JP2012235661A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電圧範囲が広いワイドレンジ入力に対応する電源装置において、平滑回路部分の小型化とローコスト化を実現すること。
【解決手段】広い入力電圧範囲の交流入力が整流回路で整流された直流出力を平滑回路で平滑するように構成された電源装置において、前記平滑回路は、比較的低容量で高耐圧を有し前記整流回路の負出力端子間に接続された第１のコンデンサと、ドレインが前記整流回路の正出力端子に接続されたＭＯＳＦＥＴと、比較的大容量で低耐圧を有し一端が前記ＭＯＳＦＥＴのソースに接続されて他端が前記整流回路の負出力端子に接続された第２のコンデンサと、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間に並列接続されたダイオードと、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続された固定電圧源、
とで構成されていることを特徴とするもの。
【選択図】図１

Description

本発明は、電源装置に関し、詳しくは、交流入力が整流された直流出力を平滑する平滑回路の改善に関するものである。

図５は、従来の電源装置の一例を示すスイッチング電源のブロック図である。図５において、交流電源１は、交流電圧入力を印加して電力を供給するものであり、商用電源などが用いられる。整流回路２は、交流電源１から入力される交流を直流に変換するものであり、たとえばダイオードブリッジなどで実現される。

平滑回路３は、整流回路２の直流出力電圧に含まれるリプル成分を低減する機能を有するものであり、整流回路２の正負出力端子間に平滑コンデンサ３ａが接続された最も単純なコンデンサ入力型の例を示している。

ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、平滑回路３から出力される直流電圧を所望の直流電圧に調整して出力するものである。ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、入出力電圧の関係から昇圧型、降圧型、昇降圧型などに分類されるとともに、入出力の絶縁機能から絶縁型、非絶縁型などにも分類されるが、ここでは負荷５に一定の直流電圧を印加する電圧安定化機能を持つ任意のものを対象とする。

ところで、平滑回路３を構成する平滑コンデンサ３ａとしては、交流電源１の出力電圧と負荷５の電力に合わせて、整流回路２の正負出力端子間のリプルが所定の範囲に収まるような充分な静電容量のものを選ぶのが一般的である。

図６は、図５における平滑回路３の具体例図である。図６の例では、平滑コンデンサ３ａとして、充分な平滑動作と耐圧を確保するために、静電容量が３３０μＦという大容量で、耐圧として４５０Ｖを持つコンデンサを使用している。

図７は図５の平滑回路の平滑動作を説明する波形例図であり、平滑回路３における平滑コンデンサ３ａの端子間電圧を示している。３本ある波形は交流電源１から入力される交流電圧の違いによるもので、上からそれぞれ７０Ｖｒｍｓ、３５Ｖｒｍｓ、２０Ｖｒｍｓのときのものである。許容最低電圧は、次段のＤＣ−ＤＣコンバータ４が安定に動作できる最低電圧を示すもので、平滑回路３において前記平滑コンデンサ３ａの端子間電圧をこの許容最低電圧以上に保つ必要があり、図５の例では２０Ｖとしている。また、交流電源１の周波数は商用電源の５０Ｈｚとしている。

特許文献１には、ＤＣ／ＤＣコンバータの二次側の負荷レベルに応じて、平滑コンデンサの容量を、大容量と低容量に切り換える技術が記載されている。

特許文献２には、電源回路内に発生した過電圧を検出した場合に、平滑コンデンサの接続を、並列から直列に切り換える技術が記載されている。

特開２０００−３０８３５２号公報 特開２００９−２６８３２４号公報

しかし、交流電源１として、商用の２００Ｖ系から１００Ｖ系さらには産業用の２４Ｖ系などの広い範囲に対応するように構成されたワイドレンジ入力対応形の電源装置では、平滑コンデンサとして、２００Ｖ系に対応した高耐圧と２４Ｖ系で必要となる大容量とが両立するものを実装しなければならない。

この場合、平滑コンデンサ３ａとして非常に大型のコンデンサが必要になり、部品実装面積の増大や部品のコストアップを招くという問題が発生することになる。

本発明は、このような問題点を解決するものであり、その目的は、入力電圧範囲が広いワイドレンジ入力に対応する電源装置において、平滑回路部分の小型化とローコスト化を実現することにある。

このような課題を達成するために、本発明のうち請求項１記載の発明は、
広い入力電圧範囲の交流入力が整流回路で整流された直流出力を平滑回路で平滑するように構成された電源装置において、
前記平滑回路は、
比較的低容量で高耐圧を有し前記整流回路の負出力端子間に接続された第１のコンデンサと、ドレインが前記整流回路の正出力端子に接続されたＭＯＳＦＥＴと、比較的大容量で低耐圧を有し一端が前記ＭＯＳＦＥＴのソースに接続されて他端が前記整流回路の負出力端子に接続された第２のコンデンサと、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間に並列接続されたダイオードと、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続された固定電圧源、
とで構成されていることを特徴とする。

請求項２は、請求項１記載の電源装置において、
前記ダイオードとして、前記ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディーダイオードを用いることを特徴とする。

請求項３は、請求項１または請求項２記載の電源装置において、
前記固定電圧源は、他の回路ブロックの出力電圧系統であることを特徴とする。

このように構成することにより、入力電圧範囲が広いワイドレンジ入力に対応する電源装置において、平滑回路部分の小型化とローコスト化を実現できる。

本発明の一実施例を示すブロック図である。 図５における平滑回路３の具体例図である。 図２の平滑回路の平滑動作を説明する波形例図である。 部品実装の視点に基づく本発明の効果の説明例図である。 従来の電源装置の一例を示すスイッチング電源のブロック図である。 本発明の他の表示画面例図である。 図５の平滑回路の平滑動作を説明する波形例図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。図１は本発明の一実施例を示すブロック図であり、図５と共通する部分には同一の符号を付けている。図１と図５の相違点は、平滑回路３の構成にある。

すなわち、図１の平滑回路３は、第１のコンデンサ３ｂと、第２のコンデンサ３ｃと、ＭＯＳＦＥＴ３ｄと、ダイオード３ｅと、固定電圧源３ｆとで構成されている。

第１のコンデンサ３ｂは、整流回路２の正負出力端子間に接続されるもので、交流電源１の入力電圧および整流回路２の構成により決まる正負出力端子間の最大電圧に耐えられる高耐圧特性を有するものである。

第２のコンデンサ３ｃは、ＭＯＳＦＥＴ３ｄのソースと整流回路２の負出力端子間に接続されるもので、第１のコンデンサ３ｂより低い耐圧特性と大容量を有するものである。

ＭＯＳＦＥＴ３ｄはＮｃｈタイプであり、ドレインは整流回路２の正出力端子に接続されていて、整流回路２の正負出力端子間に第２のコンデンサ３ｃと直列接続されている。ゲートは固定電圧源３ｆに接続されている。これらＭＯＳＦＥＴ３ｄと第２のコンデンサ３ｃの直列回路は、整流回路２の正負出力端子間に、第１のコンデンサ３ｂと並列に接続されている。

ダイオード３ｅは、ＭＯＳＦＥＴ３ｄのドレイン、ソース間に並列接続されていて、カソードはＭＯＳＦＥＴ３ｄのドレインに接続され、アノードはＭＯＳＦＥＴ３ｄのソースに接続されている。

固定電圧源３ｆは、第２のコンデンサ３ｃの耐圧以下の電圧を出力するものであり、ＭＯＳＦＥＴ３ｄのゲートに接続されている。このようにＭＯＳＦＥＴ３ｄと組み合わせることにより、第２のコンデンサ３ｃの端子間に耐圧を超える電圧が印加されないように抑制する。

図２は、図１における平滑回路３の具体例図である。図２の例では、第１のコンデンサ３ｂとして静電容量が２２μＦで耐圧として４５０Ｖを持つものを使用し、第２のコンデンサ３ｃとして静電容量が６８０μＦで耐圧として３５Ｖを持つものを使用している。

このように構成される本発明の動作を説明する。図１に示す本発明の装置は、交流電源１から入力される交流電圧および負荷５の状態によって、以下に説明するような３つの動作状態Ａ〜Ｃをとる。

Ａ．第１の動作：
第２のコンデンサ３ｃに電荷が十分蓄積されていなくて両端の電圧が低く、ＭＯＳＦＥＴ３ｄのゲートソース間電圧ＶｇｓがＭＯＳＦＥＴ３ｄのスレッショルド電圧Ｖｔｈより大きい場合には、ＭＯＳＦＥＴ３ｄは自動的にオン（導通状態）となる。その結果、第２のコンデンサ３ｃには、整流回路２の正出力端子からＭＯＳＦＥＴ３ｄを経由して電流が流れ込んで充電され、次第に第２のコンデンサ３ｃの両端電圧が上昇する。そして、ＭＯＳＦＥＴ３ｄのＶｇｓ＜Ｖｔｈとなる状態まで充電されるとＭＯＳＦＥＴ３ｄはオフ（非導通状態）になり、第２のコンデンサ３ｃの充電は完了する。

この第１の動作は、第２のコンデンサ３ｃに電荷が蓄積されていない電源投入直後には必ず発生する。また、交流電源１の出力電圧が比較的低くかつ負荷５が比較的重い場合には、整流回路２の正負出力端子間のリプルが大きくなり、第１の動作と次に説明する第２の動作とを交互に繰り返す。

また同時に、第１のコンデンサ３ｂは、整流回路２の正負出力端子間の電圧、すなわち第１のコンデンサ３ｂの端子間電圧の上昇に伴って電荷を蓄積し、端子間電圧の平滑動作に寄与する。

Ｂ．第２の動作：
整流回路２の正負出力端子間の電圧が第２のコンデンサ３ｃの両端電圧よりもダイオード３ｅのオン電圧Ｖｆ分低い状態まで下がると、ダイオード３ｅがオン（導通状態）となり、第２のコンデンサ３ｃは放電状態となる。その結果、整流回路２の正出力端子には第２のコンデンサ３ｃからダイオード３ｅを経由して負荷５に対して十分な電荷が供給されることになり、電圧の低下が抑制される。この効果は、第２のコンデンサ３ｃの静電容量が大きいほど高くなる。

この動作は、交流電源１の出力電圧が比較的低くて負荷５が比較的重い場合には、整流回路２の正負出力端子間のリプルが大きくなることから、前述の第１の動作とを交互に繰り返す。また、たとえば瞬停により交流電源１の出力電圧が定常状態より低下した場合にも発生する。

また同時に、第１のコンデンサ３ｂは、整流回路２の正負出力端子間の電圧、すなわち第１のコンデンサ３ｂの端子間電圧の低下に伴って電荷を放出し、端子間電圧の平滑動作に寄与する。

Ｃ．第３の動作：
前述の第１の動作および第２の動作が発生しない条件で、整流回路２の正負出力端子間の電圧が変化するとき、第１のコンデンサ３ｂは充電または放電動作を行い、整流回路２の正負出力端子間の電圧が安定するように平滑動作を行う。この動作は、通常のコンデンサ入力型平滑回路の基本動作である。

図２に示す本発明の平滑回路３は、交流電源１の出力電圧および負荷５の状態やその変化によって、第１の動作、第２の動作および第３の動作のいずれかに連続的に移行し、整流回路２の正負出力端子間の電圧を平滑する動作を行う。そして、これら動作状態の移行は、外部からの制御信号なしに自律的に行われる。

図３は図２の平滑回路の平滑動作を説明する波形例図であり、平滑回路３における第１のコンデンサ３ｂの端子間電圧を示している。図３に示す３本の波形と許容最低電圧は、図７の説明で述べたとおりである。

図３の波形と図７の波形を比較すると、平滑回路３における第１のコンデンサ３ｂの端子間電圧のリプル振幅は、本発明に基づく図３の方が大きくなっているが、最低電圧は両者ともほぼ同等であり、許容最低電圧２０Ｖ以上を確保できている。

なお、平滑回路３における第１のコンデンサ３ｂの端子間電圧のリプル振幅について、本発明に基づく図３の方が大きくなっていることは、次段のＤＣ−ＤＣコンバータ４にとって大きな問題ではない。

なぜなら、一般的なＤＣ−ＤＣコンバータの制御ループの周波数帯域は、商用電源周波数より充分高くとることが可能であり、ＤＣ−ＤＣコンバータ４の出力電圧、すなわち負荷５に印加される電圧では商用周波数のリプルは充分抑圧されるからである。

図４は部品実装の視点に基づく本発明の効果の説明例図であり、部品実装面積および部品実装体積を従来例と比較したものである。ここで、部品実装面積は、実効的な占有面積として部品を配置できる最小の長方形の面積としている。また、部品実装体積は、部品を内包できる最小の直方体の体積としている。

図４に示す具体的な実装例の比較によれば、ほぼ同等の最低電圧（ほぼ２０Ｖ）を確保しながら、部品実装面積で約１／２（１２２５ｍｍ²→５０４ｍｍ²）、部品実装体積で約１／６（６１２５０ｍｍ³→１００８０ｍｍ³）の小型化が実現できている。

また、コストについての単純な比較は難しいが、本発明の構成における部品点数の増加によるコストアップよりも、従来の構成のように高価な大容量高耐圧のコンデンサを使用しないことや、実装面積および体積が大幅に削減できることにより、総合的にはコストダウンできているものと判断できる。

なお、本発明で用いるダイオード３ｅは、個別素子に限るものではなく、ＭＯＳＦＥＴ３ｄの寄生素子であるボディーダイオードを用いてもよい。

また、ＭＯＳＦＥＴ３ｄは、ＮｃｈではなくＰｃｈを用いて実現してもよい。

また、固定電圧源３ｆは、実施例のように専用のものに限ることはなく、他の回路ブロックの出力電圧系統を流用してもよい。これにより、部品削減が図れる。

さらに、上記実施例では、交流電源１から給電する電源装置について説明したが、直流電源から給電する場合における直流電源の瞬停に対しても、電圧の低下を抑制することができる。

以上説明したように、本発明によれば、入力電圧範囲が広いワイドレンジ入力に対応する電源装置において、平滑回路部分の小型化とローコスト化を実現することができ、独立した電源装置のみならず、各種電気機器に組み込まれる電源装置としても好適である。

１ 交流電源
２ 整流回路
３ 平滑回路
３ｂ 第１のコンデンサ
３ｃ 第２のコンデンサ
３ｄ ＭＯＳＦＥＴ
３ｅ ダイオード
３ｆ 固定電圧源
４ ＤＣ−ＤＣコンバータ
５ 負荷

Claims (3)

1. 広い入力電圧範囲の交流入力が整流回路で整流された直流出力を平滑回路で平滑するように構成された電源装置において、
   前記平滑回路は、
   比較的低容量で高耐圧を有し前記整流回路の負出力端子間に接続された第１のコンデンサと、ドレインが前記整流回路の正出力端子に接続されたＭＯＳＦＥＴと、比較的大容量で低耐圧を有し一端が前記ＭＯＳＦＥＴのソースに接続されて他端が前記整流回路の負出力端子に接続された第２のコンデンサと、前記ＭＯＳＦＥＴのドレイン−ソース間に並列接続されたダイオードと、前記ＭＯＳＦＥＴのゲートに接続された固定電圧源、
   とで構成されていることを特徴とする電源装置。
2. 前記ダイオードとして、前記ＭＯＳＦＥＴの寄生素子であるボディーダイオードを用いることを特徴とする請求項１記載の電源装置。
3. 前記固定電圧源は、他の回路ブロックの出力電圧系統であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電源装置。