JP2007043807A - Switching power supply circuit - Google Patents

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Masayuki Yasumura
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a voltage resonance converter equipped with a series resonance circuit on the secondary in which power conversion efficiency is enhanced as a power circuit with a power factor improving function while decreasing the number of circuit components. <P>SOLUTION: A primary switching converter operating by receiving a DC input voltage obtained by rectifying and smoothing a commercial AC power supply through a rectification circuit (including a smoothing capacitor Ci) is constituted as class E resonance type. A power factor improving circuit 10 is arranged such that an operation for inducing a resonance pulse voltage and feeding that voltage back to a smoothing capacitor Ci and an operation for regenerating power of a switching current obtained in the primary winding N1 and feeding it back to the smoothing capacitor Ci are obtained for a choke coil winding N11 for improving power factor from a choke coil winding N10 forming a primary parallel resonance circuit and a switching diode D1 chops a rectification current depending on a switching output thus fed back. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、各種電子機器の電源として備えられるスイッチング電源回路に関する。   The present invention relates to a switching power supply circuit provided as a power supply for various electronic devices.

特開平6−327246号公報(第11図)JP-A-6-327246 (FIG. 11)

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。
In recent years, the development of switching elements that can withstand relatively high currents and voltages at high frequencies has led to most switching power supply circuits as power supply circuits that rectify commercial power and obtain a desired DC voltage. .
The switching power supply circuit reduces the size of the transformer and other devices by increasing the switching frequency, and is used as a power source for various electronic devices as a high-power DC-DC converter.

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。
そこで、従来において力率改善を図る技術として、いわゆるアクティブフィルタを用いる手法が知られている(例えば上記特許文献1参照)。
By the way, in general, when a commercial power supply is rectified, the current flowing through the smoothing circuit becomes a distorted waveform, which causes a problem that the power factor indicating the utilization efficiency of the power supply is impaired.
Further, there is a need for measures for suppressing harmonics generated by such a distorted current waveform.
Thus, a technique using a so-called active filter has been known as a technique for improving the power factor in the past (see, for example, Patent Document 1 above).

このようなアクティブフィルタの基本構成としては、例えば図13に示すようになる。
図13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110に入力電圧として供給される。
The basic configuration of such an active filter is, for example, as shown in FIG.
In FIG. 13, a bridge rectifier circuit Di is connected to a commercial AC power supply AC. An output capacitor Cout is connected in parallel to the positive / negative line of the bridge rectifier circuit Di. By supplying the rectified output of the bridge rectifier circuit Di to the output capacitor Cout, a DC voltage Vout is obtained as a voltage across the output capacitor Cout. This DC voltage Vout is supplied as an input voltage to a load 110 such as a DC-DC converter in the subsequent stage.

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111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。
As shown in the figure, the power factor improvement includes an inductor L, a fast recovery type diode D, a resistor Ri, a switching element Q, and a multiplier 111.
The inductor L and the diode D are connected in series and inserted between the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di and the positive terminal of the output capacitor Cout.
The resistor Ri is inserted between the negative output terminal (primary side ground) of the bridge rectifier circuit Di and the negative terminal of the output capacitor Cout.
In this case, the switching element Q1 is a MOS-FET, and is inserted between the connection point of the inductor L and the diode D and the primary side ground as shown.

乗算器111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111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111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。
To the multiplier 111, a current detection line LI and a waveform input line Lw are connected as a feedforward circuit, and a voltage detection line LV is connected as a feedback circuit.
The multiplier 111 detects the level of the rectified current that is input from the current detection line LI and flows to the negative output terminal of the bridge rectifier circuit Di.
Further, the rectified voltage waveform at the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di input from the waveform input line Lw is detected. This corresponds to detecting the waveform of the commercial AC power supply AC (AC input voltage) as an absolute value.
Further, the fluctuation difference of the DC input voltage is detected based on the DC voltage Vout of the output capacitor Cout input from the voltage detection line LV.
The multiplier 111 outputs a drive signal for driving the switching element Q.

電流検出ラインLIから乗算器111に対しては、ブリッジ整流回路Diの負極出力端子に流れる整流電流が入力される。乗算器111では、この電流検出ラインLIから入力された整流電流レベルを検出する。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。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。   A rectified current flowing in the negative output terminal of the bridge rectifier circuit Di is input from the current detection line LI to the multiplier 111. The multiplier 111 detects the rectified current level input from the current detection line LI. Further, the fluctuation difference of the DC input voltage is detected based on the DC voltage Vout of the output capacitor Cout input from the voltage detection line LV. Further, the rectified voltage waveform at the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di input from the waveform input line Lw is detected. This corresponds to detecting the waveform of the commercial AC power supply AC (AC input voltage) as an absolute value.

乗算器111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。   The multiplier 111 first multiplies the rectified current level detected from the current detection line LI as described above and the fluctuation difference of the DC input voltage detected from the voltage detection line LV. Then, a current command value having the same waveform as the AC input voltage VAC is generated based on the multiplication result and the waveform of the AC input voltage detected from the waveform input line Lw.

さらに、この場合の乗算器111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。   Further, the multiplier 111 in this case compares the current command value with the actual AC input current level (detected based on the input from the current detection line L1), and performs PWM control on the PWM signal according to this difference. To generate a drive signal based on the PWM signal. The switching element Q is switched by this drive signal. As a result, the AC input current is controlled to have the same waveform as the AC input voltage, and the power factor is improved so that the power factor approaches one. In this case, since the current command value generated by the multiplier is controlled so that the amplitude changes according to the fluctuation difference of the rectified smoothing voltage, the fluctuation of the rectified smoothing voltage is also suppressed. .

図14(a)は、図13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。   FIG. 14A shows the input voltage Vin and the input current Iin input to the active filter circuit shown in FIG. The voltage Vin corresponds to the voltage waveform as the rectified output of the bridge rectifier circuit Di, and the current Iin corresponds to the current waveform as the rectified output of the bridge rectifier circuit Di. Here, the waveform of the current Iin has the same conduction angle as the rectified output voltage (voltage Vin) of the bridge rectifier circuit Di. This is the waveform of the AC input current flowing from the commercial AC power supply AC to the bridge rectifier circuit Di. Also indicates that the conduction angle is the same as that of the current Iin. That is, a power factor close to 1 is obtained.

また、図14(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14(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14(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。
FIG. 14B shows a change in energy (power) Pchg input / output to / from the output capacitor Cout. The output capacitor Cout stores energy when the input voltage Vin is high, and releases energy when the input voltage Vin is low to maintain the flow of output power.
FIG. 14C shows the waveform of the charge / discharge current Ichg with respect to the output capacitor Cout. The charge / discharge current Ichg flows corresponding to the energy Pchg accumulation / discharge operation in the output capacitor Cout, as can be seen from the fact that it is in phase with the waveform of the input / output energy Pchg in FIG. Current.

上記充放電電流Ichgは、入力電流Iin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14(d)に示すようにして、第2高調波成分にリップル電圧Vdcが生じる。このリップル電圧Vdcは、無効なエネルギー保存のために、図14(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。   Unlike the input current Iin, the charge / discharge current Ichg has substantially the same waveform as the second harmonic of the AC line voltage (commercial AC power supply AC). In the AC line voltage, a ripple voltage Vdc is generated in the second harmonic component as shown in FIG. 14D due to the flow of energy with the output capacitor Cout. The ripple voltage Vdc has a phase difference of 90 ° with respect to the charge / discharge current Ichg shown in FIG. The rating of the output capacitor Cout is determined in consideration of processing the second harmonic ripple current and the high frequency ripple current from the boost converter switch that modulates the current.

また、図15には、先の図13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13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115が備えられる。このスイッチングプリレギュレータ115は、図13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。
Further, FIG. 15 shows a configuration example of an active filter having a basic control circuit system based on the circuit configuration of FIG. In addition, about the part made the same as FIG. 13, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted.
A switching pre-regulator 115 is provided between the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di and the positive terminal of the output capacitor Cout. In FIG. 13, the switching pre-regulator 115 is a part formed by the switching element Q, the inductor L, the diode D, and the like.

そして、乗算器111を含むコントロール回路系は、他に、電圧誤差増幅器112、除算器113、二乗器114を備えて成る。
電圧誤差増幅器112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112aの非反転入力に入力する。オペアンプ112aの反転入力には基準電圧Vrefが入力される。オペアンプ112a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113に出力する。
The control circuit system including the multiplier 111 includes a voltage error amplifier 112, a divider 113, and a squarer 114.
In the voltage error amplifier 112, the DC voltage Vout of the output capacitor Cout is divided by the voltage dividing resistor Rvo-Rvd and input to the non-inverting input of the operational amplifier 112a. The reference voltage Vref is input to the inverting input of the operational amplifier 112a. In the operational amplifier 112a, a voltage of a level corresponding to the error of the divided DC voltage Vout with respect to the reference voltage Vref is amplified by an amplification factor determined by the feedback resistor Rvl and the capacitor Cvl, and the divider 113 is used as the error output voltage Vvea. Output to.

また、二乗器114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116(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114では、このフィードフォワード電圧Vffを二乗して除算器113に出力する。   In addition, a so-called feedforward voltage Vff is input to the squarer 114. The feedforward voltage Vff is an output (average input voltage) obtained by averaging the input voltage Vin by the averaging circuit 116 (Rf11, Rf12, Rf13, Cf11, Cf12). The squarer 114 squares the feedforward voltage Vff and outputs it to the divider 113.

除算器113では、電圧誤差増幅器112からの誤差出力電圧Vveaについて、二乗器114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111に出力する。
つまり、電圧ループは、二乗器114、除算器113、乗算器111の系から成るものとされる。そして、電圧誤差増幅器112から出力される誤差出力電圧Vveaは、乗算器111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。
In the divider 113, the error output voltage Vvea from the voltage error amplifier 112 is divided by the square value of the average input voltage output from the squarer 114. A signal as a result of the division is output to the multiplier 111.
That is, the voltage loop is composed of a system of a squarer 114, a divider 113, and a multiplier 111. The error output voltage Vvea output from the voltage error amplifier 112 is divided by the square of the average input voltage (Vff) before being multiplied by the rectified input signal Ivac in the multiplier 111. With this circuit, the gain of the voltage loop is kept constant without changing as the square of the average input voltage (Vff). The average input voltage (Vff) has a function of open loop correction that is sent forward in the voltage loop.

乗算器111には、上記除算器113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111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13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110)への入力は抵抗性になる。
The multiplier 111 receives the output obtained by dividing the error output voltage Vvea by the divider 113 and the rectified output (Iac) of the positive output terminal (rectified output line) of the bridge rectifier circuit Di via the resistor Rvac. Here, the rectified output is shown not as a voltage but as a current (Iac). The multiplier 111 multiplies these inputs to generate and output a current programming signal (multiplier output signal) Imo. This corresponds to the current command value described in FIG. The output voltage Vout is controlled by varying the average amplitude of this current programming signal. That is, a PWM signal corresponding to a change in the average amplitude of the current programming signal is generated, and switching drive is performed by a drive signal based on the PWM signal, thereby controlling the level of the output voltage Vout.
Thus, the current programming signal has an average amplitude waveform that controls the input and output voltages. Note that the active filter controls not only the output voltage Vout but also the input current Vin. Since the current loop in the feedforward circuit can be said to be programmed by the rectified line voltage, the input to the subsequent converter (load 110) becomes resistive.

図16は、図13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は、交流入力電圧VAC=85V〜264Vとして示される商用交流電源入力レベルに対応し、負荷電力Po=300W〜0Wの条件に対応可能な構成を採っている。また、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。   FIG. 16 shows a configuration example of a power supply circuit in which a current resonance type converter is connected to the subsequent stage of the active filter based on the configuration shown in FIG. The power supply circuit shown in this figure corresponds to a commercial AC power supply input level indicated as AC input voltage VAC = 85V to 264V, and adopts a configuration that can correspond to the condition of load power Po = 300 W to 0 W. Further, the current resonance type converter adopts a configuration of a separately excited half bridge coupling method.

この図16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と3組のアクロスコンデンサCLによるコモンモードノイズフィルタが設けられ、この後段にブリッジ整流回路Diが接続される。
また、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125が接続される。
In the power supply circuit shown in FIG. 16, a common mode noise filter including two sets of line filter transformers LFT and three sets of across capacitors CL is provided for the commercial AC power supply AC according to the illustrated connection mode. A bridge rectifier circuit Di is connected.
Also connected to the rectified output line of the bridge rectifier circuit Di is a normal mode noise filter 125 comprising a pair of choke coils LN and two sets of filter capacitors (film capacitors) CN, CN connected as shown in the figure. Is done.

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D20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13、図14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D20は、それぞれ、図13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D20には、コンデンサCsn、抵抗Rsnの直列接続から成るRCスナバ回路が並列に接続される。
The positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di is connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Ci via the series connection of the choke coil LN, the inductor Lpc of the power choke coil PCC, and the fast recovery type rectifier diode D20. The smoothing capacitor Ci corresponds to the output capacitor Cout in FIGS. Further, the inductor Lpc and the diode D20 of the power choke coil PCC correspond to the inductor L and the diode D shown in FIG.
In addition, an RC snubber circuit comprising a series connection of a capacitor Csn and a resistor Rsn is connected in parallel to the rectifier diode D20 in this figure.

スイッチング素子Q3は、図13におけるスイッチング素子Q10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Q3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D20の接続点と、一次側アース(抵抗R3を介する)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Q3にはMOS−FETが選定されている。
Switching element Q3 corresponds to switching element Q10 in FIG. That is, in actually mounting the switching element of the active filter, in this case, the switching element Q3 is connected to the connection point between the power choke coil Lpc and the fast recovery type rectifier diode D20, and the primary side ground (via the resistor R3). It is inserted between.
In this case, a MOS-FET is selected as the switching element Q3.

力率・出力電圧制御用IC120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集積回路(IC)とされている。
この場合、力率・出力電圧制御回路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15に示した乗算器111、電圧誤差増幅器112、除算器113、及び二乗器114などに相当する回路部は、この力率・出力電圧制御IC20内に含められる。
In this case, the power factor / output voltage control IC 120 is an integrated circuit (IC) that controls the operation of the active filter for improving the power factor so that the power factor approaches 1.
In this case, the power factor / output voltage control circuit 20 includes a multiplier, a divider, an error voltage amplifier, a PWM control circuit, and a drive circuit that outputs a drive signal for switching the switching element. . Circuit portions corresponding to the multiplier 111, the voltage error amplifier 112, the divider 113, the squarer 114, and the like shown in FIG. 15 are included in the power factor / output voltage control IC 20.

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R5,R6により分圧した電圧値を、力率・出力電圧制御IC20の端子T1に入力するようにして形成される。   In this case, the feedback circuit is formed so that the voltage value obtained by dividing the voltage across the smoothing capacitor Ci (rectified smoothing voltage Ei) by the voltage dividing resistors R5 and R6 is input to the terminal T1 of the power factor / output voltage control IC 20. Is done.

また、フィードフォワード回路としては、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と一次側アース間に対して、分圧抵抗R1−R2の直列接続を設け、この分圧抵抗R1−R2の接続点を端子T5と接続するようにしている。これにより、端子T5には、ブリッジ整流回路Diの整流出力が分圧されて入力されることになる。このようにして、図13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。   As the feedforward circuit, a series connection of voltage dividing resistors R1-R2 is provided between the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di and the primary side ground, and the connection point of the voltage dividing resistors R1-R2 is defined as a terminal T5. To connect with. As a result, the rectified output of the bridge rectifier circuit Di is divided and input to the terminal T5. In this way, a feedforward circuit is formed as a line corresponding to the current detection line LI in FIG.

また、端子T4には、力率・出力電圧制御IC20の動作電源が供給される。この端子T4には、パワーチョークコイルPCCにおける、インダクタLpcとトランス結合された巻線N5に励起された交番電圧が、図示するダイオードD11及びコンデンサC11とから成る半波整流回路により低圧直流電圧に変換されて供給される。
また、端子T4は、起動抵抗Rsを介して、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と接続される。商用交流電源ACが投入されてこの電源回路が起動するときには、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子にて得られる整流出力が起動抵抗Rsを介して端子T4に供給される。力率・出力電圧制御IC20は、このようにして供給される整流出力を起動用電源として、動作を開始する。
Further, the operating power supply of the power factor / output voltage control IC 20 is supplied to the terminal T4. In this terminal T4, the alternating voltage excited in the winding N5 transformer-coupled with the inductor Lpc in the power choke coil PCC is converted into a low-voltage DC voltage by a half-wave rectifier circuit comprising a diode D11 and a capacitor C11 as shown. Supplied.
The terminal T4 is connected to the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di via the starting resistor Rs. When the commercial AC power supply AC is turned on and the power supply circuit is activated, the rectified output obtained at the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di is supplied to the terminal T4 via the activation resistor Rs. The power factor / output voltage control IC 20 starts the operation using the rectified output supplied in this way as a starting power source.

また、端子T3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(ゲート電圧)がスイッチング素子Q3のゲートに対して出力される。
スイッチング素子Q3は、印加されるドライブ信号に応じてスイッチング動作を行う。
A drive signal (gate voltage) for driving the switching element is output from the terminal T3 to the gate of the switching element Q3.
The switching element Q3 performs a switching operation according to the applied drive signal.

また、スイッチング素子Q3のソースと一次側アース間には抵抗R3を挿入しており、このスイッチング素子Q3のソースと抵抗R3との接続点を端子T2と接続するようにしている。この場合の抵抗R3は、スイッチング素子Q3に流れる過電流を電圧として検出するために設けられる。過電流に対応するとされるレベルの電圧が端子T2にて検出されると、力率・出力電圧制御IC20は、例えばスイッチング素子Q3のスイッチング動作を停止させるなどの保護動作を行うようにされている。   Further, a resistor R3 is inserted between the source of the switching element Q3 and the primary side ground, and the connection point between the source of the switching element Q3 and the resistor R3 is connected to the terminal T2. The resistor R3 in this case is provided for detecting an overcurrent flowing through the switching element Q3 as a voltage. When a voltage at a level corresponding to the overcurrent is detected at the terminal T2, the power factor / output voltage control IC 20 performs a protection operation such as stopping the switching operation of the switching element Q3, for example. .

そして、スイッチング素子Q3のスイッチング駆動は、図13及び図14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。   The switching drive of the switching element Q3 is a drive based on PWM control so that the conduction angle of the rectified output current is substantially the same as the rectified output voltage waveform as described with reference to FIGS. Done by signal. The conduction angle of the rectified output current is substantially the same as the rectified output voltage waveform. That is, the conduction angle of the AC input current flowing from the commercial AC power supply AC is substantially the same as the waveform of the AC input voltage VAC. As a result, the power factor is controlled to be approximately 1. That is, power factor improvement is achieved.

ここで、実際における上記構成によるアクティブフィルタの力率改善動作について、図17及び図18により示す。
先ず、図17においては、負荷変動に応じたスイッチング素子Q3のスイッチング動作と、パワーチョークコイルPCCのインダクタLpcに流れる電流I1が示される。図17(a)は、軽負荷時の動作を示し、図17(b)は中間負荷時の動作を示し、図17(c)は重負荷時の動作を示す。
図17(a)(b)(c)を比較して分かるように、スイッチング素子Q3は、スイッチング周期が一定とされたうえで、重負荷の傾向となるのに従ってオン期間が長くなっていくスイッチング動作となっている。つまり、PWM制御によるスイッチング駆動が行われている。
このようなスイッチング動作に応じて、電流I1は、軽負荷時においては、導通しない期間が形成される不連続モードで流れる。また、中間負荷とされる条件では臨界モードにより流れる。そして、重負荷とされる負荷条件範囲では、連続モードで流れるようにされる。このような電流I1の動作モードの遷移は、インダクタLpcの選定により得られるもので、例えば実際には、100V系の商用交流電源の入力に対応させる場合にはLpc=140μHを選定する。このようにして負荷条件に応じて、インダクタLpcを介して平滑コンデンサCiに流入する電流I1を調整することで、商用交流電源AC(交流入力電圧VAC)のレベル変動と負荷変動とに対する整流平滑電圧Eiの安定化が図られる。この場合には、交流入力電圧VAC=85V〜264Vの範囲に対して、380Vで定電圧化するようにされる。整流平滑電圧Eiは、平滑コンデンサCiの両端電圧であり、図15ではVoutに相当し、後段の電流共振形コンバータに対する直流入力電圧となる。
Here, FIG. 17 and FIG. 18 show the power factor improvement operation of the active filter having the above-described configuration in practice.
First, FIG. 17 shows the switching operation of the switching element Q3 according to the load variation and the current I1 flowing through the inductor Lpc of the power choke coil PCC. FIG. 17A shows the operation at a light load, FIG. 17B shows the operation at an intermediate load, and FIG. 17C shows the operation at a heavy load.
As can be seen by comparing FIGS. 17A, 17B, and 17C, the switching element Q3 has a switching cycle that is constant, and the ON period becomes longer as the load tends to be heavy. It is operating. That is, switching driving by PWM control is performed.
In response to such a switching operation, the current I1 flows in a discontinuous mode in which a non-conducting period is formed at light load. Further, under the condition of an intermediate load, it flows in a critical mode. And in the load condition range made into heavy load, it is made to flow in a continuous mode. Such a transition of the operation mode of the current I1 is obtained by selecting the inductor Lpc. For example, in actuality, Lpc = 140 μH is selected in order to correspond to the input of a 100V commercial AC power supply. In this way, by adjusting the current I1 flowing into the smoothing capacitor Ci through the inductor Lpc according to the load condition, the rectified smoothing voltage with respect to the level fluctuation and load fluctuation of the commercial AC power supply AC (AC input voltage VAC) Ei can be stabilized. In this case, the AC input voltage VAC is set to a constant voltage of 380 V with respect to the range of 85 V to 264 V. The rectified and smoothed voltage Ei is a voltage across the smoothing capacitor Ci and corresponds to Vout in FIG. 15, and is a DC input voltage for the current resonance converter at the subsequent stage.

また、図18に、交流入力電流IAC及び整流平滑電圧Eiの波形を、交流入力電圧VACとの対比により示す。なお、この図においては、交流入力電圧VAC=100V時の実験結果を示している。
この図に示されるように、交流入力電圧VAC=100Vの入力に応じた交流入力電流IACとしては、交流入力電圧VACの導通期間とほぼ一致するようにされた波形となっている。つまり、力率の改善が図られている。
また、このような力率の改善と共に、整流平滑電圧Eiは、380Vの平均値で安定化されることが示される。また、実際の整流平滑電圧Eiの波形としては、図示するように、380Vに対して10Vp-pのリップル変動を持つ。
FIG. 18 shows the waveforms of the AC input current IAC and the rectified and smoothed voltage Ei by comparison with the AC input voltage VAC. In this figure, experimental results when the AC input voltage VAC = 100 V are shown.
As shown in this figure, the AC input current IAC corresponding to the input of the AC input voltage VAC = 100 V has a waveform that substantially matches the conduction period of the AC input voltage VAC. That is, the power factor is improved.
Further, it is shown that the rectified and smoothed voltage Ei is stabilized at an average value of 380 V along with the improvement of the power factor. Further, as shown in the figure, the actual waveform of the rectified and smoothed voltage Ei has a ripple fluctuation of 10 Vp-p with respect to 380 V.

アクティブフィルタの後段の電流共振形コンバータは、上記整流平滑電圧Eiを直流入力電圧として入力して電力変換のためのスイッチング動作を行うもので、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。   The current resonance type converter at the latter stage of the active filter performs the switching operation for power conversion by inputting the rectified and smoothed voltage Ei as a DC input voltage. As shown in the figure, two-stone switching elements Q1, Q2 Comprising. In this case, a half-bridge connection is made such that the switching element Q1 is on the high side and the switching element Q2 is on the low side, and the switching element Q1 is connected in parallel with the rectified and smoothed voltage Ei (DC input voltage). That is, a current resonance type converter by a half bridge coupling method is formed.

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、発振・ドライブ回路2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、発振・ドライブ回路2は、図示する制御回路1が実行する二次側直流出力電圧Eoのレベルに応じた制御に基づき、スイッチング周波数を可変制御するように動作し、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。
The current resonance type converter in this case is a separately excited type, and correspondingly, MOS-FETs are used for the switching elements Q1 and Q2. Clamp diodes DD1 and DD2 are connected in parallel to these switching elements Q1 and Q2, respectively, thereby forming a switching circuit. These clamp diodes DD1 and DD2 form a path through which a reverse current flows when the switching elements Q1 and Q2 are turned off.
The switching elements Q1 and Q2 are driven to be switched at a required switching frequency by the oscillation / drive circuit 2 at an on / off timing. The oscillation / drive circuit 2 operates so as to variably control the switching frequency based on the control according to the level of the secondary side DC output voltage Eo executed by the control circuit 1 shown in the figure. The DC output voltage Eo is stabilized.

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。
The insulating converter transformer PIT is provided to transmit the switching outputs of the switching elements Q1, Q2 from the primary side to the secondary side.
One end of the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT is connected to the connection point (switching output point) of the switching elements Q1 and Q2, and the other end is connected to the primary side via the series resonance capacitor C1. Connected to ground. Here, the series resonant capacitor C1 forms a series resonant circuit by its own capacitance and the leakage inductance (L1) of the primary winding N1. This series resonance circuit causes a resonance operation when the switching outputs of the switching elements Q1 and Q2 are supplied. By this, the operation of the switching circuit composed of the switching elements Q1 and Q2 is made a current resonance type.

絶縁コンバータトランスPITの二次側には二次巻線N2が巻装される。
この場合の二次巻線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、このセンタータップを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を設けることで両波整流回路を形成している。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、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。制御回路1は、入力される二次側直流出力電圧Eoのレベルに応じた制御信号を発振・ドライブ回路2に対して供給する。発振・ドライブ回路2は、この制御信号に応じ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を駆動するようにされる。つまり、スイッチング周波数制御方式による安定化が行われるものである。
A secondary winding N2 is wound on the secondary side of the insulating converter transformer PIT.
In this case, the secondary winding N2 is provided with a center tap as shown in the figure, the center tap is connected to the secondary side ground, and then the rectifier diodes Do1, Do2 and the smoothing as shown in the figure. A double-wave rectifier circuit is formed by providing the capacitor Co. Thereby, the secondary side DC output voltage Eo is obtained as the voltage across the smoothing capacitor Co. The secondary side DC output voltage Eo is supplied to a load side (not shown) and is also branched and input as a detection voltage for the control circuit 1. The control circuit 1 supplies a control signal corresponding to the level of the input secondary side DC output voltage Eo to the oscillation / drive circuit 2. The oscillation / drive circuit 2 drives the switching elements Q1, Q2 so as to vary the switching frequency so that the secondary side DC output voltage Eo is stabilized in accordance with the control signal. That is, stabilization by the switching frequency control method is performed.

図19は、負荷変動に対するAC→DC電力変換効率(総合効率)、力率、及び整流平滑電圧Eiの各特性を示している。この図では、交流入力電圧VAC=100V時(AC100V系)における負荷電力Po=300W〜0Wの変動に対する特性が示されている。また、図20は、交流入力電圧VACの変動に対するAC→DC電力変換効率(総合効率)、力率、及び整流平滑電圧Eiの各特性を示している。この図では、負荷電力Po=300Wで一定の負荷条件の下での、交流入力電圧VAC=85V〜264Vの変動に対する特性が示される。   FIG. 19 shows characteristics of AC → DC power conversion efficiency (overall efficiency), power factor, and rectified smoothing voltage Ei with respect to load fluctuation. In this figure, the characteristic with respect to the fluctuation | variation of load electric power Po = 300W-0W at the time of alternating current input voltage VAC = 100V (AC100V type | system | group) is shown. FIG. 20 shows characteristics of AC → DC power conversion efficiency (overall efficiency), power factor, and rectified smoothing voltage Ei with respect to fluctuations in the AC input voltage VAC. In this figure, the characteristic with respect to the fluctuation | variation of alternating current input voltage VAC = 85V-264V under load conditions Po = 300W and fixed load conditions is shown.

先ず、AC→DC電力変換効率(ηAC→DC)は、図19に示すようにして、負荷電力Poが重負荷の条件となるのに従って低下していく。また、交流入力電圧VACの変動に対しては、同じ負荷条件の下では、図20に示されるように、交流入力電圧VACのレベルが高くなっていくのに応じて高くなっていく傾向となっている。
実際においては、負荷電力Po=300Wの負荷条件で、交流入力電圧VAC=100V時には、ηAC→DC=83.0%程度となり、交流入力電圧VAC=230V時にはηAC→DC=89.0%程度となる結果が得られている。
First, the AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) decreases as the load power Po becomes a heavy load condition as shown in FIG. Further, with respect to the fluctuation of the AC input voltage VAC, under the same load condition, as shown in FIG. 20, the level of the AC input voltage VAC tends to increase as the level increases. ing.
Actually, under the load condition of load power Po = 300W, when AC input voltage VAC = 100V, ηAC → DC = about 83.0%, and when AC input voltage VAC = 230V, ηAC → DC = about 89.0%. The result is obtained.

また、力率PFについては、図19に示すように、負荷電力Poの変動に対してほぼ一定となる特性が得られている。また、交流入力電圧VACの変動に対する力率PFの変動特性も、図20に示すようにして、交流入力電圧VACの上昇に応じて低下する傾向ではあるものの、ほぼ一定とみてよい特性となっていることが分かる。
実際としては、負荷電力Po=300Wの負荷条件で、交流入力電圧VAC=100V時には力率PF=0.96程度、交流入力電圧VAC=230V時には力率PF=0.94程度が得られる。
Further, as shown in FIG. 19, the power factor PF has a characteristic that is substantially constant with respect to fluctuations in the load power Po. Further, the fluctuation characteristic of the power factor PF with respect to the fluctuation of the AC input voltage VAC is a characteristic that can be regarded as almost constant as shown in FIG. 20, although it tends to decrease as the AC input voltage VAC increases. I understand that.
Actually, under the load condition of load power Po = 300 W, power factor PF = 0.96 is obtained when AC input voltage VAC = 100 V, and power factor PF = 0.94 is obtained when AC input voltage VAC = 230 V.

また、整流平滑電圧Eiについては、図19、図20に示されるように、負荷電力Po、交流入力電圧VACの変動に対して一定となる結果が得られている。   Further, as shown in FIGS. 19 and 20, the rectified and smoothed voltage Ei has a result that is constant with respect to fluctuations in the load power Po and the AC input voltage VAC.

これまでの説明から分かるように、図16に示した電源回路は、従来から知られている図13及び図15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。   As can be seen from the above description, the power supply circuit shown in FIG. 16 is configured by mounting the conventionally known active filter shown in FIGS. 13 and 15. By adopting such a configuration, the power factor is improved.

しかしながら、図16に示した構成による電源回路では、次のような問題を有している。
先ず、図16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電力変換効率と、後段の電流共振形コンバータのDC→DC電力変換効率とを総合したものとなる。
つまり、図16に示される回路の総合的な電力変換効率としては、これら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。
実験によれば、図16の回路におけるアクティブフィルタに対応する部分でのAC→DC電力変換効率は、交流入力電圧VAC=100V時ではηAC→DC=88.5%程度、交流入力電圧VAC=230Vの条件ではηAC→DC=95%程度となる。また、電流共振形コンバータ側でのDC→DC電力変換効率は、負荷電力Po=300W、整流平滑電圧Ei=380V時にηDC→DC=94%程度である。
従って、図16の回路における総合的なAC→DC電力変換効率としては、先にも説明したように、交流入力電圧VAC=100V時ではηAC→DC=83.0%程度に低下し、交流入力電圧VAC=230V時としてもηAC→DC=89.0%程度に低下してしまう。
However, the power supply circuit having the configuration shown in FIG. 16 has the following problems.
First, as shown in the figure, the power conversion efficiency in the power supply circuit shown in FIG. 16 is the AC → DC power conversion efficiency corresponding to the active filter in the previous stage, and the DC → DC power conversion efficiency of the current resonance converter in the subsequent stage. It will be a synthesis of
That is, the total power conversion efficiency of the circuit shown in FIG. 16 is a value obtained by multiplying the values of these power conversion efficiencies and tends to decrease accordingly.
According to the experiment, the AC → DC power conversion efficiency in the part corresponding to the active filter in the circuit of FIG. 16 is about ηAC → DC = 88.5% when the AC input voltage VAC = 100V, and the AC input voltage VAC = 230V. Under the conditions, ηAC → DC = 95%. The DC → DC power conversion efficiency on the current resonance type converter side is about ηDC → DC = 94% when the load power Po = 300 W and the rectified smoothing voltage Ei = 380V.
Accordingly, the overall AC → DC power conversion efficiency in the circuit of FIG. 16 decreases to about ηAC → DC = 83.0% when the AC input voltage VAC = 100 V, as described above, and the AC input Even when the voltage VAC = 230 V, the voltage decreases to ηAC → DC = 89.0%.

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16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D20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、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。
In addition, since the active filter circuit is a hard switching operation, the level of noise generation is very high, and thus a relatively severe noise suppression measure is required.
For this reason, in the circuit shown in FIG. 16, a noise filter is formed by two sets of line filter transformers and three sets of across capacitors for the line of the commercial AC power supply AC. That is, two or more stages of filters are required.
Further, a normal mode noise filter including one set of choke coils LN and two sets of filter capacitors CN is provided for the rectified output line. Further, an RC snubber circuit is provided for the fast recovery diode D20 for rectification.
In this way, noise countermeasures due to an extremely large number of parts are necessary for an actual circuit, resulting in an increase in cost and an increase in the mounting area of the power supply circuit board.

さらに、汎用ICとしての力率・出力電圧制御用IC120によって動作するスイッチング素子Q3のスイッチング周波数は60kHzで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80kHz〜200kHz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ったり、信頼性を劣化させたりするなどの問題も招くことになる。   Furthermore, the switching frequency of the switching element Q3 operated by the power factor / output voltage control IC 120 as a general-purpose IC is fixed at 60 kHz, whereas the switching frequency of the subsequent current resonance type converter is in the range of 80 kHz to 200 kHz. Variable. Since the switching timings of the two are independently performed in this way, the primary side ground potential interferes and becomes unstable due to the switching operation of the two, and abnormal oscillation is likely to occur, for example. As a result, problems such as difficulty in circuit design and deterioration of reliability are also caused.

そこで、本発明は上記した課題を考慮して、スイッチング電源回路として次のように構成する。
つまり、少なくとも整流素子と平滑コンデンサを備えて形成され、商用交流電源を入力して整流平滑化することで、平滑コンデンサの両端電圧として整流平滑電圧を生成する整流平滑回路と、整流平滑電圧を入力してスイッチングを行うスイッチング素子と、この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、整流平滑電圧がスイッチング素子に入力される経路に対して直列に挿入される第1のインダクタと、スイッチング素子に対して並列となる関係により接続され、少なくとも第1のインダクタのインダクタンスと自身のキャパシタンスとによって、一次側並列共振回路を形成する一次側並列共振コンデンサを備える。
また、第2のインダクタと、第2のインダクタと直列となる関係により接続されることで、少なくとも第2のインダクタのインダクタンスと自身のキャパシタンスとによって、一次側直列共振回路を形成し、第2のインダクタと自身との直列接続回路がスイッチング素子に対して並列となる関係により接続されるようにして設けられる一次側直列共振コンデンサを備える。
また、第2のインダクタを一次巻線として巻装するとともに、この一次巻線に得られたスイッチング出力により交番電圧が誘起される二次巻線を巻装して形成され、疎結合とみなされる所要の一次側と二次側との結合係数が得られるように構成されるコンバータトランスを備える。
また、第1のインダクタから力率改善用インダクタに誘起される交番電圧を、整流平滑回路を形成する平滑コンデンサに帰還する動作と、スイッチング素子のスイッチング動作に応じて一次巻線に得られる電流を電力として回生して、第1のインダクタを介するようにして平滑コンデンサに帰還する動作とを行い、これらの動作により帰還されたスイッチング出力に応じて、整流平滑回路における整流動作によって得られる整流電流を力率改善用スイッチング素子により断続するように構成された力率改善手段を備えることとした。
In view of the above problems, the present invention is configured as a switching power supply circuit as follows.
In other words, it is formed with at least a rectifying element and a smoothing capacitor, and a rectifying / smoothing circuit that generates a rectifying / smoothing voltage as a voltage across the smoothing capacitor by inputting a commercial AC power supply and rectifying / smoothing, and inputting the rectifying / smoothing voltage A switching element that performs switching, and switching drive means that performs switching driving of the switching element.
Further, the first inductor inserted in series with respect to the path through which the rectified and smoothed voltage is input to the switching element is connected in parallel with the switching element, and at least the inductance of the first inductor and its own The primary side parallel resonant capacitor which forms a primary side parallel resonant circuit by capacitance is provided.
Further, by connecting the second inductor and the second inductor in series, a primary side series resonant circuit is formed by at least the inductance of the second inductor and its own capacitance, and the second inductor A primary side series resonance capacitor is provided so that a series connection circuit of the inductor and itself is connected in parallel with the switching element.
In addition, the second inductor is wound as a primary winding, and a secondary winding in which an alternating voltage is induced by the switching output obtained by the primary winding is wound, and is regarded as loosely coupled. A converter transformer configured to obtain a required coupling coefficient between the primary side and the secondary side is provided.
In addition, an operation in which the alternating voltage induced in the power factor improving inductor from the first inductor is fed back to the smoothing capacitor forming the rectifying and smoothing circuit, and a current obtained in the primary winding in accordance with the switching operation of the switching element is obtained. The operation is regenerated as electric power and fed back to the smoothing capacitor via the first inductor, and the rectified current obtained by the rectifying operation in the rectifying and smoothing circuit is changed according to the switching output fed back by these operations. The power factor improving means configured to be intermittent by the power factor improving switching element is provided.

なお、本願発明において「結合係数」とは、電磁的な結合の度合いを示すものであり、数値として1が最も結合の度合いが高いことを示し、数値として0が最も結合の度合いが低い(結合していない)ことを示す。   In the present invention, the “coupling coefficient” indicates the degree of electromagnetic coupling. A numerical value of 1 indicates the highest degree of coupling, and a numerical value of 0 indicates the lowest degree of coupling (coupling) Not).

上記構成による電源回路は一次側スイッチングコンバータの基本構成として、E級スイッチングコンバータとしての回路形態を形成する。E級スイッチングコンバータは、並列共振回路(一次側並列共振回路)と直列共振回路(一次側直列共振回路)を備える複合共振形といわれるソフトスイッチングコンバータの一形式である。コンバータトランスの一次巻線は、E級スイッチングコンバータにおける直列共振回路(一次側直列共振回路)を形成するインダクタ(第2のインダクタ)となる。
このようにして一次側のスイッチングコンバータをE級スイッチングコンバータとしたことで、例えば一次側並列共振回路と二次側直列共振回路の相互作用など、中間負荷とされる負荷条件でのZVS(Zero Voltage Switching:ゼロ電圧スイッチング)動作が得られなくなる要因を排除している。
そのうえで、力率改善を図るのにあたっては、一次側並列共振回路に得られる交番電圧(共振電圧パルス)を第1のインダクタから力率改善用チョークコイルに誘起させて平滑コンデンサに電圧帰還するようにされる。また、これとともに、一次巻線に得られる電流を電力として回生して第1のインダクタを介するようにして上記平滑コンデンサに帰還されるようにもしている。
これにより、例えば力率改善機能を備える電源回路を構成するのにあたっては、アクティブフィルタを備える必要は無いこととなる。
The power supply circuit having the above configuration forms a circuit configuration as a class E switching converter as a basic configuration of the primary side switching converter. The class E switching converter is a type of soft switching converter called a composite resonance type including a parallel resonance circuit (primary side parallel resonance circuit) and a series resonance circuit (primary side series resonance circuit). The primary winding of the converter transformer becomes an inductor (second inductor) that forms a series resonance circuit (primary side series resonance circuit) in the class E switching converter.
In this way, the primary side switching converter is a class E switching converter, so that, for example, ZVS (Zero Voltage) under a load condition that is an intermediate load, such as an interaction between the primary side parallel resonant circuit and the secondary side series resonant circuit. Switching: Zero voltage switching) This eliminates the factors that prevent operation.
In addition, in order to improve the power factor, an alternating voltage (resonant voltage pulse) obtained in the primary side parallel resonant circuit is induced from the first inductor to the power factor improving choke coil, and the voltage is fed back to the smoothing capacitor. Is done. At the same time, the current obtained in the primary winding is regenerated as power and fed back to the smoothing capacitor via the first inductor.
Thus, for example, in configuring a power supply circuit having a power factor correction function, it is not necessary to provide an active filter.

上記のようにして本発明のスイッチング電源回路は、力率改善機能を備えるスイッチング電源回路としてアクティブフィルタを省略することができる。アクティブフィルタが省略されることで、スイッチング電源回路の電力変換効率特性が向上する。このことは、例えば放熱板などの省略、縮小につながる。また、アクティブフィルタを備える構成と比較すると部品点数も大幅に削減されることとなり、回路の小型軽量化、及び低コスト化が図られる。
また、アクティブフィルタはハードスイッチング動作であるのに対して、本発明のスイッチングコンバータは、電圧共振形コンバータを基としていることで、ソフトスイッチング動作となる。これによっては、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ので、上記小型軽量化及び低コスト化に寄与することになる。
さらに、本発明としての構成によれば、異なるスイッチング周波数が同時的に動作することはないために、一次側と二次側のアース電位の干渉の問題も解消されるので、アース電位が安定することとなって、信頼性も向上し、また、回路基板のパターン設計なども容易となる。
As described above, the switching power supply circuit of the present invention can omit an active filter as a switching power supply circuit having a power factor correction function. By omitting the active filter, the power conversion efficiency characteristic of the switching power supply circuit is improved. This leads to omission and reduction of, for example, a heat sink. In addition, the number of parts is greatly reduced as compared with a configuration including an active filter, so that the circuit can be reduced in size and weight and the cost can be reduced.
Further, the active filter has a hard switching operation, whereas the switching converter of the present invention is based on a voltage resonance type converter and thus has a soft switching operation. Depending on this, since switching noise is greatly reduced, it is not necessary to reinforce the noise filter, which contributes to the reduction in size and weight and cost.
Furthermore, according to the configuration of the present invention, since different switching frequencies do not operate simultaneously, the problem of interference between the ground potential on the primary side and the secondary side is also eliminated, so that the ground potential is stabilized. As a result, reliability is improved and pattern design of the circuit board is facilitated.

本発明を実施するための最良の形態(以下、実施の形態という)について説明するのに先立ち、本実施の形態の背景技術となる、E級共振形によりスイッチング動作するスイッチングコンバータ(以下、E級スイッチングコンバータともいう)の基本構成について、図11及び図12を参照して説明しておく。
図11は、E級スイッチングコンバータとしての基本構成を示している。この図に示すE級スイッチングコンバータは、E級共振形で動作するDC-ACインバータとしての構成を採る。
この図に示すE級スイッチングコンバータは、1石のスイッチング素子Q1を備える。この場合のスイッチング素子Q1はMOS−FETであることとしている。このMOS−FETとしてのスイッチング素子Q1には、ボディダイオードDDが、ドレイン−ソース間に対して並列接続されるようにして形成される。この場合のボディダイオードDDの順方向は、ソースからドレインへの方向に沿ったものとなる。
また、同じくスイッチング素子Q1のドレイン−ソース間に対しては、一次側並列共振コンデンサCrが並列に接続される。
Prior to describing the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment), a switching converter (hereinafter referred to as a class E) that performs switching operation by a class E resonance type, which is the background art of the present embodiment. A basic configuration of the switching converter is also described with reference to FIGS.
FIG. 11 shows a basic configuration as a class E switching converter. The class E switching converter shown in this figure employs a configuration as a DC-AC inverter that operates in a class E resonance type.
The class E switching converter shown in this figure includes one switching element Q1. In this case, the switching element Q1 is a MOS-FET. In the switching element Q1 as the MOS-FET, a body diode DD is formed so as to be connected in parallel between the drain and the source. The forward direction of the body diode DD in this case is along the direction from the source to the drain.
Similarly, a primary side parallel resonant capacitor Cr is connected in parallel between the drain and source of the switching element Q1.

スイッチング素子Q1のドレインは、チョークコイルL10の直列接続を介して、直流入力電圧Einの正極と接続される。スイッチング素子Q1のソースは、直流入力電圧Einの負極と接続される。   The drain of the switching element Q1 is connected to the positive electrode of the DC input voltage Ein through a series connection of the choke coil L10. The source of the switching element Q1 is connected to the negative electrode of the DC input voltage Ein.

また、スイッチング素子Q1のドレインに対しては、チョークコイルL11の一端が接続され、他端には直列共振コンデンサC11が直列に接続される。直列共振コンデンサC11と直流入力電圧Einの負極との間には、負荷となるインピーダンスZが挿入される。ここでのインピーダンスZの具体例には圧電トランス、高周波対応の蛍光灯などを挙げることができる。   Further, one end of the choke coil L11 is connected to the drain of the switching element Q1, and a series resonant capacitor C11 is connected in series to the other end. An impedance Z serving as a load is inserted between the series resonant capacitor C11 and the negative electrode of the DC input voltage Ein. Specific examples of the impedance Z here include a piezoelectric transformer and a high-frequency fluorescent lamp.

このような構成のE級スイッチングコンバータは、チョークコイルL10のインダクタンスと一次側並列共振コンデンサCrのキャパシタンスとにより形成される並列共振回路と、チョークコイルL11のインダクタンスと直列共振コンデンサC11のキャパシタンスとにより形成される直列共振回路とを備える複合共振形コンバータの一形態であるとみることができる。また、スイッチング素子を1つのみ備えて形成される点では、シングルエンド方式の電圧共振形コンバータと同じであるといえる。   The class E switching converter having such a configuration is formed by a parallel resonance circuit formed by the inductance of the choke coil L10 and the capacitance of the primary side parallel resonance capacitor Cr, an inductance of the choke coil L11, and a capacitance of the series resonance capacitor C11. It can be considered that this is a form of a composite resonance type converter including a series resonance circuit. In addition, it can be said that it is the same as a single-ended voltage resonant converter in that it is formed with only one switching element.

図12は、上記図11に示した構成のE級スイッチングコンバータについての要部の動作を示している。
スイッチング電圧V1は、スイッチング素子Q1の両端に得られる電圧であり、スイッチング素子Q1がオンとなる期間TONにおいて0レベルで、オフとなる期間TOFFにおいて正弦波状のパルスとなる波形である。このスイッチングパルス波形は、上記並列共振回路の共振動作(電圧共振動作)により得られる。
FIG. 12 shows the operation of the main part of the class E switching converter having the configuration shown in FIG.
The switching voltage V1 is a voltage obtained at both ends of the switching element Q1, and has a waveform that is a 0 level in the period TON in which the switching element Q1 is on and becomes a sine wave pulse in the period TOFF in which the switching element Q1 is off. This switching pulse waveform is obtained by the resonance operation (voltage resonance operation) of the parallel resonance circuit.

スイッチング電流IQ1は、スイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)に流れる電流であり、期間TOFFでは0レベルで、期間TONにおいては、先ず開始時点から一定期間において、ボディダイオードDDを流れることで負極性となり、この後に反転して正極性となって、スイッチング素子Q1のドレインからソースに流れる。
また、E級スイッチングコンバータの出力として、上記直列共振回路に流れるとされる電流I2は、スイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)に流れるスイッチング電流IQ1と、一次側並列共振コンデンサCrに流れる電流とを合成したものとなり、正弦波成分を含む波形となる。
The switching current IQ1 is a current that flows through the switching element Q1 (and the body diode DD), and is 0 level in the period TOFF, and in the period TON, first, it flows negatively by flowing through the body diode DD for a certain period from the start time. Thereafter, it is inverted to become positive polarity, and flows from the drain to the source of the switching element Q1.
As the output of the class E switching converter, the current I2 that flows through the series resonant circuit includes the switching current IQ1 that flows through the switching element Q1 (and the body diode DD) and the current that flows through the primary side parallel resonant capacitor Cr. It becomes a composite and becomes a waveform including a sine wave component.

また、上記スイッチング電流IQ1とスイッチング電圧V1との関係によっては、スイッチング素子Q1のターンオフタイミングにおいてZVS動作が得られており、ターンオンタイミングにおいてZVS及びZCS動作が得られていることも示される。   Further, depending on the relationship between the switching current IQ1 and the switching voltage V1, it is also shown that the ZVS operation is obtained at the turn-off timing of the switching element Q1, and the ZVS and ZCS operations are obtained at the turn-on timing.

また、直流入力電圧Einの正極端子からチョークコイルL10を流れるようにしてE級スイッチングコンバータに流入する電流I1は、チョークコイルL10,L11のインダクタンスについて、L10>L11の関係を設定していることで、図示するようにして所定の平均レベルをとる脈流波形となる。このような脈流波形は、近似的な直流としてみることができる。   The current I1 flowing into the class E switching converter from the positive terminal of the DC input voltage Ein through the choke coil L10 sets the relationship of L10> L11 for the inductances of the choke coils L10 and L11. As shown in the figure, a pulsating flow waveform having a predetermined average level is obtained. Such a pulsating waveform can be viewed as an approximate direct current.

本実施の形態としては、上記基本構成に基づくE級スイッチングコンバータを電源回路に適用する。そこで先ず、第1の実施の形態の電源回路の構成例を図1の回路図に示す。
この図に示すスイッチング電源回路においては、まず、商用交流電源ACのラインに対して、図示するようにして、1組のコモンモードチョークコイルCMCと、2本のアクロスコンデンサCLが挿入される。これらコモンモードチョークコイルCMC、及びアクロスコンデンサCL,CLにより、商用交流電源ACのラインに重畳するコモンモードのノイズを除去するノイズフィルタが形成される。
In this embodiment, a class E switching converter based on the above basic configuration is applied to a power supply circuit. First, a configuration example of the power supply circuit according to the first embodiment is shown in the circuit diagram of FIG.
In the switching power supply circuit shown in this figure, first, a pair of common mode choke coils CMC and two across capacitors CL are inserted into the commercial AC power supply AC line as shown. The common mode choke coil CMC and the across capacitors CL and CL form a noise filter that removes common mode noise superimposed on the line of the commercial AC power supply AC.

商用交流電源AC(交流入力電圧VAC)は、4本の低速型の整流素子(ダイオード)をブリッジ接続して形成したブリッジ整流回路Diにより整流され、その整流出力は平滑コンデンサCiに充電される。これにより平滑コンデンサCiの両端電圧として整流平滑電圧Ei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。この整流平滑電圧Eiが、後段のスイッチングコンバータのための直流入力電圧となる。
ただし、本実施の形態においては、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と、平滑コンデンサCiの正極端子との間のラインには、力率改善回路10が介在するようにして設けられる。この力率改善回路10の構成及びその動作については後述する。
The commercial AC power supply AC (AC input voltage VAC) is rectified by a bridge rectifier circuit Di formed by bridge-connecting four low-speed rectifier elements (diodes), and the rectified output is charged to the smoothing capacitor Ci. As a result, the rectified and smoothed voltage Ei is obtained as the voltage across the smoothing capacitor Ci. In this case, the rectified and smoothed voltage Ei is at a level corresponding to an equal magnification of the AC input voltage VAC. This rectified and smoothed voltage Ei becomes a DC input voltage for the subsequent switching converter.
However, in the present embodiment, the power factor correction circuit 10 is provided in a line between the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di and the positive terminal of the smoothing capacitor Ci. The configuration and operation of the power factor correction circuit 10 will be described later.

この図において、上記整流平滑電圧Eiを直流入力電圧として入力してスイッチング動作を行うスイッチングコンバータは、図11の基本構成に基づいたE級スイッチングコンバータとして形成される。
この場合のスイッチング素子Q1には高耐圧のMOS−FETが選定されている。また、この場合のE級スイッチングコンバータの駆動方式は、発振・ドライブ回路2によりスイッチング素子をスイッチング駆動する他励式である。
In this figure, the switching converter that performs the switching operation by inputting the rectified and smoothed voltage Ei as a DC input voltage is formed as a class E switching converter based on the basic configuration of FIG.
In this case, a high breakdown voltage MOS-FET is selected as the switching element Q1. In this case, the driving method of the class E switching converter is a separately excited type in which the switching element is switched by the oscillation / drive circuit 2.

この場合、スイッチング素子Q1のドレインは、チョークコイルPCC1における主巻線であるチョークコイル巻線N10と、同じチョークコイルPCC1に巻装される力率改善用チョークコイル巻線N11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。従って、この場合の直流入力電圧(Ei)は、力率改善用チョークコイル巻線N11からチョークコイル巻線N10の直列接続を介してスイッチング素子Q1に供給されるようになっている。スイッチング素子Q1のソースは一次側アースに接続される。
スイッチング素子Q1のゲートに対しては、発振・ドライブ回路2から出力されるスイッチング駆動信号(電圧)が印加されるようになっている。
In this case, the drain of the switching element Q1 is connected via a series connection of a choke coil winding N10 which is the main winding in the choke coil PCC1 and a power factor improving choke coil winding N11 wound around the same choke coil PCC1. Connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Ci. Accordingly, the DC input voltage (Ei) in this case is supplied from the power factor improving choke coil winding N11 to the switching element Q1 through the series connection of the choke coil winding N10. The source of the switching element Q1 is connected to the primary side ground.
A switching drive signal (voltage) output from the oscillation / drive circuit 2 is applied to the gate of the switching element Q1.

この場合のスイッチング素子Q1には、MOS−FETが選定されていることから、図示するようにして、ソース−ドレイン間に対して並列に接続されるようにしてボディダイオードDDを内蔵する。このボディダイオードDDとしては、アノードがスイッチング素子Q1のソースと接続され、カソードがスイッチング素子Q1のドレインと接続される状態を形成する。このボディダイオードDDは、スイッチング素子Q1のオン/オフ動作(スイッチング動作)により生じる、逆方向のスイッチング電流を流す経路を形成する。   Since the MOS-FET is selected for the switching element Q1 in this case, a body diode DD is incorporated so as to be connected in parallel with the source and drain as shown in the figure. As the body diode DD, the anode is connected to the source of the switching element Q1, and the cathode is connected to the drain of the switching element Q1. The body diode DD forms a path for flowing a switching current in the reverse direction, which is generated by the on / off operation (switching operation) of the switching element Q1.

また、スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間に対しては、一次側並列共振コンデンサCrが並列に接続される。
図11からも分かるように、この回路形態での一次側並列共振コンデンサCrは、少なくとも、自身のキャパシタンスとチョークコイル巻線N10のインダクタンスL10(漏洩インダクタンス)とによって、スイッチング素子Q1に流れるスイッチング電流に対する一次側並列共振回路(電圧共振回路)を形成する。ただし、この場合の構成においては、チョークコイル巻線N10と平滑コンデンサCiの正極端子との間に、力率改善用チョークコイル巻線N11が挿入されていることで、一次側並列共振回路を形成するインダクタンスに、力率改善用チョークコイル巻線N11のインダクタンスLoを含めるものとして考えることができる。
この一次側並列共振回路が共振動作を行うことによって、スイッチング素子Q1のスイッチング動作として、1つには電圧共振形の動作が得られる。これに応じて、スイッチング素子Q1の両端電圧(ドレイン−ソース間電圧)V1としては、そのオフ期間において正弦波状の共振パルス波形が得られる。
A primary side parallel resonant capacitor Cr is connected in parallel between the drain and source of the switching element Q1.
As can be seen from FIG. 11, the primary side parallel resonant capacitor Cr in this circuit configuration is adapted to the switching current flowing through the switching element Q1 by at least its own capacitance and the inductance L10 (leakage inductance) of the choke coil winding N10. A primary side parallel resonant circuit (voltage resonant circuit) is formed. However, in this configuration, the primary side parallel resonance circuit is formed by inserting the power factor improving choke coil winding N11 between the choke coil winding N10 and the positive terminal of the smoothing capacitor Ci. It can be considered that the inductance Lo includes the inductance Lo of the choke coil winding N11 for power factor improvement.
When the primary side parallel resonant circuit performs a resonance operation, a voltage resonance type operation is obtained as one of the switching operations of the switching element Q1. Accordingly, a sinusoidal resonance pulse waveform is obtained as an end-to-end voltage (drain-source voltage) V1 of the switching element Q1 during the off period.

なお、本実施の形態においては、チョークコイルPCC1には、力率改善用チョークコイルとして機能する、力率改善用チョークコイル巻線N11が追加的に巻装される。これにより、チョークコイル巻線N10と力率改善用チョークコイル巻線N11との磁気的な結合が得られるようにしている。なお、本実施の形態としては、チョークコイル巻線N10と力率改善用チョークコイル巻線N11との結合度について、0.8程度以下の所定の結合係数による疎結合の状態となるように設定する。   In the present embodiment, the choke coil PCC1 is additionally wound with a power factor improving choke coil winding N11 that functions as a power factor improving choke coil. As a result, the magnetic coupling between the choke coil winding N10 and the power factor improving choke coil winding N11 is obtained. In this embodiment, the degree of coupling between the choke coil winding N10 and the power factor improving choke coil winding N11 is set so as to be in a loosely coupled state with a predetermined coupling coefficient of about 0.8 or less.

また、スイッチング素子Q1のドレイン−ソース間に対しては、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1と一次側直列共振コンデンサC11とから成る直列接続回路が並列に接続される。この場合には、一次巻線N1の巻き終わり端部をスイッチング素子Q1のドレインと接続し、巻始め端部を一次側直列共振コンデンサC11と接続している。一次側直列共振コンデンサC11の一次巻線N1と接続されない側の極端子は、一次側アース電位にてスイッチング素子Q1のソースと接続される。   A series connection circuit composed of the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT and the primary side series resonance capacitor C11 is connected in parallel between the drain and source of the switching element Q1. In this case, the winding end end of the primary winding N1 is connected to the drain of the switching element Q1, and the winding start end is connected to the primary side series resonance capacitor C11. The pole terminal on the side not connected to the primary winding N1 of the primary side series resonance capacitor C11 is connected to the source of the switching element Q1 at the primary side ground potential.

発振・ドライブ回路2は、例えば他励式によりスイッチング素子Q1を駆動するために、発振回路と、この発振回路により得られた発振信号に基づいて、MOS−FETをスイッチング駆動するためのゲート電圧であるドライブ信号を生成して、スイッチング素子Q1のゲートに印加するようにされる。これにより、スイッチング素子Q1は、ドライブ信号波形に応じて連続的にオン/オフ動作を行う。つまり、スイッチング動作を行う。   The oscillation / drive circuit 2 is a gate voltage for switching the MOS-FET based on the oscillation circuit and the oscillation signal obtained by the oscillation circuit in order to drive the switching element Q1 by, for example, separate excitation. A drive signal is generated and applied to the gate of the switching element Q1. Thereby, the switching element Q1 continuously performs on / off operation according to the drive signal waveform. That is, a switching operation is performed.

絶縁コンバータトランスPITは、一次側と二次側とを直流的に絶縁した状態で、一次側スイッチングコンバータのスイッチング出力を二次側に伝送する。
図2は、図1の電源回路が備える絶縁コンバータトランスPITの構造例を示す断面図である。
この図に示すように、絶縁コンバータトランスPITは、フェライト材によるE字形状コア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及び二次側巻線が巻装されたボビンBを上記EE字形コア(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字形コアの中央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。
The insulating converter transformer PIT transmits the switching output of the primary side switching converter to the secondary side in a state where the primary side and the secondary side are galvanically insulated.
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a structural example of an insulating converter transformer PIT included in the power supply circuit of FIG.
As shown in this figure, the insulating converter transformer PIT includes an EE type core (EE-shaped core) in which E-shaped cores CR1 and CR2 made of a ferrite material are combined so that their magnetic legs face each other.
And the bobbin B formed with the shape which divided | segmented so that it might mutually become independent about the winding part of a primary side and a secondary side, for example with a resin etc. is provided. The primary winding N1 is wound around one winding portion of the bobbin B. Further, the secondary winding N2 is wound around the other winding portion.
By attaching the bobbin B on which the primary side winding and the secondary side winding are wound in this way to the EE-shaped core (CR1, CR2), the primary side winding and the secondary side winding are different from each other. By the winding area, the center magnetic leg of the EE-shaped core is wound. In this way, the structure of the insulating converter transformer PIT as a whole is obtained.

そのうえで、EE字形コアの中央磁脚に対しては、図のようにして、例えばギャップ長2mm程度以上のギャップGを形成する。これによって、結合係数kとしては、例えばk≒0.7以下程度による疎結合の状態を得るようにしている。つまり、従来技術として図16に示した電源回路の絶縁コンバータトランスPITよりも、さらに疎結合の状態としている。なお、ギャップGは、E型コアCR1,CR2の中央磁脚を、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。   In addition, a gap G having a gap length of about 2 mm or more is formed on the central magnetic leg of the EE-shaped core as shown in the figure. As a result, as the coupling coefficient k, for example, a loosely coupled state with about k≈0.7 or less is obtained. That is, as a conventional technique, the state is more loosely coupled than the insulating converter transformer PIT of the power supply circuit shown in FIG. The gap G can be formed by making the central magnetic legs of the E-type cores CR1 and CR2 shorter than the two outer magnetic legs.

絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1は、後述するようにして、一次側に形成されるE級スイッチングコンバータにおける一次側直列共振回路を形成するための素子であり、スイッチング素子Q1のスイッチング出力に応じた交番出力が得られる。   The primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT is an element for forming a primary series resonance circuit in a class E switching converter formed on the primary side, as will be described later, and depends on the switching output of the switching element Q1. Alternate output is obtained.

絶縁コンバータトランスPITの二次側では、一次巻線N1により誘起された交番電圧が二次巻線N2に発生する。
この二次巻線N2に対しては、二次側直列共振コンデンサC2を直列となる接続関係によりに接続している。これにより、二次巻線N2のリーケージインダクタンスL2と二次側直列共振コンデンサC2のキャパシタンスとによって二次側直列共振回路を形成する。この二次側直列共振回路は、後述する二次側整流回路の整流動作に応じて共振動作を行うが、これにより、二次巻線N2に流れる二次巻線電流は正弦波状となる。つまり、二次側において電流共振動作が得られる。
On the secondary side of the insulating converter transformer PIT, an alternating voltage induced by the primary winding N1 is generated in the secondary winding N2.
A secondary side series resonance capacitor C2 is connected to the secondary winding N2 by a serial connection relationship. Thus, a secondary side series resonance circuit is formed by the leakage inductance L2 of the secondary winding N2 and the capacitance of the secondary side series resonance capacitor C2. This secondary side series resonance circuit performs a resonance operation in accordance with a rectification operation of a secondary side rectifier circuit described later, and thereby the secondary winding current flowing in the secondary winding N2 becomes a sine wave. That is, a current resonance operation is obtained on the secondary side.

この場合の二次側整流回路は、上記のようにして二次側直列共振コンデンサC2が直列接続された二次巻線N2に対して、2本の整流ダイオードDo1,Do2と、1本の平滑コンデンサCoを接続することで、倍電圧半波整流回路として形成される。この倍電圧半波整流回路の接続態様としては、まず、二次巻線N2の巻き終わり端部側に対して、二次側直列共振コンデンサC2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のカソードを接続する。また、整流ダイオードDo1のカソードを平滑コンデンサCoの正極端子に接続する。二次巻線N2の巻始め端部と、整流ダイオードDo2のアノードと、平滑コンデンサCoの負極端子は、二次側アースに対して接続する。   The secondary side rectifier circuit in this case has two rectifier diodes Do1 and Do2 and one smoothing with respect to the secondary winding N2 to which the secondary side series resonant capacitor C2 is connected in series as described above. By connecting the capacitor Co, a double voltage half-wave rectifier circuit is formed. As a connection mode of the voltage doubler half-wave rectifier circuit, first, the anode of the rectifier diode Do1 and the rectifier diode Do2 are connected to the winding end end side of the secondary winding N2 via the secondary side series resonant capacitor C2. Connect the cathode. Further, the cathode of the rectifier diode Do1 is connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Co. The winding start end of the secondary winding N2, the anode of the rectifier diode Do2, and the negative terminal of the smoothing capacitor Co are connected to the secondary side ground.

このようにして形成される倍電圧半波整流回路の整流動作は次のようになる。
先ず、二次巻線に得られる交番電圧の一方の極性に対応する半周期においては、整流ダイオードDo2に順方向電圧が印加されることになるので、整流ダイオードDo2が導通し、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には、二次巻線N2に誘起される交番電圧レベルの等倍に対応したレベルの両端電圧が生成される。次の、二次巻線に得られる交番電圧の他方の極性に対応する半周期においては、整流ダイオードDo2に順方向電圧が印加されて導通する。このとき、平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線電圧V1の電位と、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位により充電が行われる。
これによって平滑コンデンサCoの両端電圧としては、二次巻線N2に誘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二次側直流出力電圧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、倍電圧半波としての整流動作が得られている。
この二次側直流出力電圧Eoは、負荷に供給される。また、分岐して制御回路1に対して検出電圧として出力される。
The rectification operation of the voltage doubler half-wave rectifier circuit thus formed is as follows.
First, in a half cycle corresponding to one polarity of the alternating voltage obtained in the secondary winding, a forward voltage is applied to the rectifier diode Do2, so that the rectifier diode Do2 conducts and the rectified current is An operation of charging the secondary side series resonant capacitor C2 is obtained. As a result, a voltage across the level corresponding to the same multiple of the alternating voltage level induced in the secondary winding N2 is generated in the secondary side series resonance capacitor C2. In the next half cycle corresponding to the other polarity of the alternating voltage obtained in the secondary winding, a forward voltage is applied to the rectifier diode Do2 to conduct. At this time, the smoothing capacitor Co is charged with a potential obtained by superimposing the potential of the secondary winding voltage V1 and the voltage across the secondary side series resonance capacitor C2.
As a result, the secondary side DC output voltage Eo having a level corresponding to twice the alternating voltage level induced in the secondary winding N2 is obtained as the voltage across the smoothing capacitor Co. In this rectification operation, the smoothing capacitor Co is charged only in one half cycle of the alternating voltage excited by the secondary winding N2. That is, a rectification operation as a double voltage half wave is obtained.
The secondary side DC output voltage Eo is supplied to the load. Further, it branches and is output as a detection voltage to the control circuit 1.

制御回路1は、入力された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主としては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を駆動する。   The control circuit 1 supplies a detection output corresponding to the level change of the input secondary side DC output voltage Eo to the oscillation / drive circuit 2. In the oscillation / drive circuit 2, the switching element Q 1 is driven mainly by changing the switching frequency according to the input detection output of the control circuit 1.

上記のようにしてスイッチング素子Q1のスイッチング周波数が可変制御されることにより、電源回路における一次側、二次側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、また、二次側整流回路から負荷に供給すべき電力量が変化することになる。これにより、二次側直流出力電圧Eoのレベル変動がキャンセルされるようにして、二次側直流出力電圧Eoのレベルを制御する動作が得られることになる。つまり、二次側直流出力電圧Eoの安定化が図られる。   As described above, the switching frequency of the switching element Q1 is variably controlled, whereby the primary and secondary resonance impedances in the power supply circuit change, and the primary winding N1 to the secondary winding N2 from the primary winding N1 of the insulating converter transformer PIT change. The amount of power transmitted to the side and the amount of power to be supplied to the load from the secondary side rectifier circuit will change. As a result, an operation for controlling the level of the secondary side DC output voltage Eo is obtained such that the level fluctuation of the secondary side DC output voltage Eo is canceled. That is, the secondary side DC output voltage Eo is stabilized.

上記のようにして形成される本実施の形態の電源回路の一次側において形成されるスイッチングコンバータ(Q1、Cr、N10−N11、N1、C11)と、先に図11に示したE級コンバータとしての回路構成とを比較してみると、本実施の形態のスイッチングコンバータは、図10の回路から負荷となるインピーダンスZを省略し、チョークコイルL11を絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1(リーケージインダクタンスL1)と置き換えたものとしてみることができる。また、前述もしたように、本実施の形態の一次側スイッチングコンバータでは、少なくとも、チョークコイル巻線N10(第1のインダクタ)のインダクタンスL10と一次側並列共振コンデンサCrのキャパシタンスによって一次側並列共振回路を形成し、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1(第2のインダクタ)のリーケージインダクタンスL1と一次側直列共振コンデンサC11のキャパシタンスとにより一次側直列共振回路を形成する。
このことから、本実施の形態の一次側スイッチングコンバータは、E級共振形のスイッチング動作を行うE級スイッチングコンバータとして形成されている、ということがいえる。そして、この一次側スイッチングコンバータのスイッチング動作により得られるスイッチング出力(交番出力)を、絶縁コンバータトランスPITにおける磁気結合を介するようにして、チョークコイルL11に相当する一次巻線N1から二次巻線N2に伝達し、二次側にて整流を行って直流出力電圧Eoを得るようにされている。
また、本実施の形態のようにして形成されるE級スイッチングコンバータは、チョークコイル巻線N10、及び一次側並列共振コンデンサCrとともに電圧共振形コンバータを形成するスイッチング素子Q1(及びボディダイオードDD)に対して、一次側直列共振回路を形成する一次巻線N1及び一次側直列共振コンデンサC11の直列接続回路を並列接続した、複合共振形コンバータ、ソフトスイッチング電源の構成であるともみることができる。
The switching converter (Q1, Cr, N10-N11, N1, C11) formed on the primary side of the power supply circuit of the present embodiment formed as described above, and the class E converter previously shown in FIG. The switching converter of the present embodiment omits the impedance Z as a load from the circuit of FIG. 10, and the choke coil L11 is replaced with the primary winding N1 (leakage inductance) of the insulating converter transformer PIT. It can be seen as a replacement for L1). As described above, in the primary side switching converter of the present embodiment, the primary side parallel resonant circuit is at least based on the inductance L10 of the choke coil winding N10 (first inductor) and the capacitance of the primary side parallel resonant capacitor Cr. The primary side series resonance circuit is formed by the leakage inductance L1 of the primary winding N1 (second inductor) of the insulating converter transformer PIT and the capacitance of the primary side series resonance capacitor C11.
From this, it can be said that the primary side switching converter of this embodiment is formed as a class E switching converter that performs a class E resonance type switching operation. Then, the switching output (alternate output) obtained by the switching operation of the primary side switching converter is passed through the magnetic coupling in the insulating converter transformer PIT, and the primary winding N1 corresponding to the choke coil L11 to the secondary winding N2. And rectified on the secondary side to obtain a DC output voltage Eo.
Further, the class E switching converter formed as in the present embodiment is a switching element Q1 (and body diode DD) that forms a voltage resonance type converter together with the choke coil winding N10 and the primary side parallel resonance capacitor Cr. On the other hand, it can be considered that the configuration is a composite resonance type converter and a soft switching power source in which a series connection circuit of a primary winding N1 and a primary side series resonance capacitor C11 forming a primary side series resonance circuit are connected in parallel.

続いて、力率改善回路10について説明する。
この力率改善回路10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、電圧帰還方式により力率改善を図る構成を採る。
Next, the power factor correction circuit 10 will be described.
The power factor improving circuit 10 is provided so as to be inserted into a rectified current path in a rectifying and smoothing circuit for obtaining a DC input voltage (Ei) from a commercial AC power supply AC. Use a structure for improvement.

本実施の形態の力率改善回路10は、例えば図示するようにして、力率改善用チョークコイル巻線N11(力率改善用インダクタとしての巻線に相当)、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)、及びフィルタコンデンサCNを備えて成る。このうち、力率改善用チョークコイル巻線N11は、所定のインダクタンスLoが得られるようにして、所定巻数によりチョークコイルPCC1に巻装される。   The power factor correction circuit 10 of the present embodiment includes, for example, as shown in the figure, a power factor improving choke coil winding N11 (corresponding to a winding as a power factor improving inductor), a switching diode D1 (for power factor improving). Switching element) and a filter capacitor CN. Among these, the power factor improving choke coil winding N11 is wound around the choke coil PCC1 by a predetermined number of turns so as to obtain a predetermined inductance Lo.

この場合のチョークコイルPCC1の構造例を図4の断面図に示す。
この図に示すように、チョークコイルPCC1も、フェライト材によるE字形状コアCR11、CR12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、本来のチョークコイル巻線N10と、力率改善用チョークコイル巻線N11とともに、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B1が備えられる。このボビンB1の一方の巻装部に対してチョークコイル巻線N10を巻装し、他方の巻装部に対して力率改善用チョークコイル巻線N11を巻装する。なお、この場合のボビンB1は、図示するようにして、チョークコイル巻線N10の巻装部のほうが、力率改善用チョークコイル巻線N11の巻装部よりも大きい容積を有しているようにして形成される。また、この場合のチョークコイル巻線N10と力率改善用チョークコイル巻線N11には、それぞれリッツ線を用いる。
このようにして一次側巻線及び二次側巻線が巻装されたボビンB1を上記EE字形コア(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EE字形コアの中央磁脚に巻装される状態となる。
また、EE字形コアの中央磁脚に対しては、図のようにして1.6mm程度のギャップGを形成することで、チョークコイル巻線N10と力率改善用チョークコイル巻線N11との間で、例えば結合係数k≒0.7程度による疎結合の磁気結合状態を得るようにしている。
A structural example of the choke coil PCC1 in this case is shown in a sectional view of FIG.
As shown in this figure, the choke coil PCC1 also includes an EE type core (EE-shaped core) in which E-shaped cores CR11 and CR12 made of a ferrite material are combined so that their magnetic legs face each other. A bobbin B1 formed of, for example, a resin or the like in a shape in which the primary side and secondary side winding portions are divided independently from each other together with the wire N10 and the power factor improving choke coil winding N11 is provided. It is done. A choke coil winding N10 is wound around one winding portion of the bobbin B1, and a power factor improving choke coil winding N11 is wound around the other winding portion. In this case, the bobbin B1 in this case seems to have a larger volume in the winding portion of the choke coil winding N10 than in the winding portion of the choke coil winding N11 for power factor improvement, as shown in the figure. Formed. In this case, litz wires are used for the choke coil winding N10 and the power factor improving choke coil winding N11, respectively.
By attaching the bobbin B1 on which the primary side winding and the secondary side winding are wound in this way to the EE-shaped core (CR1, CR2), the primary side winding and the secondary side winding are EE-shaped. It will be in the state wound by the central magnetic leg of a core.
For the central magnetic leg of the EE-shaped core, a gap G of about 1.6 mm is formed as shown in the figure, so that the choke coil winding N10 and the power factor improving choke coil winding N11 are arranged. For example, a loosely coupled magnetic coupling state with a coupling coefficient k≈0.7 is obtained.

そのうえで、力率改善回路10としては、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子に対して、スイッチングダイオードD1のアノードを接続し、スイッチングダイオードD1のカソードを力率改善用チョークコイル巻線N11の巻終わり端部側と接続する。力率改善用チョークコイル巻線N11の巻き始め端部は、平滑コンデンサCiの正極端子との接続点に対して接続する。また、スイッチングダイオードD1のカソードと力率改善用チョークコイル巻線N11の巻き終わり端部との接続点に対して、チョークコイル巻線N10の巻き終わり端部を接続する。チョークコイル巻線N10の巻始め端部は、スイッチング素子Q1のドレインと接続されている。   In addition, as the power factor improving circuit 10, the anode of the switching diode D1 is connected to the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di, and the cathode of the switching diode D1 is the winding end of the choke coil winding N11 for power factor improvement. Connect to the part side. The winding start end of the power factor improving choke coil winding N11 is connected to a connection point with the positive terminal of the smoothing capacitor Ci. Further, the winding end of the choke coil winding N10 is connected to the connection point between the cathode of the switching diode D1 and the winding end of the power factor improving choke coil winding N11. The winding start end of the choke coil winding N10 is connected to the drain of the switching element Q1.

このような力率改善回路10としての接続形態では、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の正極端子との間の整流出力電流の経路において、スイッチングダイオードD1(アノード→カソード)−力率改善用チョークコイル巻線N11の直列接続回路が挿入されているものとみることができる。
また、上記スイッチングダイオードD1(アノード→カソード)−力率改善用チョークコイル巻線N11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。
In such a connection form as the power factor correction circuit 10, in the path of the rectified output current between the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di and the positive terminal of the smoothing capacitor Ci, the switching diode D1 (anode → cathode) -force It can be considered that a series connection circuit of the choke coil winding N11 for rate improvement is inserted.
A filter capacitor CN is connected in parallel to the series connection circuit of the switching diode D1 (anode → cathode) and the choke coil winding N11 for power factor improvement. The filter capacitor CN is provided to suppress normal mode noise.

このようにして形成される力率改善回路10の動作は次のようになる。
図1の電源回路における一次側スイッチングコンバータはE級スイッチングコンバータであり、従って、一次側並列共振コンデンサCrとチョークコイル巻線N10から少なくとも成る一次側並列共振回路を備える。このために、スイッチング素子Q1がオフとなる期間においては、一次側並列共振コンデンサCrに対して充放電電流が流れる電圧共振動作が得られる。これにより、一次側並列共振コンデンサCr(スイッチング素子Q1)の両端電圧となる電圧V1としては、スイッチング素子Q1がオフとなる期間において正弦波状のパルス電圧(共振パルス電圧)が生じる。一次側並列共振回路を形成するチョークコイル巻線N10には、上記共振パルス電圧に応じた交番電圧波形の成分が伝達される。そして、チョークコイルPCC1においては、力率改善用チョークコイル巻線N11が、一次側並列共振回路を形成するチョークコイル巻線N10と磁気結合するようにして設けられていることで、上記のようにしてチョークコイル巻線N10に生じた共振パルス電圧が、力率改善用チョークコイル巻線N11に誘起されることになる。つまり、スイッチング周期の交番電圧が力率改善用チョークコイル巻線N11に誘起される。
この場合の力率改善用チョークコイル巻線N11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の正極端子との間の整流出力電流の経路に挿入されていることから、力率改善用チョークコイル巻線N11に得られた誘起電圧は、整流電流経路に対して重畳されることになる。このような動作は、一次巻線N1に得られたスイッチング出力としての電流、電圧を、力率改善用チョークコイル巻線N11により電圧に変換し、平滑コンデンサCiに帰還しているものであるとみることができる。つまり、スイッチング出力を、チョークコイル巻線N10と力率改善用チョークコイル巻線N11との磁気結合を介するようにして平滑コンデンサCi(整流電流経路)に帰還する、電圧帰還方式としての動作が得られている。
また、この場合の力率改善回路10においては、チョークコイル巻線N10の巻き終わり端部が、スイッチングダイオードD1のアノードと力率改善用チョークコイル巻線N11の巻き終わり端部との接続点に対して接続されている。また、力率改善用チョークコイル巻線N11の巻始め端部は、一次巻線N1の巻き終わり端部とも接続されている
このために、力率改善回路10においては、スイッチング素子Q1のスイッチング出力に応じて一次巻線N1に得られた電流を電力として回生し、チョークコイル巻線N10から、さらに力率改善用チョークコイル巻線N11の磁気結合を介して平滑コンデンサCiに対して帰還する動作も得られているものとみることができる。つまり、磁気結合形の電力回生方式としての動作も得られている。
The operation of the power factor correction circuit 10 formed in this way is as follows.
The primary side switching converter in the power supply circuit of FIG. 1 is a class E switching converter, and therefore includes a primary side parallel resonant circuit including at least a primary side parallel resonant capacitor Cr and a choke coil winding N10. For this reason, during the period in which the switching element Q1 is turned off, a voltage resonance operation in which a charge / discharge current flows through the primary side parallel resonance capacitor Cr is obtained. As a result, a sinusoidal pulse voltage (resonance pulse voltage) is generated as the voltage V1 serving as the voltage across the primary side parallel resonance capacitor Cr (switching element Q1) during the period when the switching element Q1 is turned off. A component of an alternating voltage waveform corresponding to the resonance pulse voltage is transmitted to the choke coil winding N10 forming the primary side parallel resonance circuit. In the choke coil PCC1, the power factor improving choke coil winding N11 is provided so as to be magnetically coupled to the choke coil winding N10 forming the primary side parallel resonant circuit, as described above. The resonance pulse voltage generated in the choke coil winding N10 is induced in the power factor improving choke coil winding N11. That is, an alternating voltage of the switching period is induced in the power factor improving choke coil winding N11.
The power factor improving choke coil winding N11 in this case is inserted in the path of the rectified output current between the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di and the positive terminal of the smoothing capacitor Ci. The induced voltage obtained in the choke coil winding N11 is superimposed on the rectified current path. In such an operation, the current and voltage as the switching output obtained in the primary winding N1 are converted to voltage by the power factor improving choke coil winding N11 and fed back to the smoothing capacitor Ci. You can see. That is, an operation as a voltage feedback system is obtained in which the switching output is fed back to the smoothing capacitor Ci (rectified current path) through the magnetic coupling between the choke coil winding N10 and the power factor improving choke coil winding N11. It has been.
Further, in the power factor correction circuit 10 in this case, the end of winding end of the choke coil winding N10 is at the connection point between the anode of the switching diode D1 and the end of winding end of the choke coil winding N11 for power factor improvement. Are connected to each other. In addition, the winding start end portion of the power factor improving choke coil winding N11 is also connected to the winding end end portion of the primary winding N1. Therefore, in the power factor correction circuit 10, the switching output of the switching element Q1 In response to this, the current obtained in the primary winding N1 is regenerated as electric power, and is fed back from the choke coil winding N10 to the smoothing capacitor Ci via the magnetic coupling of the power factor improving choke coil winding N11. It can be seen that That is, operation as a magnetic coupling type power regeneration system is also obtained.

このようにして本実施の形態では、磁気結合形の電圧帰還方式と、同じ磁気結合形の電力回生方式との、2つの帰還方式としてのスイッチング出力の帰還動作が同時的に生じるようにされている。このようにして整流電流経路に対してスイッチング出力が帰還されることで、整流電流経路に対してはスイッチング周波数に応じた交番電圧が重畳されることになる。
これにより、スイッチングダイオードD1に印加される電圧としては、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電位となる。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。
In this way, in this embodiment, the feedback operation of the switching output as the two feedback methods, that is, the magnetic coupling type voltage feedback method and the same magnetic coupling type power regeneration method is generated simultaneously. Yes. In this way, the switching output is fed back to the rectified current path, whereby an alternating voltage corresponding to the switching frequency is superimposed on the rectified current path.
As a result, the voltage applied to the switching diode D1 is a potential obtained by further superimposing an alternating voltage component based on the switching period on the rectified and smoothed voltage Ei. In the fast recovery type switching diode D1, the positive / negative absolute value of the AC input voltage VAC is, for example, about 1/2 or more of the peak value by applying the alternating voltage component superimposed on the rectified and smoothed voltage Ei. At this time, the switching operation is performed to interrupt the rectified current that is going to flow into the smoothing capacitor Ci.
The conduction period of the envelope of the rectified current flowing as described above also flows during a period in which the rectified output voltage level output from the bridge rectifier circuit Di is lower than the voltage across the smoothing capacitor Ci. Then, the conduction period of the AC input current IAC that flows based on the AC input voltage VAC is also substantially coincident with the conduction period of the rectified current. That is, the conduction angle of the AC input current IAC is larger than that without the power factor correction circuit, and the waveform of the AC input current IAC approaches the waveform of the AC input voltage VAC. Yes. That is, the power factor is improved.

また、本実施の形態の力率改善回路10の構成では、力率改善用チョークコイル巻線N11の巻数設定により、力率改善回路10により改善される力率値を変更することが可能である。
前述もしているように、力率改善用チョークコイル巻線N11は、チョークコイルPCC1においてチョークコイル巻線N10と磁気結合しており、チョークコイル巻線N10により交番電圧が誘起される。このことから、力率改善用チョークコイル巻線N11の巻数を変更することで、チョークコイル巻線N10と力率改善用チョークコイル巻線N11との巻線比が変化することとなり、力率改善用チョークコイル巻線N11に誘起される電圧レベルが変化することになる。この力率改善用チョークコイル巻線N11の誘起電圧レベルの変化が、即ちスイッチング出力の帰還量の変化となる。
Further, in the configuration of the power factor correction circuit 10 of the present embodiment, the power factor value improved by the power factor correction circuit 10 can be changed by setting the number of turns of the power factor correction choke coil winding N11. .
As described above, the power factor improving choke coil winding N11 is magnetically coupled to the choke coil winding N10 in the choke coil PCC1, and an alternating voltage is induced by the choke coil winding N10. Therefore, by changing the number of turns of the power factor improving choke coil winding N11, the winding ratio between the choke coil winding N10 and the power factor improving choke coil winding N11 is changed. The voltage level induced in the choke coil winding N11 will change. The change in the induced voltage level of the power factor improving choke coil winding N11, that is, the change in the feedback amount of the switching output.

また、本実施の形態としては、チョークコイル巻線N10と力率改善用チョークコイル巻線N11の巻き終わり端部同士を接続していることで、相互に逆極性となる関係が得られるようにしており、これにより、改善される力率値が高くなるようにしている。つまり、効率的に力率改善が図られるようにしている。
力率改善回路10では、一次巻線N1からチョークコイル巻線N10に得られたスイッチング周期の電流を、電力として回生して整流電流経路に帰還する電力回生方式としての動作を含むが、この動作においては、力率改善用チョークコイル巻線N11の磁気結合を利用する。このとき、力率改善用チョークコイル巻線N11のインダクタンスの作用で、電力回生方式としての帰還動作により整流電流経路に重畳したとされる交番電圧成分には、チョークコイル巻線N10に得られる交番電圧に対してある量の位相差を有することになる。このために、仮に、力率改善用チョークコイル巻線N11に誘起される交番電圧が、チョークコイル巻線N10と同相であるとすると、整流電流経路に重畳する交番電圧成分としては、力率改善用チョークコイル巻線N11により誘起される交番電圧と、電力回生の動作により帰還される交番電圧とが逆相に近くなって相互に打ち消し合うような作用を生じる。このことが、スイッチング出力の帰還量の低下要因となる。そこで、本実施の形態としては、力率改善用チョークコイル巻線N11について、チョークコイル巻線N10に対して逆極性となる状態で磁気結合させることで、チョークコイル巻線N10の電圧に対してほぼ反転したとされるタイミングの誘起電圧を力率改善用チョークコイル巻線N11に発生させることとしている。つまり、位相補償を行うようにしている。これにより、電圧帰還により重畳される交番電圧と、電力回生により重畳される交番電圧とが打ち消し合う作用を解消、抑制して、その分の高力率が得られるようにしている。
In the present embodiment, the winding end ends of the choke coil winding N10 and the power factor improving choke coil winding N11 are connected to each other so that a relationship of opposite polarities can be obtained. As a result, the power factor value to be improved is increased. That is, the power factor is efficiently improved.
The power factor correction circuit 10 includes an operation as a power regeneration system in which the current of the switching period obtained from the primary winding N1 to the choke coil winding N10 is regenerated as power and returned to the rectification current path. In FIG. 4, the magnetic coupling of the power factor improving choke coil winding N11 is used. At this time, due to the action of the inductance of the power factor improving choke coil winding N11, the alternating voltage component assumed to be superimposed on the rectified current path by the feedback operation as the power regeneration system includes the alternating voltage obtained in the choke coil winding N10. It will have a certain amount of phase difference with respect to the voltage. For this reason, if the alternating voltage induced in the choke coil winding N11 for power factor improvement is in phase with the choke coil winding N10, the alternating voltage component superimposed on the rectified current path is the power factor improvement. The alternating voltage induced by the choke coil winding N11 and the alternating voltage fed back by the power regeneration operation are close to opposite phases and cancel each other out. This causes a reduction in the feedback amount of the switching output. Therefore, in the present embodiment, the power factor improving choke coil winding N11 is magnetically coupled with the polarity opposite to that of the choke coil winding N10 so that the voltage of the choke coil winding N10 is reduced. An induced voltage at a timing that is almost reversed is generated in the choke coil winding N11 for power factor improvement. That is, phase compensation is performed. As a result, the action of canceling out the alternating voltage superimposed by the voltage feedback and the alternating voltage superimposed by the power regeneration is eliminated and suppressed, so that a high power factor can be obtained.

上記構成による図1の電源回路の実際として、後述する実験結果を得るのにあたっては、要部を下記のように選定した。
先ず、絶縁コンバータトランスPITについては、図2に示す構造を基としてEE字形コア(CR1,CR2)についてEER-35を選定して、ギャップG1については2.2mmのギャップ長を設定した。一次巻線N1及び二次巻線N2の各巻数(ターン数)Tについては、N1=60T、N2=30Tを選定した。上記した絶縁コンバータトランスPITの構造により、絶縁コンバータトランスPIT自体における一次側と二次側との結合係数kについては、例えばk=0.67程度の、0.7より小さいとされる値が設定される。
また、チョークコイルPCC1については、図3に示す構造の下で、EER-28を選定して、ギャップGのギャップ長については、1.6mmとした。そのうえで、チョークコイル巻線N10のインダクタンスL10については、L10=1mHを設定し、力率改善用チョークコイル巻線N10のインダクタンスLoについては、Lo=14μHとなるように設定した。
なお、上記EERのコアは、よく知られているように、製品としてのコアの型式、規格の1つであり、この型式には、ER、EEのあることも知られている。本願においてE字形状、EE字形などという場合には、断面がE字、あるいはEE字形状であることに応じて、EER、ER、EEの何れのタイプの場合についてもE字形状、あるいはEE字形のコアであるとして扱うものとする。
また、一次側並列共振コンデンサCr、フィルタコンデンサCN、及び二次側直列共振コンデンサC2の各キャパシタンスについては、
Cr=5600pF
C11=0.022μF
CN=1μF
C2=0.082μF
を選定した。
対応負荷電力は、最大負荷電力Pomax=300W、最小負荷電力Pomin=0W(無負荷)とし、二次側直流出力電圧Eoの定格レベルは175Vとしている。
As the actual configuration of the power supply circuit of FIG. 1 having the above-described configuration, the main part was selected as follows in order to obtain the experimental results described later.
First, for the insulating converter transformer PIT, EER-35 was selected for the EE-shaped cores (CR1, CR2) based on the structure shown in FIG. 2, and a gap length of 2.2 mm was set for the gap G1. For the number of turns (number of turns) T of the primary winding N1 and the secondary winding N2, N1 = 60T and N2 = 30T were selected. Due to the structure of the insulating converter transformer PIT described above, for the coupling coefficient k between the primary side and the secondary side in the insulating converter transformer PIT itself, a value that is smaller than 0.7, for example, k = 0.67 is set.
For choke coil PCC1, EER-28 was selected under the structure shown in FIG. 3, and the gap length of gap G was set to 1.6 mm. In addition, L10 = 1 mH was set for the inductance L10 of the choke coil winding N10, and Lo = 14 μH was set for the inductance Lo of the choke coil winding N10 for power factor improvement.
As is well known, the core of the EER is one of the types and standards of the core as a product. It is also known that this type includes ER and EE. In the present application, in the case of E-shape, EE-shape, etc., the E-shape or EE-shape for any type of EER, ER, EE depending on whether the cross section is E-shape or EE-shape. Shall be treated as the core of
Further, regarding the respective capacitances of the primary side parallel resonance capacitor Cr, the filter capacitor CN, and the secondary side series resonance capacitor C2,
Cr = 5600pF
C11 = 0.022μF
CN = 1μF
C2 = 0.082μF
Was selected.
The corresponding load power is the maximum load power Pomax = 300 W, the minimum load power Pomin = 0 W (no load), and the rated level of the secondary side DC output voltage Eo is 175V.

図1の電源回路の実験結果として、図4の波形図を挙げる。図4は、上記構成による図1の電源回路における要部の動作を、商用交流電源周期により示している。
先ず、力率改善回路10のスイッチングダイオードD1に流れる電流I1は、図示するようにして、交流入力電圧VACのピーク近傍において所定以上のレベルとなる期間に、滑らかな凸字状の正極性のパルスとして流れる交番波形となる。
また、スイッチングダイオードD1のカソードと力率改善用チョークコイル巻線N11の端部の接続点と、一次側アースとの間の電位である電圧V2は、正極性のピークは整流平滑電圧Ei(140V)で一定とされたうえで、交流入力電圧VACが所定以上のレベルとなる以外の期間では、正弦波状に直流分が増減する交番波形となる。
また、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と一次側アースとの電位となる電圧V3は、整流平滑電圧Eiのレベルに対して、交流入力電圧VACが所定以上のレベルとなる期間において、整流出力電圧に応じた波形の交番電圧成分が重畳したものとなる。
そして、この場合の交流入力電流IACは、図示するようにして、非導通の期間は形成されずに、略凸状のエンベロープが、交流入力電圧VACの極性に応じて反転する波形となる。このような波形は、例えば図1に示した構成から力率改善回路10を省略した構成と比較して、正弦波に近くなっているものであり、その分の力率改善が図られているものであるとしてみることができる。
As an experimental result of the power supply circuit of FIG. 1, the waveform diagram of FIG. 4 is given. FIG. 4 shows the operation of the main part of the power supply circuit of FIG.
First, as shown in the figure, the current I1 flowing through the switching diode D1 of the power factor correction circuit 10 is a smooth convex positive-polarity pulse in a period of a predetermined level or more near the peak of the AC input voltage VAC. As an alternating waveform.
The voltage V2, which is the potential between the connection point between the cathode of the switching diode D1 and the end of the choke coil winding N11 for power factor correction, and the primary side ground has a positive polarity peak at the rectified smoothing voltage Ei (140V). ), And in a period other than when the AC input voltage VAC is at a predetermined level or higher, an alternating waveform in which the DC component increases or decreases in a sine wave form is obtained.
The voltage V3, which is the potential between the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di and the primary side ground, is a rectified output voltage during a period in which the AC input voltage VAC is higher than a predetermined level with respect to the level of the rectified smoothing voltage Ei. The alternating voltage component of the waveform corresponding to is superimposed.
In this case, the AC input current IAC has a waveform in which the substantially convex envelope is inverted according to the polarity of the AC input voltage VAC without forming a non-conduction period as shown in the figure. Such a waveform is closer to a sine wave, for example, compared to a configuration in which the power factor improvement circuit 10 is omitted from the configuration shown in FIG. 1, and the power factor is improved accordingly. It can be seen as a thing.

また、図4においては二次側直流出力電圧Eoが示されている。二次側直流出力電圧Eoは、安定化目標の定格レベル(175V)を平均値として、図示するエンベロープによりスイッチング周波数にほぼ対応する周期のリップルが重畳する。この場合には、リップルの電圧レベルは、80mVp-pとなっている。   Further, in FIG. 4, the secondary side DC output voltage Eo is shown. The secondary side DC output voltage Eo is averaged at the rated level (175 V) of the stabilization target, and a ripple having a period substantially corresponding to the switching frequency is superimposed by the illustrated envelope. In this case, the ripple voltage level is 80 mVp-p.

図5は、図1に示した電源回路ついての実験結果として、交流入力電圧VAC=100Vの入力電圧条件で、最大負荷電力Pomax=300W〜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)を示している。
また、図6は、図1に示した電源回路についての実験結果として、最大負荷電力Pomax=300Wで一定とする負荷条件で、交流入力電圧VAC=85V〜144Vの範囲での変動に対する、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)を示している。
FIG. 5 shows an experimental result of the power supply circuit shown in FIG. 1 in the range of maximum load power Pomax = 300 W to minimum load power Pomin = 0 W (no load) under the input voltage condition of AC input voltage VAC = 100V. A rectified smoothing voltage (DC input voltage) Ei, power factor (PF), and AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) with respect to load fluctuations are shown.
FIG. 6 shows the experimental results for the power supply circuit shown in FIG. 1, with rectification and smoothing with respect to fluctuations in the range of AC input voltage VAC = 85 V to 144 V under a constant load condition with maximum load power Pomax = 300 W. Voltage (DC input voltage) Ei, power factor (PF), and AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) are shown.

先ず、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、図6に示すようにして、交流入力電圧VACに対応してほぼ比例的に変化するものとなる。また、負荷変動に対しては、図5に示すようにして、軽負荷の傾向となるのに応じて緩やかに上昇する傾向となっているが、負荷電力Po=100W以上では130V〜140程度の範囲でほぼ収まっているとみてよい特性となっている。また、最大負荷電力Po=300W〜最小負荷電力Pomin=0Wの範囲に対する整流平滑電圧Eiの変動幅(ΔEi)は24Vであった。
また、力率改善回路10の動作に応じて得られる力率PFについては、図5に示されるようにして、全体としては軽負荷傾向となるのに従って低くなっていく傾向の特性であり、最大負荷電力Pomax=300WからPo=50W程度の負荷変動範囲に対して、PF=0.75以上を維持しており、実用上充分な力率値が得られているといえる。なお、交流入力電圧VACの変動に対しては、図6に示すようにして、交流入力電圧VACが高くなっていくのに応じて緩やかな傾きで低下していが、ほぼ一定とみてよい特性となる。
First, the rectified and smoothed voltage Ei, which is the DC input voltage of the switching converter, changes substantially proportionally in accordance with the AC input voltage VAC as shown in FIG. Further, as shown in FIG. 5, the load fluctuation tends to gradually increase as the load becomes light, but the load power Po = 100 W or more is about 130 V to 140. It is a characteristic that can be considered to be almost within the range. The fluctuation range (ΔEi) of the rectified smoothing voltage Ei with respect to the range of the maximum load power Po = 300 W to the minimum load power Pomin = 0 W was 24V.
Further, the power factor PF obtained in accordance with the operation of the power factor correction circuit 10 is a characteristic that tends to decrease as the light load tendency as a whole as shown in FIG. The load power range Pomax = 300 W to Po = 50 W is maintained at PF = 0.75 or more with respect to the load fluctuation range, and it can be said that a practically sufficient power factor value is obtained. As shown in FIG. 6, the fluctuation of the AC input voltage VAC decreases with a gradual slope as the AC input voltage VAC increases, but the characteristic may be regarded as almost constant. Become.

また、AC→DC電力変換効率(ηAC→DC)については、図5及び図6に示すようにして、負荷変動に対しては、Po=100Wあたりでピークとなるが、ほぼ一定とみてよい特性で、交流入力電圧の変動に対しては、交流入力電圧VACの変動に対してほぼ一定となる特性となっている。最大負荷電力Po=300W、交流入力電圧VAC=100V時における測定結果としては、ηAC→DC=91.8%となる結果が得られた。また、最大負荷電力Pomax=300W?Po=25Wの範囲でηAC→DC=90%以上を維持するという良好な結果が得られた。
比較として、図16に示した電源回路では、同じ最大負荷電力Pomax=300W、交流入力電圧VAC=100時におけるAC→DC電力変換効率としては、83%であり、8.8%程度の向上が図られている。また、これにともなって、交流入力電力は、図16の電源回路と比較して、本実施の形態では34.7W程度低減されている。
Further, as shown in FIGS. 5 and 6, the AC → DC power conversion efficiency (ηAC → DC) has a peak at around Po = 100 W with respect to load fluctuation, but it may be regarded as almost constant. Thus, the fluctuation of the AC input voltage has a characteristic that is substantially constant with respect to the fluctuation of the AC input voltage VAC. As a measurement result when the maximum load power Po = 300 W and the AC input voltage VAC = 100 V, a result of ηAC → DC = 91.8% was obtained. In addition, a good result was obtained that ηAC → DC = 90% or more was maintained in the range of maximum load power Pomax = 300 W? Po = 25 W.
As a comparison, in the power supply circuit shown in FIG. 16, the AC → DC power conversion efficiency at the same maximum load power Pomax = 300 W and AC input voltage VAC = 100 is 83%, which is an improvement of about 8.8%. It is illustrated. Accordingly, the AC input power is reduced by about 34.7 W in the present embodiment as compared with the power supply circuit of FIG.

これまでに説明した実施の形態の電源回路と、アクティブフィルタを備えることにより力率改善を図る先行技術である、図16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5及び図6により示した実験の説明からもわかるように、図1に示した電源回路では、図16の電源回路の場合よりも電力変換効率(ηAC→DC)が向上している。
これは、主としては、電圧帰還方式による力率改善回路を備える構成としたことで、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の積により総合効率が低下することはない。
When the power supply circuit of the embodiment described so far is compared with the power supply circuit shown in FIG. 16 which is a prior art for improving the power factor by providing an active filter, the following is possible. I can say that.
First, as can be seen from the description of the experiment shown in FIG. 5 and FIG. 6, the power conversion efficiency (ηAC → DC) is improved in the power supply circuit shown in FIG. Yes.
This is mainly because the active filter is not required because the power factor correction circuit using the voltage feedback method is provided. That is, in this embodiment, the total efficiency is not reduced by the product of the two power conversion efficiency values of the former stage and the latter stage as in the case where the active filter is provided.

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16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、力率改善用チョークコイル巻線N11(インダクタンスLo)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電源回路として、図16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。特に、力率改善用チョークコイルのようなインダクタとしての部品は大型な部類であるが、本実施の形態では、平滑コンデンサCiに流入する整流電流はスイッチング周期による交番電流となることから、この整流電流に対するインダクタとして機能する力率改善用チョークコイル巻線N11に設定できるインダクタンスLoは小さくて済み、実際としてもLo=14μHである。これにより、例えば本実施の形態のようにして、力率改善用チョークコイル巻線N11を巻装してチョークコイルPCC1を形成する場合も、チョークコイルPCC1のコアとしては、EE-28に抑えられることから、回路基板の小型軽量化を妨げない。比較として、例えば、図16に示したパワーチョークコイルPCCは、140μH程度が必要となるのでEER-39が選定される。
Further, in the circuit shown in FIG. 1, the active filter is not required, so that the number of circuit components can be reduced.
In other words, the active filter constitutes a set of converters, and as can be seen from the description with reference to FIG. 16, in practice, there are many switching elements and ICs for driving them, and so on. Consists of the number of parts.
On the other hand, the power supply circuit shown in FIG. 1 includes at least a filter capacitor CN, a switching diode D1, and a power factor improving choke coil winding N11 (inductance Lo) as additional components necessary for improving the power factor. What is necessary is that the number of parts can be reduced as compared with the active filter.
Thereby, the power supply circuit shown in FIG. 1 can be manufactured at a much lower cost than the circuit shown in FIG. 16 as a power supply circuit having a power factor correction function. Further, since the number of parts is greatly reduced, the circuit board can be effectively reduced in size and weight. In particular, the inductor component such as the power factor improving choke coil is a large class, but in this embodiment, the rectified current flowing into the smoothing capacitor Ci is an alternating current due to the switching period. The inductance Lo that can be set to the power factor improving choke coil winding N11 that functions as an inductor for current is small, and actually, Lo = 14 μH. Thus, for example, when the choke coil PCC1 is formed by winding the choke coil N11 for power factor improvement as in the present embodiment, the core of the choke coil PCC1 can be suppressed to EE-28. Therefore, it does not prevent the circuit board from being reduced in size and weight. For comparison, for example, the power choke coil PCC shown in FIG. 16 requires about 140 μH, so EER-39 is selected.

また、図1に示す電源回路では、E級共振形コンバータ及び力率改善回路10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16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。
In the power supply circuit shown in FIG. 1, the operation of the class E resonant converter and the power factor correction circuit 10 is a so-called soft switching operation. Therefore, the level of switching noise is significantly higher than that of the active filter shown in FIG. Reduced.
Therefore, as shown in FIG. 1, for example, if a single-stage noise filter comprising a pair of common mode choke coils CMC and two across capacitors CL is provided, it is possible to sufficiently satisfy the power disturbance standard. It is said. Further, as shown in FIG. 1, the normal mode noise of the rectified output line is taken by only one filter capacitor CN.
By reducing the number of components as a noise filter in this way, the cost reduction of the power supply circuit and the reduction in size and weight of the circuit board are promoted.

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スイッチング素子は1石であり、二次側の整流ダイオードなどもスイッチング素子Q1に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16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。   In the case of the power supply circuit shown in FIG. 1, the number of switching elements forming the primary side switching converter is one stone, and the secondary side rectifier diode and the like perform switching operations in synchronization with the switching element Q1. Therefore, the primary side ground potential can be stabilized regardless of the change of the switching frequency without causing interference between the active filter side and the subsequent switching converter as in the power supply circuit of FIG. .

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5及び図6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力率改善電源を得ているものである。
Note that the power factor PF obtained by the power supply circuit shown in FIG. 1 is as described in FIGS. 5 and 6. According to such power factor characteristics, for example, power supply harmonic distortion regulation is cleared. It can be said that a practically sufficient power factor is obtained.
In this way, the power supply circuit of the present embodiment shown in FIG. 1 obtains a power factor improving power supply that solves various problems of a power supply circuit including an active filter.

また、本実施の形態の電源回路では、一次側スイッチングコンバータとして、E級スイッチングコンバータを備える。前述のようにして、E級スイッチングコンバータにおいては、一次側並列共振回路(Cr、N10(L10))と一次側直列共振回路(C11、N1(L1))が組み合わされている。そして、このような構成は、電圧共振形コンバータを基本構成として、一次側直列共振回路(C11、N1(L1))を組み合わせたものとしてみることができる。   Further, the power supply circuit according to the present embodiment includes a class E switching converter as the primary side switching converter. As described above, in the class E switching converter, the primary side parallel resonant circuit (Cr, N10 (L10)) and the primary side series resonant circuit (C11, N1 (L1)) are combined. Such a configuration can be viewed as a combination of a primary side series resonant circuit (C11, N1 (L1)) with a voltage resonant converter as a basic configuration.

一般的に、一次側に電圧共振形コンバータを備える電源回路は、負荷電力の制御範囲が狭く、また、軽負荷時におけるZVSが維持できないために、そのままでは実用化は不可能であると考えられている。そこで、1石のスイッチング素子によるシングルエンド方式の一次側電圧共振形コンバータに対して二次側直列共振回路を設け、二次側整流回路として倍電圧半波整流回路を形成した電源回路(ここでは、実験電源回路ともいう)を構成して本願発明者が実験を行ったところ、それまでの電圧共振形コンバータを備える電源回路よりも、実現化に近づく特性が得られることが確認された。
しかしながら、上記実験電源回路では、中間負荷時において、スイッチング素子Q1のオフ期間(TOFF)が終了しないうちにスイッチング素子Q1に正極方向(この場合はドレイン→ソース方向)に電流が流れてZVSの動作が得られないという異常動作を生じる。このために、実験電源回路の構成であっても、依然として実用化は困難な状況であった。
これに対して、図1に示した実施の形態の電源回路では、対応負荷電力の全領域にわたってZVS動作が得られることが実験で確認されている。つまり、中間負荷時における異常動作は解消されている。これにより、二次側直列共振回路を備えるシングルエンド方式の電圧共振形コンバータとしては、実用化が容易に実現されることになる。
In general, a power supply circuit having a voltage resonance type converter on the primary side has a narrow control range of load power and cannot maintain ZVS at light load, so it is considered impossible to put it to practical use as it is. ing. Therefore, a secondary side series resonant circuit is provided for the single-sided primary voltage resonant converter with a single switching element, and a power supply circuit (in this case, a double voltage half-wave rectifier circuit is formed as the secondary side rectifier circuit) The inventor of the present application conducted an experiment by configuring an experimental power supply circuit), and it was confirmed that characteristics closer to realization can be obtained than a power supply circuit having a voltage resonant converter so far.
However, in the above experimental power supply circuit, the current flows in the positive direction (in this case, the drain → source direction) through the switching element Q1 before the OFF period (TOFF) of the switching element Q1 is not completed at the intermediate load, and the operation of the ZVS An abnormal operation occurs that cannot be obtained. For this reason, even with the configuration of the experimental power supply circuit, it was still difficult to put into practical use.
On the other hand, in the power supply circuit of the embodiment shown in FIG. 1, it has been experimentally confirmed that the ZVS operation can be obtained over the entire range of the corresponding load power. That is, the abnormal operation at the intermediate load is eliminated. As a result, a single-ended voltage resonant converter including a secondary side series resonant circuit can be easily put into practical use.

実験電源回路の中間負荷時の異常動作は、電圧共振形コンバータに二次側直列共振回路を備えた形式の複合共振形コンバータを構成した場合に生じやすいことが確認されている。これは、電圧共振形コンバータを形成する一次側並列共振回路と、二次側直列共振回路(整流回路)とが同時に動作することによる相互作用が主たる原因となっている。
そこで、本実施の形態の場合には、上記した中間負荷時の異常動作は、一次側電圧共振形コンバータと二次側直列共振回路とを組み合わせた回路構成であることがそもそもの要因であると捉え、先ず、一次側スイッチングコンバータとして、電圧共振形コンバータに代えて、E級スイッチングコンバータを適用した構成のものを備えることとした。
また、結合係数k=0.65程度を設定して、絶縁コンバータトランスPITの一次側と二次側の結合度を従来よりも低下させた。これにより、一次側のスイッチングコンバータの動作と、二次側整流回路の整流動作(スイッチング動作)との相互作用を希薄にして中間負荷時における異常動作を抑止する作用を得ている。
It has been confirmed that abnormal operation at the time of intermediate load of the experimental power supply circuit is likely to occur when a complex resonance type converter having a secondary resonance circuit in the voltage resonance type converter is configured. This is mainly caused by the interaction between the primary side parallel resonant circuit forming the voltage resonant converter and the secondary side series resonant circuit (rectifier circuit) operating simultaneously.
Therefore, in the case of the present embodiment, the abnormal operation at the time of the intermediate load described above is due to the fact that the circuit configuration is a combination of the primary side voltage resonance type converter and the secondary side series resonance circuit. First, the primary side switching converter has a configuration in which a class E switching converter is applied instead of the voltage resonance type converter.
Further, the coupling coefficient k is set to about 0.65, and the degree of coupling between the primary side and the secondary side of the insulating converter transformer PIT is made lower than before. As a result, the interaction between the operation of the primary side switching converter and the rectification operation (switching operation) of the secondary side rectifier circuit is dilute to obtain an effect of suppressing abnormal operation at the intermediate load.

また、実験電源回路では、直流入力電圧を生成する平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流は、絶縁コンバータトランスの一次巻線を経由してスイッチング素子と一次側並列共振コンデンサの並列接続回路側に流入する。この場合、平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流は、スイッチング周期による比較的高い周波数となる。つまり、平滑コンデンサCiに対しては商用交流電源周期に対して高周波で充放電電流が流れる。
平滑コンデンサCiとしての部品素子には高耐圧が要求されることなどに応じてアルミ電解コンデンサがしばしば採用される。アルミ電解コンデンサは、他の種類のコンデンサなどと比較して、高周波で動作させると静電容量が低下すると共に損失角の正接が増加しやすい性質を有している。このために、平滑コンデンサCiに使用するアルミ電解コンデンサには、ESR(等価直列抵抗)が低く、また、許容リップル電流が多い特殊品を選定する必要がある。また、平滑コンデンサCiとしての素子のキャパシタンスについても相応に大きな値を選定する必要が出てくる。例えば実験電源回路(一次側電圧共振形コンバータ)の構成で、本実施の形態と同等の最大負荷電力Pomax=300Wに対応させる場合には、1000μF程度を選定することになる。このようなアルミ電解コンデンサは、汎用のアルミ電解コンデンサよりも高価であり、また、キャパシタンスの増加に応じた部品価格の上昇も含めてコスト的に不利となる。
In the experimental power supply circuit, the current flowing into the switching converter from the smoothing capacitor Ci that generates the DC input voltage passes through the primary winding of the insulating converter transformer to the parallel connection circuit side of the switching element and the primary parallel resonant capacitor. Inflow. In this case, the current flowing from the smoothing capacitor Ci into the switching converter has a relatively high frequency due to the switching period. That is, a charging / discharging current flows to the smoothing capacitor Ci at a high frequency with respect to the commercial AC power supply cycle.
An aluminum electrolytic capacitor is often employed depending on the fact that a high breakdown voltage is required for the component element as the smoothing capacitor Ci. Compared to other types of capacitors and the like, aluminum electrolytic capacitors have the property that when operated at a high frequency, the capacitance decreases and the loss angle tangent tends to increase. For this reason, it is necessary to select a special product having a low ESR (equivalent series resistance) and a large allowable ripple current as the aluminum electrolytic capacitor used for the smoothing capacitor Ci. It is also necessary to select a correspondingly large value for the capacitance of the element as the smoothing capacitor Ci. For example, in the configuration of the experimental power supply circuit (primary side voltage resonance type converter), in order to correspond to the maximum load power Pomax = 300 W equivalent to the present embodiment, about 1000 μF is selected. Such an aluminum electrolytic capacitor is more expensive than a general-purpose aluminum electrolytic capacitor, and is disadvantageous in terms of cost, including an increase in component price in accordance with an increase in capacitance.

これに対して図1に示した本実施の形態の電源回路は、平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流は、チョークコイル巻線N10を介してスイッチング素子Q1、一次側並列共振コンデンサCr、一次側直列共振回路(N1−C11)に流れるようになっている。このために、平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流は、図12の入力電流I1と同様にして直流(脈流)となる。このようにして、平滑コンデンサCiからスイッチングコンバータに流入する電流が直流となることで、本実施の形態では、上記した静電容量の低下や損失角の正接の増加の問題は生じることが無く、従って、平滑コンデンサCiとして汎用のアルミ電解コンデンサを選定することができる。また、平滑コンデンサCiとしての素子のキャパシタンスについても、実験電源回路の場合よりも低い値を選定できる。図1の回路の実際としては、680μF程度を選定できる。このようにして、本実施の形態では、平滑コンデンサCiについてのコストダウンを図ることが可能になる。   On the other hand, in the power supply circuit of the present embodiment shown in FIG. 1, the current flowing from the smoothing capacitor Ci to the switching converter is switched through the choke coil winding N10 to the switching element Q1, the primary side parallel resonant capacitor Cr, the primary It flows through the side series resonance circuit (N1-C11). For this reason, the current flowing from the smoothing capacitor Ci into the switching converter becomes a direct current (pulsating flow) in the same manner as the input current I1 in FIG. In this way, since the current flowing from the smoothing capacitor Ci into the switching converter becomes a direct current, in the present embodiment, the above-described problems of a decrease in capacitance and an increase in tangent of the loss angle do not occur. Therefore, a general-purpose aluminum electrolytic capacitor can be selected as the smoothing capacitor Ci. Also, the capacitance of the element as the smoothing capacitor Ci can be selected to be lower than that of the experimental power supply circuit. As an actual circuit of FIG. 1, about 680 μF can be selected. In this way, in the present embodiment, it is possible to reduce the cost of the smoothing capacitor Ci.

図7は、第2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、この図において、図1と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。
この図に示す電源回路においては力率改善回路11が備えられる。この力率改善回路11では、先に第1の実施の形態として図1に示した力率改善回路10の構成に対して、低速型の整流ダイオードD1Aを追加して設けている。
この整流ダイオードD1Aは、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子にアノードを接続し、平滑コンデンサCiの正極端子にカソードを接続している。従って、この力率改善回路11においては、スイッチングダイオードD1−力率改善用チョークコイル巻線N11の直列接続回路に対して、ダイオードD1Aが並列となる関係により接続されていることになる。なお、この場合のフィルタコンデンサCNは、これらスイッチングダイオードD1−力率改善用チョークコイル巻線N11の直列接続回路、及び整流ダイオードD1Aに対して、並列となる関係により接続されることになる。
FIG. 7 shows a configuration example of a power supply circuit according to the second embodiment. In this figure, the same parts as those in FIG.
In the power supply circuit shown in this figure, a power factor correction circuit 11 is provided. In the power factor correction circuit 11, a low-speed rectifier diode D1A is added to the configuration of the power factor correction circuit 10 previously shown in FIG. 1 as the first embodiment.
The rectifier diode D1A has an anode connected to the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di and a cathode connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Ci. Therefore, in the power factor correction circuit 11, the diode D1A is connected in parallel to the series connection circuit of the switching diode D1 and the power factor correction choke coil winding N11. In this case, the filter capacitor CN is connected to the series connection circuit of the switching diode D1 and the power factor improving choke coil winding N11 and the rectifier diode D1A in parallel.

このようにして形成される力率改善回路11を備える第2の実施の形態の電源回路では、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子の整流出力として得られる整流電流は、スイッチングダイオードD1−力率改善用チョークコイル巻線N11の直列接続回路と、整流ダイオードD1Aとに分岐するようにして流れることになる。このような動作であっても、力率改善回路11における基本的な動作としては、力率改善回路10と同様となるもので、電圧帰還及び電力回生により帰還された共振パルス電圧、電流により、スイッチングダイオードD1が整流電流をスイッチングし、交流入力電流IACの導通角を拡大させることにより力率改善が図られる。
そのうえで、上記もしているようにブリッジ整流回路Diからの整流電流は、整流ダイオードD1Aにも分岐して流れることになるので、スイッチングダイオードD1に流れる側の整流電流量は低減する。これにより、スイッチングダイオードD1におけるスイッチング損失が低減され電力変換効率が向上する。特に、重負荷傾向となるのに従って電源回路に流れる電流が増加するのに伴ってこの効果が顕著になる。
In the power supply circuit of the second embodiment including the power factor correction circuit 11 formed in this way, the rectified current obtained as the rectified output of the positive output terminal of the bridge rectifier circuit Di is the switching diode D1—power factor improvement. The choke coil winding N11 is connected in series to the series connection circuit and the rectifier diode D1A. Even in such an operation, the basic operation of the power factor correction circuit 11 is the same as that of the power factor correction circuit 10, and the resonance pulse voltage and current fed back by voltage feedback and power regeneration are used. The switching diode D1 switches the rectified current, and the power factor is improved by expanding the conduction angle of the AC input current IAC.
In addition, as described above, the rectified current from the bridge rectifier circuit Di also branches and flows to the rectifier diode D1A, so that the amount of rectified current on the side flowing to the switching diode D1 is reduced. Thereby, the switching loss in the switching diode D1 is reduced and the power conversion efficiency is improved. In particular, this effect becomes conspicuous as the current flowing through the power supply circuit increases as the load becomes heavy.

図8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。なお、この図において図1,図7と同一部分には同一符号を付して説明を省略する。
この図において、チョークコイルPCC1はチョークコイル巻線N10のみが巻装された構成となっている。先の各実施の形態においてチョークコイルPCCに含まれていた力率改善用チョークコイル巻線N11は、ここでは、力率改善回路12における力率改善用チョークコイルLoの巻線に相当する。力率改善用チョークコイルLoは、所定形状サイズのコアに対して所定巻数により巻線を施して構成する。つまり、第3の実施の形態としては、本来、一次側並列共振回路を形成するインダクタンスであるチョークコイルPCCとしての部品素子と、力率改善のためのインダクタである力率改善用チョークコイルLoとしての部品素子とをそれぞれ別個の部品として形成している。
そのうえで、この場合の力率改善回路12は、力率改善用チョークコイルLo(力率改善用チョークコイル巻線N11)、スイッチングダイオードD1、及びフィルタコンデンサCNについて、例えば図1に示した力率改善回路10と同様の接続態様により接続して構成される。
このような構成にあっても、力率改善用チョークコイルLoとチョークコイルPCCとは、所定の結合係数による疎結合の状態を得ることができる。従って、これまでの実施の形態の力率改善回路と同様にして、電圧帰還方式と電力回生方式とによるスイッチング出力の帰還動作が得られ、力率改善が図られる。
FIG. 8 shows a configuration example of a power supply circuit according to the third embodiment. In this figure, the same parts as those in FIG. 1 and FIG.
In this figure, the choke coil PCC1 has a configuration in which only the choke coil winding N10 is wound. The power factor improving choke coil winding N11 included in the choke coil PCC in each of the previous embodiments corresponds to the winding of the power factor improving choke coil Lo in the power factor improving circuit 12 here. The power factor improving choke coil Lo is formed by winding a core having a predetermined shape size with a predetermined number of turns. That is, in the third embodiment, a component element as a choke coil PCC that is an inductance that originally forms a primary side parallel resonance circuit and a power factor improving choke coil Lo that is an inductor for improving the power factor are used. These component elements are formed as separate components.
In addition, the power factor improvement circuit 12 in this case is configured to improve the power factor correction choke coil Lo (power factor improvement choke coil winding N11), the switching diode D1, and the filter capacitor CN, for example, as shown in FIG. It is configured to be connected in the same connection manner as the circuit 10.
Even in such a configuration, the power factor improving choke coil Lo and the choke coil PCC can obtain a loosely coupled state with a predetermined coupling coefficient. Therefore, similarly to the power factor correction circuits of the embodiments described so far, the switching output feedback operation by the voltage feedback method and the power regeneration method can be obtained, and the power factor can be improved.

続いて、上記第1、第2の実施の形態に共通の変形例として、二次側整流回路のバリエーションを、図9、図10に示す。
なお、これら図9、図10については、二次巻線N2及び二次側整流回路の構成のみが抜き出されて示されているが、図示されていない他の部分は、絶縁コンバータトランスPITの構造も含めて、先に説明した実施の形態としての構成が採られればよい。
Subsequently, as variations common to the first and second embodiments, variations of the secondary side rectifier circuit are shown in FIGS.
9 and 10, only the configuration of the secondary winding N2 and the secondary side rectifier circuit are extracted and shown, but other parts not shown are the parts of the insulating converter transformer PIT. The configuration as the embodiment described above may be adopted including the structure.

先ず、図9に示す電源回路では、二次巻線N2と二次側直列共振コンデンサC2の直列接続回路(二次側直列共振回路)に接続される二次側整流回路として、4本の整流ダイオードDo1,Do2,Do3,Do4から成るブリッジ整流回路と、1本の平滑コンデンサCoから成るブリッジ全波整流回路を備える。
この場合、二次巻線N2の巻き終わり端部は、二次側直列共振コンデンサC2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のカソードの接続点に接続する。また、二次巻線N2の巻始め端部を、整流ダイオードDo3のアノードと整流ダイオードDo4のカソードの接続点に接続する。整流ダイオードDo1のカソードと整流ダイオードDo3のカソードを平滑コンデンサ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にて、整流ダイオードDo2のアノードと整流ダイオードDo4のアノードの接続点と接続される。
First, in the power supply circuit shown in FIG. 9, four rectifiers are used as the secondary side rectifier circuit connected to the series connection circuit (secondary side series resonant circuit) of the secondary winding N2 and the secondary side series resonant capacitor C2. A bridge rectifier circuit including diodes Do1, Do2, Do3, and Do4 and a bridge full-wave rectifier circuit including one smoothing capacitor Co are provided.
In this case, the end of winding end of the secondary winding N2 is connected to the connection point between the anode of the rectifier diode Do1 and the cathode of the rectifier diode Do2 via the secondary side series resonant capacitor C2. Further, the winding start end of the secondary winding N2 is connected to a connection point between the anode of the rectifier diode Do3 and the cathode of the rectifier diode Do4. The cathode of the rectifier diode Do1 and the cathode of the rectifier diode Do3 are connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Co. The negative terminal of the smoothing capacitor Co is connected to the connection point between the anode of the rectifier diode Do2 and the anode of the rectifier diode Do4 at the secondary side ground potential.

上記のようにして形成される全波整流回路によっては、二次巻線N2に誘起(励起)される交番電圧の一方の半周期において、ブリッジ整流回路の整流ダイオード[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に誘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に誘起される交番電圧レベルの等倍に対応したレベルの二次側直流出力電圧Eoが生成される。
Depending on the full-wave rectifier circuit formed as described above, a pair of rectifier diodes [Do1, Do4] of the bridge rectifier circuit is formed in one half cycle of the alternating voltage induced (excited) in the secondary winding N2. An operation of conducting and charging the rectified current to the smoothing capacitor Co is obtained. Further, in the other half cycle of the alternating voltage induced in the secondary winding N2, the operation of charging the rectified current to the smoothing capacitor Co by obtaining a set of rectifier diodes [Do2, Do3] conductive.
As a result, a secondary side DC output voltage Eo having a level corresponding to the same voltage as the alternating voltage level induced in the secondary winding N2 is generated as the voltage across the smoothing capacitor Co.

また、図10に示す電源回路は、二次側整流回路として倍電圧全波整流回路を備える。
この場合の倍電圧全波整流回路としては、先ず、二次巻線N2についてセンタータップを施すことで、このセンタータップを境界にして二次巻線部N2A,N2Bに2分割する。二次巻線部N2A,N2Bには、同じ所定巻数(ターン数)が設定される。二次巻線N2のセンタータップは、二次側アースに接続される。
また、二次巻線N2における二次巻線部N2A側の端部に対しては二次側直列共振コンデンサC2Aを直列に接続し、二次巻線N2における二次巻線部N2B側の端部に対しては二次側直列共振コンデンサC2Bを直列に接続する。これにより、二次巻線部N2Aのリーケージインダクタンス成分と二次側直列共振コンデンサC2Aのキャパシタンスから成る第1の二次側直列共振回路と、二次巻線部N2Bのリーケージインダクタンス成分と二次側直列共振コンデンサC2Bのキャパシタンスから成る第2の二次側直列共振回路とが形成される。
Further, the power supply circuit shown in FIG. 10 includes a voltage doubler full wave rectifier circuit as a secondary side rectifier circuit.
As a voltage doubler full-wave rectifier circuit in this case, first, a center tap is applied to the secondary winding N2, and the secondary tap is divided into two parts N2A and N2B with the center tap as a boundary. The same predetermined number of turns (number of turns) is set in the secondary winding portions N2A and N2B. The center tap of the secondary winding N2 is connected to the secondary side ground.
Further, a secondary side series resonance capacitor C2A is connected in series to the end of the secondary winding N2 on the secondary winding portion N2A side, and the end of the secondary winding N2 on the secondary winding portion N2B side is connected. The secondary side series resonant capacitor C2B is connected in series to the unit. As a result, the first secondary side series resonance circuit composed of the leakage inductance component of the secondary winding part N2A and the capacitance of the secondary side series resonance capacitor C2A, and the leakage inductance component and secondary side of the secondary winding part N2B A second secondary side series resonance circuit composed of the capacitance of the series resonance capacitor C2B is formed.

そして、二次巻線N2における二次巻線N2A側の端部を、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する。また、二次巻線N2における二次巻線N2B側の端部を、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する。
整流ダイオードDo1,Do3の各カソードは、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に接続される。また、整流ダイオードDo2,Do4の各アノードの接続点は二次側アースに接続する。
The end of the secondary winding N2 on the secondary winding N2A side is connected to the connection point between the anode of the rectifier diode Do1 and the cathode of the rectifier diode Do2 via the series connection of the secondary side series resonant capacitor C2A. Connect. Further, the end of the secondary winding N2 on the secondary winding N2B side is connected to the connection point between the anode of the rectifier diode Do3 and the cathode of the rectifier diode Do4 via the series connection of the secondary side series resonant capacitor C2B. Connect.
The cathodes of the rectifier diodes Do1 and Do3 are connected to the positive terminal of the smoothing capacitor Co. The negative terminal of the smoothing capacitor Co is connected to the secondary side ground. The connection point of each anode of the rectifier diodes Do2 and Do4 is connected to the secondary side ground.

上記接続形態では、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,Do2、及び平滑コンデンサCoから成る、第1の二次側直列共振回路を備える第1の倍電圧半波整流回路と、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Do1,Do2、及び平滑コンデンサCoから成る、第2の二次側直列共振回路を備える第2の倍電圧半波整流回路とが形成されることになる。
第1の倍電圧半波整流回路では、二次巻線N2に誘起される交番電圧の、一方の極性の半周期の期間において、[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]の整流電流経路により整流動作を行い、二次巻線部N2Aの交番電圧の電位により二次側直列共振コンデンサC2Aに対する充電を行う。他方の極性の半周期の期間において、[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→二次巻線部N2A]の整流電流経路により整流動作を行うことで、二次側直列共振コンデンサC2Aの両端電圧と二次巻線N2Aの交番電圧の重畳電位により、平滑コンデンサCoに対する充電を行う。
また、第2の倍電圧半波整流回路は、二次巻線N2に誘起される交番電圧の、上記他方の極性の半周期の期間において、[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]の整流電流経路により整流動作を行って、二次巻線部N2Aの交番電圧の電位により、二次側直列共振コンデンサC2Bを充電し、上記一方の極性の半周期の期間において、[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→二次巻線部N2B]の整流電流経路により整流動作を行って、二次側直列共振コンデンサC2Bの両端電圧と二次巻線N2Bの交番電圧の重畳電位により平滑コンデンサCoに対する充電を行う。
In the above connection configuration, the first voltage doubler half including the first secondary side series resonance circuit including the secondary winding portion N2A, the secondary side series resonance capacitor C2A, the rectifier diodes Do1 and Do2, and the smoothing capacitor Co. A second voltage doubler half comprising a wave rectifier circuit, a secondary winding section N2B, a secondary side series resonant capacitor C2B, a rectifier diode Do1, Do2, and a smoothing capacitor Co. A wave rectifier circuit is formed.
In the first voltage doubler half-wave rectifier circuit, during the half-cycle period of one polarity of the alternating voltage induced in the secondary winding N2, [secondary winding portion N2A → rectifier diode Do2 → secondary series The rectification operation is performed by the rectification current path of the resonance capacitor C2A → secondary winding portion N2A], and the secondary side series resonance capacitor C2A is charged by the potential of the alternating voltage of the secondary winding portion N2A. In the period of the other half cycle, the rectification operation is performed by the rectification current path of [secondary winding portion N2A → secondary side series resonance capacitor C2A → rectifier diode Do1 → smoothing capacitor Co → secondary winding portion N2A]. Thus, the smoothing capacitor Co is charged by the superimposed potential of the both-ends voltage of the secondary side series resonance capacitor C2A and the alternating voltage of the secondary winding N2A.
Further, the second voltage doubler half-wave rectifier circuit [secondary winding portion N2B → rectifier diode Do4 → second] in the half cycle period of the other polarity of the alternating voltage induced in the secondary winding N2. The secondary series resonance capacitor C2B is charged by the potential of the alternating voltage of the secondary winding part N2A by performing a rectification operation by the rectification current path of the secondary side series resonance capacitor C2B → secondary winding part N2B]. During a half cycle period of one polarity, rectification operation is performed by a rectification current path of [secondary winding portion N2B → secondary side series resonance capacitor C2B → rectifier diode Do3 → smoothing capacitor Co → secondary winding portion N2B]. Thus, the smoothing capacitor Co is charged by the superimposed potential of the voltage across the secondary side series resonant capacitor C2B and the alternating voltage of the secondary winding N2B.

上記した整流動作によれば、平滑コンデンサCoに対しては、二次巻線N2の交番電圧の、一方の極性の半周期では、二次巻線部N2Bの誘起電圧と二次側直列共振コンデンサC2Bの両端電圧の重畳電位による整流電流の充電が行われ、他方の極性の半周期では、二次巻線部N2Aの誘起電圧と二次側直列共振コンデンサC2Aの両端電圧の重畳電位による整流電流の充電が行われることとなる。これにより、平滑コンデンサCoの両端電圧である二次側直流出力電圧Eoとしては、二次巻線部N2A,N2Bの誘起電圧レベルの2倍に対応するレベルが得られることになる。つまり、倍電圧全波整流回路が得られている。   According to the rectifying operation described above, with respect to the smoothing capacitor Co, the induced voltage of the secondary winding N2B and the secondary side series resonant capacitor in the half cycle of one polarity of the alternating voltage of the secondary winding N2 The rectified current is charged by the superimposed potential of the voltage at both ends of C2B. In the other half cycle, the rectified current by the superimposed potential of the induced voltage of the secondary winding N2A and the voltage at both ends of the secondary side series resonant capacitor C2A is charged. Will be charged. As a result, a level corresponding to twice the induced voltage level of the secondary winding portions N2A and N2B is obtained as the secondary side DC output voltage Eo that is the voltage across the smoothing capacitor Co. That is, a voltage doubler full wave rectifier circuit is obtained.

なお、これまでに説明した実施の形態の電源回路の具体的設計例は、AC100V系の商用交流電源が入力されることを前提としているのであるが、例えばAC200V系の商用交流電源入力に対応した設計として場合にも、本願発明に基づいた構成とすることで同様の効果が得られる。
また、本発明としては、上記各実施の形態として示した構成に限定されるものではない。例えば、一次側電圧共振形コンバータの細部の回路形態や、二次側直列共振回路を含んで形成する二次側整流回路の構成などは他にも考えられるものである。
また、スイッチング素子については、例えばIGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor)、バイポーラトランジスタなど、MOS−FET以外の素子を選定することも考えられる。また、上記各実施の形態では、他励式のスイッチングコンバータを挙げているが、自励式として構成した場合にも本発明は適用できる。
Note that the specific design examples of the power supply circuit according to the embodiment described so far are based on the assumption that an AC 100V commercial AC power supply is input. For example, the power supply circuit corresponds to an AC 200V commercial AC power input. Even in the case of design, the same effect can be obtained by adopting a configuration based on the present invention.
Further, the present invention is not limited to the configurations shown as the above embodiments. For example, the detailed circuit configuration of the primary side voltage resonance type converter and the configuration of the secondary side rectifier circuit formed including the secondary side series resonance circuit are also conceivable.
As the switching element, it may be considered to select an element other than the MOS-FET, such as an IGBT (Insulated Gate Bipolar Transistor) or a bipolar transistor. In each of the above embodiments, a separately excited switching converter is cited, but the present invention can also be applied to a case where it is configured as a self-excited type.

本発明の第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。1 is a circuit diagram illustrating a configuration example of a switching power supply circuit according to a first embodiment of the present invention. 実施の形態のスイッチング電源回路が備える絶縁コンバータトランスの構造例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the insulation converter transformer with which the switching power supply circuit of embodiment is provided. 実施の形態のスイッチング電源回路が備えるチョークコイルの構造例を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the structural example of the choke coil with which the switching power supply circuit of embodiment is provided. 第1の実施の形態の電源回路における要部の動作を商用交流電源周期により示す波形図である。It is a wave form diagram which shows operation | movement of the principal part in the power supply circuit of 1st Embodiment by a commercial alternating current power supply period. 実施の形態の電源回路についての、負荷変動に対する整流平滑電圧、力率、及びAC→DC電力変換効率の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the rectification smoothing voltage with respect to load fluctuation | variation, a power factor, and AC-> DC power conversion efficiency about the power supply circuit of embodiment. 実施の形態の電源回路についての、交流入力電圧変動に対する整流平滑電圧、力率、及びAC→DC電力変換効率の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic of the rectification | straightening voltage, power factor, and AC-> DC power conversion efficiency with respect to alternating current input voltage fluctuation | variation about the power supply circuit of embodiment. 本発明の第2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。It is a circuit diagram which shows the structural example of the switching power supply circuit as the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2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。It is a circuit diagram which shows the structural example of the switching power supply circuit as the 2nd Embodiment of this invention. 実施の形態の電源回路に対応する二次側の変形例としての構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example as a modification of the secondary side corresponding to the power supply circuit of embodiment. 実施の形態の電源回路に対応する二次側の変形例としての他の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the other structural example as a modification of the secondary side corresponding to the power supply circuit of embodiment. E級スイッチングコンバータの基本構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the basic structural example of a class E switching converter. 図11に示すE級スイッチングコンバータの動作を示す波形図である。FIG. 12 is a waveform diagram showing an operation of the class E switching converter shown in FIG. 11. アクティブフィルタの基本的回路構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the basic circuit structure of an active filter. 図13に示すアクティブフィルタにおける動作を示す波形図である。It is a wave form diagram which shows the operation | movement in the active filter shown in FIG. アクティブフィルタのコントロール回路系の構成を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structure of the control circuit system of an active filter. アクティブフィルタを実装した従来の電源回路の構成例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows the structural example of the conventional power supply circuit which mounted the active filter. 図16に示す電源回路においてAC100V系時に対応して得られる交流入力電圧と交流入力電流の波形を示した波形図である。FIG. 17 is a waveform diagram showing waveforms of an AC input voltage and an AC input current obtained corresponding to the AC 100 V system in the power supply circuit shown in FIG. 16. 図16に示す電源回路においてAC200V系時に対応して得られる交流入力電圧と交流入力電流の波形を示した波形図である。FIG. 17 is a waveform diagram showing waveforms of an AC input voltage and an AC input current obtained corresponding to the AC 200 V system in the power supply circuit shown in FIG. 16. 図16に示す電源回路の負荷変動に対する電力変換効率、力率、整流平滑電圧の各特性について示した特性図である。FIG. 17 is a characteristic diagram showing each characteristic of power conversion efficiency, power factor, and rectified smoothing voltage with respect to load fluctuation of the power supply circuit shown in FIG. 16. 図16に示す電源回路の交流入力電圧変動に対する電力変換効率、力率、整流平滑電圧の各特性について示した特性図である。FIG. 17 is a characteristic diagram illustrating each characteristic of power conversion efficiency, power factor, and rectified smoothing voltage with respect to AC input voltage variation of the power supply circuit illustrated in FIG. 16.

符号の説明Explanation of symbols

1 制御回路、2 発振・ドライブ回路、10,11,12 力率改善回路、Di ブリッジ整流回路、Ci 平滑コンデンサ、Q1 スイッチング素子、PIT 絶縁コンバータトランス、Cr 一次側並列共振コンデンサ、C2 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 (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、N11 力率改善用チョークコイル巻線、C11 一次側直列共振コンデンサ、PCC1 チョークコイル、N10 チョークコイル巻線、Lo 力率改善用チョークコイル   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Control circuit, 2 Oscillation drive circuit 10, 11, 12 Power factor improvement circuit, Di bridge rectification circuit, Ci smoothing capacitor, Q1 switching element, PIT insulation converter transformer, Cr primary side parallel resonance capacitor, C2 secondary side series Resonant capacitor, N1 primary winding, N2 secondary winding, Do1 to Do4 (secondary side) rectifier diode, Co (secondary side) smoothing capacitor, CN filter capacitor, D1 switching diode, N11 choke coil winding for power factor improvement Wire, C11 primary side series resonant capacitor, PCC1 choke coil, N10 choke coil winding, Lo power factor improving choke coil

Claims (1)

少なくとも整流素子と平滑コンデンサを備えて形成され、商用交流電源を入力して整流平滑化することで、上記平滑コンデンサの両端電圧として整流平滑電圧を生成する整流平滑回路と、
上記整流平滑電圧を入力してスイッチングを行うスイッチング素子と、
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、
上記整流平滑電圧がスイッチング素子に入力される経路に対して直列に挿入される第1のインダクタと、
上記スイッチング素子に対して並列となる関係により接続され、少なくとも上記第1のインダクタのインダクタンスと自身のキャパシタンスとによって、一次側並列共振回路を形成する一次側並列共振コンデンサと、
第2のインダクタと、
上記第2のインダクタと直列となる関係により接続されることで、少なくとも上記第2のインダクタのインダクタンスと自身のキャパシタンスとによって、一次側直列共振回路を形成し、上記第2のインダクタと自身との直列接続回路が上記スイッチング素子に対して並列となる関係により接続されるようにして設けられる一次側直列共振コンデンサと、
上記第2のインダクタを一次巻線として巻装するとともに、この一次巻線に得られたスイッチング出力により交番電圧が誘起される二次巻線を巻装して形成され、疎結合とみなされる所要の一次側と二次側との結合係数が得られるように構成されるコンバータトランスと、
上記第1のインダクタから力率改善用インダクタに誘起される交番電圧を、上記整流平滑回路を形成する平滑コンデンサに帰還する動作と、上記スイッチング素子のスイッチング動作に応じて上記一次巻線に得られる電流を電力として回生して、上記第1のインダクタを介するようにして上記平滑コンデンサに帰還する動作とを行い、これらの動作により帰還されたスイッチング出力に応じて、上記整流平滑回路における整流動作によって得られる整流電流を力率改善用スイッチング素子により断続するように構成された力率改善手段と、
を備えることを特徴とするスイッチング電源回路。
A rectifying / smoothing circuit that is formed with at least a rectifying element and a smoothing capacitor, and generates a rectified smoothing voltage as a voltage across the smoothing capacitor by inputting a commercial AC power supply and rectifying and smoothing;
A switching element that performs switching by inputting the rectified and smoothed voltage;
Switching driving means for switching and driving the switching element;
A first inductor inserted in series with respect to a path through which the rectified and smoothed voltage is input to the switching element;
A primary side parallel resonant capacitor that is connected in parallel with the switching element and forms a primary side parallel resonant circuit by at least the inductance of the first inductor and its own capacitance;
A second inductor;
By being connected in series with the second inductor, a primary side series resonance circuit is formed by at least the inductance of the second inductor and its own capacitance, and the second inductor and itself A primary series resonant capacitor provided so that a series connection circuit is connected in parallel with the switching element;
The second inductor is wound as a primary winding, and is formed by winding a secondary winding in which an alternating voltage is induced by the switching output obtained in the primary winding. A converter transformer configured to obtain a coupling coefficient between the primary side and the secondary side of
An alternating voltage induced in the power factor improving inductor from the first inductor is fed back to the smoothing capacitor forming the rectifying and smoothing circuit, and obtained in the primary winding according to the switching operation of the switching element. The current is regenerated as electric power, and the operation of returning to the smoothing capacitor through the first inductor is performed, and the rectification operation in the rectifying and smoothing circuit is performed according to the switching output fed back by these operations. Power factor improving means configured to interrupt the obtained rectified current by the power factor improving switching element;
A switching power supply circuit comprising:
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