JP2622325B2 - 高周波電源装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は高周波電源装置の回路の
簡素化と力率改善に関し、さらに詳細には、アクティブ
フィルタ回路（本発明においては能動素子を用いたフィ
ルタ回路という広義の意味）のスイッチング電源を出力
スイッチング回路の直列接続の２個のスイッチングトラ
ンジスタ間の出力ライン（負荷側）から戻して２つの正
負スイッチング電源をつくる構成とすることにより高周
波電源装置の簡素化、低コスト化を図りつつ力率を改善
した高周波電源装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】代表的な従来の電源装置における整流回
路例を図５〜図８を基に説明する。

【０００３】図５（Ａ）はコンデンサ入力型倍電圧整流
・平滑回路であり、歴史的に多く使用されてきたもので
あるが、力率が悪く省エネルギーの観点から改善要請が
高まっている。

【０００４】即ち、図中において商用電源（５０／６０
Ｈｚ）１は本回路の入力（Ｖｉｎ）となり、２は整流回
路、３は平滑回路であり、ダイオードＤ１にて正極側を
整流し電解コンデンサＣ１を充電する。また、ダイオー
ドＤ２にて負極側を整流し電解コンデンサＣ２を充電す
る。このため、出力電圧Ｖｏ他各電圧・電流が図５
（Ｂ）に示す波形となり、半サイクル毎に正負の入力電
流Ｉｉｎが少ない流通角αで流入する。

【０００５】前記回路は簡易であり効率がよいので使用
される機会が多いが、流通角αが狭いが故に力率は５０
〜７０％程度となり皮相電力が大きく電送経路の電力損
失が無視できないという問題を含んでいる。

【０００６】上記問題の対策として古くからチョークイ
ンプット型が使用されてきたが、チョーク自体が大き
く、コスト、重量、スペースの点から敬遠され、最近で
は殆ど使用されない状況にある。（図省略）次に、図６
（Ａ）に示す電流補償型整流・平滑回路の場合は、ブリ
ッジ整流回路４のダイオードＤ１〜Ｄ４にて両波整流さ
れ、平滑・電流補償回路５で電解コンデンサＣ１からダ
イオードＤ６、コイルＬ１、電解コンデンサＣ２の経路
にてＣ１，Ｃ２がｔ１期間充電される（図６（Ｂ）参
照）。この際電解コンデンサＣ１，Ｃ２は同一容量とす
ることが必要条件となる。

【０００７】整流後の電圧Ｖｏが時間とともに減少して
ピーク値の５０％に達した時点で電解コンデンサＣ１お
よびＣ２に蓄積された電荷が電解コンデンサＣ１から負
荷、ダイオードＤ５、および電解コンデンサＣ２からダ
イオードＤ７、負荷の各々の経路を通って並列に負荷に
電力をｔ２期間供給することとなる（図６（Ｂ）参
照）。

【０００８】このようにして上記電流補償型整流・平滑
回路の場合は交流電圧ピーク値の５０％までの期間ｔ１
内で入力電流Ｉｉｎが流入し、図６（Ｂ）のようにコン
デンサ入力型倍電圧整流回路の場合に比較して流通角α
が拡大する結果となり、力率が改善される。

【０００９】上記回路では力率９０％前後まで改善可能
である。しかし、出力電圧が必然的に決定されるため
（最小値がピーク値の５０％）、高い電圧を要する場合
には別途昇圧する必要があるという欠点を有している。
さらに回路の構成上、電解コンデンサＣ１、Ｃ２の充電
電圧は最大Ｖｏの半分なので倍電圧整流回路の適用には
無理がある点も使用範囲を狭める要因となっている。

【００１０】次に図７（Ａ）のアクティブフィルタ方式
（昇圧形）の場合は、基本的には力率１００％を目指し
たものであり、流入する電流Ｉｉｎが入力電圧Ｖｉｎに
比例するように制御回路６でアクティブフィルタ回路７
のスイッチング動作を制御し、図７（Ｂ）に示すように
高周波スイッチングされた入力電流８（Ｉｒ）の平均値
（入力平均電流９）が整流電圧１０（Ｖｉ）に比例する
ようにしている。

【００１１】上記方式は力率改善の点からすればほぼ完
全に近いものの（理論的には１００％）、図７（Ａ）よ
り明らかなようにアクティブフィルタ回路はコイルＬ
１、ダイオードＤ５、スイッチングトランジスタＱ１、
平滑コンデンサＣ１から構成され、スイッチング制御回
路６も複雑となってコスト高となる。したがって前記方
式は大電力用大型電源の適用例が散見される程度であ
る。最近ではアクティブフィルタの制御回路６をＩＣ化
した製品が市販されているが高価である。

【００１２】上記アクティブフィルタ回路７の機能につ
いて詳述すれば、ライン電圧、ライン電流の瞬時値を検
出し、ラインに直列に挿入されたチョークコイルＬ１、
およびトランジスタＱ１のスイッチにより、スイッチン
グの１サイクル内での実効値（ΔＶ／ΔＩ＝Ｒ）が一定
となるように制御するものである。なおスイッチング周
波数は数１０ｋＨｚ以上に選定されるのが一般的であ
る。また、制御方式は可変周波数方式、パルス幅制御方
式等があり、用途に適した方式が選定される。

【００１３】以上に述べた整流・平滑回路は直流電源と
して電力Ｖｏを該回路に接続された出力スイッチング回
路（所謂インバータ回路）に供給し該出力スイッチング
回路と共に高周波電源を構成する。

【００１４】図８の（Ａ）は上記図７（Ａ）のアクティ
ブフィルタ回路を適用した高周波電源回路の回路例であ
る。この際、Ｑ１のスイッチングによりＬ１およびＡＣ
ラインに流れる電流はそれぞれ（Ｂ）、（Ｃ）のように
なる。図から判るようにスイッチング制御回路として２
つ必要であって全体の回路構成は複雑で且つコスト高と
なるのは避けられない。

【００１５】尚、アクティブフィルタ回路のコンデンサ
に充電するためのスイッチング回路をインバータ回路の
出力スイッチングトランジスタと共用させ、制御回路を
一つにした構成の高周波電源装置も考案されている。

【００１６】即ち、ブリッジ整流回路後の電流ラインに
チョークコイルを直列接続し、該チョークコイルの出力
（電流ライン）をインバータ回路のスイッチングトラン
ジスタでスイッチングして昇圧し、コンデンサを充電す
るのである。

【００１７】

【発明が解決しようとする課題】最近、電子機器から発
生する高調波に起因する電源ラインの波形歪が問題視さ
れているが、この波形歪が大きくなると同じ電源ライン
に接続される電子機器や電力供給源としての変電所機器
に誤動作や破損を引き起こすことがある（高調波妨
害）。

【００１８】この点、電源ラインに接続される機器が純
粋な抵抗またはインダクタ、キャパシタのみで構成され
る場合には、電源ライン電圧と電流の位相差に応じ力率
が低下するので、無効電流が増加するもののライン電圧
を歪ませることはない。しかしながら、多くの機器で直
流化されるようになった現在、ダイオードとコンデンサ
で構成される整流回路は、電源ラインに対して非線形負
荷として作用し、電源ラインに流れる電流のピーク値は
平均電流の５〜１０倍も流れて電源ラインに著しい歪を
生じさせ、高調波妨害の問題が顕現する。したがって該
高調波歪を低減させるためには入力電圧波形（正弦波）
と入力電流波形を比例させること、即ち力率を高くする
必要がある。

【００１９】一方、前述の如く従来の整流・平滑回路
（図５、図６）における力率の改善は満足できる状態で
はなく、力率の悪さは上記高調波歪の他に無効電力が大
きく電送路での損失増大を招き、また電源スイッチやコ
ネクタの負荷が増大して信頼性を損なう要因の一つにも
なっている。

【００２０】この点、前述のアクティブフィルタ方式
（図７）を用いて力率の向上を図ると、（１）入力電流
の減少、（２）入力電圧の広範囲化、（３）入力配線に
よる電圧降下減少、（４）高調波電流の減少、（５）入
力平滑コンデンサのリップル減少等の改善ができる。

【００２１】しかしながら、上記アクティブフィルタ回
路は複雑であり、集積化されたＩＣ製品が市販されては
いるものの高価であって、例えば蛍光灯用電源装置のよ
うなコスト低減の要請が厳しい高周波電源装置について
は単に電源装置の整流・平滑回路としてアクティブフィ
ルタ回路を採用することは難しいのが現状であった。

【００２２】また、アクティブフィルタ回路のコンデン
サに充電するためのスイッチングをインバータ回路の出
力スイッチング回路と共用させて制御回路を一つにした
構成の改良型もコスト面では多少の改善が見られるが、
基本的にチョークコイルを電流ラインに直列接続した昇
圧型のアクティブフィルタ回路である点は従来と変わら
ず、高周波蛍光灯点灯装置のような低コスト化の要請が
厳しい分野では未だコスト面で問題がある。

【００２３】以上述べたように、従来の電源装置の整流
・平滑回路において、コンデンサ入力型は簡易であるが
力率が悪い点、電流補償型は力率はかなり改善されるも
のの回路構成的に出力電圧が低く昇圧の必要がある点お
よび倍電圧整流が適用出来ない点、アクティブフィルタ
方式は力率は理想的であるが回路が複雑で高コストにな
る点で各々問題があった。

【００２４】本発明は上記事情に鑑みてなされたもので
あり、アクティブフィルタ回路の高力率の利点を生かし
つつ回路の簡素化を図りコストを抑え高周波蛍光灯点灯
装置の低コスト化にも対応できる高周波電源装置を提供
するものである。

【００２５】

【課題を解決するための手段】本発明は、商用交流電源
を入力とし、整流回路と、平滑回路と、トランジスタの
スイッチング制御によるアクティブフィルタ回路と、直
列接続された２個の出力トランジスタを有する出力スイ
ッチング回路と、を備えた高周波電源装置において、前
記平滑回路に正側・負側用の小容量コンデンサ（Ｃ１、
Ｃ２）を直列接続し、正側・負側用の大容量コンデンサ
（Ｃ３、Ｃ４）を直列接続してその中点と前記小容量コ
ンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）の中点とを接続するとともに、
正側の大容量コンデンサ（Ｃ３）の正極側と平滑回路の
正側とをダイオード（Ｄ３）を介して接続し、且つ負側
の大容量コンデンサ（Ｃ４）の負極側と平滑回路の負側
とをダイオード（Ｄ４）を介して接続し、前記正側の大
容量コンデンサ（Ｃ３）の正極側と、直列接続された２
個の出力トランジスタ（Ｑ１、Ｑ２）を有する出力スイ
ッチング回路の出力との間にダイオード（Ｄ５）とチョ
ークコイル（Ｌ１）を直列接続し、前記負側の大容量コ
ンデンサ（Ｃ４）の負極側と、前記出力スイッチング回
路の出力との間にチョークコイル（Ｌ２）とダイオード
（Ｄ６）とを直列接続した構成と為し、平滑回路の正側
に接続された出力トランジスタ（Ｑ１）のオンによって
正側の大容量コンデンサ（Ｃ３）が充電され、平滑回路
の負側に接続された出力トランジスタ（Ｑ２）のオンに
よって負側の大容量コンデンサ（Ｃ４）が充電されるよ
うにして、アクティブフィルタ回路の正負２つのスイッ
チング電源を出力スイッチング回路の出力ラインから供
給されることを特徴とする高周波電源装置、を提供する
ことにより、上記目的を達成するものである。

【００２６】

【作用】本発明における高周波電源装置においては、直
列接続された２個の出力トランジスタを有する出力スイ
ッチング回路の出力ライン（換言すれば負荷側）から高
周波電力を一部戻してチョークコイルを介して２個のコ
ンデンサに充電させることでアクティブフィルタ回路の
正負のスイッチング電源とする。

【００２７】したがって、従来別個に構成されていたア
クティブフィルタ回路と高周波出力スイッチング回路を
一体として制御するので制御回路が１つで済む。

【００２８】また、出力スイッチング回路の直列接続さ
れた２個のスイッチングトランジスタを同等に利用する
のでスイッチングトランジスタに過度の負担を掛けな
い。即ち比較的小さな能力で済み安価なトランジスタを
使用できコスト低減に資する。

【００２９】回路構成はアクティブフィルタ回路として
一般的なＡＣ電源ラインからチョークコイルを経由して
コンデンサを充電する昇圧型でなく、１００％力率とは
ならないが、９３％程度は達成され、充分蛍光灯点灯装
置等の高周波電源装置として利用できる。

【００３０】また、上記回路構成は簡素化としてチョー
クコイルやダイオードの部品点数の小数化に対応するこ
とができ、低コスト化が図れる。

【００３１】

【実施例】本発明に係わる力率改善型の高周波電源装置
の実施例を図１を基に詳述する。

【００３２】図１は本発明に係わる高周波電源装置の回
路例であり、商用電源１を入力としてノイズフィルタ１
５、コンデンサ入力型倍電圧整流回路（整流・平滑回
路）１６、アクティブフィルタ回路および出力スイッチ
ング回路１７から構成される。

【００３３】商用電源が正極性の半サイクル間について
説明すると、ダイオードＤ１により整流された入力電圧
は小容量コンデンサＣ１（フィルムコンデンサ）を充電
する。

【００３４】大容量コンデンサＣ３（電解コンデンサ）
への充電は出力トランジスタＱ１、ダイオードＤ５、チ
ョークコイルＬ１への経路を通して行われる。但し、Ｃ
３の電圧Ｅｃ３がＣ１の電圧Ｅｃ１より低い間のみ充電
される。

【００３５】該充電電流Ｉ１１はＣ１とＣ３の電位差、
Ｑ１のオン時間に比例し、インダクタＬ１のインダクタ
ンスに反比例する関係にあり、次式が成り立つ。

【００３６】 Ｉ１１（ｐｅａｋ）＝（Ｅｃ１−Ｅｃ３−Ｅｏｎ）×Ｔｏｎ／Ｌ１ ここにＴｏｎはＱ１のオン時間、Ｉ１１（ｐｅａｋ）は
Ｉ１１の最大値、ＥｏｎはＱ１およびＤ５のオン電圧
（電圧ロス）である。

【００３７】電源オンの初期状態では、小容量コンデン
サＣ１には電源電圧（半波）に近い位相で、ほぼ同電位
まで瞬時に充電されることになるが、大容量コンデンサ
Ｃ３への充電はＱ１がオンしている期間のみとなるので
瞬間的なＥｃ３の電位上昇はない（昇圧型ではない）。

【００３８】時間の経過と共にＣ３は半波毎に充電さ
れ、Ｅｃ３は徐々に上昇していく。

【００３９】この結果、（Ｅｃ１−Ｅｃ３）は徐々に小
さくなり、充電は減少して負荷に流れる出力電流に応じ
た電圧（Ｅｃ１−Ｅｃ３）で安定することとなる。

【００４０】また、前記充電電流はＥｃ１＞Ｅｃ３の条
件で流れ、Ｅｃ３の電位の高低により入力電流の流通角
が決定される。よって力率はＥｃ３がＥｃ１に近付くほ
ど悪くなる。

【００４１】以上の動作における各部の波形を図２に示
す。図２において（Ａ）はＥｃ１〜Ｅｃ４の電圧波形、
（Ｂ）は図１中の各部の電流波形である。

【００４２】尚、ダイオードＤ３の動作はＥｃ３の電位
がＥｃ１より高い場合にのみオンし、低い場合にはオフ
となりオン時のみＣ３の電荷を負荷に供給する。ダイオ
ードＤ５はＱ１がオンの時にＣ３への充電電流を流し、
Ｑ２がオンの時にＣ３の電荷を放電させない為のスイッ
チとして動作する。

【００４３】また、ダイオードＤ７、Ｄ８はＱ１、Ｑ２
がオフした直後の逆電流路であり、所謂フライホイール
ダイオード（転流ダイオード）である。

【００４４】以上の結果、出力電流Ｉｏ１は図２に示す
とおり、Ｔ１の期間はＣ１の電荷を、Ｔ２の期間はＣ３
の電荷を利用して連続した電流を供給することとなる。

【００４５】本説明は電源入力が正極性の場合について
であったが、負極性の場合についても全く同様に説明さ
れる。

【００４６】即ち負の入力電圧は小容量のフィルムコン
デンサＣ２を充電する。

【００４７】大容量コンデンサＣ４（電解コンデンサ）
への充電（充電電流Ｉ１２）は、トランジスタＱ２、ダ
イオードＤ６、チョークコイルＬ２の経路を通して行わ
れる。但し、Ｃ４の電圧Ｅｃ４がＣ２の電圧Ｅｃ２より
低い間のみ充電される。

【００４８】以下前述の正極性と同様である。

【００４９】以上のように、本発明ではアクティブフィ
ルタ回路において正負２つのスイッチング電源がインバ
ータ回路の出力トランジスタのスイッチングを利用して
出力ラインから供給される。つまり負荷側の高周波電力
の一部を戻してつくられるのである。

【００５０】次に前記本発明に係わる高周波電源装置を
有する蛍光灯を負荷とする蛍光灯インバータ装置を例に
力率等の特性改善効果について述べる。

【００５１】図３のような５つの３２ワット蛍光灯ＦＬ
１〜ＦＬ５および限流コイルＬ１〜Ｌ５、共振コンデン
サＣ１〜Ｃ５で構成されている複数組の蛍光灯から成る
負荷を本発明に係わる高周波電源回路（図１）に付加し
た場合の入力電力、入力皮相電力、入力ピーク電流、力
率についての測定データ表１に示す。

【００５２】なお、図４に示される従来のコンデンサ入
力型倍電圧整流回路と出力スイッチング回路を組み合わ
せた高周波電源装置の同負荷条件における特性データを
比較のため表１に併記する。

【００５３】

【表１】

【００５４】（注）入力電力を同一にした場合の比較で
ある。

【００５５】上記表から明らかなように、入力電流のピ
ーク値で約４６％の減少、皮相電力で２５％の減少、力
率で約２０％の上昇となり、大幅な改善効果が確認され
た。

【００５６】また、当然のことながら従来回路で必要で
あった突入防止回路１８もスイッチオン時の流入電流を
決定づける平滑回路コンデンサ容量が小さくなっている
ので削除可能となり突入防止回路部品の削減のみなら
ず、本回路の安全上の課題への配慮が不要となる（図４
比較参照）。

【００５７】尚、図１におけるチョークコイルＬ１、Ｌ
２とダイオードＤ５、Ｄ６の直列接続は位置を取り替え
ると、チョークコイルＬ１、Ｌ２を１個で共用させるこ
とができることは言うまでもない。

【００５８】

【発明の効果】本発明に係わる高周波電源装置は、上記
のように構成されているため、以下に記載するような効
果を有する。

【００５９】（１）力率の高いアクティブフィルタ回路
を有する高周波電源が簡単な回路構成で実現され、低コ
スト化の要請が厳しい高周波蛍光灯点灯装置に適すると
いう優れた効果を有する。

【００６０】（２）力率が改善されることにより高調波
歪が減少するという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係わる高周波電源装置の回路図であ
る。

【図２】 （Ａ）は上記回路各部における電圧波形、
（Ｂ）は電流波形である。

【図３】 蛍光灯負荷回路図である。

【図４】 従来のコンデンサ入力型倍電圧整流回路を有
する高周波電源装置である。

【図５】 （Ａ）は従来のコンデンサ入力型倍電圧整流
・平滑回路図、（Ｂ）は同電圧・電流波形である。

【図６】 （Ａ）は従来の電流補償型整流・平滑回路
図、（Ｂ）は同電圧・電流波形である。

【図７】 （Ａ）は従来のアクティブフィルタ回路図、
（Ｂ）は入力電流波形である。

【図８】 （Ａ）は従来のアクティブフィルタ回路を有
する高周波電源装置の回路図、（Ｂ）はチョークコイル
Ｌ１に流れる電流、（Ｃ）はＡＣライン電流である。

【符号の説明】

Ｃ１〜Ｃ５ 電解コンデンサまたはフィルムコンデン
サ Ｄ１〜Ｄ７ ダイオード Ｌ１、Ｌ２、・・ チョークコイル Ｑ１〜Ｑ３ スイッチングトランジスタ Ｖｏ 出力電圧 Ｖｉｎ 入力電圧 Ｉｉｎ 入力電流 α 流通角 １ 商用電源（５０／６０Ｈｚ） ２ 整流回路 ３ 平滑回路 ４ ブリッジ整流回路 ５ 平滑・電流補償回路 ６ 制御回路 ７ アクティブフィルタ回路 ８ スイッチング入力電流（Ｉｒ） ９ 入力平均電流 １０ 整流電流 １１ アクティブフィルタ回路 １２ 出力スイッチング回路 １３ ＡＣライン電流 １４ 平均電流 Ｔ 正の半サイクル １５ ノイズフィルタ回路 １６ コンデンサ入力型倍電圧整流回路 １７ アクティブフィルタ回路および出力スイッチン
グ回路 １８ 突入防止回路

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 商用交流電源を入力とし、整流回路と、
   平滑回路と、トランジスタのスイッチング制御によるア
   クティブフィルタ回路と、直列接続された２個の出力ト
   ランジスタを有する出力スイッチング回路と、を備えた
   高周波電源装置において、 前記平滑回路に正側・負側用の小容量コンデンサ（Ｃ
   １、Ｃ２）を直列接続し、正側・負側用の大容量コンデ
   ンサ（Ｃ３、Ｃ４）を直列接続してその中点と前記小容
   量コンデンサ（Ｃ１、Ｃ２）の中点とを接続するととも
   に、正側の大容量コンデンサ（Ｃ３）の正極側と平滑回
   路の正側とをダイオード（Ｄ３）を介して接続し、且つ
   負側の大容量コンデンサ（Ｃ４）の負極側と平滑回路の
   負側とをダイオード（Ｄ４）を介して接続し、 前記正側の大容量コンデンサ（Ｃ３）の正極側と、直列
   接続された２個の出力トランジスタ（Ｑ１、Ｑ２）を有
   する出力スイッチング回路の出力との間にダイオード
   （Ｄ５）とチョークコイル（Ｌ１）を直列接続し、 前記負側の大容量コンデンサ（Ｃ４）の負極側と、前記
   出力スイッチング回路の出力との間にチョークコイル
   （Ｌ２）とダイオード（Ｄ６）とを直列接続した構成と
   為し、 平滑回路の正側に接続された出力トランジスタ（Ｑ１）
   のオンによって正側の大容量コンデンサ（Ｃ３）が充電
   され、平滑回路の負側に接続された出力トランジスタ
   （Ｑ２）のオンによって負側の大容量コンデンサ（Ｃ
   ４）が充電されるようにして、アクティブフィルタ回路
   の正負２つのスイッチング電源を出力スイッチング回路
   の出力ラインから供給されることを特徴とする高周波電
   源装置。