JP3257014B2 - 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、交流電源を入力とする
スイッチング式の電源装置に関するものであり、さらに
詳しくは、電源投入時の突入電流の防止と入力力率の改
善に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図５は従来の電源装置の回路図である。
以下、その回路構成について説明する。全波整流回路Ｄ
Ｂの交流入力端子には、電源スイッチＳＷを介して交流
電源Ｖｓに接続されている。全波整流回路ＤＢの直流出
力端子には、平滑用のコンデンサＣ１が並列接続されて
いる。コンデンサＣ１には、高周波トランスＴの１次巻
線Ｎ１とスイッチング素子Ｓ１の直列回路が並列接続さ
れている。高周波トランスＴの２次巻線Ｎ２には、ダイ
オードＤ３とインダクタＬ１の直列回路を介してコンデ
ンサＣ２と負荷Ｚの並列回路が接続されている。インダ
クタＬ１とコンデンサＣ２の直列回路には、ダイオード
Ｄ４が図示された極性で接続されている。

【０００３】以下、上記回路の動作について説明する。
電源スイッチＳＷがオンされると、交流電源Ｖｓの交流
電圧が全波整流回路ＤＢにより全波整流される。この全
波整流された電圧は、コンデンサＣ１により平滑され
て、コンデンサＣ１の両端には直流電圧が充電される。
この直流電圧は、スイッチング素子Ｓ１が高周波的にス
イッチングされることにより、高周波トランスＴの１次
巻線Ｎ１に断続的に印加される。これにより、高周波ト
ランスＴの２次巻線Ｎ２には高周波電圧が誘起され、こ
の高周波電圧がダイオードＤ３により半波整流され、イ
ンダクタＬ１を介してコンデンサＣ２に充電される。コ
ンデンサＣ２に得られる直流電圧は、負荷Ｚに印加され
る。なお、高周波電圧の極性がダイオードＤ３の逆バイ
アス方向であるときには、インダクタＬ１の蓄積エネル
ギーが、ダイオードＤ４を介してコンデンサＣ２に放出
される。したがって、コンデンサＣ２の両端電圧のリッ
プルは少なくなる。また、スイッチング素子Ｓ１のオン
期間をパルス幅制御することにより、負荷Ｚに供給され
る直流電圧を制御することができる。

【０００４】図５の電源装置では、リップルの少ない任
意の大きさの直流電圧を負荷Ｚに供給できるが、交流電
源Ｖｓを全波整流する全波整流回路ＤＢの整流出力端
に、平滑用のコンデンサＣ１を直接的に接続しているた
め、電源スイッチＳＷのオン時に、定常動作時の数十倍
の突入電流が流れるという欠点があった。また、定常動
作時においても、交流電源Ｖｓの瞬時電圧のピーク値付
近の期間でのみコンデンサＣ１に入力電流が流れ、他の
期間では交流電源Ｖｓからの入力電流が流れないので、
入力電流波形は図６のように尖った波形となり、入力力
率が悪いという欠点があった。

【０００５】このような尖った入力電流波形の場合に
は、電源電圧波形が台形状の波形となり、高調波が増加
する。その結果、通信線などへの電磁誘導障害が生じた
り、変圧器などのうなり、誘導電動機の効率低下やうな
り、発電所の発電機のダンパー巻線の焼損、力率改善用
のコンデンサと電源インピーダンスとの共振による波形
悪化、コンデンサの破壊など、多くの問題が生じること
になる。

【０００６】そこで、入力電流波形の歪みを低減し、入
力力率を改善するために、図７に示すような電源装置が
提案されている。この装置では、全波整流回路ＤＢの整
流出力端と平滑用のコンデンサＣ１の間に、インダクタ
Ｌ２とスイッチング素子Ｓ２及びダイオードＤ５よりな
る昇圧型のチョッパー回路を挿入したものであり、一般
にアクティブフィルタ方式と呼ばれている。この装置で
は、スイッチング素子Ｓ２を交流電源Ｖｓの商用交流周
波数よりも十分に高い周波数でスイッチングすることに
より、交流電源Ｖｓからの入力電流波形を正弦波に近づ
けると共に、平滑用のコンデンサＣ１に得られる直流電
圧を定電圧化するものである。すなわち、交流電源Ｖｓ
からの入力電圧の瞬時値が低い期間でも、スイッチング
素子Ｓ２がオンしたときに、全波整流回路ＤＢの整流出
力端からインダクタＬ２に電流が流れて、スイッチング
素子Ｓ２がオフしたときにインダクタＬ２の蓄積エネル
ギーがダイオードＤ５を介してコンデンサＣ１に放出さ
れることにより、入力電流の流れている期間が長くな
り、入力電流波形の歪みが低減される。また、平滑用の
コンデンサＣ１の単位時間当たりの充電回数も多くなる
ので、コンデンサＣ１の電圧リップルが低減される。

【０００７】図７のスイッチング電源装置を用いれば、
ほぼ１００％の入力力率が得られる。しかしながら、こ
の装置では、電源スイッチＳＷをＯＮしたときの交流電
源Ｖｓからの突入電流を避けることはできない。この突
入電流を避けるために、図８に示すように、全波整流回
路ＤＢの交流入力端子側に、トライアックＳ３と電流制
限抵抗Ｒの並列回路を挿入することがある。電源スイッ
チＳＷがオンすると、電流制限抵抗Ｒにより、コンデン
サＣ１が十分に充電され、その後、トライアックＳ３が
オンするようになっている。これにより、突入電流が制
限される。トライアックＳ３の代わりにリレー接点を使
用することもあるが、回路が複雑となり、寿命が制限さ
れるので、必ずしも経済的ではない。また、電流制限抵
抗Ｒとして、パワーサーミスタなどを使用することもあ
るが、回路効率が悪く、また、短時間の停電のときに突
入電流を防ぐことができないという欠点がある。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】上述のように、平滑コ
ンデンサＣ１を備える電源装置の入力電流を正弦波に近
づけるには、図７に示すようなチョッパー回路が必要で
あり、また、電源投入時の突入電流を無くすには、図８
に示すような突入電流防止回路が必要である。したがっ
て、入力電流歪みを改善し、且つ、電源投入時の突入電
流を無くすには、図７と図８に示す回路を組み合わせな
ければならず、回路構成が複雑となり、結果として、高
価になるという問題があり、また、大きな電流が通過す
る半導体素子の個数が増えるために、回路効率が悪く、
結果として、大型になる等の問題があった。このため、
従来のスイッチング電源装置は、図７に示す構成が一般
的であり、図８に示すような突入電流の軽減対策は採ら
れていない。ところが、近年のＯＡ機器の普及により、
突入電流に起因する１〜２サイクルの瞬時電圧低下で
も、ＯＡ機器が誤動作するという問題が指摘されてい
る。例えば、プリンタ等では、２０％の電源電圧低下が
１０ｍｓ続いただけでも誤動作する場合がある。

【０００９】なお、特開昭６０−１３４７７６号には、
アクティブフィルタとして作用するチョッパー回路のス
イッチング素子を、インバータ回路のスイッチング素子
と兼用した電源装置が開示されている。この従来例で
は、スイッチング素子の数が増えないので、小型で安価
で入力電流波形が正弦波に近く、入力力率の高い電源装
置となる。しかしながら、この従来例では、突入電流を
防止する手段は設けられておらず、電源投入時には、平
滑用のコンデンサに突入電流が流れる。したがって、図
８に示したような突入電流防止手段が別に必要である。

【００１０】本発明は、上述のような点に鑑みてなされ
たものであり、その目的とするところは、電源投入時の
突入電流が流れず、入力力率が高く、スイッチング素子
数が少なく、小型軽量で安価な電源装置を提供すること
にある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の電源装置
にあっては、上記の課題を解決するために、図１に示す
ように、交流電源Ｖｓを全波整流する全波整流回路ＤＢ
と、該全波整流回路ＤＢの直流出力端に接続される、平
滑用のコンデンサＣ１と第１及び第２のスイッチング素
子Ｓ１，Ｓ２から成る直列回路と、前記コンデンサＣ１
及び第２のスイッチング素子Ｓ２から成る直列回路に並
列に接続される、前記第２のスイッチング素子Ｓ２によ
り前記コンデンサＣ１の充電電圧を高周波的に断続させ
て印加される高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１と、前記
第２のスイッチング素子Ｓ２に逆並列に接続される逆流
阻止用のダイオードＤ２と、高周波トランスＴの２次巻
線Ｎ２に接続される整流回路と、該整流回路の整流出力
を平滑する平滑回路と、該平滑回路により得られる直流
電圧を給電される直流負荷とを有する電源装置であっ
て、前記第１及び第２のスイッチング素子Ｓ１，Ｓ２は
同時にオンしないようにスイッチングされ、前記ダイオ
ードＤ２は、前記全波整流回路ＤＢから前記コンデンサ
Ｃ１に流れる電流を阻止する方向に接続されていること
を特徴とするものである。

【００１２】また、請求項２記載の電源装置にあって
は、同じ課題を解決するために、図３に示すように、交
流電源Ｖｓを全波整流する全波整流回路ＤＢと、該全波
整流回路ＤＢの直流出力端に接続される、高周波的に断
続させるスイッチング素子Ｓ１とインダクタＬ２とから
成る直列回路と、該インダクタＬ２に並列に接続され
る、逆流阻止用の第１のダイオードＤ５と平滑用のコン
デンサＣ１とから成る直列回路と、該コンデンサＣ１に
並列に接続される、高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１と
逆流阻止用の第２のダイオードＤ６と前記スイッチング
素子Ｓ１から成る直列回路と、高周波トランスＴの２次
巻線Ｎ２に接続される整流回路と、該整流回路の整流出
力を平滑する平滑回路と、該平滑回路により得られる直
流電圧を給電される直流負荷とを有する電源装置であっ
て、前記第２のダイオードＤ６は、前記全波整流回路Ｄ
Ｂから前記１次巻線Ｎ１を介して前記コンデンサＣ１に
流れる電流を阻止する方向に接続されていることを特徴
とするものである。

【００１３】

【作用】本発明では、交流電源Ｖｓの交流電圧を全波整
流回路ＤＢにより全波整流し、その出力電圧をスイッチ
ング素子Ｓ１により高周波的に断続してインダクタンス
要素に印加することにより電磁エネルギーを蓄積し、こ
の電磁エネルギーを逆流阻止用のダイオードを介して平
滑用のコンデンサＣ１に放出しているので、交流電源Ｖ
ｓからの入力電流が流れている期間を長くすることがで
き、入力電流歪みを低減し、入力力率を高くすることが
できるものである。

【００１４】 また、全波整流回路ＤＢの直流出力端子か
ら平滑用のコンデンサＣ１に直接的に電流が流れ込む経
路が存在しないので、電源スイッチＳＷをオンしたとき
の突入電流は流れない。さらに、高周波トランスＴの１
次巻線を入力力率改善用のチョッパー回路のインダクタ
ンス要素として兼用したり、あるいは、負荷制御用のス
イッチング素子を入力力率改善用のチョッパー回路のス
イッチング素子として兼用していることにより、回路構
成が簡単となり、結果として、小型軽量化が可能となる
ものである。

【００１５】

【実施例】図１は請求項１に記載された発明の一実施例
を示している。以下、その回路構成について説明する。
交流電源Ｖｓは電源スイッチＳＷを介して全波整流回路
ＤＢの交流入力端子に接続されている。全波整流回路Ｄ
Ｂの交流入力端子には、フィルタ用の小容量のコンデン
サＣが並列接続されている。全波整流回路ＤＢの直流出
力端子には、高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１を介して
第１のスイッチング素子Ｓ１が接続されている。スイッ
チング素子Ｓ１には、ダイオードＤ１が逆並列接続され
ている。高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１の両端には、
平滑用のコンデンサＣ１と第２のスイッチング素子Ｓ２
の直列回路が並列的に接続されている。スイッチング素
子Ｓ２の両端には、ダイオードＤ２が逆並列接続されて
いる。高周波トランスＴの２次巻線Ｎ２には、ダイオー
ドＤ３とインダクタＬ１の直列回路を介してコンデンサ
Ｃ２と負荷Ｚの並列回路が接続されている。インダクタ
Ｌ１とコンデンサＣ２の直列回路には、ダイオードＤ４
が図示された極性で接続されている。

【００１６】図１の回路の動作波形を図２に示した。図
中、Ｉ１はスイッチング素子Ｓ１に流れる電流波形であ
り、Ｉ２はスイッチング素子Ｓ２とダイオードＤ２の並
列回路に流れる電流波形である。まず、スイッチング素
子Ｓ１がＯＮすると、全波整流回路ＤＢの整流出力電圧
が高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１に印加される。この
とき、高周波トランスＴの２次巻線Ｎ２に発生する電圧
はダイオードＤ３を逆バイアスする方向であるので、高
周波トランスＴの１次巻線Ｎ１から２次巻線Ｎ２には電
力が伝達されず、高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１はイ
ンダクタンス要素としてエネルギーを蓄積する。そのイ
ンダクタンス値をＬとし、全波整流回路ＤＢの整流出力
電圧をＶｄ、スイッチング素子Ｓ１のオン電圧をＶｓと
すると、高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１に流れる電流
Ｉ１は、ｄｉ／ｄｔ＝（Ｖｄ−Ｖｓ）／Ｌの傾きで直線
的に増加する。

【００１７】次に、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦする
と、高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１には逆起電力が発
生し、高周波トランスＴに蓄積された電磁エネルギーが
ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ１に放出され、コ
ンデンサＣ１が図示された極性に充電される。このと
き、高周波トランスＴの２次巻線Ｎ２にはダイオードＤ
３を順バイアスする極性に電圧が発生するので、ダイオ
ードＤ３が導通し、インダクタＬ１を介してコンデンサ
Ｃ２と負荷Ｚの並列回路に電流が流れる。高周波トラン
スＴに蓄積された電磁エネルギーが放出されるにつれ
て、ダイオードＤ２を介してコンデンサＣ１に流れ込む
電流Ｉ２は減少し、やがてゼロになる。

【００１８】次に、スイッチング素子Ｓ２がＯＮする
と、コンデンサＣ１の電圧がスイッチング素子Ｓ２を介
して高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１に印加される。こ
れにより、コンデンサＣ１の電荷がスイッチング素子Ｓ
２を介して電流Ｉ２として高周波トランスＴの１次巻線
Ｎ１に流れる。このとき、高周波トランスＴの２次巻線
Ｎ２にはダイオードＤ３を順バイアスする極性に電圧が
発生するので、ダイオードＤ３が導通し、インダクタＬ
１を介してコンデンサＣ２と負荷Ｚの並列回路に電流が
流れる。これにより、インダクタＬ１には電磁エネルギ
ーが蓄積される。

【００１９】次に、スイッチング素子Ｓ２がＯＦＦし、
スイッチング素子Ｓ１がＯＮして、上記と同じ動作を繰
り返す。なお、高周波トランスＴの２次巻線Ｎ２に発生
する電圧がダイオードＤ３を逆バイアスする極性である
ときには、ダイオードＤ３が非導通状態となるが、この
期間には、インダクタＬ１に蓄積されたエネルギーがダ
イオードＤ４を介して、コンデンサＣ２と負荷Ｚの並列
回路に流れ込むので、負荷Ｚの両端電圧のリップルは少
なくなる。また、スイッチング素子Ｓ１のＯＮ期間を制
御することにより、平滑用のコンデンサＣ１の電圧を制
御することができ、スイッチング素子Ｓ２のＯＮ期間を
制御することにより、コンデンサＣ２の電圧を制御する
ことができる。

【００２０】なお、本実施例では、スイッチング素子Ｓ
１，Ｓ２として、バイポーラトランジスタを使用してい
るが、パワーＭＯＳＦＥＴに置き換えても良い。その場
合、ダイオードＤ１，Ｄ２は、パワーＭＯＳＦＥＴのド
レイン・ソース間に寄生する逆方向ダイオードで代用で
きる。

【００２１】図３は請求項２に記載された発明の一実施
例を示している。以下、その回路構成について説明す
る。交流電源Ｖｓは電源スイッチＳＷを介して全波整流
回路ＤＢの交流入力端子に接続されている。全波整流回
路ＤＢの交流入力端子には、フィルタ用の小容量のコン
デンサＣが並列接続されている。全波整流回路ＤＢの直
流出力端子には、スイッチング素子Ｓ１を介してインダ
クタＬ２が接続されている。インダクタＬ２の両端に
は、逆流阻止用のダイオードＤ５を介して平滑用のコン
デンサＣ１が接続されている。高周波トランスＴの１次
巻線Ｎ１は、ダイオードＤ６とスイッチング素子Ｓ１を
介してコンデンサＣ１の両端に接続されている。高周波
トランスＴの２次巻線Ｎ２には、ダイオードＤ３とイン
ダクタＬ１の直列回路を介してコンデンサＣ２と負荷Ｚ
の並列回路が接続されている。インダクタＬ１とコンデ
ンサＣ２の直列回路には、ダイオードＤ４が図示された
極性で接続されている。なお、特に図示していないが、
スイッチング素子Ｓ１の両端には、スナバ回路が接続さ
れている。

【００２２】図３の回路の動作波形を図４に示した。図
中、Ｉ１はスイッチング素子Ｓ１に流れる電流波形、Ｉ
５はダイオードＤ５に流れる電流波形である。スイッチ
ング素子Ｓ１がＯＮすると、全波整流回路ＤＢの整流出
力電圧がインダクタＬ２に印加される。インダクタＬ２
のインダクタンス値をＬとし、全波整流回路ＤＢの整流
出力電圧をＶｄ、スイッチング素子Ｓ１のオン電圧をＶ
ｓとすると、インダクタＬ２に流れる電流Ｉ１は、ｄｉ
／ｄｔ＝（Ｖｄ−Ｖｓ）／Ｌの傾きで直線的に増加す
る。

【００２３】次に、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦする
と、インダクタＬ２に蓄積された電磁エネルギーがダイ
オードＤ５を介してコンデンサＣ１に放出され、コンデ
ンサＣ１が充電される。コンデンサＣ１に充電される電
圧は、スイッチング素子Ｓ１のＯＮ時間を制御すること
により増減できる。

【００２４】次に、コンデンサＣ１が充電された状態で
スイッチング素子Ｓ１がＯＮすると、コンデンサＣ１か
ら高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１、ダイオードＤ６、
スイッチング素子Ｓ１を介して電流が流れる。このと
き、高周波トランスＴの２次巻線Ｎ２にはダイオードＤ
３を順バイアスする極性の電圧が発生する。このため、
ダイオードＤ３が導通し、インダクタＬ１を介してコン
デンサＣ２と負荷Ｚの並列回路に電流が流れる。

【００２５】次に、スイッチング素子Ｓ１がＯＦＦする
と、高周波トランスＴの１次巻線Ｎ１には逆起電力が発
生する。このとき、高周波トランスＴの２次巻線Ｎ２に
はダイオードＤ３を逆バイアスする極性の電圧が発生す
る。このため、ダイオードＤ３は非導通状態となり、イ
ンダクタＬ１に蓄積されたエネルギーがダイオードＤ４
を介してコンデンサＣ２と負荷Ｚの並列回路に放出され
る。したがって、負荷Ｚの両端電圧のリップルは少なく
なる。なお、コンデンサＣ２に充電される電圧は、スイ
ッチング素子Ｓ１のＯＮ時間を制御することにより増減
できる。

【００２６】

【発明の効果】請求項１又は２に記載の電源装置では、
交流電源を全波整流回路により整流し、その整流出力を
スイッチング素子により高周波的に断続して、インダク
タンス要素に電磁エネルギーを蓄積し、この電磁エネル
ギーを逆流阻止用のダイオードを介して平滑用のコンデ
ンサに全部注入するように構成されているので、入力電
流波形を正弦波状とすることができ、入力力率が高くな
るという効果がある。また、全波整流回路の出力電流が
平滑用のコンデンサに直接的に流れ込むことを防止する
ためのダイオードを設けているので、電源オン時に突入
電源が流れないという効果がある。さらに、請求項１の
電源装置では、高周波トランスの１次巻線を入力力率改
善用のチョッパー回路のインダクタンス要素として利用
しており、請求項２の電源装置では、入力力率改善用の
チョッパー回路のスイッチング素子を、平滑用のコンデ
ンサから高周波トランスの１次巻線に流れる電流を断続
するためのスイッチング素子として利用しているので、
部品の兼用効果により回路構成が簡単化され、小型で軽
量な電源装置を実現できるという効果がある。

【００２７】また、請求項１又は２に記載の電源装置で
はいずれも、スイッチング素子のオン時間制御により任
意の大きさの直流電圧を負荷に供給できるという効果が
ある。また、高周波電圧を整流し、平滑しているので、
平滑用のコンデンサの容量は小さくても良く、小型で軽
量な電源装置を実現できるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】請求項１記載の発明の回路図である。

【図２】請求項１記載の発明の動作波形図である。

【図３】請求項２記載の発明の回路図である。

【図４】請求項２記載の発明の動作波形図である。

【図５】第１の従来例の回路図である。

【図６】第１の従来例の動作波形図である。

【図７】第２の従来例の回路図である。

【図８】第３の従来例の回路図である。

【符号の説明】

Ｓ１ 第１のスイッチング素子 Ｓ２ 第２のスイッチング素子 Ｖｓ 交流電源 ＤＢ 全波整流回路 Ｃ１ 平滑用のコンデンサ Ｔ 高周波トランス Ｎ１ １次巻線 Ｎ２ ２次巻線 Ｄ２ ダイオード

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/06 H02M 3/28

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源を全波整流する全波整流回路
   と、該全波整流回路の直流出力端に接続される、平滑用
   のコンデンサと第１及び第２のスイッチング素子から成
   る直列回路と、前記コンデンサ及び第２のスイッチング
   素子から成る直列回路に並列に接続される、前記第２の
   スイッチング素子により前記コンデンサの充電電圧を高
   周波的に断続させて印加される高周波トランスの１次巻
   線と、前記第２のスイッチング素子に逆並列に接続され
   る逆流阻止用のダイオードと、高周波トランスの２次巻
   線に接続される整流回路と、該整流回路の整流出力を平
   滑する平滑回路と、該平滑回路により得られる直流電圧
   を給電される直流負荷とを有する電源装置であって、前
   記第１及び第２のスイッチング素子は同時にオンしない
   ようにスイッチングされ、前記ダイオードは、前記全波
   整流回路から前記コンデンサに流れる電流を阻止する方
   向に接続されていることを特徴とする電源装置。
2. 【請求項２】 交流電源を全波整流する全波整流回路
   と、該全波整流回路の直流出力端に接続される、高周波
   的に断続させるスイッチング素子とインダクタとから成
   る直列回路と、該インダクタに並列に接続される、逆流
   阻止用の第１のダイオードと平滑用のコンデンサとから
   成る直列回路と、該コンデンサに並列に接続される、高
   周波トランスの１次巻線と逆流阻止用の第２のダイオー
   ドと前記スイッチング素子から成る直列回路と、高周波
   トランスの２次巻線に接続される整流回路と、該整流回
   路の整流出力を平滑する平滑回路と、該平滑回路により
   得られる直流電圧を給電される直流負荷とを有する電源
   装置であって、前記第２のダイオードは、前記全波整流
   回路から前記１次巻線を介して前記コンデンサに流れる
   電流を阻止する方向に接続されていることを特徴とする
   電源装置。