JP4029072B2 - 力率補正回路を備えたスイッチング電源、及びこのための補正回路のためのコイル - Google Patents

Description

本発明は、スイッチング電源から線路網への高調波負荷を低減する目的で使用されるいわゆる力率補正回路を備えたスイッチング電源に基づく。本発明は特にインダクタンスを備えた電流ポンプを有する力率補正回路に関する。

スイッチング電源は線路網に高度にパルス化された負荷を生じさせ、これが線路網に高調波負荷を生じさせる。この負荷は特に、エネルギー貯蔵キャパシタが再充電される領域である線路網正弦波電圧の最大電圧の領域で生じる。線路網上の高調波負荷はいわゆる力率値によって示すことができる。力率値は１に等しいか又は１より低く、例えば、適切な測定信号によって決定される。力率の下限の規制はすでに様々な国において導入されている。

線路網に生じる高調波負荷を低減するスイッチング電源は、例えば、ＥＰ−Ａ−０ ７００ １４５から公知である。このスイッチング電源は、スイッチング電源のエネルギー貯蔵キャパシタが充電される際に経由される第１の電流路の他に、第２の電流路を有しており、この第２の電流路はインダクタンスを有し、線路網−？？整流器に後置接続されたフィルタキャパシタとトランスの一次巻線のタップとの間を接続している。このケースでは、インダクタンスはエネルギー貯蔵部として機能し、スイッチングトランジスタがオンである期間には充電され、スイッチングトランジスタがオフである期間にはこのエネルギーをエネルギー貯蔵キャパシタへ放出する。

このスイッチング電源の別の発展形態は力率補正回路ＵＳ ５，９８６，８９８により開示されている。これは第２の電流路にキャパシタを有しており、このキャパシタは電流を制限し、このようにして確実に電流路のインダクタンスのコアと一次巻線又はトランスのコアが飽和しないようにする。フェライトコアを備えた力率インダクタンスに加えて、この力率補正回路は、力率インダクタンス内に線路網接続の方向で生じる電流パルスを抑制する目的で、特に、減衰素子として機能する鉄心を備えた直列インダクタンスを有している。

ＥＰ−Ａ−０ １７１ ６９０には、複数のコイル装置が使用されるテレビ受像機用の水平偏向回路が開示されている。このケースでは、いわゆるブリッジコイルと偏向回路用の水平駆動コイルとが組み合わされて１つのコイル集成装置にまとめられており、複数の巻線が磁気ピンのコアに順次横並びに対称的に配置されている。これらのコイルの一方であるブリッジコイルは、このケースでは、２つの外側巻線にさらに分割されており、中央の巻線が水平駆動コイルに相当する。ブリッジコイルの２つの巻線は、このケースでは、磁気的に逆の極性で配置されており、中央の巻線は異なる周波数帯域で動作する。偏向回路内の２つのコイルは並列接続されており、２つの異なる電気的機能のために使用される。

本発明の課題は、信頼性が高いと同時にコストの低い冒頭に述べたタイプのスイッチング電源を提示することである。

この課題は請求項１に記載の特徴により達成される。本発明の有利な発展形態は従属請求項に明記されている。さらに、相応するスイッチング電源のための力率補正回路及びコイル、ならびにこれらに関する従属請求項も明記されている。

本発明によるスイッチング電源は力率補正回路を有しており、この力率補正回路は電流ポンプの原理に従って動作し、電圧スパイクを減衰するための第１のコイルと力率補正のための第２のコイルを有している。これら２つのコイルは、このケースでは、直列接続され、共通のコアに配置されており、これらのコイルの巻線は共通の巻型に配置されている。

１つのコイルに２つのインダクタンスを配置することにより、第１のコイルのインダクタンスの減衰効果は鉄心を備えた別個のコイルのインダクタンスの減衰効果よりも弱くなるが、２つのインダクタンスの間には共通のコアを介して相互作用があるので、合成インダクタンスを有するコイルはスイッチング電源に対して完全に十分な減衰作用を有することが分かっている。

１つの有利な実施形態では、コアとしてＥ／Ｅフェライトコアが使用され、巻型として複数の部屋を有する巻型が使用されている。２つのインダクタンスの巻線はそれぞれ異なる部屋に配置されている。有利には、空の部屋が巻型内の２つのインダクタンスの間、それもコアの中の空隙の領域に配置されている。したがって、一方のインダクタンスは内側コア脚部の一方の半分の上方に位置し、他方のインダクタンスはコアの内側コア脚部の他方の半分の上方に位置する。したがって、コアの中の空隙は内側コア脚部に対して、特に、２つのコアインダクタンスが少なくとも部分的に空隙によって切り離されるように配置されており、これにより第１のコイルの減衰応答が改善される。

巻型に配置された２つのインダクタンスは有利には巻方向が逆であり、そのため２つのインダクタンスの磁化はコアの中で部分的に互いに打ち消し合う。これらのインダクタンスは直列接続されており、したがって同じ周波数で部分的に同じ電流が負荷されるので、コアへの負荷は比較的小さく、電流が比較的大きいときでもコアは飽和しない。したがって、上で個別の力率補正コイルに対して使用されたのと同じフェライトコアを使用することが可能であり、そのため２つのコイルの組合せは単一のコイルと同じスペースしか占有しない。このことは基板上により多くのスペースをもたらすだけでなく、比較的重い１つの鉄コイルを完全に省くことができる。

以下では、例として、図面に概略的に示されている実施例を用いて本発明をより詳細に説明する。

図１は、力率補正回路を備えたスイッチング電源の簡略化した回路図を示しており、
図２は、電圧スパイクを減衰するための第１のインダクタンスと力率補正のための第２のインダクタンスを備えたコイルを示している。

図１は、簡略化した形で、スイッチング電源を示している。スイッチング電源はトランスＴＲとスイッチングトランジスタＴ６０を有している。トランスＴＲは一次巻線Ｗ１と２次巻線Ｗ２，Ｗ３及びＷ４を有しており、スイッチングトランジスタは一次巻線Ｗ１と直列接続されている。スイッチングトランジスタＴ６０のベースは周知の仕方でドライバ回路（図示せず）によりドライブされるので、動作中、二次側にある巻線Ｗ３及びＷ４と一次側にあって特に駆動回路への給電に使用される二次巻線Ｗ２へ一次巻線からエネルギーが送られる。さらに、いわゆるスナバ回路網ＳＮが周知の仕方で一次巻線Ｗ１に対して並列に配置されている。このようなスイッチング電源は、例えばテレビ受像機において使用され、この出力領域に対しては、一般にフライバックコンバータの形態をとる。

線路網の１つの接続部ＵＮに対して、スイッチング電源は入力側に整流器ＢＲを、この実施例では４つのダイオードを有するブリッジ整流器を有しており、整流器の出力側では、フィルタキャパシタＣ１０がアースに接続されている。このキャパシタＣ１０の容量は小さく、干渉周波数のフィルタリングに使用されるので、スイッチング電源の通常動作の間、このキャパシタＣ１０に１００Ｈｚ信号が生成される。なお、この信号は実質的に干渉がなく、整流素子ＢＲにより生成される。

キャパシタＣ１０は抵抗Ｒ１０に接続されており、抵抗Ｒ１０には第１の電流路Ｉ１が結合されており、この電流路Ｉ１を通してエネルギー貯蔵キャパシタＣ２０はダイオードＤ１６を介して充電される。このキャパシタは、一次巻線Ｗ１とスイッチングトランジスタＴ６０とから形成された直列回路と並列接続されており、一次巻線Ｗ１に電圧を供給する。ダイオードＤ１６は、特に、スイッチング電源を始動させるためキャパシタＣ２０に適切な電圧を供給するのに必要とされる。

さらに、抵抗Ｒ１０は第２の電流路Ｉ２と結合されている。電流路Ｉ２は、出力側が一次巻線Ｗ１のタップＡに接続されており、電流ポンプの原理に従って、スイッチング電源に力率補正を提供する。この実施例でのタップＡは、巻きの３分の１が一次巻線Ｗ１の接続部１とタップＡとの間に位置し、巻きの３分の２がタップＡと一次巻線Ｗ１の接続部２との間に位置するように、一次巻線Ｗ１を２つの部分に分割する。しかし、この巻き比は他のスイッチング電源の要求に合わせて異なる構成としてもよい。例えば、タップＡに対して接続部２が存在している必要がないということも可能である。

詳細には、この実施例における電流路Ｉ２は、３ｍＨのインダクタンスを有する第１のコイルＬ１５と、１ｍＨのインダクタンスを有する第２のコイルＬ１９を有している。第１のコイルＬ１５は電圧スパイクの減衰のために使用され、第２のコイルＬ１９は、キャパシタＣ１９を介してタップＡに、そしてダイオードＤ１６を介してエネルギー貯蔵キャパシタＣ２０に接続されている。したがって、コイルＬ１９はスイッチングトランジスタに接続されているため、電流はスイッチングトランジスタがオンとなるたびにコイルＬ１９を介して引き出される。このケースでは、回路は、通常動作の間、エネルギー貯蔵キャパシタＣ２０が電流ポンプにより事実上ダイオードＤ１６を介してではなく、一次巻線Ｗ１とダイオードＤ１８とを介してのみ充電されるように、設計されている。したがって、動作中、フィルタキャパシタＣ１０における１００Ｈｚの周波数は実質的に不変である。というのも、第２の電流路Ｉ２と充電ポンプが共同してフィルタキャパシタＣ１０から定電流を引き出すからである。

キャパシタＣ１９に、コイルＬ１９の極性の反転を防ぐことのできるダイオードを付加してもよいし、又はキャパシタＣ１９をこのダイオードで置き換えてもよい。この場合、キャパシタＣ１９は、過度に大きな電流がトランスＴＲのコア又は力率補正回路内のインダクタンスＬ１５，Ｌ１９のうちの一方を飽和させるのを防ぐという電流制限の目的で使用されている。

キャパシタＣ１８を介してエネルギー貯蔵キャパシタＣ２０に接続されたタップＢは、２つのコイルＬ１５とＬ１９の間に配置されている。それは、キャパシタＣ２０が高いＤＣ電圧成分を有し、コイルＬ１５とキャパシタＣ１８がコイル１９にとってＬＣ素子のように作用するからである。スイッチングトランジスタＴ６０のスイッチング周波数に相応するコイルＬ１９の電流パルスはこのようにして減衰され、したがって線路網への高調波負荷が低減される。さらに、容量Ｃ１１，Ｃ１２は整流素子ＢＲのダイオードとも並列接続されており、これらのダイオードのスイッチングスパイクを減衰するために使用される。容量Ｃ１５も同様にダイオードＤ１６と並列接続されており、容量Ｃ１７はダイオードＤ１８と並列接続されている。

２つのコイルＬ１５とＬ１９は共通のコアを有しており、図２に示されているように単一の巻型ＳＫに配置されている。この実施例では、コアＣＲは、２つの同じコア半分を有するＥ／Ｅコアであり、内側コア脚部の上方に巻型ＳＫが配置されている。巻型ＳＫは円筒形であり、部屋Ｋ１〜Ｋ４を有している。これらの部屋の中には、コイルの巻線が配置されている。

この実施例では、コイルＬ１５の巻線Ｗ１６は一番上の部屋Ｋ１に配置されており、コイルＬ１９の巻線Ｗ１９は下の部屋Ｋ３及びＫ４に配置されている。その結果、巻線Ｗ１５は内側コア脚部の上半分の上方に位置し、巻線Ｗ１９は内側コア脚部の下半分の上方に位置する。これらは空部屋Ｋ２によって互いに物理的に分離されている。コアＣＲは内側コア脚部の２つの半コア脚部の間に空隙ＡＧを有しており、空部屋Ｋ２は特にこの空隙の領域に位置している。したがって、コイルＬＰの損失は低減し、少なくとも部分的には２つのコイルが磁気的に切り離される。

さらに、２つのコイルＬ１５とＬ１９の巻線は逆の巻方向を有しているため、それらの磁化はコアの中で部分的に打ち消し合う。というのも、２つのコイルは直列接続されているため、同じ周波数で動作するからである。したがって、コアＣＲには、コアＣＲのサイズを保ったまま比較的大きな電流を負荷することができ、その結果、第１に、コイルＳＰに対して、上で個別のコイルＬ１９に対して要求されたのと同じタイプのコアを使用することが可能となる。さらに、巻方向が逆であるために、内側コア脚部の上下半分の間の空隙のサイズを小さくすることができるので、漂遊磁界とコイルＳＰの損失の両方が分離構成に較べて少ない。さらに、コイルＳＰは４つの接続部ＡＳを有しており、これらの接続部ＡＳによって、適切なプリント回路基板に取り付けられる。ただし、プリント回路基板は図示されていない。

力率補正回路の減衰応答は２つのコイルを結合することによって確かに幾らか悪くなるが、これによりスイッチング電源のコストを著しく下げることが可能となり、さらには、よりコンパクトな構成にすることも可能となる。しかしながら、力率に対する要求が著しく侵害されることはなく、したがって、スイッチング電源ためのさらなる減衰手段は必要ない。

力率補正回路を備えたスイッチング電源の簡略化した回路図を示す。

電圧スパイクを減衰するための第１のインダクタンスと力率補正のための第２のインダクタンスを備えたコイルを示す。

Claims (7)

1. 整流素子（ＢＲ）、前置接続されたエネルギー貯蔵キャパシタ（Ｃ２０）、トランス（ＴＲ）及び力率補正回路（Ｌ１５，Ｌ１９，Ｃ１９）を有するスイッチング電源であって、前記トランス（ＴＲ）の一次巻線（Ｗ１）は前記エネルギー貯蔵キャパシタ（Ｃ２０）と結合しており、またスイッチングトランジスタ（Ｔ６０）と直列接続されており、前記力率補正回路（Ｌ１５，Ｌ１９，Ｃ１９）は、前記整流素子（ＢＲ）と前記一次巻線（Ｗ１）の１つの接続部（Ａ）の間に電流路（１２）を形成しており、電圧スパイクを減衰するための第１のコイル（Ｌ１５）と、力率補正のための第２のコイル（Ｌ１９）とを有している形式のスイッチング電源において、
   前記２つのコイル（Ｌ１５，Ｌ１９）は共通のコア（ＣＲ）を有しており、前記２つのコイルの巻線（Ｗ１５，Ｗ１９）は共通の巻型（ＳＫ）に配置されており、
   前記巻型（ＳＫ）は複数の部屋（Ｋ１−Ｋ４）を有しており、前記２つのコイル（Ｌ１５，Ｌ１９）の巻線（Ｗ１５，Ｗ１９）はそれぞれ異なる部屋に配置されており、
   前記巻線（Ｗ１５，Ｗ１９）は巻方向が逆であり、したがって前記巻線（Ｗ１５，Ｗ１９）の磁化は前記コア（ＣＲ）の中で部分的に互いに打ち消し合い、
   空の部屋（Ｋ２）が前記２つの巻線（Ｗ１５，Ｗ１９）の間に設けられている、ことを特徴とするスイッチング電源。
2. 前記コア（ＣＲ）はＥ／Ｅフェライトコアであり、前記巻型（ＳＰ）は内側コア脚部の上方に配置されている、請求項１項記載のスイッチング電源。
3. 前記内側コア脚部Ｅ／Ｅフェライトコア（ＣＲ）は空隙を有しており、前記空部屋（Ｋ２）は該空隙の領域に設けられている、請求項２記載のスイッチング電源。
4. 前記２つのコイル（Ｌ１５，Ｌ１９）は直列接続されており、タップ（Ｂ）を有しており、該タップ（Ｂ）は前記２つのコイル（Ｌ１５，Ｌ１９）の間に設けられており、キャパシタ（Ｃ１８）を介して前記エネルギー貯蔵キャパシタ（Ｃ２０）に接続されている、請求項１から３のいずれか１項記載のスイッチング電源。
5. 力率補正回路を有するスイッチング電源のためのコイルにおいて、
   前記コイル（ＳＰ）は巻型（ＳＫ）を有しており、該巻型（ＳＫ）には、電圧スパイクを減衰するための第１のコイル（Ｌ１５）の巻線（Ｗ１５）が巻かれており、さらに前記巻型（ＳＫ）には、力率補正のための第２のコイル（Ｌ１９）の巻線（Ｗ１９）が巻かれており、該巻線（Ｗ１９）は前記第１の巻線（Ｗ１５）と直列接続されており、
   前記２つのコイル（Ｌ１５，Ｌ１９）は共通のコア（ＣＲ）を有しており、前記２つのコイル（Ｌ１５，Ｌ１９）はそれぞれ異なる部屋の中に配置されており、
   空の部屋（Ｋ２）が前記２つの巻線（Ｗ１５，Ｗ１９）の間に設けられている、ことを特徴とする力率補正回路を有するスイッチング電源のためのコイル。
6. 前記コイル（ＳＰ）はＥ／Ｅフェライトコアを有しており、該Ｅ／Ｅフェライトコアの内側コア脚部の上方には巻型（ＳＫ）が配置されており、前記２つのコイル（Ｌ１５，Ｌ１９）はそれぞれ物理的に隔てられて前記内側コア脚部の各半分に巻き付けられている、請求項５記載のコイル。
7. 前記２つのコイル（Ｌ１５，Ｌ１９）の巻線（Ｗ１５，Ｗ１９）はそれぞれ逆の巻方向を有している、請求項５又は６記載のスイッチング電源。

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