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JP2006288091A - フィルタ回路および電源装置 - Google Patents

フィルタ回路および電源装置 Download PDF

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JP2006288091A JP2005105473A JP2005105473A JP2006288091A JP 2006288091 A JP2006288091 A JP 2006288091A JP 2005105473 A JP2005105473 A JP 2005105473A JP 2005105473 A JP2005105473 A JP 2005105473A JP 2006288091 A JP2006288091 A JP 2006288091A
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Abstract

【課題】回路基板上の磁芯の数およびその占有スペースを削減することのできるフィルタ回路およびそのフィルタ回路を用いた電源装置を提供する。
【解決手段】フィルタ回路1は、中足コイル11およびキャパシタC1からなる第1のフィルタ部1Aと、外足コイル12およびキャパシタC2からなる第2のフィルタ部1Bとを2段に直列接続してなる回路を備える。中足コイル11は、中足部10Aと、中足部10Aを共有しつつ中足部10Aと共にループ磁路10C−1を構成する第1外足部10B−1およびループ磁路10C−2を構成する第2外足部10B−2とを含んで構成された磁芯10の中足部10Aに巻回され、外足コイル12は、自身を流れる電流によって外足部10B−1等にそれぞれ生ずる磁束が中足部10Aにおいて互いに相殺し合うような態様で外足部10B−1等に巻回されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、電圧を平滑化するためのフィルタ回路、およびそのフィルタ回路を用いた電源装置に関する。
従来より、スイッチング電源装置として種々のタイプのものが提案され、実用に供されている。その多くは、図7(特許文献1の図1の一部の記載に対応する)に記載されているように、電力変換トランス104の入力巻線に接続されたスイッチング回路102のスイッチング動作により、バッテリ(図示せず)からの入力直流電圧Vin をスイッチングし、スイッチングにより得られた入力交流電圧を電力変換トランス104の入力巻線に入力し、電力変換トランス104により変換された出力交流電圧を電力変換トランス104の出力巻線から取り出す方式である。スイッチング回路102のスイッチング動作に伴い、出力巻線に現れる電圧は、整流回路105によって整流された後、平滑回路101によって出力直流電圧Voutに変換されて出力されるようになっている。
特開平11−122911号公報
この種のスイッチング電源装置では、平滑回路101は、整流回路105からの出力を平滑化する平滑用のフィルタ回路101Aと、ノイズを除去するノイズ除去用のフィルタ回路101Bとを直列に配置して構成されることが多い。これらのフィルタ回路101A,101Bは、一般にインダクタL101,L102とキャパシタC101,C102とを含んでそれぞれ構成される。これらのインダクタL101,L102には、インダクタの性能を向上させたりインダクタを作り易くしたりするために、一般に磁芯100A,100BがインダクタL101,L102の中にそれぞれ設けられている。このように磁芯100A,100Bを設けることにより、インダクタンス値が大きくなるので、整流回路105の出力のリプル電圧などを充分に抑えることができる。ところが、その反面、2段のフィルタ回路101A,101Bのそれぞれについて磁芯100A,100Bを別々に配置することが必要となるので、回路基板上の磁芯100A,100Bの占有スペースが大きくなり、回路の小型化が困難になるという問題がある。
本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、回路基板上の磁芯の数およびその占有スペースを削減することのできるフィルタ回路およびそのフィルタ回路を用いた電源装置を提供することにある。
本発明のフィルタ回路は、第1のインダクタおよび第1のキャパシタからなる第1のフィルタ部と、第2のインダクタおよび第2のキャパシタからなる第2のフィルタ部とを2段に直列接続してなる回路である。第1のインダクタおよび第2のインダクタは、中足部と、この中足部を共有しつつ中足部と共にループ磁路をそれぞれ構成する複数の外足部とを含んで構成された磁芯の中足部および外足部にそれぞれ巻回されている。
具体的には、第1のインダクタは、上記磁芯の中足部に巻回された中足コイルを含み、第2のインダクタは、上記磁芯の外足部に巻回された外足コイルを含む。この外足コイルは、この外足コイルを流れる電流によって複数の外足部にそれぞれ生ずる磁束が中足部において互いに相殺し合うような態様で外足部に巻回されている。
上記「中足部において互いに相殺し合うような態様」とは、一の外足コイル部と一の外足コイル部が巻回されている一の外足部とを合わせた物理的性質と、他の外足コイル部と他の外足コイル部が巻回されている他の外足部とを合わせた物理的性質とが、中足コイルとの関係で互いに同質であることを指す。
具体的には、外足コイルは、第1外足コイル部と第2外足コイル部とを備え、第1外足コイル部が一のループ磁路の外足部に、第2外足コイル部が他の一のループ磁路の外足部にそれぞれ巻回されている。このとき、第1および第2外足コイル部の巻き方向が同極性方向であると共に、第1および第2外足コイル部の巻数が互いに等しくなっている。ここで、「同極性方向」とは、各外足コイル部を流れる電流によって外足部に生ずる磁束の方向が同一であることを指す。
なお、上記の態様において、第1および第2の外足コイル部の巻数を等しくして、第1外足コイル部と第1外足コイル部が巻回されている外足部とを合わせた物理的性質と、第2外足コイル部と第2外足コイル部が巻回されている外足部とを合わせた物理的性質とが、中足コイルとの関係において互いに同質となるには、第1外足コイル部が巻回されている外足部と、第2外足コイル部が巻回されている外足部との材質や形状、大きさなどが互いに等しいことが前提となる。
本発明の電源装置は、入力交流電圧を変圧して出力交流電圧として出力するトランスと、出力交流電圧を整流する整流回路と、整流回路の出力を平滑する平滑回路とを備える。この平滑回路は、上記したフィルタ回路を用いて構成される。
本発明のフィルタ回路およびそのフィルタ回路を用いた電源装置では、外足コイルを流れる電流によって複数の外足部にそれぞれ生ずる磁束は中足部において互いに相殺されるので、外足コイルから中足コイルに電圧が誘起されることは実質的にない。一方、一の外足コイル部と一の外足コイル部が巻回されている一の外足部とを合わせた物理的性質と、他の外足コイル部と他の外足コイル部が巻回されている他の外足部とを合わせた物理的性質とが、中足コイルとの関係で互いに同質であることから、中足コイルを流れる電流によって複数の外足部にそれぞれ生ずる磁束も外足部において互いに相殺されるので、中足コイルから外足コイルに電圧が誘起されることは実質的にない。これより、中足コイルおよび外足コイルは、共通の磁芯に巻回されているにも拘わらず、互いに影響を及ぼし合う虞はない。
本発明のフィルタ回路およびそのフィルタ回路を用いた電源装置によれば、第1のインダクタおよび第2のインダクタは、互いに影響を及ぼし合うことがないので、第1のフィルタ部および第2のフィルタ部のそれぞれの機能が損なわれる虞はない。これにより、従来必要とされていた2つの磁芯を共通化することができ、その結果、磁芯の数およびその占有スペースを削減することができる。したがって、2段構成のフィルタ回路の小型化が可能である。
以下、本発明の一実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図1(A)は、本発明の一実施の形態に係るフィルタ回路1の概略構成を表したものである。図1(B)は、図1(A)のフィルタ回路1の磁気素子20をより具体的に表したものである。このフィルタ回路1は、磁気素子20と、キャパシタC1,C2とを備えたものであり、この磁気素子20は、磁芯10と、中足コイル11(第1のインダクタ)と、外足コイル12(第2のインダクタ)とを備えたものである。
磁芯10は、中足部10Aと、外足部10Bとを備える。この外足部10Bは、中足部10Aを共有しつつ中足部10Aと共に第1ループ磁路を構成する第1外足部10B−1と、この中足部10Aを共有しつつ中足部10Aと共に第2ループ磁路を構成する第2外足部10B−2とを有する。なお、本実施の形態では、第1外足部10B−1および第2外足部10B−2は、互いに等しい材質、形状および大きさで構成されているものとする。
中足コイル11は、磁芯10の中足部10Aに巻回したものであり、例えば、インダクタとして機能するコイルにより構成される。また、中足コイル11において、一端は入力端子T1と、他端は外足コイル12の一端およびキャパシタC1とそれぞれ接続されている。
外足コイル12は、磁芯10の外足部10Bに巻回したものであり、例えば、インダクタとして機能する単コイルにより構成される。また、外足コイル12において、一端は中足コイル11の他端およびキャパシタC1と、他端は出力端子T3およびキャパシタC2とそれぞれ接続されている。
キャパシタC1は、中足コイル11の他端と、入力端子T2および出力端子T4を結ぶ配線に接続されており、キャパシタC2は、外足コイル12の他端と、入力端子T2および出力端子T4を結ぶ配線に接続されている。
中足コイル11およびキャパシタC1は、第1のフィルタ部1Aを構成し、例えば、入力端子T1,T2に入力される電圧を平滑化する機能を有し、一方、外足コイル12およびキャパシタC2は、第2のフィルタ部1Bを構成し、例えば、前段の第1のフィルタ部1Aから入力される電圧に含まれるノイズを除去する機能を有する。
ところで、上記した外足コイル12は、図1(B)に示したように、第1外足コイル部12−1および第2外足コイル部12−2により構成され、磁芯10の第1外足部10B−1から第2外足部10B−2へかけて連続して巻回したものである。具体的には、第1外足コイル部12−1が第1ループ磁路10C−1の第1外足部10B−1に、第2外足コイル部12−2が第2ループ磁路10C−2の第2外足部10B−2にそれぞれ巻回されている。このとき、第1外足コイル部12−1および第2外足コイル部12−2の巻き方向が互いに同極性方向であると共に、第1外足コイル部12−1および第2外足コイル部12−2の巻数が互いに等しくなっている。ここで、「同極性方向」とは、第1外足コイル部12−1および第2外足コイル部12−2を流れる電流によって第1外足部10B−1および第2外足部10B−2に生ずる磁束の方向が同一であることを指す。
このように、第1外足部10B−1および第2外足部10B−2が互いに等しい材質、形状および大きさで構成され、かつ、第1外足コイル部12−1と第2外足コイル部12−2との巻数や巻き方が互いに等しいことから、第1外足コイル部12−1と第1外足コイル部12−1が巻回されている第1外足部10B−1とを合わせた物理的性質(以下、第1の物理的性質と称する)と、第2外足コイル部12−2と第2外足コイル部12−2が巻回されている第2外足部10B−2とを合わせた物理的性質(以下、第2の物理的性質と称する)とが、中足コイル11との関係において互いに同質である。
なお、第1の物理的性質と第2の物理的性質とが、中足コイル11との関係において互いに「同質」となる構成は、上記に限定されるものではなく、外足部10B−1と外足部10B−2との材質や形状、大きさなどが互いに相違していてもよい。ただし、そのような場合には、第1外足コイル部12−1および第2外足コイル部12−2のそれぞれの巻数などを適切に調節することが必要となる。
また、第1の物理的性質と第2の物理的性質とが、中足コイル11との関係において互いに同質である限り、第1外足コイル部12−1および第2外足コイル部12−2の巻き方が相違する態様、例えば、中足コイル11の延在方向の中心軸Xを基準として、第1外足コイル部12−1および第2外足コイル部12−2の巻き位置が線対称とならない態様で構成されていてもよい。
次に、以上のような構成のフィルタ回路の作用を説明する。このフィルタ回路では、例えば、入力端子T1,T2に入力された電圧を第1のフィルタ部1Aにおいて平滑化すると共に、第1のフィルタ部1Aから出力された電圧に含まれるノイズを第2のフィルタ部1Bにおいて除去したのち、直流電圧を出力端子T3,T4から出力する。
このとき、フィルタ回路の磁気素子20では、図2に示したように、外足コイル12を流れる電流によって第1外足部10B−1および第2外足部10B−2にそれぞれ生ずる磁束φ1および磁束φ2は中足部10Aにおいて互いに相殺されるので、外足コイル12から中足コイル11に電圧が誘起されることは実質的にない。一方、中足コイル11を流れる電流によって第1外足部10B−1および第2外足部10B−2により構成されるループ磁路にそれぞれ生ずる磁束φ3およびφ4もそのループ磁路において互いに相殺されるので、中足コイルから外足コイルに電圧が誘起されることは実質的にない。これより、中足コイルおよび外足コイルは、共通の磁芯10に巻回されているにも拘わらず、互いに影響を及ぼし合う虞はない。
本実施の形態のフィルタ回路1によれば、中足コイル11および外足コイル12は互いに影響を及ぼし合うことがないので、中足コイル11およびキャパシタC1からなる第1のフィルタ部1A、および外足コイル12およびキャパシタC2からなる第2のフィルタ部1Bのそれぞれの機能が損なわれる虞はない。これにより、従来必要とされていた2つの磁芯を共通化することができ、その結果、磁芯の数およびその占有スペースを削減することができる。したがって、2段構成のフィルタ回路でありながら、磁芯の数およびその占有スペースを削減することができ、小型化が可能となる。
なお、図3に示したように、磁芯10の中足部10Aにエアギャップgを設けてもよい。これにより、エアギャップgを大きくした場合には、エアギャップgが無い、または小さい場合と比べて、外足部10Bに巻回された第1外足コイル部12−1と第1外足コイル部12−1の磁気結合が強まる。一方、エアギャップgを小さくした場合には、エアギャップgが大きい場合と比べて、外足部10Bに巻回された第1外足コイル部12−1と第1外足コイル部12−1の磁気結合が弱まる。
[適用例]
図4は、上記実施の形態のフィルタ回路1を用いた電源装置の概略構成を表したものである。
なお、この電源装置は、例えば高圧バッテリ(図示せず)から供給される高圧の入力直流電圧Vinを、より低い出力直流電圧Vout に変換して、例えば低圧バッテリ(図示せず)に供給するDC−DCコンバータとして機能するものであり、後述するようにフォーワード型の電源装置である。
電源装置は、トランス4と、トランス4の1次側に設けられたスイッチング回路2、スイッチング回路2を駆動する駆動回路3および平滑コンデンサC3と、トランス4の2次側に設けられた整流回路5およびフィルタ回路1とを備える。1次側高圧ラインL1Hの入力端子T1と1次側低圧ラインL1Lの入力端子T2との間には、例えば高圧バッテリから出力される入力直流電圧Vinが印加されるようになっており、出力ラインLOの出力端子T3と接地ラインLGの出力端子T4との間には、例えば低圧バッテリへ給電する出力直流電圧Vout が出力されるようになっている。
トランス4は、巻数Naの1次側巻線4−1および巻数Nbの2次側巻線4−2からなる、1入力1出力タイプのトランスコイルセットを磁芯10に巻回したものである。このトランス4は、スイッチング回路2から入力された入力交流電圧を降圧し、2次側巻線4−2から出力交流電圧を出力するようになっている。なお、この場合の降圧の度合いは、1次側巻線4−1と2次側巻線4−2との巻数比(Nb/Na)によって定まる。
スイッチング回路2は、例えば高圧バッテリから出力される入力直流電圧Vinをほぼ矩形波状の単相交流電圧に変換する単相インバータ回路であり、駆動回路3から供給されるスイッチング信号(図示せず)によってそれぞれ駆動される4つのスイッチング素子S1,S2,S3,S4をフルブリッジ接続してなるフルブリッジ型のスイッチング回路である。スイッチング素子としては、例えばMOS−FET(Metal Oxide Semiconductor-Field Effect Transistor )やIGBT(Insulated Gate Bipolor Transistor )などのスイッチ素子が用いられる。
スイッチング素子S1は1次側高圧ラインL1Hとトランス4の1次側巻線4−1の一端との間に設けられ、スイッチング素子S2は1次側巻線4−1の他端と1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられている。スイッチング素子S3は1次側高圧ラインL1Hと1次側巻線4−1の他端との間に設けられ、スイッチング素子S4は1次側巻線4−1の一端と1次側低圧ラインL1Lとの間に設けられている。
スイッチング回路2では、スイッチング素子S1,S2がオンすることにより、1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子S1、1次側巻線4−1およびスイッチング素子S2を通って1次側低圧ラインL1Lに至る第1の電流経路に電流が流れる一方、スイッチング素子S3,S4がオンすることにより、1次側高圧ラインL1Hから順にスイッチング素子S3、1次側巻線4−1およびスイッチング素子S4を通って1次側低圧ラインL1Lに至る第2の電流経路に電流が流れるようになっている。
整流回路5は、一対のダイオードD1,D2を含んで構成されたセンタータップ型の整流回路である。ダイオードD1のアノードは2次側巻線4−3の一端に接続され、ダイオードD2のアノードは2次側巻線4−2の一端に接続されている。2次側巻線4−2の他端と2次側巻線4−3の他端とは、それぞれ出力ラインLOに接続されている。なお、以下、その接続点を接続点Cとする。ダイオードD1,D2の各カソード同士は、互いに接続されると共に、接地ラインLGに接続されている。一対のダイオードD1,D2は、トランス4の出力交流電圧の各半波期間を個別に整流するようになっている。
フィルタ回路1は、チョークコイルとしての中足コイル11および平滑コンデンサとしてのコンデンサC1を含んで構成された平滑用のフィルタ回路(第1のフィルタ部1A)と、チョークコイルとしての外足コイル12および平滑コンデンサとしてのコンデンサC2を含んで構成されたノイズ除去用のフィルタ回路(第2のフィルタ部1B)とを直列に配置して構成されたものである。
ここで、中足コイル11は、磁芯10の中足部10Aに巻回されている。一方、外足コイル12は、図1(B)に示したように、第1外足コイル部12−1および第2外足コイル部12−2により構成され、磁芯10の第1外足部10B−1から第2外足部10B−2へかけて連続して巻回したものである。具体的には、第1外足コイル部12−1および第2外足コイル部12−2は、第1ループ磁路10C−1の第1外足部10B−1、および第2ループ磁路10C−2の第2外足部10B−2に、巻き方向が互いに同極性方向となるように、かつ、巻数が互いに等しくなるようにそれぞれ巻回されると共に、直列に接続されている。
平滑用のフィルタ回路において、中足コイル11は、出力ラインLOに挿入配置されており、その一端は2次側巻線4−2の他端および2次側巻線4−3の他端に接続され、その他端は外足コイル12の一端に接続されている。コンデンサC1は、外足コイル12の一端と接地ラインLGの出力端子T4との間に接続されている。
ノイズ除去用のフィルタ回路において、外足コイル12、出力ラインLOに挿入配置されており、その一端は中足コイル11の他端およびコンデンサC1に接続され、その他端は出力ラインLOの出力端子T3に接続されている。コンデンサC2は、出力ラインLOの出力端子T3と接地ラインLGの出力端子T4との間に接続されている。
フィルタ回路1は、一対のダイオードD1,D2で整流された電圧を平滑化して直流電圧を生成すると共に、その直流電圧に含まれるノイズを除去して出力直流電圧Vout1を生成し、これを出力端子T3,T4から、例えば低圧バッテリに給電するようになっている。
これにより、本適用例に係る電源装置では、図2に示したように、外足コイル12を流れる電流によって第1外足部10B−1および第2外足部10B−2にそれぞれ生ずる磁束φ1および磁束φ2は中足部10Aにおいて互いに相殺されるので、外足コイル12から中足コイル11に電圧が誘起されることは実質的にない。一方、中足コイル11を流れる電流によって第1外足部10B−1および第2外足部10B−2により構成されるループ磁路にそれぞれ生ずる磁束φ3およびφ4もそのループ磁路において互いに相殺されるので、中足コイルから外足コイルに電圧が誘起されることは実質的にない。これより、中足コイルおよび外足コイルは、共通の磁芯10に巻回されているにも拘わらず、互いに影響を及ぼし合う虞はない。
本適用例に係る電源装置によれば、中足コイル11および外足コイル12は互いに影響を及ぼし合うことがないので、中足コイル11およびキャパシタC1からなる第1のフィルタ部1A、および外足コイル12およびキャパシタC2からなる第2のフィルタ部1Bのそれぞれの機能が損なわれる虞はない。これにより、従来必要とされていた2つの磁芯を共通化することができ、その結果、磁芯の数およびその占有スペースを削減することができる。したがって、2段構成の平滑回路を備えながらも、電源装置の小型化が可能となる。
以上、複数の実施の形態および複数の適用例を挙げて本発明を説明したが、本発明は、これらに限定されず、種々の変形が可能である。
例えば、上記適用例に係る電源装置では、スイッチング回路2はフルブリッジ型であったが、図5(A)〜(E)に例示したような、フォーワード型2−1、リセット巻線付きフォーワード型2−2、ダブルフォーワード型2−3、プッシュプル型2−4およびハーフブリッジ型2−5などであってもよい。また、整流平滑回路5は、センタータップ型であったが、図6(A)〜(C)に例示したような、フォーワード型5−1やカレントダブラ型5−2およびフルブリッジ型5−3などであってもよい。
本発明の一実施の形態に係るフィルタ回路の構成を表す回路図である。 図1の磁気素子内の磁束の流れについて説明するための概念図である。 図1の磁芯の変形例の構成を表す概略図である。 図1の磁気素子の適用例に係る電源装置の構成を表す回路図である。 スイッチング回路の回路図である。 整流回路の回路図である。 従来のフィルタ回路の構成を表す回路図である。
符号の説明
1…フィルタ回路、1A…第1のフィルタ部、1B…第2のフィルタ部、2…スイッチング回路、3…駆動回路、4…整流回路、10…磁芯、10A…中足部、10B−1…第1外足部、10B−2…第2外足部、10C−1…第1ループ磁路、10C−2…第2ループ磁路、11…中足コイル、12…外足コイル、12−1…第1外足コイル部、12−2…第2外足コイル部、S1,S2,S3,S4…スイッチング素子、C…接続点、C1,C2,C3…コンデンサ、D1,D2…ダイオード、L1H…1次側高圧ライン、L1L…1次側低圧ライン、LO…出力ライン、LG…接地ライン、T1,T2…入力端子、T3,T4…出力端子、Vin…入力直流電圧、Vout …出力直流電圧。

Claims (2)

  1. 第1のインダクタおよび第1のキャパシタからなる第1のフィルタ部と、第2のインダクタおよび第2のキャパシタからなる第2のフィルタ部とを2段に直列接続してなるフィルタ回路であって、
    前記第1のインダクタは、中足部と、この中足部を共有しつつ中足部と共にループ磁路をそれぞれ構成する複数の外足部とを含んで構成された磁芯の前記中足部に巻回された中足コイルを含み、
    前記第2のインダクタは、前記磁芯の前記外足部に巻回された外足コイルを含み、
    前記外足コイルは、一のループ磁路の外足部に巻回された第1外足コイル部と、他の一のループ磁路の外足部に巻回された第2外足コイル部とを直列に接続してなり、
    前記第1および第2外足コイル部の巻き方向が同極性方向であると共に、前記第1および第2外足コイル部の巻数が互いに等しく、
    前記外足コイルは、この外足コイルを流れる電流によって前記複数の外足部にそれぞれ生ずる磁束が前記中足部において互いに相殺し合うような態様で前記外足部に巻回されている
    ことを特徴とするフィルタ回路。
  2. 入力交流電圧を変圧して出力交流電圧として出力するトランスと、
    前記出力交流電圧を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力を平滑する平滑回路と
    を備え、
    前記平滑回路が、請求項1に記載のフィルタ回路を用いて構成されている
    ことを特徴とする電源装置。
JP2005105473A 2005-03-31 2005-03-31 フィルタ回路および電源装置 Expired - Fee Related JP4219909B2 (ja)

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