WO1999049560A1 - Power supply - Google Patents

Description

明 細 書 電源装置 技術分野

本発明はスイ ッチング式の A C — D C コ ンバータ やイ ンバータ方 式野照明器具の電源などにおいて、 効率を低下させる こ と無く 、 高 調波電流を下げる技術すなわち力率を改善する技術に関する。 この こ と によ り 小型化と信頼性の向上やコ ス トの削減を図る。 また、 必 要がある場合には停電時における保持時間の確保ゃ リ ッ プル電圧の 削減も図る電源装置に関する。

さ らに、 制御が易 しいフライバッ ク コ ンバータの性質を生か しな がら フォ ワー ドコ ンバータ の効率の良さ を併せ持たせる技術に関す る。 背景技術

電源装置の高調波電流を下げる方法、 すなわち力率を改善する方 法には、 いわゆるァク ティ ブフ ィ ルタ ーや入力側の平滑コ ンデンサ を持たない C レスコ ンバータ と呼ばれるものがある。 これらは整流 後に平滑コ ンデンサを設ける こ とな く 、 脈流をそのままスィ ッチン グをする ものであって、 非常に簡単であ り ながら も必要に して充分 な力率が得られる。 ただ し、 リ ッ プルが多 く なつた り 、 0 . 0 2秒 程度の瞬間の停電に対する保持時間が取り に く いと いった欠点が存 在する。 そのため、 アク ティ ブフ ィ ルタ一の後にも う一度 D C — D C コ ンバータ を設ける、 いわゆる 2 コ ンバータ方式と呼ばれる構成 をと っている場合がある。 このため電流は 2 つのコ ンバータ を通る こ とにな リ スイ ッチングロスを 2度生じて しまい効率が悪く なる。 —方、 1 石式のコ ンバータ で、 力率を改善 しながら も c レスコ ン バータ一方式の欠点を改善すべ く 保持時間を稼ぎ、 リ ッ プルも少な 〈 する回路が幾つか提案されてはいる。 しか し、 これらの回路の殆 どが回生方式や共振方式のため 1 次側で電流が転回 し、 しかも ダィ オー ドやイ ンダク タ を通る こ と による ロ スが加わるので効率は悪く なって しま う。

また、 フォ ワー ド方式で 1 石式の C レスコ ンバータ を構成する場 合は リ セ ッ ト電流の取扱いが難 しいので組み合わせは簡単でな く 、 更なる複雑な工夫が必要となる。

本発明は、 まず第一に 2 コ ンバータ方式が 2 段階のスイ ッチング で制御する こ と に起因する ロスを下げ、 効率を改善 しょ う とするも のである。

また、 第二の目的と して、 シングルコ ンバータ で効率を低下させ る こ と無 しに力率を改善 し、 しかも保持時間の確保ゃリ ッ プル特性 を改善しょ う とするものである。

シングルコ ンバータ は、 前述 した理由で力率を改善 しながら保持 時間の確保ゃ リ ッ プルの改善を図る と、 どう しても ロスが多 く なつ て しま う。 また、 シングルコ ンバータ 式のスイ ッチング電源には、 フライバック方式と フォ ヮ一ド方式があるが、 前者は制御が易 しい が効率がやや悪いのと トランスが大き く なる欠点が存在する。 一方、 後者は効率良 く 、 トラ ンスも小さ 〈 出来るものの、 コ アの飽和を防 ぐための リ セ ッ ト電流を流さな く てはな らず、 この取扱いの制約の ため制御は容易ではない。 このため C レスコ ンバータ の殆どがフ ラ ィバック方式で実現されている。

また、 C レス コ ンバータ は 1 次側でエネルギーを蓄える こ とが出 来ないため停電時の保持時間が十分取れなかつた り 、 リ ッ プルが多 く なる欠点が存在する。 そ こで、 本願は以下に説明する手段によ り 、 これらの課題を解決 した。 発明の開示

本願第 1 発明は、 平滑作用を有さない、 即ち脈流電源用のスイ ツ チングの ト ラ ンスまたはチ ョ ーク コ イ ルと、 平滑作用のある、 即ち 直流電源用のスィ ツチングの ト ラ ンスまたはチ ョ ーク コ イ ルを並列 的に設けこれら を一つのスィ ツチング素子にてスィ ツチ ングし双方 の出力を合成する と い う手法で力率、 保持時間、 リ ッ プルを確保 し ながら効率の向上を している。 つま り 電流は並列的に通過するので どち ら も 1 回だけのスィ ツチ ングロ ス と な り 、 このため効率が上が る。 当然ながら並列に通過した後の合成方法は直列でも並列でも回 路に合ったものを選べる。

本願第 2 の発明は、 脈流をスィ ツチングする コ ンバータ か ら直接 に負荷に電力 を供給 し、 それによる リ ッ プルや保持時間の欠点を、 別ルー トに並列的に設けた直流電源をスイ ッチングする D C — D C コ ンバータ で補正をするものである。 このため電流は並列的に通過 するので どち ら も 1 回だけのスイ ッチングロ ス とな り 、 このため効 率が上がる。 これは、 第 1 の発明よ り高性能を得る場合に適す。 本願第 3 の発明は、 第 2 の発明を簡略化 したもので、 請求項 3 な い し 5 に記載 したよ う に出力電圧がルー ト 2倍、 すなわち 1 . 4 1 倍や、 2 ルー ト 2 倍、 すなわち 2 . 8 2倍と いった場合で、 しかも ライ ン レギュ レーシ ョ ンを要求されない用途において、 合成する直 流電源をスィ ツチング回路を用いずに回路を簡略化 した構成と した ものである。

本願第 4の発明は、 商用 リ ッ プル成分を制御信号に適切に加える こ とで出カ リ ッ プルの低減と 力率の向上をさせる構成と したもので ある。

本願第 5 の発明は、 脈流側と直流側の電流バラ ンス を適切にする ための制御の方法であ り 、 分配器で適切な割合をあらか じめ決めて お く か、 一方にも う一方が連動する方法で適切な割合を保つ手段を と る構成と したものである。

本願第 6 の発明は、 純粋なフライバック コ ンバータ はスィ ッチン グ素子がオンの時にコアにエネルギーを蓄え、 これをオフ時に 2次 側へ排出する。 このためそれな り の大きさが必要と なる。 また、 コ ァには磁気飽和を防 ぐためのギャ ッ プも必要と な り 、 これらがロ ス を増大させる原因と なる。 一方フォ ワー ドコ ンバータ はオン時に 2 次側へエネルギーを放出するのでコ アは小さ く ても良く 、 しかもギ ヤ ッ プを設ける必要が無い。 しか し、 リ セ ッ ト電流を流さな く ては ならず、 この制約のためデューティ ーサイ クルを大き く できないの で、 自由な制御が難しい。

そ こで本発明では、 フライ バック コ ンバータ の制御の易 し さ を確 保しながらフォヮ一ドコ ンバータ の効率の高さ に近づく よ う 、 フラ ィバック コ ンバータ において、 フォワー ドコ ンバータ の出力回路を 補助的に設け、 これを並列的に使用するものである。

このよ う に構成する こ と によ り 、 オン時にコ アに蓄えながら、 同 時に負荷へも供給するので、 コ アはその分だけ小さ く する こ とがで きる。 また、 ギャ ッ プも狭く 出来るので、 効率を良 く する こ とがで きる。 保持時間の短さ と リ ッ プルの多さが許される場合、 この方法 は C レスコ ンバータ と好適に組み合わせられる点に着目 して構成 し たものである。

本願第 7 の発明は、 部分共振技術を使用する場合にも、 やは り フ ライバック と フ ォ ヮ一 ドの並列動作が好適に組み合わせる こ とが出 来る点に着目 して これらの出力を合成 して用いるよ う に構成 してい る。 図面の簡単な説明

図 1 は、 本発明の基本構成の実施形態を示す回路図である。

図 2は、 本発明の非絶縁の場合の実施形態を示す回路図である。 図 3 は、 本発明のスィ ツチング素子を 1 個に した実施形態を示す 回路図である。

図 4は、 本発明のスイ ッチング素子が 1 個の場合の詳細な実施例 を示す回路図である。

図 5 は、 本発明のスイ ッチング素子が 2個の場合の詳細な実施例 を示す回路図である。

図 6 は、 本発明の動作波形およびそのタ イ ミ ングを示す図である。 図 7 は、 本発明の動作波形およびそのタ イ ミ ングを示す図である。 図 8 は、 本発明の出力を直列合成する場合の実施形態を示す回路 図である。

図 9 は、 本発明の リ ッ プルと 力率に改良を加えた制御部分の実施 形態を示す回路図である。

図 1 0 は、 本発明の図 2 に示す実施形態の直流出力側を簡略化 し たものを示す回路図で、 （ a ) は、 両波倍電圧整流回路を用いたもの、 ( b ) は、 両波整流回路を用いたものである。

図 1 1 は、 本発明の図 1 0 に示す実施例をハーフ ブ リ ッ ジの A C — D Cコ ンバータ に応用 した例を示す回路図で、 （ a ) は、 倍電圧整 流回路を用いたもの、 （ b ) は、 通常のハーフブリ ッ ジ整流回路を用 いたものである。

図 1 2 は、 本発明の図 1 0 に示す実施例を照明器具に応用 した回 路図で、 （ a ) は、 倍電圧整流回路を用いたもの、 （ b ) は、 両波整 流回路を用いたものである。 図 1 3 は、 本発明の図 1 0等に示す実施例の波形を示す図である。 発明を実施するための最良の形態

以下、 本発明を実施の形態に沿って説明する。

図 1 において、 A C入力は高周波阻止用のフ ィ ルタ 一 1 0 1 を通 り整流回路 1 0 2 、 1 0 3 で整流される。 1 0 2側は脈流とな り 、 トラ ンス 1 0 4 を通 じて 1 0 5 でスイ ッチングされ、 2 次側の整流 回路 1 0 6 で整流され電流 i 1 が得られる。 一方、 整流回路 1 0 3 側は、 1 0 7 の平滑コ ンデンサで平滑され直流と なって、 第 2 の ト ラ ンス 1 0 8 を通 して 1 0 9 でスイ ッチングされ、 整流回路 1 1 0 で整流され電流 i 2 が得られる。 こ こで、 i 1 と i 2 の合計の電流 がコ ンデンサ 1 1 1 にチャージされ出力電流 i 3 となる。

コ ンデンサ 1 1 1 の両端の電圧は分配器 1 1 2 で適切な割合に分 配され、 低速サ一ボ回路 1 1 3 と高速サーボ回路 1 1 4 に供給する フィ ー ドバックループが形成されている。

このためスイ ッチング素子 1 0 5側は、 リ ッ プルには追従できな いスローな制御のため、 電流 i 1 にはリ ッ プルが出て しま う。 勿論、 このこ とが力率の改善に役立つ。 一方のスイ ッチング素子 1 0 9側 は i 1 と i 2 の平均電流の割合を適切に保ちながら リ ッ プルを無 く すよ う瞬間的な i 1 + i 2が一定と なるよ う高速のフ ィ ー ドバック ループが働いている。 これら、 i 1 , i 2 ， i 3 の波形は、 図 6 の ( a ) ないし （ c ) に示す。

この結果、 どち らのル一 卜の電流も 1 度のスィ ツチングロ スのみ と なるので、 2 度のスィ ツチ ングロ スを受ける 2 コ ンバータ方式よ り効率が向上する。 しかも、 i 1 と i 2 の合成 したものが所定の電 力を賄えば良いので 2 コ ンバータ よ り もはるかに小型化ができる。 この例の場合は電流の合成で説明 しているが、 1 0 4 、 も 1 0 8 もフォヮ一 ドで動作 している場合は、 2次側の整流回路を直列に接 続し、 出力電圧の合成に した方が好ま しい。 図 8 の （ a ) は、 この 出力回路部分を例示 したものである。

入力の電流波形は、 脈流側のサイ ン波 （図 6 ( e )) と直流側のコ ンデンサイ ンプッ トによるパルス状の波形 （図 6 ( d )) の合成 （図 6 ( f )) となるので、 力率は 2 コ ンバータ方式には及ばないが、 規 制の範囲には十分に入れる こ とができる。

図 2 は絶縁の必要が無い場合の例で、 図 1 と 共通する部分には同 じ符号を使用 しているので共通する動作の説明は省略する。 この例 では、 第 1 の トランス及び第 2 の トラ ンス 1 0 4 、 1 0 8 に代えて、 イ ンダク タ 2 0 1 、 2 0 2 を用いている。 こ う いった並列動作をさ せる場合問題になるのがその電流量のバラ ンスである。 むろん本実 施例とは別の方法つま り 一方のコ ンバータの平均電流に、 も う一方 のコ ンバータ の平均電流が連動する制御方法を と つても よい。 この 場合 リ ッ プルをキャ ンセルするために高速動作が必要な補正用の方 を基準に して リ ッ プルがある メ ィ ンの電源側を低速で連動させる方 が制御が易 しい。

この実施例の場合、 よ り 簡易な回路構成を目指すな ら、 スィ ッチ ング素子 1 0 5 、 1 0 9 と、 整流回路 1 0 6 、 1 1 0 、 を共用 させ る回路構成と しても よい。 この場合もやは り 2つの異なる形式のコ ンバータ を並列使用するこ とになるので、 所期の効果が得られる。 図 2 の例では、 第 1 、 第 2 の双方の電源共スイ ッチングを行って いるが、 図 1 0 の （ a ) は、 この直流出力側を簡略化 してスィ ッチ ング回路を省略 し、 倍電圧整流と した例を示 している。 倍電圧部分 は、 後述する図 1 1 の （ a )、 図 1 2 の （ a ) のよ う に半波倍電圧整 流回路に簡略化できる。

これは、 要求される出力電圧が交流入力の 2 ルー ト 2倍である 2 . 8 2倍と いった場合で、 しかも、 ライ ン レギュ レーシ ョ ンを要求さ れない用途に好適な事例である。 こ こで重要な こ と は、 交流入力電 圧のルー ト 2 倍の 1 . 4 1 倍と なる両波整流回路は、 チ ョ ーク コ ィ ルと の組み合わせでは不適切な動作領域が存在する こ と にある。 そ こで、 チ ョ ーク コ イ ルやオー ト トラ ンスを用いる場合は、 特に倍電 圧以上と なる整流回路と組み合わせる こ と で無理のない最適な動作 をさせる こ とができる。 むろん、 倍電圧整流の場合のチ ヨ 一ク コ ィ ルはオー ト トランスや トランスに置き換える こ と もできる。

なお、 この例では倍電圧整流回路 1 0 0 1 で得られた直流出力側 の平均電流値を電流検出器 1 0 0 3 で検出 し、 スイ ッチング回路を 持つ脈流側の出力電流量を追従させる制御方法をと つているが、 負 荷電流か一定の場合は制御ループを特に必要と しない。

なお、 この例での負荷も特に制限されるものでな く 、 D Cモータ を用いる各種の電気機器の電源などに適用できる。

以下の図 1 0 ( b ：)、 図 1 1 、 図 "！ 2 の例も、 図中の破線で囲われ た回路を追加する こ と で、 追加のないものに比べて力率は低下する ものの、 効率を上げ回路中の リ アク トルを小型軽量にできる効果が ある。 従って、 高調波の規格に余裕がある場合に本発明を効果的に 適用できる。

なお、 本発明は、 各例の破線部分の追加であるので、 各図の他の 部分の回路の動作説明は省略する。

図 1 0 の （ b ) の回路例は、 両波整流回路 1 0 0 2 と組み合わせ る こ とができるよ う 、 チ ョ ーク コ イルやオー ト トラ ンスではな く 、 トラ ンス 1 0 0 4 と組み合わせた例である。 この例では両波整流回 路の出力電流に応 じたパルス幅を制御する こ と で図 1 0 の （ a ) と 同様な働きをさせている。 この図 1 0 ( b ) の例は、 制御回路 1 0 0 3 を高速の 1 0 0 3 f と低速の 1 0 0 3 s に分けてしヽる。 高速側 がない場合は、 図 1 3 の左側 （ a 1 ) ~ ( a 3 ) と 同様に動作する が、 高速の 1 0 0 3 f を追加 し、 しかも逆方向、 つま り 直流側の電 流が多い時にデューティ 一サイ ク ルを下げる変調をする こ とで、 同 図右中段の （ b 2 ) のよ う に ピーク の部分にへ こみを作る こ とがで きる。 この結果、 合成電流の高調波が削減される。 図 1 0 の （ a )、 ( b ) 共、 電流バラ ンスが取れる よ う に工夫 した制御方法も本発明 の特徴である。

図 1 1 の （ a ) の回路は、 ハーフブ リ ッ ジの倍電圧整流回路 1 1 0 1 のスィ ツチング電源に本発明を適用させた例で、 下側のダイォ ー ド 1 1 0 4 はコ ンデンサに変更 してもよい。 またこの例のよ う に、 F E T を使用 した場合は、 ボデ一ダイ ォー ドがあるので下側のダイ オー ド 1 1 0 4がシ ョ ー ト し、 上側のダイオー ド 1 1 0 3 はオーブ ンになるので省略できる。 この例は、 スイ ッチング電源に限らず照 明器具の電源にも適用できる。

図 1 1 の （ b ) の回路は、 ハーフ ブリ ッ ジ 1 1 0 2 のスィ ッチン グ電源に本発明を適用させた例で、 両波整流回路と組み合わせる こ とができるよ うに トラ ンス 1 1 0 5 と組み合わせた例である。 なお、 下側コ ンデンサ 1 1 0 6 はダイ オー ドに変更 しても よい。 この場合 も同図 （ a ) の例と同様にスイ ッチング電源に限らず照明器具の電 源にも適用できる。

図 1 2 の （ a ) の回路は、 倍電圧回路 1 2 0 1 を用いた照明器具 の電源に本発明を適用 した例で、 ダイオー ド 1 2 0 4 はコ ンデンサ に変更できる。 なお、 1 2 0 5 は照明装置の点灯管である。 この例 は、 逆に照明器具に限らず、 スイ ッチング電源と しても適用できる。 図 1 2 の （ b ) の回路は、 両波整流回路 1 2 0 2 と好適に組み合 わせるために トランス 1 2 0 6 を用いた照明器具用の回路例である。 この場合も コ ンデンサ 1 2 0 7 はダイオー ドに変更可能である。 ま た前述の例 と 同様スィ ツチング電源にも応用できる。 この例も図 1 0 の （ b ) と 同様に両波整流の出力電流を検出 し、 この信号で脈流 の ピーク にへこみを作る制御を加える構成と なっている。 出力電流 の検出方法は低抵抗を入れ両端の電圧で検出する こ と もできる。 図 3 は、 図 1 の実施例をスイ ッチング素子 1 0 5 、 1 0 9 を 1 個 の素子 3 0 1 で共用させたシングルコ ンバータ の例である。 1 1 4 によ るフ ィ ー ドノくック の リ ッ プル低減作用でも って i 2 が逆の リ ツ プル波形と な り 、 第 1 図のものと 同様の動作をする。 脈流成分、 直 流成分のどち ら も 1 回のスィ ツチングロスで出力 されるので効率が 向上する。 むろんこの場合も フ ォワー ドで動作させるな ら 2 次側の 巻き線を直列に接続できる し、 こ う して合成 した方が好ま しいのは 勿論である。 図 8 の （ b ) は、 巻き線を直列に した出力回路例を示 している。

図 4 、 5 は、 よ り具体的な実施例であ り 、 これらに基づき本発明 をさ らに説明する。

図 4 において、 破線で囲んだ A部分、 B部分、 及び C部分が存在 しない回路について、 まず説明する。 これらの部分が存在 しない状 態は従来のコ ンバータ を示 してお り 、 交流の入力高周波阻止用の π 型フ ィ ルタ ー 1 0 1 と整流回路 1 0 2 を通 り 、 この脈流をスィ ッチ ング トラ ンス 4 0 1 に供給する。 スイ ッチング素子 1 0 5 がオンに なる とスィ ツチング トラ ンス 4 0 1 の巻き線 4 0 2 に電流が流れる。 このエネルギーは 4 0 1 のコ アに蓄え られる。 次にスィ ツチング素 子 1 0 5 がオフになる と コ アに蓄え られたエネルギーは巻き線 4 0 3 からダイ オー ド 4 0 4 を通 り コ ンデンサ 1 1 1 に移行する。 移行 が終了 し電流が 0 と なった時点で、 卷き線 4 0 2 の 1 次イ ンダク タ ンス と共振用のコ ンデンサ 4 0 5 と で共振が始ま り 4 0 5 の両端の 電圧、 つま り スイ ッチング素子 1 0 5の両端の電圧も下がり始める。 このタ イ ミ ングは巻き線 4 0 6 でも同時に検出 して、 制御回路 4 0 7 に送られる。 そ して、 共振周期の 1 2 時間が経過 した時点で 共振用コ ンデンサ 4 0 5 の両端の電圧は山か ら谷に移行 して最小と なる。 このタ イ ミ ングを待って制御回路 4 0 7 は、 次のオン信号を スイ ッチング素子 1 0 5 に供給する。

こ うする こ と で共振用コ ンデンサ 4 0 5 のデイ スチャージ電流を 最小にできるので、 この電流による ロスを減少させるこ とができる。 この制御回路 4 0 フ 内には、 スタ 一 ト時ゃ瞬間の停電で巻き線 4 0 6 か らの信号が来ない場合でも発振が停止 しないよ う、 バック ア ツ プ用の発振器が含まれている。 なお、 4 0 8 は、 制御回路 4 0 7 を 動作させるための電源である。

—方、 コ ンデンサ 1 1 1 の両端の電圧は、 基準電圧 4 0 9 と フ ォ トカ プラー 4 1 0 を通 じて制御回路 4 0 フ に伝え られる。 この信号 によ り 、 スイ ッチング素子 1 0 5 のオン時間を調整する フ ィ ー ドバ ック ループが形成されコ ンデンサ 1 1 1 の両端の電圧を安定化させ ている。 この例は、 フライ バ ッ ク の C レスコ ンバータ に ソ フ トスィ ツチング技術の一種である 1 2周期だけを共振させる部分共振技 術を組み入れたものである。 この動作は、 破線 A部分の回路のダイ オー ド 4 1 1 、 4 1 2 の電流を 0 と したものに相当する （図 フ の動 作波形 （ d ) および （ e ) を 0 と した動作）。

更に本発明は、 破線 A部分、 つま り フォ ワー ドコ ンバータ の出力 回路を追加する こ と によ り ダイ オー ド 4 1 1 、 4 1 2 の電流も追加 される点にある。 スイ ッチング素子 1 0 5 がオンの時ダイオー ド 4 1 1 にも電流が流れ、 イ ンダク タ 4 1 3 を通ってコ ンデンサ 1 1 1 にチャージされる。 スイ ッチ ング素子 1 0 5 がオフの時は、 ダイォ ー ド 4 1 2 と イ ンダク タ 4 1 3 を流れて、 これがダイオー ド 4 0 4 の電流と合成されコ ンデンサ 1 1 1 にチャージされる。 フ ライ バッ ク コ ンバータ は、 スイ ッチング素子 1 0 5 がオンの時にコ アに全て 蓄えるのに対 し、 本発明は、 ダイ オー ド 4 1 1 に流れる電流分だけ トラ ンスに蓄えるエネルギーが減少するので、 この分コ アを小さ く する こ とができる。 また、 フ ォ ワー ドコ ンバータ の性質が混ざるた め、 トラ ンス 4 0 1 のギャ ッ プを狭く する こ と ができ、 この部分で 発生する渦電流損も減少し、 効率を上げる こ とができる。 この場合、 フォ ヮ一 ド電流が多 く な り過ぎないよ う に巻き線比のバラ ンスを決 める必要はある。

このよ う に構成する こ と で、 スィ ツチング素子の電圧や電流の動 作はフライ バッ ク コ ンバータ と殆ど変わる こ と無 く 、 つま り 制御は 易 しいまま トラ ンスの効率を上げる こ と にな リ 、 力率改善や、 共振 動作との組み合わせは、 容易と なる。

なお、 本実施例のままでは保持時間と リ ッ プルの問題が残るが、 電源を使用する本体側で この対策が行われている場合はこのままで もよい。

次に、 保持時間の確保ゃリ ッ プルの低減を図る実施例を同 じ図 4 を用いて説明する。 この対策のために、 図 4 において破線 B部分を 追加 した回路を考える。

A C電源は別な整流回路 4 1 4 を通ってコ ンデンサ 4 1 5 を充電 する。 これがスイ ッチング素子 1 0 5 のオン時に第 2 の トラ ンス 4 1 6 の巻き線 4 1 7 を通 じて流れ、 第 2 の ト ラ ンス 4 1 6 のコ アに もエネルギーが蓄え られる。 これが、 スイ チ ッ ング素子 1 0 5 のォ フ時に巻き線 4 1 8 と ダイオー ド 4 1 9 を通 してコ ンデンサ 1 1 1 に流れる。 この B部分を追加 したこ と によ ってコ ンデンサ 4 1 5 に 大きなエネルギーを蓄える こ とができるので、 停電の場合の保持時 間を長 く する こ とができる。 また、 第 2 の トラ ンス 4 1 6 側は脈流 でな く 直流をスイ ッチングするので、 これがリ ッ プルを減少させる 効果をもた らす。 結局、 必要な力率を確保 しながら、 効率を低下さ せる こ と な く 、 保持時間を長 く し、 リ ッ プルを小さ く する こ とがこ の構成によって達成できる。

次に図 4 において、 破線 C部分が追加された場合の説明をする。 スイ ッチング素子 1 0 5 のオフ時に発生する フライバッ ク のサ一 ジエネルギーは、 第 1 の トラ ンス 4 0 1 に追加 した巻き線 4 2 0か ら取 り 出 し、 追加 したダイオー ド 4 2 1 を通 してコ ンデンサ 4 1 5 に蓄え られる。 これはロスの無いスナバ回路なので、 再利用され無 駄にはな らない。 ト ラ ンス 4 1 6 を通過するエネルギーがこれでも 十分な場合は整流回路 4 1 4 を省略する こ とができる。

この場合、 第 1 の ト ラ ンス 4 0 1 のフライバック エネルギーは、 ダイオー ド 4 2 1 と 4 0 4 を通 じて放出される。

この実施例では、 主 トラ ンスである第 1 の ト ラ ンス 4 0 1 のエネ ルギ一を全て排出 させてから、 スイ ッチング素子 1 0 5 をオンさせ る動作、 つま り 、 電流不連続モー ドで動作させている。 このため力 率改善動作や部分共振動作との組み合わせが極めて容易となる。

もちろん、 第 2 の ト ラ ンス 4 1 6 側にも フ ォ ワー ドの出力回路を つけ加えた り 、 逆に第 1 の ト ラ ンス 4 0 1 側をフ ラ イバッ ク のみと するなどの変更ができる。 これら出力回路の組み合わせや、 並列合 成か直列合成かは出力回路に応 じて適切に選択できる。 これらの ト ラ ンスに複数の 2次巻き線を設ける変更ができる こ と はいう までも ない。

このよ う に脈流の電源と直流の電源を 2 つ用意 し これら を並列動 作させる こ と で、 必要な力率を確保 しながら効率を上げる こ とがで きる。 なお、 この B部分のスイ ッチング回路は、 コ ンデンサイ ンプ ッ ト形式であるため、 一般的に行われている力率改善のための、 ィ ンダク タ あるいは、 ィ ンダク タ と コ ンデンサを並列 させた共振回路 をコ ンデンサ 4 1 5 の前に挿入 しても 良い。 この場合全回路がコ ン デンサイ ンプッ トのみの回路に比べてイ ンダク タ が小さ いもので済 む利点もある。

図 5 は、 別の実施例を示 したもので、 図 4 と 図 5 の違いは ト ラ ン ス 4 0 1 のフ ライ バッ クサージエネルギーの再利用をする場合に、 巻き線 4 0 2 から取 り 出 しダイ オー ド 4 2 1 を通 してコ ンデンサ 4 1 5 への充電する点 と、 第 2 の ト ラ ンス 4 1 6 の巻き線 4 1 7 専用 のスイ ッチング素子 5 0 1 を設けた点が異なっている。 このため、 第 1 の ト ラ ンス 4 0 1 側の脈流エネルギーを補 う様に第 2 の ト ラ ン ス 4 1 6 側で逆の リ ッ プルを発生させ、 両者を合成 したものが、 よ り きれいな直流となるよ うに制御するこ とができる。

むろん トラ ンス 4 1 6 を通過するエネルギーが ト ラ ンス 4 0 1 の フライバッ ク のサージエネルギーだけで十分な場合はダイォー ド 4 1 4 を省略できる。 この場合はダイ オー ド 4 2 1 と コ ンデンサー 4 1 5 はロ スの無いスナバ回路と見なすこ とができるので無駄は生 じ ない。

この制御例では整流回路 4 1 4 が無い場合も想定 しコ 'ンデンサ 4 1 5 の電圧は分圧抵抗 5 0 2 、 5 0 3 (図 5 の回路） で分圧 して検 出 し、 この電圧を安定化させる よ う にスイ ッチ ング素子 1 0 5 にサ ーポをかけ、 スイ ッチング素子 5 0 1 側はコ ンデンサ 1 1 1 の電圧 を安定化させるよ うに別ループのサーボをかける構成をと つていて、 こ う いう制御方法もできるとの例である。

第 6 図は、 これら実施例の電流の様子を図示 したものである。 同 図 （ a ) 力《 ί 1 、 ( b ) 力《 i 2 、 ( c ) 力 ί 1 + i 2 である i 3 の電 流の様子を示 している。

図 7 は、 図 4 の実施例におけるスイ ッチング素子 1 0 5 の電圧波 形 （同図 （ a ) )、 電流波形 （同図 （ b ) )、 フ ライ バ ッ ク コ ンバータ と して働 く ダイ オー ド 4 0 4 の電流 （同図 （ c ) )、 フ ォ ワー ドコ ン バータ と して働 く ダイオー ド 4 1 1 の電流 （同図 （ d ) ) およびダイ オー ド 4 1 2 を流れる電流 （同図 （ e ) ) の状態を示 したタ イ ミ ング チヤ一トである。

スイ ッチング素子 1 0 5 へのサーボは リ ッ プルに追従 しないよ う 大きい時定数を通 してフ ィ ー ドバック を掛ければ、 脈流をスィ ツチ ングする こ と にな り 、 力率が向上 して好ま しい。 むろんスィ ッチン グ素子 5 0 1 側のサ一ボは早い方がリ ッ プルを効果的にキャ ンセル するのは当然である。

以上の実施例では全て リ ッ プルの削減にフ ィ ー ドバ ッ ク による方 法で行っているが、 第 9 図は第 3 図の実施例をも と に制御方法を高 度に したものでその制御部分のみを示 している。 正確な リ ッ プルキ ヤ ンセル用の比較信号と して脈流電圧と消費電流と を乗算 したもの を加え、 平滑コ ンデンサと直列に電流検出用の抵抗を挿入 した信号 の双方を制御信号に加える こ と で、 さ らに力率も改善 している。 つ ま り 、 リ ッ プルの様に予め分かっているものは予測によ る制御の方 が、 フ ィ ー ドバッ ク制御よ り も コ ス トアッ プにはなるものの正確で あり、 かつ容易でもある。

まずは、 加算器 9 0 7 の b と c の入力は無いものとする。 これは 第 3 図の実施例に使われている一般的な P W Mである。 発振器 9 0 1 から出た三角波は、 コ ンパ レータ 9 0 2 の +側に接続され、 一側 は加算器 9 0 7 の o に接続されて、 この出力パルスでスィ ツチング 素子 3 0 1 を駆動している。 も し、 2次側の出力電圧が高く なると、 フォ トカ プラー 9 0 5 は明る く な リ 抵抗 9 0 6 の電位は上がり 、 加 算器 9 0 フ を通ってコ ンパレータ 9 0 2 の一側の電位を上げる。 こ れによ り 、 スイ ッチング素子 3 0 1 のディ ユーティ ーサイ クルが下 がって出力電圧を下げるサーボループが形成されている。 脈流電圧 は、 抵抗 9 1 2 と 9 1 3 で分圧され乗算器 9 0 8 に入る。 も う 一方 の入力は電流検出抵抗 9 0 4 で消費電流分を取 り だ し、 抵抗 9 1 0 と コ ンデンサ 9 1 1 のローパスフ ィ ルターで直流成分のみを検出 し、 増幅器 9 0 9 で増幅され、 乗算器 9 0 8 に入り 、 双方が乗算される。 この積が、 加算器 9 0 フ の b に入るので、 消費電流に見合った リ ツ プルキャ ンセル用の信号と なる。 なお、 この時消費電流の検出は、 抵抗 9 0 4 で検出 しているが、 検出はこ こ に限定される ものではな く 、 他の方法、 例えばカ レン ト トラ ンスによってよい。

加算器 9 0 7 の c 入力は、 平滑コ ンデンサ 1 0 フ に直列に接続 し た抵抗 9 1 4 によ り 、 このチャージの量と タ イ ミ ングを検出 して加 え られる。 したがって、 この間はディュ一テ ィ 一サイ ク ルが下がる こ と になつて、 入力電流波形は滑らかにな り 、 力率を向上させる （図 1 3 のお側の波形）。

また、 乗算器と増幅器を省略する こ と で、 定格出力時に絞って リ ッ プルをキャ ンセルする よ う 一定の脈流を比較信号に加える と いつ た構成にする こ と もできる。 なお、 共振型の場合は 9 0 1 、 9 0 2 を V C Oに入れ換えれば同様の動作をさせる こ とができる。

従来の 2 コ ンバータ 一方式はアク ティ ブフ ィ ルタ 一部も D C — D C コ ンバータ部もほぼ同 じ電力量を扱っている。 本発明はァク ティ ブフ ィ ルタ一部は従来よ り 少ない電力量を扱い、 D C — D C コ ンパ 一タ ー部は リ ッ プルの補正分のみを极うため、 半分以下で こ と 足 り る。 このよ う に合成 して出力 を取 り 出すため、 効率の向上のみなら ず装置の小型化、 し いてはコ ス ト ダウ ンにもなる。 この方式は従来 の 2 コ ンバータ に比べ、 力率や高調波電流は及ばないものの規制値 は十分に満足させる こ とができる。

なお、 異なった電源の並列動作は、 も しも 2 つの電圧が異なつた 場合にシ ョ ー トするかのよ う に心理的に不安を もた らすため、 これ まで使われなかった。 しか し、 スイ ッチング電源の場合はダイォー ドが必ずあるのでこの心配は全 〈 無い。 直列動作についても安全に 合成する こ とができる。 産業上の利用可能性

本発明によれば必要な力率を確保 しながら、 保持時間と リ ッ プル 性能も上げながら効率を高める こ と と 、 装置の小型化ゃコ ス ト ダウ ンもできる。 またフ ライ バッ ク方式と フ ォ ヮ一 ド方式の出力回路を 合わせ持ち、 これら を並列に接続する こ と で、 トラ ンスの効率を向 上させながら、 制御の易 し さ を確保するので、 C レスコ ンバータ一 や部分共振技術との組み合わせが容易であ り 、 高効率で発熱の少な いしかも信頼性の高い電源装置を得るこ とができる。

Claims

請 求 の 範 囲

1 . A C — D C コ ンバータ またはイ ンバ一タ 方式の照明器具にお いて、 A C電源を整流 した平滑作用の少ない第 1 の電源を利用する 第 1 のスイ ッチング ト ラ ンスまたはチ ヨ 一ク コ イルをスイ ッチング 手段にて動作させ、 これから発生するエネルギーの一部および Zま たは A C電源か ら第 2 の整流器を通 し平滑作用の多い第 2 の電源を 利用する第 2 のスィ ツチング ト ラ ンスまたはチ ョ ーク コ イルの双方 を前記スイ ッチング手段にてスイ ッチング し、 第 1 、 第 2 のスイ ツ チング ト ラ ンスまたはチ ョ ーク コ イ ルの出力 を合成 して用いる こ と を特徴とする電源装置。

2 . A C — D C コ ンバータ またはイ ンバ一タ 方式の照明器具にお いて、 A C電源を整流し、 平滑作用の少ない第 1 の電源を利用する 第 1 のスイ ッチング ト ラ ンスまたはチ ョ ーク コ イルを、 第 1 のスィ ツチング手段にて動作させ、 これから発生するエネルギーの一部お よびノまたは A C電源から第 2 の整流器を通 し平滑作用の多い第 2 の電源を利用する第 2 のスィ ツチング ト ラ ンスまたはチ ョ ーク コ ィ ルを第 2 のスィ ツチング手段にてスィ ツチング して得られた出力の 2つの出力を合成して用いる こ と を特徴とする電源装置。

3 . A C — D C コ ンバータ またはイ ンバ一タ方式の照明器具にお いて、 A C電源を整流 し、 平滑作用の少ない第 1 の電源を利用する 第 1 のスイ ッチング トラ ンスまたはチ ョ ーク コ イ ルを、 スィ ッチン グ手段にて動作させ、 これから発生する出力と、 A C電源を整流し、 平滑作用の多い第 2 の直流出力の 2 つの出力を合成 して用いる こ と を特徴とする電源装置。

4 . 請求項 3 に記載の電源装置において、 第 2 の電源が倍電圧以 上で整流されるものであるこ と を特徴とする電源装置。

5 . 請求項 3 に記載の電源装置において、 第 2 の電源が両波整流 の場合は、 第 1 の電源に トラ ンスを用いる こ と を特徴とする電源装 置。

6 . 請求項 1 ない し 5 に記載の電源装置において、 商用電源から の り ッ プル信号成分を乗除算または加減算 し、 この信号をスィ ツチ ング動作の変調手段と して用いたこ と を特徴とする電源装置。

7 . 請求項 2 ない し 6 に記載の電源装置において、 双方の電源の 平均電流の割合を決める制御手段かまたは、 一方の電源回路の平均 電流に、 他方の電源回路の平均電流も応 じて増減する制御手段を有 する こ と を特徴とする電源装置。

8 . 平滑コ ンデンサを有 しない A C — D C コ ンバータ において、 フライバッ ク コ ンバータ と フ ォ ヮ一 ドコ ンバータ の 2 つの出力回路 を具備 し、 かつこれらの出力 を合成 して用いる こ と を特徴とする電 源装置。

9 . 1 石式の部分共振をさせたスイ ッチング電源において、 フラ イ ノくック コ ンバータ一と フ ォ ワー ドコ ンバータ の 2 つの出力回路を 具備 し、 かつこれらの出力を合成 して用いる こ と を特徴とする電源 装置。