JP4148744B2

JP4148744B2 - 電源装置

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Publication number: JP4148744B2
Application number: JP2002293435A
Authority: JP
Inventors: 善秋松田; 晋也大藤
Original assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Shindengen Electric Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-10-07
Filing date: 2002-10-07
Publication date: 2008-09-10
Anticipated expiration: 2022-10-07
Also published as: JP2004129457A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は電源装置の技術分野にかかり、特に、トランスの使用効率が高い電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２５の符号１０２は、チョークコイルを使用した従来技術の電源装置である。
一般に、スイッチング型の電源装置１０２は、一次側回路と二次側回路に分かれており、その間はトランス１２１によって絶縁されている。トランス１２１内には、互いに磁気結合した一次巻線Ｗ₁と二次巻線Ｗ₂が配置されている。
【０００３】
一次側には、商用電源を整流平滑した直流電圧源１１０と、一次巻線Ｗ₁と共にＨブリッジを構成するスイッチ回路１０７とが配置されている。
【０００４】
スイッチ回路１０７内には、四個のトランジスタＱ₁〜Ｑ₄が設けられており、２個一組の順方向のトランジスタＱ₁、Ｑ₂と逆方向のトランジスタＱ₃、Ｑ₄が、一組ずつ交互に導通することで、直流電圧源１１０から一次巻線Ｗ₁に交流電流を流すように構成されている。
【０００５】
二次巻線Ｗ₂は出力回路１０８に接続されており、一次巻線Ｗ₁に交流電流が流れ、二次巻線Ｗ₂に交流電圧が誘起されると、誘起電圧は出力回路１０８に印加される
出力回路１０８は、チョークコイルＬ₁、Ｌ₂と整流素子１３６₁、１３６₂とが直列接続された二個の整流回路１２４、１２５を有している。
【０００６】
二次巻線Ｗ₂の両端は、二個の整流回路１２４、１２５のチョークコイルＬ₁、Ｌ₂と整流素子１３６₁、１３６₂とが互いに接続された接続点にそれぞれ接続されている。この電源装置１０２は、正電圧を出力する電源であり、
【０００７】
整流素子１３６₁、１３６₂は、そのカソード端子側が、チョークコイルＬ₁、Ｌ₂の一端に接続されており、チョークコイルＬ₁、Ｌ₂の他端は、正電圧が出力される第一の出力端子１３８に接続されている。
【０００８】
整流素子１３６₁、１３６₂のアノード端子側は、接地電位となる第２の出力端子１３９に接続されており、二次巻線Ｗ₂の誘起電圧により、一方の整流回路１２４に正電圧が印加され、他方の整流回路１２５に負電圧が印加されると、正電圧が印加された方の整流回路１２４のチョークコイルＬ₁に二次巻線Ｗ₂から電流が供給される。その電流は、負電圧が印加された方の整流回路１２５の整流素子１３６₂を通って流れる。正電圧が印加された方の整流回路１２４の整流素子１３６₁には逆バイアスされ、電流は流れない。
【０００９】
次に、二次巻線Ｗ₂から各整流回路１２４、１２５に印加される電圧の極性が逆転すると、他方のチョークコイルＬ₂と整流素子１３６₁に電流が供給される。なお、最初のチョークコイルＬ₁に電流が供給されているとき、この他方のチョークコイルＬ₂には、チョークコイルＬ₂が生成する電流が流れている。
【００１０】
出力回路１０８には、コンデンサＣが並列接続されおり、第１、第２の出力端子１３８、１３９間には、コンデンサＣで平滑された直流電圧が現れ、この直流電圧が負荷１２８に供給される。
【００１１】
上記の電源装置１０２と異なり、ダイオードブリッジを使用した場合、二次巻線Ｗ₂の誘起電圧によって生成される電流は、直列接続された２個の整流素子を通のに比べ、上記のような電源装置１０２では、誘起電圧によって生成された電流は、２個の整流素子１３６₁、１３６₂のうちのいずれか一方だけを流れて負荷１６に供給されるため損失が小さく、高効率の電源装置が得られる。
【００１２】
図２６の符号１０３は、出力電流を大きくするために、上記のような電源装置１０２を二台、負荷１６に対して並列接続した電源装置である。
【００１３】
この電源装置１０３では、２個のトランス１２１₁、１２１₂にはそれぞれスイッチ回路１０７₁、１０７₂が接続されており、各スイッチ回路１０７₁、１０７₂によってトランス１２１₁、１２１₂に交流電流を供給するように構成されている。
【００１４】
また、各トランス１２１₁、１２１₂には、出力回路１０８₁、１０８₂がそれぞれ接続されており、各出力回路１０８₁、１０８₂から負荷１６に対して並列に電流を供給するように構成されている。
【００１５】
しかしながら、上記のような並列型の電源装置１０３では、各トランス１２１₁、１２１₂の最大電圧と最大電流の仕様は、トランス１２１が１個の電源装置１０２と同じになり、トランスの使用効率が悪いという欠点がある。
【００１６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の不都合を解決するために創作されたものであり、その目的は、トランスの使用効率が高いスイッチング電源を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項1記載の発明は、複数の一次巻線と、前記一次巻線に交流電圧を供給するスイッチ回路と、前記一次巻線にそれぞれ磁気結合された二次巻線と、チョークコイルと整流素子とが直列接続された複数の整流回路とを有し、前記二次巻線は直列接続され、前記二次巻線同士の接続点と、前記二次巻線の直列接続回路の両端点には、前記整流回路の前記チョークコイルと前記整流回路の接続点が接続され、前記整流回路の前記チョークコイル側の端点は第１の出力端子に接続され、前記整流素子側の端点は第２の出力端子に接続され、前記第１、第２の出力端子間にはコンデンサが接続され、前記二次巻線に同極性の電圧が誘起され、前記二次巻線の直列接続回路の両端に、各二次巻線に誘起された電圧を加算した直列電圧が発生すると、前記第１、第２の端子に接続された負荷には、前記直列電圧が印加されるように構成された電源装置である。
請求項２記載の発明は、前記第１又は第２の出力端子のいずれか一方又は両方に設けられた電流センサと、前記一次巻線に印加する交流電圧の位相を制御する制御回路とを有し、前記制御回路には予め第１の上限値が設定され、前記電流センサの測定値が前記第１の上限値以下では前記一次巻線に印加する交流電圧の位相を揃えて前記負荷に前記直列電圧を印加し、前記第１の上限値を超えると位相をずらし、前記負荷に供給される電圧を低下させる請求項１記載の電源装置である。
請求項３記載の発明は、前記第１、第２の出力端子間の電圧を測定する電圧センサを有し、前記制御回路は、前記電流センサと前記電圧センサの測定値から、負荷に一定電力が供給されるように前記位相のずれ量を増大させる請求項２記載の電源装置である。
請求項４記載の発明は、前記制御回路には、前記第１、第２の出力端子間の電圧が、前記二次巻線の誘起電圧の１／２になったときの出力電流が第２の上限値として設定されており、前記制御回路は、出力電流が前記第２の上限値を超えると前記スイッチ回路を制御し、前記負荷に一定電流が供給されながら前記第１、第２の出力端子の電圧が低下するように、前記一次巻線に印加する交流電圧の期間を短くする請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の電源装置である。
【００１８】
本発明は上記のように構成されており、負荷に高電圧で低電流を供給する場合は、各二次巻線の誘起電圧を負荷に対して直列に印加する。
【００１９】
負荷に低電圧で大電流を供給する場合は、各二次巻線の誘起電圧を負荷に対して並列に印加し、各二次巻線から負荷に対して並列に電流を供給する。
【００２０】
その間の場合、即ち、中程度の電圧で中程度の電流を供給する場合、二次巻線の誘起電圧を負荷に対して直列に印加する期間と並列に印加する期間を一周期中に混在させ、その割合で出力電圧を制御する。
【００２１】
この場合、負荷に供給される電流を測定し、電流が増加するに従って、出力電圧を低下させることができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
本発明の電源装置を図面を参照しながら説明する。
図１(ａ)の符号１は本発明の第一例の電源装置であり、複数個(ここでは２個)のトランス２１₁、２１₂を有している。
【００２３】
各トランス２１₁、２１₂内には、一次巻線３１₁、３１₂と、各一次巻線３１₁、３１₂に対してそれぞれ磁気結合された二次巻線３２₁、３２₂とが配置されている。
【００２４】
符号２９は商用電圧源を直流平滑して直流電圧を出力する直流電圧源であり、各一次巻線３１₁、３１₂には、直流電圧源２９に接続されたスイッチ回路２６₁、２６₂がそれぞれ１個ずつ接続されている。
【００２５】
スイッチ回路２６₁、２６₂を図１(ｂ)に示す。
各スイッチ回路２６₁、２６₂は、ｎチャネルＭＯＳトランジスタ(ＭＯＳＦＥＴ)から成るトランジスタをそれぞれ４個有している。同図の符号Ｑ₁〜Ｑ₄はそれら４個のトランジスタを示している。
【００２６】
ここでは符号Ｑ₁、Ｑ₄のトランジスタと、符号Ｑ₃、Ｑ₂のトランジスタがそれぞれ直列接続されている。
【００２７】
トランジスタＱ₁、Ｑ₄又はトランジスタＱ₂、Ｑ₃同士が接続された接続部分には、１個の一次巻線３１₁、３１₂の端部たそれぞれ接続され、４個のトランジスタＱ₁〜Ｑ₄と、１個の一次巻線３１₁又は３１₂とでＨブリッジ回路が構成されている。
【００２８】
トランジスタＱ₁、Ｑ₄又はトランジスタＱ₂、Ｑ₃の直列接続回路は、直流電圧源２９に対して並列接続されており、直流電圧源２９が出力する直流電圧がＨブリッジ回路に印加されるように構成されている。
【００２９】
符号Ｑ₁とＱ₂の組み、及び符号Ｑ₃とＱ₄の組は、一次巻線３１₁又３１₂の一端に正電圧を印加し、他端に負電圧を印加するトランジスタの組み合わせであり、各組みを交互に導通させると、一次巻線３１₁、３１₂に交流電圧が印加される。
【００３０】
この交流電圧は、例えば、一方の組みのトランジスタＱ₁とＱ₂を導通させ、他方の組のトランジスタＱ₃とＱ₄を遮断させたときの電圧の極性を正とすると、一方の組みのトランジスタＱ₁とＱ₂を遮断させ、他方の組のトランジスタＱ₃とＱ₄を導通させると負極性になる。
【００３１】
一次巻線３１₁、３１₂に交流電圧が印加されると、その一次巻線３１₁、３１₂に磁気結合した二次巻線３２₁、３２₂に交流電圧が誘起される。
【００３２】
この電源装置１では、各二次巻線３２₁、３２₂は直列接続されている。
図１中の符号ａは、二次巻線３２₁、３２₂が直列接続された回路の両端の端点を示しており、符号ｂは、二次巻線３２₁、３２₂同士が互いに接続された接続点を示している。
【００３３】
また、この電源装置１では、少なくとも、端点ａの個数と接続点ｂの個数とを合計した数以上の、整流回路が設けられている。
【００３４】
符号２２₁〜２２₃はその整流回路を示しており、各整流回路２２₁〜２２₃は、１個のチョークコイル３５₁、３５₂、３５₃と、１個の整流素子３６₁、３６₂、３６₃とが直列接続されて構成されている。整流素子３６₁〜３６₃は、ｐｎ接合ダイオードやショットキー接合ダイオード等の整流作用を有する素子である。
【００３５】
二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路の端点ａと接続点ｂには、少なくとも１個の整流回路２２₁〜２２₃のチョークコイル３５₁〜３５₃と整流素子３６₁〜３６₃とが接続された部分が接続されている。
【００３６】
各整流回路２２₁〜２２₃の両端のうち、チョークコイル３５₁〜３５₃側の端子は、第１の出力端子３８に接続されており、整流素子３６₁〜３６₃側の端子は、第２の出力端子３９に接続されている。
【００３７】
第１の出力端子３８と第２の出力端子３９との間には出力コンデンサ１４が設けられており、各二次巻線３２₁、３２₂に誘起された交流電圧は、後述するように、整流回路２２₁〜２２₃と出力コンデンサ１４によって整流平滑され、直流電圧となって、第１の出力端子３８と第２の出力端子３９の間に出力される。
【００３８】
第１、第２の出力端子３８、３９間には、負荷１６が接続されている。
ここでは、各整流素子３６₁〜３６₃のアノード端子が第２の出力端子３９に接続されており、第２の出力端子３９に負荷１６から電流が流入するようになっているから、第２の出力端子３９が接地電位であり、第１の出力端子が接地電位よりも高い電圧を出力するようになっている。
【００３９】
電源装置１は制御回路２４を有している。各スイッチ回路２６₁、２６₂は制御回路２４に接続され、この制御回路２４によって、スイッチ回路２６₁、２６₂内のトランジスタＱ₁〜Ｑ₄の導通と遮断が個別に制御されており、それにより、各スイッチ回路２６₁、２６₂から一次巻線３１₁、３１₂に供給される交流電圧の位相や周波数が制御されている。制御回路２４による各スイッチ回路２６₁、２６₂の制御は独立であり、各スイッチ回路２６₁、２６₂に接続された二次巻線３２₁、３２₂に流れる電流は、それぞれ個別に制御される。
【００４０】
各一次巻線３１₁、３１₂に印加される電圧波形の例を図１０〜図１２に示す。各図中の符号Ｔは、各一次巻線３１₁、３１₂に印加される交流電圧Ｖ３１₁、Ｖ３１₂の１周期の期間を示している。符号Ｄは、交流電圧の極性が反転する時に、一次巻線３１₁、３１₂に流れる電流がゼロであり、二次巻線３２₁、３２₂に誘起される電圧がゼロになる期間である。この期間Ｄはごく短く設定されており、電源装置１の動作上無視できるものとする。
【００４１】
また、本発明の電源装置１では、各スイッチ回路２６₁、２６₂から各一次巻線３１₁、３１₂に印加される交流電圧の周波数は等しく、且つ、交流電圧の正極性の期間と負極性の期間の長さは等しくされている。
【００４２】
上記のように、一次巻線３１₁、３１₂に流れる電流がゼロの期間Ｄは、無視できる程度に短いので、各一次巻線３１₁、３１₂には、正極性の電圧か、又は負極性の電圧のいずれかが印加されているものとする。
【００４３】
図１０、図１１)に示したタイミングチャート中の符号Ｓは、各一次巻線３１₁、３１₂に同極性の電圧が印加され、各二次巻線３２₁、３２₂に同極性の電圧が誘起されている期間である。
【００４４】
図１１、図１２の符号Ｐは、直列接続された二次巻線３２₁、３２₂のうち、隣り合う二次巻線に互いに逆極性の電圧が誘起される期間である。
【００４５】
図１０に示すように、各一次巻線３１₁、３１₂に印加される交流電圧の位相が一致しており、位相差はゼロの状態では、各二次巻線３２₁、３２₂の誘起電圧は同極性であり、二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路の端点ａと端点ａの間には、各二次巻線３２₁、３２₂に誘起された電圧を加算した電圧が発生し、各二次巻線３２₁、３２₂に誘起された電圧が、直列に負荷１６に印加される。
【００４６】
この状態では、負荷１６には高電圧が供給される反面、供給される電流は小さい。
【００４７】
本発明の電源装置１では、各トランス２１₁、２１₂中の、一次巻線３１₁、３１₂と二次巻線３２₁、３２₂の巻数比は等しくされており、各一次巻線３１₁、３１₂に印加される交流電圧の大きさは等しくなっているから、従って、各二次巻線３２₁、３２₂に誘起される交流電圧の大きさは等しくなっている。
【００４８】
各二次巻線３２₁、３２₂に誘起された電圧の大きさ符号Ｅで表すと、期間Ｓ中では、各二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路の端点ａの間に生じる電圧は、電圧Ｅを二次巻線３２₁、３２₂の個数倍した大きさになる。二次巻線がｎ個あれば、ｎ×Ｅである。
【００４９】
この電源装置１では、各整流素子３６₁、３６₂のカソード側が二次巻線３２₁、３２₂に接続されているため、二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路の端点ａのうち、正電圧が誘起された方の端点ａに接続された整流素子３６₁又は３６₃は逆バイアスされ、遮断する。他方、負電圧が誘起された方の端点ａに接続された整流素子３６₁又は３６₃は順バイアスされる。
【００５０】
その結果、二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路に生じたｎ×Ｅの電圧により、正電圧が誘起された端点ａに接続されたチョークコイル３５₁又は３５₃と負電圧が誘起された端点ａに接続された整流素子３６₁、３６₂を通って電流が流れ、その電流が第１の出力端子３８から負荷１６に供給される。
【００５１】
一次巻線３１₁、３１₂に印加される交流電圧の極性が反転すると、二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路に誘起される電圧の極性も反転するが、反転前と同様に、第１の出力端子３８から負荷１６に供給される。
【００５２】
図１０のタイミングチャートのように、各一次巻線３１₁、３１₂に印加される電圧の位相が一致している場合には、各二次巻線３２₁、３２₂に正極性の電圧が誘起される期間と負極性の電圧が誘起される期間がある。
【００５３】
図２は、正極性の電圧が誘起される期間に流れる電流を示しており、図３は、負極性の電圧が誘起される期間に流れる電流を示している。
【００５４】
図２の符号Ｉ₁₁と図３の符号Ｉ₂₁は、二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路の両端に生じた電圧ｎ×Ｅ(ｎ＝２)によって流れる電流とその向きを示している。
【００５５】
これらの電流ｉ₁₁、ｉ₂₁はそれぞれチョークコイル３５₁、３５₃を流れ、負荷１６に供給される。このとき、二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路には、ｎ×Ｅの電圧が生じ、第１の出力端子３８には、電圧ｎ×Ｅ／２の大きさの出力電圧Ｖ_Oが現れる。このとき、チョークコイル３５₁、３５₃の両端には、二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路に生じた電圧の半分の大きさの電圧ｎ×Ｅ／２だけ電圧降下する。
【００５６】
それらの電流ｉ₁₁、ｉ₂₁は、一次巻線３１₁、３１₃に印加される交流電圧の極性が反転すると、電流ｉ₁₁と電流ｉ₂₁との間で相互に切り替わる。
【００５７】
各電流ｉ₁₁、ｉ₂₁は、チョークコイル３５₁、３５₃をそれぞれ流れ、負荷１６に供給されているが、電流ｉ₁₁と電流ｉ₂₁との間で相互に切り替わると、各チョークコイル３５₁、３５₃に流れる電流は一旦停止する。
【００５８】
各チョークコイル３５₁、３５₃は、電流ｉ₁₁、ｉ₂₁がそれぞれ流れているときに、磁気エネルギーによって充電されており、その電流ｉ₁₁、ｉ₂₁が停止すると、チョークコイル３５₁、３５₃に起電力が生じ、その放電によって、図３の符号ｉ₁₂と図４の符号ｉ₂₂で示す電流が生成され、第１の出力端子３８から負荷１６に供給される。
【００５９】
チョークコイル３５₁、３５₃の放電による電流Ｉ₁₂、Ｉ₂₂は、チョークコイル３５₁、３５₃を充電した電流ｉ₁₁、ｉ₂₁と同じ大きさである。チョークコイル３５₁、３５₃を充電した電流ｉ₁₁、ｉ₂₁の大きさは相互に等しいから、結局、各電流ｉ₁₁、ｉ₂₁、Ｉ₁₂、Ｉ₂₂ の大きさは略等しい。
【００６０】
各二次巻線３２₁、３２₂の誘起電圧が、負荷１６に対して直列に印加される状態で、負荷１６に流れる電流が変動すると、二次巻線３２₁、３２₂によって生成される電流I₁₁、Ｉ₂₁の大きさが自動的に追随し、出力電圧Ｖ_Oは一定値(ここでは電圧Ｅ)に維持される。
【００６１】
即ち、負荷１６に流れる電流が小さくなると、第１の出力端子３８から供給される電流もそれに従って小さくなり、負荷１６に流れる電流が大きくなると、第１の出力端子３８から供給される電流もそれに従って大きくなる。
【００６２】
この電源装置１では、第１の出力端子３８又は第２の出力端子３９のいずれか一方又は両方に電流センサ１５が設けられており、電源装置１から負荷１６に供給される出力電流の大きさは、電流センサ１５で測定されるようになっている。
【００６３】
電流センサ１５の測定結果は制御回路２４に入力されている。制御回路２４には、予め第１の上限値が設定されており、負荷１６に供給される出力電流Ｉ_Oが第１の上限値を超えると、一次巻線３１₁、３１₂に印加される交流電圧の位相が一致した状態から、ズレを含んだ状態に移行される。
【００６４】
図１１は、制御回路２４により、一次巻線３１₁、３１₂に印加される交流電圧の位相が角度Ｆだけずらされた状態を示している。図１０のタイミングチャートでは、一周期Ｔが全部期間Ｓで占められいたが、図１１のタイミングチャートでは、期間Ｓと期間Ｐが混在した状態になる。
【００６５】
図１１の期間Ｓは、時刻ｔ₁、ｔ₃で開始し、時刻ｔ₂、ｔ₄で終了しており、期間Ｐは、期間Ｓが終了する時刻ｔ₂、ｔ₄で開始し、期間Ｓが開始する時刻ｔ₃(及び時刻ｔ₁)で終了している。
【００６６】
図１１のタイミングチャートに沿って期間Ｓと期間Ｐが混在する場合の電源装置１の動作を説明する。
【００６７】
先ず、時刻ｔ₁〜ｔ₂の間、各二次巻線３２₁、３２₂に正極性の電圧が誘起されると、図４に示すように、各二次巻線３２₁、３２₂に誘起された電圧Ｅは直列に負荷１６とチョークコイル３５₁の直列接続回路に印加される。符号Ｉ₃₃は、二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路の両端の電圧２・Ｅによって負荷１６に供給される電流を示している。
【００６８】
このとき、１個の二次巻線３２₂に誘起された電圧Ｅによって、電流Ｉ₃₂が負荷１６に供給される。
【００６９】
これら二次巻線３２₁、３２₂によって生成された電流Ｉ₃₃、Ｉ₃₂は、同じ整流素子３６₃と、異なるチョークコイル３５₁、３５₂を流れる。その際チョークコイル３５₁、３５₂を充電する。
【００７０】
時刻ｔ₁の直前は、二次巻線３２₁、３２₂に誘起された電圧で、チョークコイル３５₂に電流が流されており、時刻ｔ₁〜ｔ₂の間、そのチョークコイル３５₂が放電し、図４中の符号Ｉ₃₃で示した電流が負荷１６に供給される。
【００７１】
次に、時刻ｔ₂を経過すると、二個の一次巻線３１₁、３１₂のうち、一方の一次巻線３１₂に流れる電流が反転し、その一次巻線３１₂に磁気結合した二次巻線３２₂に負極性の電圧が誘起される。
【００７２】
他方の一次巻線３１₁には正極性の電圧が印加されており、その一次巻線３１₁に磁気結合した二次巻線３２₁には、正極性の電圧が誘起されている。
【００７３】
図５は、このような状態の時に電源装置１に流れる電流を示しており、正極性の電圧と負極性の電圧がそれぞれ誘起された二次巻線３２₁、３２₂により、正極性の電流Ｉ₄₁と負極性の電流Ｉ₄₂がそれぞれ生成され、第１の出力端子３８から負荷１６にそれぞれ供給される。
【００７４】
図５に示した状態では、二次巻線３２₁、３２₂に生じた誘起電圧は負荷１６に対して並列に印加されており、正極性の電流Ｉ₄₁と負極性の電流Ｉ₄₂が負荷１６に並列に供給されている。
【００７５】
この電流Ｉ₄₁、Ｉ₄₂は、同じ整流素子３６₂を通り、別のチョークコイル３５₁、３５₃を流れ、そのチョークコイル３５₁、３５₃を磁気エネルギーによってそれぞれ充電する。
【００７６】
電流Ｉ₄₁、Ｉ₄₂が流れないチョークコイル３５₂には、時刻ｔ₂の直前に、二次巻線３２₂から供給される電流Ｉ₃₂が流れ、それによって充電されており、時刻ｔ₂でその電流Ｉ₃₂が停止すると、チョークコイル３５₂に起電力が生じ、電流Ｉ₄₃が生成される。
【００７７】
その電流Ｉ₄₃は、二次巻線３２₁、３２₂が生成した電流Ｉ₄₁、Ｉ₄₂と同じ整流素子３６₂を流れ、第１の出力端子３８から負荷１６に供給される。
【００７８】
図１４は、上記のように二次巻線３２₁、３２₂の誘起電圧が負荷１６に直列に印加される期間Ｓと並列に印加される期間Ｐが混在している場合の、電源装置１内部に流れる電流及び電圧の波形を示すシミュレーション結果である。
【００７９】
図１４中の符号Ｖ３１₁、Ｖ３１₂は一次巻線３１₁、３１₂に印加される交流電圧の波形を示しており、Ｉ３２₁、Ｉ３２₂は二次巻線３２₁、３２₂に流れる電流波形を示している。
【００８０】
また、Ｉ３６₁〜Ｉ３６₃は整流素子３６₁〜３６₃に流れる電流波形を示しており、Ｖ３６₁〜Ｖ３６₃は、カソード端子の電位を示している(正負は逆転している)。
【００８１】
次に、時刻ｔ₃が経過し、各一次巻線３１₁、３１₂に印加される電圧が全て負極性になると、二次巻線３２₁、３２₂に誘起される電圧の極性も負極性となり、各二次巻線３２₁、３２₂の誘起電圧は、負荷１６に対して直列に印加される。
【００８２】
図６は、このとき流れる電流を示しており、二次巻線３２₁、３２₂の直列接続回路の両端に生じた電圧２×Ｅによって電流Ｉ₅₁が生成され、また、１個の二次巻線３２₁に誘起された電圧Ｅにより、電流Ｉ₅₂が生成される。
【００８３】
また、時刻ｔ₃よりも前にチョークコイル３５₁に供給されていた電流Ｉ₂₂は停止することにより、そのチョークコイル３５₁に起電力が生じ、電流Ｉ₅₃が生成されている。
これらの電流Ｉ₅₁、Ｉ₅₂、Ｉ₅₃は負荷１６に供給される。
【００８４】
次に、時刻ｔ₄が経過すると、一方の二次巻線３２₂の誘起電圧が負極性から正極性に変わり、その結果、二次巻線３２₁、３２₂に生じた誘起電圧は負荷１６に対して並列に印加される。従って、図７に示すように、各二次巻線３２₁、３２₂の誘起電圧によって電流Ｉ₆₁、Ｉ₆₂が生成され、負荷１６に並列に供給される。その電流Ｉ₆₁、Ｉ₆₂は、異なる整流素子３６₁、３６₂と、同じチョークコイル３５₂を通って、負荷１６に供給される。他のチョークコイル３５₁、３５₃には起電力が生じており、その起電力によって電流Ｉ₆₃、Ｉ₆₄が生成され、それぞれ負荷１６に供給される。
【００８５】
上記は、一次巻線３１₁、３１₂に印加される交流電圧の位相のずれ量Ｆが、１８０°以下の場合であったが、すれ量Ｆが大きくなり、図１２に示したように１８０°になると、二次巻線３２₁、３２₂に誘起される電圧は互いに逆極性になり、直列の期間Ｓは消滅し、一周期Ｔの全部が並列の期間Ｐになり、負荷１６に並列に電流を供給するようになる。
【００８６】
このとき、負荷１６には、図８に示した電流Ｉ₇₁〜Ｉ₇₃と、図９に示した電流Ｉ₈₁〜₈₄とが交互に供給される。
【００８７】
各二次巻線３２₁、３２₂の誘起電圧によって生成される電流Ｉ₇₁、Ｉ₇₂、Ｉ₈₁、Ｉ₈₂の大きさは互いに等しく、各チョークコイル３５₁〜３５₃の起電力によって生じる電流Ｉ₇₃、Ｉ₈₃、Ｉ₈₄は、チョークコイル３５₁〜３５₃を充電した電流Ｉ₇₁、Ｉ₇₂、Ｉ₈₁＋Ｉ₈₂の大きさに等しいから、
Ｉ₇₁＝Ｉ₇₂＝Ｉ₈₁＝Ｉ₈₂＝Ｉ₇₃／２＝Ｉ₈₃＝Ｉ₈₄
である。
【００８８】
上記のように、１周期Ｔの全部が並列の期間Ｐになり、各二次巻線３２₁、３２₂の誘起電圧による電流Ｉ₇₁、Ｉ₇₂、Ｉ₈₁、Ｉ₈₂がチョークコイル３５₁〜３５₃を流れると、出力電圧Ｖ_Oは、誘起電圧Ｅの半分の大きさの電圧Ｅ／２になる。
【００８９】
このとき、各チョークコイル３５₁〜３５₃ではＥ／２だけ電圧降下しており、チョークコイル３５₁〜３５₃を流れる電流Ｉ₇₁、Ｉ₇₂、Ｉ₈₁、Ｉ₈₂により、各チョークコイル３５₁〜３５₃は磁気エネルギーで充電される。
【００９０】
それに対し、図１１のタイミングチャートの場合のように、１周期Ｔ中に直列接続の期間Ｓと並列接続の期間Ｐとが混在する場合は、出力電圧Ｖ_Oは、ｎ×Ｅ／２とＥ／２の間の大きさであって、一期間Ｔ中に含まれる期間Ｓと期間Ｐの割合に応じた大きさになる。例えば、期間Ｓと期間Ｐが１：１の場合、出力電圧Ｖ_OはＥ・３／４になる。
【００９１】
この電源装置１では、制御回路２４に、第１の上限値Ｉ₁が予め設定されており、出力電流Ｉ_Oが第１の上限値Ｉ₁よりも小さい間は、並列の期間Ｐを含まず、一周期Ｔ全部が直列の期間Ｓの状態で運転し、出力電流Ｉ_Oが第１の上限値Ｉ₁を超えると、超えた量に応じて期間Ｓを発生させ、出力電流Ｉ_Oを増加させながら出力電圧Ｖ_Oを低下させる。
【００９２】
図１３は、出力電流Ｉ_Oと出力電圧Ｖ_Oの関係を示したグラフである。出力電流Ｉ_Oが第１の上限値Ｉ₁よりも小さい点Ａ〜点Ｂの間は、出力電圧Ｖ_oは電圧Ｅの一定値になっており、出力電流Ｉ_Oが第１の上限値Ｉ₁を超えると、出力電流Ｉ_Oは増加しながら出力電圧Ｖ_Oは低下させられる。
【００９３】
この制御回路２４は第１の出力端子３８と第２の出力端子３９の間に現れる出力電圧Ｖ_Oが入力されており、出力電流Ｉ_Oと出力電圧Ｖ_Oの両方が測定されている。本実施例では、制御回路２４により、出力電流Ｉ_Oが第１の上限値Ｉ₁を超えると、位相のずれ量Ｆを増大させ、出力電力(出力電流Ｉ_Oと出力電圧Ｖ_Oの積)が一定値になるように、出力電流Ｉ_Oを増加させながら出力電圧Ｖ_Oを低下させる。
【００９４】
但し、本発明の出力電圧Ｖ_Oの低下のさせ方はそれに限定されるものではなく、例えば、出力電流Ｉ_Oを直線的に増加させながら出力電圧Ｖ_Oを直線的に低下させる等、種々の制御方法が含まれる。
【００９５】
上記のように位相のずれ量Ｆが増大し、１８０°に達して１周期Ｔが全て並列の期間Ｐとなる点Ｃでは、出力電圧Ｖ_OはＥ／２になる。
【００９６】
符号Ｉ₂は、出力電圧Ｖ_OがＥ／２になったときの出力電流Ｉ_Oの値であり、出力電流Ｉ_Oに対する第２の上限値である。
【００９７】
この電源装置１では、出力電流Ｉ_Oが第２の上限値Ｉ₂を超えると、制御回路２４が、トランジスタＱ₁〜Ｑ₄の導通期間を短くし、一次巻線３１₁、３１₂に供給する交流電圧の実効値を低下させる。
【００９８】
その結果、二次巻線３２₁、３２₂に電圧が誘起されない期間Ｄが無視できない程長くなり、期間Ｄの長さに応じて出力電圧Ｖ_OがＥ／２から更に低下する。
【００９９】
点Ｄは、第１の出力端子３８と接地端子３９が短絡した状態、即ち、出力電圧Ｖ_Oがゼロになった状態であり、出力電流Ｉ_Oは、出力電圧Ｖ_OがＥ／２を超えゼロになるまでの間、第２の上限値Ｉ₂の値を維持する。
【０１００】
次に、図１５は、本発明の第二例の電源装置２の回路図である。
この第二例の電源装置２では、第一例の電源装置１に、トランス２１₃、２１₄と、整流回路２２₄、２２₅と、スイッチ回路２６₃、２６₄が追加されている。各スイッチ回路２６₁〜２６₄の内部構成は図１(ｂ)に示した通りである。
【０１０１】
第一例の電源装置１では、２個のトランス２１₁、２１₂を有し、そのトランス２１₁、２１₂内の二次巻線３２₁、３２₂が直列接続されていたが、第二例の電源装置２では、各トランス２１₁〜２１₄内の合計四個の二次巻線３２₁〜３２₄が直列接続されている。
【０１０２】
二次巻線３２₁〜３２₄の直列接続回路の端点ａと、二次巻線３２₁〜３２₄同士の接続点ｂは、各整流回路２２₁〜２２₅内のチョークコイル３５₁〜３５₅によって第１の出力端子３８に接続され、且つ、整流素子３６₁〜３６₅によって接地端子３９に接続されている。
【０１０３】
整流素子３６₁〜３６₅は、アノード側が接地電位の第２の出力端子３９に接続され、カソード側が端点ａ又は接続点ｂに接続されている。
【０１０４】
各トランス２１₁〜２１₄内の一次巻線３１₁〜３１₄は、それぞれ別々にスイッチ回路２６₁〜２６₄に接続されており、制御回路２４が各スイッチ回路２６₁〜２６₄を制御し、各一次巻線３１₁〜３１₄に印加する交流電圧の位相を変えると、二次巻線３２₁〜３２₄の誘起電圧の極性が制御される。それにより、誘起電圧が負荷１６に対して直列に印加され、又、並列に印加される。
【０１０５】
図２２は、この電源装置２で、各一次巻線３１₁〜３１₄に印加される交流電圧の位相が一致し、各二次巻線３２₁〜３２₄の誘起電圧が、負荷１６に対して直列に供給される場合のタイミングチャートである。
【０１０６】
図１６、図１７は、このときの電流と向きを示しており、図１６の符号Ｉ₁₀₁は、各二次巻線３２₁〜３２₄の誘起電圧が正極性の場合に流れる電流を示しており、図１７の符号Ｉ₁₀₂は、図１６とは逆に、負極性の場合に流れる電流を示している。図１６、１７及び後述する図１８〜図２１では、チョークコイル３５₁〜３５₅の起電力によって生じる電流は省略してある。
【０１０７】
図２３は、各一次巻線３１₁〜３１₄に印加される交流電圧の位相が１８０°ずれ、直列接続された二次巻線３２₁〜３２₄のうちの隣り合う二次巻線３２₁〜３２₄の誘起電圧が、互いに反対の極性になった場合のタイミングチャートである。
【０１０８】
図１８と図１９は、そのとき流れる電流と向きを示す図であり、図１８の符号Ｉ₁₁₁、Ｉ₁₁₃は正極性の誘起電圧によって生成された電流であり、符号Ｉ₁₁₂、Ｉ₁₁₄は負極性の誘起電圧によって生成された電流である。同様に、図１９の符号Ｉ₁₂₂、Ｉ₁₂₄は正極性の誘起電圧によって生成された電流であり、符号Ｉ₁₂₁、Ｉ₁₂₃は負極性の誘起電圧によって生成された電流である。
【０１０９】
一周期Ｔが全部Ｓで占められ、各二次巻線３２₁〜３２₄の誘起電圧が負荷１６に対して直列になる場合は、４×Ｅの電圧が二次巻線３２₁〜３２₄の直列接続回路の端点ａの間に生じ、その１／２の電圧、即ち２×Ｅの電圧が第１、第２の出力端子３８、３９間に現れている。このとき、電流がチョークコイル３５₁又は３５₅を流れると、チョークコイル３５₁、３５₅の両端には、２×Ｅだけ電圧降下する。
【０１１０】
一周期Ｔが全部Ｐで占められ、誘起電圧が負荷１６に対して並列になる場合は、誘起電圧Ｅの半分の電圧、即ちＥ／２の電圧が第１、第２の出力端子３８、３９間に現れる。このとき、チョークコイル３５₁、３５₃、３５₅又は３５₂、３５₄ではＥ／２だけ電圧降下している。
【０１１１】
この電源装置２でも、予め設定された第１の上限値Ｉ₁を超えるまでは、二次巻線３２₁〜３２₄の誘起電圧が負荷１６に対して直列に印加される。
【０１１２】
第１の上限値Ｉ₁を超えると、位相がずれ、誘起電圧が並列に印加される期間Ｐが発生し、期間Ｓ、Ｐの割合に応じた出力電圧Ｖ_Oが出力される。ｎ個の二次巻線３２₁〜３２_nを有する電源装置では、期間Ｓと期間Ｐが混在する場合は、出力電圧Ｖ_Oはｎ×Ｅ／２とＥ／２の間の大きさになり、誘起電圧が負荷１６に対して直列に印加される期間Ｓが１周期中のｓ％、並列に印加される期間Ｐがｐ％(ｓ＋ｐ＝１００％)の場合、(ｎ×Ｅ×ｓ／２＋Ｅ×ｐ／２)／１００の大きさになる。
【０１１３】
なお、本発明の電源装置２では、直列の期間Ｓと並列の期間Ｐを混在させる場合に、複数の二次巻線３２₁〜３２₄のうち、隣り合う２又は３個の二次巻線の誘起電圧を負荷１６に対して直列に印加すると同時に、他の二次巻線の誘起電圧を負荷１６に対して並列に印加しても良い。即ち、１周期Ｔ中に、直列の期間Ｓと並列の期間Ｐに加え、更に直並列の期間ＳＰを設けてもよい。
【０１１４】
例えば、図２０、図２１のように、符号３２₁と符号３２₂の二次巻線の組み、又は符号３２₃と符号３２₄の二次巻線の組みで、それぞれ２×Ｅの大きさの電圧を生成し、各組の２×Ｅの電圧を、負荷１６に対して直列に印加すると、２直列２並列の直並列期間を生成することができる。
【０１１５】
図２０の符号Ｉ₁₃₁と図２１の符号Ｉ₁₄₁は、その場合の正極性の誘起電圧による電流、図２０の符号Ｉ₁₃₂と図２１の符号Ｉ₁₄₂は負極性の誘起電圧による電流である。
【０１１６】
上記各実施例１、２で用いた制御回路２４の一例を図２４に示す。
この制御回路２４は、出力電圧用増幅器９１_Vと、出力電流用増幅器９１_Iと、出力電力用増幅器９１_Pとを有しており、出力電圧用増幅器９１_Vには、第１、第２の出力端子３８、３９間に現れる出力電圧Ｖ_Oが入力され、出力電流用増幅器９１_Iには、電流センサ１５が測定した出力電流Ｉ_Oの大きさが電圧変換されて入力されている。
【０１１７】
また、出力電圧Ｖ_Oと、電流センサ１５から出力された出力電流Ｉ_Oの大きさを示す電圧は、乗算器９３に入力され、出力電圧Ｖ_Oの大きさと出力電流Ｉ_Oの大きさから出力電力Ｐが算出され、それが電圧変換されて出力電圧用増幅器９１_Vに入力されている。
【０１１８】
出力電圧用増幅器９１_Vと、出力電流用増幅器９１_Iと、出力電力用増幅器９１_Pには、出力電圧用基準電圧源９２_Vと、出力電流用基準電圧源９２_Iと、出力電力用基準電圧源９２_Pとが接続されており、各増幅器９１_V、９１_I、９１_Pによって、出力電圧Ｖ_O、出力電流Ｉ_O、又は出力電力Ｐの大きさと、各基準電圧源９２_V、９２_I、９２_Pが出力する基準電圧との差が増幅され、出力されている。
【０１１９】
各増幅器９１_V、９１_I、９１_Pが出力する電圧信号は、ダイオード９４₁〜９４₃を介して、駆動回路９５に入力されており、各増幅器９１_V、９１_I、９１_Pのうち、最大電圧を出力する増幅器(９１_V又は９１_I又は９１_P)によって、駆動回路９５が制御されるように構成されている。
【０１２０】
ここでは、各増幅器９１_V、９１_I、９１_Pの出力信号は、出力電流Ｉ_Oが、第１の上限値Ｉ₁未満である間は、出力電圧用増幅器９１_Vの出力信号の電圧が最大になるように構成されている。
【０１２１】
駆動回路９５は、ｎ個のスイッチ回路２６₁〜２６_nを独立に制御するように構成されており、出力電圧Ｖ_Oが急変すると、駆動回路９５は出力電圧用増幅器９１_Vの出力信号に基いて各スイッチ回路２６₁〜２６_nの位相を制御し、出力電圧Ｖ_Oを一定に維持するように構成されている。
【０１２２】
次に、出力電流Ｉ_Oが第１の上限値Ｉ₁に達すると、出力電圧用増幅器９１_Vの出力信号の電圧と、出力電流用増幅器９１_Iの出力信号の電圧とが等しくなり、更に出力電流Ｉ_Oが大きくなり、第１の上限値Ｉ₁を超えると、第２の上限値Ｉ₂未満である限り、各増幅器９１_V、９１_I、９１_P中、出力電力用増幅器９１_Pの出力信号の電圧が最大になるように構成されている。
【０１２３】
従って、各スイッチ回路２６₁〜２６_nの位相は、出力電力用増幅器９１_Pの信号に基いて制御され、出力電力Ｐ(出力電流Ｉ_Oと出力電圧Ｖ_Oの積)が一定値になるように、出力電流Ｉ_Oが増加しながら出力電圧Ｖ_Oが低下させられる。
【０１２４】
次に、第２の上限値Ｉ₂に達すると、出力電流用基準電圧源９２_Iの出力信号の電圧が最大になり、出力電流Ｉ_Oは、略第２の上限値Ｉ₂の電流量を維持しながら、出力電圧Ｖ_Oを低下させる。
【０１２５】
なお、本発明の制御回路２４は、上記の構成に限定されるものではなく、種々の構成の制御回路が含まれることは言うまでもない。
【０１２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電源装置では、複数の二次巻線の誘起電圧を、直列、直並列、又は並列に印加し、出力電流を増加させながら出力電圧を低下させることができる。この場合、トランジスタの導通期間を制御しなくても出力電圧を低下させることができるので、トランスの使用効率が高い。
【図面の簡単な説明】
【図１】(ａ)：本発明の第一例の電源装置の回路ブロック図 (ｂ)：スイッチ回路の内部構成を示す回路図
【図２】第一例の電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(１)
【図３】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(２)
【図４】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される期間と並列に印加される期間が混在する場合に流れる電流の経路を示す図(１)
【図５】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される期間と並列に印加される期間が混在する場合に流れる電流の経路を示す図(２)
【図６】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される期間と並列に印加される期間が混在する場合に流れる電流の経路を示す図(３)
【図７】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される期間と並列に印加される期間が混在する場合に流れる電流の経路を示す図(４)
【図８】二次巻線の誘起電圧が負荷に対して並列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(１)
【図９】二次巻線の誘起電圧が負荷に対して並列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(２)
【図１０】二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される場合のタイミングチャート
【図１１】二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される期間と並列に印加される期間が混在する場合のタイミングチャート
【図１２】二次巻線の誘起電圧が負荷に対して並列に印加される場合のタイミングチャート
【図１３】本発明の第一例の電源装置の出力電圧と出力電流の関係を示すグラフ
【図１４】本発明の第一例の電源装置の内部の電圧と電流を示すグラフ
【図１５】本発明の第二例の電源装置のブロック図
【図１６】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(１)
【図１７】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(２)
【図１８】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して並列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(１)
【図１９】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して並列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(２)
【図２０】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直並列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(１)
【図２１】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直並列に印加される場合に流れる電流の経路を示す図(２)
【図２２】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して直列に印加される場合のタイミングチャート
【図２３】同電源装置において、二次巻線の誘起電圧が負荷に対して並列に印加される場合のタイミングチャート
【図２４】制御回路の一例
【図２５】従来技術の電源装置
【図２６】その電源装置を並列運転する場合の回路ブロック図
【符号の説明】
１、２……電源装置
１５……電流センサ
１６……負荷
２４……制御回路
２６₁〜２６₄……スイッチ回路
３１₁〜３１₄……一次巻線
３２₁〜３２₄……二次巻線
３５₁〜３５₅……チョークコイル
３６₁〜３６₅……整流素子
３８……第１の出力端子
３９……第２の出力端子

Claims

複数の一次巻線と、
前記一次巻線に交流電圧を供給するスイッチ回路と、
前記一次巻線にそれぞれ磁気結合された二次巻線と、
チョークコイルと整流素子とが直列接続された複数の整流回路とを有し、
前記二次巻線は直列接続され、
前記二次巻線同士の接続点と、前記二次巻線の直列接続回路の両端点には、前記整流回路の前記チョークコイルと前記整流回路の接続点が接続され、
前記整流回路の前記チョークコイル側の端点は第１の出力端子に接続され、前記整流素子側の端点は第２の出力端子に接続され、
前記第１、第２の出力端子間にはコンデンサが接続され、
前記二次巻線に同極性の電圧が誘起され、前記二次巻線の直列接続回路の両端に、各二次巻線に誘起された電圧を加算した直列電圧が発生すると、前記第１、第２の端子に接続された負荷には、前記直列電圧が印加されるように構成された電源装置。
前記第１又は第２の出力端子のいずれか一方又は両方に設けられた電流センサと、
前記一次巻線に印加する交流電圧の位相を制御する制御回路とを有し、
前記制御回路には予め第１の上限値が設定され、前記電流センサの測定値が前記第１の上限値以下では前記一次巻線に印加する交流電圧の位相を揃えて前記負荷に前記直列電圧を印加し、
前記第１の上限値を超えると位相をずらし、前記負荷に供給される電圧を低下させる請求項１記載の電源装置。
前記第１、第２の出力端子間の電圧を測定する電圧センサを有し、
前記制御回路は、前記電流センサと前記電圧センサの測定値から、負荷に一定電力が供給されるように前記位相のずれ量を増大させる請求項２記載の電源装置。
前記制御回路には、前記第１、第２の出力端子間の電圧が、前記二次巻線の誘起電圧の１／２になったときの出力電流が第２の上限値として設定されており、
前記制御回路は、出力電流が前記第２の上限値を超えると前記スイッチ回路を制御し、前記負荷に一定電流が供給されながら前記第１、第２の出力端子の電圧が低下するように、前記一次巻線に印加する交流電圧の期間を短くする請求項２又は請求項３のいずれか１項記載の電源装置。