特開 2022-52183 スイッチング電源装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2022052183

(43)【公開日】2022-04-04

(54)【発明の名称】スイッチング電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20220328BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 R

【審査請求】未請求

【請求項の数】3

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2020158405

(22)【出願日】2020-09-23

(71)【出願人】

【識別番号】000004606

【氏名又は名称】ニチコン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001841

【氏名又は名称】特許業務法人梶・須原特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】上杉 拓矛

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AA02

5H730AA20

5H730AS01

5H730BB23

5H730BB57

5H730DD04

5H730DD41

5H730EE04

5H730EE08

5H730EE59

5H730FD01

5H730FG05

(57)【要約】

【課題】高耐圧が要求される箇所において、直列に配列された２つのダイオードに印加される電圧のバランスを改善し、一方のダイオードに電圧の偏りが生じることを抑制する。
【解決手段】スイッチング電源装置１は、一次コイル３ａと二次コイル３ｂとを有するトランス３と、スイッチング素子Ｑを含み、一次コイル３ａ側にスイッチング電圧を供給するスイッチング回路１１と、二次コイル３ｂ側に設けられ、トランス３の交流出力を整流して負荷に出力する整流回路１４と、サージ電圧を抑制するため、一次コイル３ａに設けられたスナバ回路１３と、を備える。スナバ回路１３は、同一方向に直列に配列された２つのダイオードＤ３およびＤ４と、２つのダイオードＤ３およびＤ４の間に接続されたインダクタＬ２とからなる直列回路５０を含む。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

一次コイルと二次コイルとを有するトランスと、
スイッチング素子を含み、前記トランスの前記一次コイル側にスイッチング電圧を供給するスイッチング回路と、
前記二次コイル側に設けられ、前記トランスの交流出力を整流して負荷に出力する整流回路と、
サージ電圧を抑制するため、前記一次コイル側に設けられたスナバ回路と、を備え、
前記スナバ回路は、同一方向に直列に配列された２つのダイオードと、前記２つのダイオードの間に接続されたインダクタとからなる直列回路を含むことを特徴とするスイッチング電源装置。

【請求項2】

前記スナバ回路は、
アノードが前記直列回路と直列に電気的に接続された主ダイオードと、
一方端が前記主ダイオードと前記直列回路との電気的な接続点に接続されたコンデンサと
を有し、
前記主ダイオードのカソードが前記一次コイルの一端側に電気的に接続されるとともに、前記コンデンサの他方端が前記一次コイルの他端側に電気的に接続されている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】

前記直列回路の両端部のうち前記主ダイオードに電気的に接続された側と反対側の端部が前記スイッチング素子の電流路を構成する一方の出力端子に接続される一方、前記コンデンサの他方端が前記スイッチング素子の電流路を構成する他方の出力端子に接続されてい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。

【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に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、トランスと、トランスの一次側に設けられ、交流電圧をトランスに供給するスイッチング回路と、トランスの二次側に設けられ、トランスの交流出力電圧を整流する整流回路と、サージ電圧抑止回路（スナバ回路）とを有するスイッチング電源装置が記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００６－２１１８７８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

近年、スイッチング電源の性能向上に伴い、ダイオード部品の小型化が進み、高電圧に耐えられる高耐圧部品の供給が少なくなっている。一方において、スナバ回路などのように高耐圧部品が求められる箇所には、耐圧性能や逆回復時間などの特性が回路構成に対して適切となるように部品を選定することが重要である。回路構成に対して適切でない特性の部品を用いた場合、回路を構成する部品（素子）の発熱や破損の原因となる。

【0005】

上記のような素子の発熱や破損を防ぐために、スナバ回路においてダイオードを２個直列に接続する方法が考えられる。しかし、この場合、非導通時の電圧バランスが安定的でなく、一方のダイオードに電圧の偏りが生じてしまう。電圧バランスを改善する方法としては、抵抗やコンデンサをダイオードと並列に接続する方法が考えられる。しかし、ダイオードの近くにインダクタなどの受動素子が配置される構成の場合、インダクタから発生するサージ電圧の影響が支配的となり、電圧バランスを改善するという効果を得られないおそれがある。

【0006】

本発明の目的は、高耐圧が要求される箇所において、直列に配列された２つのダイオードに印加される電圧のバランスを改善し、一方のダイオードに電圧の偏りが生じることを抑制するスイッチング電源装置を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

第１の発明のスイッチング電源装置は、一次コイルと二次コイルとを有するトランスと、スイッチング素子を含み、前記トランスの前記一次コイル側にスイッチング電圧を供給するスイッチング回路と、前記二次コイル側に設けられ、前記トランスの交流出力を整流して負荷に出力する整流回路と、サージ電圧を抑制するため、前記一次コイル側に設けられたスナバ回路と、を備え、前記スナバ回路は、同一方向に直列に配列された２つのダイオードと、前記２つのダイオードの間に接続されたインダクタとからなる直列回路を含む。

【0008】

第１の発明によれば、高耐圧が要求される箇所において、直列に配列された２つのダイオードに印加される電圧のバランスを改善し、一方のダイオードに電圧の偏りが生じることを抑制することができる。また、一方のダイオードに印加される電圧が大きくなることを抑制できるため、それぞれのダイオードの耐圧性能が低くても破損や発熱を抑えることができ、部品の選択肢が増える。

【0009】

第２の発明のスイッチング電源装置は、第１の発明において、前記スナバ回路は、アノードが前記直列回路と直列に電気的に接続された主ダイオードと、一方端が前記主ダイオードと前記直列回路との電気的な接続点に接続されたコンデンサとを有し、前記主ダイオードのカソードが前記一次コイルの一端側に電気的に接続されるとともに、前記コンデンサの他方端が前記一次コイルの他端側に電気的に接続されている。

【0010】

第２の発明によれば、カソードが一次コイルの一端側に電気的に接続された主ダイオードと、一端が一次コイルの他端側に電気的に接続されたコンデンサとを有する、いわゆるＬＣＤスナバ回路について、直列に配列されたダイオードに印加される電圧のバランスを改善し、一方のダイオードに電圧の偏りが生じることを抑制することができる。

【0011】

第３の発明のスイッチング電源装置は、第２の発明において、前記直列回路の両端部のうち前記主ダイオードに電気的に接続された側と反対側の端部が前記スイッチング素子の電流路を構成する一方の出力端子に接続される一方、前記コンデンサの他方端が前記スイッチング素子の電流路を構成する他方の出力端子に接続されている。

【0012】

第３の発明では、ＬＣＤスナバ回路が、スイッチング素子の電流路を構成する２つの出力端子に接続されている。これにより、スイッチング電圧を供給するためにスイッチング素子のオンオフ制御を行うことに伴って発生するサージ電圧を、スナバ回路によって速やかに吸収することができる。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、高耐圧が要求される箇所において、直列に接続された２つのダイオードに印加される電圧のバランスを改善し、一方のダイオードに電圧の偏りが生じることを抑制することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本実施形態に係るスイッチング電源装置の回路図である。

【図2】比較例に係るスナバ回路の回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

まず、本発明の実施形態に係るスイッチング電源装置１の回路構成について、図１を参照しつつ以下に説明する。

【0016】

スイッチング電源装置１は、フォワード方式のスイッチング電源であり、一次コイル３ａおよび二次コイル３ｂを有するトランス３と、トランス３の一次コイル３ａ側に設けられた一次側回路４と、トランス３の二次コイル３ｂ側に設けられた二次側回路５とを含む。

【0017】

一次側回路４は、直流電源Ｅに接続される入力端子Ｔ１およびＴ２と、スイッチング回路１１と、制御回路１２と、スナバ回路１３と、を含む。一次コイル３ａの一端側は、入力端子Ｔ１およびスナバ回路１３の主ダイオードＤ２（後述）のカソードと電気的に接続されており、一次コイル３ａの他端側は、スナバ回路１３のコンデンサＣ１の他方端（後述）およびスイッチング素子ＱのドレインＤ（後述）と電気的に接続されている。

【0018】

スイッチング回路１１は、図１に示すように、スイッチング素子Ｑ、抵抗Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３およびダイオードＤ１を含む。本実施形態において、スイッチング素子Ｑは、ＮチャネルＭＯＳＦＥＴであり、一端がドレインＤ、他端がソースＳ、制御端がゲートＧである。本実施形態におけるソースＳおよびドレインＤが、それぞれ、本発明におけるスイッチング素子Ｑの電流路を構成する一方および他方の出力端子である。なお、ＦＥＴ以外のスイッチング素子としては、例えば、ＩＧＢＴや他のバイポーラトランジスタなどを用いることができる。この場合、２つの出力端子はエミッタおよびコレクタである。

【0019】

ドレインＤは、スナバ回路１３のコンデンサＣ１（後述）と接続されている。さらに、ドレインＤとコンデンサＣ１との電気的な接続点Ｐ１は、一次コイル３ａの他端側と接続されている。なお、ドレインＤとコンデンサＣ１との接続点Ｐ１と、一次コイル３ａの他端側との間には、インダクタＬ９が接続されている。ソースＳは、抵抗Ｒ３およびスナバ回路１３のダイオードＤ４と接続されている。さらに、ソースＳとダイオードＤ４との電気的な接続点Ｐ２は、入力端子Ｔ２と接続されている。ゲートＧは、制御回路１２と電気的に接続されている。また、ゲートＧと制御回路１２との間において、抵抗Ｒ１と、直列接続されたダイオードＤ１および抵抗Ｒ２とが並列に接続されている。また、抵抗Ｒ２は、前述の抵抗Ｒ３と接続されている。

【0020】

スイッチング素子Ｑの制御端であるゲートＧは、ドレインＤおよびソースＳ間の電流路を導通又は遮断するために、後述の制御回路１２によってオンオフ制御される。オンオフ制御によって、スイッチング回路１１は、２つの出力端子であるドレインＤおよびソースＳからトランス３の一次コイル３ａ側にスイッチング電圧を供給する。

【0021】

制御回路１２は、後述のフィードバック回路１５から送られるフィードバック信号に基づいて、スイッチング素子Ｑのオンオフ制御を行う。制御回路１２は、フィードバック信号に基づいて、例えば、所定の周波数およびデューティ比のパルス波形をもつＰＷＭ信号を生成する。

【0022】

スナバ回路１３は、一次コイル３ａ、入力端子Ｔ１、Ｔ２、スイッチング回路１１と接続されている。スナバ回路１３の詳細な構成については後述する。

【0023】

二次側回路５は、整流回路１４と、フィードバック回路１５と、不図示の負荷に直流電流を出力するための出力端子Ｔ３およびＴ４とを含む。整流回路１４の出力側にインダクタＬ９が直列に接続されている。二次コイル３ｂの一端側は出力端子Ｔ３と接続され、二次コイル３ｂの他端側は出力端子Ｔ４と接続されている。また、出力端子Ｔ３および出力端子Ｔ４は、不図示の負荷と接続される。

【0024】

整流回路１４は、トランス３の交流出力を整流して直流出力として負荷（不図示）に出力するための回路である。整流回路１４は、図１に示すように、インダクタＬ３～Ｌ８、コンデンサＣ２、Ｃ３、ダイオードＤ５～Ｄ８を含む。直列接続されたインダクタＬ３とコンデンサＣ２は、二次コイル３ｂと出力端子Ｔ３およびＴ４に接続された負荷（不図示）との間で、直列接続されたインダクタＬ４とダイオードＤ５、および直列接続されたインダクタＬ６とダイオードＤ７と並列に接続されている。また、直列接続されたインダクタＬ８とコンデンサＣ３は、二次コイル３ｂと出力端子Ｔ３およびＴ４に接続された負荷（不図示）との間で、直列接続されたインダクタＬ５とダイオードＤ６、および直列接続されたインダクタＬ７とダイオードＤ８と並列に接続されている。

【0025】

フィードバック回路１５は、二次コイル３ｂと出力端子Ｔ３及びＴ４に接続された負荷（不図示）との間で、整流回路１４と並列に接続されている。フィードバック回路１５は、出力端子Ｔ３と出力端子Ｔ４との間の電圧（すなわち、負荷に出力される出力電圧）を検出して、制御回路１２にフィードバック信号を出力する。

【0026】

スイッチング電源装置１は、制御回路１２によってスイッチング素子Ｑのオンオフ制御を行っている。スイッチング素子Ｑをオフとしたことにより一次コイル３ａを含む電流路が遮断されるとサージ電圧が発生する。このサージ電圧により、スイッチング電源装置１を構成する電子部品が破損するおそれがある。これを防ぐために、スイッチング電源装置１は、サージ電圧を吸収する保護回路であるスナバ回路１３を有している。

【0027】

スナバ回路１３は、主ダイオードＤ２、ダイオードＤ３、Ｄ４、インダクタＬ１、Ｌ２およびコンデンサＣ１を含む。主ダイオードＤ２は、接続点Ｐ３において、入力端子Ｔ１と接続されるとともに一次コイル３ａの一端側に電気的に接続されている。主ダイオードＤ２のカソードは、一次コイル３ａの一端側と電気的に接続されている。また、主ダイオードＤ２のアノードは、インダクタＬ１を介して後述する２つダイオードＤ３、Ｄ４とインダクタＬ２とからなる直列回路５０の一端部（ダイオードＤ３のカソード）に電気的に接続されている。インダクタＬ１とスイッチング素子Ｑとの間において、コンデンサＣ１と、直列回路５０とが並列に接続されている。具体的には、スナバ回路１３は同一方向に直列に配列された２つのダイオードＤ３とＤ４との間に接続されたインダクタＬ２とからなる直列回路５０を含み、コンデンサＣ１の一方端がインダクタＬ１を介した主ダイオードＤ２と直列回路５０との電気的な接続点Ｐ４に接続されている。コンデンサＣ１の他方端はインダクタＬ９を介して一次コイル３ａの他端側に電気的に接続されている。すなわち、本実施形態において、２つのダイオードＤ３、Ｄ４およびインダクタＬ２とからなる直列回路５０の両端部のうち主ダイオードＤ２と電気的に接続された側と反対側の端部が接続点Ｐ２を介してスイッチング素子ＱのソースＳ（本発明のスイッチング素子Ｑの電流路を構成する一方の出力端子）に接続される一方、コンデンサＣ１の他方端が接続点Ｐ１を介してドレインＤ（本発明のスイッチング素子Ｑの電流路を構成する他方の出力端子）に接続された回路構成となっている。

【0028】

ここで、１つのダイオードのみで高サージ電圧に対応しようとすると、ダイオードには非常に高い耐圧性能が求められる。しかし、近年のスイッチング電源装置の性能向上に伴い、ダイオード部品の小型化が進み、高い耐圧性能を有するダイオード部品の供給が少なくなっている。また、ダイオードは、耐圧性能だけでなく逆回復時間などの特性も含めて回路構成に対して適切な部品を選定する必要があり、単に高耐圧であればよいというわけでもない。よって、回路構成に合った特性を有し、かつ、高耐圧性能を有しているダイオード部品を選定しなければならない場合、部品の選択肢は非常に限られる。

【0029】

本実施形態のスナバ回路１３は、同一方向に直列に配列された２つのダイオードＤ３およびＤ４を有している。これによって、高耐圧性能を有していないダイオードを用いた場合でも、より高いサージ電圧を吸収することができる。しかしながら、一次コイル３ａを含む電流路が遮断されたときにおいて、ダイオードＤ３とＤ４との間で電圧バランスが安定的でなく、一方のダイオードに電圧の偏りが生じてしまう。

【0030】

本実施形態では、ダイオードＤ３とＤ４との間の電圧バランスを改善するために、コンデンサＣ１を、直列に接続されたダイオードＤ３およびＤ４と並列に接続している。しかし、ダイオードＤ３およびＤ４の近くに受動素子（例えば、トランス３やインダクタＬ１など）が配置されているため、受動素子から発生するサージ電圧の影響が支配的となり、電圧バランスを改善するという効果を十分に得られない。

【0031】

そこで、本実施形態では、スナバ回路１３は、同一方向に直列に配列された２つのダイオードＤ３およびＤ４と、２つのダイオードＤ３とＤ４との間に接続されたインダクタＬ２とからなる直列回路５０を含む。これにより、サージ電圧を吸収するために高耐圧が要求される箇所において、２つのダイオードＤ３およびＤ４に印加されるサージ電圧の大きさが調整される。その結果、両者の電圧バランスが改善され、一方のダイオードに電圧の偏りが生じることを抑制することができる。また、一方のダイオードに印加される電圧が大きくなることを抑制できるため、それぞれのダイオードの耐圧性能が低くても破損や発熱を抑えることができ、部品の選択肢が増える。そして、ダイオードとして低耐圧かつ高スイッチング特性をもつ面実装部品を選定すれば、基板への放熱が可能となるために、部品温度にマージンを持つことが可能となる。

【0032】

また、上述したように、本実施形態では、スナバ回路１３は、アノードが直列回路５０と直列に電気的に接続された主ダイオードＤ２と、一方端が主ダイオードＤ２と直列回路５０との電気的な接続点Ｐ４に接続されたコンデンサＣ１とを有している。そして、主ダイオードＤ２のカソードが一次コイル３ａの一端側と電気的に接続されるとともに、コンデンサＣ１の他方端が一次コイル３ａの他端側に電気的に接続されている。これにより、主ダイオードＤ２とコンデンサＣ１とを有する、いわゆるＬＣＤスナバ回路について、直列に配列された２つのダイオードＤ３およびＤ４に印加される電圧のバランスを改善し、一方のダイオードに電圧の偏りが生じることを抑制できる。

【0033】

また、本実施形態のスイッチング電源装置１は、直列回路５０の両端部のうち主ダイオードＤ２に電気的に接続された側と反対側の端部が接続点Ｐ２を介してソースＳに接続される一方、コンデンサＣ１の他方端が接続点Ｐ１を介してドレインＤに接続されている。つまり、ＬＣＤスナバ回路が、スイッチング素子Ｑの電流路を構成する２つの出力端子であるソースＳおよびドレインＤに接続されている。これにより、スイッチング電圧を供給するためにスイッチング素子Ｑのオンオフ制御を行うことによって発生するサージ電圧を、スナバ回路１３によって速やかに吸収することができる。

【0034】

（実施例）
次に、実施例および比較例のスイッチング電源装置について、スナバ回路の耐圧性能の比較を行った。実施例のスイッチング電源装置１のスナバ回路１３は、上記実施形態と同様の構成であり、ダイオードＤ３、インダクタＬ２、ダイオードＤ４の順に直列に接続された直列回路５０の回路構成を含む。比較例のスイッチング電源装置のスナバ回路２３は、図２に示すように、主ダイオードＤ１２と、インダクタＬ１１と、コンデンサＣ１１と、インダクタＬ１２、ダイオードＤ１３、ダイオードＤ１４の順に接続された直列回路６０の回路構成とを含む。また、比較例のスナバ回路２３は、主ダイオードＤ１２がインダクタＬ１１を介して直列回路６０の一端部に電気的に接続されている。さらに、コンデンサＣ１１の一方端がインダクタＬ１１を介した主ダイオードＤ１２と直列回路６０との電気的な接続点Ｐ１４に接続されている。コンデンサＣ１１の他方端は、一次コイル（不図示）およびスイッチング素子（不図示）のドレインに接続されている。また、直列回路６０の両端部のうち主ダイオードＤ１２と電気的に接続された側と反対側の端部がスイッチング素子のソース（不図示）と接続されている。なお、比較例のスイッチング電源装置のその他の回路構成は、実施例のスイッチング電源装置１の回路構成と同様である。また、ダイオードＤ３、Ｄ４、Ｄ１３、Ｄ１４は６００Ｖ耐圧部品を用いた。

【0035】

以下の表１は、実施例のスナバ回路１３および比較例のスナバ回路２３に同じ電圧を印加したときにおいて、スナバ回路１３のダイオードＤ３、Ｄ４およびインダクタＬ２、ならびに、スナバ回路２３のダイオードＤ１３、Ｄ１４、インダクタＬ１２に印加される電圧を示したものである。

【0036】

【表1】

【0037】

表１において、実施例のＶ_ｐｅａｋは、ダイオードＤ３、Ｄ４およびインダクタＬ２の合成電圧のピーク値である。実施例のＶＬは、インダクタＬ２に印加されるピーク電圧である。実施例のＶ１は、ダイオードＤ３に印加されるピーク電圧である。実施例のＶ２は、ダイオードＤ４に印加されるピーク電圧である。また、比較例のＶ_ｐｅａｋは、ダイオードＤ１３、Ｄ１４、インダクタＬ１２の合成電圧のピーク値である。比較例のＶＬは、インダクタＬ１２に印加されるピーク電圧である。比較例のＶ１は、ダイオードＤ１３に印加されるピーク電圧である。比較例のＶ２は、ダイオードＤ１４に印加されるピーク電圧である。

【0038】

表１によると、直列に接続された２つのダイオードの間にインダクタＬ１２が接続されていない比較例では、ダイオードＤ１３に印加されるピーク電圧と、ダイオードＤ１４に印加されるピーク電圧との間で大きな偏りがあった。一方で、直列に接続された２つのダイオードの間にインダクタＬ１２が接続されている実施例では、ダイオードＤ３に印加されるピーク電圧と、ダイオードＤ４に印加されるピーク電圧との間で、電圧の偏りは抑制されており、２つのダイオードＤ３およびＤ４に印加される電圧のバランスが改善していた。

【0039】

（変形例）
以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は、これらの例に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な変更が可能である。

【0040】

上記実施形態において、スナバ回路１３は、一次側回路４に配置されている。しかしながら、スナバ回路１３は、一次側回路４および二次側回路５の両方に配置されていてもよい。

【0041】

上記実施形態では、スナバ回路１３は、直列回路５０と、主ダイオードＤ２と、インダクタＬ１と、コンデンサＣ１とを有している。しかしながら、スナバ回路１３は、インダクタＬ１を有していなくともよい。また、ＬＣＤスナバ回路以外にも本発明を適用することができる。

【0042】

整流回路は、上記実施形態の構成に限らず、４個のダイオードによるブリッジ整流回路、半波整流回路、両波整流回路、ダブルブリッジ整流回路、２個のスイッチによるプッシュプル回路、４個のスイッチ素子による同期整流回路などでもよい。

【符号の説明】

【0043】

１ スイッチング電源装置
３ トランス
３ａ 一次コイル
３ｂ 二次コイル
４ 一次側回路
５ 二次側回路
１１ スイッチング回路
１３ スナバ回路
１４ 整流回路
５０ 直列回路
Ｐ４ 接続点
Ｃ１ コンデンサ
Ｄ２ 主ダイオード
Ｄ３ ダイオード
Ｄ４ ダイオード
Ｌ２ インダクタ
Ｑ スイッチング素子
Ｇ ゲート
Ｄ ドレイン
Ｓ ソース

【図1】

【図2】