JP2008283818A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】比較的に簡単な構成で高効率のスイッチング電源装置を実現する。
【解決手段】このスイッチング電源装置は、力率改善昇圧回路３０の後段に電流共振型の直流−直流変換回路４０が接続されており、直流−直流変換回路４０の出力電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号が共通のフィードバック回路６０を介して、直流−直流変換回路４０の周波数制御部４２と、力率改善昇圧回路３０のパルス幅制御部３２とに戻される。負荷が軽くなって直流−直流変換回路４０の出力電圧が上昇傾向になったときに、直流−直流変換回路４０のスイッチング周波数が上昇するところを、力率改善昇圧回路３０の出力電圧Ｖ_０を低下させることにより、直流−直流変換回路４０のスイッチング周波数が余り上昇しないようにして、スイッチング電源装置の効率を高い状態で維持する。
【選択図】図１

Description

本発明は、力率改善昇圧回路の後段に周波数制御型の直流−直流変換回路が接続されているスイッチング電源装置に係り、特に、直流−直流変換回路のスイッチング周波数の変動を抑制して電源装置の高効率化を図る技術に関する。

この種のスイッチング電源装置として、例えば、力率改善昇圧回路の後段に電流共振型の直流−直流変換回路が接続されてなる電源装置が知られている。一般に電流共振型の直流−直流変換回路は、最大負荷時に効率が最大になるように共振周波数が設定されている。そのため、負荷が変動すると電源装置のスイッチング周波数が共振周波数から外れるので効率が悪くなる。そこで、負荷の大小に関らず、高効率を維持することができる電源装置が提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

この電源装置は、一般に力率改善昇圧回路から出力される直流電圧が定電圧であるところを、力率改善昇圧回路の交流入力電圧と、直流−直流変換回路の負荷電流とに基づいて、力率改善昇圧回路の出力電圧（即ち、直流−直流変換回路の入力電圧）を可変することにより、直流−直流変換回路のスイッチング周波数の変動を抑制して電源装置の高効率化を図ったものである。具体的には、軽負荷時に直流−直流変換回路は出力電圧の上昇を避けるためにスイッチング周波数を上げようとするところを、力率改善昇圧回路の出力電圧を下げることによって、直流−直流変換回路は出力電圧を下げ、もって直流−直流変換回路のスイッチング周波数の変動（上昇）を抑制している。
特開２００５−６５３９５号公報（段落「００２０」〜「００２６」、図１）

しかしながら、このような構成を有する従来例の場合には、次のような問題がある。
すなわち、従来の電源装置は、直流−直流変換回路に備わるスイッチング素子の周波数制御のために、直流−直流変換回路の出力電圧を検出して、その検出信号を制御部へ戻す第１のフィードバック系統と、力率改善昇圧回路に備わるスイッチング素子のパルス幅制御のために、直流−直流変換回路の出力電流を検出して、その検出信号を制御部へ戻す第２のフィードバック系統とからなる２つのフィードバック系統を備えているので、装置構成が複雑化するという問題点がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、比較的に簡単な構成で高効率のスイッチング電源装置を実現することを目的とする。

本発明は、このような目的を達成するために、次のような構成をとる。
すなわち、請求項1に記載の発明に係るスイッチング電源装置は、入力電圧を第１のスイッチング素子によりスイッチングして昇圧すると共に整流・平滑して第１の直流電圧に変換する力率改善昇圧回路本体と、第１のフィードバック信号に基づき、第１のスイッチング素子の導通パルス幅を制御することにより第１の直流電圧を可変するパルス幅制御部とを含む力率改善昇圧回路と、
力率改善昇圧回路の後段に接続され、第１の直流電圧を第２のスイッチング素子によりスイッチングしてトランスの一次巻線に印加し、トランスの二次巻線に誘起した電圧を整流・平滑して第２の直流電圧に変換する直流−直流変換回路本体と、第２のフィードバック信号に基づき、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御することにより第２の直流電圧を可変する周波数制御部とを含む直流−直流変換回路と、
第２の直流電圧を検出し、その検出信号を周波数制御部とパルス幅制御部とに戻すフィードバック回路とを備え、
周波数制御部は、フィードバック回路を介して戻された第２の直流電圧の検出信号を第２のフィードバック信号として取り込み、第２の直流電圧が所定電圧となるように第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御し、
パルス幅制御部は、第１の直流電圧の検出信号とフィードバック回路を介して戻された第２の直流電圧の検出信号とを第１のフィードバック信号として取り込み、第１の直流電圧を、所定電圧から第２のスイッチング素子のスイッチング周波数の変動を抑制する方向へ変化させることを特徴とする。

［作用・効果］請求項1に記載の発明によれば、直流−直流変換回路の周波数制御部は、フィードバック制御回路を介して戻された第２の直流電圧の検出信号を第２のフィードバック信号として取り込んで、第２の直流電圧が所定電圧となるように第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御する。例えば、最大負荷時に効率が最大となるように共振条件が定められている電流共振型の直流−直流変換回路の場合であると、負荷が軽くなると第２の直流電圧が所定電圧よりも上昇する傾向になる。このとき周波数制御部は、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を上げることにより、第２の直流電圧が所定電圧よりも上昇しようとするのを抑制する。しかし、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数が上昇すると直流−直流変換回路の損失が大きくなるので、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数が余り大きく上昇しないようにする必要がある。そこで、力率改善昇圧回路のパルス幅制御部が、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数の変動を抑制するように、直流−直流変換回路の入力電圧である第１の直流電圧を変化させる。通常、力率改善昇圧回路のパルス幅制御部は、第１の直流電圧の検出信号に基づき、第1の直流電圧を所定電圧に維持する。したがって、力率改善昇圧回路の入力電圧が変動しても、第１の直流電圧は所定電圧に維持される。一方、直流−直流変換回路の第２の直流電圧が変動すると、フィードバック回路を介して戻された第２の直流電圧の検出信号によって第１のフィードバック信号が変化する。これに基づき、パルス幅制御部は、第１の直流電圧を、所定電圧から第２のスイッチング素子のスイッチング周波数の変動を抑制する方向へ変化させる。つまり、直流−直流変換回路の第２の直流電圧が上昇傾向にあって第２のスイッチング素子のスイッチング周波数が上昇すると、直流−直流変換回路の入力電圧（すなわち、第１の直流電圧）を低下させて直流−直流変換回路の第２の直流電圧を低下させることにより、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数の上昇を抑制する。

以上のように、本願発明によれば、負荷が変動した場合に、直流−直流変換回路の第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御すると共に、力率改善昇圧回路の第１の直流電圧を変化させて第２のスイッチング素子のスイッチング周波数の変動を抑制しているので、高い効率を維持することができる。しかも、第２の直流電圧を検出し、その検出信号を共通のフィードバック回路によって、直流−直流変換回路の周波数制御部と力率改善昇圧回路のパルス幅制御部の両方に戻しているので、各制御部へ個別のフィードバック回路を介して検出信号を戻すものと比較して回路構成を簡単にすることもできる。

本発明において、直流−直流変換回路は、例えば電流共振型の直流−直流変換回路である（請求項２記載の発明）。さらに、本発明において、フィードバック回路は、好ましくは、第２の直流電圧の検出信号をフォトカプラを介して周波数制御部とパルス幅制御部とに戻す（請求項３記載の発明）。

本発明によれば、直流−直流変換回路に備わる第２のスイッチング素子のスイッチング周波数の変動を抑制することにより高い効率を維持することができると共に、回路構成の簡単なスイッチング電源装置を実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の一実施例に係るスイッチング電源装置を説明する。
図１は、実施例に係るスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。

実施例に係るスイッチング電源装置は、交流電源ＡＣに接続されるノイズフィルタ１０と、このノイズフィルタ１０の後段に接続された整流回路２０と、この整流回路２０の後段に接続された力率改善昇圧回路３０と、この力率改善昇圧回路３０の後段に接続された電流共振型の直流−直流変換回路４０と、この直流−直流変換回路４０の出力電圧（本発明における第２の直流電圧）を検出し、その検出信号を直流−直流変換回路４０の周波数制御部４２と力率改善昇圧回路３０のパルス幅制御部３２とに戻すフィードバック回路６０とを備えている。

以下、各部の構成を詳しく説明する。ノイズフィルタ１０は、コモンモードチョークコイル１１と、このチョークコイル１１の入出力端にそれぞれ接続されたコンデンサ１２及び１３を備える。整流回路２０は、周知のダイオード・ブリッジである。

力率改善昇圧回路３０は、力率改善昇圧回路本体３１とパルス幅制御部３２とを備える。力率改善昇圧回路本体３１は、整流回路２０から与えられた入力電圧を第１のスイッチング素子であるＦＥＴ（電界効果トランジスタ）３３によりスイッチングして昇圧すると共に整流・平滑して第１の直流電圧Ｖ_０に変換する。具体的には、力率改善昇圧回路本体３１は、ＦＥＴ３３の他に、チョークコイル３４、ダイオード３５、及びコンデンサ３６を含む。チョークコイル３４の一端は整流回路２０の出力端に、その他端はダイオード３５のアノードに、それぞれ接続されている。ＦＥＴ３３のドレインはダイオード３５のアノード側に接続され、ソースは接地ラインに接続されている。ＦＥＴ３３のゲートには、パルス幅制御部３２からＯＮ／ＯＦＦ制御信号が与えられる。コンデンサ３６は、ダイオード３５のカソードと接地ライン間に接続されている。第１の直流電圧Ｖ_０は抵抗３７、３８で分圧されて検出され、その検出信号はパルス幅制御部３２の入力端子Ｖ_Ｓに与えられる。

パルス幅制御部３２は、入力端子Ｖ_Ｓに与えられる第１のフィードバック信号（具体的には、第１の直流電圧Ｖ_０の検出信号とフィードバック回路６０を介して戻された第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号）に基づき、ＦＥＴ３３の導通パルス幅を制御することにより第１の直流電圧Ｖ_０を可変する。後述する動作説明で明らかになるが、パルス幅制御部３２は、第１のフィードバック信号に基づき、直流−直流変換回路４０に備わる第２のスイッチング素子のスイッチング周波数が変動するのを抑制する方向に、第１の直流電圧Ｖ_０を変化させる。

直流−直流変換回路４０は、直流−直流変換回路本体４１と周波数可変制御部４２とを備える。直流−直流変換回路本体４１は、力率改善昇圧回路３０から与えられた第１の直流電圧Ｖ_０を第２のスイッチング素子であるＦＥＴ４３および４４で交互にスイッチングしてトランス４５の一次巻線に印加し、このトランス４５の二次巻線に誘起した電圧を整流・平滑して第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴに変換する。具体的には、直流−直流変換回路本体４１において、ＦＥＴ４３のドレインとトランス４５の一次巻線の一端との間には共振コンデンサ４６とトランス４５のリーケージインダクタンス４７とが直列に介在している。トランス４５の一次巻線の他端は、ＦＥＴ４３のソースとＦＥＴ４４のドレインにそれぞれ接続されている。ＦＥＴ４４のソースは抵抗４８を介して接地ラインに接続されている。ＦＥＴ４３および４４の各ゲートには、周波数制御部４２からＯＮ／ＯＦＦ制御信号が与えられる。トランス４５の二次巻線の一端にはダイオード４９のアノードが、二次巻線の他端にはダイオード５０のアノードが、それぞれ接続され、二次巻線の中間端子は接地ラインに接続されている。両ダイオード４９及び５０のカソードは接続され、その接続点と接地ラインとの間にコンデンサ５１が接続されている。

直流−直流変換回路本体４１の出力電圧である第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号は、フィードバック回路６０を介して周波数制御部４２に戻される。周波数制御部４２は、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号を第２のフィードバック信号として取り込み、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴが所定電圧になるように、ＦＥＴ４３および４４のスイッチング周波数を制御する。

フィードバック回路６０の構成を説明する。フィードバック回路６０は、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号を、フォトカプラ６１を介して周波数制御部４２とパルス幅制御部３２とに戻している。具体的には、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴがフォトカプラ６１のフォトダイオード６２のアノードに与えられる。フォトダイオード６２のカソードは、定電圧源としてのシャントレギュレータ６４のカソードに接続されている。シャントレギュレータ６４のアノードは接地ラインに接続されている。シャントレギュレータ６４の基準電圧端子Ｖ_ＲＥＦには抵抗６５及び６６で分圧された第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴが与えられる。フォトカプラ６１のフォトトランジスタ６３のコレクタは、周波数制御部４２の入力端子Ｖ_Ｉに、エミッタは接地ラインに、それぞれ接続されている。フォトトランジスタ６３のコレクタは更に、順方向のダイオード６７と抵抗６８とを介して誤差増幅器６９の一方の入力端子（+）に接続されている。誤差増幅器６９の他方の入力端子（−）には基準電圧Ｖａが与えられている。誤差増幅器６９の出力端子は、トランジスタ７０、７１及び抵抗７２、７３で構成された増幅回路７４の入力端子（トランジスタ７０のベース）に接続されている。増幅回路７４の出力端子（トランジスタ７１のエミッタ）は、順方向に接続されたダイオード７５と抵抗７６とを介して、パルス幅制御部３２の入力端子Ｖ_Ｓ（分圧抵抗３７と３８の接続点）に接続されている。

次に、以上のように構成された実施例に係るスイッチング電源装置の動作を説明する。
交流電源ＡＣからの交流入力電圧がノイズフィルタ１０を介して整流回路２０に与えられて整流される。整流回路２０から出力された整流電圧は力率改善昇圧回路３０に与えられ、力率の改善と共に昇圧される。第１のスイッチング素子としてのＦＥＴ３３のスイッチングよって昇圧されたパルス電圧はダイオード３５とコンデンサ３６で整流・平滑化されて第１の直流電圧Ｖ_０として直流−直流変換回路４０に与えられる。

周波数制御部４２が、ＦＥＴ４３と４４を交互にスイッチングすることにより、第１の直流電圧Ｖ_０がトランス４５の一次巻線に印加される。トランス４５の二次巻線に誘起したパルス電圧はダイオード４９、５０及びコンデサ５１で整流・平滑化されて、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴとして出力される。

第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号は、フィードバック回路６０のフォトカプラ６１を介して周波数制御部４２に戻される。周波数制御部４２は、直流−直流変換回路４０に最大負荷が接続された状態において、ＦＥＴ４３と４４のスッチング周波数が、共振コンデンサ４６とリーケージインダクタンス４７とで定まる共振周波数になるように、予め設定されている。また、直流−直流変換回路４０に最大負荷が接続された状態において、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号と基準電圧Ｖａとを比較する誤差増幅器６９の出力電圧はほぼ「０」になるように、基準電圧Ｖａが予め設定されている。このとき、パルス幅制御部３２は、第１のフィードバック信号として主に、抵抗３７及び３８で分圧された第１の直流電圧Ｖ_０の検出信号を入力し、第１の直流電圧Ｖ_０が一定になるように、ＦＥＴ３３の導通パルス幅を制御する。

次に、直流−直流変換回路４０に接続される負荷が最大負荷よりも軽くなった場合の動作について説明する。

直流−直流変換回路４０に接続される負荷が軽くなると、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴは上昇傾向になる。そうするとフォトカプラ６１のフォトダオード６２に流れる電流が増加すると共に、フォトトランジスタ６３のコレクタ電流が増加する。このように第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号（第２のフィードバック信号）は、フォトトランジスタ６３のコレクタ電流値として周波数制御部４２に戻される。コレクタ電流の増加により負荷が軽くなったことを検知すると、周波数制御部４２は、ＦＥＴ４３及び４４のスイッチング周波数を上げることによって、トランス４５の二次側に伝達される電力量を抑えて第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴを下降傾向に戻して、第２の直流電圧の上昇を抑制しようとする。このとき、ＦＥＴ４３及び４４のスイッチング周波数を余り高くすると、スイッチング周波数が高くなるに従ってスイッチング損失が増加するのでスイッチング電源装置の効率が低下する。

そこで、本実施例では、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号（第２のフィードバック信号）を更に力率改善昇圧回路３０のパルス幅制御部３２に戻して、第１の直流電圧Ｖ_０を変化させて、直流−直流変換回路４０のスイッチング周波数の変動を抑制させている。即ち、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴが最大負荷時の所定電圧から上昇すると、誤差増幅器６９の誤差出力電圧が上昇する。誤差出力電圧の上昇により増幅回路７４の出力電流が増加し、この電流Ｉ_Ｓが力率改善昇圧回路３０の分圧抵抗３８を介して接地ラインに流れる結果、分圧抵抗３７と３８の接続点の電圧を上昇させる。その結果、パルス幅制御部３２のＶ_Ｓ端子の電圧が上昇するので、パルス幅制御部３２はＶ_Ｓ端子の電圧を下げる方向にＦＥＴ３３の導通パルス幅を変化させる。即ち、ＦＥＴ３３の導通パルス幅が狭くなって、力率改善昇圧回路３０の第１の直流電圧Ｖ_０が低下する。

力率改善昇圧回路３０の第１の直流電圧Ｖ_０は、直流−直流変換回路４１の入力電圧であるので、第１の直流電圧Ｖ_０が低下すると、これに伴って直流−直流変換回路４１の出力電圧（第２の直流電圧）Ｖ_ＯＵＴも低下する。これによって、先に説明した負荷が軽くなることによる第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの上昇傾向が抑制される。その結果、直流−直流変換回路４０のＦＥＴ４３、４４のスイッチング周波数を余り高く上げることなく、第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの変動を抑制することができるので、スイッチング電源装置の効率を高い状態に維持することができる。

図２は、本実施例に係るスイッチング電源装置の出力電力と、力率改善昇圧回路３０の第１の直流電圧Ｖ_０との関係を示した特性図である。同図から明らかなように、スイッチング電源装置の出力電力が低下する（負荷が小さくなる）に従い、力率改善昇圧回路３０の第１の直流電圧Ｖ_０が低下している。

また、本実施例では、直流−直流変換回路４０の出力電圧である第２の直流電圧Ｖ_ＯＵＴの検出信号を共通のフィードバック回路６０を介して、直流−直流変換回路４０の周波数制御部４２と、力率改善昇圧回路３０のパルス幅制御部３２の両方に戻しているので、各制御部４２、３２へ個別のフィードバック回路を介して検出信号を戻すものと比較して回路構成を簡単にすることもできる。

本発明は、上述した実施例に限らず、次のように変形実施することも可能である。

（１）上述した実施例では、直流−直流変換回路の一例として、電流共振型の直流−直流変換回路を示したが、本発明はこれに限定されない。本発明の直流−直流変換回路は、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御して第２の直流電圧を可変するものであればよく、例えば、リンギングチョークコンバータであってもよい。

本発明の実施例に係るスイッチング電源装置の回路図である。 実施例装置の出力電力と、力率改善昇圧回路の第１の直流電圧との関係を示した特性図である。

符号の説明

３０ … 力率改善昇圧回路
３１ … 力率改善昇圧回路本体
３２ … パルス幅制御部
４０ … 直流−直流変換回路
４１ … 直流−直流変換回路本体
４２ … 周波数制御部
６０ … フィードバック回路

Claims (3)

1. 入力電圧を第１のスイッチング素子によりスイッチングして昇圧すると共に整流・平滑して第１の直流電圧に変換する力率改善昇圧回路本体と、第１のフィードバック信号に基づき、第１のスイッチング素子の導通パルス幅を制御することにより第１の直流電圧を可変するパルス幅制御部とを含む力率改善昇圧回路と、
   力率改善昇圧回路の後段に接続され、第１の直流電圧を第２のスイッチング素子によりスイッチングしてトランスの一次巻線に印加し、トランスの二次巻線に誘起した電圧を整流・平滑して第２の直流電圧に変換する直流−直流変換回路本体と、第２のフィードバック信号に基づき、第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御することにより第２の直流電圧を可変する周波数制御部とを含む直流−直流変換回路と、
   第２の直流電圧を検出し、その検出信号を周波数制御部とパルス幅制御部とに戻すフィードバック回路とを備え、
   周波数制御部は、フィードバック回路を介して戻された第２の直流電圧の検出信号を第２のフィードバック信号として取り込み、第２の直流電圧が所定電圧となるように第２のスイッチング素子のスイッチング周波数を制御し、
   パルス幅制御部は、第１の直流電圧の検出信号とフィードバック回路を介して戻された第２の直流電圧の検出信号とを第１のフィードバック信号として取り込み、第１の直流電圧を、所定電圧から第２のスイッチング素子のスイッチング周波数の変動を抑制する方向へ変化させること
   を特徴とするスイッチング電源装置。
2. 請求項１記載のスイッチング電源装置において、
   直流−直流変換回路は、電流共振型の直流−直流変換回路であるスイッチング電源装置。
3. 請求項１記載のスイッチング電源装置において、
   フィードバック回路は、第２の直流電圧の検出信号をフォトカプラを介して周波数制御部とパルス幅制御部とに戻すスイッチング電源装置。

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