JPH10508459A - 改善された効率を有する電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 電源装置は入力電圧を受けるよう配置された正と負の入力端子（１、３）と、少なくとも一つのコイル（９）と制御可能なスイッチング素子（１１）とからなり入力端子を相互接続する第一の直列接続（７）と、スイッチング素子にかかる最大電圧を制限するピーク制限回路（２９）とからなる。ピーク制限回路はコンデンサ（３１）と、第一の整流素子（３３）と抵抗（１３５）に接続される第二の直列接続からなり、また同様に第二の直列接続の一端を正の入力端子（１）に接続する第二の整流素子（４１）からなる。第一と第二の整流素子（３３、４１）及び抵抗（１３５）により形成されるピーク制限回路の一部分で整流素子の順方向は同一である。第二の直列接続の他端（３３、１３５）は負の入力端子（３）に接続され、コンデンサ（３１）は第二の整流素子（４１）の陽極とコイル（９）とスイッチング素子（１１）の接続点（３７）との間に接続される。これらの段階の結果として抵抗（１３５）でのエネルギーの散逸はスイッチング素子（１１）がスイッチオン及びオフするデューティーサイクルに依存する。デューティーサイクルそれ自体は電源装置の付加に依存する。結果として低負荷の場合にはこの装置は実質的に低い散逸を有する。

Description

【発明の詳細な説明】 改善された効率を有する電源装置 本発明は入力電圧を受けるよう配置された正と負の入力端子と、少なくとも一 つのコイルと制御可能なスイッチング素子とからなり入力端子を相互接続する第 一の直列接続と、スイッチング素子にわたる最大電圧を制限するピーク制限回路 とからなり、該ピーク制限回路は少なくとも一つのコンデンサと、第一の整流素 子と抵抗からなりコイル及びスイッチング素子の接続点及び正の入力端子に接続 される第二の直列接続とからなり、入力電圧として働く直流電圧を出力電圧に変 換する電源装置に関する。 この種の電源装置はＤＥ−Ａ−３６３４９９０の特に図１ｂから知られている 。ピーク制限回路は該スイッチング素子のスイッチオフ中にスイッチング素子に わたり発生する電圧を制限することを目的とする。スイッチング素子は一般に例 えばバイポーラトランジスタ又はＭＯＳＦＥＴである半導体スイッチング素子で ある。その様な素子は高電圧により損傷されうる。ピーク制限回路はスイッチン グオフの前にコイルを通って流れる電流をスイッチングオフの直後に第一のコン デンサに迂回させてスイッチング素子にかかる最大電圧を制限する。第一のコン デンサで電荷は蓄積され、その電荷は抵抗を介して流出され、それによりコンデ ンサは再びスイッチング素子がスイッチオフされる次回のためにその初期状態を 回復する。コンデンサに蓄積されているエネルギーは抵抗で熱に変換される。こ のように散逸されるエネルギー量は比較的大きく、それにより電源装置の効率は 比較的低い。上記文献はそのコイルが一次巻線からなる変圧器の付加的な巻線に より装置の効率を向上することを提案している。しかしながらこの段階は実質的 にコストを増加させ、それにより例えばテレビジョン受像器に用いられる電源装 置のような最 小のコストで製造しなければならない電源装置に対して非常に適しているわけで はない。 本発明の目的はその効率がコストを実質的に上昇させないような方法で上記の 電源装置を改善することである。これを達成するために本発明による電源装置は ピーク制限回路はまた第二の直列接続の一端を正の入力端子に接続する第二の整 流素子を含み、第一と第二の整流素子及び抵抗により形成されるピーク制限回路 の一部分で整流素子の順方向は同一であり、第二の直列接続の他端は負の入力端 子に接続され、コンデンサは第二の整流素子の陽極とコイルとスイッチング素子 の接続点との間に接続されることを特徴とする。これらの段階の結果として抵抗 でのエネルギーの散逸はスイッチング素子がスイッチオン及びオフするデューテ ィーサイクルに依存する。デューティーサイクルそれ自体は電源装置の負荷に依 存する。結果として低負荷の場合には本発明による装置は知られている電源装置 より実質的に低い散逸を有する。これはその装置自体が動作していない場合にさ え常にスイッチオンされる電源装置の場合には特に重要である。この状況は例え ばテレビジョン受像器及びビデオレコーダのような家電製品で生ずる。そのよう な状況で本発明による電源装置の時間平均効率は知られている電源装置より非常 に高い。 本発明のこれらの及び他の特徴は以下に記載された実施例を参照して説明され る。 図１Ａ、１Ｂはそれぞれ知られた電源装置の回路図及び等価回路図を示す。 図２Ａ、２Ｂはそれぞれ本発明による電源装置の回路図及び等価回路図を示す 。 図１Ａに回路図の形で示された電源装置は正の入力端子１と負の入力端子３と からなり、ここに直流電圧が印加され、この電圧は例えば電池又は主整流器（図 示せず）から得られる。入力コンデンサ ５は入力端子１、３の間に配置され、存在しうるリップル電圧を平滑化する。入 力端子１、３はまた第一の直列接続７を介して相互接続され、これはこの場合に 第一のコイル９と制御可能なスイッチ素子１１からなる。第一のコイル９は変圧 器１３の一次コイルを構成し、これはまた二次コイル１５を含む。制御可能スイ ッチ素子１１はこの場合にはＮＰＮ型のバイポーラトランジスタにより形成され る。例えばＰＮＰトランジスタ又はＭＯＳＦＥＴのような他の知られたスイッチ ング素子もまた用いられ得ることは明らかである。制御回路１７は該素子を伝導 及び非伝導状態に交互に調整するためにスイッチング素子１１の制御電極にスイ ッチングパルスを周期的に供給するよう設けられる。変圧器１３の二次コイル１ ５はダイオード１９と出力コンデンサ２１に直列に接続される。出力コンデンサ ２１は正の出力端子２３及び負の出力端子２５へ接続され、そこに負荷２７（破 線で示される）が接続されうる。 電源装置はまたスイッチング素子１１にかかる最大電圧を制限するピーク制限 回路２９をまた含む。回路２９はコンデンサ３１及び第一の整流素子３３（例え ばダイオード）の第二の直列接続及び抵抗３５からなる。抵抗３５の一端及びコ ンデンサ３１は正の入力端子１に接続され、一方で他の端子は第一の整流素子３ ３の陰極に接続される。第一の整流素子３３の陽極はコイル９とスイッチング素 子１１の接続点３７に接続される。 図１Ａに示される電源装置の動作は図１Ｂに示される等価回路により以下に詳 細に説明する。等価回路図に用いられる符号で可能なものは図１Ａで用いられる ものと対応する。変圧器１３は一次コイル９と漏洩インダクタンス３９の組合せ として示される。以下の記号は以下で用いられる： Ｖ_i 入力電圧 Ｖ_o 変圧器１３の一次側で変圧された出力電圧 Ｖ_s 漏洩インダクタンス３９にわたる電圧 Ｖ_s,max Ｖｓの最大値（負荷２７が最大で発生する） Ｖ₃₇ 接続点３７での電圧（スイッチング素子１１にわたる電圧） Ｖ_c コンデンサ３１にわたる電圧 Ｉ_p 第一のコイル９を通る電流 Ｔ スイッチングサイクルの時間（制御回路１７により供給されるスイッチン グパルスの周期） δＴ スイッチング素子１１が閉じている時間（オン時間） δＴ_max 最大オン時間（負荷２７が最大の場合に発生する） δ デューティーサイクル、オン時間の全体の時間に対する比、即ちδＴ／Ｔ δ_max 最大デューティーサイクル（負荷２７が最大の場合に発生する） Ｒ₁ 抵抗３５の値 Ｉ₁ コンデンサ３１の平均放電電流 Ｑ₁ コンデンサ３１にわたる電荷 伝導状態にあるときに整流素子３３とダイオード１９とにわたって生ずる電圧 降下は以下では無視する。ｔ₀でスイッチング素子１１が閉じられ（オン）及び 開かれ（スイッチオフされ）ると仮定する。スイッチングオフの直後にスイッチ ング素子にかかる電圧は以下の式に等しい： Ｖ₃₇（ｔ₀）＝Ｖ_s（ｔ₀）＋Ｖ_o＋Ｖ_i （１） この電圧は負荷２７がより大きい故により大きなＶ_s（ｔ₀）に就中依存する。こ れは負荷がより大きいときにピーク電流Ｉ_pが又より大きくなるためである。こ の電流は又漏洩インダクタンス３９を通過し、それにより漏洩インダクタンスの エネルギーはより大きくなる。このエネルギーはコンデンサ３１に流出し、より 高い電圧Ｖ_sを生ずる。δＴ＝δＴ_max、の場合にはＶ_s（ｔ₀）は又その最大値Ｖ_s,max を有する。電流Ｉｐは最初の時点でコンデンサ３１を充 電する： Ｖ_c＝Ｖ₃₇−Ｖ_i＝Ｖ_s（ｔ₀）＋Ｖ₀ （２） Ｉｐは徐々に漏洩インダクタンス３９、ダイオード１９、出力コンデンサ２１、 負荷２７の連鎖により引き継がれる。ｔ１の時点でこの引継は完了し、それでＶ_s ＝０となり、故に： Ｖ₃₇＝Ｖ₀＋Ｖ_i （３） 第一の整流素子３３はＶ₃₇が式（１）で与えられた値より小さくなる、即ちｔ₀ の直後にすぐにブロックされる。その時点からコンデンサ３１は抵抗３５を介し て放電される（部分的に）。コンデンサ３１の平均放電電流は以下の式に等しい ： Ｉ₁＝Ｖ_c／Ｒ₁ （４） この放電に対して時間Ｔの全体は利用可能であり、置き換えられた電荷の量は以 下の式に等しい： Ｑ₁＝Ｉ₁Ｔ （５） 故に全体の時間Ｔに対して電圧が抵抗３５にわたり存在し、それによりエネルギ ーが時間全体でこの抵抗内で散逸される。 図２Ａで回路図の形で示される本発明による電源装置は本質的に図１Ａで示さ れる電源装置と同じ部品からなる。同じ符号は対応する部品に対して用いられる 。ピーク制限回路２９は第一の整流素子３３とコンデンサ３１とからなり、これ は図１Ａに示されたピーク制限回路の対応する素子と同一である。図１Ａの抵抗 ３５は抵抗１３５により置き換えられ、これは以下に詳細に説明するように抵抗 ３５以外の値を有する。抵抗１３５及び第一の整流素子３３は図１Ａのような第 二の直列接続を構成する。ピーク制限回路２９はまた第二の整流素子４１（例え ばダイオード）からなり、その陽極は端子１の正の入力に接続される。第二の整 流素子４１の陽極は第一の直列接続の第一の端に接続され、その第二の端は負の 入力端子３に接続される。示された実施例には第二の直列接続の第一の端が抵抗 １３５の端であり、それは第一の整流素子３３から離れ、第二の端 は第一の整流素子の陽極である。第一の整流器３３及び抵抗１３５の位置は相互 に交換可能である。第一と第二の整流素子３３、４１及び抵抗１３５により形成 されたピーク制限回路２９の部分で整流素子の順方向は同じである。コンデンサ ３１は第二の整流素子４１の陽極とコイル９及びスイッチング素子１１の接続点 ３７との間で接続される。 図２Ｂは図２Ａに示された回路の等価回路図を示し、図２Ｂのセットアップは 図１Ｂと同じである。図１の記述に用いられた記号に加えて以下の記号はまた図 ２の記載に用いられる： Ｒ₂ 抵抗１３５の値 Ｉ₂ コンデンサ３１の平均放電電流 Ｑ₂ コンデンサ３１にわたる電荷 第二の整流素子４１にわたる電圧降下が整流素子が伝導状態であるときに無視し 得るほど小さいとする。ｔ₁まで及びそれを含む電流及び電圧の変動は図１に示 される回路でと同じであることは明らかである。故に式（１）から（３）で与え られる電圧値はまた図２に対して当てはまる。しかしながらその時点から過程は 図１に示されるものから変化する。Ｖ₃₇が（１）で与えられた値よりも小さくな るとすぐに、即ちｔ₀直後に第二の整流素子４１はブロックされる。スイッチン グ素子１１が開状態にある故にコンデンサ３１は放電されない。コンデンサ３１ はＶ₀＋Ｖ_s＞Ｖ_iの場合にある程度は放電される。コンデンサ３１の負の接続は アイドル時間に対して負の電圧をもたらす。しかしながら電荷の量は最小である 。コンデンサ３１の実質的な放電はスイッチング素子１１が導電するようになっ た後にのみ可能となる。それからＶ₃₇は迅速にゼロに減少し、コンデンサ３１は 続いて第一の整流素子３３と抵抗１３５を介してオン時間δＴの間に放電する。 コンデンサ３１の平均放電電流Ｉ₂は以下の式に等しい： Ｉ₂＝δＶ_c／Ｒ₂ （６） ここでＶ_cは（２）に従う値を有する。この放電に対してオン時間δＴのみが利 用可能であり、それにより電圧がこの時間にのみ抵抗Ｒ₂にわたり存在する。電 荷の量は以下の式のように変化する： Ｑ₂＝Ｉ₂δＴ （７） 最悪の場合はδＴ＝δＴ_maxであり、それで： Ｑ₂＝Ｉ₂δＴ_max （７’） 上記のように式（１）、（２）により記載される充電過程は両方の回路で同じで ある。結果としてＱ₁はまた同じデューティーサイクルδに対してＱ₂と等しい。 抵抗１３５の値を適切に選択することにより図２Ａに示される電源装置でスイッ チング素子１１にわたる最大電圧は最悪の場合に図１Ａに示される電源装置回路 でと同じである。（４）、（５）、（６）、（７）から以下の式が導かれる： Ｒ₂＝δ_maxＲ₁ （８） 抵抗３５又は１３５のスイッチングサイクル当たりに散逸される電力はコンデン サ３１にわたる電圧の二乗を抵抗の値で割り、散逸が生ずるスイッチング時間の 部分を乗算することにより得られる。知られている回路に対して散逸された電力 はＰ１（期間Ｔ全体での散逸）で示され、本発明による回路に対してはＰ２（δ Ｔでの散逸）で示される。この場合は以下のようになる： 従って本発明による電源装置では散逸された電力は知られている電源装置で散逸 される電力に関してδ／δ_max倍だけ減少される。散逸に関する利得はδが小さ いほど、即ち負荷２７に印加された電力Ｐ_oがより小さいほど大きくなる。故に 利得は時間のほとんどの部分で供給可能な最大電力のごく小さな部分の電力のみ を供給しなけ ればならない電源装置で特に大きい。この状況は例えばテレビジョン受像器及び ビデオレコーダー用の電源装置で生じ、それは一日のほとんどの部分がいわゆる スタンバイモードであるが；利得は幅広く変動する負荷の他の電源装置に対して もまた重要である。利得が該倍率δ／δ_maxより若干小さいことが実際に見いだ されることがある。何故ならば本発明による電源装置ではＶ_sはδ＜δ_maxの場合 に知られている電源装置より若干大きいからである。

───────────────────────────────────────────────────── 【要約の続き】 れ自体は電源装置の付加に依存する。結果として低負荷 の場合にはこの装置は実質的に低い散逸を有する。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 入力電圧を受けるよう配置された正と負の入力端子（１、３）と、少なくとも 一つのコイル（９）と制御可能なスイッチング素子（１１）とからなり入力端子 を相互接続する第一の直列接続（７）と、スイッチング素子にかかる最大電圧を 制限するピーク制限回路（２９）とからなり、該ピーク制限回路は少なくとも一 つのコンデンサ（３１）と、第一の整流素子（３３）と抵抗（１３５）からなり コイル及びスイッチング素子の接続点（３７）及び正の入力端子に接続される第 二の直列接続とからなり、入力電圧として働く直流電圧を出力電圧に変換する電 源装置であって、ピーク制限回路（２９）はまた第二の直列接続の一端を正の入 力端子（１）に接続する第二の整流素子（４１）とを含み、第一と第二の整流素 子（３３、４１）及び抵抗（１３５）により形成されるピーク制限回路の一部分 で整流素子の順方向は同一であり、第二の直列接続の他端は負の入力端子（３） に接続され、コンデンサ（３１）は第二の整流素子の陽極とコイル（９）とスイ ッチング素子（１１）の接続点（３７）との間に接続されていることを特徴とす る電源装置。