JP3661135B2 - 力率改善機能付きスイッチング電源装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明はスイッチング電源装置に関し、特に力率改善機能を有するスイッチング電源装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
交流を直流に変換し、その直流をスイッチングすることによって安定な直流出力電圧を得るスイッチング電源回路において、交流を直流に変換する回路にコンデンサインプット型整流回路を用いると、正弦波の交流入力電圧に対して、波高値の高いパルス状の交流入力電流が流れ、入力電流波形の導通角が狭くなり、力率が低下する。この力率の低下を防ぐ方法としてコンデンサの前にチョークコイルを挿入するチョークインプット型整流回路が知られているが、商用電源の交流周波数が低いために、チョークコイルのインダクタンスが大きくなければならないという欠点がある。そこで、リアクトルとスイッチ素子の組み合わせによって、アクティブフィルタと呼ばれる回路が実用化されている。アクティブフィルタの中で従来用いられている回路例の原理図を図６に示す。この図の回路の動作のポイントは、コンデンサインプット型整流回路では非導通角となっていた低い入力電圧の区間においても、強制的に電流を流す点にある。図において、コンデンサ１０２は比較的大きな容量で、ブリッジ整流器１１８の出力電圧が正弦波の半周期の波形を繰り返しているのに対して、ほぼ一定の直流電圧で充電されているとみなすことができる。そこで、ブリッジ整流器１１８の出力電圧がコンデンサ１０２の充電々圧より低いときは、トランス１１１の１次巻線１１１Ｂとスイッチ素子１１３に流れるスイッチング電流はコンデンサ１０２に充電されている電荷によってまかなわれる。コンデンサ１０２の電荷の放電する回路にはトランス１１２の巻線１１２Ｂが含まれており、これにもスイッチング電流が流れるため、スイッチ素子１１３がオフしたとき、トランス１１２に蓄積されたエネルギーは巻線１１２Ａに電磁誘導されて流れる。そのため、ブリッジ整流器１１８の出力電圧がコンデンサ１０２の充電々圧より低い区間でも交流入力電流が流れ、これによってコンデンサインプット型整流回路では非導通角であった区間でも電流が流れることになって、その結果、力率が改善される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
図６に示した回路において、トランス１１２にはもう１つのトランス１１１に流れる電流と部分的に共通した電流が流れるのに、各々別々のコアに巻かれていて、１つの電源であるのに２つのトランスが必要である。また、図６に示した回路において、コンデンサ１０２に充電される電圧は、軽負荷時に上昇することがあり得るが、これは、トランス１１２の巻線１１２Ａに生ずる電圧が無制御になっているためである。コンデンサ１０２の電圧が高くなることによってスイッチ素子１１３のオフ期間にスイッチ素子に加わる電圧も上昇する。
【０００４】
そこで本発明は、２つのトランスを１つのトランスにまとめることによって部品コストの削減をはかり、かつ、コンデンサに充電される電圧が軽負荷時に上昇することを防ぐ回路を提供することを目的としている。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため本発明は、スイッチ素子のオフ期間に、１次巻線のスイッチ素子側の端子に生じる電圧を充電する第１のダイオードとコンデンサを付加し、トランスに補助巻線を追加しコンデンサに充電された電荷がスイッチ素子のオン期間にこの補助巻線を通りスイッチ素子を流れて放電するように構成し、そして、スイッチ素子のオフ期間に補助巻線にフライバック電流が流れないように、この方向の電流を阻止する第２ダイオードを付加したことを特徴としている。
【０００６】
【作用】
本発明において、コンデンサはある程度大きな容量が選ばれ、電源が起動してしばらくたった後は商用電源の周期で変化する入力電圧に対しても、その両端の電圧が安定している。
【０００７】
このコンデンサに充電されている電圧に対して、入力電圧が十分低い場合はスイッチ素子に流れる電流はコンデンサに充電されている電荷によってまかなわれるが、第１のダイオードによって直接スイッチ素子に流れるのを阻止されているので、補助巻線を通りトランスを励磁する。
【０００８】
スイッチ素子がターンオフすると各巻線に巻数に比例したフライバック電圧が発生するが、補助巻線は第２のダイオードによってフライバック電流が阻止されているので、１次巻線と２次巻線によってエネルギーが放出される。そのため、１次巻線には入力電圧がコンデンサの入力電圧より低いときでもフライバック電流が流れる。すなわち、コンデンサインプット型整流回路では非導通角となっていた区間でも入力電流が流れ、力率が改善される。
【０００９】
コンデンサに充電される電圧は、入力電圧の波高値に１次巻線のフライバック電圧を加算した値になるが、１次巻線のフライバック電圧はスイッチ素子のオンデューティ比と巻数比によって求まる値であり、無制御状態になって上昇するということはなく、従ってスイッチ素子のオフ期間にスイッチ素子に加わる電圧が軽負荷で上昇するということもない。
【００１０】
請求項２記載の発明において、スイッチ素子のオフ期間に１次巻線のスイッチ素子側に生じる電圧を取り出して充電する回路は昇圧チョッパ型スイッチング電源の出力電圧を得る整流平滑回路そのものであることから、スイッチ素子のオン期間に補助巻線に流れる電流は整流平滑回路のコンデンサから供給される。この点を除けば、請求項１の発明における作用と同じ。
【００１１】
【実施例】
図１は請求項１記載の発明の実施例に係る力率改善機能付きスイッチング電源装置を示す回路図である。図２は図１の回路図の主要部の電圧電流波形を示した波形図である。図３と図４は図２の波形図の時間軸を拡大した図である。
【００１２】
図１の回路において、ブリッジ整流器１８の出力電圧は図２（ａ）に示したように正弦波の半周期分を繰り返した波形をしている。ブリッジ整流器１８の出力電流は図２（ｂ）に示したように、パルス状となり電圧の低いところから電流が流れ始め、電圧の上昇と共にパルスの波高値が大きくなっている。また、この電流はコンデンサ１９とチョークコイル２０からなるローパスフィルタを通すと、図２（ｃ）のような高周波リップルが除去されたより正弦波に近い波形となる。
【００１３】
図２（ａ）のブリッジ整流器１８の出力電圧の低い区間におけるブリッジ整流器１８を流れる電流とスイッチ素子１３を流れる電流と２次側ダイオード１４を流れる電流の波形を時間軸を拡大して図３（ａ）と図３（ｂ）と図３（ｃ）に各々示す。図３（ａ）に示したように、ブリッジ整流器１８の電流はスイッチ素子１３に電流が流れている間は流れず、スイッチ素子１３がターンオフしたときから流れ始める。また、ブリッジ整流器１８を流れる電流は、トランス１１に蓄積される励磁エネルギーの放出を２次側ダイオード１４の電流と分け合う形で得られるが、ブリッジ整流器１８の出力電圧の上昇と共に、図３（ａ）に示したように、パルス幅が広がっていく。一方、スイッチ素子１３の電流と２次側ダイオード１４の電流のパルス幅は、図３（ｂ）と図３（ｃ）に示したようにほぼ一定している。ブリッジ整流器１８の出力電流のパルス幅が２次側ダイオード１４の電流のパルス幅より広くなると波形は図３（ａ）に示したように折れ線になる。
【００１４】
図２（ａ）のブリッジ整流器１８の出力電圧が高いところにおけるブリッジ整流器１８を流れる電流とスイッチ素子１３を流れる電流と２次側ダイオード１４を流れる電流の波形を時間軸を拡大して図４（ａ）と図４（ｂ）と図４（ｃ）に各々示す。図４（ａ）に示したように、ブリッジ整流器１８には連続的な電流が流れる。このとき、スイッチ素子１３のオン期間には１次巻線１１Ａと補助巻線４の両方に電流が流れている。補助巻線４を通る電流はコンデンサ２の放電によるが、１次巻線１１Ａを通る電流は、スイッチ素子のオフ期間に１次巻線１１Ａを流れるフライバック電流がオフ期間の間にゼロまで達しないためにスイッチ素子１３がターンオンしたとき、その残った電流が流れ続けるために生じる電流である。従って、スイッチ素子１３に流れる電流は、図４（ｂ）に示したように、その残っていた電流値から立ち上がるが、パルス幅はブリッジ整流器１８の出力電圧が低いときと大きな違いはない。
【００１５】
ブリッジ整流器１８の出力電圧が低いところでは、スイッチ素子１３を流れる電流はコンデンサ２の放電によってまかなわれており、コンデンサ２の電圧の変化が小さいので、パルス幅の変化も小さい。また、ブリッジ整流器１８の出力電圧が大きいところでは、スイッチ素子を流れる電流はコンデンサ２の放電の他に、上で説明した１次巻線１１Ａのフライバック電流の残りの電流が加わるが、オン期間のパルス幅の変化は小さい。従って、スイッチ素子１３はコンデンサインプット型整流方式のスイッチング電源回路のそれと同じように働く。そのため、スイッチ素子１３のオン・オフを制御する発振制御回路にコンデンサインプット整流型スイッチング電源に用いてきた従来の方式がそのまま使える。
【００１６】
請求項１記載の発明の実施例として図１に示した回路図と図２と図３と図４に各々示した波形図は固定周波数で制御されるフライバックコンバータを土台にしたものであるが、発振方式が他励式であっても自励式であっても本発明の応用は可能である。また、回路構成としてフォワードコンバータに応用することも可能である。
【００１７】
図５は請求項２記載の発明の実施例に係る力率改善機能付き昇圧チョッパ型スイッチング電源装置を示す回路図である。図５の回路図内のブリッジ整流器１８の出力電圧と出力電流の波形は図１の回路図のそれらと基本的に変わらない。
【００１８】
１つの巻線を用いた従来の昇圧チョッパ型力率改善回路においては、スイッチ素子の発振制御回路にランプ補償回路という特別な回路を付加して、交流入力電流を交流入力電圧に近似させている。そのため、制御回路が複雑になるが、図５に示した実施例ではコンデンサインプット型整流方式のスイッチング電源回路に用いる発振制御回路をそのまま使うことができる。
【００１９】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、従来から用いられてきたコンデンサインプット型整流方式の部品を大幅に変更せずに力率を改善する回路を構成することができた。また、力率を改善する従来例に対してローコスト化ができ、スイッチ素子に加わる電圧が軽負荷時に上昇するという問題も解決できた。
【図面の簡単な説明】
【図１】請求項１記載の発明の実施例に係る力率改善機能付きスイッチング電源装置を示す回路図である。
【図２】図１の回路図の主要部の電圧と電流の波形を示す波形図である。
【図３】図２の波形図の時間軸を拡大した波形図である。
【図４】図２の波形図の時間軸を拡大した波形図である。
【図５】請求項２記載の発明の実施例に係る力率改善機能付き昇圧チョッパ型スイッチング電源装置を示す回路図である。
【図６】従来方式の例を示す回路図である。
【符号の説明】
１ コンデンサ
２ ダイオード
３ ダイオード
４ 補助巻線
１１、１１１ トランス
１３、１１３ スイッチ素子
１４、１１４ ダイオード
１５、１１５ コンデンサ
１６、１１６ 負荷
１７、１１７ 発振制御回路
１８、１１８ ブリッジ整流器
１９、１１９ コンデンサ
２０、１２０ チョークコイル
２１、１２１ 交流電源
１１Ａ、１１１Ａ １次巻線
１１Ｂ、１１１Ｂ ２次巻線
１１２ トランス
１１２Ａ 巻線
１１２Ｂ 巻線

Claims (2)

1. １次巻線と２次巻線を有するトランスと、前記トランスの１次巻線に直列に接続されたスイッチ素子と、前記トランスの２次巻線に接続された整流平滑回路と、前記整流平滑回路の直流出力電圧を検出し前記スイッチ素子の発振を制御する発振制御回路を備えたスイッチング電源回路において、前記スイッチ素子のオフ期間に前記トランスの１次巻線の前記スイッチ素子側の端子に生じる電圧を充電するコンデンサを接続し、前記コンデンサに充電された電荷が前記スイッチ素子のオン期間に前記スイッチ素子を直接通って放電することを阻止するために前記トランスの１次巻線と前記コンデンサの間に第１のダイオードを直列に挿入し、前記トランスの１次巻線と前記スイッチ素子の間に第２のダイオードを直列に挿入し、前記トランスに補助巻線を巻いてその一方の端子を前記第１のダイオードと前記コンデンサの接続点に接続しその別の一方の端子を前記第２のダイオードと前記スイッチ素子の接続点に接続したことを特徴とする力率改善機能付きスイッチング電源装置。
2. １次巻線と、前記１次巻線に直列に接続されたスイッチ素子と、前記スイッチ素子のオフ期間に前記１次巻線の前記スイッチ素子側の端子に生じる電圧を直流電圧として取り出す整流平滑回路と、前記整流平滑回路の直流出力電圧を検出し前記スイッチ素子の発振を制御する発振制御回路を備えた昇圧チョッパ型スイッチング電源装置において、前記１次巻線と前記スイッチ素子の問にダイオードを直列に挿入し、前記１次巻線が巻かれたコアに補助巻線を巻いて、その一方の端子を前記整流平滑回路の出力端子に接続しその別の一方の端子を前記ダイオードと前記スイッチ素子の接続点に接続したことを特徴とする力率改善機能付き昇圧チョッパ型スイッチング電源装置。

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