JP2010029039A - 力率改善コンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】ノイズフィルタを構成するノーマルモードリアクトルの過熱を防止する過熱保護手段を備え、且つ、小型で安価なＰＦＣを提供すること。

【解決手段】商用電源１と、ブリッジ整流回路２と、ノイズフィルタ３と、力率改善回路４と、過熱保護手段５ｂと、から成る力率コンバータであって、過熱保護手段５ｂは、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ５とから成る電流検出手段と、ダイオードＤ２と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ６と、から構成される。電流検出回路は、ノイズフィルタ３のフィルムコンデンサＣ２に並列に接続され、ダイオードＤ２のアノードは、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ５との接続点に接続され、カソードは、スイッチング素子Ｑのドレイン電流検出手段Ｒ２と制御回路ＩＣとの間に接続される。
過熱保護手段５ｂは、ノイズフィルタ３を構成するフィルムコンデンサＣ２の断線を検出し、ノーマルモードリアクトルＬ１の発熱を抑制する。

【選択図】図１

Description

本発明は、過熱保護手段を備える力率改善コンバータに関する。

力率改善コンバータ（ＰＦＣ）は、小型軽量且つ電力変換効率が高いため、近年の省エネの要求から家庭用電化製品やＯＡ機器等の電源装置に広く利用されている。

また、特に家庭用電化製品に対して、安全性の要求が厳しくなっている。そのため、電源回路の故障等による発煙及び発火といった事故を防止することが大きな課題となっており、その対策として、電源回路に過熱保護等の保護回路を設けることが一般的である。

特許文献１に開示される従来の過熱保護手段を備えたＰＦＣを図４に示す。
従来のＰＦＣは、商用電源１と、ブリッジ整流回路２と、ノイズフィルタ３と、力率改善回路４とを有し、過熱保護手段５ａを備える。

ノイズフィルタ３は、一般的にノーマルモードリアクトル（ノーマルモードチョークコイル）Ｌ１、フィルムコンデンサＣ１及びＣ２で構成されるπ型ノイズフィルタあるいは、ノーマルモードリアクトルＬ１とフィルムコンデンサＣ２とから成る逆Ｌ型ノイズフィルタが使用される。このノイズフィルタ３は、主に力率改善回路４からの高周波ノイズを商用電源１へ流出させないために接続されている。

力率改善回路４は、一次巻線Ｐと二次巻線Ｓとを有するインダクタンスＬ２と、スイッチング素子Ｑと、スイッチング素子Ｑをオン／オフ制御する制御回路ＩＣと、ダイオードＤ１と、出力コンデンサＣｏと、から構成される。また、二次巻線Ｓの電流値を検出する零電流検出手段Ｒ１と、スイッチング素子Ｑのドレイン端子に流れる電流値を検出するドレイン電流検出手段Ｒ２と、出力コンデンサＣｏに印加される出力電圧を検出する出力電圧検出手段Ｒ３及びＲ４と、を備え、各検出値は制御回路ＩＣに入力される。

従来のＰＦＣの動作について説明する。
商用電源１から入力された交流電圧は、ブリッジ整流回路２で整流され脈流電圧として出力された後、ノイズフィルタ３を介して、力率改善回路４に入力される。力率改善回路４は、制御回路ＩＣが出力するゲート制御信号によってスイッチング素子Ｑをオン／オフさせ、整流された脈流電圧を所定の直流電力に変換して負荷（図示は省略する）に供給する。

スイッチング素子Ｑがオンする間、インダクタンスＬ２の一次巻線Ｐとスイッチング素子Ｑとに電流が流れ、一次巻線Ｐに磁気エネルギーが蓄えられる。その後、スイッチング素子Ｑがオフすると、上述の磁気エネルギーが一次巻線Ｐより放出され、整流ダイオードＤ１を介して出力コンデンサＣｏを充電することで、所定の出力電圧を有する直流電力を負荷に供給することができる。

制御回路ＩＣは、各検出手段から入力される各検出値と制御回路ＩＣ内で適宜決められる閾値とに基づいてスイッチング素子Ｑをオン／オフ制御する。それにより、スイッチング損失の低減、スイッチング素子Ｑの保護及び出力電圧の安定化が達成される。

従来のＰＦＣにおいて、フィルムコンデンサＣ２が、経年劣化や製造不良により断線（オープン）すると、高周波スイッチング電流がノーマルモードリアクトルＬ１に流れる。ノーマルモードリアクトルＬ１は、ＥＭＩ（電磁波干渉）ノイズ成分を吸収するためにコア損や銅損が大きい特性の材料から成るため、高周波スイッチング電流が流れることによりノーマルモードリアクトルＬ１が発熱し、発煙及び発火に至る懸念がある。

この懸念に対し、ノーマルモードリアクトルＬ１の発熱を検出するため、ノーマルモードリアクトルＬ１に温度センサ素子を直接貼付することが試みられたが、貼付誤差が生じること、あるいは周辺部品からの熱干渉を受けること等から、発熱の検出精度に課題があった。

そのため、従来のＰＦＣは、ノーマルモードリアクトルＬ１の過熱を防止するための過熱保護手段５ａを設けている。過熱保護手段５ａは、電圧検出部６と容量低下検知部７とから成る。電圧検出部６は、フィルムコンデンサ２の電圧に応じた信号を容量低下検知部７に出力し、容量低下検知部７がフィルムコンデンサＣ２の容量低下及び断線を検出すると、検出信号を制御回路ＩＣに出力する。そして制御回路ＩＣが、検出信号に基づいてスイッチング素子Ｑを制御することで、ノーマルモードリアクトルＬ１の過熱を防止できる。

特開２００４−５６９５６

しかしながら、従来のＰＦＣにおける過熱保護手段５ａは、回路構成が複雑であり、構成する部品点数が多いため、保護回路が大型化、高コスト化するという問題点があった。

そこで本発明は、ノイズフィルタを構成するノーマルモードリアクトルの過熱を防止する過熱保護手段を備え、且つ、小型で安価なＰＦＣを提供することである。

上記課題を解決し上記目的を達成するために、請求項１に係る力率改善コンバータは、
脈流電圧を発生する脈流発生部と、
リアクトルとコンデンサとで構成されるノイズフィルタと、
前記ノイズフィルタで生成される脈流電圧を所定の直流電圧に変換するためのスイッチング素子と前記スイッチング素子をオン／オフ制御する制御回路とを有する力率改善回路と、前記ノイズフィルタで生成される脈流電圧に基づき検出信号を出力する電流検出手段を有し、前記検出信号に基づいて前記リアクトルの過熱保護を行う過熱保護手段と、を備えることを特徴とする。

さらに、請求項２に係る力率改善コンバータは、前記電流検出手段が、前記脈流電圧に重畳する高周波信号を検出して前記検出信号を出力することを特徴とする。
さらに、請求項３に係る力率改善コンバータは、前記過熱保護手段が、前記コンデンサの断線を検出したことを示す検出信号を前記力率改善回路に出力することを特徴とする。
さらに、請求項４に係る力率改善コンバータは、前記力率改善回路が、前記検出信号に基づき出力電力を低減させることを特徴とする。
さらに、請求項５に係る力率改善コンバータは、前記力率改善回路が、前記検出信号に基づき前記制御回路を停止させることを特徴とする。

各請求項の発明によれば、小型で安価な回路構成により、ノイズフィルタを構成するノーマルモードリアクトルの過熱を防止する過熱保護手段を備えるＰＦＣを提供することができる。

図１、２を参照して本発明の実施形態に係るＰＦＣの一例について説明する。但し、従来のＰＦＣと同一の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。

図１は、本発明の第１の実施例に係るＰＦＣの構成を示す回路構成図である。
本実施形態に係るＰＦＣは、商用電源１と、ブリッジ整流回路２と、ノイズフィルタ３と、力率改善回路４と、過熱保護手段５ｂと、から成る。本実施形態における商用電源１とブリッジ整流回路２とを合わせて、本発明の脈流発生部と言うことができる。

過熱保護手段５ｂは、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ５とから成る電流検出手段と、ダイオードＤ２と、コンデンサＣ４と、抵抗Ｒ６と、から構成される。電流検出手段は、ノイズフィルタ３のフィルムコンデンサＣ２に並列に接続され、ダイオードＤ２のアノードは、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ５との接続点に接続され、カソードは、コンデンサＣ３の一端と抵抗Ｒ６の一端との接続点に接続される。コンデンサＣ３の他端は、ＰＦＣの出力端子（−端子）に接続され、抵抗Ｒ６の他端は、スイッチング素子Ｑのドレイン電流検出手段Ｒ２と制御回路ＩＣとの間に接続される。
即ち、本発明の第１の実施例に係るＰＦＣは、過熱保護手段５ｂの構成において従来のＰＦＣと異なり、その他は同一に構成される。

本実施形態に係る過熱保護手段５ｂの動作について説明する。正常時、フィルムコンデンサＣ２の両端には、図３（ａ）に示すような商用電源１の２倍と等しい周波数の脈流電圧が発生し、脈流電流が流れる。同時に、電流検出手段のコンデンサＣ３の両端にもこの脈流電圧が発生するが、コンデンサＣ３の静電容量は、フィルムコンデンサＣ２のそれよりも十分小さい値（例えば１／１０００）に設計されるため、コンデンサＣ３を流れる脈流電流は非常に小さくなる（上述の例では１／１０００）。また詳細には、図３（ａ）の脈流電圧にはＰＦＣの高周波スイッチングノイズが僅かに重畳されるが、抵抗Ｒ５とＲ６とで分圧されるため、正常時の過熱保護手段５ｂが出力する検出信号は実質的に零となる。

次に、フィルムコンデンサＣ２が断線した異常時、フィルムコンデンサＣ２の両端には、図３（ｂ）に示すように大きな高周波スイッチング電流が重畳した脈流電圧が発生する。この場合、高周波スイッチング電流が電流検出手段のコンデンサＣ３に流れるため、高周波スイッチング電流は、ダイオードＤ２を介し、コンデンサＣ３を充電して、スイッチング素子Ｑのドレイン電流検出手段Ｒ３の出力に重畳される。即ち、スイッチング素子Ｑに流れるドレイン電流が、過熱保護手段５ｂの出力によりバイアスされ、見かけ上大きくなる。制御回路ＩＣは、バイアスされたドレイン電流値と制御回路ＩＣ内で適宜決められる閾値とを比較し、閾値を越えた時点でスイッチング素子Ｑをオンからオフさせる。このように、スイッチング素子Ｑのオン時間が短くなることで、ノーマルモードリアクトルＬ１に流れる高周波スイッチング電流が少なくなるため、ノーマルモードリアクトルＬ１の発熱が抑制される。

従って、本発明の第１の実施例に係る過熱保護手段５ｂは、ノイズフィルタ３を構成するフィルムコンデンサＣ２の断線時に発生する高周波スイッチング電流に基づき、スイッチング素子Ｑのドレイン電流検出手段Ｒ３の出力をバイアスすることで、精度良くノーマルモードリアクトルＬ１の過熱を防止することができる。さらに、過熱保護手段５ｂは、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ５とダイオードＤ２とで簡易に構成されるため、ＰＦＣを小型で安価に構成できる。

図２は、本発明の第２の実施例に係る過熱保護手段５ｃの構成を示す回路構成図である。本実施例に係る過熱保護手段５ｃは、本発明の第１の実施例に係る過熱保護手段５ｂにおいて、コンデンサＣ３と抵抗Ｒ５との接続点とダイオードＤ２のアノードとの間に直列に接続されたコンデンサＣ５と、抵抗Ｒ５と並列に接続されたリアクトルＬ３と抵抗Ｒ７とを付加した構成から成る。

本発明の第２の実施例に係る過熱保護手段５ｃによれば、商用電源域の周波数の脈流を精度良く除去することができるため、過熱保護手段５ｃが脈流に基づく検出信号を出力することが無くなる。従って、過熱保護手段５ｃの誤動作を防止することができ、より高精度にノーマルモードリアクトルＬ１の過熱を防止できる。

本発明のＰＦＣは、上記実施形態に限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、高周波スイッチング電流に基づき、Ｒ３及びＲ４で構成される出力電圧検出手段の出力をバイアスしても良く、ラッチ回路により図示しない制御電源を遮断し、制御回路ＩＣをシャットダウンさせるように構成しても良く、ノーマルモードリアクトルＬ１の過熱保護が可能である。また、インターリーブ型の力率改善回路に適用することもできる。

本発明の第１実施例に係るＰＦＣの構成を示す回路構成図 本発明の第２実施例に係る過熱保護手段の構成を示す回路構成図 フィルムコンデンサＣ２の両端に発生する脈流電圧を示すグラフ 従来のＰＦＣの構成を示す回路構成図

符号の説明

１ 商用電源
２ ブリッジ整流回路
３ ノイズフィルタ
４ 力率改善回路
５ａ、５ｂ、５ｃ 過熱保護手段
６ 電圧検出部
７ 容量低下検知部

Claims (5)

1. 脈流電圧を発生する脈流発生部と、
   リアクトルとコンデンサとで構成されるノイズフィルタと、
   前記ノイズフィルタで生成される脈流電圧を所定の直流電圧に変換するためのスイッチング素子と前記スイッチング素子をオン／オフ制御する制御回路とを有する力率改善回路と、前記ノイズフィルタで生成される脈流電圧に基づき検出信号を出力する電流検出手段を有し、前記検出信号に基づいて前記リアクトルの過熱保護を行う過熱保護手段と、を備えることを特徴とする力率改善コンバータ。
   
2. 前記電流検出手段が、前記脈流電圧に重畳する高周波信号を検出して前記検出信号を出力することを特徴とする請求項１記載の力率改善コンバータ。
   
3. 前記過熱保護手段が、前記コンデンサの断線を検出したことを示す検出信号を前記力率改善回路に出力することを特徴とする請求項１又は２記載の力率改善コンバータ。
   
4. 前記力率改善回路が、前記検出信号に基づき出力電力を低減させることを特徴とする請求項３記載の力率改善コンバータ。
   
5. 前記力率改善回路が、前記検出信号に基づき前記制御回路を停止させることを特徴とする請求項３記載の力率改善コンバータ。

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