JP2006136076A

JP2006136076A - Ａｃ−ｄｃコンバータ

Info

Publication number: JP2006136076A
Application number: JP2004320522A
Authority: JP
Inventors: Yukihiro Nishikawa; 幸廣西川
Original assignee: Fuji Electric Device Technology Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2004-11-04
Filing date: 2004-11-04
Publication date: 2006-05-25

Abstract

【課題】制御ＩＣの使用を可能にして装置の小型，低コスト化を図るとともに、高精度な出力電圧一定制御を可能にする。
【解決手段】ＡＣ−ＤＣコンバータを構成するスイッチ素子１３に対し制御ＩＣ１０を設け、この制御ＩＣ１０によりスイッチ素子１３をオンオフさせ、そのときトランス３５の２次側に発生する高周波交流電流を整流平滑して一定の直流出力を得るに当り、絶縁アンプ３１を介して直流出力電圧を直接制御ＩＣ１０の検出端子ＦＢに導入する構成とすることにより、より高精度な出力電圧一定制御ができるようにする。
【選択図】図１

Description

この発明は、商用交流電源から絶縁された直流出力を得るとともに、交流電源に流れる高調波電流を抑制し得る交流−直流変換器（ＡＣ−ＤＣコンバータ）に関する。

この種のコンバータとしては昇圧チョッパ型力率改善回路で交流電圧を一旦直流に変換し、さらに直流を電源としたＤＣ−ＤＣコンバータにより絶縁された直流出力を得る、いわゆるツーコンバータ方式が一般的に知られている（特許文献１）。
図５にツーコンバータ方式の回路図を示す。これは、昇圧チョッパ型力率改善回路４とＤＣ−ＤＣコンバータ５により負荷に電力を供給するものである。

昇圧チョッパ型力率改善回路４は、ＩＣ（集積回路）化された制御回路としての制御ＩＣ１０によりコンデンサ１８の両端の電圧を一定に保ちつつ、交流電源１に流れる電流が正弦波状になるように、ＭＯＳＦＥＴ１３のオンオフのタイミングを制御する。また、図５の例では、補助巻線付きインダクタ８の１次巻線８ａに流れる電流が零になったタイミングを検出してから、ＭＯＳＦＥＴ１３をオンさせる臨界モードで動作させる。なお、このような回路に適用する制御ＩＣ１０としては、市販のものが多数あり比較的容易に入手することができる。

以上のような回路では、２つのコンバータを用いているため、部品点数が多くなり装置の小型化，低コスト化の妨げとなっている。そこで、例えば特許文献２に示すようなワンコンバータ方式のものが提案されている。これは、トランスの２次コイルに接続される負荷に掛かる電圧を一定値とするために、例えば補助巻線を設け、ここに掛かる電圧が２次コイルの電圧に対応して一定値となるように、ＦＥＴ等のスイッチング素子のオンオフ制御を行なうものである。

特開２００３−３１９６５５号公報特開平０５−３２８７１８号公報

ところで、特許文献２の回路では、重い負荷が接続された場合、２次コイルの電圧は低下するが、補助コイルの電圧は変化しないため、補正回路を設けて１次コイルに流れる電流のピーク値対応の電圧に補正するようにしている。
しかしながら、このようにすると補正回路が必要になるだけでなく、２次側出力電圧を１次コイルに流れる電流から求めて（推定して）いるため、高精度な補償が難しいという問題が生じる。
したがって、この発明の課題は、簡単な回路で正確に重い負荷に対する補償を可能にすることにある。

このような課題を解決するために、請求項１の発明では、交流電源を全波整流する整流器の出力に絶縁トランスの一次巻線とスイッチ素子を接続し、該スイッチ素子をオン・オフして前記絶縁トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して直流出力電圧を得るＡＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記直流出力電圧を絶縁して検出する電圧検出手段と、該電圧検出手段の出力信号が入力され、直流出力を一定にし且つ交流電源に流れる電流を正弦波状に制御する昇圧チョッパ型力率改善回路制御に用いる汎用制御ＩＣとを備え、汎用制御ＩＣにて前記スイッチ素子のオン・オフを制御することにより前記直流電圧を一定に制御することを特徴とする。
この請求項１の発明においては、前記電圧検出手段の出力信号を前記汎用制御ＩＣが備える誤差増幅器の入力とすることができる（請求項２の発明）。また、請求項１または２の発明においては、前記汎用制御ＩＣは、前記絶縁トランスの二次巻線に流れる電流が零になるタイミングを検出して、前記スイッチ素子をオンすることができる（請求項３の発明）。

この発明によれば、特許文献１に示すものに対し、安価で汎用性のある制御ＩＣを用いることにより、力率改善機能と絶縁された直流出力を得る機能とを１つのコンバータで実現できることから、部品点数が削減され装置の小型，低コスト化が容易となる。また、特許文献２に示すものに対しては、出力電圧を直接検出して安価で汎用性のある制御ＩＣに導入するようにしたので、部品点数が削減され装置の小型，低コスト化ができるだけでなく、重い負荷に対しても高精度な制御が可能となる利点がもたらされる。

図１はこの発明の第の実施の形態を示す構成図、図２は制御ＩＣのブロック構成図、図３は図１の動作説明図である。
図１からも明らかなように、図５に示すツーコンバータに対しワンコンバータ化（ＡＣ−ＤＣコンバータ）した点、さらにはフォトカプラ３１および抵抗４０，４１を付加し、抵抗４１の両端の電圧を制御ＩＣ１０に入力するようにした点などが特徴である。
ここで、制御ＩＣは、ＡＣ−ＤＣコンバータの制御に用いる汎用的なものでよく、例えば富士電機デバイステクノロジー株式会社製ＦＡ５５０１や、オンセミコンダクタ株式会社製ＭＣ３４３６２などを用いることができる。
以下、図１〜図３を参照してその動作を説明する。

時刻ｔ１
ＭＯＳＦＥＴ１３がオンすると、絶縁トランス３５の１次巻線３５ａに流れる電流ＩＬは徐々に上昇する。
時刻ｔ２
電流ＩＬが乗算器１０ｅの出力で決定されるコンパレータ１０ａの基準値に達すると、ＲＳフリップフロップ１０ｄにリセット信号が入力され、ＭＯＳＦＥＴ１３がオフする。その結果、絶縁トランス３５の１次巻線３５ａに流れていた電流がコンデンサ１５に転流し、ＭＯＳＦＥＴ１３の両端電圧ＶＱが徐々に増加する。このとき、ＭＯＳＦＥＴ１３の電圧上昇率がコンデンサ１５の充電スピードにより抑制され、スイッチング損失が僅かになる。

時刻ｔ３
絶縁トランス３５の２次巻線３５ｂの電圧が平滑コンデンサ２４の両端電圧に達するとダイオード２３が導通し、時刻ｔ３までの期間に絶縁トランス３５に蓄積された励磁エネルギを平滑コンデンサ２４に供給する。
時刻ｔ４
上記励磁エネルギが完全に放出されると、コンデンサ１５と絶縁トランス３５の励磁インダクタンスの共振によりコンデンサ１５に蓄積されている電荷が放電され、ＭＯＳＦＥＴ１３の電圧が低下し始める。これにより、絶縁トランス３５の補助巻線の電圧も同様に、低下し始める。

ＺＣＤ端子の電圧は抵抗９と図示されないＺＣＤ端子の入力容量で位相が遅れ、基準電圧１０ｃ（Ｖｔｈ）よりも低下するとコンパレータ１０ｂの出力が反転し、ＲＳフリップフロップ１０ｄにセット信号が入力され、再びＭＯＳＦＥＴ１３をオンさせて次のスイッチングサイクルの時刻ｔ１に戻る。
以上のｔ１〜ｔ４を繰り返すことにより、スイッチングを継続する。

次に、コンバータ３４の力率改善動作について、図４も参照して説明する。
上記のスイッチング動作により、絶縁トランス３５の１次巻線３５ａに流れる電流は三角波の繰り返しとなる（図４のＩＬ参照）。この三角波のピーク値を正弦波状に制御し、ローパスフィルタ２により高調波成分を減衰させることにより、図４に示すように交流入力電流波形Ｉｉｎは正弦波状となる。絶縁トランス３５の１次巻線３５ａに流れる電流のピーク値を正弦波状にするために、図２に示す制御ＩＣ１０の乗算器（ＭＵＬ）１０ｅが使用される。

図１では、コンバータ３４の出力端子に抵抗４０を接続し、これとフォトカプラ３１の発光側に直流出力電圧に比例する電流を流し、絶縁トランス３５の補助巻線３５ｃの電圧を整流，平滑した直流電圧から抵抗３８とツェナーダイオード３９により一定電圧を生成し、この一定電圧フォトカプラ３１の受光側を介して抵抗４１に電流を流す。これにより、抵抗４１の両端電圧はＡＣ−ＤＣコンバータ３４の出力電圧に比例した値となる。すなわち、抵抗４０と抵抗４１の値を調整し、抵抗４１の両端電圧をＩＣ１０の出力電圧検出端子（ＦＢ）に入力することで、コンバータ３４の出力電圧は一定値に制御されることになる。

このようにして制御ＩＣ１０の出力電圧検出端子ＦＢに入力された信号と基準電圧１０ｇ（Ｖｒｅｆ）との誤差が、図２の誤差増幅器１０ｆにより増幅される。増幅された誤差信号はＣＯＭＰ端子に接続されたコンデンサ２０により、定常状態ではほぼ直流電圧となる。この直流電圧と、交流入力電圧を整流した電圧を抵抗１１と１２で分圧した信号とを乗算器１０ｅに入力する。その結果、乗算器１０ｅの出力信号は交流入力電圧に比例する波形となる。乗算器１０ｅの出力信号はコンパレータ１０ａの基準電圧となるため、絶縁トランス３５の１次巻線３５ａに流れる電流のピーク値は正弦波状に制御されることになる。
以上のようにして、力率の改善と出力電圧精度の向上を図ることが可能となる。

この発明の実施の形態を示す回路図図１に示す制御ＩＣの具体例を示すブロック図図１の動作説明図図１の力率改善動作を説明する波形図従来例を示す回路図

符号の説明

１…商用交流電源、２…ローパスフィルタ、３…整流器、６…負荷、７…フィルタコンデンサ、９，１１，１２，１４，１６，１７，２２，２５，２６，２７，３０，３８，４０，４１…抵抗、１０…制御ＩＣ、１０ａ，１０ｂ，１０ｆ…誤差増幅器、１０ｄ…フリップフロップ、１０ｉ，３９…ツェナーダイオード、１０ｅ…乗算器、１３…ＭＯＳＦＥＴ、１５，２０，２９…コンデンサ、２４…平滑コンデンサ、３１…フォトカプラ、３４…ＡＣ−ＤＣコンバータ、３５…絶縁トランス、３５ａ…絶縁トランス１次巻線、３５ｂ…絶縁トランス２次巻線、３５ｃ…絶縁トランス補助巻線。

Claims

交流電源を全波整流する整流器の出力に絶縁トランスの一次巻線とスイッチ素子を接続し、該スイッチ素子をオン・オフして前記絶縁トランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して直流出力電圧を得るＡＣ−ＤＣコンバータにおいて、
前記直流出力電圧を絶縁して検出する電圧検出手段と、
該電圧検出手段の出力信号が入力され、直流出力を一定にし且つ交流電源に流れる電流を正弦波状に制御する昇圧チョッパ型力率改善回路制御に用いる汎用制御ＩＣとを備え、
汎用制御ＩＣにて前記スイッチ素子のオン・オフを制御することにより前記直流電圧を一定に制御することを特徴とするＡＣ−ＤＣコンバータ。
前記電圧検出手段の出力信号を前記汎用制御ＩＣが備える誤差増幅器の入力とすることを特徴とする請求項１に記載のＡＣ−ＤＣコンバータ。
前記汎用制御ＩＣは、前記絶縁トランスの二次巻線に流れる電流が零になるタイミングを検出して、前記スイッチ素子をオンすることを特徴とする請求項１または２に記載のＡＣ−ＤＣコンバータ。