JPH0365051A - 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するスイッチングレギュレータ
に関する。

〔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、−船釣な回路として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りプル値を小
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２出カスイツ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からの交流電力はノイズフィル
タＮＦを通して、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Ｃ１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Ｔ４の１
次巻線ＮＰとスイッチング素子４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４によりオン／オフされる。これにより
、変圧器Ｔ４の２次巻線Ｎ　ｓｌ　、　Ｎ　ｓ２に交流
電圧が発生し、これらがダイオード５，９によって整流
されスイッチング素子４がオンの時のみチョーク６、Ｉ
Ｏと大容量のコンデンサ８，１２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８
，１２に、直流電圧Ｖｏｕｔ、ＬＶｏｕｔ２が現われる
。

ダイオード７．１１は、スイッチング素子４がオフの時
に、スイッチング素子４がオンの時チョーク６．１０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４をオン／オフ制御するパルス幅制御
回路１３は、直流出力電圧Ｖｏｕｔ２を基準電圧と比較
し、その差信号を所定の周波数でパルス幅変調し、駆動
信号をドライブトランスＴ３を介してスイッチング素子
４のベース／エミッタ間に印加してスイッチング素子４
を駆動するが、この時のパルス幅を、差信号に対応して
、出力、電圧Ｖｏｕｔ２が基準電圧より高ければ狭く、
低ければ広くする。この動作により直流出力電圧は常に
一定となるように安定化される。

変圧器Ｔ４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４がオフの時に変圧器Ｔ４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８Ｉ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
出力は、第４ｂ図のように充分平滑される。しかしなが
ら交流入力電流は、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４０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。

ｔｏｏｖ入力、　ｉｓｏｗ出力、平滑用コンデンサＣ１
＝　１０００μＦ、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。従来例におけるスイッチングレギュレータの力
率は、−船釣には０．５〜０．６と言われており、この
力率を高くできればダイオードブリッジ２やノイズフィ
ルタＮＦの電流定格を下げることが可能となり、電源装
置の小型化等のメリットが大きい。

〔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
れた小容量の第１コンデンサ（Ｃ１）と、この容量より
も大きい容量の、第１整流手段（２）のマイナス側出力
端に一端が接続された第２コンデンサ（Ｃ２）と、第１
整流手段（２）のプラス側整流出力端に一端が接続され
る第１一次巻線（Ｎｐｌ）および第２コンデンサ（Ｃ２
）の他端に一端が接続されたリセット巻線（Ｎｒ）を有
する第１変圧手段（Ｔ１）と、前記整流出力端と第１一
次巻線（Ｎｐｌ）の間に介挿されたスイッチング素子（
４）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、第１変圧手段（Ｔ１）の二次巻線（Ｎｓｌ）に
接続された第１整流平滑手段（５〜８）と、前記スイッ
チング素子（４）をオン／オフするドライブ手段（１３
）と、前記スイッチング素子（４）および第２コンデン
サ（Ｃ２）に直列に接続された第２一次巻線（Ｎｐ２）
を有する第２変圧手段（Ｔ２）と、第２変圧手段（Ｔ２
）の二次巻線（Ｎａ３）に接続された第２整流平滑手段
（９〜１２）と、を備える。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（４）がオンのとき、第１コンデンサ
（Ｃ１）は小容量であるので、即座に第１一次巻線（Ｎ
ｐｌ）に放電し、第１一次巻線（Ｎｐｌ）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（４）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。

大容量の第２コンデンサ（Ｃ２）およびリセット巻線（
Ｎｒ）には第２整流手段（３）が直列に接続されている
ので、スイッチング手段（４）がオフの時発生するフラ
イバックエネルギーが、第１変圧手段（Ｔ１）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、これが第２変圧手段（Ｔ２）
の第２一次巻線（Ｎｐ２）に印加される。これにより、
スイッチング素子（４）がオンのときには、第２コンデ
ンサ（Ｃ２）が第２変圧手段（Ｔ２）の第２一次巻線（
Ｎｐ２）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）でも第２変圧手段（Ｔ２）の第２一次
巻線（Ｎｐ２）に電力を供給するので、該谷の部分でス
イッチング手段（４）が確実にスイッチングオン動作を
行う。これにより、交流入力の低い領域（位相零、πの
近傍）でも第１整流手段（２）と第１一次巻線（Ｎｐｌ
）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２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（１０μ
Ｆ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Ｃ１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Ｔ１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、１０〜１００μ
Ｆで十分機能を満たすので、第１および第２コンデンサ
Ｃ１，Ｃ２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
。

第１変圧器Ｔ１の１次巻線Ｎｐｌとリセット巻線Ｎｒの
巻線比はほぼ１対１である。

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４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。この脈流は第
１変圧器Ｔ１の第１一次巻線Ｎｐｌに印加され、第に次
巻線Ｎｓｌに発生した交流起電圧は、整流平滑回路５〜
８で整流平滑され、大容量出力Ｖｏｕｔｌとして出力さ
れる。

この大容量出力Ｖｏｕｔｌは、入力周波数リプル分を多
少含んだものである。１５０Ｗクラスの出力容量でこの
大容量出力Ｖｏｕｔｌの電圧が２４Ｖ　（５Ａ程度）の
場合１〜３ｖ位の入力周波数リプル分を含んでいる。複
写機等の電源の場合１通常２４Ｖは、モータ。

ソレノイド等の駆動用してい用いるのが一般的で、これ
位のりプル分を含んでも何ら問題はない。

コンデンサＣ２に充電されたエネルギーは、小容量出力
Ｖｏｕｔ２の第２の変圧器Ｔ２の第２一次巻線Ｎｐ２に
印加される。コンデンサＣ２の端子電圧波形は第２ｅ図
に示すように十分平滑化されており、小容量出力Ｖｏｕ
ｔ２は、高安定度でリプルもなく、複写機等の制御に必
要な５ｖ電源として最適である。

入力部の第１コンデンサＣ１の容量が小さいので、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
に示すように従来に比べて低くなり、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
な波形となる。

１００ｖ入力、　１５０Ｗ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＝１００１ＩＦ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％、入力電流のピ一り値４
．ＯＡ　、実効値２．３Ａと、従来と比較して小さい値
が得られる。この時の力率は０．８７と大きく改善する
。

〔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−２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２ｅ図は、第１図に示すコンデンサＣ２の電圧を示す
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４ｂ図は、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　　　　　　　　　　１１１Ｆ：ノイズフ
ィルタ２：ダイオードブリッジ備１整流手（支）３：ダ
イオード０兇整流手（支）　　　Ｔ１：第１変圧器悌１
変圧手（支）Ｔ２：第２変圧器０狂変圧手ｍ　　　　Ｔ
３：変圧器Ｔ４：変圧器　　　　　　　　４ニスイツチ
ング素子（スイッチング素子）５．９：ダイオード　　
　　　　　６．１０：チョークコイル７．１１：ダイオ
ード　　　　　　　８．１２：平滑用コンデンサ（５〜
８：第１整流平滑手（支）　　（９〜１２：第１整流平
滑手段）１３：ハルス幅制御回路　　　　　　ＣＨ第１
コンデンサ（第１コンデンサ）Ｃ２：第２コンデンサ備
２コンデンサ）Ｎｐｌ　：第１一次巻線幅１一次巻線）
Ｎｓｌ：第と次巻線■犯二次巻線）Ｎｒ：リセット巻線
（リセット巻線）

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 交流入力を整流する第１整流手段と、その整流出力端間
   に接続された小容量の第１コンデンサと、この容量より
   も大きい容量の、第１整流手段のマイナス側出力端に一
   端が接続された第２コンデンサと、第１整流手段のプラ
   ス側整流出力端に一端が接続される第１一次巻線および
   第２コンデンサの他端に一端が接続されたリセット巻線
   を有する第１変圧手段と、前記整流出力端と第１一次巻
   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、第１変圧手段の二次巻線に接続された第１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、前記スイッチング素子および第２コンデンサ
   に直列に接続された第２一次巻線を有する第２変圧手段
   と、第２変圧手段の二次巻線に接続された第２整流平滑
   手段と、を備える、スイッチングレギュレータ。