JP2677925B2 - 力率の大きい電源 - Google Patents

力率の大きい電源

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JP2677925B2 JP4047713A JP4771392A JP2677925B2 JP 2677925 B2 JP2677925 B2 JP 2677925B2 JP 4047713 A JP4047713 A JP 4047713A JP 4771392 A JP4771392 A JP 4771392A JP 2677925 B2 JP2677925 B2 JP 2677925B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の分野】この発明は全般的に電源、更に具体的に
云えば、その出力に於ける速い過渡的な応答を保ちなが
ら、大きい入力力率で動作する交直切換え形変換器を含
む電源に関する。
【０００２】
【発明の背景】普通の整流器は力率が比較的小さく、そ
れが、交流線路から引出すことが出来る電力を、線路の
定格のある端数に制限している。更に、こう云う従来の
整流器が取出す交流線路電流は著しく歪んでおり、装置
の過電流及び過電圧の他に、他の電気装置との妨害を招
く場合が多い。力率を改善する方法として、受動形波形
整形方法、即ち、入力フィルタを使うものと、能動形の
方法、即ち、昇圧又は支援変換器形式を用いるものがあ
る。力率を高くする従来のこの様な能動的な方法は、一
般的に高い力率を達成する為の、完全に別個の先頭変換
器に続いて、直流から直流への変換器を用いて、所望の
調整済み直流出力電圧を発生するのが一般的である。即
ち、電力が２回変換されるが、これはコストがかゝり効
率が悪い。更に、先頭変換器は送出す電力全体を変換し
なければならない。実際、それが変換しなければならな
いピ―ク電力は、送出す平均電力の２倍に等しい。
【０００３】大きい力率で動作しながら１つの電力段を
用いる電力変換装置が、１９８７年２月１０日に付与さ
れた出願人の有する米国特許第４，６４２，７４５号に
記載されている。この米国特許の電力変換装置は、両波
交流整流器と、直交変換器と、１次巻線、密結合の２次
出力巻線及び疎結合の２次昇圧巻線を持つ変圧器と、２
次昇圧巻線に結合された共振コンデンサとを有する。２
次出力巻線がパルス幅変調（ＰＷＭ）によって制御さ
れ、２次昇圧巻線が周波数変調によって制御され、こう
して入力電流及び出力電圧を比較的独立に制御すること
が出来る。然し、この米国特許の２次昇圧巻線及び１次
昇圧巻線が疎ではあるけれども結合されている為、ＰＷ
Ｍ制御によって直流出力電圧を調節すると、入力電流の
波形に影響する。従って、この米国特許の電源は、１つ
の電力段だけを使って力率を比較的大きくしているが、
用途によっては、昇圧変換器及び電源の出力電圧を完全
に減結合することによって、（例えば、出力リップル電
流を少なくすることにより）力率を高めると共にその他
の形で性能を改善することが望ましいことがある。
【０００４】
【発明の目的】従って、この発明の目的は、大きい力率
で動作し、２つの出力を持つ１つの電力段を含む新規で
改良された、オフライン形の、切換え形電源を提供する
ことである。
【０００５】この発明の別の目的は、二重出力変換器を
持っていて、速い過渡的な応答で調整済み直流出力電圧
を発生しながら、交流源から品質の高い電流波形を引出
すことが出来る、オフライン形の切換え形電源を提供す
ることである。
【０００６】この発明の別の目的は、一方の出力が大き
い力率になる様にする為に、その入力と直列に結合さ
れ、且つ他方の出力が電源の出力としての直流電圧を発
生する様な二重出力電力変換器を含むオフライン形の切
換え形電源を提供することである。
【０００７】この発明の別の目的は、力率の大きい「フ
ロントエンド」形電源、例えば配電系統の直流母線に給
電するか、又は現存の力率の小さい切換え形電源にはめ
込むのに適した電源を提供することである。
【０００８】
【発明の要約】この発明の上記並びにその他の目的が、
交流整流器と、第１の出力が該交流整流器及び二重出力
変換器の入力の間に結合されていて、力率を高くし、他
方すなわち２番目の出力が電源の出力としての直流電圧
を発生する様な二重出力切換え形変換器とを含むオフラ
イン形の切換え形電源によって達成される。二重出力変
換器の両出力は完全に減結合されていて、交流入力電流
及び電源の出力電圧を独立に制御することが出来る様に
する。
【０００９】好ましい実施例では、両波交流整流器ブリ
ッジが、入力昇圧変換器手段を介して、二重出力電力変
換器の第１の出力と直列に結合される。昇圧変換器手段
が、昇圧変圧器２次巻線と共振静電容量の並列の組合せ
を含むと共に昇圧整流器を含んでいる。昇圧変換器手段
の出力端子が直流連結線路に結合される。略同じ静電容
量の値を持つ１対の直列接続のエネルギ貯蔵コンデンサ
が、昇圧変換器手段の出力の直流連結線路と大地の間に
接続される。完全ブリッジ形直交変換器も直流連結線路
と大地の間に結合され、昇圧変換器手段を励振する第１
の交流信号を発生する。昇圧変圧器１次巻線が共振イン
ダクタンスと直列に結合される。この直列の組合せが、
２つのエネルギ貯蔵コンデンサの間の中心タップと完全
ブリッジ形変換器の一方の枝路との間に結合される。完
全ブリッジ形変換器が変圧器を介して出力整流器に対す
る第２の交流電圧を発生し、調整済み直流出力電圧を発
生する。二重出力変換器の２つの出力が独立に制御され
る。例えば、好ましい実施例では、ＰＷＭ手段を設けて
調整済み出力電圧（即ち、第２の出力）の振幅を制御
し、他方、昇圧変換器手段の能動的な周波数制御を行な
って、交流入力電流の振幅を制御することにより、第１
の出力電圧を制御する。別の好ましい実施例では、昇圧
変換器手段のこの様な周波数制御は受動形である。即
ち、昇圧変換器の共振回路の利得特性に関係する。入力
昇圧変換器手段及び電源の出力電圧を完全に減結合した
結果として、この発明のオフライン形の切換え形電源
は、交流源から品質の高い電流波形を引出すことが出来
ると共に、速い過渡的な応答で調整済み直流出力電圧を
発生する。
【００１０】この発明の別の一面として、例えば配電系
統の直流母線に給電する為、又は現存の力率の小さい切
換え形電源にはめ込む為の内蔵式の力率の大きい「フロ
ントエンド」電源が、交流整流器と直交変換器の組合せ
によって構成される。直交変換器の出力が交流整流器と
直列に結合される。好ましい実施例では、直交変換器は
完全ブリッジ又は半ブリッジ形変換器の何れかで構成さ
れ、その出力が共振昇圧変換器手段を介して、交流整流
器と直列に結合される。その結果、交流源からは品質の
高い電流波形が引出されると共に、系統負荷、例えば、
配電系統の複数個の直流から直流への変換器に給電する
力率の大きい直流出力電圧が発生される。
【００１１】この発明の特徴並びに利点は、以下図面に
ついて詳しく説明する所から明らかになろう。
【００１２】
【発明の詳しい説明】図１は、交流電源２から交流電力
線路電圧を受取って、独立に制御し得る２つの出力電圧
Ｅout1及びＥout2を発生する従来周知の形式の電源１が
示されている。電源１は完全ブリッジ形に接続したダイ
オ―ド１１乃至１４を持つ両波整流器１０を含んでい
て、典型的な二重出力直々変換器１５に対する整流され
た交流線路電圧を供給する。
【００１３】この発明では、図２に示す様に、二重出力
直々変換器１５の一方の出力、例えばＥout1を整流され
た交流線路電圧と直列に結合することにより、直流出力
電圧Ｅout2を発生する力率の大きい電源４が実現され
る。
【００１４】図３は、交流線路電圧を調整済み直流出力
電圧に変換するこの発明の１実施例によるオフライン形
の切換え形電源を示す。図３の実施例では、この発明の
電源が、完全ブリッジ形に接続したダイオ―ド１１乃至
１４を含む両波整流器１０を持ち、これが交流電源２に
結合されている。整流器１０が、点ｂ及びｏの間に両波
整流電圧を発生する。図３に示す様に、昇圧変換器出力
回路１６が、高周波フィルタ誘導子Ｌinを介して、完全
ブリッジ形整流器と直列に結合されている。この代り
に、高周波フィルタ誘導子Ｌinは、希望によっては、整
流器１０の交流側に接続してもよい。昇圧変換器出力回
路１６が、昇圧変圧器Ｔb の昇圧変圧器中心タップつき
２次巻線１８を共振コンデンサＣr と並列に結合して構
成される。更に昇圧変換器出力回路が、ダイオ―ド２
０，２１で構成された中心タップつき変圧器用の両波昇
圧整流器を含み、両ダイオ―ドの陽極が共振コンデンサ
Ｃr の夫々の端子に接続されている。ダイオ―ド２０，
２１の陰極は一緒に点ａに接続され、この点ａが電位Ｖ
aoにある直流連結線路に接続される。
【００１５】図３に示す様に、スイッチング装置Ｑ1 乃
至Ｑ4 の完全ブリッジ形接続で構成された直交変換器２
２が、直流連結線路と大地の間に接続される。昇圧変圧
器１次巻線２４と共振誘導子Ｌr の直列の組合せが、変
換器２２のスイッチング装置Ｑ1 及びＱ2 を結ぶ接続点
と中心タップつきの１対の比較的大きなエネルギ貯蔵コ
ンデンサＣin／２を結ぶ接続点の間に結合されている。
（この代りに、その直列の組合せが比較的大きな別のエ
ネルギ貯蔵コンデンサ（図面に示してない）と並列に結
合されていれば、コンデンサＣin／２は比較的小さくて
もよい。）図４に示す様に、別の実施例の昇圧変換器出
力回路１６は、ダイオ―ド６乃至９と昇圧変圧器Ｔb の
１つの２次巻線１７とで構成された両波ブリッジ整流器
を含む。更に、昇圧電力変換器出力回路１６が図３では
並列共振回路を持つものとして示されているが、この発
明の利点は、他の形の共振回路を用いても実現し得るこ
とを承知されたい。例えば、直列／並列組合せの共振回
路を用い、別のコンデンサＣr2（図に示してない）を変
圧器Ｔb の１次側又は２次側の何れかで、共振誘導子Ｌ
r と直列に結合することが出来る。別の例として、共振
コンデンサＣr を、変圧器Ｔb の１次側又は２次側の何
れかで、図３に示す様にそれと並列ではなく、共振誘導
子Ｌr と直列に設けた直列共振回路形式を用いてもよ
い。
【００１６】別の変圧器２７の１次巻線２６が、完全ブ
リッジ形変換器の夫々の枝路のスイッチング装置Ｑ1 −
Ｑ2 及びＱ3 −Ｑ4 を結ぶ接続点の間に結合される。変
圧器２７の２次巻線２８の夫々の端子が、ダイオ―ド３
０，３１の陽極に接続される。ダイオ―ド３０，３１の
陰極が出力フィルタの誘導子３２及び出力フィルタのコ
ンデンサ３４に接続される。調整済み直流出力電圧Ｅ
out がコンデンサ３４の両端に発生される。
【００１７】動作について説明すると、昇圧変換器が、
完全ブリッジ形整流器１０の出力電圧｜ｖL ｜と直流連
結線路電圧Ｖaoの間の瞬時的な電圧の差を発生する。共
振昇圧変換器の出力電圧が、昇圧変換器共振回路Ｌr 及
びＣr の両端に発生される第１の交流信号により、完全
ブリッジ形変換器のスイッチング装置Ｑ1 −Ｑ4 のスイ
ッチング周波数によって制御されるが、これに対して直
流出力電圧Ｅout は、変圧器２７の両端に発生される第
２の交流信号のパルス幅変調（ＰＷＭ）により、即ち、
変換器ブリッジの２つの枝路を相互に移相することによ
って制御される。完全ブリッジ形変換器の２つの枝路を
移相しても、共振回路Ｌr 及びＣr に印加される電圧に
は影響しないから、昇圧変換器の電圧Ｖabは電源の出力
電圧Ｅout に依存しない。その結果、入力側の昇圧変換
器及び電源の出力電圧の両方に対して同時に速い過渡的
な応答が達成される。
【００１８】この発明の電源に対する適当な制御装置
が、前に引用した米国特許第４，６４２，７４５号の図
５に示されており、そこに説明されている。（図５の参
照数字はこの米国特許の参照数字に対応する。）この米
国特許には、指令された直流出力電圧Ｅ* out と実際の
直流出力電圧Ｅout の間に誤差が検出された時には、何
時でもインバ―タ出力信号のデュ―ティ・サイクルを調
節することにより、調整済み直流出力電圧を制御するＰ
ＷＭ制御装置が記載されている。更に、この米国特許に
は、実際の変換器の入力電流を電力線路電圧と同相の指
令電流と比較し、差があれば、昇圧変換器を制御する周
波数調節を行なう様な能動形の周波数制御装置が記載さ
れている。この発明の昇圧変換器及び電源の出力電圧は
完全に減結合されているので、この米国特許の制御装置
を使って直流出力電圧を調節しても、この発明の変換器
に対する入力電流に何の影響もないのが有利である。
【００１９】別の利点として、交流線路電流の能動的な
制御をしなくても、この発明の電源は、並列共振回路Ｌ
r 及びＣr の好ましい利得特性の為に、比較的大きい力
率及び低いピ―ク交流線路電流で動作することが判っ
た。入力交流電流波形の谷の近くでは、送出される電力
が小さく、共振回路の負荷が軽くなり、この為昇圧変換
器の出力電圧は、必要とする高い昇圧、即ち、瞬時的な
交流線路電圧｜ｖL ｜の小さい値と直流連結線路電圧Ｖ
aoの間の差を賄う様にリンギングによって増加すること
が出来る。逆に、入力交流電流波形のピ―クの近くで
は、送出される電力が大きく、共振回路には強い減衰が
かゝる。その結果、必要とする昇圧作用は少ない。従っ
て、並列共振昇圧変換器の利得特性により、自然に電源
は力率が大きくなる。従って、この発明の電源が、力率
を大きくする為に、入力交流電流波形の能動的な制御を
必要としないことが有利である。この為、破線７０で示
した図５の制御装置４０の部分を省き、補償利得ブロッ
ク６９の出力を（破線７１で示す様に）、必要な場合は
抵抗５８を介して傾斜関数発生器５８の入力に結合し、
こうしてこの発明の力率の大きい電源に要求される制御
装置を簡単にすることが出来る。
【００２０】更に別の利点として、昇圧電力変換器は、
負荷に送出す電力全体を変換することが要求されない。
即ち、直流連結線路電圧Ｖaoが、交流入力電圧のピ―ク
よりそれ程大きくない場合、即ち、交流入力電圧のピ―
クの２倍未満である場合、切換え形電源に昇圧変換器が
直列に接続されている結果として、昇圧電力変換器のピ
―ク定格は、直流連結線路に送出されるピ―ク電力未満
である。例えば、交流線路電圧のピ―クより約２５％高
い直流連結線路電圧Ｖaoでは、昇圧変換器によって変換
されるピ―ク電力は、送出される全電力の約７８％であ
り、昇圧変換器によって処理される平均電力は、送出さ
れる全電力の約５９％である。
【００２１】図６は、例えば、配電系統の直流母線に給
電する為、又は現存の力率の小さい切換え形電源にはめ
込む為に、内蔵式の交直「フロントエンド」形変換器が
望ましい様な用途に特に適したこの発明の電源の別の一
面を示す。図６に示す場合、図３の中心タップつきのエ
ネルギ貯蔵コンデンサＣin／２が１個の同等のエネルギ
貯蔵コンデンサＣinに置換えられており、その両端に専
用の半ブリッジ形共振変換器８０が結合されている。
（この代りに、スイッチング装置Ｑ1 −Ｑ4 で構成され
た図３に示す様な完全ブリッジ形変換器を使ってもよ
い。）変換器８０はスイッチング装置Ｑ1 及びＱ2 の直
列の組合せを持ち、昇圧１次巻線２４、共振インダクタ
ンスＬr 及び静電容量Ｃb （又はこの代りに、コンデン
サＣin／２として、図３に示す様に並列に結合された１
対のコンデンサＣb ／２）で構成された共振回路を、ス
イッチング装置Ｑ1 及びＱ2 の間の接続点に接続する。
図６の共振形昇圧変換器は、半ブリッジ形変換器のスイ
ッチング装置Ｑ1 及びＱ2 の切換え周波数によって制御
することが出来る。適当な周波数制御装置が前に引用し
た米国特許第４，６４２，７４５号に記載されている。
その代りに、共振形昇圧変換器は適当なＰＷＭ制御によ
って制御することが出来る。
【００２２】この発明の電力変換器を、その出力が共振
周波数で制御するか、ＰＷＭで制御するか又はその組合
せで制御する様な二重出力変換器を含む電源について説
明したが、この発明の利点を達成するには、この発明の
電源に任意の形式の二重出力電力変換器を使うことが出
来ることを承知されたい。従って、この発明の好ましい
実施例をこゝで図面に示して説明したが、こう云う実施
例は例に過ぎないことは明白であろう。当業者には、こ
の発明の範囲内で種々の変更が考えられよう。従って、
この発明は特許請求の範囲の記載のみによって限定され
ることを承知されたい。
【図面の簡単な説明】
【図１】典型的な二重出力電源の回路図。
【図２】この発明による二重出力直々変換器を含む電源
の回路図。
【図３】この発明の好ましい実施例のオフライン形の切
換え形電源の回路図。
【図４】この発明のオフライン形の切換え形電源に役立
つ別の実施例の昇圧変換器出力回路の回路図。
【図５】この発明の電源の動作を制御する適当な制御装
置の回路図。
【図６】この発明の更に別の実施例のオフライン形の切
換え形電源の回路図。
【符号の説明】
２ 交流源 １０ 両波整流器 １５ 二重出力直々変換器 Ｅout1，Ｅout2 第１及び第２の出力

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 直流出力電圧を発生する力率の大きい電
    源に於て、 交流電力線路に結合された時、整流された交流電圧を発
    生する交流整流手段と、 入力を有していて、第１及び第２の出力電圧を発生する
    二重出力電力変換器とを有し、該出力電圧は互いに減結
    合されていて独立に制御可能であり、第１の出力電圧が
    前記交流整流手段及び前記二重出力電力変換器の入力の
    間に直列に結合され、第２の出力電圧が電源の直流出力
    電圧となり、前記第１の出力電圧は前記交流電力線路か
    ら略正弦状の電流を取出すように変化できる、力率の大
    きい電源。
  2. 【請求項２】 交流電力線路に結合された時に整流され
    た交流電圧を発生する交流整流手段と、 昇圧変換器手段及び直交変換器手段を含んでいて、該昇
    圧変換器手段が前記交流整流手段及び直流連結線路電圧
    の間に直列に結合された昇圧変圧器の２次巻線を含み、
    該昇圧変換器手段が更に、前記昇圧変圧器、共振インダ
    クタンス及び共振静電容量の組合せを含む共振回路手段
    を含んでおり、前記直交変換器手段が前記直流連結線路
    電圧を受取って第１及び第２の交流信号を発生し、該第
    １の交流信号が前記昇圧変換器手段を励振し、該昇圧変
    換器手段に対する入力電流の振幅が前記第１の交流信号
    の周波数に依存する様な二重出力電力変換器と、 前記第２の交流信号を受取って、調整済み出力直流電圧
    をそれから発生する出力整流器手段とを有し、前記調整
    済み出力直流電圧と前記共振回路手段の出力電圧とは減
    結合されていて独立に制御可能であり、前記共振回路手
    段の出力電圧は前記交流電力線路から略正弦状の電流を
    取出すように変化でき、 更に、該出力整流器手段に結合されていて、前記第２の
    交流信号のパルス幅変調により、前記調整済み出力直流
    電圧の振幅を制御するパルス幅変調手段とを有し、該パ
    ルス幅変調手段は前記調整済み出力直流電圧の振幅を制
    御するために前記二重出力電力変換器を制御する、力率
    の大きい電源。
  3. 【請求項３】 前記電力変換器によって、前記電力線路
    の電圧と同相の略正弦状の電流を前記交流電力線路から
    取出す様にする形で、前記第１の交流信号の周波数を制
    御する周波数変調手段を有する請求項２記載の電源。 【請求項４】 交流電力線路に結合された時に整流され
    た交流電圧を発生する交流整流手段と、 該交流整流手段及び直流連結線路電圧の間に結合された
    昇圧変圧器の２次巻線を含むと共に、該昇圧変圧器、共
    振インダクタンス及び共振静電容量の組合せを含む共振
    回路手段を含む昇圧変換器手段と、 前記直流連結線路電圧を受取って第１及び第２の交流信
    号を発生し、該第１の交流信号が前記昇圧変圧器手段を
    励振し、前記昇圧変圧器手段に対する入力電流の大きさ
    が該交流信号の周波数に依存する様にする直交変換器手
    段と、 前記第２の交流信号を受取って、調整済み出力直流電圧
    をそれから発生する出力整流器手段とを有し、前記調整
    済み出力直流電圧と前記共振回路手段の出力電圧とは減
    結合されていて独立に制御可能であり、前記共振回路手
    段の出力電圧は前記交流電力線路から略正弦状の電流を
    取出すように変化できる、力率の大きい電源。
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