JP2007174730A - 電源回路 - Google Patents

Abstract

【課題】電源回路がＤＣ−ＤＣコンバータを使用しなくとも入力電圧よりも低く、しかも、力率を向上させた出力電圧が得られるようにする。
【解決手段】整流回路２と負荷３間にアクティブ平滑フィルタを設けた電源回路において、前記アクティブ平滑フィルタのチョークコイルに代えてトランス１２の一次側コイルＬ１を使用して、そのトランス１２の二次側コイルＬ２と第２の整流回路１１とを接続し、その第２の整流回路１１に負荷３を接続する。こうすることで、トランス１２の一次側コイルＬ１と二次側コイルＬ２の巻き線比を変えることで、二次コイルに接続された第２の整流回路の出力電圧を入力電圧よりも低くすることができる。このとき、出力される出力電圧の波形は、スイッチングによって正弦波となるので力率の改善もできる。
【選択図】図１

Description

この発明は、力率を改善し、かつ、回路の簡略化を図った電源回路に関するものである。

電源回路の力率を改善する方法として、例えば図３に示す（特許文献１）のように、アクティブ平滑フィルタ１を使うことが知られている（図３では、アクティブ平滑フィルタ１以外に、突入電流抑制回路の損失を低減するために、突入電流制御回路、電圧検出回路、発信停止回路も記載されている）。

すなわち、アクティブ平滑フィルタ１を整流回路２と負荷３の間に設けて、整流回路２のブリッジで整流した脈流をアクティブ平滑フィルタ１でスイッチングする。こうすることで、正弦波に近づけたスイッチング電流を出力できるようにして力率を改善する。

このアクティブ平滑フィルタ１は、図４のように、チョークコイル５、ダイオード６、スイッチ手段７、平滑コンデンサ８、コントローラ（ＩＣ）９で構成するステップアップ・コンバータで構成されるものである。

具体的には、チョークコイル５の一端とダイオード６のアノード端子とを接続した直列回路のチョークコイル５の他端側を整流回路２と接続する。一方、直列回路のダイオード６のカソード端子側は負荷３と接続して、前記直列回路のチョークコイル５とダイオード６の接続点とグランド間にスイッチ手段７を設ける。また、直列回路のダイオード６のカソード端子とグランド間に平滑コンデンサ８を接続して、前記スイッチ手段７にコントローラ用のＩＣ９を接続した構成となっている。

このアクティブ平滑フィルタ１は、図５に示すように、スイッチ手段（図５ではトランジスタ）７がオンしている期間にチョークコイル５にだけ電流を流し、この電流によってチョークコイル５へエネルギーを蓄える。こののち、スイッチ手段７をオフにすると、チョークコイル５は流れていた電流を流し続けようとするので、この電流がダイオード６を介して平滑用コンデンサ８へ流れて充電する。

このようにして、アクティブ平滑フィルタ１は、整流回路２で両波整流された脈流を数十ｋＨｚ以上の周波数で図６のようにスイッチングするので、入力電流波形は、各スイッチング電流の周期ごとの平均値となり、純抵抗負荷と等価となって出力電流の波形を電圧と同じ正弦波とすることができる。その結果、力率の改善が図れるというものである。

また、入力電圧が変動したり負荷電流が変化したりしても、各スイッチング電流の最大値をそれに応じてコントローラ９で変化させれば、直流出力の定電圧化もできる。
特開２００５−２８７２６８号公報

しかしながら、上記のアクティブ平滑フィルタでは、ステップアップ・コンバータを用いているので、出力電圧はどうしても入力電圧より高くなる問題がある。

そのため、通常、入力電圧より低い電圧が必要な場合は、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用して低い電圧を得るようにしているが、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用することによるノイズの問題やコストアップの問題がある。さらに、小型化を図るうえでも問題があった。

ちなみに、入力より低い電圧を得るため、アクティブ平滑フィルタにステップダウンコンバータを使用すると、脈流電圧である入力電圧が出力電圧よりも低下した際に、スイッチング電流の流れない期間が生じて入力電流の流れる導通角が狭くなり、力率を低下させる。

そこで、この発明の課題は、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用しなくとも入力電圧よりも低く、しかも、力率を向上させた出力電圧が得られるようにすることである。

上記の課題を解決するため、この発明では、アクティブ平滑フィルタのチョークコイルに代えてトランスの一次側コイルを使用して、そのトランスの二次側コイルと第２の整流回路とを接続し、その第２の整流回路に負荷を接続する構成を採用したのである。

このような構成を採用することにより、スイッチングによってトランスの一次コイルに蓄えられたエネルギーは、二次コイルに誘導される。その際、トランスの一次側コイルと二次コイルの巻き線比を変えることで、二次コイルに接続された第２の整流回路の出力電圧を入力電圧よりも低くすることができる。このとき、出力される出力電圧の波形は、スイッチングによって正弦波となるので力率の改善もできる。

このとき、上記スイッチ手段の電流を検出して、過電流が流れるとスイッチングを停止させる保護回路を備えた構成を採用することにより、出力が短絡してもスイッチ手段のスイッチングを停止するので、アクティブ平滑フィルタを保護できる。

この発明は、上記のように構成したことにより、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用しなくとも入力電圧よりも低く、しかも、力率を向上させた出力電圧が得られる。

以下、この発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。

図１に示すように、この形態の電源回路は、整流回路２と負荷３との間に、アクティブ平滑フィルタ１０と第２の整流回路１１を設けたもので、前記アクティブ平滑フィルタ１０は、チョークコイル５に代えてトランス１２を用いたものである。

前記アクティブ平滑フィルタ１０は、トランス１２、ダイオード６、スイッチ手段７、平滑コンデンサ８、コントローラＩＣ９で構成するステップアップ・コンバータとなっている。

すなわち、前記アクティブ平滑フィルタ１０は、トランス１２の一次側コイルＬ１の一端とダイオード６のアノード端子とを接続し、その一次側コイルＬ１とアノード端子を接続した直列回路の一次側コイルＬ１の他端側を整流回路２と接続したものである。また、前記直列回路のダイオード６のカソード側に平滑コンデンサ８の一方の端子を接続し、その一方の端子が接続されたコンデンサ８の他方の端子を、一次側コイルＬ１の一端に接続してある。

また、直列回路のトランス１２の一次側コイルＬ１とダイオード６の接続点とグランド間にスイッチ手段７を設けるとともに、そのスイッチ手段７にコントローラ用のＩＣ９を接続してある。

一方、前記トランス１２の二次側コイルＬ２の一方は接地して、他方を第２の整流回路１１と接続して、その第２の整流回路１１と負荷３とを接続する構成となっている。

前記第２の整流回路１１は、ここでは、図１のように、整流用のダイオード１３のカソード端子と接地間にコンデンサ１４を接続したコンデンサ・インプット型のものであるが、これに限定されるものではなく、ダイオードに代えてブリッジ回路を用いることもできる。

ここで、前記トランス１２は、図１に示すように、一次側の独立した３個のコイルＬａ、Ｌｂ、Ｌｃと、２次側の独立した１個のコイルＬ２とで構成され、一次側の３個のコイルＬａ、Ｌｂ、Ｌｃは、その内の２個のコイルＬａ、Ｌｂを同相となるように直列に接続して一つのコイルＬ１としてチョークコイルに代えて使用している。また、一次側のコイルＬａ、Ｌｂ、Ｌｃの残りの一個のコイルＬｃは電流検出及び電源用のコイルＬｃとして、図１のように、一方を接地して他方はダイオードを介してコントローラ用のＩＣ９の電源端子ｆと接続するものである。

また、ダイオード６は、前述のスイッチ手段７がオンすると出力電圧が加わり、その際、逆方向にリカバリ電流が流れると大きなノイズを発生するので、逆回復時間の短いものが好ましい。

スイッチ手段７は、ここでは、高速スイッチングが可能で、スイッチング損失も少ないＭＯＳＦＥＴを用いているが、同様のスイッチング速度と省電力が得られるのであれば、バイポーラトランジスタを使用してもよい。

平滑コンデンサ８は、アクティブ平滑フィルタ１０によって、入力電圧よりも高い電圧が印加されるため、耐圧の高いものを用いる必要がある。

コントローラ用のＩＣ９は、力率改善用のコントロールＩＣを使用している。このＩＣは、図２に示すように、乗算器（マルチプライヤ）２０、電流センスコンパレータ２１、ＲＳフリップフロップ２２、ドライバ２３とで構成されている。

乗算器２０は、一方の入力がオペアンプ２４を介して電圧帰還入力ａと接続され、他方の入力は乗算器入力ｂと接続されている。

前記電圧帰還入力ａは、整流出力を定電圧化するためのもので、図１のように、第２の整流回路１１の出力を抵抗Ｒ３とＲ４とで分圧してオペアンプ２４の反転入力に入力しており、オペアンプ２４の非反転入力には、基準電圧を印加するようになっている。また、乗算器入力ｂには、図１のように、整流器２の出力を抵抗Ｒ１とＲ２で分圧して脈流電圧波形を入力するようになっている。

この乗算器２０の出力は、電流センスコンパレータ（比較器）２１の反転入力と接続されており、前記コンパレータ２１の非反転入力は電流センス入力ｃと接続されている。前記電流センス入力ｃは、図１のように、電流検出抵抗Ｒ５と接続して、スイッチング電流の検出信号を入力するためのもので、このスイッチング電流の検出信号が出力電圧に等しくなると電流センスコンパレータ２１は反転する。

また、この電流センスコンパレータ２１の出力は、ＲＳフリップフロップ２２のリセット入力に接続しており、ＲＳフリップフロップ２２のセット入力には、ゼロ電流検出用のコンパレータ２５の出力が接続されている。このゼロ電流検出用のコンパレータ２５の反転入力は基準電圧と接続されており、非反転入力はゼロ電流検出端子ｄに接続されている。前記ゼロ電流検出端子ｄは、図１のように、抵抗Ｒ６を介してトランス１２の一次側の検出及び電源用のコイルＬｃと接続されている。

一方、ＲＳフリップフロップ２２の出力は、ドライバ２３と接続されており、このドライバ２３と接続された出力端子ｇは、ＭＯＳＦＥＴ７のゲート端子に接続されている。

また、この電源回路には、保護回路３０が設けられている。

保護回路３０は、図１に示すように、ＰＮＰトランジスタＱ１のベースとＮＰＮトランジスタＱ２のコレクタとを接続し、そのベースとコレクタとを接続したＮＰＮトランジスタＱ２とＰＮＰトランジスタＱ１のベースコレクタを接続した保持回路３１をコントローラ用のＩＣ９の電源端子ｆに接続したものである。

前記保持回路３１は、ＰＮＰトランジスタＱ１のコレクタとＮＰＮトランジスタＱ２のベースの接続点を電流検出抵抗Ｒ５とＭＯＳＦＥＴ７の接続点にダイオードを介して接続することにより、ＭＯＳＦＥＴ７に過電流が流れると、ＮＰＮトランジスタＱ２がオンするようになっており、ＮＰＮトランジスタＱ２がオンすると、ＰＮＰトランジスタＱ１もオンとなって電源端子ｆを接地する。そのため、前記ＩＣ９は作動電圧以下に保持されることになり、回路を停止させる。また、この保持回路３１は、一旦オンになると、印加された電圧が解除されるまでオン状態を保持してアクティブ平滑フィルタ１０を保護することができる。

この形態は、上記のように構成されており、この回路のコントローラ用ＩＣ９では、出力電圧Ｖ_Ｏが低下すると、オペアンプ２４の出力が上昇する。そのため、乗算器２０は脈流電圧のレベルを上昇させて電流センスコンパレータ２１へ出力する。このとき、電流センスコンパレータ２１の反転入力にはスイッチング電流の検出信号が入力しており、この検出信号が乗算器２０の出力電圧に等しくなると、電流センスコンパレータ２１が反転し、ＲＳフリップフロップ２１をリセットして、ドライバ２３の出力を「Ｌ」にするため、ＭＯＳＦＥＴ７はオフになる。すると、一次側コイルＬ１を流れていた電流で生じた逆起電流がダイオード６を介して平滑コンデンサ８へ流れる。次に、前記一次側コイルＬ１が蓄積エネルギーを全て放出して逆起電圧の発生が無くなると、一次側の検出及び電源用コイルＬｃの端子電圧がゼロとなる。

すなわち、この一次側の検出及び電源用コイルＬｃの端子電圧ｅは、ＭＯＳＦＥＴ７がオンの期間中は入力電圧Ｖ_ｉｎが印加されるので、一次側のコイルＬ１と検出及び電源用コイルＬｃの巻線比をｎ_１／ｎ_２とすると、
ｅ_ｏｎ＝ｎ_１／ｎ_２・Ｖ_ｉｎ
となる。

一方、ＭＯＳＦＥＴがオフの期間中は、出力電圧をＶ_Ｏとすると、
ｅ_ｏｆｆ＝ｎ_１／ｎ_２（Ｖ_Ｏ−Ｖ_ｉｎ）
となり、蓄積エネルギーを放出すると、
ｅ_ｏｆｆ＝０
となる。

このため、ゼロ電流検出用のコンパレータ２５が反転し、ＲＳフリップフロップ２２をセットしてドライバ２３を作動し、ＭＯＳＦＥＴ７をオンにする。

このような動作を繰り返し、定電圧を出力する。その際、二次側のコイルＬ２には、相互誘導作用により電力が誘導される。この誘導された電力は、第２の整流回路１１により整流され、直流に変換されて負荷３に供給される。このとき、二次側のコイルＬ２に誘導される電圧は、一次側のコイルＬ１と二次側のコイルＬ２の巻線比で規定される。このため、巻線比を適宜設定すれば、負荷３への供給電圧（入力電圧よりも低い電圧ばかりでなく高い電圧も）を設定できる。また、このとき一次側のコイルＬ１から二次側のコイルＬ２へ供給される電流は、整流回路２の両波整流された脈流を電圧と同じ位相の正弦波になるように数十ｋＨｚ以上の周波数でスイッチングしたものなので、力率の向上が図れる。

このように、ＤＣ−ＤＣコンバータを使用しなくとも力率を向上させた所要の電圧が得られる。また、チョークコイル５に代えてトランス１２を用いるだけなので、小型化も容易にできる。

実施形態の回路図 実施形態の要部のブロック図 従来例のブロック図 従来例の要部の回路図 従来例の作用説明図 従来例の作用説明図

符号の説明

１ アクティブ平滑フィルタ
２ 整流回路
３ 負荷
５ チョークコイル
６ ダイオード
７ スイッチ手段
８ 平滑コンデンサ
９ コントローラ用ＩＣ
１０ アクティブ平滑フィルタ
１１ 第２の整流回路
１２ トランス
１３ 整流用のダイオード
１４ コンデンサ
３０ 保護回路
Ｌ１ 一次側コイル
Ｌ２ 二次側コイル
Ｌｃ 検出及び電源用コイル

Claims (2)

1. チョークコイルの一端とダイオードのアノード端子とを接続した直列回路のチョークコイルの他端側を整流回路と接続し、前記直列回路のダイオードのカソード側を負荷と接続して、その直列回路のチョークコイルとダイオードの接続点とグランド間にスイッチ手段を設けるとともに、前記直列回路のダイオードのカソード端子とグランド間に平滑コンデンサを接続して、前記スイッチ手段によって整流回路の脈流出力を全周期にわたってスイッチングする電源回路において、
   上記チョークコイルに代えてトランスの一次側コイルを使用して、そのトランスの二次側コイルに第２の整流回路を接続するとともに、その第２の整流回路に、上記負荷をダイオードのカソード側に代えて接続するようにした電源回路。
2. 上記スイッチ手段の電流を検出して、過電流が流れるとスイッチングを停止させる保護回路を備えた請求項１に記載の電源回路。

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