JPH04331467A - スイッチング電源装置 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電源を直流電源に
変換するスイッチング電源装置のリップル低減方式に関
する。

【０００２】

【従来の技術】商用電源を直流電源に変換するスイッチ
ング電源のＡＣ・ＤＣ変換部には、一般にコンデンサー
インプット方式が利用されているため、この方式の力率
は、０．６〜０．７程度である。そこで、力率を改善す
るために、交流電源を全波整流した後に、スイッチング
素子を用いたアクティブ平滑フィルターを挿入した回路
が提案された。この方式では、入力電流が入力電圧に追
従するように制御し、入力電流をほぼ正弦波状に変化さ
せるため力率を非常に高くできる。

【０００３】しかしながら、図６のＡに示すように、入
力電圧Ｖｉ、入力電流Ｉｉは正弦波状に変化にし、その
積として与えられる入力電力Ｐｉも時間的に変化してい
る。一方、出力は電圧Ｖｏ、電流Ｉｏ及び電力Ｐｏとも
時間的に変化しない一定の値にしたいという課題がある
。そのために、出力段に平滑用コンデンサーを接続して
入出力電力の過不足分を調整している。従って、コンデ
ンサーのリップル電流Ｉｃは、図６のＢに示すように、
入力電力Ｐｉが出力電力Ｐｏより大きいときはコンデン
サーに流れ込み、その逆の場合は、コンデンサーから流
れ出す。以上のように、コンデンサーのリップル電流に
起因する出力リップル電圧Ｖｒは、図６のＢに示すよう
に、商用電源周波数の２倍の周波数で変化し、ほぼ正弦
波状となる。このリップル電圧は、出力電圧とコンデン
サーの容量で決まるものであり、リップルを抑えるため
にはコンデンサーの容量を大きくしなければならず、電
源のサイズアップにつながる。

【０００４】さらに、スイッチング電源におけるリップ
ル低減方式として、図５のＡに示すような方式が提案さ
れている。同図の方式について簡単に説明する。この方
式は、交流電源ＡＣｉｎを全波整流器２１で整流し、整
流出力を高周波フイルタ２２を介してスイッチング素子
２７に供給する。上記スイッチング素子２７はパルス幅
変調制御することによりスイッチング動作を行うパルス
幅変調方式によるスイッチング電源方式である。このパ
ルス幅変調制御をするスイッチングパルスについて詳述
する。このスイッチング電源方式は、商用電源から供給
される交流入力ＡＣｉｎを全波整流する入力整流部２１
の出力側に設けられた高周波フイルタ２２を介して得ら
れる全波整流出力の電圧を検出する入力電圧検出部２３
と、出力トランス２４の二次コイル４ｓに得られる出力
を整流する出力整流部２５による整流出力電圧を検出す
る出力電圧検出部２６による検出出力を増幅して、上記
出力トランス２４の一次コイル４ｐに接続されたスイッ
チング素子２７のスイッチング動作をパルス幅変調（Ｐ
ＷＭ）制御するＰＷＭ制御部２８に供給する可変利得増
幅回路２９とを備え、上記入力電圧検出部２３による検
出出力にて可変利得増幅回路２９の利得を制御する構成
となっている。

【０００５】上記ＰＷＭ制御によるスイッチング電源方
式の動作を説明する。入力整流部２１による整流出力に
ついて、図５のＢに示すように、上記整流出力電圧が所
定電圧Ｖ１に上昇している高電圧期間ＴＨを電圧検出部
２３で検出し、その検出出力で可変利得増幅回路２９の
利得を高電圧期間ＴＨ中低下させる。また、出力電圧検
出部２６は、出力トランス４の二次コイル４ｓに得られ
る出力を整流する出力整流部２５による整流出力ＤＣｏ
ｕｔのリップル電圧成分を所定の出力基準電圧Ｖｏで検
出して、その検出出力を可変利得増幅回路２９を介して
ＰＷＭ制御部２８に供給する。そして、ＰＷＭ制御部２
８は、上記検出出力に応じてパルス幅変調されたスイッ
チングパルスを形成して、このスイッチングパルスによ
りスイッチング素子２７をスイッチング動作させる。

【０００６】すなわち、上記入力整流部２１による整流
出力電圧が所定電圧Ｖ１以上に上昇している高電圧期間
ＴＨを検出して、この期間中可変利得増幅回路２９の利
得を低下させる制御を行うことによって、スイッチング
素子２７が整流出力の低電圧期間ＴＬ中に大部分の電力
伝送を行うように、スイッチング駆動される。このよう
に、低電圧期間中に大部分の電力伝送を行うようにすれ
ば、スイッチング素子のスイッチング動作により発生す
るパルスも低いので、スイッチング素子自体の耐圧に余
裕を持たせることができる。しかしながら、上記スイッ
チング電源方式は、入力電圧（全波整流電圧）が出力基
準電圧Ｖｏ以下の期間ではスイッチングを行わず、電力
伝送を行わないために出力電圧が低下する。これを補う
ためにＴＬ期間中に電力伝送をおこなうものであるから
、電力伝送を行わない期間が存在するために、それだけ
力率を高くできないことになる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、力率が高く
、直流出力電圧のリップル分を低減できるスイッチング
電源を提供するものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、交流電源を直
流電源に変換するスイッチング電源において、入力電流
を入力電圧に比例させずに流し、力率を改善するととも
に、入力電力の時間的変化を少なくし、出力リップル電
圧を低減するものである。

【０００９】

【実施例】図３は、本発明スイッチング電源の構成図を
示している。同図に示すように、本発明スイッチング電
源は、基本的に入力整流部１、高周波電圧変換部２、出
力整流部３、コントロール部４から構成されており、商
用電源を入力とし、直流安定化電源を得るものである。 前記コントロール部４に、出力整流部３の出力電圧と入
力整流部１で全波整流された入力電圧Ｖｉと例えばＦＥ
Ｔからなるスイッチング素子５に流れる電流を電流検出
素子６で検出した検出電流とを入力して、出力電圧Ｖｏ
が一定になるように、スイッチング素子５の駆動パルス
幅を制御する。そして、このコントロール部４において
、図４に示すように入力電流Ｉｉを全体として入力電圧
Ｖｉに比例させずに流すために、入力電圧Ｖｉがある一
定電圧値Ｖ１以下の期間Ａは、入力電圧Ｖｉに比例し、
一定電圧値Ｖ１より高い入力電圧期間Ｂは、入力電圧Ｖ
ｉに反比例するように入力電流Ｉｉを制御し、前記期間
Ｂにおける入力電力Ｐｉを平均化して出力電圧Ｖｏのリ
ップル分を低減させる。この際上記一定電圧値Ｖ１は、
前記比例反比例切り換えの基準電圧として利用される。

【００１０】以下、前記本発明の構成図において、入力
電流Ｉｉの波形を図４に示す波形に変換するとともに、
前記スイッチング素子５をＰＷＭ制御駆動するコントロ
ール部４について詳述する。図１は、前記コントロール
部４の詳細を、また図２は，その動作波形図をそれぞれ
示している。商用電源をノイズフィルタ７を経て入力整
流部１で全波整流した後の入力電圧Ｖｉを抵抗Ｒ１とＲ
２で分圧して検出し、全波整流電圧に比例した信号■と
、インバータ８を通して反比例した信号■を作る。

【００１１】また、切り換え信号発生器９において、前
記全波整流電圧の検出電圧をもとに、前記一定電圧Ｖ１
が分圧された一定電圧Ｖｔｈを基準にして、低電圧部と
高電圧部の期間Ａ及びＢを検出し、低電圧部期間Ａに対
応するパルス幅を有する所定振幅のパルス信号■を作る
。さらに、セレクタ１０は、上記全波整流電圧に比例し
た信号■と反比例した信号■を、前記切り換え信号発生
器９からのパルス信号■をもとに、期間Ａでは信号■を
、期間Ｂでは信号■を選択するように切り換え動作を行
い、■に示す電圧波形に変換し、入力電流波形のもとと
なる変換電圧信号■を作る。

【００１２】一方、誤差増幅器１１に反転増幅器を使用
すると、その出力■は、実際の直流出力電圧が設定値よ
り低い場合（ａ）は、両者が等しい場合（ｂ）の出力よ
り大きくなり、逆に高い場合（ｃ）では小さくなる。従
って、電流指令値となる信号■は、■と■の乗算により
発生させるので、出力電圧が小さいときは大きく、大き
いときは小さくなる。スイッチング素子５に流れる電流
の検出値■は前記指令値■と比較され、検出値■のほう
が低いときはスイッチング素子５はオンし、検出値■が
指令値■と等しくなるとオフするようにする。そして、
前記オンするタイミングはオシレータ１２の出力信号■
により決定し、指令値■、検出値■、出力信号■をＰＷ
Ｍ信号発生器１３に入力しＰＷＭ信号■を発生させる。

【００１３】以上により、直流出力電圧が設定値より低
い時は、パルス幅が広がり出力電圧が上り、逆に高い時
はパルス幅が狭くなり出力電圧が下がるため出力電圧を
一定に保つことができる。さらに、入力電流はスイッチ
ング素子に流れる電流（■の実線部）と出力整流部３の
整流ダイオードを流れる電流（■の点線部）との和とな
り、指令値■に追従するため、力率を高くできる。

【００１４】一方、出力整流部３の直流出力電圧Ｖｏを
一定にするために、該直流出力電圧を抵抗Ｒ３とＲ４で
分圧して検出し、誤差増幅部１１により前記直流出力電
圧を設定する基準電圧１４と比較して誤差電圧信号を検
出し、増幅し入力電流波形の大きさのもととする。

【００１５】前記変換電圧信号■と前記誤差電圧信号と
を乗算器１５で掛け合せ、スイッチング素子５に流れる
電流の指令値を作る。この指令値と電流検出部１６で検
出した実際にスイッチング素子５を流れる電流値とオシ
レータ１２の出力信号とをＰＷＭ信号発生器１３に入力
し、該ＰＷＭ信号発生器１３よりＰＷＭ制御出力信号■
を出力する。このＰＷＭ制御出力信号■をもとに駆動部
１７を通してスイッチング素子５を駆動する。

【００１６】以上の制御により、図４に示すように期間
Ａでは入力電圧Ｖｉに比例し、期間Ｂでは反比例した入
力電流Ｉｉが得られる。これにより、入力電流Ｉｉと入
力電圧Ｖｉの積である入力電力の瞬時値ｐｉは、期間Ｂ
において一定の値となる。このため、図４に示すように
入力電力Ｐｉと出力電力Ｐｏの差分を少なくでき、出力
整流部３における平滑コンデンサー１８による調整分を
減らすことができる。従って、従来と同容量の平滑コン
デンサーを使用しても、図４に示すように出力電圧Ｖｏ
のリップル電圧Ｖｒを減少できる。

【００１７】本実施例の高周波電圧変換部には、ブース
ト型チョッパ回路を使用しているので理論的には出力電
圧を入力電圧より高く設定していれば、入力電圧が低く
てもスイッチングのデューティを大きくしていくことで
出力設定値に昇圧できるが、実際には、スイッチング素
子のスイッチング性能などの制限によりデューティには
上限がある。従って、入力電圧が低過ぎる場合（図４の
ＶＬ以下）では、出力整流部３のダイオード１９のアノ
ード側電圧が出力電圧以下になりダイードが導通できず
出力平滑コンデンサ１８は完全な放電状態になる。ただ
し、この期間でもスイッチング素子は、最大デューティ
Ｄｍａｘでスイッチングを行っている。出力リップル電
圧波形は、期間Ａのうち入力電力Ｐｉが出力電力Ｐｏ以
下では低下し、そのほかの期間では上昇するため図４の
ような波形Ｖｒとなる。

【００１８】

【発明の効果】本発明は、入力整流部で整流した後の入
力電流を入力電圧に所定高電圧期間反比例するように変
化させるため、入力電力の平均化が図れ、出力リップル
電圧を低減させることができる。また前記入力電圧の所
定低電圧期間、入力電流を比例させて変化させることに
より、入力電流のピーク値を従来の正弦波に入力電流を
変化させる方式とほぼ同じに抑えることができる。さら
に、入力電流はほぼ全区間で流れるため力率を９０±５
％まで高くすることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す図である。

【図２】本発明実施例のコントロール部の動作波形図で
ある。

【図３】本発明の全体構成図である。

【図４】本発明の入出力信号の波形図である。

【図５】従来のスイッチング電源装置および入出力波形
を示す図である。

【図６】従来のスイッチング電源装置の入出力波形の説
明図である。

【符号の説明】

１・・入力整流部　　２・・高周波電圧変換部　　３・
・出力整流部　　４・・コントロール部　　５・・スイ
ッチング素子　　６・・電流検出素子　　８・・インバ
ータ９・・切り換え信号発生器　　１０・・セレクタ　
　１１・・誤差差増幅器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　交流電源を整流した整流出力が供給さ
   れるスイッチング素子を備え、上記スイッチング素子の
   駆動パルスのデューティを制御することにより、出力を
   安定化するようにしたスイッチング電源装置のリップル
   低減方式において、出力電圧の設定値との誤差電圧と整
   流後の入力電圧の低電圧期間及び高電圧期間の電圧と前
   記スイッチング素子に流れている電流とを検出し、前記
   低電圧期間は入力電流が前記入力電圧に比例し、前記高
   電圧期間は入力電流が前記入力電圧に反比例するように
   制御された電圧と前記誤差電圧とを乗算してなるスイッ
   チング素子に流れる電流の指令値と、前記スイッチング
   素子に流れている電流とで駆動パルスのデューティを制
   御することを特徴とするスイッチング電源装置のリップ
   ル低減方式。