JP2010115029A - 絶縁型スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電源電圧を入力とする絶縁型スイッチング電源装置において、１次側に瞬時停電対策用の電解コンデンサを設けることなく、瞬時停電時には適正な出力電圧を供給できるようにした絶縁型スイッチング電源装置を構成する。
【解決手段】ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力ラインＨＬｏ−ＣＬｏ間には瞬時停電対策回路１５が接続されている。瞬時停電対策回路１５は、２次側コンデンサＣｐｆ、２次側コンデンサＣｐｆをトリクル充電するダイオードＤ１と抵抗Ｒ１で構成される充電回路、及び瞬時停電時に２次側コンデンサＣｐｆの充電電圧を出力するスイッチ回路ＳＷを備えている。ディジタル信号処理回路１３は入力電圧検出回路１０の出力信号を入力して、交流入力電源Ｖａｃが停電したことを検知すると、スイッチ回路ＳＷをオンする。これにより、２次側コンデンサＣｐｆの充電電圧が出力される。そのため、停電中も出力電圧は一定値を保つ。
【選択図】図１

Description

この発明は、絶縁型スイッチング電源装置に関し、特に瞬時停電発生時にも安定した出力電圧を得るようにした絶縁型スイッチング電源装置に関するものである。

従来、商用交流電源を入力電源とするスイッチング電源装置においては、商用交流電源入力を全波整流した後、電解コンデンサ等で平滑することによって直流電圧に変換し、この直流電圧をスイッチング素子でスイッチングして、トランスの２次側に所望の出力電圧を得るという構成が一般的であった（特許文献１参照）。

また、電力容量がある程度以上のスイッチング電源装置においては、高調波電流規制に応じて１次側にＰＦＣ（力率改善回路）を設けている。このＰＦＣの出力にも電解コンデンサが使われていた（特許文献２参照）。

前記電解コンデンサは、瞬時停電が起こった場合に、平滑コンデンサから停電中のエネルギーを供給する必要があるために大容量のコンデンサとして設けられている。
特開平９−３０８２３７号公報 特開平５−１９１９７６号公報

前記電解コンデンサとしては、一般に安価で大容量が得られるアルミ電解コンデンサが使用されている。しかし、アルミ電解コンデンサは、電解液を含浸させた電解紙とアルミニウム箔とで構成されていて、通電により電解液が徐々に蒸発していくため、電解液のドライアップにより寿命となる。商用交流電源を入力電源とする電源回路に用いられる素子の中で最も寿命が短く、よって電解コンデンサの寿命がスイッチング電源装置の寿命を決定している状況であった。フィルムコンデンサやセラミックコンデンサ等のコンデンサであれば電解液を用いないため、寿命の問題はないが、体積や価格当たりの容量は電解コンデンサに比べて小さい。一方、バッテリーを設けることも考えられるが、一般にバッテリーは等価抵抗値（ＥＳＲ）が高い点や耐圧が低い点で問題となる。

そこで、この発明の目的は、商用電源電圧を入力とする絶縁型スイッチング電源装置において、１次側に瞬時停電対策用の電解コンデンサを設けることなく、瞬時停電時には適正な出力電圧を供給できるようにした絶縁型スイッチング電源装置を提供することにある。

前記課題を解決するために、この発明の絶縁型スイッチング電源装置は、商用交流電源の入力電圧を整流する１次側整流回路と、１次巻線及び２次巻線を有するトランスと、前記１次側整流回路によって整流されて前記１次巻線に印加される電圧をスイッチングするスイッチング回路と、前記２次巻線に接続されて出力端子へ出力電圧を出力する整流平滑回路と、を有する絶縁型スイッチング電源装置において、前記整流平滑回路の出力側に設けられた２次側コンデンサと、前記２次側コンデンサに対してトリクル充電を行う充電回路と、商用交流電源の停電が発生したことを検出する停電検出回路と、前記停電検出回路の出力に応じて、前記２次側コンデンサを前記出力端子に接続するスイッチ回路と、を備えたことを特徴とする。

前記２次側コンデンサには、電気二重層コンデンサが適している。
前記停電検出回路は、例えば、前記１次側整流回路の入力側または出力側の電圧を検出する電圧検出回路、及び前記電圧検出回路の検出電圧を入力して停電の有無を判定するＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成する。

この発明によれば、電解コンデンサの寿命の影響を受けないので、長寿命なスイッチング電源装置が構成できる。また、電気二重層コンデンサを用いることによって、低背化が可能となる。さらに、停電の検出をＤＳＰで行うことによって、停電の検出を速やかに行うことができるので、スイッチ回路の早期の切り替えによって出力電圧をより安定化できる。

図１はこの発明の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置１０１の回路図である。
図１において、符号Ｐ１１，Ｐ１２は絶縁型スイッチング電源装置１０１の入力端子、符号Ｐ２１，Ｐ２２は絶縁型スイッチング電源装置１０１の出力端子である。入力端子Ｐ１１−Ｐ１２には商用交流電源である交流入力電源Ｖａｃが入力され、出力端子Ｐ２１−Ｐ２２には負荷回路２０が接続される。

絶縁型スイッチング電源装置１０１の入力段には交流入力電源Ｖａｃの交流電圧を全波整流するダイオードブリッジＢ１を設けている。このダイオードブリッジＢ１は本発明に係る「１次側整流回路」に相当する。ダイオードブリッジＢ１の出力側にはＰＦＣコンバータ１１が接続されている。ＰＦＣコンバータ１１の出力にはＤＣ−ＤＣコンバータ１２が接続されている。また、このＤＣ−ＤＣコンバータ１２の入力ラインＨＬｉ−ＣＬｉ間にはコンデンサＣｉが並列に接続されている。そしてＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力ラインＨＬｏ−ＣＬｏ間には平滑用のコンデンサＣｏが並列接続されている。

また、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力ラインＨＬｏ−ＣＬｏ間には瞬時停電対策回路１５が接続されている。この瞬時停電対策回路１５は、２次側コンデンサＣｐｆと、２次側コンデンサＣｐｆをトリクル充電するダイオードＤ１と抵抗Ｒ１で構成される充電回路と、停電時に２次側コンデンサＣｐｆの充電電圧を出力するスイッチ回路ＳＷとを備えている。

ＰＦＣコンバータ１１は、インダクタ、スイッチング素子、ダイオードおよび平滑コンデンサを備えた、いわゆる昇圧チョッパ回路で構成されている。

ディジタル信号処理回路１３は、ＤＳＰで構成されていて、ディジタル信号処理によってＰＦＣコンバータ１１及びＤＣ−ＤＣコンバータ１２を制御する。すなわち、ディジタル信号処理回路１３は入力電圧検出回路１０の出力信号を入力して、交流入力電源Ｖａｃの電圧の瞬時電圧または位相を検知する。また、ディジタル信号処理回路１３は、交流入力電源Ｖａｃの電圧波形と相似形の電流が流れるようにＰＦＣコンバータ１１内のスイッチング素子をオン／オフ制御する。さらに、ディジタル信号処理回路１３は、出力電圧検出回路１６の出力信号を入力して、出力電圧を検出するとともに、出力電圧が所定値で一定となるように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２内のスイッチング素子を所定のオンデューティ比でオン／オフ制御する。

図２は、図１に示したＤＣ−ＤＣコンバータ１２の回路図である。このＤＣ−ＤＣコンバータ１２は、１次巻線Ｎ１及び２次巻線Ｎ２を有するトランスＴと、１次巻線Ｎ１に印加される電圧をスイッチングするスイッチング素子Ｑ１と、２次巻線Ｎ２に接続されて出力端子へ出力電圧を出力する整流ダイオードＤｏと、を備えている。

図３は図１各部の電圧及び状態の波形図である。図３に示す時刻ｔｏで停電になると、コンデンサＣｉの電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の入力電圧）は急速に低下する。これにともない、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧も急速に低下する。一方、ディジタル信号処理回路１３は入力電圧検出回路１０の出力信号の変化から、停電になったことを検知し、直ちにスイッチ回路ＳＷをオンする。これにより、２次側コンデンサＣｐｆの充電電圧が出力される。そのため、停電中も出力電圧は一定値を保つ。

その後ｔ１で復電（停電が回復）すると、コンデンサＣｉの電圧（ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の入力電圧）は上昇する。これにともない、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２の出力電圧も所定値にまで復帰する。ディジタル信号処理回路１３は入力電圧検出回路１０の出力信号の変化から、復電したことを検知すれば、スイッチ回路ＳＷをオフする。その後は、ダイオードＤ１及び抵抗Ｒ１を介して２次側コンデンサＣｐｆがトリクル充電される。そのため、２次側コンデンサＣｐｆは通常の使用状態では満充電された状態を保つ。

前記トリクル充電の充電電流は、２次側コンデンサＣｐｆの通常使用状態での自然放電を補う程度の電流が流れるように定めておく。

停電時に前記２次側コンデンサＣｐｆが負荷へ必要な電力を供給するので、図２に示したように、ＤＣ−ＤＣコンバータ１２内には電解コンデンサを設ける必要がない。

前記２次側コンデンサＣｐｆは高容量・低ＥＳＲであることが望ましく、電気二重層コンデンサが適当である。電気二重層コンデンサも電解液を用いているが、通常時はトリクル充電の極微弱な電流が流れるだけであるため、発熱によるドライアップは生じない。

なお、初期状態から満充電するまでにはある程度の時間が掛かるので、工場出荷時などに予め充電しておけば、ユーザは初めから２次側コンデンサＣｐｆが満充電の状態で使用することができる。

前記ディジタル信号処理回路１３の瞬時停電判断は次のようにして行う。先ず、入力電圧検出回路１０の出力信号を一定周期でサンプリングして、交流入力電源Ｖａｃの電圧の瞬時電圧を読み取る。通常なら、このサンプリングデータ列は正弦波の全波整流波形の離散量である。ディジタル信号処理回路１３は、サンプリングデータ列の変化が、正弦波の全波整流波形ではありえないような変化があったか否かを判定する。例えば、今回のサンプリングデータの値と正弦波の全波整流波形と見なして予測した値との差分が所定の閾値を超えていれば停電になったものと判定する。または、通常時に最も変化の大きな位相角０度付近での変化幅の２倍以上超える変化があったか否かの判定によって停電になったものと判定してもよい。このようにして、瞬時停電を即座に検出しスイッチ回路ＳＷの制御を行うことができる。

停電検出回路を仮にアナログ回路で構成すると、入力電圧をフィルタにより平滑して閾値と比較したり、一定時間内に閾値以上の電圧が発生しているか否かを確認したりすることで瞬停を判断することになるので、検出遅れが生じる。

また、本発明の実施形態によれば、瞬時停電の検知を行ってスイッチ回路を切り替えるディジタル信号処理回路１３がＰＦＣコンバータの制御も行うので、停電発生時及び復電時の動作以降の制御をスムースに行うことができる。

この発明の実施形態に係る絶縁型スイッチング電源装置１０１の回路図である。 図１に示したＤＣ−ＤＣコンバータ１２の回路図である。 図１各部の電圧及び状態の波形図である。

符号の説明

１０…入力電圧検出回路
１０１…絶縁型スイッチング電源装置
１１…ＰＦＣコンバータ
１２…ＤＣ−ＤＣコンバータ
１３…ディジタル信号処理回路
１５…瞬時停電対策回路
１６…出力電圧検出回路
２０…負荷回路
Ｂ１…ダイオードブリッジ
Ｃｉ…コンデンサ
Ｃｏ…コンデンサ
Ｃｐｆ…２次側コンデンサ
Ｄ１…ダイオード
Ｄｏ…整流ダイオード
Ｎ１…１次巻線
Ｎ２…２次巻線
Ｑ１…スイッチング素子
Ｒ１…抵抗
ＳＷ…スイッチ回路
Ｖａｃ…交流入力電源

Claims (3)

1. 商用交流電源の入力電圧を整流する１次側整流回路と、１次巻線及び２次巻線を有するトランスと、前記１次側整流回路によって整流されて前記１次巻線に印加される電圧をスイッチングするスイッチング回路と、前記２次巻線に接続されて出力端子へ出力電圧を出力する整流平滑回路と、を有する絶縁型スイッチング電源装置において、
   前記整流平滑回路の出力側に設けられた２次側コンデンサと、
   前記２次側コンデンサに対してトリクル充電を行う充電回路と、
   商用交流電源の停電が発生したことを検出する停電検出回路と、
   前記停電検出回路の出力に応じて、前記２次側コンデンサを前記出力端子に接続するスイッチ回路と、
   を備えた絶縁型スイッチング電源装置。
2. 前記２次側コンデンサは電気二重層コンデンサである、請求項１に記載の絶縁型スイッチング電源装置。
3. 前記停電検出回路は、前記１次側整流回路の入力側または出力側の電圧を検出する電圧検出回路、及び前記電圧検出回路の検出電圧を入力して停電の有無を判定するＤＳＰ（Digital Signal Processor）で構成された、請求項１または２に記載の絶縁型スイッチング電源装置。

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