JP2006246637A

JP2006246637A - スイッチング電源装置

Info

Publication number: JP2006246637A
Application number: JP2005060080A
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: 2005-03-04
Filing date: 2005-03-04
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】交流電源の受電時と停電時のいずれも少ない変換段数で負荷に電力を供給することで、部品点数の削減と変換効率の向上とを図り、装置の小型化，低コスト化を可能にする。
【解決手段】交流電源１の出力にいわゆるＣレスコンバータとしての力率改善コンバータ２６を設けるとともに、その出力を電源とする昇降圧コンバータ２４を設け、交流電源１の停電時には昇降圧コンバータ２４の入力に、スイッチ回路２５を介してバッテリ１５を接続することにより、変換段数を少なくして装置の小型化と変換効率の向上とを図り、バッテリバックアップ時間の延長化を実現する。
【選択図】図１

Description

この発明は、力率改善手段を備え、交流電源から絶縁され安定化された少なくとも１つの直流出力を得、前記交流電源の瞬時を含む停電発生時には電力蓄積要素から前記直流出力に電力を供給して直流出力の電圧を一定に維持するスイッチング電源に関する。

交流電源の停電時にも安定な直流出力を得るため、バッテリなどの電力蓄積要素から出力される電力により、一定の直流出力電圧を維持するスイッチング電源装置として、様々な回路が提案されている（例えば特許文献１：無停電電源装置参照）。

図３に、この種の典型的なスイッチング電源装置の従来例を示す。
図３の回路は主に、ノイズフィルタ３、力率改善コンバータ２７、絶縁コンバータ２８、充電回路１４、バッテリ１５、昇圧コンバータ１６、降圧コンバータ１７，１８，１９などから構成される。なお、１は交流電源、２ａ，２ｂは交流入力端子、４は整流ブリッジ回路、５はフィルタコンデンサ、６はリアクトル、７，１０はＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜電界効果トランジスタ）、８，１２はダイオード、９はコンデンサ、１１はトランス、２０ａ〜２２ｂは直流出力端子を示す。また、降圧コンバータ１７，１８，１９としては例えば図４に示すもの、昇圧コンバータ１６としては例えば図５に示すものが用いられる。

その動作について説明する。
力率改善コンバータ２７は、ＭＯＳＦＥＴ７のオンオフ動作によりコンデンサ９の電圧を一定に保ちながら、交流電源１に流れる電流を正弦波状に制御し、高調波電流を低減させるように動作する。また、ノイズフィルタ３は、ＭＯＳＦＥＴ７などのスイッチング素子のオンオフ動作に起因して発生するノイズ電流を抑制する。絶縁コンバータ２８は、ＭＯＳＦＥＴ１０のオンオフ動作によりコンデンサ１３の電圧を一定に制御する。

降圧コンバータ１７〜１９は、コンデンサ１３を直流電源とし、それぞれ異なる電圧に降圧され、各々の負荷に電力を供給する。降圧コンバータ１７〜１９の出力電圧はそれぞれ、例えば１２Ｖ，５Ｖ，３．３Ｖである。充電回路１４は絶縁コンバータ２８の出力に接続され、バッテリ１５を絶縁コンバータ２８の出力電圧よりも低い電圧に充電する。昇圧コンバータ１６は交流電源１の停電時に動作し、バッテリ１５を電源として、この電源を絶縁コンバータ２８の出力電圧まで昇圧して、絶縁コンバータ２８の電圧を一定に維持する。従って、降圧コンバータ１７〜１９の出力電圧は、交流電源１が停電しても一定に維持される。

特開平０９−０５６０８５号公報

図３の回路では、交流電源１から負荷に供給するまでのコンバータが３段必要となり、部品点数増加や変換効率の低下により装置の大型化や高コスト化が問題となる。また、交流電源１が停電した場合、バッテリから負荷に電力供給するまでのコンバータが２段となり、変換効率低下によるバッテリからのバックアップ時間の低下を招くという問題がある。
したがって、この発明の課題は、交流電源の受電時と停電時のいずれも少ない変換段数で負荷に電力を供給することで、部品点数の削減と変換効率の向上とを図り、装置の小型化，低コスト化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、請求項１の発明では、力率改善手段を備え、交流電源から絶縁され安定化された少なくとも１つの直流出力を得、前記交流電源の瞬時を含む停電発生時には電力蓄積要素から前記直流出力に電力を供給して直流出力の電圧を一定に維持するスイッチング電源装置において、
前記力率改善手段は、前記交流電源に接続された整流ブリッジ回路の出力に、絶縁トランスの一次巻線とスイッチ素子との直列回路を並列接続し、前記スイッチ素子のオンオフにより前記絶縁トランスの二次巻線に発生する高周波電圧を整流平滑して第１の直流出力を得るものとし、この第１の直流出力により前記電力蓄積要素を充電する充電手段と、前記交流電源の停電時に前記電力蓄積要素の出力を前記第１の直流出力に接続するスイッチ回路とを設け、前記電力蓄積要素の充電電圧を前記第１の直流出力電圧よりも低くし、前記第１の直流出力から昇降圧手段を介して安定化された第２の直流出力を得ることを特徴とする。

上記請求項１の発明では、前記スイッチ回路は逆流防止手段を有するものとし、前記交流電源の停電時に前記スイッチ回路をオンオフさせる信号を得るために、前記第１の直流出力電圧と前記電力蓄積要素の電圧よりも高く設定した基準電圧とを比較する比較手段を設け、前記第１の直流出力電圧が前記基準電圧を下回ったときに前記スイッチ回路をオンし、前記第１の直流出力電圧が前記基準電圧を上回ったときに前記スイッチ回路をオフすることができる（請求項２の発明）。

この発明によれば、交流電源から負荷までのコンバータの段数を減らすことで、部品点数が削減され変換効率が向上するため、装置の小型，低コスト化が可能となる。また、交流電源の停電時には、バッテリなどの電力蓄積要素から負荷までのコンバータの段数を低減し、変換効率を向上させることで、バッテリなどの電力蓄積要素によるバックアップ時間を従来よりも長くすることができる

図１はこの発明の実施の形態を示す回路図である。
これは、図３に示すものに対し力率改善コンバータ２７と絶縁コンバータ２８の２つのコンバータを、整流ブリッジ回路４とフィルタコンデンサ５とＭＯＳＦＥＴ２３とトランス１１とダイオード１２とコンデンサ１３とから構成される力率改善コンバータ２６に置き換え、図３の降圧コンバータ１７〜１９のうちの少なくとも１つの昇降圧コンバータ（図１では、降圧コンバータ１７を昇降圧コンバータ２４としている）に置き換え、図３の昇圧コンバータ１６をスイッチ回路２５に置き換えたものである。なお、バッテリ１５の電圧は図３の回路と同様に、コンデンサ１３の出力電圧より低い電圧で充電される。

図１で用いられるの昇降圧コンバータの例を、図２に示す。
この回路は、入力電圧が出力電圧よりも高い場合には、ＭＯＳＦＥＴ３３をオフしつづけ、ＭＯＳＦＥＴ３４をオンオフ動作することにより、図４の降圧コンバータと同様の動作となる。また、入力電圧が出力電圧よりも低い場合には、ＭＯＳＦＥＴ３４をオンしつづけ、ＭＯＳＦＥＴ３３をオンオフ動作することにより、図５の昇圧コンバータと同様の動作となる。

力率改善コンバータ２６はいわゆるＣレスコンバータと呼ばれるものであるが、トランス１１の一次側に電解コンデンサなどの平滑要素を持たないため、コンデンサ１３の電圧には交流電源１の周波数の二倍の周波数の比較的大きな脈流が発生する。また、交流電源１の周波数の１サイクル以下の瞬時の停電であっても出力電圧が低下してしまうため、単体で使用された例は少ない。

しかしながら、図１の回路のように、コンデンサ１３に接続されるコンバータ１７〜１９から各々の負荷に電力を供給するシステムでは、コンデンサ１３に発生する脈流はコンバータ１７〜１９により吸収され、負荷には一定の電圧で電力の供給が可能となる。したがって、交流電源１から負荷までの段数は２段に低減されるため、図３の回路に比べて部品点数の削減と変換効率の向上による装置の小型化と、低コスト化が可能となる。

さらに、交流電源１に停電が発生した場合には、スイッチ回路２５をオンすることで、コンデンサ１３の電圧はバッテリ１５の電圧に等しくなる。このとき、コンデンサ１３の電圧が昇降圧コンバータ２４の出力電圧より高くても低くても、昇降圧動作により負荷に一定の電圧で電力を供給可能となる。なお、バッテリ１５の最小電圧が降圧コンバータ１８，１９の出力電圧よりも低くなることが想定される場合は、降圧コンバータ１８，１９を昇降圧コンバータとすれば良い。また、バッテリ１５から負荷までは１段のコンバータで負荷に電力を供給するため、図３の回路に比べて変換効率が向上し、バッテリ１５のバックアップ時間を増加させることができる。

また、交流電源１の停電時に、逆流防止手段を持つスイッチ回路２５をオンオフする信号を得る手段として、コンデンサ１３の電圧とバッテリ１５の電圧よりも高く設定した基準電圧とを比較するコンパレータなどを設け、コンデンサ１３の電圧が上記基準電圧を下回ったときにスイッチ回路２５をオンし、コンデンサ１３の電圧が上記基準電圧を上回ったときにスイッチ回路２５をオフさせる。これにより、スイッチ回路２５がオンした後、コンデンサ１３の電圧がバッテリ１５の電圧に等しくなって初めて、バッテリ１５からコンデンサ１３に電力が供給されるようになる。したがって、コンデンサ１３の電圧がバッテリ１５の電圧よりも低下してから、スイッチ回路２５がオンしてバッテリ１５に短絡電流が流れることを防止できる。

この発明の実施の形態を示す回路図図１で用いる昇降圧コンバータ例を示す回路図従来例を示す回路図図３で用いる降圧コンバータの例を示す回路図図３で用いる昇圧コンバータの例を示す回路図

符号の説明

１…交流電源、２ａ，２ｂ…交流入力端子、３…ノイズフィルタ、４…整流ブリッジ回路、５…フィルタコンデンサ、６，３２，３５，３８…リアクトル、７，１０，２３，３３，３４…ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜電界効果トランジスタ）、８，１２，３６，３７…ダイオード、９，１３，３９，４０…コンデンサ、１１…トランス、１４…充電回路、１５…バッテリ、１６，２９…昇圧コンバータ、１７，１８，１９，３０…降圧コンバータ、２０ａ，２０ｂ，２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ…直流出力端子、２４，３１…昇降圧コンバータ、２５…スイッチ回路、２６，２７…力率改善コンバータ、２８…絶縁コンバータ。

Claims

力率改善手段を備え、交流電源から絶縁され安定化された少なくとも１つの直流出力を得、前記交流電源の瞬時を含む停電発生時には電力蓄積要素から前記直流出力に電力を供給して直流出力の電圧を一定に維持するスイッチング電源装置において、
前記力率改善手段は、前記交流電源に接続された整流ブリッジ回路の出力に、絶縁トランスの一次巻線とスイッチ素子との直列回路を並列接続し、前記スイッチ素子のオンオフにより前記絶縁トランスの二次巻線に発生する高周波電圧を整流平滑して第１の直流出力を得るものとし、この第１の直流出力により前記電力蓄積要素を充電する充電手段と、前記交流電源の停電時に前記電力蓄積要素の出力を前記第１の直流出力に接続するスイッチ回路とを設け、前記電力蓄積要素の充電電圧を前記第１の直流出力電圧よりも低くし、前記第１の直流出力から昇降圧手段を介して安定化された第２の直流出力を得ることを特徴とするスイッチング電源装置。
前記スイッチ回路は逆流防止手段を有するものとし、前記交流電源の停電時に前記スイッチ回路をオンオフさせる信号を得るために、前記第１の直流出力電圧と前記電力蓄積要素の電圧よりも高く設定した基準電圧とを比較する比較手段を設け、前記第１の直流出力電圧が前記基準電圧を下回ったときに前記スイッチ回路をオンし、前記第１の直流出力電圧が前記基準電圧を上回ったときに前記スイッチ回路をオフすることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。