JPH09163743A - 直流電源装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡単な構成で異常な発振やノイズを防止し、
力率を改善する。 【解決手段】 交流電源１から入力する交流を全波整流
するダイオードブリッジ２と平滑コンデンサ３との間に
介挿したチョークコイル５と進相用のコンデンサ６との
並列回路に、平滑コンデンサ３を充電する向きにダイオ
ードＤ１を直列に接続して移相回路７を構成する。ダイ
オードＤ１は、ダイオードブリッジ２の出力電圧が平滑
コンデンサ３の端子間電圧より低い時に、平滑コンデン
サ３から並列回路に逆流する電流を遮断するから、ダイ
オードブリッジ２の出力電圧に異常な発振やスパイク性
の立上りが発生せず、ノイズが減少して力率が向上す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、チョーク入力型
の平滑回路を備えた直流電源装置に関る。

【０００２】

【従来の技術】商用交流電力を全波整流して得られた直
流電力の電圧はリップルが大きく、商用周波数（５０Ｈ
ｚまたは６０Ｈｚ）の主として偶数高周波成分が大量に
含まれているため、そのまま負荷に供給することは出来
ない。

【０００３】リップルが大きい直流電力の電圧を平滑し
て、リップル分を目的に応じた許容値以下に抑えるため
の平滑回路として、コンデンサ入力型とチョーク入力型
とがよく知られているが、商用周波数が低周波であるた
め、全波整流してもリップル分の基本波は１００Ｈｚ又
は１２０Ｈｚ程度であるから、コンデンサ入力型の入力
段のコンデンサの容量又はチョーク入力型の入力段のチ
ョークコイルのインダクタンスを、それぞれ大きく設定
しなければならない。

【０００４】そのため、コンデンサ入力型の平滑回路は
導通角が狹くなり、入力交流電流のピーク値が過大にな
って力率が低下するから、交流電源のみならず同じ交流
ラインに接続された他の機器にも悪影響を及ぼすと共
に、特に入力段の平滑コンデンサに流れるリップル電流
も大きくなり、内部損失による発熱で内部温度が上昇
し、平滑コンデンサの寿命を劣下させるという問題があ
った。

【０００５】さらに、コンデンサ入力型においては、軽
負荷時には出力電圧が高く、負荷電流の増大と共に出力
電圧が急激に低下する。すなわち、負荷変動に対する電
圧安定度が極めて悪いため、常時一定負荷であるか変動
率（変動幅／中心負荷）が少ない負荷には使用出来る
が、変動率が大きいか変動の激しい負荷には適さないと
いう問題があった。

【０００６】一方、図６に示すチョーク入力型の平滑回
路（ただし破線で示したダイオードＤ６がショートされ
た状態）は、交流電源１１から入力する交流電力をダイ
オードブリッジ１２で全波整流し、チョークコイル１５
を介して平滑コンデンサ１３を充電することにより平滑
して負荷１４に供給する。このチョーク入力型の平滑回
路は、コンデンサ入力型に比べて導通角が広くなり、入
力交流電流のピーク値が抑えられて力率が向上し、直流
電力の電圧，電流のリップルも減少する。

【０００７】したがって、交流電源や他の機器及び平滑
コンデンサの寿命等に対する悪影響も少なくなり、軽負
荷時の出力電圧が若干低くなる代りに負荷変動に対する
電圧安定度が遙かに向上するという長所を持っている。
ただし、入力交流電流のピーク値を抑えるためにチョー
クコイル１５のインダクタンスを余り大きくすると、入
力電流の位相が遅れて導通角が狹くなり、力率も低下す
る。

【０００８】しかしながら負荷１４が、例えば任意の出
力電圧の直流電力に変換するＤＣ−ＤＣコンバータ、又
は周波数可変の交流電力に変換するインバータのよう
に、入力側に高周波のスイッチング回路を設けたもので
ある場合は、例えば図７に示すように、ダイオードブリ
ッジ１２の出力電圧及び入力電流の波形が、抵抗性又は
容量性負荷の場合に比べて、大きく変化する。

【０００９】図７の（Ａ）及び（Ｂ）にそれぞれ示した
ダイオードブリッジ１２の直流出力電圧Ｖｒ及び交流入
力電流Ｉａｃの波形図は、図６に示したチョークコイル
１５のインダクタンスＬをそれぞれＬ＝１５ｍＨ及びＬ
＝４３ｍＨにした場合の一例であり、破線で示したダイ
オードＤ６を介挿した状態での波形図である。

【００１０】図７の（Ｂ）に示した電流Ｉａｃの波形
は、ダイオードＤ６の有無によって殆んど変化しない
が、Ｌ＝１５ｍＨの場合の電流Ｉａｃの負の終端時に同
図の（Ａ）に示した電圧Ｖｒの波形に現れるスパイク性
の立上りは、ダイオードＤ６の両端をショートすると２
〜３倍程度に大きくなって観測困難になるため、ダイオ
ードＤ６を介挿したものである。

【００１１】図７の（Ａ）には示されていないが、ダイ
オードＤ６をショートすると、Ｌ＝１５ｍＨの場合の電
流Ｉａｃの正の終端時にもスパイク性の立上りが現れ、
またＬ＝４３ｍＨにした場合でもスパイク性の立上りが
現れることがある。

【００１２】図７から明らかなように、入力電流Ｉａｃ
の終端時に出力電圧Ｖｒが急に高くなり、出力電圧Ｖｒ
が高い電圧を保持していても、入力する交流電圧の絶対
値が保持されている電圧に達するまでは、入力電流Ｉａ
ｃが流れない。また、チョークコイル１５のインダクタ
ンスＬが大きくなるに従って電流Ｉａｃのピーク値は低
くなるが、位相の遅れが大きくなるから導通角が狭くな
り、必ずしも力率は向上せず、インダクタンスＬが過大
になればかえって力率が低下する。

【００１３】位相の遅れを解決するために、例えば図８
に示すように、チョークコイル１５に並列に進相用のコ
ンデンサ１６を接続して、チョークコイル１５により位
相が遅れる電流Ｉａｃに、コンデンサ１６により位相が
進んだ電流を加えることにより、電流の流れ始めを早く
して導通角を広げ、力率を向上させるようにしたものが
あった。しかしながら、図８に示したチョークコイル１
５とコンデンサ１６の並列回路を設けたものには、発明
の実施の形態の欄で後述するような問題がある。

【００１４】そのため、例えば特開平１−２４８９６６
号公報、又は特開平３−９８４６８号公報の第２図、あ
るいは特開平５−１９９７５８号公報の図１の（ｄ）に
それぞれ示されたように、図８に示したチョークコイル
１５とコンデンサ１６との並列回路において、チョーク
コイル１５に直列に電流がダイオードブリッジ１２から
平滑コンデンサ１３に流れる向きにダイオードを接続す
るという提案があった。

【００１５】あるいは、特開平５−１９９７５８号公報
の図１の（ａ）乃至（ｃ）に示されたような各種の提案
があった。なお、特開平３−９８４６８号公報の第１
図、及び特開平５−１９９７５８号公報の図１の（ｅ）
にそれぞれ示された提案は、図から明らかなようにコン
デンサ入力型の平滑回路に関するものであるから、関係
がない。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】上記の図８に示した並
列回路のチョークコイル１５に直列にダイオードを接続
する提案は、すなわちチョークコイル１５とダイオード
との直列回路に並列にコンデンサ１６を接続したもので
あるから、負荷１４の入力段がスイッチング回路である
と、そのスイッチングによる高周波ノイズがコンデンサ
１６をショート的に通過し、ダイオードブリッジ１２を
介して交流電源１１側にリークするという問題がある。

【００１７】さらに、入力段がスイッチング回路である
インバータ，ＤＣ−ＤＣコンバータ等の出力段に接続さ
れた負荷の変動によって、等価的に負荷１４が急激な変
化を繰り返す場合には、コンデンサ１６と平滑コンデン
サ１３の容量比によっては互いに充放電を繰り返すた
め、平滑コンデンサ１３の端子間電圧の変動が大きくな
って、直流電源としての安定度が大きく損われるという
問題もあった。

【００１８】また、特開平５−１９９７５８号公報の図
１の（ａ）乃至（ｃ）に示された各種の提案のうち、先
ず図１の（ｃ）に示された提案は、過大な共振電圧が発
生して、図８の説明の中で後述する問題と述べたことと
同様な問題が発生する恐れが大きい。

【００１９】さらに、図１の（ａ），（ｂ）に示された
提案は、コンデンサ３３に直列に接続した抵抗３５の抵
抗値にもよるが、その抵抗値が高ければコンデンサ３３
の効果が失われ、低ければ図１の（ｃ）に示された提案
と同様な問題が発生する。

【００２０】この発明は上記の点に鑑みてなされたもの
であり、簡単な構成で異常な発振やノイズを防止して力
率を改善することを目的とする。

【００２１】

【課題を解決するための手段】この発明は上記の目的を
達成するため、入力する交流電力を全波整流して直流電
力に変換するダイオードブリッジと、チョークコイルと
平滑コンデンサとからなり変換された直流電力を平滑す
るチョーク入力型の平滑回路とを備えた直流電源装置に
おいて、それぞれ次のようにしたものである。

【００２２】すなわち、チョークコイルに並列に進相用
のコンデンサを接続し、該コンデンサとチョークコイル
との並列回路に直列に平滑コンデンサを充電する向きに
ダイオードを接続したものである。

【００２３】あるいは、チョークコイルに直列に平滑コ
ンデンサを充電する向きに第１のダイオードを接続し、
チョークコイルと第１のダイオードとの直列回路に、進
相用のコンデンサと平滑コンデンサを充電する向きに接
続した第２のダイオードとの直列回路を並列に接続した
ものである。

【００２４】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態を図
面を参照しながら具体的に説明する。図１は、この発明
の第１の実施形態である直流電源装置の構成の一例を示
す回路図である。

【００２５】図１に示した直流電源装置は、ダイオード
ブリッジ２と平滑コンデンサ３と、ダイオードブリッジ
２の正負の出力端子２ｐ，２ｎと平滑コンデンサ３の正
負の端子との間をそれぞれ結ぶ正負のラインと、正のラ
インに介挿された移相回路７とにより構成され、ダイオ
ードブリッジ２の入力端子には交流電源１が、平滑コン
デンサ３の正負の端子には図示しないスイッチング回路
を入力段とする負荷４が、それぞれ接続されている。

【００２６】移相回路７は、入力側（ダイオードブリッ
ジ２側）の低周波用のチョークコイル５と進相用のコン
デンサであるコンデンサ６との並列回路と、該並列回路
に直列に接続された出力側（平滑コンデンサ３側）のダ
イオードＤ１とからなり、ダイオードＤ１は電流がダイ
オードブリッジ２から平滑コンデンサ３に流れる向き、
すなわち平滑コンデンサ３を充電する向きに接続されて
いる。

【００２７】図２は、図１に示した直流電源装置におい
て、チョークコイル５のインダクタンスＬをＬ＝１５ｍ
Ｈ、コンデンサ６の容量ＣをＣ＝３４μＦとした場合
の、ダイオードブリッジ２の出力電圧Ｖｒと入力交流電
流Ｉａｃの変化の一例を示す波形図である。

【００２８】図２の（Ａ）は、ダイオードブリッジ２の
負の出力端子２ｎの電圧を基準（０Ｖ）とした正の出力
端子２ｐの電圧すなわち出力電圧Ｖｒを、図２の（Ｂ）
は、交流電源１からダイオードブリッジ２に入力する交
流電流Ｉａｃをそれぞれ示している。

【００２９】図２の（Ａ）に一部を破線で示した電圧波
形は、図１に示したダイオードＤ１の両端をショートし
た場合、すなわち図８に示した従来例のチョークコイル
１５とコンデンサ１６との並列回路のみの場合の波形を
示している。この場合は、並列回路が全波整流による電
源周波数の２倍の基本波に対して並列共振するために、
本来は電圧波形の谷間になるところで、実線で示した出
力電圧Ｖｒの最大値より高いピークをもつ跳ね上りが発
生する。

【００３０】なお、図６に示した従来例のチョークコイ
ル１５のみの場合の波形も、図７の（Ａ）に示したよう
に、本来は電圧波形の谷間になるところで、しばしばス
パイク性の立上りを伴うやや右下りのフラットな電圧が
発生するが、これは電流が流れなかったためのチョーク
コイル１５の逆起電力によるものであり、瞬間的な立上
り部分を除いては出力電圧Ｖｒの最大値を超えるもので
はない。

【００３１】しかしながら、図８に示した共振回路を備
えた例では、ダイオードブリッジ１２の出力電圧Ｖｒが
平滑コンデンサ１３の端子間電圧（以下「Ｖｃ」とす
る）より低い間は、平滑コンデンサ１３から並列回路に
電流が逆流して、図２の（Ａ）に破線で示した過大な電
圧が出力電圧Ｖｒに現われる。そのため、ダイオードブ
リッジ１２のみならず並列回路を構成するチョークコイ
ル１５とコンデンサ１６、場合によっては平滑コンデン
サ１３にも過大な電圧が印加されて破壊する等の致命的
な障害を及ぼす恐れがある。

【００３２】図１に示した移相回路７は、チョークコイ
ル５とコンデンサ６からなる並列回路に直列にダイオー
ドＤ１を接続して、平滑コンデンサ３から並列回路への
逆流を防止している。そのため、図２の（Ａ）に実線で
示したように出力電圧Ｖｒの跳ね上りが消えて、若干の
あばれは認められるが、本来の電圧波形の谷間が現れ、
過大な電圧の発生による各素子の破壊が防止される。

【００３３】さらに、ダイオードブリッジ２と負荷４と
がコンデンサ６を介して直接に接続されていないから、
負荷４の図示しない入力段のスイッチング回路のスイッ
チングによる高周波ノイズがショート的にダイオードブ
リッジ２に伝わって、交流電源１にリークすることがな
い。従って、跳ね上りの消滅と共に、ＥＭＩすなわち電
気磁気的な障害が大幅に抑制される。

【００３４】図２の（Ｂ）に示した入力交流電流Ｉａｃ
の波形は、ダイオードＤ１の有無によって余り変らない
が、電流波形の後半のピークを伴う滑らかな部分、すな
わちチョークコイル５によって位相が遅れた部分の前
に、振動波形を伴った部分、すなわちコンデンサ６によ
って位相が進んだ部分が加わるから、導通角が広くなっ
てピーク電流が抑えられ、力率が向上する。進相部分の
振動波形の振幅は、コンデンサ６の容量を大きくするこ
とによって減少させることが出来る。

【００３５】図３は、図１に示した直流電源装置の出力
電力に対する入力交流電力の力率及び平滑コンデンサ３
の端子間電圧Ｖｃすなわち負荷電圧の変化の一例を、そ
れぞれ図６に示した従来例と比較して示す線図であり、
図３の（Ａ）は力率特性、同図の（Ｂ）は負荷電圧特性
をそれぞれ示している。

【００３６】なお、図１に示した直流電源装置（実施
例）において、チョークコイル５のインダクタンスＬを
Ｌ＝１５ｍＨ、コンデンサ６の容量ＣをＣ＝１３μＦと
しており、図６に示した直流電源装置（従来例）におい
ては、チョークコイル５のインダクタンスＬをＬ＝１５
ｍＨとしている。

【００３７】図３の（Ａ）に示した力率特性において、
破線で示した従来例は軽負荷では力率が８０％弱で、出
力電力が１２０Ｗを超えると漸減しているが、実線で示
した実施例では力率が８０％強から始り、出力電力の増
加と共に力率が向上して出力電力１３０Ｗ近傍で最大値
約９０％に達し、それから漸減傾向を示している。しか
しながら、いずれの出力電力においても、実施例の力率
は常に従来例を上回っている。

【００３８】図３の（Ｂ）に示した負荷電圧特性は、い
ずれも無負荷時約１４０Ｖから始まるが、破線で示した
従来例は、負荷がかかり始めると先ず急に電圧が降下
し、出力電力の増加と共に電圧降下も増加するが、その
傾斜は次第にゆるくなる。一方、実線で示した実施例
は、電圧降下が遙かに少ない。

【００３９】負荷電圧の変動が少なければ、負荷４であ
るＤＣ−ＤＣコンバータやインバータ等のスイッチング
駆動パルスのデューティ比の制御幅が少なくて済むか
ら、それだけ制御を容易にし、制御の精度を向上させる
ことが出来る効果がある。

【００４０】図４は、この発明の第２の実施形態である
直流電源装置の構成の一例を示す回路図であり、図４に
示した直流電源装置は、その移相回路８が図１に示した
移相回路７と異なるだけで、その他は同じであるから、
同一部分には同一符号を付して説明を省略する。

【００４１】図４に示した移相回路８は、チョークコイ
ル５と第１のダイオードであるダイオードＤ２とからな
る直列回路と、進相用のコンデンサであるコンデンサ６
と第２のダイオードであるダイオードＤ３とからなる直
列回路とが、互いに並列に接続されて構成され、ダイオ
ードＤ２とダイオードＤ３はそれぞれ平滑コンデンサ３
を充電する向きに接続されている。

【００４２】図５は、図４に示した直流電源装置におけ
るダイオードブリッジ２の出力電圧Ｖｒと入力交流電流
Ｉａｃの変化の一例を示す波形図であり、図５の（Ａ）
は出力電圧Ｖｒを、同図の（Ｂ）は入力交流電流Ｉａｃ
をそれぞれ示している。なお、図４に示した移相回路８
のチョークコイル５のインダクタンスＬはＬ＝１５ｍ
Ｈ、コンデンサ６の容量ＣはＣ＝３４μＦであって、図
２に波形図を示した移相回路７（図１）と同一データで
ある。

【００４３】図５の（Ａ）に実線で示した移相回路８を
備えた場合の出力電圧Ｖｒの波形は、図２の（Ａ）に実
線で示し、図５の（Ａ）ではその一部を破線で示した移
相回路７を備えた場合の波形に比べて、本来の電圧波形
の谷間部分のあばれがなくなって、正弦波形に似たスム
ースな波形になり、電源周波数の高周波成分によるノイ
ズがさらに減少する。図５の（Ｂ）に示した入力交流電
流Ｉａｃの波形は、図２の（Ｂ）に示した波形と殆んど
変らないから、説明を省略する。

【００４４】すなわち、図４に示した移相回路８を用い
れば、図１に示した移相回路７を用いた場合の効果をそ
のまま有し、さらに高周波成分によるノイズが減少し
て、ＥＭＩのトラブル発生の恐れは皆無になる。

【００４５】移相回路７及び移相回路８は、従来のチョ
ークコイルとコンデンサとの並列回路に、それぞれダイ
オードを１個又は２個加えただけの簡単な構成であるか
ら、コストは殆んど変らないにも拘らず、その効果は極
めて大きく、入力段にスイッチング回路を備えたＤＣ−
ＤＣコンバータやインバータ等の１次直流電源として、
その適用範囲もまた極めて広い。

【００４６】

【発明の効果】以上説明したようにこの発明による直流
電源装置は、簡単な構成で異常な発振やノイズを防止し
て力率を改善することが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態である直流電源装置
の構成の一例を示す回路図である。

【図２】図１に示した直流電源装置のダイオードブリッ
ジの出力電圧と入力交流電流の一例を示す波形図であ
る。

【図３】図１に示した直流電源装置の出力電力に対する
力率及び負荷電圧の変化の一例を、従来例と比較して示
す線図である。

【図４】この発明の第２の実施形態である直流電源装置
の構成の一例を示す回路図である。

【図５】図４に示した直流電源装置のダイオードブリッ
ジの出力電圧と入力交流電流の一例を示す波形図であ
る。

【図６】従来のチョーク入力型の平滑回路を用いた直流
電源装置の構成の一例を示す回路図である。

【図７】図６に示した直流電源装置のダイオードブリッ
ジの出力電圧と入力交流電流の一例を示す波形図であ
る。

【図８】従来のチョークコイルとコンデンサの並列回路
を用いた直流電源装置の構成の一例を示す回路図であ
る。

【符号の説明】

１：交流電源 ２:ダイオードブリッジ ３：平滑コンデンサ ４：負荷 ５：チョークコイル ６：コンデンサ（進相用のコンデンサ） ７，８：移相回路 Ｄ１：ダイオード Ｄ２：ダイオード（第１のダイオード） Ｄ３：ダイオード（第２のダイオード）

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入力する交流電力を全波整流して直流電
   力に変換するダイオードブリッジと、チョークコイルと
   平滑コンデンサとからなり変換された前記直流電力を平
   滑するチョーク入力型の平滑回路とを備えた直流電源装
   置において、 前記チョークコイルに並列に進相用のコンデンサを接続
   し、 該コンデンサと前記チョークコイルとの並列回路に直列
   に前記平滑コンデンサを充電する向きにダイオードを接
   続したことを特徴とする直流電源装置。
2. 【請求項２】 入力する交流電力を全波整流して直流電
   力に変換するダイオードブリッジと、チョークコイルと
   平滑コンデンサとからなり変換された前記直流電力を平
   滑するチョーク入力型の平滑回路とを備えた直流電源装
   置において、 前記チョークコイルに直列に前記平滑コンデンサを充電
   する向きに第１のダイオードを接続し、 前記チョークコイルと第１のダイオードとの直列回路
   に、進相用のコンデンサと前記平滑コンデンサを充電す
   る向きに接続した第２のダイオードとの直列回路を並列
   に接続したことを特徴とする直流電源装置。