JP2007209061A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 交流電源の整流後の電圧を平滑せずに直接スッチング電源回路に入力して直流電圧を生成する場合に、入力電圧が０Ｖ近辺となる位相でも出力電圧を大きく低下させずに電圧出力を行うことの出来る電源装置を提供する。
【解決手段】 脈流電圧Ｅ１を第１インダクタＮ１の一端側に入力し、他端側から直流電圧Ｅ２を出力する電源装置１０である。そして、第１インダクタＮ１と磁気的に結合された第２インダクタＮ２と、該第２インダクタＮ２への通電をオン・オフするスイッチＳＷ２とを備え、脈流電圧Ｅ１が低下する位相でスイッチＳＷ２を駆動して第２インダクタＮ２に電流を流すことで、第１インダクタＮ１に誘導起電力を生じさせて出力側に電力供給がなされるように構成する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、交流又は脈流の電圧を入力して直流電圧を出力する電源装置に関し、その力率改善技術に関する。

ＡＣ１００ＶやＡＣ２００Ｖなどの交流電圧を入力して３．３Ｖや９Ｖなどの直流電圧を生成する従来の電源装置としては、例えば、交流電圧を整流する整流回路、整流された脈流電圧を平滑する平滑回路、平滑した電圧をスイッチング素子をオン・オフさせて間歇的に入力することで所定の直流電圧を生成するスイッチング電源回路などを備えるものが一般である。

また、力率改善のために整流回路とスイッチング電源回路との間に交流電源の高調波成分を除去するフィルタ回路を設けることも行われている。その他、力率改善の手段を設けた様々な電源装置が提案されている（例えば、特許文献１〜３）。
特開２００５−１６８１４６号公報 特開２００５−２１０７８９号公報 特開２００１−９５２３６号公報

本願の発明者らは、スイッチング電源回路に脈流電圧を平滑することなく入力させ、所定位相の電圧を適宜使用することで、微小電力から大電力まで出力電力の制御の幅を広げたり、低負荷時にも電力効率が落ちることのない電源装置を開発している。

しかしながら、このように交流電圧や脈流電圧を平滑することなくスイッチング電源回路に入力する場合、これら入力電圧が０Ｖ近傍となる位相では、スイッチング電源回路の入力電圧が出力電圧より低くなって、電源回路がうまく動作しないという課題があった。

また、脈流電圧が低くなる位相で電源回路の動作を停止させて入力側と出力側との接続を断った場合、この位相部分で入力電流が遮断されるため力率の低下を招くという課題も生じる。

このような課題を解決するため、例えば、図７（ａ）に示すように、スイッチング電源回路として降圧型と昇圧型の２つのタイプの回路を併設し、入力電圧が高いときには降圧型回路のスイッチング素子ＳＷ８１をオン・オフ駆動させ、入力電圧が出力電圧以下となるときには昇圧型回路のスイッチング素子ＳＷ８２をオン・オフ駆動させる方式を適用することを検討した。しかしながら、この方式では降圧型と昇圧型との切換え制御が難しく、また、入力電圧が０Ｖとなる近辺では昇圧もさほど出来ないという問題があった。

また、例えば、図７（ｂ）に示すように、スイッチング電源回路として反転型の回路を適用することも検討した。しかしながら、反転型の回路はコイルＮ８３に蓄積されるエネルギーが昇圧型や降圧型に比べて大きくなるため、磁束の漏れによる欠損などコイルＮ８３での欠損が大きくなり、電力効率（電力変換効率）が悪くなるという問題があった。

この発明の目的は、交流電圧や脈流電圧を直接入力して直流電圧を生成する場合に、入力電圧が０Ｖ近辺となる位相でも出力電圧を大きく低下させずに、入力側から出力側に電力供給を行うことの出来る電源装置を提供することにある。

本発明は、上記目的を達成するため、脈流の第１電圧（Ｅ１）を第１インダクタ（Ｎ１）の一端側に入力して、該第１インダクタの他端側から直流の第２電圧（Ｅ２）を出力する電源装置（１０）において、少なくとも第１電圧（Ｅ１）が第２電圧（Ｅ２）より低くなる位相で前記第１インダクタに外部から誘導起電力を生じさせて当該第１インダクタから出力側に電力が供給されるようにしたものである。

具体的には、前記第１インダクタ（Ｎ１）と磁気的に結合された第２インダクタ（Ｎ２）と、該第２インダクタへの通電をオン・オフするスイッチ（ＳＷ２）とを備えたものである。そして、入力電圧が出力電圧よりより低くなる位相で前記スイッチが駆動されて前記第２インダクタから前記第１インダクタへ電力が伝達されるように構成する。

このように構成することで、降圧型のスイッチング電源回路を用いて入力電圧が低くなったときでも、第１インダクタに外部から誘導起電力を発生させることで、出力電圧を大きく低下させることなく出力側に電力を供給することが出来る。また、入力電圧が出力電圧より低くなる位相でも入力電流が遮断されることがないので、その分、力率の向上を図ることが出来る。

具体的には、前記第２インダクタ（Ｎ２）は、前記第１電圧が印加される接続点間に前記スイッチを介して接続すると良い（図１，図３）。或いは、交流の入力電圧（Ｖｉｎ）を整流して脈流の前記第１電圧を出力する整流回路（Ｄ１）を備え、前記第２インダクタ（Ｎ２）は前記入力電圧（Ｖｉｎ）により電流が流されるように接続しても良い（図４，図５）。

このような接続により、入力電圧が低くなる位相でも第２インダクタに電流を流して第１インダクタに誘導起電力を生じさせることが出来る。

また具体的には、前記第１インダクタの前段に交流入力電圧（Ｖｉｎ）の高調波成分を除去するフィルタ回路（１２）を設けると良い。さらに、前記第１インダクタと前記フィルタ回路との間に逆方向の電流が流れるのを防止する整流素子（Ｄ３：図３）を設けると良い。

フィルタ回路により力率改善が図られる一方、入力電圧が低くなる位相でも整流素子により第１インダクタからフィルタ回路の容量素子へ電流が逆流するのを回避することができ、入力電圧が低くなる位相において出力側への電力供給を行いやすくすることが出来る。

なお、この項目において、実施形態との対応関係を表わす符号を括弧書きで記したが、本発明はこれに制限されるものではない。

以上説明したように、本発明に従うと、整流後の脈流電圧を降圧型のスイッチング電源回路に直接入力した場合に、脈流電圧が０Ｖ近傍のように出力電圧よりも低い電圧となる位相においても、出力電圧を大きく低下させずに出力側へ電力を供給することが出来る。また、この位相で入力電流が遮断されないので、入力電流が遮断される場合に比べて、力率の向上を図ることができるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１実施形態の電源装置１０を示す構成図、図２は、この電源装置１０の動作を説明する波形図である。

第１実施形態の電源装置１０は、交流の入力電圧Ｖｉｎから直流の出力電圧Ｅ２を生成する回路であり、交流の入力電圧Ｖｉｎを整流して脈流電圧Ｅ１を生成するダイオードブリッジなどの整流回路Ｄ１と、入力電圧Ｖｉｎの高調波成分を除去して力率改善を図るためのフィルタ回路１２と、スイッチング電源回路を構成するスイッチング素子ＳＷ１、整流ダイオードＤ２、第１インダクタンス素子としてのトランスＴ１の第１巻線Ｎ１、および平滑コンデンサＣ３と、第２インダクタンス素子としてのトランスＴ１の第２巻線Ｎ２と、この第２巻線Ｎ２の通電をオン・オフするスイッチＳＷ２等を備えている。また、図示は省略しているが、出力電圧Ｅ２を検出してステッチング素子ＳＷ１のオン・オフ制御を行う制御回路や、入力電圧Ｖｉｎや出力電圧Ｅ２を検出してスイッチＳＷ２のオン・オフ制御を行う制御回路を備えている。

上記のフィルタ回路１２は、コンデンサＣ１，Ｃ２とインダクタＬ１とを組み合わせたＬＣフィルタからなり、高調波成分を除去するものである。このフィルタ回路１２は、整流回路Ｄ１から出力される脈流電圧Ｅ１を平滑するものではなく、図２に示すように、脈流電圧Ｅ１はピーク電圧からほぼ０Ｖまで脈動した波形となる。

トランスＴ１は、第１巻線Ｎ１と第２巻線Ｎ２とで巻線の方向を逆にしたもので、第２巻線Ｎ２の順方向の電圧を掛けて電流を流すことで第１巻線Ｎ１に逆方向の電圧（誘電起電力）が生じる。

トランスＴ１の第２巻線Ｎ２は、脈流電圧Ｅ１が印加される電位点と基準電位点間にスイッチＳＷ２を介して接続され、それにより、脈流電圧Ｅ１が出力電圧Ｅ２より低くなるときでもスイッチＳＷ２をオンさせることで順方向に電流が流れるようになっている。

スイッチング素子ＳＷ１、トランスＴ１の第１巻線Ｎ１、および整流ダイオードＤ２等からなるスイッチング電源回路は、スイッチング素子ＳＷ１がオンのときに入力側より第１巻線Ｎ１に電流を流してエネルギーを蓄積し、スイッチング素子ＳＷ１がオフのときにこのエネルギーにより整流ダイオードＤ２を介して出力側に電流を供給する降圧型の電源回路である。

なお、このスイッチング電源回路において、整流ダイオードＤ２の替わりにスイッチング素子を用いて同期整流方式としても良いし、さらに別のトランスを介して絶縁型の回路としても良い。また、このスイッチング電源回路の出力電圧Ｅ２を外部出力するようにしても良いし、この出力電圧Ｅ２を電源装置内でさらに電圧変換して外部出力するようにしても良い。

次に、上記構成の電源装置１０の動作について説明する。
この電源装置１０では、脈流電圧Ｅ１が出力電圧Ｅ２より大きくなる通常期間において、次のように動作する。すなわち、スイッチング電源回路のスイッチング素子ＳＷ１が、例えばＰＷＭ制御やＰＦＭ制御等によりオン・オフ駆動され、それにより出力電圧Ｅ２や出力電流等が制御される。

スイッチＳＷ２は、図２に示すように、この通常期間においてオフのまま停止される。これにより、この期間において第２巻線Ｎ２に通電は行われず、スイッチング電源回路は通常の動作となる。

一方、脈流電圧Ｅ１が出力電圧Ｅ２より小さくなる低電圧位相期間においては、図２に示すように、スイッチＳＷ２はオン・オフ駆動される。これにより、第２巻線Ｎ２に順方向の電流が流れて、第１巻線Ｎ１に出力側への誘導起電力が生じる。そして、この誘導起電力により、入力側の脈流電圧Ｅ１が出力電圧Ｅ２より低くなっても、出力電圧Ｅ２を大きく低下させることなく出力側に電力供給を行うことができる。

この低電圧位相期間において、スイッチング素子ＳＷ１はＰＷＭ制御やＰＦＭ制御を停止させてオンのままとしたり、或いはオフのままとしたり、通常動作時とは別の制御でオン・オフ駆動させたりすることが出来る。

そして、脈流電圧Ｅ１が大きくなってスイッチＳＷ２がオフになったら、再び、通常の電源動作が行われる。

この実施形態の電源装置１０によれば、脈流電圧Ｅ１を降圧型のスイッチング電源回路に直接入力して出力電圧Ｅ２を生成する構成において、脈流電圧Ｅ１が出力電圧Ｅ２より低くなる位相においても、トランスＴ１の第１巻線Ｎ１に出力側への誘導起電力を生じさせて、出力電圧Ｅ２が大きく低下するのを回避できる。また、この位相期間に入力側からの電流が遮断されないので、入力電流が遮断される場合と比較して力率の向上を図ることが出来る。

なお、この実施形態では、スイッチＳＷ２をオン・オフさせる低電圧位相期間を、脈流電圧Ｅ１が出力電圧Ｅ２よりも低くなる期間としたが、この期間をすこし前後にずらしたり、時間長を長くしたり短くしたりするなど、適宜変更することが可能である。

また、低電圧位相期間にスイッチＳＷ２を一定周期でオン・オフするのでなく、例えば、スイッチング素子ＳＷ１と同期させてオン・オフさせたり、スイッチング素子ＳＷ１とは別の制御でオン・オフさせて、第１巻線Ｎ１に誘導起電力を生じさせるタイミングや時間長を変化させるようにしても良い。

［第２の実施の形態］
図３は、本発明の第２実施形態の電源装置１０Ａを示す構成図である。
第２実施形態の電源装置１０Ａは、スイッチング素子ＳＷ１やスイッチＳＷ２として、寄生ダイオードＤ４，Ｄ５を内蔵するＭＯＳＦＥＴを適用したものである。

スイッチング素子ＳＷ１に寄生ダイオードＤ４があると、脈流電圧Ｅ１が出力電圧Ｅ２より低くなったり、トランスＴ１の第１巻線Ｎ１に逆向きの起電力が生じたときに、第１巻線Ｎ１から寄生ダイオードＤ４を通ってフィルタ回路１２の容量成分へ逆方向の電流Ｉｒ１が生じる恐れがある。

また、スイッチング素子ＳＷ２に寄生ダイオードＤ５があると、トランスＴ１の第１巻線Ｎ１に順方向の起電力が発生するタイミングにおいて第２巻線Ｎ２にも順方向の起電力が生じる為、第２巻線Ｎ２からフィルタ回路１２の容量成分へ逆方向の電流Ｉｒ２が生じる恐れがある。

そこで、第２実施形態の電源装置１０Ａでは、フィルタ回路１２と第１巻線Ｎ１との間、詳細にはフィルタ回路１２とスイッチング素子ＳＷ１との間に、ダイオードＤ３を設けて、これらの逆方向の電流Ｉｒ１，Ｉｒ２を遮断するようにしている。

これらの逆方向の電流Ｉｒ１，Ｉｒ２が遮断されることで、最低でも第１巻線Ｎ１に逆電流が流れるのを防止でき、第２巻線Ｎ２により発生させた起電力により第１巻線Ｎ１から出力側への電流出力を容易にすることが出来る。

［第３の実施の形態］
図４は、本発明の第３実施形態の電源装置１０Ｂを示す構成図である。
第３実施形態の電源装置１０Ｂは、トランスＴ１の第２巻線Ｎ２に電流を流すために、整流回路Ｄ１から出力された脈流電圧Ｅ１を用いるのではなく、交流の入力電圧Ｖｉｎを用いるようにしたものである。

そのため、この電源装置１０Ｂでは、第２巻線Ｎ２の一端側を整流手段（整流ダイオードＤ７，Ｄ８）を介して入力電圧Ｖｉｎの入力端子にそれぞれ接続し、第２巻線Ｎ２の他端側を整流回路Ｄ１の基準電位点に接続している。

このような構成の電源装置１０Ｂにおいても、第１実施形態と同様に、スイッチＳＷ２がオンされることで第２巻線Ｎ２に順方向の電流が流れて、第１巻線Ｎ１に出力側への誘導起電力を発生させることが出来る。そして、第１実施形態と同様の動作を得ることが出来る。

［第４の実施の形態］
図５は、本発明の第４実施形態の電源装置１０Ｃを示す構成図、図６は、この電源装置１０Ｃの動作を説明する図である。図６においては、簡略化して整流回路Ｄ１の出力が正電圧ｅ１のときの電流の流れを示している。

第４実施形態の電源装置１０Ｃは、スイッチング電源回路のスイッチング素子ＳＷ１を、第１〜第３実施形態のように第１巻線Ｎ１の入力側に接続するのではなく、整流回路Ｄ１の基準電位側の接続点と、スイッチング電源回路の基準電位側の接続点（具体的には整流ダイオードＤ２のアノード側）との間に接続したものである。

この場合、スイッチング素子ＳＷ１には出力側から入力側へ電流が流れるので、スイッチング素子ＳＷ１に寄生ダイオードＤ４が内蔵される場合は、入力側にアノードがくる向きにスイッチング素子ＳＷ１を形成する。

このような電源装置１０Ｃにおいては、スイッチング素子ＳＷ１がオフされることで、整流回路Ｄ１から第１巻線Ｎ１への入力電流が遮断される。また、スイッチング素子ＳＷ１がオンされることで、整流回路Ｄ１から第１巻線Ｎ１への電流の入力が可能となる。従って、脈流電圧Ｅ１が高い通常期間の動作としては、第１〜第３実施形態と同様のスイッチング制御を行うことで同様の動作が得られる。

一方、第２巻線Ｎ２に電流を流す場合には、スイッチＳＷ２をオンさせただけではだめで、スイッチＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ１との両方をオンさせる必要がある。従って、脈流電圧Ｅ１が低くなる位相期間に第１巻線Ｎ１に誘導起電力を発生させるには、スイッチＳＷ２とスイッチング素子ＳＷ１との両方を同期させてオンさせるか、或いは、同期しなくても両者がオンとなる期間が生じるように制御する。

スイッチング素子ＳＷ１とスイッチＳＷ２との両方がオンされることで、図６（ａ）に示すように、第２巻線Ｎ２に順方向に電圧が印加されて電流が流れる。また、このとき第１巻線Ｎ１には整流回路Ｄ１側から電流が供給される。

一方、図６（ｂ）に示すように、スイッチＳＷ２がオフされると第２巻線Ｎ２の電流が停止される。また、スイッチング素子ＳＷ１がオフされると、整流回路Ｄ１と第１巻線Ｎ１との接続も断たれて、整流ダイオードＤ２側から第１巻線Ｎ１に電流が供給される。

従って、この第４実施形態の電源装置１０Ｃにおいても、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチＳＷ２とがオンされることで、図６（ｃ）に示すように、第２巻線Ｎ２に電流を流して第１巻線Ｎ１に出力側への誘導起電力を発生させることが出来る。そして、これにより、脈流電圧Ｅ１が出力電圧Ｅ２より低くなる位相であっても、出力電圧Ｅ２を大きく低下させることなく、入力側から出力側への電力供給を行うことが出来る。

以上、本発明の実施の形態について述べたが、本発明は上記実施の形態に限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて各種の変更が可能であり、本発明がこれらに及ぶことは当然である。

本発明は、交流電圧から直流電圧を生成する電源装置に利用することが出来る。また、脈流電圧から直流電圧を生成する回路構成を一部に必要とする種々の電源装置に利用することが出来る。

本発明の第１実施形態の電源装置を示す構成図である。 第１実施形態の電源装置の動作を説明する波形図である。 本発明の第２実施形態の電源装置を示す構成図である。 本発明の第３実施形態の電源装置を示す構成図である。 本発明の第４実施形態の電源装置を示す構成図である。 第４実施形態の電源装置の動作の一例を示す説明図である。 交流電源が０Ｖ近傍でも動作可能な電源装置の検討例を示す回路図である。

符号の説明

１０，１０Ａ〜１０Ｃ 電源装置
１２ フィルタ回路
Ｄ１ 整流回路
Ｄ３ ダイオード
Ｔ１ トランス
Ｎ１ 第１巻線（第１インダクタ）
Ｎ２ 第２巻線（第２インダクタ）
ＳＷ１ スイッチング素子
ＳＷ２ スイッチ

Claims (12)

1. 脈流の第１電圧を第１インダクタの一端側に入力して、該第１インダクタの他端側から直流の第２電圧を出力する電源装置において、
   少なくとも前記第１電圧が前記第２電圧より低くなる位相に、前記第１インダクタに外部から誘導起電力を発生させて出力側に電力が供給されるようにしたことを特徴とする電源装置。
2. 脈流の第１電圧を第１インダクタの一端側に入力し、該第１インダクタの他端側から直流の第２電圧を出力する電源装置において、
   前記第１インダクタと磁気的に結合された第２インダクタと、
   該第２インダクタへの通電をオン・オフするスイッチと、
   を備えたことを特徴とする電源装置。
3. 少なくとも前記第１電圧が前記第２電圧より低くなる位相で前記スイッチが駆動されて前記第２インダクタから前記第１インダクタへ電力が伝達されることを特徴とする請求項２記載の電源装置。
4. 前記第２インダクタは、前記第１電圧が印加される接続点と基準電位点との間に前記スイッチを介して接続されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電源装置。
5. 交流の入力電圧を整流して前記第１電圧を生成する整流回路を備え、
   前記第２インダクタは前記入力電圧により電流が流されるように接続されていることを特徴とする請求項２又は３に記載の電源装置。
6. 前記第１インダクタより前段に交流入力電圧の高調波成分を除去するフィルタ回路が設けられていることを特徴とする請求項２〜５の何れかに記載の電源装置。
7. 前記第１インダクタと前記フィルタ回路との間に逆方向に電流が流れるのを防止する整流素子が設けられていることを特徴とする請求項６記載の電源装置。
8. 前記第１電圧が印加される接続点と前記第１インダクタとの間にスイッチング素子が設けられ、
   該スイッチング素子のオン・オフ駆動により前記第１電圧が前記第１インダクタに間歇的に入力されて前記第２電圧の大きさが制御されるように構成されていることを特徴とする請求項２〜７の何れかに記載の電源装置。
9. 前記第１電圧の基準電位点と前記第２電圧の基準電位点との間にスイッチング素子が設けられ、
   該スイッチング素子のオン・オフ駆動により前記第１電圧が前記第１インダクタに間歇的に入力されて前記第２電圧の大きさが制御されるように構成されていることを特徴とする請求項２〜７の何れかに記載の電源装置。
10. 前記第１電圧の入力端子から前記第１インダクタとの間に、前記第１電圧を平滑する平滑回路が設けられていないことを特徴とする請求項２〜９の何れかに記載の電源装置。
11. 前記スイッチはＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項２〜１０の何れかに記載の電源装置。
12. 前記スイッチング素子はＭＯＳＦＥＴであることを特徴とする請求項８又は９に記載の電源装置。

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