JP3396991B2 - 電源装置 - Google Patents

電源装置

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JP3396991B2
JP3396991B2 JP06955795A JP6955795A JP3396991B2 JP 3396991 B2 JP3396991 B2 JP 3396991B2 JP 06955795 A JP06955795 A JP 06955795A JP 6955795 A JP6955795 A JP 6955795A JP 3396991 B2 JP3396991 B2 JP 3396991B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は交流電源からの入力電流
歪みを改善した電源装置に関するものであり、例えば、
放電灯点灯装置の電子安定器に利用されるものである。
【0002】
【従来の技術】図17は従来のインバータ装置(特願平
3−186251号)の回路図である。以下、その回路
構成について説明する。全波整流器DBの交流入力端子
には、トランスL3 とコンデンサC5 ,C6 よりなるフ
ィルター回路を介して交流電源Vsが接続されている。
全波整流器DBの直流出力端子には、ダイオードD3
介して平滑コンデンサC1 が接続されている。平滑コン
デンサC1 には、スイッチング素子Q1 ,Q2 の直列回
路が接続されている。各スイッチング素子Q1 ,Q2
は、それぞれダイオードD1 ,D2 が逆並列接続されて
いる。ダイオードD3 と整流器DBの接続点には、コン
デンサC3 の一端が接続されており、スイッチング素子
1 ,Q2 の接続点には、インダクタL1 の一端が接続
されている。コンデンサC3 の他端とインダクタL1
他端の間には、放電灯Laのフィラメントの電源側端子
が接続されている。放電灯Laのフィラメントの非電源
側端子間には、コンデンサC2 が並列接続されている。
また、ダイオードD3 の両端には、コンデンサC4 が並
列接続されている。
【0003】以下、上記回路の動作について説明する。
まず、インバータの動作について説明する。インバータ
はスイッチング素子Q1 ,Q2 とダイオードD1
2 、インダクタL1 、コンデンサC2 ,C3 及び放電
灯Laで構成されている。スイッチング素子Q1 ,Q2
が高速度で交互にオン・オフし、平滑コンデンサC1
直流電圧を高周波に変換して、放電灯Laを高周波点灯
させる。コンデンサC2 は放電灯Laのフィラメントの
予熱電流通電経路を構成しており、また、インダクタL
1 との共振用コンデンサも兼ねている。コンデンサC3
は直流成分カット用の結合コンデンサである。
【0004】上記回路において、スイッチング素子Q2
がオンすると、コンデンサC1 から、コンデンサC4
コンデンサC3 、放電灯LaとコンデンサC2 、インダ
クタL1 、スイッチング素子Q2 を経て、コンデンサC
1 に戻る経路で電流が流れる。このとき、各素子に現れ
る電圧には、V1 ≒V4 +V3 +V2 +V6 の関係があ
る。全波整流器DBの出力端に接続されるのは、コンデ
ンサC3 と、放電灯La及びコンデンサC2 、並びにイ
ンダクタL1 の直列回路であるから、|Vin|>V3
+V2 +V6 ≒V1 −V4 が成立するとき、全波整流器
DBから、コンデンサC3 、放電灯LaとコンデンサC
2 、インダクタL1 、スイッチング素子Q2 を経て、全
波整流器DBに戻る経路で電流が流れることになる。つ
まり、全波整流器DBの出力端とコンデンサC1 の間に
挿入したコンデンサC4 が全波整流器DBの整流出力電
圧とコンデンサC1 の電圧V1 との差の電圧を負担する
ことになり、入力電圧|Vin|がコンデンサC1 の電
圧V1 よりも低くても、図18に示すように、入力電流
Iinが流れる。したがって、入力力率が高くなる。ま
た、コンデンサC5 ,C6 とトランスL3 を含むフィル
ター回路により高周波成分を除去した入力電流波形は、
高調波成分の少ない正弦波に近い波形とすることができ
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上述の従来例では、ス
イッチング素子Q1 ,Q2 のオン・オフによるインバー
タの高周波動作を利用することにより、コンデンサC4
を充放電し、入力電流の歪みを改善している。そのた
め、入力電流を略正弦波にするためには、平滑コンデン
サC1 の電圧V1 がほぼ一定であるから、コンデンサC
4 の負担する電圧が入力電圧の脈流に応じて変化するこ
とになる。すると、インバータ側の共振状態も変化し、
その結果、負荷に流れる電流は入力脈流に応じて変化し
て、凹凸が出来る。従来例においては、負荷となる放電
灯Laの電流が図19のようになり、入力電圧|Vin
|と言わば逆相似状のリップル波形を示し、CF(クレ
ストファクター)が悪くなるという問題がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明の電源装置によれ
ば、上記の課題を解決するために、図1に示すように、
交流電源を全波整流する整流部11と、少なくともLC
回路とスイッチング素子を備え整流部11の出力を高周
波に変換して負荷13に出力するインバータ部12と、
インバータ部12のスイッチング素子のオン・オフによ
り交流電圧とほぼ相似形の交流入力電流を得るととも
に、交流電圧とは逆方向に増減する負荷電流を得る制御
回路2とを有する電源装置において、交流電源の2倍の
周波数に対する負荷電流の増減を検知する負荷電流リッ
プル検知部21と、インバータ部12のスイッチング素
子の動作周波数を制御する周波数制御部23と、負荷電
流の凸部における動作周波数が凹部における動作周波数
よりも高くなるように、周波数を切り替える周波数切替
信号出力部22とを備え、負荷電流の凸部における動作
周波数はインバータ部12のスイッチング素子に進相電
流が流れない範囲まで高くすることを特徴とするもので
ある。図1は本発明の基本構成を示すブロック図であ
る。主回路1は、整流部11とインバータ部12と負荷
13とから構成されている。また、制御回路2は、負荷
電流リップル検知部21、周波数切替信号出力部22、
周波数制御部23を備えている。負荷電流リップル検知
部21は、負荷電流リップルを認識するために、図2に
示すように、負荷電流リップルと略反相似形となる検出
信号又は負荷電流リップルと略相似形となる検出信号
を主回路1内の所定の検出点から得ている。周波数切
替信号出力部22は、負荷電流リップル検知部21によ
る負荷電流リップルの検出信号を受けて、周波数切替信
号を周波数制御部23に出力する。その出力を受けた周
波数制御部23は負荷電流の凹部よりも凸部の方が発振
周波数が高くなるように制御している。負荷電流の凸部
における動作周波数はインバータ部12のスイッチング
素子に進相電流が流れない範囲まで高くすることによ
り、入力電圧|Vin|の谷部付近での進相動作を回避
する。周波数の切替えは何段でも良く、また、連続的で
もよい。
【0007】
【作用】本発明にあっては、上述のように、主回路内に
負荷電流のリップルと略相似形又は略反相似形を示す検
出点を設け、その検出信号から負荷電流の凹凸を検知
し、凸部の動作周波数が、凹部の動作周波数よりも高く
なるように動作周波数を切り替える制御手段を備えたも
のであるから、負荷電流の凹凸リップルを抑制でき、安
定した出力が供給できる。また、負荷電流の凸部におけ
る動作周波数はインバータ部のスイッチング素子に進相
電流が流れない範囲まで高くすることにより、入力電圧
|Vin|の谷部付近での進相動作を回避する作用もあ
る。
【0008】
【実施例】図3は本発明の第1実施例の基本構成を示す
ブロック回路図であり、図4はその具体回路図である。
主回路は図17に示した従来例と同様の原理で入力歪改
善を行うインバータ回路である。全波整流器DBの直流
出力端子と平滑コンデンサC1 との間には、インピーダ
ンス素子Z(ダイオードを含む)が挿入されている。図
4に示す具体回路では、主回路のインピーダンス素子Z
の部分には、図17に示した従来例と同様に、並列接続
されたコンデンサC4 とダイオードD3 が挿入されてい
る。また、負荷電流のリップル(図19(b)参照)を
抑制する制御を行うために、負荷電流の流れるループ内
に検出用のトランスT1 を設け、負荷電流リップルの状
態を検出する。検出用のトランスT1 には、半波整流用
のダイオードD8 のアノードが接続されており、ダイオ
ードD8 のカソードには高周波カット用のコンデンサC
10と放電用の抵抗R9 及びコンパレータCP1 のマイナ
ス側入力端子が接続されている。コンデンサC10の容量
は、検出用のトランスT 1 からダイオードD8 を介して
流れ込む電流を平滑するほど大きなものではなく、負荷
電流のリップルの増減がほぼ相似形状にコンデンサC10
の電位に現れ、周波数切替信号出力部22のコンパレー
タCP1 のマイナス側入力端子に入力される。コンパレ
ータCP1 のプラス側入力端子には、周波数切替ポイン
トを決めるための基準電位が接続されており、負荷電流
が凹部から凸部に移行していくと、コンパレータCP1
のマイナス側入力端子レベルがプラス側入力端子レベル
を越えて、コンパレータCP1 の出力がLowレベルと
なる。
【0009】すると、周波数制御部23の発振器IC1
(NEC製μPC1094)の6番端子に接続されてい
る抵抗R5 とR6 の交点をLowレベルに落とす。発振
器IC1 (NEC製μPC1094)は6番端子とグラ
ンド間に接続された抵抗と、5番端子とグランド間に接
続されたコンデンサC7 により発振周波数が決められて
いるが、コンパレータCP1 の出力がLowレベルにな
ると、抵抗R6 が短絡し、6番端子に接続された抵抗値
が下がることになり、発振周波数が上がる。その結果、
負荷電流リップルの凸部で動作周波数が上がることによ
り、インバータの出力(LC共振)が弱まり、凸部の出
張りが抑えられ、負荷電流全体としてのリップルが抑制
される。なお、発振器IC1 (NEC製μPC109
4)の10番ピンの出力端子に接続されているドライブ
回路IC2 (IR2111)は、スイッチング素子
1 ,Q2 を直接駆動するための高耐圧ゲートドライバ
ーである。
【0010】図5は第1実施例の一変形例であり、負荷
電流リップル検知部21に入力電圧|Vin|の検出を
利用している。先にも述べたが、本インバータ回路にお
いては、負荷電流リップルは電源電圧の影響を受け、入
力電圧|Vin|のリップルと略逆相似形のリップルを
示す。つまり、負荷電流の凸部は入力電圧|Vin|の
リップルの谷部と対応しており、負荷電流の凹部は入力
電圧|Vin|のリップルの山部と対応している。この
ことを利用して、負荷電流リップルの検知に入力電圧|
Vin|の検出を用いることにより、図4のようなトラ
ンスT1 、ダイオードD8 、コンデンサC10などを用い
ることなく、簡単な回路で負荷電流リップル検知部21
を実現している。また、負荷状態の変化や調光などの出
力変化にも影響を受けない。ただし、検出できる検知信
号は図4の場合とは逆で、負荷電流リップルと逆相似状
であるので、コンパレータCP1 のプラス側入力端子に
入力される。コンパレータCP1 のマイナス側入力端子
には基準電位が入力されており、入力電圧|Vin|の
谷部では、基準電位の方が高くなり、コンパレータCP
1 の出力がLowレベルとなって発振周波数が上がり、
負荷電流リップルが抑制される。図4及び図5の回路の
動作タイムチャートを図6に示す。図中、(a)は図4
の回路の動作、(b)は図5の回路の動作を示してい
る。また、(c)はコンパレータCP1 の出力、(d)
は動作周波数、(e)は負荷電流を示している。
【0011】本回路方式では、先にも述べたがコンデン
サC4 の負担する電位が、入力電圧|Vin|に応じて
変化する。そのため、インバータ側の共振条件も変化
し、図7(a)に示すように、入力電圧|Vin|の山
部では遅相動作であるが、谷部では図7(b)に示すよ
うに進相動作となることがある。また、定常時に遅相動
作をしていても、電源電圧が低下すると位相が進相方向
へ進み、入力電圧|Vin|の谷部付近の共振が進相状
態となることがある。本発明は入力電圧|Vin|の谷
部で発振周波数を上げることにより、位相が遅相方向に
移行し、このような入力電圧|Vin|の谷部付近での
進相動作を回避するという効果もある。
【0012】図8は本発明の第2実施例、図9は本発明
の第3実施例、図10は本発明の第4実施例を示してい
る。各実施例の主回路の具体回路例としては、それぞれ
米国特許第4,949,013号、米国特許第5,31
3,142号、特開平5−9918号等が挙げられる。
これらの回路方式では、インバータの高周波動作を利用
して、入力歪みを改善するために、逆にインバータ部に
入力電圧リップルの影響が現れる。
【0013】第2、第3の実施例における主回路は、電
源とインバータのLC発振ループの一部との間にインピ
ーダンス素子Zが接続された構成となっている。このイ
ンピーダンス素子Zが従来例のコンデンサC4 と同様
に、入力電圧|Vin|と平滑コンデンサC1 の電圧V
1 の電位差を負担し、|Vin|<V1 のところでも入
力電流が流れるようにして入力歪みを改善している。第
2実施例では全波整流器DBの出力端、つまり、電源整
流後にインピーダンス素子Zが接続されているのに対
し、第3実施例では電源整流前にインピーダンス素子Z
が接続されている。また、第4実施例における主回路
は、インバータ側に発生する高周波電圧をトランス等を
用いて電源部に帰還するループを付加した高周波重畳回
路である。
【0014】これらの主回路の電源装置において、入力
電流を略正弦波になるように制御すると、接続された負
荷を流れる電流は、図19のように入力電圧|Vin|
と逆相似状の凹凸リップルを示す。そこで、図8、図
9、図10に示すように、主回路からの検出による負荷
電流リップル検知部21を設け、その検知結果から負荷
電流リップルの凸部から凹部にかけて周波数を切替える
信号を周波数切替信号出力部22から出力し、その信号
に従って、周波数制御部23により凸部の発振周波数が
凹部の発振周波数よりも高くなるように制御することに
より、負荷リップルが抑制され、安定した出力波形とな
る。また、第2、第3の実施例においては、第1実施例
と同様に、入力電圧|Vin|の谷部での進相動作が問
題となるが、負荷電流の凸部、つまり、入力電圧|Vi
n|の谷部で周波数が高くなるように制御されることに
より、谷部での進相動作を回避する効果もある。
【0015】図11は本発明の第5実施例を示す。本実
施例の主回路は、従来例にダイオードD6 ,D7 と、イ
ンダクタL2 及びコンデンサC9 を付加して、谷埋め
(部分平滑)回路を構成している。ここで、谷埋め回路
14の動作について簡単に説明すると、図11において
平滑コンデンサC1 は、スイッチング素子Q1 がオンの
とき、整流器DBのプラス側出力端子からダイオードD
3 ,D6 、インダクタL 2 を介して充電される。したが
って、充電ループにインダクタL2 が存在するため、コ
ンデンサC1 の平滑電位V1 は入力電圧|Vin|のピ
ーク電圧VpからインダクタL2 での電圧降下分Vxを
差し引いた電圧V1 =Vp−Vxで平滑されている。従
って、Vp>V1 となり、|Vin|>V1 のところで
は、スイッチング素子Q1 ,Q2 の両端に印加される電
圧は|Vin|であり、|Vin|<V1 のところで
は、スイッチング素子Q1 ,Q2 の両端電圧は平滑電圧
1 となり、図12(b)に示すような谷埋め電源とな
る。また、平滑コンデンサC1の充電ループにインダク
タL2 が存在するので、電源投入時のインラッシュ電流
が抑制できるという効果もある。
【0016】これにより、インバータの電源は図12
(b)のように、谷埋め電源となり、負荷電流が入力電
圧|Vin|のリップルと逆相似状波形を示す従来例の
回路方式と組合わせることにより、負荷電流は図12
(c)のように、従来例に比べてリップルが抑制された
形となる。この主回路に本発明の制御を加えた場合の動
作タイムチャートを図13に示す。図中、(a)はコン
パレータCP1 のプラス側及びマイナス側入力端子の電
圧、(b)はコンパレータCP1 の出力、(c)は動作
周波数、(d)は負荷電流である。
【0017】本実施例では、負荷電流リップルを検出す
るための検出部として、図11におけるコンデンサC9
の両端電位、つまり、谷埋め電源の電圧波形を用いる。
谷埋め電源のリップルと負荷電流リップルとの関係は、
図12に示すように、谷埋め電源の谷部の一定電位部が
負荷電流リップルの凸部にあたっているため、その部分
での周波数を高くする。そのために、負荷電流リップル
検知部21では、コンデンサC9 の両端電位を抵抗
1 ,R2 で分圧し、その分圧点QをコンパレータCP
1 のプラス側入力端子に接続する。コンパレータCP1
のマイナス側入力端子の電位は谷埋め電源の谷部でコン
パレータCP1 の出力が反転するように、抵抗R3 ,R
4 により基準電位を設定してあり、コンパレータCP1
の出力がHighレベルからLowレベルになると、動
作周波数が高くなり、負荷電流の出力が抑えられるよう
に制御される。その結果、負荷電流は図13(d)のよ
うになり、さらにリップルの少ない安定した動作が実現
できる。さらに、実施例でも述べたように、主回路方式
においては、電源低下時の入力電圧|Vin|の谷部に
おける進相問題があるが、本実施例の主回路は谷埋め電
源の追加により、定常時から入力電圧|Vin|の谷部
でインバータの電源が低い状態となっているため、さら
に進相モードの生じ易い状況となっていた。しかし、本
発明の制御を加えることにより、入力電圧|Vin|の
谷部での動作周波数が高くなり、進相動作を回避でき
る。
【0018】谷埋め回路としては、図14に示した第6
実施例の回路14a、図15に示した第7実施例の回路
14b、図16に示した第8実施例の回路14cなどが
挙げられるが、谷埋め電圧を発生させるものならば、い
ずれでも良く、第1〜第4の各実施例にこれらの谷埋め
回路を追加することにより、第5実施例と同様、図12
(c)の負荷電流のリップル波形を示し、本発明の制御
を加えることにより負荷電流のリップルが抑制できると
いう同様の効果が得られる。第6実施例は第2実施例の
主回路に、第7実施例は第3実施例の主回路に、第8実
施例は第4実施例に、それぞれ谷埋め回路を付加した形
となっているが、各主回路と各谷埋め回路との組合わせ
はいずれでも良い。
【0019】
【発明の効果】本発明によれば、LC回路と負荷を含む
振動回路を備えるインバータ部の高周波動作を利用し
て、入力電流の高調波歪みを改善することができ、ま
た、負荷電流波形が入力電圧の商用周波リップルとほぼ
逆相似形のリップル波形を示す動作に対して、負荷電流
のリップルを検知して、負荷電流の凸部における動作周
波数が凹部における動作周波数よりも高くなるように、
周波数を切り替えるようにしたので、負荷に対して安定
した出力を供給することができる。したがって、放電灯
のような照明負荷を接続したときに、ちらつきを低減す
ることができる。また、負荷電流の凸部における動作周
波数はインバータ部のスイッチング素子に進相電流が流
れない範囲まで高くすることにより、入力電圧の谷部付
近での進相動作を回避する効果もある。なお、整流部の
出力側に平滑コンデンサの代わりに部分平滑回路を設け
ることにより、負荷電流リップルを一層低減することが
できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の基本構成を示すブロック回路図であ
る。
【図2】本発明の動作波形図である。
【図3】本発明の第1実施例の基本構成を示すブロック
回路図である。
【図4】本発明の第1実施例の具体的な構成を示す回路
図である。
【図5】本発明の第1実施例の一変形例を示す回路図で
ある。
【図6】本発明の第1実施例の交流サイクルでの動作波
形図である。
【図7】本発明の第1実施例のスイッチング周期での動
作波形図である。
【図8】本発明の第2実施例を示す回路図である。
【図9】本発明の第3実施例を示す回路図である。
【図10】本発明の第4実施例を示す回路図である。
【図11】本発明の第5実施例を示す回路図である。
【図12】本発明の第5実施例のリップル抑制前の動作
波形図である。
【図13】本発明の第5実施例のリップル抑制後の動作
波形図である。
【図14】本発明の第6実施例を示す回路図である。
【図15】本発明の第7実施例を示す回路図である。
【図16】本発明の第8実施例を示す回路図である。
【図17】従来例の回路図である。
【図18】従来例の入力電圧と入力電流を示す動作波形
図である。
【図19】従来例の整流電圧と負荷電流を示す動作波形
図である。
【符号の説明】
1 主回路 2 制御回路 11 整流部 12 インバータ部 13 負荷 21 負荷電流リップル検知部 22 周波数切替信号出力部 23 周波数制御部
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−38161(JP,A) 特開 平7−87749(JP,A) 特開 平7−73988(JP,A) 特開 平6−315269(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/48 H02M 1/14 H05B 41/24 H05B 41/282

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流電源を全波整流する整流部と、少な
    くともLC回路とスイッチング素子を備え整流部の出力
    を高周波に変換して負荷に出力するインバータ部と
    ンバータ部のスイッチング素子のオン・オフにより交流
    電圧とほぼ相似形の交流入力電流を得るとともに、交流
    電圧とは逆方向に増減する負荷電流を得る制御部とを有
    する電源装置において、交流電源の2倍の周波数に対す
    る負荷電流の増減を検知する負荷電流リップル検知部
    と、インバータ部のスイッチング素子の動作周波数を制
    御する周波数制御部と、負荷電流の凸部における動作周
    波数が凹部における動作周波数よりも高くなるように、
    周波数を切り替える周波数切替信号出力部とを備え、負
    荷電流の凸部における動作周波数はインバータ部のスイ
    ッチング素子に進相電流が流れない範囲まで高くする
    とを特徴とする電源装置。
  2. 【請求項2】 インバータ部は、整流部の両端にイン
    ピーダンス素子を介して接続された平滑コンデンサと、
    この平滑コンデンサの両端に直列接続された第1及び第
    2のスイッチング素子と、少なくともいずれかのスイッ
    チング素子の両端に接続されるLC回路と負荷を含む振
    動回路とを備え、LC回路と負荷及びスイッチング素子
    を含む振動回路のループ内に前記インピーダンス素子を
    有することを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  3. 【請求項3】 インバータ部は、整流部の両端にダイ
    オードを介して接続された平滑コンデンサと、この平滑
    コンデンサの両端に直列接続された第1及び第2のスイ
    ッチング素子と、少なくともいずれかのスイッチング素
    子の両端に接続されるLC回路と負荷を含む振動回路と
    を備え、LC回路と負荷及びスイッチング素子を含む振
    動回路のループ内に前記ダイオードを有することを特徴
    とする請求項1記載の電源装置。
  4. 【請求項4】 インバータ部は、整流部の両端に接続
    された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサの両端に
    直列接続された第1及び第2のスイッチング素子と、少
    なくともいずれかのスイッチング素子の両端に接続され
    るLC回路と負荷を含む振動回路とを備え、前記振動回
    路の一部にインピーダンス素子を介して交流電源が接続
    され、前記交流電源とインピーダンス素子の接続点と前
    記平滑コンデンサとの間にダイオードを順方向に接続し
    たことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  5. 【請求項5】 インバータ部は、整流部の両端に接続
    された平滑コンデンサと、この平滑コンデンサの両端に
    直列接続された第1及び第2のスイッチング素子と、少
    なくともいずれかのスイッチング素子の両端に接続され
    るLC回路と負荷を含む振動回路とを備え、前記振動回
    路の一部にインピーダンス素子を介して交流電源が接続
    され、前記整流部とインピーダンス素子の接続点と前記
    平滑コンデンサとの間にダイオードを順方向に接続した
    ことを特徴とする請求項1記載の電源装置。
  6. 【請求項6】 整流部の両端に平滑コンデンサを備
    え、インバータ部の出力の一部を整流部の交流入力側に
    帰還する回路を設けたことを特徴とする請求項1記載の
    電源装置。
  7. 【請求項7】 前記平滑コンデンサの代わりに部分平
    滑回路を接続したことを特徴とする請求項2乃至6のい
    ずれかに記載の電源装置。
  8. 【請求項8】 負荷電流リップル検知部は、交流電源
    の2倍の周波数に対する負荷電流の増減を整流部の整流
    出力と略相似形もしくは略逆相似形を示す部分で検出す
    る手段であることを特徴とする請求項1記載の電源装
    置。
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