JP4470289B2 - スイッチング電源回路 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、力率改善回路を備えたスイッチング電源回路に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
先に本出願人は、一次側に共振形コンバータを備えた電源回路を各種提案している。また、共振形コンバータに対して力率改善を図るための力率改善回路を備えて構成した電源回路も各種提案している。
【0003】
図7は、先に本出願人により出願された発明に基づいて構成されるスイッチング電源回路の一例を示す回路図である。この電源回路は自励式による電圧共振形のスイッチングコンバータに対して力率改善のための力率改善回路が設けられた構成とされている。
【0004】
この図に示す電源回路においては、商用交流電源ACに対してラインフィルタトランスLFTとアクロスコンデンサCLが設けられている。また商用交流電源ACを全波整流するブリッジ整流回路Diが備えられている。
ブリッジ整流回路Diにより整流された整流出力は、力率改善回路20を介して平滑コンデンサCiに充電され、平滑コンデンサCiの両端には整流平滑電圧Eiが得られることになる。
【0005】
力率改善回路20の構成については後述し、先ず電圧共振形コンバータの構成について説明する。
ここでの電圧共振形コンバータは、1石のスイッチング素子Q1 を備えた自励式の構成を採っている。
図示していないが、スイッチング素子Q1 のベースには、起動時のベース電流が整流平滑ラインから得られるようにされており、また、スイッチング素子Q1 のベースと一次側アース間には自励発振駆動用の共振回路(自励発振駆動回路)が接続される。これによりスイッチング素子Q1は、図示しない自励発振駆動回路の共振周波数により決定されるスイッチング周波数fsでスイッチング動作を行うことになる。
また制御回路1は、例えば二次側の直流電圧出力EO1のレベルに応じてそのレベルが可変される直流電流を、図示しない自励発振駆動回路に供給することにより共振周波数を制御し、定電圧制御を行うことになる。
【0006】
また、スイッチング素子Q1 のコレクタと平滑コンデンサCiの負極(1次側アース)間に挿入されるクランプダイオードDD により、スイッチング素子Q1 のオフ時に流れるクランプ電流の経路を形成するようにされている。
【0007】
スイッチング素子Q1 のコレクタ、エミッタ間には、並列共振コンデンサCrが接続されている。この並列共振コンデンサCrは、自身のキャパシタンスと、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1側のリーケージインダクタンスL1とにより電圧共振形コンバータの一次側並列共振回路を形成する。
【0008】
上記絶縁コンバ−タトランスPITの一次巻線N1の一端は、スイッチング素子Q1 のコレクタと接続され、他端側は平滑コンデンサCiの正極(整流平滑電圧Ei)と接続されている。
【0009】
絶縁コンバ−タトランスPITの二次側では、一次巻線N1 により誘起された交番電圧が二次巻線N2に発生する。この場合、二次巻線N2に対しては、二次側並列共振コンデンサC2 が並列に接続されることで、二次巻線N2のリーケージインダクタンスL2と二次側並列共振コンデンサC2のキャパシタンスとによって並列共振回路が形成される。この並列共振回路により、二次巻線N2に励起される交番電圧は共振電圧となる。つまり二次側において電圧共振動作が得られる。
【0010】
即ち、この電源回路では、一次側にはスイッチング動作を電圧共振形とするための並列共振回路が備えられ、二次側にも、電圧共振動作を得るための並列共振回路が備えられる。なお、本明細書では、このように一次側及び二次側に対して共振回路が備えられて動作する構成のスイッチングコンバータについては、「複合共振形スイッチングコンバータ」ともいうことにする。
【0011】
この場合、上記ようにして形成される二次側の並列共振回路に対しては、整流ダイオードDO1及び平滑コンデンサCO1を図のように接続することで、半波整流回路が設けられ、直流出力電圧EO1を生成する。なお、直流出力電圧EO1は制御回路1に対しても分岐して入力される。制御回路1においては、直流出力電圧EO1を検出電圧として利用して、上記のようにスイッチング素子Q1のスイッチングのための共振周波数を制御することで、定電圧制御を行う。
【0012】
力率改善回路20においては、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と平滑コンデンサCiの正極端子間に対して、高速リカバリ型ダイオードD1 −チョークコイルLS が直列接続されて挿入される。
フィルタコンデンサCN は高速リカバリ型ダイオードD1 のアノード側と平滑コンデンサCiの正極端子間に対して挿入されることで、チョークコイルLsと共にノーマルモードのローパスフィルタを形成している。
【0013】
また、力率改善回路20に対しては、高速リカバリ型ダイオードD1 のカソードとチョークコイルLSの接続点に対して、絶縁コンバータトランスPITの三次巻線N3が直列共振コンデンサC3を介して接続されているが、これにより、一次側並列共振回路に得られるスイッチング出力電圧(電圧共振パルス電圧)が帰還されるようにしている。
即ち、絶縁コンバータトランスPITの1次巻線N1を巻き上げた三次巻線N3を形成して、負パルスの電圧共振パルス電圧を発生し、直列共振コンデンサC3を介して磁気結合形の力率改善回路20に電圧帰還する。
【0014】
この方式では三次巻線N3に発生するパルス電圧は、直列共振コンデンサC3とチョークコイルLsの直列共振回路によって電圧共振が生じる。この電圧共振によって交流入力電圧VACが高い時に高速リカバリ型ダイオードD1はスイッチング動作し、高速リカバリ型ダイオードD1がオンの時にコンデンサCNから平滑コンデンサCiへの充電電流が流れ、交流入力電流IACの導通角が拡大して力率改善が図られる。交流入力電圧VACが低い時は電圧V1<V2であり、高速リカバリ型ダイオードD1はオフ状態となって、平滑コンデンサCiへの充電電流は流れない.
【0015】
この回路において、コンデンサCN=1μF、平滑コンデンサCi=1000μF、並列共振コンデンサCr=8200PF、直列共振コンデンサC3=0.33μF(又は0.22μF)、インダクタンスLs=13μHとして力率改善回路20を設計した場合の実験結果を図8、図9に示す。
図8は負荷電力Po=200W〜40W、交流入力電圧VAC=100V、50Hz時の、力率PFと整流平滑電圧Eiの変化特性であり、図9は 交流入力電圧VAC=85V〜260V、負荷電力Po=200W、50Hz時の力率PFと整流平滑電圧Eiの変化特性である。なお、図8、図9では、直列共振コンデンサC3を0.33μFとした場合と0.22μFとした場合についてそれぞれ示している。また、図9には力率改善回路20を設けなかった場合も破線で示している。
また図10(a)〜(h)は50Hz時の各部の動作波形を示し、図11(a)(b)はスイッチング周波数fs=125KHzの場合の動作波形を示している。
【0016】
図8,図9からわかるように、力率PFは、負荷電力Poや交流入力電圧VACの変動に対してほぼ一定となり、直列共振コンデンサC3=0.22μFの場合、C3=0.33μFの場合に比較して、負荷電力Po=200W〜60Wに対し、力率PFは0.02低下する程度である。
さらに、交流入力電圧VACの変動に対しては交流入力電圧VAC=85V〜260Vに対して力率PF=0.72と一定に保持されるため、日本国内の交流入力電圧VAC=100Vと、欧州の交流入力電圧VAC=230Vの高周波歪規制を同時に満足する。
また、直列共振コンデンサC3=0.33μFの場合、平滑電圧Eiの電圧変動△Eiは12.7Vであり、力率改善前より3.4V上昇するのみであるので、平滑コンデンサCiの耐圧上昇は不要である。
【0017】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、以上のような先行技術としての力率改善回路を備えたスイッチング電源回路には次のような問題があった。
【0018】
まず、最大負荷電力の状態において力率改善回路20への電圧帰還量を増加して力率を0.8以上に向上させようとすると、一次側電圧共振コンバータの安定動作条件である零電圧スイッチング動作しない領域が拡大するために、力率を0.8以上に向上させることが不可能であった。
即ち図10の動作波形に示すように、交流入力電圧VACの正負のピーク値近辺では、交流電源ACから高速リカバリ型ダイオードD1とインダクタンスLsを介して平滑コンデンサCiへの過大な充電電流が流れるために、電流ILS、ID1が図8(f)(d)に示すような動作波形となり、直列共振コンデンサC3に流れる電流IC3が交流入力電圧VACのピーク値付近で影響を受けて、零電圧スイッチング動作が制約される。そして力率PF=0.8以上にするために、直列共振コンデンサC3の静電容量を低減して電圧帰還量を増加させると、零電圧スイッチング動作の条件が外れてスイッチング素子Q1が破壊されるおそれがある。従って、力率を0.8以上に向上させることは不可能とされていた。
【0019】
また、力率改善前と、力率を0.8程度に向上させた場合のAC/DC電力変換効率を比較すると、力率改善前より0.9%低下しており、最大負荷電力が200W時では、入力電力が2.2Wも増加することとなってしまう。
【0020】
また直流出力電圧Eiの商用電源周期のリップル電圧は力率改善前と比較してほぼ同等であるため、直流入力電圧平滑用の平滑コンデンサCi、或いは直流出力電圧平滑用の平滑コンデンサC01の静電容量の低下は不可能であり、小型化ができない。
また、力率改善回路20の高速リカバリ型ダイオードD1は、交流入力電圧VACのピーク値近辺の期間には大電流が流れるため発熱する。このため電流容量が大きい高速リカバリ型ダイオードを選定しなければならず、高価となる。
【0021】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明は上記課題を考慮してスイッチング電源回路として次のように構成する。
即ち、商用交流電源をブリッジ整流ダイオードで整流し、上記ブリッジ整流ダイオードのカソード電極側から高速リカバリ型ダイオードを介して正極側が接続される平滑コンデンサにより、直流入力電圧を出力する整流平滑手段と、疎結合とされる所要の結合係数が得られるようにギャップが形成され、一次側出力を二次側に伝送するために設けられる絶縁コンバータトランスと、上記直流入力電圧をスイッチング素子により断続して上記絶縁コンバータトランスの一次巻線に出力するようにされたスイッチング手段と、少なくとも、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と一次側並列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて、上記スイッチング手段の動作を電圧共振形とする一次側共振回路と、上記整流平滑手段が整流された整流出力によって充電されるように接続されるとともに、上記一次側共振回路で得られるスイッチング出力電圧が、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線を巻き上げて形成された三次巻線と直列共振コンデンサを介して帰還され、この帰還されたスイッチング出力電圧に基づいて整流電流を断続することにより力率を改善する力率改善手段と、上記絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と、二次側共振コンデンサのキャパシタンスとによって二次側において形成される二次側共振回路と、上記二次側共振回路を含んで形成され、上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に得られる交番電圧を入力して、整流動作を行って二次側直流出力電圧を生成するように構成された直流出力電圧生成手段と、上記二次側直流出力電圧のレベルに応じて、二次側直流出力電圧に対する定電圧制御を行うように構成された定電圧制御手段と、を備えてスイッチング電源回路を構成する。
【0022】
さらに、上記力率改善手段は、上記高速リカバリ型ダイオードと並列に、高速リカバリ型ダイオードとインダクタンスの直列回路を備え、上記直列共振コンデンサは、上記三次巻線と、上記直列回路における高速リカバリ型ダイオードとインダクタンスの接続点との間に配されるとともに、上記ブリッジ整流ダイオードのカソード電極側から上記高速リカバリ型ダイオードを介しての電流経路に加えて、上記直列回路における高速リカバリ型ダイオードにより、上記ブリッジ整流ダイオードのカソード電極側から平滑整流平滑手段の正極端子の間に、もう1つの電流経路が形成されるようにする。
【0023】
上記構成によれば、複合共振形コンバータといわれる電源回路に備えられる力率改善回路に対しては、一次側共振回路に得られるスイッチング出力電圧が三次巻線及び直列共振コンデンサを介して帰還されることになる。
そして力率改善動作のためのスイッチングを行う一方の高速リカバリ型ダイオードとは並列の電流経路として、ブリッジ整流ダイオードのカソード電極側から他方の高速リカバリ型ダイオードを介して平滑コンデンサの正極側が接続されることにより、交流入力電圧のピーク近辺で、上記一方の高速リカバリ型ダイオードに流れる充電電流が減少される。
【0024】
【発明の実施の形態】
図1は、本発明の実施の形態としてのスイッチング電源回路の構成を示す回路図である。
この図に示す電源回路の一次側には、電圧共振形のスイッチングコンバータ(電圧共振型コンバータ)が設けられる。そして、この電圧共振型コンバータに対して力率改善回路10が備えられるものである。
【0025】
この図に示す電源回路においては、商用交流電源ACに対してラインフィルタトランスLFTとアクロスコンデンサCLが設けられている。また商用交流電源ACを全波整流するブリッジ整流回路Diが備えられている。
ブリッジ整流回路Diにより整流された整流出力は、力率改善回路10を介して平滑コンデンサCiに充電され、平滑コンデンサCiの両端には整流平滑電圧Eiが得られることになる。
【0026】
力率改善回路10の構成については後述し、先ず電圧共振形コンバータの構成について説明する。
ここでの電圧共振形コンバータは、1石のスイッチング素子Q1 を備えた自励式の構成を採っている。この場合、スイッチング素子Q1には、高耐圧のバイポーラトランジスタ(BJT;接合型トランジスタ)が採用されている。
【0027】
スイッチング素子Q1 のベースは、起動抵抗RS 及びベース電流制限抵抗RBを介して平滑コンデンサCi(整流平滑電圧Ei)の正極側に接続されて、起動時のベース電流が整流平滑ラインから得られるようにしている。また、スイッチング素子Q1 のベースと一次側アース間には駆動巻線NB,共振コンデンサCB ,ベース電流制限抵抗RB の直列接続回路よりなる自励発振駆動用の共振回路(自励発振駆動回路)が接続される。
また、スイッチング素子Q1 のベースと平滑コンデンサCiの負極(1次側アース)間に挿入されるクランプダイオードDD により、スイッチング素子Q1 のオフ時に流れるクランプ電流の経路を形成するようにされている。
スイッチング素子Q1 のコレクタは、一次巻線N1−検出巻線NDの直列接続を介して平滑コンデンサCiの正極端子と接続される。エミッタは一次側アースに接地される。
【0028】
また、上記スイッチング素子Q1 のコレクタ・エミッタ間には、並列共振コンデンサCrが接続されている。この並列共振コンデンサCrは、自身のキャパシタンスと、後述する絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1側のリーケージインダクタンスL1とにより電圧共振形コンバータの一次側並列共振回路を形成する。そして、スイッチング素子Q1 のオフ時には、この並列共振回路の作用によって共振コンデンサCrの両端電圧は、実際には正弦波状のパルス波形となって電圧共振形の動作が得られるようになっている。
【0029】
この図に示す直交型制御トランスPRTは、検出巻線ND,駆動巻線NB,及び制御巻線NCが巻装された可飽和リアクトルである。この直交型トランスPRTは、スイッチング素子Q1を駆動すると共に、定電圧制御のために設けられる。
この直交型制御トランスPRTの構造としては、4本の磁脚を有する2つのダブルコの字型コアの互いの磁脚の端部を接合するようにして立体型コアを形成する。そして、この立体型コアの所定の2本の磁脚に対して、同じ巻回方向に検出巻線ND,駆動巻線NBを巻装し、更に制御巻線NCを、上記検出巻線ND,駆動巻線NBに対して直交する方向に巻装して構成される。
【0030】
この場合、直交型制御トランスPRT(周波数可変手段)の検出巻線NDは、後述する、絶縁コンバータトランスPITの一次巻線N1と直列に接続されていることで、スイッチング素子Q1のスイッチング出力は、一次巻線N1を介して検出巻線NDに伝達される。
直交型制御トランスPRTにおいては、検出巻線NDに得られたスイッチング出力がトランス結合を介して駆動巻線NBに励起されることで、駆動巻線NBにはドライブ電圧としての交番電圧が発生する。このドライブ電圧は、自励発振駆動回路を形成する直列共振回路(NB,CB)からベース電流制限抵抗RBを介して、ドライブ電流としてスイッチング素子Q1のベースに出力される。これにより、スイッチング素子Q1は、直列共振回路(NB,CB)の共振周波数により決定されるスイッチング周波数でスイッチング動作を行うことになる。
【0031】
本実施の形態の絶縁コンバータトランスPITは、図2に示すように、例えばフェライト材によるE型コアCR1、CR2を互いの磁脚が対向するように組み合わせたEE型コアが備えられ、このEE型コアの中央磁脚に対して、分割ボビンBを利用して一次巻線N1(及び三次巻線N3)と、二次巻線N2をそれぞれ分割した状態で巻装している。そして、中央磁脚に対しては図のようにギャップGを形成するようにしている。これによって、所要の結合係数による疎結合が得られるようにしている。
ギャップGは、E型コアCR1,CR2の中央磁脚を、2本の外磁脚よりも短く形成することで形成することが出来る。また、結合係数kとしては、例えばk≒0.85という疎結合の状態を得るようにしており、その分、飽和状態が得られにくいようにしている。
【0032】
上記絶縁コンバ−タトランスPITの一次巻線N1の一端は、スイッチング素子Q1 のコレクタと接続され、他端側は検出巻線NDの直列接続を介して平滑コンデンサCiの正極(整流平滑電圧Ei)と接続されている。
また、さらに一次巻線が巻き上げられて形成された三次巻線N3は帰還巻線として機能し、直列共振コンデンサC3を介して、力率改善回路10における高速リカバリ形ダイオードD1のカソードに接続されている。
【0033】
絶縁コンバ−タトランスPITの二次側では、一次巻線N1 により誘起された交番電圧が二次巻線N2に発生する。この場合、二次巻線N2に対しては、二次側並列共振コンデンサC2 が並列に接続されることで、二次巻線N2のリーケージインダクタンスL2と二次側並列共振コンデンサC2のキャパシタンスとによって並列共振回路が形成される。この並列共振回路により、二次巻線N2に励起される交番電圧は共振電圧となる。つまり二次側において電圧共振動作が得られる。
【0034】
即ち、この電源回路では、一次側にはスイッチング動作を電圧共振形とするための並列共振回路が備えられ、二次側にも、電圧共振動作を得るための並列共振回路が備えられる。つまり本明細書でいう、複合共振形スイッチングコンバータとして構成される。
【0035】
この場合、上記のようにして形成される二次側の並列共振回路に対しては、整流ダイオードDO1及び平滑コンデンサCO1を図のように接続することで、半波整流回路が設けられ、直流出力電圧EO1を生成する。
なお、直流出力電圧EO1は制御回路1に対しても分岐して入力される。制御回路1においては、直流出力電圧EO1を検出電圧として利用してスイッチング素子Q1のスイッチングのための共振周波数を制御することで、定電圧制御を行う。つまり制御回路1は、例えば二次側の直流電圧出力EO1のレベルに応じてそのレベルが可変される直流電流を、制御電流としてドライブトランスPRTの制御巻線NC に供給することにより、後述のように定電圧制御を行う。
【0036】
ところで、絶縁コンバータトランスPITにおいては、一次巻線N1 、二次巻線N2 の極性(巻方向)と整流ダイオードDO (DO1)の接続との関係によって、一次巻線N1 のインダクタンスL1と二次巻線N2 のインダクタンスL2 との相互インダクタンスMについて、+Mとなる場合と−Mとなる場合とがある。
例えば、図3(a)に示す接続形態を採る場合に相互インダクタンスは+M(加極性:フォワード方式)となり、図3(b)に示す接続形態を採る場合に相互インダクタンスは−M(減極性:フライバック方式)となる。
これを、図1に示す電源回路の二次側の動作に対応させてみると、例えば二次巻線N2 に得られる交番電圧が正極性のときに整流ダイオードDO1に整流電流が流れる動作は、+Mの動作モード(フォワード方式)とみることができる。
【0037】
制御回路1では、二次側直流出力電圧レベル(EO1)の変化に応じて、制御巻線NCに流す制御電流(直流電流)レベルを可変することで、直交型制御トランスPRTに巻装された駆動巻線NBのインダクタンスLBを可変制御する。これにより、駆動巻線NBのインダクタンスLBを含んで形成されるスイッチング素子Q1のための自励発振駆動回路内の直列共振回路の共振条件が変化する。これは、スイッチング素子Q1のスイッチング周波数を可変する動作となるが、この動作によって二次側直流出力電圧を安定化する作用を有する。
【0038】
そしてこの図に示す回路においては、スイッチング周波数を可変するのにあたり、スイッチング素子Q1がオフとなる期間は一定としたうえで、オンとなる期間を可変制御するようにしている。つまり、この電源回路では、定電圧制御動作として、スイッチング周波数を可変制御するように動作することで、スイッチング出力に対する共振インピーダンス制御を行い、これと同時に、スイッチング周期におけるスイッチング素子の導通角制御(PWM制御)も行っているものと見ることが出来る。そして、この複合的な制御動作を1組の制御回路系によって実現している。
ここで、スイッチング周波数制御としては、例えば軽負荷の傾向になるなどして二次側出力電圧が上昇したときに、スイッチング周波数を高くすることで、二次側出力を抑制するように制御が行われるものとされる。
【0039】
続いて、力率改善回路10の構成について説明する。
この図に示す力率改善回路10においては、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子と平滑コンデンサCiの正極端子間に対して、高速リカバリ型ダイオードD1 −チョークコイルLS が直列接続されて挿入される。
フィルタコンデンサCN は高速リカバリ型ダイオードD1 のアノード側と平滑コンデンサCiの正極端子間に対して挿入されることで、チョークコイルLsと共にノーマルモードのローパスフィルタを形成している。
【0040】
また、力率改善回路10に対しては、高速リカバリ型ダイオードD1 のカソードとチョークコイルLSの接続点に対して、絶縁コンバータトランスPITの三次巻線N3が直列共振コンデンサC3を介して接続されているが、これにより、一次側並列共振回路に得られるスイッチング出力電圧(電圧共振パルス電圧)が帰還されるようにしている。
【0041】
さらにこの場合、力率改善回路10における高速リカバリ型ダイオードD1−チョークコイルLsの直列接続回路に対して並列に、高速リカバリ型ダイオードD21が接続されている。
この高速リカバリ型ダイオードD21により、高速リカバリ型ダイオードD1−チョークコイルLsの直列接続回路に加えて、ブリッジ整流回路Diの正極出力端子から平滑コンデンサCiの正極端子の間に、もう1つの電流経路が形成されることになる。
【0042】
このような力率改善回路10による力率改善動作は、基本的には次のようになる。
この図に示す力率改善回路10の構成では、一次側並列共振回路に得られるスイッチング出力が上記のように帰還されるが、帰還されたスイッチング出力により、整流電流経路にはスイッチング周期の交番電圧が重畳されることになる。このスイッチング周期の交番電圧の重畳分によって、高速リカバリ型ダイオードD1 では整流電流をスイッチング周期で断続する動作が得られることになり、この断続作用により見掛け上のチョークコイルLS のインダクタンスも上昇することになる。これにより、整流出力電圧レベルが平滑コンデンサCiの両端電圧よりも低いとされる期間にも平滑コンデンサCiへの充電電流が流れるようにされる。
この結果、交流入力電流IACの平均的な波形が交流入力電圧の波形に近付くようにされて交流入力電流IACの導通角が拡大される結果、力率改善が図られることになる。
【0043】
特に上述したように絶縁コンバータトランスPITの三次巻線N3が直列共振コンデンサC3を介して高速リカバリ型ダイオードD1のカソードに接続されていることで、一次側並列共振回路に得られるスイッチング出力である電圧共振パルス電圧が、高速リカバリ型ダイオードD1とチョークコイルLSの接続点に帰還される電圧帰還方式としての回路系が形成されているものとなる。
つまり、三次巻線N3の両端の電圧は、例えば60Vp−pの負のパルス電圧であるが、このパルス電圧によって、直列共振コンデンサC3の静電容量とインダクタンスLsによる電流共振による電圧がチョークコイルLsに生じ、平滑コンデンサCiへ電圧帰還されるものとなる。
【0044】
そして、スイッチング素子Q1のオフ期間に生じる電圧共振パルス電圧は、平滑コンデンサCi側が正になるため、交流入力電圧VACが平滑コンデンサCiの電圧Eiより低い時でも、交流入力電圧VACに三次巻線N3のパルス電圧を加えた値が電圧Eiよりも高ければ、交流電源ACからの交流入力電流IACは、ブリッジ整流回路Di→高速リカバリ型ダイオードD1→チョークコイルLSを介して平滑コンデンサCiに充電される。
その結果、図6(b)に示すように、交流入力電流IACの導通角が拡大し、力率PFが向上する。なお、図6(a)〜(f)は、交流入力電圧VAC、交流入力電流IAC、電圧V1、帰還電圧V2、高速リカバリ型ダイオードD21に流れる電流ID21、高速リカバリ型ダイオードD1に流れる電流ID1の各動作波形を示している。
【0045】
三次巻線N3によって放出される励磁エネルギーは、平滑コンデンサCiの充電エネルギーが形を変えたものであるが、これが充電電流(電流ILS)となって平滑コンデンサCiを充電して再び充電エネルギーに戻っている。
また、この電圧帰還方式では、交流入力電圧VACが低い期間では、高速リカバリ型ダイオードD1はオフ状態となり、電流ID1は流れない。
【0046】
また本例では、高速リカバリ型ダイオードD21が配されていることにより、交流入力電圧VACの正負のピーク値近辺では、交流電源ACから高速リカバリ型ダイオードD21を介して平滑コンデンサCiへの充電電流が流れる。これは、交流入力電圧VACの正負のピーク値近辺において高速リカバリ型ダイオードD1とインダクタンスLsに過大な充電電流が流れることを防止するものとなる。
これは、直列共振コンデンサC3に流れる電流IC3が交流入力電圧VACのピーク値付近で影響を受けて零電圧スイッチング動作が制約されることを防止できることを意味する。
そしてこのため、直列共振コンデンサC3の静電容量を低減して電圧帰還量を増加させ、力率を例えば0.8以上に向上させることが可能となる。
【0047】
図4,図5,図6に図1のスイッチング電源回路による実験結果を示す。
実験では、コンデンサCN=1μF、平滑コンデンサCi=1000μF、並列共振コンデンサCr=7500PF、直列共振コンデンサC3=0.22μF、インダクタンスLs=33μH、三次巻線N3=4Tとし、また高速リカバリ型ダイオードD1及びD21は5A/400Vのものを使用した。
なお、上記図7で示した先行技術での図8〜図10の実験結果は、並列共振コンデンサCr=6800PF、直列共振コンデンサC3=0.33μF、インダクタンスLs=13μH、三次巻線N3=3Tとし、また高速リカバリ型ダイオードD1は10A/400Vのものを使用していたことを付記しておく。
【0048】
図4は交流入力電圧VAC=100V、50Hz時における、負荷電力Po=200W〜40Wの変動に対する、力率PFと整流平滑電圧Eiの変化特性である。また図5は 負荷電力Po=200W、50Hz時における、交流入力電圧VAC=85V〜144Vの変動に対する力率PFと整流平滑電圧Eiの変化特性である。
これらの図からわかるように、力率PFは0.9以上にまで向上されること、及び力率PFは負荷電力Poや交流入力電圧VACの変動に対して広範囲に維持できることがわかる。
【0049】
また上述した各波形を示す図6(a)〜(f)は、負荷電力Po=200W、交流入力電圧VAC=100V、力率PF=0.90の時の各部の動作波形であり、図6(e)に高速リカバリ型ダイオードD21に流れる電流ID21を示しているが、電流ID21は、交流入力電圧VACの正負のピーク値近辺の4msecの期間に、平滑コンデンサCiへの12Apの高周波充電電流として流れ、このとき高速リカバリ型ダイオードD1には図6(f)のように、5Apの高周波電流ID1が流れることとなっている。
つまり、ブリッジ整流ダイオードDiのカソード電極側から高速リカバリ型ダイオードD21を介して平滑コンデンサCiの正極側が接続されることにより、交流入力電圧VACのピーク近辺での高速リカバリ型ダイオードD1に流れる充電電流ID1が減少される。
これによって直列共振コンデンサC3に流れる電流IC3が交流入力電圧VACのピーク値付近で影響を受けて零電圧スイッチング動作が制約されることがなくなる。従って並列共振コンデンサCrや直列共振コンデンサC3の静電容量を変えて電圧帰還量を増加させ、力率を向上させることが可能となる。
もちろん、高速リカバリ型ダイオードD1としても大電流による発熱が抑えられ、上記の5A/400Vのように電流容量が小さい高速リカバリ型ダイオードを選定できる。
【0050】
また力率PFの向上によって、交流入力電流IACは力率改善前の25AP-Pから16AP-Pに低減され、ラインフィルタトランスLFTの電力損失の低減と整流平滑電圧Eiの上昇によって、複合共振形コンバータの効率が向上する。これによりAC/DCの電力変換効率が92.0%になり、力率改善前よりも0.5%向上する。
【0051】
また平滑コンデンサCiの両端の整流平滑電圧Eiのリップル電圧は7Vであって、先行技術における14Vの1/2となり、直流出力電圧Eoのリップル電圧も先行技術における100mVから本例の50mVに低減する。このため平滑コンデンサCi、C01の静電容量の低減が可能となり、回路の小型化が可能となる。例えば平滑コンデンサCiを1000μFから680μFに変え、また平滑コンデンサC01を220μFから100μFに変えても、直流出力電圧Eoのリップル電圧は90mVであり、先行技術より低減できる。
【0052】
以上、実施の形態について説明してきたが、本発明はさらに多様な変形例が考えられる。
例えば本出願人は、複合共振形スイッチングコンバータとして、二次側直列共振回路を利用した全波整流回路、2倍電圧整流回路、4倍電圧整流回路などを備えた構成も既に提案しているが、このような構成も本実施の形態の変形例として成立し得る。つまり、本実施の形態としては二次側の共振回路及び整流回路の構成として特に限定されるものではない。
【0053】
また、一次側の電圧共振コンバータとして自励式の例を挙げたが、他励発振形であってもよい。
さらに一次側の電圧共振形コンバータとして、1石のスイッチング素子を備えたいわゆるシングルエンド方式の構成を述べたが、2石のスイッチング素子を交互にスイッチングさせるいわゆるプッシュプル方式にも本発明が適用できるものである。
【0054】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明は、複合共振形コンバータに対して力率改善回路を備えたスイッチング電源回路として、一次側共振回路に得られるスイッチング出力が三次巻線及び直列共振コンデンサを介して帰還される。そして力率改善動作のためのスイッチングを行う一方の高速リカバリ型ダイオードとは並列の電流経路として、ブリッジ整流ダイオードのカソード電極側から他方の高速リカバリ型ダイオードを介して平滑コンデンサの正極側が接続されることにより、交流入力電圧のピーク近辺で、上記一方の高速リカバリ型ダイオードに流れる充電電流が減少される。このため、電圧帰還量を増加して力率を0.90以上に向上させても、一次側電圧共振コンバータの零電圧スイッチング動作領域は確保される。つまり力率の向上が実現できる。
【0055】
またAC/DCの電力変換効率が向上され、入力電力の低減による省エネルギーが図られる。
また整流平滑電圧及び直流出力電圧の商用電源周期のリップル電圧を低下させることができ、各平滑コンデンサ(電解コンデンサ)の静電容量の低下が可能であり、各平滑コンデンサの小型が可能となる。
さらに高速リカバリ型ダイオードと低速リカバリ型ダイオードで電流が分流するため、発熱が低下し、従って各ダイオードは電流容量の小さいものを選定できる。
これらのことより回路の小型化やコストダウンが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施の形態のスイッチング電源回路の回路図である。
【図2】本実施の形態の電源回路に採用される絶縁コンバータトランスの構造を示す側断面図である。
【図3】相互インダクタンスが+M/−Mの場合の各動作を示す説明図である。
【図4】実施の形態のスイッチング電源回路の力率と平滑電圧の特性の説明図である。
【図5】実施の形態のスイッチング電源回路の力率と平滑電圧の特性の説明図である。
【図6】実施の形態のスイッチング電源回路の動作を示す波形図である。
【図7】先行技術としての電源回路の構成を示す回路図である。
【図8】先行技術のスイッチング電源回路の力率と平滑電圧の特性の説明図である。
【図9】先行技術のスイッチング電源回路の力率と平滑電圧の特性の説明図である。
【図10】先行技術のスイッチング電源回路の動作を示す波形図である。
【図11】先行技術のスイッチング電源回路の動作を示す波形図である。
【符号の説明】
1 制御回路、10 力率改善回路、Di ブリッジ整流回路、Ci 平滑コンデンサ、D1 高速リカバリ型ダイオード、D21 高速リカバリ型ダイオードD20、Cr 並列共振コンデンサ、C3 直列共振コンデンサ、C2 二次側並列共振コンデンサ、PRT 直交型制御トランス、PIT 絶縁コンバータトランス、Q1 スイッチング素子
Claims (1)
- 商用交流電源をブリッジ整流ダイオードで整流し、上記ブリッジ整流ダイオードのカソード電極側から高速リカバリ型ダイオードを介して正極側が接続される平滑コンデンサにより、直流入力電圧を出力する整流平滑手段と、
疎結合とされる所要の結合係数が得られるようにギャップが形成され、一次側出力を二次側に伝送するために設けられる絶縁コンバータトランスと、
上記直流入力電圧をスイッチング素子により断続して上記絶縁コンバータトランスの一次巻線に出力するようにされたスイッチング手段と、
少なくとも、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線を含む漏洩インダクタンス成分と一次側並列共振コンデンサのキャパシタンスとによって形成されて、上記スイッチング手段の動作を電圧共振形とする一次側共振回路と、
上記整流平滑手段が整流された整流出力によって充電されるように接続されるとともに、上記一次側共振回路で得られるスイッチング出力電圧が、上記絶縁コンバータトランスの一次巻線を巻き上げて形成された三次巻線と直列共振コンデンサを介して帰還され、この帰還されたスイッチング出力電圧に基づいて整流電流を断続することにより力率を改善する力率改善手段と、
上記絶縁コンバータトランスの二次巻線の漏洩インダクタンス成分と、二次側共振コンデンサのキャパシタンスとによって二次側において形成される二次側共振回路と、
上記二次側共振回路を含んで形成され、上記絶縁コンバータトランスの二次巻線に得られる交番電圧を入力して、整流動作を行って二次側直流出力電圧を生成するように構成された直流出力電圧生成手段と、
上記二次側直流出力電圧のレベルに応じて、二次側直流出力電圧に対する定電圧制御を行うように構成された定電圧制御手段と、
を備え、
上記力率改善手段は、上記高速リカバリ型ダイオードと並列に、高速リカバリ型ダイオードとインダクタンスの直列回路を備え、上記直列共振コンデンサは、上記三次巻線と、上記直列回路における高速リカバリ型ダイオードとインダクタンスの接続点との間に配されるとともに、
上記ブリッジ整流ダイオードのカソード電極側から上記高速リカバリ型ダイオードを介しての電流経路に加えて、上記直列回路における高速リカバリ型ダイオードにより、上記ブリッジ整流ダイオードのカソード電極側から平滑整流平滑手段の正極端子の間に、もう1つの電流経路が形成される
スイッチング電源回路。
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