JP4285002B2 - メインズシステムへの高調波負荷を減少させた電源 - Google Patents

Description

本発明は請求項１の額表部の２つのスイッチモード電源をもつ電源に関する。

娯楽用電子装置のために、２つのスイッチモード電源を使用して広い範囲の回路素子に電源を供給することが知られている。ここで、スイッチモード電源は並列に接続され、必要な数の供給電圧を供給し、及び／又は選択された動作モードの関数として特定の回路グループのスイッチオフを可能とする。例えばインターネットモジュール又はディジタルデコーダを有するテレビセットの場合、この回路ユニットのために別のスイッチモード電源を使用することは価値があり、この別のスイッチモード電源はこのユニットにより必要によりスイッチをオン又はオフされる。

スイッチモード電源はライン網に高度にパルス化された負荷を与え、ライン網に高調波電流を導く。この負荷は正弦波メインズ電圧の最大電圧の領域で起こり、この領域でスイッチモード電源のエネルギー蓄積キャパシタが再充電される。比較的大型のテレビセットのような比較的消費電力の大きな装置は、従って、高調波電流に関する特別の規則を満足しなければならない。この場合、装置からライン網への高調波負荷はいわゆる力率（パワーファクタ）により特定される。

活性のパワーファクタの修正のためにプリコンバータを使用してライン網の高調波負荷を減らすことが知られている。このプリコンバータはスイッチモード電源の上流に接続され、電流がスイッチにより循環的に印加されるコイルを有する。この結果ライン網から擬似連続電流が流れる。

さらに、例えばDE-A-196 10 762，EP-A-0 700 145及びUS5,986,898からいわゆる電流ジャンプによりパワーファクタ修正をするスイッチモード電源が知られている。これらは、１次側に第１電流パスを有し、これを介してスイッチモード電源のエネルギー蓄積キャパシタがダイオードとスイッチモード電源のメインズ整流器を介して充電され、そして、メインズ整流器とトランスの１次巻線の間にもうけられるインダクタンスをもつ第２電流パスを有する。エネルギー蓄積キャパシタはこの場合主に第２電流パスを介して充電される。従って第２電流パスのインダクタンスは電流ポンプのように動作し、スイッチングトランジスタにより制御されて、連続電流又は少なくとも幅広の電流をライン網からとり出して、パワーファクタを改善する。従ってこれらの装置は活性のパワーファクタ修正をもつスイッチモード電源である。なぜならこれらのスイッチモード電源の場合、少なくとも幅広の電流がスイッチモード電源から改善されたパワーファクタでコイルとトランジスタ、この場合スイッチモード電源のスイッチングトランジスタを介して生成される。

活性パワーファクタ修正をもつ更なるスイッチモード電源がEP-A-0 588 168，EP-A-0 588 172及びEP-A-0 588 173から知られている。これも２つの電流パスを有し、第１電流パスはブリッジ整流器をダイオードを介して直接トランスの１次巻線に接続する。従って１次巻線は整流されたメインズ電圧で直接動作する。エネルギー蓄積キャパシタは第２電流パスにもうけられ、第１スイッチングトランジスタの関数として第２スイッチングトランジスタを介して放電して、スイッチモード電源からの出力電圧のリップルを改善する。

さらに、スイッチモード電源の入力、特にエネルギー蓄積キャパシタの上流にもうけられるコイルによりパワーファクタの改善が可能であることが知られている。このコイルはメインズ周波数コイル、５０Ｈｚコイル又はパワーファクタコイルとして知られている。他のコイルとの混同を避けるために、本明細書ではパワーファクタコイルの用語を使用する。

しかし、十分に良好なパワーファクタ修正を達成するためには、このパワーファクタコイルは比較的大きなインダクタンスを必要とする。更なる欠点は、メインズスイッチが動作して装置のスイッチをオフにすると、パワーファクタコイルの電流が突然中断することにある。しかし、パワーファクタコイルに蓄積されたエネルギーは消費されなければならない。開いたメインズスイッチは回路で最大のインピーダンスを示すので、非常に高い電圧がメインズスイッチの接点の間に発生し、アークが発生する。スイッチの構成に依存して、スイッチが開く速度は比較的遅いので、メインズの半サイクルの終了までアークが生成される。この場合、接点の間に高圧は発生しない、しかし、両方の場合メインズスイッチは急速に劣化し、最悪の場合スイッチは電位ファイアソースとなるのでスイッチは安全性に危険をしめす。

装置が２つのスイッチモード電源を有するが、ただひとつのメインズケーブルが２つのスイッチモード電源をライン網に接続するときは、装置はパワーファクタ修正の規則に適合しなければならないユニットとみなされる。

本発明の目的は、出来るだけ経済的で高い信頼度をもつ、上述の電源の改良を提供することにある。

本発明の目的は、請求項１の特徴により達成される。本発明の好ましい発展は従属請求項により特定される。

本発明による電源は第１スイッチモード電源とこれと並列に接続される第２スイッチモード電源を有し、各々自身のパワーファクタ修正を有する。第１スイッチモード電源は活性パワーファクタ修正回路を有し、第２スイッチモード電源はパワーファクタ修正のために第２スイッチモード電源への電源の中にパワーファクタコイルを有する。この場合活性パワーファクタ修正はパルス電流を平坦にし、パワーファクタコイルはパルス電流の位相をシフトする。２つのスイッチモード電源は装置のメインズスイッチから下流に並列にもうけられる。

この結果次の驚くべき長所を有する電源が得られる。メインズスイッチに過度に負荷する問題はもはや存在しない。その理由は、パワーファクタコイルに蓄積されたエネルギーはメインズスイッチがオフになると第１スイッチモード電源のエネルギー蓄積キャパシタを介して消費されるからである。２つのスイッチモード電源は並列に接続されるので、スイッチオフのときメインズスイッチはパワーファクタコイルにより負荷されない。従ってパワーファクタコイルを使いながら装置は高い信頼性を有する。

さらに、パワーファクタ修正のための２つの異なる原理により２つの電流の建設的加算が得られる。電流ポンプによる活性パワーファクタ修正はパルス電流を平坦にする、つまり、電流の流れる角度がメインズ電圧の最大電圧の前及び後の両方で広くなる。しかし、第２スイッチモード電源のパルス電流はパワーファクタコイルにより遅れ位相で位相がシフトして、メインズ電圧の最大電圧の主に後で電流角を広くする。並列に接続された２つのスイッチモード電源の２つの電流は加算されるので、この加算により電源のパワーファクタが更に改善される。パワーファクタコイルのインダクタンスは第２スイッチモード電源のパワーのために実際に必要な値より２つのファクタにより小さく選択される。

従って、２つの異なるパワーファクタ修正回路の組合せは２つのスイッチモード電源による電源をふくむ装置に対する最良の構成であり、第２スイッチモード電源に対する複雑さはわずかである。本発明は特にディジタル回路をもつテレビセット、及び比較的高い消費電力の娯楽電子装置に適用される。

図１はスイッチモード電源Ｉを簡単に示し、メインズ整流器ＢＲ１、エネルギー蓄積キャパシタＣ２０、スイッチングトランジスタＴ１、及び１次巻線Ｗ１と２次巻線Ｗ２−Ｗ４を具備するトランスを有する。メインズ整流器ＢＲ１は入力接続ＢＰ２を有し、これを介して整流器は対応する装置のメインズスイッチ（図示なし）とライン網に接続され、メインズ電圧の整流に使用される。メインズ整流器ＢＲ１からの出力は２つの電流パスＩ１とＩ２を介してトランスＴｒ１に接続される。前記出力は第１電流パスＩ１を介して１次巻線Ｗ１の接続１とエネルギー蓄積キャパシタＣ２０に接続され、第２電流パスＩ２を介して１次巻線Ｗ１のタップＡに接続される。電流パスＩ１はダイオードＤ１６を有し、第２電流パスＩ２とエネルギー蓄積キャパシタＣ２０との結合を遮断する。

電流パスＩ２は活性パワーファクタ修正のためのコイルＬ１９と、電流パスＩ２の電流制限のためのキャパシタＣ１９とを有する。キャパシタＣ１９の代わりに電流パスＩ２にダイオードを使用することもできる。タップＡは巻線１の接続１又は２と一致してもよい。メインズ整流器ＢＲ１の下流に接続される抵抗Ｒ１０は電流制限を提供し、この場合電流パスＩ１とＩ２の両方に対してである。

トランスＴＲ１は、従来と同様に、スイッチモード電源の１次側と２次側の間のメインズの絶縁を提供する。１次巻線と直列のスイッチングトランジスタＴ１はスイッチング信号ＤＳ１を有するドライバステージ（図示なし）により駆動され、周知のように、パワーを２次側にもうけられる２次巻線Ｗ３とＷ４に伝達する。この場合、スイッチモード電源は、娯楽電子装置のスイッチモード電源でしばしば用いられる、フライバックコンバータの原理で動作する。

この場合、スイッチモード電源は次のように動作する。装置のスイッチがオンになると、エネルギー蓄積キャパシタＣ２０は抵抗Ｒ１０と電流パスＩ１を介して充電される。小さな抵抗値例えば２．７オームの抵抗Ｒ１０は電流を制限する。エネルギー蓄積キャパシタＣ２０はスイッチモード電源のスタートフェーズのために充電されなければならない。通常動作の間、スイッチングトランジスタＴ１は電流を電流パスＩ２を介してとり出し、エネルギー蓄積キャパシタＣ２０はダイオードＤ１８と１次巻線Ｗ１を介して再充電される。

理想的には、コイルＬ１９のインダクタンスはライン網から連続電流を流し、パワーファクタの対応する改良に導く。コイルＬ１９の上流に接続されるコイルＬ１５はスイッチモード電源の高周波スイッチングパルスがブリッジ整流器ＢＲ１を介してパワー網に伝播することを防止する。小さな容量のキャパシタＣ１０，Ｃ１１，Ｃ１２がメインズ電圧のフィルタつまり抑圧のために使用される。

スイッチモード電源は出力電圧を安定化させるための制御器を有し、例えばドライバ信号ＤＳ１のパルス幅変調を負荷の関数として制御のために使用する。電流Ｉ２はスイッチングトランジスタにより制御されるので、エネルギー蓄積キャパシタＣ２０はスイッチモード電源の負荷の関数として再充電される。このスイッチモード電源と特に活性パワーファクタ修正に関する詳細は例えばUS5,986,898に記述され、ここでは更には説明しない。

図２は第２のスイッチモード電源IIを示し、受動的なパワーファクタ修正のためのパワーファクタコイルＮＳを有する。パワーファクタコイルＮＳはこの場合パワーモード電源IIのメインズフィルタＮＦとメインズ整流器ＢＲ２の間にもうけられる。エネルギー蓄積キャパシタＣ３０とトランスＴｒ２の１次巻線Ｗ５はブリッジ整流器ＢＲ２の出力に接続される。トランスＴｒ１のように、トランスＴｒ２は２次巻線Ｗ６−Ｗ９を有し、その１次巻線は、ドライバ回路ＤＣで制御されるスイッチングトランジスタＴ２と直列に接続される。

ドライバ回路ＤＣに対する供給電圧ＶＣＣはこの場合１次側にもうけられる巻線Ｗ６を介して提供され、対応する回路に供給するための出力電圧Ｕ１，Ｕ２，Ｕ３は２次側にもうけられる巻線Ｗ７−Ｗ９を介して提供される。ドライバ回路ＤＣはスイッチモード電源の出力電圧Ｕ１−Ｕ３を制御信号ＲＳにより制御する。該信号ＲＳはトランスＴＲ２の１次側又は２次巻線のひとつからとり出される。

スイッチモード電源IIはスイッチモード電源をスタートさせるためのスタート回路ＡＳと、スイッチングトランジスタＴ２がオフになるときのスイッチングスパイクを制動するためのスナブ網ＳＮ２を有する。パワーファクタコイルＮＳはブリッジ整流器ＲＳ２の上流の５０Ｈｚメインズ周波数の電流パスにもうけられ、例えば２０ｍＨのインダクタンスを有し、エネルギー蓄積キャパシタＣ３０に対する充電プロセスがかなりの遅延をもつようにする。パワーファクタコイルＮＳを別にすると、スイッチモード電源IIは従ってパワーファクタ修正のない、従ってただ１つの電流パスを有し、そこからエネルギー蓄積キャパシタに充電する既知のフライバックコンバータと同じである。ここではパワーファクタ修正のための更なる部品は必要なく、特にタップをもつトランスを使用する必要はない。従ってスイッチモード電源はパワーファクタコイルＮＳと共にパワーファクタ修正のないフライバックコンバータに対応する方法で動作する。相違点はエネルギー蓄積キャパシタＣ３０がパワーファクタコイルのインダクタンスにより遅延され幅広となった電流パルスで再充電されることである。

スイッチモード電源IIの入力は第１のスイッチモード電源Ｉの接続ＢＰ２に導く接続ＢＰ１と、メインズスイッチと装置のメインズケーブル（図示なし）を介してライン網に接続される接続ＵＮを有する。従ってスイッチモード電源IIはスイッチモード電源Ｉと並列にメインズ電圧に接続される。この場合スイッチモード電源IIは装置の中の小さなスイッチモード電源であり、装置の動作モードに従って２次側からの制御信号（図示なし）によりスイッチオン及びオフされることができる。

スイッチモード電源ＩとIIの動作中の入力電流を図３に示す。スイッチモード電源Ｉの入力電流は曲線３で示され、スイッチモード電源IIの入力電流は曲線４で示され、装置に印加されるメインズ電圧は曲線１で示される。結果としての電源に対する電流は曲線Ａで示される。曲線３から明らかなとおりスイッチモード電源Ｉは曲線１のメインズ電圧の最大電圧の領域で比較的一定の電流をひきだす。電流はメインズ周波数又はメインズ電圧に関して位相シフトがない。

一方、第２スイッチモード電源IIからの電流値、曲線４はメインズ電圧の最大値の後の時刻に最大となるゆるやかな上昇がある。２つのスイッチモード電源Ｉ，IIの異なる電流特性により、２つの電流の加算は、パワーファクタ修正のためにただひとつの回路原理を使用する電源に比べて、電流を更に幅広にする。スイッチモード電源IIのパワーファクタコイルＮＳは、スイッチモード電源IIがパワーファクタ修正の基準を満足するために必要なインダクタンスより対応して減少したインダクタンスを有する。

これを例で示す。スイッチモード電源IIが１００Ｗのメインズ電力消費をもち、唯一のスイッチモード電源としてメインズシステムに接続されるとき、パワーファクタ修正の基準を満足するためにはパワーファクタコイルは４０ｍＨのインダクタンスを必要とする。しかし、このスイッチモード電源が、同様に１００Ｗのメインズ電力消費を有し電流ポンプによる活性パワーファクタ修正をふくむスイッチモード電源と並列に接続されると、パワーファクタコイルのインダクタンスは電源としての２つのスイッチモード電源に対し、パワーファクタ修正の基準の制限値に適合するために、わずかに２０ｍＨを必要とする。

従って、２つのスイッチモード電源をもつコストに有効な電源が活性パワーファクタ修正特に電流ポンプを使用したひとつのスイッチモード電源と、入力電流の位相をシフトするパワーファクタコイルをもつ第２のスイッチモード電源により提供される。この電源は装置の中でメインズスイッチに過大な負荷をかけず、さらに小さなインダクタンスのパワーファクタコイルを第２スイッチモード電源に使用することができる。この原理は並列接続した３つのスイッチモード電源にも適用することができる。この場合、パワーファクタコイルは第３のスイッチモード電源に対して用いられる。

本発明の更なる強化が当業者に容易である。本発明はフライバックコンバータに限定されず、例えば２又はそれ以上のスイッチングトランジスタを有するスイッチモード電源のような他のスイッチモード電源のコンセプトに対して使用することができる。特に、スイッチモード電源IIはフライバックコンバータに限定されない。パワーファクタ修正のためにパワーファクタコイルを使用するとき、スイッチモード電源の設計に何の変更も必要としない。

活性パワーファクタ修正回路をもつ第１スイッチモード電源の回路図である。 パワーファクタ修正のためのパワーファクタコイルをもつ第２スイッチモード電源の回路図である。 図１と図２の２つのスイッチモード電源の電流と電圧を示す。

符号の説明

Ｉ 第１スイッチモード電源
II 第２スイッチモード電源
ＴＲ１，ＴＲ２ トランス
Ｗ１〜Ｗ９ 巻線
Ａ タップ
Ｔ１，Ｔ２ スイッチングトランジスタ
Ｃ２０，Ｃ３０ エネルギー蓄積キャパシタ
Ｌ１９ コイル
ＮＳ パワーファクタコイル

Claims (4)

1. 第１スイッチモード電源と第２スイッチモード電源を有し、第２スイッチモード電源は第１スイッチモード電源と並列に接続され両者はパルス電流を供給する共通のメインズ電圧接続を有する電源において、
   前記第１スイッチモード電源はダイオードを有する第１電流パスを有し、該第１電流パスは前記第１スイッチモード電源のメインズ整流器の出力に結合する始端とエネルギー蓄積キャパシタとトランスの１次巻線の一方の端子に結合する終端を有し、
   前記第１スイッチモード電源はパワーファクタ修正のためのコイルを有する第２電流パスを有し、該第２電流パスは前記第１スイッチモード電源の前記メインズ整流器の前記出力に結合する始端と前記トランスの前記１次巻線のタップに結合する終端を有し、
   前記トランスの前記１次巻線の他方の端子はスイッチングトランジスタを介して接地され、
   前記第２スイッチモード電源は前記メインズ電圧と前記第２スイッチモード電源のメインズ整流器の入力との間にパワーファクタコイルを有し、前記パルス電流が供給されると、前記第２スイッチモード電源のパワーファクタコイルへの入力電流値がゆるやかに上昇し、前記メインズ電圧が最大値となる時刻の後に前記入力電流値が最大となるよう、前記入力電流の位相が前記メインズ電圧の位相に対してシフトすることを特徴とする電源。
2. 前記第２スイッチモード電源の前記パワーファクタコイルのインダクタンスは１−３０ｍＨの範囲にある請求項１記載の電源。
3. 前記第２スイッチモード電源は、前記第１スイッチモード電源に比べて低い出力パワーを有する、請求項１に記載の電源。
4. ２つのスイッチモード電源はトランスによるメインズ絶縁を有するフライバックコンバータの形態であり、前記第２スイッチモード電源は前記第１スイッチモード電源とは独立にスイッチオン及びオフされることができる、請求項１に記載の電源。

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