JP2004320912A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】単一の起動回路でアクティブフィルタとＤＣ／ＤＣコンバータの順次起動を可能にし、入力電圧が徐々に低下した場合のハンチング動作を確実に防止する。
【解決手段】ＡＦ制御回路７とコンバータ制御回路１４の電力供給ライン２０に接続されＡＦ制御回路接続点側からコンバータ制御回路接続点への電力供給を遮断するダイオードＤ２と、電源投入時にＡＦ制御回路７に起動電圧を供給して起動させる起動回路８と、アクティブフィルタ３の起動後に昇圧チョークコイル６の補助巻線Ｌ２の出力を整流した電力をコンバータ制御回路１４に供給して起動させると共にダイオードＤ２を介してＡＦ制御回路７に供給して継続動作させる整流回路９と、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の起動後に絶縁トランス１１の補助巻線Ｌ５の出力を整流した電力をコンバータ制御回路１４に供給して継続動作させる整流回路１６とを備え、電源投入時にアクティブフィルタ３とＤＣ／ＤＣコンバータ４を順次起動させる。スイッチ１８は起動後にオフとなり、ＤＣ／ＤＣコンバータ４が停止した後の再起動を禁止する。
【選択図】 図１

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、力率改善用のアクティブフィルタに続いてＤＣ／ＤＣコンバータを配置したスイッチング電源装置に関する。
【従来の技術】
従来、この種のスイッチング電源装置としては例えば図２に示すものがある。
図２において、スイッチング電源装置は、入力端子１ａ，１ｂから商用交流電圧ＡＣ１００Ｖを入力してダイオードブリッジ２で全波整流した後、力率改善用のアクティブフィルタ３に入力し、続いてアクティブフィルタ３の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４に入力し、出力端子１３ａ，１３ｂから負荷に供給する電圧を安定化している。
アクティブフィルタ３は、インバータ素子５、主巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ２を備えた昇圧チョークコイル６、ＡＦ制御回路７、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１を備えた整流回路、起動回路８及び制御電源用の整流回路９を備えている。即ちアクティブフィルタ３は、インバータ素子５のスイッチングによるスイッチング電流のピークを結ぶ電流波形の平均電流が全波整流された交流電圧波形と同相となるように制御し、力率を１とすることでスイッチングノイズの外部への放射を抑制してノイズレベルを下げている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、インバータ素子１０、１次巻線Ｌ３、２次巻線Ｌ４、補助巻線Ｌ５を備えた絶縁トランス１１、出力用の整流回路１２、コンバータ制御回路１４、起動回路１５、制御電源用の整流回路１６を備えている。コンバータ制御回路１４は、整流回路１２からの出力電圧Ｖｏが所定電圧となるようにインバータ素子１０をスイッチング制御する。
このような図２の従来回路にあっては、ＡＣ入力が印加される電源投入時に、アクティブフィルタ３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４の順次起動が次のようにして行われる。
ＡＣ入力電圧が印加されると、アクティブフィルタ３は起動回路８から起動電圧がＡＦ制御回路７に供給されて起動し、インバータ素子５のスイッチング制御による昇圧チョークコイル６の昇圧動作でダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１の両端に得られる電圧が上昇する。
このコンデンサＣ１の電圧は起動回路１５からコンバータ制御回路１４に起動電圧として供給され、コンバータ制御回路１４が起動し、インバータ素子１０のスイッチング制御により絶縁トランス１１の電力エネルギの伝播を制御し、整流回路１２から負荷に供給される出力電圧Ｖｏを安定化させる。
【特許文献１】
特開平１０−３３７０２３号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の回路では、アクティブフィルタ３に対する入力電圧が徐々に低下すると、出力電力が一定であることから入力電流が増加し、その結果、ついにはアクティブフィルタ３の過電流保護動作によりインバータ素子５をオフ状態とするためにコンデンサＣ１の両端に得られる昇圧出力電圧が低下し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４も停止することになる。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４が停止すると、アクティブフィルタ３の過電流保護動作が解除され、アクティブフィルタ３のインバータ素子５は再びスイッチングされてインバータ動作を再開し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に対する昇圧出力電圧が上昇し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４が再起動するという動作を繰り返す。これは出力電圧のオン、オフを一定周期で繰り返すハンチング動作となって現われ、ユーザー負荷が誤動作する可能性がある。
このように出力電圧のオン、オフを一定周期で繰り返すハンチング動作を防止するためには、図２に示すように、入力電圧の低下を正確に検知してアクティブフイルタ３を停止させる低入力停止回路１７を設ける必要があるが、このような回路は、起動電圧と停止電圧とのヒステリシスを正確に設定しなければならないため、高精度の回路を必要とし、回路構成が複雑になる問題がある。
また、アクティブフィルタ３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４の各入力側となる高圧部に起動回路８，１５を接続するといいう２系統の起動回路が必要となり、高圧部に接続するために起動回路８，１５の間に所定の沿面距離を必要とし、その分設置スペースが増加して小型化を阻害し、また２系統の起動回路は常時動作していることから、損失も大きくなる問題がある。
一方、入力電圧の低下による出力電圧のオン，オフを一定周期で繰り返すハンチング動作を防止するため、アクティブフィルタとＤＣ／ＤＣコンンバータの起動回路を１系統とし、起動と停止を同期させた回路がある（特許文献１参照）。
この従来回路では、アクティブフィルタの出力に設けたコンデンサの両端に得られる昇圧出力電圧をＡＦ制御回路とコンバータ制御回路の両方に供給して起動し、起動後はアクティブフィルタ及びＤＣ／ＤＣインバータのインバータ動作による各々の補助巻線の整流出力により各制御回路の動作を継続する。
そしてＡＣ入力が一時的に遮断されて昇圧出力電圧が停止した場合には、コンデンサの充電電圧で両方の制御回路を動作させ、コンデンサ充電電圧が所定値に低下してアクティブフィルタが停止すると、これに同期してＤＣ／ＤＣコンバータも強制停止させている。
しかしながら、このような起動と停止を同期させた従来回路にあっては、起動回路を１系統として回路構成を簡略化して小型化できるが、入力電圧が徐々に低下した際に、ＤＣ／ＤＣコンバータが先に停止した場合、アクティブフィルタの負荷が軽減されて昇圧出力電圧が回復してＤＣ／ＤＣコンバータが再起動する動作を繰り返し、出力電圧のオン、オフが発生するため、問題は完全に解消されていない。
またアクティブフィルタ及びＤＣ／ＤＣインバータを同期して起動させるため、起動時の突入電流が大きく、起動電力を作り出しているアクティブフィルタの電流容量を増加させる必要があり、その分、使用部品が大型化する問題もある。
本発明は、単一の起動回路でアクティブフィルタとＤＣ／ＤＣコンバータの順次起動を可能にし、入力電圧が徐々に低下した場合のハンチング動作を確実に防止するスイッチング電源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため本発明は次のように構成する。本発明は、昇圧チョークコイル、インバータ素子及びアクティブフィルタ制御回路（ＡＦ制御回路）を備えた力率改善用のアクティブフィルタと、アクティブフィルタに続いて接続され、絶縁トランス、インバータ素子及びコンバータ制御回路を備えたＤＣ／ＤＣコンバータとを備えたスイッチング電源装置を対象とする。
このようなスイッチング電源装置につき本発明は、アクティブフィルタ制御回路とコンバータ制御回路に動作電力を供給する電力供給ラインに接続され、アクティブフィルタ制御回路接続点側からコンバータ制御回路接続点への電力供給を遮断するダイオードと、電源投入時にアクティブフィルタ制御回路に起動電圧を供給して起動させる起動回路と、アクティブフィルタの起動後に昇圧チョークコイルの補助巻線の出力を整流した電力をコンバータ制御回路に供給して起動させると共にダイオードを介してアクティブフィルタ制御回路に供給して継続動作させる第１整流回路と、ＤＣ／ＤＣコンバータの起動後に絶縁トランスの補助巻線の出力を整流した電力をコンバータ制御回路に供給して継続動作させる第２整流回路とを備え、電源投入時にアクティブフィルタとＤＣ／ＤＣコンバータを順次起動させるように構成したことを特徴とする。
このためアクティブフィルタ制御回路の起動電圧とコンバータ制御回路の起動電圧がどのような組合わせでも、必ずアクティブフィルタの起動後にＤＣ／ＤＣコンバータを起動させることができ、高圧部に接続する起動回路を１つにして回路配置の自由度が増す。またアクティブフィルタとＤＣ／ＤＣコンバータを順次起動させることで、起動時の突入電流を緩和できる。
本発明のスイッチング電源装置に於いて、更に、第１整流回路からコンバータ制御回路に対する電力供給ラインに挿入接続されたスイッチと、コンバータ制御回路の起動前にオンしているスイッチを起動後にオフして第１整流回路からの電力供給を遮断し、アクティブフィルタに対する入力電圧停止を検出してスイッチをオンするスイッチ制御回路とを設け、ＤＣ／ＤＣコンバータが停止した際の再起動を禁止するように構成したことを特徴とする。
このためアクティブフィルタに対する入力電圧が徐々に低下してＤＣ／ＤＣコンバータが停止に至ると、アクティブフィルタの動作にかかわらずＤＣ／ＤＣコンバータの再起動が禁止され、出力電圧のオン、オフを一定周期で繰り返すハンチング動作を防止する。
【発明の実施の形態】
図１は本発明によるスイッチング電源装置の実施形態を示した回路図である。
図１において、スイッチング電源装置は、入力端子１ａ，１ｂから商用交流電圧ＡＣ１００Ｖを入力してダイオードブリッジ２で全波整流した後、力率改善用のアクティブフィルタ３に入力し、続いてアクティブフィルタ３の出力電圧をＤＣ／ＤＣコンバータ４に入力し、出力端子１３ａ，１３ｂから負荷に供給する電圧を安定化している。
アクティブフィルタ３は、インバータ素子５、主巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ２を備えた昇圧チョークコイル６、ＡＦ制御回路７、ダイオードＤ１とコンデンサＣ１を備えた整流回路、起動回路８及び制御電源用の整流回路９を備えている。
即ちアクティブフィルタ３は、インバータ素子５のオンで昇圧チョークコイル６の主巻線Ｌ１の駆動でスイッチング電流を流してエネルギーを保持させ、引き続くインバータ素子５のオフで昇圧チョークコイル６の主巻線Ｌ１に保持したエネルギーを出力してダイオードＤ１を介してコンデンサＣ１に昇圧電圧を発生させ、これを繰り返す。
このためインバータ素子５のオン、オフで流れるスイッチング電流のピークを結ぶ電流波形の平均電流が全波整流された交流電圧波形と同相となるように制御し、力率を１とすることでスイッチングノイズの外部への放射を抑制してノイズレベルを下げている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４は、インバータ素子１０、１次巻線Ｌ３、２次巻線Ｌ４、補助巻線Ｌ５を備えた絶縁トランス１１、出力用の整流回路１２、コンバータ制御回路１４、制御電源用の整流回路１６を備えている。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４には専用の起動回路が設けられておらず、アクティブフィルタ３の起動後のインバータ動作で得られる電圧を起動電圧をコンバータ制御回路１４に供給して起動させる。
このためＡＦ制御回路７とコンバータ制御回路１４に起動電圧を供給して起動させ、起動後は動作維持電力を供給する電力供給ライン２０が設けられ、電力供給ライン２０に対してはＡＦ制御回路７がＰ点で接続され、整流回路９がＱ点で接続され、更にコンバータ制御回路１４がＲ点で接続され、更に整流回路１５が接続されている。
電力供給ライン２０の接続点Ｐ，Ｑの間にはダイオードＤ２が接続され、起動回路８からコンバータ制御回路１４に対する起動電圧の供給を遮断している。このため起動回路８の起動電圧はＡＦ制御回路７にのみ供給されることになる。
一方、アクティブフィルタ３の起動後のインバータ動作で補助巻線Ｌ２の出力に基づく整流出力を行う整流回路９は、ＡＦ制御回路７とコンバータ制御回路１４の両方に電力を供給し、コンバータ制御回路１４から見ると起動回路として機能する。
電力供給ライン２０のＱ点とＲ点との間には外部信号によりオン、オフ制御可能なスイッチ１８が接続される。スイッチ１８としては、トランジスタやＭＯＳ−ＦＥＴなどのスイッチ素子を使用する。
スイッチ１８はスイッチ制御回路２２により制御され、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の起動前はオンであり、コンバータ制御回路１４が起動するとオンとなる。また起動によりオフとなったスイッチ１８は、アクティブフィルタ３の入力に設けた入力電圧停止検出回路２１から、抵抗Ｒ１，Ｒ２の分圧電圧が略０Ｖとなることを検出した時の検出信号によりリセットされてオンとなる。
コンバータ制御回路１４は、アクティブフィルタ３の起動で整流回路９から整流電力を受けて起動する。このためＤＣ／ＤＣコンバータ４はアクティブフィルタ３が起動した後でしか起動せず、アクティブフィルタ３及びＤＣ／ＤＣコンバータ４の順次起動が確保される。
整流回路９からの整流出力で起動したコンバータ制御回路１４は、整流回路１２からの出力電圧Ｖｏが所定電圧となるようにインバータ素子１０をスイッチング制御する。
次に図１の実施形態の動作を説明する。電源投入により入力端子１ａ，１ｂにＡＣ入力が印加されると、ダイオードブリッジ２の全波整流出力を受けて起動回路８の出力電圧が増加し、所定の起動電圧に達したときにＡＦ制御回路７が起動し、インバータ素子５のスイッチングによるインバータ動作が開始される。
アクティブフィルタ３のインバータ動作が開始されると、昇圧チョークコイル６の補助巻線Ｌ２の出力により整流回路９が整流出力を生じ、このときオンしているスイッチ１８を介してコンバータ制御回路１４に起動電力を供給し、供給電圧が起動電圧に達するとコンバータ制御回路１４が起動し、インバータ素子１０のスイッチングによる出力電圧Ｖｏの安定化を行う。
またコンバータ制御回路１４が起動するとスイッチ制御回路２２に起動信号を出力し、このためスイッチ制御回路２２はスイッチ１８をオフし、アクティブフィルタ３側からの電力供給を切り離す。
この状態でアクティブフィルタ３に対する入力電圧が徐々に低下したとすると、出力電力が一定であることから入力電流が増加し、その結果、ついにはアクティブフィルタ３の過電流保護動作によりインバータ素子５をオフ状態とする停止状態となり、コンデンサＣ１の両端に得られる昇圧出力電圧が低下し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４も停止することになる。
このようにＤＣ／ＤＣコンバータ４が停止すると、アクティブフィルタ３の過電流保護動作が解除され、アクティブフィルタ３のインバータ素子５は再びスイッチングされてインバータ動作を再開し、ＤＣ／ＤＣコンバータ４に対する昇圧出力電圧が上昇し、整流回路９からの整流出力も得られる。
しかし、スイッチ１８がオフとなっているため、整流回路１６の整流出力はコンバータ制御回路１４に供給されず、ＤＣ／ＤＣコンバータ４の再起動が禁止され、出力電圧のオン、オフを一定周期で繰り返すハンチング動作を防止する。
ＤＣ／ＤＣコンバータ４の再起動禁止のリセットは、ＡＣ入力を一時的に遮断することで行う事ができる。ＡＣ入力が一時的に断たれると、アクティブフィルタ３の入力電圧も一時的に略０Ｖとなり、これを入力電圧停止検出回路２１が検出して検出信号をスイッチ制御回路２２に出力し、スイッチ１８がオフからオン状態にリセットされる。
このためアクティブフィルタ３の起動による整流回路９の整流出力がスイッチ１８を介してコンバータ制御回路１４に供給され、ＤＣ／ＤＣコンバータが起動する。
なお、本発明は、その目的と利点を損なうことのない適宜の変形を含む。
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、アクティブフィルタ制御回路の起動電圧とコンバータ制御回路の起動電圧がどのような組合わせでも、必ずアクティブフィルタの起動後にＤＣ／ＤＣコンバータを起動させることができ、高圧部に接続する起動回路を１つにして回路配置の自由度が増す。またアクティブフィルタとＤＣ／ＤＣコンバータを順次起動させることで、起動時の突入電流を緩和できる。
また、アクティブフィルタ及びＤＣ／ＤＣコンバータに対し１系統の起動回路で済み、高圧部に２系統の起動回路を接続するため沿面距離の確保といった問題が解消され、回路の小型化と損失の低減を図ることができる。
またアクティブフィルタに対する入力電圧が徐々に低下してＤＣ／ＤＣコンバータが停止に至ると、ＤＣ／ＤＣコンバータの再起動が禁止され、出力電圧のオン、オフを一定周期で繰り返すハンチング動作が防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を示した回路図
【図２】従来回路を示した回路図
【符号の説明】
１ａ，１ｂ：入力端子
２：ダイオードブリッジ
３：アクティブフィルタ（ＡＦ）
４：ＤＣ／ＤＣコンバータ
５，１０：インバータ素子
６：昇圧チョークコイル
７：ＡＦ制御回路
８：起動回路
９，１２，１６：整流回路
１１：絶縁トランス
１３ａ，１３ｂ：出力端子
１４：コンバータ制御回路
１８：スイッチ
２０：電力供給ライン
２１：入力電圧停止検出回路
２２：スイッチ制御回路
Ｌ１：主巻線
Ｌ２，Ｌ５：補助巻線
Ｌ３：１次巻線
Ｌ４：２次巻線
Ｄ１，Ｄ２：ダイオード
Ｃ１：コンデンサ
Ｒ１，Ｒ２：抵抗

Claims (2)

1. 昇圧チョークコイル、インバータ素子及びアクティブフィルタ制御回路を備えた力率改善用のアクティブフィルタと、
   前記アクティブフィルタに続いて接続され、絶縁トランス、インバータ素子及びコンバータ制御回路を備えたＤＣ／ＤＣコンバータと、
   を備えたスイッチング電源装置に於いて、
   前記アクティブフィルタ制御回路とコンバータ制御回路に動作電力を供給する電力供給ラインに接続され、アクティブフイルタ制御回路接続点側からコンバータ制御回路接続点への電力供給を遮断するダイオードと、
   電源投入時に前記アクティブフィルタ制御回路に起動電圧を供給して起動させる起動回路と、
   前記アクティブフィルタの起動後に前記昇圧チョークコイルの補助巻線の出力を整流した電力を前記コンバータ制御回路に供給して起動させると共に前記ダイオードを介して前記アクティブフィルタ制御回路に供給して継続動作させる第１整流回路と、
   前記ＤＣ／ＤＣコンバータの起動後に前記絶縁トランスの補助巻線の出力を整流した電力を前記コンバータ制御回路に供給して継続動作させる第２整流回路と、
   を備え、前記電源投入時に前記アクティブフィルタとＤＣ／ＤＣコンバータを順次起動させるように構成したことを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 請求項１記載のスイッチング電源装置に於いて、更に、
   前記第１整流回路から前記コンバータ制御回路に対する前記電力供給ラインに挿入接続されたスイッチと、
   前記コンバータ制御回路の起動前にオンしている前記スイッチを起動後にオフして前記第１整流回路からの電力供給を遮断し、前記アクティブフィルタに対する入力電圧停止を検出して前記スイッチをオンするスイッチ制御回路と、
   を設け、前記ＤＣ／ＤＣコンバータが停止した際の再起動を禁止するように構成したことを特徴とするスイッチング電源装置。

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