JPH08298773A

JPH08298773A - 平滑回路

Info

Publication number: JPH08298773A
Application number: JP7101401A
Authority: JP
Inventors: Yasuo Ohashi; 靖生大橋
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 1995-04-25
Filing date: 1995-04-25
Publication date: 1996-11-12

Abstract

(57)【要約】【目的】交流電源によって発生する、例えば５０Ｈ
ｚあるいは６０Ｈｚの低周波の交流電圧を整流、平滑す
る平滑回路において、得られる電流波形はＩＥＣ１００
０−３−２に基づいたガイドラインのクラスＡで規定す
る規格値に、また高調波電流はＩＥＣ１０００−３−２
に基づいたガイドラインのクラスＡで規定する規格値以
下にする。【構成】交流電圧を直流電圧に整流して負荷側に出
力する整流回路の一方の出力端には、平滑コンデンサと
インダクタからなる直列回路の平滑コンデンサ側の一端
を接続し、インダクタ側の他端は、スイッチング素子を
介して整流回路の他方の出力端に接続される。また、前
記直列回路の両端には、第一のダイオ−ドが並列に接続
される。さらに、スイッチング素子の両端には、第二の
コンデンサと第二のダイオ−ドからなる並列回路を接続
する。なお、スイッチング素子は、交流電圧の位相や電
圧に依存することなく交流電圧の周波数よりも高い周波
数でオン・オフの動作をさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、交流電源によって発生
する低周波数の交流電圧を直流電圧に変換し、この直流
電圧を負荷側へ出力する平滑回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図４を用いて、従来の一般にコンデンサ
インプット型平滑回路と呼ばれている平滑回路１を説明
する。平滑回路１は、整流回路２と、平滑コンデンサ３
とから構成される。整流回路２は、例えば単相ブリッジ
回路のような整流回路であり、交流電源４の出力端に接
続される。交流電源４は、例えば５０Ｈｚあるいは６０
Ｈｚのような低周波数の交流電圧を発生する。整流回路
２は、交流電源４によって発生した交流電圧を整流し、
得られた直流電圧を負荷側へ出力する。平滑コンデンサ
３は整流回路２の出力端に接続され、整流回路２によっ
て得られる直流電圧を平滑化する。平滑回路１は回路構
成が簡易で、コストメリットが大きいという特徴を有す
る。

【０００３】図５を用いて、従来の一般にチョ−クイン
プット型平滑回路と呼ばれている平滑回路５を説明す
る。平滑回路５は、整流回路２と、平滑コンデンサ３
と、インダクタ６とから構成される。整流回路２は、交
流電源４の出力端に接続される。整流回路２の出力端に
は、直列接続されたインダクタ６と平滑コンデンサ３か
らなる直列回路が接続される。インダクタ６と平滑コン
デンサ３は、整流回路２によって得られる直流電圧を平
滑化する。また、インダクタ６は平滑コンデンサ３の充
電電流のピ−ク値を抑制するので、平滑コンデンサ３に
電流が流れる時間すなわち整流回路２の導通幅を広げる
ことができる。この結果、ＩＥＣ（国際電気標準会議）
１０００草案、パ−ト３、セクション２（以下「ＩＥＣ
１０００−３−２」という）に基づいたガイドラインの
クラスＤで規定する規格値以下に高調波電流を抑制する
ことができる。なおＩＥＣ１０００−３−２に規定する
規格においては、各クラスごとに、高調波次数およびワ
ット当たりの最大許容高調波電流の定格負荷条件に対し
ての高調波電流の限度値および入力電流の波形を規定す
る包絡線に対する波形の形状が定められている。

【０００４】図６を用いて、従来の特公昭６０−４６６
３７号公報に開示されている他の平滑回路７を説明す
る。平滑回路７は、整流回路２と、平滑コンデンサ３
と、スイッチング素子８と、ダイオ−ド９とから構成さ
れる。スイッチング素子８としては、トランジスタが用
いられる。整流回路２は、交流電源４の出力端に接続さ
れる。整流回路２の一方の出力端には、スイッチング素
子８のコレクタが接続され、他方の出力端にはスイッチ
ング素子８のエミッタ−が平滑コンデンサ３を介して接
続される。スイッチング素子８のコレクタ−とエミッタ
−の間にはダイオ−ド９が、ダイオ−ド９のカソ−ド端
とスイッチング素子８のコレクタ−を共通接続して、並
列に接続される。スイッチング素子８のベ−スには、ス
イッチング素子８の駆動回路（図示せず）から交流電源
の周波数と同期した信号が印加される。スイッチング素
子８は、整流回路２から出力された直流電圧のピ−ク期
間にオフとなり、他の期間にはオンとなるように動作す
る。このため、平滑コンデンサ３への充電電流は、スイ
ッチング素子８によって制御される。平滑コンデンサ３
は、整流回路２によって得られる直流電圧を平滑化し、
ダイオ−ド９は、平滑コンデンサ３の放電電流を負荷側
に流す。この結果、平滑回路７においては、上述した図
４に示す平滑回路１よりも力率が改善され、また高調波
電流もある程度は抑制することができる。

【０００５】図７を用いて、従来の他の平滑回路１０を
説明する。この平滑回路１０は、整流回路２と、平滑コ
ンデンサ３と、インダクタ６と、スイッチング素子８
と、ダイオ−ド９とから構成される。整流回路２は、交
流電源４の出力端に接続される。また、スイッチング素
子８のコレクタ−には、インダクタ６を介して整流回路
２の一方の出力端が接続され、スイッチング素子８のエ
ミッタ−には、平滑コンデンサ３を介して整流回路２の
他方の出力端に接続される。スイッチング素子８のコレ
クタ−には、ダイオ−ド９のカソ−ドが接続され、ま
た、そのエミッタ−にはダイオ−ド９のアノ−ドが接続
される。スイッチング素子８のベ−スには、スイッチン
グ素子８の駆動回路から交流電源の周波数と同期した信
号が入力され、この信号によりスイッチング素子８は、
整流回路２から出力された直流電圧のピ−ク期間にオフ
となり、他の期間にはオンとなるように動作する。この
ため、平滑コンデンサ３への充電電流は、スイッチング
素子８によって制御される。平滑コンデンサ３は、整流
回路２によって得られる直流電圧を平滑化する。ダイオ
−ド９は、平滑コンデンサ３の放電電流を負荷側に流
す。また、インダクタ６は平滑コンデンサ３に流れ込む
電流を抑制するので、平滑コンデンサ３に電流が流れる
時間すなわち整流回路２の導通幅を広げることができ
る。この結果、平滑回路１０においては、上述した図６
に示す平滑回路７よりもさらに力率が改善され、また高
調波電流もさらに抑制することができる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た図４に示す平滑回路１においては、交流電圧のピ−ク
時にのみ整流回路２から平滑コンデンサ４に大きな充電
電流が流れるので力率が悪く、また大きな高調波電流が
流れるという欠点があった。従って、ＩＥＣ１０００−
３−２に基づいたガイドラインのクラスＤで規定する規
格値以下に高調波電流を抑制することができなかった。

【０００７】上述した図５に示す平滑回路５において
は、ＩＥＣ１０００−３−２に基づいたガイドラインの
クラスＤで規定する規格値以下に高調波電流を抑制する
ことができる。しかしながら、高調波電流を十分に抑制
するためには、大きなインダクタンスを有するインダク
タ６を用いる必要があり、平滑回路５の体積および重量
が共に大きくなるという欠点があった。例えば、出力が
１００Ｗの場合には、インダクタンスが２０ｍＨ程度の
インダクタ６を使用する必要があり、体積が８０ｃ
ｍ³、また重量が２００ｇ程度になってしまうという欠
点が有った。

【０００８】上述した図６に示す平滑回路７において
は、上述した図４に示す平滑回路１よりも力率が改善さ
れ、また高調波電流もある程度は抑制することができ
る。しかしながら、スイッチング素子８がオンしたとき
の平滑コンデンサ４への充電電流のピ−ク値が大きいた
め、ＩＥＣ１０００−３−２に基づいたガイドラインの
クラスＡで規定する規格値に基づく電流波形の条件を満
足させることが容易でないという問題があった。また、
高調波電流の抑制能力が必ずしも十分でなく、ＩＥＣ１
０００−３−２に基づいたガイドラインのクラスＡで規
定する規格値以下にすることができないという問題があ
った。さらに、スイッチング素子８の駆動回路では交流
電源の周波数と同期させるための機能が必要となるた
め、駆動回路が複雑となるという問題があった。

【０００９】上述した図７に示す平滑回路１０において
はインダクタ６の動作によって平滑コンデンサ４に流れ
る充電電流の波形を滑らかにすることができるので、平
滑回路７と比較して、力率をさらに改善し、また高調波
電流をさらに抑制することができる。この結果、電流波
形および高調波電流については、ＩＥＣ１０００−３−
２に基づいたガイドラインのクラスＡで規定する規格値
を満足することができる。しかしながら、例えば、出力
が１００Ｗの場合には、インダクタンスが２ｍＨ程度の
インダクタ６を使用する必要があり、体積および重量が
共に比較的大きくなるという欠点があった。また、スイ
ッチング素子８をオフにした場合、インダクタ６の電流
が急速に遮断されるため、負荷側にスパイク状の過電圧
が発生するという問題があった。さらに、スイッチング
素子８の駆動回路では交流電源の周波数と同期するため
の機能が必要となるため、駆動回路が複雑となる問題が
あった。

【００１０】そこで、本発明は、上述のような問題を解
決するもので回路構成が簡易で、小形、軽量な平滑回路
を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記目的を達
成するため、次のように構成される。すなわち、交流電
源の出力端に接続された整流回路と、平滑コンデンサと
インダクタを直列に接続してその一端が前記整流回路の
一方の出力端に接続された直列回路と、該直列回路と前
記整流回路の他方の出力端の間に接続されたスイッチン
グ素子と、前記直列回路の両端に接続された第一のダイ
オ−ドと、前記スイッチング素子の両端に接続された第
二のダイオ−ドおよび第二のコンデンサからなる並列回
路とを有するものである。

【００１２】

【作用】本発明の平滑回路におけるスイッチング素子
は、交流電源の位相や電圧に依存することなく、交流電
源の周波数よりも高い周波数でオン・オフする。

【００１３】スイッチ素子がオンすると、整流回路から
の電流が平滑コンデンサとインダクタの直列回路を通っ
て流れ、インダクタに電磁エネルギ−が蓄積される。次
に、スイッチング素子がオフになると、インダクタのエ
ネルギ−は当分第二のコンデンサに流れ、この第二のコ
ンデンサを充分に充電すると残りは第一のダイオ−ドを
通って平滑コンデンサに移行する。インダクタの電磁エ
ネルギ−が放電して零になると、今度は第二のコンデン
サの充電電荷がインダクタを流れ電磁エネルギ−を蓄積
する。第二のコンデンサの放電が完了すると、インダク
タのエネルギ−は負荷に流れ、第二のダイオ−ドを通っ
て放電される。この後は、次のサイクルが開始する。

【００１４】

【実施例】図１を用いて、本発明にかかる平滑回路の構
成を説明する。従来と同じ構成部分には同じ番号を使用
する。平滑回路は、整流回路２と、平滑コンデンサ３
と、インダクタ６と、スイッチング素子８と、第一のダ
イオ−ド１１と、第二のダイオ−ド１２と、第二のコン
デンサ１３とから構成される。スイッチング素子８とし
ては、トランジスタが用いられる。

【００１５】整流回路２は、例えば単相ブリッジ回路の
ような整流回路であり、交流電源４の出力端に接続され
る。交流電源４は、例えば５０Ｈｚあるいは６０Ｈｚの
ような低周波数の交流電圧を発生する。整流回路２は、
交流電源４によって発生した交流電圧を整流して得られ
た直流電圧を負荷側へ供給する。整流回路２の一方の出
力端には、平滑コンデンサ３の一端が接続される。この
平滑コンデンサ３は、整流回路２から出力された直流電
圧を平滑する。インダクタ６と平滑コンデンサ３は直列
に接続される。この直列回路におけるインダクタ６の他
端は、スイッチング素子８のコレクタ−に接続される。
スイッチング素子８のエミッタ−は、整流回路２の他方
の出力端に接続される。

【００１６】スイッチング素子８のベ−スには、駆動回
路（図示せず）から交流電源４の位相や電圧に依存する
ことなく、交流電源４の周波数よりも高い周波数でスイ
ッチング素子８をオン・オフ駆動させるためのパルス信
号が入力される。

【００１７】平滑コンデンサ３が接続された整流回路２
の出力端には第一のダイオ−ド１１のカソ−ド端が接続
され、第一のダイオ−ド１１のアノ−ド端はスイッチン
グ素子８のコレクタ−に接続される。第一のダイオ−ド
１１は、スイッチング素子８がオフの時にインダクタ６
に蓄積された電磁エネルギ−を平滑コンデンサ３に移行
させる。

【００１８】また、第二のダイオ−ド１２と第二のコン
デンサ１３が並列に接続され、第二のダイオ−ド１２の
カソ−ド端はスイッチング素子８のコレクタ−に接続さ
れ、第二のダイオ−ド１２のアノ−ド端はスイッチング
素子８のエミッタ−に接続される。第二のダイオ−ド１
２により、平滑コンデンサ３の放電電流は負荷側に流れ
る。なお、スイッチング素子８としてボディ−ダイオ−
ドを有するＭＯＳ−ＦＥＴ（ＭｅｔａｌＯｘｉｄｅ
Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ − ＦｉｅｌｄＥｆｆｅ
ｃｔＴｒａｎｓｉｓｔｏｒ）を用いれば第二のダイオ
−ド１２は使用しなくてもよい。また、駆動回路の周波
数が高い場合には、ＭＯＳ−ＦＥＴの寄生容量が活用で
きるので、第二のコンデンサ１３は使用しなくてもよ
い。

【００１９】次に、図２および図３に示す動作波形を用
いて、本発明の平滑回路の回路動作を説明をする。図２
および図３は平滑回路が定常状態になった場合を示す。
なお、交流電源４から平滑回路に電源が投入された過渡
期においてはスイッチ素子８はオフとなっているので、
整流回路２によって整流された電圧がインダクタ６の両
端にかかることになる。これを防止するため、例えばス
イッチング素子８のコレクタ−とエミッタ−間には、電
源が投入された過渡期にのみオンとなるスイッチと、こ
のスイッチと直列接続した抵抗からなる回路（図示せ
ず）を接続しておく。電源が投入された過渡期において
は、この回路によって平滑コンデンサ３は充電され、充
電が終了するとスイチッはオフにされる。この後にスイ
ッチング素子８をオンにするので、平滑コンデンサ３へ
の突入電流が防止される。

【００２０】図２において、Ｖａｃは交流電源４によっ
て発生した交流電圧を整流した後の電圧を示す。Ｖ３は
平滑コンデンサ３の両端電圧を示す。ｉｄｓはスイッチ
ング素子８を流れる電流を示す。ｉａｃはロ−パスフィ
ルタ（図示せず）を介した場合に交流電源４を流れる電
流を示す。なお、ｔは時間である。

【００２１】図３において、ｉ６はインダクタ６を流れ
る電流、Ｖ１３は第二のコンデンサ１３の両端電圧、ｉ
１３は第二のコンデンサ１３を流れる電流、ｉ１１は第
一のダイオ−ド１１を流れる電流、ｉ１２は第二のダイ
オ−ド１２を流れる電流、Ｖｇｓはスイッチング素子８
を動作させるための駆動信号（ゲ−トとソ−ス間の電
圧）、Ｖｄｓはスイッチング素子８の両端電圧（ドレイ
ンとソ−ス間の電圧）、ｉｄｓはスイッチング素子８を
流れる電流を各々時間ｔの経過とともに示す。なお、イ
ンダクタ６を流れる電流ｉ６は、平滑コンデンサ３を流
れる電流ｉ３と等しく、また、第二のコンデンサ１３の
両端電圧Ｖ１３は、スイッチング素子８のコレクタ−と
エミッタ−間の電圧Ｖｄｓと等しい。

【００２２】電圧Ｖａｃが、平滑コンデンサ３の両端の
電圧Ｖ３より大きく、かつスイッチング素子８がオンし
た時のみ、スイッチング素子８には電流ｉｄｓが流れ
る。また、インダクタ６は平滑コンデンサ３に流れる電
流ｉ３のピ−ク値を抑制するので、平滑コンデンサ３に
電流が流れる時間すなわち整流回路２の導通幅が広が
る。なお、スイッチング素子８を流れる電流ｉｄｓは、
インダクタ６に流れる電流ｉ６と等しい三角波状の電流
となる。この電流ｉｄｓをロ−パスフィルタを通過させ
ることにより連続した滑らかな電流ｉａｃが得られる。
ロ−パスフィルタは、例えばコイルとコンデンサを直列
に接続した直列回路であり、交流電源４の出力端に接続
される。この結果、力率が改善され高調波は低減され
る。

【００２３】次に、図３を用いてスイッチング素子８が
オン・オフした場合の回路動作について説明する。この
場合、交流電源４の周波数よりも高い周波数のパルス信
号をゲ−トに入力してスイッチング素子８をオン・オフ
させるので、スイッチング素子８がオンの時でもオフの
時でも電圧ＶａｃおよびＶ３の電圧変化は微小であり、
ほぼ一定とみなすことができる。なお、パルス信号のパ
ルス幅は、駆動回路で定められる。

【００２４】時刻ｔ０〜ｔ１の期間では、インダクタ６
に蓄えられた電磁エネルギ−は第二のダイオ−ド１２お
よび平滑コンデンサ３を介して負荷側に放出される。こ
の結果、インダクタ６を流れる電流ｉ６は直線的に減少
する。インダクタ６を流れる電流ｉ６は第二のダイオ−
ド１２を流れるのでスイッチング素子８のコレクタ−と
エミッタ−間の電圧Ｖｄｓはゼロである。従って、時刻
ｔ０〜ｔ１の間に、スイッチング素子８のベ−スに駆動
信号Ｖｇｓを入力してスイッチング素子８をタ−ンオン
しても、スイッチング素子８のコレクタ−とエミッタ−
間には電流ｉｄｓは流れない。

【００２５】時刻ｔ１〜ｔ２の期間では、インダクタ６
を流れる電流ｉ６はスイッチング素子８を流れ、直線的
に増加する。スイッチング素子８に電流が流れ出す時刻
ｔ１では、スイッチング素子８はすでにオン状態になっ
ているので、零電圧スイッチングとなる。なお、インダ
クタ６に流れる電流ｉ６とスイッチング素子８を流れる
電流ｉｄｓは等しい。

【００２６】時刻ｔ２〜ｔ３の期間では、時刻ｔ２でス
イッチング素子８の駆動信号Ｖｇｓが立ち下がりスイッ
チング素子８はタ−ンオフされてスイッチング素子８を
流れる電流ｉｄｓはゼロとなるが、インダクタ６を流れ
る電流ｉ６は第二のコンデンサ１３に流れ込む。第二の
コンデンサ１３には電流ｉ１３が流れ、第二のコンデン
サ１３の両端電圧Ｖ１３は上昇する。スイッチング素子
８のコレクタ−とエミッタ−間の電圧Ｖｄｓは、第二の
コンデンサ１３の両端の電圧Ｖ１３と等しい。従って、
スイッチング素子８の零電圧スイッチングが達成され、
またインダクタ６を流れる電流ｉ６の連続性が確保され
る。時刻ｔ３では、第二のコンデンサ１３の両端の電圧
Ｖ１３は、交流電圧を整流した電圧Ｖａｃに等しくな
る。

【００２７】時刻ｔ３〜ｔ４の期間では、第二のコンデ
ンサ１３の両端の電圧Ｖ１３は交流電圧を整流した電圧
Ｖａｃに等しく、第二のコンデンサ１３を流れる電流ｉ
１３はゼロとなる。インダクタ６を流れる電流ｉ６は、
第一のダイオ−ド１１を流れて直線的に減少し、時刻ｔ
４でゼロとなる。

【００２８】時刻ｔ４〜ｔ５の期間では、第一のダイオ
−ド１１の両端の電位差がないため、コンデンサ１３に
蓄えられた電荷はインダクタ６を介して負荷側に放電
し、時刻ｔ５で、第二のコンデンサ１３の両端電圧Ｖ１
３および第二のコンデンサ１３に流れる電流ｉ１３はゼ
ロとなる。

【００２９】時刻ｔ５〜ｔ６では、インダクタ６に蓄え
られた電磁エネルギ−が第二のダイオ−ド１２および平
滑コンデンサ３を介して負荷側に放出されて、直線的に
減少する。なお、時刻ｔ５〜ｔ６における回路動作は、
時刻ｔ０〜ｔ１の回路動作と同じである。以降ｔ１〜ｔ
６の回路動作を繰り返す。

【００３０】

【発明の効果】本発明の平滑回路は、上述のように構成
されるため、交流電源によって発生する交流電圧を整流
して得られる電流波形はＩＥＣ１０００−３−２に基づ
いたガイドラインのクラスＡで規定する規格値に、また
高調波電流はＩＥＣ１０００−３−２のガイドラインに
基づくクラスＡで規定する規格値以下にすることができ
る。すなわち、入力電流の波形を規定する包絡線と、交
流電圧を整流して得られる電流波形を重ね合わせた時
に、交流電圧を整流して得られる電流波形の５％以上が
包絡線の外側にあるという規格を満足させることがで
き、かつ高調波電流については高調波次数およびワット
当たりの最大許容高調波電流の定格負荷条件に対しての
高調波電流の限度値以下に抑えることができる。またイ
ンダクタに起因するスパイク状の過電圧を負荷側に印加
することもない。また、スイッチング素子の駆動回路
は、交流電圧と同期させずに、交流電源４の周波数より
も高い周波数でスイッチング素子８をオン・オフさせる
駆動信号を発生させるので回路が簡素化できる。更に、
スイッチング素子は零電圧スイッチングするので、スイ
ッチング損失、雑音が少なくなる。さらに、インダクタ
の小形・軽量化を図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の、平滑回路を示す回路図である。

【図２】本発明の、平滑回路の動作を示す動作波形図で
ある。

【図３】本発明の、平滑回路の各部品の動作を示す動作
波形図である。

【図４】従来の第一の平滑回路を示す回路図である。

【図５】従来の第二の平滑回路を示す回路図である。

【図６】従来の第三の平滑回路を示す回路図である。

【図７】従来の第四の平滑回路を示す回路図である。

【符号の説明】

２整流回路３平滑コンデンサ４交流電源６インダクタ８スイッチング素子９ダイオ−ド１１第一のダイオ−ド１２第二のダイオ−ド１３第二のコンデンサＶａｃ交流電源で発生した交流電圧を整流した電圧ｉａｃ交流電源を流れる電流Ｖ３平滑コンデンサの両端電圧ｉ３平滑コンデンサを流れる電流ｉ６インダクタを流れる電流ｉ１１第一のダイオ−ドを流れる電流ｉ１２第二のダイオ−ドを流れる電流Ｖ１３第二のコンデンサの両端電圧ｉ１３第二のコンデンサを流れる電流Ｖｇｓスイッチング素子を動作させる駆動信号Ｖｄｓスイッチング素子の両端電圧ｉｄｓスイッチング素子を流れる電流

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】交流電源の出力端に接続された整流回路
と、平滑コンデンサとインダクタを直列に接続してその
一端が前記整流回路の一方の出力端に接続された直列回
路と、該直列回路と前記整流回路の他方の出力端の間に
接続されたスイッチング素子と、前記直列回路の両端に
接続された第一のダイオ−ドと、前記スイッチング素子
の両端に接続された第二のダイオ−ドおよび第二のコン
デンサからなる並列回路とを有することを特徴とする平
滑回路。