JP2001061279A - 力率改善型スイッチングコンバータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】交流を直流に変換する力率改善型スイッチング
コンバータにおいて、スイッチング素子が一つのもの
は、出力電圧と入力電流を同時にそれぞれを制御するこ
とができなかったので、力率改善の為の回路におけるエ
ネルギー損失が大きくなってしまった。 【解決手段】本発明では、スイッチング素子がオンであ
る時間と、オンおよびオフを繰り返す周期をそれぞれ変
化させることにより、入力電流と出力電圧を同時にそれ
ぞれ変化させるように回路を構成し、かつ入力電流と出
力電圧をそれぞれ制御することによって、力率改善の為
の回路におけるエネルギー損失を抑えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、単相交流を直流に
変換するスイッチング式電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図２は従来の力率改善の対策を施した交
流入力のスイッチング式電源装置の第１の構成を示す。

【０００３】このスイッチング式電源装置は、トランス
１０とその巻線１０１、１０２、インダクタ１２、整流
ダイオード２１、２２、２３、２４、ダイオード２５、
２６、２８、スイッチング素子３、１次側平滑コンデン
サ４１、コンデンサ４２、出力側平滑コンデンサ４３、
電圧検出器５３、交流電源６１、負荷６２、制御器７よ
り構成される。

【０００４】従来の力率改善の対策を施したスイッチン
グ式電源装置の第１の構成の動作は次の通りである。商
用交流電源６１の交流電圧は、整流ダイオード２１，２
２，２３，２４により構成される全波整流回路により脈
流に変換される。スイッチング素子３はオンおよびオフ
の動作を繰り返し、インダクタ１２、ダイオード２８か
らなる回路とスイッチング素子３のオンおよびオフを繰
り返す動作により、該全波整流回路から出力される脈流
を昇圧し、逆流防止の為のダイオード２５を通して１次
側平滑コンデンサ４１を充電する。この際、コンデンサ
４２は交流電源６１から流れる電流を平滑する働きを
し、該昇圧動作により通電角が広くなるため、交流電源
６１から見た力率が改善されている。

【０００５】スイッチング素子３がオンの間は１次側平
滑コンデンサ４１からトランス１０に電流が流れ、磁気
エネルギーとしてトランス１０に蓄えられる。スイッチ
ング素子３がオフになると、トランス１０に蓄えられて
いたエネルギーが、ダイオード２６を通して負荷側に供
給され、出力側平滑コンデンサ４３により平滑されて、
直流電圧として負荷６２に供給される。電圧検出器５３
により、負荷６２に供給されている直流の電圧を検出
し、その電圧が所望の値となるように、制御器７がスイ
ッチング素子３をオンの状態にする期間もしくはオフに
する期間を調整する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の力率改善の対策
を施した交流入力のスイッチング式電源装置の第１のも
のは、スイッチング素子が１つですむといった利点を有
しているが、インダクタ１２、ダイオード２８およびス
イッチング素子３のスイッチング動作によって昇圧され
る電圧が制御できない。その結果、１次側平滑コンデン
サ４１に掛かる電圧が高くなり、該昇圧の際に消費され
る電力が多くなり、電源の効率を低くしてしまうといっ
た問題点があった。

【０００７】また、交流電源６１から供給される電流の
波形を制御することができない為、力率をある程度以上
には高くすることはできなかった。

【０００８】さらに、従来の力率改善の対策を施した交
流入力のスイッチング式電源装置でスイッチング素子が
１つであるものは、該昇圧を行うパワーと直流側で消費
されるパワーとのバランスをとる為に、フライバック式
の回路を用いる必要があり、より効率の良いフォワード
式の回路を用いることができなかった。

【０００９】

【課題を解決するための手段】スイッチング素子をオン
およびオフする周期およびオンの時間を両方変化させる
ことにより、電源の出力の直流電圧を一定に保ちなが
ら、トランスの１次側から２次側へ伝達させるパワー
と、力率改善の為の昇圧回路へ供給するパワーの比を調
整させることができる。

【００１０】また、電源回路に用いるトランスまたはイ
ンダクタまたはトランスおよびインダクタに対して、可
飽和のものを用いることにより、スイッチング素子をオ
ンおよびオフする周期およびオンの時間を両方変化させ
ることによるトランスの１次側から２次側へ伝達させる
パワーと力率改善の為の昇圧回路へ供給するパワーの比
の調整をより容易に行うことができる。

【００１１】トランスの１次側から２次側へ伝達させる
パワーと、力率改善の為の昇圧回路へ供給するパワーの
比を調整させることにより、力率改善の為の昇圧回路に
おいて昇圧する電圧を低く抑えることが可能となり、電
源の効率を改善することができる。

【００１２】また、トランスの１次側から２次側へ伝達
させるパワーと、力率改善の為の昇圧回路へ供給するパ
ワーの比を調整させることにより、交流電源からの入力
電流を調整することができる為、交流電源からの入力電
流波形を調整でき、高い力率の実現が可能となる。

【００１３】さらに、トランスの１次側から２次側へ伝
達させるパワーと、力率改善の為の昇圧回路へ供給する
パワーの比を調整させることにより、スイッチング電源
回路の方式として、フライバック式のみではなく、フォ
ワード式に対しても、スイッチング素子１つの力率改善
型スイッチング電源を実現することが可能となる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例である。

【００１５】この実施例の構成は、トランス１０とその
巻線１０１、１０２、１０３、インダクタ１１、整流ダ
イオード２１、２２、２３、２４、ダイオード２５、２
６、２７、スイッチング素子３、１次側平滑コンデンサ
４１、コンデンサ４２、出力側平滑コンデンサ４３、電
圧検出器５１、５２、５３、電流検出器５４、交流電源
６１、負荷６２、制御器７、制御器を構成する電圧制御
発振器７１、比較器７２、飽和付き信号増幅器７３１、
７３２、７３３、基準電圧７４１、７４２、乗算器７
５、差分器７６１、７６２よりなる。

【００１６】この実施例の動作は次のようになる。交流
電源６１から供給される電圧は、整流ダイオード２１、
２２、２３、２４によって構成される全波整流回路によ
り脈流に変換される。

【００１７】１次側平滑コンデンサ４１には電気が蓄え
られており、スイッチング素子３、トランス１０、ダイ
オード２６、２７、インダクタ１１、出力側平滑コンデ
ンサ４３によって構成されるフォワード式コンバータに
より、負荷６２に供給される直流電圧に変換される。

【００１８】スイッチング素子３がオンのときは、トラ
ンス１０の巻線１０１に、１次側平滑コンデンサ４１の
両端の電圧がかかり、それにともない、トランス１０の
巻線１０２に電圧が発生し、ダイオード２６を経て出力
側にエネルギーが伝達される。それと同時に、トランス
１０には磁気エネルギーが蓄えられる。

【００１９】スイッチング素子３がオンからオフに変化
すると、トランス１０に蓄えられていた磁気エネルギー
がトランス１０の巻線１０３を通して、電気エネルギー
として放出される。その際、ダイオード２５を通して電
流が流れ、１次側平滑コンデンサ４１が充電される。交
流電源６１からは、このときにダイオード２５に流れる
電流に対して、コンデンサ４２によって平滑化された電
流が流れる。

【００２０】ここで、スイッチング素子３が周期的にオ
ンおよびオフを繰り返すものとする。１次側平滑コンデ
ンサ４１の両端の電圧が一定であるとき、負荷６２の両
端の電圧は、スイッチング素子３のオンである時間をオ
ンおよびオフを繰り返す周期で割った値であるデューテ
ィ比にほぼ比例する。

【００２１】一方、１周期毎にトランス１０に蓄えられ
る磁気エネルギーの量は、トランス１０が飽和を起こさ
ないときは、スイッチング素子３がオンである時間の２
乗に比例する。単位時間当たりにスイッチング素子３が
オンおよびオフする回数は、スイッチング素子３のオン
およびオフする周期に反比例する。そこで、該デューテ
ィ比を一定に保ったままオン時間を変化させると、周期
はオン時間に比例する為、単位時間当たりにトランス１
０に磁気エネルギーとして移送されるエネルギーはスイ
ッチング素子３がオンである時間に比例する。

【００２２】トランス１０に磁気エネルギーとして移送
されたエネルギーは、トランス１０の巻線１０３及びダ
イオード２５を構成要素として含む昇圧回路の昇圧のた
めのエネルギーに変換される。従って、単位時間当たり
にトランス１０に磁気エネルギーとして移送されるエネ
ルギーを、１次側平滑コンデンサ４１の両端の電圧から
交流電源６１の交流を整流ダイオード２１、２２、２
３、２４により全波整流された脈流の電圧を引いた値で
割った値が、交流電源６１から流れる電流の絶対値とな
る。

【００２３】このように、スイッチング素子３のオンお
よびオフのデューティ比を固定したままスイッチング素
子３のオン時間を変化させることにより、負荷６２の両
端の電圧をあまり変化させずに、交流電源６１から流れ
る電流を変化させることができる。

【００２４】制御器７は、回路の以上の特性を利用し
て、負荷６２の両端の電圧を所望の値に制御しながら、
１次側平滑コンデンサ４１の両端の電圧を適切な値に維
持し、交流電源６１から流れる電流が交流電源６１の電
圧に比例するようにして力率を１に近づけるように、ス
イッチング素子３のオンおよびオフを指令する信号を生
成するものである。

【００２５】電圧制御発振器７１は三角波の信号を出力
し、比較器７２とともにパルス幅変調器を構成する。電
圧検出器５３は負荷６２の両端の電圧を検出し、負荷６
２の両端の電圧の基準値である基準電圧７４１と差分器
７６１により比較され、誤差信号が出力される。該誤差
信号が飽和付き信号増幅器７３１により増幅され、電圧
制御発振器７１と比較器７２により構成されるパルス幅
変調器に入力され、負荷６２の両端の電圧が所望の値と
なるように、スイッチング素子３のオンおよびオフの動
作のデューティ比が調整される。

【００２６】交流電源６１から流れる電流の絶対値は、
電流検出器５４により検出され、交流電源６２の交流を
ダイオード２１、２２、２３、２４により全波整流され
た脈流の電圧を電圧検出器５１により検出された値に対
して乗算器７５によりゲイン調整された値と差分器７６
３により比較され、その差の信号が電圧制御発振器７１
に入力される。電圧制御発振器７１の入力信号の値が変
化すると、電圧制御発振器７１の出力信号の周期が変化
するので、スイッチング素子３のオンおよびオフの動作
のデューティ比を変化させずに、スイッチング素子３の
オンの時間のみを変化させ、交流電源６１から流れる電
流を調節する。これらの動作により、交流電源６１から
流れる電流が交流電源６１の電圧に比例した値に近くな
り、力率を１に近づけることができる。

【００２７】１次側平滑コンデンサ４１の両端の電圧
は、交流電源６１の電圧の振幅よりも大きな値になる
が、この値をなるべく小さく抑えた方が、トランス１０
の巻線１０３やダイオード２５を含む昇圧回路によって
昇圧される電圧を小さく抑えることができ、その結果、
電源の効率を上げることができる。この装置では、１次
側平滑コンデンサ４１の両端の電圧は電圧検出器５２に
よって検出され、その値は基準電圧７６２と差分器７６
２により比較され、その差信号が飽和付き信号増幅器７
３２により増幅された後、乗算器７５に入力され、交流
電源６１から流れる電流の目標値を増減し、その結果、
１次側平滑コンデンサ４１を充電する電流が増減される
ので、１次側平滑コンデンサ４１の両端の電圧を基準電
圧７６２の電圧の値の近くに保たせることができる。従
って、基準電圧７６２の電圧を交流電源６１の電圧の振
幅より少し高い値に設定することにより、トランス１０
の巻線１０３やダイオード２５を含む昇圧回路によって
昇圧される電圧を小さく抑えることができる。

【００２８】次に本発明の他の実施例を示す。回路図は
図１であり、先の実施例と同じであるが、この実施例に
おいてはトランス１０として、可飽和なトランスを用
い、この点が先の実施例と異なる。

【００２９】この実施例の動作は、先の実施例の動作と
ほぼ同じであるが、以下の点が先の実施例の動作と異な
る。

【００３０】スイッチング素子３がオンであるとき、ト
ランス１０が飽和を起こさない間はトランス１０に蓄え
られる磁気エネルギーは時間の２乗に比例して増大す
る。スイッチング素子３がオンである時間がある時間以
上に長いと、トランス１０は磁気的に飽和を起こす。ト
ランス１０が磁気飽和を起こすと、トランス１０の巻線
１０１の交流自己インダクタンスが急激に減り、結果と
してトランス１０に蓄えられる磁気エネルギーはトラン
ス１０が飽和を起こしていないときよりも速い割合で時
間とともに増大する。

【００３１】ここでスイッチング素子３のオンおよびオ
フの動作におけるデューティ比を一定に保つと、単位時
間に行われるスイッチング素子３のオンおよびオフの動
作の回数は、スイッチング素子３がオンである時間に反
比例する。従って、トランス１０が飽和を起こさない範
囲では、単位時間当たりにトランス１０に磁気エネルギ
ーとして供給されるエネルギーはスイッチング素子３が
オンである時間に比例するが、トランス１０が飽和を起
こす範囲においては、単位時間当たりにトランス１０に
磁気エネルギーとして供給されるエネルギーはスイッチ
ング素子３がオンである時間に対してより敏感に変化す
ることになる。よって、交流電源６１から流れる電流
を、より容易に制御することが可能となる。

【００３２】トランス１０が飽和を起こしたときも、ト
ランス１０の３つの巻線１０１、１０２、１０３の間の
結合が密であることが保たれることが望ましいので、ト
ランス１０の磁心は、局所的に細くするなどをして、磁
気飽和が磁心の局所的部分において発生するようにす
る。

【００３３】

【発明の効果】以上のように、本発明を用いることによ
り、力率改善の為の昇圧回路において昇圧する電圧を低
く抑えることが可能となり、電源の効率を改善すること
ができる。

【００３４】また、本発明を用いることにより、交流電
源からの入力電流波形を調整でき、高い力率の実現が可
能となる。

【００３５】さらに、本発明を用いることにより、スイ
ッチング電源回路の方式として、フライバック式のみで
はなく、フォワード式に対しても、スイッチング素子が
１つの力率改善型スイッチング電源を実現することが可
能となる。

【００３６】さらに、電源の構成要素であるトランスや
インダクタに対して、その内の１つまたは複数のものに
対して可飽和であるものを用いることにより、交流電源
から流れる電流をより容易に制御することが可能とな
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例回路図

【図２】従来回路図

【符号の説明】

１０・・・・トランス １０１，１０２，１０３・・・・トランスの巻線 １１・・・・インダクタ ２１，２２，２３，２４・・・・整流ダイオード ２５，２６，２７・・・・ダイオード ３・・・・スイッチング素子 ４１・・・・１次側平滑コンデンサ ４２・・・・コンデンサ ４３・・・・出力側平滑コンデンサ ５１，５２，５３・・・・電圧検出器 ６１・・・・交流電源 ６２・・・・負荷 ７・・・・制御器 ７１・・・・電圧制御発振器 ７２・・・・比較器 ７３１，７３２，７３３・・・・飽和付き信号増幅器 ７４１，７４２・・・・基準電圧 ７５・・・・乗算器 ７６１，７６２，７６３・・・・差分器

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】単相交流電源をスイッチング素子を用いて
   直流に変換するコンバータにおいて、該スイッチング素
   子をオンおよびオフする周期およびオンの時間を両方変
   化させることにより、出力電圧および入力電流を同時に
   変化させうる回路を有し、且、該スイッチング素子のオ
   ンまたはオフを制御する手段により該スイッチング素子
   のオンおよびオフする周期およびオンの時間の両方が変
   化することを特徴とするコンバータ。
2. 【請求項２】請求項１のコンバータにおいて、一つ若し
   くは複数の可飽和インダクタまたは可飽和トランスまた
   は可飽和インダクタおよび可飽和トランスを用いること
   を特徴とするコンバータ。