JP2004312883A - 直流安定化電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＤＣ／ＤＣコンバータと力率改善回路を有する直流安定化電源装置に関し、力率改善回路のスイッチング素子の異常時に対処できる構成とする。
【解決手段】ＤＣ／ＤＣコンバータ１の前段に設けた力率改善回路２は、補助巻線を有するリアクトルＬ１’と直列に接続したダイオードＤ１と、このダイオードＤ１を介して充電して端子電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１のトランスＴ１の一次巻線Ｎ１に印加するコンデンサＣ１と、リアクトルＬ１’とダイオードＤ１との接続点に接続して、ＰＦＣ制御部２によりオン，オフ制御されるスイッチング素子Ｑ１とを含み、リアクトルＬ１’の補助巻線に誘起する電圧をダイオードＤ４，Ｄ５により整流して充電した端子電圧を、ＤＣ／ＤＣ制御部３及びＰＦＣ制御部４の動作電圧として印加するコンデンサＣ３，Ｃ４を備えている。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、ＤＣ／ＤＣコンバータの前段に力率改善回路を設けた直流安定化電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来の直流安定化電源装置は、例えば、図４に示すように、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の前段に力率改善回路２を設けた構成が一般的である。同図に於いて、ＲＣ１は１００Ｖ等の商用交流電圧を整流する整流回路、３はＤＣ／ＤＣ制御部、４はＰＦＣ（力率）制御部、Ｌ１，Ｌ２はリアクトル、Ｄ１〜Ｄ５はダイオード、Ｔ１はトランス、Ｎ１は一次巻線、Ｎ２は二次巻線、Ｎ３は三次巻線、Ｒは抵抗を示す。
【０００３】
力率改善回路２は、リアクトルＬ１とダイオードＤ１とスイッチング素子Ｑ１とを含む構成を有する場合を示し、コンデンサＣ１を含めてブーストコンバータを構成している。このスイッチング素子Ｑ１を制御するＰＦＣ制御部４は、詳細な制御経路の図示を省略しているが、コンデンサＣ１の端子電圧と、整流回路ＲＣ１の出力電圧と、スイッチング素子Ｑ１を介して流れる電流とを基に、スイッチング素子Ｑ１のオン，オフを制御して、商用交流電源側から整流回路ＲＣ１を介して流れる電流を正弦波に近づけることにより、力率改善を図る制御構成を有するもので、既に、各種の構成が提案されている。
【０００４】
又ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、コンデンサＣ１とスイッチング素子Ｑ１とトランスＴ１とダイオードＤ２，Ｄ３とリアクトルＬ２とコンデンサＣ２とを含む構成の場合を示し、ＤＣ／ＤＣ制御部３により、リアクトルＬ２とコンデンサＣ２とを含む平滑回路の出力電圧が設定値となるように、トランスＴ１の一次巻線Ｎ１に接続したスイッチング素子Ｑ２を制御し、コンデンサＣ１の端子電圧によってトランスＴ１の一次巻線Ｎ１に流れる電流をオン，オフする。それによるトランスＴ１の二次巻線Ｎ２に誘起された電圧を、ダイオードＤ２，Ｄ３とリアクトルＬ２とコンデンサＣ２とを含む整流平滑回路により整流して平滑化し、コンデンサＣ２を充電し、このコンデンサＣ２の端子電圧を安定化して、図示を省略した負荷に供給する。
【０００５】
又トランスＴ１の三次巻線Ｎ３の誘起電圧をダイオードＤ４，Ｄ５により整流してコンデンサＣ３，Ｃ４に充電し、コンデンサＣ３の端子電圧をＤＣ／ＤＣ制御部３の動作電圧として供給し、コンデンサＣ４の端子電圧をＰＦＣ制御部４の動作電圧として供給する。即ち、ＤＣ／ＤＣ制御部３とＰＦＣ制御部４との動作電源は、トランスＴ１の三次巻線Ｎ３の誘起電圧を整流して充電するコンデンサＣ３，Ｃ４により構成されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００６】
又力率改善回路のリアクトルに二次巻線を設けて、この二次巻線に誘起する電圧により、入力電流の検出と入力電圧の零クロス点検出とを行って、リアクトルとダイオードとの間に接続したスイッチング素子のオン，オフを制御する構成も知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００７】
【特許文献１】
特開平１１−３２４８０号公報
【特許文献２】
特開平７−９９７７５号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＣ／ＤＣコンバータ１の前段に力率改善回路２を設けた直流安定化電源装置に於いて、商用交流電源側の停電時は、商用交流電圧の検出手段，整流回路ＲＣ１の整流出力電圧検出手段，コンデンサＣ１の端子電圧の検出手段等により検出して、ＤＣ／ＤＣ制御部３とＰＦＣ制御部４との動作を停止させる手段を設けて、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の異常動作を回避することができる。
【０００９】
又力率改善回路２のスイッチング素子Ｑ１に異常が発生して、ＰＦＣ制御部４によってオン，オフ制御できない場合がある。通常はオープン状態となる。このような異常状態となると、正弦波状に電流を流す制御ができなくなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１のスイッチング素子Ｑ２がＤＣ／ＤＣ制御部３によって正常にオン，オフ制御している状態に於いては、正弦波のピークのタイミングで、図示を省略した負荷に供給する電力に対応したピーク電流がリアクトルＬ１とダイオードＤ１とを介してコンデンサＣ１に流入する。
【００１０】
この場合のピーク電流により、整流回路ＲＣ１を含むコンデンサＣ１に対する電流経路の部品の温度が上昇する。通常は、コストダウンの関係等により、各部品は、最大許容電流値は低く設計するものであるから、大きなピーク電流に耐えるようには構成されていない。その為に、電流経路の部品が焼損する可能性が高くなる問題がある。
【００１１】
なお、スイッチング素子Ｑ１がショート状態となった場合も、オン，オフ制御ができない状態となるが、リアクトルＬ１とスイッチング素子Ｑ１を介して大きな電流が流れるから、商用交流電源側のヒューズ（図示を省略）が溶断して、保護する構成が一般には採用されている。しかし、前述のスイッチング素子Ｑ１のオープン状態に於けるピーク電流によってはヒューズが溶断する状態とならない場合が多いものである。
【００１２】
そこで、力率改善回路２のスイッチング素子Ｑ１の異常を検出する構成を付加し、異常検出時には、整流回路ＲＣ１の前段又は後段に設けたスイッチをオフとする構成や、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を停止させる構成を別個に設けることが考えられる。しかし、このような構成を付加すると、回路規模の増大による大型化の問題と、コストアップの問題とが生じる。
【００１３】
本発明は、僅かな構成の変更により、力率改善回路の異常を検出して、直流安定化電源装置としての動作を停止させることを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の直流安定化電源装置は、図１を参照して説明すると、ＤＣ／ＤＣ制御部１によりトランスＴ１の一次巻線Ｎ１に接続したスイッチング素子Ｑ２のオン，オフを制御するＤＣ／ＤＣコンバータ１と、このＤＣ／ＤＣコンバータ１の前段に設けて、ＰＦＣ制御部４によりスイッチング素子Ｑ１のオン，オフを制御する力率改善回路２とを有する直流安定化電源装置に於いて、力率改善回路２は、補助巻線を有するリアクトルＬ１’と、このリアクトルＬ１’と直列に接続したダイオードＤ１と、このダイオードＤ１を介して充電して端子電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１のトランスＴ１の一次巻線Ｎ１に印加するコンデンサＣ１と、リアクトルＬ１’とダイオードＤ１との接続点に接続して、ＰＦＣ制御部４によりオン，オフ制御されるスイッチング素子Ｑ１とを含み、リアクトルＬ１’の補助巻線に誘起する電圧をダイオードＤ４，Ｄ５により整流して充電した端子電圧を、ＤＣ／ＤＣ制御部３及びＰＦＣ制御部４の動作電圧として印加するコンデンサＣ３，Ｃ４を備えている。
【００１５】
又力率改善回路２は、補助巻線を有するリアクトルＬ１’と、このリアクトルＬ１’と直列に接続したダイオードＤ１と、このダイオードＤ１を介して充電するコンデンサＣ１と、リアクトルＬ１’とダイオードＤ１との接続点に接続したスイッチング素子Ｑ１とを含み、リアクトルＬ１’とダイオードＤ１との直列回路に並列に保護用のダイオードを接続することができる。又ＤＣ／ＤＣ制御部３は、印加される動作電圧が設定値以下の時に、ＤＣ／ＤＣコンバータ１のスイッチング素子Ｑ２のオン，オフ制御を停止する機能を備えている。
【００１６】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施の形態の説明図であり、１はＤＣ／ＤＣコンバータ、２は力率改善回路、３はＤＣ／ＤＣ制御部、４はＰＦＣ制御部、ＲＣ１は整流回路、Ｌ１’は補助巻線を有するリアクトル、Ｄ１〜Ｄ５はダイオード、Ｑ１，Ｑ２は電界効果トランジスタ等のスイッチング素子、Ｃ１〜Ｃ４はコンデンサ、Ｔ１はトランス、Ｎ１は一次巻線、Ｎ２は二次巻線、Ｒは抵抗、Ｌ２はリアクトルを示す。
【００１７】
この実施の形態に於いては、ＤＣ／ＤＣコンバータ１のトランスＴ１は、従来の図４に示すトランスＴ１とは異なり、三次巻線Ｎ３を省略して小型化を図っている。又力率改善回路２のリアクトルＬ１’に補助巻線を設けている。このリアクトルＬ１’の補助巻線にそれぞれダイオードＤ４，Ｄ５を介してコンデンサＣ３，Ｃ４を接続する。この場合のダイオードＤ４，Ｄ５とコンデンサＣ３，Ｃ４とは、図４に示す従来のトランスの三次巻線Ｎ３に接続した構成に相当する。又力率改善回路２は、コンデンサＣ１を含めてブーストコンバータ構成を有するものである。
【００１８】
又ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、従来の構成と同様に、トランスＴ１の一次巻線Ｎ１にスイッチング素子Ｑ１を接続し、コンデンサＣ１の端子電圧を、トランスＴ１の一次巻線Ｎ１とスイッチング素子Ｑ１との直列回路に印加し、ＤＣ／ＤＣ制御部３によりスイッチング素子Ｑ１のオン，オフを制御し、トランスＴ１の二次巻線Ｎ２に誘起した電圧を、ダイオードＤ２，Ｄ３とリアクトルＬ２とコンデンサＣ２とからなる整流平滑回路により整流して平滑化し、図示を省略した負荷に供給する。
【００１９】
その負荷に供給する電圧をＤＣ／ＤＣ制御部３にフィードバックして、設定電圧となるように、スイッチング素子Ｑ２のオン期間を制御する。それにより、負荷には安定化された直流電圧を供給することができる。
【００２０】
又力率改善回路２は、ＰＦＣ制御部４により、整流回路ＲＣ１の出力電圧と、コンデンサＣ１の端子電圧と、スイッチング素子Ｑ１を介して流れる電流とを基に、スイッチング素子Ｑ１のオン，オフを制御して、整流回路ＲＣ１を介して商用電源側から流入する電流が正弦波状となるように制御する。従って、リアクトルＬ１’の巻線には、スイッチング素子Ｑ１のオン，オフに従って、流れる電流が変化する。それにより、リアクトルＬ１’の補助巻線には電圧が誘起する。
【００２１】
このリアクトルＬ１’の補助巻線に誘起した電圧をダイオードＤ４，Ｄ５により整流してコンデンサＣ３，Ｃ４を充電する。このコンデンサＣ３の端子電圧をＤＣ／ＤＣ制御部３の動作電圧とし、コンデンサＣ４の端子電圧をＰＦＣ制御部４の動作電圧とする。即ち、ＤＣ／ＤＣ制御部３とＰＦＣ制御部４との動作電圧を、リアクトルＬ１’の補助巻線の誘起電圧により形成するものである。
【００２２】
従って、力率改善回路２のスイッチング素子Ｑ１が連続オン状態又は連続オフ状態のように、オン，オフ制御ができない異常状態となると、リアクトルＬ１’に流れる電流は、整流回路ＲＣ１の整流出力に含まれる脈流分による変化のみであるから、リアクトルＬ１’の補助巻線の誘起電圧は正常時に比較して無視できる程度に低いものとなる。従って、ＤＣ／ＤＣ制御部３及びＰＦＣ制御部４は制御動作を停止することになる。
【００２３】
ＤＣ／ＤＣ制御部３の動作開始の電圧よりＰＦＣ制御部４の動作開始電圧を低く設定し、商用交流電源の電圧又は整流回路ＲＣ１の整流出力電圧を入力電圧とすると、ＤＣ／ＤＣ制御部３に印加される動作電圧は、例えば、図２に示す特性となる。即ち、入力電圧がＶ１に上昇すると、ＰＦＣ制御部４が動作を開始し、スイッチング素子Ｑ１がオン，オフ制御され、それに従って、ＤＣ／ＤＣ制御部３に印加される動作電圧は上昇する。
【００２４】
例えば、入力電圧がＶ３に上昇すると、ＯＮとして示すように、ＤＣ／ＤＣ制御部３が動作を開始する。又入力電圧がＶ２以下に低下すると、ＯＦＦとして示すように、ＤＣ／ＤＣ制御部３は動作を停止する。即ち、ＤＣ／ＤＣ制御部３の内部構成として、低電圧保護機能を含む構成が一般には採用されており、入力電圧がＶ３以上となってＤＣ／ＤＣ制御部３が動作を開始した後は、Ｖ３より低いＶ２に入力電圧が低下するまでＤＣ／ＤＣ制御部３は動作を継続する。そして、Ｖ２以下に低下すると、動作を停止する。
【００２５】
即ち、入力電圧がＶ２以下に低下することにより、コンデンサＣ３の端子電圧も低下するから、低電圧保護機能が作用して、ＤＣ／ＤＣ制御部３は、トランスＴ１の一次巻線Ｎ１に接続したスイッチング素子Ｑ２のオン，オフ制御を停止する。即ち、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を停止することになる。従って、商用交流電源の停電検出手段を特に設けなくても、停電時や電圧低下時には、ＤＣ／ＤＣ制御部３の動作停止により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を停止させることができる。
【００２６】
図３は本発明の他の実施の形態の説明図であり、図１と同一符号は同一部分を示し、Ｄ６は保護用のダイオードである。このダイオードＤ６は、補助巻線を有するリアクトルＬ１’とダイオードＤ１との直列回路に対して並列に接続するものである。又ＤＣ／ＤＣコンバータ１と、ＤＣ／ＤＣ制御部３と、ＰＦＣ制御部４とについては、図１に示す場合と同様であるから、重複した説明は省略する。
【００２７】
力率改善回路２のスイッチング素子Ｑ１が正常にオン，オフ制御されている場合は、ブーストコンバータとして作用することにより、コンデンサＣ１の端子電圧は、整流回路ＲＣ１の整流出力電圧より高くなる。従って、保護用のダイオードＤ６は逆方向バイアス状態となり、電流は流れない。
【００２８】
しかし、スイッチング素子Ｑ１が異常状態となると、ブーストコンバータとして作用しなくなるから、コンデンサＣ１の端子電圧は低下し、整流回路ＲＣ１の整流出力電圧より低くなる。それにより、保護用のダイオードＤ６は順方向バイアス状態となり、このダイオードＤ６に電流が流れる。その為に、リアクトルＬ１’とダイオードＤ１とには電流が流れないことになる。
【００２９】
従って、リアクトルＬ１’の補助巻線の誘起電圧は殆ど零となる。それにより、ダイオードＤ４，Ｄ５を介して充電されるコンデンサＣ３，Ｃ４の端子電圧は殆ど零となり、ＤＣ／ＤＣ制御部３とＰＦＣ制御部４とは動作を停止するから、ＤＣ／ＤＣコンバータ１としても動作を停止する。即ち、図１に示す構成に比較して、力率改善回路２のスイッチング素子Ｑ１の異常状態には、迅速にＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を停止して、大きなピーク電流が流れることを防止することができる。
【００３０】
本発明は、前述の各実施の形態のみに限定されるものではなく、種々付加変更することが可能であり、ＤＣ／ＤＣコンバータ１は、フォワード型の場合を示すが、フライバック型等の他の型式のＤＣ／ＤＣコンバータを含む構成に対しても適用することができる。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、補助巻線を有するリアクトルＬ１’と、このリクトルＬ１’と直列に接続したダイオードＤ１と、このダイオードＤ１を介して充電して端子電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ１のトランスＴ１の一次巻線Ｎ１に印加するコンデンサＣ１と、リアクトルＬ１’とダイオードＤ１との接続点に接続して、ＰＦＣ制御部４によりオン，オフ制御されるスイッチング素子Ｑ１とを含み、リアクトルＬ１’の補助巻線に誘起する電圧をダイオードＤ４，Ｄ５により整流して充電した端子電圧を、ＤＣ／ＤＣ制御部３及びＰＦＣ制御部４の動作電圧として印加するコンデンサＣ３，Ｃ４を備えており、余分な構成を付加することなく、力率改善回路２のスイッチング素子Ｑ１の異常状態に於けるＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を自動的に停止させることができる。
【００３２】
更に、リアクトルＬ１’の補助巻線に誘起する電圧は、商用交流電圧又は整流回路ＲＣ１の整流出力電圧に比例することになるから、停電検出回路等を付加することなく、停電時等の電圧低下時には、自動的にＤＣ／ＤＣ制御部３の動作停止により、ＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を停止させることができる。即ち、力率改善回路２のスイッチング素子Ｑ１の異常状態及び入力電圧の異常低下に於いてＤＣ／ＤＣコンバータ１の動作を停止させる為の特別な回路部品を追加する必要がないから、大型化並びにコストアップを回避できる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態の説明図である。
【図２】ＤＣ／ＤＣ制御部の動作特性説明図である。
【図３】本発明の他の実施の形態の説明図である。
【図４】従来の直流安定化電源装置の説明図である。
【符号の説明】
１ ＤＣ／ＤＣコンバータ
２ 力率改善回路
３ ＤＣ／ＤＣ制御部
４ ＰＦＣ制御部
ＲＣ１ 整流回路
Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子
Ｌ１’ 補助巻線を有するリアクトル
Ｌ２ リアクトル
Ｄ１〜Ｄ５ ダイオード
Ｃ１〜Ｃ４ コンデンサ
Ｔ１ トランス

Claims (3)

1. ＤＣ／ＤＣ制御部によりトランスの一次巻線に接続したスイッチング素子のオン，オフを制御するＤＣ／ＤＣコンバータと、該ＤＣ／ＤＣコンバータの前段に設けて、ＰＦＣ制御部によりスイッチング素子のオン，オフを制御する力率改善回路とを有する直流安定化電源装置に於いて、
   前記力率改善回路は、補助巻線を有するリアクトルと、該リアクトルと直列に接続したダイオードと、該ダイオードを介して充電して端子電圧を前記ＤＣ／ＤＣコンバータの前記トランスの一次巻線に印加するコンデンサと、前記リアクトルと前記ダイオードとの接続点に接続して前記ＰＦＣ制御部によりオン，オフ制御される前記スイッチング素子とを含み、前記リアクトルの補助巻線に誘起する電圧をダイオードにより整流して充電した端子電圧を、前記ＤＣ／ＤＣ制御部及び前記ＰＦＣ制御部の動作電圧として印加するコンデンサを備えた
   ことを特徴とする直流安定化電源装置。
2. 前記力率改善回路は、補助巻線を有する前記リアクトルと、該リアクトルと直列に接続した前記ダイオードと、該ダイオードを介して充電する前記コンデンサと、前記リアクトルと前記ダイオードとの接続点に接続した前記スイッチング素子とを含み、前記リアクトルと前記ダイオードとの直列回路に並列に保護用のダイオードを接続したことを特徴とする請求項１記載の直流安定化電源装置。
3. 前記ＤＣ／ＤＣ制御部は、印加される動作電圧が設定値以下の時に、前記ＤＣ／ＤＣコンバータのスイッチング素子のオン，オフ制御を停止する機能を備えていることを特徴とする請求項１又は２記載の直流安定化電源装置。

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