スイッチング電源装置
【課題】従来よりも効率が高く、二次側出力電圧の変動に対する応答性に優れたスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】本発明に係るスイッチング電源装置１は、一次側に力率を改善するための力率改善部３を備え、二次側に二次巻線Ｔ２の誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部６と、整流・平滑された後の電圧を所望の二次側出力電圧ＶＯに変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部４とを備える。一次側に備えられた力率改善部３は、二次側出力電圧ＶＯの直流成分に基づいてフィードバック制御される。また、二次側に備えられたＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、二次側出力電圧ＶＯの交流成分に基づいてフィードバック制御される。
【解決手段】本発明に係るスイッチング電源装置１は、一次側に力率を改善するための力率改善部３を備え、二次側に二次巻線Ｔ２の誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部６と、整流・平滑された後の電圧を所望の二次側出力電圧ＶＯに変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部４とを備える。一次側に備えられた力率改善部３は、二次側出力電圧ＶＯの直流成分に基づいてフィードバック制御される。また、二次側に備えられたＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、二次側出力電圧ＶＯの交流成分に基づいてフィードバック制御される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から入力される交流電圧を負荷に供給すべき所定の直流電圧に変換して出力するスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロプロセッサ等の半導体集積回路を駆動するスイッチング電源装置には、低出力電圧化、大出力電流化、高効率化といったことが求められている。これらの要求を満足するよう検討された従来のスイッチング電源装置としては、例えば、非特許文献１に記載のものがある（図４参照）。
【０００３】
また、力率改善、高調波対策のために、図４に示すスイッチング電源装置１’にさらにＰＦＣ回路を付加したものも従来から知られている。
【０００４】
図５に示すように、従来のスイッチング電源装置１”は、商用交流電圧を整流および平滑する一次側整流平滑部２と、その出力側に備えられた力率改善部３（ＰＦＣ回路）と、その出力電圧Ｖａを所定の電圧Ｖｂに変換する降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ部４’と、電圧Ｖｂをスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部５と、一次巻線Ｔ１および二次巻線Ｔ２を有し、一次巻線Ｔ１にスイッチング電圧が供給されるトランスＴと、二次巻線Ｔ２の誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧ＶＯを出力する二次側整流平滑部６とを備えている。
【０００５】
また、スイッチング電源装置１”は、一次側と二次側の絶縁を確保しながら二次側出力電圧ＶＯをＤＣ／ＤＣコンバータ部４’のスイッチング制御部４ａにフィードバックするフィードバック部７’を備えている。これにより、スイッチング電源装置１”は、二次側出力電圧ＶＯを負荷の要求電圧に維持している。
【０００６】
図６に示すように、力率改善部３の出力電圧Ｖａは商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けてＡＣ的に変動するので、何も対策を施さないとこの変動が二次側出力電圧ＶＯにそのまま伝達されてしまい、負荷に悪影響を与える。そこで、このスイッチング電源装置１”では、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４’が上記変動の下限よりもさらに低い電圧（電圧Ｖｂ）にまで電圧Ｖａを降圧させることにより、二次側出力電圧ＶＯの変動を抑制している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】二宮保，安部征哉，電子技術４月号“低電圧大電流コンバータの回路技術”，日刊工業新聞社，平成１４年４月１日発行，１０頁（特に、図１０）
【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、この従来のスイッチング電源装置１”では、スイッチング部５やトランスＴに向かう電流ＩＤＣの全てがＤＣ／ＤＣコンバータ部４’のスイッチング素子Ｑ３およびチョークコイルＬに流れるので、スイッチング素子Ｑ３の導通損失やチョークコイルＬのインピーダンスによる損失が避けられなかった。
【０００９】
また、この従来のスイッチング電源装置１”は、一次側と二次側とを絶縁した状態で二次側から一次側へと二次側出力電圧ＶＯをフィードバックして二次側出力電圧ＶＯの変動を抑制（安定化）しているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４’による変動抑制効果がスイッチング部５およびトランスＴを通じて二次側出力電圧ＶＯに反映されるまでに遅れが発生し、変動を抑制しきれない場合があった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、従来よりも効率が高く、二次側出力電圧の変動に対する応答性に優れたスイッチング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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、外部から入力される交流電圧を整流および平滑する一次側整流平滑部と、一次側整流平滑部の出力側に備えられた力率を改善するための力率改善部と、力率改善後の電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部と、一次巻線および二次巻線を有し、一次巻線にスイッチング電圧が供給されるトランスと、二次巻線に誘起される誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部と、二次側整流平滑部から出力された電圧を所望の二次側出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部とを備え、力率改善部は、二次側出力電圧の直流成分に基づいてフィードバック制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、二次側出力電圧の交流成分に基づいてフィードバック制御されることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、負荷の要求電圧と二次側出力電圧との間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部と、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部とが協働することにより、二次側出力電圧を負荷の要求電圧に維持することができる。
【００１３】
また、この構成では、ＤＣ／ＤＣコンバータ部で直流成分の安定化を行う必要がないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部を構成する各素子（昇圧／降圧動作に欠かせないチョークコイル等）に流れる電流はリプル電流のみとなる。したがって、この構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ部における損失を低減し、効率を高めることができる。
【００１４】
さらに、この構成では、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部が二次側に備えられているので、絶縁することなく二次側出力電圧の交流成分をＤＣ／ＤＣコンバータ部に直接的にフィードバックすることができる。したがって、この構成によれば、二次側出力電圧の変動に対する応答性を高めることができる。
【００１５】
ここで、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、例えば、高電位ラインにドレインが接続された第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、チョークコイルの他端と低電位ラインの間に接続された第１のコンデンサと、高電位ラインおよび低電位ラインの間に接続された第２のコンデンサと、二次側出力電圧の交流成分に基づいて、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部とで構成することができる。
【００１６】
また、スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が正の場合は、第１のスイッチング素子が該スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、第２のコンデンサの蓄積電荷で第１のコンデンサを充電する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が負の場合は、第２のスイッチング素子が該スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、第１のコンデンサの蓄積電荷で第２のコンデンサを充電する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作するように上記ＤＣ／ＤＣコンバータ部を構成することで、比較的容易に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来よりも効率が高く、二次側出力電圧の変動に対する応答性に優れたスイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るスイッチング電源装置の回路図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣコンバータ部の等価回路図であって、（Ａ）は降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合の等価回路図、（Ｂ）は昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合の等価回路図である。
【図３】本発明に係るスイッチング電源装置の電圧波形である。
【図４】従来のスイッチング電源装置の回路図である。
【図５】ＰＦＣ回路を備えた従来のスイッチング電源装置の回路図である。
【図６】図５に示す従来のスイッチング電源装置の電圧波形である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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ましい実施形態について説明する。
【００２０】
図１に、本発明に係るスイッチング電源装置を示す。スイッチング電源装置１は、交流電圧（例えば、商用交流電圧）を整流および平滑する一次側整流平滑部２と、その出力側に備えられたＰＦＣ回路からなる力率改善部３と、力率改善後の電圧Ｖ１をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部５とを備えている。これらは、全てスイッチング電源装置１の一次側（後述するトランスＴの一次側）に備えられている。
【００２１】
また、スイッチング電源装置１は、一次巻線Ｔ１にスイッチング電圧が供給されるとともに、二次巻線Ｔ２に交流電圧が誘起されるトランスＴと、二次巻線Ｔ２の誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部６と、二次側整流平滑部６から出力された出力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部４とを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、変換後の電圧を二次側出力電圧ＶＯとして出力する。二次側整流平滑部６およびＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、スイッチング電源装置１の二次側（トランスＴの二次側）に備えられている。
【００２２】
図１に示す一実施形態において、スイッチング部５、トランスＴおよび二次側整流平滑部６は共振型ハーフブリッジ回路を構成しているが、トランスの磁束を両方向に利用するハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路およびプッシュプル回路を構成するよう、適宜変更することができる。
【００２３】
スイッチング電源装置１は、二次側出力電圧ＶＯを力率改善部３およびＤＣ／ＤＣコンバータ部４のスイッチング制御部３ａ、４ａにフィードバックするフィードバック部７をさらに備えている。これにより、スイッチング電源装置１は、二次側出力電圧ＶＯを負荷の要求電圧に維持している。
【００２４】
フィードバック部７は、二次側出力電圧ＶＯを直流成分と交流成分とに分離する分離部７ａを有し、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４のスイッチング制御部４ａには二次側出力電圧ＶＯの交流成分のみがフィードバックされる。また、力率改善部３のスイッチング制御部３ａには、絶縁部７ｂによって絶縁された後の直流成分のみがフィードバックされる。
【００２５】
一次側と二次側の絶縁を確保しつつ、二次側出力電圧ＶＯに基づいて一次側に備えられた力率改善部３をフィードバック制御するためには、絶縁部７ｂの存在が必要不可欠である。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は二次側に備えられているので、絶縁することなく、二次側出力電圧ＶＯの交流成分を直接的にフィードバックすることができる。
【００２６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、スイッチング制御部４ａの制御下で、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしても降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしても動作する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、例えば、以下のような構成とすることで、比較的容易に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。
【００２７】
すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、高電位ライン８Ｈにドレインが接続された第１のスイッチング素子Ｑ１と、第１のスイッチング素子Ｑ１のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ライン８Ｌに接続された第２のスイッチング素子Ｑ２と、第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点に一端が接続されたチョークコイルＬと、チョークコイルＬの他端と低電位ライン８Ｌの間に接続された第１のコンデンサＣ１と、高電位ライン８Ｈおよび低電位ライン８Ｌの間に接続された第２のコンデンサＣ２と、第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を制御するスイッチング制御部４ａとを備えている。このうち、第２のコンデンサＣ２は、二次側整流平滑部６の平滑コンデンサを兼ねていることが部品点数削減の観点から好ましい。
【００２８】
スイッチング制御部４ａは、フィードバックされてきた二次側出力電圧ＶＯの交流成分の極性（正／負）および絶対値の多寡に基づいて、第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を制御する。図１に示す一実施形態において、第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はいずれもＦＥＴであるが、これに代えてバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴを使用することもできる。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ部４にフィードバックされてきた交流成分が“正”の場合、すなわち二次側出力電圧ＶＯが負荷の要求電圧よりも高い場合、スイッチング制御部４ａは、二次側整流平滑部６の出力電圧を低下させるべくＤＣ／ＤＣコンバータ部４を降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる。この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を、第２のコンデンサＣ２と第１のスイッチング素子Ｑ１との接続点（高電位ライン８Ｈ）を入力、チョークコイルＬと第１のコンデンサＣ１との接続点を出力とする等価回路として取り扱うことができる（図２（Ａ）参照）。
【００３０】
同図に示すように、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部４ａの制御下で第１のスイッチング素子Ｑ１がＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、第２のコンデンサＣ２に蓄積されていた電荷を第１のコンデンサＣ１に移動させる。これにより、第２のコンデンサＣ２は放電し、両端電圧（＝二次側出力電圧ＶＯ）が低下する。一方、第１のコンデンサＣ１は充電され、両端電圧が上昇する。なお、第２のスイッチング素子Ｑ２はＯＦＦのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。
【００３１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ部４にフィードバックされてきた交流成分が“負”の場合、すなわち二次側出力電圧ＶＯが負荷の要求電圧よりも低い場合、スイッチング制御部４ａは、二次側整流平滑部６の出力電圧を上昇させるべくＤＣ／ＤＣコンバータ部４を昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる。この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を、チョークコイルＬと第１のコンデンサＣ１との接続点を入力、第２のコンデンサＣ２と第１のスイッチング素子Ｑ１との接続点（高電位ライン８Ｈ）を出力とする等価回路として取り扱うことができる（図２（Ｂ）参照）。
【００３２】
同図に示すように、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部４ａの制御下で第２のスイッチング素子Ｑ２がＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、第１のコンデンサＣ１に蓄積されていた電荷を第２のコンデンサＣ２に移動させる。これにより、第１のコンデンサＣ１は放電し、両端電圧が低下する。一方、第２のコンデンサＣ２は充電され、両端電圧（＝二次側出力電圧ＶＯ）が上昇する。なお、第１のスイッチング素子Ｑ１はＯＦＦのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。
【００３３】
一方、前記の通り、力率改善部３は二次側出力電圧ＶＯの直流成分に基づいてフィードバック制御される。このため、図３に示すように、二次側整流平滑部６の出力電圧は、商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けて変動するものの、その直流成分は予め負荷の要求電圧に一致している。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、二次側整流平滑部６の出力電圧を降圧または昇圧することにより、商用リプル電圧や瞬時停電によるＡＣ的な変動のみを取り除けばよい。
【００３４】
言い換えると、本発明に係るスイッチング電源装置１は、負荷の要求電圧と二次側出力電圧ＶＯとの間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部３と、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部４とが協働することにより、二次側出力電圧ＶＯを負荷の要求電圧に維持する。なお、当然ながら、力率改善部３は力率改善のための波形整形も行う。
【００３５】
以上のように、本発明に係るスイッチング電源装置１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４で直流成分の安定化を行う必要がないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を構成する第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２並びにチョークコイルＬに流れる電流は交流成分の電流（リプル電流）のみとなる。したがって、本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４における損失を低減し、効率を高めることができる。
【００３６】
また、本発明に係るスイッチング電源装置１では、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部４が二次側に備えられているので、絶縁することなく二次側出力電圧ＶＯの交流成分をＤＣ／ＤＣコンバータ部４（スイッチング制御部４ａ）に直接的にフィードバックすることができる。したがって、本発明によれば、二次側出力電圧ＶＯの変動に対する応答性を高めることができる。
【００３７】
なお、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記した具体的な構成に限定されるものではなく、当業者であれば、種々の変形例を想到し得ることは自明である。
【符号の説明】
【００３８】
１ スイッチング電源装置
２ 一次側整流平滑部
３ 力率改善部（ＰＦＣ回路）
４ ＤＣ／ＤＣコンバータ部
５ スイッチング部
６ 二次側整流平滑部
７ フィードバック部
７ａ 分離部
７ｂ 絶縁部
Ｃ１ 第１のコンデンサ
Ｃ２ 第２のコンデンサ
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
Ｌ チョークコイル
Ｔ トランス
【技術分野】
【０００１】
本発明は、外部から入力される交流電圧を負荷に供給すべき所定の直流電圧に変換して出力するスイッチング電源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、マイクロプロセッサ等の半導体集積回路を駆動するスイッチング電源装置には、低出力電圧化、大出力電流化、高効率化といったことが求められている。これらの要求を満足するよう検討された従来のスイッチング電源装置としては、例えば、非特許文献１に記載のものがある（図４参照）。
【０００３】
また、力率改善、高調波対策のために、図４に示すスイッチング電源装置１’にさらにＰＦＣ回路を付加したものも従来から知られている。
【０００４】
図５に示すように、従来のスイッチング電源装置１”は、商用交流電圧を整流および平滑する一次側整流平滑部２と、その出力側に備えられた力率改善部３（ＰＦＣ回路）と、その出力電圧Ｖａを所定の電圧Ｖｂに変換する降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータ部４’と、電圧Ｖｂをスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部５と、一次巻線Ｔ１および二次巻線Ｔ２を有し、一次巻線Ｔ１にスイッチング電圧が供給されるトランスＴと、二次巻線Ｔ２の誘起電圧を整流および平滑して得た二次側出力電圧ＶＯを出力する二次側整流平滑部６とを備えている。
【０００５】
また、スイッチング電源装置１”は、一次側と二次側の絶縁を確保しながら二次側出力電圧ＶＯをＤＣ／ＤＣコンバータ部４’のスイッチング制御部４ａにフィードバックするフィードバック部７’を備えている。これにより、スイッチング電源装置１”は、二次側出力電圧ＶＯを負荷の要求電圧に維持している。
【０００６】
図６に示すように、力率改善部３の出力電圧Ｖａは商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けてＡＣ的に変動するので、何も対策を施さないとこの変動が二次側出力電圧ＶＯにそのまま伝達されてしまい、負荷に悪影響を与える。そこで、このスイッチング電源装置１”では、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４’が上記変動の下限よりもさらに低い電圧（電圧Ｖｂ）にまで電圧Ｖａを降圧させることにより、二次側出力電圧ＶＯの変動を抑制している。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】二宮保，安部征哉，電子技術４月号“低電圧大電流コンバータの回路技術”，日刊工業新聞社，平成１４年４月１日発行，１０頁（特に、図１０）
【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、この従来のスイッチング電源装置１”では、スイッチング部５やトランスＴに向かう電流ＩＤＣの全てがＤＣ／ＤＣコンバータ部４’のスイッチング素子Ｑ３およびチョークコイルＬに流れるので、スイッチング素子Ｑ３の導通損失やチョークコイルＬのインピーダンスによる損失が避けられなかった。
【０００９】
また、この従来のスイッチング電源装置１”は、一次側と二次側とを絶縁した状態で二次側から一次側へと二次側出力電圧ＶＯをフィードバックして二次側出力電圧ＶＯの変動を抑制（安定化）しているので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４’による変動抑制効果がスイッチング部５およびトランスＴを通じて二次側出力電圧ＶＯに反映されるまでに遅れが発生し、変動を抑制しきれない場合があった。
【００１０】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、従来よりも効率が高く、二次側出力電圧の変動に対する応答性に優れたスイッチング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】
【００１１】
上記課題を解決するために、本発明に係るスイッチング電源装置は、外部から入力される交流電圧を整流および平滑する一次側整流平滑部と、一次側整流平滑部の出力側に備えられた力率を改善するための力率改善部と、力率改善後の電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部と、一次巻線および二次巻線を有し、一次巻線にスイッチング電圧が供給されるトランスと、二次巻線に誘起される誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部と、二次側整流平滑部から出力された電圧を所望の二次側出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部とを備え、力率改善部は、二次側出力電圧の直流成分に基づいてフィードバック制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、二次側出力電圧の交流成分に基づいてフィードバック制御されることを特徴とする。
【００１２】
この構成によれば、負荷の要求電圧と二次側出力電圧との間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部と、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部とが協働することにより、二次側出力電圧を負荷の要求電圧に維持することができる。
【００１３】
また、この構成では、ＤＣ／ＤＣコンバータ部で直流成分の安定化を行う必要がないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部を構成する各素子（昇圧／降圧動作に欠かせないチョークコイル等）に流れる電流はリプル電流のみとなる。したがって、この構成によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ部における損失を低減し、効率を高めることができる。
【００１４】
さらに、この構成では、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部が二次側に備えられているので、絶縁することなく二次側出力電圧の交流成分をＤＣ／ＤＣコンバータ部に直接的にフィードバックすることができる。したがって、この構成によれば、二次側出力電圧の変動に対する応答性を高めることができる。
【００１５】
ここで、上記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、例えば、高電位ラインにドレインが接続された第１のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第２のスイッチング素子と、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、チョークコイルの他端と低電位ラインの間に接続された第１のコンデンサと、高電位ラインおよび低電位ラインの間に接続された第２のコンデンサと、二次側出力電圧の交流成分に基づいて、第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部とで構成することができる。
【００１６】
また、スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が正の場合は、第１のスイッチング素子が該スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、第２のコンデンサの蓄積電荷で第１のコンデンサを充電する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が負の場合は、第２のスイッチング素子が該スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、第１のコンデンサの蓄積電荷で第２のコンデンサを充電する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作するように上記ＤＣ／ＤＣコンバータ部を構成することで、比較的容易に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、従来よりも効率が高く、二次側出力電圧の変動に対する応答性に優れたスイッチング電源装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明に係るスイッチング電源装置の回路図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣコンバータ部の等価回路図であって、（Ａ）は降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合の等価回路図、（Ｂ）は昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合の等価回路図である。
【図３】本発明に係るスイッチング電源装置の電圧波形である。
【図４】従来のスイッチング電源装置の回路図である。
【図５】ＰＦＣ回路を備えた従来のスイッチング電源装置の回路図である。
【図６】図５に示す従来のスイッチング電源装置の電圧波形である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
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ましい実施形態について説明する。
【００２０】
図１に、本発明に係るスイッチング電源装置を示す。スイッチング電源装置１は、交流電圧（例えば、商用交流電圧）を整流および平滑する一次側整流平滑部２と、その出力側に備えられたＰＦＣ回路からなる力率改善部３と、力率改善後の電圧Ｖ１をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部５とを備えている。これらは、全てスイッチング電源装置１の一次側（後述するトランスＴの一次側）に備えられている。
【００２１】
また、スイッチング電源装置１は、一次巻線Ｔ１にスイッチング電圧が供給されるとともに、二次巻線Ｔ２に交流電圧が誘起されるトランスＴと、二次巻線Ｔ２の誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部６と、二次側整流平滑部６から出力された出力電圧を変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部４とを備えている。ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、変換後の電圧を二次側出力電圧ＶＯとして出力する。二次側整流平滑部６およびＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、スイッチング電源装置１の二次側（トランスＴの二次側）に備えられている。
【００２２】
図１に示す一実施形態において、スイッチング部５、トランスＴおよび二次側整流平滑部６は共振型ハーフブリッジ回路を構成しているが、トランスの磁束を両方向に利用するハーフブリッジ回路、フルブリッジ回路およびプッシュプル回路を構成するよう、適宜変更することができる。
【００２３】
スイッチング電源装置１は、二次側出力電圧ＶＯを力率改善部３およびＤＣ／ＤＣコンバータ部４のスイッチング制御部３ａ、４ａにフィードバックするフィードバック部７をさらに備えている。これにより、スイッチング電源装置１は、二次側出力電圧ＶＯを負荷の要求電圧に維持している。
【００２４】
フィードバック部７は、二次側出力電圧ＶＯを直流成分と交流成分とに分離する分離部７ａを有し、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４のスイッチング制御部４ａには二次側出力電圧ＶＯの交流成分のみがフィードバックされる。また、力率改善部３のスイッチング制御部３ａには、絶縁部７ｂによって絶縁された後の直流成分のみがフィードバックされる。
【００２５】
一次側と二次側の絶縁を確保しつつ、二次側出力電圧ＶＯに基づいて一次側に備えられた力率改善部３をフィードバック制御するためには、絶縁部７ｂの存在が必要不可欠である。一方、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は二次側に備えられているので、絶縁することなく、二次側出力電圧ＶＯの交流成分を直接的にフィードバックすることができる。
【００２６】
ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、スイッチング制御部４ａの制御下で、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしても降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとしても動作する双方向ＤＣ／ＤＣコンバータである。ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、例えば、以下のような構成とすることで、比較的容易に双方向ＤＣ／ＤＣコンバータを実現することができる。
【００２７】
すなわち、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、高電位ライン８Ｈにドレインが接続された第１のスイッチング素子Ｑ１と、第１のスイッチング素子Ｑ１のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ライン８Ｌに接続された第２のスイッチング素子Ｑ２と、第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２の接続点に一端が接続されたチョークコイルＬと、チョークコイルＬの他端と低電位ライン８Ｌの間に接続された第１のコンデンサＣ１と、高電位ライン８Ｈおよび低電位ライン８Ｌの間に接続された第２のコンデンサＣ２と、第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を制御するスイッチング制御部４ａとを備えている。このうち、第２のコンデンサＣ２は、二次側整流平滑部６の平滑コンデンサを兼ねていることが部品点数削減の観点から好ましい。
【００２８】
スイッチング制御部４ａは、フィードバックされてきた二次側出力電圧ＶＯの交流成分の極性（正／負）および絶対値の多寡に基づいて、第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２を制御する。図１に示す一実施形態において、第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２はいずれもＦＥＴであるが、これに代えてバイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴを使用することもできる。
【００２９】
ＤＣ／ＤＣコンバータ部４にフィードバックされてきた交流成分が“正”の場合、すなわち二次側出力電圧ＶＯが負荷の要求電圧よりも高い場合、スイッチング制御部４ａは、二次側整流平滑部６の出力電圧を低下させるべくＤＣ／ＤＣコンバータ部４を降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる。この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を、第２のコンデンサＣ２と第１のスイッチング素子Ｑ１との接続点（高電位ライン８Ｈ）を入力、チョークコイルＬと第１のコンデンサＣ１との接続点を出力とする等価回路として取り扱うことができる（図２（Ａ）参照）。
【００３０】
同図に示すように、降圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部４ａの制御下で第１のスイッチング素子Ｑ１がＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、第２のコンデンサＣ２に蓄積されていた電荷を第１のコンデンサＣ１に移動させる。これにより、第２のコンデンサＣ２は放電し、両端電圧（＝二次側出力電圧ＶＯ）が低下する。一方、第１のコンデンサＣ１は充電され、両端電圧が上昇する。なお、第２のスイッチング素子Ｑ２はＯＦＦのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。
【００３１】
ＤＣ／ＤＣコンバータ部４にフィードバックされてきた交流成分が“負”の場合、すなわち二次側出力電圧ＶＯが負荷の要求電圧よりも低い場合、スイッチング制御部４ａは、二次側整流平滑部６の出力電圧を上昇させるべくＤＣ／ＤＣコンバータ部４を昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作させる。この場合は、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を、チョークコイルＬと第１のコンデンサＣ１との接続点を入力、第２のコンデンサＣ２と第１のスイッチング素子Ｑ１との接続点（高電位ライン８Ｈ）を出力とする等価回路として取り扱うことができる（図２（Ｂ）参照）。
【００３２】
同図に示すように、昇圧型のＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する場合は、スイッチング制御部４ａの制御下で第２のスイッチング素子Ｑ２がＯＮ／ＯＦＦを繰り返し、第１のコンデンサＣ１に蓄積されていた電荷を第２のコンデンサＣ２に移動させる。これにより、第１のコンデンサＣ１は放電し、両端電圧が低下する。一方、第２のコンデンサＣ２は充電され、両端電圧（＝二次側出力電圧ＶＯ）が上昇する。なお、第１のスイッチング素子Ｑ１はＯＦＦのままであり、同期整流のためのダイオードとみなすことができる。
【００３３】
一方、前記の通り、力率改善部３は二次側出力電圧ＶＯの直流成分に基づいてフィードバック制御される。このため、図３に示すように、二次側整流平滑部６の出力電圧は、商用リプル電圧や瞬時停電の影響を受けて変動するものの、その直流成分は予め負荷の要求電圧に一致している。したがって、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４は、二次側整流平滑部６の出力電圧を降圧または昇圧することにより、商用リプル電圧や瞬時停電によるＡＣ的な変動のみを取り除けばよい。
【００３４】
言い換えると、本発明に係るスイッチング電源装置１は、負荷の要求電圧と二次側出力電圧ＶＯとの間にずれが生じた場合に、直流成分の安定化を担当する力率改善部３と、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部４とが協働することにより、二次側出力電圧ＶＯを負荷の要求電圧に維持する。なお、当然ながら、力率改善部３は力率改善のための波形整形も行う。
【００３５】
以上のように、本発明に係るスイッチング電源装置１では、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４で直流成分の安定化を行う必要がないので、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４を構成する第１および第２のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２並びにチョークコイルＬに流れる電流は交流成分の電流（リプル電流）のみとなる。したがって、本発明によれば、ＤＣ／ＤＣコンバータ部４における損失を低減し、効率を高めることができる。
【００３６】
また、本発明に係るスイッチング電源装置１では、交流成分の安定化を担当するＤＣ／ＤＣコンバータ部４が二次側に備えられているので、絶縁することなく二次側出力電圧ＶＯの交流成分をＤＣ／ＤＣコンバータ部４（スイッチング制御部４ａ）に直接的にフィードバックすることができる。したがって、本発明によれば、二次側出力電圧ＶＯの変動に対する応答性を高めることができる。
【００３７】
なお、本発明に係るスイッチング電源装置は、上記した具体的な構成に限定されるものではなく、当業者であれば、種々の変形例を想到し得ることは自明である。
【符号の説明】
【００３８】
１ スイッチング電源装置
２ 一次側整流平滑部
３ 力率改善部（ＰＦＣ回路）
４ ＤＣ／ＤＣコンバータ部
５ スイッチング部
６ 二次側整流平滑部
７ フィードバック部
７ａ 分離部
７ｂ 絶縁部
Ｃ１ 第１のコンデンサ
Ｃ２ 第２のコンデンサ
Ｑ１ 第１のスイッチング素子
Ｑ２ 第２のスイッチング素子
Ｌ チョークコイル
Ｔ トランス
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外部から入力される交流電圧を整流および平滑する一次側整流平滑部と、
前記一次側整流平滑部の出力側に備えられた力率を改善するための力率改善部と、
力率改善後の電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部と、
一次巻線および二次巻線を有し、前記一次巻線に前記スイッチング電圧が供給されるトランスと、
前記二次巻線に誘起される誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部と、
前記二次側整流平滑部から出力された電圧を所望の二次側出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と
を備え、
前記力率改善部は、前記二次側出力電圧の直流成分に基づいてフィードバック制御され、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、前記二次側出力電圧の交流成分に基づいてフィードバック制御される、
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
高電位ラインにドレインが接続された第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第２のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、
前記チョークコイルの他端と前記低電位ラインの間に接続された第１のコンデンサと、
前記高電位ラインおよび前記低電位ラインの間に接続された第２のコンデンサと、
前記二次側出力電圧の交流成分に基づいて、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
前記スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が正の場合は、前記第１のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第２のコンデンサの蓄積電荷で前記第１のコンデンサを充電する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、
前記スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が負の場合は、前記第２のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第１のコンデンサの蓄積電荷で前記第２のコンデンサを充電する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する、
ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
【請求項１】
外部から入力される交流電圧を整流および平滑する一次側整流平滑部と、
前記一次側整流平滑部の出力側に備えられた力率を改善するための力率改善部と、
力率改善後の電圧をスイッチングしてスイッチング電圧を生成するスイッチング部と、
一次巻線および二次巻線を有し、前記一次巻線に前記スイッチング電圧が供給されるトランスと、
前記二次巻線に誘起される誘起電圧を整流および平滑する二次側整流平滑部と、
前記二次側整流平滑部から出力された電圧を所望の二次側出力電圧に変換するＤＣ／ＤＣコンバータ部と
を備え、
前記力率改善部は、前記二次側出力電圧の直流成分に基づいてフィードバック制御され、
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、降圧および昇圧の両動作が可能な双方向ＤＣ／ＤＣコンバータであり、前記二次側出力電圧の交流成分に基づいてフィードバック制御される、
ことを特徴とするスイッチング電源装置。
【請求項２】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
高電位ラインにドレインが接続された第１のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子のソースにドレインが接続され、ソースが低電位ラインに接続された第２のスイッチング素子と、
前記第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子の接続点に一端が接続されたチョークコイルと、
前記チョークコイルの他端と前記低電位ラインの間に接続された第１のコンデンサと、
前記高電位ラインおよび前記低電位ラインの間に接続された第２のコンデンサと、
前記二次側出力電圧の交流成分に基づいて、前記第１のスイッチング素子および前記第２のスイッチング素子を制御するスイッチング制御部と、
を備えたことを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
【請求項３】
前記ＤＣ／ＤＣコンバータ部は、
前記スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が正の場合は、前記第１のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第２のコンデンサの蓄積電荷で前記第１のコンデンサを充電する降圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作し、
前記スイッチング制御部にフィードバックされた交流成分が負の場合は、前記第２のスイッチング素子が前記スイッチング制御部の制御下でスイッチングし、前記第１のコンデンサの蓄積電荷で前記第２のコンデンサを充電する昇圧型ＤＣ／ＤＣコンバータとして動作する、
ことを特徴とする請求項２に記載のスイッチング電源装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１７５８１４（Ｐ２０１２−１７５８１４Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３５６２６（Ｐ２０１１−３５６２６）
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００４６０６）ニチコン株式会社 (656)
【出願人】（３０４０２８７２６）国立大学法人 大分大学 (181)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２２日（２０１１．２．２２）
【出願人】（０００００４６０６）ニチコン株式会社 (656)
【出願人】（３０４０２８７２６）国立大学法人 大分大学 (181)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]