JP3054996U - コンデンサ入力型整流平滑回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】動作開始時の共振振動による出力電圧の波打ち
振動現象を防止する。 【解決手段】コンデンサ入力型整流平滑回路３は、タイ
オードＤ１整流された電流を平滑するセラミックコンデ
ンサＣ１の電圧をインダクタンスＬ１を介して電解コン
デンサＣ２に伝えるπ型平滑回路を構成する。このπ型
平滑回路におけるセラミックコンデンサＣ１の両端に、
抵抗Ｒ0 と電解コンデンサＣ0 の直列回路を接続し、共
振振幅を小さくすると共に振動周期を長くし、緩やかで
小さな共振振動としてリップル電圧を抑圧する。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【考案の属する技術分野】

本考案は、スイッチング電流を整流平滑して負荷に供給する自励式スイッチン グレギュレータに使用するコンデンサ入力型整流平滑回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】

従来、この種のコンデンサ入力型整流平滑回路としては、例えば図４に示すも のがある。図４は、自励式スイッチングレギュレータであり、自励フライバック コンバータ２Ａとコンデンサ入力型整流平滑回路３で構成される。自励フライバ ックコンバータ２Ａは、主巻線Ｎ１、帰還巻線Ｎ２及び出力巻線Ｎ３を備えたト ランスＴ１、スイッチング素子となるトランジスタＴｒ１、起動抵抗Ｒ１、ＤＣ カット用のコンデンサＣ３及び逆電圧吸収用のタイオードＤ２で構成される。

【０００３】 またコンデンサ入力型整流平滑回路３は、トランスＴ１の出力巻線Ｎ３からの スイッチング電流を整流するダイオードＤ１を備えた整流回路と、ダイオードＤ １で整流された電流を平滑するコンデンサＣ１のコンデンサ電圧をインダクタン スＬ１を介して電解型コンデンサＣ２に伝えるπ型平滑回路で構成される。ここ で、コンデンサＣ１はリップル電流を多く流すためにセラミックコンデンサやフ ィルムコンデンサ等が使用される。また電解型コンデンサＣ２は電解コンデンサ やタンタルコンデンサが使用される。

【０００４】 図４の動作を図５のタイムチャートを参照して説明する。スイッチＳＷ１をオ ンすると、直流入力電源１から直流電圧が入力され、起動抵抗Ｒ１に電流が流れ 、トランジスタＴｒ１のベース電流Ｉｂとなり、コレクタＩｃが増加し、入力巻 線Ｎ１の電流が増加する。このため帰還巻線Ｎ２に電圧が発生し、コンデンサＣ ３を通して電流が流れてベースＩｂを増加させ（正帰還）、トランジスタＴｒ１ がターンオン状態となる。

【０００５】 コレクタ電流Ｉｃは入力巻線Ｎ１のインダクタンスＬ１０により時間ごとに増 加し、Ｉｃ／Ｉｂ＝ｈfeとなった時点でコレクタ電流Ｉｃの増加がストップする 。このため入力巻線Ｎ１巻線に逆電圧が発生し、同時に帰還巻線Ｎ２にも逆電圧 が発生し、ベース・エミッタ間電圧Ｖｂｅを逆バイアスし、トランジスタＴｒ１ がターンオフ状態となる。

【０００６】 トランスＴ１の電磁エネルギーは、トランジスタＴｒ１がオフの期間、出力巻 線Ｎ３からダイオードＤ１を通って平滑回路で平滑され、負荷ＲＬに対する直流 出力となる。出力巻線Ｎ３からコンデンサＣ１にエネルギーが移ると、出力巻線 Ｎ３の発生電圧はゼロとなり、帰還巻線Ｎ２の発生電圧もゼロとなる。

【０００７】 トランジスタＴｒ１のターンオフ期間に逆充電されていたコンデンサＣ３の電 荷によってトランバスタＴｒ１のベース・エミッタ間電圧Ｖbeは再び順バイアス となり、ベース電流Ｉｂが流れ始め、トランジスタＴｒ１がターンオンとなり、 これを繰り返す。

【０００８】 コンデンサ入力型の整流平滑回路３は、出力巻線Ｎ３から流れ出るフライバッ ク電流をコンデンサＣ１でリップル電圧に変換し、このリップル電圧をインダク タンスＬ１と電解コンデンサＣ２で更に圧縮し、安定な直流出力電圧に平滑する 。

【０００９】

【考案が解決しようとする課題】

しかしながら、このような従来のコンデンサ入力型整流平滑回路にあっては、 直流電圧の入力によりインバータが動作開始する時、直流出力の立上がり途中に ＬＣ共振周期付近で出力電圧の上下を繰り返す波打ち状の振動波形が現われる問 題点がある。

【００１０】 図６（Ａ）のようにスイッチＳＷ１のオンでインバータ動作開始すると、図６ （Ｂ）のように、直流出力の立上がり途中に、ＬＣ共振周期付近の周期で出力電 圧の上下を繰り返す波打ち状の振動波形が現われる。この波打ち現象は、平滑コ ンデンサＣ１とインダクタンスＬ１との共振振動による電圧変動が、トランスＴ １の２次巻線Ｎ３を通して帰還巻線Ｎ２に発生することに起因しており、インバ ータの自励発振が断続する期間ａと、共振周期と自励発振周期のタイミングによ る平滑コンデンサＣ１のリップル電圧が異常に増加する期間ｂをもつ。

【００１１】 図７（Ａ）〜（Ｃ）は、図６（Ｂ）の自励発振断続期間ａの動作であり、平滑 コンデンサＣ１とインダクタンスＬ１との共振電流ｉｒの一部が電流ｉ１のよう に出力巻線Ｎ３に流れ（図７（Ｃ）の斜線部）、トランスＴ１の２次巻線Ｎ３を 通して帰還巻線Ｎ２に電圧変動が発生することで、インバータの自励発振が一時 的に停止する。この共振電流ｉが流れる共振周波数ｆ0 は次式となる。

【００１２】

【数１】 図８（Ａ）〜（Ｆ）は、図６（Ｂ）のリップル異常増加期間の動作であり、平 滑コンデンサＣ１とフィルタインダクタンスＬ１の共振周期とコンバータの自励 発振周期のタイミングによって、平滑コンデンサＣ１のリップル電圧ｖ１が８（ Ｄ）のように異常に増加する。

【００１３】 ここで、コンデンサＣ１に流れる電流ｉc1は、 ｉc1＝ｉ2 −ｉr となり、このためコンデンサＣ１に発生するリップル電圧ｖ１は、

【００１４】

【数２】 で与えられる。このため図８（Ａ）の発振動作と図８（Ｃ）の共振電流ｉｒのタ イミングにより、図８（Ｅ）の状態ではコンデンサＣ１に流れる電流ｉc1は小さ いのでリップル電圧ｖ1 も小さいが、図８（Ｆ）の状態ではコンデンサＣ１に流 れる電流ｉc1が増加し、リップル電圧ｖ1 も大きくなり、出力電圧の上下を繰り 返す波打ち状の振動波形が現われるという問題点があった。

【００１５】 本考案の目的は、動作開始時の共振振動による出力電圧の波打ち振動現象を防 止するようにしたコンデンサ入力型平滑整流回路を提供する。

【００１６】

【問題点を解決するための手段】

この目的を達成するため本考案は、次のように構成する。まず本考案は、自励 式のスイッチングレギュレータに設けられ、スイッチング電流を整流するダイオ ードを備えた整流回路と、整流回路で整流された電流を平滑する第１コンデンサ の電圧をインダクタンスを介して電解型の第２コンデンサに伝えるπ型平滑回路 とを備えたコンデンサ入力型整流平滑回路を対象とする。

【００１７】 このようなコンデンサ入力型整流平滑回路につき、本考案は、平滑回路の第１ コンデンサの両端に、抵抗と電解型の第３コンデンサの直列回路を接続したこと を特徴とする。

【００１８】 また本考案の別の形態にあっては、平滑回路の第１コンデンサの両端に、イン ダクタンスと電解型の第３コンデンサの直列回路を接続したことを特徴とする。

【００１９】 このように平滑回路でＬＣ共振回路を形成する第１コンデンサＣ１と並列に、 第１コンデンサＣ１より容量の大きい電解型の第３コンデンサと抵抗またはイン ダクタンスの直列回路を接続し、これによって共振振幅を小さくすると共に振動 周期を長くし、緩やかで小さな共振振動とすることで、インバータの自励発振用 正帰還巻線に発生する外乱振動や第１コンデンサＣ１のリップル電圧の増加を防 止し、直流出力立ち上がり時の波打ち現象を防止する。

【００２０】 また第１コンデンサに並列接続している電解型の第３コンデンサに直列に入れ た抵抗またはインダクタンスによって、トランスの出力巻線Ｎ３から流れ出すフ ライバック電流の多くを第１コンデンサＣ１側に分流させ、電解型の第３コンデ ンサ自身の発熱を防止して寿命を長くし、結果として外形寸法の小さな電解コン デンサが使用でき、総合的なコストアップ、外形寸法の増加を抑えることができ る。

【００２１】

【考案の実施の形態】

図１は本考案の第１実施形態であり、自励フライバックコンバータを用いたス イッチングレギュレータの整流平滑回路に本考案を適用したことを特徴とする。

【００２２】 図１において、この第１実施形態のスイッチングレギュレータは、自励フライ バックコンバータ２Ａと整流平滑回路３で構成されている。

【００２３】 自励フライバックコンバータ２Ａは入力巻線Ｎ１，帰還巻線Ｎ２及び出力巻線 Ｎ３を有するトランスＴ１、スイッチング素子として機能するトランジスタＴｒ １、起動抵抗Ｒ１、逆電圧吸収用のダイオードＤ２、及びＤＣカット用のコンデ ンサＣ３で構成される。また整流平滑回路３はダイオードＤ１でトランスＴ１の 出力巻線Ｎ３から出力されるフライバック電流を整流する整流回路を構成し、続 いてπ型平滑回路を設けている。

【００２４】 このπ型平滑回路は、ダイオードＤ１で整流された電流を平滑するセラミック コンデンサ（第１コンデンサ）Ｃ１を設け、セラミックコンデンサＣ１に対しイ ンダクタンスＬ１を介して電解コンデンサＣ２（第２コンデンサ）をπ型に接続 している。

【００２５】 このようなコンデンサ入力型の整流平滑回路３に対し、本考案にあっては、更 にセラミックコンデンサＣ１と並列に抵抗Ｒ０とコンデンサＣ０（第３コンデン サ）の直列回路を接続している。このコンデンサＣ０はセラミックコンデンサＣ １より容量の大きい電解コンデンサあるいはタンタルコンデンサを使用する。即 ち、大きなリップル電流を流すことのできるセラミックコンデンサＣ１に対し、 並列に接続したコンデンサＣ０はリップル電流を多く流せないコンデンサという ことができる。

【００２６】 このようにセラミックコンデンサＣ１と並列に抵抗Ｒ０とコンデンサＣ０の直 列回路を接続したことで、整流平滑回路３におけるスイッチＳＷ１をオンした際 の整流平滑回路３における共振振動で流れる共振電流ｉr によって、セラミック コンデンサＣ１に発生する共振振動の電圧振幅となるリップル電流Ｖ１を小さく することができる。

【００２７】 即ち、共振振動で流れる共振電流ｉr によりセラミックコンデンサＣ１の電圧 Ｖ１は次式で与えられる。

【００２８】

【数３】 この（１）式から明らかなように、新たにコンデンサＣ０が加わったことでセ ラミックコンデンサＣ１の電圧Ｖ１の電圧振幅を小さくできる。同時に共振電流 ｉr の共振周波数ｆ0 は

【００２９】

【数４】 であり、コンデンサＣ０の追加により共振周波数ｆ0 が下がることで振動周期を 長くする。即ち、セラミックコンデンサＣ１と並列に抵抗Ｒ０とコンデンサＣ０ の直列回路を接続したことで、共振の振幅を小さくし且つ振動振幅を長くでき、 その結果、図６に示したスイッチＳＷ１をオンした動作開始時の直流出力立上が り時における波打ち現象を抑制することができる。

【００３０】 またセラミックコンデンサＣ１と並列に追加した直列回路のフライバック電流 制限用の抵抗Ｒ０は、自励フライバックコンバータ２Ａのオン、オフ動作によっ て出力巻線Ｎ３から流れ出すフライバック電流ｉ２がコンデンサＣ０に流れるの を制限し、リップルに強いセラミックコンデンサＣ１側に多く流す。

【００３１】 これによってセラミックコンデンサＣ１と並列に追加したコンデンサＣ０に流 れるリップル電流が制限され、電解コンデンサやタンタルコンデンサを用いた場 合のコンデンサＣ０自身の発熱を防止し、且つ寿命を長くでき、その結果、外形 寸法の小さな電解コンデンサを使用でき、新たに抵抗Ｒ０とコンデンサＣ０の直 列回路を追加しても、全体としてのコストアップ及び外形寸法の増加を抑えるこ とができる。

【００３２】 尚、出力電圧が安定した後の自励フライバックコンバータ２Ａのスイッチング 動作に伴う整流平滑回路３の直流出力の動作は、基本的に図４の従来回路と同じ になる。

【００３３】 図２は本考案の第２実施形態であり、極性反転型自励チョッパを用いたスイッ チングレギュレータの整流平滑回路に本考案を適用したことを特徴とする。

【００３４】 図２において、スイッチングレギュレータは、極性反転型自励チョッパ２Ｂと コンデンサ入力型の整流平滑回路３で構成される。

【００３５】 極性反転型自励チョッパ２Ｂは、スイッチング用のトランジスタＴｒ１１、イ ンダクタンスＬ１１を与える入力巻線Ｎ１と帰還巻線Ｎ２を備えたチョッパトラ ンスＴ１１、起動抵抗Ｒ１１、ダイオードＤ１１、コンデンサＣ２１で構成され る。

【００３６】 またコンデンサ入力型の整流平滑回路３は、極性反転型自励チョッパ２Ｂのチ ョッパ電流を整流するダイオードＤ１で整流回路を構成し、整流回路Ｄ１に続い てπ型平滑回路を構成するセラミックコンデンサＣ１、インダクタンスＬ１及び 電解コンデンサＣ２を設けている。

【００３７】 この整流平滑回路３についても、図１の第１実施形態と同様、セラミックコン デンサＣ１と並列にチョッパ電流制限用の抵抗Ｒ０とセラミックコンデンサＣ１ より容量の大きい電解コンデンサやタンタルコンデンサを用いたコンデンサＣ０ の直列回路を接続している。

【００３８】 図２の第２実施形態の動作を説明する。スイッチＳＷ１をオンすると、直流入 力電源１から直流電圧が供給され、トランジスタＴｒ１１のベースから起動抵抗 Ｒ１にベース電流が流れ始め、トランジスタＴｒ１１がオンし、これに応じてチ ョッパトランスＴ１１の入力巻線Ｎ１に流れる電流が増加し、エネルギが蓄積さ れる。

【００３９】 このとき帰還巻線Ｎ２には入力巻線Ｎ１の電流増加に応じた電圧が発生し、ト ランジスタＴｒ１１を逆バイアスし、この逆バイアスが増加するとトランジスタ Ｔｒ１がターンオフする。トランジスタＴｒ１１がターンオフすると、ターンオ ン期間にチョッパトランスＴ１１の入力巻線Ｌ１１に蓄積されたエネルギがダイ オードＤ１で整流されて、チョッパ電流ｉ２としてセラミックコンデンサＣ１に エネルギを移す。

【００４０】 セラミックコンデンサＣ１にエネルギが移り終わると、チョッパ電流ｉ２がゼ ロとなる。このとき帰還巻線Ｎ２はトランジスタＴｒ１１を順バイアスする電圧 を発生し、再びトランジスタＴｒ１１はターンオンし、以下これを繰り返す。

【００４１】 整流平滑回路３にあっては、スイッチＳＷ１をオンした直流出力の立上げ時に 共振電流ｉr が流れる。この共振電流ｉr によりセラミックコンデンサＣ１の両 端に加わる共振振動の電圧Ｖ１は、前記（１）式のように、コンデンサＣ０を追 加した分、小さくなる。また共振周波数ｆ0 も前記（２）式から、コンデンサＣ ０を追加した分、小さくなり、これによって共振周期を長くしている。

【００４２】 このため、図２の第２実施形態の整流平滑回路３にあっても、動作開始時にお ける極性反転型自励チョッパ２Ｂの帰還巻線Ｎ２に発生する共振電流ｉr に起因 した外乱振動や、直流出力立上がり時のリップル電流の増加による波打ち現象を 防止することができる。

【００４３】 図３は本考案の第３実施形態であり、昇圧型自励チョッパを用いたスイッチン グレギュレータの整流平滑回路に本考案を適用したことを特徴とする。

【００４４】 図３において、第３実施形態は昇圧型自励チョッパ２Ｃとコンデンサ入力型の 整流平滑回路３で構成される。昇圧型自励チョッパ２Ｃは、インダクタンスＬ１ ２を持つ入力巻線Ｎ１と帰還巻線Ｎ２を備えたチョッパトランスＴ１２、スイッ チング素子として動作するトランジスタＴｒ１２、起動抵抗Ｒ１２、コンデンサ Ｃ２２及びダイオードＤ２２で構成される。

【００４５】 またコンデンサ入力型の整流平滑回路３は、整流回路を構成するダイオードＤ １とπ型平滑回路を構成するセラミックコンデンサＣ１、インダクタンスＬ１、 電解コンデンサＣ２を有する。この第３実施形態にあっては、整流平滑回路３に おけるセラミックコンデンサＣ１と並列にチョッパ電流制限用のインダクタンス Ｌ０とコンデンサＣ０との直列回路を接続している。

【００４６】 図３の第３実施形態の動作を説明する。スイッチＳＷ１をオンすると、昇圧型 自励チョッパ２Ｃの起動抵抗Ｒ１２からトランジスタＴｒ１２にベース電流が流 れ、トランジスタＴｒ１２のコレクタ電流の増加に伴い、チョッパトランスＴ１ ２の１次巻線Ｎ１を流れる電流が増加する。これに伴い帰還巻線Ｎ２に電圧が発 生し、トランジスタＴｒ１のベースを順バイアスすることでベース電流が増加し 、トランジスタＴｒ１２がターンオンする。

【００４７】 トランジスタＴｒ１２がターンオンすると、電流増加はなくなることで帰還巻 線Ｎ２の発生電圧がなくなり、コンデンサＣ２２の充電電圧によりトランジスタ Ｔｒ１２が逆バイアスされてターンオフとなる。このため、トランジスタＴｒ１ ２のターンオンでチョッパトランスＴ１２に蓄積された電磁エネルギがダイオー ドＤ１で整流されて整流平滑回路３のセラミックコンデンサＣ１に移される。

【００４８】 セラミックコンデンサＣ１にエネルギが移ると、昇圧型自励チョッパ２Ｃのト ランジスタＴｒ１２が順バイアスとなって再びコレクタ電流が流れ始め、ターン オンに移行し、以下これを繰り返す。このような昇圧型自励チョッパ２Ｃのオン オフに伴うチョッパ電流の供給を受けた整流平滑回路３は、チョッパ電流を整流 した後に平滑して負荷ＲＬに規定の直流電圧を出力する。

【００４９】 一方、スイッチＳＷ１をオンした動作開始時にあっては、セラミックコンデン サＣ１に容量の大きなコンデンサＣ０を並列に追加したことで、共振振動によっ てセラミックコンデンサＣ１に発生する振動電圧の振幅が減少し、且つコンデン サＣ０を追加したことで共振周波数ｆ0 が下がって共振周期が長くなり、共振電 流ｉr は緩やかで小さな振動となる。

【００５０】 このため、動作開始時における昇圧型自励チョッパ２Ｃの帰還巻線Ｎ２に発生 する外乱振動や直流出力立上がり時の出力電圧の波打ち現象を防止することがで きる。

【００５１】 また第３実施形態にあっては、図１，図２の実施形態の抵抗Ｒ０の代わりにイ ンダクタンスＬ０を使用しており、同様に昇圧型自励チョッパ２Ｃから流れ出す チョッパ電流ｉ２のコンデンサＣ０への流れを抑えてセラミックコンデンサＣ１ 側に多く流すように分流している。

【００５２】 これによって追加したコンデンサＣ０の発熱を防止して寿命を高め、外形寸法 の小さな電解コンデンサやタンタルコンデンサの使用を可能とし、新たにインダ クタンスＬ０とコンデンサＣ０の直列回路を追加しても、全体的なコストアップ と外形寸法の増加を抑えている。

【００５３】 尚、上記の実施形態は自励フライバックコンバータ、極性反転型自励チョッパ 及び昇圧型自励チョッパを例にとるものであったが、これ以外の自励コンバータ であってもよいことはもちろんである。

【００５４】

【考案の効果】

以上説明してきたように本考案によれば、整流回路で整流されたスイッチング 電流を平滑するセラミックコンデンサ（第１コンデンサ）と並列に、より容量の 大きいコンデンサ（第３コンデンサ）と抵抗、またはインダクタンスの直列回路 を接続したことで、整流平滑回路における共振振動の電圧振幅を小さくすると共 に振動周期を長くして緩やかで小さな共振振動とし、これによってインバータの 自励発振のための帰還巻線に発生する外乱振動や平滑コンデンサに発生するリッ プル電圧の増加に起因した直流出力立上がり時の波打ち現象を防止することがで きる。

【００５５】 また、セラミックコンデンサ（第１コンデンサ）に並列に接続した電解コンデ ンサ（第３コンデンサ）と直列に接続した抵抗またはインダクタンスによって、 コンバータから流れ出すスイッチング電流の多くをセラミックコンデンサ側に分 流させることができ、これによって新たに追加した電解コンデンサ自身の発熱を 防止し、寿命を長くすることで、外形寸法の小さな電解コンデンサを使用でき、 全体的なコストアップと外形寸法の増加を抑えることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案を自励式フライバックコンバータの２次
整流平滑回路に適用した第１実施形態の回路図

【図２】本考案を極性反転型自励チョッパレギュレータ
の整流平滑回路に適用した第２実施形態の回路図

【図３】本考案を昇圧型自励チョッパレギュレータの整
流平滑回路に適用した第３実施形態の回路図

【図４】従来の自励式フライバックコンバータの２次整
流平滑回路の回路図

【図５】図４のインバータ正常動作時のタイムチャート

【図６】図４のインバータ動作開始時の出力電圧の波打
ち現象の説明図

【図７】図６の自励発振断続期間における異常動作の説
明図

【図８】図６のリップル電圧異常増加期間における異常
動作の説明図

【符号の説明】

１：直流入力電源 ２Ａ：自励フライバックコンバータ ２Ｂ：極性反転型自励チョッパ ２Ｃ：昇圧自励チョッパ ３：コンデンサ入力型の整流平滑回路 Ｔ１：トランス Ｎ１，Ｎ１１，Ｎ１２：入力巻線 Ｎ２，Ｎ２１，Ｎ２２：帰還巻線 Ｎ３：出力巻線 Ｔ１１，Ｔ１２：チョッパトランス Ｔｒ１：トランジスタ Ｄ１：ダイオード（整流回路） Ｃ１：セラミックコンデンサ（第１コンデンサ） Ｃ２：電解コンデンサ（第２コンデンサ） Ｃ０：電解コンデンサ（第３コンデンサ：リップル抑制
用） Ｌ０，Ｌ１：インダクタンス Ｒ０：抵抗（リップル抑制用）

Claims (2)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】スイッチングレギュレータに設けられ、ス
   イッチング電流を整流するダイオードを備えた整流回路
   と、該整流回路で整流された電流を平滑する第１コンデ
   ンサの電圧をインダクタンスを介して電解型の第２コン
   デンサに伝えるπ型平滑回路とを備えたコンデンサ入力
   型整流平滑回路に於いて、 前記第１コンデンサの両端に、抵抗と電解型の第３コン
   デンサの直列回路を接続したことを特徴とするコンデン
   サ入力型整流平滑回路。
2. 【請求項２】スイッチングレギュレータに設けられ、ス
   イッチング電流を整流するダイオードを備えた整流回路
   と、該整流回路で整流された電流を平滑する第１コンデ
   ンサの電圧をインダクタンスを介して電解型の第２コン
   デンサに伝えるπ型平滑回路とを備えたコンデンサ入力
   型整流平滑回路に於いて、 前記第１コンデンサの両端に、インダクタンスと電解型
   の第３コンデンサの直列回路を接続したことを特徴とす
   るコンデンサ入力型整流平滑回路。