JP2002051563A - スイッチング電源 - Google Patents
スイッチング電源Info
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Abstract
リッジ方式の力率改善回路において、入力投入時或いは
入力急変時の過大なインダクタ電流によるスイッチの破
壊を防止し、高効率且つ安定動作可能な力率改善回路を
提供する。 【解決手段】交流入力電源と、該交流入力の電力エネル
ギーを蓄積し、該蓄積した電力エネルギーを出力電流と
して出力するインダクタンス手段と、該インダクタンス
手段による電力エネルギーの蓄積と出力とを切換える混
合ブリッジ型スイッチ手段と、該スイッチ手段の複数の
スイッチを制御する制御回路を備えたスイッチング電源
において、該制御回路は、該インダクタンス電流を検出
する手段を持ち、該インダクタンス電流信号が設定値以
上になった時、スイッチをオフする期間を設け、該設定
値は交流入力信号を用いて作られた事を特徴とするスイ
ッチング電源。
Description
関し、特に力率改善を図った高効率のブースト形コンバ
ータに関するものである。
00−198537号)スイッチング電源のブロック図で、図に
おいてViは交流入力電源、LPFはロウパスフィルタ、Lは
インダクタンス手段(チョークコイル)、D1、D2は出力
プラス側共通のダイオード、Q1、Q2は出力マイナス側共
通のスイッチ(MOSFET)で、ダイオードD1とMOSFET Q
1、ダイオードD2とMOSFET Q2、は夫々直列接続され、前
記混合ブリッジ回路SWを形成する。Coは出力コンデン
サ、Roは負荷である。
2の制御回路で、1は交流入力電圧検出トランス、4はパ
ルス幅制御回路(PWM)で電流トランスCTを通して検出
されるインダクタンス電流(交流入力電流に高周波ノイ
ズが乗った波形。これは略交流入力電流に等しい。)の
絶対値│i│、交流入力電圧の絶対値│v│、及び出力電
圧voの各信号を制御要素としてパルス幅信号を形成し夫
々のスイッチQ1、Q2のゲート信号として送出する。5、6
はMOSFET Q1、Q2をスイッチング制御するゲート駆動回
路である。比較器2と、2入力AND 14から成る過電流保
護回路が有り、インダクタ電流ILが固定の設定値Iimax
を越えると、スイッチQ1、Q2のスイッチングを停止させ
る。しかし、交流入力電圧が広範囲に変化する電源では
固定された設定値Iimaxでは、保護機能として十分では
なっかった。
の半サイクル期間においてスイッチQ1はパルス幅信号が
印加されオン・オフを繰り返す。この間スイッチQ2はソ
ースからドレインへ電流が流れるダイオード動作をす
る。
パスフィルタLPF−インダクタL−スイッチQ1―スイッチ
Q2―電流トランスCT―ローパスフィルタLPF―交流入力V
iの経路で電流が流れ、該インダクタLに電力エネルギー
を蓄積する。そしてスイッチQ1がオフになると、インダ
クタLに蓄積されたエネルギーは、インダクタL―ダイオ
ードD1―コンデンサCo―スイッチQ2の経路で放出され、
コンデンサCoにエネルギーを蓄積し直流電圧に変換され
る。
がオン・オフを繰り返し、該スイッチQ2がオンの時は、
交流入力Vi−ローパスフィルタLPF−電流トランスCT−
スイッチQ2―スイッチQ1―インダクタL―ローパスフィ
ルタLPF―交流入力Viの経路で電流が流れ、該インダク
タLに電力エネルギーを蓄積する。そしてスイッチQ2が
オフになると、該インダクタL―LPF―交流入力Vi― LPF
― CT―ダイオードD2―Co―Q1―インダクタLの経路で
該インダクタLの電力エネルギーをコンデンサCoに放出
し上記同様な動作を行う。即ちこの回路ではスイッチQ
1、Q2の動作は、片方がスイッチング動作をし、残りの
スイッチがダイオード動作し、これを商用周波数の半サ
イクルづつ交互に繰り返している。
が有ると、入力電圧Viの絶対値が出力電圧Voより大きく
なる。するとスイッチがOFF時でもインダクタLに(│Vi
│−Vo)の電圧が加わり続け、インダクタLが飽和す
る。この為、インダクタ電流(入力電流)が、急増す
る。図7の(a)〜(c)は図6の各部動作波形図で、図7
(a)は交流入力電圧(Vi)、図7(b)はインダクタ電流(IL)
波形図、図7(c)は比較器2が作動した時のMOSFET Q1の
ドレイン・ソース間電流波形である。入力急変時のViを
図7の(a)のt0付近に示し、インダクタ電流の様子を図
7の(b)に示す。
は、スイッチング時の出力ダイオードの逆漏れ電流によ
る損失が大きく、例えばこの損失がスイッチの損失の50
%以上を占めていた。その為、入力急変時にスイッチが
スイッチングし続けると、急増するインダクタ電流を更
に増加させたり、大電流をスイッチングする事により、
スイッチに更に大きな損失を発生させ、スイッチを破損
させる場合も有った。そこで従来インダクタ電流ILが設
定値Iimaxを越えると、スイッチQ1、Q2のスイッチング
を停止させる過電流保護機能があった。しかし、交流入
力電圧が広範囲に変化する電源では固定された設定値Ii
maxでは、保護機能として十分ではなっかった。
機能を強化した過電流保護回路とする事により、入力投
入や入力急変(急増)時に発生するインダクタ電流の急
増によるスイッチの破壊を防ぎ、信頼性の高い、低コス
トな力率改善回路を提供する事である。
請求項1の発明は、交流入力電源と、該交流入力の電力
エネルギーを蓄積し、該蓄積した電力エネルギーを出力
電流として出力するインダクタンス手段と、該インダク
タンス手段による電力エネルギーの蓄積と出力とを切換
える混合ブリッジ型スイッチ手段と、該スイッチ手段の
複数のスイッチを制御する制御回路を備えたスイッチン
グ電源において、該制御回路は、該インダクタンス電流
を検出する手段を持ち、該インダクタンス電流信号が設
定値以上になった時、スイッチをオフする期間を設け、
該設定値は交流入力信号を用いて作られた事を特徴とす
る。
あって、従来の力率改善回路と異なる点の1つめは、イ
ンダクタ電流信号│Ii│と比較する設定値3のIimaxを入
力電圧信号│Vi│を用いて作成した点である。2つめ
は、比較器8で出力電圧Voと入力電圧信号│Vi│とを比
較し、入力投入や比較的大きな変化の入力急変(│Vi│
>Vo)の検出を併用している点である。但し、比較器
2,8は│Ii│<Iimaxまたは│Vi│<Voの時ハイレベル
を出力し、│Ii│≧Iimaxまたは入力投入や比較的大き
な入力急増の時ロウレベルを出力する。その為、Q1のゲ
ート信号は│Ii│<Iimaxまたは│Vi│<Voの時はPWM信
号となり、│Ii│≧Iimaxまたは入力投入や比較的大き
な入力急増となると、Q1のゲート電圧はロウレベル一定
(Q1はOFF)に保たれる。
(d)に示す。図2-(c)または図2-(d)のQ1のドレイン電
流波形から分かる様に、│Ii│≧Iimaxまたは入力投入
や比較的大きな入力急増となると、Q1のスイッチングは
停止し、スイッチは過大な電流から保護される。図2
(c)は比較器2が作動した時のMOSFET Q1のドレイン・ソ
ース間電流、図2(d)は図1の比較器8が作動した時の場
合のMOSFET Q1のドレイン・ソース間電流である。
の実施例である。抵抗10とコンデンサ11で入力電圧信号
│Vi│を平均化し│Vi│aveを作っている。点線で囲ま
れた割算回路で一定電圧(−Vref2)を│Vi│aveで割り
Iimaxを作っている。 Iimax = Vref2/│Vi│ave ...(1) これにより、入力電圧が低い時は、Iimaxは大きくな
り、入力電圧が高い時は、Iimaxは小さくなり、Iimaxは
自動的に最適化される。これによりスイッチは、広範囲
な入力電圧(例えばVi=85V〜264V)動作でも常に過大
な電流から保護される。比較器2では入力投入を検出で
きないので、比較器8の様な入力投入検出回路の併用が
必要となる。
(a)の入力電圧Viから、図4(b)の│Vi│aveへの波形変
形する様子を示している。又図4の(c)は、図5の回路
波形で、図4(a)の入力電流Iiから図4(c)の│Ii│ave
へ波形変形する様子を示している。
あって、図1の回路と異なる点はIimaxを与えるブロッ
ク回路が│Ii│aveを用いている点と、入力投入検出、
単安定マルチバイブレータ9で入力投入を検出している
点である。図3の(b)ではk倍の増幅率の増幅器13を使っ
て Iimax = k・│Ii│ave ...(2) として設定値Iimaxを求めている。但し図3の(b)の場
合、抵抗10とコンデンサ11から成る時定数は、本力率改
善回路の負荷変動に対する応答時間より十分に小さく、
インダクタLが飽和電圧が印加されてインダクタ電流が
急増する時間よりは十分に大きい必要がある。この場合
も図1の回路と同様に、入力電圧が広範囲に変化して
も、設定値Iimaxが自動的に最適化される。
り発生する問題を、インダクタ電流を検出してスイッチ
ングを停止したり、入力電圧を検出してスイッチングを
停止して防ぐ場合について説明して来たが、この両者の
組み合わせは、交換して組み合わせても実施できる。
投入、入力急増等により発生する過電流によりスイッチ
が破壊する事が無くなり、特に定電力型スイッチング電
源において、高効率で、安定な動作を行う力率改善回路
を安価に提供する事となり、その効果は大きい。
2)
Claims (6)
- 【請求項1】交流入力電源と、該交流入力の電力エネル
ギーを蓄積し、該蓄積した電力エネルギーを出力電流と
して出力するインダクタンス手段と、該インダクタンス
手段による電力エネルギーの蓄積と出力とを切換える混
合ブリッジ型スイッチ手段と、該スイッチ手段の複数の
スイッチを制御する制御回路を備えたスイッチング電源
において、該制御回路は、該インダクタンス電流を検出
する手段を持ち、該インダクタンス電流信号が設定値以
上になった時、スイッチをオフする期間を設け、該設定
値は交流入力信号を用いて作られた事を特徴とするスイ
ッチング電源。 - 【請求項2】スイッチング手段は、マイナス側共通の2
つのMOSFETとプラス側共通の2つのダイオードの混合ブ
リッジ回路である事を特徴とする請求項1のスイッチン
グ電源。 - 【請求項3】制御回路は交流入力電圧と交流入力電流の
信号と出力電圧の信号を用いてPWM信号を作る機能を含
む事を特徴とする請求項1又は請求項2のスイッチング
電源。 - 【請求項4】該交流入力信号は、交流入力電圧信号の絶
対値を平均化した値である事を特徴とする請求項1、請
求項2又は請求項3のスイッチング電源。 - 【請求項5】該交流入力信号は、交流入力電流信号の絶
対値を平均化した値である事を特徴とする請求項1、請
求項2又は請求項3のスイッチング電源。 - 【請求項6】交流入力電圧が出力電圧より大きくなった
時、スイッチがオフ状態となる期間を設けた事を特徴と
する請求項1、請求項2、請求項3、請求項4又は請求
項5のスイッチング電源。
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