JP2017158306A - スイッチング電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】トランス間に整流回路としてダイオードを用いた場合でも、ダイオードから発生する損失を減らし、電力の変換効率を高めることが可能なスイッチング電源回路を提供すること。
【解決手段】ｎ（ｎは２以上の整数）個のトランス１６と、トランス１６にそれぞれ設けられたスイッチング回路７と、トランス１６から出力される電圧を直流に変換するダイオードからなる整流回路２０と、を備え、整流回路２０は、一方のトランスと他方のトランスとの間に接続され、一方のトランスの二次巻線の両端のそれぞれに、同一極性を有する２個のダイオードを接続し、接続された２個のダイオードの他方の端子を、他方のトランスの二次巻線の両端それぞれに接続して、トランス１６と整流回路２０とを直列に接続して、整流回路２０に流れる電流が、ｎ＋１個のダイオードを通過するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータ等を有するスイッチング電源回路に関し、特に、電力損失を低減し、電力変換の効率を高めることが可能なスイッチング電源回路に関する。

従来、直流電源からＤＣ／ＤＣコンバータによって交流電源に変換し、変換した交流電源を整流回路によって整流して、直流電力に変換するスイッチング電源回路が知られている。図８は、従来のスイッチング電源回路の構成を示す回路図、図９は、従来のスイッチング電源回路の電源部を３個使用して、ダイオードブリッジの出力を直列に接続した構成を示すブロック図である。図１０は、図９に示すダイオードブリッジに流れる電流の経路を示す図である。

図８に示すように、スイッチング電源回路５０は、直流電源４０をスイッチングしてトランス６０の一次巻線に電流を出力するスイッチング回路５２と、一次巻線と二次巻線を有し、磁気的結合により電力変換を行うトランス６０と、トランス６０の二次巻線からの交流を直流に整流するダイオードブリッジ６５と、スイッチング回路５２のスイッチングを制御する制御回路７５と、を有している。

図８に示すように、スイッチング電源回路５０のスイッチング回路５２は、ＭＯＳＦＥＴ等のスイッチング素子からなり、直列に接続された２個のスイッチング素子が直流電源４０の出力端に２組接続されている。

直列に接続された２個のスイッチング素子５３、５４の接続点はトランス６０の一次巻線６１の一端と接続され、他の直列に接続された２個のスイッチング素子５５、５６の接続点はトランス６０の一次巻線６１の他端と接続されている。また、トランス６０の一次巻線６１に入力された電流は、交流電力に変換されて、トランス６０の二次巻線６２から出力される。

制御回路７５は、スイッチング回路５２のスイッチングを制御し、スイッチング素子５３、５６とスイッチング素子５４、５５とを交互にＯＮするようにする。これにより、トランス６０の一次巻線６１には、方向の異なる電流が交互に流れる。

トランス６０の二次巻線６２は、ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３、Ｄ４で構成されたダイオードブリッジ６５の入力端と接続されており、ダイオードブリッジ６５により整流されて出力端から負荷４８等に電流が出力される。また、ダイオードブリッジ６５の出力端には、リプル電流を抑制する平滑回路８０としての電解コンデンサ等が接続されている。また、必要によりインダクタも接続する。

図９は、従来のスイッチング電源回路の電源部をｎ（ｎ＝３）個使用して、ダイオードブリッジの出力を直列に接続した構成を示すブロック図である。

図９に示すように、従来のスイッチング電源回路５０は、スイッチング回路５２、トランス６０及びダイオードブリッジ６５が一体で構成された電源部５１をｎ（ｎは、２以上の整数）個有しており、電源部５１の出力は、直列に接続され、直列に接続された出力端ａ、ｂから負荷４８に電力が供給される。

尚、図９に示すスイッチング電源回路５０は、電源部５１がｎ＝３の構成を示し、ｎ＝１の電源部を５１ａとし、電源部５１ａのスイッチング回路を５２ａ、トランスを６０ａ、ダイオードブリッジを６５ａと記す。また、ｎ＝２の電源部を５１ｂとし、電源部５１ｂのスイッチング回路を５２ｂ、トランスを６０ｂ、ダイオードブリッジを６５ｂと記し、ｎ＝３の電源部を５１ｃとし、電源部５１ｃのスイッチング回路を５２ｃ、トランスを６０ｃ、ダイオードブリッジを６５ｃとそれぞれ記す。

図１０は、図９に示すダイオードブリッジに流れる電流の経路を示す図である。図１０に示すように、ダイオードブリッジ６５ａ、６５ｂ、６５ｃを流れる電流は、出力端ｂから電流が流入し、ダイオードＤ１１を通ってトランス６０ｃに流れる。トランス６０ｃからの電流は、ダイオードＤ１０及びダイオードＤ７を通ってトランス６０ｂに流れる。トランス６０ｂからの電流は、ダイオードＤ６及びダイオードＤ３を通ってトランス６０ａに流れる。トランス６０ａからの電流は、ダイオードＤ２を通って、出力端ａから電流が流出する。

図１０に示すように、整流時にダイオードブリッジｎ個を直列に接続したときの電流が通過するダイオードの総数は２×ｎ個である。

また、特許文献１には、トランスによって入出力が電気的に絶縁された直流電源装置において、特に半導体スイッチの高周波動作化のためにスイッチング損失、ダイオードの損失を低減する直流電源装置が開示されている。

特許文献１に開示された直流電源装置は、直流電源装置の整流ダイオードブリッジ回路の入力側に、整流ダイオードのリカバリが発生する直前までの電流方向に対しては低インピーダンス、その逆方向には高インピーダンスを持つ回路要素を設けることにより、リカバリに伴うサージ電圧の発生を効果的に抑制して電力損失を低減するとともに、整流ダイオードの破壊や電磁ノイズの発生を防止するものである。

特開２０１３−２７１６２

整流回路にダイオードブリッジを使用し、ダイオードブリッジをｎ個直列に接続した場合には、ダイオードブリッジの出力端電圧は各ダイオードブリッジで出力される電圧を加算した電圧値となる。このとき、出力端に負荷を接続すると電流が流れる。整流動作における電流が通過するダイオードの総数は、ｎ（直列接続したダイオードブリッジ数）×２個となる。例えば、ダイオードブリッジ３個を直列にした整流回路では、整流動作における電流が通過するダイオードの総数は、６となる。

ダイオードブリッジのダイオードに電流が流れることにより、ダイオードによる損失が発生する。ダイオードに流れる電流をＩ（Ａ）、ダイオードの順方向電圧をＶｆ（Ｖ）、ダイオードブリッジ数ｎを３とすると、損失Ｐｄは、Ｐｄ＝Ｖｆ×Ｉ×２×３となる。

このため、ダイオードブリッジ数に応じてダイオードで発生する損失が増大してしまう。整流回路で発生する損失が大きいため、例えば、特許文献１のように整流回路以外で損失を減らしても、効果が上がらないことがある。このため、直列に接続したダイオードブリッジで発生する損失を減らすことが求められている。

そこで本発明は、トランスを複数使用して、トランス間に整流回路としてダイオードを用いて、出力を直列に接続した場合でも、ダイオードから発生する損失を減らし、電力の変換効率を高めることが可能なスイッチング電源回路を提供することを目的とする。

上記目標達成のため、本発明のスイッチング電源回路は、ｎ（ｎは２以上の整数）個のトランスと、当該トランスの一次側に設けられ、直流電源をスイッチングして前記トランスの一次巻線に方向の異なる電流を交互に流す前記トランスにそれぞれ設けられたスイッチング回路と、前記トランスの二次側に設けられ、前記トランスの二次巻線から出力される電圧を直流に変換するダイオードからなる整流回路と、を備えるスイッチング電源回路であって、前記整流回路は、一方の前記トランスと他方のトランスとの間に接続され、一方の前記トランスの二次巻線の両端のそれぞれに、同一極性を有する２個のダイオードの一方の端子を接続し、一方の前記トランスの二次巻線の一方の端に接続された２個の前記ダイオードの他方の端子を、他方の前記トランスの二次巻線の両端それぞれに接続し、一方の前記トランスの二次巻線の他方の端に接続された２個のダイオードの他端を、他方の前記トランスの二次巻線の両端それぞれに接続して、前記トランスと前記整流回路とを直列に接続して、前記整流回路に流れる電流が、ｎ＋１個のダイオードを通過するようにしたことを特徴とする。

また、本発明のスイッチング電源回路における前記トランス間に接続された整流回路は、前記整流動作時に、一方の前記トランスの二次巻線の一方の端と、他方の前記トランスの二次巻線の他方の端とが１個のダイオードで接続されて、電流を流すようにしたことを特徴とする。

また、本発明のスイッチング電源回路は、第ｎのトランスをスイッチングする第ｎのスイッチング回路のスイッチング周波数ｆｎは、第ｎ−１のトランスをスイッチングする第ｎ−１のスイッチング回路のスイッチング周波数ｆｎ−１の２倍であることを特徴とする。

また、本発明のスイッチング電源回路は、前記第ｎ−１のトランスと前記第ｎのトランスとの間に接続された４個のダイオードを、前記スイッチング周波数ｆｎ−１の周期の１／４ずつ順に導通状態となるようにしたことを特徴とする。

また、本発明のスイッチング電源回路は、第ｎのトランスをスイッチングする第ｎのスイッチング回路のスイッチング周波数ｆｎは、第ｎ−１のトランスをスイッチングする第ｎ−１のスイッチング回路のスイッチング周波数ｆｎ−１の半分であることを特徴とする。

また、本発明のスイッチング電源回路は、前記第ｎ−１のトランスと前記第ｎのトランスとの間に接続された４個のダイオードを、前記スイッチング周波数ｆｎの周期の１／４ずつ順に導通状態となるようにしたことを特徴とする。

また、本発明のスイッチング電源回路は、同一周波数で、位相が前記トランス毎に９０度ずらしたスイッチング周波数で前記スイッチング回路をスイッチングして、前記トランスとの間に接続された４個の前記ダイオードを、前記スイッチング周波数の周期の１／４ずつ順に導通状態となるようにしたことを特徴とする。

また、本発明のスイッチング電源回路における前記整流回路は、前記ダイオードに代えて、電流を一方向にだけ流す作用を有する整流素子を使用して、前記トランスの二次巻線からの出力を整流し、一方向のみの電圧、電流が得られるようにしたことを特徴とする。

また、本発明のスイッチング電源回路における前記整流回路は、前記ダイオードに代えて、制御信号を入力することによって電流を一方向にだけ流す動作が可能であるスイッチング素子を使用して、前記トランスの二次巻線からの出力を整流し、一方向のみの電圧、電流が得られるようにしたことを特徴とする。

従来のダイオードブリッジでは、整流時にダイオードブリッジｎ個を直列に接続したときの電流が通過するダイオードの総数は２×ｎ個である。本発明によれば、ダイオードブリッジｎ個を直列に接続したときの電流が通過するダイオードの総数はｎ＋１個である。これにより、整流素子であるダイオードで発生する損失を低減することができる。

また、本発明によれば、整流後の出力電圧の低下量を低減できる。即ち、整流後の出力電圧の低下は、ダイオードブリッジｎ個を直列に接続したときの電流が通過するダイオードの総数に依存する。本発明は、従来と比較して、電流が通過するダイオードの総数を減らすことができる。このため、整流後の出力電圧の低下量を低減できる。

また、本発明によれば、トランス間に接続された整流回路は、整流動作時に、一方のトランスの二次巻線の一方の端と、他方のトランスの二次巻線の他方の端とが１個のダイオードで接続される。従来は、整流動作時に、トランス間に２個のダイオードで接続されていた。このため、トランス間のダイオードに流れる電流による電圧の低下が減少し、電力変換の効率を高めることができる。

また、本発明によれば、トランス間に接続された整流回路は、一方のトランスのスイッチング周波数を他方のトランスのスイッチング周波数の２倍とすることにより、ブリッジ回路のダイオードに流れる電流が、スイッチング周波数の周期の１／４ずつ４個のダイオードが１個ずつ順に導通状態となる。

このため、４個のダイオードがスイッチング周波数の１周期中に分担して導通状態となる。トランス間に接続されたダイオードに流れる電流が、スイッチング周波数の１周期中に４個のダイオードを順に流れるため、ダイオードの発熱を減らすことが可能となる。これにより、定格電流最大値が小さい整流素子を使用することができる。

本発明によるスイッチング電源回路の構成を示すブロック図である。 スイッチング電源回路における昇圧部の回路構成を示す図である。 ３個のトランスを備えるスイッチング電源回路の構成を示すブロック図である。 （ａ）から（ｄ）は、トランス出力の極性に基づく、整流回路のダイオードを流れる電流の経路を示す図である。 （ａ）及び（ｂ）は、トランス出力の極性に基づく、整流回路のダイオードを流れる電流の経路を示す図である。 ２個のトランスを備えるスイッチング電源回路の構成を示すブロック図である。 図６に示すスイッチング回路に入力される制御信号のタイミングを示す図及び整流回路におけるスイッチング周波数の１周期中に電流が流れるダイオードを示す図である。 従来のスイッチング電源回路の構成を示す回路図である。 従来のスイッチング電源回路の電源部を３個使用して、ダイオードブリッジの出力を直列に接続した構成を示すブロック図である。 図９に示すダイオードブリッジを流れる電流の経路を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明によるスイッチング電源回路を実施するための形態について説明する。尚、本発明は、複数のトランスを使用して、トランス間にダイオードからなる整流回路を接続するようにして、整流回路の出力を直列に接続した場合でも、ダイオードから発生する整流回路の損失を減らして、スイッチング電源回路の電力変換の効率を高めるようにしたものである。

図１は、本発明によるスイッチング電源装置のスイッチング電源回路の構成を示すブロック図、図２は、本発明によるスイッチング電源回路における昇圧部の回路構成を示す図である。

［スイッチング電源回路の構成］
図１に示すように、スイッチング電源回路１は、直流電源４０からの入力される直流電力をスイッチングして、所定の電圧を有する直流電力に変換して負荷４８等に供給するものであり、ｎ（ｎは、２以上の整数）個からなる昇圧部３と、昇圧部３からの交流電源を整流する整流回路２０と、各昇圧部３を制御する制御回路３０とを有している。

図１及び図２に示すように、スイッチング電源回路１の昇圧部３は、直流電源４０からの入力される直流電力をスイッチングして、交流電力に変換するスイッチング回路７と、スイッチング回路７からの交流電力を一次巻線１７に入力し、磁気結合により二次巻線１８に電力を伝達するトランス１６とを有している。

尚、以下の説明で、ｎ個の昇圧部３で１個目を示す第１の昇圧部を３ａとし、第１の昇圧部３ａのスイッチング回路を第１のスイッチング回路７ａとし、トランスを第１のトランス１６ａとそれぞれ記す。また、ｎ個の昇圧部３で２個目を示す第２の昇圧部を３ｂとし、第２の昇圧部３ｂのスイッチング回路を第２のスイッチング回路７ｂとし、トランスを第２のトランス１６ｂとそれぞれ記す。

同様に、ｎ個の昇圧部３でｎ個目を示す第ｎの昇圧部を３ｎとし、第ｎの昇圧部３ｎのスイッチング回路を第ｎのスイッチング回路７ｎとし、トランスを第ｎのトランス１６ｎとそれぞれ記す。

また、第１のトランス１６ａと第２のトランス１６ｂとの間に位置する整流回路を第１の整流回路２０ａｂとし、第２のトランス１６ｂと第３のトランス１６ｃとの間に位置する整流回路を第２の整流回路２０ｂｃとし、第ｎ−１のトランス１６ｎ−１と第ｎのトランス１６ｎとの間に位置する整流回路を第ｎ−１の整流回路２０（ｎ−１）ｎとそれぞれ記す。また、名称を総称するときには、昇圧部３、スイッチング回路７、トランス１６、整流回路２０と記す。

図１に示すように、スイッチング電源回路１はｎ個の昇圧部３を有しており、それぞれの昇圧部３は、トランス１６に対応して接続されたスイッチング回路７を有している。

また、昇圧部３の出力部であるトランス１６の二次巻線１８からの出力は、整流回路２０に接続されている。整流回路２０は、トランス１６間に（ｎ−１）個設けられており、トランス１６と整流回路２０とを直列に接続して、逆流防止用のダイオードＤ１、Ｄ２及びＤ１１、Ｄ１２（図３に示すｎ＝３のとき）を介して、出力の両端から負荷４８等に電力が供給される。

図２は、スイッチング電源回路における１個の昇圧部の回路構成を示す図である。図２に示すように、スイッチング回路７は、ＭＯＳＦＥＴから成るスイッチング素子１１、１２、１３、１４を有しており、直流電源４０に対しスイッチング素子１１とスイッチング素子１２とが直列に接続され、スイッチング素子１３とスイッチング素子１４とが直列に接続されている。尚、ＭＯＳＦＥＴに接続されているダイオードは、寄生ダイオードを示す。

スイッチング素子１１とスイッチング素子１２との接続点がトランス１６の一次巻線１７の一方の端に接続され、スイッチング素子１３とスイッチング素子１４との接続点がトランス１６の一次巻線１７の他方の端に接続されている。

これにより、スイッチング素子１１とスイッチング素子１４とをＯＮし、スイッチング素子１３とスイッチング素子１２とがＯＦＦすることにより、トランス１６にｉａ（図２に示す）で示す方向に電流が流れ、スイッチング素子１３とスイッチング素子１２とがＯＮし、スイッチング素子１１とスイッチング素子１４とをＯＦＦすることにより、トランス１６にｉｂ（図２に示す）で示す方向に電流が流れる。

尚、スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴに限らず、制御信号で回路電流をＯＮ、ＯＦＦすることができる電子部品であればよく、例えば、トランジスタ、ＩＧＢＴであってもよい。

図１及び図２に示す制御回路３０は、スイッチング素子の入力、例えば、ＭＯＳＦＥＴのゲートに制御信号（電圧）を印加して、スイッチング素子のＯＮ（導通）、ＯＦＦ（非導通）を制御する。図２に示す制御回路３０は、スイッチング素子１１とスイッチング素子１４とをＯＮし、このときスイッチング素子１３とスイッチング素子１２とがＯＦＦとなるように制御する、一方、スイッチング素子１３とスイッチング素子１２とをＯＮしたときには、スイッチング素子１１とスイッチング素子１４とがＯＦＦとなるように制御する。

このときの、制御信号のＯＮの開始からＯＦＦの終了までの時間を周期Ｔとする。また、スイッチング周波数ｆは、１／Ｔとなる。

制御回路３０は、スイッチング回路７毎に周期Ｔを有するスイッチング周波数の制御信号を入力し、スイッチング回路７は、制御信号によってスイッチング素子のＯＮ、ＯＦＦを繰り返す。

スイッチング回路７は、制御回路３０からの制御信号によって直流電源をスイッチングして、交流電力に変換して、変換された交流電力をトランス１６の一次巻線１７に入力する。トランス１６は、磁気結合により二次巻線１８に交流電力を伝達する。

トランス１６の二次巻線１８から出力される交流電力は、交流電力を直流電力に変換する整流回路（ダイオードブリッジ）２０に入力される。

整流回路２０は、ダイオードブリッジからなり、ダイオードブリッジの出力端から直流電圧が出力される。

［整流回路の電流の経路］
次に、スイッチング電源回路１における整流回路の構成及び、トランスの出力電圧極性に基づく整流回路のダイオードに流れる電流の経路について図３乃至図５を用いて説明する。

図３は、３個のトランスを備えるスイッチング電源回路の構成を示すブロック図、図４（ａ）から（ｄ）は、トランス出力の極性に基づく、整流回路のダイオードを流れる電流の経路を示す図、図５（ａ）から（ｂ）は、トランス出力の極性に基づく、整流回路のダイオードを流れる電流の経路を示す図である。

図３に示すように、整流回路２０ａｂは、ダイオードブリッジからなり、トランス１６ａと１６ｂとの間に接続されており、整流回路２０ｂｃは、ダイオードブリッジからなり、トランス１６ｂと１６ｃとの間に接続されている。

整流回路２０ａｂは、一方のトランス１６ｂの二次巻線の両端ｃ、ｄのそれぞれに、同一極性を有する２個のダイオードＤ３、Ｄ４及びＤ５、Ｄ６の一方の端子を接続し、一方のトランス１６ｂの二次巻線の一方の端ｃに接続された２個のダイオードＤ３、Ｄ４の他方の端子を、他方のトランス１６ａの二次巻線の両端ａ、ｂそれぞれに接続している。また、一方のトランス１６ｂの二次巻線の他方の端ｄに接続された２個のダイオードＤ５、Ｄ６の他方の端子を、他方のトランス１６ａの二次巻線の両端ａ、ｂそれぞれに接続している。

トランス１６ａ、１６ｂ間に接続された整流回路２０ａｂは、一方のトランス１６ｂから他方のトランス１６ａへ電流を流すように４個のダイオード中の１個が導通状態となる。例えば、図４（ａ）に示すトランス１６ｂのｄ端子が＋極、ｃ端子が−極であり、トランス１６ａのｂ端子が＋極、ａ端子が−極のときには、整流回路２０のダイオードＤ５が導通状態となり、トランス１６ａのａ端子に電流が流れる。このように、トランス間に接続された整流回路で導通状態となるダイオードは、一方のトランス１６の端子の極性と他方のトランス１６の極性とで決定される。

［トランスの極性による電流の経路について］
整流回路におけるトランスに発生する電圧方向による電流経路について図４を用いて説明する。図４（ａ）に示すように、トランス１６ａの二次巻線の端子ａ、ｂに発生する電圧が、矢印で示す方向のときには、出力電圧の極性を＋極性とし、図４（ｃ）に示すように、トランス１６ａの端子ａ、ｂに発生する電圧が、矢印で示す方向のときには、出力電圧の極性を−極性とする。

尚、整流回路２０、トランス１６を流れる電流は、太い点線で示し、電流の流れる方向は矢印で示す。

図４（ａ）に示すように、トランス１６ａの極性が＋極性、トランス１６ｂの極性が＋極性、トランス１６ｃの極性が＋極性のときには、端子ｏ２から電流が流れ込み、ダイオードＤ１１に流れてｅ端子からトランス１６ｃに流れる。トランス１６ｃからの電流は、端子ｆからダイオードＤ９を通ってｃ端子からトランス１６ｂに流れる。

トランス１６ｂからの電流は、端子ｄからダイオードＤ５を通ってａ端子からトランス１６ａに流れる。さらに、トランス１６ａからの電流は、端子ｂからダイオードＤ２を通って端子ｏ１から負荷等に流れる。

また、図４（ｂ）に示すように、トランス１６ａの極性が−極性、トランス１６ｂの極性が−極性、トランス１６ｃの極性が−極性のときには、端子ｏ２から電流が流れ込み、ダイオードＤ１２に流れてｆ端子からトランス１６ｃに流れる。トランス１６ｃからの電流は、端子ｅからダイオードＤ８を通ってｄ端子からトランス１６ｂに流れる。

トランス１６ｂからの電流は、端子ｃからダイオードＤ４を通ってｂ端子からトランス１６ａに流れる。さらに、トランス１６ａからの電流は、端子ａからダイオードＤ１を通って端子ｏ１から負荷等に流れる。

図４（ａ）、（ｂ）に示すように、トランス１６ａ、１６ｂ、１６ｃが同一極性で変化するときには、ダイオードＤ７、Ｄ１０、Ｄ３、Ｄ６には電流が流れない。このため、スイッチング電源回路１が、トランス１６ａ、１６ｂ、１６ｃが同一極性で変化するときには、ダイオードＤ７、Ｄ１０、Ｄ３、Ｄ６を設けなくてもよい。

しかしながら、以下に述べるように、トランス１６ａ、１６ｂ、１６ｃ毎に、スイッチング周波数、スイッチング周波数の位相が異なり、各トランスの極性が異なるときには、ダイオードＤ７、Ｄ１０、Ｄ３、Ｄ６を設けるようにする。

［各トランスの極性が異なるとき電流の経路］
以下に、各トランスの極性が異なるときの電流の経路について説明する。図４（ｃ）に示すように、トランス１６ａの極性が−極性、トランス１６ｂの極性が＋極性、トランス１６ｃの極性が＋極性のときには、端子ｏ２から電流が流れ込み、ダイオードＤ１１に流れてｅ端子からトランス１６ｃに流れる。トランス１６ｃからの電流は、端子ｆからダイオードＤ９を通ってｃ端子からトランス１６ｂに流れる。

トランス１６ｂからの電流は、端子ｄからダイオードＤ６を通ってｂ端子からトランス１６ａに流れる。さらに、トランス１６ａからの電流は、端子aからダイオードＤ１を通って端子ｏ１から負荷等に流れる。

また、図４（ｄ）に示すように、トランス１６ａの極性が＋極性、トランス１６ｂの極性が−極性、トランス１６ｃの極性が−極性のときには、端子ｏ２から電流が流れ込み、ダイオードＤ１２に流れてｆ端子からトランス１６ｃに流れる。トランス１６ｃからの電流は、端子ｅからダイオードＤ８を通ってｄ端子からトランス１６ｂに流れる。

トランス１６ｂからの電流は、端子ｃからダイオードＤ３を通ってａ端子からトランス１６ａに流れる。さらに、トランス１６ａからの電流は、端子ｂからダイオードＤ２を通って端子ｏ１から負荷等に流れる。

このように、トランス１６ｂとトランス１６ａとの極性が異なることにより、Ｄ６、Ｄ３に電流が流れる。

次に、各トランスの極性が交互に異なるときの電流の経路について図５を用いて説明する。図５（ａ）に示すように、トランス１６ａの極性が＋極性、トランス１６ｂの極性が−極性、トランス１６ｃの極性が＋極性のときには、端子ｏ２から電流が流れ込み、ダイオードＤ１１に流れてｅ端子からトランス１６ｃに流れる。トランス１６ｃからの電流は、端子ｆからダイオードＤ１０を通ってｄ端子からトランス１６ｂに流れる。

トランス１６ｂからの電流は、端子ｃからダイオードＤ３を通ってａ端子からトランス１６ａに流れる。さらに、トランス１６ａからの電流は、端子ｂからダイオードＤ２を通って端子ｏ１から負荷等に流れる。

また、図５（ｂ）に示すように、トランス１６ａの極性が−極性、トランス１６ｂの極性が＋極性、トランス１６ｃの極性が−極性のときには、端子ｏ２から電流が流れ込み、ダイオードＤ１２に流れてｆ端子からトランス１６ｃに流れる。トランス１６ｃからの電流は、端子ｅからダイオードＤ７を通ってｃ端子からトランス１６ｂに流れる。

トランス１６ｂからの電流は、端子ｄからダイオードＤ６を通ってｂ端子からトランス１６ａに流れる。さらに、トランス１６ａからの電流は、端子ａからダイオードＤ１を通って端子ｏ１から負荷等に流れる。

このように、トランス１６ａ、トランス１６ｂ及びトランス１６ｃとの極性が交互に変化するときには、ダイオードＤ３、Ｄ１０又はダイオードＤ７、Ｄ６に電流が流れる。

また、図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）及び図５（ａ）、（ｂ）に示す電流経路のように、トランス１６ｃとトランス１６ｂとの間は、ダイオード１個で直列に接続されている。また、トランス１６ｂとトランス１６ａとの間は、ダイオード１個で直列に接続されている。従来のダイオードブリッジではトランス間にダイオード２個が直列に接続されていた。本発明は、これにより、ダイオードによる出力電圧の低下を減少できる。また、ダイオードによる損失を減らすことができる。

尚、整流回路２０の出力端は、出力端ｏ１、ｏ２側に位置するトランスの両極に直列接続された２組の逆流防止用のダイオードＤ１、Ｄ２及びＤ１１、Ｄ１２（ｎ＝３のとき）の接続点からそれぞれ出力される。

図４（ｃ）、（ｄ）及び図５（ａ）、（ｂ）に示すように、ダイオードＤ７、Ｄ１０、Ｄ３、Ｄ６を設けることにより、トランスから出力される電圧を同一タイミングで同一方向に発生するように制御する必要はない。

尚、図４（ａ）、（ｂ）に示すように、トランスから出力される電圧を同一タイミングで同一方向に発生するようにすることにより、ダイオードＤ７、Ｄ１０、Ｄ３、Ｄ６に電流が流れないため、トランス間に接続するダイオードの数を減らすこともできる。

整流回路についてダイオードを用いた実施形態について述べたが、ダイオードに代えて、電流を一方向にだけ流す作用を有する整流素子、例えば、水銀整流器、亜酸化銅整流器、サイラトロン、セレン整流器、二極真空管を使用して、トランスの二次巻線からの出力を整流し、一方向のみの電圧、電流が得られるようにしてもよい。

また、整流回路は、ダイオードに代えて、制御信号を入力することによって電流を一方向にだけ流す動作が可能であるスイッチング素子、例えば、ＭＯＳＦＥＴ、トランジスタ、ＩＧＢＴ、サイリスタを使用して、トランスの二次巻線からの出力を整流し、一方向のみの電圧、電流が得られるようにしてもよい。

［整流回路における各ダイオードの電流分担について］
次に、トランス間に接続している整流回路に流れる電流を各ダイオードに分担して、ダイオードの導通期間を短くすることが可能なスイッチング電源回路について図６、図７を用いて説明する。

図６は、２個のトランスを備えるスイッチング電源回路の構成を示すブロック図、図７は図６に示すスイッチング回路に入力される制御信号のタイミングを示す図及び整流回路におけるスイッチング周波数の１周期中に電流が流れるダイオードを示す図である。

図６に示すように、２個のトランス１６ａ、１６ｂ間にダイオードＤ３、Ｄ４、Ｄ５、Ｄ６から成る整流回路２０ａｂが接続されている。

前述したように、整流回路２０ａｂは、一方のトランス１６ｂの二次巻線の両端ｃ、ｄのそれぞれに、同一極性を有する２個のダイオードＤ３、Ｄ４及びＤ５、Ｄ６の一方の端子を接続し、一方のトランス１６ｂの二次巻線の一方の端ｃに接続された２個のダイオードＤ３、Ｄ４の他方の端子を、他方のトランス１６ａの二次巻線の両端ａ、ｂそれぞれに接続している。

また、一方のトランス１６ｂの二次巻線の他方の端ｄに接続された２個のダイオードＤ５、Ｄ６の他方の端子を、他方のトランス１６ａの二次巻線の両端ａ、ｂそれぞれに接続している。

［スイッチング回路のスイッチング周波数について］
図７に示すように、第１のトランス１６ａをスイッチングする第１のスイッチング回路７ａのスイッチング周波数ｆａは、第２のトランス１６ｂをスイッチングする第２のスイッチング回路１６ｂのスイッチング周波数ｆｂの２倍となるようにする。

例えば、第１のトランス１６ａをスイッチングする第１のスイッチング回路７ａのスイッチング周波数ｆａを、１００ｋＨｚとすると、第２のトランス１６ｂをスイッチングする第２のスイッチング回路７ｂのスイッチング周波数ｆｂは、５０ｋＨｚである。

次に、第１のトランス１６ａをスイッチングする第１のスイッチング回路７ａのスイッチング周波数ｆａが、第２のトランス１６ｂをスイッチングする第２のスイッチング回路７ｂのスイッチング周波数ｆｂの２倍であるときの、整流回路２０ａｂにおける電流が通過するダイオード及びその導通時間について述べる。

図７に示すように、第２スイッチング回路のスイッチング周波数ｆｂの周期Ｔｂの１／４にあたる時間ｔ１からｔ２で、第１のスイッチング回路７ａのスイッチング素子１１ａ、１４ａがＯＮして、スイッチング素子１３ａ、１２ａがＯＦＦのときに、電流ｉａ１が流れて、トランス１６ａの２次側の端子ａ、ｂに矢印で示すＶａ２の電圧（−極性）が発生する。

また、第２のスイッチング回路７ｂのスイッチング素子１１ｂ、１４ｂがＯＦＦして、スイッチング素子１３ｂ、１２ｂがＯＮのときに、電流ｉｂ２が流れて、トランス１６ｂに矢印で示すＶｂ１（＋極性）の電圧が発生し、図７の電流通過ダイオードで示すように、ダイオードＤ６が導通状態となる。

次に、図７に示すように、第２スイッチング回路のスイッチング周波数ｆｂの周期１／４にあたる時間ｔ２からｔ３で、第１のスイッチング回路７ａのスイッチング素子１１ａ、１４ａがＯＦＦして、スイッチング素子１３ａ、１２ａがＯＮのときに、電流ｉａ２が流れて、トランス１６ａの２次側の端子ａ、ｂに矢印で示すＶａ１の電圧（＋極性）が発生する。

また、第２のスイッチング回路７ｂのスイッチング素子１１ｂ、１４ｂがＯＦＦして、スイッチング素子１３ｂ、１２ｂがＯＮのときに、電流ｉｂ２が流れて、トランス１６ｂに矢印で示すＶｂ１（＋極性）の電圧が発生し、図７の電流通過ダイオードで示すように、ダイオードＤ５が導通状態となる。

次に、図７に示すように、第２スイッチング回路のスイッチング周波数ｆｂの周期１／４にあたる時間ｔ３からｔ４で、第１のスイッチング回路７ａのスイッチング素子１１ａ、１４ａがＯＮして、スイッチング素子１３ａ、１２ａがＯＦＦのときに、電流ｉａ１が流れて、トランス１６ａの２次側の端子ａ、ｂに矢印で示すＶａ２の電圧（−極性）が発生する。

また、第２のスイッチング回路７ｂのスイッチング素子１１ｂ、１４ｂがＯＮして、スイッチング素子１３ｂ、１２ｂがＯＦＦのときに、電流ｉｂ１が流れて、トランス１６ｂに矢印で示すＶｂ２（−極性）の電圧が発生し、図７の電流通過ダイオードで示すように、ダイオードＤ４が導通状態となる。

次に、図７に示すように、第２スイッチング回路のスイッチング周波数ｆｂの周期１／４にあたる時間ｔ４からｔ５で、第１のスイッチング回路７ａのスイッチング素子１１ａ、１４ａがＯＦＦして、スイッチング素子１３ａ、１２ａがＯＮのときに、電流ｉａ２が流れて、トランス１６ａの２次側の端子ａ、ｂに矢印で示すＶａ１の電圧（＋極性）が発生する。

また、第２のスイッチング回路７ｂのスイッチング素子１１ｂ、１４ｂがＯＮして、スイッチング素子１３ｂ、１２ｂがＯＦＦのときに、電流ｉｂ１が流れて、トランス１６ｂに矢印で示すＶｂ２（−極性）の電圧が発生し、図７の電流通過ダイオードで示すように、ダイオードＤ３が導通状態となる。

このように、第ｎ−１のトランスと第ｎのトランスとの間に接続された整流回路の４個のダイオードが、スイッチング周波数ｆ（ｎ−１）の周期の１／４ずつ導通状態となる。

また、トランスを３個以上用いる場合には、例えば、ｎ＝３のときには、第３のトランス１６ｃのスイッチング周波数が、第２のトランス１６ｂのスイッチング周波数の２倍となるように設定する。また、第１のトランス１６ａのスイッチング周波数が、第２のトランス１６ｂのスイッチング周波数の２倍となるように設定する。

尚、以上の説明では、トランス２個及び整流回路を１個用いた実施形態について述べたが、トランスをｎ個使用し、整流回路に接続された両端のトランスをスイッチングするスイッチング回路のスイッチング周波数の比率が１：２（または２：１）となるようにする。低い周波数の１周期の間に整流回路に流れる電流を各ダイオードに分担して流すことができる。また、このときのトランス間に接続されるダイオードは１個である。

また、トランスをｎ個使用し、整流回路に接続された両端のトランスをスイッチングするスイッチング回路のスイッチング周波数を同一とし、スイッチング周波数の位相を各々９０度ずらした場合においても、スイッチング周波数の１周期の間に整流回路に流れる電流を各ダイオードに分担して流すことができる。また、このときのトランス間に接続されるダイオードは１個である。

このように、トランスをｎ個用いたときには、整流回路の数をｎ−１することができる。これにより、電流が通過するダイオードが減り、損失を少なくすることができる。

また、図６に示す２個のトランスを備えるスイッチング電源回路について説明したが、図６に示す２個のトランスを備えるスイッチング電源回路を複数設けて、その整流回路の出力を並列に接続して、負荷等に電力を供給することも可能である。

以上述べたように、従来のダイオードブリッジでは、整流時にダイオードブリッジｎ個を直列に接続したときの電流が通過するダイオードの総数は２×ｎ個である。本発明によれば、ダイオードブリッジｎ個を直列に接続したときの電流が通過するダイオードの総数はｎ＋１個である。これにより、整流素子であるダイオードで発生する損失を低減できる。

また、本発明によれば、整流後の出力電圧の低下量を低減できる。即ち、整流後の出力電圧の低下は、ダイオードブリッジｎ個を直列に接続したときの電流が通過するダイオードの総数に依存する。本発明は、従来と比較して、電流が通過するダイオードの総数を減らすことができる。

また、本発明によれば、トランス間に接続された整流回路は、整流動作時に、一方のトランスの二次巻線の一方の端と、他方のトランスの二次巻線の他方の端とが１個のダイオードで接続される。従来は、整流動作時に、トランス間に２個のダイオードで接続されていた。このため、トランス間のダイオードに流れる電流による電圧の低下が減少し、電力変換の効率を高めることができる。

また、本発明によれば、トランス間に接続された整流回路は、一方のトランスのスイッチング周波数を他方のトランスのスイッチング周波数の２倍とすることにより、ブリッジ回路のダイオードに流れる電流が、スイッチング周波数の周期の１／４ずつ４個のダイオードが１個ずつ順に導通状態となる。

このため、４個のダイオードがスイッチング周波数の１周期中に分担して導通状態となる。トランス間に接続されたダイオードに流れる電流が、スイッチング周波数の１周期中に４個のダイオードを順に流れるため、ダイオードの発熱を減らすことが可能となる。これにより、定格電流最大値が小さい整流素子を使用することができる。

以下に、出願人による先行技術調査において発見された先行技術文献と本発明との対比を説明する。特許文献１（特開２０１３−２７１６２号公報）には、トランスによって入出力が電気的に絶縁された直流電源装置において、特に半導体スイッチの高周波動作化のためにスイッチング損失、ダイオードの損失を低減する直流電源装置が開示されている。

特許文献１に開示された直流電源装置は、直流電源装置の整流ダイオードブリッジ回路の入力側に、整流ダイオードのリカバリが発生する直前までの電流方向に対しては低インピーダンス、その逆方向には高インピーダンスを持つ回路要素を設けることにより、リカバリに伴うサージ電圧の発生を効果的に抑制して電力損失を低減するとともに、整流ダイオードの破壊や電磁ノイズの発生を防止するものである。

本発明は、ｎ（ｎは２以上の整数）個のトランス１６と、トランス１６にそれぞれ設けられたスイッチング回路７と、トランス１６から出力される電圧を直流に変換するダイオードからなる整流回路２０と、を備え、整流回路２０は、一方のトランスと他方のトランスとの間に接続され、一方のトランスの二次巻線の両端のそれぞれに、同一極性を有する２個のダイオードを接続し、接続された２個のダイオードの他方の端子を、他方のトランスの二次巻線の両端それぞれに接続して、トランス１６と整流回路２０とを直列に接続して、整流回路２０に流れる電流が、ｎ＋１個のダイオードを通過するようにしたものである。なお、従来の整流時にダイオードブリッジｎ個を直列に接続したときの電流が通過するダイオードの総数は、２×ｎ個である。

また、本発明は、トランス間に接続された整流回路は、一方のトランスのスイッチング周波数を他方のトランスのスイッチング周波数の２倍とすることにより、ブリッジ回路のダイオードに流れる電流が、スイッチング周波数の周期の１／４ずつ４個のダイオードが１個ずつ順に導通状態となる。このため、スイッチング周波数の１周期中に４個のダイオードを順に流れるため、ダイオードの発熱を減らすことが可能となる。これにより、定格電流最大値が小さい整流素子を使用することができる。

このように、本発明は、トランス間に整流回路としてダイオードを用いた場合でも、ダイオードから発生する損失を減らし、電力の変換効率を高めることが可能である。従来は、整流回路で発生する損失が大きいため、例えば、特許文献１のように整流回路以外で損失を減らしても、効果が上がらないことがある。このため、本発明は、先行技術文献にはない特徴を有している。

この発明は、その本質的特性から逸脱することなく数多くの形式のものとして具体化することができる。よって、上述した実施形態は専ら説明上のものであり、本発明を制限するものではないことは言うまでもない。

１、５０ スイッチング電源回路
２ 昇圧部
７、５２ スイッチング回路
７ａ 第１のスイッチング回路
７ｂ 第２のスイッチング回路
１１、１２、１３、１４ スイッチング素子（ＭＯＳＦＥＴ）
１６、６０ トランス
１７、６１ 一次巻線
１８、６２ 二次巻線
２０ 整流回路
３０、７５ 制御回路
４０ 直流電源
５１ 電源部
６５ ダイオードブリッジ
８０ 平滑回路（電解コンデンサ）

Claims (9)

1. ｎ（ｎは２以上の整数）個のトランスと、
   当該トランスの一次側に設けられ、直流電源をスイッチングして前記トランスの一次巻線に方向の異なる電流を交互に流す前記トランスにそれぞれ設けられたスイッチング回路と、
   前記トランスの二次側に設けられ、前記トランスの二次巻線から出力される電圧を直流に変換するダイオードからなる整流回路と、を備えるスイッチング電源回路であって、
   前記整流回路は、一方の前記トランスと他方のトランスとの間に接続され、
   一方の前記トランスの二次巻線の両端のそれぞれに、同一極性を有する２個のダイオードの一方の端子を接続し、一方の前記トランスの二次巻線の一方の端に接続された２個の前記ダイオードの他方の端子を、他方の前記トランスの二次巻線の両端それぞれに接続し、一方の前記トランスの二次巻線の他方の端に接続された２個のダイオードの他端を、他方の前記トランスの二次巻線の両端それぞれに接続して、前記トランスと前記整流回路とを直列に接続して、
   前記整流回路に流れる電流が、ｎ＋１個のダイオードを通過するようにしたことを特徴とするスイッチング電源回路。
2. 前記トランス間に接続された整流回路は、前記整流動作時に、一方の前記トランスの二次巻線の一方の端と、他方の前記トランスの二次巻線の他方の端とが１個のダイオードで接続されて、電流を流すようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。
3. 第ｎのトランスをスイッチングする第ｎのスイッチング回路のスイッチング周波数ｆｎは、第ｎ−１のトランスをスイッチングする第ｎ−１のスイッチング回路のスイッチング周波数ｆｎ−１の２倍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回路。
4. 前記第ｎ−１のトランスと前記第ｎのトランスとの間に接続された４個のダイオードを、前記スイッチング周波数ｆｎ−１の周期の１／４ずつ順に導通状態となるようにしたことを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源回路。
5. 第ｎのトランスをスイッチングする第ｎのスイッチング回路のスイッチング周波数ｆｎは、第ｎ−１のトランスをスイッチングする第ｎ−１のスイッチング回路のスイッチング周波数ｆｎ−１の半分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回路。
6. 前記第ｎ−１のトランスと前記第ｎのトランスとの間に接続された４個のダイオードを、前記スイッチング周波数ｆｎの周期の１／４ずつ順に導通状態となるようにしたことを特徴とする請求項５に記載のスイッチング電源回路。
7. 同一周波数で、位相が前記トランス毎に９０度ずらしたスイッチング周波数で前記スイッチング回路をスイッチングして、前記トランスとの間に接続された４個の前記ダイオードを、前記スイッチング周波数の周期の１／４ずつ順に導通状態となるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。
8. 前記整流回路は、前記ダイオードに代えて、電流を一方向にだけ流す作用を有する整流素子を使用して、前記トランスの二次巻線からの出力を整流し、一方向のみの電圧、電流が得られるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。
9. 前記整流回路は、前記ダイオードに代えて、制御信号を入力することによって電流を一方向にだけ流す動作が可能であるスイッチング素子を使用して、前記トランスの二次巻線からの出力を整流し、一方向のみの電圧、電流が得られるようにしたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源回路。

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