スイッチング電源装置及びサージ吸収回路
【課題】少ない部品点数で構成することができ、電源効率を有効に改善することができるスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】本発明によるスイッチング電源装置（１０）は、直流入力を交流に変換するスイッチング回路をなすトランジスタ（Ｑ１）と、前記交流が入力された非絶縁型トランス（Ｔ）と、非絶縁型トランスから出力された交流を整流するダイオード（Ｄ２）と、ダイオード（Ｄ２）の出力部から非絶縁型トランス（Ｔ）の入力部に向かう電流方向を順方向として、ダイオード（Ｄ２）の出力部と非絶縁型トランス（Ｔ）の入力部との間に接続されたダイオード（Ｄ３）とを備える。スイッチング動作の過程でダイオード（Ｄ２）のカソード側に発生したサージが、ダイオード（Ｄ３）を介して非絶縁型トランス（Ｔ）の１次側に吸収される。
【解決手段】本発明によるスイッチング電源装置（１０）は、直流入力を交流に変換するスイッチング回路をなすトランジスタ（Ｑ１）と、前記交流が入力された非絶縁型トランス（Ｔ）と、非絶縁型トランスから出力された交流を整流するダイオード（Ｄ２）と、ダイオード（Ｄ２）の出力部から非絶縁型トランス（Ｔ）の入力部に向かう電流方向を順方向として、ダイオード（Ｄ２）の出力部と非絶縁型トランス（Ｔ）の入力部との間に接続されたダイオード（Ｄ３）とを備える。スイッチング動作の過程でダイオード（Ｄ２）のカソード側に発生したサージが、ダイオード（Ｄ３）を介して非絶縁型トランス（Ｔ）の１次側に吸収される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源装置及びサージ吸収回路に関し、特に、スイッチング電源装置が備えるトランスの２次側に設けられた整流器で発生するサージを抑制するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７（ａ）に、従来のスイッチング電源装置の構成を示す。同図に示すスイッチング電源装置は、入力端子ＴＩＮ、グランド端子ＧＮＤ、入力コンデンサＣ１、トランジスタＱ１、トランスＴ、主ダイオードＤ２、環流ダイオードＤ１、チョークコイルＬＯ、出力端子ＴＯＵＴを備えて構成される。
【０００３】
このスイッチング電源装置によれば、入力端子ＴＩＮに印加された直流入力Ｖｉｎが、トランジスタＱ１のスイッチング動作により交流に変換されてトランスＴの１次巻線に供給される。トランスＴの１次巻線に供給された交流により、その２次巻線には所望電圧の交流が誘起される。２次巻線に誘起された交流は、主ダイオードＤ２により直流に変換された後、出力巻線ＬＯおよび出力端子ＴＯＵＴを介し直流出力Ｖｏｕｔとして出力される。上記動作の過程で主ダイオードＤ２がオフすると、環流ダイオードＤ１からチョークコイルＬＯに電流が供給され、これにより直流出力Ｖｏｕｔが安定化される。
【０００４】
ところで、上述の従来のスイッチング電源装置によれば、トランジスタＱ１のスイッチング動作に伴ってトランスＴの２次巻線を流れる電流の向きが切り替わり、主ダイオードＤ３がオフすると、トランスＴの１次側と２次側との間の漏れ磁束等に起因して、主ダイオードＤ２のカソード側に、図７（ｂ）に示すようなサージが発生する。
【０００５】
一般には、このサージは、主ダイオードＤ２にＣＲスナバ回路を併設することにより、ある程度改善できる。しかし、ＣＲスナバ回路は、抵抗素子で電力消費することによりサージを吸収することを基本原理としているため、本来的に電力損失を伴い、電源効率低下の原因となる。特に、２次側のダイオードの個数が増えると、それらに併設されるＣＲスナバ回路の数も増えるため、電力損失が一層増加する。
【０００６】
このようなＣＲスナバ回路の問題を解決する技術として、サージエネルギーを一旦コイルに蓄えて出力側に放出する無損失スナバ回路が提案されている（特許文献１参照）。また、本願出願人により提案された技術として、サージエネルギーをコンデンサに蓄積するサージ吸収回路が知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−２２４３７４号公報
【特許文献２】特開２００７−１８１２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の従来技術に係る無損失スナバ回路によれば、部品点数が多く、サージを出力側に放出するまでの電流経路上に多数の素子が介在するため、各素子での電力損失が顕在化し、電源効率の改善には限界があるという問題がある。
また、上述のサージ吸収回路によれば、コンデンサに蓄積されたサージエネルギーを補助電源として利用することができる。しかしながら、補助電源が必要となる非常事態が発生しなければ、コンデンサに蓄積されたサージエネルギーは利用されず、従ってサージエネルギーを十分に利用することができない可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成でサージエネルギーを電力として有効に吸収して利用することができ、電源効率を有効に改善することができるスイッチング電源装置及びサージ吸収回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るスイッチング電源装置は、直流入力を交流に変換するスイッチング回路と、前記交流が入力された非絶縁型トランスと、前記非絶縁型トランスから出力された交流を整流する第１整流素子と、前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記トランスの入力部との間に接続された第２整流素子と、を備えたスイッチング電源装置の構成を有する。この構成において、例えば、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子と直列接続して設けられ、前記非絶縁型トランスの入力部の電圧に対して前記第１整流素子の出力部の電圧を所定電圧にクランプする電圧クランプ部を更に備えてもよい。
【００１１】
また、本発明に係るサージ吸収回路は、非絶縁型トランスを備えたスイッチング電源装置に設けられ、前記非絶縁型トランスから出力された交流を整流する第１整流素子の出力部に発生するサージを吸収するためのサージ吸収回路であって、前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に接続された第２整流素子を備えたサージ吸収回路の構成を有する。この構成において、例えば、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子と直列接続して設けられ、前記非絶縁型トランスの入力部の電圧に対して前記第１整流素子の出力部の電圧を前記所定電圧にクランプする電圧クランプ部を更に備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡単な構成でサージエネルギーを入力電力として吸収し、電源効率を有効に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の構成例を示す回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の構成例を示す回路図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の動作を説明するための波形図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の動作を説明するための波形図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の構成例を示す回路図である。
【図７】従来技術に係るスイッチング電源装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態から第４実施形態を順に説明する。
なお、各図において、共通する要素には同一符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、第１実施形態によるスイッチング電源装置１０の構成例を示す。
スイッチング電源装置１０は、概略的には、前述の図７（ａ）に示す従来装置の構成と比較して、ダイオードＤ３（第２整流素子）からなるサージ吸収回路Ｓ１０を更に備えて構成される。具体的には、スイッチング電源装置１０は、入力端子ＴＩＮ、グランド端子ＧＮＤ（所定電位ノード）、入力コンデンサＣ１、非絶縁型トランスＴ、トランジスタＱ１、主ダイオードＤ２、還流ダイオードＤ１、チョークコイルＬＯ、出力端子ＴＯＵＴを備える。
【００１６】
入力端子ＴＩＮには直流入力Ｖｉｎが印加され、入力端子ＴＩＮとグランド端子ＧＮＤとの間には入力コンデンサＣ１が接続される。また、入力端子ＴＩＮには、非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端が接続され、この１次巻線の他端とグランド端子ＧＮＤとの間には、上記直流入力Ｖｉｎを交流に変換するるためのスイッチング回路をなすトランジスタＱ１が接続される。
【００１７】
非絶縁型トランスＴの出力部をなす２次巻線Ｌ２の一端は、非絶縁型トランスＴから出力された交流を整流するための主ダイオード（第１整流素子）Ｄ２の入力部をなすアノードに接続され、その２次巻線Ｌ２の他端はグランド端子ＧＮＤに接続される。本第１実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１以下であり、これにより、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２が、その１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎの電圧以下であるものとする。
【００１８】
ここで、「非絶縁型トランス」なる用語について補足説明する。本願において、「非絶縁型トランス」なる用語は、その１次側の電圧の基準ノードと、２次側の電圧の基準ノードが電気的に接続された形式のトランスを意味する。本第１実施形態では、１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎの基準ノードと、２次巻線Ｌ２に誘起される電圧の基準ノードはグランドであり、これら１次側の基準ノードと２次側の基準ノードはグランド端子ＧＮＤを介して電気的に接続されている。本発明は、このような非絶縁型トランスを備えたスイッチング電源装置の構成を前提としている。
【００１９】
説明を図１に戻す。主ダイオードＤ２の出力部をなすカソードはチョークコイルＬＯの一端に接続され、このチョークコイルＬＯの他端は出力端子ＴＯＵＴに接続される。また、チョークコイルＬＯの一端は、主ダイオードＤ２の出力部をなすカソードと共に、還流ダイオードＤ１の出力部をなすカソードと接続され、この還流ダイオードＤ１の入力部をなすアノードはグランド端子ＧＮＤに接続される。
【００２０】
主ダイオードＤ２および還流ダイオードＤ１の各出力部をなすカソードと、非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端との間には、本第１実施形態の特徴部であるサージ吸収回路Ｓ１０をなすダイオードＤ３（第２整流素子）が接続される。このダイオードＤ３は、主ダイオードＤ２および還流ダイオードＤ１の各出力部から非絶縁型トランスＴの入力部に向かう電流方向を順方向とするように備えられる。具体的には、ダイオードＤ３の入力部をなすアノードは、主ダイオードＤ２および還流ダイオードＤ１の各出力部をなすカソードに接続され、ダイオードＤ３の出力部をなすカソードは、非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端に接続される。
【００２１】
なお、本第１実施形態では、ダイオードＤ３のアノードを、主ダイオードＤ２および還流ダイオードＤ１の各カソードに接続するものとするが、サージが発生するカソードを有する２次側のダイオードであれば、どのようなダイオードのカソードにダイオードＤ３のアノードを接続してもよい。また、本第１実施形態では、ダイオードＤ３のカソードを非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端に接続するものとするが、非絶縁型トランスＴの入力電力の供給経路上であれば、どのようなノードであってもよい。
【００２２】
次に、本第１実施形態に係るスイッチング電源装置１０の動作について、サージ吸収回路Ｓ１０に着目して説明する。
トランジスタＱ１からなるスイッチング回路が所定のスイッチング動作（周知のスイッチング動作）を実施すると、入力端子ＴＩＮを介して供給された直流入力Ｖｉｎが高周波の交流電流に変換されて非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１に供給され、その２次巻線Ｌ２に交流が誘起される。２次巻線Ｌ２に誘起された交流は主ダイオードＤ２によって整流され、チョークコイルＬＯ及び出力端子ＴＯＵＴを介して直流出力Ｖｏｕｔとして外部の負荷（図示なし）に供給される。環流ダイオードＤ１の動作は従来装置と同様である。
【００２３】
ここで、前述のように、本第１実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２は１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎ以下であり、この電圧Ｖ２は主ダイオードＤ２のカソード側に電圧Ｖ２’となって現れる。このため、サージが発生する前の状態、即ち主ダイオードＤ２が逆バイアス状態とされる前の順バイアス状態では、ダイオードＤ３は逆バイアス状態とされ、オフ状態にある。従って、サージが発生していない状況では、ダイオードＤ３はスイッチング電源装置１０の動作に何ら関与しない。
【００２４】
しかしながら、動作の過程で主ダイオードＤ２のカソード側にサージが発生すると、ダイオードＤ３がオン状態になる。具体的には、動作の過程で、トランジスタＱ１がオン状態からオフ状態に切り替わると、非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１を流れる電流が遮断される。これにより、２次巻線Ｌ２を流れる電流の向きが切り替わり、主ダイオードＤ２が順バイアス状態から逆バイアス状態とされ、オフ状態になる。このとき、非絶縁型トランスＴの漏れ磁束等に起因して、主ダイオードＤ２のカソード側にサージが発生する。
【００２５】
このサージにより、図２に例示するように、主ダイオードＤ２のカソード側の電圧Ｖ２’が上昇し、直流入力Ｖｉｎの電圧よりも高くなる。この結果、ダイオードＤ３が順バイアス状態とされてオン状態になり、このダイオードＤ３を介して主ダイオードＤ３のカソード側から非絶縁型トランスＴの入力部（１次側）に向けてサージ電流が流れる。これにより、主ダイオードＤ３のカソード側に発生したサージのうち、図２に波線で示す部分（直流入力Ｖｉｎを超える部分）が、非絶縁型トランスＴの入力電力としてダイオードＤ３を介して吸収される。吸収されたサージによる電流成分は、トランジスタＱ１のスイッチング動作により非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１の励磁電流として利用される。
【００２６】
ここで、図２に示す例は、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２が直流入力Ｖｉｎの電圧よりも低い場合に相当し、サージが発生しない状態において、主ダイオードＤ２のカソード側に現れる電圧Ｖ２’が直流入力Ｖｉｎよりも低い場合を表している。この例に示すように、サージが発生しても、電圧Ｖ２’が直流入力Ｖｉｎの電圧に達するまでは、ダイオードＤ３は逆バイアス状態とされるので、サージは吸収されないが、サージにより電圧２’が直流入力Ｖｉｎを超えると、ダイオードＤ３が順バイアス状態とされ、これにより直流入力Ｖｉｎを超えるサージ成分が吸収される。
【００２７】
上述したように、第１実施形態によれば、主ダイオードＤ２がオン状態からオフ状態に移行した際に発生するサージは、ダイオードＤ３を介して非絶縁型トランスＴの入力電力として吸収される。従って、極めて簡単な構成でサージを電力として有効に利用することができ、電源効率を有効に改善することが可能になる。また、サージを吸収する経路上にはダイオードＤ３しか存在しないので、サージを吸収する過程で発生する損失を最小限に抑えることができ、サージを有効に吸収することができる。
【００２８】
なお、上述の第１実施形態では、主ダイオードＤ２がオン状態からオフ状態に移行する際に発生するサージを吸収する場合を例として説明したが、還流ダイオードＤ２がオン状態からオフ状態に移行する際に発生するサージについても同様に説明することができる。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
上述の第１実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１以下であるものとしたが、本第２実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１よりも多く、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２が、その１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎの電圧よりも高いものとする。
【００３０】
図３は、本第２実施形態によるスイッチング電源装置２０の構成例を示す。
スイッチング電源装置２０は、前述の図１に示す第１実施形態によるスイッチング電源装置１０の構成において、ダイオードＤ２の出力部をなすカソードと非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端との間に、ダイオードＤ３と直列にツェナーダイオードＺＤを備える。ここで、ダイオードＤ３とツェナーダイオードＺＤはサージ吸収回路Ｓ２０を構成する。その他の構成は、上述の第１実施形態と同様である。
【００３１】
具体的には、非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１の一端には、ツェナーダイオードＺＤのアノードが接続され、このツェナーダイオードＺＤのカソードはダイオードＤ３のカソードに接続される。ツェナーダイオードＺＤは、非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎの電圧を基準として、ダイオードＤ２の出力部をなすカソードの電圧が所定電圧Ｖｂに到達したときに導通（降伏）することにより、ダイオードＤ２の出力部の電圧を上記所定電圧Ｖｂにクランプする電圧クランプ部として機能する。
【００３２】
上記所定電圧Ｖｂは、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧によって与えられ、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２と１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎとの電位差（Ｖ２−Ｖｉｎ）に応じて決定される。この電位差は、１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１と２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２との巻数比に依存することから、上記所定電圧Ｖｂは、１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１と２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２との巻数比に応じて決定されると言い換えることができる。
【００３３】
本第２実施形態では、所定電圧Ｖｂは、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２と１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎとの間の電位差（Ｖ２−Ｖｉｎ）と概ね等しく設定されるものとするが、説明の便宜上、所定電圧Ｖｂは、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧よりもわずかに低い値に設定されるものとする。換言すれば、直流入力ＶｉｎとダイオードＤ２のカソード側の電圧Ｖ２’との電位差が、１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１と２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２との巻数比によって決定される所定電圧Ｖｂである限り、ツェナーダイオードＺＤは降伏せず、上記電位差が所定電圧Ｖｂを超えたときにツェナーダイオードＺＤが降伏するように、このツェナーダイオードの降伏電圧が設定されるものとする。
【００３４】
ただし、所定電圧Ｖｂおよびツェナーダイオードの降伏電圧に関する上記の定義は、説明の便宜のためのものであり、この例に限定されず、サージを吸収できる範囲で、所定電圧Ｖｂを上記電位差（Ｖ２−Ｖｉｎ）よりも高い値に設定してもよく、逆に、非絶縁型トランスＴの２次側から１次側へのサージ以外の電力の逆流を実質的に抑制することができる範囲で、所定電圧Ｖｂを上記電位差（Ｖ２−Ｖｉｎ）よりも低い値に設定してもよい。
【００３５】
次に、本第２実施形態の動作を説明する。
トランジスタＱ１からなるスイッチング回路が所定のスイッチング動作（周知のスイッチング動作）を実施すると、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に、１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎよりも所定電圧Ｖｂだけ高い電圧Ｖ２を有する交流が誘起される。非絶縁型トランスＴの２次側に誘起された交流は主ダイオードＤ２によって整流された後、チョークコイルＬＯ及び出力端子ＴＯＵＴを介して外部の負荷（図示なし）に供給される。環流ダイオードＤ１の動作は従来装置と同様である。
【００３６】
このような動作の過程で、スイッチング回路をなすトランジスタＱ１がオン状態からオフ状態に切り替わると、上述の第１実施形態と同様のメカニズムにより、主ダイオードＤ２のカソード側にサージが発生する。
【００３７】
ここで、本第２実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２は、直流入力Ｖｉｎよりも所定電圧Ｖｂだけ高い電圧であり、電圧Ｖ２’となってダイオードＤ２のカソード側に現れる。このため、サージが発生しなければ、電圧Ｖ２’は直流入力Ｖｉｎよりも所定電圧Ｖｂだけ高い電圧となる。この場合、ツェナーダイオードＺＤの端子間電圧は所定電圧Ｖｂに等しくなるので、ツェナーダイオードＺＤは降伏せず、ダイオードＤ３はオフ状態に維持される。従って、サージが発生していない状況では、ツェナーダイオードＺＤおよびダイオードＤ３は、スイッチング電源装置１０の動作に何ら関与しない。
【００３８】
しかしながら、動作の過程で主ダイオードＤ２のカソード側にサージが発生すると、主ダイオードＤ２のカソード側の電圧Ｖ２’が上昇し、図４に示すように、電圧Ｖ２’が直流入力Ｖｉｎに所定電圧Ｖｂを加算した電圧（Ｖｉｎ＋Ｖｂ）を超える。これによりツェナーダイオードＺＤの端子間電圧が所定電圧Ｖｂを超え、ツェナーダイオードＺＤが導通（降伏）すると共にダイオードＤ３が導通する。
【００３９】
ツェナーダイオードＺＤおよびダイオードＤ３が導通すると、直流入力Ｖｉｎに対して電圧Ｖ２’が概ね所定電圧Ｖｂにクランプされる。この結果、ダイオードＤ３およびツェナーダイオードＺＤを介して、主ダイオードＤ３のカソード側から非絶縁型トランスＴの入力部に向けてサージ電流が流れ、サージが非絶縁型トランスＴの入力電力として吸収される。
【００４０】
上述したように、第２実施形態によれば、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１よりも多く、２次側の電圧が１次側の電圧よりも高く設定されたスイッチング電源装置において、主ダイオードＤ２のカソード側に発生するサージを非絶縁型トランスＴの入力電力として有効に吸収することができる。
【００４１】
なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様にダイオードＤ３を備えたので、その原理上、２次側の電圧が１次側の電圧以下である場合にも、サージを吸収することができる。ただし、２次側の電圧が１次側の電圧よりも高い場合に限定すれば、ダイオードＤ３を省略することも可能である。
【００４２】
（第３実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。
図５は、本第３実施形態によるスイッチング電源装置３０の構成例を示す。
スイッチング電源装置３０は、前述の図２に示す第２実施形態によるスイッチング電源装置２０の構成において、ダイオードＤ３の出力部とグランド端子ＧＮＤ（所定電位ノード）との間に接続されたコンデンサＣ２を更に備える。本第３実施形態では、ダイオードＤ３とツェナーダイオードＺＤとコンデンサＣ２は、サージ吸収回路Ｓ３０を構成する。その他の構成は第２実施形態と同様である。
なお、本第３実施形態では、第２実施形態の構成を前提とするが、第１実施形態の構成を前提としてコンデンサＣ２を備えてもよい。
【００４３】
本第３実施形態では、好ましくは、ダイオードＤ３とコンデンサＣ２は、サージの発生個所である主ダイオードＤ２のカソードまたは還流ダイオードＤ１のカソードの近くに配置され、サージの発生個所からコンデンサＣ２までの配線経路長が、可能な限り短く設定される。
【００４４】
本第３実施形態によれば、例えば主ダイオードＤ２のカソード側に発生したサージのエネルギーは、ダイオードＤ３を介してコンデンサＣ２に速やかに蓄積される。このコンデンサＣ２に蓄積されたサージエネルギーは、サージが消滅した後続サイクルで、コンデンサＣ２から徐々に非絶縁型コンデンサＺＤの入力部に転送され、この非絶縁型トランスＴの入力電力として吸収される。従って、本第３実施形態によれば、サージの発生個所と、非絶縁型トランスＴの入力部との間の配線距離が長い場合であっても、サージを有効に吸収することが可能になる。
【００４５】
（第４実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第４実施形態を説明する。
図６は、本第４実施形態によるスイッチング電源装置４０の構成例を示す。
スイッチング電源装置４０は、前述の図５に示す第３実施形態によるスイッチング電源装置３０の構成において、ダイオードＤ３のカソードとツェナーダイオードＺＤとの間に介挿されるようにして、ダイオードＤ２の出力部と非絶縁型トランスＴの入力部との間に直列接続されたダイオードＤ４（第３整流素子）および抵抗素子Ｒを更に備える。本第４実施形態では、ダイオードＤ３、ツェナーダイオードＺＤ、コンデンサＣ２、抵抗素子Ｒは、サージ吸収回路Ｓ４０を構成する。その他の構成は第３実施形態と同様である。
なお、本第４実施形態では、第３実施形態の構成を前提とするが、第１実施形態または第２実施形態の構成を前提としてダイオードＤ４および抵抗素子Ｒを備えてもよい。
【００４６】
ここで、ダイオードＤ４は、主ダイオードＤ２の出力部から非絶縁型トランスＴの入力部に向かう電流方向を順方向とした整流特性を有し、ダイオードＤ３およびツェナーダイオードＺＤと直列接続されている。また、抵抗素子Ｒは、ダイオードＤ３およびツェナーダイオードＺＤおよびダイオードＤ４と直列接続される。具体的には、ダイオードＤ４のアノードはダイオードＤ３のカソードに接続され、ダイオードＤ４のカソードは抵抗素子Ｒの一端に接続され、抵抗素子Ｒの他端はツェナーダイオードＺＤのカソードに接続される。
【００４７】
本第４実施形態によれば、スイッチング電源装置４０の起動時に非絶縁型トランスＴの１次側に瞬時的に高電圧が発生しても、ダイオードＤ４およびダイオードＤ３の２つのダイオードにより、非絶縁型トランスＴの２次側への上記高電圧の伝達が阻止される。従って、仮に上記高電圧によりダイオードＤ４およびダイオードＤ３のうちの１つが破壊されたとしても、残りのダイオードにより、１次側と２次側との間の絶縁を確保することができる。従って、第４実施形態によれば、装置の安定的動作を確保することができる。
【００４８】
また、本第４実施形態によれば、ツェナーダイオードＺＤが降伏した場合に、このツェナーダイオードＺＤを流れるサージ電流を、抵抗素子Ｒにより緩和することができ、このサージ電流によるツェナーダイオードＺＤの劣化または破壊を防止することができる。従って、本第４実施形態によれば、装置の信頼性を向上させることができる。
【００４９】
なお、本第４実施形態では、ダイオードＤ４および抵抗素子Ｒの両方を備えるものとしたが、これに限定されることなく、何れか一方のみを備えてもよい。
以上で本発明の第４実施形態を説明した。
【００５０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形可能である。
例えば、上述の実施形態では、非絶縁型トランスＴの１次側のスイッチング回路を１石フォワード回路により構成したが、これに限定されず、ハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路、ＲＣＣ回路など、１次側のスイッチング回路の形式は問わない。
【００５１】
また、上述の実施形態では、２次側に主ダイオードＤ２を設け、これにより非絶縁型トランスＴの出力を整流するものとしたが、これに代えてトランジスタ等のスイッチ手段を設け、いわゆる同期整流を行うものとしてもよい。この場合、同期整流の際にトランジスタに発生するサージがダイオードＤ３を介して非絶縁型トランスＴの１次側に吸収されるので、同様に電源効率を改善することが可能になる。
【符号の説明】
【００５２】
１０，２０，３０，４０…スイッチング電源装置
Ｃ１…入力コンデンサ
Ｃ２…コンデンサ
Ｄ１…還流ダイオード
Ｄ２…主ダイオード
Ｄ３，Ｄ４…ダイオード
ＧＮＤ…グランド端子
Ｌ１…１次巻線
Ｌ２…２次巻線
ＬＯ…チョークコイル
Ｑ１…トランジスタ
Ｒ…抵抗素子
Ｓ１０，Ｓ２０，Ｓ３０，Ｓ４０…サージ吸収回路
Ｔ…非絶縁型トランス
ＴＩＮ…入力端子
ＴＯＵＴ…出力端子
ＺＤ…ツェナーダイオード
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スイッチング電源装置及びサージ吸収回路に関し、特に、スイッチング電源装置が備えるトランスの２次側に設けられた整流器で発生するサージを抑制するための技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
図７（ａ）に、従来のスイッチング電源装置の構成を示す。同図に示すスイッチング電源装置は、入力端子ＴＩＮ、グランド端子ＧＮＤ、入力コンデンサＣ１、トランジスタＱ１、トランスＴ、主ダイオードＤ２、環流ダイオードＤ１、チョークコイルＬＯ、出力端子ＴＯＵＴを備えて構成される。
【０００３】
このスイッチング電源装置によれば、入力端子ＴＩＮに印加された直流入力Ｖｉｎが、トランジスタＱ１のスイッチング動作により交流に変換されてトランスＴの１次巻線に供給される。トランスＴの１次巻線に供給された交流により、その２次巻線には所望電圧の交流が誘起される。２次巻線に誘起された交流は、主ダイオードＤ２により直流に変換された後、出力巻線ＬＯおよび出力端子ＴＯＵＴを介し直流出力Ｖｏｕｔとして出力される。上記動作の過程で主ダイオードＤ２がオフすると、環流ダイオードＤ１からチョークコイルＬＯに電流が供給され、これにより直流出力Ｖｏｕｔが安定化される。
【０００４】
ところで、上述の従来のスイッチング電源装置によれば、トランジスタＱ１のスイッチング動作に伴ってトランスＴの２次巻線を流れる電流の向きが切り替わり、主ダイオードＤ３がオフすると、トランスＴの１次側と２次側との間の漏れ磁束等に起因して、主ダイオードＤ２のカソード側に、図７（ｂ）に示すようなサージが発生する。
【０００５】
一般には、このサージは、主ダイオードＤ２にＣＲスナバ回路を併設することにより、ある程度改善できる。しかし、ＣＲスナバ回路は、抵抗素子で電力消費することによりサージを吸収することを基本原理としているため、本来的に電力損失を伴い、電源効率低下の原因となる。特に、２次側のダイオードの個数が増えると、それらに併設されるＣＲスナバ回路の数も増えるため、電力損失が一層増加する。
【０００６】
このようなＣＲスナバ回路の問題を解決する技術として、サージエネルギーを一旦コイルに蓄えて出力側に放出する無損失スナバ回路が提案されている（特許文献１参照）。また、本願出願人により提案された技術として、サージエネルギーをコンデンサに蓄積するサージ吸収回路が知られている（特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平０９−２２４３７４号公報
【特許文献２】特開２００７−１８１２８０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述の従来技術に係る無損失スナバ回路によれば、部品点数が多く、サージを出力側に放出するまでの電流経路上に多数の素子が介在するため、各素子での電力損失が顕在化し、電源効率の改善には限界があるという問題がある。
また、上述のサージ吸収回路によれば、コンデンサに蓄積されたサージエネルギーを補助電源として利用することができる。しかしながら、補助電源が必要となる非常事態が発生しなければ、コンデンサに蓄積されたサージエネルギーは利用されず、従ってサージエネルギーを十分に利用することができない可能性がある。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、簡単な構成でサージエネルギーを電力として有効に吸収して利用することができ、電源効率を有効に改善することができるスイッチング電源装置及びサージ吸収回路を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るスイッチング電源装置は、直流入力を交流に変換するスイッチング回路と、前記交流が入力された非絶縁型トランスと、前記非絶縁型トランスから出力された交流を整流する第１整流素子と、前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記トランスの入力部との間に接続された第２整流素子と、を備えたスイッチング電源装置の構成を有する。この構成において、例えば、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子と直列接続して設けられ、前記非絶縁型トランスの入力部の電圧に対して前記第１整流素子の出力部の電圧を所定電圧にクランプする電圧クランプ部を更に備えてもよい。
【００１１】
また、本発明に係るサージ吸収回路は、非絶縁型トランスを備えたスイッチング電源装置に設けられ、前記非絶縁型トランスから出力された交流を整流する第１整流素子の出力部に発生するサージを吸収するためのサージ吸収回路であって、前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に接続された第２整流素子を備えたサージ吸収回路の構成を有する。この構成において、例えば、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子と直列接続して設けられ、前記非絶縁型トランスの入力部の電圧に対して前記第１整流素子の出力部の電圧を前記所定電圧にクランプする電圧クランプ部を更に備えてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、簡単な構成でサージエネルギーを入力電力として吸収し、電源効率を有効に改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の第１実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の構成例を示す回路図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の動作を説明するための波形図である。
【図３】本発明の第２実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の構成例を示す回路図である。
【図４】本発明の第２実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の動作を説明するための波形図である。
【図５】本発明の第３実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の動作を説明するための波形図である。
【図６】本発明の第４実施形態に係るスイッチング電源装置およびサージ吸収回路の構成例を示す回路図である。
【図７】従来技術に係るスイッチング電源装置を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、図面を参照して、本発明の第１実施形態から第４実施形態を順に説明する。
なお、各図において、共通する要素には同一符号を付し、その説明を適宜省略する。
【００１５】
（第１実施形態）
まず、図１を参照して、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、第１実施形態によるスイッチング電源装置１０の構成例を示す。
スイッチング電源装置１０は、概略的には、前述の図７（ａ）に示す従来装置の構成と比較して、ダイオードＤ３（第２整流素子）からなるサージ吸収回路Ｓ１０を更に備えて構成される。具体的には、スイッチング電源装置１０は、入力端子ＴＩＮ、グランド端子ＧＮＤ（所定電位ノード）、入力コンデンサＣ１、非絶縁型トランスＴ、トランジスタＱ１、主ダイオードＤ２、還流ダイオードＤ１、チョークコイルＬＯ、出力端子ＴＯＵＴを備える。
【００１６】
入力端子ＴＩＮには直流入力Ｖｉｎが印加され、入力端子ＴＩＮとグランド端子ＧＮＤとの間には入力コンデンサＣ１が接続される。また、入力端子ＴＩＮには、非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端が接続され、この１次巻線の他端とグランド端子ＧＮＤとの間には、上記直流入力Ｖｉｎを交流に変換するるためのスイッチング回路をなすトランジスタＱ１が接続される。
【００１７】
非絶縁型トランスＴの出力部をなす２次巻線Ｌ２の一端は、非絶縁型トランスＴから出力された交流を整流するための主ダイオード（第１整流素子）Ｄ２の入力部をなすアノードに接続され、その２次巻線Ｌ２の他端はグランド端子ＧＮＤに接続される。本第１実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１以下であり、これにより、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２が、その１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎの電圧以下であるものとする。
【００１８】
ここで、「非絶縁型トランス」なる用語について補足説明する。本願において、「非絶縁型トランス」なる用語は、その１次側の電圧の基準ノードと、２次側の電圧の基準ノードが電気的に接続された形式のトランスを意味する。本第１実施形態では、１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎの基準ノードと、２次巻線Ｌ２に誘起される電圧の基準ノードはグランドであり、これら１次側の基準ノードと２次側の基準ノードはグランド端子ＧＮＤを介して電気的に接続されている。本発明は、このような非絶縁型トランスを備えたスイッチング電源装置の構成を前提としている。
【００１９】
説明を図１に戻す。主ダイオードＤ２の出力部をなすカソードはチョークコイルＬＯの一端に接続され、このチョークコイルＬＯの他端は出力端子ＴＯＵＴに接続される。また、チョークコイルＬＯの一端は、主ダイオードＤ２の出力部をなすカソードと共に、還流ダイオードＤ１の出力部をなすカソードと接続され、この還流ダイオードＤ１の入力部をなすアノードはグランド端子ＧＮＤに接続される。
【００２０】
主ダイオードＤ２および還流ダイオードＤ１の各出力部をなすカソードと、非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端との間には、本第１実施形態の特徴部であるサージ吸収回路Ｓ１０をなすダイオードＤ３（第２整流素子）が接続される。このダイオードＤ３は、主ダイオードＤ２および還流ダイオードＤ１の各出力部から非絶縁型トランスＴの入力部に向かう電流方向を順方向とするように備えられる。具体的には、ダイオードＤ３の入力部をなすアノードは、主ダイオードＤ２および還流ダイオードＤ１の各出力部をなすカソードに接続され、ダイオードＤ３の出力部をなすカソードは、非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端に接続される。
【００２１】
なお、本第１実施形態では、ダイオードＤ３のアノードを、主ダイオードＤ２および還流ダイオードＤ１の各カソードに接続するものとするが、サージが発生するカソードを有する２次側のダイオードであれば、どのようなダイオードのカソードにダイオードＤ３のアノードを接続してもよい。また、本第１実施形態では、ダイオードＤ３のカソードを非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端に接続するものとするが、非絶縁型トランスＴの入力電力の供給経路上であれば、どのようなノードであってもよい。
【００２２】
次に、本第１実施形態に係るスイッチング電源装置１０の動作について、サージ吸収回路Ｓ１０に着目して説明する。
トランジスタＱ１からなるスイッチング回路が所定のスイッチング動作（周知のスイッチング動作）を実施すると、入力端子ＴＩＮを介して供給された直流入力Ｖｉｎが高周波の交流電流に変換されて非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１に供給され、その２次巻線Ｌ２に交流が誘起される。２次巻線Ｌ２に誘起された交流は主ダイオードＤ２によって整流され、チョークコイルＬＯ及び出力端子ＴＯＵＴを介して直流出力Ｖｏｕｔとして外部の負荷（図示なし）に供給される。環流ダイオードＤ１の動作は従来装置と同様である。
【００２３】
ここで、前述のように、本第１実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２は１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎ以下であり、この電圧Ｖ２は主ダイオードＤ２のカソード側に電圧Ｖ２’となって現れる。このため、サージが発生する前の状態、即ち主ダイオードＤ２が逆バイアス状態とされる前の順バイアス状態では、ダイオードＤ３は逆バイアス状態とされ、オフ状態にある。従って、サージが発生していない状況では、ダイオードＤ３はスイッチング電源装置１０の動作に何ら関与しない。
【００２４】
しかしながら、動作の過程で主ダイオードＤ２のカソード側にサージが発生すると、ダイオードＤ３がオン状態になる。具体的には、動作の過程で、トランジスタＱ１がオン状態からオフ状態に切り替わると、非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１を流れる電流が遮断される。これにより、２次巻線Ｌ２を流れる電流の向きが切り替わり、主ダイオードＤ２が順バイアス状態から逆バイアス状態とされ、オフ状態になる。このとき、非絶縁型トランスＴの漏れ磁束等に起因して、主ダイオードＤ２のカソード側にサージが発生する。
【００２５】
このサージにより、図２に例示するように、主ダイオードＤ２のカソード側の電圧Ｖ２’が上昇し、直流入力Ｖｉｎの電圧よりも高くなる。この結果、ダイオードＤ３が順バイアス状態とされてオン状態になり、このダイオードＤ３を介して主ダイオードＤ３のカソード側から非絶縁型トランスＴの入力部（１次側）に向けてサージ電流が流れる。これにより、主ダイオードＤ３のカソード側に発生したサージのうち、図２に波線で示す部分（直流入力Ｖｉｎを超える部分）が、非絶縁型トランスＴの入力電力としてダイオードＤ３を介して吸収される。吸収されたサージによる電流成分は、トランジスタＱ１のスイッチング動作により非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１の励磁電流として利用される。
【００２６】
ここで、図２に示す例は、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２が直流入力Ｖｉｎの電圧よりも低い場合に相当し、サージが発生しない状態において、主ダイオードＤ２のカソード側に現れる電圧Ｖ２’が直流入力Ｖｉｎよりも低い場合を表している。この例に示すように、サージが発生しても、電圧Ｖ２’が直流入力Ｖｉｎの電圧に達するまでは、ダイオードＤ３は逆バイアス状態とされるので、サージは吸収されないが、サージにより電圧２’が直流入力Ｖｉｎを超えると、ダイオードＤ３が順バイアス状態とされ、これにより直流入力Ｖｉｎを超えるサージ成分が吸収される。
【００２７】
上述したように、第１実施形態によれば、主ダイオードＤ２がオン状態からオフ状態に移行した際に発生するサージは、ダイオードＤ３を介して非絶縁型トランスＴの入力電力として吸収される。従って、極めて簡単な構成でサージを電力として有効に利用することができ、電源効率を有効に改善することが可能になる。また、サージを吸収する経路上にはダイオードＤ３しか存在しないので、サージを吸収する過程で発生する損失を最小限に抑えることができ、サージを有効に吸収することができる。
【００２８】
なお、上述の第１実施形態では、主ダイオードＤ２がオン状態からオフ状態に移行する際に発生するサージを吸収する場合を例として説明したが、還流ダイオードＤ２がオン状態からオフ状態に移行する際に発生するサージについても同様に説明することができる。
【００２９】
（第２実施形態）
次に、図３を参照して、本発明の第２実施形態を説明する。
上述の第１実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１以下であるものとしたが、本第２実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１よりも多く、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２が、その１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎの電圧よりも高いものとする。
【００３０】
図３は、本第２実施形態によるスイッチング電源装置２０の構成例を示す。
スイッチング電源装置２０は、前述の図１に示す第１実施形態によるスイッチング電源装置１０の構成において、ダイオードＤ２の出力部をなすカソードと非絶縁型トランスＴの入力部をなす１次巻線Ｌ１の一端との間に、ダイオードＤ３と直列にツェナーダイオードＺＤを備える。ここで、ダイオードＤ３とツェナーダイオードＺＤはサージ吸収回路Ｓ２０を構成する。その他の構成は、上述の第１実施形態と同様である。
【００３１】
具体的には、非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１の一端には、ツェナーダイオードＺＤのアノードが接続され、このツェナーダイオードＺＤのカソードはダイオードＤ３のカソードに接続される。ツェナーダイオードＺＤは、非絶縁型トランスＴの１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎの電圧を基準として、ダイオードＤ２の出力部をなすカソードの電圧が所定電圧Ｖｂに到達したときに導通（降伏）することにより、ダイオードＤ２の出力部の電圧を上記所定電圧Ｖｂにクランプする電圧クランプ部として機能する。
【００３２】
上記所定電圧Ｖｂは、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧によって与えられ、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２と１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎとの電位差（Ｖ２−Ｖｉｎ）に応じて決定される。この電位差は、１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１と２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２との巻数比に依存することから、上記所定電圧Ｖｂは、１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１と２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２との巻数比に応じて決定されると言い換えることができる。
【００３３】
本第２実施形態では、所定電圧Ｖｂは、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２と１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎとの間の電位差（Ｖ２−Ｖｉｎ）と概ね等しく設定されるものとするが、説明の便宜上、所定電圧Ｖｂは、ツェナーダイオードＺＤの降伏電圧よりもわずかに低い値に設定されるものとする。換言すれば、直流入力ＶｉｎとダイオードＤ２のカソード側の電圧Ｖ２’との電位差が、１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１と２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２との巻数比によって決定される所定電圧Ｖｂである限り、ツェナーダイオードＺＤは降伏せず、上記電位差が所定電圧Ｖｂを超えたときにツェナーダイオードＺＤが降伏するように、このツェナーダイオードの降伏電圧が設定されるものとする。
【００３４】
ただし、所定電圧Ｖｂおよびツェナーダイオードの降伏電圧に関する上記の定義は、説明の便宜のためのものであり、この例に限定されず、サージを吸収できる範囲で、所定電圧Ｖｂを上記電位差（Ｖ２−Ｖｉｎ）よりも高い値に設定してもよく、逆に、非絶縁型トランスＴの２次側から１次側へのサージ以外の電力の逆流を実質的に抑制することができる範囲で、所定電圧Ｖｂを上記電位差（Ｖ２−Ｖｉｎ）よりも低い値に設定してもよい。
【００３５】
次に、本第２実施形態の動作を説明する。
トランジスタＱ１からなるスイッチング回路が所定のスイッチング動作（周知のスイッチング動作）を実施すると、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に、１次巻線Ｌ１に供給される直流入力Ｖｉｎよりも所定電圧Ｖｂだけ高い電圧Ｖ２を有する交流が誘起される。非絶縁型トランスＴの２次側に誘起された交流は主ダイオードＤ２によって整流された後、チョークコイルＬＯ及び出力端子ＴＯＵＴを介して外部の負荷（図示なし）に供給される。環流ダイオードＤ１の動作は従来装置と同様である。
【００３６】
このような動作の過程で、スイッチング回路をなすトランジスタＱ１がオン状態からオフ状態に切り替わると、上述の第１実施形態と同様のメカニズムにより、主ダイオードＤ２のカソード側にサージが発生する。
【００３７】
ここで、本第２実施形態では、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２に誘起される電圧Ｖ２は、直流入力Ｖｉｎよりも所定電圧Ｖｂだけ高い電圧であり、電圧Ｖ２’となってダイオードＤ２のカソード側に現れる。このため、サージが発生しなければ、電圧Ｖ２’は直流入力Ｖｉｎよりも所定電圧Ｖｂだけ高い電圧となる。この場合、ツェナーダイオードＺＤの端子間電圧は所定電圧Ｖｂに等しくなるので、ツェナーダイオードＺＤは降伏せず、ダイオードＤ３はオフ状態に維持される。従って、サージが発生していない状況では、ツェナーダイオードＺＤおよびダイオードＤ３は、スイッチング電源装置１０の動作に何ら関与しない。
【００３８】
しかしながら、動作の過程で主ダイオードＤ２のカソード側にサージが発生すると、主ダイオードＤ２のカソード側の電圧Ｖ２’が上昇し、図４に示すように、電圧Ｖ２’が直流入力Ｖｉｎに所定電圧Ｖｂを加算した電圧（Ｖｉｎ＋Ｖｂ）を超える。これによりツェナーダイオードＺＤの端子間電圧が所定電圧Ｖｂを超え、ツェナーダイオードＺＤが導通（降伏）すると共にダイオードＤ３が導通する。
【００３９】
ツェナーダイオードＺＤおよびダイオードＤ３が導通すると、直流入力Ｖｉｎに対して電圧Ｖ２’が概ね所定電圧Ｖｂにクランプされる。この結果、ダイオードＤ３およびツェナーダイオードＺＤを介して、主ダイオードＤ３のカソード側から非絶縁型トランスＴの入力部に向けてサージ電流が流れ、サージが非絶縁型トランスＴの入力電力として吸収される。
【００４０】
上述したように、第２実施形態によれば、非絶縁型トランスＴの２次巻線Ｌ２の巻数Ｎ２が１次巻線Ｌ１の巻数Ｎ１よりも多く、２次側の電圧が１次側の電圧よりも高く設定されたスイッチング電源装置において、主ダイオードＤ２のカソード側に発生するサージを非絶縁型トランスＴの入力電力として有効に吸収することができる。
【００４１】
なお、第２実施形態では、第１実施形態と同様にダイオードＤ３を備えたので、その原理上、２次側の電圧が１次側の電圧以下である場合にも、サージを吸収することができる。ただし、２次側の電圧が１次側の電圧よりも高い場合に限定すれば、ダイオードＤ３を省略することも可能である。
【００４２】
（第３実施形態）
次に、図５を参照して、本発明の第３実施形態を説明する。
図５は、本第３実施形態によるスイッチング電源装置３０の構成例を示す。
スイッチング電源装置３０は、前述の図２に示す第２実施形態によるスイッチング電源装置２０の構成において、ダイオードＤ３の出力部とグランド端子ＧＮＤ（所定電位ノード）との間に接続されたコンデンサＣ２を更に備える。本第３実施形態では、ダイオードＤ３とツェナーダイオードＺＤとコンデンサＣ２は、サージ吸収回路Ｓ３０を構成する。その他の構成は第２実施形態と同様である。
なお、本第３実施形態では、第２実施形態の構成を前提とするが、第１実施形態の構成を前提としてコンデンサＣ２を備えてもよい。
【００４３】
本第３実施形態では、好ましくは、ダイオードＤ３とコンデンサＣ２は、サージの発生個所である主ダイオードＤ２のカソードまたは還流ダイオードＤ１のカソードの近くに配置され、サージの発生個所からコンデンサＣ２までの配線経路長が、可能な限り短く設定される。
【００４４】
本第３実施形態によれば、例えば主ダイオードＤ２のカソード側に発生したサージのエネルギーは、ダイオードＤ３を介してコンデンサＣ２に速やかに蓄積される。このコンデンサＣ２に蓄積されたサージエネルギーは、サージが消滅した後続サイクルで、コンデンサＣ２から徐々に非絶縁型コンデンサＺＤの入力部に転送され、この非絶縁型トランスＴの入力電力として吸収される。従って、本第３実施形態によれば、サージの発生個所と、非絶縁型トランスＴの入力部との間の配線距離が長い場合であっても、サージを有効に吸収することが可能になる。
【００４５】
（第４実施形態）
次に、図６を参照して、本発明の第４実施形態を説明する。
図６は、本第４実施形態によるスイッチング電源装置４０の構成例を示す。
スイッチング電源装置４０は、前述の図５に示す第３実施形態によるスイッチング電源装置３０の構成において、ダイオードＤ３のカソードとツェナーダイオードＺＤとの間に介挿されるようにして、ダイオードＤ２の出力部と非絶縁型トランスＴの入力部との間に直列接続されたダイオードＤ４（第３整流素子）および抵抗素子Ｒを更に備える。本第４実施形態では、ダイオードＤ３、ツェナーダイオードＺＤ、コンデンサＣ２、抵抗素子Ｒは、サージ吸収回路Ｓ４０を構成する。その他の構成は第３実施形態と同様である。
なお、本第４実施形態では、第３実施形態の構成を前提とするが、第１実施形態または第２実施形態の構成を前提としてダイオードＤ４および抵抗素子Ｒを備えてもよい。
【００４６】
ここで、ダイオードＤ４は、主ダイオードＤ２の出力部から非絶縁型トランスＴの入力部に向かう電流方向を順方向とした整流特性を有し、ダイオードＤ３およびツェナーダイオードＺＤと直列接続されている。また、抵抗素子Ｒは、ダイオードＤ３およびツェナーダイオードＺＤおよびダイオードＤ４と直列接続される。具体的には、ダイオードＤ４のアノードはダイオードＤ３のカソードに接続され、ダイオードＤ４のカソードは抵抗素子Ｒの一端に接続され、抵抗素子Ｒの他端はツェナーダイオードＺＤのカソードに接続される。
【００４７】
本第４実施形態によれば、スイッチング電源装置４０の起動時に非絶縁型トランスＴの１次側に瞬時的に高電圧が発生しても、ダイオードＤ４およびダイオードＤ３の２つのダイオードにより、非絶縁型トランスＴの２次側への上記高電圧の伝達が阻止される。従って、仮に上記高電圧によりダイオードＤ４およびダイオードＤ３のうちの１つが破壊されたとしても、残りのダイオードにより、１次側と２次側との間の絶縁を確保することができる。従って、第４実施形態によれば、装置の安定的動作を確保することができる。
【００４８】
また、本第４実施形態によれば、ツェナーダイオードＺＤが降伏した場合に、このツェナーダイオードＺＤを流れるサージ電流を、抵抗素子Ｒにより緩和することができ、このサージ電流によるツェナーダイオードＺＤの劣化または破壊を防止することができる。従って、本第４実施形態によれば、装置の信頼性を向上させることができる。
【００４９】
なお、本第４実施形態では、ダイオードＤ４および抵抗素子Ｒの両方を備えるものとしたが、これに限定されることなく、何れか一方のみを備えてもよい。
以上で本発明の第４実施形態を説明した。
【００５０】
以上、本発明の実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で変形可能である。
例えば、上述の実施形態では、非絶縁型トランスＴの１次側のスイッチング回路を１石フォワード回路により構成したが、これに限定されず、ハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路、ＲＣＣ回路など、１次側のスイッチング回路の形式は問わない。
【００５１】
また、上述の実施形態では、２次側に主ダイオードＤ２を設け、これにより非絶縁型トランスＴの出力を整流するものとしたが、これに代えてトランジスタ等のスイッチ手段を設け、いわゆる同期整流を行うものとしてもよい。この場合、同期整流の際にトランジスタに発生するサージがダイオードＤ３を介して非絶縁型トランスＴの１次側に吸収されるので、同様に電源効率を改善することが可能になる。
【符号の説明】
【００５２】
１０，２０，３０，４０…スイッチング電源装置
Ｃ１…入力コンデンサ
Ｃ２…コンデンサ
Ｄ１…還流ダイオード
Ｄ２…主ダイオード
Ｄ３，Ｄ４…ダイオード
ＧＮＤ…グランド端子
Ｌ１…１次巻線
Ｌ２…２次巻線
ＬＯ…チョークコイル
Ｑ１…トランジスタ
Ｒ…抵抗素子
Ｓ１０，Ｓ２０，Ｓ３０，Ｓ４０…サージ吸収回路
Ｔ…非絶縁型トランス
ＴＩＮ…入力端子
ＴＯＵＴ…出力端子
ＺＤ…ツェナーダイオード
【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流入力を交流に変換するスイッチング回路と、
前記交流が入力された非絶縁型トランスと、
前記非絶縁型トランスから出力された交流を整流する第１整流素子と、
前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記トランスの入力部との間に接続された第２整流素子と、
を備えたスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子と直列接続して設けられ、前記非絶縁型トランスの入力部の電圧に対して前記第１整流素子の出力部の電圧を所定電圧にクランプする電圧クランプ部を更に備え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。
【請求項３】
前記第２整流素子の出力部と所定電位ノードとの間に接続されたコンデンサを更に備えたことを特徴とする請求項１または２の何れか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子および前記電圧クランプ素子と直列接続して設けられた第３整流素子を更に備えたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子および前記電圧クランプ部および前記第３整流素子と直列接続して設けられた抵抗素子を更に備えたことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
非絶縁型トランスを備えたスイッチング電源装置に設けられ、前記非絶縁型トランスから出力された交流を整流する第１整流素子の出力部に発生するサージを吸収するためのサージ吸収回路であって、
前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に接続された第２整流素子を備えたサージ吸収回路。
【請求項７】
前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子と直列接続して設けられ、前記非絶縁型トランスの入力部の電圧に対して前記第１整流素子の出力部の電圧を前記所定電圧にクランプする電圧クランプ部を更に備えたことを特徴とする請求項６記載のサージ吸収回路。
【請求項１】
直流入力を交流に変換するスイッチング回路と、
前記交流が入力された非絶縁型トランスと、
前記非絶縁型トランスから出力された交流を整流する第１整流素子と、
前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記トランスの入力部との間に接続された第２整流素子と、
を備えたスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子と直列接続して設けられ、前記非絶縁型トランスの入力部の電圧に対して前記第１整流素子の出力部の電圧を所定電圧にクランプする電圧クランプ部を更に備え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。
【請求項３】
前記第２整流素子の出力部と所定電位ノードとの間に接続されたコンデンサを更に備えたことを特徴とする請求項１または２の何れか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項４】
前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子および前記電圧クランプ素子と直列接続して設けられた第３整流素子を更に備えたことを特徴とする請求項１から３の何れか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項５】
前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子および前記電圧クランプ部および前記第３整流素子と直列接続して設けられた抵抗素子を更に備えたことを特徴とする請求項１から４の何れか１項記載のスイッチング電源装置。
【請求項６】
非絶縁型トランスを備えたスイッチング電源装置に設けられ、前記非絶縁型トランスから出力された交流を整流する第１整流素子の出力部に発生するサージを吸収するためのサージ吸収回路であって、
前記第１整流素子の出力部から前記非絶縁型トランスの入力部に向かう電流方向を順方向として、前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に接続された第２整流素子を備えたサージ吸収回路。
【請求項７】
前記第１整流素子の出力部と前記非絶縁型トランスの入力部との間に、前記第２整流素子と直列接続して設けられ、前記非絶縁型トランスの入力部の電圧に対して前記第１整流素子の出力部の電圧を前記所定電圧にクランプする電圧クランプ部を更に備えたことを特徴とする請求項６記載のサージ吸収回路。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１３−５５８６０（Ｐ２０１３−５５８６０Ａ）
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９４１１３（Ｐ２０１１−１９４１１３）
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００２０３７）新電元工業株式会社 (776)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２１日（２０１３．３．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月６日（２０１１．９．６）
【出願人】（０００００２０３７）新電元工業株式会社 (776)
【Ｆターム（参考）】
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