JP2011193709A - Ａｃ−ｄｃコンバータ - Google Patents

Abstract

【課題】交流電流スイッチング電源装置のソフトスイッチ化
【解決手段】２つのＭＯＳＦＥＴをソースを共通として直列に接続して双方向開閉回路を構成し、それに並列に共振コンデンサを接続し、発振制御回路に外部信号で双方向開閉回路をオンさせるトリガ回路を付加し、トランスの励磁エネルギがゼロになると信号を発する励磁エネルギ検出回路と励磁エネルギ検出回路の信号を所定の時間遅らせてトリガ回路に加える遅延回路を付加した
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチング電源に関し、特に交流入力電流を直接スイッチングして直流電圧を得る技術に関する。

従来、交流入力電流を直接スイッチングして直流電圧を得る技術として本出願人が先に提供したＡＣ−ＤＣコンバータ（特開２００６−３４０５９０）がある。図４にその回路構成を示し、図５に動作波形を示す。

図４において、ＭＯＳＦＥＴ３と４が双方向開閉回路を構成し、発振制御回路５の信号によって同時にオンとオフを繰返している。そのオンとオフの各々の期間は常にオンの方が長くなるように、トランス２の１次巻線２ａと２次巻線２ｂの巻線比と負荷９に供給する直流電圧の関係が成立している。

オン期間に２次巻線２ｂに生じる電圧Ｖ２１は、交流電源１の電圧瞬時値Ｖ１とトランス２の１次巻線２ａの巻数ｎ１と２次巻線２ｂの巻数ｎ２によって、次の式で表すことができる。

オフ期間に２次巻線２ｂに生じる電圧Ｖ２２は、オン期間ＴＯＮとオフ期間ＴＯＦＦを加えて次の式で表すことができる。

ＴＯＮをＴＯＦＦより常に大きくすることにより、コンデンサ８にはオフ期間に生じる電圧が充電され、かつ、その値がオン期間に生じる電圧より高いのでオン期間に２次巻線２ｂに電流は流れなくなり、フライバックコンバータと同じ動作をする。

交流電源の電圧は半周期ごとに正負が反転し、２次巻線の電圧も反転するが全波整流器によって、より高い電圧であるフライバック電圧が平滑コンデンサに充電される。

図５の波形図に示したように、２次巻線２ｂに生じる電圧のうち、オフ期間の電圧であるフライバック電圧は一定で、かつ、オン期間の電圧より高い。また、交流電源１の瞬時値がゼロに近い値でも負荷９に供給する直流電圧まで昇圧可能であることから、交流入力電流が全位相で流れ力率が良い。

図４に示した従来の方式の場合は、ソフトスイッチの手段が含まれていないのでノイズが大きい。

本発明は、従来の交流電流スイッチング電源装置にソフトスイッチの手段を取り入れ、ノイズを小さくすることを目的としている。

上の目的を達成するために本発明は、交流電源と交流電源に直列に接続されたトランスの１次巻線と双方向開閉回路からなる直列回路と１次巻線に電磁的に結合している２次巻線と２次巻線に生じるいずれの極性のパルスをも整流する全波整流器と全波整流器の出力側に接続された平滑コンデンサと平滑コンデンサに充電される直流電圧の供給を受ける負荷とその直流電圧を一定に保つために双方向開閉回路のオン・オフを制御する発振制御回路からなる交流電流スイッチング電源装置において、双方向開閉回路に並列に共振コンデンサを接続し、発振制御回路に外部信号で双方向開閉回路をターンオンさせるトリガ回路を付加し、トランスの励磁エネルギがゼロになると信号を発する励磁エネルギ検出回路と励磁エネルギ検出回路の信号を所定の時間遅らせてトリガ回路に加える遅延回路を付加した。

本発明によって、従来の交流電流スイッチング電源装置がソフトスイッチ化され、ノイズと効率の両方が改善された。

最良の形態の１つは、２つのＭＯＳＦＥＴをソースを共通にして直列に接続して双方向開閉回路を構成し、それに並列に共振コンデンサを接続し、２つのＭＯＳＦＥＴの各々に並列に抵抗とコンデンサからなる直列回路を接続し、オフ期間中に抵抗両端の電圧が反転したら、その信号を遅延回路を通して発振制御回路のトリガ回路に加える構成にする。

上のように構成された回路において、２つのＭＯＳＦＥＴがターンオフすると、共振コンデンサには交流電源の瞬時値にフライバック電圧をプラスした電圧が充電され、２つのＭＯＳＦＥＴのうちのどちらか一方のＭＯＳＦＥＴにも同じ電圧が加わり、そのＭＯＳＦＥＴ両端に接続されている抵抗とコンデンサの直列回路に電流が流れ抵抗両端に電圧が発生する。

励磁エネルギがゼロになると共振コンデンサの電圧は共振しながら下がり始め、ＭＯＳＦＥＴ両端に接続されている抵抗とコンデンサの直列回路のコンデンサも放電を始めるので、抵抗に流れる電流が逆向きになり、抵抗両端の電圧の極性が反転する。

最良の形態の別の１つは、２つのＭＯＳＦＥＴをソースを共通にして直列に接続して双方向開閉回路を構成し、それに並列に共振コンデンサを接続し、全波整流回路と平滑コンデンサの間にカレントトランスの１次巻線を直列に挿入し、カレントトランスの２次巻線に生じる電圧が反転したら、その信号を遅延回路を通して発振制御回路のトリガ回路に加える。

励磁エネルギが存在する間はカレントトランスの１次巻線に電流は流れているが、励磁エネルギがゼロになるとその電流は止まり、カレントトランスの２次巻線に生じる電圧が反転する。

トランスの２次巻線は独立した１つの巻線でも良いが、センタータップを共通とする２つの巻線からなり、２つの巻線の電圧をセンタータップダイオードで全波整流する方法でも良い。

トランスの１次巻線の一部を２次巻線として代用しても良い。

トランスの１次巻線を２次巻線の一部分として利用しても良い。

励磁エネルギがゼロになる時刻から２つのＭＯＳＦＥＴがターンオンする時刻までの間に、遅延回路が作る遅延とは別の、回路の伝達特性によって生じる信号遅延効果があるときは遅延回路を省略することもできる。

２つのＭＯＳＦＥＴに存在する寄生容量成分を共振コンデンサの一部として利用することもできるし、それらで共振コンデンサの代用をさせることもできる。

共振コンデンサを２つにして、２つのＭＯＳＦＥＴにそれぞれ並列に接続してもよい。

共振コンデンサを１次巻線に並列に接続してもよい。

本発明の実施例を示す回路図である。 本発明の別の実施例を示す回路図である。 図１の動作波形図である。 従来の方式の一例を示す回路図である。 図４の動作波形図である。

発明を実施するための最良の形態を実施例の図面を参照して説明する。

図１は本発明の実施例を示す回路図である。図において、交流電源１１が正弦波の正の半波の電圧を出力しているときに、双方向開閉回路を構成するＭＯＳＦＥＴ１３と１４がオン状態になると、電流は１次巻線１２ａを上から下に向かって流れる。平滑コンデンサ１８には双方向開閉回路がオフの間に発生する電圧が充電されており、その電圧が双方向開閉回路がオンのときに２次巻線１２ｂに発生する電圧より高いので、１次巻線１２ａに流れる電流は励磁エネルギに変換されてトランス１２に蓄積される。

オフ状態になるとトランス１２の励磁エネルギは２次巻線１２ｂを介して放出され全波整流器１６により整流され平滑コンデンサ１８に直流エネルギとして変換されて蓄積される。また、一部の励磁エネルギは共振コンデンサ２１を充電する。

コンデンサ２３と抵抗２５には図の右から左に向かう電流が流れ、抵抗２５両端に電圧が生じる。ＣＲの時定数を適当に選ぶことにより流れる期間を任意に設定できる。励磁エネルギがゼロになると電流の向きが変わるので、抵抗２５両端に生じる電圧の極性が反転する。その変化は遅延回路２６、２７を通りトリガ回路３０に送られ、発振制御回路はＭＯＳＦＥＴ１３と１４をターンオンさせる信号を出力する。

交流電源１１が正弦波の負の半波の電圧を出力しているときに、双方向開閉回路を構成するＭＯＳＦＥＴ１３と１４がオン状態になると、電流は１次巻線１２ａを下から上に向かって流れる。オフ状態になるとコンデンサ２２と抵抗２４に図の左から右に向かう電流が流れる。その後の動作は基本的に上記と変わりない。

また、励磁エネルギがゼロになると共振コンデンサ２１と１次巻線１２ａとの間で共振が起こり、共振コンデンサ２１の電圧は共振カーブを描いて下がるが、その電荷は交流電源１１に回生される。一方、遅延回路２６、２７の遅延時間を共振の半周期に合わせておけば共振コンデンサ２１の電圧が最も低くなったところでＭＯＳＦＥＴ１３、１４がターンオンするので共振コンデンサの電荷がＭＯＳＦＥＴを流れて放電することによるロスは最も小さくなる。

共振コンデンサはＭＯＳＦＥＴ１３、１４がターンオフするときにトランスを流れる電流の変化を緩やかにするのでターンオフ時のロスとスイッチングノイズの両方を改善するが、ターンオン時のロスを上記の様に最も小さくすることでターンオフとターンオンの両方のロスを同時に小さくできる。

図３は上記内容を波形に表したものである。図において、ターンオフのときはＭＯＳＦＥＴのドレイン電流が瞬時にゼロになっても共振コンデンサによってドレイン電圧は緩やかな傾きで上昇する。電流と電圧が交叉する領域が小さいのでロスが小さい。また、このとき、トランスを流れる電流も共振カーブでゼロになるのでノイズも小さい。更に、２つのＭＯＳＦＥＴがターンオンするときは共振コンデンサの電圧が最下点まで下がっているので放電電流がＭＯＳＦＥＴを流れることによるターンオンロスも小さい。

図２は本発明の別の実施例を示す回路図である。図において励磁エネルギの放出による電流は、交流電源１１の電圧が正負どちらの位相であっても、カレントトランス２８の１次巻線２８ａには右側から左側に向かって流れ、カレントトランス２８の２次巻線２８ｂに接続されている抵抗２９両端に電圧が発生している。励磁エネルギがゼロになると電流が止まるが、そのときにカレントトランス２８の２次巻線２８ｂに接続されている抵抗２９両端の電圧は反転する。その電圧の変化は遅延回路２６を通り発振制御回路１５に送られ、発振制御回路はＭＯＳＦＥＴ１３、１４をターンオンさせる信号を出力する。

スイッチングロスが小さく、またスイッチングノイズが小さい交流電流スイッチング電源装置であるので実用価値があり、応用範囲は広い。

１、１１ 交流電源
２、１２ トランス
２ａ、１２ａ １次巻線
２ｂ、１２ｂ ２次巻線
３、４、１３、１４ ＭＯＳＦＥＴ
５、１５ 発振制御回路
６、１６ 全波整流器
７、１７ センタータップ整流器
８、１８ 平滑コンデンサ
９、１９ 負荷
２１ 共振コンデンサ
２２、２３ コンデンサ
２４、２５ 抵抗
２６、２７ 遅延回路
２８ カレントトランス
２９ 抵抗
３０ トリガ回路

Claims (1)

1. 交流電源と前記交流電源に直列に接続されたトランスの１次巻線と双方向開閉回路からなる直列回路と前記１次巻線に電磁的に結合している２次巻線と前記２次巻線に生じるいずれの極性のパルスをも整流する全波整流器と前記全波整流器の出力側に接続された平滑コンデンサと前記平滑コンデンサに充電される直流電圧の供給を受ける負荷と前記直流電圧を一定に保つために前記双方向開閉回路のオン・オフを制御する発振制御回路からなる交流電流スイッチング電源装置において、前記双方向開閉回路に並列に共振コンデンサを接続し、前記発振制御回路に外部信号で前記双方向開閉回路をターンオンさせるトリガ回路を付加し、前記トランスの励磁エネルギがゼロになると信号を発する励磁エネルギ検出回路と前記励磁エネルギ検出回路の信号を所定の時間遅らせて前記トリガ回路に加える遅延回路を付加したことを特徴とする交流電流スイッチング電源装置。

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