JP5968071B2 - 電力変換装置 - Google Patents

Description

本発明は、コンバータトランス一次側の電力をコンバータトランスで電力変換した後、コンバータトランス二次側から整流回路を経て二次側平滑コンデンサで平滑して出力するスイッチング電源等の電力変換装置に関するものである。

スイッチング電源は、一般に、トランス一次側の交流電圧を整流すると共に一次側平滑コンデンサで平滑化した後に、トランス一次側巻線に接続したスイッチングトランジスタのスイッチング周波数を制御回路により制御することで、当該一次側の電力をコンバータトランス二次側に電力変換し、さらにトランス二次側の整流回路を経て二次側平滑コンデンサで平滑して所要の直流電圧を負荷に供給出力する。

このようなスイッチング電源には、待機モードにできるようにしたものがある。例えば特許文献１のスイッチング電源では、メイン電源と待機専用のサブ電源とを備え、メイン電源を停止し、サブ電源を駆動させて待機モードとするときに、メイン電源の一次側平滑コンデンサに高い電荷が残らないように、該一次側平滑コンデンサに並列に設けた放電回路を駆動して該一次側平滑コンデンサを急速放電させるようにしている。

一方、特許文献１のスイッチング電源における待機モード方式とは異なって、待機専用のサブ電源を設けず、トランス一次側で交流電圧が入力される交流電圧オン状態で待機モードにできるように、スイッチングトランジスタのスイッチング周波数を下げて損失を低減し消費電力を要求電力（待機電力）以下にするスイッチング電源がある。

このような待機モード方式のスイッチング電源に対して、トランス一次側で交流電圧が入力されない交流電圧オフ時に、特許文献１の放電回路を利用することにより一次側平滑コンデンサを急速放電させることができるが、負荷が例えば無負荷である場合、二次側平滑コンデンサの充電電圧は放電されずに残存することとなる。

そして、かかるスイッチング電源において、交流電圧オフ時に二次側平滑コンデンサに残存する充電電圧を規定時間内に放電させる仕様とする場合、例えば、二次側平滑コンデンサに並列に放電抵抗を接続することで二次側平滑コンデンサの電荷を放電抵抗を介して前記規定時間内に放電させることが提案される。

特開２０１１−１３５７０２号公報

しかしながら、交流電圧オフ時で、放電抵抗により二次側平滑コンデンサを急速放電させるのでは、交流電圧オン時において待機モードとする時にも、放電抵抗により、電力の消費が常時継続されるので、待機電力が悪化するという課題があった。

本発明は、上記事情に鑑みて為されたものであり、交流電圧オン時の定常時に待機モードにできる電力変換装置において、交流電圧オフ時に、二次側平滑コンデンサの充電電圧を規定時間内に所定電圧以下に放電させる際に、定常時での待機電力の悪化を回避して、二次側平滑コンデンサの放電を可能とする電力変換装置を提供することを目的としている。

本発明では、二次側放電回路で二次側平滑コンデンサの急速放電に際して一次側平滑コンデンサも当該二次側放電回路によりコンバータトランスを介して放電を可能とする電力変換装置を提供することを他の目的としている。

本発明による電力変換装置は、トランス一次側で交流電圧を整流する一次側整流回路と、前記一次側整流回路で整流された電圧を平滑化する一次側平滑コンデンサと、前記トランス一次側電力をトランス二次側電力に変換するコンバータトランスと、前記コンバータトランスの一次巻線に接続されたスイッチングトランジスタと、前記スイッチングトランジスタの動作周波数を制御する制御回路と、前記トランス二次側に誘起した電圧を整流する二次側整流回路と、前記二次側整流回路で整流された電圧を平滑化するための二次側平滑コンデンサと、前記二次側平滑コンデンサの電圧を放電する二次側放電回路とを備え、前記制御回路が、前記交流電圧が入力される交流電圧オン時において前記スイッチングトランジスタのスイッチング動作周波数を低下させる待機モードに制御することにより電力節減を可能とした電力変換装置において、
前記一次側整流回路による整流前の前記交流電圧の入力有無をもとに前記交流電圧オン時であるか前記交流電圧が入力されない交流電圧オフ時であるかを検知する検知回路をさらに備え、
前記二次側放電回路は、前記二次側平滑コンデンサに並列に接続され、前記待機モードを含む前記交流電圧オン時には非動作で、前記交流電圧オフ時には動作して前記二次側平滑コンデンサの充電電圧を放電させる動作を行う、ことを特徴とする。

本発明の好ましい態様では、前記二次側放電回路は、前記交流電圧オフ時に前記二次側平滑コンデンサの充電電圧を規定時間内に所定電圧以下に放電させる動作を行う。

本発明の好ましい態様では、前記二次側放電回路は、放電抵抗と放電スイッチとの直列回路が、前記二次側平滑コンデンサに並列に接続されてなり、前記放電スイッチは、前記交流電圧オン時には開放して当該二次側放電回路を非動作とし、前記交流電圧オフ時には短絡して、当該二次側放電回路を動作状態として、前記放電抵抗を前記二次側平滑コンデンサに並列接続させて当該二次側平滑コンデンサの充電電圧を放電させる。

本発明の好ましい態様では、トランス一次側における一次側平滑コンデンサの充電電圧を前記コンバータトランスを介して放電する。

本発明の好ましい態様では、前記検知回路の検知出力をトランス二次側に伝達するフォトカプラをさらに備え、前記検知回路の検知信号により前記フォトカプラを動作制御し、
前記二次側放電回路は、前記フォトカプラの動作状態に基づいて、前記交流電圧オン時には非動作で、前記交流電圧オフ時には動作して前記二次側平滑コンデンサの充電電圧を規定時間内に所定電圧以下に放電させる動作を行う。

本発明の電力変換装置では、交流電圧が入力される交流電圧オン時において前記スイッチングトランジスタのスイッチング動作周波数を低下させる待機モードに制御することにより電力節減を可能としたものであって、一次側整流回路による整流前の交流電圧の入力有無をもとに交流電圧オン時であるか前記交流電圧が入力されない交流電圧オフ時であるかを検知する検知回路をさらに備え、二次側放電回路は、二次側平滑コンデンサに並列に接続され、待機モードを含む前記交流電圧オン時には非動作で、交流電圧オフ時には動作して前記二次側平滑コンデンサの充電電圧を放電させる動作を行うようにしたので、電力変換装置を交流電圧オンで待機モードとしている時に、待機電力が消費されずに済み、待機電力の悪化を防止することができる。同時に交流電圧オン時には、二次側平滑コンデンサの充電電圧を規定時間内に所定電圧以下に放電させることができる。また、交流電圧オフ直後で一次側平滑コンデンサの残存充電電圧によりコンバータトランスが動作状態にあるときには、当該コンバータトランスを介して一次側平滑コンデンサの充電電圧を前記二次側放電回路により放電させることができる。

本発明の電力変換装置では、二次側放電回路が、交流電圧オン時には非動作であり、交流電圧オフ時に動作して二次側平滑コンデンサの充電電圧を放電させるので、交流電圧オン状態の定常時における待機電力の悪化を防止でき、加えて、交流電圧オフ時において、コンバータトランスが動作状態にあると、一次側平滑コンデンサの充電電荷も放電させることができる。

図１は、本発明の実施形態にかかるスイッチング電源の概略の回路図である。

以下、添付した図面を参照して、本発明の実施の形態に係る電力変換装置の一例を説明する。実施形態では、電力変換装置としてフライバック方式のスイッチング電源に適用して説明するが、これに限定されるものではなく、フォワード方式、プッシュプル方式、ハーフブリッジ方式、フルブリッジ方式、等広く、コンバータトランス一次側の電力をコンバータトランスで電力変換した後、コンバータトランス二次側から整流回路を経て二次側平滑コンデンサで平滑して出力する電力変換装置であれば適用することができる。

図１に実施形態のフライバック方式のスイッチング電源の回路図を示す。

実施形態のスイッチング電源は、電力変換用のコンバータトランス１を具備する。コンバータトランス１は、その一次側と二次側とを電気的に絶縁分離する。コンバータトランス１の一次側では、当該スイッチング電源の入力端子２ａ，２ｂ間に交流電源３が接続される。

交流電源３は、例えば周波数５０Ｈｚの１００Ｖの商用交流電源である。また、誤差により、例えば９５〜１０５Ｖの範囲内の交流電圧が印加される。勿論、適用する国、地域における交流電源の電圧、周波数でよい。

前記交流電圧は、一対の交流電圧ライン４ａ，４ｂを介して全波整流回路からなる一次側整流回路５の両入力部に印加されると共に、該一次側整流回路５で全波整流される。一次側整流回路５の両出力部は、高レベルと低レベルの電圧ライン４ａ，４ｂ間に接続され、一次側整流回路５のプラス側整流電圧は、高レベル電圧ライン４ａを介して一次側平滑コンデンサ６のプラス側電極に印加され、この一次側平滑コンデンサ６で平滑化される。

コンバータトランス１は一次側に一次巻線Ｌ１と補助巻線Ｌ３とを具備し、二次側に二次巻線Ｌ２を具備する。一次巻線Ｌ１のプラス側端子（黒丸印端子）には高レベル電圧ライン４ａを介して一次側平滑コンデンサ６のプラス電極が接続される。また、一次巻線Ｌ１のマイナス側端子（黒丸印が無い端子）にはスイッチングトランジスタであるｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴ７（ＭＯＳ型電界効果トランジスタ）のドレイン電極が接続される。尚、ＭＯＳＦＥＴ７のタイプは特に限定されない。また、スイッチングトランジスタは、前記ＭＯＳＦＥＴ７に限定されるものではなく、バイポーラ型など他のタイプのトランジスタでもよい。

前記ＭＯＳＦＥＴ７のソース電極は低レベル電圧ライン４ｂに接続されると共に、そのゲート電極は制御回路８の制御出力部８ａに接続される。前記制御出力部８ａからＭＯＳＦＥＴ７のゲート電極にスイッチング動作電圧が供給される。制御回路８は、電源受給部８ｂを有する。コンバータトランス１の補助巻線Ｌ３のプラス側端子（黒丸印端子）に誘起された交流電圧は整流ダイオード９で整流され、平滑コンデンサ１０で平滑化されて、直流電圧として電源受給部８ｂに供給される。

制御回路８は、検出出力入力部８ｃを具備し、この検出出力入力部８ｃにはコンバータトランス１の二次側の検出部１１が出力する検出出力が入力され、制御回路８は、前記入力した検出出力に応じてＭＯＳＦＥＴ７のスイッチング動作周波数を制御することができるようになっている。例えば、出力電圧が所定電圧よりも高い、あるいは低い場合、前記スイッチング動作周波数におけるオンオフデューティを制御し、出力電圧が前記一定の所定電圧値に制御することができるようになっている。こうした制御回路８は、周知の制御ＩＣで実現可能であり、内部構成と動作の詳細な説明は略する。

図示しないが、制御回路８に、例えば出力端子２０ａ，２０ｂ間に接続された出力負荷１２側から定常モードであるか、待機モードであるかの信号が入力されると、制御回路８は、その待機モードに対応して、ＭＯＳＦＥＴ７のスイッチング動作周波数を制御することができるようにしてもよい。例えば、制御回路８は、待機モードでは、ＭＯＳＦＥＴ７のスイッチング動作周波数を低下させることで、損失を低減し、消費電力を要求される電力（待機電力）以下に電力節減ができるようになっている。尚、待機モードは上記に限定されるものではなく、例えばスイッチングトランジスタであるＭＯＳＦＥＴ７のオフデューティを長くするなど、他の待機モード方式でもよいことは勿論である。この場合、出力負荷１２側から入力される前記定常モードとか待機モードとかの信号は任意であり、実施形態に何ら限定されないことは勿論である。

前記負荷１２には、例えば、液晶テレビの表示装置とか、バックライト用ＬＥＤ駆動装置、バックライト用のインバータ回路とか、各種負荷があり、特に限定されない。勿論、出力端子２０ａ，２０ｂ間に負荷が接続されない無負荷の場合もある。

コンバータトランス１の一次側には交流電圧が入力されない交流電圧オフ時であるか、交流電圧が入力される交流電圧オン時であるかを検知する検知回路１３が設けられている。検知回路１３は、２入力部１３ａ，１３ｂと２出力部１３ｃ，１３ｄとを有すると共に、２入力部１３ａ，１３ｂは交流電源３に並列に接続されて交流電圧を入力し、一方の出力部１３ｄは低レベル電圧ライン４ｂに接続され、他方の出力部１３ｃは、信号出力部として、フォトカプラ１４の発光ダイオード１４ａのカソードに接続されている。

検知回路１３は、前記２入力部１３ａ，１３ｂに交流電圧が入力されている交流電圧オン時の定常時では、信号出力部１３ｃからローレベル検知信号を出力し、交流電圧が入力されない交流電圧オフ時の場合には、信号出力部１３ｃからハイレベル検知信号を出力することができるようになっている。

フォトカプラ１４は、発光ダイオード１４ａと、この発光ダイオード１４ａの発光を受光してコレクタ・エミッタが導通する受光トランジスタ１４ｂとからなる。発光ダイオード１４ａのアノードは、補助巻線Ｌ３のプラス側端子に接続されており、検知回路１３の出力部１３ｃからのローレベルとハイレベルの前記検知信号が印加されるようになっており、この検知信号がローレベル検知信号であるときは、前記発光ダイオード１４ａには補助巻線Ｌ３から電流が供給されて導通して発光し、この検知信号が交流電圧オフを示すハイレベル検知信号であるときは、発光ダイオード１４ａは非導通となって発光しなくなる。フォトカプラ１４の受光トランジスタ１４ｂは、前記発光ダイオード１４ａが発光するときは導通（オン）し、前記発光ダイオード１４ａが非発光であるときは非導通（オフ）となる。

コンバータトランス１の二次巻線Ｌ２のマイナス側端子（黒丸印が無い端子）には二次側整流回路である整流ダイオード１５のアノードが接続されるとともに、前記整流ダイオード１５のカソードには高レベル電圧ライン１６ａを介して二次側平滑コンデンサ１９のプラス側電極が接続され、この二次側平滑コンデンサ１９のマイナス側電極は低レベル電圧ライン１６ｂを介して前記二次巻線Ｌ２のプラス側端子（黒丸印端子）に接続される。二次側の高レベル電圧ライン１６ａと低レベル電圧ライン１６ｂとの間には第１、第２抵抗１７ａ，１７ｂの直列接続回路からなる抵抗分圧回路１７が接続されている。そして、抵抗分圧回路１７内の第２抵抗１７ｂには、フォトカプラ１４の受光トランジスタ１４ｂのコレクタ・エミッタが並列に接続されている。

本実施形態では、コンバータトランス１二次側の高レベル電圧ライン１６ａと低レベル電圧ライン１６ｂとの間の二次側平滑コンデンサ１９に対して、放電回路１８が並列に接続されている。この放電回路１８は、放電抵抗１８ａと放電スイッチであるＭＯＳＦＥＴ１８ｂとが接続されて構成されており、放電抵抗１８ａの一端が高レベル電圧ライン１６ａに接続され、放電抵抗１８ａの他端がＭＯＳＦＥＴ１８ｂのドレインに接続されている。このＭＯＳＦＥＴ１８ｂのゲート・ソース間には前記抵抗分圧回路１７の第２抵抗１７ｂが接続されている。

以上の構成において、交流電圧オンの定常モードでは、交流電源３の交流電圧が一次側整流回路５で全波整流され、その整流電圧は一次側平滑コンデンサ６で平滑化される。一次側平滑コンデンサ６で平滑化された電圧は、コンバータトランス１の一次巻線Ｌ１のプラス側端子に印加される。そして、制御回路８によりＭＯＳＦＥＴ７が所要のスイッチング動作周波数でスイッチング動作し、前記平滑化された電圧は、コンバータトランス１の二次側に所定の電圧に変換されて二次巻線Ｌ２両端間に誘起される。

二次巻線Ｌ２両端間に誘起された電圧は、整流ダイオード１５で整流されると共に、二次側平滑コンデンサ１９で平滑化されて直流電圧として出力負荷１２に供給される。この場合、検知回路１３の入力部１３ａ，１３ｂには交流電圧が印加されるので、検知回路１３は交流電圧オンであることを検知し、出力部１３ｃ，１３ｄからローレベル検知信号をフォトカプラ１４の発光ダイオード１４ａに出力する。これにより、発光ダイオード１４ａが導通発光するので、フォトカプラ１４の受光トランジスタ１４ｂは前記発光を受光して導通する。受光トランジスタ１４ｂが導通すると、放電回路１８のＭＯＳＦＥＴ１８ｂのゲート・ソース間電圧が０Ｖとなり、ＭＯＳＦＥＴ１８ｂは非導通となる。これにより、二次側平滑コンデンサ１９には放電抵抗１８ａは接続されず、この放電回路１８を介しての二次側平滑コンデンサ１９の充電電圧の放電は行われない。

そして、前記定常モード時において、待機モードとする場合、制御回路８には図示略の回路あるいは出力負荷１２側から待機モードの信号が入力される。制御回路８は、この待機モードの信号の入力に応答してスイッチングトランジスタ７のスイッチング周波数を下げる制御を行う。これにより、待機モードとなり、電力は要求される待機電力以下に節減制御される。

この場合、定常モードでは、前記したように、放電回路１８は動作していないので、二次側平滑コンデンサ１９の充電電圧は放電されず、待機電力は悪化しない。

次に、交流電圧オフとなると、この交流電圧オフは検知回路１３で検知され、検知回路１３からはハイレベル検知信号がフォトカプラ１４の発光ダイオード１４ａのカソードに印加され、これにより発光ダイオード１４ａには電流が流れず、該発光ダイオード１４ａは発光停止する。発光ダイオード１４ａが発光停止すると、フォトカプラ１４の受光トランジスタ１４ｂが非導通となり、放電回路１８のＭＯＳＦＥＴ１８のゲート・ソース間には抵抗分圧回路１７の第２抵抗１７ｂ両端の分圧電圧が印加されることになる。これにより、放電回路１８のＭＯＳＦＥＴ１８が導通する結果、二次側平滑コンデンサ１９には放電回路１８の放電抵抗１８ａが並列接続され、二次側平滑コンデンサ１９の充電電圧は、放電回路１８の放電抵抗１８ａにより規定時間内に所定電圧以下に放電される。

この場合、二次側平滑コンデンサ１９の充電電圧を規定時間内に所定電圧以下に放電させるためには、二次側平滑コンデンサ１９の容量値、放電抵抗１８ａの抵抗値との積からなる放電時定数および、二次側平滑コンデンサ１９の充電電圧により実験等により適宜に定めることができる。

また、放電抵抗１８ａは、実施形態では１つであったが、１つに限定されず、また、複数の抵抗の直列および／または並列接続したものでもよく、あるいは、放電抵抗１８ａに代える他の放電素子でもよいことは勿論である。また、放電回路１８において、放電スイッチであるＭＯＳＦＥＴ１８はｎチャネル型のＭＯＳＦＥＴであるが、バイポーラ型など他のタイプのトランジスタでもよい。

このようにして交流電圧オフ時では、放電回路１８により、二次側平滑コンデンサ１９の充電電荷は放電されるが、交流電圧オフ直後などで一次側平滑コンデンサ６に高い充電電圧が残る場合には、コンバータトランス１が動作状態にあり、一次側平滑コンデンサ６の充電電荷は、コンバータトランス１を介して、前記放電回路１８により、放電されるようになる。

以上により、本実施形態では、交流電圧オン状態の定常時で、待機モードになると、制御回路８によりＭＯＳＦＥＴ７のスイッチング周波数が下がるように制御されて、損失低減と、消費電力は待機モードに要求される電力（待機電力）以下になり、この場合、放電回路１８が動作しないので二次側平滑コンデンサや一次側平滑コンデンサの放電は行われず、したがって待機電力は悪化しない。

そして、本実施形態では、交流電圧オフすると、放電回路１８が動作して二次側平滑コンデンサ１９の充電電圧が規定時間内に所定電圧以下に放電させることができると共に、同時に一次側平滑コンデンサ６の充電電荷もコンバータトランス１を介して、前記放電回路１８により放電させることができ、回路構成が簡略化されるなどの効果もある。

なお、従来のスイッチング電源における待機モードでの待機電力の消費（改善前待機電力）と、本発明のスイッチング電源における待機モードにおける待機電力の消費（改善後待機電力）とを比較すると、改善前待機電力が１．４Ｗであったのに対して、本発明での改善後待機電力は０．４５Ｗであり、本発明では、大幅に待機電力が改善された。

上記待機電力の測定は、制御回路８によるＭＯＳＦＥＴ７のスイッチング周波数が１．５ｋＨｚであり、交流電圧を２３０Ｖ、交流電圧の周波数を５０Ｈｚとし、本発明の放電回路１８の放電抵抗１８ａの抵抗値は３３Ωであり、従来のスイッチング電源では二次側平滑コンデンサに並列に前記放電抵抗１８ａと同じ抵抗値の放電抵抗が並列に接続された状態で行った。

以上説明したように、本実施形態では、二次側放電回路１８が交流電圧オン時には非動作で、交流電圧オフ時に動作して二次側平滑コンデンサ１９の充電電圧を放電させるので、電力変換装置を交流電圧オン状態で待機モードとしている時に、待機電力が消費されずに済み、待機電力の悪化を防止することができる。そして、交流電圧オフ時には、二次側平滑コンデンサ１９の充電電圧を規定時間内に所定電圧以下に放電させることができる。また、交流電圧オフ直後で一次側平滑コンデンサ６の残存充電電圧によりコンバータトランス１が動作状態にあるときには、当該コンバータトランス１を介して一次側平滑コンデンサ６の充電電圧を前記二次側放電回路１８により放電させることができる。

１ コンバータトランス
３ 交流電源
５ 全波整流回路
６ 一次側平滑コンデンサ
７ スイッチングトランジスタ
８ 制御回路
１２ 出力負荷
１３ 検知回路
１４ フォトカプラ
１７ 抵抗分圧回路
１８ 放電回路
１９ 二次側平滑コンデンサ

Claims (5)

1. トランス一次側で交流電圧を整流する一次側整流回路と、前記一次側整流回路で整流された電圧を平滑化する一次側平滑コンデンサと、前記トランス一次側電力をトランス二次側電力に変換するコンバータトランスと、前記コンバータトランスの一次巻線に接続されたスイッチングトランジスタと、前記スイッチングトランジスタの動作周波数を制御する制御回路と、前記トランス二次側に誘起した電圧を整流する二次側整流回路と、前記二次側整流回路で整流された電圧を平滑化するための二次側平滑コンデンサと、前記二次側平滑コンデンサの電圧を放電する二次側放電回路とを備え、前記制御回路が、前記交流電圧が入力される交流電圧オン時において前記スイッチングトランジスタのスイッチング動作周波数を低下させる待機モードに制御することにより電力節減を可能とした電力変換装置において、
   前記一次側整流回路による整流前の前記交流電圧の入力有無をもとに前記交流電圧オン時であるか前記交流電圧が入力されない交流電圧オフ時であるかを検知する検知回路をさらに備え、
   前記二次側放電回路は、前記二次側平滑コンデンサに並列に接続され、前記待機モードを含む前記交流電圧オン時には非動作で、前記交流電圧オフ時には動作して前記二次側平滑コンデンサの充電電圧を放電させる動作を行う、ことを特徴とする電力変換装置。
2. 前記二次側放電回路は、前記交流電圧オフ時に前記二次側平滑コンデンサの充電電圧を規定時間内に所定電圧以下に放電させる動作を行う、請求項１に記載の電力変換装置。
3. 前記二次側放電回路は、放電抵抗と放電スイッチとの直列回路が、前記二次側平滑コンデンサに並列に接続されてなり、
   前記放電スイッチは、前記交流電圧オン時には開放して当該二次側放電回路を非動作とし、前記交流電圧オフ時には短絡して、当該二次側放電回路を動作状態として、前記放電抵抗を前記二次側平滑コンデンサに並列接続させて当該二次側平滑コンデンサの充電電圧を放電させる、ことを特徴とする請求項１または２に記載の電力変換装置。
4. トランス一次側における一次側平滑コンデンサの充電電圧を前記コンバータトランスを介して放電する、請求項１ないし３のいずれかに記載の電力変換装置。
5. 前記検知回路の検知出力をトランス二次側に伝達するフォトカプラをさらに備え、
   前記検知回路の検知信号により前記フォトカプラを動作制御し、
   前記二次側放電回路は、前記フォトカプラの動作状態に基づいて、前記交流電圧オン時には非動作で、前記交流電圧オフ時には動作して前記二次側平滑コンデンサの充電電圧を規定時間内に所定電圧以下に放電させる動作を行う、
   ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の電力変換装置。

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