JPH0365050A - スイッチングレギュレータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明はスイッチングレギュレータに関し、特に全波整
流回路の交流入力電流の流れる時間を広げることにより
、交流入力の力率を改善し脈流の広い範囲に渡って安定
したスイッチング動作を行い出力電圧を設定値に制御す
る回路に関するものである。

〔従来の技術〕

従来、この種のスイッチングレギュレータの直流電源に
用いられる、ダイオードブリッジを用いた全波整流回路
において、−船釣な回路とし平滑コンデンサインプット
形のものがあるが、整流した直流電圧のリップル値を小
さくするために平滑用コンデンサの容量をかなり大きく
する必要がある。そのために整流電流のピーク値が大き
くなり。

力率が低下するとともに充電電流により平滑用コンデン
サが内部損失で発熱し、寿命の低下を招く。

また、入力電力が大きく高調波発生等の悪影響も無視で
きないために、システムの安定性が低下し、高容量のノ
イズフィルタ回路、入力保護用のフユーズやブレーカ等
が必要になる。

この種の難点を改善する整流平滑回路が、特開昭６３−
１０７４５７号公報に提案されている。この整流平滑回
路では、交流入力を全波整流するダイオードブリッジの
出力端に、平滑用コンデンサがインピーダンス素子を介
して接続されかつインピーダンス素子に並列にダイオー
ドが接続されているため、平滑用コンデンサの充電時は
充電電流がインピーダンス素子を通して平滑用コンデン
サに流れるのでそのピーク値を押えられ、放電時はイン
ピーダンスに並列に接続されたダイオードによりインピ
ーダンス素子をバイパスするのでインピーダンス素子に
よる電力損失が防止される。

第３図にもう１つの従来例を示す。これは、−石フォワ
ード型スイッチングレギュレータの一般的な電気回路で
ある。交流電源１からの交流電力は、ダイオードブリッ
ジ２で全波整流され大容量の平滑用コンデンサ１０で平
滑される。平滑用コンデンサＣ１に充電された直流電力
は、変圧器４の１次巻線ＮＰとスイッチング素子５との
直列回路に供給され、高周波（通常２０〜２００ＫＨｚ
）で駆動されるスイッチング素子５によりオン／オフさ
れる。

これにより、変圧器４の２次巻線Ｎｓに交流電圧が発生
し、これがダイオード７によって整流されスイッチング
素子５がオンの時のみチョーク８と大容量のコンデンサ
１０からなるチョークインプット型平滑回路に加わる。

これにより、コンデンサ１０に、直流電圧Ｖ　ｏｕｔが
現われる。

ダイオード９は、スイッチング素子５がオフの時に、ス
イッチング素子５がオンの時チョーク８に蓄えられてい
たエネルギーを出力し続けるための転流用ダイオードで
ある。

スイッチング素子５をオン／オフ制御するフィードバッ
ク回路は、パルス幅制御回路１１とドライブ回路１２お
よび補助電源１３から構成される。

パルス幅制御回路１１が、直流出力電圧Ｖ　ｏｕｔを基
準電圧と比較し、その差信号をドライブ回路１２に出力
する。

ドライブ回路１２は、パルス幅変調した所定のスイッチ
ング周波数の駆動信号を変圧器６を介してスイッチング
素子５のベース／エミッタ間に印加してスイッチング素
子５を駆動するが、この時のパルス幅を、パルス幅制御
回路１１からの差信号に対応して、出力電圧Ｖ　ｏｕｔ
が基準電圧より高ければ狭く、低ければ広くする。

補助電源１３は、パルス幅制御回路１１およびドライブ
回路１２へ電源を供給する。

この一連のフィードバック回路１１．１２の動作により
直流出力電圧Ｖｏｕｔは常に一定となるように安定化さ
れる。

変圧器４の１次側に配置されたリセット巻線Ｎｒは、ス
イッチング素子５がオフの時に変圧器４の１次巻線ＮＰ
に発生するフライバックエネルギーを、ダイオード３と
リセット巻線Ｎｒおよび平滑用コンデンサＣ１からなる
直列回路で、平滑用コンデンサＣ１にもどそうとするも
のである。

動作の安定をはかるため平滑用コンデンサＣ１は大容量
（１００Ｖ入力、　１５０Ｗ出力時、１０００μＦ程度
）のものを使用しており、ダイオードブリッジ２の直流
出力端は、第４ｂ図のように充分平滑される。交流入力
電流は、第４ａ図に示す交流入力電圧波形の波高値が平
滑用コンデンサＣ１の両端電圧より低い時には流れない
。従って、ダイオードブリッジ・２の直流出力端の電流
は第４ｃ図に示す波形となり、交流入力電流は第４ｄ図
のような波形となる。

１００ｖ入力、　１５０Ｗ出力、平滑用コンデンサ１０
＝　ｔｏｏｏμＦ、の場合に、変換効率７７％、入力電
流のピーク値１２Ａ、実効値３．６Ａ　、力率０．５６
、となる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前記特開昭６３−１０７４５７号公報の整流平
滑回路によれば、インピーダンス素子として抵抗を使用
した場合、交流入力電圧の波高値が高いので充電電流を
押えるには数Ω〜数１０Ωの抵抗を必要とし、これによ
る平滑用コンデンサＣ１の充電損失が極めて大きい。イ
ンピーダンス素子にコイルを使用した場合には、充電電
流を押えるには数ｍＨ〜数Ｈのインダクタンスを必要と
するのでこのインダクタンスをもたらすコイルがきわめ
て大きくなり、電源装置の大型化、高価格化を招く。

また、バイパス用のダイオードも高耐圧で高定格電流の
ものが必要となり、この損失、コストも無視できない。

更には、交流入力電流は交流入力電圧波形の波高値が平
滑用コンデンサの両端電圧より高い時しか流れないため
、力率の改善に今夕しの難点がある。

第３図に示す従来例では、先に説明した問題がある。す
なわち、整流電流のピーク値が大きくなり、力率が低下
するとともに充電電流により平滑用コンデンサが内部損
失で発熱し、寿命の低下を招く。また、入力電力が大き
く高調波発生等の悪影響も無視できないために、システ
ムの安定性が低下し、高容量のノイズフィルタ回路、入
力保護用のフユーズやブレーカ等が必要になる。

本発明は、格別に電気回路を大型化、高コスト化するこ
となく、電力損失を低減しかつ力率を改善することを目
的とする。

〔課題を解決するための手段〕

本発明のスイッチングレギュレータは、交流入力を整流
する第１整流手段（２）と、その整流出力端間に接続さ
れた第１コンデンサ（ＣＩ）と、第１整流手段（２）の
プラス側整流出力端にともに一端が接続される一次巻線
（Ｎｐ）およびリセット巻線（Ｎｒ）を有するトランス
（４）と、前記整流出力端と前記一次巻線（Ｎｐ）の間
に介挿されたスイッチング素子（５）と、第１整流手段
（２）のマイナス側整流出力端から前記リセット巻線（
Ｎｒ）の他端に順方向となるように第１整流手段（２）
のマイナス側整流出力端とリセット巻線（Ｎｒ）の他端
の間に介挿された第２整流手段（３）と、前記トランス
（４）の二次巻ｍ　（Ｎｓ）に接続された整流平滑手段
（７〜１０）と、前記スイッチング素子（５）をオン／
オフするドライブ手段（１２）と、を有するスイッチン
グレギュレータにおいて、小容量の第１コンデンサ（Ｃ
１）より大きい容量を有する大容量の第２コンデンサ（
Ｃ２）のマイナス側を第１整流手段（２）のマイナス側
整流出力端に接続し、第２コンデンサ（Ｃ２）のプラス
側を、前記リセット巻線（Ｎｒ）の前記一端に接続する
と共に第３整流手段（Ｄ）をその順方向に介して前記一
次巻線（Ｎｐ）の前記一端に接続する。なお、カッコ内
の記号は、図面に示し後述する実施例の対応要素を示す
。

〔作用〕

スイッチング素子（５）がオンのとき、第１コンデンサ
（Ｃ１）は小容量であるので、即座に一次巻線（Ｎｐ）
に放電し、一次巻線（Ｎｐ）には、主に第１整流手段（
２）の出力が与えられる。スイッチング素子（５）がオ
フになったとき、第１コンデンサ（Ｃ１）に充電電流が
流れるが、その容量が小さいので、このピーク電流値は
低い。第１整流手段（２）と、大容量の第２コンデンサ
（Ｃ２）との間には第３整流手段（Ｄ）が介挿されてい
るので、第１整流手段（２）から第２コンデンサ（Ｃ２
）には充電電流が流れない。スイッチング手段（５）が
オフの時発生するフライバックエネルギーが、トランス
（４）のリセット巻線（Ｎｒ）から取り出されて、大容
量の第２コンデンサ（Ｃ２）に充電され、第３整流手段
ＣＤ）を介してトランス（４）の一次巻線（Ｎｐ）に印
加される。これにより、スイッチング素子（５）がオン
のときには、第１および第２コンデンサ（Ｃ１，Ｃ２）
および第１整流手段（２）が一次巻線（Ｎｐ）に電力を
供給する。

この第２コンデンサ（Ｃ２）が、第１整流手段（２）の
直流出力端における脈流電圧の谷の部分（交流入力電圧
の零レベル近傍）でもトランス（４）の一次巻線（Ｎｐ
）に電力を供給する（第１コンデンサＣ１の容量が小さ
いためこれにより吸収されない）ので、スイッチング手
段（５）が確実にスイッチングオン動作を行うので、交
流入力の低い領域（位相零、？Ｃの近傍）でも第１整流
手段（２）と１次巻線（Ｎｐ）の通電ループが維持され
、交流入力電圧の半波の広い範囲で交流電流が流れ、交
流入力の力率が改善する。

なお本発明においては、第１コンデンサ（Ｃ１）がなく
とも所期の動作が行われるが、スイッチング周波数およ
びその高調波ノイズが、入力交流電源ラインに流出する
おそれがあるので、第１コンデンサ（Ｃ１）は、それを
防止するノイズフィルタとして用いる。

本発明の他の目的および特徴は１図面を参照し説明した
以下の実施例の説明より明らかになろう。

〔実施例〕

第１図に、本発明の一実施例を示す、この第１図におい
て、第３図に示した従来例と同−又は対応部分には同一
符号をつけた。これらの説明については省略する。

第１図において、第１コンデンサＣ１は、スイッチング
素子５のスイッチング周波数およびその高調波ノイズが
入力交流電源ラインに流出するのを防止するノイズフィ
ルタとして機能するに十分な、小容量のものである。平
滑用コンデンサＣ１は。

１５０〜２００Ｗクラスの出力容量のスイッチングレギ
ュレータでは、数μＦ（１０μＦ以下）のコンデンサで
十分である。またこの平滑用コンデンサＣ２は、高周波
域で使用するために高周波特性のよいフィルムタイプも
しくは積層タイプが好ましい。

第２コンデンサＣ２は、フライバックエネルギー充電用
コンデンサであり、ダイオード３と、変圧器４のリセッ
ト巻線Ｎｒとで直列回路を構成している。フライバック
エネルギー充電用コンデンサＣ２は、１０〜１００μＦ
で十分機能を満たすので。

第１および第２コンデンサＣＬ、Ｃ２とフライバックエ
ネルギーを１次巻！Ｎｐに供給するダイオードＤを合わ
せたものは、従来例の平滑用コンデンサＣ１と大きさ、
コストを比較した場合十分優位となる。

ダイオードＤは、フライバックエネルギー充電用コンデ
ンサＣ２のプラス側からダイオードブリッジ２のプラス
側に向けて配置している。

変圧器４の１次巻線ＮＰとリセット巻線Ｎｒの巻線比は
ほぼ１対１であり、１次巻線ＮＰと２次巻線Ｎｓの巻線
比は小さくしている。

このような構成とすることで脈流電圧（第２ｂ図）の谷
間の部分でもスイッチング素子５が確実に動作しエネル
ギーを取り出し続けることができるので、これにより入
力電流（交流電流）の流れる時間が広がり力率が改善す
る。

第１図に示す実施例において、第２ａ図の交流入力電圧
波形に対するダイオードブリッジ２の直流出力部の電圧
波形は、従来例と比べて商用周波数に対する平滑能力は
劣り第２ｂ図のように、はぼ脈流となる。しかし、１次
巻線ＮＰに対してはフライバックエネルギーがコンデン
サＣ２からダイオードＤを介して印加され、脈流の谷間
の部分でもスイッチング素子５が安定したオン動作を行
い一次巻線Ｎｐの通電を行なう。従って、ダイオードブ
リッジ２の出力端における電流波形は第２ｃ図に示すよ
うに脈流電圧の谷間の近辺でも電流が流れ続けるように
なり、交流入力部の電流波形は第２ｄ図に示すように極
端なピークのない滑らかな、交流電圧と相似性が高い波
形となる。

１００　Ｖ入力、　ｉｓｏｗ出力、第１コンデンサＣ１
＝０．２２μＦ、フライバックエネルギー充電用コンデ
ンサＣ２＝１００μＦでスイッチングレギュレータを構
成した場合、変換効率＝７５％、入力電流のピーク値４
．ＯＡ、実効値２．２８Ａと、従来と比較して小さい値
が得られる。この時の力率は０．８８と太きく改善する
。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明のスイッチングレギュレータ
によれば、第１整流手段（２）の出力脈流の広範囲に渡
り安定したスイッチング動作が得られ、力率が向上する
。従って、第１整流手段（２）、入力回路フユーズ、入
力回路ブレーカ−９入力ノイズフイルタ一回路等が低容
量化、小型化および低コスト化する。また、突入電流防
止回路が不要となるので比較的小型で安価な電源装置を
用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を示す電気回路図である。 第２ａ図は、第１図に示すダイオードブリッジ２に印加
される交流電圧を示すタイムチャートである。 第２ｂ図は、第１図に示すダイオードブリッジ２の直流
出力電圧を示すタイムチャートである。 第２ｃ図は、第１図に示すダイオードブリッジ２の直流
出力電流を示すタイムチャートである。 第２ｄ図は、第１図に示すダイオードブリッジ２の入力
電流を示すタイムチャートである。 第３図は、従来のスイッチングレギュレータを示す電気
回路図である。 第４ａ図は、第３図に示すダイオードブリッジ２に印加
される交流電圧を示すタイムチャートである。 第４ｂＷＩは、第３図に示すダイオードブリッジ２の直
流出力電圧を示すタイムチャートである。 第４ｃ図は、第３図に示すダイオードブリッジ２の直流
出力電流を示すタイムチャートである。 第４ｄ図は、第３図に示すダイオードブリッジ２の入力
電流を示すタイムチャートである。 １：交流電源（交流入力）２：ダイオードブリッジ（第
１整流手段）３：ダイオード（第２整流手段）　　　　
　　４：変圧器（トランス）５ニスイツチング素子（ス
イッチング素子）６：変圧器７：ダイオード　　　　　
　　　　　　　８：チョークコイル９：ダイオード　１
０：平滑用コンデンサ（７〜１０：整流平滑手段）１１
：パルス幅制御回路　　　　１２ニドライブ回路（ドラ
イブ手段）１３：補助電源　　　　　　　Ｃ１：第１コ
ンデンサ（第１コンデンサ）Ｃ２：　第２コンデンサ（
第２コンデンサ）Ｄ：ダイオード（第３整流手段）　　
　　　　Ｎｐ：１次巻線（１次巻線）Ｎｓ：２次巻線（
２次巻線）　　　　　Ｎｒ：リセット巻線（リセット巻
線）Ｖｏｕｔ　：出力電圧

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 交流入力を整流する第１整流手段と、その整流出力端間
   に接続された第１コンデンサと、第１整流手段のプラス
   側整流出力端にともに一端が接続される一次巻線および
   リセット巻線を有するトランスと、前記整流出力端と前
   記一次巻線の間に介挿されたスイッチング素子と、第１
   整流手段のマイナス側整流出力端から前記リセット巻線
   の他端に順方向となるように第１整流手段のマイナス側
   整流出力端とリセット巻線の他端の間に介挿された第２
   整流手段と、前記トランスの二次巻線に接続された整流
   平滑手段と、前記スイッチング素子をオン／オフするド
   ライブ手段と、を有するスイッチングレギュレータにお
   いて、 小容量の第１コンデンサより大きい容量を有する大容量
   の第２コンデンサのマイナス側を第１整流手段のマイナ
   ス側整流出力端に接続し、第２コンデンサのプラス側を
   、前記リセット巻線の前記一端に接続すると共に第３整
   流手段をその順方向に介して前記一次巻線の前記一端に
   接続したことを特徴とするスイッチングレギュレータ。