特開 2024-33454 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】P2024033454

(43)【公開日】2024-03-13

(54)【発明の名称】電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/28 20060101AFI20240306BHJP

【ＦＩ】

H02M3/28 W

【審査請求】未請求

【請求項の数】5

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022137035

(22)【出願日】2022-08-30

(71)【出願人】

【識別番号】000000262

【氏名又は名称】株式会社ダイヘン

(71)【出願人】

【識別番号】304021288

【氏名又は名称】国立大学法人長岡技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】100114557

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 英仁

(74)【代理人】

【識別番号】100078868

【弁理士】

【氏名又は名称】河野 登夫

(72)【発明者】

【氏名】衛藤 哲弥

(72)【発明者】

【氏名】高見 親法

(72)【発明者】

【氏名】伊東 淳一

(72)【発明者】

【氏名】日下 佳祐

(72)【発明者】

【氏名】渡辺 大貴

【テーマコード（参考）】

5H730

【Ｆターム（参考）】

5H730AS01

5H730BB43

5H730BB81

5H730BB82

5H730BB88

5H730CC01

5H730DD04

5H730EE02

5H730EE07

5H730FD11

5H730FD31

5H730FG01

5H730FV01

(57)【要約】

【課題】広範囲の入力電圧に対応することが期待できる電源装置を提供する。
【解決手段】本実施の形態に係る電源装置は、第１スイッチング素子のスイッチングにより、整流回路の出力を所定電圧値の直流電圧に変換する第１コンバータ回路と、第２スイッチング素子のスイッチングにより、整流回路の出力を所定電圧値の直流電圧に変換する第２コンバータ回路と、第１コンバータ回路の第１スイッチング素子及び第１トランスの一次巻線の接続点、並びに、第２コンバータ回路の第２スイッチング素子及び第２トランスの一次巻線の接続点の間に直列接続された切替回路及び第３スイッチング素子と、第１スイッチング素子、第２スイッチング素子又は第３スイッチング素子のオン／オフを制御する駆動回路とを備える。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

入力された交流電圧を整流して出力する整流回路と、
第１スイッチング素子のスイッチングにより、前記整流回路の出力を所定電圧値の直流電圧に変換する第１コンバータ回路と、
第２スイッチング素子のスイッチングにより、前記整流回路の出力を所定電圧値の直流電圧に変換する第２コンバータ回路と
を備え、
前記第１コンバータ回路の入力側は、前記整流回路のプラス側出力に接続された前記第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子及び前記整流回路のマイナス側出力の間に一次巻線を接続された第１トランスとを有し、
前記第２コンバータ回路の入力側は、前記整流回路のマイナス側出力に接続された前記第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子及び前記整流回路のプラス側出力の間に一次巻線を接続された第２トランスとを有し、
前記第１スイッチング素子及び前記第１トランスの一次巻線の接続点、並びに、前記第２スイッチング素子及び前記第２トランスの一次巻線の接続点の間に直列接続された切替回路及び第３スイッチング素子と、
前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子又は前記第３スイッチング素子のオン／オフを制御し、前記第１コンバータ回路の入力側及び前記第２コンバータ回路の入力側を直列に接続する第１接続状態、並びに、前記第１コンバータ回路の入力側及び前記第２コンバータ回路の入力側を並列に接続する第２接続状態のいずれかに切り替える駆動回路と
を更に備え、
前記第１コンバータ回路の出力側及び前記第２コンバータ回路の出力側は、並列接続されている、
電源装置。

【請求項2】

前記第１コンバータ回路及び前記第２コンバータ回路は、フライバックコンバータ回路である、
請求項１に記載の電源装置。

【請求項3】

前記交流電圧が所定電圧値より低い場合、前記切替回路が前記第１コンバータ回路の入力側から前記第２コンバータ回路の入力側への電流経路を遮断して前記第２接続状態に切り替え、前記駆動回路が前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を所定周期でスイッチングし、前記第３スイッチング素子を常時オフし、
前記交流電圧が前記所定電圧値より高い場合、前記切替回路が前記第２コンバータ回路の入力側から前記第１コンバータ回路の入力側への電流経路を導通して前記第１接続状態に切り替え、前記駆動回路が前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を常時オフし、前記第３スイッチング素子を所定周期でスイッチングする、
請求項１又は２に記載の電源装置。

【請求項4】

前記交流電圧が前記所定電圧値より低く、且つ、前記第１コンバータ回路及び前記第２コンバータ回路の出力電流が所定電流値より低い場合、前記駆動回路は、前記第１スイッチング素子及び前記第２スイッチング素子を所定周期で交互にオンする、
請求項３に記載の電源装置。

【請求項5】

前記切替回路は、第１コンバータ回路の入力側がカソードに接続され、且つ、前記第２コンバータ回路の入力側がアノードに接続されたダイオードである、
請求項１に記載の電源装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、入力電圧を所定電圧値の出力電圧に変換する電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

世界中の商用電源の入力電圧は広範囲にわたり様々である。広範囲の入力電圧に対応するため、特許文献１においては、トランスの一次巻線を第１の一次巻線と第２の一次巻線とに分割する中間タップと、第１乃至第６のスイッチング素子とを備えるＤＣ／ＤＣコンバータが提案されている。このＤＣ／ＤＣコンバータの一次側回路は、第１、第２、第５、第６のスイッチング素子、又は、第３、第４、第５、第６のスイッチング素子のいずれかにより構成されるＨブリッジとされる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２０１０－１１００６９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

日本国内の商用電源の入力電圧範囲は、ＡＣ１００～２２０Ｖ程度のものが一般的である。しかし、日本以外の海外では、ＡＣ３８０～４６０Ｖあるいはそれ以上の電圧が一般的であり、日本国内向けに設計した電源装置を海外に輸出する場合は、輸出先の各国の入力電圧に応じて再設計する必要がある。

【0005】

本発明は、斯かる事情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、広範囲の入力電圧に対応することが期待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】

【0006】

一実施形態に係る電源装置は、入力された交流電圧を整流して出力する整流回路と、第１スイッチング素子のスイッチングにより、前記整流回路の出力を所定電圧値の直流電圧に変換する第１コンバータ回路と、第２スイッチング素子のスイッチングにより、前記整流回路の出力を所定電圧値の直流電圧に変換する第２コンバータ回路とを備え、前記第１コンバータ回路の入力側は、前記整流回路のプラス側出力に接続された前記第１スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子及び前記整流回路のマイナス側出力の間に一次巻線を接続された第１トランスとを有し、前記第２コンバータ回路の入力側は、前記整流回路のマイナス側出力に接続された前記第２スイッチング素子と、前記第２スイッチング素子及び前記整流回路のプラス側出力の間に一次巻線を接続された第２トランスとを有し、前記第１スイッチング素子及び前記第１トランスの一次巻線の接続点、並びに、前記第２スイッチング素子及び前記第２トランスの一次巻線の接続点の間に直列接続された切替回路及び第３スイッチング素子と、前記第１スイッチング素子、前記第２スイッチング素子又は前記第３スイッチング素子のオン／オフを制御し、前記第１コンバータ回路の入力側及び前記第２コンバータ回路の入力側を直列に接続する第１接続状態、並びに、前記第１コンバータ回路の入力側及び前記第２コンバータ回路の入力側を並列に接続する第２接続状態のいずれかに切り替える駆動回路とを更に備え、前記第１コンバータ回路の出力側及び前記第２コンバータ回路の出力側は、並列接続されている。

【発明の効果】

【0007】

一実施形態による場合は、広範囲の入力電圧に対応することが期待できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】本実施の形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。

【図2】直列運転動作における電源装置１の動作を説明するための模式図である。

【図3】直列運転動作における電源装置１の動作を説明するための模式図である。

【図4】直列運転動作における駆動回路４０の制御を説明するためのタイミングチャートである。

【図5】並列運転動作における電源装置１の動作を説明するための模式図である。

【図6】並列運転動作における駆動回路４０の制御を説明するためのタイミングチャートである。

【図7】単独運転動作における駆動回路４０の制御を説明するためのタイミングチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0009】

本発明の実施形態に係る電源装置の具体例を、以下に図面を参照しつつ説明する。なお、本発明はこれらの例示に限定されるものではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0010】

図１は、本実施の形態に係る電源装置の構成を示す回路図である。本実施の形態に係る電源装置１は、入力端子２ａ，２ｂ間に印加された交流電圧を、所定電圧値の直流電圧に変換して出力端子３ａ，３ｂから出力する、いわゆるＡＣ／ＤＣコンバータである。本図においては、電源装置１の入力端子２ａ，２ｂに交流電源４が接続され、出力端子３ａ，３ｂに負荷５が接続されている。電源装置１の２つの出力端子３ａ，３ｂは、本図において３ａがプラス側であり、出力端子３ｂがマイナス側である。従来のＡＣ／ＤＣコンバータは入力電圧の範囲がＡＣ８５Ｖ～２６５Ｖ程度のものが一般的であるが、本実施の形態に係る電源装置１は、例えばＡＣ８５Ｖ～６００Ｖ程度のワイドレンジ入力に対応するＡＣ／ＤＣコンバータである。

【0011】

本実施の形態に係る電源装置１は、第１フライバックコンバータ１０、第２フライバックコンバータ２０、整流回路３０及び駆動回路４０等を備えて構成されている。整流回路３０は、入力された交流電圧を整流して直流電圧として出力する回路であり、例えば複数のダイオードをブリッジ接続した全波整流回路が用いられ得る。整流回路３０の２つの入力３１ａ，３１ｂは電源装置１の入力端子２ａ，２ｂに接続され、電源装置１への入力電圧が整流回路３０へ入力される。整流回路３０の２つの出力３２ａ，３２ｂは、本図において出力３２ａがプラス側であり、出力３２ｂがマイナス側である。駆動回路４０は、電源装置１の各部を制御する回路であり、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）又はＭＰＵ（Micro Controller Unit）等の演算処理部、ＳＲＡＭ（Static Random Access Memory）又はＤＲＡＭ（Dynamic Random Access Memory）等の記憶部、並びに、電気信号の入出力インタフェース等を備えたＩＣ（Integrated Circuit）が用いられ得る。

【0012】

第１フライバックコンバータ１０は、第１スイッチング素子ＳＷ１、第１トランスＴ１及び第１ダイオードＤ１を備えて構成されている。第１フライバックコンバータ１０は、第１トランスＴ１により入力側と出力側とが絶縁された絶縁型コンバータであり、入力された直流電圧を所定電圧値の直流電圧に昇圧又は降圧して出力する回路である。第１トランスＴ１は、入力側に対して出力側が逆極性である。

【0013】

第１フライバックコンバータ１０の入力側は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第１トランスＴ１の一次巻線が整流回路３０の２つの出力３２ａ，３２ｂの間に直列接続された構成である。第１スイッチング素子ＳＷ１には例えばＭＯＳＦＥＴ（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor）が用いられ、第１スイッチング素子ＳＷ１のドレインが整流回路３０のプラス側の出力３２ａに接続され、第１スイッチング素子ＳＷ１のソースが第１トランスＴ１の一次巻線の一端に接続され、この一次巻線の他端が整流回路３０のマイナス側の出力３２ｂに接続される。第１スイッチング素子ＳＷ１のゲートは、図示は省略するが、駆動回路４０に接続され、駆動回路４０により第１スイッチング素子ＳＷ１のオン（通電）／オフ（遮断）の切り替えが制御される。

【0014】

第１フライバックコンバータ１０の出力側は、第１ダイオードＤ１及び第１トランスＴ１の二次巻線が電源装置１の２つの出力端子３ａ，３ｂの間に直列接続された構成である。第１ダイオードＤ１のカソードがプラス側の出力端子３ａに接続され、第１ダイオードＤ１のアノードが第１トランスＴ１の二次巻線の一端に接続され、この二次巻線の他端がマイナス側の出力端子３ｂに接続されている。また電源装置１の出力端子３ａ，３ｂの間には、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０に共通の出力用のコンデンサＣが設けられている。

【0015】

電源装置１に交流電源４から交流電圧が入力され、整流回路３０により交流電圧が直流電圧に変換されて第１フライバックコンバータ１０へ供給される。この状態で駆動回路４０が第１スイッチング素子ＳＷ１のオン／オフを周期的に切り替えることにより、第１フライバックコンバータ１０は整流回路３０からの入力電圧値、第１スイッチング素子ＳＷ１のデューティ比及び第１トランスＴ１の巻数比に応じた電圧値の直流電圧を出力する。第１スイッチング素子ＳＷ１がオン状態である場合、第１フライバックコンバータ１０の入力側に電流が流れ、この電流により第１トランスＴ１にエネルギーが蓄えられる。この状態において第１フライバックコンバータ１０の出力側は、第１ダイオードＤ１により電流経路が遮断され、電流は流れない。その後、第１スイッチング素子ＳＷ１がオン状態からオフ状態へ切り替えられた場合、第１トランスＴ１に蓄えられたエネルギーが二次巻線から放出されることにより、第１フライバックコンバータ１０の出力側に電流が流れる。この電流は、第１ダイオードＤ１から出力され、コンデンサＣを充電すると共に、電源装置１の出力端子３ａ，３ｂに接続された負荷５へ出力される。

【0016】

同様に、第２フライバックコンバータ２０は、第２スイッチング素子ＳＷ２、第２トランスＴ２及び第２ダイオードＤ２を備えて構成されている。第２フライバックコンバータ２０は、第２トランスＴ２により入力側と出力側とが絶縁された絶縁型コンバータであり、入力された直流電圧を所定電圧値の直流電圧に昇圧又は降圧して出力する回路である。第２トランスＴ２は、入力側に対して出力側が逆極性である。

【0017】

第２フライバックコンバータ２０の入力側は、第２トランスＴ２の一次巻線及び第２スイッチング素子ＳＷ２が整流回路３０の２つの出力３２ａ，３２ｂの間に直列接続された構成である。第２スイッチング素子ＳＷ２には例えばＭＯＳＦＥＴが用いられる。第２トランスＴ２の一次巻線の一端が整流回路３０のプラス側の出力３２ａに接続され、この一次巻線の他端が第２スイッチング素子ＳＷ２のドレインに接続され、第２スイッチング素子ＳＷ２のソースが整流回路３０のマイナス側の出力３２ｂに接続される。第２スイッチング素子ＳＷ２のゲートは、図示は省略するが、駆動回路４０に接続され、駆動回路４０により第２スイッチング素子ＳＷ２のオン／オフの切り替えが制御される。

【0018】

第２フライバックコンバータ２０の出力側は、第２ダイオードＤ２及び第２トランスＴ２の二次巻線が電源装置１の２つの出力端子３ａ，３ｂの間に直列接続された構成である。第２ダイオードＤ２のカソードがプラス側の出力端子３ａに接続され、第２ダイオードＤ２のアノードが第２トランスＴ２の二次巻線の一端に接続され、この二次巻線の他端がマイナス側の出力端子３ｂに接続されている。また上述のように、電源装置１の出力端子３ａ，３ｂの間には、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０に共通の出力用のコンデンサＣが設けられている。

【0019】

整流回路３０から第２フライバックコンバータ２０へ直流電圧が供給された状態で駆動回路４０が第２スイッチング素子ＳＷ２のオン／オフを周期的に切り替えることにより、第２フライバックコンバータ２０は整流回路３０からの入力電圧値、第２スイッチング素子ＳＷ２のデューティ比及び第２トランスＴ２の巻数比に応じた電圧値の直流電圧を出力する。第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態である場合、第２フライバックコンバータ２０の入力側に電流が流れ、この電流により第２トランスＴ２にエネルギーが蓄えられる。この状態において第２フライバックコンバータ２０の出力側は、第２ダイオードＤ２により電流経路が遮断され、電流は流れない。その後、第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態からオフ状態へ切り替えられた場合、第２トランスＴ２に蓄えられたエネルギーが二次巻線から放出されることにより、第２フライバックコンバータ２０の出力側に電流が流れる。この電流は、第２ダイオードＤ２から出力され、コンデンサＣを充電すると共に、電源装置１の出力端子３ａ，３ｂに接続された負荷５へ出力される。

【0020】

このように、本実施の形態に係る電源装置１は、第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側が整流回路３０の出力に対して並列に接続され、且つ、第１フライバックコンバータ１０の出力側及び第２フライバックコンバータ２０の出力側が並列に接続された構成であるとみなすことができる。即ち本実施の形態に係る電源装置１は、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０が並列に接続された構成であるとみなすことができる。

【0021】

更に、本実施の形態に係る電源装置１は、第１フライバックコンバータ１０の第１スイッチング素子ＳＷ１及び第１トランスＴ１の一次巻線の接続点と、第２フライバックコンバータ２０の第２スイッチング素子ＳＷ２及び第２トランスＴ２の一次巻線の接続点との間に、切替回路５０及び第３スイッチング素子ＳＷ３が直列接続されている。本実施の形態に係る電源装置１は、第１スイッチング素子ＳＷ１～第３スイッチング素子ＳＷ３及び切替回路５０を用いて、上述のような第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側が並列接続された構成と、第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側が直列接続された構成との切替を行う。

【0022】

切替回路５０は、本実施の形態においては、１つのダイオードを用いて構成される。この切替回路５０として用いられるダイオードは、カソードが第１スイッチング素子ＳＷ１及び第１トランスＴ１の一次巻線の接続点に接続され、アノードが第３スイッチング素子ＳＷ３に接続される。切替回路５０は、後述する直列運転時は閉路し、並列運転時は開路する開閉器であっても良い。切替回路の役割は、並列運転時においては、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が同時にオンすることによる整流回路３０の出力端子間の短絡防止であり、直列運転時においては、第２トランスＴ２の一次巻線から第１トランスＴ１への一次巻線へ導通を行うことである。

【0023】

第３スイッチング素子ＳＷ３は、例えばＭＯＳＦＥＴが用いられ、ソースが第２スイッチング素子ＳＷ２及び第２トランスＴ２の一次巻線の接続点に接続され、ドレインが切替回路５０に接続されている。第３スイッチング素子ＳＷ３のゲートは、図示は省略するが、駆動回路４０に接続され、駆動回路４０により第３スイッチング素子ＳＷ３のオン／オフの切り替えが制御される。

【0024】

駆動回路４０が第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態へ切り替えた場合、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の間の電流経路は切替回路５０及び第３スイッチング素子ＳＷ３により遮断されるため、上述のように第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側は並列に接続された状態となる。この状態で駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のオン／オフを周期的に切り替えることで第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０をそれぞれ個別に動作させることができる。

【0025】

駆動回路４０は、第３スイッチング素子ＳＷ３をオン状態とすることで第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側を直列に接続することができる。このときに駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を共にオフ状態で維持する。第３スイッチング素子ＳＷ３がオン状態となり、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が共にオフ状態となることで、電源装置１は、整流回路３０の出力３２ａ，３２ｂの間に、第２トランスＴ２の一次巻線、第３スイッチング素子ＳＷ３、切替回路５０及び第１トランスＴ１の一次巻線が直列接続された構成、即ち第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側が直列接続された構成となる。この状態において駆動回路４０は、第３スイッチング素子ＳＷ３のオン／オフを周期的に切り替えることで第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０を共に動作させることができる。

【0026】

また本実施の形態に係る電源装置１は、整流回路３０の出力電圧値（即ち、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０への入力電圧値）を測定する電圧測定回路４１と、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の出力電流値を測定する電流測定回路４２とを備えている。電圧測定回路４１により測定される電圧値と、電流測定回路４２により測定される電流値とは、駆動回路４０へ入力される。駆動回路４０は、入力された電圧値及び電流値に基づいて、切替回路５０による回路構成の切り替えと、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３のオン／オフ切り替えによる第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の動作制御とを行う。

【0027】

本実施の形態において駆動回路４０は、電圧測定回路４１が測定した電圧値が所定電圧値を超えるか否かに基づいて、整流回路３０の出力電圧値が高電圧であるか低電圧であるかを判定する。所定電圧値は、例えば３００Ｖとすることができる。ただし所定電圧値は、３００Ｖに限らず、電源装置１の利用目的等に応じて適宜に定められてよい。また駆動回路４０は、電流測定回路４２が測定した電流値が所定電流値を超えるか否かに基づいて、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の出力電流値が高電流であるか低電流であるかを判定する。所定電流値は、例えば定格電流値の５０％とすることができる。ただし所定電流値はこの値に限らず、電源装置１の利用目的等に応じて適宜に定められてよい。駆動回路４０は、これら２つの判定結果の組み合わせに応じて、以下の３通りの動作制御を行う。
（１）高電圧時：直列運転動作
（２）低電圧高電流時：並列運転動作
（３）低電圧低電流時：単独運転動作

【0028】

（１）高電圧時：直列運転動作
図２及び図３は、直列運転動作における電源装置１の動作を説明するための模式図である。整流回路３０の出力電圧が所定電圧値を超える高電圧である場合、出力電流が高電流又は定電流のいずれであるかに関わらず、駆動回路４０は、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０を直列運転動作させる。即ち駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ（遮断）状態として、第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側を直列に接続する。この状態で駆動回路４０は、第３スイッチング素子ＳＷ３のオン／オフを周期的に切り替えることで、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０を動作させ、整流回路３０の出力電圧を所定電圧値に昇圧又は降圧して負荷５へ出力することができる。

【0029】

直列運転動作において駆動回路４０が第３スイッチング素子ＳＷ３をオン状態とした場合に、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の入力側を流れる電流Isw3の経路が図２に破線の矢印で示されている。電流Isw3は、整流回路３０のプラス側の出力３２ａから第２トランスＴ２の一次巻線、第３スイッチング素子ＳＷ３、切替回路５０、第１トランスＴ１の一次巻線、整流回路３０のマイナス側の出力３２ｂの経路で流れる。このときに第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の出力側に電流は流れない。

【0030】

直列運転動作において駆動回路４０が第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態とした場合に、第１フライバックコンバータ１０の出力側を流れる電流Io1の経路が図３に一点鎖線の矢印で示され、第２フライバックコンバータ２０の出力側を流れる電流Io2の経路が図３に破線の矢印で示されている。電流Io1は、第１トランスＴ１の二次巻線及び第１ダイオードＤ１を経てコンデンサＣに電荷が蓄積されると共に、負荷５へ出力される。電流Io2は、第２トランスＴ２の二次巻線及び第２ダイオードＤ２を経てコンデンサＣに電荷が蓄積されると共に、負荷５へ出力される。このときに第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の入力側に電流は流れない。

【0031】

図４は、直列運転動作における駆動回路４０の制御を説明するためのタイミングチャートである。本タイミングチャートには、第３スイッチング素子ＳＷ３の状態と、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の状態と、第３スイッチング素子ＳＷ３を流れる電流Isw3と、第３スイッチング素子ＳＷ３のソースからドレイン間の両端に加わる電圧Vsw3と、第１フライバックコンバータ１０の出力電流Io1及び第２フライバックコンバータ２０の出力電流Io2との時間的な変化が示されている。

【0032】

直列運転動作において駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ状態で維持し、第３スイッチング素子ＳＷ３のオン／オフを周期的に切り替える。第３スイッチング素子ＳＷ３がオフ状態からオン状態へ切り替えられた後に電流Isw3は増加していき、この電流Isw3により第１トランスＴ１及び第２トランスＴ２にエネルギーが蓄積される。また第３スイッチング素子ＳＷ３がオン状態の場合、電圧Vsw3は０［Ｖ」であり、電流Io1及び電流Io2は０［Ａ］である。

【0033】

第３スイッチング素子ＳＷ３がオン状態からオフ状態へ切り替えられた場合、電流Isw3は０［Ａ］となり、第１トランスＴ１及び第２トランスＴ２に蓄積されたエネルギーが放出されることで電流Io1及び電流Io2が流れる。なお本例では、第１トランスＴ１及び第２トランスＴ２が略同じ性能のものが用いられるものとしており、電流Io1及び電流Io2は同じ電流量としている。第３スイッチング素子ＳＷ３がオフ状態へ切り替えられた後、時間経過に従って電流Io1及び電流Io2は減少していき、第１トランスＴ１及び第２トランスＴ２に蓄積されたエネルギーが消費されることで、最終的に０［Ａ］となる。電圧Vsw3は、第３スイッチング素子ＳＷ３がオン状態からオフ状態へ切り替えられた際に所定電圧値まで上昇し、電流Io1及び電流Io2が０［Ａ］となった後、徐々に０［Ｖ］まで減少する。

【0034】

（２）低電圧高電流時：並列運転動作
図５は、並列運転動作における電源装置１の動作を説明するための模式図である。整流回路３０の出力電圧が所定電圧値を超えない低電圧であり、且つ、出力電流が所定電流値を超える高電流である場合、駆動回路４０は、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０を並列運転動作させる。即ち駆動回路４０は、第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ（遮断）状態として、第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側を並列に接続する。この状態で駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のオン／オフを周期的に切り替えることで、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０を動作させ、整流回路３０の出力電圧を所定電圧値に昇圧又は降圧して負荷５へ出力することができる。なお並列運転動作において駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のオン／オフ状態が同じになるよう切替を行う。また第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のオン／オフ状態は完全に同期させずに位相差を設けて切替を行ってもよい。

【0035】

並列運転動作において駆動回路４０が第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態とした場合に、第１フライバックコンバータ１０の入力側を流れる電流Isw1の経路が図５に一点鎖線の矢印で示され、第２フライバックコンバータ２０の入力側を流れる電流Isw2の経路が図５に破線の矢印で示されている。電流Isw1は、整流回路３０のプラス側の出力３２ａから第１スイッチング素子ＳＷ１、第１トランスＴ１の一次巻線、整流回路３０のマイナス側の出力３２ｂの経路で流れる。また電流Isw2は、整流回路３０のプラス側の出力３２ａから第２トランスＴ２の一次巻線、第２スイッチング素子ＳＷ２、整流回路３０のマイナス側の出力３２ｂの経路で流れる。このときに第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の出力側に電流は流れない。

【0036】

並列運転動作において駆動回路４０が第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ状態とした場合に、第１フライバックコンバータ１０の出力側を流れる電流Io1の経路及び第２フライバックコンバータ２０の出力側を流れる電流Io2の経路は、図３に示したものと同じであるため、図示及び説明は省略する。

【0037】

図６は、並列運転動作における駆動回路４０の制御を説明するためのタイミングチャートである。本タイミングチャートには、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２の状態と、第３スイッチング素子ＳＷ３の状態と、第１スイッチング素子ＳＷ１を流れる電流Isw1及び第２スイッチング素子ＳＷ２を流れる電流Isw2と、第１スイッチング素子ＳＷ１のソースからドレイン間の両端に加わる電圧Vsw1及び第２スイッチング素子ＳＷ２のソースからドレイン間の両端に加わる電圧Vsw2と、第１フライバックコンバータ１０の出力電流Io1及び第２フライバックコンバータ２０の出力電流Io2との時間的な変化が示されている。

【0038】

並列運転動作において駆動回路４０は、第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態で維持し、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のオン／オフを周期的に切り替える。第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２がオフ状態からオン状態へ切り替えられた後に電流Isw1及び電流Isw2は増加していき、この電流Isw1及び電流Isw2により第１トランスＴ１及び第２トランスＴ２にエネルギーが蓄積される。また第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態の場合、電圧Vsw1及び電圧Vsw2は０［Ｖ」であり、電流Io1及び電流Io2は０［Ａ］である。

【0039】

第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態からオフ状態へ切り替えられた場合、電流Isw1及び電流Isw2は０［Ａ］となり、第１トランスＴ１及び第２トランスＴ２に蓄積されたエネルギーが放出されることで電流Io1及び電流Io2が流れる。第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２がオフ状態へ切り替えられた後、時間経過に従って電流Io1及び電流Io2は減少していき、第１トランスＴ１及び第２トランスＴ２に蓄積されたエネルギーが消費されることで、最終的に０［Ａ］となる。電圧Vsw1及び電圧Vsw2は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態からオフ状態へ切り替えられた際に所定電圧値まで上昇し、電流Io1及び電流Io2が０［Ａ］となった後、徐々に０［Ｖ］まで減少する。

【0040】

（３）低電圧低電流時：単独運転動作
整流回路３０の出力電圧が所定電圧値を超えない低電圧であり、且つ、出力電流が所定電流値を超えない低電流である場合、駆動回路４０は、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０を単独運転動作させる。即ち駆動回路４０は、第３スイッチング素子ＳＷ３を共にオフ（遮断）状態として、第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側を並列に接続する。この状態で駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のオン／オフを周期的に交互に切り替えることで、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０を交互に動作させる。

【0041】

図７は、単独運転動作における駆動回路４０の制御を説明するためのタイミングチャートである。本タイミングチャートには、第１スイッチング素子ＳＷ１の状態と、第２スイッチング素子ＳＷ２の状態と、第３スイッチング素子ＳＷ３の状態と、第１スイッチング素子ＳＷ１を流れる電流Isw1及び第２スイッチング素子ＳＷ２を流れる電流Isw2と、第１スイッチング素子ＳＷ１の両端に加わる電圧Vsw1及び第２スイッチング素子ＳＷ２の両端に加わる電圧Vsw2と、第１フライバックコンバータ１０の出力電流Io1及び第２フライバックコンバータ２０の出力電流Io2との時間的な変化が示されている。なお本フローチャートにおいて、第１フライバックコンバータ１０に係る電流Isw1、電圧Vsw1及び電流Io1を実線で示し、第２フライバックコンバータ２０に係る電流Isw2、電圧Vsw2及び電流Io2を破線で示している。

【0042】

単独運転動作において駆動回路４０は、第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態で維持し、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２のオン／オフ状態を交互に切り替える。即ち駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１がオン状態の場合に第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ状態とし、第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態の場合に第１スイッチング素子ＳＷ１をオフ状態とする。なお駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２について、それぞれ所定の周期でオン／オフを繰り返すが、オン状態の時間がオフ状態の時間より短くなるように、即ちデューティ比が５０％以下となるように切替を行う。また駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１をオン状態からオフ状態へ切り替えるタイミングと、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ状態からオン状態へ切り替えるタイミングとの間に、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が共にオフ状態となる期間を設ける。同様に駆動回路４０は、第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態からオフ状態へ切り替えるタイミングと、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフ状態からオン状態へ切り替えるタイミングとの間に、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が共にオフ状態となる期間を設ける。

【0043】

単独運転動作において駆動回路４０は、第３スイッチング素子ＳＷ３をオフ状態で維持し、例えば第１スイッチング素子ＳＷ１をオン状態とし、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ状態とする。この状態において電流Isw1は増加していき、この電流Isw1により第１トランスＴ１にエネルギーが蓄積される。これに対して電流Isw2は、第２スイッチング素子ＳＷ２がオフ状態であるため、流れない。

【0044】

その後、駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１をオン状態からオフ状態へ切り替える。第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が共にオフ状態となるため、電流Isw1及び電流Isw2は共に流れない。第１スイッチング素子ＳＷ１がオン状態からオフ状態へ切り替えられたことで、第１トランスＴ１に蓄積されたエネルギーが放出され、出力側の電流Io1が流れる。電流Io1は、時間経過に従って減少していき、第１トランスＴ１に蓄積されたエネルギーが消費されることで、最終的に０［Ａ］となる。

【0045】

駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフ状態へ切り替えた後、所定の時間差を設けて、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ状態からオン状態へ切り替える。第２スイッチング素子ＳＷ２がオフ状態からオン状態へ切り替えられた後に電流Isw2は増加していき、この電流Isw2により第２トランスＴ２にエネルギーが蓄積される。

【0046】

その後、駆動回路４０は、第２スイッチング素子ＳＷ２をオン状態からオフ状態へ切り替える。第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２が共にオフ状態となるため、電流Isw1及び電流Isw2は共に流れない。第２スイッチング素子ＳＷ２がオン状態からオフ状態へ切り替えられたことで、第２トランスＴ２に蓄積されたエネルギーが放出され、出力側の電流Io2が流れる。電流Io2は、時間経過に従って減少していき、第２トランスＴ２に蓄積されたエネルギーが消費されることで、最終的に０［Ａ］となる。

【0047】

駆動回路４０は、第２スイッチング素子ＳＷ２をオフ状態へ切り替えた後、所定の時間差を設けて、第１スイッチング素子ＳＷ１をオフ状態からオン状態へ切り替える。第１スイッチング素子ＳＷ１がオフ状態からオン状態へ切り替えられた後に電流Isw1は増加していき、この電流Isw1により第１トランスＴ１にエネルギーが蓄積される。以降、駆動回路４０は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を交互にオン状態とし、並列に接続した第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０を交互に動作させることで、整流回路３０の出力電圧を所定電圧値に昇圧又は降圧して負荷５へ出力する。

【0048】

以上の構成の本実施の形態に係る電源装置１は、入力された交流電圧を整流して出力する整流回路３０と、第１スイッチング素子ＳＷ１のスイッチングにより整流回路３０の出力を所定電圧値の直流電圧に変換する第１フライバックコンバータ１０と、第２スイッチング素子ＳＷ２のスイッチングにより整流回路３０の出力を所定電圧値の直流電圧に変換する第２フライバックコンバータ２０とを備える。第１フライバックコンバータ１０の入力側は、整流回路３０のプラス側の出力３２ａに接続された第１スイッチング素子ＳＷ１と、第１スイッチング素子ＳＷ１及び整流回路３０のマイナス側の出力３２ｂの間に一次巻線を接続された第１トランスＴ１とを有する。第２フライバックコンバータ２０の入力側は、整流回路３０のマイナス側の出力３２ｂに接続された第２スイッチング素子ＳＷ２と、第２スイッチング素子ＳＷ２及び整流回路３０のプラス側の出力３２ａの間に一次巻線を接続された第２トランスＴ２とを有する。更に電源装置１は、第１スイッチング素子ＳＷ１及び第１トランスＴ１の一次巻線の接続点、並びに、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第２トランスＴ２の一次巻線の接続点の間に直列接続された切替回路５０及び第３スイッチング素子ＳＷ３と、第１スイッチング素子ＳＷ１～第３スイッチング素子ＳＷ３のオン／オフを制御し、第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側を直列に接続する第１接続状態、並びに、第１フライバックコンバータ１０の入力側及び第２フライバックコンバータ２０の入力側を並列に接続する第２接続状態のいずれかに切り替える駆動回路４０とを備える。電源装置１は、第１フライバックコンバータ１０の出力側及び第２フライバックコンバータ２０の出力側が並列接続される。これにより電源装置１は、駆動回路４０が第１スイッチング素子ＳＷ１～第３スイッチング素子ＳＷ３のオン／オフを適宜に切り替えることで、回路構成を適宜に切り替えることが可能であり、入力電圧の電圧値等に応じて回路構成の切り替えを行うことによって、広範囲の入力電圧に対応することが期待できる。

【0049】

また本実施の形態に係る電源装置１は、２つのフライバックコンバータを用いて構成される。フライバックコンバータは、他の絶縁型コンバータと比較して部品点数が少なく構成できる、並びに、昇圧及び降圧が可能等の利点がある。ただし電源装置１は、フライバックコンバータ以外のコンバータ回路を２つ用いて構成されてよい。例えば、第１トランス及び第２トランスの入力側及び出力側が同極性である、フォワードコンバータであってもよい。

【0050】

また本実施の形態に係る電源装置１は、入力される交流電圧が低く、整流回路３０の出力電圧値が所定電圧値より低い場合に、切替回路５０が第１フライバックコンバータ１０の入力側から第２フライバックコンバータ２０の入力側への電流経路を遮断して第２接続状態へ切り替え、駆動回路４０が第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を所定周期でスイッチングし、第３スイッチング素子ＳＷ３を常時オフする。また電源装置１は、入力される交流電圧が高く、整流回路３０の出力電圧値が所定電圧値より高い場合に、切替回路５０が第１フライバックコンバータ１０の入力側から第２フライバックコンバータ２０の入力側への電流経路を導通して第１接続状態へ切り替え、駆動回路４０が第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を常時オフし、第３スイッチング素子ＳＷ３を所定周期でスイッチングする。これにより電源装置１は、入力電圧の高低に応じて回路構成を切り替えることができ、広範囲の入力電圧に対応することが期待できる。なお本実施の形態においては、電源装置１は整流回路３０の出力電圧値を測定して制御を行っているが、これに限るものではなく、例えば整流回路３０への入力電圧値を測定して制御を行ってもよい。

【0051】

また本実施の形態に係る電源装置１は、整流回路３０の出力電圧値が所定電圧値より低く、且つ、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の出力電流が所定電流値より低い場合、駆動回路４０が第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を所定周期で交互にオンする。また電源装置１は、整流回路３０の出力電圧値が所定電圧値より低く、且つ、第１フライバックコンバータ１０及び第２フライバックコンバータ２０の出力電流が所定電流値より高い場合、駆動回路４０が第１スイッチング素子ＳＷ１及び第２スイッチング素子ＳＷ２を所定周期で同時にオンする。

【0052】

なお本実施の形態においては、第１スイッチング素子ＳＷ１、第２スイッチング素子ＳＷ２及び第３スイッチング素子ＳＷ３をＭＯＳＦＥＴとしたが、これに限るものではなく、スイッチング素子はどのような回路素子を用いて構成されてもよく、複数の回路素子の組み合わせで実現されてもよい。

【0053】

今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した意味ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味及び範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。

【0054】

各実施形態に記載した事項は相互に組み合わせることが可能である。また、特許請求の範囲に記載した独立請求項及び従属請求項は、引用形式に関わらず全てのあらゆる組み合わせにおいて、相互に組み合わせることが可能である。さらに、特許請求の範囲には他の２以上のクレームを引用するクレームを記載する形式（マルチクレーム形式）を用いているが、これに限るものではない。マルチクレームを少なくとも１つ引用するマルチクレーム（マルチマルチクレーム）を記載する形式を用いて記載してもよい。

【符号の説明】

【0055】

１ 電源装置
２ａ，２ｂ 入力端子
３ａ，３ｂ 出力端子
４ 交流電源
５ 負荷
１０ 第１フライバックコンバータ
２０ 第２フライバックコンバータ
３０ 整流回路
３１ａ，３１ｂ 入力
３２ａ，３２ｂ 出力
４０ 駆動回路
４１ 電圧測定回路
４２ 電流測定回路
５０ 切替回路
Ｃ コンデンサ
Ｄ１ 第１ダイオード
Ｄ２ 第２ダイオード
ＳＷ１ 第１スイッチング素子
ＳＷ２ 第２スイッチング素子
ＳＷ３ 第３スイッチング素子
Ｔ１ 第１トランス
Ｔ２ 第２トランス

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】