本発明は、フライバック方式のスイッチング電源装置及びこれを備えた給湯装置に関する。

従来、スイッチング電源装置の回路方式の一つとして、一次側(入力側)と二次側(出力側)とがスイッチングトランスで絶縁されたフライバック方式が知られている。また、このようなフライバック方式のスイッチング電源装置のスイッチング方式として、電源電圧を直接的に遮断・導通させるハードスイッチングを行う他励型のPWM(Pulse Width Modulation)方式や、共振現象を利用してスイッチング素子に印加される電圧が最も低くなった状態でスイッチング(ソフトスイッチング)を行なう擬似共振方式などが知られている。

特許文献1では、フライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置の一例が示されている。このスイッチング電源装置では、スイッチングトランスの一次巻線のインダクタンスと共振用キャパシタの共振現象を利用して、共振電圧がボトムを呈するタイミングでスイッチング素子がターンオンされる。

ところで、例えば特許文献2に示されるような近年の給湯システムには、給湯、風呂追い焚き、及び暖房のうち2つ以上の機能を一つのシステムに備えた多機能タイプ(高機能タイプ)のものがある。このような給湯システムには、送風機、循環ポンプ、風呂ポンプ、制御基板、多数の電磁弁、及び、多数のセンサなどの多種多様の電力負荷を備えており、これらの電力負荷へ電源装置を介して電力が供給されている。

国際公開WO2011/122314号公報

特開2014−105975号公報

近年では、環境への配慮から、電源装置に軽負荷時の高効率化や放射ノイズの低減が要求されている。擬似共振方式のスイッチング電源装置は、この要求に応えることができる。つまり、ソフトスイッチングを行う擬似共振方式では、電圧・電流の過渡交差が発生しないため、ハードスイッチング方式と比較してスイッチング素子のターンオフやターンオン時のノイズやスイッチング損失を抑えることができる。

前述のような多機能型給湯システムでは、電源装置と接続されている電力負荷が多いことから、電源装置に要求される電源容量が増加する傾向がある。一方で、省エネルギーのために電力負荷の待機電力は抑えられている。そのため、電源装置は待機電力から多機能動作時の大電力まで幅広く対応していることが望まれる。

擬似共振方式は、要求される出力電力が大きいスイッチング電源装置、特に、出力電流が大きいスイッチング電源装置には不適であることが知られている。また、擬似共振方式のスイッチング電源装置を大電力に対応させるためには、スイッチングトランスや放熱板の大型化が必要であり、更に、追加のフィルタ回路やノイズ低減回路が必要となるために、総じてスイッチング電源装置の大型化が避けられない。一方、ハードスイッチングを行うPWM方式のスイッチング電源装置では、ソフトスイッチングを行う場合と比較してノイズやスイッチング損失の増加が見込まれるものの、比較的大電力の出力電力要求に対応することができる。

本発明は以上の事情に鑑みてされたものであり、その目的は、軽負荷時に高効率且つ低ノイズであり、待機電力から多機能動作時の大電力までの出力電力要求に対応可能なフライバック方式のスイッチング電源装置を提供することにある。

本発明の一態様に係るスイッチング電源装置は、 スイッチングトランスの一次側に設けられたスイッチング素子のオン期間中に前記スイッチングトランスでエネルギーを蓄積し、そのエネルギーを前記スイッチング素子のオフ期間中に前記スイッチングトランスの二次側から直流電力として出力するとともに、動作モードとして擬似共振フライバックモード及び通常フライバックモードを有するスイッチング電源装置であって、 前記スイッチング素子のスイッチング周波数を計測する計測部を備え、 前記擬似共振フライバックモードで動作しているときに前記スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回ると、前記動作モードを前記通常フライバックモードに切り替えるように構成されていることを特徴としている。なお、上記において「擬似共振フライバックモード」では擬似共振方式でスイッチング素子のソフトスイッチングが行われ、「通常フライバックモード」では共振を利用しないPWM方式でスイッチング素子のハードスイッチングが行われる。

また、本発明の一態様に係る給湯装置は、上記スイッチング電源装置を備えていることを特徴としている。

上記スイッチング電源装置及びこれを備えた給湯装置では、スイッチング周波数を用いてスイッチングトランスの二次側(即ち、出力側)の負荷の軽重を判断し、軽負荷である場合には擬似共振フライバックモードでスイッチング電源装置が動作し、重負荷である場合には通常フライバックモードでスイッチング電源装置が動作する。この結果、スイッチングトランスの二次側が軽負荷のときは、スイッチング損失とノイズを抑えた高効率なソフトスイッチングが行われる。また、スイッチングトランスの二次側が重負荷のときは、ハードスイッチングが行われる。これにより、スイッチング電源装置は、待機電力から多機能動作時の大電力までの幅広い出力電力要求に対応することが可能となる。

本発明によれば、軽負荷時に高効率且つ低ノイズであり、待機電力から多機能動作時の大電力までの出力電力要求に対応可能なフライバック方式のスイッチング電源装置及びこれを備えた給湯装置を提供することができる。

本発明の第1実施形態に係る給湯装置の概略構成を示す図である。

図1に示す給湯装置のスイッチング電源装置の構成例を示すブロック図である。

本発明の第1実施形態に係るスイッチング電源装置のDC−DCコンバータ部の構成を示す回路図である。

図3に示すスイッチング電源装置のスイッチング制御装置の構成を示すブロック図である。

図3に示すスイッチング電源装置の動作モードの切り替えシーケンスを示す図である。

本発明の第2実施形態に係るスイッチング電源装置の動作モードの切り替えシーケンスを示す図である。

一次巻線を流れる電流の時間変化を示した図表である。

次に、スイッチング電源装置を備えた給湯装置に本発明を適用させて、本発明の実施の形態を説明する。

[第1実施形態] 本発明の第1実施形態に係る給湯装置は、給湯機能と風呂の追い焚き機能とを備えた多機能型の給湯装置である。まず、図1を用いて給湯装置1の概略構成から説明する。図1は本発明の第1実施形態に係る給湯装置1の概略構成を示す図である。

給湯装置1は、燃料ガスを燃焼する燃焼装置2と、燃焼装置2へ燃料ガスを供給する燃料ガス供給路21と、燃焼装置2に空気を供給する送風機22と、給湯流路3と、追い焚き流路4と、追い焚き流路4に設けられた風呂ポンプ41と、コントローラ5とを備えている。送風機22と風呂ポンプ41は、駆動部としてDCモータを備えている。

燃焼装置2にはバーナ部24が設けられており、このバーナ部24に燃料ガス供給路21から燃料ガスが供給される。燃料ガス供給路21には、燃料ガスの供給量を調整するための元ガス電磁弁25及びガス比例弁26が設けられている。また、バーナ部24には、風呂ガス電磁弁30、複数の給湯能力切替ガス電磁弁28、及び給湯ガス電磁弁29が設けられている。

給湯流路3は、水道等から送給された水を給水入口31から燃焼装置2へ送る往路部32と、水を燃焼装置2で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する給湯側熱交換部33と、湯を給湯側熱交換部33から給湯出口34へ送る復路部35とを形成する配管から構成されている。復路部35には、給湯の水量と温度を調整するために、水と湯の量の混合量を調整する水量調整弁36及び注湯電磁弁37が設けられている。

追い焚き流路4は、風呂水を戻り口42から燃焼装置2へ送る戻り部43と、風呂水を燃焼装置2で生成された燃焼ガスと熱交換させて加熱する追い焚き側熱交換部44と、加熱された風呂水を追い焚き側熱交換部44から往き口45へ送る往き部46とを形成する配管から構成されている。風呂ポンプ41は、追い焚き流路4のうち戻り部43に設けられている。

コントローラ5は、制御装置51及びスイッチング電源装置(以下、単に「電源装置6」と表すことがある)を含んでいる。制御装置51は、CPU、ROM、及びRAM等で構成されたマイクロコントローラや集積回路を備えている。制御装置51には、送風機22や風呂ポンプ41をはじめとする各電装品等との間に、各電装品等を制御する信号経路(図示略)が設けられている。コントローラ5は、制御装置51に記憶された制御プログラムに従って給湯装置1の各種制御を実行する。制御プログラムには、各電装品の運転に関する各種プログラムが含まれており、これらのプログラムに基づいて各電装品の制御が行われる。

コントローラ5には、図示されない外部電源から電力が供給され、電源装置6によって、この給湯装置1で用いられる電源(たとえば15V電源)が生成される。電源装置6により生成される電力が、必要に応じて適宜電圧変換されて、制御装置51や、燃焼装置2、送風機22、風呂ポンプ41、各種電磁弁、各種センサ等の各電装品へ供給される。

図2は図1に示すコントローラ5の電源装置6の構成例を示すブロック図である。図2に示すように、電源装置6には、整流・平滑部61、DC−DCコンバータ部62などの機能部が設けられている。

整流・平滑部61では、外部電源から受ける交流電力が整流されるとともに、整流された直流電力に含まれる変動成分が平滑化される。整流・平滑部61は、例えば、整流ブリッジ回路や平滑コンデンサなどで構成されている。DC−DCコンバータ部62では、整流・平滑部61で整流・平滑された直流電力が、別の電圧の直流電力に変換されて、出力部63へ出力される。DC−DCコンバータ部62の作用により、出力部63へ出力される直流電力は所定電圧(例えば、15V)に維持される。なお、図2には示されないが、出力部63から送風機22の駆動用回路、制御装置51などへ電力が供給され、整流・平滑部61で整流・平滑後の電力が風呂ポンプ41の駆動用回路へ供給される。

ここで、電源装置6のうち特にDC−DCコンバータ部62について詳細に説明する。図3は、本発明の一実施形態に係る電源装置6のDC−DCコンバータ部62の構成を示す回路図である。図3に示すように、電源装置6のDC−DCコンバータ部62は、一次側(入力側)と二次側(出力側)とがスイッチングトランスTで絶縁されたフライバック方式の回路構成を備えている。スイッチングトランスTは一次巻線P1、二次巻線S、及び補助巻線P2を有している。一次巻線P1は、一端が入力端子Tinに接続され、他端がMOSFET(Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)からなるスイッチング素子Qのドレインに接続されている。なお、本実施形態においてはスイッチング素子QとしてMOSFETが用いられているが、これに代えてバイポーラトランジスタなどが用いられてもよい。また、二次巻線Sは、一端がダイオードD1を介して出力端子Toutに接続され、他端が接地端子に接続されている。補助巻線P2は、一端が後述のスイッチング制御装置7のZCD端子に図示されない抵抗を介して接続され、他端が接地端子に接続されている。

入力端子Tinと接地端子間には平滑用キャパシタC1が接続されている。また、出力端子Toutと接地端子間には平滑用キャパシタC2が接続されている。さらに、スイッチング素子Qのドレインと接地端子間には共振用キャパシタC3が接続されている。出力端子Toutの電圧が帰還回路18を介してスイッチング制御装置7に入力されている。スイッチング素子Qのソースと接地端子間には、過電流を防止するための電流検出抵抗R1が接続されている。

スイッチング素子Qの動作は、スイッチング制御装置7によって制御されている。図4は、スイッチング制御装置7の構成を示すブロック図である。図4に示すように、スイッチング制御装置7には、リスタート信号生成部70、ZCD信号生成部71、制御信号生成部72、ドライブ信号出力部73などの機能部がCPU、ROM、及びRAM等で構成されたマイクロコントローラや論理回路等の電子回路により構成されている。スイッチング制御装置7の電子回路は集積化されており、スイッチング制御装置7にはZCD端子(ゼロ電流検出入力端子)、FB端子(フィードバック入力端子)、IS端子(電流センス入力端子)、GND端子(グランド端子)、OUT端子(出力端子)、VCC端子(電源供給端子)などの複数の端子が設けられている。

ZCD信号生成部71は、ZCD端子に印加される補助巻線P2の出力電圧のボトム(極小状態)を検出すると、制御信号生成部72へZCD(Zero Current Detection)信号を出力する。また、リスタート信号生成部70は、タイマによって所定のタイミングで、制御信号生成部72へリスタート信号を出力する。

制御信号生成部72は、ZCD信号又はリスタート信号が入力されると、例えば幅300nsのパルス信号である制御信号(PWM信号)を生成して、ドライブ信号出力部73へ出力する。ドライブ信号出力部73は、制御信号に応じたドライブ信号をOUT端子からスイッチング素子Qのゲートへ出力して、スイッチング素子Qをターンオンさせる。

スイッチング素子Qがターンオンすると、スイッチングトランスTの一次巻線P1にインダクタ電流が流れる。このインダクタ電流によりスイッチングトランスTの二次巻線Sに電圧が誘起されるがダイオードD1によってこの電圧により二次巻線Sに電流が流れることが阻止される。これにより、スイッチングトランスTの一次巻線P1がインダクタとして機能する。このインダクタであるスイッチングトランスTの一次巻線P1がエネルギーの蓄積を開始する。このとき、スイッチング素子Qに直列接続された抵抗R1の両端の電圧、つまり、スイッチング素子Qを流れる電流に対応する電圧が、IS端子を介して制御信号生成部72へ入力される。また、帰還回路18によって、出力電圧(出力端子Toutの電圧)と図示されない基準電圧との差に対応するフィードバック信号(誤差信号)が、FB端子を介して制御信号生成部72へ入力される。フィードバック信号は、負荷の大きさを表し、負荷が軽いほど低値となる。制御信号生成部72では、入力された抵抗R1の両端の電圧値がフィードバック信号に基づく電圧値を超えると制御信号がLowレベルとなって、その結果、スイッチング素子Qをターンオフさせる。

スイッチング素子Qがターンオフすると、スイッチングトランスTの一次巻線P1に蓄積されたエネルギーが逆起電力として二次巻線Sに表れる。そして、スイッチングトランスTの二次巻線Sに表れた逆起電力は、ダイオードD1を通って平滑用キャパシタC2で平滑されて直流電力として出力される。これにより、上述の逆起電力として表れたエネルギーがスイッチングトランスTの二次側から放出される。このエネルギーの放出期間においては、スイッチング素子Qに定電圧が印加される。一次巻線P1に蓄積されたエネルギーの放出が終了すると、共振用キャパシタC3と一次巻線P1とからなる共振回路が共振動作を開始する。スイッチングトランスTの補助巻線P2は、上記共振回路の共振振動電圧に相似した電圧を発生し、この電圧がZCD端子を介してZCD信号生成部71に入力される。補助巻線P2に発生する電圧の0Vは、スイッチングトランスTの出力電流のゼロ電流に相当する。

上記構成の電源装置6は、二次側の負荷の軽重に応じて、軽負荷時には擬似共振方式でソフトスイッチングが行われる擬似共振フライバックモードで動作し、重負荷時には共振を利用しないPWM方式でハードスイッチングが行われる通常フライバックモードで動作するように構成されている。そのために、スイッチング制御装置7は、リセット信号及びZCD信号を利用して二次側の負荷の軽重を判定し、二次側の負荷の軽重に応じて擬似共振フライバックモードと通常フライバックモードのいずれか一方の動作モードで電源装置6がスイッチング動作を行うようにスイッチング素子Qを制御している。

電源装置6が通常フライバックモードのとき、スイッチング素子Qのスイッチング周波数は一定であり、デューティ比(オン期間/スイッチング周期)を変化させること、即ち、パルス幅を変調させることにより出力電圧が一定に維持される。

一方、電源装置6が擬似共振フライバックモードのとき、スイッチング素子Qのスイッチング周波数は二次側の負荷状態(出力電力)に応じて変化する。重負荷時には、スイッチング素子Qのオン期間も、二次側にエネルギーを伝送するフライバック期間も長くなることから、スイッチング周波数は低くなる。一方、軽負荷時には、スイッチング素子Qのオン期間も、二次側にエネルギーを伝送するフライバック期間も短くなることから、スイッチング周波数は高くなる。よって、擬似共振フライバックモードでは、スイッチング周波数に基づいて二次側の負荷状態を知ることが可能である。

擬似共振フライバックモードにおけるスイッチング素子Qのスイッチング周波数は、例えば、スイッチング制御装置7のZCD信号生成部71がZCD信号を出力するタイミング、制御信号生成部72が制御信号を生成又は出力するタイミング、ドライブ信号出力部73がドライブ信号を出力するタイミング、などのうち一つ以上に基づいて検出される。

ここで、電源装置6の動作モードの切り替えの流れについて説明する。図5は、電源装置6の動作モードの切り替えシーケンスを示す図である。スイッチング制御装置7は、スイッチング素子Qのスイッチング周波数、即ち、スイッチング素子Qの前回のターンオンから今回のターンオンまでの時間の逆数を常に計測している。

図5に示すように、電源投入時の電源装置6の動作モードは通常フライバックモードであって、スイッチング制御装置7は所定の固定周波数でスイッチング素子Qのスイッチングが行われるようなドライブ信号をスイッチング素子Qへ出力し、その結果、通常フライバックモードでスイッチング素子Qのスイッチング動作が行われる(ステップS1)。通常フライバックモードでは、スイッチング制御装置7において、制御信号生成部72がタイマによって所定のタイミングで生成される信号(本実施形態ではリセット信号)に基づいて制御信号を生成し、この制御信号に基づくドライバ信号がドライブ信号出力部73からスイッチング素子Qへ出力される。この結果、スイッチング素子Qが所定の固定周波数でターンオンされる。通常フライバックモードでは、ZCD信号生成部71から制御信号生成部72へ出力されるZCD信号はスイッチング素子Qのターンオンのタイミングをとるためには使用されない。

通常フライバックモードにおいて、スイッチング制御装置7は、スイッチングトランスTの出力電力が電流連続モードであるか、電流不連続モードであるかを判断する(ステップS2)。二次側の負荷電流が大きいときはスイッチングトランスTの出力電力は電流連続モードとなるが、二次側の負荷電流が減少すれば、電流連続モードから電流不連続モードに移行する。この現象を利用して、スイッチングトランスTの出力電力の電流連続モードと電流不連続モードとに基づいて二次側の負荷の軽重を判定することができる。

本実施形態においては、前回のリセット信号が入力されてから今回のリセット信号が入力されるまでの間、即ち、スイッチングの1周期の間(又は、スイッチング素子Qのオフ期間)に、ZCD信号が入力されていれば電流不連続モードとし、ZCD信号が入力されていなければ電流連続モードとしている。

ステップS2において、電流連続モードであれば(ステップS2でNO)、スイッチング制御装置7は、通常フライバックモードを維持して(ステップS5)、次のスイッチング動作へ移行する(ステップS1)。通常フライバックモードにおいて、スイッチング制御装置7の制御信号生成部72は、次のスイッチング動作のためのデューティ比を算出し、リセット信号が入力されたタイミングで、算出されたデューティ比の制御信号を生成する。その結果、スイッチング素子Qがハードスイッチングでターンオンされる。ここで、制御信号生成部72は、FB端子に印加される電圧が出力部63の所定電圧を維持できる範囲になければ二次側の負荷が重いと判定してデューティ比を上げ、逆に、FB端子に印加される電圧が出力部63の所定電圧を維持できる範囲にあれば二次側の負荷が軽いと判定してデューティ比を下げる。

一方、ステップS2において、電流不連続モードであれば(ステップS2でYES)、スイッチング制御装置7は、動作モードを擬似共振フライバックモードに切り替えて(ステップS3)、次のスイッチング動作へ移行する(ステップS4)。擬似共振フライバックモードにおいて、制御信号生成部72は、二次側の負荷に基づいてオン期間を算出し、ZCD信号が入力されたタイミングで算出されたオン期間の制御信号を生成する。その結果、スイッチング素子Qがソフトスイッチングでターンオンされる。

擬似共振フライバックモードにおいて、スイッチング制御装置7は、スイッチング周波数が所定の周波数閾値以下であるかどうかを判定する(ステップS6)。本実施形態においては、スイッチング制御装置7が、スイッチング周波数を計測する周波数計測部72aを有している。所定の周波数閾値は、例えば、ノイズ規制に基づいて決めることができる。例えば、150kHzからのノイズ規制がある場合に、ノイズが出やすい2倍の高調波を150kHz以下とするために通常フライバックモードでは75kHz以下でスイッチング動作させることが望ましい。そこで、上記の根拠で算出した75kHzに安全率を加味して、65kHzを所定の周波数閾値とすることができる。

ステップS6において、スイッチング周波数が所定の周波数閾値以下であれば(ステップS6でYES)、スイッチング制御装置7は、動作モードを通常フライバックモードに切り替え(ステップS7)、通常フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する(ステップS1)。一方、ステップS6において、スイッチング周波数が所定の周波数閾値より大きければ(ステップS6でNO)、スイッチング制御装置7は、擬似共振フライバックモードを維持して(ステップS8)、擬似共振フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する(ステップS4)。

以上に説明したように、本実施形態に係るスイッチング電源装置6は、スイッチングトランスTの一次側に設けられたスイッチング素子Qのオン期間中にスイッチングトランスTでエネルギーを蓄積し、そのエネルギーをスイッチング素子Qのオフ期間中にスイッチングトランスTの二次側から直流電力として出力するように構成されたフライバック方式のスイッチング電源装置6である。このスイッチング電源装置6は、動作モードとして擬似共振フライバックモード及び通常フライバックモードを有している。そして、このスイッチング電源装置6は、スイッチング素子Qのスイッチング周波数を計測する周波数計測部72aを備え、擬似共振フライバックモードで動作しているときにスイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回ると、動作モードを通常フライバックモードに切り替えるように構成されている。

上記のスイッチング電源装置6では、スイッチング周波数を用いてスイッチングトランスTの二次側(即ち、出力側)の負荷の軽重が判定され、軽負荷である場合には擬似共振フライバックモードが維持され、重負荷である場合には通常フライバックモードに切り替えられる。この結果、スイッチングトランスTの二次側が軽負荷のときは、スイッチング損失とノイズを抑えた高効率なソフトスイッチングが行われる。また、スイッチングトランスTの二次側が重負荷のときは、ハードスイッチングが行われる。

上記のスイッチング電源装置6では、スイッチングトランスTの二次側が重負荷となれば、電源装置6の動作モードが擬似共振フライバックモードから通常フライバックモードへ切り換わる。よって、擬似共振フライバックモードのみで動作する従来のスイッチング電源装置と比較して幅広い出力電力要求に対応することが可能である。多機能型の給湯装置1は待機電力から多機能動作時の大電力まで電力負荷が変動するので、このような給湯装置1の電源装置として上記のスイッチング電源装置6が好適である。

なお、スイッチング周波数は、例えば、スイッチング制御装置7のZCD信号生成部71がZCD信号を出力するタイミング、制御信号生成部72が制御信号を生成又は出力するタイミング、ドライブ信号出力部73がドライブ信号を出力するタイミング、などのうち一つ以上に基づいて検出することができる。したがって、上記のスイッチング電源装置6では、2つのスイッチング動作モードを備えるために、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置からセンサや抵抗などを追加する必要がない。よって、上記のスイッチング電源装置6は、従来のスイッチング電源装置と比較して、大型化を伴うことなく幅広い出力電力要求に対応することが可能である。

また、本実施形態に係るスイッチング電源装置6は、通常フライバックモードで動作しているときに、スイッチング素子Qのオフ期間中にスイッチングトランスTの出力電流がゼロになったことが検出されると、動作モードを擬似共振フライバックモードに切り替えるように構成されている。スイッチング素子Qのオフ期間中にスイッチングトランスTの出力電流がゼロになったことは、つまり、スイッチングトランスTの出力電流が電流連続モードから電流不連続モードに切り替わったことを意味している。

スイッチングトランスTの出力電流が電流連続モードから電流不連続モードに切り替わったことは、即ち、スイッチングトランスTの二次側の負荷が軽くなったことを意味する。したがって、上記のスイッチング電源装置6では、スイッチング素子Qのオフ期間中にスイッチングトランスTの出力電流がゼロになったことで、スイッチングトランスTの二次側の負荷の軽重を判定している。そして、スイッチングトランスTの二次側の負荷が軽くなると、電源装置6の動作モードが擬似共振フライバックモードへ切り替わるので、二次側が軽負荷のときにはスイッチング損失とノイズを抑えることができる。

なお、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置において、スイッチング制御装置7が補助巻線P2の出力電圧に基づいてスイッチングトランスTの出力電流がゼロになったことを検出するように構成されたものがある。よって、上記のスイッチング電源装置6では、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置の既存の構成を用いて、スイッチングトランスTの二次側の負荷の軽重を判定することができるので、追加のセンサや抵抗などを必要としない。

また、本実施形態に係るスイッチング制御装置7は、スイッチング電源装置6への電源投入時に、スイッチング素子Qを通常フライバックモードでスイッチング動作させるように構成されている。

これにより、スイッチング電源装置6へ電源を投入したときに、一時的に大電流が流れることがあるが、この大電流に対応した動作モードでスイッチング素子Qがスイッチングされる。また、スイッチングトランスTに素早く電圧を立ち上げることができる。

[第2実施形態] 次に、本発明の第2実施形態に係るスイッチング電源装置6について説明する。前述の第1実施形態においては、スイッチングトランスTの二次側の負荷の軽重に基づいて、電源装置6の動作モードを擬似共振フライバックモードと通常フライバックモードの中から選択的に切り替えている。スイッチングトランスTの二次側の負荷の軽重は、スイッチングトランスTの一次巻線P1に流れる電流のピーク値に基づいて判定することも可能である。そこで、本発明の第2実施形態に係る電源装置6では、スイッチングトランスTの一次側のピーク電流に基づいて擬似共振フライバックモードと通常フライバックモードとを切り替える制御が行われる。

本実施形態に係る電源装置6及びこれを備えた給湯装置1の構成は、電源装置6のスイッチング制御装置7を除いて前述の第1実施形態とおおよそ同じであるので、本実施形態の説明においては前述の実施形態と同一又は類似の部材には図面に同一の符号を付し、説明を省略する。

第2実施形態に係る電源装置6のスイッチング制御装置7には、スイッチング素子Qに直列接続された抵抗R1の両端の電圧、つまり、一次巻線P1を流れる電流に対応する電圧が、IS端子を介して入力されている。図7に示すように、一次巻線P1を流れる電流はスイッチング素子Qがターンオンしたタイミングで増加し始め、スイッチング素子Qがターンオフしたタイミングでゼロになる。そこで、スイッチング制御装置7には、スイッチング素子Qがターンオフされる直前のタイミングtで、IS端子を介して入力されている電圧を読み込み、これを電流値としたものを一次側ピーク電流値として記憶する一次側ピーク電流値検出部が設けられている。なお、スイッチング制御装置7の制御信号生成部72はオンデューティで制御信号を生成しているので、ターンオンのタイミングとオン期間に基づいて、スイッチング素子Qがターンオフされる直前のタイミングtをとることができる。

図6は、本発明の第2実施形態に係るスイッチング電源装置6の動作モードの切り替えシーケンスを示す図である。図6に示すように、先ず、スイッチング電源装置6のスイッチング制御装置7は、通常フライバックモードでスイッチング素子Qにスイッチング動作を行わせる(ステップS21)。そして、スイッチング制御装置7は、スイッチングトランスTの出力電力が電流連続モードであるか電流不連続モードであるかを判定し、電流不連続モードでなければ(ステップS22でNO)、通常フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する(ステップS21)。

一方、電流不連続モードであれば(ステップS22でYES)、一次側ピーク電流と所定の電流閾値とを比較し、一次側ピーク電流が所定の電流閾値に満たないときは(ステップS23でNO)、二次側が軽負荷であるので、擬似共振フライバックモードに切り替える(ステップS24)。一次側ピーク電流が所定の電流閾値以上であるときは(ステップS23でYES)、通常フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する(ステップS21)。

擬似共振フライバックモードに切り替わると、スイッチング制御装置7は、擬似共振フライバックモードでスイッチング素子Qにスイッチング動作を行わせる(ステップS25)。そして、スイッチング制御装置7は、スイッチング周波数が所定の周波数閾値を上回れば(ステップS26でNO)、擬似共振フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する(ステップS25)。

一方、スイッチング制御装置7は、スイッチング周波数が所定の周波数閾値以下であれば(ステップS26でYES)、一次側ピーク電流と所定の電流閾値とを比較する。一次側ピーク電流が所定の閾値以上であるときは(ステップS27でYES)、二次側が重負荷であるので、通常フライバックモードに切り替える(ステップS28)。一次側ピーク電流が所定の閾値を下回るときは(ステップS27でNO)、擬似共振フライバックモードで次のスイッチング動作へ移行する(ステップS25)。なお、上記ステップS23とステップS27のうち、いずれか一方が省略されてもよい。

以上に説明したように、本実施形態に係るスイッチング電源装置6では、前述の第1実施形態に係るスイッチング電源装置6の構成に加え、一次側を流れる電流のピーク値を検出するピーク電流検出部を備えている。そして、スイッチング電源装置6は、擬似共振フライバックモードで動作しているときに、スイッチング周波数が所定の周波数閾値を下回り、且つ、一次側の電流のピーク値が所定の電流閾値を超えたときに、動作モードを通常フライバックモードに切り替えるように構成されている。また、スイッチング電源装置6は、通常フライバックモードで動作しているときに、スイッチング素子Qのオフ期間中にスイッチングトランスTの出力電流がゼロになったことが検出され、且つ、一次側の電流のピーク値が所定の電流閾値を下回るときに、動作モードを擬似共振フライバックモードに切り替えるように構成されている。

これによれば、スイッチング周波数又はスイッチングトランスTの出力電圧の電流連続・不連続モードに加えて、一次巻線P1を流れる電流のピーク値に基づいてスイッチングトランスTの二次側の負荷の軽重が判定される。そして、軽負荷のとき、即ち、一次巻線P1を流れる電流のピーク値が所定の電流閾値以下のときは、スイッチング素子Qでスイッチング損失及びノイズを抑えたソフトスイッチングが行われる。一方、重負荷のとき、即ち、一次巻線P1を流れる電流のピーク値が所定の電流閾値を超えるときは、一次巻線P1のピーク電流を抑えることの可能なハードスイッチングが行われる。よって、電源装置の大型化や対策部品を追加することなく、回路部品の損傷やリップルを低減することができる。

また、本実施形態に係るスイッチング電源装置6では、スイッチングトランスTは、一次巻線P1にスイッチング素子Qと直列に接続された過電流検出用の抵抗R1を有し、スイッチング制御装置7はこの抵抗R1に掛かる電圧に基づいて一次巻線P1を流れる電流のピーク値を検出するように構成されている。

従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置において、過電流検出用の抵抗R1が備えられたものがある。よって、上記のスイッチング電源装置6では、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置の既存の構成を用いて、一次巻線P1を流れる電流のピーク値を検出することができるので、追加のセンサや抵抗などを必要としない。

以上に本発明の好適な実施の形態を説明したが、上記の構成は以下のように変更することができる。

例えば、上記スイッチング電源装置6は、多機能型の給湯装置1に備えられているが、他の機器に備えられていてもよい。

また、例えば、上記給湯装置1は、給湯機能と風呂追い焚き機能とを有する多機能型給湯器であるが、給湯装置1の機能はこれに限定されない。

また、例えば、スイッチング周波数は、従来のフライバック擬似共振方式のスイッチング電源装置に既存の構成を利用して計測されるが、スイッチング周波数を計測するために他のセンサや抵抗の付加が妨げられるわけではない。例えば、スイッチングトランスTの一次巻線P1又は二次巻線Sに追加の補助巻線を設けて、この補助巻線からスイッチング制御装置7へ出力される電圧に基づいてスイッチング周波数の計測が行われてもよい。

1 :給湯装置 2 :燃焼装置 3 :給湯流路 4 :追い焚き流路 5 :コントローラ 6 :スイッチング電源装置 7 :スイッチング制御装置 18:帰還回路 21:燃料ガス供給路 22:送風機 24:バーナ部 25,28,29,30,37:電磁弁 26:ガス比例弁 36:水量調整弁 41:風呂ポンプ 51:制御装置 61:整流・平滑部 62:DC−DCコンバータ部 63:出力部 70:リスタート信号生成部 71:ZCD信号生成部 72:制御信号生成部 72a:周波数計測部 73:ドライブ信号出力部 C1:平滑用キャパシタ C2:平滑用キャパシタ C3:共振用キャパシタ D1:ダイオード P1:一次巻線 P2:補助巻線 Q :スイッチング素子 R1:電流検出抵抗 S :二次巻線 T :スイッチングトランス Tin :入力端子 Tout :出力端子