説明

電源装置

【課題】小型化が可能で大電流化への適用性も高い構成で、スイッチング損失を低減することができる電源装置を提供する。
【解決手段】電源装置10の基本構成に用いるリアクトルを結合リアクトルL1の一次側リアクトルL1Pとし、補助回路12はその結合リアクトルL1の二次側リアクトルL1Sと補助コンデンサC2とを備えてなる。補助回路12は、補助コンデンサC2をスイッチS1と転流ダイオードD2との間の電源線11a,11b間に接続して構成され、スイッチS1のオン期間に二次側リアクトルL1Sで発生する電圧に基づいて補助コンデンサC2の充電がなされ、次のスイッチS1のオフに備えて予めスイッチS1の端子間電圧が低減されて、スイッチング損失の低減が図られる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、スイッチング制御方式を用いる降圧型の電源装置に関するものである。
【背景技術】
【0002】
この種の電源装置においては、例えば特許文献1の第1図や特許文献2の第3図(a)に示されているように、直流電源が供給される一対の電源線の一方に配置されるスイッチと、同じく電源線の一方に配置されるリアクトルと、スイッチとリアクトルとの間の電源線間に接続される転流ダイオードと、リアクトル後段の電源線間に接続される平滑コンデンサとを備えて構成され、平滑コンデンサ後段の電源線にて負荷と接続される。そして、スイッチのオンオフ動作に基づいて、降圧された出力電力が負荷側に供給されるようになっている。
【0003】
このようなオンオフ制御がなされるスイッチでは、電源線上の電圧・電流を直接的(強制的)に遮断するハードスイッチングを行うとスイッチング損失が大きく種々の不具合が生じるため、上記した各電源装置のように、スイッチをゼロ電圧又はゼロ電流にてスイッチングを行うソフトスイッチングを行うための補助回路が備えられて、スイッチング損失の低減が図られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0004】
【特許文献1】特開平7−123707号公報
【特許文献2】特開平9−266665号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
しかしながら、上記した電源装置としての基本構成に加え、特許文献1の第3図(a)にて示されている補助回路は、補助スイッチ、補助トランス、共振用インダクタ、共振用コンデンサ、2個のダイオードを用いて構成されている。また、特許文献2の第1図にて示されている補助回路は、タップ付きインダクタに置換されるとともにダイオードが追加され、またパワースイッチの寄生容量を用いる構成となっている。
【0006】
つまり、前者の補助回路は、回路素子数も多く、特に回路を大型化させる補助トランスや共振用インダクタといったコイル素子が多く用いられ、電源装置の小型化の弊害となる。また、後者の補助回路は、タップ付きインダクタの一部を補助回路に用いていることから、補助回路として機能する部分のインダクタにおいても電源装置の基本構成部分と同様に大きな電流が流れることになる。そのため、大電流を扱う例えば溶接用電源装置としては損失が大きく、溶接用電源装置等には不向きであった。
【0007】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、小型化が可能で大電流化への適用性も高い構成で、スイッチング損失を低減することができる電源装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
上記課題を解決するために、請求項1に記載の発明は、直流電源が供給される一対の電源線上に配置されるスイッチと、前記電源線上に配置されるリアクトルと、前記スイッチと前記リアクトルとの間の前記電源線間に接続される転流ダイオードとを備え、前記スイッチのオンオフ制御により前記リアクトルの後段側にて生じる電力を出力電力として負荷に供給する電源装置であって、前記リアクトルは、前記電源線上に配置される一次側リアクトルと、該一次側リアクトルと分離された二次側リアクトルとを備えた結合リアクトルにて構成され、前記二次側リアクトルと、前記スイッチのオンオフ動作に伴って前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて充電又は放電する補助コンデンサとを有し、充電状態又は放電状態の前記補助コンデンサにて前記スイッチのオフ時の端子間電圧を小とする補助回路を備えたことをその要旨とする。
【0009】
この発明では、電源装置の基本構成に用いるリアクトルを結合リアクトルの一次側リアクトルとし、補助回路はその結合リアクトルの二次側リアクトルと補助コンデンサとを備えてなる。そして、補助回路は、スイッチのオンオフ動作に伴って二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて補助コンデンサを充電又は放電し、充電状態又は放電状態の補助コンデンサにてスイッチのオフ時の端子間電圧が小となるように動作し、スイッチング損失の低減が図られる。つまり、スイッチング損失の低減を図る補助回路において、特に回路の大型化を招くコイル素子が二次側リアクトルだけで構成可能なため小型化に寄与でき、またこのリアクトルは一次側と分離されているため、二次側リアクトル、即ち補助回路を流れる電流を小さく設定でき、大電流を扱う溶接用電源装置等への適用性も高い。
【0010】
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の電源装置において、前記補助回路は、前記補助コンデンサを前記スイッチと前記転流ダイオードとの間の前記電源線間に接続し、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて前記補助コンデンサを充電し、次の前記スイッチのオフに備えて予め前記スイッチの端子間電圧を低減させることをその要旨とする。
【0011】
この発明では、補助回路は、補助コンデンサをスイッチと転流ダイオードとの間の電源線間に接続して構成され、スイッチのオン期間に二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて補助コンデンサの充電がなされ、次のスイッチのオフに備えて予めスイッチの端子間電圧が低減される。つまり、二次側リアクトルと補助コンデンサとを用いるこのような接続態様にて、スイッチング損失低減を行う補助回路を簡素な構成で実現可能である。
【0012】
請求項3に記載の発明は、請求項2に記載の電源装置において、前記補助回路は、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて前記補助コンデンサを充電させるための第1ダイオードと、前記スイッチのオフ期間に前記補助コンデンサを放電させるための第2ダイオードとを備えたことをその要旨とする。
【0013】
この発明では、補助回路は、スイッチのオン期間に二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて補助コンデンサを充電させる第1ダイオードと、スイッチのオフ期間に補助コンデンサを放電させる第2ダイオードとが備えられて構成される。つまり、二次側リアクトルと補助コンデンサとに更に2個のダイオードを用いて補助回路を簡素に構成できる。
【0014】
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の電源装置において、前記補助回路は、前記補助コンデンサを前記スイッチと並列に接続し、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて前記補助コンデンサを放電し、次の前記スイッチのオフ時の印加電圧を前記補助コンデンサの充電電圧に替えて前記スイッチの端子間電圧を低減させることをその要旨とする。
【0015】
この発明では、補助回路は、補助コンデンサをスイッチと並列に接続して構成され、スイッチのオン期間に二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて補助コンデンサの放電がなされ、次のスイッチのオフ時の印加電圧が補助コンデンサの充電電圧に替わることでスイッチの端子間電圧が低減される。つまり、二次側リアクトルと補助コンデンサとを用いるこのような接続態様にて、スイッチング損失低減を行う補助回路を簡素な構成で実現可能である。
【0016】
請求項5に記載の発明は、請求項4に記載の電源装置において、前記補助回路は、前記スイッチのオフ期間に前記補助コンデンサを充電させるための第1ダイオードと、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて放電させるための第2ダイオードとを備えたことをその要旨とする。
【0017】
この発明では、補助回路は、スイッチのオフ期間に補助コンデンサを充電させる第1ダイオードと、スイッチのオン期間に二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて放電させる第2ダイオードとが備えられて構成される。つまり、二次側リアクトルと補助コンデンサとに更に2個のダイオードを用いて補助回路を簡素に構成できる。
【発明の効果】
【0018】
本発明によれば、小型化が可能で大電流化への適用性も高い構成で、スイッチング損失を低減することができる電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】第1実施形態における電源装置の回路図である。
【図2】結合リアクトルの構成図である。
【図3】スイッチ両端子間の電圧・電流変化(オフ時)を示す波形図である。
【図4】スイッチ両端子間の電圧・電流変化(オン時)を示す波形図である。
【図5】第2実施形態における電源装置の回路図である。
【図6】電源装置の変更例を示す回路図である。
【図7】電源装置の変更例を示す回路図である。
【発明を実施するための形態】
【0020】
(第1実施形態)
以下、本発明を具体化した第1実施形態を図面に従って説明する。
図1に示すように、本実施形態の電源装置10は、降圧型スイッチングレギュレータであり、その基本構成として、直流電源Eが供給される一対の電源線11a,11bの内のグランド側の電源線11b上に配置されるスイッチS1と、高電位側の電源線11a上に配置される結合リアクトルL1の一次側リアクトルL1Pと、スイッチS1とリアクトルL1Pとの間の電源線11a,11b間に接続される転流ダイオードD2と、リアクトルL1P後段の電源線11a,11b間に接続される平滑コンデンサC1とを備えてなる。
【0021】
スイッチS1は、本実施形態ではIGBTよりなり、エミッタ側が直流電源Eのマイナス端子(グランド端子)に接続され、コレクタ・エミッタ間に逆導通ダイオードD1が接続されている。スイッチS1は、ゲートに入力される制御パルス信号に基づいてスイッチング制御が行われる。スイッチS1のオン期間では、直流電源Eに基づく出力電力が生じ、スイッチS1のオフ期間では、先のオン期間に結合リアクトルL1の一次側リアクトルL1Pに蓄積された電磁エネルギーに基づく出力電力が生じる。このようなスイッチS1のオンオフ制御により電源装置10は降圧動作を行い、降圧された出力電力が平滑コンデンサC1を経て負荷Rに供給されるようになっている。
【0022】
また、電源装置10には、スイッチS1のスイッチング損失低減を図るための補助回路(ロスレススナバ回路)12が備えられており、該補助回路12は、結合リアクトルL1の二次側リアクトルL1S、2個の補助ダイオードD3,D4、及び補助コンデンサC2を備えてなる。
【0023】
二次側リアクトルL1Sの一端は、前記転流ダイオードD2と平滑コンデンサC1との間のグランド側の電源線11bに接続され、他端は、補助ダイオードD4のアノードに接続されている。前記スイッチS1と転流ダイオードD2との間において、補助ダイオードD3のカソードが高電位側の電源線11aに接続され、アノードが補助コンデンサC2を介してグランド側の電源線11bに接続され、先の補助ダイオードD4のカソードが補助ダイオードD3と補助コンデンサC2との間に接続されている。
【0024】
因みに、本実施形態の結合リアクトルL1は、図2に示すように、一次側リアクトルL1Pと二次側リアクトルL1Sとが分離(絶縁)されるものであり、同一の棒状鉄心Lxの軸方向に並設されて構成され、結合係数が1より十分に小さく設定されている。これにより、二次側リアクトルL1Sに流れる補助コンデンサC2の充電電流が制限されている。また、一次側リアクトルL1Pと二次側リアクトルL1Sとの巻数比が1より大とされて二次側リアクトルL1Sの方が多く巻回され、二次側リアクトルL1Sにて生じる電圧に基づいて補助コンデンサC2が充電されるその充電電圧が直流電源Eの電源電圧と同等以上に十分に充電されるように設定されている。
【0025】
このような構成の電源装置10では、スイッチS1、一次側リアクトルL1P、転流ダイオードD2、及び平滑コンデンサC1によるスイッチングレギュレータとしての基本構成部分において、制御パルス信号の入力に基づくスイッチS1のオンオフ動作により降圧された出力電力が生成され、制御パルス信号のオンパルス幅の調整にてその出力電力の電圧値の調整が行われる。
【0026】
また、スイッチS1のオンオフ動作に伴う補助回路12の動作については、該スイッチS1がオンされた時には、一次側リアクトルL1Pに入力側(図1中、ドット「・」で示す側)が正となる逆起電圧が発生し、これに伴って二次側リアクトルL1Sにも入力側が正となる電圧が発生する。すると、補助ダイオードD4を介して補助コンデンサC2に充電電流が流れ、最終的に補助コンデンサC2の充電電圧は直流電源Eの電源電圧にクランプされる。
【0027】
そのため、スイッチS1のオフ時には、該スイッチS1の両端子間の電位差はゼロ、又はその電位差が極めて小さいため、図3に示すように略ゼロ電圧スイッチング(ソフトスイッチング)が実現され、このオフ時のスイッチS1におけるスイッチング損失は十分に低減される。そして、充電状態にあった補助コンデンサC2のその充電電荷は、このオフ期間における一次側リアクトルL1Pの電磁エネルギーの放出に伴い、補助ダイオードD3を介して放出される。
【0028】
また、スイッチS1の前記オン時において、補助コンデンサC2の充電電流によりスイッチS1に波高値の高い電流が流れることが懸念されるが、本実施形態では結合リアクトルL1の結合係数が1より十分に小さく漏れインダクタンスを大きくしていることから、図4に示すように、スイッチS1のオン直後に自身に流れる電流の波高値が低く抑えられている。尚、制御パルス信号のオンエッジを緩やかとし、同図4にて破線で示すようにスイッチS1のオン時の立ち上がりを緩やかとすることで、オン時におけるスイッチング損失を低減することも可能である。
【0029】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
(1)本実施形態では、電源装置10の基本構成に用いるリアクトルを結合リアクトルL1の一次側リアクトルL1Pとし、補助回路12はその結合リアクトルL1の二次側リアクトルL1Sと補助コンデンサC2とを備えてなる。補助回路12は、補助コンデンサC2をスイッチS1と転流ダイオードD2との間の電源線11a,11b間に接続して構成され、スイッチS1のオン期間に二次側リアクトルL1Sで発生する電圧に基づいて補助コンデンサC2の充電がなされ、次のスイッチS1のオフに備えて予めスイッチS1の端子間電圧が低減されて、スイッチング損失の低減が図られている。つまり、スイッチング損失の低減を図る補助回路12において、特に回路の大型化を招くコイル素子が二次側リアクトルL1Sだけで構成可能なため小型化に寄与でき、またこのリアクトルL1Sは一次側と分離されているため、二次側リアクトルL1S、即ち補助回路12を流れる電流を小さく設定でき、大電流を扱う溶接用電源装置等への適用性も高い電源装置として提供することができる。
【0030】
(2)本実施形態の補助回路12は、二次側リアクトルL1Sと補助コンデンサC2と2個のダイオードD3,D4とを用いた上記の接続態様により、簡素な構成で実現することができる。
【0031】
(第2実施形態)
以下、本発明を具体化した第2実施形態を図面に従って説明する。
図5に示すように、本実施形態の電源装置10aでは、スイッチS1、結合リアクトルL1の一次側リアクトルL1P、転流ダイオードD2、及び平滑コンデンサC1によるスイッチングレギュレータとしての基本構成部分は同じであり、補助回路12aの構成が変更されている。
【0032】
即ち、補助回路12aは、結合リアクトルL1の二次側リアクトルL1S、2個の補助ダイオードD3,D4、及び補助コンデンサC2を備え、スイッチS1のコレクタに補助ダイオードD4のアノードが接続され、カソードが補助コンデンサC2を介してスイッチS1のエミッタに接続されている。補助ダイオードD4と補助コンデンサC2との間には二次側リアクトルL1Sの一端が接続され、他端は補助ダイオードD3を介して高電位側の電源線11aに接続されている。
【0033】
因みに、本実施形態の結合リアクトルL1も、図2に示すように、一次側リアクトルL1Pと二次側リアクトルL1Sとが分離(絶縁)されるものであり、同一の棒状鉄心Lxの軸方向に並設されて構成され、結合係数が1より十分に小さく設定されている。これにより、二次側リアクトルL1Sに流れる補助コンデンサC2の充電電流が制限されている。また、一次側リアクトルL1Pと二次側リアクトルL1Sとの巻数比が1より大とされて二次側リアクトルL1Sの方が多く巻回され、二次側リアクトルL1Sにて生じる電圧に基づいて補助コンデンサC2が放電されるその充電電圧がおよそゼロまで放電されるように設定されている。
【0034】
従って、スイッチS1のオンオフ動作(降圧動作)に伴う補助回路12aの動作については、該スイッチS1がオンされた時には、一次側リアクトルL1Pに入力側が正となる逆起電圧が発生し、これに伴って二次側リアクトルL1Sにも入力側が正となる電圧が発生する。すると、先のオフ期間に充電された補助コンデンサC2のその充電電荷は二次側リアクトルL1S及び補助ダイオードD3を介して放出され、次のオフまでに電荷略ゼロとなるまで十分に放電される。
【0035】
そのため、スイッチS1のオフ時には、該スイッチS1への印加電圧が補助コンデンサC2の充電電圧となって該コンデンサC2の充電を行うため、スイッチS1の両端子間の電位差はゼロ、又はその電位差が極めて小さく、本実施形態においても略ゼロ電圧スイッチング(ソフトスイッチング)が実現される。これにより、オフ時におけるスイッチング損失は十分に低減される。
【0036】
因みに、図6に示す電源装置10bは、補助回路12aに同様の構成が備えられる一方、レギュレータとしての基本構成部分に用いる平滑コンデンサC1に替えて、結合リアクトルL1(一次側リアクトルL1P)の後段に出力リアクトルL2を配置するものである。即ち、上記した図5に示す電源装置10aは平滑コンデンサC1が備えられることから定電圧出力が要求される装置の電源装置として適しており、この図6に示す電源装置10bは出力リアクトルL2が備えられることから定電流出力が要求される装置の電源装置として適している。図7に示す電源装置10cは、平滑コンデンサC1と出力リアクトルL2との両者を用いて構成したものであり、定電圧・定電流が共に要求される装置の電源装置として適している。
【0037】
次に、本実施形態の特徴的な作用効果を記載する。
(1)本実施形態では、電源装置10a(10b,10c)の基本構成に用いるリアクトルを結合リアクトルL1の一次側リアクトルL1Pとし、補助回路12aはその結合リアクトルL1の二次側リアクトルL1Sと補助コンデンサC2とを備えてなる。補助回路12aは、補助コンデンサC2をスイッチS1と並列に接続して構成され、スイッチS1のオン期間に二次側リアクトルL1Sで発生する電圧に基づいて補助コンデンサC2の放電がなされ、次のスイッチS1のオフ時の印加電圧が補助コンデンサC2の充電電圧に替わることでスイッチS1の端子間電圧が低減されて、スイッチング損失の低減が図られている。つまり、スイッチング損失の低減を図る補助回路12aにおいて、特に回路の大型化を招くコイル素子が二次側リアクトルL1Sだけで構成可能なため小型化に寄与でき、またこのリアクトルL1Sは一次側と分離されているため、二次側リアクトルL1S、即ち補助回路12aを流れる電流を小さく設定でき、大電流を扱う溶接用電源装置等への適用性も高い電源装置として提供することができる。
【0038】
(2)本実施形態の補助回路12aは、二次側リアクトルL1Sと補助コンデンサC2と2個のダイオードD3,D4とを用いた上記の接続態様により、簡素な構成で実現することができる。
【0039】
尚、本発明の実施形態は、以下のように変更してもよい。
・上記実施形態の補助回路12,12aは、二次側リアクトルL1S、補助コンデンサC2、2個のダイオードD3,D4で構成したが、構成する素子や接続はこれに限らず、若干の変更も含む。また、結合リアクトルL1の構成についても、これに限らない。
【0040】
・上記実施形態では、スイッチS1にIGBTを用いたが、IGBT以外のスイッチング素子を用いて構成してもよい。
・上記実施形態の直流電源Eは、直流電源そのもの、又は(商用)交流電源を整流・平滑化した回路も含む。
【符号の説明】
【0041】
10,10a,10b,10c…電源装置、11a,11b…電源線、12,12a…補助回路、C2…補助コンデンサ、D2…転流ダイオード、D3…補助ダイオード(第2ダイオード)、D4…補助ダイオード(第1ダイオード)、E…直流電源、L1…結合リアクトル、L1P…一次側リアクトル、L1S…二次側リアクトル、R…負荷、S1…スイッチ。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
直流電源が供給される一対の電源線上に配置されるスイッチと、前記電源線上に配置されるリアクトルと、前記スイッチと前記リアクトルとの間の前記電源線間に接続される転流ダイオードとを備え、前記スイッチのオンオフ制御により前記リアクトルの後段側にて生じる電力を出力電力として負荷に供給する電源装置であって、
前記リアクトルは、前記電源線上に配置される一次側リアクトルと、該一次側リアクトルと分離された二次側リアクトルとを備えた結合リアクトルにて構成され、
前記二次側リアクトルと、前記スイッチのオンオフ動作に伴って前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて充電又は放電する補助コンデンサとを有し、充電状態又は放電状態の前記補助コンデンサにて前記スイッチのオフ時の端子間電圧を小とする補助回路を備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項2】
請求項1に記載の電源装置において、
前記補助回路は、前記補助コンデンサを前記スイッチと前記転流ダイオードとの間の前記電源線間に接続し、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて前記補助コンデンサを充電し、次の前記スイッチのオフに備えて予め前記スイッチの端子間電圧を低減させることを特徴とする電源装置。
【請求項3】
請求項2に記載の電源装置において、
前記補助回路は、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて前記補助コンデンサを充電させるための第1ダイオードと、前記スイッチのオフ期間に前記補助コンデンサを放電させるための第2ダイオードとを備えたことを特徴とする電源装置。
【請求項4】
請求項1に記載の電源装置において、
前記補助回路は、前記補助コンデンサを前記スイッチと並列に接続し、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて前記補助コンデンサを放電し、次の前記スイッチのオフ時の印加電圧を前記補助コンデンサの充電電圧に替えて前記スイッチの端子間電圧を低減させることを特徴とする電源装置。
【請求項5】
請求項4に記載の電源装置において、
前記補助回路は、前記スイッチのオフ期間に前記補助コンデンサを充電させるための第1ダイオードと、前記スイッチのオン期間に前記二次側リアクトルで発生する電圧に基づいて放電させるための第2ダイオードとを備えたことを特徴とする電源装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【図6】
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【図7】
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【公開番号】特開2011−36103(P2011−36103A)
【公開日】平成23年2月17日(2011.2.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−182497(P2009−182497)
【出願日】平成21年8月5日(2009.8.5)
【出願人】(000000262)株式会社ダイヘン (990)
【Fターム(参考)】