JP2000037072A - 電力変換回路 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】力率を限りなく１に近付け、入力電流の高調波
歪みを抑圧し、かつ起動時や無負荷時に安定した直流電
圧出力が可能な電力変換回路を提供すること。 【解決手段】整流器２は入力交流信号を全波整流した交
流電圧を出力する。コイル３とダイオード４とコンデン
サ５とＭＯＳＦＥＴスイッチ７により、入力交流電力を
出力直流電力に変換し、直流負荷６に供給する。直流電
圧検出回路１４により得られる直流出力に比例した信号
により、交流電流検出回路２０で得られる交流電流相似
信号を、乗算器２１により減衰制御する。この減衰制御
された交流電流相似信号と、交流電圧検出回路１９で得
られる交流電圧相似信号とを比較回路２２により比較
し、その誤差出力は、パルス幅変調器２３の駆動を制御
する。パルス幅変調器２３は、上記誤差出力に応じたデ
ューティパルスを出力し、ＭＯＳＦＥＴスイッチ７を制
御する。

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、交流入力電力を
直流出力電力に変換する電力変換回路に関する。

【０００２】

【従来の技術】図５は、従来の昇圧型ＡＣ／ＤＣコンバ
ータを示す回路ブロック図である。交流信号１を入力す
る整流器２の出力端子（２ａ，２ｂ）間と、直流負荷６
の端子（６ａ，６ｂ）間との間において、昇圧コイル３
と、ダイオード４と、出力コンデンサ５及び電流分路ス
イッチ７により、ＡＣ／ＤＣコンバータを構成してい
る。

【０００３】整流器２の一方出力端子２ａと直流負荷６
の一方端子６ａとの間に昇圧コイル３とダイオード４が
直列接続されている。整流器２の他方出力端子２ｂと直
流負荷６の他方端子６ｂ間には抵抗８が接続されてい
る。直流負荷６の端子（６ａ，６ｂ）間にはコンデンサ
５が接続されている。

【０００４】昇圧コイル３とダイオード４の接続点と、
直流負荷６の他方端子６ｂと抵抗８の接続点の間に昇圧
コイル３と直列に接続する電流分路スイッチ（ＭＯＳＦ
ＥＴスイッチ）７の導通路が設けられている。

【０００５】上記ＭＯＳＦＥＴスイッチ７の導通期間を
制御するパルス幅変調器を含む制御機構が設けられてい
る。交流電圧検出回路９は、整流器２の一方出力端子２
ａの信号を入力する。交流電圧検出回路９の出力は乗算
器１１の一方入力に供給される。

【０００６】直流電圧検出回路１４は、ダイオード４と
直流負荷６の一方端子６ａの接続点である直流出力端子
１６の信号を入力する。直流電圧検出回路１４には基準
電圧発生回路１５による基準電圧が供給される。これに
より、直流電圧検出回路１４は、基準電圧と比較して得
られる直流出力に比例した信号出力を得る。この直流電
圧検出回路１４の出力は、乗算器１１の他方入力に供給
される。

【０００７】交流電流検出回路１０は、整流器２の他方
出力端子２ｂの信号を入力する。交流電流検出回路１０
の出力と上記乗算器１１の出力は、比較回路１２のそれ
ぞれの入力となる。比較回路１２の出力はパルス幅変調
器１３に入力される。このパルス幅変調器１３の出力が
ＭＯＳＦＥＴスイッチ７のゲートを制御する。

【０００８】パルス幅変調器１３は、ＭＯＳＦＥＴスイ
ッチ７に対して、比較回路１２による交流電流検出回路
１０の出力と乗算器１１の出力との差信号に応じたデュ
ーティパルスを提供する。デューティパルスは、入力交
流電圧及び直流負荷電圧の変動に対して一定周期で連続
的に補償するパルス幅制御信号である。このような構成
により、交流電流波形が交流電圧波形に一致するように
制御される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記構成では、パルス
幅制御を行う制御信号が、交流電圧検出回路９による入
力電圧と、直流電圧検出回路１４による出力電圧との積
に比例したものとなる（電圧の２乗特性となってい
る）。起動時や無負荷状態では、入力交流電流はほぼ０
なので入力交流電流検出ができないことを考慮すると、
上記構成の場合、出力電圧が出力電圧自身で決まること
になる。この結果、起動時等で、出力電圧が変動し、不
安定状態にあると、不安定状態を持続してしまう問題が
ある。

【００１０】この発明は、上記のような事情を考慮して
なされたものであり、その課題は、力率を限りなく１に
近付け、入力電流の高調波歪みを抑圧することはもとよ
り、起動時や無負荷時の条件においても安定した直流電
圧出力が可能な電力変換回路を提供することである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明では、負荷端子
間に接続される直流負荷に印加する、交流入力電力を直
流出力電力に変換する電力変換回路において、交流入力
電力を受ける入力、及び全波整流された交流電圧を発生
する出力を有する整流器と、前記整流器の出力と負荷端
子の一方の間に直列に接続された昇圧コイル及びダイオ
ードと、前記負荷端子の間に接続されたコンデンサと、
前記整流器の出力の間に前記昇圧コイルと直列に接続さ
れるスイッチング回路及び抵抗と、前記昇圧コイルを流
れる電流に相似した第１の信号を発生する電流検出回路
と、前記全波整流された交流電圧に相似した第２の信号
を発生する電圧検出回路と、前記負荷端子に現れる直流
電圧に相似した第３の信号を発生する電圧検出回路と、
前記第１の信号と第３の信号との積に相当する第４の信
号を発生する乗算器と、前記第２の信号と前記第４の信
号との差を表す第５の信号を発生する比較回路と、前記
第５の信号に応じてパルス幅を変化させた第６の信号を
発生するパルス幅変調器とを具備し、前記第６の信号に
よるパルス幅出力の期間に前記スイッチング回路を導通
させ、前記コイルに流れる電流波形を前記全波整流され
た交流電圧の波形と同形になるようにすることを特徴と
する。

【００１２】この発明では、起動時や無負荷状態におい
て、入力交流電流はほぼゼロで入力交流電流検出ができ
なくても、パルス幅制御を行う制御信号は、入力電圧に
比例したものとなる（電圧の１乗特性）。この場合、出
力電圧は入力電圧に依存したものとなり、出力電圧は安
定度がよい。

【００１３】

【発明の実施の形態】図１は、この発明の電力変換回路
に係る昇圧型ＡＣ／ＤＣコンバータを示す回路ブロック
図である。交流入力１が入力される整流器２の出力端子
（２ａ，２ｂ）間と、直流負荷６の端子（６ａ，６ｂ）
間との間において、昇圧コイル３と、ダイオード４と、
出力コンデンサ５及び電流分路スイッチ７により、ＡＣ
／ＤＣコンバータを構成している。

【００１４】整流器２の一方出力端子２ａと直流負荷６
の一方端子６ａとの間に昇圧コイル３とダイオード４が
直列接続されている。整流器２の他方出力端子２ｂと直
流負荷６の他方端子６ｂ間には抵抗８が接続されてい
る。直流負荷６の端子（６ａ，６ｂ）間にはコンデンサ
５が接続されている。

【００１５】昇圧コイル３とダイオード４の接続点と、
直流負荷６の他方端子６ｂと抵抗８の接続点の間に昇圧
コイル３と直列に接続する電流分路スイッチ（ＭＯＳＦ
ＥＴスイッチ）７の導通路が設けられている。

【００１６】上記ＭＯＳＦＥＴスイッチ７の導通期間を
制御するパルス幅変調器を含む制御機構が設けられてい
る。交流電流検出回路２０は、整流器２の他方出力端子
２ｂの信号を入力する。交流電流検出回路２０の出力は
乗算器２１の一方入力に供給される。

【００１７】直流電圧検出回路１４は、ダイオード４と
直流負荷６の一方端子６ａの接続点である直流出力端子
１６の信号を入力する。直流電圧検出回路１４には基準
電圧発生回路１５による基準電圧が供給される。これに
より、直流電圧検出回路１４は、基準電圧と比較して得
られる直流出力に比例した信号出力を得る。この直流電
圧検出回路１４の出力は、乗算器２１の他方入力に供給
される。

【００１８】交流電圧検出回路１９は、整流器２の一方
出力端子２ａの信号を入力する。交流電圧検出回路１９
の出力と上記乗算器２１の出力は、比較回路２２のそれ
ぞれの入力となる。比較回路２２の出力はパルス幅変調
器２３に入力される。このパルス幅変調器２３の出力が
ＭＯＳＦＥＴスイッチ７のゲートを制御する。

【００１９】パルス幅変調器２３は、ＭＯＳＦＥＴスイ
ッチ７に対して、比較回路２２による交流電圧検出回路
１９の出力と乗算器２１の出力との差信号に応じたデュ
ーティパルスを提供する。デューティパルスは、入力交
流電圧及び直流負荷電圧の変動に対して一定周期で連続
的に補償するパルス幅制御信号である。このような構成
により、交流電流波形が交流電圧波形に一致するように
制御される。

【００２０】この発明では、直流電圧検出回路１４によ
り得られる直流出力に比例した信号により、交流電流検
出回路２０で得られる交流電流相似信号を乗算器２１に
より減衰制御する。この減衰制御された交流電流相似信
号と、交流電圧検出回路１９で得られる交流電圧相似信
号とを比較回路２２により比較する。比較回路２２によ
り得られる誤差出力は、パルス幅変調器２３の駆動を制
御する。パルス幅変調器２３は、上記誤差出力に応じた
デューティのパルスを出力する。このパルス出力がＡＣ
／ＤＣコンバータ部のＭＯＳＦＥＴスイッチ７を制御す
る。

【００２１】電力変換の作用は次のようである。ＭＯＳ
ＦＥＴスイッチ７の導通時に、昇圧コイル３に、入力電
圧に比例したエネルギーを蓄え、スイッチ７が非導通の
ときに昇圧コイル３に蓄えたエネルギーを出力コンデン
サ５に放出する。このエネルギー伝達作用が電力伝達を
行っている。エネルギーを蓄える時と、放出する時に、
同じ大きさの回路電流が流れ、これが入力交流電流とな
る。

【００２２】すなわち、整流器２の端子２ｂ側に接続さ
れた抵抗８には、上記入力交流電流が流れる。従って、
抵抗８の端子２ｂ側の端部において入力交流電流に比例
した波形が得られ、これを交流電流検出回路２０により
第１の信号として取り出し、乗算器２１により減衰ある
いは増幅して交流電流相似波形を得る。

【００２３】一方、整流器２の出力と昇圧コイル３の間
には全波整流された交流電圧が発生しているので、交流
電圧検出回路１９により、交流電圧相似波形の第２の信
号を得る。

【００２４】交流電流検出回路２０で得られた交流電流
相似波形の第１の信号は乗算器２１に入力される。この
乗算器２１を制御するのは、直流電圧検出回路１４の出
力信号（第３の信号）である。乗算器２１の出力（第４
の信号）は比較回路２２の一方入力である。

【００２５】比較回路２２で、交流電流相似波形の第４
の信号と、交流電圧相似波形の第２の信号を比較して第
５の信号を得る。この第５の信号がパルス幅変調器２３
の電圧信号を制御する。パルス幅変調器２３の電圧信号
（第６の信号）は、一定周波数において変化するデュー
ティパルスとなり、ＭＯＳＦＥＴスイッチ７のオン／オ
フを制御する。

【００２６】従って、上記交流電流相似波形の第４信号
と交流電圧相似波形の第２信号が一致するように、ＭＯ
ＳＦＥＴスイッチ７のオン／オフが制御されるので、交
流入力電流は交流入力電圧と相似することになり、力率
が限りなく１に近づくことになる。これにより、高調波
電流を減少させる。同時に、直流出力は基準電圧に比例
した値になるように制御されるので、安定した直流電圧
となる。

【００２７】なお、上記パルス幅変調器２３の電圧信号
（第６の信号）は、力率改善を目的とする平滑用のコン
デンサ５への交流入力のチョッピング制御信号であるの
で、上記一定周波数は、当然、交流入力１の周波数より
大きい。

【００２８】また、このパルス幅変調器２３の電圧信号
（第６の信号）は、外部からの一定の周波数信号に同期
させると好ましい場合がある。例えば、電源波形をモニ
タでディスプレイする場合、その水平走査周波数とこの
パルス幅変調器２３の電圧信号を同期させる。これによ
り、水平走査のブランキング期間にＭＯＳＦＥＴスイッ
チ７におけるスイッチングノイズを挿入することがで
き、スイッチングノイズの影響でディスプレイが乱れる
ことはない。

【００２９】図２は、この発明の第２の実施形態に係る
構成を示す回路ブロック図であり、図１の変形例を示し
ている。図１の構成に比べて、交流電圧検出回路２０の
入力が、整流器２の入力間に接続している点が異なる。
その他の構成は図１と同様である。

【００３０】上記構成によっても、図１の構成と全く同
様の動作が実現でき、図１の構成と同様の効果が得られ
る。なお、上記２つの実施形態において乗算器２１は減
衰作用を主に示したが、入力交流電圧が小さい場合、増
幅動作も可能である。

【００３１】上記各実施形態の構成によれば、直流出力
電圧を検出し、基準電圧と比較して得られる第３の信号
に応じ、入力交流電流を検出した第１の信号を減衰また
は増幅して入力交流電流波形に相似した第４の信号を得
る。この第４の信号と入力交流電圧波形に相似した第２
の信号とを比較し、その誤差出力として第５の信号を得
る。第５の信号で、コンバータ部へのパルス幅制御を行
う第６の信号を生成する。デューティ制御パルスとなっ
た第６の信号により分路スイッチが切り換えられ、入力
交流電流が入力交流電圧に相似するように働き、入力電
力の力率を限りなく１に近づけ、入力高調波電流を削減
する。

【００３２】さらに、この発明では、起動時や無負荷状
態において、入力交流電流はほぼゼロで入力交流電流検
出ができなくても、パルス幅制御を行う制御信号は、入
力電圧に比例したものとなる（電圧の１乗特性）。この
場合、出力電圧は入力電圧に依存したものとなり、出力
電圧は安定度がよい。

【００３３】すなわち、従来の図５の構成の技術では、
図４に示すように、直流出力Ｖｏは、乗算器１１に入力
される電圧系をｘ，ｚ、比較回路１２への電流系をｙと
すると、Ｖｏ＝Ｋ（ｚ・ａｘ＋ｂｙ）…（１）と表わす
ことができる。

【００３４】起動時や無負荷時を考えると、負荷電流は
ゼロであるので、上記（１）式において、電流ｙ＝０と
おくと、 Ｖｏ＝Ｋ・ｚ・ａｘ …（２） となり、出力電圧が入力電圧と出力電圧の積で決まる電
圧の２乗特性となり、不安定な回路となり、起動時など
は、安定するまで動作を待機したり、ダミーの負荷を接
続する等の方策が必要である。

【００３５】これに対して、本発明の構成の技術の図１
や図２では、図３に示すように、直流出力Ｖｏは、乗算
器２１に入力される電流系ｙ及び電圧系ｚ、比較回路２
２への電圧系ｘとなるから、 Ｖｏ＝Ｋ（ｚ・ａｙ＋ｂｘ） …（３） と表わすことができる。

【００３６】起動時や無負荷時を考えると、負荷電流は
ゼロであるので、上記（３）式において、電流ｙ＝０と
おくと、 Ｖｏ＝Ｋ・ｂｘ …（４） となり、出力電圧が入力電圧のみに依存している（電圧
の１乗特性）。つまり、本発明の回路構成によれば、起
動時や無負荷時の条件において、回路の関数が単純であ
り、安定性に優れている。これにより、起動時や無負荷
時の上記従来の方策も必要ない。

【００３７】上述のようにこの発明によれば、起動時や
無負荷状態において、入力交流電流はほぼゼロで入力交
流電流検出ができなくても、入力交流電流を入力交流電
圧に一致させるようにするためのパルス幅制御を行う制
御信号は、入力電圧に比例したものとなる。よって、出
力電圧は入力電圧に依存したものとなり、出力電圧は安
定度に優れる。

【００３８】

【発明の効果】以上、説明したようにこの発明によれ
ば、起動時や無負荷時の条件においても安定した直流電
圧出力が可能で、かつ、入力電流の高調波歪みを抑圧
し、力率を限りなく１に近付ける電力変換回路を提供す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１の実施形態に係る昇圧型ＡＣ／
ＤＣコンバータを示す回路ブロック図。

【図２】この発明の第２の実施形態であり、図１の構成
の変形例を示す回路ブロック図。

【図３】この発明の効果の一つを説明するための制御動
作に関するブロック概念図。

【図４】図３に比較して説明するための図５の従来技術
の制御動作に関するブロック概念図。

【図５】従来の昇圧型ＡＣ／ＤＣコンバータを示す回路
ブロック図。

【符号の説明】

１…交流入力 ２…整流器 ３…昇圧コイル ４…ダイオード ５…出力コンデンサ ６…直流負荷 ７…電流分路スイッチ（ＭＯＳＦＥＴスイッチ） ８…抵抗 １４…直流電圧検出回路 １５…基準電圧発生回路 １６…直流出力端子 １９…交流電圧検出回路 ２０…交流電流検出回路 ２１…乗算器 ２２…比較回路 ２３…パルス幅変調器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 岡田 利光 東京都港区新橋３丁目３番９号 東芝エ ー・ブイ・イー株式会社内 Ｆターム(参考） 5H006 AA02 CA02 CA07 CB01 CB03 CC02 CC08 DA02 DA04 DC02 DC05 5H730 AA18 BB14 BB57 CC04 DD04 FD01 FD11 FD41 FG05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 負荷端子間に接続される直流負荷に印加
   する、交流入力電力を直流出力電力に変換する電力変換
   回路において、 交流入力電力を受ける入力、及び全波整流された交流電
   圧を発生する出力を有する整流器と、 前記整流器の出力と負荷端子の一方の間に直列に接続さ
   れた昇圧コイル及びダイオードと、 前記負荷端子の間に接続されたコンデンサと、 前記整流器の出力の間に前記昇圧コイルと直列に接続さ
   れるスイッチング回路及び抵抗と、 前記昇圧コイルを流れる電流に相似した第１の信号を発
   生する電流検出回路と、 前記全波整流された交流電圧に相似した第２の信号を発
   生する電圧検出回路と、 前記負荷端子に現れる直流電圧に相似した第３の信号を
   発生する電圧検出回路と、 前記第１の信号と第３の信号との積に相当する第４の信
   号を発生する乗算器と、 前記第２の信号と前記第４の信号との差を表す第５の信
   号を発生する比較回路と、 前記第５の信号に応じてパルス幅を変化させた第６の信
   号を発生するパルス幅変調器とを具備し、 前記第６の信号によるパルス幅出力の期間に前記スイッ
   チング回路を導通させ、前記コイルに流れる電流波形を
   前記全波整流された交流電圧の波形と同形になるように
   することを特徴とする電力変換回路。
2. 【請求項２】 前記乗算器は、前記第３の信号に応じて
   前記第１の信号の増幅または減衰を行い、第４の信号を
   出力することを特徴とする請求項１記載の電力変換回
   路。
3. 【請求項３】 パルス幅出力を有する第６の信号の周波
   数が、外部からの一定の周波数信号に同期しており、そ
   の周波数は交流入力電力の周波数を越えていることを特
   徴とする請求項１記載の電力変換回路。