JP2012044758A - スイッチング電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共通の交流電源入力を持ち個別に動作する独立した複数系統のスイッチング電源部を備えるスイッチング電源装置において、簡単な構成で高周波ノイズを低減することを目的とする。
【解決手段】本発明のスイッチング電源装置は、一つの交流電源ＡＣに並列接続された複数のスイッチング電源部１，２を備える。各スイッチング電源部１，２は、整流用ダイオードブリッジＤ１０，Ｄ２０の出力側に接続されたコイルＬ１，Ｌ２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２によりコイルＬ１，Ｌ２の電流を制御して直流電圧を生成する直流電圧生成部３，４とを有する。直流電圧生成部３，４は、交流電源ＡＣに流れる電流が正弦波状となるようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチングを制御するＰＦＣコントローラ５，６を有し、スイッチング制御部７は、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が異なる位相でスイッチングするようＰＦＣコントローラ５，６を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明はスイッチング電源装置に関するものであり、特に力率改善回路を含むスイッチング電源装置に関する。

スイッチング電源装置において交流電源を整流及び平滑して直流電圧を得るために、ダイオードブリッジと平滑コンデンサを用いたコンデンサ入力方式の整流回路が多く用いられている。ところがコンデンサ入力方式の整流回路では交流電源電圧のピーク付近でしか入力電流が導通しないため、力率の低下や高調波電流の増加を招いている。

機器の力率が低下すると機器の動作に必要な入力電流が増加するため、配電設備に余裕を持たせなければならないという問題が生じる。また、交流電源の電圧に高調波が重畳することによって他の機器の誤動作を引き起こす可能性もあるため、機器が発する高調波電流は国際規格で規制されている。

このため、機器の電源に流れる電流波形を正弦波に近づけることにより高調波電流を抑制する力率改善（ＰＦＣ：Power Factor Correction）が必要であるが、近年ではスイッチング電源装置におけるスイッチング素子の動作を専用のＰＦＣコントローラで制御する手法が主流である。

ＰＦＣコントローラの動作モードには、昇圧コイル電流がゼロであることを検出してからスイッチングする電流臨界モードや、昇圧コイルの電流がゼロになる前にＩＣが決めた周期でスイッチングする電流連続モードなどがあり、一般には小電力機器には電流臨界モード、大電力機器には電流連続モードというように、機器の消費電力に応じて適したものが選択される。いずれの場合にもＰＦＣコントローラはスイッチング素子のオンとオフのスイッチング制御を行うが、スイッチングによって電源装置内に流れる電流にリプルが生じ、これにより電源に高周波ノイズが発生してしまう。

高周波ノイズを抑制するため、特許文献１には単一のスイッチング電源装置内の電流経路を２つないしはそれ以上に分割し、電流経路の各々に設けたスイッチング素子を異なる位相でスイッチングさせることにより、交流電源に流れる電流のリプルを打ち消しあって高周波ノイズの抑制を図る方法が提示されている。

また、特許文献２には単一の負荷を駆動するのに電流臨界モードで動作する複数台のＰＦＣ回路を並列接続し、各々のＰＦＣ回路に設けられたスイッチング素子がオフするタイミングをずらすことにより、電源装置に流れる高周波電流の振幅を小さくする手法が提示されている。

特開２００７−１９５２８２号公報 特開２００６−２０４００８号公報

上述のように、高周波ノイズの抑制を図るための様々な手法が提示されているが、特許文献１に記載の電源装置では、全てのスイッチング素子が単一のスイッチング電源内に接続されていなければならず、異なる負荷を駆動するのに共通の交流電源入力を持つ複数のスイッチング電源がある場合に、それらの各々に設けられた各スイッチング素子を異なる位相でスイッチングするように制御することが出来ないという問題がある。

また、特許文献２に記載の電源装置では単一の負荷を駆動するのに並列に接続された各ＰＦＣ回路が電流臨界モードで動作するため、数百Ｗ程度の大きな電力を必要とする機器に適用する際には各ＰＦＣ回路に流れるピーク電流が大きくなり、回路負荷が大きくなる。さらに、異なる負荷を駆動するのに共通の交流電源入力を持つ複数のスイッチング電源がある場合に適用するには回路規模が大きくなり過ぎるという問題がある。

本発明は上述の問題点に鑑み、共通の交流電源入力を持ち個別に動作する独立した複数系統のスイッチング電源部を備えるスイッチング電源装置において、簡単な構成で高周波ノイズを低減することを目的とする。

本発明のスイッチング電源装置は、一つの交流電源に対して並列接続された複数のスイッチング電源部と、前記各スイッチング電源部におけるスイッチングを制御するスイッチング制御部とを備えたスイッチング電源装置であって、各スイッチング電源部は、前記交流電源を全波整流する整流部と、前記整流部の出力側に接続されたコイルと、スイッチング素子により前記コイルに流れる電流を制御して直流電圧を生成する直流電圧生成部とを有し、前記直流電圧生成部は、前記交流電源に流れる電流が正弦波状となるように前記スイッチング素子のスイッチングを制御するＰＦＣコントローラを有し、前記スイッチング制御部は、前記各スイッチング電源部に設けられたスイッチング素子が互いに異なる位相でスイッチングするように前記各ＰＦＣコントローラを制御することを特徴とする。

本発明のスイッチング電源装置は、一つの交流電源に対して並列接続された複数のスイッチング電源部と、前記各スイッチング電源部におけるスイッチングを制御するスイッチング制御部とを備えたスイッチング電源装置であって、前記スイッチング制御部は、前記各スイッチング電源部に設けられたスイッチング素子が互いに異なる位相でスイッチングするように前記各ＰＦＣコントローラを制御する。これにより、高周波ノイズを抑制することが可能である。

実施の形態１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。 実施の形態１に係るスイッチング制御部の構成を示す回路図である。 スイッチング動作によるコイル電流の変化を示す図である。 実施の形態２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。 実施の形態２に係るスイッチング制御部の構成を示す回路図である。

（実施の形態１）
＜構成＞
図１は、本実施の形態のスイッチング電源装置の構成を示す回路図である。スイッチング電源装置は、一つの交流電源ＡＣに並列に接続された複数のスイッチング電源部１，２と、スイッチング電源部１のＰＦＣコントローラ５、スイッチング電源部２のＰＦＣコントローラ６にそれぞれ接続されたスイッチング制御部７を備える。スイッチング電源部１は、交流電源ＡＣがヒューズＦ１を介して接続される整流用ダイオードブリッジＤ１０と、整流用ダイオードブリッジＤ１０の出力側に接続されるコイルＬ１と、コイルＬ１に流れる電流を制御して直流電圧を生成する直流電圧生成部３とを備える。

直流電圧生成部３において、コイルＬ１の他端にはダイオードＤ１１のアノードが接続され、コイルＬ１とダイオードＤ１１の接続点にはＭＯＳトランジスタ等のスイッチング素子Ｑ１のドレインが接続される。スイッチング素子Ｑ１のゲートはＰＦＣコントローラ５と接続され、スイッチング素子Ｑ１のスイッチング動作はＰＦＣコントローラ５の出力により制御される。スイッチング素子Ｑ１のソースはグラウンドＧＮＤ１１に接続されている。また、ダイオードＤ１１のカソードは出力電圧端子Ｖｏｕｔ１に接続され、出力電圧端子Ｖｏｕｔ１とグラウンドＧＮＤ１１の間にはコンデンサＣ１が接続される。

スイッチング電源部２の構成はスイッチング電源部１の構成と同様であり、スイッチング電源部２は、交流電源ＡＣがヒューズＦ２を介して接続される整流用ダイオードブリッジＤ２０と、整流用ダイオードブリッジＤ２０の出力側に接続されるコイルＬ２と、コイルＬ２に流れる電流を制御して直流電圧を生成する直流電圧生成部４とを備える。

直流電圧生成部４において、コイルＬ２の他端にはダイオードＤ２１のアノードが接続され、コイルＬ２とダイオードＤ２１の接続点にはＭＯＳトランジスタ等のスイッチング素子Ｑ２のドレインが接続される。スイッチング素子Ｑ２のゲートはＰＦＣコントローラ６と接続され、スイッチング素子Ｑ２のスイッチング動作はＰＦＣコントローラ６の出力により制御される。スイッチング素子Ｑ２のソースはグラウンドＧＮＤ１２に接続されている。また、ダイオードＤ２１のカソードは出力電圧端子Ｖｏｕｔ２に接続され、出力電圧端子Ｖｏｕｔ２とグラウンドＧＮＤ１２の間にはコンデンサＣ２が接続される。

スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオンの間にコイルＬ１，Ｌ２に蓄えられたエネルギーは、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２がオフの間にダイオードＤ１１，Ｄ２１を通ってコンデンサＣ１，Ｃ２を充電する。これにより直流電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２が出力され、前記オン・オフのデューティー比を調整することにより所望の出力電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２を得る。

＜スイッチング制御部＞
図２はスイッチング制御部７の内部構成を示した回路図である。スイッチング制御部７は、矩形波の同期信号を発振するタイマＩＣ等の発振部８と、同期信号を反転するインバータ９と、フォトカプラＰＣ１，ＰＣ２とを備えている。発振部８が形成した同期信号ＳＩＧ１はＳＩＧ２とＳＩＧ３に分岐され、同期信号ＳＩＧ２はフォトカプラＰＣ１を介してＰＦＣコントローラ５に入力される。分岐された他方の同期信号ＳＩＧ３はインバータ９で反転した後、フォトカプラＰＣ２を介してＰＦＣコントローラ６に入力される。よって、ＰＦＣコントローラ５に入力される同期信号ＳＩＧ４とＰＦＣコントローラ６に入力される同期信号ＳＩＧ５の位相は互いに１８０°異なっている。

ＰＦＣコントローラ５，６はスイッチング制御部７から入力された同期信号に同期してスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をそれぞれスイッチングする機能をもつ集積回路（図示せず）を備えているため、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２はそれぞれ同期信号ＳＩＧ４，ＳＩＧ５に同期してスイッチングすることとなり、互いに１８０°異なる位相でスイッチングすることとなる。

そのときのコイルＬ１を流れる電流ＩＬ１、コイルＬ２を流れる電流ＩＬ２の変化を図３に示す。スイッチング素子Ｑ１がオンになるとドレイン・ソース間電圧は発生せず、その間コイル電流ＩＬ１は上昇する。スイッチング素子Ｑ１がオフになるとドレイン・ソース間に電圧が発生し、コイル電流ＩＬ１は減少する。スイッチング素子Ｑ２とコイル電流ＩＬ２の関係もこれと同様であり、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が互いに逆位相でスイッチングすることにより、コイル電流ＩＬ１のリプルΔＩＬ１とコイル電流ＩＬ２のリプルΔＩＬ２は異なるタイミングで発生する。よって、ＩＬ１とＩＬ２の和を取ることによりリプルΔ（ＩＬ１＋ＩＬ２）は抑制され、交流電源に流れる高周波ノイズが抑制される。

スイッチング制御部７はスイッチング電源装置の２次側に配置されており、スイッチング制御部７のグラウンドは２次側のグラウンドであるＧＮＤ２であるため、上述のように発振部８からの同期信号はフォトカプラを介してＰＦＣコントローラ５，６に入力されている。このようにするとスイッチング電源部１，２の回路構成は全く等価となり、スイッチング電源部１，２で全く同種の部品を使用することでスイッチング電源部１，２のスイッチング周波数およびスイッチング電源部１，２から出力される直流電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２を互いに等しくすることができる。これによりスイッチング電源部１，２は互いに等価なものとして取り扱うことができるので、例えばプロジェクタにおいて同種のランプを複数個点灯させる場合など、等しい出力電圧が複数系統必要な場合の高周波ノイズ低減に有効である。

図２ではインバータ９を用いることにより同期信号ＳＩＧ４，ＳＩＧ５が互いに１８０°異なる位相となる場合の例を示したが、必ずしもインバータを用いる必要はないし、リプルの抑制効果を奏する限りにおいて位相の変化量は１８０°に限らない。例えば、信号経路の一方または両方に適切に乗数を決定した抵抗とコンデンサからなる遅延回路を挿入し、この遅延回路に引き続いてシュミットトリガインバータなどを挿入して波形整形を行うことにより、互いに異なる位相の同期信号ＳＩＧ４，ＳＩＧ５を形成することが可能である。

また、矩形波の発振手段としてはタイマＩＣに限らず、種々の発振回路を利用することが可能である。

また、ＰＦＣコントローラ５，６はスイッチング電源部１，２を電流連続モードで動作させることにより、各スイッチング電源部１，２におけるスイッチング周波数は時間によらず一定である。

＜効果＞
本実施の形態のスイッチング電源装置は、一つの交流電源ＡＣに対して並列接続された複数のスイッチング電源部１，２と、各スイッチング電源部１，２におけるスイッチングを制御するスイッチング制御部７とを備えたスイッチング電源装置であって、各スイッチング電源部１，２は、交流電源ＡＣを全波整流する整流部（整流用ダイオードブリッジＤ１０，Ｄ２０）と、整流用ダイオードブリッジＤ１０，Ｄ２０の出力側に接続されたコイルＬ１，Ｌ２と、スイッチング素子Ｑ１，Ｑ２によりコイルＬ１，Ｌ２に流れる電流ＩＬ１，ＩＬ２を制御して直流電圧を生成する直流電圧生成部３、４とを有し、直流電圧生成部３，４は、交流電源ＡＣに流れる電流が正弦波状となるようにスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチングを制御するＰＦＣコントローラ５，６を有し、スイッチング制御部７は、各スイッチング電源部１，２に設けられたスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が互いに異なる位相でスイッチングするように各ＰＦＣコントローラ５，６を制御することを特徴とする。これにより、交流電源ＡＣに流れる電流のリプルを低減し、高周波ノイズを抑制することが可能となる。

また、ＰＦＣコントローラ５，６はスイッチング電源部１，２の電流連続モードでスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２をスイッチングするので、大電力機器にも本スイッチング電源装置を用いることが可能である。

さらに、スイッチング制御部７と各ＰＦＣコントローラ５，６とをフォトカプラＰＣ１，ＰＣ２によって電気的に接続することにより、各スイッチング電源部１，２の回路構成を全く等価にすることが可能である。すなわち、各スイッチング電源部１，２で全く同種の部品を使用することでスイッチング周波数と出力する直流電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２を互いに等しくすることが出来る。

また、スイッチング電源部１，２は交流電源ＡＣに対して並列に２つ接続され、スイッチング制御部７は、各スイッチング電源部１，２におけるスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２が互いに１８０°異なる位相でスイッチングするように各ＰＦＣコントローラ５，６を制御する。これにより、コイル電流ＩＬ１，ＩＬ２の和を取ることによりリプルが低減し、高周波ノイズを抑制することが可能である。

（実施の形態２）
図４は、実施の形態２のスイッチング電源装置の構成を示す回路図であり、図５は図４におけるスイッチング制御部の構成を示した回路図である。図４は図１と共通する部分が多く、実施の形態１のスイッチング電源装置と実施の形態２のスイッチング電源装置の動作波形は同等であるため、以下では図５及び図２を参照しながら図４と図１の差異を説明するに留める。

実施の形態１ではスイッチング制御部７のグラウンドを２次側のグラウンドＧＮＤ２としていたが、実施の形態２では図４に示すようにスイッチング電源部１とグラウンドを共通（ＧＮＤ１１）にすることにより、スイッチング制御部７とＰＦＣコントローラ５は直接に接続される。このため、図２と異なり図５に示すように同期信号ＳＩＧ２はフォトカプラを介さず直接ＰＦＣコントローラ５に同期信号ＳＩＧ４として入力される。一方、インバータ９で反転した同期信号ＳＩＧ３はフォトカプラＰＣ２を介してＰＦＣコントローラ６に同期信号ＳＩＧ５として入力される。

図４ではスイッチング制御部７のグラウンドとスイッチング電源部１のグラウンドを共通にする例を示したが、スイッチング制御部７のグラウンドとスイッチング電源部２のグラウンドを共通にしても良い。

このようにスイッチング制御部７がスイッチング電源部１，２の一方とグラウンドを共通にする構成では、各スイッチング電源部１，２は完全には等価であるとは言えないが、各スイッチング電源部１，２のスイッチング周波数や出力電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２が等しくなるように部品を選ぶことは可能である。これにより実施の形態１と同様に、等しい出力電圧が複数系統必要な機器に本スイッチング電源装置を用いることができる。また、実施の形態１と比べてスイッチング制御部７の構成からフォトカプラを一つ省略することができ、簡潔な構成になるという利点がある。

以上の構成により、スイッチング電源部１，２のスイッチング素子Ｑ１，Ｑ２のスイッチングを互いに異なる位相で行うことができ、実施の形態１と同様に高周波ノイズを低減することが可能である。

＜効果＞
本実施の形態のスイッチング電源装置において、スイッチング制御部７は一つのスイッチング電源部１とグラウンドを共通にすることにより、当該一つのスイッチング電源部１内のＰＦＣコントローラ５と直接に接続され、スイッチング制御部７と他のスイッチング電源部２内のＰＦＣコントローラ６とはフォトカプラＰＣ２によって電気的に接続される。このような構成にした場合でも、各スイッチング電源部１，２のスイッチング周波数や出力電圧Ｖｏｕｔ１，Ｖｏｕｔ２が等しくなるように部品を選ぶことが可能であるため、等しい出力電圧が複数系統必要な機器に本スイッチング電源装置を用いることができる。さらに、スイッチング制御部７の構成からフォトカプラを一つ省略することができ、簡潔な構成になるという利点がある。

１，２ スイッチング電源部、３，４ 直流電圧生成部、５，６ ＰＦＣコントローラ、７ スイッチング制御部、８ 発振部、９ インバータ、ＡＣ 交流電源、Ｃ１，Ｃ２ コンデンサ、Ｄ１０，Ｄ２０ 整流用ダイオードブリッジ、Ｄ１１，Ｄ２１ ダイオード、Ｆ１，Ｆ２ ヒューズ、Ｌ１，Ｌ２ コイル、ＰＣ１，ＰＣ２ フォトカプラ、Ｑ１，Ｑ２ スイッチング素子、ＳＩＧ１，ＳＩＧ２，ＳＩＧ３，ＳＩＧ４，ＳＩＧ５ 同期信号、ＧＮＤ１１，ＧＮＤ１２ グラウンド（１次側）、ＧＮＤ２ グラウンド（２次側）。

Claims (5)

1. 一つの交流電源に対して並列接続された複数のスイッチング電源部と、
   前記各スイッチング電源部におけるスイッチングを制御するスイッチング制御部とを備えたスイッチング電源装置であって、
   各スイッチング電源部は、
   前記交流電源を全波整流する整流部と、
   前記整流部の出力側に接続されたコイルと、
   スイッチング素子により前記コイルに流れる電流を制御して直流電圧を生成する直流電圧生成部とを有し、
   前記直流電圧生成部は、前記交流電源に流れる電流が正弦波状となるように前記スイッチング素子のスイッチングを制御するＰＦＣコントローラを有し、
   前記スイッチング制御部は、前記各スイッチング電源部に設けられたスイッチング素子が互いに異なる位相でスイッチングするように前記各ＰＦＣコントローラを制御することを特徴とするスイッチング電源装置。
2. 前記ＰＦＣコントローラは前記スイッチング電源部の電流連続モードで前記スイッチング素子をスイッチングすることを特徴とする、請求項１に記載のスイッチング電源装置。
3. 前記スイッチング制御部と前記各ＰＦＣコントローラとはフォトカプラによって電気的に接続されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
4. 前記スイッチング制御部は一つの前記スイッチング電源部とグラウンドを共通にすることにより、当該一つのスイッチング電源部内の前記ＰＦＣコントローラと直接に接続され、
   前記スイッチング制御部と他の前記スイッチング電源部内のＰＦＣコントローラとはフォトカプラによって電気的に接続されることを特徴とする、請求項１又は２に記載のスイッチング電源装置。
5. 前記スイッチング電源部は前記交流電源に対して並列に２つ接続され、
   前記スイッチング制御部は、前記各スイッチング電源部におけるスイッチング素子が互いに１８０°異なる位相でスイッチングするように前記各ＰＦＣコントローラを制御することを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載のスイッチング電源装置。

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