JP2008011688A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】突入電流などのサージを低減できる安価なスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】電源３の両端に接続され、チョークコイル４とスイッチング素子５とが直列に接続された直列回路と、スイッチング素子に並列に接続され、出力整流素子６とサージ抑制素子７と平滑用コンデンサ８とが直列に接続された直列回路と、スイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路１０とを備えた昇圧チョッパ回路を有し、スイッチング素子のオン時に電源からチョークコイルに電流を流してエネルギーを蓄積し、スイッチング素子のオフ時に電源及びチョークコイルに蓄積されたエネルギーを出力整流素子を介して平滑用コンデンサに移し、平滑用コンデンサの出力電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置において、制御回路は、出力整流素子とサージ抑制素子との接続点の電圧に基づきスイッチング素子のオン／オフを制御して接続点の電圧を所定の電圧に制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、昇圧チョッパ回路を用いたスイッチング電源装置に関し、主に電源投入時などの電流サージを低減する技術に関する。

従来、昇圧チョッパ回路を用いたスイッチング電源装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。図４は特許文献１に開示されている従来の昇圧チョッパ回路を用いたスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。

図示しない交流電源又は直流電源（以下、単に「電源」という）からの入力電圧１は、入力整流素子としてのダイオードブリッジ３で整流され、昇圧チョッパ回路１００に印加される。昇圧チョッパ回路１００の入力端子間（ダイオードブリッジ３の出力端子間）には、チョークコイル４とスイッチング素子として動作するＭＯＳＦＥＴ５とが直列に接続された回路が接続され、ＭＯＳＦＥＴ５のソース−ドレイン間には、出力整流素子としてのダイオード６、突入電流を低減するためのサージ抑制素子７及び平滑用コンデンサ８が直列に接続された回路が接続されている。

また、平滑用コンデンサ８とサージ抑制素子７との接続点には、出力電圧（平滑用コンデンサ８の両端に現れる電圧）を検出してＭＯＳＦＥＴ５のゲートに供給することにより、ＭＯＳＦＥＴ５のオン／オフを制御する制御回賂１０が接続されている。昇圧チョッパ回路１００の出力は、平滑用コンデンサ８で平滑された後、負荷９に供給される。

このように構成された昇圧チョッパ回路１００においては、ＭＯＳＦＥＴ５のオン時にダイオードブリッジ３からチョークコイル４に電流が流れて該チョークコイル４に磁気的にエネルギーが蓄積される。ＭＯＳＦＥＴ５のオフ時に電源からのエネルギー及びチョークコイル４に蓄積されているエネルギーが、ダイオード６及びサージ抑制素子７を介して平滑用コンデンサ８に移される。制御回路１０は、ＭＯＳＦＥＴ５のオン／オフを制御してチョークコイル４に蓄積されるエネルギーを変えることにより、負荷９に供給される出力電圧を一定電圧に制御する。

このスイッチング電源装置においては、電源投入時に、平滑用コンデンサ８に突入電流が流れる。サージ抑制素子７は、突入電流を抑制するため、昇圧チョッパ回路１００の出力段、すなわち、ダイオード６と平滑用コンデンサ８との間に接続されている。サージ抑制素子７としては、例えばパワーサーミスタが用いられている。
特開平１１−６９７８４号公報

しかしながら、上述した従来のスイッチング電源装置には、以下のような問題がある。すなわち、ＭＯＳＦＥＴ５のオン時にチョークコイル４に蓄積されたエネルギーが、ＭＯＳＦＥＴ５のオフ時にダイオード６及びサージ抑制素子７を介して平滑用コンデンサ８に移されるため、突入電流のような電流サージを抑制するためのサージ抑制素子として設けられているサージ抑制素子７での電圧降下分が出力電圧に加算されてＭＯＳＦＥＴ５に印加される。

その結果、ＭＯＳＦＥＴ５の定格電圧を高くする必要があり、また、オン抵抗も高くなる。ＭＯＳＦＥＴ５の定格電圧が高く、オン抵抗が同じであると大きなチップサイズのスイッチング素子を使用する必要があり、スイッチング素子、ひいてはスイッチング電源装置が高価になるという問題がある。

特に、サージ抑制素子７としてサーミスタを使用した場合は、軽負荷状態で稼動中に定格負荷に移行すると、常温抵抗値（抵抗値が高い）のまま定格時の電流が流れることになり、サージ抑制素子としてのサーミスタによる電圧降下（サージ電圧）が大きくなる。

その結果、サーミスタの温度が上昇して抵抗値が下がるまでＭＯＳＦＥＴ５に印加される電圧は高い状態を継続する。このような状況が発生すると、ＭＯＳＦＥＴ５の使用率が高くなり信頼性が劣化するという問題がある。

本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、その課題は、突入電流などのサージを低減できる安価な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、請求項１記載の発明は、入力電源の両端に接続され、チョークコイルとスイッチング素子とが直列に接続されてなる第１直列回路と、前記スイッチング素子に並列に接続され、出力整流素子とサージ抑制素子と平滑用コンデンサとが直列に接続されてなる第２直列回路と、前記スイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路とを備えた昇圧チョッパ回路を有し、前記スイッチング素子のオン時に前記入力電源から前記チョークコイルに電流を流してエネルギーを蓄積し、前記スイッチング素子のオフ時に前記入力電源及び前記チョークコイルに蓄積されたエネルギーを前記出力整流素子を介して前記平滑用コンデンサに移し、該平滑用コンデンサの出力電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置において、前記制御回路は、前記出力整流素子と前記サージ抑制素子との接続点の電圧に基づき前記スイッチング素子のオン／オフを制御して前記接続点の電圧を所定の電圧に制御することを特徴とする。

請求項２の発明は、入力電源の両端に接続され、チョークコイルとスイッチング素子とが直列に接続されてなる第１直列回路と、前記スイッチング素子に並列に接続され、出力整流素子とサージ抑制素子と平滑用コンデンサとが直列に接続されてなる第２直列回路と、前記スイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路とを備えた昇圧チョッパ回路を有し、前記スイッチング素子のオン時に前記入力電源から前記チョークコイルに電流を流してエネルギーを蓄積し、前記スイッチング素子のオフ時に前記入力電源及び前記チョークコイルに蓄積されたエネルギーを前記出力整流素子を介して前記平滑用コンデンサに移し、該平滑用コンデンサの出力電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置において、前記制御回路は、前記出力整流素子と前記サージ抑制素子との接続点の電圧と前記平滑用コンデンサの両端に現れる出力電圧とに基づき前記スイッチング素子のオン／オフを制御することを特徴とする。

また、請求項３記載の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明において、前記サージ抑制素子と平滑用コンデンサとからなる直列回路に並列に、前記スイッチング素子のオン／オフに起因して発生する高周波ノイズをバイパスさせるバイパスコンデンサを接続したことを特徴とする。

また、請求項４記載の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の発明において、前記サージ抑制素子をサーミスタにより構成したことを特徴とする。

請求項１記載の発明によれば、制御回路が出力整流素子とサージ抑制素子との接続点の電圧を所定の電圧に制御するので、スイッチング素子や出力整流素子に大きなサージ電圧が印加されなくなる。その結果、耐圧やオン抵抗の低い定格の大きなスイッチング素子を使用しなくて済むので、スイッチング素子の価格の上昇やサイズが大きくなるのを防ぐことができる。

また、請求項２記載の発明によれば、制御回路が出力整流素子とサージ抑制素子との接続点の電圧と平滑用コンデンサの両端に現れる出力電圧とに基づきスイッチング素子のオン／オフを制御するので、サージ電圧を低下させるとともに、スイッチング電源装置の出力電圧の変動を低減させることができる。

また、請求項３記載の発明によれば、サージ抑制素子と平滑用コンデンサとからなる直列回路に並列にバイパスコンデンサを接続したので、サージ電圧を低下させるとともに、ＥＭＩノイズ等を低減させることができる。

また、請求項４記載の発明によれば、サージ抑制素子をサーミスタによって構成したので、突入電流を低減しつつ、定常運転時の損失を低減させることができる。

以下、本発明の実施の形態に係るスイッチング電源装置を、図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の実施例１に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。このスイッチング電源装置は、図４に示した従来のスイッチング電源装置において、昇圧チョッパ回路１００の制御回路１０の入力端子に、出力電圧を入力するのではなく、ダイオード６とサージ抑制素子７との接続点の電圧を入力するように構成されている。

このように構成される実施例１に係るスイッチング電源装置においては、入力電圧１がダイオードブリッジ３に印加される電源投入時には、昇圧チョッパ回路１００の出力段に設けられている平滑用コンデンサ８には電荷が蓄積されていないので、チョークコイル４及びダイオード６を介して平滑用コンデンサ８に充電用の突入電流が流れようとする。しかし、この経路にはサージ抑制素子７が挿入されているため、平滑用コンデンサ８を充電するための突入電流は、サージ抑制素子７によって抑制される。

電源投入後に平滑用コンデンサ８の充電が完了すると、制御回路１０によるＭＯＳＦＥＴ５のオン／オフ制御により昇圧チョッパ回路１００が稼働し、昇圧チョッパ回路１００のダイオード６とサージ抑制素子７との接続点の電圧は所定の電圧に制御される。その結果、ＭＯＳＦＥＴ５に印加される電圧は所定の電圧となり、サージ抑制素子７を挿入することによってサージ電圧が増大するといった従来のスイッチング電源装置の不具合を解消することができる。

図２は本発明の実施例２に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。このスイッチング電源装置は、図４に示した従来のスイッチング電源装置において、昇圧チョッパ回路１００の制御回路１０の入力端に、出力電圧を入力する他に、ダイオード６とサージ抑制素子７との接続点の電圧をも入力するように構成されている。

このように構成される実施例１に係るスイッチング電源装置においては、制御回路１０は、出力電圧と、ダイオード６とサージ抑制素子７との接続点の電圧、つまりＭＯＳＦＥＴ５に印加される電圧といった２つの電圧に基づきＭＯＳＦＥＴ５のオン／オフを制御する。これにより、ＭＯＳＦＥＴ５に印加される電圧を抑制しながら、出力電圧の安定化を図ることができる。

図３は本発明の実施例３に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。このスイッチング電源装置は、実施例１に係るスイッチング電源装置において、サージ抑制素子７と平滑用コンデンサ８とからなる直列回路に対し、並列にバイパスコンデンサ１２が追加されて構成されている。バイパスコンデンサ１２は、ＭＯＳＦＥＴ５のスイッチング周期（例えば、２０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚ）に対応して平滑用コンデンサ８に流れる高周波成分の電流をバイパスするように容量（例えば、１０００ｐＦ〜数μＦ）が決められている。

バイパスコンデンサ１２を設けることにより次の利点が得られる。

（１）インバータとして動作するＭＯＳＦＥＴ５がオンからオフに移行する際に、サージ状のピーク電流を生ずるが、このピーク電流の高周波成分がバイパスコンデンサ１２を通って流れることによりピーク値が抑制される。その結果、サージ抑制素子７に発生するピーク電流に依存した電圧が抑制されてインバータ電圧の上昇を抑え、結果としてダイオード、コンデンサ及び抵抗からなるＤＣＲスナバのような抑制動作を得ることができる。

（２）このピーク電流の高周波成分がバイパスコンデンサ１２を通って流れることによりスイッチング電源装置から発生するノイズが抑制され、ＥＭＩ等のノイズ特性が良好になる。

なお、上述した実施例３に係るスイッチング電源装置は、実施例１に係るスイッチング電源装置にバイパスコンデンサ１２を追加するように構成したが、実施例２に係るスイッチング電源装置にバイパスコンデンサ１２を追加するように構成することもできる。

また、上述した実施例１〜実施例３に係るスイッチング電源装置においては、昇圧チョッパ回路１００のインバータ用のスイッチング素子としてＭＯＳＦＥＴ５を使用しているが、バイポーラトランジスタやＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）といった他のスイッチング素子を用いることもできる。また、サージ抑制素子７としては、サーミスタ（パワーサーミスタ）、抵抗、その他半導体を使用した抵抗素子、リアクトルやフェライトビーズなどを用いることができる。これは、単に突入電流を抑制する場合に限定されず、出力整流素子と平滑用コンデンサの間にＥＭＩ対策として挿入したフェライトビーズなどによるサージに対しても同様にスイッチング素子の耐圧上昇が発生し、これらに対しても有効であると考えられるためである。

本発明の実施例１に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施例２に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。 本発明の実施例３に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。 従来のスイッチング電源装置の構成を示す図である。

符号の説明

１ 入力電圧
３ ダイオードブリッジ
４ チョークコイル
５ ＭＯＳＦＥＴ
６ ダイオード
７ サージ抑制素子（サーミスタなど）
８ 平滑用コンデンサ
９ 負荷
１０ 制御回路
１２ バイパスコンデンサ
１００ 昇圧チョッパ回路

Claims (4)

1. 入力電源の両端に接続され、チョークコイルとスイッチング素子とが直列に接続されてなる第１直列回路と、前記スイッチング素子に並列に接続され、出力整流素子とサージ抑制素子と平滑用コンデンサとが直列に接続されてなる第２直列回路と、前記スイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路とを備えた昇圧チョッパ回路を有し、
   前記スイッチング素子のオン時に前記入力電源から前記チョークコイルに電流を流してエネルギーを蓄積し、前記スイッチング素子のオフ時に前記入力電源及び前記チョークコイルに蓄積されたエネルギーを前記出力整流素子を介して前記平滑用コンデンサに移し、該平滑用コンデンサの出力電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置において、
   前記制御回路は、前記出力整流素子と前記サージ抑制素子との接続点の電圧に基づき前記スイッチング素子のオン／オフを制御して前記接続点の電圧を所定の電圧に制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 入力電源の両端に接続され、チョークコイルとスイッチング素子とが直列に接続されてなる第１直列回路と、前記スイッチング素子に並列に接続され、出力整流素子とサージ抑制素子と平滑用コンデンサとが直列に接続されてなる第２直列回路と、前記スイッチング素子のオン／オフを制御する制御回路とを備えた昇圧チョッパ回路を有し、
   前記スイッチング素子のオン時に前記入力電源から前記チョークコイルに電流を流してエネルギーを蓄積し、前記スイッチング素子のオフ時に前記入力電源及び前記チョークコイルに蓄積されたエネルギーを前記出力整流素子を介して前記平滑用コンデンサに移し、該平滑用コンデンサの出力電圧を負荷に供給するスイッチング電源装置において、
   前記制御回路は、前記出力整流素子と前記サージ抑制素子との接続点の電圧と前記平滑用コンデンサの両端に現れる出力電圧とに基づき前記スイッチング素子のオン／オフを制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
3. 前記サージ抑制素子と前記平滑用コンデンサとからなる直列回路に並列に、前記スイッチング素子のオン／オフに起因して発生する高周波ノイズをバイパスさせるバイパスコンデンサを接続したことを特徴とする請求項１又は請求項２記載のスイッチング電源装置。
4. 前記サージ抑制素子は、サーミスタからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のスイッチング電源装置。
   

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