JP3862252B2 - アクティブ型力率改善回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、スイッチングレギュレータ電源装置の入力段に設けられACラインに対する雑音低減と負荷側に対し力率を改善するアクティブ型力率改善回路に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来、スイッチングレギュレータ電源装置の入力段に配置されるアクティブ型力率改善回路としては例えば図3に示す昇圧チョッパ回路を用いたものがある。
【0003】
図3において、昇圧チョッパ回路は、入力側に設けた昇圧チョークコイルL1、MOSFET等を用いたインバータ素子2、整流ダイオードD1、及び出力側に設けた平滑コンデンサC1で構成される。
【0004】
インバータ素子2はPWM制御されており、そのため三角波発生回路5、出力電圧制御回路6、PWMコンパレータ4及びアンドゲート7が設けられている。また過電流保護のため電流検出コイル8、チョーク電流検出回路9及び基準電圧源13により基準点厚Vref2を設定した過電流保護用コンパレータ10が設けられる。更に、過電圧保護用コンパレータ12が設けられ、基準電圧源14の基準電圧Vref1 と、抵抗R1,R2及びコンデンサCを備えた回路で分圧した出力電圧を比較している。
【0005】
過電流保護及び過電圧保護は、セット・リセット・フリップフロップ(以下「RS−FF」という)11により行われ、そのセット入力Sに過電流保護用コンパレータ10及び過電圧保護用コンパレータ12の出力が接続されている。またリセット入力Rには三角波発生回路5の出力が同期をとるために加えられる。
【0006】
RS−FF11は、その反転出力Qをアンドゲート7に入力し、通常時はリセット状態にあって反転出力QをHレベルとすることでアンドゲート7を許容状態にしてインバータ素子2をPWM制御させ、保護動作時はセット状態となって反転出力QをLレベルとし、アンドゲート7を禁止状態にしてオン状態にあるインバータ素子2を強制的にオフさせている。
【0007】
この昇圧チョッパ回路を使用したアクティブ型力率改善回路は、交流電圧Eiを入力端子1a,1b入力し、昇圧した直流電圧Eoを出力端子2a,2bから次段のスイッチングレギュレータ電源装置に出力する。
【0008】
PWMコンパレータ4によりインバータ素子2がオンすると、入力交流電圧Eiにより昇圧チョークコイルL1に電流を流してエネルギーを蓄積し、続いてインバータ素子2がオフすると、昇圧チョークコイルL1に蓄積したエネルギーにより電流を昇圧整流ダイオードD1を通して整流し、平滑用コンデンサC1にエネルギーを移り、これを繰り返している。
【0009】
このためインバータ素子2をオンした時に図4(B)のように、インバータ電流iQが流れ、次にインバータ素子2をオフした時に図4(C)のように整流電流iDが流れ、そのため昇圧チョークコイルL1には両方を剛性したチョーク電流iLが図4(A)のように流れ、これが繰り返される。
【0010】
このためインバータ素子2のオン、オフ制御によって入力交流電圧Eiの電圧波形に比例したピーク値をもつチョーク電流iLが昇圧チョークコイルL1に流れ、この場合、チョーク電流iLの平均電流iLave は、交流電圧波形Eiに近い入力電流波形となり、これによって交流電圧波形と交流電流波形の位相をほぼ同相にして力率を1に近づけている。
【0011】
図5は通常時におけるインバータ素子のPWM制御のタイミングチャートである。図5(A)のように、PWMコンパレータ4は三角波信号と出力電圧Eoに対応した入力電圧Eref を比較し、図5(B)のコンパレータ出力信号をインバータ素子2に印加して図5(C)のようにオン、オフ制御し、図5(D)(E)(F)のインバータ電流iQ、整流電流iD及びチョーク電流iLをを得ている。
【0012】
この場合、過電流及び過電圧の保護動作は行われていないため、リセット状態にあるRS−FF11の反転出力QはHレベルにあり、アンドゲート7を許容状態としている。
【0013】
図6は図3において負荷電流が増加して過電流動作が行われた状態のタイミングチャートである。時刻toからのインバータ素子2のオン期間に、図6(C)の過電流保護用コンパレータ10に入力しているチョーク電流検出信号(マイナスの値)が過電流によって基準電圧Vref2を越えると、図6(D)のように過電流保護用コンパレータ10の出力がHレベルとなり、ある遅延時間Tmin を経過した後に、図6(F)のようにインバータ素子2を強制的にオフさせる過電流保護動作が行なわれる。
【0014】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の過電流保護回路にあっては、過電流保護用コンパレータ10による過電流検出でRS−FF11をセットしてインバータ素子を強制的にオフさせようとしても、インバータ素子2をオン状態からオフ状態に移行させるためには、必ずある遅延時間Tminが存在し、このため過電流保護動作が遅れ、その間に多大な過電流が昇圧チョークコイルに流れ、周辺半導体へも多大な損傷を与えてしまう問題点があった。
【0015】
図7は、過大な電流が流れた時の過電流保護動作のタイミングチャートである。時刻toからのインバータ素子2のオンにより過大なチョーク電流が流れると、図7(C)のようにチョーク電流検出信号も急俊に変化して基準電圧Vref2を越え、過電流保護用コンパレータ10の出力は図7(D)のようにインバータ素子2のオンからT1時間を経過した直後にHレベルに立ち上がり、図7(E)のようにRS−FF11をセットし、反転し出力QをLレベルとする。
【0016】
しかし、インバータ素子2をオフするまでにある遅延時間Tmin を必要とするため、その間にチョーク電流は過大な電流まで増加し、その後にインバータ素子2が強制的にオフされる。
【0017】
このためインバータ素子2を強制的にオフした場合、次のインバータ素子2をオフするまでの間に昇圧チョークコイルl1の蓄積エネルギーによる整流電流が流し切れず、昇圧チョークコイルL1のリセット完了前にインバータ素子2がオンを開始してしまい、結果として、過電流保護回路が動作しているに関わらず、電流が増加し続け、多大な電流が昇圧チョークに流れ、周辺半導体へも多大な損傷を与えてしまう問題点があった。
【0018】
本発明は、インバータ素子にある遅れ時間があっても、過電流保護動作を確実に行って多大なチョーク電流が流れないようにするアクティブ型力率改善回路を提供することを目的とする。
【0019】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するため、本発明は次のように構成する。本発明は、入力交流電圧の正弦波形に比例してピーク値が変化するスイッチング電流を昇圧チョークコイルに流すように制御回路によりインバータ素子をオン、オフ制御し、チョークコイルに流れた電流を整流素子で整流した後にコンデンサで平滑して直流電圧を出力する昇圧チョッパ回路を備えたアクティブ型力率改善回路を対象とする。
【0020】
このようなアクティブ型力率改善回路につき本発明は、インバータ素子のオン期間に流れる昇圧チョークコイルの検出電流が所定値を越えた場合に動作し、インバータ素子の複数回のオン・オフ期間の間、インバータ素子のオフ状態を維持する過電流保護回路を設けたことを特徴とする。
【0021】
これによって、過電流検出からインバータ素子を強制的にオフするまでにある遅延時間が存在しても、複数サイクルに亘ってインバータ素子のオフ状態が強制的に維持されることで、インバータ素子のオン期間に過大な電流により昇圧チョークコイルに蓄積されたエネルギーは、その後の複数サイクルに亘るオフ期間の間に負荷側に電流を流すことで完全に昇圧チョークコイルをリセットし、多大なチョーク電流か流れることを確実に防止する過電流保護動作が行われる。
【0022】
ここで、アクティブ型力率改善回路の過電流保護回路は、昇圧チョークコイルの検出電流が所定値を越えた場合にオンするスイッチ素子と、スイッチ素子のオンによりコンデンサを規定電圧に急速充電し、充電後に前記コンデンサを緩速放電させる充放電回路と、充放電回路のコンザンサ電圧を入力して所定の基準電圧と比較し、コンデンサ電圧が基準電圧を上回っている間、Hレベル信号を出力するコンパレータと、コンパレータのHレベル信号によりセットされると共に前記インバータ素子のオフ制御に同期してリセットされ、その反転出力によりセット期間の間、インバータ素子に対する制御回路の出力を禁止してオフ状態を維持させるセット・リセット・フリップフロップとを備える。
【0023】
また過電流保護回路のコンパレータとして、インバータ素子のオン期間における出力電圧の過電圧を検出してインバータ素子を強制的にオフする過電圧保護用のコンパレータと兼用することで、回路を簡単にする。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1は本発明によるアクティブ型力率改善回路の実施形態を示した回路図である。図1において、本発明のアクティブ型力率改善回路は、スイッチング制御を行うための回路として昇圧チョーク回路を使用している。
【0025】
昇圧チョーク回路は、交流電圧Eiが入力される入力端子1a,1bと、次段に配置されるスイッチングレギュレータ電源装置を接続する出力端子2a,2bを有し、入力端子1a,1b間に昇圧チョークコイルL1とMOS−FETを用いたインバータ素子2を直列接続している。
【0026】
また昇圧チョークコイルL1とインバータ素子2の間より整流ダイオードD1を介して出力端子2aに接続し、また出力端子2aと2b間に平滑コンデンサC1を接続している。
【0027】
インバータ素子2はPWM制御によりオン,オフされる。このPWM制御のため、三角波発生回路5、出力電圧制御回路6、PWM用コンパレータ4、アンドゲート7を設けている。
【0028】
このPWM制御によるインバータ素子2のオン、オフによる通常時の動作は、図4及び図5のタイミングチャートに示したのと同じであり、入力端子1a,1bに対する交流電圧の正弦波形に比例したパルス状電流をインバータ素子2のPWM制御により昇圧チョークコイルL1に流し、電圧波形と電流波形の位相をほぼ一致させることで力率を1に近付けている。
【0029】
また、出力電圧制御回路6によって次段のスイッチングレギュレータに対する出力電圧E0を規定電圧に保つ規定電圧制御も同時に行っている。
【0030】
また過電流保護を行うため、電流検出コイル8、チョーク電流検出回路9、基準電圧源13を備えた過電流保護用コンパレータ10が設けられる。また過電圧保護のため過電圧保護用コンパレータ12が設けられ、基準電圧源14と出力電圧E0を抵抗R1,R2及びコンデンサC2でなる回路で分圧した電圧を入力している。
【0031】
過電流保護用コンパレータ10の出力及び過電圧保護用コンパレータ12の出力は、RS−FF11のセット入力Sにそれぞれ接続される。RS−FF11はリセット入力Rに三角波発生回路5の出力を接続している。RS−FFは反転出力Qをアンドゲート7に入力している。過電圧または過電流のない通常の動作状態にあっては、RS−FF11は三角波発生回路5からの三角波信号によるインバータ素子2のオフタイミングに同期してリセットされている。
【0032】
このため反転出力QはHレベルに維持され、アンドゲート7を許容状態としてPWMコンパレータ4からの制御信号によってインバータ素子2をオン,オフ制御している。過電流保護用コンパレータ10または過電圧保護用コンパレータ12がHレベル出力を生ずると、RS−FF11はセット状態となり、反転出力QがHレベルからLレベルに下がり、アンドゲート7を禁止状態とする。この保護動作は三角波発生回路5からの三角波信号によるインバータ素子2のオン,オフサイクルごとに繰り返される。
【0033】
このようなアクティブ型昇圧回路の構成は図3に示した従来回路と同じであるが、これに加えて本発明にあっては、新たに過電流保護用の回路部として過電流保護制御回路15を設けており、この過電流保護制御回路15に対し、既存の回路を利用した充放電回路16と過電圧保護用コンパレータ12を利用した過電流保護用コンパレータ回路を組み合わせている。
【0034】
過電流保護制御回路15は、チョーク電流検出回路9の出力をツェナーダイオードZD1を介してトランジスタTr1のベースに接続している。トランジスタTr1はエミッタに規定電圧Vccを供給する基準電圧源17を接続し、コレクタをコンデンサC2及び抵抗R2を並列接続した充放電回路16におけるコンデンサのプラス側、即ち過電流保護用としても機能する過電圧保護用コンパレータ12の入力端子に接続している。
【0035】
またトランジスタTr1はベース,エミッタ間にコンデンサC3を接続しており、ツェナーダイオードZD1への導通でベース電流が流れてトランジスタTr1がオンした際に、一定時間トランジスタTr1をオンさせるようにしている。
【0036】
ここで過電流保護制御回路15に設けているツェナーダイオードZD1のツェナー電圧Vzは、過電流保護用コンパレータ10に対し基準電圧源13で設定している基準電圧Vref2に等しい値とする。即ち基準電圧Vref2とツェナー電圧Vzが等しければ、過電流保護動作は過電流保護制御回路15の動作によって行われる。
【0037】
尚、ツェナー電圧Vzを基準電圧Vref2より大きく設定してもよく、この場合は、過電流が少ないうちは過電流保護コンパレータ10による過電流保護動作が行われ、多大な電流が流れると過電流保護制御回路15が動作して過電流保護動作を行うようになる。
【0038】
次に図1の実施形態における多大な電流が流た場合の過電流保護動作を説明する。図2のタイミングチャートにおいて、図2(A)の三角波信号と出力電圧Eoに対応した基準電圧Erefとの比較により、PWMコンパレータ4が図2(B)のようにオン,オフ制御信号を出力しており、これによってインバータ素子2がオン,オフしている。
【0039】
即ちインバータ素子2がオンすると、チョークコイルL1を通ってインバータ電流が流れ、昇圧チョークコイルL1に電磁的なエネルギーを蓄積する。次にインバータ素子2がオフすると、昇圧チョークコイルL1に蓄積されたエネルギーによって整流ダイオードD1から平滑コンデンサC1に整流電流が流れる。
【0040】
したがって昇圧チョークコイルL1には、インバータ素子2のオンによるインバータ電流とインバータ素子2のオフによる整流電流を合成した急峻な三角波状のチョーク電流が流れる。このチョーク電流は電流検出コイル8により検出され、チョーク電流検出回路9より図2(C)のようなチョーク電流検出信号として過電流保護用コンパレータ10及び過電流保護制御回路15に出力されている。
【0041】
ここでチョーク電流検出信号はマイナスの値を持っているが、図2(C)にあっては説明を分かり易くするためマイナス側を上側として反転して示している。
【0042】
このような昇圧チョッパ回路におけるスイッチング動作に伴い、図2の時刻t0からのインバータ素子2のオンタイミングにおいて、例えば交流電圧Eiの入力波形が高い位置となって急激に電流が増加して過電流となり、チョーク電流検出信号がこれに伴って急激に増加したとする。このチョーク電流検出信号が増加すると、即ちマイナス側に大きく引き込まれると、ツェナー電圧Vzを越えた時に過電流保護制御回路15に設けているツェナダイオードZD1が導通する。
【0043】
ツェナーダイオードZD1が導通するとトランジスタTr1のエミッタからベースにベース電流が流れ、これによってトランジスタTr1がオンし、基準電圧源17の基準電圧Vccによって充放電回路16に設けているコンデンサC2が急速充電される。
【0044】
コンデンサC2の急速充電が終了してトランジスタTr1がオフになると、コンデンサC2の電荷は並列接続した抵抗R2を通してゆっくりと放電される。このときの充放電回路16のコンデンサC2の充放電電圧は、図2(F)に示すように変化する。
【0045】
コンデンサC2を急速充電する時のコンデンサ電圧は、図2(F)のように、コンパレータ12に対する基準電圧源14によるVref1を上回り、これによって図2(G)のように過電圧保護用コンパレータ12から過電流保護のためのHレベル出力がRS−FF11に出力され、RS−FF11がセット状態に切り替えられる。
【0046】
このRS−FF11のセット状態によって反転出力QがLレベルとなり、アンドゲート7を禁止することでインバータ素子2に対するPWMコンパレータ4の出力を禁止する。図2(F)のように、急速充電されたコンデンサC2の電圧は、その後、抵抗R2を通じてゆっくり放電され、コンパレータ12の基準電圧Vref1に下がるまでにはPWMコンパレータ4の出力信号による複数サイクルの時間を必要とする。
【0047】
従って、過電流保護動作によるRS−FF11のセット状態の保持によってインバータ素子2は、複数サイクルに亘ってオフ状態を継続する。このため時刻t0のオンタイミングにおける過大な電流が流れることで昇圧チョークコイルL1に蓄積されたエネルギーは、その後のインバータ素子2の継続したオフ状態の維持を通じて整流ダイオードD1から平滑用コンデンサC1に整流電流を流れて放出され、昇圧チョークコイルL1が完全にリセットされる。
【0048】
そしてコンデンサC2の電圧が放電によって基準電圧Vref1を下回った時、コンパレータ12がHレベルからLレベル出力となってRS−FF11をリセット状態とし、アンドゲート7の禁止状態を解除して再びPWM制御によるインバータ素子2のスイッチングに戻ることになる。
【0049】
このため図2(C)に破線で示すように、従来の過電流動作にあっては昇圧チョークコイルL1が完全にリセットされずに過大な電流が流れ、周辺の半導体に悪影響を及ぼしていたが、本発明の過電流動作により多大な電流が流れたとしても確実にインバータ素子2をオフ状態に固定して保護を図ることができる。
【0050】
なお、上記の実施形態にあっては、インバータ素子2のスイッチング制御としてPWM制御方式を例にとるものであったが、本発明はこれに限定されず、周波数変調方式など他の制御方式であっても同様な作用が得られる。
【0051】
また図1の実施形態にあっては、過電流保護用コンパレータ10による過電流保護と過電流保護制御回路15による過電流保護の両方を行っているが、本発明による過電流保護制御回路15のみとし、過電流保護用コンパレータ10は取り除くようにしてもよい。
【0052】
更に図1の実施形態にあっては、過電流保護制御回路15による過電流保護のため、電圧保護用コンパレータ12やその入力側の回路を兼用しているが、専用の過電流保護回路を設けても良い。
【0053】
【発明の効果】
以上説明してきたように本発明によれば、昇圧チョッパ回路を備えたアクティブ型力率改善回路につき、インバータ素子のオン期間に流れる昇圧チョークコイルの検出電流が所定値を越えた場合に動作し、インバータ素子の複数回のオン,オフ期間の間、インバータ素子のオフ状態を維持する過電流保護回路を設けたため、入力交流電圧波形が高いタイミングでのインバータ素子のオンにより多大な電流が流れた場合、複数サイクルに亘ってインバータ素子のオン,オフ制御を禁止してオフ状態に固定することで、インバータ素子をオフするまでの遅れ時間によって過大なチョーク電流が流れて過電流保護動作ができなくなってしまうことを確実に防止し、昇圧チョークコイルに多大な電流が流れることによって周辺の半導体素子に故障を起こすことを確実に防止し、信頼性の高いアクティブ型力率改善回路を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明によるアクティブ型力率改善回路の実施形態を示した回路図
【図2】図1の過電流保護動作を示したタイミングチャート
【図3】従来のアクティブ型力率改善回路を示した回路図
【図4】図3における力率改善のための電圧及び電流波形のタイミングチャート
【図5】図3の通常時のPWM制御のタイミングチャート
【図6】図3の交流電圧波形が低い段階での過電流保護動作のタイミングチャート
【図7】図3の交流電圧波形が高くなったい段階での過電流保護動作のタイミングチャート
【符号の説明】
1a,1b:入力端子
2a,2b:出力端子
3:インバータ素子
4:PWMコンパレータ
5:三角波発生回路
6:出力電圧制御回路
7:アンドゲート
8:電流検出コイル
9:チューク電流検出回路
10:過電流保護用コンパレータ
11:RS−FF(セット・リセット・フリップフロップ)
12:過電圧保護用コンパレータ
13,14:基準電圧源
15:過電流保護制御回路
16:充放電回路
L1:昇圧チョークコイル
D1:整流タイオード
C1:平滑コンデンサ
ZD1:ツェナーダイオード
Tr1:トランジスタ
Claims (2)
- 入力交流電圧の正弦波形に比例してピーク値が変化するスイッチング電流を昇圧チョークコイルに流すように制御回路によりインバータ素子をオン、オフ制御し、前記チョークコイルに流れた電流を整流素子で整流した後にコンデンサで平滑して直流電圧を出力する昇圧チョッパ回路を備えたアクティブ型力率改善回路に於いて、
前記インバータ素子のオン期間に流れる前記昇圧チョークコイルの検出電流が所定値を越えた場合に動作し、前記インバータ素子の複数回のオン・オフ期間の間、前記インバータ素子のオフ状態を維持する過電流保護回路を設け、
該過電流保護回路は、前記昇圧チョークコイルの検出電流が所定値を越えた場合にオンするスイッチ素子と、
前記スイッチ素子のオンによりコンデンサを規定電圧に急速充電し、充電後に前記コンデンサを緩速放電させる充放電回路と、
前記充放電回路のコンザンサ電圧を入力して所定の基準電圧と比較し、コンデンサ電圧が基準電圧を上回っている間、Hレベル信号を出力するコンパレータと、
前記コンパレータのHレベル信号によりセットされると共に前記インバータ素子のオフ制御に同期してリセットされ、その反転出力によりセット状態のあいだ前記インバータ素子に対する前記制御回路の出力を禁止してオフ状態を維持させるセット・リセット・フリップフロップと、
を備えたことを特徴とするアクティブ型力率改善回路。 - 請求項1記載のアクティブ型力率改善回路に於いて、前記コンパレータは、前記インバータ素子のオン期間における出力電圧の過電圧を検出して前記インバータ素子を強制的にオフする過電圧保護用のコンパレータを兼用したことを特徴とするアクティブ型力率改善回路。
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