JP5910029B2

JP5910029B2 - スイッチング電源回路

Info

Publication number: JP5910029B2
Application number: JP2011258651A
Authority: JP
Inventors: アブダラーミシ
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2011-11-28
Filing date: 2011-11-28
Publication date: 2016-04-27
Anticipated expiration: 2031-11-28
Also published as: JP2013115887A

Description

本発明はインダクタに関し、特にインターリーブで動作する一対の力率改善回路として採用できるスイッチング電源回路に関する。

非特許文献１には、臨界モードかつインターリーブで動作する一対の力率改善回路（以下、単に「インターリーブ型力率改善回路」と称す）が開示されている。インターリーブ型力率改善回路では、昇圧型のチョッパ回路の一対が並列接続されており、リアクトル、ダイオード、スイッチング素子を有している。

非特許文献２には、インターリーブ型力率改善回路において、一対のリアクトルが誘導結合する場合について説明されている。

喜多村守、「１．５ｋＷの低ノイズ高調波対策電源を作れる臨界モード／インターリーブＰＦＣＩＣＲ２Ａ２０１１２」、トランジスタ技術２００８年５月号、ＣＱ出版株式会社、2008年8月、第１７６頁乃至第１８４頁 Wei Wen and Yim-Shu Lee, "A Two-channel Interleaved Boost Converter with Reduced Core Loss and Copper Loss",2004-35th Annual IEEE Power Electronics Specialists Conference,2004．

非特許文献２では、インターリーブ型力率改善回路において、一対のリアクトルが入力電流からみて同極性で誘導結合する場合の入力電流のリップル改善について示されているが、リアクトル損失について考慮されておらず、カップリングファクタについての適切な設定が示されていなかった。

以上のことから、本願発明は、リアクトルとセンサコイルとの誘導結合を実現するためのコアをチョッパ回路の全てにおいて共通にして、インターリーブ型力率改善回路を小型化しつつ、誘導結合の適切な範囲を提供することを目的とする。

この発明にかかるスイッチング電源回路（３）は、低電源線（ＬＬ）と、前記低電源線よりも高い電位が印加される高電源線（ＬＨ）と、前記高電源線に接続された一端と、他端とを有する第１リアクトル（Ｌ１）と、前記高電源線に接続された一端と、他端とを有する第２リアクトル（Ｌ２）と、カソード及び前記第１リアクトルの前記他端に接続されたアノードを有する第１ダイオード(Ｄ１)と、カソード及び前記第２リアクトルの前記他端に接続されたアノードを有する第２ダイオード(Ｄ２)と、前記第１リアクトルの前記他端及び前記第１ダイオードの前記アノードと、前記低電源線との間に設けられる第１のスイッチング素子（Ｓ１）と、前記第２リアクトルの前記他端及び前記第２ダイオードの前記アノードと、前記低電源線との間で設けられる第２のスイッチング素子（Ｓ２）と、前記第１ダイオードの前記カソードと前記第２ダイオードの前記カソードとに接続される一端と、前記低電源線に接続される他端とを有するコンデンサ（Ｃ）とを備える。

そして、前記第１リアクトルのインダクタンス値（Ｌ）と、前記第２リアクトルのインダクタンス値（Ｌ）とは等しく、前記第１リアクトルと前記第２リアクトルとは前記高電源線から見て同極性で誘導結合し、前記誘導結合のカップリングファクタ（α＝Ｍ／Ｌ）は値０．０１〜０．５０を採ることを特徴とする。

カップリングファクタが値０．０１未満では、高電源線と低電源線との間に供給される直流電流のリップル率の改善に乏しい。カップリングファクタが値０．５０を越えるとリアクトル損失が改善されない。よってこの発明にかかるスイッチング電源回路によれば、リップル率及びリアクトル損失の双方が改善される。

本発明の一実施の形態にかかるインターリーブ型力率改善回路の構成を示す回路図である。インターリーブ型力率改善回路の特性を示すグラフである。

図１に示されるインターリーブ型力率改善回路３は、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２、ダイオードＤ１，Ｄ２、インダクタ１０及びコンデンサＣを有している。コンデンサＣには並列に負荷４が接続されている。

整流回路２には交流電源１から交流の入力電流Ｉｉｎが入力する。整流回路２は入力電流Ｉｉｎを例えば全波整流してインダクタ１０へと直流電流Ｉｄを供給する。

インダクタ１０はリアクトルＬ１，Ｌ２を有している。リアクトルＬ１，Ｌ２はいずれも、高電源線ＬＨに接続された一端と、他端とを有する。

ダイオードＤ１のアノードはリアクトルＬ１の他端に接続され、ダイオードＤ２のアノードはリアクトルＬ２の他端に接続される。

スイッチング素子Ｓ１はリアクトルＬ１の他端及びダイオードＤ１のアノードと、低電源線ＬＬとの間に設けられる。スイッチング素子Ｓ２はリアクトルＬ２の他端及びダイオードＤ２のアノードと、低電源線ＬＬとの間に設けられる。

コンデンサＣは、ダイオードＤ１、Ｄ２の両方のカソードに接続される一端と、低電源線ＬＬに接続される他端とを有する。

インダクタ１０において、黒丸はリアクトルＬ１，Ｌ２同士の誘導結合の極性を示す。リアクトルＬ１，Ｌ２同士は高電源線ＬＨから見て同極性で誘導結合する。リアクトルＬ１の黒丸とリアクトルＬ２の黒丸とは隣接して示されている。

リアクトルＬ１，Ｌ２の自己インダクタンス値はいずれも値Ｌであり、相互インダクタンス値Ｍで誘導結合する。

上述のように構成されたインターリーブ型力率改善回路３を臨界モード型のインターリーブ方式で駆動させるため、スイッチング素子Ｓ１，Ｓ２にはそれぞれ信号Ｇ１、Ｇ２が供給され、それぞれの導通／非導通が制御される。

具体的にはリアクトルＬ１，Ｌ２にそれぞれ流れる電流Ｉ１，Ｉ２を検出し、公知技術によってそれぞれが最小値を採るタイミングを検出する。コンデンサＣの両端電圧Ｖｄｃ及びその指令値Ｖｄｃ＊と上記の当該タイミングに基づいて制御部６がスイッチング信号Ｇ１，Ｇ２を生成すればよい。スイッチング信号Ｇ１，Ｇ２を生成し、当該信号Ｇ１、Ｇ２に基づいてインターリーブ型力率改善回路３を臨界モード型のインターリーブ方式で駆動させる技術は公知技術であるので、ここでは詳細な説明を割愛する。

図２は、インターリーブ型力率改善回路３の特性を示す波形図である。横軸にはカップリングファクタαを採り、左側縦軸にはリアクトル損失を、右側縦軸には直流電流Ｉｄにおけるリップルを、それぞれ採っている。四角でプロットされたグラフは当該リップルを、丸でプロットされたグラフはリアクトル損失を、それぞれ示している。

ここでカップリングファクタαは、相互インダクタンス値ＭをリアクトルＬ１，Ｌ２の自己インダクタンス値Ｌで除した値となる。

但しカップリングファクタαが０の場合は、リアクトルＬ１、Ｌ２がそれぞれ個別の磁芯を備えている場合である。

カップリングファクタαが増大するほど相互インダクタンス値Ｍは大きく、リアクトルＬ１，Ｌ２の見かけ上のインダクタンス値（Ｌ−Ｍ）は、相互インダクタンス値Ｍが大きいほど減少する。よってリアクトルＬ１，Ｌ２の各々を流れる電流のリップルは増大する。しかし上記非特許文献２等で既に知られているように、リアクトルＬ１、Ｌ２が高電源線ＬＨから見て同極性で誘導結合することにより、直流電流Ｉｄにおけるリップルは小さくなる。

よってカップリングファクタαが大きいほどリップルは低減するものの、カップリングファクタαが０．０１未満では、直流電流Ｉｄのリップル率の改善に乏しい。よってカップリングファクタαは０．０１以上であることが望ましい。

他方、リアクトルＬ１，Ｌ２の各々を流れる電流のリップルが増大するほど、それぞれのリアクトルＬ１，Ｌ２におけるリアクトル損失が増大する。よってカップリングファクタαが増大するほど、リアクトル損失は増大する。

よって、カップリングファクタαが小さい領域で、リアクトル損失がカップリングファクタαが０である場合よりも小さい領域が存在する。

具体的にはカップリングファクタαが０．５以下のリアクトル損失は、カップリングファクタαが０である場合（つまりリアクトルＬ１、Ｌ２がそれぞれ個別の磁芯を備えている場合）のリアクトル損失（ここでは１０Ｗ）以下となる。換言すれば、カップリングファクタが値０．５０を越えるとリアクトル損失が改善されない。

以上のことから、リップル率及びリアクトル損失の双方を改善するためには、カップリングファクタαが値０．０１〜０．５０を採ることが望ましい。

ＬＬ低電源線
ＬＨ高電源線
Ｌ１，Ｌ２リアクトル
Ｄ１，Ｄ２ダイオード
Ｓ１，Ｓ２スイッチング素子
Ｃコンデンサ

Claims

低電源線（ＬＬ）と、
前記低電源線よりも高い電位が印加される高電源線（ＬＨ）と、
前記高電源線に接続された一端と、他端とを有する第１リアクトル（Ｌ１）と、
前記高電源線に接続された一端と、他端とを有する第２リアクトル（Ｌ２）と、
カソード及び前記第１リアクトルの前記他端に接続されたアノードを有する第１ダイオード(Ｄ１)と、
カソード及び前記第２リアクトルの前記他端に接続されたアノードを有する第２ダイオード(Ｄ２)と、
前記第１リアクトルの前記他端及び前記第１ダイオードの前記アノードと、前記低電源線との間に設けられる第１のスイッチング素子（Ｓ１）と、
前記第２リアクトルの前記他端及び前記第２ダイオードの前記アノードと、前記低電源線との間で設けられる第２のスイッチング素子（Ｓ２）と、
前記第１ダイオードの前記カソードと前記第２ダイオードの前記カソードとに接続される一端と、前記低電源線に接続される他端とを有するコンデンサ（Ｃ）と、
を備え、
前記第１リアクトルの自己インダクタンス値（Ｌ）と、前記第２リアクトルの自己インダクタンス値（Ｌ）とは等しく、
前記第１リアクトルと前記第２リアクトルとは前記高電源線から見て同極性で誘導結合し、
前記誘導結合のカップリングファクタ（α＝Ｍ／Ｌ）は値０．０１〜０．５０を採ることを特徴とするスイッチング電源回路（３）。