JP2006197753A - スイッチング電源回路 - Google Patents
スイッチング電源回路 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2006197753A JP2006197753A JP2005008082A JP2005008082A JP2006197753A JP 2006197753 A JP2006197753 A JP 2006197753A JP 2005008082 A JP2005008082 A JP 2005008082A JP 2005008082 A JP2005008082 A JP 2005008082A JP 2006197753 A JP2006197753 A JP 2006197753A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- circuit
- switching
- voltage
- resonance
- secondary side
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Rectifiers (AREA)
- Dc-Dc Converters (AREA)
Abstract
【課題】 力率改善機能を有する電源回路として、電力変換効率の向上、回路構成部品の削減を図る。
【解決手段】電流共振形コンバータに対して電力回生方式の力率改善回路100を設け、二次側にも直列共振回路を設けることで絶縁コンバータトランスPITの電磁結合による結合形共振回路を形成する。そして、この結合形共振回路について単峰特性を得るために、絶縁コンバータトランスPITのコアに形成するギャップGを2.0mm程度とし、総合結合係数についてk=0.7程度以下を設定することで、スイッチング周波数の可変制御範囲を縮小してワイドレンジ対応とする。これにより、アクティブフィルタを不要とする。さらに、一次側と二次側の共振回路の共振周波数fo1、fo2について、少なくとも交流入力電圧VAC=100V・最大負荷電力時において一次側直列共振電流と二次側整流電流との間で一定の位相差が生じるように設定する。これにより、交流入力電圧VAC=230V時でのAC→DC電力変換効率の向上が図られる。
【選択図】 図1
【解決手段】電流共振形コンバータに対して電力回生方式の力率改善回路100を設け、二次側にも直列共振回路を設けることで絶縁コンバータトランスPITの電磁結合による結合形共振回路を形成する。そして、この結合形共振回路について単峰特性を得るために、絶縁コンバータトランスPITのコアに形成するギャップGを2.0mm程度とし、総合結合係数についてk=0.7程度以下を設定することで、スイッチング周波数の可変制御範囲を縮小してワイドレンジ対応とする。これにより、アクティブフィルタを不要とする。さらに、一次側と二次側の共振回路の共振周波数fo1、fo2について、少なくとも交流入力電圧VAC=100V・最大負荷電力時において一次側直列共振電流と二次側整流電流との間で一定の位相差が生じるように設定する。これにより、交流入力電圧VAC=230V時でのAC→DC電力変換効率の向上が図られる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、各種電子機器の電源として用いられるスイッチング電源回路に関する。
近年、高周波の比較的大きい電流及び電圧に耐えることができるスイッチング素子の開発によって、商用電源を整流して所望の直流電圧を得る電源回路としては、大部分がスイッチング方式の電源回路になっている。
スイッチング電源回路はスイッチング周波数を高くすることによりトランスその他のデバイスを小型にすると共に、大電力のDC−DCコンバータとして各種の電子機器の電源として使用される。
スイッチング電源回路はスイッチング周波数を高くすることによりトランスその他のデバイスを小型にすると共に、大電力のDC−DCコンバータとして各種の電子機器の電源として使用される。
ところで、一般に商用電源を整流すると平滑回路に流れる電流は歪み波形になるため、電源の利用効率を示す、力率が損なわれるという問題が生じる。
また、このような歪み電流波形となることによって発生する、高調波を抑圧するための対策が必要とされている。
また、このような歪み電流波形となることによって発生する、高調波を抑圧するための対策が必要とされている。
また、スイッチング電源回路としては、例えば日本や米国等の交流入力電圧AC100V系の地域と、欧州等のAC200V系の地域に対応するように、例えば約AC85V〜288Vの交流入力電圧範囲に対応した動作が可能に構成された、いわゆるワイドレンジ対応の電源回路が知られている。
ここで、上記した共振形コンバータとしては、コンバータを形成するスイッチング素子のスイッチング周波数を制御すること(スイッチング周波数制御方式)により安定化を図るように構成したものが知られている。
このようなスイッチング周波数制御方式による共振形コンバータとして、例えば汎用の発振・ドライブ回路ICなどによりスイッチング素子をスイッチング駆動するような構成では、例えばスイッチング周波数fsの可変範囲は最大で、fs=50KHz〜250KHz程度となっている。このような可変範囲である場合、例えば負荷電力Poの変動範囲がPo=0Wから90W程度まで、さらには150W程度までの比較的大きな変動幅となる負荷条件では、ワイドレンジとしてのAC85V〜288Vの交流入力電圧範囲に対応して安定化を図ることはほぼ不可能となる。
このようなスイッチング周波数制御方式による共振形コンバータとして、例えば汎用の発振・ドライブ回路ICなどによりスイッチング素子をスイッチング駆動するような構成では、例えばスイッチング周波数fsの可変範囲は最大で、fs=50KHz〜250KHz程度となっている。このような可変範囲である場合、例えば負荷電力Poの変動範囲がPo=0Wから90W程度まで、さらには150W程度までの比較的大きな変動幅となる負荷条件では、ワイドレンジとしてのAC85V〜288Vの交流入力電圧範囲に対応して安定化を図ることはほぼ不可能となる。
これらの各問題の解決を図るべく、力率の改善、及びワイドレンジ対応の構成を実現する従来技術として、いわゆるアクティブフィルタを用いる方法が知られている(例えば上記特許文献1参照)。
このようなアクティブフィルタの基本構成としては、例えば次の図15に示すものとなる。
この図15においては、商用交流電源ACにブリッジ整流回路Diを接続している。このブリッジ整流回路Diの正極/負極ラインに対しては並列に出力コンデンサCoutが接続される。ブリッジ整流回路Diの整流出力が出力コンデンサCoutに供給されることで、出力コンデンサCoutの両端電圧として、直流電圧Voutが得られる。この直流電圧Voutは、例えば後段のDC−DCコンバータなどの負荷10に入力電圧として供給される。
この図15においては、商用交流電源ACにブリッジ整流回路Diを接続している。このブリッジ整流回路Diの正極/負極ラインに対しては並列に出力コンデンサCoutが接続される。ブリッジ整流回路Diの整流出力が出力コンデンサCoutに供給されることで、出力コンデンサCoutの両端電圧として、直流電圧Voutが得られる。この直流電圧Voutは、例えば後段のDC−DCコンバータなどの負荷10に入力電圧として供給される。
また、力率改善のための構成としては、図示するようにして、インダクタL、高速リカバリ型のダイオードD、抵抗Ri、スイッチング素子Q、及び乗算器11を備える。
インダクタL、ダイオードDは、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と、出力コンデンサCoutの正極端子との間に、直列に接続されて挿入される。
抵抗Riは、ブリッジ整流回路Diの負極出力端子(一次側アース)と出力コンデンサCoutの負極端子との間に挿入される。
また、スイッチング素子Q1は、この場合には、MOS−FETが選定されており、図示するようにして、インダクタLとダイオードDの接続点と、一次側アース間に挿入される。
インダクタL、ダイオードDは、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と、出力コンデンサCoutの正極端子との間に、直列に接続されて挿入される。
抵抗Riは、ブリッジ整流回路Diの負極出力端子(一次側アース)と出力コンデンサCoutの負極端子との間に挿入される。
また、スイッチング素子Q1は、この場合には、MOS−FETが選定されており、図示するようにして、インダクタLとダイオードDの接続点と、一次側アース間に挿入される。
乗算器11に対しては、フィードフォワード回路として、電流検出ラインLI及び波形入力ラインLwが接続され、フィードバック回路として電圧検出ラインLVが接続される。
乗算器11は、電流検出ラインLIから入力される、ブリッジ整流回路Diの負極出力端子に流れる整流電流レベルを検出する。
また、波形入力ラインLwから入力される、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子の整流電圧波形を検出する。これは、即ち、商用交流電源AC(交流入力電圧)の波形を絶対値化して検出していることに相当する。
また、電圧検出ラインLVから入力される、出力コンデンサCoutの直流電圧Voutに基づいて、直流入力電圧の変動差分を検出する。
そして、乗算器11からは、スイッチング素子Qを駆動するためのドライブ信号が出力される。
乗算器11は、電流検出ラインLIから入力される、ブリッジ整流回路Diの負極出力端子に流れる整流電流レベルを検出する。
また、波形入力ラインLwから入力される、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子の整流電圧波形を検出する。これは、即ち、商用交流電源AC(交流入力電圧)の波形を絶対値化して検出していることに相当する。
また、電圧検出ラインLVから入力される、出力コンデンサCoutの直流電圧Voutに基づいて、直流入力電圧の変動差分を検出する。
そして、乗算器11からは、スイッチング素子Qを駆動するためのドライブ信号が出力される。
乗算器11では、先ず、上記のようにして電流検出ラインLIから検出した整流電流レベルと、上記電圧検出ラインLVから検出した直流入力電圧の変動差分と乗算する。そして、この乗算結果と、波形入力ラインLwから検出した交流入力電圧の波形とによって、交流入力電圧VACと同一波形の電流指令値を生成する。
さらに、この場合の乗算器11では、上記電流指令値と実際の交流入力電流レベル(電流検出ラインL1からの入力に基づいて検出される)を比較し、この差に応じてPWM信号についてPWM制御を行い、PWM信号に基づいたドライブ信号を生成する。そして、スイッチング素子Qは、このドライブ信号によってスイッチング駆動される。この結果、交流入力電流は交流入力電圧と同一波形となるように制御されて、力率がほぼ1に近付くようにして力率改善が図られることになる。また、この場合には、乗算器によって生成される電流指令値は、整流平滑電圧の変動差分に応じて振幅が変化するように制御されるため、整流平滑電圧の変動も抑制されることになる。
図16(a)は、図15に示したアクティブフィルタ回路に入力される入力電圧Vin及び入力電流Iinを示している。電圧Vinは、ブリッジ整流回路Diの整流出力としての電圧波形に対応し、電流Iinは、ブリッジ整流回路Diの整流出力としての電流波形に対応する。ここで、電流Iinの波形は、ブリッジ整流回路Diの整流出力電圧(電圧Vin)と同じ導通角となっているが、これは、商用交流電源ACからブリッジ整流回路Diに流れる交流入力電流の波形も、この電流Iinと同じ導通角となっていることを示す。つまり、ほぼ1に近い力率が得られている。
また、図16(b)は、出力コンデンサCoutに入出力するエネルギー(電力)Pchgの変化を示す。出力コンデンサCoutは、入力電圧Vinが高いときにエネルギーを蓄え、入力電圧Vinが低いときにエネルギーを放出して、出力電力の流れを維持する。
図16(c)は、上記出力コンデンサCoutに対する充放電電流Ichgの波形を示している。この充放電電流Ichgは、上記図16(b)の入出力エネルギーPchgの波形と同位相となっていることからも分かるように、出力コンデンサCoutにおけるエネルギーPchgの蓄積/放出動作に対応して流れる電流である。
図16(c)は、上記出力コンデンサCoutに対する充放電電流Ichgの波形を示している。この充放電電流Ichgは、上記図16(b)の入出力エネルギーPchgの波形と同位相となっていることからも分かるように、出力コンデンサCoutにおけるエネルギーPchgの蓄積/放出動作に対応して流れる電流である。
上記充放電電流Ichgは、入力電流Vinとは異なり、交流ライン電圧(商用交流電源AC)の第2高調波とほぼ同一の波形となる。交流ライン電圧には、出力コンデンサCoutとの間のエネルギーの流れによって、図16(d)に示すようにして、第2高調波成分にリップル電圧Vdが生じる。このリップル電圧Vdは、無効なエネルギー保存のために、図16(c)に示す充放電電流Ichgに対して、90°の位相差を有する。出力コンデンサCoutの定格は、第2高調波のリップル電流と、その電流を変調するブースト・コンバータ・スイッチからの高周波リップル電流を処理することを考慮して決定するようにされる。
また、図17には、先の図15の回路構成を基として、基本的なコントロール回路系を備えたアクティブフィルタの構成例を示している。なお、図15と同一とされる部分については同一符号を付して説明を省略する。
ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と、出力コンデンサCoutの正極端子間には、スイッチングプリレギュレータ15が備えられる。このスイッチングプリレギュレータ15は、図15においては、スイッチング素子Q、インダクタL、及びダイオードDなどにより形成される部位となる。
ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と、出力コンデンサCoutの正極端子間には、スイッチングプリレギュレータ15が備えられる。このスイッチングプリレギュレータ15は、図15においては、スイッチング素子Q、インダクタL、及びダイオードDなどにより形成される部位となる。
そして、乗算器11を含むコントロール回路系は、他に、電圧誤差増幅器12、除算器13、二乗器14を備えて成る。
電圧誤差増幅器12では、出力コンデンサCoutの直流電圧Voutを、分圧抵抗Rvo−Rvdにより分圧してオペアンプ15の非反転入力に入力する。オペアンプ15の反転入力には基準電圧Vrefが入力される。オペアンプ15では、基準電圧Vrefに対する分圧された直流電圧Voutの誤差に応じたレベルの電圧を、帰還抵抗Rvl、コンデンサCvlによって決定される増幅率により増幅して、誤差出力電圧Vveaとして除算器13に出力する。
電圧誤差増幅器12では、出力コンデンサCoutの直流電圧Voutを、分圧抵抗Rvo−Rvdにより分圧してオペアンプ15の非反転入力に入力する。オペアンプ15の反転入力には基準電圧Vrefが入力される。オペアンプ15では、基準電圧Vrefに対する分圧された直流電圧Voutの誤差に応じたレベルの電圧を、帰還抵抗Rvl、コンデンサCvlによって決定される増幅率により増幅して、誤差出力電圧Vveaとして除算器13に出力する。
また、二乗器14には、いわゆるフィードフォワード電圧Vffが入力される。このフィードフォワード電圧Vffは、入力電圧Vinを平均化回路16(Rf11,Rf12,Rf13,Cf11,Cf12)により平均化した出力(平均入力電圧)とされる。二乗器14では、このフィードフォワード電圧Vffを二乗して除算器13に出力する。
除算器13では、電圧誤差増幅器12からの誤差出力電圧Vveaについて、二乗器14から出力された平均入力電圧の二乗値により除算を行い、この除算結果としての信号を乗算器11に出力する。
つまり、電圧ループは、二乗器14、除算器13、乗算器11の系から成るものとされる。そして、電圧誤差増幅器12から出力される誤差出力電圧Vveaは、乗算器11で整流入力信号Ivacにより乗算される前の段階で、平均入力電圧(Vff)の二乗により除算されることになる。この回路によって、電圧ループの利得は、平均入力電圧(Vff)の二乗として変化することなく、一定に維持される。平均入力電圧(Vff)は、電圧ループ内において順方向に送られる開ループ補正の機能を有する。
つまり、電圧ループは、二乗器14、除算器13、乗算器11の系から成るものとされる。そして、電圧誤差増幅器12から出力される誤差出力電圧Vveaは、乗算器11で整流入力信号Ivacにより乗算される前の段階で、平均入力電圧(Vff)の二乗により除算されることになる。この回路によって、電圧ループの利得は、平均入力電圧(Vff)の二乗として変化することなく、一定に維持される。平均入力電圧(Vff)は、電圧ループ内において順方向に送られる開ループ補正の機能を有する。
乗算器11には、上記除算器11により誤差出力電圧Vveaを除算した出力と、抵抗Rvacを介したブリッジ整流回路Diの正極出力端子(整流出力ライン)の整流出力(Iac)が入力される。ここでは、整流出力を電圧によるのではなく、電流(Iac)として示している。乗算器11では、これらの入力を乗算することによって、電流プログラミング信号(乗算器出力信号)Imoを生成して出力する。これは、図15にて説明した電流指令値に相当する。出力電圧Voutは、この電流プログラミング信号の平均振幅を可変することで制御される。つまり、電流プログラミング信号の平均振幅の変化に応じたPWM信号が生成され、このPWM信号に基づいたドライブ信号によってスイッチング駆動が行われることによって、出力電圧Voutのレベルをコントロールするものである。
したがって、電流プログラミング信号は、入力電圧と出力電圧を制御する平均振幅の波形を有する。なお、アクティブフィルタは、出力電圧Voutのみではなく、入力電流Vinも制御するようになっている。そして、フィードフォワード回路における電流ループは、整流ライン電圧によってプログラムされるということがいえるので、後段のコンバータ(負荷10)への入力は抵抗性になる。
したがって、電流プログラミング信号は、入力電圧と出力電圧を制御する平均振幅の波形を有する。なお、アクティブフィルタは、出力電圧Voutのみではなく、入力電流Vinも制御するようになっている。そして、フィードフォワード回路における電流ループは、整流ライン電圧によってプログラムされるということがいえるので、後段のコンバータ(負荷10)への入力は抵抗性になる。
図18は、図15に示した構成に基づくアクティブフィルタの後段に対して、電流共振形コンバータを接続して成る電源回路の構成例を示している。
この図に示す電源回路において、電流共振形コンバータとしては、他励式のハーフブリッジ結合方式による構成を採る。
この図に示す電源回路において、電流共振形コンバータとしては、他励式のハーフブリッジ結合方式による構成を採る。
先ず、この図18に示す電源回路においては、商用交流電源ACに対して、図示する接続態様により、2組のラインフィルタトランスLFT,LFTと、3組のアクロスコンデンサCLが接続され、この後段に、図示する突入電流制限回路22を介してブリッジ整流回路Diが接続される。
この突入電流制限回路22としては、突入電流制限抵抗RiとスイッチSWとによる並列接続回路から成り、例えば外部からの信号で上記スイッチSWがオフとされることで、電源回路起動時における商用交流電源側からの突入電流の流入が制限される。
そして、上記ブリッジ整流回路Diの整流出力ラインには、1組のチョークコイルLNと、2組のフィルタコンデンサ(フィルムコンデンサ)CN,CNを図示するようにして接続して成るノーマルモードノイズフィルタ24が接続されている。
この突入電流制限回路22としては、突入電流制限抵抗RiとスイッチSWとによる並列接続回路から成り、例えば外部からの信号で上記スイッチSWがオフとされることで、電源回路起動時における商用交流電源側からの突入電流の流入が制限される。
そして、上記ブリッジ整流回路Diの整流出力ラインには、1組のチョークコイルLNと、2組のフィルタコンデンサ(フィルムコンデンサ)CN,CNを図示するようにして接続して成るノーマルモードノイズフィルタ24が接続されている。
ブリッジ整流回路Diの正極出力端子は、上記チョークコイルLNと、パワーチョークコイルPCCのインダクタLpcと、高速リカバリ型の整流ダイオードD10の直列接続を介して、平滑コンデンサCiの正極端子と接続される。この平滑コンデンサCiは、図15、図17における出力コンデンサCoutに相当する。また、パワーチョークコイルPCCのインダクタLpcとダイオードD10は、それぞれ、図15に示したインダクタLとダイオードDに相当する。
また、この図における整流ダイオードD10には、コンデンサCsn−抵抗Rsnから成るRCスナバ回路が並列に接続される。
また、この図における整流ダイオードD10には、コンデンサCsn−抵抗Rsnから成るRCスナバ回路が並列に接続される。
スイッチング素子Q6は、図15におけるスイッチング素子Qに相当する。つまり、実際にアクティブフィルタのスイッチング素子を実装するのにあたって、この場合にはスイッチング素子Q6をパワーチョークコイルLpcと高速リカバリ型の整流ダイオードD10の接続点と、一次側アース(負極整流出力ライン)との間に挿入するようにしている。
この場合のスイッチング素子Q6にはMOS−FETが選定されている。そして、スイッチング素子Q6のゲート−ソース間にはゲート−ソース間抵抗R52が接続されている。
この場合のスイッチング素子Q6にはMOS−FETが選定されている。そして、スイッチング素子Q6のゲート−ソース間にはゲート−ソース間抵抗R52が接続されている。
アクティブフィルタコントロール回路20は、この場合には力率を1に近づけるように力率改善を行うアクティブフィルタの動作を制御するもので、例えば1石の集積回路(IC)とされている。
この場合、アクティブフィルタコントロール回路20は、乗算器、除算器、誤差電圧増幅器、PWM制御回路、及びスイッチング素子をスイッチング駆動するためのドライブ信号を出力するドライブ回路等を備えて構成される。図17に示した乗算器11、誤差電圧増幅器12、除算器13、及び二乗器14などに相当する回路部は、このアクティブフィルタコントロール回路20内に搭載される。
この場合、アクティブフィルタコントロール回路20は、乗算器、除算器、誤差電圧増幅器、PWM制御回路、及びスイッチング素子をスイッチング駆動するためのドライブ信号を出力するドライブ回路等を備えて構成される。図17に示した乗算器11、誤差電圧増幅器12、除算器13、及び二乗器14などに相当する回路部は、このアクティブフィルタコントロール回路20内に搭載される。
この場合、フィードバック回路は平滑コンデンサCiの両端電圧(整流平滑電圧Ei)を分圧抵抗R56,R57により分圧した電圧値を、アクティブフィルタコントロール回路20の端子T1に入力するようにして形成される。
また、フィードフォワード回路としては、先ず、抵抗R58を介して整流出力が端子T3に入力される。これによって、交流入力電圧波形の検出と、平均化回路のための対応するフィードフォワード回路が形成されている。
また、ブリッジ整流回路Diの負極出力端子と一次側アース間に挿入される抵抗R61との接続点から、抵抗R60を介して、端子T6に対して整流電流レベルを入力するようにしている。つまり、図17における電流検出ラインLIに相当するラインとしてのフィードフォワード回路が形成されている。
また、ブリッジ整流回路Diの負極出力端子と一次側アース間に挿入される抵抗R61との接続点から、抵抗R60を介して、端子T6に対して整流電流レベルを入力するようにしている。つまり、図17における電流検出ラインLIに相当するラインとしてのフィードフォワード回路が形成されている。
また、端子T4には、起動抵抗Rsを介したブリッジ整流回路Diの正極の整流出力が、起動電圧として入力されている。アクティブフィルタコントロール回路20は、電源起動時において、この端子T4に入力される起動電圧によって起動される。
また、パワーチョークコイルPCCにおいては、インダクタLpcとトランス結合された巻線N5が巻装されている。この巻線N5に励起された交番電圧は、ダイオードD11及びコンデンサC11とから成る半波整流回路により所定の低圧直流電圧に変換されるが、上記端子T4には、この低圧直流電圧も入力されている。アクティブフィルタコントロール回路20は、上記起動電圧により起動した後は、この低圧直流電圧を電源として入力して動作するようになっている。
また、端子T5は、抵抗R59を介して、一次側アースと接続されている。
また、パワーチョークコイルPCCにおいては、インダクタLpcとトランス結合された巻線N5が巻装されている。この巻線N5に励起された交番電圧は、ダイオードD11及びコンデンサC11とから成る半波整流回路により所定の低圧直流電圧に変換されるが、上記端子T4には、この低圧直流電圧も入力されている。アクティブフィルタコントロール回路20は、上記起動電圧により起動した後は、この低圧直流電圧を電源として入力して動作するようになっている。
また、端子T5は、抵抗R59を介して、一次側アースと接続されている。
端子T2からは、スイッチング素子を駆動するためのドライブ信号が出力される。そして、この端子T2から出力されたドライブ信号は、抵抗R51を介してスイッチング素子Q6のゲートに対して出力される。
スイッチング素子Q6では、印加されるドライブ信号に応じて、ゲート−ソース間抵抗R52の両端にゲート電圧が発生するようになっている。そして、ゲート電圧が閾値以上となることでオンとなり、閾値以下となるとオフとなるようにしてスイッチング動作を行う。
スイッチング素子Q6では、印加されるドライブ信号に応じて、ゲート−ソース間抵抗R52の両端にゲート電圧が発生するようになっている。そして、ゲート電圧が閾値以上となることでオンとなり、閾値以下となるとオフとなるようにしてスイッチング動作を行う。
そして、スイッチング素子Q6のスイッチング駆動は、図15及び図17により説明したようにして、整流出力電流の導通角が、整流出力電圧波形とほぼ同等の導通角となるように、PWM制御に基づくドライブ信号によって行われる。整流出力電流の導通角が整流出力電圧波形とほぼ同等の導通角となるということは、即ち、商用交流電源ACから流入する交流入力電流の導通角が、交流入力電圧VACの波形とほぼ同じ導通角となることであり、結果的に、力率がほぼ1となるように制御されることになる。つまり、力率改善が図られる。実際においては、力率PF=0.99〜0.98となる特性が得られている。
また、この図18に示すアクティブフィルタコントロール回路20によっては、整流平滑電圧Ei(図17では、Voutに相当する)=375Vの平均値について、交流入力電圧VAC=85V〜264Vの範囲で定電圧化するようにも動作する。つまり、後段の電流共振形コンバータには、交流入力電圧VAC=85V〜264Vの変動範囲に関わらず、375Vで安定化された直流入力電圧が供給されることとなる。
上記交流入力電圧VAC=85V〜264Vの範囲は、商用交流電源AC100V系と200V系を連続的にカバーするものであり、従って、後段のスイッチングコンバータには、商用交流電源AC100V系と200V系とで、同じレベルで安定化された直流入力電圧(Ei)が供給されることとなる。つまり、図18に示す電源回路は、アクティブフィルタを備えることで、ワイドレンジの電源回路としても構成されている。
上記交流入力電圧VAC=85V〜264Vの範囲は、商用交流電源AC100V系と200V系を連続的にカバーするものであり、従って、後段のスイッチングコンバータには、商用交流電源AC100V系と200V系とで、同じレベルで安定化された直流入力電圧(Ei)が供給されることとなる。つまり、図18に示す電源回路は、アクティブフィルタを備えることで、ワイドレンジの電源回路としても構成されている。
アクティブフィルタの後段の電流共振形コンバータは、図示するようにして、2石のスイッチング素子Q1,Q2を備えて成る。この場合には、スイッチング素子Q1がハイサイドで、スイッチング素子Q2がローサイドとなるようにしてハーフブリッジ接続し、整流平滑電圧Ei(直流入力電圧)に対して並列に接続している。つまり、ハーフブリッジ結合方式による電流共振形コンバータを形成している。
この場合の電流共振形コンバータは他励式とされ、これに対応して上記スイッチング素子Q1,Q2には、MOS−FETが用いられている。これらスイッチング素子Q1,Q2に対しては、それぞれ並列にクランプダイオードDD1,DD2が接続され、これによりスイッチング回路が形成される。これらクランプダイオードDD1,DD2は、スイッチング素子Q1,Q2のターンオフ時における逆方向電流を流す経路を形成する。
スイッチング素子Q1,Q2は、ドライブ回路21によって、交互にオン/オフとなるタイミングによって所要のスイッチング周波数によりスイッチング駆動される。また、ドライブ回路21は、後述する二次側直流出力電圧Eoのレベルに応じてスイッチング周波数を可変制御し、これにより、二次側直流出力電圧Eoの安定化を図るようにされる。
スイッチング素子Q1,Q2は、ドライブ回路21によって、交互にオン/オフとなるタイミングによって所要のスイッチング周波数によりスイッチング駆動される。また、ドライブ回路21は、後述する二次側直流出力電圧Eoのレベルに応じてスイッチング周波数を可変制御し、これにより、二次側直流出力電圧Eoの安定化を図るようにされる。
絶縁コンバータトランスPITは、上記スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング出力を一次側から二次側に伝送するために設けられる。
絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1の一方の端部は、スイッチング素子Q1,Q2の接続点(スイッチング出力点)に対して接続され、他方の端部は、直列共振コンデンサC1を介して一次側アースに接続される。ここで、直列共振コンデンサC1は、自身のキャパシタンスと一次巻線N1のリーケージインダクタンス(L1)とによって直列共振回路を形成する。この直列共振回路は、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング出力が供給されることで共振動作を生じるが、これによって、スイッチング素子Q1,Q2から成るスイッチング回路の動作を電流共振形とする。
絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1の一方の端部は、スイッチング素子Q1,Q2の接続点(スイッチング出力点)に対して接続され、他方の端部は、直列共振コンデンサC1を介して一次側アースに接続される。ここで、直列共振コンデンサC1は、自身のキャパシタンスと一次巻線N1のリーケージインダクタンス(L1)とによって直列共振回路を形成する。この直列共振回路は、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング出力が供給されることで共振動作を生じるが、これによって、スイッチング素子Q1,Q2から成るスイッチング回路の動作を電流共振形とする。
ここでの図示による説明は省略するが、上記した絶縁コンバータトランスPITの構造としては、例えばフェライト材によるE型コアを組み合わせたEE型コアを備える。そして、一次側と二次側とで巻装部位を分割したうえで、一次巻線N1と二次巻線N2とを、EE型コアの内磁脚に対して巻装している。
また、絶縁コンバータトランスPITのEE型コアの内磁脚に対しては1.0mm程度以下のギャップを形成するようにして、一次巻線N1と二次巻線N2とで0.80〜0.90程度の結合係数を得るようにしている。
また、絶縁コンバータトランスPITのEE型コアの内磁脚に対しては1.0mm程度以下のギャップを形成するようにして、一次巻線N1と二次巻線N2とで0.80〜0.90程度の結合係数を得るようにしている。
絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2に対しては、図示するようにしてセンタータップを施し二次側アースに接続した上で、図示するようにして整流ダイオードDo1,Do2、及び平滑コンデンサCoから成る両波整流回路を接続している。これにより、平滑コンデンサCoの両端電圧として二次側直流出力電圧Eoが得られる。この二次側直流出力電圧Eoは、図示しない負荷側に供給されるとともに、ドライブ回路21のための検出電圧としても分岐して入力される。前述もしたように、ドライブ回路21は、入力される二次側直流出力電圧Eoのレベルに基づいて、二次側直流出力電圧Eoが安定化されるようにスイッチング周波数を可変するようにしてスイッチング素子Q1,Q2を駆動する。つまり、スイッチング周波数制御方式による安定化を行う。
これまでの説明から分かるように、図18に示した電源回路は、従来から知られている図15及び図17に示したアクティブフィルタを実装して構成されている。このような構成を採ることによって、力率改善を図っている。
しかしながら、図18に示した構成による電源回路は次のような問題を有している。
先ず、図18に示す電源回路における電力変換効率としては、図示もしているように、前段のアクティブフィルタに対応するAC→DC電力変換効率(ηAC→DC)と、後段の電流共振形コンバータのDC→DC電力変換効率(ηAC→DC)とを総合したものとなる。このために、図18に示される電源回路全体としての電力変換効率としては、これら各コンバータの電力変換効率の値を乗算した値となるものであり、その分低下傾向となってしまうものである。
図18の電源回路について実際に実験を行った結果、アクティブフィルタでのAC→DC電力変換効率(ηAC→DCとしては、交流入力電圧VAC=100V時ではηAC→DC=92%程度、交流入力電圧VAC=230Vの条件ではηAC→DC=95%程度となった。
また、アクティブフィルタにより生成する直流入力電圧Eiの平均値が上記したEi=375Vの条件で、負荷電力Po=200Wとされた場合での電流共振形コンバータの電力変換効率は、ηDC→DC=94%程度である。このために、図18に示した回路の総合効率は、VAC=100V時においてηAC→DC=86.5%程度となる。また、VAC=230V時の総合効率は、ηAC→DC=89.3%程度となる。
先ず、図18に示す電源回路における電力変換効率としては、図示もしているように、前段のアクティブフィルタに対応するAC→DC電力変換効率(ηAC→DC)と、後段の電流共振形コンバータのDC→DC電力変換効率(ηAC→DC)とを総合したものとなる。このために、図18に示される電源回路全体としての電力変換効率としては、これら各コンバータの電力変換効率の値を乗算した値となるものであり、その分低下傾向となってしまうものである。
図18の電源回路について実際に実験を行った結果、アクティブフィルタでのAC→DC電力変換効率(ηAC→DCとしては、交流入力電圧VAC=100V時ではηAC→DC=92%程度、交流入力電圧VAC=230Vの条件ではηAC→DC=95%程度となった。
また、アクティブフィルタにより生成する直流入力電圧Eiの平均値が上記したEi=375Vの条件で、負荷電力Po=200Wとされた場合での電流共振形コンバータの電力変換効率は、ηDC→DC=94%程度である。このために、図18に示した回路の総合効率は、VAC=100V時においてηAC→DC=86.5%程度となる。また、VAC=230V時の総合効率は、ηAC→DC=89.3%程度となる。
また、アクティブフィルタ回路はハードスイッチング動作であることから、ノイズの発生レベルが非常に大きいため、比較的重度のノイズ抑制対策が必要となる。
このため、図18に示した回路では、商用交流電源ACのラインに対して、2組のラインフィルタトランスLFTと、3組のアクロスコンデンサによるノイズフィルタを形成している。つまり、2段以上のラインノイズフィルタが必要となっている。
また、整流出力ラインに対しては、1組のチョークコイルLNと、2組のフィルタコンデンサCNから成るノーマルモードノイズフィルタを設けている。さらに、整流用の高速リカバリ型のダイオードD10に対しては、RCスナバ回路を設けている。
このようにして、実際の回路としては、非常に多くの部品点数によるノイズ対策が必要であり、回路構成の複雑化やコストアップ、及び電源回路基板の実装面積の大型化を招いている。
このため、図18に示した回路では、商用交流電源ACのラインに対して、2組のラインフィルタトランスLFTと、3組のアクロスコンデンサによるノイズフィルタを形成している。つまり、2段以上のラインノイズフィルタが必要となっている。
また、整流出力ラインに対しては、1組のチョークコイルLNと、2組のフィルタコンデンサCNから成るノーマルモードノイズフィルタを設けている。さらに、整流用の高速リカバリ型のダイオードD10に対しては、RCスナバ回路を設けている。
このようにして、実際の回路としては、非常に多くの部品点数によるノイズ対策が必要であり、回路構成の複雑化やコストアップ、及び電源回路基板の実装面積の大型化を招いている。
さらに、汎用ICとしてのアクティブフィルタコントロール回路20によって動作するスイッチング素子Q6のスイッチング周波数は固定であるのに対して、後段の電流共振形コンバータのスイッチング周波数は、例えば80kHz〜200kHz程度の範囲で可変する。このようにして両者のスイッチングタイミングが個々に独立して行われることで、両者のスイッチング動作により、一次側アース電位は干渉しあって不安定になり、例えば異常発振が生じやすくなる。これにより、例えば回路設計が難しいものとなり、また、信頼性を劣化させるなどの問題も招くことになる。
そこで、本発明では上記してきた各種の問題点に鑑み、スイッチング電源回路として下記のように構成することとした。
つまり、商用交流電源を入力して整流平滑電圧を生成する整流平滑手段と、整流平滑電圧を直流入力電圧として入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段と、スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段とを備える。
また、少なくとも、スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される一次巻線と、この一次巻線により交番電圧が誘起される二次巻線とが巻装されて形成される絶縁コンバータトランスを備える。
また、少なくとも、絶縁コンバータトランスの一次巻線の漏洩インダクタンス成分と、一次巻線に直列接続される一次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて第1の共振周波数が設定され、スイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路と、少なくとも、絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と、二次巻線に直列接続される二次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて第2の共振周波数が設定される二次側直列共振回路とを備える。
また、二次巻線に得られる交番電圧について整流動作を行って、その整流出力を二次側平滑コンデンサにより平滑化して二次側直流出力電圧を生成する二次側直流出力電圧生成手段と、二次側直流出力電圧のレベルに応じてスイッチング駆動手段を制御して、スイッチング手段のスイッチング周波数を可変することで二次側直流出力電圧について定電圧制御を行う定電圧制御手段とを備える。
また、スイッチング手段のスイッチング動作により一次側直列共振回路に得られる一次側直列共振電流を電力として回生するようにして整流平滑手段を形成する平滑コンデンサに帰還するようにされており、この帰還された電力に応じて、整流平滑手段による整流動作によって得られる整流電流を断続するようにしてスイッチングする力率改善用スイッチング素子を備えて構成される力率改善手段とを備える。
そして、絶縁コンバータトランス自体の結合係数を少なくとも設定要素として含み、一次側直列共振回路と上記二次側直列共振回路とを有して形成される電磁結合形共振回路について、上記スイッチング周波数を有する周波数信号の入力に対する出力特性が単峰特性となるようにして、疎結合とみなされる所定の一次側と二次側との結合係数を設定する。
また、第1の共振周波数及び第2の共振周波数は、一定レベル以下の商用交流電源入力及び一定以上の負荷の条件において、一次側直列共振回路を流れる一次側直列共振電流と、二次側直流出力電圧生成手段として形成される整流回路を流れる二次側整流電流とについて、所定の位相差が得られるようにして設定することとした。
つまり、商用交流電源を入力して整流平滑電圧を生成する整流平滑手段と、整流平滑電圧を直流入力電圧として入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段と、スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段とを備える。
また、少なくとも、スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される一次巻線と、この一次巻線により交番電圧が誘起される二次巻線とが巻装されて形成される絶縁コンバータトランスを備える。
また、少なくとも、絶縁コンバータトランスの一次巻線の漏洩インダクタンス成分と、一次巻線に直列接続される一次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて第1の共振周波数が設定され、スイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路と、少なくとも、絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と、二次巻線に直列接続される二次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて第2の共振周波数が設定される二次側直列共振回路とを備える。
また、二次巻線に得られる交番電圧について整流動作を行って、その整流出力を二次側平滑コンデンサにより平滑化して二次側直流出力電圧を生成する二次側直流出力電圧生成手段と、二次側直流出力電圧のレベルに応じてスイッチング駆動手段を制御して、スイッチング手段のスイッチング周波数を可変することで二次側直流出力電圧について定電圧制御を行う定電圧制御手段とを備える。
また、スイッチング手段のスイッチング動作により一次側直列共振回路に得られる一次側直列共振電流を電力として回生するようにして整流平滑手段を形成する平滑コンデンサに帰還するようにされており、この帰還された電力に応じて、整流平滑手段による整流動作によって得られる整流電流を断続するようにしてスイッチングする力率改善用スイッチング素子を備えて構成される力率改善手段とを備える。
そして、絶縁コンバータトランス自体の結合係数を少なくとも設定要素として含み、一次側直列共振回路と上記二次側直列共振回路とを有して形成される電磁結合形共振回路について、上記スイッチング周波数を有する周波数信号の入力に対する出力特性が単峰特性となるようにして、疎結合とみなされる所定の一次側と二次側との結合係数を設定する。
また、第1の共振周波数及び第2の共振周波数は、一定レベル以下の商用交流電源入力及び一定以上の負荷の条件において、一次側直列共振回路を流れる一次側直列共振電流と、二次側直流出力電圧生成手段として形成される整流回路を流れる二次側整流電流とについて、所定の位相差が得られるようにして設定することとした。
上記構成によるスイッチング電源回路では、一次側のスイッチング動作を電流共振形とする一次側直列共振回路を有するスイッチングコンバータを基本構成として備えたうえで、電力回生方式による力率改善手段(力率改善回路)を備えることとしている。そして、二次側においても、二次巻線と二次側直列共振コンデンサとにより二次側直列共振回路を形成することとしている。
このような構成を採ることで、本発明のスイッチング電源回路としては絶縁コンバータトランスの電磁結合による結合形共振回路を形成することになる。そして、絶縁コンバータトランスの一次側と二次側との結合係数(総合結合係数)について、疎結合と見なされる状態が得られる値を設定することとしている。なお。この結合係数の設定には、絶縁コンバータトランス自体の結合係数を設定要素として含む。
このようにして、絶縁コンバータトランスの一次側と二次側の結合係数について疎結合とされる値が設定されることで、上記結合形共振回路に対する入力であるスイッチング周波数の周波数信号(スイッチング出力)に対する出力特性として、急峻な単峰特性を得ることが可能となる。この結果、一次側にのみ直列共振回路を形成した場合よりも、安定化に要するスイッチング周波数の可変範囲(必要制御範囲)を縮小することができる。
また、一次側直列回路の共振周波数(第1の共振周波数)と二次側直列共振回路の共振周波数(第2の共振周波数)の設定によって、一次側直列共振回路を流れる一次側直列共振電流と二次側整流電流とについて、一定レベル以下の商用交流電源(交流入力電圧VAC)入力及び一定以上の負荷の条件の下で、所定の位相差が得られるようにしている。このような位相差を生じることにより、一定以上の商用交流電源入力及び一定以上の重負荷の条件の下での、一次側直列共振電流レベルが抑制される現象が得られる。
このような構成を採ることで、本発明のスイッチング電源回路としては絶縁コンバータトランスの電磁結合による結合形共振回路を形成することになる。そして、絶縁コンバータトランスの一次側と二次側との結合係数(総合結合係数)について、疎結合と見なされる状態が得られる値を設定することとしている。なお。この結合係数の設定には、絶縁コンバータトランス自体の結合係数を設定要素として含む。
このようにして、絶縁コンバータトランスの一次側と二次側の結合係数について疎結合とされる値が設定されることで、上記結合形共振回路に対する入力であるスイッチング周波数の周波数信号(スイッチング出力)に対する出力特性として、急峻な単峰特性を得ることが可能となる。この結果、一次側にのみ直列共振回路を形成した場合よりも、安定化に要するスイッチング周波数の可変範囲(必要制御範囲)を縮小することができる。
また、一次側直列回路の共振周波数(第1の共振周波数)と二次側直列共振回路の共振周波数(第2の共振周波数)の設定によって、一次側直列共振回路を流れる一次側直列共振電流と二次側整流電流とについて、一定レベル以下の商用交流電源(交流入力電圧VAC)入力及び一定以上の負荷の条件の下で、所定の位相差が得られるようにしている。このような位相差を生じることにより、一定以上の商用交流電源入力及び一定以上の重負荷の条件の下での、一次側直列共振電流レベルが抑制される現象が得られる。
このようにして本発明によれば、定電圧制御に必要なスイッチング周波数の可変制御範囲(必要制御範囲)が縮小される。
これにより、力率改善機能を有する共振形コンバータとして、スイッチング周波数制御のみによりワイドレンジ対応化することが容易に実現化可能となる。
このようにして、スイッチング周波数制御によるワイドレンジ対応が実現化されることで、力率改善機能を備えるワイドレンジ対応のスイッチング電源回路として、アクティブフィルタを備えない構成を採ることができる。これにより、例えばアクティブフィルタによって力率改善を図る電源回路よりも電力変換効率が向上される。
これにより、力率改善機能を有する共振形コンバータとして、スイッチング周波数制御のみによりワイドレンジ対応化することが容易に実現化可能となる。
このようにして、スイッチング周波数制御によるワイドレンジ対応が実現化されることで、力率改善機能を備えるワイドレンジ対応のスイッチング電源回路として、アクティブフィルタを備えない構成を採ることができる。これにより、例えばアクティブフィルタによって力率改善を図る電源回路よりも電力変換効率が向上される。
また、本発明の電源回路としては、アクティブフィルタを構成するための多数の部品素子が不要となる。また、電源回路を構成する電流共振形コンバータ、及び力率改善回路はソフトスイッチング動作であり、スイッチングノイズが大幅に低減されるから、ノイズフィルタを強化する必要もなくなる。
このために、先行技術と比較しては、部品点数が大幅に削減されることになって、電源回路サイズの小型/軽量化を図ることが可能となる。また、それだけコストダウンが図られることにもなる。
また、さらには、アクティブフィルタが省略されたことで、一次側アース電位の干渉が無くなるので、一次側アース電位も安定することとなって、信頼性が向上する。
このために、先行技術と比較しては、部品点数が大幅に削減されることになって、電源回路サイズの小型/軽量化を図ることが可能となる。また、それだけコストダウンが図られることにもなる。
また、さらには、アクティブフィルタが省略されたことで、一次側アース電位の干渉が無くなるので、一次側アース電位も安定することとなって、信頼性が向上する。
そしてまた、上記した一次側直列回路の共振周波数(第1の共振周波数)と二次側直列共振回路の共振周波数(第2の共振周波数)の設定により、一定以上の商用交流電源入力及び一定以上の重負荷の条件の下での一次側直列共振電流レベルが抑制されるのに応じては、その分の電力損失の低減が図られることになる。これにより、電源回路としての電力変換効率特性の向上が助長される。
図1は、本発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態ともいう)における、第1の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成例を示す回路図である。この図に示す電源回路は、一次側の基本構成として、ハーフブリッジ結合方式による他励式の電流共振形コンバータに対して部分電圧共振回路が組み合わされた構成を採る。
先ず、この図1に示す電源回路において、商用交流電源ACに対しては、フィルタコンデンサCL、CL、及びコモンモードチョークコイルCMCによるコモンモードノイズフィルタが形成されている。
そして、上記ノイズフィルタの後段となる商用交流電源ACに対しては、ブリッジ整流回路Di及び1本の平滑コンデンサCiから成る全波整流平滑回路が接続される。ただし、本実施の形態においては、ブリッジ整流回路Diの正極出力ラインと、平滑コンデンサCiの正極端子間には、力率改善回路100が介在するようにして設けられる。この力率改善回路100の構成及びその動作については後述する。
この全波整流平滑回路が商用交流電源ACを入力して全波整流動作を行うことによって、平滑コンデンサCiの両端には整流平滑電圧Ei(直流入力電圧)が得られる。この場合の整流平滑電圧Eiは、交流入力電圧VACの等倍に対応したレベルとなる。
そして、上記ノイズフィルタの後段となる商用交流電源ACに対しては、ブリッジ整流回路Di及び1本の平滑コンデンサCiから成る全波整流平滑回路が接続される。ただし、本実施の形態においては、ブリッジ整流回路Diの正極出力ラインと、平滑コンデンサCiの正極端子間には、力率改善回路100が介在するようにして設けられる。この力率改善回路100の構成及びその動作については後述する。
この全波整流平滑回路が商用交流電源ACを入力して全波整流動作を行うことによって、平滑コンデンサCiの両端には整流平滑電圧Ei(直流入力電圧)が得られる。この場合の整流平滑電圧Eiは、交流入力電圧VACの等倍に対応したレベルとなる。
上記直流入力電圧を入力してスイッチング(断続)する電流共振形コンバータとしては、図示するようにして、MOS−FETによる2本のスイッチング素子Q1,Q2をハーフブリッジ結合により接続したスイッチング回路を備える。スイッチング素子Q1,Q2の各ドレイン−ソース間に対しては、ダンパーダイオードDD1,DD2が並列に接続される。ダンパーダイオードDD1のアノード、カソードは、それぞれスイッチング素子Q1のソース、ドレインと接続される。同様にして、ダンパーダイオードDD2のアノード、カソードは、それぞれスイッチング素子Q2のソース、ドレインと接続される。ダンパーダイオードDD1,DD2は、それぞれスイッチング素子Q1,Q2が備えるボディダイオードとされる。
また、スイッチング素子Q2のドレイン−ソース間に対しては、一次側部分共振コンデンサCpが並列に接続される。この一次側部分共振コンデンサCpのキャパシタンスと一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1によっては並列共振回路(部分電圧共振回路)を形成する。そして、スイッチング素子Q1,Q2のターンオフ時にのみ電圧共振する、部分電圧共振動作が得られるようになっている。
また、スイッチング素子Q1,Q2をスイッチング駆動するために、発振・ドライブ回路2が設けられる。この発振・ドライブ回路2は、発振回路、駆動回路を有しており、例えば汎用のICを用いることができる。そして、この発振・ドライブ回路2内の発振回路及び駆動回路によって、所要の周波数によるドライブ信号(ゲート電圧)をスイッチング素子Q1,Q2の各ゲートに対して印加する。これにより、スイッチング素子Q1,Q2は、所要のスイッチング周波数により交互にオン/オフするようにしてスイッチング動作を行う。
絶縁コンバータトランスPITは、スイッチング素子Q1 、Q2のスイッチング出力を二次側
に伝送するために設けられる。
この絶縁トランスPITの一次巻線N1の一方の端部は、一次側直列共振コンデンサC1の直列接続を介して、力率改善回路100における高周波インダクタL10と、高速型(高速リカバリ型)のスイッチングダイオードD1のカソードとの接続点に対して接続される。また、一次巻線N1の他方の端部は、スイッチング素子Q1のソースとスイッチング素子Q2のドレインとの接続点(スイッチング出力点)に接続されることで、スイッチング出力が伝達されるようになっている。
に伝送するために設けられる。
この絶縁トランスPITの一次巻線N1の一方の端部は、一次側直列共振コンデンサC1の直列接続を介して、力率改善回路100における高周波インダクタL10と、高速型(高速リカバリ型)のスイッチングダイオードD1のカソードとの接続点に対して接続される。また、一次巻線N1の他方の端部は、スイッチング素子Q1のソースとスイッチング素子Q2のドレインとの接続点(スイッチング出力点)に接続されることで、スイッチング出力が伝達されるようになっている。
ここで、絶縁コンバータトランスPITは、図2の断面図に示すような構造を有する。
この図に示されるように、絶縁コンバータトランスPITは、フェライト材によるE型コアCR1、CR2を互いの磁脚が対向するように組み合わせたEE型コア(EE字形コア)を備える。
そして、一次側と二次側の巻装部について相互に独立するようにして分割した形状により、例えば樹脂などによって形成される、ボビンBが備えられる。このボビンBの一方の巻装部に対して一次巻線N1を巻装する。また、他方の巻装部に対して、二次巻線N2を巻装する。このようにして一次側巻線(N1)及び二次側巻線(N2)が巻装されたボビンBを上記EE型コア(CR1,CR2)に取り付けることで、一次側巻線及び二次側巻線とがそれぞれ異なる巻装領域により、EE型コアの内磁脚に巻装される状態となる。このようにして絶縁コンバータトランスPIT全体としての構造が得られる。
この図に示されるように、絶縁コンバータトランスPITは、フェライト材によるE型コアCR1、CR2を互いの磁脚が対向するように組み合わせたEE型コア(EE字形コア)を備える。
そして、一次側と二次側の巻装部について相互に独立するようにして分割した形状により、例えば樹脂などによって形成される、ボビンBが備えられる。このボビンBの一方の巻装部に対して一次巻線N1を巻装する。また、他方の巻装部に対して、二次巻線N2を巻装する。このようにして一次側巻線(N1)及び二次側巻線(N2)が巻装されたボビンBを上記EE型コア(CR1,CR2)に取り付けることで、一次側巻線及び二次側巻線とがそれぞれ異なる巻装領域により、EE型コアの内磁脚に巻装される状態となる。このようにして絶縁コンバータトランスPIT全体としての構造が得られる。
そのうえで、EE型コアの内磁脚に対しては、図のようにしてギャップGを形成する。この場合のギャップGとしては、例えばギャップ長2.0mm以上の所定幅を設定し、これによって絶縁コンバータトランスPIT自体の一次側と二次側との結合係数kとしては、例えばk=0.8程度以下の所定値による疎結合の状態を得るようにしている。
なお、本実施の形態の電源回路における実際の結合係数kとしては、ギャップGのギャップ長について、2.0mmとすることで、k=0.74を設定した。なお、ギャップGは、E型コアCR1,CR2の内磁脚を、2本の外磁脚よりも短くすることで形成することができる。
また、二次巻線N2における1ターン(T)あたりの誘起電圧レベルについては、5V/T以上となる所定値を設定する。
なお、本実施の形態の電源回路における実際の結合係数kとしては、ギャップGのギャップ長について、2.0mmとすることで、k=0.74を設定した。なお、ギャップGは、E型コアCR1,CR2の内磁脚を、2本の外磁脚よりも短くすることで形成することができる。
また、二次巻線N2における1ターン(T)あたりの誘起電圧レベルについては、5V/T以上となる所定値を設定する。
説明を図1に戻す。
絶縁コンバータトランスPITは、上記図2により説明した構造によって一次巻線N1に所定のリーケージインダクタンスL1を生じさせる。そして、少なくとも、一次側直列共振コンデンサC1のキャパシタンスと、上記リーケージインダクタンスL1によって一次側直列共振回路を形成する。
先に説明した接続態様によれば、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング出力は、上記一次側直列共振回路に伝達されることになる。そして、一次側直列共振回路が伝達されたスイッチング出力により共振動作を行うことで、一次側スイッチングコンバータの動作を電流共振形とする。
絶縁コンバータトランスPITは、上記図2により説明した構造によって一次巻線N1に所定のリーケージインダクタンスL1を生じさせる。そして、少なくとも、一次側直列共振コンデンサC1のキャパシタンスと、上記リーケージインダクタンスL1によって一次側直列共振回路を形成する。
先に説明した接続態様によれば、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング出力は、上記一次側直列共振回路に伝達されることになる。そして、一次側直列共振回路が伝達されたスイッチング出力により共振動作を行うことで、一次側スイッチングコンバータの動作を電流共振形とする。
ここで、これまでの説明によると、この図に示す一次側スイッチングコンバータとしては、一次側直列共振回路(L1−C1)による電流共振形としての動作と、前述した一次側部分電圧共振回路(Cp//L1)とによる部分電圧共振動作とが得られることになる。
つまり、この図に示す電源回路の一次側においては、一次側スイッチングコンバータを共振形とするための共振回路に対して、他の共振回路とが組み合わされた構成を採っている。ここでは、このように2つの共振回路が組み合わされて成るスイッチングコンバータを、「複合共振形コンバータ」ということにする。
つまり、この図に示す電源回路の一次側においては、一次側スイッチングコンバータを共振形とするための共振回路に対して、他の共振回路とが組み合わされた構成を採っている。ここでは、このように2つの共振回路が組み合わされて成るスイッチングコンバータを、「複合共振形コンバータ」ということにする。
絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2には、一次巻線N1に伝達されたスイッチング出力に応じた交番電圧が励起(誘起)される。
この場合、二次巻線N2の巻き終わり端部側に対しては、二次側直列共振コンデンサCが直列に接続されている。
これにより、絶縁コンバータトランスPITの二次側においては、少なくとも、二次側直列共振コンデンサC2のキャパシタンスと、二次巻線N2のリーケージインダクタンスL2とによって二次側直列共振回路を形成することになる。つまり、本実施の形態としては、絶縁コンバータトランスPITの一次側と二次側とのそれぞれにおいて直列共振回路が形成される。
この場合、二次巻線N2の巻き終わり端部側に対しては、二次側直列共振コンデンサCが直列に接続されている。
これにより、絶縁コンバータトランスPITの二次側においては、少なくとも、二次側直列共振コンデンサC2のキャパシタンスと、二次巻線N2のリーケージインダクタンスL2とによって二次側直列共振回路を形成することになる。つまり、本実施の形態としては、絶縁コンバータトランスPITの一次側と二次側とのそれぞれにおいて直列共振回路が形成される。
また、二次巻線N2に対しては、上記のように二次側直列共振コンデンサC2が接続されたうえで、4本の整流ダイオードDo1〜Do4を図示するようにして接続して成るブリッジ整流回路と、平滑コンデンサCoとにより形成される全波整流回路が接続される。
この全波整流回路によっては、二次巻線N2に励起(誘起)される交番電圧の一方の半周期において、整流ダイオード[Do1,Do4]の組が導通して、平滑コンデンサCoに対して整流電流を充電する動作が得られる。また、二次巻線N2に励起される交番電圧の他方の半周期においては、整流ダイオード[Do2,Do3]の組が導通して平滑コンデンサCoに対して整流電流を充電する動作が得られる。
これによって平滑コンデンサCoの両端電圧として、二次巻線N2に励起される交番電圧のレベルの等倍に対応したレベルによる二次側直流出力電圧Eoが得られる。
このようにして得られた二次側直流出力電圧Eoは、図示しない負荷に供給されるとともに、後述する制御回路1のための検出電圧としても分岐して入力される。上記全波整流回路は、二次側直列共振回路の共振出力について整流平滑動作を行っていることから、この全波整流回路による二次側の整流動作としても電流共振形となる。
この全波整流回路によっては、二次巻線N2に励起(誘起)される交番電圧の一方の半周期において、整流ダイオード[Do1,Do4]の組が導通して、平滑コンデンサCoに対して整流電流を充電する動作が得られる。また、二次巻線N2に励起される交番電圧の他方の半周期においては、整流ダイオード[Do2,Do3]の組が導通して平滑コンデンサCoに対して整流電流を充電する動作が得られる。
これによって平滑コンデンサCoの両端電圧として、二次巻線N2に励起される交番電圧のレベルの等倍に対応したレベルによる二次側直流出力電圧Eoが得られる。
このようにして得られた二次側直流出力電圧Eoは、図示しない負荷に供給されるとともに、後述する制御回路1のための検出電圧としても分岐して入力される。上記全波整流回路は、二次側直列共振回路の共振出力について整流平滑動作を行っていることから、この全波整流回路による二次側の整流動作としても電流共振形となる。
これまでの説明によれば、本実施の形態のスイッチング電源回路は、一次側に一次側直列共振回路(L1−C1)及び一次側部分電圧共振回路(L1//Cp)を備え、二次側には二次側直列共振回路(L2−C2)を備えることになる。
先にも述べたように、例えば、図1の一次側のみをみた場合のように、直列共振回路と部分電圧共振回路とによる2つの共振回路が組み合わされたスイッチングコンバータについては、複合共振形コンバータということとしたが、本実施の形態のようにして3以上の共振回路が組み合わされたスイッチングコンバータについては多重共振形コンバータということにする。
先にも述べたように、例えば、図1の一次側のみをみた場合のように、直列共振回路と部分電圧共振回路とによる2つの共振回路が組み合わされたスイッチングコンバータについては、複合共振形コンバータということとしたが、本実施の形態のようにして3以上の共振回路が組み合わされたスイッチングコンバータについては多重共振形コンバータということにする。
制御回路1は、二次側直流出力電圧Eoをスイッチング周波数制御方式により安定化するために設けられる。
この場合の制御回路1は、検出入力である二次側直流出力電圧Eoのレベル変化に応じた検出出力を発振・ドライブ回路2に供給する。発振・ドライブ回路2では、入力された制御回路1の検出出力に応じてスイッチング周波数が可変されるようにしてスイッチング素子Q1,Q2を駆動する。このためには、内部の発振回路により生成する発振信号の周波数を可変することになる。
スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周波数が可変されることで、一次側直列共振回路の共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1から二次巻線N2側に伝送される電力量が変化するが、これにより二次側直流出力電圧Eoのレベルを安定化させるように動作する。
この場合の制御回路1は、検出入力である二次側直流出力電圧Eoのレベル変化に応じた検出出力を発振・ドライブ回路2に供給する。発振・ドライブ回路2では、入力された制御回路1の検出出力に応じてスイッチング周波数が可変されるようにしてスイッチング素子Q1,Q2を駆動する。このためには、内部の発振回路により生成する発振信号の周波数を可変することになる。
スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周波数が可変されることで、一次側直列共振回路の共振インピーダンスが変化し、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1から二次巻線N2側に伝送される電力量が変化するが、これにより二次側直流出力電圧Eoのレベルを安定化させるように動作する。
詳細は後述するが、本実施の形態の電源回路におけるスイッチング周波数制御方式としては、一次側直列共振回路の共振周波数fo1及び二次側直列共振回路の共振周波数fo2により決まる中間共振周波数foに対して、これより高い周波数範囲をスイッチング周波数の可変範囲として設定している。つまり、いわゆるアッパーサイド制御の方式を採る。
一般的なこととして、直列共振回路は、共振周波数において最も共振インピーダンスが低くなる。このことから、本実施の形態のようにして、直列共振回路の共振周波数に基づくアッパーサイド制御方式を採る場合には、スイッチング周波数fsが高くなっていくのに応じて、共振インピーダンスを高くすることになる。
従って、例えば重負荷の傾向となって二次側直流出力電圧Eoが低下するのに応じては、上記スイッチング周波数を低くするように制御することになる。これは共振インピーダンスを低くすることとなり、一次側から二次側への電力伝送量が増加することになるので、二次側直流出力電圧Eoが上昇する。
これに対して、軽負荷の傾向となって二次側直流出力電圧Eoが上昇するのに応じては、上記スイッチング周波数を高くするように制御する。これにより、共振インピーダンスは高くなって上記電力伝送量が低減するために、二次側直流出力電圧Eoは低下する。このようにして、スイッチング周波数が可変されることによって、二次側直流出力電圧Eoが安定化されることになる。
一般的なこととして、直列共振回路は、共振周波数において最も共振インピーダンスが低くなる。このことから、本実施の形態のようにして、直列共振回路の共振周波数に基づくアッパーサイド制御方式を採る場合には、スイッチング周波数fsが高くなっていくのに応じて、共振インピーダンスを高くすることになる。
従って、例えば重負荷の傾向となって二次側直流出力電圧Eoが低下するのに応じては、上記スイッチング周波数を低くするように制御することになる。これは共振インピーダンスを低くすることとなり、一次側から二次側への電力伝送量が増加することになるので、二次側直流出力電圧Eoが上昇する。
これに対して、軽負荷の傾向となって二次側直流出力電圧Eoが上昇するのに応じては、上記スイッチング周波数を高くするように制御する。これにより、共振インピーダンスは高くなって上記電力伝送量が低減するために、二次側直流出力電圧Eoは低下する。このようにして、スイッチング周波数が可変されることによって、二次側直流出力電圧Eoが安定化されることになる。
続いて、力率改善回路100について説明する。
この力率改善回路100は、商用交流電源ACから直流入力電圧(Ei)を得るための整流平滑回路における整流電流経路に対して挿入されるようにして設けられるもので、電力回生方式として磁気結合形による力率改善回路の構成を採る。
この力率改善回路100は、商用交流電源ACから直流入力電圧(Ei)を得るための整流平滑回路における整流電流経路に対して挿入されるようにして設けられるもので、電力回生方式として磁気結合形による力率改善回路の構成を採る。
力率改善回路11においては、先ず、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子に対して、高速リカバリ型であるスイッチングダイオードD1(力率改善用スイッチング素子)のアノードが接続され、スイッチングダイオードD1のカソードは、高周波インダクタL10の直列接続を介して、平滑コンデンサCiの正極端子に対して接続される。つまり、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と平滑コンデンサCiの正極端子間に対して、スイッチングダイオードD1(アノード→カソード)−高周波インダクタL10の直列接続回路が挿入される。
また、上記スイッチングダイオードD1−高周波インダクタL10の直列接続回路に対しては、フィルタコンデンサCNを並列に接続している。フィルタコンデンサCNは、ノーマルモードノイズを抑制するために設けられる。
そして、前述もしたように、高周波インダクタL10と、スイッチングダイオードD1のカソードとの接続点に対して、一次側直列共振回路(L1−C1)が接続される。
また、上記スイッチングダイオードD1−高周波インダクタL10の直列接続回路に対しては、フィルタコンデンサCNを並列に接続している。フィルタコンデンサCNは、ノーマルモードノイズを抑制するために設けられる。
そして、前述もしたように、高周波インダクタL10と、スイッチングダイオードD1のカソードとの接続点に対して、一次側直列共振回路(L1−C1)が接続される。
このような力率改善回路100の回路構成によると、一次側直列共振回路に得られるスイッチング出力(一次側直列共振電流)を電力として回生して、高周波インダクタL10により得られるものとされる磁気結合を介するようにして平滑コンデンサCiに帰還する動作が得られることになる。
これにより、例えば一次側直列共振コンデンサC1と力率改善回路100側との接続点と、一次側アース間の電圧は、整流平滑電圧Eiに対して、スイッチング周期による交番電圧成分がさらに重畳した波形として得られる。高速リカバリ型のスイッチングダイオードD1は、このような整流平滑電圧Eiに重畳される交番電圧成分の印加により、例えば交流入力電圧VACの正/負の絶対値が、そのピーク値の約1/2以上のときにスイッチング動作を行い、平滑コンデンサCiに流入しようとする整流電流を断続する。
上記のようにして流れる整流電流のエンベロープの導通期間は、ブリッジ整流回路Diから出力される整流出力電圧レベルが平滑コンデンサCiの両端電圧よりも低いとされる期間にも流れるものとなっている。そして、交流入力電圧VACを基として流れる交流入力電流IACの導通期間も、この整流電流の導通期間にほぼ一致したものとなる。つまり、交流入力電流IACの導通角は、力率改善回路を備えない場合よりも拡大されているものであり、交流入力電流IACの波形としては、交流入力電圧VACの波形に近付くものとなっている。つまり、力率改善が図られていることになる。
これにより、例えば一次側直列共振コンデンサC1と力率改善回路100側との接続点と、一次側アース間の電圧は、整流平滑電圧Eiに対して、スイッチング周期による交番電圧成分がさらに重畳した波形として得られる。高速リカバリ型のスイッチングダイオードD1は、このような整流平滑電圧Eiに重畳される交番電圧成分の印加により、例えば交流入力電圧VACの正/負の絶対値が、そのピーク値の約1/2以上のときにスイッチング動作を行い、平滑コンデンサCiに流入しようとする整流電流を断続する。
上記のようにして流れる整流電流のエンベロープの導通期間は、ブリッジ整流回路Diから出力される整流出力電圧レベルが平滑コンデンサCiの両端電圧よりも低いとされる期間にも流れるものとなっている。そして、交流入力電圧VACを基として流れる交流入力電流IACの導通期間も、この整流電流の導通期間にほぼ一致したものとなる。つまり、交流入力電流IACの導通角は、力率改善回路を備えない場合よりも拡大されているものであり、交流入力電流IACの波形としては、交流入力電圧VACの波形に近付くものとなっている。つまり、力率改善が図られていることになる。
ここで、図1に示した実施の形態の電源回路の構成から、二次側直列共振コンデンサC2を省略して、二次側直列共振回路(及び二次側部分電圧共振回路)を形成しないものとした複合共振形コンバータについて考えてみる。
このような複合共振形コンバータは、一次側直列共振回路(及び一次側部分電圧共振回路)は備えるが、二次側直列共振回路は備えていない。このために、アッパーサイド制御のスイッチング周波数制御方式により二次側直流出力電圧Eoを安定化するのにあたっては、一次側直列共振回路の共振周波数fo1よりも高い周波数範囲でスイッチング周波数を可変制御し、これにより生じる共振インピーダンスの変化を利用することになる。
このような複合共振形コンバータは、一次側直列共振回路(及び一次側部分電圧共振回路)は備えるが、二次側直列共振回路は備えていない。このために、アッパーサイド制御のスイッチング周波数制御方式により二次側直流出力電圧Eoを安定化するのにあたっては、一次側直列共振回路の共振周波数fo1よりも高い周波数範囲でスイッチング周波数を可変制御し、これにより生じる共振インピーダンスの変化を利用することになる。
このことについて、図19を参照して説明する。図19は、上記複合共振形コンバータによる二次側直流出力電圧Eoについての定電圧制御特性を示している。この図において、横軸にはスイッチング周波数fsを示し、縦軸に二次側直流出力電圧Eoを示している。
ここで、直列共振回路は、共振周波数で最も共振インピーダンスが小さくなる。これにより、アッパーサイド制御における二次側直流出力電圧Eoとスイッチング周波数fsの関係として、二次側直流出力電圧Eoのレベルは、一次側直列共振回路の共振周波数fo1に対して、スイッチング周波数fsが近づいていくほど上昇し、共振周波数fo1から離れていくのに従って低下していくものとなる。
従って、負荷電力Poを一定とした条件でのスイッチング周波数fsに対する二次側直流出力電圧Eoのレベルは、図19に示すようにして、スイッチング周波数fsが一次側直列共振回路の共振周波数fo1と同じときにピークとなり、共振周波数fo1から離れるのに応じて低下する二次曲線的な変化を示す。
従って、負荷電力Poを一定とした条件でのスイッチング周波数fsに対する二次側直流出力電圧Eoのレベルは、図19に示すようにして、スイッチング周波数fsが一次側直列共振回路の共振周波数fo1と同じときにピークとなり、共振周波数fo1から離れるのに応じて低下する二次曲線的な変化を示す。
また、同じスイッチング周波数fsに対応する二次側直流出力電圧Eoのレベルは、最小負荷電力Pomin時よりも最大負荷電力Pomax時のほうが、所定分低下するようにしてシフトする特性が得られる。つまり、スイッチング周波数fsを固定として考えると、重負荷の条件となるのに従って二次側直流出力電圧Eoのレベルは低下する。
そして、このような特性のもとで、アッパーサイド制御により二次側直流出力電圧Eoについて、Eo=tgとなるようにして安定化しようとした場合、電源回路において必要となるスイッチング周波数の可変範囲(必要制御範囲)は、図においてΔfsとして示される範囲となる。
例えばこの複合共振形コンバータの実際として、AC100V系としての交流入力電圧VAC=85V〜120Vの入力変動範囲と、二次側直流出力電圧Eoの最大負荷電力Pomax=150W、最小負荷電力Pomin=0W(無負荷)の負荷条件に対応するとして、スイッチング周波数制御方式により、二次側直流出力電圧Eo=135Vで安定化する仕様を設定したとする。
この場合、この複合共振形コンバータが定電圧制御のために可変するスイッチング周波数fsの可変範囲は、fs=80kHz〜200kHz以上であり、必要制御範囲量であるΔfsとしても120kHz以上と相応に広範囲なものとなる。
この場合、この複合共振形コンバータが定電圧制御のために可変するスイッチング周波数fsの可変範囲は、fs=80kHz〜200kHz以上であり、必要制御範囲量であるΔfsとしても120kHz以上と相応に広範囲なものとなる。
このことをふまえて、この複合共振形コンバータについて、ワイドレンジ対応として構成することを考えてみる。
ワイドレンジ対応とするためには、例えばAC85V〜288Vの交流入力電圧範囲に対応すべきことになる。従って、例えば、AC100V系のみ、あるいはAC200V系のみの単レンジに対応する場合と比較して、二次側直流出力電圧Eoのレベル変動範囲も大きくなる。このような交流入力電圧範囲に応じて拡大された二次側直流出力電圧Eoのレベル変動に対して定電圧制御動作を行うためには、より広範囲なスイッチング周波数制御範囲が必要となる。例えば、スイッチング周波数fsの制御範囲は、約80kHz〜500kHzにまで拡大する必要がでてくる。
ワイドレンジ対応とするためには、例えばAC85V〜288Vの交流入力電圧範囲に対応すべきことになる。従って、例えば、AC100V系のみ、あるいはAC200V系のみの単レンジに対応する場合と比較して、二次側直流出力電圧Eoのレベル変動範囲も大きくなる。このような交流入力電圧範囲に応じて拡大された二次側直流出力電圧Eoのレベル変動に対して定電圧制御動作を行うためには、より広範囲なスイッチング周波数制御範囲が必要となる。例えば、スイッチング周波数fsの制御範囲は、約80kHz〜500kHzにまで拡大する必要がでてくる。
しかしながら、現状のスイッチング素子を駆動するためのIC(発振・ドライブ回路2)としては、対応可能な駆動周波数の上限は200kHz程度が限界である。また、仮に上記したような高い周波数での駆動が可能なスイッチング駆動用ICを構成して実装したとしても、このような高い周波数でスイッチング素子を駆動した場合には、電力変換効率が著しく低下するために、現実の電源回路として実用的ではなくなる。ちなみに、例えばこの場合の複合共振形コンバータによりにより安定化が可能な交流入力電圧VACレベルの上限は、100V程度である。
そこで、従来から、スイッチング周波数制御方式により安定化を図るスイッチング電源回路をワイドレンジ対応化するための構成の1つとして、先に図18に示したようにして、前段に対してアクティブフィルタを備えれば良いことが知られている。しかし、これ以外の構成によりワイドレンジ対応とすることも可能であり、例えば下記のような構成を採ることも知られている。
また、1つには、商用交流電源を入力して直流入力電圧(Ei)を生成する整流回路系について、AC100V系とAC200V系の商用交流電源入力に応じて、倍電圧整流回路と全波整流回路とで切り換えを行うように機能を与えるものである。
この場合には、商用交流電源レベルを検出して、その検出されたレベルに応じて、倍電圧整流回路若しくは全波整流回路が形成されるようにして、電磁リレーを用いたスイッチにより、整流回路系における回路接続の切り換えを行うように回路を構成する。
この場合には、商用交流電源レベルを検出して、その検出されたレベルに応じて、倍電圧整流回路若しくは全波整流回路が形成されるようにして、電磁リレーを用いたスイッチにより、整流回路系における回路接続の切り換えを行うように回路を構成する。
しかしながら、このような整流回路系の切り換えの構成では、上記しているように、所要数の電磁リレーが必要になる。また、倍電圧整流回路を形成するために少なくとも2本1組の平滑コンデンサを設ける必要も生じる。このため、それだけ部品点数が増加してコストアップとなると共に、電源回路基板のマウント面積も拡大して大型化する。特に、これら平滑コンデンサや電磁リレーは、電源回路を形成する部品のうちでも大型であるから、基板サイズは相当に大きくなってしまう。
また、全波整流動作と倍電圧整流動作を切り換える構成とした場合において、AC200V系の商用交流電源が入力されているときに、瞬間停電が生じたり、また、交流入力電圧が定格以下に低下するなどして、AC200系に対応するよりも低いレベルとなると、AC100V系であると検出して倍電圧整流回路に切り換えるという誤動作が生じたとする。このような誤動作が生じると、AC200V系のレベルの交流入力電圧について倍電圧整流を行うこととなるために、例えばスイッチング素子Q1,Q2などが耐圧オーバーとなって破壊される可能性もある。
そこで、実際の回路としては、上記のような誤動作が生じないようにするために、メインとなるスイッチングコンバータの直流入力電圧だけではなく、スタンバイ電源側のコンバータ回路の直流入力電圧も検出する構成を採るようにされる。これにより、スタンバイ電源側のコンバータ回路を検出するための部品の追加などにより、上記したコストアップ、及び回路基板サイズの大型化がさらに助長されてしまうことになる。
また、誤動作防止を目的としてスタンバイ電源側のコンバータの直流入力電圧を検出するということは、整流動作切り換えのための回路を備えるワイドレンジ対応の電源回路としては、メイン電源の他にスタンバイ電源を備える電子機器でなければ、実際に使用することができないということになる。つまり、電源を実装可能な電子機器の種類が、スタンバイ電源を備えたものに限定されるわけであり、それだけ利用範囲が狭くなる。
また、ワイドレンジ対応のための構成として、AC100V系/AC200V系の商用交流電源入力に応じて、一次側の電流共振形コンバータの形式をハーフブリッジ結合とフルブリッジ結合とで切り換える構成とすることも知られている。
この構成であれば、例えば上記した瞬間停電などによって、AC200V系の交流入力電圧がAC100V系のレベルにまで低下して誤動作したとしても、スイッチング動作がハーフブリッジ動作からフルブリッジ動作となるだけであり、スイッチング素子などが耐圧オーバーになることはない。このためにスタンバイ電源側の直流入力電圧を検出する必要もなくなるので、スタンバイ電源を備えない電子機器に対しても採用することが可能となる。また、商用電源ラインにおける切り換えではないために、半導体スイッチによる回路形態の切り換えが可能であるので、電磁リレーのような大型のスイッチ部品は不要となる。
この構成であれば、例えば上記した瞬間停電などによって、AC200V系の交流入力電圧がAC100V系のレベルにまで低下して誤動作したとしても、スイッチング動作がハーフブリッジ動作からフルブリッジ動作となるだけであり、スイッチング素子などが耐圧オーバーになることはない。このためにスタンバイ電源側の直流入力電圧を検出する必要もなくなるので、スタンバイ電源を備えない電子機器に対しても採用することが可能となる。また、商用電源ラインにおける切り換えではないために、半導体スイッチによる回路形態の切り換えが可能であるので、電磁リレーのような大型のスイッチ部品は不要となる。
しかし、この構成では、AC100V系時に対応してフルブリッジ結合を形成するために、スイッチング素子を少なくとも4本備える必要がある。つまり、2本のスイッチング素子により形成可能なハーフブリッジ結合方式のみによるコンバータの構成と比較すれば、2本のスイッチング素子を追加する必要があることになる。
また、この構成の場合には、フルブリッジ動作では4石がスイッチング動作を行い、ハーフブリッジ動作でも3石のスイッチング素子がスイッチング動作を行う。共振形コンバータは、低スイッチングノイズではあるが、このようにしてスイッチングを行うスイッチング素子数が増加するほどスイッチングノイズに関しては不利となる。
また、この構成の場合には、フルブリッジ動作では4石がスイッチング動作を行い、ハーフブリッジ動作でも3石のスイッチング素子がスイッチング動作を行う。共振形コンバータは、低スイッチングノイズではあるが、このようにしてスイッチングを行うスイッチング素子数が増加するほどスイッチングノイズに関しては不利となる。
このようにして、ワイドレンジ対応として上記した何れの構成を採った場合にも、単レンジ対応の構成と比較した場合には、部品点数の増加などによる回路規模の拡大、コストアップがさけられない。また、前者の構成では機器への利用範囲の制限、後者の構成ではスイッチングノイズの増加など、それぞれ、単レンジ対応の構成では抱えていなかった固有の問題が生じる。
また、図1の電源回路から二次側直列共振回路を省略した複合共振形コンバータについて、スイッチング周波数の制御範囲が相応に広範囲となることに起因しては、二次側直流出力電圧Eoについての安定化の高速応答特性が低下するという問題も抱える。
電子機器によっては、例えば最大負荷の状態とほぼ無負荷とされる状態のとの間で、負荷条件が瞬時的に切り換わるようにして変動する動作を伴うものがある。このような負荷変動は、スイッチング負荷ともいわれる。このような機器に搭載される電源回路としては、上記スイッチング負荷とされる負荷変動にも対応して二次側直流出力電圧が適正に安定化されるようにする必要がある。なお、上記スイッチング負荷としての動作を行う機器として、例えば、パーソナルコンピュータの周辺機器であるプリンタを挙げることができる。
しかしながら、先に図19によっても説明したようにスイッチング周波数の制御範囲が広範である特性を持つ場合には、上記スイッチング負荷のような負荷変動に対応して、二次側直流出力電圧を所要レベルとするためのスイッチング周波数にまで可変させるためには比較的長い時間を要することになる。つまり、定電圧制御の応答特性としては良好でない結果が得られることになる。
電子機器によっては、例えば最大負荷の状態とほぼ無負荷とされる状態のとの間で、負荷条件が瞬時的に切り換わるようにして変動する動作を伴うものがある。このような負荷変動は、スイッチング負荷ともいわれる。このような機器に搭載される電源回路としては、上記スイッチング負荷とされる負荷変動にも対応して二次側直流出力電圧が適正に安定化されるようにする必要がある。なお、上記スイッチング負荷としての動作を行う機器として、例えば、パーソナルコンピュータの周辺機器であるプリンタを挙げることができる。
しかしながら、先に図19によっても説明したようにスイッチング周波数の制御範囲が広範である特性を持つ場合には、上記スイッチング負荷のような負荷変動に対応して、二次側直流出力電圧を所要レベルとするためのスイッチング周波数にまで可変させるためには比較的長い時間を要することになる。つまり、定電圧制御の応答特性としては良好でない結果が得られることになる。
このような構成に対し、図1に示す本実施の形態の電源回路では、一次側と二次側とで、それぞれ直列共振回路(一次側直列共振回路、二次側直列共振回路)を備えることとしている。これにより、電流共振形コンバータを基とする電源回路として、スイッチング周波数制御のみの定電圧制御によりながらもワイドレンジ対応を可能とする。以下、この点について説明する。
図3の回路図は、図1に示す本実施の形態の電源回路について、一次側直列共振回路と二次側直列共振回路との関係によりみた場合の等価回路を示している。なお、この等価回路図において、図1と同一部分には、同一符号を付している。
この図においては、1:nの巻線比となる所定巻数の一次巻線N1と二次巻線N2を巻装した絶縁コンバータトランスPITが示されている。また、この図において、絶縁コンバータトランスPITにおける一次側と二次側との結合度を示す結合係数としては、総合結合係数ktとしてみる。
この図においては、1:nの巻線比となる所定巻数の一次巻線N1と二次巻線N2を巻装した絶縁コンバータトランスPITが示されている。また、この図において、絶縁コンバータトランスPITにおける一次側と二次側との結合度を示す結合係数としては、総合結合係数ktとしてみる。
図1の電源回路における総合結合係数ktがどのようなものであるのかについて、説明しておく。
図1に示す電源回路において、一次側直列共振回路を形成するものとして説明した一次巻線N1及び一次側直列共振コンデンサC1と、力率改善回路100内の高周波インダクタL10との接続関係を見てみると、一次巻線N1−一次側直列共振コンデンサC1−高周波インダクタL10の直列接続回路の高周波インダクタL10側の端部が、平滑コンデンサCiの正極端子に対して接続されているものとしてみることができる。また、このことは、一次側直列共振コンデンサC1のキャパシタンスと一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1とにより形成される一次側直列共振回路に対して、さらに高周波インダクタL10のインダクタンス成分が直列に接続されている状態であるとしてとらえることができる。
このことから、図1に示す電源回路の実際としては、一次側直列共振回路を形成する絶縁コンバータトランスPITの一次側のリーケージインダクタンス成分としては、一次巻線N1自体のリーケージインダクタンスL1と、高周波インダクタL10のインダクタンスとを合成したものとしてみることができる。つまり、絶縁コンバータトランスPITにおける一次側の総合的なリーケージインダクタンスとしては、L1+L10により表されるものとみることができる。
図1に示す電源回路において、一次側直列共振回路を形成するものとして説明した一次巻線N1及び一次側直列共振コンデンサC1と、力率改善回路100内の高周波インダクタL10との接続関係を見てみると、一次巻線N1−一次側直列共振コンデンサC1−高周波インダクタL10の直列接続回路の高周波インダクタL10側の端部が、平滑コンデンサCiの正極端子に対して接続されているものとしてみることができる。また、このことは、一次側直列共振コンデンサC1のキャパシタンスと一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1とにより形成される一次側直列共振回路に対して、さらに高周波インダクタL10のインダクタンス成分が直列に接続されている状態であるとしてとらえることができる。
このことから、図1に示す電源回路の実際としては、一次側直列共振回路を形成する絶縁コンバータトランスPITの一次側のリーケージインダクタンス成分としては、一次巻線N1自体のリーケージインダクタンスL1と、高周波インダクタL10のインダクタンスとを合成したものとしてみることができる。つまり、絶縁コンバータトランスPITにおける一次側の総合的なリーケージインダクタンスとしては、L1+L10により表されるものとみることができる。
このために、絶縁コンバータトランスPITそのものとしての結合係数kとしては、前述したように、例えばk=0.74を設定しているのであるが、上記のようにして、一次側のリーケージインダクタンスが、高周波インダクタL10のインダクタンスの合成分によって増加することで、電源回路内における絶縁コンバータトランスPITの総合的な結合係数としては、0.73よりも低い値が得られることになる。つまり、電源回路としてみた、絶縁コンバータトランスPITの一次側と二次側の間の結合度としては、絶縁コンバータトランスPITの構造自体による結合係数kに対して、より低く設定されることになる。これが、ここでの総合結合係数ktとして扱われる。
本実施の形態としては、例えば、高周波インダクタL10について、所定のインダクタンス値が設定されるように形成することで、総合結合係数ktについて、0.65程度以下を設定することとし、実際としては、kt=0.64を設定することとしている。この場合の総合結合係数ktの設定要素としては、絶縁コンバータトランスPITの構造自体による結合係数kと、力率改善用トランスVFTの一次巻線N11のインダクタンス(L11)であることになる。
本実施の形態としては、例えば、高周波インダクタL10について、所定のインダクタンス値が設定されるように形成することで、総合結合係数ktについて、0.65程度以下を設定することとし、実際としては、kt=0.64を設定することとしている。この場合の総合結合係数ktの設定要素としては、絶縁コンバータトランスPITの構造自体による結合係数kと、力率改善用トランスVFTの一次巻線N11のインダクタンス(L11)であることになる。
上記総合結合係数ktの説明をふまえ、図3について説明する。
図3に示すこの絶縁コンバータトランスPITの一次側において、L1l、L1eは、それぞれ、一次巻線N1のリーケージ(漏洩)インダクタンス、一次巻線N1の励磁インダクタンスを示す。また、絶縁コンバータトランスPITの二次側のL2l、L2eは、それぞれ二次巻線N2のリーケージ(漏洩)インダクタンス、二次巻線N2の励磁インダクタンスを示す。
なお、上記したことから分かるように、本実施の形態の場合には、この図3にて示される一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1lは、二次巻線N1そのもののリーケージインダクタンスL1と、高周波インダクタL10のインダクタンスが合成されたものとなる。
図3に示すこの絶縁コンバータトランスPITの一次側において、L1l、L1eは、それぞれ、一次巻線N1のリーケージ(漏洩)インダクタンス、一次巻線N1の励磁インダクタンスを示す。また、絶縁コンバータトランスPITの二次側のL2l、L2eは、それぞれ二次巻線N2のリーケージ(漏洩)インダクタンス、二次巻線N2の励磁インダクタンスを示す。
なお、上記したことから分かるように、本実施の形態の場合には、この図3にて示される一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1lは、二次巻線N1そのもののリーケージインダクタンスL1と、高周波インダクタL10のインダクタンスが合成されたものとなる。
この図3に示す等価回路図において、絶縁コンバータトランスPITの一次側では、スイッチング周波数fsによる交流(周波数信号)が入力されている。つまり、一次側スイッチングコンバータ(スイッチング素子Q1,Q2)のスイッチング出力が入力となっている。
そして、絶縁コンバータトランスPITの一次側では、このスイッチング周波数fsによる交流の入力を、一次側直列共振回路に供給することになる。この一次側直列共振回路は、図示するようにして、一次側直列共振コンデンサC1−リーケージインダクタンスL1lを一次巻線N1に対して直列に接続するとともに、励磁インダクタンスL1eを一次巻線N1に対して並列に接続したものとしてみることができる。
また、絶縁コンバータトランスPITの二次側直列共振回路としても、同様に、二次側直列共振コンデンサC2−リーケージインダクタンスL2lを二次巻線N2に対して直列に接続するとともに、励磁インダクタンスL2eを二次巻線N2に対して並列に接続したものとしてみることができる。また、この図では、上記のようにして形成される二次側直列共振回路の出力を負荷RLに出力することとしている。ここでの負荷RLは、二次側整流回路以降の回路及び負荷となる。
そして、絶縁コンバータトランスPITの一次側では、このスイッチング周波数fsによる交流の入力を、一次側直列共振回路に供給することになる。この一次側直列共振回路は、図示するようにして、一次側直列共振コンデンサC1−リーケージインダクタンスL1lを一次巻線N1に対して直列に接続するとともに、励磁インダクタンスL1eを一次巻線N1に対して並列に接続したものとしてみることができる。
また、絶縁コンバータトランスPITの二次側直列共振回路としても、同様に、二次側直列共振コンデンサC2−リーケージインダクタンスL2lを二次巻線N2に対して直列に接続するとともに、励磁インダクタンスL2eを二次巻線N2に対して並列に接続したものとしてみることができる。また、この図では、上記のようにして形成される二次側直列共振回路の出力を負荷RLに出力することとしている。ここでの負荷RLは、二次側整流回路以降の回路及び負荷となる。
上記した接続態様となる図3の等価回路においては、絶縁コンバータトランスPITの総合結合係数kt、一次巻線N1の自己インダクタンスをL1とすると、一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1lについて
L1l=(1−kt2)L1・・・(式1)
により表すことができる。
また、一次巻線N1の励磁インダクタンスL1eについては、
L1e=kt2×L1・・・(式2)
により表すことができる。
同様にして、二次巻線N2のリーケージインダクタンスL2l、励磁インダクタンスL2eについては、一次巻線N2の自己インダクタンスをL2とすると、それぞれ、
L2l=(1−kt2)L2・・・(式3)
L2e=kt2×L2・・・(式4)
により表される。
L1l=(1−kt2)L1・・・(式1)
により表すことができる。
また、一次巻線N1の励磁インダクタンスL1eについては、
L1e=kt2×L1・・・(式2)
により表すことができる。
同様にして、二次巻線N2のリーケージインダクタンスL2l、励磁インダクタンスL2eについては、一次巻線N2の自己インダクタンスをL2とすると、それぞれ、
L2l=(1−kt2)L2・・・(式3)
L2e=kt2×L2・・・(式4)
により表される。
ここで、図3に示す等価回路においては、絶縁コンバータトランスPITの電磁誘導を介して、一次側に一次側直列共振回路を備え、二次側に二次側直列共振回路を備えていることが示されている。従って、この図に示す回路は、電磁結合による結合形共振回路を形成しているものとしてみることができる。このために、図1に示す電源回路における二次側直流出力電圧Eoについての定電圧制御特性は、絶縁コンバータトランスPITの結合度(総合結合係数kt)に応じて異なるものとなる。この点について図4を参照して説明する。
図4は、上記図3の等価回路についての、入力(スイッチング周波数信号)に対する出力特性を示している。つまり、二次側直流出力電圧Eoについての制御特性をスイッチング周波数fsとの関係により示している。この図では、スイッチング周波数を横軸にとり、二次側直流出力電圧Eoのレベルを縦軸にとっている。
なお、図4の説明は、一次側直列共振回路の共振周波数fo1と二次側直列共振回路の共振周波数fo2の周波数関係がどのようなものであるかに関わらず当てはまる一般的なものである。ただし、本実施の形態では、後述するようにして、共振周波数fo1,fo2の関係を設定している。
なお、図4の説明は、一次側直列共振回路の共振周波数fo1と二次側直列共振回路の共振周波数fo2の周波数関係がどのようなものであるかに関わらず当てはまる一般的なものである。ただし、本実施の形態では、後述するようにして、共振周波数fo1,fo2の関係を設定している。
ここで、絶縁コンバータトランスPITの結合度について、総合結合係数kt=1による密結合とされる状態を設定したとする。すると、この場合の一次巻線N1のリーケージインダクタンスL1l、及び二次巻線N2のリーケージインダクタンスL2lは、それぞれ、上記(式1)(式3)に対してkt=1を代入することで、
L1l=L2l=0・・・(式5)
として表されることになる。つまり、絶縁コンバータトランスPITが密結合であることで、一次巻線N1及び二次巻線N2のリーケージインダクタンスは存在していない状態であることが示される。
L1l=L2l=0・・・(式5)
として表されることになる。つまり、絶縁コンバータトランスPITが密結合であることで、一次巻線N1及び二次巻線N2のリーケージインダクタンスは存在していない状態であることが示される。
このようにして、絶縁コンバータトランスPITの一次側と二次側とが密結合とされる状態での定電圧制御特性としては、図4の特性曲線1として示すように、一次側直列共振回路の共振周波数fo1と二次側直列共振回路の共振周波数fo2とは異なる周波数f1、f2において二次側直流出力電圧Eoがピークとなる、いわゆる双峰特性となる。
ここで、周波数f1は、
で表され、
周波数f2は、
で表される。
また、上記(数1)(数2)における項の1つであるfoは、一次側直列共振回路の共振周波数fo1と、二次側直列共振回路の共振周波数fo2との中間に存在する中間共振周波数であり、1次側のインピーダンスと2次側のインピーダンスと、一次側と二次側とで共通となるインピーダンス(相互結合インダクタンスM)により決定される周波数である。
なお、相互結合インダクタンスMについては、
により表される。
ここで、周波数f1は、
周波数f2は、
また、上記(数1)(数2)における項の1つであるfoは、一次側直列共振回路の共振周波数fo1と、二次側直列共振回路の共振周波数fo2との中間に存在する中間共振周波数であり、1次側のインピーダンスと2次側のインピーダンスと、一次側と二次側とで共通となるインピーダンス(相互結合インダクタンスM)により決定される周波数である。
なお、相互結合インダクタンスMについては、
また、上記した総合結合係数ktについて、kt=1の状態から徐々に小さくしていったとする、つまり、密結合の状態から徐々に疎結合の度合いを高くしていったとすると、図4に示される特性曲線1は、双峰の傾向が徐々に希薄となって、中間共振周波数fo近傍で平坦化していくような変化を示す。そして、ある総合結合係数ktにまで低下した段階で、いわゆる臨界結合の状態となる。この臨界結合の状態では、特性曲線2として示すようにして、双峰特性としての傾向ではなくなっており、中間共振周波数foを中心として曲線形状が平坦となる特性となる。
そして、さらに、上記臨界結合の状態から総合結合係数ktを小さくしていって、疎結合の状態を強めていったとすると、図4の特性曲線3として示すように、中間周波数foにおいてのみピークとなる単峰特性が得られる。また、この特性曲線3と、特性曲線1,2とを比較してみると、特性曲線3は、ピークレベルそのものは特性曲線1,2より低下するものの、その二次関数的な曲線形状として、より急峻な傾斜を有していることが分かる。
本実施の形態の絶縁コンバータトランスPITは、例えば総合結合係数kt≦0.65で表される疎結合の状態が設定されている。この総合結合係数ktの設定では、上記特性曲線3として示される単峰特性による動作となる。
本実施の形態の絶縁コンバータトランスPITは、例えば総合結合係数kt≦0.65で表される疎結合の状態が設定されている。この総合結合係数ktの設定では、上記特性曲線3として示される単峰特性による動作となる。
上記図4に示す単峰特性と、先に図19に示した複合共振形コンバータの定電圧制御特性を実際に比較してみると、図4に対して図19に示した特性は、二次曲線的には相当に緩やかな傾斜となる。
上記のようにして図19に示す特性が曲線的に緩やかであることから、二次側直流出力電圧Eoについて定電圧制御を行うためのスイッチング周波数の必要制御範囲は、例えば単レンジ対応の条件下であっても、fs=80kHz〜200kHz以上でΔfs=120kHz以上となるため、スイッチング周波数制御による定電圧制御のみによって、ワイドレンジ対応とすることが非常に困難であることは、先に説明したとおりである。
これに対して、本実施の形態の定電圧制御特性としては、上記図4の特性曲線3により示される単峰特性であることで、定電圧制御動作としては、図5に示すものとなる。
図5においては、図1に示す本実施の形態の電源回路についての、交流入力電圧VAC=100V時(AC100V系)における最大負荷電力Pomax時、最小負荷電力Pomin時の各特性曲線A,Bと、交流入力電圧VAC=230V時(AC200V系)における最大負荷電力Pomax時、最小負荷電力Pomin時の各特性曲線C,Dとの、4つの特性曲線が示されている。
図5においては、図1に示す本実施の形態の電源回路についての、交流入力電圧VAC=100V時(AC100V系)における最大負荷電力Pomax時、最小負荷電力Pomin時の各特性曲線A,Bと、交流入力電圧VAC=230V時(AC200V系)における最大負荷電力Pomax時、最小負荷電力Pomin時の各特性曲線C,Dとの、4つの特性曲線が示されている。
この図5から分かるように、先ず、AC100V系の入力に対応する交流入力電圧VAC=100V時において、二次側直流出力電圧Eoを所要の定格レベルtgで定電圧化するために必要となるスイッチング周波数の可変制御範囲(必要制御範囲)は、Δfs1で示されることになる。つまり、特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsから、特性曲線Bにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsまでの周波数範囲となる。
また、AC200V系の入力に対応する交流入力電圧VAC=230V時において、二次側直流出力電圧Eoを所要の定格レベルtgで定電圧化するために必要となるスイッチング周波数の可変制御範囲(必要制御範囲)は、Δfs2で示される。つまり、特性曲線Cにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsから、特性曲線Dにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsまでの周波数範囲となる。
また、AC200V系の入力に対応する交流入力電圧VAC=230V時において、二次側直流出力電圧Eoを所要の定格レベルtgで定電圧化するために必要となるスイッチング周波数の可変制御範囲(必要制御範囲)は、Δfs2で示される。つまり、特性曲線Cにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsから、特性曲線Dにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fsまでの周波数範囲となる。
前述したように、本実施の形態における二次側直流出力電圧Eoの制御特性である単峰特性は、先に図19に示した制御特性と比較して、二次関数曲線的に相当に急峻である。
このために、上記した交流入力電圧VAC=100V時、VAC=230V時の各必要制御範囲となるΔfs1、Δfs2は、図19に示されるΔfsと比較して相当に縮小されたものとなっている。
そのうえで、Δfs1における最低スイッチング周波数(特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fs)から、Δfs2における最高スイッチング周波数(特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fs)までの周波数可変範囲(ΔfsA)としても、相応に狭いものとなっている。
このために、上記した交流入力電圧VAC=100V時、VAC=230V時の各必要制御範囲となるΔfs1、Δfs2は、図19に示されるΔfsと比較して相当に縮小されたものとなっている。
そのうえで、Δfs1における最低スイッチング周波数(特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fs)から、Δfs2における最高スイッチング周波数(特性曲線Aにおいてレベルtgとなるスイッチング周波数fs)までの周波数可変範囲(ΔfsA)としても、相応に狭いものとなっている。
ここで、図1に示す本実施の形態の電源回路における実際の上記周波数可変範囲ΔfsAは、現状におけるスイッチング駆動用IC(発振・ドライブ回路2)が対応するスイッチング周波数の可変範囲内に充分に収まるものとなっている。つまり、図1に示す電源回路では、スイッチング周波数について、現実に、周波数可変範囲ΔfsAで可変制御することが可能とされている。そして、このことは、図1に示す電源回路が、AC100V系とAC200V系の何れの商用交流電源入力にも対応して、二次側直流出力電圧Eoを安定化可能であることを意味する。つまり、図1に示す電源回路は、スイッチング周波数制御のみによって、ワイドレンジ対応を可能としている。また、このようにして、必要制御範囲が縮小されることによっては、二次側直流出力電圧Eoを安定化する際の高速応答性が向上することとなって、例えば前述したスイッチング負荷といわれる負荷変動に対応して、良好な定電圧制御の性能が得られることになる。
ちなみに、電磁結合による結合形共振回路は、例えば中間周波トランス増幅器などのようにして、通信技術において、トランジスタによる増幅回路の増幅帯域幅を拡大するための手法として既に知られてはいる。しかしながら、このような分野では、密結合での双峰特性、或いは臨界結合での平担特性を用いているものであり、疎結合での単峰特性は用いられてはいない。本実施の形態では、このような電磁結合による結合形共振回路の技術において、通信技術の分野では採用されていなかった疎結合での単峰特性を、共振形スイッチングコンバータの分野において積極的に用いている、ということがいえる。これにより、上記のようにして、二次側直流出力電圧Eoを安定化するために必要なスイッチング周波数の可変範囲(必要制御範囲)を縮小し、スイッチング周波数制御での定電圧制御のみによるワイドレンジ対応を可能としているものである。
ところで、本実施の形態における総合結合係数kt=0.65以下と同等の疎結合の状態を、高周波インダクタL10のインダクタンスを含めることなく、絶縁コンバータトランスPITの構造のみにより得ようとするのであれば、例えば絶縁コンバータトランスPITのEE型コアの内磁脚のギャップGについて、さらに拡大して、絶縁コンバータトランスPITそのものを、結合係数k=0.65以下の疎結合トランスとして構成することになる。
このような構成を採ることによっても、図4にて説明した単峰特性を得ることができるので、図5にて説明したようにして、スイッチング周波数の必要制御範囲が縮小され、AC100V系とAC200V系の商用交流電源入力に対応して二次側直流電圧の安定化を図ることができる。
このような構成を採ることによっても、図4にて説明した単峰特性を得ることができるので、図5にて説明したようにして、スイッチング周波数の必要制御範囲が縮小され、AC100V系とAC200V系の商用交流電源入力に対応して二次側直流電圧の安定化を図ることができる。
しかしながら、このような絶縁コンバータトランスPITの構造とした場合、絶縁コンバータトランスPITのコアのギャップG近傍における渦電流損失の増加が支配的になってきて、この影響によってAC→DC電力変換効率(ηAC→DC)の低下が生じることになる。この渦電流損失に起因するAC→DC電力変換効率の低下傾向は、交流入力電圧VACのレベルが上昇するのに応じて顕著となる。従って、ワイドレンジ対応の電源回路としては、AC100V系で使用しているときよりもAC200V系で使用したときにAC→DC電力変換効率が低下するという問題を生じることになる。
ただし、上記した渦電流損失の増加は、例えば最大負荷電力Pomax=150W以下程度までの負荷条件では許容範囲であるために、上記したように、絶縁コンバータトランスPITのみによって結合係数k=0.65以下の疎結合の状態を設定したとしても、実用可能なワイドレンジ対応の電源回路を得ることができる。しかし、本実施の形態のようにして、最大負荷電力Pomax=200W程度にまで対応すべき場合には、上記した渦電流損失の増加が無視できない程度に顕著となってくる。このために、絶縁コンバータトランスPIT自体について結合係数k=0.65以下に設定してワイドレンジ対応の電源回路として実用化するのは困難になってくる。
ただし、上記した渦電流損失の増加は、例えば最大負荷電力Pomax=150W以下程度までの負荷条件では許容範囲であるために、上記したように、絶縁コンバータトランスPITのみによって結合係数k=0.65以下の疎結合の状態を設定したとしても、実用可能なワイドレンジ対応の電源回路を得ることができる。しかし、本実施の形態のようにして、最大負荷電力Pomax=200W程度にまで対応すべき場合には、上記した渦電流損失の増加が無視できない程度に顕著となってくる。このために、絶縁コンバータトランスPIT自体について結合係数k=0.65以下に設定してワイドレンジ対応の電源回路として実用化するのは困難になってくる。
そこで本実施の形態では、前述もしたように、高周波インダクタL10のインダクタンスにより一次巻線N1のリーケージインダクタンスを等価的に増加させ、これにより、電源回路内における絶縁コンバータトランスPITの総合結合係数ktについて、kt=0.65以下を設定するようにしている。
この場合、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしては、k=0.74程度を設定することができるので、ギャップGのギャップ長としても、前述したように、2.0mm程度とすることができる。つまり、渦電流の増加の問題が生じない程度の一定以下のギャップ長に抑えることができる。
これにより、実施の形態の電源回路としては、上記した渦電流損失の増加の問題は解消されるため、これに起因するAC→DC電力変換効率の低下も生じないことになる。従って、AC200V系時での使用においても、ワイドレンジ対応の電源回路として実用的な程度に良好なAC→DC電力変換効率特性が得られることになる。
この場合、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしては、k=0.74程度を設定することができるので、ギャップGのギャップ長としても、前述したように、2.0mm程度とすることができる。つまり、渦電流の増加の問題が生じない程度の一定以下のギャップ長に抑えることができる。
これにより、実施の形態の電源回路としては、上記した渦電流損失の増加の問題は解消されるため、これに起因するAC→DC電力変換効率の低下も生じないことになる。従って、AC200V系時での使用においても、ワイドレンジ対応の電源回路として実用的な程度に良好なAC→DC電力変換効率特性が得られることになる。
また、本実施の形態の電源回路では、二次側に対しても直列共振回路(二次側直列共振回路)を形成しているのであるが、このことも電力変換効率を向上させる要因となっている。
つまり、二次側直列共振回路を備えることで、その共振動作により得られるエネルギーの増加分を含めて二次側直流出力電圧Eoとしての電力を供給することが可能になり、疎結合としたことによる電力変換効率の低下が補償されることになる。さらに、前述したように、二次側において、二次側部分電圧共振回路を形成することによっても、二次側の整流ダイオードにおけるスイッチング損失を低減しており、このことも電力変換効率の向上に寄与している。
つまり、二次側直列共振回路を備えることで、その共振動作により得られるエネルギーの増加分を含めて二次側直流出力電圧Eoとしての電力を供給することが可能になり、疎結合としたことによる電力変換効率の低下が補償されることになる。さらに、前述したように、二次側において、二次側部分電圧共振回路を形成することによっても、二次側の整流ダイオードにおけるスイッチング損失を低減しており、このことも電力変換効率の向上に寄与している。
図6の波形図は、力率改善回路100の動作を、商用交流電源周期により示している。この図6では、交流入力電圧VAC、交流入力電流IACの各波形について、AC100V系に対応するVAC=100V時の動作を図6(a)に示し、AC200V系に対応するVAC=230V時の動作を図6(b)に示している。
なお、この図6に示す波形図と、後述する図7の波形図、及び図8の特性図としての各実験結果を得るのにあたっては、要部を次のように選定した。
先ず、絶縁コンバータトランスPITについては、EER-39型のコアを選定し、このコアに形成するギャップGのギャップ長については2.0mmとしたうえで、一次巻線N1=24T、二次巻線N2=26Tを巻装した。この構造により、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしては、k=0.74を得ている。また、二次巻線N2の1ターン(T)あたりの誘起電圧は、5V/Tとしている。
また、高周波インダクタL10は、EI-19型のコアを選定して、中央磁脚にギャップを形成する。このギャップ長は1mmとした。これにより、高周波インダクタL10のインダクタンス値は、L10=27μHを設定した。
このような絶縁コンバータトランスPITと高周波インダクタL10の選定により、総合結合係数kt=0.64が設定される。
また、一次側直列共振回路、二次側直列共振回路を形成するための各共振コンデンサ、及び力率改善回路100内のフィルタコンデンサCNについては、下記のように選定した。
・一次側直列共振コンデンサC1=0.056μF
・二次側直列共振コンデンサC2=0.027μF
・フィルタコンデンサCN=1μF
先ず、絶縁コンバータトランスPITについては、EER-39型のコアを選定し、このコアに形成するギャップGのギャップ長については2.0mmとしたうえで、一次巻線N1=24T、二次巻線N2=26Tを巻装した。この構造により、絶縁コンバータトランスPIT自体の結合係数kとしては、k=0.74を得ている。また、二次巻線N2の1ターン(T)あたりの誘起電圧は、5V/Tとしている。
また、高周波インダクタL10は、EI-19型のコアを選定して、中央磁脚にギャップを形成する。このギャップ長は1mmとした。これにより、高周波インダクタL10のインダクタンス値は、L10=27μHを設定した。
このような絶縁コンバータトランスPITと高周波インダクタL10の選定により、総合結合係数kt=0.64が設定される。
また、一次側直列共振回路、二次側直列共振回路を形成するための各共振コンデンサ、及び力率改善回路100内のフィルタコンデンサCNについては、下記のように選定した。
・一次側直列共振コンデンサC1=0.056μF
・二次側直列共振コンデンサC2=0.027μF
・フィルタコンデンサCN=1μF
図6(a)(b)に示すようにして、VAC=100V/230V時のそれぞれにおいて、交流入力電圧VACが入力されて、スイッチングコンバータが動作するのに応じて、先に説明したようにして、力率改善回路100では、一次側直列共振回路からの電力回生が行われて力率改善動作を実行することになる。図6には、力率改善回路100の力率改善動作の結果として得られる交流入力電流IACが示されている。この交流入力電流IACは、例えば力率改善回路100を備えない場合よりも、その導通期間(導通角)が拡大されている。また、この場合の交流入力電流IACのエンベロープ波形は、図示するようにして半波の正弦波状となる。
また、図7は、図1に示した電源回路の要部の動作波形を、スイッチングコンバータのスイッチング周期により示す波形図である。
なお、この図において、図7(a)では交流入力電圧VAC=100V時での動作波形を示し、図7(b)では交流入力電圧VAC=230V時の動作波形を示している。また、さらに図7(a)(b)の各図では、それぞれ負荷電力Po=200W時とPo=0W時での動作波形を示している。なお、負荷電力Po=200W、負荷電力Po=0Wは、それぞれ実施の形態の電源回路における最大負荷電力(Pomax)、最小負荷電力(Pomin)である。
なお、この図において、図7(a)では交流入力電圧VAC=100V時での動作波形を示し、図7(b)では交流入力電圧VAC=230V時の動作波形を示している。また、さらに図7(a)(b)の各図では、それぞれ負荷電力Po=200W時とPo=0W時での動作波形を示している。なお、負荷電力Po=200W、負荷電力Po=0Wは、それぞれ実施の形態の電源回路における最大負荷電力(Pomax)、最小負荷電力(Pomin)である。
また、この図7の説明にあたり、図1に示す電源回路における一次側直列共振回路の共振周波数fo1と、二次側直列共振回路の共振周波数fo2の実際について言及しておく。
これら一次側直列共振回路の共振周波数fo1と、二次側直列共振回路の共振周波数fo2については、先に説明したようにして、絶縁コンバータトランスPIT、高周波インダクタL1を形成し、また、一次側直列共振コンデンサC1、二次側直列共振コンデンサC2のキャパシタンスなどを選定したことにより、fo1=59kHz程度を設定し、fo2=84kHz程度を設定している。つまり、例えばfo2≒fo1×1.4の関係が得られるように各共振回路の共振周波数を設定することとしている。
これら一次側直列共振回路の共振周波数fo1と、二次側直列共振回路の共振周波数fo2については、先に説明したようにして、絶縁コンバータトランスPIT、高周波インダクタL1を形成し、また、一次側直列共振コンデンサC1、二次側直列共振コンデンサC2のキャパシタンスなどを選定したことにより、fo1=59kHz程度を設定し、fo2=84kHz程度を設定している。つまり、例えばfo2≒fo1×1.4の関係が得られるように各共振回路の共振周波数を設定することとしている。
図7において、矩形波状の電圧V1は、スイッチング素子Q2の両端電圧であり、スイッチング素子Q2のオン/オフタイミングを示す。この電圧V1は、スイッチング素子Q2が導通してオンとなるオン期間では0レベルとなり、非導通となるオフ期間においては、整流平滑電圧Eiのレベルでクランプされる波形となる。
スイッチング素子Q2のオン期間においては、スイッチング素子Q2及びクランプダイオードDD2から成るスイッチング回路系には、図示する波形によるスイッチング電流IQ2が流れる。また、スイッチング電流IQ2は、スイッチング素子Q2のオフ期間においては0レベルとなる。
また、図示していないが、他方のスイッチング素子Q1の両端電圧、及びスイッチング回路(Q1,DD1)に流れるスイッチング電流としては、上記電圧V1、及びスイッチング電流IQ2の位相を180°シフトした波形として得られる。つまり、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2とは、交互にオン/オフするようにして同じ周期タイミングでスイッチング動作を行う。
なお、一次側直列共振回路(L1−C1)を流れる一次側直列共振電流(図示せず)としては、これらのスイッチング回路(Q1,DD1)(Q2,DD2)に流れるスイッチング電流が合成された成分として流れる。
スイッチング素子Q2のオン期間においては、スイッチング素子Q2及びクランプダイオードDD2から成るスイッチング回路系には、図示する波形によるスイッチング電流IQ2が流れる。また、スイッチング電流IQ2は、スイッチング素子Q2のオフ期間においては0レベルとなる。
また、図示していないが、他方のスイッチング素子Q1の両端電圧、及びスイッチング回路(Q1,DD1)に流れるスイッチング電流としては、上記電圧V1、及びスイッチング電流IQ2の位相を180°シフトした波形として得られる。つまり、スイッチング素子Q1とスイッチング素子Q2とは、交互にオン/オフするようにして同じ周期タイミングでスイッチング動作を行う。
なお、一次側直列共振回路(L1−C1)を流れる一次側直列共振電流(図示せず)としては、これらのスイッチング回路(Q1,DD1)(Q2,DD2)に流れるスイッチング電流が合成された成分として流れる。
上記電圧V1及びスイッチング電流IQ2により示される一次側のスイッチング動作により、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2が誘起されて、二次側直列共振回路が動作することになる。二次巻線N2には、この二次側直列共振回路の共振動作に応じた周期の交番電圧が発生する。
二次巻線N2の交番電圧(二次側直列共振回路の出力)を入力して動作する二次側整流回路においては、交番電圧が正極性となる半周期において整流ダイオード[Do1、Do4]の組が導通して平滑コンデンサCoに整流電流を充電し、負極性となる半周期において整流ダイオード[Do2、Do3]の組が導通して平滑コンデンサCoに整流電流を充電する動作が得られる。
このような動作が行われることで、二次側の整流電流経路を流れる二次側整流電流I2としては、図のようにして、正極性により流れる期間と負極性により流れる期間とが周期的に交互に現れる波形となる。(各図Pomax時参照)。この二次側整流電流I2は、Pomin=0W時には0レベルとなる。
二次巻線N2の交番電圧(二次側直列共振回路の出力)を入力して動作する二次側整流回路においては、交番電圧が正極性となる半周期において整流ダイオード[Do1、Do4]の組が導通して平滑コンデンサCoに整流電流を充電し、負極性となる半周期において整流ダイオード[Do2、Do3]の組が導通して平滑コンデンサCoに整流電流を充電する動作が得られる。
このような動作が行われることで、二次側の整流電流経路を流れる二次側整流電流I2としては、図のようにして、正極性により流れる期間と負極性により流れる期間とが周期的に交互に現れる波形となる。(各図Pomax時参照)。この二次側整流電流I2は、Pomin=0W時には0レベルとなる。
ここで、これら図7(a)と図7(b)を比較してみると、先ず、図7(b)に示される交流入力電圧VAC=230V、Pomax=200W時の波形図においては、一次側のスイッチング電流IQ2の導通期間内に二次側整流電流I2の導通期間が収まっている。この状態は、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング出力として一次側直列共振回路に流れる一次側直列共振電流と、二次側整流電流I2との位相が一致している状態とみることができる。
これに対して、図7(a)に示される交流入力電圧VAC=100V、Pomax=200W時では、スイッチング電流IQ2の導通期間内に二次側整流電流I2の導通期間が収まっていない状態で、周期的に流れている状態にある。つまり、交流入力電圧VAC=100V、Pomax=200Wの条件においては、一次側直列共振電流に対して、二次側整流電流I2が一定の位相差を有している状態であるということがいえる。
このような位相差は、先に述べたように、一次側直列共振回路の共振周波数fo1と二次側直列共振回路の共振周波数fo2について、fo2≒fo1×1.4の関係が得られるように設定したことにより生じるものである。逆に言えば、一次側直列共振回路の共振周波数fo1と二次側直列共振回路の共振周波数fo2は、一定以下の交流入力電圧VACのレベルと、一定以上の重負荷の条件において、一次側直列共振電流と二次側整流電流I2との間で一定の位相差が得られるようにして設定されている。
これに対して、図7(a)に示される交流入力電圧VAC=100V、Pomax=200W時では、スイッチング電流IQ2の導通期間内に二次側整流電流I2の導通期間が収まっていない状態で、周期的に流れている状態にある。つまり、交流入力電圧VAC=100V、Pomax=200Wの条件においては、一次側直列共振電流に対して、二次側整流電流I2が一定の位相差を有している状態であるということがいえる。
このような位相差は、先に述べたように、一次側直列共振回路の共振周波数fo1と二次側直列共振回路の共振周波数fo2について、fo2≒fo1×1.4の関係が得られるように設定したことにより生じるものである。逆に言えば、一次側直列共振回路の共振周波数fo1と二次側直列共振回路の共振周波数fo2は、一定以下の交流入力電圧VACのレベルと、一定以上の重負荷の条件において、一次側直列共振電流と二次側整流電流I2との間で一定の位相差が得られるようにして設定されている。
このようにして、本実施の形態としては、本実施の形態な各共振周波数fo1、fo2の設定により、交流入力電圧VAC=100V・負荷電力Pomax=200Wの条件のもとで、スイッチング電流IQ2と二次側整流電流I2とについて一定の位相差を生じさせている。これにより、交流入力電圧VAC=230V時(AC200V系時)で最大負荷電力Pomax200W時の条件では、スイッチング電流IQ2のピークレベルが有効に抑制されるという実験結果が得られた。
なお、このように交流入力電圧VAC=230V時でのスイッチング電流IQ2のピークレベルの抑制が図られていることは、図7(a)における負荷電力Pomax時のスイッチング電流IQ2のピークレベルとPomin=0W時のスイッチング電流IQ2のピークレベルの比(L1/L2)に対して、図7(b)におけるPomax時のスイッチング電流IQ2のピークレベルとPomin=0W時のスイッチング電流IQ2のピークレベルの比(L3/L4)の方が小さくなっていることによっても示されている。
なお、このように交流入力電圧VAC=230V時でのスイッチング電流IQ2のピークレベルの抑制が図られていることは、図7(a)における負荷電力Pomax時のスイッチング電流IQ2のピークレベルとPomin=0W時のスイッチング電流IQ2のピークレベルの比(L1/L2)に対して、図7(b)におけるPomax時のスイッチング電流IQ2のピークレベルとPomin=0W時のスイッチング電流IQ2のピークレベルの比(L3/L4)の方が小さくなっていることによっても示されている。
このようにして、スイッチング電流IQ2のピークレベルが抑制されることによっては、一次側直列共振回路を流れる一次側直列共振電流(Io)のピークレベルとしてもその抑制が図られる。そして、一次側直列共振電流のピークレベルの抑制が図られることによっては、各スイッチング素子Q1、Q2を流れる電流レベルが抑制されることになるので、スイッチング素子Q1、Q2におけるスイッチング損失も低減されることになる。
つまり、図1の電源回路においては、特に交流入力電圧レベルが高く、かつ重負荷となる傾向の条件において、従来よりも電力損失が低減されているものであり、電源回路としての電力変換効率特性の向上が図られているということがいえる。
つまり、図1の電源回路においては、特に交流入力電圧レベルが高く、かつ重負荷となる傾向の条件において、従来よりも電力損失が低減されているものであり、電源回路としての電力変換効率特性の向上が図られているということがいえる。
なお、上記のようにして、共振周波数fo1、fo2を設定した場合、図7に示されるように、交流入力電圧VAC=100V/Pomax=200W時のスイッチング電流IQ2(一次側直列共振電流)の波形は略正弦波状となる。またVAC=230V/Pomax=200W時のスイッチング電流IQ2(一次側直列共振電流)の波形のピーク部分は略M字状となる。
また、本実施の形態では、共振周波数fo1、fo2についてfo2≒fo1×1.4の関係が得られるように設定する例を挙げたが、上記のような効果を得るにあたって設定されるべき共振周波数fo1と共振周波数fo2の値の関係はこれに限定されるものでなく、実際には例えば対応する負荷条件等により適宜変更されて構わない。
すなわち、例えば、実際に必要とされるまでに一次側直列共振電流のピークレベルが抑制される状態が得られるように、一定以下の交流入力電圧範囲で、かつ、一定以上の重負荷とされる条件において、一次側直列共振電流と二次側整流電流について一定の位相差が得られるように、共振周波数fo1と共振周波数fo2の値が設定されればよいものである。
すなわち、例えば、実際に必要とされるまでに一次側直列共振電流のピークレベルが抑制される状態が得られるように、一定以下の交流入力電圧範囲で、かつ、一定以上の重負荷とされる条件において、一次側直列共振電流と二次側整流電流について一定の位相差が得られるように、共振周波数fo1と共振周波数fo2の値が設定されればよいものである。
また、図7において示した二次側整流電流I2の波形を参照してわかるように、図1の回路の二次側に流れる整流電流としては、それぞれ正負のピークレベルLvpが同等のレベルで得られている。
このように二次側整流電流の正負のピークレベルが同等となるのは、図1の回路では二次側の整流回路としてブリッジ整流回路を備え、両波整流回路以外の整流回路としたことによる。
このように二次側整流電流の正負のピークレベルが同等となるのは、図1の回路では二次側の整流回路としてブリッジ整流回路を備え、両波整流回路以外の整流回路としたことによる。
二次側整流回路を両波波整流回路とした場合には、絶縁コンバータトランスPITに偏磁が生じるために、二次側整流電流の正負のピークレベルは同等と成らない。
例えば両波整流回路を形成するのにあたっては、センタータップを分割点として、2組の二次巻線部を巻装する必要がある。これら2組の二次巻線部は、絶縁コンバータトランスPITのボビンに対しどちらから先に巻き付けるかによって、一方の巻線部は長く、他方は短くなる。そして、このような巻線長の差から、一次巻線N1と一方の二次巻線部との結合係数と、一次巻線N1と他方の二次巻線部の結合係数との間に差が生じる。そして、このようにして異なる結合係数の二次巻線部に対して、二次巻線の誘起電圧の正負の半周期ごとに、交互に整流電流が流れる。このことが原因となって、二次側整流電流は、正負の各半周期でピークレベルが異なるようにして流れる。
例えば両波整流回路を形成するのにあたっては、センタータップを分割点として、2組の二次巻線部を巻装する必要がある。これら2組の二次巻線部は、絶縁コンバータトランスPITのボビンに対しどちらから先に巻き付けるかによって、一方の巻線部は長く、他方は短くなる。そして、このような巻線長の差から、一次巻線N1と一方の二次巻線部との結合係数と、一次巻線N1と他方の二次巻線部の結合係数との間に差が生じる。そして、このようにして異なる結合係数の二次巻線部に対して、二次巻線の誘起電圧の正負の半周期ごとに、交互に整流電流が流れる。このことが原因となって、二次側整流電流は、正負の各半周期でピークレベルが異なるようにして流れる。
このように各半周期で整流電流のピークレベルが異なるということは、半波の期間ごとに対応する整流ダイオードに流れる電流のピークレベルも異なっており、結果として一方の整流ダイオードとしては、双方のダイオードに均等のピークレベルによる整流電流が流れる場合よりも、耐電流レベルを上げなければならないことになる。従って、その分、均等な整流電流のピークレベルが得られる場合よりも、耐電流レベルの高いより高価な部品を選定する必要がでてくるもので、これによって電源回路の製造上のコストアップを招く。また、二次側整流電流のピークレベルの偏りによっては、半波の期間ごとに対応する整流ダイオードにおける導通損にも偏りが生じてしまうという問題もある。
図1の回路の場合では、両波整流回路ではなくブリッジ全波整流回路としている。つまり、二次巻線N2全体に対して、二次巻線N2に誘起された交番電圧の正負の各期間の整流電流が流れるような整流回路の形式としている。これにより、上記しているような絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2の偏磁を解消し、正負の各期間の二次側整流電流について均等なピークレベルを得ている。これにより、正負の各半波の期間に対応する二次側整流ダイオードについて、同じ耐電流レベル品を選定することができ、例えばコストアップを回避できる。また、このように二次側の整流電流が各半周期で同等のピークレベルとなることで、各整流ダイオードにおける導通損の偏りも解消されるが、このことは、電源回路における電力変換効率の向上要素となる。
また、二次側整流回路について、両波整流回路に代えて、二次巻線の誘起電圧の正負の各期間において二次巻線全体において整流電流が流れる形式の整流回路とすることによっては、次のような問題も解消している。
先ず、両波整流回路とした場合、図18の電流共振形コンバータの二次側としても示すように、二次巻線N2はセンタータップされ、2つの二次巻線部N2A,N2Bが形成されることになる。そして、これら2つの二次巻線部において、二次巻線N2に励起される交番電圧の一方の半周期においては、整流電流は[二次巻線部N2A→整流ダイオードDo1→平滑コンデンサCo→二次巻線部N2A]の経路で流れる。また、上記交番電圧の他方の半周期には、整流電流は[二次巻線部N2B→整流ダイオードDo2→平滑コンデンサCo→二次巻線部N2B]を介して流れる。
つまり両波整流において、2つの二次巻線部としては、一方の半周期には一方にのみ電流が流れ、他方には流れないという状態となる。
つまり両波整流において、2つの二次巻線部としては、一方の半周期には一方にのみ電流が流れ、他方には流れないという状態となる。
このような両波整流動作によると、絶縁コンバータトランスPITのボビンに対してそれぞれ巻装された二次巻線部N2Aと二次巻線部N2Bとの間には、所要の静電容量が存在することとなる。
そして、このように線間静電容量が存在していることにより、この場合の絶縁コンバータトランスPITの二次側においては、先の図12に示されるようにして、等価的には二次巻線N2に対して並列にコンデンサCvが接続された状態となる。
そして、このように線間静電容量が存在していることにより、この場合の絶縁コンバータトランスPITの二次側においては、先の図12に示されるようにして、等価的には二次巻線N2に対して並列にコンデンサCvが接続された状態となる。
二次巻線N2に対して並列にコンデンサCvが接続されることで、この場合は二次側においても二次巻線N2のリーケージインダクタンスとコンデンサCvのキャパシタンスとによる、並列共振回路が形成されることと等価の状態が得られる。
ちなみに、上記コンデンサCvのキャパシタンスとしては、二次巻線N2として用いるリッツ線の束数と、二次巻線N2が巻装されるボビンの窓面積によって決定されるものであるが、例えば図18に示した電流共振形コンバータの設計仕様では、およそ100pF〜500pF程度と微少なもとなっている。
ちなみに、上記コンデンサCvのキャパシタンスとしては、二次巻線N2として用いるリッツ線の束数と、二次巻線N2が巻装されるボビンの窓面積によって決定されるものであるが、例えば図18に示した電流共振形コンバータの設計仕様では、およそ100pF〜500pF程度と微少なもとなっている。
そして、このように二次側においても並列共振回路が形成されることで、定電圧制御特性の実際としては、図19に示したものから図20に示すようなものとなる。
図20において、先ず、上記のように二次側に対しても並列共振回路が形成されることで、一次側の直列共振回路の共振周波数をfo1とした場合、二次側の並列共振回路の共振周波数fov2が存在することになる。
そして、このように異なる共振点が2つ存在するようにされることで、特にPomin時(軽負荷時)における特性曲線としては、一次側の共振周波数fo1に応じてピークと二次側の共振周波数fov2に応じたピークとの2つのピークを持つ、図のような双峰曲線が得られることになる。
図20において、先ず、上記のように二次側に対しても並列共振回路が形成されることで、一次側の直列共振回路の共振周波数をfo1とした場合、二次側の並列共振回路の共振周波数fov2が存在することになる。
そして、このように異なる共振点が2つ存在するようにされることで、特にPomin時(軽負荷時)における特性曲線としては、一次側の共振周波数fo1に応じてピークと二次側の共振周波数fov2に応じたピークとの2つのピークを持つ、図のような双峰曲線が得られることになる。
この場合、コンデンサCvのキャパシタンスとしては、上記もしたように比較的微少とされることで、重負荷の条件で二次側直流出力電圧Eoのレベルが比較的低くなる傾向とされているときは、二次側の共振点は顕在化しない(Pomax時の特性曲線)。しかし、軽負荷の傾向となって、無負荷の状態に近づくことによっては、二次側直流出力電圧Eoが急激な上昇傾向となることに伴って、二次側の共振点が顕在化するかの如く、図中Po=0時の特性曲線のような双峰の特性曲線が得られる。
この双峰の特性曲線と、先の図19における同じPo=0W時の特性曲線を比較すると、図15に示される双峰曲線の方が、単峰の曲線とされた場合よりも、無負荷時のスイッチング周波数がより高くなる傾向となることが理解できる。
そして、これによれば、各図のΔfsを比較してわかるように、図20の双峰となる方がスイッチング周波数の必要制御範囲Δfsがより広範となる。
そして、これによれば、各図のΔfsを比較してわかるように、図20の双峰となる方がスイッチング周波数の必要制御範囲Δfsがより広範となる。
このようにして、二次側整流回路として両波整流回路を備えた場合は、二次側において等価的に形成される並列共振回路の共振回路による共振点の存在に起因して、必要制御範囲Δfsが拡大する。
これまで説明した二次側の構成を採る本実施の形態の電源回路としては、上記したコンデンサCvは形成されず、従って、二次側並列共振の形成に起因する必要制御範囲Δfsの拡大要素が排除されているものである。
これまで説明した二次側の構成を採る本実施の形態の電源回路としては、上記したコンデンサCvは形成されず、従って、二次側並列共振の形成に起因する必要制御範囲Δfsの拡大要素が排除されているものである。
また、図8は、図1に示した電源回路ついての実験結果として、最大負荷電力Pomax=200W〜最小負荷電力Pomin=0W(無負荷)の範囲での負荷変動に対する整流平滑電圧(直流入力電圧)Ei、力率(PF)、及びAC→DC電力変換効率(ηAC→DC)の特性を示している。この図においては、AC100V系に対応する交流入力電圧VAC=100V時の特性を実線で示し、AC200V系に対応する交流入力電圧VAC=230V時の特性を破線で示している。
先ず、図8に示されるように、スイッチングコンバータの直流入力電圧となる整流平滑電圧Eiは、交流入力電圧VAC=100V時の条件では、最大負荷電力Pomax=200W時には約140Vで、ここから軽負荷の状態となっていくのに応じて低下傾向を見せるが、負荷電力Po=100Wあたりから上昇傾向となり、最小負荷電力Pomin=0W時には、170V程度となる。また、交流入力電圧VAC=230V時の条件では、最大負荷電力Pomax=200W時には約320Vで、ここから軽負荷の状態となっていくのに応じて上昇傾向で、最小負荷電力Pomin=0W時には、350V程度となる。
電力回生方式の力率改善回路を備える電源回路の場合、整流平滑電圧Eiは、一定の軽負荷から無負荷となるまでの負荷変動範囲では、急峻に上昇していく特性となるのが一般的である。これに対して、本実施の形態では、負荷変動に対する整流平滑電圧Eiの変動(ΔEi)は、上記しているように、交流入力電圧VAC=100V時と230V時とで共に、ほぼ30V程度にまで抑制されている、これは、図1に示す電源回路では、一次側直列共振回路に流れる電流(一次側直列共振電流)は、軽負荷の傾向となるのに応じてレベルが低下する動作となっていることによる。つまり、軽負荷の傾向となるのに応じて一次側直列共振電流レベルが低減していくことで、一次側直列電流を元として力率改善回路100に帰還される電力量も低減し、これが平滑コンデンサCiに対する充電電流レベルの低減を生じる。これにより、無負荷−軽負荷傾向時の整流平滑電圧Eiの上昇が抑制されることになる。整流平滑電圧Eiの変動が抑制されれば、平滑コンデンサCiなどの部品素子について、これまでよりも低耐圧のものを選定することが可能となって、例えば部品の小型化、コストダウンにつながる。また、二次側直流出力電圧安定化のための必要制御範囲の縮小効果も得られる。
また、力率改善回路100の動作に応じて得られる力率PFについては、先ず、交流入力電圧VAC=100V時/230V時とで共に、重負荷となるのに従って高くなっていく傾向となっている。ちなみに、最大負荷電力Po=200W時の特性として、交流入力電圧VAC=100V時ではPF=0.86、交流入力電圧VAC=230V時ではPF=0.80となっている。
また、AC→DC電力変換効率(ηAC→DC)については、負荷電力Poが重負荷の傾向となっていくのに従って高くなる傾向とみることができ、最大負荷電力Po=200Wの負荷条件では、交流入力電圧VAC=100V時にはηAC→DC=89.0%、交流入力電圧VAC=230V時には、91.4%となっている。
これまでに説明した実施の形態の電源回路と、同じ力率改善及びワイドレンジ対応化を図る先行技術である、図18に示した電源回路とを比較した場合には、次のようなことがいえる。
先ず、上記図7による実験結果からもわかるように、図1に示した電源回路では、図18の電源回路の場合よりも、AC100V系時とAC200V系時の電力変換効率(ηAC→DC)が共に向上している。
これは、主としては、電圧帰還方式による力率改善改善回路を備える構成とし、さらにスイッチング周波数の可変制御のみで安定化を図るワイドレンジ対応の構成としたことで、アクティブフィルタを不要としたことによる。すなわち、本実施の形態では、アクティブフィルタを備える場合のように前段と後段の2つの電力変換効率値により総合効率が低下することはない。
先ず、上記図7による実験結果からもわかるように、図1に示した電源回路では、図18の電源回路の場合よりも、AC100V系時とAC200V系時の電力変換効率(ηAC→DC)が共に向上している。
これは、主としては、電圧帰還方式による力率改善改善回路を備える構成とし、さらにスイッチング周波数の可変制御のみで安定化を図るワイドレンジ対応の構成としたことで、アクティブフィルタを不要としたことによる。すなわち、本実施の形態では、アクティブフィルタを備える場合のように前段と後段の2つの電力変換効率値により総合効率が低下することはない。
また、図1に示した回路では、アクティブフィルタを不要としたことで、回路構成部品の点数削減が図られる。
つまりアクティブフィルタは、1組のコンバータを構成するものであり、図18による説明からも分かるように、実際には、1本のスイッチング素子と、これらを駆動するためのIC等を始め、多くの部品点数により構成される。
これに対し図1に示す電源回路においては、力率改善及びワイドレンジ対応のために必要な追加部品として、少なくともフィルタコンデンサCN、スイッチングダイオードD1、力率改善用トランスVFT、二次側直列共振コンデンサC2を備えればよく、アクティブフィルタと比較すれば非常に少ない部品点数とすることができる。
これにより、図1に示す電源回路としては、力率改善機能を有するワイドレンジ対応の電源回路として、図18に示す回路よりもはるかに低コストとすることができる。また、部品点数が大幅に削減されることで、回路基板についても有効に小型軽量化を図ることができる。
つまりアクティブフィルタは、1組のコンバータを構成するものであり、図18による説明からも分かるように、実際には、1本のスイッチング素子と、これらを駆動するためのIC等を始め、多くの部品点数により構成される。
これに対し図1に示す電源回路においては、力率改善及びワイドレンジ対応のために必要な追加部品として、少なくともフィルタコンデンサCN、スイッチングダイオードD1、力率改善用トランスVFT、二次側直列共振コンデンサC2を備えればよく、アクティブフィルタと比較すれば非常に少ない部品点数とすることができる。
これにより、図1に示す電源回路としては、力率改善機能を有するワイドレンジ対応の電源回路として、図18に示す回路よりもはるかに低コストとすることができる。また、部品点数が大幅に削減されることで、回路基板についても有効に小型軽量化を図ることができる。
また、図1に示す電源回路では、共振形コンバータ及び力率改善回路100の動作はいわゆるソフトスイッチング動作であるから、図18に示したアクティブフィルタと比較すればスイッチングノイズのレベルは大幅に低減される。
このため、図1にも示したように、例えば1組のコモンモードチョークコイルCMCと2つのアクロスコンデンサCLから成る1段のノイズフィルタを備えれば、電源妨害規格をクリアすることが充分に可能とされる。また、整流出力ラインのノーマルモードノイズについては、図1にも示しているように、1つのフィルタコンデンサCNのみにより対策を行っている。
このようにしてノイズフィルタとしての部品点数が削減されることによっても、電源回路のコストダウンと、回路基板の小型軽量化は促進される。
このため、図1にも示したように、例えば1組のコモンモードチョークコイルCMCと2つのアクロスコンデンサCLから成る1段のノイズフィルタを備えれば、電源妨害規格をクリアすることが充分に可能とされる。また、整流出力ラインのノーマルモードノイズについては、図1にも示しているように、1つのフィルタコンデンサCNのみにより対策を行っている。
このようにしてノイズフィルタとしての部品点数が削減されることによっても、電源回路のコストダウンと、回路基板の小型軽量化は促進される。
また、図1に示す電源回路の場合、一次側のスイッチングコンバータを形成する各スイッチング素子Q1,Q2は、同期してスイッチング動作するものである。従って、一次側アース電位としては、図18の電源回路のように、アクティブフィルタ側と、その後段のスイッチングコンバータとの間で干渉することが無く、スイッチング周波数の変化に関わらず安定させることができる。
なお、図1に示す電源回路により得られる力率PFとしては、図7にて説明した通りであり、このような力率特性によれば、例えば電源高調波歪み規制をクリアすることができ、実用上充分な力率が得られているといえる。
このようにして図1に示す本実施の形態の電源回路は、アクティブフィルタを備える電源回路が有する各種の問題を解決したうえで、力率改善機能を有するワイドレンジ対応の電源回路を得ているものである。
図9の回路図は、本発明の第2の実施の形態としての電源回路の構成を示している。なお、この図において、図1と同一部分は同一符号を付して説明を省略する。また、この図に示す電源回路についての総合結合係数kt、及び一次側直列共振回路の共振周波数fo1と二次側直列共振回路の共振周波数fo2の関係などは、図1と同様でよく、従って、図1の電源回路と同様の効果を有する。
この図9に示す電源回路においては、電力回生方式の力率改善回路として、磁気結合形に代えて、静電結合形による力率改善回路102を備える。
力率改善回路102においては、先ず、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子に対して、高周波インダクタL10の一端が接続されている。高周波インダクタL10の他端は、高速リカバリ型であるスイッチングダイオードD1のアノードが接続され、スイッチングダイオードD1のカソードは、平滑コンデンサCiの正極端子に対して接続される。つまり、この場合には、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と平滑コンデンサCiの正極端子間に対して、高周波インダクタL10−スイッチングダイオードD1(アノード→カソード)の直列接続回路が挿入されることになる。また、フィルタコンデンサCNは、上記高周波インダクタL10−スイッチングダイオードD1の直列接続回路に対して並列に接続する。
さらに、この場合には、スイッチングダイオードD1に対して、力率改善用直列共振コンデンサC20が並列に接続される。この力率改善用直列共振コンデンサC20は、高周波インダクタL10に対しては直列に接続されることとなるが、これにより、力率改善用直列共振コンデンサC20のキャパシタンスと、高周波インダクタL10のインダクタンスとにより、力率改善回路11内(商用交流電源の整流電流経路内)において直列共振回路を形成する。
そして、一次側直列共振回路(L1−C1)の端部を、高周波インダクタL10と、スイッチングダイオードD1のアノードと、力率改善用直列共振コンデンサC20の接続点に対して接続する。
力率改善回路102においては、先ず、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子に対して、高周波インダクタL10の一端が接続されている。高周波インダクタL10の他端は、高速リカバリ型であるスイッチングダイオードD1のアノードが接続され、スイッチングダイオードD1のカソードは、平滑コンデンサCiの正極端子に対して接続される。つまり、この場合には、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と平滑コンデンサCiの正極端子間に対して、高周波インダクタL10−スイッチングダイオードD1(アノード→カソード)の直列接続回路が挿入されることになる。また、フィルタコンデンサCNは、上記高周波インダクタL10−スイッチングダイオードD1の直列接続回路に対して並列に接続する。
さらに、この場合には、スイッチングダイオードD1に対して、力率改善用直列共振コンデンサC20が並列に接続される。この力率改善用直列共振コンデンサC20は、高周波インダクタL10に対しては直列に接続されることとなるが、これにより、力率改善用直列共振コンデンサC20のキャパシタンスと、高周波インダクタL10のインダクタンスとにより、力率改善回路11内(商用交流電源の整流電流経路内)において直列共振回路を形成する。
そして、一次側直列共振回路(L1−C1)の端部を、高周波インダクタL10と、スイッチングダイオードD1のアノードと、力率改善用直列共振コンデンサC20の接続点に対して接続する。
このような力率改善回路11の回路構成によると、一次側直列共振回路に得られるスイッチング出力(一次側直列共振電流)を電力として回生して、スイッチングダイオードD1//力率改善用直列共振コンデンサC20の並列接続を介するようにして平滑コンデンサCiに帰還する動作が得られることになる。この場合、平滑コンデンサCiと一次側直列共振回路との間には、力率改善用直列共振コンデンサC20のキャパシタンス(静電容量)が介在することから、電力回生は、静電結合により行われるものとみることができる。そして、この回路においても、静電結合を介して一次側直列共振電流が電力回生されるのに応じて、ブリッジ整流回路から平滑コンデンサCiに整流電流を流す整流電流経路においては交番電圧が重畳されることとなって、スイッチングダイオードD1により整流電流を断続するようにしてスイッチングする動作が得られることになる。これにより、力率改善が図られる。
図10は、第3の実施の形態としての電源回路の構成例を示している。
この図に示す電源回路は、本発明に基づく電力回生方式の力率改善回路を備える多重複合共振形コンバータのバリエーションとして力率改善回路103を備える。この力率改善回路103は、整流平滑電圧Ei(直流入力電圧)を生成する整流平滑回路系について倍電圧整流回路としたうえで、この倍電圧整流回路に対して、磁気結合形の電力回生方式による力率改善回路の構成を組み合わせて形成される。
この図に示す電源回路は、本発明に基づく電力回生方式の力率改善回路を備える多重複合共振形コンバータのバリエーションとして力率改善回路103を備える。この力率改善回路103は、整流平滑電圧Ei(直流入力電圧)を生成する整流平滑回路系について倍電圧整流回路としたうえで、この倍電圧整流回路に対して、磁気結合形の電力回生方式による力率改善回路の構成を組み合わせて形成される。
先ず、この図10に示す電源回路としても、商用交流電源ACに対し、フィルタコンデンサCL、及びコモンモードチョークコイルCMCによるノイズフィルタが形成されている。
そして、倍電圧整流回路を含む力率改善回路103としては、2本の整流ダイオードD1、D2と、2本の平滑コンデンサCi1−平滑コンデンサCi2の直列接続回路と、高周波インダクタL10とを備えて形成される。
整流ダイオードD1のアノードは、高周波インダクタL10の直列接続を介して商用交流電源ACの正極ライン側と接続されている。カソードは、上記平滑コンデンサCi1の正極端子に対して接続される。
また、整流ダイオードD2のカソードは、上記高周波インダクタL10の直列接続を介して商用交流電源ACの正極ライン側と接続され、アノードが一次側アースに接続される。
また、整流ダイオードD2のカソードは、上記高周波インダクタL10の直列接続を介して商用交流電源ACの正極ライン側と接続され、アノードが一次側アースに接続される。
また、平滑コンデンサCi1の負極端子は、平滑コンデンサCi2の正極端子と接続され、平滑コンデンサCi2の負極端子は一次側アースに接続される。その上で、これら平滑コンデンサCi1とCi2との接続点が、商用交流電源ACの負極ライン側と接続される。
また、力率改善回路103においては、商用交流電源ACのラインにフィルタコンデンサCNを挿入する。フィルタコンデンサCNとしては、高周波インダクタL10と商用交流電源ACの正極ライン側のコモンモードチョークコイルCMCとの接続点と、平滑コンデンサCi1−Ci2の接続点との間に挿入されるように接続する。このような接続形態によれば、上記フィルタコンデンサCNは、平滑コンデンサCi1については高周波的には省略されてよい程度の大きなキャパシタンスを有していることを考えれば、整流ダイオードD1と高周波インダクタL10とにより形成される直列接続回路と、整流ダイオードD2と高周波インダクタL10とにより形成される直列接続回路とに対して並列に設けられるとみてよい。このようにして設けられるフィルタコンデンサCNとしても、商用交流電源ACが正/負となる各期間において形成される整流電流経路に生じるノーマルモードノイズを抑制するようにされる。
上記接続形態により形成される力率改善回路103における整流動作については次のようになる。
交流入力電圧VACが正極性となる半周期では、正方向とされる交流入力電流IACを基とする整流電流が、商用交流電源AC(正極)→(コモンモードチョークコイルCMCの正極ライン側の巻線)→高周波インダクタL10→整流ダイオードD1→平滑コンデンサCi1→(コモンモードチョークコイルCMCの巻線)→商用交流電源AC(負極)による整流電流経路を流れる。つまり、整流ダイオードD1の整流出力により平滑コンデンサCi1を充電する動作が得られる。
また、交流入力電圧VACが負極性となる半周期では、負方向とされる交流入力電流IACを基とする整流電流が、商用交流電源AC(負極)→(コモンモードチョークコイルCMCの負極ライン側の巻線)→平滑コンデンサCi2→整流ダイオードD2→高周波インダクタL10→(コモンモードチョークコイルCMCの正極ライン側の巻線)→商用交流電源AC(正極)による整流電流経路を流れる。これにより、整流ダイオードD2の整流出力により平滑コンデンサCi2を充電する動作が得られる。
これにより、交流入力電圧VACの1周期において上記平滑コンデンサCi1−Ci2の両端に得られる直流入力電圧Eiとしては、商用交流電源の略2倍のレベルが得られることになる。すなわち、商用交流電源ACのレベルの2倍に対応するレベルの整流平滑電圧(直流入力電圧Ei)を生成する、倍電圧整流平滑動作が得られている。
交流入力電圧VACが正極性となる半周期では、正方向とされる交流入力電流IACを基とする整流電流が、商用交流電源AC(正極)→(コモンモードチョークコイルCMCの正極ライン側の巻線)→高周波インダクタL10→整流ダイオードD1→平滑コンデンサCi1→(コモンモードチョークコイルCMCの巻線)→商用交流電源AC(負極)による整流電流経路を流れる。つまり、整流ダイオードD1の整流出力により平滑コンデンサCi1を充電する動作が得られる。
また、交流入力電圧VACが負極性となる半周期では、負方向とされる交流入力電流IACを基とする整流電流が、商用交流電源AC(負極)→(コモンモードチョークコイルCMCの負極ライン側の巻線)→平滑コンデンサCi2→整流ダイオードD2→高周波インダクタL10→(コモンモードチョークコイルCMCの正極ライン側の巻線)→商用交流電源AC(正極)による整流電流経路を流れる。これにより、整流ダイオードD2の整流出力により平滑コンデンサCi2を充電する動作が得られる。
これにより、交流入力電圧VACの1周期において上記平滑コンデンサCi1−Ci2の両端に得られる直流入力電圧Eiとしては、商用交流電源の略2倍のレベルが得られることになる。すなわち、商用交流電源ACのレベルの2倍に対応するレベルの整流平滑電圧(直流入力電圧Ei)を生成する、倍電圧整流平滑動作が得られている。
なお、本実施の形態の場合、力率改善回路103では、上記した整流ダイオードD1、整流ダイオードD2が力率改善用スイッチング素子として機能し、次に述べるようにして、スイッチング素子Q1,Q2のスイッチング周期によりスイッチング動作を行うようにして整流電流を断続する。このために、整流ダイオードD1、整流ダイオードD2には、高速リカバリ型のダイオード素子が選定される。
上記のようにして倍電圧整流回路を形成する力率改善回路103において、整流ダイオードD1のアノードと、整流ダイオードD2のカソードと、高周波インダクタL10との接続点に対しては、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1の一端を、一次側直列共振コンデンサC1の直列接続を介するようにして接続している。つまり、一次側直列共振回路(L1−C1)を接続している。
このような力率改善回路103の構成によると、一次側直列共振回路に得られるスイッチング出力(一次側直列共振電流)を電力として回生して、高周波インダクタL10の磁気結合を介するようにして、平滑コンデンサCi(Ci1、Ci2)に帰還する動作が得られることになる。ここで、先の説明から分かるように、高周波インダクタL10は、交流入力電圧VACが正負の各期間において形成される整流電流経路のそれぞれに挿入される形態となっているので、交流入力電圧VACが正負の各期間の整流電流経路において、スイッチング周期の交番電圧が重畳されることになる。これにより、交流入力電圧VACが正極性の期間では、整流ダイオードD1が整流電流をスイッチングして平滑コンデンサCiに充電する動作が得られ、交流入力電圧VACが負極性の期間では、整流ダイオードD2が整流電流をスイッチングして平滑コンデンサCiに充電する動作が得られる。これにより、交流入力電圧VACが正負の各期間に対応する交流入力電流IACの導通角の拡大が図られ、力率が改善されることになる。
この第3の実施の形態のようにして、整流平滑電圧Eiを生成する整流回路系について倍電圧整流回路とするのは、商用交流電源ACが100V系の単レンジで、かつ、比較的重負荷の条件となるような場合である。このような条件では、スイッチングコンバータに流れる電流が増加して電力損失が増加する傾向となるが、倍電圧整流回路により整流平滑電圧Eiを2倍にまで増加させて生成すると、同じ負荷条件に対してスイッチングコンバータに流れる電流量を低減させることができるために、電力損失が低減される。
この図10に示す回路は、上記もしているように単レンジ対応の用途ではあるが、電力回生方式の力率改善回路103を備えていることで、力率改善目的のアクティブフィルタを不要としている、ということがいえる。また、この場合としても定電圧制御の高速応答が可能となるという効果は、先の第1、第2の各実施の形態の電源回路と同様に得られる。
この図10に示す回路は、上記もしているように単レンジ対応の用途ではあるが、電力回生方式の力率改善回路103を備えていることで、力率改善目的のアクティブフィルタを不要としている、ということがいえる。また、この場合としても定電圧制御の高速応答が可能となるという効果は、先の第1、第2の各実施の形態の電源回路と同様に得られる。
続いては、本発明に基づく電源回路についての二次側整流回路のバリエーションを、第4〜第7の実施の形態として示しておくこととする。
図11は、第4の実施の形態としての電源回路の構成例を示している。
なお、絶縁コンバータトランスPIT、一次側直列共振コンデンサ、及び二次側整流回路のみが示されている。これら以外の他の部分については、例えば図1,図9,図10などの電源回路と同様であるとして、ここでの図示は省略している。この点については、以降説明する第5〜第7の実施の形態に対応する図12〜図14についても同様である。
この図に示す回路の二次側においては、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2及び二次側直列共振コンデンサC2から成る二次側直列共振回路に対して、倍圧半波整流回路が設けられる。
この倍圧半波整流回路としては、二次巻線N2の巻き終わり端部に対して、二次側直列共振コンデンサC2の直列接続を介して整流ダイオードDo1のアノードを接続する。整流ダイオードDo1のカソードは平滑コンデンサCoの正極端子に接続する。平滑コンデンサCoの負極端子は、二次側アース電位である、二次巻線N2の巻始め端部に対して接続される。そして、整流ダイオードDo2のアノードを二次側アースに接続し、この整流ダイオードDo2のカソードを、二次側直列共振コンデンサC2と整流ダイオードDo1のアノードとの接続点に対して接続する。
図11は、第4の実施の形態としての電源回路の構成例を示している。
なお、絶縁コンバータトランスPIT、一次側直列共振コンデンサ、及び二次側整流回路のみが示されている。これら以外の他の部分については、例えば図1,図9,図10などの電源回路と同様であるとして、ここでの図示は省略している。この点については、以降説明する第5〜第7の実施の形態に対応する図12〜図14についても同様である。
この図に示す回路の二次側においては、絶縁コンバータトランスPITの二次巻線N2及び二次側直列共振コンデンサC2から成る二次側直列共振回路に対して、倍圧半波整流回路が設けられる。
この倍圧半波整流回路としては、二次巻線N2の巻き終わり端部に対して、二次側直列共振コンデンサC2の直列接続を介して整流ダイオードDo1のアノードを接続する。整流ダイオードDo1のカソードは平滑コンデンサCoの正極端子に接続する。平滑コンデンサCoの負極端子は、二次側アース電位である、二次巻線N2の巻始め端部に対して接続される。そして、整流ダイオードDo2のアノードを二次側アースに接続し、この整流ダイオードDo2のカソードを、二次側直列共振コンデンサC2と整流ダイオードDo1のアノードとの接続点に対して接続する。
上記のようにして形成される倍圧半波整流回路では、先ず二次巻線N2に励起される交番電圧の一方の半周期に整流ダイオードDo2が導通して、整流電流を二次側直列共振コンデンサC2に対して充電する動作が得られる。これによって二次側直列共振コンデンサC2の両端には、二次巻線N2(及び一次巻線N11)に励起(誘起)される交番電圧レベルの等倍に対応したレベルによる電圧が生成される。そして、他方の半周期では、整流ダイオードDo1が導通することで、平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線N2(及び一次巻線N11)に得られる交番電圧レベルと、上記二次側直列共振コンデンサC2の両端電圧とが重畳された電圧レベルにより充電が行われる。
これによって平滑コンデンサCo1の両端電圧としては、二次巻線N2に励起される交番電圧レベルの2倍に対応したレベルによる整流平滑電圧Eoが得られることになる。この整流動作では、平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線N2に励起される交番電圧の一方の半周期にのみ充電が行われる。つまり、倍圧半波としての整流動作が得られている。
これによって平滑コンデンサCo1の両端電圧としては、二次巻線N2に励起される交番電圧レベルの2倍に対応したレベルによる整流平滑電圧Eoが得られることになる。この整流動作では、平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線N2に励起される交番電圧の一方の半周期にのみ充電が行われる。つまり、倍圧半波としての整流動作が得られている。
図12は、第5の実施の形態としての電源回路の構成例を示している。
この図に示す回路における二次側では、上記図11とは異なる回路構成による倍圧半波整流回路が形成されている。この半波整流回路では、二次巻線N2の巻き終わり端部に対して、二次側直列共振コンデンサC2の直列接続を介して整流ダイオードDo1のアノードを接続する。整流ダイオードDo1のカソードは平滑コンデンサCo1の正極端子に接続する。平滑コンデンサCo1の負極端子は、もう1本の平滑コンデンサCo2の正極端子と接続する。また、平滑コンデンサCo1の負極端子に対しては、二次巻線N2の巻始め端部も接続する。平滑コンデンサCo2の負極端子は、二次側アースと接続する。この場合、平滑コンデンサCo1,Co2は、直列接続されていることになる。整流ダイオードDo2のアノードは二次側アースに接続し、カソードは、二次側直列共振コンデンサC2と整流ダイオードDo1のアノードとの接続点に対して接続する。
この図に示す回路における二次側では、上記図11とは異なる回路構成による倍圧半波整流回路が形成されている。この半波整流回路では、二次巻線N2の巻き終わり端部に対して、二次側直列共振コンデンサC2の直列接続を介して整流ダイオードDo1のアノードを接続する。整流ダイオードDo1のカソードは平滑コンデンサCo1の正極端子に接続する。平滑コンデンサCo1の負極端子は、もう1本の平滑コンデンサCo2の正極端子と接続する。また、平滑コンデンサCo1の負極端子に対しては、二次巻線N2の巻始め端部も接続する。平滑コンデンサCo2の負極端子は、二次側アースと接続する。この場合、平滑コンデンサCo1,Co2は、直列接続されていることになる。整流ダイオードDo2のアノードは二次側アースに接続し、カソードは、二次側直列共振コンデンサC2と整流ダイオードDo1のアノードとの接続点に対して接続する。
上記接続形態によれば、二次巻線N2に得られる交番電圧の一方の半周期には、整流ダイオードDo1、平滑コンデンサCo1を介して整流電流が流れ、平滑コンデンサCo1において、上記二次巻線N2(及び一次巻線N11)の交番電圧の等倍に対応したレベルの両端電圧が生成される。また、上記交番電圧の他方の半周期には、平滑コンデンサCo2、整流ダイオードDo2を介して整流電流が流れ、平滑コンデンサCo2の両端に交番電圧の等倍に対応したレベルの電圧が得られる。
これによって平滑コンデンサCo1−Co2の直列接続回路の両端電圧として、上記交番電圧レベルの2倍に対応したレベルによる二次側直流出力電圧Eoが得られる。
そして、上記説明からも理解されるように、この場合は二次側に設けられた各々の平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線N2の交番電圧の各半周期にのみ充電が行われることから、整流動作としては半波整流動作となる。つまり、この図12に示す回路の二次側においても、倍圧半波整流平滑回路としての動作が得られている。
これによって平滑コンデンサCo1−Co2の直列接続回路の両端電圧として、上記交番電圧レベルの2倍に対応したレベルによる二次側直流出力電圧Eoが得られる。
そして、上記説明からも理解されるように、この場合は二次側に設けられた各々の平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線N2の交番電圧の各半周期にのみ充電が行われることから、整流動作としては半波整流動作となる。つまり、この図12に示す回路の二次側においても、倍圧半波整流平滑回路としての動作が得られている。
図13は、第6の実施の形態としての電源回路の構成を示している。
第6の実施の形態としては、二次側整流平滑回路として倍圧全波整流回路を備える。
上記倍圧全波整流回路としては、先ず二次巻線N2のセンタータップが二次側アースに接続されて、二次巻線部N2Aと二次巻線部N2Bとに分割される。そして、二次巻線N2の上記一方の端部(二次巻線部N2A側の端部)に対しては二次側直列共振コンデンサC2Aが、また上記他方の端部(二次巻線部N2B側の端部)に対しては二次側直列共振コンデンサC2Bが、それぞれ直列となる関係により接続されている。すなわち、これによって二次巻線部N2A−二次側直列共振コンデンサC2Aによる二次側直列共振回路と、二次巻線部N2B−二次側直列共振コンデンサC2Bによる二次側直列共振回路が形成されている。
第6の実施の形態としては、二次側整流平滑回路として倍圧全波整流回路を備える。
上記倍圧全波整流回路としては、先ず二次巻線N2のセンタータップが二次側アースに接続されて、二次巻線部N2Aと二次巻線部N2Bとに分割される。そして、二次巻線N2の上記一方の端部(二次巻線部N2A側の端部)に対しては二次側直列共振コンデンサC2Aが、また上記他方の端部(二次巻線部N2B側の端部)に対しては二次側直列共振コンデンサC2Bが、それぞれ直列となる関係により接続されている。すなわち、これによって二次巻線部N2A−二次側直列共振コンデンサC2Aによる二次側直列共振回路と、二次巻線部N2B−二次側直列共振コンデンサC2Bによる二次側直列共振回路が形成されている。
さらに、二次巻線N2の全体に対しては、例えば図1の回路と同様の接続形態によるブリッジ整流回路が接続される。
具体的には、二次巻線N2の上記一方の端部は、上記二次側直列共振コンデンサC2Aの直列接続を介して整流ダイオードDo1のアノードと整流ダイオードDo2のカソードとの接続点に対して接続される。また、二次巻線N2の上記他方の端部が、上記二次側直列共振コンデンサC2Bの直列接続を介して整流ダイオードDo3のアノードと整流ダイオードDo4のカソードとの接続点に対して接続される。
そして、上記整流ダイオードDo1のカソードと整流ダイオードDo3のカソードの接続点が、平滑コンデンサCoの正極端子に対して接続される。この場合も、平滑コンデンサCoの負極端子は二次側アースに接続される。
その上で、整流ダイオードDo2と整流ダイオードDo4の接続点が、上記した二次巻線N2のセンタータップと二次側アースの接続点に対して接続されることで、二次側アースに接地されている。
具体的には、二次巻線N2の上記一方の端部は、上記二次側直列共振コンデンサC2Aの直列接続を介して整流ダイオードDo1のアノードと整流ダイオードDo2のカソードとの接続点に対して接続される。また、二次巻線N2の上記他方の端部が、上記二次側直列共振コンデンサC2Bの直列接続を介して整流ダイオードDo3のアノードと整流ダイオードDo4のカソードとの接続点に対して接続される。
そして、上記整流ダイオードDo1のカソードと整流ダイオードDo3のカソードの接続点が、平滑コンデンサCoの正極端子に対して接続される。この場合も、平滑コンデンサCoの負極端子は二次側アースに接続される。
その上で、整流ダイオードDo2と整流ダイオードDo4の接続点が、上記した二次巻線N2のセンタータップと二次側アースの接続点に対して接続されることで、二次側アースに接地されている。
上記接続形態とされる倍圧全波整流回路では、二次巻線N2に励起される交番電圧の一方の半周期において、整流電流は[二次巻線部N2A→整流ダイオードDo2→二次側直列共振コンデンサC2A→二次巻線部N2A]の循環経路により流れる。また、二次巻線N2に励起される交番電圧の他方の半周期では、整流電流は[二次巻線部N2B→整流ダイオードDo4→二次側直列共振コンデンサC2B→二次巻線部N2B]の循環経路により流れる。つまりこの場合、二次側直列共振コンデンサC2A、二次側直列共振コンデンサC2Bには、それぞれ対応する半周期において、二次巻線部N2A、二次巻線部N2Bに励起される交番電圧レベルの等倍に対応したレベルによる直流電圧がそれぞれ得られるようになっている。
その上で、二次巻線N2に励起される交番電圧の上記した一方の半周期では、整流電流は上記循環経路から分岐して[二次巻線部N2B→二次側直列共振コンデンサC2B→整流ダイオードDo3→平滑コンデンサCo]の経路によっても流れる。
これにより当該半周期には、平滑コンデンサCoに対し、二次巻線部N2Bの交番電圧と、上記のように二次側直列共振コンデンサC2Bに得られた両端電圧が重畳したレベルにより充電が行われる。すなわち、平滑コンデンサCoの両端電圧としては、二次巻線部に得られる交番電圧レベルの2倍に対応するレベルが得られる。
これにより当該半周期には、平滑コンデンサCoに対し、二次巻線部N2Bの交番電圧と、上記のように二次側直列共振コンデンサC2Bに得られた両端電圧が重畳したレベルにより充電が行われる。すなわち、平滑コンデンサCoの両端電圧としては、二次巻線部に得られる交番電圧レベルの2倍に対応するレベルが得られる。
また、二次巻線N2に励起される交番電圧の他方の半周期としても、整流電流は上記した循環経路から分岐して[二次巻線部N2A→二次側直列共振コンデンサC2A→整流ダイオードDo1→平滑コンデンサCo]の経路によっても流れ、従ってこの場合も平滑コンデンサCoの両端電圧としては、二次巻線部N2Aの交番電圧と二次側直列共振コンデンサC2Aの充電分とにより、二次巻線部に得られる交番電圧レベルの2倍に対応するレベルが得られることになる。
このような整流動作から、この場合の整流回路においては、平滑コンデンサCoに対し、二次巻線N2に得られる交番電圧の各半周期に充電を行う動作が得られることになる。そして、その両端電圧としては、上記のようにして二次巻線部に誘起される交番電圧の2倍に対応するレベルが得られる。つまり、倍圧全波整流動作が得られている。
図14は、第7の実施の形態としての電源回路の構成例を示している。
また、この第7の実施の形態としての電源回路における二次側整流回路としては、4倍電圧整流回路が備えられる。
この場合の4倍圧整流回路としては、整流ダイオードDo1〜Do4の4本の整流ダイオード、2本の二次側直列共振コンデンサC2A、C2B及び2本の平滑コンデンサCo1、Co2とを備えて形成される。
二次巻線N2の巻き終わり端部に対しては、二次側直列共振コンデンサC2A−整流ダイオードDo1(アノード→カソード)の直列接続を介し、平滑コンデンサCo1の正極端子を接続する。平滑コンデンサCo1の負極端子は、二次巻線N2の巻き終わり端部に対して接続される。
また、平滑コンデンサCo1の負極端子と二次巻線N2の巻始め端部の接続点に対しては、平滑コンデンサCo2の正極端子を接続し、この平滑コンデンサCo2の負極端子を二次側アースに接続する。この接続態様では、平滑コンデンサCo1−Co2の直列接続が形成される。
また、この第7の実施の形態としての電源回路における二次側整流回路としては、4倍電圧整流回路が備えられる。
この場合の4倍圧整流回路としては、整流ダイオードDo1〜Do4の4本の整流ダイオード、2本の二次側直列共振コンデンサC2A、C2B及び2本の平滑コンデンサCo1、Co2とを備えて形成される。
二次巻線N2の巻き終わり端部に対しては、二次側直列共振コンデンサC2A−整流ダイオードDo1(アノード→カソード)の直列接続を介し、平滑コンデンサCo1の正極端子を接続する。平滑コンデンサCo1の負極端子は、二次巻線N2の巻き終わり端部に対して接続される。
また、平滑コンデンサCo1の負極端子と二次巻線N2の巻始め端部の接続点に対しては、平滑コンデンサCo2の正極端子を接続し、この平滑コンデンサCo2の負極端子を二次側アースに接続する。この接続態様では、平滑コンデンサCo1−Co2の直列接続が形成される。
また、二次巻線N2の巻終わり端部と二次側アースとの間には、二次側直列共振コンデンサC2B→整流ダイオードDo3(カソード→アノード)の直列接続回路を挿入する。
これら二次側直列共振コンデンサC2Bと整流ダイオードDo3との接続点に対しては、整流ダイオードDo4のアノードを接続する。整流ダイオードDo4のカソードは、平滑コンデンサCo1,Co2の接続点と、二次巻線N2の巻始め端部との接続点に対して接続する。
さらに、平滑コンデンサCo1,Co2の接続点に対しては、整流ダイオードDo2のアノードを接続する。整流ダイオードDo2のカソードは、二次側直列共振コンデンサC2Aと整流ダイオードDo1のアノードとの接続点に対して接続されている。
これら二次側直列共振コンデンサC2Bと整流ダイオードDo3との接続点に対しては、整流ダイオードDo4のアノードを接続する。整流ダイオードDo4のカソードは、平滑コンデンサCo1,Co2の接続点と、二次巻線N2の巻始め端部との接続点に対して接続する。
さらに、平滑コンデンサCo1,Co2の接続点に対しては、整流ダイオードDo2のアノードを接続する。整流ダイオードDo2のカソードは、二次側直列共振コンデンサC2Aと整流ダイオードDo1のアノードとの接続点に対して接続されている。
上記接続態様によって形成される倍電圧全波整流回路の整流動作は次のようになる。
先ず、この倍電圧全波整流回路は、[二次巻線N2、二次側直列共振コンデンサC2A、整流ダイオードDo1,Do2、平滑コンデンサCo1]により形成される第1の倍電圧半波整流回路と、[二次巻線N2、二次側直列共振コンデンサC2B、整流ダイオードDo3,Do4、平滑コンデンサCo2]により形成される第2の倍電圧半波整流回路とに分けることができる。
また、第1の倍電圧半波整流回路においては、二次巻線N2−二次側直列共振コンデンサC2Aの直列接続回路が形成されていることで、二次巻線N2のリーケージインダクタンス成分(L2)と二次側直列共振コンデンサC2Aのキャパシタンスとによって、第1の二次側直列共振回路を形成することになる。
同様に、第2の倍電圧半波整流回路においては、二次巻線N2B−二次側直列共振コンデンサC2Bの直列接続回路が形成されることで、二次巻線N2のリーケージインダクタンス成分(L2)と二次側直列共振コンデンサC2Bのキャパシタンスとによって、第2の二次側直列共振回路を形成することになる。
先ず、この倍電圧全波整流回路は、[二次巻線N2、二次側直列共振コンデンサC2A、整流ダイオードDo1,Do2、平滑コンデンサCo1]により形成される第1の倍電圧半波整流回路と、[二次巻線N2、二次側直列共振コンデンサC2B、整流ダイオードDo3,Do4、平滑コンデンサCo2]により形成される第2の倍電圧半波整流回路とに分けることができる。
また、第1の倍電圧半波整流回路においては、二次巻線N2−二次側直列共振コンデンサC2Aの直列接続回路が形成されていることで、二次巻線N2のリーケージインダクタンス成分(L2)と二次側直列共振コンデンサC2Aのキャパシタンスとによって、第1の二次側直列共振回路を形成することになる。
同様に、第2の倍電圧半波整流回路においては、二次巻線N2B−二次側直列共振コンデンサC2Bの直列接続回路が形成されることで、二次巻線N2のリーケージインダクタンス成分(L2)と二次側直列共振コンデンサC2Bのキャパシタンスとによって、第2の二次側直列共振回路を形成することになる。
第1の倍電圧半波整流回路の整流動作としては次のようになる。
先ず、二次巻線N2に誘起される交番電圧の一方の半周期の期間においては、二次巻線N2−整流ダイオードDo2−二次側直列共振コンデンサC2Aの経路により整流電流が流れることで、二次側直列共振コンデンサC2Aに対して整流電流を充電するようにされる。このときの整流動作によって、二次側直列共振コンデンサC2Aには、二次巻線N2に誘起される交番電圧の等倍に対応するレベルの両端電圧が生成される。
また、続く二次巻線N2の交番電圧の他方の半周期の期間においては、二次巻線N2−二次側直列共振コンデンサC2A−整流ダイオードDo1−平滑コンデンサCo1の経路で整流電流が流れる。このときには、二次巻線N2の誘起電圧に対して、先の二次巻線N2の交番電圧の半周期の期間の整流動作により得られている二次側直列共振コンデンサC2Aの両端電圧が重畳される状態で、平滑コンデンサCo1への充電が行われる。これにより、平滑コンデンサCo1には、二次巻線N2の交番電圧に対して2倍となるレベルの両端電圧が生成されることになる。
つまり、第1の倍電圧半波整流回路は、二次巻線N2の交番電圧の一方の半周期の期間で二次巻線N2の交番電圧の等倍に対応するレベルの二次側直列共振コンデンサC2Aの両端電圧を生成し、二次巻線N2の交番電圧の他方の半周期の期間で、二次巻線N2の交番電圧と二次側直列共振コンデンサC2Aの両端電圧の重畳レベルにより平滑コンデンサCo1に充電を行うことで、平滑コンデンサCo1の両端電圧として、二次巻線N2の交番電圧の2倍に対応するレベルの両端電圧を得る、という倍電圧半波整流動作を行う。
また、上記した倍電圧半波整流動作では、二次側直列共振コンデンサC2Aに対して、正/負の両極の方向で半周期ごとに電流が流れているが、これに応じて、第1の二次側直列共振回路が共振動作を行うことになる。
先ず、二次巻線N2に誘起される交番電圧の一方の半周期の期間においては、二次巻線N2−整流ダイオードDo2−二次側直列共振コンデンサC2Aの経路により整流電流が流れることで、二次側直列共振コンデンサC2Aに対して整流電流を充電するようにされる。このときの整流動作によって、二次側直列共振コンデンサC2Aには、二次巻線N2に誘起される交番電圧の等倍に対応するレベルの両端電圧が生成される。
また、続く二次巻線N2の交番電圧の他方の半周期の期間においては、二次巻線N2−二次側直列共振コンデンサC2A−整流ダイオードDo1−平滑コンデンサCo1の経路で整流電流が流れる。このときには、二次巻線N2の誘起電圧に対して、先の二次巻線N2の交番電圧の半周期の期間の整流動作により得られている二次側直列共振コンデンサC2Aの両端電圧が重畳される状態で、平滑コンデンサCo1への充電が行われる。これにより、平滑コンデンサCo1には、二次巻線N2の交番電圧に対して2倍となるレベルの両端電圧が生成されることになる。
つまり、第1の倍電圧半波整流回路は、二次巻線N2の交番電圧の一方の半周期の期間で二次巻線N2の交番電圧の等倍に対応するレベルの二次側直列共振コンデンサC2Aの両端電圧を生成し、二次巻線N2の交番電圧の他方の半周期の期間で、二次巻線N2の交番電圧と二次側直列共振コンデンサC2Aの両端電圧の重畳レベルにより平滑コンデンサCo1に充電を行うことで、平滑コンデンサCo1の両端電圧として、二次巻線N2の交番電圧の2倍に対応するレベルの両端電圧を得る、という倍電圧半波整流動作を行う。
また、上記した倍電圧半波整流動作では、二次側直列共振コンデンサC2Aに対して、正/負の両極の方向で半周期ごとに電流が流れているが、これに応じて、第1の二次側直列共振回路が共振動作を行うことになる。
また、第2の倍電圧半波整流回路は、[二次巻線N2、二次側直列共振コンデンサC2B、整流ダイオードDo3,Do4、平滑コンデンサCo2]により、上記第1の倍電圧半波整流回路と同様の倍電圧半波整流動作を、上記第1の倍電圧半波整流回路の整流動作に対して、半周期シフトした周期タイミングにより実行する。これにより、平滑コンデンサCo2の両端電圧としても、二次巻線N2(及び一次巻線N11)の交番電圧に対して2倍となるレベルの両端電圧が生成されることになる。
このような整流動作が実行されることにより、平滑コンデンサCo1−Co2の直列接続回路の両端電圧である二次側直流出力電圧Eoとしては、二次巻線N2の交番電圧に対して4倍となるレベルの両端電圧が生成されることになる。つまり、4倍電圧整流動作が得られている。
このような整流動作が実行されることにより、平滑コンデンサCo1−Co2の直列接続回路の両端電圧である二次側直流出力電圧Eoとしては、二次巻線N2の交番電圧に対して4倍となるレベルの両端電圧が生成されることになる。つまり、4倍電圧整流動作が得られている。
なお、本発明としては、これまでに説明した構成に限定されるべきものではない。
例えばスイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)など、MOS−FET以外の素子が採用されて構わない。また、先に説明した各部品素子の定数なども、実際の条件等に応じて変更されて構わない。また、本発明としてのワイドレンジ対応及び力率改善の構成は、自励式による電流共振形コンバータにも適用することが可能である。
例えばスイッチング素子としては、IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)など、MOS−FET以外の素子が採用されて構わない。また、先に説明した各部品素子の定数なども、実際の条件等に応じて変更されて構わない。また、本発明としてのワイドレンジ対応及び力率改善の構成は、自励式による電流共振形コンバータにも適用することが可能である。
1 制御回路、2 発振・ドライブ回路、100,101,102,103 力率改善回路、Di ブリッジ整流回路、平滑コンデンサCi,CiA,CiB、Q1,Q2 スイッチング素子、PIT 絶縁コンバータトランス、C1 一次側直列共振コンデンサ、Cp 一次側部分共振コンデンサ、C2、C2A,C2B 二次側直列共振コンデンサ、N1 一次巻線、N2 二次巻線、Do1〜Do4 (二次側)整流ダイオード、Co,Co1,Co2 (二次側)平滑コンデンサ、CN フィルタコンデンサ、D1 スイッチングダイオード、L10 高周波インダクタ、D11,D12 整流ダイオード、C20 力率改善用直列共振コンデンサ
Claims (1)
- 商用交流電源を入力して整流平滑電圧を生成する整流平滑手段と、
上記整流平滑電圧を直流入力電圧として入力してスイッチングを行うスイッチング素子を備えて形成したスイッチング手段と、
上記スイッチング素子をスイッチング駆動するスイッチング駆動手段と、
少なくとも、上記スイッチング手段のスイッチング動作により得られるスイッチング出力が供給される一次巻線と、この一次巻線により交番電圧が誘起される二次巻線とが巻装されて形成される絶縁コンバータトランスと、
少なくとも、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線の漏洩インダクタンス成分と、上記一次巻線に直列接続される一次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて第1の共振周波数が設定され、上記スイッチング手段の動作を電流共振形とする一次側直列共振回路と、
少なくとも、上記絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と、上記二次巻線に直列接続される二次側直列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて第2の共振周波数が設定される二次側直列共振回路と、
上記二次巻線に得られる交番電圧について整流動作を行って、その整流出力を二次側平滑コンデンサにより平滑化して二次側直流出力電圧を生成する二次側直流出力電圧生成手段と、
上記二次側直流出力電圧のレベルに応じて上記スイッチング駆動手段を制御して、上記スイッチング手段のスイッチング周波数を可変することで、上記二次側直流出力電圧について定電圧制御を行う定電圧制御手段と、
上記スイッチング手段のスイッチング動作により一次側直列共振回路に得られる一次側直列共振電流を電力として回生するようにして、上記整流平滑手段を形成する平滑コンデンサに帰還するようにされており、この帰還された電力に応じて、上記整流平滑手段による整流動作によって得られる整流電流を断続するようにしてスイッチングする力率改善用スイッチング素子を備えて構成される力率改善手段とを備えると共に、
上記絶縁コンバータトランス自体の結合係数を少なくとも設定要素として含み、上記一次側直列共振回路と上記二次側直列共振回路とを有して形成される電磁結合形共振回路について、上記スイッチング周波数を有する周波数信号の入力に対する出力特性が単峰特性となるようにして、疎結合とみなされる所定の一次側と二次側との結合係数を設定し、
上記第1の共振周波数及び上記第2の共振周波数は、一定レベル以下の商用交流電源入力及び一定以上の負荷の条件において、上記一次側直列共振回路を流れる一次側直列共振電流と、上記二次側直流出力電圧生成手段として形成される整流回路を流れる二次側整流電流とについて、所定の位相差が得られるようにして設定される、
ことを特徴とするスイッチング電源回路。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005008082A JP2006197753A (ja) | 2005-01-14 | 2005-01-14 | スイッチング電源回路 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2005008082A JP2006197753A (ja) | 2005-01-14 | 2005-01-14 | スイッチング電源回路 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2006197753A true JP2006197753A (ja) | 2006-07-27 |
Family
ID=36803363
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2005008082A Pending JP2006197753A (ja) | 2005-01-14 | 2005-01-14 | スイッチング電源回路 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2006197753A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011234527A (ja) * | 2010-04-28 | 2011-11-17 | Bab-Hitachi Industrial Co | 作業車に搭載した蓄電池充電器の充電回路構造及び充電回路制御方法 |
WO2013058175A1 (ja) * | 2011-10-21 | 2013-04-25 | 株式会社村田製作所 | スイッチング電源装置 |
WO2013058174A1 (ja) * | 2011-10-21 | 2013-04-25 | 株式会社村田製作所 | スイッチング電源装置 |
JP5321758B2 (ja) * | 2011-01-26 | 2013-10-23 | 株式会社村田製作所 | スイッチング電源装置 |
CN110121827A (zh) * | 2017-03-02 | 2019-08-13 | 欧姆龙株式会社 | 非接触供电装置 |
WO2022168635A1 (ja) * | 2021-02-08 | 2022-08-11 | パナソニックホールディングス株式会社 | 電力変換システム及び制御方法 |
-
2005
- 2005-01-14 JP JP2005008082A patent/JP2006197753A/ja active Pending
Cited By (16)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2011234527A (ja) * | 2010-04-28 | 2011-11-17 | Bab-Hitachi Industrial Co | 作業車に搭載した蓄電池充電器の充電回路構造及び充電回路制御方法 |
JP5321758B2 (ja) * | 2011-01-26 | 2013-10-23 | 株式会社村田製作所 | スイッチング電源装置 |
JPWO2013058175A1 (ja) * | 2011-10-21 | 2015-04-02 | 株式会社村田製作所 | スイッチング電源装置 |
US9048741B2 (en) | 2011-10-21 | 2015-06-02 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Switching power supply device |
GB2508775A (en) * | 2011-10-21 | 2014-06-11 | Murata Manufacturing Co | Switching power-supply device |
GB2508774A (en) * | 2011-10-21 | 2014-06-11 | Murata Manufacturing Co | Switching power-supply device |
CN103891120A (zh) * | 2011-10-21 | 2014-06-25 | 株式会社村田制作所 | 开关电源装置 |
JPWO2013058174A1 (ja) * | 2011-10-21 | 2015-04-02 | 株式会社村田製作所 | スイッチング電源装置 |
WO2013058175A1 (ja) * | 2011-10-21 | 2013-04-25 | 株式会社村田製作所 | スイッチング電源装置 |
WO2013058174A1 (ja) * | 2011-10-21 | 2013-04-25 | 株式会社村田製作所 | スイッチング電源装置 |
US9130467B2 (en) | 2011-10-21 | 2015-09-08 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Switching power supply device |
GB2508775B (en) * | 2011-10-21 | 2018-09-19 | Murata Manufacturing Co | Switching power supply device |
GB2508774B (en) * | 2011-10-21 | 2018-09-19 | Murata Manufacturing Co | Switching power supply device |
CN110121827A (zh) * | 2017-03-02 | 2019-08-13 | 欧姆龙株式会社 | 非接触供电装置 |
CN110121827B (zh) * | 2017-03-02 | 2024-03-12 | 欧姆龙株式会社 | 非接触供电装置 |
WO2022168635A1 (ja) * | 2021-02-08 | 2022-08-11 | パナソニックホールディングス株式会社 | 電力変換システム及び制御方法 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP2006109687A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP4099597B2 (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP4099593B2 (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP4099595B2 (ja) | スイッチング電源回路 | |
US20070035971A1 (en) | Switching power supply circuit | |
JP2006191746A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006217747A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006197753A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006262640A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006271172A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2007336770A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006050689A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006074897A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006149171A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2007014139A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2005204451A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006094584A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2007312522A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2007043787A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006254613A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006094583A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006197671A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006180595A (ja) | スイッチング電源回路 | |
JP2006174650A (ja) | スイッチング電源回路、スイッチングコンバータ装置 | |
JP2006325291A (ja) | スイッチング電源回路 |