JP2007202285A - スイッチング電源装置及びスイッチング電源の制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電圧が低い場合でも、確実かつ安定にスイッチング電源装置の低消費電力状態を起動することを可能にしたスイッチング電源装置を提供する。
【解決手段】力率改善機能を有するスイッチング電源装置において、昇圧チョッパ回路７の出力電圧を変換して複数の負荷へ直流電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ１１と、昇圧チョッパ回路７の力率改善機能とＤＣ−ＤＣコンバータ１１をオン／オフする制御信号を出力し、昇圧チョッパ回路７の力率改善機能を動作させる制御信号出力から所定の時間経過後にＤＣ−ＤＣコンバータ１１を動作させる制御信号を出力する制御マイコン８と、を備え、低消費電力状態である待機状態の起動時の所定時間のみ制御マイコン８にて生成される力率改善機能を動作させる制御信号によって昇圧チョッパ回路７内の力率改善機能を動作させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、力率改善機能を有するスイッチング電源装置に関するものである。

プラズマディスプレイパネル（ＰＤＰ）等のフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）には、安定した一定の動作電圧が必要であるため、安定化電圧を出力するスイッチング電源装置が従来から用いられている。また、ＦＰＤは、本来の動作時（定常時）以外の待機時、つまり、低消費電力時にも電源が供給される必要のあるものが多くなってきているため、スイッチング電源装置は、常時、電気機器に対して電源を供給する必要がある。一方、昨今のエネルギー事情から省電力を図る必要もある。そこで、本来の動作時間に比べ時間割合の大きい待機時におけるスイッチング電源装置の消費電力を少なくすることが重要となっている。

ところで、スイッチング電源装置としては、以下のようなものが広く知られている。つまり、交流電源から整流回路によって得られた整流後の電圧（脈流）が平滑回路によって平滑されて直流電圧に変換される。この直流電圧がスイッチング素子によって断続され、該スイッチング出力を出力整流平滑回路に供給して任意の直流電圧が得られる。
このようなスイッチング電源装置において、入力側の平滑回路がコンデンサインプット型であると、入力電流が流れるのは、整流後の電圧が入力平滑コンデンサの充電電圧より高い期間のみとなるので、入力電流の導通角が狭く、力率を低下させるという問題があった。そこで、この問題を解決するため、従来から、力率改善機能を有する昇圧チョッパ回路を備えるスイッチング電源装置が用いられている。

しかしながら、このような昇圧チョッパ回路を備えるスイッチング電源装置は、力率が改善されて無効電力が低減するので省電力になるが、力率改善機能を有さないスイッチング電源装置と比較して、昇圧チョッパ回路の力率改善動作に伴う電力損失が生じるので、その分だけ電力変換効率が劣化する。特に、機器の待機時のように、力率改善の必要性のない低消費電力状態においても力率改善機能を動作させ、無駄な電力を浪費している。
特許文献１には、スイッチング電源の出力電力に応じて、昇圧チョッパ回路の力率改善機能をオン／オフさせる手段を有するスイッチング電源装置が開示されている。以下、従来のスイッチング電源について説明する。

図５において、出力電力量検出回路２８は、出力電力量が前記閾値より小さい場合は、昇圧チョッパ回路２３の力率改善機能を機能させないための制御信号を、出力電力量が前記閾値より大きい場合は、昇圧チョッパ回路２３の力率改善機能を機能させるための制御信号を出力する。昇圧チョッパ回路２３は、力率改善機能を機能させないための前記制御信号を出力電力量検出回路２８から受けると、この制御信号に基づいて昇圧機能を停止させる。

この結果、ブリッジ整流器２９の出力電圧はスルーで平滑コンデンサ２４に出力される。前記スイッチング電源装置によれば、負荷の軽重に基づいて、昇圧チョッパ回路の力率改善機能を機能させるか否かが次のようにして制御される。負荷に供給されている出力電力量は、出力電力量検出手段によって検出され、判断手段によって、所定量以上か、或いは所定量未満の軽負荷動作状態であるかが判断される。この判断の結果、検出された出力電力量が所定量以上である場合、力率改善機能制御手段は、上記昇圧チョッパ回路を制御し、力率改善機能を機能させ、これにより力率改善が行われる。これに対して、判
断手段による上記判断の結果、検出された出力電力量が所定量未満の軽負荷動作状態である場合、力率改善機能制御手段は、上記昇圧チョッパ回路を制御し、力率改善機能を機能させず、したがって、この場合には力率改善が行われない。

以上のように、軽負荷状態にて動作している期間、昇圧チョッパ回路において力率改善機能が機能しなくなるので、力率改善に伴う電力損失が回避され、その分、省エネルギ化が図れると共に電力変換効率が向上する。
特許第３１８８２５８号公報

しかしながら、前記従来の構成では、所定の負荷状態より重い重負荷状態であることが判定された後に力率改善機能を動作させるため、入力電圧が低い場合、スイッチング電源装置が力率改善の必要のない低消費電力状態で起動する時、力率改善機能が動作しないため、ＤＣ−ＤＣコンバータ回路が安定に起動しないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、入力電圧が低い場合でも、確実かつ安定にスイッチング電源装置の低消費電力状態を起動することを可能にしたスイッチング電源装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明のスイッチング電源装置は、力率改善機能を有するスイッチング電源装置において、力率改善機能の動作を行う昇圧チョッパ回路と、
前記昇圧チョッパ回路の出力電圧を変換して複数の負荷へ直流電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能と前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路をオン／オフ制御し、前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を動作させる制御信号出力から所定の時間経過後に前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させる制御信号を出力する制御マイコンと、を有し、前記制御マイコンが、低消費電力状態の起動時、前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を動作させる制御信号出力から、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧が前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の起動可能最低電圧となってから前記昇圧チョッパ回路の出力電圧が前記昇圧チョッパ回路の定常時の出力電圧となるまでの時間である第１の時間経過後、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させる制御信号を出力し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させる制御信号出力から、前記出力回路から所定の負荷に供給される直流電圧が立ち上がってから前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の起動状態が安定となるまでの時間である第２の時間経過後、前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を停止させる制御信号を出力することを特徴としたものである。

また、本発明のスイッチング電源の制御方法は、力率改善機能の動作を行う昇圧チョッパ回路と、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧を変換して複数の負荷へ直流電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ回路を有するスイッチング電源の制御方法において、
低消費電力状態の起動時に、所定時間のみ前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を動作させる制御信号を出力して前記昇圧チョッパ回路内の力率改善機能を動作させる工程を有することを特徴としたものである。

本発明のスイッチング電源装置によれば、入力電圧が低い場合でも確実かつ安定に待機時である低消費電力状態を起動することができる。

以下に、本発明のスイッチング電源装置の実施の形態を図面とともに詳細に説明する。

図１は、本発明の実施例におけるスイッチング電源装置の概略構成図である。本実施例に示すスイッチング電源装置は、主要な構成部分として、商用の交流電源１に接続されたブリッジ整流器２、力率改善機能を有する昇圧チョッパ回路７、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１、前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能と前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路をオン／オフする制御信号を出力する制御マイコン８、平滑コンデンサ１４、および負荷回路１７を備える。ブリッジ整流器２の出力端に正極性ラインおよび負極性ラインを介して昇圧チョッパ回路７が接続されている。

交流電源１から得られた交流電圧は、ブリッジ整流器２と、昇圧チョッパ回路７と、平滑コンデンサ１４とを経て整流・平滑化される。平滑化された電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１に入力される。入力された電圧を所望の電圧に変換した後、負荷回路に変換電圧を供給する。

パワーオン信号源１８にて生成された定常状態または低消費電力状態の起動信号を制御マイコン８が受け取ると、起動信号に応じて定常状態または低消費電力状態を起動する。

低消費電力状態の起動時、制御マイコン８より昇圧チョッパ回路７の力率改善機能を動作させる制御信号を出力し、昇圧チョッパ回路７の出力が定常時の昇圧チョッパ回路７の出力と同程度になった後、制御マイコン８よりＤＣ−ＤＣコンバータ１１を動作させる制御信号を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１を起動する。

また、制御マイコン８は図示しない直流電圧源を動作電源としている。

図２は、本発明の実施例におけるスイッチング電源装置の詳細な構成例である。本実施例に示すスイッチング電源装置は、主要な構成部分として、商用の交流電源１に接続されたブリッジ整流器２、力率改善機能を有する昇圧チョッパ回路７、昇圧チョッパ回路７の力率改善機能のオン／オフを制御する昇圧チョッパ制御回路６、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１、昇圧チョッパ制御回路６およびＤＣ−ＤＣコンバータ１１の制御ＩＣ１２のオン／オフ制御する制御マイコン８、平滑コンデンサ１４、および負荷回路１７を備える。ブリッジ整流器２の出力端に正極性ラインおよび負極性ラインを介して昇圧チョッパ回路７が接続されている。昇圧チョッパ制御回路６がオンしている期間はスイッチング素子４をスイッチング制御し、ブリッジ整流器２からの電圧を昇圧して直流に変換する。このとき、昇圧チョッパ制御回路６は、スイッチング素子４に流れる電流が、交流電圧の正弦波と同位相になるように、且つ平滑コンデンサ１４の両端電圧が一定になるようにスイッチング素子４をオン／オフ動作させてスイッチングさせる。一方、昇圧チョッパ制御回路６がオフしている期間はブリッジ整流器２からの電圧がスルーで平滑コンデンサ１４に出力される。平滑コンデンサ１４によって整流・平滑化された電圧は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１に入力される。

ＤＣ−ＤＣコンバータ１１は、図２に示すように、コンデンサ１０とコンバータトランス１３の1次インダクタンスとで直列共振回路を構成し、２つのＭＯＳトランジスタによるスイッチング素子９ａ、９ｂをハーフブリッジ結合した上で、平滑コンデンサ１４の正極側と一次側アース間に対して挿入するようにして接続されている。制御ＩＣ１２によって、スイッチング素子９ａ、９ｂのゲート側には同時にオンしないような交互の矩形信号を入力するように構成される。コンバータトランス１３の２次巻線１３ｂ、１３ｃ、および１３ｄに得られる交番電圧を整流・平滑化して、負荷回路に所望の直流電圧を供給する。

また、本実施例において、低消費電力状態とは、負荷１７ｃのみが動作している状態とし、定常状態とは負荷１７ａ、１７ｂ、１７ｃの全負荷が動作している状態とする。これらの低消費電力状態、定常状態は、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１のスイッチング素子９ａ、９ｂを制御するスイッチング周波数の使用周波数偏移幅を変化させて制御する。

定常状態の起動時において、パワーオン信号源１８から定常状態を起動する起動信号を制御マイコン８が受け取ると、昇圧チョッパ制御回路６をオンする制御信号が出力され、昇圧チョッパ回路７の力率改善機能が動作する。そして、所定の時間経過後ＤＣ―ＤＣコンバータ１１を動作させる制御信号が出力され、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１が起動する。そして、力率改善機能は、その後も低消費電力状態である待機状態に移行しない限り動作し続ける。力率改善機能を定常状態と、低消費電力状態の起動時のみに動作させることにより、消費電力の軽減と、商用電源１の電圧が低下した場合に低消費電力状態の起動を確実にするものである。

一方、低消費電力状態である待機時は、軽負荷時に直流電圧を供給する負荷回路１７ｃのみに直流電圧が供給されており、待機時では、昇圧チョッパ制御回路６が動作しておらず、昇圧チョッパ回路７からの出力は、定常状態より低電圧の出力電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１１に供給されている。この低消費電力状態の起動時、図３（ａ）のように、制御マイコン８より所定のパルス幅の昇圧チョッパ回路７の力率改善機能をオンする制御信号を出力し、図３（ｂ）のように、昇圧チョッパ回路７の出力が定常時の昇圧チョッパ回路７の出力と同程度になった後、図３（ｃ）のように、制御マイコン８よりＤＣ−ＤＣコンバータ１１をオンする制御信号を出力し、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１を起動する。

即ち、パワーオン信号源１８から低消費電力状態を起動する起動信号が制御マイコン８に入力されると、所定のパルス幅の昇圧チョッパ制御回路６をオンする制御信号が出力されるが、この信号の所定のパルス幅の期間、昇圧チョッパ制御回路６が動作して定常時と同程度の昇圧チョッパ回路出力が得られるようになるとＤＣ−ＤＣコンバータ１１を起動する。そして、その起動時から所定の時間が経過して起動状態が安定になると昇圧チョッパ制御回路６をオフする制御信号が出力される。具体的には、その起動時に制御マイコン８より昇圧チョッパ制御回路６をオンする制御信号が出力されてから、昇圧チョッパ回路７の出力電圧がＤＣ−ＤＣコンバータ１１の起動可能最低電圧となってから昇圧チョッパ回路７の出力電圧が昇圧チョッパ回路７の定常時の出力電圧となるまでの時間である第１の時間経過後、定常時と同程度の昇圧チョッパ回路出力が得られるようになると、ＤＣ−ＤＣコンバータ１１をオンする制御信号が出力され、その制御信号出力から、負荷回路１７ｃに供給される直流電圧が立ち上がってからＤＣ−ＤＣコンバータ１１の起動状態が安定となるまでの時間である第２の時間経過して起動状態が安定になると昇圧チョッパ制御回路６をオフする信号が出力される。

このように、起動時のみ昇圧チョッパ回路７の力率改善機能を動作させることにより、省電力化が図れる。また、商用電源１が低下している場合でも、起動時のみ昇圧チョッパ回路７の力率改善機能を動作させることにより、確実に安定にスイッチング電源を起動させることができる。

本発明のスイッチング電源装置は、低消費電力状態の起動時のみ力昇圧チョッパ回路７の力率改善機能を動作させることにより、省電力化を図るとともに、安定に低消費電力状態を起動することができ、高効率のスイッチング電源装置に利用することができる。

本発明の実施例におけるスイッチング電源装置の概略構成図 本発明の実施例におけるスイッチング電源装置の詳細な構成例を示す図 本発明の実施例におけるスイッチング電源装置の制御シーケンスを説明するための図 従来のスイッチング電源装置の概略構成図

符号の説明

１ 交流入力電源
２ ブリッジ整流器
３ チョークコイル
６ 昇圧チョッパ制御回路
７ 昇圧チョッパ回路
８ 制御マイコン
１１ ＤＣ−ＤＣコンバータ
１２ 制御ＩＣ
１３ コンバータトランス
１７ 負荷回路
１８ パワーオン信号源

Claims (4)

1. 力率改善機能を有するスイッチング電源装置において、
   力率改善機能の動作を行う昇圧チョッパ回路と、
   前記昇圧チョッパ回路の出力電圧を変換して複数の負荷へ直流電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ回路と、
   前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能と前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路をオン／オフ制御し、前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を動作させる制御信号出力から所定の時間経過後に前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させる制御信号を出力する制御マイコンと、
   を有し、
   前記制御マイコンが、低消費電力状態の起動時、前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を動作させる制御信号出力から、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧が前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の起動可能最低電圧となってから前記昇圧チョッパ回路の出力電圧が前記昇圧チョッパ回路の定常時の出力電圧となるまでの時間である第１の時間経過後、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させる制御信号を出力し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させる制御信号出力から、前記出力回路から所定の負荷に供給される直流電圧が立ち上がってから前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路の起動状態が安定となるまでの時間である第２の時間経過後、前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を停止させる制御信号を出力することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路は、スイッチング周波数を変動させて、出力電圧を制御し、定常時と低消費電力時とでスイッチング周波数を切り換えることを特徴とする請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 力率改善機能の動作を行う昇圧チョッパ回路と、前記昇圧チョッパ回路の出力電圧を変換して複数の負荷へ直流電圧を供給するＤＣ−ＤＣコンバータ回路を有するスイッチング電源の制御方法において、
   低消費電力状態の起動時に、所定時間のみ前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を動作させる制御信号を出力して前記昇圧チョッパ回路内の力率改善機能を動作させる工程を有することを特徴とするスイッチング電源の制御方法。
4. 前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を動作させる制御信号出力から前記第１の時間経過後、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させる制御信号を出力し、前記ＤＣ−ＤＣコンバータ回路を動作させる制御信号出力から前記第２の時間経過後、前記昇圧チョッパ回路の力率改善機能を停止させる制御信号を出力する工程を有することを特徴とする請求項３に記載のスイッチング電源の制御方法。
   

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