JP3259337B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、放電灯を高周波点灯さ
せる放電灯点灯装置や各種電子機器の電源等に使用され
る電力変換装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の電力変換装置としては図
９に示すプッシュプルインバータを使用したものが知ら
れている。すなわち交流電源１に全波整流回路２の入力
端子を接続し、その全波整流回路２の出力端子に平滑コ
ンデンサ３を並列に接続している。平滑コンデンサ３に
はプッシュプルインバータ４が接続されている。

【０００３】プッシュプルインバータ４は、直列に接続
された第１巻線５ａ及び第２巻線５ｂと、その第１巻線
５ａ、第２巻線５ｂと磁気的に結合された第３巻線を有
するトランス５を設け、第１巻線５ａと第２巻線５ｂと
の接続点を平滑コンデンサ３の正極端子に接続してい
る。第１巻線５ａの非接続端を第１のスイッチング素子
６と第１のダイオード７の並列回路を有する第１の半波
スイッチ回路８を介して平滑コンデンサ３の負極端子に
接続し、第２巻線５ｂの非接続端を第２のスイッチング
素子９と第２のダイオード１０の並列回路を有する第２
の半波スイッチ回路１１を介して平滑コンデンサ３の負
極端子に接続している。なお、第１、第２のスイッチン
グ素子６，７はトランジスタ等の極性を有するものでそ
れぞれ第１、第２のダイオード７，１０とは逆極性にな
っている。第１、第２のダイオード７，１０はそのアノ
ードが平滑コンデンサ３の負極端子に接続している。

【０００４】トランス５の第３巻線５ｃにコンデンサ１
２及びチョークコイル１３を直列に介して負荷１４を接
続している。なお、負荷としては放電灯等が使用され
る。

【０００５】この装置においては、第１、第２のスイッ
チング素子６，９が駆動手段（図示せず）により高周波
で交互にオン、オフ制御され、これによりトランス５の
第１巻線５ａと第２巻線５ｂには交互に電流が流れ、ト
ランス５の第３巻線５ｃに高周波の交流電流が発生して
負荷１４を駆動する。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような従来装置で
は交流電源１に全波整流回路２を介して平滑コンデンサ
３を接続しているため、電源の投入時に平滑コンデンサ
３には瞬時に大きな電流が流れ込むため、回路及び電源
の供給側にダメージを与える虞があった。

【０００７】また平滑コンデンサ３の容量が大きいた
め、入力電流波形が入力電圧波形よりも進相となり、力
率が悪いという問題があった。

【０００８】そこで本発明は、電源投入時の大きな突入
電流を防止でき、かつ力率を向上できる電力変換装置を
提供しようとするものである。

【０００９】また本発明は、さらに使用するトランスの
第１巻線と第２巻線の結合を密にしてスイッチング素子
の低耐圧化及びトランスの電力変換効率の向上を図るこ
とができる電力変換装置を提供しようとするものであ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】請求項１対応の発明は、
交流電源に入力端子が接続された整流回路と、第１巻
線、この第１巻線と磁気結合した第２巻線並びに第１巻
線、第２巻線と磁気結合した第３巻線を備えたトランス
と、整流回路の出力端子にトランスの第１巻線を直列に
介して接続され、第１のスイッチング素子および逆方向
電流を流すことができるダイオードを有する第１のスイ
ッチ回路と、トランスの第２巻線に直列に接続され、第
１のスイッチング素子とは交互にスイッチング動作する
第２のスイッチング素子および逆方向電流を流すことが
できるダイオードを有する第２のスイッチ回路と、トラ
ンスの第２巻線と第２のスイッチ回路との直列回路に並
列に接続された平滑コンデンサと、トランスの第３巻線
にコンデンサとリアクトル素子を直列に介して接続され
た負荷とからなるものである。

【００１１】請求項２対応の発明は、さらにトランスの
第１巻線と第１のスイッチ回路との直列回路に並列に接
続され、第１および第２のスイッチング素子のスイッチ
ング周波数よりも低い共振周波数を有するインピーダン
ス回路を設けたものである。

【００１２】請求項３対応の発明は、交流電源に入力端
子が接続された整流回路と、第１巻線及び第２巻線をコ
アにバイファイラ巻きしてなるフライバックトランス
と、整流回路の出力端子にトランスの第１巻線を直列に
介して接続され、第１のスイッチング素子および逆方向
電流を流すことができるダイオードを有する第１のスイ
ッチ回路と、トランスの第２巻線に直列に接続され、第
１のスイッチング素子とは交互にスイッチング動作する
第２のスイッチング素子および逆方向電流を流すことが
できるダイオードを有する第２のスイッチ回路と、トラ
ンスの第２巻線と第２のスイッチ回路との直列回路に並
列に接続された平滑コンデンサと、トランスにリーケー
ジ結合された第３巻線にコンデンサを介して接続された
負荷とからなるものである。

【００１３】

【作用】請求項対応の各発明においては、交流電源を投
入しても平滑コンデンサに大きな突入電流が流れること
はない。すなわち電源が投入され、各スイッチ回路のス
イッチング素子が交互にスイッチング動作するとトラン
スの第２巻線にダイオードを介して電流が流れ、この電
流が平滑コンデンサを充電する。また交流電源に整流回
路を介して平滑コンデンサが接続されていないので、入
力電流波形と入力電圧波形は一致するようになる。

【００１４】また請求項２対応の発明においては、さら
に平滑コンデンサに電荷が蓄えられると、その影響によ
ってトランスの第１巻線と第１のスイッチ回路との直列
回路に印加される電圧が一定電圧以下に低下しない状態
が発生する。これを第１および第２のスイッチング素子
のスイッチング周波数よりも低い共振周波数を有するイ
ンピーダンス回路による遅れ位相のエネルギーを利用し
て常に電源側から入力電流が流れ込むようにする。

【００１５】また請求項３対応の発明においては、コア
に対して第１巻線及び第２巻線をバイファイラ巻きして
いるので、第１巻線と第２巻線の結合は密になる。

【００１６】

【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。

【００１７】図１に示すように、交流電源２１にダイオ
ードブリッジ全波整流回路２２の入力端子を接続し、そ
の全波整流回路２２の出力端子に高周波発振電圧を吸収
するための容量の小さいコンデンサ２３を接続すると共
に、トランス２４の第１巻線２４ａとトランジスタ等か
らなる第１のスイッチング素子２５と第１のダイオード
２６の並列回路を有する第１のスイッチ回路２７との直
列回路を接続している。前記トランス２４は前記第１巻
線２４ａの他、この第１巻線２４ａと磁気結合した第２
巻線２４ｂ並びに第１巻線２４ａ、第２巻線２４ｂと磁
気結合した第３巻線２４ｃを設けている。

【００１８】前記トランス２４の第２巻線２４ｂにトラ
ンジスタ等からなる第２のスイッチング素子２８と第２
のダイオード２９の並列回路を有する第２のスイッチ回
路３０を直列に接続し、その第２巻線２４ｂと第２のス
イッチ回路３０との直列回路に平滑コンデンサ３１を並
列に接続している。

【００１９】前記トランス２４の第３巻線２４ｃにコン
デンサ３２とリアクトル素子であるチョークコイル３３
を直列に介して放電灯等の負荷３４を接続している。

【００２０】前記各スイッチ回路２７，３０のスイッチ
ング素子２５，２８は、駆動手段（図示せず）により高
周波で交互にオン、オフ制御されるようになっている。
前記第１、第２のダイオード２６，２９はそのアノード
が前記平滑コンデンサ３１の負極端子に接続している。
前記第１、第２のスイッチング素子２５，２８と第１、
第２のダイオード２６，２９とは互いに逆極性にして並
列に接続されている。

【００２１】このような構成の実施例において、交流電
源２１を投入すると、全波整流回路２２を介してコンデ
ンサ２３が充電される。しかしコンデンサ２３は高周波
発振電圧を吸収するもので交流電源２１の低周波に対し
ては容量が十分に小さい。このため電源投入時の突入電
流はごく僅かとなる。換言すれば大きな突入電流が流れ
込むのを防止できることになる。

【００２２】電源２１が投入されると、各スイッチ回路
２７，３０のスイッチング素子２５，２８が駆動手段に
より高周波で交互にオン、オフ制御されるようになる。
これによりトランス２４の第１巻線２４ａ及び第２巻線
２４ｂに電流が発生する。

【００２３】すなわち、各スイッチング素子２５，２８
は図２の(a) 及び(b) に示すようにａ〜ｂ、ｃ〜ｄとい
う時間間隔の共通の非導通期間を持ちつつ交互にオン、
オフ動作する。今、時刻ｔ1 にて第１のスイッチング素
子２５がオン動作したとすると、第１巻線２４ａ及び第
１のスイッチング素子２５を介して電流が流れ、その電
流は図２の(c) に示すように直線的に増加する。

【００２４】そして時刻ｔ2 にて第１のスイッチング素
子２５がオフすると、第１巻線２４ａに流れる電流は瞬
時に停止する。このとき第１巻線２４ａに蓄えられたエ
ネルギーは電流の流れる経路が絶たれたので第２巻線２
４ｂに流れることで磁気エネルギーを放出する。すなわ
ち第２のダイオード２９と第２巻線２４ｂを介して電流
が流れ、その大きさは図２の(d) に示すように直線的に
減少する。

【００２５】第２のダイオード２９に電流が流れている
間は第２のスイッチング素子２８の両端間電圧は図２の
(f) に示すようにゼロであり、この状態における時刻ｔ
3 にて第２のスイッチング素子２８がオンする。従って
スイッチング損失は発生しない。その後第２巻線２４ｂ
を介して流れる電流は図２の(d) に示すようにある点ｔ
x1から向きが反転し直線的に増加するようになる。

【００２６】そして時刻ｔ4 にて第２のスイッチング素
子２８がオフすると、第２巻線２４ａに流れる電流は瞬
時に停止する。このとき第２巻線２４ｂに蓄えられたエ
ネルギーは電流の流れる経路が絶たれたので第１巻線２
４ａに流れることで磁気エネルギーを放出する。すなわ
ち第１のダイオード２６と第１巻線２４ａを介して電流
が流れ、その大きさは図２の(c) に示すように直線的に
減少する。

【００２７】第１のダイオード２６に電流が流れている
間は第１のスイッチング素子２５の両端間電圧は図２の
(e) に示すようにゼロであり、この状態における時刻ｔ
5 にて第１のスイッチング素子２５がオンする。従って
このときもスイッチング損失は発生しない。その後第１
巻線２４ａを介して流れる電流は図２の(c) に示すよう
にある点ｔx2から向きが反転し直線的に増加するように
なる。

【００２８】このような動作が行われると、トランス２
４の第３巻線２４ｃにも電流が流れ、チョークコイル３
３によるリアクトル作用とコンデンサ３２による直流カ
ット効果により、負荷３４には正弦波状の交流電流が供
給されるようになる。

【００２９】このような動作においては、図３の(a) に
示す入力電圧に対して入力電流の位相を図３の(b) に示
すように略一致させることができ力率を向上できる。こ
の点従来装置の入力電流波形は図３の(c) に示すように
入力電圧に対して進相となり力率が低い。

【００３０】次に本発明の他の実施例を図面を参照して
説明する。なお、前記実施例と同一の部分には同一の符
号を付して詳細な説明は省略する。

【００３１】図４に示すものは、トランス２４の第３巻
線２４ｃにコンデンサ３２及びチョークコイル３３を直
列に介してダイオードブリッジ全波整流回路３５の入力
端子を接続し、その全波整流回路３５の出力端子に平滑
コンデンサ３６を接続し、その平滑コンデンサ３６に負
荷３４を接続している。すなわち全波整流回路３５、平
滑コンデンサ３６及び負荷３４とで負荷回路を構成して
いる。

【００３２】この回路では正弦波状の電流が全波整流回
路３５に入力されて全波整流され、さらにそれが平滑コ
ンデンサ３６で平滑されて直流電圧となり負荷３４に供
給されることになる。こうして負荷３４を直流によって
も動作させることができる。

【００３３】その他の動作は前記実施例と同様であり、
従って本実施例においても前記実施例と同様の効果が得
られるものである。

【００３４】図５に示すものは、トランス２４の第１巻
線２４ａと第１のスイッチ回路２７との直列回路に遅れ
位相インピーダンス回路、すなわち、第１スイッチング
素子２５および第２のスイッチング素子２８のスイッチ
ング周波数よりも低い共振周波数を有するインピーダン
ス回路としてリアクトル素子３７とコンデンサ３８の直
列回路を並列に接続している。また第１、第２のスイッ
チ回路２７，３０のスイッチング素子２５，２８のスイ
ッチングパルス幅を可変するＰＷＭ（パルス幅変調）回
路３９を設けている。

【００３５】この実施例においては、交流電源２１から
図６の(a) に示すような正弦波の電圧波形が入力される
と、コンデンサ２３の両端間にはリアクトル素子３７と
コンデンサ３８の直列回路の影響により図６の(b) に示
すように電圧振動を含んだ電圧波形が発生する。この電
圧振動の大きさは入力電圧と平滑コンデンサ３１の両端
間電圧の電位差が大きいほど大きくなる。

【００３６】またリアクトル素子３７には図６の(c) に
示すような電流が流れる。なお、リアクトル素子３７と
コンデンサ３８の直列回路の共振周波数はスイッチ回路
２７，３０のスイッチング周波数よりも低く設定されて
いる。

【００３７】今、第２のスイッチング素子２８がオンし
て平滑コンデンサ３１から所定の電流が流れた後に第２
のスイッチング素子２８がオフすると、第２巻線２４ｂ
に蓄えられたエネルギーの一部は第３巻線２４ｃを介し
て負荷３４に供給されると共に残りは第１のダイオード
２６を介して第１巻線２４ａに流れる電流に変換され
る。

【００３８】こうしてリアクトル素子３７とコンデンサ
３８の直列回路の両端間には電圧が印加される。この電
圧によりリアクトル素子３７には遅れ位相で電流が流
れ、第１のダイオード２６を介して流れていた電流が停
止した後もリアクトルエネルギーによって電流を流し続
けようとする。これによりコンデンサ２３の両端間電圧
は入力電圧よりも低くなろうとする。こうして交流電源
２１側から電流が引き込まれる。

【００３９】次に第１のスイッチング素子２５がオンに
移行すると、コンデンサ２３の電荷を放電する向きに電
流が流れる。しかしてリアクトル素子３７に流れる電流
の向きが反転し、第１巻線２４ａの両端に印加される電
圧が上昇する。こうして第１巻線２４ａと第１のスイッ
チ回路２７からなる回路は、入力電圧が低いにもかかわ
らず、あたかも入力電圧が高いときのような動作を行
う。こうして交流電源２１からの入力電流は図６の(d)
に点線で示すように連続した波形となる。この状態では
連続波形であっても三角波形に近い波形なので、ＰＷＭ
回路３９によりピーク電流を抑制する方向の制御をかけ
ピーク値をΔＰだけ落とすことにより図６の(d) に実線
で示すように連続した正弦波にする。

【００４０】こうすることによって入力電圧位相と入力
電流位相を一致させることは勿論、入力電流を連続した
波形にでき、さらには正弦波にすることもできる。従っ
て入力電流波形の歪率を大幅に改善でき、力率も大幅に
向上できる。そして入力電流波形の歪率を改善できるこ
とにより、送電設備等への高調波障害を防止できる。ま
た力率を大幅に向上できることにより、実効電流を小さ
くでき送電ケーブルやヒューズ等の送電容量を小さくで
きる。

【００４１】なお、本実施例においても電源投入時の大
きな突入電流を防止できるのは勿論である。

【００４２】図７に示すものは、トランスとしてフライ
バックトランス４１を使用している。このフライバック
トランス４１は図８に示すように、１対のＥ字型フェラ
イトコア４２，４３を、その側脚４２ａと４３ａ、４２
ｂと４３ｂ及び中央脚４２ｃと４３ｃをそれぞれ対向配
置し、側脚４２ａと４３ａの接触部に第１巻線４１ａと
第２巻線４１ｂをバイファイラ巻きで同時に巻装し、側
脚４２ｂと４３ｂの接触部に第３巻線４１ｃを巻装して
いる。そして第１巻線４１ａと第２巻線４１ｂの一方の
端子ａ1 ，ａ2 を巻線部の一方の側から取出し、他方の
端子ｂ1 ，ｂ2を巻線部の他方の側から取出している。
第１巻線４１ａは他方の端子ｂ1 が第１のスイッチ回路
２７に接続され、第２巻線４１ｂは一方の端子ａ2 が第
２のスイッチ回路３０に接続されている。

【００４３】前記各中央脚４２ｃ，４３ｃの対向部はギ
ャップ４４が設けられている。一方のフェライトコア４
２の第３巻線側には予熱巻線４１ｄ，４１ｆが巻装さ
れ、また他方のフェライトコア４３の第３巻線側には予
熱巻線４１ｅが巻装されている。

【００４４】前記第３巻線４１ｃにはコンデンサ４５を
介して負荷である２本の放電灯４６，４７の直列回路を
接続している。すなわち放電灯４６の一方のフィラメン
ト電極４６ａが前記予熱巻線４１ｄに接続されるととも
にそのフィラメント電極４６ａの一端が第３巻線４１ｂ
の一端に接続され、放電灯４６の他方のフィラメント電
極４６ｂが放電灯４７の一方のフィラメント電極４７ａ
に接続されるとともにその各フィラメント電極４６ｂ，
４７ａが前記予熱巻線４１ｆに接続され、かつ放電灯４
７の他方のフィラメント電極４７ｂが前記予熱巻線４１
ｅに接続されるとともにそのフィラメント電極４７ｂの
一端が前記コンデンサ４５に接続されている。

【００４５】この実施例においても電源投入時の大きな
突入電流を防止できる。

【００４６】また入力電圧位相と入力電流位相を一致さ
せることは勿論、入力電流を連続した波形にでき、さら
には正弦波にすることもできる。従って入力電流波形の
歪率を大幅に改善でき、力率も大幅に向上できる。

【００４７】また第３巻線４１ｃには漏れ磁気分路の効
果により限流リアクトル作用が発生し、放電灯４６，４
７を安定に点灯動作できる。

【００４８】またフェライトコア４２，４３には漏れ磁
束の分路が形成されるので、第１、第２巻線４１ａ，４
１ｂに直交する漏れ磁束が抑えられ、また第１、第２巻
線４１ａ，４１ｂがバイファイラ巻きされているので、
第１巻線４１ａと第２巻線４１ｂの結合を密にすること
ができる。これにより第１巻線４１ａと第２巻線４１ｂ
とのリーケージインダクタンス成分を小さくできる。例
えば第１のスイッチング素子２５を一定時間ＯＮした後
ＯＦＦすると、フライバック動作により第２のダイオー
ド２９に磁気エネルギーを開放する方向に電流が流れ
る。このとき第１のスイッチング素子２５の両端には電
圧が発生するが、第１巻線４１ａと第２巻線４１ｂとの
結合が密であるので、無用の寄生発振を防止でき第１の
スイッチング素子２５の両端に発生する電圧のピークが
抑えられる。このことは第２のスイッチング素子２８を
一定時間ＯＮした後ＯＦＦする場合も同様である。従っ
て第１、第２のスイッチング素子２５，２８の耐圧を低
く抑えることができる。

【００４９】さらに第１巻線４１ａと第２巻線４１ｂを
密に結合できることにより、周波数の高い寄生共振が抑
えられるため、電力変換効率を向上できる。

【００５０】さらにまた予熱巻線４１ｄ，４１ｅ，４１
ｆをコア４２，４３に対して第３巻線側と同じ側に巻装
しているので、起動時には予熱電圧を高くでき、点灯時
には予熱電圧を低くでき、起動が容易になると共に点灯
時のフィラメント電極での電力消費を低くできる。

【００５１】

【発明の効果】以上本発明によれば、電源投入時の大き
な突入電流を防止でき、かつ力率を向上できる。さらに
使用するトランスの第１巻線と第２巻線の結合を密にし
てスイッチング素子の低耐圧化及びトランスの電力変換
効率の向上を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す回路図。

【図２】同実施例における動作を説明するための波形
図。

【図３】同実施例における入力電圧波形と入力電流波形
並びに従来の入力電流波形を示す図。

【図４】本発明の他の実施例を示す回路図。

【図５】本発明の他の実施例を示す回路図。

【図６】同実施例における動作を説明するための波形
図。

【図７】本発明の他の実施例を示す回路図。

【図８】同実施例におけるフライバックトランスの構成
図。

【図９】従来例を示す回路図。

【符号の説明】

２１…交流電源、２２…ダイオードブリッジ全波整流回
路、２４…トランス、２５，２８…スイッチング素子、
２６，２９…ダイオード、２７…第１のスイッチ回路、
３０…第２のスイッチ回路、３１…平滑コンデンサ、３
２…コンデンサ、３３…チョークコイル、３４…負荷、
３７…リアクトル素子、３８…コンデンサ、４１…フラ
イバックトランス。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 7/538 H02M 1/06 H05B 41/24 H02M 3/28

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源に入力端子が接続された整流回
   路と； 第１巻線、この第１巻線と磁気結合した第２巻線並びに
   前記第１巻線、第２巻線と磁気結合した第３巻線を備え
   たトランスと； 前記整流回路の出力端子に前記トランスの第１巻線を直
   列に介して接続され、第１のスイッチング素子および逆
   方向電流を流すことができるダイオードを有する第１の
   スイッチ回路と； 前記トランスの第２巻線に直列に接続され、前記第１の
   スイッチング素子とは交互にスイッチング動作する第２
   のスイッチング素子および逆方向電流を流すことができ
   るダイオードを有する第２のスイッチ回路と； 前記トランスの第２巻線と前記第２のスイッチ回路との
   直列回路に並列に接続された平滑コンデンサと； 前記トランスの第３巻線にコンデンサとリアクトル素子
   を直列に介して接続された負荷と； を具備したことを特徴とする電力変換装置。
2. 【請求項２】 交流電源に入力端子が接続された整流回
   路と； 第１巻線、この第１巻線と磁気結合した第２巻線並びに
   前記第１巻線、第２巻線と磁気結合した第３巻線を備え
   たトランスと； 前記整流回路の出力端子に前記トランスの第１巻線を直
   列に介して接続され、第１のスイッチング素子および逆
   方向電流を流すことができるダイオードを有する第１の
   スイッチ回路と； 前記トランスの第２巻線に直列に接続され、前記第１の
   スイッチング素子とは交互にスイッチング動作する第２
   のスイッチング素子および逆方向電流を流すことができ
   るダイオードを有する第２のスイッチ回路と； 前記トランスの第２巻線と前記第２のスイッチ回路との
   直列回路に並列に接続された平滑コンデンサと； 前記トランスの第３巻線にコンデンサとリアクトル素子
   を直列に介して接続された負荷と； 前記トランスの第１巻線と第１のスイッチ回路との直列
   回路に並列に接続され、第１および第２のスイッチング
   素子のスイッチング周波数よりも低い共振周波数を有す
   るインピーダンス回路と； を具備したことを特徴とする電力変換装置。
3. 【請求項３】 交流電源に入力端子が接続された整流回
   路と； 第１巻線及び第２巻線をコアにバイファイラ巻きしてな
   るフライバックトランスと； 前記整流回路の出力端子に前記トランスの第１巻線を直
   列に介して接続され、第１のスイッチング素子および逆
   方向電流を流すことができるダイオードを有する第１の
   スイッチ回路と； 前記トランスの第２巻線に直列に接続され、前記第１の
   スイッチング素子とは交互にスイッチング動作する第２
   のスイッチング素子および逆方向電流を流すことができ
   るダイオードを有する第２のスイッチ回路と； 前記トランスの第２巻線と前記第２のスイッチ回路との
   直列回路に並列に接続された平滑コンデンサと； 前記トランスにリーケージ結合された第３巻線にコンデ
   ンサを介して接続された負荷と； を具備したことを特徴とする電力変換装置。