特許 6963510 三相交流用スイッチング電源

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6963510

(24)【登録日】2021年10月19日

(45)【発行日】2021年11月10日

(54)【発明の名称】三相交流用スイッチング電源

(51)【国際特許分類】

   H02M 7/12 20060101AFI20211028BHJP

【ＦＩ】

   H02M7/12 F

   H02M7/12 P

【請求項の数】8

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2018-179(P2018-179)

(22)【出願日】2018年1月4日

(65)【公開番号】特開2019-122133(P2019-122133A)

(43)【公開日】2019年7月22日

【審査請求日】2020年12月28日

(73)【特許権者】

【識別番号】000102692

【氏名又は名称】ＮＴＮ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095267

【弁理士】

【氏名又は名称】小島 高城郎

(74)【代理人】

【識別番号】100124176

【弁理士】

【氏名又は名称】河合 典子

(72)【発明者】

【氏名】羽田 正二

(72)【発明者】

【氏名】松永 康寛

【審査官】 佐藤 匡

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００２−０５８２５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−０６１２７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０６−０６２５６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００３−１３４８２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／２１２７３９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１１−０２４３０６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１７／１６４０２１（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０２Ｍ ７／１２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

３つの脚の各々にそれぞれ重ね巻きされた一次コイルと二次コイルとを有し、三相交流の各相の入力端子に各一次コイルの一端がそれぞれ接続された三相トランスと、
各相の前記一次コイルにそれぞれ直列接続された各相のスイッチング素子と、
各相の前記二次コイルにそれぞれ接続された各相の整流部及び平滑部と、を有する三相交流用スイッチング電源において、
各相の前記スイッチング素子は、各相の前記一次コイルに印加される入力電圧が正電圧のときに同じＰＷＭ信号によりオンオフ制御されると共に入力電圧が負電圧のときはオフ状態に保持され、
各相の前記一次コイルにオン期間に流れる電流とは逆方向の電流を阻止するための各相の逆流防止ダイオードを有することを特徴とする三相交流用スイッチング電源。

【請求項2】

オンオフ制御のオン期間において、
オンオフ制御されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記一次コイルに入力電流が流れ、かつそれに重ね巻きされた前記二次コイルにはフォワード電流が流れると共に、
オフ状態に保持されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記一次コイルには入力電流が流れず、かつそれに重ね巻きされた前記二次コイルには、入力電流が流れる他相の一次コイルからの磁束により生じた起電力によりフォワード電流が流れるように構成されていることを特徴とする請求項１に記載の三相交流用スイッチング電源。

【請求項3】

オンオフ制御のオフ期間において、
オンオフ制御されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記一次コイルには前記逆流防止ダイオードにより電流が流れず、かつそれに重ね巻きされた前記二次コイルにはフライバック電流が流れると共に、
オフ状態に保持されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記一次コイルには前記逆流防止ダイオードにより電流が流れず、かつそれに重ね巻きされた前記二次コイルにはフライバック電流が流れるように構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の三相交流用スイッチング電源。

【請求項4】

前記整流部が、２対の直列接続された正側ダイオードと負側ダイオードを有し、直列接続された各対のダイオードの接続点が二次コイルの各端とそれぞれ接続されており、
２つの前記正側ダイオードの各々のカソードに２つのリアクトルの各々の一端がそれぞれ接続されると共に、２つの該リアクトルの各々の他端が前記平滑部の平滑コンデンサの正極端に接続されており、かつ、
２つの前記負側ダイオードの各々のアノードが前記平滑部の平滑コンデンサの負極端に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の三相交流用スイッチング電源。

【請求項5】

前記整流部が、２対の直列接続された正側ダイオードと負側ダイオードを有し、直列接続された各対のダイオードの接続点が二次コイルの各端とそれぞれ接続されており、
２つの前記負側ダイオードの各々のアノードに２つのリアクトルの各々の一端がそれぞれ接続されると共に、２つの該リアクトルの各々の他端が前記平滑部の平滑コンデンサの負極端に接続されており、かつ、
２つの前記正側ダイオードの各々のカソードが前記平滑部の平滑コンデンサの正極端に接続されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の三相交流用スイッチング電源。

【請求項6】

３つの脚の各々にそれぞれ巻かれたリアクトルを有し、三相交流の各相の入力端子に各リアクトルの一端がそれぞれ接続された三相リアクトルと、
各相の前記リアクトルにそれぞれ直列接続された各相のスイッチング素子と、
各相の前記リアクトルの他端にそれぞれ接続された各相の整流ダイオードと、
各相の前記整流ダイオードに接続された平滑コンデンサと、を有する三相交流用スイッチング電源において、
各相の前記スイッチング素子は、各相の前記リアクトルに印加される入力電圧が正電圧のときに同じＰＷＭ信号によりオンオフ制御されると共に入力電圧が負電圧のときはオフ状態に保持され、
各相の前記リアクトルにオン期間に流れる電流とは逆方向の電流を阻止するための逆流防止ダイオードを有することを特徴とする三相交流用スイッチング電源。

【請求項7】

オンオフ制御のオン期間において、
オンオフ制御されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記リアクトルには該スイッチング素子を通る電流が流れると共に、
オフ状態に保持されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記リアクトルには電流が流れないように構成されていることを特徴とする請求項６に記載の三相交流用スイッチング電源。

【請求項8】

オンオフ制御のオフ期間において、
オンオフ制御されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記リアクトルには電流が流れて前記整流ダイオードを通して出力され、
オフ状態に保持されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記リアクトルには前記逆流防止ダイオードにより電流が流れないように構成されていることを特徴とする請求項６又は７に記載の三相交流用スイッチング電源。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、スイッチング電源に関し、特に力率の良好な三相交流用スイッチング電源に関する。

【背景技術】

【0002】

交流を直流に電力変換するスイッチング電源の入力段に、特許文献１〜３等の力率改善回路を用いたものが知られている。力率改善回路は、例えば正弦波の入力電圧に対してできるだけ位相の一致した正弦波の電流を入力させる回路である。力率改善回路は、通常、非絶縁型の昇圧コンバータで構成されている。従って、力率改善回路の後段に絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータを配置したツーコンバータ方式で１つの絶縁型スイッチング電源を構成することが一般的である。絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータの代表的な方式として、フォワード方式とフライバック方式がある。大出力電源にはフォワード方式が適している。

【0003】

一方、特許文献４、５等のように、力率改善機能を備えた絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータであるワンコンバータ方式も知られている。ワンコンバータ方式の絶縁型ＤＣ／ＤＣコンバータは、昇圧コンバータと実質的に同じ動作をするフライバック方式で構成されている。フライバック方式は力率改善機能を有するが、大出力電源には適していない。

【0004】

三相交流を直流に電力変換する場合も、上記と同様である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開平５−１１１２４６号公報

【特許文献2】特開２００７−３７２９７号公報

【特許文献3】特開２０１５−２３７２２号公報

【特許文献4】特開平５−２３６７４９号公報

【特許文献5】特開２００２−３００７８０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

交流の全波整流電圧が入力される場合に力率の良好なスイッチング電源として、絶縁型ではフライバック方式が、非絶縁型では昇圧コンバータが採用される。一方、スイッチング電源の大出力化を実現するためには、スイッチングのオン期間もオフ期間も電流を出力可能なフォワード方式が適している。しかしながら、フォワード方式のスイッチング電源では、オン期間に二次コイルに生じる起電力が、出力端子に並列接続された平滑コンデンサＣの電圧を超えるときにのみ負荷電流を出力することができる。従って、交流の全波整流電圧が入力される場合、入力電圧の小さい範囲では二次側に負荷電流が流れないため、それと対になる一次側の入力電流も流れない。この結果、力率が悪化する。

【0007】

以上の現状から、本発明は、三相交流用スイッチング電源において、大出力化を実現すると共に力率を良好とすることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0008】

上記の目的を達成するべく、本発明は、以下の構成を提供する。
・ 本発明の第１の態様は、３つの脚の各々にそれぞれ重ね巻きされた一次コイルと二次コイルとを有し、三相交流の各相の入力端子に各一次コイルの一端がそれぞれ接続された三相トランスと、
各相の前記一次コイルにそれぞれ直列接続された各相のスイッチング素子と、
各相の前記二次コイルにそれぞれ接続された各相の整流部及び平滑部と、を有する三相交流用スイッチング電源において、
各相の前記スイッチング素子は、各相の前記一次コイルに印加される入力電圧が正電圧のときに同じＰＷＭ信号によりオンオフ制御されると共に入力電圧が負電圧のときはオフ状態に保持され、
各相の前記一次コイルにオン期間に流れる電流とは逆方向の電流を阻止するための各相の逆流防止ダイオードを有することを特徴とする。
・ 上記第１の態様において、オンオフ制御のオン期間において、
オンオフ制御されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記一次コイルに入力電流が流れ、かつそれに重ね巻きされた前記二次コイルにはフォワード電流が流れると共に、
オフ状態に保持されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記一次コイルには入力電流が流れず、かつそれに重ね巻きされた前記二次コイルには、入力電流が流れる他相の一次コイルからの磁束により生じた起電力によりフォワード電流が流れるように構成されていることが、好適である。
・ 上記第１の態様において、オンオフ制御のオフ期間において、
オンオフ制御されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記一次コイルには前記逆流防止ダイオードにより電流が流れず、かつそれに重ね巻きされた前記二次コイルにはフライバック電流が流れると共に、
オフ状態に保持されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記一次コイルには前記逆流防止ダイオードにより電流が流れず、かつそれに重ね巻きされた前記二次コイルにはフライバック電流が流れるように構成されていることが、好適である。
・ 上記第１の態様において、前記整流部が、２対の直列接続された正側ダイオードと負側ダイオードを有し、直列接続された各対のダイオードの接続点が二次コイルの各端とそれぞれ接続されており、
２つの前記正側ダイオードの各々のカソードに２つのリアクトルの各々の一端がそれぞれ接続されると共に、２つの該リアクトルの各々の他端が前記平滑部の平滑コンデンサの正極端に接続されており、かつ、
２つの前記負側ダイオードの各々のアノードが前記平滑部の平滑コンデンサの負極端に接続されていることが、好適である。
・ 上記第１の態様において、前記整流部が、２対の直列接続された正側ダイオードと負側ダイオードを有し、直列接続された各対のダイオードの接続点が二次コイルの各端とそれぞれ接続されており、
２つの前記負側ダイオードの各々のアノードに２つのリアクトルの各々の一端がそれぞれ接続されると共に、２つの該リアクトルの各々の他端が前記平滑部の平滑コンデンサの負極端に接続されており、かつ、
２つの前記正側ダイオードの各々のカソードが前記平滑部の平滑コンデンサの正極端に接続されていることが、好適である。
・ 本発明の第２の態様は、３つの脚の各々にそれぞれ巻かれたリアクトルを有し、三相交流の各相の入力端子に各リアクトルの一端がそれぞれ接続された三相リアクトルと、
各相の前記リアクトルにそれぞれ直列接続された各相のスイッチング素子と、
各相の前記リアクトルの他端にそれぞれ接続された各相の整流ダイオードと、
各相の前記整流ダイオードに接続された平滑コンデンサと、を有する三相交流用スイッチング電源において、
各相の前記スイッチング素子は、各相の前記リアクトルに印加される入力電圧が正電圧のときに同じＰＷＭ信号によりオンオフ制御されると共に入力電圧が負電圧のときはオフ状態に保持され、
各相の前記リアクトルにオン期間に流れる電流とは逆方向の電流を阻止するための逆流防止ダイオードを有することを特徴とする。
・ 上記第２の態様において、オンオフ制御のオン期間において、
オンオフ制御されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記リアクトルには該スイッチング素子を通る電流が流れると共に、
オフ状態に保持されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記リアクトルには電流が流れないように構成されていることが、好適である。
・ 上記第２の態様において、オンオフ制御のオフ期間において、
オンオフ制御されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記リアクトルには電流が流れて前記整流ダイオードを通して出力され、
オフ状態に保持されている各相の前記スイッチング素子に直列接続された前記リアクトルには前記逆流防止ダイオードにより電流が流れないように構成されていることが、好適である。

【発明の効果】

【0009】

本発明による三相交流用スイッチング電源は、スイッチング素子に対し所定のオンオフ制御を行うと共に、スイッチング素子に対し逆流防止ダイオードを設けたことにより、入力側への還流を阻止して三相トランス又は三相リアクトルに可能な限り磁気エネルギーを蓄積し、蓄積された磁気エネルギーを出力することができる。また、三相トランス又は三相リアクトルに蓄積された磁気エネルギーをフライバック電流により出力させることにより、良好な力率を実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】図１は、本発明の絶縁型の三相交流用スイッチング電源の第１実施形態の回路例を概略的に示した図である。

【図1A】図１の回路例において省略した部分を示した回路例である。

【図1B】図１の回路例において二次側の別の回路例を示した図である。

【図2】図２は、図１の回路例における正電圧の２相のオン期間の電流を示している。

【図3】図３は、図２に示したオン期間における三相トランスの状態を模式的に示した図である。

【図4】図４は、図１の回路例における正電圧の２相のオフ期間の電流を示している。

【図5】図５は、図１の回路例における概略的なタイミング図である。

【図6】図６は、本発明の非絶縁型の三相交流用スイッチング電源の第２実施形態の回路例を概略的に示した図である。

【図7】図７は、図６の回路例における正電圧の２相のオン期間の電流を示している。

【図8】図８は、図６に示したオン期間における三相リアクトルの状態を模式的に示した図である。

【図9】図９は、図６の回路例における正電圧の２相のオフ期間の電流を示している。

【図10】図１０は、図６の回路例における概略的なタイミング図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、例として示した図面を参照して、本発明の三相交流用スイッチング電源の実施の形態を説明する。
（１）第１実施形態（絶縁型）
（１−１）第１実施形態の回路例の構成
図１は、本発明の第１実施形態である絶縁型の三相交流用スイッチング電源の回路例を概略的に示した図である。図１Ａは、図１の回路例において省略した点線囲みの部分の一例を詳細に示した回路例である。

【0012】

＜三相トランスＴの一次側の構成＞
図１の三相交流用スイッチング電源は、三相交流電圧が入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔに入力される。ここでの三相交流電圧は、例えば、系統電源の５０Ｈｚ若しくは６０Ｈｚ又は各種の発電装置で生成される数Ｈｚ〜数ｋＨｚ程度の周波数を有する正弦波である。

【0013】

トランスＴは、３つの脚を有する三相トランスである。３つの脚の各々に、一次コイルＮ１と二次コイルＮ２、一次コイルＮ３と二次コイルＮ４、及び、一次コイルＮ５と二次コイルＮ６がそれぞれ同極性に重ね巻きされている（コイルの巻き始端を黒丸で示す）。各相の一次コイルＮ１、Ｎ２、Ｎ３の一端は、各相の入力端子にそれぞれ接続されている。

【0014】

各相の一次コイルＮ１、Ｎ２、Ｎ３の他端には、直列接続された各相の逆流防止ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３とスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３がそれぞれ接続されている。各相のスイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、各相の一次コイルＮ１、Ｎ２、Ｎ３に流れる電流を導通又は遮断するべく、各々の制御端子にＰＷＭ信号を入力されることによりオンオフ制御される。スイッチング素子Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３は、ここではｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（以下ＦＥＴと称する）であり、制御端子はゲートである。ＰＷＭ信号の周波数は、三相交流の周波数よりも高い数十ｋＨ〜数百ｋＨである。

【0015】

なお、スイッチング素子は、ＭＯＳＦＥＴ以外にＩＧＢＴ又はバイポーラトランジスタでもよい（以下の実施形態においても同じ）。

【0016】

逆流防止ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３の極性は、ＦＥＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３のボディダイオードのそれとは逆方向である。すなわち、図示の場合、アノードが各相の一次コイルＮ１、Ｎ２、Ｎ３の他端に、カソードがＦＥＴＱ１、Ｑ２、Ｑ３のドレインに接続されている。各相の逆流防止ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３は、図示の位置に限らず、各相の入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔから一次コイルＮ１、Ｎ３、Ｎ５を経由して接地端までの電流路上であれば挿入することができる。

【0017】

さらに、各相の入力端子と接地端の間には、還流ダイオードＤ１６、Ｄ１７、Ｄ１８がそれぞれ接続されている。これらの還流ダイオードＤ１６、Ｄ１７、Ｄ１８は、アノードが各相共通の接地端に接続され、カソードが各相の入力端子に接続されている。従って、トランスＴの一次コイルＮ１、Ｎ２、Ｎ３への各相の入力電圧は、還流ダイオードＤ１６、Ｄ１７、Ｄ１８により負電圧側をクランプされる。

【0018】

＜スイッチング素子のオンオフ制御回路の構成＞
図１Ａは、図１の回路における符号１０、２０、３０の部分の一例を詳細に示した回路図である。これらの部分は同じ構成であるので、例としてＲ相の回路を説明する。図示しない制御部によりＰＷＭ信号Ｖｇが生成される。ＰＷＭ信号Ｖｇは各相に共通の１つの電圧信号であり、所定の周波数とデューティ比をもつ。このＰＷＭ信号Ｖｇの入力端は、ｐ型トランジスタＱ１１のエミッタに接続されている。トランジスタＱ１１のコレクタはＦＥＴＱ１のゲートに接続されている。一方、Ｒ相の入力電圧の分圧が、ｎ型トランジスタＱ１２のベースに印加される。トランジスタＱ１２のコレクタは抵抗を介してトランジスタＱ１１のベースに接続され、エミッタは接地されている。

【0019】

Ｒ相の入力電圧が負電圧のとき、トランジスタＱ１１はオフ状態であり、よってトランジスタＱ１２もオフ状態である。このとき、ＰＷＭ信号Ｖｇは遮断されてＦＥＴＱ１ゲートに印加されない。よって、Ｒ相の入力電圧が負電圧のとき、ＦＥＴＱ１はオフ状態に保持される。

【0020】

Ｒ相の入力電圧が正電圧のとき、トランジスタＱ１１及びトランジスタＱ１２がオン状態となることにより、ＰＷＭ信号ＶｇがＦＥＴＱ１のゲートに印加される。よって、Ｒ相の入力電圧が正電圧のとき、ＦＥＴＱ１はＰＷＭ信号Ｖｇによりオンオフ制御される。

【0021】

このように、本回路では、三相交流の各相の入力電圧が正電圧のときにのみ、各相のスイッチング素子がオンオフ制御され、各相の入力電圧が負電圧のときは各相のスイッチング素子はオフ状態に保持される。

【0022】

＜三相トランスの二次側の構成＞
三相トランスＴの二次側には、整流部及びその後段の平滑部が各相毎に配置されている。各相の回路構成は同じであるので、Ｒ相を例として二次側の回路構成を説明する。整流部は、４つのダイオードＤ４、Ｄ５、Ｄ６、Ｄ７からなるブリッジ整流回路を基本とする形態である。第１の対の正側ダイオードＤ４と負側ダイオードＤ６が直列接続され、第２の対の正側ダイオードＤ５と負側ダイオードＤ７が直列接続されている。直列接続された第１の対のダイオードＤ４、Ｄ６の接続点は二次コイルＮ２の一端に接続され、直列接続された第２の対のダイオードＤ５、Ｄ７の接続点は二次コイルＮ２の他端に接続されている。

【0023】

通常のブリッジ整流回路とは異なり、図１の構成では、正側ダイオードＤ４、Ｄ５のカソードが互いに接続されていない。一方の正側ダイオードＤ４のカソードは、第１のリアクトルＬ１の一端に接続され、他方の正側ダイオードＤ５のカソードは、第２のリアクトルＬ２の一端に接続されている。第１のリアクトルＬ１と第２のリアクトルＬ２の各々のインダクタンスは、実質的に同じ値とする。

【0024】

第１のリアクトルＬ１及び第２のリアクトルＬ２の各々の他端は、平滑コンデンサＣの正極端に接続されており、この点は正の出力端子ｐでもある。

【0025】

また、２つの負側ダイオードＤ６、Ｄ７の各々のアノードは、平滑コンデンサＣの負極端に接続されており、この点は負の出力端子ｎでもある。

【0026】

＜三相トランス二次側の別の実施形態＞
図１Ｂは、図１の回路における二次側の整流部及び平滑部の別の構成例である。Ｒ相の部分のみについて示すが、他の２相についても同じ構成である。図１Ｂの構成における整流部も、図１と同様に４つのダイオードＤ４〜Ｄ７からなるブリッジ整流回路を基本とする形態である。第１の対の正側ダイオードＤ４と負側ダイオードＤ６が直列接続され、第２の対の正側ダイオードＤ５と負側ダイオードＤ７が直列接続されている。直列接続された第１の対のダイオードＤ４、Ｄ６の接続点は二次コイルＮ２の一端に接続され、直列接続された第２の対のダイオードＤ４、Ｄ６の接続点は二次コイルＮ２の他端に接続されている。

【0027】

図１Ｂの構成では、負側ダイオードＤ６、Ｄ７のアノードが、通常のブリッジ整流回路とは異なり互いに接続されていない。一方の負側ダイオードＤ６のアノードは、第１のリアクトルＬ１の一端に接続され、他方の負側ダイオードＤ７のアノードは、第２のリアクトルＬ２の一端に接続されている。第１のリアクトルＬ１と第２のリアクトルＬ２の各々のインダクタンスは、実質的に同じ値とする。

【0028】

第１のリアクトルＬ１及び第２のリアクトルＬ２の各々の他端は、平滑コンデンサＣの負極端に接続されており、この点は負の出力端子ｎでもある。

【0029】

また、２つの正側ダイオードＤ４、Ｄ５の各々のカソードは、平滑コンデンサＣの正極端に接続されており、この点は正の出力端子ｐでもある。

【0030】

三相交流用スイッチング電源の第１の実施形態の二次側回路は、図１及び図１Ｂに示した回路以外にも多様に構成することができる。二次側回路は、基本的にフォワード形式で構成することが好適である。オン期間にフォワード電流が流れ、オフ期間に外付けリアクトルの磁気エネルギーを放出するリアクトル電流が流れると共に、二次コイルに生じる逆起電力によりフライバック電流が流れることができる構成を備えていればよい。二次コイルにフライバック電流が流れる動作については、以下で説明する。

【0031】

（１−２）第１実施形態の動作
図２〜図５を参照して、第１の実施形態の回路例の動作を説明する。図５（ａ）は、三相トランスＴへの三相交流の入力電圧波形を示している。図５（ａ）の通り、３つの相のうち２相が正電圧で１相が負電圧の期間と、３つの相のうち１相が正電圧で２相が負電圧の期間がある。これらの２つの期間の動作について本質的な相違はなく、いずれか一方の期間について説明すれば、他方の期間の動作も理解できる。

【0032】

以下では、３つの相のうち２相が正電圧で１相が負電圧の期間を例として、図５（ａ）に点線で示した範囲の動作について説明する。すなわち、Ｒ相とＳ相が正電圧、Ｔ相が負電圧のときである。図５（ｂ）〜（ｍ）は、この範囲を拡大して模式的に示したタイミング図である。この範囲では、Ｒ相とＳ相のスイッチング素子が同じＰＷＭ信号によりオンオフ制御される一方、Ｔ相のスイッチング素子は常にオフ状態に保持される。以下、Ｒ相及びＳ相のオンオフ制御におけるオン期間とオフ期間の動作について説明する。

【0033】

＜Ｒ相、Ｓ相：オン期間（Ｔ相はオフ状態に保持）の動作＞
図２は、Ｒ相及びＳ相のＦＥＴＱ１、Ｑ２のオン期間において、図１の回路に流れる電流を矢印付き実線で示している。図３は、このオン期間の三相トランスＴの状態を模式的に表した図である。

【0034】

図２に示すように、ＦＥＴＱ１がオンになると、Ｒ相の一次コイルＮ１に電流ｉ１が流れる（図５（ｃ）参照）。この電流ｉ１は、逆流防止ダイオードＤ１の順方向に流れ、還流ダイオードＤ１８を介して入力端子Ｔに還流する。一次コイルＮ１に電流ｉ１が流れる結果、相互誘導により二次コイルＮ２に起電力（電圧を意味する）が発生し、電流ｉ２が流れる。電流ｉ２は、ダイオードＤ７→二次コイルＮ２→ダイオードＤ４→リアクトルＬ１の経路で流れ、出力端子ｐから出力され負荷に供給される（図５（ｄ）（ｅ）参照）。電流ｉ２は、トランスＴの相互誘導によるフォワード電流である。電流ｉ２により第１のリアクトルＬ１は励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。ダイオードＤ５、Ｄ６は逆バイアスとなるため電流が流れない。

【0035】

ここで、定常状態における平滑コンデンサＣは、リップル変動を除いてほぼ一定の電圧で充電されている。従って、電流ｉ２は、二次コイルＮ２の起電力が平滑コンデンサＣの電圧を超えたときにのみ流れることができる。Ｒ相の入力電圧の小さい範囲では、二次コイルＮ２の起電力も小さいため、フォワード電流ｉ２は出力端子に出力されない。これはフォワード動作の特徴であり、力率を低下させることとなる。

【0036】

Ｓ相についても、Ｒ相と同様の動作となる。一次コイルＮ３に電流ｉ３が流れ（図５（ｇ）参照）、還流ダイオードＤ１８を介して入力端子Ｔに還流する。二次コイルＮ４にはフォワード電流ｉ４が流れ、第１のリアクトルＬ３を通って出力端子ｐに出力される（図５（ｈ）（ｉ）参照）。

【0037】

ここで、図３を参照すると、三相トランスＴにおいて一次コイルＮ１、Ｎ３に電流ｉ１、ｉ３が流れることにより磁束φ１、φ２が生じ、コアを介してＴ相の一次コイルＮ５及び二次コイルＮ６の巻かれた脚に流れ込む。この結果、一次コイルＮ５には逆流防止ダイオードＤ３の順バイアスとなる起電力が生じるが、ＦＥＴＱ３がオフであるので一次コイルＮ５に電流は流れない（図５（ｋ）参照）。一方、二次コイルＮ６に生じた起電力により、図２に示す電流ｉ５が流れる。電流ｉ５は、ダイオードＤ１４→二次コイルＮ６→ダイオードＤ１３→リアクトルＬ６の経路で流れ、出力端子ｐから出力され負荷に供給される（図５（ｌ）（ｍ）参照）。電流ｉ５はフォワード電流である。

【0038】

＜Ｒ相、Ｓ相：オフ期間（Ｔ相はオフ状態に保持）の動作＞
次に、図４は、Ｒ相及びＳ相のＦＥＴＱ１、Ｑ２のオフ期間において、図１の回路に流れる電流を矢印付き点線で示している。

【0039】

Ｒ相については、ＦＥＴＱ１がオフになると、一次コイルＮ１の電流ｉ１が遮断され、一次コイルＮ１及び二次コイルＮ２に逆起電力がそれぞれ発生する。一次コイルＮ１の逆起電力は、ＦＥＴＱ１のボディダイオードに対して順バイアスであるが、逆流防止ダイオードＤ１が電流路に挿入されているため電流は流れない（図５（ｃ）参照）。すなわち、入力側への還流は阻止される。この結果、仮に逆流防止ダイオードＤ１がない場合には入力側に戻されるエネルギーが、三相トランスＴに留まる。

【0040】

一方、二次コイルＮ２の逆起電力により、巻き始端が低電位、巻き終端が高電位となる。第１のリアクトルＬ１はオン期間と同方向の電流を維持しようとするので、ダイオードＤ６→ダイオードＤ４→リアクトルＬ１の経路で電流ｉ６が流れ、出力端子ｐに出力され負荷に供給される（図５（ｅ）参照）。これにより、オン期間に第１のリアクトルＬ１に蓄積された磁気エネルギーが放出される。ダイオードＤ７は逆バイアスとなる。

【0041】

さらに、二次コイルＮ２の逆起電力により、ダイオードＤ６が順バイアスとなり、ダイオードＤ６→二次コイルＮ２→ダイオードＤ５→リアクトルＬ２の経路で電流ｉｆｂが流れ、出力端子ｐに出力され負荷に供給される（図５（ｄ）（ｆ）参照）。電流ｉｆｂは、三相トランスＴの相互誘導によるものではなく、一次側の逆流防止ダイオードＤ１により還流が阻止されたために三相トランスＴに留められた磁気エネルギーの放出によるものである。従って電流ｉｆｂは、フライバック電流である。

【0042】

フライバック電流ｉｆｂは、フォワード電流ｉ２とは異なり、入力電圧が小さく二次コイルＮ２に発生する逆起電力が小さいときであっても、逆起電力の大きさに応じた大きさで出力端子ｐへ出力される。従って、正弦波の入力電圧においては、入力電圧が小さい範囲においてもフライバック電流ｉｆｂが流れることによって力率が改善される。本回路は、基本的にフォワード形式であるが、フライバック電流ｉｆｂも流れることができるので力率改善機能を備えている。これは、一次側に逆流防止ダイオードＤ１を設けたことにより実現されている。

【0043】

また、本回路では入力側への還流が無い替わりに二次コイルＮ２にフライバック電流ｉｆｂが流れることにより、三相トランスＴの磁気リセットが行われる。従って、本回路においても三相トランスＴの磁気飽和を回避することができる。

【0044】

Ｓ相についても、Ｒ相と同様の動作となる。一次コイルＮ３の電流が遮断されると、一次コイルＮ３に逆起電力が生じるが、逆流防止ダイオードＤ２により還流が阻止される（図５（ｇ））。一方、二次側では、第１のリアクトルＬ３の磁気エネルギーを放出する電流ｉ７が流れ（図５（ｉ）参照）、一方、二次コイルＮ４に生じた逆起電力によりフライバック電流ｉｆｂが流れ、第２のリアクトルＬ４を通って出力端子ｐに出力される（図５（ｈ）（ｊ）参照）。

【0045】

Ｔ相については、図３に示したオン期間に他の相の脚から流れ込んでいた磁束φ１、φ２が消失することにより、一次コイルＮ５及び二次コイルＮ６に逆起電力を生じる。一次コイルＮ５に生じる逆起電力は、逆流防止ダイオードＤ３の逆バイアスであるため電流は流れない（図５（ｋ）参照）。一方、二次コイルＮ６に生じた逆起電力によりフライバック電流ｉｆｂが流れ、第１のリアクトルＬ５を通って出力端子ｐに出力される（図５（ｌ）（ｎ）参照）。

【0046】

以上の図１の回路の動作において、オフ期間に各相の二次コイルＮ２、Ｎ４、Ｎ６にそれぞれ流れるフライバック電流ｉｆｂは、一次側に逆流防止ダイオードＤ１、Ｄ２、Ｄ３を設けたことにより三相トランスＴに留められた磁気エネルギーが放出されることによるものである。これにより二次側への電力の伝達効率が向上する。また、フライバック電流ｉｆｂは、二次コイルＮ２、Ｎ４、Ｎ６の逆起電力の大きさによらず出力されるため、力率が改善される。

【0047】

なお、３つの相のうち１相が正電圧で２相が負電圧の期間、例えばＲ相が正電圧でＳ相及びＴ相が負電圧の期間については、Ｓ相の動作が上述した負電圧のＴ相の動作と同様になる。Ｒ相の動作及びＴ相の動作はそれぞれ上述した通りである。

【0048】

（２）第２実施形態（非絶縁型）
（２−１）第２実施形態の回路例の構成
図６は、本発明の第２実施形態である非絶縁型の三相交流用スイッチング電源の回路例を概略的に示した図である。図６では省略しているが、点線囲みの符号１０、２０、３０で示した部分は、図１Ａに示した回路と同じ構成を有する。

【0049】

図６の三相交流用スイッチング電源は、三相交流電圧が入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔに入力される。三相リアクトル３φＲは、３つの脚を有する。３つの脚の各々に、リアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３がそれぞれ巻かれている。各相のリアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３一端は、各相の入力端子Ｒ、Ｓ、Ｔにそれぞれ接続されている。各相のリアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の他端には、直列接続された各相の逆流防止ダイオードＤ２１、Ｄ２２、Ｄ２３とスイッチング素子Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ２３がそれぞれ接続されている。

【0050】

各相のスイッチング素子Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ２３は、各相のリアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３に流れる電流を導通又は遮断するべく、各々の制御端子にＰＷＭ信号を入力されることによりオンオフ制御される。スイッチング素子Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ２３は、ここではｎチャネルＭＯＳＦＥＴ（以下ＦＥＴと称する）であり、制御端子はゲートである。

【0051】

逆流防止ダイオードＤ２１、Ｄ２２、Ｄ２３の極性は、ＦＥＴＱ２１、Ｑ２２、Ｑ２３のボディダイオードのそれとは逆方向である。すなわち、図示の場合、アノードが各相のリアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の他端に、カソードが各相のＦＥＴＱ２１、Ｑ２２、Ｑ２３のドレインに接続されている。

【0052】

さらに、各相の入力端子と接地端の間には、還流ダイオードＤ２７、Ｄ２８、Ｄ２９がそれぞれ接続されている。これらの還流ダイオードＤ２７、Ｄ２８、Ｄ２９は、アノードが各相共通の接地端に接続され、カソードが各相の入力端子に接続されている。従って、リアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３への各相の入力電圧は、還流ダイオードＤ２７、Ｄ２８、Ｄ２９により負電圧側をクランプされている。

【0053】

さらに、各相のリアクトルＬ１１、Ｌ１２、Ｌ１３の他端には、各相の整流ダイオードＤ２４、Ｄ２５、Ｄ２６のアノードがそれぞれ接続されている。各相の整流ダイオードＤ２４、Ｄ２５、Ｄ２６のカソードは、平滑コンデンサＣの正極端に接続されており、この点は正の出力端子ｐでもある。各相のＦＥＴＱ２１、Ｑ２２、Ｑ２３のソースは、平滑コンデンサＣの負極端に接続されており、この点は接地端であり負の出力端子ｎでもある。

【0054】

（２−２）第２実施形態の動作
図７〜図１０を参照して、第２の実施形態の回路例の動作を説明する。図１０（ａ）は、上述した図５（ａ）と同じく三相リアクトル３φＲへの三相交流の入力電圧波形を示している。３つの相のうち２相が正電圧で１相が負電圧の期間と、３つの相のうち１相が正電圧で２相が負電圧の期間があるが、これらの期間の動作に実質的な相違はない。

【0055】

以下、例として、図１０（ａ）に点線で示した範囲の動作について説明する。すなわち、Ｒ相とＳ相が正電圧、Ｔ相が負電圧のときである。図１０（ｂ）〜（ｅ）は、この範囲を拡大して模式的に示したタイミング図である。この範囲では、Ｒ相とＳ相のスイッチング素子が同じＰＷＭ信号によりオンオフ制御される一方、Ｔ相のスイッチング素子は常にオフ状態に保持される。以下、Ｒ相及びＳ相のオンオフ制御におけるオン期間とオフ期間の動作について説明する。

【0056】

＜Ｒ相、Ｓ相：オン期間（Ｔ相はオフ状態に保持）の動作＞
図７は、Ｒ相及びＳ相のＦＥＴＱ２１、Ｑ２２のオン期間において、図６の回路に流れる電流を矢印付き実線で示している。図８は、このオン期間の三相リアクトル３φＲの状態を表した概略構成図である。

【0057】

図７に示すように、ＦＥＴＱ２１がオンになると、Ｒ相のリアクトルＬ１１に電流ｉ１が流れる（図１０（ｃ）参照）。この電流ｉ１は、逆流防止ダイオードＤ２１の順方向に流れ、還流ダイオードＤ２９を介して入力端子Ｔに還流する。リアクトルＬ１１は励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。

【0058】

Ｓ相についても、Ｒ相と同様の動作となる。リアクトルＬ１２に電流ｉ２が流れ（図１０（ｄ）参照）、還流ダイオードＤ２９を介して入力端子Ｔに還流する。リアクトルＬ１２は励磁されて磁気エネルギーが蓄積される。

【0059】

ここで、図８を参照すると、三相リアクトル３φＲにおいて、オン期間にリアクトルＬ１１、Ｌ１２に電流ｉ１、ｉ２が流れることにより磁束φ１、φ２が生じ、コアを介してＴ相のリアクトルＬ１３の巻かれた脚に流れ込む。この結果、リアクトルＬ１３には逆流防止ダイオードＤ２３の順バイアスとなる起電力が生じるが、ＦＥＴＱ２３がオフであるのでＦＥＴＱ２３には電流は流れない（図１０（ｅ）参照）。その替わり、リアクトルＬ１３に生じた起電力により、図７に示す電流ｉ５が流れる（図８には電流ｉ５は示していない）。電流ｉ５は、ダイオードＤ２９→リアクトルＬ１３→ダイオードＤ２６→の経路で流れ、出力端子ｐから出力され負荷に供給される（図１０（ｅ）参照）。電流ｉ５はフォワード電流である。これによりリアクトルＬ１３に磁束が蓄積される。

【0060】

＜Ｒ相、Ｓ相：オフ期間（Ｔ相はオフ状態に保持）の動作＞
次に、図９は、Ｒ相及びＳ相のＦＥＴＱ２１、Ｑ２２のオフ期間において、図１の回路に流れる電流を矢印付き点線で示している。

【0061】

Ｒ相については、ＦＥＴＱ２１がオフになると、リアクトルＬ１１の電流ｉ１が遮断され、逆起電力が発生する。リアクトルＬ１１の逆起電力により、ダイオードＤ２４を通してフライバック電流ｉｆｂが流れ、出力される。（図１０（ｃ）参照）。これにより、オン期間にリアクトルＬ１１に蓄積された磁気エネルギーが放出される。なお、第２の実施形態は非絶縁型であるが、絶縁型におけるフライバック電流に相当する電流を便宜上「フライバック電流」と称することとする。

【0062】

フライバック電流ｉｆｂは、入力電圧が小さくリアクトルＬ１１に発生する逆起電力が小さいときであっても、逆起電力の大きさに応じた大きさで出力端子ｐへ出力される。従って、正弦波の入力電圧の場合、入力電圧が小さい範囲においてもフライバック電流ｉｆｂが流れるので力率は良好である。

【0063】

Ｓ相についても、Ｒ相と同様の動作となる。リアクトルＬ１２の電流ｉ２が遮断されると、リアクトルＬ１２に逆起電力が生じ、ダイオードＤ２５を通してフライバック電流ｉｆｂが流れ、出力される。（図１０（ｄ）参照）。これにより、オン期間にリアクトルＬ１２に蓄積された磁気エネルギーが放出される。

【0064】

Ｔ相については、図８に示したオン期間に他の相の脚から流れ込んでいた磁束φ１、φ２が消失することにより、リアクトルＬ１３に逆起電力を生じる。リアクトルＬ１３に生じる逆起電力は、逆流防止ダイオードＤ３の逆バイアスであるため電流は流れない（図１０（ｅ）参照）。これにより、リアクトルＬ１３に磁気エネルギーが留められる。

【0065】

なお、オン期間にＴ相のリアクトルＬ１３に蓄積された磁気エネルギー、及び、オフ期間にＴ相のリアクトルＬ１３に留められた磁気エネルギーは、オフ期間にＲ相及びＳ相のリアクトルＬ１１、Ｌ１２からフライバック電流ｉｆｂが出力されることによって放出される。

【0066】

仮に逆流防止ダイオードＤ３がない場合、オフ時にリアクトルＬ１３に還流が流れてしまうために三相リアクトル３φＲの磁束が減少し難くなり、蓄積された磁気エネルギーを放出し難くなる。逆流防止ダイオードＤ３があることによって、三相リアクトル３φＲに蓄積されたエネルギーをフライバック電流ｉｆｂにより放出し易くなる。

【0067】

（５）まとめ
本発明の三相交流用スイッチング電源は、絶縁型の場合、基本的にフォワード方式の動作を有することにより大出力に適用可能である。加えて、入力電圧が負電圧である相のスイッチング素子がオフに保持されると共にスイッチング素子と直列接続された逆流防止ダイオードを設けたことによって所定の電流が阻止され、それによってトランスに蓄積された磁気エネルギーがフライバック電流により放出される。フライバック電流が流れることにより力率が改善される。よって、大出力のワンコンバータ方式の絶縁型スイッチング電源として好適である。力率改善機能を備えかつ回路の構成を簡素化できると共に、絶縁型であるので安全性が確保される。

【0068】

また図１及び図１Ｂの回路に示したように、トランスの二次側において、通常のフォワード方式におけるリアクトルを並列な２回路に分割することにより、電流供給能力が増えると共に、一次側の駆動負担が軽減される。

【0069】

さらに本発明の三相交流用スイッチング電源は、非絶縁型の場合、入力電圧が負電圧である相のスイッチング素子がオフに保持されると共にスイッチング素子と直列接続された逆流防止ダイオードを設けたことによって所定の電流が阻止され、それによって三相リアクトルに蓄積された磁気エネルギーがフライバック電流により放出される。フライバック電流が流れることにより良好な力率が得られる。

【0070】

以上に説明した本発明の絶縁型スイッチング電源は、図示の構成例に限られず、本発明の主旨に沿う範囲において多様な変形が可能である。

【符号の説明】

【0071】

ｐ 正の出力端
ｎ 負の出力端
Ｔ トランス
Ｎ１、Ｎ３、Ｎ５ 一次コイル
Ｎ２、Ｎ４、Ｎ６ 二次コイル
Ｑ１、Ｑ２、Ｑ３ ＭＯＳＦＥＴ
Ｄ１、Ｄ２、Ｄ３ 逆流防止ダイオード
Ｄ４〜Ｄ１８ ダイオード
Ｌ１、Ｌ３、Ｌ５ 第１のリアクトル
Ｌ２、Ｌ４、Ｌ６ 第２のリアクトル
Ｒ、Ｓ、Ｔ 三相入力端子
３φＲ 三相リアクトル
Ｌ１１、Ｌ１２、Ｌ１３ リアクトル
Ｑ２１、Ｑ２２、Ｑ２３ ＭＯＳＦＥＴ
Ｄ２１、Ｄ２２、Ｄ２３ 逆流防止ダイオード
Ｄ２４〜Ｄ２９ ダイオード
Ｃ 平滑コンデンサ

【図1】

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】