記負荷よりも軽い負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動する駆動期間と前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を停止させる休止期間とを繰り返すように前記スイッチング動作を制御することが可能であって、電荷を蓄える蓄電手段と、前記蓄電手段に直列に接続されており、前記蓄電手段を充電または放電可能な接続状態と、非接続状態に切り替わる接続手段と、一端が前記第1の2次巻線の一端に接続された第4のスイッチング素子と、前記第4のスイッチング素子に並列に接続された第4のダイオードと、一端が前記第2の2次巻線の他端に接続された第5のスイッチング素子と、前記第5のスイッチング素子に並列に接続された第5のダイオードと、一端が前記第4のスイッチング素子の他端及び前記第5のスイッチング素子の他端に接続され、他端が前記第1の2次巻線の他端及び前記第2の2次巻線の一端に接続された2次側の平滑コンデンサと、前記第4のスイッチング素子及び第5のスイッチング素子をオン又はオフさせることにより同期整流動作を制御する第2の制御手段と、を備え、前記蓄電手段は、前記2次側の平滑コンデンサであり、前記接続手段は、前記第4のスイッチング素子及び第5のスイッチング素子であり、前記第2の制御手段は、前記休止期間から前記スイッチング動作が再開される場合に、前記第4のスイッチング素子又は第5のスイッチング素子をオン状態にして前記2次側の平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させることで前記第1のダイオードに電流が流れている間に、前記第1のスイッチング素子をターンオンするように制御することを特徴とする電源装置。
(3)1次巻線、第1の2次巻線及び第2の2次巻線を有するトランスと、前記1次巻線に直列に接続された第1のスイッチング素子と、前記第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のダイオードと、前記1次巻線に並列に接続された第2のスイッチング素子と、前記第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のダイオードと、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をオン又はオフするスイッチング動作を制御する第1の制御手段と、を備え、前記第2の2次巻線は、一端が前記第1の2次巻線の他端に接続される電源装置において、前記第1の制御手段は、前記電源装置が負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動し、前記電源装置が前記負荷よりも軽い負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動する駆動期間と前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を停止させる休止期間とを繰り返すように前記スイッチング動作を制御することが可能であって、電荷を蓄える蓄電手段と、前記蓄電手段に直列に接続されており、前記蓄電手段を充電または放電可能な接続状態と、非接続状態に切り替わる接続手段と、一端が前記第1の2次巻線の一端に接続された第4のスイッチング素子と、前記第4のスイッチング素子に並列に接続された第4のダイオードと、一端が前記第2の2次巻線の他端に接続された第5のスイッチング素子と、前記第5のスイッチング素子に並列に接続された第5のダイオードと、一端が前記第4のスイッチング素子の他端及び前記第5のスイッチング素子の他端に接続され、他端が前記第1の2次巻線の他端及び前記第2の2次巻線の一端に接続された2次側の平滑コンデンサと、前記第4のスイッチング素子及び第5のスイッチング素子をオン又はオフさせることにより同期整流動作を制御する第2の制御手段と、を備え、前記蓄電手段は、前記2次側の平滑コンデンサであり、前記接続手段は、前記第4のスイッチング素子及び第5のスイッチング素子であり、前記第2の制御手段は、前記休止期間から前記スイッチング動作が再開される場合に、前記第4のスイッチング素子又は第5のスイッチング素子をオン状態にして前記2次側の平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させることで前記第1のダイオードに電流が流れ終わった後に前記第2のダイオードに電流が流れている間に、前記第2のスイッチング素子をターンオンするように制御することを特徴とする電源装置。
実施例1は、充放電手段の一例として直列共振手段の第1のコンデンサを兼用し、第3のスイッチング素子を第1のコンデンサに直列に接続したものを使用した例を挙げる。負荷が軽負荷となって、スイッチング制御回路によってスイッチング動作が休止される期間である休止期間が設けられたときに、休止期間からスイッチング動作を再開する場合にもソフトスイッチングを可能とする。スイッチング動作を行っている期間を、以下、スイッチング期間ともいう。すなわち、休止期間には第1のコンデンサに電圧を蓄えるように後述するスイッチング制御手段が第3のスイッチング素子を制御する。一方、スイッチング制御手段は、スイッチング動作の再開時には、第3のスイッチング素子を制御して、第1のコンデンサに蓄えた電圧を利用して直列共振手段に電流を流し、他のスイッチング素子をソフトスイッチングする。
ここで各動作説明の前に、電圧、電流の方向を定義しておく。スイッチング素子104、105のドレイン電圧は、ソース端子の電圧よりもドレイン端子の電圧が高くなる方向をプラスとする。スイッチング素子104、105のドレイン電流は、ドレイン端子からソース端子に流れる方向をプラスとする。スイッチング素子104、105のゲート電圧は、ソース端子の電圧よりもゲート端子の電圧が高くなる方向をプラスとしている。また、コンデンサ109の電流は、トランス107の1次巻線108と接続された一方の端子からスイッチング素子110のドレイン端子に接続された他方の端子に流れる方向をプラス、逆方向をマイナスとする。トランス107の2次巻線111、112に誘起される電圧は、ダイオード113、114のアノード端子に接続された方が高くなる方向をプラスとする。
負荷121が定格負荷付近となっている場合の動作を電源装置160の各波形の一例を用いて説明する。図2は電源装置160における各波形を示すグラフである。図2の(i)はスイッチング素子104のゲートソース間電圧の波形を示し、(ii)はスイッチング素子105のゲートソース間電圧を示し、(iii)はスイッチング素子110のゲートソース間電圧を示す。(iv)はスイッチング素子104のドレイン電流Id104を示し、(v)はスイッチング素子105のドレイン電流Id105を示し、(vi)はスイッチング素子110のドレイン電流Id110を示す。また、いずれも横軸は時間を示す。(i)~(vi)を波形1~波形6ともいう。なお、負荷121が定格負荷の付近となっている場合、スイッチング素子110はオンとなっている(iii)。
スイッチング素子104がオンすると(i)、コンデンサ103からスイッチング素子104→トランス107の1次巻線108→コンデンサ109といった経路で電流が流れる。トランス107の2次巻線111は、1次巻線108と同方向に巻回されている。2次巻線111に誘起された電圧がダイオード113の順方向電圧よりも高くなると、トランス107の2次巻線111からダイオード113を介して電流が流れて2次側の平滑コンデンサ115を充電する。スイッチング素子104がオンし続けると、スイッチング素子104のドレイン電流は1次巻線108のインダクタンスとコンデンサ109とが直列に接続された直列共振回路153に流れる、正弦波状の電流になる(iv)。スイッチング素子104は、直列共振回路153のトランス107の1次巻線108のインダクタンスとコンデンサ109の容量とから決定される共振周期よりも短い時間でターンオフされる。これにより、期間1から期間2へ移行する。
スイッチング素子104がターンオフしても、トランス107の1次巻線108に流れる電流は維持される。このため、トランス107に蓄えられたエネルギーによって、1次巻線108→コンデンサ109→スイッチング素子110→コンデンサ106といった経路に電流が流れ、この電流によってコンデンサ106が充電される。これにより、スイッチング素子105のドレイン電圧が低下する。
スイッチング素子105のドレイン電圧が低下してソース電圧よりも低くなると、スイッチング素子105のボディーダイオードが導通する。これにより、期間2から期間3へ移行する。スイッチング素子105のボディーダイオードが導通している間、スイッチング素子105のドレイン電流が流れる方向はマイナスとなる(v)。
スイッチング素子105のボディーダイオードが導通し、ボディーダイオードを介して電流が流れている期間に、スイッチング素子105がオンされる。これにより、ゼロ電圧スイッチング動作(すなわち、ソフトスイッチング動作)を行うことができる。スイッチング素子105のオンによって(ii)、期間3から期間4へ移行する。スイッチング素子105がオンした後、トランス107の1次巻線108のエネルギーが無くなるまではスイッチング素子105のドレイン電流はマイナス方向に流れる(v)。
スイッチング素子105のドレイン電流がマイナスからプラスに転じることにより期間4から期間5へ移行する。1次巻線108のエネルギーが無くなるとコンデンサ109に蓄えられた電圧は最大となり、今度はコンデンサ109に蓄えられたエネルギーを電源として、電流が流れ始める。すなわち、コンデンサ109が放電する過程になる。
コンデンサ109が放電を開始し、コンデンサ109から1次巻線108→スイッチング素子105を通る経路で電流が流れる。すなわち、スイッチング素子105のドレイン電流の流れはプラスとなる(v)。この状態では、トランス107の2次巻線111に誘起される電圧はマイナスとなり、2次巻線111に誘起される電圧がダイオード114を介して2次側の平滑コンデンサ115を充電する。この後、スイッチング素子105がターンオフされると、1次巻線108に流れていた電流は1次巻線108に蓄えたエネルギーとコンデンサ109の残りのエネルギーとにより維持され、コンデンサ106を充電する。スイッチング素子105のターンオフによって、期間5から期間6へ移行する。
コンデンサ106が充電され、コンデンサ106の電圧が上昇してコンデンサ103の電圧よりも高くなると、スイッチング素子104のボディーダイオードを介してコンデンサ103に電流を供給し始める。これにより期間6から期間7へ移行する。この期間7の間にスイッチング素子104をオンすることで(i)、スイッチング素子104でもソフトスイッチング動作が行われる。負荷121が定格負荷の状態では、例えば約50%のオンデューティで、スイッチング素子104、105を交互にオン、オフする一連の動作を行っている。ここで、50%のオンデューティとは、スイッチング動作の1周期において、スイッチング素子104、105がオン状態である時間が約50%であることを意味する。
次に負荷121が定格負荷時よりも低い軽負荷時の動作を説明する。スイッチング動作の周波数を上げ過ぎると効率が低下するため、IC126にはあらかじめスイッチング動作の上限の周波数(以下、上限周波数という)が設定されている。IC126は、スイッチング素子104又はスイッチング素子105のゲート端子に出力する信号の周波数(以下、ゲート駆動周波数という)又はオン時間を監視している。そして、IC126は、スイッチング動作の周波数が上限周波数に到達すると、それ以上周波数を上げないように構成している。これにより、IC126は、軽負荷時における効率の低下を防止している。
負荷121が軽負荷状態となった後の休止期間中にIC126の端子4の電圧が上昇してくると、IC126は、まずスイッチング素子110をターンオンする。これにより、休止期間から期間1へ移行する。IC126は、休止期間中にも端子4の電圧を監視し続けており、例えば、端子4の電圧が、図3の(viii)に破線で示す電圧V1を超えた場合に、スイッチング動作を再開するように制御する。なお、スイッチング素子110はオフ状態となっていたものとし、スイッチング素子110がターンオフされるタイミングは後述する。コンデンサ109にはスイッチング素子110のドレイン端子側の電圧が高くなるように電圧が保存されている。したがってコンデンサ109の電圧を電源として、コンデンサ106の電荷を放電しつつ、1次巻線108→コンデンサ109の経路で電流が流れる。すなわち、図4の期間1に示すように、コンデンサ109→コンデンサ106→トランス107の1次巻線108のように電流が流れる。スイッチング素子110に流れる電流の方向はプラスである(vi)。この結果、コンデンサ106の放電に伴ってスイッチング素子105のドレイン電圧が低下する(vii)。
スイッチング素子105のドレイン電圧の低下に伴って、コンデンサ106に流れていた電流はスイッチング素子105のボディーダイオードを流れる。これにより、期間1から期間2へ移行する。図4の期間2に示すように、電流は、コンデンサ109→スイッチング素子105のボディーダイオード→トランス107の1次巻線108のように流れる。スイッチング素子105に流れる電流の向きはマイナスである(v)。スイッチング素子105のボディーダイオードに電流が流れている期間2の間にスイッチング素子105をターンオンすることで(ii)、スイッチング素子105はソフトスイッチング動作が可能となる。
1次巻線108とコンデンサ109は、エネルギーをやり取りしながら共振を続ける。このため、時間の経過とともにスイッチング素子110のドレイン電流(すなわちコンデンサ109及び1次巻線108に流れる電流)は、マイナス方向に、正弦波に近い波形を描きながら流れる(vi)。スイッチング素子105のドレイン電流は、正弦波に近い波形を描きながらマイナス方向に流れ、やがて0Aとなった後プラス方向に流れ始める。期間2から期間3への移行は、スイッチング素子110のドレイン電流の向きがプラス方向からマイナス方向に変化したタイミングであり、スイッチング素子105のドレイン電流の向きが、マイナス方向からプラス方向に変化したタイミングである。期間3では、スイッチング素子110のドレイン電流はマイナス方向に流れ、スイッチング素子105のドレイン電流はプラス方向に流れている。
スイッチング素子105のドレイン電流がプラスに転じてから、スイッチング素子105をターンオフすると、トランス107の1次巻線108は電流を保存しようとする。なお、スイッチング素子105がターンオフされたタイミングで、期間3から期間4に移行する。電流は、コンデンサ109→1次巻線108→コンデンサ106の経路で流れ、コンデンサ106が充電され、スイッチング素子105のドレイン電圧が上昇する(vii)。スイッチング素子105のドレイン電圧が所定の電圧まで上昇したタイミングで、期間4から期間5へ移行する。
コンデンサ109→1次巻線108と流れているマイナス方向の電流は、スイッチング素子104のボディーダイオードを介してコンデンサ103に帰還する。スイッチング素子104のボディーダイオードに電流が流れている間にスイッチング素子104をターンオンすることで、スイッチング素子104はソフトスイッチング動作が可能となる。なお、スイッチング素子104がターンオンされたタイミングで、期間5から期間6に移行する。
1次巻線108に残っていたエネルギーがコンデンサ103に移動して、1次巻線108の電流が0になると、今度はコンデンサ103から電流の供給が行われる。スイッチング素子104、スイッチング素子110にはプラス方向に電流が流れる。すなわち、コンデンサ103→スイッチング素子104→1次巻線108→コンデンサ109→コンデンサ103の経路で電流が流れる。この電流も1次巻線108とコンデンサ109との共振電流となるため、スイッチング素子104及びスイッチング素子110をオン状態にしたままにしておくと正弦波状に電流が増減する。スイッチング素子110の電流がプラス方向に流れている間に(vi)スイッチング素子104をターンオフする(i)。スイッチング素子104がターンオフされたタイミングで、期間6から期間7に移行する。
スイッチング素子104がターンオフしても1次巻線108の電流は保存されるので、電流はコンデンサ106に流れ、スイッチング素子105のドレイン電圧が低下する(vii)。すなわち、電流は、1次巻線108→コンデンサ109→コンデンサ106の経路で流れる。スイッチング素子105のドレイン電圧が0となったタイミングで、期間7から期間8に移行する。
スイッチング素子105のドレイン電圧がソース電圧より低くなると、スイッチング素子105のボディーダイオードに電流が流れる。すなわち、コンデンサ109→スイッチング素子105のボディーダイオード→1次巻線108の経路で電流が流れる。この期間8の間にスイッチング素子105がターンオンされることで、ソフトスイッチング動作が可能となる(ii)。スイッチング素子105がターンオンされたタイミングで、期間8から期間9に移行する。
スイッチング素子105がターンオンされ、スイッチング素子105のボディーダイオードに電流が流れ終わると、今度はスイッチング素子105のプラス方向に電流が流れる。スイッチング素子110にはマイナス方向に電流が流れており、この間にスイッチング素子105をターンオフする(ii)。スイッチング素子105のターンオフによって、期間9から期間10へ移行する。
スイッチング素子110をターンオフしても、電流は1次巻線108により保存されてさらに流れ続けようとし、コンデンサ106を充電してスイッチング素子105のドレイン電圧が上昇する(vii)。なお、電流は、コンデンサ109→1次巻線108→コンデンサ109の経路で流れる。スイッチング素子110は第3のダイオードであるボディーダイオードを有し(図1参照)、この期間10における電流はスイッチング素子110のボディーダイオードを流れる。コンデンサ109は、スイッチング素子110に接続された側の端子がプラスとなるように充電される。スイッチング素子105のドレイン電圧が所定の電圧まで上昇したタイミングで、期間10から期間11に移行する。
1次巻線108に残留したエネルギーは、スイッチング素子104のボディーダイオードを介してコンデンサ103に戻っていく。すなわち、1次巻線108→スイッチング素子104のボディーダイオード→コンデンサ103→スイッチング素子110のボディーダイオード→コンデンサ109の経路で電流が流れる。スイッチング素子105をオフする際に、スイッチング素子110もオフすることで、次回、休止期間からスイッチング期間に復帰する際の動作に備えてコンデンサ109を充電することが可能となる。スイッチング素子104のボディーダイオード及びスイッチング素子110のボディーダイオードに電流が流れなくなると、期間11から休止期間へ移行する。
実施例2の電源装置160を図5に示す。実施例1の説明と重複する部分は同一符号を付けて省略する。2次側整流平滑回路157は、第4のスイッチング素子155を有している。実施例2では、例えば、第4のスイッチング素子155は、スイッチング素子401及びスイッチング素子402であり、スイッチング素子401、402はそれぞれ第4のダイオードであるボディーダイオードを有している。充放電回路154は、スイッチング素子401、402と2次側の平滑コンデンサ115とを有している。すなわち、実施例2では、2次側の平滑コンデンサ115が、2次側整流平滑回路157と充放電回路154とで兼用されており、蓄電手段としても機能する。スイッチング素子401、402は、2次側の平滑コンデンサ115に蓄えられた電荷を放電するときに接続状態となる接続手段として機能する。第2の制御手段である制御回路403は2次側スイッチング制御回路である。IC126の端子11は制御回路403に接続されており、端子11を介して、端子4の電圧の情報を制御回路403に報知する。
実施例1では休止期間の後、IC126のフィードバック端子である端子4の電圧が上昇することで1次側のスイッチング素子110をオンし、コンデンサ109の電荷を利用してその後のスイッチング動作を行った。実施例2では、1次側ではなく2次側にスイッチング素子401、402を配置し、ダイオードの代わりにスイッチング素子を利用する同期整流動作を行っている。また、同期整流動作以外のタイミングでスイッチング素子401、402を駆動して2次側の平滑コンデンサ115よりトランス107の2次巻線111に電流を流す。このようにして1次側のスイッチング素子104、105のソフトスイッチングを実現している。各部の波形を図6に、各期間の電流の方向を図7に示す。各期間1~期間9の説明を行う。図6は電源装置160における各波形を示すグラフである。図6の(i)はスイッチング素子104のゲートソース間電圧の波形を示し、(ii)はスイッチング素子105のゲートソース間電圧を示し、(iii)はスイッチング素子401のゲートソース間電圧を示す。(iv)はスイッチング素子104のドレイン電流Id104を示し、(v)はスイッチング素子105のドレイン電流Id105を示し、(vi)はスイッチング素子401のドレイン電流Id401を示す。(vii)はスイッチング素子105のドレイン電圧を示し、(viii)はIC126の端子4の電圧を示し、電圧V1も示す。(i)~(viii)を波形1~波形8ともいう。横軸はいずれも時間を示す。
IC126は、端子4の電圧が上昇し電圧V1を超えると端子4の電圧が電圧V1を超えたという情報を制御回路403に報知する。制御回路403は、IC126からの情報に基づいてスイッチング素子401をターンオンする。スイッチング素子401のターンオンによって、休止期間から期間1へ移行する。すると、2次側の平滑コンデンサ115の電圧を電源として2次巻線111に電流が流れる。すなわち、2次側の平滑コンデンサ115→2次巻線111→2次側の平滑コンデンサ115の経路で電流が流れる。スイッチング素子401のドレイン端子からソース端子に電流が流れているときの方向をプラスとする。2次巻線111に電流が流れると、1次巻線108からコンデンサ106、コンデンサ109の経路に電流が流れる。すると、コンデンサ106が充電されてスイッチング素子105のドレイン電圧が上昇する(vii)。
スイッチング素子105のドレイン電圧が上昇すると、スイッチング素子104のボディーダイオードを通して電流がコンデンサ103に流れ始める(iv)。これにより、期間1から期間2に移行する。すなわち、1次側において、1次巻線108→スイッチング素子104のボディーダイオード→コンデンサ103→コンデンサ109の経路で電流が流れる。
スイッチング素子104をターンオンする(i)。これにより、期間2から期間3に移行する。電流は、コンデンサ103→スイッチング素子104→1次巻線108→コンデンサ109の経路で流れる。また、スイッチング素子104をターンオンした後、速やかにスイッチング素子401をターンオフする。これにより、期間3から期間4に移行する。
スイッチング素子401をターンオフすると、直後に2次巻線112に電圧が現れ、スイッチング素子402のボディーダイオードを通って2次側の平滑コンデンサ115に電流が流れる。また1次巻線108にも、コンデンサ109を充電する方向に電流が流れる。すなわち、1次側において、コンデンサ103→スイッチング素子104→1次巻線108→コンデンサ109の経路で電流が流れる。1次巻線の108に流れる電流はスイッチング素子104がターンオンしているため、さらに時間とともに電流が大きくなっていく。この電流は1次巻線108とコンデンサ109とが直列に接続された直列共振回路153の共振電流であるため、正弦波状の波形となる(iv)。
コンデンサ109の電流がマイナス方向となる前にスイッチング素子104をターンオフする。スイッチング素子104のターンオフによって、期間4から期間5に移行する。そうすると、コンデンサ106に電流が流れてスイッチング素子105のドレイン電圧が低下する(vii)。電流は、1次巻線108→コンデンサ109→コンデンサ106の経路で流れる。
スイッチング素子105のドレイン電圧がソース電圧より低くなるとスイッチング素子105のボディーダイオードに電流が流れる。スイッチング素子105のボディーダイオードに電流が流れ始めたタイミングで、期間5から期間6に移行する。電流は、1次巻線108→コンデンサ109→スイッチング素子105のボディーダイオードの経路で流れる。この期間6の間にスイッチング素子105をターンオンする。これによりスイッチング素子105のソフトスイッチング動作が可能となる。スイッチング素子105のターンオンによって、期間6から期間7に移行する。
スイッチング素子105をターンオンしたときにマイナス方向に流れていた電流は、共振回路の周期でプラス方向に流れ始め、正弦波状の波形となる(v)。すなわち、1次巻線108→スイッチング素子105→コンデンサ109の経路で電流が流れる。
スイッチング素子105をターンオフすると、トランス107の1次巻線108の電流は保存されるためコンデンサ106が充電され、スイッチング素子105のドレイン電圧が上昇する(vii)。スイッチング素子105のターンオフによって、期間7から期間8に移行する。電流は、1次巻線108→コンデンサ106→コンデンサ109の経路で流れる。スイッチング素子105のドレイン電圧がコンデンサ103の電圧よりも高くなったタイミングで、期間8から期間9に移行する。
スイッチング素子105のドレイン電圧がコンデンサ103の電圧よりも高くなると、スイッチング素子104のボディーダイオードが導通してコンデンサ103に電流が戻っていく。電流は、1次巻線108→スイッチング素子104のボディーダイオード→コンデンサ103→コンデンサ109の経路で流れる。
電源装置160の回路図は図5を用いて説明する。また、電源装置160の各部の波形を図8に、電流の向きを図9に示し、各期間1~期間10の動作の説明を行う。なお、図8の(i)~(viii)は図6の(i)~(viii)と同様のグラフである。
実施例2の期間1に同じなので説明は省略する。
実施例2の期間2に同じなので説明は省略する。なお、実施例2の図7の期間2では、スイッチング素子104を「オフ⇒オン」としている。しかし、実施例3では上述したように、このタイミングでもスイッチング素子104はターンオンされない。
スイッチング素子401をターンオフすると、各巻線は電流を流し続けようとする。実施例3では、スイッチング素子105をターンオンする前にスイッチング素子401がターンオフされる。スイッチング素子401のターンオフによって、期間2から期間3に移行する。2次巻線111の、スイッチング素子401のソース端子が接続された端子の電圧はマイナスに低下し、2次巻線112にはプラス側の電圧が現れる。実施例2ではこのタイミングでスイッチング素子104をターンオンした(図7 期間2)。実施例3では、このままスイッチング素子104をターンオンせず、オフ状態を維持する。すると、コンデンサ103、109、106に電圧が充電されて1次巻線108のエネルギーが無くなっていくため電流が減少する。
コンデンサの106、109に蓄えられたエネルギーで1次巻線108に電流が流れ始める。ここで、コンデンサ106の容量が小さいため、コンデンサ106は急速に放電が行われてスイッチング素子105のドレイン電圧が0V以下まで低下する(vii)。これにより、期間3から期間4に移行する。すると、スイッチング素子105のボディーダイオードが導通する。電流は、1次巻線108→コンデンサ109→スイッチング素子105のボディーダイオードの経路で流れる。
このタイミングでスイッチング素子105をターンオンする。スイッチング素子105のターンオンによって、期間4から期間5に移行する。コンデンサ109と1次巻線108の共振動作により、スイッチング素子105の電流はマイナス方向から、0となった後、プラス方向に流れて正弦波状の波形を描く(v)。
スイッチング素子105をオフする。スイッチング素子105のオフによって、期間5から期間6に移行する。スイッチング素子105がオフすると、コンデンサ106が充電されてスイッチング素子105のドレイン電圧が上昇する(vii)。電流は、1次巻線108→コンデンサ106→コンデンサ109の経路で流れる。
スイッチング素子105のドレイン電圧がコンデンサ103の電圧よりも高くなると、期間6から期間7に移行する。これにより、スイッチング素子104のボディーダイオードに電流が流れる。電流は、1次巻線108→スイッチング素子104のボディーダイオード→コンデンサ103→コンデンサ109の経路で流れる。
このタイミングで、スイッチング素子104をターンオンする。スイッチング素子104のターンオンによって、期間7から期間8に移行する。これによりスイッチング素子104はソフトスイッチング動作が可能となる。電流は、スイッチング素子104→1次巻線108→コンデンサ109の経路で流れる。
スイッチング素子104に流れる電流は、コンデンサ109と、1次巻線108の共振電流となる。電流はマイナス方向から0A、プラス方向と正弦波状の電流となる(iv)。ここでスイッチング素子104がターンオフされると、期間8から期間9に移行する。スイッチング素子104がターンオフされると、コンデンサ106が放電されてスイッチング素子105のドレイン電圧が低下する(vii)。電流は、コンデンサ106→1次巻線108→コンデンサ109の経路で流れる。
スイッチング素子105のドレイン電圧は、0V以下となり、スイッチング素子105のボディーダイオードが導通し、これにより期間9から期間10に移行する。電流は、1次巻線108→コンデンサ109→スイッチング素子105のボディーダイオードの順で流れる。
図10は、電源装置160の通常運転時を示しており、スイッチング素子104、105はIC126によってデューティ(Duty)50%で制御されており、共振外れは発生していない。共振外れが発生していない場合は、スイッチング素子104、105は、それぞれに設定されたイネーブル期間内にターンオフされる。IC126は、スイッチング素子104、105のターンオフがイネーブル期間内であるか否かを監視している。
実施例4の波形を図12に示し動作の説明を行う。図12の(i)~(ix)は図10、図11の(i)~(ix)と同様のグラフである。実施例4では、IC126が抵抗128の電圧からイネーブル期間以外のタイミングでターンオフを行う共振外れを検知すると、スイッチング素子110とスイッチング素子104をターンオフして休止状態とする(図12(ii)の点線丸枠内)。IC126は休止期間に移行するため、スイッチング素子105もオフ状態である(ii)。
画像形成装置の一例として、レーザビームプリンタを例にあげて説明する。図13に電子写真方式のプリンタの一例であるレーザビームプリンタの概略構成を示す。レーザビームプリンタ300は、静電潜像が形成される像担持体としての感光ドラム311、感光ドラム311を一様に帯電する帯電部317(帯電手段)、感光ドラム311に形成された静電潜像をトナーで現像する現像部312(現像手段)を備えている。そして、感光ドラム311に現像されたトナー像をカセット316から供給された記録材としてのシート(不図示)に転写部318(転写手段)によって転写して、シートに転写したトナー像を定着器314で定着してトレイ315に排出する。この感光ドラム311、帯電部317、現像部312、転写部318が画像形成部である。また、レーザビームプリンタ300は、実施例1~4で説明した電源装置160を備えている。なお、実施例1~4の電源装置160を適用可能な画像形成装置は、図13に例示したものに限定されず、例えば複数の画像形成部を備える画像形成装置であってもよい。更に、感光ドラム311上のトナー像を中間転写ベルトに転写する一次転写部と、中間転写ベルト上のトナー像をシートに転写する二次転写部を備える画像形成装置であってもよい。
105 第2のスイッチング素子
107 トランス
109 第1のコンデンサ
110 第3のスイッチング素子
126 IC
Claims (12)
- 1次巻線及び2次巻線を有するトランスと、
前記1次巻線に直列に接続された第1のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のダイオードと、
前記1次巻線に並列に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のダイオードと、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をオン又はオフするスイッチング動作を制御する第1の制御手段と、
を備える電源装置において、
前記第1の制御手段は、前記電源装置が負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動し、前記電源装置が前記負荷よりも軽い負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動する駆動期間と前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を停止させる休止期間とを繰り返すように前記スイッチング動作を制御することが可能であって、
前記1次巻線に接続され、電荷を蓄える蓄電手段と、
前記蓄電手段に直列に接続されており、前記蓄電手段を充電または放電可能な接続状態と、非接続状態に切り替わる接続手段と、
を備え、
前記蓄電手段と前記接続手段との直列回路は、前記1次巻線の第1のスイッチング素子と接続されない側の端部と第2のスイッチング素子との間に設けられ、
前記第1の制御手段は、前記休止期間から前記スイッチング動作が再開される場合に、前記接続手段を前記接続状態にしてから前記第1のダイオード及び前記第2のダイオードのいずれか一方に電流が流れている間に、電流が流れている方のダイオードと並列に接続されたスイッチング素子をターンオンさせることにより、前記休止期間から前記駆動期間に移行することを特徴とする電源装置。 - 前記蓄電手段は、前記1次巻線に直列に接続され、直列に接続された前記1次巻線とともに前記第2のスイッチング素子に並列に接続されている第1のコンデンサであり、
前記接続手段は、第3のスイッチング素子と、前記第3のスイッチング素子に並列に接続された第3のダイオードと、を含み、
前記第1の制御手段は、前記休止期間から前記スイッチング動作が再開される場合に、前記第3のスイッチング素子をオン状態にして前記第1のコンデンサに蓄えられた電荷を放電させることで前記第2のダイオードに電流が流れている間に、前記第2のスイッチング素子をターンオンするように制御することを特徴とする請求項1に記載の電源装置。 - 交流電源に接続され、平滑コンデンサを有する1次側の整流平滑手段を備え、
前記平滑コンデンサは、前記第1のスイッチング素子と前記第2のスイッチング素子の直列回路に並列に接続され、
前記第1の制御手段は、前記駆動期間から前記休止期間に移行する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をオフ状態にするとともに前記第3のスイッチング素子を非接続状態とし、前記1次巻線に蓄えられたエネルギーを前記第1のダイオードを介して前記平滑コンデンサに帰還させ、前記第3のダイオードに電流を流すことにより、前記第1のコンデンサを充電することを特徴とする請求項2に記載の電源装置。 - 1次巻線、第1の2次巻線及び第2の2次巻線を有するトランスと、
前記1次巻線に直列に接続された第1のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のダイオードと、
前記1次巻線に並列に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のダイオードと、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をオン又はオフするスイッチング動作を制御する第1の制御手段と、
を備え、前記第2の2次巻線は、一端が前記第1の2次巻線の他端に接続される電源装置において、
前記第1の制御手段は、前記電源装置が負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動し、前記電源装置が前記負荷よりも軽い負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動する駆動期間と前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を停止させる休止期間とを繰り返すように前記スイッチング動作を制御することが可能であって、
電荷を蓄える蓄電手段と、
前記蓄電手段に直列に接続されており、前記蓄電手段を充電または放電可能な接続状態と、非接続状態に切り替わる接続手段と、
一端が前記第1の2次巻線の一端に接続された第4のスイッチング素子と、
前記第4のスイッチング素子に並列に接続された第4のダイオードと、
一端が前記第2の2次巻線の他端に接続された第5のスイッチング素子と、
前記第5のスイッチング素子に並列に接続された第5のダイオードと、
一端が前記第4のスイッチング素子の他端及び前記第5のスイッチング素子の他端に接続され、他端が前記第1の2次巻線の他端及び前記第2の2次巻線の一端に接続された2次側の平滑コンデンサと、
前記第4のスイッチング素子及び第5のスイッチング素子をオン又はオフさせることにより同期整流動作を制御する第2の制御手段と、
を備え、
前記蓄電手段は、前記2次側の平滑コンデンサであり、
前記接続手段は、前記第4のスイッチング素子及び第5のスイッチング素子であり、
前記第2の制御手段は、前記休止期間から前記スイッチング動作が再開される場合に、前記第4のスイッチング素子又は第5のスイッチング素子をオン状態にして前記2次側の平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させることで前記第1のダイオードに電流が流れている間に、前記第1のスイッチング素子をターンオンするように制御することを特徴とする電源装置。 - 前記第2の制御手段は、前記第1のスイッチング素子をターンオンした後に前記第4のスイッチング素子又は第5のスイッチング素子をオフ状態とすることを特徴とする請求項4に記載の電源装置。
- 1次巻線、第1の2次巻線及び第2の2次巻線を有するトランスと、
前記1次巻線に直列に接続された第1のスイッチング素子と、
前記第1のスイッチング素子に並列に接続された第1のダイオードと、
前記1次巻線に並列に接続された第2のスイッチング素子と、
前記第2のスイッチング素子に並列に接続された第2のダイオードと、
前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子をオン又はオフするスイッチング動作を制御する第1の制御手段と、
を備え、前記第2の2次巻線は、一端が前記第1の2次巻線の他端に接続される電源装置において、
前記第1の制御手段は、前記電源装置が負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動し、前記電源装置が前記負荷よりも軽い負荷に電力を供給する場合に、前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を連続的に駆動する駆動期間と前記第1のスイッチング素子及び前記第2のスイッチング素子を停止させる休止期間とを繰り返すように前記スイッチング動作を制御することが可能であって、
電荷を蓄える蓄電手段と、
前記蓄電手段に直列に接続されており、前記蓄電手段を充電または放電可能な接続状態と、非接続状態に切り替わる接続手段と、
一端が前記第1の2次巻線の一端に接続された第4のスイッチング素子と、
前記第4のスイッチング素子に並列に接続された第4のダイオードと、
一端が前記第2の2次巻線の他端に接続された第5のスイッチング素子と、
前記第5のスイッチング素子に並列に接続された第5のダイオードと、
一端が前記第4のスイッチング素子の他端及び前記第5のスイッチング素子の他端に接続され、他端が前記第1の2次巻線の他端及び前記第2の2次巻線の一端に接続された2次側の平滑コンデンサと、
前記第4のスイッチング素子及び第5のスイッチング素子をオン又はオフさせることにより同期整流動作を制御する第2の制御手段と、
を備え、
前記蓄電手段は、前記2次側の平滑コンデンサであり、
前記接続手段は、前記第4のスイッチング素子及び第5のスイッチング素子であり、
前記第2の制御手段は、前記休止期間から前記スイッチング動作が再開される場合に、前記第4のスイッチング素子又は第5のスイッチング素子をオン状態にして前記2次側の平滑コンデンサに蓄えられた電荷を放電させることで前記第1のダイオードに電流が流れ終わった後に前記第2のダイオードに電流が流れている間に、前記第2のスイッチング素子をターンオンするように制御することを特徴とする電源装置。 - 前記第2の制御手段は、前記第2のスイッチング素子をターンオンする前に前記第4のスイッチング素子又は第5のスイッチング素子をオフ状態とすることを特徴とする請求項6に記載の電源装置。
- 前記第2の制御手段は、前記第1の制御手段から報知された情報に基づいて前記第4のスイッチング素子又は第5のスイッチング素子をオン状態とすることを特徴とする請求項4から請求項7のいずれか1項に記載の電源装置。
- 前記2次巻線に誘起された電圧に応じた信号を前記第1の制御手段にフィードバックするフィードバック手段を備え、
前記第1の制御手段は、前記フィードバック手段によりフィードバックされた信号に基づいて前記休止期間から前記駆動期間に移行することを判断することを特徴とする請求項1から請求項8のいずれか1項に記載の電源装置。 - 前記第1の制御手段は、前記フィードバック手段によりフィードバックされた信号に基づいて前記スイッチング動作を停止して前記休止期間に移行することを判断することを特徴とする請求項9に記載の電源装置。
- 共振外れを検知する検知手段を備え、
前記第1の制御手段は、前記検知手段により前記共振外れを検知した場合、前記スイッチング動作を停止させて前記休止期間に移行し、前記休止期間から前記スイッチング動作に復帰する際には、前記接続手段を前記接続状態にして前記蓄電手段に蓄えられた電荷を放電させることで前記第1のダイオード及び前記第2のダイオードのいずれか一方に電流が流れている間に、前記ダイオードに電流が流れている方のスイッチング素子をターンオンすることを特徴とする請求項1から請求項10のいずれか1項に記載の電源装置。 - 記録材に画像形成を行う画像形成手段と、
請求項1から請求項11のいずれか1項に記載の電源装置と、
を備えることを特徴とする画像形成装置。
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