JP2015139275A - Load drive device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、商用交流電源から供給された交流電圧を整流して、負荷に直流電力を供給するための高力率の負荷駆動装置に関する。 The present invention relates to a high power factor load driving device for rectifying an AC voltage supplied from a commercial AC power source and supplying DC power to a load.
商用交流電源を使用する負荷駆動装置には、高調波電流規制に対応することが強く望まれている。上記課題を解決するものとして、負荷に任意の電圧を出力させる降圧型チョッパ回路に、力率改善機能を持たせた昇圧型チョッパ回路を付加する構成、すなわち2コンバータ方式の電源回路が知られている。例えば、特許文献1の段落0018には、「力率改善回路3は、チョークコイルL1と、ダイオードD1と、コンデンサC1と、トランジスタQ1と、電流検出部7とを直列的に接続し、コンデンサC1の電圧を出力電圧Vpfcとして負荷のDC/DCコンバータ5に供給する構成を有し、」と記載されている。しかしながら、特許文献1に示された回路構成では、2つのチョッパ回路を備えるため、部品点数が増加するとともに装置自体も大型化する問題があった。 It is strongly desired that a load driving device using a commercial AC power supply comply with harmonic current regulation. In order to solve the above-mentioned problem, a configuration in which a step-up chopper circuit having a power factor correction function is added to a step-down chopper circuit that outputs an arbitrary voltage to a load, that is, a two-converter power supply circuit is known. Yes. For example, paragraph 0018 of Patent Document 1 states that “the power factor correction circuit 3 includes a choke coil L1, a diode D1, a capacitor C1, a transistor Q1, and a current detection unit 7 connected in series, and a capacitor C1. Is supplied to the load DC / DC converter 5 as an output voltage Vpfc. However, since the circuit configuration disclosed in Patent Document 1 includes two chopper circuits, there is a problem that the number of parts increases and the apparatus itself increases in size.
それに対して、力率改善機能を有しながら任意の出力電圧を得ることができ、小型化できるワンコンバータ回路構成が知られている。例えば、特許文献2の図6には、従来の高力率形スイッチング電源装置として、入力電解コンデンサレスのワンコンバータ方式が示されている。 On the other hand, there is known a one-converter circuit configuration that can obtain an arbitrary output voltage while having a power factor improving function and can be miniaturized. For example, FIG. 6 of Patent Document 2 shows a one converter system without an input electrolytic capacitor as a conventional high power factor type switching power supply device.
しかしながら、ワンコンバータ方式の回路を備えた負荷駆動装置では、整流回路(ダイオードブリッジ)で全波整流された電圧波形に比例させるようにインダクタ電流をスイッチ素子で制御することにより、入力電流波形を正弦波状に近似させて高調波を抑制している。よって、整流回路後に大容量の平滑コンデンサを配置して電圧波形を平滑化することができない。そのため、コンバータ出力に交流周波数帯のリップルが現れるという問題があった。 However, in a load drive device equipped with a one-converter circuit, the input current waveform is sinusoidal by controlling the inductor current with a switch element so that it is proportional to the voltage waveform that is full-wave rectified by a rectifier circuit (diode bridge). Harmonics are suppressed by approximating the wave shape. Therefore, a voltage capacitor cannot be smoothed by arranging a large-capacity smoothing capacitor after the rectifier circuit. Therefore, there has been a problem that ripples in the AC frequency band appear in the converter output.
また、2コンバータ方式の回路を備えた負荷駆動装置は、出力に交流周波数帯のリップルが現れないという利点がある。しかし、制御回路が各々に必要となるため部品点数が増え、部品コストや組み立てコストなどの製造コストが上昇するという問題があった。 Moreover, the load drive device provided with the circuit of 2 converter systems has the advantage that the ripple of an alternating frequency band does not appear in an output. However, since a control circuit is required for each, the number of components increases, and there is a problem that manufacturing costs such as component costs and assembly costs increase.
そこで、本発明は、ワンコンバータ回路構成でありながら、出力リップルを低減した負荷駆動装置を提供することを課題とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a load driving device with a reduced output ripple while having a one-converter circuit configuration.
前記した課題を解決するため、本発明の負荷駆動装置では、交流電圧を全波整流した整流電圧を出力する整流回路と、前記整流回路の正極と負極との間に、第1整流素子とスイッチ素子と第1リアクトルとが直列接続され、前記第1リアクトルの両端に第2整流素子と第3整流素子と第1平滑コンデンサとが直列接続されて、前記整流回路から入力される整流電圧の力率を改善する力率改善回路と、前記スイッチ素子と前記第1平滑コンデンサと前記第3整流素子とからなる第1直列回路を共有し、前記第1直列回路に第4整流素子が並列接続され、前記第3整流素子の両端に第2リアクトルと第2平滑コンデンサとが直列接続されて、前記第2平滑コンデンサに並列接続される負荷に直流電圧を印加するDC/DCコンバータと、前記スイッチ素子のオン・オフを制御して、前記力率改善回路による昇降圧と前記DC/DCコンバータによる降圧とを同期して行わせる制御部とを備える。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
In order to solve the above-described problem, in the load driving device of the present invention, a rectifier circuit that outputs a rectified voltage obtained by full-wave rectification of an AC voltage, and a first rectifier element and a switch between a positive electrode and a negative electrode of the rectifier circuit. The element and the first reactor are connected in series, the second rectifier element, the third rectifier element, and the first smoothing capacitor are connected in series at both ends of the first reactor, and the force of the rectified voltage input from the rectifier circuit A power factor correction circuit for improving a power factor and a first series circuit composed of the switch element, the first smoothing capacitor, and the third rectifier element, and a fourth rectifier element is connected in parallel to the first series circuit. A DC / DC converter in which a second reactor and a second smoothing capacitor are connected in series at both ends of the third rectifying element, and a DC voltage is applied to a load connected in parallel to the second smoothing capacitor; And it controls the on-off switch element, and a control unit to perform synchronization and Buck and Buck by the power factor correction circuit according to the DC / DC converter.
Other means will be described in the embodiment for carrying out the invention.
本発明によれば、ワンコンバータ回路構成でありながら、出力リップルを低減した負荷駆動装置を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the load drive device which reduced the output ripple can be provided, although it is a one converter circuit structure.
以降、本発明を実施するための形態を、各図を参照して詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態における負荷駆動装置1の概略構成を示す回路図である。
図1に示すように、負荷駆動装置1は、整流回路BD1と、力率改善回路2と、DC/DCコンバータ3と、駆動制御回路4とを含んで構成されている。
整流回路BD1は、例えばダイオードブリッジであり、交流電源Vacの交流電圧を全波整流して、力率改善回路2に供給するものである。
Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a circuit diagram showing a schematic configuration of a load driving device 1 according to an embodiment of the present invention.
As shown in FIG. 1, the load driving device 1 includes a rectifier circuit BD1, a power factor correction circuit 2, a DC / DC converter 3, and a
The rectifier circuit BD1 is, for example, a diode bridge, and performs full-wave rectification on the AC voltage of the AC power supply Vac and supplies it to the power factor correction circuit 2.
力率改善回路2は、整流回路BD1が出力した整流電圧と整流電流との間の位相差を少なくすることで力率を改善するとともに、整流出力電圧を所定の直流電圧に昇降圧して、DC/DCコンバータ3に印加するものである。
DC/DCコンバータ3は、力率改善回路2で昇降圧された直流電圧を、さらに電圧変換して負荷10に印加するものである。駆動制御回路4は、スイッチ素子Q1のスイッチング動作を制御して、力率改善回路2による昇降圧とDC/DCコンバータ3による降圧とを同期して行わせるものである。
The power factor correction circuit 2 improves the power factor by reducing the phase difference between the rectified voltage and the rectified current output from the rectifier circuit BD1, and raises or lowers the rectified output voltage to a predetermined DC voltage. / Applied to the DC converter 3.
The DC / DC converter 3 converts the direct current voltage stepped up / down by the power factor correction circuit 2 into a voltage and applies it to the
力率改善回路2は、整流回路BD1の正極と負極との間に、第1整流素子D1と、スイッチ素子Q1と、第1リアクトルL1とが直列に接続されている。このスイッチ素子Q1は、例えば、NチャネルMOSFET(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor)である。第1整流素子D1のアノード端子は、整流回路BD1の正極に接続されている。また、第1整流素子D1のカソード端子は、スイッチ素子Q1のドレイン端子に接続されている。スイッチ素子Q1のソース端子は、第1リアクトルL1を介して整流回路BD1の負極に接続されている。第1リアクトルL1の両端には、第1平滑コンデンサC1と、第2整流素子D2と第3整流素子D3とが直列接続されている。第1平滑コンデンサC1の一端は、スイッチ素子Q1のソース端子に接続されるとともに、第1リアクトルL1を介して第2整流素子D2のアノード端子に接続されている。また、第1平滑コンデンサC1の他端は、第3整流素子D3のカソード端子に接続されている。第2整流素子D2のカソード端子は、第3整流素子D3のアノード端子に接続されている。第1リアクトルL1には、リアクトル電流IL1が流れる。 In the power factor correction circuit 2, a first rectifier element D1, a switch element Q1, and a first reactor L1 are connected in series between the positive electrode and the negative electrode of the rectifier circuit BD1. The switch element Q1 is, for example, an N-channel MOSFET (metal-oxide-semiconductor field-effect transistor). The anode terminal of the first rectifier element D1 is connected to the positive electrode of the rectifier circuit BD1. The cathode terminal of the first rectifier element D1 is connected to the drain terminal of the switch element Q1. The source terminal of the switch element Q1 is connected to the negative electrode of the rectifier circuit BD1 through the first reactor L1. A first smoothing capacitor C1, a second rectifier element D2, and a third rectifier element D3 are connected in series to both ends of the first reactor L1. One end of the first smoothing capacitor C1 is connected to the source terminal of the switching element Q1, and is connected to the anode terminal of the second rectifying element D2 via the first reactor L1. The other end of the first smoothing capacitor C1 is connected to the cathode terminal of the third rectifying element D3. The cathode terminal of the second rectifying element D2 is connected to the anode terminal of the third rectifying element D3. A reactor current IL1 flows through the first reactor L1.
DC/DCコンバータ3は、スイッチ素子Q1と、第1平滑コンデンサC1と、第3整流素子D3とからなる第1直列回路を、力率改善回路2と共有している。DC/DCコンバータ3は更に、第4整流素子D4と、第2リアクトルL2と、第2平滑コンデンサC2とを備えている。第4整流素子D4は、第1直列回路に並列接続されるとともに、そのカソード端子が、スイッチ素子Q1のドレイン端子に接続される。第2リアクトルL2と第2平滑コンデンサC2とは、第3整流素子D3の両端に直列接続される。第3整流素子D3のカソード端子は、第2リアクトルL2を介して第2平滑コンデンサC2の正極端子に接続される。第3整流素子D3のアノード端子は、第2平滑コンデンサC2の負極端子に接続される。
第2平滑コンデンサC2の両端には、負荷10が並列接続されている。
The DC / DC converter 3 shares the first series circuit composed of the switching element Q1, the first smoothing capacitor C1, and the third rectifying element D3 with the power factor correction circuit 2. The DC / DC converter 3 further includes a fourth rectifying element D4, a second reactor L2, and a second smoothing capacitor C2. The fourth rectifier element D4 is connected in parallel to the first series circuit, and its cathode terminal is connected to the drain terminal of the switch element Q1. The second reactor L2 and the second smoothing capacitor C2 are connected in series to both ends of the third rectifier element D3. The cathode terminal of the third rectifier element D3 is connected to the positive terminal of the second smoothing capacitor C2 via the second reactor L2. The anode terminal of the third rectifier element D3 is connected to the negative terminal of the second smoothing capacitor C2.
A
駆動制御回路4(制御部)は、交流電源Vacの交流周波数よりはるかに高い周波数(スイッチング周波数)の駆動信号をスイッチ素子Q1のゲート端子に出力して、このスイッチ素子Q1をオン・オフするものである。駆動制御回路4は、スイッチ素子Q1のオン・オフを制御することで、力率改善回路2における力率改善を制御する。駆動制御回路4は更に、DC/DCコンバータ3の直流出力電圧を所定の電圧にするか、または、DC/DCコンバータ3の直流出力電流を所定の電流にする。
駆動制御回路4は、トランスT1の2次側である第3リアクトルL3に接続される。このトランスT1の1次側は、第2リアクトルL2である。これにより、第2リアクトルL2に流れるリアクトル電流IL2に応じて、第3リアクトルL3には誘起電圧であるリアクトル電流検出信号が生成される。このリアクトル電流検出信号は、駆動制御回路4に入力される。駆動制御回路4は、リアクトル電流IL2に応じたリアクトル電流検出信号に基づいて、DC/DCコンバータ3が電流臨界モードで動作するようにスイッチ素子Q1を制御する。この第3リアクトルL3は、リアクトル電流IL2を検出する電流検出部である。
The drive control circuit 4 (control unit) outputs a drive signal having a frequency (switching frequency) much higher than the AC frequency of the AC power supply Vac to the gate terminal of the switch element Q1 to turn on / off the switch element Q1. It is. The
The
図2(a),(b)は、負荷駆動装置1における各電流経路の説明図である。
図2(a)は、スイッチ素子Q1がオンしているときの電流経路W1,W2,W3を示している。
電流経路W1は、整流回路BD1の正極出力端子から流出した電流が、第1整流素子D1・スイッチ素子Q1・第1リアクトルL1を経て、整流回路BD1の負極出力端子へと流れる経路である。この電流は、第1リアクトルL1に磁気エネルギを蓄積する。
電流経路W2は、第1平滑コンデンサC1の正極から流出した電流が、第2リアクトルL2・負荷10・第4整流素子D4・スイッチ素子Q1を経て、第1平滑コンデンサC1の負極へと流れる経路である。この電流は、負荷10にエネルギを放出するとともに第2リアクトルL2に磁気エネルギを蓄積する。
電流経路W3は、第2平滑コンデンサC2の正極から流出した電流が、負荷10を経て、第2平滑コンデンサC2の負極へと流れる経路である。この電流は、第2平滑コンデンサC2の静電エネルギを負荷10に放出する。このとき、第2整流素子D2および第3整流素子D3は逆バイアスされているので電流は流れない。
2A and 2B are explanatory diagrams of each current path in the load driving device 1. FIG.
FIG. 2A shows current paths W1, W2, and W3 when the switch element Q1 is on.
The current path W1 is a path through which the current flowing out from the positive output terminal of the rectifier circuit BD1 flows to the negative output terminal of the rectifier circuit BD1 via the first rectifier element D1, the switch element Q1, and the first reactor L1. This current accumulates magnetic energy in the first reactor L1.
The current path W2 is a path through which the current flowing out from the positive electrode of the first smoothing capacitor C1 flows to the negative electrode of the first smoothing capacitor C1 via the second reactor L2, the
The current path W3 is a path through which the current flowing out from the positive electrode of the second smoothing capacitor C2 flows through the
図2(b)は、スイッチ素子Q1がオフしているときの電流経路W4,W5,W6を示している。
電流経路W4は、第1リアクトルL1に蓄えられた磁気エネルギを放出するとともに、第1平滑コンデンサC1に静電エネルギを蓄積する経路である。
電流経路W5は、第2リアクトルL2に蓄えられた磁気エネルギを負荷10に放出する経路である。電流経路W6は、第2平滑コンデンサC2に静電エネルギを蓄積する経路である。スイッチ素子Q1がオフしているとき、第3整流素子D3には、第1リアクトルL1の放電電流と第2リアクトルL2の放電電流とが重畳して流れる。
FIG. 2B shows current paths W4, W5, and W6 when the switch element Q1 is off.
The current path W4 is a path for discharging magnetic energy stored in the first reactor L1 and storing electrostatic energy in the first smoothing capacitor C1.
The current path W5 is a path for releasing the magnetic energy stored in the second reactor L2 to the
スイッチ素子Q1の状態がオンからオフに遷移すると、第1リアクトルL1に流れていた電流は、時間の経過とともに減少しながら、第1リアクトルL1の一端から第2整流素子D2・第3整流素子D3を経て第1平滑コンデンサC1の正極へと流れる。この電流はさらに、第1平滑コンデンサC1の負極からは、第1リアクトルL1の他端へと流れる(電流経路W4)。この電流によって、第1リアクトルL1に蓄えられた磁気エネルギは、第1平滑コンデンサC1の静電エネルギに変換される。
また、スイッチ素子Q1の状態がオンからオフに遷移すると、第2リアクトルL2に流れていた電流は、時間の経過とともに減少しながら、第2リアクトルL2の一端から負荷10(電流経路W5)、または第2平滑コンデンサC2(電流経路W6)を経て第2リアクトルL2の他端に流れる。これらの電流によって、第2リアクトルL2の磁気エネルギは、電流経路W5を介して負荷10に放出されるとともに、電流経路W6を介して第2平滑コンデンサC2の静電エネルギに変換される。
When the state of the switch element Q1 transitions from on to off, the current flowing through the first reactor L1 decreases with the passage of time, while the second rectifier element D2 and the third rectifier element D3 start from one end of the first reactor L1. And then flows to the positive electrode of the first smoothing capacitor C1. This current further flows from the negative electrode of the first smoothing capacitor C1 to the other end of the first reactor L1 (current path W4). With this current, the magnetic energy stored in the first reactor L1 is converted into electrostatic energy of the first smoothing capacitor C1.
Further, when the state of the switching element Q1 transitions from on to off, the current flowing in the second reactor L2 decreases from time to time while decreasing from the one end of the second reactor L2 to the load 10 (current path W5), or It flows to the other end of the second reactor L2 via the second smoothing capacitor C2 (current path W6). With these currents, the magnetic energy of the second reactor L2 is released to the
なお、交流電源Vacを投入したのち、所定時間が経過した定常状態まで、負荷駆動装置1は、スイッチ素子Q1がオンとオフとを所定周期で繰り返すように制御する。これにより、負荷駆動装置1は、第1平滑コンデンサC1と第2平滑コンデンサC2に充分な静電エネルギを蓄えて、上記動作を実現可能である。
負荷駆動装置1は、第1平滑コンデンサC1と第2平滑コンデンサC2に充分な静電エネルギを蓄えて定常状態に遷移したならば、DC/DCコンバータ3が電流臨界モードで動作し、かつ、力率改善回路2が電流不連続モードまたは電流臨界モードで動作するようにスイッチ素子Q1のオン・オフを制御する。
Note that, after the AC power supply Vac is turned on, the load driving device 1 controls the switching element Q1 to be turned on and off at a predetermined cycle until a steady state after a predetermined time has elapsed. Thereby, the load driving device 1 can store the sufficient electrostatic energy in the first smoothing capacitor C1 and the second smoothing capacitor C2 and can realize the above operation.
When the load driving device 1 stores sufficient electrostatic energy in the first smoothing capacitor C1 and the second smoothing capacitor C2 and transitions to a steady state, the DC / DC converter 3 operates in the current critical mode, and The switching element Q1 is turned on / off so that the rate improvement circuit 2 operates in the current discontinuous mode or the current critical mode.
図3(a)〜(c)は、負荷駆動装置1の動作を説明するための波形図であり、交流入力の2サイクルにわたって波形を示している。
図3(a)は、交流電源Vacの電圧波形を示している。縦軸は電源電圧を示している。横軸は時間軸であり、図3(b),(c)と共通する時間を示している。
交流電源Vacの電圧は、所定周期の正弦波である。
図3(b)は、第1リアクトルL1に流れるリアクトル電流IL1の波形を示している。縦軸はリアクトル電流IL1を示している。横軸は時間軸であり、図3(a),(c)と共通する時間を示している。
リアクトル電流IL1の包絡線は、交流電源Vacの整流波形の相似形であるとともに、交流電源Vacの整流波形と同じ周期である。また、リアクトル電流IL1は、交流電源Vacの整流波形の周期と比べて速い周期の三角波である。図3(b)では、リアクトル電流IL1の波形を便宜上黒く表示している。
FIGS. 3A to 3C are waveform diagrams for explaining the operation of the load driving device 1 and show waveforms over two cycles of AC input.
FIG. 3A shows a voltage waveform of the AC power supply Vac. The vertical axis represents the power supply voltage. The horizontal axis is a time axis, and shows the time common to FIGS. 3 (b) and 3 (c).
The voltage of the AC power supply Vac is a sine wave with a predetermined period.
FIG. 3B shows a waveform of the reactor current IL1 flowing through the first reactor L1. The vertical axis represents the reactor current IL1. The horizontal axis is a time axis, and shows the time common to FIGS. 3 (a) and 3 (c).
The envelope of reactor current IL1 is similar to the rectified waveform of AC power supply Vac and has the same cycle as the rectified waveform of AC power supply Vac. Reactor current IL1 is a triangular wave with a period faster than the period of the rectified waveform of AC power supply Vac. In FIG. 3B, the waveform of the reactor current IL1 is displayed in black for convenience.
図3(c)は、第2リアクトルL2に流れるリアクトル電流IL2の波形を示している。縦軸はリアクトル電流IL2を示している。横軸は時間軸であり、図3(a),(b)と共通する時間を示している。
リアクトル電流IL2の包絡線は、直流波形である。また、リアクトル電流IL2は、交流電源Vacの周期と比べて速い周期の三角波である。図3(c)では、リアクトル電流IL2の波形を便宜上黒く表示している。
FIG. 3C shows a waveform of the reactor current IL2 flowing through the second reactor L2. The vertical axis represents the reactor current IL2. The horizontal axis is a time axis, and shows the time common to FIGS. 3 (a) and 3 (b).
The envelope of reactor current IL2 is a direct current waveform. Reactor current IL2 is a triangular wave with a period faster than that of AC power supply Vac. In FIG. 3C, the waveform of the reactor current IL2 is displayed in black for convenience.
図4(a)〜(d)は、図3の時間領域A部の時間軸を拡大した図である。
図4(a)は、交流電源Vacの電圧波形を示している。
交流電源Vacの電圧は、時間領域A部において、ほぼ所定電圧を保つ。
図4(b)は、リアクトル電流IL1の電流波形を示している。
時刻t0において、リアクトル電流IL1はゼロである。このとき、スイッチ素子Q1はオフからオンに遷移する。
時刻t0〜t1の期間において、スイッチ素子Q1はオン状態であり、リアクトル電流IL1は略直線的に増加する。このときリアクトル電流IL1は、図2(a)に示す電流経路W1を流れる。
4A to 4D are diagrams in which the time axis of the time region A part in FIG. 3 is enlarged.
FIG. 4A shows a voltage waveform of the AC power supply Vac.
The voltage of the AC power supply Vac maintains a predetermined voltage in the time domain A part.
FIG. 4B shows a current waveform of the reactor current IL1.
At time t0, reactor current IL1 is zero. At this time, the switch element Q1 transitions from off to on.
In the period from time t0 to t1, switch element Q1 is in the on state, and reactor current IL1 increases substantially linearly. At this time, the reactor current IL1 flows through the current path W1 shown in FIG.
時刻t1において、スイッチ素子Q1がオンからオフに遷移する。
時刻t1〜t2の期間において、スイッチ素子Q1はオフ状態であり、リアクトル電流IL1は略直線的に減少する。このときリアクトル電流IL1は、図2(b)に示す電流経路W4を流れる。
時刻t2において、リアクトル電流IL1はゼロとなる。
時刻t2〜t3の期間において、スイッチ素子Q1はオフ状態であり、リアクトル電流IL1はゼロを保つ。このように電流ゼロの期間を有する動作モードは、電流不連続モードと呼ばれる。
時刻t3において、スイッチ素子Q1はオフからオンに遷移する。以降、リアクトル電流IL1は、時刻t0〜t3と同様な繰り返し波形となる。
At time t1, the switch element Q1 transitions from on to off.
In the period from time t1 to time t2, switching element Q1 is in the off state, and reactor current IL1 decreases substantially linearly. At this time, the reactor current IL1 flows through a current path W4 shown in FIG.
At time t2, reactor current IL1 becomes zero.
In the period from time t2 to t3, the switching element Q1 is in the off state, and the reactor current IL1 maintains zero. Such an operation mode having a period of zero current is called a current discontinuous mode.
At time t3, the switching element Q1 transitions from off to on. Thereafter, reactor current IL1 has a repetitive waveform similar to that at times t0 to t3.
図4(c)は、リアクトル電流IL2の電流波形を示している。
時刻t0において、リアクトル電流IL2はゼロである。このとき、スイッチ素子Q1はオフからオンに遷移する。
時刻t0〜t1の期間において、スイッチ素子Q1はオン状態であり、リアクトル電流IL2は略直線的に増加する。このときリアクトル電流IL2は、図2(a)に示す電流経路W2を流れる。
時刻t1において、スイッチ素子Q1がオンからオフに遷移する。
時刻t1〜t3の期間において、スイッチ素子Q1はオフ状態であり、リアクトル電流IL2は略直線的に減少する。このときリアクトル電流IL2は、図2(b)に示す電流経路W5,W6を流れる。
時刻t3において、リアクトル電流IL2はゼロである。このとき、スイッチ素子Q1はオフからオンに遷移する。すなわち、リアクトル電流IL2がゼロを維持し続けることはない。このように電流ゼロの期間を有さない動作モードは、電流臨界モードと呼ばれる。
以降、リアクトル電流IL2は、時刻t0〜t3と同様な繰り返し波形となる。
FIG. 4C shows a current waveform of the reactor current IL2.
At time t0, reactor current IL2 is zero. At this time, the switch element Q1 transitions from off to on.
In the period from time t0 to t1, switch element Q1 is in the on state, and reactor current IL2 increases substantially linearly. At this time, the reactor current IL2 flows through a current path W2 shown in FIG.
At time t1, the switch element Q1 transitions from on to off.
In the period from time t1 to time t3, the switching element Q1 is in the off state, and the reactor current IL2 decreases substantially linearly. At this time, reactor current IL2 flows through current paths W5 and W6 shown in FIG.
At time t3, reactor current IL2 is zero. At this time, the switch element Q1 transitions from off to on. That is, reactor current IL2 does not continue to be zero. Such an operation mode having no current zero period is called a current critical mode.
Thereafter, reactor current IL2 has a repetitive waveform similar to that at times t0 to t3.
図4(d)は、スイッチ素子Q1のゲート電圧を示している。
時刻t0において、スイッチ素子Q1のゲート電圧はLレベルからHレベルに遷移し、スイッチ素子Q1はオフからオンに遷移する。
時刻t0〜t1の期間において、スイッチ素子Q1のゲート電圧はHレベルであり、スイッチ素子Q1はオン状態である。
時刻t1において、スイッチ素子Q1のゲート電圧はHレベルからLレベルに遷移し、スイッチ素子Q1はオンからオフに遷移する。
時刻t1〜t3の期間において、スイッチ素子Q1のゲート電圧はLレベルであり、スイッチ素子Q1はオフ状態である。
時刻t3において、スイッチ素子Q1のゲート電圧はLレベルからHレベルに遷移し、スイッチ素子Q1はオフからオンに遷移する。
以降、スイッチ素子Q1のゲート電圧は、時刻t0〜t3と同様な繰り返し波形となる。
FIG. 4D shows the gate voltage of the switch element Q1.
At time t0, the gate voltage of the switch element Q1 changes from L level to H level, and the switch element Q1 changes from off to on.
In the period from time t0 to t1, the gate voltage of the switch element Q1 is at the H level, and the switch element Q1 is in the on state.
At time t1, the gate voltage of the switch element Q1 changes from H level to L level, and the switch element Q1 changes from on to off.
In the period from time t1 to time t3, the gate voltage of the switch element Q1 is at L level, and the switch element Q1 is in the off state.
At time t3, the gate voltage of the switch element Q1 changes from L level to H level, and the switch element Q1 changes from off to on.
Thereafter, the gate voltage of the switch element Q1 has a repetitive waveform similar to that at times t0 to t3.
このような制御を実現するため、駆動制御回路4は、所定時間だけスイッチ素子Q1のゲート端子にHレベル信号を出力したのちにLレベル信号を出力する。この所定時間とは、時刻t0〜t1の期間に相当する。
駆動制御回路4は、スイッチ素子Q1のゲート端子にLレベル信号を出力しているときにリアクトル電流検出信号がゼロになったならば、スイッチ素子Q1のゲート端子に、再びHレベル信号を出力する。このような処理を繰り返すことで、駆動制御回路4は、リアクトル電流IL2を電流臨界モードに制御可能である。
In order to realize such control, the
If the reactor current detection signal becomes zero when the L level signal is output to the gate terminal of the switch element Q1, the
本実施形態の負荷駆動装置1は、力率改善回路2の力率改善動作が有効に機能するため、第1平滑コンデンサC1として大容量のものを使用しても力率が低下しない。したがって、第1平滑コンデンサC1を大容量とすることができるので、コンバータ出力に現れる交流周波数帯のリップルを軽減することができる。 In the load driving device 1 of the present embodiment, the power factor improving operation of the power factor improving circuit 2 functions effectively. Therefore, even if a large capacity capacitor is used as the first smoothing capacitor C1, the power factor does not decrease. Therefore, since the first smoothing capacitor C1 can have a large capacity, ripples in the AC frequency band appearing at the converter output can be reduced.
出力リップルの低減により、出力電圧および出力電流の安定度が向上する。例えば、負荷10をLED(Light Emitting Diode)として、負荷駆動装置1にて照明器具を駆動した場合、ちらつきや明るさのばらつきを低減することができる。
By reducing the output ripple, the stability of the output voltage and output current is improved. For example, when the
力率改善回路2およびDC/DCコンバータ3は、スイッチ素子Q1を共有している。そのため回路が簡素化され、部品点数が削減できるので、装置を小型化することができる。さらに、臨界モードでDC/DCコンバータ3を制御することで、電力変換効率を向上することができる。効率が向上することにより、スイッチ素子Q1の発熱が低減されるので、放熱用のヒートシンクを小型化し、よって負荷駆動装置1を小型化することが容易となる。 The power factor correction circuit 2 and the DC / DC converter 3 share the switch element Q1. Therefore, the circuit is simplified and the number of parts can be reduced, so that the apparatus can be miniaturized. Furthermore, the power conversion efficiency can be improved by controlling the DC / DC converter 3 in the critical mode. Since the heat generation of the switch element Q1 is reduced by improving the efficiency, it is easy to downsize the heat sink for heat dissipation and thus downsize the load driving device 1.
図5(a)〜(c)は、負荷駆動装置の各変形例を示す回路図である。
図5(a)は、第1変形例の負荷駆動装置1Aを示す回路図である。
第1変形例の負荷駆動装置1Aは、図1に示す負荷駆動装置1の第1整流素子D1の接続位置を、整流回路BD1の正極側から負極側に入れ替えたものである。負荷駆動装置1AのDC/DCコンバータ3Aは、図1に示すDC/DCコンバータ3と同様に構成されている。
第1変形例の負荷駆動装置1Aは、図1に示す負荷駆動装置1と同様に動作し、同様な効果を奏する。
FIGS. 5A to 5C are circuit diagrams illustrating modifications of the load driving device.
FIG. 5A is a circuit diagram showing a
The
1 A of load drives of a 1st modification operate | move similarly to the load drive apparatus 1 shown in FIG. 1, and there exists the same effect.
図5(b)は、第2変形例の負荷駆動装置1Bを示す回路図である。
第2変形例の負荷駆動装置1Bは、図1に示すDC/DCコンバータ3とは異なるDC/DCコンバータ3Bを備えており、それ以外は、図1に示す負荷駆動装置1と同様である。
DC/DCコンバータ3Bは、図1に示すDC/DCコンバータ3と同様に、スイッチ素子Q1・第1平滑コンデンサC1・第3整流素子D3からなる第1直列回路を力率改善回路2と共有しており、第3整流素子D3の両端に第2リアクトルL2と第2平滑コンデンサC2とが直列接続されている。
DC/DCコンバータ3Bは、図1に示すDC/DCコンバータ3の第2リアクトルL2と第2平滑コンデンサC2の接続を入れ替えたものである。すなわち、第3整流素子D3のカソード端子には、第2平滑コンデンサC2の正極が接続される。第3整流素子D3のアノード端子には、第2リアクトルL2を介して第2平滑コンデンサC2の負極が接続される。第2平滑コンデンサC2には、負荷10が並列接続される。
第2変形例の負荷駆動装置1Bは、図1に示す負荷駆動装置1と同様に動作し、同様な効果を奏する。
FIG. 5B is a circuit diagram showing a
The
Similar to the DC / DC converter 3 shown in FIG. 1, the DC /
The DC /
The
図5(c)は、第3変形例の負荷駆動装置1Cを示す回路図である。
第3変形例の負荷駆動装置1Cは、図5(b)に示す第2変形例の負荷駆動装置1Bの第1整流素子D1の接続位置を、整流回路BD1の正極側から負極側に入れ替えたものである。負荷駆動装置1CのDC/DCコンバータ3Cは、図5(b)に示すDC/DCコンバータ3Bと同様に構成されている。
第3変形例の負荷駆動装置1Cは、図1に示す負荷駆動装置1と同様に動作し、同様な効果を奏する。
FIG. 5C is a circuit diagram showing a load driving device 1C according to a third modification.
In the load driving device 1C of the third modified example, the connection position of the first rectifying element D1 of the
The load driving device 1C of the third modified example operates in the same manner as the load driving device 1 shown in FIG. 1 and has the same effects.
図6(a),(b)は、負荷駆動装置の各変形例を示す回路図である。
図6(a)は、第4変形例の負荷駆動装置1Dを示す回路図である。
第4変形例の負荷駆動装置1Dは、図1に示す負荷駆動装置1の第3リアクトルL3を備えず、代わりに抵抗素子R1を備えている。この抵抗素子R1は、第2リアクトルL2と第2平滑コンデンサC2の正極との間に直列接続されている。抵抗素子R1の両端からは、この両端電圧に応じたリアクトル電流検出信号が出力される。駆動制御回路4は、抵抗素子R1の両端電圧を測定することにより、リアクトル電流IL2を検出することができる。抵抗素子R1の両端電圧は、リアクトル電流検出信号である。この抵抗素子R1は、リアクトル電流IL2を検出する電流検出部である。
DC/DCコンバータ3Dは、スイッチ素子Q1と、第1平滑コンデンサC1と、第3整流素子D3とからなる第1直列回路を有しており、更に第3整流素子D3の両端に第2リアクトルL2と抵抗素子R1と第2平滑コンデンサC2とが直列接続されている。第3整流素子D3のカソード端子には、第2リアクトルL2と抵抗素子R1とを介して第2平滑コンデンサC2の正極が接続される。第3整流素子D3のアノード端子には、第2平滑コンデンサC2の負極が接続される。第2平滑コンデンサC2の正極と負極との間には、負荷10が並列接続される。この第4変形例では、図1のトランスT1の代わりに抵抗素子R1を用いているので、負荷駆動装置1Dを更に小型化することが可能である。
FIGS. 6A and 6B are circuit diagrams showing modifications of the load driving device.
FIG. 6A is a circuit diagram showing a
The
The DC /
図6(b)は、第5変形例の負荷駆動装置1Eを示す回路図である。
第5変形例の負荷駆動装置1EおよびDC/DCコンバータ3Eは、第4変形例の負荷駆動装置1Dの抵抗素子R1と第2リアクトルL2とが、逆順に直列接続されている。このように抵抗素子R1と第2リアクトルL2とを、図6(a)に示す第4変形例の負荷駆動装置1Dと逆順に接続するように構成しても、図6(a)の負荷駆動装置1Dと同様に動作し、同様な効果を得ることができる。
FIG. 6B is a circuit diagram showing a
In the
本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更実施が可能であり、例えば、次の(a)〜(c)のようなものがある。
(a) 電流検出部は、上記実施形態や各種変形例に限定されず、例えばホールセンサなどを用いてもよい。
(b) スイッチ素子Q1は、NチャネルMOSFETに限定されず、任意のスイッチ素子を用いてもよい。
(c) リアクトル電流IL1が電流臨界モードで動作するように、第1リアクトルL1のリアクタンスを調整してもよい。
The present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified without departing from the spirit of the present invention. For example, there are the following (a) to (c).
(A) A current detection part is not limited to the said embodiment and various modifications, For example, you may use a Hall sensor etc.
(B) The switch element Q1 is not limited to the N-channel MOSFET, and any switch element may be used.
(C) The reactance of the first reactor L1 may be adjusted so that the reactor current IL1 operates in the current critical mode.
1,1A〜1E 負荷駆動装置
2 力率改善回路
3,3A〜3E DC/DCコンバータ
4 駆動制御回路 (制御部)
10 負荷
BD1 整流回路
C1 第1平滑コンデンサ
C2 第2平滑コンデンサ
D1 第1整流素子
D2 第2整流素子
D3 第3整流素子
D4 第4整流素子
IL1,IL2 リアクトル電流
L1 第1リアクトル
L2 第2リアクトル
L3 第3リアクトル
Q1 スイッチ素子
R1 抵抗素子 (電流検出部)
T1 トランス (電流検出部)
Vac 交流電源
W1〜W6 電流経路
1, 1A to 1E Load drive device 2 Power
10 load BD1 rectifier circuit C1 first smoothing capacitor C2 second smoothing capacitor D1 first rectifier element D2 second rectifier element D3 third rectifier element D4 fourth rectifier element IL1, IL2 reactor current L1 first reactor L2 second reactor L3 second 3 reactors Q1 switch element R1 resistance element (current detector)
T1 transformer (current detector)
Vac AC power supply W1-W6 Current path
Claims (8)
前記整流回路の正極と負極との間に、第1整流素子とスイッチ素子と第1リアクトルとが直列接続され、
前記第1リアクトルの両端に第2整流素子と第3整流素子と第1平滑コンデンサとが直列接続されて、
前記整流回路から入力される整流電圧の力率を改善する力率改善回路と、
前記スイッチ素子と前記第1平滑コンデンサと前記第3整流素子とからなる第1直列回路を共有し、
前記第1直列回路に第4整流素子が並列接続され、
前記第3整流素子の両端に第2リアクトルと第2平滑コンデンサとが直列接続されて、
前記第2平滑コンデンサに並列接続される負荷に直流電圧を印加するDC/DCコンバータと、
前記スイッチ素子のオン・オフを制御して、前記力率改善回路による昇降圧と前記DC/DCコンバータによる降圧とを同期して行わせる制御部と、
を備えることを特徴とする負荷駆動装置。 A rectifier circuit that outputs a rectified voltage obtained by full-wave rectification of an AC voltage;
Between the positive electrode and the negative electrode of the rectifier circuit, a first rectifier element, a switch element, and a first reactor are connected in series,
A second rectifying element, a third rectifying element, and a first smoothing capacitor are connected in series to both ends of the first reactor,
A power factor correction circuit for improving the power factor of the rectified voltage input from the rectifier circuit;
Sharing a first series circuit composed of the switch element, the first smoothing capacitor, and the third rectifier element;
A fourth rectifying element is connected in parallel to the first series circuit;
A second reactor and a second smoothing capacitor are connected in series to both ends of the third rectifying element,
A DC / DC converter that applies a DC voltage to a load connected in parallel to the second smoothing capacitor;
A control unit that controls on / off of the switch element to synchronously perform step-up / step-down by the power factor correction circuit and step-down by the DC / DC converter;
A load driving device comprising:
前記DC/DCコンバータが電流臨界モードで動作し、
かつ、前記力率改善回路が電流不連続モードまたは電流臨界モードで動作するように、前記スイッチ素子のオン・オフを制御する、
ことを特徴とする請求項1に記載の負荷駆動装置。 The controller is
The DC / DC converter operates in a current critical mode;
And controlling on / off of the switch element so that the power factor correction circuit operates in a current discontinuous mode or a current critical mode.
The load driving device according to claim 1, wherein
前記制御部は、前記電流検出部から出力されるリアクトル電流検出信号に基づいて、前記DC/DCコンバータが電流臨界モードで動作するように、前記スイッチ素子のオン・オフを制御する、
ことを特徴とする請求項2に記載の負荷駆動装置。 A current detector for detecting a current flowing through the second reactor;
The control unit controls on / off of the switch element based on a reactor current detection signal output from the current detection unit so that the DC / DC converter operates in a current critical mode.
The load driving device according to claim 2, wherein
当該トランスの二次側から前記リアクトル電流検出信号が出力される、
ことを特徴とする請求項3に記載の負荷駆動装置。 The current detection unit is a transformer having the second reactor as a primary side,
The reactor current detection signal is output from the secondary side of the transformer,
The load driving device according to claim 3.
当該抵抗素子の両端電圧に応じた前記リアクトル電流検出信号が出力される、
ことを特徴とする請求項3に記載の負荷駆動装置。 The current detection unit is a resistance element connected in series to the second reactor,
The reactor current detection signal corresponding to the voltage across the resistance element is output,
The load driving device according to claim 3.
前記第1リアクトルの放電電流と前記第2リアクトルの放電電流とが重畳して流れる、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項5のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。 In the off period of the switch element, the third rectifier element includes
The discharge current of the first reactor and the discharge current of the second reactor flow in a superimposed manner,
The load driving device according to any one of claims 1 to 5, wherein the load driving device is configured as described above.
前記第2平滑コンデンサは、前記第3整流素子のアノード側に接続される、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。 The second reactor is connected to the cathode side of the third rectifying element,
The second smoothing capacitor is connected to an anode side of the third rectifying element;
The load driving device according to any one of claims 1 to 6, wherein
前記第2平滑コンデンサは、前記第3整流素子のカソード側に接続される、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の負荷駆動装置。 The second reactor is connected to the anode side of the third rectifying element,
The second smoothing capacitor is connected to a cathode side of the third rectifying element;
The load driving device according to any one of claims 1 to 6, wherein
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