JP2011182493A

JP2011182493A - スイッチング電源回路

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Publication number: JP2011182493A
Application number: JP2010041773A
Authority: JP
Inventors: Guo-Hua Wang; 国華王
Original assignee: Nitta Corp
Current assignee: Nitta Corp
Priority date: 2010-02-26
Filing date: 2010-02-26
Publication date: 2011-09-15

Abstract

【課題】小型で超寿命のスイッチング電源回路を提供する。
【解決手段】入力端子ａ１と出力端子ｂ１との間に接続されたスイッチング素子ＳＷ１及びチョークコイルＬ１と、接続点ｃ１と出力端子ｂ２との間に接続されたダイオードＤ１と、入力端子ａ２と出力端子ｂ１との間に接続されたスイッチング素子ＳＷ２及びダイオードＤ２と、接続点ｃ２と出力端子ｂ２との間に接続されたチョークコイルＬ２とを有する。入力端子ａ２と出力端子ｂ２との間には、平滑キャパシタＣ３を接続している。
【効果】平滑キャパシタとして、電解型キャパシタを使わずに、長寿命のフィルムキャパシタやセラミックキャパシタが使用できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、交流電源を用いて直流電源を得るスイッチング電源回路に関するものである。

従来、商用の交流電源を用いて直流電源を得るスイッチング電源回路が知られている。
スイッチング電源回路は、商用の交流電源を整流して脈流を得る整流回路と、この整流回路によって得られた脈流を平滑する平滑回路とを備えている。この平滑回路により、きれいな直流を得て負荷に供給することができる。
このようなスイッチング電源回路においては、交流周波数（５０Ｈｚ，６０Ｈｚ）での電圧変動を抑えるために、平滑回路に平滑キャパシタが設けられている。平滑キャパシタとして、大容量の電解型キャパシタ(electrolytic capacitor; 通常「電解コンデンサ」と呼ばれる)が主に使われている。整流回路に大容量の電解型キャパシタを使うと、周知のように、高調波電流が発生する、電解型キャパシタが熱を受けて耐久性が低下する、重量がある、寸法が大きい等の問題がある。

特開平０６−１６９５７０号公報

電解型キャパシタは、熱や過電圧に弱く、長期間使用すると等価直列抵抗（ＥＳＲ）が増大して脈流を平滑する機能が弱くなってくる。こうなれば、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、蛍光灯、冷陰極管などを負荷に採用している場合、発光照度のちらつきが発生する。またＡＶ機器を負荷に使用すると雑音が発生して使用しづらいものになってしまう。
そこで電解型キャパシタを使用しないで、かつ周期的な電圧変動若しくは電流変動（リップルという）が無視できるようなスイッチング電源回路の開発が要望されている。

そこで本発明は、整流回路の平滑キャパシタとして、電解型キャパシタを使わずに、長寿命のフィルムキャパシタ(Film Capacitor)や、セラミックキャパシタ(Ceramic Capacitor)が使用でき、かつ周期的なリップルを抑制できると共に、高調波電流が少なくかつ、小型で超寿命のスイッチング電源回路を提供することを目的とする。

本発明のスイッチング電源回路は、交流電源に接続され、交流を脈流に変換し、第一極、第二極の間に該脈流を出力する整流回路と、整流回路の第一極、第二極にそれぞれ接続される第一、第二の入力端子と、負荷につながる第一、第二の出力端子とを有するスイッチング回路とを備えている。
スイッチング回路は、第一の入力端子と第一の出力端子との間に、互いに直列に接続された第一のスイッチング素子及び第一のチョークコイルと、第一のスイッチング素子及び第一のチョークコイルの接続点と第二の出力端子との間に接続された第一のダイオードと、第二の入力端子と第一の出力端子との間に、互いに直列に接続された第二のスイッチング素子及び第二のダイオードと、第二のスイッチング素子及び第二のダイオードの接続点と第二の出力端子との間に接続された第二のチョークコイルとを有し、第二の入力端子と第二の出力端子との間に、平滑キャパシタを接続していることを特徴とするものである。

この構成のスイッチング電源回路によれば、整流回路により、商用の交流電源を整流して脈流に変換する。整流回路には、この脈流をパルス状の高周波交流に変換する第一のスイッチング素子及び第二のスイッチング素子が設けられている。
第二のスイッチング素子は第一のスイッチング素子のスイッチング周波数、位相とは関係のない周波数、位相により、オンオフするものである。すなわち、第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子のスイッチング周波数は互いに異なるものであっても良く、同一であっても良い。また仮に第一のスイッチング素子と第二のスイッチング素子のスイッチング周波数が同一であっても、そのスイッチング位相差は任意である。

なお、第二のスイッチング素子、第一のスイッチング素子ともに、交流電源の周波数よりも高い周波数でスイッチング駆動される。
第一のスイッチング素子がオンのときは電源側から負荷に電流を供給するとともに平滑キャパシタに電荷を蓄積し、第一のスイッチング素子がオフのときは平滑キャパシタ及び第一のチョークコイルから負荷に電流を供給することができる。

第二のスイッチング素子がオンのときは、平滑キャパシタに蓄積された電荷を第二のチョークコイルに流す。これにより、第二のチョークコイルに磁束が蓄積される。そして第二のスイッチング素子がオフのとき第二のチョークコイルに蓄えられた磁束に基づく電流が第二のダイオードを通って負荷に流れていく。
以上が、個々のスイッチング素子の動作説明であるが、スイッチング電源回路全体としての動作は次のようになる。

平滑キャパシタは、第一のスイッチング素子のスイッチング動作、第二のスイッチング素子のスイッチング動作により充電・放電を繰り返すが、整流回路から出力される脈流の電圧が高い期間では充電量が多く、平滑キャパシタの端子電圧は上昇していく。整流回路から出力される脈流の電圧が低い期間では、平滑キャパシタの放電量が多くなり、平滑キャパシタの端子電圧は下がっていく。

すなわち、整流回路から出力される脈流の電圧が高い期間には、本発明のスイッチング電源回路を一種の降圧回路として動作させ、整流回路から出力される脈流の電圧が低い期間には、本発明のスイッチング電源回路を一種の昇圧回路として動作させることができる。
このようにして整流回路から出力される脈流の電圧が高い期間には平滑キャパシタを充電し、脈流の電圧が低くなる期間には平滑キャパシタの電荷を放電させることにより、負荷電流の変動を抑えることができる。またこの負荷電流の変動抑制により、負荷電圧の変動抑制もできる。

本発明では、第二のチョークコイル、第二のダイオードを通って負荷に流れる経路を作っているので、平滑キャパシタの放電量は、この経路のない通常のスイッチング回路と比べて多くなり、平滑キャパシタをほぼ完全に放電させることができる。また、平滑キャパシタがほぼ完全に放電された状態から充電していくので、平滑キャパシタの電圧の上昇量が小さい。

整流回路の第一、第二の入力端子間に平滑キャパシタを設置した場合、脈流のピーク電圧に耐えられる耐圧を有するキャパシタが必要であるが、本発明では、前述したように平滑キャパシタがほぼ完全に放電された状態から平滑キャパシタを充電していくので、平滑キャパシタの耐圧は、脈流のピーク電圧よりも小さな値、例えば半分でよい。したがって、耐圧が低い大容量キャパシタとして、フィルムキャパシタや、セラミックキャパシタが使用できる。

なお、平滑キャパシタに電解型キャパシタを使用することも考えられるが、本発明の平滑キャパシタは０Ｖに近くなるまで放電を行うので、電解型キャパシタを採用することは実際上困難なことである。実際、フィルムキャパシタや、セラミックキャパシタなどはほぼ１００％充放電できるのに対して、電解型キャパシタは１０％くらいしか充放電できない。

負荷電流の変動抑制及び負荷電圧の変動抑制、つまり平滑動作を行うのは平滑キャパシタであるが、本発明では平滑キャパシタに印加される電圧が、整流回路の第一、第二の入力端子間に平滑キャパシタを設置した場合と比べて低くできる、という利点がある。
したがって本発明によれば、電解型キャパシタを使わずに、長寿命のフィルムキャパシタや、セラミックキャパシタなどが使用でき、小型で超寿命のスイッチング電源回路を提供することができる。

本発明の実施形態に係るスイッチング電源回路（スイッチング素子ＳＷ２：閉状態）を示す回路図である。図１の回路図において、スイッチング素子ＳＷ２が開状態に移った場合を示す。スイッチング素子ＳＷ１，ＳＷ２のＰＷＭ制御における、負荷電圧とオンオフ時間比との関係を示すグラフである。本発明の実施形態に係るスイッチング電源回路の各部の電圧波形図である。

以下、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら詳細に説明する。
図１及び図２は、本発明の実施形態に係るスイッチング電源回路を示す回路図である。
スイッチング電源回路は、交流電源Ｅに接続され、交流を脈流に変換する整流回路１１とスイッチング回路１２とを備えている。
整流回路１１は、ブリッジ整流ダイオードを使用した両波整流回路であってもよく、整流ダイオードを使った半波整流回路であっても良い。整流回路１１は、正極、負極の間に、変動する正電圧（又は変動する負電圧）からなる脈流を出力する。この脈流の基本周波数は、交流電源Ｅの周波数の２倍である。例えば交流電源Ｅの周波数が６０Ｈｚであれば、脈流の基本周波数は１２０Ｈｚとなる。

スイッチング回路１２は、整流回路１１の正極、負極にそれぞれ接続される入力端子ａ１と、入力端子ａ２と、負荷ＬＤにつながる出力端子ｂ１と、出力端子ｂ２とを有する。
スイッチング回路１２は、入力端子ａ１と出力端子ｂ１との間に、互いに直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ１及びチョークコイルＬ１と、スイッチング素子ＳＷ１及びチョークコイルＬ１の接続点ｃ１と出力端子ｂ２との間に接続されたダイオードＤ１と、入力端子ａ２と出力端子ｂ１との間に、互いに直列に接続されたスイッチング素子ＳＷ２及びダイオードＤ２と、スイッチング素子ＳＷ２及びダイオードＤ２の接続点ｃ２と出力端子ｂ２との間に接続されたチョークコイルＬ２とを有する。入力端子ａ２と出力端子ｂ２との間には、平滑キャパシタＣ３を接続している。

ＰＷＭ制御回路１３は、出力端子ｂ１と出力端子ｂ２間の電圧（負荷電圧）に応じて、スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２をＰＷＭ制御する回路である。スイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２は、このＰＷＭ制御回路１３によりスイッチング制御される。
図３は、ＰＷＭ制御回路１３における、負荷電圧とオンオフ時間比との関係を示すグラフである。ＰＷＭ制御回路１３は、同グラフに示すように、負荷電圧が基準電圧より高ければオンオフ時間比のオン時間の割合を短くし、負荷電圧が基準電圧より低ければ、オンオフ時間比のオン時間の割合を長くする制御を行う。これにより、負荷電圧が基準電圧に等しくなるようＰＷＭ制御する。

ＰＷＭ制御回路１３が設定するスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２のスイッチング周波数、位相は互いに関係がなく、それぞれの周波数、位相により、オンオフする。すなわち、スイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２のスイッチング周波数は互いに異なるものであっても良く、同一であっても良い。また仮にスイッチング素子ＳＷ１とスイッチング素子ＳＷ２のスイッチング周波数が同一であっても、そのスイッチング位相差は任意である。

スイッチング素子ＳＷ２、スイッチング素子ＳＷ１ともに、交流電源の周波数よりも高い周波数でスイッチング駆動される。例えば、スイッチング素子ＳＷ１のスイッチング周波数として、２０〜２５０ｋＨｚ、スイッチング素子ＳＷ２のスイッチング周波数として２０〜２５０ｋＨｚ、を例示することができる。
この構成のスイッチング電源回路によれば、整流回路１１により、商用の交流電源Ｅを整流して脈流に変換する。整流回路１１のスイッチング素子ＳＷ１及びスイッチング素子ＳＷ２は、この脈流をパルス状の高周波交流に変換する。

スイッチング素子ＳＷ１、チョークコイルＬ１を含む上半分の回路に注目すれば、スイッチング素子ＳＷ１がオンのときは電源側から負荷に電流を供給するとともに平滑キャパシタＣ３に電荷を蓄積し、スイッチング素子ＳＷ１がオフのときは平滑キャパシタＣ３及びチョークコイルＬ１から負荷に電流を供給することができる。
スイッチング素子ＳＷ２、チョークコイルＬ２を含む下半分の回路に注目すれば、スイッチング素子ＳＷ２がオンのときは、平滑キャパシタＣ３に蓄積された電荷をチョークコイルＬ２に流す。これにより、チョークコイルＬ２に磁束が蓄積される。そしてスイッチング素子ＳＷ２がオフのときチョークコイルＬ２に蓄えられた磁束に基づく電流が負荷に流れていく。

以上が、個々のスイッチング素子の動作説明であるが、スイッチング電源回路全体としての動作は、図１，図２、図４を参照して、次のようになる。なお図４（ａ）は整流回路から出力される脈流電圧Ｖａ12の波形を示し、図４（ｂ）は平滑キャパシタＣ３の端子電圧Ｖｃ３の波形を示し、図４（ｃ）は負荷電圧ＶＬの波形を示す。図４では電圧値を記入しているが、これらの数値は例示的なものであるにすぎない。

整流回路１１から出力される脈流の電圧Ｖａ12がしきい電圧よりも高い期間（図４の横軸に“Ａ”で示す）では、スイッチング素子ＳＷ１がオンの期間中、負荷に大きな電流が流れるとともに平滑キャパシタＣ３も充電される。スイッチング素子ＳＷ１がオフの期間は、平滑キャパシタＣ３及びチョークコイルＬ１から負荷に電流を供給することができる。この期間中、平滑キャパシタＣ３は充電・放電を繰り返すが、脈流電圧Ｖａ12が高いので充電量のほうが大きく、平滑キャパシタＣ３の端子電圧Ｖｃ３は上昇していく。この状態を図４（ｂ）に示す。

整流回路から出力される脈流電圧Ｖａ12がしきい電圧よりも低い期間（図４の横軸に“Ｂ”で示す）では、スイッチング素子ＳＷ２のオン期間中、平滑キャパシタＣ３に蓄積された電荷がチョークコイルＬ１とチョークコイルＬ２に流れる。スイッチング素子ＳＷ２のオフ期間になれば、チョークコイルＬ１に蓄えられた電流がダイオードＤ１を通して負荷に流れていくとともに、チョークコイルＬ２に蓄えられた電流がダイオードＤ２を通して負荷に流れていく。

このようにして整流回路１１から出力される脈流電圧Ｖａ12が高い期間には平滑キャパシタＣ３を充電し、脈流電圧Ｖａ12が低くなる期間には平滑キャパシタＣ３の電荷を放電させて、負荷電流の変動を抑えることができる。またこの負荷電流の変動抑制により、負荷電圧の変動抑制もできる（図４（ｃ）参照）。
また、チョークコイルＬ２、ダイオードＤ２を通って負荷に流れる経路を設けているので、平滑キャパシタＣ３の放電量は、この経路のない通常のスイッチング回路と比べて多くなり、平滑キャパシタＣ３をほぼ完全に放電させることができる。また、平滑キャパシタＣ３は、ほぼ完全に放電された状態から充電していくので、平滑キャパシタの電圧の上昇量が小さい。従って、平滑キャパシタＣ３の耐圧を低くできるので、耐圧の低く容量の大きなセラミックキャパシタ等が使用できる利点が出てくる。

以上で、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の実施は、前述の形態に限定されるものではない。例えば、商用の交流電源の入力ラインから侵入するノイズ及び電源内部で発生する帰還ノイズの抑制ためのキャパシタを入力端子ａ１と入力端子ａ２との間に挿入しても良い。その他、本発明の範囲内で種々の変更を施すことが可能である。

１１整流回路
１２スイッチング回路
１３ＰＷＭ制御回路

Claims

交流電源に接続され、交流を脈流に変換し、第一極、第二極の間に該脈流を出力する整流回路と、
前記整流回路の第一極、第二極にそれぞれ接続される第一、第二の入力端子と、負荷につながる第一、第二の出力端子とを有するスイッチング回路とを備え、
前記スイッチング回路は、前記第一の入力端子と前記第一の出力端子との間に、互いに直列に接続された第一のスイッチング素子及び第一のチョークコイルと、前記第一のスイッチング素子及び前記第一のチョークコイルの接続点と前記第二の出力端子との間に接続された第一のダイオードと、前記第二の入力端子と前記第一の出力端子との間に、互いに直列に接続された第二のスイッチング素子及び第二のダイオードと、前記第二のスイッチング素子及び前記第二のダイオードの接続点と前記第二の出力端子との間に接続された第二のチョークコイルとを有し、
前記第二の入力端子と前記第二の出力端子との間に、平滑キャパシタを接続していることを特徴とするスイッチング電源回路。
前記平滑キャパシタが、フィルムキャパシタ又はセラミックキャパシタである請求項１記載のスイッチング電源回路。