JPH11332235A - 多出力スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】寄生インダクタンスに流れる電流波形の傾きを
小さくして電圧降下を下げ、大容量の電源として使用可
能とする。 【解決手段】主スイッチ素子２がオン時にトランス３の
一次巻線３ａにエネルギーを蓄え、主スイッチ素子２が
オフ時にはトランス３の二次側巻線３ｂ，３ｃから出力
にエネルギーを放出する。主スイッチ素子２がオフ時に
二次側回路に流れる電流波形の増加割合を抑制する二次
電流抑制回路１６は、主スイッチ素子２のオン時にはオ
フとなり主スイッチ素子２がオフ時にはオンとなる副ス
イッチ素子４とコンデンサ５の直列回路を、トランス一
次巻線３ａと並列に接続する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、産業用や民生用の
電子機器に直流安定化電圧を供給する多出力スイッチン
グ電源装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の多出力スイッチング電源装
置であり、一例としてプラス・マイナス出力型（双極出
力型）のフライバックコンバータの回路を簡略化して示
している。このフライバックコンバータの一次側回路
は、トランス３の一次巻線３ａとＭＯＳ−ＦＥＴ等を用
いた主スイッチ素子２を直列接続し、二次側回路は、ト
ランス３の２つの二次巻線３ｂ，３ｃの各々に、整流ダ
イオード８，９及び平滑コンデンサ１０，１１で構成さ
れる整流回路を各々設け、プラス出力端子１４ｐ、コモ
ン出力端子１４ｃ及びマイナス出力端子１４ｎを取出し
ている。

【０００３】主スイッチ素子２は、２つの整流回路の各
出力電圧Ｖout1，Ｖout2の合成電圧（Ｖout1＋Ｖout2）
を誤差増幅器１２で検出して駆動回路１３で監視し、合
成出力電圧が規定電圧となるように主スイッチ素子２の
オン期間を制御している。フライバックコンバータの動
作は、主スイッチ２がオンの時に、入力電圧源１からト
ランス３の一次巻線３ａに電流を流してトランス３にエ
ネルギーを蓄積し、主スイッチ素子２がオフ時に二次巻
線３ｂ，３ｃから整流ダイオード８，９を通して出力に
エネルギーを供給する。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の多出力スイッチング電源装置にあっては、例
えばプラス出力端子１４ｐとコモン出力端子１４ｃに負
荷を接続して片側だけ電流を流す場合、又はプラス出力
端子１４ｐ、コモン出力端子１４ｃ及びマイナス出力端
子１４ｎを負荷に接続していて出力電流にアンバランス
が生じた場合、トランス３の漏れインダクタンスや回路
パターンなどの寄生インダクタンスを合成した寄生イン
ダクタンス６，７によって発生する電圧降下が大きくな
るため、電流を流していないか又は電流の少ない側の出
力電圧が上昇し、電流を流しているか又は電流の多い側
の出力電圧が減少し、出力電圧が変動が大きくなる。

【０００５】図６は、主スイッチ素子２のオフに同期し
て流れるトランス３の二次巻線３ｂ，３ｃの電流波形で
ある。ここでトランス３の漏れインダクタンスと回路パ
ターン等に依存した寄生インダクタンスを合成した寄生
インダクタンスの値をＬｅとすると、寄生インダクタン
スＬｅで発生する電圧降下Ｖｅは、次式で示される。 Ｖｅ＝Ｌｅ×（ｄｉ／ｄｔ） （１） 但し、Ｌｅ：トランスの漏れインダクタンスとパターン
などの寄生インダクタンスの合成値 Ｖｅ：合成寄生インダクタンスＬｅで発生する電圧降下 di／dt：合成寄生インダクタンスＬｅに流れる電流波形
の傾き（電流の時間変化率） この（１）式から、寄生インダクタンスＬｅで発生する
電圧降下Ｖｅは、電流波形の傾きに依存しており、スイ
ッチ素子２がオフの時、トランス二次側電流ｉの電流波
形は急激に立ち上がることから（ｄｉ／ｄｔ）が大きく
なり、合成寄生インダクタンスＬｅの電圧降下Ｖｅが増
加する。

【０００６】図７は、図５のフライバックコンバータに
おける出力電流と出力電圧の関係を示す。図５の駆動回
路１３は、誤差増幅器１２で２つの出力電圧Ｖout1，Ｖ
out2の合成電圧（Ｖout1＋Ｖout2）を検出して規定電圧
となるように主スイッチ素子２のオン期間を制御してい
る。ここでは出力電圧Ｖout1が高く、出力電圧Ｖout2が
低い場合を例にとっている。

【０００７】出力電流Ｉout1は負荷に流れ出す電流であ
り、出力電流Ｉout2は負荷から流込む電流である。出力
電流Ｉout1とＩout2にアンバランスが生じても、Ｉout1
とＩout2がある程度流れている場合は、出力電圧Ｖout
1，Ｖout2はほとんど変動しない。しかし、出力電流Ｉo
ut1，Ｉout2にアンバランスが生じ、かつＩout1又はＩo
ut2の電流がある電流値より小さい場合は、寄生インダ
クタンスＬｅの電圧降下Ｖｅを軽負荷側の出力がピーク
ホールドしてしまう。

【０００８】このときトランス３の漏れインダクタンス
や回路パターンなどの寄生インダクタンスを合成した合
成寄生インダクタンス６，７によって発生する電圧降下
による変動で、電流が少ない方の出力電圧Vout1 は上昇
し、合成出力電圧（Ｖout ＋Ｖout2）を一定に保つため
に電流の多い出力電圧Ｖout2が減少し、各出力電圧Ｖou
t1、Ｖout2の変動が大きくなる。

【０００９】このような出力電圧の変動をもたらす寄生
インダクタンス６，７の電圧降下Ｖｅは、出力電流が大
きくなればなるほど大きくなるため、数十ワット程度ま
での小容量の電源にしか使用することができない。本発
明は、出力電流にアンバランスを生じた場合のトランス
二次側回路の寄生インダクタンスによる電圧降下を小さ
くして出力電圧の変動を抑え、容量の大きな電源として
使用できる多出力スイッチング電源を提供することを目
的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
本発明は次のように構成する。まず本発明は、入力直流
電源に対しトランスの一次巻線と主スイッチ素子を直列
接続した一次側回路と、トランスの複数の二次巻線を直
列接続すると共に各二次巻線毎に整流平滑回路を設けて
出力する二次側回路と、整流回路の各出力電圧の合成電
圧を監視して主スイッチ素子のオン期間を制御する駆動
回路とを有し、主スイッチ素子がオン時にトランスの一
次巻線にエネルギーを蓄え、主スイッチ素子がオフ時に
はトランスの二次側巻線から出力にエネルギーを放出す
る多出力スイッチング電源装置を対象とする。

【００１１】このような多出力スイッチング電源装置に
つき本発明は、主スイッチ素子がオフ時に前記二次側回
路に流れる電流波形の増加割合を抑制する二次電流抑制
回路を設けたことを特徴とする。この二次電流抑制回路
は、主スイッチ素子のオン時にはオフとなり主スイッチ
素子がオフ時にはオンとなる副スイッチ素子とコンデン
サの直列回路を、トランスの一次巻線と並列に接続した
ことを特徴とする。

【００１２】また本発明の別の形態の二次電流抑制回路
は、駆動回路により主スイッチ素子のオン時にはオフと
なり主スイッチ素子がオフ時にはオンとなる副スイッチ
素子とコンデンサの直列回路を、前記主スイッチ素子と
並列に接続したことを特徴とする。このような本発明の
多出力スイッチング電源装置によれば、主スイッチ素子
をオフしてトランスに蓄積したエネルギーを二次側に放
出する際に、副スイッチ素子をオンしてクランプ用のコ
ンデンサを充放電させることで、二次側に流れる電流波
形の傾きを小さくして寄生インダクタンスに発生する電
圧降下の影響をほとんどなくし、出力電流にアンバラン
スが生じても安定な出力電圧が得られるようにする。

【００１３】このように出力電流にアンバランスが生じ
ても出力電圧の変動はほとんどないため、数百ワット程
度までの多出力電源に利用できる。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１は本発明による多出力スイッ
チング電源装置の第１実施形態であり、プラス・マイナ
ス出力型のフライバックコンバータを例にとっている。
図１において、本発明の多出力スイッチング電源装置と
なるプラス・マイナス出力型のフライバックコンバータ
は、一次側回路として入力直流電源１に対しトランス３
の一次巻線３ａとＭＯＳ−ＦＥＴなどを用いた主スイッ
チ素子２を直列接続している。フライバックコンバータ
の二次側回路はトランス３に設けた２つの二次巻線３
ｂ，３ｃを中点タップで直列接続し、中点タップをコモ
ン出力端子１４ｃに接続し、更に二次巻線３ｂ，３ｃに
対し整流ダイオード８，９及び平滑コンデンサ１０，１
１を接続して、それぞれ整流回路を構成している。

【００１５】主スイッチ素子２のスイッチングは駆動回
路１３で行われ、駆動回路１３には誤差増幅器１２で検
出した二次巻線３ｂ，３ｃの各出力電圧Ｖout1，Ｖout2
の合成電圧（Ｖout1＋Ｖout2）を入力している。即ち、
誤差増幅器１２の一方にはプラス出力端子１４ｐ側が接
続され、他方にはマイナス出力端子１４ｎ側が接続され
ている。駆動回路１３は誤差増幅器１２で検出した合成
電圧（Ｖout1＋Ｖout2）が規定の一定電圧となるよう
に、主スイッチ素子２のオン・オフ制御におけるオン期
間を制御する。

【００１６】このようなプラス・マイナス出力型のフラ
イバックコンバータに対し、本発明にあっては、新たに
二次電流抑制回路１６を一次側回路に設けている。二次
電流抑制回路１６は、トランス３の一次巻線３ａと並列
に、副スイッチ素子４とクランプコンデンサ５の直列回
路を接続している。副スイッチ素子４は駆動回路１３か
らの制御信号Ｅ２によりオン・オフ制御される。即ち、
副スイッチ素子４は主スイッチ素子２がオンのときオ
フ、主スイッチ素子２がオフのときオンされる。このた
め、副スイッチ素子４に対する駆動回路１３からの制御
信号Ｅ２は主スイッチ素子２に対する制御信号Ｅ１の反
転信号となる。

【００１７】次に図１の第１実施形態の動作を説明す
る。駆動回路１３は、誤差増幅器１２で検出した出力側
の合成電圧（Ｖout1＋Ｖout2）が一定の電圧となるよう
に、主スイッチ素子２のオン期間を制御するようにオ
ン、オフ制御のための制御信号Ｅ１を出力する。主スイ
ッチ素子２がオンのとき入力直流電源１からトランス３
の一次巻線３ａに電流が流れ、トランス３にエネルギー
が蓄積される。

【００１８】主スイッチ素子２がオフのときにはトラン
ス３に蓄積されたエネルギーが二次巻線３ｂ，３ｃのそ
れぞれより整流ダイオード８，９を通って放出され、平
滑コンデンサ１０，１１で平滑されると同時に、出力端
子１４ｐ，１４ｃ，１４ｎに接続している負荷側に供給
される。ここでトランス３の二次側回路には、トランス
３の漏れインダクタンスや回路パターンなどのインダク
タンスなどによる寄生インダクタンス６，７が図示のよ
うに存在している。このため、主スイッチ素子２をオフ
したときのトランス３からのエネルギー放出の際に二次
巻線３ｂ，３ｃに流れる電流は、寄生インダクタンス
６，７を通ることで、それぞれ電圧降下を生ずる。

【００１９】このときの寄生インダクタンス６，７の電
圧降下は、前記（１）式のように、寄生インダクタンス
６，７の値Ｌｅと電流波形の傾き（ｄｉ／ｄｔ）に比例
する。このようなトランス３の二次側回路に存在する寄
生インダクタンス６，７に起因した出力電圧の変動を抑
制するため、一次側回路に二次電流抑制回路１６を設け
ている。

【００２０】二次電流抑制回路１６は、主スイッチ素子
２がオンしているトランス３にエネルギーを蓄積する際
には副スイッチ素子４はオフとなって動作を停止してい
る。主スイッチ素子２がオフとなってトランス３から出
力にエネルギーを放出すると、このとき副スイッチ素子
４はオンとする。副スイッチ素子４がオンすると、トラ
ンス３に蓄えたエネルギーによるクランプコンデンサ５
の充放電でトランス３の二次側に対するエネルギー放出
が抑制される。

【００２１】このため、主スイッチ素子２をオフしたと
きのトランス３の二次巻線３ｂ，３ｃに流れる電流波形
の増加の傾き（ｄｉ／ｄｔ）が小さくなり、これによっ
て（１）式で与えられる寄生インダクタンス６，７の電
圧降下を小さくすることができる。図２は、図１の第１
実施形態における主スイッチ素子２のオン・オフに伴う
トランス３の二次側電流ｉの電流波形であり、実線が本
発明による電流波形、破線が従来の電流波形である。

【００２２】このトランス３の二次側電流ｉの電流波形
から明らかなように、図１の第１実施形態にあっては、
主スイッチ素子２のオフ時にオンしてクランプコンデン
サ５をトランス３の一次巻線３ａに並列接続する二次電
流抑制回路１６を設けたことで、このときトランス３の
二次側に流れる電流ｉの電流波形の傾き（ｄｉ／ｄｔ）
を破線の従来例に比べ十分小さくでき、その結果、寄生
インダクタンス６，７に発生する電圧降下を大幅に減少
させることができる。

【００２３】このようにトランス３の二次側に存在する
寄生インダクタンス６，７での電圧降下を大幅に減少で
きると、プラス出力端子１４ｐとコモン端子１４ｃ、及
びマイナス出力端子１４ｎとコモン端子１４ｃ間に接続
している負荷に対する出力電流Ｉout1，Ｉout2の電流バ
ランスが崩れた場合にも、寄生インダクタンス６，７の
電圧降下が大幅に減少しているために、これに起因した
出力電圧Ｖout1，Ｖout2の変動もほとんどない状態に抑
えることができる。

【００２４】これによって図３のように、駆動回路１３
は誤差増幅器１２で２つの出力電圧Ｖout1，Ｖout2の合
成電圧（Ｖout1＋Ｖout2）を検出して一定電圧となるよ
うに主スイッチ素子２のオン期間を制御していても、出
力電流Ｉout1が少ない領域で出力電流Ｉout2との間に電
流アンバランスを発生しても、これによる出力電圧Ｖou
t1，Ｖout2の変動はなく、従来、破線のように変動して
いたものを実線のようにほぼ一定に保つことができる。

【００２５】従って、二次側回路の寄生インダクタンス
６，７の電圧降下に起因した電流バランスが崩れた際の
出力電圧の変動がほとんどないため、従来、数十ワット
程度までの小容量しか実現できなかった図１のプラス・
マイナス出力型のフライバックコンバータの容量を、数
百ワット程度までの多出力スイッチング電源装置に拡大
できる。

【００２６】図４は本発明による多出力スイッチング電
源装置の第２実施形態であり、図１の実施形態と同様、
プラス・マイナス出力型のフライバックコンバータを例
にとっている。図４の第２実施形態において、フライバ
ックコンバータは図１の実施形態と同様、一次側回路は
入力直流電源１に対しトランス３の一次巻線３ａと主ス
イッチ素子２を直列接続しており、また二次側回路はト
ランス３の二次巻線３ｂ，３ｃに対し整流ダイオード
８，９を介して平滑コンデンサ１０，１１を接続し、多
出力のためにプラス出力端子１４ｐ、コモン出力端子１
４ｃ、及びマイナス出力端子１４ｎを設けている。

【００２７】更に誤差増幅器１２によって出力の合成電
圧（Ｖout1＋Ｖout2）を検出し、駆動回路１３でこの合
成電圧（Ｖout1＋Ｖout2）が一定電圧となるように主ス
イッチ素子２のオン・オフ制御におけるオン期間を制御
している。このようなフライバックコンバータに対し、
第２実施形態にあっては、主スイッチ素子２と並列に二
次電流抑制回路１６を設けている。即ち二次電流抑制回
路１６は、副スイッチ素子４とクランプコンデンサ５の
直列回路を主スイッチ素子２と並列に接続している。副
スイッチ素子４に対しては主スイッチ素子２の制御信号
Ｅ１を反転した制御信号Ｅ２が与えられており、主スイ
ッチ素子２がオンのとき副スイッチ素子４はオフ、主ス
イッチ素子２がオフのとき副スイッチ素子４はオンとな
る。

【００２８】この図４の第２実施形態にあっても、主ス
イッチ素子２がオフとなってトランス３に蓄積したエネ
ルギーを二次側に放出するとき、副スイッチ素子４がオ
ンとなり、トランス３に蓄積したエネルギーでクランプ
コンデンサ５を充放電し、このクランプコンデンサ５の
充放電によってトランス３の二次巻線３ｂ，３ｃに流れ
る電流の増加即ち傾きを、図２のトランス３の二次側電
流ｉの実線の電流波形のように破線の従来の電流波形に
対し小さくし、二次側に存在する寄生インダクタンス
６，７に発生している電圧降下を大幅に減少させる。

【００２９】このような二次電流抑制回路１６による寄
生インダクタンス６，７の電圧降下の大幅な低減によ
り、出力電流Ｉout1，Ｉout2に電流アンバランスを起こ
しても、これによって出力電圧Ｖout1，Ｖout2はほとん
ど変動せず、図３の実線のような特性を得ることがで
き、結果として数百ワット程度までの多出力スイッチン
グ電源装置として使用できる。

【００３０】尚、上記の実施形態はプラス出力とマイナ
ス出力を出す２出力のスイッチング電源装置を例にとる
ものであったが、トランス３に対する二次側回路を複数
系統増加させることで任意の出力数とすることができ
る。また本発明は上記の実施形態に限定されず、目的と
利点を損なわない範囲での適宜の変形を含む。

【００３１】

【発明の効果】以上説明してきたように本発明によれ
ば、主スイッチ素子をオフしてトランスに蓄積したエネ
ルギーを二次側に放出する際に、副スイッチ素子をオン
してトランスのエネルギーをクランプ用のコンデンサに
対し充放電させることで、二次側に流れる電流波形の傾
き（増加率）を小さくして二次側に生じている寄生イン
ダクタンスに発生する電圧降下を小さくし、多出力によ
る出力電流にアンバランスを生じても出力電圧に変動を
ほとんど起こさず、これによって、従来、電源容量が数
十ワット程度が限度であったものを数百ワット程度まで
の多出力スイッチング電源に拡大することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態の回路図

【図２】図１における主スイッチ素子のオン・オフに伴
うトランス二次側電流波形のタイムチャート

【図３】図１における負荷と出力電圧の特性図

【図４】本発明の第２実施形態の回路図

【図５】従来装置の回路図

【図６】図５の従来装置における主スイッチ素子のオン
・オフに伴うトランス二次側電流波形のタイムチャート

【図７】図５の従来装置における負荷と出力電圧の特性
図

【符号の説明】

１：入力直流電源 ２：主スイッチ素子 ３：トランス ３ａ：一次巻線 ３ｂ，３ｃ：二次巻線 ４：副スイッチ素子 ５：クランプコンデンサ ６，７：寄生インダクタンス ８，９：整流ダイオード １０，１１：平滑コンデンサ １２：誤差増幅器 １３：制御駆動回路 １４ｐ：プラス出力端子 １４ｃ：コモン出力端子 １４ｎ：マイナス出力端子 １６：二次電流抑制回路

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【手続補正書】

【提出日】平成１０年５月１９日

【手続補正１】

【補正対象書類名】図面

【補正対象項目名】図４

【補正方法】変更

【補正内容】

【図４】

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】入力直流電源に対しトランスの一次巻線と
   主スイッチ素子を直列接続した一次側回路と、前記トラ
   ンスの複数の二次巻線を直列接続すると共に各二次巻線
   毎に整流平滑回路を設けて出力する二次側回路と、前記
   整流回路の各出力電圧の合成電圧を監視して前記主スイ
   ッチ素子のオン期間を制御する駆動回路とを有し、前記
   主スイッチ素子がオン時に前記トランスの一次巻線にエ
   ネルギーを蓄え、前記主スイッチ素子がオフ時には前記
   トランスの二次側巻線から出力にエネルギーを放出する
   多出力スイッチング電源装置に於いて、 前記主スイッチ素子がオフ時に前記二次側回路に流れる
   電流波形の増加割合を抑制する二次電流抑制回路を設け
   たことを特徴とする多出力スイッチング電源装置。
2. 【請求項２】請求項１記載の多出力スイッチング電源装
   置に於いて、前記二次電流抑制回路は、前記駆動回路に
   より前記主スイッチ素子のオン時にはオフとなり、前記
   主スイッチ素子がオフ時にはオンとなる副スイッチ素子
   とコンデンサの直列回路を、前記トランスの一次巻線と
   並列に接続したことを特徴とする多出力スイッチング電
   源装置。
3. 【請求項３】請求項１記載の多出力スイッチング電源装
   置に於いて、前記二次電流抑制回路は、前記駆動回路に
   より前記主スイッチ素子のオン時にはオフとなり、前記
   主スイッチ素子がオフ時にはオンとなる副スイッチとコ
   ンデンサの直列回路を、前記主スイッチ素子と並列に接
   続したことを特徴とする多出力スイッチング電源装置。