JP2726355B2 - スイッチングレギュレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスイッチングレギュレー
タすなわち高周波スイッチング方式直流安定化電源に関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】図９は従来のスイッチングレギュレータ
の概略回路図を示す。１次側には、交流電源１と、全波
整流器２と、入力用平滑コンデンサ３ａと、高周波トン
ランス４の１次巻線と、高周波半導体スイッチング素子
である例えばＦＥＴ５（電界効果型トランジスタ）とか
ら主回路が構成されている。ＦＥＴ５のゲート端子はパ
ルス幅変調（ＰＷＭ）制御回路６のゲート出力端子に接
続されている。一方、２次側には、高周波トランス４の
２次巻線と、整流用ダイオード７と、転流用フライホィ
ールダイオード８と、平滑用チョークコイル９と、出力
用平滑コンデンサ１０から主回路が構成されている。ま
た、この２次側主回路の出力端子には、出力電圧検出用
抵抗１１及び分圧抵抗１２が接続されるとともに、負荷
１３の負荷回路が接続されている。前記出力電圧検出用
抵抗１１と分圧抵抗１２の間の分電圧はパルス幅変調制
御回路６の出力電圧入力端子に接続されている。

【０００３】このスイッチングレギュレータでは、交流
電源１より供給される交流が全波整流器２によって全波
整流され、入力用平滑コンデンサ３ａによって平滑され
て、図１０に示すようなリップル成分を含む直流電圧が
発生する。この直流電圧はＦＥＴ５によりスイッチング
されて高周波パルス電圧となり、高周波トランス４によ
り所要電圧に変圧される。変圧された高周波パルス電圧
は整流用ダイオード７と転流用フライホィールダイオー
ド８、平滑用チョークコイル９、出力用平滑コンデンサ
１０によって平滑されて、図１２に示すような直流とな
る。

【０００４】交流入力電圧及び負荷が一定であれば、高
周波パルス電圧のパルス幅は一定であり、負荷には常に
一定の直流電圧Ｖ₀が供給される。しかし、交流入力電
圧又は負荷の変動に伴って出力電圧Ｖ₀が変化しようと
するので、パルス幅変調制御回路６は出力電圧検出用抵
抗１１と分圧抵抗１２の間の分電圧によって検出される
電圧変化ΔＶに応じてＦＥＴ５へのゲート出力を変更す
ることにより、１次側高周波パルス電圧のパルス幅を制
御して出力電圧Ｖ₀を一定にする。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかながら、前記従来
のスイッチングレギュレータでは、入力用平滑コンデン
サ３ａの両端に図１０に示すようなリップル成分を含む
直流電圧が加わり、そのリップル部分を充電するのに電
流が集中する結果、交流入力電流は図１１に示すような
第３，第５等の奇数高調波を多く含む非線形の波形とな
る。このため、この種のスイッチングレギュレータが普
及するに従って、入力配電線路にある変電所のトランス
が発熱したり、異常音が発生する等の高調波障害が近年
問題となってきた。また、進み力率による無効電流分が
多く流れて配線容量が増大するという問題があった。さ
らに、１次側の入力用平滑コンデンサ３ａは低周波の交
流入力を平滑するため、容量が大きく、装置の大型化、
コストの増大を招いていた。本発明はかかる問題点に鑑
みてなされたもので、交流入力電流の波形が線形化さ
れ、力率が改善されるとともに、小型で安価なスイッチ
ングレギュレータを提供することを目的とするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するた
め、従来の入力用平滑コンデンサを１次側から省いて２
次側の出力用平滑コンデンサと統合し、パルス幅制御回
路に正弦波逆変調形のパルス幅制御を行わせるようにす
る。すなわち、本発明は、高周波トランスの１次側に平
滑回路を含まない整流回路とスイッチング素子とを設
け、前記整流回路の交流入力側に高周波フィルターを設
ける一方、高周波トランスの２次側に整流，平滑回路を
設けるとともに、クロックパルスと前記整流回路で整流
された正弦波状全波電圧とに基づいて当該電圧が低いと
きは長く当該電圧が高いときは短くなるような逆正弦波
状に幅変調された鋸歯状波発生する鋸歯状波発生回路
と、該鋸歯状波発生回路１８で発生された鋸歯状波と前
記高周波トランスの２次側の出力電圧の変動分に比例し
た電圧とに基づいて逆正弦波状に幅変調されたパルス電
圧を前記スイッチング素子に出力するコンパレータとを
備えたパルス幅変調制御回路を設けたものである。

【０００７】

【作用】前記構成によれば、交流電源より１次側に入力
された交流は整流回路により全波整流された後、この平
滑されていない正弦全波波形の状態でスイッチング素子
によりスイッチングされる。ここでスイッチングされる
パルス幅はパルス幅変調制御回路により電圧が低いとき
は長く電圧が高いときは短くなるように逆正弦波状に変
化する。このスイッチングにより逆正弦波状にパルス幅
変調された高周波パルスは、２次側に出力され、整流，
平滑回路を経て平滑な直流出力電圧となって負荷に供給
される。交流入力電圧又は負荷の変動により直流出力電
圧が変化しようとすると、その変化に応じてパルス幅変
調制御回路が全体のパルス幅を制御するので、出力電圧
は一定に維持される。

【０００８】

【実施例】次に、本発明の実施例を図面に従って説明す
る。図１は、本発明に係るスイッチングレギュレータの
概略回路を示す。この回路は、図９に示す従来のスイッ
チングレギュレータ回路の入力用平滑コンデンサ３ａを
省略して出力用平滑コンデンサ１０に含めるとともに、
整流回路２の入力側にＬＣ高周波フィルタ３を設ける一
方、パルス幅変調制御回路６の代わりに正弦波逆変調形
のパルス幅変調制御回路１４を設けたものであり、それ
以外は従来の回路と同一の構成であるので、対応する部
分には同一符号が付してある。

【０００９】図２は、前記正弦波逆変調形パルス幅変調
制御回路１４を示し、この回路はフォトカプラ１５によ
り絶縁された１次側回路と２次側回路とからなってい
る。１次側回路は、主に制御用補助定電圧回路１６と、
クロックパルス発生回路１７と、鋸歯状波発生回路１８
と、パルス幅制御コンパレータ１９と、フォトカプラ１
５のフォトトランジスタ２０で構成され、２次側回路
は、フォトカプラ１５の発光ダイオード２１とシャント
レギュレータ２２で構成されている。

【００１０】制御用補助定電圧回路１６は、全波整流器
２の出力側より抵抗２３と抵抗２４，２５の間の分圧と
して取り出してダイオード２６及び平滑コンデンサ２７
により整流した電圧を定電圧化する回路である。そし
て、この制御用補助定電圧回路１６にフォトカプラ１５
のフォトトランジスタ２０と抵抗２８が直列に接続され
ている。クロックパルス発生回路１７は、前記補助定電
圧回路１６で得られた定電圧より、デューティ比が５０
％で周波数が好ましくは可聴周波数以上（例えば２０Ｋ
Ｈｚ）のクロックパルスを形成する回路である。

【００１１】鋸歯状波発生回路１８の一方の入力端子は
前記クロックパルス発生回路１７の出力端子に接続さ
れ、他方の入力端子は前記抵抗２３，２４と抵抗２５の
間の中点に接続され、出力端子はパルス幅制御コンパレ
ータ１９のプラス側入力端子に接続されている。またパ
ルス幅制御コンパレータ１９のマイナス側入力端子はフ
ォトトランジスタ２０のエミッタと抵抗２８の間の中点
に接続されている。フォトカプラ１５の発光ダイオード
２１のプラス側端子は、抵抗２９を介して２次側主回路
のプラス側出力端子に接続され、マイナス側端子はシャ
ントレギュレータ２２のカソード側端子に接続されてい
る。シャントレギュレータ２２の比較入力端子は、２次
側主回路の出力電圧検出用抵抗１１と分圧抵抗１２との
中点に接続され、アノード側端子は２次側主回路のマイ
ナス側出力端子に接続されている。

【００１２】以上の構成からなるスイッチングレギュレ
ータの動作を以下に説明する。交流電源１より供給され
る正弦波交流は、全波整流器２により図３に示す正弦波
状全波脈流波形に整流され、高周波トランス４の１次側
に供給される。一方、正弦波逆変調形パルス幅変調制御
回路１４から図４中Ｅに示すように幅変調された２０Ｋ
Ｈｚの駆動パルス信号がＦＥＴ５のゲート端子に印加さ
れるので、このＦＥＴ５により前記１次側の正弦波状全
波電圧はスイッチング（チョッピング）されて２次側へ
の高周波キャリアとなる。なお、正弦波逆変調形パルス
幅変調制御回路１４の動作は後に詳細に説明する。

【００１３】前記ＦＥＴ５によりスイッチングされた１
次側の高周波パルス電圧は高周波トランス４により変圧
され、図５に示すように、電圧（Ｖｓ）が低いときはＴ
ｏｎが長く、位相π／２のピーク電圧（ＶｓＰ）に近付
くにつれてＴｏｎが短くなる逆正弦波状の波形となっ
て、２次側に出力される。この２次側の高周波パルス電
圧は整流用ダイオード７によって再度直流化され、さら
に転流用フライホィールダイオード８と平滑用チョーク
コイル９と出力用平滑コンデンサ１０によって平滑され
て出力される。

【００１４】このときの出力電圧Ｖ₀は、次式で示され
る。 Ｖ₀＝Ｔｏｎ／Ｔ×Ｖｓ瞬時値 …（１） ここで、Ｔｏｎは前述のように逆正弦波状であり、Ｖｓ
は正弦波状であるため、出力電圧Ｖ₀は図５中１点鎖線
で示すような平坦な直流波形となる。高周波トランス４
の１次側及び２次側の電流は図５に示す高周波パルス電
圧と相似の波形となる。また、２次側高周波パルス電圧
に対する交流入力電流は、整流器２の入力側に設けた高
周波フィルタ３を通すことにより、正弦波に近似した線
形波形となり、図１１に示す従来のような最大値付近に
電流が集中することがなくなる。なお、２次側高周波パ
ルス電圧の最大瞬時値（ＶｓＰ）を直流出力電圧Ｖ₀に
対して十分大きく（例えば４倍以上）すればする程、入
力電流はさらに線形化される。

【００１５】ところで、交流入力電圧及び負荷が一定で
あれば、正弦波逆変調形パルス幅変調制御回路１４より
図４Ｅに示す駆動パルス信号がＦＥＴ５に出力されてス
イッチングされるので、負荷にはある直流出力電圧Ｖ₀
が得られる。いま交流入力電圧又は負荷が変動して出力
電圧Ｖ₀が変化しようとすると、正弦波逆変調形パルス
幅変調制御回路１４は出力電圧Ｖ₀の変化に応じて全体
的に幅変調された駆動パルスをＦＥＴ５に出力するの
で、出力電圧Ｖ₀は一定に維持される。すなわち、正弦
波逆変調形パルス幅変調制御回路１４は、入力電流正弦
波化のためのパルス幅変調と、定電圧化のためのパルス
幅変調を同時に行なわせる駆動パルスをＦＥＴ５に出力
する結果、入力電流の正弦波化及び出力電圧の定電圧化
が可能となるのである。以下、この正弦波逆変調形制御
回路１４の動作を詳細に説明する。

【００１６】正弦波逆変調形パルス幅変調制御回路１４
の鋸歯状波発生回路１８は、クロックパルス発生回路１
７から出力される図４中Ａで示すデューティ５０％の高
周波クロックパルスを同図中Ｂで示す入力交流正弦波同
期信号で同図中Ｃで示すように幅変調して鋸歯状波を形
成し、該鋸歯状波をパルス幅制御コンパレータ１９のプ
ラス側入力端子に出力する。一方、シャントレギュレー
タ２２は、出力電圧検出用抵抗１１と分圧抵抗１２の間
の分電圧として検出された出力電圧を基準電圧と比較し
てその変動分を増幅する。この結果、フォトカプラ１５
の発光ダイオード２１には出力電圧の変動分に比例した
電流が抵抗２９を介して流れて発光し、またフォトトラ
ンジスタ２０には発光ダイオード２１からの受光量に応
じた出力電流が流れる。このフォトトランジスタ２０に
抵抗２８を介して流れる電流は出力電圧の変動分に比例
し、そのフォトトランジスタ２０のエミッタと抵抗２８
の間で検出される検出電圧もまた出力電圧の変動に比例
する。

【００１７】パルス幅制御コンパレータ１９は、図４中
Ｃに示すような前記鋸歯状波発生回路１８から出力され
る鋸歯状波と、フォトトランジスタ２０と抵抗２８の間
で検出された図４中Ｄに示すような出力電圧の変動分に
比例した電圧とから、図４中Ｅに示すようにパルス幅変
調されたパルス電圧を前記ＦＥＴ５のゲート端子に出力
する。従って、仮に出力電圧Ｖ₀がΔＶだけ降下したと
すると、これに応じてパルス幅制御コンパレータ１９の
マイナス側端子に加わる検出電圧が下がり、パルス幅制
御コンパレータ１９よりＦＥＴ５のゲート端子に出力さ
れる駆動パルス信号のパルス幅が拡張される。この結
果、高周波トランス４の２次側パルス電圧のＴｏｎが増
大し、上記（１）式から明らかなように出力電圧Ｖ₀は
ΔＶだけ上昇して一定に制御される。

【００１８】なお、この実施例においては、負荷が大き
い場合に図７に示すように、交流入力電圧が０Ｖになる
時点に同期してリップル電圧が現れるが、これは出力用
平滑コンデンサ１０の容量を大きくすることにより軽減
することができる。図８は、出力が大きい場合に最適な
フルブリッジ方式のスイッチングレギュレータの回路を
示し、この回路では、半導体スイッチング素子である４
個のＦＥＴ５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄをブリッジ状に接続
し、高周波トランス４を介し変圧された２次電圧を高周
波ダイオード７ａ及び７ｂにて全波整流し、前記同様に
負荷に定電圧を供給するようにしたものである。

【００１９】

【発明の効果】以上の説明から明らかなように、本発明
によれば以下の効果を有する。高周波トランスの１次側
で正弦波状の全波整流波形を直接スイッチングし、パル
ス幅が逆正弦波状に変化する高周波パルスを２次側に出
力するため、高周波トランスの１次側，２次側を流れる
電流は高周波パルス電流となり、この高周波パルスから
なる交流入力電流は整流器の入力側に設けた高周波フィ
ルタを通ることにより正弦波状に線形化される。したが
って、従来のように奇数高調波を含む非線形成分が入力
電流に現れなくなり、入力配線路にある変電所のトラン
スの異常発熱や騒音が軽減される。スイッチング素子に
よるスイッチング動作の周波数は極めて高く、このスイ
ッチングにより得られる高周波パルスが２次側チョーク
コイルを介して出力用平滑コンデンサに印加されるた
め、力率が改善され、無効電流が少なくなるとともに、
チョークコイルが小型化される。１次側には低周波交流
入力を平滑する大容量の入力用平滑コンデンサが無く、
また２次側の出力用平滑コンデンサは高周波パルスを平
滑するものであってリップル電流が極めて少なく、しか
もその容量は従来の入力用平滑コンデンサと出力用平滑
コンデンサの容量を加えたものよりも小さくなるので、
装置が小型化し、安価になる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係るスイッチングレギュレータの回
路図である。

【図２】 正弦波逆変調形パルス幅変調制御回路の回路
図である。

【図３】 １次側整流器の出力電圧の波形図である。

【図４】 正弦波逆変調形パルス幅変調制御回路による
パルス形成過程を示す図である。

【図５】 ２次側高周波パルス電圧の波形図である。

【図６】 本発明による入力電流の波形図である。

【図７】 本発明によるリップルが多い場合の出力電圧
の波形図である。

【図８】 スイッチングレギュレータの他の実施例の回
路図である。

【図９】 従来のスイッチングレギュレータの回路図で
ある。

【図１０】 図９に示す従来のスイッチングレギュレー
タの１次側平滑コンデンサの出力波形図である。

【図１１】 図９に示す従来のスイッチングレギュレー
タの入力電流の波形図である。

【図１２】 図９に示す従来のスイッチングレギュレー
タの出力電圧の波形図である。

【符号の説明】

１…交流電源、 ２…全波整流
器（整流回路）、 ３…高周波フィルタ、 ４…高周波ト
ランス、 ５…ＦＥＴ（スイッチング素子）、 ７…整流用ダ
イオード、 ８…転流用フライホィールダイオード、 ９…平滑用チ
ョークコイル、 １０…出力用平滑コンデンサ、 １４…パルス幅
変調制御回路、 １８…鋸歯状波発生回路、 １９…パルス幅
変調コンパレータ。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 高周波トランスの１次側に平滑回路を含
   まない整流回路とスイッチング素子とを設け、 前記整流回路の交流入力側に高周波フィルターを設ける
   一方、 高周波トランスの２次側に整流，平滑回路を設けるとと
   もに、 クロックパルスと前記整流回路で整流された正弦波状全
   波電圧とに基づいて当該電圧が低いときは長く当該電圧
   が高いときは短くなるような逆正弦波状に幅変調された
   鋸歯状波発生する鋸歯状波発生回路と、該鋸歯状波発生
   回路１８で発生された鋸歯状波と前記高周波トランスの
   ２次側の出力電圧の変動分に比例した電圧とに基づいて
   逆正弦波状に幅変調されたパルス電圧を前記スイッチン
   グ素子に出力するコンパレータとを備えたパルス幅変調
   制御回路を設けたことを特徴とするスイッチングレギュ
   レータ。