JP2004524790A - メインズシステムへの高調波負荷を減少させた電源、及び対応する装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】供給電源への高調波負荷を減少させたスイッチモード電源を提供する。
【解決手段】並列接続された第1及び第2スイッチモード電源IIをもつ電源を提供する。第1スイッチモード電源は、例えばトランスの1次巻線に結合する電流ポンプを有する活性パワーファクタ修正回路を有し、第2スイッチモード電源IIはその電源にパワーファクタコイルNSを有する。2つのスイッチモード電源はひとつの装置の中に並列に共通のメインズスイッチの下流にもうけられる。活性パワーファクタ修正はパルス電流を平坦にし、パワーファクタコイルはパルス電流の位相をシフトする。2つの並列電流を加算することによりパルス電流を更に幅広にしパワーファクタを更に改良する。パワーファクタコイルNSのインダクタンスは相応に小さく選択される。
【選択図】図2

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は請求項1の額表部の2つのスイッチモード電源をもつ電源と、請求項8による対応する電源をもつ装置に関する。
【背景技術】
【0002】
娯楽用電子装置のために、2つのスイッチモード電源を使用して広い範囲の回路素子に電源を供給することが知られている。ここで、スイッチモード電源は並列に接続され、必要な数の供給電圧を供給し、及び/又は選択された動作モードの関数として特定の回路グループのスイッチオフを可能とする。例えばインターネットモジュール又はディジタルデコーダを有するテレビセットの場合、この回路ユニットのために別のスイッチモード電源を使用することは価値があり、この別のスイッチモード電源はこのユニットにより必要によりスイッチをオン又はオフされる。
【0003】
スイッチモード電源はライン網に高度にパルス化された負荷を与え、ライン網に高調波電流を導く。この負荷は正弦波メインズ電圧の最大電圧の領域で起こり、この領域でスイッチモード電源のエネルギー蓄積キャパシタが再充電される。比較的大型のテレビセットのような比較的消費電力の大きな装置は、従って、高調波電流に関する特別の規則を満足しなければならない。この場合、装置からライン網への高調波負荷はいわゆる力率(パワーファクタ)により特定される。
【0004】
活性のパワーファクタの修正のためにプリコンバータを使用してライン網の高調波負荷を減らすことが知られている。このプリコンバータはスイッチモード電源の上流に接続され、電流がスイッチにより循環的に印加されるコイルを有する。この結果ライン網から擬似連続電流が流れる。
【0005】
さらに、例えばDE-A-196 10 762,EP-A-0 700 145及びUS5,986,898からいわゆる電流ジャンプによりパワーファクタ修正をするスイッチモード電源が知られている。これらは、1次側に第1電流パスを有し、これを介してスイッチモード電源のエネルギー蓄積キャパシタがダイオードとスイッチモード電源のメインズ整流器を介して充電され、そして、メインズ整流器とトランスの1次巻線の間にもうけられるインダクタンスをもつ第2電流パスを有する。エネルギー蓄積キャパシタはこの場合主に第2電流パスを介して充電される。従って第2電流パスのインダクタンスは電流ポンプのように動作し、スイッチングトランジスタにより制御されて、連続電流又は少なくとも幅広の電流をライン網からとり出して、パワーファクタを改善する。従ってこれらの装置は活性のパワーファクタ修正をもつスイッチモード電源である。なぜならこれらのスイッチモード電源の場合、少なくとも幅広の電流がスイッチモード電源から改善されたパワーファクタでコイルとトランジスタ、この場合スイッチモード電源のスイッチングトランジスタを介して生成される。
【0006】
活性パワーファクタ修正をもつ更なるスイッチモード電源がEP-A-0 558 168,EP-A-0 558 172及びEP-A-0 558 173から知られている。これも2つの電流パスを有し、第1電流パスはブリッジ整流器をダイオードを介して直接トランスの1次巻線に接続する。従って1次巻線は整流されたメインズ電圧で直接動作する。エネルギー蓄積キャパシタは第2電流パスにもうけられ、第1スイッチングトランジスタの関数として第2スイッチングトランジスタを介して放電して、スイッチモード電源からの出力電圧のリップルを改善する。
【0007】
さらに、スイッチモード電源の入力、特にエネルギー蓄積キャパシタの上流にもうけられるコイルによりパワーファクタの改善が可能であることが知られている。このコイルはメインズ周波数コイル、50Hzコイル又はパワーファクタコイルとして知られている。他のコイルとの混同を避けるために、本明細書ではパワーファクタコイルの用語を使用する。
【0008】
しかし、十分に良好なパワーファクタ修正を達成するためには、このパワーファクタコイルは比較的大きなインダクタンスを必要とする。更なる欠点は、メインズスイッチが動作して装置のスイッチをオフにすると、パワーファクタコイルの電流が突然中断することにある。しかし、パワーファクタコイルに蓄積されたエネルギーは消費されなければならない。開いたメインズスイッチは回路で最大のインピーダンスを示すので、非常に高い電圧がメインズスイッチの接点の間に発生し、アークが発生する。スイッチの構成に依存して、スイッチが開く速度は比較的遅いので、メインズの半サイクルの終了までアークが生成される。この場合、接点の間に高圧は発生しない、しかし、両方の場合メインズスイッチは急速に劣化し、最悪の場合スイッチは電位ファイアソースとなるのでスイッチは安全性に危険をしめす。
【0009】
装置が2つのスイッチモード電源を有するが、ただひとつのメインズケーブルが2つのスイッチモード電源をライン網に接続するときは、装置はパワーファクタ修正の規則に適合しなければならないユニットとみなされる。この場合、第1のスイッチモード電源のみがパワーファクタ修正を有し、第2のスイッチモード電源がそれを有せず第2のスイッチモード電源が第1のスイッチモード電源と並列にメインズシステムに接続されるときは、パワーファクタが大きく劣化し、もはや基準を満足することはできない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0010】
本発明の目的は、出来るだけ経済的で高い信頼度をもつ、上述の電源と対応する装置の改良を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明の目的は、電源に対しては請求項1の特徴により、装置に対しては請求項8の特徴により達成される。本発明の好ましい発展は従属請求項により特定される。
【0012】
本発明による電源は第1スイッチモード電源とこれと並列に接続される第2スイッチモード電源を有し、各々自身のパワーファクタ修正を有する。第1スイッチモード電源は活性パワーファクタ修正回路を有し、第2スイッチモード電源はパワーファクタ修正のために第2スイッチモード電源への電源の中にパワーファクタコイルを有する。この場合活性パワーファクタ修正はパルス電流を平坦にし、パワーファクタコイルはパルス電流の位相をシフトする。2つのスイッチモード電源は装置のメインズスイッチから下流に並列にもうけられる。
【0013】
この結果次の驚くべき長所を有する電源が得られる。メインズスイッチに過度に負荷する問題はもはや存在しない。その理由は、パワーファクタコイルに蓄積されたエネルギーはメインズスイッチがオフになると第1スイッチモード電源のエネルギー蓄積キャパシタを介して消費されるからである。2つのスイッチモード電源は並列に接続されるので、スイッチオフのときメインズスイッチはパワーファクタコイルにより負荷されない。従ってパワーファクタコイルを使いながら装置は高い信頼性を有する。
【0014】
さらに、パワーファクタ修正のための2つの異なる原理により2つの電流の建設的加算が得られる。電流ポンプによる活性パワーファクタ修正はパルス電流を平坦にする、つまり、電流の流れる角度がメインズ電圧の最大電圧の前及び後の両方で広くなる。しかし、第2スイッチモード電源のパルス電流はパワーファクタコイルにより遅れ位相で位相がシフトして、メインズ電圧の最大電圧の主に後で電流角を広くする。並列に接続された2つのスイッチモード電源の2つの電流は加算されるので、この加算により電源のパワーファクタが更に改善される。パワーファクタコイルのインダクタンスは第2スイッチモード電源のパワーのために実際に必要な値より2つのファクタにより小さく選択される。
【0015】
従って、2つの異なるパワーファクタ修正回路の組合せは2つのスイッチモード電源による電源をふくむ装置に対する最良の構成であり、第2スイッチモード電源に対する複雑さはわずかである。本発明は特にディジタル回路をもつテレビセット、及び比較的高い消費電力の娯楽電子装置に適用される。
【発明を実施するための最良の形態】
【0016】
図1はスイッチモード電源Iを簡単に示し、メインズ整流器BR1、エネルギー蓄積キャパシタC20、スイッチングトランジスタT1、及び1次巻線W1と2次巻線W2−W4を具備するトランスを有する。メインズ整流器BR1は入力接続BR2を有し、これを介して整流器は対応する装置のメインズスイッチ(図示なし)とライン網に接続され、メインズ電圧の整流に使用される。メインズ整流器BR1からの出力は2つの電流パスI1とI2を介してトランスTr1に接続される。前記出力は第1電流パスI1を介して1次巻線W1の接続1とエネルギー蓄積キャパシタC20に接続され、第2電流パスI2を介して1次巻線W1のタップAに接続される。電流パスI1はダイオードD16を有し、第2電流パスI2とエネルギー蓄積キャパシタC20との結合を遮断する。
【0017】
電流パスI2は活性パワーファクタ修正のためのコイルL19と、電流パスI2の電流制限のためのキャパシタC19とを有する。キャパシタC19の代わりに電流パスI2にダイオードを使用することもできる。タップAは巻線1の接続1又は2と一致してもよい。メインズ整流器BR1の下流に接続される抵抗R10は電流制限を提供し、この場合電流パスI1とI2の両方に対してである。
【0018】
トランスTR1は、従来と同様に、スイッチモード電源の1次側と2次側の間のメインズの絶縁を提供する。1次巻線と直列のスイッチングトランジスタT1はスイッチング信号DS1を有するドライバステージ(図示なし)により駆動され、周知のように、パワーを2次側にもうけられる2次巻線W3とW4に伝達する。この場合、スイッチモード電源は、娯楽電子装置のスイッチモード電源でしばしば用いられる、フライバックコンバータの原理で動作する。
【0019】
この場合、スイッチモード電源は次のように動作する。装置のスイッチがオンになると、エネルギー蓄積キャパシタC20は抵抗R10と電流パスI1を介して充電される。小さな抵抗値例えば2.7オームの抵抗R10は電流を制限する。エネルギー蓄積キャパシタC20はスイッチモード電源のスタートフェーズのために充電されなければならない。通常動作の間、スイッチングトランジスタT1は電流を電流パスI2を介してとり出し、エネルギー蓄積キャパシタC20はダイオードD18と1次巻線W1を介して再充電される。
【0020】
理想的には、コイルL19のインダクタンスはライン網から連続電流を流し、パワーファクタの対応する改良に導く。コイルL19の上流に接続されるコイルL15はスイッチモード電源の高周波スイッチングパルスがブリッジ整流器BR1を介してパワー網に伝播することを防止する。小さな容量のキャパシタC10,C11,C12がメインズ電圧のフィルタつまり抑圧のために使用される。
【0021】
スイッチモード電源は出力電圧を安定化させるための制御器を有し、例えばドライバ信号DS1のパルス幅変調を負荷の関数として制御のために使用する。電流I2はスイッチングトランジスタにより制御されるので、エネルギー蓄積キャパシタC20はスイッチモード電源の負荷の関数として再充電される。このスイッチモード電源と特に活性パワーファクタ修正に関する詳細は例えばUS5,986,898に記述され、ここでは更には説明しない。
【0022】
図2は第2のスイッチモード電源IIを示し、受動的なパワーファクタ修正のためのパワーファクタコイルNSを有する。パワーファクタコイルNSはこの場合パワーモード電源IIのメインズフィルタNFとメインズ整流器BR2の間にもうけられる。エネルギー蓄積キャパシタC30とトランスTr2の1次巻線W5はブリッジ整流器BR2の出力に接続される。トランスTr1のように、トランスTr2は2次巻線W6−W9を有し、その1次巻線は、ドライバ回路DCで制御されるスイッチングトランジスタT2と直列に接続される。
【0023】
ドライバ回路DCに対する供給電圧VCCはこの場合1次側にもうけられる巻線W6を介して提供され、対応する回路に供給するための出力電圧U1,U2,U3は2次側にもうけられる巻線W7−W9を介して提供される。ドライバ回路DCはスイッチモード電源の出力電圧U1−U3を制御信号RSにより制御する。該信号RSはトランスTR2の1次側又は1つの2次巻線からの2次側からとり出される。
【0024】
スイッチモード電源IIは又スイッチモード電源をスタートさせるためのスタート回路ASと、スイッチングトランジスタT2がオフになるときのスイッチングスパイクを制動するためのスナブ網SN2を有する。パワーファクタコイルNSはブリッジ整流器RS2の上流の50Hzメインズ周波数の電流パスにもうけられ、例えば20mHのインダクタンスを有し、エネルギー蓄積キャパシタC30に対する充電プロセスがかなりの遅延をもつようにする。パワーファクタコイルNSを別にすると、スイッチモード電源IIは従ってパワーファクタ修正のない、従ってただ1つの電流パスを有し、そこからエネルギー蓄積キャパシタに充電する既知のフライバックコンバータと同じである。ここではパワーファクタ修正のための更なる部品は必要なく、特にタップをもつトランスを使用する必要はない。従ってスイッチモード電源はパワーファクタコイルNSと共にパワーファクタ修正のないフライバックコンバータに対応する方法で動作する。相違点はエネルギー蓄積キャパシタC30がパワーファクタコイルのインダクタンスにより遅延され幅広となった電流パルスで再充電されることである。
【0025】
スイッチモード電源IIの入力は第1のスイッチモード電源Iの接続BP2に導く接続BP1と、メインズスイッチと装置のメインズケーブル(図示なし)を介してライン網に接続される接続UNを有する。従ってスイッチモード電源IIはスイッチモード電源Iと並列にメインズ電圧に接続される。この場合スイッチモード電源IIは装置の中の小さなスイッチモード電源であり、装置の動作モードに従って2次側からの制御信号(図示なし)によりスイッチオン及びオフされることができる。
【0026】
スイッチモード電源IとIIの動作中の入力電流を図3に示す。スイッチモード電源Iの入力電流は曲線3で示され、スイッチモード電源IIの入力電流は曲線4で示され、装置に印加されるメインズ電圧は曲線1で示される。結果としての電源に対する電流は曲線Aで示される。曲線3から明らかなとおりスイッチモード電源Iは曲線1のメインズ電圧の最大電圧の領域で比較的一定の電流をひきだす。電流はメインズ周波数又はメインズ電圧に関して位相シフトがない。
【0027】
一方、第2スイッチモード電源IIからの電流、曲線4はメインズ電圧の最大値の後の時刻に最大となるゆるやかな上昇がある。2つのスイッチモード電源I,IIの異なる電流特性により、2つの電流の加算は、パワーファクタ修正のためにただひとつの回路原理を使用する電源に比べて、電流を更に幅広にする。スイッチモード電源IIのパワーファクタコイルNSは、スイッチモード電源IIがパワーファクタ修正の基準を満足するために必要なインダクタンスより対応して減少したインダクタンスを有する。
【0028】
これを例で示す。スイッチモード電源IIが100Wのメインズ電力消費をもち、唯一のスイッチモード電源としてメインズシステムに接続されるとき、パワーファクタ修正の基準を満足するためにはパワーファクタコイルは40mHのインダクタンスを必要とする。しかし、このスイッチモード電源が、同様に100Wのメインズ電力消費を有し電流ポンプによる活性パワーファクタ修正をふくむスイッチモード電源と並列に接続されると、パワーファクタコイルのインダクタンスは電源としての2つのスイッチモード電源に対し、パワーファクタ修正の基準の制限値に適合するために、わずかに20mHを必要とする。
【0029】
従って、2つのスイッチモード電源をもつコストに有効な電源が活性パワーファクタ修正特に電流ポンプを使用したひとつのスイッチモード電源と、入力電流の位相をシフトするパワーファクタコイルをもつ第2のスイッチモード電源により提供される。この電源は装置の中でメインズスイッチに過大な負荷をかけず、さらに小さなインダクタンスのパワーファクタコイルを第2スイッチモード電源に使用することができる。この原理は並列接続した3つのスイッチモード電源にも適用することができる。この場合、パワーファクタコイルは第3のスイッチモード電源に対して用いられる。
【0030】
本発明の更なる強化が当業者に容易である。本発明はフライバックコンバータに限定されず、例えば2又はそれ以上のスイッチングトランジスタを有するスイッチモード電源のような他のスイッチモード電源のコンセプトに対して使用することができる。特に、スイッチモード電源IIはフライバックコンバータに限定されない。パワーファクタ修正のためにパワーファクタコイルを使用するとき、スイッチモード電源の設計に何の変更も必要としない。
【図面の簡単な説明】
【0031】
【図1】活性パワーファクタ修正回路をもつ第1スイッチモード電源の回路図である。
【図2】パワーファクタ修正のためのパワーファクタコイルをもつ第2スイッチモード電源の回路図である。
【図3】図1と図2の2つのスイッチモード電源の電流と電圧を示す。
【符号の説明】
【0032】
I 第1スイッチモード電源
II 第2スイッチモード電源
TR1,TR2 トランス
W1〜W9 巻線
A タップ
T1,T2 スイッチングトランジスタ
C20,C30 エネルギー蓄積キャパシタ
L19 コイル
NS パワーファクタコイル

Claims (10)

  1. 第1スイッチモード電源(I)と第2スイッチモード電源(II)を有する電源において、
    前記第1スイッチモード電源(I)は活性パワーファクタ修正を有し、
    前記第2スイッチモード電源(II)はその電源にパワーファクタコイル(NS)を有し、パルス電流の位相をシフトすることを特徴とする電源。
  2. 前記第1スイッチモード電源(I)は活性パワーファクタ修正のための、トランス(TR1)の1次巻線(W1)に結合するコイル(L19)をもつ電流ポンプを有する、請求項1記載の電源。
  3. 前記第1スイッチモード電源(I)はエネルギー蓄積キャパシタ(C20)を充電するためのダイオード(D16)を有する第1電流パス(I1)と、整流器(BR1)とトランス(TR1)の1次巻線(W1)の端子(A)との間の接続を提供するコイル(L19)を有する第2電流パス(I2)とを有する、請求項1又は2のいずれかひとつに記載の電源。
  4. 前記パワーファクタコイル(NS)は第2スイッチモード電源(II)のメインズ整流器(BR2)の上流にもうけられる請求項1、2又は3のいずれかひとつに記載の電源。
  5. 前記パワーファクタコイル(NS)のインダクタンスは1−30mHの範囲にある請求項4記載の電源。
  6. 前記第2スイッチモード電源(II)は、前記第1スイッチモード電源(I)と並列に接続され、前記第1スイッチモード電源(I)に比べて低い出力パワーを有し、両者(I,II)は共通のメインズ接続とメインズスイッチを有する、請求項1−5のいずれかひとつに記載の電源。
  7. 2つのスイッチモード電源(I,II)はトランス(Tr1,Tr2)によるメインズ絶縁を有するフライバックコンバータの形態であり、前記第2スイッチモード電源(II)は前記第1スイッチモード電源(I)とは独立にスイッチオン及びオフされることができる、請求項1−6のいずれかひとつに記載の電源。
  8. 第1スイッチモード電源(I)と第2スイッチモード電源(II)とを有し、両者はメインズスイッチの下流にもうけられ並列に構成される装置において、
    前記第1スイッチモード電源(I)は例えば電流ポンプによる活性パワーファクタ修正回路を有し、前記第2スイッチモード電源(II)はパワーファクタ修正のためのパワーファクタコイル(NS)を有することを特徴とする、装置。
  9. 前記第1スイッチモード電源(I)はエネルギー蓄積キャパシタ(C20)を充電するためのダイオード(D16)を有する第1電流パス(I1)と、整流器(BR1)とトランス(Tr1)の1次巻線(W1)の端子(A)との間の接続を提供するコイル(L19)を有する第2電流パス(I2)とを有し、
    前記パワーファクタコイル(NS)はパルス電流の位相をシフトするために1−30mHの範囲のインダクタンスを有する、請求項7記載の装置。
  10. 2つのスイッチモード電源(I,II)はトランス(Tr1,Tr2)によるメインズ絶縁を有するフライバックコンバータの形態であり、前記第2スイッチモード電源(II)は前記第1スイッチモード電源(I)とは独立にスイッチオン及びオフされることができる、請求項8−9のいずれかひとつに記載の電源。
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