JP2016067121A - 電源装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入力電圧が出力電圧を下回る期間での力率を改善できる電源装置を提供する。【解決手段】電源装置10は、整流回路12、入力コンデンサC1、降圧コンバータ回路14、出力コンデンサC2および電流導通回路15を備える。整流回路12は、交流を整流する。入力コンデンサC2は、整流後の入力電圧を平滑する。降圧コンバータ回路14は、平滑後の入力電圧を入力し、入力電圧が出力電圧を超える期間で動作するとともに入力電圧が出力電圧を下回る期間で動作を休止する電界効果トランジスタQ1を有する。出力コンデンサC2は、降圧コンバータ回路14の出力側に設けられ、入力コンデンサC1の容量よりも大きい容量を有する。電流導通回路15は、整流回路12と入力コンデンサC1との間に設け、入力電圧が出力電圧を下回る期間に入力電流を流す。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、負荷に電力を供給する電源装置に関する。

従来、交流を整流および平滑し、降圧コンバータによって所定の直流電力に変換して負荷に供給する電源装置がある。この電源装置では、整流後の入力電圧を平滑する入力コンデンサ、および降圧コンバータからの出力電圧を平滑する出力コンデンサを備えている。

また、入力電圧の波形を力率のよいものとするために、入力電圧が出力電圧を下回る期間が形成されるように入力コンデンサの容量よりも出力コンデンサの容量を大きくし、さらに、降圧コンバータ回路のスイッチング素子を、入力電圧が出力電圧を超える期間で動作させるとともに、入力電圧が出力電圧を下回る期間で動作を休止させることにより、力率を改善するようにした電源装置がある。

特開２０１３−２１７８６号公報

しかしながら、力率を改善するようにした電源装置では、入力電圧が出力電圧を下回る期間においては、降圧コンバータ回路のスイッチング素子が休止し、入力電流が流れないため、力率が低下してしまう。

本発明が解決しようとする課題は、入力電圧が出力電圧を下回る期間での力率を改善できる電源装置を提供することである。

実施形態の電源装置は、整流回路、入力コンデンサ、降圧コンバータ回路、出力コンデンサおよび電流導通回路を備える。整流回路は、交流を整流する。入力コンデンサは、整流後の入力電圧を平滑する。降圧コンバータ回路は、平滑後の入力電圧を入力し、入力電圧が出力電圧を超える期間で動作するとともに入力電圧が出力電圧を下回る期間で動作を休止するスイッチング素子を有する。出力コンデンサは、降圧コンバータ回路の出力側に設けられ、入力コンデンサの容量よりも大きい容量を有する。電流導通回路は、整流回路と入力コンデンサとの間に設け、入力電圧が出力電圧を下回る期間に入力電流を流す。

本発明によれば、入力電圧が出力電圧を下回る期間での力率が改善することが期待できる。

第１の実施形態を示す電源装置の回路図である。 同上電源装置の入力コンデンサによる平滑後の入力電圧の波形図である。 同上電源装置の入力コンデンサによる平滑後の入力電流の波形図であり、(a)は比較例の波形図、(b)は本実施形態の波形図である。 同上電源装置の出力電流の波形図である。 第２の実施形態を示す電源装置の回路図である。

以下、第１の実施形態を、図１ないし図４を参照して説明する。

図１に示すように、電源装置10は、負荷としての発光素子11に電力を供給し、発光素子11を点灯させる。電源装置10は、交流電源Ｅから供給される交流を整流する整流回路12、整流後の入力電圧を平滑する平滑回路13、平滑後の入力電圧を降圧する降圧コンバータ回路14、整流回路12と平滑回路13との間に設けられた電流導通回路15、および電源装置10を制御する制御回路16を備えている。

そして、整流回路12は、交流電源Ｅから供給される交流電力を全波整流する全波整流器DB1を備えている。

また、平滑回路13は、全波整流器DB1の一対の出力端に接続された入力コンデンサC1を備えている。入力コンデンサC1は、容量の小さいフィルムコンデンサが用いられている。

また、降圧コンバータ回路14は、入力コンデンサC1の両端に、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴである電界効果トランジスタQ1、インダクタL1および出力コンデンサC2が接続されている。出力コンデンサC2と並列に発光素子11が接続されている。出力コンデンサC2は、入力コンデンサC1よりも容量の大きい、電解コンデンサが用いられている。

電界効果トランジスタQ1とインダクタL1との間にダイオードD1のカソードが接続され、発光素子11および出力コンデンサC2の負極側にダイオードD1のアノードが接続されている。そして、ダイオードD1は、電界効果トランジスタQ1がオフしているときにインダクタL1に蓄えられたエネルギを発光素子11および出力コンデンサC2を介して放出する作用を有する。

また、電流導通回路15は、整流回路12の一対の出力端と入力コンデンサC1の両端との間に接続されている。電流導通回路15は、電気導通回路部18、および例えばトランジスタなどのスイッチング素子Q2を備えている。電気導通回路部18は、例えば抵抗を備えている。そして、スイッチング素子Q2のオン状態で、電気導通回路部18を通じて入力電流が流れる。

また、制御回路16は、整流回路12と電流導通回路15または入力コンデンサC1との間から入力電圧を入力するとともに、インダクタL1と出力コンデンサC2との間から出力電圧を入力する。そして、制御回路16は、入力電圧と出力電圧を比較し、入力電圧が出力電圧を超える期間（動作期間）で電界効果トランジスタQ1をスイッチング動作させ、入力電圧が出力電圧を下回る期間（休止期間）で電界効果トランジスタQ1のスイッチング動作を休止させるように制御する。さらに、制御回路16は、入力電圧と出力電圧を比較し、入力電圧が出力電圧を超える期間では電流導通回路15のスイッチング素子Q2をオフ状態に制御し、入力電圧が出力電圧を下回る期間では電流導通回路15のスイッチング素子Q2をオン状態に制御する。なお、制御回路16には、別途の制御電源供給回路から制御電源が供給される。

次に、入力コンデンサC1の容量について説明する。

入力電圧を平滑する場合、図２に破線で示すように、平滑後の入力電圧の波形としていることが一般的であるが、本実施形態の入力コンデンサC1は容量を小さくしており、図２に実線で示すように、交流を整流した半周期内に平滑後の入力電圧が発光素子11への出力電圧Vfまで下がる区間が設けられる波形としている。すなわち、入力コンデンサC1の容量は、交流を整流した半周期内に平滑後の入力電圧が発光素子11への出力電圧Vfの区間が設けられる容量に設定されている。

図２に破線で示す入力電圧の波形の場合、流れる電流は、図３(a)に示すように、入力電圧波形のピーク付近のみに電流が流れるインプット形の電流波形となり、電源装置10の力率が低下する原因となっている。

図２に実線で示す入力電圧の波形の場合、流れる電流は、図３(b)に示すように、インプット形電流波形よりもサイン波に近い電流波形となり、電源装置10の力率を向上できる。

また、出力コンデンサC2の容量は、入力コンデンサC1の容量より大きく設定されている。入力コンデンサC1の容量が小さいために出力電流に含まれる脈流が大きくなりやすく、図４に破線で示すように、出力コンデンサC2の容量が小さいとリップルを十分に抑制することができないが、図４に実線で示すように、本実施形態の出力コンデンサC2の容量が入力コンデンサC1に比べて十分に大きいと脈流を十分に抑制することができ、発光素子11の点灯時のちらつきを防止できる。

次に、電源装置10の動作を説明する。

交流電源Ｅから供給される交流電力を全波整流器DB1で整流し、入力コンデンサC1で平滑し、整流および平滑した入力電圧を降圧コンバータ回路14に供給する。

降圧コンバータ回路14では、電界効果トランジスタQ1がオンすると、電界効果トランジスタQ1、インダクタL1を経由して出力コンデンサC2に電流が流れる。出力コンデンサC2の充電電圧が発光素子11の順方向電圧以上になると、発光素子11に電流が流れ、発光素子11が点灯する。また、電界効果トランジスタQ1がオフすると、インダクタL1に蓄えられていたエネルギが出力コンデンサC2、発光素子11、ダイオードD1の閉回路で放出される。このエネルギの放出により流れる電流によって、発光素子11が点灯する。

そして、制御回路16は、入力電圧と出力電圧を比較し、入力電圧が出力電圧を超える期間で電界効果トランジスタQ1をスイッチング動作させ、入力電圧が出力電圧を下回る期間で電界効果トランジスタQ1のスイッチング動作を休止させるように制御する。

このように、本実施形態の電源装置10では、入力コンデンサC1の容量を、交流を整流した半周期内に平滑後の入力電圧が出力電圧を下回る期間が設けられるように、小さい容量に設定しているため、平滑後の入力電流の波形を力率のよいものとし、力率を改善することができる。

さらに、電源装置10では、入力電圧が出力電圧を超える期間では電流導通回路15のスイッチング素子Q2をオフ状態に制御し、入力電圧が出力電圧を下回る期間では電流導通回路15のスイッチング素子Q2をオン状態に制御している。そのため、入力電圧が出力電圧を下回る期間であっても、すなわち電界効果トランジスタQ1が動作を休止している期間であっても、スイッチング素子Q2がオンし、電気導通回路部18を通じて入力電流を流すことができるため、入力電流の波形を力率のよいものとし、力率を改善することができる。

次に、図５に第２の実施形態を示す。なお、第１の実施形態と同じ構成については、同じ符号を用い、その構成および作用効果についての説明を省略する。

電源装置10は、整流回路12と入力コンデンサC1との間に設けられた定電流回路21を備えている。定電流回路21は、制御回路16に制御電圧を供給するとともに、入力電圧が出力電圧を下回る期間に入力電流を流すように構成されている。

整流回路12の一対の出力端に、抵抗R1およびツエナーダイオードZD1の直列回路と、スイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴである電界効果トランジスタQ3、抵抗R2およびスイッチング素子としてのＭＯＳＦＥＴである電界効果トランジスタQ4の直列回路とが、並列に接続されている。電界効果トランジスタQ3のゲートが抵抗R1とツエナーダイオードZD1との間に接続されている。電界効果トランジスタQ3のソースと抵抗R2との間から制御回路16に制御電源が供給される。電界効果トランジスタQ4のゲートは制御回路16に接続されている。

制御回路16は、入力電圧と出力電圧を比較し、入力電圧が出力電圧を超える期間では定電流回路21の電界効果トランジスタQ4をオフ状態に制御し、入力電圧が出力電圧を下回る期間では定電流回路21の電界効果トランジスタQ4をオン状態に制御する。

そして、定電流回路21では、抵抗R1とツエナーダイオードZD1との間には例えば１０Ｖの電圧が常にかけられており、この電圧が電界効果トランジスタQ3のゲートに印可され、制御電源が制御回路16に供給されている。

また、電源装置10では、入力電圧が出力電圧を超える期間では定電流回路21の電界効果トランジスタQ4をオフ状態に制御し、入力電圧が出力電圧を下回る期間では定電流回路21の電界効果トランジスタQ4をオン状態に制御する。そのため、入力電圧が出力電圧を下回る期間であっても、すなわち電界効果トランジスタQ1が動作を休止している期間であっても、電界効果トランジスタQ4がオンし、抵抗R2に入力電流を流すことができるため、入力電流の波形を力率のよいものとし、力率を改善することがさせる。

しかも、抵抗R2に流す入力電流を制御回路16の制御電源として有効に利用することができる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

10 電源装置
12 整流回路
14 降圧コンバータ回路
15 電流導通回路
16 制御回路
21 定電流回路
C1 入力コンデンサ
C2 出力コンデンサ
Q1 スイッチング素子としての電界効果トランジスタ

Claims (2)

1. 交流を整流する整流回路と；
   整流後の入力電圧を平滑する入力コンデンサと；
   平滑後の前記入力電圧が入力され、前記入力電圧が出力電圧を超える期間で動作するとともに前記入力電圧が前記出力電圧を下回る期間で動作を休止するスイッチング素子を有する降圧コンバータ回路と；
   前記降圧コンバータ回路の出力側に設けられ、前記入力コンデンサの容量よりも大きい容量を有する出力コンデンサと；
   前記整流回路と前記入力コンデンサとの間に設けられ、前記入力電圧が前記出力電圧を下回る期間に入力電流を流す電流導通回路と；
   を具備することを特徴とする電源装置。
2. 交流を整流する整流回路と；
   整流後の入力電圧を平滑する入力コンデンサと；
   平滑後の前記入力電圧が入力され、前記入力電圧が出力電圧を超える期間で動作するとともに前記入力電圧が前記出力電圧を下回る期間で動作を休止するスイッチング素子を有する降圧コンバータ回路と；
   前記降圧コンバータ回路の出力側に設けられ、前記入力コンデンサの容量よりも大きい容量を有する出力コンデンサと；
   前記整流回路と前記入力コンデンサとの間に設けられ、制御電圧を供給するとともに、前記入力電圧が前記出力電圧を下回る期間に入力電流を流す定電流回路と；
   前記定電流回路から前記制御電圧が供給され、前記定電流回路を制御する制御回路と；
   を具備することを特徴とする電源装置。

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