JP5077805B2

JP5077805B2 - 電源整流回路

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Publication number: JP5077805B2
Application number: JP2006318587A
Authority: JP
Inventors: 力石川
Original assignee: Yokogawa Electric Corp
Current assignee: Yokogawa Electric Corp
Priority date: 2006-11-27
Filing date: 2006-11-27
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2026-11-27
Also published as: JP2008136269A

Description

本発明は、コンデンサとダイオードだけの回路構成で所定の電圧を得る電源整流回路に関し、特に非整数倍に整流して回路損失や発熱を改善する電源整流回路に関する。

一般に、電源整流回路としては、コッククロフト-ウォルトン回路が知られている。コッククロフト-ウォルトン回路は、低電圧出力のトランスから高電圧を生成する目的で使用されるが、その整流電圧は主巻線の整数倍に限定されるという特徴がある。

また最終的に安定した電圧が求められる場合、コッククロフト-ウォルトン回路で１段高い電圧を生成し、さらにシリーズレギュレータ等で定電圧化する方法が取られる。従来の整数倍の逓倍回路の先行技術文献としては次のようなものがある。

志村正道、「電子回路１（リニア編）」、株式会社昭晃堂、昭和５６年３月２０日発行、第７版、１７７頁〜１７８頁

以下、図６を参照して従来の電源整流回路について説明する。図６は電圧２逓倍整流回路の構成例である。２逓倍整流回路は、電圧源１１、トランス１２、コンデンサ１３、ダイオード１４、１５、コンデンサ１６から構成される。

電圧源１１は交流波を出力する。トランス１２は、トランス１２の１次側に交流波を入力したとき２次側に巻数に応じた電圧Ｖａが発生する。そして、トランス２次巻線が下向きに正電位Ｖａを発生する極性、より具体的には、トランス１２の上側（すなわちコンデンサ１３の一端）が「−」、下側（ダイオード１５のアノード）が「＋」の極性になると、電流ループ５０の向きに電流が流れコンデンサ１３が充電される。

次に、交流波の極性が反転し、トランスの２次側の極性も反転すると次の様に動作する。すなわち、トランス２次巻線が上向きに正電位Ｖａを発生させる極性、より具体的には、トランス１２の上側（すなわちコンデンサ１３の一端）が「＋」、トランス１２の下側（ダイオード１５のアノード）が「−」の極性になると、電流ループ５１の向きに電流が流れ、コンデンサ１３の電圧とトランス２次側の電圧Ｖａを加えた２Ｖａまでコンデンサ１６が充電される。なお、正確を期すと、整流ダイオードの数量分のＶｆによる電圧降下により２Ｖａ−２Ｖｆの電圧が充電されることになる。

図７は電圧３逓倍整流回路の構成例であるが、段数の相違こそあれ基本的な動作は図６と同様であり、また各種文献にも同様の回路が紹介されているので説明を省略する。

このように、従来の電源整流回路ではコンデンサとダイオードによる簡単な回路構成のみで逓倍回路を構成することができる。

しかし、従来の逓倍回路では得られる電圧が整数倍に限られ、その中間電圧に調整することができない。特に補助電源用途においては、主電源巻線を活用するため巻線の電圧設定に自由度がなく、高めの電圧に整流してシリーズレギュレータ等で定電圧化する必要があるが、比較的低い倍数（２倍若しくは３倍程度）の場合、逓倍当たりの電位差が広いため電力損失が大きくなり、回路の発熱上も不利であった。

この様な電力損失が大きい従来の逓倍回路の変換効率を示すと次の様になる。トランスの巻線電圧24Vから、30V×0.2Aの補助電源を生成するケースにおいて、
・投入電力：9.63W
・２逓倍整流後電圧：46.29V
・シリーズレギュレータ電力損失：(46.29V−30V)×0.2A≒3.26W
・変換効率：6W／9.63W×100≒62.3％

本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたものであり、非整数倍に整流して回路損失や発熱を改善する電源整流回路を提供することを目的とする。

このような課題を達成するため請求項１記載の発明は、
（１）交流電圧源（１１）と、
該交流電圧源（１１）に１次巻線が接続されたトランス（１２）と、
該トランス（１２）の２次巻線の一端に接続された第１コンデンサ（１０６）と、
該第１コンデンサ（１０６）の他端にカソード側が接続され、アノード側が第２コンデンサ（１０５）の一端に接続された第１ダイオード（１０４）と、
前記第１コンデンサ（１０６）と前記第１ダイオード（１０４）との中間点にアノード側が接続され、カソード側が前記第２コンデンサ（１０５）の他端に接続された第２ダイオード（１０７）と、
前記２次巻線の一端にアノード側が接続され、前記第１ダイオード（１０４）と前記第２コンデンサ（１０５）との中間にカソード側が接続された第３ダイオード（１１０）と、
前記２次巻線の他端にアノード側が接続され、前記第２コンデンサ（１０５）と前記第２ダイオード（１０７）との中間にカソード側が接続された第４ダイオード（１０３）と、
前記２次巻線の他端に一端が接続された第３コンデンサ（１０９）と、
該第３コンデンサ（１０９）の他端にカソード側が接続され、アノード側が前記第４ダイオード（１０３）のカソード側に接続された第５ダイオード（１０８）と、
を備え、
前記交流電源（１１）から出力される交流電圧が下向きに正電位の第１の電圧期間において、前記第２コンデンサ（１０５）と前記第１コンデンサ（１０６）を直列接続で充電すると共に、
つづく第１の電圧期間に対して極性が反転する第２の電圧期間において、前記２次巻線（１２）の出力電圧Ｖａに対して、前記第２コンデンサ（１０５）と前記第１コンデンサ（１０６）を並列接続した電圧を重畳することにより、前記第３コンデンサ（１０９）を１．５Ｖａの電圧で充電することを特徴とする電源整流回路。

本発明では非整数倍に整流することができるので次のような効果がある。トランスの巻線電圧24Vから、30V×0.2Aの補助電源を生成するケースにおいて、例えば、1.5逓倍整流回路では、
・投入電力：7.22W
・整流後電圧：33.52V
・シリーズレギュレータ電力損失：(33.52V−30V)×0.2A≒0.7W
・変換効率：6W／7.22W×100≒83.1％

となり、従来技術の電源効率（62.3％）と比べて電力効率を大きく改善することができる。また、TO-220（半導体の外形の一種）サイズのシリーズレギュレータに対して、ヒートシンクが削減できるため、省スペース化、コストダウンという効果も得られる。

また、直列整流及び並列整流の段数を複数備えることでさらに詳細な電源倍率を生成することができる。さらに、トランスの２次巻線を複数備えることで整流素子の損失を減らし、かつ出力電流を強化することができる。

以下、本発明の実施例を説明する。図１は本発明による電圧１．５逓倍電源整流回路の構成例である。整流のステップを説明する際、従来と同様の構成については同一の符号を付して説明を省略する。トランス２次巻線が下向きに正電位Ｖａを発生すると（第１の電圧期間）、電流ループ１５０（符合１０３→符号１０５→符号１０４→符号１０６）に沿って電流が流れる。すなわち、ダイオード１０３、１０４がオンするので、コンデンサ１０５、１０６が直列に接続されて電荷が充電される。その際、コンデンサ１０５とコンデンサ１０６は、それぞれ巻線電圧Ｖａの１／２に分圧された電位となる。なお、正確にはダイオード１０３、１０４の順方向電圧Ｖｆが存在するので、(Ｖａ−２・Ｖｆ)／２となる。

次に、トランスの電位が反転して上向きの電圧Ｖａを発生すると（第２の電圧期間）、電流ループ１５１（符号１０６→符号１０７→符号１０８→符号１０９）、及び電流ループ１５２（符号１１０→符号１０５→符号１０８→符号１０９）に沿ってそれぞれ電流が流れてコンデンサ１０９が充電される。このとき、巻線電圧Ｖａに対して、コンデンサ１０５、コンデンサ１０９は並列接続にて電圧を重畳することになるため、コンデンサ１０９の電圧は１．５Ｖａとなる。この様にして並列整流がなされる。なお、正確にはダイオードの順方向電圧Ｖｆが存在するので、１．５・Ｖａ−３・Ｖｆとなる。

本発明の他の構成例について説明する。図２は電圧２．５逓倍電源整流回路の構成例である。以下、整流のステップを説明する。トランス２次巻線が上向きに正電位Ｖａを発生すると電流ループ２５０（符合２０３→符号２０４→符号２０５→符号２０６）に沿って電流が流れる。すなわち、ダイオード２０３、２０５がオンするので、コンデンサ２０４、２０６が直列に接続されて電荷が充電される。その際、コンデンサ２０４とコンデンサ２０６は、それぞれ巻線電圧Ｖａの１／２に分圧された電位となる。

トランスの電位が反転して下向きの電圧Ｖａを発生すると、電流ループ２５１（符号２０７→符号２０４→符号２０８→符号２０９）、及び電流ループ２５２（符号２０６→符号２１０→符号２０８→符号２０９）に沿ってそれぞれ電流が流れてコンデンサ２０９が充電される。このとき、巻線電圧Ｖａに対して、コンデンサ２０４、コンデンサ２０６は並列接続にて電圧を重畳することになるため、コンデンサ２０９の電圧は１．５Ｖａとなる。

そして、トランスの電位が反転して再び上向きの電圧Ｖａを発生すると、ダイオード２１１がオンするので電流ループ２５３（符号２０９→符号２１１→符号２１２）に沿って電流が流れてコンデンサ２１２の電圧が２．５Ｖａに充電される。なお、正確にはダイオードの順方向電圧Ｖｆが存在するので、コンデンサ２１２の電圧は２．５Ｖａ−４Ｖｆとなる。この回路は、図１の電圧１．５逓倍電源整流回路と比較し、コンデンサ２０９による整流段数の増加により＋１Ｖａの電圧調整効果を得ている。

次に、図３を参照して電圧１．７５逓倍電源整流回路の構成例を説明する。トランス２次巻線が上向きに正電位Ｖａを発生すると電流ループ３５０（符合３０３→符号３０５→符号３０４→符号３０６）に沿って電流が流れる。すなわち、ダイオード３０３、３０４がオンするので、コンデンサ３０５、３０６が直列に接続されて電荷が充電される。その際、コンデンサ３０５とコンデンサ３０６は、それぞれ巻線電圧Ｖａの１／２に分圧された電位となる。

トランスの電位が反転して下向きの電圧Ｖａを発生すると、電流ループ３５１（符号３０７→符号３０５→符号３０９→符号３１１→符号３１０→符号３１２）、及び電流ループ３５２（符号３０６→符号３０８→符号３０９→符号３１１→符号３１０→符号３１２）に沿ってそれぞれ電流が流れてコンデンサ３１１と３１２が充電される。このとき、巻線電圧Ｖａに対して、コンデンサ３０５、コンデンサ３０６は並列接続にて電圧を重畳することになるため、コンデンサ３１１、３１２の電圧はそれぞれ、０．７５Ｖａとなる。

そして、トランスの電位が反転して再び上向きの電圧Ｖａを発生すると、ダイオード３１３、３１４、３１５がオンするので電流ループ３５３（符号３１２→符号３１３→符号３１５→符号３１６）、及び電流ループ３５４（符号３１４→３１１→符号３１５→符号３１６）に沿って電流が流れる。この際、コンデンサ３１１とコンデンサ３１２は並列接続の関係で放電されるため、コンデンサ３１６の電圧が１．７５Ｖａに充電される。

なお、正確にはダイオードの順方向電圧Ｖｆが存在するので、コンデンサ３１６の電圧は１．７５Ｖａ−３．５Ｖｆとなる。この回路は、図１の電圧１．５逓倍電源整流回路と比較し、コンデンサ３１１と３１２が充電時に直列に、そして放電時に並列に接続されることにより、０．２５Ｖａの電圧調整効果を得ている。

次に、図４を参照して電圧４／３逓倍電源整流回路の構成例を説明する。トランス２次巻線が下向きに正電位Ｖａを発生すると電流ループ４５０（符合４０３→符号４０４→符号４０５→符号４０６→符号４０７→符号４０８）に沿って電流が流れる。すなわち、ダイオード４０３、４０５、４０７がオンするので、コンデン４０４、４０６、４０８が直列に接続されて電荷が充電される。その際、コンデンサ４０４とコンデンサ４０６とコンデンサ４０８は、それぞれ巻線電圧Ｖａの１／３に分圧された電位となる。

トランスの電位が反転して上向きの電圧Ｖａを発生すると、次の様に３通りの電流ループが生ずる。電流ループ４５１は、符号４０９→符号４１０→符号４０４→符号４１１→符号４１２の順に電流が流れる。電流ループ４５２は、符号４１３→符号４０６→符号４１４→符号４１１→符号４１２の順に電流が流れる。電流ループ４５３は、符号４０８→符号４１５→符号４１６→符号４１１→符号４１２の順に電流が流れる。このとき、巻線電圧Ｖａに対して、コンデンサ４０４、コンデンサ４０６、コンデンサ４０８は並列接続にて電圧を重畳することになるため、コンデンサ４１２に生ずる電圧は４／３Ｖａとなる。

なお、正確にはダイオードの順方向電圧Ｖｆが存在するので、コンデンサ４１２の電圧は４／３Ｖａ−４Ｖｆとなる。この回路は、図１の電圧１．５逓倍電源整流回路と比較し、コンデンサ４０４と４０６と４０８が充電時に直列に、そして放電時に並列に接続されることにより、１／３Ｖａの電圧調整効果を得ている。また、ダイオード４０９、４１０、及びダイオード４１５、４１６が２個の直列接続となっている理由は、ダイオード４１３とダイオード４１４によって生ずる電圧降下と電位を合わせるためである。

次に、図５を参照して電圧２．５逓倍電源整流回路の構成例を説明する。図５では、トランス１２ａに同一巻数の２巻線を直列に接続している。トランス２次巻線が上向きに正電位Ｖａを発生すると電流ループ５５０（符合５０３→符号５０４）に沿って電流が流れる。すなわち、ダイオード５０３がオンするので、コンデンサ５０４に２Ｖａの電荷が充電される。

トランスの電位が反転して下向きの電圧Ｖａを発生すると、電流ループ５５１（符号５０４→符号５０５→符号５０６→符号５０７→符号５０８）に沿って電流が流れてコンデンサ５０６とコンデンサ５０８が充電される。このとき、直列に接続されたコンデンサ５０６とコンデンサ５０８の電圧は、Ｖａにコンデンサ５０４に充電された電圧２Ｖａが加算されるため、それぞれ１．５Ｖａとなる。

そして、トランスの電位が反転して再び上向きの電圧Ｖａを発生すると、電流ループ５５２（符号５０９→符号５０６→符号５１０→符号５１１）、及び電流ループ５５３（符号５０８→５１２→符号５１０→符号５１１）に沿って電流が流れる。この結果、コンデンサ５０６とコンデンサ５０８は並列接続の関係で放電されるため、コンデンサ５１１の電圧が２．５Ｖａに充電される。

なお、正確にはダイオードの順方向電圧Ｖｆが存在するので、コンデンサ５１１の電圧は２．５Ｖａ−３．５Ｖｆとなる。この回路は、図２の電圧２．５逓倍電源整流回路と比較し、Ｖｆ電圧降下の改善と電圧逓倍整流回路の欠点である出力電流の低減を改善している。なお、各巻線電圧を適宜変更することによって多様な電圧調整を得ることができる。

本発明による電圧１．５逓倍電源整流回路の構成例である。本発明による電圧２．５逓倍電源整流回路の構成例である。本発明による電圧１．７５逓倍電源整流回路の構成例である。本発明による電圧４／３逓倍電源整流回路の構成例である。本発明による電圧２．５逓倍電源整流回路の構成例である。従来技術による電圧２逓倍整流回路の構成例である。従来技術による電圧３逓倍整流回路の構成例である。

符号の説明

１１電圧源
１２トランス
１２ａトランス
１０３、１０４、１０７、１０８、１１０、２０３、２０５、２０７、２０８、２１０、２１１、３０３、３０４、３０７、３０８、３０９、３１０、３１３、３１４、３１５、４０３、４０５、４０７、４０９、４１０、４１１、４１３、４１４、４１５、４１６、５０３、５０５、５０７、５０９、５１０、５１２ダイオード

１０５、１０６、１０９、２０４、２０６、２０９、２１２、３０５、３０６、３１１、３１２、３１６、４０４、４０６、４０８、４１２、５０４、５０６、５０８、５１１
コンデンサ

Claims

交流電圧源（１１）と、
該交流電圧源（１１）に１次巻線が接続されたトランス（１２）と、
該トランス（１２）の２次巻線の一端に接続された第１コンデンサ（１０６）と、
該第１コンデンサ（１０６）の他端にカソード側が接続され、アノード側が第２コンデンサ（１０５）の一端に接続された第１ダイオード（１０４）と、
前記第１コンデンサ（１０６）と前記第１ダイオード（１０４）との中間点にアノード側が接続され、カソード側が前記第２コンデンサ（１０５）の他端に接続された第２ダイオード（１０７）と、
前記２次巻線の一端にアノード側が接続され、前記第１ダイオード（１０４）と前記第２コンデンサ（１０５）との中間にカソード側が接続された第３ダイオード（１１０）と、
前記２次巻線の他端にアノード側が接続され、前記第２コンデンサ（１０５）と前記第２ダイオード（１０７）との中間にカソード側が接続された第４ダイオード（１０３）と、
前記２次巻線の他端に一端が接続された第３コンデンサ（１０９）と、
該第３コンデンサ（１０９）の他端にカソード側が接続され、アノード側が前記第４ダイオード（１０３）のカソード側に接続された第５ダイオード（１０８）と、
を備え、
前記交流電源（１１）から出力される交流電圧が下向きに正電位の第１の電圧期間において、前記第２コンデンサ（１０５）と前記第１コンデンサ（１０６）を直列接続で充電すると共に、
つづく第１の電圧期間に対して極性が反転する第２の電圧期間において、前記２次巻線（１２）の出力電圧Ｖａに対して、前記第２コンデンサ（１０５）と前記第１コンデンサ（１０６）を並列接続した電圧を重畳することにより、前記第３コンデンサ（１０９）を１．５Ｖａの電圧で充電することを特徴とする電源整流回路。