JPH0993822A - 無停電性スイッチングレギュレータ - Google Patents

無停電性スイッチングレギュレータ

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JPH0993822A
JPH0993822A JP7244986A JP24498695A JPH0993822A JP H0993822 A JPH0993822 A JP H0993822A JP 7244986 A JP7244986 A JP 7244986A JP 24498695 A JP24498695 A JP 24498695A JP H0993822 A JPH0993822 A JP H0993822A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】低コスト化および小型化が可能な自励式の無停
電性スイッチングレギュレータを実現すること。 【解決手段】一次側に整流回路、高周波トランスの一次
巻線、一次側スイッチング素子、スイッチング用一次巻
線を、二次側に整流、平滑回路を接続した二次側の出力
回路を、三次側に三次巻線、充放電回路、三次側スイッ
チング素子、電気二重層コンデンサ、スイッチング用三
次巻線をそれぞれ設け、一次側および三次側からフライ
バック方式によって、二次側に出力を伝達するととも
に、一次側の前記整流回路の出力電圧が所定のレベルを
上回った時に前記充電回路が動作し、前記所定のレベル
よりも下回った時に前記放電回路が動作する無停電性ス
イッチングレギュレータとすること。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は高力率で1次側交流
入力電流に高調波成分が少なく、かつ出力リップルの少
ない無停電性のスイッチングレギュレータに関し、特に
自励式とすることにより部品点数を減少させ、小型で安
価な無停電性スイッチングレギュレータを実現するため
の技術に関するものである。
【0002】
【従来の技術】近年コンピュータ機器の普及に伴い、商
用電源の瞬時停電による影響が問題視されており、種々
の無停電性の直流安定化電源が提案されている。その中
に、本発明者によって既に提案されている特開平6−2
05546号公報に記載のものがある。これは図6に示
す基本回路を有するものであり、交流電源100から
の交流を整流する平滑コンデンサを含まない整流回路1
02、この整流回路102の出力側に高周波トランス
104の一次巻線106と一次側スイッチング素子10
8とを直列に接続し、この一次側スイッチング素子10
8により一次側高周波パルス電圧を発生させる一次側回
路110、前記高周波トランス104の二次巻線11
2に整流、平滑回路を接続し、負荷114に直流出力電
圧を供給する二次側回路116、前記高周波トランス
104の三次巻線118に電気二重層コンデンサ120
とチョークコイル122と高周波整流ダイオード124
とを直列に接続した充電回路126、前記三次巻線1
18の巻き始め端と巻き終わり端又はその巻線の中途よ
り引き出されたタップ128との間に、前記電気二重層
コンデンサ120と三次側スイッチング素子130とを
直列に接続した放電回路132、前記一次側スイッチ
ング素子108及び三次側スイッチング素子130に同
期したパルス信号を出力してスイッチング動作を行わせ
るとともに、前記二次側回路116の出力電圧の変動に
応じてパルス信号のパルス幅を変調して一次側高周波パ
ルス電圧のパルス幅を制御するパルス幅変調制御スイッ
チング制御回路134、を備えたものである。
【0003】このような従来の無停電性スイッチングレ
ギュレータの動作は、以下のようになる。整流回路10
2の出力電圧が所定のレベルを越えている時には、交流
電源100より供給される正弦波交流が全波正弦波脈流
波形となって高周波トランス104の一次側に供給され
る。そしてこの全波正弦波脈流は、一次巻線106およ
び逆流防止ダイオード136を介して一次側スイッチン
グ素子108に通され、スイッチング制御回路134に
よる制御によってチョッピングされて二次側回路116
に出力される。また三次側回路138については、整流
回路102の出力電圧が所定のレベルを越えている時
は、一次側スイッチング素子108がONの時に一次側
回路110に流れる電流i1 によって図中i2 の電流が
流れる。この電流i2 がチョークコイル122によって
平滑化されて電気二重層コンデンサ120を充電する。
一方、整流回路102の出力電圧が所定のレベルを下回
っている時には、電気二重層コンデンサ120の充電電
圧が、電流i1 による三次巻線118の誘起電圧よりも
高くなる結果、三次巻線118の巻き始め端から中途タ
ップ128までの巻数部分を経由して放電電流i3 が流
れる。この放電電流i3 は、三次側スイッチング素子1
30でチョッピングされ、二次側回路116に出力され
る。このような動作により、瞬時停電等によって整流回
路102の出力電圧が低下した時でも一定の二次側出力
が得られ、無停電性のスイッチングレギュレータとな
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
無停電性スイッチングレキュレータには、それが他励式
であるために、装置の小型化および低コスト化が困難で
あるという問題点が有った。すなわち上記従来の無停電
性スイッチングレギュレータでは、一次側のパルス電圧
を得るために、パルス幅変調制御スイッチング制御回路
(PWM)134が使用されており、これは別制御でか
つ別付けの基幹部品であった。このような別制御でかつ
別付けの基幹部品を必要とする場合は、部品点数の増大
を招くばかりでなく、コストアップ要因となってしまい
好ましくない。そこで本発明者は、このような問題点を
解決し、低コスト化および小型化が可能な自励式の無停
電性スイッチングレギュレータを案出した。
【0005】
【課題を解決するための手段】このような本発明は、交
流電源からの交流を整流する整流回路と、この整流回路
の出力側に高周波トランスの一次巻線と一次側スイッチ
ング素子とを直列に接続するとともに、一次側スイッチ
ング素子にスイッチング制御電圧を印加するスイッチン
グ用一次巻線を接続した、前記一次側スイッチング素子
による一次側高周波パルス電圧を発生させるための一次
側回路と、前記高周波トランスの二次巻線に整流、平滑
回路を接続して、負荷に対して直流出力電力を供給する
二次側回路と、高周波トランスの第一の三次巻線に直列
に接続した、電気二重層コンデンサまたは二次電池と整
流素子とを含む充電回路と、前記第一の三次巻線に対し
て直列に接続された第二の三次巻線と三次側スイッチン
グ素子と前記電気二重層コンデンサまたは二次電池とを
直列に接続するとともに、三次側スイッチング素子にス
イッチング制御電圧を印加するスイッチング用三次巻線
を接続して、前記三次側スイッチング素子によって電気
二重層コンデンサまたは二次電池からの放電出力から一
次側高周波パルス放電電圧を発生させるための放電回路
とを備え、一次側および三次側からフライバック方式に
よって、二次側に出力を伝達するとともに、一次側の前
記整流回路の出力電圧が所定のレベルを上回った時に前
記充電回路が動作し、前記所定のレベルよりも下回った
時に前記放電回路が動作する無停電性スイッチングレギ
ュレータとすることで実現できる。ここで、整流回路に
平滑コンデンサを設けてもよいが、設けない場合はより
力率が向上するので、必要に応じて平滑コンデンサは省
略してもよい。
【0006】すなわち、本発明の無停電性スイッチング
レギュレータは、商用交流を入力とする一方のRCC
(リンギングチョークコンバータ)方式のスイッチング
回路の出力トランスと、電気二重層コンデンサまたは二
次電池に蓄積された充電エネルギーを入力源とする、他
方のRCC方式スイッチング回路の出力トランスの鉄芯
磁路を共通にしている。これより、一次側スイッチング
素子と三次側スイッチング素子のスイッチング動作(O
N/OFFになるタイミング)が完全同期し、商用交流
と電気二重層コンデンサまたは二次電池のDC入力に対
して、電位の高い方が自動的に自励動作で優先する結果
として、無停電性のスイッチングレギュレータとなる。
換言すれば、商用交流側のRCC回路からの出力供給が
通常は優先され、この時には、三次巻線に誘起する起電
圧で直接またはレギュレータ等を通して、定電圧および
定電流で電気二重層コンデンサまたは二次電池を充電し
て停電等の不測の事態に備えるとともに、停電時には、
充電されている電気二重層コンデンサまたは二次電池の
エネルギーを入力源とするRCC回路に自動的に切り替
わり、第一の三次巻線から出力が供給される。
【0007】
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施形態を、図1
として示す原理図に基づいて説明する。図1は、本発明
の原理を説明するための図であり、説明用の主要部品以
外は省略して描いている。図は、交流電源1からの交流
を整流する整流回路3と、この整流回路3の出力側に高
周波トランス5の一次巻線7と一次側スイッチング素子
9とを直列に接続するとともに、一次側スイッチング素
子9にスイッチング制御電圧を印加するスイッチング用
一次巻線11を接続した、前記一次側スイッチング素子
9による一次側高周波パルス電圧を発生させるための一
次側回路13と、前記高周波トランス5の二次巻線15
に整流、平滑回路を接続して、負荷17に対して直流出
力電力を供給する二次側回路19と、高周波トランス5
の第一の三次巻線21に直列に接続した、電気二重層コ
ンデンサ23または二次電池23と整流素子25とを含
む充電回路27と、前記第一の三次巻線21に対して直
列に接続された第二の三次巻線29と三次側スイッチン
グ素子31と前記電気二重層コンデンサ23または二次
電池23とを直列に接続するとともに、三次側スイッチ
ング素子31にスイッチング制御電圧を印加するスイッ
チング用三次巻線33を接続して、前記三次側スイッチ
ング素子31によって電気二重層コンデンサ23または
二次電池23からの放電出力から高周波パルス放電電圧
を発生させるための放電回路35とを備え、一次側およ
び三次側からフライバック方式によって、二次側に出力
を伝達するとともに、一次側の前記整流回路の出力電圧
が所定のレベルを上回った時に前記充電回路が動作し、
前記所定のレベルよりも下回った時に前記放電回路が動
作する無停電性スイッチングレギュレータの基本回路で
ある。
【0008】以下、本図を用いて本発明の無停電性スイ
ッチングレギュレータの動作について説明する。入力と
なる交流電圧VINが印加されると、整流回路3によって
得られる全波正弦波脈流が、一次側スイッチング素子9
(トランジスタ9)のベース電流I1Sとして流れ、一次
側スイッチング素子9がターンオンする。一次側スイッ
チング素子9がターンオンすると、高周波トランス5に
おける一次巻線7に整流回路3の出力電圧が印加され、
電流I1 が流れる。これに伴って、スイッチング用一次
巻線11には、それぞれの巻数比に応じた誘起電圧EA
が発生し、ベース電流となる電流I2 が流れる。この
時、二次巻線15は図示するように接続されているの
で、ダイオード37の極性が逆となり、二次側回路19
には電流は流れない。またこの電圧EA は、一次側スイ
ッチング素子9がONとなる極性に印加されるので、一
次側スイッチング素子9はON状態を維持する。しかし
図2に示すように、一次側スイッチング素子9のコレク
タ電流iC は直線的に増加するので、ある時間ton後に
cs(すなわち電流増幅率hFEとベース電流iB の積)
に達すると電流icsの変化が無くなって高周波トランス
5の鉄芯内の磁束変化が無くなるため、電流は瞬時にゼ
ロになり、電流icsの遮断に伴う逆起電力が各巻線に発
生するとともに、電圧EA の極性は反転し、一次側スイ
ッチング素子9は逆バイアスされてOFFとなる。
【0009】一次側スイッチング素子9がOFFになる
と、高周波トランス5の各巻線に逆起電力が発生するの
で、フライバック方式により、二次巻線15からダイオ
ード37を通してトランスの鉄芯に蓄えられた磁気エネ
ルギーが、平滑コンデンサ39への充電電流IC'として
流れ出る。そして、この充電電流IC'が平滑コンデンサ
39を充電して平滑化され、二次側回路19から出力電
圧VO として取り出される。そしてこの充電電流IC'
ある時間経過するとゼロになり、スイッチング用一次巻
線11からスイッチング素子9のベースに逆電圧として
かかっている電圧が無くなることによって、再び一次側
スイッチング素子9が電流I1SによってONとなり、前
述と同じ動作によってスイッチング動作が継続する。こ
のスイッチング動作の周波数は、図2で示したコレクタ
電流iC の上昇率によって決まるが、これは回路定数の
設計によって適当な値に設定される。
【0010】一方、第一の三次巻線21および第二の三
次巻線29は図示するような巻き方向なので、一次巻線
7に電流I1 が流れているときには、2つのダイオード
25,41によって電流が流れない方向に起電力が発生
している。そして、一次側スイッチング素子9がOFF
になると、第一の三次巻線21および第二の三次巻線2
9のそれぞれには逆起電力が発生し、またスイッチング
用三次巻線33は図示するような巻き方向となっている
ので、充電電流I3 および三次側スイッチング素子31
(トランジスタ31)のベース電流となる電流I3Sが流
れ、三次側スイッチング素子31はON状態となる。し
かし第二の三次巻線29に誘起される電圧が電流I3
流れる方向とは逆であるため、三次側スイッチング素子
31のコレクタ電流I4 は流れず、三次側スイッチング
素子31は空運転状態となる。従って、結局は第一の三
次巻線21に誘起する起電圧による充電電流IC によ
り、電気二重層コンデンサ23が充電される。
【0011】そして、瞬時停電等によって整流回路3の
出力電圧が断たれると、電気二重層コンデンサ23の電
圧が、整流回路3の入力に代わってベース電流I3Sを流
すことにより三次側スイッチング素子31をONにし、
電気二重層コンデンサ23の蓄積エネルギーを入力源と
して、第二の三次巻線29を経由した放電電流ID が流
れる。この状態においては、三次側スイッチング素子3
1がベース電流I3S,I5 によって前述の一次側回路1
3における一次側スイッチング素子9と同様の動作でス
イッチングを繰り返し、電気二重層コンデンサ23から
の放電電流IDが三次側スイッチング素子31によって
チョッピングされ、二次側回路19に出力される。
【0012】
【実施例】続いて、具体的実施例に基づいて本発明の詳
細を説明する。図3は、本発明の無停電スイッチングレ
ギュレータの回路例を示している。以下同図に基づいて
詳細に説明する。交流電源1からラインフィルタ43を
介して整流素子45が接続され、整流回路3が構成され
ている。ここでコンデンサ47…はスイッチング時に発
生するノイズフィルタとして機能するものである。この
整流回路3の出力側には、高周波トランス5の一次巻線
7と一次側スイッチング素子9(トランジスタ9)と
が、ダイオード49を介して直列に接続されており、一
次側スイッチング素子9のスイッチング端子、図例では
トランジスタ9のベース、に制御電圧を印加するスイッ
チング用一次巻線11が接続されている。このスイッチ
ング用一次巻線11の極性は図に示すとおりとなってい
る。また整流回路3の出力側とトランジスタ9のベース
間は抵抗51を介して接続され、トランジスタ9のター
ンオンのためのベース電流I1Sが流れるようになってい
る。スイッチング用一次巻線11の巻き始めとトランジ
スタ9のベース間は、直流成分カット用コンデンサ53
と抵抗55を介して接続され、スイッチング用一次巻線
11の巻き終わりとトランジスタ9のベース間には、ベ
ース電圧調整用の抵抗57が接続されている。また抵抗
51とトランジスタ9のベース間とスイッチング用一次
巻線11の巻き終わり端との間には、トランジスタ9の
ベース電流をバイパスさせるためのトランジスタ59の
コレクタが接続され、このトランジスタ59のベース
が、スイッチング用一次巻線11の巻き始め端に対し
て、ダイオード61とフォトカプラ63を介して接続さ
れ、定電圧制御用回路65を構成している。また、トラ
ンジスタ59のエミッタに接続されている抵抗67は、
トランジスタ9のエミッタ電流としてスイッチング用一
次巻線11を流れる電流の過電流検出用である。このよ
うな構成によって、一次側高周波パルス電圧を発生させ
るための一次側回路13が構成されている。ここで、ト
ランジスタ9を、図示したバイポーラトランジスタに代
えてFETを用いてもよい。
【0013】次に、前記高周波トランス5の一次巻線7
に対して反対極性に接続した二次巻線15には、ダイオ
ード37および平滑コンデンサ39による整流、平滑回
路が接続された二次側回路19が設けられ、負荷17に
対して直流出力電力が供給される。さらに、電圧検出用
分圧抵抗69と可変抵抗75と検出抵抗77に分圧され
た電圧と、シャントレギュレータと称される比較増幅用
IC73の内部基準電圧とを比較して定電圧制御を行う
ための、フォトカプラ63,93のフォトダイオードが
設けられている。
【0014】一次巻線7と共通の鉄芯79には、一次巻
線7と同じ巻き方向となる第一の三次巻線21が設けら
れ、これに整流用ダイオード25と定電圧定電流制御用
トランジスタ80と電気二重層コンデンサ23が直列に
接続されて充電回路27が構成されている。ここで、電
気二重層コンデンサ23の代わりに、2次電池を用いて
もよい。
【0015】さらに前記第一の三次巻線21に対して同
じ極性で第二の三次巻線29が設けられている。またこ
の第二の三次巻線29と三次側スイッチング素子31
(トランジスタ31)とが、ダイオード41を介して直
列に接続されており、三次側スイッチング素子31のス
イッチング端子、図例ではトランジスタ31のベースに
制御電圧を印加するスイッチング用三次巻線33が接続
されている。このスイッチング用三次巻線33は、前記
2つの三次巻線21,29と極性が逆になっている。ま
た、電気二重層コンデンサ23の+側とトランジスタ3
1のベース間は抵抗81を介して接続されており、トラ
ンジスタ31のターンオンのためのベース電流I3Sが流
れるようになっている。スイッチング用三次巻線33の
巻き始め端とトランジスタ31のベース間は、直流成分
カット用コンデンサ83と抵抗85を介して接続され、
スイッチング用三次巻線33の巻き終わり端とトランジ
スタ31のベース間には、ベース電圧調整用の抵抗87
が接続されている。また抵抗81とトランジスタ31の
ベース間とスイッチング用三次巻線33の巻き終わり端
との間には、トランジスタ31のベース電流をバイパス
させるトランジスタ89が設けられ、このトランジスタ
89のベースが、スイッチング用三次巻線33の巻き始
め端に対して、ダイオード91とフォトカプラ93を介
して接続され、定電圧制御用回路95を構成している。
またトランジスタ89のエミッタに接続されている抵抗
97は、スイッチング用三次巻線33を流れるトランジ
スタ31のエミッタ電流の過電流を検出するためのもの
である。このような構成によって、放電回路35が構成
されている。
【0016】次に、この無停電性スイッチングレギュレ
ータの動作について説明する。入力となる交流電圧VIN
が印加されると、整流回路3によって得られる全波正弦
波脈流が、抵抗51を経由してトランジスタ9のベース
電流I1Sとして流れ、トランジスタ9がターンオンす
る。このトランジスタ9がターンオンすると、高周波ト
ランス5の一次巻線7には整流回路3の出力電圧VS
印加されて電流I1 が、ダイオード49を経由して流れ
る。これに伴って、スイッチング用一次巻線11には、
一次巻線7との巻数比に応じた電圧EA が発生し、ベー
ス電流となる電流I2 がコンデンサ53と抵抗55を経
由して流れ、トランジスタ9のベースを深くバイアスす
る。この時、二次巻線15は一次巻線7に対して逆極性
となっているので、ダイオード37の極性が逆となり、
二次側回路19には電流は流れず、磁気エネルギーを鉄
芯79に蓄える。また前記電圧EA は、トランジスタ9
がONとなる極性に印加されるので、トランジスタ9は
ON状態を維持する。この時のベース電圧は、抵抗57
によって適当な値に調整される。そして既に図2におい
て説明したように、トランジスタ9のコレクタ電流iC
は直線的に増加するので、コレクタ電流iC がある時間
経過後に電流増幅率hFEとベース電流の積に到達する
と、コレクタ電流の増加が停まり、電流変化が無くなる
結果、各巻線の起電力の方向は反転して、スイッチング
用一次巻線11の誘起電圧EA が逆電圧となるため、急
速にトランジスタ9はOFFとなる。
【0017】トランジスタ9がOFFになると、高周波
トランス5の各巻線には鉄芯79に蓄えられた磁気エネ
ルギーが逆起電力として発生するので、二次巻線15か
らダイオード37を通して平滑コンデンサ39の充電電
流IC'が流れ出る。そしてこの充電電流IC'が平滑コン
デンサ39を充電することによって平滑化され、二次側
回路19から出力電圧VO として取り出される。そして
このIC'は、ある時間経過すると磁気エネルギーの放出
によってゼロになるので、トランジスタ9のベースをO
FFとする方向に深くバイアスしていた電圧が無くな
り、抵抗51を介して電流I1Sがトランジスタ9のベー
ス電流として流れ、再びトランジスタ9がONとなり、
前述と同じ動作によってスイッチング動作が継続する。
【0018】ここで出力電圧VO が予め決められた設定
値以上に高くなると、二次側定電圧制御用検出抵抗77
の分圧電圧がシャントレギュレータ73のゲート電圧よ
り高くなり、フォトカプラ63(および93)の発光ダ
イオードの輝度が高まり、一次側に位置するフォトカプ
ラ63(および93)のフォトトランジスタのエミッタ
電流が増加し、スイッチング用一次巻線11の順方向電
圧を電圧源としてトランジスタ59のベース電流がダイ
オード61とフォトカプラ63を経由して流れ、トラン
ジスタ59のベース電位を上昇させる。すると、トラン
ジスタ59を流れる電流が増加する結果、トランジスタ
59の動作タイミングが早まることになる。この結果、
トランジスタ9のベース電圧が低下し、図2に示すよう
にtON期間が短くなるとともに、tOFF 期間が長くな
る。このようにして、出力電圧V0が予め定められた一
定電圧になるよう、PWM動作が行われる。一方、出力
電圧V0 が予め定められた設定値以下になると、これと
は逆にtON期間が長くなり、出力電圧V0 が予め定めら
れた一定電圧になるよう、PWM動作が行われる。
【0019】また、第一の三次巻線21は一次巻線7と
同じ極性なので、一次巻線7に電流I1 が流れている
時、すなわちトランジスタ9がONになっている時に
は、ダイオード25によって電流は流れない方向の起電
力が発生する。また第二の三次巻線29も一次巻線7と
同じ巻き方向なので、この場合もダイオード41によっ
て電流は流れない。さらにスイッチング用三次巻線33
は一次巻線7と逆方向なので、トランジスタ31はON
状態となるが、電気二重層コンデンサ23の電位より、
第二の三次巻線29の電位の方が高いため、電流I4
流れない。一方トランジスタ9がOFFになると、第一
の三次巻線21および第二の三次巻線29、さらにスイ
ッチング用三次巻線33のそれぞれに発生する起電力が
反転するので、これらの結果充電電流I3 が、電気二重
層コンデンサ23の充電電流として、ドロッパーとして
動作するトランジスタ80によって制限されて流れる
(IC )ことにより、充電が行われる。そしてシャント
レギュレータ82によって決まる定電圧レベルまで、電
気二重層コンデンサ23を充電する。トランジスタ9が
OFFの時は、スイッチング用三次巻線33の起電力が
逆方向のためトランジスタ31のベースは逆バイアスと
なり、トランジスタ9と同期してOFFとなる。以上に
より、整流回路3側(商用交流入力側)のRCC回路
と、電気二重層コンデンサ23側のRCC回路とは、完
全に同期して動作することがわかる。
【0020】そして、瞬時停電等により整流回路3の出
力電圧が低下すると、電気二重層コンデンサ23の充電
電圧が第二の三次巻線29の誘起電圧よりも高くなる結
果、トランジスタ9と同期して動作するトランジスタ3
1のON時において、放電電流ID がI4 となって流
れ、二次側回路19の出力電圧を定電圧に維持する。す
なわち、トランジスタ31がONの時には、第二の三次
巻線29に流れる放電電流I4 によってスイッチング用
三次巻線33に誘起電圧が発生し、トランジスタ31を
ON状態に維持しうる電流I5 が、コンデンサ83と抵
抗85を経由して流れ、トランジスタ31のベースを深
くバイアスする。従って、前述の一次側回路13におけ
るトランジスタ9と同様の動作によってスイッチングを
繰り返し、電気二重層コンデンサ23からの放電電流I
D が、トランジスタ31によってチョッピングされて二
次側回路19に出力され、無停電性が発揮される。また
交流入力電圧が、ツェナーダイオード84で決まる停電
と見なされる電圧レベル以下になると、ツェナーダイオ
ード84に直列に接続されているフォトカプラ86がO
FFになるため、フォトカプラ86のフォトトランジス
タもOFFになり、第一の三次巻線21からの充電経路
が遮断する。これは、電気二重層コンデンサ23から出
るエネルギーによって、戻ってくる帰還エネルギーによ
る充電を相殺しないと、実用上スイッチング損失が増加
する等の問題が発生するからである。
【0021】この電気二重層コンデンサ23からの放電
状態においても、二次側の出力電圧VO が放電電圧以上
に高くなると、すなわち二次側定電圧制御検出抵抗77
の分圧電圧がシャントレギュレータ73の基準電圧であ
るゲート電圧を越えると、シャントレギュレータ73が
ON方向に動作してフォトカプラ93の発光ダイオード
の電流が増加し、一次側に位置するフォトカプラ93の
フォトトランジスタのエミッタ電流がスイッチング用三
次巻線33の順方向電圧を源としてダイオード91とフ
ォトカプラ93のフォトトランジスタを経由して流れ、
トランジスタ89のベース電圧を上昇させる。その結
果、トランジスタ89の動作タイミングが早まり、トラ
ンジスタ31のtON期間が短くtOFF 期間が長くなるた
め、鉄芯79に蓄積される磁気エネルギーが減少し、二
次側回路19の出力電圧が予め設定された一定電圧にな
るようPWM制御動作が行われる。以上のように、トラ
ンジスタ80,シャントレギュレータ82,フォトカプ
ラ86によって、電気二重層コンデンサ23に対するレ
ギュレータが構成されている。ここで、ダイオード88
は放電時のみのバイパスダイオード,抵抗90,92
は、それぞれ電気二重層コンデンサ23への充電電圧検
出のための分圧抵抗と検出用抵抗である。
【0022】続いて、本発明のスイッチングレギュレー
タの力率改善効果と無停電性を、図4を用いて説明す
る。なお図4は、縦軸に電圧V、横軸に経過時間tを取
ったものである。前述のように交流電源1より供給され
る正弦波交流が、整流素子45によって図4Aで示す全
波正弦波脈流波形に整流され、高周波トランス5の一次
側に供給される。この時、トランジスタ9のスイッチン
グ動作により高周波パルス電圧となり、フライバック方
式によって二次側回路19に出力される。この時のチョ
ッピング周波数は、図2で示したようにトランジスタ9
のコレクタ電流、電流増幅率、ベース電流によって決ま
るので、具体的には回路定数によって設定される。本発
明では、図1のように交流電源1側に構成されているR
CC1と、電気二重層コンデンサ23側に構成されてい
るRCC2とが、高周波トランス5の鉄芯磁路を共通磁
路として並列的に接続されているが、二次側回路19へ
のエネルギー供給をRCC1,RCC2のいずれが負担
するかは、以下のようになる。一次巻線7の巻数を
1 、第二の三次巻線29の巻数をN3 とし、RCC1
の入力電圧をVA1、RCC2の入力電圧をVB1とする
と、一次巻線7側の比電圧はVA1/N1 、第二の三次巻
線29側の比電圧はVB1/N3 にそれぞれなり、この比
電圧の高い方から出力エネルギーが供給されることにな
る。従って、交流入力電圧が低下した場合、RCC1の
側でのパルス幅変調スイッチングの結果として出力に定
電圧エネルギーが供給可能な電圧レベル迄は、第一の三
次巻線21から電気二重層コンデンサ23に充電するた
めの平均電圧レベルが二次側回路19の出力電圧と同様
に一定化されるため、RCC2側は二次側回路19への
エネルギー供給源とはならない。この時、RCC2側は
空運転状態であり、第一の三次巻線21が、電気二重層
コンデンサ23への充電回路として機能する。ここで、
RCC1側の電圧が、二次側回路19の出力電圧を定電
圧制御できないレベルまで低下すると、RCC2側の比
電圧レベルが勝るため、出力供給が無瞬断で自動的にR
CC2側に切り替わる。この二次側回路19の出力電圧
を定電圧制御できないようなRCC1側の電圧レベル
を、以下スライスレベル(図中Sで記す)という。そし
て実際には、このスライスレベルより高い電圧をツェナ
ーダイオード84で検出し、前述のように充電回路のレ
ギュレータ用トランジスタ80を遮断するようにすれば
よい。
【0023】ここで、三次側の充放電回路27,35が
無かったとすると、二次側回路19の出力電圧Vo は、
図4Bで示す交流電源の周波数に同期した方形状の電圧
波形となって現れる。しかし、図4Aで示した全波正弦
波脈流の電圧がスライスレベルS以下になると、前述の
ように電気二重層コンデンサ23の充電電圧が第一の三
次巻線21の誘起電圧よりも高くなるので、電気二重層
コンデンサ23からの放電電流が第二の三次巻線29に
流れるとともに、この放電電流がトランジスタ31によ
ってスイッチングされ、放電回路35からの高周波パル
ス電圧が、二次側回路19に出力される。この時の二次
側回路19の出力電圧Vo は、図4Cで示されるような
波形となり、図4Bで示した全波正弦波脈流のスライス
レベルS以上の領域における電圧波形の空隙部分を埋め
る波形となって現れる。
【0024】従って図4Dで示すように、全時間領域に
わたって落ち込みの無い、フラットな出力電圧Vo が二
次側回路19から出力されることになる。このように本
発明のスイッチングレギュレータは、入力電圧がスライ
スレベル以下の領域で電気二重層コンデンサからの放電
電力を供給するので、極めて高い力率を実現することが
できる。なお、瞬時停電の場合でも、同様の作用によっ
て図4Dで示す波形の出力電圧Vo が得られることは、
言うまでもない。
【0025】また図1および図3の回路例においては、
整流回路3側に平滑コンデンサを設けておらず、電気二
重層コンデンサ23が従来の整流回路側の平滑コンデン
サの機能を果たしている。従って、図5に示すように、
交流入力側から見た電流波形は、平滑コンデンサを有す
る従来のものでは、図中Aのように極めて短時間に大電
流が集中する波形となるところ、本発明では、図中Bの
ように比較的平坦な電流波形となるので、回路への負担
が大幅に減少し、力率の向上が実現できる。
【0026】さらに、例えば図3において電解コンデン
サ94を設けてその充電電圧を電気二重層コンデンサ2
3よりも若干高めに設定し、定常運転時におけるスライ
スレベル以下のエネルギー供給をこの電解コンデンサ9
4で行い、停電時等においては、ごく短時間での電解コ
ンデンサ94からの放電が終了した後に、電気二重層コ
ンデンサ23からエネルギー供給を行えるようにしても
よい。このようにすると、電気二重層コンデンサ23の
負担が軽減される。
【0027】本発明は、以上の実施例に何ら限定される
ものではなく、例えば図1,図3において、電気二重層
コンデンサ23に太陽電池パネルを接続して停電時のバ
ックアップ電源としたり、RCC3,4…とさらにRC
C回路を追加し、そのそれぞれにディーゼル発電機や風
力発電機等を接続し、総合的なエネルギー利用による無
停電電源(エネルギーベストミックス)とすることもで
きる。
【0028】
【発明の効果】以上のように本発明は、商用交流側のR
CC回路からの出力供給が通常は優先され、この時に
は、三次巻線に誘起する起電圧で直接またはレギュレー
タ等を通して、定電圧および定電流で電気二重層コンデ
ンサまたは二次電池を充電して停電等の不測の事態に備
えるとともに、停電時には、充電されている電気二重層
コンデンサまたは二次電池のエネルギーを入力源とする
RCC回路に自動的に切り替わり、第二の三次巻線から
出力が供給されるものである。従って、極めて簡単な回
路でありながら、優れた無停電性を確保することができ
る。すなわち、入力交流電圧が所定の電圧レベルを越え
ている時は、整流回路からの出力によって負荷に直流電
力を供給する一方、前記所定の電圧レベル以下の領域で
は、一次側回路と共通の鉄芯に接続された放電回路を通
して、電気二重層コンデンサから電荷を放電し、この放
電電力によって負荷に直流電力を供給する。従って、停
電時以外でも交流入力波形におけるスライスレベル以下
の領域では、電気二重層コンデンサまたは二次電池から
電圧が供給されるので、負荷側から見ると、全時間領域
にわたって落ち込みの無い、安定したフラットな出力電
圧が供給されることになり、力率を大幅に向上させるこ
とができる。また、電気二重層コンデンサは急速な充放
電が可能で、しかも容量もファラド単位の極めて大容量
であるので、長期信頼性に優れるとともに、分単位の瞬
時停電時でも、二次側回路に十分な電力を供給すること
ができる。さらに、スイッチングは自励式であるため、
従来のようなPWM等の別付け基幹部品が不要であり、
機器のコストダウンと小型化に大きく寄与できる。この
ように本発明は、一つのトランスの鉄芯に複数のRCC
回路を接続し、いずれかのRCC回路より二次側回路に
エネルギーを供給するものである。従って本実施例にお
いて説明した以外にも、太陽光発電や風力等の自然エネ
ルギー、あるいは、汎用のディーゼル発電機等からエネ
ルギーを供給することもでき、停電時のバックアップ電
源として種々のものが総合的に利用できるという、極め
て信頼性の高いものとなる。加えて、電気二重層コンデ
ンサまたは二次電池が、従来の整流回路における平滑コ
ンデンサとして機能するので、一次側回路に平滑コンデ
ンサを用いる必要が無くなり、さらにフライバック方式
であるため、本来は二次側回路に設けられるべきチョー
クコイルも不要となる。従って、この点もコストダウ
ン、小型化、力率向上に寄与し、従来に無い高性能なス
イッチング電源となった。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の無停電性スイッチングレギュレータの
原理を説明するための回路図。
【図2】本発明の無停電性スイッチングレギュレータの
スイッチング原理を説明するための、スイッチング素子
特性を表す説明図。
【図3】本発明の無停電性スイッチングレギュレータの
回路例を表す説明図。
【図4】本発明の無停電性スイッチングレギュレータの
電圧波形であり、Aは整流回路の出力波形、Bは充放電
回路が無い場合の二次側回路の出力電圧波形、Cは電気
二重層コンデンサからの放電電力によって得られる二次
側回路の出力電圧波形、Dは全時間領域にわたって得ら
れる二次側回路の出力電圧波形である。
【図5】従来のスイッチングレギュレータと本発明の無
停電性スイッチングレギュレータの、交流入力側から見
た電流波形を表す説明図。
【図6】従来の無停電性スイッチングレギュレータの回
路図。
【符号の説明】
1,100 交流電源 3,102 整流回路 5,104 高周波トランス 7,106 一次巻線 9,108 一次側スイッチング素子(トランジスタ) 11 スイッチング用一次巻線 13,110 一次側回路 15,112 二次巻線 17,114 負荷 19,116 二次側回路 21 第一の三次巻線 23,120 電気二重層コンデンサまたは二次電池 25,45 整流素子 27,126 充電回路 29 第二の三次巻線 31,130 三次側スイッチング素子 33 スイッチング用三次巻線 35,132 放電回路 37,41,49 ダイオード 39 平滑コンデンサ 43 ラインフィルタ 47 コンデンサ 51,55,57,67,71,81,85,87,9
7 抵抗 53,83 直流成分カット用コンデンサ 59,89 トランジスタ 61,91,124,136 ダイオード 63,86,93 フォトカプラ 65,95 定電圧制御用回路 69 分圧抵抗 73,82 シャントレギュレータ 75 レベル調整用可変抵抗 77 検出抵抗 79 鉄芯 80 定電圧定電流制御用トランジスタ 84 ツェナーダイオード 118 三次巻線 122 チョークコイル 128 タップ 134 スイッチング制御回路 138 三次側回路
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 庁内整理番号 FI 技術表示箇所 H02M 3/28 H02M 3/28 H

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】交流電源からの交流を整流する整流回路
    と、 この整流回路の出力側に高周波トランスの一次巻線と一
    次側スイッチング素子とを直列に接続するとともに、一
    次側スイッチング素子にスイッチング制御電圧を印加す
    るスイッチング用一次巻線を接続した、前記一次側スイ
    ッチング素子による一次側高周波パルス電圧を発生させ
    るための一次側回路と、 前記高周波トランスの二次巻線に整流、平滑回路を接続
    して、負荷に対して直流出力電力を供給する二次側回路
    と、 高周波トランスの第一の三次巻線に直列に接続した、電
    気二重層コンデンサまたは二次電池と整流素子とを含む
    充電回路と、 前記第一の三次巻線に対して直列に接続された第二の三
    次巻線と三次側スイッチング素子と前記電気二重層コン
    デンサまたは二次電池とを直列に接続するとともに、三
    次側スイッチング素子にスイッチング制御電圧を印加す
    るスイッチング用三次巻線を接続して、前記三次側スイ
    ッチング素子によって電気二重層コンデンサまたは二次
    電池からの放電出力から一次側高周波パルス放電電圧を
    発生させるための放電回路とを備え、 一次側および三次側からフライバック方式によって、二
    次側に出力を伝達するとともに、一次側の前記整流回路
    の出力電圧が所定のレベルを上回った時に前記充電回路
    が動作し、前記所定のレベルよりも下回った時に前記放
    電回路が動作する無停電性スイッチングレギュレータ。
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