特許 7315605 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】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2023-07-18

(45)【発行日】2023-07-26

(54)【発明の名称】スイッチング電源装置

(51)【国際特許分類】

   H02M 3/155 20060101AFI20230719BHJP

【ＦＩ】

H02M3/155 C

H02M3/155 B

【請求項の数】 5

(21)【出願番号】P 2021040995

(22)【出願日】2021-03-15

(65)【公開番号】P2022140921

(43)【公開日】2022-09-29

【審査請求日】2022-11-14

(73)【特許権者】

【識別番号】000103208

【氏名又は名称】コーセル株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100095430

【弁理士】

【氏名又は名称】廣澤 勲

(72)【発明者】

【氏名】川高 伸人

【審査官】栗栖 正和

(56)【参考文献】

【文献】特開２０１４－１８３７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２００９－１４２０２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０００－２５３６５０（ＪＰ，Ａ）

【文献】実開平０６－０３６３８２（ＪＰ，Ｕ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０２Ｍ ３／１５５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

昇圧チョッパ回路と突入電流制限回路とを備え、
前記昇圧チョッパ回路は、一端が入力ラインに接続されたインダクタと、前記インダクタの他端とグランドラインとの間に接続された主スイッチング素子と、前記インダクタの他端と出力ラインとの間の接続された整流素子と、前記出力ラインと前記グランドラインとの間に接続された出力コンデンサとを備え、前記入力ラインと前記グランドラインとの間に、直流電圧又は交流電圧を整流した脈流電圧である入力電圧が入力され、前記出力ラインと前記グランドラインとの間に、直流の出力電圧を発生させるスイッチングコンバータであり、
前記突入電流制限回路は、前記整流素子と前記出力ラインとの接続点に挿入され、前記入力ラインから前記インダクタを通じて前記出力コンデンサに流入する電流を制限する限流素子と、前記限流素子に並列接続され、前記限流素子の両端を短絡又は開放状態にするスイッチ素子と、前記スイッチ素子を駆動するスイッチ素子駆動回路と、前記グランドラインを基準とする直流電源とを備え、
前記スイッチ素子駆動回路は、アノードが前記直流電源の出力端に接続された充電用ダイオードと、前記主スイッチング素子及びインダクタの接続点と前記充電用ダイオードのカソードとの間に接続され、前記主スイッチング素子がオンの期間に、前記直流電源から前記充電用ダイオードを通じてエネルギーが蓄積されるエネルギー蓄積コンデンサと、前記エネルギー蓄積コンデンサに蓄積された前記エネルギーを前記スイッチ素子の駆動端子に供給することによって、少なくとも前記整流素子が導通している期間、前記スイッチ素子をオンさせるエネルギー供給回路とを備えることを特徴とするスイッチング電源装置。

【請求項2】

前記充電用ダイオードのアノードが前記出力ラインに接続され、前記出力コンデンサが前記直流電源として兼用されている請求項１記載のスイッチング電源装置。

【請求項3】

前記限流素子は、負の温度係数を有したサーミスタである請求項１又は２記載のスイッチング電源装置。

【請求項4】

前記スイッチ素子は、サイリスタ、トライアック、ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ又はＩＧＢＴである請求項１乃至３のいずれか記載のスイッチング電源装置。

【請求項5】

前記昇圧チョッパ回路の前段に外来のサージ電圧が発生した時、このサージ電圧のエネルギーを前記エネルギー供給回路に伝送するサージエネルギー伝送回路が設けられ、前記エネルギー供給回路は、前記サージ電圧のエネルギーを前記スイッチ素子の駆動端子に供給することによって、前記スイッチ素子をオンさせる請求項１乃至４のいずれか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、昇圧チョッパ回路の出力コンデンサに流れ込む突入電流を一定以下に抑える突入電流制限回路を備えたスイッチング電源装置に関する。

【背景技術】

【0002】

従来、例えば特許文献１に開示されているように、突入電流防止回路を備えた昇圧コンバータがあった。突入電流防止回路は、電源投入時に昇圧チョッパ回路の出力コンデンサに流れ込む突入電流を抑える回路で、昇圧コンバータの整流素子（ダイオード７）と出力コンデンサ（コンデンサ８）との間に、限流素子（突入電流制限用の抵抗９）及びスイッチ手段（限流素子のその両端を短絡又は開放状態にするサイリスタ１０）の並列回路を挿入し、スイッチ手段を、昇圧コンバータの昇圧用インダクタ（インダクタンス５）に設けた補助巻線（二次巻線５Ｂ）に発生した電圧を用いてオンさせる構成になっている。

【0003】

電源投入時は、スイッチ手段はオフしているので、出力コンデンサに流れ込む突入電流が限流素子によって抑えられる。そして、昇圧チョッパ回路がスイッチング動作を開始すると、昇圧用インダクタの補助巻線に発生する電圧を用いてスイッチ手段をオンさせ、整流素子のスイッチング電流が限流素子に流れないようにバイパスする。これによって、スイッチング電流が限流素子に流れて大きい損失が発生するのが防止される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【文献】実開平６－３６３８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

特許文献１に記載された突入電流防止回路は、昇圧用インダクタに補助巻線を追加する必要があるので、昇圧用インダクタの構造が複雑になってコストアップしてしまう。また、昇圧用インダクタは、昇圧チョッパ回路の性能に大きな影響を与える重要部品であるところ、補助巻線を追加するとメイン巻線を巻回するスペースが制限されるので、メイン巻線の巻数を想定よりも少なくしたり、規定の巻数を巻回できるように電線を細いものに変更したりしなければならず、性能が大幅に低下してしまう可能性がある。その他、昇圧用インダクタとしてトロイダル型のインダクタが選択されるケースが少なくないが、トロイダル型のインダクタは、補助巻線を追加するのが容易ではない。

【0006】

本発明は、上記背景技術に鑑みて成されたものであり、昇圧チョッパ回路の突入電流を、昇圧チョッパ回路の性能を低下させることなく、確実に制限できるシンプルな突入電流制限回路を備えたスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明は、昇圧チョッパ回路と突入電流制限回路とを備え、前記昇圧チョッパ回路は、一端が入力ラインに接続されたインダクタと、前記インダクタの他端とグランドラインとの間に接続された主スイッチング素子と、前記インダクタの他端と出力ラインとの間の接続された整流素子と、前記出力ラインと前記グランドラインとの間に接続された出力コンデンサとを備え、前記入力ラインと前記グランドラインとの間に、直流電圧又は交流電圧を整流した脈流電圧である入力電圧が入力され、前記出力ラインと前記グランドラインとの間に、直流の出力電圧を発生させるスイッチングコンバータであり、
前記突入電流制限回路は、前記整流素子と前記出力ラインとの接続点に挿入され、前記入力ラインから前記インダクタを通じて前記出力コンデンサに流入する電流を制限する限流素子と、前記限流素子に並列接続され、前記限流素子の両端を短絡又は開放状態にするスイッチ素子と、前記スイッチ素子を駆動するスイッチ素子駆動回路と、前記グランドラインを基準とする直流電源とを備え、
前記スイッチ素子駆動回路は、アノードが前記直流電源の出力端に接続された充電用ダイオードと、前記主スイッチング素子及びインダクタの接続点と前記充電用ダイオードのカソードとの間に接続され、前記主スイッチング素子がオンの期間に、前記直流電源から前記充電用ダイオードを通じてエネルギーが蓄積されるエネルギー蓄積コンデンサと、前記エネルギー蓄積コンデンサに蓄積された前記エネルギーを前記スイッチ素子の駆動端子に供給することによって、少なくとも前記整流素子が導通している期間、前記スイッチ素子をオンさせるエネルギー供給回路とを備えるスイッチング電源装置である。

【0008】

前記充電用ダイオードのアノードが前記出力ラインに接続され、前記出力コンデンサが前記直流電源として兼用されている構成にしてもよい。また、前記限流素子は、負の温度係数を有したサーミスタであることが好ましい。また、前記スイッチ素子は、サイリスタ、トライアック、ＦＥＴ、バイポーラトランジスタ又はＩＧＢＴ等を使用することができる。また。前記昇圧チョッパ回路の前段にに外来のサージ電圧が発生した時、このサージ電圧のエネルギーを前記エネルギー供給回路に伝送するサージエネルギー伝送回路が設けられ、前記エネルギー供給回路は、前記サージ電圧のエネルギーを前記スイッチ素子の駆動端子に供給することによって、前記スイッチ素子をオンさせる構成にすることが好ましい。

【発明の効果】

【0009】

本発明のスイッチング電源装置によれば、入力電圧が投入された時、昇圧チョッパ回路の出力コンデンサに流れ込む突入電流を、限流素子によって小さく抑えることができ、その後の定常電流は、電圧降下が小さいスイッチ素子でバイパスされるので、限流素子に大きい損失が発生するのを防止することができる。また、突入電流制限回路は、シンプルな構成なので、安価に設けることができる。しかも、昇圧チョッパ回路のインダクタに補助巻線を追加する必要がないので、補助巻線を追加することによって昇圧性能が低下させてしまうという問題を回避することができる。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】本発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態を示す回路図である。

【図2】第一の実施形態のスイッチング電源装置が有する突入電流制限回路の動作を示すタイムチャートである。

【図3】本発明のスイッチング電源装置の第二の実施形態を示す回路図である。

【図4】第二の実施形態のスイッチング電源装置が有する突入電流制限回路の動作を示すタイムチャートである。

【図5】本発明のスイッチング電源装置の第三の実施形態を示す回路図である。

【図6】本発明のスイッチング電源装置の第四の実施形態を示す回路図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、本発明のスイッチング電源装置の第一の実施形態について、図１、図２に基づいて説明する。この実施形態のスイッチング電源装置１０は、図１に示すように、スイッチングコンバータである昇圧チョッパ回路１２と、突入電流制限回路１４とを備えている。

【0012】

昇圧チョッパ回路１２は、一端が入力ライン１６に接続されたインダクタ１８と、インダクタ１８の他端とグランドライン２０との間に接続されたＭＯＳ型ＦＥＴ等である主スイッチング素子２２とを備え、さらに、インダクタ１８の他端と出力ライン２４との間の接続されたダイオード等である整流素子２６と、出力ライン２４とグランドライン２０との間に接続された出力コンデンサ２８とを備えている。

【0013】

昇圧チョッパ回路１２の前段には、入力電源３０から供給された商用交流電圧Ｅを全波整流した脈流の入力電圧Viを生成する整流回路３２が設けられ、昇圧チョッパ回路１２の後段には、負荷３４が設けられている。つまり、昇圧チョッパ回路１２は、自己の入力端である入力ライン１６とグランドラインとの間に脈流の入力電圧Viが入力され、自己の出力端である出力ライン２４とグランドライン２０との間に、直流の出力電圧Voを発生させ、後段の負荷３４に電力供給する。負荷３４は、スイッチング電源装置１０の外部に接続された電子機器等、あるいはスイッチング電源装置１０の内部にある他の回路網等である。

【0014】

入力ライン１６及びインダクタ１８の接続点とグランドライン２０との間には、入力コンデンサ３５が設けられている。入力コンデンサ３５は、主スイッチング素子２２に流れるスイッチング電流が入力電源３０の側に流出するのを抑えるための電流バイパス用のコンデンサで、容量は、入力電圧Viを平滑して直流電圧にするほど大きくはない。

【0015】

突入電流制限回路１４は、整流素子２６と出力ライン２４との接続点に挿入され、入力電源３０が投入された時、入力ライン１６からインダクタ１８を通じて出力コンデンサ２８に流入する電流を制限する限流素子３６を備え、さらに、限流素子３６に並列接続され、限流素子３６の両端を短絡又は開放状態にするスイッチ素子３８と、スイッチ素子３８を駆動するスイッチ素子駆動回路４０とを備えている。

【0016】

限流素子３６は、抵抗又は負の温度係数を有したサーミスタである。また、スイッチ素子３８は、駆動端子（ゲート）を備えたサイリスタで、アノードが整流素子２６のカソードに接続され、カソードが出力ライン２４に接続され、ゲートがスイッチ素子駆動回路４０に接続されている。

【0017】

スイッチ素子駆動回路４０は、アノードが出力ライン２４に接続された充電用ダイオード４２と、主スイッチング素子２２及びインダクタ１８の接続点と充電用ダイオード４２のカソードとの間に接続されたエネルギー蓄積コンデンサ４４と、エネルギー蓄積コンデンサ４４とスイッチ素子３８の駆動端子との間に接続されたエネルギー供給回路４６とを備えている。その他、エネルギー蓄積コンデンサ４４と充電用ダイオード４２のカソードとの間には、エネルギー蓄積コンデンサ４４を充放電する電流のピーク値を抑える電流制限用の抵抗４８が挿入されている。

【0018】

スイッチ素子駆動回路４０の内部回路の動作を簡単に説明すると、エネルギー蓄積コンデンサ４４は、主スイッチング素子２２がオンの期間に、出力ライン２４から充電用ダイオード４２を通じてエネルギーが蓄積される。そして、エネルギー供給回路４６は、エネルギー蓄積コンデンサ４４に蓄積されたエネルギーの一部をスイッチ素子３８のゲートカソード間に供給することによって（ゲートに駆動電流を流し込むことによって）、少なくとも整流素子２６が導通している期間、スイッチ素子３８をオンさせる動作を行う。

【0019】

なお、このエネルギー供給回路４６は、アノードが抵抗４８及び充電用ダイオード４２の接続点に接続され、カソードがスイッチ素子３８のゲートに接続されたダイオード４６ａと、スイッチ素子３８のゲートカソード間に接続されたコンデンサ４６ｂ及び抵抗４６ｃとで構成される。ダイオード４６ａは、エネルギー蓄積コンデンサ４４からスイッチ素子３８のゲートに向けて電流を流すとともに、電流が逆向きに流れるのを阻止するダイオードである。また、コンデンサ４６ｂは、スイッチ素子３８が誤オンするのを防止するノイズ除去用のコンデンサで、抵抗４６ｃは、コンデンサ４６ｂを所定の速度で放電させる放電用の抵抗である。

【0020】

次に、スイッチング電源装置１０の動作を説明する。入力電源３０の商用交流電圧Ｅが投入されると、瞬時に入力ライン１６に入力電圧Viが発生する。この時、昇圧チョッパ回路１２はスイッチング動作を開始しておらず（主スイッチング素子２２はオフ）、スイッチ素子３８もオフしているので、入力ライン１６、インダクタ１８、整流素子２６、限流素子３６、出力ライン２４、出力コンデンサ２８の経路に突入電流が流れる。しかしながら、限流素子３６の働きで、突入電流のピーク値が一定以下の小さい値に抑えられる。そして、この突入電流によって出力コンデンサ２８が充電され、出力電圧Voが、入力電圧Viの波高値とほぼ同じ値まで上昇する。

【0021】

その後、昇圧チョッパ回路１２がスイッチング動作を開始し、最初に主スイッチング素子２２がオンすると、図２における時間T1以前の状態になる。時間T1以前の状態では、主スイッチング素子２２がオンしているため、電圧Va（グランドライン２０に対する整流素子２６のアノードの電位）はほぼゼロボルトであり、整流素子２６は、出力電圧Voが逆方向に印加されて非導通となる。そして、出力ライン２４、充電用ダイオード４２、抵抗４８、エネルギー蓄積コンデンサ４４、主スイッチング素子２２の経路に電流が流れ、エネルギー蓄積コンデンサ４４の両端電圧VcがVc≒Voとなり、エネルギーが蓄積される。また、電圧Vc（グランドライン２０に対するエネルギー蓄積コンデンサ４４の一端の電位）も、Vb＝Va＋Vc≒Voとなる。スイッチ素子３８は、時間T1以前の状態と同様に、オフを継続する。

【0022】

時間T1のタイミングで主スイッチング素子２２がオフに転じると、電圧Vaが所定の傾きで上昇し始め、電圧Vcが保持されたまま電圧Vbが上昇し、充電用ダイオード４２は、逆電圧が印加されて非導通となる。その後、エネルギー供給回路４６のダイオード４６ａが速やかに導通し、スイッチ素子３８のゲートにエネルギー蓄積コンデンサ４４のエネルギーが供給され（ゲート電流が供給され）、スイッチ素子３８がオンできる状態になる。ただし、スイッチ素子３８のアノードがフローティング状態なので、スイッチ素子３８はオンすることができない。また、電圧Vcは、エネルギー蓄積コンデンサ４４のエネルギーが放出されるため、徐々に低下する。

【0023】

そして、電圧Vaが出力電圧Voを僅かに超えた時（時間T2）、整流素子２６が導通し、ほぼ同時にスイッチ素子３８がオンし、整流素子２６の電流Ifの波形に示すように、インダクタ１８、整流素子２６、スイッチ素子３８、出力ライン２４、出力コンデンサ２８の経路にスッチング電流が流れる。その後間もなく、電圧Vcがほぼゼロボルトまで低下し、スイッチ素子３８のゲートにエネルギーが供給されなくなるが（ゲート電流が供給されなくなるが）、サイリスタであるスイッチ素子３８は、一旦オンするとオン状態にラッチされるので、整流素子２６が導通してスイッチング電流が流れている間、限流素子３６の両端が短絡状態に保持される。そのため、限流素子３６にスイッチング電流が流れて大きい損失が発生する状況にはならない。

【0024】

その後、時間T2になって主スイッチング素子２２がオンに転じると、電圧Vaがほぼゼロボルトになるので、整流素子２６が非導通となり、スイッチ素子３８もラッチが解除されてオフに転じる。そして、エネルギー蓄積コンデンサ４４が再び充電され、電圧Vc≒Voとなる。なお、スイッチ素子５４がオフするのは、整流素子２６にスイッチング電流が流れていない時なので、限流素子３６に大きい損失が発生する状況にはならない。

【0025】

その後、時間T3になって主スイッチング素子２２がオンに転じると、上述した時間T1以降の動作が繰り返され、出力電圧Voが目標値に向かって上昇していく。

【0026】

以上説明したように、スイッチング電源装置１０によれば、商用交流電圧Ｅが投入された時、昇圧チョッパ回路１２の出力コンデンサ２８に流れ込む突入電流を、限流素子３６によって小さく抑えることができ、その後の定常電流（スイッチング電流）は、電圧降下が小さいスイッチ素子３８でバイパスされるので、限流素子に大きい損失が発生するのを防止することができる。また、突入電流制限回路１４は、シンプルな構成なので、安価に設けることができる。しかも、昇圧チョッパ回路１２のインダクタ１８に補助巻線を追加する必要がないので、補助巻線を追加することによって昇圧チョッパ回路の性能が低下させてしまうという問題を回避することができる。

【0027】

また、限流素子３６は抵抗又は負の温度特性を有したサーミスタであると説明したが、コスト等の条件が合えば、後者を使用することが好ましい。例えば、何らかの理由でスイッチ素子３８がオフからオンに転じるタイミングが遅れた場合、スイッチング電流が限流素子３６に流れ、限流素子３８が発熱してしまう可能性がある。しかし、負の温度特性を有したサーミスタを使用すれば、発熱すると抵抗値が低下して損失が小さくなり、発熱が抑えられるので、抵抗を使用した時よりもさらに安全性が向上する。

【0028】

また、動作説明の中では述べなかったが、上記のスイッチ素子駆動回路４０は、整流素子２６が導通状態から非導通状態に移行する時、整流素子２６の両端に発生するリンギング（サージ電圧）を低減する効果も期待できる。つまり、エネルギー蓄積コンデンサ４４及びコンデンサ４６ｂの容量や、抵抗４８及び抵抗４６ｃの抵抗値を調節することによって、スイッチ素子駆動回路４０がサージ電圧を吸収するスナバ回路として機能させることも可能である。

【0029】

次に、本発明のスイッチング電源装置の第二の実施形態について、図３、図４に基づいて説明する。ここで、上記のスイッチング電源装置１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

【0030】

この実施形態のスイッチング電源装置５０は、図３に示すように、上記の昇圧チョッパ回路１２と新規な突入電流制限回路５２とを備えている。以下、スイッチング電源装置１０と構成が異なる点を中心に説明する。

【0031】

上記の突入電流制限回路１４の場合、スイッチ素子３８がサイリスタであるが、突入電流制限回路５２の場合は、スイッチ素子５４としてＭＯＳ型ＦＥＴを使用している点に特徴があり、これに合わせて、スイッチ素子駆動回路４０の中のエネルギー供給手段４６がエネルギー供給手段５６に置き換えられている。スイッチング電源装置５０の他の構成は、スイッチング電源装置１０と同様である。

【0032】

スイッチ素子３６は、駆動端子（ゲート）を備えたＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴで、ドレインが整流素子２６のカソードに接続され、ソースが出力ライン２４に接続され、ゲートがスイッチ素子駆動回路４０に接続されている。

【0033】

スイッチ素子駆動回路４０は、上記の充電用ダイオード４２及びエネルギー蓄積コンデンサ４４と、エネルギー蓄積コンデンサ４４とスイッチ素子５４の駆動端子との間に接続されたエネルギー供給回路５６とを備えている。スイッチ素子駆動回路４０の内部回路の動作を簡単に説明すると、エネルギー蓄積コンデンサ４４は、主スイッチング素子２２がオンの期間に、出力ライン２４から充電用ダイオード４２を通じてエネルギーが蓄積される。そして、エネルギー供給回路５６は、エネルギー蓄積コンデンサ４４に蓄積されたエネルギーの一部をスイッチ素子５４のゲートソース間に供給することによって（ゲートソース間に駆動電圧を印加することによって）、少なくとも整流素子２６が導通している期間、スイッチ素子５４をオンさせる動作を行う。

【0034】

エネルギー供給回路５６の構成を説明すると、エネルギー供給回路５６は、アノードが抵抗４８及び充電用ダイオード４２の接続点に接続されたダイオード５６ａと、ダイオード５６ａのカソードと出力ライン２４との間に接続されたコンデンサ５６ｂと、ダイオード５６ａ及びコンデンサ５６ｂの接続点とスイッチ素子５４のゲートとの間に接続された抵抗５６ｃと、スイッチ素子５４のゲートソース間に接続されたコンデンサ５６ｄ及び抵抗５６ｅとで構成される。ダイオード５６ａは、エネルギー蓄積コンデンサ４４からコンデンサ５６ｂに向けて電流を流すとともに、電流が逆向きに流れるのを阻止するダイオードである。コンデンサ５６ｂは、エネルギー蓄積コンデンサ４４との容量比を利用して電圧Vcより低い電圧Vdを生成するとともに、電圧Vcが低下しても電圧Vdを一定以上の値に保持さるコンデンサである。抵抗５６ｃ及びコンデンサ５６ｄは、スイッチ素子５４が誤オンするのを防止するノイズ除去用のフィルタを構成し、抵抗５６ｅは、コンデンサ５６ｂを所定の速度で放電させる放電用の抵抗である。

【0035】

次に、スイッチング電源装置５０の動作を説明する。入力電源３０の商用交流電圧Ｅが投入されると、瞬時に入力ライン１６に入力電圧Viが発生する。この時、昇圧チョッパ回路１２はスイッチング動作を開始しておらず（主スイッチング素子２２はオフ）、スイッチ素子５４もオフしているので、入力ライン１６、インダクタ１８、整流素子２６、限流素子３６、出力ライン２４、出力コンデンサ２８の経路に突入電流が流れる。しかしながら、限流素子３６の働きで、突入電流のピーク値が一定以下の小さい値に抑えられる。そして、この突入電流で出力コンデンサ２８が充電され、出力電圧Voが、入力電圧Viの波高値とほぼ同じ値まで上昇する。

【0036】

その後、昇圧チョッパ回路１２がスイッチング動作を開始し、最初に主スイッチング素子２２がオンすると、図２における時間T1以前の状態になる。時間T1以前の状態では、主スイチング素子２２がオンしているため、電圧Va（グランドライン２０に対する整流素子２６のアノードの電位）はほぼゼロボルトであり、整流素子２６は、出力電圧Voが逆方向に印加されて非導通となる。そして、出力ライン２４、充電用ダイオード４２、抵抗４８、エネルギー蓄積コンデンサ４４、主スイッチング素子２２の経路に電流が流れ、エネルギー蓄積コンデンサ４４の両端電圧VcがVc≒Voとなり、エネルギーが蓄積される。また、電圧Vc（グランドライン２０に対するエネルギー蓄積コンデンサ４４の一端の電位）も、Vb＝Va＋Vc≒Voとなる。スイッチ素子５４は、時間T1以前の状態と同様に、オフを継続する。

【0037】

時間T1のタイミングで主スイッチング素子２２がオフに転じると、電圧Vaが所定の傾きで上昇し始め、電圧Vcが保持されたまま電圧Vbが上昇し、充電用ダイオード４２は、逆電圧が印加されて非導通となる。その後、エネルギー供給回路５６のダイオード５６ａが速やかに導通し、コンデンサ５６ｂに電圧Vcを降圧した電圧が発生し、スイッチ素子５４のゲートにエネルギー蓄積コンデンサ４４のエネルギーが供給される（ゲートソース間に電圧Vdが供給される）。この電圧Vdは、スイッチ素子５５のゲート閾値電圧Vthよりも高くなるように設定されており、電圧Vdが供給されるとスイッチ素子５４がオンする。また、電圧Vcは、エネルギー蓄積コンデンサ４４のエネルギーが放出されることによって、徐々に低下する。

【0038】

そして、電圧Vaが出力電圧Voを僅かに超えた時（時間T2）、整流素子２６が導通し、整流素子２６の電流Ifの波形に示すように、インダクタ１８、整流素子２６、スイッチ素子５４、出力ライン２４、出力コンデンサ２８の経路にスッチング電流が流れる。その後間もなく、電圧Vcがほぼゼロボルトまで低下するが、ダイオード５６ａがコンデンサ５６ｂからの逆流を阻止するので、スイッチ素子５４のゲートソース間には、コンデンサ５６ｂから電圧Vd（＞Vth）が供給され続ける。そして、スイッチ素子５４は、少なくとも整流素子２６が導通してスイッチング電流が流れている間、オンを継続し、限流素子３６の両端が短絡状態に保持される。そのため、限流素子３６にスイッチング電流が流れて大きい損失が発生する状況にはならない。

【0039】

その後、時間T2になって主スイッチング素子２２がオンに転じると、電圧Vaがほぼゼロボルトになるので、整流素子２６は逆電圧が印加されて非導通となる。そして、エネルギー蓄積コンデンサ４４が再び充電されて、電圧Vc≒Voとなる。スイッチ素子５４は、ゲートソース間電圧Vd＜Vthになった時にオフする。なお、スイッチ素子５４がオフするのは、整流素子２６にスイッチング電流が流れていない時なので、限流素子３６に大きい損失が発生する状況にはならない。

【0040】

その後、時間T3になって主スイッチング素子２２がオンに転じると、上述した時間T1以降の動作が繰り返され、出力電圧Voが目標値に向かって上昇していく。

【0041】

以上説明したように、スイッチング電源装置５０によれば、上記のスイッチング電源装置１０と同様の効果を得ることができる。また、スイッチング電源装置５０の場合、スイッチ素子５４がＭＯＳ型ＦＥＴであり、オン時の電圧降下がサイリスタよりも小さいので、スイッチング電流が流れた時に発生する損失をさらに低減することができ、定常動作時の電源効率をさらに向上させることができる。

【0042】

次に、本発明のスイッチング電源装置の第三の実施形態について、図５に基づいて説明する。ここで、上記のスイッチング電源装置１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

【0043】

この実施形態のスイッチング電源装置５８は、上記のスイッチング電源装置１０の構成に、サージエネルギー伝送回路６０を追加したものである。サージエネルギー伝送回路６０は、入力ライン１６に外来のサージ電圧Vsが加わった時、このサージ電圧Vsのエネルギーをエネルギー供給回路４６に伝送する回路である。そして、エネルギー供給回路４６は、このエネルギーをスイッチ素子３８の駆動端子に供給することによって、スイッチ素子３８をオンさせる動作を行う。外来のサージ電圧Vsは、例えば雷サージ等のエネルギーによって発生するサージ電圧のことで、状況によってはピーク値が数キロボルト以上にもなる。

【0044】

図５に示すように、サージエネルギー伝送回路６０は、入力ライン１６とエネルギー供給回路４６の入力（充電用ダイオード４２のカソード）との間に接続された、コンデンサ６２及び抵抗４８の直列回路により構成される。ここでは、スイッチ素子駆動回路４０の抵抗４８が、エネルギー伝送回路６０の抵抗４８として兼用されている。

【0045】

次に、スイッチング電源装置５８の動作を説明する。入力電源３０の商用交流電圧Ｅが投入された時の動作は、スイッチング電源装置１０とほぼ同じで、追加されたエネルギー供給回路６０は、この動作にほとんど影響しない。

【0046】

サージエネルギー伝送回路６０は、入力ライン１６にサージ電圧Vsが発生した時に機能する。まず、サージエネルギー伝送回路６０がない場合（コンデンサ６２がない場合）について説明すると、入力ライン１６にサージ電圧Vsが発生した時、サージ電圧Vsのエネルギーが電流として放出される経路（すなわち、比較的インピーダンスが低い経路）として、入力ライン１６，インダクタ１８、整流素子２６，限流素子３６を通じて出力コンデンサ２８に至る経路がある。しかしながら、限流抵抗３６によって放出電流が制限されるため、入力ライン１６に発生するサージ電圧Vsは非常に高い電圧になってしまい、入力ライン１６の周辺に接続された整流回路３２、主スイッチング素子２２、スイッチ素子３８等に過大なストレスが加わり、破損してしまう可能性がある。

【0047】

これに対して、サージエネルギー伝送回路６０（コンデンサ６２）を設けると、サージ電圧Vsのエネルギーの一部が、サージエネルギー伝送回路６０を通じてエネルギー供給回路４６に伝送され、エネルギー供給回路４６が、そのエネルギーをスイッチ素子３８の駆動端子に供給してスイッチ素子３８をオンさせ、限流素子３６の両端を速やかに短絡する。そうすると、サージ電圧Vsのエネルギーを放出できる経路のインピーダンスが十分に小さくなり、サージ電圧Vsのエネルギーの多くが速やかに出力コンデンサ２８に放出される。その結果、入力ライン１６に発生するサージ電圧Vsが一定以下の低い電圧に抑えられ、整流回路３２、主スイッチング素子２２、スイッチ素子３８等が安全に保護される。

【0048】

以上説明したように、スイッチング電源装置５８によれば、上記のスイッチング電源装置１０と同様の効果を得ることができ、さらに、サージエネルギー伝送回路６０を設けているので、入力ライン１６に外来のサージ電圧Vsが発生した時、内部の回路素子を安全に保護することができる。

【0049】

次に、本発明のスイッチング電源装置の第四の実施形態について、図６に基づいて説明する。ここで、上記のスイッチング電源装置１０と同様の構成は、同一の符号を付して説明を省略する。

【0050】

この実施形態のスイッチング電源装置６４は、上記のスイッチング電源装置１０の構成を少し変更したもので、具体的には、充電用ダイオード４２のアノードを、出力ライン２４に接続するのではなく、直流電源６６の出力端に接続する構成にしたものである。直流電源６６は、例えば、主スイッチング素子２２のスイッチング動作を制御する制御回路６８に電源電圧Vccを供給するための直流電源等である。

【0051】

上記のスイッチング電源装置１０の場合、エネルギー蓄積コンデンサ４４に蓄積されるエネルギーは、出力ライン２４（出力コンデンサ２８）から充電用ダイオード４２を通じて供給されるのに対し、スイッチング電源装置６４の場合は、直流電源６６から充電用ダイオード４２を通じて供給されるという違いがある。しかしながら、エネルギー蓄積コンデンサ４４は、主スイッチング素子２２がオンの期間にエネルギーが蓄積される点や、エネルギー供給回路４６は、主スイッチング素子２２がオフした時、エネルギー蓄積コンデンサ４４のエネルギーを用いてスイッチ素子３８をオンさせる点は、同様である。

【0052】

このように、スイッチング電源装置６４の突入電流制限回路１４の動作は、スイッチング電源装置１０の突入電流制限回路１４の動作と基本的に同じであり、スイッチング電源装置６４においても、スイッチング電源装置１０と同様の効果を得ることができる。

【0053】

なお、本発明のスイッチング電源装置は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、図１に示すエネルギー供給回路４６内部の回路構成は、スイッチ素子がサイリスタのときに好適な回路構成の一例を示したものであり、サイリスタの性能や出力電圧Voの値等に応じて適宜変更することができる。同様に、図３に示すエネルギー供給回路５６内部の回路構成は、スイッチ素子がＮチャネルのＭＯＳ型ＦＥＴのときに好適な回路構成の一例を示したものであり、ＭＯＳ型ＦＥＴの性能や出力電圧Voの値等に応じて適宜変更することができる。また、スイッチ素子は、オンのタイミングを外部制御可能にする駆動端子を備えたものであれば、サイリスタやＭＯＳ型ＦＥＴ以外の素子に変更してもよく、例えば、トライアック、バイポーラトランジスタ、ＩＧＢＴ等を使用することができる。

【0054】

上記スイッチング電源装置５８の場合、サージエネルギー伝送回路６０の一端が入力ライン１６に接続されているが、サージエネルギー伝送回路の一端を接続する位置は昇圧チョッパ回路１２の前段であればよく、例えば整流回路３２の入力端に接続することも可能であり、同様の作用効果が得られる。また、サージエネルギー伝送回路は、昇圧チョッパ回路の前段に発生した外来のサージ電圧のエネルギーをエネルギー供給回路に伝送可能なものであればよく、上記のエネルギー伝送回路６０（コンデンサ６２及び抵抗４８の直列回路）の構成に限定されない。

【0055】

その他、本発明のスイッチング電源装置は、整流回路３２が内蔵されたＡＣ入力型のスイッチング電源装置に限定されず、整流回路３２を有しないＤＣ入力型のスイッチング電源装置でもよく、同様の作用効果が得られる。

【符号の説明】

【0056】

１０，５０，５８，６４ スイッチング電源装置
１２ 昇圧チョッパ回路
１４，５２ 突入電流制限回路
１６ 入力ライン
１８ インダクタ
２０ グランドライン
２２ 主スイッチング素子
２４ 出力ライン
２６ 整流素子
２８ 出力コンデンサ（直流電源）
３６ 限流素子
３８，５４ スイッチ素子
４０ スイッチ素子駆動回路
４２ 充電用ダイオード
４４ エネルギー蓄積コンデンサ
４６，５６ エネルギー供給回路
６０ サージエネルギー伝送回路
６６ 直流電源
Ｅ 商用交流電圧
Ｖｉ 入力電圧
Ｖｏ 出力電圧
Ｖｓ 外来のサージ電圧

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】