JP3453468B2 - スイッチングレギュレータ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、入力する交流電
流の導通角を広くして力率を改善したスイッチングレギ
ュレータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、電子機器の直流電源としてスイッ
チングレギュレータのような直流電源装置が多用される
ようになってきた。一般に、このような直流電源装置
は、交流電源から入力する交流電力を、ダイオードブリ
ッジなどの全波整流回路によって整流したのち、平滑回
路によって平滑する。

【０００３】初段に平滑コンデンサを用いた平滑回路す
なわちコンデンサ入力型平滑回路は、出力電圧に含まれ
るリップル電圧を小さくするために、平滑コンデンサの
容量を大きくする必要があるが、容量をあまり大きくす
ると、平滑コンデンサに流入する電流のピーク値が大き
くなって力率が低下するとともに、充放電電流と内部損
失とによって発熱し、その寿命を短くする。

【０００４】さらに、無効電力が大きいために入力電流
も大きくなり、スイッチング周波数及びその高調波によ
るノイズが大きくなるから、直流電源装置ばかりでなく
交流電源を共用する他の機器にも悪影響を及ぼすという
問題がある。そのため、大容量のノイズフィルタ回路を
付加するなどの対策が必要になる。このような力率の低
下に起因する種々の問題に対処するために、チョーク入
力型平滑回路を用いて力率を改善することが知られてい
る。

【０００５】図７は、一般的なチョーク入力型平滑回路
を用い、オン−オフ方式のＤＣ−ＤＣコンバータを備え
たスイッチングレギュレータの構成の一例を示す回路図
である。図７において、交流電源２１からの交流電力が
ダイオードブリッジ２２の入力端子２２ａ，２２ｂ間に
入力され、その正負の出力端子２２ｃ，２２ｄ間から全
波整流された脈流波形の直流電力が出力される。

【０００６】ダイオードブリッジ２２の正の出力端子２
２ｃにはチョークコイルＣＨ２の一端が、その他端には
平滑コンデンサＣ２１の正の端子が、該平滑コンデンサ
Ｃ２１の負の端子はダイオードブリッジ２２の負の出力
端子２２ｄにそれぞれ接続されている。これらのチョー
クコイルＣＨ２と平滑コンデンサＣ２１とによってチョ
ーク入力型の平滑回路２３が構成されている。

【０００７】スイッチングレギュレータはダイオードブ
リッジ２２と、チョーク入力型の平滑回路２３と、オン
−オフ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ２４とによって構成
され、ＤＣ−ＤＣコンバータ２４の出力端子２４ｃ，２
４ｄに接続される図示しない負荷に２次直流電力が供給
される。

【０００８】図７に示したスイッチングレギュレータに
おいて、ダイオードブリッジ２２からコンデンサＣ２１
への充電電流は、チョークコイルＣＨ２のインダクタン
スの値に応じてピーク値が抑えられると共に、充電電流
が流れる時間すなわち導通角が広くなる。したがって、
コンデンサＣ２１に流れる充電電流がチョークコイルＣ
Ｈ２によっても平滑され、力率が改善される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うなチョーク入力型の平滑回路を用いたスイッチングレ
ギュレータでは、商用電源又はその２倍の周波数で使用
されるから、チョークコイルＣＨ２は数ｍＨ以上の大き
なインダクタンスを必要とし、形状が大きくなって重量
が重くなり、小型の民生用電子機器にはあまり使用され
ていないのが現状である。

【００１０】さらに、大きなインダクタンスのためにコ
イルの巻数が多くなり、巻線の抵抗によるライン間の電
圧降下が大きい。また、電流の位相の遅れが、逆に力率
を低下させる原因となっていた。このように、チョーク
入力型の平滑回路は、力率を改善する反面、大型化，高
価格化する欠点を有している。

【００１１】この発明は上記の点に鑑みてなされたもの
であり、スイッチングレギュレータを、大型化，高価格
化することなく、入力電流の導通角を広げてピーク電流
を抑え、力率を改善することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明は、交流電源か
ら入力する交流電力を１次直流電力に変換する全波整流
回路と、１次直流電力をスイッチング素子と高周波用の
トランスの１次巻線の直列回路に入力してスイッチング
することにより２次直流電力に変換して出力するオン−
オフ方式のＤＣ−ＤＣコンバータとからなるスイッチン
グレギュレータにおいて、次のようにして上記の目的を
達成する。

【００１３】まず、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチン
グ素子とトランスの１次巻線の直列回路に並列に、平滑
コンデンサと該平滑コンデンサを放電させる向きに接続
した第１のダイオードの直列回路を接続し、平滑コンデ
ンサと第１のダイオードの接続点と、スイッチング素子
とトランスの１次巻線の接続点との間に、平滑コンデン
サを充電する向きに第２のダイオードを接続すると共
に、それぞれ次のようにしたものである。

【００１４】すなわち、ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電
圧を検出して、該検出電圧が予め設定した電圧になるよ
うにスイッチング素子のオン・オフを制御するスイッチ
ング制御手段を設けたものである。

【００１５】あるいは、平滑コンデンサの端子間電圧を
検出して、該検出電圧が予め設定した電圧になるように
スイッチング素子のオン・オフを制御するスイッチング
制御手段を設けたものである。

【００１６】上記のスイッチングレギュレータにおい
て、ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子とトラン
スの１次巻線の直列回路と該直列回路に並列に接続され
た平滑コンデンサと第１のダイオードの直列回路との両
接続点と、全波整流回路の正負の出力端とをそれぞれ結
ぶラインのうちの一方のラインに、それぞれ次のように
するとよい。

【００１７】すなわち、全波整流回路が出力する１次直
流電力の電流が流れる向きに第３のダイオードを介挿す
るとよい。または、低周波用のチョークコイルを介挿し
てもよい。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を参照しながら具体的に説明する。図１は、この発明
の第１の実施の形態であるスイッチングレギュレータの
構成の一例を示す回路図である。図１に示したスイッチ
ングレギュレータは、全波整流回路であるダイオードブ
リッジ２と、オン−オフ方式のＤＣ−ＤＣコンバータ４
と、その両者の間に設けた力率を改善する作用を有する
平滑部３とにより構成されている。

【００１９】平滑部３は、ＤＣ−ＤＣコンバータ４のト
ランス６の１次巻線Ｎｐとスイッチング素子であるトラ
ンジスタ（又はＦＥＴ）Ｑとが接続点Ｚで接続された直
列回路に、第１のダイオードであるダイオードＤ１と該
ダイオードＤ１を介して放電する平滑コンデンサＣ１と
が接続点Ｙで接続された直列回路が、接続点Ｘ，Ｘ′で
並列に接続され、接続点Ｚと接続点Ｙとの間に電流がＺ
からＹに流れて平滑コンデンサＣ１を充電する第２のダ
イオードＤ２が接続され、接続点Ｘ，Ｘ′がそれぞれダ
イオードブリッジ２の正負の出力端子２ｃ，２ｄと結ば
れて構成されている。

【００２０】ＤＣ−ＤＣコンバータ４は、その１次巻線
ＮｐとトランジスタＱとの直列回路に接続点，Ｘ，Ｘ′
から１次直流電力が入力する高周波用のトランス６と、
トランス６の２次巻線Ｎｓに誘起される２次交流電力を
整流平滑して２次直流電力に変換し、図示しない負荷に
出力する２次整流平滑回路を構成する整流ダイオードＤ
５，平滑コンデンサＣ２と、駆動パルスをトランジスタ
Ｑに出力してそのオン・オフを制御するスイッチング制
御回路（ＳＷＣ）５とにより構成されている。

【００２１】ＤＣ−ＤＣコンバータ４はオン−オフ方式
であるから、トランス６の１次巻線Ｎｐと２次巻線Ｎｓ
とは、黒ドットで図示したように、コアに対して互いに
逆方向に巻かれている。したがって、トランジスタＱが
オンの時に１次巻線Ｎｐに１次直流電力の電流が流れる
が、整流ダイオードＤ５に阻止されて２次巻線Ｎｓに電
流が流れないから、１次巻線Ｎｐに流れる電流はトラン
ス６を励起する（磁気エネルギとして蓄積される）。

【００２２】トランジスタＱがオフになると、１次巻線
Ｎｐ，２次巻線Ｎｓの極性がそれぞれ反転するから、ト
ランス６に蓄積された磁気エネルギは電流に再変換さ
れ、その一部は２次整流平滑回路の整流ダイオードＤ５
を通って平滑コンデンサＣ２を充電する。平滑コンデン
サＣ２を充電して平滑化された２次直流電力は、正負の
出力端子４ｃ，４ｄに接続された図示しない負荷に出力
される。

【００２３】スイッチング制御回路５は、出力端子４
ｃ，４ｄ間の出力電圧を検出し、その検出電圧が予め設
定した電圧より低ければ駆動パルスのデューティ比を上
げ、高ければデューティ比を下げるようにしてトランジ
スタＱのオン・オフを制御するから、ＤＣ−ＤＣコンバ
ータ４の出力電圧は予め設定した電圧に保持される。

【００２４】図１において、交流電源１からの交流電力
はダイオードブリッジ２の入力端子２ａ，２ｂ間に入力
され、その正負の出力端子２ｃ，２ｄ間からは全波整流
された脈流（正弦波の絶対値の）波形の１次直流電力が
出力される。交流電源オンの直後はスイッチング制御回
路５が作動しないから、トランジスタＱはオフのままで
あり、１次直流電力はトランス６の１次巻線Ｎｐ，第２
のダイオードＤ２を介して平滑コンデンサＣ１を充電
し、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧が或る程度上って
から、スイッチングが開始される。

【００２５】スイッチング開始後は、−ラインを基準の
０Ｖ、ダイオードブリッジ２の出力電圧の瞬時値をＶ
ｉ、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧をＶｃとして、Ｄ
Ｃ−ＤＣコンバータ４のトランジスタＱがオンの時にト
ランス６の１次巻線Ｎｐに流れる電流は、ＶｉがＶｃよ
り高ければ交流電源１からダイオードブリッジ２を介し
て入力し、ＶｉがＶｃより低ければ平滑コンデンサＣ１
からダイオードＤ１を介して供給されて、それぞれトラ
ンス６を励起する。

【００２６】この時に、ダイオードブリッジ２の瞬時値
Ｖｉが平滑コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｃより高くて
も、ダイオードＤ１が作用してダイオードブリッジ２か
ら平滑コンデンサＣ１を直接に充電することはなく、Ｖ
ｉがＶｃより低くても平滑コンデンサＣ１の放電電流が
ダイオードブリッジ２に逆流する恐れもない。また、ト
ランジスタＱがオンであるから接続点Ｚの電圧は０Ｖに
なっているが、ダイオードＤ２が作用して平滑コンデン
サＣ１の両端子間のショートは防止される。

【００２７】トランジスタＱがオフになると、１次巻線
Ｎｐ，２次巻線Ｎｓにそれぞれ逆起電力が発生して、各
巻線の黒ドットが付されていない側の端子が正になり、
トランス６に蓄積された磁気エネルギが再変換された電
流の一部は、２次巻線Ｎｓから２次整流平滑回路に流
れ、整流ダイオード５を介して平滑コンデンサＣ２を充
電することは既に説明した通りである。

【００２８】再変換された電流の他の一部は、ダイオー
ドブリッジ２の瞬時値Ｖｉが平滑コンデンサＣ１の端子
間電圧Ｖｃより高い時はいうまでもなく、ＶｉがＶｃよ
り低い場合でも、Ｖｉと１次巻線Ｎｐの逆起電力との和
がＶｃを超えていれば、ダイオードＤ２を介して平滑コ
ンデンサＣ１を充電する。いずれの場合も、平滑コンデ
ンサＣ１を充電する再変換された電流と同じ電流値の電
流が、ダイオードブリッジ２を介して交流電源１から入
力する。

【００２９】すなわち、交流電源１から入力する交流電
力の電圧の絶対値が、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧
Ｖｃより低い期間中であっても、１次巻線Ｎｐに発生し
た逆起電力が加わった電圧がＶｃを超えていれば、交流
電源１から交流電流が入力するから、その導通角は広く
なり、ピーク電流が抑えられて交流電源１への悪影響が
なくなると共に、力率が大幅に改善される。

【００３０】図２は、この発明の第２の実施の形態であ
るスイッチングレギュレータの構成の一例を示す回路図
であり、図１に示したスイッチングレギュレータと同一
部分には同一符号を付して、詳しい説明は省略する。

【００３１】図２に示したスイッチングレギュレータの
ＤＣ−ＤＣコンバータ７が図１に示したスイッチングレ
ギュレータのＤＣ−ＤＣコンバータ４と異なる所は、ス
イッチングレギュレータの出力電圧を定電圧に制御する
スイッチング制御回路５に代えて、平滑コンデンサＣ１
の端子間電圧Ｖｃが予め設定した電圧になるように制御
するスイッチング制御回路８にしたことと、トランジス
タＱに流れる電流を検出する電流検出手段例えばカレン
トトランス（ＣＴ）９を、接続点ＺとトランジスタＱ
（のコレクタ）との間に設けたことである。

【００３２】スイッチング制御回路８は、ダイオードブ
リッジ２の出力電圧の瞬時値Ｖｉと平滑コンデンサＣ１
の端子間電圧Ｖｃとを検出すると共に、カレントトラン
ス９によってトランジスタＱがオンの時に流れる刻々に
変化する電流値を検出し、その電流値と瞬時値Ｖｉを参
照しながら、端子間電圧Ｖｃが予め設定した電圧になる
ように、トランジスタＱに出力する駆動パルスのデュー
ティ比を制御する。

【００３３】その他は第１の実施の形態と同じであるか
ら、導通角が広くなってピーク電流が抑えられ、力率が
大幅に改善される効果は変らない。さらに第２の実施の
形態は、平滑コンデンサＣ１の端子間電圧Ｖｃを定電圧
に保持することにより、ＤＣ−ＤＣコンバータ７の出力
端子７ｃ，７ｄ間に接続された負荷（に流れる電流）が
変動しても力率は変動しないから、常に大幅に改善され
た力率を一定に保つことが出来る。

【００３４】ただし、端子間電圧Ｖｃを定電圧に保持す
るために駆動パルスのデューティ比が変動するから、そ
のデューティ比に対応して負荷に印加される出力電圧が
変動するという問題が生じる。一般に、負荷がクラッ
チ，ソレノイド等の駆動系負荷であれば、出力電圧の多
少の変動は問題にならないから、２次整流平滑回路の平
滑コンデンサＣ２から負荷に直接出力しても問題はな
い。

【００３５】しかしながら、駆動系負荷であっても例え
ば回転数を定速に保つモータ等や、制御系負荷のような
場合は出力電圧を定電圧にする必要があるから、図２に
示したように平滑コンデンサＣ２と出力端子７ｃ，７ｄ
との間に、例えばドロッパー回路や降圧型チョッパー回
路のような定電圧回路１０を介挿する必要がある。

【００３６】図３及び図４は、この発明の第３の実施の
形態であるスイッチングレギュレータのそれぞれの構成
の一例を示す回路図であり、図１及び図２に示したスイ
ッチングレギュレータとそれぞれ同一部分には同一符号
を付して詳しい説明は省略する。

【００３７】図３又は図４に示したスイッチングレギュ
レータの平滑部３ａが図１又は図２に示したスイッチン
グレギュレータの平滑部３と異なる所は、ダイオードブ
リッジ２の正の出力端子２ｃと接続点Ｘとの間に、電流
が出力端子２ｃから接続点Ｘに流れる向きに、第３のダ
イオードであるダイオードＤ３を介挿したことであり、
その他の点はそれぞれ図１又は図２に示したスイッチン
グレギュレータと同じである。

【００３８】既に第１の実施の形態であるスイッチング
レギュレータ（図１）において説明したように、ダイオ
ードＤ３の両端をショートしても、理論的にはダイオー
ドブリッジ２の瞬時値Ｖｉが平滑コンデンサＣ１の端子
間電圧Ｖｃより低い時でも、平滑コンデンサＣ１の放電
電流がダイオードブリッジ２に逆流することはない。し
かしながら実験的には、ダイオードＤ３を介挿させたこ
とにより、平滑部３ａの方が平滑部３よりも作用が安定
し、若干ながら力率が向上することが確かめられた。

【００３９】図５及び図６は、この発明の第４の実施の
形態であるスイッチングレギュレータのそれぞれの構成
の一例を示す回路図であり、図１及び図２に示したスイ
ッチングレギュレータとそれぞれ同一部分には同一符号
を付して詳しい説明は省略する。

【００４０】図５又は図６に示したスイッチングレギュ
レータの平滑部３ｂが図１又は図２に示したスイッチン
グレギュレータの平滑部３と異なる所は、ダイオードブ
リッジ２の正の出力端子２ｃと接続点Ｘとの間に、低周
波用のチョークコイルＣＨを介挿したことであり、その
他の点はそれぞれ図１又は図２に示したスイッチングレ
ギュレータと同じである。

【００４１】回路図だけを見れば、平滑部３ｂは従来例
として示した平滑回路２３（図７）にダイオードＤ１，
Ｄ２を加えたように考えられ、小型化，低価格化されて
いないように思われるかも知れない。しかしながら、平
滑部３ｂに用いられたチョークコイルＣＨは、平滑回路
２３に用いられた数ｍＨ以上のインダクタンスを必要と
するチョークコイルＣＨ２に比べて、遙かに小さいイン
ダクタンスのチョークコイルである。

【００４２】すなわち、平滑部３ｂは図１又は図２に示
した平滑部３に低周波用のチョークコイルＣＨを加えた
ものであるから、既に説明したように平滑部３だけでも
導通角が広くなり、ピーク電流が抑えられて力率が改善
されている。そのため、インダクタンスが遙かに小さい
チョークコイルＣＨであっても、その分だけ１次交流電
力のリップル分が平滑化されるから、平滑部３ｂにおい
ては平滑部３による効果が更に増すことは明らかであ
る。

【００４３】したがって、図５又は図６に示したスイッ
チングレギュレータは、それぞれ図１又は図２に示した
スイッチングレギュレータに比べれば大きく価格も上昇
することは避けられないが、従来のスイッチングレギュ
レータと比較すれば遙かに小型化，低価格化しているこ
とは明らかである。

【００４４】以上、図１乃至図６に示して説明した実施
の形態は、すべて＋のライン側に第１及び第２のダイオ
ードＤ１，Ｄ２、又は更に第３のダイオードＤ３あるい
はチョークコイルＣＨを接続した例であったが、これら
の各素子を−のライン側に設けても、有極性の各素子の
極性を反転すれば、この発明を適用出来ることはいうま
でもない。

【００４５】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によるス
イッチングレギュレータは、大型化，高価格化すること
なく、入力電流の導通角を広げてピーク電流を抑え、力
率を改善することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施の形態であるスイッチン
グレギュレータの構成の一例を示す回路図である。

【図２】この発明の第２の実施の形態であるスイッチン
グレギュレータの構成の一例を示す回路図である。

【図３】この発明の第３の実施の形態であるスイッチン
グレギュレータの構成の一例を示す回路図である。

【図４】この発明の第３の実施の形態であるスイッチン
グレギュレータの構成の他の一例を示す回路図である。

【図５】この発明の第４の実施の形態であるスイッチン
グレギュレータの構成の一例を示す回路図である。

【図６】この発明の第４の実施の形態であるスイッチン
グレギュレータの構成の他の一例を示す回路図である。

【図７】従来のチョーク入力型平滑回路を用いたスイッ
チングレギュレータの一例を示す回路図である。

【符号の説明】

１：交流電源 ２：ダイオードブリッジ（全波整流回路） ３，３ａ，３ｂ：平滑部 ４，７：ＤＣ−ＤＣコンバータ ５，８：スイッチング制御回路 ６：トランス Ｃ１：平滑コンデンサ ＣＨ：チョークコイル Ｄ１：第１のダイオード Ｄ２：第２のダイオード Ｄ３：第３のダイオード Ｎｐ：１次巻線 Ｎｓ：２次巻線 Ｑ：トランジスタ（スイッチング素子）

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平７−23563（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−67344（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−264858（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−264860（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H02M 3/28 H02M 7/217

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 交流電源から入力する交流電力を１次直
   流電力に変換する全波整流回路と、前記１次直流電力を
   スイッチング素子と高周波用のトランスの１次巻線の直
   列回路に入力してスイッチングすることにより２次直流
   電力に変換して出力するオン−オフ方式のＤＣ−ＤＣコ
   ンバータとからなるスイッチングレギュレータにおい
   て、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子とトラン
   スの１次巻線の直列回路に並列に、平滑コンデンサと該
   平滑コンデンサを放電させる向きに接続した第１のダイ
   オードの直列回路を接続し、 前記平滑コンデンサと前記第１のダイオードの接続点
   と、前記スイッチング素子と前記トランスの１次巻線の
   接続点との間に、前記平滑コンデンサを充電する向きに
   第２のダイオードを接続すると共に、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータの出力電圧を検出して、該検
   出電圧が予め設定した電圧になるように前記スイッチン
   グ素子のオン・オフを制御するスイッチング制御手段を
   設けたことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
2. 【請求項２】 交流電源から入力する交流電力を１次直
   流電力に変換する全波整流回路と、前記１次直流電力を
   スイッチング素子と高周波用のトランスの１次巻線の直
   列回路に入力してスイッチングすることにより２次直流
   電力に変換して出力するオン−オフ方式のＤＣ−ＤＣコ
   ンバータとからなるスイッチングレギュレータにおい
   て、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子とトラン
   スの１次巻線の直列回路に並列に、平滑コンデンサと該
   平滑コンデンサを放電させる向きに接続した第１のダイ
   オードの直列回路を接続し、 前記平滑コンデンサと前記第１のダイオードの接続点
   と、前記スイッチング素子と前記トランスの１次巻線の
   接続点との間に、前記平滑コンデンサを充電する向きに
   第２のダイオードを接続すると共に、 前記平滑コンデンサの端子間電圧を検出して、該検出電
   圧が予め設定した電圧になるように前記スイッチング素
   子のオン・オフを制御するスイッチング制御手段を設け
   たことを特徴とするスイッチングレギュレータ。
3. 【請求項３】 請求項１又は２記載のスイッチングレギ
   ュレータにおいて、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子とトラン
   スの１次巻線の直列回路と該直列回路に並列に接続され
   た前記平滑コンデンサと前記第１のダイオードの直列回
   路との両接続点と、前記全波整流回路の正負の出力端と
   をそれぞれ結ぶラインのうちの一方のラインに、前記全
   波整流回路が出力する１次直流電力の電流が流れる向き
   に第３のダイオードを介挿したことを特徴とするスイッ
   チングレギュレータ。
4. 【請求項４】 請求項１又は２記載のスイッチングレギ
   ュレータにおいて、 前記ＤＣ−ＤＣコンバータのスイッチング素子とトラン
   スの１次巻線の直列回路と該直列回路に並列に接続され
   た前記平滑コンデンサと前記第１のダイオードの直列回
   路との両接続点と、前記全波整流回路の正負の出力端と
   をそれぞれ結ぶラインのうちの一方のラインに、低周波
   用のチョークコイルを介挿したことを特徴とするスイッ
   チングレギュレータ。