JPH1169823A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 変換効率の向上が可能なスイッチング電源装
置を提供する。 【解決手段】 一次巻線４ａ，４ｂ、二次巻線４ｃを有
するトランス４と、一次巻線４ａ，４ｂのそれぞれの一
端４ｄに一方が接続され、その一方と他方との間に印加
される交流を入力する入力部３ａ，３ｂと、一次巻線４
ａの他端および入力部３ｂ間に接続されたスイッチング
素子６ａと、スイッチング素子６ａに直列接続され一次
巻線４ａの他端から入力部３ｂに向けて電流を導通可能
な一方向性素子５ａと、一次巻線４ｂの他端および入力
部３ｂ間に接続されたスイッチング素子６ｂと、スイッ
チング素子６ｂに直列接続され入力部３ｂから一次巻線
４ｂの他端に向けて電流を導通可能な一方向性素子５ｂ
と、スイッチング素子６ａ，６ｂのスイッチングを制御
するスイッチング制御回路７とを備え、スイッチング制
御時に二次巻線４ｃの誘起電圧を整流して直流電力を生
成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、スイッチング用ト
ランスの一次巻線に脈流電圧を印加させ、二次巻線の誘
起電圧を整流することにより直流電力を生成するスイッ
チング電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】この種のスイッチング電源装置として
は、図４に示す電源装置２１が従来から知られている。
同図に示す電源装置２１は、交流電源２の交流を入力す
るための１対の入力端子３ａ，３ｂと、両入力端子３
ａ，３ｂ間に配設されダイオード２２ａ〜２２ｄによっ
て構成されたダイオードブリッジ２３と、ダイオードブ
リッジ２３内のダイオード２２ａのカソードに一次巻線
２４ａの一端が接続されているスイッチング用のトラン
ス２４と、一次巻線２４ａの他端とダイオードブリッジ
２３内のダイオード２２ｄのアノード間に配設されたス
イッチング素子としてのＦＥＴ２５と、ＦＥＴ２５のス
イッチングを制御するスイッチング制御回路２６と、ト
ランス２４の二次巻線２４ｂ側に配設された整流用のダ
イオード８および平滑用のコンデンサ９とを備えてい
る。

【０００３】この電源装置２１では、スイッチング制御
回路２６によるスイッチング時には、交流電源２から出
力される交流電流は、入力端子３ａ側における交流電圧
が正電圧であって入力端子３ｂ側における交流電圧が負
電圧のときには、入力端子３ａ、ダイオード２２ａ、一
次巻線２４ａ、ＦＥＴ２５、ダイオード２２ｃおよび入
力端子３ｂからなる電流経路Ｉ₁₁を流れ、入力端子３ｂ
側における交流電圧が正電圧であって入力端子３ａｂ側
における交流電圧が負電圧のときには、入力端子３ｂ、
ダイオード２２ｂ、一次巻線２４ａ、ＦＥＴ２５、ダイ
オード２２ｄおよび入力端子３ａからなる電流経路Ｉ₁₂
を流れる。この結果、交流電源２の出力交流がダイオー
ドブリッジ２３によって脈流に整流され、脈流電流がＦ
ＥＴ２５のスイッチングに応じて一次巻線２４ａを断続
的に流れることにより、二次巻線２４ｂに誘起電圧が誘
起される。次いで、ダイオード８が誘起電圧を整流し、
コンデンサ９が整流された脈流を平滑することにより、
直流電力が生成されている。この場合、スイッチング制
御回路２６は、コンデンサ９の正極電圧が所定電圧にな
るようにスイッチング信号のデューティ比を制御するこ
とにより、安定化された直流が直流出力として外部に出
力される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】ところが、この従来の
電源装置２１には、以下の問題点がある。すなわち、こ
の電源装置２１では、交流電源２の出力交流が電流経路
Ｉ₁₁を流れる際には、ダイオード２２ａ，２２ｃおよび
ＦＥＴ２５による電力損失が生じ、電流経路Ｉ₁₂を流れ
る際には、ダイオード２２ｂ，２２ｄおよびＦＥＴ２５
による電力損失が生じている。この場合、例えば、ダイ
オード２２ａ〜２２ｄの順方向電圧を１Ｖとし、交流電
流の入力電流値を１０Ａとすれば、２つのダイオード２
２ａ，２２ｃ（または２２ｂ，２２ｄ）によって２０Ｗ
の電力を損失するため、装置全体としての変換効率が低
下しているという問題点がある。

【０００５】本発明は、かかる問題点を解決すべくなさ
れたものであり、装置全体としての変換効率を向上する
ことが可能なスイッチング電源装置を提供することを主
目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成すべく請
求項１記載のスイッチング電源装置は、第１および第２
の一次巻線並びに二次巻線を有するスイッチング用のト
ランスと、両一次巻線のそれぞれの一端に一方が接続さ
れ、その一方と他方との間に印加される交流を入力する
ための入力部と、第１の一次巻線の他端および他方の入
力部間に接続された第１のスイッチング素子と、第１の
スイッチング素子に直列接続され第１の一次巻線の他端
から他方の入力部に向けて電流を導通可能な第１の一方
向性素子と、第２の一次巻線の他端および他方の入力部
間に接続された第２のスイッチング素子と、第２のスイ
ッチング素子に直列接続され他方の入力部から第２の一
次巻線の他端に向けて電流を導通可能な第２の一方向性
素子と、両スイッチング素子のスイッチングを制御する
スイッチング制御回路とを備え、スイッチング制御回路
によるスイッチング制御時に二次巻線に誘起する誘起電
圧を整流して直流電力を生成することを特徴とする。

【０００７】このスイッチング電源装置では、入力され
る交流の位相に応じて両一方向性素子がオン作動する。
つまり、一方の入力部に印加される交流電圧が正電圧で
ある正サイクル時には、第１のスイッチング素子と第１
の一方向性素子との組がオン作動すると共に、一方の入
力部に印加される交流電圧が負電圧である負サイクル時
には、第２のスイッチング素子と第２の一方向性素子と
の組がオン作動する。これにより、交流の整流およびス
イッチング動作が同時に行われる。具体的には、交流電
流は以下の経路で流れる。すなわち、上記した正サイク
ル時のときには、スイッチング制御回路が第１のスイッ
チング素子に対してスイッチングを行わせることによ
り、交流電流は、一方の入力部、第１の一次巻線、第１
のスイッチング素子と第１の一方向性素子との直列回
路、および他方の入力部からなる電流経路を流れる。逆
に、上記した負サイクル時のときには、スイッチング制
御回路が第２のスイッチング素子に対してスイッチング
を行わせることにより、交流電流は、他方の入力部、第
２のスイッチング素子と第２の一方向性素子との直列回
路、第２の一次巻線、および一方の入力部からなる電流
経路を流れる。これにより、脈流を生成する交流の整流
と、一次巻線に脈流電圧を印加するスイッチング動作が
同時に行われる。これらの場合、交流が流れる経路中に
は、一方向性素子およびスイッチング素子がそれぞれ１
つずつ介在する。したがって、交流を整流するために、
従来の電源装置２１では２つの整流用ダイオードによっ
て電力を損失していたのに対し、このスイッチング電源
装置では、１つの一方向性素子によって電力を損失する
だけであるため、整流の際における電力損失を低減する
ことができる。この結果、装置全体としての電力効率を
向上させることが可能となる。

【０００８】請求項２記載のスイッチング電源装置は、
請求項１記載のスイッチング電源装置において、両一方
向性素子は、ダイオードでそれぞれ構成されていること
を特徴とする。

【０００９】一方向性素子として種々の半導体素子を用
いることが可能である。一方、このスイッチング電源装
置のように、ダイオードを用いた場合には、上記した正
サイクル時のときには、第１の一方向性素子としてのダ
イオードが導通し、負サイクル時のときには、第２の一
方向性素子としてのダイオードが導通する。したがっ
て、いずれか一方のみのダイオードが交流のサイクルに
応じて導通するため、煩雑な制御を省くことが可能とな
る。

【００１０】請求項３記載のスイッチング電源装置は、
請求項１記載のスイッチング電源装置において、両一方
向性素子は、電界効果型トランジスタでそれぞれ構成さ
れると共に、交流の位相に応じて一方のみがオン作動さ
せられることを特徴とする。

【００１１】このスイッチング電源装置では、電界効果
型トランジスタによって交流の整流が行われる。したが
って、ダイオードを使用して整流する場合と比較し、電
界効果型トランジスタの順方向電圧が小さい分、電力の
損失を低減することが可能となる。

【００１２】請求項４記載のスイッチング電源装置は、
請求項１から３のいずれかに記載のスイッチング電源装
置において、スイッチング制御回路は、両スイッチング
素子を同期してスイッチングさせることを特徴とする。

【００１３】スイッチング動作のためには、交流が流れ
ている経路中のスイッチング素子のみがオン作動すれば
十分である。一方、このスイッチング電源装置では、両
スイッチング素子を同期してスイッチングさせるため、
両スイッチング素子を個別的に制御する場合と比較し、
スイッチング制御回路を簡易に構成することが可能とな
る。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、添付図面を参照して、本発
明に係るスイッチング電源装置の好適な実施の形態につ
いて説明する。なお、電源装置２１と同一の構成要素に
ついては同一の符号を付して重複説明を省略する。

【００１５】最初に、図１を参照して本発明に係るスイ
ッチング電源装置を適用した電源装置１の構成について
説明する。同図に示すように、電源装置１は、フライバ
ック型のスイッチング電源装置であって、それぞれの一
端が中間タップ４ｄとして共通接続されている２つの一
次巻線４ａ，４ｂと二次巻線４ｃとを備えたスイッチン
グ用のトランス４を備えている。また、トランス４の一
次回路側には、交流電源２からの交流電圧が印加される
入力端子３ａ，３ｂが配設されており、入力端子３ａは
中間タップ４ｄに接続されている。一方、一次巻線４ａ
の他端と入力端子３ｂとの間には、本発明における第１
の一方向性素子としてのダイオード５ａと、本発明にお
ける第１のスイッチング素子としてのＦＥＴ６ａとが直
列接続されている。さらに、一次巻線４ｂの他端と入力
端子３ｂとの間には、本発明における第２の一方向性素
子としてのダイオード５ｂと、本発明における第２のス
イッチング素子としてのＦＥＴ６ｂとが直列接続されて
いる。また、一次回路側には、両ＦＥＴ６ａ，６ｂのス
イッチングを制御するためのスイッチング制御回路７が
配設されており、スイッチング制御回路７は、二次巻線
４ｃ側の二次回路において整流・平滑された直流電圧を
入力し、その直流電圧に基づいて両ＦＥＴ６ａ，６ｂの
スイッチングデューティ比を制御することにより、直流
電圧を所定電圧に維持するようにフィードバック制御す
る。

【００１６】次に、電源装置１の全体的な動作について
説明する。

【００１７】スイッチング動作開始後においては、スイ
ッチング制御回路７が両ＦＥＴ６ａ，６ｂに対してスイ
ッチング信号Ｓ_S を出力することにより、両ＦＥＴ６
ａ，６ｂはスイッチング信号Ｓ_S に従ってスイッチング
動作を継続する。この状態において、入力端子３ａ，３
ｂに印加された交流電圧が正電圧である正サイクル時に
は、ダイオード５ａが導通すると共にダイオード５ｂが
非導通となる。これにより、交流電流は、入力端子３
ａ、中間タップ４ｄ、一次巻線４ａ、ダイオード５ａ、
ＦＥＴ６ａおよび入力端子３ｂからなる電流経路Ｉ_1aを
流れ、かつ、入力端子３ａ，３ｂに印加された交流電圧
が負電圧である負サイクル時には、電流経路Ｉ_1aを流れ
ることはない。この結果、交流はダイオード５ａによっ
て整流される。また、これと同時に、ＦＥＴ６ａが、ス
イッチング制御回路７から出力されるスイッチング信号
Ｓ_S に従って脈流をスイッチングする。この際、ＦＥＴ
６ａのスイッチングによってトランス４にエネルギーが
蓄積されると共に、蓄積されたエネルギーに基づく誘起
電圧が二次巻線４ｃに誘起する。次いで、誘起電圧がダ
イオード８によって整流されると共に、整流された直流
がコンデンサ９によって平滑されて直流出力として装置
外部に出力される。この場合、スイッチング制御回路７
は、平滑された直流を入力し、その直流電圧が所定電圧
になるようにスイッチング信号Ｓ_S のデューティ比を制
御する。なお、両ＦＥＴ６ａ，６ｂはスイッチング制御
回路７から出力されるスイッチング信号Ｓ_S に同期して
共にオン作動させられており、スイッチング信号Ｓ_S が
ロウレベル信号（以下、Ｌ信号」ともいう）のときに
は、両ＦＥＴ６ａ，６ｂがそれぞれ非導通状態に制御さ
れて両電流経路Ｉ_1a，Ｉ_1aが遮断される結果、交流電流
は非導通状態に維持される。

【００１８】逆に、上記した負サイクル時には、ダイオ
ード５ｂが導通すると共にダイオード５ａが非導通とな
る。これにより、交流電流は、上記した電流経路Ｉ_1bを
流れ、かつ、上記した正サイクル時には、電流経路Ｉ_1b
を流れることはない。この結果、交流はダイオード５ｂ
によって整流される。また、これと同時に、ＦＥＴ６ｂ
が、スイッチング制御回路７から出力されるスイッチン
グ信号Ｓ_S に従って脈流をスイッチングする。この際に
も、ＦＥＴ６ｂのスイッチングによってトランス４にエ
ネルギーが蓄積されると共に、蓄積されたエネルギーに
基づく誘起電圧が二次巻線４ｃに誘起する。次いで、誘
起電圧がダイオード８によって整流されると共に、整流
された直流がコンデンサ９によって平滑されて直流出力
として装置外部に出力される。この場合にも、スイッチ
ング制御回路７によるスイッチング信号Ｓ_S のデューテ
ィ比制御が同じように行われる。

【００１９】以上のように、この電源装置１では、入力
端子３ａ，３ｂに印加される交流の位相、つまり交流の
正負サイクルに応じて、ダイオード５ａおよびＦＥＴ６
ａの組、またはダイオード５ｂおよびＦＥＴ６ｂの組が
オン作動することにより、交流の整流およびスイッチン
グ動作が同時に行われる。これらの場合、交流の電流経
路Ｉ_1a，Ｉ_1b中には、ダイオードおよびＦＥＴがそれぞ
れ１つずつのみ介在するだけであるため、整流の際にお
ける電力損失を低減することができる。具体的には、ダ
イオード５ａ，５ｂの順方向電圧を１Ｖとし、交流電流
の入力電流値を１０Ａとすれば、交流の整流に伴う電力
損失は１０Ｗとなり、電源装置２１における電力損失
（２０Ｗ）と比較し、１／２に低減することができる。
この結果、装置全体としての変換効率を向上させること
ができる。また、両ＦＥＴ６ａ，６ｂを同期してオン作
動させることにより、両ＦＥＴ６ａ，６ｂに対して別個
にスイッチング信号Ｓ_S を出力する場合と比較し、スイ
ッチング制御回路７を簡易に構成することができる。

【００２０】次に、図２を参照して他の実施形態に係る
電源装置１１について説明する。なお、この電源装置１
１の構成についても電源装置１と同一の構成要素につい
ては同一の符号を付して重複説明を省略する。

【００２１】同図に示すように、電源装置１１は、電源
装置１におけるダイオード５ａ，５ｂに代えてＦＥＴ１
２ａ，１２ｂを用いている点が電源装置１とは相違す
る。この電源装置１１では、スイッチング動作開始後に
おいては、スイッチング制御回路１３が、図３（ｄ）に
示すスイッチングＳ_S を両ＦＥＴ６ａ，６ｂに対して出
力することにより、両ＦＥＴ６ａ，６ｂは、スイッチン
グ信号Ｓ_S に従ってスイッチング動作を行う。この状態
において、同図（ａ）に示す交流電圧Ｖ_ACが上記した正
サイクル時のときには、スイッチング制御回路１３がハ
イレベル信号（以下、「Ｈ信号」ともいう）である同図
（ｂ）に示す制御信号Ｓａを出力することにより、ＦＥ
Ｔ１２ａをオン作動させる。これにより、交流電流は、
入力端子３ａ、中間タップ４ｄ、一次巻線４ａ、ＦＥＴ
１２ａ、ＦＥＴ６ａおよび入力端子３ｂからなる電流経
路Ｉ_2aを流れ、かつ、上記した負サイクル時には、電流
経路Ｉ_2aを流れることはない。この結果、交流はＦＥＴ
１２ａによって整流される。また、これと同時に、ＦＥ
Ｔ６ａが、スイッチング制御回路１３から出力されるス
イッチング信号Ｓ_S に従って脈流をスイッチングする。

【００２２】逆に、上記した負サイクル時には、スイッ
チング制御回路１３がＨ信号である同図（ｃ）に示す制
御信号Ｓｂを出力することにより、ＦＥＴ１２ｂをオン
作動させる。これにより、交流電流は、入力端子３ｂ、
ＦＥＴ１２ｂ、ＦＥＴ６ｂ、一次巻線４ｂ、中間タップ
４ｄおよび入力端子３ａからなる電流経路Ｉ_2bを流れ、
かつ、上記した正サイクル時には、電流経路Ｉ_2bを流れ
ることはない。この結果、交流は、ＦＥＴ１２ｂによっ
て整流される。また、これと同時に、ＦＥＴ６ｂが、ス
イッチング制御回路１３から出力されるスイッチング信
号Ｓ_S に従って脈流をスイッチングする。なお、この電
源装置１１においても、トランス４へのエネルギーの蓄
積および二次巻線４ｃから出力される誘起電圧の整流お
よび平滑、並びに、スイッチング信号Ｓ_S がＬ信号のと
きにおける交流電流に対する非導通状態の制御について
は、電源装置１と同様にして行われる。

【００２３】以上のように、この電源装置１１では、入
力端子３ａ，３ｂに印加される交流の位相、つまり交流
の正負サイクルに応じて、ＦＥＴ１２ａおよびＦＥＴ６
ａの組、またはＦＥＴ１２ｂおよびＦＥＴ６ｂの組がオ
ン作動することにより、交流の整流およびスイッチング
動作が同時に行われる。これらの場合、交流の電流経路
Ｉ_2a，Ｉ_2b中には、ＦＥＴがそれぞれ２つずつのみ介在
するだけであるため、整流の際における電力損失を低減
することができる。具体的には、ＦＥＴ１２ａ，１２ｂ
の順方向電圧を０．２Ｖとし、交流電流の入力電流値を
１０Ａとすれば、交流の整流に伴う電力損失は２Ｗとな
り、電源装置２１における電力損失（２０Ｗ）と比較
し、１／１０に低減することができる。この結果、装置
全体としての変換効率をさらに向上させることができ
る。なお、この電源装置１１においても、両ＦＥＴ６
ａ，６ｂを同期してオン作動させることにより、両ＦＥ
Ｔ６ａ，６ｂに対して別個にスイッチング信号Ｓ_S を出
力する場合と比較し、スイッチング制御回路１３を簡易
に構成することができる。

【００２４】なお、電源装置１では、スイッチング素子
としてＦＥＴを使用し、電源装置１１では、スイッチン
グ素子および一方向性素子としてＦＥＴを使用している
が、これに限定されず、本発明に係るスイッチング電源
装置では、スイッチング素子としてのＦＥＴに代えてト
ランジスタを使用することが可能である。また、上記実
施の形態ではフライバック形スイッチング電源装置の構
成を説明したが、これに限らず、本発明は、フォワード
形スイッチング電源装置にも適用することができる。

【００２５】また、本実施形態では、トランス４に中間
タップ４ｄを設けた例について説明したが、中間タップ
４ｄを設けずに、一次巻線４ａおよび一次巻線４ｂのそ
れぞれの一端をプリントパターンなどで共通接続するこ
ともできる。さらに、ダイオード５ａおよびＦＥＴ６
ａ、並びにダイオード５ｂおよびＦＥＴ６ｂの接続につ
いても、直列回路を構成していればよくその接続は適宜
変更できる。例えば、一次巻線４ａの一端にＦＥＴ６ａ
のドレインを接続すると共に、ＦＥＴ６ａのソースとダ
イオード５ａのアノードとを接続し、ダイオード５ａの
カソードと入力端子３ｂとを接続してもよい。

【００２６】

【発明の効果】以上のように、請求項１記載のスイッチ
ング電源装置によれば、入力される交流の位相に応じて
両一方向性素子をオン作動させることにより、交流を整
流するために、従来の電源装置２１では２つの整流用ダ
イオードによって電力を損失していたのに対し、このス
イッチング電源装置では、１つの一方向性素子によって
電力が損失されるだけであるため、整流の際における電
力損失を低減することができ、これにより、装置全体と
しての電力効率を向上させることができる。

【００２７】また、請求項２記載のスイッチング電源装
置によれば、ダイオードで両一方向性素子をそれぞれ構
成したことにより、煩雑な制御を行うことなく、装置全
体としての電力効率を向上させることができる。

【００２８】さらに、請求項３記載のスイッチング電源
装置によれば、電界効果型トランジスタで両一方向性素
子をそれぞれ構成したことにより、一方向性素子として
のダイオードを使用して整流する場合と比較して、電力
の損失をさらに低減することができる。

【００２９】また、請求項４記載のスイッチング電源装
置によれば、両スイッチング素子を同期してスイッチン
グさせることにより、スイッチング制御回路を簡易に構
成することができると共に装置全体としての電力効率を
向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る電源装置の回路図で
ある。

【図２】本発明の他の実施の形態に係る電源装置の回路
図である。

【図３】本発明の他の実施の形態に係る電源装置におけ
る各部の信号波形図であって、（ａ）は交流電圧Ｖ_ACの
電圧波形図、（ｂ）は制御信号Ｓａの信号波形図、
（ｃ）は制御信号Ｓｂの信号波形図、（ｄ）はスイッチ
ング信号Ｓ_S の信号波形図である。

【図４】従来の電源装置の回路図である。

【符号の説明】

１ 電源装置 ３ａ 入力端子 ３ｂ 入力端子 ４ トランス ４ａ 一次巻線 ４ｂ 一次巻線 ４ｃ 二次巻線 ５ａ ダイオード ５ｂ ダイオード ６ａ ＦＥＴ ６ｂ ＦＥＴ ７ スイッチング制御回路 １１ 電源装置 １２ａ ＦＥＴ １２ｂ ＦＥＴ １３ スイッチング制御回路

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１および第２の一次巻線並びに二次巻
   線を有するスイッチング用のトランスと、前記両一次巻
   線のそれぞれの一端に一方が接続され当該一方と他方と
   の間に印加される交流を入力するための入力部と、前記
   第１の一次巻線の他端および前記他方の入力部間に接続
   された第１のスイッチング素子と、当該第１のスイッチ
   ング素子に直列接続され前記第１の一次巻線の他端から
   前記他方の入力部に向けて電流を導通可能な第１の一方
   向性素子と、前記第２の一次巻線の他端および前記他方
   の入力部間に接続された第２のスイッチング素子と、当
   該第２のスイッチング素子に直列接続され前記他方の入
   力部から前記第２の一次巻線の他端に向けて電流を導通
   可能な第２の一方向性素子と、前記両スイッチング素子
   のスイッチングを制御するスイッチング制御回路とを備
   え、当該スイッチング制御回路によるスイッチング制御
   時に前記二次巻線に誘起する誘起電圧を整流して直流電
   力を生成することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 【請求項２】 前記両一方向性素子は、ダイオードでそ
   れぞれ構成されている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。
3. 【請求項３】 前記両一方向性素子は、電界効果型トラ
   ンジスタでそれぞれ構成されると共に、前記交流の位相
   に応じて一方のみがオン作動させられることを特徴とす
   る請求項１記載のスイッチング電源装置。
4. 【請求項４】 前記スイッチング制御回路は、前記両ス
   イッチング素子を同期してスイッチングさせることを特
   徴とする請求項１から３のいずれかに記載のスイッチン
   グ電源装置。