JP3445396B2 - 力率改善回路 - Google Patents

力率改善回路

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JP3445396B2
JP3445396B2 JP01303395A JP1303395A JP3445396B2 JP 3445396 B2 JP3445396 B2 JP 3445396B2 JP 01303395 A JP01303395 A JP 01303395A JP 1303395 A JP1303395 A JP 1303395A JP 3445396 B2 JP3445396 B2 JP 3445396B2
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    • H02M1/00Details of apparatus for conversion
    • H02M1/42Circuits or arrangements for compensating for or adjusting power factor in converters or inverters
    • H02M1/4208Arrangements for improving power factor of AC input
    • H02M1/4225Arrangements for improving power factor of AC input using a non-isolated boost converter
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    • Y02TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02BCLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
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    • Y02B70/10Technologies improving the efficiency by using switched-mode power supplies [SMPS], i.e. efficient power electronics conversion e.g. power factor correction or reduction of losses in power supplies or efficient standby modes

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  • Power Engineering (AREA)
  • Rectifiers (AREA)
  • Dc-Dc Converters (AREA)
  • Supply And Distribution Of Alternating Current (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は力率改善回路に関するも
のであり、特に力率が高く、合計高調波歪が少なくて、
固定周波数作動するブースト前置調整器回路を低コスト
で実現することに関するものである。
【0002】
【従来の技術】力率を改善すると、交流の電力線上で電
圧と電流は位相が揃った正弦波になる。両者の位相が揃
うと力率は高いといわれ、1に近づく。電気設備を作動
させるのに力率は高いことが望ましく、場合によっては
必須である。
【0003】力率改善処置をしない電源の場合、典型的
な力率は約0.65になる。したがって、電力線から取
り入れることができる電力のうち、わずか65%しか実
電力に寄与してない。公称115ボルトで15アンペア
のサービスの場合、これは実電力で897ワットに相当
する。115ボルトの交流線に接続された運転効率80
%の電源は、実電力で717ワット以下しかシステムに
供給することができない。
【0004】力率改善回路は電源の力率を高めて、1に
近づけることができるので、例えば居住用兼事業用建物
において15アンペアの分岐回路を共通にするような制
限的な環境下で、実電力がもっと多く供給されることに
なる。力率が1になると、電流波形は正弦波となり、交
流線から取り入れた電流のほとんどすべてが、実電力に
寄与する。このことは消費者にとって、現在の配線設備
を使うか、それとも新しいサービスを導入する、例えば
20アンペアの分岐にするか、または30アンペアの分
岐とするかという差になる。
【0005】能動的な力率改善回路は入力電流と出力電
圧の両方を制御しなければならない。例えば電流ループ
が整流された線電圧によりプログラミングされる場合の
ように、変換器への入力が抵抗性に見えるのが理想的で
ある。出力電圧は電流プログラミング信号の平均振幅を
変えることにより制御される。代表的な従来技術によれ
ば、アナログ掛算器を用いて、整流された線電圧に電圧
誤差増幅器の出力を掛けることによって、電流プログラ
ミング信号をつくっている。電流プログラミング信号は
入力電圧の形をしていて、平均振幅が出力電圧を制御す
るのに用いられる。
【0006】能動的力率改善制御回路の電圧ループ内で
二乗器と割算器を掛算器に組合わせることができる。電
圧誤差増幅器の出力に整流された入力電圧信号を掛ける
前に、それを平均入力電圧の二乗で割る。これらの追加
された回路の働らきにより、電圧ループの利得が一定に
保たれる。さもなくば電圧ループの利得は平均入力電圧
の二乗と共に変わるであろう。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】上述のような従来の力
率改善回路は複雑でコストが高いという欠点があった。
本発明の目的は簡単な構成で低コストの力率改善回路を
提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明の一実施例によれ
ば、ブースト前置調整器回路はブリッジ整流器、誘導
子、ブーストダイオードおよび出力コンデンサを含む。
ブースト誘導子とブースト整流器との接続点に接続され
ているパワートランジスタが、デューティサイクルの変
化に従ってオンオフする。デューティサイクルを適当に
変えることによって、力率を改善された交流線の電流波
形が位相の揃った正弦波形になる。
【0009】本発明の利点は、簡単に力率を改善するこ
とのできる回路が得られることである。本発明の他の利
点は、適当な力率改善操作を行うために、負荷とスイッ
チング電流を監視する必要がない回路が得られることで
ある。本発明の更に他の利点は、適当な力率改善操作を
行うために、複雑な二乗器、割算器および掛算器を必要
としない回路が得られることである。その他の目的や利
点は、当業者なら以下の説明を読めば明らかになるであ
ろう。
【0010】
【実施例】以下図面を参照しながら、本発明について説
明する。図1は本発明の一実施例である力率改善回路
(PFC)10を示す。PFC回路10はブリッジ整流
器12、ブースト誘導子14、ブースト整流器16、出
力コンデンサ18、三端子パルス幅変調(PWM)装置
20、電圧フィードバック回路22、コンデンサ24、
抵抗器26、コンデンサ28、および前置補償抵抗器3
0とを含む。負荷32は出力コンデンサ18と並列に接
続されている。三端子PWM装置20では、「C」端子
に入力される駆動電流に従って、パワートランジスタの
デューティサイクルが端子「D」と「S」の間でオン・
オフ制御される。デューティサイクルは抵抗器30を流
れる電流に比例するので、抵抗器30の値は重要であ
る。
【0011】抵抗器30はPWM装置20の「C」端子
に流れる電流を供給し、電流値は交流入力電圧の整流さ
れた瞬時値に比例する。コンデンサ28は高周波信号だ
けを除くためのもので、その静電容量は小さい。抵抗器
26は抵抗器30からPWM装置20に流れる電流を減
らすための減結合抵抗器である。コンデンサ24と電圧
フィードバック回路22とにより実質的なフィルタを構
成している。フィードバック径路を経て抵抗器26を流
れる電流が、多くの交流入力サイクルにわたりPWM装
置20の平均デューティサイクルを変えることによっ
て、平均出力電圧は負荷と無関係に一定に保たれる。入
力交流線周波数の1サイクルごとに制御されるので、デ
ューティサイクルが変動するのは整流された交流線電圧
の線型変動のみによる。誘導子14やPWM装置20を
流れる電流の検出はどちらも不要である。
【0012】図2はPWM装置20の概略ブロック図で
ある。MOSFET34は好ましくはイクランド(Kl
as H.Eklund)に付与された1989年3月
7日発行の米国特許4,811,075に記載されてい
るものと類似のものである。絶縁ゲート電界効果トラン
ジスタ36と両面接合ゲート電界効果トランジスタ38
とが同じ半導体チップ上で直列に接続されていて、高電
圧用MOSトランジスタを形成している。接合部40は
始動電力を供給する。非導電性材料の基板の上に広いド
レーン領域が形成される。基板と類似の材料から成る最
上部層が、広いドレーン領域と同じマスクウィンドを通
してイオン注入することにより形成される。最上部層は
広いドレーン領域の真中の部分のみを覆い、ドレーン領
域の端面は上層の二酸化シリコン層と相接している。広
いドレーンを流れる電流は基板と最上部層とにより制御
され、周知の電界効果方式により、両者にはさまれた広
いドレーンがピンチオフになる。主電力MOSFET3
4のドリフト領域は、三端子PWM装置20をバイアス
するために、高い線電圧を低い電圧に落とすのに使われ
る。
【0013】三端子PWM装置20はフィードバック信
号(Ifb)と内部の低電圧電源電流(Is)の組を1
個のピン(「C」)で受け入れる。電流(Is)は三端
子PWM装置20がCMOSタイプの場合、典型的に1
ミリアンペアである。フィードバック変調はPWM装置
20内の直流電源電流から供給される。
【0014】三端子PWM装置20には更に、バンドギ
ャップと感熱運転停止器42、機能ブロック44、発振
器46、比較器48、およびパルス幅変調器(PWM)
50が含まれている。抽出されたフィードバック信号
(Vfb)はブロック44から出力されて、比較器48
に加えられる。
【0015】図3に示すように、機能ブロック44には
フィードバック抽出器47、Vs調整器とスイッチング
ノイズ・フィルタ51、不足電圧検出器52、および高
電圧始動調整器54が含まれている。調整器とフィルタ
51はバンドギャップ基準電圧(Vbg)を、抵抗器群
56,58,60の抵抗値の比によって決まる電圧Vs
の分数と比較することにより、Vsを調整する。誤差増
幅器は3個のトランジスタ62,64,66の組と、一
対のトランジスタ68と70、および抵抗器72とから
成る。誤差増幅器の出力はシャントトランジスタ74を
駆動する。入力“C”に充分な電流が供給されている限
り、電圧Vsは調整され、余剰電流はトランジスタ74
を通ってアースに流される。この余剰電流はミラー回路
を通り、トランジスタ76と抵抗器78とにより抽出フ
ィードバック電圧(Vfb)に変換される。電源立上げ
の間、高電圧始動調整器54が三端子PWM装置20を
スタートさせるための動作電流と電圧とを供給する。
【0016】図3と共に図2も参照して、トランジスタ
74を余剰電流が流れると、電圧Vfbは発振器46か
ら出力される鋸歯信号(1−2ボルト)の作動範囲に入
ってくる。鋸歯信号は比較器48の反転入力に加えられ
る。Vfbが正規の能動範囲を越えると、最大オンのパ
ルス幅が出力スイッチMOSFET34に送られる。V
fbが能動範囲以下になると、MOSFET34に送ら
れるパルス幅は最小もしくはゼロになる。能動範囲に留
まるために、フィードバックループが自動的にパルス幅
を調節する。
【0017】発振器46、PWM50および電力MOS
FET34の影響によるVs点における漂遊スイッチン
グ電流が、Vfb出力に悪影響を与えないようにしなけ
ればならない。調整器とフィルタ51には、トランジス
タ64にミラーコンデンサ80をつけた低域フィルタが
ある。カットオフ周波数は約5kHzであり、これは高
周波スイッチングノイズ(例えば48kHz〜500k
Hz)を効果的に除去するのに充分低く、トランジスタ
74のゲートが高周波スイッチングノイズにより変調さ
れるのが防止される。しかし、このカットオフ周波数は
調整器ループの支配的な極(例えば0.1Hz〜48H
z)に比べて充分高いので、閉ループサーボ制御の安定
性を損わない。
【0018】米国特許出願S.N.07/938,70
4「Three−TerminalSwitched
Mode Power Supply Integra
ted Circuit(三端子スイッチモード電源集
積回路」(1992年9月1日出願)に三端子PWM装
置20が詳しく開示してあるので、ここに引用する。P
WM装置20は図2と3に示したタイプに必らずしも限
定されない。端子「D」と「S」間のスイッチングのデ
ューティサイクルは、制御ピン「C」端子に流れ込む制
御電流の関数である。例えば、制御ピンに流れ込む電流
が増すと、デューティサイクルが減る。MOSFETス
イッチを内蔵もしくは外付けした、ほかの市販のパルス
幅変調型電源集積回路装置を、PWM装置20の代わり
に用いることもできる。
【0019】ブースト力率回路は通常20kHzと50
0kHzの間で作動する。この周波数は普通の交流線周
波数に比べて非常に高い。このような高い周波数でスイ
ッチングすることにより、スイッチング周波数の1サイ
クル毎に入力電圧は一定であるとみなすことができる。
図1を参照して、PWM装置20が時刻Tonにオンに
なると、誘導子14を流れる電流が直線的に立上る。P
WM装置20の端子「D」と「S」間がオフになると、
誘導子14には逆電圧が誘起され、この電圧はダイオー
ド16にとって正バイアスとなる。それからダイオード
電流は減少してゼロになる。出力コンデンサ18の静電
容量は、連続するピーク電流パルスの間、DC出力電圧
があまり変化しないように、選ばれる。PWM装置20
のデューティサイクルが線周波数の1サイクル間一定に
保たれている場合には、PWM装置20を流れる電流の
平均値は正弦波になる。ブーストダイオード16を流れ
る平均電流は正弦波ではない。誘導子14を流れる電流
はダイオード16を流れる電流とPWM装置20を流れ
る電流との和であるから、もしPWM装置20のデュー
ティサイクルが固定であれば、所望の目標とする正弦波
の平均形が得られないであろう。合計の高調波歪(TH
D)を少なくして力率を改善するために、PWM装置2
0のデューティサイクルは整流された線周波数入力電圧
と共に変えなけばならない。各々の高周波スイッチング
サイクル毎に目標とするデューティサイクルを決めなけ
ればならない。
【0020】N番目のスイッチングサイクルのスイッチ
電流の平均値は数式(1)で表わされる。ここで「D」
はデューティサイクル、Ipkはトランジスタ電流のピ
ーク値、「Vin」はN番目のスイッチングサイクルの
瞬時の入力電圧、「Fs」はスイッチング周波数、「L
p」は誘導子のインダクタンスである。
【数6】 ピーク電流Ipkは数式(2)で表わされる。
【数7】 N番目のスイッチングサイクルのダイオード電流は数式
(3)で表わされる。ここでVoは平均出力電圧であ
る。
【数8】
【0021】これらの2個の平均電流は誘導子14にお
いて加算されて、平均誘導子電流となる。所定の電力レ
ベルに対して、N番目の間隔の瞬時の入力電圧が目標の
平均電流を要求する。平均電流値はスイッチング電流の
平均であって、N番目の間隔の瞬時の入力電流に等し
い。数式を変形してデューティサイクルDについて解く
と、次式に示すように、完全に独立な変数の関数とな
る。
【数9】 I(avg)=Iq(avg)+Id(avg) (4)
【数10】 この関数は、整流した交流入力電圧に関してデューティ
サイクルが直線的に変化する、と近似することができ
る。図4は数式(5)のグラフである。図5は図1の回
路における入力電流、ダイオード電流、およびスイッチ
電流の期待される波形を示す。
【0022】以上本発明を現時点における好ましい実施
例について説明したが、限定的意味を有するものではな
い。当業者が以上の説明を読めば、各種の変形や修正を
なしうることは明らかであろう。したがって、特許請求
の範囲は本発明の真の技術的思想の範囲内にあるすべて
の代替例と修正例を含むものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】力率改善回路の略図。
【図2】図1の回路に含まれる三端子のパルス幅変調装
置のブロック図。
【図3】図2に示した装置の一部の略図。
【図4】数式(5)のグラフ。
【図5】図1の回路における入力電流、ダイオード電流
およびスイッチ電流のグラフ。
【符号の説明】
12 ブリッジ整流器 14 誘導子 16 ブーストダイオード 18 出力コンデンサ 20 パルス幅変調装置 22 電圧フィードバック回路 30 前置補償抵抗器 32 負荷
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平5−204478(JP,A) 特開 平4−217870(JP,A) 特開 平5−137318(JP,A) 特表 平2−502240(JP,A) 特表 昭61−500045(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H02J 3/00 - 5/00 H02M 7/06 H02M 7/12

Claims (12)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 交流電力線電源に接続される力率改善回
    路であって、 第一周波数を持つ交流電源に接続する入力端子及び共通
    基準接続を持って全波整流電圧を出力する出力端子とを
    持つ整流器と 該整流器の出力端子に接続されたブースト誘導子と 該ブースト誘導子に接続されて直流出力電圧を供給する
    ブースト整流器と 前記ブースト誘導子及び前記ブースト整流器の接続点と
    前記共通基準接続との間に接続されたスイッチを持って
    前記第一周波数より高く固定された第二周波数で入力制
    御信号に従って連続的に可変なデューティサイクルで前
    記スイッチのオン−オフ制御を提供するパルス幅変調装
    置と 前記整流器の全波整流電圧の前記出力端子と前記パルス
    幅変調装置の前記入力制御信号の入力端子との間に接続
    された前置補償抵抗器を含む手段であって、前記整流器
    の全波整流出力の瞬時信号の大きさにより影響される前
    記パルス幅変調装置の線形デューティサイクル変動を提
    供するための前記入力制御信号を作成する手段とを有
    、前記パルス幅変調装置の平均デューティサイクルが
    前記第一周波数の多数サイクルに渡りコンスタントであ
    り且つ前記ブースト誘導子に流れるフィルターされた
    の平均が正弦波とる、 力率改善回路。
  2. 【請求項2】 前記パルス幅変調装置の前記入力制御信
    号を作成する手段は前記バースト整流器の直流出力電圧
    に応じて、また、前記前置補償抵抗器を介して前記整流
    器の全波整流電圧出力の瞬時信号の大きさに応じて前記
    入力制御信号を作成する、請求項1の力率改善回路。
  3. 【請求項3】 前記パルス幅変調装置のスイッチングサ
    イクルのスイッチ電流の平均値Iq(avg)が次式で
    表わされる、 【数1】 但し、Ipkはトランジスタ電流のピーク値、Dはデュ
    ーティサイクル値、Vinはスイッチングサイクルの瞬
    時入力電圧、Fsはスイッチング周波数、Lpは前記ブ
    ースト誘導子のインダクタンス値、を夫れ夫れ示す、請
    求項1又は2の力率改善回路。
  4. 【請求項4】 前記ブースト整流器を流れるスイッチン
    グサイクルの電流平均値を示すId(avg)が次式で
    表わされる、 【数2】 但しVoは平均出力電圧を示す、請求項の力率改善回
    路。
  5. 【請求項5】 前記ブースト誘導子が一対の電流Iq
    (avg)及びId(avg)の和から成る平電流
    I(avg)を提供し、 【数3】 所定の電力レベルに対して、瞬時入力電圧が目標平均電
    流を要求し、平均電流値はスイッチング電流の平均であ
    て瞬時入力電流に等しい、請求項の力率改善回路。
  6. 【請求項6】 前記ブースト整流器の直流出力側と前記
    パルス幅変調装置の前記入力制御信号の前記入力端子と
    の間に接続されるフィードバック手段を前記入力制御信
    号を作成する手段が含み、 前記前置補償抵抗器は瞬時の整流された交流入力電圧に
    比例した前置補償電流を発生し、それに応じて前記パル
    ス幅変調装置のデューティサイクルを変える、請求項1
    又は2の力率改善回路。
  7. 【請求項7】 前記パルス幅変調装置の前記制御入力に
    並列に接続され、交流電源入力の線周波数には実質的な
    影響を及ぼさない高周波フィルタコンデンサを更に含
    む、請求項1又は2の力率改善回路。
  8. 【請求項8】 前記ブースト整流器の直流出力端子及び
    前記共通基準接続間に接続された出力コンデンサを更に
    含む、請求項1又は2の力率改善回路。
  9. 【請求項9】 前記パルス幅変調装置は三端子装置であ
    って、その2個の端子の間に接続されたスイッチングト
    ランジスタから前記スイッチが成り、第3の端子は前記
    入力制御信号用端子である、請求項1又は2の力率改善
    回路。
  10. 【請求項10】 交流電流電力線電源に接続される力率
    改善回路であって、 線周波数を持つ入力交流電源に接続する入力端子と整流
    された交流線電圧の直流出力を出力する出力端子を持つ
    整流器と; 該整流器の直流出力端子に接続されたブースト誘導子
    と; 該ブースト誘導子に接続されて直流出力電圧を供給する
    ブースト整流器と; 前記ブースト誘導子及び前記ブースト整流器の接続点に
    接続されたパルス幅変調装置で、制御信号の入力端子を
    持って前記接続点と回路共通接続部との間のスイッチの
    比例的なパルス幅変調を固定周波数で行うための手段を
    持ち、前記パルス幅変調は前記制御信号に従って直線的
    に変化するデューティサイクルを持つ前記パルス幅変調
    装置と; 前記整流器の直流出力端子と前記パルス幅変調装置の前
    記制御信号入力端子との間に接続されて、変動しない周
    波数を持つ前記整流された交流線電圧の瞬時値に対し直
    線的に変化するデューティサイクルを提供する前置補償
    抵抗器とを有し; 前記スイッチに対する前記パルス幅変調装置のデューテ
    ィサイクル変化によって前記ブースト誘導子を流れる平
    均電流の力率は1に接近するよう制御されて、該パルス
    幅変調装置のスイッチングサイクルのスイッチ電流の平
    均値Iq(avg)が次式で表わされる、 【数4】 但し、Ipkはトランジスタ電流のピーク値、Dはデュ
    ーティサイクル値、Vinはスイッチングサイクルの瞬
    時入力電圧、Fsはスイッチング周波数、Lpは前記誘
    導子のインダクタンス値、を夫れ夫れ示す、力率改善回
    路。
  11. 【請求項11】 前記ブースト整流器を流れるスイッチ
    ングサイクルの整流電流平均値を示すId(avg)が
    次式で表わされる、 【数5】 但しVoは平均出力電圧を示す、請求項10の力率改善
    回路。
  12. 【請求項12】 前記ブースト誘導子が2つの平均電流
    Iq(avg)及びId(avg)の和から成る平
    値I(avg)を提供し、 所定の電力レベルに対して、瞬時入力電圧が目標平均電
    流を要求し、平均電流値はスイッチング電流の平均であ
    て瞬時入力電流に等しい、請求項11の力率改善回
    路。
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