JP2018196168A - 力率改善回路 - Google Patents

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Abstract

【課題】入力電圧に対する誤差増幅器の出力の依存性を低下させる力率改善回路。【解決手段】交流電源1の交流電圧を整流する整流回路2の出力両端に接続され、リアクトルL1とトランスTの一次巻線Pとスイッチング素子Q1との直列回路と、トランスの一次巻線とスイッチング素子との直列回路に接続され、整流素子Doと平滑コンデンサCoとからなる整流平滑回路と、平滑コンデンサの出力電圧と基準電圧との誤差電圧と整流回路の出力電圧とを乗算する乗算器11と、乗算器の出力を第1係数倍するC倍回路3と、C倍回路からのC倍された乗算器の出力に整流回路の出力を加算して得られた加算出力を乗算器に出力する加算器4と、乗算器の出力とトランスの二次巻線に発生する電圧を整流平滑して得られた電圧とに基づきパルス信号を生成し、パルス信号によりスイッチング素子をオンオフさせる制御回路13とを備える。【選択図】図1

Description

本発明は、力率改善回路に関する。
図6は、従来の力率改善回路の回路構成図である(特許文献1)。この力率改善回路は、交流電源1の交流電圧を全波整流回路2で整流し、得られた整流電圧を平滑コンデンサC1を介してリアクトルL1とトランスTの一次巻線PとMOSFETからなるスイッチング素子Q1との直列回路に供給する。スイッチング素子Q1は、ドライブ回路14からのPWM信号によりオンオフする。
トランスTとスイッチング素子Q1との直列回路には、ダイオードDoとコンデンサCoとの直列回路が接続されている。ダイオードDoとコンデンサCoは、整流平滑回路を構成し、トランスTの一次巻線PとダイオードDoとの接続点に発生したスイッチング電圧を整流平滑して整流平滑電圧を出力電圧として負荷RLに出力する。コンデンサCoの両端には抵抗R1と抵抗R2との直列回路とが接続されている。
トランスTは、スイッチング素子Q1のドレインに接続される一次巻線Pと一次巻線Pに電磁結合する二次巻線Sとからなる。一次巻線Pと二次巻線Sとの巻数比は、1:N(整数)である。二次巻線Sの両端にはダイオードD1と抵抗R5との直列回路が接続されている。
二次巻線Sの両端に発生した電圧は、ダイオードD1と抵抗R5により、スイッチング素子Q1のドレイン電流に対応した電圧CSに変換される。スイッチング素子Q1のドレイン電流に対応した電圧CSは、変換回路15により、リアクトルL1に流れる電流に対応した電流VLに変換される。この電流VLが加算器12に入力される。
力率改善回路は、さらに、誤差増幅器10、位相補正回路H1、位相補正回路H2、基準電源Vref、乗算器11、加算器12、PWMコンパレータ13、ドライブ回路14を備えている。誤差増幅器10は、基準電源Vrefの基準電圧と、負荷RLの出力電圧を抵抗R1と抵抗R2とで分圧した電圧との誤差電圧を増幅してCOMP電圧として乗算器11に出力する。誤差増幅器10と接地間には、位相補正回路H1が接続される。位相補正回路H1は、制御の安定性向上のための位相補正用の回路である。
乗算器11は、全波整流回路2からの交流入力電圧を抵抗R3と抵抗R4とで分圧した電圧VACと誤差増幅器10のCOMP電圧と係数Aとを乗算し、乗算出力VIREFを入力電流目標値として加算器12に出力する。
加算器12は、乗算器11からの乗算出力VIREFから、スイッチング素子Q1のドレインに流れる電流波形から生成された入力電流VLを差し引き、得られた値をPWMコンパレータ13に出力する。加算器12と接地間には、位相補正回路H2が接続される。位相補正回路H2は、制御の安定性向上のための位相補正用の回路である。
PWMコンパレータ13は、加算器12からの加算出力と三角波信号とを比較することによりPWM信号(パルス幅変調信号)を生成する。ドライブ回路14は、PWMコンパレータ13からのPWM信号によりスイッチング素子Q1をオンオフさせる。このようにして、入力電圧に相似な電流を生成し、力率改善動作を行う。
また、特許文献2に記載された力率改善回路では、入力電圧のレベルにより、ICに入力する交流入力電圧の抵抗比を切り替えている。
特開平2−7869号公報 特開2012−135080号公報
しかしながら、特許文献1では、乗算器11は、全波整流回路2からの入力電圧と誤差増幅器10のCOMP電圧とを乗算するため、誤差増幅器10のCOMP電圧は、入力電圧に依存する。出力電力を一定とし、入力電圧を上げると、入力電流は出力電力を入力電圧で除算したものであるから、入力電流は下がる。このため、乗算器11の出力も下がる。
また、乗算器11により入力電圧が上がると誤差増幅器の出力が下がる。このため、誤差増幅器10のCOMP電圧は、交流入力電圧の二乗に反比例する。このため、入力電圧が低い場合、乗算器11や誤差増幅器10のダイナミックレンジの限界により出力電力が所望電力まで取れなくなる。
また、入力電圧が高い場合、誤差増幅器10のCOMP電圧低下により、出力電圧リプルによる誤差増幅器10のCOMP電圧のリプルの影響が大きくなり、COMP電圧とVAC電圧を乗算し生成される正弦波の目標電流が歪み、力率が低下する。
また、入力電圧が高い場合、誤差増幅器10のCOMP電圧が小さい範囲で動作することにより、力率低下や制御困難が発生する。このため、入力電圧範囲を広く取ることができなかった。
特許文献2では、抵抗比の切り替わりが不連続となり、入力電圧の切り替え付近で不安定になる可能性がある。また、商用交流50Hzの全波整流波形を生成できる長い時定数のフィルタが必要となり、フィルタをIC内に取り込む場合、複雑化又はチップサイズが大きくなる。
本発明の課題は、入力電圧に対する誤差増幅器の出力の依存性を低下させ、広い入力電圧範囲で高力率となる力率改善回路を提供することにある。
本発明に係る力率改善回路は、交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、前記整流回路の出力両端に接続され、リアクトルと前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とが直列に接続された直列回路と、前記トランスの一次巻線と前記スイッチング素子との直列回路に接続され、整流素子と平滑コンデンサとからなる整流平滑回路と、前記平滑コンデンサの出力電圧と基準電圧との誤差電圧と前記整流回路の出力電圧とを乗算する乗算器と、前記乗算器の出力を第1係数倍する係数倍回路と、前記係数倍回路からの第1係数倍された前記乗算器の出力に前記整流回路の出力を加算して得られた加算出力を前記乗算器に出力する加算器と、前記乗算器の出力と前記トランスの二次巻線から変換された電流に基づきパルス信号を生成し、前記パルス信号により前記スイッチング素子をオンオフさせる制御回路とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る力率改善回路は、交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力両端に接続され、リアクトルとスイッチング素子と電流検出抵抗とが直列に接続された直列回路と、前記スイッチング素子と前記電流検出抵抗の直列回路に接続され、整流素子と平滑コンデンサとからなる整流平滑回路と、前記平滑コンデンサの出力電圧と基準電圧との誤差電圧と前記整流回路の出力電圧とを乗算する乗算器と、前記乗算器の出力を第1係数倍する係数倍回路と、前記係数倍回路からの第1係数倍された前記乗算器の出力に前記整流回路の出力を加算して得られた加算出力を前記乗算器に出力する加算器と、前記乗算器の出力と前記電流検出抵抗の両端に発生する電圧とに基づきパルス信号を生成し、パルス信号により前記スイッチング素子をオンオフさせる制御回路とを備えることを特徴とする。
また、本発明に係る力率改善回路は、交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、前記整流回路の出力両端に接続され、リアクトルとスイッチング素子と電流検出抵抗とが直列に接続された直列回路と、前記スイッチング素子と前記電流検出抵抗の直列回路に接続され、整流素子と平滑コンデンサとからなる整流平滑回路と、前記電流検出抵抗に流れる電流を前記リアクトルに流れる電流に変換する変換回路と、前記平滑コンデンサの出力電圧と基準電圧との誤差電圧と前記整流回路の出力電圧とを乗算する乗算器と、前記乗算器の出力を第1係数倍する係数倍回路と、前記係数倍回路からの第1係数倍された前記乗算器の出力に前記整流回路の出力を加算して得られた加算出力を前記乗算器に出力する加算器と、前記乗算器の出力と前記変換回路で変換された前記リアクトルに流れる電流に対応する信号とに基づきパルス信号を生成し、パルス信号により前記スイッチング素子をオンオフさせる制御回路とを備えることを特徴とする。
本発明によれば、係数倍回路が乗算器の出力を第1係数倍し、加算器が係数倍回路からの第1係数倍された乗算器の出力に整流回路の出力を加算して得られた加算出力を乗算器に出力する。
入力電圧が上がった場合、整流回路の出力は上がるが、出力電力を一定とすると、入力電流は、下がる。乗算器出力と入力電流は、比例するため、整流回路の出力と乗算器出力とを加算した加算出力を乗算器に入力することにより、入力された信号のレベルの入力電圧変動を打ち消し合う方向となり、誤差増幅器の出力の変動を抑制することができる。即ち、乗算器出力をフィードバックすることにより、入力電圧に対する誤差増幅器の出力の変動を軽減することができる。これにより広い入力電圧範囲に対し高い力率を得ることができる。
本発明の実施例1に係る力率改善回路の回路構成図である。 本発明の実施例1に係る力率改善回路の交流入力電圧に対する誤差増幅器の出力電圧の特性を示す図である。 本発明の実施例1に係る力率改善回路の出力電力に対する誤差増幅器の出力電圧の特性を示す図である。 本発明の実施例2に係る力率改善回路の回路構成図である。 本発明の実施例3に係る力率改善回路の回路構成図である。 従来の力率改善回路の回路構成図である。 従来の力率改善回路の交流入力電圧に対する誤差増幅器の出力電圧の特性を示す図である。 従来の力率改善回路の出力電力に対する誤差増幅器の出力電圧の特性を示す図である。
以下、本発明の実施の形態の力率改善回路について、図面を参照しながら詳細に説明する。
(実施例1)
図1は、本発明の実施例1に係る力率改善回路の回路構成図である。実施例1に係る力率改善回路は、図6に示す従来の力率改善回路の回路構成図に対して、C倍回路3、加算器4を追加したことを特徴とする。
C倍回路3、加算器4以外の構成については、既に図6において説明したので、ここでは、C倍回路3、加算器4の構成についてのみ説明する。なお、PWMコンパレータ13は、本発明の制御回路に対応する。
C倍回路3は、乗算器11の出力を第1係数C倍して加算器4に出力する。C倍回路3は、例えば、乗算器11の出力両端に図示しない第1抵抗と第2抵抗とからなる直列回路が接続され、第1抵抗と第2抵抗との接続点から乗算器11の出力を第1係数C倍した電圧を取り出して加算器4に出力する。
加算器4は、C倍回路3からの第1係数C倍された乗算器11の出力に全波整流回路2の出力を抵抗R3,R4で分圧した電圧VACを加算して得られた加算出力を乗算器11に出力する。
次にこのように構成された実施例1に係る力率改善回路の動作を説明する。まず、乗算器11の出力をVIREFとする。C倍回路3は、乗算器11の出力VIREFを第1係数C倍して加算器4に出力する。このため、加算器4には、C・VIREFの電圧が入力される。
次に、加算器4は、C倍回路3からの第1係数C倍された乗算器11の出力C・VIREFに全波整流回路2の出力を抵抗R3,R4で分圧した電圧VACを加算して得られた加算出力に第2係数Bを乗算して乗算器11に出力する。このため、乗算器11には、B(C・VIREF+VAC)の電圧が入力される。
次に、乗算器11は、加算器4からのB(C・VIREF+VAC)の電圧に、第3係数Aと、誤差増幅器10のCOMP電圧とを乗算する。この乗算出力が電圧VIREFとなるので、式(1)が成立する。
A・B(C・VIREF+VAC)COMP=VIREF …(1)
式(1)より
COMP=VIREF/{A・B(C・VIREF+VAC)}…(2)
VIREFはリアクトル電流ILからVLの変換インピーダンスをRxとすると(VL=Rx・IL)、式(3)が成立する。
VIREF=Rx・IL=Rx・Po/Vin …(3)
ここで、Vinは入力電圧、Poは、出力電力である。式(2)(3)より、各入力電圧Vin、出力電力Poに対する誤差増幅器10のCOMP電圧を求めることができる。
VAC=R3・Vin/(R3+R4)=k・Vin…(4)
とすると、式(2)のVIREFと式(4)のVACを式(3)に代入して、
COMP=(Rx・Po/Vin)/{A・B(C・Rx・Po/Vin+k・Vin)}=1/{A・B(C+k・Vin/Rx・Po)} …(5)
式(5)からもわかるように、係数Cが分母に入るため、入力電圧Vinが小さい時、入力電圧Vinの二乗に反比例する度合いが減少する。このため、係数A、係数B、係数Cを適切に設定することにより、入力電圧Vinの依存性を下げることができる。
なお、係数C=0の場合には、乗算器11の出力のフィードバック経路がない図6に示す従来の回路と同じになる。
図6に示す従来の回路のCOMP電圧は、
COMP=Rx・Po/A・k・Vin …(6)
式(6)からもわかるように、COMP電圧は、入力電圧Vinの二乗に反比例して低下する。
簡単のために、直流入力を想定し、Vin=85VPo=1800Wの時、COMP電圧<2.5VになるようにA,B,C,Rxを決める。定数Rx=0.05、A=1/2.5、B=0.68、C=1、VAC=Vin/160とする。Vin=85VPo=1800Wの時、COMP電圧=2.45Vとなる。一方、Vin=265VPo=4400Wの時のCOMP電圧は、式(5)から1.22Vとなる。
比較のため、従来回路図6で85V入力Po=1800Wの場合、COMP電圧が2.5V程度になるように定数を決めると、Rx=0.025、A=1/2.5、VAC=Vin/160と設定する。
従来の回路のCOMP電圧は、0.63Vであり、実施例1の回路のCOMP電圧の方が従来の回路のCOMP電圧よりも高くすることができる。
図2に実施例1に係る力率改善回路の交流入力電圧に対する誤差増幅器の出力電圧の特性を示す。図3に実施例1に係る力率改善回路の出力電力に対する誤差増幅器の出力電圧の特性を示す。図7に従来の力率改善回路の交流入力電圧に対する誤差増幅器の出力電圧の特性を示す。図8に従来の力率改善回路の出力電力に対する誤差増幅器の出力電圧の特性を示す。
図2に示すように、高電圧入力時にもCOMP電圧が従来のそれよりも大きくなっている。このため、実施例1に係る力率改善回路は、従来の回路よりも高い力率となり、また、ノイズに対してもより安定に制御することができる。
このように実施例1に係る力率改善回路によれば、C倍回路3が乗算器11の出力を第1係数C倍し、加算器4がC倍回路3からの第1係数C倍された乗算器11の出力に全波整流回路2の電圧を抵抗分圧した電圧VACを加算して得られた加算出力を乗算器11に出力する。
入力電圧が上がった場合、全波整流回路2の電圧VACは上がるが、出力電力を一定とすると、入力電流は、下がる。乗算器出力と入力電流は、比例するため、全波整流回路2の電圧VACと乗算器出力とを加算した加算出力を乗算器11に入力することにより、入力された信号のレベルの入力電圧変動を打ち消し合う方向となり、誤差増幅器10の出力の変動を抑制することができる。
また、入力電圧が下がった時、多く流す目標入力電流信号を電圧VACに加算することにより、VAC側の入力電圧の低下を補い、入力電圧の変化に対してCOMP電圧の変化を少なくするように動作する。
即ち、乗算器出力をフィードバックすることにより、入力電圧に対する誤差増幅器10の出力の変動を軽減することができる。
また、係数Aと係数Bと係数Cとを誤差増幅器10の出力低下が所定値以下になるように設定することで、低い入力電圧時のCOMP電圧をそのままとし、高い入力電圧時のCOMP電圧を上げることができる。
(実施例2)
図4は、本発明の実施例2に係る力率改善回路の回路構成図である。実施例2に係る力率改善回路は、実施例1に係る力率改善回路のトランスT、ダイオードD1、抵抗R5を削除し、スイッチング素子Q1のソースとグランドとの間に電流検出抵抗Rdを接続した。
電流検出抵抗Rdは、リアクトルL1に流れる電流を検出して加算器12aに出力する。加算器12aは、乗算器11の出力VIREFから、電流検出抵抗Rdで検出されたスイッチング素子Q1に流れる電流を差し引き、得られた値をPWMコンパレータ13に出力する。
図4に示す実施例2に係る力率改善回路のその他の構成及び動作は、図1に示す実施例1に係る力率改善回路の構成及び動作と同様であるので、その説明は省略する。
このように実施例2に係る力率改善回路によっても、実施例1に係る力率改善回路の効果と同様な効果が得られる。
(実施例3)
図5は、本発明の実施例3に係る力率改善回路の回路構成図である。実施例3に係る力率改善回路は、実施例2に係る力率改善回路に対して、スイッチング素子Q1のソースと電流検出抵抗Rdとの接続点と加算器12aとの間に変換回路16を接続した。
変換回路16は、電流検出抵抗Rdに流れる電流を入力し、電流検出抵抗に流れる電流をリアクトルL1に流れる電流に変換し、加算器12aに出力する。加算器12aは、乗算器11の出力VIREFから、変換回路16で変換されたリアクトルL1に流れる電流を差し引き、得られた値をPWMコンパレータ13に出力する。
図5に示す実施例3に係る力率改善回路のその他の構成及び動作は、図1に示す実施例1に係る力率改善回路の構成及び動作と同様であるので、その説明は省略する。
このように実施例3に係る力率改善回路によっても、実施例1に係る力率改善回路の効果と同様な効果が得られる。
1 交流電源
2 全波整流回路
3 C倍回路
10 誤差増幅器
11 乗算器
4,12 加算器
13 PWMコンパレータ
14 ドライブ回路
16 変換回路
L1 リアクトル
Q1 スイッチング素子
T トランス
D1 ダイオード
Co,C1,C2 コンデンサ
P 一次巻線
S 二次巻線
R1〜R4 抵抗
RL 負荷
Rd 電流検出抵抗

Claims (5)

  1. 交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
    一次巻線と二次巻線とを有するトランスと、
    前記整流回路の出力両端に接続され、リアクトルと前記トランスの一次巻線とスイッチング素子とが直列に接続された直列回路と、
    前記トランスの一次巻線と前記スイッチング素子との直列回路に接続され、整流素子と平滑コンデンサとからなる整流平滑回路と、
    前記平滑コンデンサの出力電圧と基準電圧との誤差電圧と前記整流回路の出力電圧とを乗算する乗算器と、
    前記乗算器の出力を第1係数倍する係数倍回路と、
    前記係数倍回路からの第1係数倍された前記乗算器の出力に前記整流回路の出力を加算して得られた加算出力を前記乗算器に出力する加算器と、
    前記乗算器の出力と前記トランスの二次巻線に発生する電圧から変換された電流に基づきパルス信号を生成し、前記パルス信号により前記スイッチング素子をオンオフさせる制御回路と、
    を備えることを特徴とする力率改善回路。
  2. 交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力両端に接続され、リアクトルとスイッチング素子と電流検出抵抗とが直列に接続された直列回路と、
    前記スイッチング素子と前記電流検出抵抗の直列回路に接続され、整流素子と平滑コンデンサとからなる整流平滑回路と、
    前記平滑コンデンサの出力電圧と基準電圧との誤差電圧と前記整流回路の出力電圧とを乗算する乗算器と、
    前記乗算器の出力を第1係数倍する係数倍回路と、
    前記係数倍回路からの第1係数倍された前記乗算器の出力に前記整流回路の出力を加算して得られた加算出力を前記乗算器に出力する加算器と、
    前記乗算器の出力と前記電流検出抵抗の両端に発生する電圧とに基づきパルス信号を生成し、パルス信号により前記スイッチング素子をオンオフさせる制御回路と、
    を備えることを特徴とする力率改善回路。
  3. 交流電源の交流電圧を整流する整流回路と、
    前記整流回路の出力両端に接続され、リアクトルとスイッチング素子と電流検出抵抗とが直列に接続された直列回路と、
    前記スイッチング素子と前記電流検出抵抗の直列回路に接続され、整流素子と平滑コンデンサとからなる整流平滑回路と、
    前記電流検出抵抗に流れる電流を前記リアクトルに流れる電流に変換する変換回路と、
    前記平滑コンデンサの出力電圧と基準電圧との誤差電圧と前記整流回路の出力電圧とを乗算する乗算器と、
    前記乗算器の出力を第1係数倍する係数倍回路と、
    前記係数倍回路からの第1係数倍された前記乗算器の出力に前記整流回路の出力を加算して得られた加算出力を前記乗算器に出力する加算器と、
    前記乗算器の出力と前記変換回路で変換された前記リアクトルに流れる電流に対応する信号とに基づきパルス信号を生成し、パルス信号により前記スイッチング素子をオンオフさせる制御回路と、
    を備えることを特徴とする力率改善回路。
  4. 前記加算器は、第2係数を前記加算出力に乗算し、
    前記乗算器は、前記誤差電圧と、第3係数と、前記加算器からの前記第2係数と前記加算出力との乗算結果と、を乗算することを特徴とする請求項1又は請求項2又は請求項3記載の力率改善回路。
  5. 前記第1係数と前記第2係数と前記第3係数とは、前記誤差増幅器の出力低下が所定値以下になるように設定されていることを特徴とする請求項4記載の力率改善回路。
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