JP3400132B2 - スイッチング電源 - Google Patents

スイッチング電源

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JP3400132B2
JP3400132B2 JP22087294A JP22087294A JP3400132B2 JP 3400132 B2 JP3400132 B2 JP 3400132B2 JP 22087294 A JP22087294 A JP 22087294A JP 22087294 A JP22087294 A JP 22087294A JP 3400132 B2 JP3400132 B2 JP 3400132B2
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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、交流を入力とするスイ
ッチング電源に関するものである。
【0002】
【従来の技術】図6は従来の交流入力のスイッチング電
源の第1の回路構成例を示す。図6のスイッチング電源
は、商用交流電源1、ダイオード3,4,5,6から構
成された全波整流器2、平滑コンデンサ7、1次巻線9
および2次巻線10を有するトランス8、スイッチ素子
11、整流平滑回路12、負荷13、制御回路14より
なる。この従来のスイッチング電源の動作は、商用交流
電源1の入力を全波整流器2で整流し、平滑コンデンサ
7でリプルの少ない直流に平滑した後、スイッチ素子1
1を入力商用交流周波数より高い周波数で、オン,オフ
することによって、トランス8の1次巻線9に交流電圧
が与えられ、その出力はトランス8の2次巻線10から
整流平滑回路12に与えられて整流平滑し、直流の出力
電圧として負荷13に与えられる。ここで、制御回路1
4は、整流平滑回路12の出力電圧を検出して、それが
所定の電圧となるように、スイッチ素子11のオン,オ
フ周期を制御するものである。このように、従来の第1
の回路構成に示すスイッチング電源は、商用交流電源1
の交流電圧を安定した直流電圧に交換し、出力する機能
を持っている。
【0003】図7は従来の交流入力のスイッチング電源
の第2の回路例を示す。同図中、図6と同一構成部分に
は同一符号を付し、その説明を省略する。図6の構成と
異なる部分はインダクタ16、スイッチ素子17、ダイ
オード18および制御回路19から構成された昇圧チョ
ッパ回路15を、平滑コンデンサ7の前に設けたもので
ある。制御回路19は昇圧チョッパ回路15の出力電
圧、即ち平滑コンデンサ7の電圧を一定値に制御する制
御回路である。この従来の第2の回路構成例の動作は、
スイッチ素子17が、入力商用交流周波数より高い周波
数でオン,オフし、オン時にインダクタ16に電流を蓄
え、オフ時に放出する動作を繰り返すことによって、入
力電流Iin(2)の波形を電圧波形の正弦波に近似させ
る。従って、力率の高い電源を構成できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この従
来の2つのスイッチング電源の回路構成例には、以下の
ような問題点がある。図8は図6の従来の第1の回路構
成例に示したスイッチング電源の動作波形を示す。同図
においてVin(1)は商用交流電源1の電圧に対する全
波整流器2の出力電圧を示し、Iin(1)は商用交流電
源1からの入力電流の波形を示す。同図からわかるよう
に、第1の回路構成例では、入力電流がサージ状にな
り、力率が極めて低いという問題がある。また、図9は
図7の従来の回路構成例に示したスイッチング電源の動
作波形を示す。同図中、Vin(2)は商用交流電源1の
電圧に対する全波整流器2の出力電圧を示し、Iin
(2)は、商用交流電源1からの入力電流の波形を示
す。同図からわかるように、第2の回路構成例では入力
電流のピーク値を結んだ線が、入力電圧の正弦波と近似
しているので全波整流器2の直前か、直後に、高周波リ
プル除去用のローパスフィルタを使用すれば、入力電流
を近似的に正弦波にすることができ、力率の高い電源を
実現できる。
【0005】しかし、図7が示すように、力率を高くす
るために、昇圧チョッパ回路15を使用しており、従来
の第1の回路構成例に対して、インダクタ16、ダイオ
ード18、スイッチ素子17と、制御回路19が必要で
あり、制御回路が2系統となり、部品数もかなり増加し
て複雑になり、小型化できないという問題がある。さら
に、昇圧チョッパ回路15を使用しているために商用交
流入力電圧Vに対して、昇圧チョッパ回路15の出力電
圧、即ち、平滑コンデンサ7の電圧が高くなり、スイッ
チ素子11として高耐圧のものを使用しなければならず
高耐圧のスイッチ素子はオン抵抗が大きいために、スイ
ッチ素子11がオンした時にスイッチ素子11の端子間
に発生する電圧が大きくなり、そこで消費する電力が増
加してスイッチング電源の効率を低下させるという問題
がある。本発明は上記の点を鑑みなされたもので、1組
のスイッチ素子と制御回路からなる簡単な構成で、高力
率で高効率の交流入力スイッチング電源を提供すること
を目的とする。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明のスイッチング電
源は、交流電源と、該交流電源に接続された全波整流器
と、該全波整流器の出力端子間に接続された平滑コンデ
ンサと、該平滑コンデンサの端子間に接続されたトラン
スの1次巻線とスイッチ素子との直列回路と、該トラン
スの2次巻線に接続されると共にその出力端子に負荷が
接続される整流平滑回路と、該整流平滑回路の出力端子
と前記スイッチ素子との間に接続され該整流平滑回路の
出力電圧を所定の電圧になるように該スイッチ素子を制
御する制御回路とを有するスイッチング電源において、
前記全波整流器の一方の出力端と前記平滑コンデンサと
の間に接続されたインダクタとダイオードとの直列回路
と、該インダクタとダイオードとの接続点と前記全波整
流器の他方の出力端との間に接続された前記トランスの
制御巻線とコンデンサとの直列回路とを備えたものであ
る。
【0007】
【実施例】図1は、本発明の第1の実施例である。この
実施例の構成は、商用交流電源20、ダイオード22、
23,24,25から構成された全波整流器21、イン
ダクタ26、1次巻線30,2次巻線31および制御巻
線32を有するトランス29、コンデンサ34、平滑コ
ンデンサ28、ダイオード27、スイッチ素子33、ダ
イオード36,37,インダクタ38およびコンデンサ
39から構成された整流平滑回路35、負荷40、制御
回路41よりなる。また、図4は図1の各部の電圧電流
波形を示したものであり、VSW ,ISWはそれぞれスイッ
チ素子33の電圧及び電流波形、Vb ,Ib はそれぞれ
コンデンサ34の電圧及び電流波形、VCH ,ICHはそれ
ぞれインダクタ26の電圧及び電流波形である。また、
横軸の単位は時間であり、Tはスイッチ素子33がスイ
ッチングしている1周期であり、この期間は図に示して
あるように、スイッチ素子33がオンしている期間TON
と、オフしている期間TOFF とに分かれる。
【0008】次に図1の実施例の動作を説明する。ま
ず、平滑コンデンサ28とトランス29の1次巻線3
0,2次巻線31、スイッチ素子33、整流平滑回路3
5、負荷40、制御回路41は通常のDC/DCコンバ
ータを構成しており、その動作も前述した従来例のもの
と同じである。即ち、スイッチ素子33がオン・オフす
ることによって、平滑コンデンサ28の電圧が、トラン
ス29の1次巻線30に印加され、その電圧がトランス
29の1次巻線30の巻数N1と2次巻線31の巻数N
2との巻数比で変換されて、整流平滑回路35の入力側
に印加され、それが整流平滑されることによって負荷に
直流電圧が供給される。また、制御回路41は、負荷4
0に印加されると出力電圧が所定の値になるように、ス
イッチ素子33のオン・オフ比を変えている。次に、前
記DC/DCコンバータ部以外の力率改善動作について
説明する。まず、図4の中でTONの期間はトランス29
の1次巻線30,2次巻線31,制御巻線32の巻数を
それぞれN1,N2,N3とし、平滑コンデンサ28の
電圧をVa とすると、スイッチ素子33がオンとなって
いるためトランス29の制御巻線32には、次の(1)
式による電圧が発生する。
【0009】
【数1】 従って、コンデンサ34の電圧をVb とするとインダク
タ26には次の(2)式による電圧が印加される。
【0010】
【数2】 そのため、インダクタ26の電流は増加しながら商用交
流電源20から全波整流器21,インダクタ26,トラ
ンス29の制御巻線32,コンデンサ34,全波整流器
21,商用交流電源20というルートで流れる。そこ
で、この期間に商用交流電源20からの電力がインダク
タ26に蓄えられる。また、この期間にコンデンサ34
の電圧Vb は増加するので、その分、インダクタ26に
印加される電圧は減少し、その結果、インダクタ26の
電流の増加を抑えるように働き、過電流が流れるのを防
いでいる。
【0011】次に、スイッチ素子33がオフになるとト
ランス29の制御巻線32には、フライバック電圧が発
生してC点の電圧が上昇し、ダイオード27がオンする
ためインダクタ26には次の(3)式の電圧が印加され
る。
【数3】 従って、インダクタ26の電流は減少しながら商用交流
電源20から全波整流器21,インダクタ26,ダイオ
ード27,平滑コンデンサ28,全波整流器21,商用
交流電源20というルートで流れる。そこで、この期間
にインダクタ26からの電力が、平滑コンデンサ28に
蓄えられる。また、この期間にコンデンサ34には、ト
ランス29の制御巻線32から、トランス29の励磁電
流が制御巻線32,ダイオード27,平滑コンデンサ2
8,コンデンサ34から制御巻線32に戻るルートで流
れるため、コンデンサ34の電圧は減少して、次にスイ
ッチ素子33がオンした時に再びインダクタ26の電流
が流れ易くなるようにしている。以上のような働きで、
入力電圧Vinの商用電源電圧1周期の中の任意の電圧に
対してインダクタ26には、固有の電流が流れ、その電
流値Iinは、入力電圧Vinの電圧が高いほど大きくなる
ことが実験で確認されている。そこで、入力電流波形は
図5に示すように正弦波に近い波形となり、力率が改善
される。
【0012】図2は本発明の第2の実施例である。同図
中、図1と同一構成部分には同一符号を付し、その説明
を省略する。図1の第1の実施例の構成と異なる部分は
DC/DCコンバータ部で、トランス29の2次巻線3
1と整流平滑回路42との接続の極性が逆になっている
ところである。即ち、図1の第1の実施例は、フィード
フォワード型であるのに対して、図2の第2の実施例は
フライバック型になっているところである。従って、こ
の第2の実施例も前記した第1の実施例と同様に力率が
改善させるものである。
【0013】図3は本発明の第3の実施例である。同図
中、図1と同一構成部分には、同一符号を付し、その説
明を省略する。図1の構成と異なる部分はDC/DCコ
ンバータ部であり、図1が一石フォワードコンバータを
構成しているのに対し、図3は二石フォワードコンバー
タを構成している点である。この第3の実施例の構成
は、平滑コンデンサ28のプラス側から第1のスイッチ
素子45とトランス29の1次巻線30と、第2のスイ
ッチ素子46の直列回路が、平滑コンデンサ28の端子
間に接続され、さらに第1のスイッチ素子45と、トラ
ンス29の1次巻線30との接続点と、平滑コンデンサ
28のマイナス側との間に第1のダイオード48を接続
し、トランス29の1次巻線30と第2のスイッチ素子
46との接続点と、平滑コンデンサ28のプラス側との
間に第2のダイオード47を接続している点である。こ
の回路例では、第1のスイッチ素子45と、第2のスイ
ッチ素子46は、常に、同時にオンまたはオフとなるの
で2個のスイッチがオンの期間には平滑コンデンサ28
の電圧は、トランス29の1次巻線30に印加され、平
滑コンデンサ28のエネルギはトランス29の1次巻線
30から2次巻線31,整流平滑回路35を介して負荷
40へ送られる。また、それと同時に、インダクタ26
の電流は、トランス29の制御巻線32からコンデンサ
34を介して流れる。一方、スイッチ素子45と46が
オフの期間にはトランスの励磁エネルギは、トランス2
9の1次巻線30の両端子からそれぞれ第1のダイオー
ド48と、第2のダイオード47を介して平滑コンデン
サ28の端子間に入る経路で、平滑コンデンサ28に送
られる。またインダクタ26の電流は、ダイオード27
を介して平滑コンデンサ28に流れ、インダクタ26か
らの電力が平滑コンデンサ28に蓄えられる。
【0014】
【発明の効果】以上のように、本発明によれば、従来の
交流入力スイッチング電源に対し、スイッチ素子33と
制御回路41は従来と同様でありながら、力率は従来の
約0.65から約0.98まで高くすることができ、さ
らに従来の交流入力スイッチング電源の第2の構成に比
べると平滑コンデンサ28の電圧を低く設定することが
可能であるため、低耐圧でオン抵抗の小さいスイッチ素
子が使用でき、スイッチング電源の高効率化を図ること
ができる優れた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例回路図である。
【図2】本発明の第2の実施例回路図である。
【図3】本発明の第3の実施例回路図である。
【図4】本発明の第1の実施例の各部の電圧電流波形図
である。
【図5】本発明の第1の実施例の入力電圧,電流波形図
である。
【図6】従来例の回路図である。
【図7】従来例の他の回路図である。
【図8】従来例の回路の動作波形図である。
【図9】従来例の他の回路の動作波形図である。
【符号の説明】
1,20 交流電源 2,21 全波整流器 3,4,5,6,18,22,23,24,25,2
7,36,37,43,47,48 ダイオード 7,28,39,44 平滑コンデンサ 8,29 トランス 9,30 トランスの1次巻線 10,31 トランスの2次巻線 11,17,33,45,46 スイッチ素子 12,35,42 整流平滑回路 13,40 負荷 14,19,41 制御回路 15 昇圧チョッパ回路 16,26,38 インダクタ 32 トランスの制御巻線 34 コンデンサ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02M 7/217 H02M 3/28 H02M 7/06

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流電源と、該交流電源に接続された全
    波整流器と、該全波整流器の出力端子間に接続された平
    滑コンデンサと、該平滑コンデンサの端子間に接続され
    たトランスの1次巻線とスイッチ素子との直列回路と、
    該トランスの2次巻線に接続されると共にその出力端子
    に負荷が接続される整流平滑回路と、該整流平滑回路の
    出力端子と前記スイッチ素子との間に接続され該整流平
    滑回路の出力電圧を所定の電圧になるように該スイッチ
    素子を制御する制御回路とを有するスイッチング電源に
    おいて、 前記全波整流器の一方の出力端と前記平滑コンデンサと
    の間に接続されたインダクタとダイオードとの直列回路
    と、 該インダクタとダイオードとの接続点と前記全波整流器
    の他方の出力端子との間に接続された前記トランスの制
    御巻線とコンデンサとの直列回路とを備えたことを特徴
    とするスイッチング電源。
  2. 【請求項2】 前記平滑コンデンサと前記トランスの1
    次巻線との間に接続された第2のスイッチ素子と、該第
    2のスイッチ素子と前記トランスの1次巻線との接続点
    と前記平滑コンデンサと前記スイッチ素子との接続点と
    の間に接続された第1のダイオードと、前記トランスの
    1次巻線と前記スイッチ素子との接続点と前記平滑コン
    デンサと前記第2のスイッチ素子との接続点との間に接
    続された第2のダイオードとを備えた請求項1記載のス
    イッチング電源。
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