JP2006516881A - 力率補正回路 - Google Patents

Abstract

静電容量性蓄積装置の中の受電ＡＣ電圧を用いる力率補正回路は、高周波数ブースト・コンバータに加えて広導通角を要求し、これによって標準的な高調波電流要件を満たすのに必要なレベルにまで力率を高める。ブースト・コンバータは、受電整流ＡＣ電圧を静電性格納装置に導きながら、その出力から共振コンバータに給電する。

Description

（明細書）
本書をもって次のことを証する。米国国民であり、米国、カリフォルニア州、サーザンド・オークス市に住む私、ＭＩＣＨＡＥＬ ＡＲＣＨＥＲは、ある新規の且つ有用な「力率補正回路」を発明した。以下はその特許出願であって、その中には、本願出願時点において発明者が知る本発明の好適な態様が収められている。

（関連出願の相互参照）
本願は、２００３年２月４日に出願された同時係属中の米国仮出願第６０／４４５，１８０号の優先権を主張する。

ラップトップ・コンピュータおよびその他の携帯型コンピュータならびにその他の回路装置を特に対象とした力率補正は、通常、ブースト回路を用いることによって達成される。この場合、閉コンバータは、大型キャパシタンスと一体の主増幅器を用いることによって、調整（レギュレート）された出力電圧のあらゆる変化に高速に対応することができる。PWM段の補正回路を制御するには、一体型誤差増幅器出力を単一象限マルチプライヤで加算し、PWMに可変利得を課すことである。この利得は、受電ＡＣ線電圧から導かれ、検知された半正矢波形に正比例する。電力段の高周波電流は、その後すぐに交流線電圧形状となり、入力段の力率を著しく増大させる。このブースト補正回路の後に続くのは、DC‐DCコンバータである。このDC‐DCコンバータは、DC‐DCトランスの巻線比によって増大または減少された後、出力電圧を調整する。用いられるトポロジー（ｔｏｐｏｌｏｇｙ）は、従来型手法、すなわち、フォワード・コンバータ、ハーフ・ブリッジ・コンバータ、フライ・バック・コンバーター等のいずれとすることもできる。これらの手法はいずれも、その変換関数によって、負荷変化に応じて出力電圧を調整することができる。

固定周波数共振コンバータでは、共振コンバータは、DC‐DC変換段階の間、出力電圧を調整することができない。従って負荷変化に応じて入力電圧修正作業を遂行するためには、その前の（力率補正段階）調整段に依存しなければならない。従来技術の力率回路を用いると、これらの回路は高周波における負荷障害を補正することができないために、不要な低周波ノイズを引き起こし、さらにこれらの共振コンバータは独力で調整を行うことができないために下流（ダウンストリーム）の共振コンバータの過渡応答は不良になる。今日の標準的な調整は、殆どの用途で力率補正が行われることを求めているため、変換プロセス効率および力率の双方を維持しなければ成らない高密度電源の仕様に対して固定周波数の共振コンバータを用いることができる力率に対する新たな手法が必要とされている。本発明は、この問題に対する解決策を提供する。

固定周波数の共振コンバータには電源が用いられ、この電源の出力電圧の制御は、その前端にあるブースト・コンバータによって、力率補正に通常用いられるＰＦＣコンバータと類似の方法で行われる。しかしながら、共振コンバータは、高周波においてはブースト・コンバータの出力補正を求める。これにより、出力電圧を補正し、下流の負荷変化に対応することが容易になる。さらに、これによって、基本的に、ブースト・コンバータはあらゆる力率を補正することができなくなるため、入力段は静電容量性であることが求められる。

従来技術は、一般的に、DC‐DC変換には、（１リングに４個のダイオードが接続された）全波整流器の使用に依存する。しかし、電流には、例えば、米国では８．５ミリアンペアといったように制限がある。さらに、要求が１０ワットだけの場合、トランスに負荷をたくさんかけるのは避けることが望ましい。このため、力率を増やさなければならない。コンバータはコンデンサと一緒に動作し、コンバータはコンデンサを充電するために絶えず動作を行う。そのため、電流がゼロの時、静電容量はゼロとなる。

標準的な電力調整は、入力高調波が特定の比率で維持され、配電品質を改善することを要求する。その結果、電源に過度のコストを追加することなくこの問題を解決する新たな手法が必要とされている。本発明の方法は、この問題に対する解決策を提供する。

（発明の目的）
従来のブースト回路からのエネルギーを利用する新規の力率補正回路は、高い利得帯域幅において動作して線高調波（ｌｉｎｅ ｈａｒｍｏｎｉｃｓ）を補正し、上流（アップストリーム）のブーストの閉ループ性能を損なうことはない。その他の目的は、当業者には明らかであろう。

本発明は、先に説明したように、従来型ブースト回路を利用した力率補正回路を提供する。この新たな装置を用いると、受電整流電圧を静電容量性蓄積装置に導くことによって、力率補正のジレンマは解決される。この静電容量性蓄積装置は、ＡＣ電圧の導通角を本質的に押し広げる。高周波ブースト・コンバータからのエネルギーは、次に整流器ネットワークに注入され、このネットワークへの電流充填を押し上げられる。これによって力率レベルは十分に引き上げられ、標準的な高調波電流要件を満たす。

ブースト・コンバータは力率が存在するか否かを検知しないので、利得帯域幅の積を望ましい高レベルに維持することができ、それによって出力、調整およびノイズの精度は確保され、なおかつ入力側の高調波電流要件を満たす。本質的に、提案する回路装置は、マルチプライヤを完全に必要としなくなる。しかしながら、通常、これは力率補正遂行に影響を及ぼす。本発明の回路は、静電容量性のエネルギー蓄積装置を用い、当該エネルギーを回路に注入することによってこのジレンマを克服する。

従って、本発明は、先に確認した目的およびその他の目的を達成する一意の且つ新規の力率補正回路を提供する。それらの目的は、本発明を具現化することができる形態を検討することによってさらに完全に明らかとなろう。これらの形態の１つは、添付図面の中で一層完全に示されており、さらに以下の本発明の詳細な説明の中で説明されている。しかしながら、添付図面およびこの詳細な説明の明示は、単に、本発明の全般的な原理を説明するためであることは理解されて当然である。

図１の力率補正回路は、通常の電源装置の中の力率を補正するように配置される。図１の電源は、通常、高周波ブースト・コンバータ回路１２に加え、整流回路１０を含み、さらに高周波数スイッチ１９、大型コンデンサＣ２と一体型の制御ＩＣ１７を含む。増幅器１４は、マルチプライヤと一体型の誤差増幅器であって、端子１６間の受電線電圧から得られた、検知後の半正矢波形に比例する可変利得関数を与えることが好ましい。図２を参照すると、受電電圧Ｖ_ＡＣは、静電性段２０によって濾過されることが理解できる。サンプル電圧を単一象限のマルチプライヤに供給し、受電ＡＣ線電圧に比例する可変利得関数を適用する。このように、電源段の高周波電流は、本質的に図２の波形Ｃ１で示すＡＣ線電圧の形状をとる。電流は、図２では、波形Ｉ_ＡＣで示されている。

図１に装置を、図２にその電圧と電流の波形を示しているが、図１に示す装置は、しかしながら、高い周波数の出力ブースト補正には対応していない。基本的に、ブースト・コンバータは、あらゆる負荷変化を補正することができるわけではなく、力率補正ができるだけである。

本発明に従って、図３に示すタイプの回路が提供されている。図３の回路に従って、ＡＣ電圧は、ＡＣ電圧を整流する整流器３２に沿って、端子３０に印加される。また、ブースト・コンバータ段３４と、高周波ブースト・コンバータからのエネルギーを格納する静電容量性蓄積装置３６とがある。

図４を参照すると、電圧入力が図４の波形Ｖ_ＩＮによって示されている。補正力率電圧は、図４の波形Ｖ_ＰＫによって示されている。しかしながら、導通角は本質的に押し広げられ、回路はブースト・コンバータ回路３４からのエネルギーをステアリング回路３７に注入する。静電容量性回路３６の中に保持されたこのエネルギーは、図示されるように、波形Ｉ_ＩＮの電流を補填する。従って、波形は、はじめは図４に示すような形状４０をとることが確認できる。しかし、この波形は、図４のＩ_ＩＮに示すような領域４２で補填される。すなわち、コンバータは、高調波電流要件を満たすために必要なレベルまでに力率を高めることによって、ネットワークの中に電流を補填する。

ブースト・コンバータは、先述したように、実際には力率ネットワークを検知しない。従って、ブースト・コンバータの利得帯域幅を高いレベルに維持し、出力、調整およびノイズの精度を保ち、なお入力端子３０における高調波電流要件を満たすことが可能である。

これまで、一意の且つ新規の力率補正回路であって、これまでに求められてきた目的および利点の全てを実現する力率補正回路を図示し、説明してきた。多くの変更、修正物、変形、およびその他の使用法ならびに用途は、本明細書と添付図面を検討すれば、当業者には明らかになることは理解されて当然である。従って、本発明の精神および範囲から逸脱することのない、あらゆる且つ全ての変更、修正物、変形およびその他の使用法ならびに用途は、本発明に含まれるものと看做される。

図１は、従来のブースト力率補正回路を示す概略回路図である。 図２は、図１の力率補正回路によって実現される波形のグラフ図である。 図３は、本発明による力率補正回路の概略回路図である。 図４は、図３の力率補正回路に従って実現される波形のグラフ図である。

Claims (1)

1. 閉ループ性能を要求することなくライン高調波を補正することができる力率補正回路であって、該力率補正回路は、
   ａ）受電ＡＣ電圧を受けて、該ＡＣ電圧をＤＣ電圧に整流する整流段と、
   ｂ）入力における高調波電流要件を満たすレベルまでに力率を高める電流信号で、電流を補填するように配置された高周波ブースト・コンバータと、
   ｃ）受電整流ＡＣ電圧を導くステアリング回路と、
   ｄ）導かれた受電ＡＣ電圧を受けて、導通角を広げると共に更にこれまでに生成された波形のあらゆるギャップを、前記ブースト・コンバータからのエネルギーが補填できるように配置された静電容量性蓄積装置と、
   を備えた前記力率補正回路。
   

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