JP2008178205A

JP2008178205A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2008178205A
Application number: JP2007008866A
Authority: JP
Inventors: Hiromitsu Muto; 洋光武藤; Koichi Sakida; 浩一崎田
Original assignee: TDK Lambda Corp
Current assignee: TDK Lambda Corp
Priority date: 2007-01-18
Filing date: 2007-01-18
Publication date: 2008-07-31

Abstract

【課題】損失を抑えたスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】トランス１Ａの一次巻線２Ａとトランス１Ｂの一次巻線２Ｂとは直列に接続されており、トランス１Ａ，１Ｂの二次側には、二次巻線３Ａ，３Ｂの後段にそれぞれダイオード20Ａ，21Ａとチョークコイル22Ａ、又はダイオード20Ｂ，21Ｂとチョークコイル22Ｂからなる二次側回路が設けられ、これらの二次側回路が並列接続されている。トランスを複数個に分け、２つの一次巻線２Ａ，２Ｂを直列に接続することで、１次側の巻線印加電圧が半分となるため巻数比を半分にすることが可能であるため、リーケージインダクタンスを小さくでき、効率アップを図ることが可能である。
【選択図】図１

Description

本発明は、損失を抑えたスイッチング電源装置に関する。

従来のスイッチング電源装置として、特許文献１に開示されるようなハーフブリッジコンバータを備えたものがある。このような従来のスイッチング電源装置の典型的な回路図を図３に示す。同図において、10は一対の入力端子であり、この入力端子10，10には図示しない入力電源が接続される。また、入力端子10，10間には、入力コンデンサ11と、コンデンサ12，13の直列回路と、スイッチング素子14，15の直列回路とがそれぞれ並列接続される。スイッチング素子14，15は、それぞれ例えばドレイン−ソース間に寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴなどからなり、スイッチング素子14のソースとスイッチング素子15のドレインとが接続されており、これらのゲートにはパルス駆動信号によりスイッチング素子14，15をスイッチング動作させるための図示しないドライブ回路が接続される。コンデンサ12，13の接続点とスイッチング素子14，15の接続点との間には、コンデンサ16とトランス100の一次巻線101との直列回路が接続される。

一方、トランス100の二次側では、二次巻線102にセンタータップ103が設けられており、このセンタータップ103は負極側となる出力端子24に接続される。二次巻線102の一端はダイオード20のアノードへ接続され、二次巻線102の他端はダイオード21のアノードへ接続され、これらダイオード20，21のカソードは互いに接続される。当該ダイオード20，21の接続点（カソード）は、チョークコイル22を介して正極側となる出力端子24へ接続される。一対の出力端子24，24間には出力コンデンサ23が接続される。

スイッチング素子14，15は、それぞれのゲートにパルス駆動信号が交互に入力されることで、交互にスイッチングを繰り返す。当該スイッチング動作により、トランス100の一次巻線101に交流電流が流れ、トランス100の二次巻線102に電圧が誘起される。そして、二次巻線102に誘起した電圧をダイオード20，21と、チョークコイル22と、出力コンデンサ23とで整流平滑することにより、一対の出力端子24，24間に接続された図示しない負荷に出力電圧を供給するようになっている。

これとは別に、出力電圧を安定化させる帰還ループとして、図示しない帰還制御回路が設けられ、出力電圧と基準電圧との誤差を検出して得られた誤差フィードバック信号に基づき、各スイッチング素子14，15に入力されるパルス駆動信号を制御することで、出力電圧の安定化を図るようにしている。
特開２００４−１０４８４９号公報

上述したような一次巻線が１つのトランスの場合、電流が集中してしまうため、損失による発熱が著しい。

トランス100においては、その巻数比（一次巻線101：二次巻線102＝Ｎ_P：Ｎ_S）が大きくなる為、リーケージインダクタンスが大きくなり、スイッチ損失が大きくなってしまう。また、チョークコイル22には出力電流が常時流れているため、チョークコイル22のインピーダンスをＲ_Lとすると、チョークコイル22の損失は、Ｒ_L×Ｉout²で表され、大電流回路においては損失（発熱）が非常に大きくなる。

そこで本発明は上記問題点に鑑み、損失を抑えたスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

本発明における請求項１では、スイッチング素子のスイッチング動作によりトランスの一次巻線に入力電力を供給し、前記トランスの二次巻線に形成された二次側回路から出力電力を取り出すスイッチング電源装置において、前記トランスが複数個で構成され、当該複数のトランスの各一次巻線が直列接続されている。

このようにすると、一次側の巻線印加電圧がトランス数に応じて分割されるため、リーケージインダクタンスを小さくできる。これにより、スイッチング素子のスイッチ損失を低減することもできる。

本発明における請求項２のスイッチング電源装置では、前記複数のトランスの二次巻線にそれぞれ形成された各二次側回路が並列又は直列に接続されて構成されている。

このようにすると、二次側回路を並列に接続した場合には、電流を分散させることで二次側の銅損を抑えることができ、二次側回路を直列に接続した場合には、高電圧化を図ることが可能となる。

本発明における請求項３のスイッチング電源装置では、前記二次側回路にチョークコイルがそれぞれ備えられている。

このようにすると、各々のチョークコイルを流れる電流が分割されるため、直流重畳の低い所で使用可能となる。

本発明の請求項１によると、損失を抑えたスイッチング電源装置を提供することができる。

本発明の請求項２によると、二次側回路の損失を抑えて効率を上げる、又は二次側回路の高圧化を図ることができる。

本発明の請求項３によると、チョーク損失を抑えて効率を上げることができる。

以下、添付図面を参照しながら、本発明におけるスイッチング電源装置の好ましい各実施例を説明する。なお、従来例と同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため省略する場合がある。

図１は、本発明の第１実施例におけるスイッチング電源装置の回路図である。同図において、10は一対の入力端子であり、この入力端子10，10には図示しない入力電源が接続される。また、入力端子10，10間には、入力コンデンサ11と、コンデンサ12，13の直列回路と、スイッチング素子14，15の直列回路とがそれぞれ並列接続される。スイッチング素子14，15は、それぞれ例えばドレイン−ソース間に寄生ダイオードを有するＭＯＳＦＥＴなどからなり、スイッチング素子14のソースとスイッチング素子15のドレインとが接続されており、これらのゲートにはパルス駆動信号によりスイッチング素子14，15をスイッチング動作させるための図示しないドライブ回路が接続される。コンデンサ12，13の接続点とスイッチング素子14，15の接続点との間には、コンデンサ16とトランス１Ｂの一次巻線２Ｂとトランス１Ａの一次巻線２Ａとの直列回路が接続される。このように、本発明のスイッチング電源装置では、従来例の１個のトランス100と異なり、複数個（本実施例では２個）のトランス１Ａ，１Ｂの一次巻線２Ａ，２Ｂを直列接続したものを一次側に備えている。

トランス１Ａは、磁気結合された一次巻線２Ａと二次巻線３Ａを備え、所定の巻数比（一次巻線２Ａ：二次巻線３Ａ＝Ｎ_P：Ｎ_S）で構成されている。同様に、トランス１Ｂは、磁気結合された一次巻線２Ｂと二次巻線３Ｂを備え、所定の巻数比（一次巻線２Ｂ：二次巻線３Ｂ＝Ｎ_P：Ｎ_S）で構成されている。

トランス１Ａの二次側では、二次巻線３Ａにセンタータップ４Ａが設けられており、このセンタータップ４Ａは負極側となる出力端子24に接続される。二次巻線４Ａの一端はダイオード20Ａのアノードへ接続され、二次巻線３Ａの他端はダイオード21Ａのアノードへ接続され、これらダイオード20Ａ，21Ａのカソードは互いに接続される。当該ダイオード20Ａ，21Ａの接続点（カソード）は、チョークコイル22Ａを介して正極側となる出力端子24へ接続される。一対の出力端子24，24間には出力コンデンサ23が接続される。

また、トランス１Ｂの二次側では、二次巻線３Ｂにセンタータップ４Ｂが設けられており、このセンタータップ４Ｂは負極側となる出力端子24に接続される。二次巻線３Ｂの一端はダイオード20Ｂのアノードへ接続され、二次巻線３Ｂの他端はダイオード21Ｂのアノードへ接続され、これらダイオード20Ｂ，21Ｂのカソードは互いに接続される。当該ダイオード20Ｂ，21Ｂの接続点（カソード）は、チョークコイル22Ｂを介して正極側となる出力端子24へ接続される。

このように、トランス１Ａ，１Ｂの二次側には、二次巻線３Ａ，３Ｂの後段にそれぞれダイオード20Ａ，21Ａとチョークコイル22Ａ、又はダイオード20Ｂ，21Ｂとチョークコイル22Ｂからなる二次側回路が設けられ、これらの二次側回路が並列接続されている。

スイッチング素子14，15は、それぞれのゲートにパルス駆動信号が交互に入力されることで、交互にスイッチングを繰り返す。当該スイッチング動作により、トランス１の一次巻線２Ａ，２Ｂに交流電流が流れ、トランス１Ａ，１Ｂの二次巻線３Ａ，３Ｂに電圧が誘起される。そして、二次巻線３Ａ，３Ｂに誘起した電圧をダイオード20Ａ，21Ａとチョークコイル22Ａと共通の出力コンデンサ23とで、又はダイオード20Ｂ，21Ｂとチョークコイル22Ｂと共通の出力コンデンサ23とで整流平滑することにより、一対の出力端子24，24間に接続された図示しない負荷に出力電流Ｉout（出力電圧）を供給するようになっている。これとは別に、出力電圧を安定化させる帰還ループとして、図示しない帰還制御回路が設けられ、出力電圧の安定化を図るようにしている。

以下、本発明のスイッチング電源装置各部における作用効果について説明する。

トランス１Ａ，１Ｂに関しては、トランスを複数個に分け、２つの一次巻線２Ａ，２Ｂを直列に接続することで、１次側の巻線印加電圧が半分となるためＮ_Pの巻数はＮ_P／２と従来の巻数の半分とすることが可能である。これにより（Ｎ_P／２）：Ｎ_Sという巻数比となるため、リーケージインダクタンスを小さくでき、効率アップを図ることが可能である。このとき、二次側を並列に接続することで、電流を分散させ、二次側の銅損を抑え、効率をさらに上げることができる。また、二次側回路も直列に接続できる様にすれば、高電圧化も図ることが可能である。

スイッチング素子14，15に関しては、トランス１のリーケージインダクタンスを小さく抑えることでスイッチ損失を軽減することができる。また、制御回路（ドライブ回路）も１つで良い。

チョークコイル22Ａ，22Ｂに関しては、出力チョークを２個に分けることで、各々のチョークコイル22Ａ，22Ｂを流れる電流はＩout／２となり、直流重畳の低い所で使用できる。これにより、従来と同じＬ値とするのであれば小型化が図れ、従来と同じコアを使用するのであればＬ値を大きくすることが可能となる。さらに、電流が分散されるため、損失が、チョークコイル22ＡのインピーダンスをＲ_L1、チョークコイル22ＢのインピーダンスをＲ_L2とすると、チョーク損失：Ｒ_L1×（Ｉout／２）²＋Ｒ_L2×（Ｉout／２）²で示す様に軽減される。

出力コンデンサ23に関しては、チョークコイル22Ａ，22ＢのＬ値を上げると、ｄｉ_L（チョークコイルの変化電流）が低減するため、リップル電流が小さくなり、本数を減らすことが可能となる。

以上のように本第１実施例では、スイッチング素子14，15のスイッチング動作によりトランス１Ａ（１Ｂ）の一次巻線２Ａ（２Ｂ）に入力電力を供給し、トランス１Ａの二次巻線３Ａ（３Ｂ）に形成された二次側回路に相当するダイオード20Ａ，21Ａとチョークコイル22Ａ（ダイオード20Ｂ，21Ｂとチョークコイル22Ｂ）から出力電力を取り出すスイッチング電源装置において、前記トランスが複数個で構成され、当該複数のトランス１Ａ，１Ｂの各一次巻線２Ａ，２Ｂが直列接続されている。

このようにすると、一次側の巻線印加電圧がトランス数に応じて分割されるため、リーケージインダクタンスを小さくできる。これにより、スイッチング素子14，15のスイッチ損失を低減することもできる。以上により、損失を抑えたスイッチング電源装置を提供することができる。

また第１本実施例のスイッチング電源装置では、複数のトランス１Ａ，１Ｂの二次巻線３Ａ，３Ｂにそれぞれ形成された各二次側回路が並列又は直列に接続されて構成されている。

このようにすると、二次側回路を並列に接続した場合には、電流を分散させることで二次側の銅損を抑えることができ、二次側回路を直列に接続した場合には、高電圧化を図ることが可能となる。従って、二次側回路の損失を抑えて効率を上げる、又は二次側回路の高圧化を図ることができる。

本発明における請求項３のスイッチング電源装置では、前記二次側回路にチョークコイル22Ａ（22Ｂ）がそれぞれ備えられている。

このようにすると、各々のチョークコイル22Ａ，22Ｂを流れる電流が分割されるため、直流重畳の低い所で使用可能となる。従って、チョーク損失を抑えて効率を上げることができる。

図２は、本発明の第２実施例におけるスイッチング電源装置の回路図である。本第２実施例におけるスイッチング電源装置のうち、チョークコイル22を除いて、第１実施例における回路構成と同様である。すなわち、本第２実施例におけるスイッチング電源装置は、ダイオード20Ａ，21Ａ，20Ｂ，21Ｂのカソードを全て接続することにより、図１に示すチョークコイル22Ａ，22Ｂを１個の共通なチョークコイル22に置き換えた回路構成となっている。

出力チョークを分けなくても、トランス１Ａ，１Ｂ及びスイッチング素子14，15に関しては、上記第１実施例と同様の作用効果を得ることができる。

なお、本発明は、上記各実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で変更可能である。スイッチング電源装置の種類等も特に限定されるものではない。

本発明の第１実施例におけるスイッチング電源装置の回路図である。本発明の第２実施例におけるスイッチング電源装置の回路図である。従来例におけるスイッチング電源装置の回路図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂトランス
２Ａ，２Ｂ一次巻線
３Ａ，３Ｂ二次巻線
14，15 スイッチング素子
20Ａ，20Ｂダイオード（二次側回路）
22Ａ，22Ｂチョークコイル（二次側回路）

Claims

スイッチング素子のスイッチング動作によりトランスの一次巻線に入力電力を供給し、前記トランスの二次巻線に形成された二次側回路から出力電力を取り出すスイッチング電源装置において、前記トランスが複数個で構成され、当該複数のトランスの各一次巻線が直列接続されたことを特徴とするスイッチング電源装置。
前記複数のトランスの二次巻線にそれぞれ形成された各二次側回路が並列又は直列に接続されて構成されたことを特徴とする請求項１記載のスイッチング電源装置。
前記二次側回路にチョークコイルがそれぞれ備えられたことを特徴とする請求項２記載のスイッチング電源装置。